利用物联网技术提升不良气象条件下高速公路安全管理智能化水平的研究

一、引言

我国高速公路的迅速发展，在带来显著的社会经济效益的同时，也带来了大量的交通事故，给人民群众的财产和生命安全造成严重伤害，其中不良气象条件是导致高速公路交通事故的一个重要原因。

二、气象条件对高速公路交通安全的影响

（一）我国高速公路交通安全现状

2011年，我国公路里程为410.64万公里（见表1），当年发生交通事故总数为21.08万起，伤亡29.98万人，平均每百公里发生交通事故5起，伤亡7.3人；其中高速公路8.49万公里，当年发生交通事故0.96万起，伤亡共计1.95万人，平均每百公里发生交通事故11.3起，伤亡23人。可见高速公路交通事故发生率和人员伤亡率均远远高于普通公路（见图1）。截止2016年，我国高速公路总里程突破13万公里，位居世界第一，汽车保有量达到1.37亿辆，位居世界第二，如此高的高速公路里程和汽车拥有量，对我国高速公路交通安全管理提出了更加严峻的考验。

表1 2005-2011年我国公路及高速公路里程及交通事故数据统计表

图1 我国公路与高速公路百公里事故数与伤亡数对比分析图

（二）气象条件与交通事故的关系

高速公路交通安全问题是多种矛盾叠加、若干因素累积形成的，不仅与交通安全设施、车流车速等因素密切相关，与驾驶人违法驾驶、不良驾驶等因素也有关，但毋庸置疑，不良气象条件是高速公路交通事故最直接的罪魁祸首之一。不良气象条件主要包括雾霾、团雾、大风、下雨、下雪、道路结冰、高温等。据不完全统计，我国道路交通事故中约40%发生在恶劣天气中，约70%的重特大交通事故和65%的直接经济损失发生在恶劣的气候环境中，并且在不良气象条件下，事故发生概率要比平常高出10%以上。其中，浓雾霾、道路结冰、暴雨、暴雪等导致能见度降低和地面附着力下降的恶劣天气条件危害尤为严重（见表2）。

表2 1998年济青高速不同天气条件下交通事故分布统计

（三）不良气象条件对交通安全的影响

1、雨雪天气

尤其是较大的雨雪天气，能见度差，路面被雨雪覆盖，影响驾驶员对道路状况的正确判断，同时，道路湿滑，车轮与路面间的摩擦系数小，车子附着力变小，容易发生侧滑、甩尾现象。

2、大风天气

大风天气会减小车辆附着力，叠加上无规律气流给车辆施加额外的动力或阻力，使驾驶员难以把控，影响行车稳定性。尤其是侧切风，或行经高速公路的风口地带，可能驾驶员还未来不及反应，车辆瞬间就被气流吹得偏离了正常路线，极易引发交通事故。

3、沙尘暴天气

沙尘暴天气中，大风夹杂沙尘，空气浑浊不清，能见度低，附着力低，影响行驶的稳定性。

4、雾霾天气

雾霾天气里，能见度差，影响驾驶人员对前方情况的判断，较易发生追尾事故。特别是短时间内出现的团雾危害更大，正常高速行驶的车辆突然受到团雾干扰，驾驶员心理准备不足，前方的车辆采取了紧急制动措施，而后方的车辆还在高速行驶，更容易引发车辆连环相撞。

5、结冰天气

路面结冰，轮胎与路面的摩擦力减小，车辆附着力减小，影响车辆稳定和制动，易发生追尾、侧滑、翻车等事故。

除了上述不良天气对车辆行驶造成的客观影响外，天气因素对驾驶人心理也有不同程度的影响。一般来讲，晴天时人们心情也会好些，行车也会安全些，而不良天气会使人心情烦躁，易冲动，协调性和理性降低，容易做出高速行驶、危险驾驶等冒险行为，也在一定程度上提升了事故发生概率。

