2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 51 Die technische Realisierung echtzeitbasierter Mess- und Auswerteprozesse von Klima- und Verkehrsbelastungsdaten kommunaler Straßeninfrastruktur Dipl.-Inf. Uwe Reinhardt Technische Universität Dresden Marko Tesic Stadt Münster, Amt für Mobilität und Tiefbau Zusammenfassung Die Standorte der eingebauten Temperatur- und Weigh-in-Motion-Messstationen innerhalb der Stadt Münster decken ein repräsentatives Spektrum der verschiedenen innerstädtischen Ausprägungen der maßgeblichen Einflussgrößen auf den Straßenoberbau, also des Klimas und des Verkehrs, ab. Die gewonnenen Daten und die Methoden der rechnerischen Dimensionierung von Straßen ermöglichen hier eine Prognose der aktuellen Zustände der verschiedenen Schichten des Straßenoberbaus und deren zukünftige Entwicklung. Damit werden Möglichkeiten für nachhaltige und ressourcenschonende Ertüchtigungs- und Erneuerungsstrategien der Straßen geschaffen, die später auch auf die gesamte innerstädtische Straßeninfrastruktur angewendet werden können. 1. Einführung Für die Entwicklung eines echtzeit-basierten Berechnungsprogramms werden möglichst umfassende Datenerhebungen als Grundlage benötigt, die auch den Einbau spezifischer Sensorik in den Fahrbahnauf bau erfordern. Im Rahmen des mFUND Forschungsprojekts DaRkSeit setzt sich diese Sensorik aus Temperatursensoren, die im Asphalt integriert werden, sowie Weigh-in-Motion- Systemen zusammen, mit deren Hilfe verschiedene Verkehrsdaten bestimmt werden können. Mittels der Temperatursensoren wird permanent die Temperatur innerhalb des Asphalts gemessen und daraus der tiefenabhängige Temperaturverlauf ermittelt. Aus den gewonnenen Daten können Rückschlüsse auf den zeitabhängigen thermischen Zustand der gesamten Asphaltkonstruktion gezogen und anschließend in das Berechnungsmodell integriert werden. Durch den Einsatz von Sensoren an verschiedenen Standorten lassen sich darüber hinaus die gewonnenen Erkenntnisse auf das gesamte Stadtgebiet übertragen, unabhängig davon, in welcher urbanen Klima- oder Temperaturzone (z. B. Innenstadtklima, Stadtrandklima, Vorstadtklima) sich eine Straße befindet. Die Weigh-in-Motion-Systeme (WIM) messen im fließenden Verkehr und damit können die Fahrzeugklasse, die geschwindigkeit und die Achslasten der überfahrenden Fahrzeuge bestimmt werden. Eine Auswertung der gewonnenen Daten ermöglicht es, die Ermüdungszustände der Asphalt-schichten, die Verkehrsmenge und die -zusammen-setzung einer Straße zu berechnen und deren zukünftige Verläufe zu prognostizieren. 2. Standorte der Messstationen Es wurden insgesamt fünf Messstandorte innerhalb des Stadtgebiets bestimmt, um eine umfassende Datenerhebung zu gewährleisten [Abb. 1]. Die Auswahl der Standorte basiert auf einer Kombination aus Verkehrsbelastung und Klimatope innerhalb der Stadt, um eine repräsentative Abdeckung zu gewährleisten. Ziel war es, verschiedene Charakteristika abzudecken und somit eine umfassende Datengrundlage für die Analyse und die Entwicklung eines Prognoseprogramms zu schaffen. Abb. 1: Positionen der Temperatursensoren innerhalb der Stadt Münster - RFID (rot), LoRaWan (bordeaux) (Quelle: Google Maps) 52 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Die technische Realisierung echtzeitbasierter Messu. Auswerteprozesse von Klimau. Verkehrsbelastungsdaten kommunaler Straßeninfrastruktur Einer der ausgewählten Messstandorte für die Datenerhebung ist die Sentruper Straße, die sich im westlichen Teil der Stadt befindet. Die Straße befindet sich in einer Freilandklimazone und ist unmittelbar dem Einfluss von Witterungsbedingungen ausgesetzt. Der Schwerverkehr besteht hauptsächlich aus Landwirtschaftsfahrzeugen. Die gesamte Verkehrs-belastung wird als eher gering eingestuft. Der zweite Messstandort liegt auf dem Kardinal von Galen Ring, einem Teil der B54, wo Vorstadtbzw. Stadtrandklima