道路积水结冰检测技术的概述及展望★

张子恒 姜予涵 彭畅暄

(1.长安大学公路学院，陕西 西安 710064； 2.长安大学长安都柏林国际交通学院，陕西 西安 710018)

1 概述

随着社会的不断发展，国家经济水平的不断提高，道路上的机动车数量每年都呈现上升的趋势，中国公路在货运周转量、客运周转量等方面均遥遥领先于其他运输方式的综合。然而，在我国公路运输领域不断蓬勃发展的同时，道路交通安全事故却接踵而至。尤其在我国北方地区，每年的11月份至次年4月份冬季持续时间较长，期间由于雨雪、道路结冰等极端天气导致的交通事故屡见报端。车轮在接触到被冰雪覆盖的道路后，失去了原有路表纹理与轮胎纹理间的相互摩擦作用，轮胎抓地力急速下降，车辆在行驶过程中极易发生失控、打滑、侧翻等现象，进而引发交通事故。据相关统计，雨雪天气引起道路结冰后的交通事故率是干燥路面的10倍左右[1，2]。由此可见，冰雪天气已经成为公路交通运输(尤其是我国东北部和西部地区)面临的一大难题，成为冬季道路交通事故的主要诱因之一。与此同时，道路积水问题也是道路交通事故的始作俑者之一。当汽车行驶在不均匀的积水路面上时，轮胎与路表纹理间会形成一层水膜，进而降低轮胎与路表纹理间的摩阻力，汽车的操纵稳定性和刹车性能急剧下降，严重影响交通安全，由水漂引起的侧滑等行车安全问题是目前雨天交通事故发生的最主要原因[3]。当前的监测系统受到很多因素的影响，实用性不强，测量的准确性不强，因此限制了现有检测装置的应用性[4]。

综上所述，道路结冰与积水问题不仅破坏道路结构与交通便捷，更会严重威胁司乘人员的生命与财产安全，对我国交通运输业带来不利影响。因此，通过道路安全状况检测技术的实时监测并及时发布相关信息显得尤为重要，不仅可为出行者提供实时特殊天气下的交通安全信息，也可为道路管理和养护部门提供道路投用状况以加强交通管制与进行针对性养护，对降低交通事故发生率、促进交通运输业向好发展以及保障人民群众生命和财产安全具有重要意义。

2 道路积水检测技术现状

目前我国大部分地区与城市的道路路面均采用沥青混凝土材料，因此本文主要讨论在沥青混凝土路面下的路面安全状况。路面状况主要由其表面的清洁状况与潮湿状况来评定。暴露在外界环境中的一般道路上常常会存在一些人造垃圾、天然砂石等影响路况的因素，同时在雨雪天气路面则易形成水膜与结冰，降低车辆与道路间的附着能力。路面的附着性能是指路面给车辆提供附着力，即轮胎纹理与路面构造间能够产生足够的摩阻力以供汽车行驶。该能力由路面的附着系数决定，附着系数越大，路面的附着性能越好，反之则越差[5]。道路表面的清洁与潮湿状况直接影响着路面的附着系数，即直接影响路面行车附着性能。

随着社会经济的需求与科学技术的发展，现如今的道路排水构造与技术逐渐趋于完备与成熟。国内相关人士自20世纪80年代起便开始着手探索新的技术手段来建立道路积水监控系统，但受限于当时的经济条件与社会科学发展程度，该系统直到近年来才被各科研工作者完善并投入使用。道路积水监测系统一般包括数据采集模块、数据传输模块、控制模块和用户中心四部分，根据不同的检测原理可分为图像式、接触式、非接触式三种[6]。图像式即利用图像识别技术与数据处理对积水路面水深进行识别并提高检测精度。如石玉立等基于视频图像识别的IDL水位检测模型，在ENVI软件中对数据进行校正和重采样，利用能量函数建立水位提取模型并估算水位高度[7]；接触式检测方法主要有接触式水尺测量和接触式传感器测量等常用方法[6]；非接触式检测方法主要有基于无线传感器的检测系统[4]与基于红外检测的检测系统。

2.1 接触式水尺

水尺测量是传统的路面积水厚度测量方法。具体方式是将检测水尺放置在待检测位置，利用水尺本身的刻度进行液面读数进而获取积水深度[8]。水尺测量具有操作简单，检测便捷的检测优点，使用门槛较低，常常应用在地势较低、内涝高发、下穿式立交和隧道等易产生较深积水厚度的路段。一般情况下，相关部门亦会在常发生积水的区域放置水尺或在墙体、桥墩上绘制水尺刻度进行水位测量。水尺可以直接显示待检路段积水深度，但同时需要人工读数与记录，因此容易产生偶然误差。同时水尺测量在一些特殊路段检测难度较大，也给道路交通的正常运行带来诸多不便。

2.2 浮子式水位计

浮子式水位计分为机械浮子式和光电浮子式。二者均利用机械齿轮减速产生进位和退位的办法形成格雷编码[9]。浮子式水位计的原理是水位的高低变化带动浮子上下运动，浮子带动水位轮旋转，测量装置进而通过水位轮的旋转角度来推算水位的变化量。浮子式水位计的优点是相比于水尺法精度较高，且价格相对较低。但使用寿命较短，土建成本高，不适用于城市道路积水检测系统当中[9]。

2.3 红外检测技术

红外检测技术即利用红外光照照射在水面上能够发生一系列如散射、反射、折射等光学变化，如图1所示。光电探测器通过检测光强的大小并分析折射光强折损量即可实现水深的测量，如张久鹏等利用红外发光二极管和三极管制作了收发一体的光电传感器，实现了对路面干燥与潮湿状态的判断与量化[1]。

