恶劣天气下高速公路安全运营评估系统

马 超，林娟娟，邓洁仪，姚泽宇

（南京理工大学，自动化学院，南京210094）

0 引 言

随着经济的发展，我国高速公路建设呈现出了跨越式的进步，如图1 所示，高速公路总里程数逐年递增。截至2018 年12 月28 日，中国高速公路总里程已达14 万km，位居全球第一。目前，高速公路已经占据了中国通行道路的主要地位，成为人们日常出行必不可少的交通道路，据统计我国客运与货运中借助其来进行运转流通的占总运量的七成以上。作为交通主动脉，高速公路对人们日常生活和出行的影响力越来越大。但在高速公路迅猛发展的过程中，高速公路运营中出现的安全问题也变得越来越突出。在发生的各类高速公路事故的诱因中，恶劣的自然天气状况占比很重，已经成为不容忽视的重要危害因素之一。据有关数据表明，这几年公安交通管理等各部门所受理的各种道路安全事故案例中，因为恶劣的自然天气状况而引发的案例约占年总数的30%，恶劣的自然天气条件已经是名副其实的交通杀手。而且，由于高速公路交通系统的封闭性，车辆在高速公路上行驶时都处于车速较快的状态，因此在恶劣天气条件的影响下，交通事故的性质一般都是重大、特大恶性交通事故，并且非常容易产生大规模交通堵塞，导致救援困难。恶劣的自然天气条件已经成为高速公路上安全运营的重大隐患，恶劣天气状况在一定程度上增加了高速公路上交通运输的危险性，引发了大量的恶性交通事故，造成了十分严重的伤亡和财产损失，也对社会造成了巨大的负面影响。因而如何保障恶劣天气条件下的交通安全已经成为一个全球的公共安全问题，具有很大的研究价值。

图1 2011—2018 年高速公路总里程数据

国外大多数发达国家，如美国、日本、德国等都基本完成了对本国高速公路整体网络的建设，高速公路的各种基础设施也相对完备。通过设置安装在高速公路沿线上的不同类型传感器、高架摄像机等，对高速公路的路网交通状况进行监控，一旦发现恶劣天气预兆，就直接通过高速公路自动监控系统和专门的高速公路广播电台，将恶劣天气信息及时提供给管理人员和驾驶者，以提醒其采取相应措施[1]。如美国联邦公路管理局运输处设立的道路天气管理计划，特别是道路气象信息发布系统（Road Weather Information System，简称RWIS）[2]就遵循这一原理；瑞典的类似气象监测系统除了野外观测站外，还有一颗监测卫星和一个雷达观测站；日本针对高速公路控制的措施除了能见度监测及速度、交通量控制以外，还采取了“慢车警告”的控制措施[3]。除各种先进的监测设备外，国外对于高速公路恶劣天气与交通安全的研究也比较早，有大量的相关文献。如Jung 等人通过对恶劣天气条件、能见度、前后车辆间距等多种车辆安全驾驶影响因素的分析，构建了能够预测雨天交通事故严重程度的多元回归模型[4]。Horst 等研究了驾驶员雾天驾驶时的行为，研究表明在车辆进入较低能见度区域前5s 内驾驶员应启动防撞措施[5]等。

我国对高速公路安全运营问题的研究主要针对高速公路的养护与预警管理，而且有许多借鉴国外先进技术与模型的应用系统。如张驰等针对雾天高速公路安全运营提出了结合驾驶员行为特征的新评价指标[6]。上海交通大学黄冰娥通过研究恶劣天气，完成了对行车风险等级的划分，并分析了恶劣天气对高速公路行车的影响，从车辆运行车速的控制、气象信息的发布和交通组织等方面提出了具体的预警管理方法[7]。2012年江西省气象局在省委及省政协督查组的督查下加快完善了高速公路气象监测预警系统[8]。周步伟等人提出一种低能见度天气下高速公路行车安全系统，以降低高速公路上由团雾引发的连环追尾事故发生率[9]。曲晓黎等人针对恶劣天气对高速公路通行的影响进行分析，建立了高速公路大雾预警模型，并提出灾害性天气下交通气象服务对策[10]。李萌基于雨天对高速公路安全运营的影响，提出了雨天条件下高速公路安全评估与预警方法，并提出了雨天高速公路速度预测方法[11]。刘英奇针对恶劣天气下的辽宁省高速公路提出了速度协调控制方法及排队预警控制方法[12]。尚鹏对恶劣天气下高速公路风险因素进行辨识，构建了管理系统并设计车辆分类管控、限速管理等策略[13]。赵亮等研究了在不同天气类型下驾驶人生理反应与行车安全之间的关系[14]。张晖通过分析高速公路事故产生原因的分析，提出了不同天气条件下车辆限速方案[15]。罗小东通过分析恶劣天气对高速公路安全及运行的影响和恶劣天气下路径诱导技术，建立了改进用户均衡模型的路径诱导技术[16]。

