本发明属于高速公路交通安全领域，具体是提出了一种基于势场理论的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，可用于冰雪环境下高速公路运营的安全风险评价及预警管控，最大程度避免交通事故的发生。
背景技术：
1、道路的安全运营是车辆和道路两方面因素的动态平衡，当其中一方面出现问题时，二者的平衡关系被打破，道路运营风险显著上升。在复杂的冰雪交通环境下，这种平衡关系更加脆弱，高速公路的运营存在较大的风险。与正常天气相比，即使交通流状态相同，冰雪道路的运营风险也更高。
2、目前，冰雪天气的道路运营安全依赖气象预报，冰雪道路运营安全预警处于初级阶段，难以有效避免交通事故的发生。道路运营安全影响因素众多，大致可分为三个方面：道路方面有道路表面冰雪状态、抗滑性能等；环境方面包括能见度、照明条件等；车辆方面包括车辆类型、速度、间距等。在以上因素的共同作用下，道路的运营安全风险缺乏合理的量化，交通管理者、参与者无法衡量风险程度从而进行有效的交通行为。因此，科学、准确地量化道路运营风险，提出相应的预警策略将为道路运营安全研究提供新的思路，同时为道路冬季运营管控提供技术指导与支持。
技术实现思路
1、本发明主要针对冰雪环境下道路运营安全难以保障，缺乏对冰雪道路运营风险量化的问题，提供了一种基于势场理论的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法。该方法考虑道路因素、环境因素和车辆等因素，实现了冰雪道路运营安全风险的量化，并提出了安全风险分级制度和相应的预警方法，有效避免了冰雪天气下高速公路交通事故的发生。
2、本发明冰雪道路运营安全风险评价与预警方法按照以下步骤实现：
3、步骤一、道路实时状态信息提取
4、获取道路实时状态信息，道路实时状态信息包括道路能见度、道路摩擦系数、车辆速度和车辆间距；
5、步骤二、道路安全场模型建立
6、与道路安全相关的危险源包括行车安全系数和车道风险系数定义道路安全场如式(1)所示；
7、
8、车辆的行车安全与道路抗滑性能相关，道路线形分为直线道路和曲线道路，因此定义车辆在直线和曲线的行车安全系数分别如式(2)和(3)所示：
9、
10、其中，dbrake是车辆直线制动距离，dbrake根据式(4)得到；m为车辆质量，kg；v为车辆速度，km/h；μ为道路摩擦系数；g为重力加速度(9.8n/kg)；
11、
12、从而建立得到道路安全场模型；
13、步骤三、车辆安全场模型建立
14、将行驶的单一车辆作为风险源建立了相应的车辆安全场，车辆安全场的基本元素是行驶的单一车辆，每个车辆会在车辆周围形成各自的车辆安全场；
15、车辆安全场e车辆的计算公式如下所示：
16、e车辆＝σe车辆i (5)
17、e车辆i＝e车辆i(mv,v) (6)
18、其中，e车辆i是第i辆车在某位置的车辆安全场场强；mv是车辆质量，单位为t；v是车辆速度，单位为m/s；
19、以车辆质心为原点建立车辆安全场，如式(7)所示，
20、
21、其中l是车辆安全场距离车辆质心距离，单位为m；
22、从而建立得到车辆安全场模型；
23、步骤四、环境安全场模型建立
24、与环境安全相关的危险源包括能见度和照明情况，其中，照明情况用于区分白天和夜晚路况；因此，定义环境安全场e环境如式(9)所示；
25、
26、其中，为能见度场系数，是照明情况系数；
27、从而建立得到环境安全场模型；
28、步骤五、道路运营安全场的建立
29、冰雪道路安全势场的计算公式如下所示：
30、e冰雪＝ω1·e车辆+ω2·e道路+ω3·e环境 (12)
31、其中ω1、ω2和ω3分别为系数，ω1、ω2和ω3依据交通流状态和车型进行取值；
32、a、自由流状态下冰雪道路的运营安全
33、当道路上车辆自由行驶，交通流处于自由流状态时，
34、自由流状态下冰雪道路的轿车运营安全评价公式如(15)所示；
35、e冰雪-自由-轿车＝0.5·e车辆+2.0·e道路+2.5·e环境 (15)
36、自由流状态下冰雪道路的货车运营安全评价公式如(16)所示；
37、e冰雪-自由-货车＝0.1·e车辆+4.0·e道路+1.7·e环境 (16)
38、b、稳定流状态下冰雪道路的运营安全
39、当道路上车辆跟驰行驶，交通流处于稳定流状态时，
40、稳定流状态下冰雪道路的的轿车-轿车运营安全评价公式如式(18)所示；
41、e冰雪-稳定-轿车＝4.0·e车辆+5.0·e道路+2.0·e环境 (18)
42、稳定流状态下冰雪道路的的货车-货车运营安全评价公式如式(19)所示；
