基于热成像与BPN预测模型的高速公路主动加热融冰路面抗滑性能非接触监测方法

《Case Studies in Construction Materials》：Skid-resistance performance of active heating ice-melting pavement on expressways: A new non-contact monitoring method integrating thermal imaging and BPN prediction model

　　

●融冰过程遵循四阶段摆值演化规律，环境温度主导摩擦恢复。●采用热成像传感器（thermal imaging sensor）、冰面温度和清洁率（cleaning ratio，W）构建分段摆值模型。●基于模型的包络图（envelope diagram）评估路面安全性，表明清洁率高于70%可满足安全要求。

冬季冰雪条件会降低路面摩擦与车辆稳定性，黑色冰（black ice）隐蔽性强且与路面黏结牢固，常规机械和化学除冰难以奏效并易损伤路面结构；主动加热融冰通过在路面结构内部布置发热元件或传热管道，以辐射热从内部融冰，是解决重点路段黑色冰危害的有效手段。主动加热系统运行中，科学判定通行条件、准确评价加热效果是安全高效运行的关键。既有“无雪面积比（snow-free area ratio，Ar）”主要适用于松散积雪，对压实雪或黑色冰评价不佳；抗滑性能指标能更直接反映行车安全。传统摆式摩擦仪（BPT）和动态摩擦系数仪（DFT）等接触式检测虽结果可靠，但开放道路测试风险高、难以快速连续检测；可见光相机、毫米波雷达、光谱等方法在黑色冰识别上存在视觉对比度不足、硬件昂贵、信号解耦复杂或量程有限等瓶颈。为此，研究人员开展室内全尺模型试验和现场试验，研究不同环境条件与加热功率下融冰过程抗滑性能演化，提出融合热成像与BPN预测模型的非接触监测方法，并分析多因素对预测精度的影响，绘制交通安全工程包络图，提出基于清洁率的分层加热控制策略；其意义在于为寒区主动加热路面智能感知、安全开放交通和精准运维提供技术支撑。
关键技术方法：在步进式冻结试验室构建120 cm×120 cm×56 cm全尺融冰路面模型并预埋碳纤维发热线；按ASTM E303用摆式摩擦仪测BPN，用红外热成像传感器连续获取冰面温度T_s与清洁率W；设置25个工况、3次重复，剔除3σ异常后保留72组有效数据，并按A/B组用于模型拟合与验证；开展冰厚、光照、传感器布置角度、覆盖类型多因素试验；依托清塘高速公路试验段进行现场验证。
研究结果如下：3.1 主动加热融冰路面抗滑性能演化规律：通过室内连续监测BPN、T_s和W，得出融冰过程呈四阶段摆值特征，即降水冻结期快速下降、冰层稳定期趋于恒定、加热初期小幅下降、融冰期随清洁率增加快速恢复。3.2 主动加热融冰路面抗滑性能影响因素分析：通过改变环境温度、加热功率和湿度，得出环境温度是抗滑恢复的主要控制因素，环境温度每升高1 °C，融冰期BPN恢复速率约增加0.94 BPN/h；加热功率每增加100 W/m²，恢复速率约增加2.23 BPN/h；环境湿度对关键指标影响不显著。3.3 基于热成像的主动加热融冰路面BPN分段预测模型：基于轮胎-路面耦合摩擦理论，以0 °C为分段阈值，完全冰覆盖时叠加滞后摩擦与实验拟合的黏附摩擦项BPN_adh，非完全覆盖时引入清洁率W对冰面与路面摩擦加权，建立统一BPN预测式。3.4 融冰路面BPN预测模型室内外验证结果：通过室内不同环境温度和加热功率对比以及清塘高速现场验证，得出模型R²为0.83~0.95，现场全过程BPN变化预测R²=0.892，可识别视觉上不明显的薄黑色冰。3.5 多因素条件对BPN预测模型精度影响分析：通过冰厚、光照、传感器角度和覆盖类型试验，得出强光引起红外干扰和冰面微融使R²降低约19%，传感器45°倾斜造成投影畸变使R²降低约6%，压实雪因结构松散使预测精度降低约24%，冰厚影响相对较小。3.6 主动加热融冰路面通行条件评估与加热策略建立：通过限速、停车视距和BPN-事故风险关系分析，得出清洁率高于70%（BPN≥65）可作为恢复交通安全阈值，40%清洁率（BPN<45）可作为风险预警指标；T2优先保障除冰效率，T≥?7 °C宜切换至200 W/m²以优化能耗。
讨论部分指出，该BPN分段预测模型解决了主动融冰路面加热除冰过程中系统运行终点和安全开放时机判定难题，具有易部署、自动化程度高等优势；与Mousavi等、Bhoopalam等仅讨论自然结冰路面摩擦变化不同，该研究将融冰阶段纳入预测，把加热至完全除冰全过程划分为两个计算区间；工程上可为融冰路面运行控制指标和性能评价标准提供依据，科学上可为热水循环、导电沥青、热管加热等主动加热路面热力性能分析提供范式。局限在于滞后摩擦拟合曲线来自室内试验，尚未充分覆盖路面服役寿命、交通荷载和表面纹理演化影响；BPN在高BPN区间与摩擦系数线性关系存在偏差，需针对性测量与校准；未来需从微观尺度量化冰面粗糙度和水膜动力学，以进一步阐明轮胎-路面耦合接触对抗滑性的影响机制。研究结论（译文）：(1) 室内模型试验表明，随冰面温度和清洁率变化，BPN呈四阶段演化；环境温度是决定抗滑恢复速率的主要因素，环境温度每升高1 °C，融冰阶段BPN恢复速率约增加0.94 BPN/h；加热功率每增加100 W/m²，恢复速率约增加2.23 BPN/h；环境湿度对融冰速率、冰面温升和总融冰时间影响较小。(2) 结合轮胎-路面耦合摩擦理论建立BPN分段预测模型：完全冰覆盖时以滞后摩擦与实验拟合的理论黏附摩擦叠加计算；非完全覆盖时引入清洁率对路面与冰面摩擦加权求和得到平均摩擦；模型R²为0.83~0.95，可实现主动加热路面抗滑评价和黑色冰识别，保障行车安全。(3) 冰厚、光照强度、传感器布置角度和覆盖类型影响分析表明，强光诱发红外干扰和冰面微融可使R²降低约19%；传感器倾斜布置造成投影畸变和面积识别误差可使R²降低约6%；压实雪因结构松散可使预测精度降低约24%；冰厚影响相对较小。(4) 建立70%清洁率（BPN≥65）为恢复交通安全阈值，40%清洁率（BPN<45）为交通风险预警指标；提出分层控制策略：T2优先保障应急除冰效率，T≥?7 °C切换至200 W/m²实现较优能耗；结果为寒区路面状态智能感知和主动加热系统精准运维提供理论依据与技术支撑。