廣州市內(nèi)公路高溫爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)研究

高美譚，周芯玉，楊慧燕，申沖，劉霞

（1.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430；2.廣州市氣候中心，廣東廣州 511430）

汽車在高速行駛時(shí)，如果突然爆胎，會(huì)破壞行駛方向平衡引發(fā)交通事故。近年來(lái)，城市經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市中機(jī)動(dòng)車的數(shù)量也不斷增加，汽車爆胎事件呈逐年增加的趨勢(shì)，2019年廣州市內(nèi)有記錄的汽車年爆胎數(shù)量已經(jīng)增至3 929起。在影響城市交通系統(tǒng)的各種環(huán)境因素中，降水、高溫等氣象因素是重要的影響因子［1-2］，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，中國(guó)高速公路上由于車輛爆胎引發(fā)的交通事故比例高達(dá)70%，30%～40%事故是由高溫爆胎引起的，其中夏季高溫爆胎事故占全年的75%以上［3］。

陳新光等［4］統(tǒng)計(jì)了55年的氣候數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)廣州市氣候變暖幅度大于全省和全國(guó)的平均水平，隨著氣候變暖以及城市熱島效應(yīng)的發(fā)展，未來(lái)廣州高溫天氣仍可能增多。氣溫高導(dǎo)致輪胎散熱慢，輪胎也易在熱脹冷縮的作用下變薄，增加爆胎的風(fēng)險(xiǎn)，如果機(jī)動(dòng)車長(zhǎng)時(shí)間超速行駛，輪胎溫度會(huì)持續(xù)升高，橡膠也會(huì)加速老化，進(jìn)而引發(fā)爆胎［5］。馬篩艷等［6］、何強(qiáng)等［7］、田小毅等［8］研究表明高溫與爆胎的相關(guān)性明顯，通過(guò)分析氣溫與路面溫度的關(guān)系，采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法建立路面溫度預(yù)報(bào)模型，并給出當(dāng)?shù)氐谋シ旨?jí)指數(shù)。針對(duì)高溫爆胎閾值的研究大多是通過(guò)路面溫度及爆胎臨界溫度的關(guān)系給出爆胎分級(jí)指數(shù)，很少與當(dāng)?shù)仄嚤ナ鹿蕯?shù)據(jù)相結(jié)合，且現(xiàn)階段華南地區(qū)針對(duì)交通氣象的研究尚不多，多數(shù)為理論探討［9］。本研究通過(guò)分析汽車爆胎事故與氣溫的關(guān)系，進(jìn)一步探索廣州市內(nèi)公路高溫爆胎閾值及可業(yè)務(wù)化的高溫爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)，為預(yù)防汽車因高溫爆胎事故提供參考。

1 資料來(lái)源

氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于2016—2019年廣州五山地面氣象觀測(cè)站，選取了包括小時(shí)平均、日平均及日最高氣溫?cái)?shù)據(jù)；爆胎資料由廣州市交通管理局提供，以交通管理局接到的爆胎事故報(bào)警電話代表爆胎事件發(fā)生，總收錄12 053條報(bào)警信息。雖然真實(shí)爆胎數(shù)要高于報(bào)警次數(shù)，爆胎報(bào)警次數(shù)在一定程度上亦反映了爆胎數(shù)據(jù)特征。

2 爆胎數(shù)據(jù)特征

2.1 爆胎車型及路段

通過(guò)對(duì)爆胎事故的車型分析可知，小轎車爆胎次數(shù)占比最大，占總次數(shù)的66.26%；其次是貨車，占總次數(shù)的27.81%；爆胎次數(shù)最少的是面包車及客車。

廣州市內(nèi)爆胎事件主要發(fā)生在高速路上，占爆胎次數(shù)的69.25%。

2.2 爆胎的時(shí)間變化特征

由圖1a可知，爆胎數(shù)據(jù)具有明顯的日變化特征，爆胎峰值期在11：00—19：00（北京時(shí)，下同），即中午到傍晚時(shí)段，爆胎的低谷期在凌晨時(shí)段04：00—06：00。經(jīng)計(jì)算，爆胎小時(shí)總數(shù)與小時(shí)平均氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83。圖1b顯示爆胎數(shù)據(jù)亦具有明顯的月變化特征，即全年爆胎量較大的月份是6—9月，較小的是12月—次年2月，月爆胎總數(shù)與月平均氣溫相關(guān)性更是高達(dá)0.97，即總體呈現(xiàn)出氣溫高時(shí)爆胎數(shù)量也多的趨勢(shì)。雖然爆胎數(shù)量的環(huán)境影響因素較為復(fù)雜，包括車流量、車速、車況、路況、環(huán)境氣溫的影響等，但氣溫仍是影響爆胎數(shù)量的一個(gè)關(guān)鍵要素。

