《交通運輸科學(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抗冰融雪技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用》

1. 項目名稱: 高速公路特殊路段主動抗冰融雪技術(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、 丁曉冬、 朱自強、 彭安平

　　本項目針對社會廣泛關(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)合湖南省交通運輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新項目計劃,通過大量的試驗研究、理論分析和工程應(yīng)用,采用將主動抗冰技術(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)測模型及短時道路結(jié)冰預(yù)測模。創(chuàng)新性地轉(zhuǎn)變了除冰理念,發(fā)明了一種環(huán)保智能型主動噴淋防冰除冰系統(tǒng)和一種高速公路主動式熱力抗冰融雪裝置。研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速公路導(dǎo)電超薄磨耗層主動抗冰融雪技術(shù),并得到了工程驗證。項目已獲得國家發(fā)明專利13項、實用新型專利7項,軟件著作權(quán)1項,在國內(nèi)外核心期刊發(fā)表論文10多篇(SCI收錄2篇)。本項目的成功實施可有助于改變傳統(tǒng)被動、不及時的除冰方式,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,實現(xiàn)主動、實時、高效、快速、節(jié)能、環(huán)保的除冰目標(biāo)。本項目相關(guān)技術(shù)已在湖南、山東、西藏、烏魯木齊等省份實體工程得到成功應(yīng)用,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

(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)測模型及短時道路結(jié)冰預(yù)測模型。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)冬季動態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測模型, 基于吉洪諾夫正則化理論建立正則化泛函數(shù)并進(jìn)行迭代計算?；谧畲鬅嶝?fù)荷計算結(jié)果, 實現(xiàn)了開關(guān)算法和 PID 控制算法。

(2) 研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速公路導(dǎo)電超薄磨耗層主動抗冰融雪技術(shù), 并得到了工程驗證。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)熱機理及其熱負(fù)荷計算方法; 構(gòu)建了導(dǎo)電超薄磨耗層主動抗冰融雪系統(tǒng)設(shè)計、 建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù), 并實現(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, 并對其進(jìn)行了適用性和安全性驗證;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)保智能型主動噴淋除冰系統(tǒng)設(shè)計、 建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù), 實現(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, 并實現(xiàn)了發(fā)熱電纜主動除冰系統(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)測模型及短時道路結(jié)冰預(yù)測模

　　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)冬季動態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測模型,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。基于最大熱負(fù)荷計算結(jié)果,實現(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)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速公路導(dǎo)電超薄磨耗層主動抗冰融雪技術(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,實現(xiàn)對環(huán)氧樹脂材料的改性及其導(dǎo)電能力的強化;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)熱機理及其熱負(fù)荷計算方法。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,建立了導(dǎo)電超薄磨耗層熱負(fù)荷模型與計算方法;驗證了導(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)電超薄磨耗層主動抗冰融雪系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù),并實現(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。基于項目研究成果,構(gòu)建了導(dǎo)電超薄磨耗層主動抗冰融雪系統(tǒng)設(shè)計、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,實時、主動地控制除冰液噴灑,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,并對其進(jìn)行了適用性和安全性驗證該系統(tǒng)除冰液是自主研發(fā)以醋酸鉀為基礎(chǔ)的新一代環(huán)保型的有機除冰液,最低冰點可達(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)保智能型主動噴淋除冰系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)與維護(hù)成套技術(shù),實現(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、衡桂高速老屋場特大橋、山東省濟南市二環(huán)南路高架橋匝道、西藏米拉山隧道口等實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式抗冰融雪裝置,并發(fā)明了基于熱力加熱路面的主動式抗冰融雪系統(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,計算橋面溫度變化率,預(yù)測橋面實際溫度變動到防冰控制設(shè)定溫度所需要的時間,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溫度以實現(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階段控制步驟、防冰運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、能自動運行,對水泵進(jìn)行升、降頻調(diào)節(jié),對熱水鍋爐及系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)?？刂?。

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

　　(4)實現(xiàn)了發(fā)熱電纜主動除冰系統(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匝道共計200多米的引道段應(yīng)用,經(jīng)過2013年冬季測試,使用性能良好。

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

　　通過以上技術(shù)指標(biāo)對比及查新檢索表明,本項目研究的各項技術(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)成功申請了兩項發(fā)明專利,核心技術(shù)填補了該領(lǐng)域多項國內(nèi)空白。此外,國內(nèi)外針對熱力管、發(fā)熱電纜及主動噴淋除冰系統(tǒng)雖然已有相關(guān)研究應(yīng)用報道,但是針對這兩項技術(shù)模擬、設(shè)計、建設(shè)及維護(hù)成套技術(shù)仍不全面,本項目在國內(nèi)外研究應(yīng)用基礎(chǔ)上,完善并改進(jìn)了各項除冰技術(shù)在進(jìn)行國內(nèi)工程應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。本項目研發(fā)的主動智能抗冰技術(shù)體系融合了國內(nèi)外最先進(jìn)的主動融冰雪技術(shù),并實現(xiàn)了各項技術(shù)工程化應(yīng)用,經(jīng)全壽命周期費用效益分析,各除冰方案的費效比在0.11~0.42之間,具有較好的經(jīng)濟效益和市場競爭力。

　　本項目針對社會廣泛關(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體工程得到成功應(yīng)用,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟和社會效益。近三年該項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)和市場化具有巨大的社會和間接經(jīng)濟效益,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)致的封道時間。

　　該系統(tǒng)對已建和在建高速公路特殊路段防凍融冰有著廣闊的市場前景和推廣價值,具有良好的經(jīng)濟效益。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)生的直接社會效益價值就達(dá)10億~20億元。

　　(一)經(jīng)濟效益

　　該項目所提技術(shù)創(chuàng)新主要是保證冬季道路交通安全,采用將主動抗冰技術(shù)與氣象信息統(tǒng)籌考慮的方法,提出了針對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)保材料在冬季主動除冰融雪。以創(chuàng)造社會效益和生態(tài)效益為主,也產(chǎn)生了間接經(jīng)濟效益,但經(jīng)濟效益不便直接計算。近三年該項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)社會效益

　　主動智能抗冰系統(tǒng)可以大幅降低交通事故發(fā)生的概率;主動智能抗冰系統(tǒng)可節(jié)省橋梁養(yǎng)護(hù)成本;主動智能抗冰系統(tǒng)可大幅降低因橋梁結(jié)冰而導(dǎo)致的封道時間。可減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,特別是冬季春運高峰期的交通出行不便等問題。