Überwachung und Führung des Verkehrsflusses in Strassentunneln, auf Brücken und anderen beengten Strecken.
In Strassentunneln sind in den letzten Jahren schwere Unfälle passiert, die mit entsprechenden Verkehrsüberwachungsanlagen hätten verhindert werden können. Der Hauptgrund der Unfälle liegt oft in unvorsichtiger Fahrweise. Dadurch entstehen Auffahrten infolge Fahrens in zu kurzen Abständen. Ist eine Auffahrkollision entstanden, weisen die nachfolgenden Fahrzeuge meist nicht genügend Abstand auf, um rechtzeitig anzuhalten, sodass eine Massenkarambolage die Folge ist.
In seltenen Fällen sind Unfälle durch plötzlich auftretende Fahrzeugschäden entstanden. Ältere und schlecht gewartete Fahrzeuge sollten Tunnel nur in verkehrsarmen Zwischenzeiten passieren dürfen. Es müsste somit eine Möglichkeit'geschaffen werden, diese auszuscheiden.
Angestrebtes Ziel der Verkehrsplanung ist es, heute in — in Stoss- zeiten hochbelasteten — Tunneln oder anderen Engpässen, wie z.B. Brücken, eine möglichst hohe Verkehrsflussgeschwindigkeit bei gleichzeitig möglichst grosser Sicherheit zu erreichen, um die notwendige Verkehrsleistung zu erbringen. Die Mittel dazu sind heute jedoch völlig unzureichend, weil nach Tunneleintritt jeder Fahrzeugführer sich selbst überlassen ist und einen sehr beschränkten Kontrollbereich vor sich hat: Im besten Fall bis zum Vorfahrzeug, also ca. 5 bis 20m. Hier schafft die Erfindung mit den Merkmalen von Anspruch 1 Abhilfe.
Durch die erfindungsgemässe Überwachungsanlage wird der genannte Fahrkontrollbereich durch geeignet gesteuerte Anzeigemittel und Anweisungen an die Fahrzeugführer, beispielsweise über einzuhaltende Geschwindigkeiten oder Fahrzeugabstände, wesentlich vergrös- sert. Je grösser dieser Kontrollbereich ist, desto schneller kann gefahren werden. Die erfindungsgemässe Überwachungsanlage wird damit zur Führungsanlage für schnellere Fahrt und damit für grössere und gleichzeitig sicherere Durchfahrtleistungen im Tunnel oder einem anderen Engpass. Die Überwachung und Führung der Fahrzeuge
setzt mit Vorteil schon eine gewisse Strecke, beispielsweise etwa 2 km, vor dem Tunnel ein, damit die Fahrzeuge bereits bei Einfahrt in den Tunnel geführt werden.
Statt mit Selbstkontrolle durch den Tunnel zu fahren, wird der Fahrer durch ein Leitsystem computergesteuert durch den Tunnel geführt, sodass er dauernd mit der zulässig errechneten Höchstgeschwindigkeit fährt, an die er innert Grenzen gebunden ist. Diese Höchstgeschwindigkeit wird laufend an die optimale Fahrsituation des Gesamttunnels angepasst und kann innert Sekunden verändert werden. Der Fahrer ist auf der ganzen Strecke mittels Tafeln in kurzen Abständen im Tunnel oder auf seinem eigenen Informationssystem über die Führungsmittel, z.B. die Geschwindigkeitsgrenzen, die er möglichst genau einhalten muss, orientiert. Nach wie vor wird der Fahrer bei Stossverkehr dem Vorderfahrzeug folgen, zusätzlich aber das elektronische Führungsmittel befolgen, wodurch eine wesentlich höhere Geschwindigkeit bei höherer Fahrsicherheit möglich wird, weil das automatische Uberwachungssystem die gesamte Tunnelstrecke dauernd unter Kontrolle hat.
