熊 行， 張 滔， 黃 馨， 杜召華

(1.湖南省平益高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 岳陽(yáng) 414000； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

道路積雪結(jié)冰極易誘發(fā)交通事故，是影響行車(chē)安全的最不利氣象條件之一。冬季的降雪通常會(huì)以浮雪、積雪和積冰3種形式滯留于路面。正常干燥瀝青路面的摩擦系數(shù)為0.6，雨天路面摩擦系數(shù)降為0.4，雪天則降為0.28，結(jié)冰路面僅有0.18；結(jié)冰路面汽車(chē)制動(dòng)距離是干燥路面的6～7倍，且易造成車(chē)輛打滑或側(cè)翻，路面積雪結(jié)冰時(shí)的事故發(fā)生率是干燥路面的5～10倍。

智能防冰除冰技術(shù)是近年來(lái)興起的綜合性技術(shù)，其最基本的理念就是將氣象信息與防冰除冰統(tǒng)籌考慮，結(jié)合了傳統(tǒng)除冰手段和工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)以及傳感器技術(shù)，是一種具有預(yù)見(jiàn)性的防冰技術(shù)，使除冰模式從被動(dòng)向主動(dòng)轉(zhuǎn)變。該技術(shù)通過(guò)全自動(dòng)的冰雪災(zāi)害預(yù)警、結(jié)冰預(yù)防措施、控制清除冰雪方法，大幅提高了場(chǎng)地冰災(zāi)應(yīng)急處理的響應(yīng)速度。智能防冰除冰系統(tǒng)初期建設(shè)投入較大，但其具有長(zhǎng)期有效、智能化信息化程度高、主動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文主要介紹4種應(yīng)用較為廣泛的主動(dòng)智能除冰技術(shù)，通過(guò)對(duì)其全面的分析和研究，進(jìn)行多個(gè)維度的橫向?qū)Ρ?，展望其各自的?yīng)用推廣前景[1-2]。

1 主動(dòng)智能?chē)娏艹夹g(shù)

主動(dòng)智能?chē)娏艹到y(tǒng)綜合利用氣象、機(jī)電、給排水、通信等多學(xué)科領(lǐng)域最新技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路上結(jié)冰狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)自動(dòng)控制子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別及對(duì)噴淋子系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用路側(cè)的噴淋裝置噴灑適量的環(huán)保型除冰劑，清除橋面的冰雪，保障冰凍季節(jié)行車(chē)安全和暢通。該系統(tǒng)主要由智能控制平臺(tái)、無(wú)人智能?chē)娏茏酉到y(tǒng)、除冰液輸送子系統(tǒng)3個(gè)模塊組成[3-4]。

1.1 智能控制平臺(tái)

智能控制平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，主要由路側(cè)傳感裝置、云平臺(tái)和智能控制終端組成。平臺(tái)針對(duì)雨雪、冰凍等災(zāi)害性天氣，基于多傳感器處理和分析技術(shù)，對(duì)路面狀況信息、氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將各種傳感器采集的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)結(jié)冰時(shí)間進(jìn)行預(yù)判，提前預(yù)警道路結(jié)冰情況，并通過(guò)控制子系統(tǒng)及時(shí)采取相應(yīng)技術(shù)措施。

1.2 無(wú)人智能?chē)娏茏酉到y(tǒng)

無(wú)人智能?chē)娏茏酉到y(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行者，主要由無(wú)人駕駛車(chē)輛、智能射霧器、電磁流量計(jì)、壓力傳感器、電動(dòng)截止閥、電磁開(kāi)關(guān)閥、液壓管道和儲(chǔ)液罐等組成。

1.3 除冰液輸送子系統(tǒng)

除冰液輸送子系統(tǒng)是整個(gè)主動(dòng)智能?chē)娏艹夹g(shù)系統(tǒng)的后勤部，主要功能是儲(chǔ)存除冰鹽、制備除冰液，由除冰劑儲(chǔ)存罐、除冰液制備池、進(jìn)水控制裝置等組成。當(dāng)儲(chǔ)存罐中的除冰劑即將用盡時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)按照設(shè)定的配比參數(shù)進(jìn)行配液，也可自動(dòng)發(fā)送提示信息到終端進(jìn)行提醒。

