Nghiên cứu xây dựng mạch cảnh báo về nồng độ cồn tại vùng không gian làm việc của người lái xe cao quá

Nghiên cứu xây dựng mạch cảnh báo về nồng độ cồn tại vùng không gian làm việc của người lái xe cao quámức qui định10Mục tiêu của đề tài: Đề xuất chọn được phương pháp phát hiện nồng độ cồn ở vị trí quanh ghế ngồi người lái trong buồng lái. Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị phát hiện nồng độ cồn (bao gồm các việc chính là chọn lắp cảm biến báo nồng độ cồn, thiết kế chế tạo các mạch điện tử điều khiển, các thiết bị gá lắp…). Phân tích chọn các phương pháp, mức độ cảnh báo và các chế độ cảnh báo bao gồm cả biện pháp ngăn chặn không cho động cơ xe hoạt động và gửi thông tin về các bộ phận quản lý.

Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu xây dựng mạch cảnh báo về nồng độ cồn tại vùng không gian làm việc

của người lái xe cao quá

mức qui định

Hà Nội, 3/2014

NéI DUNG NGHI£N CøU

III Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống phát

hiện và cảnh báo nồng độ cồn

IV Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện

và cảnh báo nồng độ cồn

V Thí nghiệm, khảo sát sự làm việc của hệ thống

VI Kết luận chung và kiến nghị

NéI DUNG NGHI£N CøU

I Tổng quan vấn đề nghiên cứu

hiện và cảnh báo nồng độ cồn

và cảnh báo nồng độ cồn

IV Thí nghiệm, khảo sát sự làm việc của hệ thống

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1 Phân tích các tai nạn giao thông có nguyên nhân liên quan đến rượu bia

- Các số liệu thống kê tai nạn giao thông có nguyên nhân liên quan đến rượu bia ở một số nước trên thế giới

Nguồn NHTSA 2006b, Table 19

Tỉ lệ khả năng xảy ra va chạm là1.03 khi BAC ít hơn 50 mg /100 ml,

Tỷ lệ này tăng 2.69 lần khi BAC đạt tới 80 mg / 100 ml,

Khi BAC gia tăng thêm, nguy cơ va chạm gia tăng đáng kể

Nghiên cứu trên được thực hiện ở các bang Florida và California (Jones, 2008 )

- Phân tích các số liệu thống kê tai nạn giao thông có

nguyên nhân liên quan đến rượu bia ở Việt Nam:

- Trong số các vụ xử lý vi phạm an toàn giao thông được xử lý ở

nước ta có 80% số vụ liên quan đến bia, rượu 30% số ca tử vong liên quan quan đến bia, rượu Trong số lái xe say rượu bia gây tai nạn, tỷ

lệ lái xe dưới 25 tuổi chiếm tới 52%

- Trong năm 2003, 34% số người chết do TNGT đường bộ có nồng độ cồn vượt quá 80mg/100ml máu

- Số liệu thống kê ở bệnh viện Việt Đức và Saint Paul năm 2008 –

2009: số nạn nhân bị TNGT có nồng độ cồn trong máu chiếm tỷ lệ

62%.

- Viện pháp y quốc gia xét nghiệm 500 nạn nhân tử vong do tai nạn giao thông thì có 34% nạn nhân có nồng độ cồn trong máu vượt mức cho phép

Hậu quả nghiêm trọng của các tai nạn giao thông liên quan đến rượu bia:

- Ước tính mỗi năm các quốc gia trên thế giới đã chi phí cho khắc

phục hậu quả tai nạn giao thông đường bộ là 518 tỉ USD Thiệt hại

do va chạm giao thông đường bộ chiếm 1-5% tổng sản phẩm quốc

nội ở các nước thu nhập cao

- Ở Việt Nam, trong năm 2012, các vụ tai nạn giao thông đã gây thiệt hại 2,7% GDP, trong đó có 1/3 liên quan đến bia rượu

- Với chi phí rất cao song người bị tai nạn cũng chỉ có thể thoát khỏi

tử vong, còn các hậu quả thương tật vẫn để lại lâu dài

2 Ảnh hưởng của rượu bia đến hành vi của người lái xe

0.010–0.029 Các phản xạ của người bình thường

0.030–0.059 Trạng thái hưng phấn: nói nhiều, hoạt bát, phấn kích

0.06–0.09 Các phản xạ về quan sát, phản ứng, tư duy giảm.

