惡劣天氣下高速公路安全運營評估系統

馬 超，林娟娟，鄧潔儀，姚澤宇

（南京理工大學，自動化學院，南京210094）

0 引 言

隨著經濟的發展，我國高速公路建設呈現出了跨越式的進步，如圖1 所示，高速公路總里程數逐年遞增。截至2018 年12 月28 日，中國高速公路總里程已達14 萬km，位居全球第一。目前，高速公路已經占據了中國通行道路的主要地位，成為人們日常出行必不可少的交通道路，據統計我國客運與貨運中借助其來進行運轉流通的占總運量的七成以上。作為交通主動脈，高速公路對人們日常生活和出行的影響力越來越大。但在高速公路迅猛發展的過程中，高速公路運營中出現的安全問題也變得越來越突出。在發生的各類高速公路事故的誘因中，惡劣的自然天氣狀況占比很重，已經成為不容忽視的重要危害因素之一。據有關數據表明，這幾年公安交通管理等各部門所受理的各種道路安全事故案例中，因為惡劣的自然天氣狀況而引發的案例約占年總數的30%，惡劣的自然天氣條件已經是名副其實的交通殺手。而且，由于高速公路交通系統的封閉性，車輛在高速公路上行駛時都處于車速較快的狀態，因此在惡劣天氣條件的影響下，交通事故的性質一般都是重大、特大惡性交通事故，并且非常容易產生大規模交通堵塞，導致救援困難。惡劣的自然天氣條件已經成為高速公路上安全運營的重大隱患，惡劣天氣狀況在一定程度上增加了高速公路上交通運輸的危險性，引發了大量的惡性交通事故，造成了十分嚴重的傷亡和財產損失，也對社會造成了巨大的負面影響。因而如何保障惡劣天氣條件下的交通安全已經成為一個全球的公共安全問題，具有很大的研究價值。

圖1 2011—2018 年高速公路總里程數據

國外大多數發達國家，如美國、日本、德國等都基本完成了對本國高速公路整體網絡的建設，高速公路的各種基礎設施也相對完備。通過設置安裝在高速公路沿線上的不同類型傳感器、高架攝像機等，對高速公路的路網交通狀況進行監控，一旦發現惡劣天氣預兆，就直接通過高速公路自動監控系統和專門的高速公路廣播電臺，將惡劣天氣信息及時提供給管理人員和駕駛者，以提醒其采取相應措施[1]。如美國聯邦公路管理局運輸處設立的道路天氣管理計劃，特別是道路氣象信息發布系統（Road Weather Information System，簡稱RWIS）[2]就遵循這一原理；瑞典的類似氣象監測系統除了野外觀測站外，還有一顆監測衛星和一個雷達觀測站；日本針對高速公路控制的措施除了能見度監測及速度、交通量控制以外，還采取了“慢車警告”的控制措施[3]。除各種先進的監測設備外，國外對于高速公路惡劣天氣與交通安全的研究也比較早，有大量的相關文獻。如Jung 等人通過對惡劣天氣條件、能見度、前后車輛間距等多種車輛安全駕駛影響因素的分析，構建了能夠預測雨天交通事故嚴重程度的多元回歸模型[4]。Horst 等研究了駕駛員霧天駕駛時的行為，研究表明在車輛進入較低能見度區域前5s 內駕駛員應啟動防撞措施[5]等。

我國對高速公路安全運營問題的研究主要針對高速公路的養護與預警管理，而且有許多借鑒國外先進技術與模型的應用系統。如張馳等針對霧天高速公路安全運營提出了結合駕駛員行為特征的新評價指標[6]。上海交通大學黃冰娥通過研究惡劣天氣，完成了對行車風險等級的劃分，并分析了惡劣天氣對高速公路行車的影響，從車輛運行車速的控制、氣象信息的發布和交通組織等方面提出了具體的預警管理方法[7]。2012年江西省氣象局在省委及省政協督查組的督查下加快完善了高速公路氣象監測預警系統[8]。周步偉等人提出一種低能見度天氣下高速公路行車安全系統，以降低高速公路上由團霧引發的連環追尾事故發生率[9]。曲曉黎等人針對惡劣天氣對高速公路通行的影響進行分析，建立了高速公路大霧預警模型，并提出災害性天氣下交通氣象服務對策[10]。李萌基于雨天對高速公路安全運營的影響，提出了雨天條件下高速公路安全評估與預警方法，并提出了雨天高速公路速度預測方法[11]。劉英奇針對惡劣天氣下的遼寧省高速公路提出了速度協調控制方法及排隊預警控制方法[12]。尚鵬對惡劣天氣下高速公路風險因素進行辨識，構建了管理系統并設計車輛分類管控、限速管理等策略[13]。趙亮等研究了在不同天氣類型下駕駛人生理反應與行車安全之間的關系[14]。張暉通過分析高速公路事故產生原因的分析，提出了不同天氣條件下車輛限速方案[15]。羅小東通過分析惡劣天氣對高速公路安全及運行的影響和惡劣天氣下路徑誘導技術，建立了改進用戶均衡模型的路徑誘導技術[16]。

