本发明涉及路面融雪技术领域，具体涉及一种具备环境感知的路面自融雪系统及方法。
背景技术：
冬季道路路面冰雪的存在是导致交通事故发生的主要原因。因此国内外对于如何去除道路冰雪进行了很多研究。目前，冬季除雪除冰的方法主要有机械清除法和融除法两种类型。机械清除法往往需在雪后完成，作业中有碍交通；且无法消除冰雪对交通的影响，属于后期补救方法；融除法主要聚焦于热融法，主要有电缆加热、导电混凝土或沥青以及循环热流体方法等；但大多都是在路面形成冰雪后进行热融除。
现有有效且已实际应用的融雪化冰的发热电缆除雪，其在实际使用过程中，仍然存在以下问题：无法准确的感知全路线的路面冰雪状况，而在全路线尺度上进行传感器布设是不实际的。此外，缺乏对自融雪路面运行期间的监测反馈和综合管理，从而造成能源浪费或交通事故。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种具备环境感知的路面自融雪系统及方法，能够提前预测可能结冰单元和积雪单元，从而避免路面结冰和积雪现象的出现，提高路面自融雪效率，保证交通安全性；同时可以实现全路线监测，便于宏观管控和道路维护。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
技术方案一：
一种具备环境感知的路面自融雪系统，包括：沿全路段均匀布设的多个自融雪单元、多个气象站和管控中心，每个自融雪单元包含埋设于路面下的发热电缆、温湿度传感器、数据采集器和电源开关；所述温湿度传感器设置于路面表层，用于实时感知路面的温度和湿度；所述温湿度传感器的信号输出端与数据采集器连接；
所述气象站设置于路边，用于获取若干个自融雪单元的实时天气信息；所述数据采集器和气象站分别通过无线传输模块将各自的信息输送至管控中心；管控中心根据接收的数据预测当前自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，同时判断路面是否符合安全条件，并通过无线传输模块控制对应的电源开关打开或关闭；
其中，所述天气信息包含降雨量、降雪量、相对湿度和气温。
本发明技术方案一的特点和进一步的改进在于：
进一步地，相邻自融雪单元之间的路段距离为30～70m。
进一步地，相邻气象站之间的路段距离为30～50km。
进一步地，每个气象站还将各自的ip地址传输给管控中心。
进一步地，在交叉口、隧道和桥梁处单独设置自融雪单元。
技术方案二：
一种路面自融雪方法，包括以下步骤：
步骤1，每个温湿度传感器实时获取对应路段的路面温湿度信息，气象站实时获取当地的天气信息；
其中，所述天气信息包含降雨量、降雪量、相对湿度和气温；
步骤2，获取每个气象站的ip地址，并据此将每个气象站的天气信息与相应的自融雪单元相匹配，将其作为该自融雪单元的天气信息；根据每个自融雪单元的天气信息和路面温湿度信息，判断该自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，若是，则开启对应的电源开关；若该自融雪单元的发热电缆处于加热状态，则进一步判断该自融雪单元对应的路段是否满足安全条件，若是，则关闭相应的电源开关。
本发明技术方案二的特点和进一步的改进在于：
进一步地，所述将每个气象站的天气信息与相应的自融雪单元相匹配，具体为：根据每个气象站的ip地址确定其监测的自融雪单元，进而将该气象站的天气数据分配给对应的若干个自融雪单元。
进一步的，所述根据每个气象站的ip地址确定其监测的自融雪单元，具体为：每个自融雪单元的温湿度信息具有位置编号，事先将每个气象站的ip地址与自融雪单元的位置编号进行一对多配对，若当前两个数据配对成功，则将气象站数据分配给该自融雪单元。
进一步地，所述判断该自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，具体为：判断该自融雪单元是否：
(a)降雨量大于0，且温度低于0℃；
(b)降雪量大于0；
(c)露点温度小于0℃，且当前气温小于等于露点时；
若满足以上任一条，则判断为存在结冰或积雪风险。
进一步地，所述安全条件为同时满足以下条件：
(a)路面温度大于0℃，且路面湿度等于0；
