Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов и средств обеспечения надежности водителя АТС 15
1.1. Надежность водителя АТС как оператора человеко-машинной системы 15
1.2. Анализ методов и средств обеспечения надежности водителя АТС 19
1.3. Метод РДО для тестирования ориентации во времени и пространстве водителя АТС 26
1.4. Анализ процесса торможения АТС
1.4.1. Анализ основных режимов торможения АТС 30
1.4.2. Анализ процесса плавного (служебного) торможения 33
1.4.3. Анализ процесса экстренного торможения 35
1.5. Постановка задачи исследования 38
2. Методы контроля навыка торможения водителя АТС 41
2.1. Математическая модель движения АТС 41
2.2. Имитационное моделирование движения АТС
2.2.1. Имитационное моделирование движения АТС в процессе плавного торможения 50
2.2.2. Имитационное моделирование движения АТС в процессе экстренного торможения
2.3. Метод контроля навыка плавного торможения водителя АТС 59
2.4. Метод контроля навыка экстренного торможения водителя АТС 64
2.5. Выводы 70
3. Аппаратно-программный комплекс контроля навыка торможения водителя АТС 72
3.1. Структура аппаратно-программного комплекса 72
3.2. Прибор контроля навыка торможения водителя АТС «Тест водителя-1»
3.2.1. Структура прибора контроля навыка торможения водителя АТС «Тест водителя-1» 77
3.2.2. Структура микропроцессорной системы блока управления 80
3.2.3. Программное обеспечение блока управления
3.3. Программное обеспечение ПЭВМ 96
3.4. Выводы 100
4. Экспериментальные исследования навыка торможения водителя АТС 101
4.1. Экспериментальные исследования навыка плавного торможения водителя АТС 101
4.1.1. Методика контроля навыка плавного торможения водителя АТС 101
4.1.2. Результаты экспериментальных исследований навыка плавного торможения водителя АТС 105
4.2. Экспериментальные исследования навыка экстренного торможения водителя АТС 111
4.2.1. Методика контроля навыка экстренного торможения водителя АТС 111
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований навыка экстренного торможения водителя АТС 113
4.3. Выводы 118
Заключение 121
Список используемой литературы 123
- Метод РДО для тестирования ориентации во времени и пространстве водителя АТС
- Имитационное моделирование движения АТС в процессе экстренного торможения
- Структура прибора контроля навыка торможения водителя АТС «Тест водителя-1»
- Результаты экспериментальных исследований навыка плавного торможения водителя АТС
Метод РДО для тестирования ориентации во времени и пространстве водителя АТС
Проблеме обеспечения надежности водителя АТС посвящено множество работ [3,4,10,11,22,26–33]. Например, в работе [26] авторами Бурмистровым В.А. и Скрыпниковым А.В. предложен интегральный показатель оценки надежности работы водителя, вычисляемый по формуле: ош где Кош – показатель, характеризующий степень ошибочной работы водителя, складывающийся из показателей ошибочного выполнения отдельных операций по управлению АТС – разгонов, торможений, поперечных маневров и превышений скорости. Кроме технических мер обеспечения надежности водителя АТС, применяются также социальные, организационно-воспитательные, экономические, правовые, медицинские и прочие мероприятия [10,34–36]. Необходимым этапом в комплексе мероприятий обеспечения надежности водителя является исследование характеристик человека, являющихся показателями профессиональных навыков.
Отметим, что под контролем характеристик будем понимать термин, принятый для обозначения проверки соответствия параметров объекта установленным технических требованиям [37], необходимым этапом которого является измерение величин контролируемых характеристик.
Таким образом, контроль профессионально-важных навыков водителя АТС, в том числе навыка торможения, может быть сведен к измерению характеризующих его величин (характеристик) и проверке их соответствия заранее установленным требованиям. Для контроля характеристик водителя АТС как человека применяются медико-биологические, психологические, электрофизиологические и психофизиологические методы исследований [38]. При этом разделение методов и средств по видам весьма условно, так как зачастую различные подходы используются в одних и тех же работах одновременно.
Медико-биологические методы и средства контроля характеристик водителя АТС основаны на изучении объективных показателей организма, таких как пульс, вариабельность сердечного ритма и прочих [39–41].