目前我國的交通運輸部也建立了交通氣象會商制度，而且每日對高速公路和國省道干線公路的交通氣象進行預警和預報，并通過電視媒體和網站向公眾發布交通氣象信息。同時，在道路設施設置，如通訊設施、監控設施、氣象站、各類檢測儀器等方面，國家投入了大量的資金進行完善建設，采用了各種國際先進的技術。但相較于在高速公路方面發展程度較高的發達國家，我國對于公路氣象條件的重視程度和工作能力還遠遠不夠，特別在科學研究和微觀對策方面還有很大的不足，對惡劣天氣下高速公路安全運營問題仍需要不斷地研究。

1 惡劣天氣的等級劃分

惡劣天氣通過影響道路環境狀況與駕駛人行為，進而對行車安全產生嚴重的負面影響。因此，根據不同的標準，如能見度的范圍、路面附著系數的大小等，結合氣象部門與公安部門對于不同類型的惡劣天氣的分級，對不同的惡劣天氣進行等級劃分。

（1）霧天等級劃分。霧天天氣條件對交通運營安全的影響主要體現在周圍環境的能見度范圍方面，雖然霧天條件下會使得路面的附著系數有所下降，但不同的霧天等級，附著系數的變化并不明顯，因此霧天的天氣等級應該以能見度范圍作為指標進行劃分。霧天等級劃分如表1 所示。

表1 霧天等級劃分

（2）冰雪天氣等級劃分。冰雪天氣尤其是降雪天氣，由于降雪量的不同，對周圍環境能見度造成的影響也是不同的。除此之外，由于車外溫度較低，而車內溫度相對較高，因此會在車輛的玻璃上形成薄霧或霜，阻礙駕駛員的視線，對能見度也會造成一定的影響。因此，對于冰雪天氣等級的劃分應該按照其降雪量，將冰雪天氣劃分為五個等級，如表2 所示。

表2 降雪等級劃分

（3）降雨天氣等級劃分。降雨天氣下，雨水會對道路的能見度和路面的附著力產生影響。降雨強度的不同，對周圍環境能見度以及路面附著力的影響也不同，因此降雨天氣等級通常用降雨量作為指標來劃分。對于降雨天氣的等級劃分如表3 所示。

表3 降雨等級劃分

2 惡劣天氣下高速公路安全運營評估體系

高速公路與普通城市道路相比，是一個封閉度相對較高的交通場所，其上運行的車輛較多且高速，因此受到惡劣自然氣象的影響十分嚴重。惡劣天氣對高速公路事故率產生影響的原因：一方面駕駛員會受惡劣天氣影響產生緊張急躁等負面情緒，反應能力也隨之下降，對駕駛行為造成影響；另一方面惡劣天氣會對高速公路的行車環境造成不利于行車的負面影響，如能見度降低、路面附著系數減小等，這些影響都可能會導致交通事故的發生。因此，在構建惡劣天氣下高速公路安全運營評估體系時應先對可能影響到高速公路車輛行車安全的因素進行系統的分析，選出其中幾種主要因素進行具體的分析、量化，最后以其為指標進行高速公路運營安全等級的劃分。

2.1 評估因素的選定

車輛在高速公路上行駛是否處于安全狀態，通常是由駕駛人、車輛狀態以及行車環境三者之間互相影響、互相作用所決定的。不同型號的車輛性能各不相同，車輛因素存在著不可預測性，因此主要從駕駛人與行車環境兩大方面來進行安全評估因素的選取。

