AKTYWNE I PASYWNE CZUJNIKI STANU NAWIERZCHNI OCENA FUNKCJONALNOŚCI Z PUNKTU WIDZENIA BEZPIECZEŃSTWA RUCHU DROGOWEGO

Polski Kongres ITS Jan SZCZERBIŃSKI * AKTYWNE I PASYWNE CZUJNIKI STANU NAWIERZCHNI OCENA FUNKCJONALNOŚCI Z PUNKTU WIDZENIA BEZPIECZEŃSTWA RUCHU DROGOWEGO l. WSTĘP Przez wiele lat działania na rzecz poprawy bezpieczeństwa w transporcie drogowym traktowane były jako działania przeszkadzające w osiąganiu dobrych wyników ekonomicznych i sprzeczne z dążeniem ludzi do skracania czasu podróży. Okazało się jednak, że przy takim podejściu koszty utrzymania systemu transportu stają się dla społeczeństwa za wysokie [1]. Na nowe inwestycje zaczęto patrzeć nie tylko z perspektywy kosztów jej realizacji i późniejszego utrzymania, ale także przez pryzmat szeroko rozumianych kosztów i korzyści społecznoekonomicznych. Owo myślenie o kosztach inwestycji, nieograniczone wyłącznie do budżetu inwestora, zostało szczególnie uwypuklone w europejskich warunkach przez Komisję Europejską, współfinansującą ogromną liczbę inwestycji infrastrukturalnych. Szerokie podejście do rozumienia bilansu kosztów i zysków z inwestycji jest, tuż po samych środkach pomocowych, drugą najważniejszą wartością dodaną wdrażania w Polsce tzw. funduszy unijnych. Zgodnie z najlepszymi praktykami, koszty i korzyści społeczno-ekonomiczne projektów infrastruktury drogowej oblicza się głównie na podstawie czterech podstawowych kategorii kosztów tj.: kosztów eksploatacji pojazdów, kosztów czasu użytkowników infrastruktury drogowej, kosztów zanieczyszczenia środowiska i wreszcie kosztów wypadków drogowych i ofiar [2]. Zdarzenia drogowe i powstałe w ich wyniku urazy to jeden z głównych problemów w dziedzinie zdrowia publicznego i istotna przyczyna zgonów i urazów na całym świecie. Pomijając koszty społeczne dla poszczególnych osób, rodzin czy społeczności, obrażenia w ruchu drogowym stanowią poważne obciążenie dla służby zdrowia i gospodarki. [3] Polska jest krajem od 10 lat znajdującym się na 1-szym miejscu w UE pod względem liczby ofiar i kosztów, jakie ponosi państwo z powodu tragedii drogowych [4]. Koszty te sięgają według Ministerstwa Infrastruktury aż 2%-3% Produktu Krajowego Brutto [5]. I choć Polska jest jednym z krajów, który dokonał redukcji liczby osób poważnie rannych powyżej średniej europejskiej, to jednak spadek liczby ofiar śmiertelnych nadal jest dalece niewystarczająca [6]. W miarę rozwoju motoryzacji, wypadki drogowe stanowią szybko narastający problem, a bezpieczeństwo ruchu drogowego staje się jednym z priorytetów. Szeroko rozumiane bezpieczeństwo transportu drogowego obejmuje obecnie nie tylko bezpieczeństwo ruchu drogowego w projektowaniu i realizacji inwestycji, lecz także uzbrajanie pojazdów i infrastruktury w inteligentne systemy transportowe, coraz częściej oparte na aktywnych rozwiązaniach. Nadrzędnym celem bezpieczeństwa ruchu drogowego jest minimalizacja liczby zdarzeń drogowych z ofiarami śmiertelnymi. O ile oczywiste jest, że w obecnych realiach całkowita likwidacja kolizji nie jest możliwa, o tyle dążenie do minimalizacji skutków zdarzeń drogowych, tak by nie było w nich ofiar śmiertelnych, jest konieczne i uzasadnione. Za doprowadzeniem do zamiany wypadków w kolizje przemawiają także analizy wyżej wspomnianych kosztów wypadków drogowych i ofiar. Jak się okazuje przyjmowane w analizach społeczno-ekonomicznych jednostkowe koszty zdarzeń drogowych wykazują, że koszt ofiary śmiertelnej jest blisko siedmiokrotnie wyższy od kosztu osoby rannej [2]. Stąd też, nie zapominając oczywiście o wymiarze ludzkim tragedii śmierci, w wielu krajach przyjęto wieloletnie programy analizujące kwestie poziomu BRD i wyznaczające strate- * INTEGRA Sławomir Kamiński; Manager ds. projektów drogowych

2 J. Szczerbiński giczne kierunki jego rozwoju. W Polsce takim ramowym dokumentem jest Krajowy Program Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego GAMBIT, oparty na tzw. wizji zera liczby ofiar śmiertelnych w przyszłości. W programie tym można znaleźć wiele pojęć odnoszących się do osiągnięcia wyższego poziomu ochrony życia i zdrowia, np. aktywnych rozwiązań BRD, czy dróg wybaczających błędy [1]. Pojęcie dróg wybaczających błędy nabiera szczególnego znaczenia w okresie zimowym, zwłaszcza w krajach takich jak Polska, gdzie zmiany temperatury z dodatniej na ujemną, głównie w zakresie od 0 C do ok. -2 C (tzw. przejście przez zero ) jest zjawiskiem częstym i niebezpiecznym dla użytkowników dróg. Bezpieczeństwo ruchu drogowego w okresie zimowym jest znacznie poprawiane przez właściwie prowadzone zimowe utrzymanie dróg. Woda zamieniająca się w lód, śnieg, szron czy sadź znacząco obniżają przyczepność kół pojazdów do nawierzchni drogowej, co z kolei zwiększa ryzyko wypadków i kolizji oraz powoduje straty społecznoekonomiczne. Zastosowanie chemicznych i mechanicznych środków odladzających obniża liczbę wypadków. Jeśli drogi w okresie zimowym mają umożliwiać im sprawną i bezpieczną podróż, niezbędna jest nie tylko identyfikacja, ale przede wszystkim wczesne ostrzeganie i zapobieganie wystąpienia niebezpiecznych śliskości. Ponieważ życie i zdrowie ludzkie są bezcenne, warto przy wczesnym ostrzeganiu sięgać po nowoczesne i precyzyjne rozwiązania, oparte na aktywnych czujnikach stanu nawierzchni. 