Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines in einer Strasse eingebauten WIM (Weigh-in-Motion) Sensors, der zur Bestimmung des dynamischen und/oder statischen Gewichts eines Fahrzeuges geeignet ist, während es den WIM-Sensor ü- berquert .

Stand der Technik

Typische WIM Systeme umfassen zwei Induktionsschleifen für die Klassifizierung von Fahrzeugen sowie zwei Reihen von WIM- Sensoren, welche etwa 4m beabstandet voneinander in einer ^' Strasse eingebaut sind. Die WIM-Sensoren erfassen auf Grund der Lasten, die vom Fahrzeug über die einzelnen Räder jeweils auf die Strasse resp. auf den Sensor übertragen werden, Sig- nale. Mit Hilfe von ermittelten Kalibrierfaktoren oder Kalib ^¬ rierfunktionen werden schliesslich diese Signale in statische oder dynamische Lasten umgerechnet. Es hat sich gezeigt, dass die dynamischen Lasten von den statischen Lasten abweichen können, dies vor allem bedingt durch die Aerodynamik der Fahrzeuge und deren Federzustand. Um ein Gewicht eines Fahr ^¬ zeuges zu ermitteln, werden schliesslich die einzeln ermittelten Lasten aller Räder, die diesem Fahrzeug zugeordnet werden, aufsummiert. Entsprechendes gilt für Fahrzeuge mit Anhängern. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden teilweise mehrere solche WIM Systeme hintereinander angebracht und die ermittelten Messwerte ausgewertet.

Bestätigungskopie WIM Sensoren werden wenn möglich auf geraden Streckenab- schnitten eingebaut, wo sie von Fahrzeugen bei möglichst ruhiger Fahrt überquert werden. Die Fahrzeuge sollten insbesondere nicht durch Kurven, Steigungen oder Gefälle oder durch Bodenwellen aufgeschaukelt werden, da dies die Messung verfälschen würde.

Die ^' Messdaten gelangen in eine WIM-Auswerteeinheit , die typischerweise in einem Schrank am Strassenrand untergebracht ist. Von da aus werden sie über Leitungen und/oder über Sendeantennen zu einer Überwachungsstation geleitet, wo zuständige Personen schliesslich die erforderlichen Massnahmen einleiten, wenn beispielsweise erlaubte Gewichte überschritten werden. Die Messdaten geben vor allem auch Aufschluss auf die Last, die auf die Strasse wirkt, um beispielsweise Belagsarbeiten rechtzeitig vornehmen zu können, bevor grosse Schäden auftreten.

In der DE 10115490 wird eine Eichung einer Überfahrwaage für Schienenfahrzeuge beschrieben. Dazu wird ein Referenzfahrzeug, das mit Fahrzeugwägevorrichtungen oberhalb eines jeden Rades versehen ist, ' statisch genau verwogen. Anschliessend überfährt das Referenzfahrzeug die Überfahrwaage. Diese be ^¬ steht aus einen Schienenanschnitt mit integrierten Messstrecken, in denen die Last dynamisch erfasst und an eine Auswerteeinheit übermittelt werden kann. Für die Eichung werden schliesslich die _. am Referenzfahrzeug statisch ermittelten Gewichte mit den dynamisch ermittelten Schienenlasten abgeglichen. Auch hier werden dynamischen Lasten durch statische Lasten geeicht, wie eingangs beschrieben. Die Fehler, bedingt durch Aerodynamik der Fahrzeuge und deren Federzustand, treten auch hier auf. Die IM-Sensoren müssen von Zeit zu Zeit neu kalibriert werden, um zuverlässig die Gewichte der Fahrzeuge zu bestimmen, von denen sie überquert werden. Heute wird eine solche Kalibrierung mit einem statisch gewogenen Lastwagen durchgeführt. Dieser überquert zwischen 10 und 70 mal die zu kalibrierende Messstelle, um statistische Sicherheit gegen zufällige Schwankungen zu erhalten. Diese Schwankungen stammen in der Regel vom Federverhalten des Fahrzeuges.

Dieser Prozess ist sehr aufwändig und teuer und wird für jede WIM-Messstelle etwa einmal jährlich durchgeführt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Kalibrierverfahren zu beschreiben, ■ das einfacher und . schneller durchgeführt werden kann und das eine erhöhte Genauigkeit aufweist als das bisher bekannte Verfahren. Zudem ist es erwünscht, die Güte der Anfahrtstrecke vor dem Sensor zu überprüfen, ^' da sie mit der Genauigkeit der Messung in direktem Zusammenhang steht.

