技术领域
[0001] 本
发明涉及道路状况自动监测领域，具体涉及一种用于检测冰雪路面 湿滑度的检测仪及其检测方法。
背景技术
[0002] 道路交通事故除了人为操作不当之外，现场的天气状况也是诱发事故 的重要原因。路面状况如结冰、积雪会造成路面湿滑度偏低，轮胎与路面 的
摩擦力变小，遇到突发情况，不能采取有效的措施。因此能够实时准确 监测路面状况信息，并及时发布预警信息成为道路交通安全领域的一个重 大课题。
[0003] 为了克服上述问题，本领域技术人员提出了多种解决办法，如埋入式 路面
传感器，但由于本身技术特点决定了其存在诸多问题：安装或维护时 需要封路，需要在路面上切割安装槽，传感器长期工作中频繁受到车辆的 碾压破坏，后期维护困难，维护成本高等。另外埋入式路面传感器虽然能 检测路面干燥、潮湿、
水、雪、冰状态，但是只能提供水膜的测量厚度， 不具备测量冰、雪厚度的功能。传统非
接触式传感器可实现对路面状况的 测量，但是
光源采用3个
波长激光通道检测，检测
精度稍差，会出现路面 状况误报警，导致无法准确的把路况信息及时反馈给道路维护人员；没有 集成有激光指示器，现场安装选取
采样区域时需要依靠经验和辅助工具； 不具备结冰预警功能，无法实现采集数据的最大化利用；部分该类型传感 器功耗大，约100W，无法适应
太阳能供电系统。
[0004] 目前我国正在大力发展智慧交通系统，而路面状况检测设备作为监测 系统的前端设备，其作用也显得尤为重要，这不仅仅是一项技术探索，而 是惠及民生的重要工程，那么如何提供一种用于检测冰雪路面湿滑度的检 测仪及其检测方法就显得尤为重要。
发明内容
[0005] 为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于检测冰雪路面 湿滑度的检测仪及其检测方法，本发明优化了传统非接触式检测仪的缺 点，功耗低，不仅可以实时监测路面干燥、潮湿、积水、冰水混合物、结 冰、积雪，准确测量
覆盖物厚度，而且能够建立路面湿滑程度系数，最重 要的是能够提前对道路可能结冰做出预警。
[0006] 为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
[0007] 一种用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，包括发射部件、接收部件、 路温探测器、激光指示器、壳体、
万向节和
数据采集处理器，在所述壳体 的上部设有发射部件，所述发射部件上激光发射器的发射端对应设置在壳 体面板上的窗口A内侧，在发射部件下方的壳体上分别设有路温探测器 和激光指示器，在路温探测器下方的壳体上设有接收部件，所述接收部件 上光电接收器的接收端对应设置在壳体面板上的窗口B内侧，所述激光 发射器、光电接收器、路温探测器和激光指示器分别通过线路连接数据采 集处理器的DC/DC供电系统，激光发射器由数据采集处理器的
单片机系 统周期性的发送高低电平
信号控制开断，路温探测器以总线形式把采集到 的
温度值实时发送给数据采集处理器，壳体的底部连接万向节形成所述的 用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪。
[0008] 所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，所述发射部件包括激光发 射器、窗口A和发射镜筒，所述激光发射器采用四路波长不同的红外光作 为发射光源，激光发射器的发射端分别对应设置在壳体面板上窗口A的内 侧面，在窗口A外侧面的外围设有发射镜筒。
[0009] 所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，所述窗口A的内侧面分别 设有加热装置和监测装置，所述加热装置和监测装置分别通过线路连接数 据采集处理器。
[0010] 所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，所述接收部件包括光电接 收器、窗口B和接收镜筒，所述光电接收器的接收端对应设置在壳体面板 上窗口B的内侧面，在窗口B外侧面的外围设有接收镜筒。
[0011] 所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，所述窗口B的内侧面分别 设有加热装置和监测装置，所述加热装置和监测装置分别通过线路连接数 据采集处理器。