2. POCZĄTKI METEOROLOGII DROGOWEJ Gdy w połowie lat 60-tych elektronika i różnorodne czujniki zaczęły znajdować zastosowanie w utrzymaniu dróg, zaczęto wprowadzać w celu monitorowania warunków meteorologicznych drogowe systemy informacji pogodowej, tzw. RWIS (Road Weather Information System). Pierwsze tego typu systemy opierały się na analizie podstawowych parametrów meteorologicznych, takich jak temperatura powietrza, względna wilgotność powietrza, czy wreszcie kierunek i siła wiatru. Funkcjonalność czujników była jednak ograniczona do podawania temperatury nawierzchni in situ. Owe czujniki wraz prognozami meteorologicznymi dawały możliwość zidentyfikowania pojawienia się formacji lodu na nawierzchni drogi. Identyfikacja niebezpiecznej gołoledzi powodowała z kolei zainicjowanie działań służb zwalczających to zjawisko [7]. Impulsem do instalacji czujników stanu nawierzchni, obok stacji meteorologicznych, było zrozumienie, że w różnych warunkach pogodowych, przy różnych lokalizacjach i wreszcie ze względu na zróżnicowane zdolności akumulacji ciepła przez różne typy nawierzchni drogowych, prosta informacja o warunkach atmosferycznych i temperaturze powietrza była dalece niewystarczająca. Pojawianie się bowiem różnego rodzaju śliskości zimowych, (gołoledź, lodowica, śliskość pośniegowa, szronowa czy sadziowa) jest spowodowane pojawieniem się, w różnych wzajemnych relacjach i z różnym nasileniem, takich czynników jak temperatura powietrza, temperatura nawierzchni, wilgotność względna powietrza czy wreszcie wilgotność nawierzchni i opad. Uzbrojeniu w stacje meteorologiczne z czujnikami stanu nawierzchni podlegają szczególnie odcinki dróg, które wykazują skłonność do przemarzania jako pierwsze, w tym szczególnie mosty, wiadukty itp. Także wymagającymi szczególnej uwagi są bardzo dobrze znane zarządcom dróg, występujące nawet lokalnie, znaczące różnice mikroklimatyczne. Wyposażenie tych miejsc w pierwszej kolejności w zaawansowane, uzbrojone w czujniki aktywne stacje meteorologiczne daje rzetelną podstawę do podejmowania decyzji o działaniach utrzymaniowych w zimie. 3. TERMINY PASYWNY I AKTYWNY Pojęcia pasywnych i aktywnych czujników stanu nawierzchni nawiązują swoim nazewnictwem wprost do językowych znaczeń użytych słów. Pasywny (bierny) oznacza niewykazujący chęci działania ani inicjatywy. Taki element nie podejmuje żadnych działań, aby wpłynąć na bieg wydarzeń [8].

Aktywne i pasywne czujniki stanu nawierzchni 3 Element aktywny (czynny) to taki, na którym zachodzą intensywne procesy chemiczne lub fizyczne. Aktywne działanie jest podejmowane, gdy chcemy zmienić sytuację (warunki) po naszej myśli, a nie czekać aż się owa sytuacja sama zmieni [8]. Warto tu także przytoczyć zastosowanie tych terminów do definicji z dziedziny elektroniki. Element elektroniczny bierny (pasywny) to taki, który nie przekształca energii elektrycznej. Do chwili doprowadzenia napięcia do zacisków elementu prąd w nim nie płynie i na odwrót - na jego zaciskach nie ma napięcia przed podłączeniem prądu. Przykładami elementów biernych są rezystor, żarówka, kondensator, cewka itp. [9]. Element elektroniczny czynny (aktywny) to taki, który umożliwia przekształcanie energii elektrycznej. Jest zdolny np. do wzmocnienia sygnału. Elementy aktywne można określić więc jako przetworniki energii elektrycznej aktywnie przekształcające sygnał źródła energii elektrycznej. Element czynny wymaga do pracy energii lub sam stanowi jej źródło. Przykładami elementów czynnych są półprzewodniki, wzmacniacze, źródła prądu itp. [9]. W świetle powyższych definicji dużo łatwiejsze staje się zrozumienie różnicy między aktywnymi i pasywnymi czujnikami stanu nawierzchni. Już teraz domyślamy się, że czujnik pasywny to taki, który dokonuje pomiaru stanu nawierzchni bez zmieniania istniejącej sytuacji, tj. in situ tak jak jest. Rozumiemy także, że czujnik aktywny to taki, który nie zadowala się sytuacją bieżącą, a wpływa w jakiś sposób na najbliższe otoczenie i dokonuje jego zmian w zaplanowany z góry sposób i tym samym wzmacnia płynące z niego informacje o stanie nawierzchni. 