路面冰雪状况监测与预警技术研究

交通科技与管理99技术与应用
0　引言
我国四分之三的国土属于冬季积雪地区，有些地区积雪期长达3~4个月。

降雪、结冰将直接导致路面防滑性能的下降，导致汽车刹车失灵、方向失控，从而易引发交通事故。

相关资料表明，干燥沥青路面的附着系数约为0.6，而积雪路面的附着系数为0.2，结冰道路的附着系数为0.15，降低为干燥沥青路面的1/3和1/4。

因此，在冰雪路面上汽车容易打滑、跑偏，制动距离显著延长，严重影响了车辆的操作稳定性和安全性，交通事故发生率较高。

综上，为了提升低温雨雪天下沥青路面行车安全性，本项目结合公路沥青路面结冰防治现状，对路面冰雪状况监测与预警技术展开研究。

路面监测主要包括路面结冰天气的预报，路面结冰检测设备、路面结冰时间预测模型，路面除冰方法的研究等。

路面结冰预警方面主要为路面结冰对交通安全影响及路面结冰对交通安全保障技术等方面进行研究。

1　沥青路面结冰监测技术研究
道路结冰这个概念早已提及，只是缺乏道路结冰检测的设备而导致路面结冰的问题一直处于未曾突破的状态。

路面监测技术能准备的掌握真实的数据资料，是路面结冰研究的基础资料。

针对路面检测技术，国内外研发出了多种检测设备。

经过欧美国家不懈的努力，目前，路面结冰检测技术及相应的传感器已经多达十几种，主要有压差式结冰传感器、障碍式结冰传感器、振动式结冰传感器、潜热式结冰传感器、热流式结冰传感器、电容式结冰传感器、回波式结冰传感器、微波式结冰传感器、超声式结冰传感器、电磁束阻断式结冰传感器、红外线结冰传感器、光纤式结冰传感器。

上述传感器由于某些技术的不成熟，应用到实际的较少，大部分还需继续进行实验研究，特别是针对路面的，由于埋在路面下，还需要考虑汽车压力和对路基造成污染等问题。

目前，我国的大学及相关科研机构中对了结冰监测的研究也较少，其中华中科技大学对研究出光纤式结冰传感器并申请了专利。

结冰监测技术主要是通过应用于传感器来达到监测效果，应用于监测结冰的原理是通过传感器来检测到路面表面结冰后所发生物理、力学、光学等性质来实现测定结冰。

目前结冰监测技术已广泛应用于飞机、电力、道路等领域，如瑞典sensice公司通过研发得到了一种能够实现远距离探测得到路面结冰的检测产品。

为适应高速公路气象观测系统自动化、智能化和网络化的发展趋势，国内学者陈俊良等专门针对高速公路路面结冰检测系统，设计和开发了实现数据采集和处理的上位机软件，实际应用结果表明：该上位机软件具有操作简单、功能完善、稳定性高和实时性强等优点，能实时准确地实现对高速公路路面结冰状态的实时检测和预警。

2　沥青路面结冰预警研究
国外在道路研究方面已经有较长的历史，Norrrnan通过不断研究，针对路面打滑建立了道路路面打滑专家分类系统，将直接收集到的数据作为直接观测因子（主要有温度、气温、露点、相对湿度、风速、降水信息），之后结合以往的经验公式而确定打滑类型。

Crevier等建立环境和路面温度数值模型METRO，并结合降雨、降雪、冰点、路面融水、蒸发、露水和霜的位置等信息以ESCSR为依据实现路面打滑判断。

针对路面结冰预测研究，国内关于路面结冰时间预测方面的研究相对较少，国外相对较多。

由于路面结冰冻融对路面造成影响，HJ Liu，W Shan等对冻融对路基路面影响进行了研究，采用室内实验方法和详细的实验方案，分析总结了土壤抗剪强度变异与含水量、土壤密度和冻融循环次数的变化规律。

研究结果表明：土壤水分含量和土壤压实度均随时间的增加而降低。

高速公路路面结冰也严重影响到交通安全及城市效益，熊竹等介于此现象，通过室内实验室设置几组常见的温度及降雨量进行单一控制，以便于观察冰的形成及消融的规律，通过神经网络构建结冰预测模型。

与此同时，针对行车安全提出了相应的预警。

周士栋等为了提高车辆行驶在高速公路冰雪路面上的安全性，通过风洞实验，设置温度、降雨量等影响因素，并观察路面结冰的过程所变化的规律，最后利用多元线性回归分析，最终建立了路面结冰预测模型。

Jian L I、Lei J等同样基于支持向量机（支持向量机）的方法，为了提高道路结冰预测分类的精度，提出了一种改进的遗传粒子群优化算法（GPSO）来同时选择功能和优化支持向量机参数，通过风洞实验Shin和Bond两位学者在改变条件的情况下对NACA0012翼的结冰过程进行了探究。

国外的国家尤其是美欧等国非常重视道路结冰的监测和预报，因此，很早之前国外就已经在交通气象学领域开始着手了较多的研究，目前已形成了关于路面温度、结冰等方面的预报方法和技术。

如美国等国家早已建成的道路气象信息系统，该系统具有较好的实用性，该系统可以根据天气数据预报路面的天气状况，由于结冰的复杂，这些技术方法等都是依据一些经验公式及数学模型，在预测结冰方面具有较大的间接性，并不能实时的、真实的监测得到路面结冰的状态。

