Адаптивно-управляемый метод мониторинга экологических параметров беспилотных транспортных средств

Вопросы экологии являются одними из наиболее значимых проблем – загрязнение атмосферы и почвенного слоя, сокращение ресурсов и вопрос переработки и утилизации сырья требуют отдельного внимания. Транспортная отрасль оказывает значимое негативное воздействие на окружающую среду. В среднем за год легковой автомобиль вырабатывает в атмосферу до 800 килограмм углекислого газа, 200 килограмм углеводородов и 40 килограмм азота. Транспорт напрямую влияет на состояние окружающей среды, особенно актуальна проблема выбросов в крупных городах. Функционирование транспортно-дорож- ного комплекса с окружающей средой происходит с учетом множества факторов, таких как ландшафтно-климатические и биологические факторы, параметры архитектурно-планировочной структуры населенных мест, фоновое загрязнение окружающей среды, а также количество эксплуатируемого транспорта, типаж, техническое состояние транспортных средств и режимы их эксплуатации. Однако с развитием технологий и систем экологического контроля методология оценки взаимодействия транспортно-дорожного комплекса с окружающей средой должна учитывать большее количество факторов с целью повышения экологической безопасности.

EDN EJLUUE

Понятие экологической безопасности направлено на минимизацию уровня воздействия на окружающую среду за счет экономии энергетических ресурсов на всех стадиях жизненного цикла транспортных средств, а именно при получении сырья, переработке полученного сырья, изготовлении конструкционных материалов, периоде эксплуатации автомобиля, ремонте, разборке и утилизации транспортного средства.

Основным источником загрязнения атмосферы являются отработавшие газы. Загрязнение воздуха отдельными компонентами отработавших газов приводит к образованию фотоксидви-тов – веществ, существенно влияющих на организм человека. Наличие негативных факторов влияния отработавших газов приводит к необходимости ужесточения экологическими требований и стандартов, предъявляемых к транспортным средствам. [1-3]

Внедрение интегрированных технологий интеллектуальных транспортных систем (ИТС) в состав транспортного средства позволяет не только проводить мониторинг, но и снижать количество выбросов транспортных средств. ИТС представляет собой всесторонний комплекс технологий, осуществляющий сбор и анализ информации, связанной с дорожным движением, транспортной инфраструктурой и техническим состоянием транспортных средств. Функционирование бортовой информационно-управляющей системы транспортного средства обеспечивает более плавное вождение, за счет контроля скорости, ускорения, следовательно, более эффективного использования топлива. По предварительным оценкам использование автоматизированного стиля вождения может снизить расход топлива на 15-20%, а общее энергопотребление – на 4%.

Основной текст

По результатам исследований выбросы от автотранспорта в атмосферу составляют 4885 тыс. т. по состоянию за 2022 г. Выхлопные газы автомобиля содержат около 200 компонентов. В таблице 1 приведены наиболее распространенные выбросы за 2020-2022 г. (Табл. 1).

Таблица 1 – Статистика наиболее распространенных выбросов от автомобильного транспорта, тыс.т.

Год	Всего	Выбросы
		Оксид углерода	Летучие органические соединения	Оксиды азота	Сажа	Диоксид серы
2020	5137	3639	416	950	28	37
2021	4949	3499	395	922	27	38
2022	4885	3456	389	909	27	37

Существенное влияние на количество выбросов может оказать внедрение интеллектуальных транспортных систем. Одна из задач ИТС – определение и контроль экологического ущерба окружающей среды от автотранспортного средства. Транспортное средство оснащено системой бортовой диагностики – элементом бортовой ин-формационно-управляющей системы, отвечающим за ограничение выбросов при возникновении неисправности какой-либо из систем транспортного средства. При помощи постоянной системы обработки данных и мониторинга технического состояния транспортного средства система бортовой диагностики способна выявлять зону неисправностей и прогнозировать возможные причины сбоев. На основании полученных данных система проводит мгновенную или динамичную топливную балансировку, подразумевающую калибровку топливного режима с целью компенсирования различия при смене режимов работы двигателя. Кроме того, система бортовой диагностики может содержать информацию, необходимую для проведения технического обслуживания и диагностического контроля. [4-6]

Система бортовой диагностики информирует о некорректной работе любых элементов и систем транспортного средства, влияющих на количество выбросов, если неисправность влечет к превышению предельных величин выбросов (Табл.2).

Минимальные требования, предъявляемые к системе, заключаются в контролировании следующих параметров:

• 1.    Изменения эффективности каталитического нейтрализатора в отношении выбросов общих углеводородов и оксидов азота (Табл. 2)

• 2.    Пропуск зажигания в двигателе.

• 3.    Некорректный режим работы кислородного датчика.

• 4.    Целостность цепи процесса электронной очистки выбросов.

• 5.    Электронные системы, контролирующие механизмы количественного и временного регулирования системы впрыска топлива.

• 6.    В случае появлении неисправностей в работе система бортовой диагностики активирует индикатор неисправности, целью которого является предупреждение водителя или оператора транспортного средства.

