基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能化融雪化冰系統(tǒng)研究

馬駿騰，原偉杰

（1.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100010；2.河南省水利第二工程局，河南 鄭州 450000）

0 引言

神農(nóng)架林區(qū)位于湖北省西北部，境內(nèi)最高峰神農(nóng)頂海拔3 105.4m，最低處海拔398m，平均海拔1 700m。神農(nóng)架以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)榛鶐ВS海拔增高，依次迭現(xiàn)暖溫帶、中溫帶、寒潮帶等多種氣候類型，境內(nèi)極端低溫-21℃，極端高溫38.5℃。神農(nóng)架的旅游旺季在4~10月，由于冬季長(zhǎng)期積雪，交通中斷，造成旅游產(chǎn)業(yè)基本處于癱瘓狀態(tài)。因此，冰雪產(chǎn)業(yè)成為破解旅游季節(jié)平衡和旅游轉(zhuǎn)型升級(jí)難題的一個(gè)重要突破口。為保障和加速冬季旅游的發(fā)展，一種經(jīng)濟(jì)可行的融雪化冰技術(shù)顯得尤為迫切。

1 路面融雪化冰技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程針對(duì)道路融雪化冰技術(shù)已進(jìn)行了大量應(yīng)用，主要分為主動(dòng)式融雪技術(shù)和被動(dòng)式融雪技術(shù)。主動(dòng)式融雪技術(shù)主要為鋪設(shè)融雪化冰設(shè)備和添加抗凝冰改性劑，被動(dòng)式融雪技術(shù)主要為依靠機(jī)械除雪和撒融雪劑。

主動(dòng)式融雪技術(shù)和被動(dòng)式融雪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中均有利弊，但是隨著綠色公路的要求不斷提高和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用越來(lái)越多。本設(shè)計(jì)將電能轉(zhuǎn)化為熱能，以碳纖維加熱電纜為載體，將其提前鋪設(shè)于路面結(jié)構(gòu)中，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使其達(dá)到融雪化冰的目的。

2 融雪化冰系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)原理

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成：本系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。

加熱系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)主要為碳纖維發(fā)熱線纜，該線纜主要組成部分為阻燃PVC、特氟龍、碳纖維和特制母液，見圖1。加熱系統(tǒng)通過(guò)控制系統(tǒng)與電源系統(tǒng)相連；RTU控制器通過(guò)溫度、濕度傳感器結(jié)合圖片比對(duì)技術(shù)，在道路剛開始下雪或結(jié)冰初期通電自動(dòng)檢測(cè)，使降落在路面上的冰雪及時(shí)融化，從而有效預(yù)防路面結(jié)冰；或根據(jù)交通量特點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，使加熱系統(tǒng)間歇式做功，達(dá)到路面無(wú)冰目的，確保交通的暢通。

圖1 碳纖維發(fā)熱線纜結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)：包括手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程智能控制，可根據(jù)實(shí)際情況選用?？刂葡到y(tǒng)包括前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，其中前端監(jiān)測(cè)包括路面結(jié)冰探測(cè)、雪深探測(cè)、溫濕度探測(cè)，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量公路的溫度、濕度、降雪結(jié)冰情況等數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)主要為互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸，用于現(xiàn)場(chǎng)信息、指令的傳輸。

2.3 系統(tǒng)工作流程

山區(qū)旅游公路融雪化冰系統(tǒng)工作流程見圖2，具體步驟如下：①通過(guò)智能化融雪化冰系統(tǒng)中的溫濕度傳感器、智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路表變化；②當(dāng)路面溫度達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度值時(shí)，傳感器將信息反饋給控制系統(tǒng)；③控制系統(tǒng)依據(jù)探測(cè)到的溫度信息，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)信息，計(jì)算加熱功率，以此為依據(jù)判斷是否開啟碳纖維加熱系統(tǒng)；④碳纖維加熱工作完成后，繼續(xù)重復(fù)新的一輪工作。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部可實(shí)時(shí)記錄工作過(guò)程，運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化碳纖維加熱功率及工作時(shí)間。

