CN203684090U - 公路桥梁环保型智能防冰除冰系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，包括路面气象信息采集子系统、喷淋子系统和控制子系统；所述的路面气象信息采集子系统包括用于采集大气温度、湿度、风速、路面冰雪水状况和采集路面温度的气象传感器；所述的喷淋子系统包括除冰液制作罐(17)、除冰液工作罐(1)、除冰液输出总管、多条除冰液输出支路和多个喷嘴(15)。该公路桥梁环保型智能防冰除冰系统能实现高效、智能、自动除冰，社会效益显著。

Description

公路桥梁环保型智能防冰除冰系统

技术领域

本实用新型涉及一种公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，属于交通运输安全与应急保障技术领域。

背景技术

每到冬季，我国大部分地区就会出现冰冻、雨雪天气，使得高速公路上的桥梁、隧道口等局部区域出现结冰现象，此时行驶在此种路面上的汽车容易因车轮打滑而造成严重的交通安全事故。传统的除冰雪方法主要包括机械除冰法、传统融雪剂除冰法和电缆加热除冰法。

机械除冰法虽然具有效力高、机动性强的优点，但机械成本高，由于需要人工操作在恶劣气象条件下存在较大的安全隐患，工作时需要封闭公路影响交通，对路面有巨大的损伤并且除冰不及时；传统融雪剂除冰会加快路面破损，降低路面的使用寿命；电缆加热除冰法是近年出现的一种在道路面层和基层之间加铺电加热装置，通过调整工作电压或电流达到电加热装置发热的目的而实现除冰。此种方法存在安装和后期维护不便、工作能耗过高等缺点。

因而，现有技术存在的除冰不及时、有安全隐患、需要封路、损坏路面、安装不便以及能耗过高、不环保等问题。

因此，有必要设计一种新型的用于公路桥梁的防冰除冰系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，该公路桥梁环保型智能防冰除冰系统能实现高效、智能、自动除冰，社会效益显著。

实用新型的技术解决方案如下：

一种公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，包括路面气象信息采集子系统、喷淋子系统和控制子系统；

所述的路面气象信息采集子系统包括用于采集大气温度、湿度、风速、路面冰雪水状况和采集路面温度的气象传感器；路面气象信息采集子系统所采集的路面气象信息输出到控制子系统；

所述的喷淋子系统包括除冰液制作罐(17)、除冰液工作罐(1)、除冰液输出总管、多条除冰液输出支路和多个喷嘴(15)；除冰液制作罐内设置有潜水泵(3)，潜水泵(3)的出口经管路与除冰液工作罐的入口相接；除冰液工作罐的出口接除冰液输出总管；除冰液输出总管上设有离心泵(7)；多条除冰液输出支路均接在除冰液输出总管上；每一条除冰液输出支路上均设有电磁阀(12)；每一条除冰液输出支路上均设有至少一个所述的喷嘴；

所述的电磁阀、潜水泵和离心泵均受控于控制子系统。

与潜水泵(3)出口相连的管路以及除冰液输出总管上均设有手动截止阀(4)；在除冰液输出总管上设有压力变送器(9)和流量计(8)；在除冰液输出支路上设有压力开关(14)和流量开关(13)；除冰液工作罐上安装有液位传感器(5)；液位传感器、压力变送器、流量计、压力开关和流量开关的输出信号均传送至控制子系统。

每一条除冰液输出支路上均设有8个所述的喷嘴。

所述的控制子系统包括PLC和人机接口设备；气象传感器、液位传感器、压力变送器、流量计、压力开关和流量开关的输出端均与PLC的信号输入端相连；电磁阀受控于PLC。

PLC和人机接口设备置于控制箱中；所述的人机接口设备为触摸显示屏；每一条除冰液输出支路处设有一个用于容纳电磁阀、流量开关和压力开关的分站箱；PLC与分站箱通过光纤连接.

所述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统还包括与PLC相连的计算机和无线通信模块。

所述的气象传感器包括用于采集大气温度、湿度、风速、路面冰雪水状况的Vaisala-DSC111路面状况传感器和用于采集路面温度的Vaisala-DST111传感器。

一种用于公路桥梁的环保智能型的防冰除冰方法，采用前述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，所述的控制子系统包括PLC和人机接口设备；PLC通过气象信息采集子系统所输出的湿滑系数(该系数以气象传感器采集到的相关参数冰层厚度、水膜厚度、路面温度、湿度等为输入，再根据子系统内嵌的数学模型计算得出，属于子系统自带的输出参数，为现有技术。)判断是否存在路面结冰，若湿滑系数小于阀值(需根据实际情况确定，一般取0.33)确定为路面结冰，则PLC自动打开电磁阀启动喷嘴喷洒除冰液以清除路面上的冰层；

