張震宇 朱寶林

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830052; 2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 北京 100029; 3.交科院公路工程科技(北京)有限公司 北京 100029)

1 研究概況

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的不斷加快，道路通車(chē)?yán)锍讨鹉暝黾?。交通?qiáng)國(guó)[1]戰(zhàn)略的實(shí)施將高速公路的地位繼續(xù)向上提高了一個(gè)層級(jí)，同時(shí)也相應(yīng)地提出了更高的要求。根據(jù)國(guó)家數(shù)據(jù)網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)信息，2020 年我國(guó)高速公路通車(chē)?yán)锍桃堰_(dá)16.1萬(wàn)km。但是研究表明，高速公路發(fā)生交通事故數(shù)量隨著高速公路的建設(shè)與發(fā)展也在不斷增多，交通安全形勢(shì)并不樂(lè)觀，道路交通事故數(shù)量逐年上升。其中因雨雪霧和道路凝冰等氣象因素導(dǎo)致的道路交通事故更是占據(jù)重要比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在交通管理部門(mén)受理的交通事故案件中，因惡劣氣象因素導(dǎo)致的近30%，僅2019 年因自然災(zāi)害造成公路阻斷事件21 443 起，累計(jì)阻斷里程110多萬(wàn)km，持續(xù)時(shí)間達(dá)33多萬(wàn)h[2]。

團(tuán)霧是高速公路交通事故中一種重要的氣象影響因素。團(tuán)霧又稱坨坨霧，是由于夜間地面輻射冷卻，靠近地面層的空氣降溫變冷而形成的霧。其本質(zhì)也是霧，但是團(tuán)霧發(fā)生時(shí)要比一般地霧氣更濃、能見(jiàn)度更低，且團(tuán)霧具有局地性、突發(fā)性和內(nèi)外能見(jiàn)度差異大等特點(diǎn)[3]，比普通霧天對(duì)交通造成的影響更大。

通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果和管控措施可知，國(guó)外現(xiàn)有應(yīng)對(duì)手段具有依靠先進(jìn)的儀器設(shè)備、預(yù)警與管控相結(jié)合和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在技術(shù)上為駕駛員提供了相對(duì)安全的駕駛環(huán)境。我國(guó)相關(guān)專家學(xué)者也對(duì)我國(guó)大量氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整理構(gòu)建了數(shù)據(jù)庫(kù)為預(yù)警系統(tǒng)的建立奠定基礎(chǔ)。但是，國(guó)外已投入使用的預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建需投入大量的資金，而且單獨(dú)的預(yù)警系統(tǒng)只能起到警示作用，團(tuán)霧依舊存在且仍會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合我國(guó)高速公路的線性建設(shè)特點(diǎn)和發(fā)展中國(guó)家實(shí)際國(guó)情分析，我國(guó)并不適合直接套用國(guó)外誘導(dǎo)管控相關(guān)研究成果。對(duì)此，相關(guān)工作者可以學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)理念與管控經(jīng)驗(yàn)，包括氣象采集設(shè)備與方法、限速標(biāo)準(zhǔn)的確定等，針對(duì)國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)實(shí)際情況與沿線氣候條件研發(fā)一整套團(tuán)霧自動(dòng)化處置方案，以減少團(tuán)霧帶來(lái)的危害。

2 自動(dòng)化處置系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

自動(dòng)化處置系統(tǒng)總體架構(gòu)分為信息處理、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和效果評(píng)價(jià)3個(gè)模塊，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化處置系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1.1 信息處理模塊

