高速公路交通氣象監測系統研究

盧 舟，劉鐘中，李 昱，賈岸斌，葉日新

(1.常德市氣象局，常德 415000；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；3.安鄉縣氣象局，安鄉 415600)

0 引言

自80年代以來中國經濟持續高速發展，為適應日新月異的經濟形勢，國家不斷建設高速公路，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建設，高速公路車流量也呈快速增長態勢，不利天氣條件對高速公路交通狀況的影響越來越大，極易引發交通事故[1-3]，從而對廣大人民群眾的生命財產安全和交通運輸行業造成巨大損失。

目前，國內主要公路氣象預報由氣象部門和交通部門聯合發布，全國各地都在大力推進高速公路交通氣象監測預警系統的建設，以期能夠提供更準確、實時、專業的監測數據，從而減少高速公路交通事故，但各地進展存在一定地區性差異，江蘇省氣象局較早開展了滬寧高速江蘇段交通氣象監測預警系統的研制[4]。基于現有的觀測資料和技術手段，眾多研究人員開展了交通氣象監測預警方面的研究，康延臻[5]、王志[6]等研究了國家高速公路交通氣象監測預報預警業務的發展進程；豐德恩[7]等根據中國高速公路交通氣象災害風險預警業務需求開發了相應的業務系統；李迅[8]等分析了交通氣象監測設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測系統的相關研究和實際應用。雖然這些研究從各個角度分析了氣象災害對高速公路交通的影響，但各地高速公路交通氣象監測預警系統建設并不完善，采用的觀測資料和相關記錄代表性和準確性不夠；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。文章根據高速公路交通氣象監測預警的需求，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測站網的建設方案、站網布站方式以及監測子站傳感器配置策略，提出了綜合交通氣象預警機制，為高速公路交通氣象監測預警系統的建設提供理論依據。

1 高影響氣象因素

常規自動氣象站觀測要素主要有溫度、濕度、雨量、風速、風向、氣壓等，但對高速公路交通產生較大影響的氣象要素主要是強降雨、霧、霾、降雪、沙塵暴、道路結冰、極端溫度和強風等，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象進行監測。

1.1 降雨

降雨天氣發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下降；根據各地每個季節雨日的不同可知，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下降[11]，而且強降雨導致雨刮器無法及時清除擋風玻璃上的水，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，附著系數隨車速增加而急劇減小，當降雨量逐漸增大，路面形成短時積水，車輛達到一定速度時會產生滑水現象，此時輪胎與路面之間失去附著力，附著系數接近為0，嚴重影響汽車的制動、轉向等性能，不同道路狀況下的附著系數如表1所示[12]。

表1 不同道路狀況下的附著系數

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、日照等天氣現象。中國大部分高速公路一般限速100 km/h或120 km/h，經統計，普通小汽車的百公里制動距離一般在42 m左右，而貨車、卡車等機動車的百公里制動距離根據載貨重量會有所加長；當高速公路能見度低于50 m時，駕駛員難以對前方行車情況和交通標識進行準確觀察，極易造成追尾等嚴重交通事故；一般秋冬兩季霧霾發生概率較高，冬季和春季易出現降雪和沙塵天氣，由于多種惡劣天氣現象易造成能見度低(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測系統對溫度的監測主要分為氣溫監測和路面溫度監測。空氣溫度監測可按常規氣象觀測操作，主要影響車輛發動機艙溫度、駕駛員疲勞度，機動車內外空氣溫度驟變會引發擋風玻璃和后視鏡起霧。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，部分原因是由于路面高溫、車胎與路面摩擦升溫導致胎壓不穩、輪胎橡膠老化、胎面磨損強烈，從而造成車輛失控。當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急速下降，機動車輪胎容易打滑，與強降雨導致路面積水引發的交通事故類似。

1.4 強風

大風或臺風天氣時，高速行駛的機動車輛受順風、逆風、側向風影響，其中對車輛行駛安全影響最大的是時間短、風速快的側向風，側向風易使高速行駛的車輛產生抓地力不平衡的狀況，導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，側向風會引發車輛側滑、側翻等事故；在高速公路的某些路段(如橋梁、隧道、平原地區、山間、山谷、海邊)橫風出現較多，因此必須實時監測重點路段的風速風向情況。