PLC通过液位计监控除冰液工作罐的液位状况；PLC分别通过流量计和压力变送器监控除冰液输出总管中的流量和压力。

在除冰液输出总管上设有压力变送器和流量计；在除冰液输出支路上设有压力开关(14)和流量开关(13)；除冰液工作罐上安装有液位传感器(5)；液位传感器、压力变送器、流量计、压力开关和流量开关的输出信号均传送至控制子系统；

PLC根据压力开关或流量开关的输出信号判断是否有故障产生，实现故障自诊断和报警；

判断方法为：当电磁阀应该处于开启状态时，若压力开关检测到管道内压力低于设定值，则说明管道或喷嘴出现泄漏，若流量开关检测到管道内流量低于设定值时，则说明电磁阀未正常开启；当电磁阀应该处于关闭状态时，流量开关检测到管道内流量大于设定值，则说明电磁阀未正常关闭。

公路桥梁环保型智能防冰除冰系统还包括与PLC相连的计算机和无线通信模块；操作人员利用远程终端通过所述的无线通信模块与PLC通信，实现远程监视和控制。【无线通信模块为GPRS模块或3G、4G模块】

其中的压力开关采用高精度、高稳定性能的压力传感器和变送电路，再经专用CPU模块化信号处理技术，实现对介质压力信号的检测、显示、报警和控制信号输出。流量开关主要是在水、气、油等介质管路中在线或者插入式安装监控水系统中水流量的大小。在水流量高于或者低于某一个设定点时候触发输出报警信号传递给机组，系统获取信号后即可作出相应的指示动作。给流量开关设定上限或者下限，当流量达到此次限定值时，流量开关发出信号或报警，系统将运行或停止。一般要求对流量进行控制的系统会采用流量开关。

有益效果：

本实用新型的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，是在国内首次提出将防冰除冰系统与气象信息统筹考虑的科学方案，为破解冰冻季节道路交通安全难题提供了一种新技术；所述系统能及时根据路面结冰状况主动采取除冰措施，具有实时发现结冰、智能防冰除冰的特点，改变了以往除冰措施中结冰难以及时发现、除冰不及时的缺陷；所述系统选用的除冰剂环保、除冰效率高、对路面无损伤。该系统采用的除冰剂是醋酸类盐(如醋酸钾、醋酸钠与醋酸钾的混合物)，可以生物递降分解为CO₂和H₂O，避免了传统氯化物除冰剂中氯离子的使用对环境造成污染，对道路设施产生腐蚀等危害。

本实用新型主要可以解决以下几个问题：

针对传统方法难以发现“黑冰”、发现冰冻不及时的情况，上述系统采用路面气象传感器可以实时、准确的采集到路面温度、湿度和冰雪状况，并处理分析；

该系统根据气象分析结果，实时判断是否启动喷淋系统喷洒除冰液，能实时、智能的防冰除冰，消除传统方法除冰的滞后性、需要封闭交通的不足，提高了冰冻季节道路的行车安全，保障了桥梁等关键节点的畅通；

喷淋子系统喷洒除冰液能均匀覆盖于桥面，既能够快速除冰又提高了除冰液的使用效率，相较于传统人工抛洒除冰液方法抛洒不均匀、操作慢、人员不安全因素多等缺陷具有革命性的提高；

该系统在自动控制模式下路面状况检测、喷淋启动都是智能控制的，无需人员维护，开创了道路养护新方法；

采用的除冰液是一种新型的环保型除冰液，对路面和桥梁结构无任何损害，对环境不会造成污染，除冰速度快。

与现有技术相比，本实用新型不仅在技术上有显著的进步，而且具有巨大的经济和社会效益：

首先，在技术上本实用新型的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，将气象、喷淋和控制进行了有效的集成，可以根据路面气象状况的变化实时智能开启和关闭喷淋系统，而且喷洒的除冰液均匀全覆盖，提高了除冰剂的使用效率；同时，养护人员可通过远程主机实时了解系统工作状态和除冰液的现有量，便于决策；系统不但节省能耗和人力，降低路面养护成本，而且工作效果不受天气和工作人员的影响，即便在恶劣天气也能发挥作用，且没有安全隐患；对路面没有损坏。

其次，从经济效益方面分析，由于本实用新型可以保障冰冻季节的道路畅通，减少封闭交通时间、降低交通事故率、对桥梁无损害和环境无污染，每年每座桥梁可以带来直接经济效益至少520万元。

最后，从社会效益方面，本实用新型是采用智能交通技术解决交通安全问题的一种创新方法，能实时、高效、环保、以及自动化地去除桥梁黑冰、公路冰雪，它对道路交通安全应急保障、保障人民群众行车安全，保障陆路交通通畅，都具有极大的意义。

