CN104134098A - 路面凝冰预警时间的预测方法及预测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路面凝冰预警时间的预测方法及预测系统，所述预测方法包括：路面凝冰传感器实时探测当前路段的路表温度；在第一时间探测到第一路表温度小于或者等于预警温度时路面凝冰传感器进行凝冰检测；在第二时间探测到实际路面凝冰温度以及第二路表温度，并将它们上传至信息处理系统；信息处理系统计算得出预警时间。本发明的特点在于能够实时精确地对路面可能发生凝冰的预警时间进行动态预测，有效地解决高速公路高危路段的路面凝冰预测的技术难题。

Description

路面凝冰预警时间的预测方法及预测系统

技术领域

本发明涉及路面凝冰预警领域，特别涉及一种路面凝冰预警时间的预测方法及预测系统。

背景技术

高速公路的路面温度会随着气温的下降而降低，当大气降水、空气湿度过高时，在低温路面便会形成结冰(黑冰)、结霜、积雪、冰雪(包括黑冰)等现象。

不同的气候条件将引起不同的天气类型。冰雪天气一般出现在有利于降水的大气环流背景下，北方冷空气在南下过程中与南方强暖湿气流相遇，在大气近地面层会形成0℃以下的冷空气楔(冷垫)，在大气低层则出现较强逆温，当冷空气楔上的逆温层也处在0℃以下时，降落到地面的降水形式为雪。而当逆温层处在0℃以上(空气中存在液态水或过冷水滴)时，则降水形式为雨。逆温层到达冷垫层内后迅速凝结为雨凇，凝聚在地面上形成冰层即为路面凝冰。

路面凝冰不仅会严重影响高速公路通行效率，给人们的出行带来较大不便，甚至还会给人们的生命和财产造成巨大的损失。如2008年初发生在我国南方罕见路面凝冰灾害几乎使当地高速公路运营陷入停滞状态。据贵州省公路交通管理部门近五年的统计结果表明，历年12月～3月路面凝冰发生期间，高速公路平均车辆通行速度仅为设计时速的70％，部分路段仅为设计时速的30％以下，高速公路封闭日数约为10～20天。因此，研究高速公路在恶劣天气环境下的路面凝冰预警时间计算方法，为高速公路高危路段的设置的融冰除雪自动化处置系统提供一个科学的决策依据，防患路面凝冰的发生，具有重要的现实意义和应用价值。

处理路面凝冰问题的基本原则是以预防为主，目前国内外的研究主要集中在路面凝冰的检测，例如，低成本时域游标法测距和路面出射光点法等方法，通过分析不同厚度的水和冰的光谱，从而探测出路面是否存在凝冰现象。但是对于提前探测路面是否发生凝冰现象，计算出即将发生路面凝冰现象的时间，从而为高危路段的前期自动化处置提供参考的研究尚无相关的报道。

综上所述，提供一种路面凝冰预警时间的预测方法及预测系统，其能够适用于高速公路在低温雨雪等恶劣天气环境下分析和预警路面发生凝冰现象的时间，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种路面凝冰预警时间的预测方法，本发明的另一目的在于提供路面凝冰预警时间的预测系统。

为了达到上述目的，本发明提供一种路面凝冰预警时间的预测方法，其包括：

A)在当前路段中设置路面凝冰传感器和信息处理系统，所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度(T₁)；B)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度(T₀)；C)所述信息处理系统判断所述第一路表温度(T₀)是否小于或者等于所述预警温度(T₁)；如果是，则执行步骤D)，且将探测到第一路表温度(T₀)小于或者等于预警温度(T₁)的时间点设为第一时间(t₁)；如果否，则执行步骤B)；D)所述路面凝冰传感器进行凝冰探测；E)所述信息处理系统判断是否探测到实际路面凝冰温度(T₃)；如果是，则执行步骤F)，且将探测到实际路面凝冰温度(T₃)的时间点设为第二时间(t₂)；如果否，则执行步骤D)；F)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第二路表温度(T₂)，并将所述实际路面凝冰温度(T₃)和第二路表温度(T₂)传送至信息处理系统；G)所述信息处理系统计算得出预警时间(Δt₂)，所述预警时间(Δt₂)由以下公式计算得出：Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)；其中，t₁为第一时间，t₂为第二时间，T₁为预警温度，T₂为第二路表温度，T₃为实际路面凝冰温度。

