大风致灾机理与路网分时分段动态管控技术

　　一、项目总体介绍

　　(一)项目背景与建设必要性

　　连霍高速(G30)新疆境内哈密至吐峪沟段，起点位于哈密市伊州区哈密北出口K3016+000处，终点为吐鲁番市鄯善县吐峪沟互通K3361+209处，全长约345.2公里，是连接新疆与内地的重要综合交通走廊，对区域经济发展、社会稳定和丝绸之路经济带核心区建设具有重要战略意义。

　　该路段地处中纬度亚洲腹地，远离海洋调节作用，北部又有高山阻隔冷湿气流，属典型温带极干旱大陆性气候区。其主要气候特征为：四季分明、降水稀少、气候干燥，且光照充足、热量资源丰富。受复杂地形影响，哈密地区局地风向和风速差异显著。新疆整体地势呈¡°喇叭口¡±形态，西风气流经阿勒泰、塔城及阿拉山口等地形缺口进入准噶尔盆地后，受阿尔泰山脉和天山山脉走向的挤压，通道面积不断缩小，至北塔山一带进入¡°喇叭口¡±颈部，风速骤然增强。在北塔山与天山¡°两山夹一谷¡±的地形作用下，气流进一步加速，形成强劲的大风。与此同时，受西伯利亚冷空气南下影响，天山山脉的垭口成为天然通道，亦加剧了该区域的大风频率与强度。

　　其中，吐哈盆地红山口¡°百里风区¡±路段(G30中K3129+000~K3257+500段)是典型的极端大风灾害高发区。该路段不仅大风天气频繁，且风力强劲，常常导致高速公路、铁路被迫封闭，严重时甚至发生车辆被掀翻的交通事故。同时，持续性强风易造成路基风蚀、边坡破坏及附属设施损坏，对交通基础设施耐久性和车辆通行安全带来极大挑战。长期以来，大风灾害已成为制约连霍高速新疆段安全运营和区域交通保障能力的突出瓶颈。

　　然而，目前针对该区域极端大风灾害的防控体系仍存在明显不足：

　　1.恶劣气象条件导致道路频繁停运—极端大风事件高发且预警与防控能力不足;

　　2.缺乏完善的大风防护设施—现有工程措施防护效果有限，难以满足安全需求;

　　3.缺乏分级分路段的精细化管控体系—对不同强度、频率和地段特征的大风灾害缺乏差异化治理手段;

　　4.缺乏系统化应急预案与安置措施—交通管制与人员疏导机制不完善，难以及时降低灾害损失;

　　5.缺乏灾后快速巡检与评估手段—道路结构、附属设施在风害后的损伤识别与修复机制尚不健全。

　　综上所述，极端大风灾害已成为制约连霍高速新疆段长期安全稳定运行的关键因素。亟需通过多学科交叉研究，突破大风灾害条件下道路工程结构防护、运行管理与应急保障等关键技术，建立适应极端气候环境的公路安全运行体系。这不仅对提升新疆交通基础设施的灾害防御能力具有重要意义，同时对服务国家¡°一带一路¡±战略、保障西部地区交通安全与经济可持续发展亦具有重大科学价值与工程应用前景。

　　(二)项目目标

　　本项目以新疆连霍高速百里风区为依托工程，旨在系统揭示大风灾害的致灾机理及其对公路交通的影响规律，构建基于¡°风-车-路¡±耦合的风险评估与动态管控方法，提出分时分段的精细化交通安全保障策略。研究成果将为大风频发区高速公路的安全运营提供系统性解决方案，提升我国交通基础设施在极端气候环境下的防灾减灾能力。

　　(三)建设内容概述

　　本项目依托多源气象数据融合、动力建模仿真与交通仿真技术，构建¡°监测—预警—研判—管控¡±一体化体系，形成¡°智能评估为主、人工干预为辅¡±的动态管控模式，实现对大风致灾机理的揭示、路段风险的精准研判以及交通安全阈值与处置措施的自动生成与发布，从而提升大风频发区高速公路的安全运行能力。

