新型抗路面凝冰除雪装备的探究与研发

娄胜利 尚晓攀 韩宗睿

（1.象谱信息产业有限公司，山东济南 250101；2.山东旅游职业学院，山东济南 250200）

一、国内外融冰除雪现状概况

（一）技术分析[1]

国内外路面抗凝冰的方法大体可分为主动型和被动型两种。主动型方法有：弹性路面融雪技术、能量转化型融雪技术、化学类冻结抑制、耐磨抗滑技术、融冰雪路面图层技术；被动型方法有：使用融雪剂、路面加热、人工机械除冰。从处置方法来看，主动型的技术理念明显要优于被动型，但新技术的使用成本明显要高于传统技术。如，改性沥青价格普遍在2800元/吨～4900元/吨以上，而传统沥青的价格普遍在1200元/吨～2600元/吨。

（二）发展趋势[2][3]

随着理念和技术的进步，国内外道路融冰除雪的发展趋势也在发生变化，这些变化主要体现在以下两点：

1.建立“实时除雪”理念

从历年冬季保通工作的成果来看，在不中断交通的情况下及时完成除雪工作才是比较科学合理的除雪方式，因为积雪被压实的过程中需要消耗大量能量，积雪积压越久，使用机械除雪就越耗时耗力。

2.建设冰雪控制系统

建立一套适应本国或本地区的冰雪控制系统，统筹解决除雪指挥和除雪执行问题，科学控制资源调度，安全、高效、经济地完成除雪任务，是保障冬季道路畅通的关键所在。

二、沥青路面凝冰机理与环境影响分析

国内对于沥青路面凝冰形成机理与环境条件之间的关系已有一套较为成熟的理论，此处选取比较有代表性的Bayes判别理论对气象要素与凝冰相关性作简要介绍[4][5]。

按照实验室的研究结果，对路面凝冰影响最大的因素主要有环境温度、湿度和风速3 个参量。输入向量，其中分别为环境温度、环境湿度、环境风速3 个变量的语言变量。用Bayes 判别分析，其先验概率为(由经验给出)；的P维密度函数分别为

利用模拟实验室监测数据，进行多气象因素与凝冰相关性的分析，同时采用Bayes判别理论，预测共应产生凝冰1530次，实际产生凝冰1236次，预报准确率达80.7%，误报率和漏报率分别为18%和3%，如表1所示。

表1 Bayes判别理论准确性分析

表1 Bayes判别理论准确性分析

综上，根据凝冰模拟实验和Bayes判别理论，可知凝冰影响的主要影响因素为气温、降水量和风。当气温介于-10℃～0℃、相对湿度大于75%、风速介于0m/s～10m/s、风向较为固定时容易产生凝冰。我国南方地区沥青路面产生凝冰的主要原因是冻雨；北方地区沥青路面产生凝冰的主要原因是白天降雪后融化的雪在夜晚凝结成冰。

三、环保融雪剂及新型抗路面凝冰装备

（一）环保融雪剂研发

植物基融雪剂是采用植物秸秆（主要是玉米秸秆）为原料，经过一系列生物化学反应得来的，不含任何氯化物、硫酸盐及亚硝酸盐，对生态环境无毒无害，对水泥混凝土、沥青混凝土和钢材几乎没有腐蚀性。融雪剂的成分构成元素主要为碳、氢、氧，因此在自然界中极易被微生物分解，稀释后的溶液可直接作为营养物质被植物吸收。

（二）融雪剂性能试验

降雪后，使用含氯融雪剂进行作业，由于气温骤降等原因，融雪效果不明显，路面出现结冰现象。

使用植物基融雪剂进行喷洒作业，喷洒后5分钟冰面表层开始融化，20分钟后冰面融化部分成泥状，40分钟后路面结冰融化70%。

本次采取室外试验，验证了植物基融雪剂的效果和性能，通过综合分析试验数据可知，植物基融雪剂与传统氯盐融雪剂相比，具有融雪效率高、冰冻点低、绿色环保、对钢筋腐蚀性低及长期经济效益明显等优点。

（三）凝冰自动化处置装备[6]