优选地，所述预警温度(T₁)为1℃～3℃。

优选地，在所述步骤D)中，所述路面凝冰传感器启动液固相变发生器进行凝冰探测。

优选地，所述预测方法还进一步包括：H)对步骤A)～G)进行计算修正。

优选地，在所述步骤H)中，利用当前路段所处时区和环境温度、湿度信息进行计算修正。

本发明还提供一种路面凝冰预警时间的预测系统，其包括：路面凝冰传感器和信息处理系统，A)所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度(T₁)；B)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度(T₀)；C)所述信息处理系统判断所述第一路表温度(T₀)是否小于或者等于所述预警温度(T₁)；如果是，则执行步骤D)，且将探测到第一路表温度(T₀)小于或者等于预警温度(T₁)的时间点设为第一时间(t₁)；如果否，则执行步骤B)；D)所述路面凝冰传感器进行凝冰探测；E)所述信息处理系统判断是否探测到实际路面凝冰温度(T₃)；如果是，则执行步骤F)，且将探测到实际路面凝冰温度(T₃)的时间点设为第二时间(t₂)；如果否，则执行步骤D)；F)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第二路表温度(T₂)，并将所述实际路面凝冰温度(T₃)和第二路表温度(T₂)传送至信息处理系统；G)所述信息处理系统计算得出预警时间(Δt₂),所述预警时间(Δt₂)由以下公式计算得出：Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)；其中，t₁为第一时间，t₂为第二时间，T₁为预警温度，T₂为第二路表温度，T₃为实际路面凝冰温度。

本发明的有益效果是：本发明解决了高速公路在低温雨雪等恶劣天气环境下，发生路面凝冰现象的提前预测技术问题，能够对高速公路高危路段是否发生路面凝冰预警时间进行动态预测，具有精确度高和实时性强的特点，有效地解决低温雨雪冰冻等恶劣环境下高危路段发生路面凝冰的预警时间精确预测的技术难题。

附图说明

通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。

图1为本发明中采用的路面凝冰传感器的结构示意图。

图2为根据本发明的路面凝冰预警时间的预测方法原理图。

图3为根据本发明的路面凝冰预警时间的预测方法流程图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面，结合附图对本发明的具体实施例进行描述。

首先对本发明中采用到的路面凝冰传感器的结构和工作原理进行说明。请参阅图1所示，本发明中所采用的路面凝冰传感器主要包括第一传感器1、第二传感器2和信号调理模块3。

其中，第一传感器1采用美国Dallas半导体公司DS18B20系列温度传感器，随路面凝冰传感器一起埋入路面，用于实时探测路面的路表温度(道路表面温度)；

第二传感器2包括液固相变发生器21和凝冰传感器22。当第一传感器1实时探测到路表温度小于系统预设的预警温度时，路面凝冰传感器启动液固相变发生器21进行路面凝冰温度探测(探测实际路面凝冰温度)。同时，凝冰传感器22实时探测路面凝冰探测过程中的凝冰状态。

信号调理模块3主要包括信号放大电路、信号滤波以及数据通信接口等基本功能模块，处理来自第一传感器1和第二传感器2的信号，并实时将信号传输至信息处理系统，同时能够接收来自信息处理系统的指令。

请参阅图2和图3所示，本发明提供一种路面凝冰预警时间的预测方法，其包括：

A)在当前路段中设置路面凝冰传感器和信息处理系统，所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度T₁；

当前路段为需要进行凝冰预警的目标路段，一般为高速公路的高危路段或者易发生凝冰的路段；根据其环境条件预先地设定预警温度作为后续计算的参考值，本实施例中的预先设定的预警温度T₁为1℃～3℃，也可以根据实际环境条件设定，例如是0℃～6℃；

B)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度T₀；

所述路面凝冰传感器实时动态地探测当前路段的路表温度(道路表面温度)；

C)所述信息处理系统判断所述第一路表温度T₀是否小于或者等于所述预警温度T₁；如果是，则执行步骤D)，且将探测到第一路表温度(T₀)小于或者等于预警温度(T₁)的时间点设为第一时间(t₁)；如果否，则执行步骤B)；

不断地将路面凝冰传感器实时探测得到的第一路表温度T₀和预警温度T₁进行比较判断，如果在一个时间点，探测到的所述第一路表温度T₀小于或者等于所述预警温度T₁，则将这个时间点设定为第一时间(t₁)，并接着执行步骤D)；如果探测到的第一路表温度T₀大于预警温度T₁，则继续执行步骤B)的实时探测；

D)所述路面凝冰传感器进行凝冰探测；

具体地，是通过所述路面凝冰传感器启动传感器内的液固相变发生器21进行凝冰探测工作；

E)所述信息处理系统判断是否探测到实际路面凝冰温度T₃；如果是，则执行步骤F)，且将探测到实际路面凝冰温度(T₃)的时间点设为第二时间(t₂)；如果否，则执行步骤D)；

