基于移動監測的冬季路面溫度數據處理

湯筠筠， 李長城， 廖文洲， 張表志

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 200092； 2.交通運輸部公路科學研究院,北京 100088； 3.北京中交華安科技有限公司,北京 100088)

冬季路面結冰會大大降低路面抗滑性能，造成行車條件惡化，極易導致車輛側滑、制動距離延長和失控，從而引發交通事故和道路阻斷，給高速公路交通安全運行帶來極大挑戰.

路面結冰主要是因為路面低溫，當路面溫度降低到一定程度(通常是0 ℃以下)，路面就有可能出現不同程度的結冰現象.隨著道路氣象信息系統(RWIS)理念在中國的不斷深入，越來越多的高速公路建設了固定式交通氣象監測站，可以有效監測路面溫度.但是高速公路沿線低密度、分散建設的固定式交通氣象監測站僅能對其所在位置的路面溫度進行監測，還無法實現對高速公路長距離路段進行全覆蓋式監測.目前美國、歐洲等發達國家都研發了用于車載的移動氣象站，可以移動采集氣象參數，特別是芬蘭Vaisala公司，研發了一系列移動氣象信息系統，可以移動監測路面溫度數據.但是這些傳感器僅能實現路面溫度的連續采集和展示，并不能將所有采集的數據統一到同一時刻進行關聯分析，無法實現由有限的監測站點拓展到高速公路全路段的路面溫度實時監測[1-9].

因此，為了實現高速公路長距離精細化的連續路面溫度監測，應用移動式交通氣象環境監測系統，針對高速公路沿線固定式交通氣象監測站所在路段采集的路面溫度數據，研究不同天氣條件下高速公路路面溫度隨時間和空間變化的數據處理方法，分析移動監測路段中不同位置與固定監測站點的相對路面溫度差異，推算得到同一時刻路段上其他位置的路面溫度.成果對于交通管理決策者在冬季實時監測長距離路段的路面溫度，辨識路面低溫或易于結冰區域，提前采取有針對性的冬季養護管理決策或措施都有重要意義.

1 數據采集

1.1 數據采集天氣類型

路面溫度差異的空間分布是由地形、海拔、路面材料以及天氣條件等因素決定，對于道路固定點而言，除天氣條件外，其他因素是不變的，屬于系統性因素，它們決定的是路面溫度變化的波峰、波谷分布特征.而天氣因素不能看作是系統性因素，路面溫度差異變化幅度受不同天氣條件影響，通常將天氣類型劃分成三類：極端天氣、抑制天氣、中間天氣[10-11].每種天氣類型的差異特征如下.

在極端天氣類型條件下，天空晴朗、無風.夜晚地面向天空中輻射的熱量達到最大值，地面溫度會下降較低.路面溫度最低的地方易出現在地勢低洼地帶，而最高的地方一般出現在海拔相對較高的地點.溫度變化幅度可達7～10 ℃.

在抑制天氣類型條件下，存在大量低層云并伴有中等強度以上的風，云層會吸收一些地面釋放的長波輻射，并把熱量反射回地面.最高氣溫一般出現在低地，最低氣溫出現在海拔稍高的地區.溫度變化的幅度一般不會很明顯，約3～5 ℃.

中間天氣類型介于極端和抑制天氣類型之間，存在大量中高層云(無明顯風)或有微風(晴朗).路面溫度的變化幅度介于上面2種類型的天氣之間，一般為5～7 ℃.

正是由于不同天氣條件下路面溫度差異及其變化規律不同，因此路面溫度數據采集需要在不同的天氣條件下進行，以獲得各種路面溫度的變化模式.

1.2 數據采集方法

所使用的數據來自沈陽三環繞城高速公路，應用移動式交通氣象環境監測系統，于2014年12月至2015年1月之間，在冬季3種不同天氣類型下，進行了6次路面溫度數據采集，現場采集如圖1.在數據采集過程中，車輛以70～80 km·h-1的速度在外側車道行駛.

圖1 移動式交通氣象環境監測系統

考慮到沈陽三環繞城高速公路全長僅為81.9 km，因此在規劃數據采集單元時，將其劃分為3個路段單元，如表1.將第3個路段單元設置為重復路段(K58—K61)，以便對路段單元之間的數據進行拼接整合修正.

表1 路段單元劃分

2 數據處理

為了實現不同路段單元路面溫度數據的有效拼接，得到整條高速公路相對于某個參考點的路面溫度差異分布圖，以沈陽三環繞城高速公路2014年12月29日采集的數據為例進行分析說明，將采集到的每項原始數據按照一定的規則和步驟進行空間維和時間維的處理和修正.路面溫度數據處理流程圖見圖2.

