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    道路氣象環境監測及預警信息發布系統解決方案

    作者:天合環境科技有限公司     更新時間:2022-03-08 09:19:54     文章來源:http://www.dhcyxz.com/xxqxjj/415.html

    第一部分  概述

    城市道路通達城市的各地區,供城市內交通運輸及行人使用,便于居民生活、工作及文化娛樂活動,并與市外道路連接負擔著對外交通的道路,主要功能是交通運輸。城市道路繁多且集中在城市的有限面積之內,縱橫交錯形成網狀,四通八達。我國從1949年以來,各大城市改建、興建了大量道路,鋪筑了多種類型的瀝青路面和水泥混凝土路面,不僅改變了城市的面貌,還為社會經濟的發展帶來更多契機。

    城市道路和公路(高速、國省道等)的發展對國民經濟的影響越來越重要,承載著越來越多的交通運輸任務,但隨著天氣的變化,尤其是惡劣的天氣環境,對車輛在道路上的行駛帶來了巨大的風險,不僅嚴重影響交通運輸,而且也嚴重地影響人們的生命和財產安全。借助高科技監測產品及數據分析系統,提高惡劣天氣環境下道路的通行能力,增強對交通環境惡化的應變能力,保證道路安全、高效、暢通的正常運營,已成為全社會十分關注的問題。

    1、惡劣天氣對城市道路帶來的影響

    1.1道路交通安全對氣象條件高度敏感 

    我國的城市道路建設發展快速,承載著交通運輸的重大使命。但隨著城區天氣環境的變化,尤其是霧霾、冰雪、濕滑路面等惡劣的天氣環境,給城區道路上的行駛車輛帶來了巨大的安全隱患。發生在城市道路上由于大霧、冰雪路面引發的多車首尾相撞嚴重交通事故,給人們心頭蒙上了一層陰影。

    2018年12月8日9時許,河南省洛陽市洛龍區古城快速路隋唐立交橋有4輛車發生剮蹭,事故未造成人員傷亡。洛陽市交警支隊事故大隊七中隊負責人介紹,該事故因路面結冰,后車司機沒有保持好安全車距且并未觀察路面情況造成的事故。該路段在2天時間內已經發生3起此類事故,12月7日早上發生一起后經車主協商解決,12月8日早上8時許兩輛車發生剮蹭,嚴重影響道路通行。

    圖片18.jpg

    1.2城市道路發展現狀

    由于城鎮化建設的加速,城市快速的發展,人口較集中,各種交通工具大量增加,城市交通日益擁擠,相關部門優化改建地面現有道路系統,增辟城市高速干道、快速路等,發展地上高架道路與路塹式地下道路,供高速車輛行駛,減少地面交通的互相干擾。 

    城市高架橋、快速路以及主干道,因車流量大、行駛速度快(一級道路設計車速為60-80km/h)的特點,且部分省會城市快速路已取消限速要求,要求區間行駛的車輛不得任意減速和停車,所以,一遇到因霧霾、雨雪等導致的低能見度天氣,因路面結冰、低溫降雨等導致的道路結冰濕滑,就極有可能引發交通事故,最終形成多車連續追尾的重特大交通事故。隨著城市道路交通流量及密度的增大,惡劣天氣環境條件下高速公路的交通事故發生率和傷亡損失也隨之迅速增長。 

    1.3影響道路安全的氣象環境

    團霧(霾)、暴雨、積雪、路面結冰等也已成為交通安全的“四大殺手”。

    晚上22時至早上9時是團霧高發時段,其中,11月-12月和1-3月是團霧高發季節。由于團霧突然出現,駕駛人猝不及防、失去視線,本能急踩剎車,容易導致車輛追尾,全國每年都發生多起團霧導致的多車相撞事故,造成嚴重人員傷亡和財產損失。

    道路和橋梁路面在冬季惡劣天氣下,極易出現積水、積雪、結冰、凝凍等現象,給行駛車輛造成很大的安全隱患,駕駛員對道路環境嚴重程度估計不足、車輛速度過快、路面濕滑、車間距保持不夠引起事故多發。特別是城市高架橋、跨湖泊橋梁等更容易結冰,事故率很高。

    任何交通事故的發生都有其必然的原因。資料統計顯示,交通事故中有近30%的是在惡劣天氣環境中發生的。低能見度、大霧、大風、道路結冰、積雪、積水、高溫、暴雨等是影響交通安全的主要災害性天氣。因此,對城市道路沿線氣象狀況及時進行監測、分析和采取有效的應急預案,對保障過往車輛的安全有著積極作用。

