Expertsystem för förebyggande halkbekämpning på vintervägar

Expertsystem för förebyggande halkbekämpning på vintervägar Svensk sammanfattning av licentiatavhandling Sammanställd av biträdande handledare Anita Ihs, VTI Magnus Ljungberg Foto: Göran Blomqvist, VTI

Förord Den licentiatavhandling som sammanfattas här är resultatet av doktorandprojektet Expertsystem för optimal vinterväghållning. Projektet har varit knutet till Avdelningen för Vägteknik vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH). Huvuddelen av arbetet har dock utförts vid Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI) i Linköping. Syftet med projektet har varit att utveckla ett expertsystem till stöd för arbetsledare inom vinterväghållningen. Projektet har finansierats av Vägverket genom Centrum för forskning och utbildning inom drift och underhåll av infrastruktur (CDU). Projektet har tillhört programområde Produktion (numera programområde Teknik, Tema väg och gata). Till projektet har varit knuten en styr- och referensgrupp med följande medlemmar: Hans Cedermark, CDU Rolf Magnusson, Högskolan Dalarna Anita Ihs, VTI Gudrun Öberg VTI Ulf Isacsson, KTH Håkan Wennerström, Vägverket Jan-Erik Johansson, Vägverket Dan Eriksson, Vägverket Jörgen Bogren, Göteborgs Universitet Sture Hägglund, Linköpings Universitet I arbetet med designen och framförallt programmeringen av expertsystemet har Henrik Eriksson vid Institutionen för datavetenskap, Linköpings Universitet bidragit med väsentligt stöd. Linköping, februari 2004 Anita Ihs Biträdande handledare

1 Introduktion Sverige har idag totalt ca 420 000 km väg. 98 000 kilometer (23 %) av dessa är statliga vägar, 38 500 kilometer är kommunala gator och vägar och 284 000 kilometer är privata vägar. Vägverket har ansvaret för vinterväghållningen på de statliga vägarna. Det främsta syftet till att man bedriver vinterväghållning är att vägbanan ska hållas säker och framkomlig för trafikanterna. Vinterväghållningen svarar idag för omkring en fjärdedel av den totala budgeten för drift och underhåll. Huvuddelen av resurserna används för snöröjning och halkbekämpning. Vägverket är indelat i sju regioner och vägnätet inom varje region är uppdelat i ett antal så kallade driftområden. År 2001 fanns det totalt 138 driftområden i Sverige. Den totala väglängden och trafikvolymen inom driftområdena varierar mycket, men i genomsnitt ligger den totala väglängden på ca 750 kilometer. Driftområdena kan generellt sägas ha blivit betydligt större än vad de tidigare har varit. Vägverkets regioner upphandlar vinterdriften i full konkurrens både från privata entreprenörer och från Vägverket Produktion. Ett kontrakt löper normalt i tre år, med option för ytterligare två eller tre år. Detta betyder att entreprenören för ett driftområde skulle kunna bytas ut så ofta som var tredje år. Detta i sin tur innebär att den omfattande kunskap som inhämtats om vägarna inom området kan gå förlorad vart tredje år. Inom driftområdet är det en arbetsledare som tar beslut om vinterväghållningsåtgärderna. Normallt finns det fyra arbetsledare som turas om att ha dygnet-runtjour. Att fatta rätt beslut om åtgärder är en mycket krävande uppgift eftersom drift området är stort med varierande topografi och vägar med olika trafikvolymer och vinterstandardklasser. Arbetsledarna har idag tillgång till olika informationskällor som stöd för besluten. Den viktigaste är Väg Väderinformations Systemet (VViS). Från VViS erhålls information om väder- och väglagsförhållande. Från regionens trafikinformationscentral (TIC) erhålls information främst om trafiksituationen. Informationsutbyte sker också mellan närliggande driftområden. Det är alltså en stor mängd information som ska vägas samman och ligga till grund för besluten om åtgärder. Av ovanstående följer att behovet av ytterligare beslutsstöd har ökat under 90- talet och av denna anledning togs också initiativet till att starta detta doktorandprojekt. Syftet med doktorandprojektet har varit att utveckla ett så kallat expertsystem för vinterväghållning. Systemet ska huvudsakligen fungera som ett beslutstödssystem för arbetsledaren vad gäller vinterväghållningsåtgärder. Systemet ska bidra till att Vägverkets standardkrav uppfylls, dvs. rätt åtgärder utförs vid rätt tid för olika vägklasser och vid olika väderförhållanden, väglag, etc. En följd av detta bör också bli en ökad trafiksäkerhet samtidigt som saltförbrukning och därmed kostnader sjunker. Utvecklingen av systemet har fokuserat på val av metod, material, spridningsmängder etc. på den operativa nivån. Projektet har dock avgränsats till att gälla utveckling av en prototyp av ett expertsystem för vinterväghållning på statliga vägar. Snöröjning samt väder-

