第34卷第1期2017年1月
计算机应用与软件
Computer Applications and Software
VoL34 No.1
Jan.2017
基于JBoss Seam的高速公路路面凝冰预警与智能处置
朱旭1尤谨语1闫茂德1张昌利2
\长安大学电子与控制工程学院陕西西安710064)
2(长安大学信息工程学院陕西西安710064)
摘要为抑制冰雪冻雨等气象灾害对高速公路行车安全的影响，提出一种高速公路路面凝冰预警与智能处置方法，开发管控平台软件。给出线性预测算法来进行短时凝冰预警，基于有限状态自动机理论设计全流程的状 态转移规则。使用JB〇S S S e a m框架开发管控平台软件，通过上下文组件构建业务逻辑层，
采用J S F页面控件实现 了表现层。将该软件应用于云南楚大高速九顶山路段进行案例分析，测试结果表明：管控平台软件运行稳定，能够有效控制融雪剂喷洒，预警准确性高，融雪迅速。
关键词JB〇S S S e a m高速公路凝冰预警智能处置有限状态自动机
中图分类号TP311 文献标识码A D O I：10.3969/j.issn. 1000-386x. 2017. 01.014
PAVEMENT ICE CONGEALING EARLY-WARNING AND INTELLIGENT DISPOSAL
FOR HIGHWAY BASED ON JBOSS SEAM
Zhu X u1You Jinyu1Yan Maode1Zhang Changli2
1 ( School of Electronic and Control Engineering, Chang^an University, Xian 710064, Shaanxi, China)
webcam2 ( School of Information Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)
Abstract A method of ice congealing early-warning and intelligent disposal i s propod to curb the influence that meteorological disasters such as ice snow and freezing rain brought to the t r a f f i c s
afety in highway, and a piece of manage and control platform software i s developed. A linear prediction algorithm i s given for short-time ice congealing early- warning, and state transition rules of complete flow scheme i s designed bad on the theory of finite state automata. Besides, JBoss Seam framework i s ud to develop managerial and control platform software,using contextual components to construct the business logic layer,while the prentation layer i s realized by JSF page controls. The software i s applied to Jiudingshan Section of Chuda Highway in Yunnan Province for ca analysis, and the test results show that the software operates stably and i s able to control the spraying snow-melting agent effectively, with high accuracy for ice congealing early-warning and quick respon for melting snow.