4. CZUJNIK STANU NAWIERZCHNI Już wiemy, że potrzeba pomiaru stanu nawierzchni pojawiła się wraz ze zrozumieniem, że pomiar podstawowych parametrów pogodowych jest niewystarczający. Czynnikami dodatkowymi były wzrost liczby pojazdów na drogach oraz zwiększenie ich możliwości (szybkość jazdy), a także związana z tym konieczność poprawy bezpieczeństwa. Dzięki pasywnym czujnikom stanu nawierzchni możliwe stało się otrzymywanie dokładnej i pewnej informacji o takich bieżących warunkach na drodze, jak temperatura nawierzchni, wilgotność nawierzchni (od suchej do mokrej), grubość filmu cieczy, oblodzenie. To bez wątpienia informacje niezwykle istotne i bez nich żaden obecny system RWIS nie może się obejść. Posiadają one jednak jedną podstawową wadę. Są to bowiem informacje, jak to wcześniej zaznaczono, in situ, co w przypadku np. gołoledzi oznacza, że informują o niebezpiecznym zjawisku, gdy się ono już pojawiło. Ponieważ informacja ta z punktu widzenia bezpieczeństwa użytkowników dróg jest zbyt późna, podjęto próby szacowania ryzyka wystąpienia niebezpiecznych śliskości i wyprzedzającego alarmowania. Niezależnie od analizy trendów mierzonych wartości, np. temperatury powietrza, temperatury nawierzchni itp., kluczową informacją, niezbędną do wyprzedzającego reagowania jest wiedza na temat temperatury zamarzania cieczy, zwana też punktem zamarzania czy wreszcie temperaturą punktu zamarzania (freezing point temperature). Stacje nie podające wcale temperatury punktu zamarzania cieczy, bądź oparte na szacunkowych jej kalkulacjach na wyrost, zaczęto nazywać stacjami wczesnego ostrzegania. Aby zrozumieć dlaczego nazwa ta nie jest do końca właściwa, konieczne jest zapoznanie się z funkcjonalnością i zasadą działania czujników pasywnych, będących podstawą takich systemów. Wiedza ta da możliwość porównania ich z czujnikami aktywnymi, które dzięki precyzyjnemu pomiarowi temperatury zamarzania stanowią podstawę stacji prawdziwie wczesnego ostrzegania. 5. PASYWNE CZUJNIKI STANU NAWIERZCHNI Czujniki pasywne, jak wcześniej wspomniano, dostarczają informacji na temat bieżącego stanu nawierzchni, tj. takich parametrów jak temperatura nawierzchni, stan nawierzchni (sucha, mokra, wilgotna, oblodzona), stan zasolenia cieczy. Bardziej zaawansowane pasywne czujniki stanu nawierzchni są podstawą do podawania szacunkowej (kalkulowanej) temperatury punktu zama-

4 J. Szczerbiński rzania. Zasadą jednak jest to, że metoda pasywna wykorzystuje pomiar konduktancji (przewodności elektrycznej) do stwierdzenia bieżącego stanu nawierzchni. Ponieważ jednak konduktancja jest między innymi podatna na zmiany temperatury, również ten parametr musi być mierzony. Pasywne metody ustalania temperatury punktu zamarzania badając konduktancję są w stanie określić teoretyczną temperaturę zamarzania dla danej soli. Konduktancja mieszaniny czystej wody z jedną solą NaCl lub CaCl 2 daje podstawę do łatwego i precyzyjnego podania wartości temperatury punktu zamarzania. Z tego też powodu pomiar konduktancji jest wykorzystywany w bardzo wielu dziedzinach i istnieje kilka technologii pomiaru, stosowanych w sposób zoptymalizowany do konkretnych potrzeb. Czujniki pasywne w przemyśle mają dwa główne zastosowania. Po pierwsze wykrywanie obecności zanieczyszczeń i po drugie określanie koncentracji (nasycenia) daną substancją chemiczną, np. zasolenia. Prawdopodobnie najczęstszym zastosowaniem pomiaru konduktancji jest proces oczyszczania wody do różnych celów, przez wykrywanie w niej jonów ją zanieczyszczających. Drugim głównym zastosowaniem jest określenie poziomu nasycenia daną substancją chemiczną, jednakże przy świadomości tego, że pomiar konduktancji nie daje możliwości rozróżnienia, jakie jony są obecne w badanej próbce. W kontrolowanych warunkach pomiar kondunktancji dwuskładnikowej substancji (1 substancja chemiczna + woda) daje dobre wyniki pomiaru nasycenia [13]. Nie wchodząc w dalsze rozważania o konduktancji i czujnikach pasywnych, należy stwierdzić, że czujniki te dają duże możliwość pomiaru właściwości fizycznych cieczy. Z tego też powodu pasywne czujniki znalazły tak szerokie zastosowanie w ocenie bieżącego stanu nawierzchni. Jednakże nawet pasywne czujniki, dedykowane do pracy na drogach nadal opierają się na tym samym założeniu i tym samym mają te same wady, jak i zalety. Są źródłem precyzyjnych informacji in situ, lecz nie jest dzięki nim możliwy pomiar temperatury punktu zamarzania cieczy znajdującej się na powierzchni drogi. Dokładność pomiaru tej temperatury zależy bowiem wprost od składu chemicznego badanej cieczy, która w przypadku drogi nigdy nie jest substancją dwuskładnikową (np. NaCl + woda). Pasywny czujnik stanu nawierzchni może stanowić podstawę do szacowania temperatury punktu zamarzania, jednakże dokładność szacunku zależy od tego na ile kalibracja czujnika do pewnych średnich właściwości konduktancji cieczy na drodze odpowiadają faktycznemu składowi tej cieczy. Ponieważ jednak skład cieczy nigdy nie jest jednorodny, dokładność takiego szacunku jest zaburzona. 