CN109887230A - 一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法 - Google Patents

一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，通过气象局发布的天气预报对道路凝冰进行预警并对业主进行通知以及提供预案，利用监测路段的气象监测站和路面传感器的实时和历史数据对路面结冰的时间进行预估，根据监测站和传感器的数据对业主提供准确的报警信息，然后对凝冰处置的融雪剂喷洒用量，喷洒间隔时长和喷洒次数的参数进行计算为业主提供推荐参数，喷洒结束后再次进行评估，若还有结冰可能进行二次喷洒准备，若没有结冰可能系统停止运行，等待气象局发布信息。本发明精确分析喷洒的用量，喷洒间隔时长，喷洒次数，提高融雪剂的融雪效率，提高经济效益，准确获取最佳喷洒时间，自动反馈喷洒结束后路面状况，防止二次结冰。

Description

一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，属于道路凝冰预警处理控制技术领域。
背景技术
对于现有的凝冰处置技术仅仅通过人为对道路结冰进行判断，人工判断路面结冰并发布警报，人工控制路面融雪剂的喷洒或者人工进行喷洒，喷洒用量以及喷洒次数人工判断。发现结冰后喷洒融雪剂，并没有对结冰进行预估，不具有预测性和自动化，费时费力，不能准确判断结冰时长，参数设置不准确，经济性低，效率低，准确性低，对路面伤害较大，也没有针对融雪剂的性能以及当前气象情况对融雪剂的融雪性能进行判断，做到用最少的量起最大的效果，不具有经济效益。
发明内容
本发明解决了人工判断路面结冰情况，不能准确判断结冰时长，参数设置不准确，经济性低，效率低，准确性低，对路面伤害较大的技术问题。
本发明是为解决现有技术中的问题而提出的，技术方案如下：
一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，包括如下步骤：
第一步，监听阶段，随时注意气象局发布的天气预报和预警信息以及气象监测站和路面传感器的数据信息；
第二步，预警阶段，凝冰处置系统根据第一步接收到的数据为业主提供预警信息以及提供凝冰处置预案；
第三步，预估结冰趋势阶段，凝冰处置系统根据部设在监测路段上的气象监测站获取的数据对道路结冰趋势进行预估，通过预估模型预估结冰趋势时长，即预判出还有多长时间路面发生结冰情况；
第四步，报警阶段，根据上一步中预估出的结冰趋势时长以及路面传感器获取实时的路面温度，路面状况和湿滑程度向路段所有者业主发布道路结冰报警；
第五步，调参阶段，凝冰处置系统会根据当前的气象监测站的数据和路面传感器的数据以及业主上传的融雪剂的数据和路面材质数据为业主推荐参数设置标准，并且业主也可以根据自己的实际情况自行设置参数；具体需要调整的参数包括融雪剂喷洒的用量、喷洒的间隔时长和喷洒的次数；
第六步，喷洒阶段，参数设置完毕后可以启动喷洒，喷洒时机的判断是根据参数设置标准和预估结冰趋势时长以及融雪剂融雪性能进行设置的，喷洒的时间控制在融雪剂起作用的时间点在结冰点之前可以做到最大程度的保障路面不结冰，做到喷洒之前路面没有结冰，将路面结冰的时间压缩到最低；
第七步，反馈阶段，当整个喷洒周期结束后，通过气象监测站和路面传感器对路面状况进行评估，包括路面温度，湿滑程度，水膜厚度，路面状态，以及结合未来天气预报进行评价，如果还有结冰可能，再次执行调参阶段，进行参数调整进行喷洒准备，如果没有结冰可能，凝冰处置系统则处于监听阶段。
优选的，所述第三步预估结冰趋势阶段的气象监测站获取的数据为：当前和历史空气温度，历史降水情况以及路面传感器获取的当前路面温度、历史路面状况、历史湿滑程度、当前水膜厚度。
进一步的，所述预估模型计算公式如下：
Ti：预估结冰趋势时长，即还有多长时间结冰；
Wr：当前路面温度；
(Wr-0)：当前路面温度和0℃的差值绝对值；
