交通自動氣象站安裝基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計

呂雪芹，黃宏智

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

近10多年來，為適應(yīng)日新月異的經(jīng)濟形勢，提高公路運輸能力，我國高速公路發(fā)展迅速，到2020年我國公路交通總里程達500萬km，其中高速公路里程15萬km。隨著公路交通里程和交通車流量的快速增長，交通安全綜合風(fēng)險明顯上升，氣象災(zāi)害風(fēng)險特別是濃霧（團霧）、雨雪冰凍和特大強降雨等惡劣天氣頻發(fā)，對公路交通安全和通行效率的影響非常嚴重。據(jù)交通管理部門統(tǒng)計，交通事故中有近30%是在惡劣天氣條件下發(fā)生的，對公眾的生命財產(chǎn)安全和交通運輸行業(yè)造成巨大損失［1-4］。

為應(yīng)對氣象災(zāi)害對公路交通安全的影響以及交通部門有效提高對惡劣天氣預(yù)警處置能力，全國許多省市大力推進高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，為交通部門提供準確、實時的專業(yè)氣象服務(wù)，有效化解道路交通安全風(fēng)險。馮民學(xué)［5］針對我國高速公路交通安全管理的實際需要和ITS（智能交通系統(tǒng)）技術(shù)需求，研究嚴重影響交通的低能見度濃霧監(jiān)測與預(yù)警的技術(shù)方法；康延臻等［6］分析了幾類惡劣天氣對交通運輸安全的影響與機理，探討了中國特色高速公路交通氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容、特點及趨勢；王志等［7］研究了我國公路交通氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)體系，展望了未來公路交通氣象服務(wù)的發(fā)展方向；豐德恩等［8］、劉超等［9］、石偉偉等［10］根據(jù)中國高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警業(yè)務(wù)需求研究開發(fā)了相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)；李迅等［11］分析了交通氣象監(jiān)測設(shè)備在高速公路上的宏觀適用性；劉暢等［12］、張金滿等［13］、胡功宏等［14］、白永清等［15］研究了高速公路交通事故與氣象條件的關(guān)系。以上研究主要從各個角度分析了氣象災(zāi)害對高速公路交通的影響，但是目前各地高速公路交通氣象監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)并不完善，建設(shè)水平存在較大差異。站點的布局、設(shè)備配置和建設(shè)標準等各異。本研究以廣東省交通自動氣象站建設(shè)為例，重點從選址、施工風(fēng)險、建設(shè)難度等方面進行深入分析，以規(guī)范性、實用性、可操作性和便捷性為綜合考量，創(chuàng)新性設(shè)計交通氣象站的一體化安裝結(jié)構(gòu)件，實現(xiàn)全省交通氣象站的統(tǒng)一布局、統(tǒng)一式樣和統(tǒng)一標準。

1 交通自動氣象站建設(shè)環(huán)境條件

常規(guī)氣象觀測站通常布設(shè)在開闊、平坦的區(qū)域內(nèi)，按照有關(guān)建設(shè)規(guī)范要求，主要考慮站點密度、氣候的代表性、周邊探測環(huán)境中的障礙物和交通便利性等因素選擇合理的布站方式、布站地點和布站間距，站點的觀測場通常為4 m×8 m或者10 m×10 m，溫濕度傳感器放置在距離地面1.5 m的通風(fēng)防輻射罩內(nèi)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝于10 m風(fēng)塔上，雨量傳感器放置于地面基座上。一旦選定好站點位置，氣象部門可以自由建設(shè)，施工過程通常不會受到其他管理部門限制或者需要審批，后續(xù)的維護維修都是自由可控的。

為了有效監(jiān)測公路氣象災(zāi)害天氣過程，交通氣象觀測站建設(shè)原則上布設(shè)在高速公路邊距離外側(cè)邊緣3～15 m的位置，既要考慮高速公路惡劣天氣影響路段、氣象災(zāi)害隱患點的位置、風(fēng)險等級等因素，又要考慮地形、地貌、施工難度、后期維護便利性等。廣東省地貌地勢北高南低，地形復(fù)雜，以山地和丘陵為主，山區(qū)路段的高速公路兩側(cè)地形一般都比較險峻，給交通氣象觀測站的建設(shè)帶來了很大困難，主要在幾個方面：（1）多數(shù)高速公路依山而建，公路護欄與山體之間的距離通常不到5 m，除去排水溝，能用于建設(shè)的范圍較很小，無法按照自動站建設(shè)規(guī)范要求建設(shè)標準觀測場地，如果使用鉤機開山挖掘擴大場地則建設(shè)成本和難度太高。（2）高速公路邊施工風(fēng)險大，必須按照交警部門的要求圍蔽部分路段，同時不能對交通通行造成大的影響，又要求高度安全，時效要高。又因為高速路邊不方便使用吊車，因此自動站的基礎(chǔ)和安裝結(jié)構(gòu)部件必須輕便簡潔適合現(xiàn)場人工拼裝。（3）南方地處熱帶多雨地區(qū)，植物生長速度快，如將雨量和溫濕度傳感器安裝在地面上，容易被草長高覆蓋，雨量也容易受到路面非自然降水噴濺而影響測量準確性。（4）按照地面觀測規(guī)范，風(fēng)傳感器應(yīng)安裝在10 m標準風(fēng)塔上，但是高速公路旁10 m風(fēng)塔的建設(shè)難度大，安裝和后期維護保障攀爬風(fēng)險系數(shù)高。（5）高速公路部門倡導(dǎo)路邊設(shè)施與自然景觀的高度融合，因此自動站的造型和布局必須美觀。（6）高速公路邊施工需要交警、路政部門的審批，審批流程復(fù)雜，周期長，需要各部門共同推進?；谝陨辖ㄔO(shè)中的實際困難，要求交通自動站的安裝基礎(chǔ)架構(gòu)必須高度集成、一體化、易維護等，以降低施工難度與建設(shè)維護成本。

