道路交通气象服务系统的设计与应用

2022-04-01施海瑞刘立辉赵奕安郝巨飞幺伦韬

地理空间信息 2022年3期

施海瑞，徐爽*，刘立辉，赵奕安，郝巨飞，幺伦韬

（1.邢台市气象局，河北邢台 054000；2.河北省气象局，河北石家庄 050000）

交通运输业的快速发展对我国经济持续增长发挥了重要作用。道路交通运输具有灵活机动、适应性强、可实现“门到门”直达运输的特点，在促进经济增长中具有重要作用；随之而来的道路交通安全问题，已引起全社会的关注。据统计，自20世纪90年代开始，死于汽车交通事故的人数急剧增加，年均达到50多万人，造成的经济损失高达全球生产总值的1%～2%；仅2016年全国共发生货车责任道路交通事故5.04万起，造成2.5万人死亡、4.68万人受伤，其中环境因素是交通事故发生的重大诱因之一，近38%的交通事故、71%的重特大交通事故和65%的直接经济损失发生在恶劣天气环境下。因此，通过开展道路交通气象服务来减少或避免恶劣气象条件对交通运输带来的不良影响，减少道路交通安全事故的发生，保障人民群众生命财产安全，具有重要意义。

受天气影响的通视条件、路面状况、次生灾害乃至驾驶员的心理都会导致事故的发生。目前，国内外学者针对道路交通气象服务开展了大量研究，取得了重要成果，如曾颖婷[1]等通过研究高速公路交通气象观测网组网原则和站点选择规则，建成了交通气象观测网，并设计开发了一套基于WebGIS技术的以精细化预报为核心的交通气象灾害监测预警服务系统；康延臻[2]等的研究结果表明，以雾为主的低能见度、道路积雪结冰、强降水等是影响高速公路安全运行的主要气象因素；翟雅静[3]等通过研究国内外交通气象服务现状，对比分析了我国交通气象服务存在的短板，并就如何提高交通气象服务给出了建议；袁成松[4]等针对省级交通气象业务化需求，实现了省级或区域级的交通气象信息共享，对全面推进和引导全国公路交通气象[5]的发展起到了积极作用。本文在前人研究的基础上，打破了交通气象服务省级或区域级的限制，利用电子围栏设计实现了基于WebGIS技术[6-7]的道路交通气象服务系统，可在WebGIS平台上可视化展示全国的格点实况信息和气象预警信息[8-10]，实时分析行车指数产品，并将最终的服务产品直接发送至驾驶员手机和北斗终端，帮助驾驶员第一时间采取措施防范事故和损失。

1 系统功能

1.1 设计思路

系统设计以驾驶员需求为出发点，根据气象部门和交通部门的统计和研究，确定与道路交通影响关系密切的天气类型，采集格点实况气象要素和天气预警信息，通过系统加工处理生成包含行车气象指数、所处区域预警信息和高影响天气的服务产品，并通过北斗传输终端和手机短信的方式实时自动传送至驾驶员手机端，使其提前掌握前方天气实况和预警信息，采取措施规避灾害性天气对货物和行车带来的危害。

1.2 系统功能设计

系统采用B/S架构，通过Web浏览器进行访问，不受客户端环境限制与约束（图1）。该系统整合了实时北斗车辆定位、驾驶员信息与当地实时气象灾害预警信息，首先及时高效地获取全国范围内实时气象灾害预警信息，并根据预警信息的发布区域建立电子围栏；再通过交通部全国货运平台检索进入该区域内的北斗车辆定位信息，向预警区域内的车辆发送当地预警短信；最后建立预警信息发布台账。

图1 系统功能设计

系统分为前台显示系统和后台运行系统，其中前台显示系统负责以地图的形式展示全国范围气象灾害预警区域，并显示该区域内运行的重型货车数量，可选择是否显示实况数据；后台运行系统主要负责预警信息获取、电子围栏建立、车辆位置信息获取、车辆与电子围栏区域的信息匹配、预警短信检索发布、格点实况气象要素获取、行车指数产品生成和发布、预警信息发布台账建立、短信设置以及黑名单设置等。系统主要包括车辆信息采集模块、格点实况服务模块、预报预警服务模块和后台管理模块。系统利用北斗卫星定位系统实时采集车辆位置、航向、车速、车主和驾驶员等信息；再通过车辆位置和航向判断所属位置和区域，判断车辆驶入的区域，并以该区域建立电子围栏；最后通过格点实况服务模块和预报预警服务模块向触发电子围栏的车辆司机和车主发送短信和声音提醒。

1.2.1 车辆信息采集模块

货运车辆均安装了北斗卫星定位系统。首先通过全国货运平台实时获取车辆位置、车速、车主以及驾驶员等信息；再将车辆的位置、航向、车速和驾驶员信息与预警、实况信息在统一的GIS地图上进行叠加显示和匹配计算，可直观查询进入某一预警信号和天气实况的车辆详情。

