《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》是交通運輸部科學研究院於2014年7月11日申請的專利，該專利的公布號為CN104134098A，授權公布日為2014年11月5日，發明人是朱寶林、魏道新、陳景、田苗苗、江睿南、李亞非、邊莉、王秋才、桑傑、孫建民。
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》涉及一種路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統，所述預測方法包括：路面凝冰感測器實時探測當前路段的路表溫度；在第一時間探測到第一路表溫度小於或者等於預警溫度時路面凝冰感測器進行凝冰檢測；在第二時間探測到實際路面凝冰溫度以及第二路表溫度，並將它們上傳至信息處理系統；信息處理系統計算得出預警時間。該發明的特點在於能夠實時精確地對路面可能發生凝凍的預警時間進行動態預測，有效地解決高速公路高危路段的路面凝冰預測的技術難題。
2020年7月14日，《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統
- 申請人：交通運輸部科學研究院
- 申請日：2014年7月11日
- 申請號：2014103312503
- 公布日：2014年11月5日
- 公布號：CN104134098A
- 發明人：朱寶林、魏道新、陳景、田苗苗、江睿南、李亞非、邊莉、王秋才、桑傑、孫建民
- 地址：北京市朝陽區惠新里240號交通運輸部科學研究院
- Int. Cl.：G06Q10/04(2012.01)I、G06Q50/26(2012.01)I
- 代理機構：北京戈程智慧財產權代理有限公司
- 代理人：程偉、王剛
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,專利目的,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
高速公路的路面溫度會隨著氣溫的下降而降低，當大氣降水、空氣濕度過高時，在低溫路面便會形成結冰（黑冰）、結霜、積雪、冰雪（包括黑冰）等現象。
不同的氣候條件將引起不同的天氣類型。冰雪天氣一般出現在有利於降水的大氣環流背景下，北方冷空氣在南下過程中與南方強暖濕氣流相遇，在大氣近地面層會形成0℃以下的冷空氣楔（冷墊），在大氣低層則出現較強逆溫，當冷空氣楔上的逆溫層也處在0℃以下時，降落到地面的降水形式為雪。而當逆溫層處在0℃以上（空氣中存在液態水或過冷水滴）時，則降水形式為雨。逆溫層到達冷墊層內後迅速凝結為雨凇，凝聚在地面上形成冰層即為路面凝冰。
路面凝冰不僅會嚴重影響高速公路通行效率，給人們的出行帶來較大不便，甚至還會給人們的生命和財產造成巨大的損失。如2008年初發生在中國南方罕見路面凝冰災害幾乎使當地高速公路運營陷入停滯狀態。據貴州省公路交通管理部門近五年的統計結果表明，歷年12月～3月路面凝冰發生期間，高速公路平均車輛通行速度僅為設計時速的70％，部分路段僅為設計時速的30％以下，高速公路封閉日數約為10～20天。因此，研究高速公路在惡劣天氣環境下的路面凝冰預警時間計算方法，為高速公路高危路段的設定的融冰除雪自動化處置系統提供一個科學的決策依據，防患路面凝凍的發生，具有重要的現實意義和套用價值。
處理路面凝冰問題的基本原則是以預防為主，2014年前中國內外的研究主要集中在路面凝凍的檢測，例如，低成本時域游標法測距和路面出射光點法等方法，通過分析不同厚度的水和凍的光譜，從而探測出路面是否存在凝冰現象。但是對於提前探測路面是否發生凝冰現象，計算出即將發生路面凝冰現象的時間，從而為高危路段的前期自動化處置提供參考的研究尚無相關的報導。
綜上所述，提供一種路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統，其能夠適用於高速公路在低溫雨雪等惡劣天氣環境下分析和預警路面發生凝冰現象的時間，成為該領域技術人員亟待解決的問題。
公開於該發明背景技術部分的信息僅僅旨在加深對該發明的一般背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為該領域技術人員所公知的2014年之前的技術。
發明內容
專利目的
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》的目的在於提供一種路面凝冰預警時間的預測方法，《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》的另一目的在於提供路面凝冰預警時間的預測系統。
