CN111524368B - 一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统 - Google Patents

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CN111524368B CN202010300392.9A CN202010300392A CN111524368B CN 111524368 B CN111524368 B CN 111524368B CN 202010300392 A CN202010300392 A CN 202010300392A CN 111524368 B CN111524368 B CN 111524368B
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Abstract

本发明公开了一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，是一种在各种外界环境、各种车型、各种路段下全天候进行“车－路”间抗滑能力实时监测及危险预警的相关装置及系统。该系统由路面抗滑监测单元、行车环境监测单元、行车信息监测单元、中心计算机处理单元和抗滑警示单元五部分组成。本发明基于“车－路”综合环境对路面抗滑能力进行监测及预警，可准确、客观、真实地表征行车过程中的车与路间的实际抗滑能力，特别是在雨雪恶劣天气下，可有效对车辆驾驶人员进行警示提醒，指导其进行安全行车驾驶，并可对道路管养工作者实时反馈路面抗滑状态，为道路实时行车安全性能评判提供参考依据。该发明对提高交通安全保障具有重要的实际工程意义。

Description

一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统
技术领域
本发明属于道路交通安全技术领域，具体涉及一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统。
背景技术
“人－车－路”环境中，除了人为操作失误的因素外，影响汽车行驶安全性的关键在于车与路之间的关系，而这种关系主要表征在轮胎与路面之间的关系，其中最为关键的就是来自轮胎与路面之间的摩擦性能。“车－路”间的摩擦力对于车辆的牵引、制动以及方向稳定都是必要的，轮胎与路面间的摩擦力的大小与许多变量有关，且难以预测。在一定的行驶条件， 特别是在长下坡路段、急转弯路段和雨雪天气状况下的高速路面，如果“车－路”间存在的摩擦力达不到车辆正常行驶要求的大小，便有可能导致车辆滑行、失控甚至发生事故。
车辆轮胎属动力系统的一部分，它们与路面的相互作用不能孤立地去观察，轮胎把力从车辆传递到路面，路面必须能够承受这些力。竖向力支撑全部重力，而水平力提供牵引力、制动力和方向的稳定。因此公路安全所主要关注的水平力就是轮胎与道路表面之间的摩擦力，即路面抗滑性能。
除了人为操作失误的因素外，路面抗滑性能的影响因素实际上是存在于车-路-介质-环境整个系统当中的，包括轮胎、路面纹理构造、行车速度、路面与轮胎间介质物、系统环境等。目前对于路面抗滑性能测量也主要是按照这个思路进行，根据切入点的不同分为直接的力学模式和间接的几何特征法两大类。直接的力学模式从抗滑力的定义出发，以力或力比值（即系数）的方式来表征路面的抗滑性能，有摆值BPN、横向力系数SFC、制动力系数BFC等指标。采用的测试方法分别为摆式摩擦系数测定仪、横向力系数测定车、SRM摩阻测试车。间接的几何模式是指考虑到路面构造特征对于抗滑能力的巨大贡献，而将其作为切入点来间接评价路面的抗滑性能，代表指标有表征路面宏观构造的TD（构造深度），测试方法为手动或电动铺沙法。目前我国常以摆式摩擦系数测定仪和横向力系数测定车（SCRIM）为测定手段，以摆值（BPN）和横向力系数（SFC）指标反映路面的抗滑性能。
