Недавно я сделал проект, в котором целевая переменная была мультиклассовой,  поэтому, я искал подходящие пути для кодирования категориальных признаков. Я нашёл множество статей, перечислявших преимущества кодирования через среднее значение целевой переменной перед другими методами, а также то, как выполнить эту задачу в двух строчках кода, используя библиотеку category_encoders . Однако, к своему удивлению, я обнаружил, что ни одна статья не продемонстрировала этого метода для мультиклассовой целевой переменной. Я просмотрел документацию category_encoders, и понял, что библиотека работает только для бинарных или вещественных переменных, посмотрел оригинальную работу  Даниэля Мисси-Баррека (Daniele Micci-Barreca), который ввел средне-целевую кодировку (mean target encoding) и так же не обнаружил ничего толкового. 

В этой статье я дам обзор документа, в котором описана кодировка по целевому признаку, и покажу на примере, как целевая кодировка работает для двоичных проблем.

Теория

Итак: если вас спрашивают «0 / 1», «кликнули / не кликнули» или «кошка / собака», то ваша проблема классификации бинарная; если вы хотите ответить «красный либо зеленый или синий, но может быть желтый» или «седан против хэчбэка и все против внедорожника», тогда проблема в нескольких классах.

Вот что вкратце говорится в упомянутой выше статье о категориальной цели:

Результат любого наблюдения можно отобразить через оценку вероятности целевой переменной.

При классификации, числовое представление будет соответствовать вероятности выпадения целевой переменной, обусловленной значением категориальной переменной.

Это эффективнее простого числового кодирования.

Для избежания переобучения при небольшом количестве наблюдений, может применяться сглаживание средних значений.

Давайте посмотрим на это практически. В бинарной задаче целью является либо 0, либо 1. В таком случае оценка вероятности для категориальной переменной может быть задана эмпирической бейесовской вероятностью P (Y = 1 | X = X_i), т.е.:

n(Y) — общее количество строк с 1 в целевой метрике,

n(i) — количество строк с i-той категории,

n(iY) — количество строк с 1 в целевой метрике в i-той категории. 

Следовательно, дробь в левой части представляет собой вероятность наличия 1 в i-той категории, а дробь в правой — вероятность наличия 1 в общих данных. λ — это функция, добавляющая монотонный вес от 0 до 1, возрастающий с увеличением n(i), который помогает при небольшом количестве наблюдений в категориях.

Если вы использовали TargetEncoder из библиотеки category_encoders, k — это параметр min_sample_leaf, а f — параметр сглаживания.

Введение весового коэффициента имеет смысл, когда размер выборки большой, и мы должны уделять больше внимания оценке вероятности, определяемой в левой части выражения.  Однако, если размер выборки невелик, то мы должны заменить оценку вероятности нулевой гипотезой, заданной первоначальной вероятностью зависимого атрибута (т. е. средним значением от всех Y).  С помощью такого преобразования пропущенные значения обрабатываются подобно остальным переменным.

В документе та же концепция распространяется и на мультиклассовые целевые признаки. У нас есть по одной новой функции для каждого целевого класса. Таким образом, каждая функция фактически является числовым представлением ожидаемого значения ровно одного целевого класса с учетом значения категориального признака. Конечно, количество входов может значительно увеличиться, если цель имеет очень большое количество классов, однако на практике количество значений обычно невелико. Подробнее об этом будет другая статья.

А теперь, давайте рассмотрим ситуацию с двоичной классификацией на примере.

Практика

Давайте посмотрим на пример двоичной целевой переменной.

Какова вероятность того, что целевая переменная примет значение 1, если значение признака пол «Мужской»?

Посчитаем: 1/2 = 0,5.

Аналогичным образом, какова вероятность того, что Target будет 1, если пол «Женский»?

Посчитаем: 1/4 = 0,25.

Достаточно просто?

Теперь, если вы замените все значения «Female» на 0,25, вы рискуете так называемым переобучением. Это происходит потому, что общая вероятность единицы равна 4/9 = 0,4.

Чтобы учесть этот факт, мы добавляем вес к этой «предварительной» информации, используя формулу, из предыдущего раздела.

Установка min_sample_leaf, k = 1 и сглаживание, f = 1,

У нас есть две строки со значением «Male», поэтому n = 2;

λ(‘Male’)=1/(1+exp(-(2–1)/1))=0.73    # Weight Factor for 'Male'  Target Statistic=(Weight Factor * Probability of 1 for Males)         + ((1-Weight Factor) * Probability of 1 Overall)S(‘Male’)= (0.73 * 0.5) + ((1–0.73) * 0.4) = 0.485

Аналогично, для «Female» у нас четыре строки, поэтому n = 4;

λ(‘Female’)=1/(1+exp(-(4–1)/1))=0.95 #Weight Factor for 'Female'  Target Statistic=(Weight Factor * Probability of 1 for Females)      + ((1-Weight Factor) * Probability of 1 Overall)S(‘Female’)= (0.95 * 0.25) + ((1–0.95) * 0.4) = 0.259

Если приглядеться, можно заметить, что λ увеличивает значимость тех категорий, для которых количество строк больше. В нашем примере было 4 строки с полем «Female», и только 2 строки с полем «Male». Соответствующие весовые коэффициенты составили 0,95 и 0,73.

Таким образом, мы заменим все вхождения «Male» на 0,485 , а «Female» на 0,259. Аналогичным образом можно рассчитать значение «Другое».

Поздравляю! Вы только что реализовали вероятностную кодировку через целевой признак!

Не верите?