situationer då Vägverkets driftregler inte gäller omfattas ej. Ett fullt utvecklat användargränssnitt ingår inte heller i målsättningen för detta projekt. De olika delmomenten i projektet har varit följande: Litteraturstudie om kunskapsläget avseende o Vinterväghållning o Expertsystem Inhämtande av kunskap o Intervjuer med oerfarna arbetsledare o Intervjuer med experter Konstruktion av regler Design av expertsystemet Kalibrering Utvärdering 2 Litteraturstudie 2.1 Expertsystem Expertsystem, eller kunskapssystem, är datorsystem med vars hjälp man försöker imitera människans metoder för problemlösning. Det finns tre grundläggande typer av expertsystem: regelbaserade, induktionsbaserade samt case-based-reasoning (direkt översatt: fallbaserat resonemang) system. Neurala nätverk kallas ibland expertsystem, men i litteraturen brukar de ofta särskiljas från dessa även om de kan användas för att lösa likartade problem. Regelbaserade system är den vanligaste typen av expertsystem. Kunskapen representeras i detta fall av regler, vilket ofta är fördelaktigt eftersom det är lätt att förstå regler som formulerats i en om-då struktur. Oberoende av ordningen på reglerna i systemet och om-satserna i reglerna så kommer ett regelbaserat system fram till samma lösning. Det som varierar är i vilken ordning som programmet frågar efter saknad information. Regelbaserade system använder antingen framåt- eller bakåtlänkning. Bakåtlänkning Slutledning genom bakåtlänkning är den vanligaste metoden i regelbaserade expertsystem. Vid denna metod skrivs målet för problemet, t.ex. Vilken skrivare ska jag välja?, in i datorns arbetsminne varefter programmet söker efter en lämplig regel. För att förklara bakåtlänkning används reglerna i figur 2.1. Vi söker efter en skrivare. Printer, skrivare, blir då vårt mål som skrivs in i datorns arbetsminne. Programmet letar efter om det finns en regel med en THEN-sats som ger ett värde för printer. I regel 1 hittar programmet satsen THEN printer = daisy_wheel_typ_1. Inferensmaskinen backar sedan i regeln till första IF-satsen. I exemplet hittas då IF speed = low AND, som lagras i datorns minne. Inferensmaskinen börjar om och letar efter en regel som har en THEN-sats som ger ett värde på speed. I regel 3 hittas THEN speed = low. Den backar sedan till första IF-satsen i regeln och lägger in overnight_batch_printouts i arbetsminnet. När programmet nu söker ett värde på overnight_batch_printouts hittar den inget. Programmet frågar då användaren om ett värde på overnight-batch-printout som ska skrivas in i datorns 4

arbetsminne. Användaren kan ange värdena yes eller no. Om användaren anger värdet no avskrivs regel 3 och programmet går tillbaka till att finna ett värde på speed. Den hittar inget och ställer därför en fråga till användaren för att han ska ange ett värde på attributet speed. Om användaren skriver high kan regel 1 uteslutas och datorn söker efter en annan passande regel. Regel 2 passar men värdena för bit_images, fonts och price saknas i exemplet. Programmet frågar därför användaren och om han anger värdena yes, variable respektive high kommer programmet att kunna svara laser_printer på den ursprungliga frågan som var Vilken skrivare ska jag välja?. Regel 1 IF THEN Regel 2 IF THEN Regel 3 IF THEN speed = low AND bit_images = no AND quality = letter AND fonts = fixed AND price = low printer = daisy_wheel_type_1 speed = high AND bit_images = yes AND fonts = variable AND price= high printer = laser_printer overnight_batch_printouts = yes AND letter_printing_in_less_than_10_minutes = no speed = low Figur 2.1 (Harmon & Sawyer, 1989) exempel på regler i ett regelbaserat expertsystem för val av skrivare. Framåtlänkning Slutledning genom framåtlänkning fungerar omvänt mot bakåtlänkning. I detta fall ger programmet indata, vilka kontrolleras mot reglerna. Kontrollen sker uppifrån och ned eller framåt i reglerna, därav namnet. Om det finns någon regel som matchar alla indata blir denna regel resultatet. På samma sätt som vid bakåtlänkning så stannar programmet och ställer frågor om något indata saknas. Kunskapsinsamling Kunskapsinsamling är en viktig del i designen av ett expertsystem. Kunskapsinsamlingen kan ske på tre olika sätt: skrivna källor, intervjuer eller observationer. Den vanligaste och viktigaste källan vid kunskapsinsamling är intervjuer. Syftet med intervjuerna är att inhämta expertkunskap som sedan kan skrivas ned som regler i expertsystemet. 5