[0012] 所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，所述发射部件下方的壳体 上设有发射
角调节器，所述发射角调节器通过连接轴与激光发射器连接。
[0013] 所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，所述路温探测器的测量范 围为-40～+80℃，测量精度为±0.5℃。
[0014] 所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，所述壳体的外部设有外 罩。
[0015] 一种用于检测冰雪路面湿滑度的检测方法，DC/DC供电系统将输入
电压转化为满足相关
电路的电压值，数据采集处理器中的时序控制电路产 生调制信号，激光发射器在调制信号的调制驱动下，依次产生四路脉冲激
光信号，脉冲激光信号进入光电接收器，最后进入数据采集处理器转化为
电信号，电信号携带有路面状态信息，当路面状态为潮湿、积水、结冰、 积雪时，四路脉冲激光信号值也会发生相应的变化，此时的信号值与保存 在数据采集处理器中数据存储单元里的干燥状态下信号值对比，可计算出 当前路面状态及湿滑程度系数，并针对当前路况信息及历史数据综合判断 是否启动结冰预警程序。
[0016] 采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
[0017] 本发明通过集成激光指示器，有效的提高了施工现场安装效率；激光 发射器采用四路红外光，提高了测试准确率；本发明可根据实际路面情况 建立路面湿滑系数，道路管理人员可根据该湿滑系数对应的限速值联动到 限速装置提醒过往车辆，降低事故率的发生；本发明可根据采集到的路况 信息做提前结冰预警，方便工作人员提前做好
除冰工作等，适合大范围的 推广和应用。
附图说明
[0018] 图1是本发明的结构示意图；
[0019] 图2是本发明的侧视结构示意图；
[0021] 图4是本发明的温度模拟仿真图；
[0022] 图5是本发明的系统工作示意图；
[0023] 在图中：1、发射部件；1-1、激光发射器；1-2、窗口A；1-3、发射 镜筒；2、接收部件；2-1、光电接收器；2-2、窗口B；2-3、接收镜筒；3、 发射角调节器；4、路温探测器；5、激光指示器；6、外罩；7、壳体；8、 万向节；9、数据采集处理器。
具体实施方式
[0024] 通过下面的
实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面 的实施例；
[0025] 结合附图1～5所述的一种用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪，包括发 射部件1、接收部件2、路温探测器4、激光指示器5、壳体7、万向节8和数 据采集处理器9，所述壳体7的外部设有外罩6，在所述壳体7的上部设有发 射部件1，所述发射部件1上激光发射器1-1的发射端对应设置在壳体7面板 上的窗口A1-2内侧，在发射部件1下方的壳体7上分别设有路温探测器4和 激光指示器5，所述路温探测器4的测量范围为-40～+80℃，测量精度为 ±0.5℃，在路温探测器4下方的壳体7上设有接收部件2，所述接收部件2 上光电接收器2-1的接收端对应设置在壳体7面板上的窗口B2-2内侧，所述 激光发射器1-1、光电接收器2-1、路温探测器4和激光指示器5分别通过线 路连接数据采集处理器9的DC/DC供电系统，激光发射器1-1由数据采集处 理器9的单片机系统周期性的发送高低电平信号控制开断，路温探测器4 以总线形式把采集到的温度值实时发送给数据采集处理器9，激光指示器5 由壳体7底部按钮控制开断，壳体7的底部连接万向节8，具体实施时，所 述万向节8底部有5个可安装M6*15螺丝的
位置，可根据安装现场实际情况 装到柱子顶部或者借助鸭嘴
支架安装到龙
门架上，安装高度3～3.5米，形 成了所述的用于检测冰雪路面湿滑度的检测仪。
[0026] 进一步，所述发射部件1包括激光发射器1-1、窗口A1-2和发射镜筒 1-3，所述激光发射器1-1采用四路波长不同的红外光作为发射光源，激光 发射器1-1的发射端分别对应设置在壳体7面板上窗口A1-2的内侧面，在窗 口A1-2外侧面的外围设有发射镜筒1-3，所述窗口A1-2的内侧面分别设有 加热装置和监测装置，所述加热装置和监测装置分别通过线路连接数据采 集处理器9。
