Girlshare.ro Ingineria Sistemelor 8

8/3/2019 Girlshare.ro Ingineria Sistemelor 8

1/70

Universitatea Aurel Vlaicu din Arad

Facultatea de Inginerie

Marius M. Bla

Introducere n Ingineria Sistemelor

Curs pentru uzul studenilor

- 2011 -


2/70

Cuprins

1. Cum se definete Ingineria Sistemelor

2. Elemente de Ingineria SistemelorAnaliza i Modelarea

3. Probleme de management n Ingineria Sistemelor

4. Studii de caz


3/70

1. Cum se definete Ingineria SistemelorIngineria sistemelor (IS) este un domeniu interdisciplinar care studiaz modul n careproiecte inginereti complexe trebuie concepute i conduse. Discipline ca logistica sauconducerea automat a echipamentelor devin mai dificile atunci cnd se pune problemaintegrrii n proiecte de amploare. Ingineria sistemelor se ocup cu procesele de munc icu instrumentele necesare pentru lucrul cu astfel de proiecte, incluznd att disciplinetehnice, cum ar fi conducerea automatsau ingineria calitiict i discipline umanistecum ar fi managementul proiectelor.

Fiind o disciplin relativ nou, mai ales n sensul percepiei sale de ctre mediile largiindustriale i academice, aflat n plin evoluie, elementele constitutive ale IS nu suntcristalizate n sensul existenei unui aparat teoretic propriu perfect coerent. Exist diferite

abordri, influenate nmare msur i de domeniul din care provin, care mprtesc maimult dect o metodologie, o viziune comun asupra managementului sistemelor ingine-reti complexe. Introducerea n aceast disciplin va fi fcut urmnd o cale mai puinriguroas, dar extrem de eficient i actual, prin traducerea i adaptarea capitolului dedi-cat IS din Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Systems_engineering .

1.1. Istoric

Termenul ISa fost introdusde Bell Telephone Laboratories n anii 1940. n cazul pro-iectelor inginereti complexe, identificarea i manipularea proprietilor unui sistem pri-vite ca un ntreg pot fi extrem de diferite fa de simpla nsumare a proprietilor compo -nentelor sistemului tratate individual. Acesta a fost motivul iniial pentru care Departa-mentul Aprrii SUA i NASA, urmate apoi de ansamblul mediului industrial american idin alte ri dezvoltate, au aplicat aceast disciplin n activitile lor curente.

Necesitatea unor metode specifice sistemelor complexe apare n momentul n care neapropiem de limitele ncepnd de la care mbuntirile proiectelor prilor componentenu mai reuesc s aducmbuntiri semnificative ansamblului. Este de remarcat ns caceast situaie poate exista numai atunci cnd sistemul n cauz funcioneaz n zona li-mitelor sale superioare de performan. Evoluia IS este continu i const din dezvolta-rea de metode noi, cu o net predominan a tehnicilor bazate pe modelare. Cteva dintreinstrumentele des folosite n IS sunt:

- UML (Unified Modeling Language), un limbaj de modelare de uz general, din dome-niul ingineriei software. UML include un set de instrumente grafice prin care se pot creamodele abstracte ale sistemelor specifice.

- IDEF (Integration Definition) este o familie de limbaje de modelare care acoper undomeniu de aplicaii ntins de la modelarea funcional pn la analiza i proiectareaorientat pe obiecte din domeniul prelucrrii informaiilor i achiziiei de cunotine.


4/70

- QFD (Quality Function Deployment) este o metod de transformare a cerinelor utiliza-torilor n criterii de calitate utile proiectrii, de reprezentare a funciilor formatoare decalitate, i de reprezentare a metodelor de descompunere a proiectelor de asigurare a cali-tii n subsistemei n final n elemente specifice proceselor de fabricare. QFD a aprutn Japonia, datorit lui Yoji Akao, care n 1966 a combinat elemente de asigurare i con-

trol al calitii cu tehnici de reprezentare din Ingineria Valorii.n 1990 a fost fondat NCOSE (National Council on Systems Engineering), prima socie-tate profesional pentru IS, cuprinznd corporaii i organizaii din SUA. NCOSE a fostcreat pentru a rspunde cerinelor de dezvoltare a IS n aplicaii i nvmnt . n 1995,ca rezultat al extinderii conceptului de IS n lume, numele organizaiei a fost schimbat nINCOSE (International Council on Systems Engineering). Disciplina IS se studiaz n totmai multe ri, fie prin introducerea n programa universitar fie mai ales prin studii apro-fundate, prin educaie continu sau training.

1.2. Despre concept

Ca orice alt concept de mai mare complexitate, IS este greu de definit ntr-o form con-cis. Pentru o prim percepie a problematicii este util prezentarea ctorva definiii aleIS, formulate de-a lungul timpului, prezentate sub forma lor originarn limba englez:

"An interdisciplinary approach and means to enable the realization of successful systems" -INCOSE handbook, 2004.

"Systems engineering is a robust approach to the design, creation, and operation of systems. Insimple terms, the approach consists of identification and quantification of system goals, crea-tion of alternative system design concepts, performance of design trades, selection and imple-mentation of the best design, verification that the design is properly built and integrated, and

post-implementation assessment of how well the system meets (or met) the goals." -NASA Sys-tems engineering handbook, 1995.

"The Art and Science of creating effective systems, using whole system, whole life principles"OR "The Art and Science of creating optimal solution systems to complex issues and problems"-Derek Hitchins, Prof. of Systems Engineering, former president of INCOSE (UK), 2007.

"The concept from the engineering standpoint is the evolution of the engineering scientist, i.e.,the scientific generalist who maintains a broad outlook. The method is that of the team ap-proach. On large-scale-system problems, teams of scientists and engineers, generalists as wellas specialists, exert their joint efforts to find a solution and physically realize it...The techniquehas been variously called the systems approach or the team development method." -Harry H.Goode & Robert E. Machol, 1957.

"The Systems Engineering method recognizes each system is an integrated whole even thoughcomposed of diverse, specialized structures and sub-functions. It further recognizes that anysystem has a number of objectives and that the balance between them may differ widely fromsystem to system. The methods seek to optimize the overall system functions according to theweighted objectives and to achieve maximum compatibility of its parts." - Systems EngineeringTools by Harold Chestnut, 1965.
http://en.wikipedia.org/wiki/International_Council_on_Systems_Engineeringhttp://en.wikipedia.org/wiki/International_Council_on_Systems_Engineeringhttp://en.wikipedia.org/wiki/International_Council_on_Systems_Engineeringhttp://en.wikipedia.org/wiki/International_Council_on_Systems_Engineering


5/70

O concluzie se poate deja desprinde: prin IS putem nelege mai mult dect o disciplininginereasc. IS este de fapt o abordare care ofer o viziune larg asupra ingineriei, avndca laturi eseniale caracterul holistici interdisciplinaritatea .

1.3. Aspectele holistic i interdisciplinar

IS este focalizat pe definirea nevoilor utilizatorilor i pe funcionalitatea necesar ncde la iniierea ciclului de dezvoltare a sistemelor. Dup faza de documentare urmeazfazele de sinteza proiectului i de validare a sistemului, dar esenial este s se aib n vedere tot timpul problema n ansamblu: ciclul de via a sistemului (system lifecycle).Ciclul de via este o examinare a sistemului care ia n considerare toate fazele sale deexisten, inclusiv proiectarea i dezvoltarea, producia i/sau construcia, distribuia,operarea, mentenana, scoaterea din funciune, dezmembrarea, etc.

Oliver i colegii [Oliv97] afirm c procesele ce in de IS pot fi clasificate n procese IStehnice i manageriale. Dup Oliver scopul procesului managerial este s organizeze

efortul tehnic n cadrul ciclului de via, n timp ce procesul tehnic include estimareainforma iilor disponibile, definirea de msuri de eficientizare, crearea unui model decomportare i a unei structuri a sistemului, analiza economic, precum i crearea uneiplanificri secveniale a construciei i testrii.

Dei exist mai multe modele utilizate n industrie, n funcie de aplicaie, toate acio-neaz n sensul identificrii relaiilor dintre etapele menionate anterior i a ncorporriide feedback. Cele mai populare astfel de modele sunt modelul cascad i modelul V[Maso97]. Modelul n cascad prezint principalele faze ale dezvoltrii unui proiect, nsimpla lor succesiune lor cauzal.

Fig. 1.1. Modelul n cascad


6/70

Fig. 1.2. Modelul n V

Modelul V grupeaz aceste faze n dou etape. Braul stng al V-ului cuprinde prima par-te a ciclului de via, respectiv descompunerea i definirea cerinelor sistemului. Acestespecificaii sunt preluate de inginerii proiectani, a cror activitate este grupat n centrulmodelului. Dup dezvoltarea componentelor individuale ale proiectului responsabilitateatrece nspre inginerii de sistem, care integreaz i testeaz sistemul, pe latura dreapt amodelului. Aceast viziune subliniaz rolul esenialal fazelor de concepie, proiectare iimplementare. Dac aceste faze nu sunt rezolvate corect, ansele de reuit a proiectului

sunt compromise. Desigur, condiia de mai sus este necesar dar nu i suficient, unproiect bun poate fi compromis i n fazele de comercializare, exploatare sau mentenan!

Structurarea concepiei unui produs dup modelul V poate fi ilustrat prin conceptul deplatform tehnologic comun, des utilizat de marii productori de automobile. O astfelde platform cuprinde un set larg de tehnologii i produse compatibile, care pot susinedezvoltarea unor familii de automobile dintr-o anumit clas. O astfel de platform cu-prinde variante cuprinztoare de motorizare (diferite versiuni de motoare cu benzin iDiesel), suspensii, transmisii, cutii de viteze, accesorii, dispozitive i instalaii electrice,baze de date, etc. Concepia unui nou automobil pornete de la decizia fundamental aalegerii platformei, de care depind n mod esenial fazele de proiectare i de testare-inte-grare. Automobilul Dacia Logan a fost conceput n cadrul platformei Clio, dezvoltat n

comun de Renault i Nissan, ceea ce i-a facilitat o dezvoltare rapid i eficient.Prin furnizarea viziunii holistice (integratoare) a procesului de dezvoltare, IS ajut la fu-ziunea contribuiilor tehnice ntr-un efort comun de echip, formnd un proces de dezvol-tare structurat. Acest aspect este cu att mai important cu ct dezvoltarea sistemelor com-plexe cere de regul contribuia mai multor discipline tehnice [Ramo98]. Caracterul inter-disciplinar al marii majoriti a sistemelor care fac obiectul disciplinelor ingineriei esteatt de evident nct el nu necesit multe explicaii. S amintim doar c electronica i


7/70

informatica sunt implicate n toate produsele care presupun conducere automat, moni-torizare sau comunicare, i c numrul uria de produse n care elementele mecanice ielectronice se interptrund este att de mare nct au determinat apariia unei disciplinede sine stttoare mecatronica.

Distincia dintre rolurile jucate de persoanele implicate ntr-un proiect complex este une-

ori greu de fcut. n principiu rolul inginerului de sistem este preponderent analitic, deconsiliere i planificare, n timp ce rolul managerului de sistem este decizional. Cu toateacestea atribuiile componenilor unei echipe care acioneaz n spiritul IS sunt decise nprimul rnd de traseul educaional i de competenele acumulate de fiecare n parte, ace-eai persoan putnd cumula mai multe roluri.

