Изобретение относится к способу формирования сигнала раннего предупреждения о гололеде согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к способу образования по меньшей мере одной виртуальной измерительной станции согласно ограничительной части п.10 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к устройству предупреждения о гололеде на дорогах согласно ограничительной части п.14 формулы изобретения, а также к способу и предупредительному устройству о гололеде на дорогах с определением степени облачности согласно ограничительной части пунктов 9 и 18 формулы изобретения.
Под ранним предупреждением о гололеде понимается краткосрочный прогноз обледенения дорог и мостов. Целью такого раннего предупреждения является целенаправленное превентивное использование службы для посыпки дорог или автоматических установок для распыления средств оттаивания с целью предупреждения опасных состояний дороги.
В настоящее время раннее предупреждение о гололеде осуществляется на заданных участках дорожной сети, на которых предусмотрено наличие измерительных станций с активными или пассивными зондами, регистрирующими начинающееся обледенение. Так, в частности, предусмотрены зонды для определения температуры воздуха и почвы, влажности проезжей части дороги и осадков, а также зонды для определения температуры замерзания жидкости на проезжей части. Результаты замеров зондов вводятся в анализатор, который на основании этих результатов делает вывод о необходимости тревожного сообщения. Поэтому ранние предупреждения о гололеде следует ограничивать на коротких, отдельных дорожных участках, для которых следует оборудовать измерительные станции. Распространение раннего предупреждения о гололеде на несколько дорожных участков делает необходимым установку дополнительных измерительных станций, при этом соображения экономии препятствуют необходимому дополнительному оборудованию дорожной сети измерительными станциями. Поэтому для достижения на покрываемой площади раннего предупреждения о гололеде было предложено подвергнуть всю дорожную сеть термографическому учету и на основании этого обеспечивать раннее предупреждение о гололеде. Для обеспечения раннего предупреждения о гололеде на покрываемой площади в течение трех ночей с разными погодными условиями проводится термография температуры на поверхности дорожного покрытия всей дорожной сети. Получают три характеристические температурные эпюры, показывающие “холодные” и “теплые” дорожные участки. Такие эпюры используются для пространственной интерполяции текущего дорожного состояния за пределами измерительной станции. Данный метод имеет недостатки. Во-первых, количество температурных эпюр оказывается далеко недостаточным для охвата всех погодных состояний и времен суток, что приводит к грубому упрощению интерполяции, вполне способному привести к потере информации. Во-вторых, не учитывается динамика обмена тепла и влажности, так как любая термическая картография неизбежно является моментальной съемкой дорожного состояния. Однако опасность от гололеда на дорожном участке определяется доминирующими погодными условиями.
Поэтому в основу изобретения была положена задача создания способа, с помощью которого при незначительных затратах возможен широкий учет дорожной сети и тем не менее достоверное раннее предупреждение о гололеде.
Это достигается в упомянутом выше способе посредством отличительных признаков п.1 формулы изобретения.
В результате того, что на любых заданных участках дорожной сети создаются моделирующие или “виртуальные” измерительные станции, охват дорожной сети без крупных затрат на аппаратное оформление может быть настолько заметно расширен, что становится возможным практически сплошной учет. При этом виртуальные измерительные станции обеспечиваются измерительными данными реальных измерительных станций (что вместе с тем не исключает того, что такая моделирующая измерительная станция может быть также оснащена зондом, действительно присутствующим на заданном участке) и содержат локально специфичный набор параметров. Моделирующая измерительная станция может быть при этом предусмотрена в анализаторе или отдельной от него схеме.
Кроме того, в основу изобретения положена задача создания способа образования таких виртуальных измерительных станций. Эта задача решается посредством отличительных признаков п.10 формулы изобретения.
Также в основу изобретения положена задача создания устройства для раннего предупреждения о гололеде на дорогах, с помощью которого обеспечивается по возможности широкий охват дорожной сети при незначительных затратах на аппаратурное оформление.
Эта задача решается в устройстве раннего предупреждения о гололеде на дорогах упомянутого выше типа посредством отличительных признаков п.14 формулы изобретения.
Кроме того, необходимо создать способ и устройство раннего предупреждения о гололеде на дорогах, которые позволяют определять степень облачности по возможности при незначительном техническом уходе и низких затратах.
Это достигается в соответствии с п.8 или п.18.
