Mitä kertoo maanteiden pulssimittari? Pertti Virtala Destia Oy

Transkriptio

1 Mitä kertoo maanteiden pulssimittari? Pertti Virtala Destia Oy Maanteiden kunnon hallinta on perustunut reilun 20 vuoden ajan enimmäkseen päällysteiden pintakunnon tarkasteluun uraisuuden, epätasaisuuden ja pintavaurioiden kautta. Käytetyt mittarit ovat sinänsä hyvä ja niillä löytyvät tiestöltä sellaiset kohdat, joilla uraisuus tai epätasaisuus on liian suurta. Näitä mittareita käytetään enimmäkseen melko yleisellä tasolla. Useimmiten puhutaan huonokuntoisista satametrisistä tai niiden summasta tietyllä alueen tai tieluokan mukaisella verkolla. Ne pohjustavat ylläpitotoimintaa jälkijättöisesti siten, että niissä näkyy liikenteen tai ilmaston tielle aiheuttamat seuraukset, mutta ne eivät paljasta ajoneuvon ja tien vuorovaikutusta eivätkä sen vuorovaikutuksen keskeisiä mekanismeja ajotuntumaa, ajovakautta, ajoneuvon hallittavuutta, tierasitusta tai tien kuormituksen kestokykyä. Perinteinen huonokuntoisten jaksojen määrään perustuva tarkastelutapa on sokea sille, mitä tiellä todella tapahtuu. Tilannetta voisi verrata ihmisen terveydentilan arviointiin. Potilaalla on jokin vaiva tai tauti ja se pitäisi diagnosoida. Diagnoosin tekemiseen tarvittavat syyt eivät useinkaan näy päältä, vaan on tehtävä mittauksia ja syvempää analyysiä. EKG-tutkimuksessa ihmisen sydämen toiminnasta haetaan syitä sille, miksi henkilö on huonovointinen. EKG-mittaus tuottaa sydänkäyrän, joka näyttää maallikolle monotoniselta sik-sak-käyrältä eikä kerro juuri mitään, mutta asiantuntijoille siitä saadaan paljon tarpeellista informaatiota. Sydänkäyrässä toistuu aaltosarja, josta käytetään tunnuksia PQRST. Pulssi saadaan R-kohtien välisenä aikana ja käännetään tunnusluvuksi lyöntiä minuutissa. Sykkeeseen liittyvät epänormaaliudet (harvalyöntisyys, tiheälyöntisyys, flimmeri, kammiovärinä, katkokset jne..) näkyvät erilaisena kullekin vaivalle tyypillisenä vaihteluna ja ne ovat asiantuntijan tunnistettavissa sydänkäyrästä ja siitä tehdyissä muissa analyyseissä. PQRST-käyrää ei itsessään mitata, vaan EKG-mittauksessa mitataan jännitteitä kehon eri osissa: käsissä, jaloissa ja sydämen ympärillä. Esimerkki on tietekniikkaan nähden vähän kaukaa haettu, mutta jäljempänä selitetään sen analogisuutta ja käyttökelpoisuutta. Mittaamalla saatu tietynlainen värähtely on normaalia ja tietynlainen taas epänormaalia ja ne pitää pystyä erottamaan toisistaan. Erilaiset tien kuntoa kuvaavat mittarit ja tunnusluvut tuotetaan päällysteen pinnasta tehtyjen mittausten perusteella. Niistä saadaan tien kolmiulotteinen pintamalli ja/tai pinnasta otettu jatkuva valokuva. Tiestä mitattu tieto edustaa eräänlaista EKG-mittausta. Tiestä saadaan paljon dataa, jonka hyödyntäminen edellyttäisi analyysiä. Ihmisen EKG-mittaus on hetkellinen eikä sitä yleensä varastoida minnekään. Tien vastaava mittaus on pituussuunnassa jatkuvaa, sitä toistetaan vuodesta toiseen tietyllä syklillä