Способ и устройство генерации сигнала предупреждения о гололеде на дорожном полотне - RU2744962C1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу генерации сигнала, предупреждающего о гололеде на дорожном полотне. Изобретение относится также к устройству генерации сигнала, предупреждающего о гололеде на дорожном полотне.

Уровень техники

Полный гололед или обледенение приводит к резкому снижению сцепления между поверхностью дороги и шинами транспортного средства. Так как этот гололед возникает при отсутствии осадков, водитель транспортного средства не может его распознать. Гололед, в частности полный гололед, или образование слоя льда или рост кристаллов льда на охлажденной поверхности возникает из-за фазового перехода конденсата водяного пара влажного воздуха в твердое вещество. Для этого, в противоположность образованию льда за счет замерзания поверхностной воды, не обязательны предшествовавшие осадки. Фактическое образование гололеда зависит от нескольких параметров, причем роль играют температура грунта и воздуха, точка таяния, относительная влажность воздуха, солнечное излучение, скорость ветра, морфология грунта и наличие тумана. На дорогах, в частности, в утренние часы холодных и влажных дней возникает ограниченное по времени и месту образование гололеда. Если первые лучи солнца нагревают воздух вблизи грунта и растений, то этот воздух, с одной стороны, обладает высокой способностью насыщаться водой и, с другой стороны, нагревает поверхностную воду. Различные морфологические структуры ландшафта и различное распределение грунта и растений могут влиять на поверхностную циркуляцию воздуха относительно проезжей части или дороги, на охлажденной ночными температурами поверхности которой возникает образование гололеда или обледенения. Мосты из-за отсутствия изолирующего слоя почвы ночью охлаждаются сильнее и образуют, таким образом, локально ограниченные места образования гололеда или обледенения. Опасны также дороги рядом с богатыми водными ресурсами районами. Только с продолжительным солнечным излучением под тепловым воздействием слой льда/обледенения исчезает.

Известно, что путем измерения отражения света в инфракрасном диапазоне бесконтактным способом определяют состояние покрытия проезжей части в отношении сухости, влажности или обледенения. В этой связи можно указать, например, на WO 91/14170. Это известное специалисту измерение отражения покрытия проезжей части оправдало себя, однако, оно фиксирует только фактическое положение дел.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача максимально раннего и надежного выявления опасности образования гололеда или обледенения для возможности эффективного оповещения участников движения или своевременного задействования машин с антигололедными средствами. Это должно быть максимально универсальным без учета местных условий или параметров, действительных только для соответствующего места.

Эту задачу решают таким образом, что для генерации сигнала, указывающего на предстоящее или будущее образование гололеда на дорожном полотне до его фактического образования на дорожном полотне, оценивается излучение, отраженное от дорожного полотна или от места рядом с дорожным полотном; излучение исходит от по меньшей мере одной эталонной поверхности, расположенной в или на дорожном полотне; эталонная поверхность образована материалом, отличным от материала дорожного полотна; материал выбран из материалов, на которых гололед образуется раньше, чем на материале покрытия проезжей части, причем сигнал генерируется, если при указанной оценке выявлено образование гололеда на эталонной поверхности.

Так как на эталонной поверхности гололед образуется раньше, чем на поверхности материала дорожного покрытия, выявление гололеда на эталонной поверхности обеспечивает возможность генерировать сигнал, который указывает на образование гололеда до его появления на проезжей части или дороге. На основе этого сигнала генерируют оповещение участников движения посредством активируемых дорожных знаков и/или систем навигации, и/или мобильных приборов информирования, и/или активированием нанесения антигололедных реагентов, или же перекрытием движения. Таким образом, бесконтактным способом дистанционно замеряют искусственную поверхность, стационарно встроенную в проезжую часть или расположенную стационарно рядом с проезжей частью. Чтобы обледенение или гололед образовывался на этой поверхности раньше, чем на материале дорожного покрытия, материал эталонной поверхности выбран соответственно. Кроме того, материал, из которого выполнена эталонная поверхность, должен быть выбран таким, чтобы его можно было механически вставить в дорожное полотно или нанести на него, и он должен выдерживать нагрузки трафика; он образует только локально ограниченную область дорожного полотна и поэтому не представляет опасности для движения.

Эталонная поверхность предпочтительно постоянно расположена в или на дорожном полотне или дороге, или же в любом случае в месте рядом с дорожным полотном. Предпочтительно эталонная поверхность образована поверхностью эталонного тела, заглубленного в дорожное полотно.