2 交通氣象監測系統

為了實時監測高速公路沿線交通氣象情況，及時準確地獲取氣象數據并提供預報預警，文章介紹了一種可監測常規氣象要素(溫濕度、雨量、風速風向、能見度)、天氣現象、路面狀況(路面溫度、干濕狀況、積雪結冰等)的交通氣象站，可根據實際監測需求靈活配置相應模塊或傳感器數量，并按一定策略布設在高速公路沿線形成監測網絡。

2.1 交通氣象監測網

交通氣象監測預警系統主要由數量眾多的交通氣象站、無線通信網絡(2G/3G/4G)、本地存儲服務器、Web服務器、電腦終端及專業監控預警軟件組成[14]。

2.2 交通氣象站結構

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，根據以上分析結果，傳感器應該包括雨量傳感器、溫濕度傳感器、風速風向傳感器、能見度儀、天氣現象儀和路面狀況監控。

3 關鍵技術問題

目前，高速公路交通氣象監測系統還存在站網密度稀疏、監測數據代表性不足、站點傳感器配置不合理等問題，在沒有歷史氣象數據的情況下，設站主要依靠道路管護人員經驗或設于事故多發地，選擇設站密度缺乏科學依據，且全國沒有形成整體的監測網絡；傳感器的配置策略應有針對性地重點監測災害氣象要素；實況監測數據尚未發揮有效作用。

3.1 站網布局

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合的方法在高速公路沿線布設站點，一種是在高速公路沿線等距離布設站點，適用于平原地區；另一種是近正三角形內插法，該方法是以各地氣象部門國家自動氣象站為基礎，在3個國家站形成的近似正三角形區域內新增監測站進而組成交通氣象監測網絡。由于高速公路主要連接省、市、縣和重要的經濟、旅游區域，一般兩個相鄰縣市國家自動氣象站之間的距離在50 km左右，因此高速公路交通氣象站布站距離可選為25 km，在平原地區沿高速公路每25 km布設1個站點，在非平原地區可采取近正三角形內插法布設站點，重點區域或者特定災害隱患點可以按情況進行加密。布設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點進行加密，例如超速攝像監控點、關鍵互通樞紐、島嶼等。

3.2 傳感器設置

3.2.1 傳感器配置原則

由于國家高速路網面積大、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、等間距布設全要素交通氣象監測站，應根據高速公路交通最易受當地氣象條件影響的情況對監測站傳感器進行配置，首先每個站均應配備雨量傳感器、能見度儀以及路面狀況傳感器，其次根據各地已有的氣象數據和交通事故情況增加其他傳感器(如風速風向傳感器、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1.5 m高的通風防輻射罩內，風速風向傳感器放置于10 m高的風桿上，所測風速風向為距地面10～12 m高空的風數據；能見度儀、天氣現象儀放置在2.8 m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的，機動車輛的高度一般為1.5～4.2 m，高速公路行車主要受側向風、橫風的影響，所以交通氣象站的風速風向傳感器應該置于高3 m左右的立桿上；由于高速公路兩側地形復雜，雨量傳感器應設置在1～1.5 m高的立柱上，避免非自然降水濺入。各傳感器的具體設置方法如表2所示。

表2 傳感器設置

4 綜合分級預警機制

文章在參考中國氣象局發布的行業標準《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的特點，建立了較全面的交通氣象風險綜合分級預警機制，在該機制中路面溫度、風速預警基本和常規氣象預警一致，降雨量、能見度、空氣溫度預警略有不同[15，16]。

交通氣象災害預警優先級為：降雨量>能見度>路面溫度>風速>空氣溫度，根據各氣象災害的嚴重程度分別發布對應級別的預警，當有多種交通氣象災害發生時，根據優先級順序發布綜合預警，預警信息包含高速公路沿線災害氣象要素實況。

5 結束語

文章針對高速公路交通氣象監測預警的需求，詳細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測系統，并提出了較好的站網布局策略、傳感器配置方法、交通氣象風險綜合分級預警機制。高速公路交通事故主要受強降雨、秋冬季霧霾、道路結冰等天氣的影響，今后可在交通氣象站的基礎上擴展高速公路車流量監控系統，與氣象監測系統共同實時監測，進行集成開發與應用，通過監測到的氣象數據配合高速公路車流量調度，提高高速公路交通運輸效率和運營安全。