移動式交通氣象環境監測系統研發

張 昱，王丕棟，樊兆董，唐 軍

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.華設設計集團北京民航設計研究院有限公司，北京 101318；3.山東省路域安全與應急保障交通運輸行業重點實驗室，山東 濟南 250031；4.民航機場安全與運行工程技術研究中心，北京 101318）

引言

當前，交通氣象環境監測設備多是采用固定安裝方式，該方式可以長時間監測該區域內交通氣象條件的時間變化規律特征，包括路面溫度變化的月、季、年度以及1 d 內路面溫度變化情況，方便掌握和了解固定區域氣候變化特點，有針對性地加強路面結冰的預防措施。由于受到投資成本約束，交通氣象監測站點的總體布設密度仍然十分有限。加上高速公路屬于帶狀分布設施[1]，特別是在地形地貌變化較大的地區，局地性小氣候現象十分突出，使得少量的固定式交通氣象監測站點難以及時準確地把握沿線氣象條件的變化。

1 移動式交通氣象環境監測研究現狀

移動式交通氣象環境監測技術是交通氣象環境監測的重要手段，其特點是具有良好的野外機動性、高穩定性、便捷安裝性，能夠針對長距離連續路段實現交通氣象數據的實時采集和傳輸，打破了傳統固定式交通氣象站在監測范圍上的局限性。并在應對交通氣候災害時具有突出的優勢，如擴大時空隨機性強的災害性天氣事件的監測范圍；提高對重要區域（如高速公路、主要交通樞紐等）影響嚴重的突發性氣象事件如洪水、暴雪、冰凍、濃霧、灰霾的快速響應能力，加強重大活動的現場監測和氣象服務保障。

在早期的大氣邊界層野外試驗中，科研人員就開始把各種尺寸龐大的遙感探測儀器放在大型車輛上進行觀測，之后各種氣象科學野外實驗便出現了各種車載探測設備和專門設計的移動觀測平臺。進入20 世紀90 年代后，世界許多國家相繼建立或正在建設移動氣象監測系統和平臺，以彌補定點觀測的不足和實現對特定目標的追蹤探測。如美國國家大氣研究中心利用車載多普勒雷達和高分辨率多普勒激光雷達等追蹤龍卷風。美國 Physical Science 公司利用移動氣象設備集成了新型路面冰雪檢測車輛，對路面上的雪、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行測量，并結合車載電腦和實時通信裝置，對采集的信息進行回傳和分析。德國氣象環境綜合移動監測車用來監測城市特定交通路線及生活氣象環境要素的變化[2-3]。

我國主要將移動式交通氣象環境監測技術應用在交通應急指揮方面。蘇州市應急聯動中心曾組織“危險化學品泄漏事故處置演練”，應急氣象監測車輛到達事故現場后，移動式自動氣象站進行現場氣象要素監測，啟動點源污染擴散模式（HYSPLIT模式），根據現場的風向、風速、氣壓、濕度、垂直對流等情況，計算出污染氣體的擴散方向和范圍，向相關部門提出相應的群眾疏散方向。上海市應急聯動中心也組織過“天然氣管道泄漏事故應急處置實戰演練”，模擬大治河沿線一處天然氣管線泄漏事故應急處置[4-5]。

2 移動式交通氣象環境監測系統方案設計

移動式交通氣象環境監測系統方案是通過在移動車輛上安裝交通氣象環境監測設備，在車輛行駛過程中，實時采集路段上每個GPS 坐標位置的路面狀態、路面溫度、能見度、大氣溫濕度、天氣現象等多種交通氣象數據，并利用手機客戶端軟件實時展示移動監測數據，通過對數據匯總分析，判別最易出現最低路面溫度以及最早出現路面結冰的危險關鍵點段，實現高速公路全路段低成本的交通氣象環境移動監測。

2.1 系統功能實現

2.1.1 移動式交通氣象數據采集功能

安裝于車輛上的數據采集裝置，通過多種傳感器數據通信接口，集成多種傳感器，借助連接裝置安裝于車輛上。在車輛行駛過程中，按照一定的采集頻率，實時的接收和處理采集到的交通氣象數據 。

2.1.2 數據中轉及對外傳輸功能

數據采集器采集到來自各個傳感器的信息后，進行數據降噪、濾波處理，將數據匯集到一起，按照規定的傳輸協議，向與其相連的無線模塊（包括WIFI 模塊和基于蜂窩網絡的 GPRS 模塊）傳輸數據，起到對外發送數據的功能 。

2.1.3 手機端和 PC 端軟件的數據接收和處理功能

手機端和PC 端軟件通過無線網絡接收來自數據采集器的數據，按照規定的協議解析數據后，摘錄交通氣象數據和地理位置信息數據并且執行更加復雜的算法，如計算獲取露點溫度等氣象參數數據，然后顯示到軟件界面上，便于使用人員的實時觀察和判斷。另外，手機軟件還能夠通過人工打字或者語音錄入備注信息，記錄特殊路段等關鍵信息。

2.1.4 格式化數據存儲

為了將移動式數據采集器采集到的交通氣象數據及地理信息數據有機的結合到一起便于為后期的路面結冰預測預警提供高效的格式化數據，無論是數據采集設備還是手機端和PC 端軟件，都可以實現數據按照規定存儲格式協議的接收和格式化保存。

2.2 系統技術方案

車載移動式交通氣象環境監測系統主要由各種交通氣象傳感器、GPS 模塊、數據采集器、電源模塊、無線通信模塊、安裝配件以及手機軟件客戶端和電腦客戶端組成，系統結構框架見圖1。