Предпочтительно в способе используют инфракрасное излучение, в частности, ближней инфракрасной области NIR (от 780 нм до 3000 нм) и, в частности, в диапазоне от примерно 900 нм до 2000 нм, оцениваемое в качестве отраженного излучения. Предпочтительно ИК-излучение указанного диапазона направляют на эталонную поверхность и оценивают излучение, отраженное от эталонной поверхности, для выявления образования гололеда или обледенения на эталонной поверхности. Это осуществляют предпочтительно путем сравнения света, отраженного от эталонной поверхности, с ранее известной информацией, занесенной в память, в частности, с характеристическими кривыми, которые являются характерными в используемом ИК-диапазоне при наличии обледенения/гололеда на эталонной поверхности, что обеспечивает возможность быстрого выявления. Также существует возможность, альтернативно или дополнительно получить изображение эталонной поверхности в видимом спектре и выявить образование гололеда на эталонной поверхности путем оценки этого изображения.

В способе используют предпочтительно эталонную поверхность с диаметром или диагональю от 100 мм до 200 мм, в частности, до 150 мм. Эталонная поверхность может быть также образована слоем, нанесенным на материал дорожного покрытия. Если эталонная поверхность образована в предпочтительном варианте заглубленным в проезжую часть телом, то его толщина составляет от 5 мм до 20 мм.

Эталонная поверхность имеет, в частности, шероховатую поверхность, что увеличивает ее площадь, и поверхность, в частности, является гидрофильной. В указанной предпочтительно ближней ИК области эталонная поверхность является отражающей, в частности, в диапазоне от 900 нм до 2000 нм. Эталонную поверхность выполняют предпочтительно из металла, в частности, из нержавеющей стали или из другого некорродирующего или почти некорродирующего металла. Эталонная поверхность может быть выполнена также из металлической пены с открытыми порами, или в виде слоя краски с долей металлических частиц и/или с долей полимеров, отражающих ближнее ИК-излучение.

Для улучшения отражающих свойств, для данного способа, эталонная поверхность включает участок, который является зеркальным, и плоским и/ или изогнутым.

В основу изобретения положена также задача создать устройство для генерирования сигнала, указывающего на предстоящее образовании гололеда на проезжей части или дороге. Устройство должно быть универсальным в применении и экономичным.

Эту задачу решают посредством устройства по п. 14 формулы изобретения.

Так как на эталонной поверхности гололед образуется раньше, чем на поверхности материала покрытия проезжей части или дорожного покрытия, на основе выявления гололеда на эталонной поверхности устройства может быть генерирован сигнал, указывающий на образование гололеда до его образования на проезжей части или дороге. По этому сигналу посредством устройства или вышестоящего центра оповещения движения генерируют оповещение участников движения через активируемые дорожные знаки и/или систему навигации, и/или мобильные информационные приборы или организовывают нанесение антиголедных средств или же дают команду на перекрытие движения. Таким образом, посредством устройства путем бесконтактного дистанционного измерения измеряют эталонную поверхность устройства, стационарно встроенную в проезжую часть или дорогу, или же расположенную также стационарно рядом с проезжей частью или дорогой. Для образования обледенения или гололеда на этой поверхности раньше, чем на материале покрытия проезжей части или дорожного покрытия, материал эталонной поверхности выбирают соответствующим образом. Кроме того, образующий эталонную поверхность материал выбирают с возможностью его механической вставки в проезжую часть для использования в ней или для нанесения на нее, и он соответствует дорожным нагрузкам и образует только локально ограниченный участок проезжей части или дороги, а также не опасен для движения.