Die Erfindung wird durch ein Verfahren gemäss den Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Der Erfindungsgedanke besteht darin, dass der WIM-Sensor vom einem Kalibrierfahrzeug überquert ^' wird, das mit mindestens einem Messrad ausgestattet ist. Während der Fahrt wird am Messrad direkt die dynamische Radkraft auf die Strasse und auf den WIM Sensor gemessen, zeit- oder ortsabhängig. Die ermittelten Radkraftdaten werden anschliessend an eine Auswerteeinheit übermittelt. Gleichzeitig werden zudem bei der Überquerung des Kalibrierfahrzeuges WIM- Signaldaten am WIM-Sensor gemessen und an die Auswerteeinheit bermittelt. In dieser werden schliesslich die Radkraftdaten mit den WIM-Signaldaten synchronisiert. Auf Grund des Vergleichs der dynamischen Radkraftdaten mit den WIM-Signaldaten wird eine Kalibrierfunktion bestimmt,' welche schliesslich für die Kalibrierung des WIM Sensors verwendet wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine Kalibrierung der WIM- Sensoren nach nur einer Überquerung. Weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische, erfindungsgemässe Darstellung eines K librierfahrzeuges vor einer Überquerung eines WIM-Sensors;

Fig. 2. schematische Darstellungen von (a) dynamischen Rad- kraftdaten, (b) WIM-Signaldaten,. (c) einer statischer Radkraft und (d) einer Kalibrierfunktion.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt eine Strasse 1 mit einem darin eingebauten WIM-Sensor 2 (Weigh In Motion) , der mit einer WIM- Auswerteeinheit 9 verbunden ist. Auf der Strasse 1 ist ein Kalibrierfahrzeug 3 dargestellt, hier in Form eines Lastwagens. Die Pfeilrichtung gibt die Fahrrichtung des Kalibrierfahrzeuges 3 an.

Der WIM-Sensor 2 misst jeweils das dynamische Signal S eines Fahrzeuges 3 _, bei dessen Überfahrt, die zeitabhängigen WIM- Signaldaten 6. Nach der Messung werden sie an die WIM- Auswerteeinheit 9 weitergegeben und dort gegebenenfalls verstärkt, ausgewertet und/oder in anderer Form aufbereitet.

Mindestens eines der Räder des Kalibrierfahrzeuges 3 ist mit einem Messrad 4 ausgestattet, das es erlaubt, während der Fahrt die dynamische Radkraft zu ermitteln, die jeweils auf die Strasse resp. auf den WIM Sensor wirkt. Diese Radkraftda- > ten 5 können zeit- oder ortsabhängig gemessen werden. Auch diese Daten ^' 5 können verstärkt, ausgewertet und/oder in ande- rer Form aufbereitet werden.

Beide Datensätze, die WIM-Signaldaten 6 und die Radkraftdaten 5, werden zu einer Kalibrier-Auswerteeinheit 7 übertragen. Diese Auswerteeinheit 7 kann im Kalibrierfahrzeug 3 oder in einer stationären Einrichtung sein. In dieser Auswerteeinheit 1 werden die beiden Datensätze 5, 6 synchronisiert. Unter Verwendung eines Vergleichs dieser beiden Datensätze 5, 6 wird schliesslich eine Kalibrierfunktion 8 bestimmt, welche zur Kalibrierung des WIM-Sensörs dient. Zusätzlich können weitere Daten in die Bestimmung der Kalibrierfunktion 8 ein- fliessen. Dies können insbesondere Korrekturfaktoren sein, welche Unterschiede zwischen der dynamischen und der statischen Radkraft berücksichtigen. Solche Korrekturfaktoren können beispielsweise auf Grund von Erfahrungswerten bestimmt werden oder auf Grund von der effektiv gemessenen statischen Radkraft vom Messrad 4.