Das Grundkonzept der Überwachungsanlage besteht aus einem Netz von WIM-Sensoren, die in Abständen, von z.B. 250m bis- 500m, vor und innerhalb der ganzen Tunnelstrecke in die Fahrbahnoberfläche verlegt und mit einem Rechner mit entsprechender Software verbunden sind.
Mit diesen WIM-Sensoren wird jedes Fahrzeug vor und nach Tunneleintritt mit einem Achslastcode als Signatur erfasst und über die ganze Tunnelstrecke verfolgt, sodass dauernd Fahrzeugabstände, Fahrgeschwindigkeit und Geschwindigkeitsänderungen, Achslasten, Radlasten, Änderungen der Radlasten während der Fahrt, also z.B. Änderungen von Lastverteilungen während der Fahrt sowie Fahrzeugklasse erfasst werden können. Kurz, ein Fahrzeugkonvoi ist jederzeit unter Kontrolle und bei Veränderungen kann die Fahrgeschwindigkeit sofort auf der ganzen Tunnelstrecke mit geringstem Verzug der neuen Situation angepasst werden. D.h. anstelle der bisherigen starren Information an die Fahrer wird eine sequentielle und individuelle Beeinflussung ermöglicht, was wesentliche Vorteile er-
bringt. Mit den WIM-Sensoren, welche die Berechnungsbasis des Verkehrsflusses ermöglichen, können in gewissen Abständen auch Videosysteme gekoppelt werden, womit zusätzliche Informationen in das Uberwachungs- und Führungsprogramm eingebaut werden können, insbesondere zur automatischen Registrierung von Fahrzeugkennzeichen.
Die Erfindung soll nun anhand von Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen an 13 Figuren erklärt werden. Es zeigen: Fig. 1 Einen WIM-Sensor als Beispiel im Querschnitt dargestellt . Fig. 2 Einen WIM-Sensor Wx für eine Fahrbahn. Fig. 3 Zwei Kraft-Zeit Signale eines WIM-Sensors nach Überfahrt einer Fahrzeugachse . Fig. 4 Die Kraft-Zeit Signale eines 5-Achs Lkw nach Überfahrt des WIM-Sensors . Fig. 5 Die aufsummierten Kraftsignale der beiden Fahrzeughälften eines Lkw nach Überfahrt des WIM-Sensors. Fig. 6 Die Kraft-Zeit Signale eines 5-Achs Lkw in nahezu
Leerfahrt . Fig. 7 Die Kraft-Zeit Signale eines ähnlichen 5-Achs Lkw mit
Normallast und Schwerpunkt-Ermittlung. Fig. 8 Die Grundrissskizze eines erfindungsgemäss ausgerüsteten
Tunnels mit einer Fahrbahn. Fig. 9 Die Achslast-Codes verschiedener Fahrzeuge nach Fig. 8 nach Überfahrt des WIM-Sensors W3. Fig. 10 Die veränderten Achslast-Codes derselben Fahrzeugkolonne nach Überfahrt des WIM-Sensors W7. Fig. 11 Die Grundrissskizze eines erfindungsgemäss ausgerüsteten
Tunnels mit zwei Fahrbahnen. Fig. 12 Den Querschnitt durch einen Tunnel mit einer Fahrbahn und einer der in regelmässigen Abständen angebrachten
Informationsta eln. Fig. 13 Den Längsschnitt durch einen Tunnel, der mit einer
Videostation ausgerüstet ist.
Im folgenden sollen die Figuren näher erläutert werden:
In Fig. 1 ist ein handelsüblicher WIM (Weight in Motion) Sensor 1
im Querschnitt gezeigt, der als sogenannter Stripsensor in einer Nut 2 der Tiefe T (z.B. 50mm) und Breite B (z.B. 70mm) in die Fahrbahn-Oberfläche 3 so eingegossen ist, dass seine Berührungsfläche mit den Pneus 4 der Fahrzeuge plan und bündig ist. Es sind eine Reihe verschiedener Produkte auf dem Markt. Höchste Genauig- keits- und Repetierbarkeitswerte werden mit piezoelektrischen Quarzkristall WIM-Sensoren LINEAS (eingetragenes Wz der Anmelderin) erreicht, wie sie beispielsweise in EP 0491655B1 und EP 0654654B1 beschrieben sind.
