道路積水結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)的概述及展望★

張子恒 姜予涵 彭暢暄

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.長(zhǎng)安大學(xué)長(zhǎng)安都柏林國(guó)際交通學(xué)院，陜西 西安 710018)

1 概述

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，道路上的機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量每年都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，中國(guó)公路在貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量等方面均遙遙領(lǐng)先于其他運(yùn)輸方式的綜合。然而，在我國(guó)公路運(yùn)輸領(lǐng)域不斷蓬勃發(fā)展的同時(shí)，道路交通安全事故卻接踵而至。尤其在我國(guó)北方地區(qū)，每年的11月份至次年4月份冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，期間由于雨雪、道路結(jié)冰等極端天氣導(dǎo)致的交通事故屢見(jiàn)報(bào)端。車(chē)輪在接觸到被冰雪覆蓋的道路后，失去了原有路表紋理與輪胎紋理間的相互摩擦作用，輪胎抓地力急速下降，車(chē)輛在行駛過(guò)程中極易發(fā)生失控、打滑、側(cè)翻等現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)交通事故。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，雨雪天氣引起道路結(jié)冰后的交通事故率是干燥路面的10倍左右[1，2]。由此可見(jiàn)，冰雪天氣已經(jīng)成為公路交通運(yùn)輸(尤其是我國(guó)東北部和西部地區(qū))面臨的一大難題，成為冬季道路交通事故的主要誘因之一。與此同時(shí)，道路積水問(wèn)題也是道路交通事故的始作俑者之一。當(dāng)汽車(chē)行駛在不均勻的積水路面上時(shí)，輪胎與路表紋理間會(huì)形成一層水膜，進(jìn)而降低輪胎與路表紋理間的摩阻力，汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和剎車(chē)性能急劇下降，嚴(yán)重影響交通安全，由水漂引起的側(cè)滑等行車(chē)安全問(wèn)題是目前雨天交通事故發(fā)生的最主要原因[3]。當(dāng)前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到很多因素的影響，實(shí)用性不強(qiáng)，測(cè)量的準(zhǔn)確性不強(qiáng)，因此限制了現(xiàn)有檢測(cè)裝置的應(yīng)用性[4]。

綜上所述，道路結(jié)冰與積水問(wèn)題不僅破壞道路結(jié)構(gòu)與交通便捷，更會(huì)嚴(yán)重威脅司乘人員的生命與財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)帶來(lái)不利影響。因此，通過(guò)道路安全狀況檢測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)布相關(guān)信息顯得尤為重要，不僅可為出行者提供實(shí)時(shí)特殊天氣下的交通安全信息，也可為道路管理和養(yǎng)護(hù)部門(mén)提供道路投用狀況以加強(qiáng)交通管制與進(jìn)行針對(duì)性養(yǎng)護(hù)，對(duì)降低交通事故發(fā)生率、促進(jìn)交通運(yùn)輸業(yè)向好發(fā)展以及保障人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

