Предотвращение аварийности и травматизма водителей сельскохозяйственных транспортных средств путем инженерно-технических мероприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ АВАРИЙНОСТИ И ТРАВМАТИЗМА ВОДИТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПУТЕМ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (отрасль АПК)

ХРИСТОФОРОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

Санкт-Петербург - Пушкин - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет".

Научный консультант:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Шкрабак Владимир Степанович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Голдобина Любовь Александровна,

доктор технических наук, профессор Дружинин Петр Владимирович,

доктор технических наук, профессор Юрков Михаил Михайлович.

Ведущая организация: ФГОУ ВПО "Орловский государственный аграрный университет".

Защита диссертации состоится "26" июня 2009 г. В 13 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 220.060.05 при ФГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет", 196601, Санкт-Петербург - Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2529. Факс (8-812) 465-05-05, электронный адрес: uchsekr@ spbgau.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Санкт - Петербургский государственный аграрный университет".

Автореферат разослан "26" мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Т.Ю. Салова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Принимаемые на федеральном и региональных уровнях меры по снижению аварийности и травматизма в сельскохозяйственном производстве позволили несколько стабилизировать положение, но не создали устойчивой тенденции их снижения - абсолютные цифры и относительные показатели остаются достаточно высокими. Ежегодно в АПК погибает около тысячи человек, более 20 % погибших - водители сельскохозяйственных транспортных средств (СТС), основной причиной травматизма которых являются дорожно-транспортные происшествия (ДТП).

Анализ показывает, что основной причиной аварийности и транспортного травматизма является нарушение водителями правил дорожного движения (ПДД). В качестве сопутствующих причин, - пренебрежение мерами безопасности, низкие эксплуатационные характеристики и неудовлетворительное техническое состояние автотранспортных средств (АТС), большинство из которых являются модификацией моделей, освоенных более 20 лет назад и не отвечающих современным требованиям безопасности. Способствует росту числа ДТП техническое состояние дорожной сети, которое в сельской местности оценивается как критическое.

Характерной особенностью дорожно-транспортных происшествий в АПК является совпадение и накопление ряда отрицательных факторов, определяющих функционирование многофункциональной системы "Водитель - автомобиль - дорога - среда" (ВАДС).

Большую долю в травматизм водителей СТС вносят травмы, полученные в результате самопроизвольного опускания грузовых самосвальных платформ автомобилей и прицепов.

Причины высокого уровня аварийности и травматизма среди водителей сельскохозяйственных транспортных средств носят сложный, комплексный характер и требуют проведения постоянных целенаправленных научных исследований.

Цель исследований - предотвращение аварийности и травматизма водителей сельскохозяйственных транспортных средств путем инженерно-технических мероприятий.

Объект исследования - аварийность и травматизм водителей СТС, процессы дорожного движения, сельскохозяйственные транспортные средства.

Методы исследования - исследования на основе теории вероятностей и математической статистики, общей теории систем, системного анализа реальных статистических данных, измерений и сравнений, прогнозирования по стандартным программам, эксперимента, методов стендовых испытаний.

Научную новизну исследований составляют:

- методологические основы снижения аварийности и транспортного травматизма в АПК;

- математические модели анализа аварийности и транспортного травматизма, полученные на основе теории вероятностей и математической статистики;

- обоснованные вероятностные и статистические показатели аварийности и транспортного травматизма, методы их расчета;

- обоснованные показатели влияния последствий неисправностей автотранспортных средств на безопасность транспортных работ, методы определения показателей;

- методика выбора эффективных мероприятий, направленных на снижение аварийности и транспортного травматизма, обоснованные критерии эффективности мероприятий;

- обоснование инженерно-технических мероприятий, позволяющих повысить безопасность транспортных работ.

Практическую значимость результатов исследований составляют:

- результаты анализа аварийности и травматизма водителей в сельскохозяйственном производстве;

- математические модели статистических и вероятностных показателей аварийности и транспортного травматизма;

- результаты анализа последствий неисправностей на уровень транспортного травматизма;

- разработанные инженерно-технические средства, повышающие безопасность сельскохозяйственных транспортных средств;

- результаты исследования надежности технических устройств, повышающих безопасность сельскохозяйственных транспортных средств;

- математические модели выбора мероприятий максимально эффективных для предотвращения аварийности и транспортного травматизма водителей;

- обоснованный критерий эффективности мероприятий, обусловленных надежностью сельскохозяйственных транспортных средств.

Реализация результатов исследований осуществлена в Комитете по сельскому хозяйству и продовольствию Брянской области, Департаменте АПК Белгородской области, ГИБДД УВД Брянской области, в производственные предприятия: ООО "Брянский автомобильный завод", ЗАО СП "Брянсксельмаш", Брянский завод ирригационных машин ОАО "Ирмаш", в научно-исследовательских институтах и ВУЗ Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на Международных, Всероссийских научно-практических конференциях в Брянской ГСХА (2003-2008 гг.), ВНИИОТ (г. Орел, 2004-2006 гг.), ВИМ (2003 г.), ГОСНИТИ (2004, 2008 гг.), Пензенском ГУ (2004 г), ВНИИМЖ Россельхозакадемии (2006 г), Брянском ГТУ (2006 г), Донском ГАУ (2004-2008 гг.), СПбГАУ (2006, 2008, 2009 гг.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано более 50 научных работ, в их числе 3 монографии объемом 40 п.л., 4 патента на изобретения, 2 патента на полезную модель.

