DE4344267C2

DE4344267C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung des Zustandes einer Verkehrsfläche

Info

Publication number: DE4344267C2
Application number: DE19934344267
Authority: DE
Inventors: Dieter Rupp
Original assignee: HUBER SIGNALBAU AG
Current assignee: Signalbau Huber 80993 Muenchen De GmbH
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2013-12-28
Also published as: DE4344267A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Zustandes einer Verkehrsfläche, insbeson dere einer Fahrbahn, mit Hilfe eines Sensors. Dabei geht es vorwiegend um die Erfassung von Nässe und Glätte.

Üblich sind Sensoren für die Erfassung der Niederschlagsin tensität. Deren Schwäche besteht darin, dass sie nur kurz zeitig gültige Aussagen liefern, denn, ob eine Fahrbahn ei ne Stunde nach einem Niederschlag noch nass, feucht oder trocken ist, lässt sich nur anhand weiterer Messungen sa gen, z. B. der Temperatur, der Windstärke und -richtung, u.s.w.

Im Einsatz sind auch sogenannte Glätte-Frühmeldesysteme, bei denen es nicht so sehr darauf ankommt, dass sie den ge genwärtigen Zustand einer Fahrbahn genau angeben, sondern dass sie aus früheren und neuesten Messdaten einen Trend ermitteln und dementsprechend Prognosesignale abgeben.

Auch andere Sensorsysteme, wie solche zur Erfassung der Oberflächenfeuchtigkeit haben ihre Schwächen. Solche Sensor systeme arbeiten z. B. mit Infrarotlicht.

Wenn Fahrbahn-Zustände falsch signalisiert werden, besteht die Gefahr, dass sie von den Verkehrsteilnehmern nicht ernst genommen werden und damit sinnlos werden.

Die DE 37 04 953 C2 zeigt ein Verfahren zur Erfassung des Zustandes einer Verkehrsfläche, das neben einer Vielzahl anderer Sensoren auch einen Sensor für die Niederschlagsin tensität und für die Oberflächenfeuchtigkeit umfasst. Die Ausgangssignale aller Sensoren werden dort ebenfalls vorge sehenen Auswertemitteln zugeführt.

Die DE 42 35 104 A1 zeigt eine Einrichtung zum Erkennen des Zustandes einer vor einem beweglichen Fahrzeug liegenden beweglichen Straßenoberfläche von diesem Fahrzeug aus. Die se Einrichtung umfasst zwei einstellbare, jeweils aus Lichtsender und Lichtempfänger bestehende Lichtsende- und Lichtempfangssysteme, deren Lichtempfänger von einem vom je weils zugeordneten Lichtsender beleuchteten Straßenoberflä chenstück reflektierte Lichtsignale detektieren und einer Auswerteeinheit zugeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit von Aus sagen zur Erfassung des Zustandes einer Verkehrsfläche zu verbessern.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens mit den in den Ansprüchen 1 und 6 und hinsichtlich einer Vorrichtung mit den in den Ansprüchen 8 und 13 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wenn in den Ansprüchen z. B. davon die Rede ist, dass für die Oberflächenfeuchtigkeit "trocken" signalisiert wird, so bedeutet dies nichts anderes, als dass von einem Sensor für Oberflächenfeuchtigkeit - einem entsprechenden Fahrbahnoberflächen-Detektor - diejenigen (z. B. elektrischen) Sen sorausgangssignale abgegeben werden, die von einem solchen Sensor üblicherweise bei Trockenheit abgegeben werden.

Die Technische Liefervorschrift für Streckenstationen (TLS) definiert die Ergebnismeldung "Zustand der Fahrbahnoberflä che", die von einer Streckenstation an eine Unterzentrale gesendet wird. Mit dieser Meldung werden folgende Fahrbahn zustände übermittelt:

- trocken,
- nass,
- Schnee.

