XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Погода на дороге оказывает большое влияние на безопасность движения: даже если водитель в целом не нарушает ПДД, это не убережет его от внезапного льда под колесами или аквапланирования в ливень, а внезапный туман и вовсе может вынудить остановиться. И если для простого человека это все неприятно, но не смертельно, то для организаций или экстренных служб резкое изменение погоды может стать катастрофой [1].

Для оценки метеоусловий используются различные системы, которые могут не только информировать об основных погодных показателях, но и прогнозировать развитие событий. В данной работе изучены автоматические дорожные метеорологические станции (АДМС) на примере “Vaisala ROSA” [2], проведен анализ показателей дорожных метеостанций на юго-востоке Санкт-Петербурга и рассчитана их надёжность.

АДМС являются незаменимым инструментом по обеспечению безопасности дорожного движения на автодорогах, а также планированию и исполнению работ по их содержанию в нормативном эксплуатационном состоянии.

АДМС. Состав и строение

Д орожная метеорологическая станция на базе АДМС «Vaisala ROSA» (рис. 1) собирает в реальном времени значения метеорологических параметров, указанных в табл. 1.

Рис. 1 АДМС «Vaisala ROSA»

Таблица 1

Атмосферные параметры измеряемой и передаваемой АДМС информации

№	Измеряемый параметр	Диапазон измерений	Точность измерений
1	Температура окружающей среды	–40…+60℃	+0,2℃(–10…+10℃), +0,5℃ в остальном диапазоне
2	Относительная влажность	0,8…100%	+2%
3	Интенсивность дождя	0…200 мм/ч (чем больше диапазон, тем меньше точность)	0,1 мм/ч
	Интенсивность снега		0,05 мм/ч или меньше в течение 10 мин
4	Вид осадков	Дождь, смешанный дождь/снег, снег, интенсивность и количество
5	Атмосферное давление	500…1200 гПа	+0,3 гПа
6	Направление ветра	0…359,9o	+3o
7	Скорость ветра	0…60 м/с	+0,3 м/с или +3% (0…35 м/с) ±5% (в диапазоне 35…60 м/с)
8	Состояние дорожного покрова	сухая, влажная, влажная с хим. веществами, мокрая, мокрая с хим. веществами, лед, иней, снег
9	Температура на поверхности дорожного покрытия и на глубине 5 и 30 см	–40…+60℃	+0,2℃ (–10…+10℃), +0,5℃ в остальном диапазоне
10	Толщина водной пленки на поверхности дорожного покрытия	0…8 мм	+0,1 мм +20% от измеряемой величины
11	Температура замерзания для различных противогололедных реагентов	–20…0℃	+1℃ дляt > –10℃
12	Рекомендация по концентрации противогололедных реагентов	Суммарный расход (г/м2), Концентрация (г/л)
13	Черный лед	да/нет
14	Предупреждения: – тревога по льду – предупреждение по льду – предупреждение по инею – предупреждение по дождю	да/нет

2. Исходные данные для исследования надежности

Для анализа были взяты станции 12А, 13А, 14А, их расположение представлено на рис. 2. Период данных составлял месяц сентябрь, интервал сбора данных 5 минут, объем данных содержал 2017 значений на каждой станции для каждого измеряемого метеопараметра.

Рис. 2 Схема КАД с выделенными станциями

Так как показатели на автоматических метеостанциях взаимосвязаны друг с другом, то поломка самой метеостанции приводит к отказу всех метеорологических датчиков.

Отказами метеостанций считали пропуски данных. Бывают моменты, когда зарегистрированное время сбора данных равняется 1 часу 10 минутам, а следующее время регистрации составляет 15 часов 45 минут. Также в массиве данных наблюдались изменения периода опроса датчиков. В номинальном режиме метеостанция регистрирует метеоусловия каждые 5 минут. На рис. 3 представлен фрагмент с данными станции 14A-E0300819-N594818 метеорологических параметров. Пропуски данных выделены прямоугольником, сбой периода – овалом.

Рис. 3 Фрагмент данных АДМС 14A-E0300819-N594818 с пропуском и сбоем периода опроса датчиков

Каждая метеостанция осуществляет измерения в 288 сроков с шагом 5 минут. Пропуски наблюдались в первую неделю сентября на всех трех станциях, далее станции работали без отказов. Количество и время пропусков на каждой станции в первые семь дней представлено в табл.2-4 соответственно.

