观天象 助智行——交通气象监测预警探析

观天象 助智行——交通气象监测预警探析

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气象条件对高速公路行车安全影响很大，如浓雾、降雪（结冰）、降雨（积水）、冰雹、雷暴、大风（横风）、沙尘、高温、寒潮、冷空气等。遇到恶劣天气，高速公路通行的安全畅通受到严重威胁，甚至还会出现封路的情况，给公众的出行计划带来不小影响。据不完全统计，我国每年因恶劣气象及次生灾害导致的公路交通阻断比例高达60%左右，20%左右的道路事故直接或间接与低能见度、路面结冰及湿滑等不良气象条件有关。2022年末，国内两座大桥上突发的由于恶劣气象导致的交通事故引发社会广泛关注：2022年12月28日，河南郑州郑新黄河大桥突发团雾，导致郑新黄河大桥双向发生多车相撞事故，造成1人死亡；12月30日，江苏扬州高邮市高邮湖大桥发生桥面结冰并伴有浓雾，引发多车连环追尾事故。这两起严重的交通事故再次为业界敲响了警钟：交通气象监测预警不容忽视！

国家层面，对于交通环境、气象等的感知、监测及预警预报服务等也高度重视。2020年8月6日交通运输部印发的《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》提出要推动公路感知网络与基础设施同步规划、同步建设，在重点路段实现全天候、多要素的状态感知；2021年11月12日中国气象局、公安部、交通运输部、国家铁路局、国家邮政局等五部委联合印发的《“十四五”交通气象保障规划》提出构建交通气象精密监测系统、开展交通气象灾害风险普查、打造高质量交通气象服务体系、提升交通气象服务支撑能力、推动交通气象科技创新、强化“一带一路”综合交通运输气象保障的主要任务。

高速公路交通气象从监测到预警预报再到应急处置，最终实现全天候通行一直是业内追求的美好愿景，但实现高速公路全天候通行并非易事，更需要多部门的协作与配合，绝非依靠交通主管部门一己之力所能达。观天地之象，助智慧出行，面对当前高速公路气象监测预警的严峻形势，利用信息化技术手段保证高速公路的安全顺畅、推进高速公路准全天候通行，建设气象监测预警系统进一步提高高速公路对气象灾害的监测、预警、预报能力具有重要的现实意义。

在第二十四届中国高速公路信息化大会上，不少与会专家就交通气象实时监测与智能预警等话题开展深入交流与探讨，向业内分享了颇有价值的观点和经验。

1、交通气象监测预警之窘境

交通气象灾害致灾因素多，强度上有别于一般气象灾害，且多种致灾因子相伴发生，具有突发性、随机性以及明显的地域与季节差异，且重大气象灾害和交通事故会形成次生灾害（交通气象灾害链），因此，当前社会对交通气象服务的需求极为迫切。

南京气象科技创新研究院副院长、中国气象局交通气象重点开放实验室主任刘端阳指出，当前交通气象服务需求主要包括以下内容：
准确性，即交通安全和运输效率的实际需求（信息明确）；
精细化，即预警预报服务需要更高的时空分辨率（具体路段）；
局地性，即高原、山地、桥梁等复杂道路环境的气象信息；
时效性，即预警信息须在最短时间传递到路网管理中心和道路车辆。

在迫切的需求之下，我国交通气象监测预警正面临着极大的窘境——业内普遍认为“交通气象”很重要，同时也认为已建的交通气象设施作用不大。中国气象局公共气象服务中心气象服务首席吴昊指出，当前，高速公路气象观测能力严重不足，难以支撑服务需求。浙江沪杭甬高速公路股份有限公司副总经理王炳炯指出，目前高速公路气象监控和预警系统还不全面，设施不多，其中气象监测系统主要由一体式气象站、能见度探测仪、气象卫星、路面传感器、视频感知等设备构成，但现有设备只能实现气象事件出现后的感知，且效果一般。如安装在易起雾路段的能见度仪，起雾后才得以感知；安装在跨海大桥上的风力感知器，可感知到风力风速情况，超过8级风时，采取管理措施等。但是这些所谓的感知，都不是真正意义上的预报，特别是对如团雾等气象灾害的预测预报更难。据刘端阳介绍，真正的气象预报实际上要在3小时以上，是长时效的，如3～12小时、12～24小时、24～72小时（1～3天）、72～120小时（3～5天）等，而目前交通上对气象的“预报”多是观测级的（短时临近预报），即简单地把气象观测作为预报，设备感知到的只是天气实况而没有进行推演，这只能称之为预警，也就是当气象灾害出现后对本地进行的警报而已。刘端阳强调，目前的交通气象观测只是把当前天气状况进行短时间外推，而这种短时临近预警预报法不足以事件处置。

