DD287772A5 - Verfahren zur zusstandsermittlung von verkehrsflaechen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsermittlung von Verkehrsflaechen, insbesondere zur Erkennung und Registrierung schadhafter Stellen auf Flugbetriebsflaechen, Autobahnen, Straszen u. a. Mit dem Verfahren werden beruehrungslos Schaeden wie beispielsweise Risse, Abplatzungen, Loecher erfaszt und registriert. Dazu werden mit einem entlang von Profilen ueber die Verkehrsflaechen gefuehrten Einzelsensor oder System von Sensoren deren Oberflaechentemperatur festgestellt und ueber die Registrierung von Temperaturanomalien Schaeden erkannt. Die fuer den Spektralbereich von etwa 8 bis 15 mm sensibilisierten infrarotempfindlichen Sensoren erfassen dazu die von der Verkehrsflaeche ausgehende elektromagnetische Eigenstrahlung. Auf systemeigene Strahlungsquellen wird verzichtet. Die Anwendung des Verfahrens erfolgt bevorzugt nachts. Durch Anordnung von Einzelsensoren in Form seiner Sensorzeile wird eine lueckenlose, flaechenhafte Erfassung der Verkehrsflaechen moeglich. Die Einbeziehung eines Referenzsensors gestattet die Registrierung von Schwellenwerten der Oberflaechentemperatur und damit eine Reduzierung der anfallenden Datenmenge. Einzelsensor oder Sensorsystem werden gemaesz Fig. 5 an einem Fahrzeug, in dem sich auch die Registriereinrichtung befindet, befestigt und in minimalem Abstand ueber die Verkehrsflaechen gefuehrt.{Verkehrsflaeche; Zustandsermittlung, beruehrungslos; Riss; Abplatzung; Oberflaechentemperatur; Eigenstrahlung, infrarot; Sensor; Sensorsystem; Temperaturanomalie}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsermittlung von Verkehrsflächen, insbesondere zur Erkennung und Registrierung schadhafter Stellen auf Flugbetriebsflächen, Autobahnen, Straßen u. a.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der Bewertung des Zustandcs von Verkehrsflächen ist die Begehung und visuelle Begutachtung trotz hohen zeitlichen Aufwandes, subjektiv belasteter Ergebnisse und des Erhalts grober Daten ein weit verbreitetes Verfahren. Dabei werden unter Verwundung einfacher einfacher Meßgeräte Oberflächenzustände registriert, die den Fahrzeuglauf beeinflussen oder optisch als Schäden erkennbar sind (Straße und Autobahn, Bonn 40[1989]3, S.79-91). Auf diese Weise gewonnene Daten dienen der Grobuinschätzung des Zustandes von Verkehrsflächen. Sie sind aber als Grundlage für Rekonstruktionsarbeiten unzureichend. Ebenfalls relativ grobe Daten liefern Verfahren der mechanischen Abtastung mittels Tastrollen (PS-DD 267.557, OS-DE 3421253, OS-DE 3026003). Gegenüber der visuell-sensitiven Zustandsermittlung liegen die Vorteile dieser Verfahren in einer verbesserten Aussagequalität auf der Grundlage einer höheren Datendichte bei verringertem Einfluß des subjektiven Faktors sowie in der Senkung des personellen und zeitlichen Aufwandes. Tastroller bzw. -räder werden von Fahrzeugen über die Verkehrsflächen gezogen. Auch bei Verwendung kleiner Abtastrollen bleibt die Genauigkeit der Daten begrenzt, da Abtastroller nicht in der Lage sind, schmale Schadstellen wie z. B. Risse eindeutig zu erfassen. Infolge ihrer Trägheit gewährleisten sie darüber hinaus keinen ständigen Kontakt mit der Verkehrsfläche und unterliegen einer Rollradienverringerung durch Abrieb. Die Summe dieser Störeinflüsse wirkt sich selbst bei Einsatz von Computertechnik nachteilig auf die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse aus. Neuere Verfahren versuchen diese Nachteile durch eine berührungslose Abtastung der Verkehrsflächen auszugleichen. Diese Verfahren nutzen Radar-, Laser-, Infrarot- oder normale Lichtstrahlung, die von künstlichen Strahlungsquellen auf die Verkehrsfläche ausgesendet und deren Rückstrahlung von einer Empfangs-, Registrier- und Auswerteeinheit erfaßt und verarbeitet v/erden. Über die Messung der Signalveränderungen oder Wegezeiten zwischen Signalabgabe, Reflaxion und Empfa g erfolgt die Feststellung der Distanz zur Verkehrsfläche, die bei Unebenheiten oder Schäden variieit.

