DE102013212701B4 - Method and device for determining the condition of a road surface - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung des Zustands der Oberfläche einer Fahrbahn (F), wobei die Oberfläche der Fahrbahn (F) mit Strahlung (L) einer Strahlungsquelle (2) eines auf der Oberfläche der Fahrbahn (F) befindlichen Fahrzeugs (EF) bestrahlt wird, wobei das Ramanspektrum der rückgestreuten Strahlung (S) bestimmt und aus dem Ramanspektrum die Salzkonzentration einer auf der Fahrbahn (F) befindlichen Salzlösung bestimmt wird,die Salzkonzentration und die Art des Salzes der Salzlösung aus der Verschiebung des Ramanspektrums gegenüber dem Spektrum der ausgesandten Strahlung (L) bestimmt wird,die Umgebungstemperatur separat von der Aufnahme der Ramanspektren bestimmt wird, undaus der Umgebungstemperatur sowie der gemessenen Salzkonzentration bestimmt wird, ob die Fahrbahn (F) vereist ist oder nicht.Method for determining the condition of the surface of a roadway (F), the surface of the roadway (F) being irradiated with radiation (L) from a radiation source (2) of a vehicle (EF) located on the surface of the roadway (F), the Raman spectrum of the backscattered radiation (S) is determined and the salt concentration of a salt solution on the roadway (F) is determined from the Raman spectrum, the salt concentration and the type of salt in the salt solution are determined from the shift in the Raman spectrum compared to the spectrum of the emitted radiation (L) the ambient temperature is determined separately from the recording of the Raman spectra, and it is determined from the ambient temperature and the measured salt concentration whether the roadway (F) is icy or not.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Straßenoberfläche, insbesondere des Zustands einer mit Streusalz in wässriger Lösung versehenen Straßenoberfläche sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a method for determining the condition of a road surface, in particular the condition of a road surface provided with road salt in an aqueous solution, and a corresponding method.
Im Winter geht von vereisten Straßen eine besondere Gefahr für den Straßenverkehr aus. Um Glätte bzw. Vereisungen auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobahnen und anderen Verkehrsflächen zu verhindern werden Streusalze eingesetzt. Die Wirkung derartiger Tausalze hält allerdings nur eine bestimmte Zeit an, beispielsweise da Tausalze in Abhängigkeit von den aktuellen Wetterbedingungen, der Fahrbahn, der Verkehrslage und der Fahrbahn selbst verschieden stark abgetragen werden. Durch den Einsatz von Streusalz wird die Fahrbahn lediglich für einen begrenzten Zeitraum eisfrei oder erscheint nur eisfrei, kann aber dennoch glatt sein. Insbesondere kann es durch den Abfluss des Schmelzwassers zu einer Abnahme der Salzkonzentration auf der Straße kommen, so dass bei niedrigen Temperaturen in der Nacht selbst eine gestreute Fahrbahn vereist sein kann.In winter, icy roads pose a particular danger to road traffic. Road salts are used to prevent slipperiness or icing on the lanes of roads, motorways and other traffic areas. The effect of such de-icing salts only lasts for a certain time, for example because de-icing salts are removed to different degrees depending on the current weather conditions, the roadway, the traffic situation and the roadway itself. By using road salt, the road surface is only free of ice for a limited period of time or only appears free of ice, but it can still be slippery. In particular, the runoff of the meltwater can lead to a decrease in the salt concentration on the road, so that even a littered roadway can be iced up at low temperatures at night.
Die Sicherheit der Straßenverkehrsteilnehmer würde daher durch eine Warnung erhöht werden, die dem Verkehrsteilnehmer mitteilt, dass er über eine vereiste Straße fährt. Die Information, ob sich das Auto auf sicherem Untergrund oder bereits in einer Gefahrensituation befindet, ermöglicht dem Fahrer eine rechtzeitige und kontrollierte Reaktion.The safety of road users would therefore be increased by a warning that informs the road user that he is driving on an icy road. The information as to whether the car is on a safe surface or already in a dangerous situation enables the driver to react in a timely and controlled manner.
Die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Die Druckschrift
In der Druckschrift
Die Druckschrift
- - Bestrahlen der wässrigen Lösung mit einem Photonenstrahl;
- - Aufnahme des Raman-Spektrums der Photonen, die durch diese Lösung im Wellenzahlenbereich zwischen 2500 cm–1 bis 4000 cm-1gestreut werden; und
- - Verarbeitung dieser Aufzeichnung, um daraus die festflüssige Phase der wässrigen Lösung abzuleiten.