Nach der Veröffentlichung der Ergänzung zur "TLS Stand 1993" wird die Meldung auf folgende Zustände erweitert wer den:

- trocken,
- Feuchtestufe 1,
- Feuchtestufe 2,
- Feuchtestufe 3,
- Schnee.

Die Feuchtestufen gemäß TLS sind dimensionslose Größen. Für das Erfassungskonzept nach der Erfindung ist es zweckmäßig, in der Streckenstation den Feuchtestufen über eine Tabelle die entsprechenden Wassermengen (Dimension mm oder l/m²) zuzuordnen.

Nässestufe
Wassermenge
Feuchtestufe 0	a mm
Feuchtestufe 1	b mm
Feuchtestufe 2	c mm
Feuchtestufe 3	d mm

Die Wassermengen in der Tabelle stellen Schwellen dar, die von der Unterzentrale aus geändert werden können. Das Überführen der Feuchtestufen in Wassermengen mit der Dimension "mm" ist die Vorraussetzung dafür, daß die Meßergebnisse unterschiedlicher Sensoren wie Niederschlagsintensitäts-, insbesondere Regenintensitätsmesser und Oberflächenfeuchtigkeits-, insbesondere Fahrbahnoberflächendetektor miteinander verknüpft werden können, wie es das Konzept nach Anspruch 1 vorsieht.

Das Motiv für die Verknüpfung der Meßwerte unterschiedlicher Sensoren liegt in der Forderung begründet, die Feuchtemessung zuverlässig, aber möglichst ohne Zeitverzug zu erstellen. Da eine Glättung von Ergebniswerten wegen der Zeitbedingungen nur begrenzt angewendet werden kann, wird folgendermaßen vorgegangen:

Die Feuchte wird von zwei Sensortypen mit unterschiedlichen Eigenschaften gemessen. Stimmen die Meßwerte überein, werden die Meßwerte als plausibel bewertet und zu einem Feuchteergebnis zusammengefaßt. Stimmen die Meßwerte nicht überein, entscheidet die Software, welcher Meßwert der plausiblere ist, indem diesem die Priorität gegeben wird, d. h., daß dieser Meßwert zur Feuchteergebnismeldung verwendet wird. Bei der Entscheidungsfindung wird bewertet, welcher der neuen Meßwerte mit dem vorhergehenden Ergebnis am besten in Einklang zu bringen ist.

Der erste der zum Einsatz kommenden Sensortypen ist ein Niederschlagsintensitäts-, insbesondere Regenintensitätsmesser. Er mißt die Niederschlagsmenge pro Zeiteinheit. Integriert man diese Größe über die Zeit, erhält man die Niederschlagsmenge. Die Niederschlagsmenge gibt keine direkte Aussage über die Wassermenge, die sich auf der Oberfläche einer Straße ansammelt.

Die Ansammlung der Wassermenge ist abhängig von der Saugfähigkeit des Fahrbahnbelags und von dem Ablaufverhalten der Fahrbahnoberfläche. Trotzdem vermittelt die Messung der Wassermenge mit Hilfe des Regenintensitätsmessers ein gutes Maß für die Gefahr, die an einem Meßquerschnitt auftreten kann. Die Höhe der Gefahr läßt sich durch die Feuchtestufe ausdrücken.

Dem Regenintensitätsmesser ist eine Tabelle zugeordnet, welche die von diesem Sensor ermittelten Wassermengen zu den Feuchtestufen in Beziehung setzt. Der Regenintensitätsmesser mißt die Regenintensität mit ausreichender Auflösung, so daß die vier Feuchtestufen der TLS (inklusive "trocken " = Feuchtestufe 0) gebildet werden können.

Nässestufe
Wassermenge
Feuchtestufe 0	a1 mm
Feuchtestufe 1	b1 mm
Feuchtestufe 2	c1 mm
Feuchtestufe 3	d1 mm

Die Schwellen a1, b1, c1 und d1 können projektiert werden. d. h., sie sind durch den Betreiber der Anlage einstellbar. Die Messung der Fahrbahnfeuchte ist mit dem Regenintensitätsmesser nur bei Regen möglich. Der Rückschluß auf die Fahrbahnfeuchte nach dem Regen ist problematisch, da das Ablaufverhalten der Straße die Feuchtezustandsänderungen entscheidend beeinflußt.