2 一體化基礎(chǔ)部件設(shè)計

為了適應(yīng)高速公路兩旁安裝自動氣象站的特殊要求，在基本滿足自動氣象站建設(shè)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，一體化設(shè)計重點強化基礎(chǔ)部件主體的輕便而穩(wěn)固，既方便設(shè)備安裝又造型美觀。建設(shè)過程中不需要大型施工設(shè)備如勾機和吊車等，只需3～4人即可完成現(xiàn)場施工。

2.1 一體化可升降鐵塔設(shè)計

交通氣象站安裝基礎(chǔ)重要組成部分是風(fēng)塔，高度6 m或者10 m。以往固定式單一功能的鐵塔不太適用于公路兩旁安裝，因此設(shè)計者創(chuàng)新設(shè)計弧形可升降的一體化氣象鐵塔。在設(shè)計時重點考慮如下幾點：（1）風(fēng)塔整體穩(wěn)固性及安全受力問題。（2）風(fēng)桿穩(wěn)固、靈活可控、自由升降、風(fēng)傳感器安裝簡便且定位準確。（3）綜合集成平臺布局合理，集成安裝自動站的主采集系統(tǒng)、傳感器、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等所有設(shè)備，空間上還需滿足至少兩人同時操作的空間，圍護設(shè)施確保平臺上人員的安全。（4）南方沿海地區(qū)常年高溫、高濕、高鹽霧，為了防止腐蝕生銹，風(fēng)塔選材上為熱鍍鋅鋼管，焊接處打磨光滑再整體充分焗漆，提高耐腐蝕能力。（5）風(fēng)塔整體結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，方便運輸、拆卸，便于人工架設(shè)安裝。（6）結(jié)構(gòu)美觀大方，作為公路上一個藝術(shù)品。

一體化可升降鐵塔結(jié)構(gòu)分為3部分，其中底部為塔身部分、中間為平臺部分、上部為風(fēng)桿部分。

1）塔身主體結(jié)構(gòu)。

塔身主體設(shè)計高度為3 m，如圖1所示，主體造型是4個角的弧形塔，有“小蠻腰”之動感，弧形展現(xiàn)了線條流暢，美學(xué)元素十足。塔身的側(cè)面采取3層的橫拉和斜拉結(jié)構(gòu)，確保力學(xué)結(jié)構(gòu)堅固。高速公路幾十噸上百噸集裝箱大貨車經(jīng)過，往往會引起路邊強烈震動，長期震動可能引起鐵塔緊固件松動脫落，所以充分考慮緊固性因素，鐵塔4個柱子采用Φ70 mm熱鍍鋅鋼管確保鐵塔的剛性，設(shè)計塔底的跨度為2 m×2 m大小，塔腳使用圓形法蘭盤與地面緊固，每個法蘭盤使用4個16 cm長度的拉爆螺絲，整體16個拉爆螺絲可承受超過32 t拉力?？紤]可能受臺風(fēng)影響，采取整體通透結(jié)構(gòu)設(shè)計，沒有較大面積受風(fēng)面，可確保風(fēng)塔穩(wěn)固安全。

圖1 塔身主體設(shè)計圖

2）綜合集成平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。

塔中間部分為綜合集成平臺，大小為1.3 m×1.3 m，正面一側(cè)兩個角為直角，后面一側(cè)為135°角的多邊形，平臺圍欄高度為80 cm，采用網(wǎng)狀通透結(jié)構(gòu)，正面一側(cè)中間開了一個小口作為人員上下通道口，在平臺的中心位置開一個圓孔用于安裝風(fēng)桿，如圖2所示的圍欄立面結(jié)構(gòu)，考慮懸掛部分附屬儀器部件的便利，設(shè)計成水平和垂直網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時減少風(fēng)阻，減少金屬材料吸收太陽輻射造成周邊溫度顯著升高的影響。平臺上設(shè)置了溫濕度防輻射罩、雨量傳感器、主機箱、電池箱、太陽能板、能見度傳感器等安裝支架，布局的原則遵循地面觀測規(guī)范，構(gòu)建出一個微型觀測場，盡可能避免探測要素受高速公路車輛通行和底部環(huán)境的影響，同時也確保人員在平臺上作業(yè)安全。

