Методы решения проблемы экономичного вождения на основе математического моделирования

© 2015

EXTENSIVE AND INTENSIVE FACTORS OF DEVELOPMENT OF GRAIN SUBSECTOR

I. G. Generalov, lecturer of the chair « Economcs and automation of business processes»,

postgraduate student

S. A. Suslov, the candidate of economic sciences, the associate professor of the chair «Economics and automation of business processes»

Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino

Annotation. A breadbasket of grain in the Russian Federation are the regions of the Chernozem zone. Nizhny Novgorod region is the largest agriculture of non-Chernozem region of the Russian Federation, pays special attention to the development of the grain sub-sector. Undoubtedly, the efficient and competitive functioning of the grain production is the basis of increasing food security.

Gross harvest separately for the crops shows a steady decline, and in particular winter crops. From the total number of municipalities in the region have highlighted several areas - «barn», which on this indicator is significantly ahead of other municipalities.

Common grading factors in the economy and the economy is considered to be division into extensive and intensive. The main factor in the extensive production of grain is the dynamics of crops, and intensive are formed from quality: improvement of material and technical base, the use of fertilizers and protection chemicals, etc. and Extensive factors in the production of grain manifested in positive dynamics of growth of cultivated areas in the period 2004-2013 In the article it is noted that the reduction in gross yield in the Nizhny Novgorod region to a greater extent influenced by the reduction of the level of factor intensive production, as evidenced by the decrease of the material-technical base and the application rates of both organic and mineral fertilizers.

In 2013 agricultural organizations of the Nizhny Novgorod region for the last five years have been able to increase its own profits. as well as the profitability of production and sales, which is the result of growth in grain prices in the region.

In the article special attention is paid to changes in the presence of competitors in the grain market. The authors found that the grain market in the Nizhny Novgorod region is unstable, as evidenced by a large number of liquidated agricultural organizations engaged in the production of grain.

Keywords: agrarian and industrial complex, gross collecting, grain, intensive factors, food security, region, agricultural organization, productivity of grain, factor, extensive factors, efficiency.

УДК 656.13: 629.07

МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЭКОНОМИЧНОГО ВОЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2015

В. Г. Доронкин, старший преподаватель кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей»

А. П. Караченцев, старший преподаватель кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей» Н. В. Колачева, кандидат педагогических наук, доцент кафедры «Высшая математика и математическое моделирование»

Тольяттинский государственный университет, Тольятти

Аннотация. Вопросам экономии топлива посвящено множество научных работ, большинство из которых предлагают мероприятия на стадиях проектирования и производства автомобилей, а также касаются влияния технического состояния автомобиля на расход топлива. В современной отраслевой литературе имеется много устаревших рекомендаций по экономии топлива. Данная публикация рассматривает задачи обеспечения экономии топлива после ввода автомобиля в эксплуатацию. Уменьшение расхода топлива при эксплуатации автомобилей - важный элемент ресурсосбережения и экологии. Актуальность выбранной темы основана на том, что проблема обучения водителя приемам экономичного вождения до сих пор достаточно не освещена. Целью работы является разработка рекомендаций по экономии топлива на корпоративном уровне. В исследовании обоснована важность обучения водителей экономичному вождению. Авторами анализируются и ранжируются основные факторы, позволяющие снизить расход топлива в процессе экс-

32

плуатации автомобиля. Работа посвящена созданию методики синтеза «идеального» экономичного водителя, а также определению меры экономичности вождения испытуемого водителя. Ожидается, что разработанные методы не будут содержать элементов субъективности при оценке экономичности вождения. Опираясь на математическую модель «идеального» водителя, авторы предлагают использовать критерии оценки мастерства вождения как элемента ресурсосбережения, а также количественную меру мастерства экономного вождения. Подготовленные рекомендации по обучению экономичному вождению можно использовать в специальных тематических курсах при дополнительном обучении водителей.

