《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《高速公路特殊路段主動(dòng)抗冰融雪技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用》

1. 項(xiàng)目名稱: 高速公路特殊路段主動(dòng)抗冰融雪技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

2. 完成單位: 湖南省交通科學(xué)研究院有限公司、 湖南省高速公路集團(tuán)有限公司、 同濟(jì)大學(xué)、山東交通學(xué)院、 湖南科技大學(xué)、 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院 ( 集團(tuán)) 有限公司、 湖南工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、 湖南省路橋建設(shè)集團(tuán)責(zé)任有限公司

3. 主要完成人: 袁銅森、 羅衛(wèi)華、 孫大權(quán)、劉文江、 李孔清、 黃巖、 龔毅、 鄭輝、 蔡長、 蔡向陽、 張登春、 孫國強(qiáng)、 丁曉冬、 朱自強(qiáng)、 彭安平

　　本項(xiàng)目針對(duì)社會(huì)廣泛關(guān)注的冰雪惡劣氣象條件下高速公路特殊路段結(jié)冰初殘期的交通安全問題,結(jié)合湖南省交通運(yùn)輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃,通過大量的試驗(yàn)研究、理論分析和工程應(yīng)用,采用將主動(dòng)抗冰技術(shù)與氣象信息統(tǒng)籌考慮的科學(xué)方法,提出了針對(duì)高速公路特殊路段結(jié)冰初殘期除冰融雪的科學(xué)合理、有效可行的技術(shù)解決方案。構(gòu)建了多參數(shù)下抗冰融雪非穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型及短時(shí)道路結(jié)冰預(yù)測(cè)模。創(chuàng)新性地轉(zhuǎn)變了除冰理念,發(fā)明了一種環(huán)保智能型主動(dòng)噴淋防冰除冰系統(tǒng)和一種高速公路主動(dòng)式熱力抗冰融雪裝置。研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速公路導(dǎo)電超薄磨耗層主動(dòng)抗冰融雪技術(shù),并得到了工程驗(yàn)證。項(xiàng)目已獲得國家發(fā)明專利13項(xiàng)、實(shí)用新型專利7項(xiàng),軟件著作權(quán)1項(xiàng),在國內(nèi)外核心期刊發(fā)表論文10多篇(SCI收錄2篇)。本項(xiàng)目的成功實(shí)施可有助于改變傳統(tǒng)被動(dòng)、不及時(shí)的除冰方式,有效克服現(xiàn)有除冰雪設(shè)備除冰不徹底、效率低、能耗高、污染環(huán)境等缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、實(shí)時(shí)、高效、快速、節(jié)能、環(huán)保的除冰目標(biāo)。本項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)已在湖南、山東、西藏、烏魯木齊等省份實(shí)體工程得到成功應(yīng)用,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

(1) 構(gòu)建了多參數(shù)下抗冰融雪非穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型及短時(shí)道路結(jié)冰預(yù)測(cè)模型。采用熱傳導(dǎo)反方法構(gòu)建了橋梁發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)冬季動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型, 基于吉洪諾夫正則化理論建立正則化泛函數(shù)并進(jìn)行迭代計(jì)算?；谧畲鬅嶝?fù)荷計(jì)算結(jié)果, 實(shí)現(xiàn)了開關(guān)算法和 PID 控制算法。

(2) 研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速公路導(dǎo)電超薄磨耗層主動(dòng)抗冰融雪技術(shù), 并得到了工程驗(yàn)證。主要包括: 發(fā)明了一種導(dǎo)電超薄磨耗層材料和結(jié)構(gòu); 建立了導(dǎo)電超薄磨耗層導(dǎo)電發(fā)熱機(jī)理及其熱負(fù)荷計(jì)算方法; 構(gòu)建了導(dǎo)電超薄磨耗層主動(dòng)抗冰融雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù), 并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

