IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

АННОТАЦИЯ

Тема дипломного проекта: «Разработка интеллектуальной системы управления смарт-велосипедом»

Объем дипломного проекта 69 страниц, он содержит 20 рисунков, 10 таблиц, 33 источника литературы.

Ключевые слова: интеллектуальная система, экология, велосипед, инфраструктура, безопасность.

Объектом исследования дипломного проекта является безопасность велосипедиста.

Предмет исследования – интеллектуальная система, способствующая увеличению безопасности велосипедиста.

Дипломный проект состоит из введения, пяти глав, и заключения.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цель и задачи исследования, указывается объект и предмет исследования.

Первая глава посвящена исследованию теоретических вопросов, в ней анализируется существующая проблема и предлагаемое решение. Также обосновывается необходимость разработки интеллектуальной системы.

Во второй главе построена концептуальная схема предметной области, разработана база данных. Также разработаны логическая и физическая модели данных.

В третьей главе проводится заполнение базы. Описание программных модулей, описана структура информационной системы.

В четвертой главе определены виды информационных рисков, произведен расчет уровня уязвимости интеллектуальной системы, определен перечень контрмер и рассчитана их эффективность.

В пятой главе рассчитаны суммарные затраты на разработку, внедрение и сопровождение интеллектуальной системы, прибыль в результате использования системы и произведена оценка эффективности капиталовложений.

Заключение содержит полученные при написании выпускной квалификационной работы практические и научные результаты.

Оглавление

АННОТАЦИЯ 4

Введение 8

1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РЕШЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ человека 9

1.1 Анализ состояния и проблем в велосипедной инфраструктуре 10

1.1.1 Зарубежный опыт в развитии велосипедного движения 10

1.1.2 Российский опыт 13

1.1.3 Проблемы и пути повышения привлекательности велотранспорта 15

1.2 Существующие решения в области аналитических систем для велосипедиста 17

1.2.1 Велокомпьютеры 18

1.2.2 Мотор-колесо 20

1.3 Функциональные требования, предъявляемые к системе 21

1.4 Обоснование необходимости разработки и внедрения систем 22

1.5 Выводы. Цель и задачи дипломного проекта 26

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 27

2.1 Концептуальная модель взаимодействия модулей 28

2.2 Функциональное моделирование предметной области с использованием методологии IDEF 29

2.3 Описание модели разрабатываемой информационной системы с использованием методологии UML 32

2.4 Создание логической модели данных 37

2.5 Создание физической модели данных 38

2.6 Выбор системы управления базой данных 40

2.6.1 Общие требования 40

2.6.2 Аппаратное и программное обеспечение 41

2.6.3 Данные и процедуры 42

2.6.4 Обоснование выбора СУБД Access 42

2.7 Реализация базы данных 44

2.8 Выводы по главе 45

3. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 46

3.1 Структура информационной системы 47

3.2 Описание программных модулей системы 48

3.3 Выводы по главе 51

4. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 52

4.1 Виды информационных рисков и методы защиты от них 53

4.1.1 Этапы процесса управления рисками 54

4.1.2 Организация защиты информации 56

4.2 Расчет уровня уязвимости системы контроля усталости водителя и вероятности возникновения информационных угроз 57

4.2.1 Идентификация угроз 57

4.2.2 Идентификация уязвимостей 57

4.2.3 Расчет уровня уязвимости системы 58

4.3 Выводы по главе 60

5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ 61

5.1 Расчет эффективности системы 62

5.2 Расчёт затрат на разработку и внедрение системы 63

5.3 Расчет эффективности внедрения системы 64

5.4 Выводы по главе 65

Заключение 66

Список использованных источников 67

Введение

Дипломный проект посвящен разработке интеллектуальной системы управления смарт-велосипедом.

Следствием динамичного роста автомобильной отрасли, приводящего к росту автомобилизации, является множество проблем, связанных с воздействием на окружающую среду и на человека. Многие транспортные сети не справляются с потоком автотранспорта, оказывающего негативное воздействие на окружающую среду, в городах появляется смог, негативно сказывающийся на здоровье жителей. Кроме того, использование личного автомобиля приводит к снижению физической активности людей, вызывая рост сердечно-сосудистых и ряда других заболеваний. Для решения этих проблем необходим переход к более эффективным способам перемещений с точки зрения использования дорожного пространства и воздействия на окружающую среду. Во многих странах для решения обозначенных проблем создают инфраструктуру для пешеходов и велосипедистов. Государствами предпринимаются меры для популяризации пешей ходьбы и велотранспорта. Для этого необходимо сделать велосипед доступный для людей различных возрастов, телосложения и физических возможностей.

