风沙环境高速公路安全预警技术指南编制说明

《风沙环境高速公路安全预警技术指南》2一、工作概况宁夏回族自治区被毛乌素、腾格里及乌兰布和三大沙漠环绕，荒漠化土地面积占全区总面积的53.68%。银百高速、乌玛高速等战略性交通干线穿越沙漠区域，风沙环境易导致能见度急剧下降、路面积沙及车辆行驶稳定性受损，成为重特大交通事故高发诱因。为破解风沙环境下高速公路安全运营难题，落实《交通强国发展纲要》“精准防控”要求，依托宁夏回族自治区重点研发项目“风沙环境高速公路车辆运行风险识别与智能决策应用研究（2022BEG02017）”的研究成果，经宁夏标准化协会立项评审会议通过，开展该项标准的编制工作。本标准项目主要承担单位：宁夏大学。协作单位：宁夏交投高速公路管理有限责任公司、宁夏公路助察设计院有限责任公司、东南大学。（三）主要起草人及分工主要起草人：王芳、缑永涛、张鑫、杨昊、马永锋、刘诗筱、金成、王伟、姚爱军、张易辰、杨丁、孙利益、杨熙卉、马苗苗、李国瑞、王帆、邢冠仰、朱昊、邹宏昊、邓雯、江宇嘉、王冠华、邢家悦、黄思平、杨鹏、段唯佳、王龙波、韩林成、李丙花、王项、张辉映、张欢、周心奥、张俊杰、王义宁、冯文超、冯志刚、安晓梅。标准起草人员具体分工如下：3王芳、赵旭东、张鑫、马永锋：负责标准编制工作的全面指导和统筹审核，审定标准框架结构，审核工作方案，提出修改意见。刘诗筱、张易辰、杨昊，负责标准技术体系搭建与核心技术指标把控，主导风险预警模型构建、试验方案设计及数据验证工作，协调各起草单位技术对接。邹宏昊、孙利益负责交通流数据监测、车辆动力学仿真等技术支持，把控交通运行风险指标计算、预警设施布设等关键技术内容，参与标准条文技术审核。马苗苗、杨丁气象数据监测、风沙环境特征分析等技术支撑，统筹调查与数据监测章节编制，把控环境风险指标阈值确定等核心技术参数。周心奥、张俊杰负责资料收集与梳理，重点收集国内外相关法律法规、标准规范及沙漠公路安全预警研究成果，整理气象、道路基础数据，为标准编制提供数据支撑。缑永涛、王伟、姚爱军负责实地调研工作，参与宁夏沙漠及荒漠化区域高速公路气象监测网络搭建、沙丘分布与移动数据采集，勘测路基类型、防护设施等道路参数，分析风沙环境特征与公路运营现状。朱昊、李国瑞、孙利益负责指标测算与模型构建，参与CFD数值模拟、车辆动力学仿真及驾驶模拟试验，计算环境、车辆、运行等各类风险指标阈值，建立风险预警模型。主导调查、数据监测、指标体系等章节的编写工作，细化技4术要求与操作流程，确保条文表述准确、逻辑清晰。邢冠仰、朱昊、邹宏昊、邓雯负责条文起草，主导风险指标与阈值、风险预警分级等章节的编写，明确预警等级划分标准、复合修正方法及管控处置要求。江宇嘉、王冠华、邢家悦负责征求意见阶段工作，整理汇总交通、气象、公路管理等相关部门及行业专家意见，分析意见合理性并提出采纳方案，修改完善标准文本。杨鹏、段唯佳、王龙波、韩林成负责送审阶段工作，准备标准送审材料，参与专家评审会，根据审查意见优化调整核心技术参数与条文内容，完善编制说明。李丙花、王项、张辉映、张欢负责试验验证相关工作，参与积沙状态指标分析、路面附着特性试验及不同车型车辆稳定性试验，整理试验数据并验证技术指标可靠性。安晓梅负责标准格式规范与校对，按照GB/T1.1-2020要求规范标准文本结构与表述，校对条文内容、公式符号及图表编号，确保标准格式统一、无技术差错。二、制定标准的必要性和意义（一）标准制定的必要性我国是全球荒漠化严重影响的地区，沙漠面积约80.9万平方千米，约占国土总面积的8.4%，西北内陆地区沙漠分布广泛，制约了区域社会经济发展。随着“一带一路”倡议与西部陆海新通道建设的推进，沙漠地区高速公路建设成为交通网络完善的关键，但风沙灾害对公路运营安全构成严重威胁。宁夏沙漠地区气候特殊，春季干旱时节风速仅8-10m/s5即可形成能见度≤1000米的沙尘天气，路面积沙厚度达3-5mm，而境内高速公路设计车速普遍在100-120km/h，风沙突发性与高车速的矛盾突出。近年来，连霍高速、宁夏石嘴山红果子镇路口等多起交通事故均由风沙天气引发，凸显了风沙环境下高速公路安全防控的紧迫性。当前，国内外关于高速公路安全的研究虽有一定基础，但针对沙漠风沙特殊环境的系统性研究成果匮乏，既有研究多聚焦静态风险评估、事后处置或单一风险因子分析，难以应对风沙环境的突发性、动态性及多风险耦合特征。国标及其他省份地方标准中对风沙防护的规定，因气候及风沙环境差异无法完全适用于宁夏地区。（二）标准制定的意义填补宁夏沙漠高速公路安全预警标准空白，为公路防沙治沙、安全管控提供统一技术依据，解决现有标准适配性不足的问题。明确风沙环境下预警指标阈值、设施布设参数及管控策略，量化风速、能见度、积沙厚度等关键因子对行车安全的影响，提升防控精准性。总结乌玛高速等工程实践经验，融合CFD数值模拟、车辆动力学仿真等先进技术，推动安全管理从“经验驱动”向“数据驱动”、“被动应对”向“主动防控”转型。