高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)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(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410118；3.安鄉(xiāng)縣氣象局，安鄉(xiāng) 415600)

0 引言

自80年代以來中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，為適應(yīng)日新月異的經(jīng)濟(jì)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(dá)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(yùn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jī)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(qiáng)降雨、霧、霾、降雪、沙塵暴、道路結(jié)冰、極端溫度和強(qiáng)風(fēng)等，為了保障高速公路交通安全運(yùn)行，必須有針對性地對這些天氣現(xiàn)象進(jìn)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(qiáng)度加大呈指數(shù)下降[11]，而且強(qiáng)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(jī)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(dá)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]。

表1 不同道路狀況下的附著系數(shù)

1.2 能見度

機(jī)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100 km/h或120 km/h，經(jīng)統(tǒng)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(jī)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50 m時，駕駛員難以對前方行車情況和交通標(biāo)識進(jìn)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(tuán)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(yùn)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(jī)艙溫度、駕駛員疲勞度，機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)動車輪胎容易打滑，與強(qiáng)降雨導(dǎo)致路面積水引發(fā)的交通事故類似。

1.4 強(qiáng)風(fēng)

大風(fēng)或臺風(fēng)天氣時，高速行駛的機(jī)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(shí)時監(jiān)測重點(diǎn)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(hù)人員經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)監(jiān)測災(zāi)害氣象要素；實(shí)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)，一種是在高速公路沿線等距離布設(shè)站點(diǎn)，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(jìn)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(jì)、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(qū)沿高速公路每25 km布設(shè)1個站點(diǎn)，在非平原地區(qū)可采取近正三角形內(nèi)插法布設(shè)站點(diǎn)，重點(diǎn)區(qū)域或者特定災(zāi)害隱患點(diǎn)可以按情況進(jìn)行加密。布設(shè)地點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行加密，例如超速攝像監(jiān)控點(diǎn)、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(jìn)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1.5 m高的通風(fēng)防輻射罩內(nèi)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器放置于10 m高的風(fēng)桿上，所測風(fēng)速風(fēng)向?yàn)榫嗟孛?0～12 m高空的風(fēng)數(shù)據(jù)；能見度儀、天氣現(xiàn)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(wù)的，機(jī)動車輛的高度一般為1.5～4.2 m，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3 m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1～1.5 m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。

表2 傳感器設(shè)置

4 綜合分級預(yù)警機(jī)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(diǎn)，建立了較全面的交通氣象風(fēng)險綜合分級預(yù)警機(jī)制，在該機(jī)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(shí)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(yùn)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(jī)制。高速公路交通事故主要受強(qiáng)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(kuò)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(shí)時監(jiān)測，進(jìn)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(yùn)輸效率和運(yùn)營安全。