道路结冰状态自主识别与融冰雪系统助力冬季道路安全.pdf

Observer行业观察影 响 有 影 响 的 人 56 道路结冰状态自主识别与融冰雪系统助力冬季道路安全文、图/河北省高速公路延崇管理中心 刘家俊交通运输属于气象高度敏感行业，气象灾害不仅会对道路基础设施造成不同程度的损坏，更会影响道路交通的运行安全，诱发道路交通事故。气象灾害主要包括风、雨、雪、雾等天气，在这些恶劣天气情况下，驾驶员心理、视线等都受到极大影响，其中冬季路面积雪结冰是影响行车安全的最不利气象条件之一。结冰路面路表附着力减小，抗滑能力显著降低，增加了汽车制动距离，机动车的制动、操作稳定性都会降低，车辆容易打滑、侧滑，使得发生事故及二次事故的概率增大。根据黑龙江省不良天气与交通事故关系研究显示，道路结冰时发生的交通事故是道路干燥时发生的十倍。随着冬季的到来，道路结冰问题成为了影响交通安全的重要因素。然而，一种新型的道路结冰状态自主识别与融冰雪系统正在改变这一现状，为冬季道路安全提供有力保障。学科交叉融合：气象站系统助力道路结冰状态识别欧洲多国、美国等对道路结冰的监测和预报十分重视，较早地在公路交通气象学领域开展大量研究，形成了一系列路面温度监测和结冰预报技术。如美国建立的道路气象信息系统（RWIS），系统融合了观测和预报系统，可根据路域气象资料预报路面状况，及时通知交通部门和灾害管理部门，以便保障交通安全。目前，国内对道路结冰预报的研究虽然取得了一定的成果，但仍处于起步阶段，主要集中于道路结冰监测技术和基于不同方法的预报模型构建。常见的引发公路出现冰冻的气象要素主 延崇高速杏林堡隧道出口气象站57NO.6/DECEMBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 要包含温度、湿度、降雨量等关键因素及不同耦合状态，设计由各种气象传感器组成的公路气象站系统，来实时监测区域气象条件和道路状态，实现路面结冰的准确预警。气象站系统主要由六要素传感器、遥感路面传感器、主动路面冰点传感器和控制箱四部分组成。六要素传感器和遥感路面传感器装在路边支架上，前者主要测量环境中温湿度、风速风向、大气压和降雨量，后者则主要测量路面状态、路面温度和覆盖物厚度安装角度可调整。主动路面冰点传感器通常埋设在路段中间，与路面齐平，传感器上平面暴露在空气中接触路表液体以检测积冰厚度、下雨、积水等多种状况；控制箱用于采集各传感器的数据，并对采集到的气象数据进行分析并对未来天气情况做出预测，同时将采集到的数据传回控制终端进行存储。主动式路面冰点传感器作为该系统中的核心装置，可通过珀耳帖效应捕捉到不受路面介质影响的真实冰点，解决了大多数传感器冰点预测不准问题。利用该智能传感器，再辅以遥感路面传感器、六要素传感器，利用结冰预警算法，可实现提前预测出路面结冰时间，提供准确预警信息。路面结冰受多种气象因素影响，在路面干燥和潮湿状态下结冰条件有所不同。笔者基于冬季气象条件，对路面结冰条件进行分析。路面干燥状态下，结冰条件分为两种：一是雪降落在干燥严寒的路面上，若地表温度集中在-3.3 0.9，且气温集中在-2.5 -1，当路面温度持续下降时，路面会出现结冰现象；二是冻雨天气条件时，若地表温度在 0以下，冻雨接触路面后会立即结冰。路面潮湿状态下，结冰条件同样分为两种：一是降雪后，平均气温在 3以下，且集中在-3 3之间时，风速低于 5m/s，路面温度持续降低，此时路面会结冰。二是降水后，其气温分布的跨度范围较大，一般要高于地表温度,在 0附近及以上，风速也低于 5m/s，路面有结冰风险。融冰化雪喷洒系统助力道路“靶向除雪”发现结冰的可能性后，及时完成融雪工作是高速公路管理者们的又一大挑战。