Eine berührungslose Abtastung von Fahrbahnoberflächen mit sogenannten Meßaufnehmern bzw. elektronenoptischen Abtastern sieht die OS-DE 3643470.1 (Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des geometrischen Profiles von Fahrbahnoberflächen) vor. Das Verfahren arbeitet gleichzeitig mit sogenannten Höhensensoren und einem Längssensor, wobei die Höhensensoren das geometrische Profil der Fahrbahn bzw. Fahrbahnunebenheiten erfassen und der Längssensor der präzisen Ermittlung der Meßgeschwindigkeit bzw. Meßstrecke dient. Eine andere Variante des Verfahrens arbeitet mit Sender und Empfänger für Infrarotstrahlung, wobei über trigonometrischen Beziehungen ein Zusammenhang zwischen Fahrbahnunebenheiten und Signalauslenkungen hergestellt wird. Der Vorteil des Verfahrens besteht in der berührungslosen Erfassung von Fahrbahnoberflächen bei hoher Meßgeschwindigkeit. Seine Nachteile sind der relativ hohe technische Aufwand durch Sender und Empfänger und fehlende Lösung für eine Reduzierung der Daten, die bei größeren Meßflächen in beträchtlichem Umfange entstehen.

Andere bekannte berührungslose Verfahren arbeiten mit Rückstrahlungsmessungen bei künstlicher Beleuchtung der Fahrbahnen (US-SU 1.073.360), mit optischen Distanzsensoren (PS-US 4.781.465) oder mit Messungen der Ablenkung von Laserstrahlen (PS-US 4.673.316). Sie zielen in erster Linie auf die Erfassung der Morphologie von Fahrbahnoberflächen. Radarverfahren (Baugewerbe, Köln, 68[1988]10, S. 24-25) gewährleisten zwar eine Eindringtiefe bis zu 1 Meter unter die Oberfläche der Fahrbahnen, besitzen aber nur eine sehr grobe Auflösung in horizontaler Richtung. Eine hohe Detailerkennbarkeit wird durch Foto- und Videoverfahren erreicht (A New View of the Road, Highway and Public Works, London 53(1985), S. 1857). Für größere Untersuchungsflächen sind die bei diesen Verfahren anfallenden enormen Datenmengen jedoch kaum beherrschbar.

Die bekannten Verfahren beinhalten gegenwärtig keine Lösungen zur Erfassung sehr kleiner Schäden bei relativ hoher Meßfjeschwindigkeit und vertretbaren Datenmengen.

Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit einem entlang von Profilen über eine Verkehrsfläche geführten Sensorsystem die Oberflächentemperatur festzustellen und über die Registrierung von Temperaturanomalien und abgeleiteter Größen schadhafte Stellen zu erkennen. Das Verfahren ermöglicht die Erkennung kleinster Schaden wie Risse, Löcher, Abplatzungen u.ä„ die mit anderen Abtastverfahren nicht mehr erfaßbar sind, bei relativ hoher Meßgeschwindigkeit und Reduzierung der anfallenden Daten. Durch Ausnutzung der Eigenstrahlung der Verkehrsflächen wird die technische Lösung im Vergleich zu anderen

berührungslosen Verfahren wesentlich einfacher, kostengünstiger und störungsunanfälliger realisierbar.

Darüber hinaus sind Kombinationen mit anderen Abtastverfahren zur glaichzeitigen Erfassung größerer Fahrbahnunebenheiten

zulässig und zweckmäßig.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zur Erkennung und Registrieruno von schadhaften Stellen auf Verkehrsflächen zu finden, das eine schnelle und sichere Ermittlung des Zustandes der Verkehrsflächen ermöglicht. Im Lösungsnnsatz wird davon ausgegangen, daß die Eigenstrahlung oder Strahlungsemission einer Verkehrsfläche durch deren Oborflächentamperatur bestimmt wird. Dabei besitzen Objekte mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften

unterschiedliche Strahlungstemperaturen, die für die berührungslose Untersuchung dieser Objekte genutzt werden können.

