交通氣象融合現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

文/圖 云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 方留楊 胡澄宇 丁宇超 楊文臣 昆明理工大學 楊昌浩

在我國，交通氣象是一個新興的交叉學科。2012年，交通運輸部、中國氣象局聯(lián)合印發(fā)《公路交通氣象觀測站網(wǎng)建設(shè)暫行技術(shù)要求》指導各地布設(shè)氣象監(jiān)測站點，開展交通氣象服務(wù)。10年間，各地交通運輸部門與氣象部門自主開展了各種有益嘗試和實踐，突破了不少技術(shù)難點，積累了一定的工程經(jīng)驗，但受跨行業(yè)、認知程度低、重視程度不高等諸多因素影響，“交通+氣象”領(lǐng)域還存在頂層設(shè)計缺失，各地建設(shè)管理模式、技術(shù)要求不統(tǒng)一，監(jiān)測、預警準確性不高，多元數(shù)據(jù)融合不足等問題，以致高速公路交通氣象服務(wù)還沒有完全達到現(xiàn)代公路交通要求的預期目標。

面對氣象環(huán)境對交通的影響、威脅和危險的現(xiàn)狀，許多國家的交通、氣象、建設(shè)等部門聯(lián)合協(xié)作，加強對交通氣象服務(wù)的保障工作。1992年成立的國際道路天氣常設(shè)委員會致力于降低和減少氣象條件對交通的不良影響；美國交通部開展“高級運輸氣象信息系統(tǒng)”研究，聯(lián)邦公路管理局開展“道路氣象管理系統(tǒng)”研究；意大利交通部推出“抗霧智能公路”計劃；德國建立了公路氣象信息系統(tǒng)……我國對于交通氣象融合的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，交通運輸部、中國氣象局均將交通氣象災害防御作為科技規(guī)劃的重要內(nèi)容，從20世紀90年代后期至今，相關(guān)成果不斷涌現(xiàn)并投入實際應(yīng)用。

國外發(fā)展現(xiàn)狀

從公路交通氣象服務(wù)總體來看，美國、加拿大、日本等發(fā)達國家在公路交通氣象服務(wù)方面的工作起步較早，并根據(jù)自身需求開展了大量卓有成效的工作，積累了豐富的經(jīng)驗。

在歐洲，德國、挪威、瑞典、芬蘭等國家先后建立了道路氣象實時監(jiān)測預報系統(tǒng)，并將許多開創(chuàng)性的應(yīng)用成果逐步推廣到世界各地。挪威主要通過雷達和衛(wèi)星監(jiān)測極端天氣條件下的道路天氣狀況，為道路管理部門提供地面監(jiān)控資料；芬蘭氣象局和道路維護公司合作成立了道路天氣服務(wù)中心，使用道路交通模式為道路交通部門提供地面結(jié)冰、霜凍、霧凇、地面雨水、凍雨、霧、降雪等天氣狀況和預報服務(wù)；德國建立了公路天氣信息系統(tǒng)，利用氣象部門短期天氣預報和在公路上安裝的預警設(shè)施及公路天氣監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測常規(guī)氣象要素及路面狀態(tài)；英國開發(fā)了3種道面溫度預報模型，其中冰山模型（Icebreak model）可提前6小時自動預報路面溫度狀態(tài)，誤差在1攝氏度左右。

美國和加拿大領(lǐng)土面積廣闊，自然氣候條件較歐洲諸國復雜多樣，因此更加重視對高速公路氣象預報與監(jiān)測系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。美國交通部聯(lián)邦高速公路管理局提出建立“國家范圍地面交通天氣觀測和預報系統(tǒng)的建設(shè)方案(CLARUS)”計劃；在各州道路天氣信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，美國正在形成國家級道路天氣信息系統(tǒng)，并逐漸成為智能交通系統(tǒng)(ITS)的組成部分。