完善西部沙漠地区高速公路安全保障技术体系，强化战略通道运输保障能力，助力“丝绸之路”经济带交通网络韧性提升。6三、主要起草过程（一）成立起草组、确定分工宁夏回族自治区重点研发项目“风沙环境高速公路车辆运行风险识别与智能决策应用研究（2022BEG02017）”项目任务下达后，宁夏大学联合宁夏交投高速公路管理有限责任公司、宁夏公路勘察设计院有限责任公司、东南大学等单位成立标准编制起草组，明确各组员职责，制定详细工作方案，确保编制工作有序推进。（二）收集资料与实地调研收集相关法律法规、政策文件、国家标准、行业规范及20480-2017《沙尘天气等级》、JTGC10《公路勘测规范》等相关标准内容。开展宁夏沙漠及荒漠化区域高速公路实地调研，在乌玛高速腾格里沙漠段构建多点位气象监测网络，通过无人机倾斜摄影技术获取沙丘分布与移动数据，采集道路线形、路基断面、防护设施等基础参数，全面掌握风沙环境特征与公路运营现状。2024年10月——2025年7月，结合调研数据与项目研究成果，开展CFD数值模拟、车辆动力学仿真及驾驶模拟试验，构建风险预警指标体系，确定预警等级划分标准、设施布设要求及管控处置措施；2025年10月编写标准讨论稿，聘请区外专家和宁夏行7业内专家进行内部多次讨论论证，优化调整核心技术参数；2025年12月，召开标准讨论会，修改后形成标准征求意见稿，完成编制说明的编写。四、制定标准的原则和依据，与现行法律、法规、标准数值模拟、机器学习等先进技术，确保预警指标、等级划分及防控措施的科学性与合理性。实用性原则：聚焦宁夏风沙环境特点，针对高速公路行车安全核心风险，提出可操作、可落地的预警技术要求与管控方案，适配交通管理、运营养护等实际应用场景。协调性原则：严格遵循国家及行业相关标准规范，符合《中华人民共和国道路交通安全法》《交通强国发展纲要》等法律法规要求，与现有国家标准、行业标准保持协调一致。兼顾现有技术水平与未来智慧交通发展需求，为特殊环境下交通智能化管控提供支撑。本技术指南为首次起草的宁夏回族自治区团体标准，参照国内外相关规范和标准，主要采用以下行业及地方标准：8域）日日部效日局局局古）同时，依托宁夏回族自治区重点研发项目“风沙环境高（2022BEG02017）”的研究成果，结合乌玛高速等工程实践经验编制。9（三）与现行法律法规、标准的关系目前，国内关于高速公路安全的相关标准共计42项，其中国家标准5项，行业标准12项，地方标准18项，团体标准7项。但这些标准多集中在通用交通气象预警、公路建设勘测设计、常规交通安全管控等领域，一方面缺少针对沙漠风沙特殊环境的专项安全预警技术指导标准，另一方面即使涉及风险评估，也主要集中在单一风险因子分析或事后处置，没有形成“调查-监测-预警-防控”全链条的系统性指导，对于风沙区域交通管理和养护人员而言，相关内容的针对性和可操作性不强。需要强调的是，2024年，中国气象局发布《高速公路交通安全管控天气风险预警等级》（QX/T729-2024），填补了通用交通气象安全预警的专项规范空白。该标准规定了高速公路交通安全管控天气风险的预警等级划分、预警指标、发布流程及防控建议，适用于气象部门、交通管理部门开展高速公路天气风险预警与管控工作。但该标准未聚焦沙漠风沙环境的特殊性，对路面积沙、沙丘移动等专属风险因子未细化，对于宁夏沙漠及荒漠化区域的高速公路安全预警指导仍存在不足。本标准弥补了国内同类标准在沙漠区域高速公路安全预警领域的空白，突破现有标准“单一因子预警、通用化要求”差异化管控”技术体系。与宁夏地方标准形成功能互补，共同完善沙漠公路“建设-运营”全生命周期标准化技术支撑，其特色技术既符合宁夏沙漠公路实际运营需求，也为国内其他沙漠地区提供可借鉴的技术范式。五、主要条款的说明，主要技术指标、参数、实验验证本标准共包含8个核心章节及3个资料性附录，系统规定了风沙环境下高速公路行车安全预警的全流程技术要求，各章节逻辑紧密、层层递进，构建起“调查-监测-指标-预警-管控”的完整技术体系，同时新增专项条款强化实操性与安全范围与规范性引用文件：明确标准适用范围为宁夏沙漠及荒漠化区域高速公路，规范引用7项相关国标、行标及地方标准，确保技术要求的合规性与地域适配性。术语和定义：界定14项核心术语，包括风沙环境交通警响应时效”“分级管控阈值”等关键术语，统一行业认知与技术表述，避免执行歧义。调查与数据监测：规定气象、道路调查核心内容，明确气象数据与交通流数据的采集字段、质量要求、异常数据处理及同步频率；新增“特殊路段排查”条款，重点识别风口、桥隧出入口、弯坡衔接段等风沙高发区域，建立路段风险档案。指标体系：从环境、道路、车辆、交通运行状态四个维度构建预警指标体系，涵盖风速、能见度、积沙厚度、道路线形、车辆稳定性、交通流特征等关键指标；针对不同路段类型（平直、弯坡、桥隧）与风沙强度组合，建立差异化指标权重模型，提升风险评估精准度。