Unterschiedliche thermische Eigenschaften sind hauptsächlich mit Änderungen ihrer substantiellen Zusammensetzungen und

strukturellen Oberflächenmerkmale verbunden. Da im Falle von Verkehrsflächen die Verwendung eines einheitlichen Materials

vorausgesetzt werden kann, sindÄnderungen der Strahlungstemperatur im wesentlichen an Schäden wie Risse, Abplatzungen

Löcher u.a. gebunden. Am Tage folgen die Temperaturänderungen der Verkehrsfläche und der Wärmeaustausch mit der Luft den Änderungen der Sonneneinstrahlung. Nach Sonnenuntergang Ist der Wärmefluß innerhalb der Vorkehrsfläche aufwärts gerichtet und variiert nur

noch mit den Änderungen ihres Zustandes.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mit einem Einzelsensor oder speziellen Gruppierungen von Sensoren,

die entlang von Profilen über die Verkehrsflächen geführt werden, deren Oberflächentemperatur festgestellt wird und Schäden,die sich von der ungestörten Umgebung durch anormale Wärmeemission unterscheiden, erkannt und registriert werden.

Zur Ausschaltung der störenden Einflüsse der Sonnenstrahlung erfolgt die Feststellung der Oberflächentemperaturen bevorzugt

nachts. Dazu werden die Sensoren oder Sensorgruppon an einem Fahrzeug angebracht und mit einer Geschwindigkeit von 15bis 20 km/h in minimalem Abstand von der Verkehrsfläche über diese geführt. Die Aufzeichnung der Oberflächentemperaturen

erfolgt auf Magnetband, Festspeicher oder ähnlichem. Zur Feststellung von Änderungen der Oberflächentemperaturen überkleinsten Schäden ist der Blickwinkel der Sensoren unter Verwendung einer Vorsatzoptik auf mindestens 5° wir 10° zu begrenzen.

Während ein Einzelsensor zur Lokalisierung größerer schadhafter Stellen ausreichend ist, können kleinere Schäden nur über die

annähernd flächenhafte Feststellung der Oberflächentemperatur mit Sensorgruppierungen erkannt werden. Rei den in Formeiner Zeile gruppierten Sensoren ist eine einseitige Vergrößerung des senkrecht zur Profilrichtung wirkenden Blickwinkelszweckmäßig.

Zur Reduzierung der anfallenden Datenmenge bietet sich die Registrierung von Schwellenwerten der Temperaturänderungen

an. Die dazu notwendige Vergleichstemperatur wird mit einem Referenzsensor, dessen Blickfeld 0,5m und größer beträgt,ermittelt. Als Sensoren werden Infrarot-Detektoren für den Spektralbereich von ca. 8 bis 15μσι verwendet.

Für die Gewährleistung einer hohen Empfindlichkeit des Verfahrens Ist eine Meßgenauigkeit von 0,01⁰C und besser notwendig.

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Ausfuhrungsbelspiele Die Erfindung wird an ausgewählten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Abbildungen zeigen Fig. 1: Einzelsensor zur Feststellung der Oberflächentemperatur von Verkehrsflächen. Flg. 2: Verlauf der mit einem Einzelsensor festgestellten Änderung der Oberflächentemperatur über einem Riß in der

Betondecke der Start- und Landebahn eines Flugplatzes

Fig. 3: Schematische Darstellung der möglichen Anordnung von Einzelsensoren in Form einer Sensorzeile zur flächenhaften

Feststellung der Oberflächentemperatur von Verkehrsflächen

Fig.4: Schematische Darstellung der mit einer Sensorzeile festgestellten Temperaturänderungen über der Betondecke einer

,Verkehrsfläche mit Indikationen eines Risses, einer Abplatzung und einer mit Teer vergossenen Fuge. Fig. 5: Variante der Anordnung von Einzelsensor und Referenzsensor zur Feststellung der Oberflächentemperatur von

Verkehrsflächen und Reduzierung der anfallenden Datenmenge

Fig. 6: Schematische Darstellung der nach Temperaturfeststellung mit Sensorzeile und Referenzsensor registrierten

