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环保气象

交通气象站RWIS路面实况监测方案

项目背景与行业痛点

道路天气信息系统RWIS(Road Weather Information System)是面向高速公路、国省干线、山区道路、桥梁、隧道出入口、城市快速路等交通场景建设的道路气象与路面实况综合监测系统。

传统气象观测主要反映一定区域范围内的大气环境状态,而道路交通安全更直接受到路面温度、路面干湿状态、积水、积雪、结冰、能见度、降水类型以及局地风场等因素影响。同一条道路不同路段因海拔、坡度、阴阳坡、桥梁结构、隧道环境和周边地形不同,实际道路气象条件可能存在明显差异。

特别是在桥梁、背阴坡、山区急弯、长大纵坡、隧道出入口、临水路段和风口等位置,道路可能比周边区域更早出现降温、结霜、积雪或结冰。单纯依据区域天气预报或空气温度,难以准确反映道路实际通行条件。

当前道路气象管理通常存在以下问题:

  • 区域天气预报空间尺度较大,难以反映具体道路桩号的微气象条件。
  • 气温不能直接代表路面温度,无法仅依据气温判断道路是否结冰。
  • 人工巡查受到时间、天气、交通条件和人员数量限制,难以全天候连续监测。
  • 薄冰、黑冰、夜间结冰等风险肉眼难以及时发现。
  • 降雪、冻雨、低能见度、大风和道路结冰等风险往往同时出现,需要多参数综合研判。
  • 道路气象、养护、交警、应急等系统之间数据相对独立。
  • 缺少连续的道路气象历史数据库,难以形成易结冰路段和高影响天气风险模型。

因此,需要建设以道路实际状态为核心的RWIS交通气象监测系统,对道路环境、路面状态及交通高影响天气进行连续在线监测,为道路养护、交通诱导、恶劣天气预警、除雪除冰和应急调度提供数据依据。

建设目标与监测目标

建设交通气象站RWIS路面实况监测系统,实现道路气象环境、路面状态和高影响天气的连续在线感知,建立从现场监测、边缘计算、网络传输、平台分析到预警应用的完整技术体系。

主要建设目标包括:

  • 实时掌握道路表面干燥、潮湿、积水、积雪、结冰等实际状态。
  • 连续监测路表温度及路表温度变化趋势。
  • 监测空气温度、湿度、气压、风速、风向等道路气象参数。
  • 监测降雨、降雪、雨夹雪等降水现象及降水强度。
  • 实时监测道路能见度变化。
  • 识别薄冰、黑冰、低温湿滑及道路结冰风险。
  • 形成道路天气风险等级和交通气象预警。
  • 建立道路气象实时地图和历史数据库。
  • 为除雪、除冰、融雪剂撒布和道路养护提供决策依据。
  • 支持与高速公路监控平台、可变情报板、交警和应急平台进行数据对接。

需求分析

道路实况监测需求

系统需要直接监测道路表面实际状态,而不是仅根据环境气象参数推测路面情况。应能够持续识别干燥、潮湿、积水、积雪和结冰等道路状态,并同步获取路表温度。

交通气象综合监测需求

除道路表面状态外,还需要同步监测影响道路交通安全的温度、湿度、气压、降水、风速、风向和能见度等参数,形成完整交通气象观测数据。

道路结冰风险监测需求

道路是否结冰不能简单采用空气温度低于0℃作为判断依据,应综合路表温度、水膜状态、降水、空气湿度、露点及道路历史状态进行联合分析。

局地微气象监测需求

桥梁、山区道路、背阴坡、隧道口、风口等位置具有明显局地气象特征,需要按照风险点位布设交通气象站,而不能完全依赖区域气象站数据。

无人值守需求

系统应支持7×24小时连续运行,具备远程状态监控、本地数据缓存、断网补传、远程参数配置和设备异常诊断能力。

系统联网需求

多个RWIS站点需要统一联网,形成高速公路或区域道路气象监测网络,实现地图化管理、风险分布分析和跨路段联动。

总体解决方案

系统采用“道路感知层、气象感知层、边缘计算层、通信传输层、平台应用层、业务联动层”六层架构。

道路感知层重点监测路面温度、干湿状态、积水、积雪和结冰;气象感知层监测空气温湿度、气压、风速风向、降水和能见度;边缘计算设备完成多源数据采集、状态识别、风险计算和现场缓存;通信系统将数据上传至SIYB®交通气象监测平台。