Цель дипломного проекта – проектирование «умного» велосипеда, управление которым осуществляется с помощью интеллектуальной системы в зависимости от состояния велосипедиста и внешних условий.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

• Анализ проблем в области использования велотранспорта;

• Анализ способов определения состояния человека в различных условиях, в том числе при езде на велосипеде;

• Изучение особенностей получения данных с датчиков о состоянии человека;

• Изучение особенностей поведения мотора-колеса;

• Разработка алгоритма отклика системы на данные, получаемые с датчиков.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РЕШЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ человека

1.  

   1. Анализ состояния и проблем в велосипедной инфраструктуре

      1. Зарубежный опыт в развитии велосипедного движения

В Докладе о состоянии дорожного движения в мире 2015 отмечается, что продвижение к более устойчивым видам транспорта, таким как общественный и велосипедный, оказывает положительное воздействие при условии регулирования связанных с безопасностью дорожного движения последствий [¹]. Такие последствия включают повышение уровней физической активности, снижение выбросов и уровней шума, уменьшение дорожных «пробок» и повышение комфортности городской среды.

Планирование городских и пригородных центров в соответствии с конструкторскими разработками, предусматривающими смешанный парк автотранспорта и его разумный рост, должно быть составной частью усилий по обеспечению будущего для устойчивого транспорта. Городское развитие по таким принципам поможет снизить зависимость от личного автотранспорта и обеспечить более широкое пользование системами общественного и безмоторного транспорта для поездок на короткие расстояния и для регулярных поездок на работу в город из пригорода [²].

В документах ОПТОСОЗ отмечается, что внушают оптимизм позитивные примеры принятых мер по улучшению качества городской окружающей среды и поддержки процесса перераспределения способов передвижения за счет увеличения доли пешеходного и велосипедного движения в сочетании с использованием городского транспорта. Это совершенствование велосипедной инфраструктуры и городского движения с помощью велосипедов в Париже и Барселоне, взимание платы за въезд в перегруженные районы Лондона, Стокгольма и других городов, и меры, принятые в Нью-Йорке с целью "запрещения движения автотранспорта" в сильно перегруженных районах и их превращения в парки [³]. Помимо этого, отмечается, что электромобильность становится все более доступной и широко распространенной. Многие корпоративные автомобильные парки и схемы совместного пользования прокатным автомобилем в масштабах всего общеевропейского региона опираются на электрические и/или гибридные транспортные средства, а внедрение электровелосипедов позволило использовать велосипедное движение не только для оздоровления и отдыха, но и в качестве жизнеспособного средства передвижения.

Сдерживающими факторами развития альтернативных способов передвижения является тот факт, что только 68 стран приняли на национальном и субнациональном уровнях меры политики, способствующие развитию ходьбы и езды на велосипеде, и только 79 стран приняли меры по защите пешеходов и велосипедистов, изолировав их от других моторизованных высокоскоростных средств транспорта. Этот показатель значительно выше в странах с высоким уровнем доходов (69%), чем в странах с низким и средним уровнями доходов (34%) [⁴].

Так, г. Ахмедабад (Индия) в 2010 году получил премию «Устойчивое транспортное развитие» за успешное внедрение системы скоростных автобусных перевозок: автобусы передвигаются по выделенным полосам движения в центре автострады, велосипедисты также получают свою выделенную полосу, а пешеходы – широкие тротуары [⁵]. Эта система обеспечила как значительное снижение времени поездки, так и повышение экологичности перевозок (снизился уровень шума и выбросов парниковых газов вдоль улиц, по которым проходят скоростные маршруты). В столице Колумбии (г. Богота) принят целый комплекса мер для снижения негативных последствий автомобилизации: создание пешеходных зон и велодорожек, закрытие магистральных дорог для автотранспорта в течение семи часов каждое воскресенье, дополнительный двадцатипроцентный налог на бензин, а также утвержденный общим голосованием безавтомобильный день недели в феврале [⁶].

В Германии в рамках кампании «На 50 к 50-му», целью которой является повышение эффективности мирового автопарка по меньшей мере на 50 процентов к 2050 году [⁷], некоторые города начали движение за «города без автомобилей». Примером такого городского микрорайона является Фаубан (Германия), где главным принципом обеспечения мобильности является стремление снизить использование автомобиля, оставив жителям возможность пользования им только в случае острой необходимости. Такой подход обеспечивается высококачественным общественным транспортом, развитой инфраструктурой для пеших и велосипедных передвижений, а также дефицитом и дороговизной мест для парковки [⁸]. В соседнем городе Фрейбург в рамках достижения поставленных целей по сокращению вреда, наносимого экологии автомобильным транспортом, правительство постоянно инвестирует в развитие немоторизованного транспорта. За последние годы здесь было построено порядка 6 000 парковочных мест для велосипедов, в том числе для тандемов и велосипедов с прицепом, чтобы передвижению на велосипеде отдавали предпочтение не только студенты, но и бизнесмены, женщины и дети. В целях включения велосипедного транспорта в единую транспортную систему города были построены также велосипедные паркинги на ряде выбранных остановок общественного транспорта [5].