[0027] 进一步，所述接收部件2包括光电接收器2-1、窗口B2-2和接收镜筒 2-3，所述光电接收器2-1的接收端对应设置在壳体7面板上窗口B2-2的内 侧面，在窗口B2-2外侧面的外围设有接收镜筒2-3，所述窗口B2-2的内侧 面分别设有加热装置和监测装置，所述加热装置和监测装置分别通过线路 连接数据采集处理器9。
[0028] 进一步，为了提高检测效果，在所述发射部件1下方的壳体7上设有 发射角调节器3，所述发射角调节器3通过连接轴与激光发射器1-1连接。
[0029] 本发明在具体实施时，激光发射器1-1打到路面的区域为数据采样 区，检测仪距离路面为6m时，采样区域直径约25cm，需确保采样区域平 整干燥，周围没有标线、缝隙、杂物，能代表周围路况信息。发射角调节 器3通过连接轴与激光发射器1-1连接，需要调节光信号焦距时，可用 M4内六角
扳手旋转发射角调节器3完成。当窗口A1-2玻璃片上有水滴时， 激光信号会发生反射、折射，信号变低，干扰数据结果。因此窗口A1-2 内侧附近安装有监测装置和加热装置，有效解决水滴干扰。
[0030] 接收部件2由光电接收器2-1、窗口B2-2、接收镜筒2-3组成。光信 号经过激光发射器1-1、窗口A1-2、窗口B2-2被光电接收器2-1接收， 光电接收器2-1将此激光信号聚焦到内部的光敏元件上，光电转换后的电 信号直接输出到高速A/D转换器进行
模数转换。为防止镜头含有水滴， 窗口B2-2也安装有监测装置和加热装置。
[0031] 窗口A1-2、窗口B2-2透镜经过了特殊的防灰尘、防霉菌
镀膜处理， 使镜头在自然环境中积累灰尘的厚度与速度大大降低，同时也降低了盐雾 与油污的污染几率。
[0032] 路温探测器4外部安装有
铝制套筒，测量精度为±0.5℃，检测仪程 序上设计有温度校正指令，如果测量温度偏差太大，可用专用
软件输入指 令自适应校正。激光指示器5外部安装有铝制套筒，可防止不明物体撞击 损坏装置。施工现场检测仪安装调试完毕后可关闭，不建议长期打开。
[0033] 激光发射器1-1、光电接收器2-1、数据采集处理器9安装在密封良 好的壳体7内，壳体7外部安装有外罩6。最大限度的避免了雨水、灰尘 以及其它外界因素对仪器的干扰，同时也降低了维护成本，正常情况下一 年维护一次即可。万向节8与壳体7连接，安装时可上下旋转调节检测仪 光信号到路面的距离及角度。
[0034] 附图3为结冰预警工作流程图，可实现提前2小时、1小时、半小时 结冰预警。检测仪
数据处理器首先会提取若干组路面温度以及对应时间的 历史数据信息，利用最小二乘法进行曲线拟合，生成路面温度关于时间的 函数。把半小时、1小时、2小时后的时间带入到已生成的函数里，求得 路面温度值。最后根据求得的温度值以及结冰预警规则实现结冰预警。
[0035] 具体方法为：
[0036] 根据检测仪采集到的历史数据信息，取最近的m组采样时间点x以 及对应的路面温度y的值。
[0037] x＝[x1,x2,...xm]m＞50
[0038] y＝[y1,y2,...ym]
[0039] 设路面温度值y关于采样时间点x的曲线方程为：
[0040] y＝a0+a1x+a2x2......+anxn(m＞n)
[0041] 实际数据测量时，并不能保证所有的数据点[xi,yi]都可以准确无误 的通过一条曲线，因此，只需要求得一条曲线使得所有的数据点都在离该 曲线上下浮动，既能反应数据的总体分布，又不至于出现较大的
波动。能 反应逼近函数的特性，使求得的逼近函数与已知函数其偏差按照某种方法 度量达到最小。
[0042] 为了寻求最优方程，可选用最小二乘法原则，即偏差平方和最小来 实现曲线拟合。
[0043] 设拟合曲线为：
[0044]
[0045] 设残差：
[0046]
[0047] 根据最小二乘法原则，只需要保证残差的平方，即
[0048]
[0049] 即可求得待定系数a0...an。
[0050] 根据极小值原理，可解得关于a0...an的法方程组，其矩阵形式为：
[0051]
[0052] 向量组 线性无关，因此系数行列式 故可以求得a0...an的唯一解。
[0053] 根据实际情况，所需要拟合的曲线为代数多项式，因此上述法方程 组可转化为：
[0054]
[0055] 设
[0056]
[0057]
[0058]
[0059] ......
