鄭昀豪 潘福全 張同 段宇辰 楊金順 劉驥

摘? 要：為解決我國(guó)冬季下雪造成交通標(biāo)志牌積雪覆蓋問(wèn)題，減少因交通信息缺失引發(fā)的交通安全隱患。設(shè)計(jì)一套智能交通標(biāo)志牌融雪系統(tǒng)，系統(tǒng)包括積雪識(shí)別模塊、自動(dòng)控制融雪模塊、綠色能源支持模塊，針對(duì)不同降雪等級(jí)，利用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行智能融雪處理。融雪線圈結(jié)合不同型號(hào)標(biāo)志牌設(shè)置不同的布設(shè)方案，利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源實(shí)現(xiàn)零碳供能，實(shí)現(xiàn)高效、持久融雪，可廣泛應(yīng)用于大部分地區(qū)的交通標(biāo)志牌除雪。

關(guān)鍵詞：交通標(biāo)志牌；融雪；智能標(biāo)志牌；圖像檢測(cè)；能源自給

中圖分類號(hào)：U491.521? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0054-04

Abstract： In order to solve the problem of snow cover of traffic signs caused by snow in winter and reduce the hidden danger of traffic safety caused by the lack of traffic information. A set of intelligent traffic sign snow melting system is designed， which includes snow recognition module， automatic control snow melting module and green energy support module. According to different snowfall levels， automatic image recognition technology is used for intelligent snow melting processing. Snow melting coil combined with different types of signs are used to set up different layout schemes， and the use of wind energy， solar energy and other clean energy will achieve zero-carbon energy supply and realize efficient and lasting snow melting， which can be widely used in most areas of traffic signs snow removal.

Keywords： traffic signs; snowmelt; smart signs; image detection; energy self-sufficiency

交通標(biāo)志牌作為道路信息指示的重要組成，時(shí)刻關(guān)系著司乘人員和行人的安全，中國(guó)北方地區(qū)冬季常伴有風(fēng)吹雪天氣、暴雪天氣[1]，積雪覆蓋交通標(biāo)志牌導(dǎo)致司機(jī)不能及時(shí)獲取交通信息而產(chǎn)生安全隱患，交通標(biāo)志牌落雪問(wèn)題亟待解決。目前，關(guān)于交通標(biāo)志牌的融雪研究及應(yīng)用相對(duì)較少。

針對(duì)降雪對(duì)交通帶來(lái)的諸多問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了相關(guān)的研究及應(yīng)用。在鐵道工程領(lǐng)域應(yīng)用的電加熱道岔融雪系統(tǒng)使用電加熱元件通電產(chǎn)生電流熱效應(yīng)，快速融化降雪天氣中道岔位置的積雪，避免道岔造成“四開(kāi)”現(xiàn)象[2]。針對(duì)道路路面積雪，使用綠色環(huán)保的太陽(yáng)能和地?zé)崮苓M(jìn)行加熱融雪研究[3]。循環(huán)熱流體融雪技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)可再生能源利用和跨季節(jié)蓄能，具有更高的能源利用效率和環(huán)保效益[4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)交通標(biāo)志的檢測(cè)以及對(duì)積雪處理進(jìn)行了相應(yīng)研究。在積雪處理方面，2017年范新萌[5]進(jìn)行了重力熱管/土壤源熱泵復(fù)合式路面融雪系統(tǒng)的傳熱特性研究。2020年，韓明[6]利用電熱法發(fā)電對(duì)道路進(jìn)行升溫，提出融雪化冰耗熱量計(jì)算公式和各因子影響傳熱機(jī)制。2021年“一種帶融雪功能的交通標(biāo)志牌”專利[7]提出應(yīng)用熱風(fēng)箱吹熱風(fēng)融雪。2021年張雄[8]提出智能噴淋融雪系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)均勻噴灑于冰雪路面以降低冰點(diǎn)融化冰雪。2018年白國(guó)華等[9]發(fā)明了一種交通標(biāo)志牌融雪裝置，通過(guò)人工控制電阻絲融雪。在交通標(biāo)志的檢測(cè)方面，2022年Bhaumik[10]對(duì)基于硬件高效改進(jìn)CNN架構(gòu)的交通標(biāo)志檢測(cè)與識(shí)別進(jìn)行深入研究。同年Njayou[11]和Zhang[12]分別研究了CNN進(jìn)行交通標(biāo)志分類，使用更快的rcnn和YOLOV4進(jìn)行檢測(cè)，以及基于多尺度特征提取和級(jí)聯(lián)特征融合的交通標(biāo)志檢測(cè)。2023年，Vivek等[13]對(duì)于基于知識(shí)輔助的道路交通標(biāo)志自動(dòng)檢測(cè)與分類進(jìn)行了研究。