目前，尽管表征路面抗滑性能的方式很多，但是由于路面抗滑性能影响因素的复杂性，当前的评价方法与指标都存在很大的局限性。对于通过路面纹理评价路面抗滑性能的方法而言，首先该方法人为影响因素比较大，并且为单点非连续检测，数据的代表性不佳；其次路面纹理状况与路面抗滑间存在一定的相关性，但是随着路面材料及结构的差异，该关系并不明确统一，因此该指标的科学性值得怀疑；再者该检测方法描述的是干燥路面状况，而车辆滑溜多发生在雨雪湿滑状态，因此该指标与路面实际使用状态间还存在很大差异。与间接的几何模式相比，尽管直接的力学性能评价模式考虑了一定的外界因素，更接近于路面实际使用状况，但是由于测试条件的固化，该方法也存在很大的不足。目前连续的横向力系数测试方法均需要固定胎压、轴重、车速、水膜厚度等因素，后期结果也需要进行一定的温度修正才能进行统一的评判，但是实际操作中水膜厚度很难控制到规范要求的0.5～1.0mm，温度和速度修正系数的准确性也需要做进一步的验证。最重要的是，车辆（胎压、轴重、车速）与路面（水膜厚度、温度）实际使用状况是复杂多变的，而非确定性的可控因素，路面抗滑性能是“车－路”环境的综合性能，而通过固定行车因素和外界条件来单一研究路面自身性能的理念本身对评价行车安全而言就存在一定的局限性。目前所有的路面抗滑性能检测均停留在对路面性能的评价上，并指导道路管理者进行路面养护工作，而实际情况中，良好的道路实体在雨雪恶劣天气下也会存在抗滑能力不足的危险，危及行车安全。因此，在道路实际使用过程中，应建立一套“车－路”一体的路面抗滑性能监测系统，以期准确、客观、真实地表征行车过程中的车与路间的实际抗滑能力，并更好地服务于车辆驾驶人员和道路管养工作者。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，可在各种外界环境、各种车型、各种路段下全天候进行“车－路”间抗滑能力实时监测及危险预警，以期准确、客观、真实地表征行车过程中的车与路间的实际抗滑能力，并更好地服务于车辆驾驶人员和道路管养工作者。本发明力学意义清晰，设备智能高效，数据准确可靠，具有重要的实际工程意义。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，包括路面抗滑监测单元、行车环境监测单元、行车信息监测单元、中心计算机处理单元和抗滑警示单元，
路面抗滑监测单元用于监测车辆自重的法向荷载经车轮传至地面的竖向作用力和车辆在驱动或制动过程中车轮对路面的纵向作用力；
行车环境监测单元用于监测并记录行车的外界环境，包括路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度等信息；
行车信息监测单元由压电测速带和地磁感应线圈组成，用于采集车辆行驶速度和车辆分离信息，并将信息传至中心计算机处理单元进行处理、存储；
中心计算机处理单元用于采集路面抗滑监测单元、行车环境监测单元和行车信息监测单元产生的数据信息，计算当前状况下车辆的实时抗滑状态，分析当前抗滑状态是否满足行车安全需要，并基于历史大数据和机器学习技术对实时数据进行智能匹配，根据当前行车环境和行车工况，采用迭代反馈算法，分析计算安全行车速度建议值，并将分析信息反馈给抗滑警示单元；
抗滑警示单元用于向车辆驾驶人员反馈当前工况下车辆的抗滑结果、安全等级和建议行车速度等信息，也向道路管养工作者实时反馈路面抗滑状态，为道路实时行车安全性能评判提供参考依据。
进一步的，本发明所述的的路面抗滑监测单元由压电石英动态传感器阵列、钢制承载顶板、钢制承载底板、弹性橡胶垫片、路面活动板块和承载基础组成。
本发明采用的路面抗滑监测单元为钢制带状物，分别布设在路面左右两侧，且为前后非平行布置。路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元均为1m长，5～10cm宽，分别用来测定车辆左右两个车轮的作用力，消除多车轮作用对路面抗滑监测单元的干扰影响。每个路面抗滑监测单元均由三组压电石英动态传感器阵列构成，包括竖向力压电石英动态传感器阵列、前方纵向力压电石英动态传感器阵列和后方纵向力压电石英动态传感器阵列。
本发明中为了保证结构的稳定性，每组压电石英动态传感器阵列均由三个压电石英动态传感器构成，分别布设在路面抗滑监测单元的两端和中间位置。路面抗滑监测单元可分别对各组压电石英动态传感器阵列数据进行采集，各组压电石英动态传感器阵列数据为所属三个压电石英动态传感器数据的总和。
本发明采用的压电石英动态传感器由压电石英晶体和电极板构成。压电石英晶体在受到车轮压力作用下能够激发产生压电电荷，且产生的压电电荷量与车轮对路面抗滑监测单元的作用力成正比。压电电荷通过覆盖在压电石英晶体上的电极板进行相应的汇集，并由低噪声同轴电缆传至电荷放大器进行调节处理，再经过A/D 转换装置将压电电荷信号转变为可测量的相应比例关系的电压信号进行输出，最后送入中心计算机处理单元进行数据计算处理和存储。
本发明中路面抗滑监测单元的安装是在原路面上选取合适布设位置后，对原路面进行开窗处理，然后对路面抗滑监测单元进行埋设，并引出数据线与外部处理设备相连，电荷信号被分析处理后传至中心计算机处理单元。
