高速公路路面霜冻薄冰预警系统技术方案建议书

高速公路路面霜冻、薄冰预警系统技术方案建议书北京信博通科技有限公司二OO九年高速公路路面霜冻、薄冰预警系统技术方案1.系统应用背景近年来，我国高速公路建设的发展非常迅速，自1988年建成我国第一条高速公路以来，到2008年底，我国高速公路通车里程达到6万公里，继续保持世界第二位，仅次于美国。根据《国家高速公路网规划》，我国正在全力以赴地加快国家高速公路网主骨架建设,到2020年,基本建成国家高速公路网,届时,中国高速公路通车总里程将达10万公里。新路网由7条首都放射线、9条南北纵向线和18条东西横向线组成,简称为“7918网”。高速公路的发展对国民经济产生了越来越重要的影响。近来，随着全球气候的变化，出现了许多复杂的气候现象，特别是南方地区出现了极端恶劣的冻雨天气。复杂的天气条件严重影响了路面的状况，积水（湿滑）、霜冻、薄冰等情况时有发生，给高速公路的车辆行驶带来了巨大的风险，不仅严重影响交通运输，而且还造成国家财产和人民生命财产的严重损失。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。1)霜冻当空气中的湿度很大，环境温度低于零度时（尤其在夜间），路面很容易产生霜冻现象。霜冻现象不易被司机发现，同时路面摩擦系数接近于雪面，极易引发交通事故。2)结冰雨后结冰同雪面结冰的物理性质一样，但危险性和隐蔽性更大，尤其是夜间气温骤降后的结冰现象。路面摩擦系数显著降低，严重影响车辆的操作和制动性能，使控制失灵，车辆发生空转、打滑或侧滑，从而危及行车安全。3)高温天气高温天气对行驶的车辆和司机均有很大的影响。高速公路的路面温度要比气温高得多，主要由于吸收空气热量、车辆行驶摩擦及汽车尾气等的影响，有时高达六七十摄氏度以上。汽车轮胎因此受热，使胎内气压升高，长途高速行驶，极易引起爆胎。同时高温天气直接影响司机的生理、心理和精神状态，出现疲劳、注意力不集中甚至中暑等情况。4)积水（湿滑）积水现象来源于降雨或积雪的融化，也是影响高速公路交通安全最常见的气象要素。积水在路面形成水膜，使路面附着系数降低。路面如有积水或干湿不一，路面摩擦系数不均，车辆制动性变差，导致汽车制动距离增加，易发生车辆侧滑和控制失灵从而危及行车安全，引起交通事故。5)降雨降雨形成的积水水膜，使路面附着系数降低，导致汽车制动距离增加，易发生车辆侧滑和控制失灵。同时降雨使能见度降低，导致司机的视线不清晰，易出现驾驶失误。6)冰雪冰雪与降雨一样，漫天飞舞的大雪使能见度降低，而且一旦路面积雪被压或是白天在阳光照射下融化（融雪剂成分不足），夜面路面降温结冰，造成路面摩擦系数显著降低，严重影响车辆的操作和制动性能，使控制失灵，车辆发生空转、打滑或侧滑，从而危及行车安全。7)大风大风对于车辆的行驶阻力、能耗、抗侧向倾翻及抗滑移性能都有很大影响，特别是侧向大风对高箱、双箱汽车的行驶影响尤甚。在我国，高速公路在建设阶段根据设计要求安装了一些道路气象站，这些气象站的设置间距多数较远，平均70-100公里设置一套，不能及时了解局部地段或关键地段的道路路面状态变化情况，无法对关键的局部路面状态进行监测预警和评估，也就不能及时、准确地发布高速公路路面状况预警信息。2.系统概述高速公路路面霜冻、薄冰预警系统是充分利用现代科学技术，是专为交通气象监测服务而特别设计的一套应用解决方案。它以道面路面状况(路面温度、干燥、潮湿、水膜厚度、霜冻、冰百分比、融雪剂百分比等)监测为核心，构筑高速公路路面状态监测预警系统。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。北京信博通公司开发的这套高速公路路面霜冻、薄冰预警系统，采用了美国QTT公司的核心产品：FP2000路面状态传感器和PassPort数据分析处理单元。