ANALÝZY NEROVNOSTI POVRCHŮ VOZOVEK ANALYSIS OF ROAD SURFACE ROUGHNESS Jiří Sláma 1, Stanislav Bek 2 Abstract The contribution shows new possibilities of road surface roughness analysis based on geometric approach. The software tools which were recently developed allow for processing of significantly higher data volumes of point clouds originating from laser scanning or photogrammetric methods. A case study showing the technology for computing traditional roughness parameters is presented. 1 Úvod Měření nerovností povrchu vozovek patří ke standardně kontrolovaným geometrickým parametrům dopravních staveb a to jak u novostaveb při jejich převzetí od zhotovitele (kontrolní zkoušky pro přejímku vrstev) tak u komunikací během provozu pro jejich údržbu a opravy. Míra nerovnosti vozovek významně ovlivňuje životnost komunikací a jízdní komfort a kontrola nerovností nabývá v současnosti na významu oproti jiným geodeticky měřeným parametrům (např. dodržení absolutních výšek podle projektu). V textu se v úvodní části zaměříme na standardní způsob určování nerovností, tj. na část obsahu normy ČSN 73 6175 [1], která definuje měření podélných a příčných nerovností vozovek (včetně hloubky vyjeté koleje R a teoretické hloubky vody W v ní) a určuje možné způsoby jejich měření. Hlavní částí příspěvku bude popis alternativního způsobu plošného vyhodnocení nerovností vozovek z mračna bodů, pořízeného laserovým skenováním nebo fotogrammetrickými metodami. 1 Jiří Sláma, Ing., GK Ing. Jiří Sláma, Potácelova 8, 636 00 Brno, tel.: +420 602711713, e-mail: slama@jslama.cz 2 Stanislav Bek, Mgr., ATLAS, spol. s r.o., Na Křivce 50, 101 00 Praha 10, tel.: +420 272766085, e-mail: s.bek@atlasltd.cz
2 Metody měření nerovností vozovek Nerovnosti vozovek se měří celou řadou technologií a metod, které lze rozdělit na dvě skupiny: geometrické a dynamické. Dynamické metody se využívají pro měření podélných nerovností a jsou založeny na hodnocení odezev snímačů na vozidlech, která pojíždí po nerovnostech. Jedná se obvykle o multifunkční vozidla (např. ARAN, ARGUS), která současně pořizují i další údaje o vozovce (makrotextura, analýzy poruch vozovek, protismykové vlastnosti, videozáznam). Měřící vozidla bývají osazena laserovými nebo ultrazvukovými snímači na lištách, které bezdotykově měří geometrii příčného profilu. Geometrické metody pracují buď s geodeticky změřenými body na povrchu vozovky, ze kterých se nerovnosti určují, nebo jsou nerovnosti přímo měřeny pokládáním latě. Právě na některé z těchto metod, zejména na jejich nové alternativní varianty, se v příspěvku zaměříme. Poznámka: Mezi metody na geometrickém principu patří i měření planografem nebo profilometrem Dipstick [1]. Pomocí latě lze měřit podélné a příčné nerovnosti jako maximální kolmou vzdálenost mezi položenou latí a povrchem vozovky a tyto hodnoty přímo porovnávat s povolenou mezní hodnotou. Podobně je možné vyhodnotit profil měřený nivelací (vyžaduje již zpracování). Obě metody jsou považovány za referenční (měření latí je rozhodující v případě sporu nebo pochybností). Vyhodnocený podélný profil měřený přesnou nivelací se používá i ke kalibraci jiných technologií [7]. Pro hodnocení nerovností vozovek je klíčovou normou ČSN 73 6175 Měření a hodnocení nerovností povrchů vozovek [1]. Například při měření podélných i příčných nerovností je pro výsledný povrch vozovky dálnice (cemetobetonové i asfaltové) povolená mezní hodnota 4 mm (pro podélné nerovnosti hodnota 2a podle obr. 1) [4], [5]. Pro měření podélné nerovnosti je předepsaná lať délky 4 m a pro příčné obvykle 2 m.
