verkeerstellingen : de telslang slaat terug
TRANSCRIPT
1
VERKEERSTELLINGEN : DE TELSLANG SLAAT TERUG
ING STIJN GOOSSENS
Vlaamse Overheid
ING PHILIPPE SAEY
Vakgroep Elektriciteit en Automatisering (KaHo St-L ieven)
IR GILBERT VERHIEST
Vakgroep Elektriciteit en Automatisering (KaHo St-L ieven)
ING PIERRE BONAMEAU
Digiconcept
Samenvatting
Uit onderzoek en ontwikkeling uitgevoerd
door de cel Verkeersparameters (Vlaamse
Overheid), de vakgroep Elektriciteit en
Automatisering van de Katholieke
Hogeschool Sint-Lieven en de firma
Digiconcept blijkt dat de “klassieke”
telslang voor het uitvoeren van
verkeerstellingen hoge performanties kan
bereiken. In combinatie met
dataverwerkingsmethodes gebaseerd op
het gebruik van dynamische
parametersets en casegebaseerde
buffers, wordt de robuuste en relatief
goedkope telslang een uiterst kwaliteitsvol
meetsysteem dat niet enkel
voertuigaantallen weergeeft, maar
eveneens een asclassificatie naar een
twintigtal types voertuigen mogelijk maakt.
Résumé
Les recherches et développements
entrepris par la cellule
Verkeersparameters (Vlaamse Overheid),
l'unité d'enseignement et de recherche
Elektriciteit en Automatisering de la
Katholieke Hogeschool Sint-Lieven et la
firme Digiconcept montrent que la
réalisation de comptage de trafic à l'aide
des tubes routiers 'classiques' peut donner
d'excellentes performances. En combinant
des méthodes de traitement des données
basées sur l'utilisation d'un paramétrage
dynamique avec une bufferisation par cas,
on peut faire du compteur à tubes robuste
et relativement bon marché, un système
de mesure de qualité extrème qui non
seulement restitue les quantités de
véhicules, mais qui rend également
possible une classification à base des
essieux, d’une vingtaine de types de
véhicules.
2
1. Inleiding Bij de beoordeling van het verkeersgebeuren zijn subjectieve factoren nooit ver weg. Wat
voor de ene een hoge snelheid is kan voor de andere een normale of lage snelheid zijn. Ook
omgevingsomstandigheden zoals de plaatsgesteldheid, de aan- of afwezigheid van
bebouwing, bomen, fietspaden, parkeerstroken, … kunnen de beoordeling op een onjuiste
manier beïnvloeden.
Daarnaast speelt de classificatie van de voertuigen een belangrijke rol in de
verkeersafwikkeling. Deze is o.a. noodzakelijk ten einde een goede afregeling van
verkeerslichten te realiseren, een correcte inschatting te kunnen maken van de veroudering
van het weglichaam, het juiste aantal voertuigen en hun respectievelijke
personenwagenequivalenten te kunnen bepalen, … .
Om het steeds drukker wordende verkeer, en in het bijzonder de steeds meer voorkomende
zones met congestieve problemen, juist te beoordelen moet men zich bijgevolg kunnen
baseren op objectieve en kwaliteitsvolle meetgegevens. Enkel op basis daarvan kunnen
daarna correcte, gefundeerde beslissingen genomen worden.
In dit artikel wordt eerst een overzicht gegeven van de eigenschappen van verschillende
meetmethoden, en wordt de basisfysica van telslangen geïllustreerd. De problematiek van
telslangen – die tot nu toe minder performant zijn bij lage snelheden en dynamische
verkeersstromen – wordt aangegeven, en de gerealiseerde verbeteringen worden
uiteengezet.