Убедитесь сами, запустив этот код, который делает то же самое с использованием библиотеки category_encoders:

!pip install category_encoders  import category_encoders as ce   x=['Male','Male','Female','Female','Female','Female','Other','Other','Other']  y=[1,0,0,0,0,1,1,1,0]  print(ce.TargetEncoder().fit_transform(x,y))

Вывод

В этой статье я описал недостаток класса TargetEncoder библиотеки category_encoders. Я объяснил и резюмировал статью, в которой было введено целевое кодирование. Я объяснил на примере, как категории можно заменить числовыми значениями.

 Следующая статья будет полностью посвящена тому, как мы можем сделать то же самое для мультиклассовых целевых признаков. 

Будьте на связи!

Перфорационные очки (очки с дырочками) – идеальный вариант для тех, кому лень делать гимнастику для глаз. Я почувствовала, что в последнее время понижается острота зрения и решила не покупать тренажёры за 1000 рублей, а смоделировать и распечатать на 3d-принтере. Интересно было проверить – действительно это работает или нет.

На пике популярности этих чудо-очков маркетологи неустанно убеждали народ, что они помогают улучшить зрение и избавиться от некоторых видов заболеваний глаз. Однако, это не совсем так. Есть большая разница между понятиями «профилактика», «коррекция» и «лечение».

Зачем мне перфорационные очки?

Недавно я писала, что начала изучать 3D-моделирование в Компас 3Д. Статью о моих салфетницах можно посмотреть ТУТ. Этот проект завершен. Результат меня очень порадовал и вдохновил к следующим действиям. Встал вопрос, что же эдакое смастерить. Безделушки печатать на 3D-принтере не особо хочется, поэтому решила создать что-то полезное. На момент написания данного поста я ношу свои очки-тренажеры уже 5 дней и эффект ощущаю явный. Но обо всем по порядку.

Итак, почему именно перфорационные очки:

1. Моделировать гайки и болты, а также простейшие конструкции надоело. Было решено взяться за что-то более сложное. Это был мой второй проект. На деле моделирование очков оказалось до безобразия простым, но к итоговому результату я пришла через слёзы и боль))) Ниже расскажу, почему.

2. В последнее время заметила, что от частого напряжения глаза устают, вижу все хуже и хуже. Работаю за компьютером, сижу в соцсетях, еще и в игрушки на телефоне рублюсь. Все это дает о себе знать. Пора принять меры.

3. Я терпеть не могу делать гимнастику для глаз. Ну, не моё это. Всякий раз, как начинала, меня хватало на 1,5 занятия. Может тренажёры как раз и помогут? Решила проверить свою теорию об эффективности перфорационных очков, о которой не перестают спорить знатоки и обыватели с момента появления продукта на рынке. Если не изменяет память, бум был в годах 90-х.

Как я моделировала свои перфорационные очки

Устройство этих тренажёров для глаз очень простое. Представляют они собой темные пластины с «дырочками» диаметром 1–2 мм, расположенными в определенном шахматном порядке. На самом деле, есть мнение, что отклонения в диаметре дырочек и порядке их расположения особого значения не имеют, так как принцип работы единый.

Сначала я поискала уроки в интернете. Не нашла ничего про очки. Затем решила, что модель довольно простая, опыт небольшой есть, справлюсь и так. Цель, как и в случае с салфетницами, – создать модель максимально простым способом, без лишних сложностей. Именно поэтому я решила отказаться от петлевого крепления дужек и взяла на вооружение шип-пазовый метод. Проблемы со слабой пространственной ориентацией решила с помощью готовых очков – взяла солнечные очки сына. По размеру сидят нормально, форма устраивает – как раз плотно прилегают и не пропускают лишний свет в отличие от моих собственных. С расчетом размеров в этот раз проблем было меньше.

Процесс моделирования:

1. Нарисовала схему очков на бумаге и обозначила нужные размеры. Будет как подсказка.

2. Создала в Компасе деталь. Нарисовала прямоугольник размерами 140х46 мм. Выдавила на 12 мм, так как форма пластины должна быть вогнутой и будем вырезать нужную толщину из имеющейся массы. Дело в том, что моя попытка выдавить пластину из дуги изначально вогнутой формы провалилась – не удалось корректно вырезать даже дырочки.

3. Вырезала по нужным размерам область переносицы. Для этого сначала установила вспомогательные линии, так как на определенной длине отрезка нужно было высокое скругление. Прорисовала контур основной линией и вырезала выдавливанием. Высота проёма = 2,5 см, длина основания = 3 см.

4. Дальше придала желаемую форму пластинам очков. Рисуем нужный контур основной линией и вырезаем выдавливанием. Можно и скруглить, но мне больше нравится геометрическая форма.

5. Дальше прорисовала пазы по бокам, куда будут вставляться дужки очков. От верха располагаются на расстоянии 7 мм, от бокового края – 2 мм (лучше сделать 3). Высота отверстия = 10,3 см, толщина = 2,3 мм (чтобы шип высотой 10 мм и толщиной 2 мм вставился свободно).

6. Прорисовала дырочки. Изначально хотела диаметром 1 мм, но решила, что лучше 1,5 мм для более корректной печати на 3d-принтере. Расстояние между перфорациями = 1 мм (но, когда моделировала, идеальное совмещение Компас мне показал на значении 7 – так и не поняла, почему, но ориентировалась по схеме визуально). Чтобы быстро размножить отверстия, сначала прорисовала одну начальную и вторую в шахматном порядке во втором ряду. Выделив две окружности, скопировала по сетке, определила количество элементов и расстояние между ними. Затем удалила лишние отверстия, которые располагаются слишком близко к краям или выходят за них. Отзеркалила сетку для другой пластины. Чтобы убедиться в правильности размеров и расстояний между дырочками, открыла фото перфорационных очков, схожих по форме с моими, и посчитала вручную, сколько их там. Все оказалось в порядке.

