張震宇，朱寶林

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.交通運輸部科學研究院，北京 100029；3.交科院公路工程科技（北京）有限公司，北京 100029）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟技術的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，截至2020年，根據(jù)國家數(shù)據(jù)網(wǎng)的統(tǒng)計信息，我國私人汽車擁有量為24 285.17 萬輛，比2019 年增長7.3%；高速公路通車里程達16.10萬公里，比2019年增長7.6%。雖然基礎設施建設在不斷加快，但交通安全形勢并不樂觀。交通管理部門受理的案件中，因惡劣氣象因素導致的近30%。僅2019 年因自然災害造成公路阻斷事件21 443起，累計阻斷里程110多萬公里，持續(xù)時間33 萬多小時。被譽為高速公路“流動殺手”的團霧便是其中一種應當特別重視的氣象因素。團霧是霧的一種，又稱“坨坨霧”，是一種濃度更大、能見度更低的霧，具有突發(fā)性、局地性和內(nèi)外能見度差異大等特點，因此提高霧天行車的安全性，保障駕駛員霧天正常駕駛是亟需解決的問題。針對此問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了一定的研究，主要集中在團霧的監(jiān)測預警和處置兩個方面。

1 霧的形成機理與分類

1.1 霧的形成機理

霧是由浮游在空中的小水滴或冰晶組成的水汽凝結物。霧的形成過程也就是地表大氣降溫增濕趨于飽和的過程[1]。霧的產(chǎn)生與各種變化不僅由周圍的天氣狀況與氣象分布決定，也會受到周邊的地理位置、地形地貌等環(huán)境狀況的影響。當空氣中的水汽達到或接近飽和時，就會在凝結核上凝結形成霧，所以足夠的水分是霧能形成的必要條件。

1.2 霧的分類

根據(jù)不同分類依據(jù)，可以將霧分為不同類型。

按照形成原因，可以將霧分為蒸發(fā)霧和冷卻霧兩大類[2]。根據(jù)冷卻原因可將冷卻霧分為輻射霧、上坡霧和平流霧3 種。按照我國的實際情況，高速公路霧區(qū)上的霧以冷卻霧為主[3]，這也說明高速公路霧區(qū)的形成更多是受當?shù)氐男夂颦h(huán)境影響。

按照能見度不同，可以將霧分為輕霧、中霧、大霧、濃霧和重霧，如表1所示。

表1 能見度與霧的分類

按照霧中溫度是否大于0℃，可以將霧分為暖霧和冷霧。溫度大于0℃的霧為暖霧，小于0℃的霧為冷霧。暖霧和冷霧有不同的消霧方法和原理。

1.3 團霧的形成特點

團霧是由于夜間地面輻射冷卻，靠近地面層的空氣降溫變冷而形成的霧。其本質也是霧，但是團霧的霧氣更濃、能見度更低，且具有局地性、突發(fā)性和內(nèi)外能見度差異大等特點[4-7]， 比普通霧天對交通造成的影響更大。

我國高速公路地區(qū)對團霧的形成有著天然的有利條件，主要是溫度、濕度、凝結核、風力和地形環(huán)境。溫濕度是團霧產(chǎn)生的充要條件，近地層水汽在溫濕度達到臨界點時極易形成團霧。高速公路的汽車在行駛過程中帶起的揚塵與排放的尾氣可以作為團霧形成過程中的凝結核，為團霧的產(chǎn)生提供條件。地形環(huán)境與風力有著密不可分的關系，山地丘陵地區(qū)會減弱風力，微風或無風能為團霧產(chǎn)生提供有利條件。圖1所示為高速公路某路段出現(xiàn)團霧時的情形，可以看到霧區(qū)內(nèi)能見度極低，霧區(qū)外能見度良好，符合團霧內(nèi)外能見度差異大的特點。

圖1 高速公路上的霧區(qū)

2 團霧對交通的影響

2.1 降低能見度

能見度是日常生活和科研實驗中經(jīng)常用到的一個數(shù)據(jù)，氣象學將能見度定義為正常情況下人眼在實驗天氣情況下，可以從天空背景下看到和辨認出黑體目標物的最大距離。能見度會受到很多因素影響，但其中最重要的因素有3條，分別是：大氣透明度、目標物和背景視亮度的對比、視覺對比閾。大氣透明度可以表征大氣的混濁程度，是影響能見度最直接的原因。目標物和背景視亮度的對比是人眼分辨外界目標事物的主要依據(jù)。視覺對比閾是目標物縮小到不可分辨的臨界亮度對比值[8]。

