高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)探究

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摘要：文章從不同角度闡述了強降雨、低能見度、極端溫度、大風(fēng)等惡劣天氣對高速公路交通安全造成的影響，并介紹了一種交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)。針對系統(tǒng)在建設(shè)和運行中存在的一些問題，文章提出了監(jiān)測站網(wǎng)布局策略、傳感器設(shè)置方法以及綜合分級預(yù)警機制。該系統(tǒng)能對道路沿線氣象條件進行有效監(jiān)測，減少因不利氣象條件引發(fā)的交通事故，為保障高速公路安全提供了堅實的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：高速公路；交通氣象監(jiān)測；站網(wǎng)布局；傳感器設(shè)置；分級預(yù)警

0引言

自80年代以來中國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，為適應(yīng)日新月異的經(jīng)濟形勢，國家不斷建設(shè)高速公路，截至2019年年底，高速公路總里程已達到14．96萬公里。隨著高速公路的持續(xù)建設(shè)，高速公路車流量也呈快速增長態(tài)勢，不利天氣條件對高速公路交通狀況的影響越來越大，極易引發(fā)交通事故［1－3］，從而對廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全和交通運輸行業(yè)造成巨大損失。目前，國內(nèi)主要公路氣象預(yù)報由氣象部門和交通部門聯(lián)合發(fā)布，全國各地都在大力推進高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，以期能夠提供更準(zhǔn)確、實時、專業(yè)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而減少高速公路交通事故，但各地進展存在一定地區(qū)性差異，江蘇省氣象局較早開展了滬寧高速江蘇段交通氣DOI:10.19441/j.cnki.issn1006-009x.2021.04.005象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研制［4］。基于現(xiàn)有的觀測資料和技術(shù)手段，眾多研究人員開展了交通氣象監(jiān)測預(yù)警方面的研究，康延臻［5］、王志［6］等研究了國家高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)的發(fā)展進程；豐德恩［7］等根據(jù)中國高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警業(yè)務(wù)需求開發(fā)了相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)；李迅［8］等分析了交通氣象監(jiān)測設(shè)備在高速公路上的宏觀適用性；田艷［9］、唐延婧［10］等介紹了高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)研究和實際應(yīng)用。雖然這些研究從各個角度分析了氣象災(zāi)害對高速公路交通的影響，但各地高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)并不完善，采用的觀測資料和相關(guān)記錄代表性和準(zhǔn)確性不夠；同時，影響道路交通安全的因素也較多，僅從氣象角度進行分析還不夠全面。文章根據(jù)高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)警的需求，分析氣象因素對路面、車況、駕駛員的影響，給出了高速公路交通氣象監(jiān)測站網(wǎng)的建設(shè)方案、站網(wǎng)布站方式以及監(jiān)測子站傳感器配置策略，提出了綜合交通氣象預(yù)警機制，為高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提供理論依據(jù)。

1高影響氣象因素

常規(guī)自動氣象站觀測要素主要有溫度、濕度、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等，但對高速公路交通產(chǎn)生較大影響的氣象要素主要是強降雨、霧、霾、降雪、沙塵暴、道路結(jié)冰、極端溫度和強風(fēng)等，為了保障高速公路交通安全運行，必須有針對性地對這些天氣現(xiàn)象進行監(jiān)測。

1．1降雨

降雨天氣發(fā)生交通事故的概率較高，不同程度的降雨會使能見度和輪胎與路面間的附著系數(shù)下降；根據(jù)各地每個季節(jié)雨日的不同可知，一般汛期4—9月是高速公路交通事故高發(fā)期，冬季次之，春季和秋季事故較少。能見度隨降雨強度加大呈指數(shù)下降［11］，而且強降雨導(dǎo)致雨刮器無法及時清除擋風(fēng)玻璃上的水，跟隨前車行駛時易形成水霧，極易影響駕駛員對前方路段的觀察和判斷；降雨初始階段雨水和路面塵土、油污混合形成具有粘性的水液膜，機動車輛輪胎容易打滑；車輛在潮濕路面上行駛時，附著系數(shù)隨車速增加而急劇減小，當(dāng)降雨量逐漸增大，路面形成短時積水，車輛達到一定速度時會產(chǎn)生滑水現(xiàn)象，此時輪胎與路面之間失去附著力，附著系數(shù)接近為0，嚴(yán)重影響汽車的制動、轉(zhuǎn)向等性能，不同道路狀況下的附著系數(shù)如表1所示［12］。