研究惡劣天氣條件下高速公路的運營安全，首要確定的因素就是惡劣天氣的類型以及天氣的等級。根據不同的天氣類型與等級，可以確定能夠直接影響行車安全的具體因素，如能見度、路面附著系數、摩擦力等道路因素等。而駕駛人對行車安全的影響則來源于駕駛人自身的身體狀態與駕駛技術以及在惡劣天氣狀況下產生的負面情緒，如急躁、緊張、焦慮等。由于駕駛人自身的身體情況如是否疲勞駕駛、酒后駕駛以及帶病駕駛等不屬于惡劣天氣因素的影響范圍，故只討論惡劣天氣對駕駛人情緒等的負面影響。造成這種負面情緒的原因是多樣的，因此對駕駛員因素的分析采用定性分析，并進行負面因素疊加處理的方法。除此之外，車輛的運行速度也會直接影響到車輛的安全與否，故而也屬于評估因素。因此安全評估因素的選取結果如圖1 所示，評估因素集C={能見度C1、路面狀況C2、駕駛人因素C3、行車速度C4}。

圖2 安全評估因素

2.2 評估因素的等級劃分

根據惡劣天氣條件對高速公路運營安全的負面影響，選定了五個評價等級來對能見度、路面狀況（附著系數等相關因素）、駕駛員因素與運行車速度等安全因素進行安全等級的劃分。評價等級分別為1 級（V1）、2 級（V2）、3 級（V3）、4 級（V4）、5 級（V5）。

設評估因素的安全等級集合為V ={V1, V2, V3,V4,V5}= ｛5， 4， 3， 2， 1｝ （數字代表各等級安全程度的量化值）。運用此集合所確定的等級對上述所選定的四種指標：能見度、路面狀況、駕駛員因素和運行車速來進行等級的劃分。其中能見度、路面狀況以及駕駛員因素的劃分以不同的天氣等級為標準進行劃分。

（1）能見度的等級劃分。參考國內外已有成型的分級體系，同時考慮到我國交通安全管理條例的相關規定，在不考慮其他因素的情況下，能見度指標對應的交通安全等級劃分的臨界值分別為50m、100m、200m、500m。對能見度的等級劃分采用不同天氣類型的天氣等級進行評定，結果如表4 所示。

表4 能見度的評價等級劃分

（2）路面狀況等級劃分。道路的路面狀況主要取決于路面的附著系數與路面摩擦力，根據對不同天氣條件下路面附著系數的研究，可以得到如表5 所示的路面狀況等級劃分評定結果。

（3）駕駛人因素等級劃分。駕駛人因素主要指的是駕駛人在惡劣天氣條件下心理壓力的增大和生理反應能力的降低。主要表現為在惡劣天氣條件下行車，駕駛人的心理壓力增大，易產生緊張、焦慮等負面情緒，并且更易感到疲勞，導致反應能力有所下降。但這些反應也因人而異，無法以確切的數據進行評定，因此對駕駛人因素等級的劃分采用天氣等級進行模糊評定，評定結果如表6 所示。

表5 路面狀況的評價等級劃分

表6 駕駛人因素等級劃分

（4）行車速度等級劃分。大量事實證明，車輛在高速公路上的運行速度大小與一旦出現事故后危害的大小有著密不可分的關系，速度一旦超過限制值后，速度越快，發生安全事故后的危險性就越高。歐洲交通安全委員會指出，車速對有嚴重傷亡的事故影響較大，并得出平均車速每增加1km/h，有人員傷亡的事故數將增加5%～6%的結論。根據美國嚴重事故研究所（NCSS）的數據，交通事故的死亡率與速度梯度的4 次方成正比[17]。因此，在研究速度安全問題時，基于安全性的約束條件，這里以5km/h 的差值作為參考值。

對運行車速進行等級劃分時，應以不同天氣類型下基于不同能見度、路面附著系數和坡度的安全限制速度標準為基準，以5km/h 為等級劃分指標進行運行車速等級的劃分，如表7 所示。不同天氣類型基于不同能見度、路面附著系數和坡度的安全限制速度標準則根據計算求得。

表7 運行速度的評價等級劃分

3 惡劣天氣下高速公路的安全限制速度界定

車輛在高速公路上行駛時行車速度都相對較快，因此一旦發生事故，造成的危害也將更加嚴重。而惡劣的天氣條件將會導致道路狀況和周邊環境因素惡化，進而影響駕駛人的心理與生理反應，更會加大事故的危險程度。故而，在高速公路上采取惡劣天氣限速是很有必要的。