本发明中路面抗滑监测单元上部为与原路面材料相同的路面活动板块，为了保证路面活动板块的整体强度，路面活动板块四周采用钢制框架进行包裹。路面抗滑监测单元下部为承载基础，可为原路面开窗后安置的水泥混凝土平台，也可为原路面开窗后的整平处理的路面结构层。
本发明采中路面活动板块固定在路面抗滑监测单元上方并形成一个受力整体，车轮的竖向作用力和前后纵向作用力经路面活动板块传至路面抗滑监测单元，由压电石英动态传感器阵列测得，并将数据传至中心计算机处理单元分析处理，从而实现“车－路”间抗滑能力的实时监测。
本发明中竖向力压电石英动态传感器阵列用于监测车轮对路面活动板块的竖向作用力FV合，前方纵向力压电石英动态传感器阵列用于监测车轮对路面活动板块的前方纵向作用力FF合，后方纵向力压电石英动态传感器阵列用于监测车轮对路面活动板块的后方纵向作用力FB合。特别说明，当车辆处于制动或驱动过程中，车轮对路面的纵向作用力为前方纵向作用力FF合和后方纵向作用力FB合中二者的一种。路面抗滑监测单元可分别对各组压电石英动态传感器阵列数据进行监测，各组压电石英动态传感器阵列数据为所属三个压电石英动态传感器数据的总和，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中：FV1、FV2、FV3为三个竖向力压电石英动态传感器测得的竖向作用力；
FF1、FF2、FF3为三个前方纵向力压电石英动态传感器测得的前方纵向作用力；
FB1、FB2、FB3为三个后方纵向力压电石英动态传感器测得的后方纵向作用力。
本发明中中心计算机处理单元对“车－路”间抗滑能力的表征指标为抗滑系数µf，根据制动或驱动路面受力的不同，计算过程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure DEST_PATH_IMAGE010
本发明中钢制承载顶板呈“凸”字形，由钢制承载板和传感器接触端组成。钢制承载底板呈“凹”字形，压电石英动态传感器位于钢制承载顶板和钢制承载底板构成的空腔内，并经过预紧固处理，使压电石英动态传感器与传感器接触端和钢制承载底板内壁间紧密接触无空隙。弹性橡胶垫片位于钢制承载顶板和钢制承载底板的接触处，起到密封和回弹作用。压电石英动态传感器由数据线引出并与外部电荷放大器相连。
本发明中行车环境监测单元为激光遥感式检测装置，采用红外激光遥感技术，根据水冰雪的红外光谱特性，实时检测路面干、潮和湿的状态，测量水、冰、雪的覆盖类型和覆盖厚度，并将路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度等信息由导线传输给中心计算机处理单元进行存储。
本发明中路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元前方均配备有行车信息监测单元，包含压电测速带和地磁感应线圈两部分。地磁感应线圈经震荡信号处理器与车辆分离器相连，车辆分离器将车辆通过信息传至中心计算机处理单元，辅助中心计算机处理单元对整车各车轮的抗滑系数进行比较分析。压电测速带为具有一定间距的双排压电传感器，车辆经过时，作用前后排压电测速带而激发产生压电电荷，压电电荷通过电荷接收处理线路后转变为电信号，并传至中心计算机处理单元，中心计算机处理单元根据感应到的电信号的时间差计算行车通过速度，并将行车速度进行存储。
本发明所述中心计算机处理单元分别对路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元进行数据采集处理，来反映车辆左右前后多个车轮的抗滑系数。以最不利状态原则，最后以车轮抗滑系数的最小值作为该车辆的抗滑系数µf，并将信息反馈给抗滑警示单元。
本发明中中心计算机处理单元由微型计算机构成，用于采集路面抗滑监测单元、行车环境监测单元和行车信息监测单元产生的数据信息，计算当前状况下车辆的实时抗滑状态，分析当前抗滑状态是否满足行车安全需要，并基于历史大数据和机器学习技术对实时数据进行智能匹配，根据当前行车环境和行车工况，采用迭代反馈算法，分析计算安全行车速度建议值。
本发明中中心计算机处理单元反馈行车速度建议值的方法为基于历史大数据的智能匹配系统，通过分析当前行车环境和行车工况信息，包括路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度和竖向作用力等，采用迭代反馈算法和历史大数据进行智能匹配。智能匹配系统的流程如下：采集节点采集实时行车环境和行车工况信息数据并通过规则提取为特征向量，将向量规则化后发送至撮合节点，撮合节点根据从中央控制节点获取的匹配参数及匹配目标，将采集节点传来的特征向量流提交给一个实时计算框架进行智能匹配处理。根据智能匹配结果，基于当前行车环境和车辆荷载情况，给出满足行车安全所需抗滑能力下的历史最优行车速度，并以建议行车速度信息反馈给抗滑警示单元。