(b)降雪增量或降雨增量为0。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明能够提前预测结冰或积雪风险，在结冰之前遏制冰层或积雪的形成，从根本上解决了结冰对道路交通带来的不利影响，可以有效降低冬季路面结冰进而发生道路事故发生率；相比于出现冰层后再开启发热电缆，能够在起始阶段阻止冰层的形成，有效缩减了发热电缆从启动到发热再到热量传导至路面的真空期。
(2)本发明通过将全路线进行分段管控，结合安全条件的设置，可以及时有效的进行小路段管控，有效防止能源的浪费以及路面内部持续高温造成的路面服役性能的降低。
(3)本发明将全路线分为多个自融雪单元，再将多个自融雪单元对应一个气象站，将监测准确性和实用性相结合，做到经济、有效，同时全路线的检测可以为路面维护提供参考。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的一种具备环境感知的路面自融雪系统的结果示意图；
图2为本发明一种路面自融雪方法的实现流程示意图。
以上图中，1自融雪单元；101发热电缆；102温湿度传感器；103数据采集器；104电源开关；105无线传输模块；2气象站；3管控中心。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
参考图1，本发明提供一种具备环境感知的路面自融雪系统，包括：沿全路段均匀布设的多个自融雪单元、多个气象站和管控中心，每个自融雪单元包含埋设于路面下的发热电缆、温湿度传感器、数据采集器和电源开关；所述温湿度传感器设置于路面表层，用于实时感知路面的温度和湿度；所述温湿度传感器的信号输出端与数据采集器连接；
所述气象站设置于路边，用于获取若干个自融雪单元的实时天气信息；所述数据采集器和气象站分别通过无线传输模块将各自的信息输送至管控中心；管控中心根据接收的数据预测当前自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，同时判断路面是否符合安全条件，并通过无线传输模块控制对应的电源开关打开或关闭；
其中，所述天气信息包含降雨量、降雪量、相对湿度和气温。
进一步地，相邻自融雪单元之间的路段距离为30～70m，相邻气象站之间的路段距离为30-50km。
进一步地，每个气象站还将各自的ip地址传输给管控中心。
本发明中，在交叉口、隧道和桥梁处单独设置自融雪单元，在其他正常路段按30～70m的间隔均匀布设自融雪单元。本发明的发热电缆设置于路面结构的路面层内，即路面的最上层结构中；温湿度传感器嵌设于路表面，并与路面平齐；一个气象站负责其周围30-50km范围的天气监测。发热电缆的布设方式可以是迂回型或螺旋型，也可以是两者混合型，具体的布设方法因根据工程实际需要选取。多个自融雪单元的发热电缆之间为并联关系，每个自融雪单元设置一个电源开关。
实施例2：
一种路面自融雪方法，包括以下步骤：
步骤1，每个温湿度传感器实时获取对应路段的路面温湿度信息，气象站实时获取当地的天气信息；
其中，所述天气信息包含降雨量、降雪量、相对湿度和气温；
步骤2，获取每个气象站的ip地址，并据此将每个气象站的天气信息与相应的自融雪单元相匹配，将其作为该自融雪单元的天气信息；根据每个自融雪单元的天气信息和路面温湿度信息，判断该自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，若是，则开启对应的电源开关；若该自融雪单元的发热电缆处于加热状态，则进一步判断该自融雪单元对应的路段是否满足安全条件，若是，则关闭相应的电源开关。
本实施例中，所述将每个气象站的天气信息与相应的自融雪单元相匹配，具体为：根据每个气象站的ip地址确定其监测的自融雪单元，进而将该气象站的天气数据分配给对应的若干个自融雪单元。
所述根据每个气象站的ip地址确定其监测的自融雪单元，具体为：每个自融雪单元的温湿度信息具有位置编号，事先将每个气象站的ip地址与自融雪单元的位置编号进行一对多配对，若当前两个数据配对成功，则将气象站数据分配给该自融雪单元。
所述判断该自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，具体为：判断该自融雪单元是否：
(a)降雨量大于0，且温度低于0℃；
(b)降雪量大于0；
(c)露点温度小于0℃，且当前气温小于等于露点温度；
若满足以上任一条，则判断为存在结冰或积雪风险。
以上条件中，通过天气信息计算露点温度，露点温度计算公式为：
