风沙环境高速公路安全预警技术指南

3风沙环境高速公路安全预警技术指南本文件提供了风沙环境下高速公路行车安全预警的调查、数据监测、指标体系、风险指标与阈值、风险预警分级与防控设施布设等方面的指导。本文件适用于沙漠及荒漠化区域的高速公路行车安全预警。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T20480沙尘天气等级GB/T28593沙尘暴天气预警JTGC10公路勘测规范QX/T高速公路交通气象条件等级QX/T415公路交通行车气象指数QX/T729高速公路交通安全管控天气风险预警等级DB64/T2013沙漠公路勘测设计指南3术语和定义3.1风沙环境交通管控trafficcontrolinsandyandwindyconditions应对风沙（扬沙、积沙）对高速公路交通安全的影响，所采取的限行、限速等交通管控措施。3.2沙漠desert沙质荒漠，其地表覆盖着大片的风成沙与沙丘，是风沙环境高速公路的主要穿越区域。3.3风积沙aeoliansand风力作用下形成的沙物质，多为细沙或极细沙，颗粒集中、级配不良、粉黏粒含量少，呈松散状，易形成路面积沙隐患。3.4流动沙丘mobilesanddune沙丘完全裸露或仅有稀少植被（覆盖度小于10%），在起沙风作用下存在较强风沙流活动，且沙丘整体会顺风前移，对公路威胁显著。3.5风沙流windblownsand含有沙粒的运动气流，是气流及其搬运的固体颗粒（沙粒）的混合物，是路面积沙的主要形成载体。3.6起沙风dust-raisingwind能使沙粒起动并形成风沙流的风，通常以风速≥10.8m/s（6级）为临界值。3.7积沙厚度thicknessofaccumulatedsand风沙流在公路范围内，包括路面、路基、路堑和边沟内沉积形成的沙层厚度，是评估路面通行安全风险的核心指标。43.8货车混入率truckmixingrate特定时间周期内，高速公路断面通行的货车数量与总车辆数量的比值，用于修正交通运行风险评估结果。3.9单车记录帧singlevehiclerecordframe遵循JT/T1008.2协议，包含单辆车关键运行信息的数据单元，是交通流数据采集与处理的基础单3.10入口限流flowrestriction通过间断放行、减少收费站入口车道开通数量等方式限制驶入高速公路的交通流量。3.11交通诱导trafficguiding通过可变信息板、交通广播、收费站口头或发卡通知等方式对大雾影响路段及周边道路车辆发布或提供安全行车警示、实时路况、绕行路线等信息。3.12车辆限制vehiclerestriction限制大型客车、重中型货车、汽车列车、危险品运输车辆、超载超限车辆、灯光不全车辆等驶入高速公路。3.13分流疏导trafficdiversion通过交通广播、可变情报板、巡逻人员喊话、摆放交通安全锥强制引导车辆等方式将车辆引离高速公路。3.14交通安全引导设施trafficsafetyguidingfacilities引导驾驶员注意道路线形和前方路况的主动发光突起路标、主动发光轮廓标、雾灯等交通安全设施。4调查4.1气象调查4.1.1收集沿线附近气象台站的常规气象资料，包括气温、降水、湿度、风向、风速、动力风向玫瑰图、起沙风矢量图等，重点收集风向、风速、风频率、起沙风的多年观测资料。4.1.2测定起沙风速、沙丘移动特征(移动方向方式、速度和输沙量)，重点掌握大风和高频率起沙风的方向和季节分布。4.1.3实时采集风速、风向、能见度、气温、相对湿度数据，同步记录采集时间（精确到秒）、设备编号、经纬度坐标等辅助信息。