(3) 創(chuàng)新性地發(fā)明了一種用于公路橋梁環(huán)保智能型的主動(dòng)噴淋防冰除冰系統(tǒng), 并得到了工程應(yīng)用。主要包括: 創(chuàng)新性地轉(zhuǎn)變了除冰理念, 發(fā)明了一種用于公路橋梁環(huán)保智能型的主動(dòng)噴淋防冰除冰系統(tǒng); 研發(fā)了一種以醋酸鉀為基礎(chǔ)的環(huán)保型的防冰劑, 并對(duì)其進(jìn)行了適用性和安全性驗(yàn)證;創(chuàng)新性地研發(fā)了一種智能除冰控制系統(tǒng), 構(gòu)建了環(huán)保智能型主動(dòng)噴淋除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

(4) 創(chuàng)新性地研發(fā)了一種高速公路主動(dòng)式抗冰融雪裝置, 并發(fā)明了一種基于熱力管加熱路面的主動(dòng)式抗冰融雪系統(tǒng)。發(fā)明了公路橋梁電纜加熱、 熱力管道控制裝置及控制方法, 并實(shí)現(xiàn)了發(fā)熱電纜主動(dòng)除冰系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

　　(一)構(gòu)建了多參數(shù)下抗冰融雪非穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型及短時(shí)道路結(jié)冰預(yù)測(cè)模

　　采用熱傳導(dǎo)反方法構(gòu)建了橋梁發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)冬季動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型,基于吉洪諾夫正則化理論建立正則化泛函數(shù)并進(jìn)行迭代計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn):冬季熱負(fù)荷并不是橋梁頂部和底部熱損失的代數(shù)和。熱損失和熱負(fù)荷間存在時(shí)間延遲和幅度衰減。熱傳導(dǎo)反方法通過直接熱傳遞數(shù)值模擬所證實(shí)?；谧畲鬅嶝?fù)荷計(jì)算結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)算法和PID控制算法。橋梁表面溫度大于0益,理論計(jì)算得出的熱負(fù)荷和控制邏輯適用于橋梁防冰系統(tǒng)。

　　(二)研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速公路導(dǎo)電超薄磨耗層主動(dòng)抗冰融雪技術(shù)

　　(1)發(fā)明了一種導(dǎo)電超薄磨耗層材料和結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新性地發(fā)明了高速公路導(dǎo)電超薄磨耗層材料,通過優(yōu)化石墨、碳纖維等配比,實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)氧樹脂材料的改性及其導(dǎo)電能力的強(qiáng)化;構(gòu)建了阻熱層+導(dǎo)電發(fā)熱層+抗滑磨耗層組成的導(dǎo)電超薄磨耗層結(jié)構(gòu),提高了融冰雪的效率。

　　(2)建立了導(dǎo)電超薄磨耗層導(dǎo)電發(fā)熱機(jī)理及其熱負(fù)荷計(jì)算方法。通過室內(nèi)環(huán)境箱模型的導(dǎo)電超薄磨耗層通電發(fā)熱試驗(yàn),建立了導(dǎo)電超薄磨耗層熱負(fù)荷模型與計(jì)算方法;驗(yàn)證了導(dǎo)電磨耗層的電阻率穩(wěn)定性、發(fā)熱均勻性和路用性能長期耐久。

　　(3)構(gòu)建了導(dǎo)電超薄磨耗層主動(dòng)抗冰融雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù),并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。研究成果應(yīng)用于湖南省龍永高速、夏蓉高速等橋面、隧道特殊路段?；陧?xiàng)目研究成果,構(gòu)建了導(dǎo)電超薄磨耗層主動(dòng)抗冰融雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù)。

　　(三)創(chuàng)新性地發(fā)明了一種用于公路橋梁環(huán)保智能型的主動(dòng)噴淋防冰除冰系統(tǒng)

　　1.創(chuàng)新性地轉(zhuǎn)變了除冰理念,發(fā)明了一種用于公路橋梁環(huán)保智能型的防冰除冰系統(tǒng)公路橋梁的環(huán)保智能型的防冰除冰系統(tǒng)包括路面氣象信息采集子系統(tǒng)、噴淋子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)氣象及橋面狀況信息變化,在橋面結(jié)冰將要危及行車安全的臨界點(diǎn),實(shí)時(shí)、主動(dòng)地控制除冰液噴灑,從而有效降低橋梁冰雪災(zāi)害影響。