Keywords JBoss Seam Highway Ice congealing early-warning Intelligent disposal Finite state automata
〇引言
冰雪冻雨等恶劣气象条件对高速公路的安全运行 有严重影响。2008年，华东、华中和南部地区遭受的 低温冰雪冻雨灾害持续约20多天，导致23万公里的 公路受阻，近2万公里的国道干线被迫封闭，滞留70万车辆、216万人，总体经济损失达3亿元。这表明预 防和处置冰雪灾害已经是我国高速公路系统
亟需应对 的课题。要降低冰雪灾害的危害，提前预测灾害情况 和及时处置尤为关键，在高速公路研究领域有重要的 科研意义和应用价值。
国外在凝冰探测和除冰融雪技术的研究比较早。针对凝冰探测，凝冰探测方法和相应的传感器有多种，
收稿日期:2015 - 11 -21。国家自然科学基金项目（61473229)；陕西省科技攻关项目（2015GY052)；中央高校基本科研业务费 项目（2014G2320006)；西安市科技计划项目（CXY1512 -3)。朱旭，讲师，主研领域：智能交通系统及信息系统集成。尤谨语，硕士 生。闫茂德，教授。张昌利，副教授。
80
计算机应用与软件
2017 年
雪等一系列智能化处置服务。该系统包括物理层、网 络传输层、数据服务层、应用层0将应用层的客户端计 算机称为系统的上位机，物理层的采集设备称为下位 机。系统的总体结构如图1所示。
应用层
图1
凝冰预警与智能处置管控系统结构
物理层由凝冰探测传感器、融讀剂自动控制柜、路 域自动气象站、摄像头等组成，部署在易发生气象灾害 且不利于人工除冰融雪的高速公路沿线。凝冰探测传 感器通过快速凝冰来获取实际路面凝冰点温度，采用
T R /02022抗震型拧入式热温度电阻传感器。融雪剂
自动控制柜连接布设于道路沿线的喷洒设备，控制融 雪剂喷洒，采用落地式的伽利略7.5 k W 直接启动一 控三控制柜。路域自动气象站用于高速公路气象数据 的米集D
凝冰预警与智能处置管控系统设计的重点是数据 服务层和应用层。数据服务层用来搭建数据管理服务
器，整合物理层设备采集而来的气象、视频、设备状态 数据，向网络传输层提供数据动态交换、远程监控等服 务。应用层是基于交通物联网理念，以路网海量气象 信息为基础，搭建综合应用软件，其功能包括凝冰预 警、智能处置和综合业务管理等，以网站的形式发布信 息，用户通过浏览器查看和管理信息。其中，凝冰预警 与智能处置管控平台软件部署在数据服务层和应 用层。
基于JBoss S e a m 框架设计凝冰预警与智能处置管 控平台软件。JBoss S e a m 是企业级中间件平台和应用 服务器系统，它所需内存小、支持“热部署”、安全性能 高、使用免费，关键技术模块便于开发和维护[12;]。平 台软件分为表现层、业务逻辑层和实体层。软件的核 心为业务逻辑层，用于凝冰预警、智能处置、监控管理 等。凝冰预警与智能处置管控平台软件的框架如图2 所示。
如压差式、障碍式、光纤式等[1]。在除冰融雪方面，国 外学者通过对融雪热负荷与路面温度场变化的研究， 探索出了多种抑制路面积雪凝冰的方法，如机械清除 法[21、撒融雪剂法[3]:f e 我国对除冰融雪的研究也积累 了一定的成果Q 李亚芹W 研究了道路坚实冰雪的机械 清除机理，提出研制新型除冰机械设备的思路^孙国 强等[5]提出了一种含甜蜜素的有机融雪剂，既可提高 融雪效率，又能减少对环境和地下水的污染。魏建国 等[6]研究了氯盐融雪剂对沥青和沥青混合材料的影 响。然而，由于路面融雪化冰试验研究投资大、周期 长，国内对除冰融雪的研究还处在模型分析和数值计 算阶段，其研究成果仍有待进一步验证。
