岳秀坤

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西 太原 030012)

1 需求背景

随着我国社会经济的快速发展，交通运输对国民经济建设和国家安全的影响日益重要，经济的高速发展又势必推动高速公路的大力发展。但大雾、大风、大雪、路面结冰等恶劣气象条件对高速公路安全运营带来极大危害，尤其是大雾和路面结冰对交通的影响、危害以及由此造成的车毁人亡的灾难都已达到了空前的程度。研究建立高速公路恶劣气象条件的监测、预警、预报等气象保障与营运决策管理已迫在眉睫。

根据全国公路交通气象灾情资料(2015—2018年)统计分析[1]，造成公路阻断事件的主要气象灾害类型共有9种，按照比例高低排序依次为：雾霾62.88%、降雪(积雪)18.73%、降雨(积水)8.44%、结冰8.42%、风吹雪0.90%、台风0.33%、大风(横风)0.24%、沙尘0.04%、冰雹0.03%。因此，雾霾、降雪(积雪)、降雨和结冰是影响公路交通安全的主要气象因子。

2 对策研究

建设公路交通气象智能监测预警系统，做好交通气象灾害的防御对策研究，应抓住影响公路交通安全的两大重点因子：视程障碍和路面状况。为实现对主流交通气象灾害的监测预警，需突破以下四大关键技术：

1) 探索基于前向散射原理的能见度观测技术，分析有利于成雾的天气形势，建立基于时间、空间和聚合的能见度预测模型，实现对团雾尺度、移动方向和速度的实时监测和预报；

2) 研究基于红外多光谱测量原理的路面冰雪自动检测技术，综合温度、降雨等多种气象要素，对路面状态进行监测，可自动识别干燥、潮湿、积水、结冰、积雪等状态，并能精确测量覆盖物厚度及路面湿滑系数，实现对公路行车安全的实时监测和预警；

3) 突破基于热谱图的路面温度监测及预报技术，研究不同天气类型影响下的路(桥)面温度变化，建立连续路面温度反演模型和公路热谱地图[2]，实现高时空分辨率的路面温度预报，为高速公路营运管理部门的决策提供依据；

4) 应用多尺度公路交通高影响天气综合监测技术，建立气象灾害对道路交通影响的指标及体系，实现气象灾害对道路通行影响的提前预估和评价。

3 设计目标

通过建设公路交通气象灾害智能监测预警系统，可对高速公路进行全天候监测预警，减少交通事故，降低次生交通事故的发生，实现“全网监测、重点加密、精确预报、科学决策”的目标。

全网监测：在路网沿线建设交通气象观测设施，以“点面结合”的形式，实现高速公路全路网区域气象信息的实时监测；

重点加密：对高速公路沿线局地恶劣气象条件(如团雾、大风、积水、结冰等)频发路段，针对气象灾害类型，加密建设该气象要素的气象观测设施，实现重点区域气象灾害实时监测、及时预警和精确定位。

精确预报：通过对采集气象数据分析处理，实现目标高速公路各路段气象条件预报和相关指数预报(能见度指数、路面湿滑指数、横风指数、爆胎指数)以及灾害性天气(大风、沙尘暴、结冰、大雾、高温、短时强降水等)的自动实时监测及预报。

科学决策：通过气象数据分析，结合高速公路交通情况，提供安全车速限制值、推送危险预警下的公路运营和养护决策建议，并提供决策建议的依据和远程分析支持。

4 系统方案

4.1 概述

公路交通气象智能监测预警系统是对公路沿线的空气温度、空气湿度、风向、风速、雨量、路面状况(积水、结冰、积雪等)、能见度等要素进行实时监测，通过软件平台实现数据的收集、处理、存储与分析，能够与其它业务系统进行对接、数据共享，并结合业务部门实际需求，开展不同形式、不同层次的应用，为气象预警、公路管理、公共服务提供数据支撑与决策支持。系统架构图如下所示。

图1 公路交通气象智能监测预警系统结构图

4.2 主要功能

1) 远程调试：可通过远程链接进行终端命令(台站参数设置、时间间隔、资料补传、观测要素开关设置等)调试，支持远程升级；

2) 数据采集：对传感器按规定的采样频率进行处理，按规定算法计算得出各气象要素瞬时值；

3) 数据处理：对瞬时值计算统计，得到气象要素统计值(如累计值、平均值、最大值、极大值等)，并进行质量控制，剔除异常值；

4) 数据传输：数据采用ASCII码形式，按照规定数据帧格式传输；

5) 数据存储：可存储观测数据、工作状态和安全报警信息，以数据库和文件两种方式进行存储；

6) 时钟对时：采用自动和人工对时，支持网络时间同步；

7) 运行监控：对设备通讯状态，供电状态、运行状态以及传感器工作状态等参数进行监控，提供多种类型的监控界面，以不同的界面形式反映站网的运行情况；

8) 数据应用：可按区域、台站、时间、要素等条件进行复合查询，以表格、曲线、图形等方式进行展示，并支持导出功能；

9) 预警报警：对接收到的异常数据(缺测、超限等)提供报警功能，可接收观测站的实时安全报警信息(交流供电中断、通信中断、蓄电池电压过低、机箱内温度等)，通过显示屏、短信等方式进行推送。

4.3 预警功能

表1 预警功能介绍

根据对行车安全影响的程度不同，公路交通气象预警信息主要包括：路面湿滑预警、低能见度预警、暴雨预警、路面高温预警、大风预警、降雪预警等，预警等级的划分符合以下标准和规范：

◆《冰雪天气公路通行条件预警分级》(GB/T 31443—2015)

◆《高速公路交通气象条件等级行业标准》(QX/T 111—2010)

◆《公路交通高影响天气预警等级》(QX/T 414—2018)

4.4 观测仪器

具体为：1)温湿度；2)风速；3)风向；4)路面状态；5)能见度；6)视频监控等观测仪器。

4.5 软件平台

可通过PC端和手机APP看到实时数据和公路预警信息。

5 结论

公路交通气象监测预警系统提供的针对性和时效性气象预警预报服务功能，将极大提高气象为公路安全运营的保障能力，为交通、气象、公安等部门的科学决策提供有力支撑，为公众安全出行提供科学服务。目前只有江苏、安徽、河北、湖北等少数几个省份建立了气象与交通、公安等部门之间的信息共享，基本实现了交通气象服务业务规模化和正常化，其它多数省份尚未开展交通气象服务业务，导致道路交通气象灾害防御和应急减灾能力不足。而此系统可以有效的提高道路的智能化管理水平和提升应急处置能力，对减少因气象灾害引起的交通事故、保障人民生命财产安全具有十分重要的意义。