盐靖高速公路桥头枢纽凝冰预警及自动化处置系统设计

朱连照，朱强

（1.江苏宁靖盐高速公路有限公司，江苏 泰州 225529；2.交科院公路工程科技（北京）有限公司，北京 100029）

1 冬季除冰雪面临的问题

随着现代公路运输体系所追求的快速、高效、安全理念的提出，在极端气候条件下道路行车安全越来越受到关注。冬季冰雪不仅会导致路面病害高发，同时也给行车安全带来了隐患。路面冰雪会导致路面抗滑能力大幅度降低，削弱道路的通行能力，容易产生恶性交通事故，使人们的生活和生产无法正常进行。特别是高桥、长下坡、陡急坡、涵洞及隧道等处，一旦与路面冰雪相结合，就会对行车安全产生较大危害。江苏省盐靖高速与启扬高速交汇处的桥头枢纽是泰州市重要的交通枢纽，立交桥桥底悬空，桥面气温偏低，在冬季路面比一般路基段路面更易发生冰雪灾害。因该地距养护所距离较远且枢纽匝道多，需反复绕行才能完成除雪防滑。发生冰雪灾害时，更容易因为事故发生拥堵，除雪防滑等救援力量难以及时到达，处置效率较低。为提高桥头枢纽抵御冰雪灾害的能力，提升处置及时性，最大程度确保冰雪灾害期公路交通的安全、畅通，降低交通事故率与交通事故损失，在该处设计、安装了凝冰预警与自动处置系统。

2 系统目标及路径

（1）主动防冰

系统能主动防冰，通过实时感知路面、气象状态，经后台凝冰预警模型计算结冰时间，在结冰前发送指令主动喷洒融雪剂降低路面冰点，避免道路结冰。

（2）自动处置

整个处置过程全自动，无需人工干预、操作。系统能预警自动喷洒融雪剂，并根据冰雪情况和路表融雪剂浓度等指标水平，中间再次启动或停止喷洒。

（3）雪停路净

通过感知、判断路面有积雪或将结冰，就喷洒融雪剂，确保路面干净，始终无积雪。

（4）冬天不冰

根据泰州地区历史降雪量和持续降雪次数的统计分析，选择容积合适的融雪剂储液罐并设置液位预警，确保有融雪剂可以持续喷出，确保整个冬季路面始终不会结冰。

3 系统主要原理

（1）感知气象。通过在路侧安装路面传感器采集路面多种数据，包括：冰点温度、滑湿系数、含冰比例、路面状态、路面温度、含盐量、水膜厚度、采集时间、设备ID等。数据类型及字段说明详见表1，其中的“路面状态”包含结冰、积雪、干燥、潮湿等多种情况，可根据其值判断当前道路为哪一种状态、是否结冰，路面有积雪产生立即报警通知相关管理人员。

表1 路面、气象数据表

（2）预测结冰。通过对采集的气象信息进行计算，将实时的气象信息输入凝冰预警模型中，经过模型计算判断该路段是否将要结冰，如果要结冰，预测结冰时间，提前喷洒融雪剂。

（3）监测降雪。通过路面传感器、摄像头等设备实时监测是否有降雪，路面是否有积雪。如果有积雪及时启动喷洒系统喷洒融雪剂。

（4）液喷除雪。在道路一侧的护栏上安装输液管道传输融雪剂给各喷洒终端，安装防护桥架布设信号线和电源线给喷洒终端传输电和控制信号，通过安装在路侧护栏处的喷洒终端喷洒融雪剂消除积雪，喷洒终端间隔20m左右安装1个，喷洒范围覆盖所有车行道。

（5）醇剂融雪。道路附近农田较多，桥面多使用钢材，因此不能使用氯盐类融雪剂，避免腐蚀农田、桥面；应使用环保有机融雪剂，融雪速度快，并且不会污染农田、腐蚀钢材。

（6）见雪就喷。当感知设备监测到路面有积雪即喷洒融雪剂，融雪剂会将路面积雪融化。

（7）边下边除。雪持续下超过融雪剂的溶解量，系统经过计算发现路面再次有积雪产生或再次有凝冰的风险，会再次喷洒溶剂。

（8）剂降冰点。融雪剂冰点能达到-50℃，可有效防止结冰，保证输液管道、喷头不会被冻住。融雪剂即使被降雪稀释，也可在路面形成一层保护，不会产生打滑[1]。

（9）剂量感知。通过液位感知器，系统自动感知储液罐剩余融雪剂量，融雪剂不足时发出提示，并自动关闭系统使压力泵不会空转，保护系统。

（10）抵限再喷。系统自动计算路面当前的温度、湿度、积水情况，到达凝冰阈值再次启动喷洒除冰。当有雪落到路面上经行车压实后形成积雪，传感器会再次感知到路面有积雪产生，系统启动喷洒融雪剂消融压实的积雪，直至积雪融化成水为止。

