道路交通氣象服務系統的設計與應用

施海瑞，徐 爽*，劉立輝，趙奕安，郝巨飛，幺倫韜

（1.邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000；2.河北省氣象局，河北 石家莊 050000）

交通運輸業的快速發展對我國經濟持續增長發揮了重要作用。道路交通運輸具有靈活機動、適應性強、可實現“門到門”直達運輸的特點，在促進經濟增長中具有重要作用；隨之而來的道路交通安全問題，已引起全社會的關注。據統計，自20世紀90年代開始，死于汽車交通事故的人數急劇增加，年均達到50多萬人，造成的經濟損失高達全球生產總值的1%～2%；僅2016年全國共發生貨車責任道路交通事故5.04萬起，造成2.5萬人死亡、4.68萬人受傷，其中環境因素是交通事故發生的重大誘因之一，近38%的交通事故、71%的重特大交通事故和65%的直接經濟損失發生在惡劣天氣環境下。因此，通過開展道路交通氣象服務來減少或避免惡劣氣象條件對交通運輸帶來的不良影響，減少道路交通安全事故的發生，保障人民群眾生命財產安全，具有重要意義。

受天氣影響的通視條件、路面狀況、次生災害乃至駕駛員的心理都會導致事故的發生。目前，國內外學者針對道路交通氣象服務開展了大量研究，取得了重要成果，如曾穎婷[1]等通過研究高速公路交通氣象觀測網組網原則和站點選擇規則，建成了交通氣象觀測網，并設計開發了一套基于WebGIS技術的以精細化預報為核心的交通氣象災害監測預警服務系統；康延臻[2]等的研究結果表明，以霧為主的低能見度、道路積雪結冰、強降水等是影響高速公路安全運行的主要氣象因素；翟雅靜[3]等通過研究國內外交通氣象服務現狀，對比分析了我國交通氣象服務存在的短板，并就如何提高交通氣象服務給出了建議；袁成松[4]等針對省級交通氣象業務化需求，實現了省級或區域級的交通氣象信息共享，對全面推進和引導全國公路交通氣象[5]的發展起到了積極作用。本文在前人研究的基礎上，打破了交通氣象服務省級或區域級的限制，利用電子圍欄設計實現了基于WebGIS技術[6-7]的道路交通氣象服務系統，可在WebGIS平臺上可視化展示全國的格點實況信息和氣象預警信息[8-10]，實時分析行車指數產品，并將最終的服務產品直接發送至駕駛員手機和北斗終端，幫助駕駛員第一時間采取措施防范事故和損失。

1 系統功能

1.1 設計思路

系統設計以駕駛員需求為出發點，根據氣象部門和交通部門的統計和研究，確定與道路交通影響關系密切的天氣類型，采集格點實況氣象要素和天氣預警信息，通過系統加工處理生成包含行車氣象指數、所處區域預警信息和高影響天氣的服務產品，并通過北斗傳輸終端和手機短信的方式實時自動傳送至駕駛員手機端，使其提前掌握前方天氣實況和預警信息，采取措施規避災害性天氣對貨物和行車帶來的危害。

1.2 系統功能設計

系統采用B/S架構，通過Web瀏覽器進行訪問，不受客戶端環境限制與約束（圖1）。該系統整合了實時北斗車輛定位、駕駛員信息與當地實時氣象災害預警信息，首先及時高效地獲取全國范圍內實時氣象災害預警信息，并根據預警信息的發布區域建立電子圍欄；再通過交通部全國貨運平臺檢索進入該區域內的北斗車輛定位信息，向預警區域內的車輛發送當地預警短信；最后建立預警信息發布臺賬。

圖1 系統功能設計

系統分為前臺顯示系統和后臺運行系統，其中前臺顯示系統負責以地圖的形式展示全國范圍氣象災害預警區域，并顯示該區域內運行的重型貨車數量，可選擇是否顯示實況數據；后臺運行系統主要負責預警信息獲取、電子圍欄建立、車輛位置信息獲取、車輛與電子圍欄區域的信息匹配、預警短信檢索發布、格點實況氣象要素獲取、行車指數產品生成和發布、預警信息發布臺賬建立、短信設置以及黑名單設置等。系統主要包括車輛信息采集模塊、格點實況服務模塊、預報預警服務模塊和后臺管理模塊。系統利用北斗衛星定位系統實時采集車輛位置、航向、車速、車主和駕駛員等信息；再通過車輛位置和航向判斷所屬位置和區域，判斷車輛駛入的區域，并以該區域建立電子圍欄；最后通過格點實況服務模塊和預報預警服務模塊向觸發電子圍欄的車輛司機和車主發送短信和聲音提醒。

1.2.1 車輛信息采集模塊

貨運車輛均安裝了北斗衛星定位系統。首先通過全國貨運平臺實時獲取車輛位置、車速、車主以及駕駛員等信息；再將車輛的位置、航向、車速和駕駛員信息與預警、實況信息在統一的GIS地圖上進行疊加顯示和匹配計算，可直觀查詢進入某一預警信號和天氣實況的車輛詳情。

1.2.2 格點實況服務模塊

系統調用國家氣象信息中心基于“天擎”開發的基于位置的天氣實況服務接口API，根據車輛所在位置經緯度信息，利用WebGIS融合顯示5 km分辨率實況氣象要素智能網格產品，包括氣溫、降水、相對濕度、風速、風向、天氣現象等，可供駕駛員實時查看任意位置天氣實況。系統后臺可對數據進行加工處理，生成行車氣象指數產品，支持WebGIS頁面以定點選取的方式查看，在發送預警信息時一并推送給駕駛員。

