[发明专利]一种山区高速公路结冰环境预警系统及方法

权利要求书

1.一种山区高速公路结冰环境预警系统，其特征在于：它由通信系统连接的下述功能系统构成：

信息监测采集系统：用于采集高速公路上最不利线形路段与最不利气象路段的气象信息、路面信息与交通状态信息；其包括气象监测采集系统、路面状况监测采集系统以及交通信息检测采集系统；

信息处理系统，用于将信息监测采集系统采集的气象信息、路面信息和交通状态信息通过计算机处理系统对数据进行分析，提取安全相关信息，为决策支持系统、交通组织与管理提供所需数据；

决策支持系统，用于形成结冰路面安全管理对策及对结冰路面安全管理对策进行分析与评价；收到信息处理系统形成的安全相关信息后与结冰路面安全管理对策内的各参数进行比对找出实时路况下的结冰路面安全管理对策，并将结冰路面安全管理对策发送至信息发布系统；所述结冰路面安全管理对策进行分析与评价是从交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析结冰路面安全管理对策的可行性与优劣性；

信息发布系统，其作用是及时准确发布决策支持系统形成的积雪路面预警信息和决策信息，确保预警方案和决策的及时准确实施，发布方式包括可变情报板、无线电通讯和广播电视；

评价系统，其作用是定期进行道路安全性评价，对整套系统的运行效果进行反馈，以使系统不断改进和完善；

所述信息处理系统是将信息监测采集系统采集的气象、路面和交通状态信息，通过计算机处理系统对数据进行计算分析，得出交通组织与管理及决策支持系统所需的安全相关信息，所述安全相关信息包括路域范围内的风速风向、空气温湿度、路表温度、冰层表面温度、冰层厚度、交通流量、车辆运行速度、路面摩擦系数和结冰时程；

所述路面摩擦系数根据冰层相对位置及冰层表面状态分为薄层冰路面、厚层冰路面、冰水混合物路面，并以此计算相应状态的路面摩擦系数并进行预警分级；

薄层冰路面摩擦系数与冰层表面温度、冰层厚度的关系如式(1)所示；厚层冰路面摩擦系数与冰层表面温度的关系如式(2)所示；冰水混合物路面摩擦系数如式(3)、(4)所示；

式中，μ——薄层冰路面摩擦系数；a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、d₂——与路面类型的相关参数；h——冰层厚度(mm)；t——冰层表面温度(℃)

μ＝at²+bt+c (2)

式中，μ——厚层冰路面摩擦系数；a、b、c——与路面类型的相关参数；t——冰层表面温度(℃)

式中，μ_AC-16、μ_OGFC-16——冰水混合物条件下AC-16、OGFC-16路面摩擦系数；T_i——冰层表面温度(℃)；H_i——冰层厚度(mm)；H_w——冰层表面水膜厚度(mm)；

所述的结冰湿滑路面分级标准包括：特严重湿滑路面(f＝0～0.1)、严重湿滑路面(f＝0.1～0.2)、较严重湿滑路面(f＝0.1～0.3)、一般湿滑路面(f＝0.3～0.4)，预警信号按照特严重湿滑路面、严重湿滑路面、较严重湿滑路面和一般湿滑路面分为四级，颜色依次为红色、橙色、黄色和蓝色；

所述的决策支持系统中的结冰路面安全管理对策根据车辆行驶动力学稳定标准，利用ADAMS/car仿真软件对不同线形、不同摩擦系数、不同驾驶行为耦合作用下的行车特性进行分析与仿真，确定不同工况下的车辆安全运行标准，包括不同摩擦系数下平曲线段安全运行速度标准、直线段车辆变道过程的安全运行速度及加速度、隧道进出口段摩擦系数突变状态下的车辆安全运行加速度；

所述气象监测采集系统包括天气现象监测传感器、空气温湿度传感器以及能见度传感器；所述路面状态监测系统包括遥感式路面状态传感器；交通信息监测采集系统包括流量监测站、地下感应线圈；天气现象监测传感器用于监测降水类型以及强度；空气温湿度传感器用于监测空气温度以及湿度；能见度传感器用于监测路域环境内能见度；遥感式路面状态传感器用于采集积雪路面特征值，包括包括路表温度、水膜厚度、冰层表面温度、冰层厚度；交通信息监测采集系统用于监测交通组成、交通流量、车辆运行速度；

所述信息监测采集系统、信息发布系统设置在公路最不利线形路段与最不利气象路段，所述的公路最不利线形路段与最不利气象路段为小半径曲线段、桥梁桥身段、隧道进出口段；

所述的决策支持系统还包括对策评价阶段，对策评价从交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析对策的可行性与优劣性；其中，交通流影响指的是根据运行标准确定相应的安全容许通行能力Q_s，与路段交通流量Q_f对比；

其中，Q_s＝K_s×V_s，K_s表示交通密度(辆/公里)，V_s表示安全运行车速，Q_s表示积雪路面安全容许通行能力；

若Q_s＜Q_f，则路段出现拥堵，则需在入口限制车速和车距之外，还要在周围路网发布延迟信息和通知车辆绕道行驶；若Q_s＞Q_f，则在入口进行限制车速和车距的常规化管理；用户损失指的是延误时间及物资费用；经济性指的是交通事故造成的损失与预防事故发生投入资金的比较分析；

结冰路面安全管理对策包括道路交通管制措施和道路工程措施，所述的路交通管制措施为设置警告标志、限速、车型限制、车距控制、匝道控制、交通诱导和关闭等措施；

所述的结冰时程针对局部潮湿低温路段，根据室内模拟实验预估水泥混凝土路面、沥青混凝土路面结构在不同温度下开始结冰时间和结冰完成时间。