Таблица 2

Пропуски данных на станции 14A-E0300819-N594818

Дни регистрации	Количество пропусков и отказов	Время отказов
1 сентября	2 пропуска, 2 отказа	16:00, 19:25
2 сентября	27 пропусков, 16 отказов	1:30, 15:10 – 15:15, 15:25, 16:20, 16:40 17:35 – 17:40, 18:10, 18:25, 18:40, 18:55, 19:25, 20:50, 21:05, 21:50, 22:20, 23:15 – 23:55
3 сентября	158 пропусков, 23 отказа	0:00 – 2:10, 3:00, 3:20, 3:30, 4:00 – 4:10, 4:25 – 4:30, 5:20, 6:10 – 6:15, 7:35, 7:50, 9:05, 9:45, 9:55, 10:25, 10:45, 11:15, 11:35, 12:35, 13:35, 14:30, 14:40, 15:00-15:47, 15:50-23:55
4 сентября	132 пропуска, 2 отказа	0:00-10:55, 18:40.
5 сентября	нет отказов.
6 сентября	нет отказов.
7 сентября	1 пропуск, 1 отказ	18:35.

Таблица 3

Пропуски данных на станции 12A-E0301046-N594829:

Дни регистрации	Количество пропусков и отказов	Время отказов
1 сентября	нет отказов
2 сентября	184 пропуска, 6 отказов	15:35 – 15:50, 16:20 – 16:25, 16:45, 16:55, 17:10, 17:50 – 23:55
3 сентября	287 пропусков, 2 отказа	0:00 – 14:55, 15:05 – 23:55
4 сентября	132 пропуска, 2 отказа	0:00 – 10:50, 23:30
5 сентября	нет отказов
6 сентября	нет отказов
7 сентября	1 пропуск, 1 отказ	22:20

Таблица 4

Пропуски данных на станции 13А-E0300952-N594800:

Дни регистрации	Количество пропусков и отказов	Время отказов
1 сентября	10 пропусков, 1 отказ	12:25 – 13:10
2 сентября	85 пропусков, 7 отказов	15:10, 15:35 – 15:40, 15:50, 16:20 – 16:25, 16:45, 16:55, 17:50 – 23:55
3 сентября	287 пропусков, 2 отказа	0:00 – 15:00, 15:10 – 23:55
4 сентября	131 пропуск, 1 отказ	0:00 – 10:50
5 сентября	1 пропуск, 1 отказ	14:05
6 сентября	1 пропуск, 1 отказ	23:20
7 сентября	2 пропуск, 2 отказа	1:35, 3:00

3. Методика исследования

Для определения надёжности АДМС были рассчитаны следующие показатели надёжности, определение которые были взяты с ГОСТа 27.002-89 [3].

Средняя наработка до отказа – это математическое ожидание наработки до первого отказа.

Уравнение средней наработки на отказ может существовать в виде статистической оценки:

)

где – время безотказной работы i-го прибора, или время от окончания -го восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа; – количество задействованных для анализа устройств.

Интенсивность отказа системы λ(t) – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник.

Интенсивность отказа можно определить с помощью формулы:

(2)

Вероятность безотказной работы P(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ станции не возникнет.

В случае если нам известна интенсивность отказа системы λ(t) и задан момент времени с запуска системы dt, то вероятность безотказной работы можно вычислить экспоненциальным путём по следующей формуле:

(3)

Среднее время восстановления T(в) – это математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа. Среднее время восстановления можно определить с помощью формулы:

(4)

где – время восстановление прибора после i-ого отказа; n – число отказов.

Коэффициент готовности K(г) – вероятность того, что станция окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течении которых применение станции по назначению не предусматривается.

Коэффициент готовности можно посчитать по формуле:

(5)

4. Результаты исследований

Для каждой станции за период 7 суток были вычислены наработка на отказ, интенсивность отказа, время восстановления и коэффициент готовности. Результаты представлены в табл. 5

Таблица 5

Показатели надежности АДМС

Измеряемые параметры	А12	А13	А14
Tср, ч	11.32	6.71	2.95
, 1/ч	0.09	0.15	0.34
P (168 ч)	3.74E-07	1.45E-11	2.20E-25
T в, ч	7.19	6.15	3.81
г	0.61	0.52	0.44

Заключение

Подводя выводы из рассчитанных результатов, можно сделать вывод, что самой надёжной является станция 12А. В первую неделю сентября период между ее отказами составил в среднем 11 часов. За ней следует по надёжности метеостанция 13А. Самые низкие показатели наблюдается у последней станции 14А, ее наработка почти в 4 раза меньше, чем у 12А. Время восстановления распределено между станциями в обратном порядке: быстрее всего после отказа включается в работу станция 14А, среднее время восстановления составило около 4х часов. Такая разность надёжности можно обусловить изношенными датчиками и нечастыми поверками оборудований.

Список литературы

Сайт официального представителя Vaisala в России. Электронный ресурс: https://trasscom.ru/blog/pogoda-na-doroge/?ysclid=lbva5pyl8w971106831

К.Л. Восканян, А.Д. Кузнецов, О.С. Сероухова. Автоматические метеорологические станции. Часть 1 Тактико-технические характеристики. Учебное пособие, 2016. – 170 с.

ГОСТ 27.002–89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. С. 10, 13 – 14.

Код для цитирования: Скопировать