道路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

施海瑞，徐 爽*，劉立輝，趙奕安，郝巨飛，幺倫韜

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

交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)發(fā)揮了重要作用。道路交通運(yùn)輸具有靈活機(jī)動(dòng)、適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)“門(mén)到門(mén)”直達(dá)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中具有重要作用；隨之而來(lái)的道路交通安全問(wèn)題，已引起全社會(huì)的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，死于汽車(chē)交通事故的人數(shù)急劇增加，年均達(dá)到50多萬(wàn)人，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)全球生產(chǎn)總值的1%～2%；僅2016年全國(guó)共發(fā)生貨車(chē)責(zé)任道路交通事故5.04萬(wàn)起，造成2.5萬(wàn)人死亡、4.68萬(wàn)人受傷，其中環(huán)境因素是交通事故發(fā)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(jīng)濟(jì)損失發(fā)生在惡劣天氣環(huán)境下。因此，通過(guò)開(kāi)展道路交通氣象服務(wù)來(lái)減少或避免惡劣氣象條件對(duì)交通運(yùn)輸帶來(lái)的不良影響，減少道路交通安全事故的發(fā)生，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)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(zāi)害乃至駕駛員的心理都會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)道路交通氣象服務(wù)開(kāi)展了大量研究，取得了重要成果，如曾穎婷[1]等通過(guò)研究高速公路交通氣象觀(guān)測(cè)網(wǎng)組網(wǎng)原則和站點(diǎn)選擇規(guī)則，建成了交通氣象觀(guān)測(cè)網(wǎng)，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于WebGIS技術(shù)的以精細(xì)化預(yù)報(bào)為核心的交通氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)；康延臻[2]等的研究結(jié)果表明，以霧為主的低能見(jiàn)度、道路積雪結(jié)冰、強(qiáng)降水等是影響高速公路安全運(yùn)行的主要?dú)庀笠蛩?；翟雅靜[3]等通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外交通氣象服務(wù)現(xiàn)狀，對(duì)比分析了我國(guó)交通氣象服務(wù)存在的短板，并就如何提高交通氣象服務(wù)給出了建議；袁成松[4]等針對(duì)省級(jí)交通氣象業(yè)務(wù)化需求，實(shí)現(xiàn)了省級(jí)或區(qū)域級(jí)的交通氣象信息共享，對(duì)全面推進(jìn)和引導(dǎo)全國(guó)公路交通氣象[5]的發(fā)展起到了積極作用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，打破了交通氣象服務(wù)省級(jí)或區(qū)域級(jí)的限制，利用電子圍欄設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于WebGIS技術(shù)[6-7]的道路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)，可在WebGIS平臺(tái)上可視化展示全國(guó)的格點(diǎn)實(shí)況信息和氣象預(yù)警信息[8-10]，實(shí)時(shí)分析行車(chē)指數(shù)產(chǎn)品，并將最終的服務(wù)產(chǎn)品直接發(fā)送至駕駛員手機(jī)和北斗終端，幫助駕駛員第一時(shí)間采取措施防范事故和損失。

