馬 超，林娟娟，鄧潔儀，姚澤宇

（南京理工大學(xué)，自動(dòng)化學(xué)院，南京210094）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)高速公路建設(shè)呈現(xiàn)出了跨越式的進(jìn)步，如圖1 所示，高速公路總里程數(shù)逐年遞增。截至2018 年12 月28 日，中國(guó)高速公路總里程已達(dá)14 萬(wàn)km，位居全球第一。目前，高速公路已經(jīng)占據(jù)了中國(guó)通行道路的主要地位，成為人們?nèi)粘３鲂斜夭豢缮俚慕煌ǖ缆?，?jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)客運(yùn)與貨運(yùn)中借助其來(lái)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)流通的占總運(yùn)量的七成以上。作為交通主動(dòng)脈，高速公路對(duì)人們?nèi)粘Ｉ詈统鲂械挠绊懥υ絹?lái)越大。但在高速公路迅猛發(fā)展的過程中，高速公路運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的安全問題也變得越來(lái)越突出。在發(fā)生的各類高速公路事故的誘因中，惡劣的自然天氣狀況占比很重，已經(jīng)成為不容忽視的重要危害因素之一。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，這幾年公安交通管理等各部門所受理的各種道路安全事故案例中，因?yàn)閻毫拥淖匀惶鞖鉅顩r而引發(fā)的案例約占年總數(shù)的30%，惡劣的自然天氣條件已經(jīng)是名副其實(shí)的交通殺手。而且，由于高速公路交通系統(tǒng)的封閉性，車輛在高速公路上行駛時(shí)都處于車速較快的狀態(tài)，因此在惡劣天氣條件的影響下，交通事故的性質(zhì)一般都是重大、特大惡性交通事故，并且非常容易產(chǎn)生大規(guī)模交通堵塞，導(dǎo)致救援困難。惡劣的自然天氣條件已經(jīng)成為高速公路上安全運(yùn)營(yíng)的重大隱患，惡劣天氣狀況在一定程度上增加了高速公路上交通運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)性，引發(fā)了大量的惡性交通事故，造成了十分嚴(yán)重的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，也對(duì)社會(huì)造成了巨大的負(fù)面影響。因而如何保障惡劣天氣條件下的交通安全已經(jīng)成為一個(gè)全球的公共安全問題，具有很大的研究?jī)r(jià)值。

圖1 2011—2018 年高速公路總里程數(shù)據(jù)

國(guó)外大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、德國(guó)等都基本完成了對(duì)本國(guó)高速公路整體網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，高速公路的各種基礎(chǔ)設(shè)施也相對(duì)完備。通過設(shè)置安裝在高速公路沿線上的不同類型傳感器、高架攝像機(jī)等，對(duì)高速公路的路網(wǎng)交通狀況進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)惡劣天氣預(yù)兆，就直接通過高速公路自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和專門的高速公路廣播電臺(tái)，將惡劣天氣信息及時(shí)提供給管理人員和駕駛者，以提醒其采取相應(yīng)措施[1]。如美國(guó)聯(lián)邦公路管理局運(yùn)輸處設(shè)立的道路天氣管理計(jì)劃，特別是道路氣象信息發(fā)布系統(tǒng)（Road Weather Information System，簡(jiǎn)稱RWIS）[2]就遵循這一原理；瑞典的類似氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了野外觀測(cè)站外，還有一顆監(jiān)測(cè)衛(wèi)星和一個(gè)雷達(dá)觀測(cè)站；日本針對(duì)高速公路控制的措施除了能見度監(jiān)測(cè)及速度、交通量控制以外，還采取了“慢車警告”的控制措施[3]。除各種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備外，國(guó)外對(duì)于高速公路惡劣天氣與交通安全的研究也比較早，有大量的相關(guān)文獻(xiàn)。如Jung 等人通過對(duì)惡劣天氣條件、能見度、前后車輛間距等多種車輛安全駕駛影響因素的分析，構(gòu)建了能夠預(yù)測(cè)雨天交通事故嚴(yán)重程度的多元回歸模型[4]。Horst 等研究了駕駛員霧天駕駛時(shí)的行為，研究表明在車輛進(jìn)入較低能見度區(qū)域前5s 內(nèi)駕駛員應(yīng)啟動(dòng)防撞措施[5]等。

