Вопрос. Общие сведения

Лекция 17. Информационно-измерительные системы автомобилей и тракторов.

1 вопрос. Общие сведения.

2 вопрос. Измерительные преобразователи (контрольно-измерительные приборы).

Информационно-измерительные системы (ИИС) – это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях предоставления потребителю (в том числе ввода в автоматизированные системы управления) в требуемом виде либо в целях автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностики, идентификации и др.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде:

· измерительных систем (ИС);

· систем автоматического контроля (САК);

· систем технической диагностики (СТД);

· систем распознавания образов (идентификации) (СРО);

· телеизмерительных систем (ТИС).

В СТД, САК, СРО, ТИС измерительная система входит как подсистема.

Рис. 1.1. Основные структуры ИИС: а – цепочечная; б –радиальная; в – магистральная

Назначение любой информационно-измерительной системы, необходимые функциональные возможности, технические и дру­гие характеристики в решающей степени определяются объектом Исследования, для которого данная система создается.

Назначение информационно-измерительной системы можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измери­тельного процесса и как обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией.

Исходя из этого основными функциями информационно-измерительной системы являются:

· получение измерительной ин­формации;

· обработка информации;

· передача информации;

· представле­ние информации оператору или ЭВМ;

· запоминание информации;

· отображе­ние информации;

· формирование управляющих воздействий.

Информационно-измерительные системы оптимизируют по многим частичным критериям, таким как точность, помехо­устойчивость, надежность, пропускная способность, адаптивность, сложность, экономичность и др.

В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры (рис. 1.1).

Состав и структура конкретной информационно-измерительной системы определяется общими техническими требованиями, установленными ГОСТом, и частными требованиями, содержа­щимися в техническом задании на ее создание.

Информационно-измерительная система должна удовлетворять следующим требованиям:

· управлять из­мерительным процессом в соответствии с при­нятым критерием функционирования;

· выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью;

· обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надеж­ности и быстродействия;

· отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств и т.д.;

· быть приспособленной к функционированию с информационно-измерительными сис­темами смежных уровней иерархии и другими ИИС и вычисли­тельными комплексами (ИВК), т.е. обладать свойствами техни­ческой, информационной и метрологической совместимости;

· до­пускать возможность дальнейшей модернизации и развития и т.д.

Процессом функционирования информационно-измерительный системы (как и любой другой технической системы) является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически комплексом технических средств (КТС) (техническим обеспечением), либо совместно – оперативным персоналом и КТС в сложных ИИС, ИВК. Чтобы люди и комплекс технических средств могли функционировать оптимально, необходимы соответствующие инструкции и правила. Эту задачу выполняет организационное обеспечение.

Математическое, программное и информационное обеспече­ния входят в состав только ИИС и ИВК с цифровым вычислительным комплексом.

Математическое обеспечение – это модели и вычислительные алгоритмы.

Программное обеспечение гарантирует конкретную реализацию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирования системы и охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ.

Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для дальнейшего использования в управлении.

Всю систему в целом охватывает метрологическое обеспечение. Технические средства ИИС состоят из следующих блоков:

1) первичных измерительных преобразователей (датчиков);

2) нормирующих преобразователей (вторичных преобразователей);

3) элементов сравнения – мер;

4) цифровых устройств;

5) элементов описания – норм;

6) преобразователей сигнала, средств отображения, памяти и др.

Блоки 1 – 6 используются в цифровых ИС; 1 – 3 и 6 – в анало­говых ИС.

При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступить непосредственно от устройств обработки и (или) хранения.

Автомобильная информационно-измерительная система (АИИС) является составной частью современного автомобиля и предна­значена для сбора, обработки, хранения и отображения информа­ции о режиме движения и техническом состоянии автомобиля, а также окружающих его внешних факторах. Для этой цели на авто­мобиле устанавливаются контрольно-измерительные приборы (КИП) и различные дополнительные устройства: бортовая система контроля (БСК), система встроенных датчиков (СВД), маршрутный компьютер (МК), навигационная система.

С точки зрения характера информации о состоянии сложной технической системы (автомобиля) она под­разделяется на оперативную, кон­трольно-диагностическую и внешнюю.