再加上具有独特设计的降水发生传感器和温湿度传感器作为辅助，配以久经考验的StormVision预警算法,能提前、可靠的预示道路关键区域的结霜、结冰危险情况发生的可能，通过通信网络，可为交通管理者和交通使用者提供黄色、橙色、红色三种路面状况预警及警报状态。另外，路面监测站还可以直接触发可变信息标志或警示标志牌的黄闪灯。美国QTT公司是一家专业为交通领域设计、制造,道路/机场跑道气象信息系统的公司，其自主研发制造的路面预警传感器系列尤为出色，领先全球。QTT公司成立于1972年，已经为大多数美国各州的交通运输部门、收费公路、城市及乡村政府部门提供了他们的系统，占有美国公路交通气象市场80%的份额。目前，QTT已有7000多套FP2000预警传感器的在用业绩。实践证明，通过在高速公路道路气象监测工作中应用该系统，不仅可以提高气象监测数据的专业性和监测要素的多样性，而且可以极大提高交通管理部门应对突发天气状况决策的准确性并且提供预先实施交通疏导方案的数据依据，是气象监测服务和交通管理部门工作的有力保障，有利于道路交通的安全性的进一步提高。高速公路路面霜冻、薄冰预警系统可很方便的集成到现有的管理平台中。当路面出现湿滑、霜冻、结冰等现象时，该系统可从多个外场监测站提供预警信息。3.系统设计原则综合考虑我国国情和高速公路的发展趋势，我国高速公路气象环境监测在设计上侧重考虑以下几个方面：3.1灵活高效的高速公路沿线监测站点的布设（1）在高速公路沿线相对均匀地布设一定数量的道路气象综合监测站作为数据基准参考站，所谓道路气象综合监测站就是要素相对比较全，比如八要素站点：风速、风向、降雨、温度、湿度、气压、能见度、路面状况；所谓基准参考站就是要求该站的数据完整性、准确性相对比较高，以便今后对其进行沿线气象环境特征的分析和研究。（2）适当布设常规自动气象站以强化沿线的气象背景场信息。（3）在路面容易结霜、结冰、低洼容易积水等关键地段加密布设路面状况监测站；（4）在风力较大，易产生侧风的区域布设风速风向监测站（5）在雾多发地段加密布设能见度监测站。（6）高速公路沿线的摄像装置、通信装置是本系统的重要的、有益补充手段，能在许多特殊时刻发挥重要作用。3.2及时的灾害实况及预警发布系统结合高速公路沿线气候特点，建立适合高速公路管理部门使用的预警模式，根据高速公路沿线设置的气象综合监测站和单要素监测站采集的数据，实时运算出高速公路交通气象的状况，并及时通过沿线电子信息发布牌和各种公众媒体发布公路气象灾害情况和预警等级。对于气象预警信息的发布与控制措施，将遵循如下原则：（1）现场预警信息的发布与控制措施监测站的数据处理单元在采集数据后，在现场处理和分析数据，并将数据传送到监控中心。可采用现场控制的方式，数据处理单元在检测到预警信息后，及时在局部与之配套的可变信息标志（VMS）发布预警信息，同时启动局部警示标志牌上的黄色标志灯进行警示。数据处理单元在进行现场控制的同时，将预警信息同步发送到监控中心。（2）监控中心及时发布道路气象预警信息监控中心在接受到各局部监测站的气象信息后，将通过综合处理后的信息通过以下途径发布：沿线的可变信息标志（VMS）；交通气象网站；交通广播电台、电视；手机短信息等其它途径。3.3与气象部门建立交通行业气象信息共享平台气象行业的专有平台与高速公路沿线气象与环境要素的监测实况应该在一个统一的信息平台下加以利用，以形成优势互补。两行业在网络上构筑信息通道，以便实时导入国家基础气象台站的实况资料和天气预报信息，使系统能结合气象部门和交通部门两方面的优势，共同为社会提供优质的交通气象保障和服务。4.高速公路路面霜冻、薄冰预警系统构成、特点4.1高速公路路面霜冻、薄冰预警系统构成北京信博通公司针对我国高速公路沿线道路气象环境监测预警需求而开发的路面霜冻、薄冰预警系统，主要包括高速公路路面状况现场监测系统、高速公路路面状况预警发布系统、高速公路路面状况预警中心三部分构成。