Ключевые слова: безопасность дорожного движения, мастерство вождения автомобиля, непрерывная подготовка водителей, обучение водителей автомобилей, расход топлива, ресурсосбережение, техническое состояние автомобиля, экономия топлива, эксплуатация автомобилей, энергоэффективность.

Снижение расхода топлива при эксплуатации автомобилей - важный элемент ресурсосбережения и экологии. Вопросы топливной экономичности решаются на всех уровнях управления автомобильным транспортом:

- общенациональном;

- региональном;

- корпоративном;

- персональном.

В настоящее время большинство рекомендаций, предлагаемых отраслевой наукой, предполагают, как правило, мероприятия на стадиях проектирования и производства автомобилей. Целью данной публикации является разработка мероприятий, позволяющих обеспечить экономию топлива после ввода автомобиля в эксплуатацию.

Как известно, на расход топлива при эксплуатации автомобиля влияют следующие основные факторы:

1. Соответствие марки топлива автомобилю и времени года.

2. Качество топлива.

3. Техническое состояние автомобиля.

4. Мастерство водителя.

5. Дорога и условия среды.

6. Рациональная организация транспортной работы.

В рамках данной работы предлагаются решения, позволяющие снизить расход топлива на корпоративном уровне, при планировании мероприятий по обучению водителей и организации работы технической службы. Если вопрос влияния технического состояния автомобиля на расход топлива в отраслевой литературе подробно и всесторонне рассмотрен [1, 2], то проблема обучения водителя приемам экономичного вождения до сих пор достаточно не освещена.

Объективные факторы, для которых предусмотрено нормативное повышение расхода топлива, приводятся в руководящих документах [3]. Сюда относится работа автомобиля в зимнее время

года, на высокогорье, в бездорожье, на дорогах с большим числом поворотов и закруглений, в условиях городского движения, при технологической необходимости частых остановок, при движении с малыми скоростями и задним ходом, при перевозке нестандартных грузов, при обкатке новых и эксплуатации старых автомобилей, при учебной езде и т. п. Большое влияние на экономичность имеют правильный выбор топлива и его соответствие качественным показателям [4].

Основные факторы, влияющие на расход топлива, связаны с механическими потерями в двигателе и трансмиссии, а также с преодолением сопротивления движению автомобиля. Расход топлива при преодолении сопротивления движению складывается из расходов на преодоление сопротивления качению, аэродинамического сопротивления и сил инерции.

Топливный баланс автомобиля, как известно, характеризуется следующей зависимостью:

Qz = Одв + Отр + Qf + Qw + Qj + Qa,

где Qz - суммарный расход топлива на движение автомобиля; Q№ - расход топлива на преодоление механических, тепловых и насосных потерь в двигателе; Q^, - расход топлива на преодоление механических потерь в трансмиссии; Qf -расход топлива на преодоление сопротивления качению; Qw - расход топлива на преодоление аэродинамического сопротивления; Qj - расход топлива на преодоление сил инерции автомобиля; Qa - расход топлива на преодоление подъемов и спусков.

Техническое состояние и качество регулировок в элементах трансмиссии и ходовой части влияют на экономичность автомобиля. Непроизводительные потери мощности двигателя по этим причинам могут достигать 15-25 %. Агрегаты и механизмы шасси должны обеспечивать легкость хода автомобиля. Всякое дополнительное сопротивление в узлах и агрегатах может вызываться износом деталей, а также неправильной регулировкой, сборкой или плохой смазкой. Легкость хода

33

удобно оценивать по выбегу автомобиля - чем лучше техническое состояние шасси, тем больше путь выбега.