Gặp khó khăn trong các cử động khéo léo như viết, ký tên…

0.10–0.19 thăng bằngPhản ứng chậm, khó nhận thức hay ghi nhớ vấn đề, dễ mất

0.20–0.29 động cơ bắp không đúng Giảm sút các khả năng cảm giác Trạng thái kích động cao: các phản xạ về thần kinh và hoạt

như: nhìn mọi vật đều mờ ảo, nghe, nói không mạch lạc

Ảnh hưởng của rượu bia đến hành vi của người lái xe

0.40–0.50

Bất tỉnh: các hoạt động tri giác, hệ hô hấp và tuần hoàn ngưng trệ Không còn ý thức Phản ứng của cơ thể giảm mạnh, đồng tử hầu như không phản ứng với ánh sáng Hơi thở chậm và yếu Nhịp tim chậm dần Lúc tỉnh lúc mê Nôn mửa

>0.50 Tử vong

- Chú ý: Nồng độ cồn trong máu (BAC) hoặc trong hơi thở (BrAC) không tăng ngay sau khi uống, mà trễ một khoảng thời gian (20 đến 30 phút)

- Thời gian và mức độ tác động của cồn đến hành vi con người phụ thuộc vào sức khỏe, lứa tuổi, giới tính và trạng thái tâm

sinh lý

Các quốc gia châu âu qui định ngưỡng cho phép nồng độ cồn

trong máu của người điều khiển xe g/100 ml

3 Các qui định, điều luật quản lý ngăn cấm người tham gia giao thông trong tình trạng say rượu bia

- Nhiều nước, hãng xe trên thế giới đã ban hành các qui định về lắp đặt hệ thống phát hiện và cảnh báo nồng độ cồn

N a t i o n a l H i g h w a y T r a f f i c S a f e t y A d m i n i s t r a t i o n

Theo Điều 5 Mục 1 :

Tại Điểm b khoản 5 :

Phạt tiền từ 2.000.000 đồng đến 3.000.000 đồng đối với người điều khiển xe trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn

nhưng chưa tới mức vi phạm quy định tại Điểm b Khoản 7, Điểm a Khoản 8 Điều này

Tại Điểm b Khoản 7 :

Phạt tiền từ 7.000.000 đồng đến 8.000.000 đồng đối với người điều khiển xe trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50 mg /100 ml máu đến 80 mg /100 ml máu hoặc vượt quá 0,25 mg/1 lít khí thở đến 0,4 mg/1 lít khí thở

Tại Điểm a Khoản 8 :

Phạt tiền từ 10.000.000 đồng đến 15.000.000 đồng đối với người điều khiển xe trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 80 mg /100 ml máu hoặc vượt quá 0,4 mg/1 lít khí thở

4 Nghị định 171/2013/NĐ-CP chính phủ nhằm quản lý ngăn cấm lái xe trong tình trạng say rượu bia

4 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

- Các điều luật, nghị định qui định về giám sát và quản lý, xử phạt người điều khiển phương tiện trong tình trạng say bia, rượu đã được ban

5 Các mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Đề xuất chọn phương pháp phát hiện nồng độ cồn ở

vùng không gian người lái cao quá mức cho phép

- Phân tích chọn các phương pháp, mức độ cảnh báo và các chế độ cảnh báo bao gồm cả biện pháp ngăn chặn

không cho động cơ xe hoạt động và gửi thông tin về các bộ phận quản lý.

- Thiết kế, xây dựng thử nghiệm thiết bị phát hiện nồng độ cồn (bao gồm các việc chính là chọn lắp cảm biến báo

nồng độ cồn, thiết kế chế tạo các mạch điện tử điều khiển, các thiết bị gá lắp…).

- Lắp đặt, thử nghiệm đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống cảnh báo

người lái và trong không gian buồng lái.

