移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

張 昱，王丕棟，樊兆董，唐 軍

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)北京民航設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 101318；3.山東省路域安全與應(yīng)急保障交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；4.民航機(jī)場(chǎng)安全與運(yùn)行工程技術(shù)研究中心，北京 101318）

引言

當(dāng)前，交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備多是采用固定安裝方式，該方式可以長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)該區(qū)域內(nèi)交通氣象條件的時(shí)間變化規(guī)律特征，包括路面溫度變化的月、季、年度以及1 d 內(nèi)路面溫度變化情況，方便掌握和了解固定區(qū)域氣候變化特點(diǎn)，有針對(duì)性地加強(qiáng)路面結(jié)冰的預(yù)防措施。由于受到投資成本約束，交通氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的總體布設(shè)密度仍然十分有限。加上高速公路屬于帶狀分布設(shè)施[1]，特別是在地形地貌變化較大的地區(qū)，局地性小氣候現(xiàn)象十分突出，使得少量的固定式交通氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)難以及時(shí)準(zhǔn)確地把握沿線(xiàn)氣象條件的變化。

1 移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段，其特點(diǎn)是具有良好的野外機(jī)動(dòng)性、高穩(wěn)定性、便捷安裝性，能夠針對(duì)長(zhǎng)距離連續(xù)路段實(shí)現(xiàn)交通氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，打破了傳統(tǒng)固定式交通氣象站在監(jiān)測(cè)范圍上的局限性。并在應(yīng)對(duì)交通氣候?yàn)?zāi)害時(shí)具有突出的優(yōu)勢(shì)，如擴(kuò)大時(shí)空隨機(jī)性強(qiáng)的災(zāi)害性天氣事件的監(jiān)測(cè)范圍；提高對(duì)重要區(qū)域（如高速公路、主要交通樞紐等）影響嚴(yán)重的突發(fā)性氣象事件如洪水、暴雪、冰凍、濃霧、灰霾的快速響應(yīng)能力，加強(qiáng)重大活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和氣象服務(wù)保障。

在早期的大氣邊界層野外試驗(yàn)中，科研人員就開(kāi)始把各種尺寸龐大的遙感探測(cè)儀器放在大型車(chē)輛上進(jìn)行觀(guān)測(cè)，之后各種氣象科學(xué)野外實(shí)驗(yàn)便出現(xiàn)了各種車(chē)載探測(cè)設(shè)備和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的移動(dòng)觀(guān)測(cè)平臺(tái)。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代后，世界許多國(guó)家相繼建立或正在建設(shè)移動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和平臺(tái)，以彌補(bǔ)定點(diǎn)觀(guān)測(cè)的不足和實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的追蹤探測(cè)。如美國(guó)國(guó)家大氣研究中心利用車(chē)載多普勒雷達(dá)和高分辨率多普勒激光雷達(dá)等追蹤龍卷風(fēng)。美國(guó) Physical Science 公司利用移動(dòng)氣象設(shè)備集成了新型路面冰雪檢測(cè)車(chē)輛，對(duì)路面上的雪、水和冰的厚度，路面干燥和潮濕程度，路面被水、沙石和冰雪覆蓋情況進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合車(chē)載電腦和實(shí)時(shí)通信裝置，對(duì)采集的信息進(jìn)行回傳和分析。德國(guó)氣象環(huán)境綜合移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)用來(lái)監(jiān)測(cè)城市特定交通路線(xiàn)及生活氣象環(huán)境要素的變化[2-3]。

我國(guó)主要將移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在交通應(yīng)急指揮方面。蘇州市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)中心曾組織“危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故處置演練”，應(yīng)急氣象監(jiān)測(cè)車(chē)輛到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)后，移動(dòng)式自動(dòng)氣象站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)氣象要素監(jiān)測(cè)，啟動(dòng)點(diǎn)源污染擴(kuò)散模式（HYSPLIT模式），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、濕度、垂直對(duì)流等情況，計(jì)算出污染氣體的擴(kuò)散方向和范圍，向相關(guān)部門(mén)提出相應(yīng)的群眾疏散方向。上海市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)中心也組織過(guò)“天然氣管道泄漏事故應(yīng)急處置實(shí)戰(zhàn)演練”，模擬大治河沿線(xiàn)一處天然氣管線(xiàn)泄漏事故應(yīng)急處置[4-5]。

2 移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案是通過(guò)在移動(dòng)車(chē)輛上安裝交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集路段上每個(gè)GPS 坐標(biāo)位置的路面狀態(tài)、路面溫度、能見(jiàn)度、大氣溫濕度、天氣現(xiàn)象等多種交通氣象數(shù)據(jù)，并利用手機(jī)客戶(hù)端軟件實(shí)時(shí)展示移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)匯總分析，判別最易出現(xiàn)最低路面溫度以及最早出現(xiàn)路面結(jié)冰的危險(xiǎn)關(guān)鍵點(diǎn)段，實(shí)現(xiàn)高速公路全路段低成本的交通氣象環(huán)境移動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1.1 移動(dòng)式交通氣象數(shù)據(jù)采集功能

