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Die
Erfindung betrifft ein Straßenverkehrsüberwachungssystem,
das ein gemultiplextes Array von Lichtleitfaser-Sensoren aufweist,
einen Lichtleitfaser-Sensor zur Verwendung in einem derartigen System
und ein Verfahren zum Überwachen
des Straßenverkehrs
unter Verwendung eines derartigen Systems.
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Es
gibt mehrere Gründe,
warum Informationen über
den Straßenverkehr
auf einem bestimmten Straßenabschnitt
gesammelt werden sollten. Einer davon kann die effektive Steuerung
des Straßenverkehrs
betreffen, wo Informationen hinsichtlich der Geschwindigkeit und
des Verkehrsaufkommens nützlich
sind. Somit können
alternative Strecken als Reaktion auf Unfälle oder Straßensperren
geplant werden und es kann versucht werden, eventuell durch Veränderung
der Geschwindigkeitsbegrenzungen, Stauungen zu beseitigen.
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Viele
neue Strassen werden mit einer sich abnutzenden obersten Schicht
gebaut, die dafür
ausgelegt ist, abgenützt
und ersetzt zu werden. Die mit Straßeninstandsetzung und Straßenbau verbundenen
signifikanten Kosten, zusätzlich
zu der durch derartige Arbeiten verursachten Unterbrechung, erfordern,
dass Reparaturen nur dann durchgeführt werden, wenn sie erforderlich
sind. Die sich abnutzende Oberflächenschicht
sollte weder zu früh,
was zu unnötigen
Kosten führt,
noch zu spät
ersetzt werden, da dadurch ein schwerer Schaden der darunter liegenden
Struktur der Strasse riskiert wird. Eine genaue Ermittlung des Verkehrsaufkommens
auf einem bestimmten Straßenabschnitt
ist deswegen wichtig.
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Ein
weiterer Grund, warum eine Verkehrsinformation erforderlich ist,
liegt in der Durchsetzung von Vorschriften und Gesetzen. Es gibt Vorschriften, die
das maximal erlaubte Gewicht für
Schwerlastwagen (heavy goods vehicles – HGVs) betreffen, die aus
Sicherheitsgründen
und deswegen aufgestellt werden, um den Schaden zu begrenzen, den überladene
Fahrzeuge der Straßenstruktur
zufügen
können.
Das Messen des dynamischen Fahrzeuggewichts hilft sicherzustellen,
dass derartige Vorschriften beachtet werden.
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Einfache,
die Fahrzeuggeschwindigkeit betreffende Information kann dazu verwendet
werden, um Geschwindigkeitsbeschränkungen zu überwachen und durchzusetzen.
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Es
kann auch erforderlich sein, Information über die Fahrzeugtypen zu sammeln,
die einen bestimmten Abschnitt der Strasse benutzen. Dies kann notwendig
sein, um zu verhindern, dass nicht geeignete Fahrzeuge, wie HGVs,
Landstrassen befahren, oder um zukünftige Schemen zum Straßenbau zu planen.
Eine Klassifikation von Fahrzeugtypen kann durch Bestimmen des dynamischen
Fahrzeuggewichts und Zählen
der Achsen erreicht werden.
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Es
ist klar, dass Information bezüglich
der Geschwindigkeit, des Gewichts, des Volumens und der Art des
Verkehrs dazu verwendet werden kann, zu einem wirksamen Steuerungsprogramm
für den Straßenverkehr
beizutragen. Es werden mehrere Verfahren verwendet, um diese Information
zu erhalten, jedoch sind sie entsprechend problembehaftet.
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Viele
Straßenabschnitte
werden von Videokameras überwacht.
Die Bilder dieser Kameras werden zur Analyse an zentrale Punkte
geleitet, um Information bezüglich
Fahrzeuggeschwindigkeit und -typ und Verkehrsaufkommen zu liefern.
Aufgrund der Komplexität
der Bilder ist es jedoch nicht immer möglich, die Analyse der erhaltenen
Daten verlässlich
zu automatisieren, das heißt,
sie müssen
visuell unter sucht werden. Es gibt eine Grenze, wie viele Bilder
auf diese Weise analysiert werden können. Darüber hinaus kann die Qualität der gesammelten
Bilder durch Wetterbedingungen beeinflusst werden. Nebel oder Regen
können
das Sichtfeld der Kameras behindern, genauso hohe Fahrzeuge, und
starke Winde können
ein Vibrieren der Kameras verursachen. In vielen Ländern werden
Kamerasysteme von Strafverfolgungsbehörden betrieben, so dass es
oft zusätzlich
kompliziert ist, die gesammelte Information den mit der Verkehrssteuerung
beauftragten Behörden
zur Verfügung
zu stellen. Es ist ebenfalls nicht möglich, das Gewicht eines Fahrzeugs
aus einem Videobild zu bestimmen. Ebenso können die Betriebskosten von
Videosystemen zur Verkehrsüberwachung
hoch sein.