圖1 爆胎數(shù)與平均氣溫的時(shí)間變化

3 爆胎等級(jí)與高溫閾值關(guān)系

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，廣州市內(nèi)日爆胎頻次波動(dòng)幅度較大，最少0次／d，最多31次／d，中位數(shù)7次／d，70%分位數(shù)為10次／d。本研究定義日爆胎10次／d以上為日偏強(qiáng)爆胎頻次。

爆胎頻次與氣溫并不是呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但它們的變化趨勢(shì)基本一致，最高氣溫的高低可以作為衡量爆胎頻次的重要指標(biāo)［8］。本研究選取廣州市五山觀測(cè)站的日最高氣溫與廣州市內(nèi)日爆胎頻次的關(guān)系，并據(jù)此劃分高溫閾值及爆胎等級(jí)。

3.1 爆胎高溫閾值和爆胎指數(shù)劃分

由圖2可知，日爆胎事件的發(fā)生隨機(jī)性較強(qiáng)，即在任意日最高氣溫區(qū)間內(nèi)，任何日爆胎頻次都有可能出現(xiàn)，但日爆胎頻次分布存在差異，隨著最高氣溫的上升，偏強(qiáng)爆胎頻次的占比增多。

圖2 不同日最高氣溫區(qū)間內(nèi)日爆胎頻次分級(jí)占比

以日偏強(qiáng)爆胎頻次（10次／d以上）發(fā)生的概率P劃分爆胎等級(jí)，計(jì)算該頻次發(fā)生的等分級(jí)概率區(qū)間和對(duì)應(yīng)的日最高氣溫范圍，對(duì)得到的氣溫?cái)?shù)據(jù)四舍五入取整，結(jié)果如表1所示，其中概率區(qū)間50%＞P≥40%的溫度區(qū)間較小，該區(qū)間與40%＞P≥30%區(qū)間合并，定義為爆胎等級(jí)3級(jí)。

表1 日偏強(qiáng)爆胎頻次發(fā)生概率與日最高氣溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 爆胎車速閾值

汽車高速行駛時(shí)由于輪胎與路面的摩擦加劇，輪胎溫度升高，輪胎材料機(jī)械性能下降，運(yùn)行的速度越快，溫度上升也越迅速，超過(guò)一定溫度，會(huì)造成早期脫層和爆破，易出現(xiàn)行車事故。因此必須避免長(zhǎng)時(shí)間高速行駛或超速行駛。汽車輪胎的性質(zhì)表明：輪胎能正常工作并保證輪胎有足夠耐久性的最高溫度一般是121℃，而當(dāng)輪胎溫度超過(guò)硫化點(diǎn)140℃時(shí)，輪胎的組成部分將被破壞，失去承載能力，爆胎風(fēng)險(xiǎn)非常大［8］。

輪胎溫度除了與汽車行駛速度有關(guān)，還與環(huán)境溫度有關(guān)［10］。環(huán)境溫度越高，輪胎滾動(dòng)時(shí)與周圍空氣的對(duì)流熱交換越困難，產(chǎn)生的熱量也越不易散失。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明汽車胎肩溫度隨環(huán)境溫度的升高基本線性升高［8］。

汽車在路面上行駛，和地面接觸較多，即汽車輪胎行使時(shí)同時(shí)受路面溫度及氣溫的影響，田小毅等［8］對(duì)氣溫和路面溫度進(jìn)行權(quán)重加權(quán)，得出汽車行駛時(shí)的環(huán)境溫度te。

其中，te為環(huán)境溫度（℃）；ts為路面溫度（℃）；ta為氣溫（℃）。由式（1）可知，環(huán)境溫度中路面溫度權(quán)重較高，如要求得環(huán)境溫度需要先解決路面溫度問(wèn)題。關(guān)于氣溫與路面溫度的研究已經(jīng)大量開(kāi)展［3，6-7，11-12］，路面溫度與氣溫的關(guān)系密切，相關(guān)性較高，可建立線性回歸方程，不同地理環(huán)境條件下回歸方程不盡一致，本研究引用馬淑紅等［12］在廣東地區(qū)驗(yàn)證可用的路面最高溫度預(yù)測(cè)模型修訂式：

