朱連照，朱強

（1.江蘇寧靖鹽高速公路有限公司，江蘇 泰州 225529；2.交科院公路工程科技（北京）有限公司，北京 100029）

1 冬季除冰雪面臨的問題

隨著現代公路運輸體系所追求的快速、高效、安全理念的提出，在極端氣候條件下道路行車安全越來越受到關注。冬季冰雪不僅會導致路面病害高發(fā)，同時也給行車安全帶來了隱患。路面冰雪會導致路面抗滑能力大幅度降低，削弱道路的通行能力，容易產生惡性交通事故，使人們的生活和生產無法正常進行。特別是高橋、長下坡、陡急坡、涵洞及隧道等處，一旦與路面冰雪相結合，就會對行車安全產生較大危害。江蘇省鹽靖高速與啟揚高速交匯處的橋頭樞紐是泰州市重要的交通樞紐，立交橋橋底懸空，橋面氣溫偏低，在冬季路面比一般路基段路面更易發(fā)生冰雪災害。因該地距養(yǎng)護所距離較遠且樞紐匝道多，需反復繞行才能完成除雪防滑。發(fā)生冰雪災害時，更容易因為事故發(fā)生擁堵，除雪防滑等救援力量難以及時到達，處置效率較低。為提高橋頭樞紐抵御冰雪災害的能力，提升處置及時性，最大程度確保冰雪災害期公路交通的安全、暢通，降低交通事故率與交通事故損失，在該處設計、安裝了凝冰預警與自動處置系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)目標及路徑

（1）主動防冰

系統(tǒng)能主動防冰，通過實時感知路面、氣象狀態(tài)，經后臺凝冰預警模型計算結冰時間，在結冰前發(fā)送指令主動噴灑融雪劑降低路面冰點，避免道路結冰。

（2）自動處置

整個處置過程全自動，無需人工干預、操作。系統(tǒng)能預警自動噴灑融雪劑，并根據冰雪情況和路表融雪劑濃度等指標水平，中間再次啟動或停止噴灑。

（3）雪停路凈

通過感知、判斷路面有積雪或將結冰，就噴灑融雪劑，確保路面干凈，始終無積雪。

（4）冬天不冰

根據泰州地區(qū)歷史降雪量和持續(xù)降雪次數的統(tǒng)計分析，選擇容積合適的融雪劑儲液罐并設置液位預警，確保有融雪劑可以持續(xù)噴出，確保整個冬季路面始終不會結冰。

3 系統(tǒng)主要原理

（1）感知氣象。通過在路側安裝路面?zhèn)鞲衅鞑杉访娑喾N數據，包括：冰點溫度、滑濕系數、含冰比例、路面狀態(tài)、路面溫度、含鹽量、水膜厚度、采集時間、設備ID等。數據類型及字段說明詳見表1，其中的“路面狀態(tài)”包含結冰、積雪、干燥、潮濕等多種情況，可根據其值判斷當前道路為哪一種狀態(tài)、是否結冰，路面有積雪產生立即報警通知相關管理人員。

表1 路面、氣象數據表

（2）預測結冰。通過對采集的氣象信息進行計算，將實時的氣象信息輸入凝冰預警模型中，經過模型計算判斷該路段是否將要結冰，如果要結冰，預測結冰時間，提前噴灑融雪劑。

（3）監(jiān)測降雪。通過路面?zhèn)鞲衅鳌z像頭等設備實時監(jiān)測是否有降雪，路面是否有積雪。如果有積雪及時啟動噴灑系統(tǒng)噴灑融雪劑。

（4）液噴除雪。在道路一側的護欄上安裝輸液管道傳輸融雪劑給各噴灑終端，安裝防護橋架布設信號線和電源線給噴灑終端傳輸電和控制信號，通過安裝在路側護欄處的噴灑終端噴灑融雪劑消除積雪，噴灑終端間隔20m左右安裝1個，噴灑范圍覆蓋所有車行道。