1.4. Managementul complexitii Necesitatea IS a aprut n principal din cauza creterii complexitii sistemelor i pro-iectelor. Complexitatea nu ine doar de sistemele inginereti, ea caracterizeaz n generalorganizarea logic a datelor aferente activitilor oamenilor. Un sistem se complic att

prin creterea n dimensiuni ct i prin creterea volumului de variabile, de date aferentei de domenii implicate n proiectarea sa.Staia Spaial Internaional i avionul AirbusA380 sunt exemple de astfel de sisteme complexe.

Fig. 1.3. Staia spaial internaional(http://en.wikipedia.org/wiki/File:ISS_March_2009.jpg )


8/70

Concepia i proiectarea avionului Airbus A380 sunt semnificative att pentru avantajeleabordrii unitare a unui produs complex incluznd peste 15.000.000 reperect i pen-tru pericolele acestei abordri. Proiectul acestui avion a fost realizat n ntregime cu aju-torul unui software capabil n acelai timp de a i simula comportarea i performaneleavionului. Liniile de producie au fost proiectate n acelai fel i s-a eliminat etapa costi-

sitoare a execuiei i testrii unui prototip. Primul produs rezultat din aceast abordarerevoluionar a confirmat corectitudinea concepiei i performanele sale au fost extremde apropiate, ba chiar superioare n unele privine simulrilor. Pe de alt parte riscurileacestei abordri s-au fcut i ele remarcate, n principal prin unele neconcordane aparentminore ale unor elemente de conectare electric. Acestea au fcut totuinecesar nlocui-rea ntregii instalaii electrice, producnd ntrzieri i pierderi financiare semnificative.

Fig. 1.4. Airbus A380 (http://images.search.yahoo.com/images/ A380_02.jpg)

Cteva dintre disciplinele tiinifice care ofer metode i tehnici utile n abordarea com-plexitii sunt urmtoarele [Corn07]:

Teoria sistemelor;

Modelarea i Simularea; Optimizarea sistemelor; Statistica; Ingineria calitii; Protecia muncii; Logistica Managementul, etc.


9/70

1.5. Educaia n Ingineria Sistemelor

Educaia n IS este n general privit ca o extensie a programei cursurilor de inginerie,reflectnd ncrederea mediului industrial n capacitatea de formare a disciplinelor tradiio-nale inginereti: (ingineria civil, calculatoare, electronic etc.) precum i n necesitatea

prealabil a acumulrii unei experiene practice ntr-unul din domeniile conexe. Cel maiadesea specializarea IS se obine prin formare continu, masterat i doctorat. Exist nsi universiti care au dezvoltat specializri de Inginerie a Sistemelor n cadrul studiilorde licen, oastfel de program putnd fi consultat de exemplu n referina [Corn07].

1.6. Un exemplu de interpretare a Ingineria Sistemelor

n continuare vom prezenta un exemplu de interpretare a IS n cazul industriei de aprare[Malo02]. IS reprezint o abordare relativ nou, care a nceput s fie utilizat pe scaralarg n multe ri dezvoltate pentru abordarea sistemelor complexe, atunci cnd metodeleclasice nu au dat rezultatele ateptate. IS reprezint o abordare interdisciplinar menit s

dezvolte i s verifice un set integrat i echilibrat de soluii, care s satisfac cerineleexprimate de client. Necesitatea aplicrii conceptelor IS pentru procesele de restructurarea industriei de aprare decurge din stadiul actual, de restructurare n care definirea, ana-liza i proiectarea la nivel macroeconomic, microeconomic, sectorial i chiar regional aindustriei naionale de aprare este singura posibilitate de asigurare a interoperabilitii custructurile similare ale NATO. Aplicarea conceptelor specifice IS presupune aplicareaunor criterii de raionalitate n gestionarea resurselor, oferind o soluie de restructurarecare s asigure totodati reconversia profesional a forei de munc de nalt calificare.Aplicarea standardelor de inginerie a sistemelor asigur proiectarea i dezvoltarea unuisistem integrat pentru industria de aprare, n condiiilepieei actuale, cu meninerea uti-litii acesteia n noua configuraie politici economic la care Romnia este parte. n

eforturile de dezvoltare industrial, un factor important l constituie ncercarea de dimi-nuare a poverii financiare care greveaz economia naional, prin modernizarea produse-lor i tehnologiilor din industria de aprare, ceea ce va determina reducerea importurilor.Pentru aceasta trebuie creat o infrastructurcorespunztoare n domeniulproduciei pen-tru aprare. Drept consecin, se impune promovarea, cu prioritate a produselor industrieide aprare pe pieele externe i ncurajarea unitilor n realizarea acestor produse. Seremarc menionarea unui factor suplimentar, de importan major: factorul politic. naceeai lucrare se prezint cteva reprezentri grafice sintetice referitoare la diferite as-pecte legate de IS, a cror consultare este util.

Elementele prezentate n modelul V se regsesc i n schema bloc din Fig. 1.5 sub o for-m mai puin sintetic, dar care prezint n schimb i cele trei feedback-uri principale:

bucla cerinelor, bucla de proiectare i buclele de verificare/testare.Cerinele de intrare cuprind: condiiile impuse de beneficiar (misiune, mediu de utilizare),limitrile/restriciile, msurile de eficacitate, de standardizare, etc. Rezultatele procesuluide IS sunt: specificaiile, documentele de control pentru interfee, pachetele de date teh-nice, planurile de management, strategii de dezvoltare, etc. [Malo02].


10/70

Fig. 1.5. Abordarea generic a proceselor IS


11/70


12/70

Fig. 1.7. Procesele de inginerie a sistemelor

IS difer de ceea ce s-ar putea numi ingineria proiectrii prin aceea c se concentreaz nprimul rnd pe relaia dintre obiectul proiectat cu mediul nconjurtor respectiv cu supra-sistemul n care acesta este inclus, mai degrab dect asupra detaliilor interne. Viziuneasistemic este mai degrab larg dect adnc, ea trebuie s acopere toat funcionalitatea

sistemului, precum i evoluia temporal de la concepie la utilizare.Esenial pentru abordarea sistemic este recunoaterea sistemului propriu, a suprasiste-mului de care acesta aparine, a impactului su asupra suprasistemului, a eventualelorsubsisteme din componena sa i a obiectivelor sale, identificate preferabil ntr-un modexplicit [Nasa95].


13/70

2. Elemente de Inginerie a SistemelorAnaliza i Modelarea

Instrumentele IS sunt strategiile, procedurilei tehnicile, aplicate asupra proiectelorsau

produselor. Obiectivele urmrite de aceste instrumente sunt diverse [Jenk05]: luareadeciziilor, simularea, managementul bazelor de date, producerea documentelor, etc.

2.1. Instrumente pentru reprezentri grafice

Reprezentrile grafice sunt extrem de utile mai ales n nelegerea problemelor complexei n reprezentarea cerinelor funcionale. O reprezentare grafic relaioneaz subsiste-mele sau prile unui sistem prinfuncii, fluxuri de date sau interfee. Pentru ca o funcies i nceap execuia este nevoie ca ea s fie activat de ctre sistemul de comand ieventual s fie declanat de date. Activarea apare dup ce funcia precedent din fluxulde comand a fost executat complet. Declanarea se produce pe fondul activrii, cnddatele necesare executrii funciei se disponibilizeaz.

Cteva dintre cele mai populare metode de re prezentare grafic sunt prezentate ncontinuare [Long02].

Schema bloc funcional (Functional Flow Block Diagram FFBD)este o reprezen-tare secvenial n timp a fluxului funcionrii sistemului.

FFBD ne arat funciile pe care sistemul le ndeplinete precum i ordinea lor de activarei de execuie, dar nu ne arat fluxul de date.

Fig. 2.1. Exemplu de schem bloc funcional

REPRODUCERE

CRITERIU DE

NDEPLINIRE

ADNOTAREA RAMURII

CONCUREN

BUCL

FUNCIE CU IEIRIMULTIPLE

SELECTARE

ITERARE
http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_Flow_Block_Diagramhttp://en.wikipedia.org/wiki/Functional_Flow_Block_Diagramhttp://en.wikipedia.org/wiki/Functional_Flow_Block_Diagram


14/70

Schema bloc informaional ( Data Flow Diagram DFD) este o reprezentare a flu-xului informaional din sistem.Nu se reprezint ns structurile de comand sau secven-ele de activare ale funciilor.

Fig. 2.2. Exemplu de schem bloc informaionaln Fig. 2.2 se poate observa un astfel de flux de date generic. Se observ circulaia datelordinspre utilizator/comanditar (user) nspre dezvoltatorul (developer) sistemului i furni-zorii de echipamente (H/W supliers). Se remarcpe lng sursele externe de date princi-palele funcii generatoare de cunotine/date: studiul domeniului (survey), analiza (analy-sis), proiectul preliminar (prelim design), studiul hardware (hardware study) i proiectuldetaliat (detailed design). Aceste funcii generatoare de date sunt reprezentate ca noduriale unui graf orientat. Pe lng elementele de mai sus se remarc i funciile de manage-ment a proiectului (prog. mngmt) i acumulatorul de date (data/design repository).

Documentele care conin aceste date sunt reprezentateca arce ale grafului: cerinele uti-

lizatorului/caiete de sarcini (user requirements), documente de fezabilitate (feasibilitydoc.), specificaii funcionale ( functional specification), de sistem (system specification),de echipament (H/W order) i de program (program specification).


15/70

o Diagrama N2 (N-Squared) este o diagram de form matricial reprezentnd inter-feele funcionale sau fizice dintre elementele unui sistem.

Fig. 2.3. Exemplu de diagram N2

Diagrama N2 este n esen identic cu DFD conine aceeai informaie dar ntr-unformat diferit, fiind de regul asociat cu FFBD.

Diagrama N2pentru un set de N funcii este de fapt o matrice N x N cu funciile localiza-te funciile pe diagonala principal. Pentru o funcie oarecare toate ieirile sunt localizatepe rndul funciei iar toate intrrile pe coloan. Dac funciile de pe diagonal sunt ordo-nate dup ordinea nominal de execuie atunci itemurile de date localizate deasupra dia-

gonalei reprezint fluxul normal de date al sistemului iar cele plasate sub diagonal repre-zint itemuri de feedback. Intrrile externe pot fi reprezentate pe un rnd deasupra primeifuncii de pe diagonal iar ieirea extern pe o coloan la dreapta funciei de ieire.Acumulatoarele de date pot fi i ele incluse ntre funciile diagonalei.

Exemplu:

Data 2 este ieirea Funciei 2 i intrare

pentru Funciile 4 i 5.

Observaii: Intrrile externe sunt n rndul de sus ; Ieirile externe sunt n coloana din dreapta; Intrrile unei funcii sunt n coloana acelei funcii; Ieirile unei funcii sunt n rndul acelei funcii.Funcie

serial

Funcie cumai multe

ieiri

Intrareextern

Ieireextern

F-ie nstructur cu

multe ieiri

Funcieiterativ

Funcie de

ieire

Funcieconcurent


16/70

o Diagrama IDEF0 (Integration Definition for Function Modeling)este o metodologiede reprezentare funcional potrivit mai ales descrierii ciclurilor de producie .