2.2 降低路面附著系數(shù)

車輛制動需要依靠輪胎與路面之間的摩擦力來降低速度。當團霧發(fā)生時，由小液滴組成的團霧與空氣中的塵?；蚧覊m結合形成路面附著物，夾雜在道路與輪胎表面之間，使得輪胎與路面的摩擦力減小，制動距離延長[9-10]。表2 所示為路面附著系數(shù)，從表中可看出，不同的路面其附著系數(shù)并不相同，同時路面是否干燥也會影響路面的附著系數(shù)。

表2 路面附著系數(shù)

2.3 增大駕駛員負荷

駕駛車輛行駛的過程是“感知-判斷-操作”的過程，駕駛員的感知是否正確會對判斷和操作產(chǎn)生截然不同的結果。駕駛員的感知過程需要依靠多種感官共同作用從外界環(huán)境攝取信息進行處理得到結果，而視覺在這一過程中會占據(jù)相當大的比重，尤其是對車速的判斷和感知，很大一部分影響因素取決于能見度。當能見度高于100m 時，駕駛員會高估車速；能見度低于50m時，駕駛員會低估行車速度。能見度越高越容易高估自己的行車速度，能見度越低越容易低估行車速度。有研究表明，團霧對駕駛員感知能見度的影響是雙向的。在發(fā)生團霧時，駕駛員由于能見度降低無法對外界環(huán)境獲取有效的認知影響判斷與操作以及無法準確估計速度等，會在駕駛過程中保持高度緊張。長時間的高負荷行駛會加速駕駛員產(chǎn)生疲憊感然后疲勞駕駛，影響高速行車的安全性和舒適性。

3 國內(nèi)外團霧研究現(xiàn)狀

3.1 團霧特性研究

國外高速公路建設較早，對于霧天駕駛的安全保障問題研究也較早，已經(jīng)形成了相對完善的研究成果。Zdunkowski等對輻射霧開展了相關描述并建立了數(shù)學模型用以預測輻射霧的產(chǎn)生[11]。Lala 等建立了輻射霧的數(shù)學模型，檢驗了該模型中各變量的靈敏度，并評估了該模型根據(jù)天氣數(shù)據(jù)預測霧天發(fā)生的能力[12]。奧爾巴尼紐約州立大學大氣科學研究中心的云物理部門開發(fā)了一套用于采集與輻射霧演變等問題相關數(shù)據(jù)的計算機控制采集系統(tǒng)，并與10 所大學和實驗室的學者聯(lián)合進行了一項合作性輻射霧實地研究（Fog-82)[13]。Bergot和Guedalia 等研究了輻射霧的一維模型用于預測霧天[14-15]。Bott 等提出了一種新的預測輻射霧和低層層狀云的一維預測模型PAFOG，該模型可以用于改善機場和其他容易發(fā)生輻射和低層云地區(qū)的能見度預測[16]。袁成松等從數(shù)學的角度對低能見度進行了描述，給出了高速公路低能見度隸屬函數(shù)與能見度的函數(shù)關系式和圖像，從相變理論、能見度突變的實際表現(xiàn)和車輛制動距離的需要3方面論述了對低能見度監(jiān)測與預報的必要性，并通過滬寧高速公路無錫段的實際表現(xiàn)證明了低能見度預警確實可以減少高速公路交通事故的發(fā)生[17]。

3.2 團霧監(jiān)測與預警技術研究

美國聯(lián)邦公路管理局曾推出道路交通天氣管理計劃，該計劃使得各州開始了針對雨、雪、大風、團霧等不良天氣行車安全保障與交通管理技術的研究，并最終形成了各州獨特的管控模式[18]。亞拉巴馬州通過能見度儀和閉路電視系統(tǒng)監(jiān)控車流量，并通過可變限速標志和動態(tài)信息標志來顯示動態(tài)限速標準和路況信息；加利福尼亞州布設了40%電力由太陽能供應的自動化霧預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對攝像頭和能見度儀收集到的數(shù)據(jù)進行分析并根據(jù)分析結果在可變顯示標志給出建議行車速度指導駕駛員行駛；田納西州使用能見度檢測設備和低能見度汽車限速管理辦法建立了低能見度行車預警管理系統(tǒng)；華盛頓州制定的車速管理辦法依據(jù)的是車輛行駛環(huán)境傳感器采集到的相關數(shù)據(jù)。