Ein Messrad ist ein rotierendes Radkraft-Dynamometer-, und bildet eine Einheit aus Messzellen und feigen- und nabenseitiger Adaption, die in sich starr ist. Die Einheit selbst dreht sich mit der Nabe, die Übertragung der Messdaten erfolg ent- weder per Telemetrie oder über einen Schleifring. Ein Messrad misst die auftretenden Kräfte direkt und sehr präzise, was eine notwendige Voraussetzung ist zum Kalibrieren von WIM- Sensoren. In der Regel muss ein Kalibrierinstrument eine deutlich höhere Genauigkeit aufweisen wie das zu kalibrierende Messinstrument. Anstelle der direkten Radkraftmessung durch ein Messrad könn ^¬ te beispielsweise indirekt über eine Reifendruckmessung auf die Radkraft geschlossen werden. Allerdings kann die erforderliche Genauigkeit für die vorliegende Kalibrierung nicht erreicht werden. Eine weitere Alternative umfasst Radnaben- messungen oder Achsdeformationsmessungen, die allerdings fahrzeugseitig angebracht werden müssen. Dies bedingt, dass das Kalibrierfahrzeug stets selbst kalibriert werden muss, bevor es eingesetzt werden kann. Im Fall der Verwendung eines Messrades muss nur das Messrad selbst kalibriert werden. Da- nach kann es an jedes von der Grösse her passende Fahrzeug angebracht werden und liefert sofort . hochpräzise Daten. So können WIM Sensoren mit verschiedenen Fahrzeugen resp. Anhängern lastabhängig kalibriert werden, indem nur das Messrad ummontiert werden muss. In Fig. 2 sind in (a) die dynamischen Radkraftdaten 5 und in (b) die WIM-Signaldaten 6 dargestellt. Die dynamischen Radkraftdaten 5 geben eine zeit- oder ortsabhängige Funktion der Radkraften an, die vor, während und nach der Überfahrt am WIM-Sensor 2 gemessen werden. Die Werte F _d sind im wesentli- chen konstant, unterliegen aber kleinen Schwankungen, die vom Strassenbelag aber auch von unterschiedlichen Windverhältnissen im Zusammenhang mit der Aerodynamik des Fahrzeuges verursacht werden. Gleichzeitig mit dem Aufnehmen der Radkraftdaten 5 wird ein GPS Signal empfangen und abgespeichert, wel- ches entweder den jeweiligen genauen Ort des Messrades 4 ^' oder die jeweiligen genauen Zeiten aller ermittelten Radkraftdaten 5 liefert. Dasselbe GPS Signal wird auch bei den WIM-Signaldaten 6 empfangen und abgespeichert. Das WIM-Signal S in Fig. 2 (b) ist stets zeitabhängig und ist jeweils null, abgesehen von der Zeitspanne, während es von einem Fahrzeugrad überquert wird. Bei diesem Ereignis, steigt die Last jeweils schnell zu einen Maximum an und fällt nach Verlassen des Fahrzeugrades wieder auf null zurück.

Bei der Synchronisation kann einerseits bei der Erfassung beider Messdatensätze 5, 6 das GPS-Zeitsignal miterfasst wer- den und dann der Zeitpunkt t ₀ ermittelt werden, an dem der WIM-Sensor 2 vom Messrad 4 überquert wird. Zu diesem Zeitpunkt t ₀ ist das WIM-Messsignal S beispielsweise maximal, bei einem schmalen WIM-Sensor 2. Bei der Synchronisation wird dann entsprechend die dynamische Radkraft F _d bestimmt, welche zum Zeitpunkt t ₀ ermittelt wurde.

Andererseits kann für die Synchronisation zusammen mit der Erfassung der dynamischen Radkraftdaten F _d das jeweilige GPS- Ortssignal beim Messrad 4 miterfasst werden. Zudem wird das GPS-Ortssignal des stationären WIM-Sensor 2 erfasst. Die Rad- kraftdaten F _d , die schliesslich an dem Ort gemessen wurden, wo der stationäre WIM-Sensor 2 dasselbe GPS-Ortssignal empfängt, werden entsprechend für die Kalibrierung verwendet. Diese Radkraftdaten F _d werden ebenfalls exakt zum Zeitpunkt t ₀ der Überfahrt über den WIM-Sensor 2 gemessen. Die Kalibrierfunktion 8 kann schliesslich unter Verwendung des Vergleichs der gemessenen dynamischen Radkraft F _d beim Überqueren des WIM-Sensors 2 mit dem gemessenen Signal S auf dem WIM-Sensor, verursacht durch das Messrad, bestimmt werden. Das Resultat sind Kalibrierwerte C, die ein konstanter Wert sein können oder eine Funktion, beispielsweise eine Funktion der Last. In Fig. 2 (d) sind mögliche Kalibrierwerte C als Funktion der Last dargestellt.

