DE3855467T2

DE3855467T2 - Verkehrsmessanlage

Info

Publication number: DE3855467T2
Application number: DE3855467T
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Gebert; Ralf Dieter Heinrich Gebert; Ruediger Heinz Gebert; Johannes Petrus Theron
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-04-02
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2008-04-01
Also published as: ATE141432T1; DE3855467D1; EP0287250B1; EP0287250A2; US5008666A; EP0287250A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen in und bezüglich der Gewinnung von Verkehrsdaten einschließlich Gewichtsmeßangabe, Daten die für den Gesetzvollzug verarbeitbar sind und für den Straßenbau.
Für die Verkehrsdatenverarbeitung und den Gesetzvollzug wurden fortschrittliche Geräte entwickelt. Diese Geräte beruhen auf koaxialen Kabeln mit piezoelektrischer- bzw. triboelektrischer Wirkungsweise, Schlaufendetektoren und Achsengewichtpolstern.
Vorrichtungen für die Verkehrsgeschwindigkeitsmessung sind z.B. in FR-A-247 1066 offenbart, welches ein piezoelektrisches Kabel beschreibt, welches U-förmig in der Straßenoberfläche untergebracht ist, mit Armen im Abstand zueinander, die nacheinander vom Fahrzeugrad überquert werden.
Die Gewichtsmessung von schnell fahrenden Fahrzeugen war besonders schwierig und das herkömmliche auf Grund der in den südafrikanischen Patenten 68/4975 und 69/1840 offenbarten Technologie entwickelte Gewichtsmesspolster ist unhandlich und teuer. Das Gewichtspolster hat ferner den Nachteil, daß es nicht die Auflagefläche des Fahrzeugrades wiedergibt, weshalb der Druck auf die Straße (das den Straßenbauingenieur interessierende Kennzeichen) nicht unmittelbar angegeben oder zuverlässig errechnet werden kann. Einer der vorliegenden Erfinder hat schon frühzeitig erkannt, daß das auf Grund der im südafrikanischen Patent Nr. 66/0934 offenbarten Technologie entwickelte, verhältnismäßig kostenwirksame Koaxialkabel eine Gewichtsansprechkomponente aufweist. Jedoch konnten diese Koaxialkabel auf PVC-basis wegen beobachteter Probleme, die vom Kabel selbst herrührten und von den beschränkten Möglichkeiten der Signalverarbeitungsvorrichtungen nie für Gewichtsmessungen benutzt werden. Die damaligen Kabel wiesen Probleme auf, die auch heute noch bestehen (in beliebigen dynamischen Gewichtsmessungsystemen), doch wurde der Umfang und die Auswirkung dieser Fehlerquellen von den damaligen schlechten Herstellungsverfahren noch Qualitätskontrollen und Technologien noch verstärkt. Diese Probleme kann man als Streuung, Korrelation, Temperaturabhängigkeit.
Geschwindigkeitsabhängigkeit, gegenseitige Beeinflussung und generelle Empfindlichkeit (schwaches Signal zu Geräuschverhältniss) bezeichnen. Unter Streuung versteht man das Phenomen, wonach die gleiche Achsenlast bei der gleichen Fahrgeschwindigkeit in der gleichen Querposition und bei der gleichen Temperatur in aufeinander folgenden Messungen unterschiedliche Spitzen- bzw. Zwischenspitzensignalwerte, abweichend von den Standardkoaxialkabeln auf PVC-basis liefert. Die Ursache dieser Streuung konnte nicht festgestellt werden. Verkehrsmeßanlagen unterliegen erheblichen Temperaturextremwerten, z.B. Temperaturen unter 0 bis 80ºC, und die von solchen Kabeln gelieferten elektrischen Signale sind stark temperaturabhängig. Selbst Temperaturausgleichsverfahren auf Software- bzw. Hardwaregrundlage und Eichung jedes einzelnen Kabels konnten dieses Problem nicht ausreichend lösen. Das Standard PVC Koaxialkabel unterlag auch einer Geschwindigkeitsabhängigkeit wobei die Spitzenwerte der Impulse mit der Geschwindigkeit zunehmen, aber wiederum mit einer erheblichen statistischen Komponente oder Streuung, weshalb auch dieses Problem nicht ausreichend auf dem Wege der Eichung zu lösen war. Letztendlich wiesen die herkömmlichen PVC Koaxialkabel häufig auch eine Ansprechabhängigkeit von der Querposition auf, d.h. man müßte die exakte Position, über welche das Fahrzeugrad fahrt, in Längsrichtung des über die Straße gespannten Kabels festlegen, etwas was praktisch undurchführbar ist.
Die generelle Ansprechempfindlichkeit dieser Kabelart wies große Abweichungen auf, wodurch Signal/Geräuschverhältnissanpassungen sehr erschwert wurden. Die von leichten Fahrzeugen bei geringen Geschwindigkeiten erzeugten Signale fielen gewöhnlich in den Geräuschbereich, was die Feststellung darüberfahrender Achsen bei geringer Geschwindigkeit sehr erschwerte. Die Signalverarbeitungseinrichtungen verwendeten herkömmliche Transistorentechnologie kombiniert mit den damaligen TTL-integrierten Schaltkreisen. Obwohl gewisse befriedigende Grade der Übereinstimmung zwischen der Spannungsspitzengröße und dem dynamischen Achsengewicht festgestellt wurden, gab es darin Abweichungen von einem Detektor zum anderen und von einer Messstelle zur anderen. Damit wurden Wiederholbarkeit in der Herstellung und Eichungsvorschriften in Frage gestellt. Die Eichwerte erwiesen sich auch als abhängig von der Temperatur, der Einbauweise und dem Betriebsalter, da die Gleichförmigkeit des Kabels, im Hinblick auf die mechanische Belastungen in Längsrichtung, Abweichungen aufwies. Das erhöhte die ohnehin bestehende Uneinheitlichkeit des Systems in Querrichtung. Weitere Versuche mittels Signalintegration und -differezierung, jeweils mit unterschiedlichen Einbauverfahren, konnten die Korrelation zwischen Achsengewicht und Signalspannung nicht verbessern.
Die gesamte Signaldatenverarbeitung muß in Realzeit erfolgen und dies beschränkte die Anwendbarkeit der älteren Mikrocomputertechnologien, ganz abgesehen von deren üblichen Strombedarf und deren Verfügbarkeit, ausschließlich auf Hochfrequenz- (Hochgeschwindigkeitsverarbeitungs) Einrichtungen. Ältere Mikrocomputerversuche waren wegen der geringen Zuverlässigkeit unter Geländebedingungen und hohen Entwicklungskosten ohne Erfolg.
