Diagnostyka sieci drogowej istotnym elementem polityki bezpieczeństwa w transporcie

Transkrypt

1 STANIEK Marcin 1 Diagnostyka sieci drogowej istotnym elementem polityki bezpieczeństwa w transporcie WSTĘP W wypadkach drogowych w Polsce ginie dwa razy więcej osób niż w krajach Unii Europejskiej UE. Jak wynika z raportu Najwyższej Izby Kontroli NIK główną przyczyną wypadków jest zły stan nawierzchni drogowych. Na co drugim kilometrze dróg publicznych występują koleiny, których głębokość przekracza 2 cm, a na co czwartym kilometrze głębokość kolein przekracza 3 cm. Złe właściwości przeciwpoślizgowe ma 21,9 proc. dróg krajowych, pęknięcia nawierzchni - 13,3 proc., a nierówną nawierzchnię - 11,2 proc. W krajach zachodnich UE drogi w takim stanie są wyłączane z eksploatacji ze względu na bezpieczeństwo ich użytkowników. Gdyby zastosować to kryterium w warunkach Polskich z ruchu należałoby wyłączyć ponad połowę dróg. Problem złego stanu nawierzchni dodatkowo potęguje niedostatecznie rozbudowana sieć drogowa oraz jej obciążenie ruchem pojazdów ciężkich [1]. Polityka zarządców dróg dotycząca istniejącej sieci drogowej ma na celu poprawę parametrów techniczno-ekspolatacyjnych dróg. Wymaga to jednak właściwego zarządzania, a tym samym prawidłowo dobranego i wdrożonego systemu zarządzania nawierzchni PMS (z ang. Pavement Management System). Właściwy system pozwala na opis, analizę i ocenę stanu nawierzchni, a także definiowanie poziomów finansowania i planowania zabiegów remontowych. W Polsce wykorzystywany przez Generalną Dyrekcję Dróg Krajowych i Autostrad GDDKiA jest Systemem Oceny Stanu Nawierzchni SOSN, który obejmuje drogi zamiejskie krajowe o nawierzchni bitumicznej oraz betonowej. W systemie można wyróżnić moduł diagnostyczny zawierający procedury pomiaru stanu nawierzchni i metody ich rejestracji oraz moduł oceny stanu nawierzchni. Moduł oceny obejmuje procedury przetwarzania danych pomiarowych i kryteria wyznaczenia stanu technicznego nawierzchni. Zawiera relacje pomiędzy stanem nawierzchni drogowej i zabiegami remontowymi, które należy zaplanować i wykonać, aby poprawić stan nawierzchni drogowych [2]. 1. POZIOMY OCENY STANU NAWIEZCHNI Ocena stanu technicznego nawierzchni drogowej w SOSN oparta jest na trzech poziomach decyzyjnych. Każdy z poziomów ma zdefiniowane klasy nawierzchni determinujące jej stan. Na rysunku 1 przedstawiono relację poziomów decyzyjnych i klas stanu technicznego nawierzchni drogowych [3][4]. Poziom najwyższy określony jako pożądany obejmuje nawierzchnie eksploatowane, odnowione i nowe przy spełnieniu warunku, że wymienione nawierzchnie w okresie czteroletnim nie będą poddawane żadnym planowanym zabiegom remontowym. Poziom ostrzegawczy jest poziomem wymuszającym realizację procedury przeprowadzenia pomiarów szczegółowych stanu nawierzchni w kierunku wskazania koniecznych zabiegów remontowych. Poziom najniższy, krytyczny determinujący natychmiastowe przeprowadzenie pomiaru pomiarów technicznych nawierzchni w celu poprawy jej stanu. 1 Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Transportu, Katedra Systemów Transportowych i Inżynierii uchu; Katowice, ul. Krasińskiego 8; Tel.: ; marcin.staniek@polsl.pl 5939