Психологические методы контроля характеристик водителя АТС основаны на изучении индивидуальных психологических особенностей [42–45]. Автотранспортная психология, являющаяся ветвью инженерной психологии, изучает закономерности процессов информационного взаимодействия водителя и автомобильной техники с целью использования их в процессе проектирования, создания и эксплуатации компонентов системы ВАДС. Основными методами автотранспортной психологии являются наблюдение, беседа и эксперимент [11,12]. К примеру, в работе [43] приведены данные, что ДТП могут быть вызваны депрессией, потерей личностных смыслов, чувством одиночества.
В качестве решения проблемы автор предлагает тренировать навыки вождения, позволяющие снизить влияние негативных факторов. Распространение получил подход оценки склонности к риску [46], рассматриваемой также в качестве фактора надежности водителя АТС.
Анализ программно-технических средств психологического контроля, например [4,47,48], показывает, что большинство из них представляет собой программное обеспечение (ПО) персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) или АПК, предназначенные для тестирования испытуемых по психологическим методикам.
Среди электрофизиологических методов контроля характеристик водителя АТС наибольшее распространение получил метод контроля электродермальной активности (кожно-гальванической реакции) [49–51]. Также применяются методы контроля положения головы [52], тонуса мышц [53], движения глаз [54] и прочие [55]. Большое количество проанализированных работ направлено на оценку уровня бодрствования и препятствие засыпанию водителя в процессе управления АТС. Среди программно-технических средств контроля характеристик водителя АТС электрофизиологическими методами можно выделить систему поддержания работоспособности водителя АТС Vigiton [56]. Система разработана ЗАО «Нейроком» и является аналогом серийно устанавливаемой на железнодорожном транспорте Телемеханической системе контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ) [57]. Система содержит наручные датчики, встроенные в носимый браслет или перстень, непрерывно измеряющие электродермальную активность, свето-звуковой индикатор состояния водителя и блок управления. При обнаружении перехода из активного состояния в состояние релаксации или дремотную стадию сна индикатор формирует свето-звуковые сигналы, направленные на восстановление уровня бодрствования водителя, а также сигналы для исполнительных устройств безопасности АТС. Среди психофизиологических методов наиболее распространены методы контроля зрительно-моторной реакции водителя АТС как в иностранной литературе [58–63], так и в отечественной [64–67]. К примеру, Ермаковым Ф.Х. предложен способ определения профессиональной пригодности оператора к управлению движущимися и стационарными объектами, к которым относится АТС. Способ заключается в измерении времени реакции на сигналы опасности, предъявляемые имитирующей аппаратурой от 4 до 30 раз в серии измерений, обработке результатов измерений как малой выборки с использованием способа центральных отклонений, определении среднего значения времени реакции, среднеквадратичного отклонения (СКО), ошибки и достоверности среднего значения. При оценке достоверности среднего значения рассчитывают необходимое количество экспериментов, которое сравнивают с их фактически проведенным числом, и при необходимости проводят дополнительные эксперименты. Определяют минимальную и максимальную величины времени реакции, сравнивают их с допустимыми пределами и определяют профессиональную пригодность оператора к управлению движущимися и стационарными объектами [68].
Основой большинства проанализированных работ является тестирование испытуемых с применением программно-технических средств в лабораторных или естественных условиях, которое сводится к измерению временных интервалов от момента предъявления внешнего сигнала до адекватного со стороны испытуемого воздействия на органы управления.
Недостатком метода контроля зрительно-моторной реакции является недостаточная информативность, связанная с ограниченностью рассмотрения способности водителя к восприятию только временных характеристик движения, без учета пространственных.
Имитационное моделирование движения АТС в процессе экстренного торможения
Путем имитационного моделирования движения АТС в процессе плавного торможения с функцией kП Т (t), интерполирующей функцию kПТ (t) заданного вида, получено соответствие параметров плавного торможения его результату.
Для заданных начальных условий установлено максимальное значение tНПТ момента времени начала плавного торможения, равное 5,91 с. Установлено минимальное значение kmПiТn параметра kmax , выполняя плавное торможение с которым, водитель имеет возможность избежать столкновения АТС с неподвижным объектом, равное 0,16.