Die oben angesprochenen Probleme werden erfindungsgemäß mittels eines Verkehrsdatenaufnahmeverfahrens behoben, welches daraus besteht, daß ein elektrisch leitfahiges Kabel mit wenigstens zwei Stromleitern, die mittels eines Materials mit elektrischen Eigenschaften, ausgewählt von ein oder mehr der folgenden: piezoelektrische Wirkungsweise, triboelektrische Wirkungsweise, magneto- bzw. elektrostriktive Wirksungsweise, von einander getrennt sind und Signale, die im den/dem Kabel(n) beim Darüberfahren eines Fahrzeugrades oder Rädern erzeugt werden dahingehend verarbeitet werden, daß ein oder mehr Parameter geschaffen werden ausgewählt aus positiven oder negativen Spannungspitzen, Anstiegszeit oder Spitzenfläche, Gesamtspitzenfläche oder Maximum- oder Gesamt-integrierte Spektralpotenz (spectral power). Das Kabel, welches nach exakten Vorschriften und mit guter Qualitätskontrolle hergestellt ist, versichert einheitliche, wiederholbare Kabeleigenschaften mit möglichst geringer Temperaturabhängigkeit, einheitlicher Ansprechscharakteritik in Querrichtung und einem guten allgemeinen Signal zu Geräuschverhältniss.
Die beiden Stromleiter sind über elektronische Schaltkreise verbunden, die einen Verstärker, Analog-digitalumsetzer und Mikroprozessor oder Computer beinhalten. Die vom Kabel gelieferten Signale werden dann mittels Digitalsignalverarbeitungsmethoden verarbeitet, was auf Grund der Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit des Mikrocomputers eine komplexe Auswertung praktisch in Realzeit jedes Signals hinsichtlich einer Anzahl von Parametern ermöglicht, einschließlich Spitzenwert, Integralwert, abgeleiteter Wert, positive Werte, negative Werte, Pulslängenwerte, etc. In der vorliegenden Offenbarung wird insbesondere die Verwendung des Integrierten- oder Gesamtspektralpotenzwertes für die Bestimmung der Korrelation von Geschwindigkeit zum Achsengewicht beschrieben. Sie beinhaltet ferner die Verwendung von vielfachen Kennwerten zur Optimierung der Ausgangsauflösung für jeden benötigten Ausgangswert, sei es Geschwindigkeit. Gewicht, Zählung, Kontaktlänge und Druck. Es wird dann eine empirische Beziehung zwischen Geschwindigkeit, Gewicht und den gemessenen Werten festgelegt, die sich am besten für Geschwindigkeits- bzw. Gewicht- bzw. Reifenkennzahlen, z.B. Kontaktlänge, Breite, Druck eignet. Diese Beziehung wird dann kalibriert damit das System einen oder mehr der gewünschten Ausgangswerte ableiten kann, z.B. Geschwindigkeit, Gewicht, Achsenzählung und Reifeneigenschaften.
Auf diese Weise kann die dynamische Belastung der Straßenoberfläche stetig durch direkten Kontakt gemessen und anschließend, falls erwünscht, verarbeitet und aufgezeichnet werden. Die so verarbeitete Information kann auch für die Analyse von Verkehrsverlauf, Straßendeckenkonstruktion und Instandsetzung, Wirtschaflichkeitsanalyse, Lastwagenkonstruktion, Fahrzeugklassifikation verwendet werden und kann Überwachung und Zählung beinhalten. Die verarbeiteten Ausgangsdaten des Systems können somit als wertvolle Eingangsdaten für verschiedene Analysen verwendet werden, insbesondere da diese Daten Kostenwirksam und erforderlichenfalls auf stetiger Basis verfügbar sind.
Die integrierte oder Gesamtspektralpotenz läßt sich aus einem Algorithmus unter Verwendung einer Regressionsmethode errechnen. Sie kann auf Integration der Signale im betreffenden Frequenzbereich beruhen. Sie kann durch Programmierung eines Realzeitmikrocomputers gemäß eines Algorithmuses abgeleitet werden, welcher auf folgender Ableitung beruht:
es sei eine Reihe von Spannungsmessungen V(t) angenommen,
worin V(t) = { v(1), v(2), v(3) ... v(n-1)}
Die Fouriertransform von V(t) V( )
V( ) ist eine komplex bewertete Funktion:
v( ) = v'( ) + jV"( )
Das Potenzspektrum von V(t) wird wie folgt definiert:
P.S. = (v( ).v( )*)
worin V ( ) * das Komplexkonjugat von V( ) darstellt.
In diesem Fall wird die integrierte oder Gesamtspektralpotenz (ISP)
ISP = (V( ).V*( ) d
was für diskrete Momentwerte numerisch aufzulösen wäre. Die Erfinder führten dies entsprechend der Trapezregel durch Anwendung der Integrierung niederster Ordnung durch.
Die Erfindung kann, falls erwünscht, jedoch mit erheblichem Vorteil im Zusammenhang mit der in südafrikanischen Patent Nr. 81/6666 beschriebenen Erfindung verwendet werden, worin Verkehrsanalysengeräte, Geschwindigkeitsmessgeräte und die Feststellung von Fahrzeugen und Fahrzeugabständen offenbart werden.
Ein bevorzugtes Kabel ist ein solches, worin die piezoelektrische Wirkungsweise gegenüber anderen Wirkungsweisen überwiegt und dies läßt sich erreichen durch die Verwendung einer Formulierung, beinhaltend oder bestehend aus einem pulverisierten piezoelektrischen kristallinischen Material, das als Füllmaterial in einem synthetischen Polymer vorliegt, welches selbst piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise wird ein koaxiales Kabel zweiadriger Art verwendet, worin die Isolierung zwischen der inneren Ader und der konzentrischen äußeren Ader die bevorzugte elektrische Wirkweise aufweist, da die äußere Ader dann als Abschirmung gegen elektrisches Geräusch aus Fremdquellen dienen kann.
Die elastische Einbettungsmasse um das Kabel herum kann wenigstens teilweise in einer Schutzstruktur eingeschlossen sein. In einer Ausführungsform bildet eine in die Straßenoberfläche eingeschnittene Rille eine teilweise Umschließung, wobei z.B. die Einbettungsmasse die Rille füllt und das Kabel darin eingebettet ist. Obwohl sich dies schnell und kostengünstig durchführen läßt, ergibt es den Vorteil einer halbständigen oder ständigen Installation.