ja se tallennetaan tietokantoihin jatkojalostusta ja käyttöä varten. Pinnan mitattu raakatieto varastoidaan 100 mm:n välein 17 eri pituusprofiilista 3,2 m leveydeltä. Mitatuista profiileista saadaan muodostettua sekä pituussuunnan että poikkisuunnan epäsäännöllisyydet. Ajourien kohdalla on yhteensä kymmenen mittausanturia. Tien geometriatietoa (mäkisyys ja kaarteisuus) mitataan ja varastoidaan metrin välein. Näiden tietojen kautta on käytettävissä tien geometria, pinnan muoto ja nopeusrajoitus. Saatua mittaustietoa pystytään jalostamaan kytkemällä siihen liikkuvia ajoneuvoja ja tarkastelemalla ajoneuvojen ja tien välistä vuorovaikutusta. Kun tätä vuorovaikutusta seurataan pitemmällä aikavälillä, saadaan selville, mikä tietä vaivaa. Tien vaivojen ja liikennettä palvelevan tilan tunnistamiseen ja havainnollistamiseen tarvitaan hiukan tavanomaista monimutkaisempaa analyysiä. Tien tule tarjota liikenteelle välityskykyä, ajomukavuutta ja turvallisuutta. Välityskyky tiivistyy tässä yhteydessä ajonopeuteen eli tien tulee olla sellainen, että liikenne voi käyttää tiettyä tien standardin ja nopeusrajoituksen mukaista vakionopeutta sääolosuhteista riippumatta. Tien tulee olla sellainen, että ajaminen on turvallista silloinkin kun liikenteessä tai säässä tapahtuu vaihteluita. Riittävä ajomukavuus on myös tärkeä asia, koska se vähentää kuljettajan rasittumista ja väsymistä sekä ajoneuvon osien ja tien rasituksia ja kulumista. Turvallisuus on pitkälti kuljettajasta riippuva asia, mutta tieltä edellytetään tiettyä homogeenisuutta niin, että turvallisuus säilyy vaikka liikenteessä on erilaisia kuljettajia, ajoneuvoja ja ajo-olosuhteita. Turvallisuus

2 kulminoituu pitkälti siihen, että ajoneuvo on hallittavissa. Ajoneuvon pyörien on oltava kontaktissa tien pintaan. Ajoneuvoteollisuus tuottaa omalta osaltaan yhä parempia ajoneuvoja, jotka selviävät yhä huonommista tieolosuhteista ja korjaavat tai eliminoivat kuljettajan tekemiä virheitä. Kehittyneet mallit ja simulointimenetelmät ovat ahkerassa käytössä, kun ajoneuvon veto, jarrutus- ja jousitusjärjestelmiä suunnitellaan. Tienpidossa näitä menetelmiä ei kovin yleisesti käytetä, vaikka siihen on välineitä olemassa. Tässä esityksessä käsitellään tapaa, jolla vastaavia simulointitekniikoita voidaan ulottaa tienpidossa käytettäviin tarkasteluihin. Liikkeessä oleva ajoneuvo reagoi tien aiheuttamiin herätteisiin dynaamisena systeeminä, jota on mahdollista simuloida. Simuloinnissa ajoneuvosta muodostetaan malli ja se asetetaan ajamaan tietä tietyllä nopeudella. Ajoneuvomallin mukainen ajoneuvo reagoi tiehen ja saa erilaisia liiketiloja. Ajoneuvon korin liiketilat ovat herätteenä kuljettajan, matkustajien tai kuorman muodostamaan systeemiin, joka saa puolestaan liikevasteita omien dynaamisten ominaisuuksiensa kautta. Ajoneuvomalli on aina rajallinen todellisuuteen nähden. On olemassa parempia malleja ja huonompia malleja. ADAMS-malli edustaa ajoneuvomallien