Das SCRIM-Messverfahren wird seit langem für Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Straßengriffigkeit und für die routinemäßige Zustandserfassung und -bewertung der Fahrbahnen von Bundesfernstraßen eingesetzt. Es hat sich dort in den vielen Jahren bewährt. Es war daher nahe liegend, dieses Verfahren zur Prüfung der geforderten Griffigkeit auch im Rahmen des Bauvertragswesens einzusetzen. Allerdings muss hier wegen der vertraglichen Relevanz die Präzision der heute auf unterschiedlichen Trägerfahrzeugen eingesetzten Messtechnik genau bekannt sein. Zur Feststellung der erreichbaren Präzision wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen daher Vergleichsuntersuchungen in Auftrag gegeben. Erste Ergebnisse dieser Untersuchung zeigten, dass die ursprüngliche Handhabung des Messverfahrens SCRIM nicht ausreichte, um die erforderliche Präzision von jedem Messfahrer zu erreichen. Im Rahmen der diesjährigen Vergleichsuntersuchung zur Bestimmung der Wiederhol- und Vergleichsstreubereiche wurde daher eine optoelektronische Fahrerhilfe und damit eine neue Vorgehensweise erprobt. 

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

1 Ausgangssituation

Während der SCRIM-Messfahrt soll gemäß den „Technischen Prüfvorschriften für Griffigkeitsmessungen im Straßenbau, Teil: Messverfahren SCRIM“ (TP Griff-StB (SCRIM)), Ausgabe 2001 der FGSV mit dem Messreifen „... mittig in der rechten Rollspur des jeweiligen Fahrstreifens“ der Seitenkraftbeiwert bestimmt und auf dieser Basis die Griffigkeit ermittelt werden. Der SCRIM-Fahrer hat auf Grund mehr oder weniger gut erkennbarer Rollspuren das Messrad in die Mitte der rechten Rollspur zu legen. Betrachtet man die Griffigkeitsunterschiede im Querprofil (Bild 1), ist von dem Fahrer hier eine hohe Fahrpräzision gefordert.

Bild 1: Beispiel einer Querverteilung von Griffigkeitsunterschieden in der rechten Rollspur

Anhand von Messreihen, die während der diesjährigen von der Bundesanstalt für Straßenwesen in Auftrag gegebenen und von der Technischen Universität Darmstadt durchgeführten Vergleichsuntersuchung zur Bestimmung der Wiederhol- und Vergleichsstreubereiche mit 7 SCRIM-Messfahrzeugen erzielt wurden, soll diese Problematik näher beleuchtet werden.

Während dieser Vergleichsuntersuchung im August 2002 wurde ein optoelektronisches System eingesetzt, das in der Lage ist, die Position des Messreifens zum rechten Fahrbahnrand während der gesamten SCRIM-Messungen zu protokollieren.

Betrachtet man nun zum Beispiel, mit welchem Abstand zum Fahrbahnrand der Fahrer eines der SCRIM-Messfahrzeuge während der Vergleichsuntersuchung in mehreren aufeinander folgenden Messfahrten auf einer Autobahnstrecke (hier auf der BAB A44 bei Soest) in selbstbestimmter, ungeführter Fahrt gefahren ist, so ist nur allenfalls lokal ein Zusammenhang zwischen den Messlinien erkennbar (Bild 2).

Bild 2: Abstandsmessungen eines SCRIM-Messfahrzeoges in ungeführter Fahrt auf einer Autobahn (BAB A44) während der Vergleichsuntersuchung

Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die Spur auf Grund der verschiedenen Testfelder auf diesem Abschnitt der BAB A44 sehr schwer zu erkennen ist. Aber auch die Abstandsmessungen während der SCRIM-Messfahrten auf einem Bundesstraßenabschnitt (hier auf der B 516 bei Rüthen) zeigen keine Qualitätsverbesserung hinsichtlich der Abstandsfahrten (Bild 3). Dies ist hier jedoch besonders problematisch, da auf Bundesstraßen in vielen Fällen eine ausgeprägtere Querverteilung der Griffigkeit vorliegt, als dies auf Autobahnen der Fall ist.