2 道路積水檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

目前我國(guó)大部分地區(qū)與城市的道路路面均采用瀝青混凝土材料，因此本文主要討論在瀝青混凝土路面下的路面安全狀況。路面狀況主要由其表面的清潔狀況與潮濕狀況來(lái)評(píng)定。暴露在外界環(huán)境中的一般道路上常常會(huì)存在一些人造垃圾、天然砂石等影響路況的因素，同時(shí)在雨雪天氣路面則易形成水膜與結(jié)冰，降低車(chē)輛與道路間的附著能力。路面的附著性能是指路面給車(chē)輛提供附著力，即輪胎紋理與路面構(gòu)造間能夠產(chǎn)生足夠的摩阻力以供汽車(chē)行駛。該能力由路面的附著系數(shù)決定，附著系數(shù)越大，路面的附著性能越好，反之則越差[5]。道路表面的清潔與潮濕狀況直接影響著路面的附著系數(shù)，即直接影響路面行車(chē)附著性能。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的需求與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今的道路排水構(gòu)造與技術(shù)逐漸趨于完備與成熟。國(guó)內(nèi)相關(guān)人士自20世紀(jì)80年代起便開(kāi)始著手探索新的技術(shù)手段來(lái)建立道路積水監(jiān)控系統(tǒng)，但受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件與社會(huì)科學(xué)發(fā)展程度，該系統(tǒng)直到近年來(lái)才被各科研工作者完善并投入使用。道路積水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制模塊和用戶(hù)中心四部分，根據(jù)不同的檢測(cè)原理可分為圖像式、接觸式、非接觸式三種[6]。圖像式即利用圖像識(shí)別技術(shù)與數(shù)據(jù)處理對(duì)積水路面水深進(jìn)行識(shí)別并提高檢測(cè)精度。如石玉立等基于視頻圖像識(shí)別的IDL水位檢測(cè)模型，在ENVI軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和重采樣，利用能量函數(shù)建立水位提取模型并估算水位高度[7]；接觸式檢測(cè)方法主要有接觸式水尺測(cè)量和接觸式傳感器測(cè)量等常用方法[6]；非接觸式檢測(cè)方法主要有基于無(wú)線(xiàn)傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)[4]與基于紅外檢測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)。

2.1 接觸式水尺

水尺測(cè)量是傳統(tǒng)的路面積水厚度測(cè)量方法。具體方式是將檢測(cè)水尺放置在待檢測(cè)位置，利用水尺本身的刻度進(jìn)行液面讀數(shù)進(jìn)而獲取積水深度[8]。水尺測(cè)量具有操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)便捷的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，使用門(mén)檻較低，常常應(yīng)用在地勢(shì)較低、內(nèi)澇高發(fā)、下穿式立交和隧道等易產(chǎn)生較深積水厚度的路段。一般情況下，相關(guān)部門(mén)亦會(huì)在常發(fā)生積水的區(qū)域放置水尺或在墻體、橋墩上繪制水尺刻度進(jìn)行水位測(cè)量。水尺可以直接顯示待檢路段積水深度，但同時(shí)需要人工讀數(shù)與記錄，因此容易產(chǎn)生偶然誤差。同時(shí)水尺測(cè)量在一些特殊路段檢測(cè)難度較大，也給道路交通的正常運(yùn)行帶來(lái)諸多不便。

2.2 浮子式水位計(jì)

浮子式水位計(jì)分為機(jī)械浮子式和光電浮子式。二者均利用機(jī)械齒輪減速產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法形成格雷編碼[9]。浮子式水位計(jì)的原理是水位的高低變化帶動(dòng)浮子上下運(yùn)動(dòng)，浮子帶動(dòng)水位輪旋轉(zhuǎn)，測(cè)量裝置進(jìn)而通過(guò)水位輪的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)推算水位的變化量。浮子式水位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是相比于水尺法精度較高，且價(jià)格相對(duì)較低。但使用壽命較短，土建成本高，不適用于城市道路積水檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中[9]。

2.3 紅外檢測(cè)技術(shù)

紅外檢測(cè)技術(shù)即利用紅外光照照射在水面上能夠發(fā)生一系列如散射、反射、折射等光學(xué)變化，如圖1所示。光電探測(cè)器通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的大小并分析折射光強(qiáng)折損量即可實(shí)現(xiàn)水深的測(cè)量，如張久鵬等利用紅外發(fā)光二極管和三極管制作了收發(fā)一體的光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面干燥與潮濕狀態(tài)的判斷與量化[1]。

2.4 圖像式檢測(cè)技術(shù)

圖像式檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展所衍生出的一種通過(guò)自動(dòng)識(shí)別、算法分析進(jìn)而獲得精確測(cè)數(shù)的檢測(cè)方式。該種方法在應(yīng)用到道路積水厚度檢測(cè)時(shí)，往往需要對(duì)水位線(xiàn)圖像進(jìn)行分析，自動(dòng)化程度高。但該方法需要在待檢路段設(shè)置水尺與圖像采集工具，投入成本較大。

