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除冰融雪有神器——无人驾驶汽车融雪剂喷洒系统研究

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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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 。
【除冰融雪有神器——无人驾驶汽车融雪剂喷洒系统研究】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 。
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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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 。
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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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 。


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