Bild 3: Abstandsmessungen eines SCRIM-Messfahrzeuges in ungeführter Fahrt auf einer Bundesstraße (B 516) während der Vergleichsuntersuchung

Es war daher erforderlich, kurzfristig eine technische Lösung zu entwickeln, mit der die Wiederholbarkeit der Messlinien verbessert werden konnte.

2 Technisches Konzept

Ziel der technischen Lösung sollte die ständige Aufzeichnung des Abstandes des Messreifens zum Fahrbahnrand als Positionsbestimmung der erfassten Messdaten während der gesamten Messfahrt sein. Als Einstieg für ein besser definiertes Verfahren zur präzisen Bestimmung der Messlinie wurde zunächst die auf fast allen Straßen vorhandene Fahrbahnrandmarkierung als Orientierungshilfe für ein optoelektronisches Verfahren gewählt. In dem hier vorgestellten Konzept erfasst eine Kamera an der Frontscheibe des SCRIM-Messfahrzeugs während der Messfahrt den rechten Bereich der Fahrspur einschließlich der Fahrbahnrandmarkierung. Das Kamerabild wird vor der Messung im Stand kalibriert und die Messlinie des SCRIM-Messreifens im Bild festgelegt.

Während der Messfahrt wird nun die Lage des Fahrbahn-Randstreifens relativ zur Messlinie des SCRIM-Messreifens erfasst und ausgewertet (Bild 4).

Bild 4: Beispiel einer Abstandsauswertung auf dem Monitor des Abstandsmesssystems

Dabei liegt es nahe, diese online ermittelten Abstandswerte direkt zu nutzen, um dem Fahrer während der Messung Hinweise zu seinem Fahrprofil zu geben. So kann der tatsächlich gefahrene Abstand zum Fahrbahnrand zu einem Vorgabewert in Bezug gesetzt werden. Beide Komponenten zusammen bilden das „Navigations- und Positionserkennungssystem für Straßenerfassungssysteme“ kurz „NPS-System“.

Eine Auswertegrafik des Fahrprofils während der SCRIM-Messung ist im unteren Bereich des Monitors (Bild 4) dargestellt. Da der PC-Monitor für den Fahrer während der Messfahrt wegen der Ablenkungsgefahr nicht einsehbar sein darf, wird dem Fahrer ein zusätzliches Anzeigesystem direkt in seinem Blickfeld und ein akustisches Warnsystem zur Verfügung gestellt. Eine Leuchtanzeige mit insgesamt 16 teils verschiedenfarbigen Leuchtdioden zeigt Abweichungen relativ zur Solllinie sowohl in die eine wie die andere Richtung an. Bei Bedarf können akustische Ansagen zugeschaltet werden

3 Einsatz und Auswirkungen

Vor dem Hintergrund der anfangs geschilderten Problematik von Griffigkeits-Querprofil und den deutlich streuenden gefahrenen Abstandslinien hat die Bundesanstalt für Straßenwesen entschieden, im Rahmen der Vergleichsuntersuchungen im August 2002 das neu entwickelte „NPS-System“ auf allen beteiligten SCRIM-Messfahrzeugen sowohl zur Dokumentation von Fahrprofilen während selbstbestimmter, ungeführter Messfahrten als auch als Navigationshilfe während so genannter „geführter“ Messfahrten einzusetzen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Wiederholbarkeit des Fahrprofils während „geführter“ Messfahrten deutlich gesteigert werden konnte (Bild 5).

Bild 5: Abstandsmessungen des SCRIM-Messfahrzeuges der BASt in geführter Fahrt auf einer Autobahn (BAB A44) während der Vergleichsuntersuchung

Die hohe Wiederholbarkeit der erreichten Fahrprofile führte auch zu einer sehr guten Wiederholbarkeit der Griffigkeitsmessungen sowohl auf Autobahnen (Bild 6) als auch auf Bundesstraßen (Bild 7).