ρ：水密度，1.0×103kg/m3；
H：水膜厚度；
cw：水的比热熔，4.2×103J；
Wa’：历史空气温度；
Wa：当前空气温度；
ca：空气的比热熔，1.0×103J；
a，b，c：权重因子；
R’：历史降水情况；
C’：历史路面状况；
WS’：历史湿滑程度。
优选的，所述第四步报警阶段的报警依据为：当路面温度>1℃，路面状况为雪、霜、冰水混合物、有结冰可能，湿滑程度为路面附着力系数0.2-0.4时，为橙色报警；当路面温度<＝1℃，路面状况为结冰，湿滑程度为路面附着力系数<0.2时，为红色报警。
优选的，所述喷洒的用量是指一次喷洒的融雪剂的量的多少，是根据融雪剂的性能系数，融雪剂的浓度，管理路段的长度，路面的宽度，水膜厚度对参数进行设置，计算公式如下：
SMa＝SM×(ρ′×H×10-6×n×103×W)×SM′
SMa：融雪剂的用量；
SM：融雪剂的性能系数；
SM’：融雪剂的浓度；
ρ′：不同路面状况的附着物密度，水为1.0×103kg/m3，雪为0.1×103kg/m3，
冰为0.9×103kg/m3，冰水混合物为0.95×103kg/m3；
H：水膜厚度；
n：管理路段长度，单位km；
W：路面的宽度，单位m。
优选的，所述喷洒的间隔时长是指两次喷洒间的时间，是根据融雪剂的作用时长、当前路面温度、当前水膜厚度、当前空气温度和历史空气温度对参数进行设置，计算公式如下：
Tb：喷洒间隔；
SMw：融雪剂的作用时长；
Wr：当前路面温度；
(Wr-0)：当前路面温度和0℃的差值绝对值；
ρ：水密度，1.0×103kg/m3；
H：水膜厚度；
cw：水的比热熔，4.2×103J；
Wa’：历史空气温度；
Wa：当前空气温度；
ca：空气的比热熔，1.0×103J。
优选的，所述喷洒的次数是指本次报警内的喷洒次数，根据天气预报未来的空气温度和当前空气温度以及间隔时长的参数进行计算，计算公式如下：
Waf：未来空气温度下的日期时间；
Wan：当前空气温度下的日期时间；
Tb：喷洒间隔时长。
本发明采用采用气象局的天气预报和预警数据，精度高，并且通过气象局的数据推送业主不同的凝冰处置预案，可以对道路凝冰处置有针对性的解决；精确分析喷洒的用量，喷洒间隔时长，喷洒次数，提高融雪剂的融雪效率，提高经济效益，发挥融雪剂的最大功效比；准确分析结冰时长，融雪剂的作用时长，和当前时间的关系，准确获取最佳喷洒时间，自动反馈喷洒结束后路面状况，防止二次结冰。
附图说明
图1是本发明一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法的工作流程图。
图2是本发明融雪剂最佳喷洒时间的时间轴示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，包括如下步骤：
第一步，监听阶段，随时注意气象局发布的天气预报和预警信息以及气象监测站和路面传感器的数据信息；当没有结冰可能的时候，整个系统处于监听状态；
第二步，预警阶段，凝冰处置系统根据第一步接收到的数据为业主提供预警信息以及提供凝冰处置预案，此预案包含但不限于“提前维护凝冰处置设备，准备足够的融雪剂，处置系统预操作等”；
第三步，预估结冰趋势阶段，凝冰处置系统根据部设在监测路段上的气象监测站获取的数据对道路结冰趋势进行预估，通过预估模型预估结冰趋势时长，即预判出还有多长时间路面发生结冰情况；预估结冰趋势阶段的气象监测站获取的数据为：当前和历史空气温度，历史降水情况以及路面传感器获取的当前路面温度、历史路面状况、历史湿滑程度、当前水膜厚度。
所述预估模型计算公式如下：
Ti：预估结冰趋势时长，即还有多长时间结冰；
Wr：当前路面温度；
(Wr-0)：当前路面温度和0℃的差值绝对值；
ρ：水密度，1.0×103kg/m3；
H：水膜厚度；
cw：水的比热熔，4.2×103J；
Wa’：历史空气温度；
Wa：当前空气温度；
ca：空气的比热熔，1.0×103J；
