Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus

Jussi Seppä, Rauno Heikkilä, Matti Pikkarainen, Jarmo Kauppinen, Anssi Lampinen Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus Kiihtyvyysanturiin perustuvan tasaisuusmittauksen kehittäminen ja soveltaminen sorateiden kunnon analysointiin Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 76/2008 gg

Jussi Seppä, Rauno Heikkilä, Matti Pikkarainen, Jarmo Kauppinen, Anssi Lampinen Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus Kiihtyvyysanturiin perustuvan tasaisuusmittauksen kehittäminen ja soveltaminen sorateiden kunnon analysointiin Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 76/2008 Tiehallinto Helsinki2008

Kannen kuva: Tietomekka Oy ja Oulun yliopisto ISSN 1457-991X TIEH 4000674 Verkkojulkaisu pdf (www.tiehallinto.fi/julkaisut) ISSN 1459 1561 TIEH 4000674-v Asiantunnus Edita Prima Oy Helsinki 2008 Julkaisua myy/saatavana Edita (asiakaspalvelu.prima@edita.fi) Faksi 020 450 2470 Puhelin 020 450 011 TIEHALLINTO Oulun tiepiiri Veteraanikatu 5 PL 261 90101 Oulu Puhelin 0204 22 11

Ju Jussi Seppä, Rauno Heikkilä, Matti Pikkarainen, Jarmo Kauppinen, Anssi Lampinen: Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus. Helsinki 2008. Tiehallinto, Oulun tiepiiri. Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 76/2008, 50 s. ISSN 1457-991X, TIEH 4000674, ISSN 1459-1561, TIEH 4000674-v. Asiasanat: Soratiet, tasaisuus, tien kunto, tiestömittaukset Aiheluokka: 70 TIIVISTELMÄ Tämän projektin tavoitteena oli kehittää automaattinen sorateiden tasaisuusmittausmenetelmä, jonka avulla sorateiden laatu tasaisuuden osalta voidaan todeta. Mittausmenetelmään kuului ajoneuvoon kiinnitettävä mittauslaitteisto sekä laitteiston kanssa keskusteleva tiedonkeräysyksikkö. Ajoneuvoon kiinnitettävään mittauslaitteistoon sisältyi auton takarenkaan ripustuksiin kiinnitettävä, pystysuuntaista kiihtyvyyttä mittaava anturi sekä kojelautaan kiinnitettävä pääte, josta mittaustiedot lähetettiin bluetooth-moduulin välityksellä tiedonkeräysyksikköön. Tiedonkeräysyksikkönä toimi puhelimeen asennettava tiedonhallintaohjelma, jonka avulla tietoa voitiin käsitellä ja lähettää edelleen raportointia varten. Sorateiden tasaisuuden mittausta kehitettiin määrittelemällä rajapinta tiedonhallinta-sovelluksen ja mittausyksikön välille. Kiihtyvyysanturiin pohjautuvaa tasaisuusmittausta kehitettiin mittauksin, joilla tutkittiin kahteen autoon kohdistuvia pystysuuntaisia kiihtyvyyksiä erisuuruisista epätasaisuuksista ja eri ajolinjoja käyttäen. Renkaan ilmanpaineen vaikutusta mittaustuloksiin tutkittiin kiihtyvyysmittauksin ajoneuvon heilahduksen vaimentimien testaukseen tarkoitetulla tärinälaitteistolla. Mittausten perusteella kehitettiin alustava asteikko, jonka avulla soratiet voidaan luokitella viiteen luokkaan. Mittaukset osoittivat, että kahden tutkitun ajoneuvon mittaustulosten suuruusluokka erosi toisistaan. Mittausmenetelmän käyttämiseen eri ajoneuvoissa kehitettiin soveltuva kalibrointimenetelmä, jonka avulla ajoneuvokohtainen kalibrointikerroin voidaan määrittää. Tämän tutkimus- ja kehitystyön tuloksena syntyi sorateiden automaattinen pituussuuntaisen tasaisuuden mittausmenetelmä. Kehitetty mittausmenetelmä vaikuttaa soveltuvan hyvin sorateiden tasaisuuden mittaamiseen, seurantaan ja hallintaan. Yksittäisten kuoppien luokittelua mittausmenetelmän avulla ei ole vielä ainakaan tässä vaiheessa mahdollista suorittaa, mutta selkeät kuopat saatiin kuitenkin menetelmän avulla esille. Kiihtyvyysanturilla saadun tasaisuusmittauksen heikkoutena on se, että sillä saadaan tietoa vain auton ajolinjalta. Jatkossa voitaisiin tutkia mahdollisuutta mitata ja yhdistää konenäön avulla saatavaa tietoa kiihtyvyysanturilla saatuun mittaustietoon. Konenäön avulla olisi mahdollista havainnoida tien kuoppaisuutta koko sen leveydeltä ja seurata myös tien leveyttä. Kehitetty mittausmenetelmä mahdollistaa tasaisuustiedon keräämisen soratiestöltä automaattisesti. Tiedonkerääjältä ei vaadita välttämättä enää suurta asiantuntemusta. Menetelmä mahdollistaa suurten tietomäärien keräämisen ja tasaisuustiedon kehittymisen seurannan. Työn tuloksena syntyneen mittausmenetelmän etuna on reaaliaikaisuus. Reaaliaikaisuus avaa lukuisia uusia mahdollisuuksia kehittää tiestön kunnonhallintaa, valvoa urakoitsijoiden laatua ja varautua turvallisuusriskeihin tehokkaammin.

ESIPUHE Ajalla 10/2007 12/2008 toteutetun esota-projektin (Kiihtyvyysanturiin perustuvan tasaisuusmittauksen kehittäminen ja soveltaminen sorateiden kunnon analysointiin) tilaajana toimi Tiehallinto. Projektin toteutuksesta vastasivat Oulun yliopiston rakentamisteknologian tutkimusryhmä, Tietomekka Oy ja AL-Engineering Oy. Projektin liittyen tehtiin myös diplomityö. Projektia on ohjannut työryhmä, johon ovat kuuluneet: Jarkko Pirinen Keijo Pulkkinen Rauno Heikkilä Jussi Seppä Anssi Lampinen Matti Pikkarainen Jarmo Kauppinen Tiehallinto (pj) Tiehallinto Oulun yliopisto Oulun yliopisto AL-Engineering Oy Tietomekka Oy Tietomekka Oy Oulussa joulukuussa 2008 Tiehallinto Oulun tiepiiri

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 7 Sisältö 1 JOHDANTO 9 1.1 Hoidon kehitys 9 1.2 Aikaisemmat tutkimukset 10 1.3 Sorateiden nykyinen kuntoluokitus 11 1.4 Epätasaisuuden vaikutuksia 12 1.5 Tien epätasaisuuksien aiheuttamien värähtelyjen mittaaminen 14 1.6 Tavoite 17 2 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN 18 2.1 Mittauksissa käytetty laitteisto 19 2.2 Kehitetty automaattinen sorateiden tasaisuuden mittausmenetelmä 19 2.2.1 Automaattisen järjestelmän toimintaperiaate 20 2.2.2 Mittaustulosten raportointi 22 2.2.3 Mittausmenetelmän kalibrointi 24 2.2.4 Huomioitavia asioita järjestelmän käytössä 24 2.3 Virhelähteet 25 2.4 Mittaukset 26 2.4.1 Erilaisten epätasaisuuksien mittaus 27 2.4.2 Mittausmenetelmän soveltuvuus eri ajoneuvoille 28 2.4.3 Renkaan ilmanpaineen vaikutus mittaustulokseen 28 2.4.4 Pyöränripustustestauslaitteiston soveltuvuuden selvittäminen mittausmenetelmän kalibrointiin 30 2.4.5 Mittaukset isomman mittausalueen omaavalla kiihtyvyysanturilla 30 2.5 Autorin kehittäminen sorateiden automaattiseen mittaukseen 30 2.5.1 Tiedonsiirtorajapinnan suunnittelu 30 2.5.2 Tiedonkeräysyksikössä tapahtuvan laskennan suunnittelu 31 2.5.3 Mittausjärjestelmän työpöytätestaus 31 2.5.4 Mittausjärjestelmän kenttätestaus 31 2.5.5 Tiedonsiirron ja raportoinnin kehittäminen 32 3 TULOKSET 33 3.1 Erilaisten epätasaisuuksien mittaus 33 3.2 Mittausmenetelmän soveltuvuus eri ajoneuvoille 34 3.3 Renkaan ilmanpaineen vaikutus mittaustulokseen 36 3.4 Pyöränripustuksentestausyksikön soveltuvuuden selvittäminen mittausmenetelmän kalibrointiin 38 3.5 Mittaukset isomman mittausalueen omaavalla kiihtyvyysanturilla 39

