Wenn Räumfahrzeuge das Wetter lesen

Schnee und Eis sind auch für autonome Fahrzeuge eine Herausforderung. Daimler hat jetzt fahrerlose, vernetzte Winterdienstgeräte vorgestellt.

Unerwarteter Wintereinbruch: Plötzlich ist die Fahrbahn glatt, Verkehrsschilder und Straßenmarkierungen sind zugeschneit. Autofahrer wissen: Jetzt ist Vorsicht geboten. Aber wie wird die smarte Stadt künftig damit umgehen? Schließlich sollen autonome Fahrzeuge sicher und souverän alle Herausforderung des modernen Verkehrs bewältigen – und zwar zuverlässiger, als es Menschen heute vermögen. Das gilt auch für das Winterwetter.

Dieses Ziel kann nur erreicht werden, wenn Fahrzeuge lernen, gefährliche Straßenzustände zuverlässig einzuschätzen – etwa durch die Auswertung von Echtzeitdaten zum lokalen Straßenwetter, die über Datenaustausch mit der Infrastruktur zur Verfügung stehen (V2X-Kommunikation). Außerdem müssen die Fahrzeuge über Technologien verfügen, um sich auch unter widrigen Bedingungen zu orientieren. Denn Kamerasysteme und Lidar stoßen bei Schnee auf Fahrbahnmarkierungen, Straßenschildern oder den optischen Systemen selbst an ihre Grenzen.

Test unter realen Bedingungen

US-Forscher entwickeln deshalb Lösungen der autonomen Mobilität nicht nur im warmen und trockenen Kalifornien, sondern beispielsweise auch in der „M-City“ auf dem Gelände der Universität von Michigan. Auf dem Straßennetz der knapp 13 Hektar großen Simulation einer Stadt lassen sich im Winter Fahrzeuge sehr realistisch bei Schnee, Matsch und Eis erproben.

Solche Versuche sind hoch relevant für die Serienreife autonom fahrender Automobile. Schließlich liegen nach Angaben der Federal Highway Administration 70 Prozent aller Straßen der USA in Regionen, die von Schneefall und Eisglätte betroffen sein können. Und auch in Mitteleuropa sind sichere Straßen im Winter ein Dauerthema. Denn der Klimawandel führt zwar zu einer Erhöhung der Jahresdurchschnittstemperatur. Aber Wintereinbrüche – auch kurze und lokal begrenzte Ereignisse – nehmen deshalb nicht ab. Nach Aussagen des Potsdam-Institutes für Klimafolgenforschung kann der Klimawandel sogar zu stärkerer Ausbreitung polarer Luft mit entsprechend tiefen Wintertemperaturen in gemäßigten Breiten führen. Das bestätigt auch die Studie „More frequent weak stratospheric polar vortex states linked to cold extremes“, die 2017 im Bulletin of the American Meteorological Society erschienen ist. Dazu kommt die höhere Frequenz solcher Ereignisse: Es friert und schneit häufiger, dafür taut es schneller wieder.

Wie können Lösungen für automatisierte Mobilität im Winter aussehen, wenn klassische Fahrzeugsensorik an ihre Grenzen stößt?

Der offene Blick in andere Technikwelten

Aber wie können Lösungen für automatisierte Mobilität im Winter aussehen, wenn klassische Fahrzeugsensorik an ihre Grenzen stößt? Hier hilft der offene Blick in andere Technikwelten. Das hat Mercedes-Benz im Herbst 2017 am Beispiel von schweren Nutzfahrzeugen gezeigt, die im Winterdienst auf Flughäfen eingesetzt werden: In dem Projekt „Automated Airfield Ground Maintenance“ (AAGM) räumt ein über das Remote Truck Interface (RTI) miteinander vernetzter Verbund aus vier Mercedes-Benz Arocs Sattelzugmaschinen hochgenau und ferngesteuert ein Flugfeld. Die Räumstrecken sind in den digitalen Karten vordefiniert und werden von dem Konvoi, der künftig bis auf 14 Fahrzeuge erweitert werden kann, mit höchstens 30 Millimeter Abweichung eingehalten. Das Projekt ist in enger Zusammenarbeit von Daimler Trucks Vorentwicklung mit der Daimler Innovationsschmiede Lab1886 und der Fraport AG entstanden. Etwa ein Jahr hat es gedauert, die Ideen in eine zuverlässig arbeitende Anwendung auf Basis des Mercedes-Benz Arocs Baustellenlastwagens umzusetzen.