Важнейшим фактором снижения расхода топлива является мастерство водителя [5], которое даёт до 25 % экономии. Для этого в любой транспортной системе большое внимание уделяется одному из ее главных элементов - подготовке водителя [6]. С начала автомобилизации принципы управления автомобилем и основные подходы к обучению экономичному вождению мало изменились [7, 8]. При обучении начинающего водителя, согласно действующей Примерной программе подготовки [9], вопросы экономии топлива рассматриваются при изучении теоретических дисциплин (учебных предметов) «Основы управления транспортными средствами», «Организация и выполнение грузовых перевозок автомобильным транспортом» и «Организация и выполнение пассажирских перевозок автомобильным транспортом».

Тема «Принципы эффективного и безопасного управления транспортным средством» учебного предмета «Основы управления транспортными средствами» рассматривает направления:

- снижение эксплуатационного расхода топлива - действенный способ повышения эффективности управления транспортным средством;

- проблемы экологической безопасности;

- принципы экономичного управления транспортным средством;

- факторы, влияющие на эксплуатационный расход топлива.

Тема «Диспетчерское руководство работой подвижного состава» учебного предмета «Организация и выполнение грузовых перевозок автомобильным транспортом» раскрывает следующие вопросы:

- нормы расхода топлива и смазочных материалов для автомобилей;

- мероприятия по экономии топлива и смазочных материалов, опыт передовых водителей.

В учебном предмете «Организация и выполнение пассажирских перевозок автомобильным транспортом» тема «Работа такси на линии» обращает внимание на:

- нормы расхода топлива и смазочных материалов для автомобилей, используемых в качестве легкового такси;

- мероприятия по экономии топлива и смазочных материалов, опыт передовых водителей.

Выполнение требований Примерной программы при обучении начинающих водителей дает им только общее представление о путях снижения

расхода топлива. Естественно, что приоритетом при подготовке кандидатов в водители является их обучение безопасным приемам вождения [10]. Для фактического повышения топливной экономичности необходимо совершенствование мастерства вождения в системе непрерывной подготовки водителя.

Предлагается следующий подход к оценке уровня экономичности вождения и необходимости дальнейшего обучения.

Мастерство вождения автомобиля многомерно, т. е. при геометрическом изображении его можно представить точкой в пространстве с числом измерений, равным числу параметров, используемых для его описания [11, с. 180]. В этом пространстве располагаются как точка, представляющая идеального по всем параметрам водителя, так и точка, представляющая испытуемого водителя.

Экономичное вождение - одна из составляющих мастерства вождения, которую тоже можно представить вектором. При моделировании «идеального водителя» экономичное вождение состоит из нескольких основных элементов:

1. Грамотное переключение передач.

2. Использование наката.

3. Минимальное применение экстренного торможения.

4. Преимущественное движение на повышенной передаче.

5. Выбор экономичной скорости движения и

т. д.

Мастерство экономичного вождения предлагается оценивать по n направлениям следующим образом. Если представить водителя точкой в n-мерном пространстве, тогда координаты испытуемого водителя в этой системе могут быть получены при контрольных заездах на автомобиле с соответствующей измерительной аппаратурой. Для определения же координат абстрактного «идеального» водителя необходим синтез последнего, поскольку испытания даже наиболее квалифицированных водителей не могут дать его координат. Один из них, например, искусен в применении наката, другой - в минимальном торможении, третий - использовании коробки передач и т. д. и никто из них, очевидно, не представляет собой идеала.

Синтез такого «идеального» водителя начинается с испытаний на автомобиле с соответствующей измерительной аппаратурой водителей самой разной квалификации. Параметры вождения, регистрируемые измерительной аппаратурой, определяются для каждого водителя на специально выбранном испытательном маршруте.

34

По отобранным параметрам составляются уравнения регрессии путем аппроксимации их многочленом степени m [12, 13]. Дифференцированием этих уравнений определяется точка экстремума, которая признаётся принадлежащей характеристике «идеального», с точки зрения экономии топлива, водителя. Оси многомерной системы, каждая из которых относится к одному из рассматриваемых параметров, являются рёбрами «-мерного аналога прямоугольного параллелепипеда и на них наносятся соответствующие координаты точки экстремума [14]. Положение вершины этого параллелепипеда признается как положение «идеального» водителя.

