Bereits in den 80-er Jahren wurde vom Bundesministerium für Verkehr gefordert, die Streustoffdosierung im Winterdienst zu automatisiereren. Mit der Entwicklung der temperaturgesteuerten Streustoffdosierung, welche 1994 im Markt eingeführt wurde, wurde der Anfang gemacht. Bei dieser Steuerung werden mit der Fahrbahntemperatur und der Fahrbahnfeuchte zwei maßgebliche Faktoren für den Taustoffbedarf berücksichtigt. Hiermit sind Einsparpotentiale von bis zu 30 % erzielbar. Diese Technik wird allerdings, obwohl in diversen Hinweispapieren bzw. im Merkblatt für den Straßenwinterdienst empfohlen, nicht in dem erwarteten Umfang genutzt.

Durch gezielte Forschungsaufträge und Praxisversuche wurden in den letzten 10 Jahren Erkenntnisse über die Taustoffwirkung und Liegezeiten gewonnen sowie Entwicklungen zur Optimierung der Taustoffausbringung angestoßen bzw. umgesetzt. Ein wesentlicher Fortschritt zur Optimierung der Streustoffdosierung konnte durch die Entwicklung eines Algorithmus für die Streustoffdosierung im Rahmen der Forschung erreicht werden. Die Erkenntnisse wurden für die Weiterentwicklung der temperaturgesteuerten – teilautomatisierten - Streustoffdosierung genutzt. Berücksichtigt werden jetzt die Einsatzarten Präventiv- und Kurativstreuen sowie das in den letzten Jahren eingeführte Flüssigstreuen. Diese Weiterentwicklungen sowie Empfehlungen zu den Anforderungen an die einzusetzende Technik, unter Berücksichtigung vorliegender Praxiserfahrungen, sind in ein in 2015 erstelltes Hinweispapier des Arbeitsausschusses Winterdienst der FGSV eingeflossen.

Die Grundlagen für die „Automatisierung des Streuens“ sind durch die Untersuchungen und Erkenntnisse aus der Forschung erweitert worden. Eine technische Umsetzung wurde bereits im Rahmen der Forschung erfolgreich erprobt. Die für die Präventivstreuung benötigten Kurzfristprognosen für die nächsten 3 Stunden konnten erfolgreich vom Deutschen Wetterdienst dem System online zugeführt werden. Für eine vollständige Realisierung sind Sensoren zur berührungslosen Erfassung des Fahrbahnzustandes (Trocken, Feucht, Nass, Eis) erforderlich. Die Industrie hat bereits entsprechende Entwicklungen vorgestellt, deren Qualität noch zu prüfen ist.

Für eine schnelle Realisierung sollten die wirklich relevanten Faktoren in Abwägung einer Kosten-Nutzen-Bilanz berücksichtigt werden. Nachfolgend können dann die noch sinnvollen Feinjustierungen am System erfolgen.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Automatisiertes Streuen

Für eine objektiv richtige Streustoffdosierung ist eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen. Betrachtet man nur die wirklich sehr wichtigen und damit relevanten Faktoren (Tabelle 1), die den Streusalzbedarf maßgeblich bestimmen, so wird klar, dass das Einsatzpersonal bei der Festlegung des Streustoffbedarfs überfordert wird. Die manuell gewählten Streudichten durch das Einsatzpersonal weichen daher auch im Vergleich bei gleichen Bedingungen sehr stark voneinander ab. Unterschiede mit dem Faktor 2 sind keine Seltenheit. Diese Unterschiede sind nachvollziehbar, da die Einschätzung der relevanten Faktoren sehr schwierig ist und darüber hinaus die Eigenerfahrungen (positive wie negative) mitbestimmend für die jeweilige Streustoffdosierung durch das Einsatzpersonal sind.

Tabelle 1: Faktoren für den Streustoffbedarf (nicht vollständig)

Insbesondere aus dem Faktor „Zeitpunkt der Taustoffausbringung“ und das in den letzten Jahren eingeführte „Flüssigstreuen“ (FS100) leitet sich der dringende Bedarf nach einer „Automatisierung des Streuens“ ab. Die hierbei erforderlichen Differenzierungen bei der Streustoffdosierung sind zu vielfältig und vom Einsatzpersonal kaum bzw. nicht zu bewältigen. Eine Automatisierung ist hierbei keine „Entmündigung“ des Einsatzpersonals, sondern eine Unterstützung. Das Einsatzpersonal muss für die Überwachung der Systeme weiterhin die erforderlichen Kenntnisse aufweisen, um bei Bedarf zur Sicherung des Winterdiensterfolges eingreifen zu können.

Die im System hinterlegten Streustoffdosierungen müssen natürlich eine ausreichende Sicherheitsmarge beinhalten. Systembedingte Toleranzen sowie die nach einem Präventiveinsatz sich ergebenen Änderungen bei der Fahrbahntemperatur und -feuchte müssen ausreichend berücksichtigt werden. Verantwortlich hierfür sind die Auftraggeber (Straßenbauverwaltung, Kommune etc.), die das System für den Straßenwinterdienst bereitstellen, nicht das Einsatzpersonal. Durch vorliegende Erfahrungen, die in entsprechenden Hinweispapieren und Merkblättern hinterlegt sind, werden den Verantwortlichen für ihre Festlegungen Hilfestellung gegeben.