System för vinterväghållning Ett expertsystem för vinterväghållning som kan hjälpa driftledaren att fatta rätt beslut i rätt tid har stor potential att minska miljöpåverkan, öka effektiviteten och öka trafiksäkerheten. Den största besparingen skulle göras om antalet åtgärder kunde minskas och om antalet väghållningsfordon kunde minskas för vissa åtgärder. För att ett system ska bli framgångsrikt måste det ge lika pålitliga svar som en expert kan ge. Vinterväghållningssystem har potential att bli bättre än en expert eftersom systemet kan hantera mer information. Dagens driftledare får stora mängder information: VViS värden och prognoser, radar- och satellitbilder, som ger information om nederbördsområden och molnfronter, väderprognoser från SMHI och information från andra områden. Driftledaren behöver dessutom hålla reda på sina fordon och deras utrustning, vägarnas tillstånd och klimatvariationer inom sitt område. Vid val av expertsystem för vinterväghållning bör ett regelbaserat system med framåtlänkning användas. Anledningarna till att inte använda ett neuralt nätverk är för det första att det inte kan förklara varför det föreslår en lösning, vilket är viktigt när det gäller beslut som kan få allvarliga konsekvenser. För det andra kan det inte hantera situationer med indata som ligger utanför dem i programmeringsexemplen. Framåtlänkning är lämpligt eftersom förändringar i indata styr vilken åtgärd som ska utföras. Bakåtlänkade regelbaserade system är sämre anpassade för processtyrning, vilket vinterväghållningen kan liknas vid. 2.2 Vägväder Inverkan av vädret på vinterväghållningen är uppenbar. Nederbörd, luftfuktighet och temperatur är alla faktorer som påverkar väglaget. Nederbörd i form av snö måste röjas undan och i händelse av regn måste saltning utföras om det är risk för påfrysning. Temperatur och luftfuktighet kan också leda till halka, exempelvis genom rimfrostbildning på vägytan. Solstrålning och vind är andra väderfaktorer som påverkar väglaget. Samtliga dessa faktorer, i kombination med topografi, beläggningstyp och omgivande vegetation, gör det svårt att åstadkomma korrekta prognoser för ett helt område. Eftersom vädret inte är helt förutsägbart måste åtgärder ibland vidtas vilka senare visar sig vara överdimensionerade eller överflödiga. Halka kan också uppstå om arbetsledaren inte har förutsett omslag i vädret och beslutat om åtgärder i tid. Vägklimatologi handlar om studier av klimatet och vädrets inverkan på vägar och trafik. Energiflöden och temperaturförlopp i vägkroppen är två stora forskningsområden inom vägklimatologi. Andra viktiga områden är studier om hur halka uppstår och utveckling av instrument för mätning av de faktorer som inverkar på vägklimatet. Att minska osäkerheten för utförare av vinterväghållningen är ett av målen med forskningen inom vägklimatologi. Forskning om väder har förekommit länge och de senaste decennierna har även forskning som inriktar sig på vägväder fått en ökad omfattnings på flera universitet runt om i världen. Forskning inom vägväder behandlar områden som t.ex. korttidsprognoser, som omfattar en tidsperiod på några timmar, prognoser inom områden på några hundra km 2, hur halka uppstår på vägytan, utrustning för att mäta olika parametrar som påverkar väglaget och system för vinterklassificering. 6

Vägklimatologigruppen vid Göteborgs universitet har utvecklat en modell för sträckvis vägtemperaturinformation, kallad Local Climatological Model (LCM), (Bogren, 1996). Syftet med att få temperaturinformation sträckvis är att kunna veta mer noggrannt var halka inträffar än med information endast från de punkter där VViS-stationerna mäter. LCM baseras på temperaturkartläggning, topografiska kartor, fältundersökningar och information från VViS. Med denna information kan man få bättre kunskap om prognosen för ett helt område i stället för enbart platserna där VViS-stationerna är placerade. Hur halka uppstår och olika typer av halka är ett av de viktigaste områdena för forskningen inom vägklimatologi. Lindqvist, 1979, beskriver 24 olika typer av uppkomst av halka på vägar. De sju allvarligaste av dessa redovisas nedan: Is, orsakad av vattenbeläggning, inkl. smältvatten, som fryser Is, orsakad av underkylt regn Is, bildad genom packning av snö Rimfrostbetingad av strålningsavkylning. Rimfrost under uppvärmningsperiod, då vägytan fortfarande är kall Lös snö vid nederbörd Packad snö genom trafikpåverkan Informationssystem för vägväder är system uppbyggda för att samla in väderinformation och sprida den till användarna. Det system som används av Vägverket i Sverige heter VViS (Vägverkets Väderinformationssystem) (Frimodig, Heijkenskjöld & Eriksson, 1998). VViS består av drygt 600 mätstationer. Mätstationerna byggs kring en centralenhet, vanlig PC plattform, och olika typer av mätare kan sedan kopplas till stationen. Stationerna samlar in uppgifter om vägytetemperatur, lufttemperatur, vind, nederbörd m.m. Som komplement till den information som samlas in från mätstationerna hämtas också annan väderinformation från SMHI. Denna information består av satellitbilder, radarbilder och prognoser. 2.3 Vinterväghållning: Effekter, metoder och krav Ett av huvudsyftena med vinterväghållningen är att förbättra trafiksäkerheten under vinterförhållanden. I denna rapport definieras trafiksäkerhet som en reduktion av olycksrisken. Trafiksäkerheten påverkas av många faktorer, främst friktionen mellan däck och vägbana, men även andra faktorer såsom siktförhållanden och förarens uppmärksamhet. Vinterväghållningsåtgärder utförs främst för att förbättra friktionen genom att med snöröjning och saltning ta bort snö och is från vägbanan eller genom sandning. I Sverige genomfördes under slutet av 1980-talet ett stort projekt för att undersöka möjligheterna att minska saltanvändningen. Det var kommunikationsdepartementet som var beställare och arbetet utfördes av Vägverket, VTI och kommunförbundet gemensamt. Projektet hette MINSALT, (Öberg, Gustafson & Axelson, 1991). Inom MINSALT studerades olika sätt för att minska skadeverkningarna av salt, nämligen: 7