（5）醇劑融雪。道路附近農田較多，橋面多使用鋼材，因此不能使用氯鹽類融雪劑，避免腐蝕農田、橋面；應使用環(huán)保有機融雪劑，融雪速度快，并且不會污染農田、腐蝕鋼材。

（6）見雪就噴。當感知設備監(jiān)測到路面有積雪即噴灑融雪劑，融雪劑會將路面積雪融化。

（7）邊下邊除。雪持續(xù)下超過融雪劑的溶解量，系統(tǒng)經過計算發(fā)現路面再次有積雪產生或再次有凝冰的風險，會再次噴灑溶劑。

（8）劑降冰點。融雪劑冰點能達到-50℃，可有效防止結冰，保證輸液管道、噴頭不會被凍住。融雪劑即使被降雪稀釋，也可在路面形成一層保護，不會產生打滑[1]。

（9）劑量感知。通過液位感知器，系統(tǒng)自動感知儲液罐剩余融雪劑量，融雪劑不足時發(fā)出提示，并自動關閉系統(tǒng)使壓力泵不會空轉，保護系統(tǒng)。

（10）抵限再噴。系統(tǒng)自動計算路面當前的溫度、濕度、積水情況，到達凝冰閾值再次啟動噴灑除冰。當有雪落到路面上經行車壓實后形成積雪，傳感器會再次感知到路面有積雪產生，系統(tǒng)啟動噴灑融雪劑消融壓實的積雪，直至積雪融化成水為止。

4 系統(tǒng)總體設計

4.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)分為3部分：預警子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和噴灑終端（見圖1）。預警子系統(tǒng)硬件設備包括氣象站、路面?zhèn)鞲衅?、攝像頭、數據采集箱等[2]；軟件部分主要是凝冰預警算法，其以氣象數據為輸入進行計算，當預警指標超過閾值時報警，并將報警信息發(fā)送至控制子系統(tǒng)和其他數據共享接口?？刂谱酉到y(tǒng)包含電路安全保護設備、基于嵌入式的核心控制部件、增壓水泵、路由器、壓力計等；軟件包含噴灑控制程序、安全運維程序。噴灑終端硬件主要包含噴頭、球閥、殼體等；軟件主要包含噴頭控制程序。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

噴灑控制子系統(tǒng)的主要業(yè)務功能包括：指令處理、噴灑啟停、液位檢查、協議轉換、安全運維；數據處理功能主要包含數據轉換、數據存儲、噴灑記錄、使用日志、圖像存儲。同時系統(tǒng)使用了機器學習、視頻分析、電流保護、配置中心、數據倉庫等技術來支撐系統(tǒng)的功能。預警系統(tǒng)、噴灑控制系統(tǒng)和噴灑終端互相獨立，當某一系統(tǒng)出現問題時不會影響其他系統(tǒng)功能。控制系統(tǒng)使用心跳報文，每10min向各模塊發(fā)出檢測指令，檢測各設備、噴灑終端是否正常工作，如有異常及時向管理人員發(fā)出通知。

數據存儲和計算部分保存在云端，可保障24h不宕機，當系統(tǒng)訪問量大時可隨時擴展數據存儲容量，調整網絡連接增加用戶并發(fā)量。系統(tǒng)提供PC端和手機端兩種操作方式，可通過手機隨時隨地遠程控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)設備安裝分為路側部分和路上部分，路側部分安裝儲液罐、機房、增壓泵等，路上部分安裝輸液管道、防護橋架、噴灑終端等。

4.2 業(yè)務流程

系統(tǒng)由預警子系統(tǒng)氣象采集模塊采集氣象數據，經預警模塊計算后傳輸至控制系統(tǒng)，數據分析計算后發(fā)出預警信息，同時將預警信息發(fā)送至用戶平臺和其他數據接口。由控制系統(tǒng)啟動噴灑終端控制噴頭進行噴灑，業(yè)務流程圖如圖2所示。

圖2 業(yè)務流程圖

噴灑控制流程如圖3所示，系統(tǒng)接收用戶或系統(tǒng)自動觸發(fā)的噴灑指令后經核心控制模塊對指令進行解碼分析，確定此次噴灑的范圍和強度，將噴灑命令下發(fā)到噴灑控制器，由噴灑執(zhí)行器進行噴灑，噴灑完畢由噴灑控制器將完成信號傳回給核心控制模塊。

