用于道路安全預警的結冰傳感器的應用研究

尹麒煥，李　杰，胡小弟

武漢工程大學交通研究中心，湖北 武漢 430074

用于道路安全預警的結冰傳感器的應用研究

尹麒煥，李杰，胡小弟*

武漢工程大學交通研究中心，湖北 武漢 430074

為了監測道路表面的結冰狀況并開發有效的道路結冰預警系統，結冰傳感器起著至關重要的作用，而且它必須對結冰厚度以及結冰速率非常敏感.然而，目前國內外已有的結冰傳感器還無法達到這種要求.研發了用于道路安全預警的結冰傳感器，使得道路結冰安全預警成為可能.通過室內實驗先對該道路結冰傳感器進行了標定，得出了結冰厚度與結冰頻率的對應關系，使其能準確的測定路面結冰厚度的具體數值；然后通過室內實驗模擬路面結冰的過程，分別在不同環境溫度條件下監測結冰厚度和結冰速率，得出了結冰厚度與時間的對應關系曲線，驗證了其可靠性.實驗結果表明：該結冰傳感器靈敏度較高，其測量精度達到0.1 mm；能探測到結冰厚度的具體數值以及結冰速率的變化趨勢，而且實驗結果能夠在上位機上直觀地顯示出來.因此，研發的結冰傳感器可以應用于道路并監測結冰厚度和結冰速率，從而為道路結冰安全預警系統的建立打下基礎.

交通安全；道路結冰；結冰傳感器；結冰厚度監測

1　引言

隨著現代化經濟的飛速發展，我國汽車保有量正在持續增長.據統計，我國民用汽車保有量呈現逐年增加的趨勢，車輛的急速增加意味著道路交通安全問題也將越來越突出.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、道路服務水平，以及氣候環境等等.其中，氣候環境，包括雨水、霧、結冰、大風等，對行車安全的影響難以掌控，尤其是當道路結冰時，由于機動車駕駛員難以直接識別路面結冰狀況，不能做出正確的駕駛反應，往往更容易引起突發事件，引發重大安全事故.因此，研究和開發一種用于道路安全預警的結冰傳感器來監測路面結冰，為及時進行路面結冰預警提供可靠的依據，可以有效地防止安全事故的發生.

當路面溫度低于0℃時，路面的積雪、積水甚至潮濕的空氣都會在路表凝結成冰.當路面結冰厚度達到2 mm～3 mm時，路面抗滑能力大大下降，嚴重影響道路行車安全［1］.在道路構造物的局部路段，結冰現象更容易出現.以橋梁為例，橋梁路段一般都沒有下承物，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冰.

進行道路結冰安全預警迫在眉睫，而路面結冰傳感器的可靠性直接關系到道路安全預警的效果，因此，對用于道路安全預警的結冰傳感器的應用研究十分必要.目前，國內外已研制出的結冰傳感器有光纖式［2］、紅外式［3］、振動式［4］、電容式［5］、壓電平膜式［6］等不同種類，光纖式結冰傳感器和紅外式結冰傳感器抗干擾能力較差、振動式結冰傳感器探頭較脆弱易損壞、電容式結冰傳感器深度結冰時難以監測、壓電平膜式結冰傳感器需要進行溫度補償，這些傳感器均存在一定程度的缺陷，難以適應道路上的惡劣環境，因此無法直接應用于道路結冰預警，但其在航空、電力等領域形成了較為成熟的結冰檢測和預警技術，可為道路工程所借鑒［7］.

在相關技術部門的支持下，本文對一種可應用于道路安全預警的結冰傳感器進行了應用研究.該結冰傳感器具有探頭體積小、結構簡單、抗干擾能力強、信號處理迅速和最小檢出精度高等一系列優點，是目前比較理想的一種能應用于道路領域的結冰傳感器.本文對該結冰傳感器的具體性能進行了相關測試，通過室內實驗驗證了其靈敏度與可靠性.

