CN115909719A - 一种寒区高速公路除冰融雪预警的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种寒区高速公路除冰融雪及预警方法，包括如下步骤：步骤一、收集路况数据，采用超声波检测路面状态，发射超声波，根据反射的超声波回波的均方根电压值的不同判断路面状态；步骤二、采集车辆静态数据和动态数据；根据车辆动态数据计算交通状态信息，确定车辆限速值。本发明通过采用车路协同的方式，能够全面且实时地获取交通流信息以及车辆状态信息，结合使用超声波检测器得到更加准确的路面冰雪状态，能够更加合理地确定寒区高速公路长大下坡的限速值，配合使用微波技术的除冰融雪子系统，能够快速反应且清理冰雪路面，为驾驶员提供更加安全、舒适的行车环境，降低长大下坡路段的交通事故风险，保障车辆行车安全。

Description

一种寒区高速公路除冰融雪预警的方法与系统

技术领域

本发明属于高速公路智慧设施技术领域，尤其涉及一种寒区高速公路除冰融雪及预警的方法与系统。

背景技术

寒区高速公路由于地理位置原因，路面极易形成积雪、结冰等不利于行车的现象，从而造成路面附着力系数降低，存在行车安全隐患，尤其长大下坡路段，车辆需要足够的路面附着力系数，保证车辆安全的刹车距离，所以对路面状态的要求更高。冰雪环境下，在高速公路长大下坡路段采用智慧除冰融雪与预警技术可有效提高寒区高速公路的行车安全性。

现有许多冰雪路面识别和融雪除冰技术，如吹热风和撒融雪剂，但是关于寒区高速公路除冰融雪及预警的相关技术较少，所以如何在寒区高速公路实现冰雪路面的检测、除冰融雪以及预警是减少事故率发生的关键。

发明内容

本发明为解决寒区高速公路冰雪天气下驾驶员行车环境不良、有较大事故风险的问题，进而提供了一种寒区高速公路除冰融雪及预警方法与系统。

本发明涉及一种寒区高速公路除冰融雪及预警方法，包括如下步骤：

步骤一、收集路况数据，采用超声波检测路面状态，发射超声波，根据反射的超声波回波的均方根电压值的不同判断路面状态；

步骤二、采集车辆静态数据和动态数据；根据车辆动态数据计算交通状态信息，确定车辆限速值，公式如下：

V_SL＝[V_a+8+a*L+b*k+c*V_w]#(1)

其中，V_SL表示采取的限速值，单位为km/h；V_a表示车辆的平均速度，单位为km/h；a、b和c分别为路面状态、交通密度和风速的权重参数；L表示路面状态，0表示状态良好，1表示路面存在自然积雪，2表示路面存在压实积雪，3表示路面存在融冻冰雪；k表示交通流密度，单位为辆/km；V_w表示风速的大小，单位为m/s；

步骤三、将车辆限速值和路面冰雪状态进行信息公布，对车辆进行预警；

步骤四、根据路面状态信息确定发送超声波的工作频率，进行微波除雪。

步骤一中，判断路面状态方法如下：

向冰雪路面发射超声波，超声波的声压公式如下：

其中，P为声压，即同一质点在某一时刻的动态压强和静态压强之差；A为质点振幅；ω为质点振动角频率；ρ为介质密度；c为波速；v为质点振动速度；

超声波的声阻抗公式如下：

其中，Z为声阻抗，即超声场中任意一点声压与该点的振动速度之比；P为声压；ρ为介质密度；c为波速；超声波的反射率可以表示为如下式所示：

其中，R表示反射率；P₂为反射波的声压；P₁为发射波的声压；P₃为透射波的声压；Z₁为空气的声阻抗；Z₂为路面冰雪的声阻抗。

步骤一中，根据接收到超声波回波的均方根电压值进行冰雪状态的鉴别，路面状态为自然积雪，则超声波的工作频率为2.45GHz，距离地面高度为60mm，如果路面状态为压实积雪和融冻积雪，则超声波的工作频率为5.8GHz，距离地面高度为55mm。