С той же целью развития системы велосипедного транспорта в Южной Корее в г. Чханвон в 2008 году была внедрена система общего пользования велосипедами, где старую технологию (велосипеды) объединили с новой (смарткарты), чтобы можно было по мере надобности воспользоваться велосипедом бесплатно (на начальном этапе) или за разумную плату [8]. Система общего пользования велосипедами также внедрена в г. Ханчжоу (Китай), где популярность этого вида транспорта обеспечивается также широким внедрением электровелосипедов [8], которые позволяют преодолевать крутые подъёмы и значительные расстояния физически неподготовленным людям, и, следовательно, – большее число человек выбирают этот вид транспорта как способ передвижения.

На сегодняшний день, во многих городах Европы, таких как Оулу, Амстердам или Копенгаген, велосипедисты составляют две трети всех участников движения. Другими словами, для большинства жителей мегаполисов вполне реально пользоваться велосипедом, а не автомобилем.

Велосипедная инфраструктура Копенгагена начала создаваться достаточно давно. Уже в начале XX века велосипед стал распространенным средством передвижения. На данный момент велосипед является одним из основных видов транспорта, жители города ежедневно проезжают 1,27 млн км. Это наивысший показатель Копенгагена за последние 50 лет.

36% всех поездок на работу или учебу в Копенгагене совершаются на велосипеде, при этом 52% жителей города добираются на работу или учебу с помощью велосипеда [⁹]. Перемещения на велосипеде составляют 26% от общего числа поездок. Городские власти заботятся о создании безопасных условий для велосипедистов. За последние годы чувство безопасности у велосипедистов выросло на 50%. В 2012 г. количество серьезных аварий с участием велосипедистов составило 102 случая, тогда как в 1996 г. этот показатель составлял 252 аварии. При этом, учитывая тот факт, что количество велопоездок увеличилось с тех пор на 36% (за тот же период времени), риск серьезных аварий с участием велосипедистов уменьшился в три раза по сравнению с 1996 г. На каждый автомобиль в городе приходится 5 велосипедов.

Велосипедная инфраструктура развивается и в городах с меньшей плотностью населения. В городе Оулу один из самых высоких показателей в Европе (33%) по числу жителей, передвигающихся на велосипеде зимой. Способствует этому большая протяженность велодорожек - 800 км, что составляет 4.3 м на человека [¹⁰]. Для безопасности велосипедистов велодорожки отделены от проезжей части, на всем протяжении дорожного полотна установлено освещение. Ввиду большой значимости, обслуживание и ремонт велодорожек приоритетнее, по сравнению с дорогой для автотранспорта.

1.  
   1.  

      1. Российский опыт

Во многих городах России есть условия для развития велоранспорта. Широкие улицы, созданные когда-то для военных парадов, имеют достаточно места для пешеходов, велосипедистов и автомобилей. Во многих городских администрациях рассматривается переосмысление уличного движения.

В городах с большим количеством автомобилей на долю населения заметно снижение средней скорости передвижения. В Москве средняя скорость автомобилей составляет приблизительно от 7 до 11 км/ч в то же время средняя скорость велосипеда в городах с развитой велосипедной инфраструктурой – приблизительно 15 км/ч. На сегодняшний день в Москве зарегистрировано приблизительно 4,5 млн автомобилей. Но дороги Москвы были рассчитаны максимум на 4 млн автомобилей, таким образом, количество транспортных средств, которые используются на московских дорогах, ежедневно застревает в пробках. Запрет на проезд грузовиков в период с 7 до 22 часов в пределах центра города не смог существенно улучшить ситуацию.

В Москве проводятся работы над схемой расширения сети общественного транспорта и планирования социальной и коммерческой инфраструктуры города с учетом нагрузки на транспортные сети [¹¹]. Например, торговые центры все чаще открываются на окраинах города с целью разгрузки дорог в других частях города.

Методика эффективного размещения велосипедной инфраструктуры остается недостаточно изученным вопросом. Наиболее распространенным методом прокладывания велосипедных путей является метод воздушных линий или кратчайших расстояний. В то же время важным фактором, влияющим на интенсивность и качество велосипедного движения, является топография местности.

Определение рельефа местности и моделирование топографических условий для предполагаемой или существующей сети движения велосипедного транспорта является актуальной и необходимой задачей для осуществления качественного планирования велосипедной инфраструктуры [¹²].

Время в пути - важный фактор, который влияет на решение участников дорожного движения использовать велосипед для перемещения. Возможность реалистично предсказать время в пути для велосипедиста позволит усовершенствовать процесс транспортного планирования и повысить надежность велосипедного транспорта. Топографическая модель условий движения велосипедного транспорта позволяет классифицировать УДС города по уровню холмистости.