Utökning av de saltfria regionerna Nya halkbekämpningsmetoder Nya halkbekämpningsstrategier Slutsatserna från projektet kan i korthet sägas vara att förebyggande halkbekämpning bör användas samt att lågtrafikerade vägar ska sandas istället för saltas. Norge genomförde en större studie om saltning och trafiksäkerhet, (Vaa & Sakshaug, 1995), under början av 90-talet. Resultatet blev att saltning reducerar olyckorna vintertid med ca 20 %. Studien genomfördes över hela Norge som både en jämförande studie och en före/efter-studie. Jämförelser gjordes mellan saltade och osaltade vägar med samma hastighetsbegränsningar, väggeometri och vinterperiod. Den största olycksreduktionen fås under höst och vår. En svensk studie av olyckskvoter före och efter saltning visade att olycksmaximum inträffar någon till några timmar innan åtgärden utförs (Sävenhed, 1995). Det kan tolkas som att förarna efter den första överraskningseffekten vänjer sig och kör mer försiktigt. Även då förebyggande halkbekämpning sades ha utförts erhölls ett olycksmaximum före åtgärd, vilket innebär att ett antal åtgärder som skulle ha varit förebyggande faktiskt inte utfördes förrän efter halka hade uppstått. Figur 2.2 Olyckskvoten före och efter åtgärd uppdelat på åtgärdstyp (Sävenhed, 1995). På de större vägarna visar inte förebyggande halkbekämpning upp samma olycksökning före åtgärd som hela vägnätet. Det tyder på att på de större vägarna där kraven är högst saltas det i högre grad innan halka uppstår. Vidare kan utläsas att maxolyckskvoten i södra Sverige är tre gånger så hög som i norra Sverige. Detta överrensstämmer med att det är farligare med halka i södra Sverige, där den 8

är mer sällsynt, än i norra Sverige. Det är därför viktigt att utföra åtgärden i tid och att hålla ett konstant väglag eftersom förändringar är farligast. Det är två grundläggande åtgärder inom vinterväghållningen, nämligen snöröjning och friktionshöjning. Snöröjning utförs med plogning och friktionshöjningen åstadkoms genom spridning av sand eller salt på vägen. För plogning på de statliga vägarna i Sverige används huvudsakligen lastbilar med frontplogar. På de större vägarna är lastbilarna normalt även utrustade med sidoplogar. Generellt anses inte plogning vara något stort bekymmer. Saltning utförs före förväntat snöfall för att förhindra snön från att fästa vid vägytan. Sandning är normalt den friktionshöjande åtgärd som utförs på det lågtrafikerade vägnätet (< 1000 ÅDT) samt på de större vägarna då vägytetemperaturen är låg. Sandning på de större vägarna genomförs då temperaturen är lägre än -3 C -8 C beroende på vilken standardklass vägen tillhör. Saltning är den friktionshöjande åtgärd som normalt utförs på vägar med ÅDT större än 1000. Den metod som rekommenderas i Sverige är så kallad förebyggande halkbekämpning, dvs. att saltet sprids i syfte att förhindra att halka uppstår. Dessutom är natriumklorid (NaCl) det enda saltet som används i vinterväghållningen i Sverige. Förebyggande halkbekämpning kan utföras antingen med torrt salt, befuktat salt eller saltlösning. Metoden att sprida torrt salt i förebyggande syfte används inte i Sverige. Befuktat salt är salt till vilket ungefär 30 % mättad saltlösning har tillsats före spridning på vägen. Saltlösning är en mättad lösning av natriumklorid (ca 23%) och vatten. Både befuktat salt och saltlösning används i stor utsträckning i Sverige. De normala spridningsmängderna är 5-10 g/m 2 med befuktat salt och 10 20 g/m 2 med saltlösning. Drift 96 är Vägverkets nuvarande standardkrav (Axelson, 1996) 1. De utvecklades för användning vid konkurrensutsatt upphandling och är huvudsakligen funktionsbaserade för att stimulera entreprenörerna till att använda den bästa metoden för varje situation. I Drift 96 är vägnätet indelat i sex olika driftstandardklasser utifrån trafikmängd och vägkategori, dvs. europaväg, riksväg samt övriga vägar. De sex klasserna är A1, A2, A3, A4, B1 och B2, där A1 har mest trafik och B1 minst. Vägarna i A-klasserna saltas. För varje standardklass anges maximalt tillåtet snödjup underpågående snöfall samt maximalt tillåten åtgärdstid efter det att snöfallet har upphört. 3 Grunden för utvecklingen av expertsystemet Före 1992 utförde Vägverket det mesta av underhållet och omkring hälften av vägbyggandet i egen regi utan konkurrens. Idag upphandlas allt underhåll av de statliga vägarna i full konkurrens och Vägverket har delats in i en beställarutförarorganisation med ett huvudkontor, sju regionala kontor och fyra resultatenheter (Vägverket Produktion, Vägverket Konsult, Vägverket Färjerederiet samt Vägsektorns Utbildningscentrum). Regionerna är ansvariga för Vägverkets regionala väghållning. De varierar i storlek både vad gäller kvadratkilometer, kilometer väg och total trafikvolym. Grundpaket Drift täcker alla underhållsåtgärder som omfattas av kontraktet för ett driftområde och anger standardnivåerna för vägarna inom området. De åtgärder 1 Drift 96 har sedan 2003 ersatts med Vinter 2003. 9