本发明中抗滑警示单元用于显示当前工况下车辆的实时抗滑系数µf，并根据设定的抗滑指标评判抗滑系数所属评价等级。
本发明中抗滑警示单元将抗滑系数分为优、中、差三个等级，分别用绿、黄、红三色表示。
本发明中抗滑警示单元也向道路管养工作者实时反馈路面抗滑状态，为道路实时行车安全性能评判提供参考依据。当行车工况较差，降低行车速度也难以满足行车安全需要时，可提醒道路管养工作者对道路交通进行管制处理。
特别说明，本发明中路面抗滑监测单元结构尺寸可根据实际路面状况和压电石英动态传感器阵列大小和数量做相应调整，压电石英动态传感器阵列中压电石英动态传感器数量和布设位置也可根据实际需要做相应调整，并不影响本发明实际效果。
进一步的，本发明中抗滑警示单元当出现抗滑系数状况判断为差时，才反馈显示建议行车速度信息。否者显示当前行车速度。
进一步的，本发明中中心计算机处理单元可以根据所测纵向力大小间的差异实现对车辆的驱动轮和从动轮的自动识别，可以根据实际需要仅向抗滑警示单元传输起抗滑主要作用的驱动轮抗滑监测结果，用于路面抗滑性能实时预警。
进一步的，本发明也可分段布设多个路面抗滑实时监测预警系统，通过信息联网，分析车辆调整行车速度后的抗滑效果，通过反馈信息，进一步调整后端机器学习算法和匹配模型，实现自我优化。
进一步的，由于在正常行驶路段，车辆以受到平行行车方向的纵向作用力为主，当该系统用于转弯路段时，可在路面抗滑监测单元外侧增设横向力压电石英动态传感器，用于测定车轮行驶过程中所受到的横向摩擦力，并结合纵向摩擦力综合判断车轮的抗滑状态。
本发明的有益效果是：
本发明基于“车－路”综合环境对路面抗滑能力进行监测及预警，可在各种外界环境、各种车型、各种路段下全天候进行“车－路”间抗滑能力实时监测及危险预警，准确、客观、真实地表征行车过程中的车与路间的实际抗滑能力，特别是在雨雪恶劣天气下，可有效对车辆驾驶人员进行警示提醒，指导其进行安全行车驾驶，并可对道路管养工作者实时反馈路面抗滑状态，为道路实时行车安全性能评判提供参考依据。本发明的抗滑信息监测部分力学意义清晰，设备智能高效，数据准确可靠，抗滑信息智能预警部分是基于针对特定路段路况的历史大数据进行智能匹配分析，较不确定性的经验回归公式而言，更有规律性和说服力。本发明可被广泛用于长下坡路段、隧道湿滑路段、雨雪影响较大地区等特殊路段或地区，智能高效，可有效减少行车安全事故的发生，对提高生命安全保障和降低安全事故经济损失都具有极其重要的实际工程意义。
附图说明
图1为本发明的平面布置示意图；
图2为本发明的路面抗滑监测单元结构示意图；
图3为本发明的压电石英动态传感器结构示意图；
图4为本发明的压电石英动态传感器工作流程图；
图5为本发明的路面抗滑监测单元工作流程图。
附图标记列表：
1、路面抗滑监测单元，2、行车环境监测单元，2.1、激光遥感式检测装置，2.2、导线，3、行车信息监测单元，3.1、压电测速带，3.2、地磁感应线圈，3.3、震荡信号处理器，3.4、车辆分离器，3.5、电荷接收处理线路，4、中心计算机处理单元，5、抗滑警示单元，6、压电石英动态传感器阵列，6.1、竖向力压电石英动态传感器阵列，6.2、前方纵向力压电石英动态传感器阵列，6.3、后方纵向力压电石英动态传感器阵列，7、钢制承载顶板，7.1、钢制承载板，7.2、传感器接触端，7.3、钢制承载底板，8、弹性橡胶垫片，9、路面活动板块，9.1、钢制框架，10、承载基础，11、压电石英动态传感器，11.1、压电石英晶体，11.2、电极板，11.3、电荷放大器，11.4、A/D 转换装置，11.5、数据线，12、车轮，13、原路面