我國(guó)對(duì)高速公路安全運(yùn)營(yíng)問題的研究主要針對(duì)高速公路的養(yǎng)護(hù)與預(yù)警管理，而且有許多借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與模型的應(yīng)用系統(tǒng)。如張馳等針對(duì)霧天高速公路安全運(yùn)營(yíng)提出了結(jié)合駕駛員行為特征的新評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。上海交通大學(xué)黃冰娥通過研究惡劣天氣，完成了對(duì)行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，并分析了惡劣天氣對(duì)高速公路行車的影響，從車輛運(yùn)行車速的控制、氣象信息的發(fā)布和交通組織等方面提出了具體的預(yù)警管理方法[7]。2012年江西省氣象局在省委及省政協(xié)督查組的督查下加快完善了高速公路氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[8]。周步偉等人提出一種低能見度天氣下高速公路行車安全系統(tǒng)，以降低高速公路上由團(tuán)霧引發(fā)的連環(huán)追尾事故發(fā)生率[9]。曲曉黎等人針對(duì)惡劣天氣對(duì)高速公路通行的影響進(jìn)行分析，建立了高速公路大霧預(yù)警模型，并提出災(zāi)害性天氣下交通氣象服務(wù)對(duì)策[10]。李萌基于雨天對(duì)高速公路安全運(yùn)營(yíng)的影響，提出了雨天條件下高速公路安全評(píng)估與預(yù)警方法，并提出了雨天高速公路速度預(yù)測(cè)方法[11]。劉英奇針對(duì)惡劣天氣下的遼寧省高速公路提出了速度協(xié)調(diào)控制方法及排隊(duì)預(yù)警控制方法[12]。尚鵬對(duì)惡劣天氣下高速公路風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行辨識(shí)，構(gòu)建了管理系統(tǒng)并設(shè)計(jì)車輛分類管控、限速管理等策略[13]。趙亮等研究了在不同天氣類型下駕駛?cè)松矸磻?yīng)與行車安全之間的關(guān)系[14]。張暉通過分析高速公路事故產(chǎn)生原因的分析，提出了不同天氣條件下車輛限速方案[15]。羅小東通過分析惡劣天氣對(duì)高速公路安全及運(yùn)行的影響和惡劣天氣下路徑誘導(dǎo)技術(shù)，建立了改進(jìn)用戶均衡模型的路徑誘導(dǎo)技術(shù)[16]。

目前我國(guó)的交通運(yùn)輸部也建立了交通氣象會(huì)商制度，而且每日對(duì)高速公路和國(guó)省道干線公路的交通氣象進(jìn)行預(yù)警和預(yù)報(bào)，并通過電視媒體和網(wǎng)站向公眾發(fā)布交通氣象信息。同時(shí)，在道路設(shè)施設(shè)置，如通訊設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施、氣象站、各類檢測(cè)儀器等方面，國(guó)家投入了大量的資金進(jìn)行完善建設(shè)，采用了各種國(guó)際先進(jìn)的技術(shù)。但相較于在高速公路方面發(fā)展程度較高的發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)對(duì)于公路氣象條件的重視程度和工作能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，特別在科學(xué)研究和微觀對(duì)策方面還有很大的不足，對(duì)惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)問題仍需要不斷地研究。

1 惡劣天氣的等級(jí)劃分

惡劣天氣通過影響道路環(huán)境狀況與駕駛?cè)诵袨椋M(jìn)而對(duì)行車安全產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，如能見度的范圍、路面附著系數(shù)的大小等，結(jié)合氣象部門與公安部門對(duì)于不同類型的惡劣天氣的分級(jí)，對(duì)不同的惡劣天氣進(jìn)行等級(jí)劃分。

（1）霧天等級(jí)劃分。霧天天氣條件對(duì)交通運(yùn)營(yíng)安全的影響主要體現(xiàn)在周圍環(huán)境的能見度范圍方面，雖然霧天條件下會(huì)使得路面的附著系數(shù)有所下降，但不同的霧天等級(jí)，附著系數(shù)的變化并不明顯，因此霧天的天氣等級(jí)應(yīng)該以能見度范圍作為指標(biāo)進(jìn)行劃分。霧天等級(jí)劃分如表1 所示。