som normallt inkluderas är vinterväghållning, gräsklippning, renhållning på rastplatser, reparation och rengöring av skyltar, grusvägsunderhåll, reparation av potthål och sprickor samt väginspektioner. För statliga vägar så omfattar normalt ett driftområde i Sverige ca 750 kilometer väg. Storleken på området beror på hur tätt vägarna ligger, men i medeltal så är ett område 40 50 km. Denna storlek gör det svårt för arbetsledaren att ha fullständig kontroll över tillståndet i hela området. Jönköpings driftområde är det område som används för utvecklingen av expertsystemprototypen. Driftområdet har fyra arbetsledare och nio arbetare. Dessutom används ett flertal underentreprenörer för underhållsarbete såsom plogning och saltning. Driftområdet omfattar 831 kilometer väg i samtliga sex standardklasser och hela området kan anses ha inlandsklimat. Den totala kostnaden för vinterväghållning inom Jönköpings driftområde ligger mellan 8 och 12 miljoner kr årligen. Väderinformation Den information som finns tillgänglig som stöd för arbetsledarens beslut utgörs av väderinformation från VViS samt prognoser från SMHI. Figur 3.1 VViS-station (Foto:Vägverket) 10

VViS-stationerna mäter ett antal väderrelaterade parametrar. De viktigaste för arbetsledaren är följande: Vägytetemperatur Lufttemperatur Daggpunktstemperatur Typ av nederbörd Nederbördsmängd Vindstyrka Vindriktning SMHI skicka prognoser till arbetsledare, både i form av text och som kartor, beskrivande vädersituationen för de kommande 6-24 timmarna. Satellitbilder, radarbilder och nederbördsprognoser finns också att tillgå. Då informationen är komplex och ibland svår att tolka är det viktigt att arbetsledaren har utbildning på och erfarenhet av att använda dessa system. 4 Kunskapsinsamling För att undersöka om det finns ett behov av expertsystem och för att ta reda på i vilka situationer som ett sådant system skulle vara av störst nytta så intervjuades ett antal möjliga framtida användare av det slutliga systemet. Användarna var nybörjare i positionen som arbetsledare inom vinterväghållningen och hade därmed begränsad erfarenhet. Detta steg i kunskapsinsamlingen kallas nybörjarintervjuer. Fem nybörjare valdes ut för intervjuerna och intervjuerna delades upp i två delar. Under den första delen fick nybörjarna svara på frågor angående deras bakgrund, kunskap om vinterväghållning samt erfarenhet som arbetsledare. Under den andra delen av intervjun diskuterades kring frågor rörande vinterväghållningsåtgärder vid typiska vädersituationer. Diskussionerna fokuserade på problem med att hantera situationerna. Situationerna omfattade frostutfällning, snöfall, våta vägbanor som fryser och presenterades i form av enkla på vädertyper. Exemplen inkluderade VViS-data, väderprognoser samt radar- och satellitbilder. Samtliga nybörjare ansåg att det fanns ett behov av ett beslutsstödssystem av följande orsaker: Osäkerhet om var och när halka först uppstår inom området. Otillräcklig kunskap om olika metoders inverkan på väglaget samt deras varaktighet. Spridningsmängden av salt varieras för lite, vilket även är fallet för experter med lång erfarenhet Nybörjarna efterfrågade framförallt två typer av beslutsstöd: En pålitlig prognos för vägytetemperaturen på åtminstone fyra timmar framåt i tiden för att kunna slutföra förebyggande saltning innan halka har uppstått. Mätning av mängden restsalt på vägen. Nybörjarna upplevde det ofta som svårt att bedöma om det finns tillräckligt med salt kvar på vägen från tidigare saltning eller om en ny saltningsåtgärd krävs. Kunskapen hos de mindre erfarna arbetsledarna om utrustningen som används för vinterväghållningen är begränsad. Det behövs bättre utbildning, både praktisk och 11