3 道路結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)道路結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)的研究起步晚，相關(guān)科研工作發(fā)展的尚不成熟。自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，發(fā)達(dá)國(guó)家便開(kāi)始了關(guān)于結(jié)冰傳感器的研究，并在理論方面取得了一定的成果?，F(xiàn)有的道路結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)多是利用傳感器探測(cè)路面結(jié)冰后的力學(xué)、聲波、紅外光強(qiáng)等參數(shù)的變化情況，進(jìn)而判斷路面結(jié)冰狀況并推算出結(jié)冰厚度。根據(jù)檢測(cè)方式不同，道路檢測(cè)技術(shù)可分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)兩大類(lèi)。

3.1 接觸式道路結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)

3.1.1壓電平膜結(jié)冰傳感器

壓電平膜傳感器是基于壓電陶瓷的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的傳感器，同時(shí)利用平膜諧振頻率與剛度、質(zhì)量的關(guān)系來(lái)檢測(cè)結(jié)冰狀況。當(dāng)水附著于平膜表面時(shí)，平膜的質(zhì)量增加，剛度不變。當(dāng)冰附著于平膜表面時(shí)，平膜的質(zhì)量和剛度均增大。質(zhì)量或剛度的變化會(huì)對(duì)平膜自身的諧振頻率產(chǎn)生影響，進(jìn)而通過(guò)諧振頻率的變化判斷路面狀態(tài)[10]。平膜結(jié)冰傳感器具有反應(yīng)迅速、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。

3.1.2電容式結(jié)冰傳感器

電容式結(jié)冰傳感器是根據(jù)不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同來(lái)判斷不同的路面狀態(tài)，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而得到路面結(jié)冰厚度。電容式傳感器經(jīng)濟(jì)性好，原理簡(jiǎn)單，適用較為普遍。

3.1.3光纖陣列式結(jié)冰傳感器

和單點(diǎn)的光纖結(jié)冰探測(cè)傳感器類(lèi)似，光纖陣列式結(jié)冰傳感器是一種基于一發(fā)兩收的差分檢測(cè)原理的反射散射式光強(qiáng)調(diào)制型傳感器[11]。

華中科技大學(xué)的張龍浩[11]設(shè)計(jì)的光纖陣列式結(jié)冰傳感器如圖2所示。接收光纖A和B接收到的光信號(hào)之差和光纖探頭表面的冰厚有一定相關(guān)性，對(duì)接收的光信號(hào)強(qiáng)度和光信號(hào)變化趨勢(shì)進(jìn)行探測(cè)和信號(hào)處理便可計(jì)算出結(jié)冰厚度信息。

3.1.4振動(dòng)式結(jié)冰傳感器

振動(dòng)式結(jié)冰傳感器主要由檢測(cè)探頭與內(nèi)部電路構(gòu)成。該種傳感器內(nèi)部設(shè)置金屬振管，鐵磁性振管在諧振電路產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)下，其長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，即發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)。在磁致伸縮效應(yīng)的影響下，振管發(fā)生振動(dòng)并通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)將振動(dòng)頻率輸入到電路當(dāng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的轉(zhuǎn)化與檢測(cè)。當(dāng)傳感器探頭上產(chǎn)生結(jié)冰后，探頭的固有頻率會(huì)隨冰厚而變化，因此諧振頻率的變化量即為結(jié)冰厚度的影響量，從而獲得冰層的厚度[12]。由王華等提出的振動(dòng)式結(jié)冰傳感器諧振電路原理圖與探頭模型如圖3，圖4所示[12]。

3.2 非接觸式道路結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)

國(guó)內(nèi)在非接觸式傳感器的研究方面起步較晚，積累經(jīng)驗(yàn)不足。國(guó)外著手研究非接觸式傳感器較早，提出了一些可行的理論方案。目前非接觸式傳感器主要依賴(lài)電磁波介質(zhì)作為載體，如光波、超聲波等不需要固體傳播媒介的波。非接觸式道路結(jié)冰傳感器按照原理可分為以下幾類(lèi)。

