青年|除冰融雪有神器——无人驾驶汽车融雪剂喷洒系统研究
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【青年|除冰融雪有神器——无人驾驶汽车融雪剂喷洒系统研究】齐河黄河大桥上部构造是钢混叠合梁结构 ， 钢箱梁对防水、防锈要求高 ， 因此冬季除冰融雪作业对融雪剂要求也非常严格 。 齐河桥不允许使用无机融雪剂 ， 但无腐蚀的有机融雪剂效果虽好 ， 价格却非常高 ， 目前使用的融雪剂达8000元/吨 。 经计算 ， 仅主桥双向车道一遍融雪操作 ， 融雪剂用量大约为6吨 ， 一场中雪至少喷洒4遍 ， 合计费用约20万元 。 因此 ， 合理节约使用融雪剂意义重大 。 目前 ， 定点喷洒有漏喷和重喷问题 ， 浪费严重；车载人工喷洒不均 ， 而且存在浪费和安全隐患 ， 为此笔者及团队开始研发无人驾驶汽车智能喷洒系统 。 该系统不仅可以喷洒融雪剂 ， 平时还可以进行洒水作业 ， 且融雪剂喷洒均匀 ， 作业快捷、便利 ， 时间节省80%、融雪剂节省40% ， 安全可靠 ， 值得推广 。
融雪防冰方式的革新
齐河黄河大桥桥面结冰容易发生在11月底至下一年4月初的一段时间内 。 由于全桥位于平曲线上 ， 一旦结冰容易造成交通事故 。 而且主桥是钢混结构 ， 雪水下渗会发生钢结构锈蚀 。 钢结构检查维修困难 ， 严重降低桥梁的使用寿命 。 因此 ， 融雪防冰是必须采取的养护措施 ， 且对融雪剂腐蚀性要求高 。 最初 ， 齐河黄河大桥采用人工清扫 ， 由于不中断交通 ， 作业非常危险；之后采用人工喷洒融雪剂 ， 浪费严重且喷洒不均 ， 遗漏的局部冰雪仍然会造成车辆打滑 ， 存在安全隐患 ， 必须严防超量喷洒和漏喷 。 齐河黄河大桥桥面融雪剂的喷洒方案 ， 既要及时适量喷洒 ， 防止桥面结冰 ， 保证行车安全；又要缩短作业时间 ， 尽量减少对交通影响 ， 还要保证作业人员安全 ， 降低养护成本 。
传统喷洒方式及特点
目前 ， 我国融雪剂喷洒方式主要包括定点喷洒和车载人工喷洒作业两种 。 其中 ， 定点喷洒是指在大桥两侧安装喷洒装置 ， 在结构布局上会造成漏喷或重喷 ， 严重浪费融雪剂 ， 并且融雪剂也会溅到桥梁其他部位造成污染 。 此外 ， 喷嘴安装在桥的两侧影响桥的美观 ， 桥上不能设置加压控制间 ， 桥下高差大、无功压力损失大 ， 桥下看管养护都有困难 ， 会显著增加成本 。 定点喷洒系统特点如图1 。
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图1 自动喷水系统典型作业效果图
图1是自动喷水系统典型作业效果图 。 最大喷洒半径15米 ， 喷嘴间距18米；间距减小、重叠范围加大 ， 间距加大、缺失面积增加；喷洒强度由近及远逐渐减弱；喷洒角度0-180度 ， 但当喷洒角度为180度时 ， 浪费严重 ， 所以一般设定为160度 。 另外 ， 受压强制约 ， 管道不能太长；为保证压力 ， 全线不能同时喷洒 ， 一般只开2个喷嘴；控制室和加压设备需要专门房间 ， 融雪剂也需要存储池、配电箱等 ， 日常维护、监管费用较高 ， 只能用于雨雪天气 ， 利用率很低 。
总之 ， 浪费、缺失、重叠、不均和漏洒都是固有缺陷 。 每次喷洒只能开启两个喷嘴 ， 作业用时长、融雪剂浪费和维护费用高 ， 也是定点喷洒难以解决的问题 。
而车载人工喷洒和洒水车雷同 ， 主要存在喷洒不均匀和融雪剂浪费严重的问题 ， 并且低速行驶存在一定的安全风险 。
无人驾驶汽车喷洒系统的优势
本文提出一种无人驾驶汽车喷洒系统 ， 主要由人工智能识别、车辆可控底盘、车辆控制器、互联网+、远程控制系统、智能喷洒系统组成 。 目前 ， 无人驾驶汽车在许多领域逐渐推广 ， 但融雪剂喷洒无人驾驶汽车国内尚无应用 。 本桥桥梁养护无人驾驶汽车应用的优势主要有以下几点：
1.喷洒车可以通过人工智能识别系统与喷洒系统相结合 ， 实现喷洒的开启和关闭 ， 减少桥梁的腐蚀和融雪剂浪费等现象；
2.智能喷洒系统与自动驾驶相结合 ， 喷洒过程可以确保定速、定量喷洒 ， 全桥面喷洒均匀 ， 作业车速接近社会车辆正常行驶速度 ， 不会影响和污染相邻车道车辆 ， 更加安全可靠；
3.自动与手动方式一键切换 ， 在喷洒区域以外可以人工驾驶 ， 完成洒水等作业 。 定点、定线自动驾驶会显著降低车辆成本 ， 提高综合经济效益 。