风险指标与阈值：建立扬沙、大风、路面积沙三类环境风险等级计算模型，结合弯坡路段、桥隧/风口路段等场景进行复合修正；量化车辆横向滑移、侧翻及复合风险阈值，考虑路面积沙对附着系数的影响进行修正；构建交通运行风险评价模型，融合速度偏差、危险跟车比例、换道新增“风险动态修正”条款，根据实时气象数据与交通流量变化，确保预警时效性。风险预警分级与防控设施布设：将风险预警划分为极高、高、较高、一般四个等级，对应明确不同管控措施与清沙作业要求；新增“分级响应流程”条款，明确各级预警的启动条件、信息推送渠道（路侧情报板、导航APP、部门联动平台）及响应时效（一般风险≤15分钟、极高风险≤3分钟）；细化预警设施布设原则，补充“设施运维管理”要求，规定气象仪、轮廓标等设备的定期校准周期与故障应急处置方案，确保设施持续有效。附录：提供基于机器学习的模型构建方法、车辆风险指标计算方法及交通运行风险指标计算方法，新增“分级管控操作手册”附录，包含各类风险等级下的警力部署、设施启用清单、驾驶提示模板等实操内容，为标准实施提供直观技术支撑。本技术指南在制订期间，采用调研、数值分析、室内外试验、现场施工和检测等手段，反复对指南中的内容和指标进行试验分析和验证，确保准确度、可靠性、稳定性满足实际应用要求。（二）主要技术指标、参数、试验验证的论述本标准以《中华人民共和国道路交通安全法》《交通强国发展纲要》为根本遵循，结合《公路工程技术标准》《沙尘天气等级》《沙尘暴天气预警》等法律法规和政策规章文件内容，运用系统化、闭环式管理原则，梳理整合形成了以“依法治理和安全原则”为指导，重点突出“安全第一、预防为主、综合治理”的风沙环境高速公路安全预警技术体系，主要内容包括调查、数据监测、指标体系、风险阈值、预警分级、设施布设等核心内容及相关附录。标准技术指标与参数一方面来源于法律法规和部门规章，是对相关要求的细化与分解，推动沙漠地区高速公路运营管理单位做到依法依规防控，并按照规范要求建立相应的预警机制；另一方面来源于乌玛高速等工程实践经验总结和专项试验研究成果固化，通过CFD数值模拟、车辆动力学仿真、野外监测、室内外试验等多种手段，确保指标参数的科学性与适用性，主要技术指标和参数的试验论证如下所示：1.风沙环境高速公路积沙厚度指标模拟与确定本标准关键技术指标积沙厚度参数确定以乌玛高速公路（G1816）穿越典型风沙地貌区的18公里沙漠路段为工程依托，针对该区域频繁发生的路面积沙问题，开展系统的风沙流场与积沙演化规律模拟研究。基于现场地形、气候及风沙活动特征，构建高精度数值模型，对不同路基形式、断面参数及环境条件下的风沙运动过程进行三维数值模拟。模拟-30m）、边坡比（1:1.5-1:4）以及中央分隔带形式（无、紧密式、疏透式）等多种工况。通过FLUENT或类似CFD软件平台，结合离散相模型（DPM）与实测风沙数据校准，再现风沙流在路基结构周围的运动轨迹、速度场分布及沙粒沉积过程。1.1路堤断面对积沙影响分析路堤对风沙流具有显著扰动作用，形成了典型的“迎风坡减速区—坡肩加速区—路面过渡区—背风坡涡流区”流场结构。如图1所示（选取20m/s高风速工况代表），随着风速增大，路堤迎风坡坡脚风速降幅、坡肩风速升幅均显著增加。风沙流经过较高路堤时，风速和能量损失大。由此可见，风速与积沙强度呈正相关，低风速（5m/s、10m/s）：沙粒主要在迎风坡坡脚及路面迎风侧沉积。高风速（20m/s）：沙粒动能显著提升，可越过坡肩，积沙中心向背风坡转移，积沙体积分数达0.62，且积沙厚度较15m/s工况增加约28%。积沙体积分数整体上升，其中路面背风侧积沙增幅达195%。当风速超过15m/s时，积沙强度进入快速增长阶段，此为积沙风险防控的临界风速阈值。1.2路堑断面风沙流场模拟及变化规律分析路堑对风沙流运动同样具有显著扰动作用。积沙演化规律：低风速（5m/s、10m/s），沙粒主要在背风坡区域沉积，路面及迎风坡积沙量极少；高风速（20m/s），沙粒动能提升，运移能力增强，积沙范围向迎风坡及路面中后段扩展，路面后半段积沙体积分数升至0.52。路堑积沙呈现“分区差异化”规律。如图3所示，背风坡区域积沙随风速增大而下降（降幅达39.6%），而路面及迎风坡区域随风速增大而上升（增幅达550%）。当风速大于15m/s时，路堑迎风坡一侧路面易形成集中积沙，需重点1.3风向夹角对扬沙和路面积沙的影响风向夹角（主导风向与路线夹角）是决定风沙流与路线夹角代表），当风向夹角减小至30°时，路面积沙重心明显向上半部分偏移，呈现“上密下疏”的分布特征。如图5及图6所示，风向夹角与积沙浓度呈负相关。随着夹角从90°减小至30°,路堤各关键区域的最大积沙体积分数持续下降（降幅达58.9%），路堑路面及迎风坡积沙也显著减少。风向夹角越小，积沙风险越低。图5不同风向夹角下路堤积沙浓度分布图图6不同风向夹角下路堑积沙浓度分布图1.4道路线形对路面积沙的影响分析如图1-7至图1-9所示，实验表明，超高形式通过改变气流输导能力，直接决定积沙位置。