In der digital unterstützten Landwirtschaft, dem „precision farming“, wird das Verfahren bereits mit einer Genauigkeit von 20 Millimetern eingesetzt

„Eine der hier verwendeten Technologien zur zentimetergenauen Navigation ist Differential-GPS“, sagt Martin Zeilinger, Leiter der Vorentwicklung bei Daimler Trucks. Dabei wird das von Satelliten empfangene GPS-Signal durch per Funk übermittelte Korrekturdaten präzisiert. Diese Daten liefert ein Netz fest installierter Stationen. Sie gleichen das regional verfügbare GPS-Signal mit ihrem exakt bestimmten Standort ab und errechnen daraus die individuelle Abweichung. In der digital unterstützten Landwirtschaft, dem „precision farming“, wird das Verfahren bereits mit einer Genauigkeit von 20 Millimetern eingesetzt. Werden die DGPS-Daten mit hoch detaillierten 3D-Karten des Straßennetzes kombiniert, können sich Fahrzeuge auch bei widrigen Umgebungsbedingungen mit dieser Technologie zuverlässig verorten. Das ist eine mögliche Antwort auf die zusätzlichen Anforderungen, die der Winter an autonome Mobilität stellt.

Das AAGM-Projekt ist zunächst nur auf den Einsatz in abgeschlossenen Bereichen wie einem Flugfeld fokussiert. Daher lässt es sich nicht so einfach auf den klassischen Winterdienst im Netz öffentlicher Straßen übertragen. Doch die erfolgreiche Automatisierung des Arocs Konvois zeigt das Potenzial der neuen RTI-Schnittstelle auch für solche Anwendungen auf. Denn damit lassen sich nicht nur Fahrzeuge untereinander vernetzen, wie in dem Pilotprojekt. Sondern sie macht auch die Ansteuerung und den Datenaustausch mit smarten Anbaugeräten möglich.

Solche Anbaugeräte wie Schneepflug, Schneefräse und vor allem Streutechnik sind für den Winterdienst unverzichtbar. Ihre Präzision und Flexibilität ist durch den Einsatz elektronischer Sensoren und intelligenter Steuerung heute so groß wie nie zuvor. Seit der Erfindung des Streutellers für festes Salzgranulat im Jahr 1938 habe sich die Technologie ganz wesentlich weiterentwickelt, bestätigt die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV). So wird Natriumchlorid, das wichtigste Auftaumittel in Deutschland, heute meist als Mischung als Sole und Festsalz (Feuchtsalz) ausgebracht, oder die Fahrzeuge sprühen sogar ausschließlich Sole. Dieses sogenannte Feuchtsalz-100-Verfahren (FS 100) erlaubt die genaue und vorbeugende Glättebehandlung von Straßenoberflächen.

Ökologische und wirtschaftliche Vorteile

Präzision bedeutet auch, die Menge des eingesetzten Auftaumittels (neben Natriumchlorid werden unter anderem auch Calcium-, Magnesium- und Kaliumchlorid verwendet) je Durchgang verringern zu können. Und das lohnt sich aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen, je mehr Streueinsätze gefahren werden. Ein Blick auf die Lager der Winterdienste machen die Größenordnungen deutlich: So haben allein in Großbritannien die Straßenbehörden nach dem schnee- und eisreichen Winter 2016/2017 für die aktuelle Saison rund 1,3 Millionen Tonnen Salz eingelagert.

