鹽靖高速公路橋頭樞紐凝冰預(yù)警及自動(dòng)化處置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱連照，朱強(qiáng)

（1.江蘇寧靖鹽高速公路有限公司，江蘇 泰州 225529；2.交科院公路工程科技（北京）有限公司，北京 100029）

1 冬季除冰雪面臨的問題

隨著現(xiàn)代公路運(yùn)輸體系所追求的快速、高效、安全理念的提出，在極端氣候條件下道路行車安全越來越受到關(guān)注。冬季冰雪不僅會(huì)導(dǎo)致路面病害高發(fā)，同時(shí)也給行車安全帶來了隱患。路面冰雪會(huì)導(dǎo)致路面抗滑能力大幅度降低，削弱道路的通行能力，容易產(chǎn)生惡性交通事故，使人們的生活和生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。特別是高橋、長下坡、陡急坡、涵洞及隧道等處，一旦與路面冰雪相結(jié)合，就會(huì)對(duì)行車安全產(chǎn)生較大危害。江蘇省鹽靖高速與啟揚(yáng)高速交匯處的橋頭樞紐是泰州市重要的交通樞紐，立交橋橋底懸空，橋面氣溫偏低，在冬季路面比一般路基段路面更易發(fā)生冰雪災(zāi)害。因該地距養(yǎng)護(hù)所距離較遠(yuǎn)且樞紐匝道多，需反復(fù)繞行才能完成除雪防滑。發(fā)生冰雪災(zāi)害時(shí)，更容易因?yàn)槭鹿拾l(fā)生擁堵，除雪防滑等救援力量難以及時(shí)到達(dá)，處置效率較低。為提高橋頭樞紐抵御冰雪災(zāi)害的能力，提升處置及時(shí)性，最大程度確保冰雪災(zāi)害期公路交通的安全、暢通，降低交通事故率與交通事故損失，在該處設(shè)計(jì)、安裝了凝冰預(yù)警與自動(dòng)處置系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)目標(biāo)及路徑

（1）主動(dòng)防冰

系統(tǒng)能主動(dòng)防冰，通過實(shí)時(shí)感知路面、氣象狀態(tài)，經(jīng)后臺(tái)凝冰預(yù)警模型計(jì)算結(jié)冰時(shí)間，在結(jié)冰前發(fā)送指令主動(dòng)噴灑融雪劑降低路面冰點(diǎn)，避免道路結(jié)冰。

（2）自動(dòng)處置

整個(gè)處置過程全自動(dòng)，無需人工干預(yù)、操作。系統(tǒng)能預(yù)警自動(dòng)噴灑融雪劑，并根據(jù)冰雪情況和路表融雪劑濃度等指標(biāo)水平，中間再次啟動(dòng)或停止噴灑。

（3）雪停路凈

通過感知、判斷路面有積雪或?qū)⒔Y(jié)冰，就噴灑融雪劑，確保路面干凈，始終無積雪。

（4）冬天不冰

根據(jù)泰州地區(qū)歷史降雪量和持續(xù)降雪次數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，選擇容積合適的融雪劑儲(chǔ)液罐并設(shè)置液位預(yù)警，確保有融雪劑可以持續(xù)噴出，確保整個(gè)冬季路面始終不會(huì)結(jié)冰。

3 系統(tǒng)主要原理

（1）感知?dú)庀?。通過在路側(cè)安裝路面?zhèn)鞲衅鞑杉访娑喾N數(shù)據(jù)，包括：冰點(diǎn)溫度、滑濕系數(shù)、含冰比例、路面狀態(tài)、路面溫度、含鹽量、水膜厚度、采集時(shí)間、設(shè)備ID等。數(shù)據(jù)類型及字段說明詳見表1，其中的“路面狀態(tài)”包含結(jié)冰、積雪、干燥、潮濕等多種情況，可根據(jù)其值判斷當(dāng)前道路為哪一種狀態(tài)、是否結(jié)冰，路面有積雪產(chǎn)生立即報(bào)警通知相關(guān)管理人員。