背风坡侧超高：积沙最严重，最大积沙体积分数升至0.68，超出规范临界值，对行车安全构成严重威胁。迎风坡侧超高：积沙风险显著降低，较平直路段降低13.5%。平直路段：积沙风险介于二者之间。图7迎风坡侧超高路堤积沙分布云图图8背风坡侧超高路堤积沙分布云图图9不同道路线形条件下路堤积沙浓度分布图1.5断面参数对路面积沙的影响分析通过控制变量法，分析路基高度、宽度、边坡比及中央分隔带形式的影响：路基高度越高，气流翻越时的能量损耗越大，积沙越严重。高路堤（5m）的积沙体积分数最高（接近0.60），低路堤（1m）积沙风险最低；路基宽度，路基宽度变化（15～30m）对风场与积沙影响微弱，积沙体积分数差异小于5%。路基宽度不是积沙控制的关键参数；路基边坡比；积沙程度与边坡比呈正相关。如图10及图11所示，缓边坡（1:4）能有效降低气流扰动，积沙浓度最低；陡边坡（1:1.5）积沙最严重；如图1-10及图2-11所示，紧密式中央分隔带会形成明显的低风速区，导致积沙最严重（体积分数超0.60）；疏透式中央分隔带可改善通风，积沙较轻。图10不同边坡比路堤积沙浓度分布图图11不同边坡比路堑积沙浓度分布图图12不同中央分隔带形式路堤积沙浓度分布图图13不同中央分隔带形式路堑积沙浓度分布图2.积沙条件下路面附着特性试验与参数确定为支撑标准中路面附着系数指标的计算，采用“宏观-静态-微观”多尺度测试方案开展不同积沙厚度下的路面附着系数衰变的实验和分析：利用连续式横向力摩擦系数测试仪（SHN-SF）进行宏观动态测试，利用摆式仪进行静态验证，并结合三维激光扫描仪探究微观纹理机理。建立SFC与附着系数的关联关系，为后续车辆动力学仿真提供实测数据支撑。2.1宏观尺度：连续式横向力摩擦系数（SFC）测试如图14所示，采用基于“偏摇轮原理”设计的SHN-SF测试系统。该系统集成了电子控制单元、水膜喷洒系统及环境监测传感器，能实时计算横向力系数SFC（SFC值与附着系数呈正相关）。为适应沙粒环境的高磨损特性，测试轮特别选用ASTM1551E标准光面轮胎，确保了在恶劣工况下数据的稳定性与可重复性，避免了花纹磨损对测试结果的干扰。图14连续式横向力摩擦系数测试仪试验选取中卫市沙漠区域典型公路，涵盖平直、上坡、下坡及弯道四种特征线形。积沙铺设及测试如图15所示。为模拟真实且多样的积沙场景，设置全断面积沙（双轮积沙）和单侧积沙（仅一侧车轮在沙面上）两种工况，并设定精细的积沙梯度。其中对照组，双轮无积沙，测试基准路面附着性能；积沙组，积沙覆盖度从路面空隙的25%递增至100%（填充构造深度），随后增加路表积沙厚度至2mm、4mm，以确保数据的横向可比性，并符合国标测试规范。(a)(b)(c)(d)图15SFC试验现场图(a)平直道路铺设；(b)上坡道路铺设；(c)下坡道路铺设；(d)弯道道路铺设2.2不同积沙厚度对路面横向力系数的影响对于不同道路线形处，双测试轮经过不同积沙厚度下的所示。表1平直路段积沙路面横向力系数平直1（SFC）平直2（SFC）01246840.9641.1340.2742.9844.9645.5644.50表2上坡路段积沙路面横向力系数厚度（mm)上坡1（SFC）上坡2（SFC）012468表3下坡路段积沙路面横向力系数下坡2（SFC）下坡3（SFC）012468表4弯道路段积沙路面横向力系数049.5149.5247.1348.7212468随着积沙逐渐填充路面纹理，SFC值急剧下降。当沙粒填满沥青路面空隙并覆盖至2mm厚度时，SFC值降至最低点（相较于无积沙路面，弯道处下降幅度达61.25%）。此时，轮胎与粗糙沥青骨料的直接接触被完全隔绝，接触界面完全转变为不稳定的沙粒层，沙粒的滚动效应发挥到极致，行车风险达到峰值。然而，随着积沙厚度继续增加（超过2mmSFC值呈现出缓慢回升的趋势。这并非表明路面附着性能的实质性改善，而是阻力产生机理发生了变化：深厚的积沙层迫使轮胎在行进中必须压实并推移前方的沙粒，产生了显著的“犁耕效应”。沙粒间的内摩擦力和挤压阻力成为了车辆行驶阻力的重要来源，在数值上表现为横向力系数的回升。但必须警惕的是，此种由松散介质阻力构成的“高数值”与沥青路面的“高附着”截然不同，它伴随着巨大的滚动阻力和极不稳定的侧向支撑，车辆在此时更容易发生方向跑偏或陷车。对比不同线形，弯道路段的SFC值最低，风险最大。这是由于测试车在过弯时受离心力影响，加剧了车轮的侧向滑移倾向，放大了积沙层的剪切流动效应，使得车辆极易失去侧向控制。2.3静态摩擦特性：摆式仪测试验证《公路路基路面现场测试规程》（JTG3450-2019）[8]中详细规定了铺砂法、摆式仪以及横向力系数测试系统等设备的使用方法。结合实际情况，本试验使用BM-Ⅲ型摆式摩擦系数测定仪（简称摆式仪）以及路面构造深度测定仪来测定积沙沥青道路表面的摆值和路面构造深度。