全天候智慧公路应急保障解决方案

赛文交通网 智能交通 智慧高速 准全天候通行

编者按：8月23日，在赛文交通网主办的“2023年高速公路准全天候通行系统建设实践”线上研讨会上，交科院公路工程科技（北京）有限公司副总经理谷云辉作了《高速公路准全天候通行技术研究与应用》主题报告。

该报告分析了影响公路交通安全的主要气象因素和国内外公路交通气象服务的研究和应用情况，提出了全天候智慧公路应急保障体系框架，并重点介绍了公路交通气象预警平台、路面凝冰预警及自动化处置系统、团雾诱导系统、团雾处置系统、路段级管控及决策支撑系统的技术方案和应用情况。

01、背景及需求

改革开放以来，我国公路建设飞速发展，取得了巨大的成绩，截止2022年底，公路总里程达到535万公里，高速公路总里程17.7万公里，稳居世界第一。随着我国经济的发展，公路建设飞速发展的同时，对交通也提出了更高的要求。

2019年印发的《交通强国建设纲要》明确到2035年基本建成交通强国，提出“人民满意”是交通强国建设的根本宗旨，强调要以人民为中心的发展思想建设人民满意的交通。

2022年印发的《公路十四五发展规划》提出到2035年，基本建成安全、便捷、高效、绿色经济的现代化公路交通运输体系，以提升整个运行安全水平为重点，增强公路交通安全和应急保障能力。

目前我国交通安全水平和发达国家相比还有一定的差距。来看两组数据，左图是2016年世界各国万车死亡率对比，可以看到中国道路交通死亡人数6.3万，美国仅为3.5万，高居世界第二位。

下图是2014-2019年中国车祸死亡人数及万车死亡人数，2019年中国车祸死亡人数为5.2万人，万车死亡人数1.8人。死亡率是发达国家的4到8倍。虽然我国公路发展水平在不断提升，但是患者死亡率一直居高不下，这距离我国交通强国“零死亡”的目标还有一定差距，我国遏制道路交通事故高发、降低交通事故伤害仍然任重道远。

现代公路交通运输的有序运转在很大程度上受气象因素的影响和制约，尤其是暴雨、暴雪、公路结冰、团雾等不利气象条件对路面交通运输的影响更为显著。气象条件变化所造成的问题，已成为当今威胁公路安全运营的最大非人为因素，是公众出行的重大安全隐患。开展公路交通气象服务是确保公众便捷出行，保障人民出行生命财产安全的重要手段。

2008年我国出现五十年一遇的雨雪冰冻灾害，以及2016年1月下旬爆发了全国范围的冰雪灾害，至今仍让人印象深刻。据不完全统计，在这次雨雪冰冻灾害中，造成直接经济损失1516亿元、129人死亡。贵州、湖南、江西等19个省份直接经济损失达573亿元。

2018年2月，海口秀英港浓雾封锁琼州海峡，上万车辆滞留海口造成大面积拥堵。

这些突发性自然事件，造成我国现有的公路基础设施严重受损，削弱道路的通行能力，造成了交通中断和恶性交通事故发生。

据全国道路交通事故统计年报统计，38%的高速通行受阻是由恶劣天气造成，让高速运营效益遭受巨大经济损失；超过22%的道路交通事故是由突发的不良天气引起，让无数生命意外身亡。

瑞典的一项研究表明，路面状况和交通事故率有非常重要的关系。尤其是在结霜、结冰的路面，事故率达到0.53，因此对于一些危险路段，路面状况的预警就变得尤为重要。

影响公路交通的主要的气象因素包括雨雪、雾、冰霜、大风、高低温等因素。

高温对行车安全的影响主要体现在高速公路路面温度比气温高得多，可高达六七十摄氏度以上，汽车轮胎因此受热，使胎内气压升高，长途高速行驶极易引起“爆胎”，且高温会直接影响司机的生理、心理和精神状态，使驾驶者产生疲劳。

在气象造成的特大较大事故中，雾造成的占40%。能见度200米以下发生交通事故的比例占一半；

降雨对行车安全的影响主要体现在路面湿滑（摩擦系数的降低）；危险车漂现象（也称滑水）；面积水产生眩目反光等；强降水可能导致路基、边坡等基础设施的水毁。

据英国的气候条件与交通事故资料统计，结冰时路面事故发生率是干燥路面的8倍。

冬季路面凝聚的硬质冰雪使行车附着系数降低最明显，仅为正常干燥路面附着系数的1/8～1/4，是行车打滑、甩尾、失控等事故的主要危险源。

风对行车安全的影响主要体现在车辆行驶阻力、能耗、抗侧向倾翻及抗滑移性能降低；侧向大风对高箱、双箱汽车的行驶影响；在北方地区，易引起沙尘暴、扬沙、吹雪、浮尘等天气，影响能见度。