6. AKTYWNY CZUJNIK STANU NAWIERZCHNI Wychodząc naprzeciw potrzebie wczesnego ostrzegania o niebezpiecznych śliskościach, we wczesnych latach 80-tych podjęto prace nad konstrukcją czujnika, który dokonywałby pomiaru temperatury punktu zamarzania. Aktywna metoda pomiaru temperatury punktu zamarzania oparta jest na czujniku, który schładza ciecz na jego nawierzchni i wykrywa temperaturę punktu zamarzania, tj. temperaturę gdy woda uwalnia energię (ciepło) podczas formowania się kryształów lodu. Aktywny czujnik stanu nawierzchni wykorzystując tzw. ogniwo (element) Peltiera schładza powierzchnię by określić, przy jakiej temperaturze zgromadzona na niej wilgoć zamarznie, a następnie podgrzewa powierzchnię i powtarza cykle pomiarowe [7]. Dostępne na rynku czujniki są w stanie punktowo obniżyć temperaturę nawierzchni nawet do 15 C poniżej bieżącej temperatury stanu nawierzchni [11]. W trakcie obniżania temperatury następuje krystalizacja przy temperaturze, która jest temperaturą zamarzania cieczy, niezależnie od jej składu chemicznego. Jak wspomniano, czujniki pasywne mają problemy z dokładnym szacowaniem temperatur zamarzania mieszanin (cieczy) zanieczyszczonych substancjami trzecimi. Warto w tym miejscu przytoczyć wyniki interesujących badań z wykorzystaniem cukru jako środka odladzającego. Cukier rozpuszczony w wodociągowej wodzie nie powoduje pojawienia się jakichkolwiek wolnych jonów w mieszaninie. Gdy mieszanina z cukrem została przetestowana na pasywnym sensorze,

Aktywne i pasywne czujniki stanu nawierzchni 5 wykazał on wzrost temperatury punktu zamarzania względem pomiaru dokonanego na nieposłodzonej wodzie z wodociągu. Czujnik aktywny, jak to przewidywano, wykrył spadek temperatury punktu zamarzania, gdy w wodzie rozpuszczono cukier [7]. Niektóre czujniki pasywne wymagają kalibracji do konkretnego środka stosowanego do odladzania. Może to stanowić poważny problem gdy stosowane są różne środki podczas sezonu zimowego. Nie można bowiem w prosty sposób dokonać kolejnej kalibracji. Z eksperymentów wynika, że pasywne czujniki stanu nawierzchni były bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia, a nawet wykazywały podniesienie temperatury punktu zamarzania w przypadku zanieczyszczeń alkoholem i olejem. Aktywny czujnik stanu nawierzchni dostarcza wiarygodną temperaturę punktu zamarzania, nawet gdy czujnik został zanieczyszczony [7]. Oczywiście cukier, którego raczej w składzie cieczy na nawierzchni drogi nie spotkamy, był w tym doświadczeniu użyty z premedytacją. Użyto go w celu wykazania ostrej zależności pomiędzy dokładnością pomiaru temperatury punktu zamarzania, a składem chemicznym cieczy badanej przez czujniki pasywne i aktywne. Warto pamiętać, że wskazania szacowanej przez pasywne sensory temperatury punktu zamarzania są zaburzane, jak to wyżej wspomniano, również przez stosunkowo często spotykane na nawierzchni alkohole i oleje. Reasumując aktywny czujnik stanu nawierzchni, niezależnie od składu chemicznego cieczy znajdującej się na nawierzchni, jest w stanie, z dużą precyzją nawet do 0,5 C [11], wskazać temperaturę punktu zamarzania, co z kolei ma ogromne znaczenie dla wczesnego zareagowania przez służby zimowego utrzymania, a tym samym na bezpieczeństwo użytkowników. 7. TEMPERATURA PUNKTU ZAMARZANIA Podstawowa różnica między aktywnymi a pasywnymi czujnikami stanu nawierzchni polega na tym, że w przypadku tego pierwszego temperatura punktu zamarzania jest wynikiem dokładnego pomiaru niezależnie od składu cieczy, a w przypadku tego drugiego jest jedynie niedokładnym szacunkiem. Nie wyjaśnia to jednak przydatności temperatury zamarzania dla zimowego utrzymania dróg. Temperatura punktu zamarzania jest temperaturą, w której dana ciecz zamarza. Można przyjąć, że czysta w potocznym rozumieniu woda zamarza w temperaturze bardzo zbliżonej do 0 C. W jakich jednak temperaturach zamarzają woda z alkoholem, posłodzona herbata, osolona woda czy emulsja wody z olejem? Odpowiedź nie jest tu już taka oczywista. Z punktu widzenia zimowego utrzymania dróg oczywiście najbardziej istotna jest temperatura zamarzania mieszaniny znajdującej się na powierzchni drogi, w której oprócz wody możemy znaleźć np. alkohol ze środków do spryskiwania szyb, substancje ropopochodne, cząsteczki startych opon, klocków hamulcowych, nawierzchni drogi, czy wreszcie w okresie zimowym środki chemiczne stosowane do zwalczania gołoledzi i wiele innych przypadkowych substancji. Należy sobie w tym miejscu uświadomić, że tak zwane przejście przez zero jest tylko pewnym uogólnieniem, gdyż pojawienie się lodu nie zależy tylko od przejścia temperatury nawierzchni z dodatniej do ujemnej, a właśnie od temperatury zamarzania konkretnej mieszaniny znajdującej się na nawierzchni. Sole drogowe do zapobiegania i zwalczania gołoledzi stosowane są właśnie w celu obniżenia temperatury topnienia lodu, czyli obniżenia temperatury punktu zamarzania. Dopuszczone przez ministra środowiska sole drogowe (chlorek sodu, chlorek wapnia i chlorek magnezu), rozpuszczane w wodzie obniżają temperaturę punktu zamarzania takiego roztworu [12]. Efektywne temperatury działania poszczególnych soli wynoszą w przybliżeniu według Instytutu Badawczego Dróg i Mostów odpowiednio dla NaCl -6 C, a dla MgCl 2 i CaCl 2-20 C [13]. Należy jednak pamiętać, że jest to pewne założenie oparte na przeciętnym składzie cieczy obecnej na drodze. Ponieważ jednak droga to nie laboratorium, a skład chemiczny cieczy znajdującej się na powierzchni drogi jest dużo bogatszy od prostego roztworu wody z solą, posiadanie dokładnej wartości temperatury zamarzania niezależnie od składu chemicznego cieczy na drodze jest nie do przecenienia. Wbrew pozorom wiedza na temat możliwości wykorzystania w praktyce temperatury punktu