teoretisk, på detta område. Det är svårt att fatta rätt beslut om kunskapen om utrustningen är otillräcklig. Efter intervjuerna med nybörjarna genomfördes intervjuer med experter, dvs. arbetsledare med mångårig erfarenhet av vinterväghållning. Huvudsyftet med dessa intervjuer var att skapa en kunskapsdatabas bestående av en uppsättning regler. Reglerna kan i princip sägas utgöra en manual med bästa praxis för vinterväghållningen. Eftersom intervjuerna utfördes bland svenska arbetsledare är det svensk praxis som gäller, men resultaten kan även vara tillämpliga i andra länder. Både introspektiva och retrospektiva intervjumetoder användes. Med en introspektiv metod menas att experten presenteras en situation där beslut måste tas och ombes att argumentera för och emot det beslut han skulle ta. Med en retrospektiv metod menas att experten, efter en verklig situation där ett beslut tagits, får diskutera beslutet med intervjuaren. Baserat på resultaten från nybörjarintervjuerna och diskussioner med erfarna driftledare sattes ett antal väderexempel ihop för att användas vid expertintervjuerna. Exemplen var tänkta att efterlikna expertens normala situation då han fattar beslut om vinterväghållningsåtgärder och vädersituationerna beskrevs med hjälp av data från VViS, radar- och satellitbilder samt väderprognoser från SMHI. Experterna var ganska samstämmiga vad gäller hur vinterväghållningen ska utföras. Val av tidpunkt för åtgärd samt typ av åtgärd vid olika vädersitutationer varierade väldigt lite mellan olika experter. Den grundläggande informationen som används som beslutsunderlag inom vinterväghållningen identifierades genom intervjuerna. De väderförhållanden och andra aspekter som används av arbetsledarna för att komma fram till ett beslut om åtgärd är vägytetemperaturen, fuktighetsförhållandena på vägytan, risken för nederbörd och om daggpunktstemperaturen är högre än vägytetemperaturen eller inte. De två viktigaste parametrarna visade sig vara vägytetemperaturen och daggpunktstemperaturen. Experternas beslut om förebyggande saltningsåtgärder baserades på dessa två parametrar tillsammans med fuktigheten på vägen. Alla andra parametrar tycktes ha väldigt liten inverkan på deras beslut. I de fall då nederbörd förväntades, alternativt under pågående nederbörd, var nederbördstyp och intensitet samt vägytans temperatur de parametrar som användes som underlag för beslut om huruvida saltning skulle utföras eller ej. Generellt försökte experterna att använda så lite salt som möjligt samtidigt som de föreskrivna standardkraven skulle upprätthållas. Detta gjorde huvudsakligen av följande tre orsaker: För att minska kostnaderna för salt För att minska miljöpåverkan För att vägytan ska torka snabbare Saltlösning är den metod som föredras av en majoritet av experterna i de flesta situationer då förebyggande halkbekämpning är nödvändig. Fördelarna med saltlösning jämfört med befuktat salt är att: saltförbrukningen blir lägre effekten är snabbare vägytan torkar upp snabbare eftersom saltmängden på vägytan är mindre och mer jämnt fördelad 12

Nackdelarna med saltlösning jämfört med befuktat salt är att: driftområdet måste ha utrustning för att kunna sprida både befuktat salt och saltlösning eftersom saltlösning inte är lämpligt att använda i samband med kraftigt snöfall i de fall då vägytan är mycket våt eller under pågående nederbörd finns det en risk för att lösningen späds ut och att vätskan då återfryser 5 Designen av expertsystemet Ett krav på systemet är att det snabbt måste leverera råd som dessutom i de flesta fall är korrekta. Utifrån expertintervjuerna var det uppenbart att systemet måste fungera väl, dvs. verkligen fungera som ett bra beslutsstöd, innan det testas av de tilltänkta användarna. Det får inte bidra till en ytterligare belastning för arbetsledarna genom att de känner sig osäkra på tillförlitligheten hos råden. Ett viktigt steg i designen är valet av programmeringsspråk eller verktyg. För detta expertsystem, som hädanefter kallas WinterMaid, har ett programmeringsverktyg för expertsystem kallat CLIPS (C Language Integrated Production System) valts. I den första delen av WinterMaid samlas data in från Vägverkets VViS, vilket lagrar all data på en FTP (File Transfer Program) server. Data kan nås från vilken dator som helst med tillstånd från Vägverket. Varje halvtimme hämtas de data som WinterMaid behöver för att kunna exekvera nästa steg i processen. För varje VViS-station inhämtas följande data: Stationens nummer Rådande vägytetemperatur Vägytetemperaturprognos för 1, 2, 3 och 4 timmar framåt Rådande daggpunktstemperatur Daggpunktstemperaturprognos för 1 och 2 timmar framåt Nederbördstyp Nederbördsmängd Rådande vägytetemperatur vid eventuell fjärrgivare Klockslag WinterMaid använder driftområdets saltplaner som bas för systemet. Varje saltrutt delas i ett antal sektioner som är homogena avseende klimatologiska karakteristika. I WinterMaid finns totalt 66 sektioner vilka är kopplade till en saltrunda och en vägklass. Totalt finns det 9 saltrundor inlagda. För att ange en sektions vägytetemperaturer utifrån data från närliggande VViSstationer används tre olika ekvationer: Delta (Skillnad): T sec =T sta + k Averaged (Medelvärde): T sec = (T sta1 + T sta2 )/2 + k Weighted (Viktat): T sec = (T sta1 *2 + T sta2 )/3 + k Daggpunktstemperaturen varierar inte lika snabbt som vägytetemperaturen över korta avstånd varför samma ekvationer som för beräkning av vägytetemperaturen inte kan användas. För att ange daggpunktstemperaturen för en sektion används 13

