高速公路自动气象站建设标准研究与应用

吴健 陆斌 张丽 沈玉亮

1.安徽省大气探测技术保障中心;2.芜湖市气象局

截至2020年底,安徽省高速公路通车里程达4904公里,基本形成横贯东西、直通南北的高速公路网络,有力支撑了全省经济社会发展。2010年以来,安徽省高速公路沿线先后累计建成恶劣气象条件自动气象站1000余套。针对安徽已建成的高速公路自动气象站运行状况研究,提出高速公路自动气象站建设技术要求,包括站点类型、布局原则、设备组成、关键性能参数、数据无线传输方案及通信协议等方面。高速公路自动气象站实际建设和运行状况表明,本文提出的建设标准有助于高速公路自动气象站的规范化建设,可实现对气象要素观测数据的准确采集和可靠传输,是发挥交通气象服务效益的基础条件。

0 引言

截至2020年底,我国高速公路里程16.1万公里,位居全球第一。安徽省首条高速公路合宁高速公路于1991年建成通车。截至2020年底,安徽省高速公路通车里程达4904公里,基本形成横贯东西、直通南北的高速公路网络,有力支撑了全省经济社会发展。

在全球气候变化背景下,突发性气象灾害多发频发,随着我省高速公路通车里程的快速增长,大雾、暴雪、低温雨雪冰冻、大风、暴雨等灾害给我省高速公路交通运输造成了严重影响[1-3]。气象条件已成为影响高速公路安全运营的重要因素之一[4-6],这就迫切要求气象部门提高高速公路交通气象灾害监测预报预警服务能力,减少恶劣气象条件及其次生灾害对我省高速公路交通的影响,满足高速公路交通安全服务需求,促进相关行业抗御气象灾害,保障社会公众高速公路出行安全。在高速公路沿线建设自动气象站,建立和完善高速公路沿线交通气象观测网络,可以及时、准确、可靠地获取交通气象观测数据,为做好高速公路交通气象预报预警及开展各项支持与服务提供基础性支撑。从2006年开始,我国高速公路自动气象站的布设进入高速发展阶段,江苏、安徽、湖北等省进行了积极探索,自动气象站也逐渐成为高速公路建设、通车的标准配置[7]。

1 高速公路自动气象站建设标准的主要内容

在高速公路沿线或服务区布设的自动气象站,可实现高速公路沿线的能见度、风向、风速、气温、湿度、雨量等气象要素的自动观测。目前,高速公路自动气象站(以下简称“高速公路站”)主要分为单能见度站和六要素自动气象站。

1.1 适用范围

主要适用于气象部门、交通运输部门及其他相关单位在我省高速公路沿线建设和管理的、以服务高速公路安全运行和公众出行为主要目的的高速公路站。

1.2 布局原则

安徽省地跨长江、淮河南北,地势西南高、东北低,地形地貌南北迥异,有平原、丘陵、山地等类型,且处于暖温带过渡地区,天气复杂多变[6]。我省高速公路站的布设,既要考虑地形、地貌,又要考虑恶劣气象条件频发区,还应考虑后期维护便利和设备安全等因素[8]。

能见度是影响高速公路运行最关键的气象要素,单能见度站的布局密度尤为重要[9-10]。在兼顾均匀分布的原则下,应充分考虑大雾/浓雾多发且路段相对固定,或曾因大雾天气造成重、特大事故的个别路段、隧道、桥梁等特殊路段。对于上述路段,能见度要素可加密至3公里。

六要素自动气象站可提供更为全面的大气状态信息,可用于恶劣气象条的监测预警。从气象探测环境要求的角度分析,结合我省高速公路路网分布及高速配套设施状况,优先选择高速互通立交、高速公路服务区作为六要素站建设站址。高速互通立交作为高速公路上的枢纽位置,具有占地面积大、植被状态好、安全性有保障的优势条件。高速公路服务区基本按照均匀分布的原则设立,在观测下垫面、供电、通信、安全保障等具备良好的条件。

对于其他类型的高速公路站,可布设在高速公路沿线或路肩的,参照单能见度站;对观测场地有要求的高速公路站,参照六要素自动气象站。

2018年,安徽省开展了高速公路全程视频监控管理系统建设。高速公路站与高速公路沿线视频监控点原则上错位间隔布设,最大限度提高监测网覆盖密度,满足小尺度团雾监测需求;同时为提高大雾等级智能识别准确率,可适当选取部分站点与视频监控点同址建设。

1.3 选址要求

高速公路站的选址需综合考虑高速公路沿线及周边区域的地形、地物、供电、通信、安全、维护便利等因素[11],尽量远离建筑物、广告牌、树木5m以上,避免强光源直射光、反射光、散射光影响等,避免地势低洼易积水区域,不宜布设在陡坡、临近沟壑或其他不便于维护人员到达的地方。

单能见度站一般沿高速公路路肩或路边布设,可使用高速公路现有应急电话亭基座。地面较为平整,地表植被与周围环境一致。遇有山峰、峡谷、陡坡、急转弯道等地势突变情况时,在道路走向或通行条件变化关键路段,单能见度站间距不受平均分布距离限制。选址时要兼顾通信、景观、维护便利性、防盗防破坏等因素。

六要素自动气象站优先选择高速公路互通区、服务区、出省交界点等作为建设站址,地面较为平整,地表植被与周围环境一致,南北跨度不少于8m,东西跨度不少于6m,其中观测场地大小为6m(南北)×4m(东西)。

2 主要技术要求

高速公路站主要由采集器、传感器、供电系统、通讯模块及外围设备(支架、机箱、防雷设施、围栏、标识、管道与线缆等)组成[12]。各组成部分的相关技术指标和性能应满足交通运输部、中国气象局2012年印发的《公路交通气象观测站网建设暂行技术要求》。