主動(dòng)智能?chē)娏艹到y(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)智能控制平臺(tái)的預(yù)測(cè)算法對(duì)結(jié)冰進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，具有提前預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)作業(yè)的特點(diǎn)。智能控制平臺(tái)控制無(wú)人智能?chē)娏茏酉到y(tǒng)和除冰液輸送子系統(tǒng)進(jìn)行除冰液的預(yù)噴淋，從而實(shí)現(xiàn)除冰目的，除冰效率較高。該系統(tǒng)的建立對(duì)已建成的高速公路幾乎沒(méi)有破壞，易推廣。

2 導(dǎo)電超薄磨耗層融冰技術(shù)

導(dǎo)電超薄磨耗層智能主動(dòng)抗冰系統(tǒng)主要由路面狀態(tài)感知子系統(tǒng)、自動(dòng)控制子系統(tǒng)、路面發(fā)熱子系統(tǒng)組成，采用低電壓通電加熱的方式實(shí)現(xiàn)路面冰雪的快速融解。路面發(fā)熱子系統(tǒng)技術(shù)與常規(guī)噴淋系統(tǒng)差別較大，它以環(huán)氧樹(shù)脂為黏結(jié)料，通過(guò)摻入石墨、碳纖維等導(dǎo)電材料或者直接采用碳纖維格柵，使其具有電熱轉(zhuǎn)變能力[5-6]。

路面發(fā)熱子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般由隔熱黏結(jié)層、導(dǎo)電功能層及抗滑磨耗層組成，其中隔熱黏結(jié)層起到與下層的原鋪裝層牢固黏結(jié)、阻隔熱量向下傳導(dǎo)的功能；導(dǎo)電功能層的小電阻特性使其具備24 V電壓下的電-熱轉(zhuǎn)變能力；抗滑磨耗層具有較大的構(gòu)造深度和抗滑能力，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 路面發(fā)熱子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

材料選型是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，導(dǎo)電超薄磨耗層作為路面的一種薄層罩面材料，在實(shí)際工作狀態(tài)下需滿(mǎn)足融雪化冰功能。要求其同時(shí)具備良好的導(dǎo)電性、耐久性和路用性能，各分層對(duì)構(gòu)成材料的物理和化學(xué)特性需求各有側(cè)重。

2.1 導(dǎo)電組分材料

碳基材料滿(mǎn)足導(dǎo)電功能層對(duì)于導(dǎo)電導(dǎo)熱性能強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的需求。石墨是一種較易獲取的無(wú)機(jī)材料，不僅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，還具有良好的化學(xué)惰性，是一種很好的導(dǎo)電填充材料。碳纖維耐高溫，耐摩擦，耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定，能導(dǎo)熱和導(dǎo)電，也是制備路面抗冰用導(dǎo)電混凝土的一種理想導(dǎo)電組分材料，但考慮到在制作過(guò)程容易出現(xiàn)打結(jié)和團(tuán)聚現(xiàn)象，需要對(duì)其進(jìn)行短切工藝處理，形成如圖2所示的短切碳纖維。

圖2 短切碳纖維

2.2 黏結(jié)材料

環(huán)氧樹(shù)脂是由環(huán)氧樹(shù)脂為基的雙組分耐高溫膠黏劑，工作溫度為-50～180 ℃，短時(shí)可達(dá)250℃，具有良好的路用性能，適用于導(dǎo)電覆層的主體黏結(jié)材料。

2.3 磨耗層材料

導(dǎo)電功能層強(qiáng)度較低，難以承受交通荷載作用，因此，需在導(dǎo)電功能層表面撒鋪一層磨耗碎石，以起到抗磨耗和分散應(yīng)力的作用。碎石具有良好的硬度和耐磨性能，往往選用粒徑2～3 mm的黑剛玉作為磨耗層碎石材料。

