FI120521B - Menetelmä ja laitteisto vesiliirtoriskin määrittämiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä ja laitteisto vesiliirtoriskin määrittämiseksi

Esillä oleva keksintö liittyy säätietojen tuottamiseen ilmailuliikenteen hyväksi ja erityisesti vesiliirtoriskeistä varoittamiseen lentokentillä. Tarkemmin sanottuna keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää vesiliirtoriskin määrittämi-5 seksi ja patenttivaatimuksen 8 johdannon mukaista laitetta vesiliirtoriskin määrittämiseksi.

Vesiliirto aiheutuu yllättävästä pidonmenetyksestä, kun vesikerros kasautuu renkaan ja tien väliin usein kovissa nopeuksissa. Vesiliirtoon joutuminen on yleinen ongelma kaikille kumipyörillä varustetuille ajoneuvoille mukaan lukien lentokoneet. Itse asiassa vesi-10 liirtoon joutuminen oli osasyy Bangkokissa 23. syyskuuta 1999 tapahtuneeseen onnettomuuteen, joka johti 38 matkustajan loukkaantumiseen ja huomattaviin aineellisiin vahinkoihin. Yleensä liikenteessä tapahtuvat vesiliirrot ovat dynaamisia, jolloin niiden aikaansaamiseksi ajoneuvolla on oltava tietty vähimmäisnopeus ja tien ja renkaan välissä olevalla vesikalvolla on oltava tietty vähimmäispaksuus. Esimerkiksi lentokoneen vähim-15 mäisnopeus (solmuissa) vesiliirtoon joutumiseen on tyypillisesti 7 kertaa rengaspaineen (psi) neliöjuuri. Kun lentokoneen rengaspaine vaihtelee välillä 60 - 200 psi, kriittinen nopeus vaihtelee välillä 50 - 100 solmua. Vesikalvon vähimmäispaksuus taas riippuu voimakkaasti tien pinnasta ja renkaan kuvioinnista, mutta yleisesti ottaen sen voidaan arvioida olevan noin 2,5 - 5 millimetriä. Koska esimerkiksi lähestyvän lentokoneen las-20 keutumisnopeuteen ei voida vaikuttaa riittävästi vesiliirtoriskin poistamiseksi, riskin vähentämiseksi lentäjää on varoitettava sadevesikertymän vaarallisesta paksuudesta, jolloin laskeutuminen osataan aloittaa mahdollisimman läheltä kiitoradan alkupäätä.

Vesikerroksen paksuutta voidaan tunnetusti mitata suorasti tien pintaan asennetuilla antureilla, mutta menetelmään liittyy huomattavia epäkohtia. P i nta-anturijärjcstclyt eivät ole 25 erityisen luotettavia, koska antureilla ei saada tarkkaa kuvaa vesikerroksen paksuudesta eikä menetelmä huomioi esimerkiksi veden kerääntymistä syventymiin. Samoin antureiden asennus on kallista ja kunnollisen kattavuuden saamiseksi niitä on oltava huomattava määrä, mikä lisää kustannusten ohella vikaherkkyyttä. Lisäksi suoraa mittausta hankaloittaa mitattavan pinnan päälle kertyvä lika, joka muuttaa veden ominaisuuksia, minkä 2 vuoksi nykyisillä pinta-antureilla on vaikea saada suoraa mittaustietoa luotettavasti ja pinnan epäpuhtauksista riippumatta.

On tunnettu myös menettelyjä, joissa ajoneuvoon on kiinnitetty tienpinnan tai kiitotien olosuhteita aistiva etämittalaite, jonka avulla kiitoradan vesikertymästä ja tämän ja-5 kaumasta saadaan tietoa. Kuvatun kaltainen menetelmä on sellaisenaan kuitenkin epäedullinen, koska tällöin mitattava alue on rauhoitettava mittaukselle eikä mittauksesta ole muun liikenteen kannalta hyötyä. Lisäksi se vaatii resursseja eikä se ole automatisoitavissa.

