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摘要：本文通过分析雾的形成机理，在无雾环境模拟不同能见度，实现对无人驾驶车辆行驶安全性的测试。
关键词 自动驾驶 雾 模拟 能见度
1概述
在《自动驾驶车辆封闭试验场地技术要求》T/CMAX116-2018及《北京市自动驾驶车辆封闭测试场地技术要求（试行）》（2018年1月）中均有对建设雾天设施的要求，长度不小于100m，应能模拟大雾（能见度15～80m），用于通过雾区道路测试训练与能力评估。故需要搭建一个能产生雾，又可以调节雾能见度的试验场景。
2雾的定义
雾是悬浮在贴近地面的大气中的大量微细水滴（或冰晶）的可见集合体。雾多为乳白色，城市工矿区的雾可带土黄色或灰色，冰雾可是暗灰色。雾滴的直径多为4～30μm，平均直径在10到15微米之间，最小的雾滴可以小至直径只有1微米，最大的则可达100微米，单位体积空气中的雾滴数一般为100-102个/cm3，含水量一般小于0.1g/m3。浓雾中雾滴浓度可达500个/cm3，含水量达1g/m3。
雾的形成主要是空气中水汽达到（或接近）饱和，在凝结核上凝结而成。雾可以通过两种途径形成：
（1）空气温度的降低，从而产生平流露、辐射雾、上坡雾等;
（2）空气中水汽的增加，从而产生蒸发雾、锋面雾、生物雾等。
3雾的形成与消散
雾形成的条件一是冷却，二是加湿，三是有凝结核。
由于辐射降温，空气温度降低，空气中可能容纳的最大水汽量就会降低。当气温降低到空气中的实际水汽量达到饱和的时候，空气中就会有水分析出，从而形成雾。
雾消散的原因，一是由于下垫面的增温，雾滴蒸发;二是风速增大，将雾吹散或抬升成云;再有就是湍流混合，水汽上传，热量下递，近地层雾滴蒸发。
雾的持续时间长短，主要和当地气候干湿有关：一般来说，干旱地区多短雾，多在1小时以内消散，潮湿地区则以长雾最多见，可持续6小时左右。
4雾的等级
按能见度划分，雾可以分为以下5个等级：
5雾的特征
5.1不同温度饱和空气水含量
5.2不同温度饱和空气水含量
5.3不同直径水滴的下落速度
如图综合最终的速度呈现出黑色线条的结果。横轴是水滴大小（mm），纵轴是下落速度（m/s）。1mm的水滴（也就是雨滴）下降速度大概是5m/s。100μm水滴下降速度为1m/s，50μm水滴下降速度为0.1m/s，20μm水滴下降速度为0.05m/s，10μm水滴下降速度为0.02m/s，5μm水滴下降速度为0.001m/s。
6雾环境模拟
雾的模拟是局部环境的改变，因此需要设置与外界的隔离层保证局部环境的稳定，减少风、温度、气压对模拟的影响。雾环境模拟的主导思路是在密闭环境至制造粒径10～20μm的雾滴加湿空气至饱和，使水分凝结，继续喷雾降低能见度。
制造10μm雾滴的技术路线暂分为3类：1.高压雾化喷头、2.超声波雾化喷头（需要压缩空气）、3.超声波工业加湿器。
第1类由高压泵加压水至高压雾化喷头，该类喷头孔径小，对水质要求高，雾滴直径小于50μm;第2类由压缩空气与水在超声波雾化喷头中进行雾化，水压力较低，喷雾量和雾滴直径可由水气比例进行调节，但该系统需要压缩空气供应，系统较为复杂配件多;第3类利用超声换能器将电能转化成机械能的特性，在1.7MHz的高频震荡作用下，将水雾化成5μm的超微粒子形成水雾，水雾细腻效果最好，但是单机产雾量小月40KG/m，对于长隧道场景需要机组过多。
另外前两类方案采用管路还需要考虑防冻问题，在冬季时需要放空及吹扫出管内存水，否则会造成漏水和喷头冻损。
7喷雾量计算
先计算一定体积将空气加湿到饱和状态下的雾的重量，再除以形成雾的要求时间，能得到需要的喷雾量。浓雾中的水滴最大不会超过1g/m3，与空气饱和含水量相比，几乎可以忽略。