其中，在还没有出现凝冰现象时会重复执行D)和E)，直到探测到可能发生路面凝冰时的实际路面凝冰温度T₃为止；

F)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第二路表温度T₂，并将所述实际路面凝冰温度T₃和第二路表温度T₂传送至信息处理系统；

其中所述信息处理系统包括处理器，所述信息处理系统与传感器电性连接，用于接收传感器发出的信息并在处理器中进行进一步处理；

具体地，在步骤D)～F)中，如果在凝冰探测的过程中的一个时间点，探测到了实际路面凝冰温度T₃，则将这个时间点设定为第二时间(t₂)，同时，所述路面凝冰传感器探测出第二时间(t₂)的路表温度，作为第二路表温度(T₂)，将这些探测信息传送至信息处理系统进行后续计算处理；

G)所述信息处理系统计算得出预警时间(Δt₂)，所述预警时间(Δt₂)由以下公式计算得出：Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)；其中，t₁为第一时间，t₂为第二时间，T₁为预警温度，T₂为第二路表温度，T₃为实际路面凝冰温度；

其中，所述预警时间Δt₂为路表温度降至实际路面凝冰温度T₃的第三时间t₃与所述第一时间t₁的时间差；

即预警时间Δt₂由以下定义式1定义：

Δt₂＝t₃-t₁；(定义式1)

本发明的关键在于要预测路面凝冰发生的时间，即这个第三时间t₃是未知的，从第一时间t₁开始并不知道在路表温度将会在后面哪一个时间点降至和实际路面凝冰温度T₃一样，需要利用前面t₁和t₂两个时间点探测出的数据根据公式进行计算，在计算中，为了方便起见，假设当前路段的路表温度变化是均匀的，即如图2所示，路面凝冰温度变化曲线和路表温度变化曲线均为直线；

具体地，如果在第三时间t₃路表温度降至实际路面凝冰温度T₃，根据图2所示，预警时间Δt₂的计算公式为：

Δt₂＝(ΔT₂/ΔT₁)*Δt₁；(公式1)

其中，ΔT₂＝T₃-T₁，ΔT₁＝T₂-T₁，Δt₁＝t₂-t₁；

也即，所述公式1为Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)；

其中，t₁为第一时间，t₂为第二时间，T₁为预警温度，T₂为第二路表温度，T₃为实际路面凝冰温度；

H)对步骤A)～G)进行计算修正；

在不同的地区应用本发明的预测方法时，可以根据当地的实际环境和所处时区结合当地所探测到的温度湿度等信息，对预测方法的各个步骤中的各种探测值进行相应的计算修正，实现路面凝冰预警时间的精确计算。

本发明还提供一种路面凝冰预警时间的预测系统，所述预测系统用于执行上述路面凝冰预警时间的预测方法的步骤。

所述预测系统包括上述的路面凝冰传感器和信息处理系统，A)所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度(T₁)；

B)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度(T₀)；

C)所述信息处理系统判断所述第一路表温度(T₀)是否小于或者等于所述预警温度(T₁)；如果是，则执行步骤D)，且将探测到第一路表温度(T₀)小于或者等于预警温度(T₁)的时间点设为第一时间(t₁)；如果否，则执行步骤B)；

D)所述路面凝冰传感器进行凝冰探测；

E)所述信息处理系统判断是否探测到实际路面凝冰温度(T₃)；如果是，则执行步骤F)，且将探测到实际路面凝冰温度(T₃)的时间点设为第二时间(t₂)；如果否，则执行步骤D)；

F)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第二路表温度(T₂)，并将所述实际路面凝冰温度(T₃)和第二路表温度(T₂)传送至信息处理系统；

G)所述信息处理系统计算得出预警时间(Δt₂),所述预警时间(Δt₂)由以下公式计算得出：

Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)；

其中，t₁为第一时间，t₂为第二时间，T₁为预警温度，T₂为第二路表温度，T₃为实际路面凝冰温度。

下面对本发明的预测方法的具体过程的两个实施例进行说明：

实施例1

首先，在当前路段中设置路面凝冰传感器和信息处理系统，所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度T₁为5℃；

然后，所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度T₀；

从开始探测的时刻算起，在第10小时，所述信息处理系统判断探测到的第一路表温度T₀小于或者等于5℃时，则第一时间t₁为第10小时，并且启动路面凝冰传感器进行凝冰探测；

在凝冰探测的过程中，判断是否探测到当前路段可能发生凝冰的实际路面凝冰温度T₃，其中T₃为-3.5℃；

在第10小时6分30秒，所述信息处理系统判断探测到了实际路面凝冰温度T₃，则第二时间t₂为第10小时6分30秒，且路面凝冰传感器探测第10小时6分30秒的第二路表温度T₂为4.8℃，并将所述实际路面凝冰温度T₃和第二路表温度T₂传送至信息处理系统；