Информирование производится в соответствии с ISO 2575. [7-9]

Таблица 2 – Пределы значения выбросов при функционировании бортовой диагностики

Окончательные предельные значения выбросов бортовой диагностики
		Контрольная масса (RM) (кг)	Масса моноксида углерода (CO) (мг/км)		Масса углеводородов, не содержащих метан (NMHC) (мг/км)		Масса оксидов азота (No) (мг/км)		Масса взвешенных частиц (МЧ) (мг/км)
Категория	Класс		PI	CI	PI	CI	PI	CI	CI	PI
М	—	Все	1900	1750	170	290	90	140	12	12
N1	I	RM <  1305	1900	1750	170	290	90	140	12	12
N1	II	1305< RM < 1760	3400	2200	225	320	110	180	12	12
N1	III	1760	4300	2500	270	350	120	220	12	12
N2	—	Все	4300	2500	270	350	120	220	12	12
Предварительные предельные значения выбросов бортовой диагностики
Категория	Класс		PI	CI	PI	CI	PI	CI	CI	PI
М	—	Все	1900	1750	170	290	150	180	25	25
N1	I	RM <  1305	1900	1750	170	290	150	180	25	25
N1	II	1305< RM < 1760	3400	2200	225	320	190	220	25	25
N1	III	1760	4300	2500	270	350	210	280	30	30
N2	—	Все	4300	2500	270	350	210	280	30	30
Временные предельные значения выбросов бортовой диагностики
Категория	Клас с		CI		CI		CI		CI
М	—	Все	1900		320		240		50
N1	I	RM <  1305	1900		320		240		50
N1	II	1305< RM < 1760	2400		360		315		50
N1	III	1760	2800		400		375		50
N2	—	Все	2800		400		375		50

Материалы и методы

Ущерб от выброса вредных веществ в атмосферу рассчитывается:

У=К1 ×К2 ×К3×Мвв где К1 – нормативная константа, переводящая условную оценку выбросов в денежную с учетом индекса инфляции; К1 = 0,0497 руб./кг;

К 2 – показатель опасности загрязнения атмосферы над различными территориями (для жилых районов городов с преимущественно высотной застройкой, включая улицы, магистрали и парки К 2 = 5);

К 3 – коэффициент, учитывающий характер рассеивания примесей в атмосфере (К 3 = 12);

М вв – приведенная к оксиду углерода масса выбросов вредных веществ (с учетом относительной агрессивности), кг.

Приведенная к оксиду углерода масса выбросов вредных веществ, кг

М вв = Е м^

где    Мвв – масса выбросов i-го вредного веще ства, кг;

k i – показатель относительной агрессивности i-го вредного вещества.

Для более детализированного анализа выбросов требуется сбор информации с каждого отдельного транспортного средства и единой системы управления экологического контроля.

Таблица 3 – Показатели относительной агрессивности вредных веществ

Вредное вещество	СО	СН	NO Х	Твердые частицы
Показатель относительной агрессивности k	1,00	2,16	6,90	144,00

Система бортовой диагностики активируется минимум один раз за период вождения и передает полученную информацию о работе систем транспортного средства и их влияние на экологическую составляющую. Вводится понятие эксплуатационной эффективности системы бортовой диагностики транспортного средства. Показатель эксплуатационной эффективности выражается в соотношении продолжительности движения транспортного средства к периодичности выполнения контрольной программы и направлен на

Адаптивно-управляемый метод мониторинга экологических параметров ...

ограничение загрязнения окружающей среды посредством контроля работы систем:

ПЭЭ = —, п где tэ – продолжительность эксплуатации ТС, с;

n - периодичности выполнения контрольной программы.

На основании собранной информации система бортовой диагностики генерирует диаграмму выбросов в процессе эксплуатации транспортного средства, что может быть использовано при испытании транспортного средства на уровень экологического соответствия (рис. 1). Расчета уровня выбросов системой разовой регенерации учитывает выбросы вещества без регенера- ции:

Lt м'и Msi = J~1 slJn > 2, dt       n где    M'sij - выбросы агрязняющего вещества (i)

в ходе одного эксплуатационного цикла без регенерации, г/км;

n – количество испытательных точек.

Выбросы в процессе регенерации:

Lj^Mry

Mri =    d , где   M^j - выбросы загрязняющего вещества

• (i)    в ходе одного эксплуатационного цикла с регенерацией, г/км; d – необходимое количество цик-

• лов для регенерации.

M^D + Mrid} MPl = I(, D + d где   D – число циклов на этапах регенерации.

Проводятся исследования с целью повышения информативности и точности данных имеющихся систем. Проводится визуализация демонстрации работы электронных блоков управления, позволяющих анализировать методики моделирования работы двигателя с имитацией неисправностей. Одно из таких изобретений - Автоматизированная система мониторинга экологических параметров двигателя внутреннего сгорания транспортных средств (Патент RU#2739652), представляющая устройство для стендовых испытаний ДВС с принудительным зажиганием с жидким и газообразным топливом. [10-12]

Основной недостаток существующей системы контроля экологических параметров - отсутствие единой информационной базы, отражающей общее экологическое состояние выбранной территории при анализе работы каждого отдельного транспортного средства. Требуется сбор и анализ информации, получаемых с систем бортовой диагностики транспортных средств и элементов транспортной инфраструктуры. Таким образом, информация обрабатывается бортовой информа-ционно-управляющей системой и автоматизированной системой управления, после чего отражается в единой системе управления и экологического контроля [13-14]. Система подразделяется на 3 основных блока (рис. 2):

• 1.    Конфигурация сценариев управления ИТС, в которой отображается работа систем, прогнозирование движения и технического состояния транспортного средства, а также ситуационный режим управления.

• 2.    Цифровая экологическая система - отчёт оценки окружающей среды.

• 3.    Автоматизированная система управления дорожным движением, включающая информацию о состоянии улично-дорожной сети.

Рисунок 1 – Модель контроля экологических параметров транспортных средств при применении системы бортовой диагностики

Заключение

Проанализирована нормативная база в области экологического контроля транспортных средств, установлена необходимость корректировки существующих требований и документации в отношении беспилотных транспортных средств. Предложена методика расчета выбросов с учетом возможностей системы бортовой диагностики транспортного средства. Разработан адаптивно-управляемый метод формирования получаемой информации в систему управления техническим состоянием транспортного средства и экологического контроля, позволяющий проводить мониторинг, прогнозировать и снижать количество выбросов.