2 Teilautomatisierte Streustoffdosierung

Bereits 1993 wurde vom Bundesverkehrsministerium (Hahn, 1993), unter Hinweis auf die damaligen technischen Entwicklungen, die „Automatisierung des Streuens“ gefordert.

Ein Vorschlag hierzu wurde in der Straßenbauverwaltung von Nordrhein-Westfalen (Niebrügge, 1995) entwickelt. Die Idee ergab sich bereits 1987 durch die Anwendung der berührungslosen Erfassung der Fahrbahntemperatur mittels eines Infrarotpyrometers (Infrarotthermometer). Dieser wurde im Rahmen einer Thermografie für die Festlegung von Standorten für Straßenwetterstationen vom Deutschen Wetterdienst genutzt. Der Umsetzungsvorschlag wurde Ende der 1980-er Jahre mit einem Streumaschinenhersteller realisiert und nach einigen Praxisversuchen 1994 im Markt eingeführt.

In Deutschland werden aktuell nach Einschätzungen von Herstellern (Küpper-Weisser, Epoke, Schmidt-Nido) ca. 30 bis 40 % der Streumaschinen mit einer Kapazität von rd. 3 m³ und mehr mit der temperaturgesteuerten Streustoffdosierung verkauft. Im Export sind die Anteile geringer. Es sind im Wesentlichen die Straßenbauverwaltungen der Länder und große Kommunen die diese Technik beschaffen.

Im Bild 1 sind die Systemskizze, die Vorgaben zur Streustoffdosierung in Abhängigkeit der Fahrbahntemperatur sowie die vorgegebenen Streustufen dargestellt. Es stand hiermit erstmals eine teilautomatisierte Streustoffdosierung in Abhängigkeit von der berührungslos gemessenen Fahrbahntemperatur zur Verfügung. Hierbei wird über eine Streustufenwahl die ebenfalls relevante Feuchtemenge aus dem vom Bedienpersonal einzuschätzenden Fahrbahnzustand und der daraus resultierende Feuchtemenge auf der Fahrbahn berücksichtigt.

Bild 1: Teilautomatisierte (temperaturabhängige) Streustoffdosierung mit Streustufen

Die Straßenbauverwaltung in Nordrhein-Westfalen (Straßen.NRW) berücksichtigt seit der Markeinführung bei der Beschaffung von Streumaschinen diese Zusatzausstattung.

Zur Überprüfung der teilautomatisierten Steuerung wurden nach der Markeinführung verschiedene Vergleichstest bezüglich der Einsparungsgrößen und der Wirksamkeit durchgeführt. Im Bild 2 ist beispielhaft eine Aufzeichnung einer Einsatzfahrt mit der Temperatursteuerung grafisch dargestellt. Hierbei wurden während der Einsatzfahrt verschiedene Streustufen vom Bediener gewählt. Die zeitweise gewählte Streustufe 5 ist im Regelfall eine temperaturunabhängige Steuerung. Hier hat der Bediener kurzfristig die Dosierungsvorgabe manuell eingestellt.

Bild 2: Grafische Darstellung einer aufgezeichneten Einsatzfahrt

Im Bild 3 ist eine vergleichende Aufzeichnung einer Einsatzfahrt enthalten. Hierbei wurde die vom Bediener gewählte individuelle Streudichteeinstellung umgesetzt und parallel die sich bei einer temperaturabhängigen Steuerung ergebende Streudichte in der Streustufe 1 mit aufgezeichnet. Die Differenzen sind hierbei erheblich.

Bild 3: Vergleichsaufzeichnung manuelle und temperaturabhängige Streudichtesteuerung

Bei Praxistests und Vergleichsuntersuchungen (Schweiz, Deutschland) wurden Einsparpotentiale von bis zu 30 % bei ausreichender Wirksamkeit der Winterdiensteinsätze nachgewiesen. Die Anwendung der temperaturabhängigen Streustoffdosierung wird aufgrund dieser Ergebnisse und der vorliegenden positiven Praxiserfahrungen in den Merkblättern und Hinweispapieren für den Straßenwinterdienst in Deutschland seit vielen Jahren aus ökologischen und ökonomischen Gründen zur Anwendung empfohlen. 

Diese Empfehlung begründet sich alleine schon bei einer ökonomischen Bewertung. Nimmt man nur den durchschnittlichen bundesweiten Taustoffdurchsatz der letzten 10 Jahre auf den Bundesfernstraßen mit rd. 825.000 Tonnen Streusalz, so ergibt sich, dass bei einer Einsparung von nur 10 % insgesamt 82.500 Tonnen Streusalz pro Winterperiode weniger ausgebracht und somit eine Kostenreduktion von rd. 6,0 Mio. €/Winterperiode erreicht würde. Neben der ökonomischen Bewertung dürfen allerdings die sich ergebenen ökologischen Vorteile nicht vernachlässigt werden. Eine Einschätzung, welche Einsparungen durch die Verwendung der bei den Winterdiensten bereits vorhandenen Systeme tatsächlich erzielt wurden, ist aufgrund der fehlenden Datenbasis und der sehr vielen weiteren verbrauchsbestimmenden Randbedingungen kaum möglich. 