3.2.1幾何光學(xué)法

來(lái)自加拿大海洋科技研究所的兩位學(xué)者R.E Gagnon和J.Groves提出了如圖5所示的測(cè)量原理[13]。當(dāng)公路表面覆有結(jié)冰時(shí)，傳感器發(fā)射端光源以一定角度斜射入冰面，當(dāng)光傳播至冰層和路面的交接面時(shí)會(huì)在紋理粗糙的路面表面發(fā)生漫反射，反射回冰內(nèi)的光束再?gòu)谋嬲凵涑鰜?lái)。因?yàn)槿肷涔獍l(fā)生的是漫反射，反射回冰層的光入射光各角度不同，當(dāng)反射光角度大于最大入射角時(shí)將發(fā)生全反射，從而將沒(méi)有光從冰層射出。這時(shí)，在冰層上方就會(huì)出現(xiàn)如圖5所示的光斑。當(dāng)公路表面無(wú)冰時(shí)，不會(huì)觀測(cè)到光斑。

3.2.2光強(qiáng)法

光強(qiáng)法類(lèi)似于幾何光學(xué)法，主要根據(jù)路面積水、結(jié)冰(表面附著物)的光學(xué)特性來(lái)判斷厚度。當(dāng)使用不同波長(zhǎng)、頻率的光源射入路面，可通過(guò)測(cè)量反射光、散射光的光強(qiáng)來(lái)判斷路面狀況。光強(qiáng)法原理較幾何光學(xué)法較為簡(jiǎn)單，理論基礎(chǔ)成熟，已投入實(shí)際應(yīng)用很長(zhǎng)時(shí)間。

3.2.3噪聲法

噪聲法的基本原理是通過(guò)汽車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)胎與道路表面覆蓋物之間發(fā)生摩擦之后產(chǎn)生的噪聲來(lái)判斷路面狀態(tài)。該方法是在汽車(chē)輪胎附近安裝傳感器以便實(shí)時(shí)獲取噪聲產(chǎn)生的超聲波并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)分析各個(gè)路面安全狀況下的特定頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路面安全信息的獲取。但該種方法受到的干擾因素較多，例如車(chē)胎的紋理及大小均會(huì)對(duì)摩擦噪聲產(chǎn)生影響。因此該種方法普適性不高，只能作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工具，無(wú)法為司乘人員及相關(guān)監(jiān)管部門(mén)提供很好的預(yù)警作用。

4 結(jié)語(yǔ)

接觸式傳感器相比于非接觸式傳感器而言，受到的干擾因素及不可控因素較多，精度較差，如一般情況下路面積水結(jié)冰的厚度在同一段道路的不同區(qū)域分布往往是不均勻的，不同地點(diǎn)差異性較大，無(wú)法提供較為可靠的真實(shí)數(shù)據(jù)。且多數(shù)接觸式傳感器需埋設(shè)于路面以下，不僅破壞了原有的路面結(jié)構(gòu)，而且靈活性亦大大降低。因此非接觸式傳感器勢(shì)必成為未來(lái)道路積水、結(jié)冰傳感器發(fā)展的主要方向，其靈活性與精確度將被人們所青睞?，F(xiàn)階段而言，已有的非接觸式路面積水結(jié)冰傳感器多基于光學(xué)理論進(jìn)行建模，難以考慮冰型，路表紋理構(gòu)造，路表水中雜質(zhì)等其他因素。另一方面，現(xiàn)有的路面檢測(cè)裝置多為交管部門(mén)服務(wù)，緊急信息傳播滯后，無(wú)法將實(shí)時(shí)的路面狀況及時(shí)反饋給廣大司乘人員。綜上所述，相關(guān)科研工作者未來(lái)應(yīng)充分考慮各種可能出現(xiàn)的路面覆蓋物狀況以及與相關(guān)第三方企業(yè)如導(dǎo)航公司充分合作，以期能夠提出更精確、更智能的路面安全檢測(cè)裝置。