4.2道路调查4.2.1按高速公路路段特征，划分为平直路段、弯坡路段，标注桥隧路段、风口路段的里程范围。4.2.2测弯坡路段的圆曲线半径、纵坡坡度，桥隧路段的出入口长度，风口路段的平均风速增幅，为预警等级修正提供参数。4.2.3勘测路基类型、边坡比、中央分隔带形式，核实路面抗滑性能。4.2.4调查现有防沙工程的类型、布局及完好率、间距、孔隙度等关键参数。5数据监测5.1气象数据5.1.1数据字段5用于风沙环境高速公路安全预警的气象数据为采集时间、风速、风向、能见度、气温、相对湿度、设备编号、经纬度坐标。5.1.2数据质量要求用于风沙环境高速公路安全预警的气象数据集质量满足以下要求：——采集频率为1Hz及以上；——在数据连续记录情况下，所获取的数据中异常（缺失、错误等）数据比例不超过数据总量的5%；——风速数据的精度至少达到0.1m/s；——风向数据的精度至少达到1°;——能见度数据的精度至少达到5%(≤5km时）、10%（＞5km时）；——气温数据的精度至少达到0.2℃。5.1.3数据排除要求采用3σ准则剔除异常数据，对连续3次采样值超出正常范围的数据标记为可疑数据，符合以下情况的数据删除和舍弃，不用于风沙环境高速公路安全预警：——风速大于40m/s；——风速小于0m/s；——能见度小于10m且无沙尘天气佐证；——气温低于-40℃或高于60℃。5.1.4数据修补对于缺失数据，若缺失时长≤5min，采用线性插值法补全；缺失时长＞5min且≤30min，采用相邻气象仪同期数据加权补全（权重与距离成反比）；缺失时长＞30min，标记为数据空缺并记录原因。5.2交通流数据5.2.1数据字段交通流数据以交调设备（RD）自动采集为准，按《一类交调协议精简版》格式，基于单车记录帧扩展，结合行车风险研判算法需求，用于风沙环境高速公路安全预警的交通流数据集字段包括：——基础标识信息：采集时间、设备编号、断面编号、经纬度坐标；——单车核心信息：车道ID、车型代码、瞬时速度；——衍生计算信息：区间行程平均速度、区间平均加速度、方向角、实际车头时距、换道状态（是否换道）；——统计特征信息：货车混入率、轨迹匹配成功率）。5.2.2数据质量要求用于风沙环境高速公路安全预警的气象数据集质量满足以下要求，并建立数据质量实时监控机制，对单车记录帧采集成功率、数据同步成功率、轨迹匹配成功率等指标动态监测，异常时触发设备维护告警。——采集频率为1Hz及以上。——在数据连续记录情况下，所获取的数据中异常（缺失、错误等）数据比例不超过数据总量的5%。——速度数据的精度至少达到1km/h。——加速度数据的精度至少达到10-2m/s2。——经度和纬度数据的精度至少达到10-6度。——车型识别数据的准确率不低于95%。——断面交通量统计误差不超过实际流量的3%。5.2.3数据排除要求采用3σ准则剔除异常数据，对连续3次采样的单车记录帧关键信息超出正常范围的数据标记为可疑数据，符合以下情况的数据删除和舍弃，不用于风沙环境高速公路安全预警：6——瞬时速度大于200km/h或小于0km/h；——区间平均加速度绝对值大于12m/s²;——定位经纬度在道路红线范围以外；——车型代码无法识别或匹配错误；——实际车头时距小于0.5s；——单车记录帧中时间戳、车道ID、车型代码、瞬时速度任一关键字段缺失；——货车混入率统计结果超出0-1合理区间。5.2.4数据修补5.2.4.1关键字段缺失时长≤5min的，采用线性插值法补全瞬时速度、加速度等连续型数据；缺失时长＞5min，标记为数据空缺并记录原因。