Das Ablaufverhalten ist keine konstante Größe. Es hängt von den aktuellen Umgebungsbedingungen ab (Temperatur, Sonneneinstrahlung etc.) und ändert sich mit der Zeit. Bei Schmelzwasser und Wassereinbrüchen versagt der Regenintensitätsmesser vollständig.

Schnee kann von einem Regenintensitätsmesser nur mit Einschränkungen detektiert werden. Sei es, daß er die Form des Niederschlags analysiert oder sei es, daß er die Detektionsfläche beheizt, um den Schnee zum Schmelzen zu bringen: eine sichere Aussage, daß Schnee auf der Straße liegt, läßt sich daraus nicht ableiten.

Der zweite zum Einsatz gelangende Sensortyp ist ein Fahrbahnoberflächen-Detektor, insbesondere ein Sensor für Oberflächenfeuchtigkeit, der einen Infrarotlicht-Sensor aufweist. Er mißt den Anteil des von der Fahrbahnoberfläche zurückgestreuten Infrarotlichtes. Die Kennlinie des Fahrbahnoberflächen-Detektors ist in Bild 1 dargestellt. Die Kurve zeigt, daß der Sensor bei Schneebelag seine maximale Ausgangsspannung liefert. Ist die Fahrbahnoberfläche schneefrei und trocken, liefert der Sensor eine kleinere Spannung. Ihr Wert hängt davon ab, wie hell die Fahrbahn im trockenen Zustand ist. Deshalb sind für zwei unterschiedliche Fahrbahnoberflächen (Beton und Asphalt) gegeneinander verschobene Abszissen angegeben. Die Spannung sinkt noch weiter, wenn die Fahrbahn feucht wird, allerdings werden die Spannungsänderungen mit wachsender Feuchte immer kleiner.

Es ist ein physikalisches Phänomen, daß das Rückstreuverhalten bereits bei kleinen Feuchtigkeitsmengen auf der Fahrbahnoberfläche stark absinkt. Entsprechend ist die Zeitspanne beim Übergang von "trocken" in Richtung "feucht" nur kurz, und der Endwert wird schnell erreicht. Der Detektor wirkt bei diesem Übergang wie ein Schalter, der empfindlich auf kleine Feuchtemengen reagiert und der keine Zwischenstufen zwischen "trocken" und "naß" einnimmt. Anders stellt sich die Situation beim Übergang von "naß" nach "trocken" dar. Das Abtrocknen erfolgt in relativ großen Zeitspannen, so daß die Kennlinie in diesem Bereich langsam durchlaufen wird. Daher kann der Fahrbahnoberflächen-Detektor bei diesem Übergang mehr als eine Feuchtestufe detektieren.

Dem Fahrbahnoberflächen-Detektor ist eine Tabelle zugeordnet, welche die von diesem Detektor ermittelten Wasserbeläge zu den Feuchtestufen in Beziehung setzt. Der Fahrbahnoberflächen- Detektor mißt die Höhe des Wasserbelags mit eingeschränkter Auflösung, so daß maximal drei Feuchtestufen der TLS (inklusive "trocken" = Feuchtestufe 0) gebildet werden können.

Nässestufe
Wassermenge
Feuchtestufe 0	a2 mm
Feuchtestufe 1*	b2 mm
Feuchtestufe 2	c2 mm

* Die Feuchtestufe 1 ist nur verfügbar beim Übergang von naß nach trocken. Die Schwellen a1, b1 und c1 können projektiert werden.

Im Gegensatz zum Regenintensitätsmesser detektiert der Fahrbahnoberflächen-Detektor umittelbar die Fahrbahnfeuchte, gleichgültig ob sie durch Regen oder durch Schmelzwasser hervorgerufen wurde. Zusätzlich kann der Fahrbahnoberflächen- Detektor Schnee detektieren.