2.1 路面溫度原始數據

以路段單元1(K58—K81.9)為例，移動式交通氣象環境監測系統采集的原始數據信息包括：日期時間、車速、路面溫度和實時記錄的樁號，如表2.可見，數據采集間隔為每秒5次，但是樁號信息僅在整公里樁號時通過人工打點進行輸入，并未與每條數據一一對應.而且數據采集從開始到結束持續了20多分鐘，道路和氣象環境已經發生變化，因此需要將路面溫度數據進行空間和時間上的處理，使所有數據與樁號一一對應，并調整到同一時刻，才能使路段中各點路面溫度具有可比性.

2.2 路面溫度空間修正方法

在路面溫度數據從起點到終點移動采集的過程中，通過數據采集獲得的距離增量S應與實際里程樁號的距離增量S′一致，但由于高速公路里程樁號的設置會根據道路的實際情況做相應調整，對于具體的路段采集單元而言，通常S和S′會有差別.為了保持數據的統一，對空間上采集的路面溫度進行修正，以便能夠與高速公路里程樁號對應.

圖2 路面溫度數據處理流程

日期時間車速/(km·h-1)路面溫度/℃樁號2014.12.29 23:27:58.666.3-8.3582014.12.29 23:27:58.866.3-8.42014.12.29 23:27:59.066.5-8.12014.12.29 23:27:59.266.2-8.02014.12.29 23:27:59.466.4-8.02014.12.29 23:27:59.666.4-8.12014.12.29 23:27:59.866.4-8.42014.12.29 23:28:00.066.3-8.32014.12.29 23:28:00.266.3-8.42014.12.29 23:28:00.466.3-8.52014.12.29 23:28:00.666.4-8.72014.12.29 23:28:00.866.3-8.02014.12.29 23:28:01.066.3-8.32014.12.29 23:28:01.266.4-8.3????2014.12.29 23:48:47.072.5-7.42014.12.29 23:48:47.272.5-7.32014.12.29 23:48:47.472.5-7.081.9

2.2.1距離增量修正

(1)

(2)

(3)

以路段單元1中23:27:59.0時刻采集的實測數據進行分析，各條采集記錄計算結果如表3.

S′=81.9-58.0=23.9(km)=23 900(m)

23 815(m)

(23 900-23 815)/23 815≈3.71(m)

表3 距離增量修正處理結果

2.2.2路面溫度與樁號匹配

表4 路面溫度與樁號匹配關系

2.3 路面溫度時間修正方法

通常1 s時間內車輛行駛約20 m，即采集相鄰20 m間距2個點的路面溫度值，可以視為同一時刻采集.但隨著時間的推移，移動采集的路面溫度在時刻變化，為了減小天氣及地形變化對路面溫度帶來的影響，使相同天氣條件下不同時間采集的路面溫度數據能夠整合，需要對路面溫度進行時間修正，調整到“同一時刻”，這樣不同點的路面溫度才具有可比性，路面溫度相對值才具有實際意義.

2.3.1建立路面溫度時變函數

圖3為沈陽三環繞城高速公路東陵交通氣象站冬季隨機1天的路面溫度隨時間變化曲線圖.可見，在同一天氣條件下，路段單元內路面溫度變化在時間上是同步的，路面溫度在0至7點的時間段基本處于一直緩慢下降的過程.

圖3 路面溫度日變化

因此以路面溫度為因變量，以時間為自變量，繪制路面溫度時變圖，如圖4.圖中Tol1為開始采集時重疊路段路面溫度均值，℃；Tol2為采集結束時采集的重疊路段路面溫度均值，℃；ΔTp為路段上任意p點路面溫度隨時間變化的調整量，℃；ts為路段起點開始采集時間，s；te為路段采集完成再次回到起點開始重疊路段采集時間，s；tp為路段上任一數據采集點p對應的時間，s.

圖4 路面溫度隨時間變化示意

2.3.2各點路面溫度修正

(4)

(5)

基于路面溫度時間修正方法，以沈陽三環繞城高速公路路面溫度數據為例.首先，計算重疊路段(即路段單元3，K58—K61)采集開始和結束時的路面溫度均值，得Tol1=-8.53 ℃，Tol2=-10.04 ℃.

其次，計算路段上任意位置(p點)路面溫度隨時間變化的調整量ΔTp，對路面溫度Tp進行修正.例如表5中，東陵交通氣象監測站在K39.6處修正后的路面溫度計算過程如下：

[(-10.04)+(-8.53)]×(1.039-1.015)/

(1.039-0.978)=-0.59(℃)

(-0.59)=-9.69(℃)

表5 任意位置路面溫度結果

2.4 獲取路面相對溫度

選取數據采集路段上任意位置的路面溫度值作為參照點，結合路面溫度數據時空修正處理結果，推算出該路段其他位置同時刻的路面溫度值.

