基于移動(dòng)監(jiān)測的冬季路面溫度數(shù)據(jù)處理

湯筠筠， 李長城， 廖文洲， 張表志

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)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(jié)冰會(huì)大大降低路面抗滑性能，造成行車條件惡化，極易導(dǎo)致車輛側(cè)滑、制動(dòng)距離延長和失控，從而引發(fā)交通事故和道路阻斷，給高速公路交通安全運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn).

路面結(jié)冰主要是因?yàn)槁访娴蜏兀?dāng)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(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象.隨著道路氣象信息系統(tǒng)(RWIS)理念在中國的不斷深入，越來越多的高速公路建設(shè)了固定式交通氣象監(jiān)測站，可以有效監(jiān)測路面溫度.但是高速公路沿線低密度、分散建設(shè)的固定式交通氣象監(jiān)測站僅能對(duì)其所在位置的路面溫度進(jìn)行監(jiān)測，還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路長距離路段進(jìn)行全覆蓋式監(jiān)測.目前美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家都研發(fā)了用于車載的移動(dòng)氣象站，可以移動(dòng)采集氣象參數(shù)，特別是芬蘭Vaisala公司，研發(fā)了一系列移動(dòng)氣象信息系統(tǒng)，可以移動(dòng)監(jiān)測路面溫度數(shù)據(jù).但是這些傳感器僅能實(shí)現(xiàn)路面溫度的連續(xù)采集和展示，并不能將所有采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一時(shí)刻進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，無法實(shí)現(xiàn)由有限的監(jiān)測站點(diǎn)拓展到高速公路全路段的路面溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測[1-9].

因此，為了實(shí)現(xiàn)高速公路長距離精細(xì)化的連續(xù)路面溫度監(jiān)測，應(yīng)用移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，針對(duì)高速公路沿線固定式交通氣象監(jiān)測站所在路段采集的路面溫度數(shù)據(jù)，研究不同天氣條件下高速公路路面溫度隨時(shí)間和空間變化的數(shù)據(jù)處理方法，分析移動(dòng)監(jiān)測路段中不同位置與固定監(jiān)測站點(diǎn)的相對(duì)路面溫度差異，推算得到同一時(shí)刻路段上其他位置的路面溫度.成果對(duì)于交通管理決策者在冬季實(shí)時(shí)監(jiān)測長距離路段的路面溫度，辨識(shí)路面低溫或易于結(jié)冰區(qū)域，提前采取有針對(duì)性的冬季養(yǎng)護(hù)管理決策或措施都有重要意義.

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 數(shù)據(jù)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(duì)于道路固定點(diǎn)而言，除天氣條件外，其他因素是不變的，屬于系統(tǒng)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(tǒng)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(fēng).夜晚地面向天空中輻射的熱量達(dá)到最大值，地面溫度會(huì)下降較低.路面溫度最低的地方易出現(xiàn)在地勢低洼地帶，而最高的地方一般出現(xiàn)在海拔相對(duì)較高的地點(diǎn).溫度變化幅度可達(dá)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(qiáng)度以上的風(fēng)，云層會(huì)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(xiàn)在低地，最低氣溫出現(xiàn)在海拔稍高的地區(qū).溫度變化的幅度一般不會(huì)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(fēng))或有微風(fēng)(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(guī)律不同，因此路面溫度數(shù)據(jù)采集需要在不同的天氣條件下進(jìn)行，以獲得各種路面溫度的變化模式.

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

所使用的數(shù)據(jù)來自沈陽三環(huán)繞城高速公路，應(yīng)用移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，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(jìn)行了6次路面溫度數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場采集如圖1.在數(shù)據(jù)采集過程中，車輛以70～80 km·h-1的速度在外側(cè)車道行駛.

圖1 移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

考慮到沈陽三環(huán)繞城高速公路全長僅為81.9 km，因此在規(guī)劃數(shù)據(jù)采集單元時(shí)，將其劃分為3個(gè)路段單元，如表1.將第3個(gè)路段單元設(shè)置為重復(fù)路段(K58—K61)，以便對(duì)路段單元之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接整合修正.

表1 路段單元?jiǎng)澐?/p>

2 數(shù)據(jù)處理

為了實(shí)現(xiàn)不同路段單元路面溫度數(shù)據(jù)的有效拼接，得到整條高速公路相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的路面溫度差異分布圖，以沈陽三環(huán)繞城高速公路2014年12月29日采集的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析說明，將采集到的每項(xiàng)原始數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則和步驟進(jìn)行空間維和時(shí)間維的處理和修正.路面溫度數(shù)據(jù)處理流程圖見圖2.