Устройства и приборы, формирующие информацию, определяют структуру АИИС:

· для получения оперативной информации – электромеханическая комбинация приборов, электронный щиток приборов, ветровое стекло;

· для формирования кон­трольно-диагностической информации – БСК, СВД и контрольных точек (КТ), МК;

· для получения внешней информации – телевизионная установка заднего вида, радиотелефон и развлекательные устройства, навигационные, ло­кационные и другие устройства.

Контрольно-измерительные приборы информируют водителя о скорости движения автомобиля, частоте вращения коленчатого ва­ла двигателя, напряжении бортовой сети, количестве топлива в ба­ке, температуре охлаждающей жидкости, давлении масла. Кроме того, КИП информируют о возникновении аварийных режимов: в системе смазки двигателя – о падении давления масла, в системе охлаждения – о перегреве охлаждающей жидкости.

Бортовая система контроля – это развивающаяся система. В ее функции входит информирование водителя о ряде параметров сис­тем и агрегатов автомобиля, изменение состояния которых не соз­дает аварийного режима работы и не требует немедленного вме­шательства, а предупреждает о необходимости принятия мер по техническому обслуживанию. С помощью БСК возможен автомати­зированный контроль уровня эксплуатационных жидкостей в запра­вочных емкостях, состояния тормозных накладок, исправности ламп приборов светосигнальной аппаратуры, состояния фильтров.

Для снижения трудоемкости и уменьшения времени получения информации о техническом состоянии автомобили оборудуются системой встроенных датчиков, имеющих выходы на штекерный разъем. К штекерному разъему при диагностировании подключается диагностическая аппаратура. При наличии на борту автомобиля диагностического устройства, подсое­диненного к СВД, водитель может самостоятельно с минимальны­ми затратами времени оценить техническое состояние автомобиля.

В последнее время для автомобилей стали разрабатываться устройства, предоставляющие водителю дополнительную инфор­мацию, связанную со скоростью движения, расходом топлива, пройденным расстоянием и временем. Подобные устройства полу­чили название маршрутных компьютеров.

Современная концепция единой системы «водитель – автомо­биль – дорога – среда» предполагает наличие не только оператив­ной и контрольно-диагностической информации о режиме движения и состоянии автомобиля, но также внешней информации о состоя­нии дорог (обледенения, заторы, ремонт), карте дорог, оптималь­ном маршруте следования и погодных условиях. Эта информация поступает в АИИС извне (от системы датчиков, размещенных вдоль автомагистрали на всем ее протяжении, специальных радиопере­дающих станций, по спутниковой связи либо из специально запи­санной в память системы базы данных). Подобные системы, назы­ваемые навигационными, следует считать новейшим направлением в развитии АИИС.

Не следует забывать и такие информационные возможности со­временного автомобиля, как телевизионная установка заднего вида (применяется, как правило, на большегрузных автопоездах), кото­рая во время стоянки превращается в обычный телевизор, а также радиотелефон, компьютерные игры и т. п.

Основными характеристиками информационно-измерительной системы автомобиля как единого целого являются быстродействие, точность измерения и считывания информации, время счи­тывания информации, информационная емкость, яркость и контра­стность изображения.

Быстродействие информационно-измерительной системы определяется временем выполнения операций: измерения; контроля; управления; диагностики; поиска и т.п. Быстродействие удобно характеризовать информационным критерием – количеством информации, перерабатываемой в единицу времени.

Для ИС и САК быстродействие определяется

,

где – энтропия – го параметра до начала контроля; – энтропия – го параметра после контроля; – время измерения параметров; – время поиска неисправностей.

В расчетах используется критерий Шеннона, учитывающий количество информации и возможности ее статистического кодирования.

Во многих случаях при расчете быстродействия целесообразно использовать критерий Хартли, учитывающий только физические возможности системы. В этом случае быстродействие эквивалентной информационной емкости определяется по формуле

,

где – число различных состояний, например число уровней квантования в дискретной системе.

Для создания водителю оптимальных условий при принятии решений быстродействие системы должно быть максимальным и зависеть от характера отображаемой информации (например, влияет ли информация на безопасность дорожного движения, либо носит предупредительный характер). Быстродей­ствие зависит от технических характеристик функциональных блоков системы, в основном от инертности используемых датчиков.

