CC BY
45
УДК 629.1: 656.13:502.5: 504.61:656.13
Юрий Васильевич Трофименко, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой техносферной безопасности, ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», вице-президент Российской академии транспорта e-mail: [email protected]
ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ТРАНСПОРТНОМ КОМПЛЕКСЕ
Взрывное развитие транспортных технологий (электрификация автотранспорта, беспилотное движение, мультимодальные перевозки) требует корректировки направлений прикладных научных исследований в транспортном комплексе. Обоснование перспективных направлений и тематики прикладных научных исследований в транспортном комплексе выполнено на основании анализа Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации и национальных целей и стратегических задач развития Российской Федерации на период до 2024 года, а также анализа и обобщения деятельности органов государственной власти, экспертов научно-технической сферы, тематики фундаментальных исследований, применительно к транспорту, а также результатов форсайт-сессий с учеными и экспертами в области транспорта, выполненных под руководством автора научных исследований, обобщения отечественного и зарубежного опыта.
Перспективные направления прикладных научных исследований сформулированы применительно к транспортным средствам, объектам транспортной инфраструктуры, технологиям организации дорожного движения, инженерной защиты окружающей среды, повышения ресуро- и энергоэффективности транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры. Они отвечают большим вызовам и соответствуют пятому и шестому технологическому укладу.
Ключевые слова: транспортный комплекс, научные исследования, перспективная тематика, технологический уклад.
Введение
В последние годы в связи со стремительным развитием инфокоммуникационных технологий, расширением использования возобновляемых источников энергии, созданием новых материалов с заданными свойствами, эффективных накопителей энергии, ростом негативного воздействия транспорта на окружающую природную и социальную среду формируются новые тренды научно-технического развития транспортной техники, организации перевозок и дорожного движения, объектов транспортной инфраструктуры, производственно-технической базы автомобильного транспорта, меняется мотивация транспортного поведения населения, прежде всего, в крупных городах и мегаполисах.
Электрификация автомобильного транспорта, беспилотное движение и мультимодальные пассажирское и грузовые перевозки с использованием разных видов транспорта, включая валиологиче-ские, беспилотные летательные аппараты в кругу ученых и специалистов перестают восприниматься как перспективные разработки далекого будущего,
а становятся актуальными уже в настоящее время, так как находятся в тренде принятых в последнее время документов государственного стратегического планирования (Указ Президента РФ от 01.12.2016 № 642 «О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»; Указ Президента РФ от 07.05.2018 № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года»).
Общая их направленность - осуществлять (поддерживать) научно-технологическое развитие, характерное для шестого технологического уклада, отличающееся развитием робототехники, биотехнологий, систем искусственного интеллекта, глобальных информационных сетей, интегрированных безопасных высокоскоростных транспортных систем [1].
Приоритеты научно-технологического развития, связанные с деятельностью транспортного комплекса
В стратегии научно-технологического развития Российской Федерации сформулированы большие вызовы и определены семь приоритетов научно-тех-
нологического развития страны на 10-15 лет, пять из которых касаются транспортной деятельности:
1. Переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта.
2. Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии.
3. Противодействие техногенным, биогенным, социокультурным угрозам, терроризму и идеологическому экстремизму, а также киберугрозам и иным источникам опасности для общества, экономики и государства.
4. Связанность территории Российской Федерации за счет создания интеллектуальных транспортных и телекоммуникационных систем, а также занятия и удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики.
5. Возможность эффективного ответа российского общества на большие вызовы с учетом взаимодействия человека и природы, человека и технологий, социальных институтов на современном этапе глобального развития, в том числе применяя методы гуманитарных и социальных наук.
В национальных целях и стратегических задачах развития РФ на период до 2024 года конкретизированы задачи по реализации указанных выше приоритетов в виде национальных проектов, касающихся цифровизации, обеспечения качества городской среды, решения экологических проблем, повышения безопасности дорожного движения (стремление к нулевой смертности в ДТП к 2030 году), обеспечения связности территории.
Обоснование перспективных прикладных научных исследований в транспортном комплексе
1 Транспортные средства и технологии
Обоснование перспективных прикладных научных задач и проектов в транспортном комплексе выполняется на основании анализа и обобщения: деятельности экспертов и органов государственной власти по наполнению национальных проектов, в том числе касающихся автотранспортного комплекса, конкретными мероприятиями; предложений зарегистрированных экспертов научно-технической сферы, занимающихся актуализацией проектов приоритетного направления 5 «Транспортные и космические системы» Государственной программы «Развитие науки и технологий на 2013-2020 годы» (Минобрнауки России); задач и ключевых проблем приоритетных фундаментальных научных
исследований Российского научного фонда (РНФ), Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), которые могут быть использованы в качестве основы для выполнения прикладных научных исследований в автотранспортном комплексе. В числе таких приоритетных направлений: электрохимические и термоэлектрические технологии в энергетике; интеллектуальные технологии в робо-тотехнических и мехатронных системах; снижение риска возникновения и уменьшение последствий катастроф природного и техногенного происхождения; перспективные квантовые коммуникации и вычисления; нейротехнологии и когнитивные исследования.