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图所示，本发明所述的一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，由路面抗滑监测单元1、行车环境监测单元2、行车信息监测单元3、中心计算机处理单元4和抗滑警示单元5五部分组成。路面抗滑监测单元1用于监测车辆自重的法向荷载经车轮传至地面的竖向作用力和车辆在驱动或制动过程中车轮12对路面的纵向作用力。行车环境监测单元2用于监测并记录行车的外界环境，包括路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度等信息。行车信息监测单元3由压电测速带3.1和地磁感应线圈3.2组成，用于采集车辆行驶速度和车辆分离信息，并将信息传至中心计算机处理单元4进行处理、存储。中心计算机处理单元4用于采集路面抗滑监测单元1、行车环境监测单元2和行车信息监测单元3产生的数据信息，计算当前状况下车辆的实时抗滑状态，分析当前抗滑状态是否满足行车安全需要，并基于历史大数据和机器学习技术对实时数据进行智能匹配，根据当前行车环境和行车工况，采用迭代反馈算法，分析计算安全行车速度建议值，并将分析信息反馈给抗滑警示单元5。抗滑警示单元5用于向车辆驾驶人员反馈当前工况下车辆的抗滑结果、安全等级和建议行车速度等信息，也向道路管养工作者实时反馈路面抗滑状态，为道路实时行车安全性能评判提供参考依据。
本发明采用的路面抗滑监测单元1由压电石英动态传感器阵列6、钢制承载顶板7、钢制承载底板7.3、弹性橡胶垫片8、路面活动板块9和承载基础10组成。
本发明采用的路面抗滑监测单元1为钢制带状物，分别布设在路面左右两侧，且为前后非平行布置。路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元均为1m长，5～10cm宽，分别用来测定车辆左右两个车轮12的作用力，消除多车轮作用对路面抗滑监测单元的干扰影响。每个路面抗滑监测单元1均由三组压电石英动态传感器阵列6构成，包括竖向力压电石英动态传感器阵列6.1、前方纵向力压电石英动态传感器阵列6.2和后方纵向力压电石英动态传感器阵列6.3。
本发明中每组压电石英动态传感器阵列6均由三个压电石英动态传感器11构成，分别布设在路面抗滑监测单元1的两端和中间位置。路面抗滑监测单元1可分别对各组压电石英动态传感器阵列6数据进行采集，各组压电石英动态传感器阵列6数据为所属三个压电石英动态传感器11数据的总和。
本发明采用的压电石英动态传感器11由压电石英晶体11.1和电极板11.2构成。压电石英晶体在受到车轮12压力作用下能够激发产生压电电荷，且产生的压电电荷量与车轮12对路面抗滑监测单元1的作用力成正比。压电电荷通过覆盖在压电石英晶体11.1上的电极板11.2进行相应的汇集，并由低噪声同轴电缆传至电荷放大器11.3进行调节处理，再经过A/D 转换装置11.4将压电电荷信号转变为可测量的相应比例关系的电压信号进行输出，最后送入中心计算机处理单元4进行数据计算处理和存储。
本发明中路面抗滑监测单元1的安装是在原路面13上选取合适布设位置后，对原路面13进行开窗处理，然后对路面抗滑监测单元1进行埋设，并引出数据线11.5与外部处理设备相连，电荷信号被分析处理后传至中心计算机处理单元4。
本发明中路面抗滑监测单元1上部为与原路面13材料相同的路面活动板块9，为了保证路面活动板块9的整体强度，路面活动板块四周采用钢制框架9.1进行包裹。路面抗滑监测单元1下部为承载基础10，可为原路面13开窗后安置的水泥混凝土平台，也可为原路面13开窗后的整平处理的路面结构层。
本发明中路面活动板块9固定在路面抗滑监测单元1上方并形成一个受力整体，车轮12的竖向作用力和前后纵向作用力经路面活动板块9传至路面抗滑监测单元1，由压电石英动态传感器阵列6测得，并将数据传至中心计算机处理单元4分析处理，从而实现“车－路”间抗滑能力的实时监测。
本发明中竖向力压电石英动态传感器阵列6.1用于监测车轮12对路面活动板块9的竖向作用力FV合，前方纵向力压电石英动态传感器阵列6.2用于监测车轮12对路面活动板块9的前方纵向作用力FF合，后方纵向力压电石英动态传感器阵列6.3用于监测车轮12对路面活动板块9的后方纵向作用力FB合。特别说明，当车辆处于制动或驱动过程中，车轮12对路面的纵向作用力为前方纵向作用力FF合和后方纵向作用力FB合中二者的一种。路面抗滑监测单元1可分别对各组压电石英动态传感器阵列6数据进行监测，各组压电石英动态传感器阵列6数据为所属三个压电石英动态传感器11数据的总和，即：
Figure 486782DEST_PATH_IMAGE002
Figure 200660DEST_PATH_IMAGE004
Figure 714818DEST_PATH_IMAGE006
其中：FV1、FV2、FV3为三个竖向力压电石英动态传感器测得的竖向作用力；
FF1、FF2、FF3为三个前方纵向力压电石英动态传感器测得的前方纵向作用力；
FB1、FB2、FB3为三个后方纵向力压电石英动态传感器测得的后方纵向作用力。
本发明中中心计算机处理单元4对“车－路”间抗滑能力的表征指标为抗滑系数µf，根据制动或驱动路面受力的不同，计算过程如下：