Точность измерения (точность прибора) ха­рактеризует степень соответствия результата измерения действи­тельному значению измеряемого показателя. Точность измери­тельного прибора определяется его основной погрешностью. По­грешность прибора непосредственно связана с его чувствительно­стью, которая определяется как отношение изменения показаний прибора к соответствующему изменению измеряемого показателя. В общем виде погрешность используется в качестве характеристи­ки текущей точности прибора, которая называется его разрешаю­щей способностью.

Точность считывания информации в значительной степени за­висит от водителя (характеристик функциональных блоков), поэтому требования, предъявляемые к инфор­мационно-измерительной системе, должны учитывать воз­можности водителя (свойства функциональных блоков). На точность считывания информации водителем влияют число и взаимное расположение приборов (т. е. эргономические ха­рактеристики панели приборов), качество приборов (размах шкалы указателя, яркость и контраст световых индикаторов).

Например, исследования информационных свойств сигнализа­торов показали, что наибольшее значение вероятности обнаруже­ния сигнала имеется в том случае, если они расположены в ряд в верхней части панели приборов. При этом вероятность обнаруже­ния сигнала при однорядном расположении сигнализаторов убыва­ет слева направо. Наибольшую же вероятность нераспознавания сигна­ла имеют сигнализаторы, расположенные вертикально в правой части панели приборов.

Время считывания информации (оперативной) с прибора непосредственно влияет на безопасность дорожного движения. Его можно умень­шить за счет уменьшения доли избыточной информации, отобра­жаемой прибором, а также за счет обеспечения водителю опти­мальных условий работы с прибором (размах шкалы, яркость, контраст, дополнительные звуковые сигналы для привлечения внимания).

Время, необходимое для считывания информации с прибора определяется выражением

,

где – пороговое время восприятия человеком зрительной информации; –объем избыточной информации, отражаемой прибо­ром; – минимально необходимый объем информации для при­бора данного назначения.

Избыточная информация определяется формулой ,

где – полный объем отображаемой прибором информации.

Например, считается, что для спидометра оптимальной ценой де­ления является интервал в 5 км/ч. Дальнейшее увеличение числа делений шкалы является неоправданным, так как количество необ­ходимой (полезной) информации при этом практически не возраста­ет, а время считывания показаний прибора будет увеличиваться.

Избыточную информацию также можно выразить как . Поэтому в случае, если объем информации, ото­бражаемой прибором, оказывается меньше значения , то значе­ние становится отрицательным, что означает недостаточность перерабатываемой информации.

Условием обеспечения безопасности дорожного движения с точ­ки зрения отвлечения водителя на считывание показаний приборов может являться соотношение

,

где – время, необходимое для считывания информации; – до­пустимое время считывания.

Время, затрачиваемое на считывание показаний контрольных приборов

,

где –коэффициент, учитывающий время возврата взгляда води­теля на дорогу; –время перевода взгляда с дороги на приборную панель; – время поиска прибора, с которого считывается инфор­мация; – время приема информации с одного прибора; п –число приборов; –время перевода взгляда на прибор.

Одной из важных характеристик АИИС является частота обраще­ний водителя к приборам. Под частотой обращения подразумева­ется число сознательных или рефлекторных актов получения води­телем информации о состоянии автомобиля, двигателя или других агрегатов и систем посредством контрольных приборов за единицу времени. Частота обращения водителя к приборам при управлении автомобилем является одним из показателей, характеризующих степень необходимости приборов, а также дает количественную характеристику процесса восприятия информации.

Частота обращения к приборам зависит от условий движения, исправности двигателя и контролируемых систем, а также от про­фессиональной подготовленности водителя. Чем чаще водитель контролирует состояние системы, тем меньше вероятность ее ава­рийной поломки. Но поскольку слишком частое обращение к кон­трольным приборам приводит к ухудшению условий безопасности дорожного движения, можно предположить, что водитель интуитив­но, основываясь на личном опыте, выбирает частоту обращения, обеспечивающую достаточно надежный контроль при минимальных затратах времени и внимания.

