高速公路团雾监测预警与处置技术研究

张震宇，朱宝林

（1.新疆农业大学交通与物流工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.交通运输部科学研究院，北京 100029；3.交科院公路工程科技（北京）有限公司，北京 100029）

0 引言

随着我国经济技术的不断发展和人民生活水平的日益提高，截至2020年，根据国家数据网的统计信息，我国私人汽车拥有量为24 285.17 万辆，比2019 年增长7.3%；高速公路通车里程达16.10万公里，比2019年增长7.6%。虽然基础设施建设在不断加快，但交通安全形势并不乐观。交通管理部门受理的案件中，因恶劣气象因素导致的近30%。仅2019 年因自然灾害造成公路阻断事件21 443起，累计阻断里程110多万公里，持续时间33 万多小时。被誉为高速公路“流动杀手”的团雾便是其中一种应当特别重视的气象因素。团雾是雾的一种，又称“坨坨雾”，是一种浓度更大、能见度更低的雾，具有突发性、局地性和内外能见度差异大等特点，因此提高雾天行车的安全性，保障驾驶员雾天正常驾驶是亟需解决的问题。针对此问题，国内外学者已经进行了一定的研究，主要集中在团雾的监测预警和处置两个方面。

1 雾的形成机理与分类

1.1 雾的形成机理

雾是由浮游在空中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物。雾的形成过程也就是地表大气降温增湿趋于饱和的过程[1]。雾的产生与各种变化不仅由周围的天气状况与气象分布决定，也会受到周边的地理位置、地形地貌等环境状况的影响。当空气中的水汽达到或接近饱和时，就会在凝结核上凝结形成雾，所以足够的水分是雾能形成的必要条件。

1.2 雾的分类

根据不同分类依据，可以将雾分为不同类型。

按照形成原因，可以将雾分为蒸发雾和冷却雾两大类[2]。根据冷却原因可将冷却雾分为辐射雾、上坡雾和平流雾3 种。按照我国的实际情况，高速公路雾区上的雾以冷却雾为主[3]，这也说明高速公路雾区的形成更多是受当地的小气候环境影响。

按照能见度不同，可以将雾分为轻雾、中雾、大雾、浓雾和重雾，如表1所示。

表1 能见度与雾的分类

按照雾中温度是否大于0℃，可以将雾分为暖雾和冷雾。温度大于0℃的雾为暖雾，小于0℃的雾为冷雾。暖雾和冷雾有不同的消雾方法和原理。

1.3 团雾的形成特点

团雾是由于夜间地面辐射冷却，靠近地面层的空气降温变冷而形成的雾。其本质也是雾，但是团雾的雾气更浓、能见度更低，且具有局地性、突发性和内外能见度差异大等特点[4-7]， 比普通雾天对交通造成的影响更大。

我国高速公路地区对团雾的形成有着天然的有利条件，主要是温度、湿度、凝结核、风力和地形环境。温湿度是团雾产生的充要条件，近地层水汽在温湿度达到临界点时极易形成团雾。高速公路的汽车在行驶过程中带起的扬尘与排放的尾气可以作为团雾形成过程中的凝结核，为团雾的产生提供条件。地形环境与风力有着密不可分的关系，山地丘陵地区会减弱风力，微风或无风能为团雾产生提供有利条件。图1所示为高速公路某路段出现团雾时的情形，可以看到雾区内能见度极低，雾区外能见度良好，符合团雾内外能见度差异大的特点。

图1 高速公路上的雾区

2 团雾对交通的影响

2.1 降低能见度

能见度是日常生活和科研实验中经常用到的一个数据，气象学将能见度定义为正常情况下人眼在实验天气情况下，可以从天空背景下看到和辨认出黑体目标物的最大距离。能见度会受到很多因素影响，但其中最重要的因素有3条，分别是：大气透明度、目标物和背景视亮度的对比、视觉对比阈。大气透明度可以表征大气的混浊程度，是影响能见度最直接的原因。目标物和背景视亮度的对比是人眼分辨外界目标事物的主要依据。视觉对比阈是目标物缩小到不可分辨的临界亮度对比值[8]。