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Die
meisten neuen Strassen und viele bereits existierende Strassen weisen
induktive Sensoren auf. Dabei handelt es sich um Drahtschleifen,
die unter der Straßenoberfläche angebracht
werden. Wenn ein Fahrzeug über
den Sensor fährt, ändern die
metallischen Teile des Fahrzeugs, das heißt der Motor und das Fahrgestell,
die Frequenz eines abgestimmten Schaltkreises, von dem die Schleife
ein integraler Teil ist. Diese Signalveränderung kann erfasst und interpretiert
werden, um eine Messung der Länge
des darüberfahrenden
Fahrzeugs zu liefern. Wenn zwei Schleifen nah beieinander angeordnet werden,
ist es auch möglich,
die Fahrzeuggeschwindigkeit zu ermitteln. Die Qualität der von
den induktiven Schleifen-Sensoren gesammelten Daten ist nicht immer
gut und wird weiter beeinträchtigt
von der Tatsache, dass viele moderne Fahrzeuge immer weniger metallische
Teile aufweisen. Dies führt
zu einer geringeren Signaländerung,
die schwieriger zu interpretieren ist. Obwohl sie günstig herzustellen
sind, sind induktive Sensoren groß und somit verursacht ihr
Einbau, insbesondere in bereits existierenden Strassen, eine erhebliche
Störung.
Dies führt
zu entsprechenden Kosten. Ein großer Nachteil der Verwendung
induktiver Schleifen für
die Verkehrssteuerung liegt darin, dass sie nicht für ein Multiplexen
geeignet sind. Jeder Sensor-Standort benötigt sein eigenes Datensammelsystem,
eigene Stromversorgung und eigene Datenübertragungseinheit. Dies erhöht die Kosten
des ganzen Sensors erheblich, was dazu führt, dass die meisten induktiven
Schleifen nicht angeschlossen werden und deswegen keine Daten sammeln
können.
Darüber
hinaus können,
obwohl induktive Schleifen zum Zählen
von Fahrzeugen verwendet werden und, wenn sie paarweise eingesetzt
werden, eine Fahrzeuggeschwindigkeit ermitteln können, sie nicht zum Messen
eines dynamischen Fahrzeuggewichts benutzt werden. Somit ist eine
Klassifizierung von Fahrzeugen nicht möglich.
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Es
werden üblicherweise
zwei Verfahren zum Bestimmen des Gewichts von Fahrzeugen, insbesondere
von HGVs, verwendet. Ein Fahrzeuggewicht kann unter Verwendung einer
Brückenwaage gemessen
werden. Dies liefert sehr genaue Ergebnisse, aber das Fahrzeug muss
die Straße
an einem bestimmten Ort verlassen, wo die Messung stattfinden kann.
Ein alternatives Verfahren besteht darin, zu versuchen, das Gewicht
des Fahrzeugs während des
Vorbeifahrens zu messen. Herkömmlicherweise werden
unter der Oberfläche
der Strasse piezoelektrische Kabel platziert, die ein Signal proportional
zu dem Gewicht des darüber
fahrenden Fahrzeugs erzeugen. Dieses Verfahren ist einfacher, aber
weniger genau als eine Brückenwaage.
Genauso wie induktive Schleifen-Sensoren sind piezoelektrische Sensoren
nicht für
ein Multiplexen geeignet, so dass jeder Sensor ein ähnliches
Datensammelsystem, Stromversorgung und Datenübertragungseinheit benötigt. Auch
sind die Sensoren teuerer und weniger robust als induktive Schleifen-Sensoren.
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Um
die maximale Informationsmenge bezüglich des Verkehrs auf einem
bestimmten Straßenabschnitt
zu erhalten, werden piezoelektrische Sensoren oft zusammen mit induktiven
Schleifen eingesetzt.
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Lichtleitfaser-Interferometrie-Sensoren
können
zum Erfassen von Druck verwendet werden. Wenn auf ein Stück einer
Lichtleitfaser ein externer Druck ausgeübt wird, wird die Faser deformiert.
Diese Deformation verändert
die optische Pfadlänge
der Faser, was als eine Änderung
der entlang der Faser verlaufenden Phase des Lichts erfasst werden
kann. Da es möglich
ist, sehr geringe Änderungen
der Phase zu analysieren, sind Lichtleitfaser-Sensoren extrem empfindlich
auf ausgeübten
Druck. Ein derartiger Sensor wird als ein Interferometrie-Sensor
beschrieben. Aufgrund dieser hohen Sensitivität können Lichtleitfaser-Sensoren
beispielsweise in akustischen Hydrophonen verwendet werden, wo Schallwellen
mit Stärken äquivalent
zu einem Druck von 10–4 Pa routinemäßig erfassbar
sind. Eine derartige hohe Sensitivität kann jedoch auch Probleme
verursachen. Lichtleitfaser-Interferometrie-Sensoren sind nicht
sehr gut geeignet zur Verwendung in Anwendungen, in denen eine niedrige
Sensitivität
erforderlich ist, zum Beispiel beim Erfassen großer Druckunterschiede in einer
Umgebung mit lauten Hintergrundgeräuschen. Jedoch haben Lichtleitfaser-Sensoren
den Vorteil, dass sie einem Multiplexverfahren unterzogen werden
können,
ohne Rückgriff
auf lokale Elektronik zu nehmen. Interferometrie-Sensoren können auch
in verteilte Sensoren mit einer ausreichenden Länge ausgebildet werden, um
die Breite der Strasse zu überspannen.