7. Дальше дело оставалось за малым – из толщи вырезать вогнутую платину. И вот тут я дошла до слёз и чуть не бросила это занятие) Причем, по своей же глупости. Этот вариант у меня уже был последним, я подкорректировала размеры и учла ошибки предыдущих 5 попыток. Но две дуги и отрезки, соединяющие их, никак не хотели совмещаться и замыкаться в контур. Как так-то? Я ж до этого делала, проблем не возникало…Просидела 1,5 часа, пытаясь совместить точки начала дуги и отрезков. Проступили слезы))) Решила, что не нужны мне эти очки и не буду я заниматься моделированием. Через 15 минут отошла. Убедила себя, что я сильная, что я справлюсь и дойду до конца. Обозначила начало и конец каждой точки вручную, долго и аккуратно. Вуаля – получилось! Контур замкнулся. А дальше, на каком-то этапе, когда я прорисовывала дужки, поняла, что у меня тупо были отключены привязки((( Но результат есть, дело пошло дальше.

8. Прорисовать форму дужек очков после такого стресса было уже проще некуда))) Выдавила на 3 мм. Кстати, создала их не в сборке, а как отдельную деталь.

9. Скруглила «на глазок» углы. Ребра трогать не стала.

10.  Вспомнила, что у пластин я не скруглила ничего, доработала. Добавила фаску по верхним углам (для более удобной печати). Скруглила ребра, чтобы не царапали, когда буду носить.

11. Теперь осталось сделать шипы на дужках, которые будут вставляться в пазы на пластине. НО! Пластина изогнутая, а дужка очков должна вдеваться к ней перпендикулярно. На данном этапе я тоже долго промучилась, но была готова, поэтому боли было меньше))) Я этот нюанс заметила заранее, но не стала скашивать паз, а решила сделать шип под уклоном – для большей прочности крепления. Процесс такой: создала сборку, совместила по осям две детали. Пока дужку поставила под прямым углом. Далее на дужке в эскизе рисуем прямоугольник и выдавливаем его до внешнего края объекта (пластин). На этом этапе я еще научилась ловчить с инструментом «ориентация».

12. Еще пришлось редактировать дужку – прилегающий край ровный, под прямым углом, а пластина скошена, соответственно остается небольшое пространство. Отредактировала деталь, изменив выдавливание до ближней поверхности объекта (пластины) в сборке.

13. На завершающем этапе обнаружила, что дужка у очков тоже не прямо-горизонтальная, а изогнута примерно под углом 30 градусов. Здесь уже было проще – действовала как с пластиной. Отредактировала эскиз дужек, выдавливание поставила на 10 мм, а не 3. Нарисовала нужные формы и вырезала лишнее.

Вторую дужку рисовать не надо, так как ее можно отзеркалить в слайсере при настройке печати.

Вот и все. Печатаем три детали и собираем перфорационные очки.

На печать пластины ушло 3,5 ч, дужек – 1 ч 20 мин. Сопло поставили 1,4. Пластик — АБС. Печатали вертикально, причем пластину – верх ногами.

Рада, что решила смоделировать очки самостоятельно с нуля

На весь процесс моделирования с попытками №1-6 у меня ушло в общей сложности около 10 часов в несколько подходов. Сейчас я их могу нарисовать меньше чем за час в лёгкую) Но за это время наработала навыки в Компас 3Д, научилась ловчить с разными инструментами, изучила лучше интерфейс и возможности. Улучшилась и пространственная ориентация. Именно так приходит опыт и совершенствуются навыки, которые не потеряются со временем. Многие вещи, которые я смотрела в видеоуроках, забывались сразу после того, как вставала из-за компа) А как моделировала свои первые очки, я не забуду никогда)

Немного об эффективности перфорационных очков

В интернете много пишут о том, что перфорационные очки показаны при миопии (зрение минусовое), астигматизме, начальных стадиях помутнения роговицы, для предотвращения прогрессирования различных патологий и т. д. Я позволю себе не согласиться с этим. У каждого состояния и заболевания есть свои причины, которые выявлены или не выявлены (от нехватки витаминов до нарушения иннервации и деструкции тканей). И если причина не устранена, прогрессирование будет продолжаться в любом случае. А об излечении таким методом и речи не может быть.

Но эффект эти очки в определенных ситуациях могут дать:

1. Снижение остроты зрения вследствие перенапряжения глаз. Не стоит путать с общим ухудшением зрения. Разницу можно понять так: долго сидели за компом, читали книгу, играли в телефон – перед глазами образуется некая пелена, кажется, что стали видеть плохо. Но после отдыха все возвращается в норму. Однако, если это происходит изо дня в день, то постепенно острота зрения становится все хуже и хуже. В данном случае перфорационные очки помогут предотвратить ухудшение.

2. Предотвращение прогрессирования медикаментозными средствами. Если врач выявил причину, назначил лечение и получилось остановить дальнейшее прогрессирование, то перфорационные очки могут выступать в качестве дополнительного средства для поддержания стабильного состояния.

3. Профилактика. Здоровым людям эти очки никакого вреда нанести не могут. И чтобы в будущем не получить проблем, особенно если вы часто сидите за компьютером, телефоном, занимаетесь мелкой кропотливой работой, можно для профилактики носить эти тренажеры для глаз. Но если приносят дискомфорт – экспериментировать не нужно.