2 ys. 1. Kryteria oceny stanu technicznego nawierzchni 2. DIAGNOSTYKA NAWIEZCHNI DOGOWYCH Diagnostyka nawierzchni drogowych w SOSN polega na określeniu takich parametrów jak: równość podłużna, równość poprzeczna, stan powierzchni, stan spękań, właściwości przeciwpoślizgowe. Pomiary tych parametrów dokonywane są poprzez badanie instrumentalne i wizualne. Badania instrumentalne to pomiary równości, nośności oraz właściwości przeciwpoślizgowych. Pomiar równości podłużnej w SOSN polega na ciągłym rejestrowaniu odchyleń mierzonego profilu podłużnego od teoretycznej niwelety nawierzchni drogi. Jest szczególnie ważny ze względu na fakt, że przyspieszoną degradację konstrukcji drogi zwiększa oddziaływanie dynamiczne kół na nawierzchnię. Dla zarejestrowanych odchyleń wyznaczany jest wskaźnik równości II, który zostaje przeliczony jako wartość miarodajna dla odcinka 1 km. Kolejny istotny z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu drogowego parametr dotyczy profilu poprzecznego drogi (koleiny). Wpływa ona na niestabilność toru jazdy pojazdu przy zmianie pasa ruchu i obniża przyczepność w momencie powstania poduszki wodnej między jezdnią, a oponą. Pomiar polega na zarejestrowaniu wielkości prześwitu pomiędzy zdeformowaną nawierzchnią drogi, a prostoliniową listwą z wykorzystaniem profilografu laserowego lub profilografu ultradźwiękowego (rys. 2). Pomiar ten prowadzony jest w przekrojach drogi oddalonych od siebie o maksymalnie 5 m. W kolejnym kroku zostaje wyznaczona miarodajna głębokość kolein dla odcinka 1 km. ys. 2. Profilograf laserowy 5940

3 Ocena właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni jest przeprowadzana poprzez pomiar oporu hamowania przy pełnym zablokowaniu koła na nawierzchni pokrytej wodą. Pomiar jest przeprowadzany punktowo co 0,1 km przy prędkości 60 km/h. Zależność definiuje przypadek występowania najbardziej niekorzystnych warunków z punktu widzenia przyczepności kół pojazdu w warunkach poślizgu. Parametr ten jest istotny z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu drogowego. Zaletą przedstawionych pomiarów (urządzeń pomiarowych) jest szybkość diagnostyki równości nawierzchni i właściwości przeciwpoślizgowych. Wadą są koszty przeprowadzania badań. W głównej mierze wynika to z konieczności wykorzystania trzech niezależnych urządzeń pomiarowych. Wysoki koszt pomiaru w trudnej sytuacji zarządców dróg doprowadza do niewykonywania takich pomiarów lub zastępowaniu ich metodami manualnymi [5][6][7]. Badanie wizualne stanu nawierzchni drogowej jest podstawowym badaniem, stosowanym SOSN. Zautomatyzowane polega na zarejestrowaniu obrazu nawierzchni drogi w postaci sekwencji klatek wideo. Techniki przetwarzania obrazów umożliwiają rozpoznanie defektów nawierzchni drogowych np. spękań nawierzchni. Przykłady pojazdu z systemem kamer do oceny stanu nawierzchni drogowych przedstawia rysunek 3. ys. 3. ejestrator wizyjny stanu nawierzchni Stan spękań to parametr techniczny opisujący nieciągłość górnych warstw nawierzchni. Ten parametr opisu stanu nawierzchni jest wyznaczany dla całej długości odcinka pomiarowego, który jest definiowany na najbardziej obciążonym pasie ruchu. Ma to istotne znaczenie przy wstępnej identyfikacji lokalizacji i zakresu wzmocnień nawierzchni [8]. W SOSN do rejestracji stanu nawierzchni wykorzystane są rejestratory SOWA stosowane dla nawierzchni asfaltowych i nawierzchni betonowych. W polu rejestracji jest obszar pasa ruchu (4 m). Pojazd z zamontowanym urządzeniem rejestruje zdjęcia co 0,6 m przy poruszaniu się z prędkością 60 km/h. W kolejnym kroku przeprowadzona zostaje analiza obrazów (automatyczna lub manualna) i obliczane są wskaźniki: stanu spękań i stanu powierzchni [9][10]. Aby wyeliminować lub znacznie ograniczyć manualną ocenę stanu nawierzchni wprowadzono techniki cyfrowe rejestracji, przetwarzania i rozpoznawania obrazów. Zastosowane rozwiązania wizyjne mimo ułatwień procedury oceny stanu nawierzchni generują znaczące problemy konfiguracji parametrów rejestracji obrazu i parametrów konfiguracji algorytmów rozpoznawania obiektów na jezdni. Występują problemy zdefiniowania parametrów obrazu dla identyfikacji spękań dla różnego typu nawierzchni drogowej, jej stanu wynikającego z warunków eksploatacyjnych oraz warunków atmosferycznych. W opisie wideo nawierzchni rozpoznawane są takie obiekty jak spękania technologiczne czy lepiszcza które program komputerowy identyfikuje błędnie jako spękania. Dodatkowo do problemów rozpoznawania obiektów dochodzą problemy przetwarzania obrazów 5941