1 系統(tǒng)功能

1.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以駕駛員需求為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)氣象部門(mén)和交通部門(mén)的統(tǒng)計(jì)和研究，確定與道路交通影響關(guān)系密切的天氣類(lèi)型，采集格點(diǎn)實(shí)況氣象要素和天氣預(yù)警信息，通過(guò)系統(tǒng)加工處理生成包含行車(chē)氣象指數(shù)、所處區(qū)域預(yù)警信息和高影響天氣的服務(wù)產(chǎn)品，并通過(guò)北斗傳輸終端和手機(jī)短信的方式實(shí)時(shí)自動(dòng)傳送至駕駛員手機(jī)端，使其提前掌握前方天氣實(shí)況和預(yù)警信息，采取措施規(guī)避災(zāi)害性天氣對(duì)貨物和行車(chē)帶來(lái)的危害。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，通過(guò)Web瀏覽器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，不受客戶(hù)端環(huán)境限制與約束（圖1）。該系統(tǒng)整合了實(shí)時(shí)北斗車(chē)輛定位、駕駛員信息與當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)氣象災(zāi)害預(yù)警信息，首先及時(shí)高效地獲取全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)時(shí)氣象災(zāi)害預(yù)警信息，并根據(jù)預(yù)警信息的發(fā)布區(qū)域建立電子圍欄；再通過(guò)交通部全國(guó)貨運(yùn)平臺(tái)檢索進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)的北斗車(chē)輛定位信息，向預(yù)警區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛發(fā)送當(dāng)?shù)仡A(yù)警短信；最后建立預(yù)警信息發(fā)布臺(tái)賬。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為前臺(tái)顯示系統(tǒng)和后臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)，其中前臺(tái)顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)以地圖的形式展示全國(guó)范圍氣象災(zāi)害預(yù)警區(qū)域，并顯示該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的重型貨車(chē)數(shù)量，可選擇是否顯示實(shí)況數(shù)據(jù)；后臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)預(yù)警信息獲取、電子圍欄建立、車(chē)輛位置信息獲取、車(chē)輛與電子圍欄區(qū)域的信息匹配、預(yù)警短信檢索發(fā)布、格點(diǎn)實(shí)況氣象要素獲取、行車(chē)指數(shù)產(chǎn)品生成和發(fā)布、預(yù)警信息發(fā)布臺(tái)賬建立、短信設(shè)置以及黑名單設(shè)置等。系統(tǒng)主要包括車(chē)輛信息采集模塊、格點(diǎn)實(shí)況服務(wù)模塊、預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)模塊和后臺(tái)管理模塊。系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集車(chē)輛位置、航向、車(chē)速、車(chē)主和駕駛員等信息；再通過(guò)車(chē)輛位置和航向判斷所屬位置和區(qū)域，判斷車(chē)輛駛?cè)氲膮^(qū)域，并以該區(qū)域建立電子圍欄；最后通過(guò)格點(diǎn)實(shí)況服務(wù)模塊和預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)模塊向觸發(fā)電子圍欄的車(chē)輛司機(jī)和車(chē)主發(fā)送短信和聲音提醒。

1.2.1 車(chē)輛信息采集模塊

貨運(yùn)車(chē)輛均安裝了北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。首先通過(guò)全國(guó)貨運(yùn)平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛位置、車(chē)速、車(chē)主以及駕駛員等信息；再將車(chē)輛的位置、航向、車(chē)速和駕駛員信息與預(yù)警、實(shí)況信息在統(tǒng)一的GIS地圖上進(jìn)行疊加顯示和匹配計(jì)算，可直觀(guān)查詢(xún)進(jìn)入某一預(yù)警信號(hào)和天氣實(shí)況的車(chē)輛詳情。

1.2.2 格點(diǎn)實(shí)況服務(wù)模塊

系統(tǒng)調(diào)用國(guó)家氣象信息中心基于“天擎”開(kāi)發(fā)的基于位置的天氣實(shí)況服務(wù)接口API，根據(jù)車(chē)輛所在位置經(jīng)緯度信息，利用WebGIS融合顯示5 km分辨率實(shí)況氣象要素智能網(wǎng)格產(chǎn)品，包括氣溫、降水、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、天氣現(xiàn)象等，可供駕駛員實(shí)時(shí)查看任意位置天氣實(shí)況。系統(tǒng)后臺(tái)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，生成行車(chē)氣象指數(shù)產(chǎn)品，支持WebGIS頁(yè)面以定點(diǎn)選取的方式查看，在發(fā)送預(yù)警信息時(shí)一并推送給駕駛員。

1.2.3 預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)模塊

系統(tǒng)通過(guò)12379全國(guó)災(zāi)害預(yù)警發(fā)布平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取全國(guó)3 240個(gè)縣市災(zāi)害預(yù)警信息。預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)模塊按照預(yù)警等級(jí)（紅色、橙色、黃色和藍(lán)色），分類(lèi)實(shí)時(shí)獲取不同的預(yù)警類(lèi)型，選取臺(tái)風(fēng)、暴雨、暴雪、寒潮、大風(fēng)、沙塵暴、大霧、雷電、冰雹、高溫、道路結(jié)冰、霾、森林火災(zāi)等與道路交通運(yùn)輸影響密切的天氣類(lèi)型，預(yù)警發(fā)布區(qū)域精確到縣一級(jí)，在GIS地圖顯示時(shí)可根據(jù)實(shí)際使用情況篩選。

