一种用于路面主动式融冰雪系统及其控制方法与流程

1.本发明属于交通工程技术领域，尤其涉及一种用于路面主动式融冰雪系统及其控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.我国对路面融雪的研究已经日益重视，研究人员在路面除冰雪技术上已经有了一些研究成果，如太阳能融雪化冰、电加热路面等技术。太阳能融雪技术的缺点在于系统工作性能很大程度上依赖于光照条件，稳定性不足。电热法融雪化冰技术热稳定性好，但对电能消耗量大，系统运营成本高。相比而言，地热能作为一种潜力巨大的清洁可再生能源，在融雪化冰方面具有广泛的前景。地热法路桥融雪化冰技术是通过在路面或者桥面埋置地热管道，采用地源热泵的埋地换热器将浅层地热能从地表提取，然后经过泵机提升后，温度较高的流体通过泵机流入到路面或者桥面的地热管道内，达到融化冰雪的目的。
4.地源热泵系统的开启时间和运行时间直接影响路面的融冰化雪效果，进而影响到路面的行车性能和安全性能，而应用在道路路面结构物中时，系统的开启和运行时间是与道路路面的实际状况紧密联系到一起的，同时会受到外界气象条件和路面温度的影响，所以路面结构地热系统何时开启和运行时间的智能控制是目前交通专业主要研究和解决的问题。
5.目前，对于道路状况识别技术的发展主要是红外感温遥感技术和图像阈值识别技术，前者用来监测道路路面的状态和温度，其主要原理是探测远距离外的植被等地物所反射或辐射红外特性差异的信息，以确定地面物体性质、状态和变化规律的遥感技术，任何物体都具有光谱特性，具体地说就是都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也具有明显差异。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳照射角度的不同，他们反射和吸收的光谱也不同。后者是通过收集典型样本的阈值数据信息，样本数据汇总分类处理形成数据库，再以提取图像的手段matlab数据分析对待测图像进行对比分析，得到待测图像的分类并加以识别。
6.此外，目前常用的技术或者试验装置往往只针对于某个工程技术问题设计制造，其主要用于检测的数据或者信息等内容具有一定的针对性和局限性，难以真正推广应用至地源热泵系统的开启和运行时间的监测中去，造成一定的资源浪费。在实际情况下，道路路面的冰雪状况往往会随着气候环境和环境温度等随之改变，这些制约着地源热泵系统的智能化开启和运行时间。


技术实现要素：

7.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于路面主动式融冰雪系统及其控制方法，其旨在将地热系统的开启和运行时间实现智能化监测和控制，依靠
本装置提供的温度感知部件、道路状况识别装置结合当地的气象数据等进行综合分析，得出当前路面状况的较为精准的识别预测，用以判断地源热泵系统是否开启，同时对运行时刻进行监测，达到一定条件时装置自动识别并关闭系统运行，此装置的应用可以在很大程度上精准的识别道路的冰雪状况，智能化控制地源热泵系统的开启和运行时间，最大程度上减少不必要的能源损耗。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明的第一个方面提供一种用于路面主动式融冰雪系统的控制方法，包括：
10.获取道路路面温度，当达到温度阈值时开启道路冰雪状况监测；
11.获取道路冰雪状况图片，与典型道路冰雪状况数据库进行比较，确定道路冰雪状况类型；
12.根据道路冰雪状况类型，开启地源热泵系统；
13.对区域气象数据的反馈信息以及监测到的周围环境的温度信息综合处理，当达到阈值后自动调节地源热泵系统的后运行时间。
14.本发明的第二个方面提供一种用于路面主动式融冰雪系统，包括：
15.温度感知模块，被配置为获取道路路面温度，当达到温度阈值时开启道路冰雪状况监测；
16.路面道路状态识别模块，被配置为获取道路冰雪状况图片，与典型道路冰雪状况数据库进行比较，确定道路冰雪状况类型；
17.地源热泵系统开启模块，被配置为根据道路冰雪状况类型，开启地源热泵系统；
18.地源热泵系统运行调节模块，被配置为对区域气象数据的反馈信息以及监测到的周围环境的温度信息综合处理，当达到阈值后自动调节地源热泵系统的后运行时间。
19.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
20.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的一种用于路面主动式融冰雪系统的控制方法中的步骤。
21.本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
