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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Fahrzeugklasse
eines sich auf einer Fahrbahn bewegenden Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 sowie auf ein zugehöriges System
zur Bestimmung einer Fahrzeugklasse nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
9.
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Zur
Verkehrsdatenerfassung des Straßenverkehrs werden an fahrbahnseitigen
Messstellen Verkehrsdetektoren angeordnet, die von die Messstelle
passierenden Fahrzeugen Messwerte unterschiedlicher Messgrößen
aufnehmen. Verkehrsdetektoren, wie zum Beispiel Induktivschleifen,
Radardetektoren, Infrarotsensoren, Magnetfeldsensoren oder Videodetektoren,
sind ebenso vielfältig wie die zu ermittelnden verkehrstechnischen
Messgrößen, etwa die Geschwindigkeit, die Länge,
der zeitliche Abstand sowie die Klasse von Fahrzeugen. Die Messgrößen
und daraus abgeleitete verkehrstechnische Größen
geben Aufschluss über die Fahrzeugklassen sowie deren klassenspezifische
Geschwindigkeiten oder aggregiert und interpretiert über
die augenblickliche Verkehrssituation. Hierbei ist es wichtig, unterscheiden
zu können, welche Fahrzeugklassen welchen Anteil am Verkehrsgeschehen
haben.
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Nach
den „Technischen Lieferbedingungen für
Streckenstationen (TLS)", herausgegeben 2002 von der Bundesanstalt
für Straßenwesen, einem Standard für
den Aufbau von Verkehrsbeeinflussungsanlagen an Bundesfernstraßen,
werden die mittleren Geschwindigkeiten separat für die
einzelnen Fahrzeugklassen gebildet. Fahrzeugklassen sind beispielsweise
Krafträder, Personenkraftwagen, Personenkraftwagen mit
Anhänger, Lieferwagen, Lastkraftwagen, Lastkraftwagen mit
Anhänger, Sattelzüge, Busse und sonstige nicht
klassifizierbare Kraftfahrzeuge. In Deutschland werden diese 8 plus 1
Fahrzeugklassen für statistische Zwecke erfasst, während
für Steuerungszwecke nur zwei Fahrzeugklassen genutzt werden.
Zur Beurteilung der Verkehrssituation sind in den meisten Fällen
ebenfalls zwei Fahrzeugklassen ausreichend, während in
internationalen Ausschreibungen häufig drei bis vier Fahrzeugklassen
gefordert werden.
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Während
Zählwerte und Geschwindigkeiten von Fahrzeugen anhand der
bekannten Verkehrsdetektoren problemlos erfasst werden können,
ist die Zuordnung eines erfassten Fahrzeugs zu einer Fahrzeugklasse
mitunter schwierig und mit Ungenauigkeiten behaftet. Dies liegt
daran, dass Fahrzeugklassen bislang immer indirekt über
die Länge des Fahrzeugs oder über die Verteilung
und Anzahl der Achsen ermittelt wird. Erschwerend kommt hinzu, dass zwischen
Fahrzeugen mit Anhänger und langen Fahrzeugen unterschieden
werden muss.
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Im
Allgemeinen sind in der Fahrbahndecke verlegte Induktivschleifen,
in deren Bereich ein magnetisches Wechselfeld entsteht, welches
beim Durchfahren von Fahrzeugen beeinträchtigt wird und aufgrund
dessen eine Aussage über den Fahrzeugtyp und die Geschwindigkeit
getroffen werden kann, für die Klassifizierung von Fahrzeugen
besser geeignet als Überkopfsensoren, die häufig
nach dem Infrarot- oder dem Radarprinzip arbeiten. Allerdings sind Überkopfsensoren
leichter zu installieren und zu warten und werden vom überrollenden
Verkehr nicht in Mitleidenschaft gezogen.
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Genauere
Verfahren zur Fahrzeugklassifizierung beruhen auf der Erfassung
der Höhe oder des Höhenprofils des Fahrzeugs.
