CN214194348U - 一种基于电热的桥面自动融雪化冰系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电热的桥面自动融雪化冰系统，包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器和设于桥面的温湿度传感器、结冰探测器，融雪化冰模块包括埋设于桥面下方的加热管道和与加热管道相连的电热系统，所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述远程控制系统用于根据桥面温度和湿度判断桥面是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制融雪化冰模块的换热量大小，以及发出桥面结冰预警。本实用新型能对桥面实行监测，预判桥梁结冰时间和厚度，自动启停融冰系统，智能控制加热时段、区域、功率，实现主动、智能、精准融冰。

Description

一种基于电热的桥面自动融雪化冰系统

技术领域

本实用新型属于桥梁技术领域，涉及一种桥梁融雪化冰技术，具体涉及一种基于电热的桥面自动融雪化冰系统。

背景技术

我国56％的国土，70％的桥梁都处于结冰区域。结冰导致路面汽车制动距离为正常道路的6-7倍，极容易造成交通事故。极端天气会使司机视线变得模糊，公路运输效率低，对交通设施和车辆造成损坏，严重的导致道路关闭。现有的融雪化冰的方式多采用化学和机械融冰融雪，需要大量的劳动力和施工机械，同时也会对周围环境造成破坏，并且有些技术难以实施，不能根据实际情况除雪融冰。本实用新型提供一种基于电热法新型深层埋管式能源桩桥梁智能融雪化冰系统，智能化的控制融冰除雪，较现有技术而言，通过智能化的管理，使得电热系统及时启动，防止不必要能源浪费，同时也达到融雪化冰的目的，也减少了因融雪化冰不及时造成的交通事故。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于电热法新型深层埋管式能源桩桥梁智能融雪化冰系统，是将智能化管理，监测，预警与电热化冰结合起来。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于电热的桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器和设于桥面的温湿度传感器、结冰探测器，所述气象监测器用于监测桥面所处环境气象情况，所述温湿度传感器用于监测桥面温度和湿度，所述结冰探测器用于监测桥面是否结冰，所述融雪化冰模块包括埋设于桥面下方的电热系统，所述控制模块用于根据桥面温度和湿度判断桥面是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制模块根据结冰探测器监测到桥面结冰情况控制融雪化冰模块的换热量大小，所述控制模块根据监测模块监测到的桥面温度、湿度和气象信息进行桥面结冰预警和提前启动电热系统。

进一步地，所述温湿度传感器包括湿敏元件、多个温敏元件、底座和外壳体，所述外壳体固定在底座上，所述外壳体顶部设有一个横槽内，所述湿敏元件安装在横槽内，所述温敏元件安装在外壳体四周的夹层内，所述湿敏元件和温敏元件的信号线均经过外壳体夹层从底座引出，所述湿敏元件两侧的外壳体顶部设有起保护作用的钢化玻璃。

进一步地，所述外壳体下部与底座通过树脂胶合剂密封相连。

进一步地，所述气象监测器和结冰探测器通过塑料外壳保护后安装在桥梁两侧的桥栏内侧，桥栏上每间隔80-120m布置一组气象监测器和结冰探测器。

进一步地，所述电热系统包括埋设于桥面下方的电热丝和与电热丝相连的功率调节器。

进一步地，所述电热丝在桥面内成来回折行分布，形成多行相互平行的加热线，相邻两个加热线之间距离小于单根电热丝加热影响半径的两倍。

进一步地，所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述监测模块还包括数据采集器，所述数据采集器采集各传感器数据并传输给现场控制系统，所述现场控制系统通过无线通信与远程控制系统通信相连。

进一步地，所述现场控制系统为微处理器，所述远程控制系统包括神经网络芯片、预警系统和人机交互系统，所述神经网络芯片内预置神经网络模型，首先通过带标签的实验数据训练神经网络模型，然后通过现场数据持续自训练改进。

进一步地，所述桥面上还设有用于监测现场情况的摄像头，所述远程控制系统还包括用于显示摄像头所拍摄信息的显示器。

一种基于电热的桥面智能融雪化冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在实验室环境下搭建上述桥面自动融雪化冰系统；

步骤2、利用实验环境下的带标签的数据对神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型，所述带标签的数据包括桥面温度、湿度、大气温度、结冰速度、融雪化冰速度及电热系统的加热功率；