(6)

式中：Ta為該路段的絕對溫度參考值，即固定式交通氣象站實時采集的路面溫度值，℃.

表5中，以東陵交通氣象監測站(K39.6)作為絕對溫度參考值，即Ta=-9.69 ℃，則K58處的相對路面溫度求取過程為

3 實際天氣類型驗證

選擇標準差SD(standard deviation)作為描述路面溫度差異程度的指標，通常極端天氣路面溫度分布的SD最大，抑制天氣最小，中間天氣居中.

對6次實際采集的路面溫度數據進行時空修正后，再統計分析求出路面溫度標準差，驗證數據采集時所認定的天氣條件是否符合實際情況.表6為各次路面溫度數據采集的判別值.

表6可見，第1次和第6次天氣條件下采集的數據標準差最小.第4次和第5次天氣條件下采集的數據標準差最大，說明路面溫度數據變化最顯著.第2次和第3次天氣條件下采集的數據標準差介于它們之間.可見，判定結果與實際天氣類型相符，也與1.1節數據采集的3種典型天氣類型劃分依據一致.

表6 天氣類型調整

4 相對路面溫度分布

高速公路相對路面溫度分布是指在特定的天氣條件下，同一路段某個時間點沿道路走向的不同路面溫度樣本點相對于某一特定點的路面溫度差異的分布.

高速公路上不同點段具有相對穩定的路面溫度變化趨勢，區別主要體現在不同天氣條件下這種路面溫度變化幅度是不同的，其波動幅度的大小與極端、中間、抑制等不同的天氣特征有關.

根據路面溫度時空修正處理方法，形成了3種不同天氣條件下沈陽三環高速公路的相對路面溫度分布圖，可以展現全路段相對路面溫度高低值的變化情況，易于辨識路段中路面低溫或易于結冰的區域.

圖5分別表示為極端天氣、中間天氣和抑制天氣3種天氣類型下采集的各點路面溫度與東陵固定交通氣象站(K39.6)的相對路面溫度分布.圖中，橫坐標表示路段樁號，縱坐標表示路段各點路面溫度與參考點K39.6的路面溫度相對值.可見，參考點K39.6的相對路面溫度為0 ℃，路段K56—K60路面溫度相對其他位置較低，為路面低溫區域，易發路面結冰現象.通過實際調研，該路段高架橋涵多，秋冬季路面積雪結冰情況時有發生，且臨河、跨河，由渾河橫穿，易出現局地性低能見度的大霧，在夜間氣溫較低時，易凝結成冰霜，與分析結果一致.

a 極端天氣

b 中間天氣

c 抑制天氣

Fig.5RelativepavementtemperaturebetweendifferentpointsandDonglingtrafficweatherstationunderdifferentweathertypes

由圖5也可以看出，極端天氣條件下路段上各點相對路面溫度差異最為明顯.因為在該種天氣條件下，路面溫度變化相對穩定，晝夜路面溫差較大，尤其在凌晨時間段，同一點的路面溫度最低.因此，此種方法最適用于極端天氣條件.

5 實測數據對比分析

以東陵交通氣象監測站(K39.6)為固定站，選取路段區域附近13個實測點作為移動參考點.對移動式交通氣象環境監測系統獲得的數據和實測數據進行分析對比，并驗證其準確性.

以2015年2月17日5點49分數據為例，依據當天判斷的極端天氣類型結果，應用極端天氣條件下的相對路面溫度分布進行數據分析和處理，根據固定站實測的路面溫度數據推算得到13個移動實測點的路面溫度數據，并與其在同一時刻的實測數據進行對比.路面溫度對比結果見表7，路面溫度效果對比見圖6.

表7 路面溫度結果對比

圖6 路面溫度效果對比

由上述分析可知，13個實測點的路面溫度允許絕對誤差在±0.5 °C、±1.0 °C范圍內，該方法推算路面溫度準確率分別達到69.23%、92.31%，符合期望值.

6 結語

(1)以沈陽三環繞城高速公路(G1501)為實驗路段，基于移動式交通氣象環境監測系統，對路面結冰的關鍵參數——路面溫度進行了移動采集.

(2)提出了高速公路路段20 m精度范圍內路面溫度數據的時空修正處理方法，使整個路段采集的路面溫度數據能統一到同一時刻，并與樁號一一對應.

(3)擬合成不同天氣條件下同一時刻的相對路面溫度分布圖，展現路段上不同位置與固定交通氣象監測站的相對路面溫度差異.通過檢驗在允許誤差范圍內路面溫度的準確性可見，利用該方法得到的路面溫度準確率很高，允許誤差在±1 ℃范圍內，準確率達到92.31%.成果有助于高速公路交通管理部門在冬季快速準確有效地監測路面溫度、辨識路面低溫或易于結冰區域，提升冬季路面結冰狀態的監測預警和安全保障水平.