parhaimmistoa ja sillä pystytään simuloimaan täysperävaunullisen rekan käyttäytymistä kaikissa tarvittavissa liikedimensioissa. VEMOSIM-malli on myös melko kattava enemmänkin ajoneuvon moottorin toimintaan tarkoitettu malli, mutta taipuu kehittäjien käsissä yksittäisiin tilanteisiin tarpeiden mukaan. Tässä esitettävä malli on melko yksinkertainen. Se edustaa nelipyöräistä ajoneuvoa ja sillä pystytään (tässä vaiheessa) simuloimaan ajoneuvon pystyliikettä, heilahdusliikettä ja nyökkimisliikettä. Ajoneuvotyyppi voi olla joko henkilöauto, pakettiauto, linja-auto tai kuormaauto. Akselimäärä on rajoitettu kahteen. Periaatteessa on sitä parempi, mitä monipuolisempi malli on käytettävissä. Kehitetty malli tuottaa ajoneuvon pystysuunnan (z) liiketilat (sijainti, nopeus ja kiihtyvyys), sivuttaisheilahdusliikkeen (roll x, kulma, kulmanopeus ja kulmakiihtyvyys) sekä nyökkimisliikkeen ( pitch y nyökkimiskulma, kulmanopeus ja kulmakiihtyvyys). Lisäksi malli tuottaa dynaamiset pyöräpainot, mikä mahdollistaa tiehen kohdistuvien rasitusten laskemisen. Malli on kehitetty Eetu Hurtigin diplomityön yhteydessä ja sen käyttökelpoisuutta on tarkasteltu Liikenneviraston teettämissä kahdessa eri työssä Tien pituuskaltevuuden tunnusluvun määrittäminen ja Tien sivukaltevuuspuutteiden tunnistaminen. Malli ei tuota sivuttaisliikettä (y) eikä kierähdyskulmaa (yaw), koska niiden dynaamisissa tarkasteluissa tarvittaisiin ohjauksen ja rengaspidon dynamiikka. Mallin käyttökelpoisuus liikenneturvallisuuden kannalta paranisi huomattavasti, jos siihen lisättäisiin puuttuvien liikesuuntien hallinta. Alkuvaiheen malli on yksinkertaisempi, koska sillä halutaan tarkastella koko maantieverkkoa. Simuloinneissa tietä kannattaa käsitellä tieosan pituisina pätkinä. Tämä tarkastelutaso on tarkoituksenmukainen useastakin syystä. Se suuntaa tarkastelua yksittäisten satametristen sijasta siihen, miten kyseinen tieosuus palvelee liikkuvaa ajoneuvoa. Tieosa on graafisesti tarkasteltuna sopivan pituinen ja se muodostaa tieosoitejärjestelmässä hyvin määritellyn perusyksikön. Suomen maanteillä on noin tieosaa ja niiden keskimääräinen pituus on noin 5 km. Suunnat ja kaistat tarkastellaan omina kokonaisuuksinaan, jolloin tarkasteltavien perusyksiköiden määrä on suunnilleen Koska lähtötiedoksi tarvitaan vain PTMraakadata sekä tieosalla oleva nopeusrajoitus, on simulointitarkastelut helppo integroida teiden palvelutasomittausten yhteyteen. Sivuttaisheilahdusten kardiologia Tien sivukaltevuustilaa voidaan tarkastella vertaamalla sitä tien vaakageometriaan (Kuva 3 käyrä A) ja päättelemällä, ovatko kallistukset (B) oikean suuntaisia ja suuruisia. Vasemmalle kaartuvissa kaarteissa sivukaltevuuden tulee olla (mittaustietoa tarkastellen) positiivinen ja vastaavasti oikealle kaartuvissa kaarteissa tai suorilla negatiivinen. Tien sivukaltevuusvaihtelun tulee olla riittävän pientä, jotta se ei aiheuta ajoneuvoon liian suuria sivuttaisheilahduksia (C).

