Oblast techniky

Zařízení spadá do oblasti detekce osobních i nákladních automobilů v dopravním provozu. Popsán je senzor založený na vláknově optické Braggovské mřížce (FBG) zapouzdřené ve standardním jedno vidovém optickém vlákně s polyimidovou ochranou do uhlíkové trubičky

Dosavadní stav techniky

V současné době se pro detekci vozidel v dopravním provozu užívají přístroje a zařízení, která obsahují indukční smyčky a magnetické senzory, pneumatické senzory, piezoelektrické senzory, mikrovlnné senzory, optické senzory a aktivní infračervené senzory a dále technologie CCTV (Closed Circuit Tele vision) nebo technologie RFID (Rádio Frequency Identification).

Indukční smyčky a magnetické senzory, pracují na principu změny indukce v elektromagnetickém poli. Dnes patří mezi nejpoužívanější senzory v dopravních systémech ITS. Jsou jednoduché a spolehlivé. Indukční detektor se skládá z indukční smyčky, která vytváří magnetické pole, vlastního detektoru a analytické jednotky. Toto pole je přítomností automobilu (kovové karoserie vozidla) narušeno a výsledné změny jsou následně zaznamenávány detektorem. Tento systém je použitelný nejen pro měření rychlosti, ale i pro klasifikaci dopravního proudu, sběr dopravních dat a průzkumů apod. Výhodou řešení je jeho snadná instalace, přesnost a spolehlivost. Nevýhodou je jejich omezená možnost použití v místě železobetonových konstrukcí, vyšší náklady na odstraňování poruch vzhledem k instalaci uvnitř vozovky a náchylnost k přetržení vlivem těžké dopravy.

Magnetické senzory využívají jevu, který spočívá ve změně elektrického odporu velmi tenké vrstvy magnetického materiálu při jeho vložení do podélného magnetického pole. Uvedený typ senzoru tedy není závislý na směru magnetického pole. Měřena je hustota siločar magnetického pole země, kdy kovová masa vozidla v prostoru senzoru zvýší hustotu siločar magnetického pole a dochází k detekci změny v hustotě siločar magnetického pole (detekována je přítomnost vozidla). Senzory mají vysokou citlivost a rychlou reakční dobu. Účinnost funkce senzoru může být snížena silným vnějším magnetickým polem, které by zničilo vnitřní uspořádání. Stejně jako indukční smyčky je nutné tento typ senzoru zabudovat do vozovky, v případě duality zapojení lze monitorovat rychlost vozidel.

První pneumatické senzory byly postaveny již v roce 1920. Jedná se o přenosnou technologii s velmi snadnou instalací. Princip činnosti spočívá v měření změny tlaku v trubce položené na vozovce. Pneumatické detektory mohou být použity k měření intenzity provozu, obsazenosti jednotlivých jízdních pruhů případně rychlosti vozidel (je nutné použít dva detektory). Průjezd vozidla způsobní tlak na použitou trubičku obsahující vzduch a dochází k zvýšení tlaku v trubičce a následnému sepnutí tlakového senzoru na konci trubičky. Problém technologie je, že nelze dobře rozpoznat stojící nebo pomalu se pohybující vozidla a nepřesné počítání náprav při vyšší intenzitě dopravy, dále citlivost na změny teploty. Tento typ senzorů se nepoužívá ve zhoršených klimatických podmínkách, jako jsou např. sníh, déšť.

Piezoelektrické senzory fungují na principu stlačení měřící sondy, které je způsobeno nápravou projíždějícího vozidla. Napětí generované senzorem je úměrné síle nebo váze (kola, případně nápravy vozidla), která působí na senzor. Elektrické napětí je vytvářeno nábojem opačné polarity, který se objeví při stlačení na protilehlých površích piezoelektrického zařízení. V porovnání s indukčními smyčkami je tento typ senzoru citlivý na instalaci, respektive zarovnání jeho polohy s vozovkou. Piezoelektrický efekt má dynamický charakter, to znamená, že elektrický náboj se generuje pouze při změně vnějších sil působících na umístěný senzor ve vozovce. Nevýhodou

- 1 CZ 33292 U1 použitého typu řešení při měření rychlosti je, že minimální měřitelná rychlost je kolem 20 km/h, proto není vhodné ho použít v oblastech, kde je pomalá doprava. Některé piezoelektrické materiály jsou také citlivé na teplotu, účinnost senzoru při nižších teplotách značně klesá.

