摘" 要：我国大量国土分布于北半球高纬度地区，易发冻雨、冰雪天气。加之高速路网中的桥梁、匝道、高海拔背阴路段偶发的凝冻、暗冰难以及时发现，使得高速公路运转长期遭受恶劣气象条件影响。文章提出一种主动式路面积雪凝冰监测预警及处置系统，包含：道路气象监测模块、融雪剂喷洒模块及控制管理模块。系统实时监测重点路段道路气象条件，并将相关参数传递至路段管理中心。利用算法分析判断路面凝冰风险，并控制终端喷洒机构喷洒融雪剂，及时消除路面积雪凝冰。该系统经实际道路安装测试具备较强的实用性，可有效减少高速公路重点路段冰雪天气下交通事故发生概率。
关键词：高速公路；凝冰监测；预警处置；道路除冰
中图分类号：TP23" " " 文献标识码：A" " " 文章编号：2096-4706（2024）21-0175-06
Research on Active Road Surface Accumulated Snow and Frozen Ice Monitoring， Warning and Disposal System
GUO Xiaopeng1，2
（1.Shanxi Intelligent Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Taiyuan" 030000， China;
2.Shanxi Intelligent Transportation Laboratory Co.， Ltd.， Taiyuan" 030000， China）
Abstract： A large amount of our countrys territory is distributed in high latitude areas of the northern hemisphere， which is prone to freezing rain， ice and snow weather. In addition， occasional freezing and dark ice in some bridges， ramps， and high-altitude shaded road sections of the highway network are difficult to detect in a timely manner， which makes the highway operation suffer from the influence of bad weather conditions for a long time. This paper proposes an active road surface accumulated snow and frozen ice monitoring， warning and disposal system， which includes road meteorological monitoring module， snow melting agent spraying module， and control management module. The system monitors the meteorological conditions of key road sections in real time and transmits relevant parameters to the section management center. It uses algorithms to analyze and determine the risk of icing on the road surface， and controls the terminal spraying mechanism to spray snow melting agents to timely eliminate accumulated snow and frozen ice on the road surface. The system has strong practicality after actual road installation testing， and can effectively reduce the probability of traffic accidents on key sections of highways in ice and snow weather.
Keywords： highway; frozen ice monitoring; warning and disposal; road deicing
0" 引" 言
随着国家交通强国战略的提出，构建综合交通立体网络已成为山西省服务国家战略及支撑山西转型发展的重要抓手。近些年来，山西省大力推进国省干线的建设工作，路网规模、路网通达、技术等级、智能化程度均取得大幅度提升。截至2023年山西省已建成高速公路6 010千米，现有桥梁11 329座，隧道759座，服务区135对，收费站361个[1-3]。
依据《山西省省道网规划（2021—2035年）》，未来10年山西省将构建国家高速公路和省级高速公路“4纵15横33联”高速公路网布局，规划总里程8 418千米。其中，国家高速公路4 522千米，省级高速公路3 896千米[4-8]。
