高速公路恶劣天气低能见度与团雾数字监测预警方法创新实践研究——江苏东部高速AI视频流算法规模化应用调研报告

文 / 黄东

贯彻道路交通安全法“高速公路的特别规定”的紧迫性

恶劣天气低能见度视力和视野（视感）障碍是高速公路“第一杀手”，团雾更是高速公路“流动杀手”，极易造成恶性交通事故。国家《道路交通安全法实施条例》“高速公路的特别规定”（第四章第五节）：“遇有雾、雨、雪、沙尘、冰雹等低能见度气象条件”能见度低于200、100、50米阈值时实行道路三级管制，并要求“高速公路管理部门应当通过显示屏等方式发布速度限制、保持车距等提示信息”。江苏《恶劣天气条件下高速公路交通管制工作规范》要求：遇有恶劣天气能见度低于200、100、50和30米阈值时实行道路四级管制。显然，必须全天候实时精准监测全程道路能见度，并获得广大交警和司机视感道路交通场景能见度的共识响应，才能有效支持恶劣天气道路低能见度数字化分级管制决策和交通安全驾路协同管理。

但是，从目前高速公路管理单位贯彻落实这一特别规定情况看，因缺乏道路交通低能见度实时监测的数据支持，普遍存在有法难依的困境。在高速公路沿线布设的大量能见度仪，又普遍处于“建而不用”的尬尴局面。据调查，不少道路规划设计、营运和交通安全管理人员不熟悉甚至不知《道路交通安全法实施条例》的“高速公路的特别规定”，导致新建道路的交通工程设计或老路的技术升级改造方案与法规的特别要求严重脱节。据全国道路交通事故统计，在道路交通低能见度(＜200m)环境下发生交通事故死亡人数占道路交通事故死亡人数近60%（如2015年为58.61%、2016年为59.43%等）。在我国实施交通强国战略推进新基建加快智慧公路和数字公路大发展背景下，应优先应对道路低能见度造成广大驾驶人员视感障碍的重大交通安全隐患问题，将预防恶劣天气道路交通事故放到以人民为中心的高度，列入各地道路交通规划建设的当务之急工程！

能见度仪“建而不用”的原因

（一）道路交通能见度特性显著区别于一般能见度

能见度指正常视力的人，白天在当时天气条件下能够将确定目标物从天空等背景中辨认出来（看清轮廓）的最远水平距离；夜间在一定强度灯光照射下能够看清目标物轮廓的最远水平距离。能见度取决于人视力、目标物、天空或光照背景和大气成分等四个方面因素，是人在静止或行走状态观测能见度目标物的视感参量。道路交通能见度，指正常视力的驾驶人，在光照（日照、路灯、车灯或补光等）背景和道路通行环境下，能看清楚道路前方车道分界标线或车辆(小汽车)轮廓的最远距离，是驾驶人在高速运行状态选择影响交通安全关键能见度目标物的视感参量。

道路交通能见度是特定驾驶人群辨识道路视感共识，即共同遵守“各行其道”交通基本规则选择一致的道路能见度目标物。在相同光线和大气背景下，看清道路前方车道标线或小汽车（轮廓），与看清猫鼠小动物、大货车、飞机或地平线（轮廓）等目标，能见度估测结果差别大。

驾驶人运行状态与人静止或低速行走状态，视感有明显差异。高速状态动视感，视力显著下降，同时视野显著收窄。从发现道路前方障碍物、做出判断到操作动作，一般正常反应时间约2.5-3秒。车速由60km/h增至120km/h时，避障反应距离增加约40-50米，考虑制动减速、直行惯性和弯道离心力的“车速平方”关系，避障距离再增加，交通安全风险更大。

好车好路有利于汽车高速行驶，但“高速”也会突显驾驶人“远处看不清，近处来不及”效应，导致视感能力和应急处置把控车速避障能力下降；如再遇恶劣天气低能见度，犹如雪上加霜，置道路处于交通高风险境地。道路交通安全预警，必须满足预警驾驶人避险的最短安全时间和空间（提前量）阈值要求，才能第一时间和适时提醒驾驶状态人员应变把控安全车速。气象预报允许有一定的误报率，但道路低能见度短临预警不允许。高速状态过早过迟的预警，都不利于驾驶人场景视感体验和协同响应而失去安全预警有效性。随着人工智能和新一代信息技术在交通领域的广泛应用，人们对恶劣天气道路交通气象短临时空数据监测及伴随式驾路协同预警服务的要求将会越来越高。