Пусть точка А с координатами

представляет собой положение «идеального» водителя, а точка (х, у, z, ..., w) - положение испытуемого конкретного водителя. Координаты точки В -значения информативных параметров, полученные в результате испытания конкретного исследуемого водителя. Искусность водителя оценивается расстоянием, отличающим его от положения «идеального» водителя в многомерном пространстве.

Для удобства расчетов перейдем к безразмерной системе координат, для чего все переменные х =bi , у =b2 , z =b3 w =bn отнесем соответст-

венно к величинам X =а1, Y =a2, Z = a3,..., W = ап.

Тогда «идеальный» водитель в преобразованном пространстве будет характеризоваться точкой А (1, 1, 1,..., 1), то есть положение точки А задаст куб в n-мерном пространстве [15, 16]. Испытуемый водитель будет соответствовать точке B , Ь2 Ь3 .

( ,— г —, —). В этом случае расстояние L ме-

Gl' а2 аЭ аП

жду точками А и В определяется по формуле [17]:

Сравним величину L с длиной диагонали n-мерного куба, построенного по параметрам «идеального» водителя. Известно, что длина этой диагонали равна -yj'Yl. Применительно к нашим рассуждениям, п - число информативных параметров, характеризующих мастерство водителя, и поэтому удаление испытуемого водителя от «идеального» в долях длины диагонали п-мерного параллелепипе-

L.

да будет характеризоваться отношением ^=.

У и

Рассмотрим это отношение. Так как «идеальный» водитель находится в точке А, то L=0, а зна-L,

чит и отношение ^==0. Для условного «весьма У и

плохого» водителя точка В близка к началу коор-

т L ,

динат, а значит Ь=л/ ?1 и -==1, т.е. данное отноше-

У'п

ние будет изменяться в пределах

о< 4 < 1.

У и

Исходя из этих соображений, в качестве меры мастерства экономного вождения автомобиля предлагается число:

L,

э = 1 .

У11

Очевидно, что для любого водителя значение М будет находиться в пределах 0 < М < 1.

Заменив значение L её развёрнутым значением, получим:

Э=1-

.

В данной формуле предполагается, что

Ь1 < Q1,b1 < Й 2 ,Ь3 < а3,...,Ьл < ап .

Однако в действительности не все параметры испытуемого водителя могут быть меньше соответствующих параметров «идеального» водителя, т. е.

Ь<

может иметь место случай, когда > at.

Для того, чтобы формула (3) имела тот же вид и те же качественные результаты и в том случае, если — .> 1, с-

., при подсчете меры экономично-

ь- аг

сти вождения М дробь — заменяется дробью , и

С; Й,

тогда окончательно мера мастерства экономного вождения определится по формуле:

Э=1- I-

где

=

если

bt <at,

если bt > at

При разработке параметров экономичного вождения целесообразно разделять водителей на группы, так как в зависимости от класса автомобиля и выполняемой транспортной работы модели «идеального» водителя будут отличаться. После проведения проверки определенной группы водителей при движении по одному и тому же маршруту с фиксацией параметров, влияющих на топливную экономичность, можно смоделировать п-мерный вектор «идеального» экономичного вождения. Затем, сравнивая векторы каждого водителя с «идеальным», можно разработать персональную

35

методику обучения. Все отмеченные операции синтеза «идеального» экономичного водителя, а также определения меры экономичности вождения испытуемого производятся на компьютере, поэтому оценку можно произвести достаточно быстро. Ожидается, что предлагаемый метод не будет содержать элементов субъективности при оценке экономичности вождения.