附图说明

图1为喷淋子系统的原理图；

图2为控制子系统的原理图。

标号说明：1-除冰液工作罐，2-过滤器，3-潜水泵，4-手动截止阀，5-液位计，6-空气过滤器，7-离心泵，8-流量计，9-压力变送器，10-压力表，11-压力表开关，12-电磁阀，13-流量开关，14-压力开关；16-喷嘴。17-冰液制作罐。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

实施例1：

公路桥梁环保型智能防冰除冰系统包括路面气象信息采集子系统、喷淋子系统和控制子系统；

通过路面气象信息采集子系统不断监测路面的温度和其他气象参数，输出路面湿滑系数，将监测的信息(路面湿滑系数)经控制子系统进行分析判别，当路面湿滑系数减至低于阂值水平，则实时、主动地智能控制喷淋子系统喷洒适量的环保型除冰剂，从而有效降低桥梁冰雪灾害影响、提高桥梁行车安全。

路面气象信息采集子系统

路面气象信息采集子系统包括(1)采集大气温度、湿度、风速、路面冰雪水状况的路面状况传感器和(2)采集路面温度的路面温度传感器。可以选择遥感式或埋入式中的一种。两个传感器一起安装在支高杆上，设置在路侧边或桥梁的护栏上。所述传感器根据激光测量原理，可以精确测量水、冰、雪。同时以温度、湿度、路面状况为参数，构建模型计算出湿滑系数。(路面气象信息采集子系统采用芬兰维萨拉公司提供的系统，在该系统中集成有功能模块以输出湿滑系数)

喷淋子系统

如图1，所述的喷淋子系统包括除冰液制作罐(17)(30T)、除冰液工作罐(1)【20T】、除冰液输出总管、多条除冰液输出支路和多个喷嘴(15)；除冰液制作罐内设置有潜水泵(3)，潜水泵(3)的出口经管路与除冰液工作罐的入口相接；除冰液工作罐的出口接除冰液输出总管；除冰液输出总管上设有离心泵(7)；多条除冰液输出支路均接在除冰液输出总管上；每一条除冰液输出支路上均设有电磁阀(12)；每一条除冰液输出支路上均设有至少一个所述的喷嘴；

除冰液制作罐采用DNS0管道和除冰液工作罐连接，采用潜水泵将除冰液泵入除冰液工作罐中储存；液位计安装于工作罐中，实时检测罐中的液位信号并反馈至控制柜中；离心泵、手动截止阀、电磁流量计和压力变送器安装于泵房内的管道系统上，所述离心泵的进液口与工作灌相连，所述离心泵的出液口与喷嘴相连，提供系统动力，手动截止阀控制管道的关闭、电磁流量计检测并反馈管道中的流量、压力变送器检测并反馈管道中的压力。

电磁阀、压力开关和流量开关通过控制电缆与分站控制中心(即分站箱)连接，由分站控制中心供电并控制。电磁阀用于控制每组喷嘴的开闭；电磁阀控制一个执行设备组的开闭，便于系统维护，正常工作时处于开启状态；另外，还可以再设置减压阀用于稳定喷嘴的进口压力，保证喷嘴在正常压力下工作；压力开关用于检测管道内的压力，用于故障诊断时判断是否存在电磁阀不能正常打开的情况；流量开关通过检测管道内流量，用于故障诊断时判断是否存在喷嘴泄漏、管道泄漏和电磁阀无法正常关闭的情况。

喷嘴采用可旋转式的喷头，连接于执行设备组的支管上。每个执行设备组控制8个喷嘴，由电磁阀控制开启或关闭，喷嘴与护栏保持10-30度角安装于护栏内侧，喷嘴之间的间隔为6-9m，使得除冰液能均匀全覆盖于路面上。采用软管与支管连接，抱箍固定。

如图2，所述的控制子系统包括PLC和人机接口设备；气象传感器、液位传感器、压力变送器、流量计、压力开关和流量开关的输出端均与PLC的信号输入端相连；电磁阀受控于PLC。采用控制柜(也称为控制中心)和多个分站箱的布置模式。PLC和人机接口设备均置于控制柜中。

控制中心与分站箱采用光纤进行通讯，分站箱通过电缆控制8个执行设备组。控制中心采用西门子S7-300PLC模块，通过串口与昆仑通态公司生产的MCGS触摸屏通讯，完成数据的实时显示；PLC与分站箱连接，采用光纤通讯，电缆供电；分站箱再与电磁阀、流量开关、压力开关连接，分别控制各喷嘴电磁阀的开合，并对系统运行状况进行监测；3个PLC串口通讯模块分别实现与电磁流量计、气象传感器的通讯，1个串口通讯模块实现与GPRS的通讯；控制模块PLC采用专用的GPRS无线数据通信模块SINAUTMD720-3，该模块主要由GPRS调制解调器、天线和GPRS通讯管理软件等组成，实现S7-300PLC的GPRS无线连接，把现场采集到的实时数据通过GSM网络发送到工作人员手机。工作人员可以实时掌握桥梁路面状况、系统的工作状态、储液罐剩余除冰液量、系统是否存在故障，为工作人员下一步决策提供详细的参数。