Материалы исследований демонстрировались на выставке "Золотая осень" в 2003 году, VII и VIII специализированных выставках "Безопасность и охрана труда" в 2003, 2004 годах и отмечены дипломами выставок.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 309 наименований. Работа изложена на 327 страницах основного текста, содержит 92 рисунка, 12 таблиц и приложений на 33 страницах.

К защите предъявляются следующие научные результаты:

1. Результаты мониторинга аварийности и травматизма водителей сельскохозяйственных транспортных средств.

2. Методологические основы обеспечения безопасности транспортных работ в АПК.

3. Математические модели и методики применения теории вероятностей и математической статистики в обеспечении безопасности транспортных работ.

4. Методика исследования влияния неисправностей сельскохозяйственных транспортных средств на аварийность и травматизм в сельском хозяйстве, оценки степени опасности неисправностей.

5. Методика оценки технических устройств, повышающих безопасность сельскохозяйственных транспортных средств.

6. Инженерно-технические решения, повышающие безопасность сельскохозяйственных транспортных средств.

7. Методика выбора профилактических мероприятий, повышающих безопасность транспортных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована тема диссертации, цель и направления исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние проблемы. Цель и задачи исследований" дана оценка состояния проблемы, выполнен мониторинг аварийности и транспортного травматизма водителей СТС; дан анализ характеристик сельскохозяйственных транспортных средств, выполнена их классификация; исследованы ситуации, возникающие при ведении транспортных работ; изучены факторы, причины и обстоятельства несчастных случаев при работе на сельскохозяйственных транспортных средствах; изучены показатели аварийности и травматизма по различным причинам; выполнен анализ устройств, улучшающих тормозные качества СТС и средств защиты от произвольного опускания самосвальных платформ.

Выполненные исследования показали, что за исследуемый период, с 1992 по 2006 год, водители и трактористы получали травмы соответственно: в дорожно-транспортных происшествиях (69,3 и 68,0 % от общего числа несчастных случаев); в результате захватов и ударов (11,5 и 19,8 %); в результате падений пострадавшего (4,1 и 2,4 %); в результате электропоражений (2,2 и 1,5 %); в результате температурных воздействий (3,8 и 3,1 %); в прочих травматических ситуациях (9,2 и 5,2 %).

В более 70 % случаев виновниками ДТП стали водители, до 5 % ДТП связано с неисправностями автотранспортных средств, 70 % которых имеют возраст более 10 лет. Из-за неисправностей тормозных систем, произошло более 45 % ДТП, связанных с неисправностями СТС. Из-за неисправностей тормозной системы погибло 297 водителей. До 10 % ДТП произошли по причине неудовлетворительных дорожных условий, причем более 20 % ДТП происходят на сельских дорогах. Дорожные условия в 40 % случаев стали сопутствующими причинами транспортных происшествий.

Из-за самопроизвольного опускания самосвальных платформ погиб 291 водитель.

Выполненный прогноз травматизма с использованием табличного процессора МS Excel, показал, что, начиная 2006 года, число пострадавших водителей начнет увеличиваться (рисунок 1).

Рисунок 1 - Прогнозирование травматизма водителей в АПК РФ

Таким образом, проблема снижения аварийности и травматизма водителей в АПК является актуальной, так как до настоящего времени число травмированных водителей остается стабильно высоким. Полученные результаты исследований подтверждаются работами Шкрабака В.С., Шкрабака В.В., Горбалетова Ю.В., Грачева Н.Н., Лайкама Э., Пашина Н.П. и других ученых России.

В результате выполненных исследований установлено что в АПК отсутствует методологические основы исследования и обеспечения безопасности транспортных работ; применяемые статистические показатели анализа аварийности и транспортного травматизма, методы их оценки не соответствуют современным требованиям обеспечения безопасности, доказано о необходимости более широкого использования вероятностных показателей; отсутствуют методики оценки безопасности транспортных работ при возможных неисправностях транспортных средств; сельскохозяйственные транспортные средства не отвечают современным требованиям безопасности; низкая эффективность мероприятий снижения аварийности и транспортного травматизма в АПК связана с отсутствием методик оценки таких мероприятий еще до их практической реализации; в АПК отсутствует комплексная программа повышения безопасности транспортных работ.

На основании анализа проблемы, в соответствии с целью, поставлены следующие задачи исследования: выполнить анализ аварийности и травматизма водителей СТС, выявить факторы, причины и обстоятельства несчастных случаев на транспортных работах; разработать методологические основы предотвращения аварийности и травматизма водителей в сельскохозяйственном производстве; разработать методологию аварийности и транспортного травматизма - вероятностные и статистические показатели безопасности, методы их расчета; обосновать вероятностный показатель влияния надежности АТС на безопасность транспортных работ, методы определения такого показателя; разработать методику выбора эффективных мероприятий направленных на снижение аварийности и транспортного травматизма связанных с неисправностями АТС, обосновать критерий эффективности таких мероприятий; разработать методику оценки надежности технических устройств повышающих безопасность АТС; разработать инженерно-технические мероприятия, позволяющие повысить безопасность СТС, снизить аварийность и травматизм водителей; разработать методику оценки мероприятий, максимально эффективных для повышения безопасности транспортных работ из учета наличия времени и средств; разработать основы комплексной программы снижения аварийности и транспортного травматизма в сельскохозяйственном производстве.

