新型抗路面凝冰除雪裝備的探究與研發(fā)

婁勝利 尚曉攀 韓宗睿

（1.象譜信息產(chǎn)業(yè)有限公司，山東濟(jì)南 250101；2.山東旅游職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南 250200）

一、國(guó)內(nèi)外融冰除雪現(xiàn)狀概況

（一）技術(shù)分析[1]

國(guó)內(nèi)外路面抗凝冰的方法大體可分為主動(dòng)型和被動(dòng)型兩種。主動(dòng)型方法有：彈性路面融雪技術(shù)、能量轉(zhuǎn)化型融雪技術(shù)、化學(xué)類凍結(jié)抑制、耐磨抗滑技術(shù)、融冰雪路面圖層技術(shù)；被動(dòng)型方法有：使用融雪劑、路面加熱、人工機(jī)械除冰。從處置方法來(lái)看，主動(dòng)型的技術(shù)理念明顯要優(yōu)于被動(dòng)型，但新技術(shù)的使用成本明顯要高于傳統(tǒng)技術(shù)。如，改性瀝青價(jià)格普遍在2800元/噸～4900元/噸以上，而傳統(tǒng)瀝青的價(jià)格普遍在1200元/噸～2600元/噸。

（二）發(fā)展趨勢(shì)[2][3]

隨著理念和技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外道路融冰除雪的發(fā)展趨勢(shì)也在發(fā)生變化，這些變化主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

1.建立“實(shí)時(shí)除雪”理念

從歷年冬季保通工作的成果來(lái)看，在不中斷交通的情況下及時(shí)完成除雪工作才是比較科學(xué)合理的除雪方式，因?yàn)榉e雪被壓實(shí)的過(guò)程中需要消耗大量能量，積雪積壓越久，使用機(jī)械除雪就越耗時(shí)耗力。

2.建設(shè)冰雪控制系統(tǒng)

建立一套適應(yīng)本國(guó)或本地區(qū)的冰雪控制系統(tǒng)，統(tǒng)籌解決除雪指揮和除雪執(zhí)行問題，科學(xué)控制資源調(diào)度，安全、高效、經(jīng)濟(jì)地完成除雪任務(wù)，是保障冬季道路暢通的關(guān)鍵所在。

二、瀝青路面凝冰機(jī)理與環(huán)境影響分析

國(guó)內(nèi)對(duì)于瀝青路面凝冰形成機(jī)理與環(huán)境條件之間的關(guān)系已有一套較為成熟的理論，此處選取比較有代表性的Bayes判別理論對(duì)氣象要素與凝冰相關(guān)性作簡(jiǎn)要介紹[4][5]。

按照實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，對(duì)路面凝冰影響最大的因素主要有環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速3 個(gè)參量。輸入向量，其中分別為環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境風(fēng)速3 個(gè)變量的語(yǔ)言變量。用Bayes 判別分析，其先驗(yàn)概率為(由經(jīng)驗(yàn)給出)；的P維密度函數(shù)分別為

利用模擬實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多氣象因素與凝冰相關(guān)性的分析，同時(shí)采用Bayes判別理論，預(yù)測(cè)共應(yīng)產(chǎn)生凝冰1530次，實(shí)際產(chǎn)生凝冰1236次，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)80.7%，誤報(bào)率和漏報(bào)率分別為18%和3%，如表1所示。

表1 Bayes判別理論準(zhǔn)確性分析

表1 Bayes判別理論準(zhǔn)確性分析

綜上，根據(jù)凝冰模擬實(shí)驗(yàn)和Bayes判別理論，可知凝冰影響的主要影響因素為氣溫、降水量和風(fēng)。當(dāng)氣溫介于-10℃～0℃、相對(duì)濕度大于75%、風(fēng)速介于0m/s～10m/s、風(fēng)向較為固定時(shí)容易產(chǎn)生凝冰。我國(guó)南方地區(qū)瀝青路面產(chǎn)生凝冰的主要原因是凍雨；北方地區(qū)瀝青路面產(chǎn)生凝冰的主要原因是白天降雪后融化的雪在夜晚凝結(jié)成冰。