專利目的
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》提供一種路面凝冰預警時間的預測方法，其包括：
A）在當前路段中設定路面凝冰感測器和信息處理系統，所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度（T1）；
B）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度（T0）；C）所述信息處理系統判斷所述第一路表溫度（T0）是否小於或者等於所述預警溫度（T1）；如果是，則執行步驟D），且將探測到第一路表溫度（T0）小於或者等於預警溫度（T1）的時間點設為第一時間（t1）；如果否，則執行步驟B）；D）所述路面凝冰感測器進行凝冰探測；E）所述信息處理系統判斷是否探測到實際路面凝冰溫度（T3）；如果是，則執行步驟F），且將探測到實際路面凝冰溫度（T3）的時間點設為第二時間（t2）；如果否，則執行步驟D）；F）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第二路表溫度（T2），並將所述實際路面凝冰溫度（T3）和第二路表溫度（T2）傳送至信息處理系統；G）所述信息處理系統計算得出預警時間（Δt2），所述預警時間（Δt2）由以下公式計算得出：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）；其中，t1為第一時間，t2為第二時間，T1為預警溫度，T2為第二路表溫度，T3為實際路面凝冰溫度。
優選地，所述預警溫度（T1）為1℃～3℃。
優選地，在所述步驟D）中，所述路面凝冰感測器啟動液固相變發生器進行凝冰探測。
優選地，所述預測方法還進一步包括：H）對步驟A）～G）進行計算修正。
優選地，在所述步驟H）中，利用當前路段所處時區和環境溫度、濕度信息進行計算修正。
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》還提供一種路面凝冰預警時間的預測系統，其包括：路面凝冰感測器和信息處理系統，A）所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度（T1）；B）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度（T0）；C）所述信息處理系統判斷所述第一路表溫度（T0）是否小於或者等於所述預警溫度（T1）；如果是，則執行步驟D），且將探測到第一路表溫度（T0）小於或者等於預警溫度（T1）的時間點設為第一時間（t1）；如果否，則執行步驟B）；D）所述路面凝冰感測器進行凝冰探測；E）所述信息處理系統判斷是否探測到實際路面凝冰溫度（T3）；如果是，則執行步驟F），且將探測到實際路面凝冰溫度（T3）的時間點設為第二時間（t2）；如果否，則執行步驟D）；F）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第二路表溫度（T2），並將所述實際路面凝冰溫度（T3）和第二路表溫度（T2）傳送至信息處理系統；G）所述信息處理系統計算得出預警時間（Δt2）,所述預警時間（Δt2）由以下公式計算得出：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）；其中，t1為第一時間，t2為第二時間，T1為預警溫度，T2為第二路表溫度，T3為實際路面凝冰溫度。
有益效果
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》的有益效果是：該發明解決了高速公路在低溫雨雪等惡劣天氣環境下，發生路面凝冰現象的提前預測技術問題，能夠對高速公路高危路段是否發生路面凝冰預警時間進行動態預測，具有精確度高和實時性強的特點，有效地解決低溫雨雪冰凍等惡劣環境下高危路段發生路面凝凍的預警時間精確預測的技術難題。
附圖說明
圖1為《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》中採用的路面凝冰感測器的結構示意圖。
圖2為根據《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》的路面凝冰預警時間的預測方法原理圖。