步骤二中，静态数据包括车辆类型、最大加速度、最大减速度和车载设备类型；动态数据包括车辆位置、车辆速度和车辆加速度；根据车辆动态数据计算交通状态信息，包括交通流量、交通密度和路段速度。

本发明还涉及一种用于实施所述寒区高速公路除冰融雪及预警方法的系统，包括车载子系统、路侧单元子系统、云服务子系统、检测子系统、信息发布子系统和除冰融雪子系统。

车载子系统获取车辆信息，并与路侧单元子系统进行车辆之间的信息交互；

所述路侧单元子系统布设在长大下坡路段两侧，收集交通流量、密度和平均车速信息；路侧单元子系统接收车载子系统发送的车辆信息，对车辆信息和交通流状态信息进行初步处理和整合，发送给云服务子系统；

所述云服务子系统包括云服务器，获取相关检测数据信息，进行相关处理，确定限速值和每辆车所采取的控制指令；

所述云服务子系统还包括云数据库，对接收的数据进行存储；

所述检测子系统包括气象检测器，检测天气情况，并将信息发送给云服务子系统；

所述检测子系统还包括冰雪检测器，通过超声波检测器检测路面冰雪情况，并将路面状态信息发送给云服务子系统；

所述信息发布子系统接收路侧单元子系统传递的限速值和前面路况信息，并进行公示；

所述除冰融雪子系统包括微波除冰装置，在收到检测到路面冰雪之后开始进行除冰融雪工作。

本发明还涉及一种用于寒区高速公路除冰融雪及预警系统的除冰融雪装置，所述装置包括圆柱形的金属辐射腔1、圆锥形波导装置2、磁控管3、升降杆4、主体杆件5和固定装置6。

磁控管3产生和发射微波信号，圆锥形波导装置2由金属材料构成，引导电磁波传输，圆柱形的金属辐射腔1，微波通过辐射腔激发之后会向路面进行辐射，升降杆4，对整个除冰融雪装置进行升降；除冰装置的主体杆件5内置装置电源、电机和信号接收装置，实现控制升降杆的上下移动，并且接收来自云服务子系统发送的工作频率和工作高度；固定装置6连接升降杆和磁控管。

装置采用磁控管作为微波震荡管，通过波导和辐射腔进行发射，发射端距离地面55mm或60mm，向下倾斜45°以便覆盖整个道路宽度，频率采用5.8GHz或2.45GHz，布设间距为50m。

本发明还涉及一种用于寒区高速公路除冰融雪及预警系统的冰雪检测器，所述冰雪检测器包括风速检测装置7，实时监测风速；湿度传感器8，实时监测周围环境的空气湿度；超声波检测探头9，能够发射超声波并且接收超声回波，并且内置信号处理和发射装置，能够把接收到的回波信号进行均方根处理判断路面状态，并且将风速和空气湿度信息整合，然后发送给云服务子系统；太阳能电池板10，可以采集太阳能；蓄电池放置箱11，能够作为电池给装置进行供电。

有益效果

本发明通过采用车路协同的方式，能够全面且实时地获取交通流信息以及车辆状态信息，结合使用超声波检测器得到更加准确的路面冰雪状态，能够更加合理地确定寒区高速公路长大下坡的限速值，另外配合上使用微波技术的除冰融雪子系统，能够快速反应且清理冰雪路面，为驾驶员提供更加安全、舒适的行车环境，降低长大下坡路段的交通事故风险，保障车辆行车安全。

附图说明

图1为本发明寒区高速公路除冰融雪及预警系统结构示意图；

图2为本发明寒区高速公路除冰融雪及预警系统工作流程图。

图3为本发明寒区高速公路冰雪检测器结构示意图。

图4为本发明寒区高速公路微波除冰装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1至4对本实施方式进行具体说明。