Hierzu ist aus der Offenlegungsschrift
DE 195 17 029 A1 ein Verfahren zur
Bestimmung der Höhe eines Fahrzeugs mit Hilfe einer das
Fahrzeug aufnehmenden Videokamera bekannt. Dabei wird die Dachvorderkante
des Fahrzeugs in einer Anzahl von Videobildern verfolgt und für
jedes Videobild die vertikale Position der Dachvorderkante auf dem
Videoschirm und der Beobachtungszeitpunkt bestimmt. Ausgehend von
diesen gemessenen Werten wird ein Parameter eines Bewegungsmodells
für die vertikale Bewegung der Dachvorderkante auf dem
Videoschirm bestimmt. Sodann wird die Fahrzeughöhe aus
den ermittelten Parametern des Bewegungsmodells, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der
Höhe der Kamera über der Fahrbahn, dem Neigungswinkel
der Kamera gegenüber der Fahrbahn und der Kamerabrennweite
bestimmt. Über die bestimmte Höhe eines Fahrzeugs
lässt sich eine sicherere Klassifikation zwischen Lastkraftwagen
und Personenkraftwagen durchführen.
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Desweiteren
ist es bekannt, Höhenmessungen mittels Laserdetektoren
durchzuführen. Diese sind aus Kostengründen nicht
für den Masseneinsatz verfügbar. Außerdem
erfolgt die Abtastung der Fahrzeughöhe in nur einer Ebene,
so dass Krafträder oder Fahrzeuge, die versetzt zueinander
verfahren, nicht oder nur teilweise erfasst werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein
System zur Bestimmung einer Fahrzeugklasse bereitzustellen, welche schnell
und genau Messwerte liefern, die eine sichere Zuordnung zu einer
von mehreren Fahrzeugklassen zulassen.
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Der
auf das Verfahren bezogene Teil der Aufgabe wird gelöst
durch ein gattungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung
einer Fahrzeugklasse mit dem im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches
1 angegebenen Merkmal. Indem die Messwerte ein dreidimensionales
Höhenprofil des Fahrzeugs über der Fahrbahn repräsentieren,
wird ein dreidimensionales Bild des zu klassifizierenden Fahrzeugs
erzeugt. Anhand eines dreidimensionalen Bildes der Fahrbahn sowie
der darauf fahrenden Fahrzeuge, kann eine schnelle und sichere Zuordnung
eines jeden Fahrzeugs zu einer Fahrzeugklasse sichergestellt werden.
Verdeckungen oder Mehrdeutigkeiten werden auf ein Minimum reduziert.
Im Gegensatz zu Induktivschleifen ergeben sich wesentlich genauere Höhenprofile,
welche die Umrisse der Fahrzeuge und nicht die Verteilung der induktiven
Masse beschreiben. Wird das Verfahren mit dem erfindungsgemäßen
System umgesetzt, so kann auch auf den kostspieligen Einsatz von
Laserdetektoren oder Laserscannern verzichtet werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das dreidimensionale Höhenprofil des Fahrzeugs
als digitaler Bilddatensatz aus einer Videoaufnahme gewonnen. Liegt
das dreidimensionale Höhenprofil als digitaler Bilddatensatz
vor, so kann die Klassifikation rechnergestützt durch Bildauswertungsalgorithmen
erfolgen. Hierdurch wird die Fahrzeugklassifikation schnell und mit
geringen Fehlern abgewickelt.
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Ist
das Höhenprofil eines Fahrzeugs aufgrund der Bildfrequenz
der Videoaufnahme auf mehrere Videobilder verteilt, so wird es nach
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens durch Überlagerung dieser Videobilder anhand
markanter Fahrzeugstellen vervollständigt. Als markante
Fahrzeugstellen können die Fahrzeugvorder- bzw. -hinterkante
sowie andere charakteristische Stellen oder Kanten des Fahrzeugs,
etwa des Fahrzeugaufbaus, dienen. Sind markante Fahrzeugstellen
eines Fahrzeugs auf unterschiedlichen Videobildern abgebildet, so
können diese anhand dieser Fahrzeugstellen zu einem vollständigen
Fahrzeugbild überlagert werden. Damit steht für
die Klassifizierung des Fahrzeugs stets ein vollständiges
dreidimensionales Höhenprofil eines Fahrzeugs zur Verfügung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Höhenprofil mit vordefinierten, den
Fahrzeugklassen zugeordneten Referenzprofilen verglichen. Für
jede Fahrzeugklasse kann als Referenzprofil ein Standardprofil in einer
Speichereinheit des Detektors abgelegt werden. Innerhalb tolerierbarer
Abweichungen kann dann ein aufgenommenes dreidimensionales Höhenprofil
eines Fahrzeugs eindeutig und zügig einem gespeicherten
Referenzprofil und damit einer Fahrzeugklasse zugeordnet werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird aus dem Höhenprofil eine größte
Höhe des Fahrzeugs bestimmt. Die Höhe des Fahrzeugs
kann als Plausibilitätskriterium bei der Zuordnung des
Fahrzeugs zu einer Fahrzeugklasse verwendet werden, da sich die
Fahrzeuge verschiedener Fahrzeugklassen typischerweise in ihrer Höhe
unterscheiden können. Denkbar ist auch die Verwendung der
Fahrzeughöhe zu Durchsetzungszwecken der Straßenverkehrsordnung
oder aber auch zu Steuerungs- oder Warnzwecken vor Tunneln oder
Unterführungen, für die eine maximale Fahrzeughöhe
freigegeben ist.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird aus der eingestellten Bildfrequenz der Videoaufnahme und
der Erkennung markanter Fahrzeugstellen mit bekanntem Längsabstand
eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt. Ist im einfachsten
Fall die Länge eines Fahrzeugs oder eines Fahrzeugteils
hinreichend genau bekannt, so kann aus der Bildfrequenz der Videoaufnahme
und damit aus dem Längsvorschub einer markanten Stelle
zwischen zwei Videobildern auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
geschlossen werden.