In einer alternativen Ausfgestaltung ist die elastische Matrix vollständig in einem flexiblen Mantel oder Rohr umschlossen mit einer Abriebsfestigkeit und Zähigkeit, die es verträgt dem Verkehr ausgesetzt zu sein, wenn das Kabel auf der Straßenoberfläche verlegt wird. Vorzugsweise wird eine Grundplatte aus Metall oder eine andere flache Grundplatte unter der Ummantlung zur Schaffung einer Unabhängigkeit oder Unempfindlichkeit gegen Abweichungen in Querrichtung vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Kabel in einem Parallel-, Zickzack-, Schlängeloder anderen Muster verlegt, zwecks Schaffung einer vergrößerten Oberfläche in der elastischen Matrix, worin das Kabel zur Bildung eines Polsters eingebettet ist. Das Kabel kann im Falle einer Schlängel- oder Zickzackanordnung kontinuierlich hintereinander geschaltet sein oder im Falle einer mehrfachen Parallelanordung in einem kammartigen Muster.
Das Kabel kann eine kreisrunde Querschnittform oder auch zweckmäßigerweise eine D-förmige, quadratische oder rechteckige Querschnittform besitzen, z.B. zur besseren Anpassung an eine bestimmte Anwendungsweise.
Es wird bevorzugt, daß die elastische Matrix temperaturunempfindlich ist, insbesondere hinsichtlich des Elastizitätskoeffizienten, oder wenigstens daß die Temperaturabhängigkeit regelmäßig wiederholbar ist und somit durch Hartverdrahtungs-, Firmware- oder Softwareausgleichsfunktionen ausgeglichen werden kann, und vorzugsweise ist die Temperaturabhängigkeit minimal.
Gemaß einer Ausführungsform der Erfindung werden zwei getrennte Doppelkabel verwendet, die in einem Standardabstand von einander parallel und verquer in einer Straße für die Geschwindigkeitsmessung verlegt sind, wobei die gleichen Kabel gleichzeitig Gewichtsdruckmessungen liefern. In einem solchen Fall kann der Durchschnitt der aus den beiden Kabeln errechneten Gewichtsdruckmessungen ermittelt werden, um die von der Fahrzeugsradaufhängungsdynamik und sonstigen statistischen Variablen herrührenden Diskrepanzen auf ein Minimum zu beschränken. Vorzugsweise wird außerdem eine solche Zweikabelanordnung durch einen Presenzdetektor zur Schaffung einer Verkehrsdatengewinnungsmöglichkeit ergänzt, wie z.B. im südafrikanischen Patent 81/6666 beschrieben ist. Mittels der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu dieser Möglichkeit eine Druckmessungs- und Gewichtsermittlung mittels der erfindungsgemaßen Vorrichtung durchgeführt werden. Diese Einrichtungen umfassen z.B. Fahrzeugzählung, Fahrzeuglänge, Fahrzeugankunftszeit Fahrzeuggeschwindigkeit, Anzahl Achsen pro Fahrzeug, Achsenabstand oder Abstände pro Fahrzeug, Abstand zwischen Fahrzeugen, Fahrzeugabstand in Kombination mit Fahrzeuglänge und -breite und Achsendruck, die alle mit den gleichen beiden Kabeln und dem Presenzdetektor gemessen werden.
Andererseits kann die Fahrzeuggeschwindigkeit erfindungsgemaß auch über geeignete elektrische Ansprechparameter eines einzelen Kabels bestimmt werden, wie weiter unter im Einzelnen beschrieben wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführung der Erfindung darstellt,
Figur 2a eine schematische Zeichnung eines Werkzeuges zur Vorbereitung einer Rille für die Verlegung des eingebetteten Kabels gemäß Figur 2b darstellt,
Figur 3 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt,
Figur 4 eine Seitenansicht der Ausführungsformen gemäß Figur 1 und 3 darstellt,
Figur 5 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführung der Erfindung darstellt,
Figur 6 ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung für die Erfindung darstellt,
Figur 7 graphisch die Anspruchscharacteristik des Gerätes gegen Ausgangstemperaturabweichungen zeigt,
Figur 8 die Ansprechsweise des Geräts im Versuch wiedergibt,
Figur 9 eine weitere Ausführung der Erfindung im Grundriß zeigt,
Figur 10 eine graphische Darstellung der positiven Spitzenspannung gegen Geschwindigkeit für ein Rad ist,
Figur 11 eine graphische Darstellung der positiven Spitzenspannung gegen Geschwindigkeit für zwei Räder ist,
Figur 12 eine graphische Darstellung von Druckempfindlichkeit gegen Frequenz ist,
Figur 13 eine graphische Darstellung von Leitfähigkeit und Frequenz ist, und
Figur 14 eine graphische Darstellung der Gesamtspektralpotenz gegen Geschwindigkeit, Gewicht und Reifenkonfiguration darstellt.
Wie Figur 1 zeigt, wird die bevorzugte Ausführung der Erfindung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt und ergibt eine installierte erfindungsgemäße Anlage. Die Straßenoberfläche 1 wird vorzugsweise irgendwo ausgesucht, wo die Straße verhältnismäßig glatt ist, um dynamische Wirkungen der Fahrzeugradaufhängung auf ein Mindesmaß zu beschränken. Mittels einer Diamantschneidescheibe wird dann eine Rille 2 quer über die Breite der zu überwachenden Straße geschnitten. Dann findet eine Auskleidung mittels einer Epoxyd- oder Bitumenmasse durch Vergießen dieser Masse in die Rille statt. wonach ein Formwerkzeug 3, der in Figur 2a gezeigten Art, durch die Rille gezogen wird. Die Zunge 3,1 des Werkzeuges 3 ergibt dann eine Rille exakter Breite und Tiefe, was wichtig ist um eine Meßwertunabhängigkeit in Querrichtung für die Anlage zu erreichen. Sobald die Epoxy/Bitumenmasse genügend erstarrt ist, wird das piezoelektrische koaxiale eingebettete Kabel 4 in die Rille eingelegt, wobei ein Ende in geeigneter Weise elektrisch mit einem Impedanzumwandler 5, wie in Figur 4 gezeigt ist, verbunden wird, von wo aus das Signalkabel 6 einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung zugeführt werden kann.
Figur 2b zeigt das Kabel 4, welches in eine Matrix 7 eingebettet ist, die durch Extrusion und Führung des Kabels durch die Extrusionsdüse geformt wird. Eine Füllmasse oder Matrix 7 um das Kabel herum kann aus Silikongummi bestehen, was den großen Vorteil der Temperaturbeständigkeit bietet. Es können jedoch auch andere elastisch erstarrende Polymere, wie Polyurethan, verwendet werden, ausgewählt zur Optimierung der verlangten Eigenschaften. Abgesehen von einer Stabilität des Elastizitätsmodulus gegen Temperaturänderungen ist es wünschenswert, daß das Material abriebfest ist. Falls die gewünschten Eigenschaften nicht alle mit einem einzigen Material verwirklichbar sind, können Materialkombinationen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine abriebfeste Haut auf die Oberseite von Silikongummi aufgetragen werden, welches eine verhältnismäßig geringe Abriebfestigkeit besitzt.
