一、概述

高速公路的发展对国民经济产生了越来越重要的影响，承载着越来越多的交通运输任务，但随着天气的变化，尤其是恶劣的天气条件，对车辆在高速公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生命财产安全。提高公路的通行能力，增强对交通环境劣化的应变能力，保证公路安全、高效、畅通的正常运营，已成为全社会十分关注的问题。 

1、恶劣天气对高速公路运输带来的影响

1.1交通安全对气象条件高度敏感

我国的高速公路建设发展快速，承载着交通运输中枢的重大使命。但随着天气的变化，尤其是团雾、冰雪路面等恶劣的天气条件，给高速公路上的行驶车辆带来了巨大的风险，不仅严重影响交通运输，而且也严重地影响人们的生命财产安全。随着发生在高速公路上由于大雾、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。2015年，山西大运高速发生47车连环相撞特大交通事故，事故造成3死7伤，公布调查结果，事故原因是当时受突发团雾影响，造成能见度很低，安全视距不够引起连环相撞。

高速公路上，因车流量大、行驶速度快以及其自身全封闭、全立交的特点，要求车辆不得任意减速和停车，所以，一遇到团雾、暴雨、冰雪等低能见度天气，就极有可能引发连锁反应，最终形成多车连续追尾的重特大交通事故。随着高速公路交通流量及密度的增大，低能见度天气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。

任何交通事故的发生都有其必然的原因。统计资料显示，交通事故中有近30％的是在恶劣天气中发生的。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。 另外，低能见度天气下所引发的高速公路追尾事故还有一个特点：虽然可能涉及追尾相撞的车辆较多，但整个事故的连锁反应极快，按交通量1,000 veh／h／车道计算，20辆车相撞只需要1分多钟。这表明，现有事故自动检测系统对降低在低能见度天气下的事故指数作用不大，系统很难及时感知最初前2辆车追尾相撞，从而向后面来的车辆发出警告，故气象环境对高速公路行车安全、正常使用具有举足轻重的作用。虽然低能见度天气属不可抗力因素，但能够通过人为的防范措施来避免或减少事故损失。发达国家高速公路的交通事故总数和死亡率只有普通公路的1/3 到1/2，而据有关资料统计，我国高速公路上的事故发生率和死亡率却均大于普通公路。原因之一：发达国家高速公路重视智能交通管理，气象联网监测功能完善，可做到防患于未然。因此，对高速公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，对保障高速公路过往车辆的安全有着积极作用。

1.2交通气象监测的缺失影响巨大

安全影响

雾害、雪灾、路面结冰已成为交通安全的杀手。

经济效益影响

在大雾、下雪、结冰等天气情况下，往往采取关闭高速公路的办法来有效地杜绝交通事故，但关闭直接带来经济损失。

社会影响灾害天气引起的高速公路交通事故一般较重大，人员伤亡大，社会影响不好。

带来新的交通问题

封闭高速公路给周边城镇的交通带来了极大的压力，特别是交通容量小的小城镇，造成严重的大面积的交通阻塞和交通瘫痪。

1.3高速公路安全运营需要气象保障

天气环境条件监测是高速公路科学运营的一个重要依据，雨、雪、雾、积雪、结冰等情况对高速公路的运营都有直接的影响。据统计，雾、雪、路面结冰是对公路交通安全影响的气象因素，尤其雾害已成为交通安全的杀手。它们对高速公路的影响主要反映在安全、经济效益、和引起的交通问题等三个方面。

安全影响：在大雾等低能见度的气候条件下，高速公路很容易引发多车相撞的恶性交通事故，这类交通事故往往造成相当惊人的损失。

经济效益影响：交通事故不但造成了重大的人员伤亡，还带来另外重大的经济损失。在大雾、下雪、结冰等天气情况下，往往采取关闭高速公路的办法来有效地杜绝交通事故，但关闭带来的直接经济效益损失是非常可观的。不能准确判断各类型天气条件下高速公路的行车等级也会带来不必要的经济损失。

交通问题：封闭高速公路给周边城镇的交通带来了极大的压力，特别是交通容量小的小城镇，造成严重的大面积的交通阻塞和交通瘫痪。

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。高速公路交通事故的高发期，也多为多雾、多雨、多雪的季节。专家认为，只要采取措施，气象因素酿成的悲剧是可以避免的。

