Technika laserowa w meteorologii drogowej

Inżynierowie ruchu drogowego biją na alarm. Polska jest krajem, w którym rocznie w wypadkach drogowych ginie ponad 5000 osób. Główną przyczyną takiego stanu rzeczy jest niedostosowanie przez kierowców prędkości jazdy do warunków panujących na drodze. Ryzyko zaistnienia wypadku drogowego raptownie wzrasta podczas występowania zjawiska śliskiej nawierzchni, wpływającego na niebezpieczne wydłużenie drogi hamowania.


W celu zwiększenia bezpieczeństwa na drogach instaluje się systemy zarządzania prędkością, pozwalające na automatyczne dostosowywanie ograniczenia prędkości do warunków pogodowych i przekazywanie tych informacji kierowcom przy wykorzystaniu znaków zmiennej treści. Warunkiem efektywnego działania tego typu systemów jest stosowanie odpowiednich przyrządów pomiarowych, pozwalających na skuteczne monitorowanie stanu nawierzchni. Najnowocześniejsze z nich oparte są na technologii laserowej.
 

W 2005 r. fińska firma VAISALA wprowadziła do seryjnej produkcji bezinwazyjny czujnik stanu nawierzchni DSC111, którego dystrybucją w Polsce zajmuje się krakowska firma SIGNALCO Ltd. Zalety urządzenia dostrzeżono już podczas trzeciej edycji warszawskich Międzynarodowych Targów Infrastruktura 2005. Firma SIGNALCO Ltd otrzymała wówczas wyróżnienie Ministra Infrastruktury za najlepszą ofertę handlową w kategorii Ruch, za bezinwazyjne czujniki stanu i temperatury nawierzchni DSC111 oraz DST111.

Urządzenie przeszło szereg badań w terenie, prowadzonych m.in. przez fińską administrację drogową FINNRA, jak również zostało przetestowane na poligonie testowym w Monachium, gdzie naukowcy z Universität München i instytutu BASt realizowali wspólny program badawczy, porównujący skuteczność działania stacji i czujników meteorologicznych różnych producentów. Zakończone w maju 2007 r. badania potwierdziły niezwykle wysoką skuteczność czujnika w zakresie detekcji stanu nawierzchni (100%), a jednostki badające zarekomendowały jego stosowanie w systemach bezpieczeństwa ruchu.

Czujnik DSC111 to samodzielna jednostka pomiarowa, wyposażona w pamięć i interfejs komunikacyjny standardu RS232/485. Z uwagi na niewielki pobór mocy (poniżej 2W), urządzenie można zasilać z ogniw słonecznych, co znacznie upraszcza budowę sieci pomiarowej. W celu zapewnienia zdalnego dostępu do danych pomiarowych wystarczy wyposażyć czujnik w modem GPRS.

 

Czujnik emituje w kierunku nawierzchni wiązkę promieniowania podczerwonego o różnych długościach fal, a następnie dokonuje analizy promieniowania odbitego od nawierzchni jezdni. Emitowane promienie lasera są bezpieczne dla oczu człowieka, a pomiary nie są zakłócane przez ruch drogowy, nawet o dużym natężeniu. Zasada bezinwazyjności prowadzonych pomiarów sprawia, że nie zachodzi konieczność bezpośredniej ingerencji w nawierzchnię podczas prac instalacyjnych, a uszkodzenia nawierzchni (deformacje, spękania) nie mają wpływu na stan techniczny czujnika lub kabli sygnałowych w czasie eksploatacji.

Spektrofotometryczna metoda niezależnego pomiaru grubości warstw wody, śniegu i lodu umożliwia dokonanie pomiaru z dokładnością do 10 mikrometrów. Dla porównania warstwa wody o grubości 30-50 mikrometrów powoduje już powstawanie mokrych śladów opon na nawierzchni jezdni, dlatego wartości te uznaje się w meteorologii drogowej za granicę pomiędzy nawierzchnią wilgotną a mokrą.

Czujnik DSC111 określa stan nawierzchni i kwalifikuje go do jednej z następujących kategorii: sucha, wilgotna, mokra, oblodzona, pokryta szronem, śniegiem lub błotem pośniegowym. Innowacją, a zarazem zasadniczą zaletą urządzenia jest zdolność do precyzyjnej oceny stanu śliskości nawierzchni, wyrażonej w skali odniesionej do estymowanej wartości współczynnika tarcia, jakie występuje podczas kontaktu średniego typu opony samochodu z suchą nawierzchnią jezdni.

Wyznaczana przez skalibrowany czujnik przyczepność nawierzchni dla jezdni suchej wynosi zwykle około 0,8. Wartość ta spada przy pojawieniu się wody i osiąga poziom 0,1 w przypadku wystąpienia gołoledzi. Na wykresach pokazano przykładowe zmiany przyczepności nawierzchni w czasie opadu atmosferycznego oraz podczas powstawania szadzi.

Istotną cechą zastosowanej technologii pomiarowej jest uwzględnienie przy pomiarze śliskości nawierzchni także rodzaju materiału wykorzystanego do budowy nawierzchni oraz sposobu konstrukcji drogi. Konwencjonalne czujniki drogowe przeznaczone do zabudowy w nawierzchni jezdni nie dają takich możliwości.

W warunkach zimowych zastosowana metoda pomiaru pozwala na detekcję obecności kryształków lodu, na długo zanim nawierzchnia stanie się śliska. Przykładowo zjawisko formowania się lodu w wyniku nocnego wychładzania nawierzchni zostaje wykryte nawet do 2 godzin wcześniej niż przy użyciu konwencjonalnych czujników drogowych.