1.2.2 格点实况服务模块

系统调用国家气象信息中心基于“天擎”开发的基于位置的天气实况服务接口API，根据车辆所在位置经纬度信息，利用WebGIS融合显示5 km分辨率实况气象要素智能网格产品，包括气温、降水、相对湿度、风速、风向、天气现象等，可供驾驶员实时查看任意位置天气实况。系统后台可对数据进行加工处理，生成行车气象指数产品，支持WebGIS页面以定点选取的方式查看，在发送预警信息时一并推送给驾驶员。

1.2.3 预报预警服务模块

系统通过12379全国灾害预警发布平台实时获取全国3 240个县市灾害预警信息。预报预警服务模块按照预警等级（红色、橙色、黄色和蓝色），分类实时获取不同的预警类型，选取台风、暴雨、暴雪、寒潮、大风、沙尘暴、大雾、雷电、冰雹、高温、道路结冰、霾、森林火灾等与道路交通运输影响密切的天气类型，预警发布区域精确到县一级，在GIS地图显示时可根据实际使用情况筛选。

为实现记录已发送信息、检验发送结果、查询用途等功能，系统设计了预警信息记录查询功能，可查询预警标题、预警等级、预警发布内容、预警发布地区、预警发送数量、预警类型、预警发布时间以及接收到该预警的车牌号和手机号码等。系统可显示发送通知记录浮动层，记录发送短信接收的车牌号和手机号码。系统以红色、橙色、黄色、蓝色等不同颜色区分当前发布预警信息的行政地理边界，建立电子围栏，并实时显示处在预警区域内的车辆数量，同时设有隐藏车辆数量功能。

1.2.4 后台管理模块

系统通过后台管理模块建立发布台账，管理车辆牌照、所在地区、车主、司机接收短信的手机号码、预警信息模板、北斗终端信息，查看发布数量、是否到达和发布时间等，能通过车辆和预警信息发送地查询历史发送信息。

2 关键技术

系统采用技术成熟稳定又能保持先进性的JavaEE；采用B/S架构，能集中部署分布使用，有利于升级维护；采用MVC的开发模式，并参考SOA体系架构进行功能设计，能快速扩展业务功能，且不会影响现有系统功能的正常使用，可根据实际业务量进行部分功能扩容，在满足系统运行要求的同时实现成本最小化；采用分布式部署，系统功能隔离运行，以保障整体运行的稳定性。系统架构如图2所示。

图2 系统架构图

2.1 电子围栏

现有的交通气象服务系统多为人工发布预警、预报产品，但长途货运车辆行驶跨省市的情况较频繁，各地的天气状况和预报预警情况差异较大。为了让车辆驾驶员第一时间获取天气预警信息，掌握途径地的天气实况，本文利用WebGIS技术，以行政区域边界为界限，在Web端建立了电子围栏范围；再与车辆的北斗卫星定位系统数据进行匹配计算，实时判断车辆当前的经纬度是否在电子围栏范围内，若进入电子围栏，则触发气象预警信息发布机制，车辆安装的北斗通信终端扬声器将标准语音写到语音芯片中，根据不同预警内容进行语音提示，无需驾驶员查看手机，同时后台存储预警信息发布时间、内容和是否送达记录。

2.2 行车气象指数

行车气象指数反映了天气状况对道路交通的影响[11-14]，是采用数学统计方法，对能见度、降雪量、路面状况、小时降雨强度、平均风速、路表温度等6种气象要素进行综合评定而得出的量化预测指标。行车气象指数的计算公式为：

式中，A1为能见度因子；A2为降雪量因子；A3为路面状况因子；A4为小时降雨强度因子；A5为平均风速因子；A6为路表温度因子。

行车气象指数取值规则如表1所示。为了满足道路交通气象服务的精细化要求，数据来源于中国区域5 km分辨率智能网格实况分析产品，以车辆所在位置周围4个格点的要素值为输入值，采用双线性插值方法得到该点要素值，经后台处理产生行车气象指数，发送给驾驶员终端。行车气象指数判别如表2所示。

表1 行车气象指数影响因子取值规则

表2 行车气象指数判别表

3 业务应用

系统已于2020年7月开始业务化运行，通过陆续攻克大数据车辆位置信息解析、反演运算速度、防止重复检索发布等技术难点，建立了电子围栏，能与车辆位置平台运营服务商实时交换车辆位置信息；利用高性能服务器将车辆位置信息与预警区域电子围栏信息进行匹配融合，向全国的物流车辆提供以县为单位的实时灾害性天气预警信号、天气实况和行车指数等服务产品信息。通过用户满意度调查可知，近九成用户对产品发布的及时性和可用性感到满意。