平台对各站点数据进行实时展示、趋势分析、地图展示、风险分级和交通气象预警,并可向道路养护、交通监控、可变情报板和第三方管理平台提供标准接口。

系统整体技术路线为:

道路实况监测 → 道路气象监测 → 边缘数据采集 → 多参数融合分析 → 道路风险判识 → 数据上传 → GIS地图展示 → 交通气象预警 → 养护与交通管理联动。

系统架构设计

现场道路感知设备:

非接触路面状况传感器 + 路表温度传感器 + 可选埋入式路况传感器

道路气象监测设备:

空气温湿度 + 大气压力 + 风速风向 + 降水 + 能见度

现场边缘计算:

多参数采集 + 数据预处理 + 数据质量控制 + 状态识别 + 风险计算 + 本地存储

通信网络:

Ethernet / 光纤 / 4G / 5G / RS485

平台应用:

实时地图 + 道路实况 + 趋势分析 + 风险预警 + 历史数据 + 报表 + 运维管理

业务联动:

养护系统 + 高速公路监控平台 + 可变情报板 + 交警系统 + 应急平台 + 第三方数据平台

监测内容与监测方法

监测项目 监测方法 主要用途
路面状态 非接触多波段光学识别 识别干燥、潮湿、积水、积雪、结冰等状态
路表温度 非接触红外测温 监测道路实际热状态及结冰风险
水膜状态 光学模型识别 识别道路自由水及低温湿滑条件
冰雪覆盖 光谱识别与模型估算 判断积雪、结冰及冰雪混合状态
空气温度 温度传感器 道路环境温度监测
空气湿度 湿度传感器 露点、结霜和高湿环境分析
大气压力 气压传感器 交通气象环境分析
风速 超声波或机械式风速传感器 横风、风吹雪和道路热交换分析
风向 风向传感器 判断道路横风方向和风吹雪方向
降水 光学或称重/压电等降水监测 识别雨、雪、雨夹雪及降水过程
能见度 前向散射法 监测雾、降雪等引起的低能见度
路面内部温度 埋入式温度传感器,可选 研究道路内部热状态及温度梯度
冰点/融雪剂状态 埋入式路况传感器,可选 特殊项目进行冰点及融雪剂相关分析
现场图像 道路视频摄像机,可选 辅助人工复核现场天气及道路状态

技术原理与算法模型

非接触路况识别原理

非接触道路状况传感器向目标路面发射特定波段光信号,并接收道路表面的反射光。干燥路面、水膜、冰层和积雪具有不同的光谱反射和吸收特征,通过多波段光谱信息、反射强度和标定模型,可以对道路表面状态进行分类识别。

通过与路表温度、空气温湿度和降水信息组合,可进一步判断道路状态变化过程,例如干燥转潮湿、潮湿转积水、积水向结冰转变,以及积雪融化后重新冻结等过程。

道路结冰风险模型

系统采用多参数联合分析,不使用单一气温阈值作为道路结冰判断条件。

综合风险可表示为:

R = F(路表温度、道路水分、降水状态、空气湿度、露点、路表温度变化率、当前路面状态、历史道路特征)

