Trudność w określeniu zależności pomiędzy stanem nawierzchni drogowej a zagrożeniem bezpieczeństwa ruchu drogowego wynika z opisywania stanu nawierzchni przy wykorzystywaniu wskaźników, opracowanych dla innych zastosowań, przede wszystkim dla sterowania utrzymaniem dróg (PMS). Głównym mankamentem jest przy tym agregacja danych w obrębie odcinków obliczeniowych o długości 100 metrów i stałym położeniu przestrzennym.

Algorytm metody identyfikacji miejsc potencjalnego zagrożenia bezpieczeństwa ruchu drogowego

Większość z wykorzystywanych w praktyce wskaźników stanu bazuje na wartościach średnich, obliczonych dla odcinków 100-metrowych na podstawie elementarnych wielkości, określonych dla każdego metra pasa drogowego, np. głębokość kolein, teoretyczna głębokość wody, współczynnik tarcia. Tymczasem bardzo często odcinki krótsze, np. 30-metrowe, w krytycznym stanie, sąsiadują z odcinkami dłuższymi w stanie dobrym lub bardzo dobrym, przez co te krytyczne odcinki są „neutralizowane” i nie wykazywane jako miejsca zagrożenia. W takim przypadku opisywana metoda traci swój charakter indykacyjny, umożliwiający wskazanie miejsc potencjalnie niebezpiecznych, gdyż jej wrażliwość na krótkie odcinki w krytycznym stanie jest niezadowalająca.

Na rysunku 5 zilustrowano symbolicznie opisywaną powyżej sytuację. Wartość średnia współczynnika tarcia dla środkowego odcinka obliczeniowego, mimo krótkiego odcinka w bardzo złym stanie, nie wskazuje na zagrożenie dla bezpieczeństwa ruchu, aczkolwiek ten krótki (w tym przypadku 30-metrowy) odcinek z bardzo niskim współczynnikiem tarcia może stanowić realne zagrożenie dla bezpieczeństwa ruchu.

Kolejnym mankamentem metody jest sztywne położenie (stałe granice) odcinków obliczeniowych. Jeśli odcinek w „krytycznym stanie”, nawet o znacznej długości, np 100 metrów lub dłuższy, rozłożony jest pomiędzy dwoma, sąsiadującymi ze sobą odcinkami obliczeniowymi, wielkości parametrów stanu, wyznaczone dla poszczególnych odcinków obliczeniowych nie muszą wskazywać na zagrożenie bezpieczeństwa. Sytuację taką zilustrowano na rysunku 6.

Z tego powodu wyniki analizy stanu w postaci wskaźników, obliczonych dla „sztywnych”, 100 metrowych odcinków obliczeniowych są niewystarczającą podstawą dla realizowania na ich podstawie analiz bezpieczeństwa ruchu. Nie umożliwiają one bowiem identyfikowania wszystkich „odcinków krytycznych“.

Alternatywna, wolna od powyższych mankamentów metoda wykorzystuje do tego celu średnią kroczącą (moving average) dla okna obliczeń o długości krótszej od standardowego 100-metrowego odcinka obliczeniowego. Przyjmując założenie, że minimalna długość odcinka w krytycznym stanie, w obrębie którego może dojść do zagrożenia bezpieczeństwa ze względu na stan nawierzchni (naturalnie w przypadku superpozycji z innymi, niekorzystnymi zdarzeniami) wynosi 30 metrów, założono taką właśnie długość okna przy obliczeniu średniej kroczącej.

Analizę przeprowadza się dla następujących trzech, najsilniej wpływających na bezpieczeństwo ruchu parametrów stanu:

• współczynnik przyczepności poprzecznej,
• głębokość kolein,
• teoretyczna głębokość wody.

Celem metody jest zatem poszukiwanie odcinków o długości 30 metrów lub dłuższych, charakteryzujących się tym, że w ich obrębie wartość średnia dla powyższych parametrów przekracza pewien poziom progowy. Dla poszczególnych wskaźników stanu określone są poziomy graniczne, będące podstawą dla oceny stanu pod kątem planowania zabiegów utrzymaniowych. Poziomy graniczne ustalone są niezależnie dla każdego parametru stanu i zależą od kategorii drogi. Spośród poziomów granicznych (poziom optymalny, ostrzegawczy i progowy) dla analiz bezpieczeństwa najistotniejszym jest ten ostatni (niem: Schwellenwert). W celu identyfikacji odcinków krytycznych o długości minimum 30 metrów zaproponowano znacznie bardziej zaostrzone poziomy progowe.

„Wirtualny“ odcinek („okno“) o długości 30 metrów jest przesuwany wzdłuż pasa drogi, zaczynając na początku drogi ze skokiem, wynikającym z rozdzielczości danych elementarnych, tzn. co 1 metr. Dla każdego położenia „okna” obliczane są na podstawie danych elementarnych wartości średnie ze wszystkich pomiarów. Jeśli któraś z obliczonych wartości średnich przekracza poziom progowy, położenie środka „okna” jest zapamiętywane. Proces ten powtarzany jest dla wszystkich położeń „okna”, od początku do końca drogi. W przypadku, gdy kilka następujących po sobie położeń „okna” wskazuje na przekroczenie poziomu krytycznego, następuje ich agregacja. Punkty środkowe „okien” ze stanem krytycznym wyznaczają „odcinki krytyczne”. Długość poszczególnych odcinków krytycznych może być naturalnie krótsza aniżeli długość „okna”, patrz ilustrujący taką sytuację przykład na rysunku 7.