圖2 融雪化冰拓?fù)鋱D

2.4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有：①高效、主動(dòng)預(yù)防：系統(tǒng)可自動(dòng)啟動(dòng)，對(duì)路面進(jìn)行預(yù)熱，可使道路常年不積雪、不結(jié)冰；②省心、全自動(dòng)融雪：路面有融雪需求時(shí)，RTU智能融雪控制系統(tǒng)通過(guò)多種傳感器收集的信息自動(dòng)分析并啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)融雪化冰；③方便、遠(yuǎn)程可視化養(yǎng)護(hù)：可通過(guò)遠(yuǎn)程端（電腦、手機(jī)）24小時(shí)觀測(cè)路面融雪情況；④環(huán)保、零污染：使用清潔能源，無(wú)任何化學(xué)成分，無(wú)污染；⑤節(jié)能、徹底快捷：碳纖維發(fā)熱電纜電熱轉(zhuǎn)化率高達(dá)98.2%，遠(yuǎn)高于同類型產(chǎn)品；電熱法融雪化冰時(shí)間短，受熱均衡，可迅速達(dá)到無(wú)冰無(wú)雪的最佳效果，融雪效率高；⑥無(wú)需維護(hù)、使用簡(jiǎn)單：施工、使用簡(jiǎn)單易行，無(wú)后期維護(hù)費(fèi)用；⑦安全、使用壽命長(zhǎng)：碳纖維發(fā)熱材料采用非金屬材料作為發(fā)熱體，無(wú)功率衰減，其外絕緣層的材質(zhì)經(jīng)過(guò)改良后應(yīng)用于公路鋪設(shè)，發(fā)熱線理論壽命在50年以上。

3 碳纖維加熱路面技術(shù)的應(yīng)用

3.1 發(fā)熱電纜功率設(shè)計(jì)

發(fā)熱電纜功率的確定是構(gòu)造系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)主要需計(jì)算必需發(fā)熱量、融雪必需熱量、防止凍結(jié)必需的熱量。

（1）必需發(fā)熱量的計(jì)算方法

道路融雪滑冰設(shè)備的必需發(fā)熱量QO可通過(guò)下式計(jì)算：

2.1.1 農(nóng)作物灌溉用水。村里的田地都是依靠南馬河供給的河水進(jìn)行分流引水灌溉。村里田地旁有一條從南馬河流下來(lái)，灌溉用的水渠，用土坎從高往低處引流出一道水渠，農(nóng)田灌溉都是在自家田地里用短膠管開出水流灌溉通道，將水渠流過(guò)的水引到自家地里，進(jìn)行水稻灌溉，等到水量可以滿足作物需水量的時(shí)候，用石頭將流向自家田地的水堵上，防止水量過(guò)大淹沒(méi)農(nóng)田，但是田里主要的經(jīng)濟(jì)作物是水稻，需水量很大，所以基本很少會(huì)去控制流進(jìn)水田的水量。南馬河的水主要靠雨水補(bǔ)給，該地地處亞熱帶，降水量充足，所以河水水量充沛，可以滿足種植水稻的需水量，基于此，村寨居民之間基本不存在灌溉用水分配等方面的問(wèn)題。

式（1）中：QS為雪傳達(dá)的顯熱量（W/m2）；Qm為雪的融化潛熱（W/m2）；Qe為水蒸氣的蒸發(fā)潛熱（W/m2）；Qh為對(duì)流以及輻射產(chǎn)生的傳熱量（W/m2）；Ar為融雪面上沒(méi)有雪的部分所占比例；η為熱效率；QS+Qm表示融雪所需熱量；Ar(Qe+Qh)表示為防止路面凍結(jié)所需的熱量（空氣從路面帶走的熱量）。

（2）融雪所必需熱量的計(jì)算方法

進(jìn)行融雪時(shí)，如果有一層薄雪覆蓋在路面的狀態(tài)被允許，那么由于空氣所帶走的熱量很小，就算省略也不會(huì)有大的影響，因此Qs+Qm就可視為融雪所必需的熱量。

式（2）~式（5）中：ρ為雪的密度（kg/m3），取值范圍在50~300kg/m3；c為雪的比熱（kJ/（kg·K）），c=2.1kJ/（kg·K）；S為平均降雪強(qiáng)度（m/h），通常取0.02~0.03m/h；γ為冰的溶解熱（kJ/kg），γ=336kJ/kg；Tm為融雪溫度（℃），Tm=1℃；To為外氣溫度（℃）；Hm為平均日降雪厚度（cm/d），由累計(jì)降雪厚度（cm）除以降雪總天數(shù)得到。

（3）防止凍結(jié)必需熱量的計(jì)算方法

由于路面溫度和大氣溫度都比較低，蒸發(fā)量也較小，即使忽略不計(jì)，也不會(huì)有較大影響，因此，在計(jì)算防止凍結(jié)必需的熱量時(shí)，可僅計(jì)算從路面向空氣的發(fā)熱量（對(duì)流、輻射）。這種情況下，認(rèn)為不存在被雪覆蓋的部分，則Ar為1。