（二）能见度仪不适宜高速公路低能见度检测

道路交通安全法“高速公路的特别规定”对恶劣天气高速公路低能见度监测预警提出了实时精准、数字分级（200/100/50米以下）和伴随式数据服务要求，即应对道路低能见度数据变化及时提醒驾驶人相应调整不同的安全车速。由于地理地形环境差异及气候变化，沿道路小尺寸气象复杂多变，雾分布呈现非均匀性，尤其团雾具有短时间局部路段突发性的特点，因此道路交通低能见度短临时空数据监测预警显著区别于短临气象预报概念。传统人工静态视感估测和能见度仪方法，不能满足道路交通安全法规精准、短临时空监测预警特别要求和车路协同伴随式数字化信息服务发展需求。

首先，看精不精准。能见度仪是通过测量固定光源透射水平空气柱短小容积的消光系数或散射系数，换算得出光学特性的能见度。空气能见度仪并没有一个统一的行业标准，也存在设备数据检测的性能误差。2021年2月1日中国气象局发布《上海：国内首家能见度计量检测实验室获CNAS认可》：“通过（长20宽3.5和高3米）舱内超声波造雾人工模拟云雾环境，为能见度仪校准提供标准测试环境。以前的能见度仪并没有统一的行业标准，不同设备的观测数据通常存在误差。国内外的能见度仪器检测大多放在户外，能见度500米以下的天气更是可遇不可求。受刮风、下雨、灰尘等诸多不可控因素影响，检验的效率也会变低。在检测精度方面，实验室对1.5公里以下的能见度校准相对误差控制在10%以内，1.5公里到10公里的能见度校准相对误差在20%以内。”显然，模拟云雾空气环境，远离了人们现实日常生活工作视感环境，并不是基于人视力、目标物、光照背景和空气成分等四个基本要素而仅是对理想人造空气成分的检测，其校准的系数换算低能见度的误差可想而知。生产行业需求不同，界定背景环境亮度对比值减小到目标物不能见时的视感阈值也不同，如国际民航组织(ICAO)和世界气象组织(WMO)推荐的取值不同致使观测能见度相差一倍以上，是能见度仪检测道路低能见度结果与交警和司机场景体验视感误差大“建而不用”的主因之一。高速公路安全营运管理部门普遍反映，现有交通气象预报系统给不了能实时发布到道路情报板上或推送给交警执法参考的200米以下的低能见度数据，交警不得不上路巡查估测。由于道路点多线长路远，巡查警力相对不足，导致无法有效满足法规要求，要么管制不及时影响交通安全，要么早早封路和迟迟不解封管制影响道路通行效率，甚至部分司乘人员认为过早封路或过迟解封不合理，引发与收费站管理人员的矛盾冲突。

第二，看能不能测。即使单纯检测空气成分，能见度仪也不适用对恶劣天气道路交通低能见度的检测。恶劣天气包括雾、霾、烟幕、沙暴、扬尘、浮尘、吹雪、降雪和降雨等，微粒成分复杂。受东西南北自然环境差异尤其道路排放和扬尘等混杂空气环境影响，道路沿线布设的能见度仪几乎没有一台会遇到完全相同的空气环境；世界上也没有哪家制造商能生产出一台用于道路沿线同时检测雾、霾、雨、雪、沙尘、烟、冰雹等各种复杂空气成分下低能见度的设备。

第三，看可不可行。浓雾和小尺寸团雾具有近地面非均匀分布特征，即使能见度仪性能符合道路低能见度精度标准，也需高密度覆盖道路布设。国家气象局《全国高速公路交通气象观测站网布局方案》为解决现有高速公路沿线监测能力不足和短临实时道路交通安全监测预警数据缺乏急需问题，要求在季节性和浓雾多发的山区和水网地区加密间距10km布设监测点。有的省市采取能见度单要素交通气象站加密间距至3-5 km的措施，不仅建设成本增大，野外环境设备故障率高，上路维修不便且不安全，后续运维成本高，关键还要弄清楚究竟多大布设密度才能实时精准监测非均匀分布雾情（见图1）和小尺寸团雾。

