高速公路高影響天氣風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)

曲曉黎 張娣 郭蕊 杜建華

（1 河北省氣象服務(wù)中心，石家莊 050021；2 河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021；3 海南省氣象信息中心，?？?570203）

0 引言

截至2015年，我國高速公路里程已達(dá)12.35萬 km，高居世界第一，高速公路交通事故有近30%發(fā)生在惡劣天氣條件下。柳艷香等[1]選取了對高速公路交通運(yùn)行影響最大的氣象因子，對我國高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。曲曉黎等[2]、楊忠恩等[3]分別對河北省高速公路和浙江省高速公路開展了霧災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)研究?；谥聻?zāi)因子危險(xiǎn)性、承載體及孕災(zāi)環(huán)境等因素的公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的研究也有不少[4]。這些研究成果在低能見度、路面高溫和低溫冰雪條件下，為交通運(yùn)輸管理提供了參考依據(jù)。

本文在對河北省高速公路進(jìn)行氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查，得到霧（尤其是團(tuán)霧）、路面結(jié)冰、路面積水的易發(fā)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承載體空間脆弱性和易損性幾方面開展霧災(zāi)和路面結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，得到霧災(zāi)、路面結(jié)冰災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)路段；搜集霧和路面結(jié)冰典型個(gè)例，運(yùn)用綜合指數(shù)法進(jìn)行評估排序；基于風(fēng)險(xiǎn)普查、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和典型個(gè)例評估結(jié)果，建立霧災(zāi)、路面結(jié)冰災(zāi)害和強(qiáng)降雨災(zāi)害的分災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型；綜合霧災(zāi)、路面結(jié)冰災(zāi)害和強(qiáng)降雨災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)綜合建立基于氣象條件的高速公路通行綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型；通過開展高速公路現(xiàn)場觀測試驗(yàn)、運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以及現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，確定了模型中各因子的閾值指標(biāo)。利用上述模型，基于智能網(wǎng)格化氣象實(shí)況和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，在Hadoop 交通氣象云平臺(tái)上實(shí)時(shí)計(jì)算，得到未來24 h內(nèi)逐3 h、空間分辨率為基于高速路段3 km的霧災(zāi)、路面結(jié)冰災(zāi)害、強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品以及因氣象條件造成的高速封閉的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)產(chǎn)品，上述產(chǎn)品已經(jīng)融入京津冀交通氣象一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)并向公安和交通部門發(fā)布。

1 高影響天氣風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的主要內(nèi)容

1.1 高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查

采用德爾菲法、實(shí)地勘察和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合等方法[5]，運(yùn)用高速公路沿線氣象觀測資料、公路基本信息、因氣象條件造成的交通事故和封路信息等資料，得出京津冀區(qū)域高速公路霧災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)153處，路面結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)85處，積水隱患點(diǎn)32處。將得到的高速公路霧、路面結(jié)冰和積水的隱患點(diǎn)信息融入交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查數(shù)據(jù)庫[6]，并在京津冀交通氣象一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)中基于GIS進(jìn)行自動(dòng)提醒。為交通氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供基礎(chǔ)保障。

1.2 高速公路通行高影響天氣類型分析

分析2010年4月—2013年3月河北全省高速公路通行受阻（即采取封閉管制措施）樣本共17941次，其中因氣象因素造成的通行受阻為6866次，高達(dá)38.3%。在因氣象因素造成的通行受阻樣本中，以大霧造成的次數(shù)最多，為5506次，各月均可能出現(xiàn)因霧造成通行受阻的情況，同時(shí)大霧造成的通行受阻時(shí)間也最長。其次是冰雪1342次。降雨造成的通行受阻3年中共17次。因大風(fēng)造成的通行受阻有1次。因此，對河北高速公路通行影響最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣依次為大霧、冰雪和強(qiáng)降雨。