2.4 图像式检测技术

图像式检测技术是近年来随着科学技术的不断发展所衍生出的一种通过自动识别、算法分析进而获得精确测数的检测方式。该种方法在应用到道路积水厚度检测时，往往需要对水位线图像进行分析，自动化程度高。但该方法需要在待检路段设置水尺与图像采集工具，投入成本较大。

3 道路结冰检测技术现状

国内对道路结冰检测技术的研究起步晚，相关科研工作发展的尚不成熟。自20世纪50年代开始，发达国家便开始了关于结冰传感器的研究，并在理论方面取得了一定的成果。现有的道路结冰检测系统多是利用传感器探测路面结冰后的力学、声波、红外光强等参数的变化情况，进而判断路面结冰状况并推算出结冰厚度。根据检测方式不同，道路检测技术可分为接触式检测和非接触式检测两大类。

3.1 接触式道路结冰检测技术

3.1.1压电平膜结冰传感器

压电平膜传感器是基于压电陶瓷的压电效应与逆压电效应的传感器，同时利用平膜谐振频率与刚度、质量的关系来检测结冰状况。当水附着于平膜表面时，平膜的质量增加，刚度不变。当冰附着于平膜表面时，平膜的质量和刚度均增大。质量或刚度的变化会对平膜自身的谐振频率产生影响，进而通过谐振频率的变化判断路面状态[10]。平膜结冰传感器具有反应迅速、精确度高的优点。

3.1.2电容式结冰传感器

电容式结冰传感器是根据不同介质的介电常数不同来判断不同的路面状态，同时将对应的介电常数转化为电信号进行检测，进而得到路面结冰厚度。电容式传感器经济性好，原理简单，适用较为普遍。

3.1.3光纤阵列式结冰传感器

和单点的光纤结冰探测传感器类似，光纤阵列式结冰传感器是一种基于一发两收的差分检测原理的反射散射式光强调制型传感器[11]。

华中科技大学的张龙浩[11]设计的光纤阵列式结冰传感器如图2所示。接收光纤A和B接收到的光信号之差和光纤探头表面的冰厚有一定相关性，对接收的光信号强度和光信号变化趋势进行探测和信号处理便可计算出结冰厚度信息。

3.1.4振动式结冰传感器

振动式结冰传感器主要由检测探头与内部电路构成。该种传感器内部设置金属振管，铁磁性振管在谐振电路产生的交变磁场下，其长度会发生变化，即发生磁致伸缩效应。在磁致伸缩效应的影响下，振管发生振动并通过反馈网络将振动频率输入到电路当中，进而实现电信号的转化与检测。当传感器探头上产生结冰后，探头的固有频率会随冰厚而变化，因此谐振频率的变化量即为结冰厚度的影响量，从而获得冰层的厚度[12]。由王华等提出的振动式结冰传感器谐振电路原理图与探头模型如图3，图4所示[12]。

3.2 非接触式道路结冰检测技术

国内在非接触式传感器的研究方面起步较晚，积累经验不足。国外着手研究非接触式传感器较早，提出了一些可行的理论方案。目前非接触式传感器主要依赖电磁波介质作为载体，如光波、超声波等不需要固体传播媒介的波。非接触式道路结冰传感器按照原理可分为以下几类。

3.2.1几何光学法

来自加拿大海洋科技研究所的两位学者R.E Gagnon和J.Groves提出了如图5所示的测量原理[13]。当公路表面覆有结冰时，传感器发射端光源以一定角度斜射入冰面，当光传播至冰层和路面的交接面时会在纹理粗糙的路面表面发生漫反射，反射回冰内的光束再从冰面折射出来。因为入射光发生的是漫反射，反射回冰层的光入射光各角度不同，当反射光角度大于最大入射角时将发生全反射，从而将没有光从冰层射出。这时，在冰层上方就会出现如图5所示的光斑。当公路表面无冰时，不会观测到光斑。

3.2.2光强法

光强法类似于几何光学法，主要根据路面积水、结冰(表面附着物)的光学特性来判断厚度。当使用不同波长、频率的光源射入路面，可通过测量反射光、散射光的光强来判断路面状况。光强法原理较几何光学法较为简单，理论基础成熟，已投入实际应用很长时间。

3.2.3噪声法

噪声法的基本原理是通过汽车行驶过程中车胎与道路表面覆盖物之间发生摩擦之后产生的噪声来判断路面状态。该方法是在汽车轮胎附近安装传感器以便实时获取噪声产生的超声波并转化为电信号，通过分析各个路面安全状况下的特定频段来实现对路面安全信息的获取。但该种方法受到的干扰因素较多，例如车胎的纹理及大小均会对摩擦噪声产生影响。因此该种方法普适性不高，只能作为实时监测工具，无法为司乘人员及相关监管部门提供很好的预警作用。

4 结语

接触式传感器相比于非接触式传感器而言，受到的干扰因素及不可控因素较多，精度较差，如一般情况下路面积水结冰的厚度在同一段道路的不同区域分布往往是不均匀的，不同地点差异性较大，无法提供较为可靠的真实数据。且多数接触式传感器需埋设于路面以下，不仅破坏了原有的路面结构，而且灵活性亦大大降低。因此非接触式传感器势必成为未来道路积水、结冰传感器发展的主要方向，其灵活性与精确度将被人们所青睐。现阶段而言，已有的非接触式路面积水结冰传感器多基于光学理论进行建模，难以考虑冰型，路表纹理构造，路表水中杂质等其他因素。另一方面，现有的路面检测装置多为交管部门服务，紧急信息传播滞后，无法将实时的路面状况及时反馈给广大司乘人员。综上所述，相关科研工作者未来应充分考虑各种可能出现的路面覆盖物状况以及与相关第三方企业如导航公司充分合作，以期能够提出更精确、更智能的路面安全检测装置。