基于圖像自動識別技術的交通標志牌融雪系統

鄭昀豪 潘福全 張同 段宇辰 楊金順 劉驥

摘? 要：為解決我國冬季下雪造成交通標志牌積雪覆蓋問題，減少因交通信息缺失引發的交通安全隱患。設計一套智能交通標志牌融雪系統，系統包括積雪識別模塊、自動控制融雪模塊、綠色能源支持模塊，針對不同降雪等級，利用圖像自動識別技術，進行智能融雪處理。融雪線圈結合不同型號標志牌設置不同的布設方案，利用風能、太陽能等清潔能源實現零碳供能，實現高效、持久融雪，可廣泛應用于大部分地區的交通標志牌除雪。

關鍵詞：交通標志牌；融雪；智能標志牌；圖像檢測；能源自給

中圖分類號：U491.521? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0054-04

Abstract： In order to solve the problem of snow cover of traffic signs caused by snow in winter and reduce the hidden danger of traffic safety caused by the lack of traffic information. A set of intelligent traffic sign snow melting system is designed， which includes snow recognition module， automatic control snow melting module and green energy support module. According to different snowfall levels， automatic image recognition technology is used for intelligent snow melting processing. Snow melting coil combined with different types of signs are used to set up different layout schemes， and the use of wind energy， solar energy and other clean energy will achieve zero-carbon energy supply and realize efficient and lasting snow melting， which can be widely used in most areas of traffic signs snow removal.

Keywords： traffic signs; snowmelt; smart signs; image detection; energy self-sufficiency

交通標志牌作為道路信息指示的重要組成，時刻關系著司乘人員和行人的安全，中國北方地區冬季常伴有風吹雪天氣、暴雪天氣[1]，積雪覆蓋交通標志牌導致司機不能及時獲取交通信息而產生安全隱患，交通標志牌落雪問題亟待解決。目前，關于交通標志牌的融雪研究及應用相對較少。

針對降雪對交通帶來的諸多問題，國內外開展了相關的研究及應用。在鐵道工程領域應用的電加熱道岔融雪系統使用電加熱元件通電產生電流熱效應，快速融化降雪天氣中道岔位置的積雪，避免道岔造成“四開”現象[2]。針對道路路面積雪，使用綠色環保的太陽能和地熱能進行加熱融雪研究[3]。循環熱流體融雪技術可以實現可再生能源利用和跨季節蓄能，具有更高的能源利用效率和環保效益[4]。

國內外對交通標志的檢測以及對積雪處理進行了相應研究。在積雪處理方面，2017年范新萌[5]進行了重力熱管/土壤源熱泵復合式路面融雪系統的傳熱特性研究。2020年，韓明[6]利用電熱法發電對道路進行升溫，提出融雪化冰耗熱量計算公式和各因子影響傳熱機制。2021年“一種帶融雪功能的交通標志牌”專利[7]提出應用熱風箱吹熱風融雪。2021年張雄[8]提出智能噴淋融雪系統，通過自動控制系統均勻噴灑于冰雪路面以降低冰點融化冰雪。2018年白國華等[9]發明了一種交通標志牌融雪裝置，通過人工控制電阻絲融雪。在交通標志的檢測方面，2022年Bhaumik[10]對基于硬件高效改進CNN架構的交通標志檢測與識別進行深入研究。同年Njayou[11]和Zhang[12]分別研究了CNN進行交通標志分類，使用更快的rcnn和YOLOV4進行檢測，以及基于多尺度特征提取和級聯特征融合的交通標志檢測。2023年，Vivek等[13]對于基于知識輔助的道路交通標志自動檢測與分類進行了研究。

綜上所述，針對交通標志的融雪研究與應用并沒有引起廣泛關注，受制于能源難以自給、融雪效率低、降雪識別率低及維護成本高等問題，中國現有的交通標志牌缺少針對性的融雪措施。因此，需要針對交通標志牌降雪特點，進行落雪識別、融雪控制等方面的探索研究，同時考慮低成本、綠色環保等基本要素以實現廣泛應用。

1? 系統架構

標志牌融雪系統包含3大模塊，積雪識別模塊、自動控制融雪模塊和綠色能源支持模塊。在積雪識別模塊中，基于獲取的圖像，將圖像二值化后進行形態學的處理，進行顆粒分析識別。結合氣象信息輔助信息更深入地研究分析雪情預測，并將信息傳輸到自動控制模塊中，本裝置經過多次實驗結合經驗，設置了交通標志牌融雪的溫度閾值，控制系統根據數據分析得到的信息自動控制發熱電阻絲的通電和斷電，實現自動化控制。在能源模塊中，本設備利用了太陽能風力互補發電技術，將多晶硅太陽能電池板與微型風力發動機相結合，并分布于交通標志牌上，為系統的積雪識別和自動化控制提供電能，確保了能源的充足，貫徹了節能減排的主題，符合綠色發展的理念。

為減少能源的輸出，所研究的除雪裝置采用太陽能與風能互補發電技術，在交通標志牌上安裝發電裝置，日常儲能，利用視頻檢測和溫度傳感器實現裝置的自動檢測并控制交通標志牌上的發熱電阻絲的斷電與通電，實現了自動化控制。