Во второй главе "Показатели анализа аварийности и транспортного травматизма, методы расчета показателей" показана методология исследования и обеспечения безопасности транспортных работ, представлены статистические и вероятностные показатели, используемые в анализе аварийности и транспортного травматизма, разработаны методики их расчета различными методами. Разработана методика применения корреляционного и регрессионного анализа оценки влияния эксплуатационных факторов на уровень аварийности и транспортного травматизма.

Уровень безопасности транспортных работ определяется свойствами системы ВАДС, которая включает в себя следующие взаимодействующие между собой системы (рисунок 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Взаимодействие систем в обеспечении безопасности транспортных работ

Поскольку безопасность транспортных работ и эффективность использования АТС проявляется только при практическом их выполнении, то под системой ВАДС обычно принято понимать систему организации, выполнения и обеспечения транспортных работ. Транспортные работы представляют собой последовательный переход от одной дорожной ситуации (характеризуемой режимом движения, режимами работы отдельных систем, внешними условиями и психофизиологическим состоянием водителя) к другой. Множество дорожных ситуаций состоит из двух подмножеств: нормальных (штатных) и опасных (нештатных) ситуаций. При возникновении опасной ситуации, вызванной каким-либо неблагоприятным фактором, водитель стремится устранить последствия этого воздействия. В некоторых случаях возникшая опасная ситуация может последовательно переходить от одной ситуации к другой, пока движение закончится благополучным или неблагополучным исходом (ДТП). Дорожно-транспортное происшествие есть результат выхода АТС на предельные значения определяющих параметров в результате развития опасной ситуации. Поскольку частота этого выхода характеризует уровень безопасности транспортных работ, то предметом исследования безопасности транспортных работ являются закономерности возникновения и развития опасных ситуаций, их причины и мероприятия по предупреждению и ослаблению их воздействия.

Задачей безопасности транспортных работ является разработка методологии выявления закономерностей появления и развития опасных ситуаций, разработка показателей безопасности и методов оценки, их влияния на уровень безопасности с конечной целью управления этим уровнем.

В качестве основного метода исследования безопасности транспортных работ используется системный метод.

При оценке уровня безопасности транспортных работ с помощью статистических показателей правомочно использовать данные о дорожно-транспортных происшествиях, так как только в ДТП потенциальная опасность каждого рейса реализуется в реальное нарушение безопасности движения.

При оценке безопасности транспортных работ с помощью вероятностных показателей основная трудность возникает в математическом описании действий водителя по целенаправленному управлению транспортным средством и устранению последствий воздействия неблагоприятных факторов. Это связано с тем, что действия водителя дискретны, нестационарны, случайны, зависят от решаемых задач и психофизиологического состояния водителя. Трудность математического описания действий водителя вынуждает иногда для оценки безопасности работ привлекать методы экспертных оценок.

Статистические показатели вычисляются по реальным данным массовой эксплуатации, их главное достоинство - объективность, но вместе с этим они имеют ряд недостатков, сужающих область их практического использования, в частности - оценку уровня аварийности по статистическим показателям производят тогда, когда дорожно-транспортное происшествие уже произошло, то есть регистрируют прошлые факты.

Вероятностные показатели анализа аварийности дорожно-транспортного травматизма объективно отражают такую закономерность, что дорожно-транспортное происшествие - потенциально возможный исход конкретного движения является по своей природе случайным событием в силу случайности возникновения во времени и пространстве движения неблагоприятных факторов, вызывающих его.

Примем за уровень безопасности выполнения отдельного рейса вероятность Р благополучного его завершения. Вероятность неблагополучного завершения рейса (уровень риска) обозначим Q.

P + Q = 1 (1)

Вероятности Р и Q являются показателями безопасности рейса. Исходя из формулы (1) для оценки безопасности одного рейса или уровня риска достаточно знать одну из указанных вероятностей.

Безопасность выполнения множества рейсов всецело определяется безопасностью выполнения отдельных рейсов.

Формализуем связь понятий безопасность транспортных работ и безопасность одного рейса. Если Q - уровень риска в отдельном рейсе, то для множества N рейсов в качестве такого же смыслового критерия может быть принята вероятность Q_n, то есть вероятность того, что в N рейса произойдёт n_дтп (n=0,N). Будем полагать, что все рейсы идентичны по безопасности их выполнения, то есть Q₁ = Q₂ = …= Q_n = Q.

При этом предположении для вычисления вероятности Q_n можно воспользоваться частной теоремой теории вероятностей о повторении опытов, в соответствии с которой связь Q_n и Q будет определяться биноминальным распределением.

Воспользовавшись данной теоремой, выполнив математические действия, получим в итоге формулу (2), которая определяет связь вероятностного показателя безопасности движения со статическим показателем средней продолжительности рейса на одно дорожно-транспортное происшествие.

(2)

(3),

где - суммарное время рейсов; N - число рейсов; Т_ДТП - среднее время на одно ДТП.

Связь между вероятностными и статистическими показателями безопасности движения даёт возможность решать ряд практических задач.

