道路積水結冰檢測技術的概述及展望★

張子恒 姜予涵 彭暢暄

(1.長安大學公路學院，陜西 西安 710064； 2.長安大學長安都柏林國際交通學院，陜西 西安 710018)

1 概述

隨著社會的不斷發展，國家經濟水平的不斷提高，道路上的機動車數量每年都呈現上升的趨勢，中國公路在貨運周轉量、客運周轉量等方面均遙遙領先于其他運輸方式的綜合。然而，在我國公路運輸領域不斷蓬勃發展的同時，道路交通安全事故卻接踵而至。尤其在我國北方地區，每年的11月份至次年4月份冬季持續時間較長，期間由于雨雪、道路結冰等極端天氣導致的交通事故屢見報端。車輪在接觸到被冰雪覆蓋的道路后，失去了原有路表紋理與輪胎紋理間的相互摩擦作用，輪胎抓地力急速下降，車輛在行駛過程中極易發生失控、打滑、側翻等現象，進而引發交通事故。據相關統計，雨雪天氣引起道路結冰后的交通事故率是干燥路面的10倍左右[1，2]。由此可見，冰雪天氣已經成為公路交通運輸(尤其是我國東北部和西部地區)面臨的一大難題，成為冬季道路交通事故的主要誘因之一。與此同時，道路積水問題也是道路交通事故的始作俑者之一。當汽車行駛在不均勻的積水路面上時，輪胎與路表紋理間會形成一層水膜，進而降低輪胎與路表紋理間的摩阻力，汽車的操縱穩定性和剎車性能急劇下降，嚴重影響交通安全，由水漂引起的側滑等行車安全問題是目前雨天交通事故發生的最主要原因[3]。當前的監測系統受到很多因素的影響，實用性不強，測量的準確性不強，因此限制了現有檢測裝置的應用性[4]。

綜上所述，道路結冰與積水問題不僅破壞道路結構與交通便捷，更會嚴重威脅司乘人員的生命與財產安全，對我國交通運輸業帶來不利影響。因此，通過道路安全狀況檢測技術的實時監測并及時發布相關信息顯得尤為重要，不僅可為出行者提供實時特殊天氣下的交通安全信息，也可為道路管理和養護部門提供道路投用狀況以加強交通管制與進行針對性養護，對降低交通事故發生率、促進交通運輸業向好發展以及保障人民群眾生命和財產安全具有重要意義。

2 道路積水檢測技術現狀

目前我國大部分地區與城市的道路路面均采用瀝青混凝土材料，因此本文主要討論在瀝青混凝土路面下的路面安全狀況。路面狀況主要由其表面的清潔狀況與潮濕狀況來評定。暴露在外界環境中的一般道路上常常會存在一些人造垃圾、天然砂石等影響路況的因素，同時在雨雪天氣路面則易形成水膜與結冰，降低車輛與道路間的附著能力。路面的附著性能是指路面給車輛提供附著力，即輪胎紋理與路面構造間能夠產生足夠的摩阻力以供汽車行駛。該能力由路面的附著系數決定，附著系數越大，路面的附著性能越好，反之則越差[5]。道路表面的清潔與潮濕狀況直接影響著路面的附著系數，即直接影響路面行車附著性能。

隨著社會經濟的需求與科學技術的發展，現如今的道路排水構造與技術逐漸趨于完備與成熟。國內相關人士自20世紀80年代起便開始著手探索新的技術手段來建立道路積水監控系統，但受限于當時的經濟條件與社會科學發展程度，該系統直到近年來才被各科研工作者完善并投入使用。道路積水監測系統一般包括數據采集模塊、數據傳輸模塊、控制模塊和用戶中心四部分，根據不同的檢測原理可分為圖像式、接觸式、非接觸式三種[6]。圖像式即利用圖像識別技術與數據處理對積水路面水深進行識別并提高檢測精度。如石玉立等基于視頻圖像識別的IDL水位檢測模型，在ENVI軟件中對數據進行校正和重采樣，利用能量函數建立水位提取模型并估算水位高度[7]；接觸式檢測方法主要有接觸式水尺測量和接觸式傳感器測量等常用方法[6]；非接觸式檢測方法主要有基于無線傳感器的檢測系統[4]與基于紅外檢測的檢測系統。

