道路气象环境监测及预警信息发布系统解决方案

第一部分  概述

城市道路通达城市的各地区，供城市内交通运输及行人使用，便于居民生活、工作及文化娱乐活动，并与市外道路连接负担着对外交通的道路，主要功能是交通运输。城市道路繁多且集中在城市的有限面积之内，纵横交错形成网状，四通八达。我国从1949年以来，各大城市改建、兴建了大量道路，铺筑了多种类型的沥青路面和水泥混凝土路面，不仅改变了城市的面貌，还为社会经济的发展带来更多契机。

城市道路和公路（高速、国省道等）的发展对国民经济的影响越来越重要，承载着越来越多的交通运输任务，但随着天气的变化，尤其是恶劣的天气环境，对车辆在道路上的行驶带来了巨大的风险，不仅严重影响交通运输，而且也严重地影响人们的生命和财产安全。借助高科技监测产品及数据分析系统，提高恶劣天气环境下道路的通行能力，增强对交通环境恶化的应变能力，保证道路安全、高效、畅通的正常运营，已成为全社会十分关注的问题。

1、恶劣天气对城市道路带来的影响

1.1道路交通安全对气象条件高度敏感 

我国的城市道路建设发展快速，承载着交通运输的重大使命。但随着城区天气环境的变化，尤其是雾霾、冰雪、湿滑路面等恶劣的天气环境，给城区道路上的行驶车辆带来了巨大的安全隐患。发生在城市道路上由于大雾、冰雪路面引发的多车首尾相撞严重交通事故，给人们心头蒙上了一层阴影。

2018年12月8日9时许，河南省洛阳市洛龙区古城快速路隋唐立交桥有4辆车发生剐蹭，事故未造成人员伤亡。洛阳市交警支队事故大队七中队负责人介绍，该事故因路面结冰，后车司机没有保持好安全车距且并未观察路面情况造成的事故。该路段在2天时间内已经发生3起此类事故，12月7日早上发生一起后经车主协商解决，12月8日早上8时许两辆车发生剐蹭，严重影响道路通行。

1.2城市道路发展现状

由于城镇化建设的加速，城市快速的发展，人口较集中，各种交通工具大量增加，城市交通日益拥挤，相关部门优化改建地面现有道路系统，增辟城市高速干道、快速路等，发展地上高架道路与路堑式地下道路，供高速车辆行驶，减少地面交通的互相干扰。 

城市高架桥、快速路以及主干道，因车流量大、行驶速度快（一级道路设计车速为60-80km/h）的特点，且部分省会城市快速路已取消限速要求，要求区间行驶的车辆不得任意减速和停车，所以，一遇到因雾霾、雨雪等导致的低能见度天气，因路面结冰、低温降雨等导致的道路结冰湿滑，就极有可能引发交通事故，最终形成多车连续追尾的重特大交通事故。随着城市道路交通流量及密度的增大，恶劣天气环境条件下高速公路的交通事故发生率和伤亡损失也随之迅速增长。 

1.3影响道路安全的气象环境

团雾（霾）、暴雨、积雪、路面结冰等也已成为交通安全的“四大杀手”。

晚上22时至早上9时是团雾高发时段，其中，11月-12月和1-3月是团雾高发季节。由于团雾突然出现，驾驶人猝不及防、失去视线，本能急踩刹车，容易导致车辆追尾，全国每年都发生多起团雾导致的多车相撞事故，造成严重人员伤亡和财产损失。

道路和桥梁路面在冬季恶劣天气下，极易出现积水、积雪、结冰、凝冻等现象，给行驶车辆造成很大的安全隐患，驾驶员对道路环境严重程度估计不足、车辆速度过快、路面湿滑、车间距保持不够引起事故多发。特别是城市高架桥、跨湖泊桥梁等更容易结冰，事故率很高。

任何交通事故的发生都有其必然的原因。资料统计显示，交通事故中有近30％的是在恶劣天气环境中发生的。低能见度、大雾、大风、道路结冰、积雪、积水、高温、暴雨等是影响交通安全的主要灾害性天气。因此，对城市道路沿线气象状况及时进行监测、分析和采取有效的应急预案，对保障过往车辆的安全有着积极作用。

交通运输属于对气象高度敏感的行业，其所追求快速、高效、安全、准时的目标，在很大程度上要受到气象因素的制约。如果驾驶员对道路路面状况及通行条件有充分的了解，及时获取了路面状态的实时信息，那么事故发生的概率会明显降低。

2、国内城市道路气象监测的现状

近年来，交通安全管理部门多关注高速公路的气象监测应用，相对于城市道路，高速公路为封闭道路、车辆行驶速度在80-120km/h，事故损失不可估量。而城市道路四通八达，纵横交错，低速限制，红绿灯较多，事故多为车辆擦碰，事故损失可控。国内一些省市（湖南省、上海市等）虽然在城市交通气象监测方面进行了尝试，取得了一些效果，但是纵观我国有关道路气象环境监测的情况，存在以下不足：