В частности: определить соответствие фактического уровня аварийности и дорожно-транспортного травматизма заданному; описать наиболее слабые места в обеспечении безопасности транспортных работ; оценить эффективность различных мероприятий, направленных на снижение аварийности и травматизма.

Дорожно-транспортное происшествие - случайное событие. Оно может произойти при условии, что в движении появился неблагоприятный фактор и его последствия не могут быть устранены водителем (рисунок 3).

За событие устранения примем событие невыхода определяющих параметров x_j за свои предельные значения x_j < x_jnp, j = 1, l. Строго говоря, событие превышения х_jпр не всегда приводит к дорожно-транспортному происшествию.

В ряде случаев после превышения х_jпр водитель своими действиями может возвратить транспортное средство в область x_j<x_jпр. В дальнейшем для однозначности суждений выход одного или нескольких определяющих параметров за предельные значения будем полагать за неблагополучный исход рейса (дорожно-транспортное происшествие).

Обозначим: p_i, q_i - вероятности непоявления и появления i - го неблагоприятного фактора; r_i, s_i - условные вероятности предотвращения и непредотвращения его последствий водителем. В принятых обозначениях вероятностные показатели безопасности движения будут иметь очевидные выражения со значением определяющего параметра.

Q_i = q_i · s_i; P_i = 1 - Q_i = p_i + q_i · r_i. (4)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Схема связи областей режимов движения

Вопрос о методике получения развернутых выражений для показателей Q и Р с учетом воздействия на транспортное средство множества факторов решается в зависимости от специфики неблагоприятных факторов и их последствий.

Рассчитать вероятностные показатели безопасности транспортных работ можно одним из следующих методов: логико-вероятностным; с помощью дерева (графа) состояний; с использованием моделей Марковских процессов; комбинированным; расчета показателей с учетом возможности восстановления системы.

Рассмотрим расчет показателей безопасности с учетом возможности восстановления системы.

В ряде случаев после устранения последствий неблагоприятных факторов водитель может с определенной вероятностью возвратить систему в исходное состояние.

Обозначим вероятность восстановления системы после появления i-го неблагоприятного фактора и предотвращения его последствий водителем u_i. Предположим, что события появления неблагоприятного фактора, предотвращения его последствий и восстановления системы происходят одновременно. Граф состояний для этого случая применительно к появлению неблагоприятных факторов только на первом уровне изображен на рисунке 4.

В узлах этого графа обозначаются состояния системы (исходы рейса), вершина графа (состояние 0) соответствует нормальной ситуации. Состояния системы, в которые она переходит непосредственно из нулевого состояния вследствие появления неблагоприятных факторов, называются состояниями первого уровня. травматизм водитель сельскохозяйственная транспортная

Обозначим эти состояния на первом уровне по i-му фактору - БД _1i; ДТП _1i соответственно для благополучных и неблагополучных исходов. На ребрах графа проставляются интенсивности перехода от одного состояния к другому: при переходе от нулевого состояния к состояниям первого уровня - л_i r_i (1 - u_i); л_is_i

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Граф состояний первого уровня

Неизвестные вероятности P₀(t), P_i(t), Q_i(t) как функции времени определяются из решения дифференциальных уравнений, Дифференциальные уравнения для определения неизвестных вероятностей составляют по определенному правилу: число уравнений равно числу состояний (исходов), размеченных на графе; в левой части уравнения стоит производная вероятности данного состояния, а правая часть содержит столько членов, сколько стрелок связано с данным состоянием. Если стрелка выходит из этого состояния, соответствующий член имеет знак минус, если она направлена в состояние - плюс. Каждый член равен произведению интенсивности перехода, соответствующей данной стрелке, на вероятность того состояния, из которого стрелка исходит.

Уравнения относительно неизвестных вероятностей записываются в виде:

; ; , (5)

где

Решая уравнения (5), получим развернутые выражения для Р ₀, P_i, Q_i:

; (6)

(7)

(8)

Для предельного, имеющего большое практическое значение случаи u_i = l; i = l, формулы (6), (7), (8) записываются в виде:

; ;

. (9)

При этом:

. (10)

В этой формуле t приобретает смысл (суммарной продолжительности всех рейсов) суммарного времени ранее обозначенных , а л_i, s_i - смысл интенсивности потока дорожно-транспортных происшествий по i-му фактору обозначим :

,

где - интенсивность потока дорожно-транспортных происшествий по всем факторам.

Вероятность совершения хотя бы одного дорожно-транспортного происшествия за время определяется соотношением

.

Обозначив интенсивность потока дорожно-транспортных происшествий из-за неисправности техники , из-за ошибок обслуживающего персонала , из-за воздействия неблагоприятных условий и полагая эти три группы факторов независимыми, показатель Р_БД возможно представить в виде:

, (11)

где Р_т, Р_ОП, Р_НУ- частные показатели безопасности движения по соответствующим группам факторов.