结合安徽省省情及高速公路路网的实际情况,高速公路站还应满足以下要求:存储器容量至少确保连续存储1个月逐分钟的所有观测要素值、基本参数及工作状态信息;高速公路站采用太阳能供电,蓄电池容量应保证高速公路站在连续阴雨日天气条件下自持时间不少于14天,太阳能电池板功率不小于150W;高速公路站通过无线通信方式与气象部门观测数据中心服务器进行双向数据和指令传输,数据无线传输方案及通信协议应符合《安徽省自动气象站数据无线传输方案及通信协议》相关要求。

高速公路站各类传感器应选用具备中国气象局气象专用技术装备使用许可证的型号。

3 探测环境与设备安装

3.1 单能见度站

单能见度站使用独立立杆安装,空气采样区距离地面2.8m,传感器部分南北向安置,接收单元朝北,发射单元朝南。安装位置不受干扰光学测量的遮挡物和反射表面的影响,避免闪烁光源、树阴、污染源的影响[12]。安装时应安装避雷针。

3.2 六要素自动气象站

为保证各仪器之间互不干扰,高的仪器安装在北面,低的仪器须顺次安装在南面。站点四周应设置围栏,用于突出标识设备运行专用场地,减少外部人为干扰。仪器之间南北间距不小于2m,仪器距南北向围栏不小于1m,距东西向围栏不小于2m。仪器安装在紧靠东西向小路的南面,人员从北面接近仪器。安装时应配套建设具有垂直接地体和水平接地体连接组成的地网。传感器布局要求详见表1。

表1 传感器布局要求Tab.1 Sensor layout requirements

4 安徽省应用情况

为强化对高速公路恶劣气象条件的监测预警,有力维护人民群众切身利益,安徽省政府早在2009年就组织气象、公安、交通、发展改革、财政、国资、安监等在高速公路沿线建设了196个高速公路站。

2018年和2020年,安徽省再次在高速公路沿线大规模地建设了435个和541个高速公路站,在全国率先建成了高速公路恶劣气象条件监测预警系统,在全国发挥了示范效益。截至2021年6月底,安徽省高速公路沿线已建成1300余套高速公路站,六要素站点平均间距已加密至10km,对已排查的团雾多发路段实现单能见度监测3km间距全覆盖。安徽省气象部门开发了全省高速交警专用的手机App,并与安徽交通广播合作开播了“出行气象”节目。

安徽省高速公路恶劣气象条件监测预警系统自建成以来,在全省高速公路通车里程和车流量双增长的情况下,有效的降低了恶劣天气下交通事故的发生率,全省高速公路一次死亡3人以上的较大交通事故起数和死亡人数同比分别下降50%以上。安徽省高速公路恶劣天气监测预警能力明显增强,在保安全、降事故等方面发挥了重要作用。

5 结语

建立和完善高速公路沿线交通气象观测网络,及时、准确、可靠地获取交通气象观测数据,是做好高速公路交通气象预报预警及开展各项支持与服务的基础。本文主要对安徽省高速公路自动气象站的建站技术要求及其在安徽省的建设应用情况进行了初步研究,后续可为相关单位做好高速自动站建设提供一些指导借鉴作用。

通过规范我省高速公路自动气象站的建设,可形成专业化、规模化、现代化的高速公路交通气象观测网络,提高我省高速公路交通气象灾害监测预报预警精细化水平和准确率,重点突出我省高速公路交通气象灾害监测和短时临近预报预警,全面提升高速公路交通气象服务能力。同时可建立健全气象与交通运输、公安交管、运营企业等部门间实时高效的信息共享、气象灾害预警应急联动机制和日常联动工作,提高我省高速公路交通气象服务效益,减轻恶劣气象条件给高速公路交通运输和公众生命财产安全造成的损失,从而实现因恶劣气象条件原因造成的高速公路交通事故数和死亡人数双降低。

引用

[1] 白永清,何明琼,刘静,等.高速公路交通事故与气象条件的关系研究[J].气象与环境科学,2015,38(2):66-71.

[2] 潘娅英,陈武.引发公路交通事故的气象条件分析[J].气象科技,2006(6):778-782.

[3] 曲晓黎,刘华悦,齐宇超,等.河北省高速公路交通事故与气象条件定量关系研究[J].干旱气象,2020,38(1):169-175.

[4] 丁国香,刘承晓,周建平,等.气象条件对安徽高速公路运营的影响[J].干旱气象,2018,36(5):858-863.

[5] 吴渊杰.浅谈恶劣气象条件下高速公路交通管理的对策[J].安全与健康,2008(18):52-53.

[6] 张运福,林毅,李倩,等.气象条件对高速公路交通影响研究进展[J].黑龙江交通科技,2016,39(5):168-169.

[7] 李迅,尹志聪,丁德平,等.高速公路气象监测站的宏观适用性[J].气象科技,2013,41(2):372-377.

[8] 张曼.高速公路气象灾害监测建站思路[J].科学之友,2012(1):114-115.

[9] 袁成松,卞光辉,冯民学,等.高速公路上低能见度的监测与预报[J].气象,2003(11):36-40.

[10] 冯蕾,邓毅萍,李蔼恂,等.雾天高速公路交通事故的特征及与能见度的关系[J].科技导报,2020,38(11):160-168.

[11] 廖文洲.高速公路气象站的选址及布设[J].中国公路,2016(7):76-79.

[12] 施丽娟,陈冬冬,花卫东.公路交通气象自动观测系统设计[J].气象科技,2015,43(3):543-550.