本发明公开了一种寒区高速公路除冰融雪及预警方法，包括如下步骤：

步骤一、收集路况数据，采用超声波检测路面状态，根据反射的超声波回波的均方根电压值的不同判断路面状态；判断路面状态方法如下：

向冰雪路面发射超声波，超声波的声压公式如下：

其中，P为声压，即同一质点在某一时刻的动态压强和静态压强之差；A为质点振幅；ω为质点振动角频率；ρ为介质密度；c为波速；v为质点振动速度；

超声波的声阻抗公式如下：

其中，Z为声阻抗，即超声场中任意一点声压与该点的振动速度之比；P为声压；ρ为介质密度；c为波速；超声波的反射率可以表示为如下式所示：

其中，R表示反射率；P₂为反射波的声压；P₁为发射波的声压；P₃为透射波的声压；Z₁为空气的声阻抗；Z₂为路面冰雪的声阻抗。

根据接收到超声波回波的均方根电压值进行冰雪状态的鉴别，路面状态为自然积雪，则超声波的工作频率为2.45GHz，距离地面高度为60mm，如果路面状态为压实积雪和融冻积雪，则超声波的工作频率为5.8GHz，距离地面高度为55mm。

步骤二、采集车辆静态数据和动态数据；静态数据包括车辆类型、最大加速度、最大减速度和车载设备类型；动态数据包括车辆位置、车辆速度和车辆加速度；根据车辆动态数据计算交通状态信息，包括交通流量、交通密度和路段速度。

根据车辆动态数据计算交通状态信息，确定车辆限速值，公式如下：

V_SL＝[V_a+8+a*L+b*k+c*V_w]#(1)

其中，V_SL表示采取的限速值，单位为km/h；V_a表示车辆的平均速度，单位为km/h；a、b和c分别为路面状态、交通密度和风速的权重参数；L表示路面状态，0表示状态良好，1表示路面存在自然积雪，2表示路面存在压实积雪，3表示路面存在融冻冰雪；k表示交通流密度，单位为辆/km；V_w表示风速的大小，单位为m/s；

步骤三、将车辆限速值和路面冰雪状态进行信息公布，对车辆进行预警；

步骤四、根据路面状态信息确定发送超声波的工作频率，进行微波除雪。

如图1所示，本发明的寒区高速公路除冰融雪及预警系统，包括车载子系统、路侧单元子系统、云服务子系统、检测子系统、除冰融雪子系统和信息发布子系统。整个系统采用LPWAD技术对各个子系统进行互联互通，采用LoRa作为整个系统无线通信协议。

在寒区高速公路大下坡路段前后500m范围内布设基础设施，下坡前的右侧500m到开始下坡范围内和下坡结束之后的左侧500m范围内，按照100m的间距布设路侧单元子系统；在距离下坡开始和上坡开始50m的地方布设可变限速标志；在长大下坡路段两侧间隔50m布设除冰融雪装置。

车载子系统由车载计算机、符合专用短距离通信技术标准的双工通信设备和辅助设备组成。车载计算机将车辆传感器的信号转换成路侧单元子系统所需的车辆实时数据。通信设备将车辆的位置、速度等实时状态信息按照一定时间周期发送给路侧单元子系统；接收来自路侧单元子系统的控制指令并且引导车辆按照指令行驶；和其他交互车辆进行信息共享，更好的把握跟车距离和横向距离。辅助设备包括GPS导航设备，提供车辆的位置和速度信息，将数据信息用于路侧单元子系统的传输，还可以显示在导航屏幕上引导驾驶员操作。驾驶员根据获得的控制指令和当前自己的实时状态进行调整，实现车速控制。所述车载子系统可以采集的车辆动态数据包括车辆位置、车辆加速度和车辆速度；

路侧单元子系统以100m的间隔距离，均匀布设在长大下坡的前进方向的右侧，进行路段信息的采集工作。路侧单元子系统由小型计算机工作站和与之相连的通信设备组成，其中计算机工作站可以从通信设备接收到的车辆信息，计算出路段的实时交通状态信息，通过通信设备将交通状态信息传递给云服务子系统。另外，通信设备接收来自云服务子系统的控制指令，并将控制指令发送给长大下坡区域内的车载子系统。计算机工作站要能够在一定的时间内及时处理完合流区内所有的车辆信息。通信设备需要满足5.8GHz专用短距离通信技术标准，可以实现1km范围内的双工通信要求。路侧单元子系统检测的交通状态信息数据包括检测区域的交通流量、交通流的平均速度和密度；接收到的控制指令，即车辆采取的速度限速值，并发送给车载子系统。