式中：e表示水汽压，单位为百帕(hpa)，e0表示0℃时的饱和水汽压，为6.1078hpa，a为系数，取7.69；b为系数，取243.92；
水汽压通过相对湿度计算，计算公式为：
e＝u×ew/100
式中：u表示相对湿度，％；ew表示相同温度下所对应的纯水平液面饱和水汽压，单位为百帕(hpa)。
进一步地，本发明的安全条件为同时满足以下条件：
(a)路面温度大于0℃，且路面湿度等于0；
(b)降雪增量或降雨增量为0。
以上为关闭发热电缆的条件。
本发明在冬季下雪时，气象站监测到降雪后，管控中心将启动对应自融雪单元的发热电缆，使路面降雪无法积累保持路面干燥。在冬季下雨时，气象站监测到降水后，若路面温度小于0℃，则开启发热电缆，阻止冰层形成保持路面干燥。对于开启发热电缆的自融雪单元，当监测到其符合安全条件时，则关闭对应的发热电缆电源开关，避免能源浪费和路面服役性能的下降。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
1.一种具备环境感知的路面自融雪系统，其特征在于，包括：沿全路段均匀布设的多个自融雪单元、多个气象站和管控中心；其中，每个自融雪单元包含埋设于路面下的发热电缆、温湿度传感器、数据采集器和电源开关；
所述温湿度传感器设置于路面表层，用于实时感知路面的温度和湿度；所述温湿度传感器的信号输出端与数据采集器连接；所述气象站设置于路边，用于获取若干个自融雪单元的实时天气信息；所述数据采集器和气象站分别通过无线传输模块将各自的信息输送至管控中心；管控中心根据接收的数据预测当前自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，同时判断路面是否符合安全条件，并通过无线传输模块控制对应的电源开关打开或关闭；
其中，所述天气信息包含降雨量、降雪量、相对湿度和气温。
2.根据权利要求1所述的一种具备环境感知的路面自融雪系统，其特征在于，相邻自融雪单元之间的路段距离为30～70m。
3.根据权利要求2所述的一种具备环境感知的路面自融雪系统，其特征在于，相邻气象站之间的路段距离为30～50km。
4.根据权利要求1所述的一种具备环境感知的路面自融雪系统，其特征在于，每个气象站还将各自的ip地址传输给管控中心。
5.根据权利要求1所述的一种具备环境感知的路面自融雪系统，其特征在于，在交叉口、隧道和桥梁处单独设置自融雪单元。
6.一种路面自融雪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，每个温湿度传感器实时获取对应路段的路面温湿度信息，气象站实时获取当地的天气信息；
其中，所述天气信息包含降雨量、降雪量、相对湿度和气温；
步骤2，获取每个气象站的ip地址，并据此将每个气象站的天气信息与相应的自融雪单元相匹配，将其作为该自融雪单元的天气信息；根据每个自融雪单元的天气信息和路面温湿度信息，判断该自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，若是，则开启对应的电源开关；若该自融雪单元的发热电缆处于加热状态，则进一步判断该自融雪单元对应的路段是否满足安全条件，若是，则关闭相应的电源开关。
7.根据权利要求6所述的一种路面自融雪方法，其特征在于，所述将每个气象站的天气信息与相应的自融雪单元相匹配，具体为：根据每个气象站的ip地址确定其监测的自融雪单元，进而将该气象站的天气数据分配给对应的若干个自融雪单元。
8.根据权利要求7所述的一种路面自融雪方法，其特征在于，所述根据每个气象站的ip地址确定其监测的自融雪单元，具体为：每个自融雪单元的温湿度信息具有位置编号，事先将每个气象站的ip地址与自融雪单元的位置编号进行一对多配对，若当前两个数据配对成功，则将气象站数据分配给该自融雪单元。
9.根据权利要求6所述的一种路面自融雪方法，其特征在于，所述判断该自融雪单元对应的路段是否存在结冰或积雪风险，具体为：判断该自融雪单元是否满足以下条件：
(a)降雨量大于0，且温度低于0℃；
(b)降雪量不小于0；
(c)露点温度小于0℃，且当前气温小于等于露点时；
若满足以上任一条，则判断为存在结冰或积雪风险。
10.根据权利要求6所述的一种路面自融雪方法，其特征在于，所述安全条件为同时满足以下条件：
(a)路面温度大于0℃，且路面湿度等于0；
(b)降雪增量或降雨增量为0。
技术总结