[0060] 于是
[0061]
[0062] 至此就可以求得拟合曲线 的多项式方程。
[0063] 令当前时间为xt，半小时后时间为xt+0.5，1小时后时间为xt+1，2 小时后时间为xt+2，令当前温度值为T，计算出的半小时后温度为T0.5， 1小时后的温度为T1，2小时后的温度为T2，分别把xt+0.5、xt+1、xt+2带 入多项式，可求得T0.5、T1、T1的值。
[0064] 结冰预警边界条件：
[0065] 1)检测仪检测到路面状态为非干燥状态，并根据实际路面状况的变化 规律计算
阈值，路面状态不同阈值也不相同。根据气象常识，路面温度低 于零摄氏度开始结冰，但实际求得的温度值不一定刚好为零摄氏度，计算 得到T0.5、T1、T2的值后，需要满足0＜T0.5＜阈值、0＜T1＜阈值、 0＜T2＜阈值。
[0066] 2)近几天路面温度历史数据有长期低于0℃。
[0067] 3)拟合曲线斜率为负数，表明气温正在下降。
[0068] 结冰预警只是针对寒冷季节道路可能结冰做出的预警，目的是为了帮 助道路维护人员提前准备好除冰工作，降低事故率。因此，当数据采集处 理器检测到路面温度长期高于10℃时，结冰预警程序无意义，不启动该预 警程序。
[0069] 在图4中，蓝色为真实路面温度曲线，红色为拟合计算求得的路面温 度曲线。从图中可以看到，真实路面温度在早上5点最低，下午14点最 高。整体以曲线形式逐渐增长或者降低。从红色拟合曲线可以看出，拟合 曲线会根据真实曲线的升降做自适应调整，基本都可以贴合真实曲线，只 有当真实曲线出现较大的波动时，才会产生较大误差，误差约0.3℃，属 于可接受范围内。因此该拟合曲线可以满足结冰预警程序。
[0070] 一种用于检测冰雪路面湿滑度的检测方法，如图5所示，DC/DC供电 系统将输入电压转化为满足各部分电路的电压值，数据采集处理器9中的 时序控制电路产生调制信号，激光发射器1-1在调制信号的调制驱动下， 依次产生四路脉冲激光信号，脉冲激光信号进入光电接收器2-1，最后进 入数据采集处理器9转化为电信号，电信号携带有路面状态信息，当路面 状态为潮湿、积水、结冰、积雪时，四路脉冲激光信号值也会发生相应的 变化，此时的信号值与保存在数据采集处理器9中数据存储单元里的干燥 状态下信号值对比，可计算出当前路面状态及湿滑程度系数，并针对当前 路况信息及历史数据综合判断是否启动结冰预警程序。
[0071] 所述湿滑程度系数，它代表路面和轮胎的摩擦能力。该湿滑系数根据 路面状况不同而变化。可真实反映路面湿滑情况。在干燥路面上，此指数 被设为0.82，其它路面状况，如路面潮湿，湿滑系数约为0.75，该湿滑系 数不影响车辆正常通行；路面积水，湿滑系数约为0.6，表明路面很滑； 当路面为积雪或者结冰时，湿滑系数可低至0.01，表示路面极滑。每个范 围湿滑系数设定有相应的限速值，这样工作人员可根据该湿滑系数把限速 值推送到限速屏或者LED屏，驾驶人员可根据限速提示调整车速，降低 事故发生率。
[0072] 采集处理器内部设计有滤波电路，短时间内如果有障碍物干扰测试 数据不会影响测试结果。处理器每间隔一段时间采集一次路温探测器信 号，此温度信号参与到路面状态
算法里，例如路温大于某个温度值为水， 小于某个温度值为冰，从而减少路面状态类型的误判，更加精确地进行测 量。
[0073] 检测仪在非加热状态下工作功耗约1.5W，加热状态下工作功耗约 4.5W，平均功耗约3W。功耗低，不仅可以适应市电，也可以适应太阳能 供电。
[0074]
信号处理器计算出的结果，通过RS232或RS485串行通讯端口上传 到上位机。
[0075] 本发明根据路面状况可有效监测干燥、积水、潮湿、积雪、结冰、 冰水混合物，并根据路面状况建立了实用的湿滑系数，通过该湿滑系数可 建立路面状况与限速设备的实时联动等。本发明具有提前结冰预警功能， 方便维护人员提前做好结冰应急工作。
[0077] 为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是 适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围 内的实施例的所有变化和改进。