6 J. Szczerbiński zamarzania u osób zawodowo zajmujących się zimowym utrzymaniem jest stosunkowo niewielka. Jak się okazuje, nawet jeśli sam termin jest im znany, to nie wiedzą oni o możliwości pozyskiwania tej wartości w celu praktycznego wykorzystania. Aby praktyczne stosowanie temperatury punktu zamarzania było możliwe, zawsze musi ona być odniesiona co najmniej do bieżącej temperatury nawierzchni. Stąd prosta konkluzja, że dla właściwego wykorzystania informacji płynących z czujnika aktywnego, niezbędne jest ich skonfrontowanie z informacjami płynącymi z czujnika pasywnego (in situ). Sama informacja o tym, że temperatura nawierzchni jest ujemna nie jest wystarczająca dla stwierdzenia czy już śliskość wystąpiła. Jeżeli temperatura zamarzania ma dokładnie tą samą lub wyższą temperaturę niż nawierzchnia, to zjawisko śliskości jest pewne. Praca operatora systemu opartego na stacjach meteorologicznych wyposażonych w aktywne czujniki stanu nawierzchni sprowadza się w dużym uproszczeniu do oceny, czy temperatura nawierzchni nie spada lub temperatura zamarzania nie rośnie i czy te temperatury nie zbliżają się wzajemnie do punktu przecięcia (śliskość). Odpowiednio wczesne wysłanie służb zimowych powoduje zastosowanie soli, które obniżają temperaturę zamarzania. Nawet jeśli temperatura nawierzchni nadal spada, to operator widząc, że udało mu się obniżyć temperaturę zamarzania poniżej temperatury nawierzchni wie, że sytuacja jest bezpieczna i opanowana. Oczywiście temperatura nawierzchni nie zamyka katalogu wskazań, do których można odnosić informację o temperaturze zamarzania. Informacja ta w korelacji z innymi danymi np. o względnej wilgotności powietrza, wilgotności nawierzchni, opadzie i innych daje możliwości jeszcze dokładniejszego wczesnego ostrzegania przed zjawiskami niebezpiecznych śliskości. Reasumując, wiedza na temat temperatury punktu zamarzania ma niezwykle istotne praktyczne znaczenie. Daje bowiem służbom zimowego utrzymania wymierne narzędzie do wczesnego reagowania przed pojawieniem się śliskości. Nie należy jednak pomiaru temperatury punktu zamarzania w danym momencie mylić z prognozowaniem. Prognozowanie bowiem jest szacowaniem na podstawie danych historycznych, trendów i modeli, jak potoczą się przyszłe losy np. właśnie temperatury nawierzchni. Pomiar temperatury punktu zamarzania daje natomiast pewną informację w bieżącej chwili na temat sposobu zachowania się cieczy przy zmianie warunków (spadku temperatury). Aby jednak cel tak skutecznego ostrzegania został osiągnięty, temperatura punktu zamarzania musi być podawana w sposób precyzyjny. Ryzyko błędu jest jeszcze większe, gdy niedokładności pomiaru nie jest świadom operator, a temperatura punktu zamarzania jest obrazowana liniowo, co sugeruje jej dokładność. Jak wcześniej opisałem, temperatura punktu zamarzania obliczona na podstawie trendów wartości mierzonych in situ przez czujniki pasywne nie daje możliwości precyzyjnego podawania wartości temperatury punktu zamarzania. Dzieje się tak ponieważ zanieczyszczenia mogą powodować zmiany przewodnictwa w obu kierunkach, co wskazuje na obniżenie albo wzrost temperatury zamarzania. Precyzyjną wartość dostarczają czujniki aktywne, których kolejną zaletą jest to, że mogą one być stosowane w celu wykrycia punktu zamarzania także dla ekologicznych środków odladzających, które tylko nieznacznie wpływają na przewodność (podobnie jak cukier w ww. badaniach) [7]. 8. WYPADKI SPOWODOWANE WARUNKAMI ZIMOWYMI Polska jest krajem, gdzie przechodzenie temperatury z dodatniej do ujemnej. tzw. przejście przez zero jest zjawiskiem częstym i niebezpiecznym dla użytkowników dróg. O ile z corocznych statystyk ogólnopolskich wynika, że w okresie zimowym spada liczba zarówno wypadków jak i kolizji, to równocześnie częste są doniesienia policji i mediów na temat wzrostu tych wartości w wybranych miejscach. Należy pamiętać, że wolniejsza i bezpieczniejsza jazda kierowców, niejako wymuszona gorszymi z powodu zimowej aury warunkami drogowymi, w skali statystyk ogólnopolskich wpływa na obniżenie średniej wypadkowości, której nie należy jednak bezkrytycznie przyjmować jako wskaźnika poziomu bezpieczeństwa.