2、国内外相关领域技术发展情况

2.1国外发展情况

国外在类似领域也有一些成功的应用：鉴于雾、冰雪对交通的影响极大，美国对易发气象灾害区交通行驶安全和畅通十分关注，其中，对高速公路的雾、冰雪区安全服务更提出了具体要求。NTSB(美国运输安全理事会)明确要求雾、冰雪区高速公路应具备以下控制措施：对交通流和雾、冰雪的分布进行及时检测，在雾、冰雪区范围内降低并保持车速，努力降低不同车辆之间的速度差异，使用公共信息等手段让机动车驾驶员能够了解雾、冰雪区行车的各种控制措施。例如，美国田纳西州东南部一条30.6km长的州际公路上安装了交通气象监测网。其运营效果：从当年10月份到第二年3月份，监测网平均每周发挥一次作用，在95％的情况下，监测网都要求将限速降低到50 km／h，大约13％的情况下，监测网要求将限速值进一步降低到35 km／h。自从1973年这条州际高速公路开通以来，共发生了200起碰撞事故，130起伤人事故和18起死亡事故。而在1994年交通气象监测网系统投入使用后，安全水平明显提高了，雾天仅发生了1起交通事故。但其成功的经验对我省公路安全管理具有借鉴意义。

2.2国内公路气象监测的现状

近年来，国内一些省份虽然在交通气象监测方面进行了尝试，取得了一些效果，但是，纵观我国有关高速公路气象环境监测的情况，存在以下不足：

(1)我国关于高速公路雾天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)我国近几年新修建高速公路建设时，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，价格昂贵，数量偏少、使用不当且缺少专业化的维护保障。

(3）现有高速公路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：一是目前高速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

为切实做好高速公路气象保障服务，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，建设高速公路气象监测预警及信息发布系统，及时提供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。

二、系统概述

1、系统简介

近年来，我国发生了多起由恶劣天气条件引起的特大交通事故，给人民的生命和财产造成极大损失，也引起了相关部门的关注，经调研发现，雾区和冰雪路面交通事故主要发生在初始期，尤其是由辐射引起的团雾，更是如此。主要原因是驾驶员对道路环境严重程度估计不足，车辆速度过快、车间距保持不够引起的。如果驾驶员对道路气象通行条件有充分的了解，获取了现场气象信息，那么事故发生的概率会明显降低，这也就是我们要在高速公路设置气象监测及现场预警发布系统的原因。其设置目的：能够对雾区和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，使驾驶员及时了解前方道路的雾况和道路湿滑信息；并通过情报板直接反映达到保障行车安全的目的。

交通气象监测及现场预警发布系统采用监测组网运行方式，连续获得沿线多点的气象信息情况，反馈给监控中心，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。

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，包括能见度仪、遥感路面状况传感器、风速风向传感器、温湿度传感器等。

(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；信息发布设备主要靠可变情报板显示等。

(3)监控组网软件：计算机服务器及监控平台软件

(4)公众服务平台：网络信息推送，手机APP等方式进行道路安全服务。

(5)系统支持单元：包括控制单元、传输单元、供配电单元、信息处理单元。

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、毛毛雨、雪、冰雹、雨夹雪、雾和霾）、大气温度、大气湿度、风向、风速、遥感路面状况（路面状态：干、潮、湿、霜、雪、冰、冰水混合物测）等气象要素，以此为依据，判断相关大气物理变量因素的变化趋势，从而预警预报出当前天气状态和变化；以上组成信息采集单元，此单元将实时监测数据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。

系统拓扑图

3、主要技术指标

三、系统实施技术路线

1、技术路线概述

此系统由交通气象监测站、动态可变情报板、系统供电单元以及无线通讯模块等组成。

系统充分利用了一系列*可靠的气象传感器技术采集沿线实况气象资料，可变情报板可自动接收信息中心的数据指令，为即将进入雾区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，解决野外、山区无市电供给的问题，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。从而为高速公路管理提供了一种*的自动化辅助管理手段。

