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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen von Verkehrsinformationen
mit mindestens einem an einer Fahrbahn positionierten Fahrzeugsensor
zum Detektieren eines Fahrzeuges längs der Fahrbahn.
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Derartige
Vorrichtungen stellen die Grundlage moderner Verkehrstelematiksysteme
dar, in welchen die erfassten Verkehrsinformationen mit Hilfe verkehrstechnischer
Modelle und Verfahren aufbereitet bzw. veredelt und mittels moderner
Verkehrsmanagementsysteme zum Steuern, Regeln und Leiten des Verkehrsflusses
innerhalb eines Verkehrswegenetzes über Verkehrsbeeinflussungselemente
verwendet zu werden. Zur Erfassung von Verkehrsdaten ist es bekannt,
in die Fahrbahn eingelassene Induktionsschleifen sowie am Fahrbahnrand
aufgestellte oder über
der Fahrbahn an Brückenbauwerken
hängende
Radardetektoren, Infrarotsensoren und Videokameras zu verwenden.
Die Vorrichtungen selbst sowie deren Aufbau und Anschluss an ein
Energieversorgungs- und Kommunikationsnetz ist mit einem erheblichen
Kostenaufwand verbunden. Daneben werden Verkehrsdaten, wie die Verkehrsstärke oder
die mittlere Geschwindigkeit, nur an lokalen Messquerschnitten erfasst,
so dass die Datenverfügbarkeit
auf die diskreten Aufstellungsorte solcher Vorrichtungen beschränkt ist.
Je lückenloser
die gewünschte
Verkehrsinformation sein soll, desto teurer ist die dafür notwendige
Infrastruktur zur Verkehrsdatenerfassung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum
Erfassen von Verkehrsinformationen der eingangs genannten Art bereitzustellen,
die auf kostengünstige
Weise eine Verkehrsdatenerfassung mit möglichst hoher Informationsdichte
erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst, indem
der Fahrzeugsensor einer gattungsgemäßen Vorrichtung ein elastisch
komprimierbares Piezo-Element aufweist, welches derart in die Fahrbahndecke eingebettet
angeordnet ist, dass durch ein das Piezo-Element überfahrendes
Fahrzeug eine Druckbeaufschlagung des Piezo-Elementes erzielbar
ist. Die Erfindung nutzt einerseits die Erkenntnis aus, dass sich
die Bitumendecke von Fahrbahnen bei darüberfahrenden Fahrzeugen im
Bereich von Bruchteilen eines Millimeters komprimiert und sich selbsttätig wieder
ausdehnt. Andererseits bringen die Werkstoffwissenschaften inzwischen
Materialien hervor, die bereits bei geringer Kompression bzw. Druckbeaufschlagung
nach dem bekannten piezo-elektrischen Effekt eine elektrische Spannung
erzeugen, deren Größe mit dem
beaufschlagten Druck korreliert. Im einfachsten Fall kann das Piezo-Element
in die Fahrbahndecke eingebettet angeordnet werden, so dass bei
jedem Überfahren
durch ein Fahrzeug ein Spannungsimpuls erzeugt wird. Hierdurch wird
eine autarke Energieversorgung für
einen erfindungsgemäßen Fahrzeugsensor
bereitgestellt, dessen weitere Komponenten mit dem Piezo-Element
verbunden am Fahrbahnrand angeordnet sein können. Alternativ oder gleichzeitig
kann ein Fahrzeug-bedingter Spannungsimpuls des Piezo-Elementes
bereits als Sensorsignal in Form eines einfachen Zählwertes
genutzt und als Verkehrsdaten weiterverarbeitet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht das Piezo-Element im Wesentlichen aus einem Polymerwerkstoff,
an dem eine elektrische Spannung aufgrund der Druckbeaufschlagung
des Polymerwerkstoffes abgreifbar ist. Polymerwerkstoffe können besonders
kostengünstig
in Streifen- oder Blockform zu besonders kleinen Piezo-Elementen
mit ausreichender Oberfläche
für eine
Druckbeaufschlagung verarbeitet werden. Solche Polymerwerkstoffe
sind inzwischen aus dem Stand der Technik bekannt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist der Fahrzeugsensor eine elektronische Ver arbeitungseinheit
auf, die zum Auswerten, Speichern und Verwalten von vom Piezo-Element
aufgenommenen Sensorsignalen und daraus gewonnenen Verkehrsdaten