(1)关于道路恶劣天气通行的管理规定明确，但因种种原因，保障措施跟不上，故管理被动、滞后。

(2)近几年新修建道路建设时，虽然安装了一些气象站、能见度监测仪，但这些设施大部分为进口设备，其价格昂贵、维护成本高、数量偏少、使用不当且缺少专业化的维护保障。

 (3）现有气象监测站大多是孤立运行，而气象灾害是空间尺度的概念，很难以一个地点的监测数据代表很大范围，尤其是团雾和降雨以及路面冰雪现象，同时，气象监测实时采集数据并没有现场发布和直接进行警示，不能给行车人员直接指导，因此，设施功效全无，成为摆设。在实际工作中仍然采用传统的人工雾情、路况报告、人工疏导等管理技术和措施。

造成以上问题的主要原因在于：一是目前公路安装气象监测设备只是为了工程的验收而设置，只是解决了“有无”问题并没有从实际应用考虑；二是监测设备从国外进口，设备本身及配件价格昂贵，售后服务及应用培训跟不上，设备供应商只是单纯的追求商业利益；三是缺乏灾害气象监测与预警、现场信息发布等联动的综合体系。

为切实做好道路气象保障服务，全面提高道路交通安全畅通工作的综合管理水平和应急处置能力，急需借鉴上述经验教训，建设道路气象监测预警及信息发布系统，及时提供驾乘人员所关心的各类气象要素实况，以此来制作具有针对性和时效性的专业服务产品，提高气象交通服务的能力和水平。

第二部分  某城市交通气象环境监测系统

国内某城市，全市涉及7座桥梁、4座下穿桥、易出事故道路处等30处，需规划建设可检测道路路面状态、下穿桥积水深度、雾霾能见度、雨雪天气现象等交通气象监测设备，并布设一套观测告警提示系统，实现公安内网的数据共享，多机观测，通过城区地图清晰观测各分布站点的实时数据，对应设置预警值，实现主动告警提示，有利于交通监管部门和养护部门第一时间采取针对性的解决措施。如果驾驶员对道路气象通行条件有充分的了解，并获取了道路沿线的气象信息，那么事故发生的概率会明显降低，这也就是我们要在道路沿线设置气象环境监测及现场预警发布系统的原因。

1、系统简介

交通气象环境监测及现场预警发布系统采用组网、组链监测的运行方式，连续获得道路沿线多点的气象信息情况，反馈给交管监控中心，并将检测数据与预定的判定条件比较，以确定是否有团雾、冰雪等恶劣天气；在确定恶劣天气的情况下，调用预定指标库，通过将检测数据与预定指标库比较，确定出检测指标的控制级别；最后，再根据指标控制级别从预定策略库中调用对应的控制策略来应对恶劣天气对高速公路造成的影响，从而做到全天候保障高速公路的运行。

目的是能够对雾区、下穿桥积水、冰雪路面路段的气象条件做到及时判别、预警，通过系统警告，并通过情报板直接反馈驾乘人员，及时了解前方道路的雾况和道路湿滑信息，最终保证在恶劣天气环境下，车辆可以安全、有效、有序的行驶，道路保持畅通。

2、系统组成与工作原理

本系统由以下几个单元组成： 

(1)信息采集单元：信息采集设备采用交通气象观测设备，包括：能见度天气现象检测仪、遥感式路面状况检测仪、风速风向传感器、温湿度传感器、水位测量仪等。 

(2)信息发布单元：将监控策略转化为具体的警示、控制指令，通过外场设备发布给驾驶员；外场信息发布设备主要靠可变情报板、可变限速牌显示等。 

(3)监控组网软件：计算机服务器及交通气象观测监控平台软件。

(4)公众服务平台（根据用户需求再拓展）：网络信息推送，电子地图手机APP，导航软件语音提示等方式进行道路安全预警服务。

(5)系统支持单元：包括控制单元、传输单元、通信单元、供配电单元、信息处理（及预警提示）单元。 

系统工作原理：系统可以测量能见度及天气现象检测（可识别的天气现象类型：雨、雪、雾、混合降水等）、大气温度、大气湿度、风向、风速、遥感路面状况（路面温度，路面状态：干燥、潮湿、积水、结冰、积雪、冰水混合物等）、积水深度等气象环境要素，以此为依据，判断相关大气物理变量因素的变化趋势，从而告警/预报出当时天气现象和路面状态变化；以上组成信息采集单元，此单元将实时监测数据通过通信单元（有线通信或无线通信）自动上传至交通气象监控中心的计算机服务器，服务器软件具有数据库、指标库、决策库等模块协同工作，并由工作人员随时调用数据及日志记录查询，由此发出决策指令给实时指挥调度系统，调度系统根据指令要求，自动发送命令给控制单元，由控制单元针对具体路段的可变情报板进行交通气象情报发布，同时根据需要还可配置供现场管理者发布管理信息和实际交通参与人员危机应急处置。 