随着物联网和云计算技术的迅速发展，在应对灾 害天气以及除雪融冰的信息系统建设方面，国外出现 了以计算机网络技术为基础，融合数据收集、分析、管 理为一体的气象综合服务系统[7] e 近年来，我国高速 公路气象灾害的监测、预警等工作逐渐得到重视，也取 得了一些成果。张吉[83使用物联网中的智能传感器和 无线传感器网络技术，实现了高速公路气象信息的快 速采集。黄丽萍[9]采用云计算技术构建了气象服务 云，提高了气象数据运算的实时性，改善了气象灾害的 监测效果。田小毅等[1°]利用高速公路沿线检测到的 数据，分析了雾霾对高速公路行车安全的影响0齐洪 亮等[11]对高速公路气象灾害进行研究，归纳分析了各 类公路自然灾害成因机理及影响因素，开展了公路 自然灾害危险性评价理论研究《遗憾的是，如何利 用信息化技术对高速公路气象灾害进行预警和处 置，特别是凝冰预警与智能处置，国内还鲜有研究。 总之，无论是凝冰预警与智能处置算法，还是其信 息服务系统建设，均亟需开展研究，以实现气象灾 害的智能化处置。
针对以上问题，本文提出了线性预测算法，短时预 测凝冰时间；基于有限状态自动机理论，准确划分凝冰 预警、智能处置两个过程的状态，设计全流程的状态转 移规则。基于JBoss S e a m 技术，开发凝冰预警与智能 处置管控平台软件，自动控制不利于人工除冰融雪的 高速公路沿线的设备，实现短时凝冰预警和自动喷洒 融雪剂g
1系统总体设计
综合考虑气象、路面结冰状况检测，构建凝冰预警
与智能处置管控系统，实现短时凝冰预警、自动除冰融
、、、Q s r :
器
\
k
火墙■
I 騰一o _p
«〔
器、
,
Q 、无声的哭泣
、、/
/1\数据服
务层
物理
层
第1期朱旭等：基于
JBoss Seam的高速公路路面凝冰预警与智能处置81villa
图2凝冰预警与智能处置管控平台软件框架 表现层负责页面展示、页面跳转以及处理用户请 求，米用 JSF 页面控件（Facelets)和 JBoss Richfaces 库 开发该软件的表现层W e b页面。业务逻辑层以凝冰 预警、智能处置为主，还包含信息服务所需的监控管 理、运维管理、设备管理、统计管理等。实体层主要为 持久化实体设计，用以与数据库表建立映射，实现业务 组件对数据库气象数据、用户以及设备等信息的存储、检索等功能。
2凝冰预警与智能处置方法
为了提前预测凝冰并及时处置，提出凝冰预警与 智能处置方法，分两步完成。首先，设计冰凝时间的短 时预测算法，预测凝冰时刻。接着，建立凝冰预警流 程，给出状态迁移规则。
2.1凝冰时间的短时预测算法
令实际凝冰的时间为~，但是往往不能提前得到，所 以需要对凝冰时间进行短时预测，这是实现凝冰预警与 智能处置的第一步。建立线性预测算法，如图3所示。
图3凝冰时间短时预测方法
L为凝冰探测开始时刻A为结束时刻义为凝冰探测开始时的路面温度，K为结束时的路面温度，为路面凝冰点温度。设计短时预测算法，预测凝冰时 刻^表示为：
V = _ rp (ta ~ t b)+ tb(1) 2.2凝冰预警方法
得到预测凝冰时刻^之后，进行凝冰预警。为了 合理、节能地使用凝冰探测传感器，只有当7；连续两 次低于预设的预警温度7；时，才开始探测。将凝冰预 警流程分为6个状态，用式〜笔分别表示，分别为初 始状态、空闲状态、临时1状态、探测状态、临时2状态 和保护状态。其中，两个临时状态和保护状态是为了 进行容错处理。
设计凝冰预警有限状态自动机模型[13]，给出14条 状态迁移规则。凝冰预警的状态迁移规则如图4所示。
图4凝冰预警的状态迁移规则
根据状态迁移规则，可得凝冰预警的有限状态自 动机。其中，有限非空的状态集合^为^ m
m幻，输入集合为玄=i m u/n X，I{，I{Q，If u，If12，If u \，Mf = ((/，，g，‘，F f)，初始状态w=式。该状态机为无限循环状态机，终止状 态集合是新一轮循环的开始，即，=|。得到凝冰预警的状态迁移函数：
^(s f0/0)==sf4M s f〇X)--
8(S{/2)---s{M s{/3)--
d(sf2X)=--S{,8(Sf2,f5)=
f⑵
-^5 d(sf3X)==sf3M s{/7)=--S{M S f3/n)■