02、国内外技术现状

现在简单介绍一下国内外的公共气象服务的发展情况，国外气象领域发展起步早于我国，在气象对交通影响、评估路面状态技术以及相配套的交通运输气象服务技术、系统方案等方面都更为完备。

很多发达国家都已建立了比较成熟的公路交通气象服务系统，以瑞士为例，瑞士境内山湖泊众多，是遭受极端气候影响比较严重的国家，特别是冰雪灾害，因此瑞士在全国高速公路安装的道路气象信息系统能够对道路冰雪情况进行实时监控，并与养护部门进行联动，同时对公众进行信息发布，确保整个高速公路网在过去几十年间从不因为冰雪气候而关闭、

我国公共交通气象服务发展相比欧美国家要晚一些，近年来也相继出台了一些气象监测相关的管理制度，一直在稳步发展。公安部、国家气象局、交通运输部也分别从不同角度制定了相关的标准规范。

综合来看，我国的公路气象方面的研究起步是较晚，与国际先进水平有一定的差距。

首先，在政策上，我国政府针对高速公路运输的气象要求，要求各级气象部门和交通部门对高速公路沿线的气象做出预报，交通部也和国家气象局联合对全国高速公路的气象条件作出预报。

其次，在理论上，我国近几年也开展了一些交通气象方面的研究。

第三，在实践上，随着对恶劣气象在公路安全运行中不良影响的进一步认识，近年来我国相关科研单位和高速公路运营管理部门也在探索高速公路气象监测预警及安全保障相关系统的研制和应用。

03、准全天候通行公路应急保障总体架构

通过前面的分析可以看出，建立长期稳定可靠的公路交通气象服务系统，最大限度的减少气象灾害对交通的不利影响，实现全天候的高速公路安全通行，是确保公共安全便捷出行，保障人民生命财产安全的重要手段，具有重要意义。

全天候通行应急保障体系可分为4个层次的建设内容，分别是公里级精准交通气象感知，分钟级的精准预警，恶劣气象条件的智能处置及通行诱导以及路段级管控决策支撑。

全天候智慧公路应急保障技术体系框架

公里级的精准交通气象感知是基于卫星雷达等多元数据融合，供气象站使用的实况数据，最终形成精准的交通项目感知数据。

在精准交通气象感知的基础之上，融合交通路况数据，建立多维交通路面状态气象预警预报模型，从而实现公路交通气象灾害的预警预报。

对于一些高影响的气象状态，还需采取及时、快速的处置和引导措施，如冬季路面冰雪、团雾的自动化处置，常发误区诱导等措施，保障气候条件的安全通行。

此外，还有公共管理部门的一路三方应急联动、交通疏导等安全保障，同时还要有及时的信息发布，将气象信息发布给出行公众。

整个全天候公路安全通行应急保障体系建设还需要包括标准体系、运维技术体系以及相关政策的保障。

最终通过新技术的综合运用，实现对于交通流、气象环境的全面感知、精准研判、高效联动，主动干预，从而全面提升公共交通安全保障的科技应用水平和全天候自动通行的保障能力。

04、全天候智慧公路应急保障解决方案

全天候智慧公路应急保障解决方案主要由公里级气象全息感知技术、分钟级精准预警技术、人机协同安全处置及通行诱导技术以及路段级管控及决策支撑四方面组成。

（1）公里级全息感知硬件技术装备

◼ 道路凝冰监测技术

道路凝冰监测主要采用路面状态传感器进行监测，路面状态传感器依据凝冰形成的机理，结合路面的温度、湿度、水膜厚度以及位置等信息，对路面凝冰进行监测和预报，路面状态传感器有埋入式，也有遥感式。

道路冰雪检测的主要方法是将传感器安装在道路现场，通过感知道路出现冰雪后的物理特性和化学特性的变化推算结冰厚度。

◼ 雾的监测技术

雾是指空气中悬浮着大量的微小水滴，使大气水平能见度小于1000米的天气现象。雾的监测主要是对雾的能见度进行监测，形成条件一是冷却，二是加湿，三是有凝结核，需要增加水汽含量。雾的类型包括团雾、锋面雾和地形雾等。

对雾的监测主要就是能见度的监测，检测手段包括传统的透射式、散射式、能见度仪以及新式监测技术。

透射式能见度仪的优点在于能够直接探测大气透过率或消光系数，能见度越低测量精度越高，局限性则在于占地面积大，对干扰敏感，成本高。

散射式能见度仪的优点在于设备售价低，安装维护简单，局限性在于采样范围小，误差较大，准确性受大气悬浮粒子特性影响。

新式监测技术中，遥感卫星监测主要应用于森林，国防部门，优点在于覆盖范围广、连续监测、重复频率高、信息源可靠且投入低；局限性在于局部误差较大，不适用于小范围监测。

基于AI的视频图像监测目前处于积极探索阶段，在公路气象监测相关领域也有相关应用。其优点在于实时性好、连续监测、能见度越低解析精度越高、投入成本少，局限性在于覆盖范围小，高能见度情况下误差较大，目前在行业内探索应用较多。