2.2 降低路面附着系数

车辆制动需要依靠轮胎与路面之间的摩擦力来降低速度。当团雾发生时，由小液滴组成的团雾与空气中的尘埃或灰尘结合形成路面附着物，夹杂在道路与轮胎表面之间，使得轮胎与路面的摩擦力减小，制动距离延长[9-10]。表2 所示为路面附着系数，从表中可看出，不同的路面其附着系数并不相同，同时路面是否干燥也会影响路面的附着系数。

表2 路面附着系数

2.3 增大驾驶员负荷

驾驶车辆行驶的过程是“感知-判断-操作”的过程，驾驶员的感知是否正确会对判断和操作产生截然不同的结果。驾驶员的感知过程需要依靠多种感官共同作用从外界环境摄取信息进行处理得到结果，而视觉在这一过程中会占据相当大的比重，尤其是对车速的判断和感知，很大一部分影响因素取决于能见度。当能见度高于100m 时，驾驶员会高估车速；能见度低于50m时，驾驶员会低估行车速度。能见度越高越容易高估自己的行车速度，能见度越低越容易低估行车速度。有研究表明，团雾对驾驶员感知能见度的影响是双向的。在发生团雾时，驾驶员由于能见度降低无法对外界环境获取有效的认知影响判断与操作以及无法准确估计速度等，会在驾驶过程中保持高度紧张。长时间的高负荷行驶会加速驾驶员产生疲惫感然后疲劳驾驶，影响高速行车的安全性和舒适性。

3 国内外团雾研究现状

3.1 团雾特性研究

国外高速公路建设较早，对于雾天驾驶的安全保障问题研究也较早，已经形成了相对完善的研究成果。Zdunkowski等对辐射雾开展了相关描述并建立了数学模型用以预测辐射雾的产生[11]。Lala 等建立了辐射雾的数学模型，检验了该模型中各变量的灵敏度，并评估了该模型根据天气数据预测雾天发生的能力[12]。奥尔巴尼纽约州立大学大气科学研究中心的云物理部门开发了一套用于采集与辐射雾演变等问题相关数据的计算机控制采集系统，并与10 所大学和实验室的学者联合进行了一项合作性辐射雾实地研究（Fog-82)[13]。Bergot和Guedalia 等研究了辐射雾的一维模型用于预测雾天[14-15]。Bott 等提出了一种新的预测辐射雾和低层层状云的一维预测模型PAFOG，该模型可以用于改善机场和其他容易发生辐射和低层云地区的能见度预测[16]。袁成松等从数学的角度对低能见度进行了描述，给出了高速公路低能见度隶属函数与能见度的函数关系式和图像，从相变理论、能见度突变的实际表现和车辆制动距离的需要3方面论述了对低能见度监测与预报的必要性，并通过沪宁高速公路无锡段的实际表现证明了低能见度预警确实可以减少高速公路交通事故的发生[17]。

3.2 团雾监测与预警技术研究

美国联邦公路管理局曾推出道路交通天气管理计划，该计划使得各州开始了针对雨、雪、大风、团雾等不良天气行车安全保障与交通管理技术的研究，并最终形成了各州独特的管控模式[18]。亚拉巴马州通过能见度仪和闭路电视系统监控车流量，并通过可变限速标志和动态信息标志来显示动态限速标准和路况信息；加利福尼亚州布设了40%电力由太阳能供应的自动化雾预警系统，该系统可对摄像头和能见度仪收集到的数据进行分析并根据分析结果在可变显示标志给出建议行车速度指导驾驶员行驶；田纳西州使用能见度检测设备和低能见度汽车限速管理办法建立了低能见度行车预警管理系统；华盛顿州制定的车速管理办法依据的是车辆行驶环境传感器采集到的相关数据。

