交通自动气象站安装基础架构设计

吕雪芹，黄宏智

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

近10多年来，为适应日新月异的经济形势，提高公路运输能力，我国高速公路发展迅速，到2020年我国公路交通总里程达500万km，其中高速公路里程15万km。随着公路交通里程和交通车流量的快速增长，交通安全综合风险明显上升，气象灾害风险特别是浓雾（团雾）、雨雪冰冻和特大强降雨等恶劣天气频发，对公路交通安全和通行效率的影响非常严重。据交通管理部门统计，交通事故中有近30%是在恶劣天气条件下发生的，对公众的生命财产安全和交通运输行业造成巨大损失［1-4］。

为应对气象灾害对公路交通安全的影响以及交通部门有效提高对恶劣天气预警处置能力，全国许多省市大力推进高速公路交通气象监测预警系统的建设，为交通部门提供准确、实时的专业气象服务，有效化解道路交通安全风险。冯民学［5］针对我国高速公路交通安全管理的实际需要和ITS（智能交通系统）技术需求，研究严重影响交通的低能见度浓雾监测与预警的技术方法；康延臻等［6］分析了几类恶劣天气对交通运输安全的影响与机理，探讨了中国特色高速公路交通气象监测预报预警服务系统建设的内容、特点及趋势；王志等［7］研究了我国公路交通气象监测预报预警业务体系，展望了未来公路交通气象服务的发展方向；丰德恩等［8］、刘超等［9］、石伟伟等［10］根据中国高速公路交通气象灾害风险预警业务需求研究开发了相应的业务系统；李迅等［11］分析了交通气象监测设备在高速公路上的宏观适用性；刘畅等［12］、张金满等［13］、胡功宏等［14］、白永清等［15］研究了高速公路交通事故与气象条件的关系。以上研究主要从各个角度分析了气象灾害对高速公路交通的影响，但是目前各地高速公路交通气象监测站网建设并不完善，建设水平存在较大差异。站点的布局、设备配置和建设标准等各异。本研究以广东省交通自动气象站建设为例，重点从选址、施工风险、建设难度等方面进行深入分析，以规范性、实用性、可操作性和便捷性为综合考量，创新性设计交通气象站的一体化安装结构件，实现全省交通气象站的统一布局、统一式样和统一标准。

1 交通自动气象站建设环境条件

常规气象观测站通常布设在开阔、平坦的区域内，按照有关建设规范要求，主要考虑站点密度、气候的代表性、周边探测环境中的障碍物和交通便利性等因素选择合理的布站方式、布站地点和布站间距，站点的观测场通常为4 m×8 m或者10 m×10 m，温湿度传感器放置在距离地面1.5 m的通风防辐射罩内，风速风向传感器安装于10 m风塔上，雨量传感器放置于地面基座上。一旦选定好站点位置，气象部门可以自由建设，施工过程通常不会受到其他管理部门限制或者需要审批，后续的维护维修都是自由可控的。

为了有效监测公路气象灾害天气过程，交通气象观测站建设原则上布设在高速公路边距离外侧边缘3～15 m的位置，既要考虑高速公路恶劣天气影响路段、气象灾害隐患点的位置、风险等级等因素，又要考虑地形、地貌、施工难度、后期维护便利性等。广东省地貌地势北高南低，地形复杂，以山地和丘陵为主，山区路段的高速公路两侧地形一般都比较险峻，给交通气象观测站的建设带来了很大困难，主要在几个方面：（1）多数高速公路依山而建，公路护栏与山体之间的距离通常不到5 m，除去排水沟，能用于建设的范围较很小，无法按照自动站建设规范要求建设标准观测场地，如果使用钩机开山挖掘扩大场地则建设成本和难度太高。（2）高速公路边施工风险大，必须按照交警部门的要求围蔽部分路段，同时不能对交通通行造成大的影响，又要求高度安全，时效要高。又因为高速路边不方便使用吊车，因此自动站的基础和安装结构部件必须轻便简洁适合现场人工拼装。（3）南方地处热带多雨地区，植物生长速度快，如将雨量和温湿度传感器安装在地面上，容易被草长高覆盖，雨量也容易受到路面非自然降水喷溅而影响测量准确性。（4）按照地面观测规范，风传感器应安装在10 m标准风塔上，但是高速公路旁10 m风塔的建设难度大，安装和后期维护保障攀爬风险系数高。（5）高速公路部门倡导路边设施与自然景观的高度融合，因此自动站的造型和布局必须美观。（6）高速公路边施工需要交警、路政部门的审批，审批流程复杂，周期长，需要各部门共同推进。基于以上建设中的实际困难，要求交通自动站的安装基础架构必须高度集成、一体化、易维护等，以降低施工难度与建设维护成本。

