Die Sensorik von Glättemeldeanlagen

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„We expect the unexpected“, so die Philosophie eines Hotels in den USA, in dem ich kürzlich übernachtete.

Unsere messtechnischen Winteranwendungen haben eine ähnliche Grundlage. Kommt er oder kommt er nicht? Früh oder spät? Taugen die Bauernregeln? Wird die Tonne Streusalz wieder auf einen Rekordpreis von über 300 EURO steigen, weil der Bedarf unterschätzt wurde und der Preis bei starker Nachfrage dramatisch ansteigt?

Wir befinden uns im 4. Quartal des Jahres 2012, bereits im Oktober gibt es in unseren Breiten Bodenfrost (Mikroklima), in Moskau wird im Oktober der erste Schnee erwartet und auch an der amerikanischen Ostküste werden hektisch noch neue Glättemeldeanlagen installiert.

In Mitteleuropa erwarten wir nahezu bei jeder Wetterlage befahrbare Straßen. Terminverschiebungen wegen Wintereinbrüchen erfolgen nur in äußersten Notfällen. Diese hohe Erwartung an öffentliche Winterdienstleistungen setzt zwingend voraus, dass die Verkehrswetterlage nicht nur an Autobahnen, sondern auch in Städten und auf Bundesstraßen „in Echtzeit“ bekannt ist. Darauf aufbauend muss eine verlässliche Kurzfristvorhersage (Nowcasting) für alle Streckenabschnitte verfügbar sein. Dies ist die Voraussetzung für eine vorausschauende (präventive) Winterdienstplanung zur Vermeidung von Glätteereignissen (Frost, Schnee, Glatteis).


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SWIS

Die Messdaten aller in den 16 deutschen Bundesländern (über ca. 1200 Glättemeldeanlagen), vorwiegend auf Autobahnen, werden in einem einheitlichen (TLS-)Format an Zentralen in den Bundesländern übertragen. Über die Datenzentralen erfolgt ein Datenaustausch mit dem Deutschen Wetterdienst in Offenbach, der die Prognose für die einzelnen Standorte ermittelt und an die Bundesländer zurückspielt. Jedes Bundesland hat eine Datenzentrale (MDSS=Management Decision Support System), die die jeweilige Organisation abbildet und Alarme und Aktionen auslöst.

Zudem existieren viele autarke Messnetze mit Glättemeldeanlagen auf der kommunalen Ebene, die nicht an das SWIS-System angebunden sind.


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Technik der Außen-Mess-Stellen bei SWIS

Waren in der Vergangenheit in Verbindung mit meteorologischer Sensorik (Wind, Lufttemperatur, Luftfeuchte, errechnete Taupunkttemperatur, Niederschlagsart und Niederschlagsintensität, Sichtweite) ausschließlich in die Fahrbahnen eingebaute Sensoren im Einsatz, gibt es seit einigen Jahren eine weitere Technologie, die berührungslos arbeitet. Im Folgenden soll kurz auf die Gemeinsamkeiten und Unterschiede eingegangen werden.


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Eingebaute Sensorik

Ob passive oder aktive Sensorik oder „all-in-one“ (aktiv-passiv kombiniert), die Sensoren sind in der Regel relativ kompakt mit einem Durchmesser von ca. 10-12 cm und einer Einbautiefe von ca. 5 cm. In Deutschland ist die Empfehlung, diese Sensorik auf der Überholspur „mittig“ einzubauen, da die Straße bei Wintereinbrüchen dort am längsten kritisch bleibt. Die eingebauten Sensoren messen „bottom-up“ (von unten nach oben).

Passive Sonden können alle Messaufgaben in einem Gehäuse erledigen, dazu werden mehrere Sensorelemente nach oben offen in die Straße eingebaut und von einem Mikroprozessor (smart sensor) ausgewertet.

Typische Resultate sind die Fahrbahnoberflächentemperatur, eine oder mehrere Tiefentemperaturen, Wasserfilmhöhe, Fahrbahnzustand und Gefriertemperatur. Passive Sensorik ermittelt den Salzanteil in Wasser und errechnet daraus die aktuelle Gefriertemperatur. Falls unterschiedliche Gemische (NaCl, MgCl, CaCl) verwendet werden, empfiehlt sich der Einsatz von aktiven Fahrbahnsonden. Dies gilt auch bei Flüssigenteisern auf Flughäfen, die häufig ohne Salzbestandteile arbeiten.