Wyniki analizy zapisywane są w bazie danych. Dla każdego poziomu progowego wskaźników stanu konieczne jest przeprowadzenie niezależnych obliczeń. Powyższa metoda została przetestowana na bardzo dużej próbie danych, dla ponad 100.000 kilometrów pasa ruchu dla dróg o różnych kategoriach i tym samym została potwierdzona jej wykonalność.

Zastosowanie metody na odcinkach dróg w Polsce

Opisana wcześniej metodyka została praktycznie przetestowana w ramach kompleksowego projektu identyfikacji i analizy stanu nawierzchni w obrębie dwóch odcinków dróg krajowych w pobliżu Warszawy: S-7 (oznaczana w dalszej części K7) oraz DK-8 (oznaczana jako K8).

W ramach tego projektu identyfikacji stanu nawierzchni w zakresie równości oraz właściwości przeciwpoślizgowych wykonała Firma SCHNIERING Ingenieurgesellschaft mbH z Essen (Niemcy), zaś transformację danych elementarnych o stanie nawierzchni oraz wizualizację danych elementarnych na profilach liniowych przeprowadziła firma TRANSCOMP z Warszawy, wykorzystując do tego celu oprogramowanie, wykonane we współpracy z firmą HELLER Ingenieurgesellschaft mbH.

W ramach niniejszego projektu pilotażowego zrealizowano następujące prace:

• pomiar cech nawierzchni w zakresie równości podłużnej i poprzecznej, współczynnika tarcia oraz wideorejestracji pasa drogowego,
• zakodowanie danych pomiarowych w plikach z danymi elementarnymi w standardzie „GEO”,
• digitalizacja filmu wideo i utworzenie plików ze zdjęciami pasa drogowego w odstępach co 10 metrów,
• transformacja plików z danymi elementarnymi ze standardu „GEO” do standardu „RASTER”,
• wizualizacja danych elementarnych na profilach,
• wyznaczenie wskaźników stanu dla odcinków obliczeniowych o długości 100 metrów,
• wizualizacja danych o stanie na mapach sieciowych (mapy tematyczne),
• wyznaczenie odcinków krytycznych w obrębie zidentyfikowanych odcinków dróg.

Podstawowym celem projektu pilotażowego było potwierdzenie możliwości praktycznego zastosowania metody w warunkach polskich. W szczególności przedmiotem projektu była realizacja prac identyfikacyjnych w odniesieniu do stanu nawierzchni drogowej w standardzie, umożliwiającym wykorzystanie zebranych danych do wielorakich analiz, w tym także do analizy miejsc potencjalnego zagrożenia bezpieczeństwa ruchu drogowego. Wyniki prac udowodniły, iż identyfikacja może być przeprowadzona efektywnie i przy stosunkowo niskich nakładach, szczególnie przy uwzględnieniu uzyskanych efektów.

Na bazie zidentyfikowanych danych dokonano automatycznej identyfikacji odcinków potencjalnego zagrożenia bezpieczeństwa ruchu. Wyniki te mogą stanowić podstawę dla zaawansowanych analiz eksperckich, np. przy wykorzystaniu specjalistycznych narzędzi decyzyjnych, jak np. program ZEB OnKo.

Pomiar cech nawierzchni w zakresie równości podłużnej i poprzecznej został wykonany zgodnie ze standardem, obowiązującym w Niemczech i określanym jako „Metoda ZEB”. Pomiarów dokonano na długości 72 kilometrów pasa ruchu w obrębie pierwszego i drugiego pasa w kierunku rosnącego pikietaża na 2 odcinkach dróg krajowych: S-7 i DK-8.

Wideorejestracja pasa drogowego wykonana została podczas pomiarów pojazdem ARGUS z kamery frontowej, umieszczonej na dachu pojazdu pomiarowego. Filmy wideo z ujęciami pasa drogowego zostały zdigitalizowane w celu uzyskania pojedynczych zdjęć, które mogą być zintegrowane w ramach systemów informacji drogowej. W ramach niniejszego projektu pilotażowego dokonano digitalizacji zdjęć w odstępach co 10 metrów. Na fot. 4 pokazano przykład zdjęcia pasa drogowego.

W ramach niniejszego projektu pilotażowego wygenerowano profile z danymi elementarnymi dla wszystkich zidentyfikowanych danych elementarnych. Na jednym profilu przedstawione są dane dla 1 kilometra pasa ruchu. Pliki z profilami zostały zapamiętane w standardzie PDF oraz dodatkowo w plikach graficznych typu *.PNG, w celu umożliwienia ich ewentualnego wykorzystania w ramach systemów interaktywnej wizualizacji danych elementarnych oraz zdjęć wideo w ramach systemu ZEB OnKo (w przypadku kontynuacji projektu). Na rysunku 8 pokazano przykład profilu z danymi elementarnymi.