1．2能見度

機動車在高速公路行駛時，對能見度影響較大的主要是霧、霾、沙塵暴、降雪、日照等天氣現(xiàn)象。中國大部分高速公路一般限速100km／h或120km／h，經(jīng)統(tǒng)計，普通小汽車的百公里制動距離一般在42m左右，而貨車、卡車等機動車的百公里制動距離根據(jù)載貨重量會有所加長；當(dāng)高速公路能見度低于50m時，駕駛員難以對前方行車情況和交通標(biāo)識進行準(zhǔn)確觀察，極易造成追尾等嚴(yán)重交通事故；一般秋冬兩季霧霾發(fā)生概率較高，冬季和春季易出現(xiàn)降雪和沙塵天氣，由于多種惡劣天氣現(xiàn)象易造成能見度低（例如團霧會造成駕駛員行車視距驟降），所以能見度是影響高速公路交通安全運行主要的氣象因素之一。

1．3極端溫度

高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)對溫度的監(jiān)測主要分為氣溫監(jiān)測和路面溫度監(jiān)測。空氣溫度監(jiān)測可按常規(guī)氣象觀測操作，主要影響車輛發(fā)動機艙溫度、駕駛員疲勞度，機動車內(nèi)外空氣溫度驟變會引發(fā)擋風(fēng)玻璃和后視鏡起霧。而路面溫度則主要影響機動車輪胎行駛情況，夏季交通事故頻發(fā)，部分原因是由于路面高溫、車胎與路面摩擦升溫導(dǎo)致胎壓不穩(wěn)、輪胎橡膠老化、胎面磨損強烈，從而造成車輛失控。當(dāng)公路沿線空氣平均溫度超過33℃，路面平均溫度超過55℃時，交通事故發(fā)生率快速增長［13］。冬季氣溫較低，長時間低溫使路面易形成冰凍，造成高速公路路面附著系數(shù)急速下降，機動車輪胎容易打滑，與強降雨導(dǎo)致路面積水引發(fā)的交通事故類似。

1．4強風(fēng)

大風(fēng)或臺風(fēng)天氣時，高速行駛的機動車輛受順風(fēng)、逆風(fēng)、側(cè)向風(fēng)影響，其中對車輛行駛安全影響最大的是時間短、風(fēng)速快的側(cè)向風(fēng)，側(cè)向風(fēng)易使高速行駛的車輛產(chǎn)生抓地力不平衡的狀況，導(dǎo)致車輛偏離原來的行車路線，尤其是重量輕的小轎車或重心較高的大型客車、貨車，側(cè)向風(fēng)會引發(fā)車輛側(cè)滑、側(cè)翻等事故；在高速公路的某些路段（如橋梁、隧道、平原地區(qū)、山間、山谷、海邊）橫風(fēng)出現(xiàn)較多，因此必須實時監(jiān)測重點路段的風(fēng)速風(fēng)向情況。

2交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)

為了實時監(jiān)測高速公路沿線交通氣象情況，及時準(zhǔn)確地獲取氣象數(shù)據(jù)并提供預(yù)報預(yù)警，文章介紹了一種可監(jiān)測常規(guī)氣象要素（溫濕度、雨量、風(fēng)速風(fēng)向、能見度）、天氣現(xiàn)象、路面狀況（路面溫度、干濕狀況、積雪結(jié)冰等）的交通氣象站，可根據(jù)實際監(jiān)測需求靈活配置相應(yīng)模塊或傳感器數(shù)量，并按一定策略布設(shè)在高速公路沿線形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

2．1交通氣象監(jiān)測網(wǎng)

交通氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由數(shù)量眾多的交通氣象站、無線通信網(wǎng)絡(luò)（2G／3G／4G）、本地存儲服務(wù)器、Web服務(wù)器、電腦終端及專業(yè)監(jiān)控預(yù)警軟件組成［14］。

2．2交通氣象站結(jié)構(gòu)

高速公路交通氣象站主要由主采部分、各傳感器部分、通信部分、供電部分等組成，根據(jù)以上分析結(jié)果，傳感器應(yīng)該包括雨量傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、能見度儀、天氣現(xiàn)象儀和路面狀況監(jiān)控。

3關(guān)鍵技術(shù)問題

目前，高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)還存在站網(wǎng)密度稀疏、監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性不足、站點傳感器配置不合理等問題，在沒有歷史氣象數(shù)據(jù)的情況下，設(shè)站主要依靠道路管護人員經(jīng)驗或設(shè)于事故多發(fā)地，選擇設(shè)站密度缺乏科學(xué)依據(jù)，且全國沒有形成整體的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；傳感器的配置策略應(yīng)有針對性地重點監(jiān)測災(zāi)害氣象要素；實況監(jiān)測數(shù)據(jù)尚未發(fā)揮有效作用。