表1 霧天等級(jí)劃分

（2）冰雪天氣等級(jí)劃分。冰雪天氣尤其是降雪天氣，由于降雪量的不同，對(duì)周圍環(huán)境能見度造成的影響也是不同的。除此之外，由于車外溫度較低，而車內(nèi)溫度相對(duì)較高，因此會(huì)在車輛的玻璃上形成薄霧或霜，阻礙駕駛員的視線，對(duì)能見度也會(huì)造成一定的影響。因此，對(duì)于冰雪天氣等級(jí)的劃分應(yīng)該按照其降雪量，將冰雪天氣劃分為五個(gè)等級(jí)，如表2 所示。

表2 降雪等級(jí)劃分

（3）降雨天氣等級(jí)劃分。降雨天氣下，雨水會(huì)對(duì)道路的能見度和路面的附著力產(chǎn)生影響。降雨強(qiáng)度的不同，對(duì)周圍環(huán)境能見度以及路面附著力的影響也不同，因此降雨天氣等級(jí)通常用降雨量作為指標(biāo)來(lái)劃分。對(duì)于降雨天氣的等級(jí)劃分如表3 所示。

表3 降雨等級(jí)劃分

2 惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估體系

高速公路與普通城市道路相比，是一個(gè)封閉度相對(duì)較高的交通場(chǎng)所，其上運(yùn)行的車輛較多且高速，因此受到惡劣自然氣象的影響十分嚴(yán)重。惡劣天氣對(duì)高速公路事故率產(chǎn)生影響的原因：一方面駕駛員會(huì)受惡劣天氣影響產(chǎn)生緊張急躁等負(fù)面情緒，反應(yīng)能力也隨之下降，對(duì)駕駛行為造成影響；另一方面惡劣天氣會(huì)對(duì)高速公路的行車環(huán)境造成不利于行車的負(fù)面影響，如能見度降低、路面附著系數(shù)減小等，這些影響都可能會(huì)導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。因此，在構(gòu)建惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估體系時(shí)應(yīng)先對(duì)可能影響到高速公路車輛行車安全的因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析，選出其中幾種主要因素進(jìn)行具體的分析、量化，最后以其為指標(biāo)進(jìn)行高速公路運(yùn)營(yíng)安全等級(jí)的劃分。

2.1 評(píng)估因素的選定

車輛在高速公路上行駛是否處于安全狀態(tài)，通常是由駕駛?cè)恕④囕v狀態(tài)以及行車環(huán)境三者之間互相影響、互相作用所決定的。不同型號(hào)的車輛性能各不相同，車輛因素存在著不可預(yù)測(cè)性，因此主要從駕駛?cè)伺c行車環(huán)境兩大方面來(lái)進(jìn)行安全評(píng)估因素的選取。

研究惡劣天氣條件下高速公路的運(yùn)營(yíng)安全，首要確定的因素就是惡劣天氣的類型以及天氣的等級(jí)。根據(jù)不同的天氣類型與等級(jí)，可以確定能夠直接影響行車安全的具體因素，如能見度、路面附著系數(shù)、摩擦力等道路因素等。而駕駛?cè)藢?duì)行車安全的影響則來(lái)源于駕駛?cè)俗陨淼纳眢w狀態(tài)與駕駛技術(shù)以及在惡劣天氣狀況下產(chǎn)生的負(fù)面情緒，如急躁、緊張、焦慮等。由于駕駛?cè)俗陨淼纳眢w情況如是否疲勞駕駛、酒后駕駛以及帶病駕駛等不屬于惡劣天氣因素的影響范圍，故只討論惡劣天氣對(duì)駕駛?cè)饲榫w等的負(fù)面影響。造成這種負(fù)面情緒的原因是多樣的，因此對(duì)駕駛員因素的分析采用定性分析，并進(jìn)行負(fù)面因素疊加處理的方法。除此之外，車輛的運(yùn)行速度也會(huì)直接影響到車輛的安全與否，故而也屬于評(píng)估因素。因此安全評(píng)估因素的選取結(jié)果如圖1 所示，評(píng)估因素集C={能見度C1、路面狀況C2、駕駛?cè)艘蛩谻3、行車速度C4}。

