Princip měření použitý u zařízení ARAN (dále jen ZA) je založen na bezkontaktním snímání hodnot svislého zrychlení neodpružené hmoty měřící nápravy a hodnot svislého zrychlení odpružené hmoty karoserie. V případě ZA je použito modernější metody snímaní hodnot potřebných pro výpočet hodnoty IRI dle obecně používaného tzv. modelu čtvrtinového vozidla obsaženého v celosvětově přijatých studiích (I. Mezinárodní – Brazilský experiment, Technické předpisy World Bank č 46, Mezinárodní experiment PIARC - FILTER 1998). Tato metoda je založena na simulaci „čtvrtinového vozidla“ výpočtem z hodnot naměřených Laserovým Optokátorem tzn. svislé vzdálenosti srovnávací roviny tvořené optikou kamery umístěné pevně na hmotě karoserie vozidla a tvořící tak podélný profil vozovky s krokem 50 mm postihující vlnové délky od 100 mm do 100 m, blížící se tzv. pravému profilu (true profile) a z hodnot akcelerometru umístěného na této kameře měřící tíhová zrychlení hmoty vozidla v interakci s podélnými nerovnostmi vozovky. Výsledkem je přesnější hodnota IRI blížící se exaktnímu výpočtu ze skutečného profilu měřeného klasickou geodetickou metodou a odpovídá posledním trendům v této oblasti prezentovaným na posledním mezinárodním kongresu PIARC. Naměřené hodnoty profilometrických a akcelerometrických měření jsou předzpracovány příslušným řídícím počítačem subsystému a předány do centrálního palubního počítače Pentium III, kde v reálném čase probíhá výpočet algoritmu hodnot IRI, které může sledovat operátor ve vozidle a všechny hodnoty jsou ukládány na záznamová media k dalšímu zpracování na pracovních stanicích v kanceláři. Veškeré naměřené hodnoty jsou digitálně a vizuálně (elektronická hlavička ve videozáznamu) lokalizovány dle zadavatelem předepsaného systému a to jak lineárního tak uzlového. Lokalizace všech měřených parametrů bude popsána samostatně viz. systém polohové lokalizace všech subsystémů vozidla.
ZA splňuje všechny požadavky na měření IRI citované v ČSN 73 6175 čl. 8.3. Naše zařízení je schopno měřit způsobem popsaným v uvedené normě tj. čistě odezvovým způsobem dvěma akcelerometry, ale v současné době je tato norma ve světě překonána a je doporučen způsob měření profilometrických hodnot pro moderní algoritmy používané v USA jako profilometry tzv. Class I. normy ASTM. , který je používán při měření tohoto parametru v dodávkách pro ŘSaD ČR od roku 1997.
Přesnost měření
Přesnost používaného akcelerometru je +-1mG, přesnost Laserového 16 kHz Optokátoru je +-0.2mm. Přesnost výsledného měření parametru IRI s tzv. zlatým modelem počítaným na testovaných sekcích v USA z tzv. pravého (true) profilu je vyjádřen korelačním koeficientem garantovaným výrobcem R2 = 0.965. Tato korelace byla také dosažena u tohoto konkrétního zařízení v českém národním experimentu.
Měřící rychlost
Měřící rychlost může být díky nově použitému algoritmu (Low Speed IRI) a použitému typu akcelerometru proměnná a to v rozmezí 25 – 90 km/hod. Typická provozní rychlost pro měření na silniční síti v ČR je v rozmezí 40 – 80 km/hod.