4.运用智能识别与互联网技术实现大桥巡检 ， 能与全过程管理系统对接 ， 其科技创新、绿色环保的内涵符合大桥管理目标 。
无人驾驶与智能喷洒相结合
无人驾驶汽车是成熟技术
无人驾驶汽车又被称为自动驾驶智能汽车 ， 旨在没有人类参与的情景下 ， 依靠车载智能系统 ， 借助智能驾驶仪来实现汽车无人驾驶的功能 。 无人驾驶汽车主要利用传感器及智能软件系统感知车辆围边环境 ， 并依据道路、位置及障碍物信息 ， 实时作出反应判断 ， 实现对车辆的控制 ， 使车辆正常、可靠、安全地行驶 。 本桥使用自动驾驶主要是实现了速度与压力的对应关系 ， 精准实现融雪剂的均匀喷洒 ， 从而达到节约融雪剂的目的 。
目前 ， 我国无人驾驶汽车技术在一系列政策支持下 ， 发展得十分迅速并逐渐成熟 。 2011年7月14日 ， 由国防科技大学自主研制的红旗HQ3无人驾驶汽车 ， 首次完成了从长沙到武汉近300公里的高速全程无人驾驶实验 。 2016年7月6日 ， 北汽集团宣布与辽宁盘锦红海滩景区战略合作 ， 将无人驾驶汽车正式推向商用 。 2017年7月5日 ， 在“百度人工智能开发者大会”上 ， 百度正式宣布“Apollo”计划一一向汽车行业及自动驾驶领域的合作伙伴提供一个开放、完整、安全的软件平台 ， 帮助其结合车辆和硬件系统 ， 快速搭建一套属于自己的完整的自动驾驶系统 。 百度CEO李彦宏亲自乘坐百度阿波罗自动驾驶汽车 ， 从百度公司到国家会议中心现场 。 而齐河大桥养护区段只有4公里 ， 全桥人车分离 ， 作业路况远远没有上述开放性区域复杂 ， 安全性、可靠性都会显著提高 。
智能喷洒系统
本方案主要实现的功能：一是无人驾驶汽车根据智能识别系统分析路况 ， 并控制车辆到达指定位置（此段也可以人工驾驶）；二是无人驾驶汽车人工智能识别系统 ， 通过与喷洒系统建立通讯 ， 到达指定大桥路面喷洒位置开启喷洒装置 ， 完成路面防结冰作业 ， 并在终止位置关闭喷洒系统 。 三是可以随时切换到人工驾驶模式 ， 实现一车多用 ， 提高使用效率 ， 降低使用成本 。 监控室实现对车辆的远程监视 。 智能喷洒汽车系统见图2 。
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图2 智能喷洒汽车系统
1.软件部分
智能识别系统：智能识别系统包括视觉传感器、车载电脑等 。 主要功能包括两部分——一是智能识别系统中视觉传感器 ， 它像人的眼睛一样通过识别前进方向及障碍物 ， 产生车辆环境数据进行路径规划 ， 智能识别系统是车辆正常行驶的前提；二是智能识别系统通过识别标志物 ， 判断是否到达指定作业位置 ， 控制喷洒系统的开启与关闭；三是在无喷洒作业时 ， 可通过有人驾驶完成其他作业 。
融雪剂装卸控制系统：融雪剂装卸控制系统主要实现对融雪剂的加载 。 融雪剂一般是桶装或罐装 ， 需要抽取加载到散布车上 。 需要时 ， 可以将剩余的融雪剂返回到容器中 ， 需根据储存容器设计 。
定位系统：定位系统主要利用GPS卫星定位 ， 实现车辆自身的定位以及监控室对远程车辆的准确定位 ， 实时追踪 。
网络系统：采用互联网+技术作为车辆和监控室的媒介 ， 在定位系统的基础上反馈车辆作业效果信息 ， 不断改进、提高精准化作业水平 。
2.硬件部分
车辆运动系统主要包括车辆控制器和车辆可控底盘 。 车辆可控底盘包含车辆的驱动和执行部分 ， 通过车载电脑将路面状况的环境数据转换成一定的信号 ， 传达给车辆控制器 ， 进而控制车辆的驱动、转向和制动 ， 实现自动驾驶 。
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图3 车辆运动系统
在本课题中 ， 喷洒系统主要包括喷洒控制器、驱动电机、水罐、水泵、喷管系统等 。 此喷洒系统不仅可以用于桥面融雪剂的喷洒 ， 也可适用于道路喷水清洗等 。
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图4 喷洒系统
车的喷洒功能主要通过喷洒控制器与人工智能识别系统建立信号联系 。 智能识别系统拍摄到路面指定标志物时 ， 立刻向喷洒控制器传递信号 ， 以此控制喷洒系统的开启和关闭 ， 实现定点喷洒功能 。 通过远程控制或自动驾驶实现喷洒车定速功能 ， 调节喷洒系统实现定宽度功能 。 通过上述功能 ， 既减少融雪剂的浪费 ， 又使融雪剂均匀喷洒 。