herrscht und eine hohe Belastung durch PKW sowie innerstädtischem Liefer- und Busverkehr besteht. Der dritte Messstandort befindet sich im Bereich der Altstadt auf dem Bült und ist vom Stadtbzw. Innenstadtklima geprägt. Dort kommt es zu einer sehr starken Belastung durch PKW- und Busverkehr. Der vierte und fünfte Messstandort liegen einige hundert Meter voneinander entfernt, jeweils in einer Fahrtrichtung auf dem Albersloher Weg, wo Gewerbe- und Industrieklima herrscht. Dort ist viel Pendlerverkehr zu verzeichnen und vor allem in stadtauswärtiger Richtung kommt es durch die Abfahrt von der B51 zu einem erhöhten Aufkommen von LKW und Baustellenfahrzeugen. 2.1 Temperatursensoren An den fünf zuvor festgelegten Positionen wurden insgesamt drei verschiedene Typen von Temperatursensoren eingesetzt. Die nachfolgende Tabelle [Tab. 1] gibt Auskunft darüber, welcher Sensor an welchem Standort verbaut wurde und in wie vielen Messtiefen die Temperaturen jeweils erfasst werden. Tab. 1: Art und Messtiefen der Temperatursensoren Standort Art Messtiefen Bült (2x) LoRaWan 6 Sentruper Straße RFID 3 Kardinal von Galen Ring RFID 3 Albersloher Weg (2x) RFID 3 Albersloher Weg (2x) WIM 1 Der Einbau der LoRaWan- und RFID-Sensoren erfolgte durch den Projektpartner Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH und wurde durch die Stadt Münster und dem Hersteller der Sensoren, die Firma infraTest Digital Solutions, begleitet. Bei dem LoRaWan-Sensor handelt es sich um einen künstlichen, intelligenten Bohrkern [Abb. 2]. Seine Konstruktion ermöglicht die Erfassung der vertikalen Temperaturverteilung im Straßenauf bau in sechs verschiedenen Tiefen. Die aller 15 Minuten erfassten Daten werden kabellos über einen Cloud-Dienst zur Verfügung gestellt. Der Bohrkern wird oberflächenbündig in den Asphalt eingesetzt und darauf hin mit einem speziellen Harz vergossen [Abb. 3]. Aufgrund des hohen Verkehrs-aufkommens am Standort Bült wurden die Arbeiten von PTM nachts durchgeführt. Abb. 2: LoRaWan-Sensor „idsCore“ der Firma infraTest (Quelle: infraTest Digital Solutions) Die erfassten Rohdaten werden mit Hilfe der LoRaWan- Funktechnologie und entsprechenden Gateways an die von infraTest zur Verfügung gestellte Plattform idsCloud gesendet. Das LoRaWan-Netzwerk wird in der Stadt Münster durch die Stadtwerke betrieben und in dieses Netzwerk wurden die Sensoren eingebunden Die Rohdaten werden in Messwerte umgewandelt und können jederzeit über die idsCloud angezeigt und für weitere Auswertungen heruntergeladen werden [Abb. 4]. Abb. 3: In das Bohrloch eingesetzter LoRaWan-Sensor (Quelle: Stadt Münster) Die RFID-Sensoren sind batteriebetriebene Temperatursensoren mit integriertem Datenspeicher [Abb. 5]. Die erfassten und gespeicherten Daten werden durch ein spezielles Lesegerät ausgelesen. Die Batterielaufzeit beträgt, in Abhängigkeit von den Umgebungs- und Nutzungsbedingungen, zwei bis drei Jahre. Die kleinen, zylinderförmigen Sensoren haben einen Durchmesser von 30-mm und eine Dicke von 18-mm. An den Messstandorten Sentruper Straße, Kardinal von Galen Ring, Albersloher Weg stadteinwärts und Albersloher Weg stadtauswärts wurden jeweils ein Bohrkern gezogen. In diese Bohrlöcher wurden in Tiefen von 5,5-cm, 10-cm und 14,5-cm die RFID- Sensoren eingesetzt. 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 53 Die technische Realisierung echtzeitbasierter Messu. Auswerteprozesse von Klimau. Verkehrsbelastungsdaten kommunaler Straßeninfrastruktur Abb. 4: Screenshot aus der idsCloud-Plattform (Quelle: Stadt Münster) So ist es möglich auch an diesen Standorten den Temperaturverlauf in unterschiedlichen Tiefen abzubilden. Die Sensoren werden alle drei bis vier Monate mit Hilfe eines bestimmten Lesegerätes ausgelesen. Die Rohdaten werden ebenfalls über die idsCloud zur Verfügung gestellt. An den beiden Standorten Albersloher Weg stadteinwärts und