圖2 安全評(píng)估因素

2.2 評(píng)估因素的等級(jí)劃分

根據(jù)惡劣天氣條件對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)安全的負(fù)面影響，選定了五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)來(lái)對(duì)能見度、路面狀況（附著系數(shù)等相關(guān)因素）、駕駛員因素與運(yùn)行車速度等安全因素進(jìn)行安全等級(jí)的劃分。評(píng)價(jià)等級(jí)分別為1 級(jí)（V1）、2 級(jí)（V2）、3 級(jí)（V3）、4 級(jí)（V4）、5 級(jí)（V5）。

設(shè)評(píng)估因素的安全等級(jí)集合為V ={V1, V2, V3,V4,V5}= ｛5， 4， 3， 2， 1｝ （數(shù)字代表各等級(jí)安全程度的量化值）。運(yùn)用此集合所確定的等級(jí)對(duì)上述所選定的四種指標(biāo)：能見度、路面狀況、駕駛員因素和運(yùn)行車速來(lái)進(jìn)行等級(jí)的劃分。其中能見度、路面狀況以及駕駛員因素的劃分以不同的天氣等級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

（1）能見度的等級(jí)劃分。參考國(guó)內(nèi)外已有成型的分級(jí)體系，同時(shí)考慮到我國(guó)交通安全管理?xiàng)l例的相關(guān)規(guī)定，在不考慮其他因素的情況下，能見度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的交通安全等級(jí)劃分的臨界值分別為50m、100m、200m、500m。對(duì)能見度的等級(jí)劃分采用不同天氣類型的天氣等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如表4 所示。

表4 能見度的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

（2）路面狀況等級(jí)劃分。道路的路面狀況主要取決于路面的附著系數(shù)與路面摩擦力，根據(jù)對(duì)不同天氣條件下路面附著系數(shù)的研究，可以得到如表5 所示的路面狀況等級(jí)劃分評(píng)定結(jié)果。

（3）駕駛?cè)艘蛩氐燃?jí)劃分。駕駛?cè)艘蛩刂饕傅氖邱{駛?cè)嗽趷毫犹鞖鈼l件下心理壓力的增大和生理反應(yīng)能力的降低。主要表現(xiàn)為在惡劣天氣條件下行車，駕駛?cè)说男睦韷毫υ龃螅桩a(chǎn)生緊張、焦慮等負(fù)面情緒，并且更易感到疲勞，導(dǎo)致反應(yīng)能力有所下降。但這些反應(yīng)也因人而異，無(wú)法以確切的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定，因此對(duì)駕駛?cè)艘蛩氐燃?jí)的劃分采用天氣等級(jí)進(jìn)行模糊評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如表6 所示。

表5 路面狀況的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

表6 駕駛?cè)艘蛩氐燃?jí)劃分

（4）行車速度等級(jí)劃分。大量事實(shí)證明，車輛在高速公路上的運(yùn)行速度大小與一旦出現(xiàn)事故后危害的大小有著密不可分的關(guān)系，速度一旦超過限制值后，速度越快，發(fā)生安全事故后的危險(xiǎn)性就越高。歐洲交通安全委員會(huì)指出，車速對(duì)有嚴(yán)重傷亡的事故影響較大，并得出平均車速每增加1km/h，有人員傷亡的事故數(shù)將增加5%～6%的結(jié)論。根據(jù)美國(guó)嚴(yán)重事故研究所（NCSS）的數(shù)據(jù)，交通事故的死亡率與速度梯度的4 次方成正比[17]。因此，在研究速度安全問題時(shí)，基于安全性的約束條件，這里以5km/h 的差值作為參考值。