本系統的總體設計思路基于自動識別檢測控制，同時利用綠色能源，解決交通標志牌落雪問題。系統思路框架如圖1所示。

2? 標志牌融雪裝置布設

融雪裝置包括電阻絲線圈、溫度傳感器和控制面板。其中發熱電阻絲安裝在標志牌背面，集中布置在標志牌文字和圖案信息背面，保證標志牌加熱升溫時優先熱融文字和圖案信息表面的積雪。溫度傳感器布設于標志牌背面，圖像檢測器置于標志牌背面下方。具體布置圖如圖2所示。

針對于不同的標識牌形狀，將電阻絲在標志牌上的布置進行了優化，所選用發熱電阻絲為12 V、13 W、直徑70 mm的圓形聚酰亞胺PI電熱膜。聚酰亞胺薄膜PI電熱膜以聚酰亞胺薄膜為外絕緣體，以金屬絲為內導電發熱體，可以通過熱保護器、熱電阻、熱電偶等有效控溫。常見的標識牌有長方形、圓形和三角形。具體布局如圖3所示。

3? 積雪識別模塊

將攝像頭放置在標志牌的頂部，伸出標志牌5～6 cm實時記錄標志牌的積雪情況，可以精準識別，防沙抗寒。將拍攝的圖片上傳到以下程序進行圖像識別。

3.1? 檢測過程

檢測過程如圖4所示。

1）使用相機模式（實時拍照）或者圖片模式（打開一張已有的照片），獲取到圖片之后，進行圖像格式的轉換，使用RGB轉換成gray灰度圖像以及進行必要的預處理。ROI區域設定可以在檢測前開始，也可以在檢測時開始設定，重點關注圖像區域即積雪所在的大致區域。

2）進行圖像噪聲去除，將圖像進行Threshold VI二值化處理，處理后將背景噪聲進行形態學IMAQ Morphology VI過濾或者按照面積以及高度、寬度等方法進行過濾處理，以便得到需要的積雪特征，使用顆粒統計IMAQ Particle Analysis VI辦法統計以及IMAQ Classify VI識別顆粒物，當前噪聲去掉后的畫面是否有顆粒物存在，有的話說明有積雪存在，顆粒物統計低于設定值的時候，認為沒有積雪存在。

3.2? 模塊程序

LabVIEW是一個研發工作學習環境，由美國國家儀器工業（NI）有限公司研制并推出，LabVIEW程序分為前面板和程序框圖，前面板提供了豐富的UI組件，布局十分方便，能在最快的時間完成一個程序的UI界面。程序框圖是基于數據流的模式構建，圖5和圖6為實驗程序前面板和程序框圖。

積雪識別模塊程序前面板界面如圖5所示，基本功能包括相機模式按鈕、圖像模式按鈕、顯示控件以及是否開始檢測按鈕。按下開始檢測，程序立刻開始運算并檢測輸出結果。

程序框圖使用事件結構進行，當事件發生后，程序運行事件對應的分支程序。利用此程序將輸入的積雪圖片作為一個事件，自動進行分支程序。

4? 自動控制融雪模塊

自動控制模塊由數據分析和控制方程計算及負反饋2部分組成。交通標志牌的狀態判別根據數據采集分析后經實驗得出表1。

雪體表面溫度主要受氣溫、相對濕度、風力和輻射等各種因素，以及下墊面物質材料的影響。先保證標志牌能融雪的情況下，數據顯示，下雪天氣時，此時標志牌上溫度應在-30～-5 ℃范圍內，在溫度不低于5 ℃時，積雪可以實現融化。

控制需要的能源功率計算公式如下

式中：ρ為積雪自身的密度；d為積雪的厚度；s為積雪與標志牌的接觸面積；m為積雪的質量；Q為質量為m的雪全部融化所吸收的能量；C為雪的比熱容，C=2 100 J/（kg·℃）；？駐t1為雪的原始溫度和融化時溫度的差；？駐Q為鋁材質在加熱雪的過程中的能量損耗；k為鋁材質的熱傳導系數，其數值大小為237；？駐t2為鋁材料在傳導過程中的溫差。

以2 400 mm×1 200 mm的標志牌和暴雪為例，積雪厚度取0.006 m，該實驗用標志牌文字信息占比40％，計算出雪完全融化所需要的能量Q≈16.6 kJ，所損失的能量？駐Q≈11 kJ，共消耗能量Q總=Q+？駐Q=27.6 kJ。采用100 W太陽能板大約只需加熱4.6 min。

由此分析，以100 W的太陽能電池板和2 400 mm×1 200 mm的標志牌為例，除雪一次需要27.6 kJ，可除雪52次，持續除雪4 h。

5? 結束語

系統針對交通標志牌上的覆雪問題，不改變現有交通標志牌規格，在標志牌上布置識別及融雪裝置，主要運用太陽能與風能獲得電能，利用電阻絲加熱的方式進行高效融雪。將標志牌電阻絲的布局進行了優化，并針對不同的標志牌形狀設計了不同的電阻絲布局；采用視頻檢測方法對是否存在積雪進行實時監測，助力智能交通的高質量發展。在未來，可以結合路面融雪以及LED自發光交通標志牌，進一步完善標志牌除雪方式；結合大數據、5G網絡，系統的處理方法可以更靈活，功能更全面。

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