选择3个测试点，对测试结果取平均值，路面表面构造深度测定结果如式（1）所示，测试图如图16所示。测出的路面构造深度表示缝隙填半和基本覆盖时的铺沙厚度。不同道路线形下缝隙填半及基本覆盖积沙铺设厚度见表6所示。TD（1）式中：TD——路面表面构造深度（mm）；V——砂的体积（25cm³);D——摊平砂的平均直径（mm）。表5不同道路线形下缝隙填半及基本覆盖积沙铺设厚度按照规范要求进行仪器调平、调零以及校核滑动长度等操作摆设摆式仪如图17。在不同道路线形处各选择3个测点取出框架，积沙铺设完毕；按下摆锤释放开关，当摆锤划过积沙表面达到最高点准备下降时，用手扶住摆锤，读取指针所指数值并记录于表格；重新铺设积沙达到测试厚度，重复测量3次，3次摆值中最大值与最小值的差值不得大于3，如差值大于3，应仔细检查误差由来，调整仪器各部件，直并将其换算成标准温度20℃的摆值BPN20。图17摆式仪仪器布设的摆值BPNT按式（2）换算成标准温度20℃的摆值BPN20：BPN20=BPNT+BPN（2）式中：BPN20——换算成标准温度20℃时的摆值；BPNT——路面温度T时测得的摆值；△BPN——温度修正值见表7所示：表7温度修正值温0540度修正值△-6-4-3-10+2+3+5+7对摆值BPNT进行温度修正，修正后平直路段以及弯坡路段纵向摩擦平均值见表8所示。表8积沙路段纵向摩擦力系数积沙厚度弯坡平直均值纵向摩擦系数积沙厚度弯坡平直均值纵向摩擦系数无积沙0.766mm109.51.095基本覆盖67.50.6758mm2mm9397950.9512mm138.51.3854mm8178.50.78510mm128.51.285由表8可知。无积沙路面，纵向摩擦系数为0.76；基本覆盖路面时，纵向摩擦系数为0.675；路面积沙4mm时，纵路面积沙8mm时，纵向摩擦系数为1.19；路面积沙10mm时，纵向摩擦系数为1.28；路面积沙12mm时，纵向摩擦系数为1.38。随着积沙从无到有，摩擦系数先降后升。值得注这一极高数值进一步证实，在深沙环境中，阻碍车辆运动的主导因素已完全从界面摩擦转变为沙粒层的内部剪切与推移阻力。尽管数值上看似乎“摩擦力”很大，但这代表的是车辆“陷车”的高风险，而非行驶过程中的安全性保障。2.3微观尺度：三维纹理特征与抗滑性能的关联随着对沥青道路表面三维纹理测试领域的不断深入研究，诸多精密纹理扫描仪器被研发，如接触式表面轮廓仪、光度立体三维重构技术、激光扫描技术等，前两种技术由于受到操作、环境等因素的影响，致使与实际结果产生偏差，故而本研究采用测量速度快、使用灵活、测量精度高的三维激光扫描仪获取沥青路面纹理信息。如图18所示，选用HEXAGON海克斯康的CereScan智能灵动手持三维扫描仪获取测试表面的坐标信息。如图3-6所示。图18智能灵动手持三维扫描仪选取沙漠环境沥青路段道路进行纹理扫描试验，积沙铺设范围为30cm×30cm，积沙厚度选取无积沙、路面空隙的25%、50%、75%、100%，积沙铺设参照摆式仪试验。如图(a)(b)(c)图19铺设示意图2.4积沙条件下三维纹理变化分析对干燥条件下不同积沙厚度的沥青道路采集到的三维纹理数据和横向力系数进行分析，借助Origin软件中的CorrelationPlot相关性分析软件进行分析，相关性分析如图20所示。图20干燥积沙沥青路段三维纹理指标和横向力系数的相关性分析由图3-9可知，横向力系数和三维纹理指标之间，SFC和体积参数Vvv、特征参数Spd之间存在极强相关性，其相关系数分别为-0.97、-0.84；与高度参数Sq、特征参数Spc以及混合参数Sdq、Sdr之间存在较强相关性，其相关系数分其干燥条件下不同积沙量下的纹理指数如图21所示。图21干燥条件下不同积沙厚度下的纹理参数由图21可知，当路面由无积沙覆盖到覆盖率达到构造深度的25%时，Sq降低16.90%，Vvv增加42.79%，Spd增加当路面由无积沙覆盖到覆盖率达到构造深度的100%时，Sq降低34.42%，Vvv增加144.71%，Spd增加83.50%，Spc增加180.22%，Sdq降低56.72%，Sdr降低78.26%。Sq表示测量范围内被测表面高度的均方根，用于表示测试区域的表面纹理。随着风沙颗粒掺量的逐渐增加，路面空隙不断被积沙颗粒占据，导致宏观结构减小。谷部的空隙容积Vvv表征负载面积率p%的谷部的空隙容积，表征物体的润滑能力，数值越大表示润滑能力越强，随着积沙厚度的增加，构造深度减小，谷部空隙容积不断增加。Sdq表示区域内所有点斜率的均方根，Sdr表示相对于定义区域的面积增加，随着厚度的增加，最低点所处平面不断向峰顶点靠近，界面展开纹理面积变小，扩展面积比变小。峰顶点密度Spd代表单位面积上的峰值数量，峰顶点算术平均曲线Spc代表区域内峰值顶点主曲率的算术平均值，随着积沙增加，扫描区域表面颗粒不断增加，识别出更多峰顶点。3.