高速公路里程长、分布范围广，正以其四通八达及快速通达的特点成为支撑经济发展的重要血管。然而我国幅员辽阔，大量国土分布于北半球高纬度地区，易发冻雨、冰雪天气，这使得这些年我国高速公路交通运行长期遭受恶劣气象条件影响。2024年2月，湖北省高速公路受冻雨灾害影响，出先大面积缓行、拥堵。部分车辆被滞留高速长达5天。现有高速公在线监测能力差、预警处置功能缺失及智慧化水平低下等缺点在这次灾害气象条件下显露无遗[9-10]。
据统计数据显示，我国大约60%的高速公路冬季会出现凝冰现象，路面积雪导致的交通事故，约占冬季交通事故的15%～30%。冻雨是一种冰水混合物，在零度左右，接触物体后会迅速结冰，再与冰雪混合后，迅速覆盖路面，当车辆驶过，轮胎花纹内会嵌入这些冰雪混合物，从而导致车辆摩擦力降低，轮胎失去抓地力，车辆打滑，造成车辆行驶安全隐患。北方地区冬季气温较低，高速路网中的部分桥梁、匝道、高海拔背阴路段偶发的凝冻、暗冰难以及时发现，加之出现的突然性，相较于区域性的降雪、冻雨天气，更具危险性。局部点段路面积雪、凝冰造成的重特大交通事故屡见不鲜。
山西省因其两山夹一川的地形地貌，导致高速公路桥梁多、坡道多，当路面出现积雪及凝冰时，极易发生重大安全事故。因此研究一套主动式路面积雪凝冰监测预警及处置系统就显得尤为必要。
1" 系统概况
当前我国普遍采用的检测道路积雪结冰情况的方法有两种：一是在公路沿线预设气象站来检测道路积雪结冰情况，但这些气象站只能对区域范围做大致气象评估，不能实时监测路面积雪凝冰情况；二是在道路路面上安装接触式传感器，这种方法传感器易损毁且不易更换。此外，目前的技术方案普遍偏向于监测，即便系统发现积雪凝冰风险，系统缺少配套的处置系统和处置措施，往往需要上报道路养护部门，由养护作业人员前往现场处置，这种模式造成险情处置相对滞后的现状。为解决此类问题，本文提出一种主动式路面积雪凝冰监测预警及处置系统，该系统是安装在高速公路重点气象条件复杂路段上的一种高效、节能、低成本、新一代全自动融冰除雪系统，该系统的布设地点选取基于高速公路历年养护数据和气象数据，选取背阴、多雨雪，日照时间短，急弯，大坡度等特征的重点路段。系统功能架构如图1所示。该系统由道路气象监测模块、融雪剂喷洒模块及控制管理模块三大模块组成，可实现道路交通气象环境监测、路面温湿度状态监测、路面结冰凝冰预测预警、融冰化学材料智能喷洒、系统状态在线远程监控、现场路况视频监控以及动态信息标志联动发布等功能，为管理者的决策提供可靠的信息来源并及时有效的解决道路结冰问题，提高道路行车安全。
该系统借助先进的道路、气象环境传感器技术及预测方法，实现对路面温度及路面结冰的精确检测预警，依据监测、研判、预警结果，系统远端控制，适时启动系统泵站和融雪剂溶液喷洒终端机构，精准撒布适量的融雪剂，及时高效清除道路冰雪，同事降低路面液体冰点，防止二次凝冻，维持路面摩擦力，预防路面出现影响行车安全的冰雪湿滑路面状况，降低相关交通事故的发生。
如图2所示，系统典型配置主要由道路交通气象监测预警设备、管线设施、一体化泵站设施、融雪剂存储设施、融雪剂溶液自动喷洒管道及喷嘴机构、情报板显示设备、广播扬声器设备、现场控制终端设备及远端控制与管理软件系统等组成。远端控制中心的软件平台通过4G网络实现对该系统的运行监控，并为用户提供方便、快捷、友好的访问入口、监控界面与决策依据，系统实现了监测、预警、处置的一体化，做到预防性养护处置，既提高了处置了及时性和有效性，也减少了融雪剂的总体用量，在确保行车安全避免道路阻断的同时，也降低了养护处置材料成本和环境污染负面影响。
1.1" 道路气象监测模块
道路气象监测模块包含两个子模块：道路路面状况监测及气象条件监测。其中气象监测模块主要是使用多要素气象传感器及能见度传感器检测空气温度、湿度、能见度、降雨量、风速、风向、大气压力等相关气象信息。道路路面状况监测主要是使用非接触式红外激光遥感监测仪，遥测式路面状态传感器通过对比水冰雪的红外光谱特性、干燥路面反射的光谱信息以及有覆盖物的情况下得到的光谱信息，实时判断路面干、潮、湿状态，测量水、冰、雪的覆盖类型和覆盖厚度，为道路气象信息系统提供道路湿滑告警信息，同时根据利用红外热成像原理，检测道路路面温度。全套检测装置采用金属防水外壳和太阳能+锂电池供电，防范应对多样环境状况，监测温度范围-40 ℃～+60 ℃，测量精度在±0.5 ℃以内，监测湿度范围0%RH～100%RH，精度在±3%RH以内，有效保障路面结冰信息和位置监测的精准度。
1.2" 融雪剂喷洒模块
融雪剂喷洒模块包含一体化泵站、融冰液储罐、终端控制器、喷嘴执行机构、输液管道、控制电缆、融雪剂储罐及融雪剂储罐液位检测。泵站内配置配电与电气控制模块，可以实现对离心泵、压力计、泵站管路及流量阀等操作控制。融雪剂储罐采用钢材质拼装，可根据地形、现场可利用空间等因素定制储罐大小。当现场终端控制器接收到控制管理模块下发的指令时，终端控制器控制喷嘴执行机构及电动阀门工作，利用步进电机精准控制融雪剂喷洒量，实现融雪剂均匀、适度喷洒，达到融雪效果，控制管理系统工作流程如图3所示。
1.3" 控制管理模块
道路气象监测模块部署在高速公路重点路段监测目标区域，采集温度、湿度等环境参数，将监测数据传输到后台，并统一接入控制管理模块。控制管理模块系统功能包含：设备运行状态监测、积雪凝冰监测预警、融雪剂喷洒控制以及情报板显示控制。