表1 路面、氣象數(shù)據(jù)表

（2）預(yù)測(cè)結(jié)冰。通過對(duì)采集的氣象信息進(jìn)行計(jì)算，將實(shí)時(shí)的氣象信息輸入凝冰預(yù)警模型中，經(jīng)過模型計(jì)算判斷該路段是否將要結(jié)冰，如果要結(jié)冰，預(yù)測(cè)結(jié)冰時(shí)間，提前噴灑融雪劑。

（3）監(jiān)測(cè)降雪。通過路面?zhèn)鞲衅?、攝像頭等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有降雪，路面是否有積雪。如果有積雪及時(shí)啟動(dòng)噴灑系統(tǒng)噴灑融雪劑。

（4）液噴除雪。在道路一側(cè)的護(hù)欄上安裝輸液管道傳輸融雪劑給各噴灑終端，安裝防護(hù)橋架布設(shè)信號(hào)線和電源線給噴灑終端傳輸電和控制信號(hào)，通過安裝在路側(cè)護(hù)欄處的噴灑終端噴灑融雪劑消除積雪，噴灑終端間隔20m左右安裝1個(gè)，噴灑范圍覆蓋所有車行道。

（5）醇劑融雪。道路附近農(nóng)田較多，橋面多使用鋼材，因此不能使用氯鹽類融雪劑，避免腐蝕農(nóng)田、橋面；應(yīng)使用環(huán)保有機(jī)融雪劑，融雪速度快，并且不會(huì)污染農(nóng)田、腐蝕鋼材。

（6）見雪就噴。當(dāng)感知設(shè)備監(jiān)測(cè)到路面有積雪即噴灑融雪劑，融雪劑會(huì)將路面積雪融化。

（7）邊下邊除。雪持續(xù)下超過融雪劑的溶解量，系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)路面再次有積雪產(chǎn)生或再次有凝冰的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)再次噴灑溶劑。

（8）劑降冰點(diǎn)。融雪劑冰點(diǎn)能達(dá)到-50℃，可有效防止結(jié)冰，保證輸液管道、噴頭不會(huì)被凍住。融雪劑即使被降雪稀釋，也可在路面形成一層保護(hù)，不會(huì)產(chǎn)生打滑[1]。

（9）劑量感知。通過液位感知器，系統(tǒng)自動(dòng)感知儲(chǔ)液罐剩余融雪劑量，融雪劑不足時(shí)發(fā)出提示，并自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)使壓力泵不會(huì)空轉(zhuǎn)，保護(hù)系統(tǒng)。

（10）抵限再噴。系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算路面當(dāng)前的溫度、濕度、積水情況，到達(dá)凝冰閾值再次啟動(dòng)噴灑除冰。當(dāng)有雪落到路面上經(jīng)行車壓實(shí)后形成積雪，傳感器會(huì)再次感知到路面有積雪產(chǎn)生，系統(tǒng)啟動(dòng)噴灑融雪劑消融壓實(shí)的積雪，直至積雪融化成水為止。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為3部分：預(yù)警子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和噴灑終端（見圖1）。預(yù)警子系統(tǒng)硬件設(shè)備包括氣象站、路面?zhèn)鞲衅鳌z像頭、數(shù)據(jù)采集箱等[2]；軟件部分主要是凝冰預(yù)警算法，其以氣象數(shù)據(jù)為輸入進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)預(yù)警指標(biāo)超過閾值時(shí)報(bào)警，并將報(bào)警信息發(fā)送至控制子系統(tǒng)和其他數(shù)據(jù)共享接口?？刂谱酉到y(tǒng)包含電路安全保護(hù)設(shè)備、基于嵌入式的核心控制部件、增壓水泵、路由器、壓力計(jì)等；軟件包含噴灑控制程序、安全運(yùn)維程序。噴灑終端硬件主要包含噴頭、球閥、殼體等；軟件主要包含噴頭控制程序。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