1.  
   1.  

      1. Проблемы и пути повышения привлекательности велотранспорта

Повышению привлекательности велосипедного транспорта способствует:

1. проектирование велосипедных дорожек с учетом таких факторов, как рельеф местности;

2. разработка новых конструкций велосипедов, таких, как: Smart-bike, электровелосипед, грузовой велосипед, велосипед для перевозки пассажиров (детей, инвалидов, стариков) и т.д.

3. интеграция велосипедов в инфраструктуру общественного транспорта (наличие парковок на остановках общественного транспорта, возможность брать велосипед в транспорт);

4. развитие велоинфраструктуры: безопасных велосипедных дорожек, защищенных от погодных условий, велопарковок во всех точках притяжения пассажиропотоков и велостоянок вблизи мест проживания, системы «общественный велосипед» и т.д.

При проектировании веломаршрута не всегда удается избежать холмистой местности, что влечет за собой отказ многих людей от велосипеда как основного способа передвижения. Решить проблему преодоления крутых подъёмов позволит создание велоподъемников или электроприводов для велосипеда. Повысить привлекательность велосипедного транспорта может расширение модельного ряда велосипедов, предназначенных для различных групп населения и различных вариантов использования. Одним из таких решений может стать смарт-велосипед. Создание велосипедов с адаптивным электродвигателем, который может использоваться по мере необходимости, позволит преодолевать значительные расстояния, поддерживать определенную скорость и не допускать физических перегрузок даже неподготовленному велосипедисту. Заряд аккумуляторов осуществляется от бытовой электросети. При сопоставимой скорости в городских условиях, энергетические и экономические затраты на перемещение одного человека оказываются на порядок более низким, чем у любого другого вида транспорта, включая общественный [¹³].

В настоящее время широкое применение нашли электровелосипеды, которые в общем случае отличаются от обычных велосипедов наличием трёх дополнительных компонентов: электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера. В отличие от электроскутера или мотоцикла, электровелосипед может приводиться в движение педалями, а его эксплуатация и обслуживание немногим сложней обращения с обычным велосипедом [¹⁴]. Несмотря на наличие электропривода, электровелосипед используется примерно так же, как и обычный велосипед, и в большинстве стран не требует для вождения наличия водительского удостоверения или номерного знака. Электровелосипед хорошо подходит как средство передвижения для широкого круга любителей с самым разным уровнем подготовки, поскольку легко позволяет дозировать физическую нагрузку. Ряд недостатков, которыми обладает электроевлосипед, затрудняет его использование. Это:

• Значительная масса (от 20 до 50 кг и более) и соответствующая инерция;

• Недостаточный запас хода только на электроприводе (редко больше 25-50 км)

• Длительное время зарядки батарей (как правило, не меньше 2-6 часов)

• Короткий срок службы свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторных батарей

• Высокая стоимость готового изделия и его эксплуатации по сравнению с обычным велосипедом (от 2-х до 10 раз).

Управление электровелосипедом осуществляется с помощью велокомпьютера (контроллера), который должен: подавать ток от аккумулятора на электродвигатель в соответствии с установками пользователя; выдавать на индикатор остаток заряда батареи; определять вращение/остановку педалей; ограничивать максимальную скорость движения велосипеда для экономии энергии; поддерживать постоянную скорость движения (круиз-контроль); заряжать аккумулятор при торможении.

В то же время существует множество велотренажеров, которые относятся к группе кардио-тренажеров, оснащенных средствами контроля физического состояния человека. При этом основным показателем, по которому диагностируют переход к критическому состоянию, является частота пульса. Если оснастить велосипед универсальным модулем, в состав которого входят датчик пульса, контроллер и другие компоненты, показанные на рисунке 3, а управление осуществлять в соответствии с выбранной программой, установленной на смартфоне, то можно повысить привлекательность велосипедного транспорта для нетренированных групп населения.

1.  

   1. Существующие решения в области аналитических систем для велосипедиста

Для анализа различных характеристик велосипеда и параметров движения на данный момент используется два вида систем:

• Велокомпьютеры - электронные устройства для измерения скорости и пробега велосипеда, а также дополнительных параметров, таких как средняя скорость, время в пути, максимальная скорость, передача (на многоскоростных велосипедах), текущее время, температура, давление, каденс [¹⁵] (частота вращения педалей велосипеда) и др.

• Приложения для смартфонов – приложения, дублирующие функционал велокомпьютера, за исключением возможности следить за передачей и каденсом, использующие встроенные датчики телефона таки как GPS, акселерометр, барометр.

1.  
   1.  

      1. Велокомпьютеры

Велокомпьютер состоит из нескольких основных компонентов:

• Основной блок - выглядит как электронные часы, крепящиеся на руль (иногда на вынос руля), питается от «батарейки-таблетки» и/или солнечных батарей.