Die kombinatorische Auswertung der beiden Sensorausgangssignale erfolgt nun auf der Basis folgender Überlegungen.

Aus der Beurteilung von Regenmesser und Fahrbahnoberflächen- Detektor läßt sich entnehmen, daß beide Sensoren Stärken und Schwächen aufweisen. In Minimalkonfigurationen wäre es möglich, jeweils nur einen von beiden einzusetzen; allerdings müßten dann dessen Detektionsgrenzen akzeptiert werden.

Vorteilhafter ist es, bei der Auswertung die Sensorausgangssignale beider Sensoren miteinander zu kombinieren. Dabei erhält der Regenintensitätsmesser die Priorität beim Übergang von trocken nach naß, der Fahrbahnoberflächen-Detektor die Priorität beim Übergang von naß nach trocken. Zusätzlich übernimmt der Fahrbahnoberflächen-Detektor die Schneedetektion.

Die Kombination erfolgt nach folgender Matrix:

Die einzelnen Aussagen in der Matrix geben an, was die Auswertungsmittel jeweils als Ergebnis melden. Liegt beispielsweise vom Fahrbahnoberflächen-Detektor (Sensor für Oberflächenfeuchtigkeit) das Sensorausgangssignal für dessen Nässestufe 0 (= trocken) vor, dann melden die Auswertungsmittel als Ergebnis die den Sensorausgangssignalen des Sensors für die Niederschlagsintensität (Regenintensitätsmessers) entsprechenden Aussagen (Zeile 1 in der Matrix), weil diese Regenmesser-Sensorausgangssignale in diesem Fall die Priorität haben.

Signalisiert der Regenintensitätsmesser seine Nässestufe 0 (= trocken), dann melden die Auswertungsmittel als Ergebnis die den Sensorausgangssignalen des Sensors für die Fahrbahn- Oberflächenfeuchtigkeit entsprechenden Aussagen (Spalte 1 in der Matrix), weil diese Sensorausgangssignale des Fahrbahnoberflächen-Detektors in diesem Fall die Priorität haben.

Die Matrix berücksichtigt folgende Randbedingungen:

a) Ausgangssituation: Die Fahrbahn ist trocken; es regnet nicht

Änderung: Es beginnt zu regnen.

Reaktion: Die Meßwerte des Regenintensitätsmessers bestimmen direkt die Ergebnismeldungen der Auswertungsmittel in der Streckenstation. Diese Maßnahme berücksichtigt einen gewissen Vorlauf, bis sich der Wasserfilm auf der Fahrbahn ausgebildet hat (Rückstauverhalten).

b) Ausgangssituation: Die Fahrbahn ist naß; es regnet

Änderung: Es hört auf zu regnen.

Reaktion: Die Meßwerte des Fahrbahnoberflächen-Detektors bestimmen direkt die Ergebnismeldungen der Streckenstation. Diese Maßnahme berücksichtigt, daß in Abhängigkeit von dem Ablaufverhalten die Fahrbahn über einen größeren Zeitraum naß bleiben kann, auch wenn es aufgehört hat zu regnen.

c) Ausgangssituation: Die Fahrbahn ist trocken; es regnet nicht

Änderung: Es fließt Schmelzwasser auf die Fahrbahn.

Reaktion: Die Meßwerte des Fahrbahnoberflächen-Detektors bestimmen direkt die Ergebnismeldungen der Streckenstation.

Sonderfall

Der Fahrbahnoberflächen-Detektor liefert keine gültigen Meßwerte, wenn sich ein Fahrzeug in seinem Erfassungsbereich aufhält und dieser Zustand für mehrere Erfassungszyklen bestehen bleibt. Dieser Zustand kann mit Hilfe eines Fahrzeug- Detektors erfaßt werden.