Chuyên đề 2: Phân tích chọn phương án phát hiện nồng độ cồn trong không gian buồng lái xe tải.

Chuyên đề 3: Nghiên cứu để chọn cảm biến để đo nồng độ cồn và thiết bị gá lắp vào các vị trí trong buồng lái

Chuyên đề 4: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch xử lý tín hiệu nhận được tử cảm biến báo nồng độ cồn.

Chuyên đề 5: Thử nghiệm đánh giá hiệu quả làm việc của

cảm biến và mạch xử lý tín hiệu.

Chuyên đề 6: Nghiên cứu phân tích chọn vị trí bố trí cảm biến

đo nồng độ cồn trong buồng lái

Chuyên đề 7: Nghiên cứu các biện pháp cảnh báo.

Chuyên đề 8: Thiết kế chế tạo các mạch cảnh báo và ngăn

không cho khởi động động cơ trong tình trạng người lái có nồng độ cồn cao quá mức qui định.

Chuyên đề 9: Nghiên cứu thiết kế mạch nối ghép với thiết bị kiểm soát hành trình để gửi thông tin về trung tâm điều hành

Chuyên đề 10: Tiến hành các khảo nghiệm để đánh giá tính năng hoạt động của thiết bị

Chuyên đề 11: Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng thiết bị

NéI DUNG NGHI£N CøU

II Các phương pháp xác định nồng độ cồn

III Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống phát

hiện và cảnh báo nồng độ cồn

IV Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện

và cảnh báo nồng độ cồn

V Thí nghiệm, khảo sát sự làm việc của hệ thống

VI Kết luận chung và kiến ng hị

1 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

NỒNG ĐỘ CỒN

Phương pháp đo nồng độ cồn trong mẫu máu

- Sử dụng các biện pháp hóa sinh trong phòng thí nghiệm để xác

định lượng các chất kích thích và hoạt chất gây ảnh hưởng tới

cơ thể con người có trong máu với độ chính xác cao

- Phân tích đo đạc trực tiếp mẫu máu là phương pháp chính xác

nhất để xác định lượng cồn chứa trong máu (Blood Alcohol

Concentration – BAC)

- Nhược điểm: phải lấy mẫu máu của người cần kiểm tra tại cơ sở

y tế, thông qua quy trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

mới cho ra kết quả, và do đó tốn thời gian và không thể áp dụng trong các trường hợp cần kiểm tra nhanh, tại hiện trường.

- Đơn vị đo BAC mg cồn / 100 ml máu

Phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở (BrAC)

Nguyên lý cơ bản của đo nồng độ cồn qua phân tích hơi thở là sự bay hơi của cồn trong quá trình luân chuyển máu, cồn bay hơi hòa lẫn vào không khí đi qua phổi trong quá trình thở

Lượng cồn bay hơi hòa lẫn trong hơi thở ra ngoài Nồng độ cồn trong hơi tỷ lệ thuận với khả năng tập trung của nó trong máu (định luật W Henry, 1803)

Mối quan hệ giữa nồng độ cồn trong máu và

nồng độ cồn trong hơi thở: BAC/BrAC = 2300

Đơn vị đo BrAC mg cồn / litre khí thở

Phương pháp phát hiện nồng độ cồn qua tiếp xúc với da

Lắp cảm biến tiếp xúc với

da để phát hiện nồng độ cồn

Lắp cảm biến ở cần điều

khiển hộp số để phát hiện

nồng độ cồn

Phương pháp xác định trạng thái say rượu thông qua phản ứng nét mặt và mắt người điều khiển xe

2 Lựa chọn phương án xác định nồng độ cồn trong hơi thở người lái

Sử dụng cảm biến đo nồng độ cồn trong hơi thở chỉ cần thời gian khoảng 8 đến 10 sec để xác định phương pháp xác định nồng độ cồn qua cảm biến tiếp xúc với mồ hôi ở da tay thường cho kết quả chậm (cần thời gian tới 30 phút sau khi tiếp xúc cảm biến với da).

Sử dụng phương pháp xác định nồng độ cồn trong hơi thở không tác động trực tiếp lên cơ thể, không cản trở các thao tác điều khiển hay gây cảm giác khó chịu cho người lái xe.