2、交通气象监测站配置及选型

依据高速公路所经地的天气气候特征，设计多要素气象监测，包括：能见度、风速、风向、雨量、温度、湿度、路面状况等，多要素气象站主要放置在具有地区代表性气候特点的地点。充分发挥各检测站作用，保障道路的正常运营。

考虑供电、防护、维修等因素。气象监测站以靠近有人值班的收费站、服务区、养护区、队等地布设为主，兼顾气候特点，在灾害性天气频发路段适当加密布设检测站。有配点的位置以交流供电，无配点的地点选用太阳能供电。

监测站点选取原则：交通气象监测站的地点选取至关重要。配置多要素气象监测站的选址既要能反映当地公路的气象状况，也要能代表周边一定范围内的自然气候状况的地点。监测站周边不应有高大林木、大范围稠密的灌木丛林和建筑物的阻挡；不受烟火源的污染等。并且应便于提供电源，通讯线路；对于采用GPRS/CDMA移动网进行无线通讯方式的设备，应选取通讯网络信号正常的地方。在地形、植被变化不大的平原地区，能见度检测器采样数据的代表性大致可以代表5—10km范围内的空气母体的统计学特征。但对于受地形等因素影响而形成的雾况多变区域，则必须考虑加密能见度仪布点以解决测试数据的代表性问题。 配置能见度检测器的气象检测站布设应尽量考虑设在气象环境比较恶劣的地方，如：易发生大雾的水网地区、易产生横切风的地方、易产生局地小气候的谷地、山崖地区等。

2、预警信息发布

可在团雾多发区、易结冰路段等设置可变情报板，主要用于恶劣气象影响严重路段的危险路况预警提示。

3、系统供电

分为两种方式：220VAC交流市电和12VDC太阳能直流供电。

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。太阳能供电功率要求：在连阴雨天，能满足设备持续工作3天。

4、通讯

推荐采用现有的GPRS/CDMA移动网。

由于高速公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，所以系统数据推荐采用GPRS/CDMA无线数据传输方式。但如果安装附近有现成的光缆接口，也可通过光纤进行数据远传。

四、技术优势

1.技术优势

1）检测站配制升级

我公司采用的主要传感器包括：公路型能见度检测器、六要素一体化气象传感器、遥感路面状况传感器等，检测站能够对能见度、雨雪天气现象、风速、风向、温度、湿度、气压、降雨量以及路面干、潮湿、积水、积雪、结冰、冰水混合物等状况进行检测和预警。而一般的气象站仅包含能见度传感器和5要素气象传感器，只能检测能见度、风速、风向、温度、湿度、气压值，不具备雨雪天气和雨量检测，更不能检测冰雪路面情况。

我公司生产的能见度检测器不仅能够测量公路能见度值，还能识别当前雾霾、雨、雪、雨夹雪等天气现象，而一般的能见度传感器只能检测气象学上的能见度值。仪器测量范围为0-10km，而一般传感器为0-2km。

我公司研制生产的公路型能见度检测器与气象上使用的不一样，气象学能见度测量值一般会比公路能见度测量值偏大，这样会对交通安全的决策造成很大的影响，对团雾的测量和预警严重滞后。我公司公路型能见度检测器采用特殊算法，经过了公路适应性测试和比对验证，严格符合公路能见度观测的应用，与公路雾况实际相符，在实际应用中得到检验。

我公司的六要素一体化气象传感器比一般的5要素气象站多一降雨测量要素，而且降雨测量采用光学原理方式，具有高精度，大测量范围，相应快，免维护特点。

整套系统包括结构、电器、软件均采用模块化设计，便于后期维护和功能扩展；

2）软件系统优势

非单机版软件，是交通气象检测站进行路网布设后的网络平台软件，软件具有大数据储存和分析能力，对整个路网气象环境进行空间和时间上的连续监测和预警，可实现高速公路交通气象要素的的感知、道路交通潜在风险的自动辨识和预警，并可通过GIS地图管理显示，给交户一个界面友好、全面宏观的软件服务产品，对下一步具备路网协调能力奠定基础。

