道路交通气象智能监测预警系统

《道路交通气象智能监测预警系统》

 
一、项目背景  

     随着我国社会经济的快速发展，交通运输对国民经济建设和的影响日益重要，经济的高速发展又势必推动高速公路的大力发展。但大雾、大风、大雪、路面结冰等恶劣气象条件对高速公路安全运营带来较大危害，尤其是大雾和路面结冰对交通的影响、危害以及由此造成的车毁人亡的灾难都已达到了**的程度。研究建立高速公路恶劣气象条件的监测、预警、预报等气象**与营运决策管理已迫在眉睫。

气象条件对交通的影响表现在很多方面。主要表现在改变路面的物理性质、观察视线、车辆自身安全等方面。主要灾害及影响有：
       
1、雾
 雾气雾主要通过降低能见度而引发交通事故。在我国大部分地区引起的恶性交通事故的天气现象中，雾的影响较大。大雾特别是<50米的**低能见度的灾害性浓雾是引起重大交通事故的重要原因，往往引起数辆甚至数十辆汽车的连续追尾。大雾常常造成重大车辆损失和人员伤亡，导致高速公路限速或关闭，延误行车时间，造成巨大经济损失。

2、降雨
降雨也是影响道路交通全较常见的气象要素，它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从而危及行车安全。同时降雨使能见度降低，司机视线模糊不清，导致驾驶失误。此外，降雨过后，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，从而引起交通事故。

3、路面结冰和降雪
冰雪与降雨一样，漫天飞舞的大雪使能见度降低，而且一旦地面积雪被压或是白天在阳光照射下融化，夜间路面降温结冰，造成路面摩擦系数显着降低，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。

4、大风
大风对于车辆行驶阻力、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。大风会引起沙尘暴、扬沙、吹雪、浮尘等天气，影响高速公路能见度。

5、路面霜冻
  公路路面有霜时，路面摩擦系数接近于雪面，雨后结冰同雪面结冰的物理性质一样，从而引发交通事故。

6、路面高温
高温天气同时受吸热、摩擦及汽车尾气等的影响，高速公路路面温度比气温高得多，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，较易引起“爆胎”。高温直接影响司机的生理、心理和精神状态，无空调车更易疲劳，注意力不集中甚至中署。

7、冰雹
一般情况下，冰雹对交通的影响与雪类似，但特大冰雹还直接危及车辆的自身安全，虽然出现概率不高，但危害很大。

8、暴雨引起的灾害
  在山区，暴雨还常常引发山洪、山体塌方或泥石流，从而导致车辆被冲，桥梁垮塌，道路被毁；在平原和盆地，暴雨常常引发洪涝，导致道路被淹，交通受阻。

9、大风引起的灾害
 大风易使路边树木、杆线类等折断阻塞交通，易使塑料类、干草类、丝状物类等漂移到路面上引起车辆打滑、失控；易使灰尘、扬沙、尘卷影响视线造成交通事故。


二、系统概述

  天津铁通《道路交通气象智能监测预警系统》是针对交通管理行业部门的应用需求，结合现代尖端计算机应用技术手段而研制成功的高性能的自动化监测设备，可自动实时监测大雾、低能见度、路面结冰、路面高温、大风、强降雨、降雪、冰雹等多种异常道路交通状况，可通过多种有线和无线通信网络及时向指挥中心报警，同时系统还可以将现场实时视频图像信息通过网络发送到指挥中心，使得交通管理部门可以直观地观察现场实际状况，为交通管理部门提供可靠的辅助决策依据。

   该系统支持多种无线和有线网络通信方式，指挥中心服务器可通过网络对分布在广域范围内的多个公路交通气象监测站进行远程集中管理与监控。该系统设备采用高可靠性设计，完全实现无人职守，能够胜任在野外恶劣的气候环境下长年不间断工作，是交通管理行业的理想道路气象状况监测手段。


三、系统组成结构

本系统由监测系统、处理系统和应用系统三个系统组成。

1、监测系统由高速公路沿线的各个交通气象监测站组成，主要作用是对各种气象要素进行实时监测，获取系统的原始数据；

2、处理系统由数据处理中心和交通气象管理部门的数据处理中心组成，主要作用是收集处理交通气象监测站的数据，管理各个应用子系统，是系统的处理核心；

3、应用系统由灾害天气应急处理部门、Internet浏览、用户短信、报警、大屏显示组成，主要作用是提供给各级用户良好接口。


交通气象监测站模块组成
*处理模块、数据采集模块、传感器部分、电源管理模块、数据存储模块、网络通信模块、雷电防护模块


系统技术性能参数

路况监测种类：
 雾：轻雾、浓雾、强浓雾
 能见度：10-10000米
 天气现象：雨、雪、雨夹雪、冻雨、冰雹
 降水：降雨量、降雨强度
 降雪：降雪深度、降雪强度
 路面状况：路面结冰、路面温度
 风力监测：微风、强风、大风、狂风、飓风