Aktywne i pasywne czujniki stanu nawierzchni 7 W naszej strefie klimatycznej zauważalna jest duża liczba wypadków w okresie zimowym na drogach pokrytych śniegiem i lodem, mimo wysokich standardów zimowego utrzymania. W krajach Europy Środkowej udział aż 10% wszystkich wypadków z uszkodzeniami ciała jest spowodowany właśnie zimowymi warunkami drogowymi. W Niemczech przeprowadzono interesujące badania na temat wypadkowości przed i po zastosowaniu soli drogowej w warunkach dróg pokrytych śniegiem i lodem. Z badań wynika, że ryzyko wypadków na drogach pokrytych śniegiem i oblodzonych jest bardzo wysokie przed zastosowaniem topników (soli) i spada po ich zastosowaniu w bardzo szybkim czasie. W pierwszej godzinie po posypaniu, wpływ soli nie jest jeszcze co prawda całkowity, ale mimo, że liczba wypadków nadal jest jeszcze podwyższona, spadek liczby wypadków jest znaczący. Wskaźnik wypadkowości na drogach pokrytych śniegiem i oblodzonych jest około 6 razy wyższy niż na drogach, które nie są śliskie. Jeśli zaś chodzi o ciężkość zdarzeń można zauważyć, że w przypadku śliskich dróg liczby dla wszystkich typów zdarzeń wyraźnie rosły. Dotyczy to także wypadków z ciężkimi obrażeniami ciała (zabici i poważnie ranni), które jak wykazały badania są około 5 razy częstsze na drogach śliskich. Potwierdzenie tych zależności znajduje się także w analizie kosztów wypadków, które mają miejsce na suchych drogach oraz drogach zimowych nieodlodzonych i tych po zastosowaniu środka odladzającego. Jak się okazuje koszty wypadków na drogach suchych i odlodzonych są bardzo zbliżone. Natomiast koszt wypadków na drogach pokrytych śniegiem i oblodzonych jest aż 5,5 razy wyższy niż w przypadku dróg odlodzonych [14]. Patrząc na te wskaźniki, oczywistym jest, że celem zimowego utrzymania dróg jest nie tylko usuwanie powstających śliskości, ale również prewencyjne zapobieganie ich powstawaniu. Działania prewencyjne możliwe są jednak jedynie wtedy, gdy oparte są na dokładnym i odpowiednio wczesnym ostrzeganiu. Działania takie mają tym większe znaczenie, że często zjawiska gołoledzi potrafią pojawić się wyjątkowo szybko, tym samym zaskakując użytkowników dróg. Głównym powodem działań prewencyjnych jest właśnie bezpieczeństwo ruchu drogowego. Nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie wypadków i kolizji w ogóle, także tych spowodowanych warunkami zimowymi. Jednakże dążenie do zmniejszenia ich liczby i ciężaru jest celem nadrzędnym. W warunkach zimowych nabiera to szczególnego znaczenia dlatego, że charakterystyka wypadków w tym czasie ulega zmianie. Często odcinki dróg, które średniorocznie są uznawane za bezpieczne w okresie zimowym, mogą stać się miejscami wzmożonej wypadkowości. Dzieje się tak, ponieważ obszary mikroklimatyczne o tendencjach do najwcześniejszego powstawania gołoledzi, szronu, mgły itd. zaskakują kierowców jako pierwsze. Przykładem mylności przyjmowania takiego prostego uogólnienia o spadku liczby wypadków i kolizji w zimie może być odcinek potencjalnie bezpiecznej drogi. Na odcinku autostrady A-4 między węzłami Bojków i Ostropa w okresie od 5 grudnia 2010 roku do 4 stycznia 2011 roku, czyli w ciągu dokładnie miesiąca, zginęły 2 osoby, 22 zostały ranne, a aż 88 pojazdów uległo uszkodzeniu [15]. Przyczyną tych tragedii była mgła, wystąpienie śliskości zimowej, a w ujęciu statystycznym niedostosowanie prędkości do warunków jazdy. Takie miejsca, abstrahując od metodologii ich wyboru, jako pierwsze powinny być uzbrojone w meteorologiczne stacje drogowe umożliwiające wczesne przewidywanie niebezpiecznych śliskości. Uzbrojenie tych stacji w czujniki pasywne informujące o bieżącym stanie nawierzchni jest niedyskutowanym minimum. Jednakże, by prewencyjne zapobieganie śliskości w odpowiednim momencie było możliwe, niezbędne jest pozyskiwanie informacji o temperaturze punktu zamarzania. Ze względu na precyzję, wartość ta powinna być dostarczana w wyniku pomiaru, a nie szacunku. Pozyskanie mierzonej temperatury punktu zamarzania możliwe jest jedynie dzięki zastosowaniu aktywnych czujników stanu nawierzchni. 9. FUNKCJONOWANIE AKTYWNYCH CZUJNIKÓW STANU NAWIERZCHNI W SYSTEMACH INFORMACJI DLA KIEROWCÓW I ZARZĄDZANIA RUCHEM Stacje meteorologiczne stosowane do wczesnego ostrzegania i pozyskiwane z nich infor-

