寒冷地区风吹雪雪害的交通预警措施研究

摘要：风吹雪是气流挟带着分散雪粒进行运动的多相流，风吹雪发生时会造成公路能见度降低、形成视线障碍，对行车产生很大的不良影响。本文通过借鉴国内外风吹雪天气下预警措施经验，将所得控制车速运用于交通预警措施中，提出了一些适合于寒冷地区风吹雪天气的交通预警措施。

关键词：风吹雪；可视距离；交通流量；交通预警；措施

风吹雪（又称风雪流），为空气挟带着雪粒运行的非典型性两相流，即雪粒被风卷着随风运行的一种天气现象[1-3] 。风吹雪形成的基本条件是：丰富的雪源、使雪粒起动的风速以及使风速减弱或发生涡旋的障碍物。在有降雪的地区，只要出现降雪，当风速达到风吹雪的起动风速，发生风吹雪的可能性就增大。以内蒙古地区为例，通过对内蒙古地区1970～2000年风吹雪气象资料的统计分析，得出内蒙古地区风吹雪发生频率，如图1所示。

从图中可以看出，在内蒙古中东部地区发生风吹雪的日数比较多，并且集中发生在每年的11月至次年的4月，成为冬季一种常见的自然灾害。而风吹雪天气对交通的危害性是降低能见度，使驾驶员无法辨别与相邻车辆的车头间距，一旦发生紧急情况时，因驾驶员反应时间不足，无法控制好车速或及时采取制动措施，从而导致交通事故的发生。因此，如何有效避免交通事故的发生，提高风吹雪天气下公路的交通安全措施，具有积极的现实意义。

本文通过借鉴国内外风吹雪天气下预警措施经验，将所得控制车速运用于交通预警措施中，提出了一些适合于寒冷地区风吹雪天气的交通预警措施。

1 国内外灾害性天气下交通预警措施现状

从20世纪80年代初德国开始在道路沿线布设天气监测设备，用此设备来观测天气对道路的影响，然后将监测信息汇总到国家天气服务中心，再进行研究新的天气预测方法。

美国加州1996年投入300万美元，建立自动预警系统，取得明显的效益。该系统包括一个可变信息版网络，一系列车辆检测器和一个现场气象监测网络。共设立了9个自动气象站，每1.6km设一个，采集的信息主要包括气温、能见度、风向、风速和雨量。加拿大研制出用于公路的能见度监控的能见度仪，使用后取得了明显的效益。芬兰研制出FD-12雾检测仪用以在高速公路、机场等地探测雾的实际情况[7-8]。由上可知，国外很多国家，能见度检测仪已被广泛应用于高速公路，成为高速公路管理与监控比不可少的设备。

南京气象学院的冯民学等人建设了高速公路环境气象监测站，将检测到的实况传送到公路运行指挥中心，以供决策时使用。李亚春用GMS-5静止气象卫星资料，建立了沪宁高速公路大雾的监测系统。但是这套系统在白天大雾的遥感识别相对容易，到了夜间却非常困难[7-8]。

综上所述，国外发达国家很早对风吹雪形成机理等基础理论进行了研究，由于经济和技术条件比较好，建立的灾害性天气的预警措施体系比较完善，而国内由于缺乏物质基础和理论知识导致各种预警技术还处于起步阶段，准确性不强，同时在北方，对于风吹雪的预警做还比较少。无论是国内的预警措施还是国外的预警措施侧重点大多是预告天气信息，然后信息要求降低车速，但具体降低的标准却没有太多的要求，这就与行车适时要求有一定的差距，没有反应出对事故的影响，以及车速与天气，事故率之间的关系。因此，作为公路的天气信息系统要与道路系统中的要素相结合。

2 风吹雪天气预警措施

总结并借鉴国内外经验，结合已有的研究成果风吹雪天不同能见度下的控制车速[9-10]，建立适合寒冷地区风吹雪灾害天气的预警措施，为交管部门、路政、养护部门在恶劣天气下执行各种预案提供依据。

2.1 风吹雪灾害路段检测器的设置

（1）气象检测器的设置

在实施采取预警措施前要根据一定的气象、交通量等观测数据才能提出适时准确的管理方式，因此需要在风吹雪灾害路段设置气象检测器或能见度检测器，给道路运营管理者和使用者及时提供准确的气象信息。图2为气象检测器，主要用于检测局部路段的天气状况，可以自动化收集气象信息，一般应设置在气候恶劣，交通事故频发的路段。在设置时要结合公路路线周围的地形地貌，环境条件设置气象检测器，根据需要可检测风速、风向、温度、湿度、能见度、雨雪等气象状况，还可检测到如下地面状况：路面温度，干燥，潮湿，湿泞，溶雪剂含量，冰，雪，水膜厚度等。一般情况下，气象检测器配备的传感器有：温度检测器、风速风向检测器、湿度检测器、能见度检测器、雨雪检测器、路面检测器等。气象检测器一般按5～15km的间距布设。

当风吹雪发生时，最主要的危害是能见度迅速下降，这就需要用能见度仪来观测当时的能见度，将信息提供给交通管理部门，然后根据不同的能见度及时限速信息，确保行车安全。检测器普遍采用的是前向散射型能见度仪，如图3所示，这种设备在的测量范围一般是10000m，检测的准确率和分辨率比较高。对于风吹雪多发的路段，经过参考国内外能见度仪的布设经验，建议1～3km设置一个能见度仪；如果不能确定是否为多发路段，则要看这个路段的断面形式是否有利于风吹雪的形成，如在迎风半路堑形式的路基和背风半路堑比较容易发生风吹雪灾害，因此在这些路段按1～5km的间距进行布设；而对于普通路段来说，基于经济和数据需求的原则按5～10km的间距进行布设。建议在费用允许的情况下尽量加密布设，因为在国外有的路段0.15～1km就要布设一个仪器这样就会使获得的数据更精确。