Fig. 2 zeigt eine der vielen im Tunnel verlegten WIM-Sensoren für eine Fahrbahn bestehend aus zwei Strip Sensoren 1 im Abstand A (z.B. 4m) angeordnet, wobei jeder Sensor 1 etwa eine Fahrbahnhälfte überdeckt, sodass die linke und rechte Fahrzeughälfte separat erfasst werden. Links ist eine Achse, beispielsweise die Frontachse eines Lkw Ll angedeutet. Mit den beiden Sensoren 1 kann die genaue Fahrgeschwindigkeit mit jedem WIM-Sensor Wx gemessen werden, ebenso der Mittelwert der Rad- bzw. Achslasten. Beide Sensoren 1 sind über Signalleitungen 5 mit einem Zentralrechner C verbunden.
Fig. 3 zeigt die beiden Kraft-Zeit Diagramme R und L für das rechte und das linke Rad der in Fig. 2 gezeigten Frontachse des angedeuteten Lkw Ll nach Überfahrt über einen WIM-Sensor Wx.
Fig. 4 zeigt einen 5-achsigen Lkw (Sattelschlepper) L2 nach Überfahrt über einen WIM-Sensor Wx, welcher die gezeigten, zeitversetzten Kraft-Zeitsignale der linken Fahrzeughälfte L und der rechten Fahrzeughälfte R separat aufgezeichnet hat. Durch Sum a- tion der L- und R-Werte kann die Schwerpunktlage S der Last bezüglich Länge und Breite des Fahrzeugs bestimmt werden, wodurch unzulässige Radüberlasten, die zur bekannten Spurrillenbildung führen, festgestellt werden können. Eine solche Asymmetrie in Querrichtung ist in Fig. 5 angedeutet, in der die summierten Radlasten der rechten und der linken Fahrzeughälfte in KN (Kilo-Newton) dargestellt sind.
Fig. 6 zeigt einen 5-Achs Lkw L3 , der nahezu unbeladen ist und damit nur Platz verdrängt, aber die Fahrbahn schont.
Fig. 7 zeigt einen ähnlichen 5-Achs Lkw L4 in Normalladezustand. Aus den aufsummierten L/R Kraft-Zeitsignalen der Einzelachsen ist es einfach möglich, auf die interne Ladeverteilung und damit auf den Schwerpunkt S zu schliessen. Auch bei Fehlladungen in der Fahrrichtung können überlastete Achsen und Räder festgestellt werden. Es ist aber auch möglich, dass sich Lasten während der Fahrt verschieben können, sowohl in Quer- als auch Längsrichtung, was zu Unfällen führen kann. Solche Veränderungen werden in den einzelnen WIM-Sensoren Wx festgehalten und vom Überwachungs- Rechner C sofort ausgewertet. Mit Videostationen V (Fig. 13) kann das entsprechende Fahrzeugkennzeichen festgehalten und der Fahrer informiert werden.
Fig. 8 zeigt eine Fahrbahn im Grundriss, ausgerüstet mit der er- findungsgemässen Uberwachungs- und Führungs-Vorrichtung. In genügender Distanz vor dem Tunneleingang befindet sich eine Vorselektionsstation P mit Abzweigung in eine Umfahrungsstrasse U. Diese Vorselektionsstation P besteht aus dem WIM-Sensor Wl und einer Hinweistafel Tl. Im Tunnel selbst sind in bestimmten Abständen WIM-Sensoren W2....Wx über die gesamte Tunnelstrecke verteilt und über Signalleitungen 5 mit dem Rechner C verbunden.