Заслуживает внимания комбинированный метод, который предполагает выполнять оценку вероятностных показателей путем совместного и одновременного использования данных эксперимента (дорожных испытаниях) и теоретических исследований математической модели движения транспортных средств. Математическая модель движения АТС должна быть составлена с использованием знаний, накопленных в процессе разработки и испытаний АТС. Одни и те же в физическом смысле внешние воздействия на АТС и на модель отличаются за счет того, что на АТС действуют реальные воздействия , а на модель - либо измеренные значения воздействий , либо воздействия, сформированные на основании вероятностных характеристик, полученных при измерении воздействий U, как изображено на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - Схема воздействий, действующих на АТС

Выполнив нужные математические действия, мы в итоге получим формулу (12) которая представляет собой выигрыш в числе экспериментов от использования результатов теоретических исследований.

., (12)

Поскольку стоимость дорожного эксперимента во много раз превышает стоимость теоретических исследований, то величина D, характеризующая выигрыш в числе экспериментов, будет определять и выигрыш в стоимости исследований по определению показателей безопасности. Расчеты показывают, что может быть получен выигрыш более чем в 2 раза.

В третьей главе "Влияние неисправностей сельскохозяйственных транспортных средств на состояние аварийности и транспортный травматизм" дан анализ снижения аварийности на этапах проектирования СТС с применением методов статистической динамики; показаны подходы к оценке аварийности при неисправностях СТС, приведены схемы моделей действия водителя при неисправностях СТС, исследованы математические модели этих действий. Обоснованы методы оценки степени опасности неисправностей СТС; представлены требования к техническим устройствам, позволяющим снизить аварийность и требования к надежности СТС.

Действия водителя по предотвращению последствий неисправностей техники должны быть направлены в первую очередь на устранение нежелательного изменения параметров движения. Вмешательство в управление может выражаться в отклонении органов управления, включения системы, например, тормозной. Последствия неисправности водитель обнаруживает не сразу, не мгновенно, а через определенное время, то есть вмешивается в управление с запаздыванием. Допустим, что в некоторый момент времени t=0 в движении возникла неисправность агрегата или системы, что привело к изменению параметров движения (рисунок 6).

Без вмешательства водителя в управление определяющий параметр x_i спустя некоторое t_пр достигнет, а в дальнейшем и превысит предельное значение. В простейшем случае можно полагать, что это приведет к дорожно-транспортному происшествию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 - Схема вмешательства водителя в управление автотранспортным средством

Время t_np зависит от интенсивности возмущающегося действия, явившегося следствием неисправности, а также условиями движения. Время t_np случайно, так как в процессе изменения параметра x_i транспортное средство может подвергнуться случайным воздействиям внешней среды, например, сильному порыву ветра, наезду на препятствие и другим.

Реально водитель, обнаружив отклонение параметра движения х_i от заданного значения, вмешивается в управление с целью недопущения его выхода за предельное значение, а в дальнейшем и для его стабилизации.

Успех действий водителя при прочих заданных условиях будет зависеть от времени его запаздывания с вмешательством t_в и от характера его действий (например, угла д и скорости отклонения рулевого колеса). При этом можно выделить три характерных случая вмешательства водителя в управление: своевременное вмешательство в управление (t_в = t_{в 1}) - параметр х_i не достигает x_iпр (кривая 1); несвоевременное вмешательство в управление (t_в= t_{в 2}) параметр х_i превысит х_iпр (кривая 2); граничный случай - запаздывания водителя t_в и характер его вмешательства таковы, что параметр x_i лишь достигает х_iпр, но не превышает его (кривая 1^/). Время запаздывания вмешательства водителя при этом соответствует его располагаемому времени t_р. Реально и время запаздывания вмешательства водителя t_в, и его располагаемое время t_p случайны.

Если последствия неисправности проявляются только на начальном этапе, непосредственно следующим за неисправностью, то достаточным условием предотвращения последствий неисправности является своевременное вмешательство водителя в управление и вероятность этого события запишется формулой:

(13)

где x_i - параметр, претерпевающий наиболее быстрое изменение при неисправности, так называемый критический определяющий параметр.

Если последствия неисправности проявляются и на последующих этапах движения (1,2...,k,..., m), то условие своевременного вмешательства водителя в управление является необходимым, но недостаточным для предотвращения последствий неисправности. Достаточным условием предотвращения последствий неисправности является при этом невыход определяющих параметров движения за свои предельные значения на всех этапах движения, где проявляются последствия неисправности. Вероятность этого сложного события при условии независимости событий предотвращения последствий неисправности на разных этапах запишется:

, (14)

где р_к - вероятность предотвращения последствий неисправности на k-ом этапе движения, определяемая как:

, ,

то есть вероятность того, что ни один из п определяющих параметров не выйдет за предельные значения.

Вероятности (13) и (14) могут быть определены в дорожных испытаниях. Для оценки безопасности движения расчетным путем или моделированием необходимо располагать сведениями о характеристиках модели действий водителя при неисправностях АТС.

Под моделью действий водителя будем понимать алгоритм, характеризующий последовательность и структуру действий водителя в опасной ситуации.

Рассмотрим структуру модели действий водителя для опасной ситуации, при которой наблюдается быстрое изменение параметров движения автомобиля (резкое отклонение в траектории движения). Для предотвращения этой причины в двигательных реакциях водителя можно выделить три этапа: первый этап - запаздывание по времени с вмешательством в управление (водитель вмешивается в управление отклонением рулевого колеса Х_В спустя t_В > 0,3 cекунды), второй этап - устранение нарастания изменения параметров движения (отклонив рулевое колесо, водитель выдерживает его в отклоненном положении до тех пор, пока (угол поворота автомобиля, разворота) не начал изменяться в сторону возвращения к исходному значению); третий этап - стабилизация параметров движения рулевого колеса направлены на стабилизацию нужных значений параметров движения. Указанным закономерностям в двигательных реакциях водителя соответствует модель действий водителя, схема которой изображена на рисунке 7.