5.2.4.2实际车头时距缺失的，基于同车道相邻车辆的单车记录帧时间戳差值推导补全。5.2.4.3换道状态缺失的，通过比对上下游断面车道ID是否一致反向判定补全。5.2.4.4单个时间切片（5min）内轨迹匹配成功率在60%-85%之间的，通过扩大时间窗匹配范围(±10s）补全缺失轨迹。5.2.4.5区间行程平均速度、区间平均加速度等衍生数据缺失的，基于补全后的瞬时速度、时间差重新计算。5.2.4.6修补后的数据需重新验证精度，确保满足数据要求后方可使用。6指标体系6.1环境影响风沙环境高速公路行车安全的环境指标包括但不限于：——风：影响因子为风速、风向、能见度；——沙丘：高于10m的沙丘位置及与主线的距离；——其他指标：相对湿度、气温。6.2道路高速公路路段线形分类符合表1的规定，影响高速公路交通安全的路段指标包括但不限于以下几种：——道路线形：1)平直路段；2)弯坡路段（包括平曲线路段、纵坡路段、弯坡组合路段等）。——特殊路段位置：1)隧路段：桥梁、高架桥、立交桥、涵洞、隧道出人口或桥隧连接路段；2)风口路段：山谷口、临崖、沟壑山川间的风口路段。——横断面指标包括但不限于：1)横断面形式；2)路堤高度；3)路堑深度及边坡比。——防护设施状态指标包括但不限于：2)沙障；3)草方格；4)固沙林带；5)生物矿化等防护设施类型及完好率。表1高速公路路段线形分类7坡度小于3%长度大于200m平直路段坡度大于或等于3%6.3车辆车辆指标包括但不限于：——车辆基础属性指标：车辆类型、载重、质心高度、轴数、轮距、轴距；——车辆运行稳定性指标：侧向偏移量、横向载荷转移比、临界附着系数、侧向加速度、轮胎滑移率、制动距离。6.4交通运行状态交通运行状态指标包括但不限于：——交通量基础指标：断面车流量、单位时间交通量、车型比例、平均车头时距；——车流状态指标：瞬时车头时距、车流密度、时间占有率；——车速特征指标：分车型瞬时地点车速；——行车秩序指标：车道变换频率、跟车安全距离不达标车辆占比。7风险指标与阈值7.1环境风险7.1.1扬沙根据能见度确定扬沙基础等式中:Rvis——能见度影响等级；vvis——能见度，单位m。7.1.2大风根据风速确定风速影响等级范围Rwind(i=1—4),公式如下：式中：Rwind——风速影响等级；Ws——风速，单位m/s。7.1.3路面积沙选取路面积沙厚度Hsand作为核心特征指标，结合风速、风向、路基形式、植被覆盖率等影响因素，基于风沙监测数据或机器学习算法（参见附录A）建立积沙预测模型或其他评价方法路面积沙厚度Hsand，确定路面积沙风险等级Rsand(i=1—4），公式如下：8式中：Rsand——积沙风险等级；Hsand——积沙厚度，单位m。7.1.4复合修正7.1.4.1弯坡路段修正：若基础等级R≥3，且路段为弯坡路段，修正值Rx=—1，风险等级升1级；7.1.4.2特殊路段修正：若基础等级R≥3，且路段为桥隧/风口路段，修正值Rx=—1，风险等级升17.1.4.3若路段同时满足“弯坡路段”和“桥隧/风口路段”双重条件，修正值叠加Rx=—2，，风险等级升2级；7.1.4.4场景复合修正：当扬沙、积沙、大风等两种及以上场景叠加时，首先确定扬沙与积沙场景复合时风险等级。若扬沙预警等级Rvis≥3，当积沙预警等级与扬沙等级差值Rsand—Rvis=1，修正值Rx=—1，风险等级升级1级，当积沙预警等级与扬沙等级差值Rsand—Rvis≥2，修正值Rx=—2，风险等级升级2级；若扬沙预警等级Rvis=2，积沙预警等级与扬沙等级差值Rwind—Rvis=1，修正值Rx=—1，风险等级升级1级，否则修正值Rx=0。