4 cyfrowych dotyczące skalowania, oświetlenia, filtracji czy binaryzacji obrazu nawierzchni drogowych. Konieczność wielokrotnej konfiguracji programu doprowadza w konsekwencji do eliminacji systemu automatycznego jako dominującego w systemie oceny. Identyfikacja odbywa się manualnie, gdzie inspektor przeprowadzający ocenę stanu nawierzchni wykorzystując jedynie podgląd wideo drogi. Zwiększ to znacząco czas realizacji badania i oceny stanu nawierzchni, zwiększają się koszty [11]. Diagnostyka nawierzchni drogowej, zgodnie z wytycznymi SOSN, jest przeprowadzana raz w roku i w momencie publikacji (koniec I kwartału) nie obejmuje informacji o zaistniałych w okresie zimowym uszkodzeniach. Czy informacja o stanie nawierzchni uzyskiwana raz do roku jest wystarczająca w procesach identyfikacji, planowania i wykonaniem zabiegów naprawczych. Konieczność aktualnej i wiarogodnej informacji wynika z konieczności zapewnienia bezpieczeństwa ruchu na sieci drogowej. Koleiny, deformacje wpływają na niestabilność toru jazdy pojazdu szczególnie przy zmianie pasa ruchu, obniżają przyczepność w momencie powstania poduszki wodnej między jezdnią a oponą. Mogą stanowić przyczynę kolizji i wypadków drogowych [12]. 3. STEEOWIZYJNA METODA ODWZOOWANIA NAWIEZCHNI DOGOWEJ Stereowizja jest techniką obrazową umożliwiającą odwzorowanie punktów przestrzennych badanego obiektu na podstawie obrazów (zbioru danych) pozyskanych z co najmniej dwóch urządzeń rejestrujących (kamer). Zakres stosowania rozwiązań stereowizji jest bardzo szeroki, rozpoczynając na diagnostyce technicznej i medycznej, a kończąc na wirtualnej rzeczywistości. W dalszej części pracy autor proponuje metodę stereowizją do oceny stanu nawierzchni. Celem takiego rozwiązania będzie zmniejszenie złożoności procedur oceny stanu nawierzchni oraz ograniczenie wad stosowanych metod wizyjnych pomiaru przy jednoczesnym zwiększeniu precyzji opisu identyfikowanych uszkodzeń elementów infrastruktury drogowej. Stereowizyjne stanowisko pomiarowe przedstawiono na rysunku 4. ys. 4.Stereowizyjne mobilne stanowisko pomiarowe W praktycznych rozwiązaniach pomiarów stereowizyjnych opracowanie systemu pomiarowego bazującego na układzie epipolarnym kamer z uwzględnieniem ograniczeń i zniekształceń ich optyki jest bardzo trudne. Stosując jednak operację reorientacji można dokonać przekształcenia układu niekanonicznego do współrzędnych układu kanonicznego. Procedura rektyfikacji stereo-obrazów pozwala na taką zmianę. Aby proces mógł być zrealizowany konieczne jest przeprowadzenie 5942

5 procedury kalibracji układu pomiarowego. Wymaga to znajomości parametrów zewnętrznych i wewnętrznych kamery oraz zastosowania wzorców kalibracyjnych. Graficzną interpretacje układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 5. Punkt drogi w przestrzeni trójwymiarowej oznaczono jako P, punkty jego odwzorowania w obrazie kamery lewej oznaczono jako p oraz kamery prawej - p. Przedstawiona zależność dotyczy odwzorowania punktu drogi w opisie 3D (punktu P ) do układ stereo-obrazów w układzie kanonicznym, tzn. po przeprowadzeniu procesu rektyfikacji stereo-obrazów. ys. 5. Graficzna interpretacja układ kanonicznego systemu pomiarowego Kluczowym etapem odwzorowania badanego obiektu infrastruktury drogowej przy wykorzystaniu technik stereowizyjnych jest konieczność rozwiązania problemu odpowiedniości, tzn. wyznaczenia współrzędnych punktów p i p, czyli rzutów zadanego punktu P przestrzeni odpowiednio w obrazach lewej i prawej kamery [13]. W pracy przyjęto uproszczenie wynikające z rozwiązania konstrukcyjnego stanowiska pomiarowego, które eliminuje konieczność określania współrzędnej y identyfikowanego obiektu na zarejestrowanych obrazach. Można tym samym ograniczyć rozwiązanie problemu odpowiedniości do linii wzdłuż jednego wiersza obu obrazów o znanej współrzędnej. Opracowane rozwiązanie przyjmuje obraz lewy jako obraz odniesienia (wzorcowy). Tym samym dla każdego punktu p lewego obrazu o współrzędnych x, y wyszukiwany jest punkt p z prawego obrazu o współrzędnych x, y. Określone punkty korelacyjne p i p w stereo-obrazach, przy założeniu y y, tworzą przesunięcie (dysparycję) równe x x. Po wyznaczeniu dysparycji oraz dla zadanych parametrów optycznych układu kamer i rozwiązania konstrukcyjnego stanowiska pomiarowego wyznaczona zostaje odległość analizowanego punktu P w układzie przestrzennym rejestrowanego modelu nawierzchni drogi. Współrzędne punktu P są obliczane według następujących zależności: r x x X x x r y Y x x (1) (2) 5943