Ниже более подробно поясняются примеры осуществления изобретения с помощью чертежей. При этом изображают:
фиг.1 - схематически частичный вид на дорожную сеть с расположением реальных и виртуальных измерительных станций;
фиг.2 - блок-схему параметризации измерительных станций;
фиг.3 - блок-схему формирования раннего предупреждения о гололеде виртуальной измерительной станции;
фиг.4а, 4b - схематически пиррадиометр и участок дороги для определения облачности.
Наилучший способ осуществления изобретения
Ниже более подробно описываются действия по образованию виртуальной измерительной станции и ее работа. При этом на фиг.1 схематически изображено несколько дорог 1, 2, 3, 4 дорожной сети и анализатор 5 в виде коробчатого символа. Такой анализатор расположен, например, в монтажном дворе дорожно-ремонтной службы и состоит, например, из вычислительного устройства и схем интерфейса, служащих для подсоединения вычислительного устройства к отдельным измерительным станциям. Вычислительное устройство выполнено с возможностью формирования сигнала раннего предупреждения о гололеде и вместе с измерительными станциями и средствами подсоединения образует систему раннего предупреждения о гололеде. На чертежах изображены несколько традиционных автоматических измерительных станций AMS1-AMS5 символически в виде точек на дорожной сети. Такие автоматические измерительные станции в принципе известны и здесь они отдельно не описываются. Они включают в себя, например, зонды для определения температуры воздуха и почвы, влажности проезжей части дороги, осадков, относительной влажности или точки росы, температуры замерзания, скорости воздуха, давления воздуха и грузооборота. При этом отдельные зонды расположены, например, на мачтах или в покрытии проезжей части дороги, и ввиду известности более подробно не описываются. Данные зондов по проводам или по радио вводятся в анализатор. Последний на их основании может формировать сигнал раннего предупреждения о гололеде на соответствующем месте замера, который используется в качестве сигнала для всего дорожного участка. Согласно изобретению предусматривается по меньшей мере одна виртуальная или моделирующая измерительная станция, причем на фиг.1 в качестве примера изображены виртуальные измерительные станции VS1 - VS11. Такие виртуальные измерительные станции, как правило, совершенно не содержат зондов, что однако не исключает того, что тем не менее может присутствовать зонд для получения одной из замеряемых величин; однако оснащение зондами автоматической измерительной станции отсутствует. Ввиду того, что виртуальные измерительные станции не содержат зондов, то на них не имеется и физического соединения от места нахождения виртуальной станции до анализатора 5, но в ней (или в другой схеме или устройстве) содержатся виртуальные станции. Виртуальные станции могут быть предусмотрены и на тех же самых местах, на которых присутствуют автоматические измерительные станции, что подробнее будет рассмотрено ниже; на фиг.1 в качестве примера это показано для AMS1/VS1, AMS4/VS4 и AMS5/VS5. В связи с тем, что виртуальные станции могут использоваться, как правило, без затрат на аппаратурное оформление на дороге и без подсоединения к анализатору, то они дешевые и поэтому могут быть предусмотрены в дорожной сети в большом количестве, в результате чего становится возможным на всей площади надзор за дорожной сетью. Отнесение дорожной сети к секторам с виртуальной станцией или их расположение можно определить на основе опытных данных о нахождении опасных в отношении гололеда мест или, например, с помощью термографии.
Главной составной частью любой виртуальной станции является программа, обращающаяся к данным замеров соседних автоматических измерительных станций и содержащая параметры или обращающаяся к ним, являющимся специфичными для места нахождения соответствующей виртуальной измерительной станции. Поэтому требуется, как правило, некоторое количество автоматических измерительных станций с тем, чтобы можно было образовать и применять систему раннего предупреждения о гололеде вместе с виртуальными измерительными станциями.
При образовании виртуальных станций сначала выбирают автоматические измерительные станции, которые требуются для сбора всей информации (данные замеров и параметры), необходимой для виртуальных станций. При этом учитываются разные, присутствующие в дорожной сети конструкции (например, покрытия из материалов с разными свойствами), причем для каждой конструкции должна быть предусмотрена автоматическая измерительная станция с тем, чтобы параметры такой конструкции после их определения можно было использовать в виртуальных станциях на местах с одинаковым видом покрытия. Кроме того, необходимо принять во внимание участок дороги для посыпки средства оттаивания. На одном участке дороги, на котором производится посыпка, должно быть предусмотрено наличие по меньшей мере одной автоматической измерительной станции. На фиг.1 изображены посыпаемые участки дороги в виде стрелок, начиная от монтажного двора на AMS5.