1.3 高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)研究

按照風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃理論，基于致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體空間脆弱性以及承災(zāi)體易損性三個(gè)方面，采用加權(quán)分析法建立了河北省高速公路分災(zāi)種氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型。以霧災(zāi)為例，將年均大霧日數(shù)、濃霧日數(shù)、強(qiáng)濃霧日數(shù)作為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性因子；用近3年高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查所得的以及高速交警公布的霧易發(fā)路段、公路路網(wǎng)密度、日均單向車流量作為承災(zāi)體空間脆弱性因子；用年均因霧造成的封路日數(shù)、年累積封路時(shí)長以及年均交通事故起數(shù)作為承載體易損性因子?？紤]到高速公路封閉管制是通過收費(fèi)站的關(guān)啟來實(shí)現(xiàn)的，因此將逐個(gè)收費(fèi)站之間的距離作為霧災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型的空間尺度，即以高速公路收費(fèi)站為單位計(jì)算各站霧災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)。模型中，各因子的取值采用賦值法并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，權(quán)重系數(shù)采用層次分析法，計(jì)算出災(zāi)害性天氣風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)后，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差分類法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。

1.4 典型個(gè)例分析評估

采用多指標(biāo)綜合指數(shù)法對26次大霧和14次路面結(jié)冰典型個(gè)例進(jìn)行評估分析。以霧災(zāi)為例，采用能見度極小值、低能見度持續(xù)時(shí)間、單次霧過程影響的高速公路收費(fèi)站站數(shù)等因子建立大霧過程評價(jià)綜合指數(shù)。得出26次大霧過程和14次路面結(jié)冰過程的影響排序。

1.5 高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)技術(shù)研究

依照1.3節(jié)的方法，選取霧的強(qiáng)度（等級(jí)）、路面結(jié)冰程度、雨強(qiáng)及降雨總量、高影響天氣的持續(xù)時(shí)間以及行車位置是否處于高風(fēng)險(xiǎn)路段、行車時(shí)段、單項(xiàng)車流量和地形等因子構(gòu)建了霧災(zāi)、路面結(jié)冰災(zāi)害、強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型，參考現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)對模型中的各因子進(jìn)行賦值，最終給出分災(zāi)種的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和判別指標(biāo)。綜合霧災(zāi)、路面結(jié)冰災(zāi)害和強(qiáng)降雨災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建了基于氣象條件的高速公路通行狀況風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型，得到因氣象條件造成的不同封閉風(fēng)險(xiǎn)及其對應(yīng)的封閉時(shí)長。

1.6 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品業(yè)務(wù)化

在日常業(yè)務(wù)中，將3 km×3 km、3 h時(shí)間分辨率的智能網(wǎng)格化預(yù)報(bào)產(chǎn)品輸入河北省Hadoop交通氣象大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，計(jì)算得到河北全省高速公路每日2次、預(yù)報(bào)時(shí)長為未來24 h、3 km公路路段、3 h時(shí)間分辨率的高速公路通行狀況風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。由于高速公路管制多以收費(fèi)站口封閉實(shí)現(xiàn)，因此在預(yù)報(bào)服務(wù)中選擇高速公路收費(fèi)站口前行方向至下一個(gè)收費(fèi)站之間最高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)作為該處的通行狀況風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2 成果應(yīng)用及效益產(chǎn)出

目前，河北省高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)及基于氣象條件的高速公路站口封閉風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品已應(yīng)用于面向交管部門的服務(wù)中，并且綜合其他服務(wù)產(chǎn)品形成微網(wǎng)站嵌入中國人民財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)公司河北省分公司的微信公眾號(hào)為車險(xiǎn)用戶提供服務(wù)。

高速公路高影響天氣風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)成果應(yīng)用以來，在河北省高速公路安全保暢方面起到了積極作用，帶來顯著的社會(huì)效益。據(jù)河北省交管部門統(tǒng)計(jì)，2016年較2015年相比，全省高速公路因霧和路面結(jié)冰造成的一般等級(jí)以下交通事故下降率分別高達(dá)50%和21.9%。2016—2018年，河北省高速公路因惡劣天氣造成的一般事故數(shù)、死亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失連年大幅下降。交管部門參考跟蹤滾動(dòng)式風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品，成功實(shí)現(xiàn)“分向管控”，大大減少了人物力投入，提高了車輛通行效率和安全程度。2018年，項(xiàng)目獲河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

3 展望

未來應(yīng)利用衛(wèi)星遙感反演、圖像識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等方式方法，使用氣象觀測和社會(huì)化觀測結(jié)合的方式，形成多源數(shù)據(jù)融合分析和應(yīng)用技術(shù)，全面解決霧的觀測問題，進(jìn)一步與云計(jì)算融合，實(shí)現(xiàn)為管理部門和社會(huì)公眾的跨區(qū)域無縫式全程實(shí)時(shí)導(dǎo)航氣象服務(wù)。