尹麒煥，李　杰，胡小弟

武漢工程大學(xué)交通研究中心，湖北 武漢 430074

用于道路安全預(yù)警的結(jié)冰傳感器的應(yīng)用研究

尹麒煥，李杰，胡小弟*

武漢工程大學(xué)交通研究中心，湖北 武漢 430074

為了監(jiān)測(cè)道路表面的結(jié)冰狀況并開(kāi)發(fā)有效的道路結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)冰傳感器起著至關(guān)重要的作用，而且它必須對(duì)結(jié)冰厚度以及結(jié)冰速率非常敏感.然而，目前國(guó)內(nèi)外已有的結(jié)冰傳感器還無(wú)法達(dá)到這種要求.研發(fā)了用于道路安全預(yù)警的結(jié)冰傳感器，使得道路結(jié)冰安全預(yù)警成為可能.通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)先對(duì)該道路結(jié)冰傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，得出了結(jié)冰厚度與結(jié)冰頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使其能準(zhǔn)確的測(cè)定路面結(jié)冰厚度的具體數(shù)值；然后通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M路面結(jié)冰的過(guò)程，分別在不同環(huán)境溫度條件下監(jiān)測(cè)結(jié)冰厚度和結(jié)冰速率，得出了結(jié)冰厚度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，驗(yàn)證了其可靠性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該結(jié)冰傳感器靈敏度較高，其測(cè)量精度達(dá)到0.1 mm；能探測(cè)到結(jié)冰厚度的具體數(shù)值以及結(jié)冰速率的變化趨勢(shì)，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠在上位機(jī)上直觀地顯示出來(lái).因此，研發(fā)的結(jié)冰傳感器可以應(yīng)用于道路并監(jiān)測(cè)結(jié)冰厚度和結(jié)冰速率，從而為道路結(jié)冰安全預(yù)警系統(tǒng)的建立打下基礎(chǔ).

交通安全；道路結(jié)冰；結(jié)冰傳感器；結(jié)冰厚度監(jiān)測(cè)

1　引言

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量正在持續(xù)增長(zhǎng).據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)民用汽車保有量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，車輛的急速增加意味著道路交通安全問(wèn)題也將越來(lái)越突出.除了人為因素以外，影響車輛行駛安全的因素還有很多，比如車輛本身的狀況、道路服務(wù)水平，以及氣候環(huán)境等等.其中，氣候環(huán)境，包括雨水、霧、結(jié)冰、大風(fēng)等，對(duì)行車安全的影響難以掌控，尤其是當(dāng)?shù)缆方Y(jié)冰時(shí)，由于機(jī)動(dòng)車駕駛員難以直接識(shí)別路面結(jié)冰狀況，不能做出正確的駕駛反應(yīng)，往往更容易引起突發(fā)事件，引發(fā)重大安全事故.因此，研究和開(kāi)發(fā)一種用于道路安全預(yù)警的結(jié)冰傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)路面結(jié)冰，為及時(shí)進(jìn)行路面結(jié)冰預(yù)警提供可靠的依據(jù)，可以有效地防止安全事故的發(fā)生.

當(dāng)路面溫度低于0℃時(shí)，路面的積雪、積水甚至潮濕的空氣都會(huì)在路表凝結(jié)成冰.當(dāng)路面結(jié)冰厚度達(dá)到2 mm～3 mm時(shí)，路面抗滑能力大大下降，嚴(yán)重影響道路行車安全［1］.在道路構(gòu)造物的局部路段，結(jié)冰現(xiàn)象更容易出現(xiàn).以橋梁為例，橋梁路段一般都沒(méi)有下承物，表面熱量散失得較快，而相較于道路的其他部位，跨江跨海的大橋周圍的空氣也較為潮濕，因此在橋梁表面更易結(jié)冰.

