• 高速公路路面气象状况监测技术研究
    2014-12-18 09:38:15   来源:《中国交通信息化》      评论:0 点击:

    须民健,廖强,李文锋,习燕

    (招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆 400067)

    摘要:研究一种高速公路路面气象状态的间接测量方法,对高速公路行车安全有重要影响路面积水、积雪、结冰、霜冻、高温等路面气象要素进行实时的监测与预报;根据高速公路现场传感器采集的环境气象信息,结合当地气象特征,再根据各种气象要素形成的条件与特征,分析得出当前路面气象状态。

    关键字:公路,路面状况,间接测量,监测与预报

    恶劣天气现象严重影响高速公路行车安全,极易导致交通事故的发生。如大雾和降水天气会导致能见度降低,雨雪天气会导致路面湿滑,强烈横风影响车辆行驶稳定性,路面结冰、霜冻会造成路面摩擦系数明显降低,高温天气的长途高速行驶,极易引起"爆胎"和疲劳驾驶,这些天气现象都会直接或间接的给交通安全带来隐患。在我国,高速公路在建设阶段根据设计要求安装了道路气象站,以获取安装位置附近的道路气象信息。气象站可实时获取雨、雪、雾、强风等环境气象信息,但无法获取对路面的气象特征信息,如路面积水、路面冰冻、路面高温等,当前针对路面状况的监测则需埋设传感器于路面之下,施工及维护成本较高。本文研究以高速公路现场传感器的气象数据为基础,结合各种路面气象形成的条件,分析得出路面气象信息。

    1.路面气象监测系统的构成

    路面气象监测系统根据公路沿线的环境气象直接影响到公路的路面气象这一点特点,通过对环境气象的监测、结合路面各种气象形成的原因可分析、计算得出路面气象状况,如路面高温、路面结冰等,从而不需通过在路面敷设或埋设专用传感器直接检测。

    路面气象监测系统由路面状况现场监测站、预警中心分析处理系统及现场预警信息发布系统三个部分组成。主要着重监测局部地段、关键地段的异常道路路面状况变化,将数据信息及时传送到高速公路路面状态监测预警中心,为气象监测服务和管理部门提供实时的决策科学依据,并将实时气象条件及气象预警信息发送至路面信息显示屏,为高速公路上行驶的车辆提供实时气象信息和服务。

    其系统构成如图1如下:

    图1 路面气象监测系统构成图

    路面状况现场监测站主要由数据预处理单元、风速风向传感器、气压传感器、空气温度/湿度传感器、降水发生传感器、供电单元、传输单元、外场设备安装支架组成。

    预警中心分析处理系统负责整个监测系统的数据接收、处理及发布控制。该中心接收各监测站的数据,结合全路沿线的各监测站情况,利用建立的数学模型进行相关计算,生成相应的信息发布、车辆诱导策略和方案。主要完成数据接收、存储、运算处理、信息发布等功能。

    现场信息发布系统是以关键地段监测点为中心,利用路面状况现场监测系统的现场控制功能,当预警信息产生后,在第一时间将预警信息在一定局部区域范围内的可变信息标志、可变限速标志上发布,同时启动警示标志牌上的黄色警示灯。如果情况严重也可以引导车辆从临近的收费站驶出,避免进入危险区。

    2.环境气象信息的获取

    常见的高速公路环境气象监测主要包括风速、风向、温度、湿度、能见度、雨量、气压、光强等气象要素。每一气象要素均对公路路面的气象状况产生影响,所以本节研究上述气象要素的获取及相应的传感器选型。

    1)风速风向测量

    风速的测定,常用的仪器有杯状风速计、翼状风速计、热式电风速计和超声波风速风向仪。翼状和杯状风速计使用简便,但其惰性和机械磨擦阻力较大,只适用于测定较大的风速。热式电风速计是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化,由此测试风速但不能得出风向的信息,适用于0.05~50m/s风速范围的测量。超声风速风向仪因其结构简单,测速范围宽,可测量风向等优点近年来被广泛使用,其工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量,通过测量气流速度的变化趋势测量风向,在固定的检测条件下,超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向[1]。

    2)温湿度测量

    温湿度的测量采用温湿度传感器,可同时测量空气环境温度和环境湿度。由于湿度是温度的函数,温度的变化决定性地影响着湿度的测量结果,所以精确地测量温度是第一位的。

    3)能见度测量

    目前,在公路中投入使用的能见度检测仪主要分为两类,一类是透射式能见度仪,根据透射原理工作,发射器和接收器相对安装,安装距离间隔3米~20米,利用支架固定对准后,光学部件发出的可见光或激光成为一条检测光束,通过光路衰减后到达接收器,接收器检测该信号后处理为测量值。透射式能见度仪主要应用于隧道内[2]。另一类是散射式能见度仪,其中以前向式散射仪为主,通过测量一个小的采样容积的散射光强,来计算消光系数和能见度。

    4)降水测量

    降水包括了降雨、降雪、冰雹、雨淞、霜、露、雾和雾淞等各种降水形式。可以用雨量器来测定,其单位是mm或L/m2。目前在公路中常见的有翻斗式雨量传感器、虹吸式雨量传感器两种。翻斗式雨量计是用来测量一段时间内某地区降雨量的计量装置,可将降雨量转换为可进行计量的物理量信号。虹吸式雨量计是可连续记录降水量和降水时间的仪器。其上部盛水漏斗的形状和大小与雨量器相同,适用于连续记录液体降水量,降水的起迄时间和降水强度。降水发生传感器利用光学红外鹰眼技术,检测并明确指出降水(雨、雪、雨夹雪、冻雨等)的开始和结束,提供开关量输出,但不支持降水类型、强度和雨量[3]。