2. Overzicht van courante meetmethoden
Verkeerstellingen kunnen op verschillende manieren uitgevoerd worden: naast manuele
tellingen wordt er o.a. gebruik gemaakt van inductieve lussen, telslangen, teltegels, radars,
lasers, camera’s en GPS-georiënteerde systemen. Deze systemen hebben elk hun voor- en
nadelen; een aantal aspecten wordt behandeld in [1] en [2], en worden volgens CROW [3]
gekarakteriseerd in onderstaande tabel:
Tabel 1: Overzicht van een aantal typische meetmethodes
Mens Mechanische, elektronische of optische waarneming
Onderzoeksmethode
Man
ueel
Tel
- of
indu
ctie
lus
Tel
slan
g
Tel
tege
l
Rad
ar
Lase
r
Cam
era
GP
S
Kruispunttelling X - - - - - X -
Doorsnedetelling X X X X X - X -
Rotondetelling X - - - - - X -
Kentekenonderzoek X - - - - - X X
Snelheidsmeting - X X X X X X X
3
Wachtrijmeting X X - - - - - -
Wachttijdmeting X - - - - - X -
Reistijdmeting X - - - - - X X
Oversteekbaarheidsmeting X - - - - - X -
Parkeerdrukmeting X X X X - - X -
Parkeerduur / Motief X - - - - - X -
Uit intern onderzoek, uitgevoerd door de Federale Overheid (Dir. Van den Bossche), de
Vlaamse Overheid (Verkeerskunde - Cel Verkeersparameters) en de Vlaamse Overheid
(Verkeerscentrum), blijkt o.a. dat:
• de enkelvoudige lus problemen heeft met de snelheid en de lengteclassificatie
van voertuigen
• toestellen gebaseerd op radar veel last hebben van reflecties, betonstaal,
bebording, spray achter de voertuigen, …
• lasers niet nauwkeurig genoeg kunnen meten en ook onderhevig zijn aan
weersomstandigheden
• camera’s heel veel last hebben van weersomstandigheden (schaduwen, zware
regen, sneeuwval, beweging van de paal van de camera, spinnenwebben voor
de camera, …)
• de telslang veel meer mogelijkheden biedt dan eerst gedacht, zowel naar
mogelijke toepassingen als naar kwaliteit. Met de telslang is ook asclassificatie
mogelijk i.p.v. lengteclassificatie. (De voordelen hiervan zijn nergens
aangegeven, desnoods in een voetnoot.)
Daarom is in Vlaanderen beslist om voor de permanente metingen te opteren voor de
dubbele inductieve lus. Voor projectmatige metingen is gekozen voor de telslang omwille van
haar lage kosten, de gemakkelijke inzet en de grote impact op de mogelijke parameters
(misschien verduidelijken wat met dit laatste bedoeld wordt?). Ten einde de betrouwbaarheid
en de mogelijkheden van de telslang te verhogen is sinds 2001 heel wat onderzoek verricht
door de cel Verkeersparameters, in samenwerking met de firma Digiconcept
(www.digiconcept.be) en vanaf 2005 ook met het Labo Regeltechniek en Automatisering van
het Department Industrieel Ingenieur van KaHo Sint-Lieven (Gent).
3. Fysische basisprincipes
De wiskundige beschrijving van de transmissie van pneumatische drukgolven in een relatief
stijve en dikwandige darm – in dit geval een telslang – is wiskundig gelijkaardig aan bv.
elektrische transmissielijnen. De afleiding en toepassing van de golfvergelijking is o.a.
beschreven in [4]. Voor impulsverschijnselen – waar we hier typisch mee te maken hebben –
wordt meestal het bounce-diagramma gebruikt [5]. De “transmissielijn” wordt gewoonlijk
“afgesloten”, in het geval van een telslang meestal met een gewone knoop; dit reduceert niet
alleen de amplitude van de reflecties op het uiteinde, maar verhindert vooral ook het
4
binnendringen van vocht. Dit laatste verhoogt de verliezen (en dus de demping) in de
transmissielijn zodanig dat er – zeker bij grotere lengte van de slang – geen
noemenswaardige pulsen meer tot bij de sensor raken.