Dies steht im Kontrast zu beispielsweise Bragg-Gitter-Sensoren,
die als Punkt-Sensoren wirken.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verkehrsüberwachungssystem
zumindest eine Sensor-Station und ein Interferometrie-Abfragesystem
auf; wobei die zumindest eine Sensor-Station einen in einer Strasse
eingesetzten Lichtleitfaser-Sensor aufweist; wobei der zumindest eine
Lichtleitfaser-Sensor ein Formteil, eine auf das Formteil gewickelte
Lichtleitfaser, ein Gehäuse
und ein zwischen dem Gehäuse
und dem Formteil vorgesehenes nachgeben des Material aufweist, wobei
das nachgebende Material die Sensitivität des Sensors verringert; und
wobei das Interferometrie-Abfragesystem
ausgebildet ist, auf eine optische Phasen-Verschiebung zu reagieren, die in dem
zumindest einen Lichtleitfaser-Sensor aufgrund der von einem Fahrzeug,
das die zumindest eine Sensor-Station passiert, ausgeübten Kraft
erzeugt wird.
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Dies
liefert ein kostengünstiges,
verlässliches
Verkehrsüberwachungssystem
mit einfachen, kostengünstigen,
verschleißfesten
Sensoren, die sehr gut einem Multiplexverfahren unterzogen werden
können.
Eine entfernte Abfrage ist möglich,
so dass weder eine örtliche
Elektronik noch eine örtliche elektrische
Leistung notwendig sind.
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Vorzugsweise
weist das Interferometrie-Abfragesystem ein reflektometrisches Interferometrie-Abfragesystem
auf, weiter bevorzugt weist das Interferometrie-Abfragesystem ein
gepulstes reflektometrisches Interferometrie-Abfragesystem auf.
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Reflektometrische
Interferometrie und insbesondere gepulste reflektometrische Interferometrie ermöglichen
ein sehr wirksames Multiplexverfahren.
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Vorzugsweise
weist der Lichtleitfaser-Sensor ferner zumindest ein mit der Lichtleitfaser
verbundenes halbdurchlässiges
Element auf. Für
einen einzelnen isolierten Sensor wird ein halbdurchlässiges Element
an jedem Ende des Sensors verwendet. Gewöhnlich ist jedoch eine Anzahl
von Sensoren in Reihe verbunden, so dass jeder individuelle Sensor
nur ein halbdurchlässiges
Element braucht. In diesem Fall wirkt jedes halbdurchlässige Element
als das erste halbdurchlässige
Element für
einen Sensor und auch als das zweite halbdurchlässige Element für den vorhergehenden
Sensor. Ausnahme hierbei ist der letzte Sensor in einer Reihe von
Sensoren, der ein zusätzliches
halbdurchlässiges
End-Element benötigt.
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Vorzugsweise
ist das halbdurchlässige
Element ein Element eines faseroptischen X-Kopplers mit einem verspiegelten
Anschluss oder ein Bragg-Gitter.
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Vorzugsweise
weist das Formteil einen zylindrischen Stab mit einer spiralförmigen Vertiefung
auf und die Lichtleitfaser ist in der spiralförmigen Vertiefung gewickelt.
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Dies
ermöglicht
eine einfache Herstellung, da es sicherstellt, dass die Faser gleichmäßig auf
das Formteil gewickelt wird.
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Die
Materialeigenschaften des Stabs können derart gewählt werden,
dass die Sensitivität
des Sensors weiter verringert wird.
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Vorzugsweise
besteht das nachgebende Material aus Fett, Harz oder Kunststoff.
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Die
mechanischen Eigenschaften des nachgebenden Materials können angepasst
werden, damit der Sensor die erforderliche Sensitivität erhält. Im Gegensatz
zu herkömmlichen
Lichtleitfaser-Sensoren, wo eine hohe Sensitivität ausschlaggebend ist, ist
der Sensor der vorliegenden Erfindung bewusst desensibilisiert,
indem ein nachgebendes Material gewählt wird, das den größten Teil
jeder ausgeübten Kraft
wirksam absorbiert. Dies bedeutet, dass ein Sensor mit einem stark
nachgebenden Material, wie Fett, verwendet werden kann, um größere Kräfte und Druckkräfte zu erfassen,
als normalerweise mit vorhandenen Lichtleitfaser-Sensoren möglich wäre.
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Vorzugsweise
weist das System eine Vielzahl von Sensor-Stationen auf, wobei nebeneinander liegende
Stationen über
ein Stück
einer Lichtleitfaser miteinander verbunden sind.
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Das
Stück einer
Lichtleitfaser, das nebeneinander liegende Sensor-Stationen verbindet,
definiert die optische Pfadlänge
zwischen nebeneinander liegenden Sensor-Stationen. Herkömmlicherweise
ist die verbindende Lichtleitfaser gestreckt und somit ist die optische
Pfadlänge
zwischen nebeneinander liegenden Sensor-Stationen im Wesentlichen
gleich zu ihrer physikalischen Entfernung. Jedoch muss die verbindende
Lichtleitfaser nicht vollständig
gestreckt sein, somit kann die physikalische Entfernung nebeneinander
liegender Sensor-Stationen
jeder Abstand bis zu der Länge
der Lichtleitfaser sein, die zum Verbinden nebeneinander liegender
Sensor-Stationen verwendet wurde.
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Geeigneterweise
beträgt
die Länge
des Stücks
Lichtleitfaser, das nebeneinander liegende Sensor-Stationen verbindet,
zwischen 100 m und 5000 m.
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Vorzugsweise
weist jede Sensor-Station eine Vielzahl von Lichtleitfaser-Sensoren
auf; weiter bevorzugt weist jede Sensor-Station zumindest einen Lichtleitfaser-Sensor
für jede
Fahrspur der Strasse auf.