a，b，c：权重因子；
R’：历史降水情况；
C’：历史路面状况；
WS’：历史湿滑程度。
第四步，报警阶段，根据上一步中预估出的结冰趋势时长以及路面传感器获取实时的路面温度，路面状况和湿滑程度向路段所有者业主发布道路结冰报警；当路面温度>1℃，路面状况为雪、霜、冰水混合物、有结冰可能，湿滑程度为路面附着力系数0.2-0.4时，为橙色报警；当路面温度<＝1℃，路面状况为结冰，湿滑程度为路面附着力系数<0.2时，为红色报警。
第五步，调参阶段，凝冰处置系统会根据当前的气象监测站的数据和路面传感器的数据以及业主上传的融雪剂的数据和路面材质数据为业主推荐参数设置标准，并且业主也可以根据自己的实际情况自行设置参数；具体需要调整的参数包括融雪剂喷洒的用量、喷洒的间隔时长和喷洒的次数；
所述喷洒的用量是指一次喷洒的融雪剂的量的多少，是根据融雪剂的性能系数，融雪剂的浓度，管理路段的长度，路面的宽度，水膜厚度对参数进行设置，融雪剂用量的精确计算有助于节省成本，减少融雪剂对路面的腐蚀，发挥融雪剂的最大效果。计算公式如下：
SMa＝SM×(ρ′×H×10-6×n×103×W)×SM′
SMa：融雪剂的用量；
SM：融雪剂的性能系数；
SM’：融雪剂的浓度；
ρ′：不同路面状况的附着物密度，水为1.0×103kg/m3，雪为0.1×103kg/m3，
冰为0.9×103kg/m3，冰水混合物为0.95×103kg/m3；
H：水膜厚度；
n：管理路段长度，单位km；
W：路面的宽度，单位m。
所述喷洒的间隔时长是指两次喷洒间的时间，由于融雪剂起作用后一段时间内，融雪剂的效果降低，但是环境温度并没有发生变化而造成的二次结冰，控制喷洒间隔时长可以有效防止道路路面发生二次结冰。喷洒间隔时长参数的设置根据的是融雪剂的作用时长，当前路面温度，当前水膜厚度，当前空气温度和历史空气温度。计算公式如下：
Tb：喷洒间隔；
SMw：融雪剂的作用时长；
Wr：当前路面温度；
(Wr-0)：当前路面温度和0℃的差值绝对值；
ρ：水密度，1.0×103kg/m3；
H：水膜厚度；
cw：水的比热熔，4.2×103J；
Wa’：历史空气温度；
Wa：当前空气温度；
ca：空气的比热熔，1.0×103J。
Tb的单位由SMw的单位决定，因为融雪剂的作用时长是融雪剂的生产厂家决定，对于不同厂家所标注的单位不同，无法统一，例如SMw的单位为分钟，则Tb的单位为分钟。
所述喷洒的次数是指本次报警内的喷洒次数，喷洒次数的设置主要是防止环境温度进一步降低造成的路面除冰不彻底，根据天气预报未来的空气温度和当前空气温度以及间隔时长的参数进行计算，计算公式如下：
Waf：未来空气温度下的日期时间；
Wan：当前空气温度下的日期时间；
Tb：喷洒间隔时长。
Waf与Wan时间格式相同，例如Waf为2019年1月30日12：00，Wan为2019年1月29日12：00，两者的差值为24小时，两者差值的时间单位转化为与Tb单位相同，例如Tb为分钟，两者差值也为分钟，即1440分钟，然后做分数运算，计算结果取整，例如2.1，即取整数3。
第六步，喷洒阶段，参数设置完毕后可以启动喷洒，喷洒时机的判断是根据参数设置标准和预估结冰趋势时长以及融雪剂融雪性能进行设置的，喷洒的时间控制在融雪剂起作用的时间点在结冰点之前可以做到最大程度的保障路面不结冰，做到喷洒之前路面没有结冰，将路面结冰的时间压缩到最低，最大程度的保障路面的通行顺畅；如图2所示，A为预估结冰趋势时长，B为融雪剂作用时长，C为当前时间点，D为结冰点，E为最佳喷洒时间。
第七步，反馈阶段，当整个喷洒周期结束后，通过气象监测站和路面传感器对路面状况进行评估，包括路面温度，湿滑程度，水膜厚度，路面状态，以及结合未来天气预报进行评价，如果还有结冰可能，再次执行调参阶段，进行参数调整进行喷洒准备，如果没有结冰可能，凝冰处置系统则处于监听阶段。