目前我国的交通运输部也建立了交通气象会商制度，而且每日对高速公路和国省道干线公路的交通气象进行预警和预报，并通过电视媒体和网站向公众发布交通气象信息。同时，在道路设施设置，如通讯设施、监控设施、气象站、各类检测仪器等方面，国家投入了大量的资金进行完善建设，采用了各种国际先进的技术。但相较于在高速公路方面发展程度较高的发达国家，我国对于公路气象条件的重视程度和工作能力还远远不够，特别在科学研究和微观对策方面还有很大的不足，对恶劣天气下高速公路安全运营问题仍需要不断地研究。

1 恶劣天气的等级划分

恶劣天气通过影响道路环境状况与驾驶人行为，进而对行车安全产生严重的负面影响。因此，根据不同的标准，如能见度的范围、路面附着系数的大小等，结合气象部门与公安部门对于不同类型的恶劣天气的分级，对不同的恶劣天气进行等级划分。

（1）雾天等级划分。雾天天气条件对交通运营安全的影响主要体现在周围环境的能见度范围方面，虽然雾天条件下会使得路面的附着系数有所下降，但不同的雾天等级，附着系数的变化并不明显，因此雾天的天气等级应该以能见度范围作为指标进行划分。雾天等级划分如表1 所示。

表1 雾天等级划分

（2）冰雪天气等级划分。冰雪天气尤其是降雪天气，由于降雪量的不同，对周围环境能见度造成的影响也是不同的。除此之外，由于车外温度较低，而车内温度相对较高，因此会在车辆的玻璃上形成薄雾或霜，阻碍驾驶员的视线，对能见度也会造成一定的影响。因此，对于冰雪天气等级的划分应该按照其降雪量，将冰雪天气划分为五个等级，如表2 所示。

表2 降雪等级划分

（3）降雨天气等级划分。降雨天气下，雨水会对道路的能见度和路面的附着力产生影响。降雨强度的不同，对周围环境能见度以及路面附着力的影响也不同，因此降雨天气等级通常用降雨量作为指标来划分。对于降雨天气的等级划分如表3 所示。

表3 降雨等级划分

2 恶劣天气下高速公路安全运营评估体系

高速公路与普通城市道路相比，是一个封闭度相对较高的交通场所，其上运行的车辆较多且高速，因此受到恶劣自然气象的影响十分严重。恶劣天气对高速公路事故率产生影响的原因：一方面驾驶员会受恶劣天气影响产生紧张急躁等负面情绪，反应能力也随之下降，对驾驶行为造成影响；另一方面恶劣天气会对高速公路的行车环境造成不利于行车的负面影响，如能见度降低、路面附着系数减小等，这些影响都可能会导致交通事故的发生。因此，在构建恶劣天气下高速公路安全运营评估体系时应先对可能影响到高速公路车辆行车安全的因素进行系统的分析，选出其中几种主要因素进行具体的分析、量化，最后以其为指标进行高速公路运营安全等级的划分。

2.1 评估因素的选定

车辆在高速公路上行驶是否处于安全状态，通常是由驾驶人、车辆状态以及行车环境三者之间互相影响、互相作用所决定的。不同型号的车辆性能各不相同，车辆因素存在着不可预测性，因此主要从驾驶人与行车环境两大方面来进行安全评估因素的选取。