圖3 噴灑控制流程圖

噴灑完成后如因降雪造成融雪劑濃度降低，再次到達結冰閾值觸發(fā)預警，噴灑控制系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)出噴灑指令給噴灑控制器，以實現抵限再噴。

4.3 數據庫設計

數據庫共分為6個表，分別為公路信息表、安裝點信息表、設備信息表、路面感知設備表、能見度數據表和氣象站數據表。公路表中存儲每條道路的信息，主要包含：路段名稱、起點終點、路段編號等；安裝點表主要存儲安裝點編號、安裝點名稱、所屬路段號、經緯度、安裝的設備等；設備信息表主要包含安裝點編號、設備編號、設備名稱等；路面感知設備表主要存儲設備ID、冰點溫度等路面?zhèn)鞲衅鞑杉臄祿荒芤姸群蜌庀笳颈碇饕４婺芤姸?、氣象站名稱、溫度、濕度、風力、風向等氣象站數據。一條公路可以包含多個安裝點，一個安裝點可以包含多個設備，均是1對多的關系。公路ID作為公路表的主鍵和安裝點表的外鍵，安裝點以ID號作為主鍵，同時該編號也作為設備表的外鍵。數據接口設計如表2所示。

表2 數據接口數據表

5 子系統(tǒng)設計

5.1 預警子系統(tǒng)

（1）工作流程

預警子系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。主要步驟為：①氣象站、路面?zhèn)鞲衅鞑杉瘹庀笮畔鬏數綌祿杉?；②數據采集箱匯集數據后將二進制數據按協議轉換成數字信號；③將數字信號經網絡傳輸到云平臺，進行數據存儲和預警計算；④預警模塊根據算法結合氣象大數據進行計算；⑤發(fā)出是否即將結冰的信號。

圖4 預警子系統(tǒng)流程圖

（2）數據轉換

數據幀的組成包括：幀起始控制字符、幀頭版本號、接收地址、發(fā)送地址、數據字節(jié)數、有效傳輸起始控制字符、命令符、命令版本號、數據字節(jié)、有效傳輸終止控制字符、字節(jié)校驗、位循環(huán)冗余碼校驗、幀終止控制字符、控制字符。按照幀格式經對數據幀的解析和數據校驗解析獲得最終的氣象數據。

哦，老板娘把他當成煤倒，當成火藥、雷管的走私者。何良諸徒步考察邊地，一年了，快走成野狗，走成狼了。何良諸齜牙，笑笑。就在這時，一輛載滿木材的卡車開來，在馬路上停下。司機搖下玻璃窗，探出戴著狗皮帽的腦袋，吸溜鼻子，大聲問：“小勺，有地兒嗎？”

（3）數據傳輸

主要通過4G網絡和有線網絡將數據傳輸到云平臺和業(yè)主的數據中心。

（4）預警計算

根據采集的氣象、路面信息對凝冰進行預警計算，采集的數據經解碼傳輸到預警模塊進行計算。預警算法主要涉及線性的溫度下降預警和采用機器學習的凝冰預警算法。

線性凝冰預警的主要思路為：在某一時間點對凝冰進行檢測，記錄下該時間點a的溫度，經過數分鐘后再次進行凝冰檢測，記錄下該時間點b的溫度，根據路面?zhèn)鞲衅鞑杉降穆访姹c溫度為結冰溫度c，假設溫度是線性下降的，根據a至b所需的時間來計算b至c所需的時間。

機器學習的凝冰預警算法[3]主要思路是：通過BP神經網絡按照誤差反向傳播算法，訓練多層前饋網絡，根據歷史凝冰數據作為輸入學習樣本，通過反向傳播算法對每一層的網絡偏差和權值進行反復的調整訓練，使最終得到的輸出值盡可能與期望值相接近。針對山東、貴州、內蒙古、河南等多地的監(jiān)測站點，每年冬季都會存儲4個月左右的凝冰歷史數據，本地采集的冬季氣象數據也將作為新的訓練數據加入學習樣本庫，系統(tǒng)根據每年的歷史數據作為學習樣本，訓練凝冰計算模型，對實時采集的數據進行計算得出凝冰時間[4]。

