CN110095435B - 一种非接触式路面黑冰状态的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非接触式路面黑冰状态的检测方法。该方法通过分析比较路面的光谱反射数据，实现对路面情况的有效判定，尤其解决了现有技术无法对黑冰路面进行判定的问题。该方法的主要实施步骤包括：1、绘制路面状态的反射率光谱图；2、选取三种波长A、B、C，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；3、根据步骤2的相对反射率设定路面状态判断条件；4、采用与步骤2相同三种波长A、B、C，照射待测路面，计算出三种波长A、B、C对应的相对反射率，从而进行路面状态的判定。

Description

一种非接触式路面黑冰状态的检测方法
技术领域
本发明涉及一种公路路面情况监测技术，具体涉及一种非接触式路面黑冰状态的检测方法。
背景技术
近年我国高速公路建设发展迅速，高速公路里程迅速增加，然而我国的公路交通事故也越来越多。冰雪天气状况会极大地影响道路通行的安全性和畅通性，对于突发天气变化尤为明显。由于各种车辆都依靠地面摩擦力行驶和制动，路面积水、积雪、结冰都会显著降低轮胎与地面的摩擦力，所以路面气象状态信息是道路气象信息中非常关键的组成部分。
据相关部门统计，冰雪天气下诱发道路交通事故，特别是路面黑冰(Black Ice，也叫暗冰)的形成导致交通事故发生的机率变得很大。由于视觉上不易察觉，给行车出行带来严重的安全威胁，同时也给公路网的安全、高效运行带来了严重影响。
当天气突发降温，一旦公路的路面温度低于0°时，低于结冰的临界点，路面潮湿积水、易产生路面黑冰。造成路面潮湿的原因并不完全来自与天气降水，一些路段由于货车刹车片洒水冷却、以及空气湿度大降温达到露点温度，也会造成路面潮湿，为黑冰的形成提供了条件。路面黑冰由于冰层厚度很薄，甚至冰粒存在于路面细缝之中，道路本身的柏油颜色会从其中透射出来，造成本身冰面的可分辨视度很低，与道路融为一体，不易被人察觉。这种黑色的薄冰，由于其本身温度并不是特别低，所以在冰的表面有一层融化的水，使得这种黑冰路面比温度低的厚冰路面湿滑系数低。
路面黑冰的存在大大降低了路面的摩擦力，将会让车辆失去控制，打滑、打转、刹车距离显着延长，容易使车辆发生打滑和侧翻，给道路交通安全带来极大隐患。路面黑冰最常出现的地方是临近水域或是非常潮湿的地方，例如湖边、河边、水道边、以及潮湿的山谷的低洼处的道路上。
目前，做好冰冻路段高速公路的安全保障工作，提升交通运行安全水平，减少交通堵塞和事故发生，已成为交通行业各部门亟待解决的重要问题。
路面颗粒缝隙间留存的少量水被冻结形成黑冰结构如图1所示，路面黑冰是路面颗粒缝隙间留存的少量水被冻结形成的。在视觉上，黑冰与路面结冰不同，不易被准确判断，因此对行车安全带来极大危害。
目前准确监测路面黑冰的技术手段还不成熟。当前已经有数种路面气象传感器面世，包括埋入式和非接触式测量传感器，但都没有黑冰探测功能。非接触式路面状态传感器利用光学方法探测路面气象状态，能分辨路面积水、结冰、积雪等状态，但是也无法识别路面黑冰，原因是由于冰颗粒嵌入在路面材料颗粒缝隙中，冰结构所占面积小，引起路面散射系数、折射率变化小，特征光谱信号弱，因此直接测量时，黑冰状态一般测量输出为积水、泥水混合物、冰水混合物、结冰，甚至输出积雪的结果，因此黑冰路面的准确探测一直是路面状况监测技术的难题研究方向。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种非接触式路面检测方法，通过分析比较路面的光谱反射数据，实现对路面情况的有效判定，尤其解决了现有技术无法对黑冰路面进行判定的问题。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种非接触式路面黑冰状态的检测方法，包括以下步骤：
【1】绘制路面状态的反射率光谱图；
选择波长范围1050nm-1650nm近红外光分别对不同状态的路面进行照射，并绘制路面在干燥状态和其他状态下的反射率光谱图；
所述其他状态为积水状态、黑冰状态、普通结冰状态以及积雪状态；
【2】在1050nm-1650nm波长范围内选取三种波长A、B、C，波长A、B、C依次增大，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；
RA相＝RA其/RA干；
RB相＝RB其/RB干；
RC相＝RA其/RB干；
其中，RA其、RB其、RB其分别为三种波长A、B、C在其他状态下的反射率；RA干、RB干、RC干分别为三种波长A、B、C在干燥状态下的反射率；
