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.
Быстродействиеинформационно-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 информациив 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 емкостьопределяет 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 контрастностьуказателей 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 Вн, яркость фона Вф, 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 Вн, Вф, 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.