　　2.研發(fā)了一種以醋酸鉀為基礎(chǔ)的環(huán)保型的防冰劑,并對(duì)其進(jìn)行了適用性和安全性驗(yàn)證該系統(tǒng)除冰液是自主研發(fā)以醋酸鉀為基礎(chǔ)的新一代環(huán)保型的有機(jī)除冰液,最低冰點(diǎn)可達(dá)-30益以下,最終轉(zhuǎn)化為無害產(chǎn)物(二氧化碳和水等),對(duì)土壤和植被無害。

　　3.創(chuàng)新性地研發(fā)了一種智能除冰控制系統(tǒng),構(gòu)建了環(huán)保智能型主動(dòng)噴淋除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù),實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制環(huán)保智能型主動(dòng)噴淋除冰系統(tǒng)。除冰系統(tǒng)在夏蓉高速(G72)汝郴段黃家壟特大橋、衡桂高速老屋場(chǎng)特大橋、山東省濟(jì)南市二環(huán)南路高架橋匝道、西藏米拉山隧道口等實(shí)體工程得到了成功應(yīng)用。

　　(四)創(chuàng)新性地研發(fā)了一種高速公路主動(dòng)式抗冰融雪裝置,并發(fā)明了基于熱力加熱路面的主動(dòng)式抗冰融雪系統(tǒng),包括公路橋梁電纜加熱、熱力管道控制裝置及控制方法

　　(1)公路橋梁電纜加熱防冰控制方法,包括以下步驟:橋面溫度采集,計(jì)算橋面溫度變化率,預(yù)測(cè)橋面實(shí)際溫度變動(dòng)到防冰控制設(shè)定溫度所需要的時(shí)間,控制電加熱系統(tǒng)的啟停和需要投入的電加熱功率,保證橋面溫度始終高于水的冰點(diǎn)溫度以實(shí)現(xiàn)防冰效果。

　　(2)熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置控制方法主要包括啟動(dòng)階段控制步驟、防冰運(yùn)行階段控制步驟和系統(tǒng)停止控制步驟。本控制裝置防冰效果好、能自動(dòng)運(yùn)行,對(duì)水泵進(jìn)行升、降頻調(diào)節(jié),對(duì)熱水鍋爐及系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)?？刂啤?/p>

　　(3)通過材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試、熱力學(xué)數(shù)值模擬、室內(nèi)抗冰融雪試驗(yàn)研究熱力抗冰融雪機(jī)制,得到抗冰融雪溫度場(chǎng),并分析其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)、路面結(jié)構(gòu)的影響,驗(yàn)證了各方案除冰的效果。

　　(4)實(shí)現(xiàn)了發(fā)熱電纜主動(dòng)除冰系統(tǒng)的工程應(yīng)用。該成果已在2013年烏魯木齊“田冶字形快速路二期三個(gè)匝道共計(jì)200多米的引道段應(yīng)用,經(jīng)過2013年冬季測(cè)試,使用性能良好。