车辆稳定性模拟与参数确定3.1货车在路面积沙条件行车风险预测正交试验设计：聚焦影响货车弯道横向稳定性的关键因载重（5.5t~45t）、速度（70km/h~90km/h）6项因素，采用极差分析法减少试验次数，探究各因素对LTR、侧向加速度、制动距离的影响。风险指标极差分析：①LTR（侧翻风险影响因素优先级为载重>车速>圆曲线半径>附着系数>超高>坡度，载重为首要影响因素，随载重、速度增大LTR升高，随附着系数、圆曲线半径、超高增大LTR降低（详细数据见表9，效应曲线见图22）；表9货车LTR极差结果分析坡度（m）超高速度（km/h）LTRK12.94K22.472.092.62K32.052.753.79R42(a)(b)(c)图22货车LTR影响因素效应曲线（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）圆曲线半径效应曲线d）超高效应曲线e）速度效应曲线f）载重效应曲线②侧向加速度：影响优先级为速度>圆曲线半径>载重>附着系数>超高>坡度，速度为主要因素，随速度、载重增大而升高，随附着系数、圆曲线半径增大而降低（详细数据见表10，效应曲线见图23）；表10货车侧向加速度极差结果分析坡度（m）超高速度（km/h）载重（t）侧向加速度K1K2K3R44(a)(b)(c)图23货车侧向加速度影响因素效应曲线（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）圆曲线半径效应曲线d）超高效应曲线e）速度效应曲线f）载重效应曲线③制动距离：影响优先级为速度>附着系数>载重>坡度，速度影响最大，制动距离与速度呈二次方增长，随附着系数降低、载重和坡度增大而延长（详细数据见表11，效应曲线表11货车侧向加速度极差结果分析坡度（m）超高速度（km/h）载重（t）侧向加速度K1K2K3R44(a)(b)(c)图24货车侧向加速度影响因素效应曲线（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）圆曲线半径效应曲线d）超高效应曲线e）速度效应曲线f）载重效应曲线（二）客车风险指标测试试验及分析正交试验设计：结合客车质心高、载重变化小的特点，稳定性分析选取坡度、附着系数、圆曲线半径、超高、速度、质心高度、速度4项因素，采用正交试验与极差分析法开展研究。风险指标极差分析：①LTR（侧翻风险）：影响优先级为速度>圆曲线半径>质心高度>附着系数>超高>坡度，质心高度影响显著，质心越高LTR越大，速度、圆曲线半径等因素影响规律与货车一致（详细数据见表12，效应曲线见图25）；表12客车LTR极差结果分析坡度超高速度质心高度（m）（km/h）（mm）LTRK14.074K2K34.139R4449图25客车LTR影响因素效应曲线图（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）圆曲线半径效应曲线d）超高效应曲线e）速度效应曲线f）载重效应曲线②侧向加速度：影响优先级与LTR一致，速度为首要因素，质心高度升高会增大侧向加速度（详细数据见表3-20，效应曲线见图3-30）；表13客车侧向加速度极差结果分析坡度（m）超高速度（km/h）质心高度（mm）侧向加速K1度K2K3R44(a)(b)(c)(d)(e)(f)图26客车侧向加速度影响因素效应曲线（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）圆曲线半径效应曲线d）超高效应曲线e）速度效应曲线f）载重效应曲线③制动距离：影响优先级为速度>附着系数>坡度>质心高度，质心高度影响不显著，速度、附着系数、坡度的影响规律与货车一致（详细数据见表14，效应曲线见图27）。表14客车制动距离极差结果分析坡度K1K2K3R图27客车制动距离影响因素效应曲线（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）速度效应曲线；（d）载重效应曲线3.3小客车风险指标测试试验及分析正交试验设计：考虑小客车质量轻、质心低、载重稳定的特点，稳定性分析忽略载重和质心高度影响，选取坡度、附着系数、圆曲线半径、超高、速度5项因素；制动距离分析选取坡度、附着系数、速度3项因素。风险指标极差分析：LTR（侧翻风险影响优先级为速度>圆曲线半径>附着系数>超高>坡度，速度影响最大，各因素影响规律与客货车一致（详细数据见表15，效应曲线见图28）；表15小客车LTR极差结果分析坡度超高LTRK1K2K3R4449（abc）（de）图28小客车LTR影响因素效应曲线图（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）圆曲线半径效应曲线d）超高效应曲线e）速度效应曲线①侧向加速度：影响优先级与LTR一致，速度为首要影响因素，随速度增大显著升高（详细数据见表16，效应曲线）；表16小客车侧向加速度极差结果分析坡度（m）超高速度（km/h）侧向加速度K1K2K3R44（abc）（de）图29小客车LTR影响因素效应曲线图（a）坡度效应曲线b）附着系数效应曲线c）圆曲线半径效应曲线d）超高效应曲线e）速度效应曲线②制动距离：影响优先级为速度>附着系数>坡度，速度影响最大，影响规律与客货车一致（详细数据见表175，效应曲线见图30）。