2.1 接觸式水尺

水尺測量是傳統的路面積水厚度測量方法。具體方式是將檢測水尺放置在待檢測位置，利用水尺本身的刻度進行液面讀數進而獲取積水深度[8]。水尺測量具有操作簡單，檢測便捷的檢測優點，使用門檻較低，常常應用在地勢較低、內澇高發、下穿式立交和隧道等易產生較深積水厚度的路段。一般情況下，相關部門亦會在常發生積水的區域放置水尺或在墻體、橋墩上繪制水尺刻度進行水位測量。水尺可以直接顯示待檢路段積水深度，但同時需要人工讀數與記錄，因此容易產生偶然誤差。同時水尺測量在一些特殊路段檢測難度較大，也給道路交通的正常運行帶來諸多不便。

2.2 浮子式水位計

浮子式水位計分為機械浮子式和光電浮子式。二者均利用機械齒輪減速產生進位和退位的辦法形成格雷編碼[9]。浮子式水位計的原理是水位的高低變化帶動浮子上下運動，浮子帶動水位輪旋轉，測量裝置進而通過水位輪的旋轉角度來推算水位的變化量。浮子式水位計的優點是相比于水尺法精度較高，且價格相對較低。但使用壽命較短，土建成本高，不適用于城市道路積水檢測系統當中[9]。

2.3 紅外檢測技術

紅外檢測技術即利用紅外光照照射在水面上能夠發生一系列如散射、反射、折射等光學變化，如圖1所示。光電探測器通過檢測光強的大小并分析折射光強折損量即可實現水深的測量，如張久鵬等利用紅外發光二極管和三極管制作了收發一體的光電傳感器，實現了對路面干燥與潮濕狀態的判斷與量化[1]。

2.4 圖像式檢測技術

圖像式檢測技術是近年來隨著科學技術的不斷發展所衍生出的一種通過自動識別、算法分析進而獲得精確測數的檢測方式。該種方法在應用到道路積水厚度檢測時，往往需要對水位線圖像進行分析，自動化程度高。但該方法需要在待檢路段設置水尺與圖像采集工具，投入成本較大。

3 道路結冰檢測技術現狀

國內對道路結冰檢測技術的研究起步晚，相關科研工作發展的尚不成熟。自20世紀50年代開始，發達國家便開始了關于結冰傳感器的研究，并在理論方面取得了一定的成果。現有的道路結冰檢測系統多是利用傳感器探測路面結冰后的力學、聲波、紅外光強等參數的變化情況，進而判斷路面結冰狀況并推算出結冰厚度。根據檢測方式不同，道路檢測技術可分為接觸式檢測和非接觸式檢測兩大類。

3.1 接觸式道路結冰檢測技術

3.1.1壓電平膜結冰傳感器

壓電平膜傳感器是基于壓電陶瓷的壓電效應與逆壓電效應的傳感器，同時利用平膜諧振頻率與剛度、質量的關系來檢測結冰狀況。當水附著于平膜表面時，平膜的質量增加，剛度不變。當冰附著于平膜表面時，平膜的質量和剛度均增大。質量或剛度的變化會對平膜自身的諧振頻率產生影響，進而通過諧振頻率的變化判斷路面狀態[10]。平膜結冰傳感器具有反應迅速、精確度高的優點。

3.1.2電容式結冰傳感器

電容式結冰傳感器是根據不同介質的介電常數不同來判斷不同的路面狀態，同時將對應的介電常數轉化為電信號進行檢測，進而得到路面結冰厚度。電容式傳感器經濟性好，原理簡單，適用較為普遍。

3.1.3光纖陣列式結冰傳感器

和單點的光纖結冰探測傳感器類似，光纖陣列式結冰傳感器是一種基于一發兩收的差分檢測原理的反射散射式光強調制型傳感器[11]。

華中科技大學的張龍浩[11]設計的光纖陣列式結冰傳感器如圖2所示。接收光纖A和B接收到的光信號之差和光纖探頭表面的冰厚有一定相關性，對接收的光信號強度和光信號變化趨勢進行探測和信號處理便可計算出結冰厚度信息。

