Применение электронных систем курсовой устойчивости на коммерческом транспорте российского производства

Грошев А.М., к.т.н., доц. / Тумасов А.В., к.т.н. НИЛ ТИС НГТУ им. Р.Е. Алексеева
Палкович Л., д.т.н., проф. НТЦ «Knorr-Bremse»

УДК 629.1.053.18

Анализ данных ДТП, связанных с авариями транспортных средств, проведенный в Соединенных Штатах Америки, Европе и Японии, показывает, что электронные системы курсовой устойчивости (ЭКУ) весьма эффективны в снижении аварий одиночных транспортных средств [1]. В данной статье рассматриваются перспективы использования ЭКУ на коммерческом транспорте российского производства.

Проблема повышения безопасности дорожного движения на дорогах Российской Федерации является весьма актуальной в настоящее время. В период с 2007 г. по начало 2009 г. было зафиксировано более 18 млн. случаев ДТП (табл. 1), при этом пострадало более 600 000 человек, погибло — более 65 000 человек (табл. 2).



Одной из главных причин ДТП в России является так называемый «человеческий фактор», в частности, невнимательность водителей транспортных средств (ТС). Такая ситуация характерна и для других стран мирового сообщества. Например, в Европе более 90% ДТП происходят из-за ошибок водителей ТС [2]. В этой связи становится актуальной проблема снижения количества ДТП за счет оснащения транспортных средств интеллектуальными системами активной безопасности. За счет контроля дорожных условий и условий движения ТС, интеллектуальные системы способны среагировать на внезапно изменяющуюся ситуацию намного раньше, чем это может сделать водитель. Более того, интеллектуальные системы не позволяют водителю совершать ошибочные действия, которые могут стать причиной ДТП.

Относительно большое количество ДТП приходится на случаи, в которых участвует коммерческий транспорт. Проведенные в разных странах мира исследования показывают, что количество ДТП с участием коммерческого транспорта может быть сокращено за счет использования электронных систем курсовой устойчивости.

Системы ЭКУ в настоящее время известны под многочисленными торговыми названиями (например, ESP*), их принцип действия и технические характеристики в целом похожи. ЭКУ помогает водителю сохранять контроль над транспортным средством во время экстремальных маневров путем поддержания движения транспортного средства в том направлении, которое задает ему водитель, даже если транспортное средство приближается или достигает предельных показателей сцепления с дорогой.
* Electronic stability program — электронная программа стабилизации

Главная функция системы ЭКУ – обеспечение устойчивости транспортного средства за счет контроля траектории его движения и предотвращения опрокидывания.

Известно, что контраварийные маневры, выполняемые водителем в «экстремальных» условиях, могут привести к потере контроля над автомобилем и, как следствие, к потере курсовой устойчивости, которая может выражаться либо в «заносе» задней части транспортного средства, либо в «сносе» передней части. Пока сохраняется достаточное сцепление с дорогой, водитель, имеющий высокую профессиональную квалификацию, может управлять транспортным средством в условиях самых разнообразных экстремальных маневров. Однако водители средней квалификации в состоянии паники не могут, как правило, справиться со сложными условиями движения и избежать аварийной ситуации.

Предотвращение таких ситуаций возможно за счет использования систем ЭКУ, в которых используются принципы автоматического управления тяговыми и тормозными моментами на колесах, а также подруливания управляемыми колесами. Несмотря на то, что системы ЭКУ никоим образом не могут увеличить фактическое сцепление колес автомобиля с дорогой, они обеспечивают водителю максимальную возможность контроля над транспортным средством.

Исследования по анализу ДТП в Германии, проведенные специалистами компании «Knorr-Bremse», показали, что системы ЭКУ (в частности, ESP) способны предотвратить возникновение ДТП с участием коммерческого транспорта более чем в 11% аварийных ситуаций [3].

Аналогичные исследования проводились и в России. В период 2008–2009 гг. в Научно-исследовательской лаборатории транспортных интеллектуальных систем Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева (НИЛ ТИС НГТУ) при поддержке компании «Knorr-Bremse» была выполнена работа по анализу ДТП с участием коммерческого транспорта (категорий М2, М3 и N3), произошедших в Нижегородской области.