【3】根据步骤【2】的相对反射率设定路面状态判断条件；
情况1：当RA相≈RB相≈RC相≈1，则认为路面状态为干燥状态；
情况2：当1＞RA相＞RC相＞RB相，则认为路面状态为积水状态；
情况3：当RA相＞RB相＞RC相，且1＞RA相＞0.56，1＞RB相＞0.48， 1＞RC相＞0.28，则认为路面状态为黑冰状态；
情况4：当RA相＞RB相＞RC相，且0.56＞RA相≥0，0.48＞RB相≥0， 0.28＞RC相≥0，则认为路面状态为普通结冰状态；
情况5：当RA相＞RB相＞RC相，且RA相＞1.5，则认为路面状态为积雪状态；
【4】采用与步骤【2】相同三种波长A、B、C，照射待测路面，得到待测路面在三种波长下的反射率，通过该反射率和干燥状态下的反射率，计算出三种波长A、B、C对应的相对反射率，分别记为 RA`相、RB`相以及RC`相，从而进行路面状态的判定：
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况1时，则该路面判定为干燥状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况2时，则该路面判定为积水状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况3时，则该路面判定为黑冰状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况4时，则该路面判定为普通结冰状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况5时，则该路面判定为积雪状态。
进一步地，三个不同波长的近红外光的发射源采用激光器；激光器的光功率为20～40mW。
进一步地，上述激光器包括光发射端和光接收端；光发射端和光接收端贴合设置；光发射端的出射光束照射到待测路面后发生反射，光接收端接收反射光信号；出射光束与被测路面之间的夹角为θ，θ的取值范围为30°-70°，激光器与被测路面之间的距离h为2-10m。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用相对反射率测量，可以消除不同路面材料的影响，适合各种常用路面测量。通过比较不同波长激光的路面反射光谱特性，可以有效实现对路面状态的测量，尤其是对黑冰路面的测量。
2、本发明采用激光照射路面实现路面状态测量是一种非接触测量方法，设备可安装在路边，简单方便。
附图说明
图1为黑冰路面的示意图。
图2为干燥状态、积水状态、普通结冰、黑冰状态的反射率光谱图。
图3为积雪状态的反射率光谱图。
图4为利用本发明方法时激光器的安装位置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的方法做进一步详细的介绍：
步骤【1】需要绘制路面状态的反射率光谱图；
选择波长范围1050nm-1650nm近红外光分别对不同状态的路面进行照射，并绘制路面在干燥状态和其他状态下的反射率光谱图，其中，其他状态为积水状态、黑冰状态、普通结冰状态以及积雪状态；
具体做法是：
针对路面样品在波长1050nm-1650nm范围内，对路面样品1在干燥状态、积水状态、普通结冰、黑冰以及积雪等不同路面状态进行了反射率光谱测试，绘制成反射率光谱图。
如图2，其中，sample01为路面样品；dry为干燥状态；thin film 为薄水膜；thicklayer为厚水层(薄水膜和厚水层均为积水状态)；ice为普通结冰状态；black ice为黑冰状态；dip 10min为干燥路面状态光功率降低几倍后的光谱曲线，曲线形状与dry相同，只是测量值大小不同，表明光谱曲线形状与照射光功率无关。
在波长1050nm-1650nm范围内，对路面样品在纯净积雪状态、脏雪状态等不同积雪状态进行了反射率光谱测试，绘制成反射率光谱图。
如图3，其中：pure snow：纯净的雪；dirty snow：混有土的脏雪；
步骤【2】在1050nm-1650nm波长范围内选取三种波长A、B、C，波长A、B、C依次增大，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；
RA相＝RA其/RA干；
RB相＝RB其/RB干；
RC相＝RA其/RB干；
其中，RA其、RB其、RB其分别为三种波长A、B、C在其他状态下的反射率；RA干、RB干、RC干分别为三种波长A、B、C在干燥状态下的反射率；
步骤【3】根据步骤【2】的相对反射率设定路面状态判断条件，并制定路面状态判定表，参见表1；
Figure RE-GDA0002047784280000071