3　结论
对于沥青路面结冰监测与预警技术研究已经取得了一定
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路面冰雪状况监测与预警技术研究
卢　毅1,金光来2
（1.江苏省交通工程建设局,南京 210029;2.江苏中路工程技术研究院有限公司,南京 210000）
摘　要：为了提升冰雪天气下沥青路面的行车安全，本文总结了沥青路面的结冰监测技术和预警技术在国内外研究的进展，并对不同技术的特点进行了比较。

关键词：沥青路面；结冰监测；结冰预警
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义上的尾气污染零排放，另一方面由于混合动力卡车同时支持利用化石燃料作为能源，并拥有储存能源的能源回收系统，因此混合驱动系统无法实现完全的零排放的目的。

3.4　经济分析
对于混合动力卡车的研究，其目的是为了降低卡车的油耗及其排放。

传统内燃式发动机虽然经过长时间的发展、使用，相关技术已经非常成熟，然而依旧有着热传导效率低、排放高等不足。

且为了保证卡车有足够的动力，一般都会选用高功率发动机。

而混合动力卡车恰恰相反，选用低功率发动机。

其原因是可以延长发动机的使用寿命，并且在低速行驶情况下，不需要发动机的高功率运转。

一般车辆在低速行驶时，其动能由电机提供一般就足够了，而在卡车爬坡或是高速行驶的情况下，则需要发动机参与工作，发动机与电机共同参与卡车的供能。

此时低功率发动机的油耗要比高功率低10%左右。

并且混合动力卡车在刹车和下坡时，可以将车轮旋转的动能转化为电能储存在蓄电池中，以备电机使用。

通过此方法储存的电能，可以再降低发动机15%左右的油耗。

综上所述，混合动力对于长途卡车的运输而言，可以有效降低燃油消耗从而使运输成本降低不少。

并且通过电机和发动机的协同工作，可以有效延长发动机的使用寿命，从经济角度考虑，相较于使用传统发动机的卡车混合动力卡车更加适合参与长途运输工作。

4　混合动力卡车控制策略
4.1　模糊优化控制策略
模糊控制是利用模糊数学的知识，模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判断，给出精确的控制量来控制被控对象。

该策略不需要建立复杂的数学模型，逻辑控制能力强，鲁棒性好。

这是混合动力电动汽车战略的主要发展方向。

4.2　瞬时最优控制策略
在汽车应用中，一般采用最小瞬时当量油耗的控制策略。

该策略首先得到与发动机通用特性图相似的电机能耗特性图，根据两者的特性图，增加控制策略的油耗，动态选择传动比，从民意最低油耗中分配扭矩等状态变量。

控制策略的燃油经济性优于控制策略。

它优于模糊控制策略，但受电池老化和发动机动态特性的影响，在实际应用中很难达到这一目的。

5　应用趋势发展分析
5.1　动力电池的发展将推动混合动力的发展
眼下，铅酸蓄电池仍然作为混合动力卡车的首选电池。

不过，随着近几年的发展，锂电池也可以作为其动力源。

然而这类蓄电池主要被应用于纯电动车的生产中。

对于混合动力汽车都采用的是燃料电除，这类电池在车辆低负荷运行时可以完全由其功能，在车辆由发动机供能、刹车减速时，燃料电池可以在这一过程中储存能量。

眼下，如何研究设计出更高效安全的燃料电池，是发展混合动力的主要目标。

因此，混合动力领域的发展是由燃料电池的进步推动的。

5.2　如何应对成本上升
对于混合电动卡车而言，采用的是并联混合驱动体系。

但这一设备构造比较复杂，所以成本也较高。

如何在设计出安全高效的燃料电池的基础上降低成本，是未来混合动力卡车以及混合动力相关产业需要重点解决的问题。

5.3　不同部位采用不同的控制策略
对于混合动力而言，采用模糊控制的策略是最为妥当的。

有关混合动力技术，在将来研究的重点就在于人工神经网络控制，以及自适应神经网络控制。

并且，将整车的系统区分为功能不同的区域，并对其使用不同的控制策略已经是当前该领域发展的一种整体走向。

5.4　需要政策支持
混合动力的研究已经有了长足的进展，其在大型运输卡车上的应用在现实中与我们已经没有太遥远的距离。

然而，混合动力装置目前仍然造价不菲，需要相关政策支持，大力推动其发展，这不仅可以有效缓解能源危机，并且对环境污染的问题也可以做到一定程度上的改善。

6　结束语
我国的经济水平已经得到了长时间的发展，社会经济水平提高之后对车辆的需求量也日益提高。

我国作为人口大国，在车辆的保有量方面也居于世界前列，因此对自然资源的消耗量也十分巨大。

环境污染以及能源紧缺的问题已经日益突出，为了减少对环境的污染以及能源的消耗，对混合动力卡车的研究必须排上日程。

本文对相关领域进行了探究，研究了混合动力的发展背景、其在汽车领域的应用、混合动力汽车的特征以及其发展趋势。

经过以上分析得出了相应的结论，并提出了切实可靠的建议。

我们需要在研究发展燃料电池的同时，推动混合动力汽车的发展，最后考虑如何降低混合动力系统的生产成本以实现混合动力汽车的普及。

参考文献：
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成果，但目前仍然存在一定的局限性，如在预测结冰方面具有较大的间接性，并不能实时的、真实的监测得到量化的路面结冰状态，应用效果不佳，因此需对其进行更深入的研究。

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