2.1 路面溫度原始數(shù)據(jù)

以路段單元1(K58—K81.9)為例，移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)信息包括：日期時(shí)間、車速、路面溫度和實(shí)時(shí)記錄的樁號(hào)，如表2.可見，數(shù)據(jù)采集間隔為每秒5次，但是樁號(hào)信息僅在整公里樁號(hào)時(shí)通過人工打點(diǎn)進(jìn)行輸入，并未與每條數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng).而且數(shù)據(jù)采集從開始到結(jié)束持續(xù)了20多分鐘，道路和氣象環(huán)境已經(jīng)發(fā)生變化，因此需要將路面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間和時(shí)間上的處理，使所有數(shù)據(jù)與樁號(hào)一一對(duì)應(yīng)，并調(diào)整到同一時(shí)刻，才能使路段中各點(diǎn)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(shù)據(jù)從起點(diǎn)到終點(diǎn)移動(dòng)采集的過程中，通過數(shù)據(jù)采集獲得的距離增量S應(yīng)與實(shí)際里程樁號(hào)的距離增量S′一致，但由于高速公路里程樁號(hào)的設(shè)置會(huì)根據(jù)道路的實(shí)際情況做相應(yīng)調(diào)整，對(duì)于具體的路段采集單元而言，通常S和S′會(huì)有差別.為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)一，對(duì)空間上采集的路面溫度進(jìn)行修正，以便能夠與高速公路里程樁號(hào)對(duì)應(yīng).

圖2 路面溫度數(shù)據(jù)處理流程

日期時(shí)間車速/(km·h-1)路面溫度/℃樁號(hào)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(shí)刻采集的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各條采集記錄計(jì)算結(jié)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(jié)果

2.2.2路面溫度與樁號(hào)匹配

表4 路面溫度與樁號(hào)匹配關(guān)系

2.3 路面溫度時(shí)間修正方法

通常1 s時(shí)間內(nèi)車輛行駛約20 m，即采集相鄰20 m間距2個(gè)點(diǎn)的路面溫度值，可以視為同一時(shí)刻采集.但隨著時(shí)間的推移，移動(dòng)采集的路面溫度在時(shí)刻變化，為了減小天氣及地形變化對(duì)路面溫度帶來的影響，使相同天氣條件下不同時(shí)間采集的路面溫度數(shù)據(jù)能夠整合，需要對(duì)路面溫度進(jìn)行時(shí)間修正，調(diào)整到“同一時(shí)刻”，這樣不同點(diǎn)的路面溫度才具有可比性，路面溫度相對(duì)值才具有實(shí)際意義.

2.3.1建立路面溫度時(shí)變函數(shù)

圖3為沈陽三環(huán)繞城高速公路東陵交通氣象站冬季隨機(jī)1天的路面溫度隨時(shí)間變化曲線圖.可見，在同一天氣條件下，路段單元內(nèi)路面溫度變化在時(shí)間上是同步的，路面溫度在0至7點(diǎn)的時(shí)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(shí)間為自變量，繪制路面溫度時(shí)變圖，如圖4.圖中Tol1為開始采集時(shí)重疊路段路面溫度均值，℃；Tol2為采集結(jié)束時(shí)采集的重疊路段路面溫度均值，℃；ΔTp為路段上任意p點(diǎn)路面溫度隨時(shí)間變化的調(diào)整量，℃；ts為路段起點(diǎn)開始采集時(shí)間，s；te為路段采集完成再次回到起點(diǎn)開始重疊路段采集時(shí)間，s；tp為路段上任一數(shù)據(jù)采集點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的時(shí)間，s.

圖4 路面溫度隨時(shí)間變化示意

2.3.2各點(diǎn)路面溫度修正

(4)

(5)

基于路面溫度時(shí)間修正方法，以沈陽三環(huán)繞城高速公路路面溫度數(shù)據(jù)為例.首先，計(jì)算重疊路段(即路段單元3，K58—K61)采集開始和結(jié)束時(shí)的路面溫度均值，得Tol1=-8.53 ℃，Tol2=-10.04 ℃.

其次，計(jì)算路段上任意位置(p點(diǎn))路面溫度隨時(shí)間變化的調(diào)整量ΔTp，對(duì)路面溫度Tp進(jìn)行修正.例如表5中，東陵交通氣象監(jiān)測站在K39.6處修正后的路面溫度計(jì)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(jié)果

2.4 獲取路面相對(duì)溫度

選取數(shù)據(jù)采集路段上任意位置的路面溫度值作為參照點(diǎn)，結(jié)合路面溫度數(shù)據(jù)時(shí)空修正處理結(jié)果，推算出該路段其他位置同時(shí)刻的路面溫度值.

(6)

式中：Ta為該路段的絕對(duì)溫度參考值，即固定式交通氣象站實(shí)時(shí)采集的路面溫度值，℃.