步骤【4】如图4所示，在待测路面的路边放置一台激光器，该激光器包括光发射端和光接收端；光发射端与光接收端的安装位置相近，光发射端的出射光束照射到被测路面后发生散射，光接收端接收散射光信号；出射光束与被测路面之间的夹角50°，激光器与被测路面之间的距离为5m，采用该激光器产生与步骤【2】相同三种波长 A、B、C，对待测路面进行照射，得到待测路面在三种波长下的反射率，通过该反射率和干燥状态下的反射率，计算出三种波长A、B、C 对应的相对反射率，分别记为RA`相、RB`相以及RC`相，将RA`相、RB`相以及RC`相代入表1，从而进行路面状态的判定：
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足(1)时，则该路面判定为干燥状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足(2)时，则该路面判定为积水状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足(3)时，则该路面判定为黑冰状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足(4)时，则该路面判定为普通结冰状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足(5)时，则该路面判定为积雪状态。

Claims (3)

1.一种非接触式路面黑冰状态的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
【1】绘制路面状态的反射率光谱图；
选择波长范围1050nm-1650nm近红外光分别对不同状态的路面进行照射，并绘制路面在干燥状态和其他状态下的反射率光谱图；
所述其他状态为积水状态、黑冰状态、普通结冰状态以及积雪状态；
【2】在1050nm-1650nm波长范围内选取三种波长A、B、C，波长A、B、C依次增大，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；
RA相＝RA其/RA干；
RB相＝RB其/RB干；
RC相＝RA其/RB干；
其中，RA其、RB其、RB其分别为三种波长A、B、C在其他状态下的反射率；RA干、RB干、RC干分别为三种波长A、B、C在干燥状态下的反射率；
【3】根据步骤【2】的相对反射率设定路面状态判断条件；
情况1：当RA相≈RB相≈RC相≈1，则认为路面状态为干燥状态；
情况2：当1＞RA相＞RC相＞RB相，则认为路面状态为积水状态；
情况3：当RA相＞RB相＞RC相，且1＞RA相＞0.56，1＞RB相＞0.48，1＞RC相＞0.28，则认为路面状态为黑冰状态；
情况4：当RA相＞RB相＞RC相，且0.56＞RA相≥0，0.48＞RB相≥0，0.28＞RC相≥0，则认为路面状态为普通结冰状态；
情况5：当RA相＞RB相＞RC相，且RA相＞1.5，则认为路面状态为积雪状态；
【4】采用与步骤【2】相同三种波长A、B、C，照射待测路面，得到待测路面在三种波长下的反射率，通过该反射率和干燥状态下的反射率，计算出三种波长A、B、C对应的相对反射率，分别记为RA`相、RB`相以及RC`相；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况1时，则该路面判定为干燥状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况2时，则该路面判定为积水状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况3时，则该路面判定为黑冰状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况4时，则该路面判定为普通结冰状态；
当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况5时，则该路面判定为积雪状态。
2.根据权利要求1所述的非接触式路面黑冰状态的检测方法，其特征在于：三个不同波长的近红外光的发射源采用激光器；激光器的光功率为20～40mW。
3.根据权利要求2所述的非接触式路面黑冰状态的检测方法，其特征在于：所述激光器包括光发射端和光接收端；光发射端和光接收端贴合设置；光发射端的出射光束照射到待测路面后发生反射，光接收端接收反射光信号；出射光束与被测路面之间的夹角为θ，θ的取值范围为30°-70°，激光器与被测路面之间的距离h为2-10m。
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