Obr. 1) Měření podélné nerovnosti latí Standardním parametrem hodnocením podélných nerovností je mezinárodní index nerovnosti IRI (International Rougness Index), který vystihuje úroveň komfortu jízdy na daném úseku vozovky. Tento koeficient je funkcionálem podélného profilu vozovky, který může být zaměřen různými způsoby. Koeficient IRI se měří nejčastěji dynamicky multifunkčními vozidly, tj. bez primárního vyhodnocování výškový údajů na profilu. Tradiční sběr dat v rámci geometrických metod (tj. měření latí, nivelace) je časově náročný a obvykle vyžaduje vyloučení dopravy. Hodí se tak zejména pro hodnocení vymezených míst malých rozměrů pro zdokumentování zřejmých nerovností (např. v přechodových oblastech mostů). Naproti tomu nové alternativní geometrické metody, využívající technologie bezdotykových měření laserovými skenery jsou mnohem efektivnější a překonávají do velké míry uvedená negativa tradičních metod. Náročnost jejich nasazení se však přesouvá do oblasti počítačového zpracování dat, které zde prezentujeme. 3 Hodnocení nerovností na dálnicích a rychlostních komunikacích Měření nerovností je součástí kontroly vozovek jak při převzetí novostavby tak před koncem záruční doby (zpravidla po 5 letech od uvedení do provozu). Během užívání komunikace patří geometrické parametry nerovností k průběžně kontrolovaným tzv. proměnným parametrům systému hospodaření s vozovkou (SHV), evidovaných u Silniční databanky ŘSD ČR pro dálnice, rychlostní komunikace a silnice I. třídy. [6]. Jejich vyhodnocování patří k základním podkladům správců komunikací pro údržbu a plánování oprav vozovek (síťová a projektová úroveň). K měření se standardně využívají multifunkční vozidla. Podélné nerovnosti hodnocené parametrem IRI se u dálnic obvykle vyhodnocují pro všechny jízdní pruhy každého jízdního pásu a mají charakter databázového podélného profilu. Hodnocení podélné a příčné nerovností povrchu vozovky je prováděno v pětiúrovňové klasifikační stupnici 1 až 5. Parametr Klasifikační stupeň 1 2 3 4 5 IRI [m/km] IRI 1,9 2,0 až 3,0 3,1 až 4,2 4,3 až 6,3 IRI > 6,3 R [mm] R < 5 (4) 1) (4) 1) 5 až 10 (8) 1) (8) 1) 11 až 22 23 až 35 R > 35 1) Hodnota v závorce platí pro pozemní komunikace s dovolenou rychlostí vyšší než 90 km h 1.
Tab. 1 Hodnocení úseku o délce 20 m mezinárodního indexu nerovnosti IRI a hloubky vyjeté koleje R v jednotlivých profilech [1] Požadavek na teoretickou hloubku vody W je jednotný: < 8,0 mm. Příklad: Pro převzetí novostavby komunikace (s dovolenou rychlostí nad 50 km/h) je požadováno podle Tab. 1 dodržení klasifikačního stupně 1 (tj. IRI do 1.9 m/km) a při kontrole před koncem záruční doby dodržení klasifikačního stupě 2 (IRI do 3.0 m/km) [1], [6]. 4 Alternativní analýza nerovností vozovky z mračna bodů V souvislosti s rozvojem neselektivních geodetických metod sběru dat (laserové skenery různého druhu) a navýšení výpočetního výkonu počítačových systémů se vyvíjejí způsoby pro plošné vyhodnocení a analýzy povrchů vozovek z mračna bodů. Ve spolupráci se specialisty z praxe vznikla v SW firmě Atlas [8] ucelená technologie pro analýzu nerovností vozovek, tvořená sběrem dat, jejich zpracováním, softwarovou analýzou a matematickou i grafickou interpretací. 4.1 Základní charakteristika řešení Cílem tohoto technického řešení je vytvoření technologie pro ekonomickou a operativní identifikaci výskytu nerovností na provozované vozovce posouzením několika druhů plošně vyhodnocených parametrů nerovností nad mapou komunikace. V závislosti na charakteru a rozsahu indikované nerovnosti pak následuje cílená prohlídka v terénu a případná volba metody dalšího detailního doměření, je-li třeba poruchu detailněji zdokumentovat. Technologie je pojata zejména jako podpora reklamačního řízení při konci záruční doby vozovky. 4.2 Současný způsob provozní kontroly nerovností Pro potřeby kontroly vozovek při reklamačním řízení v záruční době, naráží správce komunikace z hlediska geometrické nerovnosti vozovek na potřebu identifikace všech problémových míst a jejich následného zaměření a porovnání s přípustnými odchylkami normy. Nejčastější tabulkový způsob vyhodnocení IRI z měřícího vozidla, kde jsou obvykle hodnoty průměrovány pro 20 m úsek podélného směru, je vhodný pro tzv. síťovou úroveň, ale pro řešení reklamací je často nedostatečný. Současně se u některých těchto měření objevuje i problém s nízkou přesností určení polohy zaměřených míst (nespolehlivá vazba na kilometráž komunikace a uzlový lokalizační systém).
