本发明涉及高速公路路面状况预警技术领域，特别是涉及一种山区高速公路结冰环境预警系统与方法。
背景技术
路面覆冰后，摩擦系数急剧降低，抗湿滑性能下降，使得车辆因制动距离增加和操作失控而导致事故发生频率增加。统计数据表明，13.5%的死亡事故以及25%的交通事故是由于较差的路面抗湿滑状况引起。在结冰或降雪天气环境下，由于冰、水的润滑作用使得轮胎与路面间的接触摩擦减少，路面行驶性能下降而产生的交通事故率将增加25%。及时准确获取路域环境内的气象信息、路面信息、交通信息，确定有效的管控措施至关重要。
目前，气象部门的监测站点虽然建设较完备，但与交通服务的需求不适应，与路域环境下的恶劣天气监测有着本质区别，体现在以下几方面：
（1）共享差异：普通气象站无须每分钟实时上传气象资料，而交通气象则必须达到实时上传的要求。
（2）时空密度不足：目前气象部门的自动站网空间密度相对于道路交通状况而言仍然过于稀疏，远远不能满足交通气象服务的需要。
（3）代表性欠缺：普通自动气象站的布设环境需要考虑地面观测标准，往往都远离交通干线，监测点不在交通干线上，不能代表交通线路上的实际天气状况。
（4）观测项目不全：目前布设的自动气象站一般不具备路面状况等要素的监测功能，而这些监测项目对交通是最重要的。
（5）管控措施缺乏合理性：目前，高速公路管理部门缺乏合理管控结冰路面的标准。路域范围内若出现降雪等不良天气时，常用的管控策略是关闭高速公路，限制通行，严重影响了高速公路的服务质量与经济效益。
考虑到高速公路气象的独特性、突发性及区域性，需要建设专用的交通气象监测站点，形成“路域结冰状况”监测系统，实现对不同气象环境参数、路面状况参数、交通流数据的实时监测并实时上传，并形成完整的山区高速公路结冰预警系统和方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决目前高速公路路域范围内气象信息、路面状况信息、交通信息的不匹配性、无代表性问题，为山区高速公路提供有效的监测方案并构建相应的配套系统，同时提供一种山区高速公路结冰环境预警方法，指导高速公路有关部门的科学有效管理。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
山区高速公路结冰环境预警系统，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该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。
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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。
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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。
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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。
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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，
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（0c）。
式中，µac-16、µogfc-16——冰水混合物条件下ac-16、ogfc-16路面摩擦系数；ti——冰层表面温度（0c）；hi——冰层厚度(mm)；hw——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。
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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。
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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qs，与路段交通流量qf对比。其中，qs=ks×vs，ks表示交通密度（辆/公里），vs表示安全运行车速，qs表示积雪路面安全容许通行能力。若qs<qf，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qs>qf，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。
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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；
前述的山区高速公路结冰环境预警系统是，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。
有益效果
本发明将气象信息监测采集传感器、路面状况信息监测采集传感器、交通流检测传感器集成一体，布置在山区高速公路最不利低温环境路段，有效克服了目前公路气象监测站与路域环境差异性、突发性及区域性不相适应的缺陷。实时采集气象信息、路面状况信息以及交通流信息数据，为信息处理系统提供数据支持。决策支持系统根据信息处理系统的分析结果，兼顾安全、通行水平和经济性指标，综合确定相对最优的安全管理对策，并通过信息发布系统传输至现场发布，最终实现结冰路面的安全高效运营。
本发明对比已有技术具有下列有效效果：
（1）从信息监测层面分析，本发明针对高速公路路域环境的差异性、突发性及区域性，在公路纵向最不利低温路段布置气象传感器、遥感式路面状况传感器和交通信息传感器，实时采集、存储、传输气象数据、路面状况数据、交通流数据，保证数据采集的全面性、代表性、有效性。
（2）从系统特点层面分析：本发明所述的山区高速公路结冰预警系统是一种包含静态监测传感设备的系统。因现场监测设备布设于硬路肩以外，其维修、更换设备方便，且对高速公路交通流无干扰。该系统功能全面，受干扰因素较少，准确性高。
（3）从预警方法层面分析，本发明针对全路段结冰情况，基于车辆行驶动力学稳定性分析，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，包括车辆安全运行速度、车辆安全运行加减速度。该方法可以根据实时采集的数据快速、准确地确定安全运行标准，直观有效的向驾驶员发布预警信息。本发明针对局部易发生结冰的路段，基于室内实验，对结冰时程进行预警，有利于提高高速公路相关部门的管理效率。
（4）从市场效益层面分析，随着山区高速公路总里程的增加，该系统在未来能够有效降低交通事故发生率，更大限度地发挥高速公路的社会经济效益。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的说明。
本发明是一种山区高速公路结冰预警系统和方法，预警系统由信息监测采集系统、信息处理系统、决策支持系统、信息发布系统、评价系统组成。
所述信息监测采集系统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。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风速风向传感器；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。其中，天气现象监测传感器用于监测降水类型；空气温湿度传感器用于监测空气温度以和湿度；风速风向传感器用于不同环境下的空气风速和风向；遥感式路面状态传感器用于采集路面特征值，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流量、车辆运行速度。
所述信息处理系统作为路面结冰预警系统的核心，其功能是将采集的气象、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。
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该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。
其中，不同结冰路面状况，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。
所述路面摩擦系数计算模型是根据室内模拟实验所得数据经处理得到。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，
式中，
式中，µac-16、µogfc-16——冰水混合物条件下ac-16、ogfc-16路面摩擦系数；ti——冰层表面温度（0c）；hi——冰层厚度(mm)；hw——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），预警信号按照湿滑的严重性对应地分为四级，颜色依次为红色、橙色、黄色和蓝色。
信息处理系统对数据分析分析完毕后，则需要决策支持系统根据分析结果确定合理的管控措施。所述决策支持系统包括寻求对策阶段、策略评价阶段、实施与反馈决策阶段。其作用是保障结冰路面交通流安全、有效运行的关键部分。决策的制定是依据结冰路面安全行车控制标准的研究成果确定。决策分析模型兼顾安全、通行能力和经济等指标，综合考虑制定相对最优的安全管理对策。
所述寻求对策阶段，指的是寻求车辆安全运行标准以及管控方案。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。具体时间详见表1和表2。针对全路段结冰情况，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、隧道进出口处摩擦系数突变状态下的车辆安全运行加速度，具体标准详见表3、表4和表5。
寻求对策阶段完毕后，需要进行对策的评价阶段。因路面结冰预警系统的管理对策更多采用交通管控措施中的限速、控制车距方法，故本发明主要从对交通流影响、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qs，与路段交通流量qf对比。其中，qs=ks×vs，ks表示交通密度（辆/公里），vs表示安全运行车速，qs表示结冰路面安全容许通行能力。若qs<qf，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qs>qf，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。
对策评价阶段完毕后，需要进行实施决策阶段。具体管控对策详见表3。
将预警信息和安全管理对策发送到高速公路监控中心，监控中心将对策发布于现场，即所述的信息发布系统，包括可变情报板、无线电通讯、广播电视，其作用是及时准确发布路面结冰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。
所述的评价系统，其作用是定期进行道路安全性评价，对系统的运行效果进行反馈，以使系统不断改进和完善。