Таким образом, в результате имитационного моделирования движения АТС в процессе плавного торможения АТС без корректировки водителем усилия торможения получена область значений параметров функции kПТ (t) (рис. 2.6), адекватная рассматриваемой безопасной дорожной ситуации. Рассмотренные процессы торможения не приводят к столкновению, кроме того расстояние Lост от остановившегося АТС до неподвижного объекта удовлетворяет принятым требованиям. 2.2.2. Имитационное моделирование движения АТС в процессе экстренного торможения Разработана имитационная модель, позволяющая моделировать управляющие действия водителя АТС в процессе экстренного торможения АТС при заданных параметрах и ограничениях.
Структурная схема имитационной модели приведена на рис. 2.7, где под блоками модели приведены соответствующие множества констант.
Получены следующие результаты имитационного моделирования движения АТС в процессе экстренного торможения: - всего вычислительных экспериментов 45875000 (100%) - из них экспериментов без столкновений АТС с неподвижным объектом 34312250 (74,8%) - расстояние L в вычислительных экспериментах без столкновений ост АТС с неподвижным объектом, м 0,01-122 Область значений параметров торможения ґзад, Тр и ТПП в вычислительных экспериментах без столкновений АТС с неподвижным объектом показана в приложении В на рис. Б.З–Б.4.
Аппроксимация границ области параметров торможения полиномиальными функциями первой степени. Получена система неравенств, описывающая в 99,8% случаев область значений параметров экстренного торможения в экспериментах без столкновений, записанная следующим образом:
Отметим, что первое неравенство системы (2.10) согласуется с неравенством (2.8), полученным аналитически при построении математической модели.
Путем имитационного моделирования движения АТС в процессе экстренного торможения с функцией Т(), интерполирующей функцию kЭТ(t) заданного вида, получено соответствие параметров экстренного торможения его результату.
Таким образом, в результате имитационного моделирования движения АТС в процессе экстренного торможения АТС получена область значений параметров функции kЭТ(t), торможение с которыми является успешным и адекватным рассматриваемой опасной дорожной ситуации, т.е. не приводит к столкновению АТС с неподвижным объектом.
Метод контроля навыка плавного торможения водителя АТС Для контроля навыка плавного торможения водителя АТС предложен метод, защищенный патентом РФ № 2394489 на изобретение [121], не имеющее прототипа. Метод контроля навыка плавного торможения водителя АТС осуществляется путем тестирования испытуемого водителя следующим образом [122]. Испытуемому на экране видеомонитора предъявляют прямую горизонтальную линию, обозначающую путь движения АТС 1, в конце которого размещен неподвижный объект 2, как показано на рис. 2.8. Рис. 2.8. Схема тестирования навыка плавного торможения водителя АТС.
Обозначения в тексте. Испытуемому ставят задачу – выполнить плавное торможение и остановить АТС 1 перед неподвижным объектом 2, не допустив столкновения с ним. В начальный момент времени АТС 1 неподвижно и находится в начале пути. Чтобы приступить к выполнению первой попытки останова АТС 1, испытуемый нажимает и удерживает правой ногой педаль подачи топлива, после чего АТС 1 начинает движение по пути с заданной начальной скоростью v0 . За некоторое расстояние до неподвижного объекта 2 испытуемый отпускает правую ногу с педали подачи топлива, переносит ее на педаль тормоза и выполняет плавное торможение до останова АТС 1.
При нажатии на педаль тормоза испытуемому предъявляют замедление движения АТС 1, причем ускорение АТС 1 изменяется в зависимости от значений функции k(t) нормированного коэффициента углового положения педали тормоза. Для обеспечения возможности корректировки усилия торможения испытуемому по известному заранее каналу предоставляют информацию о замедлении АТС, рассматриваемую как обратную связь информационной модели системы ВАДС (рис. 1.4). После останова определяют наличие или отсутствие столкновения АТС 1 с неподвижным объектом 2 (величину D) и расстояние Lост до него, если не было допущено столкновения.
Структура прибора контроля навыка торможения водителя АТС «Тест водителя-1»
Параметры торможения на протяжении всей серии попыток останова удовлетворяли условию (4.2) только у 5 из 15 испытуемых (33,3% случаев) обследованной группы.