通信方式：
 光纤通信
 宽带专线
 230M/350M/460M无线专网
 GPRS/CDMA2000无线专网


四、系统功能概述

1、信息采集功能。通过各种气象、路况传感器，测量一定范围内或多个区间内的气象要素、道路状况，完成各种测量数据的信号变换与信息采集。

2、数据处理功能。对各类传感器或信息采集器的测量数据进行相关的定标计算和订正处理并进行数据分类。

3、警示发布功能。对路况气象要素进行危险性指标检测和分析，当达到危险天气和异常交通现象报警阈值时自动启动报警功能。同时向相关决策部门和用户发布警示信息。

4、交通气象监测站状态测控功能。对监测站供电及通讯状态、采集器的稳定性等进行实时跟踪监测，当出现不正常现象时，自行启动应急预案，并向监控中心报告运行状态。

5、网上浏览功能。系统的实时数据能够通过Internet网络浏览。

6、主控处理功能。主控处理功能是系统的核心，负责对各采集单元或传感器、通信信道进行参数设置和管理；根据运行流程分配工作任务，下达执行指令；根据以及预案，启动告警功能；执行监控中心的指令任务，发布网络或手机短信信息。


五、系统组成部件简介

1、*主控采集系统
      *主控系统是交通气象监测预警系统的核心，该部分包含高性能的ARM嵌入式*处理器、高精度的 A/D 数据采集模块、高精度的实时时钟模块、大容量的程序和数据存储器、多通道传感器接口、网络通信接口、CAN工业控制总线接口、外接存储器接口、RJ-45以太网接口、设备监测电路、指示灯等，该主控系统在硬件平台上采用国际流行LINUX嵌入式高效实时操作系统硬件系统，其系统结构框图如下所示。


2、能见度及天气现象传感器
       传感器是德国进口高性能传感器，是一种采用现代激光遥测技术进行大雾监测及天气现象监测分析设备。通过监测大气中粒子的粒径、速度以及大气的前散射强度，对各种天气现象（雾、雨、冰雹、雪、雨夹雪等）进行精确监测。其中前散射强度与消光强度综合，可分析得出各种天气现象时的能见度；降水粒子在速度和粒径上的分布（雨滴谱），可计算出各种降雨类型、强度和总量。

3、路面状况传感器
       我们在该系统推荐两款路面状况传感器，一种是需要嵌入到道路中的接触式传感器，我们推荐使用德国LUFFT公司的产品；另外一种是非接触式的遥感式传感器，我们推荐使用芬兰VAISALA公司的产品，下面分别介绍：

  3.1遥感式路面状况传感器：
     芬兰VAISALA公司的DSC111遥感道面状态测量，易于安装、维护成本低，*在道路上切割开槽或者封闭道路进行作业。即使交通繁忙测量结果仍然稳定。光谱测量原理能够准确测量路面水、冰、雪的厚度。能够准确地报告道路状态以及路面结冰，能够通过湿滑系数准确报告道路湿滑程度，因此维护人员能够监测到道路湿滑原因和变化，以*采取对策。 
     *一**的道面湿滑检测道路湿滑程度由高精度道面摩擦力信息显示出来，道路湿滑系数：0.01 - 1.00，在道路变的湿滑之前，精确监测到路面的冰晶。
       路面水层厚度：0.00 – 2mm
       路面冰厚度：0.00 – 2mm
       路面雪厚度：0.00 – 10mm
       路面状态：干、潮、湿、霜/雪、冰、冰水混合物
      报警预警：霜预警、冰预警、冰报警
这些精确信息可以对限速和可变情报板信息提供较大帮助
路面状态信息；道面湿滑信息；道面水层信息；道面冰层信息；报警预警信息

3.2接触式路面状况传感器：
     我们该路面状况传感器为道路嵌入式，两部分的外壳设计使组合式传感器/电子元件可随时拆卸以便进行维修或校准。
以下变量将被记录：
——道路表面温度
——较高可至4 毫米的水膜高度
——不同除冰材料的冻结温度
——路况(干/潮/湿/冰或雪/残余盐/冻雨)
可选项：
测量另外2 个深度处的温度，例如5 厘米和30 厘米。
传感器为可编制类型，因此可进行联网工作。
测量数据以标准协议（Luff-UMB 协议）的形式进行表示，用于进一步测量。
可更换的电子传感器
通过RS485 接口进行轮询
低耗型产品（使用太阳能）
使用雷达测量水膜

