[Zusammenfassung] Dieser Artikel stellt die wichtigsten Inhalte nationaler und internationaler Vorschriften und Normen für dynamische Fahrzeugwaagen vor. Ausgehend von den Vorschriften werden irreführende Werbung und Missverständnisse bei der aktuellen Anwendung dynamischer Straßenwägetechnik erörtert, um eine wissenschaftlich fundierte Implementierung und Anwendung dieser Geräte zu gewährleisten und eine unüberlegte Auswahl zu vermeiden. [Schlüsselwörter] Norm Spezifikation JJG907 ASTM E1318 I. Einleitung Seit der Einführung der gewichtsbasierten Mauterhebung in einigen Provinzen und Städten Chinas im Jahr 2003 hat der Einsatz dynamischer Fahrzeugwaagen zunehmend zugenommen. Aufgrund der unterschiedlichen Kompetenzen und Implementierungserfahrungen der Gerätehersteller entsprachen jedoch nicht alle der zuerst installierten Waagen den Anforderungen der Betreiber. Mit der Veröffentlichung der „Leitlinien zur Erprobung der gewichtsbasierten Mauterhebung auf Mautstraßen“ und des „Umsetzungsplans für das Pilotprojekt zum standardisierten Bau nationaler Überladungserkennungsstationen“ des Verkehrsministeriums im Jahr 2005 begannen zahlreiche Provinzen des Landes sukzessive mit der Erprobung neuer Geräte, der großflächigen Beschaffung von Ausrüstung und dem Austausch alter Produkte für gewichtsbasierte Mauterhebungs- und Überladungserkennungssysteme auf Mautstraßen. Viele Hersteller von Waagen und Lieferanten elektromechanischer Straßenausrüstung erkannten das enorme Marktpotenzial und verfolgten oft einen unüberlegten Ansatz mit überstürzter Implementierung. Dies führte zu mangelndem Verständnis und unzureichender Forschung im Bereich dynamischer Fahrzeugwaagen und verstärkte die Verbreitung übertriebener Behauptungen über deren Anwendung und technische Spezifikationen. Dynamische Fahrzeugwaagen unterscheiden sich jedoch grundlegend von herkömmlichen statischen Lkw-Waagen. Sie sind technologisch hochentwickelt, werden häufig eingesetzt, erfordern hohe Investitionen und lange Bauzeiten, was von den Anbietern hohe Kompetenzen verlangt. Eine übereilte Umsetzung ohne ausreichende technische und finanzielle Ressourcen birgt erhebliche Risiken. Wenn die Leistung der Anlagen unzureichend ist, die Bauausführung mangelhaft ist oder Zuverlässigkeit und Zeitplan nicht den tatsächlichen Anforderungen des Auftraggebers entsprechen, entstehen in allen Bereichen erhebliche Verluste. II. Normen und Spezifikationen für dynamische Wiegesysteme Dynamische Fahrzeugwiegesysteme sind im Ausland seit fast 20 Jahren erfolgreich im Einsatz, ihre breite Anwendung in China ist jedoch erst seit Kurzem, genauer gesagt seit 3–4 Jahren, zu beobachten. In den letzten Jahren hat die zunehmende Nutzung dynamischer Fahrzeugwiegesysteme in China mit der Vertiefung von Verkehrserhebungen, der Kontrolle von Überlastungen und der gewichtsbasierten Mauterhebung zugenommen. Die Implementierung des Systems und seiner Technologie hat eine sprunghafte Entwicklung erfahren, und die Peripheriegeräte sowie der Anwendungsbereich wurden kontinuierlich erweitert und schrittweise integriert und systematisiert. Noch vor der offiziellen Veröffentlichung des „Nationalen Standards für automatische Wiegeinstrumente zur Fahrzeugwiegung in Bewegung“ erließ die Staatliche Verwaltung für Qualitätsüberwachung, Inspektion und Quarantäne (SQSK) die Norm JJG907-2006 als