步骤3、在现场环境下搭建上述桥面自动融雪化冰系统，在神经网络芯片预置训练好的神经网络模型；

步骤4、所述远程控制系统根据现场桥面温度湿度和气象环境计算结冰温度，根据桥面温度及温度变化情况启动或者提前启动电热系统对桥面进行融雪化冰，所述远程控制系统还根据气象环境预测存在结冰可能性时，发出结冰预警，通过现场结冰探测器检测和摄像头观察判断现场桥面是否结冰。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)建立起智能化的监测，预警控制系统，该系统能预判桥梁结冰的时间和厚度，自动启停融冰系统，智能控制加热时段、区域、功率，实现主动、智能、精准融冰。

(2)新实用新型的温湿度传感器利用电阻随着温度改变的性质，通过其变化测出温度，监测桥面水分、温湿度、降雪量。设置处与桥面平整，并不会影响车辆通行。

附图说明

图1为本实用新型温湿度传感器正视图。

图2为本实用新型温湿度传感器俯视图。

图3为本实用新型温湿度传感器三维图。

图4为本实用新型湿敏元件俯视图。

图5为本实用新型电热系统布置图。

图6为本实用新型实施例中基本融雪化冰逻辑示意图。

图中：1-外壳体，2-温敏元件，3-引出线，4-钢化玻璃，5-湿敏元件，6-底座，7-树脂胶合剂，8-绝缘基片，9-电极，10-桥截面，11-桥面，12-道路标线，13-电热丝，14-功率调节器，15-承台，16-基桩，17-桥墩，18-气象监测器，19-结冰探测器，20-温湿度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

如图1至图5所示，本实用新型提供了一种基于电热的桥面自动融雪化冰系统，包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器18和设于桥面11的温湿度传感器20、结冰探测器19，所述气象监测器18用于监测桥面11所处环境气象情况，所述温湿度传感器20用于监测桥面11温度和湿度，所述结冰探测器19用于监测桥面11是否结冰，所述融雪化冰模块包括埋设于桥面11下方的电热系统，所述控制模块用于根据桥面11温度和湿度判断桥面11是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制模块根据结冰探测器19监测到桥面11结冰情况控制融雪化冰模块的换热量大小，所述控制模块根据监测模块监测到的桥面11温度、湿度和气象信息进行桥面11结冰预警和提前电热系统。

所述温湿度传感器20包括湿敏元件5、多个温敏元件2、底座6和外壳体1，所述外壳体1固定在底座6上，所述外壳体1为圆柱体结构，圆柱体顶部设有一个横槽内，所述湿敏元件5安装在横槽内，所述温敏元件2安装在外壳体1四周的夹层内，所述湿敏元件5和温敏元件2的信号线均经过外壳体1夹层从底座6引出，所述湿敏元件5两侧的外壳体1顶部设有起保护作用的钢化玻璃4，所述所述湿敏元件5包括电极9和绝缘基片8，电极9位于上面，所述电极9和绝缘基片8上用湿敏薄膜覆盖，吸收水分，利用离子的导电率变化测出湿度，用于监测空气中的湿度。

本实用新型温湿度传感器20安装时，首先在桥面11需要安装的位置开设凹槽，将温湿度传感器20放置在凹槽内，并通过螺栓固定，之后在湿敏元件5两侧的外壳体1顶部安装钢化玻璃4保护传感器本身，所述外壳体1下部与底座6通过树脂胶合剂7密封相连。

所述气象监测器18和结冰探测器19通过塑料外壳保护后安装在桥梁两侧的桥栏内侧，桥栏上每间隔80-120m布置一组气象监测器18和结冰探测器19。气象监测器18和结冰探测器19既可以采用数据线或者无线通信天线与监测模块的数据采集器相连，采集数据，所述结冰探测器19设置冰厚度表，冰厚度表电镀防氧化层。

所述桥梁的桥墩17通过承台15支撑，所述承台15通过多根基桩16支撑，所述电热系统包括电热丝13和电热丝13相连的功率调节器14，所述功率调节器14通过控制模块控制调节电热丝13的加热功率大小。