Fig. 2.4. Exemplu de diagram IDEF0

Diagrama IDEF0 este derivat din DFD, cu un format identic cu N2. Coninutul primar aldiagramei IDEF0 provine din specificaia fluxului de date dintre funciile sistemului. Pelng aceasta specificaiile de comand pot fi reprezentate ca intrri n funcii, dar nu cudetaliile constructive executabile prezente n diagramele FFBD, EFFBD sau diagramacomportamental.

Diagrama situaiilor funcionale (Use case diagram)este un tip de diagram funcio-nalfolosit n UML, destinat analizeisituaiilor semnificative din funcionarea sistemu-lui doar prin prisma actorilor umani i a elurilor urmrite de ei (reprezentate ca situaiifuncionale). n Fig. 2.5 se prezint relaiile funcionale din cadrul unui restaurant, impli-cnd patronul, chelnerul, buctarul i casierul.

Diagrama secvenial (Sequence diagram)este un tip de diagram a interaciunilorfolosit n UML care arat interaciunea dintre componentele fizice ale sistemului, prinintermediul schimburilor de mesaje dintre ele (Fig. 2.6). La fel ca i n cazul diagrameiIDEF0, diagrama secvenial nu este executabil din cauza absenei detaliilor referitoarela elementele de comand.

Observaii:

Intrrile de date sunt n stnga funciei; Intrrile de comand sunt n partea de sus; Ieirile unei funcii sunt n partea dreapt; Componenta la care este ataat funcia estere rezentat n artea de os a funciei.


17/70

Fig. 2.5. Exemplu de diagram a situaiilor funcionale

Fig. 2.6. Exemplu de diagram secvenial


18/70

o Schema bloc ameliorat (Enhanced FFBD)prezint simultan dimensiunile funcionali informatic ale unui sistem. Practic, peste o reprezentare FFBD este suprapus fluxul dedate. Astfel EFFBD prezint: 1) funciile, 2) fluxul de comenzi i 3) fluxul de date. Con-strucia sa permite reprezentarea structurii de comand i secvenialitatea tuturor relaiilordintre funcii. Pe lng reprezentarea fluxului de date EFFBD face distincia dintre datele

n sine i cele cu rol de declanare afunciilor. n Fig. 2.7 datele cu rol de comand suntreprezentate cu o sgeat dubl i sunt colorate n verde, spre deosebire de datele care nuau rol de comand, care sunt colorate n gri. n Fig. 2.7 se prezint varianta FFBD a dia-gramei IDEF0 din Fig. 2.4.

Fig. 2.7. Schema bloc ameliorat (FFBD)

Specificaia EFFBD este suficient de complet pentru a permite realizarea sistemului pri-vit ca sistem cu evenimente discrete, precum i validarea sa dinamic i static. Reamin-tim c interpretarea unei reprezentri EFFBD se bazeaz pe modul de activare i declan-are a unei funcii prin comenzi care apar la ndeplinirea funciilor precedente respectivprin date de intrare. Inginerii au libertatea de a folosi oricare dintre cele dou modalitide determinare a funcionrii sistemului, pe care le pot chiar combina. Prin suplimentareaEFFBD cu funcii estimatoare ale duratei de execuie, ale resurselor necesare i ale costu-rilor se pot realiza simulri n vederea stabiliriiperformanelor economice ale sistemului.

Fig. 2.8 ilustreaz rezultatul unei astfel de simulri pentru cazul unui aeroport. Se poatepreciza n acest mod alocarea resurselor i desfurarea n timp a funciilor care concurla reuita unei aterizri, cu indicarea inclusiv a ntrzierilor care se pot produce i a striide ateptare a semnalelor de declanare.Funciile implicate n diagrama din Fig. 2.8 sunt:1) Centrul de control aerian; 2) Achiziia datelor de zbor i de la sol; 3) Actualizarea fii-erului de urmrire; 4) Actualizarea display-ului turnului de control; 5) Comunicaii cuturnul de control; 6) Turnului de control; 7) Aterizare i 8) Preluarea pasagerilor.


19/70

Fig. 2.8. Desfurtor dinamic (dynamic timeline)

Fig. 2.9. Diagram comportamental (behavior dyagram)

1

2

3

4

5

6

7

8


20/70

o Diagrama comportamental BD (behavior dyagram) este o reprezentare graficechivalent cu EFFBD, de care difer n principal prin direcia fluxului de comand: desus n jos pentru BD respectiv de la stnga la dreapta pentru EFFBD (vezi Fig. 2.9). BDpermite caracterizarea datelor incidente unei funcii n date de declanare i date simple.

Modalitile de reprezentare grafic prezentate sunt proprii IS. Dei sunt asemn toare cu

reprezentrile grafice din alte domenii ale managementului, ele nu trebuiesc confundate.De exemplu diagramele N2 sau IDEF0 sunt asemntoare cu diagramele Gantt folosite nplanificarea proiectelor, dar au un coninut i detalii diferite.

Fig. 2.10. Diagram Ganttn figura urmtoare se prezint poziionarea relativ a reprezentrilorgrafice n funcie decaracteristicile comportamentale i complexitatea sistemelor ce trebuie reprezentate.

Fig. 2.11. Prezentare sintetic a metodelor dereprezentare grafic din IS


21/70

2.2. O terminologie ierarhizat

Aa cum se tie din Teoria Sistemelor, sistemul este o structur format din mai multecomponente care interacioneaz ntre ele. n IS, care studiaz sisteme artificiale, se con-sider n plus c un sistem are o structur organizat i este format n vederea atingeriiunui scop. Secvenaurmtoare, ierarhizat din punctul de vedere al rezoluiei, precizeazterminologia referitoare la sisteme i la componentele lor [Nasa95]. Oricare dintre com-ponente poate fi considerat n acelai timp ca fiind un sistem.

Supersistem Cuprindere marerezoluie micSistem

SegmentElement

Subsistem

Ansamblu Rezoluie mareSubansamblu - cuprinderePies mic

Fig. 2.12. Terminologie ierarhizatcomponentele unui sistem

Proiectarea, dezvoltarea i exploatarea sistemelor sunt acoperite managerial prin proiecte.n cazul supersistemelor, mai multe proiecte se grupeaz n programe. Astfel n cazulNASA programul Apollo de aselenizare a cuprins o serie larg de proiecte, legate de pro-pulsie i transport - racheta Saturn V, capsula Apollo i modulul lunarEagledar i detelecomunicaii, calcul electronic, baze de antrenament, logistic, etc.

Ceea ce determin constituirea unui sistem i a oricrei structuri ierarhice asociate este unobiectiv comun. Natura i complexitatea obiectivului trebuie s fie determinante n confi -gurarea i chiar n existena n sine a sistemului. Iat cteva aspecte legate de aceasta:

o Obiectivul unui sistem poate fi uor de identificat i de msurat sau din contra, snecesite eforturi introspective de inut i soluii tehnice dificile.

o Un sistem poate avea un singur obiectiv sau mai multe obiective. Exist modaliti deevaluare a valorii relative a obiectivelor multiple, dar adesea ele nu sunt cuantificabile.

o Un sistem poate avea utilizatori cu obiective diferite, chiar conflictuale. Cnd existobiective n conflict sunt necesare compromisuri negociate.

o Proiectarea unui sistem poate beneficia de o abunden de concepte alternative, carepot fi comparate pentru identificarea soluiei cele mai bune, sau din contra, pot necesitaeforturi susinute, dublate de inspiraie i chiar de geniu.

o Obiectivele includ frecvent optimizri (costuri, consumuri specifice, cicluri de produc-ie, etc.) ceea ce ngreuneaz selectarea celor mai bune proiecte.

o Credibilitatea proiectului unui sistem poate fi uneori susinut de simple calcule esti-mative mintale, sau dimpotriv, s necesitesimulri de anvergur sau testri experimen-tale pe staii pilot/modele sau prototipuri.


22/70

2.3. Precizarea definiiei i obiectivelor

n acest moment putem formula o definiie mai precis a Ingineriei Sistemelor, preluatdup NASA (Nasa95). IS este o abordare robust a proiectrii, dezvoltrii i exploatriisistemelor, constnd n esen din identificarea i cuantizarea obiectivelor sistemelor,

crearea de concepte alternative, analizarea lor detaliat i alegerea celor mai bune soluii,verificarea etapelor de dezvoltare, urmrirea n exploatare i evaluare a gradului n careproiectele i ating obiectivele.

Obiectivul primordial al IS este de a urmri dac sistemul este astfel proiectat, realizat iexploatat nct s-i ating scopurile, n modul celmai eficient cu putin, asigurnd ntotalitate performanele tehnice, minimizarea costurilor, respectarea desfurrii n timpi minimizarea riscurilor.

NASA definete termenii relevani din acest domeniu n felul urmtor:

Costul unui sistem este valoarea total a resurselor necesare pentru proiectarea, con-strucia i exploatarea sa. Resursele pot lua diverse forme: manoper (proprie sau execu-

tat de subcontractani), materii prime, materiale, energie, utilizarea unor faciliti sauechipamente proprii sau nchiriate (spaii de lucru, laboratoare de cercetare cu dotareaadecvat, tehnic de calcul, servicii de consultan, etc.) Pentru msurarea costurilor eletrebuie exprimate n uniti monetare (RON, , $, ).

Eficiena este o msur cantitativ a gradului n care scopul sistemului este atins. Eaeste foarte dependent de performanele sistemului. De exemplu, n cazul vehiculelor delansare pe orbit, eficiena este exprimat n probabilitatea de a plasa pe orbit a sarcini-lor utile (oameni, satelii, furnituri pentru Staia Spaial Internaional, etc.) Indici deperforman asociai pot fi masa lansat, raportul dintre masa lansat i viteza de lansarei gradul de disponibilitate a lansrilor.

O lansare pentru o orbit lunar trebuie s fie mult mai eficient dect o lansare pe orbitgeostaionar, care la rndul ei este mai eficient dect o lansare pe o orbit joas. O lan-sare este cu att mai eficient cu ct se execut dintr-o locaie mai apropiat de Ecuator,deoarece beneficiaz de un efect de centrifugare mai puternic. Un sistem de lansare idealdin punctul de vedere al disponibilitii ar trebui s nu fie influenat de condiiile meteo -rologice (temperaturi excesive, precipitaii, vnt, etc.)

Eficiena costurilor (cost-effectiveness) este o noiune cheie n IS, combinnd costurilei eficiena sistemului n contextul obiectivelor sale. Problema eficientizrii costurilor poate fi abordat prin msurarea sau estimarea lor individual, caz n care operm cudou valori numerice. Obiectivul aciunii IS este n acest caz, evident, scderea costurilori creterea eficienei. Cnd este posibil se pot defini funcii obiectiv cu o singur valoare

numeric la ieire, care pot fi optimizate.Un sistem eficient din punct de vedere a costurilor (cost-effective) trebuie s ating unanume echilibru ntre costuri i eficien: fie atingerea eficienei maxime care poate rezul-ta din resursele disponibile fie asigurarea unei eficiene dorite cu costuri minime. Aceastcondiie este slab, deoarece de obicei se pot imagina multe soluii de proiectare caresatisfac teoretic cerinele.