• Датчик колеса - датчиком служит геркон, закреплённый на вилке, возбуждаемый магнитом, установленным на спице колеса.

• Датчик каденса - датчик скорости педалирования крепится на раме, а на шатуне системы крепится магнит.

К некоторым моделям возможно подключение пульсометра, крепящегося на запястье велосипедиста, либо под грудью [¹⁶].

Существуют проводные и беспроводные модификации велокомпьютеров. В беспроводных вариантах сигнал с геркона передаётся в компьютер с помощью радиосигналов, что позволяет избавиться от проводов, а также использовать велокомпьютер без обязательной установки его на велосипед (существуют варианты, допускающие крепление на руку, как обычные часы). Активно используемый беспроводной велокомпьютер, как правило, требует смены аккумуляторов раз в 2-3 месяца. Столь же активно используемый проводной велокомпьютер требует замены аккумулятора один раз в год, а у некоторых моделей ещё реже. Большинство современных моделей велокомпьютеров имеют резервное питание, позволяющее не сбивать счетчики километража и настройки времени при смене аккумулятора. Тем не менее, даже в простейших моделях велокомпьютеров после сбрасывания настроек времени и километража при включении срабатывает функция, позволяющая ввести текущий километраж вручную [¹⁷].

Как только новый компьютер установлен, его требуется соответственно настроить. Большинство параметров рассчитывается подсчётом количества оборотов, совершаемых колесом, и времени, за которое они совершаются. Зная длину окружности колеса, которая предварительно вводится в велокомпьютер, прибор рассчитывает скорость и пройденное расстояние. Измерение каденса (частоты вращения педалей) производится аналогичным образом с помощью второго датчика-геркона, устанавливаемого на раме, и магнита, фиксируемого на шатуне, либо путём пересчёта скорости вращения колеса, если известно передаточное отношение (в случае многоскоростных велосипедов для этого требуется специальная система, передающая в велокомпьютер данные о текущей передаче). Показания велокомпьютера зависят от давления воздуха в переднем колесе: с продавливанием покрышки статический радиус колеса уменьшается, и оно делает больше оборотов, проходя такое же расстояние, вследствие чего спидометр велокомпьютера начинает преувеличивать скорость движения.

Характерной особенностью большинства велокомпьютеров является запаздывание показаний текущей скорости на 1-4 оборота колеса, поскольку считывание показаний с геркона происходит дискретно (раз за оборот). Сигнал остановки велосипеда (используемый, в частности, для остановки секундомера, отсчитывающего время движения) также может запаздывать на 2-4 секунды.

Кроме данных, полученных от вращающихся колёс, велокомпьютер может отображать другую информацию. Существуют более дорогие модели велокомпьютеров, в которых информация о положении, скорости и высоте определяется с помощью GPS и высотомера. Такие модели после поездки можно подсоединить к компьютеру, на котором можно посмотреть на карте путь велосипедиста, его скорость, потраченные калории, а также частоту пульса и каденс (при наличии соответствующих датчиков) и др. Перед поездкой в велокомпьютер можно загрузить путевые точки, показывающие предполагаемый путь и помогающие при ориентировании. Последние модели могут, как и обычные GPS-навигаторы, загружать и просматривать карты. Недостатком таких велокомпьютеров, кроме высокой цены, является относительно небольшое время работы от встроенного аккумулятора (около 8-15 часов, в зависимости от модели и режима работы).

1.  
   1.  

      1. Мотор-колесо

Мотор-колесо – разновидность ведущего колеса, комплексный агрегат, в котором объединены непосредственно колесо, электрический двигатель, силовая передача и тормозная система [¹⁸].

В общем случае электровелосипед отличает от обычного велосипеда наличие трёх дополнительных компонентов: электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера. В отличие от электроскутера или же мотоцикла, электровелосипед может приводиться в движение педалями, а его эксплуатация и обслуживание немногим сложней обращения с обычным велосипедом [¹⁹].

Несмотря на наличие электропривода, электровелосипед используется примерно так же, как и обычный велосипед, и в большинстве стран не требует для вождения наличия водительского удостоверения или номерного знака. Электровелосипед хорошо подходит как средство передвижения для широкого круга любителей с самым разным уровнем подготовки, поскольку легко позволяет дозировать физическую нагрузку [²⁰].

Принципиальные преимущества велосипеда с электроприводом:

• Велосипед с электромотором позволяет преодолевать крутые подъёмы и значительные расстояния физически неподготовленным людям;

• Если батарея разрядится, то можно использовать педальный привод;

• Заряд аккумуляторов осуществляется от бытовой электросети;

• При сопоставимой скорости в городских условиях, энергетические и экономические затраты на перемещение одного человека оказываются на порядок более низким, чем у любого другого вида транспорта, включая общественный;

• В сравнении с легковыми автомобилями эксплуатация, парковка и хранение электрических велосипедов требуют в десятки раз меньше расходов и пространства [²¹];

• Уменьшение загрязнения атмосферы в случае массового отказа от автомобилей с ДВС в пользу электровелосипедов.

