新型抗路面凝冰除雪裝備的探究與研發

婁勝利 尚曉攀 韓宗睿

（1.象譜信息產業有限公司，山東濟南 250101；2.山東旅游職業學院，山東濟南 250200）

一、國內外融冰除雪現狀概況

（一）技術分析[1]

國內外路面抗凝冰的方法大體可分為主動型和被動型兩種。主動型方法有：彈性路面融雪技術、能量轉化型融雪技術、化學類凍結抑制、耐磨抗滑技術、融冰雪路面圖層技術；被動型方法有：使用融雪劑、路面加熱、人工機械除冰。從處置方法來看，主動型的技術理念明顯要優于被動型，但新技術的使用成本明顯要高于傳統技術。如，改性瀝青價格普遍在2800元/噸～4900元/噸以上，而傳統瀝青的價格普遍在1200元/噸～2600元/噸。

（二）發展趨勢[2][3]

隨著理念和技術的進步，國內外道路融冰除雪的發展趨勢也在發生變化，這些變化主要體現在以下兩點：

1.建立“實時除雪”理念

從歷年冬季保通工作的成果來看，在不中斷交通的情況下及時完成除雪工作才是比較科學合理的除雪方式，因為積雪被壓實的過程中需要消耗大量能量，積雪積壓越久，使用機械除雪就越耗時耗力。

2.建設冰雪控制系統

建立一套適應本國或本地區的冰雪控制系統，統籌解決除雪指揮和除雪執行問題，科學控制資源調度，安全、高效、經濟地完成除雪任務，是保障冬季道路暢通的關鍵所在。

二、瀝青路面凝冰機理與環境影響分析

國內對于瀝青路面凝冰形成機理與環境條件之間的關系已有一套較為成熟的理論，此處選取比較有代表性的Bayes判別理論對氣象要素與凝冰相關性作簡要介紹[4][5]。

按照實驗室的研究結果，對路面凝冰影響最大的因素主要有環境溫度、濕度和風速3 個參量。輸入向量，其中分別為環境溫度、環境濕度、環境風速3 個變量的語言變量。用Bayes 判別分析，其先驗概率為(由經驗給出)；的P維密度函數分別為

利用模擬實驗室監測數據，進行多氣象因素與凝冰相關性的分析，同時采用Bayes判別理論，預測共應產生凝冰1530次，實際產生凝冰1236次，預報準確率達80.7%，誤報率和漏報率分別為18%和3%，如表1所示。

表1 Bayes判別理論準確性分析

表1 Bayes判別理論準確性分析

綜上，根據凝冰模擬實驗和Bayes判別理論，可知凝冰影響的主要影響因素為氣溫、降水量和風。當氣溫介于-10℃～0℃、相對濕度大于75%、風速介于0m/s～10m/s、風向較為固定時容易產生凝冰。我國南方地區瀝青路面產生凝冰的主要原因是凍雨；北方地區瀝青路面產生凝冰的主要原因是白天降雪后融化的雪在夜晚凝結成冰。

三、環保融雪劑及新型抗路面凝冰裝備

（一）環保融雪劑研發

植物基融雪劑是采用植物秸稈（主要是玉米秸稈）為原料，經過一系列生物化學反應得來的，不含任何氯化物、硫酸鹽及亞硝酸鹽，對生態環境無毒無害，對水泥混凝土、瀝青混凝土和鋼材幾乎沒有腐蝕性。融雪劑的成分構成元素主要為碳、氫、氧，因此在自然界中極易被微生物分解，稀釋后的溶液可直接作為營養物質被植物吸收。

（二）融雪劑性能試驗

降雪后，使用含氯融雪劑進行作業，由于氣溫驟降等原因，融雪效果不明顯，路面出現結冰現象。

使用植物基融雪劑進行噴灑作業，噴灑后5分鐘冰面表層開始融化，20分鐘后冰面融化部分成泥狀，40分鐘后路面結冰融化70%。

本次采取室外試驗，驗證了植物基融雪劑的效果和性能，通過綜合分析試驗數據可知，植物基融雪劑與傳統氯鹽融雪劑相比，具有融雪效率高、冰凍點低、綠色環保、對鋼筋腐蝕性低及長期經濟效益明顯等優點。

（三）凝冰自動化處置裝備[6]