2 一体化基础部件设计

为了适应高速公路两旁安装自动气象站的特殊要求，在基本满足自动气象站建设规范要求的基础上，一体化设计重点强化基础部件主体的轻便而稳固，既方便设备安装又造型美观。建设过程中不需要大型施工设备如勾机和吊车等，只需3～4人即可完成现场施工。

2.1 一体化可升降铁塔设计

交通气象站安装基础重要组成部分是风塔，高度6 m或者10 m。以往固定式单一功能的铁塔不太适用于公路两旁安装，因此设计者创新设计弧形可升降的一体化气象铁塔。在设计时重点考虑如下几点：（1）风塔整体稳固性及安全受力问题。（2）风杆稳固、灵活可控、自由升降、风传感器安装简便且定位准确。（3）综合集成平台布局合理，集成安装自动站的主采集系统、传感器、供电系统和通信系统等所有设备，空间上还需满足至少两人同时操作的空间，围护设施确保平台上人员的安全。（4）南方沿海地区常年高温、高湿、高盐雾，为了防止腐蚀生锈，风塔选材上为热镀锌钢管，焊接处打磨光滑再整体充分焗漆，提高耐腐蚀能力。（5）风塔整体结构紧凑、轻巧，方便运输、拆卸，便于人工架设安装。（6）结构美观大方，作为公路上一个艺术品。

一体化可升降铁塔结构分为3部分，其中底部为塔身部分、中间为平台部分、上部为风杆部分。

1）塔身主体结构。

塔身主体设计高度为3 m，如图1所示，主体造型是4个角的弧形塔，有“小蛮腰”之动感，弧形展现了线条流畅，美学元素十足。塔身的侧面采取3层的横拉和斜拉结构，确保力学结构坚固。高速公路几十吨上百吨集装箱大货车经过，往往会引起路边强烈震动，长期震动可能引起铁塔紧固件松动脱落，所以充分考虑紧固性因素，铁塔4个柱子采用Φ70 mm热镀锌钢管确保铁塔的刚性，设计塔底的跨度为2 m×2 m大小，塔脚使用圆形法兰盘与地面紧固，每个法兰盘使用4个16 cm长度的拉爆螺丝，整体16个拉爆螺丝可承受超过32 t拉力。考虑可能受台风影响，采取整体通透结构设计，没有较大面积受风面，可确保风塔稳固安全。

图1 塔身主体设计图

2）综合集成平台结构设计。

塔中间部分为综合集成平台，大小为1.3 m×1.3 m，正面一侧两个角为直角，后面一侧为135°角的多边形，平台围栏高度为80 cm，采用网状通透结构，正面一侧中间开了一个小口作为人员上下通道口，在平台的中心位置开一个圆孔用于安装风杆，如图2所示的围栏立面结构，考虑悬挂部分附属仪器部件的便利，设计成水平和垂直网状结构，同时减少风阻，减少金属材料吸收太阳辐射造成周边温度显著升高的影响。平台上设置了温湿度防辐射罩、雨量传感器、主机箱、电池箱、太阳能板、能见度传感器等安装支架，布局的原则遵循地面观测规范，构建出一个微型观测场，尽可能避免探测要素受高速公路车辆通行和底部环境的影响，同时也确保人员在平台上作业安全。