De sensor die gebruikt wordt in o.a. de Digiway (van de firma Digiconcept) is een piëzo-
elektrische sensor, in dit geval een sensor van het “diafragma”-type. Piëzo-elektrische
sensoren worden “actieve” sensoren genoemd, omdat ze voor hun werking geen behoefte
hebben aan een externe energiebron. De sensor is ingebouwd in een sensorblok (Figuur 1),
waarvan een los exemplaar gebruikt is voor fysische metingen met een
geheugenoscilloscoop. Een uitgebreide lijst van relevante Internet-links is gegeven in [6]; in
[7] vindt men een uitstekende beschrijving van piëzo-elektrische elementen. De sensor is
samen met de elektronica voor o.a. interfacing, verwerking en communicatie ingebouwd in
een compacte behuizing (Figuur 2).
Een typische meting [8] van de overschrijding van een telslang door een auto (snelheid =
26,5 km/h, wielbasis = 2.47 m) is weergegeven in Figuur 3. Het betreft hier 2 telslangen op
een afstand van 20 cm van elkaar verankerd (weergegeven op de kanalen 1 en 2 van de
oscilloscoop); in de figuur is zowel het overschrijden van de voor- als de achterwielen
weergegeven. De combinate van rechtstreekse en op het uiteinde van de telslang
gereflecteerde pulsen, en van het indrukken en weer lossen van de telslang, geeft
onmiddellijk een vrij gecompliceerd beeld. De pulsenreeksen zijn in tijd verschoven van
kanaal 1 (1e telslang die overreden wordt) t.o.v. kanaal 2 (2e telslang die overreden wordt),
en uiteraard van de voorwielen (links) t.o.v. de achterwielen. De meeste
verwerkingstechnieken gebruiken een “debounce”-algoritme, dat gedurende een zekere tijd
Figuur 2: Telapparaat
“Digiway”.
Figuur 1: Sensorblok zoals ingebouwd in het
telapparaat van Figuur 2; de piëzo-elektrische sensor
zelf zit ingebouwd in de witte kunststof, enkel de print
met de aansluitklemmen is zichtbaar.
5
de pulsen volgend op de initiële puls onderdrukt. Bij meervakstellingen kan dit echter wel
leiden tot een gemiste gebeurtenis, wat “shadowing” genoemd wordt.
De verschillen in moeilijkheidsgraad voor de interpretatie en verwerking worden ook
geïllustreerd in Figuur 4 (metingen op de N47 in Grembergen (Dendermonde)). De slang is
gelegd tot halverwege de rijweg, inclusief het fietspad; links ziet men een overschrijding door
een Honda Accord bij 42 km/h, rechts door een groep fietsers (2 fietsers naast elkaar,
gevolgd door een 3e) aan 20 km/h.
Figuur 3: Volledige opname van de overschrijding van 2 telslangen (kanalen 1 en 2)
door de voor- en achterwielen van een voertuig.
Figuur 4: Meting met een slang tot halverwege de rijweg; links een Honda Accord bij 42
km/h, rechts een groep fietsers aan 20 km/h. (2 fietsers naast elkaar, gevolgd door een 3e.)
6
Algemeen wordt het tijdsverschil tussen de overschrijding van de 2 telslangen gebruikt voor
de snelheidsmeting (en voor de waarde van de verschillende parameters in het classificatie-
algoritme, zie verder), en leidt een algoritme voor asclassificatie tot een indeling in
categorieën. Een typisch voorbeeld van gelogde meetresultaten is te vinden in Figuur 5,
enkele categorieën zijn voorgesteld in Figuur 6.
Figuur 5: Typische data opgeslagen door de Digiway.
Figuur 6: Voorbeeld van enkele types voertuigen.
7
4. Problematiek bij lage snelheden en dynamische ve rkeersstromen
Figuur 7: Meetopstelling met actueel gebruikt slangentype en modern verankerings-
concept (links); rechts een testopstelling voor verschillende meetopstellingen.
Telslangen genereren kwaliteitsvolle data maar hebben last van een aantal problemen. De
problematiek van de geluidsoverlast bij overschrijding van de slangen is al jaren gekend
maar zeer weinig bestudeerd op het terrein. Uit onderzoek van de cel Verkeersparameters,
in samenwerking met rubberfabrikanten Saint-Gobain, Hercorub en Rustin, blijkt dat de
slangdiameter en de rubbersamenstelling een grote invloed hebben op de geluidsoverlast.