Так, например, по направлению «Интеллектуальные технологии в робототехнических и меха-тронных системах» в задачах «Развитие интерфейса человек-робот» и «Сенсорные системы и алгоритмы обработки информации» ключевыми проблемами (поддерживаются грантами РНФ и РФФИ), имеющими прямое отношение к беспилотным транспортным средствам, являются:
1) развитие новых неинвазивных сенсорных систем, включая силомоментное очувствление, электромиографию и электроэнцефалографию;
2) разработка алгоритмов распознавания и синтеза естественной речи;
3) синтез алгоритмов распознавания специфических сценариев поведения человека по визуальной информации с целью мониторинга состояния рабочих, хронических больных и престарелых людей, а также предотвращения агрессии в общественных местах;
4) развитие методов скоростного обучения роботов (тренажеров).
5) разработка высокоэффективных, малогабаритных и дешевых систем технического зрения для робототехнических систем;
6) разработка малогабаритных высокоточных датчиков силомоментной информации для робото-технических систем;
7) развитие методов обработки сенсорной информации для задач одновременной локализации и картирования;
8) разработка интеллектуальных методов анализа сенсорной информации, в том числе алгоритмов распознавания образов, в условиях неопределенности и существенной динамики окружающей среды;
9) разработка методов комплексирования информации, поступающей от разнородных сенсоров с учётом различия их динамических и информационных характеристик;
10) развитие методов автоматической калибровки датчиков и оценивания кинематических, эласто-статических и динамических параметров робото-технических систем в условиях существенной динамики окружающей среды;
11) разработка новых типов сенсоров для робо-тотехнических систем.
Более детальное обоснование перспективных прикладных научных задач и проектов в транспортном комплексе выполнено по результатам обобщений, проведенных с участием автора в августе-сен-
С учетом изложенного, выполненных под руководством автора и опубликованных результатов научных исследований [2-7], а также обобщения отечественного и зарубежного опыта перспективными
тябре 2018 года, форсат-сессий ученых и экспертов научных учреждений РАН, высшей школы по заданию Правительства Москвы. В таблице 1 приведен прогноз перспективных объектов и технологий для транспортного комплекса, полученных в результате выполнения этой работы.
прикладными научными исследованиями в транспортном комплексе, по нашему мнению, являются следующие:
1. Разработка новых стандартов транспортного
Таблица 1. Прогноз перспективных объектов и технологий для транспортного комплекса
Объекты и рыночные ниши Перспективные технологии
2019-2024 2025-2030 После 2030 2019-2024 2025-2030 После 2030
Электромобиль, подключаемый гибрид Синхронный электродвигатель постоянного тока, асинхронный электродвигатель постоянного тока, рекуперация кинетической энергии, рекуперация тепловой энергии Рекуперация демпфирующих систем Энергоустановки на топливных элементах
АТС с системой автономного управления 1 и 2 уровней безопасности 3 и 4 уровни безопасности 5 уровень безопасности Технологии машинного зрения, высокоскоростной обработки потоковых данных, искусственного интеллекта Технологии машинного обучения для средств автономного управления
Композитные материалы для кузовных и силовых элементов Токопроводя-щие композитные материалы (Metal plated conductive carbon fiber) Возобновляемый акрило-нитрил, аддитивные пресс-формы, быстроспекаемые препреги, А1- и Ть сотовый заполнитель Самовосстанавливающие-ся материалы
Беспилотные рельсовые транспортные средства Беспилотные колесные транспортные средства, беспилотное такси и каршеринг Технологии машинного зрения, высокоскоростной обработки поточных данных, технологии искусственного интеллекта (ИИ), высокоточная спутниковая навигация Технологии машинного обучения для средств автономного управления
Интеллектуальные транспортные системы, «умная» ин-фраструкту-ра, сквозная цифровизация транспортного комплекса Автономные объекты транспортной инфраструктуры, автономные склады Левитирующие транспортные средства, вакуумные поезда Концепция «мобильность как услуга» (взаимодействие с носимой электроникой, программными платформами, технологии взаимодействия автомобиля с пешеходом ^2Р), автомобилем инфраструктурой ^21), окружающей средой (У2Е), управляющей системой ИТС (V2S), технология анализа данных методами ИИ Технологии ИИ с применением методов машинного обучения и нейронных сетей для ОТИ и ТС для принятия решений Системы магнитной и антигра-витацион-ной левитации, поддержания вакуумной или околовакуумной среды
обслуживания населения в городских, региональных мультимодальных транспортных системах с учетом использования глобальных инфокоммуни-кационных сетей.