ausgebildet ist. Die Verarbeitungseinheit kann als Elektronik-Baustein,
beispielsweise als Chip, ausgebildet sein, der über das Piezo-Element bzw. über einen
durch dieses gespeisten Energiespeicher mit Strom versorgt wird
und der einen Datenspeicher aufweist, in welchem die aus Sensorsignalen
gewonnenen Verkehrsdaten abgelegt und bereitgehalten werden. Als Sensorsignale
kommen die Spannungsimpulse des Piezo-Elementes selbst in Betracht
oder auch andere Signale, die beispielsweise mit einer Fahrbahnerschütterung
aufgrund eines vorbeifahrenden Fahrzeugs einhergehen. Die Verarbeitungseinheit
umfasst zum Ausführen
ihrer Funktionen auch einen Programmspeicher sowie eine Vorrichtung
zum Ausführen
von Programmen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist der Fahrzeugsensor eine Sende- und Empfangseinheit auf, mittels
der Verkehrsdaten kommunizierbar sind. Über diese Einheit können die
gewonnenen Verkehrsdaten des Fahrzeugsensors von extern abgerufen
und dorthin übermittelt
werden. Dies kann je nach Verwendungszweck drahtgebunden oder per
Funk erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die Verarbeitungseinheit und die Sende- und Empfangseinheit
mit dem Piezo-Element des Fahrzeugsensors gekoppelt in die Fahrbahndecke
eingebettet angeordnet. Bei dieser Ausführungsform besteht die Möglichkeit
den Fahrzeugsensor als integrierte Baueinheit in die Fahrbahndecke
einzulassen. Es kann also auf eine Anordnung von Komponenten des
Fahrzeugsensors seitlich der Fahrbahn sowie auf die hierfür notwendige
Verkabelung verzichtet werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind eine
Vielzahl von längs
der Fahrbahnen eines Verkehrswegenetzes verteilt angeordneten Fahrzeugsensoren
zu einem Kom munikationsnetz miteinander verbunden. Je nach Anordnungsdichte
wird hierdurch eine mehr oder weniger flächendeckende Verkehrsdatenerfassung
bzw. ein Verkehrsdatenaustausch zwischen den einzelnen Fahrzeugsensoren
ermöglicht.
Die Kommunikation erfolgt dabei entweder drahtlos über Sende-
und Empfangseinheiten oder auch drahtgebunden über eine Verkabelung. Denkbar
ist auch eine Kombination dieser beiden Übertragungswege.
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Vorzugsweise
ist das Kommunikationsnetz von Fahrzeugsensoren als selbstorganisierendes Ad-hoc-Netz
ausgebildet. Rd-hoc-Netze
sind drahtlose peer-to-peer Kommunikationsnetze ohne existierende
Infrastruktur, wo jeder mobile Knoten die Übermittlungsfunktion übernehmen
kann. Ein Ad-hoc-Netz konfiguriert sich selbst und ist adaptiv – d.h. intelligent – organisiert.
In dem Ad-hoc-Netz erkennen die Fahrzeugsensoren selbsttätig ihre
Position sowie ihren nächsten
Nachbarn. Netzdefekte können
durch Kombination von drahtloser und drahtgebundener Kommunikation überbrückt werden,
ein Ausfall einzelner Sensoren ist kompensierbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist das Kommunikationsnetz eine Schnittstelle auf, über die
Verkehrsdaten gezielt zu auswählbaren
Verkehrsbereichen abrufbar sind. Aufgrund der bekannten Adressierung
der Fahrzeugssensoren innerhalb des Kommunikationsnetzes ist ein
Ansprechen eines bestimmten Verkehrsbereichs von einer festen Schnittstelle
aus möglich.
Die für
dieses Abrufen erforderliche Energie kann durch die Energiespeicher,
die von den Piezo-Elementen aufgeladen werden, bezogen werden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind gewonnene Verkehrsdaten von Fahrzeugsensoren
an fahrzeugseitige Kommunikations- und Anzeigeeinheiten übertragbar.
Dies ermöglicht
Fahrzeugen, die eine entsprechende On-Board-Einheit mitführen, mit dem Kommunikationsnetz
in Verbindung zu treten. Beispielsweise kann das Kommunikationsnetz über seine
Fahrzeugsensoren die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs ermitteln,
diese Information an das Fahrzeug senden und über die On-Board-Einheit angezeigt
werden.