Na podstawie danych elementarnych, zakodowanych w plikach „RASTER” obliczone zostały wskaźniki stanu dla odcinków obliczeniowych o długości 100 metrów. Wskaźniki stanu dla odcinków obliczeniowych zostały zwizualizowane na mapach tematycznych (rysunek 9).

Na podstawie wyników pomiarów sformułowano również listy odcinków krytycznych dla poszczególnych parametrów oraz statystyki (tablica 2).

Wnioski

W celu potwierdzenia możliwości realizacji pełnego procesu identyfikacji miejsc potencjalnego zagrożenia bezpieczeństwa ruchu na podstawie danych o stanie nawierzchni zrealizowano projekt pilotażowy, w którym przetestowano wszystkie „krytyczne” elementy proponowanej metody. W ramach projektu pilotażowego dokonano identyfikacji stanu nawierzchni oraz wideorejestracji pasa drogowego w obrębie stosunkowo krótkich, jednak silnie obciążonych odcinków dróg krajowych. Zebrane dane poddano analizie w pełnym, wymaganym przez zaproponowaną metodę zakresie, niezbędnym dla stworzenia podstawy dla analiz eksperckich. Wynikiem tych analiz jest lista odcinków, w odniesieniu do których zachodzi podejrzenie, iż wskutek koncentracji w ich obszarze nierówności względnie miejsc o niezadowalających właściwościach przeciwpoślizgowych może być zagrożone bezpieczeństwo ruchu. Odcinki te, wyłonione automatycznie w procesie indykacyjnym, szczególnie zaś te o najwyższym stopniu zagrożenia, powinny zostać poddane dalszym analizom eksperckim.

Tym samym zakończony został pierwszy etap planowanego przedsięwzięcia. Celem kontynuacji tego projektu w ramach dalszych prac badawczych i wdrożeniowych jest opracowanie konkretnych procedur, wykorzystywanych rutynowo w zarządzaniu eksploatacją dróg. W tym celu niezbędne jest jednak przedyskutowanie w gronie specjalistów dotychczasowych wyników niniejszej pracy badawczej oraz ustalenie ram organizacyjnych, w których dokonywana byłaby analiza miejsc potencjalnego zagrożenia ruchu wskutek złego stanu nawierzchni. Jedną z możliwości, która powinna być wzięta pod uwagę jest wykorzystanie do tego celu już istniejących struktur w ramach audytu bezpieczeństwa ruchu drogowego. W przypadku kontynuacji niniejszego projektu konieczne byłoby zatem skoncentrowanie się na tych zadaniach, które wiążą się z analizami eksperckimi oraz narzędziami, wspomagającymi te analizy. Najistotniejsze z tych zadań sformułowano poniżej.

Nowe parametry stanu
Sformułowanie nowych, specjalistycznych parametrów stanu, zorientowanych na jak najlepszy opis potencjalnych zagrożeń bezpieczeństwa ruchu. Powinny one uwzględniać przede wszystkim nierówności nawierzchni oraz parametry geometryczne drogi, takie jak promień krzywizny, pochylenie podłużne i poprzeczne. Nowe wskaźniki nie operowałyby, tak jak dotychczasowe, wartościami średnimi, lecz uwzględniały kształt nierówności (kolein) oraz położenie wody w koleinach. Dotychczas można dokonywać takiej oceny jedynie na podstawie wizualizacji danych elementarnych na profilach stanu w ramach analiz eksperckich. Celem, przyświecającym wprowadzeniu nowych parametrów jest ustandaryzowanie części prac analitycznych i umożliwienie daleko posuniętej automatyzacji, a przez to zwiększenie obiektywizmu przy formułowaniu wniosków odnośnie zabiegów profilaktycznych.

Interaktywne narzędzia informatyczne, wspomagające zarządcę
Implementacja narzędzi informatycznych, wspomagających zarządcę w realizacji prac eksperckich w odniesieniu do oceny miejsc, wskazanych przez system jako miejsca potencjalnego zagrożenia bezpieczeństwa ruchu. Takie narzędzia informatyczne musi cechować wysoka ergonomiczność oraz kompatybilność z innymi, wykorzystywanymi standardowo w Polsce systemami informatycznymi. Możliwym wzorcem w tym zakresie mógłby być system ZEB OnKo.

Analiza zależności wypadkowości i stanu nawierzchni
W celu potwierdzenia skali problemu zagrożenia bezpieczeństwa z uwagi na zły stan nawierzchni drogowych wskazane byłoby przeprowadzenie badań zależności wskaźników wypadkowości oraz odpowiednio zdefiniowanych, kompleksowych parametrów stanu, uwzględniających także elementy geometrii drogi.

dr inż. Sławomir Heller, Heller Ingenieurgesellschaft mbH, Niemcy
mgr inż. Tomasz Mechowski, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Polska
mgr inż. Przemysław Harasim, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Polska

Literatura (PDF)