2. Исследования в области валеологически ориентированного транспорта: создание эффективной и безопасной велотранспортной сети на территории крупных городов, эффективных средств малой мобильности. Разработка эффективных и безопасных конструкций грузовых веломобилей.
3. Разработка интеллектуальных систем управления дорожным движением и допуска на улично-дорожную сеть (УДС) отдельных транспортных средств и участников движения с использованием робототехнических и мехатронных систем, систем с биологическими возможностями адаптации (нейронные сети, биоаналоги, техническое зрение, силомоментное очувствление, электромиография и электроэнцефалография).
4. Развитие транспортных объектов и систем с биологическими возможностями: «тренировка» параметров, стрессовая адаптивность, резервирование, гибкость, выживание, появление аналога нервной системы в технических системах, техноп-сихоматика.
5. Разработка эффективных накопителей энергии для транспортных средств, эффективных и экологически безопасных методов зарядки городского электротранспорта.
6. Разработка технологий адаптации (обеспечения живучести) транспортных систем и объектов транспортной инфраструктуры в связи с изменением климата, ростом техногенных (из-за цифровых технологий, беспилотного движения) и социальных опасностей.
7. Разработка средств инженерного обустройства на линейных объектах транспортной инфраструктуры для повышения безопасности дорожного движения, защиты диких животных и рационального природопользования (землеотвода). Ограждения, природо-совместимые технологии, использование для очистки поверхностного стока с дорог взамен локальных очистных сооружений откосов с нанесением на их поверхность полимер-коллоидных композиций [8].
8. Разработка технологий термоэлектрического преобразования на основе низкопотенциальной теплоты для транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры. Применение тепловых насосов для подогрева дорожного покрытия на наклонных участках искусственных сооружений в холодное время года.
9. Разработка автономной системы энергообеспечения и мониторинга экологических, других технико-эксплуатационных показателей улично-до-рожной сети с использованием комплекса экологически чистых источников энергии (ВИЭ, пьезоэлектрические генераторы).
10. Исследование и разработка инновационных технологий борьбы с загрязнением воздуха мелкодисперсными частицами, транспортным шумом, электромагнитными полями, генерируемых электротранспортом и зарядной инфраструктурой.
11. Разработка инновационных технологий утилизации накопителей энергии (аккумуляторов), изношенных шин, электронного лома, других отходов транспортной деятельности.
Представляется, что транспорт и мобильность общества должны взаимно трансформироваться в направлении повышения качества жизни населения (транспортной доступности и минимизации затрат на осуществление перевозок), безопасности дорожного движения, предотвращения и/или минимизации негативных последствий для людей, грузов, объектов транспортной инфраструктуры и транспортных средств, окружающей среды при возникновении чрезвычайных ситуаций природного, техногенного и социального характера, сокращения ресурсопотребления, повышения энергоэффективности транспортной деятельности и снижения ее негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения.
3.2 Пути перехода транспортного комплекса на экологически безопасную и низкоуглеродную модель развития
Реализация второго и пятого приоритета научно-технологического развития страны видится на путях перехода транспортного сектора на экологически безопасную и низкоуглеродную модель развития.
Такой переход предусматривает реализацию мероприятий, которые можно сгруппировать по трем направлениям [9]:
a) повышение энергоэффективности транспортных средств (ТС) и транспортных технологий, использующих традиционные виды моторного топлива;
b) диверсификация использования различных источников энергии с меньшим выбросом парниковых газов (ПГ) для ТС всех видов транспорта;
c) управление мобильностью - сокращение избыточного, нерационального, необоснованного перемещения грузов и пассажиров, сдерживание гипермобильности населения за счет развития транспортных систем, обеспечивающих сбор, интеллектуальную обработку, анализ и обмен данными, а также использующих расширенные возможности коммуникации между автомобилями, дорожной инфраструктурой и автомобилем, автомобилем и человеком, автомобилем и окружающей средой, автомобилем и управляющей системой.
Мероприятия первого направления предусматривают: разработку и внедрение новых энергосберегающих и экологически безопасных транспортных средств и технологий на транспорте; формирование оптимальной структуры (стимулирование
обновления) парка подвижного состава разных видов транспорта за счёт управления процессами его пополнения и выбытия; продвижение устойчивой мобильности через улучшенные эмиссионные стандарты (нормирование удельных выбросов СО2), развитие немоторизованных видов транспорта; поддержание технического состояния подвижного состава и объектов инфраструктуры транспорта в нормативном состоянии; стимулирование потребителя к осуществлению выбора низкоуглеродных ТС и др.
Мероприятия второго направления связаны с развитием: энергоэффективного производства альтернативных топлив и ТС, способных на них работать, электрификации автомобильного транспорта; заправочной инфраструктуры для альтернативных топлив и энергии.