В работе анализировались случаи ДТП, произошедшие в двух районах Нижегородской области (Володарском и Кстовском), а также в трех районах города Нижний Новгород (Московском, Нижегородском и Приокском). Данные районы были выбраны не случайно. Через Володарский и Кстовский районы Нижегородской области, а так- же через Приокский и Московский районы Нижнего Новгорода проходит федеральная автомагистральная дорога M7 «Волга»: Москва – Владимир – Нижний Новгород – Казань – Уфа. Кроме того, через Кстовский район Нижегородской области, Нижегородский и Приокский районы Нижнего Новгорода проходит федеральная трасса Р158: Нижний Новгород – Арзамас – Саранск – Исса – Пенза – Саратов. Таким образом, в работе исследована дорожно-транспортная ситуация на наиболее загруженных «транспортных артериях» Нижегородской области.

Результаты анализа показали, что наиболее распространенными причинами ДТП с участием коммерческого транспорта являются:

- несоответствие выбранной скорости конкретным условиям движения (4%),

- несоблюдение необходимого бокового интервала между ТС (12%),

- нежелание уступить дорогу ТС, двигавшемуся по соседней полосе при перестроении (18%),

- нарушение безопасной дистанции между ТС (20%),

- совершение маневров на низкой скорости, повлекших за собой ДТП (17%).

В работе были проанализированы так называемые «механические» ДТП (без погибших и пострадавших людей) с участием коммерческого транспорта. Анализ статистических данных показал, что около 14% водителей коммерческих ТС в момент аварии совершали то или иное управляющее (контраварийное) воздействие (рис. 1). Важную роль в подобных случаях играют техническое состояние и оснащенность ТС. В частности, ТС, оснащенное системой ЭКУ, имеет лучшую курсовую устойчивость на высоких скоростях, в отличие от аналогичного ТС без ЭКУ.


Рисунок 1. Распределение количества и скоростей коммерческих ТС, участвовавших в механических ДТП

Результаты исследований показали, что система ЭКУ может быть полезна более чем в 30% случаев маневрирования ТС на скоростях 40…60 км/ч, и более чем в 50% случаев маневрирования ТС на скоростях 60…80 км/ч. Анализ «механических» происшествий показывает, что установка систем ЭКУ на коммерческом транспорте способна уменьшить количество ДТП, связанных с контраварийными действиями водителей, как минимум на 8%.

Особое внимание в работе было уделено тяжелым и особо тяжелым ДТП с участием коммерческого транспорта. В соответствии с практикой российских дорожно-патрульных служб, тяжелыми ДТП считаются те происшествия, в которых пострадало не менее 5 человек, при этом число погибших не превышает 5. Особо тяжелыми ДТП считаются те происшествия, в которых погибло более 5 человек и более 5 получили ранения разной степени тяжести. Анализ статистических данных показал, что коммерческий транспорт участвует более чем в 30% тяжелых и особо тяжелых ДТП.

Результаты исследований показывают, что более 20% тяжелых и особо тяжелых ДТП с участием коммерческого транспорта можно было бы избежать или снизить тяжесть их последствий в результате установки систем ЭКУ (рис. 2). В результате анализа данной группы ДТП (съезд коммерческого ТС в кювет; опрокидывание; ДТП, произошедшие в результате того, что водитель коммерческого ТС не справился с управлением) было установлено, что в этих случаях водители ТС совершали маневры, выполнение которых без ЭКУ было затруднительным.


Рисунок 2. Эффективность ЭКУ в отдельных случаях ДТП

Безусловно, информация, предоставляемая дорожно-патрульными службами, не позволяет однозначно указать на те случаи, в которых система ЭКУ была бы эффективна или малоэффективна. В связи с этим можно сказать, что предположение о пользе ЭКУ носит весьма вероятностный характер и не может считаться абсолютно верным. Тем не менее, оно позволяет указать на возможный положительный эффект, ожидаемый в результате внедрения ЭКУ на коммерческом транспорте.

Более объективно определить необходимость использования систем ЭКУ возможно только при моделировании отдельных случаев ДТП с использованием специального программно-аппаратного комплекса, включающего в себя: реальные компоненты тормозной системы, измерительный комплекс, специальное программное обеспечение. Такой подход позволяет моделировать поведение транспортных средств не только с учетом конструктивных параметров автомобиля, дорожных условий и действий водителя, но также и с учетом особенностей работы реальных агрегатов и блоков управления.

