沪宁高速公路气象监测系统

沪宁高速公路气象监测系统
南京交通气象研究所 袁成松
江苏沪宁高速公路扩建工程指挥部 高岩渊
摘要：高速公路的气象环境状况，特别是恶劣天气条件，直接影响高速公路的运营管理和行车安全。

本文着重介绍了在沪宁高速公路扩建工程中，对原有气象监测站的改造使用，设计安装了由26个气象监测站组成的沪宁高速公路气象监测网络系统，采用现代无线通讯技术和数据共享方案，有效地融合到沪宁高速公路监控系统之中。

同时，通过与气象部门的广泛合作，逐步把影响高速公路运营的灾害性天气的预警和预报服务纳入到高速公路的运营管理之中，为建立高速公路气象保障与决策管理系统奠定了基础。

关键词：高速公路 气象监测
1引言
自上世纪八十年代以来，我国的高速公路建设发展迅速，对我国的经济发展、国防建设和人民生活水平的提高都发挥了显著的作用。

现代交通运输所追求的快速、高效与安全目标，受到气象条件的影响和制约。

突发性气象灾害使驾驶员猝不及防，酿成重大交通事故，危及驾乘人员和行车的安全。

恶劣天气条件下高速公路的通行能力下降，影响高速公路自身的经济效益，而且还会进一步产生不良的社会影响。

沪宁高速公路是一条交通黄金大通道，公路两侧市、镇星罗棋布，企业众多，经济发达，已形成“经济走廊”。

因此，如何减少不利气象条件对沪宁高速公路运营的影响和提高在恶劣天气条件下的安全通行能力，就显得尤为重要。

为开展沪宁高速公路的灾害性天气的预警、预报服务提供基本的监测数据；为高速公路的运营管理提供科学依据，必须对高速公路沿线的气象环境状况进行实时监测。

江苏省气象科学研究所与江苏宁沪高速公路股份有限公司已合作多年，研制的AMW环境气象监测站在沪宁高速公路上的试验研究取得了成功，并在开展高速公路低能见度浓雾监测和临近预报的试验、研究与服务中发挥了重要作用。

建设沪宁高速公路气象监测网络系统是对其监控系统的有益补充，也是提高其监控的整体水平和科学技术服务水平的重要组成部分。

2沪宁高速公路气象监测系统建设的发展
2001年在沪宁高速公路无锡段安装了三套AMW环境气象监测站，同时开展了“沪宁高速公路雾情监测预报系统”的研究。

通过试验研究，摸索出实现高速公路气象灾害监测的实际需求，为进一步研制适用于我国高速公路的气象监测设备积累了经验，在高速公路低能见度的监测、预警和预报服务方面了也取得了初步认识。

2003年在沪宁高速公路江苏段的东半段（花桥收费站－窦庄服务区）共安装了13套AMW环境气象监测站，在沪宁高速公路指挥中心（马群）安装有服务器，用于接收、处理和发布信息，在苏州、无锡、常州、镇江、南京等五个管理分中心的监控室安装接收终端，实现了高速公路上环境气象的实时监控及信息共享，并通过数据专线将沪宁高速公路企业网与江苏省气象局业务网的连接，为低能见度浓雾的预警、临近预报和信息发布提供了快捷通道。

同期还进行了低能见度监测预警和预报试验研究，实施了定时（浓雾生成与消散的时间）、定点（段）、定量（能见度＜500m、＜200m、＜50m的分级）预报，对沪宁高速公路上低能见度浓雾的突发性、波动性和局地性（团雾）等特征有了初步认识，研制的“高速公路气象保障与决策管理系统”达到准业务化程度。

通过多年的试验与研究，共同认识到，在高速公路上建设实时气象监测网络是实现高速公路定时、定点、定量的气象监测和预报服务的基础，它是在充分利用气象部门的资源优势为高速公路制作有针对性的专业气象服务产品中一个必不可少的实时监测信息。

凸显出气象监测系统在实施高速公路气象保障中的重要作用。

在沪宁高速公路的扩建工程中，气象监测成为沪宁监控系统的一个重要组成部分。

通过科学论证和方案优化设计，在沪宁高速公路（江苏段）全线建设由26个气象监测站组成的气象监测网络系统。

3沪宁高速公路气象监测网络系统的设计方案
3.1 气象监测站址的选择
在沪宁高速公路全线气象监测网络的设计中，其站点建设密度和数量的确定主要考虑以下三个方面：
一是“团雾”多发地段需要加密安装气象监测站。