22.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的一种用于路面主动式融冰雪系统的控制方法中的步骤。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.本发明旨在将地热系统的开启和运行时间实现智能化监测和控制，依靠本装置提供的温度感知部件、道路状况识别装置结合当地的气象数据等进行综合分析，得出当前路面状况的较为精准的识别预测，用以判断地源热泵系统是否开启，同时对运行时刻进行监测，达到一定条件时装置自动识别并关闭系统运行，此装置的应用可以在很大程度上精准的识别道路的冰雪状况，智能化控制地源热泵系统的开启和运行时间，最大程度上减少不必要的能源损耗。
25.本发明结合红外遥感技术和图像识别处理技术，考虑装置所在地的实时气象数据和辅助的人工远程开关，实现了道路路面状况的实时追踪、监测，识别和判断，为地热系统的运行提供精准的依据，确保系统的开启是在道路冰雪状况发展到影响到道路使用性能和安全性能之前，且在运行到一定时间之后根据道路实时状况和气候环境温度等关闭系统运
行，使其在满足融雪道路要求的情况下尽量少的造成资源浪费和系统损耗。
26.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1是本发明实施例中道路状况图像识别流程图；
29.图2是本发明实施例中气象数据获取流程图；
30.图3是本发明实施例中综合识别判断流程图。
具体实施方式
31.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
35.实施例一
36.如图1-图3所示，本实施例提供了一种用于路面主动式融冰雪系统的控制方法，可以依据监测道路表面的实时冰雪状况，对地热系统的启停实现智能化控制，并且可以依据实时的气象信息实现运行时间的智能调节。
37.本实施例中，该方法包括以下步骤：
38.步骤s100：获取道路路面温度，当达到温度阈值时开启道路冰雪状况监测；
39.步骤s200：获取道路冰雪状况图片，与典型道路冰雪状况数据库进行比较，确定道路冰雪状况类型；
40.步骤s300：根据道路冰雪状况类型，开启地源热泵系统；
41.步骤s400：对区域气象数据的反馈信息以及监测到的周围环境的温度信息综合处
理，当达到阈值后自动调节地源热泵系统的后运行时间。
42.在步骤s100中，根据道路冰雪状况类型，开启地源热泵系统，具体包括：
43.步骤s101、获取典型道路冰雪状况的图片和温度信息，建立典型道路表面冰雪状况的与实际图片之间的一一对应关系，形成典型道路冰雪状况的数据库。
44.典型类型的道路冰雪状况包括干雪、半融化冰雪、雪 半融化冰雪、冰以及冰水混合物等。通过监测设备对道路表面进行监测，获取的图像经过图像采集后，数字化处理输入系统，由机器学习获取该图像的信息特征并进行分类和标记，作为典型道路冰雪状况的数据标本。
45.步骤s102、在现场实时监测道路表面的冰雪状况，达到一定条件时智能化开启地热系统，
46.实时监测道路表面的温度状况，调节温度反馈的频率，在低温时加大温度反馈的频率，高温时减小频率。当温度降至阈值时保持在一个家高的频率，同时开启路面道路识别模块系统，对路面实时状况进行监测，监测信息与数据库比对结果为监测到路面状况信息处于干雪、半融化冰雪、雪 半融化冰雪、冰以及冰水混合物状况其中之一时，系统判定达到开启条件进而智能化开启地热系统对道路表面进行加热除雪作业。
47.步骤s103、系统开始运行后，通过气象数据的反馈信息以及监测到的周围环境的温度信息综合处理，当达到阈值后自动调节地热系统的后运行时间，达到融雪目的的同时减少能耗。
48.地热系统开始运行之后，气象监测信息开始导入系统处理模块，首先根据第一温暖模块的信息，达到环境温度高于0℃并且气象数据为雨雪天气结束的判定条件时，再根据第二模块图像识别的数据信息，确定路面冰雪在持续融化过程中，当道路表面处于冰雪将要完全融化的雪 半融化冰雪状态，此时调节系统的后运行时间，确保能够完全融化余下的冰雪。
49.区域气象数据具体就是气象获取模块采集的数据，气象模块本身依托于气象信息交互平台，能够获取包括但不限于设备所在区域的天气和气候等相关信息，如在雨雪天气下，该模块能够获取的信息包括降雪强度(即一般情况下小雪、中雪、大雪等降雪情况的数字化体现，输入气象数据时以降雪速率r表示)、环境温度(这里特指的是标准化的距离地面大概十米处的环境温度，输入气象数据时以t表示)、环境风速(输入气象数据时以v表示)等。
50.综合处理过程即是一个气象判断的流程，当前面图像识别流程达到一定条件时，气象模块才会启动，判断依据之一是当前述的气象获取平台输入的环境温度大于一个温度阈值(一般情况下降雪时环境温度t在-3℃以下，当高于该温度时不满足降雪条件，因以该温度作为环境温度判断的阈值条件)，判断依据之二是当前述的降雪强度r低于一定情况时(降雪速率为零)，可认为此时天气状况为无雨雪条件。当气象数据输入的数据同时满足模块的判断流程条件，即可输出结果为调节地热系统的运行时间，具体调节时间依据图像识别的结果而定。
51.用于冬季识别道路表面温度的红外测温系统，包括：