У меня была миопия -4 и -4,5. Делала в 2014 году лазерную операцию на глаза. Но за последние полгода напряженной работы заметила, что зрение стало по-тихоньку «падать». И в этих очках я вижу мир намного четче и ярче. Надеваю их, когда смотрю телевизор или фильмы на компе (играть в них, делать домашние дела, читать – не рекомендуется, да и неудобно). И глаза реально отдыхают. Сейчас уже через 5 дней заметила, что меньше устают. Совпадение? Самовнушение? Или реальный эффект? Я склоняюсь к последнему варианту. Как бы там ни было, ношу их и результатом довольна. В итоге получился полезный опыт в моделировании и нужная для меня вещица)

В заключение

Я не стала делать видеоурок, как в прошлый раз. И не озвучила все параметры своей модели досконально. Дело в том, что форма лица у каждого индивидуальная, и моделировать нужно под себя. В завершение статьи расскажу о нюансах и своих ошибках:

1. В качестве ориентира нужно было все же брать взрослые солнечные очки. Детские мне подошли в реале, а смоделированные тренажеры поначалу казались чуть маловаты. Но к этому я привыкла. Следующий раз буду делать длину прямоугольника на 10 мм больше.

2. Выгнуть пластину нужно было сильнее. Оригинал детских очков не пропускал свет от слова совсем, а тут по бокам все же остался просвет.

3. Пластик для печати мне выделяют не самый дорогой, но дарёному коню в зубы не смотрят) Я очень благодарна и за эту помощь. Если есть возможность, лучше печатать на более дорогом и качественном пластике. Если приглядеться, на моих очках заметны неровности и шершавость (пришлось даже немного пошкурить некоторые места).

4. После печати каждую дырочку нужно тщательно проработать тонким острым предметом. Я это сделала маникюрными ножницами.

5. Когда надеваешь первый раз такие очки-тренажёры, непривычно. Но потом быстро привыкаешь и чувствуешь, что реально все стало не только четче, но и ярче.

6. Крепление типа «шип-паз» не даёт складывать очки. Можно только разобрать. Но цель стояла сделать все как можно проще, поэтому в следующий раз я буду применять этот же метод крепления. На практике он себя оправдывает, ничего не болтается.

По прошлым статьям мне в комментариях давали много ценных советов и свежих идей. Если есть предложения — с удовольствием все учту, так как все равно собираюсь переделать модель и распечатать себе новый экземпляр перфорационных очков. На этом у меня всё, спасибо за внимание!

Доброго времени суток, господа. Многие продвинутые пользователи ПК/ноутов рано или поздно сталкиваются с проблемой низкого уровня качества звука воспроизводимого их звуковой картой (если ставили какой то дефолт), и поэтому начинают задумываться о прокачке данного железа. Широко известной, если не наиболее известной среди всех производителей звуковых карт является фирма Creative Labs и их серия SoundBlaster (помимо Asus и других). Самыми популярными продуктами в этой линейке стали звуковые карты G5 и G6, последняя настолько полюбилась геймерами что даже стала народной легендой.

Так вот, недельку назад я все же наложил свои руки на эту легенду так как очень уж был раззадорен обещаниями про “запредельно крутое” качество звука от некоторых обзорщиков с YouTube ну и в добавок просто хотел обновить звуковуху так как хорошее качество звука для меня является очень важным параметром. Но данное изделие меня очень сильно разочаровало и я объясню почему. Постараюсь быть кратким и как можно более объективным в данном обзоре и полностью рассказать что же, по моему мнению, все таки не так с этой звуковой картой за 150 баксов.

Материал

Первое что сразу бросается в глаза, а точнее в руки – дешевый пластик который выглядит как метал.  Ощущается очень дешево и никак не переживет падения с высоты 1.5 метра.

Крышку не снимал, в хард не смотрел, так как вернуть деньги бы точно не смог.

Все кнопки которые есть на корпусе карты можно так же включать через софт
(громкость тоже).

Софт

Первое впечатление от софта совершенно иное чем от самой карты – хорошее, с эквалайзером, эффектами и режимами – все как обещали. Правда большинство из стандартных пресетов никуда не годятся, лучше сразу приняться за настройку своего. эквалайзер хорош – 10 каналов, почти как в продукции линейки Dolby Atmos (кстати есть возможность врубить медиа декодер Dolby, но разницы в звучании не заметил никакой). Особенно мне понравилось комбинировать настройки кристаллизации и баса – получается довольно неплохое звучание. Очень крутой опцией является “Dialog +” – нереально помогает с позиционированием в играх, и в музыке, если напр. хочешь четко услышать текст песни (помогает любителям брутал дез метала). “Scout mode” и фильтры вообще никакой разницы в играх не делали (тестил в Crysis 3/CoD:BlackOps MP/Doom Eternal/GTA 5), в музыке со Скаутом было немножко более приглушено, а фильмы если смотреть так только с ним – слышен был каждый звук (скрип, шуршание и тд). Впервые мне реально захотелось пересмотреть любимые фильмы просто что б насладится полнотой звуковой гаммы и воспринять звуковую составляющую по новому. Еще хочется отметить аспект рекомендуемых параметров: 400 мб на жестком диске и 1 гб ram (с сайта разработчика) – даже близко столько не занимает. 200 мб на hdd и максимум 300-400 мб ram в состоянии нагрузки.

Звучание

Итак, звуковой тест проводил в двух разных парах наушников – дешевеньких JBL T210 (20$) и очень даже неплохих студийных ISK HD9999 (80$), конечно же на студийных все звучало получше. Также слушал треки как в lossy (mp3/320kbps) формате так и в lossless (flac/900-1500kbps; wma/1411kbps), а также оцифровочки (flac/3500-5000kbps), но в основном результаты звучания те же. В основном я буду сравнивать софт данной карты с бесплатным софтом Fx Sound Enhancer  на встроенной звуковой карте для ноутбука MSI gl65 и с Dolby Advanced Audio v2 для карты на Lenovo g580 (увы нигде не пишет про звуковую карту а AIDA 64 не показывает). Относительно стилей которые пробовал на слух – метал, рок, симфонии, инструментальная, оркестральная, клубная музыка, кантри и реп, и это малая часть всего того что я пихал себе в уши.