鑒于霧對交通的影響極大，美國對霧區(qū)交通行駛安全和暢通十分關(guān)注，對高速公路霧區(qū)安全服務(wù)提出了非常具體的要求。美國運輸安全理事會（NTSB）明確要求，霧區(qū)高速公路應(yīng)具備以下控制措施：對交通流和霧分布進行及時檢測，在霧區(qū)范圍內(nèi)降低并保持車速，努力降低不同車輛之間的速度差異，使用公共信息和教育等手段讓機動車駕駛員能夠了解霧區(qū)行車的各種控制措施等。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國的交通氣象監(jiān)測預報雖起步較晚，但發(fā)展較快，早期的交通氣象工作是從20世紀末開始的，由于受當時經(jīng)濟和科技的制約，以及相關(guān)部門對交通氣象認知的不足，使得早期的氣象設(shè)備沒有起到較為明顯的作用。

2005年，原交通部與中國氣象局聯(lián)合發(fā)布全國主要干線公路交通氣象預報，這標志著我國公路交通氣象信息服務(wù)工作正式啟動。2006年，滬寧高速公路上建立了多個自動化氣象監(jiān)測站，進一步監(jiān)測交通氣象信息，之后全國多個省份高速公路也陸續(xù)建立了交通氣象觀測設(shè)施。

惡劣天氣除雪 祝巍 攝

2012年，中國氣象局開始全面深入推進全國公路交通氣象監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)，實現(xiàn)了全國公路沿線監(jiān)測信息共享；同期開展了全國公路交通氣象災害風險普查工作和公路交通氣象要素精細化預報業(yè)務(wù)建設(shè)，現(xiàn)已實現(xiàn)全國主要公路氣象要素精細化預報產(chǎn)品制作和共享。

2021年，中國氣象局、交通運輸部、公安部、國家鐵路局、國家郵政局五部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”交通氣象保障規(guī)劃》，指出目前交通氣象服務(wù)主要存在的問題和挑戰(zhàn)：交通氣象監(jiān)測能力不足；交通氣象服務(wù)針對性有待加強；部門間合作機制有待深化。交通氣象今后的主要發(fā)展方向，包括構(gòu)建交通氣象精密監(jiān)測系統(tǒng)；開展交通氣象災害風險普查；打造高質(zhì)量交通氣象服務(wù)體系；提升交通氣象服務(wù)支撐能力；推動交通氣象科技創(chuàng)新；強化“一帶一路”綜合交通運輸氣象保障。

經(jīng)過20余年的發(fā)展，我國現(xiàn)在的交通氣象服務(wù)已經(jīng)更加專業(yè)化、精細化。目前，我國交通氣象研究主要圍繞交通氣象災害監(jiān)測預警、防控、處治等方面開展工作。

在交通氣象監(jiān)測預警方面，正在攻克陸地交通氣象災害天地一體化監(jiān)測預警技術(shù)。特別在大霧短臨預警方面，自主研發(fā)了基于新一代靜止氣象衛(wèi)星的濃霧識別技術(shù)，該技術(shù)可實現(xiàn)200米以下的強濃霧識別準確率大于90%，2千米霧區(qū)反演的時間頻率優(yōu)于10分鐘；創(chuàng)新研發(fā)了基于征兆因子的大霧短臨預警技術(shù)，實現(xiàn)本地站點10分鐘短臨預警精度優(yōu)于80%；攻克了基于多特征融合的視頻能見度深度學習技術(shù)，引進自適應(yīng)切片技術(shù)提取微觀細節(jié)特征，實現(xiàn)全天候能見度數(shù)值的實時識別及分級預警。

在結(jié)冰短臨預警方面，相關(guān)團隊研發(fā)了復合式移動交通氣象實時監(jiān)測預警技術(shù)及裝備，攻克了路面溫度熱譜地圖分析建模技術(shù)，以及基于多維長短時記憶網(wǎng)絡(luò)的路面溫度和結(jié)冰短臨預測技術(shù)，研發(fā)了冬季路面低溫結(jié)冰短臨預警服務(wù)系統(tǒng)，可實現(xiàn)提前10分鐘、30分鐘、1小時和3小時結(jié)冰風險預警。同時，隨著視頻圖像和路面狀態(tài)的公開樣本庫的建立，提出基于圖像分塊識別和綜合判別算法，突破了基于視頻圖像處理的路面狀態(tài)檢測技術(shù)。