噴灑控制子系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)功能包括：指令處理、噴灑啟停、液位檢查、協(xié)議轉(zhuǎn)換、安全運(yùn)維；數(shù)據(jù)處理功能主要包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、噴灑記錄、使用日志、圖像存儲(chǔ)。同時(shí)系統(tǒng)使用了機(jī)器學(xué)習(xí)、視頻分析、電流保護(hù)、配置中心、數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)來支撐系統(tǒng)的功能。預(yù)警系統(tǒng)、噴灑控制系統(tǒng)和噴灑終端互相獨(dú)立，當(dāng)某一系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)不會(huì)影響其他系統(tǒng)功能。控制系統(tǒng)使用心跳報(bào)文，每10min向各模塊發(fā)出檢測(cè)指令，檢測(cè)各設(shè)備、噴灑終端是否正常工作，如有異常及時(shí)向管理人員發(fā)出通知。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算部分保存在云端，可保障24h不宕機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)訪問量大時(shí)可隨時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接增加用戶并發(fā)量。系統(tǒng)提供PC端和手機(jī)端兩種操作方式，可通過手機(jī)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)備安裝分為路側(cè)部分和路上部分，路側(cè)部分安裝儲(chǔ)液罐、機(jī)房、增壓泵等，路上部分安裝輸液管道、防護(hù)橋架、噴灑終端等。

4.2 業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)由預(yù)警子系統(tǒng)氣象采集模塊采集氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)警模塊計(jì)算后傳輸至控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析計(jì)算后發(fā)出預(yù)警信息，同時(shí)將預(yù)警信息發(fā)送至用戶平臺(tái)和其他數(shù)據(jù)接口。由控制系統(tǒng)啟動(dòng)噴灑終端控制噴頭進(jìn)行噴灑，業(yè)務(wù)流程圖如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)流程圖

噴灑控制流程如圖3所示，系統(tǒng)接收用戶或系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)的噴灑指令后經(jīng)核心控制模塊對(duì)指令進(jìn)行解碼分析，確定此次噴灑的范圍和強(qiáng)度，將噴灑命令下發(fā)到噴灑控制器，由噴灑執(zhí)行器進(jìn)行噴灑，噴灑完畢由噴灑控制器將完成信號(hào)傳回給核心控制模塊。

圖3 噴灑控制流程圖

噴灑完成后如因降雪造成融雪劑濃度降低，再次到達(dá)結(jié)冰閾值觸發(fā)預(yù)警，噴灑控制系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)出噴灑指令給噴灑控制器，以實(shí)現(xiàn)抵限再噴。

4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫共分為6個(gè)表，分別為公路信息表、安裝點(diǎn)信息表、設(shè)備信息表、路面感知設(shè)備表、能見度數(shù)據(jù)表和氣象站數(shù)據(jù)表。公路表中存儲(chǔ)每條道路的信息，主要包含：路段名稱、起點(diǎn)終點(diǎn)、路段編號(hào)等；安裝點(diǎn)表主要存儲(chǔ)安裝點(diǎn)編號(hào)、安裝點(diǎn)名稱、所屬路段號(hào)、經(jīng)緯度、安裝的設(shè)備等；設(shè)備信息表主要包含安裝點(diǎn)編號(hào)、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱等；路面感知設(shè)備表主要存儲(chǔ)設(shè)備ID、冰點(diǎn)溫度等路面?zhèn)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)；能見度和氣象站表主要保存能見度、氣象站名稱、溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等氣象站數(shù)據(jù)。一條公路可以包含多個(gè)安裝點(diǎn)，一個(gè)安裝點(diǎn)可以包含多個(gè)設(shè)備，均是1對(duì)多的關(guān)系。公路ID作為公路表的主鍵和安裝點(diǎn)表的外鍵，安裝點(diǎn)以ID號(hào)作為主鍵，同時(shí)該編號(hào)也作為設(shè)備表的外鍵。數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)表

5 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 預(yù)警子系統(tǒng)