刘端阳进一步指出，当前高速公路气象观测站网设备及观测能力存在以下突出问题：一是观测站点密度不足，一般每百公里布设2套设备，且地区间差异较大；二是观测要素缺乏针对性，包括能见度、路面状况、天气现象等；三是设备维护保障难度大，气象观测设备属精密仪器，由于布设在户外，易老化、损坏，需专业维护人员和充足经费保障；四是交通气象站设备种类较多，不同部门布设的设备有待规范化，包括观测设备的入网标准、检定标校以及观测要素的规范统一等；五是交通气象观测设备的数据质量有待提高，例如在浓雾监测方面，有些地方当肉眼都可见浓雾了，但能见度仪上依然没有任何显示。刘端阳还指出，在交通气象信息及服务能力方面还存在服务内容不协调、服务关系未确立、数据共享融合不足、服务效果不理想等问题。

王炳炯进一步指出，高速公路是一条线，一条线上的气象设施是不能对路段气象情况进行预测的。气象预测一般是一个面上多个感知设备，加上卫星信息等进行大数据综合分析，得出预测气象信息，而仅仅利用高速公路单个气象仪器是无法实现气象预测的，若要对高速公路气象进行预测，就要靠气象部门，结合地方气象部门布设的其他气象观测设备信息分路段进行预测。

而交通气象站建设中的“窘境”正如智慧网云（北京）技术有限公司市场总监温磊所描述的那样：气象局建站是花别人的钱办自己的事，希望按照气象标准建站，可以纳入气象体系；而业主建站是花自己的钱办别人的事，在看不到收益的情况下，完成任务花钱越少越好，已建站无法判断利用价值，再建站就是白扔钱；对于项目集成商来说，总钱数固定的情况下，花钱越少挣得越多，业主越不重视，设备质量的弹性就越大，最终气象装备成为了项目的成本缓冲区；对于设备供应商来说，无论好设备坏设备，最终都是废设备，质量越差名声越差，名声越差价格越低，价格越低质量越差，如此恶性循环；而项目结束后，是一家厂商一个系统，设备没有后续运维，数据质量没有后续跟踪，数据没有留存。

2、问题导向下的应对之策

面对交通气象监测预警现状中的诸多问题及种种窘境，业内专家纷纷献计献策，为行业发展提供了诸多有所裨益的思路和方案。

加强高速公路交通气象观测站建设

温磊指出，要提高高速公路交通气象观测站点数量，并从基础观测、视频辅助、气象数据三个方面发力。在基础观测方面，要做好公路沿线气象基础数据的采集与分析；在视频辅助方面，要利用好视频AI算法；在气象数据方面，要结合权威气象部门数据进行行业拓展应用。并以“单个事件”的微观视角解决交通气象监测精准的难题；以“全域感知”的宏观视角提升交通安全运营和预判能力，最终为公路提供高质量的气象服务。他建议，在国家统一布设的综合气象监测网络规划中，尽可能地将气象监测站向高速公路、铁路等交通主线靠近，以弥补交通气象监测站点的不足，并充分利用公路沿线已建的气象监测站，将其纳入交通气象监控系统。

做好基础观测，提高数据质量

刘端阳指出，当前提高交通气象观测数据质量是重中之重，观测是基础，没有精密的观测，就没有真实有效的观测数据，也就无从谈精准的预报，更没有精细的服务。温磊指出，对于尚未建设的交通道路，要增加以高速公路网为基础的交通气象监测系统，加强对事故多发路段、桥面、互通立交、高架桥等的气象观测；对于已建成的道路，要根据地形、气候、道口等不同要求逐步增加气象探测仪器与设备。温磊进一步指出，观测设备要满足智能化、小型化、低成本、易拆解维护的行业需求；在确保数据质量方面，要做好顶层设计、选好产品，做好观测设备的日常专业运维，并解决好厂家设备接入难题、数据格式标准化难题、远程自动化运维难题，以及单片机开发调试难题。温磊强调，数据是气象监测预警的基础，要采好数据，管好数据，用好数据，最终为道路运营者、执法管理者、道路出行用户提供优质的气象服务。

构建气象监测网络

构建气象监测网络，接入各省现有公路沿线气象监测设施进行数据交换与联网运行，盘活和挖掘已有设施资源，与新建气象监控设施共同组建气象监控网络。温磊强调，对于分中心级别的气象观测，路段数据采集是首要工作，要对现有气象设备进行改造、升级、校准，对于设备未覆盖的区域，建议使用新型免维护、易维护的观测设备进行补点。同时，利用国家气象局等外部数据进行集成，以丰富数据内容，并利用视频AI智能分析等新技术手段来赋能基础设施，优化投入成本。

融合多源数据

温磊提出，交通气象监测预警系统应融合交通气象站实测数据、视频上云数据、全国高速公路GIS信息、宏观气象信息、全国道路阻断信息、路面温度实况及预报信息、能见度实况及预报信息、全国气象雷达信息、事件信息、国家预警信息发布中心数据等，使用机器学习和大数据技术为道路提供数字孪生模型，打造道路元宇宙数据底座。系统可部署在云端也可以部署在用户数据中心。
推进交通气象观测装备标准化

在交通气象观测装备标准化方面，气象类基础观测，使用气象观测标准；针对性观测要素，如能见度、路面温度、路面状况、天气现象等，要适应交通部门的需求。刘端阳建议，交通气象观测装备应统一，气象部门可率先使用，并逐渐推动交通部门使用；观测要素应配齐，加快高精度、低功耗、高集成、智能化的硬件研发；业务装备要按时检定维护，硬件设计应保证维护量小，并加快检定、标定、校准方法的研究。