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Weiter
bevorzugt weist jede Sensor-Station zumindest zwei Lichtleitfaser-Sensoren,
die mit einem bekannten Abstand voneinander angeordnet sind, für jede Fahrspur
der Strasse auf.
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Geeigneterweise
liegt der bekannte Abstand zwischen 0.5 m und 5 m. Der bekannte
Abstand bezieht sich auf die physikalische Entfernung der Lichtleitfaser-Sensoren
und nicht auf die optische Pfadlänge
der Lichtleitfaser zwischen jedem Sensor.
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Dies
liefert ein Verkehrsüberwachungssystem,
das eingesetzt werden kann, um den Verkehr auf jedem Typ von Strasse
zu überwachen,
von der Strasse mit nur einer Fahrspur bis zu einer Schnellstrasse
mit vielen Fahrspuren. Die Sensor-Stationen können in Intervallen entlang
der Gesamtlänge
der Strasse oder nur an den Abschnitten platziert werden, wo eine
Verkehrsüberwachung
wichtig ist, zum Beispiel an bekannten Staustellen oder Unfallschwerpunkten.
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Ein
Sicherstellen, dass jede Fahrspur der Strasse zumindest einen Lichtleitfaser-Sensor
aufweist, bedeutet, dass einige Verkehrsinformation unabhängig von
dem Teil der Strasse, auf dem der Verkehr fließt, gesammelt werden kann.
Das einfachste System für
eine Strasse mit jeweils einer Richtungsfahrbahn würde zwei
Sensoren aufweisen, einen für jede
Fahrtrichtung. Obwohl dieses System Information bezüglich Fahrzeuggewicht,
Verkehrsaufkommen und zum Zählen
der Achsen liefern würde,
könnte
es nicht zum Messen der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet werden.
Eine Fahrzeuggeschwindigkeit kann jedoch ermittelt werden, indem
zwei Sensoren, die durch einen bekannten kurzen Abstand voneinander getrennt
sind, pro Fahrspur der Strasse angebracht werden. Es kann wünschenswert
sein, mehr als zwei Sensoren pro Fahrspur der Strasse zu platzieren, zum
Beispiel können
drei Sensoren, die nah beieinander angebracht sind, zum Messen einer
Fahrzeugbeschleunigung verwendet werden. Eine derartige Messung
kann an Straßenkreuzungen,
Verkehrskreiseln oder Verkehrsampeln nützlich sein.
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Vorzugsweise
wird jeder Sensor derart eingesetzt, dass seine längste Ausdehnung
sich im Wesentlichen in der Ebene der Strasse und im Wesentlichen
senkrecht zur Richtung des Verkehrsflusses auf der Strasse befindet.
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Vorzugsweise
ist die längste
Ausdehnung jedes Sensors im Wesentlich gleich zu der Spurbreite der
Strasse.
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Dies
hilft sicherzustellen, dass das Vorbeifahren jedes Fahrzeugs auf
jedem Teil der Strasse von dem System registriert wird.
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Im
Vereinigten Königreich
(UK) kann die Breite einer Straßenspur
von ungefähr
2.5 m für
eine Nebenstraße
bis zu ungefähr
3.7 m für
eine Autobahn reichen. Andere Teile der Welt können Straßensysteme mit anderen Spurbreiten
aufweisen.
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Vorzugsweise
wird jeder Sensor unter der Oberfläche der Strasse eingesetzt.
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Für das Einsetzen
in einer bereits bestehenden Strasse kann einer schmaler Kanal oder
Vertiefung in die Strasse eingeschnitten werden, um jeden Sensor
aufzunehmen. Die Vertiefung kann dann wieder aufgefüllt und
die Oberfläche
der Strasse wieder in Ordnung gebracht werden. Offensichtlich können im
Fall einer neuen Strasse die Sensoren einfach in den Aufbau der
Strasse während
des Baus mitaufgenommen werden.
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Es
ist möglich,
aber weniger vorzuziehen, die Sensoren derart einzusetzen, dass
sie auf der Oberfläche
der Strasse befestigt, statt darin eingebettet werden. Dies kann
hilfreich sein, wenn das System für kurze Zeit an einem bestimmten
Ort verwendet wird, bevor es versetzt wird. Offensichtlich müssen in diesem
Fall die eingesetzten Sensoren geschützt werden oder widerstandsfähig genug
sein, um den größeren Kräften, die
mit den direkt über
sie fahrenden Fahrzeugen zusammenhängen, zu widerstehen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Überwachen von
Verkehr auf: Vorsehen einer Vielzahl von Sensor-Stationen an einer
Strasse; Einsetzen einer Vielzahl von Lichtleitfaser-Sensoren an
jeder Sensor-Station; wobei jeder Lichtleitfaser-Sensor ein Formteil,
eine auf das Formteil gewickelte Lichtleitfaser, ein Gehäuse und
ein zwischen dem Gehäuse und
dem Formteil vorgesehenes nachgebendes Material aufweist, wobei
das nachgebende Material die Sensitivität des Sensors verringert; Anschließen jedes
Lichtleitfaser-Sensors an ein Interferometrie-Abfragesystem, Anwenden
eines Zeitmultiplexverfahrens, damit das Abfragesystem derart ausgebildet
ist, eine Ausgabe jedes Lichtleitfaser-Sensors im Wesentlichen gleichzeitig
zu überwachen;
und Verwenden der Ausgabe jedes Lichtleitfaser-Sensors, um Daten
bezüglich
dem Verkehr abzuleiten, der jede Sensor-Station passiert.