進(jìn)行道路結(jié)冰安全預(yù)警迫在眉睫，而路面結(jié)冰傳感器的可靠性直接關(guān)系到道路安全預(yù)警的效果，因此，對(duì)用于道路安全預(yù)警的結(jié)冰傳感器的應(yīng)用研究十分必要.目前，國(guó)內(nèi)外已研制出的結(jié)冰傳感器有光纖式［2］、紅外式［3］、振動(dòng)式［4］、電容式［5］、壓電平膜式［6］等不同種類，光纖式結(jié)冰傳感器和紅外式結(jié)冰傳感器抗干擾能力較差、振動(dòng)式結(jié)冰傳感器探頭較脆弱易損壞、電容式結(jié)冰傳感器深度結(jié)冰時(shí)難以監(jiān)測(cè)、壓電平膜式結(jié)冰傳感器需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這些傳感器均存在一定程度的缺陷，難以適應(yīng)道路上的惡劣環(huán)境，因此無(wú)法直接應(yīng)用于道路結(jié)冰預(yù)警，但其在航空、電力等領(lǐng)域形成了較為成熟的結(jié)冰檢測(cè)和預(yù)警技術(shù)，可為道路工程所借鑒［7］.

在相關(guān)技術(shù)部門的支持下，本文對(duì)一種可應(yīng)用于道路安全預(yù)警的結(jié)冰傳感器進(jìn)行了應(yīng)用研究.該結(jié)冰傳感器具有探頭體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)處理迅速和最小檢出精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前比較理想的一種能應(yīng)用于道路領(lǐng)域的結(jié)冰傳感器.本文對(duì)該結(jié)冰傳感器的具體性能進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其靈敏度與可靠性.

2　道路結(jié)冰傳感器的基本原理

道路結(jié)冰傳感器是道路結(jié)冰安全預(yù)警的核心部分，也直接決定著預(yù)警工作能否正常進(jìn)行，其工作原理示意圖如圖1所示.

圖1　道路結(jié)冰傳感器示意圖Fig.1　Schematic diagram of road icing sensors

道路結(jié)冰傳感器的基本工作原理：道路結(jié)冰傳感器是一種機(jī)械式傳感器，它采用電磁諧振原理，由電磁振動(dòng)線圈和解算器的交流放大器組成一個(gè)閉環(huán)振蕩系統(tǒng).當(dāng)該閉環(huán)振蕩系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的輸出信號(hào).在結(jié)冰條件下，該頻率會(huì)隨著冰層厚度的增加而上升，此頻率信號(hào)被后續(xù)電路放大、采樣，以及進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理及標(biāo)度變換后，得到結(jié)冰厚度和速率，數(shù)據(jù)可通過(guò)RS485或RS232的數(shù)字量形式輸出.結(jié)合此原理，將道路結(jié)冰傳感器埋設(shè)在道路上，能夠?qū)崟r(shí)采集路面結(jié)冰的具體厚度和結(jié)冰速率，反饋給行駛路人，為道路交通安全提供保障.

相比其他類型的結(jié)冰傳感器，道路結(jié)冰傳感器抗干擾能力較強(qiáng)；結(jié)冰厚度探測(cè)范圍較寬，可達(dá)到0.1 mm～12.7 mm；結(jié)冰厚度測(cè)量的精度較高，精度可達(dá)（0.3±0.1）mm；探頭部分采用全金屬制作，溫度工作范圍較寬，最低可達(dá)到-40℃，最高可達(dá)到70℃，不易損壞；傳感器內(nèi)部電路板均經(jīng)過(guò)三防處理，能夠很好地適應(yīng)道路上復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境，可以用于道路上進(jìn)行結(jié)冰監(jiān)測(cè).監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)出，能夠在室內(nèi)實(shí)時(shí)采集，為安全預(yù)警提供了便利的條件.

3　實(shí)驗(yàn)部分

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要包括冰厚標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和路面結(jié)冰模擬實(shí)驗(yàn).冰厚標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的目的是標(biāo)定道路結(jié)冰傳感器；路面結(jié)冰模擬實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證其靈敏度和可靠性，為路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警提供保障.

3.1傳感器的安裝與固定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)條件和現(xiàn)有儀器設(shè)備（主要是高低溫實(shí)驗(yàn)箱），充分考慮實(shí)驗(yàn)的可操作性，筆者自主開(kāi)發(fā)了一套固定結(jié)冰傳感器的夾具，將結(jié)冰傳感器豎向固定起來(lái)，便于實(shí)驗(yàn).將固定好的傳感器放置于高低溫箱中，采用人工噴水的方式，使其結(jié)冰，然后在上位機(jī)上顯示結(jié)冰的厚度及其速率.組裝后的道路結(jié)冰傳感器實(shí)物圖如圖2所示.