8 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 4 PÄÄTELMIÄ 41 LÄHDELUETTELO 43

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 9 JOHDANTO 1 JOHDANTO 1.1 Hoidon kehitys Hoidon palvelusopimuksissa on tavoitteena ottaa käyttöön sähköinen tiedonhallinta. Tavoitteena on tehostaa tarjoustoimintaa ja laadunhallintaa sekä automatisoida tietojen keruuta, käsittelyä ja jakelua. Pääosin verkossa tapahtuvalle sähköiselle hankintamenettelylle ovat tunnusomaisia seuraavat asiat ja toiminnot: - Sähköiset tienpidon suunnitelmat ja hankintaohjelmat - Kaikki hankkeiden lähtö-, oheis- ja taustamateriaalit sähköisiä - Sähköiset tarjouspyynnöt ja -asiakirjat - Tarjousten tekeminen sekä jättäminen sähköistä ja dokumentoitua - Sähköinen verkossa tapahtuva tarjousten arviointi ja analysointi - Sopimusten hallinta ja yhteistyö sähköistä verkossa tapahtuvaa - Sähköinen maksuliikenne - Automatisoitu laadunosoitus ja raportointi - Automatisoitu laadunvalvonta ja sitä koskeva tiedonkeruu, jalostus ja jakelu - Sähköinen tiestötiedon ylläpito (mobiilit toimintamallit). Sähköinen hankintamenettely otetaan käyttöön vaiheittain. Ensimmäiset uuden toimintamallin kehitysaskeleet on Tiehallinnossa jo otettu. Tiehallinnon urakoissa palveluntuottajat ovat mm. saaneet tarjouslaskennan lähtötiedot internet verkon välityksellä sähköisestä kauppapaikasta. Tavoitteena Tiehallinnossa on, että sähköinen hankintamenettely on käytössä täydessä laajuudessa vuoteen 2010 mennessä, jolloin se on kaksisuuntaista ja vuorovaikutteista Tiehallinnon ja palveluntuottajien välillä. Kilpailuttamisportaalit tarjouspyyntöprosessissa ja kanssakäymisportaalit palvelusopimuksen toteutuksen seurannassa ovat käytössä osana sähköistä hankintamenettelyä. Portaaleissa tieto liikkuu kaksisuuntaisesti. Kilpailuttamisen osalta tarvittava sähköinen kauppapaikka kuuluu tilaajalle ja palvelun tuottamiseen liittyvä kanssakäymisportaali palveluntuottajalle. Tiehallinto edellyttää, että jokaisessa vuonna 2008 alkavassa hoidon palvelusopimuksessa käytetään palveluntuottajan toimesta tarjottavaa kanssakäymisportaalia tiedonvälitykseen tilaajan ja palveluntuottajien välillä. Palvelusopimuksilla siirretään uusia tehtäviä ja vastuuta markkinoille. Palvelusopimukset merkitsevät uutta toimintamallia ja uusia osaamisvaatimuksia sekä tilaajalle että palveluntuottajalle. Hoidon palvelusopimusten kehittämisen askelluksiin kuuluvat markkinoiden kehittäminen, toimijoiden osaamisen kehittäminen, tiedon hallinnan kehittäminen, tilaajan hoito- ja ylläpitosuunnitelman sekä ylläpidon ohjausvälineistön kehittäminen. Hoidon palvelusopimuksissa laadun mittaus ja osoittaminen kuuluu pääsääntöisesti palveluntuottajan tehtäviin. Tilaaja tekee itse tai teettää tilaustyönä lisäksi pistokoeluonteisesti mittausta laadun valvontaan. Laadun arviointi on nykyisin perustunut valokuvasarjojen hyväksikäyttöön kuntoarvoa määritettäessä. Rajatapauksissa tulkinta kuntoarvosta on kuitenkin haasteel-

10 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄJOHDANTO linen tehtävä. Jotta kuntoarvo voitaisiin yksiselitteisesti määrittää tarjouspyyntöasiakirjoihin ja mitata palveluntuotannon yhteydessä, olisi hyvä käyttää mittareita kunnon arvioinnissa. Päällystettyjen teiden kunnonhallintaan ja laadun todentamiseen on käytössä useita erilaisia mittauksia ja tunnuslukuja. Sorateiden pintakunnon mittaus sen sijaan perustuu vielä nykyäänkin silmämääräiseen tarkastukseen. Visuaalinen tarkastus on kuitenkin ongelmallista sen subjektiivisuuden ja tulkinnanvaraisuuden takia. Sorateiden pitkäaikaisen kunnon ja urakoitsijoiden laadun seurantaa vaikeuttaa myös yksiselitteisten mitta-arvojen puuttuminen. Soratien laatu koostuu useista asioista, joista pituussuuntainen tasaisuus on kuitenkin hallitsevin. Laadun kannalta oleellista on tien kunnon vastaavuus tien käyttäjien odotuksiin nähden. Soratien tasaisuus ei välttämättä tarkoita sitä, että tie olisi kunnossa. Tasaisuuden tutkiminen ei siis anna täydellistä kuvaa tien laadusta, vaan huomioon on otettava muutkin tien käyttöön ja kuntoon vaikuttavat asiat, kuten tien pölyäminen, irtoaines ja sivukaltevuus. 1.2 Aikaisemmat tutkimukset Sorateiden tasaisuuden mittaus ja tunnuslukujen kehittäminen alkoivat Suomessa 1990-luvun puolessa välissä, jolloin tutkittiin tien tasaisuutta kuvaavaa tunnuslukua, joka olisi yhteydessä tien käyttäjien kokemaan ajomukavuuteen. Tutkimuksessa käytettiin kiihtyvyysanturiin perustuvaa laitteistoa, joka oli pääpiirteiltään hyvin samanlainen kuin tässä diplomityössä käytetty. Tutkimuksessa vertailtiin ajopaneelin avulla saatujen ajomukavuusarvosanojen ja noin 100 soratien tasaisuusmittaustuloksen vastaavuutta. Tasaisuusmittaustulokset ja niiden pohjalta tehty tasaisuusluokitus perustuivat IRIarvoihin. Työn tuloksena ehdotettiin, että yleisesti käytössä oleva tien tasaisuustunnusluku IRI soveltuisi myös sorateiden tasaisuuden ja ajomukavuuden kuvaamiseen. Sen sijaan kunnossapidon laadun seurantaan sorateillä IRI:n ei sellaisenaan arveltu soveltuvan. Kunnossapidon seurantaan ehdotettiin käytettävän IRI-arvon muutosta verrattuna syyskunnostuksen jälkeiseen arvoon. (Hiltunen & al. 1995, 20 21). 90-luvun puolivälissä tehdyn tutkimuksen tulokset eivät kuitenkaan olleet merkittäviä, koska mittaustapaa pidettiin työläänä ja tiekohtaisten laatuvaatimusten asettamista hankalana. Sorateille soveltuvaa mittausmenetelmää ja tunnuslukua kehitti edelleen Lampinen kahdessa tutkimuksessaan (1998 ja 2001), joissa hän otti tasaisuuden analysointiin mukaan myös IRI2-arvon. Näissä tutkimuksissa havaittiin auton taka-akselilta mitatun pystysuuntaisen kiihtyvyyden kuvastavan parhaiten sorateiden tasaisuutta. Kiihtyvyyssignaalin käyttökelpoisuutta puoltaa myös se, että sen avulla saadaan hyvin yksittäiset kuopat ja reiät esille. Perinteinen IRI-arvo ottaa huomioon paljon sellaisiakin asioita, joihin ei voida sorateiden kunnostustoimilla vaikuttaa. Ruotsissa on myös kokeiltu ja kehitetty kiihtyvyysanturiin perustuvaa mittausta sorateillä kulkevissa postiautoissa. Toistaiseksi järjestelmä on vielä kokeiluasteella. (Saarenketo 2006, 19). Aikaisempien tutkimusten mittaukset eivät kuitenkaan anna kuvaa mittaustavan soveltuvuudesta eri ajoneuvoissa käytettäväksi. Mittausmenetelmän