為實(shí)現(xiàn)記錄已發(fā)送信息、檢驗(yàn)發(fā)送結(jié)果、查詢(xún)用途等功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了預(yù)警信息記錄查詢(xún)功能，可查詢(xún)預(yù)警標(biāo)題、預(yù)警等級(jí)、預(yù)警發(fā)布內(nèi)容、預(yù)警發(fā)布地區(qū)、預(yù)警發(fā)送數(shù)量、預(yù)警類(lèi)型、預(yù)警發(fā)布時(shí)間以及接收到該預(yù)警的車(chē)牌號(hào)和手機(jī)號(hào)碼等。系統(tǒng)可顯示發(fā)送通知記錄浮動(dòng)層，記錄發(fā)送短信接收的車(chē)牌號(hào)和手機(jī)號(hào)碼。系統(tǒng)以紅色、橙色、黃色、藍(lán)色等不同顏色區(qū)分當(dāng)前發(fā)布預(yù)警信息的行政地理邊界，建立電子圍欄，并實(shí)時(shí)顯示處在預(yù)警區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛數(shù)量，同時(shí)設(shè)有隱藏車(chē)輛數(shù)量功能。

1.2.4 后臺(tái)管理模塊

系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)管理模塊建立發(fā)布臺(tái)賬，管理車(chē)輛牌照、所在地區(qū)、車(chē)主、司機(jī)接收短信的手機(jī)號(hào)碼、預(yù)警信息模板、北斗終端信息，查看發(fā)布數(shù)量、是否到達(dá)和發(fā)布時(shí)間等，能通過(guò)車(chē)輛和預(yù)警信息發(fā)送地查詢(xún)歷史發(fā)送信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用技術(shù)成熟穩(wěn)定又能保持先進(jìn)性的JavaEE；采用B/S架構(gòu)，能集中部署分布使用，有利于升級(jí)維護(hù)；采用MVC的開(kāi)發(fā)模式，并參考SOA體系架構(gòu)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，能快速擴(kuò)展業(yè)務(wù)功能，且不會(huì)影響現(xiàn)有系統(tǒng)功能的正常使用，可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)量進(jìn)行部分功能擴(kuò)容，在滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本最小化；采用分布式部署，系統(tǒng)功能隔離運(yùn)行，以保障整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 電子圍欄

現(xiàn)有的交通氣象服務(wù)系統(tǒng)多為人工發(fā)布預(yù)警、預(yù)報(bào)產(chǎn)品，但長(zhǎng)途貨運(yùn)車(chē)輛行駛跨省市的情況較頻繁，各地的天氣狀況和預(yù)報(bào)預(yù)警情況差異較大。為了讓車(chē)輛駕駛員第一時(shí)間獲取天氣預(yù)警信息，掌握途徑地的天氣實(shí)況，本文利用WebGIS技術(shù)，以行政區(qū)域邊界為界限，在Web端建立了電子圍欄范圍；再與車(chē)輛的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，實(shí)時(shí)判斷車(chē)輛當(dāng)前的經(jīng)緯度是否在電子圍欄范圍內(nèi)，若進(jìn)入電子圍欄，則觸發(fā)氣象預(yù)警信息發(fā)布機(jī)制，車(chē)輛安裝的北斗通信終端揚(yáng)聲器將標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音寫(xiě)到語(yǔ)音芯片中，根據(jù)不同預(yù)警內(nèi)容進(jìn)行語(yǔ)音提示，無(wú)需駕駛員查看手機(jī)，同時(shí)后臺(tái)存儲(chǔ)預(yù)警信息發(fā)布時(shí)間、內(nèi)容和是否送達(dá)記錄。

2.2 行車(chē)氣象指數(shù)