Četnost vzorkování
Krok vzorkování profilu je 50mm, což umožňuje postihnout délky vlny od 100mm do 100m. Hodnoty IRI jsou pak udávány jako průměrná hodnota úseku nastavitelného od 10, 20m a výše. Měřící stopa vozidla může být nastavena libovolně . Je však nutné brát v úvahu volbu pozice měřící stopy, protože v levé stopě tj. blíže ke středu vozovky jsou hodnoty IRI zejména u vozovek II. a III. tř. výrazně nižší nežli na pravé straně vozovky, kde díky menší tuhosti zpevněné části vozovky při okraji budou hodnoty IRI podstatně vyšší a je určitým nebezpečím, že při změnách této stopy budou stávající vývojové řady zkresleny.Měření příčného profilu je realizováno v souladu s požadavky ČSN 73 6175 čl. 5 pomocí ultrazvukových senzorů, které jsou namontovány na pevné přední liště diagnostického vozidla ARAN délky 190 cm a na dvou párech přídavných nástavců o délce 60 a 90 cm. Signály ze senzorů jsou průběžně zpracovávány řídícím počítačem typu PC rovněž umístěným na pevné senzorové liště. Tento řídící počítač předává zpracovaná data do centrálního počítače diagnostického vozidla ARAN, kde jsou ukládány společné s ostatními údaji na jeho pevný disk. Z údajů jednotlivých senzorů v kombinaci s údaji dalších měřících subsytémů (gyroskopy a měření vzdálenosti) jsou v reálném čase vypočteny související proměnné parametry povrchu vozovky tj. hloubka a typ vyjetých kolejí, teoretická hloubka vody ve vyjetých kolejích a příčný sklon vozovky a rovněž uloženy do datového souboru.
Přesnost měření příčných nerovností:
Přesnost měření jednotlivých ultrazvukových senzorů je 1mm.
Přesnost měření gyroskopů je 0,1%.
Přesnost měřeni elektronického měřiče délky je 0,1%.
Rychlost měření příčných nerovností:
Měřící rychlost pro subsytém měření příčných nerovností je v rozsahu 0-90 km/hod.
Četnost vzorkování měření příčných nerovností:
V příčném směru je četnost vzorkování dána umístěním senzorů na hlavní liště resp. na přídavných ramenech tj. 10 cm. Tato vzdálenost mezi senzory v příčném směru se jeví jako optimální z hlediska spolehlivého měření vyjetých kolejí a určení jejich typu. Šířka měřeného příčného profilu je volitelná od 190 cm, 250 cm a dále v krocích 30 cm až do šířky 370 cm podle šířky zpevněné části měřeného jízdního pruhu (optimální volba šíře vlastního měření je rovněž nutná vzhledem k přesnému měření parametru příčný sklon vozovky). Četnost vzorkování v podélném směru je rovněž volitelná od 5m v krocích jeden metr podle požadavků zákazníka (typická délka kroku je 10 m ).
Omezení systému měření příčných nerovností:
Z fyzikálního principu měření ultrazvukovými senzory a z jejich konstrukce vyplývá, že tyto senzory nelze použít za deště na mokré vozovce, rovněž znečištěná vozovka může způsobit zkreslení výsledků. Dále bylo experimentálně zjištěno, že při měření povrchů s negativní texturou je nutné korigovat hloubku vyjetých kolejí o cca 3 mm. Nejnižší četnost vzorkování je 1 m.Princip měření použitý u ZA je založen na bezkontaktním pravidelném snímání vzorků podélných profilů ze kterých se počítá hodnota průměrné hloubky makrotextury MPD – certifikace ISO. Snímání podélných profilů se děje opět pomocí Laserového optokátoru Švédské firmy SELCOM (což je v podstatě jediný výrobce používaný téměř u všech obdobných zařízení).
Tento systém je montován na nosič vozidla nad pravou, nebo levou stopu kol, kde jsou hodnoty kritické a měří pomocí vysokorychlostních certifikovaných laserů průměrnou hloubku textury MPD a makrotexturový profil periodických vzorků o délce 20 cm povrchu vozovky. Texturová data jsou důležitou složkou protismykových vlastností povrchu vozovek sloužící pro predikci nasazení dalších měřících systémů jako jsou smykače. Korelace tohoto parametru proběhla v rámci I. mezinárodního experimentu v Belgii a Španělsku a stejně jako v našem národním experimentu, který se konal před zařazením tohoto parametru do databáze silniční databanky Ostrava, vykazuje u systému ARAN mimořádně dobrou korelaci se zkouškou makrotextury metodou pískem a to R
2=0.98.
