路面冰雪状况监测与预警技术研究

卢毅 金光来

摘 要：为了提升冰雪天气下沥青路面的行车安全，本文总结了沥青路面的结冰监测技术和预警技术在国内外研究的进展，并对不同技术的特点进行了比较。

关键词：沥青路面;结冰监测;结冰预警

0 引言

我国四分之三的国土属于冬季积雪地区，有些地区积雪期长达3～4个月。降雪、结冰将直接导致路面防滑性能的下降，导致汽车刹车失灵、方向失控，从而易引发交通事故。相关资料表明，干燥沥青路面的附着系数约为0.6，而积雪路面的附着系数为0.2，结冰道路的附着系数为0.15，降低为干燥沥青路面的1/3和1/4。因此，在冰雪路面上汽车容易打滑、跑偏，制动距离显著延长，严重影响了车辆的操作稳定性和安全性，交通事故发生率较高。

综上，为了提升低温雨雪天下沥青路面行车安全性，本项目结合公路沥青路面结冰防治现状，对路面冰雪状况监测与预警技术展开研究。路面监测主要包括路面结冰天气的预报，路面结冰检测设备、路面结冰时间预测模型，路面除冰方法的研究等。路面结冰预警方面主要为路面结冰对交通安全影响及路面结冰对交通安全保障技术等方面进行研究。

1 沥青路面结冰监测技术研究

道路结冰这个概念早已提及，只是缺乏道路结冰检测的设备而导致路面结冰的问题一直处于未曾突破的状态。路面监测技术能准备的掌握真实的数据资料，是路面结冰研究的基础资料。针对路面检测技术，国内外研发出了多种检测设备。经过欧美国家不懈的努力，目前，路面结冰检测技术及相应的传感器已经多达十几种，主要有压差式结冰传感器、障碍式结冰传感器、振动式结冰传感器、潜热式结冰传感器、热流式结冰传感器、电容式结冰传感器、回波式结冰传感器、微波式结冰传感器、超声式结冰传感器、电磁束阻断式结冰传感器、红外线结冰传感器、光纤式结冰传感器。上述传感器由于某些技术的不成熟，应用到实际的较少，大部分还需继续进行实验研究，特别是针对路面的，由于埋在路面下，还需要考虑汽车压力和对路基造成污染等问题。目前，我国的大学及相关科研机构中对了结冰监测的研究也较少，其中华中科技大学对研究出光纤式结冰传感器并申请了专利。结冰监测技术主要是通过应用于传感器来达到监测效果，应用于监测结冰的原理是通过传感器来检测到路面表面结冰后所发生物理、力学、光学等性质来实现测定结冰。目前结冰监测技术已广泛应用于飞机、电力、道路等领域，如瑞典sensice公司通过研发得到了一种能够实现远距离探测得到路面结冰的检测产品。为适应高速公路气象观测系统自动化、智能化和网络化的发展趋势，国内学者陈俊良等专门针对高速公路路面结冰检测系统，设计和开发了实现数据采集和处理的上位机软件，实际应用结果表明：该上位机软件具有操作简单、功能完善、稳定性高和实时性强等优点，能实时准确地实现对高速公路路面结冰状态的实时检测和预警。

2 沥青路面结冰预警研究

国外在道路研究方面已经有较长的历史，Norrrnan通过不断研究，针对路面打滑建立了道路路面打滑专家分类系统，将直接收集到的数据作为直接观测因子（主要有温度、气温、露点、相对湿度、风速、降水信息），之后结合以往的经验公式而确定打滑类型。Crevier等建立环境和路面温度数值模型METRO，并结合降雨、降雪、冰点、路面融水、蒸发、露水和霜的位置等信息以ESCSR为依据实现路面打滑判断。

针对路面结冰预测研究，国内关于路面结冰时间预测方面的研究相对较少，国外相对较多。由于路面结冰冻融对路面造成影响，HJ Liu，W Shan等对冻融对路基路面影响进行了研究，采用室内实验方法和详细的实验方案，分析总结了土壤抗剪強度变异与含水量、土壤密度和冻融循环次数的变化规律。研究结果表明：土壤水分含量和土壤压实度均随时间的增加而降低。高速公路路面结冰也严重影响到交通安全及城市效益，熊竹等介于此现象，通过室内实验室设置几组常见的温度及降雨量进行单一控制，以便于观察冰的形成及消融的规律，通过神经网络构建结冰预测模型。与此同时，针对行车安全提出了相应的预警。周士栋等为了提高车辆行驶在高速公路冰雪路面上的安全性，通过风洞实验，设置温度、降雨量等影响因素，并观察路面结冰的过程所变化的规律，最后利用多元线性回归分析，最终建立了路面结冰预测模型。Jian L I、Lei J等同样基于支持向量机（支持向量机）的方法，为了提高道路结冰预测分类的精度，提出了一种改进的遗传粒子群优化算法（GPSO）来同时选择功能和优化支持向量机参数，通过风洞实验Shin和Bond两位学者在改变条件的情况下对NACA0012翼的结冰过程进行了探究。国外的国家尤其是美欧等国非常重视道路结冰的监测和预报，因此，很早之前国外就已经在交通气象学领域开始着手了较多的研究，目前已形成了关于路面温度、结冰等方面的预报方法和技术。如美国等国家早已建成的道路气象信息系统，该系统具有较好的实用性，该系统可以根据天气数据预报路面的天气状况，由于结冰的复杂，这些技术方法等都是依据一些经验公式及数学模型，在预测结冰方面具有较大的间接性，并不能实时的、真实的监测得到路面结冰的状态。

3 结论

对于沥青路面结冰监测与预警技术研究已经取得了一定成果，但目前仍然存在一定的局限性，如在预测结冰方面具有较大的间接性，并不能实时的、真实的监测得到量化的路面结冰状态，应用效果不佳，因此需对其进行更深入的研究。

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