Schwellenwerte der Oberflächentemperatur einer Abplatzung, eines Risses und von Fugen in der Betondecke einer Verkehrsfläche. Vorwiegend zur Erkennung längerer Risse an der Oberfläche von Verkehrsflächen erfolgt die Feststellung der Oberflächentemperatur mit einem Einzelsensor. Eine Variante der Anordnung eines Einzelsensors 3, bestehend aus einem IR-Detektor 4 und einer Vorsatzoptik 5, zeigt Fig. 1. Der Sensor wird über eine starre Halterung 10 am Fahrzeug 9 befestigt und in Profllrichtung 11 über die Verkehrsfläche 1, die im Ausführungsbeispiel einen Riß 2 besitzt, bewegt. Das vom Detektor kommende Signal wird über eine Kabelverbindung 6 einer Verstärkungs-, Registrier-, Speicher- und Wiedergabeelektronik zugeleitet, die sich im Fahrzeug 9 befindet und nicht dargestellt ist. Zur Gewährleistung der Erkennbarkeit engster Risse bzw. eines minimalen Blickfeldes 8 ist die Vorsatzoptik 5 mit einem

öffnungswinkel 7 von etwa 5° bis 10° auszustatten und der Sensor im geringsten möglichen Abstand über die Verkehrfläche 1 zubewegen.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Feststellung der Temperaturanomalie 12 über einem Riß 2 in der Betondecke einer Start- und Landebahn, dessen Breite an der Oberfläche etwa 50% des Blickfeldes 8 des Einzelsensors 3 ausmacht. Die Messung erfolgte Mitte Mai, nachts um 00.15 Uhr. Mit einer Abweichung um rund 0,35° von der Oberflächentemperatur der unbeschädigten Start-

und Landebahn ist das Vorhandensein und die Position des Risses eindeutig und reproduzierbar feststellbar.

Zurdetallierten flächenhaften Feststellung der Oberflächentemperatur einer Verkehrsfläche 1 werden mehrere Einzelsensoren 3

in Form der in Fig.3 dargestellten Sensorzeile auf einer Schiene 13 befestigt und quer zur Profilrichtung 11 über die

Verkehrsfläche 1 geführt. Zur Erfassung von Temperaturanomalien kleinerer Schadsteilen ist der Abstand zwischen den Einzelsensoren 3 gering zu halten oder durch einseitige Vergrößerung des Öffnungswinkels 7 senkrecht zur Profllrichtung 11

eine lückenlose oder annähernd lückenlose Aneinanderreihung der Blickfelder 8 aller Einzelsensoren 3 zu gewährleisten. Die

Signale von jedem der Einzelsensoren 3 werden über Kabelverbindungen 6 einer mehrkanaligen Verstärkungs-, Registrier-, Speicher- und Wiedergabeelektronik zugeleitet, die sich im Fahrzeug 9 befindet. Fig.4 zeigt einen Ausschnitt aus einer mehrkanaligen Registrierung der mit mehreren zu einer Sensorzeile zusammengefaßton Einzelsensoren 3 ermittelten Temperaturanomalien an der Oberfläche einer Start- und Landebahn aus Beton. Die Registrierung

zeigt die Temperaturanomalien einer über die gesamte Breite der Betonplatte verlaufenden, mit Bitumen ausgegossenen

Fuge 14, eines gleichfalls über die gesamte Betonplatte verlaufenden Risses 16 und einer etwa kreisförmigen Abplatzung 15. Insbesondere bei der Feststellung der Oberflächentemperaturen mit den in Form einer Zeile angeordneten Einzelsensoren

(vergl. Fig. 3 und Fig. 4) entsteht eine beträchtliche Menge an Daten, für deren Regisuierung ein hoher Aufwand von

Speicherplätzen oder herkömmlicher Datenträger wie Registrierpapier o. ä. benötigt wird. Im Beispiel gemäß Fig. 5 erfolgt eine Reduzierung der anfallenden Datenmenge, indem zusätzlich zu der in Fig. 3 skizzierten Anordnung der Sensoren ein Referenzsensor 18 am Fahrzeug 9 mit einem Ausleger 20 angebracht wird. Der Öffnungswinkel der Vorsatzoptik 5 und die Entfernung des Referenzsensors 18 von der Verkehrsfläche 1 sind so festzulegen, daß das Blickfeld 19 des Referenzsensors 18 etwa 0,5m oder größer beträgt. Dadurch ist gewährleistet, daß mit dem Referenzsensor 18 die Durchschnittstemperatur an der Oberfläche der Verkehrsfläche 1 festgestellt wird. Über die Kabelverbindung 17 wird das Signal

des Referenzsensors 18 parallel zu den Signalen der als Zeile angeordneten Einzelsensoren 3 der mehrkanaligen Verstärkungs-,