三、環(huán)保融雪劑及新型抗路面凝冰裝備

（一）環(huán)保融雪劑研發(fā)

植物基融雪劑是采用植物秸稈（主要是玉米秸稈）為原料，經(jīng)過(guò)一系列生物化學(xué)反應(yīng)得來(lái)的，不含任何氯化物、硫酸鹽及亞硝酸鹽，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害，對(duì)水泥混凝土、瀝青混凝土和鋼材幾乎沒有腐蝕性。融雪劑的成分構(gòu)成元素主要為碳、氫、氧，因此在自然界中極易被微生物分解，稀釋后的溶液可直接作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被植物吸收。

（二）融雪劑性能試驗(yàn)

降雪后，使用含氯融雪劑進(jìn)行作業(yè)，由于氣溫驟降等原因，融雪效果不明顯，路面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

使用植物基融雪劑進(jìn)行噴灑作業(yè)，噴灑后5分鐘冰面表層開始融化，20分鐘后冰面融化部分成泥狀，40分鐘后路面結(jié)冰融化70%。

本次采取室外試驗(yàn)，驗(yàn)證了植物基融雪劑的效果和性能，通過(guò)綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，植物基融雪劑與傳統(tǒng)氯鹽融雪劑相比，具有融雪效率高、冰凍點(diǎn)低、綠色環(huán)保、對(duì)鋼筋腐蝕性低及長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)。

（三）凝冰自動(dòng)化處置裝備[6]

凝冰積雪處置裝備系統(tǒng)契合“實(shí)時(shí)除雪”的最新理念，在路段上設(shè)置了一套交通氣象預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)和融雪劑自動(dòng)噴灑系統(tǒng)。在冬季，由氣象預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)提前感知將要發(fā)生的降雪或路面凝冰并發(fā)布預(yù)警指令，由自動(dòng)噴灑系統(tǒng)根據(jù)指令等級(jí)自動(dòng)噴灑提前儲(chǔ)存好的融雪劑。小雪或中雪的情況下，實(shí)時(shí)噴灑，積雪落地即溶不結(jié)冰；大雪及暴雪的情況下提前噴灑，至少保障路段一條車道的通行能力，實(shí)現(xiàn)了“保障安全、降低成本、提升效率、保護(hù)環(huán)境”的目標(biāo)。

1.自動(dòng)噴灑系統(tǒng)

自動(dòng)噴灑系統(tǒng)主要包括智能控制噴灑終端、控制柜、儲(chǔ)液罐及機(jī)房等。

智能控制噴灑終端分為智能控制一體盒與旋轉(zhuǎn)噴頭兩部分，智能控制一體盒是控制噴灑作業(yè)的裝置。控制盒采用高性能內(nèi)核微控制器作為主控芯片，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制電動(dòng)閥門工作，以達(dá)到對(duì)融雪劑用量的合理控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的融雪效果。

旋轉(zhuǎn)噴頭為自主研發(fā)的智能旋轉(zhuǎn)噴灑裝置，噴灑角度及噴灑距離可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路面寬度和安裝位置進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

圖1 噴灑終端控制一體箱

圖2 噴灑終端安裝及噴灑實(shí)景圖

圖3 綜合控制柜

控制柜由國(guó)內(nèi)技術(shù)人員自主研發(fā)，殼體內(nèi)安裝機(jī)柜智能控制電路，殼體上設(shè)置有綜合布線電子標(biāo)簽、按鈕，便于管理和遠(yuǎn)程控制，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及信息處理等領(lǐng)域。