4 系统总体设计

4.1 系统架构

系统分为3部分：预警子系统、控制子系统和喷洒终端（见图1）。预警子系统硬件设备包括气象站、路面传感器、摄像头、数据采集箱等[2]；软件部分主要是凝冰预警算法，其以气象数据为输入进行计算，当预警指标超过阈值时报警，并将报警信息发送至控制子系统和其他数据共享接口。控制子系统包含电路安全保护设备、基于嵌入式的核心控制部件、增压水泵、路由器、压力计等；软件包含喷洒控制程序、安全运维程序。喷洒终端硬件主要包含喷头、球阀、壳体等；软件主要包含喷头控制程序。

图1 系统总体架构图

喷洒控制子系统的主要业务功能包括：指令处理、喷洒启停、液位检查、协议转换、安全运维；数据处理功能主要包含数据转换、数据存储、喷洒记录、使用日志、图像存储。同时系统使用了机器学习、视频分析、电流保护、配置中心、数据仓库等技术来支撑系统的功能。预警系统、喷洒控制系统和喷洒终端互相独立，当某一系统出现问题时不会影响其他系统功能。控制系统使用心跳报文，每10min向各模块发出检测指令，检测各设备、喷洒终端是否正常工作，如有异常及时向管理人员发出通知。

数据存储和计算部分保存在云端，可保障24h不宕机，当系统访问量大时可随时扩展数据存储容量，调整网络连接增加用户并发量。系统提供PC端和手机端两种操作方式，可通过手机随时随地远程控制系统。

系统设备安装分为路侧部分和路上部分，路侧部分安装储液罐、机房、增压泵等，路上部分安装输液管道、防护桥架、喷洒终端等。

4.2 业务流程

系统由预警子系统气象采集模块采集气象数据，经预警模块计算后传输至控制系统，数据分析计算后发出预警信息，同时将预警信息发送至用户平台和其他数据接口。由控制系统启动喷洒终端控制喷头进行喷洒，业务流程图如图2所示。

图2 业务流程图

喷洒控制流程如图3所示，系统接收用户或系统自动触发的喷洒指令后经核心控制模块对指令进行解码分析，确定此次喷洒的范围和强度，将喷洒命令下发到喷洒控制器，由喷洒执行器进行喷洒，喷洒完毕由喷洒控制器将完成信号传回给核心控制模块。

图3 喷洒控制流程图

喷洒完成后如因降雪造成融雪剂浓度降低，再次到达结冰阈值触发预警，喷洒控制系统将继续发出喷洒指令给喷洒控制器，以实现抵限再喷。

4.3 数据库设计

数据库共分为6个表，分别为公路信息表、安装点信息表、设备信息表、路面感知设备表、能见度数据表和气象站数据表。公路表中存储每条道路的信息，主要包含：路段名称、起点终点、路段编号等；安装点表主要存储安装点编号、安装点名称、所属路段号、经纬度、安装的设备等；设备信息表主要包含安装点编号、设备编号、设备名称等；路面感知设备表主要存储设备ID、冰点温度等路面传感器采集的数据；能见度和气象站表主要保存能见度、气象站名称、温度、湿度、风力、风向等气象站数据。一条公路可以包含多个安装点，一个安装点可以包含多个设备，均是1对多的关系。公路ID作为公路表的主键和安装点表的外键，安装点以ID号作为主键，同时该编号也作为设备表的外键。数据接口设计如表2所示。

表2 数据接口数据表

5 子系统设计

5.1 预警子系统

（1）工作流程

预警子系统的工作流程如图4所示。主要步骤为：①气象站、路面传感器采集气象信息传输到数据采集箱；②数据采集箱汇集数据后将二进制数据按协议转换成数字信号；③将数字信号经网络传输到云平台，进行数据存储和预警计算；④预警模块根据算法结合气象大数据进行计算；⑤发出是否即将结冰的信号。

图4 预警子系统流程图

（2）数据转换

数据帧的组成包括：帧起始控制字符、帧头版本号、接收地址、发送地址、数据字节数、有效传输起始控制字符、命令符、命令版本号、数据字节、有效传输终止控制字符、字节校验、位循环冗余码校验、帧终止控制字符、控制字符。按照帧格式经对数据帧的解析和数据校验解析获得最终的气象数据。

哦，老板娘把他当成煤倒，当成火药、雷管的走私者。何良诸徒步考察边地，一年了，快走成野狗，走成狼了。何良诸龇牙，笑笑。就在这时，一辆载满木材的卡车开来，在马路上停下。司机摇下玻璃窗，探出戴着狗皮帽的脑袋，吸溜鼻子，大声问：“小勺，有地儿吗？”