對(duì)運(yùn)行車速進(jìn)行等級(jí)劃分時(shí)，應(yīng)以不同天氣類型下基于不同能見度、路面附著系數(shù)和坡度的安全限制速度標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，以5km/h 為等級(jí)劃分指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行車速等級(jí)的劃分，如表7 所示。不同天氣類型基于不同能見度、路面附著系數(shù)和坡度的安全限制速度標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)計(jì)算求得。

表7 運(yùn)行速度的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

3 惡劣天氣下高速公路的安全限制速度界定

車輛在高速公路上行駛時(shí)行車速度都相對(duì)較快，因此一旦發(fā)生事故，造成的危害也將更加嚴(yán)重。而惡劣的天氣條件將會(huì)導(dǎo)致道路狀況和周邊環(huán)境因素惡化，進(jìn)而影響駕駛?cè)说男睦砼c生理反應(yīng)，更會(huì)加大事故的危險(xiǎn)程度。故而，在高速公路上采取惡劣天氣限速是很有必要的。

3.1 惡劣天氣下安全行車速度的界定模型

為保障行車安全，避免事故發(fā)生，行駛于后方的車輛必須保證在前車出現(xiàn)意外突然停止的情況下也有足夠的制動(dòng)距離停車，避免與前車發(fā)生碰撞。惡劣天氣下保障運(yùn)行安全的條件如圖3所示。

根據(jù)對(duì)圖3 惡劣天氣下安全行車條件的分析，可得惡劣天氣下安全行車的條件函數(shù)如下式所示：

式中： Lzf為后車駕駛?cè)俗陨碇苿?dòng)反應(yīng)所需時(shí)間內(nèi)車輛向前移動(dòng)的距離，m；zL 為后車制動(dòng)過程中向前移動(dòng)的距離，m；nL 為路段的能見度，m；為前車駕駛?cè)酥苿?dòng)反應(yīng)和車輛完成制動(dòng)全過程中向前移動(dòng)的距離，m。

圖3 惡劣天氣條件下安全行車條件

（1） Lzf的界定函數(shù)。駕駛?cè)嗽诎l(fā)現(xiàn)前方車輛開始剎車之前，有一定的反應(yīng)時(shí)間。在這段時(shí)間里，車輛仍以原來(lái)的運(yùn)行速度向前行駛。這段時(shí)間內(nèi)車輛向前移動(dòng)的距離可按下式計(jì)算：

式中：Hv 為后方車輛行駛速度，km/h；1t 為后車駕駛?cè)酥苿?dòng)反應(yīng)所需時(shí)間，s，駕駛?cè)酥苿?dòng)反應(yīng)所需時(shí)間最不利條件下是2s。取最不利情況，即t1=2s ，則：

（2）zL 的界定函數(shù)。后車駕駛?cè)嗽谥苿?dòng)過程中車輛向前移動(dòng)的距離以處于下坡路段且無(wú)空氣阻力的情況計(jì)算：

式中：f 為路面附著系數(shù)；i 為道路縱坡。

（3） Lzf的界定函數(shù)。前車向前移動(dòng)的距離按下式計(jì)算：

式中：Qv 為前方車輛行駛速度，km/h； t2為后車制動(dòng)時(shí)間，s，可按下式計(jì)算，即：

式中：g 為重力加速度，通常取值為g = 9.8m/s2。將 t1=2s 及式（6）帶入式（5），可得：

在計(jì)算惡劣天氣下高速公路車輛運(yùn)行限制速度時(shí)，應(yīng)以最不利外在情況作為計(jì)算的依據(jù)，這時(shí) Lq=0 ，將式（3）與式（4）帶入式（1）中，經(jīng)化簡(jiǎn)可得：

（4）車輛最高限制速度的界定函數(shù)。惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)最高車速限制的界定函數(shù)如下式所示：

3.2 惡劣天氣下安全行車速度的限制標(biāo)準(zhǔn)

以惡劣天氣下安全行車速度的界定模型為基礎(chǔ)，分別對(duì)霧天、雨天與雪天三種惡劣天氣下的安全行車速度的限制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行求解計(jì)算，得到三種惡劣天氣下車速限制標(biāo)準(zhǔn)建議。