研究恶劣天气条件下高速公路的运营安全，首要确定的因素就是恶劣天气的类型以及天气的等级。根据不同的天气类型与等级，可以确定能够直接影响行车安全的具体因素，如能见度、路面附着系数、摩擦力等道路因素等。而驾驶人对行车安全的影响则来源于驾驶人自身的身体状态与驾驶技术以及在恶劣天气状况下产生的负面情绪，如急躁、紧张、焦虑等。由于驾驶人自身的身体情况如是否疲劳驾驶、酒后驾驶以及带病驾驶等不属于恶劣天气因素的影响范围，故只讨论恶劣天气对驾驶人情绪等的负面影响。造成这种负面情绪的原因是多样的，因此对驾驶员因素的分析采用定性分析，并进行负面因素叠加处理的方法。除此之外，车辆的运行速度也会直接影响到车辆的安全与否，故而也属于评估因素。因此安全评估因素的选取结果如图1 所示，评估因素集C={能见度C1、路面状况C2、驾驶人因素C3、行车速度C4}。

图2 安全评估因素

2.2 评估因素的等级划分

根据恶劣天气条件对高速公路运营安全的负面影响，选定了五个评价等级来对能见度、路面状况（附着系数等相关因素）、驾驶员因素与运行车速度等安全因素进行安全等级的划分。评价等级分别为1 级（V1）、2 级（V2）、3 级（V3）、4 级（V4）、5 级（V5）。

设评估因素的安全等级集合为V ={V1, V2, V3,V4,V5}= ｛5， 4， 3， 2， 1｝ （数字代表各等级安全程度的量化值）。运用此集合所确定的等级对上述所选定的四种指标：能见度、路面状况、驾驶员因素和运行车速来进行等级的划分。其中能见度、路面状况以及驾驶员因素的划分以不同的天气等级为标准进行划分。

（1）能见度的等级划分。参考国内外已有成型的分级体系，同时考虑到我国交通安全管理条例的相关规定，在不考虑其他因素的情况下，能见度指标对应的交通安全等级划分的临界值分别为50m、100m、200m、500m。对能见度的等级划分采用不同天气类型的天气等级进行评定，结果如表4 所示。

表4 能见度的评价等级划分

（2）路面状况等级划分。道路的路面状况主要取决于路面的附着系数与路面摩擦力，根据对不同天气条件下路面附着系数的研究，可以得到如表5 所示的路面状况等级划分评定结果。

（3）驾驶人因素等级划分。驾驶人因素主要指的是驾驶人在恶劣天气条件下心理压力的增大和生理反应能力的降低。主要表现为在恶劣天气条件下行车，驾驶人的心理压力增大，易产生紧张、焦虑等负面情绪，并且更易感到疲劳，导致反应能力有所下降。但这些反应也因人而异，无法以确切的数据进行评定，因此对驾驶人因素等级的划分采用天气等级进行模糊评定，评定结果如表6 所示。

表5 路面状况的评价等级划分

表6 驾驶人因素等级划分

（4）行车速度等级划分。大量事实证明，车辆在高速公路上的运行速度大小与一旦出现事故后危害的大小有着密不可分的关系，速度一旦超过限制值后，速度越快，发生安全事故后的危险性就越高。欧洲交通安全委员会指出，车速对有严重伤亡的事故影响较大，并得出平均车速每增加1km/h，有人员伤亡的事故数将增加5%～6%的结论。根据美国严重事故研究所（NCSS）的数据，交通事故的死亡率与速度梯度的4 次方成正比[17]。因此，在研究速度安全问题时，基于安全性的约束条件，这里以5km/h 的差值作为参考值。

对运行车速进行等级划分时，应以不同天气类型下基于不同能见度、路面附着系数和坡度的安全限制速度标准为基准，以5km/h 为等级划分指标进行运行车速等级的划分，如表7 所示。不同天气类型基于不同能见度、路面附着系数和坡度的安全限制速度标准则根据计算求得。

表7 运行速度的评价等级划分

3 恶劣天气下高速公路的安全限制速度界定

车辆在高速公路上行驶时行车速度都相对较快，因此一旦发生事故，造成的危害也将更加严重。而恶劣的天气条件将会导致道路状况和周边环境因素恶化，进而影响驾驶人的心理与生理反应，更会加大事故的危险程度。故而，在高速公路上采取恶劣天气限速是很有必要的。