系统通过设备现场数据采集控制电路板，采集道路气象监测模块、融雪剂喷洒模块以及其他系统内传感器动态运行与监测数据，利用集成的4G通信模块，将气象信息、路面状况信息、传感器信息、设备运行信息、除冰液容量信息等上传远端控制中心的控制系统，用户通过Web方式访问控制管理系统，实现全方位的设备操作、运行监测、系统维护管理。
道路气象监测模块除了将各类气象参数传递至路段管理中心的控制管理模块上，还同时上报具体的监测点位置，控制管理模块通过内置算法对气象参数和路面参数进行分析，得出路面积雪凝冰状况预判，发出道路积雪凝冰预警，随即控制模块下发指令控制监测路段电子显示屏、限速情报板、声光警示系统等方式发布预警信息，可以精准提示司乘人员采取降速控距等措施，同时，系统融雪剂喷洒模块可以下发指令对监测点融雪剂喷洒机构进行控制，对路面喷洒融雪剂，缓解凝冰积雪状况，为大家出行提供安全保障。
1.4" 系统布设
通过沿线气象数据收集及历年易凝冰路段调查，结合道路光照时长、坡度等信息选取重点积雪凝冰易发路段，部署安装主动式凝冰监测预警系统，如图4所示。实现易凝冰重点区域检测感知设备全覆盖，极大提高了路网积雪凝冰监测监控能力，减少路面积雪、覆冰对高速公路通行能力和交通安全的影响，保障公众出行安全
1.5" 软件功能
上位机软件采用Java语言开发，改变传统的客户端访问模式，采用基于Web端访问模式，这种方式的好处是无须安装软件终端，避免了软件与电脑设备不兼容带来的适配问题，只要接入网络，即可通过电脑端浏览器登录系统，并管理系统的运行。
系统主界面如图5所示。页面左侧为系统布设路段，点击相应路段，会显示该路段的路面气象监控参数，中下侧有喷淋设备控制界面，打开自动模式，系统可以根据程序算法自动判断是否喷洒融雪剂，如打开手动模式，需自行填写喷洒时长及喷洒量，点击喷洒系统开关即可启动系统。页面右上侧是历史喷洒数据，显示最近三次喷洒量、喷洒时间以及剩余液位。页面右下侧则显示最近一次凝冰预警信息处置情况。此外系统还具备监控视频、情报板控制及后台管理三个页签。
点击监控视频页签，进入相应页面，如图6所示。左侧为融雪除冰装置布设路段，点击相应路段会在页面中间地图上显示相应监控点位，点位的颜色代表布设地点融冰液液位告警情况，提示维护人员相应地点需要增加融冰液。页面右上侧为视频监控调用窗口，点击选择设备，可以在弹出列表中选择相应摄像头播放观测点实时视频数据，观察融雪剂喷洒点附近凝冰与喷洒情况，右下侧为设备状态显示栏，通过信号反馈，实时判断摄像头工作情况，通过设备状态栏显示摄像头在线、离线情况，从而提醒系统维护人员对离线设备尽快维修派单。
点击情报板控制页签，进入相应界面，该操作页面主要用于设置易结冰路段情报板显示文字，及时提醒过往车辆减速慢行；点击后台管理页签，系统跳转后台管理页面：功能包含路段桩号管理、摄像头位置参数管理以及组织架构管理、用户管理、权限管理、角色管理、系统日志等内容，如图7所示。
其中组织架构管理主要用于系统内创建使用单位组织架构；人员管理用于创建系统使用人员账号密码，并可给相应账号分配运维人员、管理员、使用人员等角色，赋予账号不同的操作权限；摄像头管理主要用于所有融冰喷洒监测点摄像头所属单位信息及经纬度点位信息管理。路段桩号管理主要用于对所有系统布设路段的路段信息、养护单位信息、路段起止点位信息等做管理。
整套系统采用SpringBoot开源框架搭建，使系统具备快速开发、易于集成的特点，系统软件界面简洁直观，可用性高。
2" 试验数据和测试结果
本文研究的主动式路面积雪凝冰监测预警及处置系统，可以实时监测高速公路重点路段积雪凝冰情况，通过分析研判各类采集到的气象数据，系统主控芯片通过算法自动分析凝冰风险，并下发指令，对积雪凝冰做到预警监测。至2024年，该系统已在山西省内多条高速重点路段安装使用，效果良好。
3" 结" 论
本项目研究的主动式路面积雪凝冰监测预警及处置系统，主要针对高速公路易发积雪凝冰重点路段而设计，实际使用具备良好的经济和社会效益：
1）经济效益。可最大限度地降低冰雪灾害对道路交通安全的影响，避免重大交通事故发生、有效减少因恶性交通事故造成的人民生命财产损失。
可提高道路通行率，减少因凝冰灾害引起的高速公路、桥梁封闭而造成的经济损失。同时，凝冰期间保障高速公路、桥梁不需封闭，保障了人民生活所需物资运输通道的畅通性，防止因供应不及而导致的物价上涨现象。
采用预警系统，在凝冰到来之前可提示道路管理部门，及时作出有效应急措施，避免了应急部门传统的多次往来巡查模式所带来的汽车燃油、人工成本消耗，节省人力、物力成本，节省养护工作量。
采用自动喷洒系统，与人工喷洒相比，可对喷洒量及喷洒时间进行精确控制，避免了抗凝冰改性剂的浪费，节约养护资金。
2）社会效益。在平安出行方面，系统可在凝冰形成的初期有效抑制其规模发展，最大限度减少由路面凝冰给道路交通带来的不利影响，对降低我国冬季的道路交通事故率和保障人民群众安全及正常出行具有重大的社会意义。
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作者简介：郭晓澎（1988—），男，汉族，高级工程师，硕士研究生，研究方向：智慧高速及智能装备。