Heute Einsatz bei Baumpflegearbeiten, morgen Winterdienst: Insbesondere für kommunale Straßendienste ist es wichtig, dass die Trägerfahrzeuge sehr flexibel verwendbar sind. Über diese Eigenschaft verfügt der Unimog von Mercedes-Benz. Seit über einem halben Jahrhundert erledigt das einst in Gaggenau, heute in Wörth gebaute Universal-Motorgerät mit seinen verschiedenen Baureihen eine breite Palette von Aufgaben. Auch für verschiedene Winterdienstszenarien kommen Unimogs zum Einsatz, vom Sprühen der FS 100-Sole bis zum Räumen meterhoher Schneewände entlang von Gebirgsstraßen. Die Straßendienste setzen zudem oft auf schwere Mercedes-Benz Lastwagen als Basisfahrzeuge für das Streuen und Räumen.

Gerade im Winterdienst spielen Sensoren schon lange eine wichtige Rolle. Denn sie messen das sogenannte Straßenwetter und machen eine lokal angepasste Behandlung der Straßenoberfläche möglich

Im Winterdienst sind natürlich die Anbauten zum Räumen und die Aufbauten für das Streuen oder Sprühen besonders wichtig. Die Zusammenarbeit der Stuttgarter Marke bei der Entwicklung solcher Geräte mit deren Herstellern reicht viele Jahrzehnte zurück. In dieser Zeit ist die Technik immer intelligenter geworden. Gerade im Winterdienst spielen Sensoren schon lange eine wichtige Rolle. Denn sie messen das sogenannte Straßenwetter und machen eine lokal angepasste Behandlung der Straßenoberfläche möglich.

Das MARWIS-System von Lufft beispielsweise fragt bis zu hundertmal in der Sekunde die Faktoren Taupunkttemperatur, Fahrbahnoberflächentemperatur, relative Feuchte über der Fahrbahnoberfläche, Wasserfilmhöhe und Fahrbahnzustand (trocken, nass, feucht, gefroren, Schnee/Eis, kritische Nässe) ab. Solche extrem genauen und in Echtzeit erhobenen Straßenwetterinformationen sind wertvolle Daten. Sie werden nicht nur von einzelnen Fahrzeugen verwendet, sondern über das Netz der V2X-Kommunikation weitergegeben und für aktuelle Zustandsanalysen des gesamten Straßennetzes herangezogen.

Die smarte Stadt wird wetterfest

Daraus lassen sich durch IT-Lösungen dynamische Einsatzstrategien für den Winterdienst ableiten, aber auch automatische Verkehrswarnungen oder lokale Tempobeschränkungen erzeugen. Dieser digitalen Dimension der Räum- und Streutechnik sowie der Verkehrssteuerung widmet im Februar 2018 der 15. International Winter Road Congress einen eigenen Schwerpunkt. Die Tagung der World Road Association (PIARC) steht unter dem Motto „Providing Safe and Sustainable Winter Road Service“ und findet in Danzig statt.

Hier wird unter anderem die Sammlung von Straßenwetterinformationen und ihre Nutzung durch intelligente Software zur Unterstützung der Einsatzplanung (maintenance decision support systems, MDSS) im Vordergrund stehen. Die Nutzung der entsprechenden Innovationen, so heißt es im Vorfeld der Tagung, solle die Widerstandsfähigkeit von Verkehrsinfrastrukturen gegen Wintereinbrüche stärken. Neben den MDSS werden die Messungen mobiler und stationärer Sensoren sowie der Datenaustausch diskutiert.

Berührungslos messende Sensoren

„Die Nutzung dieser Daten bietet ein riesiges Potenzial“, bestätigt Dr. Martin Nicklas. Der Luft- und Raumfahrtingenieur ist Geschäftsführer des Messtechnikherstellers Lufft. Er setzt dabei auf die Verknüpfung mobil erfasster Werte mit den Messungen fest installierter Sensoren. Solche fest installierten Messanlagen gibt es zwar schon länger. Das Bundesamt für Straßenwesen (BASt) hat bereits 2006 auf ihre Bedeutung hingewiesen, um Glätteereignisse möglichst früh und möglichst genau vorherzusagen. Als zentrale Messwerte wurden damals Fahrbahnoberflächentemperatur, Niederschlagsintensität, Wasserfilmdicke und Gefriertemperatur definiert. Manche Versionen der Messtechnik müssen allerdings in der Fahrbahn selbst verbaut werden, was Montage und Wartung aufwendig macht.