Итак, огромным плюсом (который сразу заметен если слишком сильно выкрутить колесико) является громкость – 130 дцб прямо в ушной канал (если наушники потянут). Чувство будто очутился на аэродроме. Любители глушить себя громко слушая музыку оглушат себя окончательно. Благо мои наушники больше 90 не тянут но и єтого вполне достаточно что бы оглохнуть на минут 10. Контрастом к плюсу идет минус и это, как ни смешно, самое главное почему я брал эту карту – качество звучания музыки. Из всех стилей которые я перепробовал (а под каждый я делал свой пресет в эквалайзере и эффектах) адекватно лучше звучала клубная музыка и инструментальная, все остальные либо звучали так же либо даже хуже (и это при том что я пару дней долбался с настройками в эквалайзере вплоть до того что под одну и ту же группу у меня было по несколько пересетов  для разных песен).

Получилось так что, чем музыка тяжелее, тем  хуже звучит. Если Queen, Epica, Arven, Чайковский, Johnny Cash и Kungs звучали вполне себе, то Hammerfall, Fear Factory, Kreator, Meshuggah и саундтрек к Doom Eternal звучали как понос с большим количеством артефактов. И тут будет к месту упомянуть еще один веский аргумент против – данная карта имеет поддержку 5.1/7.1 surround, НО если их включить любой трек превратиться в один непрерывный шум. А соль в том что карта за такую цену адекватно даже 5.1 не даст – один сплошной нойз, который отчетливо идет с 5 виртуальных источников. Да звук есть, но качеством это назвать нельзя от слова вообще. Единственный вариант которым можно пользоваться это Stereo, а оно, в сравнении с софтом упомянутым ранее, справляется на 3-чку.

Итог

+

Громкая, много эффектов, хороший эквалайзер, фильмы смотреть самое то.

—

В играх ни на йоту ни лучше, 5.1/7.1 – не работают как надо, софт занимает довольно много (как для звуковухи), даже самая детальная настройка пресетов все равно не даст ожидаемого звучания особенно если вы фанат чего то тяжелого.

Как послесловие хотел бы еще раз почеркнуть, что данная рецензия является моим личным субъективным мнением и если у кого то есть какие заметки на счет того что моя рецензия слишком неполная/тестил не на тех наушниках и тд и тп — напишите в комменты.  Сам же хочу добавить что окончательно сказать понравится ли эта карта кому то кто ее хочет купить, довольно сложно. Для начала скачайте бесплатный Fx Sound Enhancer (лицуха которого бесплатно валяется на рутрекере) и минут 20 поиграйте с эквалайзером, я гарантирую что качество звука станет в разы лучше (а если у кого продукция Dolby так и вообще ничего делать ни надо), и в этом причина почему люди берут внешние звуковые карты уровня  G5/6 – большинство просто не в курсе что для того что бы звук был адекватным нужен софт и немножко времени что бы его настроить. А если вы ищете 5.1 или 7.1 то вам вообще надо смотреть на другую ценовую категорию  — все же лучше потратиться на качественный Surround, чем на такое Stereo.

В продолжение статьи про проектирование электромобиля Кама-1 я хотел бы рассказать об участии своих коллег в данном проекте. В то время, как коллеги из СПбПУ разрабатывали конструкцию и дизайн электромобиля, компания Ладуга занималась разработкой электрической и электронной архитектуры, что включало в себя разработку и изготовление прототипов электронных блоков.

На мой взгляд электронная часть автомобиля не менее интересна, чем конструкторская, но во многих опубликованных ранее материалах освещена довольно скудно. Поэтому ниже приведены собранные мной некоторые технические детали проекта, описание этапов проекта и ответы на вопросы в ходе бесед с непосредственными участниками этой работы.

Этапы проекта

Весь проект электромобиля включал в себя три этапа, выполнение которых заняло около полутора лет (2019-2020 гг.). Ладуга подключилась к проекту весной 2019 г. Первый этап был полностью посвящен разработке концепции проекта, описанию будущего продукта, разработки дизайна.

С точки зрения электронной архитектуры в конце первого этапа был сформирован перечень документов и электронных блоков, необходимых для реализации всех функций продукта. Были проведены расчеты энергобаланса, сформулированы требования к ключевым узлам силового привода: батареи, электромотора, разработана топология жгутов, логическая архитектура. Проработан CAN менеджмент и Power менеджмент.

В ходе проекта были разработаны следующие электронные блоки:

• EPB (Electronic parking brake) – блок управления стояночного тормоза

• EPS (Electric power steering) – блок управления электроусилителя руля

• VCU (Vehicle control unit) – блок управления электромобилем

• Блок управления актуатора педали тормоза вместе с актуатором педали тормоза

• BCM (Body Control Module) – блок управления кузовной электроникой

• IVI + блок индикаторов – совместный блок мультимедиа и комбинации приборов

• ЭБУ HVAC – блок управления климатической установкой

• сигнализатор движения

• блок аудиосистемы

• монтажный блок

На втором этапе началась работа по проектированию схем, блоков электронной архитектуры и их «взаимоувязке».

В автомобиле предусмотрена подготовка под будущую интеграцию компонентов систем ADAS (Advanced driver-assistance systems, системы помощи водителю) до 3-4 уровня, что позволит водителю использовать такие функции как автоматический адаптивный круиз контроль, систему Start/Stop (Stop-and-Go), помогающую избежать столкновения в случае нештатных ситуаций, «автопилот» при определенных дорожных условиях, автоматическую парковку и т.п. Подобные системы в настоящее время уже доступны в топовых комплектациях современных автомобилей.

По окончанию второго этапа была завершена разработка теоретической части. Подготовлен массив документации, включающий в себя технические требования на системы, технические требования к компонентам, чек-листы, электрические схемы разных уровней, формуляры электрических интерфейсов, CAN-матрица, проработка компонентной базы.