（1）霧天車速限制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)車輛運(yùn)行速度界定函數(shù)式（9）計(jì)算霧天對(duì)應(yīng)不同能見度范圍及坡度的最大安全運(yùn)行速度（取霧天路面附著系數(shù) f=0.4），并結(jié)合文中所劃分的霧天天氣等級(jí)，取整整合后，可得到不同等級(jí)的霧天條件下高速公路安全運(yùn)營(yíng)的車速限制標(biāo)準(zhǔn)，如表8 所示。

表8 高速公路霧天車速限制標(biāo)準(zhǔn)建議

（2）雨天車速限制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)車輛運(yùn)行速度界定函數(shù)式（9）來(lái)計(jì)算雨天對(duì)應(yīng)不同能見度范圍及坡度的最大安全運(yùn)行速度，其中，取雨天路面附著系數(shù)f =0.35。結(jié)合文中所劃分的降雨天氣等級(jí)，并取整整合后，可得到不同等級(jí)的雨天天氣條件下滿足高速公路安全運(yùn)營(yíng)的車輛運(yùn)行速度限制標(biāo)準(zhǔn)，如表9 所示。

表9 高速公路雨天車速限制標(biāo)準(zhǔn)建議

（3）冰雪天車速限制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)車輛運(yùn)行速度界定函數(shù)式（9）來(lái)計(jì)算冰雪天氣條件下對(duì)應(yīng)不同能見度范圍及坡度的最大安全運(yùn)行速度。其中，路面附著系數(shù)的選取綜合考慮后分為三種情況：松軟積雪時(shí)f=0.20；壓實(shí)積雪時(shí)f = 0.15；結(jié)冰積雪時(shí)f = 0.10。并結(jié)合上文中所劃分的冰雪天氣的等級(jí)，進(jìn)行取整、相互整合，最終可得到不同等級(jí)的冰雪天氣條件下滿足高速公路安全運(yùn)營(yíng)的車輛運(yùn)行速度限制標(biāo)準(zhǔn)，如表10 所示。

表10 高速公路冰雪天氣車速限制標(biāo)準(zhǔn)建議

4 惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估模型

在建立了高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估體系，并對(duì)安全評(píng)估因素進(jìn)行等級(jí)劃分的基礎(chǔ)上，運(yùn)用AHP層次分析法計(jì)算各安全評(píng)估因素的指標(biāo)權(quán)重。在不考慮交通流量、交通事故等因素的條件下，利用模糊綜合評(píng)估法建立惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估模型。通過該模型可計(jì)算得到在惡劣天氣條件下高速公路運(yùn)營(yíng)的安全等級(jí)，具體過程如下：

步驟一 評(píng)估因素指標(biāo)值向量確定。根據(jù)圖2 中的惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)的評(píng)估因素（能見度C1、路面狀況C2、駕駛?cè)艘蛩谻3、行車速度C4），以惡劣天氣的等級(jí)V 為各評(píng)估因素的模糊評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，確定評(píng)估因素指標(biāo)值向量B。

當(dāng)?shù)趇 個(gè)評(píng)估因素屬于第j 級(jí)惡劣天氣等級(jí)時(shí)，令rij= 1，組成評(píng)估矩陣R=( rij)n ×n，則評(píng)估因素指標(biāo)向量計(jì)算如下：

步驟二 評(píng)價(jià)因素權(quán)值的界定。利用層次分析法AHP 確定各個(gè)評(píng)估因素的權(quán)重值iω 。參照1～9 位標(biāo)度對(duì)各評(píng)估因素的重要程度進(jìn)行賦值，組成判斷矩陣進(jìn)行權(quán)重系數(shù)計(jì)算，如表11 所示。

表11 評(píng)估因素iC 的判斷矩陣及各因素權(quán)重

一致性檢驗(yàn) λmax=4.264，CI = 0.088，CR =0.090 78

步驟三 安全等級(jí)的綜合評(píng)定。根據(jù)已求得的評(píng)估因素指標(biāo)值向量B 和評(píng)估因素權(quán)重向量W，可得惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)的安全等級(jí)評(píng)判值：

式中：U 為惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)的安全值，U 值越大，則安全性越高。

步驟四 安全等級(jí)耦合。本文將安全等級(jí)劃分為五級(jí)，分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，詳見表12。