Информационная емкость определяет максимальное количест­во информации, отображаемое информационно-измерительной системой. Информационная емкость зависит от структуры и коли­чества контрольно-измерительного оборудования. Однако чрез­мерное увеличение этого показателя может привести к информа­ционной перегрузке водителя и снижению безопасности дорожного движения. Поэтому для современных АИИС с большим количеством отображаемой информации становится актуальным разработка специальных форм и алгоритмов (способов) отображения информации водителю.

По способу отображения информации разделяются АИИС с индивидуальным, иерархическим способами отображения информации и с регулируемым потоком информации.

При индивидуальном способе предъявления информации состояние каждого контролируемого параметра отображается индивидуальными средствами отображения – контрольно-измерительными приборами или сигнализаторами. Номенклатура КИП и сигнализаторов в этом случае определяется числом контролируемых параметров. Положительными сторонами таких АИИС являются простота построения и полнота отображения информации. К недостаткам относятся: большой объем избыточной информации; трудность соотношения между собой множества отдельных показаний дли оценки ситуации в целом; большая площадь, занимаемая КИП и сигнализаторами, что увеличивает время поиска водителем необходимого сообщения, и габаритные размеры панели приборов.

В АИИС с регулируемым потоком информации происходит искусственное разделение большого информационного потока с помощью устройств коммутации на ряд мелких, предъявляемых водителю последовательно одним и тем же средством отображения. В этих системах информация предъявляется либо с «приоритетом» (наивысший приоритет имеют параметры, связанные с безопасностью дорожного движения), либо только о тех параметрах, которые вышли за допустимые пределы (информация о работе сигнализаторов аварийных режимов). Положительными сторонами указанного способа являются: существенное сокращение передаваемого потока информации и уменьшение площади панели приборов. К недостаткам можно отнести большое время поиска причин выхода за допустимые пределы контролируемых параметров из-за ограниченного числа средств отображения на приборной панели и необходимость применения коммутирующих устройств со сложной адресацией и управлением.

С увеличением информационных потоков, передаваемых води­телю, наиболее перспективным является иерархический (ступенча­тый) способ предъявления информации. На первой ступени при таком способе предъявления отображается информация о техническом состоянии автомобиля вцелом (без детализации), на второй – информация о состояния его узлов и агрегатов. При этом предъявляется только та информация, которая необходима водителю после ознакомления с общей ситуацией. Третья ступень – по запросу водителя отображает информацию о состоянии элементов, узлов и агрегатов автомобиля в количественной или качест­венной форме.

Построение АИИС с иерархической структурой предполагает работу с бортовым компьютером, устройства обработки информации которого могут реализовать заданные алгоритмы и программы за короткое вре­мя (при учете большого числа контролируемых параметров).

Преимуществами АИИС с иерархической структурой являются возможность передачи водителю большого информационного пото­ка, значительное сокращение «лишней» информации, компактность панели приборов и широкие возможности перестройки информаци­онной системы. Недостатками являются необходимость наличия высокоразвитого бортового компьютера и специальных устройств связи со средствами отображения всех ступеней.

Яркость и контрастность указателей и индикаторов являются важными характеристиками АИС. Они определяют возможность вос­приятия водителем информации в условиях внешней освещенности.

Скорость и точность восприятия предъявляемой информации в значительной степени зависят от таких светотехнических харак­теристик, как яркость объекта наблюдения В _н, яркость фона В _ф, уг­лового размера символов а. Тесная взаимосвязь между этими ха­рактеристиками дает возможность обеспечить максимальный уро­вень восприятия на основе их взаимной компенсации в достаточно широких пределах значений В _н, В _ф, α.

Восприятие символов зависит от их контраста по отношению к фону. Значение его находится в диапазоне 0,60...0,95. Снижение этого параметра нецелесообразно, даже когда получен сравни­тельно высокий уровень яркости.

Учитывая условия эксплуатации автомобилей, к системе инфор­мации и диагностирования предъявляются высокие требования. Приборы и датчики, входящие в систему, должны выдерживать виб­рации и тряски, оставаться работоспособными при значительных перепадах температуры, выдерживать воздействие агрессивной ок­ружающей среды, обладать малой чувствительностью к пульсациям и изменению напряжения в бортовой сети автомобиля.

Дата добавления: 2014-01-15