表17小客车制动距离极差结果分析坡度K1K2K3R43（abc）图30小客车制动影响因素效应曲线(a)坡度效应曲线；(b)附着系数效应曲线；(c)速度效应曲线4.整体稳定性模拟与参数确定针对标准“车-路-环境”运行风险量化指标，以“揭示驾驶风险机理、建立动态识别方法”为目标，通过多自由度驾驶模拟平台并集成眼动仪、心电设备复现“低能见度+路面积沙”复合场景，从“感知-决策-操作”解析环境对驾驶行为的影响，完成路段运行风险指标测试与风险等级确定。4.1平台搭建与实验实验设备本研究实验基于多自由度驾驶模拟系统开展，该系统由六自由度运动平台、驾驶舱、实车及360°球面投影构成，如图31所示，可提供沉浸式视觉、听觉、操控与运动反馈。视觉场景通过6台投影仪以1920×1200分辨率、60Hz刷新率及360°视场角实时呈现。驾驶舱内采用经改装的自动挡实车，其方向盘、踏板等控制部件均接入数据采集系统。虚拟测试环境基于高保真3D建模技术构建，涵盖多种典型道路类型，并通过系统开发接口实现不同沙尘能见度等级的风沙场景模拟。该平台还可集成眼动仪等外部设备，用于同步采集驾驶人视觉行为数据。（a）（b）图31驾驶模拟系统（a）驾驶模拟系统球舱b）驾驶模拟系统球舱内部本实验基于SCANeRstudio软件搭建高速公路场景，集成交通设施与风沙环境，并通过其开发环境实现沙尘天气模拟、实验脚本控制及数据采集系统集成，界面示意图如图32所示。利用软件自带的Record模块，以100Hz频率实时采集车辆运行参数。图32SCANeRstudio软件模拟界面实验人员基于G*Power3.1软件的双因素重复测量方差分析估算，在统计功效0.80、显著性水平0.05、效应量0.25条件下，所需最小样本量为24人。本研究通过社交媒体招募50名合格驾驶人，均持有效驾照、驾龄一年以上，视力与身体状况良好，实验前24小时内未摄入酒精或药物，并签署知情同意书。实验过程中，5人因模拟器眩晕退出，最终45人完成全部驾驶任务，将其数据纳入分析。所有被试均在实验后获得相应报酬。实验设计基于乌海—玛沁高速公路青铜峡至中卫段实际线形，构建了沙漠高速公路3D场景模型。该路段穿越腾格里沙漠，具有沙丘流动性强、易出现路面积沙的特征。实验段为双向四车道（车道宽3.75m，应急车道宽3m），全长17km，行驶路线见图33，研究聚焦于高速公路基本路段上的驾驶行为特征。图33驾驶模拟场景和道路依据强沙尘暴（能见度≤500m）与特强沙尘暴（能见100m、50m），用于系统考察不同能见度水平下，道路线形与积沙厚度对驾驶行为特性的综合影响。各能见度场景的沙尘事件具体布设如图34所示。在实验1（直线段+沙尘暴+风积沙覆盖复合场景）中，总长1.2km，包括两个100m过渡区与1km沙尘区。沙尘区中部设置35m风积沙侵占段，覆盖第二车道及应急车道，区域路面附着系数为初始值的0.6，以模拟打滑特性。过渡区内能见度线性下降，实现从净区至沙尘区的平滑过渡。在实验2（直线段+沙尘暴+跟车驾驶复合场景）中，在沙尘区布设跟车任务，前车位于区段起点，进入过渡区时车距为100m。前车按预设速度曲线执行加速、减速和匀速运行，如图4-5所示，并在指定位置触发三类紧急制动工况：诱发风险情境并考察驾驶人制动响应行为。（a）（b）（c）图34驾驶模拟场景和道路（a）实验1：直线段+沙尘暴+风积沙覆盖复合事件b）实验2：直线段+沙尘暴+跟车驾驶复合事件c）实验3：弯道段+沙尘暴+风积沙覆盖复合事件图35前车速度曲线鉴于实验道路总长有限，为保证沙尘暴事件之间具备足够间隔，本研究将实验事件均分至两类驾驶场景，两场景路m，以模拟扬沙背景并增强沉浸体验。图36实验1不同能见度下的驾驶人视角图37实验2不同能见度下的驾驶人视角4.2路段运行瞬时风险致因分析沙尘暴的突发性对行车安全构成显著威胁，低能见度会延长反应时间、增加制动距离，而路面积沙则降低摩擦系数，加剧侧滑风险。现有研究多聚焦于能见度对车速的影响或路面材料的抗滑性能，较少从车辆控制与驾驶行为角度系统分析积沙路段的影响机制，尤其在弯道等复杂线形下的耦合作用研究不足。为此，构建了融合能见度、路面摩擦、道路线形与驾驶风格的综合风险势场模型，用于评估沙尘环境中车辆的运行风险。车辆自身属性及其运动状态决定其安全势场强度。自身属性主要指车型与质量，本研究将其定义为与速度相关的等效质量：Mi=mi∙(1.566×10-14∙v6.687+0.335)v为车辆行驶速度。