Мотор-колесо - самый распространённый вариант велосипедного электропривода на основе бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. Двигатель вмонтирован в колесо вместо ступицы. Устанавливается как на переднее, так и на заднее колесо. Использование мотор-колеса позволяет с минимальными затратами переоборудовать практически любой распространённый городской велосипед под электропривод, причём его дизайн почти не нарушается. Мотор-колесом может быть любое из колес или оба одновременно. Часто мотор-колесо продаётся в уже собранном (заспицованном) виде. Диапазон мощности у серийно выпускаемых мотор-колёс, приводящих в движение электровелосипеды, как правило колеблется в пределах от 200 до 5000 Ватт.

Преимущества использования мотор-колеса:

• гармонично вписывается в дизайн любого велосипеда;

• бесшумная работа электродвигателя;

• переделка обычного велосипеда с помощью мотор-колеса требует минимальных усилий.

К недостаткам можно отнести:

• существенное утяжеление колеса велосипеда;

• при превышении определенной скорости мотор-колесо начинает работать как генератор, вызывая торможение велосипеда.

Для достижения поставленной цели дипломного проекта необходимо объединить в одну систему подобный функционал велокомпьютера и мотор-колеса.

1.  

   1. Функциональные требования, предъявляемые к системе

Реализуемая система должна следить за показателями пользователя и велосипеда, анализировать их и включать электромотор в то время, когда физическая нагрузка на пользователя доходит до некомфортного уровня.

Для реализации подобной системы существуют все необходимые датчики и контроллеры. Для более точного определения состояния пользователя понадобятся:

• Датчик пульса – для определения сердечного ритма пользователя;

• Гироскоп/акселерометр – для определения положения велосипеда в пространстве;

• GPS – для определения нахождения пользователя, его скорости передвижения и прочих функциональных возможностей связанных с геопозиционированием.

Работа контроля усталости будет работать следующим образом. В начале собирается необходимая информация о пользователе (вес, рост, возраст, пульс в состоянии покоя). Во время спокойного движения собираются и анализируются данные с датчиков после чего они становятся эталонными. В дальнейшем они используются для определения уровня нагрузки на пользователя для своевременного реагирования и предотвращения утомления [²²].

Подобный алгоритм имеет недостаток, связанный с возможным ложным реагированием. Электромотор может включится в неподходящий момент и таким образом создать аварийную ситуацию. Лучшим решением подобной проблемы является использование подтверждения действий. Таким образом при достижении уровня усталости прежде чем система включит электромотор она должна получить подтверждение пользователя.

1.  

   1. Обоснование необходимости разработки и внедрения систем

В сентябре 2015 года Организация Объединенных Наций приняла исторические Цели в области устойчивого развития, пришедшие на смену Целям в области развития, сформулированных в Декларации тысячелетия. 17 Целей в области устойчивого развития и их 169 задач разработаны для того, чтобы сбалансировать экономические, социальные и экологические аспекты устойчивого развития, а также стимулировать активные действие в течение следующих 15 лет в этих важнейших областях. Одна из этих целей связана с устойчивым развитием транспорта в городах и подразумевает обеспечение доступа населения к безопасным, приемлемым по цене, доступным и устойчивым транспортным системам, повысив безопасность дорожного движения.

Во многих странах, где уровень автомобилизации выше, чем в России, а пропускная способность транспортной сети городов аналогична, численность погибших в ДТП на 10 тысяч автотранспортных средств ниже в 10-15 раз, а число погибших на 100 тысяч человек населения – в 2-4 раза меньше. Причина роста числа ДТП кроется не столько в росте уровня автомобилизации и отставании в развитии транспортной инфраструктуры, а, во многом, в отсутствии культуры вождения и недостатках организации дорожного движения.

На сегодняшний день в Москве зарегистрировано приблизительно 4,5 млн автомобилей. К тому же, большое число автомобилей из других регионов России ежедневно приезжают в город. Но дороги Москвы были рассчитаны максимум на 4 млн автомобилей, что приводит к тому, что средняя скорость движения автомобилей в таком огромном городе, как Москва, составляет приблизительно от 7 до 11 км/ч, а водители автомобилей основное время проводят не в движении, а простаивая в пробках. Даже запрет на проезд грузовых автомобилей в период с 7 до 22 часов в пределах центра города не смог существенно улучшить ситуацию [²³]. Еще одной проблемой, с которой сталкивается рядовой водитель автомобиля – это поиск парковки в центре города. В других крупных городах России ситуация не многим лучше, и даже сравнительно «молодые» города с широкими улицами, созданными когда-то для военных парадов, знакомы с проблемой пробок и поиска парковок.