其中R表示道路结冰风险指数。

当道路存在自由水,同时路表温度持续下降并接近道路有效冰点时,风险等级逐步提高;如果传感器已经直接识别到冰层,则进入结冰状态报警。

露点与结霜分析

通过空气温度和相对湿度计算露点温度。当路表温度接近或低于露点,并处于低温条件时,可分析道路结露和结霜风险。

路表温度趋势分析

平台不仅分析当前路表温度,还分析一定时间窗口内的温度变化速率。持续快速降温通常比单个瞬时温度值更具有预警价值。

低能见度分析

结合能见度、湿度、降水和现场视频,可识别雾、强降雪等造成的低能见度交通风险。

风吹雪分析

山区、高原、桥梁及开阔道路可以结合风速、风向、降雪和路面积雪状态,对风吹雪和道路二次积雪风险进行辅助判断。

系统功能设计

道路实况监测

实时展示路面干燥、潮湿、积水、积雪、结冰及冰雪混合状态。

路面温度监测

实时显示路表温度,并记录最高温度、最低温度和温度变化趋势。

道路气象监测

集中显示温度、湿度、气压、风速、风向、降水和能见度等交通气象参数。

道路结冰预警

根据路面状态、路表温度和气象条件综合计算道路结冰风险。

低能见度预警

当能见度下降至设定等级时自动生成低能见度事件。

降雪监测

识别降雪过程,并与路面积雪状态联合分析。

恶劣天气综合预警

对道路结冰、积雪、低能见度、强降水、大风等交通高影响天气进行统一管理。

地图化管理

在GIS地图上显示各交通气象站位置、实时状态和风险等级。

历史数据查询

支持按站点、时间和监测参数查询历史数据。

事件管理

自动记录预警开始时间、峰值、持续时间和解除时间。

设备运维

实时监测设备供电、通信、传感器状态和数据完整率。

硬件组成与配置方案

设备 配置建议 主要功能
道路积雪结冰监测仪 核心配置 道路干湿、积水、积雪、结冰及路表温度监测
空气温湿度传感器 标准配置 空气温度、湿度及露点分析
大气压力传感器 标准/可选 大气压力监测
降水传感器 推荐配置 雨、雪及降水过程监测
能见度传感器 推荐配置 道路低能见度监测
风速风向传感器 推荐配置 道路风环境、横风和风吹雪监测
埋入式路况传感器 可选 路面内部温度、冰点等扩展监测
道路摄像机 可选 现场道路状态人工复核
边缘采集主机 标准配置 多源数据采集、处理、存储和上传
工业通信设备 标准配置 Ethernet、光纤、4G/5G等通信
控制箱 标准配置 供电、防雷、保护及设备集成
市电/太阳能供电 项目化配置 系统长期连续供电
SIYB®交通气象平台 标准/项目配置 数据展示、分析、预警及第三方接口

核心设备参数

道路积雪结冰监测单元

监测对象 道路表面积雪、结冰、水膜及路面热状态
路面状态 干燥、潮湿、积水、积雪、结冰,可扩展霜及冰雪混合状态
路表温度范围 典型-50℃~+80℃
路表温度分辨率 0.1℃
路表温度精度 典型±0.5℃方向,最终以所选传感器为准
水/冰雪覆盖 根据所选光学路况传感器进行模型识别或等效厚度估算
数据更新周期 典型1~60s,可项目化设置
安装高度 非接触设备典型3~6m,按照传感器视场及道路宽度确定
通信 RS485、Ethernet、4G等
协议 Modbus-RTU/TCP、MQTT、HTTP/API等

环境温湿度

空气温度 典型-50℃~+60℃方向
相对湿度 0~100%RH
安装要求 配置专业防辐射罩,避免太阳辐射影响

能见度监测

监测原理 前向散射法等
监测范围 根据项目需求选择交通气象型能见度仪
主要输出 气象光学视程、低能见度等级

风速风向

监测参数 瞬时风速、平均风速、最大风速、风向
监测方式 超声波或机械式传感器
应用 横风、高架桥、山区风口及风吹雪监测

以上参数为交通气象站方案设计参考。正式项目应依据道路等级、所在地气候条件、项目技术要求和设备最终选型确定。

软件平台与数据展示

SIYB®交通气象监测平台对多个RWIS站点进行集中管理,并以GIS地图方式展示道路气象和路面实况。

平台模块 主要功能
道路气象地图 地图展示各RWIS站点及实时风险等级
路面实况 显示干燥、潮湿、积水、积雪、结冰等状态
实时气象 显示温度、湿度、风、降水和能见度
趋势分析 查看各监测参数历史变化曲线
状态时间轴 记录道路状态开始、变化及结束过程
预警中心 管理道路结冰、积雪、低能见度、大风等预警
事件管理 记录完整恶劣天气过程
站点管理 管理站点位置、设备和监测参数
设备运维 设备在线状态、通信、供电和故障诊断
历史报表 日报、月报、季报及自定义时间报表
数据接口 支持API、MQTT、HTTP及第三方平台对接