车辆运动状态（速度、加速度、横向偏移等）是影响安全势场的关键因素。其中，目标车辆的速度v、加速度a以及空间内点到该车的距离l共同决定势场强度。考虑到不同方位车辆或物体对目标车辆的影响差异，引入伪距离概念对实际距离进行修正，具体为：式中，表示伪距离，(x0,y0)是目标车辆质心所在空间位置坐标，τ为安全距离的临界阈值，ε为与速度相关的待定引入道路条件概率因子表示车辆行驶过程中因道路条件不良发生交通事故的概率大小。道路条件的好坏采用能见度、坡度、曲率进行评估。道路条件概率因子的定义为：因此，包含车辆自身属性及其自身运动状态参数的车辆势场模型如式(4-6)所示：到该车辆质心所在空间坐标(x0,y0)的夹角，a为目标车辆当前加速度。道路势能场主要受道路范围内的静态物体影响，包括车道线、车道边界线、障碍物等。不失一般性，本节主要对由车道线场及道路边界场组成的道路势场进行介绍。车道线分为虚线与实线（如黄实线），二者对车辆行为约束不同：虚线允许车辆跨线变道，实线则禁止变道且应具有更强的势场约束力。为了描述上述车道标线的功能，采用了Wolf和Burdic提出的一种类高斯模型来描述道路线场的强度，即:式中，El为车道线场，Ai为不同道路标线类型产生的不同势场强度系数，决定了道路线场的最高峰值；dli为车辆i指向道路线的矢量距离，σ决定了当车辆靠近或远离道路线时，势场强度值上升或下降的速度。道路边界场的势场强度产生在道路边界线部分，一般随着车辆的逐步靠近而趋于无穷大，以防止车辆靠近而产生碰撞危险。一般道路均有两个边界，道路边界场的势场强度可表达为：式中，Eb为道路边界场的势场强度，dbj为车辆i指向道路边界线的矢量距离，η为道路边界场系数。因此，道路势场场强Er可表达为：行为场驾驶人行为场是由于驾驶人自身因素而对周围交通环境产生的潜在风险，其大小和方向很大程度上取决于驾驶人特征，体现在性格特点、驾驶水平、情绪稳定性等方面。由于驾驶人行为对行车安全的影响通过其驾驶的车辆向外界传递，因此本文使用驾驶人风险因子和其驾驶车辆形成的动能场强的乘积来表示行为场场强。具体地，基于大五agreeableness、conscientiousness、emotionalstability、openness五个维度构建驾驶人风险因子。式中，Edi为驾驶人行为场的势场强度；ω1-ω5为各维度权重系数，取值在之间；edi、adi、cdi、esdi、odi分别为大五人格问卷中extraversion、agreeableness、conscientiousness、emotionalstability、openness五个维度的结果。4.3基于综合风险势场的行车风险表征方法驾驶人的反应与操纵特性驾驶人在积沙路段主要采取两种策略：保持车道或横向偏移。方向盘转角超过2°视为有意识的转向行为，故将完全释放油门后转角大于2°的位置定义为横向避让起点。选取弯道积沙路段前后200米范围进行分析。图38显示：当积沙侵占1/3路面时，81.82%的驾驶人仅减速通过，27.27%同时减速并横向偏移；当侵占2/3路面时，仅减速通过的比例降至18.18%，而减速并偏移的比例升至72.73%。这表明随积沙面积增大，驾驶人更倾向于采取横向偏移以应对更高风险。图38不同路面积沙情况下的驾驶人驾驶策略比例中，车辆在积沙区域前后横向波动较大，但驾驶人通过维持相对平稳的速度与加速度，有效控制了横向偏移风险。而图39(a)则呈现更激进的纵向操作：进入积沙区域后速度急剧下降，加速度与踏板操作均波动显著，反映出驾驶人采取了更为剧烈的应对策略。图39弯道积沙路段典型驾驶操纵表现(a)侵占道路1/3；(b)侵占道路2/3弯道与积沙类型耦合影响下的行车风险变化前文分析显示，驾驶人对不同积沙覆盖程度的应对策略存在差异。为量化弯道与积沙耦合作用下的风险演变，本节基于改进风险场模型，选取积沙侵占1/3与2/3路面两种情中点，积沙后50m、100m）的风险变化。图40展示了各位置处风险势能在x-y平面的等值线投影风险场势能后倾加剧，反映车辆减速且减速度增大，导致积沙前100m处风险急剧上升；接近积沙区域时，势能分布趋于均匀，行驶趋于稳定；但到达积沙中点时，因路面滑动系数变化，总体势能增加，风险上升；驶离积沙区域后，势能转为前倾且加剧，表明车辆加速过程中运行风险逐步降低。图40弯道积沙侵占1/3道路时驾驶风险量化结果后50m；(f)积沙后100m为分析积沙侵占2/3路面时的风险变化，同样选取六个关键位置绘制势能等值线，如图41所示。结果显示：积沙开始减速且风险上升。接近积沙（前50m至中点）时，势能分布趋于均匀，车辆接近匀速，最外侧等势线外倾表明已向外侧换道避让。积沙中点处因路面滑动系数变化，总体势能增加，运行风险升高。驶离积沙后，势能覆盖范围沿速度方向拉伸，反映车速提升扩大了风险影响空间，但整体风险