1.2.3 預報預警服務模塊

系統通過12379全國災害預警發布平臺實時獲取全國3 240個縣市災害預警信息。預報預警服務模塊按照預警等級（紅色、橙色、黃色和藍色），分類實時獲取不同的預警類型，選取臺風、暴雨、暴雪、寒潮、大風、沙塵暴、大霧、雷電、冰雹、高溫、道路結冰、霾、森林火災等與道路交通運輸影響密切的天氣類型，預警發布區域精確到縣一級，在GIS地圖顯示時可根據實際使用情況篩選。

為實現記錄已發送信息、檢驗發送結果、查詢用途等功能，系統設計了預警信息記錄查詢功能，可查詢預警標題、預警等級、預警發布內容、預警發布地區、預警發送數量、預警類型、預警發布時間以及接收到該預警的車牌號和手機號碼等。系統可顯示發送通知記錄浮動層，記錄發送短信接收的車牌號和手機號碼。系統以紅色、橙色、黃色、藍色等不同顏色區分當前發布預警信息的行政地理邊界，建立電子圍欄，并實時顯示處在預警區域內的車輛數量，同時設有隱藏車輛數量功能。

1.2.4 后臺管理模塊

系統通過后臺管理模塊建立發布臺賬，管理車輛牌照、所在地區、車主、司機接收短信的手機號碼、預警信息模板、北斗終端信息，查看發布數量、是否到達和發布時間等，能通過車輛和預警信息發送地查詢歷史發送信息。

2 關鍵技術

系統采用技術成熟穩定又能保持先進性的JavaEE；采用B/S架構，能集中部署分布使用，有利于升級維護；采用MVC的開發模式，并參考SOA體系架構進行功能設計，能快速擴展業務功能，且不會影響現有系統功能的正常使用，可根據實際業務量進行部分功能擴容，在滿足系統運行要求的同時實現成本最小化；采用分布式部署，系統功能隔離運行，以保障整體運行的穩定性。系統架構如圖2所示。

圖2 系統架構圖

2.1 電子圍欄

現有的交通氣象服務系統多為人工發布預警、預報產品，但長途貨運車輛行駛跨省市的情況較頻繁，各地的天氣狀況和預報預警情況差異較大。為了讓車輛駕駛員第一時間獲取天氣預警信息，掌握途徑地的天氣實況，本文利用WebGIS技術，以行政區域邊界為界限，在Web端建立了電子圍欄范圍；再與車輛的北斗衛星定位系統數據進行匹配計算，實時判斷車輛當前的經緯度是否在電子圍欄范圍內，若進入電子圍欄，則觸發氣象預警信息發布機制，車輛安裝的北斗通信終端揚聲器將標準語音寫到語音芯片中，根據不同預警內容進行語音提示，無需駕駛員查看手機，同時后臺存儲預警信息發布時間、內容和是否送達記錄。

2.2 行車氣象指數

行車氣象指數反映了天氣狀況對道路交通的影響[11-14]，是采用數學統計方法，對能見度、降雪量、路面狀況、小時降雨強度、平均風速、路表溫度等6種氣象要素進行綜合評定而得出的量化預測指標。行車氣象指數的計算公式為：

式中，A1為能見度因子；A2為降雪量因子；A3為路面狀況因子；A4為小時降雨強度因子；A5為平均風速因子；A6為路表溫度因子。

行車氣象指數取值規則如表1所示。為了滿足道路交通氣象服務的精細化要求，數據來源于中國區域5 km分辨率智能網格實況分析產品，以車輛所在位置周圍4個格點的要素值為輸入值，采用雙線性插值方法得到該點要素值，經后臺處理產生行車氣象指數，發送給駕駛員終端。行車氣象指數判別如表2所示。

表1 行車氣象指數影響因子取值規則

表2 行車氣象指數判別表

3 業務應用

系統已于2020年7月開始業務化運行，通過陸續攻克大數據車輛位置信息解析、反演運算速度、防止重復檢索發布等技術難點，建立了電子圍欄，能與車輛位置平臺運營服務商實時交換車輛位置信息；利用高性能服務器將車輛位置信息與預警區域電子圍欄信息進行匹配融合，向全國的物流車輛提供以縣為單位的實時災害性天氣預警信號、天氣實況和行車指數等服務產品信息。通過用戶滿意度調查可知，近九成用戶對產品發布的及時性和可用性感到滿意。

圖3 預警信息分布界面圖（審圖號：GS(2019)1719）

4 結語

本文立足于“交通+氣象”的模式，通過對國內外道路交通氣象服務的充分調研，設計并開發了道路交通氣象服務系統。

1）天氣實況數據采用格點天氣實況數據，采用雙線性插值法和最鄰近插值法進行氣象要素的處理。預警信息來源于國家突發事件預警信息發布網，支持用戶獲取任意位置的天氣實況、預警信息和行車指數，有助于采取措施規避風險。

2）結合道路交通運輸和駕駛員實際需求，利用WebGIS以縣域為界限建立電子圍欄，為進入電子圍欄界限內的車輛實時發布道路交通氣象服務信息，突破了區域限制，適用于各種等級的公路，服務信息直達駕駛員。

3）系統實現了道路交通氣象預警信息的自動生成和發布，直接面向駕駛員，無需業務人員操作，效率更高、實時性更強。

系統對于用戶的個性化需求、定制服務等方面支持不足；電子圍欄以縣級行政單位為界限，在用戶行為的預判、預警信息發送的提前量上有待提高。今后將不斷優化系統性能，細化服務產品，針對用戶個性化需求定制發布信息，在預警信息發布的提前量上開展研究，不斷提高業務應用水平。