与本系统相关的设备及支持子系统包括：供配电单元、光电传输单元和故障自诊断单元。该子系统为智能防冰除冰系统及其子系统提供动力电源，保证系统的控制信号、各传感器采集的数据和反馈信号的正常稳定地传输，同时监测系统工作状态是否有故障发生。

气象及路面状态信息自动监测采集：主要监测路面上水膜厚度、积雪厚度和结冰(或霜冻)厚度，测量大气和路面表面温度；

可以采用以下模式实施控制：

自动工作模式：智能判断，自动启动防冰除冰喷淋子系统；

手动工作模式：人工启动系统工作；

本系统具备的功能

无线通讯及远程操作功能：通过远程无线通讯模块，可以和GSM网络连接，在潜水泵空转、系统开始工作时及重要的储液罐液位和路面状态信息一同自动发送短信到指定手机号提示相关人员。通过互联网连接到专用托管服务器，用户可以打开应用软件，远程激活操作本系统的工作，同时可以实时查看系统工作数据(如储液罐的液位、管路内压力及流量和除冰液的喷洒量)和气象及路面状态信息数据；

故障自诊断和报警功能：在管路损坏或控制阀泄漏(当电磁阀应该处于开启状态时，若压力开关检测到管道内压力低于设定值，则说明管道或喷嘴出现了泄漏，若流量开关检测到管道内流量低于设定值时，则说明电磁阀未正常开启；当电磁阀应该处于关闭状态时，流量开关检测到管道内流量大于设定值，则说明电磁阀未正常关闭。)时系统界面显示红色或发出蜂鸣产报警，提示维护人员及时维修；当储液罐中的除冰液即将耗尽时，系统会通过短信提醒工作人员并终止系统工作，补充除冰液之后系统可以重新启动。

Claims (7)

1.一种公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，其特征在于，包括路面气象信息采集子系统、喷淋子系统和控制子系统； 

所述的路面气象信息采集子系统包括用于采集大气温度、湿度、风速、路面冰雪水状况和采集路面温度的气象传感器；路面气象信息采集子系统所采集的路面气象信息输出到控制子系统； 

所述的喷淋子系统包括除冰液制作罐(17)、除冰液工作罐(1)、除冰液输出总管、多条除冰液输出支路和多个喷嘴(15)；除冰液制作罐内设置有潜水泵(3)，潜水泵(3)的出口经管路与除冰液工作罐的入口相接；除冰液工作罐的出口接除冰液输出总管；除冰液输出总管上设有离心泵(7)；多条除冰液输出支路均接在除冰液输出总管上；每一条除冰液输出支路上均设有电磁阀(12)；每一条除冰液输出支路上均设有至少一个所述的喷嘴； 

所述的电磁阀、潜水泵和离心泵均受控于控制子系统。 

2.根据权利要求1所述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，其特征在于，与潜水泵(3)出口相连的管路以及除冰液输出总管上均设有手动截止阀(4)； 

在除冰液输出总管上设有压力变送器(9)和流量计(8)；在除冰液输出支路上设有压力开关(14)和流量开关(13)；除冰液工作罐上安装有液位传感器(5)； 

液位传感器、压力变送器、流量计、压力开关和流量开关的输出信号均传送至控制子系统。 

3.根据权利要求2所述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，其特征在于，每一条除冰液输出支路上均设有8个所述的喷嘴。 

4.根据权利要求2或3所述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，其特征在于，所述的控制子系统包括PLC和人机接口设备；气象传感器、液位传感器、压力变送器、流量计、压力开关和流量开关的输出端均与PLC的信号输入端相连；电磁阀受控于PLC。 

5.根据权利要求4所述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，其特征在于，PLC和人机接口设备置于控制箱中；所述的人机接口设备为触摸显示屏；每一条除冰液输出支路处设有一个用于容纳电磁阀、流量开关和压力开关的分站箱；PLC与分站箱通过光纤连接。 

6.根据权利要求5所述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，其特征在于，还包括与PLC相连的计算机和无线通信模块。 

7.根据权利要求5所述的公路桥梁环保型智能防冰除冰系统，其特征在于，所述的气象传感器包括用于采集大气温度、湿度、风速、路面冰雪水状况的Vaisala-DSC111路面状况传感器和用于采集路面温度的Vaisala-DST111传感器。 

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