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Vorzugsweise
setzt das Verfahren ferner ein Wellenlängen-Multiplexverfahren derart ein, dass
die Anzahl der Lichtleitfaser-Sensoren,
für deren Überwachung
das Abfragesystem ausgebildet ist, erhöht wird.
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Vorzugsweise
setzt das Verfahren ferner ein räumliches
Multiplexverfahren derart ein, dass die Anzahl der Lichtleitfaser-Sensoren,
für deren Überwachung
das Abfragesystem ausgebildet ist, erhöht wird.
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Vorzugsweise
betreffen die abgeleiteten Daten zumindest entweder die Fahrzeuggeschwindigkeit,
das Fahrzeuggewicht, das Verkehrsaufkommen, den Achsenabstand oder
die Fahrzeugklassifikation.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft beschrieben unter Bezugnahme auf
die folgenden Zeichnungen, von denen:
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1 ein
Beispiel eines Teils eines Verkehrsüberwachungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung an einer zweispurigen Strasse zeigt;
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2 einen
erweiterten Teil eines Verkehrsüberwachungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 eine
einzelne Sensor-Station zeigt, die für ein Verkehrsüberwachungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung an einer sechsspurigen Strasse geeignet ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Lichtleitfaser-Sensors zeigt, der
zur Verwendung in einem Verkehrsüberwachungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet ist;
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5 einen
Querschnitt des Sensors von 4 entlang
der Linie A-A zeigt;
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5a eine
schematische Darstellung dreier in Reihe verbundener Sensoren zeigt;
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6 eine
schematische Darstellung eines Interferometrie-Abfragesystems zeigt, das zur Verwendung
in einem Verkehrsüberwachungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet ist;
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7 eine
Darstellung der räumlichen
Anordnung eines Satzes von Sensorgruppen zeigt, die von dem System
von 6 abgefragt werden können;
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8 die
Ableitung der optischen Signal-Zeitfolgen für den Satz von Sensorgruppen
von 7 zeigt;
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9 eine
perspektivische Ansicht eines Sensors des in 4 gezeigten
Typs zeigt, der unter der Oberfläche
einer Strasse eingesetzt ist;
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10a–e darstellen, wie ein Sensor unter der
Oberfläche
einer Strasse eingesetzt werden kann; und
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11a–b die Signale zeigen, die von über einen
Sensor des in 4 gezeigten Typs fahrendem Auto
und HGV aufgenommen wurden.
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1 zeigt
einen Teil eines Verkehrsüberwachungssystems
an einer zweispurigen Strasse 1. Es werden zwei Sensor-Stationen 2 gezeigt,
die über ein
Stück einer
Lichtleitfaser 3 verbunden sind. In den 1 und 2 ist
die Lichtleitfaser 3 gestreckt gezeigt und somit ist die
physische Entfernung der Sensor-Stationen, die von dem Abstand 4 angezeigt
wird, im Wesentlichen gleich zu der optischen Pfadlänge der
Lichtleitfaser 3. Die Lichtleitfaser 3 muss nicht vollständig gestreckt
sein; in diesem Fall kann die physische Entfernung der Sensor-Stationen,
der Abstand 4, geringer sein als die optische Pfadlänge der Lichtleitfaser 3.
Einen erweiterten Abschnitt des Systems mit fünf Sensor-Stationen wird in 2 gezeigt.
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Jede
Sensor-Station 2 weist vier Lichtleitfaser-Sensoren 5 auf,
die miteinander in Reihe und mit der Lichtleitfaser 3 über die
Lichtleitfaser 6 verbunden sind. An jeder Sensor-Station 2 sind
die Sensoren 5 derart in die Strasse eingesetzt, dass zwei
Sensoren, die durch den Abstand 7 getrennt sind, pro Fahrspur
der Strasse vorhanden sind. Der Pfeil 8 stellt die Fahrtrichtung
des Verkehrs auf jeder Fahrspur der Strasse dar. Jeder Sensor ist
derart angeordnet, dass seine längste
Ausdehnung senkrecht zu der Richtung des Verkehrsflusses 8 liegt
und im Wesentlichen gleich der Breite einer Fahrspur der Strasse
ist. Dies stellt sicher, dass ein an einer Sensor-Station 2 vorbeifahrendes
Fahrzeug eine Reaktion an zumindest einem Lichtleitfa ser-Sensor 5 auslöst, unabhängig von
seiner Fahrtrichtung oder Positionierung auf der Fahrspur der Strasse.
Aufgrund der bekannten physischen Entfernung der Sensoren 7 in
jeder Sensor-Station kann die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt
werden. Alle Sensor-Stationen sind über die Lichtleitfaser 3 mit
einem Interferometrie-Abfragesystem 9 verbunden.
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In 3 wird
eine einzelne Sensor-Station 2 als Teil eines Verkehrsüberwachungssystems
für eine
mehrspurige Hauptverkehrsstraße 10,
zum Beispiel eine Autobahn, gezeigt. In diesem Fall werden zwölf Sensoren 5 eingesetzt,
um sicherzustellen, dass ein an einer Sensor-Station auf einer der sechs Fahrspuren 11 der
Strasse vorbeifahrendes Fahrzeug eine Reaktion unabhängig von
seiner Fahrtrichtung 8 oder Wahl der Fahrspur 11 auslöst.