数据分析与智能应用

道路结冰风险分析

对路表温度、水膜、降水、湿度和道路状态进行综合分析,形成道路结冰风险指数。

易结冰路段识别

长期统计各站点结冰发生频率、持续时间及最低路表温度,形成道路易结冰路段数据库。

道路微气候分析

对同一路线不同站点进行横向比较,可分析山区、桥梁、背阴坡及隧道口等局地微气候差异。

路面温度变化分析

结合昼夜周期、天气条件和道路结构分析不同道路的升温和降温规律。

交通高影响天气分析

综合结冰、积雪、降水、能见度和风环境,形成不同类型的交通高影响天气事件。

道路气象数据画像

通过长期数据积累,可为每一个RWIS站点建立道路气象特征档案,包括最低温度、结冰频率、降雪频率、低能见度频率和大风频率等。

预警机制与决策支撑

风险类型 主要判据 建议应用
低温风险 路表温度进入设定低温区间并持续下降 提醒养护单位关注道路状态
低温湿滑 道路潮湿/积水,同时路表温度较低 提高结冰监测等级
结冰风险 水分、路表温度、气象条件综合满足结冰条件 提前进行除冰防冰准备
道路结冰 传感器识别到实际冰层 启动高等级交通气象预警
积雪风险 持续降雪并出现道路积雪 启动除雪和道路养护调度
低能见度 能见度低于项目设定等级 交通诱导、限速或其他管理措施
横风风险 风速达到道路管理设定阈值 桥梁、高架及风口路段重点预警

系统可根据道路管理单位的业务规则,将风险信息发送至高速公路监控中心、养护部门、交警部门、应急管理系统或可变情报板。

项目实施方案

现场调查

调查道路等级、桩号、地形、坡度、桥梁、隧道、阴阳坡、历史结冰点、气象特点、供电条件和通信条件。

站点选址

优先选择桥梁、长大纵坡、背阴路段、山区弯道、风口、隧道出入口、临水区域以及历史易结冰和事故易发位置。

设备安装

道路状况传感器可安装于路侧立杆、门架或既有交通设施,保证监测视场覆盖具有代表性的道路区域。

路表温度监测区域应尽量与路面状态监测区域一致,避免不同日照条件造成数据代表性差异。

温湿度传感器应安装防辐射罩;风速风向、降水和能见度设备应尽量避免建筑物、树木和大型交通设施的明显干扰。

设备接入

完成传感器、边缘采集主机、通信网络和平台的数据接入及协议配置。

现场标定

投运前建议针对干燥、潮湿、积水、积雪和结冰等典型道路状态进行人工观测比对。

系统联调

验证实时数据、历史数据、报警、设备状态、断网补传和第三方接口。

试运行

经过完整天气过程运行后,根据现场实际数据对告警阈值和风险模型进行优化。

安装部署原则

  • 优先覆盖道路高影响天气风险点,而不是简单按照固定距离平均布站。
  • 道路状态传感器应选择具有代表性的车道路面作为监测区域。
  • 避免护栏、标志牌或长期停车车辆遮挡传感器视场。
  • 避免强光、道路照明和镜面反射直接影响光学路况设备。
  • 路表温度与路况状态尽量监测同一区域。
  • 山区站点需考虑雷电、防风和低温环境。
  • 沿海或盐雾区域应考虑结构件和设备防腐。
  • 太阳能供电系统应按照冬季低日照和连续阴雨雪天气进行容量设计。
  • 所有户外线缆、接插件及机箱应满足长期道路环境使用要求。

运维服务保障

RWIS交通气象站属于长期无人值守道路监测设备,应建立常态化运维机制。

  • 定期检查非接触路况传感器光学窗口是否存在灰尘、泥污、积雪或结霜。
  • 定期检查温湿度传感器防辐射罩。
  • 检查能见度传感器发射和接收窗口。
  • 检查降水设备是否存在积雪、堵塞或异常。
  • 检查风传感器结构件和安装方向。
  • 检查立杆、横臂和设备安装结构是否松动。
  • 检查通信模块、网络和天线状态。
  • 检查防雷、接地和供电系统。
  • 太阳能系统定期检查太阳能板、电池和充电控制器。
  • 定期进行道路实况人工比对和传感器数据校核。
  • 平台持续监测设备在线率、数据完整率和异常数据。