52.温度感知模块，通过温度传感器对所监测的路面关键区域进行实时的温度监测，随后将得到的温度信息通过数据传输模块反馈到温度监测数据集成平台系统，记录并存储
实时的道路表面温度状况，得到关于路表温度的动态的实时监测数据。
53.路面反射波段信息收集模块，通过红外测温技术进行路表温度测量的同时，该系统模块也可以同步接受到路表不同状态下的反射波的波段信息，通过进一步数据收集和分析，形成不同道路表面状况的反射波段的收据信息并分析其差异性，初步建立不同道路状况与反射波段信息之间一一对应关系，为后续鉴别提供初始依据。
54.作为进一步的实施方式，1)所述的红外监测模块作为整体系统装置的一部分，布置在道路一侧，其主要监测波段范围为中波3μ～5μm及长波8～12μm这两个波段，监测完成后得到不同路面状况下的波段分布范围。
55.作为进一步的实施方式，1)所述的温度感知模块可以通过调节监测的运行间隔，调整温度数据传输到监测数据系统平台的时间间隔，来实现对道路路面温度的实时监测，在气象温度大于0℃以上时，可适当降低收集温度信息的频率，以减少系统运行的能耗，在气象温度小于0℃时，可增大接受温度信息的频率，以便于尽快的收集到相关温度信息。
56.作为进一步的实施方式，2)所述的路面反射波段信息收集模块，受限于红外线对极大部分的固体及液体物质的穿透能力，因此只适用于测量道路表面的红外线辐射能量，基于这种特性，该装置可以提前采集不同温度和不同道路表面状况(例如半融化冰雪状态、冰水混合状态等)的波段信息，采集大量上述的道路状况信息后储存到数据处理中枢以备后续的数据库等的建立。
57.作为进一步的实施方式，2)所述的路面波段信息收集模块对路面监测之后得到的热红外线图像即热图以及初始的可见光成像图进行收集存储，并在后续的运行中持续的对路面状况信息成像图进行采集、传输、储存。在后续的图像识别模块运行后，为其提供路面状况信息的实时热成像图和可见光成像图。
58.具体地，道路状况图像识别系统，包括：
59.1)典型道路状况样本制备。根据道路的融雪过程的路表状态及性质分为几类：
60.干燥，此时表面无液体及积雪，路表温度不定；
61.潮湿，此时路表积聚了一定量的液体，路表温度略高于0℃；
62.干雪，此时表面积雪，尚未融化，路表温度低于0℃；
63.半融化冰雪，此时积雪部分融化，路表温度等于0℃；
64.雪 半融化冰雪，此时路表存在部分融化了的雪，下部为雪水混合物。上部为干雪，路表温度等于0℃；
65.冰，此时雪水融化后凝结成冰。路表温度低于0℃；
66.冰水混合物，由冰与水组成，路表温度等于0℃。
67.作为进一步的实施方式，典型路面状况样本制备完成后，系统采集上述各类别典型状况下的路面状况信息制作成标本，通过红外感温系统得到每一种典型道路表面状况的反射波段的范围，通过分析其波段主要分布范围及各种道路表面状况彼此之间的波段分布差异性对各种典型路面状况进行初步筛选分类，同时将收集到的各种路面表面状况成像后的图片信息标注类型并保存，波段信息以及图像信息作为初始样本采集的主要数据。
68.2)道路状况样本数据汇总及数据库的建立。通过波段信息和机器特征提取的方式对道路表面状况进行信息收集，汇总后依照类别分类并形成相应的数据库。
69.作为进一步的实施方式，2)前期采集用如上所述描述的大量的各类型典型道路状
况的波段信息，将这些信息分别与其对应的道路状况一一标定出来，即采集各个道路表面状况反射波段的信息，汇总统计其主要分布区间和彼此分类之间的差异性信息。另一方面，将不同道路状况的表面图片存贮到系统内部，通过机器学习中的特征学习将大量图片的特征提取出来并进行分类和标定，实现对各个道路状况的识别和鉴别。
70.随后将波段信息与机器提取的特征信息等汇总分类标定，形成关于冬季冰雪天气下不同道路表面状况信息的数据库。
71.3)道路状况判别程序。通过编写数据算法建立起各种典型道路路表状态与反射波段和图片特征之间一一对应的关系。
72.作为进一步的实施方式，在录入道路波段信息并分类的时候，将干燥、潮湿、干雪、半融化冰雪、雪 半融化冰雪、冰、冰水混合物等信息分别定义为a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7等，相对应的机器学习特征提取得到的路表状况标记为b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7等，此后在道路进行识别的过程中，若得到信息分别满足上述a1和b1(或a2和b2或其它)，则认为已经成功识别道路表面的状况；若是识别出的信息分属不同的状况(满足a1和b2)，则认为此次认定不成功，系统接受下一次的信息输入重新开始识别，直至成功识别。
73.3)道路状态监测和识别，在测量点对待测路面进行拍摄和光反射波段的收集，系统实时将采集的现场道路表层状态图像和反射波段信息输入内置的识别系统，经过处理得到的反射波段信息和图像特征信息比对数据库中典型的道路表层状态的发射波段和图像特征，最终得到测量点的道路状态。
74.具体地实施例中，区域气象数据获取系统，主要包括联网和气象资料收集模块。