2　道路結冰傳感器的基本原理

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

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

道路結冰傳感器的基本工作原理：道路結冰傳感器是一種機械式傳感器，它采用電磁諧振原理，由電磁振動線圈和解算器的交流放大器組成一個閉環振蕩系統.當該閉環振蕩系統達到穩定工作時，會產生一個固定頻率的輸出信號.在結冰條件下，該頻率會隨著冰層厚度的增加而上升，此頻率信號被后續電路放大、采樣，以及進行數字信號處理及標度變換后，得到結冰厚度和速率，數據可通過RS485或RS232的數字量形式輸出.結合此原理，將道路結冰傳感器埋設在道路上，能夠實時采集路面結冰的具體厚度和結冰速率，反饋給行駛路人，為道路交通安全提供保障.

相比其他類型的結冰傳感器，道路結冰傳感器抗干擾能力較強；結冰厚度探測范圍較寬，可達到0.1 mm～12.7 mm；結冰厚度測量的精度較高，精度可達（0.3±0.1）mm；探頭部分采用全金屬制作，溫度工作范圍較寬，最低可達到-40℃，最高可達到70℃，不易損壞；傳感器內部電路板均經過三防處理，能夠很好地適應道路上復雜多變的惡劣環境，可以用于道路上進行結冰監測.監測數據可以通過無線信號發出，能夠在室內實時采集，為安全預警提供了便利的條件.

3　實驗部分

室內實驗主要包括冰厚標定實驗和路面結冰模擬實驗.冰厚標定實驗的目的是標定道路結冰傳感器；路面結冰模擬實驗的目的是驗證其靈敏度和可靠性，為路面結冰預警系統的現場實時預警提供保障.

3.1傳感器的安裝與固定

根據實驗室的相關條件和現有儀器設備（主要是高低溫實驗箱），充分考慮實驗的可操作性，筆者自主開發了一套固定結冰傳感器的夾具，將結冰傳感器豎向固定起來，便于實驗.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，使其結冰，然后在上位機上顯示結冰的厚度及其速率.組裝后的道路結冰傳感器實物圖如圖2所示.

圖2　道路結冰傳感器實物圖Fig.2　Physical figure of road icing sensor

3.2冰厚標定實驗

此實驗的目的是為了得出結冰厚度和頻率的對應關系，運用此對應關系進行編程，數據采集界面能夠直接顯示路面結冰厚度.標定過程如下：將高低溫箱的溫度設置為-10℃，待溫箱溫度恒定后，對著結冰傳感器噴水，使其結冰，采集傳感器固定頻率的輸出信號，同時用游標卡尺測出結冰厚度并做好記錄；繼續向結冰傳感器噴水，重復以上步驟，取得一系列結冰厚度和頻率.挑選一些較有代表性的數據進行回歸分析，標定得出結冰厚度和頻率的對應關系.

3.3室內結冰模擬實驗

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

2）實驗方案設計.考慮到室內模擬實驗的可操作性，將溫度作為室內模擬實驗的單一變量，有助于得出溫度與結冰厚度的對應關系，為路面結冰安全預警提供可靠依據.當環境溫度低于0℃時，自然界的水就會凝結成冰.在實驗中，設計的環境變量為溫度：-5℃、-10℃、-20℃，降雨用噴水的方式來模擬，水溫為0～4℃，實驗在高低溫箱中進行.

實驗時，控制高低溫箱的環境溫度分別為-5℃、-10℃、-20℃，當溫度穩定后采用人工噴灑的方式將4℃的水噴灑到結冰傳感器頂面，待傳感器表面結冰后通過上機位顯示界面觀察結冰厚度，直到結冰厚度不再發生變化時停止實驗，上位機自動記錄結冰完成時間，實驗數據通過excel文件保存以便隨時查閱.

路面結冰模擬的結冰傳感器表面結冰狀態如圖3所示.