本項(xiàng)目研究成果與國內(nèi)外同類研究相比, 具備 4 個(gè)技術(shù)特點(diǎn), 詳見表 1。

　　通過以上技術(shù)指標(biāo)對(duì)比及查新檢索表明,本項(xiàng)目研究的各項(xiàng)技術(shù)與當(dāng)前國際先進(jìn)水平相當(dāng)并部分領(lǐng)先。其中,導(dǎo)電超薄磨耗層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在國內(nèi)外的首次系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用,并基于該技術(shù)成功申請(qǐng)了兩項(xiàng)發(fā)明專利,核心技術(shù)填補(bǔ)了該領(lǐng)域多項(xiàng)國內(nèi)空白。此外,國內(nèi)外針對(duì)熱力管、發(fā)熱電纜及主動(dòng)噴淋除冰系統(tǒng)雖然已有相關(guān)研究應(yīng)用報(bào)道,但是針對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)模擬、設(shè)計(jì)、建設(shè)及維護(hù)成套技術(shù)仍不全面,本項(xiàng)目在國內(nèi)外研究應(yīng)用基礎(chǔ)上,完善并改進(jìn)了各項(xiàng)除冰技術(shù)在進(jìn)行國內(nèi)工程應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。本項(xiàng)目研發(fā)的主動(dòng)智能抗冰技術(shù)體系融合了國內(nèi)外最先進(jìn)的主動(dòng)融冰雪技術(shù),并實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)技術(shù)工程化應(yīng)用,經(jīng)全壽命周期費(fèi)用效益分析,各除冰方案的費(fèi)效比在0.11~0.42之間,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　本項(xiàng)目針對(duì)社會(huì)廣泛關(guān)注的冰雪惡劣氣象條件下高速公路特殊路段結(jié)冰初殘期的交通安全問題,結(jié)合化學(xué)法和物理法進(jìn)行系統(tǒng)研究,采用將主動(dòng)抗冰技術(shù)與氣象信息統(tǒng)籌考慮的科學(xué)方法,提出了科學(xué)合理、有效可行的技術(shù)解決方案。本項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)已在湖南省龍永高速、廈蓉高速、汝郴高速、衡桂高速、山東省濟(jì)南市二環(huán)南路高架橋匝道、西藏米拉山隧道口、烏魯木齊“田冶字形快速路等實(shí)體工程得到成功應(yīng)用,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。近三年該項(xiàng)目的銷售主要是技術(shù)應(yīng)用,即以技術(shù)服務(wù)的形式簽訂工程合同,合同金額在2000萬元左右,新增利潤約350萬元。該技術(shù)的成功研發(fā)和市場(chǎng)化具有巨大的社會(huì)和間接經(jīng)濟(jì)效益,可大幅降低交通事故發(fā)生的概率,可節(jié)省橋梁養(yǎng)護(hù)成本,還可大幅降低因橋梁結(jié)冰而導(dǎo)致的封道時(shí)間。

　　該系統(tǒng)對(duì)已建和在建高速公路特殊路段防凍融冰有著廣闊的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。全國公路橋梁達(dá)65郾81萬座,其中面臨冬季冰雪養(yǎng)護(hù)問題的橋梁超過半數(shù)。按照50%的比例計(jì)算,有超過30萬座公路橋梁將來需要采取一定的防冰、除冰冬季養(yǎng)護(hù)措施。若以全國每年1000座大型橋梁安裝該系統(tǒng)(每省平均30套每年,每套系統(tǒng)100萬~200萬元)進(jìn)行估算,每年由此產(chǎn)生的直接社會(huì)效益價(jià)值就達(dá)10億~20億元。

　　(一)經(jīng)濟(jì)效益

　　該項(xiàng)目所提技術(shù)創(chuàng)新主要是保證冬季道路交通安全,采用將主動(dòng)抗冰技術(shù)與氣象信息統(tǒng)籌考慮的方法,提出了針對(duì)高速公路特殊路段結(jié)冰初殘期除冰融雪的科學(xué)合理、有效可行的技術(shù)解決方案。采用環(huán)保材料在冬季主動(dòng)除冰融雪。以創(chuàng)造社會(huì)效益和生態(tài)效益為主,也產(chǎn)生了間接經(jīng)濟(jì)效益,但經(jīng)濟(jì)效益不便直接計(jì)算。近三年該項(xiàng)目的銷售主要是技術(shù)應(yīng)用,以技術(shù)服務(wù)的形式簽訂工程合同,合同金額在2000萬元左右,新增利潤約350萬元。

　　(二)社會(huì)效益

　　主動(dòng)智能抗冰系統(tǒng)可以大幅降低交通事故發(fā)生的概率;主動(dòng)智能抗冰系統(tǒng)可節(jié)省橋梁養(yǎng)護(hù)成本;主動(dòng)智能抗冰系統(tǒng)可大幅降低因橋梁結(jié)冰而導(dǎo)致的封道時(shí)間?？蓽p少因冰雪而造成的擁堵及交通中斷帶來的居民交通出行不便,特別是冬季春運(yùn)高峰期的交通出行不便等問題。