Предпочтительные варианты осуществления устройства выполнены согласно зависимым пунктам формулы. В частности, датчик состояния дорожного покрытия выполнен с возможностью испускания ИК-излучения в направлении эталонной поверхности и приема и оценки излучения, отраженного от эталонной поверхности, или для подготовки к обработке приемного сигнала. Предпочтительно, длина волны излучения ближней ИК области NIR составляет от 780 нм до 3000 нм, в частности, от примерно 900 нм до 2000 нм. Этот диапазон хорошо зарекомендовал себя при выявлении обледенения или гололеда на эталонной поверхности. Кроме того, датчик состояния дорожного покрытия указанного типа, работающий в таком диапазоне длин волн, может быть модернизирован для работы только с эталонной поверхностью, а не на покрытии проезжей части или дорожном покрытии, и/или для работы как на эталонной поверхности, так и для выявления состояния покрытия проезжей части или дорожного покрытия. Предпочтительно оценку отраженного излучения проводят, сравнивая излучение, отраженное эталонной поверхностью, с предварительно известной информацией, занесенной в память, в частности, с характеристическими кривыми, характерными для используемого ИК-спектра при наличии обледенения/гололеда на эталонной поверхности. Альтернативно или дополнительно посредством устройства оценивают видимое излучение, отраженное эталонной поверхностью, в частности, по меньшей мере, получая изображение эталонной поверхности и оценивая изображение на предмет образования гололеда. Также предпочтительно выполнение эталонной поверхности в виде поверхности тела, заглубленного в дорожное полотно или поверхность дороги, или в место рядом с дорожным полотном. Такое тело представляет собой практически бесконечный тепловой потенциал, по сравнению с массой конденсирующейся воды, и обеспечивает быстрое образования инея или льда. Однако эталонную поверхность выполняют небольшой, в частности, с диаметром или диагональю от 100 мм до 200 мм, в частности, до 150 мм. Эталонная поверхность имеет предпочтительно шероховатую поверхность, что эффективно увеличивает ее площадь. Эталонная поверхность имеет также предпочтительно гидрофильную поверхность для притягивания конденсирующейся влаги. Также предпочтительно выполнение эталонной поверхности из металла, в частности, из нержавеющей стали или из другого некорродирующего или почти некорродирующего материала или выполнение эталонной поверхности из металлической пены с открытыми порами, или же путем нанесения слоя краски с долей металлических частиц и/или полимеров, которые отражают излучение ближнего ИК-спектра. Также, предпочтительно, эталонная поверхность, по существу, полностью плоская, или эталонная поверхность имеет участок с зеркальным отражением, выполненный плоским и/или изогнутым.

Краткое описание чертежей

Другие варианты, преимущества и виды использования изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы и из нижеследующего описания на основе фигур, на которых изображено:

Фигура 1 - схема расположения бесконтактного датчика состояния дороги на дорожном полотне или на улице;

Фигура 2 - поперечное сечение поверхности дорожного полотна или дороги с телом, образующим эталонную поверхность;

Фигура 3 - поперечное сечение поверхности дорожного полотна или дороги с другим выполнением тела, образующего эталонную поверхность;

Фигура 4 - схема расположения эталонной поверхности на дорожном полотне дороги;

Фигура 5 - эталонная поверхность в пределах поверхности измерения для измерения дорожного покрытия;

Фигура 6 - расположение нескольких эталонных поверхностей на дорожном полотне.

Варианты осуществления изобретения

На фигуре 1 показано расположение бесконтактного датчика 1 состояния дороги или улицы рядом с дорожным полотном или рядом с дорогой 2, в частности, за отбойником 3. В рамках данной заявки понятия дорожное полотно и дорога являются синонимами. В примере датчик 1 состояния дороги расположен на мачте 4 с возвышением над поверхностью дороги, например, на высоте от 5 до 8 метров над дорогой. В этом примере датчик 1 состояния дороги имеет ИК-передатчик, направленный на проезжую часть, и ИК-приемник отраженного от проезжей части ИК-излучения, обозначенного лучевой траекторией 6. Датчик имеет показанную условно в виде блока 10 схему обработки данных для обработки принятого ИК-излучения и выдачи сигнала 13 на основе этой обработки. Принятое ИК-излучение можно перенаправлять как необработанные данные и обрабатывать на внешнем устройстве, вследствие чего сигнал 13 выводится после внешней обработки. Датчик 1 состояния дороги соединен посредством провода или беспроводным способом с центром мониторинга движения, показанным также только условно как блок 8 и находящимся в другом месте. На основе сигнала 13 по месту и/или на более высоком уровне оповещают участников движения, если сигнал показывает, что на эталонной поверхности образовалось обледенение или гололед, что означает большую вероятность их появления через некоторое время и на поверхности дороги.

Датчик 1 состояния дороги может быть датчиком 1, выполненным специально только для осуществления способа по данному изобретению. В таком варианте выполнения он предназначен для измерения только небольшой эталонной поверхности на проезжей части, которая отличается от материала поверхности дороги. Таким образом, в предпочтительном варианте, при измерении обратно рассеянного ИК-излучения датчик 1 состояния дороги сфокусирован таким образом, что он принимает по существу только ИК-излучение от эталонной поверхности. Если датчик состояния дороги альтернативно получает изображение эталонной поверхности в видимом спектре света и обрабатывает его, тогда он также сфокусирован по существу на эталонную поверхность. В этом случае возможно наличие второго датчика состояния дороги, фиксирующего известным образом фактическое состояние поверхности дорожного покрытия, а не только эталонной поверхности. Для снижения аппаратных затрат датчик 1 состояния дороги может быть комбинированным датчиком, фиксирующим в одно время только эталонную поверхность для осуществления способа по данному изобретению, а в другое время – обычную поверхность дороги для определения известным образом, является ли дорога уже влажной, или заснеженной, или сухой. Комбинированный датчик состояния дороги описан далее на основе примеров. Однако известное измерение обычной поверхности дорожного покрытия детально не раскрыто, так как оно известно специалисту.

