高速道路结冰监测系统

1背景

近年来，基于路面状况检测的交通安全结冰预警系统技术得到了越来越多的关注，已在欧、美等多个的高速公路、机场跑道上得到应用，高速公路结冰预警检测技术的研究，为高速公路交通管理部门的冬季交通安全提供了技术支撑。

高速公路因路面结冰引起的重大交通事故屡见报端，给国民经济带来了损失。高速公路网是支撑经济发展、服务群众生活、保障应急疏散的生命线及保障安全的重要战略资源设施，具有车速快、车流密集、封闭等特点。高速公路上的桥梁、隧道、高架、枢纽等重点路段，低温时路面极易覆盖冰雪层，导致交通环境复杂，存在引起重特大交通事故的隐患，极易造成区域交通拥堵，影响社会经济的发展。

2现状

目前我国高速公路路面结冰预警检测技术主要由路面状况估计和预测、数据融合和传输技术、路网状况监控及预警方法等。高速公路路面状况估计和预警模块主要包括预警系统采集路面、路基气象信息、分析路面状况（干燥、潮湿、结冰、雪）；数据融合技术将多个传感器进行处理，获取路段实时路面状况信息；数据传输技术实现传感器数据、融合信息和预警信息在系统内与用户间信息传递；研究高速公路预警检测技术可以提高我国在恶劣天气下交通安全的管理水平。

3路面结冰监测意义

结冰造成路面抗滑能力显着降低，增加了汽车制动距离，使车辆发生打滑和侧翻，是影响行车安全的最不利气象条件之一。据统计，在所有的交通安全事故中，路面结冰时的事故是干燥路面的１０倍。据统计，我国由于恶劣天气引发的高速公路交通事故约占事故总数的31.75%，其中路面结冰和湿滑是引发事故的主要原因。

根据分析发现，我国约70%的冬季道路交通事故是由于恶劣天气导致的不良路面条件（冰雪路面）造成的。因此，路面结冰自动监测和及时预警对于保障行车安全、减少交通事故具有重要意义。

4天气主要灾害及影响

美国及欧洲等对道路结冰的监测和预报十分重视，并较早地在公路交通气象学领域开展了大量研究，形成了一些路面温度和结冰预报技术，桥面、隧道、背阴等路段的路面结冰条件差异显着，从气象学角度也难以完成特殊路段路面结冰的准确、及时预报。

但天气条件的变化，特别是极端恶劣天气条件，给高速公路的车辆行驶带来了的风险，不仅严重影响交通运输，而且还造成财产和人民生命财产的严重损失。所以道路天气条件监测是高速公路科学运营的一个重要依据，雨、雪、雾、积雪、结冰等情况对高速公路的运营都有直接的影响。气象条件对交通的影响表现在很多方面。主要表现在改变路面的物理性质、观察视线、车辆自身安全等方面。

5主要灾害及影响有：

1雾：雾主要通过降低能见度而引发交通事故。在我国大部分地区引起的交通事故的天气现象中，雾的影响最大。大雾特别是l-50米的超低能见度的灾害性浓雾是引起重大交通事故的重要原因，往往引起数辆甚至数十辆汽车的连续追尾。大雾常常造成重大车辆损失和人员伤亡，导致高速公路限速或关闭，延误行车时间，造成经济损失。

2降雨：降雨也是影响高速公路交通安全最常见的气象要素，它使路面附着系数降低，导致汽车制动距离增加，易发生车辆侧滑和控制失灵从而危及行车安全。同时降雨使能见度降低，司机视线模糊不清，导致驾驶失误。此外，降雨过后，路面如有积水或干湿不一，路面摩擦系数不均，车辆制动性变差，从而引起交通事故。在山区，暴雨还常常引发山洪、山体塌方或泥石流，从而导致车辆被冲，桥梁垮塌，道路被毁；在平原和盆地，暴雨常常引发洪涝，导致道路被淹，交通受阻。

3冰雪：冰雪与降雨一样，漫天飞舞的大雪使能见度降低，而且一旦路面积雪被压或是白天在阳光照射下融化，夜面路面降温结冰，造成里面路面摩擦系数显着降低，严重影响车辆的操作和制动性能，使控制失灵，车辆发生空转、打滑或侧滑，从而危及行车安全。

4大风：大风对于车辆行驶阻力、能耗、抗侧向倾翻及抗滑移性能都有很大影响，特别是侧向大风对高箱、双箱汽车的行驶影响尤甚。大风会引起沙尘暴、扬沙、吹雪、浮尘等天气，影响高速公路能见度。大风易使路边树木、杆线类等折断阻塞交通，易使塑料类、干草类、丝状物类等漂移到路面上引起车辆打滑、失控；易使灰尘、扬沙、尘卷影响视线造成交通事故。