Albersloher Weg stadtauswärts sind zudem jeweils ein weiterer Temperatur-Sensor verbaut, die zu den dort installierten WIM-Systemen gehören. Abb. 5: Im Bohrloch eingesetzter RFID-Sensor in einer Tiefe von etwa 10-cm (Quelle: Stadt Münster) 2.2 Achslastwaagen Zusätzlich zu den Temperatursensoren wurden an den Standorten auf dem Albersloher Weg auch Weigh-in-Motion-Systeme installiert [Abb. 6]. Diese Systeme dienen dazu, die Achslasten der darüberfahrenden Fahrzeuge zu bestimmen und somit die tatsächliche Belastung des Verkehrs auf die Straße zu ermitteln. An jedem Standort wurde das System in einer Fahrtrichtung über beide Fahrspuren installiert. Die Wahl dieser Standorte resultierte aus verschiedenen Kriterien, die vom Hersteller, der Firma Kistler Instrumente AG, und der Stadt Münster gestellt wurden. Der Albersloher Weg erwies sich als attraktiv, da in auswärtiger Richtung viel Schwerlastverkehr von der B51 abfährt, um das in der Richtung liegende Gewerbegebiet zu erreichen. Darüber hinaus ist dort der für Münster typische Pendlerverkehr gegeben. Ein Großteil der aus Richtung Südost kommenden Fahrzeuge, die die Innenstadt erreichen möchten, überfährt somit das WIM-System in stadteinwärtiger Richtung. Abb. 6: Positionen der Weigh-in-Motion-Systeme innerhalb der Stadt Münster (Quelle: Google Maps) Vor dem Einbau der WIM-Systeme wurden umfangreiche vorbereitende Arbeiten von der Stadt Münster durchgeführt, denn nach Rückmeldung der Firma Kistler mussten bestimmte Bereiche der Straßenoberfläche erneuert werden, um den Anforderungen des Systems gerecht zu werden. Konkret wurden die Asphaltdeckschicht und die Asphaltbinderschicht in auswärtiger Richtung in diesem Bereich erneuert. Zusätzlich mussten für jedes WIM- System Schaltschränke mit einem 230- V- Spannungsanschluss am Straßenrand aufgestellt werden. In diese Schaltschränke wurden die für das System notwendigen Komponenten installiert. Darüber hinaus musste für jedes System eine Lehrrohranlage vom Straßenrand bis zum Schaltschrank mit einem Durchmesser von min- 54 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Die technische Realisierung echtzeitbasierter Messu. Auswerteprozesse von Klimau. Verkehrsbelastungsdaten kommunaler Straßeninfrastruktur destens 10-cm eingerichtet werden. Das System besteht pro Spur aus zwei Induktionsschleifen und zwei Lineas WIM-Sensoren, die in den Asphalt eingebettet sind, sowie einem Temperatursensor, der oberflächennah im Asphalt platziert ist [Abb. 7]. Abb. 7: Einbauschema der Weigh-in-Motion-Sensoren - mit Induktionsschleifen (rot) und Kistlers Lineas WIM-Sensoren (blau) (Quelle: C. Klauser, Kistler Instrumente AG) Der Einbau des Systems hat pro Fahrtrichtung zwei Nächte in Anspruch genommen. Es wurden Schlitze für die Induktionsschleifen, Sensoren und die Verkabelung gesetzt. Nachdem alles entsprechend in den Asphalt eingelassen worden war, wurden die Schlitze wieder vergossen [Abb. 8]. Alle Kabel wurden über die zuvor eingebaute Lehrrohranlage in den Schaltschrank geführt und dort mit den Komponenten verbunden. Abb. 8: Weigh-in-Motion-Sensoren nach dem Einbau (Quelle: Stadt Münster) 3. Weigh-in-Motion-Messtationen Die beiden WIM-Messstationen auf dem Albersloher Weg bestehen jeweils aus den Weigh-in-Motion-Sensoren, einem Temperatursensor und einem Schaltschrank mit den notwendigen Mess- und Netzwerkkomponenten. Die Schaltschränke wurden im Auftrag der Stadt Münster durch die Firma SWARCO Traffic Systems GmbH aufgestellt. Der jeweils notwendige Stromanschluss konnte auf der stadtauswärtigen Messstation durch bereits verlegte Rohre geführt werden, da dort bereits Schaltschränke für andere technische Anlagen standen. Bei der stadteinwärtigen Messstation musste ein neuer Stromanschluss von einer nahegelegenen Bushaltestelle bis zum Aufstellort verlegt werden. 