5.2 控制子系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心控制邏輯使用可編程序控制器（Programmable Logic Controller）實現。PLC是綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有順序控制、定時、運動控制、數據處理、閉環(huán)控制和通信聯網等功能。系統(tǒng)由硬件和軟件組成，是能獨立進行運作的器件。其軟件只包括軟件運行環(huán)境及操作系統(tǒng)，硬件包括信號處理器、存儲器、通信模塊等。使用ARMCortex芯片STM32F103的硬件電路設計，這部分主要用來實現控制電路的控制邏輯，實現PC端到噴灑終端輸入通信，以及噴灑終端控制電路與自動噴灑閥、上升電動機、旋轉電動機之間的控制。

（2）通信協議

ADI噴頭控制器與凝冰處理主控制器之間采用自定義RS-485通信協議，所有的噴灑控制命令均由主控器監(jiān)控軟件發(fā)起，噴頭控制器接收相應的指令后，對命令進行處理，將處理結果返回給主控制器監(jiān)控軟件[5]。RS-485是通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口，串行口采用半雙工的異步串行通信方式，協議格式為“9600,N,8,1”，即波特率為9 600bps，無奇偶校驗，8位數據，1個停止位。主機與設備之間采用輪詢方式。

（3）數據說明

數據幀格式主要字段及說明如表3所示。

表3 幀格式字段說明

5.3 噴灑終端設計

（1）工作流程

噴灑終端的控制流程如圖5所示，主要涉及：①噴頭終端通電開始工作后，進行系統(tǒng)初始化檢查，然后處于待機狀態(tài)；②一旦收到PC端命令，噴頭終端控制電路控制升降電機運行，從地面升出，到達頂點后，啟動旋轉電機，并打開電動噴閥，噴灑融雪劑；③按照PC端指令噴灑對應時間后，關閉噴閥，旋轉電機停止工作并歸位；④如收到升降電機下降的指令，觸動升降電機下降，進入待機模式，等待下一次工作指令。

圖5 噴灑終端流程圖

（2）安裝位置

噴灑終端安裝在防撞護欄上，距離地面約30cm處，每個噴灑終端間距24m，噴頭通過180°旋轉實現對道路各處噴灑的全覆蓋。在道路轉彎處為保證對道路的覆蓋，增加安裝噴灑終端。

6 應用效果

2022年2月4日泰州地區(qū)普降大雪，時間持續(xù)12h，降雪量在6mm，系統(tǒng)在凌晨4點監(jiān)測到有降雪發(fā)生，自動噴灑融雪劑，4日上午和下午又補充噴灑融雪劑數次，保障全天路面無積雪結冰。經2021年冬季的應用證明系統(tǒng)能實現進行自動噴灑融雪劑，可大幅度降低機械作業(yè)工作強度，降低養(yǎng)護作業(yè)的事故發(fā)生率，提高養(yǎng)護工作效率。系統(tǒng)可實時監(jiān)測路面凝冰狀況，能預防在先，提高凝冰處置的及時性；能自動、均勻噴灑融雪劑，可通過控制閥均衡噴灑壓力和噴灑流量，不造成融雪劑的過量灑布，具有節(jié)約融雪劑的優(yōu)點。

7 結語

本文針對高速公路的冰雪災害問題，重點研究了高速公路路面凝冰預測控制算法、融冰自動噴灑控制算法等關鍵技術，設計了高速公路凝冰預警及自動化處置系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了氣象站、路面?zhèn)鞲衅骱腿谘﹦﹪姙⒖刂葡到y(tǒng)。通過凝冰預警、自動除冰融雪等一系列智能化處置服務，可快速應對冰雪等惡劣氣象災害，提升高速公路安全暢通程度和運營保障水平。