一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，是通过气象局发布的天气预报对道路凝冰进行预警并对业主进行通知以及提供预案，利用监测路段的气象监测站和路面传感器的实时数据和历史数据对路面结冰的时间进行预估，根据监测站和传感器的数据对业主提供准确的报警信息，然后根据监测站和传感器的数据情况对凝冰处置的融雪剂喷洒用量，喷洒间隔时长和喷洒次数的参数进行计算并且为业主提供推荐参数，喷洒结束后通过监测站和传感器对路面结冰情况再次进行评估，若还有结冰可能进行二次喷洒准备若没有结冰可能凝冰处置系统停止运行，等待气象局发布信息。
采用气象局的天气预报和预警数据，符合国家标准，精度高，并且通过气象局的数据推送业主不同的凝冰处置预案，可以对道路凝冰处置有针对性的解决；以往系统仅仅采用人工判读的方法，与国家标准有一定的区别，精度低，并且没有针对性预案，不具有普适性。
采用预估模型，利用布设在监测路段上的气象监测站和路面传感器的实时数据和历史数据，预估道路结冰的准确时间，通过预估道路结冰模型可以精确知道喷洒的准确时机，将道路结冰防患于未然；以往的凝冰处置只是单单发现道路结冰后进行路面融雪剂的喷洒并没有一个预估道路结冰的过程，不能准确的确定喷洒时机。
采用气象监测站和路面传感器的实时数据对业主进行报警，使用实时的精确数据，精度高，正确率高，对于业主的决策具有指导性的意义；以往的凝冰处置的报警系统并没有准确的现场实时数据，对于业主的决策并不能起到指导性的意义。
采用的调参模型精确分析喷洒的用量，喷洒间隔时长，喷洒次数，提高融雪剂的融雪效率，提高经济效益，发挥融雪剂的最大功效比，并且调参模型所还用的数据是所监测路段上的气象监测站和路面传感器的实时数据和历史数据，准确性更高，调参模型的结果只是对业主的一种建议性结果，是指在这些数值上可以发挥融雪剂的最大功效，业主也可以根据自己的实际情况自行选择参数，使业主具有更多的控制权限以及自由度；以往的凝冰处置系统的参数只是一个固定值，并不是根据实时的数据进行计算后的结果，无法发挥融雪剂的最大功效，经济性低。
准确分析结冰时长，融雪剂的作用时长，和当前时间的关系，给出最佳的喷洒时间，只有喷洒的时间控制在融雪剂起作用的时间点在结冰点之前就可以做到最大程度的保障路面不结冰，做到喷洒之前路面没有结冰，将路面结冰的时间压缩到最低，最大程度的保障路面的通行顺畅；以往的凝冰处置系统并不会分析最佳喷洒时间，无法发挥融雪剂的最大效益，并且由于控制的不准确，造成的融雪剂喷洒过多，对公路路面造成永久性伤害，缩减公路使用寿命。
采用气象监测站和路面传感器对喷洒过后的路面状况进行二次评估，并且与气象局数据结合，判断是否有必要进行二次喷洒作用，放置路面二次结冰造成更加恶劣的路面状况；以往的凝冰处置系统没有喷洒结束后一个判断过程，喷洒结束即结束，不能形成一套完整的自动化的凝冰处置系统。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，包括如下步骤：
第一步，监听阶段，随时注意气象局发布的天气预报和预警信息以及气象监测站和路面传感器的数据信息；
第二步，预警阶段，凝冰处置系统根据第一步接收到的数据为业主提供预警信息以及提供凝冰处置预案；
第三步，预估结冰趋势阶段，凝冰处置系统根据部设在监测路段上的气象监测站获取的数据对道路结冰趋势进行预估，通过预估模型预估结冰趋势时长，即预判出还有多长时间路面发生结冰情况；
第四步，报警阶段，根据上一步中预估出的结冰趋势时长以及路面传感器获取实时的路面温度，路面状况和湿滑程度向路段所有者业主发布道路结冰报警；
第五步，调参阶段，凝冰处置系统会根据当前的气象监测站的数据和路面传感器的数据以及业主上传的融雪剂的数据和路面材质数据为业主推荐参数设置标准，并且业主也可以根据自己的实际情况自行设置参数；具体需要调整的参数包括融雪剂喷洒的用量、喷洒的间隔时长和喷洒的次数；