4、雪深传感器
 雪深传感器是通过测量超声波脉冲发射和返回的时间测量出雪深。
操作原理：雪深传感器的测量原理是通过发出一个超声脉冲，然后再接收这个回波，测量这个传播过程的时间。因为超声波在一定的温度下传播速度是一定的，所以通过测量传播时间、空气温度就可以计算出这段距离。传感器内置有温度传感器，通过这个温度传感器测量所得的温度对超声波速度进行修正。距离测量数据可通过RS-232串口以ASCII码输出。

5、远程无线视频监控
 该系统支持通过3G/CDMA/GPRS无线公用网络进行远程视频监控功能，可实时对现场进行视频监控，确认路况信息，此部分功能需要配备前端摄像机和视频采集传输终端设备，是集视频采集、图像压缩、无线网络传输等功能为一体的数字视频处理系统。本产品把摄像头采集的模拟视频信号，压缩编码后，变成数字图像信息，同时通过3G/CDMA/GPRS无线网络自动把数字视频传输到监控中心服务器。

6、太阳能电池板
本系统中选用无锡尚德太阳能电力有限公司的电池板，该公司是是业界公认的良好太阳能技术产品厂商，性能稳定可靠。
技术特点
 转换效率高达13%
 表层以3mm厚高透射率（92%）的强化玻璃所覆盖
 可抵受每小时225公里（62.5m/s）的风速吹袭，及沙石、冰雹或其他异物的撞击
 防止恶劣的环境侵蚀，在广泛的操作条件，保持电气线路的稳定性及绝缘度
 阳极处理铅合金框架、轻便、坚固、并防腐蚀 
 框架以矽塑料密封，防止盐雾、潮湿等腐蚀
 全天候接线盒
技术参数
 产品型号： STP0系列 
 开路电压Voc(V)： 21
 较佳工作电压Vm(V)： 16.8
 短路电流Iso(A)： 1.61 
 较佳工作电流Im(A)： 1.55 
 峰瓦Wp(W)： 视所选用的太阳板功率

7、雨量传感器
本系统中选用无锡尚德太阳能电力有限公司的电池板，该公司是是业界公认的良好太阳能技术产品厂商，性能稳定可靠。
技术参数：
  承水口直径：φ159.6 0+0.6mm； 
  分辨力：0.1mm 
  测量范围：雨强：（0～4）mm/min；雨量：大于0.1mm 
  较大允许误差：±0.4mm (≤10mm)；±4%(>10mm) 
  环境温度：－40℃～60℃； 
  输出方式：开关信号 
  脉冲宽度：≥30ms 
  加热电源：24V DC/AC； 
  加热输出功率：110W 
  回差温度; 0℃～2℃ 
  外形尺寸： 雨量传感器：长度：452mm±2mm，直径：φ198mm±1mm
  支架：长度：370mm±5mm，直径：φ250mm±2mm 
  重量：传感器：3.3kg±0.2kg， 雨支架：3.2kg±0.5kg

8、雨量传感器
1、 本系统采用美国HAZE系列胶体电池，性能稳定可靠，充放电转换效率高。
2、电池在太阳能方面的应用经常受到不良天气状况的影响,因而系统对电池的充电能力受到很大的限制, 基于此原因,充电电压的设定应该较充分考虑到可利用的充电时间长短等条件, 在条件许可的情况下, 尽可能采用大电流充电, 对确保电池充足电是非常有帮助的。充电电流的设置范围变化较大, 可以是从0.01至5 I10, 但是, 充电电压必须严格限制在2.3-2.4VPC每单格的范围。每天的放电容量在0.2C100以下的, 充电电压的设置为: 2.30-2.35VPC每单格。每天的放电容量在0.2C100以上的, 充电电压的设置为: 2.35-2.40VPC每单格。(以上是基于环境温度为20oC的条件下的设置, 如果月平均温度在10oC以下, 则充电电压的设置应按温度每降低1oC,电压提高0.03V进行设置)。

9、防雷部分
 防雷器件在气象观测规范中有明确的规定，要求设备遭受雷击的情况下保证设备正常运行，并带有自恢复的特性。针对直击雷，一般采用施工安装避雷针的方式对设备进行保护；而感应雷则需要在各个接口进行防雷保护。因此，针对感应雷，设备包含完善的防雷措施，保护设备免受损害。