项目优势与方案价值

道路实际状态直接监测

系统以道路表面实际状态为核心,不再仅通过空气温度间接推测道路情况。

多参数融合

将路面状态、路表温度、空气温湿度、降水、能见度和风环境统一进行综合分析。

局地微气象监测

适合桥梁、山区、背阴坡、隧道口等传统区域气象数据难以准确代表的场景。

全天候无人值守

实现道路气象24小时连续监测,特别适合夜间、偏远山区和恶劣天气环境。

过程化监测

完整记录道路由干燥到潮湿、积水、降雪、结冰以及后续融化全过程。

多站点联网

多个交通气象站组成道路监测网络后,可形成整条高速公路或区域路网的道路气象风险地图。

开放系统接口

支持与道路养护、交通监控、可变情报板、交警和第三方平台进行数据互联。

长期数据资产

持续积累道路气象历史数据,为道路设计、冬季养护、风险治理和交通安全管理提供数据基础。

应用场景

应用场景 重点监测内容
高速公路 道路结冰、积雪、低能见度、降水、风环境
高速公路长大纵坡 路表温度、结冰、积雪及低附着风险
桥梁和高架桥 桥面快速降温、薄冰和黑冰风险
背阴路段 长期低温、积雪和反复冻结
山区急弯 结冰、积雪、低能见度及局地气象
隧道出入口 温湿度突变、洞口结冰、积雪和能见度
山区风口 大风、横风和风吹雪
国省干线 道路气象、路面状态和高影响天气
城市快速路 高架结冰、低能见度和冬季道路养护
高寒地区道路 长期低温、积雪、结冰和风雪过程

效益分析

效益类型 主要价值
道路安全 及时发现道路结冰、积雪和低能见度风险
风险提前发现 通过路表温度和多参数趋势分析提前识别潜在结冰条件
减少人工巡查 实现夜间、山区和恶劣天气无人值守连续监测
养护精细化 为除雪、除冰和融雪剂作业提供实际道路数据
交通管理 为限速、交通诱导和道路管控提供实时依据
事件追溯 保存完整天气和道路状态变化过程
路网管理 多个站点形成道路气象风险空间分布图
数据资产 建立长期道路气象历史数据库

标准规范与技术依据

交通气象站RWIS系统设计、设备选型、安装和项目验收可结合现行国家标准、行业标准以及项目所在地道路管理单位技术要求执行。

标准或技术依据 名称 参考内容
GB/T 33697-2017 公路交通气象监测设施技术要求 交通气象观测设施、监测参数、数据采集和布设参考
JT/T 715-2022 道路交通气象环境 埋入式路面状况检测器 埋入式道路状态监测设备技术参考
GA/T 1494-2018 路面结冰监测系统通用技术条件 道路结冰监测系统组成及功能技术参考
GB/T 46252-2025 道路结冰高影响路段排查规范 道路结冰高影响路段识别和建设场景参考
GB/T 4208-2017 外壳防护等级(IP代码) 户外传感器和控制设备防护设计
GB/T 17626系列 电磁兼容 试验和测量技术 设备静电、浪涌和射频抗扰度设计参考

成功案例

当前资料未提供可公开核验的具体SIYB® RWIS交通气象站已交付项目,因此不虚构具体客户名称和项目运行数据。以下作为典型应用配置参考。

典型项目 建议配置 主要输出
高速公路易结冰路段 路况 + 路表温度 + 温湿度 + 降水 + 能见度 结冰、积雪、湿滑、低能见度综合风险
高速公路桥梁 路况 + 路表温度 + 温湿度 + 风 桥面薄冰、黑冰及快速降温风险
山区高速公路 路况 + 温湿度 + 风 + 降水 + 能见度 积雪、结冰、风吹雪和低能见度风险
隧道出入口 路况 + 路表温度 + 温湿度 + 能见度 + 视频 洞口结冰、湿滑和状态转换监测
区域RWIS监测网络 多个交通气象站 + SIYB®平台 道路气象地图、风险分区和区域交通气象预警

参考文献

  1. GB/T 33697-2017《公路交通气象监测设施技术要求》。
  2. JT/T 715-2022《道路交通气象环境 埋入式路面状况检测器》。
  3. GA/T 1494-2018《路面结冰监测系统通用技术条件》。
  4. GB/T 46252-2025《道路结冰高影响路段排查规范》。
  5. GB/T 4208-2017《外壳防护等级(IP代码)》。
  6. GB/T 17626系列《电磁兼容 试验和测量技术》。
  7. 道路交通气象、路面能量平衡、冰雪路况识别、低能见度监测及道路气象信息系统相关公开技术资料。

本方案属于交通气象站RWIS路面实况监测系统前期技术设计方案。实际项目中的监测参数、设备数量、布站距离、安装高度、通信方式、供电方式、数据更新周期、预警阈值及平台接口,应根据现场勘察、道路等级、气候条件和项目技术要求最终确定。

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