Для сравнения сложившейся ситуации в России с прогрессивным опытом, были рассмотрены показатели транспортной мобильности населения для европейского (Копенгаген) и российского (Набережные Челны) городов, число жителей в которых примерно одинаково (таблица 1.1).

В Копенгагене приоритетной стратегией политиков является развитие велоинфрастурктуры как способа создания более благоприятных условий для жизни в городе. В то же время в российских городах, в г. Набережные Челны в частности, основополагающими мероприятиями в сфере решения транспортных проблем согласно Стратегии 2030, является строительство новых автомагистралей. Таким образом, в то время как в развитых городах мира для совершенствования управления транспортными системами городов применяются такие меры, как оптимальное использование существующей пропускной способности и повышение привлекательности для населения экологически эффективных видов транспорта (общественный и немоторизованный транспорт), некоторые особенности российской действительности не позволяют использовать этот прогрессивный опыт.

Таблица 1.1. Сравнение показателей транспортной мобильности населения

Наименование показателя	Копенгаген	Набережные Челны
Число жителей, тыс. чел	550	522
Площадь города, км2	88,25	171,03
Наличие легковых автомобилей в личной собственности, тыс. шт.	125	147
Наличие велосипедов в личной собственности, шт.	650 000	(учет не ведется)
Количество автомобилей на душу населения	0,23	0,28
Количество велосипедов на душу населения	1,2	(учет не ведется)
Протяженность велодорожек, км	350	110
Протяженность велодорожек в расчете на площадь города, км/км2	3,96	0,64

Существующие проблемы можно разделить на три категории:

1.Проблемы отраслевой политики (низкое качество услуг, предоставляемых общественным транспортом).

2. Проблемы, связанные с транспортной инфраструктурой (отсутствие необходимого объема инвестиций, неразвитость объектов и услуг велосипедной и пешеходной инфраструктуры).

3. Проблемы, связанные с окружающей средой (природно-климатические условия, снижающие привлекательность немоторизованного транспорта).

Анкетирование, проведенное в г. Набережные Челны в рамках исследования транспортной мобильности населения, показало, что 54% опрошенных пользуются общественным транспортом, 29,6% в качестве средства передвижения используют личные автомобили, 7,54% – велосипед, а 8,38% добираются до мест работы/учебы пешком. При этом заменить автомобиль на общественный транспорт готовы около 50% опрошенных при выполнении следующих условий: наличие остановочного пункта менее чем в 5 минутах ходьбы от дома (52,5%), наличие свободных сидячих мест (51,8%), время ожидания на остановочном пункте не превышает 5 минут (50,9%), а также – наличие прямых беспересадочных маршрутов до мест назначения (44,8%). Также респонденты отмечают, что повысить количество людей, выбирающих велосипед в качестве средства передвижения, можно путем развития велоинфраструктуры:

• Создания непрерывных велосипедных дорожек, возможно, с защитой от непогоды (48% респондентов);

• Расширения сети велосипедных парковок (50% респондентов);

• Развития велопроката, в том числе и велосипедов новой конструкции (электробайки, смартбайки, велосипеды с прицепами и т.д.) (49% респондентов);

• Объединения велоинфраструктуры и общественного транспорта в единую систему путем создания парковок на остановочных пунктах, а также возможность взять велосипед с собой в автобус или трамвай (49% респондентов).

Таким образом, продвижение к более устойчивым видам транспорта в российских городах сегодня возможно и зависит от наличия продуманного, внимательного к деталям и эффективного управленческого процесса, функционирующего в рамках стабильных институциональных и нормативных механизмов.

1.  

   1. Выводы. Цель и задачи дипломного проекта

Анализ ситуации в транспортно-дорожном комплексе России и изучение зарубежного опыта свидетельствуют о том, что несмотря на актуальность проблемы продвижения к устойчивому транспорту, использование немоторизованных его видов в России осложняется рядом причин, в числе которых: природно-климатические условия, затрудняющие создание инфраструктуры и ограничивающие передвижение в зимнее время, отсутствие мест хранения близи мест проживания, а также необходимость конструктивных решений, позволяющих расширить круг потенциальных пользователей велотранспорта.

При разработке системы управления велосипедом следует иметь в виду, что использование полностью автономной системы управления, вмешательство в которую со стороны велосипедиста невозможно, может быть небезопасным для самого велосипедиста. Поэтому в системе с поморщь оповещений должен быть реализован принцип обратной связи между системой и человеком. Таким образом, будет исключена возможность возникновения аварийных ситуаций в случаях ложного срабатывания электропривода велосипеда [²⁴].

Главной целью системы контроля усталости является правильное распознавание и анализ показаний датчиков. Целью дипломного проекта является разработка системы, которая сможет принимать решения, основываясь на данных о состоянии пользователя и адекватно реагировать на их изменения.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

1.  