圖3　結冰傳感器表面結冰狀態Fig.3　Frozen state of icing senor

4　結果與分析

4.1冰厚標定實驗

基于結冰傳感器的基本原理可知，結冰的厚度與結冰頻率之間存在一定的對應關系，因此在實驗之前需要標定結冰的厚度與結冰頻率之間的關系，以達到通過結冰頻率直接得出結冰厚度的目的，從而簡化后續實驗的操作過程.結冰傳感器的冰厚標定實驗數據如表1所示.

表1中冰厚標定數據符合水凝結成冰的一般特性，說明通過表中的標定數據編程后可以根據結冰頻率得出結冰厚度的具體數值，后面所測出的結冰厚度均是根據此標定數據計算得出.

表1　冰厚標定實驗數據Tab.1　Experimental data of ice thickness calibration

4.2路面結冰模擬實驗

根據實驗方案和實驗方法在高低溫實驗箱中進行路面結冰模擬實驗，待實驗完成后處理excel里面保存好的實驗數據.然后把這些數據進行擬合獲得不同溫度下結冰厚度隨時間變化的關系曲線如圖4所示.

圖4　結冰厚度與時間的關系曲線Fig.4　Relationship curves between ice thickness and time

從圖4可以看出，對于此結冰傳感器而言，結冰厚度曲線普遍存在著一個明顯的“拐點”，過了“拐點”之后，結冰厚度隨著時間的變化較為緩慢（即結冰速率逐漸減小）；溫度不同，“拐點”出現的位置不同，溫度越低，“拐點”處結冰厚度越大，達到“拐點”需要的時間越短；在“拐點”之前，結冰厚度與時間成正比關系，溫度越低，結冰速率越大；在“拐點”過了之后，結冰厚度與時間依然成正比關系，但結冰速率普遍較小，結冰厚度雖略有增長，然而增長得十分緩慢.在每一個特定的溫度下，傳感器探測到的最大結冰厚度是一定的，因而當傳感器表面結的冰達到一定厚度時，傳感器探測到的結冰速率顯著下降，結冰速率的顯著下降意味著曲線斜率的減小，斜率的減小直接導致了“拐點”的出現.“拐點”的意義在于揭示了水凝結成冰的內在規律，結冰速度先快后慢，因而在結冰的初期進行預警所起到的預警效果是最理想的.

5　結語

此結冰厚度隨時間變化的關系曲線符合結冰傳感器的一般特性，因此可以認為，該傳感器的測量是可靠的，能夠滿足道路結冰預警系統關于監測結冰厚度的相關要求.因此，可以將其應用于路面結冰安全預警系統中監測結冰厚度和結冰速率.

目前，結冰傳感器的種類較多，但應用于道路領域的極少，且都存在一定程度的缺陷，加之在預警方面的研究有限，使其在道路領域發揮的功效甚微.道路結冰傳感器有著其獨特的優點能夠更好的適應道路領域，在以后的研究中把它應用于道路結冰探測中并與結冰預警有效的結合起來，將產生顯著的社會效益，具有廣泛的應用前景.

［1］熊竹，秦杰君.基于模擬實驗的路面結冰預測研究［J］.公路工程，2014，39（1）：216-220. XIONG Z，QIN J J.A study of road surface ice prediction based on simulate experiment［J］.Highway engineering，2014，39（1）：216-220.

［2］ 李薇，葉林，張杰，等.光纖式結冰傳感器的試驗研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2009，37（8）：16-18. LI W，YE L，ZHANG J，et al.Experimental study on the fiber-optic sensor for direct ice detection［J］.Journal of Huazhong university of science&technology（Natural science edition），2009，37（8）：16-18.

［3］HOOVER G A.Aircraft ice detectors and related technologies for on ground and in flight applications［R］. Atlantic city：FAA technical center，1993：4-20.

［4］ ROY S，IZAD A，DEANNA R G，et al.Smart ice detection systems based on resonant piezoelectric transducers ［J］.Sensors and actuators a：physical，1998，69（3）：243-250.

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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

國家自然科學基金資助項目（51278389）；湖北省交通廳科技項目（2013-731-1-3）；武漢市科技計劃項目（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