　　二、主要做法

　　(一)基于气象数据融的逐桩号大风动态预警技术

　　搭建大风天气路段全域实时风力检测与预测模型，基于时间上实时更新、空间上关键节点全覆盖的风力数据，进行精细化的风力预测。模型输入为气象站当前节点、相邻节点的及关键节点风力风向数据，同时结合当地气象部门预警数据;采用多源数据融合方法输出为当前节点未来不同时段内风力、风向预测结果。并推算出逐桩号、逐互通风力数据的预测，产出按照桩号逐公里的环境数据。

　　(二)大风强风环境下路段致灾机理与安全通行条件研究

　　针对百里风区重点和一般路段，结合不同防护等级与防护形式，运用动力建模与仿真技术研究风力强度与行车稳定性的关系。在平直、弯道及不同坡度等道路条件下，考虑不同车型参数，通过系统动力学建模与仿真获取车辆在风力作用下的侧向响应，建立¡°风-路-车¡±作用关系模型。在此基础上，综合风力、地形、道路几何线型及安全设施等因素，构建行车安全影响评价模型，确定大风强风环境下的安全通行条件，为交通组织方案的制定提供科学依据。

　　(三)大风天气路段时空影响范围研判技术

　　构建大风时空演变模型，基于实时更新的全域风力数据和逐桩号精细化气象预警，实现大风灾害的动态风险预测。通过路网结构模型检索，确定受预警影响的主线路段及其对应的时段，并以时间、气象类型、预警级别和线路坐标等形式表达。进一步结合实时交通流量与历史数据，利用交通仿真推演预测受影响互通及出入口的位置与持续时间，从而实现大风天气下交通运行影响范围的精确研判。

　　(四)路网层面管控与处置信息自动生成发布技术

　　基于风力、风向等气象数据设定风险等级阈值，并结合大风时空演变模型的输出结果，转化为路段风险等级信息，研究路网层面的管控与处置信息自动生成与发布技术。以《恶劣天气条件下高速公路交通协同管控技术指南》为依据，建立不同类别和级别气象预警对应的管控措施数据库，并通过仿真验证其有效性。进一步构建¡°气象预警触发—数据融合—预案库调用—管控时空生成—信息发布¡±的逻辑链，实现大风天气下路网管控的自动化与精准化。同时，建立覆盖交警和运营人员的执行人员数据库，将管控位置与人员信息关联，支持跨区域协同管理，并实现管控与处置信息的精准推送，从而提升大风灾害条件下高速公路的快速响应和联动处置能力。

　　三、取得成效

　　(一)经济效益

　　本项目成果主要涵盖了百里风区废旧波形梁护栏再利用的防风设施研发与应用、大风致灾机理与路网分时分段动态管控技术、准全天候预约式通行技术、大风天气应急预案与救援资源配置技术等核心技术，可应用于百里风区高速公路智慧运营及管控，提高营运高速公路在大风恶劣天气下的应急管理能力与保通能力。兼顾高速公路营运的安全与效率，并通过公路设施快速检修技术，缩短停运时间，最后实现风区路段运营期阻断时长由414小时/年降低至200小时/年以下。

　　(二)社会效益

　　本项目提出的百里风区高速公路智慧运营管控技术，可实现从关键技术、理论方法到设备研发的专业人才培养，为西部地区培养各层次专业技术人才，为相关企业的关键核心技术积累打下坚实基础，培养新形势下参与国际合作竞争的新优势。百里风区高速公路智慧运营管控技术的实施将有效提升通行安全性，降低交通事故率，同时可提高道路使用率，减少停运损失，并提升道路通行效率，缩短运输时间，全面提升西部地区公路建设及运营技术水平提升。此外，方案可推广使用，为大风区域的公路智慧运营提供参考，在带来经济效益的同时，也创造了良好的社会效益。