云服务子系统中，云数据库会存储路侧单元子系统发送的车辆状态信息和交通状态信息数据，包括车辆动态数据，包括车辆位置、车辆速度和加速度；交通状态信息数据，包括交通流量、路段平均速度和交通密度。所述云服务器会根据路侧单元子系统传递的交通状态信息和检测子系统传递的路面状态信息进行分析和主动判别，通过基于预先设置的交通控制策略，自动调整限速值，并将限速值发送给可变限速标志，并将除冰融雪装置是否开始工作和工作频率发送给除冰融雪系统。

信息发布子系统包含一个可变限速信息板，依据国家标准GB5768-2009《道路交通标志和标线》和GB1883-2012《道路交通反光膜》对可变限速信息板进行设计，能够接收云服务子系统发布的限速信息以及路面状态信息，并进行展示。可变限速信息板的供电系统、版面、杆件和基础底座采用一体化设计，整个结构部件的寿命不少于7年，且整个信息板的不可见部分均具备逆反射性能，并支持4G/5G通信接口，同时还支持5.9GHz频段的短程直连通信功能，动态数据每分钟刷新2次。

整个系统的流程图如图2所示，图中描述了整个系统容的工作流程。其中粗线条代表数据传输，细线条代表指令传输。到达寒区高速公路长大下坡路段检测范围内的车辆，将自身的静态数据和动态数据发送给路侧单元子系统，路侧单元子系统检测车辆的状态信息数据，将车载子系统发送的数据和交通流状态数据合并发送给云数据库；同时检测子系统将检测到的温湿度、风速和路面冰雪状态数据发送给云数据库。云服务器根据获得的交通状态数据和路面状态数据，采用预先设计的控制策略和速度一致性原则，确定合理限速值，将限速值和路面状态信息发送给信息发布子系统，信息发布子系统进行相关信息的显示；同时云服务器根据路面状态信息确定除冰融雪子系统是否工作以及工作频率，并发送给除冰融雪子系统。

如图3所示，本发明还涉及一种用于寒区高速公路除冰融雪及预警系统的检测装置，7为风速检测装置，实时监测风速；8为湿度传感器，实时监测周围环境的空气湿度；9为超声波检测探头，能够发射超声波并且接收超声回波，并且内置信号处理和发射装置，能够把接收到的回波信号进行均方根处理判断路面状态，并且将风速和空气湿度信息整合，然后发送给云服务子系统；10为太阳能电池板，可以采集太阳能；11为蓄电池放置箱。

其中冰雪检测器利用超声波反射回波的幅值差异来检测长大下坡路段自然积雪、压实积雪和融冻积雪三种冰雪状态。该检测器通过超声波发射模块发射超声波，超声波到达路面冰雪表面之后会产生反射、折射和透射等物理现象。

超声波的声压公式如下：

其中，P为声压，即同一质点在某一时刻的动态压强和静态压强之差；A为质点振幅；ω为质点振动角频率；ρ为介质密度；c为波速；v为质点振动速度。

超声波的声阻抗公式如下：

其中，Z为声阻抗，即超声场中任意一点声压与该点的振动速度之比；P为声压；ρ为介质密度；c为波速。

由式(2)可知，介质密度正比于超声波声阻抗，声阻抗之差越大，声波透射率越低，则根据能量守恒定律，声波反射率越强，反之则越弱。将超声波发射向路面冰雪层时，由于不同冰雪状态的密度不同，反射率也不同，则可以根据反射回波的强弱以及振幅和相位进行分析和判断不同的冰雪状态。

超声波的反射率可以表示为如下式所示：

其中，R表示反射率；P₂为反射波的声压；P₁为发射波的声压；P₃为透射波的声压；Z₁为空气的声阻抗；Z₂为路面冰雪的声阻抗。

由式(3)和(4)可以看出，当空气和路面冰雪的声阻抗相差无几，即密度差不多，则超声波的反射率较低，透射率较高，反之，如果空气和路面冰雪的声阻抗相差很大，即密度相差很大，则超声波反射率较高，透射率较低。故当超声波发射器在距离路面40cm的高度垂直向路面发射超声波，如果路面出现结冰情况，由式(2)可知，三种冰雪状态的声阻抗均大于空气声阻抗，因此在路面冰雪和空气的交接界面会产生超声波回波。