Мероприятия третьего направления предусматривают: управление спросом на транспортные услуги; управление приоритетами развития различных видов транспорта; формирование рациональной структуры транспортных сетей в городах и агломерациях; низкоуглеродную организацию перевозочного процесса при взаимном дополнении (но не конкуренции) разных видов транспорта (цифровые транспортно-логистические технологии, интеллектуальные транспортные системы (ИТС) и т.п.); формирование «умной» системы взимания дорожных сборов (по пройденному расстоянию, массы ТС, уровня их энергетической и экологической эффективности) с использованием ИТС; цифровизацию транспорта и логистики; внедрение зон и маршрутов автономного и автоматического вождения, «зон с низкими выбросами» в городах, изменение транспортного поведения населения и др.
Заключение
На основании анализа Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, национальных целей и стратегических задач развития Российской Федерации на период до 2024 года,
а также анализа и обобщения деятельности органов государственной власти, экспертов научно-технической сферы, тематики фундаментальных исследований, применительно к транспорту, а также результатов форсайт-сессий с учеными и экспертами в области транспорта, выполненных под руководством автора научных исследований, обобщения отечественного и зарубежного опыта определены приоритеты прикладных научных исследований, которые должны быть реализованы в виде конкретных мероприятий по разработке инновационных инженерно-технических и технологических решений в области разработки конструкции транспортных средств, объектов транспортной инфраструктуры, управления транспортным средством, транспортными потоками, мультимодальными перевозками, взаимодействия транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры с окружающей природной и социальной средой, в том числе при возникновении чрезвычайных ситуаций природного, техногенного и социального характера, отвечающих большим вызовам и соответствующих пятому и шестому технологическому укладу.
По нашему мнению, обеспечение перехода транспортного комплекса на безопасную и низкоуглеродную модель развития должно стать определяющим вектором транспортной политики государства. Основные группы мероприятий, которые необходимо реализовать ориентированы на: повышение энергоэффективности ТС и транспортных технологий, использующих традиционные виды моторного топлива; диверсификацию использования различных источников энергии с меньшим выбросом ПГ для ТС всех видов транспорта; управление мобильностью. Успешная реализация этих групп мероприятий предусматривает более сложную для государства и бизнеса модель управления развитием транспорта при значительном повышении расходов на развитие транспортной инфраструктуры, реализацию высокотехнологичных проектов и развитие человеческого потенциала.
Литература
1. Авербух, В.М. Шестой технологический уклад и перспективы России (краткий обзор) // Вестник Ставропольского гос. ун-та. - 2010. - № 71. - С. 159 -166. [Электронный ресурс] - режим доступа: http:// vestnik.stavsu.ru/71-2010/24.pdf - (дата обращения: 20.10.2018).
2. Трофименко, Ю.В. Актуальные проблемы инженерной экологии и обеспечения техносферной безопасности автотранспортного комплекса / Ю.В. Трофименко // Безопасность в техносфере. - 2007. - № 2. -С. 46-54.
3. Якубович, А.Н. Моделирование и оценка природных и техногенных рисков в автотранспортном комплексе; монография / А.Н. Якубович, Ю.В. Трофименко, И.А. Якубович. - Москва: МАДИ, 2018. - 232 с.
4. Трофименко, Ю.В. Оценка загрязнения воздуха аэрозольными частицами размером менее 10 мкм от транспортных потоков на городских автомагистралях / Ю.В. Трофименко В.С. Чижова // Экология и промышленность России. - 2012. - № 9. - С. 41-45.
5. Трофименко, Ю.В. Биологические методы снижения автотранспортного загрязнения придорожной полосы / Ю.В. Трофименко, А.В. Лобиков // Обзорная информация. Автомобильные дороги. - 2001. -№ 5. - С. 1-96.
6. Трофименко, Ю.В. Пути повышения экологической и дорожной безопасности автотранспортно-
го комплекса России / Ю.В. Трофименко // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - Т. 12. - № 1-9. - С. 2345-2349.
7. Трофименко, Ю.В. Методические подходы к обеспечению транспортной безопасности в России и странах Европейского Союза / Ю.В. Трофименко // Транспорт Российской Федерации. - 2011. - № 6 (37). - С. 24-29.
8. Патент 2558213 Российская Федерация, МПК E03F 1/00 (2006.01), E01H 15/00 (2006.01), C02F 1/56 (2006.01). Способ очистки загрязненного стока с дорожного полотна автомобильных дорог / Ю.В. Трофименко, А.А. Литманович, Т.Ю. Григорьева, Н.И. Миненков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО МАДИ. - № 2013158955/13; заявл. 31.12.2013; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 21. - 7 с.
9. Trofimenko, Y., Komkov, V., Donchenko, V. Problems and prospects of sustainable low carbon development of transport in Russia // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2018. - Vol. 177.