Prüfverfahren und Standardgrundlage für dynamische Fahrzeugwiegesysteme. Diese Norm basiert auf dem fünften Entwurf der internationalen Empfehlung OIML R134 „Automatische Instrumente zur Fahrzeugwiegung in Bewegung“ aus dem Jahr 2004. Als eines der ersten Länder, das dynamische Fahrzeugwiegesysteme einsetzte, veröffentlichte die American Society for Testing and Materials (ASTM) bereits 1990 die „Standard Specification for Highway Weigh-In-Motion (WIM) Systems with User Requirements and Test Methods“. Diese Norm beschreibt detailliert die Genauigkeitsklassen, die technischen Anforderungen vor Ort sowie die Prüfverfahren und -methoden für dynamische Wiegesysteme. Sie ist derzeit die einzige offiziell veröffentlichte internationale Norm für dynamische Fahrzeugwiegegeräte. Weitere Normen und Spezifikationen für die Anwendung dynamischer Fahrzeugwaagen umfassen die europäische COST 323 WIM-Spezifikation. Aufgrund ihrer technologischen Erfahrung und ihrer umfassenden Forschung im Bereich dynamischer automatischer Fahrzeugwaagen (Systeme) für den Straßenverkehr verwenden inländische Hersteller derzeit am häufigsten die Normen JJG907 (letzte Fassung: 23. November 2006) und ASTM E1318 (letzte Fassung: 2002) für die Produktion, Prüfung und Kennzeichnung ihrer Produkte. Die beiden Normen haben unterschiedliche Ausgangspunkte und Veröffentlichungsperspektiven, legen aber beide den Anwendungsbereich, die Genauigkeitsklasse, die technischen Anforderungen und die Prüfverfahren für Messgeräte dynamischer Fahrzeugwaagen fest und beschreiben die Hinweise zur Installation vor Ort sowie die allgemeinen Betriebsanforderungen. 1. Hauptinhalte der Norm JJG907-2006: Diese Norm dient hauptsächlich als Grundlage für die Typprüfung, die Produktherstellung und die Verifizierung dynamischer Fahrzeugwaagen. Die Verordnung klassifiziert die Genauigkeitsklassen für Fahrzeugachslasten (Einzelachslasten oder Achsgruppenlasten) und das Gesamtgewicht. Die Genauigkeitsklassen für Fahrzeugachslasten sind in sechs Stufen unterteilt: A, B, C, D, E und F; die Genauigkeitsklassen für das Gesamtgewicht sind ebenfalls in sechs Stufen unterteilt: 0,2, 0,5, 1, 2, 5 und 10. Tabelle 1 zeigt den maximal zulässigen Fehler der Fahrzeugachslast, ausgedrückt als Prozentsatz des wahren Wertes der statischen Referenz-Einzelachslast, sowie die maximal zulässige Abweichung der Fahrzeugachslast, ausgedrückt als Prozentsatz des korrigierten Mittelwerts der Einzelachslast (bzw. Achsgruppenlast). Die Tests wurden separat für zweiachsige und nicht zweiachsige Fahrzeuge durchgeführt. Tabelle 2 zeigt den maximal zulässigen Fehler des Gesamtgewichts, ausgedrückt als Prozentsatz des wahren Wertes. Tabelle 1: Maximal zulässiger Fehler (Abweichung) der Fahrzeugachslast. Tabelle 2: Maximal zulässiger Fehler des Fahrzeuggesamtgewichts. 2. Hauptinhalte von ASTM E1318-02. Diese Spezifikation legt hauptsächlich die Anwendungsarten, Eigenschaften und Genauigkeit dynamischer Fahrzeugwiegeeinrichtungen fest und dient als Leitfaden für praktische Anwendungen. Sie beschreibt detailliert die Bedürfnisse, Anforderungen und Standortvoraussetzungen der Anwender. Basierend auf dem Anwendungsfall, den Anwendungseigenschaften und dem zulässigen Geschwindigkeitsbereich des dynamischen Wiegesystems wird dieses in vier Typen unterteilt, die durch die Symbole Typ I, Typ II, Typ III und Typ IV