In Fig. 2 (c) ist- schliesslich die statische Radkraft 11 des Messrades 4 angegeben. Dies ist ein skalare Wert F _s und kann beispielsweise durch eine Waage ermittelt werden oder durch das Messrad selbst, in ruhenden Zustand.

Differenzen zwischen der dynamischen Radkraft F _d und der statischen Radkraft F _s können beispielsweise durch die Aerodynamik des Fahrzeuges zustande kommen. Unter Einbezug dieser Un- terschiede in die Kalibrierdaten C werden auf Grund von WIM- Signalmessungen auf die statische Last eines Fahrzeuges 3 geschlossen. Dieses ist entscheidend, wenn überladene Fahrzeuge 3 ermittelt werden sollen. Wenn aber die gesamte Belastung einer Strasse ermittelt werden soll, beispielsweise zur Fest- Stellung des Renovationsbedarfes, so ist eher die dynamische Last von Interesse. Es ist auch möglich, zwei Kalibrierfunktionen abzulegen um gleichzeitig auf statische und dynamische Lasten schliessen zu können, die dann entsprechend verwendet werden. Die ermittelten Datensätze 5, 6, 11 können jeweils im Kalibrierfahrzeug 3 resp. in der WIM-Auswerteeinheit 9 gespeichert und später zu einer gemeinsamen Auswerteeinheit 7 ^■ geführt werden, wo sie schliesslich ausgewertet werden. Bequemer ist allerdings das Zusammenführen der Datensätze 5, 6, 11 während , oder unmittelbar nach der Überquerung, indem mindestens einer der Datensätze 5, 6 berührungslos zur Auswerteeinheit 7 übertragen wird. Wenn sich diese im Kalibrierfahrzeug 3 befindet, müssten die WIM-Signaldaten berührungslos ins Kalibrierfahrzeug 3 übertragen werden. Nach Ermittlung der Kalibrierfunk- tion 8 kann diese dann vorzugsweise ebenfalls berührungslos in die IM-Auswerteeinheit 9 übertragen werden, wo sie ab dann für spätere Messungen zur Verfügung steht.

Untersuchungen haben ergeben, dass die Güte der Anfahrtstre- cke 1 vor dem WIM-Sensor von grosser Bedeutung ist für die Messgenauigkeit der WIM-Messdaten 6. Schlaglöcher oder Unebenheiten der Strasse können ein Fahrzeug 3 aufschaukeln und die Messung stark verfälschen. Daher ist es wünschenswert, eine Aussage über den Strassenzustand in der Anfahrstrecke machen zu können. Zu diesem Zweck hat es sich als hilfreich erwiesen, am Kalibrierfahrzeug 3 zusätzliche Daten, den Strassenzustand betreffend, zu ermitteln. Diese zusätzlichen Daten können beispielsweise mit dem Messrad 4 ermittelt werden oder mit zusätzlichen Sensoren 10, welche am Kalibrierfahrzeug 3 angebracht sind. Beispiele für solche zusätzliche Sensoren sind insbesondere Distanzmesser, Beschleunigungssensoren und/oder Federwegmesssensoren . Diese können feststellen, wie ruhig, gleichmässig und beschleunigungsfrei in vertikaler Richtung die Anfahrt verläuft. Beim Feststellen von Ungleichmässigkeiten können entsprechende Massnahmen einge- leitet werden, beispielsweise Belagsarbeiten.

Es hat sich gezeigt, ^■ dass die erfindungsgemässe Kalibriermethode viel einfacher, schneller und billiger ist als die herkömmliche Methode. In der Regel reichen eine bis' ¹ zwei Messungen aus. Die Messung muss allenfalls wiederholt werden, wenn äussere. Bedingungen wie Spurrillen die Messung verfälscht haben. Dies zeigt sich in einer überproportionalen Erhöhung der Radkraftdaten 5 zum Zeitpunkt der Uberfahrt des WIM-Sensors verglichen mit den Daten bei der Anfahrt zu diesem. Bezugszeichenliste .

1 Strasse

2 WIM-Sensor (Weigh-in-Motion Sensor)

3 Fahrzeug, Kalibrierfahrzeug

4 Messrad

5 Radkraftdaten F _d

^' 6 WIM-Signaldaten S

7 Auswerteeinheit, Kalibrier-Auswerteeinheit 8 Kalibrierfunktion, Kalibrierdaten C

9 WIM-Auswerteeinheit

10 Weitere Sensoren

11 Statische Radkraft F _s