75.前者提供了一个数据交互平台，能提供装置所在地的地理位置定位，以此实时获取该区域的气象资料数据，包括气候状况、环境温度和风速等，从一个大范围的外界气象条件来对于上述的温度感知装置和道路状况识别装置的综合结果进行一定程度的校正和复核，主要是作为一种辅助装置。
76.具体地实施例中，结合上述得到的温度感知装置的数据、图像识别装置的数据和气象资料的数据结果判断出道路路面的状态，以判断结果决定是否启动地源热泵系统工作及控制系统的后续运行时间。
77.具体描述如下：以实际的道路降雪过程为参考，彼时道路的路面温度约等于外界环境温度(大约是-3℃)，因此第一阶段温度模块的判别标准为监测到的路面温度是否小于0。因此当路面温度大于0℃时，系统判断为非降雪或融雪态，此时不必启动道路状态识别装置模块进行道路状态识别和后续的气象资料获取与分析模块。
78.当监测到道路路面温度小于或等于0℃时，此时开启第二阶段的道路状态识别模块，进行道路路面状况的实时监测识别，通过内在的数据库和判别程序得到彼时的道路状况，当路面道路状态识别模块的结果显示道路状态为干雪、半融化冰雪、雪 半融化冰雪、冰以及冰水混合物的路表状态时，装置判别结果为满足地源热泵系统的开启条件，地热系统自动开启并运行，若是道路识别结果不属于上述的几种路面状态，则地热系统不开启。
79.当地热系统开始运行后，第三阶段的气象资料模块开始启动，系统通过数据网络开始获取装置所在地的实时的气象资料，当气象资料数据显示当前区域为雨雪天气且环境温度小于0℃时，地热系统正常运行，当气象资料数据显示当前区域为非雨雪天气或者环境温度大于等于0℃，则装置系统依据图像识别提供的道路信息达到相应条件时自动调整为
一段时间后停止运行。
80.系统后续运行时间及停止条件依据环境气象条件和道路表面状况两方面决定：一方面是实时气象数据表明该地区无雨雪状况且检测得到的环境温度大于0℃；另一方面为道路表面状况为冰雪接近完全融化的下层为水上层为薄雪的雪 半融化冰雪状态，当监测数据同时满足这两个要求时地热系统会在预设一定时间后自动停止运行，该段运行时间合理区域为5-10分钟。
81.具体的地热系统运行时间可根据不同地区和装置性能酌情调整。
82.具体地实施例中，还包括一种远程人工操作系统。
83.此系统可以单线程控制地热系统的开启，独立于前面所述的前两方面综合系统，作为地热系统开启的预防措施和补充手段，主要包括一个远程终端和运行提示系统。
84.运行提示系统的作用就是当装置监测到路面状况满足地热系统开启条件、地热系统开始运行时，该提示系统远程显示为运行中状态，否则则显示为未运行状态；远程终端系统的作用就是可以一键控制开启地热系统，是独立于装置前两个温度和图像识别模块的单线程控制系统，可单独控制地热系统的开启，但装置运行后仍会开启气象数据获取模块，根据此来监测调整运行时间。该控制系统只作为一个辅助开启装置，当天气状况为雨雪天气或道路存在冰雪状况而系统显示为未运行状态时可以手动一键开启地热系统，以此来弥补监测装置可能存在的识别精度不足等问题。
85.实施例二
86.本实施例提供了一种用于路面主动式融冰雪系统，包括：
87.温度感知模块，被配置为获取道路路面温度，当达到温度阈值时开启道路冰雪状况监测；
88.路面道路状态识别模块，被配置为获取道路冰雪状况图片，与典型道路冰雪状况数据库进行比较，确定道路冰雪状况类型；
89.地源热泵系统开启模块，被配置为根据道路冰雪状况类型，开启地源热泵系统；
90.地源热泵系统运行调节模块，被配置为对区域气象数据的反馈信息以及监测到的周围环境的温度信息综合处理，当达到阈值后自动调节地源热泵系统的后运行时间。
91.此处需要说明的是，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
92.实施例三
93.本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种用于路面主动式融冰雪系统的控制方法中的步骤。
94.实施例四
95.本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种用于路面主动式融冰雪系统的控制方法中的步骤。
96.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形
式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
97.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
98.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
99.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
100.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。