高速公路恶劣天气低能见度与团雾数字监测预警方法创新实践研究
能见度仪“建而不用”的原因
(一)道路交通能见度特性显著区别于一般能见度
能见度指正常视力的人，白天在当时天气条件下能够将确定目标物从天空等背景中辨认出来(看清轮廓)的最远水平距离;夜间在一定强度灯光照射下能够看清目标物轮廓的最远水平距离。
车速由60km/h增至120km/h时，避障反应距离增加约40-50米，考虑制动减速、直行惯性和弯道离心力的“车速平方”关系，避障距离再增加，交通安全风险更大。
好车好路有利于汽车高速行驶，但“高速”也会突显驾驶人“远处看不清，近处来不及”效应，导致视感能力和应急处置把控车速避障能力下降;如再遇恶劣天气低能见度，犹如雪上加霜，置道路处于交通高风险境地。
道路交通安全预警，必须满足预警驾驶人避险的最短安全时间和空间(提前量)阈值要求，才能第一时间和适时提醒驾驶状态人员应变把控安全车速。
气象预报允许有一定的误报率，但道路低能见度短临预警不允许。
高速状态过早过迟的预警，都不利于驾驶人场景视感体验和协同响应而失去安全预警有效性。
随着人工智能和新一代信息技术在交通领域的广泛应用，人们对恶劣天气道路交通气象短临时空数据监测及伴随式驾路协同预警服务的要求将会越来越高。
(二)能见度仪不适宜高速公路低能见度检测
道路交通安全法“高速公路的特别规定”对恶劣天气高速公路低能见度监测预警提出了实时精准、数字分级(200/100/50米以下)和伴随式数据服务要求，即应对道路低能见度数据变化及时提醒驾驶人相应调整不同的安全车速。
由于地理地形环境差异及气候变化，沿道路小尺寸气象复杂多变，雾分布呈现非均匀性，尤其团雾具有短时间局部路段突发性的特点，因此道路交通低能见度短临时空数据监测预警显著区别于短临气象预报概念。
传统人工静态视感估测和能见度仪方法，不能满足道路交通安全法规精准、短临时空监测预警特别要求和车路协同伴随式数字化信息服务发展需求。
首先，看精不精准。
能见度仪是通过测量固定光源透射水平空气柱短小容积的消光系数或散射系数，换算得出光学特性的能见度。
空气能见度仪并没有一个统一的行业标准，也存在设备数据检测的性能误差。
受东西南北自然环境差异尤其道路排放和扬尘等混杂空气环境影响，道路沿线布设的能见度仪几乎没有一台会遇到完全相同的空气环境;世界上也没有哪家制造商能生产出一台用于道路沿线同时检测雾、霾、雨、雪、沙尘、烟、冰雹等各种复杂空气成分下低能见度的设备。
第四，看够不够密。
公路沿线地理环境多样，小尺寸团雾气象形成因素机理复杂，往往来无影去无踪，有时会在数分钟内突然发生，极易引发重大以上恶性事故。
道路沿线安装能见度仪，实质是在路侧“两点一线”短小尺寸范围空气成分的相对数据检测，而囿于低能见度气象非均匀分布特征，传统能见度气象检测手段无法实现连续路段的短临实时精准监测。
根据江苏东部高速公路低能见度AI视频流分析监测发现，道路团雾有两种情形:一种是大范围起雾，在由大雾发展到浓雾过程中出现局部路段小尺寸强浓度雾团，也称雾中雾;另一种是由路两侧起雾，迅速蔓延到路面，出现局部路段小尺寸强浓雾团。
根据四川雅西高速公路某路段AI视频流分析监测发现，山区和水网地区等局部道路气象环境更为复杂，小尺寸气象事件频繁，起伏山区甚至出现数公里范围同时出现浓雾和雨雪天气。
因此，合理布设道路交通气象监测点位至关重要。
目前各地气象部门新出台的能见度检测点位加密方案，均达不到这个要求。
参考2021年11月25日江苏东部高速G15连云港段K795+730位发生的突发团雾事件全过程动态数据(代表性截图):道路交通能见度从200米(以上)下降至40余米，仅3分钟左右时间;能见度低于30米状态持续约13分钟;消散过程约5分钟。
AI视频流分析计算道路低能见度与团雾
国内外交通行业及气象部门，长期针对恶劣天气道路低能见度和团雾监测进行了大量技术研究，但一直未有效破解。
(一)决定性破题
2019年11月9日，两位中国工程院院士领衔，由交通安全管理、气象预报、信息工程和AI视频分析多部门高级专家参加评审，专家组一致认为:“系统将气象能见度概念与高速公路特定应用场景结合，创造性地运用现有视频监控设施和人工智能、大数据等技术，为高速公路上实时能见度播报和团雾监测提供了好用、管用、性价比高的解决方案，达到了国际先进水平，填补了国内外空白。”系统获2020年中国(小谷围)“互联网+交通运输”创新创业大赛之智慧公路主题赛一等奖、首届“华设杯”智能交通创新技术应用大赛一等奖。
(二)“四化”功能
系统主要以监测、计算和统计道路气象数据为基础，结合通行条件、路面状况和交通流状态等时空数据综合分析，实时计算恶劣天气低能见度与局地团雾分布、形成过程和发展态势，向(人工和智能机器)驾驶人和交通、公安、路政及其他高速公路运营管理部门推送发布数字化分级管制恶劣天气低能见度与突发团雾短临实时预警和适时预报态势信息，及时提出优化交通安全管制策略建议。
四是路网应用规模化。
本创新技术系统项目具有较强经济实用性、高性价比和便于实施和后续运维的示范推广性，尤其可充分利用已建公路视频监控数据资源实现迅速覆盖路网规模化应用目标。
另外，系统数据处理中心可对道路交通数据融合共享和历史数据挖掘分析，通过“模型+概率”算法得出局地低能见度气象及突发团雾易发路段规律，提出工程性防范措施建议，如合理加密视频监控点位、布设路侧智能诱导灯和智能定向声音警示装置等。
2020年和2021年系统智能监测江苏东部高速公路发生的全部197和203起雾霾、降雨、降雪等恶劣天气道路低能见度事件，其中153和190起强浓雾和特强浓雾(含46和23起局部路段小尺寸团雾)事件，实时预警率均为100%。
(三)效益报告
江苏东部高速公路管理公司《关于“团雾与能见度智能预警系统”效益分析的报告》:该数字交通智能科技项目为交通安全管理依法发布恶劣天气低能见度安全预警信息和交警巡查智能化创造了条件，取得了预防恶劣天气低能见度交通事故的社会效益和精准管制缩短封路时间增加的道路运营效益。
报告通过分析测算，江苏高速公路全程上线该系统，不仅提升区域高速公路网通行效率，方便道路出行，每年还可增收数亿元。
充分利用现有道路监控系统和ETC门架视频监测数据资源，应用AI视频流分析视觉仿生技术，实现各种恶劣天气低能见度环境下高速公路短临时空数据的全程数字化动态监测预警，有效破解团雾监测的世界性难题。
技术难点在于，一是合理确定视频监控(摄像机)点位密度和安装姿态参数;二是在夜间无光照、逆灯光强干扰、摄像机无补光、(老旧摄像机)视频数据不稳定和各种复杂天气条件下，进行视频流分析计算模型的持续优化工作。
参考: 1、国家《道路交通安全法实施条例》(“高速公路的特别规定”;