Quá trình kiểm tra có thể được thực hiện một cách liên tục cả

trước và sau khi người lái khởi động động cơ cũng như trong quá trình điều khiển xe chuyển động.

Phương pháp này cũng phù hợp với các qui định về kiểm tra nồng độ cồn của Việt Nam, ghi trong điều 8, nghị định 71/2012/NĐ-CP.

3 Khái niệm về đơn vị uống tiêu chuẩn

Định nghĩa của WHO: một đơn vị uống chuẩn là một thể tích chất lỏng (đồ uống) chứa 10 gam cồn.

Để nồng độ cồn 50

miligam/100 mililít máu hoặc

dưới 0,25 miligam/lít khí thở

(được phép điều khiển xe

máy), đàn ông không nên

uống quá 2 đơn vị uống chuẩn

trong giờ đầu tiên và không

uống quá một đơn vị chuẩn

nữa trong mỗi giờ sau đó.

Phụ nữ, không nên uống quá

một đơn vị và không uống quá

một đơn vị uống chuẩn trong

mỗi giờ sau đó

Rượu sâm panh 100ml 13độ cồn Rượu vang trắng 100ml 13độ cồn

Bia nhẹ(bia hơi) 425ml 2.7 độ cồn Bia 285ml 4.9 độ cồn Rượu vang đỏ 60ml 20độ cồn Rượu mạnh 30ml 40độ cồn

NéI DUNG NGHI£N CøU

I Tổng quan vấn đề nghiên cứu

III Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống phát

hiện và cảnh báo nồng độ cồn

IV Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện

và cảnh báo nồng độ cồn

V Thí nghiệm, khảo sát sự làm việc của hệ thống

VI Kết luận chung và kiến nghị

1 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN

VÀ CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN

Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống phát hiện nồng độ cồn cao quá mức

2 Phân tích các loại cảm biến đo nồng độ cồn

- Cảm biến kiểu quang phổ hoạt động theo nguyên lý phân tích sự thay đổi quang phổ ánh sáng có bước sóng vùng gần hồng ngoại

(Near Infrared -NIR) khi chiếu vào vùng không gian có nồng độ cồn Cảm biến này có kích thước đủ nhỏ dễ dàng bố trí ở vị trí tùy ý thích hợp trong vùng không gian người lái hoặc ở dạng các thiết bị cầm tay

- Theo nguyên lý hoạt động có thể chia ra hai loại chính là cảm

biến kiểu phân tích quang phổ và cảm biến kiểu điện hóa.

- Cảm biến xác định nồng độ cồn kiểu điện hóa bao gồm cảm biến kiểu bán dẫn và cảm biến kiểu pin nhiên liệu:

+ Cảm biến kiểu bán dẫn sử dụng

một chất bán dẫn có độ dẫn điện

thay đổi theo nồng độ cồn trong

mẫu hơi thở Cảm biến này được

sử dụng khá rộng rãi vì tính chính

xác, giá thành rẻ và độ bền cao.

+ Cảm biến kiểu pin nhiên liệu hoạt động

theo nguyên lý pin nhiên liệu (fuel cell):

biến đổi năng lượng của phản ứng cháy

giữa cồn và oxy (trong môi trường có

xúc tác) thành dòng điện Cường độ

dòng điện của pin tạo ra tỉ lệ thuận với

nồng độ cồn trong mẫu hơi thở

Tên thông

Chất phản ứng

Cồn (ethanol)

Điện áp làm

Điện áp sấy 5±0,2 V (AC hoặc DC)

Tải đầu ra Điều chỉnh được Ω

Công suất

Điện trở cảm biến 2÷20 kΩ tại nồng độ cồn 0,4 mg/l

Độ nhạy ≥5 biến khi nồng độ cồn Tỉ lệ điện trở cảm

bằng 0 và 0,4mg/l

Chọn cảm biến MQ3 để

đo nồng độ cồn trong

hơi thở người lái

3 Thiết bị đo trực tiếp nồng độ cồn trong hơi thở của người lái

4 Các yêu cầu đối với hệ thống cảnh báo

- Hệ thống cảnh báo làm nhiệm vụ đưa ra các tín hiệu cảnh báo cho người lái xe, hành khách ngồi trên xe, trung tâm kiểm soát (thông qua hệ thống giám sát GPS) khi người lái điều khiển xe trong tình trạng say rượu bia (nồng độ cồn trong hơi thở vượt quá mức cho phép)

- Hệ thống cảnh báo cần hoạt động liên tục để giám sát quá trình

điều khiển xe.