Ein geeignetes Matrixmaterial wird mit einem Poissonverhältnis, welches so nah wie möglich bei 0,5 liegt ausgesucht, da dies die Einwirkung von Umgebungsfaktoren, die eine Veränderung der Kabelempfindlichkeit auf Grund von Änderungen der Materialeigenschaften bewirkt, verringert.
Eine weitere Methode zur Verringerung der Einwirkung von Materialeigenschaften auf die Sensoransprechempfindlichkeit ist die Verringerung der Breite des Sensors. Damit wird die waagerechte Beanspruchung des Kabels verringert. Zusätzlich könnte man die akustische Kupplung zwischen der Matrix und den waagrechten Kanten des Kabels dadurch verringern, daß man auf der Höhe der Seiten des Sensors Luftspalte in der Matrix vorsieht. Jegliche waagerechte Beanspruchung würde dann vom Kabel entkuppelt werden.
Um die Stabilität des Materials gegen ultraviolette Strahlung zu verbessern, können Pigmente (Rußschwarz) dem Matrixmaterial in kleinen Mengen, 0,5 Volumenprozent, zugefügt werden.
Das Material soll im Hinblick auf Umgebungsstabilität ausgewählt und die folgenden Kennzeichen sind wichtig:.
1. Geringe Änderung der Materialeigenschaften bei Temperaturänderungen.
2. Geringe Wasserabsorption bzw. Beständigkeit gegen Wasserdenaturierung.
3. Widerstand gegen Zersetzung durch UV-Einstrahlung.
4. Mechanische Zähigkeit, hohe Reißfestigkeit und Verschleißfestigkeit.
5. Das Material sollte gut am piezoelektrischen Kabel haften; möglicherweise ist eine Grundierung zur Verbesserung der Haftung anzubringen.
6. Mäßig hohe Steifheit.
Punkt 6 wurde aus zwei Gründen in die Liste eingeschlossen. Erstens würde ein Material mit einer hohen Steifheit die Größe der horizontalen Schubkräfte auf das Kabel verringern und zweitens wäre die natürliche Resonanz des Sensorenaufbaus höher, wodurch die Resolution bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit verbessert wird. Zur Zeit wird eine Frequenz von etwa 600 bis 700 Hz bei hohen Faltrzeuggeschwindigkeiten erregt.
Es ist wünschenswert, daß die Querschnittsgröße des Kabels so klein wie möglich ist, z.B. ein Durchmesser von 2,5 mm, um die Masse pro Längeneinheit des Kabels auf ein Minimum zu beschränken und somit die Ansprechsensitivität der piezoelektrischen Eigenschaften des Kabels auf einen angewandten Druck in Form einer Stoßwelle, wie sie bei hoher Geschwindigkeitsmessung auftritt auf ein Maximum zu erhöhen. Dieses Kabel könnte einen quadratischen Querschnitt oder eine andere geeignete Querschnittform zum Beispiel einen D-förmigen Querschnitt besitzen.
Die piezoelektrischen Eigenschaften werden vorzugsweise durch die Impregnierung des Polymers welches zwischen den elektrischen Leitern liegt, mit piezoelektrischen Kristallen in Pulverform, wie Bariumtitanat, erhalten.
Die in den Normungsangaben des Herstellers für das Kabel angegebenen Werte deuten an, daß die Empfindlichkeit des Kabels etwa -205 Db re 1 V/uPa beträgt, was 5,62 x 10&supmin;¹¹ Volt enspricht, vom Kabel in Folge eines einheitlichen Druckes auf das Kabel von 1 uPa erzeugt.
Die Messung der Empfindlichkeit des Kabels in der Elastomermatrix seitens des NIMR (National Institute for Material Research des CSIR) ergab eine Empfindlichkeit zwischen -235 und -240 dB re. 1 V/uPa (1 x 10&supmin;¹² - 1,7 x 10&supmin;¹²V/uPa). Dieses Ergebnis liegt 30 dB niedriger als die Ergebnisse der Hersteller, was sich jedoch aus der Druckverringerung in Folge des Matrixmaterials und mangelnder Haftung zwischen dem Matrixmaterial und dem Sensorenkabel erklären läßt. Die Ergebnisse der Kalibrierungsmessung des Kabels sind aus Figur 12 ersichtlich.
Das Sensorenkabel sollte keine ausgeprägte Resonanz aufweisen wegen des geringen elektromechanischen Kupplungsfaktors. Figur 13 zeigt die Leitfähigkeit des Kabelsensors als Funktion der Frequenz. Das Fehlen von Spitzen deutet an, daß keine elektromechanische Resonanzen im Frequenzbereich 1 bis 100 kHz stattfinden. Obwohl in der Gummimatrix eine natürliche Resonanz bei etwa -700 Hz vorliegt, wird diese wegen des geringen elektromechanischen Kupplungsfaktors nicht aufgeweckt.
Die Elastizität der Matrix wird in geeigneter Weise mittels der Shorehärte gemessen, und diese ist vorzugsweise möglichst konstant bei schwankenden Temperaturen, vorzugsweise um 90º.
Schwankungen der Empfindlichkeit in Querrichtung werden auch verringert durch Verwendung eines Kabels, welches während der Extrusion der Matrix eingebettet wurde, die konstante Eigenschaften in Längsrichtung besitzt.
Erfindungsgemäß ist die Breite des in die Straßenoberfläche geschnittenen Schlitzes eine wichtige Eigenschaft, und hängt zusammen mit der Aufdruckfläche, die für Straßenfahrzeuge typisch ist. Vorzugsweise ist die Schlitzbreite nicht weniger als 5 mm doch ergibt sich eine praktische obere Grenze auf Grund der Haltbarkeit der flexiblen Matrix und wird als obere Grenze etwa 25 mm empfohlen. Für die Geschwindigkeitsmessung ist die Breite ebenfalls bedeutungsvoll was die Genauigkeit der Messung betrifft.