可以根据接收到超声波回波的均方根电压值进行三种冰雪状态的鉴别，730mv以下的为自然积雪，730mv～850mv为压实积雪，850mv以上为融冻冰雪。

图4所示，本发明还涉及一种用于寒区高速公路除冰融雪及预警系统的除冰融雪装置，包括圆柱形的金属辐射腔1、圆锥形波导装置2、磁控管3、升降杆4、主体杆件5和固定装置6。

磁控管3产生和发射微波信号，圆锥形波导装置2由金属材料构成，引导电磁波传输，圆柱形的金属辐射腔1，微波通过辐射腔激发之后会向路面进行辐射，升降杆4，对整个除冰融雪装置进行升降；除冰装置的主体杆件5内置装置电源、电机和信号接收装置，实现控制升降杆的上下移动，并且接收来自云服务子系统发送的工作频率和工作高度；固定装置6连接升降杆和磁控管。装置采用磁控管作为微波震荡管，通过波导和辐射腔进行发射，发射端距离地面55mm或60mm，向下倾斜45°以便覆盖整个道路宽度，频率采用5.8GHz或2.45GHz，布设间距为50m。

实施例

设寒区高速公路为双向四车道，高速公路设计速度为80km/h，长大下坡路段纵坡坡度为4％，坡长为800m，且路旁设有紧急停车带，前后道路限速为60km/h，交通量为1000辆/h。每100m布设一个路侧单元子系统。主线车辆将自身的车速80km/h、位置信息和加速度信息通过车载子系统发送给路侧单元子系统和周围交互车辆；路侧单元子系统检测主线路段交通流量为1000辆/h，平均车速为70km/h，密度为12.5辆/km。路侧单元子系统将检测到的信息和车载子系统发送的信息合并发送到云服务数据库。检测子系统的气象检测器检测到风速为2m/s；冰雪检测器检测到路面有自然积雪，然后检测子系统将数据发送给云数据库。云服务器结合交通流数据、路面状态数据和天气数据，根据如下公式：

V_SL＝[70+8+a*1+b*12.5+c*2]

假设由历史数据模拟出来的a，b和c的值分别为-2、-1和-1，则得出的V_SL为62km/h，最后限速值为60km/h。

此时云服务器将确定的限速值发送给信息发布子系统，该系统开始工作，在可变限速板上显示60km/h的限速，并且标注路面状态为“自然积雪”；同时云服务器将除冰融雪系统开始工作的信号以及工作频率2.45GHz和距离地面和高度为60mm发送给除冰融雪子系统，然后该子系统开始工作，调节高度并开始发射微波进行路面加热除雪工作。

本发明的上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种寒区高速公路除冰融雪及预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、收集路况数据，采用超声波检测路面状态，根据反射的超声波回波的均方根电压值的不同判断路面状态；

步骤二、采集车辆静态数据和动态数据；根据车辆动态数据计算交通状态信息，确定车辆限速值，公式如下：

V_SL＝[V_a+8+a*L+b*k+c*V_w] (1)

其中，V_SL表示采取的限速值，单位为km/h；V_a表示车辆的平均速度，单位为km/h；a、b和c分别为路面状态、交通密度和风速的权重参数；L表示路面状态，0表示状态良好，1表示路面存在自然积雪，2表示路面存在压实积雪，3表示路面存在融冻冰雪；k表示交通流密度，单位为辆/km；V_w表示风速的大小，单位为m/s；