8(S{X)-=sf3M s{/9)----s^M siX o)■--表
w«2)=Sf5,8(S f5/13)=Sf i
2.3智能处置方法
当路表温度接近凝冰温度时，管控平台软件自动开 启融雪剂喷洒设备，提前喷洒融雪剂防止路面结冰，实 现智能化的融雪处置。为了及时启动智能处置，设置了 喷洒缓冲温度7；e[l，5]〇C0当7；< 7}±7；时，自动/ 手动启动融雪剂喷洒。将智能处置流程分为5股份有限公司英文
birdcage个状态，
4ever82计算机应用与软件2017 年
发送启动
喷洒命令
/;) = $，5($，/:) = $，5($，；）= ^。以启动融雪 剂喷洒为例，进行业务逻辑设计。通过构造不同的上
下文组件来实现这些JB 〇SS 业务逻辑。
首先，计算机接收到用户发来的启动喷洒请求后， 通过融雪剂喷洒控制柜管理组件获取到代理实体。然 后，创建新线程，在新线程中触发喷洒控制柜的喷洒操 作，并立刻结束主线程操作。当前实体在新线程中生 成启动喷洒命令并传递给喷洒控制柜，接收到喷洒控 制柜应答命令后结束本次操作。最后，页面的周期性 刷新会触发当前喷洒控制柜状态的读取操作，新的状 态会反馈到W e b 页面，向用户呈现喷洒工作状况。启 动融雪剂喷洒的业务逻辑如图6所示。
^启动喷洒— -读取下位机状态-
<---(状态返回）------读取下位
机状态
用；〜&分别表示初始状态、空闲状态、临时状态、喷 洒状态、喷洒后状态。其中，临时状态是为了进行容错处理。每一个状态的迁移都是由一系列相关动作执行 的结果，根据智能处置流程的5个状态设计了 12个迁 移规则。智能处置的状态迁移规则如图5所示。
图5
智能处置的状态迁移规则
根据状态迁移规则，可得智能处置的有限状态自 动机，= F )。其中，有限非空状态
集合为y
幻，输入集合为I =
m
/〗，/〗，/:，/〗，/:，/;，/:，/;，/;。，/;」，初始状态‘= 智能处置状态机也是无限循环状态机，终止状态
集合是新一轮循环的开始，即厂=丨^丨。得到智能 处置的状态迁移函数：
抓
，/;)=以(以）=$S (S ；^)
=s c 2m
s
；j ；) =s ;
<8(S c 2J c 5) =3^8(^^6) =s c 3
(3)
8(S c 3J c 7) =S c 3M S c 3J ；) =S c
4W s ：j c 9) =
s c 3m s
：j c 10)
=sc 4Msc 4Jn) =S[
式(2)和式（3)即凝冰预警与智能处置方法。使 用该方法，可以及时改变融雪喷洒控制的状态，当温度 发生变化时，智能处置设备能够及时进喷洒融雪剂，减
少路面凝冰。
3
基于JB ossSeam 框架的软件实现
基于JB 〇S S S e a m 框架设计凝冰预警与智能处置管
控平台软件，主要设计业务逻辑层和表现层，实现凝冰 预警与智能处置方法式(2)、式(3)。3.1业务逻辑层设计
以启动喷洒业务逻辑为例，描述凝冰预警与智能 处置方法在软件业务逻辑中的实现过程。
启动喷洒业务逻辑的状态转移过程是凝冰预警与 智能处置方法式(2)、式(3)中的从^到^，为
凝
冰预一启动喷洒>警与智
周期性+监控能处刷新页面
组
件
acu置
页
面<■状态返回一
图6
启动喷洒的业务逻辑
业务逻辑层的软件实现采用State 设计模式。
State 设计模式是一种典型的实现有限状态机的面向
对象方法，它将状态迁移逻辑和状态下的具体动作进
行剥离，通过State 设计模式把程序中所有的要执行的 动作封装到State 对象的派生类中，实现状态迁移。启 动喷洒业务逻辑的策略模式如图7所示。
图7
启动喷洒业务逻辑的策略模式
在图7中，下位机喷洒类负责周期性地调用当前 状态类，以及与下位机进行通信。当前状态类及其抽 象类派生出了5个状态子类。各状态子类的状态迁移 需要依赖下位机性喷洒类中的下位机通信，这种依赖 关系在用虚线表示。当下位机喷洒类会周期性执行监 测方法doMonitoK )，一方面从下位机获取设备状态; 另一方面周期性地调用当前状态类；喷洒上下文 sprayContext 通过喷洒状态sprayState 引用一个新的