43、e冰雪-稳定-货车＝0.4·e车辆+5.0·e道路+2.0·e环境 (19)
44、稳定流状态下冰雪道路的的货车-轿车运营安全评价公式如式(20)所示；
45、e冰雪-稳定-轿货＝1.0·e车辆+4.0·e道路+1.5·e环境 (20)
46、基于e车辆、e道路、e环境计算得到冰雪道路安全势场e冰雪，通过冰雪道路安全势场e冰雪对冰雪道路运营进行安全风险评价与预警。
47、本发明冰雪道路运营安全风险评价与预警方法的创新点具体如下所示：
48、1.建立了基于势场理论的冰雪道路运营安全风险的量化方法
49、充分考虑实际行车工况下的车辆、道路和环境因素，基于冰雪道路运营特征建立了道路安全场、车辆安全场和环境安全场；研究三者的叠加作用，首次构建并提出了符合实际交通安全特性的安全势场模型，实现了道路运营安全风险的量化，提出了道路运营安全评价指标，为道路安全运营提供了理论依据。
50、2.提出了冰雪路面安全风险分级制度和预警策略
51、基于不同道路运营车辆组合设计虚拟场景，确定了不同车型组合的道路风险分级标准；提出了冰雪道路运营安全预警方案及具体流程，为冰雪道路运营提供了理论依据和技术支撑。
52、与现有技术相比，本发明冰雪道路运营安全风险评价与预警方法包括以下有益效果：
53、(1)目前针对冰雪道路，缺乏道路运营风险评价指标和方法。本发明基于冰雪条件下高速公路的风险源建立了冰雪道路运营安全评价模型，模型由道路安全场、环境安全场和车辆安全场组成，原创性地提出了科学的冰雪道路运营风险量化方法。
54、(2)基于实际监测数据，通过建立虚拟道路运营工况，区分车型和不同运营工况确定了冰雪道路运营安全评价模型参数，实现了运营风险的量化评估，为道路运营安全风险评价提供了理论支持。
55、(3)提出了冰雪道路运营安全风险等级制度，确定了分级标准和预警策略。同时，建立了相应的预警流程。该方法可以释放道路剩余通行能力，为冰雪天气下道路运营提供了可靠的参考。
1.一种冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于该冰雪道路运营安全风险评价与预警方法按照以下步骤实现：
2.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤一中通过气象站、冰雪传感器和交通流监测设备获取道路实时状态信息。
3.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤二中公式(3)中车辆是否可以有效转弯通过时速为120km/h时车辆的制动距离判断，当车辆制动距离小于200m时认为车辆可以有效转弯，否则认为不能。
4.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤二中车道风险系数根据车道类型取值，单车道双车道超车道双车道慢车道
5.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤二中道路安全场的计算公式如下式(8)所示；
6.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤三中式(7)中的轿车mv的取值为2000kg，货车mv的取值为25000kg。
7.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤四中能见度场计算公式如下所示：
8.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤四中计算公式如下式(11)所示：
9.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤四中环境安全场e环境的计算公式如下：
10.根据权利要求1所述的冰雪道路运营安全风险评价与预警方法，其特征在于步骤四中当e冰雪-自由-轿车＜85，道路运营安全评价为无风险，当e冰雪-自由-轿车＞150，道路运营安全评价为高度风险；当e冰雪-自由-货车＜125，道路运营安全评价为无风险，当e冰雪-自由-货车＞150，道路运营安全评价为高度风险；当e冰雪-稳定-轿车＜90，道路运营安全评价为无风险，当e冰雪-稳定-轿车＞150，道路运营安全评价为高度风险；当e冰雪-稳定-货车＜80，道路运营安全评价为无风险，当e冰雪-稳定-货车＞150，道路运营安全评价为高度风险；当e冰雪-稳定-货轿＜95，道路运营安全评价为无风险，当e冰雪-稳定-货轿＞150，道路运营安全评价为高度风险。