Keksinnön tarkoituksena on ratkaista ainakin osa yllä mainituista ongelmista ja saada 10 aikaan reaaliaikainen epäsuora menetelmä vesiliirtoriskin havaitsemiseksi ja siitä varoittamiseksi.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä kartoitetaan ensin alueen juoksutusominaisuudet mittaamalla alueelle sateesta aiheutuvan vesikerroksen paksuus. Tämän jälkeen verrataan mitattua vesikerroksen paksuutta arvioituun paksuuteen, jolloin voidaan määrittää alueen 15 laskennallinen juoksutusaikavakio, jota voidaan käyttää arvioitaessa alueen vesikerrok sen suurinta mahdollista paksuutta. Arvioinnin aikana alueen sademäärä mitataan ja laskennallisen arvion perusteella annetaan liirtovaroitus, jos ajanjaksokohtainen vesikerroksen paksuus ylittää kriittisen arvon. Tarkemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on lausuttu vaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

20 Keksinnön mukainen laite käsittää ainakin yhden sademäärämittarin, joka on sovitettu välittämään mittaustiedon, ja laskentakojeen, joka on sovitettu ottamaan vastaan välitetyn tiedon ja jolla on välineet vastaanotetun tiedon sijoittamiseksi laskentakaavaan. Lasken-takojeella on edelleen välineet laskentakaavan tuloksen vertaamiseksi ennalta määrättyyn arvoon ja välineet vesiliirtovaroituksen antamiseksi, mikäli laskentakaavan tulos on suu-25 rempi tai yhtä suuri kuin ennalta määrätty arvo. Tarkemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on lausuttu vaatimuksen 8 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnöllä saavutetaan merkittäviä etuja. Alueen pinnalle kertyneen sadevesikerroksen paksuuden laskennallinen arvioiminen sadevesikertymämittauksen perusteella on erittäin 3 kustannustehokas, sillä sadevesikertymiä mitataan esimerkiksi ilmailuliikenteessä muutenkin. Samoin kyseinen yksinkertainen ja automatisoitavissa oleva menetelmä on tarkka ja luotettava.Toisaalta tarkkailtavaa aluetta ei tarvitse sulkea liikenteeltä kuin arvioinnin ensimmäisen vaiheen ajaksi ja parhaassa tapauksessa se voidaan hoitaa säännöllisten 5 huoltokatkosten aikana, millä on edelleen edullisia kustannusvaikutuksia. Ennen kaikkea menetelmällä saadaan aikaan tärkeää tietoa tien tai kiitotien pinnasta, jota tietoa ei edellä mainituista syistä ole välttämättä ennen hankittu. Vesiliirtoriskin yksinkertaisella arvioinnilla on liikenneturvallisuuden kannalta huomattavan edullinen vaikutus.

Seuraavaksi keksinnön sovellutusmuotoja tarkastellaan yksityiskohtaisemmin viittaamal-10 la oheiseen piirustukseen.

Kuviossa 1 on esitetty erään sovellusmuodon mukainen laite vesiliirtoriskin määrittämiseksi.

Esillä olevan keksinnön erään sovellutusmuodon mukaan vesiliirtoriskin määrittäminen käsittää kaksi perusvaihetta. Ensimmäisessä vaiheessa kartoitetaan alueen 1 juoksu-15 tusominaisuudet ja toisessa vaiheessa seurataan valitun alueen 1 sadevesikertymää, jonka perusteella arvioidaan alueella vallitsevaa vesiliirtoriskiä.

Juoksutusominaisuuksilla tarkoitetaan tarkkailtavan alueen 1 kykyä siirtää kertynyt kosteus pois alueen 1 pinnalta. Esimerkiksi ilmailusovelluksissa on luontevaa tarkkailla kiitoradan kykyä siirtää sille kertynyt sadevesi pois viemäreihin tai muihin keräyspaikkoi-20 hin, esimerkiksi viereiselle viheralueelle 4. Ensimmäisen vaiheen juoksutusominaisuuk-sien kartoitus on siis ensisijaisen tärkeää vesiliirtoriskin arvioimisessa. Jos arvioitava alue on laaja ja käsittää useamman kuin yhden kiitoradan, kiitorata-alue voidaan jakaa useaan eri osa-alueeseen, joille tehdään omat kartoituksensa. Tällöin tietylle kiitoradalle laskeutuvalle lentokoneelle välitetään juuri kyseisen kiitotien vesiliirtoriskivaroitus.

25 Niinpä ensimmäisessä vaiheessa valitaan esimerkiksi lentokentän kiitoradalta 1 joukko pisteitä A - E, joihin kertyneen sadeveden paksuus mitataan sateisena ajankohtana. Mitä enemmän pisteitä on, sitä kattavampi otos saadaan ja sitä suurempi todennäköisyys on, että kentältä löydetään kriittiset kohdat, esimerkiksi syvänteet, joihin sadevesi helposti kertyy. Edullisesti tarkkailupisteet A - E olisi hyvä sijoittaa ainakin kiitoradan kumpaan- 4 kin päähän. Kertyneen sadeveden paksuutta voidaan mitata monella tavalla, mutta edullisesti mittaus suoritetaan optisella etämittauksella. Entuudestaan tunnetaan järjcstclyitä, joissa ajoneuvoon on kiinnitetty pinnan olosuhteita aistiva etämittalaite, jonka avulla kiitoradan vesikertymästä ja tämän jakaumasta voidaan saada kattava otos. Erityisesti kiito-5 ratasovelluksissa vastaavien laitteiden asennus havaintotolppien päälle on haasteellista, koska ylimääräisten korkeiden rakennelmien pystyttäminen lentokenttäalueelle ei ole mahdollista.