Предпочтительными погодными данными для раннего предупреждения о гололеде служат вид и количество осадков, температура воздуха, облачность, точка росы и сила ветра. Эти данные прежде всего получают точечно через метеорологическую измерительную сеть системы раннего предупреждения о гололеде, т.е. для каждой автоматической измерительной станции в сети системы раннего предупреждения о гололеде присутствует соответствующий массив данных. Также и для каждой виртуальной станции требуется массив метеорологических данных. Этот массив может быть без изменений заимствован простым способом на соседней автоматической измерительной станции, находящейся в аналогичной ситуации в отношении метеорологических данных. Так, например, массив метеорологических данных автоматической измерительной станции AMS1 может быть использован в виртуальной станции VS6. Это достигается, например, за счет того, что в анализаторе 5 содержится информация о том, что переданные с AMS1 метеорологические данные действительны также и для VS1. Для того, чтобы получить более достоверный массив метеорологических данных для соответствующих станций VS, такие данные могут быть определены в виде функции погодных данных нескольких автоматических измерительных станций (или виртуальных станций), например: величина (станция VS6) = функции (величине (станция AMS1, станция AMS2...). Например, величина температуры воздуха на VS6 определяется как функция величины температуры воздуха на AMS1 и AMS2. Также поступают и в отношении величин осадков, точки росы, облачности и скорости ветра. В качестве функций применяются линейные или полиномные регрессии. Такое заимствование погодных данных для другого места хотя и удовлетворительно, но не совершенно.
Кроме того, образование любой виртуальной станции сопровождается параметризацией, при которой станции присваиваются параметры, например свойства покрытия, горизонтальность. При этом определенные параметры могут заимствоваться на тех измерительных станциях, которые построены одинаково. Например, свойства дорожного покрытия на месте нахождения определенной виртуальной станции заимствуются с той автоматической измерительной станции, на которой имеется одинаковое дорожное покрытие. Не все параметры могут быть определены таким образом: например, не может быть определен горизонт, видимая часть неба и тип дорожного покрытия. Эти данные необходимо определять отдельно на каждой виртуальной станции.
Например, горизонт определяют фотографическим способом или ручным замером. Насколько успешно виртуальная станция учитывает реальные условия, зависит от того, насколько точно проводится параметризация. В сложных случаях на месте нахождения виртуальной станции может временно применяться в любое время мобильная измерительная станция, например, в течение двух недель, для оптимизации параметризации.
В таблице представлены параметры виртуальной станции.
Как уже было отмечено, параметры могут просто использоваться на основе месторасположения виртуальной станции, например, краевого условия (параметр 10) и плотности материала дорожного покрытия (параметры 21-24) или могут быть определены, например, параметры 11-14. Другие параметры, например, величина отражающей способности дорожного покрытия (параметры 17, 18) или теплоемкость дорожного покрытия (параметры 25-28) предпочтительно определять и оптимизировать таким образом, чтобы в местах, где находятся автоматические измерительные станции, были образованы и виртуальные станции, и чтобы определяемые параметры выводились из результатов замеров автоматических измерительных станций, причем параметры принимаются сначала приближенными (“best guess” (наиболее оптимальное предположение)) и после этого с помощью этих параметров и метеорологических данных, заимствованных на автоматической измерительной станции, рассчитываются величины, необходимые для составления предупреждения о гололеде. Путем сравнения с величинами, замеренными зондами автоматической измерительной станции, параметры могут быть затем уточнены и при повторном расчете взяты за основу. На фиг.2 показана соответствующая последовательность, причем для виртуальной станции рассчитываются значения величин температуры дорожного покрытия и его влажности и сравниваются со значениями величин температуры дорожного покрытия и его влажности, полученных автоматической измерительной станцией, содержащей зонд для определения температуры дорожного покрытия и зонд для определения влажности дорожного покрытия, в результате чего оптимизируется вся параметризация измерительного пункта. Еще два примера: оптимальное значение отражающей способности дорожного покрытия определяется в дни превосходной погоды по амплитуде температур дорожного покрытия. Теплоемкость дорожного покрытия определяется посредством анализа фазового сдвига температуры дорожного покрытия и т.д. Если имеются в наличии результаты замеров, то естественно их используют. Целью является достижение максимального совпадения результатов виртуальной станции с данными замеров той же станции.
Следовательно, для виртуальных станций предусматриваются параметры и метеорологические данные.