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Ein
Beispiel eines in den 4 und 5 gezeigten
Sensors 12 weist eine um einen zylindrischen Stab 14 aus
Polyurethan gewickelte Lichtleitfaser 13 auf, die in einem
u-förmigen
Kanal in einem Gehäuse 15 platziert
ist. In diesem Beispiel besteht die Lichtleitfaser 13 aus
einer 20 m langen, zweischichtigen Faser mit hoher numerischer Apertur
und einem Außendurchmesser
von 170 μm
(FibreCore SM 1500 – 6.4/80),
obwohl genauso andere Längen und
Spezifikationen Lichtleitfasern verwendet werden können. Der
Stab 14 aus Polyurethan ist 3 m lang und weist eine in
seine Oberfläche
eingearbeitete 1 mm tiefe spiralförmige Vertiefung auf. Die Lichtleitfaser 13 ist
in dieser Vertiefung gewickelt. Dies erleichtert das gleichmäßige Wickeln
der Lichtleitfaser entlang der Länge
des Stabs. Offensichtlich können die
Abmessungen des Stabs verändert
werden, um einen Sensor mit geeigneter Größe für eine erwünschte Anwendung vorzusehen.
Die mechanischen Eigenschaften des zur Herstellung des Stabs 14 verwendeten
Materials können
die Leistung des Sensors beeinflussen. Einige Alternativen zu Polyurethan
umfassen Stahl, andere Metalle und an dere Kunststoffe, wie Perspex.
Ein halbdurchlässiges
Element 50 ist mit einem Ende der Faser 13 verbunden. Wenn
der Sensor isoliert verwendet werden soll oder er den End-Sensor
in einer Reihe von Sensoren bildet, wird ein zusätzliches halbdurchlässiges Element mit
dem anderen Ende des Sensors verbunden.
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Um
die Sensitivität
des Sensors zu verringern, so dass er große Kräfte und Drücke erfassen kann, wird ein
nachgebendes Material 16 zwischen dem Stab 14 und
dem Gehäuse 15 vorgesehen.
Das Material kann das meiste jeder auf den Sensor ausgeübten äußeren Kraft
absorbieren. Während
der Herstellung ist es günstig,
das Gehäuse 15 teilweise mit
dem nachgebenden Material 16 zu füllen und dann den Stab 14 und
die Lichtleitfaser 13 darauf zu setzen. Der Stab wird dann
mit weiterem nachgebendem Material bedeckt. Wie in 5 gezeigt
wird, führt
das dazu, dass der Stab vollständig
von dem nachgebenden Material umschlossen ist. Eine optionale Abdeckung 17 kann
zum Schutz des Sensors vorgesehen werden. Dies ist nützlich,
wenn das nachgebende Material 16 ein weiches Material ist, wie
beispielsweise Fett. Es ist möglich,
die Abdeckung 17 wegzulassen, wenn das nachgebende Material
fest wird, wie zum Beispiel Epoxidharz.
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Das
Gehäuse 15 in
diesem Beispiel besteht aus einem stabilen Stab aus Aluminium mit
einem Querschnitt von 23 mm. Die u-förmige Vertiefung ist aus dem
Stab herausgefräst,
um das Formteil und die Lichtleitfaser aufzunehmen. Das Gehäuse ist
geeigneterweise etwas länger
als der Stab 14.
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In 5a werden
drei in Reihe verbundene Sensoren 12, 12' und 12'' gezeigt. Die Sensoren 12 und 12' weisen jeweils
ein mit der Lichtleitfaser 13 verbundenes halbdurchlässiges Element 50 und 50' auf. In Betrieb
verwendet der Sensor 12 beide halbdurchlässige Elemente 50 und 50'. Ähnlich ist
der Sensor 12' von
den halbdurchlässigen
Elementen 50' und 50'' definiert. Der Sensor 12'' ist ein End-Sensor, somit weist
er zwei mit der Faser verbundene halbdurchlässige Elemente 50'' und 50''' auf.
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6 zeigt
ein Beispiel eines Interferometrie-Abfragesystems. Die Architektur
von 6 basiert auf einer reflektometrischen Zeitmultiplexarchitektur
mit einem zusätzlichen
Wellenlängen-
und räumlichen
Multiplexverfahren. Das Licht von n Halbleiter-Lasern mit verteilter
Rückkopplung
(DFB) 18 wird unter Verwendung einer dichten Wellenlängen-Multiplexvorrichtung
(DWDM) 19 kombiniert, bevor es durch ein Interferometer 20 geht.
Das Interferometer 20 weist zwei akusto-optische Modulatoren (AOM),
die auch als Bragg-Zellen 21 bekannt sind, und eine Verzögerungs-Spule 22 auf.
Impulse mit einer etwas verschiedenen Frequenz steuern die Bragg-Zellen 21,
so dass die gebeugten Lichtimpulse ebenfalls diesen Frequenzunterschied
aufweisen. Die Ausgabe aus dem Interferometer geschieht in der Form
zweier getrennter Abfrageimpulse. Diese werden von einem Erbium-legierten
Faser-Verstärker (erbium
doped fibre amplifier – EDFA) 23 verstärkt und
dann von einem zweiten DWDM 25 in n verschiedene Fasern 24 getrennt.