3 Erfahrungen mit der teilautomatisierten Streustoffdosierung

Es liegen vielfältige Erfahrungen aus dem bisherigen Anwendungszeitraum von über 20 Jahren mit der teilautomatisierten Streustoffdosierung vor. Diese Erfahrungen führten zwischenzeitlich zu kleineren Anpassungen der Vorgaben zur Streustoffdosierung in den einzelnen Streustufen. Die technische Ausführung ist unverändert geblieben. Bei den potentiellen Anwendern besteht zur Anwendung der teilautomatisierten Streustoffdosierung eine große Bandbreite an Meinungen. Aus Beobachtungen ist abzuleiten, dass die technischen Umsetzungen in der Praxis, aufgrund fehlender Kenntnisse und nicht ausreichender Ausführungsvorgaben, häufig nicht den Anforderungen für eine optimale Systemnutzung entsprechen.

3.1 Nutzerbewertungen teilautomatisierte Streustoffdosierung

Die Bewertung der temperaturgesteuerten Streustoffdosierung fällt in der Praxis des Winterdienstes sehr differenziert aus.

Auf der einen Seite sind die Nutzer zu nennen, die sich mit der Technik auseinander gesetzt und durch eine kritisch begleitete Anwendung Erfahrungen gesammelt haben. Die Vorteile wurden erkannt, das System akzeptiert und entsprechend genutzt. Darüber hinaus gibt es Nutzer, die das System nicht hinterfragen, sondern direkt in der Praxis anwenden und kein Problem damit haben. Dieser Teil kommt häufig von den externen Dienstleistern, ist also Fremdpersonal, welches nach Anweisung arbeitet.

Zuletzt gibt den Teil des Einsatzpersonals, das skeptisch ist, kein Vertrauen in die bereitgestellte Technik hat und teilweise auch den Vorgabewerten für die Dosierung misstraut. Es wird argumentiert, man sei sich in der Bestimmung der erforderlichen Streudichte auf der Grundlage der eigenen Erfahrungen sicher und benötige diese Steuerung daher nicht. Diese würde ggf. auch zu einer zu geringen Dosierung führen und damit die Verkehrssicherheit gefährden. 

Häufig wird auch die Einschätzung der Feuchtemenge und damit die Wahl der richtigen Streustufe als schwierig dargestellt. Zusätzlich wird bemängelt, dass bisher keine Differenzierung zwischen Präventiv- und Kurativeinsatz vorhanden ist.

3.2 Fehler in der technischen Umsetzung

Für die temperaturgesteuerte Streustoffdosierung ist neben der erforderlichen Programmierung der Streustufen nur die IR-Kamera als technisches Bauteil am Winterdienstfahrzeug bzw. an der Winterdienstmaschine notwendig.

Die wesentlichen relevanten Anforderungen an die IR-Kamera, wie z. B. Maßnahmen gegen Fehlmessungen durch Thermoschock, der durch eine plötzliche starke Änderung der Umgebungstemperatur eintritt oder gegen Wärmequellen im Umfeld der Kamera müssen beachtet und eingehalten werden. Aus Kostengründen werden teilweise IR-Kameras angeboten, die diese Kompensationsvorgaben nicht einhalten. Wichtig ist aber auch die richtige Position am Fahrzeug oder an der Streumaschine. Hier sind in der Praxis häufig ungünstige oder sogar falsche Installationen zu beobachten.

Die Umsetzung einer plötzlichen Änderung der Fahrbahntemperatur in eine entsprechend geänderten Streustoffdosierung– z. B. beim Übergang zu einer Brücke – benötigt Zeit für die Signalverarbeitung, für die hydraulische Umsetzung der erforderlichen Veränderung in der Taustoffförderung sowie des Auswurfs des Taustoffs bis zur Taustoffablage auf der Straße. Die elektronische und hydraulische Umsetzung erfolgt innerhalb von Millisekunden, also sehr schnell. Der wesentliche Zeitbedarf setzt sich aus der Zeit für die veränderte Mengenzuführung zum Streustoffverteiler und der Zeit zwischen dem Abwurf des Taustoffs vom Streustoffverteiler bis zum Ablagepunkt auf der Straße zusammen. Daher sollte der Abstand zwischen der Temperaturerfassung und dem Ablagepunkt möglichst groß sein. Die gefahrene Einsatzgeschwindigkeit ist hierbei entscheidend. Bei 50 km/h beträgt der Fahrweg innerhalb von 0,5 Sekunden z. B. rund 7 m. In der Praxis beobachtet man häufig die Installation der IR-Kamera am Ende des Fahrzeugs bzw. der Streumaschine. Ein Grund hierfür sind die begrenzten Platzverhältnisse innerhalb des Fahrzeugrahmens hinter dem Fahrerhaus oder im Frontbereich hinter der Anbauplatte für die Aufnahme des Schneepflugs. Häufig findet man dann auch noch Kamerainstallationen bei denen die Optik der IR-Kamera so ausgerichtet ist, dass der Messpunkt sich in der Rollspur befindet. Für eine sichere Streustoffdosierung ist das negativ, da in der Rollspur höhere und damit weniger kritische Oberflächentemperaturen vorhanden sind.