（3）数据传输

主要通过4G网络和有线网络将数据传输到云平台和业主的数据中心。

（4）预警计算

根据采集的气象、路面信息对凝冰进行预警计算，采集的数据经解码传输到预警模块进行计算。预警算法主要涉及线性的温度下降预警和采用机器学习的凝冰预警算法。

线性凝冰预警的主要思路为：在某一时间点对凝冰进行检测，记录下该时间点a的温度，经过数分钟后再次进行凝冰检测，记录下该时间点b的温度，根据路面传感器采集到的路面冰点温度为结冰温度c，假设温度是线性下降的，根据a至b所需的时间来计算b至c所需的时间。

机器学习的凝冰预警算法[3]主要思路是：通过BP神经网络按照误差反向传播算法，训练多层前馈网络，根据历史凝冰数据作为输入学习样本，通过反向传播算法对每一层的网络偏差和权值进行反复的调整训练，使最终得到的输出值尽可能与期望值相接近。针对山东、贵州、内蒙古、河南等多地的监测站点，每年冬季都会存储4个月左右的凝冰历史数据，本地采集的冬季气象数据也将作为新的训练数据加入学习样本库，系统根据每年的历史数据作为学习样本，训练凝冰计算模型，对实时采集的数据进行计算得出凝冰时间[4]。

5.2 控制子系统

控制系统的核心控制逻辑使用可编程序控制器（Programmable Logic Controller）实现。PLC是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有顺序控制、定时、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网等功能。系统由硬件和软件组成，是能独立进行运作的器件。其软件只包括软件运行环境及操作系统，硬件包括信号处理器、存储器、通信模块等。使用ARMCortex芯片STM32F103的硬件电路设计，这部分主要用来实现控制电路的控制逻辑，实现PC端到喷洒终端输入通信，以及喷洒终端控制电路与自动喷洒阀、上升电动机、旋转电动机之间的控制。

（2）通信协议

ADI喷头控制器与凝冰处理主控制器之间采用自定义RS-485通信协议，所有的喷洒控制命令均由主控器监控软件发起，喷头控制器接收相应的指令后，对命令进行处理，将处理结果返回给主控制器监控软件[5]。RS-485是通信工业中应用最广泛的一种串行接口，串行口采用半双工的异步串行通信方式，协议格式为“9600,N,8,1”，即波特率为9 600bps，无奇偶校验，8位数据，1个停止位。主机与设备之间采用轮询方式。

（3）数据说明

数据帧格式主要字段及说明如表3所示。

表3 帧格式字段说明

5.3 喷洒终端设计

（1）工作流程

喷洒终端的控制流程如图5所示，主要涉及：①喷头终端通电开始工作后，进行系统初始化检查，然后处于待机状态；②一旦收到PC端命令，喷头终端控制电路控制升降电机运行，从地面升出，到达顶点后，启动旋转电机，并打开电动喷阀，喷洒融雪剂；③按照PC端指令喷洒对应时间后，关闭喷阀，旋转电机停止工作并归位；④如收到升降电机下降的指令，触动升降电机下降，进入待机模式，等待下一次工作指令。

图5 喷洒终端流程图

（2）安装位置

喷洒终端安装在防撞护栏上，距离地面约30cm处，每个喷洒终端间距24m，喷头通过180°旋转实现对道路各处喷洒的全覆盖。在道路转弯处为保证对道路的覆盖，增加安装喷洒终端。

6 应用效果

2022年2月4日泰州地区普降大雪，时间持续12h，降雪量在6mm，系统在凌晨4点监测到有降雪发生，自动喷洒融雪剂，4日上午和下午又补充喷洒融雪剂数次，保障全天路面无积雪结冰。经2021年冬季的应用证明系统能实现进行自动喷洒融雪剂，可大幅度降低机械作业工作强度，降低养护作业的事故发生率，提高养护工作效率。系统可实时监测路面凝冰状况，能预防在先，提高凝冰处置的及时性；能自动、均匀喷洒融雪剂，可通过控制阀均衡喷洒压力和喷洒流量，不造成融雪剂的过量洒布，具有节约融雪剂的优点。

7 结语

本文针对高速公路的冰雪灾害问题，重点研究了高速公路路面凝冰预测控制算法、融冰自动喷洒控制算法等关键技术，设计了高速公路凝冰预警及自动化处置系统，系统集成了气象站、路面传感器和融雪剂喷洒控制系统。通过凝冰预警、自动除冰融雪等一系列智能化处置服务，可快速应对冰雪等恶劣气象灾害，提升高速公路安全畅通程度和运营保障水平。