Vorzugsweise wird die Matrix auch hinsichtlich ihrer Hysterese ausgewählt. Dies ist die Fähigkeit des Matrixmaterials Schwingungen zu dämpfen. Durch sorgfältige Wahl der Größe des Schlitzes, der Elastizität und der Hysterese der Matrix kann die Anlage in sofern selektiv gestaltet werden. als sie auf optimale Emptangsfähigkeit für die Frequenz des Pulses eingestellt werden kann, der typischerweise bei der Vermessung des Fahrzeugverkehrs aufgenommen wird, jedoch so, daß sehr hohe Frequenzsignale, wie sie sich aus der Vibration oder sonstigen dynamischen Wirkungen ergeben, abgeschwächt oder ausgefiltert werden. Auf diese Weise kann ein stabilerer und zuverlässigerer Puls erzeugt und dem elektronischen Datenverarbeiter zugeführt werden.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung für zeitweilige Installationen auf der Oberfläche einer Straßenfläche 1 mit einer Stahlgrundplatte 9, die dazu dient, eine glatte und gleichmäßige Oberfläche zu schaffen, auf welcher die Einrichtung montiert ist, damit die Ableswerte von der Querposition unabhängig sind. Auf der Stahlgrundfläche 9 ist eine abriebfeste Gummihülle 10 vorgesehen, die vorzugsweise aus einem aufschrumpfbaren Polymer besteht, damit diese fest auf die Matrix 11 aufgeschrumpft und diese umschließen kann, wobei letztere wieder aus einem elastischen Polymer besteht, welches die im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Eigenschaften für den (Füller)/die Matrix 7 besitzt. Das koaxiale piezoelektrische Kabel 4, welches bereits anhand der Figur 1 beschrieben wurde, ist in dieser Matrix eingebettet. Figur 4 zeigt die Ansicht der Einrichtung, wie sie von herannahenden Fahrzeug aus gesehen wird, da sie in Querrichtung auf der Straßenoberfläche verlegt ist, und es sei auf den Eingangsvorverstärker 5 und hoher Impedanz und das Kabel 6 hingewiesen.
Figur 5 zeigt wie das koaxiale Kabel 4 in einem geschlängelten oder kammartigen Muster verlegt werden kann, wiederum in einer flexiblen polymeren Matrix 12, wodurch ein Polster gebildet wird. Das Kabel 4 kann geschlängelt verlegt sein, also endlos bis auf die Anfangs- und Endanschlüsse, wobei die Kabellänge in einer kontinuierlichen Reihenschaltung der Kabelabsehnitte vorliegt. Als Alternative können diese Abschnitte parallel geschaltet sein, also in der Art eines kammförmigen Musters. Diese werden ihrerseits auf einer Stahlplatte 13 verlegt und, falls erwünscht, kann auf der oberen Fläche eine Deckplatte vorgesehen sein.
Als Alternative zu einem piezoelektrischen Kabel kann ein Kabel gewählt werden, welches überwiegend magneto- oder elektrostriktive Wirkungseigenschaften aufweist. Für diesen Zweck kann ein Oscillator verwendet werden, um dem Kabel ein Signal geeigneter Frequenz zu zu liefern, und damit eine Änderung in der Wirkungsgröße festgestellt werden kann. Es sei hier auch auf eine triboelektrische Wirkungweise hingewiesen, die im Prinzip in den Schutzumfang der Erfindung fällt, obwohl hier das Problem der Vermeidung von Überschwingwirkungen gelöst werden muß, d.h. Hochfrequenzobertöne, die mit dem Hauptpuls zusammenhängen, und die erst allmählich abklingen. durch Wahl einer Resonanzfrequenz, die deutlich oberhalb der Betriebsfrequenz liegt. Im Prinzip kann jedes elektrische Ausgangssignal des Kabels verwendet werden. Die Flexibilität des Kabels als solches ist jedoch ein wichtiger Faktor für die erfindungsgemäße Anwendung.
Außer Bariumtitanatkristallen können auch andere Kristalle mit piezoelektrischer Wirkung wie in den Ansprüchen angegeben, verwendet werden.
Das vom Kabel herkommende Signal wird im Prinzip wie in Figur 6 gezeigt, elektronisch verarbeitet. Allgemein gesagt, braucht man hierzu eine Verstärkung, und danach eine Analogdigitalumwandlung, worauf das Signal dann einen Mikroprozessor zur Auswertung der Informationen benötigt. Die gewünschte Information wird dann als Resultat geliefert, welches dann natürlich ausgelesen, ausgedruckt, gespeichert oder in beliebigter benötigter Weise verwendet werden kann. Der Mikroprozessor mißt generell die verschiedensten Kennwerte des Signals oder von Signalkombinationen, wendet entsprechend der Kalibrierung des Kabelsignals eine einprogrammierte Ausgleichung an, und errechnet dann das Ergebnis.
Für die Auslegung eines akustischen Sensors ist es wichtig, sich eine Ahnung zu verschaffen, wo im Hinblich auf den Geräuschpegel der Signalischwellwert liegt. Es gibt im System drei Geräuschquellen. Diese sind: akustisches Umgebungsgeräusch, Verstärkergeräusch und termisches Geräusch des Verstärkereingangswiderstandes.
Für die Anwendung für die der Straßensensor Verwendung findet, ist die Ansprechcharakteristik bei niederer Frequenz wichtiger, als die bei hoher Frequenz. Es wird deshalb empfohlen, einen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz zu verwenden und die Kapazität der Eingangsleitung auf ein Minimum zu beschränken, um eine brauchbare Sensitivität zu erhalten. Das bringt mit sich, daß ein Eingangsvorverstärker mit hoher Impedanz in unmittelbarer Nähe des piezoelektrischen Kabels aufzustellen ist, um dadurch den termischen Geräuschspiegel zu verringern, und die Sensorensensitivität zu erhöhen. Dies würde auch die nützlichen Niederfrequenzbereich des Systems maximieren.
Figur 7 zeigt typische Ansprechvariationen des Kabelsignals, sowohl hinsichtlich Geschwindigkeit des darüberfahrenden Fahrzeuges, als auch hinsichdich Temperatur. Ein zu verwendendes Kabel kann vor dem Einsatz im Labor kalibriert werden, und diese Kalibration kann dann im Computer oder Mikroprozessor gespeichert werden, um die vom Kabel gelieferten Werte mit einer Ausgleichskorrektur zu versehen. Für diesen Zweck könnte das Gerät einen Temperatursensor verwenden. Eine Geschwindigkeitseingabe kann man natürlich durch die Verwendung eines Paares von Kabeln mit einem genormten Abstand dazwischen, wie in herkömmlichen Geschwindigkeitsmessungen, mittels koaxialer Kabel erhalten. Die Geschwindigkeitsmessung als solche ist nicht temperaturabhängig und wenn diese erst errechnet ist, kann sie entsprechend der Ansprechtunktion als Berichtingungsfaktor auf die Dtuckmessung angewandt werden.