（1）工作流程

預(yù)警子系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。主要步驟為：①氣象站、路面?zhèn)鞲衅鞑杉瘹庀笮畔鬏數(shù)綌?shù)據(jù)采集箱；②數(shù)據(jù)采集箱匯集數(shù)據(jù)后將二進(jìn)制數(shù)據(jù)按協(xié)議轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；③將數(shù)字信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和預(yù)警計(jì)算；④預(yù)警模塊根據(jù)算法結(jié)合氣象大數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；⑤發(fā)出是否即將結(jié)冰的信號(hào)。

圖4 預(yù)警子系統(tǒng)流程圖

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)幀的組成包括：幀起始控制字符、幀頭版本號(hào)、接收地址、發(fā)送地址、數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、有效傳輸起始控制字符、命令符、命令版本號(hào)、數(shù)據(jù)字節(jié)、有效傳輸終止控制字符、字節(jié)校驗(yàn)、位循環(huán)冗余碼校驗(yàn)、幀終止控制字符、控制字符。按照幀格式經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)幀的解析和數(shù)據(jù)校驗(yàn)解析獲得最終的氣象數(shù)據(jù)。

哦，老板娘把他當(dāng)成煤倒，當(dāng)成火藥、雷管的走私者。何良諸徒步考察邊地，一年了，快走成野狗，走成狼了。何良諸齜牙，笑笑。就在這時(shí)，一輛載滿木材的卡車開來，在馬路上停下。司機(jī)搖下玻璃窗，探出戴著狗皮帽的腦袋，吸溜鼻子，大聲問：“小勺，有地兒嗎？”

（3）數(shù)據(jù)傳輸

主要通過4G網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)和業(yè)主的數(shù)據(jù)中心。

（4）預(yù)警計(jì)算

根據(jù)采集的氣象、路面信息對(duì)凝冰進(jìn)行預(yù)警計(jì)算，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼傳輸?shù)筋A(yù)警模塊進(jìn)行計(jì)算。預(yù)警算法主要涉及線性的溫度下降預(yù)警和采用機(jī)器學(xué)習(xí)的凝冰預(yù)警算法。

線性凝冰預(yù)警的主要思路為：在某一時(shí)間點(diǎn)對(duì)凝冰進(jìn)行檢測(cè)，記錄下該時(shí)間點(diǎn)a的溫度，經(jīng)過數(shù)分鐘后再次進(jìn)行凝冰檢測(cè)，記錄下該時(shí)間點(diǎn)b的溫度，根據(jù)路面?zhèn)鞲衅鞑杉降穆访姹c(diǎn)溫度為結(jié)冰溫度c，假設(shè)溫度是線性下降的，根據(jù)a至b所需的時(shí)間來計(jì)算b至c所需的時(shí)間。

機(jī)器學(xué)習(xí)的凝冰預(yù)警算法[3]主要思路是：通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照誤差反向傳播算法，訓(xùn)練多層前饋網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)歷史凝冰數(shù)據(jù)作為輸入學(xué)習(xí)樣本，通過反向傳播算法對(duì)每一層的網(wǎng)絡(luò)偏差和權(quán)值進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整訓(xùn)練，使最終得到的輸出值盡可能與期望值相接近。針對(duì)山東、貴州、內(nèi)蒙古、河南等多地的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，每年冬季都會(huì)存儲(chǔ)4個(gè)月左右的凝冰歷史數(shù)據(jù)，本地采集的冬季氣象數(shù)據(jù)也將作為新的訓(xùn)練數(shù)據(jù)加入學(xué)習(xí)樣本庫，系統(tǒng)根據(jù)每年的歷史數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，訓(xùn)練凝冰計(jì)算模型，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出凝冰時(shí)間[4]。

