移动式交通气象环境监测系统研发

张 昱，王丕栋，樊兆董，唐 军

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.华设设计集团北京民航设计研究院有限公司，北京 101318；3.山东省路域安全与应急保障交通运输行业重点实验室，山东 济南 250031；4.民航机场安全与运行工程技术研究中心，北京 101318）

引言

当前，交通气象环境监测设备多是采用固定安装方式，该方式可以长时间监测该区域内交通气象条件的时间变化规律特征，包括路面温度变化的月、季、年度以及1 d 内路面温度变化情况，方便掌握和了解固定区域气候变化特点，有针对性地加强路面结冰的预防措施。由于受到投资成本约束，交通气象监测站点的总体布设密度仍然十分有限。加上高速公路属于带状分布设施[1]，特别是在地形地貌变化较大的地区，局地性小气候现象十分突出，使得少量的固定式交通气象监测站点难以及时准确地把握沿线气象条件的变化。

1 移动式交通气象环境监测研究现状

移动式交通气象环境监测技术是交通气象环境监测的重要手段，其特点是具有良好的野外机动性、高稳定性、便捷安装性，能够针对长距离连续路段实现交通气象数据的实时采集和传输，打破了传统固定式交通气象站在监测范围上的局限性。并在应对交通气候灾害时具有突出的优势，如扩大时空随机性强的灾害性天气事件的监测范围；提高对重要区域（如高速公路、主要交通枢纽等）影响严重的突发性气象事件如洪水、暴雪、冰冻、浓雾、灰霾的快速响应能力，加强重大活动的现场监测和气象服务保障。

在早期的大气边界层野外试验中，科研人员就开始把各种尺寸庞大的遥感探测仪器放在大型车辆上进行观测，之后各种气象科学野外实验便出现了各种车载探测设备和专门设计的移动观测平台。进入20 世纪90 年代后，世界许多国家相继建立或正在建设移动气象监测系统和平台，以弥补定点观测的不足和实现对特定目标的追踪探测。如美国国家大气研究中心利用车载多普勒雷达和高分辨率多普勒激光雷达等追踪龙卷风。美国 Physical Science 公司利用移动气象设备集成了新型路面冰雪检测车辆，对路面上的雪、水和冰的厚度，路面干燥和潮湿程度，路面被水、沙石和冰雪覆盖情况进行测量，并结合车载电脑和实时通信装置，对采集的信息进行回传和分析。德国气象环境综合移动监测车用来监测城市特定交通路线及生活气象环境要素的变化[2-3]。

我国主要将移动式交通气象环境监测技术应用在交通应急指挥方面。苏州市应急联动中心曾组织“危险化学品泄漏事故处置演练”，应急气象监测车辆到达事故现场后，移动式自动气象站进行现场气象要素监测，启动点源污染扩散模式（HYSPLIT模式），根据现场的风向、风速、气压、湿度、垂直对流等情况，计算出污染气体的扩散方向和范围，向相关部门提出相应的群众疏散方向。上海市应急联动中心也组织过“天然气管道泄漏事故应急处置实战演练”，模拟大治河沿线一处天然气管线泄漏事故应急处置[4-5]。

2 移动式交通气象环境监测系统方案设计

移动式交通气象环境监测系统方案是通过在移动车辆上安装交通气象环境监测设备，在车辆行驶过程中，实时采集路段上每个GPS 坐标位置的路面状态、路面温度、能见度、大气温湿度、天气现象等多种交通气象数据，并利用手机客户端软件实时展示移动监测数据，通过对数据汇总分析，判别最易出现最低路面温度以及最早出现路面结冰的危险关键点段，实现高速公路全路段低成本的交通气象环境移动监测。

2.1 系统功能实现

2.1.1 移动式交通气象数据采集功能

安装于车辆上的数据采集装置，通过多种传感器数据通信接口，集成多种传感器，借助连接装置安装于车辆上。在车辆行驶过程中，按照一定的采集频率，实时的接收和处理采集到的交通气象数据 。

2.1.2 数据中转及对外传输功能

数据采集器采集到来自各个传感器的信息后，进行数据降噪、滤波处理，将数据汇集到一起，按照规定的传输协议，向与其相连的无线模块（包括WIFI 模块和基于蜂窝网络的 GPRS 模块）传输数据，起到对外发送数据的功能 。

2.1.3 手机端和 PC 端软件的数据接收和处理功能

手机端和PC 端软件通过无线网络接收来自数据采集器的数据，按照规定的协议解析数据后，摘录交通气象数据和地理位置信息数据并且执行更加复杂的算法，如计算获取露点温度等气象参数数据，然后显示到软件界面上，便于使用人员的实时观察和判断。另外，手机软件还能够通过人工打字或者语音录入备注信息，记录特殊路段等关键信息。

2.1.4 格式化数据存储

为了将移动式数据采集器采集到的交通气象数据及地理信息数据有机的结合到一起便于为后期的路面结冰预测预警提供高效的格式化数据，无论是数据采集设备还是手机端和PC 端软件，都可以实现数据按照规定存储格式协议的接收和格式化保存。

2.2 系统技术方案

车载移动式交通气象环境监测系统主要由各种交通气象传感器、GPS 模块、数据采集器、电源模块、无线通信模块、安装配件以及手机软件客户端和电脑客户端组成，系统结构框架见图1。