Es sind auch Anbausituationen zu finden, die für die Steuerung der Streustoffdichte völlig ungeeignet sind, da sich im Strahlengang der IR-Kamera Fahrzeugteile befinden und von der IR-Kamera dessen Oberflächentemperatur erfasst werden. Nachteilig auf das Messergebnis ist auch, wenn starker Sprühnebel von den Fahrzeugreifen im Erfassungsbereich der Kamera auftritt. Im Bild 4 sind einige Beispiele ungünstiger Anbaupositionen ersichtlich.

Bild 4: Negative Anbaubeispiele für IR-Kamera

4 Weiterentwicklungen, Erkenntnisse aus Forschung und Praxis

Die Fahrbahnfeuchte ist neben der Oberflächentemperatur ein wesentlicher Faktor für die Streustoffdosierung und somit für die Automatisierung des Streuens. Straßen.NRW hat mit der Zielsetzung, die Weiterentwicklung zu forcieren, zwischenzeitlich die Entwicklung eines Sensors für die mobile Erfassung der Fahrbahnfeuchte durch die Bereitstellung von Expertenwissen und eines Winterdienstfahrzeugs zur Einsatzerprobung unterstützt. Die Entwicklung des Sensors, die von der DBU – Deutsche Bundesstiftung Umwelt - finanziell gefördert wurde, war vielversprechend (Niebrügge, 2003). Aus dem Bild 5 sind das Messprinzip und das in einem Gerätekasten installierte System für den Praxistest zu entnehmen.

Bild 5: Messprinzip und technische Umsetzung für Praxistest (Quelle: Infralytic GmbH)

Aufgrund fehlender Anschlussfinanzierung wurde die Weiterentwicklung leider eingestellt.

Von der Industrie wurde zwischenzeitlich die routen- bzw. positionsabhängige automatische Einstellung der Streustofflage und -breite entwickelt. Die positionsabhängige Steuerung erfolgt über GPS-Signale. Für die automatischen Einstellvorgänge ist eine „Lernfahrt“ zur Erfassung der im Routenverlauf erforderlichen Streubreiten und –lagen durchzuführen. Diese werden im Routenprogramm mit den gleichzeitig erfassten Positionsdaten zusammengeführt und im Steuerprogramm hinterlegt. Hiermit steht ein weiterer Baustein zur Automatisierung des Streuens zur Verfügung. 

Zur Weiterentwicklung tragen aber auch die in den letzten 10 Jahren gewonnen vielfältigen und nachfolgend angeführten Erkenntnisse aus Forschungsarbeiten und den einhergehenden Praxistests bei:

· Verteilung von Taustoffen auf der Fahrbahn (Hausmann, 2009)

· Praktische Erfahrungen Flüssigstreuen (Niebrügge, 2011)

· Empfehlungen zum richtigen Ausbringen von Tausalzlösungen (Hausmann, 2011)

· Optimierung Feuchtsalzstreuung (TU Wien, 2011)

· Optimierung Streustoffausbringung – Berechnung der optimalen Streudichte im Straßenwinterdienst – (Hausmann, 2015)  

5 Optimierung der temperaturgesteuerten Taustoffausbringung

Die aus der Forschung und Erprobungen gewonnenen wichtigen Erkenntnisse haben Eingang in verschiedenen von dem Arbeitsausschuss Winterdienst der FGSV erarbeiteten Hinweispapieren zur Winterdienstdurchführung gefunden. So ist z. B. das Hinweispapier „Empfehlungen für ein effektives Räumen und Streuen“ (FGSV, 2011) eine wichtige Anleitung für das Einsatzpersonal zur richtigen Streustoffdosierung.

Die Erkenntnisse konnten aber auch unmittelbar für die Optimierung der teilautomatisierte Streustoffdosierung genutzt werden. Insbesondere die Ergebnisse aus dem Forschungsauftrag mit der Aufgabe, Hinweise zur „Optimierung der Streustoffausbringung“ zu erarbeiten und die „Berechnung der optimalen Streudichte im Straßenwinterdienst“ (Hausmann, 2015) zu entwickeln, dienten als Grundlage für die Optimierung der teilautomatisierten Streustoffdosierung. 

5.1 Empfehlungen zur temperaturgesteuerten Streustoffdosierung

Der Arbeitsausschuss Winterdienst der FGSV, hat auf Grundlage der angeführten Erkenntnisse das Hinweispapier „Empfehlungen zur temperaturgesteuerten Streustoffdosierung“ erarbeitet (FGSV, 2015). 

Nachfolgend die wesentlichen Inhalte:

· Anforderungen an IR-Kamera

· Anbauhinweise

· Prüfung der Messgenauigkeit

· Erläuterungen zu den relevanten Faktoren für die Streustoffdosierung

· Festlegung der Streustufen und Streudichten nach Einsatzart und Taustoffart 

Die Empfehlungen zu den Anforderungen an die IR-Kamera (Tabelle 2) sind relevant für eine sichere Funktion. Durch offensichtlich fehlerhafte Temperaturen, z. B. aufgrund eines nicht kompensierten thermischen Drifts, werden unweigerlich Akzeptanzverluste beim Einsatzpersonal gefördert, die somit die Systemnutzung infrage stellen. Die für eine hohe Qualität erforderlichen Investitionen zahlen sich durch die erhöhte Genauigkeit und damit Sicherheit in der Steuerung der Taustoffdosierung aus. Zu den einzelnen Anforderungen sind im Hinweispapier der FGSV Erläuterungen enthalten.