2.工作效能

處置過(guò)程中，傳統(tǒng)人工機(jī)械與凝冰自動(dòng)處置裝備的工作效率對(duì)比如表2所示。

表2 兩種方式工作效率對(duì)比

表2 兩種方式工作效率對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比，采用凝冰自動(dòng)處置裝備處置積雪的效率明顯高于傳統(tǒng)人工機(jī)械除雪，原因主要有兩點(diǎn)：一是自動(dòng)處置裝備在降雪開始時(shí)就可進(jìn)行處置，隨著融雪劑的撒布，路面冰點(diǎn)降低，雪落即融；二是傳統(tǒng)人工機(jī)械除雪在同一時(shí)間內(nèi)只能單點(diǎn)處理，而自動(dòng)處置裝備則可多點(diǎn)處理。

3.凝冰自動(dòng)化處置裝備優(yōu)勢(shì)

（1）處置耗時(shí)短 節(jié)能環(huán)保

凝冰自動(dòng)化處置裝備從險(xiǎn)情出現(xiàn)到處置完成，綜合平均耗時(shí)不超過(guò)30min，且處置過(guò)程全自動(dòng)，無(wú)需養(yǎng)護(hù)人員上路操作。根據(jù)雪量大小，在保證路面不發(fā)生凝冰的情況下，可精準(zhǔn)控制融雪劑的使用量，節(jié)能環(huán)保，延長(zhǎng)了橋梁道面的使用壽命。

（2）降低管養(yǎng)成本 提升通行效率

道路凝冰自動(dòng)化處置裝備系統(tǒng)的服務(wù)可有效建立健全公路惡劣天氣應(yīng)急機(jī)制，保證公路本身的通行能力?？蓪?shí)現(xiàn)人力、物力的及時(shí)調(diào)度，迅速疏導(dǎo)交通，搶救生命財(cái)產(chǎn)，使人們的出行更加安全、便捷。

（3）打造零事故、零封閉、全天候通行的智慧路、安全路

通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)，建立路面狀態(tài)智能全感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)交通氣象預(yù)測(cè)功能，可將氣象預(yù)警信息與限速系統(tǒng)結(jié)合，一方面降低因惡劣天氣帶來(lái)的交通事故發(fā)生率；另一方面加強(qiáng)對(duì)應(yīng)急險(xiǎn)情的處置能力。

四、大力發(fā)展道路融冰除雪技術(shù)的意義

我國(guó)在抗結(jié)冰積雪方面的研究相較于國(guó)外仍相對(duì)落后。綜合國(guó)外大量研究實(shí)例與國(guó)內(nèi)少量實(shí)例來(lái)看，大力發(fā)展道路融冰除雪技術(shù)對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)是非常必要的，尤其對(duì)于冬季漫長(zhǎng)的北方城市而言，可極大地提高出行效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

凝冰自動(dòng)化處置裝備的研發(fā)和應(yīng)用，可有效促進(jìn)公路運(yùn)營(yíng)安全、暢通目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而且還將推動(dòng)科技管理和服務(wù)向著“主動(dòng)、提前應(yīng)對(duì)（防御）低溫氣象災(zāi)害”的方向發(fā)展，從而改變被動(dòng)應(yīng)付的局面，實(shí)現(xiàn)從“硬建設(shè)”到“軟服務(wù)”的轉(zhuǎn)移。

五、結(jié)語(yǔ)

在新型抗路面凝冰除雪裝備的探究與研發(fā)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合技術(shù)要素和管理機(jī)制，構(gòu)建完整的監(jiān)督控制體系，以減少路面危險(xiǎn)、發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)為主導(dǎo)，為交通事業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的路面凝冰和積雪處置方案設(shè)計(jì)，利用新型環(huán)保融雪劑及凝冰高危路段自動(dòng)化處置系統(tǒng)，在為管理人員提供一個(gè)可視化操作平臺(tái)的基礎(chǔ)上，更加自動(dòng)、智能地實(shí)現(xiàn)了結(jié)冰和積雪處置，降低了公路的養(yǎng)護(hù)成本，提升了養(yǎng)護(hù)效率。但是，在極端低溫、凍雨、大雪天氣條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提升，仍需技術(shù)和材料上的進(jìn)一步完善。