導(dǎo)電超薄磨耗層融冰系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)道路除冰技術(shù)和主動(dòng)智能?chē)娏芸贡到y(tǒng)，具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、耐用性強(qiáng)的特點(diǎn)。其除冰手段主要依靠電能轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)自然環(huán)境的污染為零，除冰的效率較高。但該系統(tǒng)在已經(jīng)建成的高速公路上推廣，會(huì)對(duì)高速公路運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，且隨著路面的損耗，會(huì)對(duì)預(yù)埋的導(dǎo)電碳纖維層造成影響，后期維護(hù)成本高，更適用于一些短距離易結(jié)冰的特殊路段。

3 預(yù)埋發(fā)熱電纜融冰技術(shù)

預(yù)埋發(fā)熱電纜融冰系統(tǒng)主要由路面狀態(tài)感知子系統(tǒng)、自動(dòng)控制子系統(tǒng)、發(fā)熱電纜子系統(tǒng)等組成，通過(guò)內(nèi)置的溫度傳感器及外置的環(huán)境傳感器獲取路面的實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)?shù)缆愤_(dá)到凝冰狀態(tài)(路面溫度<2 ℃)前2 h，啟動(dòng)發(fā)熱電纜供熱裝置，加熱路面，改變路面的凝冰環(huán)境，當(dāng)路面溫度>2 ℃時(shí)，加熱系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)中斷，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的效果。發(fā)熱電纜應(yīng)滿(mǎn)足易安裝、耐高溫、安全耐老化、不污染環(huán)境等要求。[7-9]

該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)為隔熱層和發(fā)熱電纜鋪設(shè)的設(shè)計(jì)與施工。隔熱層布置在原鋪裝層上方，一般是在黏結(jié)層中添加隔熱劑。發(fā)熱電纜鋪設(shè)在兩層瀝青混凝土之間，鋪設(shè)型號(hào)和鋪設(shè)方式需要經(jīng)過(guò)提前計(jì)算和設(shè)計(jì)來(lái)確定。

3.1 電纜熱力學(xué)數(shù)值模擬

依據(jù)發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)方案，采用ANSYS中FLUENT模塊建立數(shù)值分析模型，對(duì)發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析，考慮不同發(fā)熱電纜間距工況下的熱力學(xué)響應(yīng)，對(duì)工作狀態(tài)下的融冰效率進(jìn)行分析，同時(shí)就熱量傳遞過(guò)程對(duì)道路結(jié)構(gòu)安全的影響進(jìn)行評(píng)估。

通過(guò)考慮溫度及汽車(chē)荷載的共同作用對(duì)路面進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，可依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行發(fā)熱電纜鋪設(shè)方式設(shè)計(jì)；同時(shí)由仿真數(shù)據(jù)控制融冰工作所產(chǎn)熱能對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響在安全范圍之內(nèi)，避免對(duì)瀝青混凝土路面帶來(lái)不利影響。

3.2 施工工藝

隔熱層施工：為保證隔熱層材料能夠和原鋪裝層之間進(jìn)行有效黏結(jié)，在原鋪裝層鋪設(shè)完畢應(yīng)進(jìn)行透層及黏層的施工。透層、黏層瀝青灑布后不應(yīng)流淌，并不得在表面形成瀝青油膜。

發(fā)熱電纜鋪設(shè)：加熱電纜應(yīng)按照標(biāo)定的電纜間距和走向鋪設(shè)。加熱電纜應(yīng)保持平直，電纜間距的安裝誤差不應(yīng)大于10 mm。

路面預(yù)埋發(fā)熱電纜融冰系統(tǒng)相較傳統(tǒng)道路除冰技術(shù)和主動(dòng)智能?chē)娏芸贡到y(tǒng)，同樣具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、耐用性強(qiáng)、除冰效率高、環(huán)保等特點(diǎn)。由于其保護(hù)層較厚，若在已建成的高速公路路面上推廣，對(duì)結(jié)構(gòu)影響更大，建設(shè)成本也相對(duì)較高，但其耐久性能更好。該系統(tǒng)較適用于短距離易結(jié)冰的路段，尤其適用于橋梁隧道等運(yùn)維難度大的特殊路段。