Für diesen Fall gilt: Wenn es regnet, bestimmen die Meßwerte des Regenintensitätsmessers direkt die Ergebnismeldungen der Streckenstation. Regnet es nicht, kann keine Aussage gemacht werden, ob die Fahrbahn naß oder trocken ist. Daher meldet die Streckenstation: "kein gültiges Ergebnis".

Der Fahrbahnoberflächen-Detektor ist in der Lage, Schnee zu detektieren. Er nutzt dazu die Eigenschaft aus, daß das Infrarotlicht bei Schneebelag stärker reflektiert wird als bei trockener Fahrbahnoberfläche. Allerdings wird das Infrarotlicht bei extrem dichtem Nebel ebenfalls so stark reflektiert, daß der Fahrbahnoberflächen-Detektor fälschlicherweise Schnee detektiert.

Diesen Fehler kann man kompensieren, wenn man zusätzliche Sensortypen einbezieht, die dabei helfen, zwischen Schnee und dichtem Nebel zu unterscheiden. Da der Aufwand für die Unterscheidungshilfen in vernünftiger Relation zu der Häufigkeit des Fehlers stehen soll, werden vorzugsweise Sensoren einbezogen, die bereits für die Erfassung der übrigen Umfelddaten benötigt werden.

Daher wird für die Unterscheidung zwischen Schnee und Nebel die Kombination des Oberflächenfeuchtigkeits-Sensors mit dem Niederschlagsintensitäts-Sensor benutzt. Die Auswertung der Sensorausgangssignale dieser Sensoren Fahrbahnoberflächen- Detektor und Regenintensitätsmesser wird nach der folgenden Matrix vorgenommen:

Eine andere Möglichkeit zur Unterscheidung zwischen Schnee und Nebel besteht darin, die Prognosesignale eines Glätte- Frühmeldesystems mitzubenutzen. Die Ausgangssignale eines Glätte-Frühmeldesystems und des Fahrbahnoberflächen-Detektors werden nach der folgenden Matrix verknüpft:

Claims

1. Verfahren zur Erfassung des Zustandes einer Verkehrs fläche mit Hilfe eines Sensors für Oberflächenfeuchtigkeit der Verkehrsfläche, eines Sensors für Niederschlagsintensi tät und Auswertungsmitteln,
wobei Sensorsignale sowohl für die Niederschlagsinten sität als auch für die Oberflächenfeuchtigkeit den Auswer tungsmitteln zugeführt werden,
wobei in den Auswertungsmitteln die Sensorausgangssig nale für die Niederschlagsintensität jedenfalls dann Prio rität haben, wenn für die Oberflächenfeuchtigkeit "trocken" signalisiert ist und sich die Sensorausgangssignale für die Niederschlagsintensität in einem Trend von "trocken" nach "nass" befinden und
wobei in den Auswertungsmitteln die Sensorausgangssig nale für die Oberflächenfeuchtigkeit jedenfalls dann Prio rität haben, wenn für die Niederschlagsintensität "trocken" signalisiert ist und die Sensorausgangssignale für die O berflächenfeuchtigkeit einen Trend von "nass" nach "trocken" haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorausgangssignale für die Oberflächenfeuchtigkeit Priorität haben, wenn sie "Schnee" signalisieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorausgangssignale für die Oberflächenfeuchtigkeit, wenn sie "Schnee" signalisieren, die Priorität nur dann ha ben, wenn die Sensorausgangssignale für die Niederschlags intensität "Niederschlag" oder "Regen" signalisieren.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Sensorausgangssignale für die Oberflächenfeuchtigkeit bezüglich der Schneesignalisie rung Priorität haben, wenn sie "trocken" oder "kein Schnee" signalisieren.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass zum Sensieren der Oberflächen feuchtigkeit die Reflexion von Infrarotlicht dient.