Registrier-, Speicher- und Wiedergabeelektronik zugeleitet. Auf elektronischem Wege, unter Verwendung bekannter Schaltungsterhniken, werden die Signale der Einzelsensoren 3 mit denen des Referenzsensors 18 verglichen und es erfolgt nur

dann eine Registrierung der Signale der Einzelsensoren 3, wenn sich diese im Rahmen einer vorgebbaren Toleranz von denendes Referenzsensors 18 unterscheiden. Damit wird erreicht, daß bei Bewegung des Fahrzeuges 9 über eine homogeneunbeschädigte Verkehrsfläche bis auf die von den Temperaturanomalien der Fugen ausgehenden Signale keine Registrierungerfolgt bzw. kein Speicherplatz blockiert wird.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die Feststellung und Registrierung von Anomalien der Oborflächentemperatur einer Start- und Landebahn gemäß der Meßanordnung von Fig. 5. Es sind Temperaturanomalien der mit Bitumen ausgegossenen Fugen 14,

einer Abplatzung 15 von ca. 10cm Durchmesser und 1,5cm Tiefe sowie eines schräg über die Betonplatte verlaufenden Risses 16abgebildet. Fig. 6 zeigt, daß bei unbeschädigten Betonplatten die von den Fugen 14 ausgehenden Signale unmittelbaraneinandergereiht registriert werden. Die Registrierung zwischen den Fugen setzt nur dann ein, wenn Einzelsensoren der

Sensorzeile eine schadhafte Stelle überfahren. Da die Länge der einzelnen Betonplatten eine definierte Größe ist, ist durch Auszählen der Fugen-Indikationen die exakte Position

der schadhaften Stellen feststellbar.

Zur Abschätzung des Ausmaßes der Schäden nach Intensitäten und Halbwertsbreiten der Temperaturanomalien empfiehlt sich

die Anfertigung von Schablonen oder Mustei kurven, die auf der Grundlage von Eichungen an definierten Schaden hergestelltwerden.

Bei Verwendung digitaler Speicher- und Bearbeitungstechniken kann der Vergleich mit den Musterkurven auch im Rechner

erfolgen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Zustandsermittlung von Verkehrsflächen, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine berührungslose Feststellung der Oberflächentemperatur der Verkehrsflächen schadhafte Stellen, die sich von der unbeschädigten Umgebung durch veränderte Temperaturen unterscheiden, erkannt und registriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Oberflächentemperatur mit einem entlang von Profilen über die Verkehrsflächen geführten Sensor erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Oberflächentemperatur mit einer entlang von Profilen über die Verkehrsflächen geführten und quer zur Bewegungsrichtung angeordneten Sensorzelle erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Oberflächentemperatur mit einem entlang von Profilen über die Verkehrsflächen geführten Sensor erfolgt, daß mit einem weiteren Sensor (Referenzsensor) die Oberflächentemperatur eines größeren Abschnittes der Verkehrsflächen festgestellt wird und daß nach dem Vergleich der mit beid< in Sensoren festgestellten Oberflächentemperaturen zur Reduzierung der anfallenden Dateimenge nur an den Stellen der Verkehrsflächen eine Registrierung erfolgt, an denen die Oberflächentemperatur von der mit dem Referenzsensor ermittelten Durchschnittstemperatur abweicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Oberflächentemperatur mit einer entlang von Profilen über die Verkehrsflächen geführten und quer zur Bewegungsrichtung angeordneten Sensorzeile erfolgt, daß mit einem Referenzsensor die Oberflächentemperatur eines größeren Abschnittes der Verkehrflächen festgestellt wird und daß nach dem Vergleich der mit beiden Sensoren festgestellten Oberflächentemperaturen zur Reduzierung deranfallenden Datenmenge nuran den Stellen der Vorkehrflächen eine Registrierung erfolgt, an denen die Oberflächentemperatur von der mit dem Referenzsensor ermittelten Durchschnittstemperatur abweicht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundlage einer Eichung an definierten Schadstellen aus der Intensität und der Halbwertsbreite der festgestellten Temperaturanomalien das Ausmaß der bestehenden Schäden abgeschätzt wird.