3.1.4振動式結冰傳感器

振動式結冰傳感器主要由檢測探頭與內部電路構成。該種傳感器內部設置金屬振管，鐵磁性振管在諧振電路產生的交變磁場下，其長度會發生變化，即發生磁致伸縮效應。在磁致伸縮效應的影響下，振管發生振動并通過反饋網絡將振動頻率輸入到電路當中，進而實現電信號的轉化與檢測。當傳感器探頭上產生結冰后，探頭的固有頻率會隨冰厚而變化，因此諧振頻率的變化量即為結冰厚度的影響量，從而獲得冰層的厚度[12]。由王華等提出的振動式結冰傳感器諧振電路原理圖與探頭模型如圖3，圖4所示[12]。

3.2 非接觸式道路結冰檢測技術

國內在非接觸式傳感器的研究方面起步較晚，積累經驗不足。國外著手研究非接觸式傳感器較早，提出了一些可行的理論方案。目前非接觸式傳感器主要依賴電磁波介質作為載體，如光波、超聲波等不需要固體傳播媒介的波。非接觸式道路結冰傳感器按照原理可分為以下幾類。

3.2.1幾何光學法

來自加拿大海洋科技研究所的兩位學者R.E Gagnon和J.Groves提出了如圖5所示的測量原理[13]。當公路表面覆有結冰時，傳感器發射端光源以一定角度斜射入冰面，當光傳播至冰層和路面的交接面時會在紋理粗糙的路面表面發生漫反射，反射回冰內的光束再從冰面折射出來。因為入射光發生的是漫反射，反射回冰層的光入射光各角度不同，當反射光角度大于最大入射角時將發生全反射，從而將沒有光從冰層射出。這時，在冰層上方就會出現如圖5所示的光斑。當公路表面無冰時，不會觀測到光斑。

3.2.2光強法

光強法類似于幾何光學法，主要根據路面積水、結冰(表面附著物)的光學特性來判斷厚度。當使用不同波長、頻率的光源射入路面，可通過測量反射光、散射光的光強來判斷路面狀況。光強法原理較幾何光學法較為簡單，理論基礎成熟，已投入實際應用很長時間。

3.2.3噪聲法

噪聲法的基本原理是通過汽車行駛過程中車胎與道路表面覆蓋物之間發生摩擦之后產生的噪聲來判斷路面狀態。該方法是在汽車輪胎附近安裝傳感器以便實時獲取噪聲產生的超聲波并轉化為電信號，通過分析各個路面安全狀況下的特定頻段來實現對路面安全信息的獲取。但該種方法受到的干擾因素較多，例如車胎的紋理及大小均會對摩擦噪聲產生影響。因此該種方法普適性不高，只能作為實時監測工具，無法為司乘人員及相關監管部門提供很好的預警作用。

4 結語

接觸式傳感器相比于非接觸式傳感器而言，受到的干擾因素及不可控因素較多，精度較差，如一般情況下路面積水結冰的厚度在同一段道路的不同區域分布往往是不均勻的，不同地點差異性較大，無法提供較為可靠的真實數據。且多數接觸式傳感器需埋設于路面以下，不僅破壞了原有的路面結構，而且靈活性亦大大降低。因此非接觸式傳感器勢必成為未來道路積水、結冰傳感器發展的主要方向，其靈活性與精確度將被人們所青睞。現階段而言，已有的非接觸式路面積水結冰傳感器多基于光學理論進行建模，難以考慮冰型，路表紋理構造，路表水中雜質等其他因素。另一方面，現有的路面檢測裝置多為交管部門服務，緊急信息傳播滯后，無法將實時的路面狀況及時反饋給廣大司乘人員。綜上所述，相關科研工作者未來應充分考慮各種可能出現的路面覆蓋物狀況以及與相關第三方企業如導航公司充分合作，以期能夠提出更精確、更智能的路面安全檢測裝置。