沪宁高速公路位于苏南水网密集和宁镇丘陵地区，东西间地理特点不同，由于局地条件不同，成雾的局部性大。

根据沪宁高速公路提供的1999－2001年无锡段大雾资料统计，共出现影响公路运行并采取全封闭或部分封闭的浓雾过程46次，浓雾日达67天，其中出现局地性“团雾”占35%。

通过2002年无锡段气象监测试验，在13Km长的路段上设置了3套气象监测站，共监测到7次＜200m的浓雾过程，其中局地性“团雾”出现3次。

如果气象监测站布点密度不足，就有可能造成部分“团雾”过程的漏测。

二是气象监测站建设达到一定密度是制作低能见度预警和临近预报的有效保障。

根据在沪宁高速公路上取得的监测资料分析，能见度从1000－2000m以上降至200m以下往往只需要十几分钟，有时在东西间相距十多公里的二个监测点出现从1000m以上的能见度降至200m以下的低能见度的时间可滞后二个小时。

因此，布设一定密度的气象监测站，获取实时监测信息，对制作低能见度的预警和临近预报服务是必不可少的。

三是建站密度和数量的设置，力争以最小的投资获取最大的效益。

综合前期的研究成果和后期系统开发的需要，选择出26个气象监测站址，所有站点均位于沪宁高速公路的南侧，其中大部分站址是在沪宁高速公路的主干线上，是沪宁高速公路上一道新的风景线，也是目前全国唯一的一条全线路布设环境气象监测站的高速公路。

26个气象监测站址从东到西依次为：花桥、陆家、昆山、苏州工业园、阳澄湖、苏州东、苏州新区、苏州西（BK68＋585）、梅村、无锡东新兴塘大桥、无锡北、玉祁、横山、芳茂山、常州北、常州西环二路、罗墅湾、窦庄、丹阳、河阳、镇江枢纽、仙人山、句容、汤山、黄栗墅、马群。

其站址分布如图1：
图1 沪宁高速公路气象监测站分布图
3.2 气象监测网络结构设计
沪宁高速公路气象监测系统网络结构如图2所示：
图2 沪宁高速公路气象监测系统网络结构
沪宁高速公路气象监测网络系统是由安装在高速公路沿线的26个AMW气象监测站采集现场气象信息，通过CDMA无线通讯方式将监测资料传输到数据接收中心，并将数据导入气象局和沪宁高速公路指挥中心的服务器数据库中。

分别安装在气象局和沪宁高速公路指挥中心的二台服务器通过数据专线相连接，实时气象监测信息、气象灾害的预警和预报信息等在服务器数据库中同步保存，在沪宁高速公路和气象部门可设置若干个终端工作站，通过接口协议和访问授权可及时收到各类气象监测信息和预报服务信息，同时，这些信息也可以在沪宁高速公路的各类信息显示终端（如情报板、监控终端等）上查询显示发布。

4沪宁高速公路气象监测系统的组成和功能
4.1 AMW气象监测站的组成
AMW环境气象监测站主要由以下几个部分组成：
主控系统：工控PC104(5x86)、存储器、数采板、电源模块(DC/DC)、线性电源(AC/DC)、光电隔离单元、防雷模块等；
通讯系统：CDMA模块、天线、通讯卡；
传感器部分：温湿度、气压、风向、风速、雨量、能见度，各传感器的技术参数见表1；
支架部分：主机箱、温湿度防辐射罩、雨量传感器支架及防盗罩；
表1AMW气象监测站气象传感器技术性能参数
测量要素 测量范围 分辨力准确度 平均时间 自动采 样速率
气 温 -40―+80℃ 0.1℃0.2℃ 1min 6次/min
相对湿度 0―100％ 1％ 4％（≤80％）
8％（> 80％）
1min 6次/min
气 压 800―1050hPa 0.1hPa0.3 hPa 1min 6次/min 风 向 0°―360° 2.5°5° 1min
2min 10min 20次/ min
风 速 0.3―60.0m/s 0.1m/s ±0.3 m/s （≤10m/s）±（0.03V）m/s（＞10m/s）
降 水 0―4mm/min 0.1mm 0.4mm（≤10mm）
4％（> 10mm）
累计 1次/min
能见度 10～20000 m 1 m ＜10% (≤3000m)
＜20% (>3000m)
1min 4次/ min
安装在沪宁高速公路上的AMW气象监测站，首先要在外观上与其它监控系统设备相协调，如外观颜色、支架和机箱的尺寸比例等；其次是要有防盗保护功能，如各器件之间的通讯电缆、供电线路、各部件之间的紧固连接件等，采取金属管内布线和紧固件防盗设计。