3 Pelkän heilahduskulman tarkastelu ei kuitenkaan paljasta tien ongelmakohtia, koska se vaihtelee niin vähän. Heilahduskulmanopeus (D) tai joissakin tapauksissa heilahduskulmakiihtyvyys paljastavat ongelmakohtia paremmin. Kuvaan 4 on laitettu keltaisia ja punaisia nuolia tiessä maastotarkastelussa havaittuihin sivukaltevuuden ongelmakohtiin. Ongelmakohtien sijainti ja määrä on tunnistettavissa parhaiten heilahduskulmanopeudesta (D) ja pyöräpainosiirtymän hajonnasta (F). Pyöräpainosiirtymä kuvaa sitä osuutta pyöräpainoista, joka siirtyy sivuttaisheilahduksessa puolelta toiselle. Sivuttaisheilahtelun syynä on usein reunapainuma tai korjaamatta jäänyt yksittäinen kohta, jota perinteinen IRI-tarkastelu ei tunnista. Tällaisia tien kohtia vaivaa reunapainumatauti. Pystyliikkeiden kardiologia Pystysuuntaisia liikkeitä aiheuttavat tien mäkisyys ja pinnan profiili. Mäkisyys on pitkäaaltoista ja kuuluu tien pystygeometriaan. Se vaihtelee (tieosan alkukohtaan nähden) muutamia metrejä tai kymmeniä metrejä suuntaan tai toiseen. Mäkisyyttä ei huomioida epätasaisuuteen liittyvissä tarkasteluissa, mutta se tulisi huomioida ajoneuvojen kaarrekäyttäytymistä simuloitaessa. Tien pituusprofiili on se informaatio, josta ajoneuvon pystyliikkeet lasketaan. Kuvan 4 osassa H on kummankin ajouran pituusprofiili. Profiilissa on yleensä muutaman kymmenen sentin vaihtelua ja siitä on hankala tunnistaa epätasaisia kohtia. Ajoneuvoon kohdistuvat pystysuunnan liikkeet ja liikenopeus. Simuloinnista saadaan ajoneuvon korin painopisteen mm. pystysuunnan liikeamplitudi (I) ja pystykiihtyvyys (J). Tien ongelmakohtien tunnistaminen näistä käyristä on hankalaa, mutta kun tarkastellaan niiden hajontoja (K), niin saadaan selvemmin esille, missä tien epätasaisimmat kohdat ovat. Tällaisten tien kohtien tauti on epätasaisuus. Nyökkimisliikkeen kardiologia Kuvassa 5 on esitetty tien aiheuttamia vasteita ajoneuvon nyökkimiskulmaan sekä ajoneuvon aiheuttama tierasitus. Kuvan kolme ylintä osaa kuvaavat nyökkimiskulmaa (L), kulmanopeutta (M) ja kulmanopeuden hajontaa (N). Loput osat kuvaavat tierasitusta (O) ja sen hajontaa (P). Käyrien edestakainen liike on taas hankalasti tulkittavissa, sen sijaan liikkeen hajonta tuo esille sellaiset kohdat, joilla tiessä on epäsäännönmukaisuutta. Tien tulisi olla ominaisuuksiltaan mahdollisimman homogeeninen. Hajonta kuvaa epähomogeenisuutta ja sopii siten hyvin haluttujen kohtien paikannukseen. Kun nyökkimiskulmanopeuden hajonta ylittää 2 astetta/s, niin selvät tai haitalliset nyökkimiskulmakohdat saadaan tunnistettua. Vastaavasti kun tierasituksen hajonta ylittää arvon 1 (50%), niin haitalliset kohdat saadaan tunnistettua. Tällaista tietä vaivaa nyökkimistauti. Raskaat ajoneuvot nyökkivät dynaamisten ominaisuuksiensa takia noin sekunnin taajuudella, minkä kaikki raskaiden ajoneuvojen kuljettajat hyvin itsekin tunnistavat. Jos tiessä on pienikin pituussuuntainen epäsäännöllisyys, niin ajoneuvo alkaa kuormittaa sitä kohtaa enemmän kuin muita kohtia ja nyökkimistä edistävä painuminen tai muu vaurioituminen alkaa. Tauti leviää yhdestä nyökkimiskohdasta eteenpäin kumpaankin suuntaan aiheuttaen kaistoille erilaista kuormitusta ja siten sivuttaisvaihtelua, josta puolestaan aiheutuu sivuttaisheilahdustauti. Muita tarkasteluja - Muita puuttumaan jääviä tarkasteluja ovat sivuttaispitoon ja kaarrekäyttäytymiseen liittyvät tarkastelut, joissa simuloitaisiin sivuttaiskitkan riittävyyttä eri tilanteissa. Sivukitkan tarveanalyysissä on hallittava myös vedon dynamiikka, koska ajoneuvo käyttää tarjolla olevaa kitkaa ensin pituussuuntaiseen vetoon (tai jarrutukseen) ja vasta toissijaisesti sivuttaispitoon. Sivuttaispito on tärkeätä erityisesti kaarteissa, joiden yhteydessä on mäkiä. Etuvetoiset ja takavetoiset ajoneuvot käyttäytyvät kaarreajossa eri tavalla ja siksi niille olisi tehtävä erilliset simuloinnit. - Yhdistelmäajoneuvoille tarvitaan erillinen tarkastelu, koska malliin tulee liittää perävaunun käyttäytyminen. Raskaiden ajoneuvojen todellisen nopeuden käyttö simuloinneissa edellyttäisi myös voimansiirron ulottamista niihin.