凝冰积雪处置装备系统契合“实时除雪”的最新理念，在路段上设置了一套交通气象预警预报系统和融雪剂自动喷洒系统。在冬季，由气象预警预报系统提前感知将要发生的降雪或路面凝冰并发布预警指令，由自动喷洒系统根据指令等级自动喷洒提前储存好的融雪剂。小雪或中雪的情况下，实时喷洒，积雪落地即溶不结冰；大雪及暴雪的情况下提前喷洒，至少保障路段一条车道的通行能力，实现了“保障安全、降低成本、提升效率、保护环境”的目标。

1.自动喷洒系统

自动喷洒系统主要包括智能控制喷洒终端、控制柜、储液罐及机房等。

智能控制喷洒终端分为智能控制一体盒与旋转喷头两部分，智能控制一体盒是控制喷洒作业的装置。控制盒采用高性能内核微控制器作为主控芯片，通过工业现场总线智能控制电动阀门工作，以达到对融雪剂用量的合理控制，实现预期的融雪效果。

旋转喷头为自主研发的智能旋转喷洒装置，喷洒角度及喷洒距离可根据现场路面宽度和安装位置进行适应性调整。

图1 喷洒终端控制一体箱

图2 喷洒终端安装及喷洒实景图

图3 综合控制柜

控制柜由国内技术人员自主研发，壳体内安装机柜智能控制电路，壳体上设置有综合布线电子标签、按钮，便于管理和远程控制，可广泛应用于工业控制及信息处理等领域。

2.工作效能

处置过程中，传统人工机械与凝冰自动处置装备的工作效率对比如表2所示。

表2 两种方式工作效率对比

表2 两种方式工作效率对比

经过对比，采用凝冰自动处置装备处置积雪的效率明显高于传统人工机械除雪，原因主要有两点：一是自动处置装备在降雪开始时就可进行处置，随着融雪剂的撒布，路面冰点降低，雪落即融；二是传统人工机械除雪在同一时间内只能单点处理，而自动处置装备则可多点处理。

3.凝冰自动化处置装备优势

（1）处置耗时短 节能环保

凝冰自动化处置装备从险情出现到处置完成，综合平均耗时不超过30min，且处置过程全自动，无需养护人员上路操作。根据雪量大小，在保证路面不发生凝冰的情况下，可精准控制融雪剂的使用量，节能环保，延长了桥梁道面的使用寿命。

（2）降低管养成本 提升通行效率

道路凝冰自动化处置装备系统的服务可有效建立健全公路恶劣天气应急机制，保证公路本身的通行能力。可实现人力、物力的及时调度，迅速疏导交通，抢救生命财产，使人们的出行更加安全、便捷。

（3）打造零事故、零封闭、全天候通行的智慧路、安全路

通过系统建设，建立路面状态智能全感知系统，实现精准交通气象预测功能，可将气象预警信息与限速系统结合，一方面降低因恶劣天气带来的交通事故发生率；另一方面加强对应急险情的处置能力。

四、大力发展道路融冰除雪技术的意义

我国在抗结冰积雪方面的研究相较于国外仍相对落后。综合国外大量研究实例与国内少量实例来看，大力发展道路融冰除雪技术对于我国来说是非常必要的，尤其对于冬季漫长的北方城市而言，可极大地提高出行效率，促进经济社会发展。

凝冰自动化处置装备的研发和应用，可有效促进公路运营安全、畅通目标的实现，而且还将推动科技管理和服务向着“主动、提前应对（防御）低温气象灾害”的方向发展，从而改变被动应付的局面，实现从“硬建设”到“软服务”的转移。

五、结语

在新型抗路面凝冰除雪装备的探究与研发过程中，应结合技术要素和管理机制，构建完整的监督控制体系，以减少路面危险、发挥技术优势为主导，为交通事业的健康可持续发展奠定坚实基础。

现有的路面凝冰和积雪处置方案设计，利用新型环保融雪剂及凝冰高危路段自动化处置系统，在为管理人员提供一个可视化操作平台的基础上，更加自动、智能地实现了结冰和积雪处置，降低了公路的养护成本，提升了养护效率。但是，在极端低温、冻雨、大雪天气条件下的运行稳定性还有待进一步提升，仍需技术和材料上的进一步完善。