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

3 實(shí)際天氣類型驗(yàn)證

選擇標(biāo)準(zhǔn)差SD(standard deviation)作為描述路面溫度差異程度的指標(biāo)，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(duì)6次實(shí)際采集的路面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空修正后，再統(tǒng)計(jì)分析求出路面溫度標(biāo)準(zhǔn)差，驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集時(shí)所認(rèn)定的天氣條件是否符合實(shí)際情況.表6為各次路面溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差最小.第4次和第5次天氣條件下采集的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明路面溫度數(shù)據(jù)變化最顯著.第2次和第3次天氣條件下采集的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差介于它們之間.可見，判定結(jié)果與實(shí)際天氣類型相符，也與1.1節(jié)數(shù)據(jù)采集的3種典型天氣類型劃分依據(jù)一致.

表6 天氣類型調(diào)整

4 相對(duì)路面溫度分布

高速公路相對(duì)路面溫度分布是指在特定的天氣條件下，同一路段某個(gè)時(shí)間點(diǎn)沿道路走向的不同路面溫度樣本點(diǎn)相對(duì)于某一特定點(diǎn)的路面溫度差異的分布.

高速公路上不同點(diǎn)段具有相對(duì)穩(wěn)定的路面溫度變化趨勢，區(qū)別主要體現(xiàn)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(dòng)幅度的大小與極端、中間、抑制等不同的天氣特征有關(guān).

根據(jù)路面溫度時(shí)空修正處理方法，形成了3種不同天氣條件下沈陽三環(huán)高速公路的相對(duì)路面溫度分布圖，可以展現(xiàn)全路段相對(duì)路面溫度高低值的變化情況，易于辨識(shí)路段中路面低溫或易于結(jié)冰的區(qū)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(diǎn)路面溫度與東陵固定交通氣象站(K39.6)的相對(duì)路面溫度分布.圖中，橫坐標(biāo)表示路段樁號(hào)，縱坐標(biāo)表示路段各點(diǎn)路面溫度與參考點(diǎn)K39.6的路面溫度相對(duì)值.可見，參考點(diǎn)K39.6的相對(duì)路面溫度為0 ℃，路段K56—K60路面溫度相對(duì)其他位置較低，為路面低溫區(qū)域，易發(fā)路面結(jié)冰現(xiàn)象.通過實(shí)際調(diào)研，該路段高架橋涵多，秋冬季路面積雪結(jié)冰情況時(shí)有發(fā)生，且臨河、跨河，由渾河橫穿，易出現(xiàn)局地性低能見度的大霧，在夜間氣溫較低時(shí)，易凝結(jié)成冰霜，與分析結(jié)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(diǎn)相對(duì)路面溫度差異最為明顯.因?yàn)樵谠摲N天氣條件下，路面溫度變化相對(duì)穩(wěn)定，晝夜路面溫差較大，尤其在凌晨時(shí)間段，同一點(diǎn)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(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析

以東陵交通氣象監(jiān)測站(K39.6)為固定站，選取路段區(qū)域附近13個(gè)實(shí)測點(diǎn)作為移動(dòng)參考點(diǎn).對(duì)移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性.

以2015年2月17日5點(diǎn)49分?jǐn)?shù)據(jù)為例，依據(jù)當(dāng)天判斷的極端天氣類型結(jié)果，應(yīng)用極端天氣條件下的相對(duì)路面溫度分布進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，根據(jù)固定站實(shí)測的路面溫度數(shù)據(jù)推算得到13個(gè)移動(dòng)實(shí)測點(diǎn)的路面溫度數(shù)據(jù)，并與其在同一時(shí)刻的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.路面溫度對(duì)比結(jié)果見表7，路面溫度效果對(duì)比見圖6.

表7 路面溫度結(jié)果對(duì)比

圖6 路面溫度效果對(duì)比

由上述分析可知，13個(gè)實(shí)測點(diǎn)的路面溫度允許絕對(duì)誤差在±0.5 °C、±1.0 °C范圍內(nèi)，該方法推算路面溫度準(zhǔn)確率分別達(dá)到69.23%、92.31%，符合期望值.

6 結(jié)語

(1)以沈陽三環(huán)繞城高速公路(G1501)為實(shí)驗(yàn)路段，基于移動(dòng)式交通氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)路面結(jié)冰的關(guān)鍵參數(shù)——路面溫度進(jìn)行了移動(dòng)采集.

(2)提出了高速公路路段20 m精度范圍內(nèi)路面溫度數(shù)據(jù)的時(shí)空修正處理方法，使整個(gè)路段采集的路面溫度數(shù)據(jù)能統(tǒng)一到同一時(shí)刻，并與樁號(hào)一一對(duì)應(yīng).

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