圖2　道路結(jié)冰傳感器實(shí)物圖Fig.2　Physical figure of road icing sensor

3.2冰厚標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)的目的是為了得出結(jié)冰厚度和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用此對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)采集界面能夠直接顯示路面結(jié)冰厚度.標(biāo)定過(guò)程如下：將高低溫箱的溫度設(shè)置為-10℃，待溫箱溫度恒定后，對(duì)著結(jié)冰傳感器噴水，使其結(jié)冰，采集傳感器固定頻率的輸出信號(hào)，同時(shí)用游標(biāo)卡尺測(cè)出結(jié)冰厚度并做好記錄；繼續(xù)向結(jié)冰傳感器噴水，重復(fù)以上步驟，取得一系列結(jié)冰厚度和頻率.挑選一些較有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，標(biāo)定得出結(jié)冰厚度和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

3.3室內(nèi)結(jié)冰模擬實(shí)驗(yàn)

1）路面結(jié)冰影響因素.溫度是影響路面結(jié)冰與否的最主要因素，大氣溫度不僅影響雨水的溫度，還會(huì)影響路表的溫度.雨水在下落后的主要接觸對(duì)象是路面，熱量交換主要發(fā)生在雨水和路面之間［8］，因此溫度是實(shí)驗(yàn)要考慮的主要變量.

2）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì).考慮到室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的可操作性，將溫度作為室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的單一變量，有助于得出溫度與結(jié)冰厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為路面結(jié)冰安全預(yù)警提供可靠依據(jù).當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，自然界的水就會(huì)凝結(jié)成冰.在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的環(huán)境變量為溫度：-5℃、-10℃、-20℃，降雨用噴水的方式來(lái)模擬，水溫為0～4℃，實(shí)驗(yàn)在高低溫箱中進(jìn)行.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制高低溫箱的環(huán)境溫度分別為-5℃、-10℃、-20℃，當(dāng)溫度穩(wěn)定后采用人工噴灑的方式將4℃的水噴灑到結(jié)冰傳感器頂面，待傳感器表面結(jié)冰后通過(guò)上機(jī)位顯示界面觀察結(jié)冰厚度，直到結(jié)冰厚度不再發(fā)生變化時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)自動(dòng)記錄結(jié)冰完成時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)excel文件保存以便隨時(shí)查閱.

路面結(jié)冰模擬的結(jié)冰傳感器表面結(jié)冰狀態(tài)如圖3所示.

圖3　結(jié)冰傳感器表面結(jié)冰狀態(tài)Fig.3　Frozen state of icing senor

4　結(jié)果與分析

4.1冰厚標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

基于結(jié)冰傳感器的基本原理可知，結(jié)冰的厚度與結(jié)冰頻率之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在實(shí)驗(yàn)之前需要標(biāo)定結(jié)冰的厚度與結(jié)冰頻率之間的關(guān)系，以達(dá)到通過(guò)結(jié)冰頻率直接得出結(jié)冰厚度的目的，從而簡(jiǎn)化后續(xù)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程.結(jié)冰傳感器的冰厚標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1中冰厚標(biāo)定數(shù)據(jù)符合水凝結(jié)成冰的一般特性，說(shuō)明通過(guò)表中的標(biāo)定數(shù)據(jù)編程后可以根據(jù)結(jié)冰頻率得出結(jié)冰厚度的具體數(shù)值，后面所測(cè)出的結(jié)冰厚度均是根據(jù)此標(biāo)定數(shù)據(jù)計(jì)算得出.

表1　冰厚標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1　Experimental data of ice thickness calibration

4.2路面結(jié)冰模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)方法在高低溫實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行路面結(jié)冰模擬實(shí)驗(yàn)，待實(shí)驗(yàn)完成后處理excel里面保存好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).然后把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得不同溫度下結(jié)冰厚度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖4所示.