    交通運輸屬于對氣象高度敏感的行業,其所追求快速、高效、安全、準時的目標,在很大程度上要受到氣象因素的制約。如果駕駛員對道路路面狀況及通行條件有充分的了解,及時獲取了路面狀態的實時信息,那么事故發生的概率會明顯降低。

    2、國內城市道路氣象監測的現狀

    近年來,交通安全管理部門多關注高速公路的氣象監測應用,相對于城市道路,高速公路為封閉道路、車輛行駛速度在80-120km/h,事故損失不可估量。而城市道路四通八達,縱橫交錯,低速限制,紅綠燈較多,事故多為車輛擦碰,事故損失可控。國內一些省市(湖南省、上海市等)雖然在城市交通氣象監測方面進行了嘗試,取得了一些效果,但是縱觀我國有關道路氣象環境監測的情況,存在以下不足:

    (1)關于道路惡劣天氣通行的管理規定明確,但因種種原因,保障措施跟不上,故管理被動、滯后。

    (2)近幾年新修建道路建設時,雖然安裝了一些氣象站、能見度監測儀,但這些設施大部分為進口設備,其價格昂貴、維護成本高、數量偏少、使用不當且缺少專業化的維護保障。

     (3)現有氣象監測站大多是孤立運行,而氣象災害是空間尺度的概念,很難以一個地點的監測數據代表很大范圍,尤其是團霧和降雨以及路面冰雪現象,同時,氣象監測實時采集數據并沒有現場發布和直接進行警示,不能給行車人員直接指導,因此,設施功效全無,成為擺設。在實際工作中仍然采用傳統的人工霧情、路況報告、人工疏導等管理技術和措施。

    造成以上問題的主要原因在于:一是目前公路安裝氣象監測設備只是為了工程的驗收而設置,只是解決了“有無”問題并沒有從實際應用考慮;二是監測設備從國外進口,設備本身及配件價格昂貴,售后服務及應用培訓跟不上,設備供應商只是單純的追求商業利益;三是缺乏災害氣象監測與預警、現場信息發布等聯動的綜合體系。

    為切實做好道路氣象保障服務,全面提高道路交通安全暢通工作的綜合管理水平和應急處置能力,急需借鑒上述經驗教訓,建設道路氣象監測預警及信息發布系統,及時提供駕乘人員所關心的各類氣象要素實況,以此來制作具有針對性和時效性的專業服務產品,提高氣象交通服務的能力和水平。

    第二部分  某城市交通氣象環境監測系統

    國內某城市,全市涉及7座橋梁、4座下穿橋、易出事故道路處等30處,需規劃建設可檢測道路路面狀態、下穿橋積水深度、霧霾能見度、雨雪天氣現象等交通氣象監測設備,并布設一套觀測告警提示系統,實現公安內網的數據共享,多機觀測,通過城區地圖清晰觀測各分布站點的實時數據,對應設置預警值,實現主動告警提示,有利于交通監管部門和養護部門第一時間采取針對性的解決措施。如果駕駛員對道路氣象通行條件有充分的了解,并獲取了道路沿線的氣象信息,那么事故發生的概率會明顯降低,這也就是我們要在道路沿線設置氣象環境監測及現場預警發布系統的原因。

    1、系統簡介

    交通氣象環境監測及現場預警發布系統采用組網、組鏈監測的運行方式,連續獲得道路沿線多點的氣象信息情況,反饋給交管監控中心,并將檢測數據與預定的判定條件比較,以確定是否有團霧、冰雪等惡劣天氣;在確定惡劣天氣的情況下,調用預定指標庫,通過將檢測數據與預定指標庫比較,確定出檢測指標的控制級別;最后,再根據指標控制級別從預定策略庫中調用對應的控制策略來應對惡劣天氣對高速公路造成的影響,從而做到全天候保障高速公路的運行。

    目的是能夠對霧區、下穿橋積水、冰雪路面路段的氣象條件做到及時判別、預警,通過系統警告,并通過情報板直接反饋駕乘人員,及時了解前方道路的霧況和道路濕滑信息,最終保證在惡劣天氣環境下,車輛可以安全、有效、有序的行駛,道路保持暢通。

    2、系統組成與工作原理

    本系統由以下幾個單元組成: 

