高速公路团雾自动化处置系统架构设计研究

张震宇 朱宝林

(1.新疆农业大学交通与物流工程学院 新疆乌鲁木齐 830052; 2.交通运输部科学研究院 北京 100029; 3.交科院公路工程科技(北京)有限公司 北京 100029)

随着社会经济的不断发展，我国基础设施建设步伐的不断加快，道路通车里程逐年增加。交通强国[1]战略的实施将高速公路的地位继续向上提高了一个层级，同时也相应地提出了更高的要求。根据国家数据网的统计信息，2020 年我国高速公路通车里程已达16.1万km。但是研究表明，高速公路发生交通事故数量随着高速公路的建设与发展也在不断增多，交通安全形势并不乐观，道路交通事故数量逐年上升。其中因雨雪雾和道路凝冰等气象因素导致的道路交通事故更是占据重要比例。据统计，在交通管理部门受理的交通事故案件中，因恶劣气象因素导致的近30%，仅2019 年因自然灾害造成公路阻断事件21 443 起，累计阻断里程110多万km，持续时间达33多万h[2]。

团雾是高速公路交通事故中一种重要的气象影响因素。团雾又称坨坨雾，是由于夜间地面辐射冷却，靠近地面层的空气降温变冷而形成的雾。其本质也是雾，但是团雾发生时要比一般地雾气更浓、能见度更低，且团雾具有局地性、突发性和内外能见度差异大等特点[3]，比普通雾天对交通造成的影响更大。

通过总结国内外相关研究成果和管控措施可知，国外现有应对手段具有依靠先进的仪器设备、预警与管控相结合和自动化程度高等特点，在技术上为驾驶员提供了相对安全的驾驶环境。我国相关专家学者也对我国大量气象数据进行整理构建了数据库为预警系统的建立奠定基础。但是，国外已投入使用的预警系统构建需投入大量的资金，而且单独的预警系统只能起到警示作用，团雾依旧存在且仍会带来风险。结合我国高速公路的线性建设特点和发展中国家实际国情分析，我国并不适合直接套用国外诱导管控相关研究成果。对此，相关工作者可以学习国外先进技术理念与管控经验，包括气象采集设备与方法、限速标准的确定等，针对国内高速公路建设实际情况与沿线气候条件研发一整套团雾自动化处置方案，以减少团雾带来的危害。

2.1 总体架构

自动化处置系统总体架构分为信息处理、现场作业和效果评价3个模块，如图1所示。

图1 自动化处置系统总体架构

2.1.1 信息处理模块

信息处理模块属于自动化处置系统的前端，是自动化处置系统各项命令的发出者，同时受制于效果评价模块，会根据效果评价模块的周期性评价结果来定期优化以确保命令的正确性与及时性。信息处理模块包含外部信息采集传输、内部数据存储和计算3 项功能。其中，外部信息采集主要依靠布设在路侧的高灵敏度能见度仪、路况信息传感器、气象站等各种信息采集设备收集高速公路团雾易发路段的大气能见度、温湿度和风力风速等相关气象数据信息，通过信号传输系统将信息传送至内部数据存储计算中心。经过系统计算后的结果会与系统预先设定的处置阈值进行对比，判断是否需要发出作业命令与应该采用何种处置方案。在系统构建前期需要对团雾高发路段实际道路环境信息进行信息采集，然后对采集到的数据进行分析编制系统阈值提前设定在信息处理中心用于后期工作过程中的命令选择与判定。自动化处置系统的命令选择主要依据基于两点能见度的雾天自动化处置判别模型进行判断。

2.1.2 现场作业模块

现场作业模块属于自动化处置系统的终端，是布设在高速公路路段的选定位置进行现场作业的部分，承担接收命令与实施命令进行消雾处置的功能。在硬件设施方面主要包括控制机柜、除雾剂储液罐及地对空喷洒装置等。控制机柜主要承担两个作用：一是作为自动化处置系统的硬件载体，集成各硬件相关功能；
二是控制机柜布设手动操作台，作为自动化处置系统的备选来应对不时之需。由我国高速公路建设特点可以得出，高速公路团雾易发路段一般处在山区或临河临湖等空气湿度较大的偏远区域，此时若网络信号传输效果不好或者传输链路某个环节出现故障，喷洒系统便可由自动化处置转为操作人员根据现场实际情况手动开启或关闭喷洒功能来保障正常作业，既可以防止启动过程故障导致的无法正常完成消雾作业，也可以保证关闭过程故障造成的除雾剂无效过量喷洒带来的经济损失。此外，若现场作业模块在接收到信息处理中心传输的停止作业信号停止处置后，若短时间内团雾重新聚集影响正常驾驶而自动化处置系统还未发生反应时，现场操作人员可以实时进行手动操作来保障消雾效果以最大程度地保证驾驶安全。

除雾剂储液罐的形状、容量、材质等配置可根据项目现场的具体情况具体设计，以便现场安装，保证作业正常进行。但应遵循防锈防腐蚀、经济性和稳定性的选材设计原则。

地对空喷洒装置布设一般设定为两个位置，一个是路侧，另一个是中央分隔带。路侧喷洒装置仅可向行车道方向单向喷洒，而中央分隔带位置可向两边双向喷洒。其他布设要求需要依据现场团雾发生天数与对能见度的影响实测数据进行调整，包括喷洒头的布设间距、喷洒高度、设置数量以及与储液罐的连接方式等。