3.1 惡劣天氣下安全行車速度的界定模型

為保障行車安全，避免事故發生，行駛于后方的車輛必須保證在前車出現意外突然停止的情況下也有足夠的制動距離停車，避免與前車發生碰撞。惡劣天氣下保障運行安全的條件如圖3所示。

根據對圖3 惡劣天氣下安全行車條件的分析，可得惡劣天氣下安全行車的條件函數如下式所示：

式中： Lzf為后車駕駛人自身制動反應所需時間內車輛向前移動的距離，m；zL 為后車制動過程中向前移動的距離，m；nL 為路段的能見度，m；為前車駕駛人制動反應和車輛完成制動全過程中向前移動的距離，m。

圖3 惡劣天氣條件下安全行車條件

（1） Lzf的界定函數。駕駛人在發現前方車輛開始剎車之前，有一定的反應時間。在這段時間里，車輛仍以原來的運行速度向前行駛。這段時間內車輛向前移動的距離可按下式計算：

式中：Hv 為后方車輛行駛速度，km/h；1t 為后車駕駛人制動反應所需時間，s，駕駛人制動反應所需時間最不利條件下是2s。取最不利情況，即t1=2s ，則：

（2）zL 的界定函數。后車駕駛人在制動過程中車輛向前移動的距離以處于下坡路段且無空氣阻力的情況計算：

式中：f 為路面附著系數；i 為道路縱坡。

（3） Lzf的界定函數。前車向前移動的距離按下式計算：

式中：Qv 為前方車輛行駛速度，km/h； t2為后車制動時間，s，可按下式計算，即：

式中：g 為重力加速度，通常取值為g = 9.8m/s2。將 t1=2s 及式（6）帶入式（5），可得：

在計算惡劣天氣下高速公路車輛運行限制速度時，應以最不利外在情況作為計算的依據，這時 Lq=0 ，將式（3）與式（4）帶入式（1）中，經化簡可得：

（4）車輛最高限制速度的界定函數。惡劣天氣下高速公路安全運營最高車速限制的界定函數如下式所示：

3.2 惡劣天氣下安全行車速度的限制標準

以惡劣天氣下安全行車速度的界定模型為基礎，分別對霧天、雨天與雪天三種惡劣天氣下的安全行車速度的限制標準進行求解計算，得到三種惡劣天氣下車速限制標準建議。

（1）霧天車速限制標準。根據車輛運行速度界定函數式（9）計算霧天對應不同能見度范圍及坡度的最大安全運行速度（取霧天路面附著系數 f=0.4），并結合文中所劃分的霧天天氣等級，取整整合后，可得到不同等級的霧天條件下高速公路安全運營的車速限制標準，如表8 所示。

表8 高速公路霧天車速限制標準建議

（2）雨天車速限制標準。根據車輛運行速度界定函數式（9）來計算雨天對應不同能見度范圍及坡度的最大安全運行速度，其中，取雨天路面附著系數f =0.35。結合文中所劃分的降雨天氣等級，并取整整合后，可得到不同等級的雨天天氣條件下滿足高速公路安全運營的車輛運行速度限制標準，如表9 所示。

表9 高速公路雨天車速限制標準建議

（3）冰雪天車速限制標準。根據車輛運行速度界定函數式（9）來計算冰雪天氣條件下對應不同能見度范圍及坡度的最大安全運行速度。其中，路面附著系數的選取綜合考慮后分為三種情況：松軟積雪時f=0.20；壓實積雪時f = 0.15；結冰積雪時f = 0.10。并結合上文中所劃分的冰雪天氣的等級，進行取整、相互整合，最終可得到不同等級的冰雪天氣條件下滿足高速公路安全運營的車輛運行速度限制標準，如表10 所示。

表10 高速公路冰雪天氣車速限制標準建議

4 惡劣天氣下高速公路安全運營評估模型

在建立了高速公路安全運營評估體系，并對安全評估因素進行等級劃分的基礎上，運用AHP層次分析法計算各安全評估因素的指標權重。在不考慮交通流量、交通事故等因素的條件下，利用模糊綜合評估法建立惡劣天氣下高速公路安全運營評估模型。通過該模型可計算得到在惡劣天氣條件下高速公路運營的安全等級，具體過程如下：

