Источник: CITA asbl/Rue de la Technologie 21-25/B-1082 BRUSSELS (Belgium) International Motor Vehicle Inspection Committee

---

1 Аннотация

1.1 Метод дистанционного зондирования (ДЗ).

Дистанционное зондирование является основой для измерения выхлопных газов в непрерывном потоке машин (оценки выхлопных газов). Устройство дистанционного зондирования (УДЗ) состоит из четырех частей: приемника и передатчика, отражающего зеркала, устройства измерения скорости автомобиля и видеокамеры. УДЗ необходимо устанавливать на определенных участках дороги, которые должны отвечать специальным требованиям. Если измерительное устройство установлено правильно, то можно выполнять измерение выбросов выхлопных газов от проезжающих автомобилей с помощью спектрального анализа.

1.2 Преимущества и недостатки ДЗ.

Преимущества.

1. Технические:
• позволяет измерять концентрацию вредных веществ в выхлопном газе проходящих мимо транспортных средств;
• позволяет получать результаты об эксплуатации транспортных средств;
• позволяет собирать грубые данные о местоположении транспортного средства (статистические данные).
2. Стоимостные:
• высокая пропускная способность, более низкие затраты, способность выполнять измерения каждые две секунды;
• измерения выполняются на территории установки оборудования, никаких дополнительных расходов на средства для тестирования, если УДЗ используется правильно.

Недостатки.

1. Технические:
• ограничения по установке: только на улицах с односторонним движением, нет встречного движения;
• двигатель должен работать под нагрузкой (ускорение/вверх);
• нет контроля температуры двигателя (допускаются ошибки измерений в режиме холодного старта);
• измерения только при отсутствии осадков (высокий уровень ошибок при плохой погоде);
• ошибочными измерениями являются: в лабораторных условиях более 10%, "в движении" - около 40%;
• водитель может повлиять на результаты измерений.
2. Стоимостные:
• первоначальные затраты (устройство измерения стоит 75 тыс. €, также необходимы дополнительные затраты для хранения электроники и транспортировки);
• много юридических процедур (если устройство используется не только в качестве инструмента для идентификации транспортного средства, но и для и документирования теста);
• дополнительные затраты могут возникнуть из-за строительства соответствующего участка для измерения (например: построить/подготовить одну полосу движения).
3. Законодательные:
• нет юридических ограничений на выполнение измерений с помощью ДЗ;
• нет прямой возможности идентификации транспортного средства;
• нет судебного наказания для транспортных средств, которые превышают предельные значения;
• нет судебного наказания для транспортных средств, которые никогда не проходили станции ДЗ.

1.3 Применение УДЗ

Сегодня используют только несколько систем ДЗ, в основном в области исследований. Потенциал системы заключается в использовании его в качестве инструмента, уменьшающего расходы при стационарных измерениях. Сегодня замена стационарных систем не  возможна, потому что УДЗ не достаточно надежно. Основными причинами низкой надежности являются следующие: водитель может повлиять на результат измерения, большую погрешность вносит скорость автомобиля даже при оптимальных условиях измерения.

Однако УДЗ будет имеет большой потенциал в будущем, например для мониторинга чрезвычайно загрязненных районов или для дополнительной проверки качества выхлопа между обязательным стационарными тестами при техобслуживании.

2 Введение

Контроль за выбросами был введен, чтобы предотвратить загрязнение воздуха и улучшить качество проживания, особенно в городах. Большое количество выбросов окиси углерода (СО), углеводородов (HC) и окислов азота (NOX) в районах с высокой частотой посещения передвижных источников загрязнения (автотранспорта) пагубно воздействуют на здоровье и окружающую среду. В настоящее время измерение выхлопных газов является важной частью концепции экологической защиты.

Качество выхлопного газа транспортных средств в Европе обычно измеряются стационарно. В некоторых неевропейских странах была разработана и внедрена другая процедура проверки качества выхлопного газа транспортного. В этих странах небольшое население, поэтому выполнять измерения концентрации выхлопных газов с помощью стационарных тестеров очень дорого, поэтому было разработано ДЗ.

Дистанционное зондирование является основой для измерения выхлопных газов непрерывном потоке автомобилей с помощью спектрального анализа. УДЗ излучает несколько лучей на той высоте, где расположены выхлопные трубы большинства транспортных средств. Обычно инфракрасный луч используется для определения CO, CO₂ и HC и ультрафиолетовый луч для анализа NO_X и HC (зависит от производителя системы). Лучи проходят через анализируемую газовую смесь и отражаются с помощью зеркала назад к газовому анализатору. Проходя через выхлоп, лучи частично поглощаются содержащимися в нем газами. Зная  показатели поглощения лучей, состав газа может быть вычислен и концентрации СО, CO₂, HC и NO_X может быть оценены. В данной работе  будет обсуждаться принцип действия УДЗ и будут сделаны выводы о его пригодности к эксплуатации.