    (1)信息采集單元:信息采集設備采用交通氣象觀測設備,包括:能見度天氣現象檢測儀、遙感式路面狀況檢測儀、風速風向傳感器、溫濕度傳感器、水位測量儀等。 

    (2)信息發布單元:將監控策略轉化為具體的警示、控制指令,通過外場設備發布給駕駛員;外場信息發布設備主要靠可變情報板、可變限速牌顯示等。 

    (3)監控組網軟件:計算機服務器及交通氣象觀測監控平臺軟件。

    (4)公眾服務平臺(根據用戶需求再拓展):網絡信息推送,電子地圖手機APP,導航軟件語音提示等方式進行道路安全預警服務。

    (5)系統支持單元:包括控制單元、傳輸單元、通信單元、供配電單元、信息處理(及預警提示)單元。 

    系統工作原理:系統可以測量能見度及天氣現象檢測(可識別的天氣現象類型:雨、雪、霧、混合降水等)、大氣溫度、大氣濕度、風向、風速、遙感路面狀況(路面溫度,路面狀態:干燥、潮濕、積水、結冰、積雪、冰水混合物等)、積水深度等氣象環境要素,以此為依據,判斷相關大氣物理變量因素的變化趨勢,從而告警/預報出當時天氣現象和路面狀態變化;以上組成信息采集單元,此單元將實時監測數據通過通信單元(有線通信或無線通信)自動上傳至交通氣象監控中心的計算機服務器,服務器軟件具有數據庫、指標庫、決策庫等模塊協同工作,并由工作人員隨時調用數據及日志記錄查詢,由此發出決策指令給實時指揮調度系統,調度系統根據指令要求,自動發送命令給控制單元,由控制單元針對具體路段的可變情報板進行交通氣象情報發布,同時根據需要還可配置供現場管理者發布管理信息和實際交通參與人員危機應急處置。 

    圖片19.jpg

    3.主要技術指標

    測量要素

    測量范圍

    分辨率

    準確度

    能見度/

    天氣現象

    5m10km

    1m

    2km ,誤差±2%

    2Km10km,誤差±5%

    天氣現象測量種類:霧(輕霧、霧、濃霧)、雨(小雨、中雨、大雨)、雪(小雪、中雪、大雪)、混合降水(雨夾雪)

    氣溫

    -40+80

    0.1

    ±0.2

    相對濕度

    0100%

    0.1%

    ±2%

    風向

    0360°

    0.1°

    ±1°

    風速

    70m/s

    0.01m/s

    ±0.1m/s

    降水量(mm)

    0-4mm/min

    0.01mm

    ±0.4mm(累計雨量<10mm);

    氣壓

    301100hPa

    0.1hPa

    ±1 hPa

    水深儀

    0-30m

    3mm

    1%

    路面溫度

    -40+80

    0.1

    ±0.5

    路面狀況

    水:0—10mm;

    冰:0—10mm;

    雪:0—10mm;

    0.01mm

    0.820.7

    0.70.6

    0.60.3

    0.30.01




    良好

    濕滑

    很滑

    極滑


    濕滑系數:0-1

    0.01

    與路面摩擦系數評價相等


    可分辨出路面狀態:干、潮、濕、霜、雪、冰、冰水混合物

    綜合數據采集器

    1、采集器可接收氣象監測設備的數據信息,整合處理后,發送給系統平臺;

    2、能指示并上報各傳感器的工作(通訊)狀態;

    3、時鐘準確度:月累計誤差<30秒;

    4、供電方式:DC 12V;

    5、功耗:小于2W 。

    第三部分  系統實施技術路線

    1、初步規劃

    依據該城市道路交通監管部門提供的相關信息,掌握歷史事故多發路段、事故原因、發生頻次等相關信息,需要現場踩點的采取現場勘測的方式進行,設點原則:落地實用,有效解決,實時觀測,維護簡便。

    城市公路橋梁多為高架橋、立交橋、過水橋梁等,多為鋼筋混凝土和鋼結構橋梁,高于地面或水面數米以上。因缺少地溫的支持,冬季低溫環境下橋面溫度通常低于路面溫度,夏季高溫環境下橋面溫度通常高于路面溫度。冬季多發生橋面結冰、凝凍等現象,導致橋面濕滑,引發車輛車輪打滑、側滑、滑坡、碰撞事故。因此,在非過水橋梁的橋面中部布設路面冰雪濕滑狀況監測系統,在過水橋梁的橋面中部布設全要素交通氣象監測站,既能監測橋面狀態,還能監測能見度,溫度濕度,風速風向等。并在雙向入橋位置處設置信息指示屏和可變限速牌,一旦檢測路面結冰時,開啟紅色禁行指示屏,應立即封閉交通,禁止車輛通行,或提示建議安全行車速度,以避免高速側滑和碰撞事故發生,保障暢通。

    城市下穿橋多設立在道路交叉點、鐵路交匯處等等,地勢相對位置較低的下穿橋,在城市發生洪澇的情況下,因排水問題極易導致積水,為確保城市安全度汛和車輛、行人通行安全,多城市(北京、合肥等)對城市下穿橋施劃積水警戒線,設置水位標尺,通過提示車主駛入下穿橋時觀察警戒線,及時注意前方積水情況和停車位置(積水警戒線),避免發生危險。因此,在下穿橋低洼處上方安裝水位測量系統,并在雙向入橋位置處設置,禁行指示屏,一旦積水水位達到250mm時,開啟紅色禁行指示屏,應立即封閉交通,禁止車輛和行人進入下穿橋。

    對易出事故的道路路段進行有針對性的區分,城市道路事故原因種類較多,因霧霾能見度較低引發的事故和因冰雪濕滑路面導致的事故優先提出,對應優先布設能見度及天氣現象監測系統和路面冰雪濕滑狀況監測系統,并在雙向一定距離的位置設置信息指示屏和可變限速牌,一旦出現低能見度或路面結冰濕滑時,開啟紅色禁行指示屏,應立即封閉交通,禁止車輛通行,或提示建議安全行車速度,拉開車輛間距,以避免高速側滑和碰撞事故發生,保障暢通。

    以上各系統(站點)的監測數據實時上傳到城市交管部門的監控中心,可協議對接到已有的城市綜合管控平臺,亦可安裝交通氣象觀測子系統,可一張圖顯示所有監測站點的實時數據,一旦檢測值觸及閾值,可主動彈框和聲音提示。

    2、技術路線概述

    此系統由交通氣象監測站、水位測量系統、動態/可變情報板、動態/可變限速牌、系統供電單元以及通訊模塊等組成。

    系統充分利用了一系列技術先進、品質可靠、準確度高的傳感器通過組網、組鏈方式采集交通沿線實時氣象環境數據,可變情報板/可變限速牌可自動接收和顯示信息中心的信息數據指令,為即將進入惡劣天氣環境區域的車輛提供預警預報服務,系統供電單元為整個系統提供持續的電力,有線或無線通訊模塊可將現場氣象數據傳送至監測中心,由監測中心統一分析決策。從而為城市交通管理部門提供了一種先進的自動化輔助管理手段,最終可實現無人值守。

    3、監測站配置及選型

    設計多要素組合式氣象監測站系統,包括:能見度、天氣現象、風速、風向、雨量、溫度、濕度、路面狀況、水位高度等,依據各路段或橋梁的具體情況,可實現多種傳感器自由組合,亦可后期增設傳感器,有針對性的組合成為所需的監測站,落地實用,并能解決實際問題。

    4、預警信息發布及可變限速提示

    可在霧霾多發區、易結冰路段等設置可變情報板/可變限速牌,主要用于惡劣氣象影響嚴重路段的危險路況預警提示,提示駕駛員及時應對預防。

    5、系統供電

    220VAC交流市電供電優先。

    原則上,盡量使用交流市電,在特殊情況,市電無法達到的地方可使用太陽能供電。太陽能供電要求:在連陰雨天,能滿足設備持續工作5天。亦可統計歷史陰雨天持續時間長短而定。

    6、通訊方式

    推薦采用現有的有線網絡(內網)。

    如布設站點無敷設有線網絡,由于道路電纜鋪設改造費用大,而GPRS/CDMA移動網覆蓋范圍及穩定性已經非常完善,所以系統數據也可采用GPRS/CDMA無線數據傳輸方式。

    7、立柱及地基

    建議利舊。借用已有的燈桿、監控立柱、標識牌立柱等已有的立柱設施,減少重復建設,縮短建設周期,降低成本。

    如布設站點周邊無可借用的立柱,需要增設立柱基礎。

    第四部分  主要設備及軟件介紹

    1、交通氣象監測設備簡介

    1.1產品概述

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    天合環境城市道路監測站主要利用綜合采集控制技術、計算機軟件技術、通訊技術等技術對多種氣象傳感器從結構到系統組成上進行集成化應用。能夠連續獲得交通沿線的氣象信息,能夠對能見度、當前天氣現象、風速、風向、溫度、濕度、路面狀況、路面溫度等高速公路多個氣象要素進行實時檢測,通過遠程傳輸完成各類數據的匯總并及時傳送給交通部門,為交通相關部門做好各沿線交通氣象保障服務提供第一手資料,以此為基礎,可為交通安全主管部門和人們的出行提供及時的氣象信息服務。

    交通氣象監測站采用的氣象傳感器包括:能見度天氣現象檢測儀、風濕溫壓雨一體化微型氣象站、激光遙感式路面狀況傳感器等,還包括專用綜合氣象數據采集器、支撐結構、供電通信控制箱等單元。

    1.2氣象監測站功能

    (1)能夠對能見度、大氣溫度、大氣濕度、風向、風速、氣壓、雨量、遙感路面狀況(路面狀態:干燥、潮濕、積水、結冰、積雪、冰水混合物等)以及當前天氣狀況:霧(輕霧、霧、濃霧)、雨(小雨、中雨、大雨)、雪(小雪、中雪、大雪)、混合降水等氣象要素進行全天候檢測;

    (2)主動采集各氣象要素數據,對采集的數據進行預處理和算法處理,對采集數據進行相關統計形成逐分鐘的值并定位存儲在監測站存儲器內;

    (3)自動上傳監測數據,上傳頻率為1分鐘;

    (4)氣象監測站提供RS232、RS485、RJ45網口或GPRS無線等通訊方式;

    (5)系統供電方式:220V交流市電或12VDC太陽能供電。

    監測站特點

    (1)監測站采用模塊化組裝結構設計,緊湊小巧,各傳感器尺寸小、重量輕,安裝方便;

    (2)采用光電測量技術進行能見度、當前天氣現象和路面狀況測量,完全通過遙感測量,不需要破壞路面,省時省力,免維護;

    (3)采用超聲波測量技術進行風速風向測量,無活動轉動部件,完全免維護長周期測量,適應高速公路惡劣環境應用;

    (4)各傳感器結構材料為高質量硬質鋁材,表面進行了陽極鈍化處理,并進行多道噴漆(高溫烤漆)保護;所有螺釘均選擇耐腐蝕不銹鋼螺釘;

    (5)殼體內部是密封的,達到了IP65防護等級,具有野外惡劣氣候適應性;

    (6)系統功耗低,小于10W,市電或太陽能供電均可;

    (7)系統具有防雷措施,其通信接口和電源接口均具有防雷設計,可將雷擊損害降到最低。

    1.3主要設備技術要求

    ①能見度天氣現象檢測儀

    圖片21.png

    ②溫濕雨風一體化六要素氣象傳感器

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    ③激光遙感式路面狀況檢測儀

    圖片22.jpg

    采用多光譜遙感技術非接觸準確檢測出道路表面結冰、積雪和積水的厚度。設備安裝不需要封閉道路、不需要切割路面,安裝工作既安全又方便。維護量少,是道路氣象系統組成中一項理想選擇。它既可以安裝在現有的氣象站上,也可以安裝在路面視野無遮擋的其他建筑物上,為道路管理部門提供準確的監測數據,在道路安全出現險情之前,采取響應措施。能夠適用于高速公路路面、橋面、事故多發地區、雨雪多發地區、坡道轉彎區域等關鍵路段的監測。

    ④水位檢測儀

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    采用超聲波檢測水位高度,量程0-30米,分辨率3mm,適用范圍廣。

    ⑤采集器及控制機箱

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    2、系統軟件概述

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    天合交通氣象觀測系統軟件具備實時氣象數據采集功能,采集的內容包括:氣象數據、傳感器工作狀態、通信線路狀態等。采集到的數據通過數字和圖形曲線兩種方式顯示。 

    同時,能夠對系統內所有的站點的設備運行狀態和采集的氣象數據進行監控和GIS地圖顯示,并能通過指令對站點進行設置和處理氣象數據。具備聲音報警、提示框報警,使用戶直觀了解設備的運行狀態、數據的有效性等。 

    2.1平臺主頁面

    圖片26.jpg

    2.2氣象預警及告警信息提示

    圖片27.jpg

    2.3歷史數據查詢頁面

    圖片28.jpg

    2.4系統日志

    日志記錄:詳細的日志記錄了異常數據、用戶操作、軟件異常等情況。日志記錄可以導出到文件中,方便用戶分析。 

    第五部分  城市應用案例



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