信息處理模塊屬于自動(dòng)化處置系統(tǒng)的前端，是自動(dòng)化處置系統(tǒng)各項(xiàng)命令的發(fā)出者，同時(shí)受制于效果評(píng)價(jià)模塊，會(huì)根據(jù)效果評(píng)價(jià)模塊的周期性評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)定期優(yōu)化以確保命令的正確性與及時(shí)性。信息處理模塊包含外部信息采集傳輸、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算3 項(xiàng)功能。其中，外部信息采集主要依靠布設(shè)在路側(cè)的高靈敏度能見(jiàn)度儀、路況信息傳感器、氣象站等各種信息采集設(shè)備收集高速公路團(tuán)霧易發(fā)路段的大氣能見(jiàn)度、溫濕度和風(fēng)力風(fēng)速等相關(guān)氣象數(shù)據(jù)信息，通過(guò)信號(hào)傳輸系統(tǒng)將信息傳送至內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算中心。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算后的結(jié)果會(huì)與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的處置閾值進(jìn)行對(duì)比，判斷是否需要發(fā)出作業(yè)命令與應(yīng)該采用何種處置方案。在系統(tǒng)構(gòu)建前期需要對(duì)團(tuán)霧高發(fā)路段實(shí)際道路環(huán)境信息進(jìn)行信息采集，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析編制系統(tǒng)閾值提前設(shè)定在信息處理中心用于后期工作過(guò)程中的命令選擇與判定。自動(dòng)化處置系統(tǒng)的命令選擇主要依據(jù)基于兩點(diǎn)能見(jiàn)度的霧天自動(dòng)化處置判別模型進(jìn)行判斷。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模塊

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模塊屬于自動(dòng)化處置系統(tǒng)的終端，是布設(shè)在高速公路路段的選定位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的部分，承擔(dān)接收命令與實(shí)施命令進(jìn)行消霧處置的功能。在硬件設(shè)施方面主要包括控制機(jī)柜、除霧劑儲(chǔ)液罐及地對(duì)空噴灑裝置等。控制機(jī)柜主要承擔(dān)兩個(gè)作用：一是作為自動(dòng)化處置系統(tǒng)的硬件載體，集成各硬件相關(guān)功能；二是控制機(jī)柜布設(shè)手動(dòng)操作臺(tái)，作為自動(dòng)化處置系統(tǒng)的備選來(lái)應(yīng)對(duì)不時(shí)之需。由我國(guó)高速公路建設(shè)特點(diǎn)可以得出，高速公路團(tuán)霧易發(fā)路段一般處在山區(qū)或臨河臨湖等空氣濕度較大的偏遠(yuǎn)區(qū)域，此時(shí)若網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸效果不好或者傳輸鏈路某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，噴灑系統(tǒng)便可由自動(dòng)化處置轉(zhuǎn)為操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉噴灑功能來(lái)保障正常作業(yè)，既可以防止啟動(dòng)過(guò)程故障導(dǎo)致的無(wú)法正常完成消霧作業(yè)，也可以保證關(guān)閉過(guò)程故障造成的除霧劑無(wú)效過(guò)量噴灑帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。此外，若現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模塊在接收到信息處理中心傳輸?shù)耐Ｖ棺鳂I(yè)信號(hào)停止處置后，若短時(shí)間內(nèi)團(tuán)霧重新聚集影響正常駕駛而自動(dòng)化處置系統(tǒng)還未發(fā)生反應(yīng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以實(shí)時(shí)進(jìn)行手動(dòng)操作來(lái)保障消霧效果以最大程度地保證駕駛安全。

除霧劑儲(chǔ)液罐的形狀、容量、材質(zhì)等配置可根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的具體情況具體設(shè)計(jì)，以便現(xiàn)場(chǎng)安裝，保證作業(yè)正常進(jìn)行。但應(yīng)遵循防銹防腐蝕、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的選材設(shè)計(jì)原則。

地對(duì)空噴灑裝置布設(shè)一般設(shè)定為兩個(gè)位置，一個(gè)是路側(cè)，另一個(gè)是中央分隔帶。路側(cè)噴灑裝置僅可向行車(chē)道方向單向噴灑，而中央分隔帶位置可向兩邊雙向噴灑。其他布設(shè)要求需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)團(tuán)霧發(fā)生天數(shù)與對(duì)能見(jiàn)度的影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，包括噴灑頭的布設(shè)間距、噴灑高度、設(shè)置數(shù)量以及與儲(chǔ)液罐的連接方式等。