В соответствии с моментами переключения звеньев в модели соотношения выход - вход модели могут быть приведены в виде:

Х_В (t) = 0 при t < t_В;

Х_В (t) = (t - t_В) при t_В t < t_В + ДT;

Х_В (t) = Х_В при t_В + ДT < t < t_В + Д t;

Х_В (t) = W_В(D)Дх(t) + h_В(t) при t ? t_В + Д t; где ДT = .

Рисунок 7 - Схема модели действий водителя

В зависимости от варианта использования модели возможны различные ее модификации.

Существует два подхода к анализу человеко-машинных систем. Машиноцентрический, в котором нашла свое отражение концепция, трактующая поведение человека как реакцию на воздействующие стимулы. Реальная деятельность человека, управляющего техникой, здесь низводится до элементарнейшего уровня, в результате из неё выхолащивается её содержание. Антропоцентрический, который опирается на физические закономерности взаимодействия человека с управляемым объектом.

При анализе замкнутого контура "Водитель - система управления - транспортное средство" широкое применение получил машиноцентрический подход. Одной из характерных задач при управлении АТС является стабилизация одного или нескольких параметров движения, так называемое компенсационное слежение.

Математическая модель действий водителя в режиме компенсационного слежения имеет вид передаточной функции, входом которой является рассогласование Дх_i, выходом - усилие Р, которое водитель прикладывает к рулевому колесу, стремясь свести к минимуму наблюдаемое рассогласование по i -ому параметру.

, (15)

где ф = 0.8-1.65- величина запаздывания водителя по приему и распознаванию поступающей информации.

Это время, необходимое водителю, в первую очередь, для считывания информации.

На рисунке 8 изображена зависимость частоты отсчета в секунду от ширины полосы частот изменения параметров движения в герцах.

Рисунок 8 - Зависимость частоты отсчета от изменения параметров движения

Видно, что чем больше ширина полосы изменений параметров движения (то есть, чем больше информационная производительность процессов), тем больше частота отсчетов в секунду.

- инерционное звено характеризует инерционность водителя при переработке информации и принятию решения Т_{В 2}<2с.

Зависимость времени принятия решения от количества информации, обрабатываемой водителем с учетом влияния её значимости, показаны на рисунке 9.

Рисунок 9 - Зависимость времени принятия решения от количества информации

Штриховой линией показана зависимость - изменение времени принятия решения в опасной ситуации. На том же рисунке для сравнения сплошной линией изображена зависимость в нормальной ситуации.

Зависимость , полученная после предотвращения водителем опасной ситуации, показана штрихпунктирной линией.

Из сравнения этих характеристик следует, что фактор значимости, определяемый ситуацией, ведет к интенсификации процессов восприятия информации, увеличивает скорость её переработки.

- характеризует нервно-мышечное запаздывание водителя Т_{В 3} = 0,1-0,2 с.

форсирующее звено, характеризует способность водителя работать с предвидением Т_{В 1} = 0,6-2,5 с.

Прогнозирование, то есть предвидение, экстраполяция ситуации является одной из самых характерных особенностей тех преобразований информации, которые происходят в подсистеме "Водитель - транспортное средство".

В результате обработки экспериментальных данных была получена кривая прогнозирования зависимости времени от частоты считываемого сигнала (рисунок 10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10 - Зависимость времени прогнозирования от частоты считывающего сигнала

У группы операторов при слежении на частоте 0,05 Гц и 0,1 Гц прогнозирование с экстраполяцией отмечено во всех проводимых опытах, на частоте 0,4 и 0,5 Гц ограниченные возможности водителя по прогнозированию приводили к срыву процессов управления.

Структура модели действий водителя в опасной ситуации, к которой приводит появление неблагоприятного фактора, существенно зависит от её характера. Поэтому создание универсальной модели, пригодной для исследования аварийности при любых неблагоприятных факторах, сопряжено с большими трудностями. В настоящее время идут по пути создания частных моделей для вполне конкретных опасных ситуаций.

Рассмотрим структуру модели действий водителя для опасной ситуации, при которой наблюдается быстрое изменение параметров движения АТС и при этом не исключена возможность в случае неудачных действий водителя выхода одного или нескольких параметров за установленные эксплуатационные ограничения.

К такой ситуации могут приводить наезды на препятствие одним колесом, превышение скорости поворота, неисправности в системе управления, в общем, такие ситуации, которые вызывают существенной изменение моментов и сил, действующих на АТС. В том случае, когда на АТС действует постоянное моментное возмущение, передаточная функция (15) в принципе неприемлема для описания динамических свойств водителя в опасной ситуации, так как при этом не будет обеспечен астатизм системы "Водитель - транспортное средство". Поэтому передаточная функция водителя должна иметь вид:

(16)

Вид полиномов , N(D) и вид передаточной функции в целом можно определить в дорожных испытаниях. Результат экспериментов представляется в виде математических ожиданий сигналов входа и выхода модели водителя.