23/70

2.4. Eficiena costurilorPentru a investiga problema eficienei costurilor s considerm c fiecare variant de pro -iectare posibil este reprezentat printr-un punct ntr-un sistem de coordonate eficien-cost. Locul geometric al maximelor care pot fi atinse n cadrul tehnologiilor existente esteprezentat n figura urmtoare.Cu alte cuvinte curba din figur reprezint limita maxim atehnologiilor existente n ceea ce privete eficiena costurilor(proiecte dominante). Punc-tele plasate deasupra curbei nu sunt accesibile tehnologiilor existente, ele ar putea fi atin-se numai n cazul unor inovaii tehnologice viitoare. Zona accesibil tehnologiilor exis-tente aparine soluiilor nedominante, reprezentabile prin puncte plasate sub curb.

Fig. 2.13. Curba maximelor eficienei costurilor i aria proiectelor nedominante

n acest cadru se poate face analiza eficienei costurilor, urmnd diferite linii strategice .Fa de soluia iniial a proiectului, plasat sub curb, se ncearc diferite variante, ima-ginate astfel nct s creasc eficiena fr s modifice costulsau s scad costul fr sse modifice eficiena. Cteva dintre rezultatele care pot fi obinute n urma analizei sau a

msurtorilorsunt ilustrate n Fig. 2.14:A: cazul unui sistem la care eficiena i costurile pot fi precis calculate/msurate;B: cazul unui sistem cu grad notabil de incertitudine

C: cazul unui sistem cu risc mare, la care este reprezentat i situaia de avarie.

Fig. 2.14. Situaii posibile ale eficienei costurilor

Eficien

Cost

Zon inaccesibil

Zon n care

tehnologiileexistente pot

produceproiecte viabile

Eficien

Cost

A

Bc


24/70

n continuare sunt prezentate cele patru dileme cu care se confrunt inginerii de sistem:

Pentru a reduce costul la un risc constant trebuie redus nivelulperformanelor. Pentru a reduce riscul la un cost constant trebuie redus nivelul performanelor. Pentru a reduce costul la performane constante trebuie acceptat un risc crescut. Pentru a reduce riscul la performane constante trebuie crescut costul. Singura rezolvare fundamental a dilemelor o reprezint inovaia tehnologic, dar aceastsoluie are costurile ei i o disponibilitate incert. Cel mai adesea n aceste cazuri se ape-leaz la resursa timp, ncercndu-se scderea costurilor prin regndirea planificrii.

2.5. Doctrina rafinrilor succesiveIS trebuie s acioneze n armonie cu managementul sistemului. O latur major a roluluisu este acela de a furniza managerilor informaii pe care acesta s le foloseasc la funda -mentarea unor decizii corecte. Aceasta presupune mai ales identificarea variantelor via-bile ale conceptului i design-ului proiectului, analizarea i caracterizarea lor comparativ

n termeni de performane, costuri, riscuri, etc. Problema este ns c n cazul sistemelorcomplexe acest gen de analize trebuie aplicat la toate nivelele de generalitate, ncepndde la cel mai general i terminnd pn la nivelul pieselor componente. La diferiteleedine de analiz particip colective mixte de specialiti, dar este necesar i partic ipareainginerului de sistem, pentru a putea pstra o vedere de ansamblu ct mai detaliat asuprasistemului i a evoluiei lui.

Pentru a ndeplini aceast cerin aciunea IS este de regul repetat i recursiv , prin maimulte creteri ale rezoluiei de definire a sistemului, deoarece mbuntirile, precizrile,detalierile i verificrile procedurilor, standardelor, preurilor i performanelorsunt bine-venite n orice moment, chiar i n faza de exploatare. n acest sens poate fi exprimatDoctrina Rafinrilor Succesive(Doctrine of Successive Refinement) ilustrat n Fig. 2.15,

care trebuie neleas n sensul procesului intelectual i nu n termenii strici ai ciclului devia a proiectului sau al celui de dezvoltare a produsului.

Creterea continu a rezoluiei este echivalent cu orientarea nspre detalii. Orientarea n-spre detalii i caracterul holistic propriu IS sunt abordri contradictorii i ncercarea de ale echilibra creeaz o dilem. Compromisul dintre aspectul holistic i creterea rezoluieieste doar unul dintre compromisurile fundamentale pe care un inginer trebuie s le rezol-ve, altele asemntoare fiind cost calitate, soluie sigur inovaie, etc. Doctrina pre -zentat ofer o prioritate relativ abordrii holistice, recomandnd continuarea efortuluide cretere a rezoluiei pn n ultimul moment n care se mai pot aplica mbuntiri.

Pentru ilustrarea rafinrii succesive amintim cazul vagoanelor de cltori exportate de

Astra Vagoane Arad n Sri-Lanka n perioada anilor 90. Din cauza condiiilor climaticelocale, a apropierii mrii i a transportului vagoanelor pe mare, au fost necesare msuridrastice de protecie mpotriva coroziunii, a supranclzirii unor componente, a insec telori mucegaiurilor, etc. i detestare n condiii extreme. Aceste msuri au vizat toate com-ponentele i au implicat toate colectivele de proiectare i testare. Rezoluia a fost crescutpn la nivelul fiecrei piese. Astfel, n cazul produselor electronice (invertoare), toatecomponentele electronice au fost comandate n execuie climatic, pentru unele dintre elefiind necesar omologarea n regim de urgen la productor.


25/70

Fig. 2.15. Doctrina rafinrilor succesive

2.6. Modelarea

2.6.1. Rolul modelrii n Ingineria SistemelorSingurul instrument teoretic de analiz care poate face fa complexitii sistemelor carefac obiectul acestei discipline este modelarea matematic i simularea cu ajutorul calcula -torului. n capitolul 4 al cursului se vor ilustra unele tehnici de analizare i proiectare aunor sisteme de transport, bazate pe modelare matematic i simulare.

Modelarea matematic, dublat prin simularea unor scenarii semnificative, caracteristicepentru modul preconizat de operare a sistemului aflat n studiu, reprezint astzi princi-pala abordare n domeniul IS. Studiul sistemelor complexe prin simulri este ieftin, rapid

i fr riscuri, cu condiia ca modelele utilizate s fie valide, adic s corespund cusuficient precizie realitii. Tendina actual este aceea dea dezvolta aplicaii softwarenglobnd ct mai multe cunotine referitoare la domeniul adresat, capabile de acomunica i de a conlucra cu alte programe (abordarea Multi-agent).

Principala problem de care ne lovim n acest gen de aplicaii este identificarea n sine asistemelor, care este ngreunat de complexitatea lor. Pentru rezolvarea acestei problemese poate apela n principiu la dou soluii:


26/70

a) Utilizarea unor instrumente software specializate. Progresul continuu al tehnologiilorIT a generat aplicaii extrem de performante n domeniul Computer Aided Design CAD, prin utilizarea crora calitatea i productivitatea proiectrii sistemelor inginereti pot fiasigurate n condiii standardizate, cu riscuri extrem de sczute. Generalizarea acesteiabordri este frnat doar de dou aspecte:

-preul unor pachete CAD specializate, de nalt performan, este de regul mare, astfelc achiziionarea unor astfel de produse se justific doar cnd volumul activitii dep-ete un anume prag;

- aceste produse sunt de regul foarte specializate, adresndu-se unui spectru de aplicaiilimitatmulte domenii nu beneficiaz nc de astfel de instrumente. De exemplu, pentruproiectarea liniilor de producere i mbuteliere a berii, un produs extrem de cutat, existpachete de proiectare CAD, astfel nct firmele de proiectare din acest domeniu sunt pu-ine i cu efective foarte reduse (5 -10 specialiti). Productivitatea muncii este deosebit denalt n acest domeniu, i n general n industria berii, nalt automatizat, ceea ce setraduce n final prin aceea c berea este n general un produs ieftin i de bun calitate, norice regiune a globului.

Pe de alt parte, vinificaia, un domeniu nrudit cu industria berii, apeleaz mult mai rar laastfel de tehnologii, diversificarea produselor fiind incomparabil mai mare dect in cazulberii. Caracterul artizanal i personalizat al vinurilor limiteaz abordrile standardizate laaspectele igienico-sanitare i de mbuteliere, compoziia vinurilor i tehnologia aplicatfiind dictate n cea mai mare parte de ctre experi.

Dintre produsele software din aceast categorie putem meniona de exemplu ISE Design

Suite, aparinnd firmei Xilinx. ISE Design Suite este adresat productorilor de circuite isisteme electronice digitale programabile. Proiectanii acestui gen de produse au acces latoate fazele de dezvoltare i producere a unui circuit integrat digital, de la modelareafuncional i/sau arhitectur i testarea prin simulare pn la implementarea cu ajutorulunor familii de plci electronice adecvate i generarea documentaiilor necesare. Este deremarcat c fiecare tehnologie de baz din domeniu, respectiv CPLD, DSP, FPGA iASIC beneficiaz de versiuni distincte. Domeniul electronicii digitale este un domeniutehnologic de vrf, care prefigureaz dezvoltrile previzibile ale altor domenii impor-tante. Abordarea care st la baza sa este sistemic: standardizarea descrierii i implemen-trii circuitelor prin tehnologiaHardware Description Language HDL.

i domeniul proiectrii mecanice este bine reprezentat prin pachete CAD concepute ntr-o viziune sistemic, perfect integrate n sistemele de producie: CATIA, AutoCAD, etc.

Singurul pachet software de larg circulaie care include o bibliotec extrem de vast defuncii utilizabile n modelarea generic a sistemelor este Matlab-Simulink, prin toolkit-uri cum ar fi: SimEvents, Simscape, Simulink Control Design, Simulink Design Verifier,Simulink Verification and Validation, Stateflow, etc.


27/70

b) Simplificarea modelelor este soluia la care apelm atunci cnd nu dispunem de instru -mente software specifice, fie din motive de cost, fie din cauza c tipul de sistem care neintereseaz nu a ajuns nc s beneficieze de ele. Simplificarea poate fi util n msura ncare modelele simplificate pot fi validate pe baza unor date experimentale.

2.6.2. Modelarea unui vagon de cale ferat Pentru a ilustra modul n care se poate aborda modelarea simplificat a unui sistem tehniccomplex vom ncerca s modelm instalaia de frni procesul de frnare a unui vagon.