3.主要技术指标

第三部分  系统实施技术路线

1、初步规划

依据该城市道路交通监管部门提供的相关信息，掌握历史事故多发路段、事故原因、发生频次等相关信息，需要现场踩点的采取现场勘测的方式进行，设点原则：落地实用，有效解决，实时观测，维护简便。

城市公路桥梁多为高架桥、立交桥、过水桥梁等，多为钢筋混凝土和钢结构桥梁，高于地面或水面数米以上。因缺少地温的支持，冬季低温环境下桥面温度通常低于路面温度，夏季高温环境下桥面温度通常高于路面温度。冬季多发生桥面结冰、凝冻等现象，导致桥面湿滑，引发车辆车轮打滑、侧滑、滑坡、碰撞事故。因此，在非过水桥梁的桥面中部布设路面冰雪湿滑状况监测系统，在过水桥梁的桥面中部布设全要素交通气象监测站，既能监测桥面状态，还能监测能见度，温度湿度，风速风向等。并在双向入桥位置处设置信息指示屏和可变限速牌，一旦检测路面结冰时，开启红色禁行指示屏，应立即封闭交通，禁止车辆通行，或提示建议安全行车速度，以避免高速侧滑和碰撞事故发生，保障畅通。

城市下穿桥多设立在道路交叉点、铁路交汇处等等，地势相对位置较低的下穿桥，在城市发生洪涝的情况下，因排水问题极易导致积水，为确保城市安全度汛和车辆、行人通行安全，多城市（北京、合肥等）对城市下穿桥施划积水警戒线，设置水位标尺，通过提示车主驶入下穿桥时观察警戒线，及时注意前方积水情况和停车位置（积水警戒线），避免发生危险。因此，在下穿桥低洼处上方安装水位测量系统，并在双向入桥位置处设置，禁行指示屏，一旦积水水位达到250mm时，开启红色禁行指示屏，应立即封闭交通，禁止车辆和行人进入下穿桥。

对易出事故的道路路段进行有针对性的区分，城市道路事故原因种类较多，因雾霾能见度较低引发的事故和因冰雪湿滑路面导致的事故优先提出，对应优先布设能见度及天气现象监测系统和路面冰雪湿滑状况监测系统，并在双向一定距离的位置设置信息指示屏和可变限速牌，一旦出现低能见度或路面结冰湿滑时，开启红色禁行指示屏，应立即封闭交通，禁止车辆通行，或提示建议安全行车速度，拉开车辆间距，以避免高速侧滑和碰撞事故发生，保障畅通。

以上各系统（站点）的监测数据实时上传到城市交管部门的监控中心，可协议对接到已有的城市综合管控平台，亦可安装交通气象观测子系统，可一张图显示所有监测站点的实时数据，一旦检测值触及阈值，可主动弹框和声音提示。

2、技术路线概述

此系统由交通气象监测站、水位测量系统、动态/可变情报板、动态/可变限速牌、系统供电单元以及通讯模块等组成。

系统充分利用了一系列技术先进、品质可靠、准确度高的传感器通过组网、组链方式采集交通沿线实时气象环境数据，可变情报板/可变限速牌可自动接收和显示信息中心的信息数据指令，为即将进入恶劣天气环境区域的车辆提供预警预报服务，系统供电单元为整个系统提供持续的电力，有线或无线通讯模块可将现场气象数据传送至监测中心，由监测中心统一分析决策。从而为城市交通管理部门提供了一种先进的自动化辅助管理手段，最终可实现无人值守。

3、监测站配置及选型

设计多要素组合式气象监测站系统，包括：能见度、天气现象、风速、风向、雨量、温度、湿度、路面状况、水位高度等，依据各路段或桥梁的具体情况，可实现多种传感器自由组合，亦可后期增设传感器，有针对性的组合成为所需的监测站，落地实用，并能解决实际问题。

4、预警信息发布及可变限速提示

可在雾霾多发区、易结冰路段等设置可变情报板/可变限速牌，主要用于恶劣气象影响严重路段的危险路况预警提示，提示驾驶员及时应对预防。

5、系统供电

220VAC交流市电供电优先。

原则上，尽量使用交流市电，在特殊情况，市电无法达到的地方可使用太阳能供电。太阳能供电要求：在连阴雨天，能满足设备持续工作5天。亦可统计历史阴雨天持续时间长短而定。