由于采用移动网络技术，可方便实现与相关系统的无缝链接，以及与管理中心的远程互动；

利用本系统软件强大的网络功能支持，在同一区域（省）内的多条高速公路可以组成高速公路交通安全气象环境预警监测网。

通过主动交通管理、应急救援、车路协同等一体化决策平台的建设，实现高速公路的安全管理；

通过建设开放的、管道式的对外信息发布平台，实现高速公路恶劣天气预警信息的实时无缝发布；

全面提升高速公路交通安全智能化水平。

2.服务优势

我公司产品均为国产化具有自主知识产权的产品，符合交通行业标准和规范，由于我国环境污染严重，交通压力大，恶劣天气对交通安全的影响尤其严重，因此迫切需要能符合国情、服务迅速的监测系统产品，而进口产品许多在国内产生“爆表”等一些水土不服的现象，同时，价格较贵，一旦发生故障，服务很难迅速跟上，同时，一些国防民生领域，为了保密，也需要对进口产品进行一定的限制甚至限购，因此，我们承诺：

(1) 本地化服务队伍，7×24小时及时响应。

(2) 质保期内坏件设备如在2天内不能排除故障，直接更换。

(3) 定期进行硬件升级，发挥性能。

五、主要设备及软件介绍

1、高速公路气象监测设备简介

1.1产品概述

JZYG-RWOS交通气象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、风速、风向、温度、湿度遥感路面状况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门，为交通相关部门做好各沿线交通气象保障服务提供手资料，以此为基础，可为高速公路安全主管部门和人们的出行提供及时的气象信息服务。

采用的气象传感器包括：能见度、风向传感器、风速传感器、温湿度传感器、遥感路面状况传感器等。交通气象站还包括数据采集器、支撑结构、供电通信控制箱等等单元。

1.2交通气象监测站功能

（1）能够对能见度、大气温度、大气湿度、风向、风速、遥感路面状况（路面状态：干、潮、湿、雪、冰、冰水浆状混合物、冰雪积水厚度等）等气象要素进行全天候检测。

（2）自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观测站存储器内；

（3）自动上传监测数据：采用主动上传方式，上传频率为1分钟，上传的数据包括：能见度、风速、风向设备状态等；

（4）气象站提供RS232通讯接口；

（5）系统供电方式：220V交流市电或太阳能供电。

1.3主要设备技术要求

①能见度检测器

能见度检测器由光发射器、光接收器及微处理控制器等主要部件组成。发射器发射红外脉冲光，接收器同时检测大气中气溶胶粒子前向散射的脉冲光强度，所有测量信息由微处理控制器搜集并通过专门的数学模型算法转化为气象能见距离。

本产品*符合《道路交通气象环境-能见度检测器JT/T 714-2008》行业标准的相关技术要求。

本产品发射器和接收器具有下倾角，可有效防护灰尘，雨、雪等对镜头的污染，也可有效避免车灯、太阳光等强光的直接照射的干扰，能更为准确的测量大气能见度。

功能

自动实时监测大气能见度指标，监测大雾、团雾等信息

设备状态自检

安装快捷简便

维护成本低

应用

隧道出入口

公路桥面

山区雾多发区域

雨雪多发地区

特点

一体化结构，免维护；具有镜头保护装置，不易受污染

雾能见度实时探测

路边安装

无需封闭车道，安装维护简单

坚固设计，全天候测量

主要技术指标

测量范围：5m～10km；

测量精度：   ≤2km ，误差±2%

2Km—10km，误差±5%

分辨率：      1m；

可识别雾、雨、雪、霾、混合降水等天气现象；

直流供电：12VDC；功率小于1W，或AC220V±15%,50Hz±2Hz；

具备RS485RS232通信接口或以太网数据接口

能见度传感器能对自身的12V直流电源、接收器温度等进行监测；

工作温度：-50℃～+80℃；

相对湿度：0～99%RH；

防护等级：IP68。

②温湿雨风一体化六要素气象传感器

六要素一体气象站是一种测量多要素气象要素的专业级传感器，可同时测量大气温度、大气湿度、风速、风向、气压、雨量等六种主要气象要素。其特点是精度高，响应时间快，串口输出，方便用户直接通过PC或外接仪器进行测量。

产品特点：

标准RS485输出(RS232可选)