所述桥面11上还设有用于监测现场情况的摄像头，所述远程控制系统还包括用于显示摄像头所拍摄信息的显示器。

所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述监测模块还包括数据采集器，所述数据采集器采集各传感器数据并传输给现场控制系统，所述现场控制系统通过无线通信与远程控制系统通信相连，所述现场控制系统为微处理器，所述远程控制系统包括神经网络芯片、预警系统和人机交互系统，所述神经网络芯片内预置神经网络模型，首先通过带标签的实验数据训练神经网络模型，然后通过现场数据持续自训练改进。

所述的远程控制系统控制整个设备的开关机；远程控制相关设备的恢复功能；远程控制各传感器命令的执行，远程修改除冰时间与检测时间，远程浏览当地路况，道路特征；获取被控制道路的详细信息，及时预警司机前方道路危险；与被控制端进行监测，出现物件损坏，及时派检测人员质检；摄像头监控内容远程浏览。

所述的温湿度传感器20在金属套管中的温敏元件2测出一定温度的时候，引出线3中电流通过，接线座电流流通，利用电阻体的阻值随着温度的变化性质，温度传感器开始工作感应，湿度传感器中，湿敏元件5的上表面基片覆盖一层利用感湿材料制成的膜，空气中有水分湿度时，两电极9之间的电阻值和阻率会发生变化，因此监测桥面11水分、温湿度、降雪量。同时测量桥面11状况、冰点温度和化学系数。监测模块基于GPRS传输，通过网络基站将温湿度数据上传到远程终端控制系统。气象探测器利用红外线离子放热性原理对桥面11进行监控和探测，红外线探测气候，放射性物质形成电流，使得线路中有电流通过，电子芯片记录此时电流强度。天线与远程终端控制系统信号接收，监测局部区域段的天气状况，自动化收集气象相关信息。结冰探测器19底部设置有探测金属感应片，可以探测凝冰情况，冰厚度表时刻刷新此时道路冰厚及道路情况，同时考虑气象数据，并且计算露点和霜点。

所述的远程控制系统可以接收监测模块发来的信息。利用机器学习技术对桥面11图像进行识别接收来自监测系统发来的信息，自动化处理温湿度、降雪量、实时凝冰情况、周围的环境温度等信息，用云存储技术将生成的路面冰雪数据存入数据库，结合气象数据及GIS信息，借助大数据分析及数据挖掘技术对路面冰雪云数据进行智能分析，以f℃为融冰系统与预警系统的启停界限，主动式，智能化，精确化的对桥面11进行预热，保证桥面1124h不结冰。远程控制终端系统，通过上述信息处理，预测桥梁温度的实时变化情况，当预测桥面11温度在未来时段会低于f℃时，会开启桥梁智慧预警系统，预警系统会将该预测结冰信号发送至交通平台、道路电子显示屏以及手机导航APP中，做到三重提醒，保障司机安全出行。若高于f℃时，则会再回到温度监测，从而进行循环操作。

本实用新型提供多种模式的融雪化冰方法，如图6所示，最基本的一种就是利用湿度和气象数据计算桥面11的结冰温度T_f，当温湿度传感器20所检测的桥面11温度T<T_f时，桥面11即将出现结冰现场，启动电热丝13进行融雪化冰，这是最基本的融雪化冰方式，但是一般的结冰具有滞后性，融雪化冰也具有滞后性，特别是电热丝13启动过程中，换热功率是逐渐变化的，并不是一开始就最大，所以融雪化冰最优的方式是提前启动电热系统，但是提前幅度不能太大，过度提前会造成能源浪费，所以，本实用新型还提供一种基于神经网络的融雪化冰方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在实验室环境下搭建上述桥面11自动融雪化冰系统；

步骤2、利用实验环境下的带标签的数据对神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型，所述带标签的数据包括桥面11温度、湿度、大气温度、结冰速度、融雪化冰速度及电热系统的加热功率；

步骤3、在现场环境下搭建上述桥面11自动融雪化冰系统，在神经网络芯片预置训练好的神经网络模型；

步骤4、所述远程控制系统根据现场桥面11温度湿度和气象环境计算结冰温度，根据桥面11温度及温度变化情况启动或者提前启动电热系统对桥面11进行融雪化冰，所述远程控制系统还根据气象环境预测存在结冰可能性时，发出结冰预警，通过现场结冰探测器19检测和摄像头观察判断现场桥面11是否结冰。