如下所示：——确定基准等级：以扬沙预警等级Rvis为基准；——计算等级差：计算扬沙与积沙预警等级的差值：D=Rvis—Rsand——根据基准等级与等级差确定修正值Rx；——扬沙和积沙复合场景下的风险等级R（sand+vis）=Rvis+Rx。表2场景复合风险等级修正扬沙预警等级RvisRvis≥3xxRvis=2D=1—7.1.5环境风险预警等级式中：Lenv——环境风险预警等级；R（sand+vis）——扬沙与积沙预警等级；Rwind——风速影响等级。97.2车辆风险7.2.1横向滑移风险根据横向加速度（Lateralacceleration）（计算详见附录B）确定车辆横向滑移基础风险等级范），式中：Ay——横向加速度，单位m/s2；Rla——横向滑移风险等级。7.2.2横向翻车风险根据横向荷载转移率（计算方法详见附录A或附录B）确定车辆横向侧翻风险等级范围RLTR(i=1—4公式如下：式中：LTR——横向荷载转移率；RLTR——横向翻车风险等级。7.2.3“侧滑-侧翻”复合风险以综合侧滑-侧翻风险评价指标（CSSRI）（计算方法详见附录B）表征车辆侧滑与侧翻耦合风险的量化指标，确定车辆横向“滑移-侧翻”风险等级范围RCSSRI(i1—4），公式如下：式中：CSSRI——综合“侧滑-侧翻”风险评价指标；RCSSR——“侧滑-侧翻”复合风险等级。7.2.4复合修正当路面积沙导致附着系数μ（计算方法详见附录B）每降低0.05时，对应各级横向加速度阈值下调10%~15%，各级LTR阈值下调8%~12%，各级CSSRI阈值下调9%~13%。7.2.5车辆风险预警等级最终车辆风险预警等级：Rvce=min(Rla,RLTR,RCSSRI)式中：Rvce——车辆风险预警等级；Rla——横向滑移风险等级；RLTR——横向翻车风险等级；RCSSRI——“侧滑-侧翻”复合风险等级。7.3运行风险基于双断面匹配的交通流数据，以速度偏差风险指数(VDR)、危险跟车比例(prisk)和换道效应指数(Rrut)作为核心指标，并考虑环境胁迫影响、货车混入率等关键指标进行修正，构建多源风险融合模型计算路段运行风险（参见附录C并将交通系统运行风险划分为以下等级：式中：Rop——高速公路路段整体运行风险等级；ototal——高速公路路段整体运行风险评价结果。7.4两种及以上风险耦合当有两种及以上风险同时出现时，风险预警等级指标按公式(9)计算。公式如下：式中：R——风险预警等级；Renv——环境风险预警等级；Rvce——车辆风险预警等级；Rop——运行风险预警等级。8风险预警分级与防控设施布设8.1风险等级划分与预警准则风险预警等级根据第7部分风险预警等级指标的计算结果，按表3的指标划分为极高风险、高风险、较高风险、一般风险四个等级。表3风险预警等级划分及处置等级名称指标（L）风险表征交通安全管控措施建议清沙作业要求Ⅰ极高风险R=1低能见度+低能见度+积沙+强风耦合，如除紧急公务抢险救护等特殊车辆外车辆极易侧翻、追尾，完全丧、，如除紧急公务抢险救护等特殊车辆外失通行条件。关闭对应高速路段等失通行条件。