temperaturdata från den av de närliggande VViS-stationer som under en tvåmånadersperiod har den högsta medeldaggpunktstemperaturen. Detta ger en daggpunktstemperatur på den säkra sidan. Reglerna i WinterMaids databas baseras på ett antal grundläggande kriterier vilka kallas händelser. Det är på dessa händelser som arbetsledarna inom vinterväghållningen baserar sina beslut om åtgärder. I WinterMaid beaktas enbart förebyggande saltningsåtgärder, vilket också enligt Vägverkets föreskrifter är den primära saltningsåtgärden. Händelserna är definierade utifrån följande: Vägytetemperaturen, och kallas Kall sektion Hastigheten med vilken utfällning på vägytan sker, och kallas Sublimering Vägytans fuktighet, och kallas Vägytans fuktighet Risk för regn eller snö, och kallas Regn eller snö Varje vägsektion måste tilldelas ett värde för varje händelse. Värdena används sedan i regeldatabasen för att undersöka om någon saltningsåtgärd är nödvändig. I tabellerna 5.1 och 5.2 nedan visas händelserna Kall sektion respektive Sublimering. En sektion åt gången körs genom regeldatabasen och reglerna är konstruerade så att endast en regel kan utlösas på varje sektion. Reglerna består av en om -sida omfattande ett antal om -rader och en då - sida bestående av en då -rad. Om en regel utlöses betyder det att alla om -rader är sanna vilket i sin tur utlöser då -sidan. Sektionen blir i detta fall tilldelad en åtgärd. Det finns sju olika åtgärder i WinterMaid vilka har tagits fram baserat på intervjuerna under kunskapsinsamlingen. För olika vädersituationer finns det standardiserade saltspridningsmängder. När alla sektioner har kontrollerats tilldelas hela rutten samma åtgärd som den sektion vilken har tilldelats den högst rankade åtgärden. Tabell 5.1 Gränsvärden för vägytetemperaturen gällande händelsen Kall sektion. (A1-A4 är vägens driftstandardklass enligt Drift 96). Kall Sektion Övre gräns ( C) Nedre gräns ( C) 0 + > 0 1 0-3 2 <-3-7 (A4) eller 8 (A1, A2 eller A3) 3-7 (A4) eller 8 (A1, A2 eller A3) - Tabell 5.2 Beskrivning av händelsen Sublimering. Sublimeringsklass T daggpunkt T yta ( C) Ingen < 0 Liten 0 0.1 Måttlig 0.1 2.5 Kraftig > 2.5 14

Regeldatabasen består av 16 regler, vilka formulerats baserat på den tidigare beskrivna kunskapsinsamlingen. I tabell 5.3 visas den uppsättning regler som först skapats utifrån intervjuerna med experter. Orsaken till att reglerna i WinterMaid är färre än reglerna i tabellen är att de som inte leder till en åtgärd har uteslutits samt att vissa regler har kunnat slås samman. Tabell 5.3 Regler som skapats utifrån intervjuerna och som ligger till grund för de 16 reglerna i expertsystemet. Angivna mängder avser gram saltlösning per m 2, utom då ett p står efter siffran innebärande att befuktat salt ska användas. A. Regler för vägytetemperaturer i intervallet 0 C - -3 C Regel # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Sublimering Ingen Lätt Medel Kraftig Vägytans fuktighet Torr Fuktig Våt Torr Fuktig Våt Torr Fuktig Våt Torr Fuktig Våt Åtgärd (g/m 2 )* Ingen Ingen 10p Ingen 10 10p 10 15 10p 20 20 15p B. Regler för vägytetemperaturer < -3 C Regel # 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Sublimering Ingen Lätt Medel Kraftig Vägytans fuktighet Torr Fuktig Våt Torr Fuktig Våt Torr Fuktig Våt Torr Fuktig Våt Åtgärd (g/m 2 )* Ingen 15 20p 10 15 20p 15 15 20p 20 10p 20p C. Regler vid nederbörd Regel # 25 26 27 28 29 30 Yttemperatur. 0 - -3 0 - -3 0 - -3 < -3 < -3 < -3 ( C) Förväntad Regn Snö Snö Regn Snö Snö nederbörd Sublimering Alla Alla Alla Alla Alla Alla Vägytans Alla Torr Våt Alla Torr Våt fuktighet Fuktig Fuktig Åtgärd (g/m 2 ) 20p 10p 15p 20p 10p 20p 6 Utvärdering av expertsystemet Utvärderingen är bara ett steg i utvecklingsprocessen av WinterMaid. Utprovningen är begränsad till en kort tidsperiod med begränsad tillgänglig information. För en mer grundlig utvärdering måste systemet testas i realtid på ett driftområde under åtminstone några månader. Systemet måste provas under många olika vädersituationer. Syftet med utvärderingen var också att undersöka svagheter hos WinterMaid samt möjliga förbättringar. Utvärdering genomfördes i två faser. Den första fasen innebar att undersöka om de åtgärder som WinterMaid föreslog överensstämde med de åtgärder som i verkligheten utfördes av Jönköpings driftområde. Generellt så gav WinterMaid råd som ganska väl överensstämde med de beslut som arbetsledaren fattat, men bara vid några få tillfällen var råd och beslut 15