Verschillende combinaties werden/worden uitvoerig getest op dezelfde testsite, waaruit werd
besloten om in Vlaanderen door te gaan met een rubberslang van natuurrubber met een
buitendiameter van 12 mm en een binnendiameter van 6 mm. Deze heeft naast een
levensduur van +/- 1.500.000 – 2.000.000 asovergangen ook een geringe geluidsproductie.
Zo zal het motorgeluid van een vrachtwagen het geluid bij overschrijding overstemmen. Dit
maakt de telslang veel gemakkelijker inzetbaar in dichtbewoonde gebieden.
Een tweede probleem is de verankering en de tussenafstand tussen de telslangen. De
verankeringsmethode mag slechts weinig tijd in beslag nemen (cf. veiligheid personeel en
verkeersdeelnemers) en moet garanderen dat de laterale verplaatsing van de telslangen
voldoende snel uitgedempt wordt. Hiertoe werd door ing. Stijn Goossens een speciale
verankeringsklem ontwikkeld zodat de telslangen terug hun originele positie innemen op het
moment dat de wielen van de volgende as de telslangen overschrijden (Figuur 7).
8
Een fundamenteel probleem ontstaat bij lagere snelheden en/of bij sterk dynamische
bewegingen in de verkeersstroom. Zo zal het optrekken van voertuigen ervoor zorgen dat
meerdere personenvoertuigen gecombineerd worden tot één of ander type vrachtwagen
waardoor de nauwkeurigheid van de asclassificatie daalt tot +/- 50%. Een gelijkaardige
vaststelling wordt gemaakt wanneer de voertuigen sterk afremmen: hierdoor worden een
groot aantal vrachtwagens in meerdere delen verdeeld, met opnieuw een daling van
nauwkeurigheid van de asclassificatie tot gevolg.
Deze problemen kunnen gedeeltelijk opgevangen worden door de locatie van de te plaatsen
telslangen aan te passen. Dit is echter niet of nauwelijks mogelijk bij metingen in files, op
afslagstroken of aan verkeerslichten. Deze laatste zones stonden tot voor kort bekend als
“moeilijk” of “onmeetbaar” voor apparatuur gebaseerd op telslangen.
Een kortere tussenafstand tussen de slangen verhoogt de nauwkeurigheid maar kan enkel
toegepast worden indien de laterale verplaatsing goed gedempt is. Indien dit niet het geval is
zal de snelheidsmeting foutief gebeuren met wellicht een foutieve asclassificatie als gevolg.
Onderzoek heeft uitgewezen dat een optimalisering van de te programmeren parameters de
nauwkeurigheid in belangrijke mate kan verhogen in de “moeilijke” zones. Diverse testen op
verschillende parameters hebben aangetoond dat elke parameter slechts binnen bepaalde
snelheidsgrenzen een correcte meting genereert. Bij te lage of te hoge snelheid ontstaat een
veel grotere fout dan de aangenomen standaardwaarde. Eén en ander leidt tot de conclusie
dat een dynamische parameterset uitkomst zou kunnen bieden.
5. Dynamische parameterset
Uit terreinproeven (zie Figuur 8) is een dataset bekomen van meer dan 10.000 voertuigen op
afslagstroken en in files [6] [9]. Van deze gefilmde passerende voertuigen is eveneens de
volledige set asgebeurtenissen gelogd in een bestand, wat via postprocessing op PC toelaat
de dataset te (her-)gebruiken voor experimenteel ontwerp en verificatie van algoritmes.
Uit deze metingen zijn, per relevante parameter, zinvolle snelheidszones bepaald met
bijhorende parameterwaardes. Door analyse in Matlab [10] zijn functies bepaald die door een
na verwerking van de vorige aanpassingen kijken voor dit lege stuk!