Naměřené hodnoty profilometrických měření jsou předzpracovány řídícím počítačem a předány do centrálního palubního počítače, kde probíhá v reálném čase výpočet algoritmu hodnot MPD a RMS (střední kvadratická odchylka), které může sledovat operátor ve vozidle a všechny hodnoty jsou ukládány na záznamová media k dalšímu zpracování na pracovních stanicích v kanceláři a slouží pro další zpracování detailních výpočtů texturových profilů nebo homogenizovaných statistických sumářů pro expertní aplikace v systémech hospodaření s vozovkou. Veškeré naměřené hodnoty jsou digitálně a vizuálně (elektronická hlavička ve videozáznamu) lokalizovány dle zadavatelem předepsaného systému a to jak lineárního tak uzlového. Lokalizace všech měřených parametrů bude popsána samostatně viz. systém polohové lokalizace všech subsystémů vozidla.
Řada rigorózních studií a testů |I. mezinárodní experiment PIARC, Český národní experiment a další| potvrdila korelaci parametru MPD 98% se standardním testem ASTM pískem (Sand Patch), což bylo podkladem pro zařazení tohoto parametru do mezinárodního koeficientu IFI a EFI a také do normy ČSN 73 6177.
ZA splňuje všechny požadavky na měření MTD citované v ČSN 73 6177 čl. 6.3. (jak z názvu této kapitoly v normě vyplývá). Naše zařízení je schopno měřit i způsobem nově certifikovaných ISO metod a to parametr MPD.
Přesnost měření
Texturový modul sestává z jedné, nebo dvou 62,5 kHz pinpoint laserových optokátorů pracujících s přesností +-0.1mm .
Měřící rychlost
Systém pracuje pro všechny vlnové šířky makrotextury při měřících rychlostech až do 90 km/h.
Četnost vzorkování
Výsledné hodnoty MTD a RMS jsou ukládány v intervalech zvolených operátorem typicky po 20m o délce profilu 0,2m. Tyto vzorky profilů jsou snímány s frekvencí laserové kamery (u typu použitého v v ZA je frekvence měření – vzdálenost mezi jednotlivými měřenými body povrchu 0,45 mm). Pro další aplikace jsou ukládány i podrobné profily povrchu. Měřící stopa vozidla může být nastavena libovolně tj. v levé, nebo pravé stopě kol vozidla, kde jsou hodnoty makrotextury přirozeně nejhorší a nejvíce ovlivňují interakci vozidla s povrchem. V našem případě v pravé stopě z důvodu umístění systému IRI na levé straně. Systémy je však možno umístit kamkoliv dle přání zadavatele, rozhodně ale ne do středu jízdního pruhu, kde hodnoty makrotextury vycházejí příznivěji nežli ve stopách kol.
Systém polohové lokalizace všech subsystémů vozidla.
Podrobná informace o způsobu (principu) měření
Polohová lokalizace je u systému ARAN zajištěna unikátním tříprvkovým systémem, který postupem doby převzala většina srovnatelných zařízení. Základní prvek je založen na elektronickém snímání ujeté vzdálenosti pomocí velmi přesného kalibrovaného snímače Hengstler umístěným na kole vozidla a spojeného s centrálním počítačem, který spojuje údaj o ujeté vzdálenosti od výchozího bodu (uzlu) v krocích po 1m do každého jednotlivého souboru měřených parametrů a všechny měřené hodnoty tak jednoznačně přiřazuje k takto orientované databázi.
Druhým prvkem je vlastní videozáznam doplněný o elektronickou hlavičku, ve které je výše zmíněný údaj o staničení spolu s názvy počátečního a koncového uzlového bodu měřeného úseku a dalšími identifikačními údaji jako je momentální rychlost vozidla, směr, jízdní pruh, č. silnice apod. K hlavnímu údaji v této hlavičce pak patří číslo půl snímku videosekvence přední kamery, který je stejně jako údaj o vzdálenosti přiřazen pomocí souboru „hlavička“ opět každému měřenému parametru a slouží tak jako lokalizační prvek pro další nadstavby systému jako je např. databázová prohlížečka dat „Visidata“ spojená s digitalizovaným videozáběrem dané lokality a pomocí posledního lokalizačního prvku souřadnic DGPS také s mapou kde je graficky znázorněna momentální poloha měřícího zařízení. Tato prohlížečka je uživatelsky velmi příjemná a jednoduchá na obsluhu právě díky tomuto propojení třech lokalizačních prvků. Tato nadstavba je velmi používána řadou správních institucí v USA, kde je takováto informatika již běžná.