Tabelle 2: Anforderungen an IR-Kamera (FGSV, 2015)

Für den Anbau der IR-Kamera sowie den damit verbundenen Erfassungsbereich der Fahrbahntemperatur innerhalb des Fahrbahnquerschnitts werden Hinweise gegeben, um Fehler bei der Temperaturerfassung zu vermeiden.

Empfohlen wird der Anbau mit einer möglichst großen Distanz zwischen der Temperaturerfassung und dem Ablagebereich des Taustoffs. Ist aus Platzgründen ein Anbau hinten am Fahrzeug oder an der Streumaschine notwendig bzw. nicht zu umgehen, so wird empfohlen, die Einstellzeit der IR-Kamera zu verkürzen. Die Temperaturerfassung der Fahrbahnoberfläche sollte im Fahrbahnquerschnitt möglichst in den Bereichen mit den niedrigsten – also kritischen – Oberflächentemperaturen erfolgen. Diese liegen immer außerhalb der Rollspuren.

Im Bild 6 sind zwei sinnvolle Anbaubeispiele für die IR-Kamera dargestellt. In der linken Abbildung ist die Kamera hinter dem Fahrerhaus innerhalb des Fahrzeugrahmens und in der rechten Abbildung an der Streumaschine vorne links montiert. Es wird bei diesen Beispielen im Regelfall die Temperaturerfassung außerhalb der Rollspuren sichergestellt. Bei der Montage oben an der Streumaschine ist zusätzlich die Verschmutzungsproblematik der Kameraoptik stark reduziert.

Bild 6: Anbaubeispiele IR-Kamera

Neben der Fahrbahnoberflächentemperatur muss die Fahrbahnfeuchte, da die messtechnische Erfassung noch nicht in der Praxis umgesetzt ist, weiterhin durch das Einsatzpersonal anhand von vorgegebenen optischen Merkmalen visuell abgeschätzt und mittels der Streustufenschaltung berücksichtigt werden.  

Der Faktor Fahrbahnfeuchte kann auf der Basis der vorliegenden Erkenntnisse aus den unter dem Punkt 4 genannten Untersuchungen genauer berücksichtigt werden. Für die Ermittlung der notwendigen Streudichten wurden daher für die einzelnen Streustufen die Angaben zu den maximal vorhandenen bzw. zu erwartenden Feuchtemengen (Tabelle 3) aus dem Forschungsbericht „Berechnung der optimalen Streudichte im Straßenwinterdienst“ (Hausmann, 2015) herangezogen. Hierbei sind auch die optischen Erkennungsmerkmale angegeben, die für die Einschätzung der Feuchtemenge bzw. für die Streustufenwahl durch das Einsatzpersonal wichtig sind.

Tabelle 3: Wassermengen bei unterschiedlichen Fahrbahnzuständen und Erkennungsmerkmale

Die weiteren Faktoren, die berücksichtigt werden, sind die Liegezeiten bzw. die Streuverluste des Taustoffs innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens nach der Ausbringung. Diese sind beim FS30-Verfahren größer als nach der Ausbringung von flüssigen Taustoff (FS100). Zusätzlich wird der tauwirksame Anteil im ausgebrachten Taustoff und beim Präventiveinsatz der erwartete Temperaturabfall innerhalb der angenommenen Vorlaufzeit für den Präventiveinsatz (Tabelle 4) berücksichtigt.

Tabelle 4: Temperaturabsenkung nach dem Präventiveinsatz

Beim Flüssigstreueinsatz wird eine längere Vorlaufzeit als beim Feuchtsalzeinsatz vorgegeben (siehe Tabelle 4). Man geht davon aus, dass in der Praxis durch die geringeren Tausalzverluste bzw. die längere Liegezeit des Taustoffs beim Flüssigstreuen das zur Verfügung stehende größere Zeitfenster für den Präventiveinsatz genutzt wird. Mit der längeren Vorlaufzeit ist eine höhere Temperaturabsenkung in diesem Zeitraum möglich und daher auch zu berücksichtigen.

Die Berücksichtigung der Faktoren erfolgt in Anlehnung an das in der o. a. Forschungsarbeit von Hausmann entwickelte Modell zur Ermittlung der objektiv notwendigen Streudichten. Das Prinzip der Streudichteermittlung lässt sich durch Bild 7 verdeutlichen. Für die teilautomatisierte Streudichtesteuerung werden die Eingangsdaten „Aktuelle Position“ mittels GPS und die „Prognose für die Temperatur in 3 Stunden sowie Fahrbahnzustand und Niederschlag nicht berücksichtigt.

Eine ggf. vorhandene Menge an Restsalz, die nach vorliegenden Erkenntnissen 24 Stunden nach einem vorhergehenden Einsatz ohne zwischenzeitlichen Niederschlag ca. 2,0 g/m² betragen kann, wird aus Sicherheitsgründen ebenfalls nicht berücksichtigt.