激光雷达式能见度仪主要应用于交通，国防部门，其优点在于体积小、精度高，实时监测；局限性是容易受大气颗粒物影响，高能见度情况下误差较大。

◼ 多要素气象的监测技术

多要素气象监测一般是一体化气象站、路面状态传感器、能见度仪等设备的综合使用，形成对具体路段的综合气象监测。

（2）分钟级精准气象预警——公路交通气象预警平台

从准全天候通行应急保障体系的角度来说，核心是建立预警平台，精准的公路交通气象预警平台需要将气象局卫星云图的气象预报数据结合道路上安装的路域气象信息采集数据，形成集监测预报预警、信息发布于一体的公路交通气象服务平台，实现具有定量化、精细化的公路交通气象服务，达到公里级的预报，分钟级的预警，并将这些预警信息用于公路管养作业应急处置和公众的出行引导。

对于气象部门的气象云图数据，需要采用网格化技术，将气象云图数据和路网相结合，形成精确到每公里的雨、雪、雾等天气的气象预报，结合路面温度预测模型、格点实况数据、降水信息进行路面状态的预测，可实时自动监测低能见度、大风、强降雨、降雪、路面高温等多种异常公路交通气象状态，从而以可量化的精准数据为公路管养提供决策依据。

预警预报系统能够提供全路网的天气气象信息和监测点精准、实时气象数据，系统还可提供按照全国路网不同应用范围的气象信息分级管理，提供不同颗粒度的气象预警预报服务。

（3）自动化处置及通行诱导

道路凝冰自动化处置技术

气象灾害的自动化处置及安全诱导系统也是全天候通行的重要保障。路面凝冰预警及自动化处置系统可针对冻雨、降雪等诱发的路面凝冰问题，实现道路凝冰预警与自动化喷洒处置。道路凝冰预警与自动化喷洒系统是安装在高速公路、城市立交桥、机场出行匝道的一种高效、节能、低成本的新一代全自动融雪剂自动喷洒系统。

系统主要由气象监测、凝冰预警、喷洒终端以及管控平台等部分组成，适用于桥梁、长大纵坡、隧道进出口等高危路段。

该系统旨在解决冬季道路抗凝冰问题，建立凝冰地区道路路面状况自动化监测与预警提前处置的整套技术及设备，以提高道路交通系统抵御冰雪灾害的能力，最大程度地保证冰雪灾害期道路交通的安全、畅通。

终端采集设备感知到路面结冰预警信息，通过网络设备传输到控制中心，控制中心经过预警分析处理，当达到喷洒融雪剂阈值时，系统自动启动喷洒设备，喷洒液态融雪剂达到融雪除冰的效果。

管控平台可实现整个系统的综合管理，在喷洒时贴着雾表进行喷洒，不影响车辆的通行，在系统操作界面可实现对于监测数据的查看和处置系统的控制。

系统的预警提醒方式包括在系统上直接提醒信息、GMS（手机短信）提醒以及手机APP报警。系统控制方式包括系统自动喷洒、现场手动控制以及监控中心远程控制，采用自动化处置手段能够实现融雪剂的精准控制的喷洒，可提高融雪剂的使用率，并且具有一定的环保效果。综合来说该系统具有及时、准确、环保、安全的优点。

下图是云南交警部门在使用该系统后进行的相关数据统计，可以看出，在一个凝冰周期内，因冬季冰雪而产生的道路事故率降低了60%。

此外，自动化处置及通行诱导还包括热力融冰雪技术、抑制冻结铺装技术以及抗凝冰材料等主动融冰雪技术，常规的人工机械除雪也是保障冬季道路通行的主要手段。

◼ 公路团雾自动处置技术

目前多家单位正在开展团雾处置的相关研究和试点工作，主要有两种技术路线，一种是用静电技术消除团雾，另一种是喷洒消雾材料除雾的方法。

静电团雾处置技术通过电晕放电给雾滴荷电，利用荷电雾滴与中性雾滴之间的静电吸引力促进雾滴碰撞并沉降，同时，电晕电极与地电极之间的电场可以加速荷电雾滴在地电极上的收集，进一步减少雾滴数浓度，提高能见度，加速团雾的消散。

采用电极表面涂层处理方式优化电极放电特性，可实现单台装置30分钟内将半径10米范围内的能见度提升至80米的技术指标。室外实验中，在环境风速1m/s情况下，能在1min内对放点单元20m半径内能见度由80m提升至200m。