2.6.2.1. Modelul matematic

Partea mecanic a instalaiei de frnare a unui vagon tipic se compune din trei pri:mecanismul de acionare care produce efortul de frnare, timoneria de frn caretransmite efortul de frnare la roi i elementele de friciune (sabotul de frn-bandajulroii sau plcile de friciune-discurile de frn). Principalele probleme constructive sunt

ridicate de vitezele tot mai mari de circulaie. n cazul frnelor cu disc, cele maiperformante, fenomenele cel mai greu de contracarat care apar odat cu creterea vitezeisunt:scderea coeficienilor de frecare disc-garnitur de frecare respectivroat-inidezvoltarea unei mari cantiti de cldur. n cele ce urmeaz se va prezenta un modelstructural determinist al instalaiei de frnare.

a)Cilindrul de frn i comanda saUn cilindru des utilizat de ctre Astra Arad este modelul UB de 10 utilizat la boghiulMinden-Deutz, cu suprafaa pistonului Scyl = 0,05064506m

2, fora de rapel Fr= 1500N i presiunea maxim realizat P = 3,8daN/cm2. Soluia clasic de reglare a presiunii,

folosit de exemplu de ctre firma Knorr pentru frna KE-GPR, const din utilizarea unuiregulator de presiune bipoziional cu histerezis. Presiunea n cilindru se ridic pn la3,8daN/cm2la frnrile puternice i la 1,7daN/cm2 la frnrile obinuite. Fora de frnareeste obinut n cilindri alimentai cu aer sub presiune prin intermediul unei electrovalvespeciale, cu aciune continu. Electrovalva admite trei comenzi: admisie, evacuare imeninere. Variaiile presiunii n cilindru au loc cu vitez limitat i ajustabil prinreglarea seciunilor canalelor de admisie i evacuare ale electrovalvei.

b) Timoneria de frn

Timoneria este alctuit din bare i leviere i are urmtoarele obiective: amplificarea for-ei produse de cilindrul pneumatic, transmiterea ei la discuri i distribuirea uniform aforei de apsare la toate garniturile. Mrimile care caracterizeaz timoneria sunt amplifi-careai i randamentul referitoare la transmisia forelor.

c) Frna cu disc

Frna cu disc este cea mai des utilizat la vagoanele de cltori. Fora de frecare se dez-volt ntre discurile de frnare montate pe osiile vagonului i garniturile de frecare de la


28/70

extremitatea timoneriei. Principala problem de reglare ridicat de frna disc este variaiacoeficientului de frecare cu viteza relativ dintre disc i garnitur de frecare v. Msura-rea direct a dependenei (v) este extrem de greu de realizat practic din cauza condiiilorde funcionare i de montare ale frnei disc. De aceea n formulele de calcul a distanei defrnare utilizate de UIC pn n prezent, de exemplu formula Munchner, apare ca un

coeficient mediu s = 0,35. n plus este influenat i de ali factori cum ar fi: mon tareaelementelor frnei, uzura, temperatura, etc.

Din cauza scderii lui la viteze mari i din cauza nclzirii puternice a componentelorsale pe durata frnrilor totale, la vagoanele de mare vitez, frna cu disc trebuie dublatde ctre o frn electromagnetic (UIC Organismul european de reglementare a mate-rialului rulant).

Ecuaia de micare

Modelul include ecuaia de micare cu parametri fizici variabili n timp ai vagonului,

ecuaia forei de frnare i parametri instalaiei de frnare precum i dependena neliniara coeficientului de frecare disc-garnitur de friciune de viteza relativ dintre ele.

Ecuaia de micare a vagonului este:

i

(t)wiF(t)ttF)car(vaF(t)trFdt

cardvM (2.1)

unde: M = masa vagonului [kg], carv = viteza vagonului [m/s], trF = fora de traciune

[N], aF = rezistena la naintare [N]. ttF = fora produs de nclinarea traseului j [] este:

t tF = M g sin(arctg(j)) (2.2)Fora total de frnare este egal cu suma forelor de frecare apli cate tuturor osiilorvagonului. Pentru o singur osie expresia forei este:

]rFcylS[P(t)(t)wiF (2.3)

cu: P=presiunea din cilindrul de frn, cylS =suprafaa activ a cilindrului, rF =fora de

rapel, =amplificarea i =randamentul timoneriei de frn. Presiunea poate varia

continuu datorit valvelor cu aciune continu conduse prin trei comenzi: admisie (P),

evacuare (P) i meninere a presiunii (=P).

Determinarea coeficientului de frecare neliniar disc-garnitur de friciune

Modelul analitic (2.1)-(2.3) reprezint doar un nucleu determinist al comportrii complexe a vagonului n timpul frnrii. Aceast platform poate fi utilizat n diversemoduri, n funcie de orientarea dat modelului.


29/70

O prim problem care se poate rezolva cu ajutorul acest ui model este identificarea vari-

aiei cu viteza a coeficientului de frecare dintre disc i garniturile de friciune, )car(v .

Msurarea direct a (vcar) este practic imposibil din motive constructive. De altfel acestcoeficient depinde att de soluiile constructive (dimensiuni, materiale, etc.) ct i de fac-

tori greu de modelat, ca montarea, uzura, temperatura, etc. De aceea vom prefera introdu-cerea unui coeficient de frecare efectiv eff(vcar) n care se includ toate aceste influene icare poate fi introdus n modelul frnei ca un singur bloc tabel de cutare (look-up table).n acest fel toate elementele de incertitudine legate de comportarea sistemului disc-garni-

tur de frecare se grupeaz ntr-unul singur: eff(vcar). Identificarea sa se poate obine prin

simulri dirijate orientate astfel nct dependena eff(vcar) s rmn singura dependenneliniar necunoscut. Aceasta se poate realiza considernd ca principal ieire a modelu-

lui distana de frnare Sfobinut printr-o frnare total cu presiune constant la cilindrulde frn. Impunnd o anumit dependen distan de frnare - vitez iniialSf(vinit), secompleteaz prin ncercri repetate tabelul astfel nct dependena impus s fie respec-tat cu tolerana dorit.

Dependen Sf(vinit) poate fi obinut fie experimental, prin testarea vagonului, fie prinformula Mnchner propus de firma Knorr i agreat de UIC:

m

7,2

initv

jars10

2initv13,93

fS

(2.4)

cu: = un coeficient empiric cuprins n domeniul (0.05...0.25), initv = viteza iniial a

vagonului [km/h], = procentul de frnare, s = 0.35 coeficientul mediu de frecare, ar =

20daN rezistena specific la naintare, j = nclinarea traseului [] i = timpul deumplere a cilindrului. n expresia lui intr f = coeficientul de frecare roat -in, Qi =sarcina pe osie, g = acceleraia gravitaional i razele roii wr i discului de frnare dr :

= 100 f / = )wrgi(Q)drwiF(100 (2.5)

Este de remarcat caracterul empiric al formulei precum i valabilitatea ei doar pentru unprocent de frnare constant (for de frnare constant).

n prima linie a tabelului de cutare monodimensional eff(vcar) este introdus viteza cu-rent dintre disc i garnitur (egal cu viteza vagonului n cazul n care nu exist alune -care ntre roat i in). n linia a doua se introduc valorile eff, ncepnd de la vitezelemici, astfel nct erorile dintre model i formula etalon (2.4) sau rezultatele experimentaledisponibile s fie ct mai mici. Tabelul se completeaz pn la viteza maxim a vagonu-lui. Ambele linii ale tabelului sunt interpolate liniar.

Pentru exemplificrile care urmeaz s-au folosit datele tehnice ale unui vagon produs deAstra Arad pentru Grecia, dotat cu un boghiu Minden-Deutz echipat cu cilindrul de frn


30/70

tip UB 10'': M=42680kg, =5,03343465, =0,95, wr =0,46m, dr =0,23m, etc. Timpul de

umplere a cilindrului este 4s. Formula (6.4) s-a aplicat pentru: =0,25, s=0,35,

ar =20N, j=0[]. Cu datele de mai sus s-a obinut urmtoarea dependen eff(vcar).

0 50 100 150 200 2500.28

0.282

0.284

0.286

0.288

0.29

0.292

0.294

0.296

0.298

0.3

Variatia coeficientului de frecare efectiv disc-garnitura cu viteza vagonului

Vcar [km/h]

m

Fig. 2.16. Dependena eff(vcar)

Pentru coeficientul de frecare f dintre roat i in se pot utiliza fie date experimentale,

fie formula Curtius-Kniffler (UIC):

0,16144carv

7,5carvf

(2.6)

2.6.2.1. Implementarea SIMULINK a modelului instalaiei de frnare

Implementarea modelului prezentat anterior n Simulink include urmtoarele blocuri:vagon, boghiu, cilindru de frn, regulatori monitorizare.

n fig. 2.17 este prezentat fereastra principal a modelului, iar n figurile urmtoaremodulele componente.

Modulul vagonconine ecuaia de micare a vagonului.Intrri: fora de traciune, fora de frnare, nclinarea inei, tara vagonului, viteza iniial.

Ieiri: fora total (pentru monitorizare), acceleraia, viteza, poziia.


31/70

Modulul boghiu conine ecuaia de funcionare a timoneriei i a frnei disc, cuurmtorii parametri: amplificarea i randamentul timoneriei, numrul de osii i de discuri,raza roii i raza de frnare.

Intrri: fora realizat de cilindrul de frn, coeficienii de frecare dintre garniturile de

frecare i disc respectiv dintre roat i in.Ieire: fora de frnare.

Modulul cilindru de frnconine ecuaia de funcionare a cilindrului, cu urmtoriiparametri: suprafaa cilindrului, fora de rapel i timpul de umplere al cilindrului.

Intrare: presiunea de aer.

Ieire: fora dezvoltat de cilindru.

Modulul regulatorconine regulatoarele de presiune pentru comandarea cilindru lui.Intrri: acceleraia, viteza, poziia.

Ieire: presiunea de aer.

Modulul monitorizare conine osciloscoape i display-uri pentru monitorizareaparametrilor frnrii. El include i formula (2.4) pentru validare.

Fig. 2.17. Fereastra principal a modelului

m

m_coef (disc)

0

j[o/oo]

f

f_coef

(aderenta)

F_trac

F_fr

j

M

V_init

F

a

v

s

Vagon

200

V_ini t [km/h]

Presiune

Regulator

F [kN]

a [m/s^2]

v [km/h]

s [m]

Monitorizare

42680

M [kg]

F_trac [N]

Pres F_cil

Cilindru

F_cil

m

f

F_fr

Boghiu


32/70

Fig. 2.18. Modulul Vagon

Fig. 2.19. ModululBoghiu

4

s

3

v

2

a

1

F

9.81gravit_acc Zero

T

Weight

VI

Vinit

V

Vcar1

V

Vcar

TT

Tilt

Sum2

Sum

STOP

Stop_sim

20

Rez_

inaint

Prod3

Prod2

Prod1

Prod

S

Pozition

1/s

Integr1

1/s

Integr

3.6

Gain1

0.001

Gain

F

Force

f(u)Fcn2

u/3.6

Fcn11/u

Fcn

du/dt

Deriv

C_fr

A

Accel

5

V_init

4

M

3

j 2

F_fr1

F_trac

1

F_fr

Terminator0.46

Rw

0.23

Rd

0.95

Rand_timon

R

Radius_ratio

Product3

Product2

Product1

Prod

2

Nr_disc/osie

2

Nr_boghie

/vag

1/u

Fcn

D

Disk_force

5.03343465

Amplif_timon

3

f

2

m

1F_cil


33/70

Fig. 2.20. Modulul Cilindru

Fig. 2.21. ModululRegulator

1

F_cil

Tau

Sum

0.05064506S_cilindru

[m^2]

Product2

Product1P

Pressure

1500F_rapel

[N]

1

Pres

1

Presiune

poz (v)

VI Vinit2

V

Vcar2

1

Selector

Sat.