5.2 控制子系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心控制邏輯使用可編程序控制器（Programmable Logic Controller）實(shí)現(xiàn)。PLC是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動(dòng)控制裝置，具有順序控制、定時(shí)、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)控制和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。系統(tǒng)由硬件和軟件組成，是能獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)作的器件。其軟件只包括軟件運(yùn)行環(huán)境及操作系統(tǒng)，硬件包括信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、通信模塊等。使用ARMCortex芯片STM32F103的硬件電路設(shè)計(jì)，這部分主要用來實(shí)現(xiàn)控制電路的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)PC端到噴灑終端輸入通信，以及噴灑終端控制電路與自動(dòng)噴灑閥、上升電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之間的控制。

（2）通信協(xié)議

ADI噴頭控制器與凝冰處理主控制器之間采用自定義RS-485通信協(xié)議，所有的噴灑控制命令均由主控器監(jiān)控軟件發(fā)起，噴頭控制器接收相應(yīng)的指令后，對(duì)命令進(jìn)行處理，將處理結(jié)果返回給主控制器監(jiān)控軟件[5]。RS-485是通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，串行口采用半雙工的異步串行通信方式，協(xié)議格式為“9600,N,8,1”，即波特率為9 600bps，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1個(gè)停止位。主機(jī)與設(shè)備之間采用輪詢方式。

（3）數(shù)據(jù)說明

數(shù)據(jù)幀格式主要字段及說明如表3所示。

表3 幀格式字段說明

5.3 噴灑終端設(shè)計(jì)

（1）工作流程

噴灑終端的控制流程如圖5所示，主要涉及：①噴頭終端通電開始工作后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化檢查，然后處于待機(jī)狀態(tài)；②一旦收到PC端命令，噴頭終端控制電路控制升降電機(jī)運(yùn)行，從地面升出，到達(dá)頂點(diǎn)后，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，并打開電動(dòng)噴閥，噴灑融雪劑；③按照PC端指令噴灑對(duì)應(yīng)時(shí)間后，關(guān)閉噴閥，旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止工作并歸位；④如收到升降電機(jī)下降的指令，觸動(dòng)升降電機(jī)下降，進(jìn)入待機(jī)模式，等待下一次工作指令。

圖5 噴灑終端流程圖

（2）安裝位置

噴灑終端安裝在防撞護(hù)欄上，距離地面約30cm處，每個(gè)噴灑終端間距24m，噴頭通過180°旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)道路各處噴灑的全覆蓋。在道路轉(zhuǎn)彎處為保證對(duì)道路的覆蓋，增加安裝噴灑終端。

6 應(yīng)用效果

2022年2月4日泰州地區(qū)普降大雪，時(shí)間持續(xù)12h，降雪量在6mm，系統(tǒng)在凌晨4點(diǎn)監(jiān)測(cè)到有降雪發(fā)生，自動(dòng)噴灑融雪劑，4日上午和下午又補(bǔ)充噴灑融雪劑數(shù)次，保障全天路面無積雪結(jié)冰。經(jīng)2021年冬季的應(yīng)用證明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)噴灑融雪劑，可大幅度降低機(jī)械作業(yè)工作強(qiáng)度，降低養(yǎng)護(hù)作業(yè)的事故發(fā)生率，提高養(yǎng)護(hù)工作效率。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面凝冰狀況，能預(yù)防在先，提高凝冰處置的及時(shí)性；能自動(dòng)、均勻噴灑融雪劑，可通過控制閥均衡噴灑壓力和噴灑流量，不造成融雪劑的過量灑布，具有節(jié)約融雪劑的優(yōu)點(diǎn)。

7 結(jié)語

本文針對(duì)高速公路的冰雪災(zāi)害問題，重點(diǎn)研究了高速公路路面凝冰預(yù)測(cè)控制算法、融冰自動(dòng)噴灑控制算法等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了高速公路凝冰預(yù)警及自動(dòng)化處置系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了氣象站、路面?zhèn)鞲衅骱腿谘﹦﹪姙⒖刂葡到y(tǒng)。通過凝冰預(yù)警、自動(dòng)除冰融雪等一系列智能化處置服務(wù)，可快速應(yīng)對(duì)冰雪等惡劣氣象災(zāi)害，提升高速公路安全暢通程度和運(yùn)營保障水平。