Для формирования сигнала раннего предупреждения о гололеде необходимо, кроме того, знать температуру замерзания имеющейся на дороге жидкости, которой в условиях формирования раннего предупреждения о гололеде является, как правило, водный раствор средства оттаивания. На автоматических измерительных станциях для этой цели предусмотрены специальные зонды для определения точки замерзания, расположенные в проезжей части дороги, на которых проба жидкости охлаждается и определяется точка замерзания; этот прием известен и здесь подробно не описывается.
Для определения температуры замерзания на месте расположения виртуальной станции, как правило, не предусмотрено наличие зонда, вследствие чего температура замерзания на этой станции определяется иным способом, причем приводимые ниже оба способа могут применяться раздельно (а также в комбинации): первая возможность основана на заимствовании температуры замерзания, замеренной посредством зонда на измерительной станции, расположенной на том же посыпаемом участке дороги, что и соответствующая виртуальная станция. Так, например, для виртуальной станции VS6 заимствуют температуру замерзания, замеренную на автоматической измерительной станции AMS1 после прохождения через нее автомашины для посыпки средства оттаивания. Также можно было бы заимствовать температуру замерзания на AMS2, но в этом случае необходимо выждать до момента прохождения через это место автомашины для посыпки.
Вторая возможность заключается в использовании автомашин для посыпки, для которых учитываются место посыпки и количество посыпаемого материала, причем первое определяется, например, с помощью устройства раннего предупреждения о гололеде. Такие посыпочные автомашины известны (например, система “Boschung BoSat”). С одной стороны, с помощью системы Boschung BoSat (или другой мобильной измерительной аппаратуры) регистрируют при каждом применении посыпочного материала его расход на данный момент, который направляют в банк данных или в анализатор 5. Например, указывается, что на участке от VS6 до VS7 посыпано 10 г/м2 NaCl. С другой стороны, виртуальная станция постоянно рассчитывает гидравлический баланс (см. следующий раздел) и определяет таким образом количество воды на квадратный метр проезжей части дороги на данный момент. Каждое применение посыпочного материала характеризуется фиксированной концентрацией соли. До следующего применения рассчитывают разбавление соляного раствора, вызываемое осадками и вымыванием или испарением. Условием является квалифицированное сведение о количестве осадков на измерительных станциях, для чего на автоматических измерительных станциях присутствуют зонды, результаты замеров которых используются для виртуальных станций.
Расчет количества воды на проезжей части дороги и температуры замерзания покоится на следующем математическом выражении (гидравлический баланс на поверхности проезжей части дороги):
dm/dt=р(t)+1(m,...)+а(m)+d(m,...)[кг/с/м2],
где m - количество воды на проезжей части дороги (кг/м2);
p/t - исключительно доля осадков, l (m,...);
l (m, TL, ТВ, RF) - доля осадков только за счет конденсации и испарения;
а (m) - абсорбция воды проезжей частью дороги;
d (m, движение транспорта) - доля стока воды.
Частное m/(m+p(t)+l(m...)) определяет разбавление посыпочной соли на проезжей части дороги, d(m,...)/m выражает потерю соли на проезжей части. В такой связи с концентрацией водного раствора на проезжей части находится температура замерзания (фазовая диаграмма посыпочной соли или закон Раульта для низких концентраций).
Теперь по каждой виртуальной станции присутствуют все необходимые данные. Можно производить тепловой расчет. Вместо подробного описания метода сошлемся на публикацию, в которой такой метод описан. Может применяться описанный или любой другой метод, если он отвечает требованиям, предъявляемым к точности. Поэтому способ расчета должен учитывать все существенные физические процессы. Идет ли при этом речь о физическом, статистическом или каком-либо другом методе, значения не имеет. Цель “виртуальной станции” при названном расчете состоит в составлении раннего предупреждения о гололеде. Оно включает в себя указание температуры дорожного покрытия и его влажности, на основе которых делается логический вывод о состоянии дороги и тревожных сообщениях об обледенении. Перерасчет должен производится через 6-15 минут. На фиг.3 схематически показана последовательность расчета, в зависимости от результата которого формируется или не формируется предупреждение о гололеде.
По термическому расчету отсылаем к публикации Netzger H., Karpot A., Einfluβ von Strahlung und Mikroklima auf Straβenwetterprognosen (Влияние излучения и микроклимата на прогноз погоды на дорогах). Федеральное министерство экономического исследования дорог, выпуск 466, особенно ее 3-я часть (Модель энергетического баланса для прогноза температуры на поверхности проезжей части дороги) с уравнениями (11) - (19), которая включена в данную заявку и служит примером возможного термического расчета.