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 11 JOHDANTO käyttöön ottoa on estänyt myös se, ettei rengaspaineen vaikutusta mittaustuloksiin tunneta. 1.3 Sorateiden nykyinen kuntoluokitus Sorateiden pituussuuntaista tasaisuutta arvioidaan kuntoluokituksen yhteydessä. Kuntoluokitus perustuu viisiportaiseen kuva-standardiin, johon arvioitavan tien visuaalista havaintoa verrataan. Arvioinnissa otetaan huomioon myös tien kiinteys ja poikkileikkaus. Lopullinen kuntoluokka 1 5 määräytyy huonoimman ominaisuuden mukaan. Tien tasaisuus on kuitenkin ominaisuuksista hallitsevin, koska tiellä liikkuvat aistivat sen kiusallisimpana. (Tiehallinto, sorateiden kuntoluokitus), (Tiehallinto, kunnossapidon tuotekortit 2007). Alueurakoitsijan velvollisuutena on seurata sorateiden laatua kuntoluokituksen avulla. Käytännössä sorateiden arvioiminen tapahtuu 2 km pätkissä, jotka on jaettu 100 m tarkastusjaksoihin. Jokaiselle 100 m pätkälle annetaan arvosana 1 5. Kuntoluokkaa 1 ei saa esiintyä olleenkaan ja luokkaa 2 (kuva 7) saa esiintyä enintään 10 % vilkkaampiliikenteisellä tiellä (KVL < 200 ajoneuvoa/vrk) ja 20 % vähäliikenteisellä tiellä (KVL >200 ajoneuvoa/vrk). Alueurakan yhteydessä määritellään noin 4 % urakasta kattavat 2 km tienpätkät, joista alueurakoitsija on velvollinen raportoimaan kesäkuusta syyskuuhun Tiehallinnolle. Arvioitavat pätkät täytyy tarkastaa kahden viikon välein. Tiehallinto valvoo koko alueurakan laatua satunnaisin pistokokein noin kerran viikossa. Lisäksi sorateiden kunnosta tulee palautetta tienkäyttäjiltä. (Tiehallinnon Oulun tiepiirin tiemestareiden Nauska & Pöykiö haastattelu 4.3.2008). Teiden kuntoluokituksessa käytetään apuna yleensä matkapuhelimessa toimivaa tiedonhallintaohjelmaa, jossa on karttapohja Suomen tiestöstä. Ohjelma tallentaa mittauspaikan GPS:n avulla helpottaen näin mittausta. Kuntoluokituksen tiedot lähetetään langattomasti palvelimelle ja edelleen tietojärjestelmään, jossa ne ovat saatavilla esimerkiksi hoitotoimenpiteitä suunniteltaessa.

12 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄJOHDANTO Kuva 1. Kuntoluokkaa 2 vastaava standardikuva ja kuntoluokan määritelmä. Tien poikkileikkausmuoto on jonkin verran voinut muuttua. Tien pinnassa on jonkin verran "pyykkilautaa". Paikoin voi olla varoitusmerkein osoitettavia painumia tai kohoutumia. Tie pölyää kohtalaisesti. Ajonopeutta on joskus hiljennettävä ja epätasaisia kohtia varottava. (Tiehallinto, kuntoluokitus). 1.4 Epätasaisuuden vaikutuksia Soratien kunto, joka koostuu tasaisuuden lisäksi pölyämisestä ja kiinteydestä, vaikuttaa ajo- ja kunnossapitokustannuksiin. Ajokustannukset voidaan jaotella edelleen ajoneuvo-, aika-, onnettomuus- ja ympäristökustannuksiin (kuva 2). (Malmivuo & al. 2005, 26). Ajokustannukset Aikakustannukset Onnettomuuskustannukset Ajoneuvokustannukset Ympäristökustannukset Pakokaasu Polttoainekustannukset Melu Arvonalennus Korjaus- ja varaosakustannukset Rengaskustannukset Kuva 2. Ajokustannusten jakautuminen (muokattu lähteestä Malmivuo & al. 2005, 22).

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 13 JOHDANTO Tien epätasaisuus alentaa keskinopeutta ja vaikuttaa samalla alentavasti onnettomuusriskiin, mutta kohottaa kuitenkin aikakustannuksia. Aikakustannukset määritellään kuluneen ajan ja ajanarvon tulona. Toisaalta on kuitenkin muistettava, että tien epätasaisuudet voivat aiheuttaa erittäin vakavia onnettomuuksia. Erityisesti suuret epätasaisuudet voivat vaikuttaa ajoneuvon hallittavuuteen. Lisäksi epätasaisuus kasvattaa auton vierintävastusta, joka vaikuttaa ajoneuvon polttoaineenkulutukseen. Tien epätasaisuudet lisäävät sekä auton kiihdytyksiä että jarrutuksia ja vaikuttavat näin ajoneuvoja ympäristökustannuksiin (kuva 3). (Malmivuo & al. 2005, 39 48). Tien epätasaisuudet alentavat ajonopeutta. Tiehallinnon tutkimuksen mukaan jopa yli 70 % sorateillä liikkuneista kertoi tien kunnon aiheuttaneen ajonopeuden alentumista. Kolmasosa kyselyyn vastanneista nosti soratien kunnon osasyyksi auton vahingoittumisille, vaaratilanteelle tai onnettomuudelle. (Forsblom & al. 2006, 51). Kuva 3. Ajokustannusten jakautuminen sorapintaisella yhdystiellä, jonka KVL on 200 ajoneuvoa muutetun kuntoarvon mukaan (kuntoarvo =18,3-3.3 * kuntoluokka) (Malmivuo & al. 2005, 26). Soratien epätasaisuuden aiheuttama mekaaninen värähtely eli tärinä vaikuttaa tiellä liikkuvien ihmisten ajomukavuuteen ja terveyteen. Pahimpia epätasaisuuksia ajomukavuuden ja terveyden kannalta ovat suuret kuopat ja terävät reunat, jotka aiheuttavat suuria pystysuuntaisia kiihtyvyyksiä (Saarenketo 2006, 17). Terveyden kannalta oleellisia ovat myös tärinän kesto, taajuus, amplitudi ja säännöllisyys. Tärinä vaikuttaa ihmisen keskittymiskykyyn, tarkkaavaisuuteen ja motivaatioon. Lisäksi erityisesti matalat taajuudet voivat aiheuttaa pahoinvointia. (Marjanen 2002, 19).

