Системный анализ и динамическое моделирование как инструменты междисциплинарного проектирования адаптивного круиз-контроля

DOI:

Современные интеллектуальные транспортные системы предъявляют высокие требования к безопасности, энергоэффективности и удобству эксплуатации. Адаптивный круиз-контроль (АСС) представляет собой ключевую технологию, направленную на автоматическое поддержание безопасной дистанции между автомобилями, снижая нагрузку на водителя и повышая безопасность дорожного движения. Несмотря на активное развитие этой технологии, остаются открытыми вопросы интеграции разнородных методов проектирования, в частности, системной инженерии и имитационного моделирования.

Цель данной работы заключается в демонстрации эффективности междисциплинарного подхода к проектированию АСС. Задачи исследования включают: применение системной инженерии на ранних этапах проектирования, построение имитационной модели на основе продольной динамики, анализ поведения системы в различных дорожных сценариях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Процесс проектирования АСС опирается на метод системной инженерии, включающую следующие этапы: определение заинтересованных сторон и их требований, формализация спецификаций, архитектурное моделирование, выбор критериев валидации и последующее тестирование [1]. Каждый из этапов отражает системный подход к построению сложных технических решений.

Имитационная модель была реализована в MATLAB/Simulink и основывается на продольной динамике транспортного средства (ТС), описанной в книге Rajamani [2]. Модель учитывает массу автомобиля, аэродинамическое сопротивление, сопротивление качению, силу тяги и торможения. Используемые параметры выбраны на основе типичных характеристик легкового автомобиля. Предполагается движение по прямолинейному участку дороги без бокового ветра и уклона.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На начальном этапе проектирования системы адаптивного круиз-контроля был проведён системный анализ, включающий идентификацию заинтересованных сторон (ЗС), их проблем, потребностей и целей. Полученные результаты легли в основу формулирования требований, отражающих ожидания внешнего окружения относительно функционирования разрабатываемой системы. Эти требования описывают, какие свойства должна демонстрировать система, чтобы обеспечить соответствие нормативным стандартам, повысить безопасность и удобство использования, а также снизить риски, связанные с человеческим фактором [3]. Результаты анализа представлены в Таблицах 1-4.

Таблица 1. Заинтересованные стороны.

Table 1. Stakeholders.

ID	Заинтересованная сторона	Комментарий
ST.01	Компании-производители	Уменьшение расхода топлива. Снижение выбросов CO2 в атмосферу
ST.02	Водители	Помощь в управлении ТС во время движения по шоссе. снижение утомляемости
ST.03	Регулирующие органы	Обеспечение безопасности движения и снижение количества аварий [4]
ST.04	Страховые компании	Организации, предоставляющие страховые услуги для автомобилей заинтересованы в снижении числа аварий и связанных с ними выплат
ST.05	Разработчик системы	Команда/отдел разработки инженерных решений

Таблица 2. Проблемы заинтересованных сторон.

Table 2. Stakeholder problems.

ID	Проблема	Трассировка на ЗС
PR.01	С каждым годом вводятся более жесткие экологические нормы для разработки новых автомобилей	ST.01
PR.02	Высокая конкуренция на рынке автомобилей, требующая внедрения инноваций для привлечения покупателей	ST.01
PR.03	Водитель ощущает повышенную усталость от длительного контроля за скоростью и дистанцией	ST.02
PR.04	С увеличением количества автомобилей на шоссе увеличивается количество аварийных ситуаций и ДТП	ST.03
PR.05	Регулирующие органы сталкиваются с недостатком данных для соответствия стандартам в рамках сертификации	ST.03
PR.06	Высокие страховые выплаты из-за частых аварий, вызванных человеческими ошибками	ST.04

Таблица 3. Требования заинтересованных сторон.

Table 3. Stakeholder goals.

ID	Цель	Трассировка
StG.01	Обеспечить соответствие экологическим нормам	StN.01
StG.02	Внедрить инновации для повышения конкурентоспособности	StN.02
StG.03	Уменьшить усталость во время вождения	StN.03
StG.04	Снизить количество аварийных ситуаций и ДТП	StN.04
StG.05	Гарантировать соответствие системы нормативным требованиям и стандартам безопасности	StN.05
StG.06	Сократить количество страховых выплат за ДТП	StN.06

Таблица 4. Требования заинтересованных сторон.

Table 4. Stakeholder requirements.

ID	Требование ЗС	Трассировка на цель ЗС
StR.01	Система должна обеспечивать режим движения, способствующий снижению выбросов CO₂	StG.01
StR.02	Система должна автоматически поддерживать безопасную скорость и дистанцию, снижая нагрузку на водителя	StG.03
StR.03	Система должна уменьшать вероятность столкновений за счёт раннего реагирования на изменения трафика	StG.04
StR.04	Система должна сохранять и передавать данные о событиях и режимах работы для целей сертификации [5,6]	StG.05
StR.05	Система должна снижать частоту аварий, вызванных человеческим фактором, за счёт автоматизации управления	StG.06

Для визуализации взаимодействия между системой и её окружением была построена контекстная диаграмма. Она отображает основные внешние элементы — датчики, исполнительные механизмы, пользователя (водителя), вспомогательные подсистемы и внешние факторы (например, дорожная обстановка), — которые обмениваются информацией и управляющими воздействиями с АСС. Такая диаграмма позволяет определить границы системы, каналы обмена данными и критически важные точки взаимодействия [7].

Рисунок 1. Контекстная диаграмма.

Figure 1. Context diagram.

М одель продольной динамики

Имитационная      модель      позволила проанализировать динамическое поведение системы в условиях приближения к медленно движущемуся транспортному средству, экстренного торможения и возврата к крейсерской скорости.

Рисунок 2. Результаты моделирования.

Figure 2. Simulation results.

Графики скорости, ускорения и межмашинной дистанции продемонстрировали, что после включения, система начинает стремиться к заданной скорости, а также поддерживать безопасную дистанцию [8]. В качестве примера адаптации к изменяющимся условиям дорожного движения представлено экстремальное торможение, при обнаружении опасности на дороге [9].

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты моделирования подтверждают эффективность предложенного подхода. Сравнение с литературными источниками показывает, что интеграция методов системной инженерии позволяет не только ускорить процесс разработки, но и повысить надёжность и воспроизводимость решений. Тем не менее, модель ограничена только продольной динамикой и не учитывает влияние боковых сил и многополосного движения. Это ограничивает её применение в условиях интенсивного городского трафика [10]. Расширение модели за счёт включения боковой динамики и элементов машинного обучения является перспективным направлением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной статье показана практическая значимость междисциплинарного подхода, основанного на синтезе системной инженерии и имитационного моделирования, для разработки адаптивного круиз-контроля. Построенная модель демонстрирует устойчивость и адекватность в различных дорожных сценариях, подтверждая корректность архитектурных решений.

Выводы исследования подтверждают, что применение системной инженерии позволяет формализовать требования, систематизировать проектирование и обеспечить воспроизводимость решений. Перспективы дальнейших исследований связаны с расширением моделей и их интеграцией в более сложные системы автономного вождения.