禁止各类车辆驶入或风沙减弱后立即清沙，残留厚度＜3mm；机械清沙队伍待命Ⅱ高风险R=2能见度严重不足，同时可能伴对受影响的高速公路路段，采取高级别的交通安全管控措施，有不同程度的路面积沙干扰，如禁止危化品车辆、大型客运车辆、重型货运车辆驶入；其余大型车辆易失控车辆通过预警设施发布指令，进行限速管控，必要时引导其进入服务区等待或就近驶离等每1小时巡查积沙情况，积沙厚度＞1cm时立即组织清沙，作业后残留厚度＜3mmⅢ较高风险R=3能见度不足，但路面存在积对受影响的高速公路路段，采取较高级别的交通安全管控措施，沙，车辆侧向稳定性下降，制如禁止危化品车辆驶入；预警设施发布相应预警信息，进行限动距离延长速管控等清沙设备服务区待命，视积沙情况作业Ⅳ一般风险R=4对受影响的高速公路路段，采取低级别的交通安全管控措施，能见度轻微下降，路面通行条件基本可控，需谨慎驾驶如：采取临时限速等件基本可控，需谨慎驾驶及时清理零星积沙8.2预警防控设施布设8.2.1布设原则8.2.1.1风沙高发路段（年均起沙风日数≥60天）每5km布设1台气象仪；普通风沙路段（年均起沙风日数30-60天）每10km布设1台；低发路段（年均起沙风日数＜30天）每20km布设1台。8.2.1.2气象仪应布设在高速公路红线外50-100m范围内，避开建筑物、树木等遮挡物，保证传感器上方10m内无障碍物，且地势平坦开阔，与路面高程差不超过5m。8.2.1.3桥隧出入口、风口路段、弯坡组合路段等特殊区域，气象仪布设间距缩短50%，并在距出入8.2.2分阶段布设要求根据预警和管控的不同阶段，设施布设满足以下要求，具体如表4所示。表4预警防控设施布设要求警每500m布设1套，循环播报预警等级及（资料性）基于机器学习模型构建方法A.1基于机器学习算法的车辆运行安全性评价A.1.1结合机器学习算法挖掘车辆多维度数据的隐性关联规律，开展高速公路行车安全预警等级判定，本标准给推荐应用机器学习算法进行车辆运行安全预警的一般流程和要求，为风沙区域高速公路安全管控提供技术支撑。A.1.2应用机器学习进行风沙环境行车安全预警与路面积沙预测的技术路线一致，核心在于围绕不同目标构建针对性数据集与模型，其中推荐进行数据集分割时，推荐训练集、验证集、测试集比例为6:2:2，具体技术路线如图A.1所示：图A.1基于机器方法的技术路线图A.2算法的一般要求A.2.1数据集构建要求：依据分析目标，选取本标准第5章预警指标体系及本章A.1节所述数据维度构建模型数据集。若数据条件允许，可补充沙障类型、植被覆盖率、海拔高度、沙丘移动速度等地域特色指标，提升模型对特定风沙环境的适配性；A.2.2算法选择要求：依照原始数据集特性及目标类型选择算法——分类任务（如积沙等级分类、安全预警分级）可选用随机森林（RF）、梯度提升决策树（GBDT）、支持向量机（SVM回归任务（如积沙厚度预测、侧向加速度预测）可选用BP神经网络、LSTM时序模型、极端梯度提升（XGBoost聚类任务（如风险区域划分）可选用K-means、密度聚类（DBSCANA.2.3模型适配性要求：算法应充分考虑三大核心因素——数据集样本量（受监测站点覆盖里程、监测设备密度约束）、时空地域特性（海拔、风沙季节分布、沙丘移动规律）、车辆与路段特性（车型载重、路基边坡比、路面抗滑性能确保模型在不同风沙场景下的适用性；A.2.4样本质量要求：进行特定风沙路段行车安全预警或路面积沙预测时，样本量保证计算结果的置信水平在90%以上；单路段监测时长至少达到连续24h，且需涵盖风沙天气与正常天气的典型数据，确保模型学习到完整的数据特征规律。1（资料性）车辆风险指标计算方法B.1横向加速度（Lateralacceleration）车辆在水平面内垂直于行驶方向的加速度，由转向离心力、路面横向坡度等共同引起，单位为m/s2，式中：Ay——横向加速度，单位m/s2；v——车辆运行速度，单位为m/s；R——曲线半径，单位为m，当平面线形为直线、R取值为∞;θ实——实际的路拱横坡角度，单位为(°),当积沙厚度Hsand<90mm时，θ实为路拱横坡角度或超高角度；当积沙路面当路面积沙厚度Hsand≥90mm时，叠加积沙厚度附加速度对横向加速度进行修正，即θ修=θ+actan，B为车辆轮距；g——重力加速度，取9.8m/s2。