dargestellt werden. Typ I wird für Verkehrsdatenerfassungsstationen verwendet, die in einer oder mehreren Fahrspuren installiert sind und einen zulässigen Geschwindigkeitsbereich von 16–130 km/h aufweisen, um mutmaßlich überladene Fahrzeuge innerhalb festgelegter Grenzen zu erkennen. Typ II wird ebenfalls in Verkehrsdatenerfassungsstationen eingesetzt und ist für die Installation in einer oder mehreren Fahrspuren mit einem zulässigen Geschwindigkeitsbereich von 24–130 km/h ausgelegt. Die übrigen Systemeigenschaften und -anforderungen entsprechen denen von Typ I. Typ III ist ein dynamisches Wiegesystem, das mit Wiegesensoren arbeitet. Das System kann auf einer oder mehreren Fahrspuren der Hauptverkehrsstraße oder in einer neben der Hauptverkehrsstraße befindlichen Wiegestation eingesetzt werden. Es dient der Identifizierung von Fahrzeugen, die im Verdacht stehen, die zulässigen Gesamtgewichts- und Achslastgrenzen zu überschreiten, im Geschwindigkeitsbereich von 16–130 km/h. Das System leitet mutmaßlich überladene Fahrzeuge automatisch zur genauen Wiegestation und lässt nicht verdächtige, überladene Fahrzeuge weiterfahren. Typ IV, der für den Einsatz in Wiegestationen konzipiert ist, erkennt Fahrzeuge, die die zulässigen Gesamtgewichts- oder Achslastgrenzen überschreiten, im Geschwindigkeitsbereich von 3–16 km/h. Das im System verwendete Wiegesensorelement (oder der Wiegeträger) stützt gleichzeitig alle Reifen eines Radsatzes. Es kann die Radlast und gegebenenfalls die statische Achslast anzeigen. Die Genauigkeitsgrade der vier Typen und ihre maximal zulässigen Fehler (Abweichungen) sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3: Maximal zulässiger Fehler (Abweichung) [align=center] [/align] III. Anwendungsfehler 1. Fehler 1: Geschwindigkeit Die Norm JJG907-2006 beschreibt dynamische Wiegeeinrichtungen als „im Wiegekontrollbereich installiert und in einem festgelegten Geschwindigkeitsbereich betrieben“, legt diesen Geschwindigkeitsbereich jedoch nicht explizit fest. Im Rahmen des Ausschreibungsverfahrens wurde festgestellt, dass der nominelle Betriebsgeschwindigkeitsbereich einiger fester Achslastzellen willkürlich erweitert wurde. In der Praxis ist die Betriebsgeschwindigkeit bestimmter Wiegeeinrichtungen jedoch nach oben begrenzt (siehe unten). Im Allgemeinen liegt die normale Betriebsgeschwindigkeit einer festen Achslastzelle unter 20 km/h. Bei praktischen Prüfungen testen die technischen Aufsichtsbehörden verschiedener Provinzen und Städte Fahrzeuge ebenfalls mit Geschwindigkeiten unter 20 km/h. Dies ist auch in der Norm ASTM E1318-02 für Typ IV festgelegt, dessen Betriebsgeschwindigkeitsbereich 3 bis 16 km/h beträgt. Wie bekannt, dient die Wiegeeinrichtung bei gewichtsbasierter Mauterhebung den zuständigen Behörden als Grundlage für die Strafverfolgung und Mauterhebung. Ihre Wiegegenauigkeit und Zuverlässigkeit müssen daher absolut einwandfrei sein. Wir verwenden die Lösung der Schwingungsgleichung des Systems „Wiegeeinrichtung-Fahrzeug“, um die obere Geschwindigkeitsgrenze aktueller dynamischer Fahrzeugwiegeeinrichtungen aufzuzeigen. In der obigen Gleichung setzt sich die statische und die dynamische Last zusammen. Die statische Last wird durch die Eigenmasse des Fahrzeugs verursacht und soll erfasst und bestimmt werden. Die dynamische Last wird durch Fahrzeugschwingungen verursacht und weist