State 状态子类来完成喷洒业务逻辑的状态迁移。
下
位
机管理器读
下位
机
代
理
第1期
朱旭等：基于
JBoss Seam 的高速公路路面凝冰预警与智能处置
83
天上掉馅饼英文在具体的State 状态子类中，以初始状态类为例， 给出其状态动作实现的部分关键代码。在初始状态类 中，判断下位机传上来的设备状态deviceStatus 是否为 停止S T O P 。若是，则将当上下文sprayContext 设置为 空闲状态类；否则将其设置为喷洒状态类。
初始状态类中状态迁移的关键代码：
1 if( lpmSpray. getDeviceStatus () == STOP)]
2 sprayContext. tState(new FreeState ());
3 return ；taein
4 }
5 sprayContext. tState(new SrapyState ());
3.2表现层设计
凝冰预警与智能处置管控软件主界面显示了路况监控 视频、凝冰预警及喷洒设备状态、统计曲线等。其中， 监控展示区主要展示采集的路况图像、凝冰预警及喷 洒信息设备状态。弹出窗口为环境温度
曲线示意图, 用户在环境温度、环境湿度和路表温度这三项，点击相 应的区域将会弹出对应的当天数据曲线统计表。系统 状态区域显示的是凝冰探测得到的数值和喷洒状态， 可快速了解道路气象参数及物理层状态。右下角部位 有“启动喷洒”按钮可以手动干预融雪剂喷洒操作。
4案例分析
凝冰预警与智能处置管控平台软件的表现层设计 由一系列X H T M L 格式的动态W e b 页面组成，均采用
J S F 页面控件（Facelets )，页面动作和页面渲染则分别
采用JavaScript 和CSS /CSS 3实现。其中，J S F 为满足
M V C 模式页面架构的W e b 页面控件库，这些页面元素
可以通过JBoss 增强型页面表达语言E L 嵌入对后台 上下文组件的属性或动作进行访问，
选用JBoss Richfaces 库开发该软件的表现层W e b 页面。以凝冰预警与智能处置软件主界面为例，使用 J S F 页面控件后，其页面布局如图8所示。
将凝冰预警与智能处置管控系统部署在云南
楚大高速九顶山路段进行实际应用，实时监控系统 工作情况，根据得到的数据分析验证系统的有效
性。该路段公路全长8公里，弯道较多，路险，在受 到雨雪恶劣天气影响时，通常出现积雪、结冰等，该 路段如图9所示。
为了测试凝冰预警与智能处置管控平台软件，记 录了九顶山路段1月份的10组数据，每组数据设定不
同的预警临界温度，分别为-2.0、-1.2、-1.7、-0. 8、-1.8、-1.0、-1.3、- 2.0、-2.5、-2. 60C 6 该软
图8凝冰预警与智能处置软件主页面
件的实际测试数据如表1所示。
越来越好英文表1
凝冰预警与智能处置管控平台软件的测试数据
序号
探测开始
探测结束预警实际凝是否误差
启动时间
路表温度/°c
结束时间
路表温度/°c
凝冰温度/°c
时间冰时间喷洒/ m in
1
16:59:21 2.317:01:09 2.5无无无否无2
17:06:34 6.517:09:329.89无
无
无
否无
3
10:16:54 2.010:21:02 1.2-6.711:0011:22是22418:42:53 2.518:46:31 1.3-5.819:1019:21是11521:14:34 5.621:23:11 1.3-4.821:4021:35是5612:01:59 4.612:08:19 1.5-4.812： 2012:07是13717:53:59 2.618:12:09 2.2-6.3
19：30
19：55
是25
817:14:39 3.317:22:198.6无
无
无
是无
912:24:31 2.212:28:19 1.1-6.013:0012:51是910
15:05:01 6.015:17:59 2.0
-8.616:1016:28是
18