14 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄJOHDANTO Tärinän aiheuttamat sairaudet liittyvät yleensä käsiin (käsitärinä) ja selkään (koko kehon tärinä). Tärinää pidetään yleisesti suurimpana yksittäisenä syynä selkäkipuihin. Vaikka selkärangan vaurioitumisella ja tärinällä on selkeä yhteys toisiinsa, ei tärinän osuutta sairauksiin ole pystytty aukottomasti todistamaan. (Marjanen 2002, 21 22). Eri taajuuksisten värähtelyjen vaikutusta ihmiskehoon ei vielä tarkasti tiedetä, mutta ihmisen kannalta merkittävänä taajuusalueena pidetään 0 80 Hz. Pystysuuntaiselle kiihtyvyydelle taas haitallisin taajuusalue on 4 8 Hz. 0 80 Hz taajuusalueelle osuu myös suurin osa ihmisen elinten ja ruumiinosien resonanssitaajuuksista. Ihmisen resonanssitaajuuksilla ilmenevä värähtely vaikuttaa merkittävimmin ihmisen terveyteen ja epämukavuuden tunteeseen (kuva 4). (ISO 2613), (Marjanen 2002, 33 ja 36). Kuva 4. Seisovan ja istuvan ihmisen elinten ja ruumiinosien resonanssitaajuudet (Marjanen 2002, 30). 1.5 Tien epätasaisuuksien aiheuttamien värähtelyjen mittaaminen Värähtelyllä tarkoitetaan jonkin kuviteltavissa olevan pisteen liikettä tasapainoasemansa ympärillä tärinälähteen eli herätteen vaikutuksesta. Sorateillä tämä tarkoittaa sitä, että tien epätasaisuudet toimivat herätteinä saaden auton ja sen matkustajat värähtelemään. Värähtelyt siirtyvät ensin auton raken-

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 15 JOHDANTO teisiin, ja niiden kautta auton matkustajiin. Värähtelyn vasteena toimivat auton rakenteiden ja ihmisen reagointi kohdistuneeseen voimaan. Kaikki herätteen aiheuttama energia ei kuitenkaan siirry värähtelyvasteeseen, vaan osa värähtelyn energiasta muuttuu auton rakenteissa ja vaimentimissa muun muassa lämmöksi. Tien aiheuttamien värähtelyjen energia esiintyy äänenä, renkaan kulumisena, tien kulumisena ja tärinänä. Sorateillä esiintyvät epätasaisuuden aiheuttamat värähtelyt ovat tyypiltään matalataajuisia. (Nevalainen 1999, 6 7). Värähtelyjen aallonpituudella tarkoitetaan yhden aallon syntymiseen kuluvaa matkaa. Amplitudi A taas kertaa värähtelyn laajuuden eli maksimipoikkeaman tasapainoasemasta. Kuvassa 5 on esitetty fysikaalinen perustilanne, jossa A:n syvyinen kuoppa saa aikaan amplitudiltaan samansuuruisen vaimenemattoman värähtelyn. Kuvan tilanne on vain teoreettinen, koska käytännössä sorateillä esiintyvään värähtelyyn vaikuttavat muun muassa autonrenkaan vaimennus ja auton heilahduksen vaimentimet. Soratiellä esiintyvä värähtely koostuu monista eritaajuuksisista värähtelyistä, jotka ovat satunnaisia. (Dahlström & Syrjälä 1984, 18). Kuva 5. Säännöllinen vaimentamaton värähtely. (Granlund & Lang 1999, 4). Tiellä ajettaessa esiintyy eri aallonpituuksilla kuvan 6 mukaisia ilmiöitä. Mikro- ja makrokarkeus ovat välttämättömiä, koska ne mahdollistavat tiellä liikkumisen kitkan avulla. Mikro- ja makrokarkeudella on kuitenkin myös huonoja ominaisuuksia, kuten melu ja tien kuluminen. Megakarkeus ja epätasaisuus ovat epähyödyllisiä ominaisuuksia. Erityisesti aallonpituusalueella 0,1 50 m esiintyvä epätasaisuus on haitallista, koska se heikentää ajomukavuutta, auton hallittavuutta sekä lisää vierintävastusta.

16 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄJOHDANTO Kuva 6. Alalaidassa eri aallonpituuksilla esiintyvät epätasaisuudet. Yläpuolella niitä vastaavat ilmiöt. (Ruotoistenmäki 2005, 24). Nopeudella (v) on kaavan 1 mukainen yhteys aallonpituuteen ( ) v f, (1) jossa f on taajuus eli värähdysten lukumäärä aikayksikössä Värähtelyt, jotka värähtelevät samalla taajuudella, ovat resonanssissa keskenään eli vahvistavat toisiaan. Auton rakenteen kannalta haitallisimpia taajuuksia ovat auton korin ominaistaajuus noin 1 2 Hz ja akselin ominaistaajuus 12 15 Hz. Ihmisen kannalta haitallisimmat taajuudet ovat 4 8 Hz, jos arvioidaan pystysuuntaista kiihtyvyyttä. Auton ominaistaajuuksien kanssa saman taajuiset värähtelyt vaikuttavat eniten auton ajettavuuteen, kun taas ihmisen resonanssitaajuuksilla ilmenevät värähtelyt vaikuttavat merkittävimmin terveyteen. (Bauer & al. 2003, 667). Värähtelymittauksissa mitataan yleensä siirtymän, nopeuden tai kiihtyvyyden vaihtelua ajan funktiona. Sorateitä tutkittaessa siirtymänä toimii epätasaisuus h(t), joka aiheuttaa ajoneuvon renkaan alapintaan pystysuoran nopeuden v ja kiihtyvyyden a ajan funktiona alla olevien kaavojen mukaan. z z dh v z dt dv z az dt 2 d h 2 dt (2) (3)

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 17 JOHDANTO Vaakasuoran vakioajonopeuden v x vaikutus renkaan pystysuuntaiseen kiihtyvyyteen a on kaavan 4 mukainen. z 2 x vx 2 h az, (4) l jossa hx on epätasaisuuden suuruus matkalla l [m] l on kuljettu vaakasuora matka [m] Mekaanisten värähtelyjen mittaamiseen soveltuu erinomaisesti kiihtyvyysanturi, jonka toiminta perustuu tunnetun massan liikkeen aikaansaamaan sähköiseen signaaliin (Nevalainen 1999, 7). Tutkittaessa vain jonkin akselin suuntaista kiihtyvyyttä riittää yksiakselinen kiihtyvyysanturi. Kun halutaan tutkia kiihtyvyyksiä kolmen akselin suhteen, kuten ihmisen kohdistuvan tärinän määrittämisessä, tarvitaan kolmiakselinen anturi. (Ylitalo 2005, 16 20). 1.6 Tavoite Tämän tutkimus- ja kehitystyön tavoitteena on kehittää automaattinen sorateiden tasaisuusmittausmenetelmä. Mittaus tapahtuu ajoneuvolla ajaen käyttäen ajoneuvossa mittalaitetta ja mittalaitteen kanssa keskustelevaa tiedonkeräysyksikköä. Ajoneuvoon tulevaan mittauslaitteistoon kuuluvat auton takarenkaan ripustuksiin kiinnitettävä, pystysuuntaista kiihtyvyyttä mittaava anturi ja kojelautaan kiinnitettävä pääte, josta mittaustiedot lähetetään bluetooth-moduulin välityksellä tiedonkeräysyksikköön. Tiedonkeräysyksikkönä toimii puhelimeen asennettava tiedonhallintaohjelma, jolla tietoa voidaan käsitellä ja lähettää edelleen raportointia varten. Tiedonkeräyksen tavoitteena on automatisoida mittaustapahtuma siten, ettei kuljettajan tarvitse kiinnittää huomioita muuhun kuin ajoneuvon turvalliseen kuljettamiseen. Kehitetyllä mittausmenetelmällä voidaan puolueettomasti todeta sorateiden kuntotila tasaisuuden osalta.

18 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄSORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN 2 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN Sorateiden automaattisen mittausmenetelmään kuuluvat laitteistot, joita käytetään tässä tutkimuksessa, voidaan jakaa kahteen osaan. Autoon kiinnitettävä mittauslaitteisto mittaa tien tasaisuuden aiheuttamia pystysuuntaisia kiihtyvyyksiä ja vastaa mittaustietojen lähettämisestä eteenpäin. Matkapuhelin ja palvelin taas vastaavat mittaustietojen jalostamisesta, tallentamisesta ja esittämisestä käyttäjälle. Autoon kiinnitettävä laitteisto koostuu kapasitiivisesta kiihtyvyysanturista ja auton tuulilasiin kiinnitettävästä mittarista. Tässä tutkimuksessa mittaustietojen lähettämisestä ja jalostamisesta vastaa auton tuulilasiin kiinnitettävä AL- Engineeringin kehittämä Gripman-mittari, josta tässä raportissa käytetään nimitystä Gripman. Kiihtyvyysanturi on VTI Hamlinin valmistama anturi, jonka mittausalue on 12 g. Kiihtyvyysanturi on kiinnitetty auton oikean takarenkaan ripustuksiin lähelle rengasta (kuva 7). Näin pyritään minimoimaan autojen erilaisten ominaisuuksien vaikutus mittausarvoihin. Tuulilasiin kiinnitettävä mittausyksikkö lähettää tiedot langattomasti matkapuhelimessa toimivalle sovellukselle 100 m jaksotiedon laskemiseksi. Tässä tutkimuksessa käytettiin ja kehitettiin Tietomekka Oy:n kehittämää T&M-Autori sovellusta, josta käytetään jäljempänä vain Autori nimitystä. Kuva 7. Kiihtyvyysanturin kiinnityspaikka auton tukivarressa. Mittauslaitteen kehitystyön lähtökohtana on ollut helppokäyttöisen, mutta luotettavan mittauslaitteen ja menetelmän toteuttaminen. Helppokäyttöisyys tarkoittaa mm. sitä, että laitteen asentaminen ja käyttäminen on mahdolli-