4.1.1.高速公路路面状况现场监测系统主要包括设置在各关键地段的路面状况监测站。每个监测站主要由路面状态传感器、路面温度传感器、地下温度探针传感器、空气温度/湿度传感器、降水发生传感器、数据处理单元、供电单元、传输单元组成。4.1.2.高速公路路面状况预警发布系统主要包括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可采用现场控制和中心控制相结合的方式，建议以现场控制为主。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。4.1.3.高速公路路面状况预警中心高速公路路面状况预警中心为整个预警系统的数据接收、处理及发布控制中心。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。主要包括：通信网络设备、数据存储设备、数据处理和发布设备。数据存储、分析、处理交通、气象信息共享平台数据通信（采集、发布）管理、统计、查询交通气象网站交通广播电台电视手机短信息4.2高速公路路面霜冻、薄冰预警系统特点¾全自动数据采集、传输及监控；¾多点加密监测道路区域或道路的两个不同方向的路面状态信息，减小了数据误报的几率；¾具有多种类型的路面状态预警预报功能（霜冻、融雪剂湿滑、积水、结冰监视、结冰警报、路面高温）；¾自动预警及现场控制；¾能够在各种恶劣的环境下长期稳定运行；¾采集处理核心单元采用具有国际先进水平的实时嵌入式系统，能实现国外目前成熟产品的各种功能并可以根据用户的要求进行系统定制；¾该系统采集精度高，可靠性好，具有高度的智能化和灵活性。其性能价格比远远高于国外同类产品；¾系统扩充性强，可根据监测需要增加监测点；¾系统扩展性高，通过预留的数据接口，可与其他系统或气象部门进行数据共享。5.高速公路路面状况现场监测系统5.1路面状况现场监测系统构成高速公路路面状况现场监测系统由分布在各关键区域的现场监测站组成。路面状况现场监测站主要由数据处理单元、气象分析单元、路面状态传感器、路面温度传感器、路基温度探针传感器、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。路面状况现场监测站基本构成图【图片仅供参考】路面状况现场监测站系统原理图5.2路面状况现场监测子站工作原理路面状况现场监测站的核心部分是内置StormVision气象算法的PassPort分析处理单元和FP2000路面状态传感器。PassPort可连接最多4个路面传感器;FP2000提供精确的路面温度和路面状态信息，用来同时监测路面的多个区域，或道路的两个不同方向的路面状态信息。这种多点加密检测的方式使路面状态检测从最初的单点检测，提升到多点检测，使检测精度和对路面状况的预警判断变得更为准确。PassPort还可以连接ThermoScan路面温度传感器，形成多点加密监测，提供更加准确的局域路面温度数据；如果连接Sub-Surface地下温度探针，可用来监测路面以下的温度变化，形成温度趋势数据，提供霜冻预报。PassPort在接受空气温度/湿度和降水发生数据后，将提供准确的霜冻、结冰点数据。当路面有足够的水存在时，FP2000传感器的数据将有助于Passport系统根据降水、相对湿度和空气温度情况确认如下状态：零度（或低于零度）时的路面积水、雪、冰传感器表面有水/融雪剂情况下的结冰点温度传感器表面的水/融雪剂深度，最大可检测到12mm传感器表面的水/融雪剂的结冰比例提供路面信息：路面温度、干、潮湿存在及类型（湿、霜、泥泞）、结冰点温度、融雪剂浓度、冰晶百分比含量、水膜厚度。PassPor