4 相變儲(chǔ)能材料防冰技術(shù)

相變儲(chǔ)能材料是一種應(yīng)用潛力巨大的儲(chǔ)能材料，廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)，近幾年開(kāi)始應(yīng)用于道路交通行業(yè)。相變儲(chǔ)能材料通過(guò)變化自身相態(tài)，起到溫度阻尼器的作用；溫度升高時(shí)，吸熱儲(chǔ)能；溫度降低時(shí)，釋放熱能，從而達(dá)到除冰的作用。[10-12]

4.1 相變儲(chǔ)能材料

相變儲(chǔ)能材料的選定，是相變儲(chǔ)能材料防冰技術(shù)的關(guān)鍵，現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)相變材料種類(lèi)有限，主流的相變材料為烷烴類(lèi)和脂肪酸類(lèi)。發(fā)現(xiàn)或合成一種相變溫度適宜、相變焓值大、熱穩(wěn)定性好、成本可控的相變材料，仍是當(dāng)今持續(xù)性研究的重難點(diǎn)。

4.2 施工方式

目前將相變材料應(yīng)用于道路除冰的方法主要分為兩種：直摻法和膠囊法。直摻法是將相變材料和瀝青混合料以一定比例混合后進(jìn)行道路鋪設(shè)。直摻法雖然施工簡(jiǎn)單，但因?yàn)橄嘧儾牧现苯颖┞对谕猓?chē)輛碾壓、氣候影響等因素容易造成相變材料的流失；同時(shí)，相變材料的加入可能改變?yōu)r青混合物的物理特性，會(huì)對(duì)道路工程質(zhì)量造成一定影響。膠囊法是通過(guò)一個(gè)載體材料，將相變材料包裹，然后加入瀝青混合料中進(jìn)行道路鋪設(shè)。相比直摻法，雖然施工工藝較復(fù)雜，但其穩(wěn)定性得到了保障，對(duì)瀝青混合物的影響也在可控范圍，是目前主流的施工方式。直摻法雖然施工方便，但由于其局限性比較大，在新的相變材料被發(fā)現(xiàn)前，很難推廣開(kāi)來(lái)。

相變儲(chǔ)能材料防冰技術(shù)相比上述系統(tǒng)具有施工簡(jiǎn)單、建設(shè)成本低、運(yùn)維相對(duì)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但其除冰效率較低，主要原理是通過(guò)相變材料自身的熱能轉(zhuǎn)換達(dá)到除冰效果，儲(chǔ)存的熱能有限，缺少人工主動(dòng)干預(yù)的窗口，因此更適用于南方地區(qū)偶爾結(jié)冰的路段。