在交通運行安全防控方面，相關(guān)團隊開展了惡劣氣象條件影響下的道路交通安全主動防控關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成應(yīng)用研究，初步形成涵蓋暴雨、大霧、冰雪等主要氣象災害的公路行車安全實時監(jiān)測預警與主動防控的行業(yè)解決方案。新一代低能見度行車安全誘導系統(tǒng)、公路路面防結(jié)冰自動噴灑系統(tǒng)、公路管控車輛車載輔助行車安全預警設(shè)備、高危路段實時交通沖突風險預警設(shè)備系統(tǒng)、不利天氣條件下動態(tài)交通流運行管控系統(tǒng)研發(fā)日趨成熟，為陸地交通氣象安全保障提供系列解決方案及產(chǎn)品，實現(xiàn)了陸地交通氣象災害智能監(jiān)測預警、安全風險實時評估、主動防控技術(shù)的全鏈條集成和國產(chǎn)化應(yīng)用。

在氣象災害道路處治方面，相關(guān)團隊圍繞涉及惡劣氣象條件下（如降雨、冰雪等）路面表面功能，以及服役性能衰減迅速、路面破損嚴重、耐久性不足等問題，國內(nèi)主要研究機構(gòu)相繼開展了融冰化雪路面材料、排水瀝青混合料組成設(shè)計成套技術(shù)等，力求將冰雪、暴雨等氣象災害對路面性能的影響遏制在萌芽階段，確保惡劣氣象條件下路面運行狀態(tài)平穩(wěn)正常。

氣象災害交通運行安全主動防控技術(shù)體系

東部沿海地區(qū)（江蘇省為例）

江蘇是國內(nèi)較早開展交通氣象災害防治技術(shù)研究的省份。江蘇省氣象局對圖像識別、機器學習、大數(shù)據(jù)融合等先進技術(shù)在惡劣天氣交通監(jiān)測預警的應(yīng)用進行深入研究，形成了新一代智慧交通氣象服務(wù)；江蘇氣象局與南京氣象科學研究所合作建成高速公路濃霧監(jiān)測預警系統(tǒng)，可通過多種傳輸手段將監(jiān)測實況傳輸至運營指揮中心，為其提供了決策支持基礎(chǔ)。同時，滬寧高速公路氣象決策支援系統(tǒng)具有實時預警、預報功能，為當?shù)亟煌庀筇峁┝肆己玫幕A(chǔ)支撐。此外，研究人員還將天氣預報模式（WRF）中尺度數(shù)值預報模式應(yīng)用到氣象監(jiān)測中，并取得了較好的模擬效果。匯聚多方力量，江蘇省氣象局成功研發(fā)智能移動交通氣象觀測設(shè)備，提出基于機器學習的霧天圖像智能識別技術(shù)、基于熱譜地圖的連續(xù)路溫反演技術(shù)、基于車載設(shè)備的移動天氣識別技術(shù)等智能監(jiān)測手段，成功解決了團霧觀測、道路暗冰監(jiān)測和預報預警等難題，為交通災害預警系統(tǒng)提供了技術(shù)保障。

基于熱譜地圖的連續(xù)路溫反演技術(shù)

西南山地地區(qū)（云南省為例）

基于機器學習的霧天圖像智能識別技術(shù)路線

截至2021年初，云南高速公路里程已達9000公里，位居全國第二。“一山有四季、十里不同天”的氣象特征，使云南高速公路面臨諸如團霧、低溫、局地大風、強降雨等氣象災害挑戰(zhàn)。