На фигурах 2 и 3 показаны примеры выполнения эталонной поверхности из разных материалов дорожного покрытия. Эталонная поверхность в этих примерах каждый раз заглублена в дорожное покрытие и выполнена заподлицо с поверхностью дорожного покрытия. Эталонная поверхность может быть также расположена на дороге рядом с поверхностью дороги или в месте – рядом с дорогой.

Эталонная поверхность как часть поверхности дороги рассчитана на нагрузки дорожного движения и не опасна для него. Эталонная поверхность является предпочтительно лишь небольшой поверхностью, круглой или многоугольной формы, на виде сверху. Ее диаметр или диагональ составляет, например, от 100 мм до 150 мм. Этого достаточно для дистанционного измерения отраженного ИК-излучения посредством датчика 1, сфокусированного соответственно на эталонную поверхность. Для образования обледенения или гололеда на эталонной поверхности раньше, чем на поверхности дороги, эталонную поверхность выполняют таким образом, чтобы она способствовала образованию обледенения или гололеда, в частности, гидрофильной и с хорошей теплопроводностью, в частности, больше, чем у дорожного покрытия. Кроме того, эталонная поверхность должна быть шероховатой для увеличения ее поверхностной площади. Шероховатая поверхность, по сравнению с гладкой поверхностью, имеет увеличенный слой взаимодействия между грунтом и воздухом. Благодаря гидрофильности влага из воздуха конденсируется в большей степени на эталонной поверхности. Благодаря хорошей теплопроводности в условиях хорошей тепловой связи с окружающей средой, конденсировавшаяся вода замерзает. В результате, слой инея или льда нарастает более быстро на эталонной поверхности, чем на материале дорожного покрытия.

В качестве материала, из которого формируется тело 7, поверхность которого образует эталонную поверхность 11, используют предпочтительно металл, в частности, нержавеющую сталь или другой некорродирующий или малокорродирующий металл. Возможно наличие доли материала с эффектом самоочищения, например доли наночастиц TiO₂. Требованиям к материалу для эталонной поверхности отвечает также металлическая пена с открытыми порами.

В примере на фигуре 2 эталонной поверхностью 11 является верхняя сторона гвоздеобразного или Т-образного тела 7 из металла с шипом 17 для крепления на проезжей части. Толщина D «головки», образующей эталонную поверхность 11, может составлять, например, от 5 мм до 20 мм. Материал 14 дорожного покрытия предпочтительно соответственно удаляют, чтобы обеспечить расположение эталонной поверхности 11 заподлицо с поверхностью 2 материала дорожного покрытия. В примере на фигуре 3 эталонная поверхность 11 образована верхней поверхностью тела 7, имеющего форму пластинки. Оно заделано в материал дорожного покрытия, и имеется дополнительная изоляция 9, в виде теплового барьера между материалом дорожного покрытия и телом 7, для предотвращения теплового потока от материала дорожного покрытия к телу 7. Изоляция в виде теплоизоляции может быть предусмотрена также и в примере на фигуре 2.

Эталонная поверхность в дополнение к шероховатым участкам имеет также зеркальные или гладкие участки для создания сигнала зеркального отраженного на датчик 1. Кроме того, для этой цели эталонная поверхность может иметь также изогнутые отражающие области.