其中，La為緯度（°），該式適用于全國(guó)高速公路沿線不同氣候區(qū)20°N—50°N之間，海拔1 500 m以下的高速公路路段。經(jīng)驗(yàn)證該式在全國(guó)高速公路濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)區(qū)路面最高溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相等。

何強(qiáng)等［8］、田小毅等［8］主要利用子午線輪胎和斜交輪胎進(jìn)行車胎溫度與運(yùn)行速度、環(huán)境溫度關(guān)系的研究。由于子午線輪胎具有更好的地面抓地力和高速穩(wěn)定性等突出優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在的汽車一般使用子午線輪胎，斜交輪胎已被大量淘汰，只有一些低速重載卡車或工程機(jī)械仍在使用中，本研究選用子午線輪胎作為研究對(duì)象。根據(jù)王曉軍等［13］對(duì)子午線輪胎在行駛時(shí)輪胎內(nèi)部最高溫升與汽車行駛速度的研究，訂正相關(guān)線性方程［8］。

其中，t子午線為子午線輪胎胎肩溫度（°）；v為汽車行駛速度（km／h）。將式（1）、式（2）代入式（3），可得出氣溫與汽車行駛速度對(duì)輪胎溫升的影響。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣州代表站五山站的氣溫超38℃及低于0℃都是極小概率事件，以該兩者氣溫作為爆胎等級(jí)氣溫區(qū)間的上下限，結(jié)合表1，將廣州地理緯度La＝23°N，爆胎等級(jí)的氣溫區(qū)間臨界值ta＝0℃、ta＝24℃、ta＝30℃、ta＝35℃、ta＝38℃，分別代入式（4），所得結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，氣溫越高，隨著汽車持續(xù)行駛速度的提升，輪胎內(nèi)部最高溫度升高越快。

圖3 不同氣溫下輪胎內(nèi)部最高溫度與汽車持續(xù)行駛速度關(guān)系

我國(guó)高速公路限速標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大貨車、客車和小汽車的最高限速分別為90、100和120 km／h。以我國(guó)公路限速標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，同時(shí)根據(jù)式（4），由臨界爆胎輪胎溫度tc＝140℃、輪胎正常運(yùn)行且有足夠耐久性的最高溫度tc＝121℃可分別計(jì)算得出各爆胎等級(jí)分類下的行車建議車速、爆胎臨界車速，如表2所示。表2為爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的詳細(xì)信息，為簡(jiǎn)化爆胎指數(shù)以供司機(jī)參考，表2中用日最高氣溫代表氣溫，則此爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的預(yù)報(bào)僅需日最高氣溫預(yù)報(bào)資料，提供預(yù)報(bào)日當(dāng)天最高爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)，使得可業(yè)務(wù)化程度高。

表2 爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)

依據(jù)爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)公路限速標(biāo)準(zhǔn)，高速公路上持續(xù)行駛的小汽車在氣溫30～35℃之間較易爆胎，客車和小汽車氣溫35℃以上極易爆胎，貨車由于車速限制不容易爆胎；另外，通常在市內(nèi)非高速公路行駛的汽車速度受限，時(shí)速一般在60～75 km／h，不容易爆胎。

4 結(jié)論

1）廣州市車輛爆胎事故數(shù)據(jù)具有明顯的時(shí)間變化特征，爆胎日變化的峰值時(shí)段為11：00—19：00，爆胎的低谷時(shí)段為凌晨04：00—06：00；全年爆胎量較大的月份是6—9月，較小的月份是12月—次年2月。

2）爆胎事故數(shù)與氣溫有明顯相關(guān)性，氣溫是影響爆胎頻次的一個(gè)關(guān)鍵要素。日爆胎事件的發(fā)生隨機(jī)性較強(qiáng)，但隨著日最高氣溫的升高，日爆胎頻次趨向增高。

3）根據(jù)偏強(qiáng)爆胎頻率出現(xiàn)的等級(jí)概率將廣州車輛爆胎事故劃分為4個(gè)爆胎風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并給出各等級(jí)的氣溫范圍，同時(shí)結(jié)合汽車輪胎與持續(xù)運(yùn)行速度、環(huán)境溫度的關(guān)系式給出各等級(jí)對(duì)應(yīng)的建議行駛速度和爆胎臨界速度供司機(jī)參考。

4）高速公路上持續(xù)行駛的小汽車在氣溫30～35℃之間較易爆胎，客車和小汽車在氣溫35℃以上極易爆胎，貨車由于車速限制不容易爆胎；另外，通常在市內(nèi)行駛的汽車速度受限，不容易爆胎。