Mittlerweile stehen aber berührungslos messende Sensoren zur Verfügung. Sie greifen auf Technologien zurück, wie sie auch in der Fahrzeugindustrie zum Einsatz kommen. Ihre Verwendung kann beim Aufbau eines dichten Sensornetzwerks für die smarte Stadt erhebliche Kosten sparen. Aber wann werden automatisch fahrende Lastwagen die Straßen in dieser intelligenten Stadt räumen und streuen? Grundsätzlich schafft Daimlers RTI-Schnittstelle eine neue Stufe für Assistenzsysteme von Nutzfahrzeugen. Denn über das Interface können – auch durch Daten aus Anbaugeräten – Fahrfunktionen beeinflusst werden.

Auf dem Flughafen und im Containerterminal

Zunächst liegt der Schwerpunkt der Daimler Entwicklung aber auf Lösungen zum automatisierten Fahren im normalen Verkehr auf Autobahnen. „Damit werde der Fahrer entlastet und die Sicherheit deutlich erhöht“, sagt Martin Zeilinger. An komplexeren Anwendungen wird hingegen vor allem für abgeschlossene Bereiche gearbeitet. Dafür ist die Flughafen-Räumtechnik ein gutes Beispiel. Aber auch fahrerlose Rangiervorgänge in Containerterminals und den Transport in Minen nennt der Leiter Vorentwicklung bei Daimler Trucks.

Im Kommunikationsnetz aus Fahrzeugen, Sensoren und Steuerung kommt der Infrastruktur künftig übrigens nicht nur die Rolle des Datensammlers und der Schnittstelle zu. Denn gerade in besonders glättegefährdeten Bereichen kann das Straßennetz der smarten Stadt in Zukunft selbst aktiv werden, um die Fahrbedingungen zu verbessern. Temperierte Straßenoberflächen werden seit mehreren Jahren untersucht und insbesondere auf Brücken getestet. Im Oktober 2017 hat die Bundesanstalt für Straßenwesen die neue Forschungseinrichtung duraBASt in Nordrhein-Westfalen in Betrieb genommen. Auf dem Testfeld nahe dem Autobahnkreuz Köln-Ost werden auch verschiedene Möglichkeiten der Temperierung von Straßenoberflächen untersucht. Die nötige Wärmeenergie wird im Sommer durch Kollektoren gewonnen und gespeichert. Im Winter steht sie dann für das Enteisen zur Verfügung – und zwar am besten genau dann und in genau dem Maß, wie es die Sensoren der intelligenten Stadt voraussagen.

 

Auftausalze senken den Gefrierpunkt von Wasser auf der Straßenoberfläche. So hilft ihr Einsatz, Glätte im Winter zu bekämpfen. Meist wird das Mittel heute als Feuchtsalz ausgebracht. Bei dem Verfahren wird das gebrochene und gesiebte Natriumchlorid (Kochsalz) mit einer flüssigen Salzlösung gemischt, die je nach Anwendung ebenfalls aus Natriumchlorid oder aber aus Calciumchlorid beziehungsweise Magnesiumchlorid hergestellt wird. Direkt vor aus dem Ausbringen vermischt das Anbaugerät des Winterdienstfahrzeugs die beiden Bestandteile auf dem Streuteller am Heck des Fahrzeugs miteinander und bringt sie fächerförmig aus. Überwiegend wird dabei FS 30 verwendet. So heißt eine Mischung aus 70 Prozent Salz (der Hersteller K+S liefert es für den Winterdienst in Körnungen bis 5 Millimeter Stärke) und 30 Prozent Sole (unter anderem Natriumchlorid in 21- und 26-prozentiger Konzentration oder Magnesiumchlorid in 20, 25 und 30-prozentiger Konzentration). Zwischen FS 30 und reiner Sole (FS 100) gibt es noch andere Mischverhältnisse wie FS 50 und FS 70. Intelligente Winterdienstfahrzeuge können durch Echtzeit-Straßenwetterinformationen das Salz besonders genau dosieren und ausbringen.

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