綜上所述，針對(duì)交通標(biāo)志的融雪研究與應(yīng)用并沒(méi)有引起廣泛關(guān)注，受制于能源難以自給、融雪效率低、降雪識(shí)別率低及維護(hù)成本高等問(wèn)題，中國(guó)現(xiàn)有的交通標(biāo)志牌缺少針對(duì)性的融雪措施。因此，需要針對(duì)交通標(biāo)志牌降雪特點(diǎn)，進(jìn)行落雪識(shí)別、融雪控制等方面的探索研究，同時(shí)考慮低成本、綠色環(huán)保等基本要素以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

1? 系統(tǒng)架構(gòu)

標(biāo)志牌融雪系統(tǒng)包含3大模塊，積雪識(shí)別模塊、自動(dòng)控制融雪模塊和綠色能源支持模塊。在積雪識(shí)別模塊中，基于獲取的圖像，將圖像二值化后進(jìn)行形態(tài)學(xué)的處理，進(jìn)行顆粒分析識(shí)別。結(jié)合氣象信息輔助信息更深入地研究分析雪情預(yù)測(cè)，并將信息傳輸?shù)阶詣?dòng)控制模塊中，本裝置經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了交通標(biāo)志牌融雪的溫度閾值，控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到的信息自動(dòng)控制發(fā)熱電阻絲的通電和斷電，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在能源模塊中，本設(shè)備利用了太陽(yáng)能風(fēng)力互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，將多晶硅太陽(yáng)能電池板與微型風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，并分布于交通標(biāo)志牌上，為系統(tǒng)的積雪識(shí)別和自動(dòng)化控制提供電能，確保了能源的充足，貫徹了節(jié)能減排的主題，符合綠色發(fā)展的理念。

為減少能源的輸出，所研究的除雪裝置采用太陽(yáng)能與風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，在交通標(biāo)志牌上安裝發(fā)電裝置，日常儲(chǔ)能，利用視頻檢測(cè)和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)檢測(cè)并控制交通標(biāo)志牌上的發(fā)熱電阻絲的斷電與通電，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路基于自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)控制，同時(shí)利用綠色能源，解決交通標(biāo)志牌落雪問(wèn)題。系統(tǒng)思路框架如圖1所示。

2? 標(biāo)志牌融雪裝置布設(shè)

融雪裝置包括電阻絲線圈、溫度傳感器和控制面板。其中發(fā)熱電阻絲安裝在標(biāo)志牌背面，集中布置在標(biāo)志牌文字和圖案信息背面，保證標(biāo)志牌加熱升溫時(shí)優(yōu)先熱融文字和圖案信息表面的積雪。溫度傳感器布設(shè)于標(biāo)志牌背面，圖像檢測(cè)器置于標(biāo)志牌背面下方。具體布置圖如圖2所示。

針對(duì)于不同的標(biāo)識(shí)牌形狀，將電阻絲在標(biāo)志牌上的布置進(jìn)行了優(yōu)化，所選用發(fā)熱電阻絲為12 V、13 W、直徑70 mm的圓形聚酰亞胺PI電熱膜。聚酰亞胺薄膜PI電熱膜以聚酰亞胺薄膜為外絕緣體，以金屬絲為內(nèi)導(dǎo)電發(fā)熱體，可以通過(guò)熱保護(hù)器、熱電阻、熱電偶等有效控溫。常見(jiàn)的標(biāo)識(shí)牌有長(zhǎng)方形、圓形和三角形。具體布局如圖3所示。