9
Figuur 8: Enkele van de gebruikte meetopstellingen.
microcontroller vlot te gebruiken zijn. Aldus kan voor elke snelheid de best passende
parameter afgeleid worden (Figuur 9). Reprocessing op PC van de dataset van ongeveer
10.000 voertuigen [6] [9] leverde overtuigende verbeteringen op van de nauwkeurigheid van
de classificatie, zodat de firma Digiconcept één en ander geïmplementeerd heeft in de
software van de meettoestellen. Dit heeft geleid tot een toename van de
classificatienauwkeurigheid in ”moeilijke” zones van +/- 50% naar +/-95%, en dit met een
onderverdeling naar 16 voertuigtypes; deze methodiek is ondertussen gepatenteerd [11].
Figuur 9: Voorbeeld van een parameter die dynamisch ingesteld wordt;
omwille van de confidentialiteit zijn de getalwaarden weggelaten.
10
6. Dynamisch casegebaseerd buffer
Na de integratie van de dynamische parameterset in de meettoestellen heeft verder
onderzoek [9] geleid tot de vaststelling dat een aantal resterende fouten systematisch
optreden in relatie met de snelheidsklasse. Deze informatie, gecombineerd met de
tussenafstand tussen de verschillende assen, heeft geresulteerd in de invoering van een
dynamisch “casegebaseerd” buffer. De laatst gemeten assen en classificaties worden
gebufferd, en in het meettoestel zelf gebeurt indien nodig een reprocessing op iets grotere
reeksen meetdata. Wanneer bepaalde combinaties niet mogelijk zijn of wanneer er
bijvoorbeeld 1 as aan het einde van een reeks overblijft, wordt het buffer opnieuw
geanalyseerd en worden de oude (vermoedelijk foutieve) asclassificaties opnieuw verwerkt
(Figuur 10).
Figuur 10: Principiële voorstelling van een intern buffer in het meettoestel.
Door het buffer softwarematig te implementeren kan uiteindelijk een hogere kwaliteit (98% of
hoger) gehaald worden, zelfs bij classificatie naar een twintigtal verschillende types van
voertuigen. Figuur 6 geeft een voorbeeld van enkele types voertuigen. Wanneer de
meetgegevens geclassificeerd worden naar de types Licht – Medium – Zwaar dan komt men
op een nauwkeurigheid van 99% of meer.
7. Conclusies
De implementatie van hoger genoemde aanpassingen maakt het nu mogelijk om
slangtellingen van zeer hoge kwaliteit uit te voeren in “moeilijke” zones tegen een relatief
lage uitvoerings- en onderhoudsprijs.
Met de aangepaste meettoestellen kunnen nu kwalitatieve metingen uitgevoerd worden in
volgende omstandigheden (vergelijk met de originele gegevens uit Tabel 1):
• Kruispunttellingen
Alle rijstroken kunnen ofwel gemeten ofwel berekend worden aan de hand van
tellingen op andere locaties. Het grote voordeel is dat men niet langer met
11
manuele steekproeven moet werken, maar kan werken met gemiddelden over
een langere periode, wat resulteert in ?een zeer hoge nauwkeurigheid.
• Doorsnedetellingen
Dit zijn de standaardtellingen voor slangtellingen die nu met zeer hoge
nauwkeurigheden (> 98 % naar asclassificatie) kunnen uitgevoerd worden.
• Rotondetellingen
Naast het opmeten van alle in- en uitgaande rijstroken is er door de cel
Verkeersparameters ook een methode ontwikkeld om tussen de af- en oprit van
een tak te kunnen meten. Hierdoor zijn het aantal storende bewegingen voor een
oprit gekend en kan men in combinatie met alle “tak”tellingen, alle ontbrekende
secties berekenen.
• Snelheidsmetingen
Door gebruik te maken van de lateraal beter dempende verankeringsklemmen
kan de snelheid met hoge nauwkeurigheid bepaald worden, ook bij beperkte
tussenafstand van de slangen.
• Wachtrijmetingen
Indien een wachtrij nauwkeurig dient opgemeten te worden, kan dit door gebruik
te maken van verschillende toestellen waarbij de snelheid en volgafstand heel
nauwkeurig bepaald worden in functie van de tijd.