По известным значениям определяет амплитудную и фазовую частотные характеристики водителя

Как показали исследования, с достаточной степенью точности они апроксимируются передаточной функцией

(17)

В передаточной функции (17) ее коэффициенты имеют следующий смысл:

коэффициент усиления водителя;

постоянные времени второго порядка, характеризующие удельный вес скорости и ускорения АТС в формировании ответных моторных реакций водителя;

постоянная времени нервно-мышечного запаздывания (= 0,1с);

постоянная времени в образовании моторной реакции водителя.

Можно предполагать, что вид передаточной функции для различных водителей остается неизменным, а случайность двигательных реакций заключается в количественных значениях коэффициентов передаточной функции . Они определяются для каждой i-ой реализации опасной ситуации из условия минимума критерия

где "шум" модели водителя, являющийся той частью его двигательной реакции, которая не определяется передаточной функцией.

По этому критерию получают систему уравнений вида

,

решением которых являются коэффициенты .

Обработка ансамбля значений позволяет определить их основные статистические характеристики - математическое ожидание, дисперсию и корреляционную матрицу для вероятностных зависимостей между отдельными коэффициентами. Кроме коэффициентов передаточной функции водителя, случайность его двигательных реакций адекватно отображается случайностью времени запаздывания .

Количественной характеристикой степени опасности неисправностей АТС является условная вероятность предотвращения их последствий . В зависимости от средств реализации поставленной задачи и характера неисправности может быть определена одним из следующих методов: расчетным (аналитическим) методом, методом статистических испытаний, экспертным оцениванием.

Расчетный (аналитический) метод применяется в тех случаях, когда опасность последствия, неисправности проявляются только на начальном этапе движения. К таким последствиям приводят неисправности, вызывающие быстрое изменение моментов, действующих на транспортное средство. Параметры движения транспортного средства претерпевают при этом быстрое изменение и один или несколько из них могут превысить предельное значение, если водитель своевременным вмешательством не предотвратит их нежелательное изменение. Вероятность предотвращения последствий таких неисправностей определяется как вероятность своевременного вмешательства водителя в управление по формуле (13) r_Т =p(t_В <t_P). Если известны законы распределения времени вмешательства f(t_В) и располагаемого времени водителя f(t_p), то вероятность (13) рассчитывается по соотношению:

, (18)

где f(Дt) - закон распределения разности располагаемого времени и времени вмешательства

Дt = t_p-t_В,

определяемый композицией законов f(t_В) и f(t_p).

При детерминированной манере вмешательства водителя, когда величина t_p неслучайная, вероятность (13) может быть рассчитана по соотношению:

, (19)

;

Ф ₀(Х) - функция Лапласа, определяемая по табличным данным.

Последовательность расчета r_t, по выражению (19), следующая:

- определяем выражение для возмущающего момента, явившегося следствием неисправности;

- интегрированием уравнений движения транспортного средства при воздействии возмущающего момента определяем критический определяющий параметр;

- определяем математическое ожидание времени вмешательства и параметр ;

- определяем располагаемое время водителя по данному критическому определяющему параметру;

- по известным значениям D, , вычисляем аргумент Х функции Ф ₀(Х) и по значению аргумента находим ее табличное значение.

Достоинством расчетного метода определения r_T является его относительная простота реализации, недостатком - необходимость существенного упрощения исследуемого явления с целью его формализации в виде пригодном для аналитического решения. В силу этого расчетный метод определения r_Т является приближенным.

Рассмотрим требования к надежности автотранспортных средств из условия обеспечения заданного уровня безопасности. Известно, что неисправности различных систем АТС с точки зрения безопасности не являются равнозначными. Последствия неисправностей одних элементов могут быть легко предотвращены водителем, предотвращение последствий других весьма затруднительно. Можно так "распределить" характеристики надежности между элементами в системе, что для обеспечения БД материальные затраты будут минимальными.

Для решения этой задачи воспользуемся выражением для критерия безопасности движения:

.

Из этого выражения видно, что заданный уровень безопасности движения

при известном t будет при вполне определенном значении . Задача состоит в том, чтобы назначать такие характеристики надежности , чтобы заданный уровень безопасности транспортных работ был достигнут при наименьших материальных затратах на производство и эксплуатацию системы.

Зависимость стоимости производства и эксплуатации i-ro элемента системы может быть приведена в виде двух слагаемых: одного - не зависящего от ; и другого, зависящего от и обеспечивающего необходимую его надежность:

(20)

Для решения задачи воспользуемся методом динамического программирования. Из выражения для найдем

.

Для удобства решения задачи обозначим

; ; …; (21)

и сформулируем ее в терминах динамического программирования.