Oleellista kuitenkin on, että ensimmäisen vaiheen juoksutusominaisuuksien kartoituksessa alueen pinnalle kertyneet vesikerroksien paksuudet saadaan mitattua. Vesikerroksen 10 paksuudet on edullista mitata usealla eri paksuudella, esimerkiksi viisi mittausta välillä 1 - 5 mm. Samaan aikaan mitataan alueen yleistä sadekertymää soveltuvilla mittalaitteilla 2. Kun tiedetään tarkkailtavalle alueelle tietyllä aikaväleillä i sataneen veden määrät r(i) ja tiedetään vastaavina aikoina i mitatut sadevesikertymän paksuudet t(i), voidaan jäljempänä esitetyn kaavan 2 avulla määrittää tarkkailtavan alueen juoksutusaikavakio k.

15 Juoksutusaikavakio k voi alueesta riippuen olla nimensä mukaisesti vakio tai se voi olla sadevesikertymän paksuudesta t riippuva, esimerkiksi: k=—^— f, ' Y (1) 1 + — l to) tai jokin muu funktionaalinen riippuvuus vedenpinnan paksuudesta. Kaavaan on helppo lisätä muitakin riippuvuuksia kuten esimerkiksi sivutuulen vaikutus virtausominaisuuk-20 siin. Riskin määrittämisen ensimmäinen vaihe on syytä toistaa tasaisin väliajoin ja aina, kun arvioitavalle alueelle on tehty rakenteellisia muutoksia.

Kun alueen 1 juoksutusominaisuudet eli juoksutusaikavakio k on saatu määritetyksi, sen perusteella alueen vesiliirtoriskiä voidaan arvioida laskennallisesti ilman uusia paikallisia pintakartoituksia. Laskennallisella arvioinnilla päästään luotettaviin tarkkuuksiin eikä 25 kiitorataa tarvitse rauhoittaa lentoliikenteeltä mittauksen ajaksi. Vesiliirtoriskin arvioinnin toisessa vaiheessa mitataan siis alueen sadevesikertymää samalla tavalla kuin ensimmäisen vaiheen juoksutusominaisuuksien kartoituksessa. Tiettynä ajanjaksona i mitattua 5 sadevesikertymää r(i) ja juoksutusaikavakiota k hyödyntämällä voidaan laskennallisesti arvioida kyseisen alueen ajanjaksokohtaisen vesikerroksen paksuutta t(i) kaavalla: t(i) = t{i-\)-^— + r{i) (2)> a Ί" 1 jossa 5 - t(i) on ajanjaksokohtainen vesikerroksen paksuus millimetreinä, t(i-l) on edellisen ajanjakson vesikerroksen paksuus millimetreinä, k on juoksutusaikavakio j a r(i) on ajanjaksokohtainen sadevesikertymä millimetreinä.

Ajanjakso on edullisesti yksi minuutti, jolloin sadevesikertymää mitataan ja vesikerrok-10 sen paksuutta arvioidaan siis minuutin välein. Kaavaa 2 käyttäen määritetään siis myös juoksutusaikavakio k, kun useat toteutuneet vesikerroksen paksuudet t(i) ja sadevesiker-tymät r(i) tiedetään.

Arvioidun laskennallisen ajanjaksokohtaisen vesikerroksen paksuutta t(i) voidaan siis verrata vesikerroksen kriittiseen rajaan, jota paksumman vesikerroksen voidaan katsoa 15 aiheuttavan vesiliirtoriskin laskeutuvalle lentokoneelle. Tyypillisesti tällainen kriittinen raja on noin 2,5 - 5 millimetriä. Jos arvioitu paksuus t(i) on suurempi tai yhtä suuri kuin määritetty kriittinen raja, lentoliikennettä tiedotetaan vesiliirtoriskistä.

Keksinnön mukainen laitteisto toteutetaan tyypillisesti kuvion 1 mukaisesti siten, että lentokenttäalueelle 4 sijoitetaan useita sademittareita 2. Sademittareilla 2 mitattuja sade-20 määriä käytetään laskentakojeessa 3 yhdessä ennalta määriteltyjen lentokenttäalueen 4 juoksutusominaisuuksien kanssa vesiliirtohälytyksen muodostamiseen.