Jede Faser 24 führt
zu einem 1 × N-Koppler 26.
Jeder Koppler 26 teilt den Eingang in N Fasern 27 auf.
In 6 wird jeder Koppler 26 mit vier Ausgabe-Fasern 27 gezeigt,
das heißt
N = 4. N kann, wenn nötig,
größer oder
kleiner sein. Es ist ebenfalls nicht erforderlich, dass alle 1 × N-Koppler 26 denselben
Wert für
N aufweisen. Jede Faser 27 endet in einem Sensor, einer
Gruppe von Sensoren oder eine Anzahl von Gruppen von Sensoren 28. Es
ist offensichtlich, dass die Zahl der individuellen Sensoren, die
von der Architektur von 6 abgefragt werden kann, hoch
sein kann. Ein typisches System kann n = 8 und N = 4 aufweisen,
wobei 5 Gruppen von 8 Sensoren mit jeder Ausgabe-Faser 27 verbunden
sind. Dies liefert ein System, in welchem 1280 individuelle Sensoren
abgefragt werden können.
Die maximale Anzahl von Sensoren ist von dem optischen Leistungsbudget
begrenzt, kann aber eine Zahl von mehreren tausend oder mehr erreichen.
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Das
Rücklauflicht
von den Sensoren 28 wird über Rücklauffasern 30 an
einzelne Lichtempfänger 29 geleitet.
Die Lichtempfänger 29 können einen
zusätzlichen
Polarisations-Diversitäts-Empfänger aufnehmen,
der zum Lösen
des Problems von durch Polarisations-Fading verursachten Niederfrequenz-Signalschwankungen
verwendet wird. Dies ist ein häufiges
Problem bei reflektometrischen Zeitmultiplexarchitekturen. Elektrische
Signale werden von dem Lichtempfänger
an einen Computer 31 geleitet, der einen Analog-Digital-Wandler 32,
einen digitalen Demultiplexer 33, einen digitalen Demodulator 34 und eine
Zeit-Steuerungs-Karte 35 umfasst. Nach der digitalen Signalverarbeitung
in dem Computer kann das Signal als formatierter Datensatz zur Anzeige oder
zum Speichern abgefragt werden oder über einen Digital-Analog-Wandler
(nicht gezeigt) zurück
in ein elektrisches Signal verwandelt werden.
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Der
Erfolg der in 6 gezeigten Architektur hängt kritisch
von dem korrekten Timing der optischen Signale ab. Dies wird durch
ein Verwenden bestimmter Längen
der Lichtleitfaser in jedem Sensor, zwischen jedem Sensor einer
Gruppe von Sensoren und zwischen jeder Gruppe von Sensoren erreicht. Eine
beispielhafte Anordnung wird in 7 gezeigt. Es
werden fünf
Gruppen 36 von Sensoren, wobei jede Gruppe acht individuelle
Sensoren 37 umfasst, gezeigt, die mit einem Abstand von
1 km voneinander angeordnet sind. Jeder Sensor 37 weist
eine Gesamtlänge
von 50 m Lichtleitfaser auf, so dass jede Gruppe 36 eine
optische Pfadlänge
von 400 m aufweist.
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Auf
den ersten Blick kann es notwendig erscheinen, Gruppen von Sensoren
in genau bekannten und abgemessenen Intervallen einzu setzen, zum Beispiel
alle 1 km. Dies ist nicht der Fall, da Verzögerungs-Spulen verwendet werden
können,
damit Sensorgruppen näher
zusammen eingesetzt werden können.
Wenn eine Sensorgruppe innerhalb eines festgesetzten Abstands nicht
eingesetzt werden kann, dann kann eine aus einer 400 m langen Faserspule
bestehende Attrappen-Sensorgruppe verwendet werden, und danach die
nächste
Gruppe von Sensoren auf der Fahrbahn eingesetzt werden. Durch eine Änderung
der Zeiteinteilung der Abfrageimpulse können verschiedene Abstände zwischen den
Gruppen, wenn erforderlich, erreicht werden, zum Beispiel 500 m,
1 km, 5 km.
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Eine
Verwendung der in 7 definierten bestimmten Faserlängen ermöglicht es,
die optischen Signal-Timings zu definieren. Dies wird in 8 gezeigt.
Diese zeigt, dass eine Abtastrate von ungefähr 41 kHz für jede Gruppe von Sensoren
möglich
sein sollte. Dies führt
zu einer Messbandbreite von mehreren kHz an jedem Sensor, während ein
hoher Dynamikbereich beibehalten wird. Dies führt zu einem hohen Dynamikbereich über eine
Messbandbreite von mehreren kHz an jedem Sensor.
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Die
Impulsfolge für
die Sensoren besteht aus einer Reihe von Impulspaaren, in denen
die Impulse etwas unterschiedliche Frequenzen aufweisen. An jedem
Ende von jedem Sensor befindet sich eine halbdurchlässige Vorrichtung.
Der Impulsabstand zwischen den Impulsen ist gleich der zweifachen Laufzeit
des Lichts durch die Faser zwischen diesen halbdurchlässigen Vorrichtungen.