einen signifikanten Spitzenwert auf. Anhand der erfassten Wellenformen sowie der Lösung und Analyse der Differentialgleichung zweiter Ordnung lässt sich erkennen, dass die Schwingungsfrequenz verschiedener Fahrzeugmodelle im Niederfrequenzbereich von 3–20 Hz konzentriert ist und die Amplitude etwa 10 % der statischen Last erreichen kann. Unter der Annahme einer effektiven Abtastbreite der Wiegeplattform von 800 mm (üblicherweise beträgt die Breite einer Wiegeplattform mit fester Achslast 800 mm) und einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 20 km/h, so ergibt sich bei einer Einwirkungszeit der Last auf die Wiegeplattform und einer angenommenen niederfrequenten Störung durch die dynamische Last von 10 Hz (d. h. einer Schwingungsperiode von 0,1 s) sowie einer ausreichend hohen Eigenfrequenz der Wiegeplattform eine Abtastsignallänge, die dem 1,4-Fachen der Störungslänge der dynamischen Last entspricht. Die erfassten Daten enthalten einen vollständigen Zyklus des dynamischen Störsignals, der die Filteranforderungen für niederfrequente dynamische Störsignale kaum erfüllt. Daher ist bei einer Fahrgeschwindigkeit über 20 km/h das dynamische Störsignal in den Abtastdaten kürzer als ein vollständiger Zyklus. Diese Art von Störung wird als kurzzeitige periodische Störung bezeichnet. Mittelwertfilterung im Zeitbereich und verschiedene Filterverfahren im Frequenzbereich sind gegen diese Art von Störung wenig effektiv. Da Amplitude, Phase und Frequenz dynamischer Laststörungen zufällig sind, ist der in dynamischen Fahrzeugwaagen weit verbreitete gleitende Mittelwertfilter ineffektiv und führt zu größeren zufälligen Fehlern und Unsicherheiten. Daher müssen in Hochgeschwindigkeits-Vorerkennungssystemen mit geringerer effektiver Abtastbreite und höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten fortschrittlichere mathematische Modelle und Softwareverarbeitungsverfahren eingesetzt werden, um die Wiegegenauigkeit zu gewährleisten. Bei der Anwendung dynamischer Wiegegeräte ist es daher unerlässlich, die tatsächlichen Einsatzbedingungen zu berücksichtigen und zu prüfen, ob die relevanten Indikatoren wie die effektive Abtastbreite der Wiegeplattform, das dynamische Verarbeitungsverfahren und die maximale Betriebsgeschwindigkeit wissenschaftlich fundiert und realisierbar sind. 2. Missverständnis – Genauigkeit. Mit der zunehmenden Verbreitung gewichtsbasierter Mauterhebung und der Bemühungen um Überlastkontrolle drängen immer mehr Hersteller auf den Markt für dynamische Fahrzeugwaagen. Führende Anbieter haben in den letzten Jahren intensive Forschung und Entwicklung im Bereich der Anwendung ihrer Produkte betrieben und so bedeutende Fortschritte in der dynamischen Wiegetechnologie erzielt. Betrachtet man den Markt für dynamische Fahrzeugwaagen insgesamt, so ist das Tempo des technologischen Fortschritts deutlich geringer als der Trend zu übertriebenen Spezifikationen. Sowohl JJG907-2006 als auch ASTM E1318-02 enthalten klare, verbindliche Richtlinien für die Installation von dynamischen Fahrzeugwaagen. Insbesondere die verbindliche Bestimmung der JJG907-2006 zu den „Praktischen Richtlinien für die Installation von dynamischen Lkw-Waagen“ besagt: Um die Lastverlagerung zwischen den Achsen fahrender Fahrzeuge zu reduzieren, darf die Zufahrtsrampe keine Längsneigung und eine Querneigung von maximal 1 % aufweisen. Innerhalb von 8 Metern von beiden Enden der tragenden Konstruktion beträgt die zulässige Toleranz für die Längs- und Querneigung der Zufahrtsrampe ±3 mm; außerhalb von 8 Metern beträgt sie ±6 mm. Angesichts der nationalen Gegebenheiten und praktischen Anwendungen in China erfüllen die technischen Anforderungen dynamischer Fahrzeugwaagen häufig nicht die in den Vorschriften festgelegten Straßenbaubestimmungen. Darüber hinaus vernachlässigen einige Anwender den Einfluss der Straßenverhältnisse auf die Genauigkeit dynamischer Fahrzeugwaagen. Um Kosten zu senken und den Aushub zu minimieren, führt dies häufig zu einer mangelhaften Installation der Geräte, was deren Genauigkeit erheblich beeinträchtigt. Neben der Genauigkeit der Geräte im Labor und den technischen Gegebenheiten der Wiegestation ist der Bewegungszustand des Fahrzeugs ein weiterer entscheidender Faktor für die Genauigkeit dynamischer Fahrzeugwaagen. Ein fahrendes Fahrzeug regt die Wiegeeinrichtung an und erzeugt vielfältige Störungen. Dazu gehören Schwingungen und Dämpfung des fahrzeugeigenen Federsystems, Vibrationen der Fahrbahnoberfläche, Rundlauf der Radnaben, Vibrationen durch die Bewegung des Kraftstoffs im Tank, die Schwerpunktverlagerung und die Trägheitskräfte der Ladung sowie der Einfluss absichtlicher oder unabsichtlicher Manipulationen durch einige Fahrer. Zu diesen besonderen Fahrzuständen zählen: Fahren mit variabler Geschwindigkeit, S-förmiges Fahren und häufiges Bremsen. Daher hängt die tatsächliche Betriebsgenauigkeit dynamischer Fahrzeugwaagen stark von den technischen Gegebenheiten der Wiegestation und der korrekten Bedienung durch den Benutzer ab. Unter optimalen Testbedingungen erreicht die dynamische Fahrzeugwaage für Testfahrzeuge eine Genauigkeit der Stufe 2 für das Gesamtgewicht. Im praktischen Einsatz liegt die Genauigkeit der dynamischen Fahrzeugwaage jedoch aufgrund des sich verschlechternden technischen Zustands der Wiegestation und des unüblichen Fahrverhaltens der Nutzer in der Regel bei Stufe 5. 3. Missverständnis – Gerätetyp. Derzeit beschränkt sich der Einsatz dynamischer Fahrzeugwaagen in China hauptsächlich auf die gewichtsbasierte Mauterhebung, die Überladungskontrolle, die Vorabwägung auf Autobahnen und die Erfassung geringer Verkehrsdaten. Zu den wichtigsten Gerätetypen zählen: Achslastmessgeräte mit fester Achse, Achslastmessgeräte mit Biegeplatte und piezoelektrische Geräte. Weder JJG907-2006 noch ASTM E1318-02 legen die Anwendung dieser drei Gerätetypen in dynamischen Fahrzeugwaagensystemen explizit fest. Aufgrund der technischen Eigenschaften dieser drei Gerätetypen sowie der in Normen und Vorschriften festgelegten technischen Bedingungen und Genauigkeitsanforderungen an Wiegeeinrichtungen definiert die Branche deren Einsatzgebiete im Allgemeinen wie folgt: Für dynamische Fahrzeugwiegungen bei niedrigen Geschwindigkeiten, wie z. B. Wiegen zur Mauterhebung und präzise Wiegen überladener Fahrzeuge, die direkt mit der Strafverfolgung zusammenhängen oder ihr als Grundlage dienen, werden typischerweise hochpräzise Achslastzellen mit fester Achse eingesetzt. Für Wiegen bei mittleren und hohen Geschwindigkeiten im Rahmen von Vorkontrollen und die Erfassung von Verkehrsdaten, die nicht der Strafverfolgung dienen, werden typischerweise Achslastzellen mit gebogener Platte und piezoelektrische Geräte