Список выполненных НИОКР

Разработка требований к механизму определения момента аварии для конфигурации дополнительного оборудования и рекомендованного алгоритма определения момента аварии; проведение компьютерного моделирования для подтверждения разработанных требований и алгоритмов проекта программы и методики сертификационных испытаний автомобильного терминала "ЭРА-ГЛОНАСС" (2011 год).

Отрасли промышленности:
Ключевые слова Математическое и компьютерное моделирование, crash-тесты, определение момента аварии, ЭРА-ГЛОНАСС
Программное обеспечение SIMULIA/Abaqus
Период проведения 2011 г.

В 2011 г. сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) НИУ СПбГПУ была выполнена опытно-конструкторская работа по заказу ОАО "Навигационно-информационные системы" по теме "Создание системы экстренного реагирования при авариях "ЭРА-ГЛОНАСС" на базе многофункциональных приемных устройств отечественного производства". В рамках данной работы был выполнен следующий этап: "Разработка требований к механизму определения момента аварии для конфигурации дополнительного оборудования и рекомендованного алгоритма определения момента аварии; проведение компьютерного моделирования для подтверждения разработанных требований и алгоритмов проекта программы и методики сертификационных испытаний автомобильного терминала "ЭРА-ГЛОНАСС" в части определения момента аварии для конфигурации дополнительного оборудования" (на основе Simulia/ABAQUS-технологии).

В настоящее время ведется активная разработка государственной системы экстренного реагирования при авариях "ЭРА-ГЛОНАСС", целью которой является использование технологий ГЛОНАСС для повышения безопасности на дорогах. Предполагается, что данная система сократит время до начала оказания помощи при авариях до 30%, и это позволит ежегодно спасать более 4 тысяч человек.
 

 ЭРА-ГЛОНАСС
 

"ЭРА-ГЛОНАСС" представляет собой систему спутникового мониторинга транспорта и включает в себя навигационно-телекоммуникационные терминалы, устанавливаемые на транспортные средства, и соответствующую инфраструктуру операторов мобильной связи и экстренных служб. Система предназначена для автоматического оповещения служб экстренного реагирования при авариях и других чрезвычайных ситуациях, предоставляя им информацию о местоположении и тяжести ДТП в максимально короткие сроки.

Основными целями проекта, выполненного сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика", являлись разработка механизма определения момента аварии, который включает в себя как алгоритм определения момента аварии, так и конфигурацию дополнительного оборудования для транспортного средства, а также подготовка методики сертификационных испытаний автомобильного терминала "ЭРА-ГЛОНАСС" в части определения момента аварии.

Основным методом выполнения работы служил современный численный метод (метод конечных элементов) и мультидисциплинарные наукоемкие компьютерные технологии мирового уровня на основе современных теоретических положений механики деформируемого твердого тела, теории нелинейной динамики, теории контактного взаимодействия, механики разрушения.

По статистическим данным наибольшее число погибших при авариях приходится на транспортные средства категории М1 (масса до 1500 кг) – это большинство легковых автомобилей. Поэтому разработки механизма определения момента аварии проводились для транспортных средств данной категории.

Для разработки алгоритма определения момента аварии необходимо тем или иным способом оценивать события, возникающие при аварии. В данной работе для этого рассматриваются изменения скорости движения транспортного средства. На основании мирового опыта для анализа ускорений автомобиля выбран критерий ASI (Acceleration Severity Index – индекс степени опасности ускорения). Одним из преимуществ этого критерия является его независимость от расположения пассажиров и водителя, а также использование информации только о движении и воздействиях, испытываемых транспортным средством. Результаты оценки травмоопасности согласно такому критерию являются более консервативными, т.к. не учитываются элементы пассивной и активной безопасности, которыми может быть оснащен современный автомобиль.

По требованиям технического задания источником получения информации о процессах, происходящих с автомобилем, служит устанавливаемый на нем трех осевой датчик ускорений. В работе приведены необходимые обоснования достаточности использования показаний акселерометра и вычисленных параметров ASI для регистрации момента аварии.

В процессе выполнения проекта разработан алгоритм определения момента аварии, использующий трех осевой датчик, который должен обеспечивать измерение ускорений до 24g в продольном, 8g в поперечном и 5g в вертикальном направлении.

Показано, что рекомендованный алгоритм определения момента аварии при исполнении на аппаратной платформе класса ARM7 при тактовой частоте 60MHz требует не более 100мс для выдачи решения о моменте аварии при условии выделения не менее 50% процессорного времени для исполнения алгоритма. Рекомендованный алгоритм определения момента аварии использует не более 100KB пространства данных ОЗУ и не более 150KB пространства данных ПЗУ для производства вычислений.

Для оценки работоспособности предложенных критериев и алгоритма определения момента аварии, а также для определения оптимального местоположения датчика проведена серия конечно-элементных исследований различных вариантов столкновений моделей автомобилей друг с другом. Рассмотрены наиболее часто встречающиеся типы столкновений, которые являются стандартными испытаниями для сертификации автомобилей – фронтальные столкновения с различными скоростями и степенью перекрытия (малое, 40% и 100%), боковые удары в различные части автомобиля, а также удары сзади на скоростях до 80 км/ч с различными степенями перекрытия. Общее число расчетных вариантов равно 65.