Figur 8 zeigt typische Versuchsergebnisse bei der Verwendung der Anlage. Es ist ein Vorteil der mit Bariumtitanatkristallen impregnierten polyurethanartigen Koaxialkabel, daß zuverlässige Druckmessungen mittels einer Messung der Zwischenspitzendimension oder der ersten Spitzenhöhe erhältlich sind. In gewissen Ausgestaltungen wurde als Alternative, die Integrierung unter der Spitze angewandt, was unter gewissen Bedingungen zu zuverlassigeren Ergebnissen mit weniger Streuung geführt hat.
Die Zwillingskoaxialkabelanordnung wird vorzugsweise mit einem Fahrzeugpresenzdetektor geeigneter Art kombiniert. Die Schlaufe ist in dieser Kategorie am bekanntesten, doch sind auch andere Typen erhältlich und brauchbar. Figur 9 zeigt eine solche Anordnung mit zwei Koaxialkabeln 15 und einer Schlaufe 16. Die gestrichelten Linien 17 deuten an, daß die Schlaufe über die Grenzen der Koaxialkabel hinaus reichen können.
Als Alternative zur Epoxybitumenauskleidung der Anlage gemäß Figur 1 kann z.B. ein U-Profil aus Metal oder Polymermaterial in die Straße eingesetzt werden.
Versuche haben ergeben, daß Geschwindigkeitsmessungen mit 1 % Genauigkeit durchführbar sind. Man kann den Durchschnitt von Drucklgewichtsignalen aus zwei Koaxialkabeln zur Erhöhung der Gewichtsgenauigkeit verwenden, und außerdem kann man vom Computer die Geschwindigkeit, Fahrzeuglänge, Fahrzeugabstand, Anzahl der Achsen pro Fahrzeug und Achsenabstand erhalten.
Es hat sich als Vorteil der Anlage ergeben. daß es nicht notwendig ist, diese spezifisch flir jeden Aufstellungsort für die Geschwindigkeitsmessung zu kalibrieren, falls die Messung mit zwei Kabeln stattfindet.
Hinsichtlich der möglichen unterschiedlichen Formen von Koaxialkabeln kann sich diese praktisch bis hin zur Form einer Folie erstrecken, in welcher entweder Piezo- oder Kapazitätswirkungen zur Anwendung kommen. Das wesentliche Merkmal ist die Einbettung des Kabels in eine elastische Masse, die die Übertragung des Signals auf das Kabel gewährleistet und dieses schützt.
Um Signalverarbeitungssysteme zu testen, wurden neun Kennwerte, die das gemessene Signal umschreiben, errechnet und ausgewertet. Die Kennwerte waren
Positive Spitzenspannung
Negative Spitzenspannung
Positive Steigzeit
Negative Steigzeit
Positive Spitzenoberfläche
Negative Spitzenoberfläche
Gesamte Spitzenoberfläche
Maximale Spektralpotenz (aus FFT)
Totale Integierte Spektralpotenz
Diese Kennwerte wurden von der Vorderachsen herrührenden Puls errechnet.
Geeignete Kennwerte wurden hinsichtlich Vorraussagbarkeit und Wiederholbarkeit ausgewahlt. Einige Kennwerte, wie positive und negative Spitzenspannung, waren gut korrelierbar mit der Geschwindigkeit eines Einzelrades auf dem Sensor, doch war dies nicht der Fall für zwei über den Sensor fahrende Räder.
Figur 10 zeigt die Abhängigkeit der positiven Spitzenspannung gegen Fahrzeuggeschwindigkeit flir die Vorderachse, wenn ein Rad über den Senor fährt. Figur 11 zeigt Meßergebnisse für die gleichen Kennwerte für die Vorderachse, wenn beide Räder über den Senor fahren. Man fand, daß für zwei Räder, die über den Sensor fahren, die Korrelation zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Spitzenspannung geringer war.
Tabelle 2 gibt Werte an über die Korrelation zwischen den verschiedenen Kennwerten und Geschwindigkeit für die beiden Fälle und für beide Achsen. TABELLE 2 : Lineare Korrelation zwischen Spannungsausgangswerten und Fahrzeuggeschwindigkeit
Anmerkung: Eine negative Korrelation bedeutet, daß der Kennwert mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt.
Hinsichtlich Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die Korrelationkoeffizienten für den Einzelradfall stets mehr als 0,80 sind (mit Ausnahme der Maximumspektralpotenz, Kennwert 8) während für den Zweifachradfall nur die Kennwerte 3, 4 und 9 mit mehr als 0,8 korrelieren und daß in vielen Fällen keine Korrelation mit 95% iger Zuverlässigkeit vorlag. Es ist wichtig, daß der Kennwert, der für die endgültige Bestimmung der Fahrzeugmasse verwendet wird. von der Reifenauflagefläche unabhängig ist, und diese Ergebnisse zeigen an, daß der Kennwert 9 am besten geeignet ist. Die Kennwerte 3 und 4 ergeben lediglich Information über Fahrzeuggeschwindigkeit, während man vorn Kennwert 9 auch gute Informationen über die Fahrzeugmasse erwarten kann. Es wird deshalb die folgende analytische Methode erfindungsgemäß angewandt. wo die Beziehung zwischen Fahrzeugmasse und Gesamtspektralpotenz bekannt ist. Die Kennwerte 3 und 4 werden zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Fahrzeuges über die Regressionsmethode verwendet und Kennwert 9 für die Fahrzeugmasse (sofern andere Faktoren konstant bleiben). (Dies gilt für eine Einzelkabelanlage). Eine Geschwindigkeitsbestimmung mittels der herkömmlichen Zweikabelmethode wäre jedoch genauer und kann, falls erwünscht, verwendet werden.
Aus den Kurven der Zeichnungen ist ersichtlich, daß eine nicht-lineare Beziehung zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Gesamtspektralpotenz besteht, und dies ist bei Berechnungen zu berücksichtigen.
Figur 14 zeigt die Korrelation von Gesamtspektralpotenz gegen Geschwindigkeit, Gewicht und Reifenkonfiguration in typischen Versuchen.
Man kommt zu dem Schluss, daß die lineare Integrationsmethode (Kennwerte 5, 6, 7) genauere Werte liefern würden, wenn die Steifheit des Matrixmaterials erhöht würde. Mit einem steiferen Matrixmaterial würde sich die Resonanzfrequenz des Sensorsystems erhöhen, und damit würde der Sensorausgang quasi statisch auf den Fahrzeugdruck reagieren. Für diese Anwendung wäre ein Epoxyd oder ein hartes Polyurethan geeignet Zur Zeit verringert die Anregung von Resonanzverhalten im Senorkabel die Brauchbarkeit der Kennwerte 5, 6 und 7.
Auf diese Weise können die herrkömmlichen Probleme der Streuung, Temperaturabhängigkeit, Geschwindigkeitsabhängigkeit und Querrichtungspositionabhängigkeit, als auch Nachhallprobleme gelöst werden.