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Ist
alternativ die Geschwindigkeit des Fahrzeugs aus einer separaten
Ermittlung, etwa durch eine Induktivschleife oder einen Radardetektor,
bekannt, so kann nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der eingestellten
Bildfrequenz der Videoaufnahme und der Geschwindigkeit eine Länge
des Fahrzeugs bestimmt werden. Auch die Fahrzeuglänge kann
für eine Plausibilitätsprüfung einer
vorgenommenen Fahrzeugklassifizierung verwendet werden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden zwei zeitlich kurz aufeinander folgende Fahrzeuge
als ein Zugfahrzeug und ein von diesem gezogenen Anhänger
interpretiert.
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Die
auf das System gerichtete Teilaufgabe wird gelöst durch
ein gattungsgemäßes System zur Bestimmung einer
Fahrzeugklasse mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches
9 angegebenen Merkmalen. Indem der Detektor eine Videokamera zur
Aufnahme von Videobildern des auf der Fahrbahn passierenden Fahrzeugs
aufweist, und indem die Auswertungseinheit zur Gewinnung eines dreidimensionalen
Höhenprofils des Fahrzeugs aus der Videoaufnahme ausgebildet
ist, wird ein hinsichtlich Schnelligkeit und Fehlerfreiheit ausgezeichnetes System
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bereitgestellt.
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Vorzugsweise
ist die Videokamera als Photomischdetektor (kurz PMD für
engl. Photonic Mixer Device) ausgebildet, der einen Sensor mit Bildpixeln umfasst,
wobei pixelweise der Abstand zwischen Sensor und Bildobjekt, also
dem zu klassifizierenden Fahrzeug, erfassbar ist. Das dreidimensionale
Höhenprofil wird also durch eine pixelweise Laufzeitmessung
des von einem Sender ausgesandten, modulierten Lichts, welches das
Objekt beleuchtet und nach Reflektion auf den PMD-Sensor trifft,
erzeugt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Systems weist der Detektor eine Übertragungseinheit auf,
durch die er über ein Datennetzwerk an eine Datenzentrale
angekoppelt ist. Die fahrbahnseitig angeordneten Detektoren können hierdurch über
ein IP-Netz die Klassifikations- und Geschwindigkeitsdaten an eine
Datenzentrale übersenden, welche beispielsweise in einer
Verkehrsrechner- oder Verkehrsmanagementzentrale angeordnet sein
kann. Umgekehrt können von der Datenzentrale aus neue Referenzprofile
für die Fahrzeugklassen an die straßenseitigen
Detektoren gesandt werden, um dort in der Speichereinheit abgelegt
zu werden.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus einem
Ausführungsbeispiel, welches anhand der Zeichnung nachfolgend
näher beschrieben wird, wobei die einzige Figur ein erfindungsgemäßes
System zur Bestimmung einer Fahrzeugklasse schematisch veranschaulicht.
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Gemäß der
einzigen Figur umfasst ein System zur Bestimmung einer Fahrzeugklasse
ki eines sich auf einer Fahrbahn B bewegenden
Fahrzeugs F einen fahrbahnseitig angeordneten Verkehrsdetektor 10,
der an einer Messstelle M über oder neben der Fahrbahn
B aufgehängt ist. Der Detektor 10 weist eine an
sich bekannte PMD-Kamera 11 (PMD steht für engl.