圖2 綜合集成平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3）可升降式風(fēng)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計。

結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，上面部分是3.5 m高度的風(fēng)桿，平臺上面3 m，下面0.5 m，風(fēng)桿安裝在平臺中心位置的緊固套管上，為了加強風(fēng)桿的穩(wěn)固強度，設(shè)計的巧妙之處是加長套管長度，套管設(shè)計成上套管和下套管，通過法蘭盤與平臺螺紋鋼板上下緊固在一起，平臺螺紋鋼板底部焊接前后左右四根加強方管增強整體剛性，大大減少風(fēng)桿的搖擺幅度。風(fēng)桿通過這個套管組合可以上下移動，當提升到預(yù)定高度的時候，套管底端通過穿插一根螺栓把風(fēng)桿支撐住，套管三側(cè)通過螺絲把風(fēng)桿緊固起來。為了增加安全措施，防止3.5 m風(fēng)桿突然下落砸到人，在風(fēng)桿1和2 m長的位置分別設(shè)置2個螺栓安全卡位，放下來的時候被限制到一段一段的位置，主要用于風(fēng)桿上下移動時，避免風(fēng)桿及頂部傳感器太重瞬間下滑砸傷工作人員。風(fēng)桿的頂部焊接一個法蘭盤與風(fēng)傳感器支架法蘭盤連接。雷針的接閃器通過雙抱箍和風(fēng)桿固定在一起，兩個抱箍之間通過絕緣橡膠進行絕緣，接閃器通過引下線引到地面的防雷地網(wǎng)，形成獨立的防雷設(shè)施裝置。

2.2 標識牌警示牌設(shè)計

交通自動氣象站基礎(chǔ)架構(gòu)一體化設(shè)計不僅充分考慮技術(shù)性能，還設(shè)計了統(tǒng)一的LOGO和警示標志。以廣東省氣象局的官方LOGO“粵天氣”圖形為主標識，配置“廣東氣象”行體字樣，盡顯大氣與風(fēng)范。如圖3所示，運用激光刻蝕加上絲印技術(shù)加工而成。

圖3 交通氣象站LOGO、警示牌設(shè)計

考慮交通自動氣象站安裝在野外，為防止人為破壞，依據(jù)國標規(guī)范要求，按照合適的比例大小設(shè)計了統(tǒng)一的交通氣象觀測站的警示標志。警示牌根據(jù)實際情況可以安裝在觀測場圍欄上，也可以獨立安裝在水泥基座上。

2.3 模擬護欄、模擬瀝青路面的設(shè)計

高速公路護欄溫度和路面溫度對于道路結(jié)冰、路面高溫等預(yù)測預(yù)警發(fā)揮重要作用，常規(guī)的傳感器的布設(shè)是采用接觸式直接將傳感器安裝在高速路護欄和路面進行探測。但有些觀測站點遠離高速公路護欄或者不適宜直接安裝在護欄上，則采用模擬護欄和模擬瀝青路面的方式。為了保證觀測的代表性，模擬護欄采用真實的護欄材料，依照高速公路的做法，護欄長度1.5 m，高度0.8 m，溫度傳感器安裝在護欄波面的內(nèi)測，防止太陽輻射影響。模擬瀝青路面采用高速公路公司配制的瀝青混凝土制作而成，長×寬為40 cm×40 cm，高出地面5 cm，瀝青面挖一條小槽，溫度傳感器嵌入小槽里，與平面齊平（圖4）。

圖4 模擬護欄和模擬路面實物圖

3 實際應(yīng)用

基于一體化可升降鐵塔的交通氣象觀測站目前已經(jīng)應(yīng)用于廣東省交通站監(jiān)測網(wǎng)，全省已經(jīng)安裝了30多個站。該設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，符合觀測規(guī)范要求，主體基礎(chǔ)架構(gòu)穩(wěn)固安全，方便施工，降低施工風(fēng)險，有效縮短了施工工期，節(jié)約了施工成本，取得了較好的業(yè)務(wù)效益和經(jīng)濟效益。美觀大氣的造型，猶如公路兩旁的守護神，公路交通的藝術(shù)品，全新打造了廣東氣象的新形象。圖5為已建的交通氣象站實景圖。

圖5 交通自動氣象站實景圖

廣東省交通自動氣象站的設(shè)計和建設(shè)，遵循地面氣象觀測有關(guān)規(guī)范，結(jié)合高速公路地理環(huán)境的特殊條件和實際安裝建設(shè)的特殊要求，在保證觀測代表性準確性的前提下，高度融合了架構(gòu)穩(wěn)固、結(jié)構(gòu)美觀大方、安裝方便等多個關(guān)鍵元素，設(shè)計成功一體化可升降的氣象鐵塔，已經(jīng)在珠三角和粵東西北各市縣陸續(xù)推廣應(yīng)用。從實際應(yīng)用效果來看，設(shè)計的一體化氣象鐵塔的技術(shù)性能和藝術(shù)性得到了充分的體現(xiàn)。本設(shè)計成果預(yù)期將成為全國交通自動氣象站建設(shè)范例，具有實用價值和借鑒意義。