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 19 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN simman yksinkertaista. Prototyypin perustaksi on otettu Gripman jarrutuskitkamittari, jossa on valmiiksi rakennettuna Bluetooth-yhteys Autorin kanssa. Tasaisuusmittauksen tuloksen arvioinnissa on oleellista tietää ajonopeus. Koska Autori käyttää luonnostaan GPS-signaalia, saadaan tarvittava nopeustieto esim. 1,2 sekunnin välein GPS:n avulla. Näin ollen ei tarvita erillistä pulssianturia. 2.1 Mittauksissa käytetty laitteisto Mittarin kehitysvaiheessa kiihtyvyysanturin lähettämä signaali otettiin talteen kannettavalle tietokoneelle oskilloskoopin avulla. Oskilloskooppina mittauksissa toimii Pico Technologyn PicoScope 3224. Se kytkettiin kannettavaan tietokoneeseen USB-liitännällä. Kiihtyvyysanturilta tuleva sähköinen kiihtyvyyssignaali saadaan muutettua vastaamaan todellista kiihtyvyyttä, kun tiedetään anturin herkkyys 0,15 V/g (CCD-Fotoniikka Oy 2008). Tämä tarkoittaa sitä, että anturilta tuleva 150 mv jännite vastaa 9,81 m/s 2 kiihtyvyyttä. Kiihtyvyyssignaalista lasketaan absoluuttinen keskiarvo ja RMS-arvo. Arvot lasketaan 1,2 sekunnin pituisissa osissa, joista lasketaan myös kokonaiskeskiarvot 100 metrille. Kiihtyvyyssignaalia tulkitaan ja luokitellaan absoluuttisen keski- ja RMS-arvon avulla, koska ne antavat kohtuullisen hyvän kuvan tien epätasaisuuksien vakavuudesta. Lisäksi niiden laskenta on yksinkertaista eikä vaadi paljon laskentatehoa, joten arvot soveltuvat käytettäväksi automaattisessa mittausjärjestelmässä. Ajonopeus vaikuttaa merkittävästi ajoneuvoon kohdistuvien kiihtyvyyksien suuruuteen. Kaikki kiihtyvyysanturilla mitattavat pystykiihtyvyydet muutetaan vastaamaan vertailunopeutta v norm, joka on 60 km/h. Muutoksessa on huomioitava näytteiden välisen ajan pysyminen vakiona. Muutoskerroin k saadaan kaavan 5 perusteella. v v norm k, (5) jossa m v m on ajoneuvon nopeus mittaushetkellä Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että nopeudella 40 km/h mitatut kiihtyvyysarvot muutetaan vastaamaan kiihtyvyysarvoja, jotka olisi saatu jos mittaus suoritettaisiin nopeudella 60 km/h. Näin eri nopeuksilla suoritetut mittaukset ovat vertailukelpoisia keskenään. Automaattisessa mittausjärjestelmässä nopeustieto saadaan matkapuhelimessa toimivan tiedonhallintaohjelman avulla, joka käyttää hyväkseen GPS:ää. Mittaustietojen korjaaminen suoritetaan matkapuhelimien tiedonhallintaohjelmassa. 2.2 Kehitetty automaattinen sorateiden tasaisuuden mittausmenetelmä Automaattinen mittausjärjestelmä koostuu kuvan 8 mukaisista komponenteista. Auton tuulilasiin kiinnitettävä mittariyksikkö jalostaa kiihty-

20 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄSORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN vyysanturilta tulevaa mittaustietoa ja lähettää sen edelleen 1,2 sekunnin pituisina mittausjaksoina Bluetooth:n avulla matkapuhelimessa toimivaan Autori-tiedonhallintasovellukseen. Kuva 8. Automaattisen mittausjärjestelmän osat: 1. Auton renkaan ripustuksiin kiinnitettävä kiihtyvyysanturi. 2. Ajoneuvon tuulilasiin kiinnitettävä mittariyksikkö, joka käsittelee mittaustietoa ja lähettää sen edelleen matkapuhelimeen langattomasti Mittariyksikkö saa virtansa auton 12V järjestelmästä. 3. Matkapuhelimessa toimiva tiedonhallinta-ohjelma, joka käyttää hyväkseen satelliittipaikannusta. 4. Matkapuhelimesta tulevat sadan metrin mittaustiedot lähetetään palvelimelle. 5. Mittaustietoja voidaan tarkastella internet-sivuilta. 2.2.1 Automaattisen järjestelmän toimintaperiaate Autoriin on kehitetty toiminto, jonka avulla Bluetooth yhteys voidaan muodostaa tasaisuusmittariin. Lisäksi on kehitetty ominaisuudet luettavien mittausarvojen tarkkailuun ja käsittelyyn. Tien arvosteluun käytetty 100 metrin tietosisältö muodostetaan seuraavasti: - Mittaustieto tulee Autoriin bluetoothin kautta NMEA-lauseena 1,2 sekunnin pituiselta mittausjaksolta. Lause on muodoltaan seuraavanlainen: $PVIBRO,02492,004252,04.80,05.30,03.69,03.94,04.22,03.89,08.66,04.24, 09.14,08.28,0,0,0,0,*0A,jossa arvot ovat: 1. Itseisarvon summa 2. Kiihtyvyyksien neliö 3.-12. 0,12 sekunnin välein luettuja maksimikiihtyvyysarvoja. Tämä luku on 16 suurimman kiihtyvyyden summa (puuttuessa = 0.0)

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 21 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN 13. Pituuskaltevuus asteina = 0 14. Poikkikaltevuus asteina = 0 15. Kiinteys = 0 16. Pölyisyys = 0 (* NMEA-lauseen tarkastussumma) - Näistä mittaustiedoista lasketaan edelleen absoluuttinen keskiarvo, RMS-arvo ja 0,12 sekunnin välein saatu huippuarvo. Laskentaan käytetään seuraavanlaisia kaavoja: Keskiarvo = Keskiarvo_luettu * (9.81 / Kerroin1) RMS = Sqrt(RMS_luettu / Kerroin2) *9.81. Huippuarvo_n = Huippuarvo_n_luettu * (9.81 / Kerroin3),jossa Keskiarvo_luettu on mittarin lähettämä Itseisarvojen summa RMS_luettu on mittarin lähettämä Kiihtyvyyksien neliö Huippuarvo_n_luetttu on mittarin lähettämä 0,12 sekunnin välein luettu maksimikiihtyvyysarvo Kerroin 1 on 1280 Kerroin 2 on 640 Kerroin 3 on 1,6 - Mittausarvot skaalataan vertailunopeuden (60 km/h) ja mittausnopeuden suhteella. - Autoriin täytyy syöttää autokohtainen korjauskerroin, jolla kerrotaan lasketut arvot (keskiarvo, RMS ja huippuarvot). Korjauskerroin mahdollistaa sen, että eri ajoneuvoilla mitatut arvot ovat vertailukelpoisia. - Mittaustiedot kerätään tierekisteriosoitteen mukaan alkavalle 100 metrin jaksolle. Jaksolla on mukana tarpeellinen määrä 1,2 sekunnin välein saatuja mittaustietoja riippuen ajonopeudesta. Tieosan viimeinen jakso voi olla lyhyempi. - Teiden luokittelu tehdään 100 metrin jaksoissa. 100 metrin jakson absoluuttista keskiarvoa verrataan alustaviin luokittelun raja-arvoihin, jotka on määritelty Volvo henkilöautolle. Järjestelmää käytettäessä muissa autoissa täytyy kalibrointi kerroin määrittää ja syöttää Autorin asetuksiin näin teiden luokitteluun voidaan käyttää taulukon 8 mukaisia alustavia raja-arvoja. Alustava teiden luokitteluasteikko on seuraavanlainen:

22 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄSORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN Taulukko 1. Sorateiden luokitteluun soveltuva alustavat raja-arvot. Tasaisuusluokka Kiihtyvyyden ka. 100 metrille (Volvo) m / s 2 5 0 5,2 4 5,3 9 3 9,1 22,4 2 22,5 30 1 >30 - Teiden luokittelu esitetään yhden desimaalin tarkkuudella. Näin tiedetään tarkemmin kuinka lähellä luokkarajaa mittaustulos on. - Mitatun 100 metrin jakson tiedot kirjoitetaan muistiokortiksi, jos tiesoite siirtyy uudelle jaksolle tai on kulunut yli 10 sekuntia viimesetä tasaisuustiedosta (NMEA-lauseesta). Jos tämän jälkeen tieosoite palaa takaisin edelliselle (juuri kirjatulle) jaksolle, mittaus hylätään. - Tien luokittelun kehittyminen esitetään myös Autorin näytöllä jokaisen 100 metrin osalta. Näin mittaaja saa mittauksen alustavan tuloksen tietoonsa reaaliaikaisena. - Mittausnopeuden alarajaksi on asetettu 30 km/h. Jos mittaus on suoritettu alhaisemmalla nopeudella, niin web-sivuilla esitettävissä mittaustuloksissa on maininta virheellisestä nopeudesta. (todella huono tie tai kuoppien väistely). - Jaksolta tallennetaan mittaustietojen lukumäärä, 10 suurinta itseisarvon keskiarvoa ja RMS-arvoa sekä 20 suurinta kiihtyvyysarvoa muunnettuna vertailunopeuteen. - Lisäksi kerätään muita mittaajan, ajan ja jakson perustietoja sekä mittausnopeuden keskiarvo. Tasaisuusarvojen lisäksi on tehty varaus tien poikkisuuntaiselle ja pituussuuntaiselle kaltevuudelle, kiinteydelle ja pölyisyydelle. 2.2.2 Mittaustulosten raportointi Mittaustuloksista lasketut sadan metrin tunnusluvut tallennetaan mittausvaiheessa tiedonkeräysyksikkönä käytettävän Nokian puhelimen muistikortille. Arvojen laskennassa käytetään Autori-sovellusta. Ohjelman tehtävä on reaaliaikaisesti seurata GPS-paikannuksen avulla ajoneuvoa ja automatisoida sadan metrin raportointijaksojen muodostaminen. Raportointijaksolle laskettu keskiarvo ja kuoppien lukumäärä tallennetaan muistikortille mittauskorttina. Sijainti on talletettu valmiiksi tierekisteriosoitteen avulla ja kukin kortti pitää sisällään lisäksi mittauksen metatiedot. Valmiiksi jalostettu sijaintitieto tekee raportoinnista huomattavasti yksinkertaisempaa. Mittaustiedot näytetään myös reaaliaikaisesti Autorin näytöllä yhden desimaalin tarkkuudella

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 23 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN (kuva 9). Näytöllä näkyy tieosoitteen vieressä tasaisuusluokka ja luokan laskentaan käytettyjen 1,2 sekunnin jaksojen lukumäärä. Kuva 9. Mittaustieto esitetään reaaliaikaisesti Autori -sovelluksen näytöllä. Mittaustiedot välitetään langattomasti internet palvelimella olevalle kanssakäymisporttaalille. Porttaalissa mittaustiedot esitetään dynaamisesti hallittavalla karttapohjalla havainnollistamalla mittaustuloksia värikoodauksella (kuva 10). Kuva 10. Mittaustiedot ovat tarkasteltavissa internet palvelimelta.

24 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄSORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN 2.2.3 Mittausmenetelmän kalibrointi Mittausmenetelmän kalibrointia varten Autori-ohjelmaan täytyy syöttää autokohtainen korjauskerroin. Tämän korjauskertoimen määrittämiseksi jokainen auto, johon mittauslaitteisto kiinnitetään, täytyy kalibroida. Kalibrointi tapahtuu pyöränripustuksentestauslaitteiston avulla. Bosch-testauslaitteiston antaman tärinän kiihtyvyydet mitataan tien tasaisuusmittauslaitteiston avulla tallentamalla mittausyksikön lähettämä NMEA-lause. Lauseista otetaan tarkasteluun viisi suurinta itseisarvojen summaa, joista lasketaan keskiarvo. Tämän viiden suurimman luvun keskiarvon avulla saadaan selville autokohtainen korjauskerroin kaavan 6 mukaan a k 17,70 v 5 9,81 1280 22656 v 9,81 5 (6) jossa ak on Autoriin syötettävä ajoneuvokohtainen korjauskerroin v5 on mittarin lähettämän NMEA-lauseen viiden suurimman itseisarvon summan keskiarvo. Pyöränripustuslaitteistoa käytettäessä mittausmenetelmän kalibroinnissa on syytä noudattaa laitteiston valmistajan ohjeita laitteiston käytön suhteen. Seuraavia ohjeita on syytä noudattaa kalibroinnin yhteydessä: - mitattavan auton iskunvaimentimien tulee olla normaalissa toimintalämpötilassa - pyörien asema mittalevyillä vaikuttaa mittaustulokseen. Boschin mittaradan SDL 260 pyöränripustustestin laitteisto on varustettu ajoopastuksella, jolloin saavutetaan parempi toistettavuus - mitattaessa tulee käyttää valmistajan ohjeen mukaisia rengaspaineita - jarrujen painaminen ravistustestin aikana voi vaikuttaa mittaustulokseen sekä - mittauksen aikana ajoneuvossa ei tulisi olla turhaa painolastia, kuten matkustajia tai raskaita esineitä. 2.2.4 Huomioitavia asioita järjestelmän käytössä Mittausmenetelmän käytössä on otettava huomioon joitakin asioita, näin saavutetaan mahdollisimman tarkka lopputulos. Kiihtyvyysanturi tulee kiinnittää ajoneuvon oikean renkaan ripustuksiin mahdollisimman tukevasti. Anturin tulee kiinnittää siten, että se on mahdollisimman vaakasuorassa. Kalibrointi on suoritettava, kun mittauslaitteisto asennetaan uuteen ajoneuvoon. Lisäksi kalibrointi on tehtävä uudelleen kiinnittämisen yhteydessä siinä tapauksessa jos anturi irtoaa/irrotetaan ajoneuvosta. Anturin tukeva kiinnitys on suositeltavaa tarkistaa aina ennen mittaamista. Mittauslaitteiston kalibrointi on suositeltavaa säännöllisin väliajoin.