Photonic Mixer Device, zu deutsch Photomischdetektor)) auf, die
erfindungsgemäß zur Aufnahme eines dreidimensionalen
Höhenprofils HF des Fahrzeugs F über
der Fahrbahn B ausgebildet ist.
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Die
PMD-Kamera 11 weist einen Sensorchip auf, der die Entfernung
zu einem Bildobjekt pixelweise bestimmt und somit ein dreidimensionales
Abbild des Objekts erzeugt. Dabei wird von einem Sender ein modulierter
Lichtimpuls generiert, der von dem dreidimensionalen Objekt reflektiert
und dann vom Sensor empfangen wird. Jedes Pixel des Sensors ist hierbei
in der Lage, individuell den Abstand durch Bestimmung der Laufzeit
des Lichtimpulses zu messen. Die Auswertung der erfassten Bilder
erfolgt in einer Auswerteeinheit 12 des Detektors 10 die
auch die erforderlichen Nachbearbeitungen der Bilddaten – zum Beispiel
eine Aggregierung – übernimmt. Eine Übertragungseinheit 14 des
Detektors 10 überträgt die Daten dann über
ein Netzwerk N, z. B. ein IP-Netzwerk, an eine übergeordnete
Datenzentrale 20. Über das Netzwerk N können
auch die Parameter verändert oder neue Referenzprofile
R(ki) in eine Speichereinheit 13 des
Detektors 10 geladen werden.
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Die
PMD-Kamera 11 ist in der Lage, in durch die eingestellte
Bildfrequenz definierten Abständen ein Videobild der Fahrbahn
B sowie der sich darauf befindlichen Fahrzeuge F zu machen. Um sicherzustellen,
dass auch jedes Fahrzeug F erfasst wird, muss die Bildfrequenz so
hoch sein, dass auch schnelle Fahrzeuge F detektiert werden können.
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Befindet
sich das Fahrzeug F in seiner gesamten Länge l im Bildbereich,
kann die Klassifizierung sofort erfolgen. Ist das Fahrzeug F im
Bild jedoch nur teilweise erfasst, müssen zur Erfassung
eines vollständigen Höhenprofils HF langer
Fahrzeuge F in Abständen Messungen der Höhe durchgeführt werden,
die dann überlagert werden. Da die Geschwindigkeit v des
Fahrzeugs F nicht bekannt ist, muss die Überlagerung der
Bilder anhand von markanten Fahrzeugstellen f1,
... f5, die durch Kanten an den Enden oder
am Aufbau des Fahrzeugs F gebildet werden, erfolgen.
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Die
Auswertung der dreidimensionalen Höhenprofile HF zur Zuordnung des Fahrzeugs in eine von
mehreren Fahrzeugklassen ki erfolgt nach
unterschiedlichen Prinzipien. Zunächst wird das aktuell
erfasste, dreidimensionale Höhenprofil HF eines
Fahrzeugs F mit in der Speichereinheit 13 gespeicherten Referenzprofilen
R(ki) der einzelnen Fahrzeugklassen ki verglichen. Durch eine Korrelationsrechnung kann
der Grad der Übereinstimmung ermittelt werden. Hierbei
gibt es unterschiedliche Referenzprofile R(ki)
für die unterschiedlichen Möglichkeiten der Aufhängung
geben.
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Jedes
Fahrzeug F besitzt klassencharakteristische Größen,
die zusätzlich ermittelt werden können. So ist
beispielsweise die maximale Höhe h oder die Länge
l ein Plausibilitätskriterium, welches die Zuordnungsmöglichkeiten
zu Fahrzeugklassen ki einschränkt.
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Zwei
Objekte, die im kurzen Abstand hintereinander mit der gleichen Geschwindigkeit
v den Detektor 10 passieren, können als ein Zugfahrzeug
FZ und ein von diesem gezogener Anhänger
FA identifiziert werden.
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Aus
der Differenz der Flanken der einzelnen Bilder, also der Bildfrequenz
und dem Längsabstand, kann die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs
F ermittelt werden.
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Insgesamt
ergeben sich im Vergleich zu Induktivschleifen wesentlich genauere
Höhenprofile HF, welche die Umrisse
des Fahrzeugs F und nicht die Verteilung der induktiven Masse (Achsen)
beschreiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Technischen
Lieferbedingungen für Streckenstationen (TLS)”,
herausgegeben 2002 von der Bundesanstalt für Straßenwesen [0003]