6、通讯方式

推荐采用现有的有线网络（内网）。

如布设站点无敷设有线网络，由于道路电缆铺设改造费用大，而GPRS/CDMA移动网覆盖范围及稳定性已经非常完善，所以系统数据也可采用GPRS/CDMA无线数据传输方式。

7、立柱及地基

建议利旧。借用已有的灯杆、监控立柱、标识牌立柱等已有的立柱设施，减少重复建设，缩短建设周期，降低成本。

如布设站点周边无可借用的立柱，需要增设立柱基础。

第四部分  主要设备及软件介绍

1、交通气象监测设备简介

1.1产品概述

天合环境城市道路监测站主要利用综合采集控制技术、计算机软件技术、通讯技术等技术对多种气象传感器从结构到系统组成上进行集成化应用。能够连续获得交通沿线的气象信息，能够对能见度、当前天气现象、风速、风向、温度、湿度、路面状况、路面温度等高速公路多个气象要素进行实时检测，通过远程传输完成各类数据的汇总并及时传送给交通部门，为交通相关部门做好各沿线交通气象保障服务提供第一手资料，以此为基础，可为交通安全主管部门和人们的出行提供及时的气象信息服务。

交通气象监测站采用的气象传感器包括：能见度天气现象检测仪、风湿温压雨一体化微型气象站、激光遥感式路面状况传感器等，还包括专用综合气象数据采集器、支撑结构、供电通信控制箱等单元。

1.2气象监测站功能

（1）能够对能见度、大气温度、大气湿度、风向、风速、气压、雨量、遥感路面状况（路面状态：干燥、潮湿、积水、结冰、积雪、冰水混合物等）以及当前天气状况：雾（轻雾、雾、浓雾）、雨（小雨、中雨、大雨）、雪（小雪、中雪、大雪）、混合降水等气象要素进行全天候检测；

（2）主动采集各气象要素数据，对采集的数据进行预处理和算法处理，对采集数据进行相关统计形成逐分钟的值并定位存储在监测站存储器内；

（3）自动上传监测数据，上传频率为1分钟；

（4）气象监测站提供RS232、RS485、RJ45网口或GPRS无线等通讯方式；

（5）系统供电方式：220V交流市电或12VDC太阳能供电。

监测站特点

（1）监测站采用模块化组装结构设计，紧凑小巧，各传感器尺寸小、重量轻，安装方便；

（2）采用光电测量技术进行能见度、当前天气现象和路面状况测量，完全通过遥感测量，不需要破坏路面，省时省力，免维护；

（3）采用超声波测量技术进行风速风向测量，无活动转动部件，完全免维护长周期测量，适应高速公路恶劣环境应用；

（4）各传感器结构材料为高质量硬质铝材，表面进行了阳极钝化处理，并进行多道喷漆（高温烤漆）保护；所有螺钉均选择耐腐蚀不锈钢螺钉；

（5）壳体内部是密封的，达到了IP65防护等级，具有野外恶劣气候适应性；

（6）系统功耗低，小于10W，市电或太阳能供电均可；

（7）系统具有防雷措施，其通信接口和电源接口均具有防雷设计，可将雷击损害降到最低。

1.3主要设备技术要求

①能见度天气现象检测仪

②温湿雨风一体化六要素气象传感器

③激光遥感式路面状况检测仪

采用多光谱遥感技术非接触准确检测出道路表面结冰、积雪和积水的厚度。设备安装不需要封闭道路、不需要切割路面，安装工作既安全又方便。维护量少，是道路气象系统组成中一项理想选择。它既可以安装在现有的气象站上，也可以安装在路面视野无遮挡的其他建筑物上，为道路管理部门提供准确的监测数据，在道路安全出现险情之前，采取响应措施。能够适用于高速公路路面、桥面、事故多发地区、雨雪多发地区、坡道转弯区域等关键路段的监测。

④水位检测仪

采用超声波检测水位高度，量程0-30米，分辨率3mm,适用范围广。

⑤采集器及控制机箱

2、系统软件概述

天合交通气象观测系统软件具备实时气象数据采集功能，采集的内容包括：气象数据、传感器工作状态、通信线路状态等。采集到的数据通过数字和图形曲线两种方式显示。 

同时，能够对系统内所有的站点的设备运行状态和采集的气象数据进行监控和GIS地图显示，并能通过指令对站点进行设置和处理气象数据。具备声音报警、提示框报警，使用户直观了解设备的运行状态、数据的有效性等。 

2.1平台主页面

2.2气象预警及告警信息提示

2.3历史数据查询页面

2.4系统日志

日志记录：详细的日志记录了异常数据、用户操作、软件异常等情况。日志记录可以导出到文件中，方便用户分析。 

第五部分  城市应用案例

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