    5)气压及光强测量

    气压和光强参数作为辅助参数,对最终的路面气象分析提供辅助参考依据,分别采用气压传感器和光强传感器,测定当地的海拔高度、日昼情况等,光强数据可作为白天、黑夜、晴天、阴天等典型天气特征的判断依据。现场监测站构成如图2所示。

    图2 路面状况现场监测站构成图

    3.路面气象形成原因分析

    路面气象状况与环境参数有密切联系,每一种路面气象状况均可通过现场气象传感器结合其形成原因、以及当地的气象特征进行分析、判断,以获取气象检测结果。

    1)路面霜冻

    大气湿度较大,当路面温度等于或低于露点,同时路面潮气温度等于或低于冰点(0℃),潮湿不断凝结成霜,在路面便结成霜冻。其中露点温度由空气温度和湿度计算得出。

    获取到相对湿度以及实际气温时,露点温度可以通过以下公式求得近似值:

    式中的γ的值为:

    式中温度T和露点 Td单位为摄氏度,相对湿度 RH为百分比,ln代表自然对数。常数a和b分别为:a=17.27,b=237.7℃,此公式是基于Magnus-Tetens 近似法( Magnus-Tetens Approximation),式中把饱和水气压视为温度的函数。次计算公式主要应用于0℃<T<60℃,   1%<RH<100%,0℃<Td < 50℃的环境范围[4]。

    2)路面结冰

    地面结冰是在外界大气温度在0℃以下,存在可见的潮气(如雨、雪、雨夹雪、冰晶、有雾等)或者在路面上出现积水、雪水、或雪的气象条件条件下形成的。当在冰点或低于冰点时,路面持续存在一层冰水混合物,其中含有的融雪剂不足,以至于混合物结冰。  

    当环境温度在冰点或低于冰点(≤0℃)时,路面可能存在薄层或斑点潮湿膜,若有降水即可能结冰;或大气湿度较大,潮湿不断凝结成露,最终在路面形成冰冻[5]。

    3)路面积水

    当环境温度在冰点以上,并且有持续的降水或大降水量发生时,出现路面积水情况。对于降水类型,可通过环境参数进行辅助判断。如在Vaisala公司的FD12P 天气现象传感器所采用的天气现象降水现象识别模型中[2],正是利用温度来粗分降水类型,以提高判断准确度,T>8℃不会降雪,T<0℃不会下雨,这一关系是Vaisala 公司通过长期试验得到的。由于温度与降水类型的对应关系并不是完全固定的,因此利用温度数据作为降水类型识别的重要辅助手段,可进一步提高气象识别的速度和结果的准确性[5]。

    4)路面高温

    当环境温度持续37摄氏度以上一定时间时,可能出现路面高温情况。其具体结果可根据当地气象特征作为辅助判断依据而求取。

    5)路面积雪

    积雪是由降雪形成的覆盖在公路路面的雪层,它是路面气温低于冰点的寒冷地区或寒冷季节的特殊天下现象。积雪一般分为稳定积雪和不稳定积雪两类,能够连续维持一个月以上的称为稳定积雪,但高速公路因其交通运输的特殊需求,不会选线于常年积雪区域,所以在高速公路沿线会发生不稳定的季节性或区域性积雪[6]。

    综上,路面气象状况与环境参数有密切联系,各种路面气象信息均不需要使用专门的传感器监测,可通过对环境气象的监测间接获得路面气象信息。其识别流程与方法如图3所示:

    图3 气象监测与识别方法

    当地气象特征数据库包括:地势特征数据库、季节特征数据库、区域特征数据库、历史特征数据库等。其地势特征数据库描述了不同地势(高原、平原、山区、盆地等)对应的气象特征;季节特征数据库描述不同季节和时间对应的气象特征数据库;区域特征数据库描述了区域内(干旱地区、青藏等高寒地区、四川盆地、华北地区、沿海地区等)的气象特征;历史特征数据库描述了当地气象特征的历史经验数据库。

    4.路面状况预警发布系统

    路面状况预警发布系统主要由高速公路沿线的可变信息标志、警示标志牌,公众媒体发布渠道(交通气象网站、交通广播电台、电视、手机短信息等途径)构成。预警信息发布采用现场发布和中心发布两种机制:

    1)现场发布:关键地段周边的可变信息标志与警示标志牌的信息发布采用现场控制和中心控制相结合的方式,以现场控制为主。

    2)中心发布:预警中心结合全路沿线的综合气象情况,在沿线不同位置的标志牌上发布相应信息;通过通信网络,将相关信息在交通气象网站、交通广播电台、电视、手机短信息等途径发布。

    5.结语

          道路路面状况监测是高速公路科学运营的一个重要依据,积水(湿滑)、结霜、积雪、结冰、路面高温等情况改变了路面的物理性质,对高速公路的运营和车辆的行驶有直接的影响。通过现场环境数据与当地气象特征相结合,进行推理、分析,得出现场监测点处的路面状况,是一种低成本、易维护、准确度高的间接检测方法。

    参考文献

    [1]郭颜萍, 崔天刚,邵宝民.气象仪功能模块自动检测仪的设计[J].山东科学,2012.06

    [2]李黄,《自动气象站实用手册》[M],气象出版社,2007.03.

    [3]冯苏宁,项瑛,姜爱军.  气象台站数据分析、著录应用系统的介绍[J]. 气象科学. 2006(02)

    [4]石磊. 冰雪条件下高速公路气象检测与预警系统研究[J].公路交通科技,2002.12.

    [5]蒋贤才,裴玉龙.  冰雪道路交通安全管理措施及其成效分析[J]. 公路交通科技. 2008.04

      [6]魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M]. 气象出版社, 2008.03.

    (原文刊载于2014年第12期《中国交通信息化》杂志上)

    责任编辑:佚名

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