（2）交通流信息检测器的设置

交通流作为道路系统组成的重要部分，时刻影响着道路的运行状况，一旦天气发生变化，公路管理部门要根据交通流的实时状况采取交通管制措施，因此有必要对交通流进行信息采集。

对于目前使用的交通设备来说，通常采用车辆检测器对车流进行监测，如图4所示，该检测器安装在固定地点，以获得交通量、车辆占有率、和车速等信息。此设备应用于高速公路、城市道路、桥梁等进行全天候的交通检测，能够精确的检测公路上的任何车辆。

2.2 风吹雪灾害性天气下管理决策

公路管理部门可根据由气象检测器、能见度检测器和车辆检测器所采集的数据，如当风吹雪发生时的可视距离，交通量，车速等信息，做出合理的车速车距限制预案。

（1）对于车速限制值采用已有的研究成果，通过基于停车视距和交通标志视认距离条件，得到在不同坡度不同能见度所计算得出的车速控制值[9-10]。

（2）对于安全车距限制值同样文献[9-10]中建议的安全车距推荐值。同时可根据安全车距通过计算得出不同可视距离下的允许通过的最大小时交通流量，然后通过动态控制器来限制进入路段的车辆数。具体计算公式如下：

hd = 安全车距+5m （1）

■ （2）

■ （3）

式中，hd——车头间距，m/辆，同时取车长为5m；

ht——车头时距，s/辆；

V——车速，km/h；

Q——交通量，pcu/h。

通过计算得出不同可视距离下路段上所允许通过的最大小时交通流量见表1所示。

（3）当情况严重时，应采取路政、交警、抢险、医疗救护部门的联动措施。

2.3 风吹雪天气下公路的管制决策信息

（1）通过可变信息板信息

可变信息版（VMS）可以将道路管理者的风吹雪天的道路、交通、和事故信息以及限速指令通知到驾驶员，使驾驶员能及时了解各种信息，以便能更安全的行驶。VMS是信息的主要设备如下图5，在布设的时候要遵循一定的原则：对于高速公路来说，一般应设置在入口匝道前约300m～500m 处，通常设置在邻近道路上，使驾驶员有时间根据提示信息决定行驶路线。

（2）通过可变标志限速信息

在风吹雪环境下，由于能见度降低导致驾驶员很难识别交通标志所显示的内容，并且对于限速信息、出口预告、视线诱导等重要信息也无法及时获取，导致驾驶员判断失误，引发交通事故。因此，可以采用主动发光标志来保障行车安全，对部分重要预告性标志的版面采用LED主动发光标志，如图6所示。

除此之外还可以使用新一代的限速标志——太阳能限速标志如图7所示，这种交通设施利用太阳能发电，其闪烁的光线明亮、醒目、有强烈的警示作用。特别在没有电源的公路上，可不用另外敷设电缆，更有节能的作用，而且它的可视距离是传统反光膜的5倍，能有效引导交通事故，减少事故的发生。

（3）其他警示提示措施

在风吹雪环境下，公路沿途、方向指示牌和转弯处，设置高压钠灯，此灯会频繁闪烁，能起到提高能见度的作用，因此减少司机驾车时的心理压力。同时建议使用自动驾驶仪，在风吹雪中引导车辆安全的行驶。由于降雪形成积雪后，路面的标线就会看不清楚，司机对视线诱导设施的需求就很迫切。这时需要设置公路上广泛使用的视线诱导设施，如轮廓标，路钮，线形诱导标（导向标）等。这样就可以增强标线的认知性，提高行车的安全性。

此外，风吹雪雪害发生时对于高速公路来说，不仅可以通过可变情报板，可变限速标志对车流进行控制，还可以通过路旁广播，交通广播，声讯电话等现代化设施对交通实施管制措施。

3 公路风吹雪环境下交通预警系统

交通预警系统主要包括3部分内容：（1）道路及气象信息的采集。及时准确的采集气象、交通和路况信息，是能否采取有效预警措施的基础；（2）预警决策。根据采集的实时气象信息，交通流状况和事故信息，经过分析及时发出限速信息、提示信息等安全警告，同时采取合理的紧急预案；（3）信息的。及时准确的将决策预警信息通过可变信息板等手段给道路使用者和一线的交管人员，为车流管理，控制协调，组织交通提供服务，具体流程见图8所示。

风吹雪灾害对道路交通安全的威胁越来越严重，所以国内外交通、气象部门逐渐开始重视对遭受雪害的公路加强气象信息的检测采集工作，以及灾害的预警预报工作。并且交通气象已经纳入到中国气象事业发展战略研究目标中：到2020年，建立和完善现代化的交通气象监测、预警、预报综合系统，为交通运输的畅通和安全提供国际水平的气象保障服务。因此，这对我们在遭受风吹雪雪害的地区建立交通预警系统是很有帮助的。

4 结论

分析并借鉴国内外灾害性天气下交通预警措施的先进技术，基于不同能见度不同坡度的安全限制车速，提出了集道路及气象信息采集、预警决策、信息、联动措施为一体交通预警系统，为灾区公路防治风吹雪雪害提供技术支持。

参考文献

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