6 r f Z x x Y (3) gdzie: x współrzędna x punktu P w obrazie kamery lewej, x współrzędna x punktu P w obrazie kamery prawej, y współrzędna y punktu P w obrazie kamery lewej, r odległość miedzy osiami optycznymi kamer, f ogniskowa obiektywu zastosowanych kamer. Przedstawiona procedura obliczania współrzędnych punktu P przeprowadzona wielokrotnie dla zbioru punktów widzianych w stereo-obrazach pozwala na wygenerowanie siatki stanowiącej odwzorowanie zarejestrowanego elementu infrastruktury drogowej. Analiza geometryczna powstałej siatki pozwala na identyfikacje i opis wybranych uszkodzeń nawierzchni. 4. WEYFIKACJA ZAPOPONOWANEGO OZWIĄZANIA Pomiary stanu nawierzchni wykonano na wybranych odcinkach dróg lokalnych w okresie małego natężenia ruchu pojazdów podczas sprzyjających warunków atmosferycznych. W celu weryfikacji dokładności metody pomiarowej zarejestrowane przez układ pomiarowy uszkodzenia zostały zwymiarowane. Dokonano pomiaru głębokości uszkodzeń w punktach jednoznacznie odwzorowanych podczas generacji modelu przestrzennego nawierzchni drogowej. Porównanie wykazało średnią dokładność stereoskopowej metody pomiarowej z pomiarem manualnym na poziomie ± 1 mm dla przyjętego układu usytuowania kamer. Przykład opisu nawierzchni drogi z zastosowaniem stereowizyjnej metody pomiarowej przedstawiono na rysunku 6. ysunek 6a ilustruje część wspólną stereo-obrazów drogi wykonanych z kamer układu pomiarowego. ysunek 6b to mapa głębi obrazu drogi po przeprowadzeniu obliczeń rekonstrukcji modelu drogi. ysunek 6c jest prezentacją modelu nawierzchni w układzie 3D. ys. 6. Przykład odwzorowania uszkodzenia nawierzchni drogi 5944