Figure 703503DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure 314613DEST_PATH_IMAGE010
本发明中钢制承载顶板7呈“凸”字形，由钢制承载板7.1和传感器接触端7.2组成。钢制承载底板7.3呈“凹”字形，压电石英动态传感器11位于钢制承载顶板7和钢制承载底板7.3构成的空腔内，并经过预紧固处理，使压电石英动态传感器11与传感器接触端7.2和钢制承载底板7.3内壁间紧密接触无空隙。弹性橡胶垫片8位于钢制承载顶板7和钢制承载底板7.3的接触处，起到密封和回弹作用。压电石英动态传感器11由数据线11.5引出并与外部电荷放大器11.3相连。
本发明中行车环境监测单元2为激光遥感式检测装置2.1，采用红外激光遥感技术，根据水冰雪的红外光谱特性，实时检测路面干、潮和湿的状态，测量水、冰、雪的覆盖类型和覆盖厚度，并将路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度等信息由导线2.2传输给中心计算机处理单元4进行存储。
本发明中路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元1前方均配备有行车信息监测单元3，包含压电测速带3.1和地磁感应线圈3.2两部分。地磁感应线圈3.2经震荡信号处理器3.3与车辆分离器3.4相连，车辆分离器3.4将车辆通过信息传至中心计算机处理单元4，辅助中心计算机处理单元4对整车各车轮12的抗滑系数进行比较分析。压电测速带3.1为具有一定间距的双排压电传感器，车辆经过时，作用前后排压电测速带3.1而激发产生压电电荷，压电电荷通过电荷接收处理线路3.5后转变为电信号，并传至中心计算机处理单元4，中心计算机处理单元4根据感应到的电信号的时间差计算行车通过速度，并将行车速度进行存储。
本发明中中心计算机处理单元4分别对路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元1进行数据采集处理，来反映车辆左右前后多个车轮12的抗滑系数。以最不利状态原则，最后以车轮12抗滑系数的最小值作为该车辆的抗滑系数µf，并将信息反馈给抗滑警示单元5。
本发明中中心计算机处理单元4由微型计算机构成，用于采集路面抗滑监测单元1、行车环境监测单元2和行车信息监测单元3产生的数据信息，计算当前状况下车辆的实时抗滑状态，分析当前抗滑状态是否满足行车安全需要，并基于历史大数据和机器学习技术对实时数据进行智能匹配，根据当前行车环境和行车工况，采用迭代反馈算法，分析计算安全行车速度建议值。
本发明中中心计算机处理单元4反馈行车速度建议值的方法为基于历史大数据的智能匹配系统，通过分析当前行车环境和行车工况信息，包括路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度和竖向作用力等，采用迭代反馈算法和历史大数据进行智能匹配。智能匹配系统的流程如下：采集节点采集实时行车环境和行车工况信息数据并通过规则提取为特征向量，将向量规则化后发送至撮合节点，撮合节点根据从中央控制节点获取的匹配参数及匹配目标，将采集节点传来的特征向量流提交给一个实时计算框架进行智能匹配处理。根据智能匹配结果，基于当前行车环境和车辆荷载情况，给出满足行车安全所需抗滑能力下的历史最优行车速度，并以建议行车速度信息反馈给抗滑警示单元5。
本发明中抗滑警示单元5用于显示当前工况下车辆的实时抗滑系数µf，并根据设定的抗滑指标评判抗滑系数所属评价等级。
本发明中抗滑警示单元5将抗滑系数分为优、中、差三个等级，分别用绿、黄、红三色表示。
本发明中抗滑警示单元5也向道路管养工作者实时反馈路面抗滑状态，为道路实时行车安全性能评判提供参考依据。当行车工况较差，降低行车速度也难以满足行车安全需要时，可提醒道路管养工作者对道路交通进行管制处理。
特别说明，本发明中路面抗滑监测单元1结构尺寸可根据实际路面状况和压电石英动态传感器阵列6大小和数量做相应调整，压电石英动态传感器阵列6中压电石英动态传感器11数量和布设位置也可根据实际需要做相应调整，并不影响本发明实际效果。
特别说明，本发明中抗滑警示单元5当出现抗滑系数状况判断为差时，才反馈显示建议行车速度信息。否者显示当前行车速度。
特别说明，本发明中中心计算机处理单元4可以根据所测纵向力大小间的差异实现对车辆的驱动轮和从动轮的自动识别，可以根据实际需要仅向抗滑警示单元5传输起抗滑主要作用的驱动轮抗滑监测结果，用于路面抗滑性能实时预警。