Mikrovlnné senzory pracují na principu šíření elektromagnetických vln. Rychlost se měří pomocí Dopplerova jevu s využitím odražených radiových vln v mikrovlnném pásmu. Paprsek vysílaný parabolickou anténou se odráží od karoserie projíždějících vozidel zpět k radaru, je zachycen anténou a zesílen. Zpracováním odraženého signálu složitými elektronickými obvody je vypočtena rychlost projíždějícího vozidla. Mikrovlnné detektory lze používat jako stacionární nebo mobilní zařízení. Nevýhodou řešení je náchylnost na elektromagnetické interference, protože radarové vlny se odrážejí od kovových částí karosérie a některých terénních překážek, jako jsou například svodidla, sloupy veřejného osvětlení, železné, či betonové konstrukce.

Technologie CCTV (Closed Circuit Tele vision) je založena na digitalizaci statického obrazu, kdy průjezd vozidla změní hodnoty barev ajasu. Součástí systému je soubor jedné či více propojených videokamer a výkonný počítač pro zpracování a analýzu dat. Videodetekci lze použít pro detekci všech vozidel. Systém kamer je schopný evidovat i státní poznávací značky (SPZ) a na základě doby průjezdu vozidla měřeným úsekem a známé vzdálenosti mezi bodem vjezdu a výjezdu vypočítá rychlost vozidla. Zařízení se nedá oklamat změnou jízdního pruhu, jelikož kamery monitorují všechny jízdní pruhy a jsou vzájemně propojeny.

Technologie RFID (Rádio Frequency Identification) je technologie identifikace objektů pomocí radiofirekvenčních vln. V rámci dopravních systémů je tvořen RFID čtečkou a štítky. Štítky se dělí se na aktivní/pasivní, v případě aktivního štítku lze využít rádiový dosah až stovky metrů. Štítek je tvořen anténou a pamětí pro čtcní/uložení dat. Výhodou systému je velmi rychlé a přesné zpracování informací a okamžitý přenos načtených dat k následnému zpracování. Tento systém se využívá pro efektivní řízení dopravy, v rámci, kterého lze měřit i rychlost vozidel.

Optické senzory a aktivní infračervené senzory pracují na principu vysílání a příjmu optického paprsku (laserového nebo infračerveného) mezi dvěma referenčními body (tvořeny vysílačem a přijímačem). Dva vhodně umístěné senzory v definované vzdálenosti lze použít pro měření rychlosti vozidel. Případně lze zdroj i detektor umístit vedle sebe a detekovat odražené paprsky projíždějících vozidel. Tento typ měření rychlosti je přenositelného nebo stacionárního charakteru, od jeho využití se v praxi spíše ustupuje.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje níže popsané řešení, kterým je senzor využitelný pro detekci osobních i nákladních automobilů v dopravním provozu.

Tento senzor je založen na vláknově optické Braggovské mřížce (FBG) zapouzdřené ve standardním jedno vidovém optickém vlákně s polyamidovou ochranou a je umístěn do uhlíkové trubičky jejíž vnitřní průměr je menší než průměr vnější, o vnějším a jejíž délka je v rozmezí 1 až 4 m. Vlákno s Braggovskou mřížkou je v uhlíkové trubičce fixováno na obou koncích. Konce uhlíkové trubičky jsou rozříznuty podélně v polovině průřezu a zamezují tak prokluzu optického vlákna. Přívodní vlákno je chráněno ochranou s kevlarovou výztuží. Ochrana spojení senzoru s přívodním vláknem je řešena pomocí trubičky z nerezové oceli pro dosažení vyšší odolnosti spoje vůči mechanickému poškození. Uhlíkový materiál vnější trubičky má vysokou citlivost, odolnost vůči agresivním chemickým prostředím (beton, asfalt) a nízkou teplotní roztažnost (vliv letních a zimních teplot).