Pro tento systém máme ZA vybaven systémem POS/LV Kanadské firmy APLANIX, který je do ZA integrován jak hardwerově tak softwarově a umožňuje pomocí tří velmi přesných optických gyroskopů doplněných o tři přesné akcelerometry a dvojici družicových přijímačů pracujících v režimu diferenciální GPS metody jednak podávat velmi přesné informace o sklonech vozidla ve všech třech osách (využitelných pro zpřesnění parametrů příčný a podélný sklon), jednak po zpracování družicových signálů a výpočtu pomocí poměrně složitým algoritmem založeným na Kalmanových filtrech udávat momentální polohu vozidla v kartografických souřadnicích s přesností 1-5m. Tento způsob lokalizace zatím není v ČR požadován a je při existenci současného uzlového lokalizačního systému nadbytečný.
Přesnost měření
Základní přesnost je dána možnostmi kalibrace, která je na známé délce etalonu před každým výjezdem prováděna a ta je lepší jak 1m na 1km. Přesnost ostatních lokalizačních prvků je stejná nebo mírně horší (systém DGPS).
Měřící rychlost
Měřící rychlost je totožná s ostatními subsystémy i když zde není teoreticky nijak omezená (opět kromě systému GPS – kde je lepší rychlost co nejnižší což je bohužel opakem potřeb gyroskopů, které naopak vyžadují rychlost co nejvyšší).
Četnost vzorkování
Nejnižší četnost vzorkování je 1 m.
Měření a vyhodnocování poruch vozovky (Videologing)
Technický popis
Systém se skládá z přední digitální videokamery DVCAM SONY pro záznam povrchu vozovky z pohledu řidiče, ze zadní digitální kamery DVCAM SONY s vysokou rychlostí závěrky pro záznam kolmého pohledu na povrch vozovky, zadní kamera je doplněna o dvě synchronizované stroboskopické výbojky zajišťující standardní kvalitu osvětlení povrchu vozovky i za proměnlivých světelných podmínek.
Videozáznam je doplněn zvukovým záznamem komentáře řidiče a operátora na kterém hodnotí stav povrchu vozovky. Videosignály obou kamer jsou vzájemně synchronizovány doplněny časovým kódem, který umožňuje následné hodnocení poruch ve spolupráci s PC. Kombinovaný videozáznam je rovněž doplněn o tzv. “hlavičku” ve které jsou zobrazeny základní informace o měření (identifikace měřeného úseku, staničení, měřící rychlost, číslo videokazety se záznamem a pod.). Současně je na disku řídícího počítače vytvářen pilotní soubor s čísly půl snímků a jím příslušného staničení.
Zařízení pro vyhodnocování poruch povrchu vozovek – pracovní stanice
Pracovní stanice je sestavena z kombinace studiového video-rekordéru S-VHS a digitálního videorekordéru DVCAM, který je spojen s počítačem Pentium III., z videomonitoru 23” a ze speciální klávesnice, jejíž jednotlivé klávesy lze naprogramovat pro hodnocení poruch podle požadavků zadavatele např. podle TP 82. Na této pracovní jsou pak zkušenými operátory (min. 5 let praxe ve vyhodnocování poruch) vyhodnoceny poruchy na příslušném měřícím úseku a tento soubor je převeden do odpovídajících datových struktur.
Originální záznam z obou kamer a elektronické hlavičky je nahráván ve vozidle jednak na videorekordér S-VHS pro potřeby vyhodnocování poruch a odběratelů vybavených pro prohlížení tímto systémem a dále současně na digitální pásku videorekordéru DVCAM pro digitální archivaci umožňující další využití popsané dále:
Pro potřeby zkvalitnění uživatelského komfortu a ekonomického přístupu k údajům obsaženým v databázi „silničního pasportu“ a na základě požadavku odborných pracovišť ŘSaD ČR jsme vytvořili tento vlastní subsystém.