意大利交通管理部門與相關研究中心合作推出了“智能公路”計劃用于降低霧天的行車危險性。在該計劃中，高速公路兩側分布有高壓鈉燈，在發(fā)生團霧天氣時，高壓鈉燈會以一定的頻率開始閃爍來給駕駛員提高能見度和減輕心理壓力。另外計劃中的其他設備，如雷達、激光和自動駕駛儀等也會給駕駛員提供一個相對安全的駕駛環(huán)境。該計劃為保障意大利境內(nèi)霧天行車安全起到了積極作用[19]。

日本屬于島國，國土狹長，四面環(huán)水，這給團霧天氣的多發(fā)提供了天然的條件。除了常規(guī)的能見度檢測、限速、控制車流量等措施外，日本交通管理部門在高速公路路側的可變信息板設置了“慢車警告”，即通過電子信息板提醒駕駛員前方有車輛，應低速行駛或停止駕駛；并提醒駕駛員與前車的距離，讓其能及時采取有效措施減速慢行，避免追尾等交通事故的發(fā)生[20]。

丁雪龍在當時對團霧的監(jiān)測預警主要利用氣象部門預報的情況下，設計了單一針對團霧的監(jiān)測預警系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)方案、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和系統(tǒng)仿真維度對檢測系統(tǒng)進行了描述[21]，具有較高的實用價值。王庚中介紹了能克服傳統(tǒng)物理監(jiān)測約束的基于視頻局部特征分析的監(jiān)測方法，其實現(xiàn)原理是綜合利用現(xiàn)有的高速公路監(jiān)控，結合視頻局部多維特征分析技術、大氣光線傳播理論模型和多種特征訓練分類算法來對視頻圖像進行分析，根據(jù)圖像的特征變化測量能見度指標，進而根據(jù)提前設定好的能見度閾值來判斷是否有團霧發(fā)生[22]。該方法創(chuàng)新性地提出利用視頻圖像分析判斷團霧天氣，但其對視頻的依賴性較強，受視頻數(shù)據(jù)清晰度的影響較大，希望將來5G 等新技術的應用能帶來更穩(wěn)定、清晰度更高的視頻數(shù)據(jù)源。盧一笑等基于區(qū)塊鏈去中心化、不可篡改、可追溯性等特征構建了區(qū)塊鏈團霧預警系統(tǒng)[23]，該系統(tǒng)為了確保監(jiān)測結果的正確性擴大了監(jiān)測信息的來源，將駕駛員、乘客等納入監(jiān)測系統(tǒng)，同時結合高速公路已有的氣象監(jiān)測設備綜合考量，不需要第三方的監(jiān)測便能正確判斷是否有團霧并通過團霧預警APP 發(fā)送給其他車輛。孟春麟等基于當下未能解決的3 大難題：難以實現(xiàn)實時檢測、分級標準缺失和路網(wǎng)推廣難提出了可對高速公路駕駛員進行實時提醒的能見度預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括能見度檢測和團霧智能預警的核心系統(tǒng)與云服務和霧區(qū)警示的輔助系統(tǒng)，已經(jīng)在G15鹽城段及南通段進行先導試驗并成功預測了多起濃霧強霧及團霧事件[24]。曹桂芳提出的高速公路低能見度團霧預警與誘導系統(tǒng)為了確保監(jiān)測結果的準確性，將氣象部門現(xiàn)有的歷史數(shù)據(jù)與團霧多發(fā)地的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)結合組成氣象數(shù)據(jù)專項數(shù)據(jù)庫，對比分析實時監(jiān)測到的信息與歷史觀測數(shù)據(jù)并得到結果，同時可根據(jù)用戶的實際使用情況和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)來反向驗證預警信息的準確性[25]。

3.3 團霧消霧技術研究

在團霧的處置方面，人工消霧分為消除暖霧和消除冷霧兩種。對溫度大于0℃的暖霧，主要采用加熱法、吸濕法、擾動混合法、靜電清除法和播撒炭黑、木炭粉等黑色物質吸收輻射等方法。高建秋等為研究新型消除暖霧催化劑RC/XW 的消霧性能，基于透光率與能見度成正比的原理，在密閉容器內(nèi)用無水氯化鈉和無水氯化鈣做了多組對比實驗，包括同種類同尺度催化劑的消霧效果隨播撒量的對比、同劑量不同種類不同尺度催化劑消霧效果對比以及不使用催化劑自然消霧的效果，通過觀察實驗中透光率的變化來反映能見度的變化。最后發(fā)現(xiàn)消霧效果與播撒劑量有直接關系，每種催化劑都有對應的有效播撒劑量和適用消除的暖霧濃度[26]。高建秋等認為當下人工消霧的需求越來越大，而消霧的最終目的就是提高能見度。人工消霧的基本原理是減少霧滴的數(shù)濃度或半徑，而后者相對來說在提高能見度方面更有效果。對于暖霧而言，目前最常用且有效的是蒸發(fā)法，播撒吸濕性物質、通過加熱產(chǎn)生的熱空氣將霧氣抬離地面、利用靜電去消除暖霧等都屬于蒸發(fā)法。