Claims

1.Verkehrsdatensammelverfahren umfassend die Verlegung eines elektrischen leitfähigen Kabels (4) mit wenigstens zwei Stromleitern, die von einen Material getrennt werden, welches piezoelektrische und/oder triboelektrische und/oder magnetostriktive und/oder elektrostriktive Eigenschaften aufweist; Anschluß der Stromleiter an elektronische Verarbeitungseinrichtungen welche einen Verstärker,

einen Analog-Digitalumformer und einen Mikroprozessor beinhalten;

Ermittlung elektrischer Signale, die im Kabel (4) durch das Darüberfahren von einem oder mehr Fahrzeugrädern hervorgerufen wird und

Verarbeitung des Signals unter Verwendung einer empirischen Beziehung, wobei das Gewicht oder die Geschwindigkeit des Rades oder der Räder von einer Eingangsgeschwindigkeit oder einem Eingangsgewicht abgeleitet werden;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Verarbeitung der Signale die Berechnung einer Gesamt- oder integrierten Spektralpotenz der Signale beinhaltet, wobei die empirische Beziehung zwischen der Spektralpotenz, Geschwindigkeit und Gewicht bestimmt wird und die errechnete Spektralpotenz der Signale gemeinsam mit der besagten Eingangsgeschwindigkeit oder dem Eingangsgewicht eingegeben wird.