Weiterhin sind bei jedem WIM-Sensor Informationstafeln T2....Tx angebracht, auf welchen Informationen des Rechners C ohne Verzögerung auf der gesamten Tunnelstrecke verfügbar sind. Wie in Fig. 12 angedeutet sind auf den Tafeln T beispielsweise für den jeweiligen Fahrer Anweisungen für einen engen einzuhaltenden Geschwindigkeitsbereich angezeigt .
Je dichter die WIM-Sensoren angelegt sind, desto grösser ist die Sicherheitswirkung .
Optimal ist eine Distanz Dl*=Dx= 100m
Rational ist eine Distanz Dl*=Dx= 500m
Minimal ist eine Distanz Dl=Dx= 1000m.
Selbstverständlich ist die Wahl der Distanz D auch eine ökonomische Frage. Erste Kostenberechnungen haben jedoch ergeben, dass
eine optimale Uberwachungs-Ausrüstung weniger als 1% der Tunnelkosten betragen wird.
Fig. 9 zeigt eine Reihe der z.B. von der WIM Station W3 aufgenommenen Bar-Codes B des Fahrzeugflusses von Fig. 8, also 4 verschiedene Fahrzeuge F 1 und F 2 bzw. L5 und L7 mit verschiedenen Abständen XI , X2 , X3 und verschiedenen Geschwindigkei en.
Fig. 10 zeigt dieselbe Fahrzeugkolonne nach Passieren eines in Fahrtrichtung späteren WIM-Sensors W6, also z.B. 200m nach Fig. 9. Dabei hat sich die relative Lage von Fahrzeug L6 durch Beschleunigung verändert, sodass der Abstand zu Fahrzeug L7 wesentlich kleiner und gefährlich geworden ist. Dies löst ein Warnsignal aus, das auf verschiedene Weise an die Fahrer übertragen werden kann.
Fig. 11 zeigt einen Tunnel mit zwei Fahrspuren, wobei die zweite Spur ebenfalls mit WIM-Sensoren ausgerüstet ist. Auch hier sind pro WIM-Sensoren Informationstafeln Tl...Tx vorgesehen. Auf der zweiten Spur kann beispielsweise mit höheren Durchschnittsgeschwindigkeiten gefahren werden als auf der ersten. Potentiell schnellere Fahrzeuge können daher — falls der Verkehrsfluss es zu- lässt — auf die schnellere Spur wechseln (Fahrzeug F3 ) . Umgekehrt können sich auf dieser fahrende, aus irgend einem Grund langsamer werdende, Fahrzeuge wieder in die erste Spur einreihen (Lkw L8) . Dafür πiuss die Überwachungssoftware für die Anlage zwar komplexer sein. Die Bar-Codes B eines jeden Fahrzeugs sind jedoch auch nach Wechsel der Fahrspur sofort erkenntlich und werden wie auf vorherigen Fahrspuren weiter verfolgt und kontrolliert.
Fig. 12 zeigt einen Querschnitt durch eine WIM Station eines Einbahntunnels mit der Informationstafel Tx, die in erster Linie die vorgeschriebene Fahrgeschwindigkeits-Grenzen, z.B. 75 bis 70 km/h sowie auch andere Sofort-Informationen abbilden kann.
Fig 13 zeigt einen Tunnelabschnitt im Längsschnitt, auf dem eine Videokamera V abgebildet ist, mit welcher von einem selektierten Fahrzeug mit bestimmtem Bar-Code B die Fahrzeugnummer abgelesen wird.
Mit diesen Sensor- und Anzeigemitteln kann die erfindungsgemässe Überwachung- und Führung des Verkehrsflusses in Tunnels und anderen Verkehrbeschränkungen auf neue Art optimiert und gesichert werden, womit gleichzeitig eine um 20% bis 30% höhere Durchschnitts-Fahrgeschwindigkeit möglich wird, bei wesentlich erhöhter Si herheit. Ein möglicher Unfall durch Auffahren kann schon im Entstehen erkannt werden.