式（6）~式（7）中：α為路面的表面熱傳導(dǎo)率[W/（m2·K）]；V為風(fēng)速（m/s），通常為2~3m/s。

道路融雪設(shè)備必需的發(fā)熱量Q通常采用融雪熱量和防止凍結(jié)熱量中的較大值。根據(jù)理論計(jì)算，本項(xiàng)目采用的設(shè)計(jì)發(fā)熱量為300W/m2。

3.2 碳纖維發(fā)熱系統(tǒng)路面安裝工法

路面碳纖維發(fā)熱電纜一般鋪設(shè)為平行形和旋轉(zhuǎn)形，如圖3所示。為達(dá)到使用效果最優(yōu)和降低施工難度，本項(xiàng)目采用平行式。碳纖維加熱電纜多采用路面刻槽鋪設(shè)法，但是本項(xiàng)目路面基層為水泥穩(wěn)定碎石，刻槽施工難度大；本系統(tǒng)通過(guò)改善電纜設(shè)計(jì)，提高抗拉強(qiáng)度，可采用直接鋪設(shè)的方式進(jìn)行固定鋪設(shè)，大幅降低了施工難度。

圖3 路面碳纖維發(fā)熱電纜鋪設(shè)形式

3.3 碳纖維發(fā)熱電纜鋪設(shè)位置

3.3.1 碳纖維發(fā)熱電纜立面位置設(shè)計(jì)

神農(nóng)架林區(qū)項(xiàng)目為兩層瀝青層的路面鋪裝，可采用的發(fā)熱電纜埋設(shè)位置有兩種：

（1）將發(fā)熱電纜布設(shè)在瀝青上、下面層之間。碳纖維電纜距離路面表面最近，融雪化冰效果最優(yōu)且耗能較低。但如果采用位置鋪裝，若在運(yùn)營(yíng)后期進(jìn)行大中修，銑刨面層過(guò)程中可能會(huì)對(duì)電纜造成破壞，使得系統(tǒng)無(wú)法使用，壽命周期僅為10年左右。

（2）將發(fā)熱電纜布設(shè)在上基層與瀝青下面層之間。該方法由于發(fā)熱電纜距離路基表面較遠(yuǎn)，融冰化雪效果略差且耗能較高。但是其在運(yùn)營(yíng)后期進(jìn)行大中修時(shí)不會(huì)對(duì)電纜造成破壞，具有較長(zhǎng)壽命。

綜合考慮融冰化雪效果、使用壽命以及耗能情況，本系統(tǒng)采用方案二，將碳纖維電纜布設(shè)在瀝青下面層與上基層之間。

3.3.2 碳纖維電纜平面位置設(shè)計(jì)

發(fā)熱電纜在路面主要有兩種鋪設(shè)形式，一種是全行車道滿鋪，一種是僅在輪跡帶鋪設(shè)。行車道滿鋪具有融雪化冰效果優(yōu)、投資大、耗能高等特點(diǎn)，輪跡帶鋪設(shè)會(huì)降低融雪化冰效果，卻能減少近70%的投資。根據(jù)項(xiàng)目投資以及融雪化冰要求，本項(xiàng)目采取僅在輪跡帶鋪設(shè)的方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以神農(nóng)架林區(qū)旅游公路為例，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能融雪化冰系統(tǒng)。融雪化冰系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)為依托，使景區(qū)旅游公路實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)融雪化冰的功能。碳纖維發(fā)熱電纜具備高抗拉強(qiáng)度、發(fā)熱穩(wěn)定、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是山區(qū)公路，尤其是自然保護(hù)區(qū)等旅游景區(qū)冬季融雪化冰的最佳方案。

本文不僅介紹了系統(tǒng)的組成及工作原理，而且從多角度分析了該系統(tǒng)的特點(diǎn)。為降低施工難度，本系統(tǒng)了提高碳纖維發(fā)熱電纜的強(qiáng)度，可使其直接固定在基層上方。又考慮到系統(tǒng)的發(fā)熱效果和使用壽命，將加熱電纜回折鋪設(shè)于下面層與上基層之間。該系統(tǒng)可有效進(jìn)行融雪化冰，保證了景區(qū)冬季行車安全，為發(fā)展景區(qū)冬季旅游經(jīng)濟(jì)做出了貢獻(xiàn)。