第六步，喷洒阶段，参数设置完毕后可以启动喷洒，喷洒时机的判断是根据参数设置标准和预估结冰趋势时长以及融雪剂融雪性能进行设置的，喷洒的时间控制在融雪剂起作用的时间点在结冰点之前可以做到最大程度的保障路面不结冰，做到喷洒之前路面没有结冰，将路面结冰的时间压缩到最低；
第七步，反馈阶段，当整个喷洒周期结束后，通过气象监测站和路面传感器对路面状况进行评估，包括路面温度，湿滑程度，水膜厚度，路面状态，以及结合未来天气预报进行评价，如果还有结冰可能，再次执行调参阶段，进行参数调整进行喷洒准备，如果没有结冰可能，凝冰处置系统则处于监听阶段。
2.根据权利要求1所述的一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，其特征在于：所述第三步预估结冰趋势阶段的气象监测站获取的数据为：当前和历史空气温度，历史降水情况以及路面传感器获取的当前路面温度、历史路面状况、历史湿滑程度、当前水膜厚度。
3.根据权利要求2所述的一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，其特征在于：所述预估模型计算公式如下：
Ti：预估结冰趋势时长，即还有多长时间结冰；
Wr：当前路面温度；
(Wr-0)：当前路面温度和0℃的差值绝对值；
ρ：水密度，1.0×103kg/m3；
H：水膜厚度；
cw：水的比热熔，4.2×103J；
Wa’：历史空气温度；
Wa：当前空气温度；
ca：空气的比热熔，1.0×103J；
a，b，c：权重因子；
R’：历史降水情况；
C’：历史路面状况；
WS’：历史湿滑程度。
4.根据权利要求1所述的一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，其特征在于：所述第四步报警阶段的报警依据为：当路面温度>1℃，路面状况为雪、霜、冰水混合物、有结冰可能，湿滑程度为路面附着力系数0.2-0.4时，为橙色报警；当路面温度<＝1℃，路面状况为结冰，湿滑程度为路面附着力系数<0.2时，为红色报警。
5.根据权利要求1所述的一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，其特征在于：所述喷洒的用量是指一次喷洒的融雪剂的量的多少，是根据融雪剂的性能系数，融雪剂的浓度，管理路段的长度，路面的宽度，水膜厚度对参数进行设置，计算公式如下：
SMa＝SM×(ρ′×H×10-6×n×103×W)SM′
SMa：融雪剂的用量；
SM：融雪剂的性能系数；
SM’：融雪剂的浓度；
ρ′：不同路面状况的附着物密度，水为1.0×103kg/m3，雪为0.1×103kg/m3，冰为0.9×103kg/m3，冰水混合物为0.95×103kg/m3；
H：水膜厚度；
n：管理路段长度，单位km；
W：路面的宽度，单位m。
6.根据权利要求1所述的一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，其特征在于：所述喷洒的间隔时长是指两次喷洒间的时间，是根据融雪剂的作用时长、当前路面温度、当前水膜厚度、当前空气温度和历史空气温度对参数进行设置，计算公式如下：
Tb：喷洒间隔；
SMw：融雪剂的作用时长；
Wr：当前路面温度；
(Wr-0)：当前路面温度和0℃的差值绝对值；
ρ：水密度，1.0×103kg/m3；
H：水膜厚度；
cw：水的比热熔，4.2×103J；
Wa’：历史空气温度；
Wa：当前空气温度；
ca：空气的比热熔，1.0×103J。
7.根据权利要求1所述的一种道路凝冰预警及自动化处置系统控制方法，其特征在于：所述喷洒的次数是指本次报警内的喷洒次数，根据天气预报未来的空气温度和当前空气温度以及间隔时长的参数进行计算，计算公式如下：
Waf：未来空气温度下的日期时间；
Wan：当前空气温度下的日期时间；
Tb：喷洒间隔时长。
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