В способе с отражением ИК-излучения предпочтительно проведение измерения поверхности дороги для выявления фактического состояния дороги обычным образом, а также проведение измерения на эталонной поверхности согласно изобретению. Для этого существующий измерительный прибор можно модифицировать, например, фокусируя его на эталонную поверхность. Такой пример показан на фигуре 4, с фрагментом дороги 2 и бесконтактным датчиком 1 состояния дороги. Датчик может быть расположен на мачте над дорогой аналогично фигуре 1. В примере показано, что датчик 1 состояния дороги, с одной стороны, как показано траекторией луча 6, осуществляет съемку состояния дороги в рассматриваемой зоне 12, что известно специалисту в данной области техники, и, с другой стороны, как показано траекторией луча 6’, выполняет съемку эталонной поверхности 11. Это осуществляют посредством оптической фокусировки и позиционирования измерительных лучей датчика 1 состояния дороги. Для этого датчик 1 состояния дороги имеет оптические элементы, которые, например, с помощью привода, регулируют диаметр и положение лучей ИК-лазера, направленных на дорогу или на эталонную поверхность 11, а также регулируют соответственно прием отраженного ИК-излучения. При этом, как показано, обычный режим по траектории луча 6 изменяется на траекторию луча 6’, при этом траектория луча заужена и направлена на эталонную поверхность 11. Когда детектируется эталонная поверхность 11, отраженное от нее ИК-излучение исследуется на предмет индикации льда или инея на эталонной поверхности 11. Это осуществляют, например, предпочтительно, сравнивая принятый сигнал с занесенными в память сигналами, которые определены для эталонной поверхности и являются характерными для наличия льда или инея. После этой проверки снова переходят в режим траектории луча 6 для измерения поверхности дороги. Проверка эталонной поверхности 11 проводится периодически или нерегулярно и, в частности, чаще и/или продолжительнее во время, когда известно о появлении гололеда.

Вместо датчика состояния дороги с регулируемой оптикой в датчике 1 состояния дороги наряду с известной лазерной системой дополнительная лазерная система может быть установлена в датчике 1 состояния дороги, которая имеет траекторию луча 6, которая постоянно фокусирована на эталонную поверхность 11. Эту дополнительную лазерную систему встраивают в известный дистанционный дорожный анализатор в ближней ИК области или устанавливают в него в качестве отдельного модуля.

На фигуре 5 показан другой пример с расположением эталонной поверхности 11 по центру видимой зоны обычного измерения состояния дороги с обычной зоной контролируемой зоной 12, причем измерительные точки датчика 1 состояния дороги или дистанционного дорожного анализатора в ближней ИК области могут быть смещены с возможностью центрирования и децентрирования лазерных измерительных точек датчика состояния дороги посредством средств позиционирования или приводов для выборочного нахождения измерительных точек в зоне 12 или в зоне 11. Это, конечно, также возможно при нахождении эталонной поверхности 11 не по центру зоны 12.

На фигуре 6 показан пример растрового сканирования проезжей части или дороги 2, причем на дороге 2 расположено несколько эталонных поверхностей 11. При этом аналогично примеру по фигуре 5 зона 12 и зона эталонной поверхности 11 сканируются раздельно, причем в этом примере это возможно по всей дороге или по всем проезжим частям дороги.

Во всех примерах существует возможность размещения эталонной поверхности 11 на проезжей части, в частности, в колее шин транспортных средств или вне проезжей части на обочине, или же вне дороги рядом с ней.

Таким образом, изобретение относится к способу и устройству генерации сигнала, который указывает на еще не наступившее образование гололеда на проезжей части 2, при этом оценивается излучение, отраженное от дороги или от места, находящегося рядом с проезжей частью, причем излучение исходит по меньшей мере от одной эталонной поверхности 11, расположенной на проезжей части или рядом с ней; эталонная поверхность 11 выполнена из материала, отличного от материала дорожного покрытия. Для эталонной поверхности выбирают материал, на котором гололед образуется раньше, чем на материале дорожного покрытия. Сигнал 13 инициируют, если оценка данных выявила наличие гололеда на эталонной поверхности 11. На основе этого сигнала возможно оповещение участников движения о гололеде до его образования на проезжей части.

Несмотря на то, что в данной заявке описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, ясно указано, что изобретение ими не ограничено и возможны другие варианты в рамках нижеследующей формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к способу и устройству генерации сигнала, предупреждающего о гололеде на дорожном полотне. Способ генерации сигнала, указывающего на предстоящее образование гололеда на дорожном полотне до его появления на дорожном полотне, включает оценку излучения. При этом указанное излучение исходит от по меньшей мере одной эталонной поверхности, расположенной на дорожном полотне или в месте, находящемся рядом с ним. Эталонная поверхность образована из материала, отличающегося от материала поверхности дорожного полотна, материал эталонной поверхности выбран из материала, на котором гололед образуется раньше, чем на материале поверхности дорожного полотна. Устройство генерации сигнала содержит по меньшей мере одну эталонную поверхность, при этом указанное устройство содержит датчик состояния дороги, выполненный с возможностью приема отраженного от эталонной поверхности излучения и оценки излучения, отраженного от эталонной поверхности, а также выполненный с возможностью выдачи сигнала в случае, если указанная оценка показывает образование гололеда на эталонной поверхности. Достигается своевременное определение гололеда. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула