高速公路交通气象监测系统分析

2022-09-21 16:39:53 来源:写作指导

摘要:文章从不同角度阐述了强降雨、低能见度、极端温度、大风等恶劣天气对高速公路交通安全造成的影响,并介绍了一种交通气象监测系统。针对系统在建设和运行中存在的一些问题,文章提出了监测站网布局策略、传感器设置方法以及综合分级预警机制。该系统能对道路沿线气象条件进行有效监测,减少因不利气象条件引发的交通事故,为保障高速公路安全提供了坚实的技术支撑。

关键词:高速公路;交通气象监测;站网布局;传感器设置;分级预警

0引言

自80年代以来中国经济持续高速发展,为适应日新月异的经济形势,国家不断建设高速公路,截至2019年年底,高速公路总里程已达到14.96万公里。随着高速公路的持续建设,高速公路车流量也呈快速增长态势,不利天气条件对高速公路交通状况的影响越来越大,极易引发交通事故[1-3],从而对广大人民群众的生命财产安全和交通运输行业造成巨大损失。目前,国内主要公路气象预报由气象部门和交通部门联合,全国各地都在大力推进高速公路交通气象监测预警系统的建设,以期能够提供更准确、实时、专业的监测数据,从而减少高速公路交通事故,但各地进展存在一定地区性差异,江苏省气象局较早开展了沪宁高速江苏段交通气象监测预警系统的研制[4]。基于现有的观测资料和技术手段,众多研究人员开展了交通气象监测预警方面的研究,康延臻[5]、王志[6]等研究了国家高速公路交通气象监测预报预警业务的发展进程;丰德恩[7]等根据中国高速公路交通气象灾害风险预警业务需求开发了相应的业务系统;李迅[8]等分析了交通气象监测设备在高速公路上的宏观适用性;田艳[9]、唐延婧[10]等介绍了高速公路交通气象监测系统的相关研究和实际应用。虽然这些研究从各个角度分析了气象灾害对高速公路交通的影响,但各地高速公路交通气象监测预警系统建设并不完善,采用的观测资料和相关记录代表性和准确性不够;同时,影响道路交通安全的因素也较多,仅从气象角度进行分析还不够全面。文章根据高速公路交通气象监测预警的需求,分析气象因素对路面、车况、驾驶员的影响,给出了高速公路交通气象监测站网的建设方案、站网布站方式以及监测子站传感器配置策略,提出了综合交通气象预警机制,为高速公路交通气象监测预警系统的建设提供理论依据。

1高影响气象因素常规自动气象站观测要素

主要有温度、湿度、雨量、风速、风向、气压等,但对高速公路交通产生较大影响的气象要素主要是强降雨、雾、霾、降雪、沙尘暴、道路结冰、极端温度和强风等,为了保障高速公路交通安全运行,必须有针对性地对这些天气现象进行监测。

1.1降雨

降雨天气发生交通事故的概率较高,不同程度的降雨会使能见度和轮胎与路面间的附着系数下降;根据各地每个季节雨日的不同可知,一般汛期4—9月是高速公路交通事故高发期,冬季次之,春季和秋季事故较少。能见度随降雨强度加大呈指数下降[11],而且强降雨导致雨刮器无法及时清除挡风玻璃上的水,跟随前车行驶时易形成水雾,极易影响驾驶员对前方路段的观察和判断;降雨初始阶段雨水和路面尘土、油污混合形成具有粘性的水液膜,机动车辆轮胎容易打滑;车辆在潮湿路面上行驶时,附着系数随车速增加而急剧减小,当降雨量逐渐增大,路面形成短时积水,车辆达到一定速度时会产生滑水现象,此时轮胎与路面之间失去附着力,附着系数接近为0,严重影响汽车的制动、转向等性能,不同道路状况下的附

1.2能见度

机动车在高速公路行驶时,对能见度影响较大的主要是雾、霾、沙尘暴、降雪、日照等天气现象。中国大部分高速公路一般限速100km/h或120km/h,经统计,普通小汽车的百公里制动距离一般在42m左右,而货车、卡车等机动车的百公里制动距离根据载货重量会有所加长;当高速公路能见度低于50m时,驾驶员难以对前方行车情况和交通标识进行准确观察,极易造成追尾等严重交通事故;一般秋冬两季雾霾发生概率较高,冬季和春季易出现降雪和沙尘天气,由于多种恶劣天气现象易造成能见度低(例如团雾会造成驾驶员行车视距骤降),所以能见度是影响高速公路交通安全运行主要的气象因素之一。

1.3极端温度

高速公路交通气象监测系统对温度的监测主要分为气温监测和路面温度监测。空气温度监测可按常规气象观测操作,主要影响车辆发动机舱温度、驾驶员疲劳度,机动车内外空气温度骤变会引发挡风玻璃和后视镜起雾。而路面温度则主要影响机动车轮胎行驶情况,夏季交通事故频发,部分原因是由于路面高温、车胎与路面摩擦升温导致胎压不稳、轮胎橡胶老化、胎面磨损强烈,从而造成车辆失控。当公路沿线空气平均温度超过33℃,路面平均温度超过55℃时,交通事故发生率快速增长[13]。冬季气温较低,长时间低温使路面易形成冰冻,造成高速公路路面附着系数急速下降,机动车轮胎容易打滑,与强降雨导致路面积水引发的交通事故类似。