Při mechanickém působení projíždějícího vozidla na uhlíkovou trubičku s Braggovskou mřížkou umístěnou ve vozovce dochází vlivem deformací a vibracím povrchu ke změně geometrických vlastností trubičky, a tedy i vlákna s FBG. Tyto geometrické změny na Braggovské mřížce se

-2CZ 33292 U1 projevují ve změně spektra odraženého světla od FBG a tedy změnou Braggovské vlnové délky [pm], Tyto změny se vyhodnocují pomocí spektrálního analyzátoru nebo vyhodnocovací jednotky.

Mezi výhody tohoto typu senzoru patří možnost využití propojení senzoru a vyhodnocovací jednotky pomocí stávajících telekomunikačních sítí. Vyhodnocovací jednotka může být umístěna od senzoru ve velké vzdálenosti. Senzor lze použít buď samostatně nebo mohou být senzory propojeny do senzorické sítě. Měření senzorem může být pro různé účely od detekce vozidel a počítání jejich náprav, při použití jednoho senzoru. Nebo pomocí dvou senzorů v pevně definované vzdálenosti určit směr jízdy, detekovat uvíznutí automobilu v nebezpečných místech a měřit rychlost. Při třech a více senzorech je možno monitorovat vozidla v několika různých místech.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je znázorněn senzor v řezu. Obr. 2 představuje axonometrický pohled na celý senzor. Příklad záznamu detekovaných průjezdů vozidel senzorem je znázorněn na obr. 3.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Pro účely počítání náprav vozidel je ve vozovce vyfrézována drážka o šířce 1 cm, hloubce 1 cm a délce 4 metry s šachtou pro odvod přívodního optického kabelu. Do tohoto otvoru je vloženo senzorické zařízení, které se skládá z uhlíkové trubičky 1_ o vnějším průměru 1,5 mm a vnitřním průměru 0,6 mm, jejíž délka je 4 metry. Uvnitř trubičky 1 je fixováno jednovidové vlákno s Braggovskou mřížkou 2, které představují senzorovou část senzorického zařízení. Fixace je provedena rozříznutím konců uhlíkové trubičky 1_. Přívodní vlákno 3 k senzoru je chráněno výztuží, v tomto případě z ke vlaní, s minimálním poloměrem 2 mm. Ochrana 5 propojení senzoru a přívodního vlákna 3 je realizována trubičkou z odolného materiálu, v tomto případě nerezové oceli, o průměru 3 mm a délce 50 mm. Na jedné straně je přívodní vlákno 3 zakončeno konektorem 4 pro připojení k vyhodnocovací jednotce. Připravená drážka se zařízením je následně zalita asfaltem. Měření probíhá 14 hodin, během kterých je zaznamenáno 147 vozidel. Výsledky měření jsou zaznamenány na obr. 3. Jako referenční systém, byl využit kamerový systém, který rovněž detekoval 147 vozidel.

Příklad 2

Příklad 2 se od příkladu 1 odlišuje tím, že jsou užita dvě senzorická zařízení, která byla umístěna v nebezpečném úseku vozovky a monitorují rychlost průjezdu. Monitorovány jsou časové rozdíly odezvy obou zařízení umístěných v předem známé vzdálenosti ve vozovce při průjezdu automobilu. Signály z obou zařízení jsou rozlišeny metodou vlnového multiplexu. Každý senzor moduluje světlo o jiné vlnové délce.

Příklad 3

Příklad 3 se od předchozích příkladů odlišuje tím, že jsou užita 3 zařízení pro monitorování více úseků najednou.

Průmyslová využitelnost

Zařízení je využitelné v dopravě, zejména v dopravě silniční.