B.2横向载荷转移率（LTR）车辆左右侧车轮垂直载荷的转移比例，反映车辆侧翻趋势的量化指标，按公式（B.2）计算：式中：LTR——横向荷载转移率Fz,outer——外侧车轮垂直载荷，单位为N；Fz,inner——内侧车轮垂直载荷，单位为N；Fz,total——车辆总垂直载荷（等于整车重力），单位为N。当LTR=1时，内侧车轮垂直载荷为0，车辆处于侧翻临界状态；LTR≥1时，车辆发生侧翻。B.3综合“侧滑-侧翻”风险评价指标（CSSRI）综合表征车辆侧滑与侧翻耦合风险的量化指标，通过横向加速度（侧滑主导因子）、LTR（侧翻主导因子）及车型差异化系数加权计算得到，单位为无量纲，按公式（B.3）计算：CSSRI式中：CSSRI——综合“侧滑-侧翻”风险评价指标；α——横向加速度权重系数，反映侧滑风险贡献度，建议取值0.4；β——LTR权重系数，反映侧翻风险贡献度，建议取值0.6；Ay——横向加速度，单位m/s2LTR——横向荷载转移率，无量纲单位；Ay,max——侧滑临界横向加速度（m/s2），建议取值0.5；LTRmax——侧翻临界，建议取值0.8。B.4附着系数μ附着系数指路面与轮胎接触面间的摩擦特性参数，无量纲，表征路面对轮胎的抗滑约束能力，积沙路面的μ按公式（B.4）计算：2式中：V设——设计车速，单位为km/h；μ——附着系数；x——路面积沙厚度，单位为mm。3（资料性）交通运行风险指标计算方法C.1速度偏差风险指数(VDR)VDR(VelocityDeviationRisk)是表征交通流速度离散程度与超速行为的耦合风险指标。它不仅考虑车辆速度与路段参考安全车速的偏离程度，还通过速度比率加权，重点强化对超速行为的风险量化。数值越大，表明车流速度越不均匀且超速现象越严重，发生追尾或失控事故的概率越高。公式如下：VDR式中：VDR——速度偏差风险指数；Vavgi——路段平均车速，单位km/h；Vref——路段参考安全车速，建议取路段限速值，单位km/h；N——车辆总数。C.2危险跟车比例(Prisk)prisk(ProportionofRiskyCar-following)是指在统计周期内，实际车头时距小于安全车头时距标准的车辆数占断面总交通量的比例。反映了交通流中“紧凑跟车”群体的密度。数值越大，表明大部分车辆未保持安全车距，一旦前车急刹，发生追尾的风险极高。公式如下：prisk式中：Hsafe——安全车头时距；Hactuali——实际车头时距；prisk——危险跟车比例；tr——驾驶员感知反应时间，建议取值为1.0s；tb——缓冲时间，建议取值为2.0s；N——车辆总数。C.3换道效应指数(Rc)Rc(LaneChangeFrequencyIndex)是指在统计周期内，上下游车道发生变化的车辆数占总匹配车辆数的比例。在风沙环境下，该指标用于量化行车轨迹的不稳定性。频繁的换道行为通常意味着驾驶员正在通过变道来寻找清晰视野或避让积沙/障碍物，表征了交通流受到环境干扰后的紊乱程度。公式如下：Rc式中：Laneup——车辆在上游检测时所在车道；Lanedown——车辆在下游检测时所在车道；N——车辆总数。C.4环境胁迫指数E(EnvironmentalStressIndex)是由能见度分段函数与路面积沙