Bild 6: Wiederholbarkeit: Griffigkeitsmessungen des SCRIM-Messfahrzeuges der BASt in geführter Fahrt auf der BAB A44 (gleitender, d. h. alle 20 m neu berechneter 100m-Mittelwert)

Bild 7: Wiederholbarkeit: Griffigkeitsmessungen des SCRIM-Messfahrzeuges der BASt in geführter Fahrt auf der B 516 (gleitender, d. h. alle 20 m neu berechneter 100 m-Mittelwert)

Neben einer verbesserten Wiederholbarkeit des Messergebnisses jedes einzelnen SCRIM-Messfahrzeuges konnte so auch eine Steigerung der Vergleichbarkeit verschiedener SCRIM-Messfahrzeuge erreicht werden.

Am Beispiel von ausgewählten Messungen ohne Führungssystem sind die Auswirkungen unterschiedlicher von den Fahrern gewählter Messlinien erkennbar (Bild 8).

Bild 8: Vergleichbarkeit: Vergleich der Griffigkeitsmessungen aller an der Vergleichsuntersuchung beteiligten SCRIM-Messfahrzeuge in selbstbestimmter, freier Fahrt auf der BAB A44 (ausgewählte Messungen)

Die gezeigten 20 m-Rohdaten aus den ungeführten Messfahrten der verschiedenen SCRIM-Messfahrzeuge sind weitgehend vergleichbar. Allerdings treten lokal signifikante Abweichungen auf. Betrachtet man die Abstandswerte zu diesen Messreihen der A 44, stellt man fest, dass in diesem Bereich von den SCRIM-Fahrern auch stark unterschiedliche Messlinien gewählt wurden.

In „geführter Fahrt“ mit dem NPS-System treten diese Differenzen nicht auf (Bild 9, gleitende 100 m-Mittelwerte).

Bild 9: Vergleichbarkeit: Vergleich der Griffigkeitsmessungen aller an der Vergleichsuntersuchung beteiligten SCRIM-Messfahrzeuge in „geführter“ Fahrt auf der BAB A44

Setzt man die gemessenen 100 m-SCRIM-Messwerte in Bezug zu den Messwerten des teilnehmenden Referenzfahrzeugs der BASt und legt eine Gesamttoleranz, wie in der TP Griff-StB (SCRIM), Ausgabe 2001 festgelegt, von +/- 0,03 zu Grunde, ergibt sich daraus der im Bild 9 markierte Bereich. Wie deutlich erkennbar ist, liegen nahezu alle Messwerte oberhalb der mit Blick auf die Regelungen in den ZTV Aphalt-StB 01 und den ZTV Beton-StB 01 als besonders kritisch einzustufenden unteren Grenze des Toleranzbereiches.

Für die Messstrecke auf der B 516 gilt dieses in ähnlicher Weise (Bild 10).

Bild 10: Vergleichbarkeit: Vergleich der Griffigkeitsmessungen aller an der Vergleichsuntersuchung beteiligten SCRIM-Messfahrzeuge in „geführter“ Fahrt auf der B 516

In der Mitte und am Ende der Messstrecke wurden von zwei Fahrern trotz NPS-System eine andere Messlinie gewählt.

Auffällig ist, dass zwischen den Fahrzeugen systematische Abweichungen vorliegen, die trotz Ähnlichkeit der Messkurven zu einer nicht unbeträchtlichen Bandbreite der Ergebnisse führen.

Eine Korrektur dieser systematischen Abweichungen wäre im Sinne einer Genauigkeitssteigerung des Messverfahrens sinnvoll. Dazu ist aber notwendig, dass diese Systematik auf allen Strecken in gleicher Weise auftritt.