圖4　結(jié)冰厚度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.4　Relationship curves between ice thickness and time

從圖4可以看出，對(duì)于此結(jié)冰傳感器而言，結(jié)冰厚度曲線普遍存在著一個(gè)明顯的“拐點(diǎn)”，過(guò)了“拐點(diǎn)”之后，結(jié)冰厚度隨著時(shí)間的變化較為緩慢（即結(jié)冰速率逐漸減?。?；溫度不同，“拐點(diǎn)”出現(xiàn)的位置不同，溫度越低，“拐點(diǎn)”處結(jié)冰厚度越大，達(dá)到“拐點(diǎn)”需要的時(shí)間越短；在“拐點(diǎn)”之前，結(jié)冰厚度與時(shí)間成正比關(guān)系，溫度越低，結(jié)冰速率越大；在“拐點(diǎn)”過(guò)了之后，結(jié)冰厚度與時(shí)間依然成正比關(guān)系，但結(jié)冰速率普遍較小，結(jié)冰厚度雖略有增長(zhǎng)，然而增長(zhǎng)得十分緩慢.在每一個(gè)特定的溫度下，傳感器探測(cè)到的最大結(jié)冰厚度是一定的，因而當(dāng)傳感器表面結(jié)的冰達(dá)到一定厚度時(shí)，傳感器探測(cè)到的結(jié)冰速率顯著下降，結(jié)冰速率的顯著下降意味著曲線斜率的減小，斜率的減小直接導(dǎo)致了“拐點(diǎn)”的出現(xiàn).“拐點(diǎn)”的意義在于揭示了水凝結(jié)成冰的內(nèi)在規(guī)律，結(jié)冰速度先快后慢，因而在結(jié)冰的初期進(jìn)行預(yù)警所起到的預(yù)警效果是最理想的.

5　結(jié)語(yǔ)

此結(jié)冰厚度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線符合結(jié)冰傳感器的一般特性，因此可以認(rèn)為，該傳感器的測(cè)量是可靠的，能夠滿足道路結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)關(guān)于監(jiān)測(cè)結(jié)冰厚度的相關(guān)要求.因此，可以將其應(yīng)用于路面結(jié)冰安全預(yù)警系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)結(jié)冰厚度和結(jié)冰速率.

目前，結(jié)冰傳感器的種類較多，但應(yīng)用于道路領(lǐng)域的極少，且都存在一定程度的缺陷，加之在預(yù)警方面的研究有限，使其在道路領(lǐng)域發(fā)揮的功效甚微.道路結(jié)冰傳感器有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)能夠更好的適應(yīng)道路領(lǐng)域，在以后的研究中把它應(yīng)用于道路結(jié)冰探測(cè)中并與結(jié)冰預(yù)警有效的結(jié)合起來(lái)，將產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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本文編輯：龔曉寧

Application Research on Ice Sensor for Road Safety Warning

YIN Qihuan，LI Jie，HU Xiaodi*
Transportation Research Center of Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

The ice sensor plays the most important role in monitoring the icing condition of pavement surface and developing an effective warning system of icy roads，and it must be sensitive to the ice thickness and the variation of ice thickness.However，the existing ice sensor can not meet this requirement.In this study，an innovative ice sensor was developed through a special technology and it makes the warning system of icy roads possible.This sensor was calibrated first by the laboratory test and the corresponding relationship between the icing thickness and the icing frequency was obtained so that the ice thickness can be measured accurately.And then，the icing process of the road surface was simulated in the laboratory，and the relationship curve of the ice thickness with the icing time was drawn through measuring the icing thicknesses and the icing rates at different temperatures so that the reliability was verified.The results show that the ice sensor has a high sensitivity to the variation of ice thickness and the precision is better than 0.1 mm；the data of ice thickness and icing rate could be collected and presented on the upper computer directly.So this ice sensor should be available for the warning system of icy roads.

traffic safety；road icing；ice sensor；ice thickness monitor

U421.4

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.03.014

1674-2869（2016）03-0273-04

2016-03-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278389）；湖北省交通廳科技項(xiàng)目（2013-731-1-3）；武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014010202010098）

尹麒煥，碩士研究生.E-mail：1121525549@qq.com

胡小弟，博士，教授.E-mail：1246493105@qq.com