Stávající systém videozáznamu (SVHS) u zařízení ARAN byl v letošním roce doplněn o paralelní systém záznamu DVCAM (profesionální digitální systém). Tento systém umožňuje vysoce kvalitní ostrý obraz a jeho digitální přenesení na běžné počítačové nosiče medií CD RoM s charakteristikou komprese 1:1 tj. se skreslením 0%. Samozřejmě stávající záznam SVHS na jehož prohlížení jsou již některá pracoviště vybavena zůstane zachován a naopak vzhledem k použití nových digitálních DVCAM barevných kamer (přední i zadní u zařízení ARAN) bude výsledný obraz mnohem kvalitnější. Digitální záznam, který je pořizován také novým digitálním videorekordérem DVCAM umožňuje navíc kopírovat tento záznam bez zkreslení tj. vždy jako originální (master) záznam na všechny formáty dle volby uživatele od nejnižší kvality VHS, 8mm až po polo-profesionální SVHS a HI8. Kvalitou je zde myšlen počet TV řádek zvoleného systému. Nejvyšší kvalitou je nabízený digitální záznam na nosičích CD RoM.
Systém záznamu:
Technický popis dodávky:
Odběratel obdrží dle přání buď CD RoM nosiče (DVD – podzim 2001) s 15 minutovým kontinuálním videozáznamem což je cca 10-15 km trasy. Technologie DVD umožňuje až 1,5 hodinový kontinuální záznam což je cca 70 km trasy, takže rozdíl na 10 000 km je 1000 CD RoM, nebo 120 DVD. Zatím se jeví jako optimální pro potřeby silniční databáze jednotlivé digitalizované snímky trasy po 50, nebo 100m což představuje při zachování výše uvedené vysoké kvality cca 150 – 200 nosičů CD RoM na 10000 km. Videozáznam má standardní formát systému ARAN používaný při sběru proměnných parametrů tj. půlený obraz v horní polovině z pohledu řidiče a v dolní polovině ortogonální detailní pohled na povrch vozovky. Díky novým kamerám DVCAM je v případě pohledu řidiče dosaženo pomocí specielního objektivu širšího záběru a pomocí digitální technologie nesrovnatelné hloubky ostrosti, citlivosti na světelné podmínky a kompenzace rušivých jevů. V případě zadní kamery, která je nově také barevná a vybavená automatickým digitálním řízením kompenzace protisvětla (stín versus osvětlená plocha) je dosaženo ostrosti obrazu umožňující detekci trhlin menších jak 3mm a dokonalou detekci koroze a to vše bez použití stroboskopického osvitu, který je nepříjemný pro ostatní řidiče.
Nabízíme tuto službu jako kvalitativně výrazné zlepšení uživatelské hodnoty našich produktů v oblasti komfortu a ekonomického přístupu k možnosti okamžité optické lokalizace sledované lokality nebo úseku silniční sítě dle potřeb pracovišť ŘSaD. Odpadají náklady na mnohdy dlouhý přesun vozidlem k dosažení stejného efektu jakého s tímto produktem dosáhnete od stolu s běžným počítačem a v případě síťového propojení i na více pracovištích najednou.
Tento systém je svým digitálním principem předurčen pro další aplikace zejména potřebné pro vrcholový management k rychlému a efektivnímu rozhodování a to doplněním o data, jak proměnných, tak neproměnných parametrů, která mohou být v podobě tabulek nebo grafů vložena přímo do videosnímků. Dále je možno tento produkt používat pro následnou pasportizaci objektů, stavu svislého a vodorovného značení, bezpečnostních prvků. Tyto snímky mohou být doplněny o měřící lišty sloužící k přibližnému odměřování vzdáleností ze snímku a umožňující posuzování geometrie vozovky a zejména rozhledových vzdáleností.
Březen 2001
Ing. Václav Bolina