以广州地区需要在长宽高分别为200m×10m×7.5m的空间内5min完成造雾。夏季当空间内温度为45℃时，湿度约70%，空气饱和含水量0.0654kg/m3，那么需要喷雾速率=200*10*7.5*0.0654*（1-70%）/5=58.86kg/min=3531.6kg/h，考慮有效微粒子比例为50%，安全系数2.0，设计喷雾量240kg/min=14400kg/h。20μm水滴下降速度为0.05m/s，5m高落地时间约2min。
实际需要雾量和沉降时间有待实验验证。
8雾的辅助扩散与能见度调节
雾从开始喷洒到扩散均匀需要一定的时间，为了加速混合及均匀化，可以在隧道内设置混合风扇。在从低能见度的工况调整为高能见度时，可以等雾气沉降消散，估计需要10～15min，若采用屋顶风机排出雾气则可提高实验效率。
9环境监测及智能化系统
在隧道内设置监测仪表及仪器，实时监测隧道内的环境，以及控制雾环境模拟系统形成闭环控制。
主要设备：温度计、湿度计、能见度仪、大气透射仪、风速仪。
联动控制：风机、风扇、水泵、控制阀。
10结束语
自动驾驶是提升道路交通智能化水平、推动交通运输行业转型升级的重要途径，也是带动交通、汽车、通信等产业融合发展的有利契机。感知系统则是自动驾驶的核心之一，气象模拟正是测试自动驾驶汽车感知系统的秘密武器，帮助各种探测器实现高精度感知功能。在汽车领域设置雾模拟设置的案例还较少，一般为实验室级别，造价昂贵。为在汽车试验场实现几百米的实验场景，技术路线应该会有一些变化，结合现有一些驾校的雾模拟段的做法，可以综合出一些类似的经验，但还需要通过试验进一步验证。
参考文献
[1] 面向交通气象实验室应用的雾模拟系统的设计与实现[D]. 白惇.中国科学院大学（工程管理与信息技术学院） . 2016
[2] 北京市自动驾驶车辆封闭测试场地技术要求 2018
[3] 高压雾化特性及降尘技术试验研究 李亚俊.有色金属（矿山部分）. 2019
关键词 自动驾驶 雾 模拟 能见度
1概述
在《自动驾驶车辆封闭试验场地技术要求》T/CMAX116-2018及《北京市自动驾驶车辆封闭测试场地技术要求（试行）》（2018年1月）中均有对建设雾天设施的要求，长度不小于100m，应能模拟大雾（能见度15～80m），用于通过雾区道路测试训练与能力评估。故需要搭建一个能产生雾，又可以调节雾能见度的试验场景。
2雾的定义
雾是悬浮在贴近地面的大气中的大量微细水滴（或冰晶）的可见集合体。雾多为乳白色，城市工矿区的雾可带土黄色或灰色，冰雾可是暗灰色。雾滴的直径多为4～30μm，平均直径在10到15微米之间，最小的雾滴可以小至直径只有1微米，最大的则可达100微米，单位体积空气中的雾滴数一般为100-102个/cm3，含水量一般小于0.1g/m3。浓雾中雾滴浓度可达500个/cm3，含水量达1g/m3。
雾的形成主要是空气中水汽达到（或接近）饱和，在凝结核上凝结而成。雾可以通过两种途径形成：
（1）空气温度的降低，从而产生平流露、辐射雾、上坡雾等;
（2）空气中水汽的增加，从而产生蒸发雾、锋面雾、生物雾等。
3雾的形成与消散
雾形成的条件一是冷却，二是加湿，三是有凝结核。
由于辐射降温，空气温度降低，空气中可能容纳的最大水汽量就会降低。当气温降低到空气中的实际水汽量达到饱和的时候，空气中就会有水分析出，从而形成雾。
雾消散的原因，一是由于下垫面的增温，雾滴蒸发;二是风速增大，将雾吹散或抬升成云;再有就是湍流混合，水汽上传，热量下递，近地层雾滴蒸发。
雾的持续时间长短，主要和当地气候干湿有关：一般来说，干旱地区多短雾，多在1小时以内消散，潮湿地区则以长雾最多见，可持续6小时左右。
4雾的等级
按能见度划分，雾可以分为以下5个等级：