喷洒消雾材料的除雾方法有几个技术难点，其中最主要的是喷洒材料，由于雾的形成种类不同，对于喷洒材料也有不同的要求；其次是喷洒方式，由于雾具有流动性，所以既要有效消除雾，又要能够阻止雾的流动，且不能影响车辆通行和司机的视线，难度也比较大；此外，喷洒位置和喷洒时机也是需要着重考虑的内容。

◼ 雾天行车诱导技术

雾的处置难度较大，成本较高，目前雾天主要还是通过诱导系统保障道路的安全通行。诱导系统是通过在多路段两侧或路面安装连续的智能雾灯，在能见度低的时候，利用灯标发出红黄光语信号帮助驾驶员判断道路状况和前方车辆状况，警示诱导车辆的安全行驶。

系统主要功能有道路轮廓强化、行车主动诱导、防追尾警示，系统根据现场的能见度情况，按预先设置的阙值，自动切换工作模式。通过动态限速牌、可变情报板、语音喊话系统、智能防雾灯等诱导设施，实现气象精细化预警预报系统的联动。

下图是国省干线公路智能雾灯诱导系统的工程示意图,系统包括监测预警模块、雾灯诱导模块和系统平台。雾灯诱导部分又根据道路的现行分成不同的控制区，执行不同的控制策略。在团雾常发区域一般还设置可变情报版、动态限速牌和语音喊话系统，对行驶车辆进行提前预警和限速行驶的要求，通过一系列的提醒和诱导设施，可保障通行车辆在允许的速度下安全通过雾区。

（4）路段级管控及决策支撑

对于交警、路政以及公路运营管理部门，需要在公路气象监测预警平台基础之上建立一路三方的信息联动机制，根据气象预警信息进行相关事项的及时响应和应急处置，保障公路交通的安全通行。

要建立基于一张图和一套数据的应急的智慧决策系统，实现快速响应和统一指挥。同时也要建立在路侧LED显示屏或情报版的信息发布，以及百度、高德等公众出行APP的信息发布机制，让公众能够及时了解行驶路段的相关气象信息，从而提前做好相关准备，保障自身出行安全。

05、全天候智慧公路应急保障应用案例

当前全国各地都在积极开展智慧高速建设，全天候通行也成为了高速公路建设的重点内容。目前，河北雄安新区荣乌新线、京德智慧高速公路、广西沙吴高速、宜昭高速等都在进行全天候通行的系统探索和建设。

河北雄安新区荣乌新线、京德智慧高速公路在160公里的智慧高速上，针对雾雪等不良天气下的管控策略、安全辅助及通行诱导参数、路警联动工作机制等在国内率先启动基于智慧高速技术能力支撑的准全天候通行技术保障测试，实现雾天和雪天安全通行，通过公里级全息感、和气象分钟级预警、策略的秒级生成、路警联动审核以及管控随时发布，实现准全天候通行的智能化高效管控。

全路段按照10公里的间距设置有全要素气象站，按照两公里的间距设置有能见度监测仪，能够精准感知到天气的状态。此外，全县布设有千米超距交通毫米波雷达，能够不受交通影响实现全天候的车辆精准定位感知。

沙吴高速测试并部署了“准全天候通行解决方案”，通过目测雷达和摄像机实时获取动静态交通数据，从而实现全天候的精准感知，路侧精准定位，车辆连续轨迹追踪等多个功能，最终达成“准全天候通行”目标。

沙吴高速全天候交通感知的实现主要通过在路侧部署AI超微光摄像机、毫米波雷达和智能交通微边缘设备，实现对于交通参与者的车辆进行全时、全天候、无盲区的精通感知，能够提供包括车辆位置、车速、车牌等等多种基础数据，从而克服传统雷达、视频等单系统数据不足的问题，最终达到准全天候通行的目标。

宜昭高速准全天候通行系统分为三大方面进行建设，分别是精准交通气象系统、常发误区诱导以及凝冰除雪监测，实现设备、人及系统三方互联互通，最终形成准全天候通行系统的智能化。

精准交通气象系统是基于GIS、卫星、雷达等多源气象数据和多维交通路面状态气象模型，融合高速公路气象站实况数据和交通路况数据，打造精准交通气象。

常发雾区诱导是针对雾区道路交通环境设计的智能雾区引导系统，通过安装在道路两侧的智能灯标，警示诱导车辆安全行驶，从而有效避免危险路段车辆追尾事故、二次事故、特别是雾区的连环撞车等恶性事故的发生。

凝冰除雪监测通过对路面温度及路面结冰的精确短临预警，适时启动系统泵站和融雪剂溶液喷洒终端机构，自动精准撒布适量的融雪剂，预防路面出现影响行车安全的冰雪湿滑路面状况，降低相关交通事故的发生。