Aktive Sensoren verfügen über ein Peltier-Element zum Heizen und Kühlen. In einem 20-minütigen Messzyklus ermittelt der Sensor die Gefriertemperatur und wiederholt diesen Zyklus, solange der Fahrbahnzustand an der Oberfläche nicht trocken ist. Da der aktive Sensor durch dieses Verfahren den Zustand der Oberfläche verändert, müssen die anderen Messaufgaben (Temperatur, Wasserfilm) durch einen zweiten Sensor übernommen werden, der konstruktiv von dem aktiven Sensor getrennt ist.
In beiden Fällen kann die Gefriertemperatur nicht ermittelt werden, solange die Fahrbahn trocken ist.

Die beiden Verfahren „aktiv/passiv“ werden heute in vielen Anwendungen kombiniert eingesetzt.


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Berührungslose Sensorik

Falls ein eingebauter Sensor auf der Autobahn während der Winterperiode funktionsunfähig wird, ist der Austausch zeitaufwändig und teuer. Zwar kann die Sensorelektronik heute getauscht werden, ohne dass das Gehäuse ausgebaut werden muss, dennoch muss die Autobahn kurzzeitig gesperrt werden.

Daraus resultiert ein weltweiter Trend, Einbauten in Straßen zu vermeiden. Dies gilt nicht nur für das Verkehrswetter, sondern auch für die Verkehrsdatenerfassung der Fahrzeuge, die heute häufig über Radartechnologie realisiert wird (berührungslos).

Die „non-intrusiven“ Sensoren für die Fahrbahntemperatur und den Fahrbahnzustand arbeiten auf optischer/spektroskopischer Grundlage. Im Gegensatz zu dem „bottom-up“ Messverfahren der eingebauten Detektoren arbeiten diese Sensoren „top-down“ in einer Distanz von typisch 6 – 15 Metern über der Fahrbahn.

Diese Sensoren „sehen“ die Fahrbahnzustände wie eine Kamera oder ein Beobachter; sehr oft im Winter liegt auf der Fahrbahn ein Gemisch von Wasser, Schnee und Eispartikeln. Entscheidend ist immer der oberste Layer, auf dem sich die Fahrzeuge bewegen müssen. Dieser Zustand wird nicht nur als trocken/feucht/nass/Eis/Schnee/kritische Nässe angezeigt. Berührungslose Sensoren geben den „grip (Reibung)“ in einer Bandbreite zwischen 0 und 1 aus. Werte, die höher als 0.8 sind, zeigen einen perfekten grip an, bei Werten unterhalb von 0.6 wird der grip zunehmend kritischer. Durch die sehr guten Reproduzierbarkeits-Eigenschaften des Sensors (bei identischer Lage derselbe grip-Messwert) können diese Sensoren künftig in Winteranwendungen ähnlich einer Ampel verwendet werden. Grün bei grip > 0.x, Rot bei einem grip < 0.y und „Gelb“ dazwischen. Die Farbe Gelb kann für präventive Streuaktionen als Startsignal interpretiert werden.

Um die messtechnische Brücke zu eingebauten Sensoren zu bilden, verfügen die berührungslosen Sensoren auch über die Ausgabe der Gefriertemperatur. Sobald erste Eispartikel messtechnisch gemeldet werden (die noch nicht kritisch sind), wird die Gefriertemperatur ausgegeben. Somit können die bisherigen Handlungsanleitungen auch bei berührungslosen Sensoren beibehalten werden und der grip bietet eine wichtige Zusatzinformation zur Herbeiführung zeitnaher Entscheidungen.


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Tests (Bundesanstalt für Straßenwesen BAST in Bergisch Gladbach)

Die Funktion der Stiftung Warentest in der Verkehrstechnik wird durch die BAST in Bergisch Gladbach ermöglicht. Die Bast prüft, vergleicht und hilft, Technologien anwendungsgerechter zu machen und technisch zu verbessern.

In der Zusammenarbeit mit der TUM (Technische Universität München) wird auf der A92 nahe des Flughafens München bereits seit einigen Jahren ein Testfeld verkehrsmeteorologischer Sensorik (Nässe, Sichtweite, Temperatur etc.) betrieben. Zusätzlich dazu errichtet die BAST derzeit ein weiteres Testfeld, in dem Verkehrswettersensorik verglichen und geprüft wird. Der Schwerpunkt liegt dabei in der Eignungsprüfung für Winterdienstanwendungen.

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