三、物联网技术在高速公路交通管理方面的优势分析

在不良天气条件下，为了保障交通安全，应当及时采取有效而必要的交通管控措施，这主要依赖于以下两点，一是要及时掌握天气状况和路况信息，以便提前预警；二是在恶劣气象条件发生时，要及时将管控措施部署到位，如发布警示信息、开启雾天导向标识、变更道路限速甚至临时封闭高速公路等。

我国高速公路实行全封闭管理，各地公路交通、气象部门围绕公路交通气象服务需求，以雾、雨、雪、低温冰冻、沙尘暴等影响公路交通安全的灾害性天气监测为重点，建设了专门的交通气象观测站网，气象监测设施逐渐完善，公路测速、监控、导向、提示等现代化交通管控手段也实现了全覆盖，基本可以满足对气象及路况信息的监测需求，关键的问题是要将采集到的信息及时传输到指挥中心系统，并实现这些终端的关联互动，将管控措施及时部署到位。在这里，物联网技术将大显身手。

物联网技术通过采用适当的信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物体或过程的信息，包括位置、状态及用户所关心的各种参数信息，并通过无线或有线传输系统组成一个庞大的信息交换智能网络，以实现人、物或过程的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。我们可以利用这种技术，对现有的气象监测设备和交通管控设备进行智能化改造，实现网络互联，通过指挥中心系统对采集的信息进行分析处理，按既定预案，向交通管控设备发布指令，变更标识及指示，实现交通管控策略的即时部署，提高不良天气条件下高速公安交通智能化管理水平。

当前，物联网应用已经涉及到国民经济和社会生活的方方面面，利用物联网技术实施交通智能化管理具有如下优势：

高效性：物联网可以将监测数据及时地传输到指挥中心系统，通过后台高速运算，指挥中心可以迅速发出反馈指令，控制交通管理前端设备迅即做出相应反应，确保管控措施及时落实。

互动性：前端设备通过物联网实现受控联动，交通指挥中心可以根据实际天气情况对前端设备进行人为或自动控制。

灵活性：交管系统前端的各种标识牌、指示牌、导向标等均可根据情况灵活调整展现内容，也可以根据情况调整高速公路限速数据，并与测速抓拍系统实现联动。

智能化：整个系统利用物联网和大数据技术，实现全智能化。

四、物联网智能交通管理方案设计

物联网智能交通管理，应当根据各地历年气象数据和交通事故统计数据，分析不同路段气象灾害发生的特点，有针对性地采取差异化设计，达到高效、节约、实用目的。

（一）系统组成

1、监测系统：这部分的主要功能是通过部署或改造既有气象监测站，实现对大气温度、湿度、风速、风向、雨量以及路面状况、能见度等的实时监控，采集相关信息并进行数字化处理。

2、传输系统：以无线网络、有线网络等为依托，构建交通管理通信传输网络，实时传输监测信息和反馈控制信息。

3、决策系统：指挥决策系统是智能化交通管理系统的核心 ，它将采集到的大量监测信息，利用大数据、云计算技术进行高速分析研判，结合预案或人工干预，制定交通管控策略，并通过传输网络将控制信号推送到交管前端设备，实现交通信号、警示标识、导向标志、测速抓拍等设备联动，达成交通管控目标。

4、指引系统：通过设立智能化交通标识物或对现有交通标识物进行智能化改造，使其可以接收调度系统发布的指令并按指令执行特定操作，动态更变展示内容，为车辆驾驶人提供有益指引。

5、展示系统：主要用于在指挥中心以图形方式展现交通和气象情况，实时查看交通状况，了解管控措施的到位情况和管控效果。

（二）子系统设计

1、监测系统：根据高速公路不同路段恶劣天气的类型、出现的频率和危害的程度，有针对性地设计具有差异化的交通气象站，包括常规监测站和不同气象条件的专门监测站。常规监测站主要实现对气压、湿度、温度、风向、风速、降水等常规气象条件进行监测，而专门监测站则针对路段特点，对团雾、能见度、结冰、积水等路况进行专门监测。实际实施中，应根据各种监测站的自身特点和公路气象特征，在公路沿线科学设计监测站点，组成高速公路气象监测网，实现对高速公路气象条件和路面状况的实时、准确监测。主要监测数据与技术指标见表3。

