恶劣天气条件下高速公路主动防护设施设计研究

引言

高速公路作为现代交通网络的主动脉，其安全畅通对国家经济与社会运行至关重要。我国东北地区纬度较高，冬季严寒漫长，降雪频繁且降雪量大，伴随出现的低能见度、道路结冰、强侧风以及风吹雪等复杂恶劣天气现象，是诱发高速公路交通事故、导致交通中断的主要因素。传统的安全设施多属被动防护性质，在突发或持续的极端冰雪天气条件下响应滞后，防护效能有限。因此，亟需发展具备前瞻性、动态性与智能化的主动防护设施，实现对恶劣天气风险的前置预警与主动干预，从根本上提升高速公路在冰雪环境下的韧性与安全水平。本研究旨在深入探讨适应东北特殊冰雪气候的高速公路主动防护设施设计理念、系统架构与关键技术，为提升寒区高速公路安全运营提供理论支撑与技术路径。

一、东北冰雪天气特征及其对高速公路安全的核心威胁

东北地区高速公路运营面临的气候挑战具有显著的地域性与季节性。其核心威胁首先表现为持续低温与频繁降雪导致的路面状态恶化。新雪迅速降低路面摩擦系数，压实雪形成坚硬光滑层，而反复冻融及车辆碾压易催生难以目视辨识的“黑冰”，对车辆制动与方向控制构成致命风险。其次，低能见度危害突出。强降雪本身大幅削减视距，伴随的“白毛风”现象则裹挟地面积雪形成水平方向的雪雾，能见度可在短时间内骤降至极低水平，严重干扰驾驶员对前方路况、障碍物及相邻车辆的判断。再者，强侧风与风吹雪是另一显著威胁。开阔路段或桥梁区域常受强风影响，不仅直接作用于车辆稳定性，更引发“风吹雪”造成局部路段严重积雪甚至雪阻，改变道路线形轮廓，增加失控风险。这些因素的叠加与动态变化，远超传统静态防护设施的应对能力，突显了主动、动态防护手段的必要性。

二、传统防护设施的局限性及主动防护理念的必然性

现有高速公路安全设施体系在应对东北复杂冰雪天气时暴露明显不足。传统设施以静态设置与被动响应为主要特征。护栏、轮廓标等虽提供基础的物理防护与导向，但无法主动适应或干预瞬息万变的路面与环境状态；静态限速标志与常规信息板难以及时反映实时的冰滑风险或能见度骤降，信息发布存在显著延迟。除雪作业虽为必要手段，但属周期性被动响应，无法覆盖降雪全过程，且在极端天气下可能无法及时进行或效果受限。事故发生后实施的交通管制则属于事后补救，损失已然造成。这种被动模式在面对东北地区突发性强、变化快、影响深的冰雪灾害时，防护效能低下，事故预防能力薄弱。因此，向主动防护转型势在必行。主动防护的核心在于“感知-分析-决策-干预”的闭环，强调利用先进技术实时捕获环境与交通流数据，智能评估风险等级，动态发布预警与管控指令，并自动触发或引导物理防护措施生效，实现风险的前置识别与主动消减。

三、主动防护设施系统的核心架构与功能模块设计

适应东北冰雪天气的高速公路主动防护系统应构建多层级、智能化的综合体系。其核心架构围绕环境态势感知层、智能分析决策层与动态执行干预层展开。环境态势感知层是系统基础，需密集布设多源传感器网络，包括高精度气象站（监测温湿度、风速风向、降水类型与强度）、先进的路面状态检测器（非接触式或埋入式，识别干湿、冰、雪、水膜及摩擦系数）、能见度监测仪以及交通流检测设备。智能分析决策层是系统大脑，依托边缘计算与云计算平台，集成大数据分析、人工智能算法及风险评估模型，对感知层数据进行实时融合处理，精准识别当前及短时预测未来高风险路段与风险类型。动态执行干预层是系统效能体现，根据决策指令，自动或半自动激活多样化防护措施：动态发布基于风险的可变限速与车道控制指令；启动智能融雪化冰系统；强化主动发光诱导设施；通过可变信息标志、路侧广播、车载终端等渠道向驾驶员推送个性化风险预警与行车指引。

四、面向东北特殊需求的主动防护设施关键技术深化

针对东北严寒、冻融循环频繁及风雪交织的特点，主动防护设施设计必须攻克若干关键技术瓶颈。高可靠感知技术首当其冲，传感器需在极端低温、冰雪覆盖、强风震动等恶劣环境下保持长寿命、高精度与稳定性，需采用特殊封装材料、自加热或自清洁设计。抗冰耐寒材料应用至关重要。主动发光诱导设施的灯罩材料需具备优异的低温抗冲击性、抗紫外老化性及高透光率，防止脆裂或雾化；导电铺装材料需保证在冻融循环下良好的导电性、力学强度及与沥青/混凝土基体的粘结耐久性；金属部件需选用耐低温钢材或进行特殊处理防止冷脆。能源供应与智能管理是系统持续运行的保障。偏远路段需考虑风光互补等可再生能源供电结合高效储能单元，并采用超低功耗设计及智能休眠唤醒策略应对冬季光照弱、供电难的挑战。系统集成与协同控制是效能最大化的关键，需建立统一的数据接口标准与通信协议，确保感知、决策、执行各子系统无缝衔接，实现跨设施、跨路段的协同响应与全局优化。

五、主动防护设施的实施保障与长效运行机制

确保主动防护系统在东北复杂环境中长效稳定运行，需建立完善的实施保障与维护体系。规划设计的前置融合是基础，应在高速公路新建或改扩建工程前期，将主动防护设施的需求分析、点位布设、管线预留、电力供应等纳入整体设计，避免后期加装的困难与成本激增。建设与维护标准的制定不可或缺，需针对高寒、强风雪区域制定专门的主动防护设施选型、安装、检测与维护技术规范，明确关键部件的耐候性、防护等级及更换周期。专业化的运维团队是系统生命线，需培养具备跨学科知识的维护人员，配备专用检测与维修装备，建立定期巡检、预防性维护与故障快速响应机制。多部门协同联动机制是系统发挥综合效益的保障，高速公路管理、气象、交管、应急等部门需共享信息平台，实现气象预警、路况信息、交通管控指令与主动防护系统动作的高效联动与统一指挥，提升整体应急处置能力。

结论

东北地区冰雪恶劣天气对高速公路安全构成系统性、持续性挑战。本研究论证了发展主动防护设施是提升高速公路在极端天气下韧性的必由之路。通过构建融合环境感知、智能决策与动态干预的主动防护系统，能够实现对路面结冰、低能见度、风吹雪等核心风险的前置预警与主动消减。系统设计需紧密结合东北严寒、冻融频繁、风雪交织的地域特点，重点突破高可靠感知、耐寒材料、能源管理及系统集成等关键技术。同时，强调规划先行、标准引领、专业运维与部门协同，是保障系统长效运行的关键。主动防护设施代表了高速公路安全防护从被动承受向主动驾驭的范式转变，其规模化应用将极大提升东北乃至全国寒区高速公路的安全保障水平与全天候通行能力，对促进区域经济社会发展具有重大意义。

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