Необходимо найти такие л_i, чтобы составляющая материальных затрат, расходуемая на обеспечение надежности была минимальной, то есть чтобы функция

(22)

в области, определенной соотношениями

, . (23)

Так как минимум (22) зависит от величины и n то можно определить последовательность функций:

(24)

определяющих последовательное минимальное выделение материальных средств на каждый из элементов системы обеспечивающих . Для системы, состоящей из n элементов последовательность (24) имеет вид:

; (25)

; (26)

; (27)

; (28)

. (29)

В соотношениях (25) - (29) неизвестными являются , которые необходимо выразить через . Причем они должны быть такими, чтобы функция (22) приняла абсолютно минимальное значение. Для этого подставим выражение (29) в (28), возьмем производную по от выражения в квадратных скобках, приравняем ее к нулю и определим , то есть:

(30)

При этом достаточное условие минимума - положительный знак второй производной по - выполняется. После подстановки уравнения (30) в (28) имеем:

. (31)

Подставив формулу (31) в (27), получим:

. (32)

Последовательными подстановками полученных условных оптимальных значений определяется:

(33)

и с помощью выражения (25) определяется оптимальное значение интенсивности отказов n - го элемента системы в зависимости от

,

. (34)

Поскольку при

,

а при

и так далее, то последовательными выражениями для

получим оптимальные значения для остальных .

Таким образом, в процессе оптимизации методом динамического программирования многошаговый процесс распределения материальных средств "проходится" дважды. Первый раз - от конца (29) к началу (25), в результате чего находятся условные оптимальные значения . Второй раз - от начала (25) к концу (29), вследствие чего находятся оптимальные (уже не условные)

. (35)

Минимальное количество материальных средств, необходимых для обеспечения заданного уровня безопасности движения при условии оптимального распределения характеристик надежности, может быть определено из (20) с учетом (35).

. (36)

Заданный уровень может быть достигнут и путем резервирования элементов систем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 - Функциональная схема тормозной системы АТС

Оценим применение устройства повышения безопасности транспортных средств на примере установки резервного привода тормозной системы автотранспортного средства (рисунок 11).

Оценку выполним с использованием цепей Маркова.

Тормоз постоянно работает от первого привода, но при его неисправности переключатель автоматически подключает в тормозную систему 2-й привод.

Интенсивности неисправностей привода обозначим л_пр., переключателя л_п. Возможные состояния этой системы изображены на рисунке 12.

0 - все элементы системы исправны;

БД ₁₁ - неисправность 1-го привода, переключатель подключил второй привод, вмешательства водителя не потребовалось (r₁₁ = 1.0);

БД ₁₂ - неисправность переключателя, тормозная система продолжает работать от первого привода, но при этой неисправности переход на второй привод невозможен. Вмешательство водителя также не требуется (г ₁₂= 1,0);

БД ₂₁ - неисправность второго привода, последствия его неисправности предотвращены водителем;

ДТП ₂₁ - то же при условии, что последствия неисправности второго привода не предотвращены;

БД ₂₂ - неисправность первого привода после неисправности переключателя, последствия неисправности предотвращены;

ДТП ₂₂ - то же при условии, что последствия неисправности не предотвращены.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Схема возможных состояний системы

Дифференциальные уравнения относительно вероятностей благополучных исходов имеют вид:

(37) (38) (39)

(40) (41)

В уравнениях (37), (38) и (40) величины л_оо, л₁₁₁₁, л₁₂₁₂, суммарные интенсивности появления неисправностей, выводящих систему соответственно из нулевого состояния, из состояний БД ₁₁ и БД ₁₂:

. (42)

r₂₁, r₂₂ - вероятности предотвращения водителем последствий неисправностей приводов тормоза. По физическому смыслу r₂₁ = r₂₂= r и s₂₁ =s₂₂ =s.

Решение уравнений запишем с учетом начальных условий t = 0, Р_о = 1.0, P_1i = Q_1i =0 и соотношений (42):

(43)

; (44)

; (45)

; (46)

. (47)

Расчеты показали, что при установке резервного привода, вероятность благополучного завершения рейса повысится примерно на четыре порядка.

Оценим эффективность мероприятий, направленных на уменьшение интенсивности неисправностей элементов систем АТС. Примем за критерий эффективности мероприятий отношение

, (48)

где - уровни риска соответственно до и после проведения мероприятий.

Используя для Q_Т - выражение

, (49)

где - интенсивность появления i-го неблагоприятного фактора и предполагая интенсивность неисправностей элементов до проведения мероприятий равными , а после проведения мероприятий , где и учтя, что , получим

, (50)

где n - число элементов в рассматриваемой системе;

- удельный вклад неисправностей i- го элемента в уровень риска, обусловленного возможными неисправностями рассматриваемой системы.

Результат (50) подтверждает тот очевидный факт, что мероприятия по повышению надежности проводятся в первую очередь для тех элементов, которые наиболее сильно снижают уровень аварийности. Оценка эффекта мероприятий по повышению надежности наиболее "аварийного" j - элемента в системе определяется выражением

(51)

Подставив:

,

преобразуем формулу (51) к виду

(52)

Изменения в зависимости от при различных показаны на рисунке 13, откуда следует, что увеличение приводит к повышению безопасности движения тем большему, чем больше .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 - Зависимость соотношения К_Q от интенсивности отказов и вероятностей их последствий

В четвертой главе "Исследование тормозных свойств сельскохозяйственных транспортных средств" дано определение тормозных свойств, приведен анализ статистических данных аварийности и травматизма из-за неисправностей тормозных систем, дан анализ отечественным и зарубежным нормативным документам, регламентирующим тормозные свойства и их эффективность, даны критерии оценки тормозных свойств, приведены методы и средства диагностирования тормозных систем, проведены исследования дисковых тормозных устройств и систем повышения тормозной динамичности АТС, приведены необходимые данные по измерительной технике для проведения процесса диагностирования тормозной системы.

...