2. Verfahren gemaß Anspruch 1, worin die empirische Beziehung auch die Reifenkonfiguration und Umgebungsfaktoren einschließlich Temperatur berücksichtigt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Geschwindigkeit des Fahrzeugs aus einer empirischen Beziehung zwischen Geschwindigkeit und positiven oder negativen Spitzenspannungen der Signale im Falle eines Signals von einem Rad, welches über das Kabel fährt, abgeleitet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Geschwindigkeit des Fahrzeuges von einer empirischen Beziehung zwischen Geschwindigkeit und positiver oder negativer Anstiegzeit des Signals abgeleitet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Kabel in einer Matrix (7, 11 ,12) eingebettet ist, welche entweder auf einer Grundplatte (9, 13) oder in einer Rille (2) verlegt ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin die Rille (2) in die Straßenoberfläche eingeschnitten ist, mit einem Epoxybitumen oder anderen geeigneten Auskleidungsmaterial ausgekleidet ist und die Ausideidung durch Ziehen eines formgebenden Werkzeuges (3) durch das Auskleidungsmaterial zu eine Rille konstanter Querschnittsform verformt wird.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Kabel (4) orthogonal quer zur Straße und ein zweites Kabel diagonal zur Straße verlegt wird, wobei die Verweilzeit einer Reifenauflage, welche Druck auf das orthogonale Kabel ausübt. abgezogen wird von der Verweilzeit derjenigen Reifenauflage, die Druck auf das diagonale Kabel ausübt und die Differenz über eine Geschwindigkeitsmessung in eine Abstandsdifferenz umgewandelt wird, welche von einer Tangenzfunktion des Winkels des diagonalen Kabels zum orthogonalen Kabel verarbeitet wird um ein Maß für die Auflagebreite und -länge zu ergeben.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin eine empirische Beziehung zwischen einer ersten Ableitung der Gesamtsprektralpotenz, Gewicht und Geschwindigkeit geschaffen wird, und diese Beziehung für die Eingaben- und Ableitungsschritte verwendet wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, worin diese Spektralpotenz mittels eines Algorithmus unter Verwendung einer Regressionsmethode berechnet wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin diese Spektralpotenz auf Grund einer Integrierung der Signale im Frequenzbereich abgeleitet wird.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, worin das Achsengewicht bestimmt wird, die Reifenauflage hinsichtlich Länge und Breite gemessen wird, woraus die Oberfläche ermittelt wird und daraus wiederum der Reifendruck und die Reifenauflagefläche bestimmt werden.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das Kabel zickzackförmig schlängelnd auf einer Grundplatte (12) verlegt wird und in einer Matrix (12) auf der Grundplatte (13) eingebettet wird.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die Geschwindigkeits- und Gewichstergebnisse auf Fahrzeugklassifizierungsdaten angewandt werden.

14. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Kabel (4) in einer Matrix (7, 11, 12) eingebettet ist, deren natürliche Resonanzfrequenz vorzugsweise mehr als achthundert Herz (800 Hz) beträgt und ein Vorverstärker mit hoher Eingangsimpedanz in nächster Nähe zum Kabel installiert wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, worin die Matrix (7) so bemessen ist, daß ihre Tiefe wenigstens zweimal ihre Breite beträgt.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, worin das Kabel (4) in der Matrix in einer solchen Weise eingebettet ist, daß auf Grund einer akustischen Diskontinuität zwischen Kabel und Matrix für hohe Frequenzen über einem Kiloherz (1 kHz) geringfügige akustische Kupplungsbedingungen geschaffen werden.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, worin das Kabel (4) in der Matrix (7, 11, 12) in einer Weise eingebettet wird, welche die Fortpflanzung normaler Drucke von der Matrix auf das Kabel fördert und Schubbelastungen nur geringfügig fortpflanzt oder entkoppelt.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, worin zwei längsgerichtete Hohlräume sich beiderseitig des Kabels (4) und angrenzend daran erstrecken.

19. Verfahren gemäß Anspruch 17, worin das Kabel (4) an allen Seiten mit Ausnahme der Oberseite, fest umschlossen ist und wahlweise an der Unterseite von einem sich in Längsrichtung erstreckenden verhältnismäßig starren Kanal mit einem Elastizitätsmodulus der wenigstens hundert Mal höher als der der Matrix.

20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, worin das Poissonverhältnis des Materials der Matrix etwa 0,5 beträgt.

21. Verfahren gemaß einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die piezoelektrische Wirkung triboelektrische und magneto- bzw. elektrostriktive Wirkungen überherrscht.

22. Verfahren gemäß Anspruch 21, worin das Kabel (4) und einem Matrix (7, 11, 12), in welchem es eingebettet ist, so gewählt sind, daß das Kabel in der Matrix eine Druckempfindlichkeit von wenigstens -200 dB re 1 V/uPa aufweist.

23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 oder 22, worin die überherrschenden piezoelektrischen Eigenschaften von Kristall können in einem polymerischen Material geschaffen werden, wobei die Kristalle aus einem oder mehr piezoelektrischen keramischen Stoffen und keramischen Verbundstoffen, Polymeren und Kopolymeren ausgewahlt sind.

24. Verfahren gemäß Anspruch 23, worin die piezoelektrischen Kristalle ein Bariumtitanat oder Poiyvinyllidenfluorinat sind und die Matrix Dow Corning RTV-I Silikongummi zur Verwendung als Gießgummi ist.

25. Vorrichtung zur Sammlung von Fahrzeugverkehrsdaten umfassend ein elektrisch leittähiges Kabel (4) mit wenigstens zwei Stromleitern, die von einen Material getrennt werden, welches piezoelektrische und/oder triboelektrische und/oder magnetostriktive und/oder elektrostriktive Eigenschaften aufweist;

elektronische Datenverarbeitungsmittel an die die Leiter angeschlossen sind, einschließlich eines Verstärkers, Analog-digitalumwandlers und Mikroprozessors, mit Einrichtungen zur Feststellung elektrischer Signale, die im Kabel (4) in der Anwendung beim Darüberfahren von einem oder mehr Fahrzeugrädern erzeugt werden; und

Einrichtungen zur Verarbeitung der festgestellten elektrischen Signale zur Ableitung des Gewichtes oder der Geschwindigkeit des Rades oder der Räder auf Grund einer Geschwindigkeits- oder Gewichtseingabe und eines festgestellten empirischen Zusammenhanges:

dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtungen zur Verarbeitung der festgestellten elektrischen Signale Einrichtungen zur Berechnung derer Gesamt- bzw. integrierten Spektralpotenz beinhalten, die empirische Beziehung zwischen einer solchen Spektralpotenz und Geschwindigkeit und Gewicht besteht und die Verarbeitungseinrichtung Mittel besitzt für die Eingabe der berechneten Spektralpotenz gemeinsam mit dieser Geschwindigkeits- oder Gewichtseingabe.