Полученные данные имеют грубый характер, кроме того имеют место существенные различия вида графиков функций k (t) в реальных экспериментах и вида функции kП Т (t) плавного торможения, принятого при имитационном моделировании. Следовательно, известная оценка плавности выполняемого испытуемым торможения по наибольшему значению замедления в ходе торможения обладает недостаточной информативностью и не позволяет рассматривать влияние отдельных участков функции k (t) на плавность выполняемого торможения.
Следовательно, более информативной является предложенная в разделе 2.3 оценка плавности выполняемого торможения по МНК.
При проведении экспериментальных исследований по контролю навыка экстренного торможения водителя АТС на ПЭВМ задавались начальные условия тестирования, соответствующие начальным условиям имитационного моделирования движения АТС в процессе экстренного торможения, приведенным в разделе 2.2.2. Интервал, в котором случайным образом задавалось положение неподвижного объекта, составлял от 75 до 145 м.
Звуковая обратная связь о замедлении АТС в ходе торможения испытуемым не предоставлялась.
Отбор испытуемых, обучение и условия проведения их тестирования выполнялись аналогично контролю навыка плавного торможения водителя АТС.
Испытуемые выполняли серии останова АТС в соответствии с процедурой тестирования по методу контроля навыка экстренного торможения, описанной в разделе 2.4.
В каждой попытке останова определялось наличие или отсутствие столкновения АТС с неподвижным объектом (булева величина D), и измерялись значения времени Т реакции испытуемого, времени ГПП переходного процесса функции k (t) и расстояния L в попытках останова ост АТС, в которых испытуемый не допустил столкновения.
Значения прямых измерений времени 7ПП переходного процесса функции k (t), полученные в соответствие с заложенным алгоритмом работы микропроцессора прибора (более подробно раскрытым в приложении Д), были дополнительно проверены на условие окончания переходного процесса, после которого имело место неравенство [127]: (ґНТ+ГПП)- КП АКП/2, /1 ґНТ+ГПП, где tНТ - момент времени начала торможения, с; k {tНТ+TПП) - значение коэффициента k в момент окончания переходного процесса длительностью ТПП; кКП - среднеарифметическое значение коэффициента k в квазистационарном процессе; АКП - вариационный размах значений коэффициента k в квазистационарном процессе. Результаты экспериментальных исследований сравнивались с данными имитационного моделирования следующим образом. Определенные с помощью АПК результаты попытки останова АТС, а именно значения параметров торможения Т и ТПП при заданном времени зад, факт наличия или отсутствия столкновения АТС с неподвижным объектом (значение величины D), значение расстояния Lост от остановившегося АТС до неподвижного объекта, сопоставлялись с аналогичными результатами вычислительного эксперимента, проведенного с теми же параметрами торможения Tр и TПП . При описанном сопоставлении определялось, совпадают ли значения величины D, а также количественно определялось различие в значениях расстояния Lост от остановившегося АТС до неподвижного объекта.
Статистическая обработка результатов индивидуальных измерений и корреляционный анализ проводились аналогично приведенным в методике контроля навыка плавного торможения водителя АТС. При этом значения величин дополнительно группировались по значениям заданного времени tзпд .
Результаты экспериментальных исследований навыка экстренного торможения водителя АТС В исследовании приняло участие 15 испытуемых, участвовавших ранее в экспериментальных исследованиях по контролю навыка плавного торможения, каждый из которых выполнил серии попыток останова АТС. Диапазон измеренных с помощью разработанного прибора значений параметров экстренного торможения по обследованной группе приведен в табл. 4.3. Результаты характеристик навыка экстренного торможения (результаты статистической обработки значений параметров экстренного торможения) по обследованной группе представлены в табл. 4.4. Диаграммы среднеарифметических значений параметров экстренного торможения, сгруппированных по значению заданного времени tзад , представлены на рис. 4.2.
