高速公路路面結冰預測研究

周士棟 資葵

摘要： 眾所周知，冰雪天氣會給高速公路運營與安全帶來極大威脅。為了提高車輛行駛在高速公路冰雪路面上的安全性，相較于國外廣泛應用的路面天氣信息系統，本文提出了更加經濟實用的方法來預測路面結冰。通過在溫控實驗室內構建場景模擬道路結冰環境，設置一些冬天常見的溫度與降水量，觀察路面結冰狀況，來揭示路面溫度變化以及結冰過程規律。最后利用多元線性回歸分析，最終建立了路面結冰預測模型。

關鍵詞： 冰雪天氣；高速公路；路面結冰；多元線性回歸分析；室內試驗

引言：

隨著我國經濟的高速發展，國內高速公路交通運輸的日趨完善，但是高速公路運營與安全面臨著冰雪天氣的巨大威脅，而使交通事故發生量顯著增加。冰雪會使道路的摩擦系數降低，有損車輛的制動性能，容易導致車輛失衡，側滑，引發交通事故[1]。而且冰雪天氣難以預測，這就嚴重影響高速公路運營與安全。據統計四分之一的交通事故是由惡劣天氣造成的，并且還有增長的勢頭。因此很有必要研究高速公路路面結冰規律，通過實驗來探索結冰可預測因素，為高速公路應急做好充分準備。此外降雪，凍雨，積雪的融水，路面的積水都會引起路面結冰，而本文主要研究降水條件下的路面結冰狀況。

國內外關于路面溫度以及路面結冰預測的研究已經有幾十年。李蕊研究了三種土壤，水泥，瀝青三種不同墊面下溫度與氣象要素之間的關系，建立了相應的多元回歸擬合公式，并分析了路面結冰的氣象條件[2]。劉梅討論了南京地區結冰時間變化和各影響溫度的變化規律，總結了對結冰預報具有關鍵影響作用的因子[3]。楊武杰利用1990到2000年包頭至興和段可能發生道路結冰現象的降水天氣過程的氣象資料，總結出6種天氣環流概念模型，為預報內蒙古高等級公路道路結冰提供參考[4]。雷建軍提出了一種遺傳微粒群算法支持向量機集成道路結冰預測系統，提高了預報模型的準確率[5]。

1.路面結冰影響因素分析

通過調查我國高速公路不同區域的路面結冰情況，路面在夜間更容易結冰，橋面上和涵洞中路面結冰比較快[6]，由于風隧道出入口附近的路面冷卻較快，所以更容易結冰，高速公路陰暗部分，陡坡段，尤其是靠近湖泊河流的路面也易結冰.因此，研究路面冰的形成過程，掌握冰的形成規律對于發布道路結冰預警、選擇合理除冰管理方案以及交通管制措施具有重要的意義。

結冰的過程是這樣的： 首先水的溫度降到0攝氏度以下，成為過冷水， 當過冷水中出現尺寸大于臨界尺寸的冰核時， 結冰就開始了， 冰核在過冷水中長大， 最終成為宏觀意義上的冰?；谏鲜雒枋?，可以認為結冰路面必須要有兩個基本條件：降水量與適宜的路面溫度。當降水量少于10毫米時是有利于路面結冰的。在2010年李雷發現低風速，較高相對濕度以及路面濕度對于低溫環境下的路面結冰是有利的。

由此我們可以發現影響結冰的因素主要有：溫度（空氣溫度，地面溫度），降水量，空氣濕度，風速，地面濕度等等。本文研究的創新之處在于：建立了室內試驗室來模擬路面天氣環境；運用多元線性回歸模型來預測路面結冰。

2.實驗研究

2.1試驗設計

將40cm長，40cm寬，10cm高的瀝青和混泥土試塊置于溫控實驗室中，通過控制實驗路面的氣象因子控制并觀察結冰形成過程及結冰時間，從道路天氣環境角度來建立路面結冰的預測方法。設置室內溫度為 -1，-2，-3，-4，-5，-6，-7，-8 攝氏度八個溫控范圍，降水量通過自制的噴水裝置來控制，根據現有的調研發現，低溫季節的小雨比較易使路面結冰，因此控制降水量在 10 mm 以下，為了研究不同降水量對路面結冰的影響，進一步將降水量劃分成 4，5，6，7，8毫米。