Bild 7: Prinzip der Streudichteermittlung nach Hausmann mit Entfall einiger Eingangsdaten

5.2 Streustufen mit Streudichten für präventive und kurative Streueinsätze

Auf der Grundlage des im Rahmen der Forschung von Hausmann entwickelten Algorithmus, unter Berücksichtigung weiterer Erkenntnisse aus der Forschung und der in dem Arbeitspapier „Empfehlungen für ein effektives Räumen und Streuen im Straßenwinterdienst“ (FGSV, 2011) berücksichtigten Erfahrungen, sind die nachstehenden Vorgaben für die Streustoffdosierung beim Präventiv- und Kurativeinsatz sowie für das Feuchtsalz- wie auch für das Flüssigstreuen entwickelt worden.

Die nachstehend dargestellten und in dem Arbeitspapier (FGSV, 2015) enthaltenen Streustufen (Bilder 8 und 9) mit den Streustoffdosierungen werden zur Anwendung empfohlen. Auf der Grundlage eigener Erkenntnisse und ggf. besonderen örtlichen Bedingungen können und sollten diese angepasst werden.

Bild 8: Streustufen für das Präventivstreuen mit Feucht- und Flüssigsalz

Tabelle 5: Erkennungsmerkmale für den Fahrbahnzustand beim Präventiveinsatz

Die Erkennungsmerkmale für die Einordnung des vorhandenen Fahrbahnzustands in Verbindung mit dem aufgrund der Wetterentwicklung zu erwartenden Fahrbahnzustand bei Präventiveinsätzen sind in der Tabelle 5 angeführt. Die Erkennungsmerkmale für einen vorhandenen Fahrbahnzustand bei Kurativeinsätzen sind aus der Tabelle 6 zu entnehmen. Die Begriffe in den Spalten „erwarteter Fahrbahnzustand“ (Tabelle 5) und „vorhandener Fahrbahnzustand“ (Tabelle 6) sollten im Rahmen einer Programmierung den jeweiligen Streustufen zugeordnet werden.

Bild 9: Streustufen für den Kurativeinsatz mit Feucht- und Flüssigsalz

Tabelle 6: Erkennungsmerkmale für den vorhandenen Fahrbahnzustand beim Kurativeinsatz

6 Automatisiertes Streuen

Nach den vorstehenden Optimierungsschritten für das teilautomatisierte Streuen muss das „Automatisierte Streuen“ – also das Streuen ohne im Regelfall erforderliche Vorgaben und Eingriffe des Einsatzpersonals – in einem nächsten Schritt realisiert werden. Im Rahmen der Forschung wurde in einem Modellversuch das von Hausmann konzipierte Prinzip (Bild 7), bereits in der Praxis umgesetzt. Hierzu wurden neben den Daten der Fahrbahntemperatur aus der berührungslosen Messung mit dem am Fahrzeug vorhandenen IR-Thermometers auch die Fahrbahntemperaturen der im Streubezirk vorhandenen stationären Straßenwetterstationen berücksichtigt (Hausmann, 2015). Eingang in die Berechnung fanden auch die Punktprognosen des Deutschen Wetterdienstes für die nächsten 3 Stunden für die stationären Straßenwetterstationen die ständig aktualisiert online an die Streumaschinensteuerung übermittelt wurden. Die zu erwartende Fahrbahnfeuchte wurde im Rahmen der Prognose pauschaliert mit übermittelt. Im Steuerungsmodul wurden die Eingangsdaten unter Anwendung des im Rahmen der Forschungsarbeit entwickelten Algorithmus verarbeitet und in eine den jeweiligen Bedingungen angepasste Streudichte umgesetzt. Das entwickelte Steuerungsmodul mit dem eingesetzten Algorithmus wurde zur Erprobung in der Winterdienstpraxis in zwei Streumaschinen im Blindbetrieb mit eingesetzt. Die im Vergleich zur manuellen bzw. teilautomatisierten Steuerung parallel aufgezeichneten Daten zeigen, dass die automatisierte Steuerung für den jeweiligen Einsatzfall insbesondere im Vergleich zu der manuellen Streustoffdosierung die plausibleren und geringeren Streudichten gesteuert hätte.

6.1 Voraussetzungen zur Umsetzung des automatisierten Streuens

Die Grundlagen für die Automatisierung der Streudichtesteuerung sind geschaffen. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) hat ein Modell entwickelt, welches alle Vorgaben für die automatische Berechnung der objektiv notwendigen Streustoffdosierung beinhaltet. Im Bild 10 ist das Modell dargestellt.

Bild 10: Modelldarstellung "Automatische Streudichteermittlung" (Quelle: Badelt, BASt)

Das Modell ist sehr weitgehend und stellt ein Optimum dar. Es beinhaltet neben der bisher diskutierten Streudichtebestimmung auf Basis eines vorhandenen oder zu erwartenden Straßenzustandes und der jeweiligen Streustoffart FS30 oder FS100 auch die Ermittlung eines optimalen Einsatzzeitpunktes und einer optimierten Einsatzroute. Hierzu müssen neben den Kurzfristprognosen des Wetterdienstes auch die Verkehrsdaten und die örtlichen organisatorischen Bedingungen in das Modell einbezogen werden. 

Zur Umsetzung hat die BASt für Straßenwesen einen Arbeitsplan (Bild 11) aufgestellt, in dem alle wesentlichen Bausteine enthalten sind. Die Umsetzung dieses Arbeitsplanes ist nach Einschätzung der BASt in einem Zeitrahmen bis 2024 erreichbar.