安裝于車(chē)輛上的數(shù)據(jù)采集裝置，通過(guò)多種傳感器數(shù)據(jù)通信接口，集成多種傳感器，借助連接裝置安裝于車(chē)輛上。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，按照一定的采集頻率，實(shí)時(shí)的接收和處理采集到的交通氣象數(shù)據(jù) 。

2.1.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)及對(duì)外傳輸功能

數(shù)據(jù)采集器采集到來(lái)自各個(gè)傳感器的信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪、濾波處理，將數(shù)據(jù)匯集到一起，按照規(guī)定的傳輸協(xié)議，向與其相連的無(wú)線(xiàn)模塊（包括WIFI 模塊和基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的 GPRS 模塊）傳輸數(shù)據(jù)，起到對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)的功能 。

2.1.3 手機(jī)端和 PC 端軟件的數(shù)據(jù)接收和處理功能

手機(jī)端和PC 端軟件通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的協(xié)議解析數(shù)據(jù)后，摘錄交通氣象數(shù)據(jù)和地理位置信息數(shù)據(jù)并且執(zhí)行更加復(fù)雜的算法，如計(jì)算獲取露點(diǎn)溫度等氣象參數(shù)數(shù)據(jù)，然后顯示到軟件界面上，便于使用人員的實(shí)時(shí)觀(guān)察和判斷。另外，手機(jī)軟件還能夠通過(guò)人工打字或者語(yǔ)音錄入備注信息，記錄特殊路段等關(guān)鍵信息。

2.1.4 格式化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為了將移動(dòng)式數(shù)據(jù)采集器采集到的交通氣象數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)有機(jī)的結(jié)合到一起便于為后期的路面結(jié)冰預(yù)測(cè)預(yù)警提供高效的格式化數(shù)據(jù)，無(wú)論是數(shù)據(jù)采集設(shè)備還是手機(jī)端和PC 端軟件，都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)按照規(guī)定存儲(chǔ)格式協(xié)議的接收和格式化保存。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

車(chē)載移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由各種交通氣象傳感器、GPS 模塊、數(shù)據(jù)采集器、電源模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、安裝配件以及手機(jī)軟件客戶(hù)端和電腦客戶(hù)端組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)框架

3 移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器及GPS 模塊

3.1.1 大氣溫濕度傳感器

大氣溫濕度數(shù)據(jù)采集傳感器，選用Vaisala 的HMP155 溫濕度探頭，它具有可靠的溫濕度測(cè)量功能，適用于各種環(huán)境。溫度傳感器和濕度傳感器都位于探頭頂端。采樣精度方面，大部分情況下，溫度可以達(dá)到 0.1 ℃，濕度可以達(dá)到 1%；由于車(chē)輛行駛過(guò)程中，大氣溫度的變化是緩慢的，因此，采樣頻率最大可到 1 Hz 滿(mǎn)足需求。

3.1.2 路面溫度傳感器

路面溫度傳感器選用Optris 低溫微型探頭紅外測(cè)溫儀，其具有 22 ∶1 的光學(xué)分辨率，特別適合需要節(jié)省空間的工業(yè)環(huán)境安裝；另外，附帶分離式電子變送盒，具有準(zhǔn)、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快的優(yōu)點(diǎn)；探頭工作溫度范圍可達(dá) -40～180 ℃；溫度測(cè)量量程為 -50～600 ℃，系統(tǒng)精度可達(dá) 1%，溫度分辨率可達(dá) 0.1 ℃，采樣周期最小可達(dá) 150 ms，對(duì)應(yīng) 80 km/h 的車(chē)速行進(jìn)距離為3.3 m，在路面溫度測(cè)量的可接受范圍內(nèi)。

3.1.3 遙感式路面狀態(tài)傳感器

遙感式路面狀態(tài)傳感器使用維薩拉公司的車(chē)載路面氣象信息傳感器，用來(lái)檢測(cè)路面干燥、潮濕、積水、結(jié)冰、積雪的狀態(tài)。安裝在車(chē)輛頂部，可離測(cè)量對(duì)象距離12 m。設(shè)備采用紅外測(cè)量技術(shù)，配備了 4 個(gè)發(fā)射頭和 2 個(gè)接收二極管，捕獲路面反射的各種波長(zhǎng)的光波。因?yàn)椴煌镔|(zhì)，例如水和冰的反射光具有不同的光譜特性，通過(guò)測(cè)量值計(jì)算，得到路面狀況。