為全面提升和拓展交通運輸系統(tǒng)防災減災綜合能力，提升我國交通運輸保障能力和水平，云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司聯(lián)合國內(nèi)11家行業(yè)優(yōu)勢單位，共同建設(shè)了“陸地交通氣象災害防治技術(shù)國家工程實驗室”（以下簡稱“實驗室”），從多個方面開展交通氣象預警監(jiān)測體系研究：在站點布設(shè)方面，開展交通氣象監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)技術(shù)研究，為準確感知公路沿線發(fā)生的氣象災害奠定了基礎(chǔ)；在監(jiān)測預警方面，針對云南突出的氣象災害問題，研發(fā)了實時、高分辨率的監(jiān)測預警技術(shù)，并在實際運用中取得了良好的效果。實驗室研發(fā)的低能見度行車安全智能預警系統(tǒng)、主動式路面防結(jié)冰處置系統(tǒng)、自適應(yīng)可變限速與信息協(xié)同控制系統(tǒng)，可應(yīng)對濃霧、強降水天氣和路面結(jié)冰引發(fā)的各類交通氣象災害，為惡劣天氣下的交通出行提供了決策支持。目前，這些系統(tǒng)已成功應(yīng)用于云南省內(nèi)的渝昆、香麗、騰隴高速公路，積累了豐富的工程實踐案例。尤其是云南某高速公路管理處，從2019年6月開始使用實驗室研發(fā)的公路交通氣象監(jiān)測預警與服務(wù)系統(tǒng)后，有效提升了2019年冬季、2020年冬季管理處的冬季抗冰保通的能力，管理處工作人員可以在第一時間了解道路積雪、結(jié)冰等信息，從而及時開始鏟冰除雪、撒布融雪劑的工作。經(jīng)統(tǒng)計，使用該系統(tǒng)后累計延長高速公路通車時間20小時，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益（高速公路通行費）約為600萬元。

高速公路交通氣象監(jiān)測站和移動數(shù)據(jù)采集設(shè)備

實驗室研發(fā)的高速公路交通氣象智能監(jiān)測預警與主動防控系統(tǒng)

其他地區(qū)

在交通災害監(jiān)測預警方面，包括西南山地地區(qū)和東部沿海地區(qū)的四川、山東、北京等省份針對重點路段也積極開展了區(qū)域交通氣象服務(wù)工作，并取得了一定成效。特別是2012年實現(xiàn)全國公路沿線監(jiān)測信息共享之后，各個地區(qū)的交通氣象服務(wù)發(fā)展更加迅速。現(xiàn)在，已有多個省份建立了覆蓋本區(qū)域的交通氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)，并針對本地區(qū)所面臨的氣象災害，建立了基于風云衛(wèi)星和其他來源數(shù)據(jù)的一體化數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)；同時，加大對能見度、路面狀況相關(guān)預警模型的研究，利用WebGIS、計算機網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)建立了專業(yè)的氣象服務(wù)平臺，以實現(xiàn)對各類交通氣象災害的監(jiān)測預警。

當前存在問題和發(fā)展趨勢

對交通氣象災害防御的前提是駕乘及交通管理人員及時知曉交通沿線當前和未來可能發(fā)生的災害性天氣狀況，而這就依賴于交通氣象災害的實時監(jiān)測和預報預警。交通氣象監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測技術(shù)是提供有效公路交通氣象服務(wù)的基礎(chǔ)，精細化交通氣象預警及管控技術(shù)則是連接數(shù)據(jù)采集端到交通氣象服務(wù)的橋梁。

國外交通氣象災害監(jiān)測預警技術(shù)應(yīng)用廣泛，交通數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)詳實豐富，研究涉及不利天氣條件下監(jiān)測預警技術(shù)，以及不同類型道路的交通安全與交通流特性，并正向?qū)崟r天氣數(shù)據(jù)與交通影響關(guān)系的研究方向發(fā)展。目前，我國大多數(shù)交通氣象預測預報技術(shù)主要源自政府天氣服務(wù)，但是政府天氣服務(wù)用于預測路徑級的公路交通氣象條件是不科學的。為解決不同天氣事件下交通系統(tǒng)運行和道路交通安全的問題，面向本地精細化的交通氣象災害實時監(jiān)測預警與智能決策支持技術(shù)，已成為公路安全研究中迫切需要解決的理論研究熱點和實踐難題，主要技術(shù)難題及發(fā)展趨勢有：