Releu bipozitional

Prod1

Prod

S

Position1

Multiport

Switch

u/1000Fcn1

160/uFcn

1500Distanta

impusa

de franare

Poz

Imp_poz

V_init

P

Cntroler

fuzzy

de pozitie


34/70

Fig. 2.22. ModululMonitorizare

Fig. 2.23. Modulul Formula Munchner

4

tau [s]

0.35

m_med

Viteza [km/h]

0

Vit. [km/h]

VI

Vinit1

Spatiul [m]

2

Rez [daN]

Proc_fr.

Procent fr.

P

Pressure1 Pres_cil [kN/m^2]

0.25

GammaForta [kN]

V_initiala

Coef_gama

Coef_frec_med

Proc_fran.

Rezist_advancing

Timp_umpl.

Dist_fr.

Formula Munchner

0

F[kN]

0

Durata [s]

0

Distanta de

franare [m]

Pres_cil = const.

(UIC)

0

Dist. [m ]

Clock

Acceleratia [m/s^2]

0

Acc. [m/s^2]

4

s [m]

3

v [km/h]

2

a [m/s^2]

1

F [kN]

1

Dist_fr.

TT

Tilt1 Sum1

Sum

Product3

Product2Product1

Product

10

Gain1

0.1388888

Gain

1/u

Fcn2

u^2

Fcn1

1+u

Fcn

3.93

Constant

6

Timp_umpl.

5

Rezist_advancing

4

Proc_fran.

3

Coef_frec_med

2

Coef_gama

1

V_initiala


35/70

Validarea modelului se face comparnd distana de frnare a modelului cu cea oferitde etalonul (2.4), sau cu date experimentale dac acestea sunt disponibile.

Distana de frnare a modelului, pentru un vagon de 42680kg, n urma unei frnri cudurata de 50,81s, cu presiunea din cilindru de 380000N/m2, a rezultat de 1478m. Distana

de frnare a etalonului (2.4) fiind de 1477m, eroarea absolut a modelului rezult de 1m.Pe distane mai mici, eroarea nu depete 1m.Evoluia principalelor mrimi de stare pedurata unei frnri de test cu for de frnare constant este prezentat n Fig. 2.24.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

0

100

200

Evolutia unei franari cu presiune constanta

viteza

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55-1.5

-1

-0.5

0

acceleratie

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 550

500

1000

1500

pozitie

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

-50

0

forta

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 550

2

4x 10

5

timp

presiune

Fig. 2.24. Evoluia mrimilor de stare pe durata unei frnri de test cu presiunea

constantn cilindrul de frn

Studenii sunt invitai s implementeze modelul prezentat n Simulink- Matlab i s-ltesteze prin diferite simulri, imaginnd diferite scenarii.


36/70

3. Probleme de managementn Ingineria Sistemelor

etc.


37/70

4. Studii de cazn aceast seciune a cursului sunt expuse cteva studii de caz cu tematica aleas prepon-derent din domeniul transporturilor. Toate aceste exemple sunt nsoite de modele mate -

matice implementate n Matlab Simulink, pe baza crora se va executa partea aplicativ acursului i care vor constitui i platforma de pornire a proiectelor concepute de studeni.

4.1. Modaliti de optimizare a traficului feroviarTransportul feroviar este un sistem de transport clasic, inventat la nceputul secolului alIXX-lea, care n mod oarecum paradoxal i n ciuda multor previziuni pesimiste emisede-a lungul timpului, a reuit s se menin n actualitate i s-i pstreze netirbit poten-ialul economic i de dezvoltare. Oraul Arad este n mod particular legat de transportu -rile feroviare prin prestigioasa sa industrie constructoare de vagoane. Ca un efect pozitival acestui prestigiu, ctigat de-a lungul a mai mult de un secol de activitate i materiali-zat prin exporturi de vagoane de cltori i de marf n mai mult de 50 de ri de pe toatecontinentele, Aradul a atras dup 1990 i un mare numr de productori din domeniulindustriei automobilelor. Evoluia transportului feroviar este extrem de interesant din punctul de vedere al IS, n acest domeniu manifestndu-se, cu rezultate mprite de-alungul timpului, o confruntare permanent ntre tendinele inovatoare i cele conserva-toare, ntre metodele de organizare etatiste i cele private.

4.1.1. Evoluii n domeniul transportului feroviar

Forma clasic a transportului feroviar, constnd din trenuri formate dintr-o locomotivcare tracteaz un ir de vagoane rulnd pe o cale ferat format din dou ine, a rmas nesen neschimbat. Singurele modificri de substan ale acestui sistem constau din:

a) nlocuirea traciunii cu abur cu traciunea bazat pe motoare cu ardere intern, directsau combinate cu motoare electrice sau cu traciunea electric integral. La rndul eitraciunea electric a evoluat ntre sistemul n curent continuu i cel n curent alternativ.

b)Renunarea la locomotiv i utilizarea tot mai frecvent a vagoanelor motoare. Struc -tura trenului clasic, n care fiecare vagon este independent, dispune de propriul su aparatde rulare (boghiuri) i este cuplat cu vagoanele nvecinate cu aparate de cuplare tinde s

fie nlocuit de ramele formate din vagoane care utilizeaz n comun un boghiu, prin carese asigur i cuplarea.

Evoluia transporturilor feroviare ar fi putut avea un moment de rscruc e ca rezultat alinveniei i al cercetrilor referitoare la trenurile cu sustentaie magnetic i traciune cumotoare electrice liniare, iniiate n anii 60 n Germania i Japonia i care au avut carezultat sistemul Maglev. Aceast realizare tehnic deosebit nu a fost ns acceptat depia din cauza costurilor prohibitive ale infrastructurii i ale energiei consumate.


38/70

Sistemul clasic roat-in a ctigat competiia cu Maglev prin urmtoarele caracteristici:

- O infrastructur foarte sigur, mai puin riscant i mai ieftin dect cea cerut de sus-tentaia magnetic. Principala msur de cretere a siguranei la mare vitez const dinsimpla izolare a cii ferate de alte linii i de sistemul rutier, evitnd trecerile la nivel.

- Creterea vitezei de exploatare la 300km/h, ceea ce face sistemul feroviar competitivchiar fa de transportul aerianpe distane medii, de pn la 1000-1500km. Recordul devitez pe sistemul roat-in este de 574,8 km/h i aparine trenului TGV (Alstom). Cuocazia testrilor la viteze mari s-a ajuns doar la limita sistemului de traciune actual, darnu s-a constatat nici un fenomen care ar periclita sistemul roat -in chiar la viteze maimari, n condiiile unei ci de rulare de foarte bun calitate.

- Adoptarea unor inovaii tehnologice care au permis mbuntirea substanial a perfor-manelor tehnico-economice.

Fig. 4.1. TGV Duplex (http://media.photobucket.com/image/tgv%20duplex )

Fig. 4.2. Tren Pendolino (http://www.flickr.com/photos/27671916@N05/3359621204 )
http://www.flickr.com/photos/27671916@N05/3359621204http://www.flickr.com/photos/27671916@N05/3359621204http://www.flickr.com/photos/27671916@N05/3359621204http://www.flickr.com/photos/27671916@N05/3359621204


39/70

Dintre aceste inovaii merit menionate:

a)Realizarea unor noi generaii de boghiuri mecatronice, cu suspensie activ sau chiarfr osie, care au permis coborrea substanial a centrului de greutate a vagoanelor. Ast-fel s-a reuit etajarea trenurilor TGV Duplex, dublnd practic capacitatea de transport.

b)Realizarea unor boghiuri cu suspensie activ, care pot nclina vehiculul i compensaforele centrifuge care apar n curbele cu raz mic la viteze mari (Pendolino FIAT). Ast -fel se poate crete viteza de exploatare pn la 150-200km/h chiar i n regiuni acciden-tate, n care nu ar fi posibil realizarea unor ci cu raze de mari de curbur.

c)Realizarea unor frne cu disc extrem de eficiente, cu sisteme anti-blocatoare de tipABS de generaia a II-a (introduse n urma studiului lui M. Boiteux, 1986). Sistemul ABSde generaia a II-a, care permite alunecarea controlat a roilor pe durata frnrilor puter-nice, a fost preluat ulterior, cu mare succes i de ctre industria de automobile.

Prin comparaie, recordul de vitez al Maglev-ului depete 600km/h. Maglev este capa-

bil de viteze superioare la aceeai for de traciune, datorit lipsei frecrilor inerente ncazul sistemului roat-in: frecri n rulmeni sau lagre i frecri de rostogolire. n plusconfortul sustentaiei magnetice este maxim. Pe de alt parte sustentaia magnetic nece-sit un consum uria de energie electric, pentru susinerea n aer, permanent, a ntregiigreuti a trenului! ntruct greutatea trenului este mult mai mare dect forele de frecarecare in de sistemul roat-in explicaia insuccesului actual al sistemului Maglev esteevident. Pe de alt parte, viteza mare de exploatare, depind 500km/h, confortul i lipsareelei de contact sunt avantaje ale Maglev-ului, care i pstreaz atractivitatea.

Sub o form sau alta sistemele feroviare sunt n actualitate i expansiune, cucerind noi

piee, mai ales n transportul urban (metrou i tramvai) i suburban.

Fig. 4.3. Trenul Maglev japonez (http://www.vagabondish.com/japan-to-introduce-worlds-fastest-maglev-train-over-300-mph/)


40/70

4.1.2. Optimizri n domeniul transportului feroviarSistemele de transport moderne sunt din ce n ce mai aglomerate, vitezele de transport itraficul cresc necontenit, ridicnd probleme tot mai mari de optimizare i organizare. ncontinuare vom prezenta cteva studii de caz, interpretate prin prisma IS.

1. Metroul din Sendai (Japonia)Cazul metroului din Sendai este cunoscut deoarece a reprezentat prima aplicaie de anver-gur a sistemelor fuzzy. Oraul Sendai este plasat n nord -estul insulei Honshu, insulacentral a Japoniei, avnd 1.3 milioane de locuitori n zona metropolitan. Prima linie demetrouNambuku Line (15km, 17 staii) a fost inaugurat n 1987, cu tensiunea de alimen-tare a liniei de 1500Vcc. Traciunea garniturilor, care cuprind cte 4 vagoane, a introdusun sistem relativ nou pentru perioada respectiv, bazat pe convertizoare reversibile, capa-bile de a realiza frnarea recuperativ a trenului. Reversarea funcionrii convertizorului

transform motorul unui vehicul aflat n micare n generator care redirecioneaz n modcontrolat energia cinetic de micare napoi nspre reeaua de alimentare. Desigur c fr -narea recuperativ este dublat de o frn de serviciu, de regul de tip ABS, dar energiarecuperat poate scdea consumul general al liniei cu procente mergnd pn la 20-25%,ceea ce are un impact uria asupra eficienei economice a sistemului.

La testarea sistemului (produs de Hitachi), s-a constatat un fenomen extrem de semni-ficativ din punctul de vedere al IS: dei la testrile individuale vagoanele au corespuns ntotalitate cerinelor impuse prin caietul de sarcini, la exploatarea ntregii linii au aprutprobleme grave:

- cnd mai multe vagoane frnau simultan pe linie apreau supratensiuni de avarie;

- cnd mai multe vagoane accelerau simultan tensiunea liniei scdea sub limita de avarie.