3.1 Komponenten der Messstation Neben den Achslast- und Temperatursensoren besteht die Messstation aus einem Schaltschrank, in dem folgende Komponenten enthalten sind [Abb. 9]: • Weigh-in-Motion Data Logger • Temperatur-Remote-I/ O • Kleincomputer (Raspberry Pi) • LTE-WLAN-Router Der WIM Data Logger der Firma Kistler Instrumente AG zeichnet die Messdaten der Achslastwaagen-Sensoren auf und speichert diese in einem Ringspeicher. Die Größe dieses Ringspeichers ermöglicht eine Speicherung der Datensätze, in Abhängigkeit von der Art und Höhe des Verkehrsaufkommens, von etwa einem Monat. Somit können eventuelle Netzwerkausfälle überbrückt werden, ohne dass Daten in dieser Zeit verloren gehen. Darüber hinaus besitzt der Daten-Logger eine grafische Web- Oberfläche für die Konfiguration und Überwachung der Echtzeit-Messdaten sowie eine Anwendungsschnittstelle API für die Steuerung des Daten-Loggers und das automatisierte Herunterladen der Messdaten. Abb. 9: Komponenten der Messstation - mit dem Kleincomputer (mittig oben), dem LTE-WLAN-Router (rechts oben), dem WIM Data Logger (links unten) und dem Temperatur-Remote-I/ O (mittig unten) (Quelle: Stadt Münster) Wie der WIM Data Logger bietet die Remote-I/ O der Firma Moxa Inc. eine grafische Web-Oberfläche und eine Anwendungsschnittstelle API für die Verbindung zu den 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 55 Die technische Realisierung echtzeitbasierter Messu. Auswerteprozesse von Klimau. Verkehrsbelastungsdaten kommunaler Straßeninfrastruktur Temperatursensoren. Da in diesem Gerät aber kein Speicher enthalten ist, kann nur der jeweils aktuelle Messwert der Temperatur ausgelesen werden, was zur Folge hat, dass zum einen der Messwertabruf permanent und regelmäßig erfolgen muss und dass zum anderen bei einer Netzwerkstörung keine Messdaten abgerufen und somit aufgezeichnet werden können. Um die Gefahr einer unvollständigen Datenaufzeichnung zu minimieren, wurde in die WIM-Messstationen deswegen ein Smart Manager Basic der Firma STV Electronic GmbH verbaut. Dabei handelt es sich um einen auf einem Raspberry Pi basierenden Kleincomputer, auf dem jene Datenaufzeichnungs-programme laufen können, die für den kontinuierlichen Datenabruf von den vorher genannten Komponenten verantwortlich sind. Darüber hinaus ermöglicht dessen grafische Desktop-Oberfläche einen benutzer-freundlichen Daten- und Konfigurationszugriff auf alle Elemente des Messstation-Netzwerkes. Der LTE- und WLAN-Router der Firma Teltonika Networks verbindet nun die drei anderen Geräte sowohl miteinander, als auch mit dem Internet [Abb. 10]. Hierfür bietet das Gerät verschiedene Möglichkeiten, womit man auch flexibel auf zukünftige Anpassungen und Entwicklungen bezüglich der IT-Infrastruktur reagieren kann. Aufgrund von lokalen Gegebenheiten und Sicherheitserwägungen wird der Internetzugang der Messstation aktuell über das Mobilfunknetz hergestellt. Normalerweise benötigen Anwendergeräte in Mobilfunknetzen keine externen Zugriffsmöglichkeiten, da das Anbieten von IT- Diensten für diese Geräte nicht üblich oder vorgesehen ist Um nichtsdestotrotz aus der Ferne auf den Messstation- Router zugreifen zu können, wurde ein virtuelles privates Netzwerk (VPN) eingerichtet, mit dessen Hilfe die notwendige Zwei-Wege-Kommunikation zwischen externem Anwender und Messstation-Router ermöglicht wird. Entsprechend konfigurierte Portweiterleitungen gewährleisten anschließend, dass die Netzwerkdienste der internen Messstationskomponenten von außen verwendet, administriert, konfiguriert und aktualisiert werden können Abb. 10: Netzwerkstruktur mit Komponenten und externe Zugriffsmöglichkeiten der Messstationen (Quelle: TU-Dresden) 56 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Die technische Realisierung echtzeitbasierter Messu. Auswerteprozesse von Klimau. Verkehrsbelastungsdaten kommunaler Straßeninfrastruktur 3.2 Daten- und IT-Sicherheit Bei der Planung des Echtzeit-Prognoseprogramms