3.1.4 能見(jiàn)度傳感器

系統(tǒng)集成了維薩拉公司的 VS20 UMB 小型化能見(jiàn)度傳感器。該傳感器屬于前向散射型，工作電壓24 V，功率 3 W，數(shù)據(jù)更新頻率為1 min，測(cè)量量程10～2 000 m，支持RS485 接口，總重量 4 kg，防護(hù)等級(jí) IP68，連接電纜長(zhǎng)度10 m，適合車(chē)載安裝，

3.1.5 GPS 模塊

選用該模塊必須要求其能輸出包括地理位置坐標(biāo)、海拔、速度等信息。為了便于集成，將采集的信息通過(guò)數(shù)據(jù)采集器接收，選用GPS 開(kāi)發(fā)模塊配磁吸附式天線(xiàn)使用。這里選用市面上比較常見(jiàn)的 PS 模塊，留有USART 的 TL 接口，非常方便單片機(jī)集成。速度測(cè)量精度0.1 m/s，水平定位精度 2.5 m，最快測(cè)量頻率是 5 Hz 。電源需要使用 5 V，非常易于經(jīng)過(guò) 12 V 車(chē)載電源轉(zhuǎn)換獲得。

3.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器需要完成數(shù)據(jù)接入并格式化輸出的功能，見(jiàn)圖2。由于傳感器接口數(shù)量多、采集數(shù)據(jù)量大、采樣頻率較高，因此選用接口資源豐富并且性能優(yōu)越的基于 stm32f407 單片機(jī)核心的 Discovery 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該模塊還有以下優(yōu)點(diǎn)：接口函數(shù)庫(kù)豐富，便于集成開(kāi)發(fā)；硬件擴(kuò)展資源豐富，便于擴(kuò)展。高頻率的芯片主頻（168 MHz）為大量數(shù)據(jù)處理提供了保證；5 V 標(biāo)準(zhǔn)供電，便于獲取。

圖2 數(shù)據(jù)采集器

3.3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置

3.3.1 WIFI 模塊

WIFI 模塊起到連接數(shù)據(jù)采集器和手機(jī)客戶(hù)端、交換數(shù)據(jù)的功能。由于基于底層集成，所以需要模塊與數(shù)據(jù)采集器能夠很好對(duì)接，這要求數(shù)據(jù)接口必須匹配。經(jīng)過(guò)選型，選擇了基于 ATK RM04 核心芯片的串口轉(zhuǎn) WIFI 模塊。ATKRM04 模塊采用串口（RS232/LVTTL）與MCU（或其他串口設(shè)備）通信內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能實(shí)現(xiàn)用戶(hù)串口、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)（WIFI）3 個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。其功能見(jiàn)圖3，實(shí)物見(jiàn)圖4。

圖3 WIFI 功能結(jié)構(gòu)

圖4 WIFI 模塊實(shí)物

3.3.2 GPRS 模塊

為實(shí)現(xiàn)將采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心，要求采集器能夠遠(yuǎn)距離發(fā)送數(shù)據(jù)，這就需要借助移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)選用基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸單元DTU（Data Terminal Unit），是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)終端，利用公用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò) GPRS 網(wǎng)絡(luò)（又稱(chēng) G 網(wǎng)）為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。它采用工業(yè)級(jí)嵌入式處理器，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，為用戶(hù)提供高速、穩(wěn)定、可靠的，數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線(xiàn)的，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。DTU 實(shí)物見(jiàn)圖5，應(yīng)用場(chǎng)景見(jiàn)圖6。

圖5 DTU 實(shí)物

圖6 DTU 應(yīng)用場(chǎng)景

4 移動(dòng)式氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件顯示界面

移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的客戶(hù)端通過(guò)手機(jī)端軟件與數(shù)據(jù)采集器建立WIFI 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，電腦軟件客戶(hù)端則通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)（GPRS ）接收來(lái)自遠(yuǎn)端車(chē)輛上采集裝置發(fā)送的實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)行交通氣象移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和查看。手機(jī)客戶(hù)端顯示界面見(jiàn)圖7，上位機(jī)顯示界面見(jiàn)圖8。

圖7 客戶(hù)端顯示界面

圖8 上位機(jī)顯示界面

5 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，獲取數(shù)據(jù)包括大氣溫度、路面溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水條件等路面結(jié)冰關(guān)鍵參數(shù)，以及采集路面狀態(tài)、濕滑系數(shù)、能見(jiàn)度等其它交通氣象參數(shù)。該系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）綜合了多種交通氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠大范圍實(shí)時(shí)采集高速公路沿線(xiàn)交通氣象環(huán)境數(shù)據(jù)。（2）具有成本低、安裝簡(jiǎn)單、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決公路沿線(xiàn)交通氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、分析和應(yīng)用等問(wèn)題。