Fenomenele sunt absolut naturale, explicaia producerii lorst pur i simplu n aceea cdin cauza lipsei de experien n domeniul sistemelor recuperative, proiectanii nu au luat n considerare efectul vagoanelor asupra sistemului de alimentare. Cu alte cuvinte, unprodus (sistem) corespunztor n sine vagonul de metrou, poate deveni inadecvat daceste introdus ntr-un suprasistemlinia de metrou, fr a fi fost prevzute condiiile cares le asigure compatibilitatea.ncercrile de a rezolva problema printr-o programare riguroas a orarului trenurilor aueuat, mai ales innd cont c reeaua de metrou din Sendai urma s se dezvolte semni fi-cativ n continuare. Este evident c o programare riguroas a orarului unui mare numr devagoane de metrou, cu opriri/porniri la secund n foarte multe staii, i apoi respecta-rea acestui program fr nici o abatere, este o sarcin imposibil chiar i pentru japo nezi!E uor de imaginat cum un singur eveniment neprevzut poate cauza cu uurin blocareantregului sistem.


41/70

Din punctul de vedere al IS, singura soluie eficace n aceast situaie este inovaia.Din momentul n care au luat n considerare un concept teoretic nou i chiar controversatla acea vreme, logica fuzzy, lansat de Lotfi A. Zadeh, proiectanii de la Hitachi au reuitn scurt timp s rezolve principial problema.

n primul rnd s-au luat msuri de control automat al demarajelor i frnrilor n zonelestaiilor, astfel nct energia extras sau injectat n reea de fiecare garnitur s nu pre -zinte vrfuri deranjante. Este cunoscut c regulatoarele fuzzy sunt perfect capabile de aproduce acest gen de comportare neted. n aceast faz s-a fcut apel la cunotineleunui mecanic cu experien. ntr-a doua faz, coordonarea distribuit a ntregii reele delinii devine posibil prin asigurarea intercomunicaiei ntre garnituri. O garnitur G1 caretrebuie s porneasc, va atepta prima frnare a unei alte garnituri n micare G2, care seapropie de una dintre staiile reelei, care la rndul ei va ncerca s ajung n zona de fr-nare la momentul oportun pentru a susine demarajul garniturii G1.

Considernd o relaxare a orarului i o redistribuire a sarcinilor de coordonare pn lanivelul fiecrei garnituri, linia de metrou a nceput s funcioneze automat, adaptndu-sesingur i la situaiile neprevzute. Pe lng evitarea suprasarcinilor, pornirile i opririleline sunt extrem de confortabile i pentru cltori. Doar prin ceste porniri/opriri automates-a obinut o economie de energie de 10% fa de accelerrile i frnrile manuale. Suc-cesul acestei soluii inovative a declanat, n prima faz n Japonia, i apoi n toate riledezvoltate, o adevrat explozie a soluiilor inteligente bazate pe logica fuzzy [Pieg01].

Principalul avantaj al acestei abordri, reprezentarea lingvistic a cunotinelor, a permisde fiecare dat cnd s-a apelat la ea gsirea rapid a unor soluii ieftine i uor de imple-

mentat, n principal prin aceea c inginerii proiectani din diferitele domenii, i -au pututdezvolta direct i personal sistemele fuzzy-expert, prin reguli de conducere/decizie fuzzy-lingvistice, fr a avea nevoie de cunotine avansate de informatic. 2. Frnarea controlat a vagoanelorPentru a continua i perfeciona optimizarea traficului pe calea ferat, iniiat de metrouldin Sendai, putem imagina i dezvolta diferite soluii prin care s controlm cu preciziemicarea vehiculelor motoare. O astfel de abordare poate porni de la conceptul de sisteminteligent cu program, n care funcionarea dorit este modelat prin tabele de cutare sau

dependene funcionale numerice (de tip mapping) [Pass95]. O astfel de abordare este fr-narea pe distan impus IBDM (Imposed braking distance method)[Bala00].

Controlarea precis a regimului de frnare a trenurilor reprezint o modalitate avan-sat de cretere a siguranei circulaiei, de reducere a consumurilor de energie i a uzuriicomponentelor frnei. ntruct fiecare vagon trebuie s fie capabil s frneze indepen-dent, problema introducerii unor regimuri speciale de frnare trebuie pus pentru fiecare


42/70

vagon n parte. Mai mult, fiecare osie a vagonului trebuie frnat independent, din cauzafenomenelor dinamice care se produc n timpul frnrii, dintre care cel mai semnificativeste cabrarea, prin care osiile din fa sunt mult mai ncrcate dect cele din spate.

Reglnd continuu parametrii frnrii urmrim s dozm cu precizie efortul de frnare i

s-l distribuim uniform, pe toat durata sau spaiul de frnare, ceea ce un operator umannu ar putea realiza, orict de calificat ar fi. Tipice conducerii manuale sunt comenzilerepetate cu rol de ajustare i adaptare. Perioadele de frnare prea slab trebuie compen -sate de momente de frnare puternic, n care este chiar posibil s se ajung la activareasistemului ABS (antiblocator). Un efect colateral binevenit al regimurilor de frnare auto-mat este reducerea sau chiar dispariia momentelor n care sistemului ABS trebuie sintre n funciune, evitndu-se uzurile inutile ale elementelor frnelor i disconfortul pasa-gerilor. Este de remarcat c odat rezolvat problema frnei, conducerea accelerrilorpoate fi tratat identic, cel puin ca principiu.

Un regim de frnare controlata crui importan pentru sigurana circulaiei este evi-dent, const din conducerea frnrii totale, pn la imobilizarea vehiculului, astfel ncts se respecte o distan de frnare impusIBDM. Putem formula problema astfel:Indi-ferent de viteza iniial, s frnm vehiculul printr-un efort continuu, astfel nct distana

de frnare s fie cea impus din momentul iniial al frnrii.

Pentru a putea regla distana de frnare este necesar utilizarea unui regulator care s insub control poziia vagonului pe toat durata frnrii. Un astfel de sistem de reglare, gre-fat pe modelul validat al unui vagon prezentat anterior, este prezentat n figura urmtoare.

Fig. 4.4. Sistemul IBDM de regulare al poziiei vagonului pe durata frnrii

Ieirea regulatorului este Presiuneaaplicat cilindrului de frn iar intrrile sunt:

-Poziia impus, realizat prin procedeul care urmeaz a fi descris n continuare;

-Poziiacurent de la nceputul frnrii, care se poate obine apelnd la un senzor specia-lizat, sau mai eficient, prin integrarea vitezei vagonului, care este disponibil datorit tra-ductorului de vitez al sistemului ABS.


43/70

Mai important dect regulatorul propriu-zis al poziiei, este mecanismul de programare.El poate fi realizat n principiu printr-o dependen funcionalpoziie(vitez)notat ncontinuarep(v), dar proiectarea acestei dependene nu este trivial, deoarece fora de fr-nare maxim disponibil este relativ mic fa de energia cinetic a vagonului, care tre -buie disipat. Dac ncercm s proiectm o simpl dependen liniar p(v), dup cum se

observ n Fig. 4.5 pentru cazul unei frne pe 1000m cu viteza iniial 160km/h, frna reaeueaz, deoarece instalaia nu dispune de fora necesar pentru a respecta programulliniar. Doar un program proiectat n armonie cu posibilitile reale ale instalaiei (veziFig. 4.6) ne poate permite s controlm frnarea n sensul dorit. Poriunea iniial a uneiastfel de frnri este afectat de durata de umplere a cilindrului de frn (de 4 secunde),dup care ns regulatorul este capabil de a prelua controlul deplin al frnrii.

0 5 10 15 20 25 30 35 40-100

-50

0

50

100

150

200

250

timp [s]

eroarep

ozitie[m]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

timp [s]

eroarep

ozitie[m]

Fig. 4.5. O comparaie ntre o frnare nereuit i o frnare IBDM


44/70

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

viteza [km/h]

pozitie[m]

Fig. 4.6. Dependen de tip IBDMpoziie(vitez)

Dependena IBDM din Fig. 4.6 se obine n condiiile urmtoare:

- modelul din Fig. 4.4 este astfel ajustat nct fora de frnare Ffs fie constant;

- viteza iniial se ajusteaz la 160km/h;

-prin simulri repetate se ajusteaz Ffpn cnd se obine distana de frnare d=1000m;

- se nregistreaz dependenap(v) obinut n urma acestei simulri.

ntruct acest program a fost obinut printr-o simulare utiliznd un model valid (verificatexperimental) al vagonului iar fora pe durata acestei simulri a fost constant, utilizndn continuare programul frnrile se vor desfura n mod asemntor, adic cu variaiimici ale forei de frnare, care se fixeaz de la nceput la valoarea adecvat scopului pro -pus. Efortul de frnare se va distribui n consecin uniform, fr variaii semnificative.

Este de remarcat c la simulrile prezentate regulatorul de poziie propriu -zis a fost deli-berat dezacordat, rspunsul sistemului fiind sub-optimal. Studenii sunt ncurajai s tes-teze diferite regulatoare i reete de ajustare, pentru a mbunti acest rspuns. n Fig. 4.7se prezint, orientativ, regulatorul utilizat pentru simulri. Regulatorul propriu-zis este

PID, iar ponderea sa este adaptat prin tabelul de cutareAdaptare la viteze mici,pentru aevita frnarea prea brusc cauzat de creterea coeficientului de frecare la viteze mici. Cele mai bune rezultate se obin n acest context cu ajutorul regulatoarelorneliniare. nFig. 4.8 se ilustreaz performanele care pot fi obinute utiliznd un regulator fuzzy-interpolativ [Bala00].


45/70

Fig. 4.7. Regulator de poziie IBDM

Fig. 4.8. Frnare IBDM cu regulator de poziie fuzzy-interpolativ

Studenii sunt invitai s proiecteze i s implementeze n Simulink- Matlab i s tes-teze prin simulare diferite sisteme de conducere automat a unui metrou/tramvai. Ctevadintre posibilele variante care pot fi alese sunt: frnarea total de la viteza iniial V1 ntr-o durat de timp impus, frnarea sau accelerarea de la viteza V1 la viteza V2pe distanimpus sau ntr-o durat de timp impus, etc.

0 10 20 30 40 50 60-100

-50

0

50

100

Y

Axis

X Y Plot

eroaren

poziie[m]

- viteziniial:100km/h

- distan de frnare:800m

- durata frnrii:56,2s

- eroare final:

-1,6m


46/70

4.2. Modaliti de optimizare a traficului autoTransportul rutier este cel mai important i mai flexibil sistem de transport, cel mai fami-liar i mai bine adaptat naturii umane. Dac ne-am putea imagina viaa fr s apelm latransporturile navale, ferate sau aeriene, o via fr a ne folosi de mijloacele de transport

rutier ne-ar plasa practic nafara civilizaiei. Pentru cadrul unui curs de Ingineria Sisteme-lor, cea mai atractiv variant de transport rutier este pentru moment Autostrada, care sepreteaz cel mai bine ncercrilor de automatizare a traficului.