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 25 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN Varsinainen mittaus tulee suorittaa normaalia ajolinjaa noudattaen, kuoppia väistelemättä. Mittaus on suoritettava vähintään nopeudella 30 km/h (alhaisemmasta nopeudesta tallentuu virheilmoitus mittaustuloksiin). Ajoneuvon rengaspaineen tulee olla valmistajan suosituksen mukainen. Paine on suositeltavaa tarkistaa aina ennen mittaamisen aloittamista. Mittausmenetelmässä on virhemahdollisuutensa, koska se ei anna kattavaa kuvaa tien tasaisuudesta koko tien leveydeltä. Kohteissa, joissa tien epätasaisuus on hyvin toispuoleista, eivät epätasaisuudet välttämättä osu kiihtyvyyttä mittaavan renkaan ajolinjalle ollenkaan. Mittausmenetelmä ei siis ole täysin aukoton. Mittaajalla onkin vastuullaan mittausmenetelmän oikean käytön lisäksi mittauslinjalle osumattomien epätasaisuuksien huomioon ottaminen. 2.3 Virhelähteet Mittausten yhteydessä esiintyvät virheet voidaan jakaa kolmeen eri luokkaan: karkeat virheet systemaattiset virheet ja satunnaiset virheet. (Hiltunen & al. 1993). Karkeilla virheillä tarkoitetaan merkittäviä erehdyksiä, jotka voivat johtua mittaajasta, ympäristön hetkellisistä muutoksista tai mittauslaitteiston hetkellisestä toimintahäiriöstä. Mittaajan aiheuttamia virheitä ovat esimerkiksi mittaasteikon virheellinen tulkitseminen, yksiköiden sekoittaminen ja mittauslaitteiston huolimaton tai virheellinen käsittely. Karkeita virheitä ei voida korjata virhelaskennan keinoin, joten karkeita virheitä sisältävät mittaustulokset on järkevää hylätä. Hylkääminen ei kuitenkaan ole perusteltua, jos ei ole tarkkaa tietoa mistä virheellinen mittaustulos johtuu. (Hiltunen & al. 1993). Systemaattisilla virheillä tarkoitetaan mittauslaitteiston virhettä, ulkoisten tekijöiden sekä eri mittaajien vaikutusta mittaustulokseen. Kaikissa mittauslaitteissa on tietty mittatarkkuus, jolla ne pystyvät mittaamaan tutkittavaa suuretta. Ulkoisten tekijöiden vaikutuksella tarkoitetaan mittausolosuhteista johtuvia virheitä. Yleisin ulkoisten tekijöiden aiheuttama virhe aiheutuu mittausympäristön lämpötilan vaihtelusta. Systemaattisiin virheisiin kuuluvat myös virheet, jotka aiheutuvat ihmisten erilaisesta toiminnasta mittaajana. (Hiltunen & al. 1993). Satunnainen eli tilastollinen virhe on mittauksissa aina esiintyvä epätarkkuus. Tilastollinen virhe saadaan esille tarpeeksi tarkalla mittalaitteella ja sen vaikutusta voidaan vähentää mittaamalla tutkittavaa kohdetta useita kertoja. Satunnainen virhe vaihtelee yleensä tietyissä rajoissa. Mittaustulokset noudattavat useimmiten normaalijakaumaa. Tilastolliselle virheelle voidaan myös laskea suuruus. (Hiltunen & al. 1993). Tien epätasaisuuksien aiheuttamia kiihtyvyyksiä mitattaessa karkeita virheitä voivat aiheuttaa useatkin tekijät. Mittauslaitteistoon voi tulla toimintahäiriö, jolloin esimerkiksi mittaustiedon tallentaminen ei onnistu. Karkeita virheitä voi aiheuttaa myös tiellä tapahtuva muu liikenne tai häiriötekijä, jonka vuoksi

26 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄSORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN haluttua nopeutta ei voida noudattaa. Lisäksi mittaustulosten käsittelyn ja laskennan yhteydessä voi olla mukana virheitä. Kapasitiivinen kiihtyvyysanturi ei ole tyypillisesti kovin herkkä lämpötilan vaihteluille, joten lämpötilan vaikutuksia mittaustuloksiin voidaan pitää merkitsemättöminä. Systemaattista virhettä aiheutuu kiihtyvyysanturin paikasta auton renkaan ripustuksissa. Optimaalisin tilanne olisi jos anturi saataisiin asennettua täysin vaakasuoraan. Käytännössä näin ei kuitenkaan ole, vaan anturi jää aina jonkin verran vinoon, koska auton renkaan ripustuksista on hankala löytää vaakasuoraa asennuspintaa, ja toisaalta anturin absoluuttisen vaakasuoruuden toteaminen on vaikeaa ahtaassa tilassa. Anturin asentopoikkeama aiheuttaa sen, että muutkin kuin täysin pystysuorat kiihtyvyydet ajoneuvoon nähden vaikuttavat mittaustulokseen. Kiihtyvyysanturin ollessa vaakasuorassa kohdistuu siihen maan vetovoimasta yhden g:n kiihtyvyys. Tilanne kuitenkin muuttuu hieman ajoneuvon ajaessa mäkisellä tieosuudella. Otetaan lähempään tarkasteluun tilanne, jossa ajoneuvolla ajetaan kymmenen prosentin kaltevuuden omaavaa mäkeä ylös. Tällainen tilanne on Suomen olosuhteissa jo aika harvinainen. Maan vetovoima vaikuttaa edelleen kohtisuoraan alaspäin. Anturiin ei siis enää vaikuta kokonaan g:n suuruinen kiihtyvyys, vaan g:n pystysuora komponentti, jonka kertoimena on tien kaltevuuskulman kosini. Näin ollen kymmenen prosentin tien kaltevuudesta johtuva systemaattinen virhe mittaustulokseen on suurimmillaan noin 0,5 %. Vastaavasti virhe 20 % kaltevuudella on enintään noin 1,9 %. Voidaankin todeta ettei tien kaltevuus vaikuta merkittävästi mittaustuloksiin. 2.4 Mittaukset Mittausmenetelmän kehittämiseen liittyviä mittauksia tehtiin pääosin kesällä 2008, mutta osa mittauksista suoritettiin jo keväällä. Lisäksi tarkentavia mittauksia suoritettiin vielä syksyn 2008 aikana. Mittausajoneuvoina toimivat Citroën Xsara Picasso ja Volvo V70 2.5T AWD henkilöautot, joiden oikeaan takarenkaan ripustuksiin kiihtyvyysanturi oli kiinnitetty. Mittausautojen rengaskoot olivat: Citroën 185/65 R15 ja Volvo 225/50 R17. Mittauksien tarkoituksena oli selvittää sorateiden luokitteluun soveltuva asteikko, tutkia autojen ja renkaan ilmanpaineen aiheuttamaa eroa mittaustuloksissa ja etsiä mittausmenetelmälle soveltuvaa kalibrointitapaa. Mittauksissa ei käytetty matkapuhelimen tiedonhallintaohjelmaa, vaan mittaustiedot otettiin talteen kannettavalle tietokoneelle. Mittauksissa pyrittiin käyttämään mahdollisimman tasaista ajonopeutta, joka oli 40, 50 tai 60 km/h. Kiihtyvyyssignaalin tallennus aloitettiin manuaalisesti Pc-oskilloskoopin ohjelmasta. Näin ollen on mahdollista, että samoista kohteista mitattujen tieosuuksien aloitus- ja lopetuspisteissä on pientä eroavaisuutta. Mittaustiedon tallentamisen tiheytenä käytettiin yhtä millisekuntia, ja näytteiden lukumäärää muuttamalla säädettiin mitattua matkaa. Tallennustiheyden ollessa 1 ms ja mittausnopeuden vaihdellessa 40 60 km/h saadaan näytteenoton väliksi noin 11,1 16,7 mm.

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 27 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN 2.4.1 Erilaisten epätasaisuuksien mittaus Mittauksia suoritettiin kahdella eri tieosalla, joista kummastakin löytyi tasaista ja kiinteää tienpintaa, mutta myös kuoppaisempi osuus. Erilaisia epätasaisuuksia mittaamalla oli tarkoitus saada selville, minkä suuruisia kiihtyvyystasoja ne aiheuttavat ja käyttää niitä apuna sorateiden luokittelussa. Ajoneuvona mittauksissa toimi Citroën Xsara Picasso- henkilöauto. Tutkittavat tieosuudet olivat tien 18672 (KKVL 226 270) tieosa 1, paaluväli 2250 2450 ja paaluväli 3400 3500. Mittauksissa käytettävä ajolinja valittiin sellaiseksi, että mahdollisimman moni kuopista osuisi siihen. Tienpätkän 3400 3500 alkupuolella oli useita pieniä kuoppia (kuva 11), jotka todennäköisimmin kasvavat hoitamattomana ja kuluttavien vaikutusten edesauttamina. Tieosuuden loppupuoli oli tasaista ja tien pinta oli kiinteä. Kuva 11. Alkavaa kuoppaantumista paaluväliltä 3400 3500. Mitattu tienpätkä 2250 2450 taas sisälsi alkupuoleltaan tasaista ja kiinteää pintaa, mutta kohteen loppupuolella oli jo hieman isompia kuoppia (kuva 12). Kuopat sijaitsivat samalla linjalla, joten ajolinja valittiin taas siten, että mahdollisimman moni kuoppa saataisiin mukaan mittauksiin.