6. Verfahren zur Erfassung des Zustandes einer Verkehrs fläche mit Hilfe eines Sensors für Oberflächenfeuchtigkeit, dessen Sensorausgangssignale Auswertungsmitteln zugeführt werden,
wobei den Auswertungsmitteln auch Prognosesignale ei nes Glätte-Frühmeldesystems zugeführt werden und in den Auswertungsmitteln die Sensorausgangssignale für Oberflä chenfeuchtigkeit,
soweit sie "Schnee" signalisieren, Priorität nur dann haben, wenn die Prognosesignale "Schnee", "Frost", "Eis" oder "trocken bei Verkehrsflächen-Oberflächentemperaturen von weniger als 0,2°C" signalisieren,
soweit sie aber "kein Schnee" signalisieren, immer Priorität haben.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Auswertungsmitteln auch Sensorausgangssignale für Nie derschlagsintensität zugeführt werden und die Auswertungs mittel eine Fehlermeldung abgeben, wenn die Sensorausgangs signale für Oberflächenfeuchtigkeit "Schnee" und die Sen sorausgangssignale für Niederschlagsintensität entweder "kein Niederschlag" oder "kein Regen" signalisieren.

8. Vorrichtung zur Erfassung des Zustandes einer Verkehrs fläche mit Hilfe eines Sensors für Oberflächenfeuchtigkeit der Verkehrsfläche, eines Sensors für Niederschlagsintensi tät und Auswertungsmitteln,
wobei Sensorsignale sowohl für die Niederschlagsinten sität als auch für die Oberflächenfeuchtigkeit den Auswer tungsmitteln zugeführt werden,
wobei in den Auswertungsmitteln die Sensorausgangssig nale für die Niederschlagsintensität jedenfalls dann Prio rität haben, wenn für die Oberflächenfeuchtigkeit "trocken" signalisiert ist und sich die Sensorausgangssignale für die Niederschlagsintensität in einem Trend von "trocken" nach "nass" befinden und
wobei in den Auswertungsmitteln die Sensorausgangssig nale für die Oberflächenfeuchtigkeit jedenfalls dann Prio rität haben, wenn für die Niederschlagsintensität "trocken" signalisiert ist und die Sensorausgangssignale für die O berflächenfeuchtigkeit einen Trend von "nass" nach "trocken" haben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorausgangssignale für die Oberflächenfeuchtig keit Priorität haben, wenn sie "Schnee" signalisieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorausgangssignale für die Oberflächenfeuchtig keit, wenn sie "Schnee" signalisieren, die Priorität nur dann haben, wenn die Sensorausgangssignale für die Nieder schlagsintensität "Niederschlag" oder "Regen" signalisie ren.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorausgangssignale für die Oberflächenfeuchtigkeit bezüglich der Schneesignalisie rung Priorität haben, wenn sie "trocken" oder "kein Schnee" signalisieren.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sensieren der Oberflächen feuchtigkeit die Reflexion von Infrarotlicht dient.

13. Vorrichtung zur Erfassung des Zustandes einer Ver kehrsfläche mit Hilfe eines Sensors für Oberflächenfeuch tigkeit, dessen Sensorausgangssignale Auswertungsmitteln zugeführt werden,
wobei den Auswertungsmitteln auch Prognosesignale ei nes Glätte-Frühmeldesystems zugeführt werden und in den Auswertungsmitteln die Sensorausgangssignale für Oberflä chenfeuchtigkeit,
soweit sie "Schnee" signalisieren, Priorität nur dann haben, wenn die Prognosesignale "Schnee", "Frost", "Eis" oder "trocken bei Verkehrsflächen-Oberflächentemperaturen von weniger als 0,2°C" signalisieren,
soweit sie aber "kein Schnee" signalisieren, immer Priorität haben.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass den Auswertungsmitteln auch Sensorausgangssignale für Niederschlagsintensität zugeführt werden und die Auswer tungsmittel eine Fehlermeldung abgeben, wenn die Sensoraus gangssignale für Oberflächenfeuchtigkeit "Schnee" und die Sensorausgangssignale für Niederschlagsintensität entweder "kein Niederschlag" oder "kein Regen" signalisieren.