2.2實驗結果

圖像五，圖像六表明溫度越低，開始結冰的時間就越早，瀝青路面相較于混凝土路面更容易結冰。試驗結果表明當溫度在0攝氏度左右時，路面開始結冰需要較長的時間，當路面溫度在-1攝氏度時，瀝青路面開始結冰所需的時間為130分鐘左右，而水泥路面開始結冰所需的時間為60分鐘左右，這是因為瀝青路面下沒有其它的承載物從而導致溫度降低的較快。且總體來看路面開始結冰時間與溫度有一定的線性關系。

3.結冰過程預測

3.1多元線性回歸預測原理

多元線性回歸是一種數理統計方法，設因變量為 ，自變量為 ，自變量有p個，它們的n組觀測值為，其多元線性回歸表達式為（1）式：

寫成矩陣形式為：。 是多元線性方程的回歸系數。

3.2自變量的選取

根據結冰影響因素的分析，本文選取了溫度，降水量，濕度作為主要影響因子來設定試驗，試驗結果表明這三種因素能夠明顯影響路面結冰時間。這說明路面結冰時間與溫度，降水量，濕度具有很大的相關度，所以我們最終選取了溫度，降水量，濕度作為自變量來構建結冰預測模型。

3.3多元線性回歸模型的建立

根據實驗研究可以發現路面結冰的主要影響因素是溫度，降水量，濕度。因此，本文利用多元回歸方法，設定這些變量存在統計性線性關系，建立多元線性回歸模型為： ，其中y表示路面開始結冰時間， 為常數項， 為線性回歸系。。因變量是路面開始結冰時間，自變量為溫度，降水量，濕度。利用SPSS20軟件，采用ENTER方法分析實驗中的數據可以得到瀝青路面結冰預測模型為：

水泥路面結冰預測模型為： ，當然以上模型都是基于 小于0的基礎上的，因為結冰需要氣溫在0攝氏度以下。

3.4模型檢驗結果

通過利用SPSS回歸分析，我們采取擬合優度檢驗該預測模型回歸方程與數據的擬合程度。擬合優度檢驗方法是構造一個可以表征擬合程度的指標 。分下結果可以看出，瀝青，水泥路面R的平方分別為0.801，0.968，故可以認為多元線性方程擬合優度很好，具備合理性.瀝青，水泥路面的F分別為94.562，37.669，可認為各個自變量總體上對回歸方程的的因變量影響很顯著。

4.結論

根據實驗數據的分析，結冰的過程是一個基于時間序列的過程，該模型可以預測路面開始結冰時間，因此我們可以在路面未結冰之前采取一定的措施（提前撒鹽）防止其結冰，尤其是在一些容易出現結冰的地段，如橋面，涵洞，隧道口等區域。本模型也具有一定的局限性，路面結冰是一個大氣系統的物理現象，本文只是基于模擬路面試驗的結冰預測，試驗結果的獲取可能與外界實際結冰狀況有一定的偏差，但是該模型預測的結冰時間也能給高速公路冰雪天氣下安全運營與管理帶來一定的參考意義。

參考文獻：

【1】 莊靜，冰雪環境下高速公路安全運行管理與緊急救援系統研究（u）長安大學，2013

【2】 李蕊，牛生杰，汪玲玲等，三種下墊面溫度對比觀測及結冰氣象條件分析[J]。氣象，2011，3（3）：325-333

【3】 劉梅，尹東屏，王清樓，等.南京地區冬季路面結冰天氣標準及其預測[J].氣象科學，2007，27（ 6） ：685 -690.

【4】 楊武杰，司瑤冰，胡英華，內蒙古高等級公路道路結冰預報方法初探[B]內蒙古氣象，2010。

【5】 雷建軍，韋惠紅，李劍，一種遺傳微粒群算法-支持向量機集成道路結冰預測系統。2010

【6】 呂晶晶，牛生杰，周悅，等.2013.冬季高速公路路橋溫度變化規律及能量平衡分析[J]. 大氣科學學報，36（ 5） ：546-553.

周士棟（1989-），男，漢族，湖南衡陽人，碩士研究生在讀，交通行為與安全，2008年9至2012年7月在河南科技大學攻讀學士學位，2012年9月至今在長沙理工大學攻讀碩士學位，765681890@qq.com，聯系電話：13278892569。本人導師是龍科軍，長沙理工大學交通運輸工程學院副院長，主要研究方向為交通系統管理與設計、交通安全與交通行為。

江西省交通廳科技計劃項目（編號：2013C0008）