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Schließlich ist
es vorteilhaft, die Fahrzeugsensoren derart auszubilden, dass sie über eine Beimengung
in das auf die Fahrbahndecke aufgebrachte Material verteilbar sind.
Sind die Fahrzeugsensoren klein und kompakt, so können sie
gut in einer Gießmasse,
die als Deckschicht auf die Fahrbahn aufgetragen wird, gut verteilt
werden, was eine einfache Ausbringung erfindungsgemäßer Fahrzeugsensoren
gestattet. Dabei ist die Flächendichte der
Fahrzeugsensoren auf der Fahrbahn über die Anzahl der Fahrzeugsensoren
pro Materialvolumeneinheit einstellbar.
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Ausführungsformen
sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnungen näher
erläutert,
in deren
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1 die
Wirkungsweise eines Piezo-Elements eines erfindungsgemäßen Fahrzeugsensors,
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2 der
erfindungsgemäße Fahrzeugsensor
mit seinen Funktionskomponenten,
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Kommunikationsnetzes aus erfindungsgemäßen Fahrzeugsensoren, und
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Kommunikationsnetzes aus erfindungsgemäßen Fahrzeugsensoren,
schematisch
veranschaulicht ist.
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Das
Herzstück
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Erfassen von Verkehrsinformationen ist der Einsatz eines Piezo-Elementes 31 in
einem in 2 in seiner Gesamtheit dargestellten Fahrzeugsensor 30.
Gemäß 1 ist
das Piezo-Element 31, welches aus einem Polymerwerkstoff
in Streifen- oder Blockform verarbeitet ist, in die Fahrbahndecke 13 einer
Fahrbahn 12 eingebettet, längs der Verkehrsdaten erfasst
werden sollen. Die aus einer Bitumenschicht aufgebaute Fahrbahndecke 13 wird
bei einem darüberfahrenden
Fahrzeug 20, von dem lediglich ein Abschnitt eines Rades
im Bereich seines Aufstandspunktes auf der Fahrbahn 12 darstellt
ist, erschüttert
bzw. im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters komprimiert. Diese
Komprimierung K der Fahrbahndecke 13 dehnt sich jedoch
selbstständig wieder
aus, sobald die Belastung des Rades 20 nicht mehr wirkt.
Die komprimierte Fahrbahndecke 13 übt auf die Oberfläche 32 des
Piezo-Elementes 31 einen Druck P aus, aufgrund dessen am
Piezo-Element 31 eine elektrische Spannung U abgegriffen
werden kann. Polymere, die einen piezo-elektrischen Effekt selbst
bei geringen Druckbeaufschlagungen P zeigen, sind an sich bekannt.
Ein derartiges Piezo-Element 31 kann als Energiequelle
für einen
kleinen Sensor verwendet werden, der eingelassen in die Fahrbahndecke 13 autonom
Verkehrsbewegungen und Verkehrsdaten aufzeichnen kann. Das Piezo-Element 31 kann
aber auch schon selbst als Fahrzeugsensor dienen, wobei als Sensorsignale
die Spannungsimpulse aus dem piezoelektrischen Effekt genutzt werden.
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Ein
Fahrzeugsensor 30 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen
von Verkehrsinformationen weist gemäß 2 neben
dem eben beschriebenen Piezo-Element 31, welches als Energiequelle
dient und einen Energiespeicher 35 speist, eine elektronische
Verarbeitungseinheit 33 in Form eines Chips mit integriertem
Schaltkreis auf. In der elektronischen Verarbeitungseinheit 33 werden
die aufgenommenen Sensorsignale SS ausgewertet, um daraus – gegebenenfalls
in Kommunikation mit weiteren Fahrzeugsensoren 30 von im
Wesentlichen gleicher Bauart – Verkehrsdaten
VD zu gewinnen. Die Verkehrsdaten VD werden in einem Datenspeicher 34 abgelegt – gegebenenfalls
gemeinsam mit der Erfassungszeit –, wo sie für einen Austausch mit benachbarten
Fahrzeugsensoren oder einer externen Schnittstelle (vgl. 3)
bereitgehalten werden. Zur Verwaltung der Verkehrsdaten VD weist
die Verarbeitungseinheit 33 auch einen nicht dargestellten Programmspeicher
auf, auf dem ein Programm gespeichert sein kann, welches zum Ausführen der Auswertungs-,
Speicher und Verwaltungsvorgänge auf
einem ebenfalls nicht darstellten Mikroprozessor ablaufen kann,
zu den erwähnten
Kommunikationszwecken ist entweder ein Datenkabel oder, wie im in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel,
eine Sende- und Empfangseinheit 36 vorgesehen. Damit ausgestattet
können
die Fahrzeugsensoren 30 untereinander Kontakt aufnehmen,
solange die Ausbringungsdichte hoch genug und der Abstand nicht
zu groß gewählt wird.