3 Дистанционное зондирование

3.1 Компоненты

Устройство дистанционного зондирования состоит из четырех частей:

• Источник/приемник излучения (газовый анализатор);
• Отражающее зеркало;
• Модуль датчика скорости/ускорения;
• Видеокамера.

Размеры и вес выбираются от одного производителя, чтобы показать размеры системы. Системы других производителей могут отличаться от этих значений.

Источник/приемник излучения расположены в двух модулях. Модуль источника состоит их УФ/ИК излучателей. Модуль приемника состоит из поворотного зеркала, колеса с 12 одиночными зеркалами и детектора –  блока с 5 чувствительными элементами для анализа содержания выхлопа.

Размер: 49х24х52 см.

Вес: прибл. 29 кг.

Модуль поворотного зеркала это простой отражатель луча света.  Он отражает луч обратно на чувствительный элемент анализатора.

Размер: 46х16х18 см.

Вес: прибл. 5,5 кг.

Модуль датчика скорости/ускорения предоставляет информацию об условиях движения проверяемого транспортного средства.

Видеокамера фиксирует картинку номерного знака транспортного средства с целью идентификации автомобиля / владельца.

В настоящее время только один производитель предлагает УДЗ на коммерческой основе. Цена системы составляет около 75 тыс. €. Кроме того, необходим квалифицированный оператор для установки, калибровки и контроля.

3.2 Расположение и настройка устройства

Для того, чтобы получить достоверные результаты с УДЗ, двигатели  транспортных средств должны работать под нагрузкой. Для достижения этой цели, УДЗ должно быть размещено на подъеме или на позиции, где транспортные средства должны ускорятся. Встречное движение и зондирование нескольких полос движения будут мешать точности измерений, потому что шлейф выхлопных газов измеренных автомобилей будет рассеиваться. Поэтому эксперименты показали, что наилучшие результаты были получены на однополосной дороге с односторонним движением.

Другой фактор, влияющий на измерение – это рабочая температура автомобиля. Измерение может быть действительным только, если транспортное средство достигло рабочей температуры. Автомобили, которые работают в режиме холодного старта, имеют высокие концентрации выбросов, не имея проблем с системой выпуска. Поэтому есть несколько областей, в которых УДЗ не имеют смысл устанавливать, например, жилые районы, не являются приемлемыми для измерения, так как время работы автомобилей часто является коротким и двигатели автомашин не достигают требуемой температуры.

Следующим влияющим фактором для выбора места установки УДЗ является скорость транспортного средства в момент измерения. С увеличением скорости автомобиля, дисперсии шлейфа выброса увеличивается. Поэтому скорость транспортного средства при измерении не должна быть высокой.

Если место было выбрано правильно, то обученный оператор должен установить вдоль дороги компоненты УДЗ. После этого электронные компоненты детектора должны разогреться в течение примерно 30 минут. Потом детектор должен быть откалиброван с помощью тестируемого газа с известной концентрацией СО, CO₂, HC и NO_X.

3.3 Процедура измерения

Если транспортное средство въезжает в зону измерений (рисунок 1), то оно сначала пересекает световой барьер модуля измерения скорости/ускорения (1), где определяется точная скорость и ускорение транспортного средства. Эти данные необходимых для оценки значения выбросов. После этого автомобиль пересекает световой луч модуля источника излучения (2). В течение 0,5 секунд детектор анализирует выхлопной шлейф транспортного средства. После оценки выхлопных газов и проверки их достоверности, камера (3) фотографирует номерной знак для идентификации автомобиля и владельца.

3.4 Условия измерения

Чтобы получить достоверные данные с УДЗ, необходимо учитывать то, что результаты зависят от нескольких факторов. Условия окружающей среды являются важными факторами, которые могут повлиять на точность измерений. УДЗ способно работать почти при любых температурах. При исследовании работоспособности устройства по всей территории Европы было доказано, что температура не оказывают существенного влияния на точность измерения. Также влияние ветра на результаты можно рассматривать как незначительные: если транспортное средство движется быстро, то тем меньше влияние окружающего ветра на результаты. Но погодные условия, которые мешают прохождению луча детектора, имеет большое влияние на точность измерений, Влажность воздуха рекомендуется не более 85%. УДЗ может работать в условиях небольшого дождя, но только с увеличенной погрешностью. Проливной дождь, снег и туман снижает чувствительность устройства, так что все измерения в этих условиях следует рассматривать критически.

Рисунок 1 – Процедура измерения

3.4 Человеческий фактор, влияющий на точность измерения.