7 Podczas realizacji układu stereowizyjnego zaobserwowano zmniejszenie dokładności pomiaru głębi obiektu wraz ze wzrostem odległości powierzchni pomiarowej od układu kamer. W metodach stereowizyjnych opisu obiektu ograniczenie pomiaru głębi ma charakter geometryczny i zależy wprost od geometrycznych parametrów stereowizyjnego układu akwizycji obrazów oraz odległości obserwowanej sceny [13]. PODSUMOWANIE Diagnostyka nawierzchni sieci drogowej to nie tylko proces przeprowadzania pomiarów, ale także proces analizy i oceny stanu nawierzchni. Po nim następuje podjęcie decyzji o konieczności rozpoczęcia i rodzajach zabiegów naprawczych lub prac remontowych. Wysoką jakość danych pomiarowych o stanie infrastruktury drogowej zapewniają nowoczesne, wydajne i nieinwazyjne systemy pomiarowe. Ich podstawową zaletą jest szybkość i dokładność realizacji pomiaru. Zaproponowane rozwiązanie pomiaru parametrów techniczno-eksploatacyjnych stanu nawierzchni drogowych z wykorzystaniem technik stereowizji cyfrowej może zostać wykorzystane w Systemie Oceny Stanu Nawierzchni. Osiągnięta dokładność pomiaru w granicach ± 1 mm spełnia wytyczne systemu SOSN. Zwiększona dokładność identyfikacji uszkodzeń dróg, uzyskana z metody pomiaru stereowizyjnego, pozwala precyzyjnie opisać stan nawierzchni drogowej. Precyzyjny opis pozwala na identyfikację miejsc szczególnie niebezpiecznych wymagających natychmiastowych zabiegów naprawczych oraz na wykorzystania wyników identyfikacji stanu nawierzchni zarówno na poziomie danych elementarnych (np. wielkość powierzchni uszkodzenia ) jak i systemu zarządzania nawierzchniami (np. kryteria podziału środków finansowych). Streszczenie W pracy przedstawiono urządzenia i metody pomiarowe stosowane w diagnostyce nawierzchni drogowych. Autor pracy zaproponował własną metody identyfikacji uszkodzeń elementów infrastruktury drogowej. Proponowane rozwiązanie wykorzystuje dane wizyjne pozyskane z układu stereowizyjnego kamer CCD. Analiza i ocena uzyskanych danych, przestrzennego odwzorowania badanej drogi, pozwala na identyfikacje miejsc szczególnie niebezpiecznych wpływających bezpośrednio na bezpieczeństwo ruchu drogowego. Otrzymane wnioski pozwalają na określenie odcinków drogi, terminu i zakresu przeprowadzenia zabiegów naprawczych lub prac modernizacyjnych. Precyzyjnie opisana infrastruktura drogowa jest kluczowym elementem właściwego zarządzania w systemach utrzymania nawierzchni drogowych (ang. PMS) oraz prowadzenia właściwej polityki skierowanej na rozwój i utrzymanie sieci drogowej. Diagnosis of road network as the main element of road safety Abstract The paper presents the measurement device and the measurement method for the diagnosis of road pavement condition. The author proposes its own methods of detecting distresses of road infrastructure elements. The proposed solution uses video data obtained from the CCD cameras. Analysis and evaluation of the visual data allows for the identification of particularly dangerous locations, directly affecting for the road safety. The obtained results allow for define sections of road, time and scope of modernization works and reconstruction works. Accurately described elements of road network infrastructure are the principal aspect in the pavement maintenance systems and the appropriate strategy in the development and maintenance of the road network. BIBIOGAFIA 1. Informacja o wynikach kontroli bezpieczeństwa ruchu drogowego w Polsce, Nr Ew..: 5/2011/P/10/061/KKT, Najwyższa Izba Kontroli Departament Komunikacji i Systemów Transportowych; Warszawa 2011 r. 2. Praca zbiorowa: System oceny stanu nawierzchni SOSN. Wytyczne stosowania, Generalna dyrekcja dróg publicznych Biuro studiów Sieci Drogowej, Warszawa

8 3. Nowicka M.: Systemy zarządzania nawierzchniami, Czasopismo Autostrady 5/2010, s Sztukiewicz., ydzewski P.: Diagnostyka nawierzchni w systemie wspomagania zarządzaniem siecią ulic, Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej nr 60, 2006, s Sołowczuk A.: Ocena stanu dróg i ich wartości użytkowych, Czasopismo Autostrady 10/2008, s aser ST - System Description, amboll ST, 7. Sudyka J., Mechowski T., Harasim P.: Nowoczesne metody oceny stanu nawierzchni w utrzymaniu sieci drogowej, IV Międzynarodowa Konferencja Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym, Poznań Sybylski D., Mechowski T., Sudyka J., Harasim P.: Ocena stanu nawierzchni dróg, Czasopismo Autostrady 7/2007, s Błażejowski K., M Sudyka J., Mechowski T.: Metoda BIKB-IBDM. Metoda wizualnej oceny stanu nawierchni dróg. VIII Międzynarodowa Konferencja Trwałe i bezpieczne Nawierzchnie drogowe, Kielce endzion G., Mechowski T., Sudyka J., Harasim P., Pieńkowski W.: Identyfikacja i ocena stanu nawierzchni dróg administrowanych przez ZDM w Warszawie, Czasopismo Autostrady 10/2009, s Heller S.: Pavement management system on the strategic and operative level, Proceedings of The 3rd European Pavement & Asset Management Conference, 2008, Portugal 12. Sybylski D., Mechowski T., Sudyka J., Harasim P.: Identyfikacja stanu eksploatacyjnego dróg wojewódzkich na terenie województwa śląskiego, Polski Kongres Drogownictwa, Serwis baza wiedzy, Cyganek B.: Komputerowe przetwarzanie obrazów trójwymiarowych, Wydawnictwo Exit, Warszawa