verwendet. Bei Wiegeanwendungen zur Mauterhebung und zur Überwachung von Überladungen befinden sich die Wiegestationen in Mautspuren oder an Kontrollstellen für niedrige Geschwindigkeiten. Die Fahrzeuggeschwindigkeiten sind daher meist gering oder die Fahrzeuge stehen über längere Zeiträume still, was zu besonders komplexen Fahrbedingungen führt. Da diese Anwendungen der Mauterhebung und der Strafverfolgung dienen, ist höchste Genauigkeit der Geräte erforderlich. Die Anforderungen an statische Wiegungen sowie die komplexen und variablen Fahrbedingungen sind die Hauptgründe für die Ineffektivität piezoelektrischer Produkte in diesem Anwendungsbereich. Im Vergleich zur Achslastzelle mit gekrümmter Platte bietet die Achslastzelle mit fester Achse eine breitere Plattform, einen zuverlässigeren und stabileren Algorithmus und zeichnet sich vor allem durch ihre überlegene, konsistente Seitenempfindlichkeit aus (gemäß OIML III-Standard). Typischerweise ändert sich der Messwert der Achslastzelle mit gekrümmter Platte aufgrund unvermeidbarer Randeffekte drastisch, wenn sich die Last an einem der Enden der Lastzelle befindet. Die Seitenempfindlichkeit liegt dabei in der Regel bei etwa 3 %. Das bedeutet, dass allein das Passieren der linken, mittleren und rechten Position der Lastzelle durch die Last einen Fehler von bis zu 3 % verursachen kann. Hochgeschwindigkeits-Vorabkontrollwägestationen und Verkehrsdatenerfassungsstationen verwenden aufgrund ihrer typischen Installation an Hauptverkehrsadern, des hohen Verkehrsaufkommens, der hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, der kurzen Bauzeiten, des minimalen Aushubs und der entsprechend geringeren Genauigkeitsanforderungen üblicherweise Achslastzellen mit gekrümmter Platte und piezoelektrische Sensoren. IV. Fazit: Basierend auf den technischen Spezifikationen für dynamische Fahrzeugwaagen bietet dieser Artikel einen kurzen Überblick über die Anwendungsbereiche und den aktuellen Stand der Technik dieser Geräte. Der Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die Eigenschaften und Anwendungsbereiche dynamischer Fahrzeugwiegesysteme und bietet erste Einblicke in häufige Missverständnisse und Fehlinterpretationen hinsichtlich Geschwindigkeit, Genauigkeit und Anwendungsbereichen dieser Geräte. Es ist zu hoffen, dass dies die Umsetzung gewichtsbasierter Mauterhebungs- und Überlastungskontrollprojekte in China unterstützt und Verluste in allen Bereichen minimiert. Aufgrund meiner begrenzten Erfahrung in dieser Branche ist mein Verständnis dynamischer Fahrzeugwiegesysteme und Wiegeinstrumente noch nicht umfassend, und die obigen Ausführungen sind möglicherweise unvollständig oder subjektiv. Ich hoffe daher auf wertvolle Anregungen und Hinweise von Anlagenbesitzern, Branchenexperten und erfahrenen Fachleuten. Referenzen : [1] JJG907-2006: Prüfverfahren für automatische Wiegeinstrumente für dynamische Straßenfahrzeuge, 2006. [2] ASTM-Bezeichnung: E1318–02, Standard-Spezifikation für dynamische Wiegesysteme (WIM) auf Autobahnen mit Benutzeranforderungen und Prüfmethoden, 2002. [3] Yang Weidong, Liu Yameng, „Standards und Spezifikationen für dynamische Wiegesysteme“, China Highway, 2005. [4] Xu Jia, Cai Ping, Zhou Zhifeng, Chen Rixing, „Anwendung des Parameterschätzalgorithmus beim dynamischen Wiegen von Automobilen“, Automatisierungstechnik und -anwendung, 2005.