圖3為根據《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》的路面凝冰預警時間的預測方法流程圖。
技術領域
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》涉及路面凝冰預警領域，特別涉及一種路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統。
權利要求
1.一種路面凝冰預警時間的預測方法，其包括：
A）在當前路段中設定路面凝冰感測器和信息處理系統，所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度（T1）；
B）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度（T0）；
C）所述信息處理系統判斷所述第一路表溫度（T0）是否小於或者等於所述預警溫度（T1）；如果是，則執行步驟D），且將探測到第一路表溫度（T0）小於或者等於預警溫度（T1）的時間點設為第一時間（t1）；如果否，則執行步驟B）；
D）所述路面凝冰感測器進行凝冰探測；
E）所述信息處理系統判斷是否探測到實際路面凝冰溫度（T3）；如果是，則執行步驟F），且將探測到實際路面凝冰溫度（T3）的時間點設為第二時間（t2）；如果否，則執行步驟D）；
F）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第二路表溫度（T2），並將所述實際路面凝冰溫度（T3）和第二路表溫度（T2）傳送至信息處理系統；
G）所述信息處理系統計算得出預警時間（Δt2），所述預警時間（Δt2）由以下公式計算得出：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）；其中，t1為第一時間，t2為第二時間，T1為預警溫度，T2為第二路表溫度，T3為實際路面凝冰溫度。
2.根據權利要求1所述的路面凝冰預警時間的預測方法，其中，所述預警溫度（T1）為1℃～3℃。
3.根據權利要求2所述的路面凝冰預警時間的預測方法，其中，在所述步驟D）中，所述路面凝冰感測器啟動液固相變發生器進行凝冰探測。
4.根據權利要求1所述的路面凝冰預警時間的預測方法，其中，所述預測方法還進一步包括：
H）對步驟A）～G）進行計算修正。
5.根據權利要求4所述的路面凝冰預警時間的預測方法，其中，在所述步驟H）中，利用當前路段所處時區和環境溫度、濕度信息進行計算修正。
6.一種路面凝冰預警時間的預測系統，其包括：路面凝冰感測器和信息處理系統，
A）所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度（T1）；
B）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度（T0）；
C）所述信息處理系統判斷所述第一路表溫度（T0）是否小於或者等於所述預警溫度（T1）；如果是，則執行步驟D），且將探測到第一路表溫度（T0）小於或者等於預警溫度（T1）的時間點設為第一時間（t1）；如果否，則執行步驟B）；
D）所述路面凝冰感測器進行凝冰探測；
E）所述信息處理系統判斷是否探測到實際路面凝冰溫度（T3）；如果是，則執行步驟F），且將探測到實際路面凝冰溫度（T3）的時間點設為第二時間（t2）；如果否，則執行步驟D）；
F）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第二路表溫度（T2），並將所述實際路面凝冰溫度（T3）和第二路表溫度（T2）傳送至信息處理系統；
G）所述信息處理系統計算得出預警時間（Δt2）,所述預警時間（Δt2）由以下公式計算得出：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）；其中，t1為第一時間，t2為第二時間，T1為預警溫度，T2為第二路表溫度，T3為實際路面凝冰溫度。
實施方式
操作內容
首先對《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》中採用到的路面凝冰感測器的結構和工作原理進行說明。請參閱圖1所示，該發明中所採用的路面凝冰感測器主要包括第一感測器1、第二感測器2和信號調理模組3。
其中，第一感測器1採用美國Dallas半導體公司DS18B20系列溫度感測器，隨路面凝冰感測器一起埋入路面，用於實時探測路面的路表溫度（道路表面溫度）；第二感測器2包括液固相變發生器21和凝冰感測器22。當第一感測器1實時探測到路表溫度小於系統預設的預警溫度時，路面凝冰感測器啟動液固相變發生器21進行路面凝冰溫度探測（探測實際路面凝冰溫度）。同時，凝冰感測器22實時探測路面凝冰探測過程中的凝冰狀態。