8 J. Szczerbiński macje, przede wszystkim powinny służyć zarządcom dróg do zimowego ich utrzymania. Niemniej jednak dane te coraz częściej są wykorzystywane do informowania kierowców o sytuacji na drogach. Ogólnie kierunek interakcji między warunkami pogodowymi i stanem nawierzchni, a kierowcą jest niewątpliwie właściwy. Można jednakże odnaleźć przykłady błędnego rozumienia takiej interakcji. Kierowca korzystający z drogi uzbrojonej w inteligentne systemy transportowe, niejako wymuszające na nim reakcję w związku ze zmianami pogodowymi, powinien reagować na owe bodźce w sposób możliwie odruchowy. Informacje o występowaniu niebezpiecznych śliskości czy też o ryzyku ich wystąpienia mogą być wykorzystane do wizualizacji na tablicach i znakach zmiennej treści odpowiednich znaków ostrzegawczych, ograniczeń prędkości czy wreszcie tekstu. Należy dodać, że przy tym podejściu domniemywa się, że kierowca posiada przynajmniej znajomość treści poszczególnych znaków drogowych. Jeśli chodzi o wyświetlany tekst należy stwierdzić, że napisy pełnią jedynie funkcję pomocniczą względem znaków, których przestrzeganie jest obowiązkiem kierowcy. Nie można się jednak wprost zgodzić ze słusznością podejścia stosowania tablic zmiennej treści informujących wprost o danych pochodzących ze stacji meteorologicznych. Spotykane na drogach tablice informujące o temperaturze powietrza i temperaturze nawierzchni z punktu widzenia ostrzegania przed niebezpiecznymi warunkami zimowymi nie spełniają swojej funkcji, bądź spełniają ją w niewielkim stopniu. Po pierwsze wielu kierowców nie do końca rozumie ich treść i nie zwraca na nie uwagi, a jeszcze częściej nie są oni w stanie dokonać właściwej interpretacji podawanych danych. Po drugie, biorąc pod uwagę ogólnie duże zagęszczenie znaków drogowych oraz doniesienia o ich częstym nieprzestrzeganiu spowodowanym pewnym zobojętnieniem, dodawanie kolejnych źródeł informacji w postaci innej niż dopuszczone przepisami znaki drogowe wydaje się nie mieć dobrego uzasadnienia. Można obawiać się by tego typu niejasne co do celowości rozwiązania nie podzieliły losów np. tzw. czarnych punktów. Te, nie będąc znakami drogowymi, jak się okazało w stosunkowo niewielkim stopniu wpływały na zachowania kierowców. Nie krytykując w całości samego pomysłu należy podkreślić, że jego nieefektywność skutkować będzie w najbliższym czasie demontażem tablic. Należy podkreślić, że zastosowanie znaków zmiennej treści, których treść jest znana kierowcom i których przestrzeganie jest prawnym ich obowiązkiem, jak dotychczas jest jedynym właściwym rozwiązaniem. Wpływając na zachowania kierowcy przez wyświetlanie na drodze konkretnych znaków, tj. informacji przetworzonej, płynącej ze stacji meteorologicznych, czy centrów sterowania ruchem, mamy pewność, że będzie ona przez niego właściwie zrozumiana i zinterpretowana. Gdy stacja meteorologiczna zostanie wyposażona w aktywny czujnik stanu nawierzchni, kierowca może otrzymać ostrzeżenie w postaci wyświetlenia odpowiedniego znaku czy znaków zanim wystąpi niebezpieczne zjawisko i jednocześnie nie będzie musiał on analizować i rozumieć wartości temperatury punktu zamarzania i jej relacji z temperaturą nawierzchni. Pozostaje zatem jedynie ryzyko, że kierowca z jakichś przyczyn nie zastosuje się do treści znaków, ale to problem zupełnie innej natury, na który jak dotychczas nie znaleziono jednego, doskonałego rozwiązania. Oczywiście w najprostszym przypadku informacje ostrzegawcze mogą być generowane bezpośrednio ze stacji meteorologicznej na umiejscowionym w pobliżu znaku zmiennej treści. Niemniej jednak coraz częściej stacje meteorologiczne są integrowane w większych systemach zarządzania ruchem, co również jest bez wątpienia właściwym kierunkiem. Ciekawym przykładem takiej integracji może być planowany do wdrożenia w najbliższym czasie projekt TRISTAR realizowany wspólnie przez miasta Gdańsk, Sopot i Gdynię. Zintegrowany System Zarządzania Ruchem TRISTAR jest najważniejszym przedsięwzięciem w zakresie inteligentnych systemów

Aktywne i pasywne czujniki stanu nawierzchni 9 transportowych w Trójmieście. Z uwagi na zakres zarówno obszarowy jak też merytoryczny można stwierdzić, że jest również jednym z największych tego typu przedsięwzięć w Polsce. System TRISTAR przewiduje wprowadzenie kompleksowych rozwiązań dotyczących szerokiej gamy różnych aspektów zarządzania ruchem, w tym przewiduje zainstalowanie kilkunastu dobrze wyposażonych stacji meteorologicznych, które mają stanowić źródło zarówno informacji dla zarządców, w tym dla celów zimowego utrzymania jak i dla systemu informacji dla kierowców opartego między innymi na tablicach i znakach zmiennej treści [16]. Zastosowanie w tak rozbudowanym systemie stacji meteorologicznych dostarczających informację bieżącą z silnym modułem ostrzegawczym opartym na aktywnym pomiarze temperatury punktu zamarzania byłoby wielce zasadne. 