Еще одним важным параметром, который может повлиять на точность УДЗ, является человеческий фактор. Измерение можно считать действительным, если двигатель работает под нагрузкой. Если водитель увидит УДЗ, то он может повлиять на результат измерения, остановив процесс ускорения или торможения. Поэтому водитель может решить, хочет ли он иметь реальное или недействительное значение измерения. По этой причине независимое измерение не возможно.

4 Обсуждение

ДЗ было введено в эксплуатацию несколько лет назад в некоторых неевропейских странах в качестве экспериментального проекта для придорожного контроля. Национальные особенности техосмотра транспортных средств можно учесть, если какая-либо из стран решит использовать ДЗ для своих потребностей. ДЗ является серьезной альтернативой для стационарного измерения выхлопных газов. Тем не менее, собранные данные с этих стран могут помочь сравнить эту технику с обычными постоянными тестерами в Европе. Аргументы за и против ДЗ могут быть объединены в три категории: технические, стоимостные и законодательные.

4.1 Технические аргументы

В отличие от стационарных измерений, которые оценивают содержание концентрации газа с помощью введения зонда внутрь выхлопной системы, ДЗ основано на совершенно другой концепции измерения, а именно, измерение за пределами выхлопной системы. Преимуществом концепции ДЗ является возможность измерения концентрации газа "в режиме реального времени" в транспортном потоке при меньших затратах, чем при стационарных измерениях. Если обе системы будут использоваться для определения пригодности к эксплуатации автомобиля одновременно, то основной проблемой будет проблема сопоставимости результатов измерений этих двух различных концепций, так как разные методы измерения могут показывать различные результаты от одного того же источника.

Есть два пути решения этой задачи. С одной стороны прямая сопоставимость значений ДЗ и стационарных значений измерения и с другой стороны, введение допуска на результаты измерения с помощью ДЗ. Прямая сравнимость должна быть предназначена для одновременного использования этих методов. Чтобы соответствовать стационарным значениям измерений, должен быть применен поправочный коэффициент, чтобы свести к нулю различия в этих двух методах. Но большое количество факторов, влияющих на метод ДЗ, делает этот вариант очень сложным, и даже практически не возможным.

ДЗ может быть использовано для быстрого разграничения между «очень хорошим» и «очень плохим» транспортным средством. Измерения могут быть использованы для оценки валового загрязнения. Для выяснения точного значения выбросов потребуются дополнительные измерения, например стационарные.

Еще одним преимуществом ДЗ, о котором необходимо сказать, заключается в том, что данная технология имеет высокую пропускную способность транспортных средств. Устройство измерения готово каждые 2 секунды, поэтому теоретическая пропускная способность составляет 1800 автомобилей в час. В противоположность этому, пропускная способность стационарных испытаний значительно ниже.

С другой стороны есть много недостатков ДЗ техники. Поиск необходимых мест для установки УДЗ является одной из проблем. Чтобы получить достоверные придорожные измерения, должны быть выполнены широкие требования по размещению устройств. Трудность заключается в том, что территория размещения должна удовлетворять критериям, упомянутым в 2,2, но она также должна иметь высокую частоту посещения транспортными средствами. Размещение УДЗ на местах, которые не удовлетворяют всем критериям, увеличивает число ошибок. Главной проблемой, связанной с размещением измерительных элементов, является зависимость от различных особенностей территории. Знать о необходимом местоположении, которое соответствовало б всем указанным критериям, недостаточно, так как характеристики местности отличаются друг от друга. Также, измерение качества выхлопного газа транспортного средства в движение зависит от ситуации, где транспортное средство находится в момент теста. Кроме того нужно учитывать, что среднее взвешенное число транспортных средств зависит от времени суток, то есть от транспортной плотности в месте измерения. Дополнительная проблема заключается в том, что в некоторых странах не представляется возможным объединить ДЗ-технологии "в режиме реального времени" с базой данных. Это необходимо для того, чтобы получить классификацию выбросов каждого проходящего мимо транспортного средства. Это требуется в том случае, если измерение коснется различных пределов для различных транспортных средств.

Но не только проблема местоположения может оказать влияние на ошибку УДЗ. Погода еще один фактор, который влияет на точность измерения. Дождь или туман ослабляют луч газового анализатора, таким образом, что вероятность ошибки увеличивается приблизительно на 50 %. Этот фактор существенно ограничивает широкое применение данной системы. Еще одна важная проблема ДЗ заключается в том, что водитель может оказать влияния на измерение, так что независимый результат не может быть гарантирован. Не использую педаль газа или педаль тормоза, водитель влияет на результат измерения, так что точность измерений очень низкая и, таким образом, измерение должно быть признано не действительным.

Все эти упомянутые аспекты являются причинами, почему измерения УДЗ “в движении” считаются правильными только около 60 %. Но даже при идеальных условиях, так называемых «лабораторными», ошибка составляет приблизительно 10%. Указанные проблемы показывают, что технология ДЗ в настоящее время не в состоянии достичь такого же качества, как стационарное измерение выхлопных газов.