   1. Концептуальная модель взаимодействия модулей

На рисунке представлена принципиальная схема взаимодействия между подсистемами в системе «велотранспорт».

Рис.2.1. Взаимодействие составляющих функционирования велотранспорта

 

Функционирование велотранспорта обеспечивается воздействием велосипедиста, задающего скорость и траекторию движения, т.е. осуществляющего управление. Параметры движения велосипеда, в свою очередь, зависят от состояния внешней среды, т.е. типа/рельефа местности, погодных условий, времени суток, всего того, что влияет на возможность передвижения велосипеда. Для обеспечения безопасности в системе необходимо создание системы управления, которая может воздействовать ка на каждую подсистему в отдельности, так и на систему в целом.

Так, управление велосипедом осуществляется велосипедистом, но с помощью необходимых компонентов, в данном случае это аналитическая система для велосипеда, в свою очередь, аналитическая система управляет состоянием велосипедиста, контролируя как объективные показатели его организма, так и параметры движения (время в пути, рельеф), которые относятся как к системе в целом, так и ко внешней среде. [²⁵]. То есть рассматривается взаимодействие между аналитическим модулем и велосипедистом, а также между велосипедистом и внешней средой (рисунок 2.2).

Сбор исходных данных осуществляется с помощью датчиков, установленных на руле, колесах, а также на велосипедисте. Данные собираются в базу данных, где хранятся и обрабатываются. Далее система анализирует полученные данные, выявляет отклонения показателей от нормы и на основании этих данных предупреждает велосипедиста о возникновении критической ситуации и предлагает варианты решения проблемы.

Рисунок 2. Концептуальная схема взаимодействия модулей в проектируемой системе контроля состояния велосипедиста

 

1.  

   1. Функциональное моделирование предметной области с использованием методологии IDEF

Для описания процесса контроля усталости велосипедиста выбрана методология IDEF. Она имеет условный синтаксис и позволяет на основе простых графических изображений создавать информационные потоки, взаимосвязи и проводить их последовательный и структурированный анализ. С помощью данной методологии можно создать функциональную и информационную модели, которые отображают структуру и функции системы, и содержание информационных потоков, необходимых для их поддержки. Данная методология также подходит для описания системы контроля усталости велосипедиста.

Подробно процесс контроля усталости рассмотрен с помощью методологии IDEF на рисунках 2.3-2.6.

Рис.2.3. Первичная диаграмма

Рис.2.4. Декомпозиция "Контроля состояния велосипедиста"

Рис.2.5. Декомпозиция "Анализа показаний датчика"

Рис.2.6. Декомпозиция "Выполнения соответствующего действия"

1.  

   1. Описание модели разрабатываемой информационной системы с использованием методологии UML

UML – язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения [²⁶]. Методология UML включает в себя целый ряд диаграмм, с помощью которых можно описать конкретный процесс:

• Диаграммы классов/пакетов;

• Диаграммы объектов;

• Диаграммы вариантов использования;

• Диаграммы последовательности;

• Диаграммы взаимодействия;

• Диаграммы состояний;

• Диаграммы активности;

• Диаграммы компонент;

• Диаграммы размещения.

Диаграммы UML позволяют описать и понять системы со всех возможных точек зрения. Для описания системы управления смарт-велосипедом были выбраны диаграммы вариантов использования, объектов и сотрудничества. А также подробный список событий, которые могут происходить в процессе работы системы (таблица 2.1).

Подсчёта оптимального пульса для велосипедиста выполняется по формуле [²⁷]:

, (1)

где:

ОТП – оптимальный тренировочный пульс;

ПВП – пульс в состоянии покоя;

В – возраст в годах;

К – коэффициент. Это показатель варьируется в зависимости от того какой уровень подготовки имеет пользователь. Для новичка К=0.6, для человека среднего уровня подготовки К=0.65, для хорошо подготовленного К=0.7.

Таблица 2.1. Список событий в системе контроля усталости велосипедиста

№	Событие	Отклик	Тип синхрони-зации	Периодичность	Требования по продолжитель- ности движения
1	Пульс велосипедиста> ОТП	Индикация на дисплее устройства о преодолении тренировочного порога, предложение включения электропривода	Без ожидания	Непериодическое	1 сек
2	Угол наклона велосипеда>15 градусов (подъем в гору)	Индикация на дисплее устройства о подъеме в гору, предложение включения электропривода	Без ожидания	Непериодическое	1 сек
3	Пульс велосипедиста> ОТП+50	Индикация на дисплее устройства о чрезмерном превышении порога, предложение остановки или о продолжении движения полностью на электроприводе	Без ожидания	Непериодическое	1 сек
4	Угол наклона велосипеда

Код для цитирования: Скопировать