凝冰積雪處置裝備系統契合“實時除雪”的最新理念，在路段上設置了一套交通氣象預警預報系統和融雪劑自動噴灑系統。在冬季，由氣象預警預報系統提前感知將要發生的降雪或路面凝冰并發布預警指令，由自動噴灑系統根據指令等級自動噴灑提前儲存好的融雪劑。小雪或中雪的情況下，實時噴灑，積雪落地即溶不結冰；大雪及暴雪的情況下提前噴灑，至少保障路段一條車道的通行能力，實現了“保障安全、降低成本、提升效率、保護環境”的目標。

1.自動噴灑系統

自動噴灑系統主要包括智能控制噴灑終端、控制柜、儲液罐及機房等。

智能控制噴灑終端分為智能控制一體盒與旋轉噴頭兩部分，智能控制一體盒是控制噴灑作業的裝置。控制盒采用高性能內核微控制器作為主控芯片，通過工業現場總線智能控制電動閥門工作，以達到對融雪劑用量的合理控制，實現預期的融雪效果。

旋轉噴頭為自主研發的智能旋轉噴灑裝置，噴灑角度及噴灑距離可根據現場路面寬度和安裝位置進行適應性調整。

圖1 噴灑終端控制一體箱

圖2 噴灑終端安裝及噴灑實景圖

圖3 綜合控制柜

控制柜由國內技術人員自主研發，殼體內安裝機柜智能控制電路，殼體上設置有綜合布線電子標簽、按鈕，便于管理和遠程控制，可廣泛應用于工業控制及信息處理等領域。

2.工作效能

處置過程中，傳統人工機械與凝冰自動處置裝備的工作效率對比如表2所示。

表2 兩種方式工作效率對比

表2 兩種方式工作效率對比

經過對比，采用凝冰自動處置裝備處置積雪的效率明顯高于傳統人工機械除雪，原因主要有兩點：一是自動處置裝備在降雪開始時就可進行處置，隨著融雪劑的撒布，路面冰點降低，雪落即融；二是傳統人工機械除雪在同一時間內只能單點處理，而自動處置裝備則可多點處理。

3.凝冰自動化處置裝備優勢

（1）處置耗時短 節能環保

凝冰自動化處置裝備從險情出現到處置完成，綜合平均耗時不超過30min，且處置過程全自動，無需養護人員上路操作。根據雪量大小，在保證路面不發生凝冰的情況下，可精準控制融雪劑的使用量，節能環保，延長了橋梁道面的使用壽命。

（2）降低管養成本 提升通行效率

道路凝冰自動化處置裝備系統的服務可有效建立健全公路惡劣天氣應急機制，保證公路本身的通行能力。可實現人力、物力的及時調度，迅速疏導交通，搶救生命財產，使人們的出行更加安全、便捷。

（3）打造零事故、零封閉、全天候通行的智慧路、安全路

通過系統建設，建立路面狀態智能全感知系統，實現精準交通氣象預測功能，可將氣象預警信息與限速系統結合，一方面降低因惡劣天氣帶來的交通事故發生率；另一方面加強對應急險情的處置能力。

四、大力發展道路融冰除雪技術的意義

我國在抗結冰積雪方面的研究相較于國外仍相對落后。綜合國外大量研究實例與國內少量實例來看，大力發展道路融冰除雪技術對于我國來說是非常必要的，尤其對于冬季漫長的北方城市而言，可極大地提高出行效率，促進經濟社會發展。

凝冰自動化處置裝備的研發和應用，可有效促進公路運營安全、暢通目標的實現，而且還將推動科技管理和服務向著“主動、提前應對（防御）低溫氣象災害”的方向發展，從而改變被動應付的局面，實現從“硬建設”到“軟服務”的轉移。

五、結語

在新型抗路面凝冰除雪裝備的探究與研發過程中，應結合技術要素和管理機制，構建完整的監督控制體系，以減少路面危險、發揮技術優勢為主導，為交通事業的健康可持續發展奠定堅實基礎。

現有的路面凝冰和積雪處置方案設計，利用新型環保融雪劑及凝冰高危路段自動化處置系統，在為管理人員提供一個可視化操作平臺的基礎上，更加自動、智能地實現了結冰和積雪處置，降低了公路的養護成本，提升了養護效率。但是，在極端低溫、凍雨、大雪天氣條件下的運行穩定性還有待進一步提升，仍需技術和材料上的進一步完善。