第四，看够不够密。团雾监测预报是世界性难题。公路沿线地理环境多样，小尺寸团雾气象形成因素机理复杂，往往来无影去无踪，有时会在数分钟内突然发生，极易引发重大以上恶性事故。道路沿线安装能见度仪，实质是在路侧“两点一线”短小尺寸范围空气成分的相对数据检测，而囿于低能见度气象非均匀分布特征，传统能见度气象检测手段无法实现连续路段的短临实时精准监测。根据江苏东部高速公路低能见度AI视频流分析监测发现，道路团雾有两种情形：一种是大范围起雾，在由大雾发展到浓雾过程中出现局部路段小尺寸强浓度雾团，也称雾中雾；另一种是由路两侧起雾，迅速蔓延到路面，出现局部路段小尺寸强浓雾团。根据四川雅西高速公路某路段AI视频流分析监测发现，山区和水网地区等局部道路气象环境更为复杂，小尺寸气象事件频繁，起伏山区甚至出现数公里范围同时出现浓雾和雨雪天气。因此，合理布设道路交通气象监测点位至关重要。目前各地气象部门新出台的能见度检测点位加密方案，均达不到这个要求。参考2021年11月25日江苏东部高速G15连云港段K795+730位发生的突发团雾事件全过程动态数据（代表性截图）：道路交通能见度从200米（以上）下降至40余米，仅3分钟左右时间；能见度低于30米状态持续约13分钟；消散过程约5分钟。

（1）06:48:42，出现局部路段薄雾但能见度在400米以上（见图2）。

（2）6:54:42，路侧西边池塘形成团雾并向公路上漂移，局部路段团雾范围约50-100米（见图3）。

（3）07:06:49，团雾突然迅速向公路蔓延，路段范围约400-500米（见图4）。

（4）07:09-07:14（约3分钟），团雾造成能见度迅速下降至40余米，覆盖公路1000米左右，达到《道路交通法实施条例》规定的恶劣天气低能见度低于50米的高速公路通行特级管制阈值（见图5）。

（5）07:24:42，团雾消散，能见度回升至300米以上（见图6）。

AI视频流分析计算道路低能见度与团雾

国内外交通行业及气象部门，长期针对恶劣天气道路低能见度和团雾监测进行了大量技术研究，但一直未有效破解。

（一）决定性破题

2019年5月，国内首次大规模覆盖450余公里、着力支持《道路交通安全法》“高速公路的特别规定”实现数字化分级交通安全管制的“恶劣天气低能见度与团雾数字监测预警系统”，在江苏东部高速公路全天候上线运行。经历近三年的重复季节气候、昼夜和多种恶劣天气环境考验和算法优化，获得决定性科技成果。

充分利用现有高速公路监控系统及ETC门架摄像机，基于驾驶人道路场景视感共识，提出道路交通能见度新概念及车道标线、防护栏或小汽车轮廓等能见度目标物新视角，运用AI视频流分析技术，结合路侧感知、边缘计算和云网物联等新一代信息技术，把握道路短临时空数据需求特征，实现雾、霾、雨、雪、沙尘、烟等恶劣天气低能见度与团雾及变化态势实时精准的道路短临时空数据监测预警。

2019年11月9日，两位中国工程院院士领衔，由交通安全管理、气象预报、信息工程和AI视频分析多部门高级专家参加评审，专家组一致认为：“系统将气象能见度概念与高速公路特定应用场景结合，创造性地运用现有视频监控设施和人工智能、大数据等技术，为高速公路上实时能见度播报和团雾监测提供了好用、管用、性价比高的解决方案，达到了国际先进水平，填补了国内外空白。”系统获2020年中国（小谷围）“互联网+交通运输”创新创业大赛之智慧公路主题赛一等奖、首届“华设杯”智能交通创新技术应用大赛一等奖。

算法结构上主要AI单点计算单元和AI路段分析单元两部分。AI单点计算单元接入道路视频监控信号并实时计算监控视频画面的道路能见度，单点计算单元每分钟1-2次的频率，计算结果汇聚到AI路段分析单元；以交警大队连续管辖路段为一个基本AI路段分析单元推送计算结果；值班交警（大队）值班室平台或手机确认后实行本级管理权限内（或上报）管制预警和解除措施。恶劣天气道路低能见度监测摄像机布设间距1000-2000m，水网和山区等团雾多发路段布设间距加密至500-1000m。根据道路通行环境安全管理需要设置系统循环计算周期，进行全天候道路视频监控点位的视频流分析，实时、连续、精准计算道路低能见度（0-500米区间）下降或回升态势；适应不同时期建设的道路监控系统无补光、无红外夜视标清等老旧摄像机的正常计算。

以下是在江苏东部高速公路K1005门架摄像机于2019年7月4日4点36分、5点34分和6点17分监测数据分析计算道路低能见度，分别是46、86和139米记录（见图8-10）。