步驟一 評估因素指標值向量確定。根據圖2 中的惡劣天氣下高速公路安全運營的評估因素（能見度C1、路面狀況C2、駕駛人因素C3、行車速度C4），以惡劣天氣的等級V 為各評估因素的模糊評估標準，確定評估因素指標值向量B。

當第i 個評估因素屬于第j 級惡劣天氣等級時，令rij= 1，組成評估矩陣R=( rij)n ×n，則評估因素指標向量計算如下：

步驟二 評價因素權值的界定。利用層次分析法AHP 確定各個評估因素的權重值iω 。參照1～9 位標度對各評估因素的重要程度進行賦值，組成判斷矩陣進行權重系數計算，如表11 所示。

表11 評估因素iC 的判斷矩陣及各因素權重

一致性檢驗 λmax=4.264，CI = 0.088，CR =0.090 78

步驟三 安全等級的綜合評定。根據已求得的評估因素指標值向量B 和評估因素權重向量W，可得惡劣天氣下高速公路安全運營的安全等級評判值：

式中：U 為惡劣天氣下高速公路安全運營的安全值，U 值越大，則安全性越高。

步驟四 安全等級耦合。本文將安全等級劃分為五級，分別為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，詳見表12。

表12 安全等級劃分標準

根據式（11），計算出惡劣天氣下高速公路安全運營的安全值U，并根據表11 中的五級區間進行耦合匹配，確認評價對象的安全等級。

5 惡劣天氣下高速公路安全運營動態評估系統

以惡劣天氣下高速公路安全運營評估模型為基礎，利用Microsoft Visual Basic 軟件構建一個簡單的惡劣天氣條件下高速公路安全運營評估系統。該系統以天氣類型以及天氣等級等相關氣象因素、道路坡度等道路基本信息以及車輛的運行速度為評估依據，得出惡劣天氣下高速公路安全運營的安全等級，并根據安全等級向使用者提出行車建議。

（1）風險識別機理。利用高速公路已有的氣象監控采集設備所采集的氣象數據界定天氣類型與等級；根據GPS 定位系統與高速公路沿線道路基本信息確定道路坡度等道路條件因素；在車輛上安裝速度采集器獲得車輛的速度信息。將這些動態采集到的惡劣天氣下高速公路安全運營相關安全評估信息輸入到安全評估系統中，以進行安全等級的評估。惡劣天氣下高速公路安全運營動態評估系統的工作原理，如圖4 所示。

圖4 動態評估系統的工作原理

（2）安全評估過程。根據上述風險識別機理與安全運營評估模型，通過Microsoft Visual Basic 軟件建立惡劣天氣下高速公路安全運營評估系統。具體評估過程以某一冰雪天氣為例：根據氣象監控采集器所采集的氣象數據界定天氣類型為“冰雪天氣”，天氣等級為“大雪”，路面附著系數為壓實積雪 f = 0.15，根據 GPS定位系統與高速公路沿線道路基本信息確定道路坡度為 3%＜i≤4%，在車輛上安裝的速度采集器獲得車輛的速度信息為運行速度50 km/h，點擊“開始評估”按鈕開始進行高速公路安全運營評估。

（3）安全等級界定。評估系統的評估結果顯示有五種安全等級，分別為：Ⅰ級非常安全、Ⅱ級較為安全、Ⅲ級安全性一般、Ⅳ級較為危險、Ⅴ級非常危險。針對不同的安全等級與惡劣天氣條件，系統將給出當前條件下的安全限速與行車安全駕駛建議。上述冰雪天氣的安全值計算結果為U = 2.545 8，惡劣天氣下高速公路安全運營評估系統給出的評估結果為當前安全等級為Ⅳ級較為危險，當前最大安全限速為45 km/h。行車安全建議為當前已處于危險狀態，請立刻減速至安全限速以下，并時刻保持警惕。

6 結 論

本文在分類研究不同類型惡劣天氣條件對高速公路安全運營的危害與隱患的基礎上，確定安全評估因素，根據氣象部門與公安部門的規定對不同類型惡劣天氣進行分級，并計算得到不天氣類型與等級下的安全行車速度。在此基礎上構建惡劣天氣條件下高速公路安全運營的評估體系。并以此安全等級劃分為基礎，建立惡劣天氣條件下高速公路安全運營評估模型，使得在獲得天氣條件等相關信息時，可以快速評估出該條件下的安全等級，提出不同等級天氣條件下高速公路安全行車速度限制標準與安全行車的建議。