spielt die permanente Datenübertragung und die damit verbundene Daten- und IT-Sicherheit eine große Rolle. Um die IT-Infrastruktur der Anwender, also aktuell der Technischen Universität Dresden und der Stadt Münster, weitestgehend unberührt zu lassen und bestmöglich zu schützen, wurden die WIM-Messstationen als autarke Netzwerke geplant. Anschließend musste die Frage nach einer aktiven oder passiven Übertragung der Messdaten beantwortet werden, wobei neben der potentiellen Möglichkeit eines Netzwerk- und damit auch Datenausfalls, auch die Netzwerkintegrität der Anwender zu berücksichtigen war. Deswegen wurde die aktive Übertragung der Messdaten durch die Stationskomponenten auf einen Serverspeicher im Anwendernetzwerk erst einmal verworfen. Auch auf die Verwendung von Cloudspeicher wurde aufgrund von datenschutzrechtlichen Anforderungen und Bedenken verzichtet. Vielmehr sollten die Daten vom Anwendersystem von außen abruf bar sein, was eine gesicherte externe Zugriffsmöglichkeit notwendig macht. Diese Sicherheit wird durch das virtuelle private Netzwerk (VPN) gewährleistet, da die Kommunikation innerhalb des virtuellen Netzwerkes verschlüsselt stattfindet. Durch den Fernzugriff erfolgt auch die softwareseitige Wartung der Messstation, um zukünftig entdeckte Sicherheitslücken schnell und mit geringem Aufwand mittels Softwareupdate schließen zu können. 4. Ausblick Für die Berechnung der zeitlichen und räumlichen Temperaturverläufe in der Asphaltkonstruktion sowie des aktuellen Zustandes der Materialermüdung werden die Messdaten aktuell noch händisch auf den Berechnungscomputer übertragen. Zukünftig wird das automatisiert erfolgen, wobei das Zeitintervall, in dem die Übertragung stattfindet, beliebig gewählt werden kann. Angedacht ist hierbei ein Ein-Tages-Rhythmus, da auch die Messdaten der Temperatur- und Weigh-in-Motion-Sensoren im Augenblick tageweise abgespeichert werden. Grundsätzlich ist in der aktuellen technischen Realisierung der Weighin-Motion-Messstationen ein Echtzeitsystem möglich, was bedeutet, dass eine LKW-Überfahrt des Achslastsensors eine Temperaturmessung auslöst. Anschließend würden beide Messdaten an den Berechnungscomputer übertragen und dort umgehend verarbeitet. Aufgrund der sehr kleinen Schädigung, die jede einzelne Überfahrt verursacht, ist das aber sowohl in der programmtechnischen Umsetzung, den Anforderungen an die Netzverfügbarkeit, als auch durch die damit verbundene Permanenz der Datenübertragung nicht sinnvoll. Bei der Umsetzung der Messstationen innerhalb des mFUND-Forschungsprojektes DaRkSeit geht es neben der Erforschung und Anwendung der Algorithmen der rechnerischen Dimensionierung von Straßen im kommunalen Bereich auch um die Erfahrungssammlung hinsichtlich der technischen und finanziellen Machbarkeit. Nach Beendigung des Projektes werden die Messstationen vollständig von der Stadt Münster übernommen und weiter betreut. Zu diesem Zeitpunkt wird dann die jetzige technische Realisierung noch einmal hinterfragt werden müssen, da die Mobilfunk-verträge laufende Kosten erzeugen, welche aber aufgrund der räumlichen Nähe zur städtischen IT-Infrastruktur und den dann nicht mehr erforderlichen Fernzugriffen gegebenenfalls nicht mehr notwendig sind. Da automatische Achslast-Wägesysteme im Augenblick fast ausschließlich in Autobahnen verbaut sind, gibt es bisher kaum Erfahrungen hinsichtlich des städtischen Schwerverkehrs und dessen Auswirkungen auf die urbane Straßeninfrastruktur. Mit den zukünftig weiter erhobenen Messdaten, können diese Erfahrungslücken geschlossen und die Entwicklung der Verkehrszahlen im städtischen Raum beobachtet und qualitativ besser prognostiziert werden. Diese Erfahrungen sind essenziell für eine nachhaltige, ressourcenschonende Ertüchtigungs- und Erneuerungsstrategie sowohl der Straßen-, als auch der darunter befindlichen stadttechnischen Infrastruktur.