（二）“四化”功能

系统主要以监测、计算和统计道路气象数据为基础，结合通行条件、路面状况和交通流状态等时空数据综合分析，实时计算恶劣天气低能见度与局地团雾分布、形成过程和发展态势，向（人工和智能机器）驾驶人和交通、公安、路政及其他高速公路运营管理部门推送发布数字化分级管制恶劣天气低能见度与突发团雾短临实时预警和适时预报态势信息，及时提出优化交通安全管制策略建议。

一是道路巡查智能化。在恶劣天气条件下可代替交警上路巡查和人工频繁调看视频观测路况，第一时间发现团雾以及雨雪、浓烟等导致的公路交通低能见度（不足200/100/50米）事件，按照相关法规提供恶劣天气分级管制实施建议和量化决策依据。

二是事故预防精准化。第一时间向处于高风险路段的车辆驾驶人，通过情报板、交通广播、路侧诱导警示灯和手机移动端等多种途径发出精准定位预警信息，告知前方道路低能见度值并提示团雾等小尺寸突发交通气象事件，有效预防交通事故，避免二次事故发生。

三是通行效率最大化。通过量化精准分级管制和适时解除管制有效缩短封路时间，动态提醒司机调控行驶安全车速，实现恶劣天气低能见度条件下安全畅通和经济效益最大化。

四是路网应用规模化。本创新技术系统项目具有较强经济实用性、高性价比和便于实施和后续运维的示范推广性，尤其可充分利用已建公路视频监控数据资源实现迅速覆盖路网规模化应用目标。

另外，系统数据处理中心可对道路交通数据融合共享和历史数据挖掘分析，通过“模型+概率”算法得出局地低能见度气象及突发团雾易发路段规律，提出工程性防范措施建议，如合理加密视频监控点位、布设路侧智能诱导灯和智能定向声音警示装置等。

2020年和2021年系统智能监测江苏东部高速公路发生的全部197和203起雾霾、降雨、降雪等恶劣天气道路低能见度事件，其中153和190起强浓雾和特强浓雾（含46和23起局部路段小尺寸团雾）事件，实时预警率均为100%。

（三）效益报告

江苏东部高速公路管理公司《关于“团雾与能见度智能预警系统”效益分析的报告》：该数字交通智能科技项目为交通安全管理依法发布恶劣天气低能见度安全预警信息和交警巡查智能化创造了条件，取得了预防恶劣天气低能见度交通事故的社会效益和精准管制缩短封路时间增加的道路运营效益。报告通过分析测算，江苏高速公路全程上线该系统，不仅提升区域高速公路网通行效率，方便道路出行，每年还可增收数亿元。

最后指出，道路交通AI视频流分析技术应用注意以下问题：一是监控摄像机安装位置不宜过高，镜头视角道路方向必须靠近摄像机位置覆盖路面0-200米，路面能见度目标物到摄像机水平距离不小于30米（至少50米），否则不能支持高速公路低能见度数字化分级管制法规的有效落实；二是去除夜晚道路逆光强干扰；三是老旧摄像机视频数据质量较差；四是老旧道路摄像机点位密度不足或无补光、无复位功能等影响全天候全程覆盖连续计算；五是人工驾驶和（辅助）自动驾驶在雾霾烟幕沙暴扬尘浮尘吹雪降雪和降雨等复杂环境下，道路低能见度与安全车速的对应关系及伴随式数字预警；六是恶劣天气低能见度与汽车前挡风玻璃模糊、雨刮器干扰视线及路面雨雪冰湿滑等多影响因素叠加条件下优解安全车速预警值等。

结语：道路交通低能见度数字监测预警，是贯彻落实《道路交通安全法实施条例》“高速公路的特别规定”亟待解决问题；应对恶劣天气低能见度与团雾主动预防恶性交通事故，是智慧高速驾路协同实现伴随式安全信息服务面临的首道技术瓶颈。能见度仪，难以有效支持恶劣天气高速公路低能见度（0-200米）数字化分级管制的法规落实，不能满足新基建时代人们对高速公路出行越来越高的实时和适时（双时）预警信息需求，且外场运维成本高，导致普遍“建而不用”和较大资金浪费。道路交通低能见度，从驾驶人动视感和高速道路交通安全角度形成路面能见度目标物共识。充分利用现有道路监控系统和ETC门架视频监测数据资源，应用AI视频流分析视觉仿生技术，实现各种恶劣天气低能见度环境下高速公路短临时空数据的全程数字化动态监测预警，有效破解团雾监测的世界性难题。技术难点在于，一是合理确定视频监控（摄像机）点位密度和安装姿态参数；二是在夜间无光照、逆灯光强干扰、摄像机无补光、（老旧摄像机）视频数据不稳定和各种复杂天气条件下，进行视频流分析计算模型的持续优化工作。