Следует отметить, что, несмотря на появление разносторонних и развернутых публикаций по экономии топлива [18], в отраслевой литературе до сих пор можно встретить рекомендации, которые безнадежно устарели. Современные автомобили имеют достаточно совершенную конструкцию с точки удобства эксплуатации [19]. Например, двигатели современных автомобилей имеют электронную систему управления [20, 21] и не требуют длительного прогрева при пуске и перегазовки перед его остановкой, ну а советы по регулировке карбюратора сейчас представляют разве что исторический интерес.

Во время тестирования водителей на современных легковых автомобилях предлагаются следующие критерии экономичного вождения:

1. Эффективный пуск двигателя, без продолжительной работы стартера.

2. Трогание и начало движения (без работы на холостом ходу, без задержек, интенсивно, но без пробуксовки).

3. Эффективный разгон автомобиля с поддержанием оптимальной частоты вращения коленчатого вала.

4. Движение с постоянной скоростью, без необоснованных разгонов и торможений.

5. Поддержка оптимальной частоты вращения коленчатого вала.

6. Максимум движения на высшей передаче.

7. Минимум движения на промежуточных передачах.

8. Умение при переключении передач не допускать выхода из оптимального диапазона частоты вращения коленчатого вала.

9. При необходимости повышения скорости -выбор ускорения в пределах 0,9—1,5 м/с2.

10. При необходимости снижения скорости — выбор замедления в пределах 1,1—1,4 м/с2.

11. Отсутствие необоснованных перестроений и маневров во время движения.

12. Скорость движения, не превышающая верхнего оптимального предела 90—110 км/ч.

13. Максимальное использование торможения двигателем для снижения скорости, без применения рабочего тормоза.

14. Рациональное преодоление подъёмов (с разгона, без переключения передач).

15. Рациональное преодоление спусков (например — накатом, при необходимости применяя торможение двигателем на пониженной передаче).

16. Ограничение до минимума работы двигателя в режиме холостого хода на стоянках.

Некоторые критерии экономичного вождения находятся в конфликте с принципами безопасного вождения [22], а также необходимостью прохождения маршрута за минимальное время или снижения интенсивности износа деталей. В связи с этим для обучения экономичному вождению необходимо проводить специальные тематические курсы, при этом важной задачей является экономическое обоснование затрат на дополнительное обучение водителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аринин И. Н., Коновалов С. И., Баженов Ю. В. Техническая эксплуатация автомобилей. Ростов н/Д. : Феникс, 2004. 320 с.

2. Кузнецов Е.С., Воронов В.П., Болдин А.П. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов. М. : Транспорт, 1991. 413 с.

3. Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте. Руководящий документ Р3112194-0366-03.

4. Магарил Е. P. Влияние качества моторных топлив на эксплуатационные и экологические характеристики автомобилей : монография Е. P. Ма-гарил. М. : КДУ, 2008. 164 с.

5. Караченцев А. П., Доронкин В. Г. Оценка мастерства водителя автомобиля как элемент безопасности транспортных систем // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. — 2013. № 2 (24). С. 153—155.

6. Доронкин В. Г. Подготовка водителей как составной элемент современной городской транспортной системы. В сб. Стратегическое планирование развития городов России. Материалы Международной научной конференции. Тольятти, ТГУ, 2010. Т. 2. С. 84—89.

7. Грибов И. В. Управление автомобилем : Б-ка «За рулём», выпуск 15—18, 1934. 167 с.

8. Конев Б. Ф. Как экономить бензин при эксплуатации автомобиля. М. : Транспорт, 1966. 116 с.

9. Примерная программа профессиональной подготовки водителей транспортных средств категории «В». Утверждена приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 26 декабря 2013 г. № 1408.

36

10. Николаев А. Н. Организация обучения вождению кандидатов в водители : Учеб. пособ. для мастеров производственного обучения вождению. Владивосток : НОУ ДПО «Приморский научно-методический центр «ИНТЕО», 2009. 72 с.