5雾的特征
5.1不同温度饱和空气水含量
5.2不同温度饱和空气水含量
5.3不同直径水滴的下落速度
如图综合最终的速度呈现出黑色线条的结果。横轴是水滴大小（mm），纵轴是下落速度（m/s）。1mm的水滴（也就是雨滴）下降速度大概是5m/s。100μm水滴下降速度为1m/s，50μm水滴下降速度为0.1m/s，20μm水滴下降速度为0.05m/s，10μm水滴下降速度为0.02m/s，5μm水滴下降速度为0.001m/s。
6雾环境模拟
雾的模拟是局部环境的改变，因此需要设置与外界的隔离层保证局部环境的稳定，减少风、温度、气压对模拟的影响。雾环境模拟的主导思路是在密闭环境至制造粒径10～20μm的雾滴加湿空气至饱和，使水分凝结，继续喷雾降低能见度。
制造10μm雾滴的技术路线暂分为3类：1.高压雾化喷头、2.超声波雾化喷头（需要压缩空气）、3.超声波工业加湿器。
第1类由高压泵加压水至高压雾化喷头，该类喷头孔径小，对水质要求高，雾滴直径小于50μm;第2类由压缩空气与水在超声波雾化喷头中进行雾化，水压力较低，喷雾量和雾滴直径可由水气比例进行调节，但该系统需要压缩空气供应，系统较为复杂配件多;第3类利用超声换能器将电能转化成机械能的特性，在1.7MHz的高频震荡作用下，将水雾化成5μm的超微粒子形成水雾，水雾细腻效果最好，但是单机产雾量小月40KG/m，对于长隧道场景需要机组过多。
另外前两类方案采用管路还需要考虑防冻问题，在冬季时需要放空及吹扫出管内存水，否则会造成漏水和喷头冻损。
7喷雾量计算
先计算一定体积将空气加湿到饱和状态下的雾的重量，再除以形成雾的要求时间，能得到需要的喷雾量。浓雾中的水滴最大不会超过1g/m3，与空气饱和含水量相比，几乎可以忽略。
以广州地区需要在长宽高分别为200m×10m×7.5m的空间内5min完成造雾。夏季当空间内温度为45℃时，湿度约70%，空气饱和含水量0.0654kg/m3，那么需要喷雾速率=200*10*7.5*0.0654*（1-70%）/5=58.86kg/min=3531.6kg/h，考慮有效微粒子比例为50%，安全系数2.0，设计喷雾量240kg/min=14400kg/h。20μm水滴下降速度为0.05m/s，5m高落地时间约2min。
实际需要雾量和沉降时间有待实验验证。
8雾的辅助扩散与能见度调节
雾从开始喷洒到扩散均匀需要一定的时间，为了加速混合及均匀化，可以在隧道内设置混合风扇。在从低能见度的工况调整为高能见度时，可以等雾气沉降消散，估计需要10～15min，若采用屋顶风机排出雾气则可提高实验效率。
9环境监测及智能化系统
在隧道内设置监测仪表及仪器，实时监测隧道内的环境，以及控制雾环境模拟系统形成闭环控制。
主要设备：温度计、湿度计、能见度仪、大气透射仪、风速仪。
联动控制：风机、风扇、水泵、控制阀。
10结束语
自动驾驶是提升道路交通智能化水平、推动交通运输行业转型升级的重要途径，也是带动交通、汽车、通信等产业融合发展的有利契机。感知系统则是自动驾驶的核心之一，气象模拟正是测试自动驾驶汽车感知系统的秘密武器，帮助各种探测器实现高精度感知功能。在汽车领域设置雾模拟设置的案例还较少，一般为实验室级别，造价昂贵。为在汽车试验场实现几百米的实验场景，技术路线应该会有一些变化，结合现有一些驾校的雾模拟段的做法，可以综合出一些类似的经验，但还需要通过试验进一步验证。
参考文献
[1] 面向交通气象实验室应用的雾模拟系统的设计与实现[D]. 白惇.中国科学院大学（工程管理与信息技术学院） . 2016
[2] 北京市自动驾驶车辆封闭测试场地技术要求 2018
[3] 高压雾化特性及降尘技术试验研究 李亚俊.有色金属（矿山部分）. 2019