Результаты экспериментальных исследований навыка плавного торможения водителя АТС
Диаграмма значений зрительно-моторных характеристик навыка экстренного торможения по группе из 15 испытуемых. По горизонтальной оси – обозначение величины: 1 – минимальное заданное время tз а д , при котором испытуемый не допустил в серии попыток останова столкновений, 2 – время Tр реакции, 3 – время TП П нажатия педали тормоза; по вертикальной оси – значения характеристики, с. Пояснение справа внизу: Median – оценка медианы распределения; 25% – 75% – нижний и верхний квартили, Min–Max – минимальное и максимальное значения. В результате анализа корреляции времени Тр реакции и времени ТПП переходного процесса функции k (t) в индивидуальных сериях результатов измерений, рассматриваемых как независимые выборки, получены значения коэффициента корреляции r, составляющие от -0,600 до 0,850, медиана распределения составляла 0,092, доверительный интервал для медианы при доверительной вероятности 0,95 – от -0,088 до 0,227, что показывает различный характер корреляции величин в индивидуальных сериях измерений различных испытуемых.
В результате анализа групповых результатов, установлена средняя положительная корреляция (R = 0,672, р 0,01) значений времени Т реакции и времени 7"П П нажатия педали тормоза.
Установлена сильная положительная корреляция значений заданного времени Ґад со значениями времени Т реакции (І? = 0,904,/? 0,01) и средняя положительная - со значениями времени 7"П П нажатия на педаль тормоза (R = 0,614, р 0,05).
Таким образом, успешность экстренного торможения в большей степени зависит от времени реакции водителя АТС, чем от времени нажатия на педаль тормоза, что также объясняется порядками величин и их средней положительной корреляцией [124]. Установленная корреляция также подтверждает соотношение (2.10), полученное в результате аппроксимации данных имитационного моделирования движения АТС в процессе экстренного торможения.
При сравнении результатов экспериментальных исследований с данными имитационного моделирования получены следующие результаты.
Сравнение результатов экспериментальных исследований с данными имитационного моделирования показало, что в 94,4% случаев наличие или отсутствие столкновения (величина D) АТС с неподвижным объектом, определенное с помощью АПК, совпадало с результатами соответствующего вычислительного эксперимента.
Различие в значениях расстояния L от остановившегося АТС до неподвижного объекта в случаях отсутствия столкновения в реальном и вычислительном экспериментах, составило от 0 до 1,10 м, медиана распределения составила 0,34 м, доверительный интервал для медианы при доверительной вероятности 0,95 - [0,34 м; 0,35 м]. Таким образом, количественно оценен использованный при имитационном моделировании подход пренебрежения формой переходного процесса функции k ЭТ(t) при экстренном торможении путем линейной интерполяции соответствующего участка функции k(t). Установлено, что в 88,6% случаев полученная в результате аппроксимации данных имитационного моделирования система неравенств (2.10) верно описывает область значений параметров экстренного торможения без столкновений.
Расчет абсолютной и относительной случайной погрешности результатов измерений по экспериментальным данным приведены в приложении Д.
Результаты экспериментальных исследований по предложенному в рамках задачи контроля навыка экстренного торможения методу тестирования зрительно-моторной системы водителя АТС, а также анализ корреляции результатов экспериментальных исследований по нему и по методу контроля навыка экстренного торможения представлены в работе [124]. Показано, что предложенный метод РДО может быть использован для прогнозирования значений рассмотренных зрительно-моторных характеристик водителя АТС.
Таким образом, полученные данные подтверждают результаты проведенного ранее анализа, согласно которому известный метод РДО не адекватен профессиональной деятельности водителя, а предложенные на его основе методы могут быть применены на практике для устранения его недостатков.
Разработаны методики контроля навыков плавного и экстренного торможения водителя АТС. Разработанные методики предусматривают определенную последовательность действий, стандартизацию процедур тестирования, статистической обработки результатов измерений и оценки навыка торможения испытуемого.
Впервые выполнены экспериментальные исследования по контролю навыка плавного (служебного) торможения водителя АТС предложенным методом, в ходе которых установлено: - Индивидуальное среднеарифметическое L значение расстояний L ост ост от остановившегося АТС до неподвижного объекта по обследованной группе составило от 2,52 до 12,46 м; индивидуальное значение СКО S\L 1 -от 1,431 до 5,578 м. - Индивидуальное среднеарифметическое значение нормированной суммы К квадратов отклонений коэффициента к по обследованной группе составило от 0,005 до 0,091, индивидуальное значение СКО S[K] величины К - от 0,001 до 0,030.