特别说明，本发明也可分段布设多个路面抗滑实时监测预警系统，通过信息联网，分析车辆调整行车速度后的抗滑效果，通过反馈信息，进一步调整后端机器学习算法和匹配模型，实现自我优化。
特别说明，由于在正常行驶路段，车辆以受到平行行车方向的纵向作用力为主，当该系统用于转弯路段时，可在路面抗滑监测单元1外侧增设横向力压电石英动态传感器11，用于测定车轮12行驶过程中所受到的横向摩擦力，并结合纵向摩擦力综合判断车轮的抗滑状态。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，其特征在于：包括路面抗滑监测单元（1）、行车环境监测单元（2）、行车信息监测单元（3）、中心计算机处理单元（4）和抗滑警示单元（5）五部分；路面抗滑监测单元（1）用于监测车辆自重的法向荷载经车轮传至地面的竖向作用力和车辆在驱动或制动过程中车轮（12）对路面的纵向作用力；行车环境监测单元（2）用于监测并记录行车的外界环境，包括路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度这些信息；行车信息监测单元（3）由压电测速带（3.1）和地磁感应线圈（3.2）组成，用于采集车辆行驶速度和车辆分离信息，并将信息传至中心计算机处理单元（4）进行处理、存储；中心计算机处理单元（4）用于采集路面抗滑监测单元（1）、行车环境监测单元（2）和行车信息监测单元（3）产生的数据信息，计算当前状况下车辆的实时抗滑状态，分析当前抗滑状态是否满足行车安全需要，并基于历史大数据和机器学习技术对实时数据进行智能匹配，根据当前行车环境和行车工况，采用迭代反馈算法，分析计算安全行车速度建议值，并将分析信息反馈给抗滑警示单元（5）；抗滑警示单元（5）用于向车辆驾驶人员反馈当前工况下车辆的抗滑结果、安全等级和建议行车速度这些信息，也向道路管养工作者实时反馈路面抗滑状态，为道路实时行车安全性能评判提供参考依据；
所述路面抗滑监测单元（1）由压电石英动态传感器阵列（6）、钢制承载顶板（7）、钢制承载底板（7.3）、弹性橡胶垫片（8）、路面活动板块（9）和承载基础（10）组成；
所述路面抗滑监测单元（1）为钢制带状物，分别布设在路面左右两侧，且为前后非平行布置在原路面下方，引出数据线（11.5）与外部处理设备相连，电荷信号被分析处理后传至中心计算机处理单元（4），路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元均为1m长，5～10cm宽，分别用来测定车辆左右两个车轮（12）的作用力，消除多车轮作用对路面抗滑监测单元的干扰影响；所述钢制承载顶板（7）呈“凸”字形，由钢制承载板（7.1）和传感器接触端（7.2）组成；钢制承载底板（7.3）呈“凹”字形，压电石英动态传感器（11）位于钢制承载顶板（7）和钢制承载底板（7.3）构成的空腔内，所述弹性橡胶垫片（8）位于钢制承载顶板（7）和钢制承载底板（7.3）的接触处，钢制承载顶板（7）上部为与原路面（13）材料相同的路面活动板块（9），路面活动板块（9）四周采用钢制框架（9.1）进行包裹；路面抗滑监测单元（1）下部为承载基础（10），所述承载基础（10）为水泥混凝土平台；每个路面抗滑监测单元（1）均有三组压电石英动态传感器阵列（6），包括竖向力压电石英动态传感器阵列（6.1）、前方纵向力压电石英动态传感器阵列（6.2）和后方纵向力压电石英动态传感器阵列（6.3）；每组压电石英动态传感器阵列（6）均由三个压电石英动态传感器（11）构成，分别布设在路面抗滑监测单元（1）的两端和中间位置；压电石英动态传感器（11）由数据线（11.5）引出并与外部电荷放大器（11.3）相连；
所述竖向力压电石英动态传感器阵列（6.1）用于监测车轮（12）对路面活动板块（9）的竖向作用力FV合，前方纵向力压电石英动态传感器阵列（6.2）用于监测车轮（12）对路面活动板块（9）的前方纵向作用力FF合，后方纵向力压电石英动态传感器阵列（6.3）用于监测车轮（12）对路面活动板块（9）的后方纵向作用力FB合；当车辆处于制动或驱动过程中，车轮（12）对路面的纵向作用力为前方纵向作用力FF合和后方纵向作用力FB合中二者的一种；路面抗滑监测单元（1）分别对各组压电石英动态传感器阵列（6）数据进行监测，各组压电石英动态传感器阵列（6）数据为所属三个压电石英动态传感器（11）数据的总和，即：
Figure 105190DEST_PATH_IMAGE002