- - Irradiating the aqueous solution with a beam of photons;
- - Recording of the Raman spectrum of the photons that are scattered by this solution in the wave number range between 2500 cm – 1 to 4000 cm –1 ; and
- Processing of this recording in order to derive the solid liquid phase of the aqueous solution from it.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche anzugeben, welches mit geringem apparativen Aufwand bei ausreichender Empfindlichkeit auszuführen ist.The invention is therefore based on the object of specifying a method and a corresponding device for determining the condition of a road surface, which can be carried out with little equipment effort with sufficient sensitivity.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a method for determining the condition of a road surface with the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche durch Analyse einer vom Fahrzeug ausgesandten Strahlung einer Strahlungsquelle wird das Ramanspektrum von der Fahrbahnoberfläche rückgestreuten Strahlung bestimmt. Aus dem Ramanspektrum kann die Salzkonzentration einer auf der Fahrbahn befindlichen Salzlösung ermittelt werden. Mittels der Detektion des Ramanspektrums einer ausgesandten Strahlung, insbesondere von infraroten Licht, kann auf einfache Weise schnell und berührungslos die Salzkonzentration einer auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Salzlösung bestimmt werden, die im Winter eine Eisbildung auf der Fahrbahnoberfläche verhindern soll.In the method according to the invention for determining the condition of a road surface by analyzing radiation from a radiation source emitted by the vehicle, the Raman spectrum of radiation backscattered from the road surface is determined. The salt concentration of a salt solution on the roadway can be determined from the Raman spectrum. By detecting the Raman spectrum of an emitted radiation, in particular infrared light, the salt concentration of a salt solution located on the road surface can be determined in a simple manner, quickly and without contact, which is intended to prevent ice formation on the road surface in winter.
Dabei wird die Salzkonzentration und die Art des Salzes der auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Salzlösung aus der Verschiebung des Ramanspektrums gegenüber dem Spektrum der ausgesandten Strahlung bestimmt. Dies ist möglich, da für eine vorgegebene Temperatur der Salzlösung die Verschiebung des Ramanspektrums gegenüber des Spektrum der Detektorstrahlung eine Funktion der Salzkonzentration ist. Ferner kann aus dem Ramanspektrum, d.h. den Stokes- und Antistokesspektren, auf die Art der Salzlösung geschlossen werden, wobei als bekannt vorausgesetzt werden kann, dass das im Straßenverkehr verwendete Streusalz zu mindesten 94% aus Natriumchlorid, also Kochsalz, besteht. Weitere Bestandteile des verwendeten Streusalzes können Calziumchlorid und Magnesiumchlorid sein, deren Ramanspektren ebenfalls berücksichtigt werden können. The salt concentration and the type of salt of the salt solution on the road surface are determined from the shift in the Raman spectrum compared to the spectrum of the emitted radiation. This is possible because, for a given temperature of the salt solution, the shift in the Raman spectrum with respect to the spectrum of the detector radiation is a function of the salt concentration. Furthermore, the type of salt solution can be inferred from the Raman spectrum, i.e. the Stokes and Antistokes spectra, whereby it can be assumed as known that the road salt used in road traffic consists of at least 94% sodium chloride, i.e. table salt. Other components of the road salt used can be calcium chloride and magnesium chloride, the Raman spectra of which can also be taken into account.
Dabei wird die Umgebungstemperatur separat von der Aufnahme der Ramanspektren ermittelt. Aus der Umgebungstemperatur sowie der gemessenen Salzkonzentration wird bestimmt, ob die Fahrbahn vereist ist oder nicht. Die Information, ob eine Fahrbahn vereist ist oder nicht, wird durch zwei Messgrößen bestimmt, der Salzkonzentration auf der Fahrbahn und der Umgebungstemperatur. Durch die Ramanspektren kann auf einfache Weise die Salzkonzentration gemessen werden, während die Messung der Umgebungstemperatur heute Bestandteil jedes modernern Fahrzeugs ist.The ambient temperature is determined separately from the recording of the Raman spectra. The ambient temperature and the measured salt concentration are used to determine whether the road is icy or not. The information as to whether a road is icy or not is determined by two measured variables, the salt concentration on the road and the ambient temperature. The salt concentration can easily be measured by means of the Raman spectra, whereas the measurement of the ambient temperature is now part of every modern vehicle.
Vorzugsweise wird die Differenz zwischen Ramanspektren und ausgesandten Spektren bestimmt und aus der Differenz auf die Salzkonzentration und die Art des Salzes geschlossen. Dabei kann die jeweilige Salzkonzentration mittels hinterlegter Referenzwerte bestimmt werden. Zur Bestimmung der Differenz lassen sich kostengünstig digitale Signalprozessoren einsetzen.The difference between the Raman spectra and the transmitted spectra is preferably determined and the salt concentration and the type of salt are deduced from the difference. The respective salt concentration can be determined by means of stored reference values can be determined. Digital signal processors can be used inexpensively to determine the difference.
Vorzugsweise sind Phasendiagramme der Salzlösungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen hinterlegt, so dass sich daraus in Verbindung mit der Umgebungstemperatur die Fahrbahnvereisung bestimmen lässt.Phase diagrams of the salt solutions with different salt concentrations are preferably stored so that the icing of the road can be determined from them in connection with the ambient temperature.