5霜冻：公路路面有霜时，路面摩擦系数接近于雪面，雨后结冰同雪面结冰的物理性质一样，从而引发交通事故。

6高温：高温天气同时受吸热、摩擦及汽车尾气等的影响，高速公路路面温度比气温高得多，有时高达六七十摄氏度以上，汽车轮胎因此受热，使胎内气压升高，长途高速行驶，极易引起;爆胎。高温直接影响司机的生理、心理和精神状态，无空调车更易疲劳，注意力不集中甚至中署。

道路气象监测系统全面监测道路气象信息(能见度、路面温度、路面积水、积雪、结冰、空气温湿度、风速风向、大气压、降雨量等),为道路安全决策提供支持。可以用于道路安全监测,对道路状况进行实时监测,及时发现道路安全隐患,进行安全预警,防患于未然。也可用于区域道路安全研究,采集区域路段路况数据,进行综合分析,为制定整个区域道路安全策略提供理论依据和数据支撑。

随着交通运输业的飞速发展，天气条件对交通运输的影响也越来越广泛，恶劣的天气条件尤其是路面结冰状态，经常给交通运输带来的损失，降低运输效率，甚至威胁人们的生命财产安全。因此，高速公路路面结冰问题的研究，对预防和减少灾害性天气对交通的影响，减少交通事故、降低交通维护费用，提高交通质量和效益都有重要的现实意义。

6道路结冰概述

道路结冰是指降水，如雨、雪、冻雨，或雾滴，碰到温度低于0℃的地面而出现的积雪或结冰现象。通常包括冻结的残雪、凸凹的冰辙、雪融水或其他原因的道路积水在寒冷季节形成的坚硬冰层。

7道路结冰的成因

道路结冰发生在11月到下一年4月（即冬季和早春）的一段时间内。我国北方地区，尤其是东北地区和内蒙古北部地区，常常出现道路结冰现象。而我国南方地区，降雪一般为“湿雪”，往往属于0～4℃的混合态水，落地便成冰水浆糊状，一到夜间气温下降，就会凝固成大冰块，只要当地冬季最低温度低于0℃，就有可能出现道路结冰现象，只要温度不回升到足以使冰层解冻，就将一直坚如磐石。 一般来说，寒冬腊月，当出现大范围强冷空气活动引起气温下降的天气（气象上称为寒潮）时，如果伴有雨雪，最发生道路结冰现象。

8道路结冰监测传感器的分类

路面结冰显着降低了路面抗滑能力，极易诱发交通事故。路面结冰自动监测和及时预警对于保障行车安全具有重要意义。结冰监测技术主要依靠各种类型的结冰传感器实现结冰的感知和预报。目前结冰传感器主要有光纤式、电学式、机械式、红外式等不同类型。

我们主要介绍基于红外线的检测技术，因红外线发射、接收器成本低廉，建立合适的算法进行内部运算，能够得到相对真实的结果。由于红外线功能特殊性，可以间接实现很多其他效用，例如：作为高速公路自动化路灯的控制；监测高速公路路面温度；可以为以后进一步信息化提供良好的技术基础。而且其对建设成本控制和性都可以得到兼顾的一种检测方式方法。

9遥感式路面状况传感器原理

遥感式路面状况传感器其原理是将红外线以一个特定的波长、能量直接照射在物体的结冰（水层）表面，通过红外光电接收器接收到道路结冰表面返回的光的波长以及能量，通过理论运算得到不同入射角和观测角下的结冰或水层表面的反射系数，根据结冰系数推断物体表面的结冰（水层）情况。

遥感式路面状况传感器使用的高精度激光传感器，采用独特的遥感式技术检测路面状况，这种非侵入式的检测方式意味着无须像传统的埋入式传感器一样安装时破坏路面、封闭交通，传感器只需远距离安装在路边的立柱上就可以进行检测。激光测量原理了对水、冰、雪的测量。水和冰是分别被独立检测的，从而能够使用户全面、细致的掌握路面状况。这些突出特点和强大性能使得它能够在道路发生打滑危险之前就检测路面的结冰或者积水(积雪)情况，这样我们就可以提前发现可能导致驾驶危险的所有因素，以便及时采取预警和补救措施。采用脉冲式电阻对镜头进行加热，当温度低于5℃时脉冲电阻就会工作，能够及时清除镜头上结冰或者积水，既仪器的正常工作，又把功率和能耗控制在较小的水平，在没有电源而采用太阳能供电的地方显得尤为重要。

总结

实践证明，通过在高速公路道路监测工作中应用该系统，不仅可以提高气象监测部门监测数据的性和监测要素的多样性，而且可以极大提高交通管理部门应对突发天气状况（如大雾，大雪，暴雨等）决策的准确性并且提供预先实施交通疏导方案的数据依据，是气象监测服务和交管部门工作的有力保障，有利于道路交通的安全性的进一步提高。

随着高速公路的普及度增强，以及人们对道路的信息化以及安全性的要求不断加强，路况信息监测系统得到不断重视。作为路况信息的分支，道路结冰、积水监测成为了及其重要的一部分。同时其设计便于安装于推广，该方案也为高速公路其他子路况检测及控制提供拓展空间。

路面状况传感器能监测哪些参数