表12 安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式（11），計(jì)算出惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)的安全值U，并根據(jù)表11 中的五級(jí)區(qū)間進(jìn)行耦合匹配，確認(rèn)評(píng)價(jià)對(duì)象的安全等級(jí)。

5 惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)動(dòng)態(tài)評(píng)估系統(tǒng)

以惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估模型為基礎(chǔ)，利用Microsoft Visual Basic 軟件構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的惡劣天氣條件下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)以天氣類型以及天氣等級(jí)等相關(guān)氣象因素、道路坡度等道路基本信息以及車輛的運(yùn)行速度為評(píng)估依據(jù)，得出惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)的安全等級(jí)，并根據(jù)安全等級(jí)向使用者提出行車建議。

（1）風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別機(jī)理。利用高速公路已有的氣象監(jiān)控采集設(shè)備所采集的氣象數(shù)據(jù)界定天氣類型與等級(jí)；根據(jù)GPS 定位系統(tǒng)與高速公路沿線道路基本信息確定道路坡度等道路條件因素；在車輛上安裝速度采集器獲得車輛的速度信息。將這些動(dòng)態(tài)采集到的惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)相關(guān)安全評(píng)估信息輸入到安全評(píng)估系統(tǒng)中，以進(jìn)行安全等級(jí)的評(píng)估。惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)動(dòng)態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的工作原理，如圖4 所示。

圖4 動(dòng)態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的工作原理

（2）安全評(píng)估過程。根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別機(jī)理與安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估模型，通過Microsoft Visual Basic 軟件建立惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估系統(tǒng)。具體評(píng)估過程以某一冰雪天氣為例：根據(jù)氣象監(jiān)控采集器所采集的氣象數(shù)據(jù)界定天氣類型為“冰雪天氣”，天氣等級(jí)為“大雪”，路面附著系數(shù)為壓實(shí)積雪 f = 0.15，根據(jù) GPS定位系統(tǒng)與高速公路沿線道路基本信息確定道路坡度為 3%＜i≤4%，在車輛上安裝的速度采集器獲得車輛的速度信息為運(yùn)行速度50 km/h，點(diǎn)擊“開始評(píng)估”按鈕開始進(jìn)行高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估。

（3）安全等級(jí)界定。評(píng)估系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果顯示有五種安全等級(jí)，分別為：Ⅰ級(jí)非常安全、Ⅱ級(jí)較為安全、Ⅲ級(jí)安全性一般、Ⅳ級(jí)較為危險(xiǎn)、Ⅴ級(jí)非常危險(xiǎn)。針對(duì)不同的安全等級(jí)與惡劣天氣條件，系統(tǒng)將給出當(dāng)前條件下的安全限速與行車安全駕駛建議。上述冰雪天氣的安全值計(jì)算結(jié)果為U = 2.545 8，惡劣天氣下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估系統(tǒng)給出的評(píng)估結(jié)果為當(dāng)前安全等級(jí)為Ⅳ級(jí)較為危險(xiǎn)，當(dāng)前最大安全限速為45 km/h。行車安全建議為當(dāng)前已處于危險(xiǎn)狀態(tài)，請(qǐng)立刻減速至安全限速以下，并時(shí)刻保持警惕。

6 結(jié) 論

本文在分類研究不同類型惡劣天氣條件對(duì)高速公路安全運(yùn)營(yíng)的危害與隱患的基礎(chǔ)上，確定安全評(píng)估因素，根據(jù)氣象部門與公安部門的規(guī)定對(duì)不同類型惡劣天氣進(jìn)行分級(jí)，并計(jì)算得到不天氣類型與等級(jí)下的安全行車速度。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建惡劣天氣條件下高速公路安全運(yùn)營(yíng)的評(píng)估體系。并以此安全等級(jí)劃分為基礎(chǔ)，建立惡劣天氣條件下高速公路安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估模型，使得在獲得天氣條件等相關(guān)信息時(shí)，可以快速評(píng)估出該條件下的安全等級(jí)，提出不同等級(jí)天氣條件下高速公路安全行車速度限制標(biāo)準(zhǔn)與安全行車的建議。