2.1.3 效果评价模块

效果评价模块贯穿于自动化处置系统的全部过程，主要负责对测试阶段消雾作业后的实际驾驶环境进行评价和对投入使用后的系统运行状况进行周期性有效监督，并将结果反馈给后台技术人员以便于对信息处理模块的命令进行优化。该模块的评价监督功能主要分为两部分，具体叙述如下。

第一，在前期相关施工作业结束后，因为各路段道路环境等实际情况不同，为了保证信息处理模块发出的命令足够准确，前期通过采集相关道路环境信息数据并对其计算处理制定的系统阈值等在整个自动化处置系统构建完成以后仍需要进行一系列测试。此时在每次测试结束后，效果评价模块均会对其处置后的消雾效果进行评价来保证命令的准确性。第二，在自动化处置系统投入正常使用阶段后，为了保证整个系统运行的优良性与连续性，效果评价模块会按照设定周期定期对系统的消雾效果进行评价反馈，若一段时间后因气象环境发生变化或信号传输故障等其他原因不能保证消雾作业后达到正常行驶的能见度要求，此时后台技术人员便可优先接收信息进行调控，在排除软件系统问题后再安排相关技术人员进行现场检查维护。效果评价模块既可以对除雾效果进行判别，也可以对系统修正提供依据，是整个自动化处置系统长久运行的保障。

2.2 基于两点能见度的团雾自动化处置判别模型

公安部出台的《关于加强低能见度气象条件下高速公路交通管理的通告》将雾天能见度分为4个等级，具体如表1所示。

表1 高速公路雾区能见度指标分级表

在我国，高速公路雾天管理需要由公安交通管理部门和高速公路管理部门协调配合，而且4 级的分级方式符合国际交通管理的经验，具有相当的合理性。依据公安部雾天能见度分级标准，建立基于两点能见度的雾天自动化处置判别模型。高速公路实际运营管理经验反馈，雾天发生时，能见度的瞬时变化极大，单一的能见度监控系统或人工肉眼观测很难得到准确的变化结果，容易对自动化处置系统提供错误信息导致发出错误指令。在构建判别模型时，为了精确地把握能见度变化信息，提高模型判别的精准度，考虑系统多点布设的联动性[4-6]，即对当前观测点和下一观测点所采集的能见度信息进行比较，选取两个能见度信息中较小的值作为模型参数。这样可以最大限度地保证驾驶员驾驶的安全性与消雾效果的完整性，具体的公式和定义如下。

假设一段高速公路团雾易发路段全长为M，其中该路段共布设N套能见度监控装置和X套喷洒装置。喷洒装置分别布设在路侧和中央分隔带位置（见图2）。其中路侧喷洒装置仅能单向喷洒，而中央分隔带喷洒装置可双向喷洒。每两套能见度监控装置之间布设j套喷洒装置，N（i）代表该路段第i个能见度监控装置监测得到的数值，XL（j）代表能见度仪i-(i+1)监测路段中布设在路侧的喷洒装置，XC（j）代表能见度仪i-(i+1)监测路段中布设在中央分隔带的喷洒装置。根据高速公路雾区能见度分级标准采取不同的处置方式，公式如下：

图2 喷洒装置位置示意图

该模型以两喷洒点间能见度为依据，主要有两个作用：一是为信息处理模块提供命令选择，控制处置系统的启闭；
二是效果评价模块根据能见度数据对自动化处置系统的除雾效果进行评价，保证系统正常工作。

国内外学者相关研究和交通管理部门统计的事故实例都揭示了团雾对高速公路安全驾驶所带来的严重危害，无论是从人身伤亡还是经济损失方面考虑，都论证了对其进行干预和处置的必要性。通过对团雾进行监测预警与干预处置，可有效提高高速公路的通行效率，减少事故发生带来的财产损失和人身伤害。该文通过研究分析团雾对交通安全产生的影响及其造成的严重事故后果，结合道路环境信息监测工具和信息处理手段，构建了高速公路团雾自动化处置系统并得出以下结论：（1）克服了国外包括限速预警、智能公路计划等相关研究成果因布设成本高昂或不适合直接在国内照搬套用的现状，提出团雾自动化处置相关措施；
（2）提出一整套集成化的自动化处置系统架构，包括信息处理、现场作业和效果评价这3个模块，信息处理模块利用路况传感器、能见度传感器和气象站等对环境信息进行检测，现场作业模块利用地对空喷洒方式将除雾剂喷洒至雾区进行消雾工作，效果评价模块依靠基于两点能见度的团雾自动化处置判别模型对整个系统的运行状况进行监督保证处置效果；
（3）利用布设在路侧和中央分隔带的喷洒装置可对高速公路团雾易发路段进行消雾处置，同时基于两点能见度的雾天自动化处置判断模型可以作为高速公路团雾处置效果的评价标准和处置命令启闭的判断标准。

综上所述，该文所提出的高速公路团雾自动化处置系统不仅能够降低团雾对道路交通安全造成的不良影响，提高高速公路通行效率和安全性，降低因团雾天气封闭高速公路所带来的经济损失，还可以为当下国内高速公路团雾天气的处置提供相应参考依据，为交通管理部门提供借鉴意义，进而推动我国高速公路未来事业的发展。

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