Bildet man den Quotienten aus dem SCRIM-Mittelwert der jeweiligen Strecke der BASt-SCRIM und den verschiedenen Teilnehmern, so ergeben sich daraus streckenspezifische Korrekturfaktoren, wie sie im Bild 11 dargestellt sind.

Bild 11: Systematische Abweichung bei den Messreihen der SCRIM-Messfahrzeuge in Bezug auf die entsprechenden Messreihen des SCRIM-Referenzfahrzeuges der BASt

Zwischen der Stabilität dieser Faktoren und der Wiederholungsgenauigkeit besteht ein direkter Zusammenhang. Die Fahrzeuge mit der präzisesten Abstandseinhaltung liefern nicht nur die besten Wiederholbarkeiten des SCRIM-Messergebnisses auf einer Messstrecke, sondern zeigen messstreckenübergreifend auch die geringsten Streuungen des sich ergebenden Korrekturfaktors. Dies unterstreicht die Bedeutung der Präzision der Messlinienführung und kann gleichzeitig als ein Indiz gewertet werden, dass die auftretenden Differenzen zwischen den Fahrzeugen durch die Messstrecke nur unwesentlich beeinflusst werden. Ob die Differenzen im Messniveau vom Messreifen abhängen, muss untersucht werden. Da die verwendeten Reifen fortlaufende Nummern tragen, folglich aus gleicher Produktionscharge stammen und in etwa vergleichbare Laufleistungen aufweisen, liegt die Annahme jedoch nahe, dass die unterschiedlichen Messniveaus den Messfahrzeugen selbst zuzuordnen sind. In diesem Fall könnte die Einführung eines entsprechenden Korrekturgliedes zu einer deutlichen Verbesserung des Gesamtergebnisses führen, wie am Beispiel zweier Messstrecken in den Bildern 12 und 13 dargestellt ist. Verwendet wurde dabei ein Korrekturfaktor, wie er sich aus dem Mittelwert aller streckenspezifischen Korrekturfaktoren des zugehörigen Fahrzeuges ergibt (Durchschnittswerte aus Bild 11).

Bild 12: Vergleich der Griffigkeitsmessungen aller SCRIM-Messfahrzeuge in geführter Fahrt auf der BAB A44 (Auswertung der letzten Doppelmessung, systematische Abweichung korrigiert)

Bild 13: Vergleich der Griffigkeitsmessungen aller SCRIM-Messfahrzeuge in geführter Fahrt auf der B516 (Auswertung der letzten Doppelmessung, systematische Abweichung korrigiert)

Ein weiteres Verbesserungspotenzial könnte in einem intensiven Training abstandsgeführter Fahrweise liegen. Die ermutigenden Ergebnisse guter Wiederholbarkeilen bei Griffigkeitsmessungen der BASt liefern hier einen Hinweis. Es ist zu erwarten, dass daraus auch positive Effekte für die Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Fahrzeugen resultieren.

4 Zusammenfassung

Die Forderung der TP Griff-StB (SCRIM) bezüglich der Kontrolle und Protokollierung der Messlinie muss in geeigneter Weise umgesetzt werden, um angestrebte Wiederholgenauigkeiten zu erreichen. Erst durch Vorgabe einer Messlinie wird zudem auch eine ausreichende Vergleichsgenauigkeit möglich sein. Allerdings scheint auch in der Kalibrierung der Fahrzeuge ein beachtliches Verbesserungspotenzial gegeben zu sein, da die Fahrzeuge systematische Abweichungen voneinander aufweisen. Die Abweichungen könnten durch technische Maßnahmen oder durch Vergabe von geeigneten Korrekturen reduziert werden.

Die derzeitig geübte Praxis, die Überprüfung auf die Einhaltung von Toleranzen ohne Korrektur der Abweichung zu beschränken, erscheint verbesserungsfähig. Vor dem Hintergrund ausgeprägter Querverteilungen der Griffigkeit wird ein Vergleich zwischen Messfahrten jedoch nur dann sinnvoll sein, wenn diese sich nachweislich auf identische Messlinien beziehen.