最后，所述信息处理系统按照上述公式1计算得出预警时间Δt₂如下：

Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)＝16575秒，即在第一时间t₁之后再过4小时36分左右，路表温度可能将至-3.5℃。

实施例2

首先，在当前路段中设置路面凝冰传感器和信息处理系统，所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度T₁为3℃；

然后，所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度T₀；

从开始探测的时刻算起，在第15小时，所述信息处理系统判断探测到的第一路表温度T₀小于或者等于3℃时，则第一时间t₁为第15小时，并且启动路面凝冰传感器进行凝冰探测；

在凝冰探测的过程中，判断是否探测到当前路段可能发生凝冰的实际路面凝冰温度T₃，其中T₃为-4.6℃；

在第15小时5分40秒，所述信息处理系统判断探测到了实际路面凝冰温度T₃，则第二时间t₂为第15小时5分40秒，且路面凝冰传感器探测第25小时的第二路表温度T₂为2.7℃，并将所述实际路面凝冰温度T₃和第二路表温度T₂传送至信息处理系统；

最后，所述信息处理系统按照上述公式1计算得出预警时间Δt₂如下：

Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)＝8613秒，即在第一时间t₁之后再过2小时23分左右，路表温度可能降至-4.6℃。

上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。

Claims (6)

1.一种路面凝冰预警时间的预测方法，其包括：

A)在当前路段中设置路面凝冰传感器和信息处理系统，所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度(T₁)；

B)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度(T₀)；

C)所述信息处理系统判断所述第一路表温度(T₀)是否小于或者等于所述预警温度(T₁)；如果是，则执行步骤D)，且将探测到第一路表温度(T₀)小于或者等于预警温度(T₁)的时间点设为第一时间(t₁)；如果否，则执行步骤B)；

D)所述路面凝冰传感器进行凝冰探测；

E)所述信息处理系统判断是否探测到实际路面凝冰温度(T₃)；如果是，则执行步骤F)，且将探测到实际路面凝冰温度(T₃)的时间点设为第二时间(t₂)；如果否，则执行步骤D)；

F)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第二路表温度(T₂)，并将所述实际路面凝冰温度(T₃)和第二路表温度(T₂)传送至信息处理系统；

G)所述信息处理系统计算得出预警时间(Δt₂)，所述预警时间(Δt₂)由以下公式计算得出：

Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)；

其中，t₁为第一时间，t₂为第二时间，T₁为预警温度，T₂为第二路表温度，T₃为实际路面凝冰温度。

2.根据权利要求1所述的路面凝冰预警时间的预测方法，其中，所述预警温度(T₁)为1℃～3℃。

3.根据权利要求2所述的路面凝冰预警时间的预测方法，其中，在所述步骤D)中，所述路面凝冰传感器启动液固相变发生器进行凝冰探测。

4.根据权利要求1所述的路面凝冰预警时间的预测方法，其中，所述预测方法还进一步包括：

H)对步骤A)～G)进行计算修正。

5.根据权利要求4所述的路面凝冰预警时间的预测方法，其中，在所述步骤H)中，利用当前路段所处时区和环境温度、湿度信息进行计算修正。

6.一种路面凝冰预警时间的预测系统，其包括：路面凝冰传感器和信息处理系统，

A)所述路面凝冰传感器电性连接所述信息处理系统，预先设定预警温度(T₁)；

B)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第一路表温度(T₀)；

C)所述信息处理系统判断所述第一路表温度(T₀)是否小于或者等于所述预警温度(T₁)；如果是，则执行步骤D)，且将探测到第一路表温度(T₀)小于或者等于预警温度(T₁)的时间点设为第一时间(t₁)；如果否，则执行步骤B)；

D)所述路面凝冰传感器进行凝冰探测；

E)所述信息处理系统判断是否探测到实际路面凝冰温度(T₃)；如果是，则执行步骤F)，且将探测到实际路面凝冰温度(T₃)的时间点设为第二时间(t₂)；如果否，则执行步骤D)；

F)所述路面凝冰传感器探测当前路段的路表温度，作为第二路表温度(T₂)，并将所述实际路面凝冰温度(T₃)和第二路表温度(T₂)传送至信息处理系统；

G)所述信息处理系统计算得出预警时间(Δt₂),所述预警时间(Δt₂)由以下公式计算得出：

Δt₂＝((T₃-T₁)/(T₂-T₁))*(t₂-t₁)；

其中，t₁为第一时间，t₂为第二时间，T₁为预警温度，T₂为第二路表温度，T₃为实际路面凝冰温度。