2.1.3 效果評(píng)價(jià)模塊

效果評(píng)價(jià)模塊貫穿于自動(dòng)化處置系統(tǒng)的全部過(guò)程，主要負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試階段消霧作業(yè)后的實(shí)際駕駛環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)投入使用后的系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行周期性有效監(jiān)督，并將結(jié)果反饋給后臺(tái)技術(shù)人員以便于對(duì)信息處理模塊的命令進(jìn)行優(yōu)化。該模塊的評(píng)價(jià)監(jiān)督功能主要分為兩部分，具體敘述如下。

第一，在前期相關(guān)施工作業(yè)結(jié)束后，因?yàn)楦髀范蔚缆翻h(huán)境等實(shí)際情況不同，為了保證信息處理模塊發(fā)出的命令足夠準(zhǔn)確，前期通過(guò)采集相關(guān)道路環(huán)境信息數(shù)據(jù)并對(duì)其計(jì)算處理制定的系統(tǒng)閾值等在整個(gè)自動(dòng)化處置系統(tǒng)構(gòu)建完成以后仍需要進(jìn)行一系列測(cè)試。此時(shí)在每次測(cè)試結(jié)束后，效果評(píng)價(jià)模塊均會(huì)對(duì)其處置后的消霧效果進(jìn)行評(píng)價(jià)來(lái)保證命令的準(zhǔn)確性。第二，在自動(dòng)化處置系統(tǒng)投入正常使用階段后，為了保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)良性與連續(xù)性，效果評(píng)價(jià)模塊會(huì)按照設(shè)定周期定期對(duì)系統(tǒng)的消霧效果進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，若一段時(shí)間后因氣象環(huán)境發(fā)生變化或信號(hào)傳輸故障等其他原因不能保證消霧作業(yè)后達(dá)到正常行駛的能見(jiàn)度要求，此時(shí)后臺(tái)技術(shù)人員便可優(yōu)先接收信息進(jìn)行調(diào)控，在排除軟件系統(tǒng)問(wèn)題后再安排相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查維護(hù)。效果評(píng)價(jià)模塊既可以對(duì)除霧效果進(jìn)行判別，也可以對(duì)系統(tǒng)修正提供依據(jù)，是整個(gè)自動(dòng)化處置系統(tǒng)長(zhǎng)久運(yùn)行的保障。

2.2 基于兩點(diǎn)能見(jiàn)度的團(tuán)霧自動(dòng)化處置判別模型

公安部出臺(tái)的《關(guān)于加強(qiáng)低能見(jiàn)度氣象條件下高速公路交通管理的通告》將霧天能見(jiàn)度分為4個(gè)等級(jí)，具體如表1所示。

表1 高速公路霧區(qū)能見(jiàn)度指標(biāo)分級(jí)表

在我國(guó)，高速公路霧天管理需要由公安交通管理部門(mén)和高速公路管理部門(mén)協(xié)調(diào)配合，而且4 級(jí)的分級(jí)方式符合國(guó)際交通管理的經(jīng)驗(yàn)，具有相當(dāng)?shù)暮侠硇?。依?jù)公安部霧天能見(jiàn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，建立基于兩點(diǎn)能見(jiàn)度的霧天自動(dòng)化處置判別模型。高速公路實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)反饋，霧天發(fā)生時(shí)，能見(jiàn)度的瞬時(shí)變化極大，單一的能見(jiàn)度監(jiān)控系統(tǒng)或人工肉眼觀測(cè)很難得到準(zhǔn)確的變化結(jié)果，容易對(duì)自動(dòng)化處置系統(tǒng)提供錯(cuò)誤信息導(dǎo)致發(fā)出錯(cuò)誤指令。在構(gòu)建判別模型時(shí)，為了精確地把握能見(jiàn)度變化信息，提高模型判別的精準(zhǔn)度，考慮系統(tǒng)多點(diǎn)布設(shè)的聯(lián)動(dòng)性[4-6]，即對(duì)當(dāng)前觀測(cè)點(diǎn)和下一觀測(cè)點(diǎn)所采集的能見(jiàn)度信息進(jìn)行比較，選取兩個(gè)能見(jiàn)度信息中較小的值作為模型參數(shù)。這樣可以最大限度地保證駕駛員駕駛的安全性與消霧效果的完整性，具體的公式和定義如下。