3.1 恶劣天气下安全行车速度的界定模型

为保障行车安全，避免事故发生，行驶于后方的车辆必须保证在前车出现意外突然停止的情况下也有足够的制动距离停车，避免与前车发生碰撞。恶劣天气下保障运行安全的条件如图3所示。

根据对图3 恶劣天气下安全行车条件的分析，可得恶劣天气下安全行车的条件函数如下式所示：

式中： Lzf为后车驾驶人自身制动反应所需时间内车辆向前移动的距离，m；zL 为后车制动过程中向前移动的距离，m；nL 为路段的能见度，m；为前车驾驶人制动反应和车辆完成制动全过程中向前移动的距离，m。

图3 恶劣天气条件下安全行车条件

（1） Lzf的界定函数。驾驶人在发现前方车辆开始刹车之前，有一定的反应时间。在这段时间里，车辆仍以原来的运行速度向前行驶。这段时间内车辆向前移动的距离可按下式计算：

式中：Hv 为后方车辆行驶速度，km/h；1t 为后车驾驶人制动反应所需时间，s，驾驶人制动反应所需时间最不利条件下是2s。取最不利情况，即t1=2s ，则：

（2）zL 的界定函数。后车驾驶人在制动过程中车辆向前移动的距离以处于下坡路段且无空气阻力的情况计算：

式中：f 为路面附着系数；i 为道路纵坡。

（3） Lzf的界定函数。前车向前移动的距离按下式计算：

式中：Qv 为前方车辆行驶速度，km/h； t2为后车制动时间，s，可按下式计算，即：

式中：g 为重力加速度，通常取值为g = 9.8m/s2。将 t1=2s 及式（6）带入式（5），可得：

在计算恶劣天气下高速公路车辆运行限制速度时，应以最不利外在情况作为计算的依据，这时 Lq=0 ，将式（3）与式（4）带入式（1）中，经化简可得：

（4）车辆最高限制速度的界定函数。恶劣天气下高速公路安全运营最高车速限制的界定函数如下式所示：

3.2 恶劣天气下安全行车速度的限制标准

以恶劣天气下安全行车速度的界定模型为基础，分别对雾天、雨天与雪天三种恶劣天气下的安全行车速度的限制标准进行求解计算，得到三种恶劣天气下车速限制标准建议。

（1）雾天车速限制标准。根据车辆运行速度界定函数式（9）计算雾天对应不同能见度范围及坡度的最大安全运行速度（取雾天路面附着系数 f=0.4），并结合文中所划分的雾天天气等级，取整整合后，可得到不同等级的雾天条件下高速公路安全运营的车速限制标准，如表8 所示。

表8 高速公路雾天车速限制标准建议

（2）雨天车速限制标准。根据车辆运行速度界定函数式（9）来计算雨天对应不同能见度范围及坡度的最大安全运行速度，其中，取雨天路面附着系数f =0.35。结合文中所划分的降雨天气等级，并取整整合后，可得到不同等级的雨天天气条件下满足高速公路安全运营的车辆运行速度限制标准，如表9 所示。

表9 高速公路雨天车速限制标准建议

（3）冰雪天车速限制标准。根据车辆运行速度界定函数式（9）来计算冰雪天气条件下对应不同能见度范围及坡度的最大安全运行速度。其中，路面附着系数的选取综合考虑后分为三种情况：松软积雪时f=0.20；压实积雪时f = 0.15；结冰积雪时f = 0.10。并结合上文中所划分的冰雪天气的等级，进行取整、相互整合，最终可得到不同等级的冰雪天气条件下满足高速公路安全运营的车辆运行速度限制标准，如表10 所示。

表10 高速公路冰雪天气车速限制标准建议

4 恶劣天气下高速公路安全运营评估模型

在建立了高速公路安全运营评估体系，并对安全评估因素进行等级划分的基础上，运用AHP层次分析法计算各安全评估因素的指标权重。在不考虑交通流量、交通事故等因素的条件下，利用模糊综合评估法建立恶劣天气下高速公路安全运营评估模型。通过该模型可计算得到在恶劣天气条件下高速公路运营的安全等级，具体过程如下：