AMW监测站外景实拍照片如图3。

图3AMW环境气象监测站外场实拍（马群收费站）
4.2 AMW气象监测站的安装
在沪宁高速公路上安装的气象监测站，对设备安装所用的基础和防雷接地均有严格要求。

基础是一个2000*700的平台，基础基面水平，基础深度及形状根据现场要
求制定，基础平台的主杆安装中心供有AC220V电源（三芯，1.5mm2，300/500V，PVI塑胶软线），基面预留4只不锈钢地脚螺栓，基础平台上的雨量桶安装中心与主杆安装中心点之间预埋一φ20金属管，用于穿雨量采集信号线，并预留3只不锈钢地脚螺栓，所有地脚螺栓与基础接地体确保互相连接；在基础底部安装有防雷接地体并与基础钢筋笼连接，基础的接地系统符合有关防雷规范；
4.3 AMW气象监测站的功能
AMW环境气象监测站的主要功能有：
自动采集和处理：根据各种气象传感器的技术要求，自动完成相应气象要素的信息采集和转换处理，记忆计算转换结果，形成分钟记录；
自动存储：每分钟的采集资料形成一条记录，按照规定的记录格式存储在监测站的存储器中，可连续存储一年以上的逐分钟资料，过期或存储器满则自动清除整理；
定时上传记录：每分钟上传一次本分钟的气象采集资料；
补登记录：接受监测中心指令，补登指定时间段的资料；
时间校准功能：接受监控中心指令，将采集器时钟设为指定的日期和时间，并返回当前采集器的日期和时间；
工作状态监控：自动完成监测站的工作状态信息收集，如机箱温度、各传感器工作状态等，接受监控中心询查指令，并上传状态信息集；
4.4 气象监测系统的监控管理
AMW气象监测系统的监控管理主要是由监控中心的接收监控软件负责，软件采用MS VC++6.0程序设计语言编制，其主要功能有：
网络工作状态的自动检测；
上传气象数据的电子审核；
查看和设置监测站下位机的日期和时间；
上传资料的入库管理和上传率统计；
自动或人工补调误传或未及时上传的资料；
错误状态报警；
系统工作日志记录；
4.5 气象监测数据库管理与信息共享
逐分钟气象监测数据均存储在双方单位的二个服务器中，数据库自动同步更新，有条件授权开放数据库访问权限，并提供应用分析软件，实现对数据库中的资料可进行有效管理、查询、显示、图表处理、越界报警等，以此达到信息共享的目的。

主要功能有：
气象数据的实时显示：全要素动态实时显示，部分要素动态曲线跟踪；
气象数据越界自动报警（声音、颜色等）；
各种气象数据的报表自动生成；
丰富的统计分析曲线（如图4）；
任意时段的数据检索查询；
开放的用户设置定制；
图42004年2月10日无锡东和硕放气象监测站逐分钟能见度变化曲线图
5结束语
沪宁高速公路气象监测系统的建设成功，为沪宁高速公路监控系统提供了公路上实时的气象要素监测信息，实现了公路沿线灾害性天气全天候的监控情报，这为研制沪宁高速公路气象灾害的预警和预报服务提供了最重要的现场基础信息。

通过与气象部门的合作，充分利用气象系统的资源优势，即可建立高速公路气象保障与决策管理系统。

通过宁沪公司与江苏气象的广泛合作，首开我国交通
与气象二个行业密切合作的先例，在发展气象为交通服务工作中，提出“交通气象”概念，实现了“气象”为“交通”服务到“交通气象”的根本转变，为实践我国高速公路安全运营的气象保障起到了典范作用。

高速公路的气象监测系统的建成，需要进一步建立良好的检测和系统维护制度，特别是传感器的定期计量和功能检测，这样才能保证已投入的设备、装置能长期正常运行，充分发挥装备的经济效益。