28 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄSORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN Kuva 12. Tieosuus 2250 2450 sisälsi loppupuolella jo kohtalaisen isoja epätasaisuuksia. 2.4.2 Mittausmenetelmän soveltuvuus eri ajoneuvoille Pystysuorien kiihtyvyyksien yhtenäisyyttä tutkittiin kahdessa eri ajoneuvossa (Citroën Xsara Picasso ja Volvo V70 2.5T AWD) kolmella eri tieosalla. Mittauskohteina toimivat tien 18672 osat 2250 2450 ja 3400 3500 sekä tien 18632 (KKVL 32) tieosa 1 väliltä 835 985. Tiellä 18672 mittauksia tehtiin kummallakin tutkittavalla tieosalla yksi onnistunut mittaus molemmilla ajoneuvoilla. Onnistuneeksi mittaukseksi katsottiin tapaus, jossa ajolinjalle osui suurin osa tiellä olevista epätasaisuuksista. Näin saatiin vertailutietoa myös selkeiden epätasaisuuksien vaikutuksesta kumpaankin autoon. Tiellä 18632 sen sijaan suoritettiin kummallakin ajoneuvolla useampi mittaus käyttäen nopeuksia 40 ja 50 km/h. Lisäksi kummallakin mittausnopeudella tehtiin mittauksia käyttäen kolmea eri ajolinjaa. Ajolinjat valittiin siten, että ensimmäinen oli mittaussuuntaan katsottuna aivan tien oikeassa laidassa ja seuraavat aina noin metrin keskempänä tietä. Näin ollen viimeisellä ajolinjalla mittauslinja oli suunnilleen keskellä tietä. 2.4.3 Renkaan ilmanpaineen vaikutus mittaustulokseen Renkaan ilmanpaineen vaikutusta renkaan pystysuoraan kiihtyvyyteen mitattiin 15.2.2008. Kiihtyvyysmittauksissa käytettiin auton pyöränripustuksen testaamiseen tarkoitettua laitteistoa (kuvat 13 ja 14) sekä jo kuvatun mukaista ajoneuvon takarenkaan pystysuoraa kiihtyvyyttä mittaavaa järjestelmää. Laitteiston antama tärinä on samantapaista kuin oikean tien aiheuttama. Mittauksissa käytetty ajoneuvo oli sama Citroën kuin muissakin mittauksissa. Ilmanpaineet vaihtelivat 2,0 3,0 bar:n välillä siten, että mittausten välillä oli eroa 0,2 baria. Tutkittavina renkaina toimivat koon 185/65 R15 kesärengas ja nastoitettu talvirengas.

Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus 29 SORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN Pyöränripustuksen kunnontestausyksikkö kostuu kahdesta täristinlevystä, jotka antavat kumpikin autolle erikseen noin seitsemän sekunnin täristysjakson. Yhdellä mittauskerralla voidaan mitata kahden renkaan iskunvaimentimet. Laitteisto ei kuitenkaan anna kovin yksityiskohtaista kuvaa iskunvaimentimien kunnosta, vaan lopputuloksena ovat prosenttiarvot kummallekin mitatulle renkaalle, jotka kuvaavat iskunvaimentimen vaimennustehokkuutta. Tämä vaimennustehokkuus perustuu siihen, miten hyvin renkaat seuraavat testaustilanteessa täristinlevyä resonanssitaajuudellaan. Testaustulosta käytetään lähinnä suuntaa-antavana, sillä autojen vaimennusominaisuudet ovat hyvinkin erilaiset. Suomessa henkilöautojen ja pakettiautojen heilahduksenvaimentimet on testattu tällaisilla laitteistoilla vuoden 2004 maaliskuusta lähtien katsastuksen yhteydessä. Hylkääminen voi tulla kysymykseen, jos mittaustulos alittaa 25 % tai samalla akselilla olevien iskunvaimentimien tulokset poikkeavat suuresti toisistaan. Kuva 13. Renkaan ilmanpaineen vaikutuksen tutkimiseen käytettiin Boschin laitteistoa. Levyn täristävä liike alkaa automaattisesti ajoneuvon ajaessa levyille. Kuva 14. Pyöränripustustestin eli iskunvaimentimien kunnon testauksen periaate (Bosch, Testirata SDL 260)

30 Sorateiden automaattinen tasaisuuden mittaus PÄÄTELMIÄSORATEIDEN TASAISUUDEN MITTAUKSEN KEHITTÄMINEN Mittaukset suoritettiin ajamalla mitattavan ajoneuvon takarenkaat täristinlevyjen päälle. Pyöränripustus testauslaitteisto ilmoitti näytöllään milloin renkaat olivat hyväksytysti levyillä. Kiihtyvyysanturilta tulevan signaalin tallennus käynnistettiin manuaalisesti tämän jälkeen kannettavan tietokoneen ohjelmalta. Tallennettavien näytteiden aikavälinä oli 1 ms, ja signaalin tallennusajaksi valittiin 40 sekuntia. Mittaustulosten käsittelyn yhteydessä kustakin mittaustapahtumasta otetaan käsittelyyn vain oikean täristinlevyn aiheuttama noin 7 sekunnin pituinen tärinäjakso. 2.4.4 Pyöränripustustestauslaitteiston soveltuvuuden selvittäminen mittausmenetelmän kalibrointiin Pyöränripustuksen testausyksiköllä tehtiin mittauksia myös samoilla kahdella ajoneuvolla (Citroën ja Volvo) syksyllä 2008. Mittaukset toteutettiin siten, että kummankin auton oikean takarenkaan ripustuksiin oli kiinnitetty kiihtyvyysanturi, joka mittasi täristinlevyjen aiheuttamaa kiihtyvyyttä. Kummallakin ajoneuvolla suoritettiin viisi mittausta. Kiihtyvyyssignaali otettiin talteen kannettavalle tietokoneelle ja mittausyksikön lähettämä lause (vibrokoodi) tallennettiin myös tietokoneelle. 2.4.5 Mittaukset isomman mittausalueen omaavalla kiihtyvyysanturilla Mittauksia suoritettiin myös isomman mittausalueen omaavalla 150 g anturilla syksyllä 2008, koska kesän mittauksissa ilmeni, että 12 g anturin mitta-alue ei välttämättä ole riittävän laaja isojen epätasaisuuksien aiheuttamiin kiihtyvyyksiin. Mittaukset suoritettiin soratien 18613 tieosalla 1. Mitatut epätasaisuudet olivat suuruudeltaan noin 3-4 cm syviä. Mittausten tarkoituksena oli tutkia isomman kiihtyvyysanturin soveltuvuutta sorateiden mittauksiin ja selvittää kuoppien aiheuttamien maksimikiihtyvyyksien suuruutta. Mittaukset suoritettiin mittaamalla valittu noin 200 metriä pitkä tien pätkä kummallakin anturilla kaksi kertaa. Ajoneuvona mittauksissa toimi aikaisempien mittausten tapaan Citroën-henkilöauto. Anturit olivat kiinnitetty toisiinsa ja edelleen auton oikeanpuoleisen takarenkaan ripustuksiin. Mittauksessa käytetty anturi valittiin kytkemällä halutun anturin kaapeli pc-oskilloskooppiin, jonka avulla kiihtyvyyssignaali tallennettiin. 2.5 Autorin kehittäminen sorateiden automaattiseen mittaukseen 2.5.1 Tiedonsiirtorajapinnan suunnittelu Mittarin tehtävä on jatkuvatoimisesti ja nopeasti ottaa näytteitä kiihtyvyysanturilta ja laskea 1,2 sekunnin aikana tehdyistä havainnoista numeerisia arvoja välitettäväksi tiedonkeräysyksikölle. Mittarin on suunniteltu laskevan 1,2 sekunnin aikana tehdyistä havainnoista kiihtyvyyden itseisarvojen summan,