信號調理模組3主要包括信號放大電路、信號濾波以及數據通信接口等基本功能模組，處理來自第一感測器1和第二感測器2的信號，並實時將信號傳輸至信息處理系統，同時能夠接收來自信息處理系統的指令。
參閱圖2和圖3所示，《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》提供一種路面凝冰預警時間的預測方法，其包括：
A）在當前路段中設定路面凝冰感測器和信息處理系統，所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度T1；當前路段為需要進行凝冰預警的目標路段，一般為高速公路的高危路段或者易發生凝凍的路段；根據其環境條件預先地設定預警溫度作為後續計算的參考值，該實施例中的預先設定的預警溫度T1為1℃～3℃，也可以根據實際環境條件設定，例如是0℃～6℃；
B）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度T0；所述路面凝冰感測器實時動態地探測當前路段的路表溫度（道路表面溫度）；
C）所述信息處理系統判斷所述第一路表溫度T0是否小於或者等於所述預警溫度T1；如果是，則執行步驟D），且將探測到第一路表溫度（T0）小於或者等於預警溫度（T1）的時間點設為第一時間（t1）；如果否，則執行步驟B）；
不斷地將路面凝冰感測器實時探測得到的第一路表溫度T0和預警溫度T1進行比較判斷，如果在一個時間點，探測到的所述第一路表溫度T0小於或者等於所述預警溫度T1，則將這個時間點設定為第一時間（t1），並接著執行步驟D）；如果探測到的第一路表溫度T0大於預警溫度T1，則繼續執行步驟B）的實時探測；
D）所述路面凝冰感測器進行凝冰探測；
具體地，是通過所述路面凝冰感測器啟動感測器內的液固相變發生器21進行凝冰探測工作；
E）所述信息處理系統判斷是否探測到實際路面凝冰溫度T3；如果是，則執行步驟F），且將探測到實際路面凝冰溫度（T3）的時間點設為第二時間（t2）；如果否，則執行步驟D）；其中，在還沒有出現凝冰現象時會重複執行D）和E），直到探測到可能發生路面凝冰時的實際路面凝冰溫度T3為止；
F）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第二路表溫度T2，並將所述實際路面凝冰溫度T3和第二路表溫度T2傳送至信息處理系統；
其中所述信息處理系統包括處理器，所述信息處理系統與感測器電性連線，用於接收感測器發出的信息並在處理器中進行進一步處理；具體地，在步驟D）～F）中，如果在凝冰探測的過程中的一個時間點，探測到了實際路面凝冰溫度T3，則將這個時間點設定為第二時間（t2），同時，所述路面凝冰感測器探測出第二時間（t2）的路表溫度，作為第二路表溫度（T2），將這些探測信息傳送至信息處理系統進行後續計算處理；
G）所述信息處理系統計算得出預警時間（Δt2），所述預警時間（Δt2）由以下公式計算得出：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）；其中，t1為第一時間，t2為第二時間，T1為預警溫度，T2為第二路表溫度，T3為實際路面凝冰溫度；
其中，所述預警時間Δt2為路表溫度降至實際路面凝冰溫度T3的第三時間t3與所述第一時間t1的時間差；即預警時間Δt2由以下定義式1定義：Δt2＝t3-t1；（定義式1）
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》的關鍵在於要預測路面凝冰發生的時間，即這個第三時間t3是未知的，從第一時間t1開始並不知道在路表溫度將會在後面哪一個時間點降至和實際路面凝冰溫度T3一樣，需要利用前面t1和t2兩個時間點探測出的數據根據公式進行計算，在計算中，為了方便起見，假設當前路段的路表溫度變化是均勻的，即如圖2所示，路面凝冰溫度變化曲線和路表溫度變化曲線均為直線；
具體地，如果在第三時間t3路表溫度降至實際路面凝冰溫度T3，根據圖2所示，預警時間Δt2的計算公式為：Δt2＝（ΔT2/ΔT1）*Δt1；（公式1）。其中，ΔT2＝T3-T1，ΔT1＝T2-T1，Δt1＝t2-t1；也即，所述公式1為Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）；其中，t1為第一時間，t2為第二時間，T1為預警溫度，T2為第二路表溫度，T3為實際路面凝冰溫度；