На третьем этапе специалисты Ладуги изготовили блоки электронной архитектуры, разработали программное обеспечение, подсобрали их в функциональные стенды, а затем соединили все в единую систему – межфункциональный тестовый стенд электронной архитектуры.

По окончанию тестирования и успешного выполнения всех условий чек-листов стенд был разобран, а блоки отправлены для сборки тестового образца автомобиля. Финальная сборка проводилась совместно с коллегами из Минска и СПбПУ. Взаимодействие нескольких участников, выполняющих смежные работы на удаленных площадках, потребовало четкой координации проекта. Успешно были проведены работы по финальному тестированию, калибровке и доработке комплекта конструкторской документации.

Для последующего запуска в серийное производство компоненты разработанного автомобиля необходимо детально проработать с будущими поставщиками этих компонентов. Так что впереди предстоит масштабная работа по внедрению компонентов ADAS и их калибровке в составе подготовленного под это автомобиля.

Q & A

Побеседовать и ответить на мои вопросы согласились Алексей Окунев (технический директор и руководитель проекта «Электронная архитектура электромобиля» со стороны компании Ладуга) и Алексей Жданов (инженер-электроник отдела автоэлектроники компании Ладуга).

Алексей (Окунев), расскажи, пожалуйста, про особенности электронной архитектуры разработанного автомобиля?

Алексей Окунев: наверное, одна из наиболее заметных особенностей – сенсорный дисплей, расположенный на руле. Изначально предполагалось, что частично роль мультимедиа-панели автомобиля будет выполнять смартфон пользователя. Смартфон должен был вставляться в выемку на панели приборов и через установленное приложение пользователь мог бы управлять мультимедиа, климатом и некоторыми другими функциями автомобиля с экрана своего смартфона.

Позднее, по мере проработки дизайна и потенциально разрастающегося количества работ по увязке систем автомобиля со всеми возможными моделями смартфонов от идеи со смартфоном отказались, весь функционал мультимедиа системы перенесли в сенсор на руле. Сенсорный дисплей позволяет более гибко запрограммировать экранные кнопки управления функциями мультимедиа, телефона, музыки, радио, а также реализовать поддержку функций ADAS, которые мы заложили.

Кстати, по поводу процесса разработки интерфейса – изначально мы разрабатывали некоторую функциональную концепцию интерфейса пользователя (In-vehicle infotainment, IVI), потом эту концепцию передали на проработку дизайнерам. Прототип интерфейса был выполнен в виде работающего приложения, которое можно было запустить на обычном персональном компьютере, чтобы дизайнеры и заказчик могли непосредственно протестировать функционал и сформировать замечания по логике работы или формам. Затем мы проработали все замечания и перенесли полученную бизнес-логику в микроконтроллер IVI.

Рабочие картинки по разработке IVI

Алексей Жданов: функционал IVI включает в себя управление модулем климат-контроля (Heating, ventilation, and air conditioning – HVAC), можно задать температуру и уровень вентиляции.
На выставке «Инжиниринговый форум» в сентябре 2020 года мы демонстрировали функцию, которая не вошла в финальный проект, но у нас она была ранее разработана и мы ее просто интегрировали – функция голосового помощника. Модулем HVAC можно было управлять, задавать температуру с помощью голосовых команд. Также можно было спросить – сколько осталось энергии батареи, сколько можно проехать километров, голосовой помощник может предупредить о малом заряде, список команд можно расширять. Такой способ взаимодействия может упростить доступ к некоторым функциям, это особенно важно для автомобиля с малым количеством кнопок.

Еще одной особенностью и отдельной задачей стала разработка актуатора педали тормоза. Для реализации функций круиз-контроля, автоматической парковки, функций активной безопасности необходимо управлять торможением автомобиля. Пришлось разрабатывать как сам актуатор, который интегрируется с тормозной системой автомобиля, так и блок управления актуатором. Было реализовано управление торможением по усилию: система ADAS указывает командой какое усилие надо сформировать и актуатор пытается давить с заданным усилием. В силу ограничений стенда калибровать данную систему пришлось уже на автомобиле (эх, не завидую я испытателям).

Конечно же, нельзя обойти вниманием разработку блока управлением электроусилителя руля. Помимо стандартной функции электроусиления необходимо было добавить функцию руления: управление положением руля для функции удержания в полосе или функции автоматической парковки. Также хотелось реализовать зависимость усилия на руле от текущей скорости автомобиля. Весь функционал успешно разработал мой коллега Владимир Шевцов.

Помимо разрабатываемых компонент, в автомобиле использовались и уже готовые серийные узлы, но это были именно исполнительные компоненты, без возможности программирования, а значит без зависимости от версии компоненты. Это решение повлекло за собой разработку всех электронных блоков автомобиля, разработку своей системной архитектуры, CAN матриц и т.д. Но в результате это дало нам полную управляемость над проектом.

Это важный момент, который упускают многие «гаражные» разработчики электротранспорта. Сначала они прикладывают множество усилий для того, чтобы с помощью реинжиниринга восстановить кусочки CAN матрицы автомобиля, получая риски, что в любой момент устройствам прилетит команда на отключение, блокировку или что-то еще. А уже при выпуске следующих экземпляров, хуже того уже при серийном производстве, от поставщика компонентов приходят узлы с обновленной прошивкой, и вся электроника просто прекращает работать.

Всю электронику мы проектировали сами: рассчитывали требования, анализировали сценарии работы. При покупке готовых блоков управления может возникнуть проблема с, например, появлением новой прошивки от производителя – это сразу приведет к потере контроля над проектом. С этой проблемой сталкиваются все, кто собирают автомобиль из готовых комплектующих. С этой точки зрения мы управляли проектом и всеми комплектующими, т.к. мы же их проектировали и изготавливали.