3．1站網(wǎng)布局

由于高速公路交通氣象站所觀測的氣象要素存在很強的地域差異性，氣象因子受海拔高度、地形地貌、人類活動等影響，各氣象因子之間也存在一定聯(lián)系，所以選擇合理的布站方式、布站地點和布站距離非常重要。文章采用兩種布站方式相結(jié)合的方法在高速公路沿線布設(shè)站點，一種是在高速公路沿線等距離布設(shè)站點，適用于平原地區(qū)；另一種是近正三角形內(nèi)插法，該方法是以各地氣象部門國家自動氣象站為基礎(chǔ)，在3個國家站形成的近似正三角形區(qū)域內(nèi)新增監(jiān)測站進而組成交通氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。由于高速公路主要連接省、市、縣和重要的經(jīng)濟、旅游區(qū)域，一般兩個相鄰縣市國家自動氣象站之間的距離在50km左右，因此高速公路交通氣象站布站距離可選為25km，在平原地區(qū)沿高速公路每25km布設(shè)1個站點，在非平原地區(qū)可采取近正三角形內(nèi)插法布設(shè)站點，重點區(qū)域或者特定災(zāi)害隱患點可以按情況進行加密。布設(shè)地點不僅選在高速公路沿線，而且還需選取高速公路各重要節(jié)點進行加密，例如超速攝像監(jiān)控點、關(guān)鍵互通樞紐、島嶼等。

3．2傳感器設(shè)置

3．2．1傳感器配置原則由于國家高速路網(wǎng)面積大、里程長，各地氣象條件和地形地貌不盡相同，所以不可能等密度、等間距布設(shè)全要素交通氣象監(jiān)測站，應(yīng)根據(jù)高速公路交通最易受當(dāng)?shù)貧庀髼l件影響的情況對監(jiān)測站傳感器進行配置，首先每個站均應(yīng)配備雨量傳感器、能見度儀以及路面狀況傳感器，其次根據(jù)各地已有的氣象數(shù)據(jù)和交通事故情況增加其他傳感器（如風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣溫傳感器等）。3．2．2各傳感器安裝原則一般氣象部門自動氣象站的溫濕度傳感器放置在距地面1．5m高的通風(fēng)防輻射罩內(nèi)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器放置于10m高的風(fēng)桿上，所測風(fēng)速風(fēng)向為距地面10～12m高空的風(fēng)數(shù)據(jù)；能見度儀、天氣現(xiàn)象儀放置在2．8m高的立桿上。但高速公路交通氣象站是專門為高速交通服務(wù)的，機動車輛的高度一般為1．5～4．2m，高速公路行車主要受側(cè)向風(fēng)、橫風(fēng)的影響，所以交通氣象站的風(fēng)速風(fēng)向傳感器應(yīng)該置于高3m左右的立桿上；由于高速公路兩側(cè)地形復(fù)雜，雨量傳感器應(yīng)設(shè)置在1～1．5m高的立柱上，避免非自然降水濺入。各傳感器的具體設(shè)置方法如表2所示。

4綜合分級預(yù)警機制

文章在參考中國氣象局發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速公路交通氣象條件等級》的同時，針對高速公路交通行業(yè)的特點，建立了較全面的交通氣象風(fēng)險綜合分級預(yù)警機制，在該機制中路面溫度、風(fēng)速預(yù)警基本和常規(guī)氣象預(yù)警一致，降雨量、能見度、空氣溫度預(yù)警略有不同［15，16］。交通氣象災(zāi)害預(yù)警優(yōu)先級為：降雨量＞能見度＞路面溫度＞風(fēng)速＞空氣溫度，根據(jù)各氣象災(zāi)害的嚴(yán)重程度分別發(fā)布對應(yīng)級別的預(yù)警，當(dāng)有多種交通氣象災(zāi)害發(fā)生時，根據(jù)優(yōu)先級順序發(fā)布綜合預(yù)警，預(yù)警信息包含高速公路沿線災(zāi)害氣象要素實況。

5結(jié)束語

文章針對高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)警的需求，詳細(xì)分析了氣象因素對高速公路安全運營造成的影響，介紹了一種高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)，并提出了較好的站網(wǎng)布局策略、傳感器配置方法、交通氣象風(fēng)險綜合分級預(yù)警機制。高速公路交通事故主要受強降雨、秋冬季霧霾、道路結(jié)冰等天氣的影響，今后可在交通氣象站的基礎(chǔ)上擴展高速公路車流量監(jiān)控系統(tǒng)，與氣象監(jiān)測系統(tǒng)共同實時監(jiān)測，進行集成開發(fā)與應(yīng)用，通過監(jiān)測到的氣象數(shù)據(jù)配合高速公路車流量調(diào)度，提高高速公路交通運輸效率和運營安全。

作者:盧舟 劉鐘中 李昱 賈岸斌 葉日新 單位:常德市氣象局 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室 安鄉(xiāng)縣氣象局