H）對步驟A）～G）進行計算修正；在不同的地區套用該發明的預測方法時，可以根據當地的實際環境和所處時區結合當地所探測到的溫度濕度等信息，對預測方法的各個步驟中的各種探測值進行相應的計算修正，實現路面凝冰預警時間的精確計算。
《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》還提供一種路面凝冰預警時間的預測系統，所述預測系統用於執行上述路面凝冰預警時間的預測方法的步驟。所述預測系統包括上述的路面凝冰感測器和信息處理系統，A）所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度（T1）；
B）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度（T0）；
C）所述信息處理系統判斷所述第一路表溫度（T0）是否小於或者等於所述預警溫度（T1）；如果是，則執行步驟D），且將探測到第一路表溫度（T0）小於或者等於預警溫度（T1）的時間點設為第一時間
（t1）；如果否，則執行步驟B）；
D）所述路面凝冰感測器進行凝冰探測；
E）所述信息處理系統判斷是否探測到實際路面凝冰溫度（T3）；如果是，則執行步驟F），且將探測到實際路面凝冰溫度（T3）的時間點設為第二時間（t2）；如果否，則執行步驟D）；
F）所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第二路表溫度（T2），並將所述實際路面凝冰溫度（T3）和第二路表溫度（T2）傳送至信息處理系統；
G）所述信息處理系統計算得出預警時間（Δt2）,所述預警時間（Δt2）由以下公式計算得出：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）；其中，t1為第一時間，t2為第二時間，T1為預警溫度，T2為第二路表溫度，T3為實際路面凝冰溫度。
實施案例
實施例1
首先，在當前路段中設定路面凝冰感測器和信息處理系統，所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度T1為5℃；然後，所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度T0；
從開始探測的時刻算起，在第10小時，所述信息處理系統判斷探測到的第一路表溫度T0小於或者等於5℃時，則第一時間t1為第10小時，並且啟動路面凝冰感測器進行凝冰探測；在凝冰探測的過程中，判斷是否探測到當前路段可能發生凝凍的實際路面凝冰溫度T3，其中T3為-3.5℃；在第10小時6分30秒，所述信息處理系統判斷探測到了實際路面凝冰溫度T3，則第二時間t2為第10小時6分30秒，且路面凝冰感測器探測第10小時6分30秒的第二路表溫度T2為4.8℃，並將所述實際路面凝冰溫度T3和第二路表溫度T2傳送至信息處理系統；
最後，所述信息處理系統按照上述公式1計算得出預警時間Δt2如下：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）＝16575秒，即在第一時間t1之後再過4小時36分左右，路表溫度可能將至-3.5℃。
實施例2
首先，在當前路段中設定路面凝冰感測器和信息處理系統，所述路面凝冰感測器電性連線所述信息處理系統，預先設定預警溫度T1為3℃；然後，所述路面凝冰感測器探測當前路段的路表溫度，作為第一路表溫度T0；
從開始探測的時刻算起，在第15小時，所述信息處理系統判斷探測到的第一路表溫度T0小於或者等於3℃時，則第一時間t1為第15小時，並且啟動路面凝冰感測器進行凝冰探測；在凝冰探測的過程中，判斷是否探測到當前路段可能發生凝凍的實際路面凝冰溫度T3，其中T3為-4.6℃；在第15小時5分40秒，所述信息處理系統判斷探測到了實際路面凝冰溫度T3，則第二時間t2為第15小時5分40秒，且路面凝冰感測器探測第25小時的第二路表溫度T2為2.7℃，並將所述實際路面凝冰溫度T3和第二路表溫度T2傳送至信息處理系統；
最後，所述信息處理系統按照上述公式1計算得出預警時間Δt2如下：Δt2＝（（T3-T1）/（T2-T1））*（t2-t1）＝8613秒，即在第一時間t1之後再過2小時23分左右，路表溫度可能降至-4.6℃。
榮譽表彰
2020年7月14日，《路面凝冰預警時間的預測方法及預測系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