Statt einer Kettenreaktion mit Dominoeffekt wird der Schwarmeffekt nutzbar gemacht, indem alle gefährdeten, Fahrer gleichzeitig über die plötzlich neue Gefahr orientiert werden, wodurch die bekannten Massenkarambolagen verhindert werden.
Grundkonzept des UberwachungsSystems ist eine möglichst hohe, jedoch sichere Fahrgeschwindigkeit über die gesamte Tunnellänge, die laufend vom Rechner optimiert und schrittweise nach oben oder unten korrigiert wird. Jede Geschwindigkeits-Verzögerung eines Fahrers bringt eine Reduktion der Geschwindigkeitsgrenzen von z.B. 80/75 km/h auf 75/70 km/h.
Fahrer, die sich nicht an die vorgegebenen Grenzen halten, werden am Tunnelende automatisch notiert und entsprechend gebüsst. Alle Einflüsse, welche die konstante Fahrgeschwindigkeit verändern, wie Motorschäden,_ neuschäden, Fahrerprobleme, etc. werden sofort erfasst und analysiert, da jedes Fahrzeug auf der gesamten Strecke geführt und unter Kontrolle bleibt.
Die Hauptparameter-Geschwindigkeit und der Abstand zum Vor- und Folgefahrzeug wird für jedes Einzelfahrzeug auf der ganzen Tunnelstrecke verfolgt. Dieser Vorgang kann im Falle eines Falles jederzeit rekonstruiert werden, ähnlich den Daten eines Flugschreibers.
Die Erfindung ermöglicht somit ein neues Sicherheitskonzept für Tunnel, in denen nicht wie bis anhin eine feste Maximalgeschwindigkeit vorgeschrieben wird, sondern in denen dauernd optimierte Maximalgeschwindigkeitsgrenzen vorgeschrieben werden, die strikte einzuhalten und in denen weitere aktuelle Fahrinformationen auf der ganzen Tunnelstrecke laufend sichtbar sind.
Die Datenerfassung für ein solches Uberwachungs- und Führungssystem basiert auf vor und in der Tunnelfahrbahn verlegten WIM- Sensoren, welche die Signatur jedes Fahrzeugs nach Achslasten und Abständen in Bar-Codeform erfassen und über die ganze Tunnelstrecke verfolgen. Das System kann gleichzeitig alle Rechner-Informationen an die Fahrer übermitteln, wozu verschiedene Mittel einsetzbar sind. Ein Vorteil des neuen vollautomatischen Uberwachungs- und Führungssystems ist, dass es keine störende Zusatzbeleuchtung benötigt und vom Fahrer weder sichbar noch spürbar ist. Alle notwendigen Messungen werden in der Fahrbahn völlig unsichtbar durchgeführt.
Neu am erfindungsgemässen System ist die Zuordnung von Bar-Codes zu jedem Fahrzeug, die mittels eines Stranges von WIM Stationen über die ganze Fahrstrecke verfolgt werden. Alle wichtigen Fahr- claten sind kontinuierlich mit diesen Codes verbunden. Ob die Rechner-Informationen mittels Anzeigetafeln oder mittels Transpon- dern direkt dem Fahrer zugeleitet werden, ist unerheblich. Massge- bend ist die Datenerfassung und deren Verarbeitung.
Einzelne WIM-Sensoren mit entsprechenden hochpräzisen Strip- Sensoren der erwähnten Art sind seit Jahren in Tunneln, Express- strassen und vor Brücken im Einsatz. Der Einsatz ganzer Stränge solcher Stationen sowie die Umwandlung in Bar-Codes zur Kennzeichnung der Fahrzeuge ist neu und eröffnet das erfindungsgemässe Uberwachungs- und FührungsSystem.