步骤三、公布车辆限速值和路面冰雪状态进行信息，对车辆进行预警；

步骤四、根据路面状态信息确定发送超声波的工作频率，进行微波除雪。

2.根据权利要求1所述的寒区高速公路除冰融雪及预警方法，其特征在于，步骤一中，判断路面状态方法如下：

向冰雪路面发射超声波，超声波的声压公式如下：

其中，P为声压，即同一质点在某一时刻的动态压强和静态压强之差；A为质点振幅；ω为质点振动角频率；ρ为介质密度；c为波速；v为质点振动速度；

超声波的声阻抗公式如下：

其中，Z为声阻抗，即超声场中任意一点声压与该点的振动速度之比；P为声压；ρ为介质密度；c为波速；超声波的反射率可以表示为如下式所示：

其中，R表示反射率；P₂为反射波的声压；P₁为发射波的声压；P₃为透射波的声压；Z₁为空气的声阻抗；Z₂为路面冰雪的声阻抗。

3.根据权利要求1所述的寒区高速公路除冰融雪及预警方法，其特征在于，步骤一中，根据接收到超声波回波的均方根电压值进行冰雪状态的鉴别，路面状态为自然积雪，超声波的工作频率为2.45GHz，距离地面高度为60mm；路面状态为压实积雪和融冻积雪，超声波的工作频率为5.8GHz，距离地面高度为55mm。

4.根据权利要求1所述的寒区高速公路除冰融雪及预警方法，其特征在于，步骤二中，静态数据包括车辆类型、最大加速度、最大减速度和车载设备类型；动态数据包括车辆位置、车辆速度和车辆加速度；根据车辆动态数据计算的交通状态信息，包括交通流量、交通密度和路段速度。

5.一种用于实施权利要求1至4任一项所述寒区高速公路除冰融雪及预警方法的系统，包括车载子系统、路侧单元子系统、云服务子系统、检测子系统、信息发布子系统和除冰融雪子系统。

6.根据权利要求5所述的寒区高速公路除冰融雪及预警系统，其特征在于，所述车载子系统获取车辆信息，并与路侧单元子系统进行车辆之间的信息交互；

所述路侧单元子系统收集交通流量、密度和平均车速信息；路侧单元子系统接收车载子系统发送的车辆信息，对车辆信息和交通流状态信息进行初步处理和整合，发送给云服务子系统；

所述云服务子系统包括云服务器，获取相关检测数据信息进行处理，确定限速值和每辆车所采取的控制指令；

所述信息发布子系统接收路侧单元子系统传递的限速值和前面路况信息，并进行公示。

7.根据权利要求5所述寒区高速公路除冰融雪及预警系统，其特征在于，所述除冰融雪子系统包括微波除冰装置，所述微波除冰装置包括圆柱形的金属辐射腔(1)、圆锥形波导装置(2)、磁控管(3)、升降杆(4)、主体杆件(5)和固定装置(6)。

8.根据权利要求7所述的寒区高速公路除冰融雪及预警系统，其特征在于，磁控管(3)产生和发射微波信号，圆锥形波导装置(2)由金属材料构成，引导电磁波传输，圆柱形的金属辐射腔(1)，微波通过辐射腔激发之后会向路面进行辐射，升降杆(4)，对整个除冰融雪装置进行升降；除冰装置的主体杆件(5)内置装置电源、电机和信号接收装置，实现控制升降杆的上下移动，并且接收来自云服务子系统发送的工作频率和工作高度；固定装置(6)连接升降杆和磁控管。

9.根据权利要求8所述的寒区高速公路除冰融雪及预警装置，其特征在于，所述微波除冰装置采用磁控管作为微波震荡管，通过波导和辐射腔进行发射，发射端距离地面55mm或60mm，向下倾斜45°以覆盖整个道路宽度，频率采用5.8GHz或2.45GHz，布设间距为50m。

10.根据权利要求5所述寒区高速公路除冰融雪及预警系统，其特征在于，所述检测子系统包括冰雪检测器，所述冰雪检测器包括风速检测装置(7)、湿度传感器(8)、超声波检测探头(9)、太阳能电池板(10)和蓄电池放置箱(11)；

风速检测装置(7)实时监测风速；湿度传感器(8)实时监测周围环境的空气湿度；超声波检测探头(9)发射超声波并且接收超声回波，并且内置信号处理和发射装置，能够把接收到的回波信号进行均方根处理判断路面状态，将风速和空气湿度信息整合后发送给云服务子系统；太阳能电池板(10)采集太阳能；蓄电池放置箱(11)作为电池给装置进行供电。

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