意大利交通管理部门与相关研究中心合作推出了“智能公路”计划用于降低雾天的行车危险性。在该计划中，高速公路两侧分布有高压钠灯，在发生团雾天气时，高压钠灯会以一定的频率开始闪烁来给驾驶员提高能见度和减轻心理压力。另外计划中的其他设备，如雷达、激光和自动驾驶仪等也会给驾驶员提供一个相对安全的驾驶环境。该计划为保障意大利境内雾天行车安全起到了积极作用[19]。

日本属于岛国，国土狭长，四面环水，这给团雾天气的多发提供了天然的条件。除了常规的能见度检测、限速、控制车流量等措施外，日本交通管理部门在高速公路路侧的可变信息板设置了“慢车警告”，即通过电子信息板提醒驾驶员前方有车辆，应低速行驶或停止驾驶；并提醒驾驶员与前车的距离，让其能及时采取有效措施减速慢行，避免追尾等交通事故的发生[20]。

丁雪龙在当时对团雾的监测预警主要利用气象部门预报的情况下，设计了单一针对团雾的监测预警系统，分别从系统方案、硬件系统、软件系统和系统仿真维度对检测系统进行了描述[21]，具有较高的实用价值。王庚中介绍了能克服传统物理监测约束的基于视频局部特征分析的监测方法，其实现原理是综合利用现有的高速公路监控，结合视频局部多维特征分析技术、大气光线传播理论模型和多种特征训练分类算法来对视频图像进行分析，根据图像的特征变化测量能见度指标，进而根据提前设定好的能见度阈值来判断是否有团雾发生[22]。该方法创新性地提出利用视频图像分析判断团雾天气，但其对视频的依赖性较强，受视频数据清晰度的影响较大，希望将来5G 等新技术的应用能带来更稳定、清晰度更高的视频数据源。卢一笑等基于区块链去中心化、不可篡改、可追溯性等特征构建了区块链团雾预警系统[23]，该系统为了确保监测结果的正确性扩大了监测信息的来源，将驾驶员、乘客等纳入监测系统，同时结合高速公路已有的气象监测设备综合考量，不需要第三方的监测便能正确判断是否有团雾并通过团雾预警APP 发送给其他车辆。孟春麟等基于当下未能解决的3 大难题：难以实现实时检测、分级标准缺失和路网推广难提出了可对高速公路驾驶员进行实时提醒的能见度预警系统。该系统包括能见度检测和团雾智能预警的核心系统与云服务和雾区警示的辅助系统，已经在G15盐城段及南通段进行先导试验并成功预测了多起浓雾强雾及团雾事件[24]。曹桂芳提出的高速公路低能见度团雾预警与诱导系统为了确保监测结果的准确性，将气象部门现有的历史数据与团雾多发地的实时监测数据结合组成气象数据专项数据库，对比分析实时监测到的信息与历史观测数据并得到结果，同时可根据用户的实际使用情况和人工监测数据来反向验证预警信息的准确性[25]。

3.3 团雾消雾技术研究

在团雾的处置方面，人工消雾分为消除暖雾和消除冷雾两种。对温度大于0℃的暖雾，主要采用加热法、吸湿法、扰动混合法、静电清除法和播撒炭黑、木炭粉等黑色物质吸收辐射等方法。高建秋等为研究新型消除暖雾催化剂RC/XW 的消雾性能，基于透光率与能见度成正比的原理，在密闭容器内用无水氯化钠和无水氯化钙做了多组对比实验，包括同种类同尺度催化剂的消雾效果随播撒量的对比、同剂量不同种类不同尺度催化剂消雾效果对比以及不使用催化剂自然消雾的效果，通过观察实验中透光率的变化来反映能见度的变化。最后发现消雾效果与播撒剂量有直接关系，每种催化剂都有对应的有效播撒剂量和适用消除的暖雾浓度[26]。高建秋等认为当下人工消雾的需求越来越大，而消雾的最终目的就是提高能见度。人工消雾的基本原理是减少雾滴的数浓度或半径，而后者相对来说在提高能见度方面更有效果。对于暖雾而言，目前最常用且有效的是蒸发法，播撒吸湿性物质、通过加热产生的热空气将雾气抬离地面、利用静电去消除暖雾等都属于蒸发法。