- Nồng độ cồn có thể đo và xác định nhanh chóng bằng thiết bị đo nồng độ cồn trong hơi thở Tuy nhiên chỉ có thể sử dụng thiết bị này khi người lái bắt đầu chuẩn bị khởi động động cơ và cần có qui đình bắt buộc (phải thổi vào ống thổi của thiết bị và mạch khởi động chỉ được nối khi nồng độ cồn trông hơi thở không quá mức cho phép)

- Khi xe đang hoạt động, các biện pháp cảnh báo bằng đèn màu đỏ nhấp nháy, bằng còi có ý nghĩa không chỉ với người lái xe mà còn cảnh báo cho các hành khách trên xe để có các ứng xử thích hợp ngăn không cho người lái điều khiển xe khi phát hiện nồng độ cồn quanh vùng ghế ngồi người lái cao quá mức.

- Hệ thống cảnh báo còn có ý nghĩa đối với công tác quản lý, kiểm tra

an toàn giao thông

- Chọn các ngưỡng ngăn chặn và cảnh báo: căn cứ vào các qui định trong khoản 7 và 8 của điều 8 Nghị định 71/2012/NĐ-CP, đề tài chọn

ngưỡng ngăn chặn (ngưỡng tác động của hệ thống khóa khởi động) ứng với nồng độ cồn trong hơi thở 0,4 mg/lit khí thở Ngưỡng cảnh

báo chọn là 0,2 mg/lít khí ở vùng trước mặt người lái.

Hệ thống cảnh báo hoạt động theo chế độ chu kỳ (không liên tục), thời gian chu kỳ chọn là 20 phút.

- Việc lắp và vận hành hệ thống phát hiện và cảnh báo nồng độ cồn này lên xe không được gây ảnh hưởng đến sự làm việc của người lái cũng như các thiết bị, hệ thống cơ khí, điện khác của xe.

5 Sơ đồ của hệ thống cảnh báo

Sơ đồ khối của hệ thống phát hiện và cảnh báo nồng độ cồn

NéI DUNG NGHI£N CøU

I Tổng quan vấn đề nghiên cứu

hiện và cảnh báo nồng độ cồn

IV Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện

và cảnh báo nồng độ cồn

V Thí nghiệm, khảo sát sự làm việc của hệ thống

VI Kết luận chung và kiến nghị

1 Các yêu cầu chung đối với thiết kế chế tạo

- Các phần tử chọn lắp như các cảm biến, thiết bị đo, bộ vi xử lý cần phải đáp ứng đày đủ các tính năng làm việc đã đặt ra đồng thời có thể đặt mua dễ dàng

- Các mạch điện được thiết kế, chế tạo có độ tin cậy làm việc cao, chịu rung xóc, nóng Các linh kiện của mạch là phổ biến Các mạch điện được thiết kế tối ưu theo tiêu chuẩn công nghiệp.

- Hệ thống khi lắp ráp lên xe cũng như trong quá trình vận hành không làm ảnh hưởng đến hệ thống điện của xe (tiêu hao công suất nhỏ,

không can thiệp vào các mạch chức năng của hệ thống điện trên xe)

- Quá trình vận hành hệ thống không gây cản trở các thao tác và tiện nghi làm việc của người lái (trừ thao tác khởi động, người lái bắt buộc phải thổi vào ống thổi của thiết bị đo nồng độ cồn trong hơi thở trước mỗi lần bật khóa khởi động)

- Hệ thống làm việc có độ tin cậy, giá thành hợp lý đảm bảo khả năng triển khai rộng rãi cho số lượng xe lớn.