图2 综合集成平台结构设计图

3）可升降式风杆结构设计。

结构图如图2所示，上面部分是3.5 m高度的风杆，平台上面3 m，下面0.5 m，风杆安装在平台中心位置的紧固套管上，为了加强风杆的稳固强度，设计的巧妙之处是加长套管长度，套管设计成上套管和下套管，通过法兰盘与平台螺纹钢板上下紧固在一起，平台螺纹钢板底部焊接前后左右四根加强方管增强整体刚性，大大减少风杆的摇摆幅度。风杆通过这个套管组合可以上下移动，当提升到预定高度的时候，套管底端通过穿插一根螺栓把风杆支撑住，套管三侧通过螺丝把风杆紧固起来。为了增加安全措施，防止3.5 m风杆突然下落砸到人，在风杆1和2 m长的位置分别设置2个螺栓安全卡位，放下来的时候被限制到一段一段的位置，主要用于风杆上下移动时，避免风杆及顶部传感器太重瞬间下滑砸伤工作人员。风杆的顶部焊接一个法兰盘与风传感器支架法兰盘连接。雷针的接闪器通过双抱箍和风杆固定在一起，两个抱箍之间通过绝缘橡胶进行绝缘，接闪器通过引下线引到地面的防雷地网，形成独立的防雷设施装置。

2.2 标识牌警示牌设计

交通自动气象站基础架构一体化设计不仅充分考虑技术性能，还设计了统一的LOGO和警示标志。以广东省气象局的官方LOGO“粤天气”图形为主标识，配置“广东气象”行体字样，尽显大气与风范。如图3所示，运用激光刻蚀加上丝印技术加工而成。

图3 交通气象站LOGO、警示牌设计

考虑交通自动气象站安装在野外，为防止人为破坏，依据国标规范要求，按照合适的比例大小设计了统一的交通气象观测站的警示标志。警示牌根据实际情况可以安装在观测场围栏上，也可以独立安装在水泥基座上。

2.3 模拟护栏、模拟沥青路面的设计

高速公路护栏温度和路面温度对于道路结冰、路面高温等预测预警发挥重要作用，常规的传感器的布设是采用接触式直接将传感器安装在高速路护栏和路面进行探测。但有些观测站点远离高速公路护栏或者不适宜直接安装在护栏上，则采用模拟护栏和模拟沥青路面的方式。为了保证观测的代表性，模拟护栏采用真实的护栏材料，依照高速公路的做法，护栏长度1.5 m，高度0.8 m，温度传感器安装在护栏波面的内测，防止太阳辐射影响。模拟沥青路面采用高速公路公司配制的沥青混凝土制作而成，长×宽为40 cm×40 cm，高出地面5 cm，沥青面挖一条小槽，温度传感器嵌入小槽里，与平面齐平（图4）。

图4 模拟护栏和模拟路面实物图

3 实际应用

基于一体化可升降铁塔的交通气象观测站目前已经应用于广东省交通站监测网，全省已经安装了30多个站。该设计结构合理，符合观测规范要求，主体基础架构稳固安全，方便施工，降低施工风险，有效缩短了施工工期，节约了施工成本，取得了较好的业务效益和经济效益。美观大气的造型，犹如公路两旁的守护神，公路交通的艺术品，全新打造了广东气象的新形象。图5为已建的交通气象站实景图。

图5 交通自动气象站实景图

广东省交通自动气象站的设计和建设，遵循地面气象观测有关规范，结合高速公路地理环境的特殊条件和实际安装建设的特殊要求，在保证观测代表性准确性的前提下，高度融合了架构稳固、结构美观大方、安装方便等多个关键元素，设计成功一体化可升降的气象铁塔，已经在珠三角和粤东西北各市县陆续推广应用。从实际应用效果来看，设计的一体化气象铁塔的技术性能和艺术性得到了充分的体现。本设计成果预期将成为全国交通自动气象站建设范例，具有实用价值和借鉴意义。