步骤一 评估因素指标值向量确定。根据图2 中的恶劣天气下高速公路安全运营的评估因素（能见度C1、路面状况C2、驾驶人因素C3、行车速度C4），以恶劣天气的等级V 为各评估因素的模糊评估标准，确定评估因素指标值向量B。

当第i 个评估因素属于第j 级恶劣天气等级时，令rij= 1，组成评估矩阵R=( rij)n ×n，则评估因素指标向量计算如下：

步骤二 评价因素权值的界定。利用层次分析法AHP 确定各个评估因素的权重值iω 。参照1～9 位标度对各评估因素的重要程度进行赋值，组成判断矩阵进行权重系数计算，如表11 所示。

表11 评估因素iC 的判断矩阵及各因素权重

一致性检验 λmax=4.264，CI = 0.088，CR =0.090 78

步骤三 安全等级的综合评定。根据已求得的评估因素指标值向量B 和评估因素权重向量W，可得恶劣天气下高速公路安全运营的安全等级评判值：

式中：U 为恶劣天气下高速公路安全运营的安全值，U 值越大，则安全性越高。

步骤四 安全等级耦合。本文将安全等级划分为五级，分别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级，详见表12。

表12 安全等级划分标准

根据式（11），计算出恶劣天气下高速公路安全运营的安全值U，并根据表11 中的五级区间进行耦合匹配，确认评价对象的安全等级。

5 恶劣天气下高速公路安全运营动态评估系统

以恶劣天气下高速公路安全运营评估模型为基础，利用Microsoft Visual Basic 软件构建一个简单的恶劣天气条件下高速公路安全运营评估系统。该系统以天气类型以及天气等级等相关气象因素、道路坡度等道路基本信息以及车辆的运行速度为评估依据，得出恶劣天气下高速公路安全运营的安全等级，并根据安全等级向使用者提出行车建议。

（1）风险识别机理。利用高速公路已有的气象监控采集设备所采集的气象数据界定天气类型与等级；根据GPS 定位系统与高速公路沿线道路基本信息确定道路坡度等道路条件因素；在车辆上安装速度采集器获得车辆的速度信息。将这些动态采集到的恶劣天气下高速公路安全运营相关安全评估信息输入到安全评估系统中，以进行安全等级的评估。恶劣天气下高速公路安全运营动态评估系统的工作原理，如图4 所示。

图4 动态评估系统的工作原理

（2）安全评估过程。根据上述风险识别机理与安全运营评估模型，通过Microsoft Visual Basic 软件建立恶劣天气下高速公路安全运营评估系统。具体评估过程以某一冰雪天气为例：根据气象监控采集器所采集的气象数据界定天气类型为“冰雪天气”，天气等级为“大雪”，路面附着系数为压实积雪 f = 0.15，根据 GPS定位系统与高速公路沿线道路基本信息确定道路坡度为 3%＜i≤4%，在车辆上安装的速度采集器获得车辆的速度信息为运行速度50 km/h，点击“开始评估”按钮开始进行高速公路安全运营评估。

（3）安全等级界定。评估系统的评估结果显示有五种安全等级，分别为：Ⅰ级非常安全、Ⅱ级较为安全、Ⅲ级安全性一般、Ⅳ级较为危险、Ⅴ级非常危险。针对不同的安全等级与恶劣天气条件，系统将给出当前条件下的安全限速与行车安全驾驶建议。上述冰雪天气的安全值计算结果为U = 2.545 8，恶劣天气下高速公路安全运营评估系统给出的评估结果为当前安全等级为Ⅳ级较为危险，当前最大安全限速为45 km/h。行车安全建议为当前已处于危险状态，请立刻减速至安全限速以下，并时刻保持警惕。

6 结 论

本文在分类研究不同类型恶劣天气条件对高速公路安全运营的危害与隐患的基础上，确定安全评估因素，根据气象部门与公安部门的规定对不同类型恶劣天气进行分级，并计算得到不天气类型与等级下的安全行车速度。在此基础上构建恶劣天气条件下高速公路安全运营的评估体系。并以此安全等级划分为基础，建立恶劣天气条件下高速公路安全运营评估模型，使得在获得天气条件等相关信息时，可以快速评估出该条件下的安全等级，提出不同等级天气条件下高速公路安全行车速度限制标准与安全行车的建议。