假設(shè)一段高速公路團(tuán)霧易發(fā)路段全長(zhǎng)為M，其中該路段共布設(shè)N套能見(jiàn)度監(jiān)控裝置和X套噴灑裝置。噴灑裝置分別布設(shè)在路側(cè)和中央分隔帶位置（見(jiàn)圖2）。其中路側(cè)噴灑裝置僅能單向噴灑，而中央分隔帶噴灑裝置可雙向噴灑。每?jī)商啄芤?jiàn)度監(jiān)控裝置之間布設(shè)j套噴灑裝置，N（i）代表該路段第i個(gè)能見(jiàn)度監(jiān)控裝置監(jiān)測(cè)得到的數(shù)值，XL（j）代表能見(jiàn)度儀i-(i+1)監(jiān)測(cè)路段中布設(shè)在路側(cè)的噴灑裝置，XC（j）代表能見(jiàn)度儀i-(i+1)監(jiān)測(cè)路段中布設(shè)在中央分隔帶的噴灑裝置。根據(jù)高速公路霧區(qū)能見(jiàn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采取不同的處置方式，公式如下：

圖2 噴灑裝置位置示意圖

該模型以兩噴灑點(diǎn)間能見(jiàn)度為依據(jù)，主要有兩個(gè)作用：一是為信息處理模塊提供命令選擇，控制處置系統(tǒng)的啟閉；二是效果評(píng)價(jià)模塊根據(jù)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)對(duì)自動(dòng)化處置系統(tǒng)的除霧效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，保證系統(tǒng)正常工作。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究和交通管理部門(mén)統(tǒng)計(jì)的事故實(shí)例都揭示了團(tuán)霧對(duì)高速公路安全駕駛所帶來(lái)的嚴(yán)重危害，無(wú)論是從人身傷亡還是經(jīng)濟(jì)損失方面考慮，都論證了對(duì)其進(jìn)行干預(yù)和處置的必要性。通過(guò)對(duì)團(tuán)霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警與干預(yù)處置，可有效提高高速公路的通行效率，減少事故發(fā)生帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害。該文通過(guò)研究分析團(tuán)霧對(duì)交通安全產(chǎn)生的影響及其造成的嚴(yán)重事故后果，結(jié)合道路環(huán)境信息監(jiān)測(cè)工具和信息處理手段，構(gòu)建了高速公路團(tuán)霧自動(dòng)化處置系統(tǒng)并得出以下結(jié)論：（1）克服了國(guó)外包括限速預(yù)警、智能公路計(jì)劃等相關(guān)研究成果因布設(shè)成本高昂或不適合直接在國(guó)內(nèi)照搬套用的現(xiàn)狀，提出團(tuán)霧自動(dòng)化處置相關(guān)措施；（2）提出一整套集成化的自動(dòng)化處置系統(tǒng)架構(gòu)，包括信息處理、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和效果評(píng)價(jià)這3個(gè)模塊，信息處理模塊利用路況傳感器、能見(jiàn)度傳感器和氣象站等對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模塊利用地對(duì)空噴灑方式將除霧劑噴灑至霧區(qū)進(jìn)行消霧工作，效果評(píng)價(jià)模塊依靠基于兩點(diǎn)能見(jiàn)度的團(tuán)霧自動(dòng)化處置判別模型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)督保證處置效果；（3）利用布設(shè)在路側(cè)和中央分隔帶的噴灑裝置可對(duì)高速公路團(tuán)霧易發(fā)路段進(jìn)行消霧處置，同時(shí)基于兩點(diǎn)能見(jiàn)度的霧天自動(dòng)化處置判斷模型可以作為高速公路團(tuán)霧處置效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和處置命令啟閉的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，該文所提出的高速公路團(tuán)霧自動(dòng)化處置系統(tǒng)不僅能夠降低團(tuán)霧對(duì)道路交通安全造成的不良影響，提高高速公路通行效率和安全性，降低因團(tuán)霧天氣封閉高速公路所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，還可以為當(dāng)下國(guó)內(nèi)高速公路團(tuán)霧天氣的處置提供相應(yīng)參考依據(jù)，為交通管理部門(mén)提供借鑒意義，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)高速公路未來(lái)事業(yè)的發(fā)展。