对于雾中温度小于0℃但水汽仍以小水滴形式存在的冷雾而言，其消除主要依据贝吉龙过程，即贝吉龙提出的冰云和水云混合产生降水的理论。目前人工消雾的基本原理已较清楚，消雾方法也比较成熟，但这些方法成本都较高，不适合大规模使用，因此应致力于研究更先进的消雾方法和设备[27]。邢晓慧自行建造了暖云雾室进行消雾实验，分别用NaCl、PAAS、5A 分子筛和不同比例的PAAS与NaCl的复合消雾剂做了消雾实验，同时进行空白的自然消雾对比实验，利用透光率达到60%的时间、云室内雾滴的数目变化和云室内不同粒径雾滴百分比的变化来表征消雾效果。实验结果表明，PAAS 因其良好的吸水性能以及吸水后作为异质核加速雾滴碰并的共同作用具有良好的消雾效果；Na-Cl 因其潮解时形成溶液滴发生凝结增长以及作为异质核加速雾的碰并增长的共同作用也可以起到消雾作用；PAAS 与NaCl的复合消雾剂综合了两种消雾剂优势有较好的消雾效果；5A 分子筛既不能作为凝结核发生凝结增长，也不能加速雾滴的碰并作用所以不具备消雾效果，反而会成为灰尘影响透光率[28]。

3.4 小结

综上，国外发达国家高速公路建设相对较早，相应的为了降低雾天行驶的危险性，国外学者开展相关研究也要早于国内，但国内高速公路事业发展速度较快，也已形成了一定研究成果。国内外学者早期的研究主要集中在建立数学模型用以预测雾天的产生，并对模型进行评估判断其预测的准确性。后期研究的重点逐渐转向采用预警加管控的综合管理模式来保障驾驶员雾天的安全驾驶。能见度仪和视频监控摄像头等能见度和车流量监测设备，可以对雾天的能见度及车流量进行分析，判断是否需要通过可变信息板等发布预警信息。在能见度过低时，可变信息标志和行车诱导灯等管控措施可以减轻驾驶员的心理压力，提供一个稳定的驾驶环境。预警和诱导系统具有较好的预警效果，但易受视频清晰度等诸多因素的影响，仍有待进步空间。另外对于已经出现的雾天，仅靠预警和诱导不能完全消除其产生的危害，需对其进行消雾处理。雾可以分为冷雾和暖雾两种，对于冷雾的消除，主要利用贝吉龙过程；而对于暖雾的消除，目前最常用的是蒸发法。高效环保的新型消雾剂和消雾技术也是目前研究的一个重点。

4 结语

团雾是一种特殊的雾，其因局地性、突发性等特点对交通安全造成的危害更大，会降低高速公路的能见度和路面附着系数，增大驾驶员心理压力，影响正常行驶。不论是监测预警还是消雾，其目的都是减轻或消除团雾对驾驶员正常行驶的干扰，最终减少高速公路事故的发生。针对团雾的监测预警，目前的研究成果主要是根据能见度仪或视频监控图像等监测数据判别和预测是否有团雾天气的发生，然后通过布设在道路上的可变信息板或手机APP 等通知驾驶员提前做出反应，同时道路上的诱导系统也可辅助驾驶员的正常行驶。对于消雾技术，国内外学者已经研究了一些环保型消雾剂并在雾室进行了对比实验来分析消雾剂的性能，但是关于消雾剂的释放方式还有较大研究空间，因此应在加强研究更高效环保消雾剂的同时开发适合工程应用的喷洒控制系统。