图1 系统逻辑结构框架

3 移动式交通气象环境监测系统硬件设计

3.1 传感器及GPS 模块

3.1.1 大气温湿度传感器

大气温湿度数据采集传感器，选用Vaisala 的HMP155 温湿度探头，它具有可靠的温湿度测量功能，适用于各种环境。温度传感器和湿度传感器都位于探头顶端。采样精度方面，大部分情况下，温度可以达到 0.1 ℃，湿度可以达到 1%；由于车辆行驶过程中，大气温度的变化是缓慢的，因此，采样频率最大可到 1 Hz 满足需求。

3.1.2 路面温度传感器

路面温度传感器选用Optris 低温微型探头红外测温仪，其具有 22 ∶1 的光学分辨率，特别适合需要节省空间的工业环境安装；另外，附带分离式电子变送盒，具有准、抗干扰能力强、通信速率快的优点；探头工作温度范围可达 -40～180 ℃；温度测量量程为 -50～600 ℃，系统精度可达 1%，温度分辨率可达 0.1 ℃，采样周期最小可达 150 ms，对应 80 km/h 的车速行进距离为3.3 m，在路面温度测量的可接受范围内。

3.1.3 遥感式路面状态传感器

遥感式路面状态传感器使用维萨拉公司的车载路面气象信息传感器，用来检测路面干燥、潮湿、积水、结冰、积雪的状态。安装在车辆顶部，可离测量对象距离12 m。设备采用红外测量技术，配备了 4 个发射头和 2 个接收二极管，捕获路面反射的各种波长的光波。因为不同物质，例如水和冰的反射光具有不同的光谱特性，通过测量值计算，得到路面状况。

3.1.4 能见度传感器

系统集成了维萨拉公司的 VS20 UMB 小型化能见度传感器。该传感器属于前向散射型，工作电压24 V，功率 3 W，数据更新频率为1 min，测量量程10～2 000 m，支持RS485 接口，总重量 4 kg，防护等级 IP68，连接电缆长度10 m，适合车载安装，

3.1.5 GPS 模块

选用该模块必须要求其能输出包括地理位置坐标、海拔、速度等信息。为了便于集成，将采集的信息通过数据采集器接收，选用GPS 开发模块配磁吸附式天线使用。这里选用市面上比较常见的 PS 模块，留有USART 的 TL 接口，非常方便单片机集成。速度测量精度0.1 m/s，水平定位精度 2.5 m，最快测量频率是 5 Hz 。电源需要使用 5 V，非常易于经过 12 V 车载电源转换获得。

3.2 数据采集器

数据采集器需要完成数据接入并格式化输出的功能，见图2。由于传感器接口数量多、采集数据量大、采样频率较高，因此选用接口资源丰富并且性能优越的基于 stm32f407 单片机核心的 Discovery 开发平台。该模块还有以下优点：接口函数库丰富，便于集成开发；硬件扩展资源丰富，便于扩展。高频率的芯片主频（168 MHz）为大量数据处理提供了保证；5 V 标准供电，便于获取。

图2 数据采集器

3.3 无线收发装置

3.3.1 WIFI 模块

WIFI 模块起到连接数据采集器和手机客户端、交换数据的功能。由于基于底层集成，所以需要模块与数据采集器能够很好对接，这要求数据接口必须匹配。经过选型，选择了基于 ATK RM04 核心芯片的串口转 WIFI 模块。ATKRM04 模块采用串口（RS232/LVTTL）与MCU（或其他串口设备）通信内置TCP/IP 协议栈，能实现用户串口、以太网、无线网（WIFI）3 个接口之间的转换。其功能见图3，实物见图4。

图3 WIFI 功能结构

图4 WIFI 模块实物

3.3.2 GPRS 模块

为实现将采集现场数据传至远端的数据中心，要求采集器能够远距离发送数据，这就需要借助移动通信网络选用基于GPRS 网络的数据传输单元DTU（Data Terminal Unit），是一种物联网无线数据终端，利用公用运营商网络 GPRS 网络（又称 G 网）为用户提供无线长距离数据传输功能。它采用工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP 协议栈，为用户提供高速、稳定、可靠的，数据终端永远在线的，多种协议转换的虚拟专用网络。DTU 实物见图5，应用场景见图6。

图5 DTU 实物

图6 DTU 应用场景

4 移动式气象环境监测系统软件显示界面

移动式交通气象环境监测系统软件的客户端通过手机端软件与数据采集器建立WIFI 无线数据传输，电脑软件客户端则通过蜂窝网络（GPRS ）接收来自远端车辆上采集装置发送的实时信息，实现同步进行交通气象移动监测数据的采集、存储和查看。手机客户端显示界面见图7，上位机显示界面见图8。

图7 客户端显示界面

图8 上位机显示界面

5 结语

移动式交通气象环境监测系统的研发，获取数据包括大气温度、路面温度、露点温度、相对湿度、风速、降水条件等路面结冰关键参数，以及采集路面状态、湿滑系数、能见度等其它交通气象参数。该系统特点：（1）综合了多种交通气象监测设备，能够大范围实时采集高速公路沿线交通气象环境数据。（2）具有成本低、安装简单、携带方便等优点，能够有效解决公路沿线交通气象环境数据的采集、分析和应用等问题。