4.2.1. Introducere n conducerea automat a automobilelorFa de pieele create de celelalte sisteme de transport, piaa automobilelor moderne estemai activ, mai inventiv i mai mobil. Acest lucru este explicabil prin capacitatea micde transport i prin caracterul mult mai personal al automobilului, comparat cu alte mij-loace de transport. Dei mici, automobilele sunt extrem de numeroase i au o mare liber-tate de micare. Tocmai din acest motiv optimizarea i automatiza rea traficului este multmai greu de realizat dect n cazul celorlalte mijloace de transport. Avioanele i na velemaritime pot beneficia de exemplu de aparate radar i de alte echipamente de navigaieperformante, a cror costuri raportate la costul vehiculului n sine nu sunt exagerate, pecnd dotarea automobilelor cu senzori i mijloace de navigaie este abia la nceput. Trafi-cul auto este extrem de complex i tot mai aglomerat, se desfoar n condiii de extremvariabilitate a calitii cilorde rulare i este asigurat ntr-o msur covritoare de per-soane care au o pregtire de specialitate minim. Ce mai important metod de asigurarea creterii traficului i a siguranei sale pare s fie recurgerea la inteligena artificial.

Sistemele de transport inteligentecaut s doteze automobilele cu elemente de gndire,

care s le ajute s gestioneze mai bine problemele de circulaie n sine, problemele createde factorii meteorologici, parcrile, plata taxelor, etc. n acest domeniu extrem de concu-renial, standardizarea este nc incipient. Un moment semnificativ n acest proces a fostCongresul Mondial al organizaiei SAE care a avut loc la Detroit n 2000 (SAE WorldCongress), care a trasat n linii mari coordonatele dup care se dezvolt i astzi concep-tul de conducere automat. Cel mai important set de standarde dedicate asistrii automatea conductorilor auto este ADAS (Advance Driver Assistance Systems). ADAS are cascop ajutarea oferilor, interacionnd cu acesta prin intermediul unor interfee [Gira01][Mind01], etc. Facilitile propuse au un grad relativ redus de implicare n aciunea de

conducere n sine, decizia final trebuind s aparin n cele mai multe dintre situaii ofe-rului. Ieirea din regimul automat se face la prima intervenie a oferului asupra volanuluisau pedalei de acceleraie/frn. Principalele componente ADAS sunt :

ACC ( Adaptive Cruise Control), concept foarte apropiat de ICC ( Intelligent CruiseControl) se refer la navigarea automat adaptiv sau inteligent, care utilizeaz senzoriradar sau laserpentru detectarea i estimarea evoluiei celorlalte vehicule din trafic, acio -nnd direct doar asupra vitezei vehiculului, n funcie de condiiile de trafic.


47/70

Fig. 4.9. Dou automobile n regim de urmrire automat ACC pe autostrad

Sistemul de avertizare mpotriva coliziunilor (Collision Warning System) se bazeazpe un grup de senzori i l avertizeaz pe ofer asupra posibilelor pericole din fa: apro -

pierea prea mare de autovehiculul din fa, viteza exagerat fa de condiiile de rulare(curbe, condiii meteo nefavorabile, etc.) i tendinele de prsire a zonei carosabile .

ISA ( Intelligent Speed Adaptation) sau ( Intelligent Speed Advice) sunt sisteme caremonitorizeaz continuu viteza automobilului i o compar cu viteza limit local, averti-znd oferul asupra depirii vitezei legale i i ofer recomandri pentru cele mai reco-mandabile manevre n aceste cazuri.

Integrarea sistemelor de navigaie GPS -poziionare, hri, planificarea traseelor, etc.i TMC (Traffic Message Channel) de informare operativ asupra condiiilor de trafic.

Detectarea (camere CCD) i avertizarea (de obicei prin vibratoare instalate n scaunuloferului) aprsirii benzii sau drumului, fr semnalizarea prealabil a acestor manevre. Asistarea schimbrilor de band. Viziune nocturn IR cu diferite sisteme de monitorizare, pe bord sau chiar pe parbriz. Adaptarea alinierii farurilor la viteza de rulare, prin care btaia farurilor este lungit lavitezele mari de pe autostrad i scurtat n condiiile circulaiei cu sens dublu. Exist iposibilitatea ca o parte dintre faruri s fie orientate lateral de ctre micrile volanului.

Sisteme de protecie a pietonilor. Parcarea automat. Recunoaterea automat a semnelor de circulaie. Monitorizarea zonelor inaccesibile vederii oferului (unghiul mort, zonele din spateleautomobilului) prin camere CCD.

Recunoaterea strii de ameeal sau incontien a oferului prin recunoaterea auto -mat a poziiilor anormale sau a expresiilor anormale ale ochilor sau feei.

Comunicaii ntre automobile. Conducerea automat la circulaia pe zone cu nclinare accentuat , etc.


48/70

Fig. 4.10. Arhitectur ACCpropus la SAE World Congress 2000Aplicarea acestor sisteme produce n principiu efecte benefice: creterea siguranei circu-laiei, a performanelor conducerii, minimizarea riscului de coliziune, reducerea oboseliioferului, uniformizarea stilurilor de condus, etc. Totui condusul automat este nc de -parte de a fi aplicat n condiii reale, att din cauza costurilor, ct mai ales din cauza unorriscuri tehnice: reducerea ateniei oferului i chiar scderea n timp a ndemnrii sale, imai ales riscul unor intervenii instinctive inoportune ale oferului.

Singura idee de condus automatpropus de ACC care a ctigat de la nceput popularitatei a fost acceptat fr rezerve de productori este urmrirea automat, condus automat

prin regulatoare din categoria CFA (Car Following Algorithm). O astfel de interfa om-main este artat in Fig. 4.11. Senzorul ACC (radar sau laser) este n acest caz utilizatla localizarea automobilului care ruleaz n fa. Algoritmul CFA preia urm rirea auto-mat a acestuia, pn la o eventual acionare a volanului sau pedalelor. Dac mai multeautomobile circul n acest mod se formeaz plutoane care ruleaz ntr-o perfect coor-donare. Circulaia n pluton pare s fie singura resurs notabil prin care putem spera sfacem fa traficului auto n continu cretere.


49/70

Fig. 4.11. Interfa ACCcu meninerea unei viteze constante i urmrire automat

4.2.2. Optimizarea distanei dintre automobileNe punem problema optimizrii traficului pe autostrzi. Primul parametru care poatefi luat n discuie pentru optimizarea traficului este distanadintre dou automobile carecircul n pluton. S presupunem c automobilul urmrit are viteza v1 iar cel urmritorviteza v2. n ACC problema distanei impuse di dintre cele dou automobile care circuln pluton este rezolvat prin urmtorul model polinomial:

di(v2) = z0 + z1 v2 + z2 v22 = 3 + z1 v2 + 0.01 v2

2 [m] (1)

Se observ caracterul adaptiv al modelului n funcie de viteza v2. Caracterul adaptiv estebinevenit iar alegerea mrimii de adaptare este natural, deoarece v2este mai uor de ob-inut i mai sigur, din punctul de vedere al automobilului urmritor, cel care de fapt estecondus prin algoritmul CFA. ACC recomand valorile de ajustare z1=0.8s sau z1=0.6s.

Problema acestui model este c parametrii z1i z2sunt introdui artificial, fr a avea vre-un neles fizic semnificativ pentru oameni. Alegerea lor este euristic, pe baza chestion-rii unor experi, dar ei nu au nici o legtur cu fenomenul fizic i nu sunt nici corelai cuparametrii de performan ai automobilului pe care se aplic. La elaborarea acestui modela distanei impuse dintre automobile nu s-a aplicat nici un criteriu de optimizare.

n condiiile creterii continue ale valorilor medii de trafic i a variaiilor mari ale intensi-tii sale n funcie de ora din zi, de ziua din sptmn sau de perioadele de vrf din an(plecri/sosiri din vacan, srbtori, etc.), ne punem problema optimizrii distanei impu -se dintre automobilele care circul n pluton. Doar n acest mod inovativ vom putea cretecapacitatea actualelor autostrzi, fr investiii semnificative n infrastructur, reechili-brnd balana dintre performanele sistemului de transport care este autostrada i costurilesale, pe o poziie mai favorabil.


50/70

Pentru a justifica alegerea unui anume criteriu de optimizare a unui sistem att de com-plex ca i o autostrad, strecem n revist principalii parametri de apreciere a traficului:

Timpul pn la coliziune TTC (Time-to-Collision) este timpul pn la care dou auto-mobile urmeaz s se ciocneasc, dac i-ar pstra constante vitezele momentane:

12 vv

dTTC

[s] (2)

0 20 40 60 80 100 120 140

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

t [s]

TTC

[s]

Fig. 4.12. Evoluia TTC n regim de urmrire

Valorile negative ale TTC apar cnd automobilu l urmrit Car1 ruleaz mai repede dectcel urmritor Car2 i prin urmare nu exist nici un pericol de coliziune. Iminena uneicoliziuni este indicat prin valori pozitive mici ale TTC. Din Fig. 4.12 se observ necesi-tatea limitrii TTC, n acest caz la 40s, deoarece atunci cnd v2 = v1,TTC tinde la infi-nit! De aceea deseori se apeleaz la un instrument colateral: traiectoria d(v2v1).

Durata pn la accident TTA (Time-to-Accident). Decelerarea pn la o condiie de siguran DTS (Deceleration-to-Safety-Time).Numrul undelor de oc. O und de oc este o tendin comun de frnare sau accele-rare care se propag pe mari distane, la apariia unor evenimente, etc.

Inversul timpului pn la coliziune TTC-1.n figurile urmtoare se reprezint traiectoria d(v2v1) i TTC

-1. Se remarc faptul cTTC-1 poate fi utilizat ca un indice al riscului de coliziune: cu ct valoarea sa este maimare i pozitiv, riscul coliziunii este mai mare.


51/70

-8 -6 -4 -2 0 2 40

5

10

15

20

25

30

V2-V1 [km/h]

d[m]

Fig. 4.13. Traiectoria d(v2v1)

0 20 40 60 80 100 120 140

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

t [s]

1/TTC

[1/s]

Fig. 4.14. Inversul timpuluipn la coliziune 1/TTC


52/70

Fig. 4.15. Utilizarea TTC-1 n decizii fuzzy referitoare la riscul de coliziune

O aplicaie colateral a TTC-1este recomandarea ctre ofer a celei mai indicate manevre,

n funcie de riscul unei coliziuni, aacum se arat n Fig. 4.15.Un criteriu de optimizare a distanei dintre automobile poate fi construit pornind de lameninerea constant a valorii TTC [Bala07]. Dar o conducere bazat pe meninerea con -stant a TTC, on-line, nu este posibil, deoarece n momentele n care v2=v1, TTC tindespre infinit. Putem totui apela la metoda prezentat anterior pentru frnarea IBDM: mo-delarea comportrii dorite cu ajutorul calculatorului i folosirea rezultatelor unor simulrialese corespunztor, pentru proiectarea unui program de forma di(v2), care va nlocui ecu-aia (1). S considerm un model al unui tandem de automobile Car1-Car2 aflate in regimde urmrire vezi Fig. 4.16. Viteza automobilului urmritor Car2 este condus de un

regulator PID, care este plasat ntr-o bucl de reglare a TTC. n figur valoarea impuspentru TTC este de 7 secunde, dar ea poate fi crescut sau sczut dup dorin.

Girlshare.ro Ingineria Sistemelor 8

Documents

Transcript of Girlshare.ro Ingineria Sistemelor 8