Указанный программно-аппаратный комплекс (рис. 3) в настоящее время создается в НИЛ ТИС НГТУ при поддержке специалистов компании «Knorr-Bremsе». На стенде (рис. 3а) могут быть размещены реальные агрегаты пневматической тормозной системы тягача и прицепа/полуприцепа. Все агрегаты соединяются между собой соответствующими трубопроводами. Система питается сжатым воздухом и посредством органов управления (главного многосекционного тормозного крана, крана стояночной тормозной системы) приводится в действие. Электронный блок управления тормозной системой соединен с компьютером, оснащенным специальным программным обеспечением, в котором моделируются: транспортное средство и дорожные условия (рис. 3б). При этом учитываются основные факторы, воздействующие на траекторию движения транспортного средства, способные привести к потере устойчивости и, как следствие, к возможному опрокидыванию.


Рисунок 3. Программно-аппаратный комплекс
а) – стенд с реальными агрегатами тормозной системы;
б) – результаты имитационного моделирования движения Т С

Математическая модель транспортного средства включает в себя следующие элементы:

• оси / колеса;

• упругие элементы подвесок и направляющие элементы подвесок, амортизаторы;

• шины;

• несущую конструкцию (рама, кабина, кузов);

• элементы трансмиссии;

• полезную нагрузку.

При имитационном моделировании может рассматриваться как нагруженное, так и порожнее состояние транспортного средства. При этом в нагруженном состоянии учитываются: масса перевозимого груза, характер распределения массы и высота его центра тяжести. Таким образом, математическая модель ТС учитывает:

• конструктивные особенности транспортных средств (габаритные размеры, особенности компоновки, массу и инерционные характеристики, развесовку и расположение центра масс, характеристики подвесок и шин, жесткость несущей конструкции, параметры рулевого и тормозного управлений, особенности алгоритмов систем управления и др.);

• дорожные условия (микро и макро профиль дороги, коэффициент сцепления шин ТС с дорогой, направление и скорость ветра);

• действия водителя (управляющее воздействие на органах управления).

В процессе работы программно-аппаратного комплекса поддерживается постоянная связь между компьютером и электронным блоком управления тормозной системы. Информация об условиях движения ТС, моделируемая в компьютере, передается на электронный блок, который, при необходимости, подает сигналы на элементы тормозной системы с целью оказания корректирующего воздействия на характер движения ТС. Информация о тормозных усилиях передается обратно в компьютер, на мониторе которого отображается поведение ТС с учетом работы агрегатов тормозной системы, после чего процесс передачи данных повторяется.

Таким образом, в режиме реального времени можно оценить тормозные свойства ТС и эффективность срабатывания системы ЭКУ. Преимуществом программно-аппаратного комплекса является возможность рассмотрения самых различных маневров, дорожных условий, а также имитации неполадок (т.е. имитации выхода какого-либо агрегата тормозной системы из строя).

Следует отметить, что Правилами ЕЭК ООН № 13-11, принятыми 10 сентября 2009 г. постановлением Правительства Российской Федерации № 720 в виде «Технического регламента о безопасности колесных транспортных средств», вступающего в силу с 01 января 2016 г., допускается проведение оценки динамического движения ТС, оснащенного системой ЭКУ, как по результатам натурных испытаний, так и по результатам имитационного моделирования [4]. Поэтому исследование тормозных свойств ТС и оценка эффективности ЭКУ с помощью рассмотренного программно-аппаратного комплекса имеет хорошие перспективы, поскольку полученные результаты могут быть реализованы на практике не только в виде конкретных конструкторских решений, но также использованы при сертификации ТС.

В заключении следует отметить, что Поправка серии 11 к Правилам ЕЭК ООН № 13 вступает в силу лишь с 2016 года. Однако сложная дорожнотранспортная ситуация в России показывает, что уже в настоящее время существует острая необходимость в соответствующих исследованиях и научнопрактических работах, направленных на внедрение систем ЭКУ на коммерческом транспорте. В этой связи в исследовательских работах должны участвовать не только автопроизводители, исследовательские лаборатории и центры, но также и государственные организации, способные оказывать финансовую и правовую поддержку при решении данного вопроса.