Контроль за данными виртуальных станций производится следующим образом. С помощью системы Boschung BoSat (или любой другой мобильной измерительной аппаратуры) собираются данные о разных состояниях проезжей части дороги посредством зондов, установленных на автомашинах монтажных дворов и/или полиции, например, о температуре воздуха и дорожного покрытия, влажности воздуха и температуре замерзания.
Эти данные могут замеряться на нерегулярной основе при проездах мимо мест расположения виртуальных станций. В результате образуется по одной замеренной точке, позволяющей проводить перекрестное сравнение с текущими расчетными данными виртуальной станции. Концепция “Виртуальная станция” характеризуется по сравнению с методом, осуществляемым термографией, следующими преимуществами. Во-первых, сохраняется динамика процесса. Банк данных служит памятью системы, расчетный метод использует ее. В расчет автоматически вовлекается каждое состояние погоды. Во-вторых, способ может применяться в любом месте расположения. Предпосылкой является коммуникация с любой метеорологической измерительной сетью, как, например, измерительная сеть системы раннего предупреждения о гололеде, которая в предшествующем описании фигурировала в качестве источника метеорологических данных. Однако метеорологические данные могут предоставляться и другой измерительной сетью, например, ANETZ Швейцарской метеорологической службы. В-третьих, не пренебрегаются важные потоки тепла и влаги. В особенности в полном объеме может учитываться гидравлический баланс в расчетной модели. В-четвертых, виртуальная станция естественно обходится дешевле измерительной станции, так как она состоит преимущественно или исключительно из программного обеспечения.
Достоверность виртуальной станции сначала может показаться ниже достоверности термографии, так как последняя обеспечивает измерение трех температурных эпюр с высокими разрешением и точностью. Но не следует забывать, что такие эпюры представляют собой всего лишь моментную фотографию, отражающую совершенно определенное состояние погоды, время суток, температуру и предшествующие дорожные и погодные условия. Поэтому они плохо годятся для интерполяции при любых условиях. Следовательно, приходится мириться с существенным снижением достоверности. Последнее восполняется виртуальной станцией благодаря своему гибкому расчету.
Другой аспект изобретения касается сбора данных об облачности, которая используется в расчете термического баланса по уравнению (11). Сбор данных об облачности требует либо наблюдение человеком, либо применения измерительного прибора для определения баланса инфракрасного излучения (пиррадиометра). Правда такие приборы чувствительны к загрязнению и дорогостоящи в отношении технического обслуживания. Поэтому их применение в дорожных измерительных сетях не предпочтительно. Вместо них сама дорога может использоваться как эквивалентный пиррадиометр. Температура дорожного покрытия рассчитывается методом приближения при разной предположительной степени облачности до тех пор, пока не совпадет с замеренной температурой дорожного покрытия. Такая степень облачности принимается тогда за текущее замеренное значение и хранится в банке данных. На фиг.4а и 4b схематически показаны, с одной стороны, известный пиррадиометр, с помощью которого измеряется общее излучение QG (0,3-3,0 мкм) и инфракрасное излучение QTR (3,0 50 мкм), в пиррадиометре за нуль принимаются поток скрытого тепла (конденсация, испарение и пр.) QL, ощутимый поток тепла (конвекция, ветер) QS и теплопроводность внутри дороги (диффузия) QD. В случае использования дороги в качестве пиррадиометра QL, QS и QD учитыватся расчетно, QTR+QG оптимизируются путем сравнения расчетной температуры дорожного покрытия ТВ (изм.) с замеренной температурой дорожного покрытия (расч.); на основе QIR. и QG делается вывод о господствующей облачности.
Изобретение относится к области сигнальных устройств и предназначено для формирования сигнала раннего предупреждения о гололеде на дорогах. Технический результат заключается в повышении достоверности и расширении охвата контролируемой дорожной сети. Для выдачи сигналов раннего предупреждения о гололеде на дорогах наряду с автоматическими измерительными станциями, содержащими зонды для определения погодных условий и точки замерзания находящейся на дороге жидкости, создают и используют виртуальные станции, для которых от автоматических измерительных станций заимствуют погодные данные, данные о температуре замерзания и параметры с тем, чтобы с помощью анализатора выдать ранее предупреждение о гололеде и для виртуальных станций. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
| ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ | 0 |
|
SU292639A1 |