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图5 无人驾驶汽车喷洒系统作业效果图
人工驾驶的切换
采用无人驾驶喷洒车在一定程度上提高了作业效率、降低了安全隐患、确保了车速与喷洒量的关系 。 无人驾驶喷洒车作业优势主要有四个方面：一是自动驾驶车可避免交通事故；二是随车驾驶员随时可以对车辆行驶方向、速度 ， 喷洒系统的监视和控制 ， 方便对车辆的错误状态进行及时调整；三是本车夏季可以洒水作业 ， 平时参与巡检作业；四是手动优先 ， 可一键切换至人工驾驶模式 ， 手动驾驶与普通车辆完全相同 。 技术路线原理如图6 。
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图6 技术路线原理
低成本、低功耗的智能方案
本文研究了无人驾驶汽车实现融雪剂喷洒的各项功能 ， 在定位系统智能算法；远程控制的车速与喷洒联动装置；人工识别智能算法；可控底盘控制算法等方面有创新 。
目前 ， 大桥使用的有机融雪剂达8000元一吨 。 经计算 ， 仅主桥双向车道 ， 一遍融雪操作 ， 融雪剂用量大约6吨 ， 一场中雪至少喷洒4遍 ， 合计约20万元 。 因此 ， 合理节约使用融雪剂意义重大 。 笔者团队研发的无人驾驶汽车智能喷洒系统 ， 雪天可以喷洒融雪剂 ， 平时可以洒水作业 ， 融雪剂喷洒均匀 ， 作业快捷、便利 ， 时间节省50%以上 ， 融雪剂节省40%以上 ， 并且融雪效果好 ， 安全可靠值得推广 。 按投资120万元估算 ， 平均每年三次降雪 ， 每次可节省8万元 ， 五年可以收回成本 。 如果考虑到洒水和巡检作业效益 ， 综合效益更好、效果更佳 。
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节能环保
在《山东省节能环保产业发展规划2006-2020》中指出 ， 节能环保产业是国家加快培育发展的战略性新兴产业 。 加快发展节能环保产业 ， 对于推动我省节能减排和产业转型升级 ， 促进绿色发展和民生改善 ， 实现经济社会可持续发展 ， 具有十分重要的意义 。 本车设计在喷洒作业时可以做到喷洒均匀 ， 节约喷洒液体 。 另外本车的功能是多方面的 ， 不仅可以进行道路防结冰喷洒作业 ， 对道路清洁、洒水除尘、桥梁养护巡检都可使用 ， 真正意义上做到了一车多用 ， 不仅降低了劳动成本 ， 也节约了大桥养护的成本 ， 符合《山东省节能环保产业发展规划2006-2020》的政策要求 。
新旧动能转换
在《山东省新旧动能转换重大工程实施规划发布》中指出 ， 加快新旧动能转换 ， 新旧动能的原则是产业智慧化、智慧产业化、跨界融合化；山东省力争每年总结一批可复制可推广的经验模式 ， 为全国新旧动能转换作贡献 。 本车设计将人工智能识别、互联网+（5G技术）、控制系统与喷洒系统跨界融合创新 ， 实现自动驾驶 ， 远程控制 ， 可完成多项工作 ， 大大提高了喷洒车的利用率 ， 既节约又智能 。 充分满足我省新旧动能转换和振兴计划的要求 。
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智能制造
在《山东省智能制造发展规划》（2017-2022）中指出 ， 智能制造以数字化、网络化、智能化为核心 ， 正在不断催生新技术、新产业、新业态和新模式 。 因此加快发展智能实用设备是培育新技术、新产业、新业态和新模式的重要途径 。 无人驾驶汽车在大桥养护中的创新应用 ， 对加快我省制造业新旧动能转换 ， 智慧强省建设目标 ， 具有重要意义 。 本课题无人驾驶利用人工智能深度感知与学习 ， 实现喷洒车的自决策、自执行、自适应功能 ， 充分符合智能制造新型生产方式；通过无人驾驶与喷洒系统的结合 ， 在满足创新要求的同时 ， 又能带来良好的经济效益 ， 所以本课题具有重要的研究意义 。
本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志
2020年 第2期 总第10期
作者 / 白秀忠 朱荣章
作者单位 / 山东省交通规划设计院
齐河城投黄河大桥经营管理有限公司
编辑 / 王硕
美编 / 赵雯
责编 / 陈晖
审校 / 裴小吟 廖玲
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