10. PODSUMOWANIE Najczęściej stosowane w Polsce drogowe stacje meteorologiczne wyposażone są w tzw. pasywne czujniki stanu nawierzchni dostarczające bieżących informacji na podstawie prostego pomiaru konduktancji. Ponieważ ze względu na budowę, czujniki pasywne nie są w stanie dostarczać mierzonej precyzyjnie temperatury zamarzania ich funkcjonalność jako podstawy stacji wczesnego ostrzegania jest poważnie ograniczona. Pomiar temperatury zamarzania jest niezbędny do przeciwdziałania wystąpienia niebezpiecznych śliskości we właściwym momencie. Zbyt wczesne stosowanie środków jest nieuzasadnionym ekonomicznie ich marnotrawstwem, a stosowanie zbyt późne zagraża bezpieczeństwu użytkowników dróg przez dopuszczenie do powstania niebezpiecznych śliskości. Z tych też powodów wartość temperatury zamarzania, aby mogła być praktycznie wykorzystana, musi być podawana bardzo precyzyjnie, niezależnie od składu chemicznego cieczy znajdującej się na nawierzchni drogi. Aktywne czujniki stanu nawierzchni dokonując pomiaru temperatury zamarzania z dokładnością do 0,5 C spełniają te warunki. Pomiar dokonywany za pomocą miejscowego cyklicznego schładzania i ogrzewania nawierzchni czujnika umożliwia określenie temperatury zamarzania cieczy nawet do 15 C poniżej bieżącej temperatury nawierzchni [11]. Mając na uwadze, że częste przechodzenie temperatury z dodatniej do ujemnej tzw. przejście przez zero, następuje głównie w zakresie od 0 C do ok. -2 C, podkreślić należy, że nawet precyzyjne wykrycie punktu zamarzania w zakresie do 2 C poniżej bieżącej temperatury nawierzchni jest ogromnym krokiem naprzód we wczesnym ostrzeganiu, dającym duży zapas bezpieczeństwa [17]. Zaawansowane technologicznie stacje meteorologiczne wyposażone w czujniki aktywne są stosowane właśnie ze względu na możliwość i dokładność pomiaru temperatury zamarzania w automatycznych, stacjonarnych, zraszających systemach zapobiegania gołoledzi, które dzięki tym stacjom są w stanie dokonywać prewencyjnych spryskań środkiem odladzającym, tj. zanim wystąpi niebezpieczna śliskość. Ciekawymi polskimi przykładami zastosowania tych systemów opartych o czujniki aktywne mogą być: system na wjazdach i wyjazdach z tunelu w ciągu Wisłostrady w Warszawie obsługiwany od blisko 10 lat przez stołeczny Zarząd Oczyszczania Miasta oraz także wyposażony w czujniki aktywne system zapobiegania gołoledzi zainstalowany na przełomie 2010 i 2011 roku na trzech estakadach przed Terminalem A na lotnisku im. Fryderyka Chopina w Warszawie. Wyposażanie stacji meteorologicznych, obok czujników pasywnych w czujniki aktywne jest niewątpliwie kolejnym krokiem w zwiększaniu bezpieczeństwa użytkowników dróg. Dotyczy w to szczególności takich krajów jak Polska, gdzie z jednej strony uzasadnieniem do poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego są wysokie statystyki wypadków, a z drugiej strony kraj znajduje się w obszarze częstego przechodzenia przez zero wymuszającego ogromne wydatki na zimowe utrzymanie dróg. Pomiar temperatury zamarzania dzięki aktywnemu czujnikowi stanu nawierzchni daje możliwość jednoczesnego uzyskania efektów zarówno w obszarze bezpieczeństwa, jak i obniżenia kosztów zimowego utrzymania dróg.

10 J. Szczerbiński Literatura [1] Krajowy program bezpieczeństwa ruchu drogowego na lata 2005 2007 2013 GAMBIT 2005. Ministerstwo Transportu, Warszawa 2006. [2] Niebieska księga: infrastruktura drogowa. JASPERS, Warszawa 2008. [3] Zarządzanie prędkością: podręcznik bezpieczeństwa ruchu drogowego dla decydentów i praktyków. Global Road Safety Partnership, Genewa 2008. [4] Grabek A., Polskie drogi śmierci. Artykuł. Dziennik Gazeta Prawna. 2010. [5] Stępień R., Polityka rządu w zakresie Brd. Prezentacja, Krajowa Rada Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego, Warszawa 2010. [6] Road Safety Target in Sight: Making up for lost time - 4th Road Safety PIN Report. European Transport Safety Council. S. 27, Bruksela 2010. [7] Jonsson P., Road status sensors a comparison of active and passive sensors, Department of Information Technology and Media, Mid Sweden University, Östersund 2009 [8] Słownik języka polskiego, pod red. M. Bańko, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007. [9] Bolkowski S., Teoria Obwodów Elektrycznych, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1994. [10] Queeney K., Principles and hardware of electrolytic conductivity measurements, The Instrumentation, Systems, and Automation Society, Calgary 2003. [11] ARCTIS Active sensor for freezing point detection: Technical specifications, BOSCHUNG Mecatronic, Granges-Paccot 2005. [12] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 października 2005 roku w sprawie rodzajów stosowania środków, jakie mogą być używane na drogach publicznych oraz ulicach i placach (Dziennik Ustaw Nr 230, Poz. 1960). [13] Wytyczne zimowego utrzymania dróg GDDKiA, pod red. J. Bieńka, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa 2006. [14] New Developments for Winter Service on European Roads Final Report COST Action 353, European cooperation in the field of scientific and technical research, 2008. [15] Gigantyczny karambol na A4-40 aut, 2 osoby nie żyją, http://wiadomosci.wp.pl/kat,1342,title, Gigantyczny-karambol-na-A4-40-aut-2-osoby-nie-zyja,wid,13001486,wiadomosc.html?ticaid=1c15a, wp.pl, PAP 2011. [16] Wawrzonek T. ARTR w TRISTARze cz.i, http://edroga.pl/inzynieria-ruchu/its/3505-artr-wtristarze-cz-i, 2011. [17] Active pavement sensor, type BOSO III: Technical specifications, BOSCHUNG Mecatronic, Granges-Paccot 2004.