В рамках проекта разработаны полномасштабные пространственные КЭ модели автомобилей для исследования проблем механики контактного взаимодействия с учетом разрушения в динамической постановке. Они включают в себя более 50 различных материалов с учетом их упруго-пластического поведения и разрушения, модели сварных и болтовых соединений, давление в шинах, сцепление с дорожным покрытием.

Конечно-элементное моделирование выполнено на аппаратной платформе CRAY-CX1 суперкомпьютер для высокопроизводительных вычислений в программных продуктах Simulia/ABAQUS.

По результатам проведенных исследований можно заключить, что наиболее опасными являются фронтальные столкновения транспортных средств, движущихся со скоростями 64 км/ч навстречу друг другу. При этом уменьшение площади соударения (перекрытие) позволяет снизить степень опасности получить серьезную травму. Практически во всех случаях при боковом столкновении со скоростью более 64 км/ч, возможность получить серьёзную травму очень велика.

Случай фронтального столкновения с малым перекрытием характеризуется тем, что точка удара расположена за пределами продольных усилителей автомобилей, что приводит к значительным деформациям кузова и, как следствие, тяжелым травмам нижней части туловища и конечностей пассажиров и водителя.

 Характерные деформации автомобилей при фронтальном столкновении с малым перекрытием Характерные деформации автомобилей при фронтальном столкновении с малым перекрытием 
Характерные деформации автомобилей при фронтальном столкновении с малым перекрытием

Фронтальное столкновение с малым перекрытием, начальные скорости обоих ТС – 64 кмч, t = 150мс – начало разлета автомобилей после удара
Фронтальное столкновение с малым перекрытием, начальные скорости обоих ТС – 64 кмч, t = 150мс – начало разлета автомобилей после удара

 

изменение компонент вектора ускорения автомобиля изменение амплитуды ускорения изменение индекса степени опасности ускорения ASI
а) б) в)

Демонстрация работы алгоритма определения момента аварии: а) – изменение компонент вектора ускорения автомобиля, б) – изменение амплитуды ускорения, в) – изменение индекса степени опасности ускорения ASI 

Существенное превышение допустимого уровня по показателю ASI приведет к серьезным травмам людей в автомобиле. В работе показана устойчивая работа алгоритма определения момента аварии, в том числе и в ситуациях деформации конструкции в области закрепления акселерометра. Таким образом, предложенный алгоритм автоматического определения момента аварии эффективно обеспечивает защиту от ложных срабатываний при возникновении ситуаций колебаний панели пола (место установки датчика ускорений). Это подтверждается также при моделировании других типов столкновений: бокового и заднего. В этих экспериментах измерения ускорений гораздо более зашумлены, но, даже не имея дополнительных датчиков (гироскоп) для определения момента аварии и фильтрации ложных срабатываний, алгоритм работает корректно.


Фронтальное столкновение при 40% перекрытии, начальные скорости ТС – 64 км/ч;
t = 150 мс – начало разлета автомобилей после удара


Анимация: фронтальное столкновение с 40% перекрытием

Характерные деформации транспортных средств при столкновении сзади   Характерные деформации транспортных средств при столкновении сзади
 Характерные деформации транспортных средств при столкновении сзади
 


Анимация: удар сзади с полным перекрытием; скорость второго автомобиля 80 км/ч, первый неподвижен


Анимация: удар сзади с полным перекрытием; скорость второго автомобиля 80 км/ч, первый неподвижен

Характерные деформации автомобилей при боковом столкновении   Характерные деформации автомобилей при боковом столкновении
Характерные деформации автомобилей при боковом столкновении
 

Боковой удар в переднее колесо; скорость движущегося автомобиля 64 км/ч, второй автомобиль неподвижен, t = 150 мс – начало разлета автомобилей после удара

Боковой удар в переднее колесо; скорость движущегося автомобиля 64 км/ч, второй автомобиль неподвижен, t = 150 мс – начало разлета автомобилей после удара


Боковой удар в переднее колесо; скорость движущегося автомобиля 64 км/ч, второй автомобиль неподвижен,
t = 150 мс – начало разлета автомобилей после удара 
Анимация: боковой удар в переднее колесо; скорость движущегося автомобиля 64 км/ч, второй автомобиль неподвижен

Анимация: боковой удар в переднее колесо; скорость движущегося автомобиля 64 км/ч, 
второй автомобиль неподвижен


Предложенный алгоритм определения момента аварии обладает возможностью настройки в соответствии с конструктивными параметрами различных транспортных средств категории М1, способом и местом установки трех осевого датчика ускорения. Также он может быть дополнен функцией распознания типов аварии: фронтальное столкновение, боковое столкновение, удар сзади, переворот транспортного средства, а также комбинацию указанных событий. Кроме того, хранение записей ускорений непосредственно перед регистрацией системой аварии позволит впоследствии расшифровку данного ДТП – определить характеристики движения, такие как скорости и направления удара в момент ДТП (т.н. "черный ящик").

В рамках проекта разработана программа и методика сертификационных испытаний автомобильной системы ЭРА-ГЛОНАСС в части определения момента аварии для конфигурации дополнительного оборудования. На основании проделанной работы Заказчику выданы рекомендации по организации тестирования рекомендованного алгоритма определения момента аварии в лабораторных условиях и на полигоне, а также разработан план проведения тестирования.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе работы выполненной в 2011 г.