identiska vad gäller åtgärd och tidpunkt, detta även efter kalibrering. Vid vissa tillfällen var WinterMaid för känsligt. Denna känslighet uppstod framförallt kvällstid då vägytetemperaturen faller. I vissa fall föreslog WinterMaid åtgärder som senare visade sig vara onödiga. Detta beror mestadels på att temperaturprognoserna i VViS ibland är felaktiga. Som ett resultat av den första fasen gjordes vissa justeringar/kalibreringar av reglerna i WinterMaid för att få en bättre överensstämmelse med de åtgärder som utförts av driftområdet. Den andra fasen var en utvärdering som genomfördes av en oberoende expert med 25 års erfarenhet som arbetsledare på ett driftområde och som dessutom varit involverad i flera forskningsprojekt rörande vinterväghållning. Experten fick bedöma de åtgärder som WinterMaid föreslog såväl som de åtgärder som utfördes i verkligheten av Jönköpings driftområde. Baserat på väderinformation från VViS-stationerna i området fick experten ange vilka åtgärder han ansåg vara de mest korrekta, de som utfördes av driftområdet eller de som föreslagits av WinterMaid. Reglerna som utgör grunden i WinterMaid har också utvärderats av en expert vilken fann att de hade justerats till en acceptabel nivå. Den enda viktiga vädersituation som WinterMaid inte kan hantera den då uppklarning orsakar en hastig sänkning av vägytetemperaturen. Under den period som studerades vid utvärderingen i andra fasen föreslog WinterMaid 12 åtgärder, medan driftområdet utförde 10 åtgärder. Av dessa åtgärdstillfällen ansågs WinterMaid vara mest korrekt vid 6 tillfällen och driftområdet vid fyra tillfällen. Slutsatsen var att skillnaderna mellan de åtgärder som föreslås av WinterMaid och de som i verkligheten utförs är så små att den kalibrering som gjorts av WinterMaid i den första utvärderingsfasen kan anses motiverad. Längre och mer exakta prognoser skulle i hög grad förbättra systemets prestanda ytterligare. För närvarande ger VViS endast prognoser på upp till två timmar. Det tar dock normalt mer än två timmar att slutföra en saltrunda. Konsekvensen av detta blir att arbetsledaren måste agera innan VViS varnar för rimfrost eller frysande vägbanor. Den information som arbetsledaren normalt använder i dessa situationer är prognoserna från SMHI. I vissa fall används även satellitbilder också. Denna information har generellt lägre kvalitet eller precision än VViS prognoserna vilket innebär att arbetsledaren ibland missar att förutse att en saltningsåtgärd kommer att behövas alternativt att en saltningsåtgärd utförs som sedan visar sig vara onödig. 7 Slutsatser och förslag till fortsatta studier Den första och viktigaste slutsatsen av resultaten som presenteras i avhandlingen är att expertsystemprototypen, WinterMaid, är ett system värt att vidareutveckla. Baserat på den utvärdering som hittills gjorts är slutsatsen att det inte är några större skillnader mellan de förslag till åtgärder som systemet presenterar och de som i verkligheten beordras av arbetsledarna på driftområdet. Om systemet ska utvecklas vidare, då med en uppdaterad modell för sträckvis vägtemperaturinformation (LCM), skulle en komplettering med en restsaltmodell samt en modell för att beräkna mängden fuktighet på vägytan vara av stor nytta för arbetsledarna. 16

Kalibreringsproceduren visade också att arbetsledarna inte lever som de lär. Det tycks som om de är mer återhållsamma med att utföra åtgärder i verkliga situationer än vad de anger under intervjuerna. WinterMaid har ännu inte testats i realtid. Detta bör därför vara nästa steg i att bedöma funktionen hos systemet. Det finns också ett stort behov av ytterligare forskning avseende inverkan av olika vinterväghållningsåtgärder på väglaget. De områden som bör inkluderas är framförallt friktionsstudier samt varaktigheten av åtgärder. Med varaktighet av åtgärder menas i detta fall tidsperioden från en avslutad åtgärd till dess en ny åtgärd behöver sättas in. Varje driftområde använder för det mesta en standardgiva vid saltspridning. Denna giva är olika för olika driftområden. Den lägsta standardgiva som används av de experter som intervjuades i studien är 10 g saltlösning/m 2. Andra standardgivor var 20 g saltlösning/m 2 och 10 g befuktat salt/m 2. Dessa givor används på jämförbara vägar och vid jämförbara vädersitutationer i alla studerade regioner. Både nybörjare och experter varierar saltgivan väldigt lite, även om experterna varierar den marginellt mer. Spridingsmängden vid förebyggande halkbekämpning varierar från ett driftområde till ett annat. Det tycks dock som om alla arbetsledare inom ett driftområde använder samma mängd, vilket troligen beror på vilken kontraktsform som gäller för driftområdet. De mängder som används baseras på erfarenhet snarare än på vetenskaplig forskning. 17

8 Referenser i urval Axelson, L: Drift 96, Vägverket, Borlänge, 1996. Bogren, J: A Local Climatology Model for Stretchwise Road Surface Temperature Information. 8 th International Road Weather Conference, Birmingham, England, 1996. Frimodig, L., Heijkenskjöld, K. och Eriksson, D.: VViS Road Weather Information System, 9th International Road Weather Conference, SIRWEC, Luleå, 1998. Lindqvist, S: Studier av halka på vägar. GUNI rapport 12, Naturgeografiska Institutionen. Göteborgs Universitet, Göteborg, 1979. Smith, P: An Introduction to Knowledge Engineering. International Thompson Computer Press. London. 1996. Stefik, M: Introduction to Knowledge Systems. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Fransisco, 1995. Sävenhed, H: Samband mellan vinterväghållning och trafiksäkerhet. VTI rapport 399, Statens väg- och transportforskningsinstitut, Linköping, 1995. Vaa, T och Sakshaugh, K.: Salting og trafikksikkerhet. Del 2: Sammenligning av ulykkesfrekvens på saltet og usaltet vegnett. Saltingens effekt på kjörefart. STF63 A95005, SINTEF, Trondheim, Norge, 1995. Öberg, G., Gustafson, K. och Axelson, L.: Effektivare halkbekämpning med mindre salt. MINSALT-projektets huvudrapport. VTI rapport 369, Statens väg och transportforskningsinstitut, Linköping, 1991. 18