Wenn diese halbdurchlässigen
Vorrichtungen Impulspaare reflektieren, überlappt die Reflexion des
zweiten Impulses zeitmäßig mit
der Reflexion des ersten Impulses von der nächsten halbdurchlässigen Vorrichtung
entlang der Faser. Die von dem Sensor-Array reflektierte Impulsfolge
besteht aus einer Reihe von Impulsen, wobei jeder Impuls ein Trägersignal
enthält,
das der Frequenzunterschied zwischen den zwei optischen Fre quenzen
ist. Der Erfassungsvorgang an der Photodiode führt zu einer Reihe von, einem
Zeitmultiplexverfahren (TDM) unterzogenen Überlagerungs-Impulsen, wobei
jeder einem bestimmten Sensor in dem Array entspricht. Wenn ein
Drucksignal auf einen Sensor auftrifft, verursacht es eine Phasenmodulation
des Trägers
in dem diesem Sensor entsprechenden reflektierten Impuls.
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Um
das Schema der 7 und 8 zu implementieren,
müssen
genaue Timing-Impulse erzeugt werden und es sind angemessen entwickelte Demultiplex-
und Demodulations-Prozesse erforderlich. Wenn ein Computer verwendet
wird, der mit Analog-Digital-Wandler ausgestattet ist und eine digitale
Signalverarbeitung durchführen
kann, ist es möglich,
die gesamte erforderliche Verarbeitung in dem digitalen Bereich
durchzuführen.
Dies verbessert im Vergleich zu herkömmlicheren analogen Herangehensweisen
den Bandbreiten- und Dynamik-Bereich.
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9 und 10 zeigen ein Beispiel, wie Sensoren unter
der Oberfläche
einer Strasse eingesetzt werden können. Ein Spalt oder eine Vertiefung 38 wird
in die Oberfläche
einer Strasse 39 mit einer Fräse eingeschnitten. Die Vertiefung,
die normalerweise etwas länger
ist als der Sensor, umfasst einen als Kanal benutzten schmaleren
Abschnitt 40, der eine herauskommende Lichtleitfaser 41 aufnimmt. 9 zeigt
nur eine herausführende
Vertiefung an einem Ende des Sensors, offensichtlich würde eine ähnliche Vertiefung
an dem anderen Ende des Sensors eingeschnitten werden, damit zwei
Sensoren miteinander verbunden werden können. Abstandsklötze 42 werden
entlang des Bodens der Vertiefung in Abständen von geeigneterweise ungefähr alle
0.5 m angeordnet. Der Sensor 43 wird dann auf die Abstandsklötze 42 gesetzt.
Die Abstandsklötze
stellen sicher, dass der Sensor mit dem Boden der Vertiefung nicht
in direkten Kontakt kommt, wodurch sie helfen, den Sensor vor Vibrationen
zu schützen.
Wenn der Sensor eingesetzt ist, wird ein Vergussharz 44 in
die Vertiefung gegossen, so dass der Sensor vollständig eingeschlossen
wird. Aufgrund der Abstandsklötze
kann das Vergussharz unter den Sensor fließen. Vorzugsweise wird die
Vertiefung mit Vergussharz etwas überfüllt, wie in 10d gezeigt wird. Nach einem letzten Vorgang des
Abschleifens der Oberfläche
des Harzes bündig
mit der Oberfläche
der Strasse ist der Sensor zum Betrieb geeignet.
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Beispiel 1
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Ein
einzelner Sensor des in 4 gezeigten Typs wurde, wie
in den 9 und 10 beschrieben,
in einer Strasse eingesetzt. 11a zeigt
die Reaktion des Sensors, wenn ein Fahrzeug mit drei verschiedenen
Geschwindigkeiten darüber
fährt;
15 mph, 30 mph und 55 mph werden jeweils von den Datenkurven 45, 46 und 47 dargestellt.
Jede Kurve weist zwei Spitzen auf, die den zwei Achsen des Fahrzeugs
entsprechen. Die Entfernung zwischen den Spitzen entspricht dem
Achsabstand und das Achsengewicht kann als eine Funktion des von
jeder Spitze begrenzten integrierten Bereichs und der Fahrzeuggeschwindigkeit
abgeleitet werden. In diesem Beispiel kann das Fahrzeuggewicht abgeleitet
werden, da die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bekannt ist. Wie oben beschrieben,
werden zumindest zwei Sensoren mit einem bekannten Abstand zueinander
benötigt,
um die Geschwindigkeit eines vorbeifahrenden Fahrzeugs zu messen.
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Beispiel 2
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11b zeigt die Daten, die beim Überfahren des in obigem Beispiel
1 verwendeten Sensors durch ein Gelenkfahrzeug gesammelt wurden.
Die Datenkurven 48 und 49 stellen jeweils ein
beladenes und ein unbeladenes Fahrzeug dar. Jede Kurve weist vier
Spitzen auf, die den vier Achsen des Fahrzeugs entsprechen. Wiederum
wird das Achsengewicht von der bekannten Fahrzeuggeschwindigkeit
und dem von den Spitzen begrenzten Bereich abgeleitet. In diesem
Beispiel jedoch, da sowohl für
den Test mit dem beladenen Fahrzeug als auch für den Test mit dem unbeladenen
Fahrzeug die Geschwindigkeit dieselbe war, liefert der numerische
Unterschied zwischen den von den Spitzen begrenzten Bereichen eine
direkte Anzeige des Gewichtsunterschieds des Fahrzeugs. Der Gewichtsunterschied
ist gleich zu dem Gewicht der von dem Fahrzeug geladenen Last.