Алесей (Жданов) расскажи, пожалуйста, разработкой каких блоков ты занимался и немного про функционал этих блоков.

Алексей Жданов: я занимался разработкой «железа» и написанием программного обеспечения (ПО) на блок аудиосистемы, блок звукового сигнализатора движения, занимался разработкой ПО на один из самых сложных с точки зрения логики центральный блок управления электромобилем VCU (Vehicle Contol Unit). VCU собирает информацию со всех имеющихся датчиков, принимает команды водителя, взаимодействует практически со всеми блоками по цифровым шинам, управляет электроприводом, тяговой батареей, следит за их состоянием, обрабатывает их ошибки.

Так, например, VCU взаимодействует с электрическим ручником – без соответствующих команд ручника VCU не разрешит движение. VCU отслеживает температурный режим тяговой батареи, если батарея находится вне температурного диапазона работы, то VCU запрещает использование полного тока этой батареи. VCU управляет охлаждением батареи – управление помпой и вентилятором радиатора. При заряде батареи, у производителя батареи есть требование, что перед зарядкой батарею нужно привести в необходимый температурный диапазон.

Еще, например, одна из разработанных мной функций – сигнализатор движения. По современным требованиям бесшумный электромобиль должен при движении на малой скорости воспроизводить какой-либо звук для обеспечения безопасности, например, звук двигателя реактивного самолета.

Мои коллеги занимались разработкой блоков: BCM (Body Control Module) блок управления кузовной электроникой, блок управления электроусилителя руля с функцией дистанционного управления «по проводам» для реализации ADAS функций автоматической парковки и подруливания, ручник с электроприводом и блок управления климатической системой.

Отдельная тема проекта – это силовая часть электромобиля: электродвигатель и аккумуляторная батарея. Сложность заключалась в том, что на нашем стенде электронной архитектуры детально испытать силовую часть было невозможно, т.е. она должна была сразу заработать на автомобиле, и в этом была огромная работа с нашей стороны.

Помимо «железной» интеграции необходимо было обеспечить программную интеграцию компонент силовой части: согласование CAN матриц и отладка работы VCU, BMS (система менеджмента батареи), инвертора электромотора, кондиционера (он также подключался к силовой части), DC-DC блока (блок преобразования высоковольтной сети к низковольтной), ТЭНом для обогрева батарей.

Алексей Окунев: из-за особенностей графика поставок основной задачей было выполнить все работы не имея на руках ни автомобиля, ни силовой части, т.е. большая часть работ должна была быть выполнена с помощью разработанных виртуальных моделей. Мотор и батарея приехали к нам буквально за месяц до старта сборки автомобиля. За это время нам нужно было всё подключить, отладить разработанные функции и откалибровать. Мы по максимуму сделали испытания, которые были возможны на стенде, и трое наших специалистов отправились на производственную площадку в Белоруссию. Конечно же, по всем законам бытия то, что не удалось испытать на стенде или моделях, аукнулось на живом автомобиле, и ребятам пришлось совершать своего рода подвиг в командировке в Минске внося финальные изменения.

Как и всегда при проектировании автомобилей отдельное внимание надо было уделять безопасности. Конечно, требования функциональной безопасности по ISO 26262 были заложены еще при разработке компонент. Но даже для испытаний на стенде у инженера под рукой всегда была БКК (Большая Красная Кнопка), которая аппаратно разрывает все цепи питания. Ее перенесли и на автомобиль. Также, поскольку у автомобиля оказалась сумасшедшая динамика, по просьбе испытателей был добавлен режим испытаний и выставки: с ограничением максимальной скорости до 40 км/ч.

Алексей (Жданов), что тебе запомнилось больше всего?

Алексей Жданов: скажу, опыт хороший, весьма. Ребята со мной, думаю, согласятся. Для нашей команды было особо интересно наблюдать, что наши документы на наших глазах превращаются в что-то «живое». И в случае наличия ошибок в документации при изготовлении мы получаем ошибки, которые нам же придется исправлять руками и паяльником.

Был случай, произошедший в Минске во время первых тестов электродвигателя на автомобиле: мощность двигателя 160 кВт и когда водитель нажал педаль газа на полную мощность, то оси, не рассчитанные на такую мощность, свернуло. После этого случая мощность двигателя, конечно, откалибровали, но оси пришлось менять.

Много вопросов было по поводу что будет с аккумуляторной батареей в условиях русской зимы?

Алексей Жданов: да, зимой, когда машина стоит на улице, батарея замерзает, но в этом нет никакой катастрофы. Да, емкость батареи при заморозке уменьшается, поэтому если водитель сядет в электромобиль и сразу поедет, то он проедет меньше, чем если бы он, предварительно прогрел батарею. Для обогрева батареи мы спроектировали трубчатый электронагреватель (ТЭН), спроектировали систему управления ТЭНом. По мере того как холодная батарея прогревается – ее емкость восстанавливается.

От того, что батарея на морозе в -30 С останется – никакой деградации не случится?

Алексей Жданов: деградации не случится, случится временное уменьшение емкости. Уменьшение временное, до тех пор, пока батарея не прогреется.

Алексей Окунев: еще на стадии концепции проекта были проведены расчеты энергобаланса автомобиля. Модель была разработана в нашем программном пакете PRADIS и включала в себя и электрическую, и механическую часть и тепловую подсистему. Эта задача стала замечательным примером применения системного моделирования для задач управления требованиями. И именно, зная лишь параметры верхного верхнего уровня, такие как масса автомобиля, площадь Миделя, требования к максимальной скорости и динамике автомобиля, требуемый пробег автомобиля можно получить требования нижнего уровня: емкость батареи, передаточные числа в трансмиссии, параметры электромотора и даже проработать алгоритмы термоменеджмента.