對于霧中溫度小于0℃但水汽仍以小水滴形式存在的冷霧而言，其消除主要依據(jù)貝吉龍過程，即貝吉龍?zhí)岢龅谋坪退苹旌袭a(chǎn)生降水的理論。目前人工消霧的基本原理已較清楚，消霧方法也比較成熟，但這些方法成本都較高，不適合大規(guī)模使用，因此應致力于研究更先進的消霧方法和設備[27]。邢曉慧自行建造了暖云霧室進行消霧實驗，分別用NaCl、PAAS、5A 分子篩和不同比例的PAAS與NaCl的復合消霧劑做了消霧實驗，同時進行空白的自然消霧對比實驗，利用透光率達到60%的時間、云室內(nèi)霧滴的數(shù)目變化和云室內(nèi)不同粒徑霧滴百分比的變化來表征消霧效果。實驗結果表明，PAAS 因其良好的吸水性能以及吸水后作為異質核加速霧滴碰并的共同作用具有良好的消霧效果；Na-Cl 因其潮解時形成溶液滴發(fā)生凝結增長以及作為異質核加速霧的碰并增長的共同作用也可以起到消霧作用；PAAS 與NaCl的復合消霧劑綜合了兩種消霧劑優(yōu)勢有較好的消霧效果；5A 分子篩既不能作為凝結核發(fā)生凝結增長，也不能加速霧滴的碰并作用所以不具備消霧效果，反而會成為灰塵影響透光率[28]。

3.4 小結

綜上，國外發(fā)達國家高速公路建設相對較早，相應的為了降低霧天行駛的危險性，國外學者開展相關研究也要早于國內(nèi)，但國內(nèi)高速公路事業(yè)發(fā)展速度較快，也已形成了一定研究成果。國內(nèi)外學者早期的研究主要集中在建立數(shù)學模型用以預測霧天的產(chǎn)生，并對模型進行評估判斷其預測的準確性。后期研究的重點逐漸轉向采用預警加管控的綜合管理模式來保障駕駛員霧天的安全駕駛。能見度儀和視頻監(jiān)控攝像頭等能見度和車流量監(jiān)測設備，可以對霧天的能見度及車流量進行分析，判斷是否需要通過可變信息板等發(fā)布預警信息。在能見度過低時，可變信息標志和行車誘導燈等管控措施可以減輕駕駛員的心理壓力，提供一個穩(wěn)定的駕駛環(huán)境。預警和誘導系統(tǒng)具有較好的預警效果，但易受視頻清晰度等諸多因素的影響，仍有待進步空間。另外對于已經(jīng)出現(xiàn)的霧天，僅靠預警和誘導不能完全消除其產(chǎn)生的危害，需對其進行消霧處理。霧可以分為冷霧和暖霧兩種，對于冷霧的消除，主要利用貝吉龍過程；而對于暖霧的消除，目前最常用的是蒸發(fā)法。高效環(huán)保的新型消霧劑和消霧技術也是目前研究的一個重點。

4 結語

團霧是一種特殊的霧，其因局地性、突發(fā)性等特點對交通安全造成的危害更大，會降低高速公路的能見度和路面附著系數(shù)，增大駕駛員心理壓力，影響正常行駛。不論是監(jiān)測預警還是消霧，其目的都是減輕或消除團霧對駕駛員正常行駛的干擾，最終減少高速公路事故的發(fā)生。針對團霧的監(jiān)測預警，目前的研究成果主要是根據(jù)能見度儀或視頻監(jiān)控圖像等監(jiān)測數(shù)據(jù)判別和預測是否有團霧天氣的發(fā)生，然后通過布設在道路上的可變信息板或手機APP 等通知駕駛員提前做出反應，同時道路上的誘導系統(tǒng)也可輔助駕駛員的正常行駛。對于消霧技術，國內(nèi)外學者已經(jīng)研究了一些環(huán)保型消霧劑并在霧室進行了對比實驗來分析消霧劑的性能，但是關于消霧劑的釋放方式還有較大研究空間，因此應在加強研究更高效環(huán)保消霧劑的同時開發(fā)適合工程應用的噴灑控制系統(tǒng)。