Bild 11: Arbeitsplan "Entwicklung der automatischen Streudichtebestimmung" Quelle: BASt

Hierzu müssen zunächst die Anforderungen beschrieben werden und technische Entwicklungen erfolgen. Darüber hinaus müssen Prüfverfahren für die Sensorik entwickelt werden, damit auf der Basis anerkannter Referenzmessungen deren Eignung überprüft werden kann. 

Es ist allerdings nicht sinnvoll mit der Umsetzung des „Automatisierten Streuens“ abzuwarten, bis der vorgeschlagene Arbeitsplan umgesetzt ist. Für eine schnelle Umsetzung ist der Focus auf die wesentlichen Faktoren zu richten. Ein großer Fortschritt wird bereits erreicht, wenn die Fahrbahnfeuchte, die bisher durch Einschätzung des Einsatzpersonals berücksichtigt werden muss, zukünftig während der Einsatzfahrt berührungslos vom Fahrzeug aus erfasst und für die Streustoffdosierung mit berücksichtigt werden kann. Denn nicht alle Parameter haben die entsprechende Relevanz in Bezug auf mögliche Einsparungspotentiale wie die Parameter Fahrbahntemperatur und -feuchte. Es muss somit im Rahmen einer Nutzen-Kostenbetrachtung, jeweils bezogen auf den zu erfassenden Parameter, bewertet werden, ob die Entwicklung der hierzu notwendigen Sensortechnologie wirtschaftlich ist.

6.2 Mobile Sensorik zur berührungslosen Erfassung des Straßenzustandes

Für die berührungslose Erfassung des Fahrbahnzustandes werden bereits Sensoren für die stationären Straßenwetterstationen angeboten bzw. bereits auch eingesetzt. Im Rahmen der europäischen Norm werden daher auch Vorarbeiten für die Festlegung von Anforderungen und für die Beschreibung von Prüfverfahren geleistet. Hier wird noch einiges an Arbeit und Abstimmung erforderlich, um zu einem zustimmungsfähigen europäischen Normentwurf zu kommen.

Aus der Entwicklung der stationären Sensoren ergibt sich die Weiterentwicklung dieser Sensoren für die mobile Anwendung. Seit 2014 wird z.B. der Straßenzustandssensor vom Typ „MARVIS-UMB“, Bild 12, (Fa. Lufft, 2014) angeboten.

Bild 12: Sensor Typ MARVIS-UMB, Testversion mit Schutzhaube am Fahrzeug der BASt

Mit dem MARVIS-Sensor werden gemäß Datenblatt folgende Parameter erfasst:

- Rel. Feuchte über der Fahrbahnoberfläche

- Fahrbahnoberflächentemperatur

- Taupunkttemperatur

- Fahrbahnzustände:

-> trocken, feucht, nass, Eis, Schnee,

-> kritische/chemische Nässe

- Eisanteil in %

- Reibung (Friction)

- Wasserfilmhöhe

Mit den genannten Parametern liegen alle benötigten Fahrbahnzustandsdaten, die für eine automatische Streustoffdosierung erforderlich sind, als Eingangsdaten vor. Für eine vollständige Automatisierung, insbesondere für das Präventivstreuen, fehlen nur noch die Prognosedaten über die kurzfristigen Entwicklungen der Fahrbahntemperatur und der Fahrbahnfeuchte aus Niederschlag. Diese müssen von der Meteorologie für die jeweiligen Straßenabschnitte online geliefert werden.

Aber auch ohne die Prognosedaten ist bei Nutzung eines entsprechenden Sensors ein weiterer Schritt zur Automatisierung des Streuens umsetzbar. Hierzu muss allerdings geprüft werden, welche von den o. a. Messdaten benötigt werden und wie diese zur Steuerung genutzt werden können. Darüber hinaus müssen die Messwerte qualitativ den Anforderungen entsprechen. Die BASt prüft im Rahmen einer Testreihe den Sensor vom Typ „MARVIS“ in Bezug auf seine Eignung für die entsprechende Nutzung.

7 Zusammenfassung und Ziele

Die teilautomatisierte Streustoffdosierung ist seit 20 Jahren Stand der Technik. Allerdings bestehen bei einem Teil der möglichen Anwender Vorbehalte. Diese nutzen daher diese Technologie und die damit möglichen Einsparungspotentiale nicht oder nur teilweise. Vorliegende Erfahrungen und Beobachtungen zeigen, dass bei der Verwendung dieser Technik und hierbei insbesondere bei der Qualität der eingesetzten IR-Kameras sowie bei deren Einbaupositionen am Fahrzeug bzw. an der Streumaschine, Fehler gemacht werden. Diese Fehler müssen vermieden werden, um Akzeptanzverluste durch fehlerhafte Dosierungen und Temperaturanzeigen nicht aufkommen zu lassen.

Aus zahlreichen zwischenzeitlichen Untersuchungen und Ergebnissen aus Forschungsarbeiten konnten wesentliche Erkenntnisse zu Streustoffverlusten, Streustoffdosierungen und insgesamt zur Streustoffanwendung gewonnen worden. Hierzu zählt insbesondere die Anwendung des Flüssigstreuens (FS100). 