可远程操控，结合道路防结冰外场自动喷洒装置实现自动化的道路防结冰控制系统就像一个个智能的守卫者，助力管理者们完成精准的“靶向除雪”。融冰化雪喷洒系统主要由泵站、室外阀箱和喷洒装置三部分组成。融雪剂蓄液罐和泵站放置在泵房内；阀箱和喷洒装置安装在公路沿线，阀箱用以控制喷头的喷洒工作，每个喷头间距 10米，安装简便，可完全适应各种环境。利用外场站实时监测路面冰雪状况、路面温度、融雪剂浓度、结冰温度点等数据实现自动诊断，道路防结冰控制系统可第一时间对危险的结冰路面进行维护，保障来往车辆在桥梁、隧道、坡路、急转弯路等结冰危险区域安全行驶，为道路维护管理降低人力和维护成本。同时，还能自动调节控制在路上喷洒的融雪剂量，使其始终保持不多不少，既能防止路面结冰，还减少了过量使用融雪剂的成本浪费和对环境的污染。高速公路管理者们还可通过 APP查看并及时了解传感器及系统工作状态。通过站点选择高速公路管理者可选择查看地图上标记的试验点，包括大气 融冰化雪喷洒系统喷洒组件布局原理图Observer行业观察影 响 有 影 响 的 人 58 温度、路面温度、冰点温度、天气现象、大气压强、风速风向、空气湿度等实时气象数据、路面状态，大气温度、露点温度、路面温度及相对湿度一天之内的变化趋势，天气现象、能见度、路面状态及报警信息的状态等，通过遥感路面传感器内红外相机观察现场情况，执行相应操作。实体示范应用科技助力冬季交通保障这种道路结冰状态自主识别与融冰雪系统的应用，已经在一些城市得到了验证。据报道，使用这种系统的地区，冬季交通事故的发生率明显下降，道路通行效率也有所提高。南部省份浙江 S218 省道东阳段2020 年 1 月 25 日受强冷空气影响，有降水、降温和大风天气，晚上 11 点，试验路段未出现降雪，其路表状态为干，手机安装的预警 app 提示危险等级为黄色；26 日凌晨 5 点半，试验路段开始降雪后，路面呈潮湿的状态，此时路面无积雪，护栏外开始出现少量积雪；app 提示危险等级为橙色；26 日上午10点，试验路段降雪量逐渐增大，导致护栏边缘积雪量增大，app 提示危险等级为红色；26 日上午 10 点 20 分，试验路段积雪开始消融，但仍有积雪，app 提示危险等级为橙色。同时养护班组借助道路结冰状态自主识别系统实时进行图片、视频反馈，为 S218 省道东阳段除雪作业人员、设备的选择及方案的优化提供信息保障，提高除雪效率，保障道路安全畅通。北部省份河北延崇高速杏林堡隧道2022 年 1 月 12 日张家口发布寒潮蓝色预警信号：受强冷空气影响，13 日 14 日气温普遍下降，崇礼地区小到中雪，请有关单位和人员做好防范准备。中午 11 点，试验路段未出现降雪，其路表状态为干，手机安装的预警 app 提示危险等级为黄色；13 日上午 8 点试验路段开始降雪后，路面呈潮湿的状态，此时路面无积雪，护栏外开始出现少量积雪；app 提示危险等级为橙色；上午 9 点，试验路段降雪量逐渐增大，导致护栏边缘积雪量增大，app 提示危险等级为红色；上午 9 点 24分，路面养护工作人员开始撒布融雪剂，试验路段积雪开始消融，但仍有积雪，app 提示危险等级为橙色。延崇高速密切关注天气变化，依托智慧高速系统，精准施策、精准调配、精准清雪，养护工区以雪为令，启动除雪应急预案，迅速集结应急队伍，第一时间开展除雪保畅工作。道路防结冰自动喷洒融雪剂系统通过道路气象站系统能实时监测区域气象条件和预报道路路面状况，利用结冰预警系统实时发布的预警信息，及时地反馈给道路相关部门，提醒来往车辆注意安全；同时控制融冰化雪喷洒系统，通过结冰预警策略自主识别降雪后结冰状态，喷洒融雪剂，通过实体示范应用试验点的测试，实现智能融冰化雪效果，不仅有助于改善冬季道路通行能力，而且降低车辆驾驶风险，减少安全隐患。S218 省道的东阳段降雪过程 延崇杏林堡隧道出口降雪过程