Figure 819069DEST_PATH_IMAGE004
Figure 655263DEST_PATH_IMAGE006
其中：FV1、FV2、FV3为三个竖向力压电石英动态传感器测得的竖向作用力；
FF1、FF2、FF3为三个前方纵向力压电石英动态传感器测得的前方纵向作用力；
FB1、FB2、FB3为三个后方纵向力压电石英动态传感器测得的后方纵向作用力；
所述中心计算机处理单元（4）对“车－路”间抗滑能力的表征指标为抗滑系数µf，根据制动或驱动路面受力的不同，计算过程如下：
Figure 112789DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure 786216DEST_PATH_IMAGE010
。
2.根据权利要求1所述的一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，其特征在于：所述压电石英动态传感器（11）由压电石英晶体（11.1）和电极板（11.2）构成，压电石英晶体（11.1）在受到车轮（12）压力作用下能够激发产生压电电荷，且产生的压电电荷量与车轮（12）对路面抗滑监测单元（1）的作用力成正比；压电电荷通过覆盖在压电石英晶体（11.1）上的电极板（11.2）进行相应的汇集，并由低噪声同轴电缆传至电荷放大器（11.3）进行调节处理，再经过A/D 转换装置（11.4）将压电电荷信号转变为可测量的相应比例关系的电压信号进行输出，最后送入中心计算机处理单元（4）进行数据计算处理和存储。
3.根据权利要求1所述的一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，其特征在于：所述行车环境监测单元（2）为激光遥感式检测装置（2.1），采用红外激光遥感技术，根据水冰雪的红外光谱特性，实时检测路面干、潮和湿的状态，测量水、冰、雪的覆盖类型和覆盖厚度，并将路面温度、路面水膜厚度、路面雪层厚度、路面冰层厚度这些信息由导线（2.2）传输给中心计算机处理单元（4）进行存储。
4.根据权利要求1所述的一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，其特征在于：所述路面左右两侧布设的路面抗滑监测单元（1）前方均配备有行车信息监测单元（3），包含压电测速带（3.1）和地磁感应线圈（3.2）两部分；地磁感应线圈（3.2）经震荡信号处理器（3.3）与车辆分离器（3.4）相连，车辆分离器（3.4）将车辆通过信息传至中心计算机处理单元（4），辅助中心计算机处理单元（4）对整车各车轮（12）的抗滑系数进行比较分析；压电测速带（3.1）为具有一定间距的双排压电传感器，车辆经过时，作用前后排压电测速带（3.1）而激发产生压电电荷，压电电荷通过电荷接收处理线路（3.5）后转变为电信号，并传至中心计算机处理单元（4），中心计算机处理单元（4）根据感应到的电信号的时间差计算行车通过速度，并将行车速度进行存储。
5.根据权利要求1所述的一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，其特征在于：所述中心计算机处理单元（4）由微型计算机构成，用于采集路面抗滑监测单元（1）、行车环境监测单元（2）和行车信息监测单元（3）产生的数据信息，计算当前状况下车辆的实时抗滑状态，来反映车辆左右前后多个车轮（12）的抗滑系数；以最不利状态原则，最后以车轮（12）抗滑系数的最小值作为该车辆的抗滑系数µf，并将建议行车速度信息反馈给抗滑警示单元（5）。
6.根据权利要求1所述的一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，其特征在于：所述抗滑警示单元（5）用于显示当前工况下车辆的实时抗滑系数µf，并根据设定的抗滑指标评判抗滑系数所属评价等级；所述抗滑系数分为优、中、差三个等级，分别用绿、黄、红三色表示；当抗滑警示单元（5）出现抗滑系数状况判断为差时，才反馈显示建议行车速度信息；否则显示当前行车速度。
7.根据权利要求1所述的一种用于雨雪天气的路面抗滑实时监测预警系统，其特征在于：在正常行驶路段，车辆以受到平行行车方向的纵向作用力为主，当该系统用于转弯路段时，在路面抗滑监测单元（1）外侧增设横向力压电石英动态传感器（11），用于测定车轮（12）行驶过程中所受到的横向摩擦力，并结合纵向摩擦力综合判断车轮的抗滑状态。
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