Die vorstehenden Erfahrungen, Beobachtungen und Erkenntnisse haben den gemeinsamen Arbeitsausschuss Winterdienst der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) und den Fachausschuss des Verbandes Kommunaler Unternehmer (VKU) veranlasst, ein Arbeitspapier mit Empfehlungen zu verfassen, in dem die Erfahrungen und Erkenntnisse sowie Optimierungsmöglichkeiten für die teilautomatisierte, temperaturabhängige Streustoffdosierung eingeflossen sind.

Optimierungen konnten z. B. für die Streustoffdosierung abgeleitet werden. Diese spiegeln sich in angepassten Streustufen mit hinterlegten Streustoffdosierungen für das Präventiv- und Kurativstreuen sowie für das FS30- und FS100-Streuen wieder. Dem Anwender wird empfohlen, die im Arbeitspapier enthaltenen Anforderungen für die IR-Kamera sowie zu deren mögliche Anbaupositionen und die Vorgaben zu den Streustoffdosierungen für den Präventiv- wie auch für den Kurativeinsatz mit FS30 oder FS100 bei der Beschaffung von Streumaschinen zu berücksichtigen. Unabdingbar ist hierbei die Schulung der Anwender, damit die notwendige Akzeptanz für die eingesetzte Steuerungstechnik erreicht wird. 

Die Entwicklungsschritte von der Idee der temperaturabhängigen Streustoffdosierung in 1987 und der Forderung nach einer Umsetzung der „Automatisierung der Streustoffdosierung“ in 1993 bis zur Markeinführung eines Sensors für die berührungslose, mobile Erfassung des Straßenzustandes sind im Bild 13 dargestellt. Seit der Markteinführung sind über 20 Jahre vergangen. Mittlerweile ist das „Autonome Fahren“ keine Vision mehr, sondern angestrebtes Ziel in den nächsten 10 Jahren. Erprobungsstrecken sind hierzu festgelegt und genehmigt worden. Wann das „Autonome Streuen“ bzw. das „Automatisierte Streuen“ umgesetzt werden kann, ist noch nicht absehbar. Das Ziel sollte aber sein, in absehbarer Zeit die ersten Streumaschinen mit einer entsprechenden Steuerung einzusetzen.

Bild 13: Entwicklungsschritte "Automatisiertes Streuen"

Betrachtet man den Zeitraum für die Umsetzung des von der BASt entwickelten Modells zur objektiv notwenigen Streustoffdosierung und den hierfür aufgestellten Arbeitsplan, der geschätzt mindestens 10 Jahre Entwicklungs- und Umsetzungszeit beansprucht, so ist eine konzentrierte Weiterentwicklung zur schnellen Umsetzung umso dringlicher. Es ist in der heutigen Zeit ökonomisch wie auch insbesondere ökologisch nicht mehr hinnehmbar, dass die Streustoffdosierungen immer noch auf Basis subjektiver Einzelerfahrungen des Einsatzpersonals erfolgt. Die Einsparpotentiale mit der teilautomatisierten und insbesondere mit der zukünftig möglichen automatisierten Streustoffdosierung bei Einhaltung der Wirksicherheit sind enorm.  

Die Automatisierung des Streuens muss aus vorstehenden Gründen weiter forciert werden. Hierbei ist nicht zu warten bis die „100 %-Lösung“ vorliegt, sondern es sollten die technisch umsetzbaren Einzelschritte zur Erreichung wesentlicher Optimierungen vorgenommen werden. Die Konzentration muss auf das Wesentliche und Machbare ausgerichtet werden. Das Wesentliche ist hierbei die Berücksichtigung von Faktoren mit großer Relevanz wie z. B. die Fahrbahnfeuchte. Die Anforderungen an die einzusetzenden Technologien sollten mit Augenmaß festgelegt werden, da die Toleranzen bei der manuellen Steuerung riesig sind und jede Verbesserung bei Einhaltung der zu erzielenden Verkehrssicherheit einen Erfolg darstellt.  

Literaturnachweis

Hahn, S. (1993): Neue Entwicklungen und Zielsetzungen im Straßenwinterdienst, Tagungsband FGSV-Kolloquium 1993, S. 61 - 62 

Niebrügge, L (1995): Automatisierung des Streuens von Tausalz – theoretische Möglichkeiten, praktische Umsetzung, weitere Entwicklungen, Tagungsband FGSV-Kolloquium 1995, S 80 - 84

Niebrügge, L (2003): Messen statt Schätzen, Tagungsband FGSV-Kolloquium Straßenbetriebsdienst, S. 64 - 68

Fa. Lufft Mess- und Regeltechnik GmbH (2014), MARWIS-UMB, www.lufft-marwis.com

Hausmann, G (2015): Berechnung der optimalen Streudichte im Straßenwinterdienst, BASt-Bericht V 260

FGSV-Verlag (2011) Praktische Empfehlungen für ein effektives Räumen und Streuen im Straßenwinterdienst, FGSV-Nr. 416 T 

FGSV-Verlag (2015) Arbeitspapier Temperaturgesteuerte Streustoffdosierung - Empfehlungen und Hinweise zu den technischen Anforderungen und zur Streustoffdosierung, FGSV-Nr. 4181