3? 積雪識(shí)別模塊

將攝像頭放置在標(biāo)志牌的頂部，伸出標(biāo)志牌5～6 cm實(shí)時(shí)記錄標(biāo)志牌的積雪情況，可以精準(zhǔn)識(shí)別，防沙抗寒。將拍攝的圖片上傳到以下程序進(jìn)行圖像識(shí)別。

3.1? 檢測(cè)過(guò)程

檢測(cè)過(guò)程如圖4所示。

1）使用相機(jī)模式（實(shí)時(shí)拍照）或者圖片模式（打開(kāi)一張已有的照片），獲取到圖片之后，進(jìn)行圖像格式的轉(zhuǎn)換，使用RGB轉(zhuǎn)換成gray灰度圖像以及進(jìn)行必要的預(yù)處理。ROI區(qū)域設(shè)定可以在檢測(cè)前開(kāi)始，也可以在檢測(cè)時(shí)開(kāi)始設(shè)定，重點(diǎn)關(guān)注圖像區(qū)域即積雪所在的大致區(qū)域。

2）進(jìn)行圖像噪聲去除，將圖像進(jìn)行Threshold VI二值化處理，處理后將背景噪聲進(jìn)行形態(tài)學(xué)IMAQ Morphology VI過(guò)濾或者按照面積以及高度、寬度等方法進(jìn)行過(guò)濾處理，以便得到需要的積雪特征，使用顆粒統(tǒng)計(jì)IMAQ Particle Analysis VI辦法統(tǒng)計(jì)以及IMAQ Classify VI識(shí)別顆粒物，當(dāng)前噪聲去掉后的畫面是否有顆粒物存在，有的話說(shuō)明有積雪存在，顆粒物統(tǒng)計(jì)低于設(shè)定值的時(shí)候，認(rèn)為沒(méi)有積雪存在。

3.2? 模塊程序

LabVIEW是一個(gè)研發(fā)工作學(xué)習(xí)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器工業(yè)（NI）有限公司研制并推出，LabVIEW程序分為前面板和程序框圖，前面板提供了豐富的UI組件，布局十分方便，能在最快的時(shí)間完成一個(gè)程序的UI界面。程序框圖是基于數(shù)據(jù)流的模式構(gòu)建，圖5和圖6為實(shí)驗(yàn)程序前面板和程序框圖。

積雪識(shí)別模塊程序前面板界面如圖5所示，基本功能包括相機(jī)模式按鈕、圖像模式按鈕、顯示控件以及是否開(kāi)始檢測(cè)按鈕。按下開(kāi)始檢測(cè)，程序立刻開(kāi)始運(yùn)算并檢測(cè)輸出結(jié)果。

程序框圖使用事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行，當(dāng)事件發(fā)生后，程序運(yùn)行事件對(duì)應(yīng)的分支程序。利用此程序?qū)⑤斎氲姆e雪圖片作為一個(gè)事件，自動(dòng)進(jìn)行分支程序。

4? 自動(dòng)控制融雪模塊

自動(dòng)控制模塊由數(shù)據(jù)分析和控制方程計(jì)算及負(fù)反饋2部分組成。交通標(biāo)志牌的狀態(tài)判別根據(jù)數(shù)據(jù)采集分析后經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出表1。

雪體表面溫度主要受氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)力和輻射等各種因素，以及下墊面物質(zhì)材料的影響。先保證標(biāo)志牌能融雪的情況下，數(shù)據(jù)顯示，下雪天氣時(shí)，此時(shí)標(biāo)志牌上溫度應(yīng)在-30～-5 ℃范圍內(nèi)，在溫度不低于5 ℃時(shí)，積雪可以實(shí)現(xiàn)融化。

