路面冰雪狀況監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)研究

盧毅 金光來

摘 要：為了提升冰雪天氣下瀝青路面的行車安全，本文總結(jié)了瀝青路面的結(jié)冰監(jiān)測技術(shù)和預(yù)警技術(shù)在國內(nèi)外研究的進(jìn)展，并對不同技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;結(jié)冰監(jiān)測;結(jié)冰預(yù)警

0 引言

我國四分之三的國土屬于冬季積雪地區(qū)，有些地區(qū)積雪期長達(dá)3～4個月。降雪、結(jié)冰將直接導(dǎo)致路面防滑性能的下降，導(dǎo)致汽車剎車失靈、方向失控，從而易引發(fā)交通事故。相關(guān)資料表明，干燥瀝青路面的附著系數(shù)約為0.6，而積雪路面的附著系數(shù)為0.2，結(jié)冰道路的附著系數(shù)為0.15，降低為干燥瀝青路面的1/3和1/4。因此，在冰雪路面上汽車容易打滑、跑偏，制動距離顯著延長，嚴(yán)重影響了車輛的操作穩(wěn)定性和安全性，交通事故發(fā)生率較高。

綜上，為了提升低溫雨雪天下瀝青路面行車安全性，本項(xiàng)目結(jié)合公路瀝青路面結(jié)冰防治現(xiàn)狀，對路面冰雪狀況監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)展開研究。路面監(jiān)測主要包括路面結(jié)冰天氣的預(yù)報(bào)，路面結(jié)冰檢測設(shè)備、路面結(jié)冰時間預(yù)測模型，路面除冰方法的研究等。路面結(jié)冰預(yù)警方面主要為路面結(jié)冰對交通安全影響及路面結(jié)冰對交通安全保障技術(shù)等方面進(jìn)行研究。

1 瀝青路面結(jié)冰監(jiān)測技術(shù)研究

道路結(jié)冰這個概念早已提及，只是缺乏道路結(jié)冰檢測的設(shè)備而導(dǎo)致路面結(jié)冰的問題一直處于未曾突破的狀態(tài)。路面監(jiān)測技術(shù)能準(zhǔn)備的掌握真實(shí)的數(shù)據(jù)資料，是路面結(jié)冰研究的基礎(chǔ)資料。針對路面檢測技術(shù)，國內(nèi)外研發(fā)出了多種檢測設(shè)備。經(jīng)過歐美國家不懈的努力，目前，路面結(jié)冰檢測技術(shù)及相應(yīng)的傳感器已經(jīng)多達(dá)十幾種，主要有壓差式結(jié)冰傳感器、障礙式結(jié)冰傳感器、振動式結(jié)冰傳感器、潛熱式結(jié)冰傳感器、熱流式結(jié)冰傳感器、電容式結(jié)冰傳感器、回波式結(jié)冰傳感器、微波式結(jié)冰傳感器、超聲式結(jié)冰傳感器、電磁束阻斷式結(jié)冰傳感器、紅外線結(jié)冰傳感器、光纖式結(jié)冰傳感器。上述傳感器由于某些技術(shù)的不成熟，應(yīng)用到實(shí)際的較少，大部分還需繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，特別是針對路面的，由于埋在路面下，還需要考慮汽車壓力和對路基造成污染等問題。目前，我國的大學(xué)及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)中對了結(jié)冰監(jiān)測的研究也較少，其中華中科技大學(xué)對研究出光纖式結(jié)冰傳感器并申請了專利。結(jié)冰監(jiān)測技術(shù)主要是通過應(yīng)用于傳感器來達(dá)到監(jiān)測效果，應(yīng)用于監(jiān)測結(jié)冰的原理是通過傳感器來檢測到路面表面結(jié)冰后所發(fā)生物理、力學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)測定結(jié)冰。目前結(jié)冰監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、電力、道路等領(lǐng)域，如瑞典sensice公司通過研發(fā)得到了一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離探測得到路面結(jié)冰的檢測產(chǎn)品。為適應(yīng)高速公路氣象觀測系統(tǒng)自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，國內(nèi)學(xué)者陳俊良等專門針對高速公路路面結(jié)冰檢測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的上位機(jī)軟件，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該上位機(jī)軟件具有操作簡單、功能完善、穩(wěn)定性高和實(shí)時性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對高速公路路面結(jié)冰狀態(tài)的實(shí)時檢測和預(yù)警。