Der vollständige
Fahrzeugsensor 30 ist vorzugsweise als integrales aber
autarkes Bauteil in die Fahrbahndecke 13 einer Fahrbahn 12 eingebettet.
Besonders einfach ist die Ausbringung von Fahrzeugsensoren 30,
wenn diese kompakt und klein ausgebildet und der Materialmasse beigemengt werden,
die als Fahrbahndecke 13 auf einer Fahrbahn 12 aufgebracht
wird.
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Erfindungsgemäß sind nach 3 eine
Vielzahl von erfindungsgemäßen Fahrzeugsensoren 30 entlang
von Fahrbahnen 12 eines Verkehrswegenetzes 10 verteilt
angeordnet und zu einem Kommunikationsnetz 40 miteinander
verbunden. die Kommunikationsverbindung findet beispielsweise über die
in 2 dargestellten Sende- und Empfangseinrichtungen 36 der
Fahrzeugsensoren 30 statt. Die Struktur dieses Kommunikationsnetzes 40 kann
sich dynamisch selbst organisieren und stellt daher ein Ad-hoc-Netz
dar, dessen Elemente – nämlich die Fahrzeugsensoren 30 – von einer
festen Schnittstelle 41 aus angesprochen werden können. Über eine
individuelle Adressierung der einzelnen Fahrzeugsensoren 30 des
Kommunikationsnetzes 40 können daher Verkehrsinformationen
gezielt – etwa
des mit Strichpunktlinien eingegrenzten Verkehrsbereiches 11 – abgefragt
werden. Da in Ad-hoc-Netzen mobile Knoten die Vermittlungsfunktion übernehmen
können,
sind diese nicht anfällig
bei lokalen Defekten, wie Sensorausfällen, die sich leicht reparieren
lassen. Zwischen den Fahrzeugsensoren 30 ist auch eine Kombination
von drahtloser und drahtgebundener Kommunikation denkbar. Die Schnittstelle 41 weist
ebenfalls eine Sende- und Empfangseinheit sowie einen Personalcomputer
auf, über
den Verkehrsstärken,
mittlere Geschwindigkeiten, Verkehrsdichte sowie Abbiegebeziehungen
an Knotenpunkten der Fahrbahnen 12 abgefragt werden können.
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Im
Gegensatz zu 3, wo die Fahrzeugsensoren 30 des
Kommunikationsnetzes 40 an verkehrskritischen Positionen,
wie z.B. Kreuzungen, positioniert sind, ist das Kommunikationsnetz 40 gemäß 4 von
wesentlich dichterer Struktur. Die Fahrzeugsensoren 30 sind
hier an den Knotenpunkten eines verhältnismäßig engmaschigen Netzes angeordnet
und beispielsweise im Konfliktfeld einer Straßenkreuzung verteilt. Das Konfliktfeld
wird durch den Verkehrsbereich gebildet, auf dem sich Fahrbahnen 12 konkurrierender
Verkehrsströme überlagern. Die
Fahrzeugsensoren 30 können
aktiv untereinander Verkehrsdaten austauschen, um die Geschwindigkeit
eines Fahrzeuges 20 zu kontrollieren. Ist das Fahrzeug 20 mit
einer Kommunikations- und
Anzeigeeinheit 21 ausgestattet, so kann die gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit
auch, beispielsweise im Falle einer Geschwindigkeitsüberschreitung,
an die On-Board-Einheit 21 übermittelt werden und dort dem
Fahrzeugführer
angezeigt werden. Bei besonders verkehrskritischen Kreuzungen kann
mit Hilfe des Kommunikationsnetzes sogar eine Rekonstruktion von
Verkehrsunfällen
durchgeführt
werden. Mit Hilfe einer Abstimmung benachbarter Fahrzeugsensoren 30 hinsichtlich
der Gewinnung einer gemeinsamen Zeitbasis können Geschwindigkeiten, Verzögerungen
und sogar der Bahnverlauf von Unfallfahrzeugen rekonstruiert werden.