拥有大容量内存及丰富系统指令

技术指标：

③遥感式路面传感器

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。

功能

检测路面积水、积雪、结冰厚度

远距离遥感检测路面状况

非埋入式安装快捷简便

维护成本低

融入现有公路自动气象监测网络

应用

远距离安装

桥面

事故多发区域

车流量大的区域

雨雪多发地区

特点

远距离测量路面积水、冰和雪

测量路面状态

测量积水、冰面、湿滑程度

非埋入式设计

抗锈蚀

红外检测最远 15.5 米

无需封闭车道，安装维护简单

坚固设计，全天候测量

技术指标

okok

2、系统软件性能

组网软件示意图

(1) 数据采集：具备GPRS/CDMA无线通讯方式的数据采集功能，采集的内容包括：能见度、雨量、温度、湿度、风向、风速、 路面状况、传感器工作状态、通信线路状态等。采集到的数据经过分析处理形成真实可信的气象数据。

(2)数据分析处理：在接收到能见度、雨量、温度、湿度、 风向、风速、路面状况的数据后，能够实时的计算出值、最小值、报警值和相关的累积值等，得到最终的气象数据。

(3) 数据存储：通过高速公路信息存储系统，将采集到和分析处理过的气象数据和传感器状态信息、通信状态信息、各种日志维护信息保存在数据库中，数据库采用MS SQL SERVER 2005进行构建，为保证数据的可靠性，数据库要求自动定时备份。

(4) 数据实时显示：通过数字和图形曲线两种方式显示实时的气象信息（能见度、雨量、温度值、湿度值、 、风向、风速、路面状况）以及当前的极值情况。并可根据用户需要开发符合用户特点的定制数据实时显示界面。

(5) 站点监控管理：通过路段监控中心系统和 联网监控中心总监控服务中心系统，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，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。

实时监控站点运行的状态，通讯线路的好坏，采集的数据的缺失和准确性。

强大的日志功能，能够随时全面的纪录站点的运行情况。

(6) 突发气象信息报警功能：跟据高速公路在恶劣天气条件下的运营管理规定，结合气象部门能见度的监测和预警预报试验研究，将影响高速公路运营的能见度建议划分为如下五个级别：

0级　＞500 m　　不需要采取任何措施

1级　500－200 m 采取一般性管制措施，运营车辆限速

2级　200－100 m 加强巡查，采取管制措施，严格车辆限速

3级　100－50 m　加强巡查，采取严格限速、分流措施，部分路段实行封闭

4级　＜50 m　　 封路、停运

根据以上报警级别可以设置能见度报警状态。

其他如路面结冰，潮湿、低温等气象信息也可设置相应的报警状态。报警方式可采用声音报警、提示框报警等，并将报警信息记录日志，使用户直观了解当前路况气象信息。

(7)历史数据查询分析服务：

● 可通过多种条件查询相关气象要素历史数据，并能形成相关图表。

● 利用条件查询，能够分析出在一段时间内气象信息的变化趋势。

● 统计出在不同季节和路段气象数据变化趋势和分布概率。

● 以上统计分析均可根据用户需要生成图形和报表。

(8)系统维护：

● 软件操作设置三级权限帐户：管理员帐户、信息管理员帐户和用户账户，用户账户只能对软件执行查看等操作，不能对终端设备进行设置更改，也不能对软件本身进行更改（如关闭等）；信息管理员帐户可以对监测数据操作，但不能设置终端和修改终端参数；管理员账户具有权限，可以设置终端，关闭软件等。管理员在进行操作前需要密码口令，只有输入正确的用户名和密码才能执行管理员操作。管理员可以添加、删除用户帐户。

● 数据库的操作权限，管理员和用户均无法直接操作，只有权限的操作者可进行数据库数据操作整理。

● 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，方便用户和厂家分析。

(9)数据资料应用服务：

● Web服务，可提供通过IE浏览器方式查看各路段气象数据，但用户需要有登录账户、密码等权限。

● 也可通过安装客户端软件查看气象数据。

(10)系统软件性能要求

● 可靠性：7×24小时连续*运行；

● 可维护性：系统应采用模块化结构，在功能组件（如界面组件）升级后，系统应能良好运行；

● 安全性：保障气象数据的完整、真实和可靠；

● 可使用性：系统软件应具有良好的人机界面，符合不同用户使用习惯；