2 瀝青路面結(jié)冰預(yù)警研究

國外在道路研究方面已經(jīng)有較長的歷史，Norrrnan通過不斷研究，針對路面打滑建立了道路路面打滑專家分類系統(tǒng)，將直接收集到的數(shù)據(jù)作為直接觀測因子（主要有溫度、氣溫、露點(diǎn)、相對濕度、風(fēng)速、降水信息），之后結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)公式而確定打滑類型。Crevier等建立環(huán)境和路面溫度數(shù)值模型METRO，并結(jié)合降雨、降雪、冰點(diǎn)、路面融水、蒸發(fā)、露水和霜的位置等信息以ESCSR為依據(jù)實(shí)現(xiàn)路面打滑判斷。

針對路面結(jié)冰預(yù)測研究，國內(nèi)關(guān)于路面結(jié)冰時間預(yù)測方面的研究相對較少，國外相對較多。由于路面結(jié)冰凍融對路面造成影響，HJ Liu，W Shan等對凍融對路基路面影響進(jìn)行了研究，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，分析總結(jié)了土壤抗剪強(qiáng)度變異與含水量、土壤密度和凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：土壤水分含量和土壤壓實(shí)度均隨時間的增加而降低。高速公路路面結(jié)冰也嚴(yán)重影響到交通安全及城市效益，熊竹等介于此現(xiàn)象，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置幾組常見的溫度及降雨量進(jìn)行單一控制，以便于觀察冰的形成及消融的規(guī)律，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)冰預(yù)測模型。與此同時，針對行車安全提出了相應(yīng)的預(yù)警。周士棟等為了提高車輛行駛在高速公路冰雪路面上的安全性，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，設(shè)置溫度、降雨量等影響因素，并觀察路面結(jié)冰的過程所變化的規(guī)律，最后利用多元線性回歸分析，最終建立了路面結(jié)冰預(yù)測模型。Jian L I、Lei J等同樣基于支持向量機(jī)（支持向量機(jī)）的方法，為了提高道路結(jié)冰預(yù)測分類的精度，提出了一種改進(jìn)的遺傳粒子群優(yōu)化算法（GPSO）來同時選擇功能和優(yōu)化支持向量機(jī)參數(shù)，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)Shin和Bond兩位學(xué)者在改變條件的情況下對NACA0012翼的結(jié)冰過程進(jìn)行了探究。國外的國家尤其是美歐等國非常重視道路結(jié)冰的監(jiān)測和預(yù)報(bào)，因此，很早之前國外就已經(jīng)在交通氣象學(xué)領(lǐng)域開始著手了較多的研究，目前已形成了關(guān)于路面溫度、結(jié)冰等方面的預(yù)報(bào)方法和技術(shù)。如美國等國家早已建成的道路氣象信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性，該系統(tǒng)可以根據(jù)天氣數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)路面的天氣狀況，由于結(jié)冰的復(fù)雜，這些技術(shù)方法等都是依據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)學(xué)模型，在預(yù)測結(jié)冰方面具有較大的間接性，并不能實(shí)時的、真實(shí)的監(jiān)測得到路面結(jié)冰的狀態(tài)。

3 結(jié)論

對于瀝青路面結(jié)冰監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)研究已經(jīng)取得了一定成果，但目前仍然存在一定的局限性，如在預(yù)測結(jié)冰方面具有較大的間接性，并不能實(shí)時的、真實(shí)的監(jiān)測得到量化的路面結(jié)冰狀態(tài)，應(yīng)用效果不佳，因此需對其進(jìn)行更深入的研究。

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