图2 不良气象条件下高速公路物联网智能交通管理方案简图

2、传输系统：根据高速公路沿线网络的实际情况，选择合适的有线或者无线3G、4G通信方式，实现气象信息采集、预报、预警及控制，在具备有线网络的前提下，建议优先采用有线传输，包括专用网络或互联网络，以确保传输质量和效率（见图3）。

3、决策系统：该系统是一套基于GIS和云计算而建立的智能软件平台，它以监测系统采集的信息为基础，以气象部门发布的大数据为依托，通过智能分析研判，为交管部门提供全面的灾害信息预警、趋势预报及丰富的交通管控策略，并将管控策略通过传输系统及时发布到指引系统的可控终端，以实现不良天气条件下高速公路气象的全面监测和交通安全的动态管理，降低高速公路的事故率，提高高速公路的利用效率和经济效益。条件允许的地方，建议将本调度系统与有关路桥公司、交通管理部门、气象部门、交通广播电台等部门进行联网和信息共享（见图4）。

表3 监测要素与技术指标

图3 通信传输系统示意图

图4 指挥决策系统主要功能

4、指引系统：针对不同气象条件，接受指挥决策系统的指令，通过智能可变情报板发出相应的预报预警信息，同时变更限速标志和限速抓拍值，实现智能化动态管理，在车辆进入灾害路段之前将恶劣天气灾害信息发布给过往车辆，以便司乘人员做好预案，防控事故发生。本系统主要由可变信息情报板、可变限速标志、雾引导指示系统、高音号角、警示灯、广播系统、短信系统等组成（见图5）。

图5 指引系统示意图

5、展示系统：该系统将决策系统分析处理后的气象数据、能见度数据、路面状况数据、设备状态数据和预报预警信息等通过通过GIS地图系统直观地显示出来，支持移动端、PC端及大屏幕端多端同时展示（见图6）。

（三）不同气象条件下的交通安全管理策略

雾霾：团雾预报比较困难，可启动可变情报板、智能雾引导防撞系统、高音号角、警示灯等进行预警，并根据能见度等级动态变更可变限速标志及违章抓拍。

图6 GIS展示系统示意图

能见度<50m：关闭高速入口；

能见度50～100m：限速40Km/h；

能见度100～200m：限速60Km/h；

能见度200～500m：限速80Km/h；

能见度>500m：正常行驶。

结冰：可启动可变情报板、高音号角、警示灯等进行预警，也可根据结冰程度动态变更可变限速标志及违章抓拍。

大风：可提前进行预报，并通过广播系统或短信发布预警信息，也可启动可变情报板、高音号角、警示灯等进行预警。

雨：可提前进行预报，并通过广播系统或短信发布预警信息，也可启动可变情报板、高音号角、警示灯等进行预警。

雪：可提前进行预报，并通过广播系统或短信发布预警信息，也可启动可变情报板、高音号角、警示灯等进行预警。

五、结语

我国幅原辽阔，气象条件随着地域、季节变化千差万别，影响高速公路交通安全的不良气象条件时有发生，利用物联网技术，将气象监测、交通管控联结成有机整体，在云计算、大数据等高性能运算的支持下，实现高速通行的智能化实时管理，对于提升我国高速公路交通安全、促进经济社会发展，具有非常重要的现实意义。本文所述的主要技术理念在凯迈（洛阳）环测有限公司高速公路恶劣天气监测预报预警及道路安全管理系统中得到了实现。

[1]交通运输部：2017年全国交通运输工作会议消息

[2]交通运输部：关于进一步加强公路交通气象服务工作的通知

[3]敖曼、翟润平：气象条件对道路交通的影响分析