5 技術(shù)指標(biāo)差異性分析

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，各種主動(dòng)智能除冰技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中各有優(yōu)缺點(diǎn)，可在除冰效率、建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)成本、環(huán)境影響和適用范圍等6個(gè)維度上進(jìn)行定性評(píng)判和對(duì)比。首先，除冰效率最為關(guān)鍵，高效的除冰效率可以在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)除冰融雪，達(dá)到安全通行的要求。其次，經(jīng)濟(jì)效益也應(yīng)重點(diǎn)考慮，具體表現(xiàn)為建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)成本。建設(shè)成本主要為一次性建設(shè)投入的成本大??；運(yùn)營(yíng)成本是指在正常使用過(guò)程中投入的材料、電費(fèi)以及信息化系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用等；維護(hù)成本是指可能出現(xiàn)的損耗、故障，維修造成的資金成本。經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比在南方地區(qū)尤為重要，南方地區(qū)結(jié)冰時(shí)間相對(duì)較短，具有突發(fā)性，但往往駕駛員重視不夠、經(jīng)驗(yàn)不足，易引發(fā)交通事故，需平衡好安全與投入的關(guān)系。環(huán)境影響主要是除冰設(shè)施和材料在建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物對(duì)環(huán)境的影響，如除冰過(guò)程中所使用的除冰鹽、除冰液等材料造成的環(huán)境污染大小。適用范圍主要考慮地域性差異、地形地貌、路面橋面結(jié)構(gòu)類(lèi)型和不同氣候氣象條件等的適用性情況。評(píng)判各主動(dòng)智能除冰技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 除冰技術(shù)指標(biāo)評(píng)定情況指標(biāo)分類(lèi)說(shuō)明分值/分 備注指標(biāo)分類(lèi)說(shuō)明分值/分 備注除冰效率除冰響應(yīng)迅速,除冰效果顯著除冰響應(yīng)較快,除冰效果較好除冰響應(yīng)緩慢,除冰效果一般321主要考慮除冰響應(yīng)速度的快慢,以及除冰效果情況建設(shè)成本施工難度大,建設(shè)成本較高施工難度較大,建設(shè)成本一般施工難度小,建設(shè)成本低123主要考慮的是施工難度造成的時(shí)間成本和建成的資金成本運(yùn)營(yíng)成本建成后運(yùn)營(yíng)成本較高建成后運(yùn)營(yíng)成本一般建成后運(yùn)營(yíng)成本低123維持系統(tǒng)運(yùn)行的資金成本維護(hù)成本系統(tǒng)維護(hù)成本較高系統(tǒng)維護(hù)成本一般系統(tǒng)維護(hù)成本低123系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)損耗、故障,維修造成的資金成本環(huán)境影響系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)對(duì)環(huán)境影響較大系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)對(duì)環(huán)境影響一般系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)對(duì)環(huán)境影響小123除冰過(guò)程中所使用的除冰鹽、除冰液等材料造成的環(huán)境污染大小適用范圍適用路段較多適用路段一般適用路段少321主要考慮地域、地形以及氣候條件下的適用性

綜合上述4種主動(dòng)智能除冰技術(shù)的分析和研究，結(jié)合各技術(shù)在高速公路實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和不足，形成了如表2所示的差異性對(duì)比。總的說(shuō)來(lái)，導(dǎo)電超薄磨耗層融冰技術(shù)和主動(dòng)智能?chē)娏芸贡夹g(shù)在除冰效率、經(jīng)濟(jì)效益以及適用性方面略占優(yōu)勢(shì)，在一些有條件的路段可以適當(dāng)運(yùn)用和推廣。

表2 高速公路不同主動(dòng)智能除冰技術(shù)差異性對(duì)比分名稱(chēng)除冰效率建設(shè)成本運(yùn)營(yíng)成本維護(hù)成本環(huán)境影響適用范圍小計(jì)主動(dòng)智能?chē)娏芸贡夹g(shù)21222312導(dǎo)電超薄磨耗層融冰技術(shù)22213313預(yù)埋發(fā)熱電纜融冰技術(shù)31113211相變儲(chǔ)能材料防冰技術(shù)11322110

6 結(jié)論

詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外道路常用的主動(dòng)智能?chē)娏芸贡?、?dǎo)電超薄磨耗層融冰、預(yù)埋發(fā)熱電纜融冰與相變儲(chǔ)能材料防冰等4種主動(dòng)智能除冰技術(shù)，對(duì)其工作原理、技術(shù)難點(diǎn)、環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)維成本、除冰效率、適用范圍等進(jìn)行了對(duì)比分析和探討。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各種新型除冰技術(shù)相比傳統(tǒng)除冰方式都有較為顯著的改進(jìn)和優(yōu)勢(shì)，不同技術(shù)間除冰效率、成本和環(huán)境適用性有較大差異，其中，導(dǎo)電超薄磨耗層融冰技術(shù)和主動(dòng)智能?chē)娏芸贡夹g(shù)在高速公路應(yīng)用中略占優(yōu)勢(shì)。