行車(chē)氣象指數(shù)反映了天氣狀況對(duì)道路交通的影響[11-14]，是采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)能見(jiàn)度、降雪量、路面狀況、小時(shí)降雨強(qiáng)度、平均風(fēng)速、路表溫度等6種氣象要素進(jìn)行綜合評(píng)定而得出的量化預(yù)測(cè)指標(biāo)。行車(chē)氣象指數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，A1為能見(jiàn)度因子；A2為降雪量因子；A3為路面狀況因子；A4為小時(shí)降雨強(qiáng)度因子；A5為平均風(fēng)速因子；A6為路表溫度因子。

行車(chē)氣象指數(shù)取值規(guī)則如表1所示。為了滿(mǎn)足道路交通氣象服務(wù)的精細(xì)化要求，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)區(qū)域5 km分辨率智能網(wǎng)格實(shí)況分析產(chǎn)品，以車(chē)輛所在位置周?chē)?個(gè)格點(diǎn)的要素值為輸入值，采用雙線(xiàn)性插值方法得到該點(diǎn)要素值，經(jīng)后臺(tái)處理產(chǎn)生行車(chē)氣象指數(shù)，發(fā)送給駕駛員終端。行車(chē)氣象指數(shù)判別如表2所示。

表1 行車(chē)氣象指數(shù)影響因子取值規(guī)則

表2 行車(chē)氣象指數(shù)判別表

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

系統(tǒng)已于2020年7月開(kāi)始業(yè)務(wù)化運(yùn)行，通過(guò)陸續(xù)攻克大數(shù)據(jù)車(chē)輛位置信息解析、反演運(yùn)算速度、防止重復(fù)檢索發(fā)布等技術(shù)難點(diǎn)，建立了電子圍欄，能與車(chē)輛位置平臺(tái)運(yùn)營(yíng)服務(wù)商實(shí)時(shí)交換車(chē)輛位置信息；利用高性能服務(wù)器將車(chē)輛位置信息與預(yù)警區(qū)域電子圍欄信息進(jìn)行匹配融合，向全國(guó)的物流車(chē)輛提供以縣為單位的實(shí)時(shí)災(zāi)害性天氣預(yù)警信號(hào)、天氣實(shí)況和行車(chē)指數(shù)等服務(wù)產(chǎn)品信息。通過(guò)用戶(hù)滿(mǎn)意度調(diào)查可知，近九成用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品發(fā)布的及時(shí)性和可用性感到滿(mǎn)意。

圖3 預(yù)警信息分布界面圖（審圖號(hào)：GS(2019)1719）

4 結(jié)語(yǔ)

本文立足于“交通+氣象”的模式，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外道路交通氣象服務(wù)的充分調(diào)研，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了道路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)。

1）天氣實(shí)況數(shù)據(jù)采用格點(diǎn)天氣實(shí)況數(shù)據(jù)，采用雙線(xiàn)性插值法和最鄰近插值法進(jìn)行氣象要素的處理。預(yù)警信息來(lái)源于國(guó)家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布網(wǎng)，支持用戶(hù)獲取任意位置的天氣實(shí)況、預(yù)警信息和行車(chē)指數(shù)，有助于采取措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

2）結(jié)合道路交通運(yùn)輸和駕駛員實(shí)際需求，利用WebGIS以縣域?yàn)榻缦藿㈦娮訃鷻?，為進(jìn)入電子圍欄界限內(nèi)的車(chē)輛實(shí)時(shí)發(fā)布道路交通氣象服務(wù)信息，突破了區(qū)域限制，適用于各種等級(jí)的公路，服務(wù)信息直達(dá)駕駛員。

3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了道路交通氣象預(yù)警信息的自動(dòng)生成和發(fā)布，直接面向駕駛員，無(wú)需業(yè)務(wù)人員操作，效率更高、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

系統(tǒng)對(duì)于用戶(hù)的個(gè)性化需求、定制服務(wù)等方面支持不足；電子圍欄以縣級(jí)行政單位為界限，在用戶(hù)行為的預(yù)判、預(yù)警信息發(fā)送的提前量上有待提高。今后將不斷優(yōu)化系統(tǒng)性能，細(xì)化服務(wù)產(chǎn)品，針對(duì)用戶(hù)個(gè)性化需求定制發(fā)布信息，在預(yù)警信息發(fā)布的提前量上開(kāi)展研究，不斷提高業(yè)務(wù)應(yīng)用水平。