數(shù)據(jù)收集與處理 交通數(shù)據(jù)存在來源單一、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制不足、數(shù)據(jù)使用不充分等問題。目前,數(shù)據(jù)主要來源是交通氣象站，對交通實際氣象需求、設(shè)備使用場景關(guān)注不足，觀測要素不齊全，沒有形成針對于整個路網(wǎng)的氣象監(jiān)測預警。高速公路氣象觀測數(shù)據(jù)和預警應(yīng)由點監(jiān)測和預警，擴展到線或者面的監(jiān)測和預警。

氣象監(jiān)測密度 監(jiān)測設(shè)備布置方案還需要進一步優(yōu)化，公路交通氣象監(jiān)測密度嚴重不均衡，尤其是在災害多發(fā)、易發(fā)路段的氣象監(jiān)測普遍缺失，明顯不足，構(gòu)建交通氣象精密且優(yōu)化的監(jiān)測網(wǎng)是未來的主要任務(wù)之一。可以預見，未來，交通氣象外場觀測設(shè)施布設(shè)會更加高效簡便，選址會更加精準并具代表性，可形成覆蓋各個地區(qū)的有效觀測網(wǎng)絡(luò)，進而提升交通氣象監(jiān)測設(shè)備自動化、智能化水平，數(shù)據(jù)觀測精度大幅提升。

新型公路氣象環(huán)境智能監(jiān)測設(shè)備研發(fā) 高密度自動化監(jiān)測設(shè)備的布設(shè)則是實現(xiàn)實時監(jiān)測及短臨預警的基礎(chǔ)，但當前公路氣象環(huán)境監(jiān)測設(shè)備普遍價格較高，不利于大規(guī)模建設(shè)及推廣應(yīng)用。且目前公路氣象監(jiān)測密度嚴重不足，仍有巨大的布設(shè)需求，故亟需在公路氣象環(huán)境智能監(jiān)測設(shè)備的集成度、安裝便捷性、降低成本等方面進一步創(chuàng)新和突破。

惡劣氣象不僅對公路運輸發(fā)起挑戰(zhàn)，也為公路管理養(yǎng)護帶來難題。張嘯天 攝

不利天氣對交通安全影響的研究正從“事后”統(tǒng)計分析轉(zhuǎn)向“事前”風險防控。

多源交通氣象數(shù)據(jù)融合與知識挖掘 基于物聯(lián)網(wǎng)的交通氣象監(jiān)測新技術(shù)快速發(fā)展，氣象局宏觀觀測、公路自動觀測站、移動采集、視頻采集、新媒體提取等檢測設(shè)備可提供海量的氣象數(shù)據(jù)，但當前國內(nèi)交通氣象系統(tǒng)建設(shè)仍局限于“信息化集成”，雖技術(shù)手段齊全，但各類數(shù)據(jù)基本上由各自的業(yè)務(wù)系統(tǒng)獨立管理，缺乏對多源交通氣象數(shù)據(jù)的標準化接入，尚未有較好的數(shù)據(jù)處理、分析與融合方法來得到較準確的氣象信息，無法服務(wù)于精細化智能交通管控。與此同時，固定氣象站的布設(shè)優(yōu)化定量的評估方法及工具。