По нашим расчетам зимой перед поездкой холодную батарею необходимо прогреть. Достаточно 10 минут, чтобы батарея прогрелась до нужной температуры (около +5 C), чтобы обеспечить  максимальную дальность пробега электромобиля. Попутно за эти 10 минут можно прогреть и салон с помощью отопителя. В процессе езды батарея сама себя начинает обогревать, но зимой этот обогрев не значителен. Причем оказалось, что если прогревать батарею до оптимальных +20 С, то мы потратим больше энергии, и уменьшим пробег. Конечно, эти требования были определены именно для  нашей батареи, нашего электромобиля. Для другой системы эти значения будут другими.

Будущее проекта

Какое на ваш взгляд возможное развитие данного проекта электромобиля?

Алексей Окунев: проект интересный с большими последствиями. Разработанную электронную архитектуру можно легко масштабировать на любой другой электротранспорт.

Несмотря на то, что это пока «прототип прототипа», отработка текущей технологии и отработка будущих технологий ADAS. Тем не менее, все увидели, что на базе этого можно делать серьезный проект. Можно даже поднимать вопрос о серийном проектировании, если такая задача будет поставлена.

Опять же, когда мы говорим об этом электромобиле, мы не будем забывать, что всё-таки первый мелкосерийный электромобиль был уже ранее создан АвтоВАЗом – Лада Эллада, на базе Калины. Этот автомобиль выпущен в количестве 100 штук, успешно прошел испытания, эксплуатировался в Ставрополе.

Но в чём отличие Кама-1 от Эллада – это, прежде всего, намного более сложная электронная архитектура. В Элладе всё строилось на электронной архитектуре Калины и только была добавлена электрическая трансмиссия вместо механической. И это приводило даже к таким несуразностям, как невозможность завести машину при полном заряде силовой батареи, но при разряженном 12-вольтовом аккумуляторе.

Это говорит о том, что нельзя просто так взять и превратить обычный автомобиль в электромобиль. Электромобильность влияет на все: на электронную архитектуру, на архитектуру кузова, на такие свойства как эргономика, тепловой комфорт, шум, вибрации, безопасность и динамику. И не учитывать ее в проекте – преступно инженерам.

В Кама-1 использовались некоторые готовые исполнительные компоненты, но платформа была разработана с нуля. Это, конечно, больше веха для нас, как инженеров, чем для отечественной промышленности, но на примере Кама-1 даже серьезные эксперты увидели, что мы можем у себя в России такие проекты развивать и выстраивать, и это будет не «самоделка», а серьезная работа, серьезный проект, который вполне можно масштабировать до серийного производства.

Таким образом, у КАМАЗа есть грузовой электромобиль, есть электробус на базе НефАЗа и теперь в эту линейку добавляется легковой электромобиль. Это не значит, что КАМАЗ завтра начнет выпускать легковые автомобили, это была отработана технология. Это значит, что, используя эту технологию, КАМАЗ может планировать выпуск такого автомобиля, если рынок будет готов. Сейчас мы говорим, например, о коммерческом рынке, а не о частном.

Сам электромобиль — это штука дорогая, основные компоненты такие как аккумулятор стоят дорого и он, к сожалению, поставляется из Китая, т.е. большая часть стоимости уходит зарубеж. Поэтому нельзя говорить, что электромобиль будет выпускаться по 100 000 в год также как, например, Лада Веста – сказать «этого не будет никогда» очень уместно, просто в силу целого ряда глобальных ограничений, таких как стоимость батареи и даже не столько стоимость, а объем материалов, который необходим для таких батарей, который нам никто не продаст, а в России нет собственных залежей такой мощности.

Энергосеть, банально не готова. Как можно частнику купить электромобиль, если квартира на девятом этаже? Зарядные станции скорее должны быть централизованы. Почему АвтоВАЗ делал Элладу для проекта «Таксопарк»? Там централизованная зарядка, где автомобиль приезжает и заряжается. Почему в Москве электробусы? Потому что там централизованная зарядка: автобус приезжает в конце смены и заряжается. И здесь то же самое. Мы можем говорить, что это нишевый продукт, такси или другой коммерческий транспорт, т.к. это получается дорогой автомобиль, который необходимо постоянно эксплуатировать, чтобы отбить его стоимость, и только так это может быть бизнесом.

Т.е. ключевой вопрос сделают ли теперь электромобиль бизнесом в России.
Возможны сценарии существования электромобиля как самостоятельного продукта. То, что они дорогие – это еще ни о чем не говорит. Можно создавать условия, если будет принято принципиальное решение. Например, если в той же Москве, запретят заезд в Садовое кольцо обычным автомобилям – вот, пожалуйста, достаточное условие. Поэтому, по крайней мере, у нас в России вопрос распространения электромобилей это больше вопрос политический, вопрос престижа и конечно экономический тоже. Словом, пока это роскошь, а не средство передвижения.

Наше исследование рынка показало, что в России по автомобильной части почти всё что угодно можно продать малой серией до 5 000 в год. Поэтому, при выполнении некоторых условий, вполне возможен сценарий выпуска малых серий электромобилей. А когда будет реализован функционал ADAS можно будет говорить и об «умных автомобилях».

Благодарности

Хочется поблагодарить команду проекта в компании Ладуга, питерских и белорусских коллег. Только совместными усилиями профессионалов можно выполнить проект такой сложности.

Работы выполнялись в рамках проекта по теме «Создание «Умного» Цифрового Двойника и экспериментального образца малогабаритного городского электромобиля с системой ADAS 3-4 уровня». Уникальный идентификатор проекта : RFMEFI57818X0269.