11. Беклемишева Л. А., Петрович А. Ю., Чубаров И. А. Сборник задач по аналитической геометрии и линейной алгебре : Учебное пособие. 2-е изд., перераб. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2001. 496 с. ISBN 5-9221-0010-6.

12. Радченко С. Г. Методология регрессионного анализа: Монография. К. : «Корнийчук», 2011. С. 376. ISBN 978-966-7599-72-0.

13. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Множественная регрессия = Applied Regression Analysis. 3-е изд. М. : «Диалектика», 2007. С. 912. ISBN 0-471-17082-8.

14. Баеков Ш. Г. Выражение объемов n-мерного симплекса и n-мерного параллелепипеда через коэффициенты уравнений их гиперграней // Молодой ученый. 2015. № 2. С. 1-5.

15. R. Blei Analysis in integer and fractional dimensions, New-York: Cambridge university press,

556 p. 2003. ISBN 0-511-01266-7 (netLibrary Edition), ISBN 0-521-65084-4 (hardback).

16. Смирнов Е. Ю. Группы отражений и правильные многогранники. М. : МЦНМО, 2009. 48 с. ISBN 978-5-94057-525-2.

17. Гельфанд И. М. Лекции по линейной алгебре. 5-е. М. : Добросвет, МЦНМО, 1998. 319 с. I SBN 5-7913-0015-8.

18. Ногин Б. А., Бутков П. П. Экономия горюче-смазочных материалов. М. : Вузовская книга, 2004. 220 с.

19. Автомобильный справочник. Пер. с англ. ООО «СтарСПб». М. : ООО «Книжное издательство «За рулем», 2012. 1280 с.

20. OBD-II и электронные системы управления двигателем. Руководство. Б. Хендерсон, Дж. X. Хейнес. СПб. : Алфамер Паблишинг, 2009. 248 с.

21. Рокош У. Бортовая диагностика. Перевод с нем. ООО «СтарСПб». М. : ООО «Издательство «За рулем», 2013. 224 с.

22. Цыганков Э. С. Высшая школа водительского мастерства. М. : ИКЦ «Академкнига», 2008. 400 с. : ил.

© 2015

METHODS OF THE SOLUTION OF THE PROBLEM OF ECONOMIC DRIVING ON THE BASIS OF MATHEMATICAL MODELLING

V. G. Doronkin, senior teacher of «Design and Operation of Cars» chair A. P. Karachentsev, senior teacher of «Design and Operation of Cars» chair N. V. Kolacheva, candidate of pedagogical sciences, associate professor «The higher mathematics and mathematical modeling»

Tolyatti state university, Tolyatti

Annotation. The set of scientific works the majority from which offer actions at design stages and productions of cars is devoted to questions of economy of fuel, and also influence of technical condition of the car on fuel consumption concern. In modern branch literature there are many outdated recommendations about economy of fuel. This publication considers problems of ensuring economy of fuel after input of the car in operation. Reduction of fuel consumption at operation of cars - an important element of resource-saving and ecology. Relevance of the chosen subject is based that the problem of training of the driver in methods of economic driving is still rather not covered. The purpose of work is development of recommendations about economy of fuel at the corporate level. In research importance of training of drivers in economic driving is proved. Authors analyze and ranged the major factors allowing to cut fuel consumption in use of the car. Work is devoted to creation of a technique of synthesis of the «ideal» economic driver, and also definition of a measure of profitability of driving of the examinee of the driver. It is expected that the developed methods won't contain subjectivity elements at an assessment of profitability of driving. Leaning on mathematical model of the «ideal» driver, authors suggest to use criteria of an assessment of skill of driving as resource-saving element, and also a quantitative measure of skill of economical driving. The prepared recommendations about training in economic driving can be used in special thematic courses at additional training of drivers.

Keywords: traffic safety, skill of driving of the car, continuous training of drivers, training of drivers of cars, fuel consumption, resource-saving, technical condition of the car, economy of fuel, operation of cars, energy efficiency.

37