• Wachttijdmetingen – Reistijdmetingen
Door een nauwkeurige opmeting van de voertuigtypes kan men op gesloten
secties op 2 of meer plaatsen tellingen uitvoeren. Door vergelijking van de
voertuigtreinen kan de duur van een traject nagerekend worden; de nieuwste
generatie meettoestellen slaat immers alle asgegevens op (zie Figuur 5), zodat
deze achteraf geraadpleegd kunnen worden.
• Oversteekbaarheidsmeting
De oversteekbaarheid wordt gekenmerkt door de volgafstand van de voertuigen
en hun snelheden. Deze parameters kunnen perfect opgemeten worden waarna
een berekening de oversteekbaarheid aangeeft.
• Parkeerdrukmeting
Door alle in- en uitgangen af te dekken met telslangen kan via een berekening op
elk moment de parkeerdruk bepaald worden.
12
• Fietstellingen
Door een door de cel Verkeersparameters ontwikkelde meetmethodiek kunnen
afgescheiden fietspaden zeer nauwkeurig opgemeten worden, zelfs wanneer de
fietsers met 2 of 3 of 4 naast elkaar rijden. Voor fietsers in gemengd verkeer is
verder onderzoek noodzakelijk om nauwkeurigheden van 95% en meer te
bereiken.
Hoewel één en ander geleid heeft tot een opmerkelijke kwaliteitsverbetering van metingen
met telslangen, is verder en gedetailleerder onderzoek – bv. naar meer geavanceerde
strategieën voor tellingen van fietsers in gemengd verkeer – wenselijk, zodat de cel
Verkeerstellingen nog meer accurate data kan ter beschikking stellen aan haar klanten.
Dank De auteurs danken directeur A. Rouffaert van de cel Verkeersparameters voor de
experimenteermogelijkheden, en Bram De Smet, Peter Maes en Thijs Bruneel – allen (ex-)
studenten Industrieel Ingenieur Elektrotechniek-Automatisering – voor hun inzet bij het
maken van hun masterproef.
Literatuur [1] “Detector Technology Evaluation”, P.T. Martin, Y. Feng, W. Xiadong. Department of
Civil and Environmental Engineering, University of Utah, November 2003.
[2] “The Collection of Classified Vehicle Counts in an Urban Area – Accuracy Issues and
Results”, L. Mendigorin. Transport Data Centre Department of Infrastructure,
Planning and Natural Resources, 2003.
[3] “Handboek Verkeersonderzoek”, CROW. CROW publicatie, artikelnummer 248.
[4] “Vibrations and Waves in Physics”, I. G. Main. ISBN 0-521-29220-4.
[5] “Telecommunicatie”, L. De Strycker en R. Verhoestraete. Cursus Dep. Ind. Ing. –
Opleiding Elektronica, KaHo Sint-Lieven, Gent, 2007-2008.
[6] “Verkeerstellingen met slangdetectie”, Peter Maes. Masterproef Elektrotechniek –
Afstudeerrichting Automatisering, Dep. Industrieel Ingenieur, KaHo Sint-Lieven, Gent,
2006-2007.
[7] “Measurements Systems”, E.O. Doebelin. McGraw-Hill, New York, 4th Ed., 1990.
[8] “Verkeerstellingen met slangdetectie”, Bram De Smet. Masterproef Elektrotechniek –
Afstudeerrichting Automatisering, Dep. Industrieel Ingenieur, KaHo Sint-Lieven, Gent,
2005-2006.
[9] “Verkeerstellingen met slangdetectie: onderzoek naar nieuwe meet- en
classificatiemethodes”, Thijs Bruneel. Masterproef Elektrotechniek – Afstudeerrichting
Automatisering, Dep. Industrieel Ingenieur, KaHo Sint-Lieven, Gent, 2007-2008.
[10] http://www.mathworks.com
[11] Uitvindingsoctrooi Koninkrijk België, publicatienummer 1017494A6, datum van
verlening: 07/10/2008.