本实用新型桥面11自动融雪化冰系统根据桥面11结冰的临界点，本实用新型确定了所用的监控器，探测器所用的数量，管道之间的连接方式，按本实用新型所述的方法进行施工，即：

(1)布置温湿度传感器20，根据距离要求和周围环境选择布置温湿度传感器20的位置。

(2)温湿度传感器20埋设进桥面11层内的凹槽处，并用螺丝固定于凹槽内，温湿度传感器20表面设置与桥面11水平，温度传感器上表面与桥相连接处布设钢化玻璃4防止车辆运行中爆碎，湿敏材料元件处预留元件孔，不布设钢化玻璃4，温湿度传感器20周围设置金属套管，金属套管内部设置温敏元件2，温敏元件2与引出线3固定住，同时引出线3又与接线底座6相连，接线底座6连接桥面11布置的换热管线。温湿度传感器20上部分与接线底座6用融合剂相连接固定，湿敏元件5布设在预留元件孔处，与道路平齐，湿敏元件5上设置电极9和绝缘基片8，湿敏元件5上覆盖一层感湿材料制成的薄膜，并涂有防氧化剂，防止湿敏材料长期暴露在空气中氧化。

(3)内部布设同位素的结冰探测器19支架进行组装，气象监测器18支架上设置放射性红外线，光伏板进行光的反射和接收，设置于桥拦内侧，距离100m布置一处，用螺丝金属固定，并涂抹防氧化剂，监测器外表用ABS外壳包裹。将所有的支架脚全部与桥拦内侧桥面11固定住。

(4)在桥面11施工时预埋来回分布的电热丝13，将电热丝13与功率调节器14相连，将功率调节器14设置在承台15上。

(5)根据工程实施案例中，单桩的换热量为40W/m，桥面11换热量需求为200W/㎡，取标准桥梁单跨长度40m，宽8m为例，一跨桥面11所需总换热量为64kW，在40m桥长中，单桩总换热量为4kW，根据此功率选择相应加热的功率的电热丝13及功率调节器14。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于电热的桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器和设于桥面的温湿度传感器、结冰探测器，所述气象监测器用于监测桥面所处环境气象情况，所述温湿度传感器用于监测桥面温度和湿度，所述结冰探测器用于监测桥面是否结冰，所述融雪化冰模块包括埋设于桥面下方的电热系统，所述控制模块用于根据桥面温度和湿度判断桥面是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制模块根据结冰探测器监测到桥面结冰情况控制融雪化冰模块的换热量大小，所述控制模块根据监测模块监测到的桥面温度、湿度和气象信息进行桥面结冰预警和提前启动电热系统。

2.如权利要求1所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述温湿度传感器包括湿敏元件、多个温敏元件、底座和外壳体，所述外壳体固定在底座上，所述外壳体顶部设有一个横槽，所述湿敏元件安装在横槽内，所述温敏元件安装在外壳体四周的夹层内，所述湿敏元件和温敏元件的信号线均经过外壳体夹层从底座引出，所述湿敏元件两侧的外壳体顶部设有起保护作用的钢化玻璃。

3.如权利要求2所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述外壳体下部与底座通过树脂胶合剂密封相连。

4.如权利要求1所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述气象监测器和结冰探测器通过塑料外壳保护后安装在桥梁两侧的桥栏内侧，桥栏上每间隔80-120m布置一组气象监测器和结冰探测器。

5.如权利要求1所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述电热系统包括埋设于桥面下方的电热丝和与电热丝相连的功率调节器。

6.如权利要求5所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述电热丝在桥面内成来回折行分布，形成多行相互平行的加热线，相邻两个加热线之间距离小于单根电热丝加热影响半径的两倍。

7.如权利要求1-6任意一项所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述监测模块还包括数据采集器，所述数据采集器采集各传感器数据并传输给现场控制系统，所述现场控制系统通过无线通信与远程控制系统通信相连。

8.如权利要求7所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述桥面上还设有用于监测现场情况的摄像头，所述远程控制系统还包括用于显示摄像头所拍摄信息的显示器。

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