Sademittarit 2 voivat olla niin sanottuja kerääjätyyppisiä sademittareita, jolla sade kerätään astiaan ja astian paino punnitaan tai vastaavasti hydro meteorien ilmaisuun perustuvia mittalaitteita, joissa hydrometeorin tyyppi ja vesimäärä tunnistetaan hydrometeorin 25 liikemäärän ja sen muodostaman signaalin perusteella ja sateen kokonaismäärä arvioi daan ilmaistujen hydrometeorien iskujen summan perusteella.

6

Laskentakoje 3 voi olla mikä taliansa riittävän laskentatehon omaava tietokone varustettuna sopivalla ohjelmistolla.

Tietoliikenne voidaan toteuttaa niin langattomasti kuin langallisesti sademittareilta 2 las-kentakojeelle 3 ja myös tarvittaessa siitä eteenpäin kenttähenkilökunnalle esimerkiksi 5 langattomiin kämmentietokoneisiin.

Claims (9)

7

1. Menetelmä vesiliirtoriskin määrittämiseksi, jossa menetelmässä - arvioidaan kertyneen veden paksuus; ja - määritetään vallitseva liirtoriski, 5 tunnettu siitä, että - kartoitetaan ensin alueen juoksutusominaisuudet, jolloin mitataan ajanjaksokoh-tainen sademäärä (r(i)) tutkittavalla alueella, mitataan tutkittavan alueen ajanjakso-kohtainen vesikerroksen paksuus (t(i)) ja mittaustulosten perusteella määritetään alueen juoksutusaikavakio (k), joka on ajanjaksokohtaisen sademäärän (r(i)) ja alu- 10 een paksuimman mitatun ajanjaksokohtaisen vesikerroksen paksuuden (t(i)) funk tio; - arvioidaan alueen ajanjaksokohtaista vesikerroksen paksuutta (t(i)) laskennallisesti mitatun sademäärän perusteella; ja - annetaan arvion perusteella liirtovaroitus, jos ajanjaksokohtainen vesikerroksen 15 paksuus (t(i)) ylittää kriittisen arvon.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisätään alueen juoksutusominaisuuksia kartoitettaessa juoksutusaikavakion (k) kaavaan ympäristön aiheuttamat olennaiset riippuvuudet, kuten esimerkiksi sivu-20 tuulen vaikutus virtausominaisuuksiin.

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan ajanjaksokohtainen sademäärä (r(i)) ja vesikerroksen paksuus (t(i)) vähintään kahdesta pisteestä alueellisten erojen huomioimiseksi.

4. Vaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan ajanjaksokohtainen sademäärä (r(i)) ja vesikerroksen paksuus (t(i)) vähintään kahdesti mittaustulosten kerryttämiseksi. 8

5. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisätään alueen ajanjaksokohtaista vesikerroksen paksuutta (t(i)) laskennallisesti arvioitaessa mitattuun ajanjaksokohtaiseen sademäärään (r(i)) edellisen ajanjakson 5 arvioidun ajanjaksokohtaisen vesikerroksen paksuuden (t(i-l)) ja juoksutusaikava- kion (k) tulo, joka on jaettu juoksutusaikavakion (k) ja luvun yksi (1) summalla.

6. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan alueen ajanjaksokohtainen vesikerroksen paksuus (t(i)) optisesti etämitta-10 uksena.

7. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suoritetaan alueen juoksutusominaisuuksien kartoitus tasaisin väliajoin ja aina, kun arvioitavalle alueelle on tehty muutoksia arvioinnin kalibroimiseksi.

8. Laite (2,3) vesiliirtoriskin määrittämiseksi, tunnettu siitä, että - laite käsittää ainakin yhden sademäärämittarin (2), joka on sovitettu välittämään mittaustiedon (r(i)) ja laskentakojeen (3), joka on sovitettu ottamaan vastaan välitetyn tiedon (rA(i) ... rE(i)) ja jolla on välineet vastaanotetun tiedon (rA(i) ... rE(i)) si- 20 johtamiseksi laskentakaavaan; - laskentakojeella (3) on välineet laskentakaavan tuloksen vertaamiseksi ennalta määrättyyn arvoon; ja että - laskentakojeella (3) on välineet vesiliirtovaroituksen antamiseksi, mikäli laskentakaavan tulos on suurempi tai yhtä suuri kuin ennalta määrätty arvo.

9. Vaatimuksen 8 mukainen laite (2,3), tunnettu siitä, että laitteen sademäärämittarit (2) on sijoitettu edustavasi! mitattavalle alueelle. 9