1.4强风

大风或台风天气时,高速行驶的机动车辆受顺风、逆风、侧向风影响,其中对车辆行驶安全影响最大的是时间短、风速快的侧向风,侧向风易使高速行驶的车辆产生抓地力不平衡的状况,导致车辆偏离原来的行车路线,尤其是重量轻的小轿车或重心较高的大型客车、货车,侧向风会引发车辆侧滑、侧翻等事故;在高速公路的某些路段(如桥梁、隧道、平原地区、山间、山谷、海边)横风出现较多,因此必须实时监测重点路段的风速风向情况。

2交通气象监测系统

为了实时监测高速公路沿线交通气象情况,及时准确地获取气象数据并提供预报预警,文章介绍了一种可监测常规气象要素(温湿度、雨量、风速风向、能见度)、天气现象、路面状况(路面温度、干湿状况、积雪结冰等)的交通气象站,可根据实际监测需求灵活配置相应模块或传感器数量,并按一定策略布设在高速公路沿线形成监测网络。

2.1交通气象监测网

交通气象监测预警系统主要由数量众多的交通气象站、无线通信网络(2G/3G/4G)、本地存储服务器、Web服务器、电脑终端及专业监控预警软件组成[14]。

2.2交通气象站结构

高速公路交通气象站主要由主采部分、各传感器部分、通信部分、供电部分等组成,根据以上分析结果,传感器应该包括雨量传感器、温湿度传感器、风速风向传感器、能见度仪、天气现象仪和路面状况监控。

3关键技术问题

目前,高速公路交通气象监测系统还存在站网密度稀疏、监测数据代表性不足、站点传感器配置不合理等问题,在没有历史气象数据的情况下,设站主要依靠道路管护人员经验或设于事故多发地,选择设站密度缺乏科学依据,且全国没有形成整体的监测网络;传感器的配置策略应有针对性地重点监测灾害气象要素;实况监测数据尚未发挥有效作用。

3.1站网布局

由于高速公路交通气象站所观测的气象要素存在很强的地域差异性,气象因子受海拔高度、地形地貌、人类活动等影响,各气象因子之间也存在一定联系,所以选择合理的布站方式、布站地点和布站距离非常重要。文章采用两种布站方式相结合的方法在高速公路沿线布设站点,一种是在高速公路沿线等距离布设站点,适用于平原地区;另一种是近正三角形内插法,该方法是以各地气象部门国家自动气象站为基础,在3个国家站形成的近似正三角形区域内新增监测站进而组成交通气象监测网络。由于高速公路主要连接省、市、县和重要的经济、旅游区域,一般两个相邻县市国家自动气象站之间的距离在50km左右,因此高速公路交通气象站布站距离可选为25km,在平原地区沿高速公路每25km布设1个站点,在非平原地区可采取近正三角形内插法布设站点,重点区域或者特定灾害隐患点可以按情况进行加密。布设地点不仅选在高速公路沿线,而且还需选取高速公路各重要节点进行加密,例如超速摄像监控点、关键互通枢纽、岛屿等。

3.2传感器设置

3.2.1传感器配置原则

由于国家高速路网面积大、里程长,各地气象条件和地形地貌不尽相同,所以不可能等密度、等间距布设全要素交通气象监测站,应根据高速公路交通最易受当地气象条件影响的情况对监测站传感器进行配置,首先每个站均应配备雨量传感器、能见度仪以及路面状况传感器,其次根据各地已有的气象数据和交通事故情况增加其他传感器(如风速风向传感器、气温传感器等)。

3.2.2各传感器安装原则

一般气象部门自动气象站的温湿度传感器放置在距地面1.5m高的通风防辐射罩内,风速风向传感器放置于10m高的风杆上,所测风速风向为距地面10~12m高空的风数据;能见度仪、天气现象仪放置在2.8m高的立杆上。但高速公路交通气象站是专门为高速交通服务的,机动车辆的高度一般为1.5~4.2m,高速公路行车主要受侧向风、横风的影响,所以交通气象站的风速风向传感器应该置于高3m左右的立杆上;由于高速公路两侧地形复杂,雨量传感器应设置在1~1.5m高的立柱上,避免非自然降水溅入。各传感器的具体设置方法如表2所示。

4综合分级预警机制

文章在参考中国气象局的行业标准《高速公路交通气象条件等级》的同时,针对高速公路交通行业的特点,建立了较全面的交通气象风险综合分级预警机制,在该机制中路面温度、风速预警基本和常规气象预警一致,降雨量、能见度、空气温度预警略有不同[15,16]。交通气象灾害预警优先级为:降雨量>能见度>路面温度>风速>空气温度,根据各气象灾害的严重程度分别对应级别的预警,当有多种交通气象灾害发生时,根据优先级顺序综合预警,预警信息包含高速公路沿线灾害气象要素实况。

5结束语

文章针对高速公路交通气象监测预警的需求,详细分析了气象因素对高速公路安全运营造成的影响,介绍了一种高速公路交通气象监测系统,并提出了较好的站网布局策略、传感器配置方法、交通气象风险综合分级预警机制。高速公路交通事故主要受强降雨、秋冬季雾霾、道路结冰等天气的影响,今后可在交通气象站的基础上扩展高速公路车流量监控系统,与气象监测系统共同实时监测,进行集成开发与应用,通过监测到的气象数据配合高速公路车流量调度,提高高速公路交通运输效率和运营安全。

作者:卢舟 刘钟中 李昱 贾岸斌 叶日新 单位:常德市气象局 气象防灾减灾湖南省重点实验室 安乡县气象局