天氣數(shù)據(jù)分析技術(shù)及工具持續(xù)改進與提升 不利天氣對交通系統(tǒng)影響的研究是一個不確定性問題，氣象學領(lǐng)域的預測預報模型多偏重于理論，涉及參數(shù)多、計算復雜，數(shù)據(jù)條件苛刻，并且粒度大，與國內(nèi)高速公路的管理業(yè)務(wù)不相適應(yīng)。國內(nèi)絕大多數(shù)學者通過構(gòu)建高級統(tǒng)計分析模型，推斷不利天氣條件對交通事故和交通流的影響機理，這類模型通常預設(shè)了變量間的關(guān)系，其可靠性取決于變量選取的合理性、統(tǒng)計模型的因果推斷能力。為充分運用各類不確定性的信息知識，國內(nèi)亟待開展時空大數(shù)據(jù)條件下交通氣象監(jiān)測技術(shù)，可采用人工智能和機器學習等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從自動辨識數(shù)據(jù)模型的角度，實現(xiàn)大霧及路面結(jié)冰的實時監(jiān)控和研判預警等，以提高模型預測精度。

傳統(tǒng)預報服務(wù)產(chǎn)品與公路管理業(yè)務(wù)需求的匹配 國內(nèi)外絕大多數(shù)公路交通氣象監(jiān)測預警與服務(wù)系統(tǒng)僅針對天氣現(xiàn)象的變化提供不同時間粒度的預報服務(wù)產(chǎn)品，從而為公路運營管理養(yǎng)護和交通出行提供天氣條件信息的參考，但氣象等部門提供的區(qū)域級天氣預報粒度大，而路徑、路段級駕駛行為更易受實時道路條件影響，預測和實際條件的出入影響監(jiān)測預警技術(shù)的效用。同時，當前交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)基本不考慮這些預測預報的天氣信息對當?shù)毓芳敖煌ㄓ绊懙姆治龊驮u估，難以準確指導業(yè)務(wù)人員辨識不利天氣對公路系統(tǒng)的影響，以及針對性提早采取交通管理和道路養(yǎng)護活動。未來，基于新一代信息技術(shù)的變革發(fā)展，運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、北斗定位、人工智能、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星云圖等提供的高精度數(shù)據(jù)，通過不斷的實驗分析，改善現(xiàn)有監(jiān)測預警模型的不足，研發(fā)出更加可靠的天氣保障服務(wù)模型，提高氣象災害預警監(jiān)測的效率和準確性。

不利天氣對交通安全及交通流影響預警與調(diào)控技術(shù) 不利天氣對交通安全影響的研究正從靜態(tài)、被動的“事后”統(tǒng)計分析轉(zhuǎn)向動態(tài)、主動的“事前”風險防控，從僅考慮交通流特征向綜合考慮交通流、天氣和道路特征的方向發(fā)展。根據(jù)實時交通流和天氣特征與交通安全的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有學者提出研究不利天氣對交通系統(tǒng)影響分析與預測方法，輔以交通流動態(tài)協(xié)同控制技術(shù)，以期主動預防交通事故的發(fā)生和降低事故嚴重程度。

交通氣象服務(wù)支撐 通過構(gòu)建更加先進、穩(wěn)定、可靠的多級聯(lián)動的監(jiān)測預警云控系統(tǒng)，建立起縱向覆蓋“國家-省-市-路段”四級，橫向聯(lián)通“交通、氣象、公安”多部門協(xié)調(diào)運行的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理框架，構(gòu)建起全國統(tǒng)一的交通氣象信息共享系統(tǒng)，有效解決行業(yè)間的數(shù)據(jù)孤島問題。同時，交通氣象標準規(guī)范也將更加完善。

總之，未來的交通氣象服務(wù)將會朝著更加智能、高效、安全、科技的方向發(fā)展，同時將進一步拓展對極端氣象交通基礎(chǔ)設(shè)施韌性提升、智能交通氣象新基建、惡劣天氣智能車路協(xié)同、突發(fā)天氣事件交通綜合應(yīng)急管理等領(lǐng)域的研究和探索，為國家現(xiàn)代化綜合交通體系建設(shè)提供重要科技支撐，為交通運輸行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量跨越式發(fā)展貢獻堅實力量。