圖1 系統邏輯結構框架

3 移動式交通氣象環境監測系統硬件設計

3.1 傳感器及GPS 模塊

3.1.1 大氣溫濕度傳感器

大氣溫濕度數據采集傳感器，選用Vaisala 的HMP155 溫濕度探頭，它具有可靠的溫濕度測量功能，適用于各種環境。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，溫度可以達到 0.1 ℃，濕度可以達到 1%；由于車輛行駛過程中，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溫儀，其具有 22 ∶1 的光學分辨率，特別適合需要節省空間的工業環境安裝；另外，附帶分離式電子變送盒，具有準、抗干擾能力強、通信速率快的優點；探頭工作溫度范圍可達 -40～180 ℃；溫度測量量程為 -50～600 ℃，系統精度可達 1%，溫度分辨率可達 0.1 ℃，采樣周期最小可達 150 ms，對應 80 km/h 的車速行進距離為3.3 m，在路面溫度測量的可接受范圍內。

3.1.3 遙感式路面狀態傳感器

遙感式路面狀態傳感器使用維薩拉公司的車載路面氣象信息傳感器，用來檢測路面干燥、潮濕、積水、結冰、積雪的狀態。安裝在車輛頂部，可離測量對象距離12 m。設備采用紅外測量技術，配備了 4 個發射頭和 2 個接收二極管，捕獲路面反射的各種波長的光波。因為不同物質，例如水和冰的反射光具有不同的光譜特性，通過測量值計算，得到路面狀況。

3.1.4 能見度傳感器

系統集成了維薩拉公司的 VS20 UMB 小型化能見度傳感器。該傳感器屬于前向散射型，工作電壓24 V，功率 3 W，數據更新頻率為1 min，測量量程10～2 000 m，支持RS485 接口，總重量 4 kg，防護等級 IP68，連接電纜長度10 m，適合車載安裝，

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、海拔、速度等信息。為了便于集成，將采集的信息通過數據采集器接收，選用GPS 開發模塊配磁吸附式天線使用。這里選用市面上比較常見的 PS 模塊，留有USART 的 TL 接口，非常方便單片機集成。速度測量精度0.1 m/s，水平定位精度 2.5 m，最快測量頻率是 5 Hz 。電源需要使用 5 V，非常易于經過 12 V 車載電源轉換獲得。

3.2 數據采集器

數據采集器需要完成數據接入并格式化輸出的功能，見圖2。由于傳感器接口數量多、采集數據量大、采樣頻率較高，因此選用接口資源豐富并且性能優越的基于 stm32f407 單片機核心的 Discovery 開發平臺。該模塊還有以下優點：接口函數庫豐富，便于集成開發；硬件擴展資源豐富，便于擴展。高頻率的芯片主頻（168 MHz）為大量數據處理提供了保證；5 V 標準供電，便于獲取。

圖2 數據采集器

3.3 無線收發裝置

3.3.1 WIFI 模塊

WIFI 模塊起到連接數據采集器和手機客戶端、交換數據的功能。由于基于底層集成，所以需要模塊與數據采集器能夠很好對接，這要求數據接口必須匹配。經過選型，選擇了基于 ATK RM04 核心芯片的串口轉 WIFI 模塊。ATKRM04 模塊采用串口（RS232/LVTTL）與MCU（或其他串口設備）通信內置TCP/IP 協議棧，能實現用戶串口、以太網、無線網（WIFI）3 個接口之間的轉換。其功能見圖3，實物見圖4。

圖3 WIFI 功能結構

圖4 WIFI 模塊實物

3.3.2 GPRS 模塊

為實現將采集現場數據傳至遠端的數據中心，要求采集器能夠遠距離發送數據，這就需要借助移動通信網絡選用基于GPRS 網絡的數據傳輸單元DTU（Data Terminal Unit），是一種物聯網無線數據終端，利用公用運營商網絡 GPRS 網絡（又稱 G 網）為用戶提供無線長距離數據傳輸功能。它采用工業級嵌入式處理器，內嵌TCP/IP 協議棧，為用戶提供高速、穩定、可靠的，數據終端永遠在線的，多種協議轉換的虛擬專用網絡。DTU 實物見圖5，應用場景見圖6。

圖5 DTU 實物

圖6 DTU 應用場景

4 移動式氣象環境監測系統軟件顯示界面

移動式交通氣象環境監測系統軟件的客戶端通過手機端軟件與數據采集器建立WIFI 無線數據傳輸，電腦軟件客戶端則通過蜂窩網絡（GPRS ）接收來自遠端車輛上采集裝置發送的實時信息，實現同步進行交通氣象移動監測數據的采集、存儲和查看。手機客戶端顯示界面見圖7，上位機顯示界面見圖8。

圖7 客戶端顯示界面

圖8 上位機顯示界面

5 結語

移動式交通氣象環境監測系統的研發，獲取數據包括大氣溫度、路面溫度、露點溫度、相對濕度、風速、降水條件等路面結冰關鍵參數，以及采集路面狀態、濕滑系數、能見度等其它交通氣象參數。該系統特點：（1）綜合了多種交通氣象監測設備，能夠大范圍實時采集高速公路沿線交通氣象環境數據。（2）具有成本低、安裝簡單、攜帶方便等優點，能夠有效解決公路沿線交通氣象環境數據的采集、分析和應用等問題。