控制需要的能源功率計(jì)算公式如下

式中：ρ為積雪自身的密度；d為積雪的厚度；s為積雪與標(biāo)志牌的接觸面積；m為積雪的質(zhì)量；Q為質(zhì)量為m的雪全部融化所吸收的能量；C為雪的比熱容，C=2 100 J/（kg·℃）；？駐t1為雪的原始溫度和融化時(shí)溫度的差；？駐Q為鋁材質(zhì)在加熱雪的過(guò)程中的能量損耗；k為鋁材質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，其數(shù)值大小為237；？駐t2為鋁材料在傳導(dǎo)過(guò)程中的溫差。

以2 400 mm×1 200 mm的標(biāo)志牌和暴雪為例，積雪厚度取0.006 m，該實(shí)驗(yàn)用標(biāo)志牌文字信息占比40％，計(jì)算出雪完全融化所需要的能量Q≈16.6 kJ，所損失的能量？駐Q≈11 kJ，共消耗能量Q總=Q+？駐Q=27.6 kJ。采用100 W太陽(yáng)能板大約只需加熱4.6 min。

由此分析，以100 W的太陽(yáng)能電池板和2 400 mm×1 200 mm的標(biāo)志牌為例，除雪一次需要27.6 kJ，可除雪52次，持續(xù)除雪4 h。

5? 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)針對(duì)交通標(biāo)志牌上的覆雪問(wèn)題，不改變現(xiàn)有交通標(biāo)志牌規(guī)格，在標(biāo)志牌上布置識(shí)別及融雪裝置，主要運(yùn)用太陽(yáng)能與風(fēng)能獲得電能，利用電阻絲加熱的方式進(jìn)行高效融雪。將標(biāo)志牌電阻絲的布局進(jìn)行了優(yōu)化，并針對(duì)不同的標(biāo)志牌形狀設(shè)計(jì)了不同的電阻絲布局；采用視頻檢測(cè)方法對(duì)是否存在積雪進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，助力智能交通的高質(zhì)量發(fā)展。在未來(lái)，可以結(jié)合路面融雪以及LED自發(fā)光交通標(biāo)志牌，進(jìn)一步完善標(biāo)志牌除雪方式；結(jié)合大數(shù)據(jù)、5G網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的處理方法可以更靈活，功能更全面。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王廷亮.鐵路風(fēng)吹雪災(zāi)害數(shù)值模擬及防治技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2009.

[2] 周浩.城軌道岔融雪系統(tǒng)集成到FAO子系統(tǒng)TIAS的可行性討論[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2023，20（7）：92-97.

[3] 余豫新.路面主動(dòng)融冰（雪）技術(shù)的發(fā)展與展望[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（S1）：86-89.

[4] 鐘國(guó)強(qiáng)，徐潤(rùn)，柳尚，等.基于太陽(yáng)能-熱管的循環(huán)流體加熱橋面融雪系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J].公路，2021，66（4）：315-320.

[5] 范新萌.重力熱管/土壤源熱泵復(fù)合式道路融雪系統(tǒng)傳熱特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[6] 韓明.道路電熱法融雪化冰設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2020.

[7] 嚴(yán)飛.一種帶融雪功能的交通標(biāo)志牌：CN202022603290.2[P].2021-09-17.

[8] 張雄.智能噴淋融雪系統(tǒng)在青藏地區(qū)公路建設(shè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)交通信息化，2021（4）：136-138.

[9] 白國(guó)華，杜長(zhǎng)城，薛冬，等.一種利用風(fēng)能自動(dòng)融雪的交通標(biāo)志牌：CN201721882422.1[P].2018-08-07.

[10] BHAUMIK V，CHIRAG P. Hardware efficient modified cnn architecture for traffic sign detection and recognition[J]. International Journal of Image and Graphics，2022，22（2）.

[11] NJAYOU Y. Traffic sign classification using CNN and detection using faster-RCNN and YOLOV4[J]. Heliyon，2022，8（12）：e11792.

[12] ZHANG Y L， LU Y， ZHU W Q， et al. Traffic sign detection based on multi-scale feature extraction and cascade feature fusion[J]. The Journal of Supercomputing，2022，79（2）：2137-2152.

[13] VIVEK S，SUMITA M，NI S G. Automatic detection and categorization of road traffic signs using a knowledge-assisted method[J]. Procedia Computer Science，2023（218）：1280-1287.