Identifikace a technická dokumentace míst s nedodrženými hodnotami nerovností pro reklamační řízení patří ke stále se opakujícím činnostem ale s nepříliš vysokou účinností. 4.3 Princip analýzy a softwarové řešení V softwarovém řešení se využívá v plné míře autorský produkt Atlas DMT a většina analýz je řešena na ploše plnohodnotného digitálního modelu povrchu na nepravidelné trojúhelníkové síti s podporou rozsáhlých dat. Digitální model je generován z optimalizovaného mračna bodů na povrchu vozovky. Atlas DMT je schopen pracovat se vstupními soubory obsahujícími desítky milionů bodů, ze kterých jsou vybrána data vztahující se k povrchu vozovky. Bodové mračno je poté prostorově homogenizováno, prostorová hustota bodů přizpůsobena parametrům výstupních vlastností, a poté vytvořen digitální model terénu. Při tomto kroku je důsledně dbáno na to, aby nedošlo ke ztrátě nosné informace. Technologie je náročná na výpočetní výkon i datový prostor. Pro praktické použití je významný výstup ve formě plošné grafické interpretace určovaných hodnot. Výpočet jednotlivých hodnot se uskutečňuje v hustých profilech na modelu a výsledky jsou zobrazeny plošně v hypsometrické barevné škále. Obr. 2) Plošná interpretace koeficientu IRI Z digitálního modelu povrchu vozovky jsou automaticky generovány všechny základní kategorie nerovností v plošné verzi výstupů: podélné nerovnosti podle mezinárodního indexu IRI (obr.2), podélné nerovnosti pomocí simulace měření 4 m latí, příčné nerovnosti pomocí simulace měření 2 m latí (obr. 3) hloubky vody W ve vyjetých kolejích.
Postup výpočtu mezinárodního indexu nerovnosti IRI je převzat z normy ČSN 73 6175 (vzorkovací interval 0.25 m s indexem IRI, popisujícím úsek délky 20). Správnost výpočtu byla ověřena porovnáním s řešením v normou doporučeném softwaru ProVAL v.3.5 ( ČSN 73 6175, odst. 10.5.3) [9]. Princip výpočtu ostatních hodnot nerovností, simulujících přikládání latě, je standardní geometrickou úlohou, využívající řez plochou digitálního modelu povrchu. Obr. 3) Plošná interpretace příčných nerovností Pro úlohu obecné analýzy identifikace nerovností na ploše byla nad rámec hodnotících metod normy ČSN 73 6175 vyvinuta a aplikována vlastní technologie pro určení místní nerovnosti v lokální oblasti (obr. 5). Obr. 5) Plošná interpretace relativních nerovností k referenčnímu okolí Na rozdíl od předchozích analýz indikuje nerovnosti obecně (nezávisle na směru) a významně pomáhá hodnotiteli identifikovat problematická místa. Spočívá v hodnocení odchylek bodů od proložené roviny v příslušném okolí každého bodu. Právě volbou velikosti okolí lze nastavit velikost a charakter analyzovaných nerovností z hlediska vlnové délky nerovností. 4.4 Postup určení nerovností vozovek z mračna bodů a) Pořízení vstupních dat
S ohledem na rozsah kontrolovaných komunikací (desítky kilometrů) se pro sběr prostorových dat předpokládá použití metody mobilního laserového skenování z jedoucího automobilu s důrazem na vysokou relativní přesností určení výšek bodů. Mračno bodů z mobilního skenování (s odpovídající technologií pořízení dat a zpracování) v kombinaci s velkým množstvím a hustotou zaměřených bodů má dostatečnou výškovou relativní přesnost potřebnou pro posouzení nerovností na vztažné oblasti (desítky metrů), která umožní indikaci nerovností již od 1 cm. Přesnost výstupů je vždy závislá na kvalitě pořízených dat, kterou předurčuje přesnost skeneru, kvalita inerciální jednotky při mobilním skenování a podrobnost zaměření. Relativní přesnost výšek bodů na vozovce těchto konkrétních dat (po odstranění odlehlých bodů) lze odhadnout na 3 4 mm pro oblast do cca 10 m (z posouzení rozptylu, rozložení a charakteru bodů mračna). Na relativní geometrickou přesnost bodů na povrchu vozovky má pozitivní dopad i měření dvojicí skenerů na vozidle a jejich osazení šikmo ke směru jízdy. Výstupem pro další zpracování je georeferencované mračno bodů povrchu vozovky. b) Plošná analýza dat na digitálním modelu povrchu Podle výše uvedeného postupu následuje softwarové vyhodnocení povrchu vozovky, které s vysokou mírou automatizace dokáže obsáhnout velké zájmové území ve vysoké podrobnosti a umožňuje identifikaci typů nerovností, které běžné měření v terénu ani pohledová kontrola neodhalí. Výsledkem je pak analýza nerovností pro identifikací problémových míst povrchu z hlediska rovinatosti povrchu a plošná indikace podélných a příčných nerovností a koeficientu IRI na celé ploše vozovky s určením hodnot nerovností. c) Detailní kontrola indikovaných nerovností Druhým krokem po předchozí plošné analýze je detailní plošné zaměření vybraných jednotlivých indikovaných oblastí. A to nejčastěji za použití shodných SW nástrojů jako u plošné analýzy, ale s využitím přesnějších vstupů (např. statický skener, geodetická multistanice MS50, blízká pozemní fotogrammetrie).