Weiter bevorzugt trifft die Strahlung in einem vorgegebenen Abstand vor dem Fahrzeug auf die Fahrbahnoberfläche auf. Dieser Abstand beträgt beispielsweise 100 m. Auf diese Weise kann der Vereisungsgrad der Fahrbahnoberfläche vorausschauend bestimmt werden, so dass eine rechtzeitige Warnung an den Fahrer möglich ist und eine gefahrlose Geschwindigkeitsreduzierung erfolgen kann.More preferably, the radiation strikes the road surface at a predetermined distance in front of the vehicle. This distance is, for example, 100 m. In this way, the degree of icing on the road surface can be determined in advance, so that the driver can be warned in good time and the speed can be reduced without danger.
Unterliegt eine Messung vor dem Fahrzeug zu vielen Störeinflüssen, so kann die ausgesandte Strahlung auch unterhalb des Fahrzeugs auf die Fahrbahn gerichtet werden. Eine vorausschauende Warnung ist dann allerdings nicht mehr möglich.If a measurement in front of the vehicle is subject to too many interfering influences, the emitted radiation can also be directed onto the roadway below the vehicle. However, a predictive warning is then no longer possible.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche zur Durchführung des im Vorangegangenen beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche eingerichtet und ausgelegt ist, umfasst:
- - eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von Strahlung,
- - eine Einrichtung zur Fokussierung der Strahlung auf die Fahrbahnoberfläche,
- - eine Detektoreinrichtung zur Detektion der rückgestreuten Strahlung, wobei die Detektoreinrichtung zur Detektion von Ramanspektren ausgebildet ist,
- - eine Einrichtung zur Messung der Umgebungstemperatur, und
- - eine Steuer-/Auswerteeinrichtung.
- - a radiation source for generating radiation,
- - a device for focusing the radiation on the road surface,
- a detector device for detecting the backscattered radiation, the detector device being designed to detect Raman spectra,
- - a device for measuring the ambient temperature, and
- - a control / evaluation device.
Dabei kommt als Strahlungsquelle insbesondere eine Laserdiode oder eine High Power LED zum Einsatz, wobei der Einsatz einer High Power LED in einem Fahrzeug aufgrund ihrer Robustheit und Langlebigkeit zu bevorzugen ist. Der Frequenzbereich der Strahlungsquellen liegt vorzugsweise im Infraroten. Ferner kann der Detektor ein breitbandiger Detektor oder ein Prisma mit Detektor zur ortsausgelösten wellenlängenabhängigen Strahlungsintensitätsbestimmung sein.In particular, a laser diode or a high power LED is used as the radiation source, the use of a high power LED in a vehicle being preferred because of its robustness and durability. The frequency range of the radiation sources is preferably in the infrared. Furthermore, the detector can be a broadband detector or a prism with a detector for locally triggered, wavelength-dependent radiation intensity determination.
Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Speicher-/Signalverarbeitungseinheit zur Speicherung von Referenzspektren und Phasendiagrammen auf.The device according to the invention further preferably has a memory / signal processing unit for storing reference spectra and phase diagrams.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt
-
1 ein Beispiel eines Ramanspektrums von reinem Wasser bei T= 20°C, -
2 ein Beispiel eines Ramanspektrums einer NaCI-Salzlösung bei T=20°C, -
3 das Messverfahren in schematischer Darstellung, und -
4 der Eis-Sensor in schematischer Darstellung.
-
1 an example of a Raman spectrum of pure water at T = 20 ° C, -
2 an example of a Raman spectrum of a NaCl salt solution at T = 20 ° C, -
3rd the measuring process in a schematic representation, and -
4th the ice sensor in a schematic representation.
Zur Erläuterung der Grundlagen des Verfahrens zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche mittels der Auswertung von Ramanspektren dienen die beiden
Das in
Aus der Gegenüberstellung der
Es ist daher möglich bei Kenntnis der Temperatur aus einem Ramanspektrum die Art des Salzes und dessen Konzentration zu bestimmen.If the temperature is known, it is therefore possible to determine the type of salt and its concentration from a Raman spectrum.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- II.
- Intensitätintensity
- WW.
-
Wellenzahl 1/cm
Wave number 1 / cm - EFEF
- Fahrzeugvehicle
- DD.
- Abstanddistance
- FF.
- Fahrbahnroadway
- LL.
- LichtstrahlBeam of light
- PP.
- AuftreffpunktPoint of impact
- SS.
- Streulicht Stray light
- 11
- Steuer-/AuswerteeinrichtungControl / evaluation device
- 22
- StrahlungsquelleRadiation source
- 33
- Detektordetector
- 44th
- TemperatursensorTemperature sensor
- 55
- SpeichereinrichtungStorage facility
- 66th
- Anzeige/WarneinrichtungDisplay / warning device
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