Но преимущества УДЗ и продолжающееся развитие технологий ДЗ возможно приведут УДЗ к уровню, когда оно станет эквивалентной системой измерения будущего.

4.2 Стоимостные аргументы

Фактор "стоимости" является основным аргументом в пользу широкого применения устройств. Современные стационарные устройства оценки качества выхлопных газов стоят около 8000 €. По сравнению с ними, первоначальные затраты на УДЗ около 75 тыс. €. Кроме этого, будут необходимы средства на перевозку и эксплуатацию системы (сервера). При сравнении первоначальных затрат, УДЗ значительно дороже, чем стационарное устройство. При широком применении цена на УДЗ будет падать, но не ожидается достижения уровня цен стационарного тестера.

Высокие первоначальные затраты могут быть нивелированы через высокую пропускную способность транспортных средств. Поэтому затраты на обслуживание транспортного средства будут низкими и устройство будет быстро амортизироваться.

Тем не менее, не только затраты могут быть препятствием для широкого применения УДЗ, но и юридический аппарат должен быть определен, например, для идентификации транспортного средства, документации измерения и отправки результатов к владельцу транспортного средства. Все эти аспекты увеличивают затраты. В случае, если ДЗ используется дополнительно в качестве регистрирующего инструмента, то это может снизить затраты при стационарном испытании, но только путем создания вторичной технологии измерения.

4.3 Законодательство

Ряд вопросов по ДЗ с юридической стороны также не имеют ответов. Первым основным аспектом является то, что до сегодняшнего дня не определены юридические ограничения на использование ДЗ, поэтому ДЗ не может быть применено, ни в качестве замены стационарным испытаниям, ни в дополнение к ним. Особенно определение ограничений для ДЗ в дополнение к стационарным испытаниям могут быть очень сложными, так как должна быть сопоставимость с существующей системой.

Кроме того, прежде, чем официальный тест ДЗ может быть выполнен, транспортное средство должно быть четко идентифицировано. Нельзя полагаться только на номерной знак, используемый для идентификации при УДЗ, так как возможность манипуляции значительно выше, чем при стационарном испытании. Кроме того, больше информации дано стационарному тестеру, потому что тестер имеет полную документацию транспортного средства с дополнительными данными и может проверить наличие изменений в автомобиле, которые влияют на качество выхлопных газов.

Вопрос по варианту "только ДЗ" остается нерешенным. Что делать с транспортными средствами, которые никогда не проходят УДЗ? Получат ли они запрос от властей, что они должны выполнить тест? Что делать с транспортными средствами, которые превышают ДЗ предел вредных веществ выхлопных газах? Они должны пройти стационарный тест, чтобы подтвердить данные с УДЗ или пройти позже после ремонта и обслуживания?

Также необходимо свидетельство пройденного теста. Например, это может быть наклейка на лобовое стекло.

Таким образом, ограничения для ДЗ должны быть определены в первую очередь. Для систем "только ДЗ" нужно ответить на различные вопросы законодательства прежде, чем будет  широкое применение УДЗ.

5 Выводы на пригодность к эксплуатации

Как отмечалось в докладе, техника ДЗ имеет некоторые преимущества по сравнению со стационарной. Но сегодня недостатки перевешивают преимущества. Кратко об основных проблемах ДЗ. Это расположение, погода, большая ошибка даже при наилучших условиях и влияния водителя на измерения. Сегодня ДЗ подходит для определения больших загрязнений.

Продолжающееся развитие техники ДЗ поможет, возможно, решить технические проблемы, так что УДЗ может иметь большой потенциал для задач мониторинга в будущем. Другая задача для УДЗ – это дополнительный осмотр между обязательными стационарными измерениями, чтобы оценить качество выхлопа. Здесь преимущества ДЗ заключается в быстром измерении и получении результата.

Перечень литературы

1. Доклад Applus:Дистанционное зондирование: опыт работы в Барселоне и подход к дизельному дистанционного зондирования", 2005
2. ESP исследование: ”Исследование дистанционного зондирования Виржинии – Итоговый отчет”, 2003
3. ESP Website: www.rsd-remotesensing.com
4. Проект ЕС: "Дистанционного измерения выхлопных газов при низких затратах", 1999
5. Конференция CITA: “Американский опыт дистанционного зондирования“, 2002
6. TUV доклад: "Проект дистанционного зондирования", 2003
7. Тестирование уровня выбросов транспортного средства, используя устройство дистанционного зондирования (УДЗ), 2003
8. Исследование устройства дистанционного зондирования Виржинии - Итоговый отчет, 2003

© 2011 Dmitriy Sabelnikov