Jinou variantou detailního doměření je liniová kontrola na profilu přímým měřením geodeticky přesně výškově určeného podélného profilu s vyhodnocením vzhledem k referenční křivce (projektovaného stavu nebo přimykající se reálnému povrchu) nebo přímým výpočtem hodnot IRI (SW Atlas DMT nebo ProVAL). Obr. 6) Podélný profil s hodnotami IRI Atlas DMT v.7 Detailní zaměření plošné i liniové však lze vynechat a přistoupit přímo k cílenému měření podélných a příčných nerovností latí na základě spolehlivé identifikace kritického místa ze situace. d) Využití pro další projekční úlohy Souběžně s analýzou nerovností je možné vytvořit i standardní digitální model povrchu (po zředění a generalizaci) pro projektové účely ze stejného skenovacího měření přesnost lze u dat z mobilního skenování zvýšit výškovou dokalibrací modelu přesnými vlícovacími body na vozovce. 4.5 Testovací projekt V rámci vývoje systému byl koncem r. 2014 uskutečněn poměrně rozsáhlý testovací projekt, kdy byl zaměřen a vyhodnocen celý stavební úsek dálnice po 5 letech provozu v délce 18 km. Data byla poskytnuta správci komunikace a na základě výsledků probíhá další vývoj technologie a softwarového řešení. Výstupy byly zpřístupněny ve webové aplikaci, ale technologie umožňuje i individuální výstupy (standardně WMS server). Souběžně byla v tomto úseku data doplněna a kontrolována geodeticky zaměřenými profily v přechodových oblastech 11 dálničních mostů (podélné a příčné profily s přesně měřenými body v různé hustotě odpovídající nerovnostem vozovky). 5 Závěr Popsaný postup nabízí ucelenou technologii zejména pro správce komunikace a projektanty oprav při identifikaci nerovností vozovek (obecně prostorových poruch povrchů vozovek) s využitím nových technologií
prostorového neselektivního sběru dat. Výhodou technologie je výsledná plošná informace o nerovnostech, kterou lze získat bez omezení provozu a umožní soustředění kapacit na takto vytipované problémové lokality. Vzhledem k tomu, že se jedná o technologii, založenou zejména na matematickém řešení prostorových vztahů, je její přesnost dána především přesností vstupních dat. V souvislosti s rychle se rozvíjejícími moderními měřícími technikami, lze očekávat jejich stále se zlepšující technické parametry zejména přesnost. Měření nerovností je v současnosti zcela mimo zájem a náplň činností geodetických firem. Geometrický charakter této úlohy spolu s moderními technologiemi dává prostor ke změně pohledu na tuto dosud zdánlivě nezajímavou oblast. Další kontrolní měření a testování ukáže zda (případně do jaké míry) mohou tyto alternativní metody nahradit i standardní postupy určování nerovností. Literatura [1] ČSN 73 6175 Měření a hodnocení nerovností povrchů vozovek, říjen 2009 [2] ČSN EN 13036-7 Povrchové vlastnosti vozovek pozemních komunikací a letištních ploch Zkušební metody Část 7: Měření jednotlivých nerovností povrchu vozovky Zkouška latí, červen 2009 [3] ČSN EN 13036-8 Povrchové vlastnosti vozovek pozemních komunikací a letištních ploch Zkušební metody Část 8: Stanovení parametrů příčné nerovnosti, červen 2009 [4] ČSN 73 6121 Stavba vozovek Hutněné asfaltové vrstvy Provádění a kontrola shody, březen 2008 [5] ČSN 73 6123-1 Stavba vozovek Cementobetonové kryty Část 1: Provádění a kontrola shody, květen 2006 [6] TP 87 Navrhování údržby a oprav netuhých vozovek, Metodika návrhu oprav vozovek, Ministerstvo dopravy, březen 2010 [7] TP 207 Experiment přesnosti zařízení pro měření povrchových vlastností a průhybů vozovek pozemních komunikací, 2009 [8] http://www.atlasltd.cz [9] http://www.roadprofile.com