4 - Ajoneuvon korin pysty-, sivuttais- ja nyökkimisliikkeiden aiheuttamia vaikutuksia kuljettajaan voitaisiin tutkia asettamalla ajoneuvoon kuljettajamalli, jonka vasteita tutkimalla saataisiin selville, miten tiellä ajaminen kokonaisuudessaan vaikuttaa ihmiseen ja arvioida, miten esim. työterveyteen liittyvät tärinälle asetetut raja-arvot ylittyvät. Kuva 1. Ajoneuvomallilla voidaan simuloida 2-akselisten ajoneuvojen liikkeitä. Ajoneuvon painopisteeseen sijoitetaan koordinaatisto. Käytettävissä jäykkäkorinen nelipyöräinen seitsemän vapausasteen täysautomalli. Simulointi tuottaa koordinaatiston mukaisia liiketiloja: pystyliike z, heilahdusliike roll x-akselin ympäri ja nyökkimisliike pitch y-akselin ympäri. 80 Pituusprofiili ) m (m a a ta rid tu n A Laser 3 [mm] Laser 4 [mm] Laser 5 [mm] Laser 6 [mm] Laser 7 [mm] Laser 11 [mm] Laser 12 [mm] Laser 13 [mm] Laser 14 [mm] Laser 15 [mm] Kuva 2. Ajourien pituusprofiilit toimivat mallin herätteenä (50 m pätkä). Kummankin ajouran pituusprofiilit tuotetaan viiden anturin tuottaman informaation keskiarvona. Mittauksen askelväli on noin 1 mm ja tulos tuotetaan 100 mm keskiarvoina.

5 Kuva 3. Tien vaakageometrian ja kuorma-auton sivuttaisliikkeiden välisiä vasteita (10m arvoja). Tarkasteltu tieosa on noin 5 km pituinen ja se on ajettu vasemmalta oikealle. Maastokäynnillä on havaittu kaksi selvää ja kaksi haitallista sivukaltevuuden muuttumiskohtaa. Kuva 4. Tien pystygeometrian ja kuorma-auton pystyliikkeiden välisiä vasteita (10 m arvoja).

6 Kuva 5. Ajoneuvon nyökkimiskulmaan ja tierasitukseen liittyviä vasteita (10m arvoja). Yhteenveto ja johtopäätökset Tienpidossa ollaan edelleen hyvin niukkojen määrärahojen varassa. Tienpidon toimet on kohdistettava yhä tarkemmin. Toisaalta liikenneturvallisuutta halutaan parantaa ja sen toteuttamiseksi joudutaan etsimään kaikki mahdollisuudet. Tien ongelmakohdat tulee pystyä seulomaan aiempaa paremmin ja helpommin. Ajoneuvojen liiketilojen simuloinnit ovat yksi menetelmä tuottaa tietoa tien ongelmakohdista. Tiestötieto on jo niin kattavaa ja yksityiskohtaista, että se mahdollistaa kaikkien teiden ajoneuvosimuloinnit. Näin saataisiin selville, missä yksittäiset ajomukavuutta tai liikenneturvallisuutta heikentävät tien kohdat ovat ja pystyttäisiin kohdistamaan vähäiset korjausvarat niihin. Ajoneuvodynamiikka ja siihen tarvittavat matemaattiset laskentavälineet ovat tie- ja liikenneasiantuntijoiden ulottuvilla. Erilaisia ajoneuvomalleja on kirjallisuudessa saatavilla runsaasti. Tunnetuimmat simuloinnin apuvälineet Matlab ja Labview ovat nekin kehittyneet ja tarjoavat kaiken tarvittavan matematiikan insinöörin käyttöön. Syvääkään matematiikkaa ei tarvitse enää karttaa, koska sen käyttö on tehty niin helpoksi. Tien epätasaisuutta on aiemmin tarkasteltu ajoneuvon yhden pyörän mallilla, joka ottaa huomioon vain yhden ajouran pystysuunnan liikkeet. Pystyliikkeiden lisäksi on nyt olemassa malli, jolla saadaan tarkasteltua tien ja ajoneuvon välistä vuorovaikutusta sivuttais- ja pitkittäissuunnissa. Vaikka malli onkin suhteellisen yksinkertainen, on se kuitenkin kokonainen ajoneuvo ja sitä on helppo kehittää laajemmaksi.