构建交通气象灾害风险评估模型

以应用需求为导向，构建交通气象灾害风险评估模型。云南省交通规划设计研究院高级工程师李薇提出，精细化监测服务，需要以恶劣天气危险性为主，兼顾承载体暴露性、孕灾环境敏感性、灾损条件等，以监测代表性为总体原则进行建模，指导监测站网建设；应用于交通气象预警、主动防控、交通管控等的服务，在气象灾害危险性及其可能带来的后果上，要综合考虑，以期减少由恶劣天气带来的灾损、事故等影响；恢复力或防灾减灾能力，要以预警服务应用场景为导向适时选用模型。

加强多部门的协同联动

完善交通部门与气象、公安交警等多部门的协同联动。从交通气象实时监测、预警预报，到综合研判与决策，再到调度指挥，这一整个链条，需要气象部门、公安交警部门、交通部门等多个部门的协同联动处理才能很好实现。

刘端阳强调，尤其要加强交通部门与气象部门的沟通与合作，把交通气象预警预报的实际需求梳理清楚，提高气象监测数据的针对性，以期更好地完成交通气象预警预报工作。温磊表示，没有气象部门参与的交通是不可持续发展的，也是不专业的，在行业融合方面，要加强交通与气象的专业深度结合，提供历史不同时间、具体路网路段的交通气象状况、灾害查询和统计分析，针对团雾、路面结冰、积雪、强降水、低能见度等公路交通高影响天气，提供分灾种、分区域、分时段的公路交通气象灾害风险预警预报产品，给出交通气象灾害在何时、何地，以何种规模给公路交通带来影响。王炳炯表示，大面积路段的气象监测预警采用政府气象部门的数据更为经济与精准，建议高速公路现有气象设施与地方气象部门的数据融合，为地方气象部门的预测提供更精准的数据依据，同时也为高速公路提供更精准的预警信息。

此外，有不少业内人士表示，应推动交通管理部门与公安管理部门的合作，建立气象预警预报、信息发布、联防联控、应急协同机制，实现预警预报信息的及时发布，实现预警之后能够实时与多部门联动处置。

3、新技术助力交通气象监测预警及处置

随着新一代信息技术的不断发展，利用智能化手段实现交通气象的实时在线监控，提供智能分析、预测、处置等功能已经成为一种趋势。当前，不少新技术已在交通气象预警处置领域得以运用。

风云气象卫星

FY-4B静止气象卫星于2021年6月3日发射升空，是我国新一代静止轨道气象卫星风云四号系列卫星的首发业务星，标志着我国新一代静止轨道卫星观测系统正式进入业务化发展阶段。FY-4B卫星与FY-4A卫星组成我国新一代静止轨道气象卫星观测系统，实现双星组网。2022年6月1日，FY-4B卫星及其地面应用系统转入业务试运行，开始为全球用户提供观测数据和应用服务。据吴昊介绍，FY-4B卫星所装备的快速成像仪为国际首发，可实现全球静止气象卫星空间分辨率最高（250米）的观测，可对2000千米×2000千米区域进行间隔1分钟的高频观测，进一步提升对台风、暴雨和中尺度灾害性天气的连续、灵活、高分辨观测能力。

FY-3E极轨气象卫星于2021年7月5日发射升空，是风云三号极轨气象卫星系列的第五颗卫星，也是风云卫星家族和世界业务气象卫星家族中的首颗晨昏轨道卫星，目前处于业务试运行阶段。据吴昊介绍，FY-3E晨昏星与上午星、下午星相互配合组网形成完整的低轨气象卫星业务，具备气象综合观测能力，可将全球数值天气预报模式中卫星观测数据的更新时效由6小时提高到4小时，能够进一步提升对气象灾害的监测能力。吴昊进一步介绍，FY-3E卫星搭载的中分辨率光谱成像仪-微光型（MERSI-LL)是重要的光学仪器，通过对微光和红外波段多光谱连续综合观测，实现云、水汽、陆表等地气特征参量的高精度定量反演。

在卫星图像识别与数据分析方面，刘端阳指出，目前单通道卫星云图误判率高，且效率较低，他提出一种基于卫星资料的交通高影响天气反演和预警技术，利用RGB合成图关键技术，包括根据目标物物理特性选择敏感波段RGB、确定目标物RGB通道的最优取值范围和Gamma校正系数，构建强对流、雾、霾、沙尘等目标物的RGB合成图，以提高气象监测准确度和识别效率效果。据刘端阳介绍，该技术的雾识别算法可较准确地识别出不同等级的雾；随着能见度的下降，识别准确率有明显提升；剔除中高云影响后，不同能见度等级下的识别算法对雾识别的KSS评分有明显提升。

路面温度感知系统（热谱地图技术）

据刘端阳介绍，中国气象局交通气象重点实验室基于路面温度感知系统（热谱地图技术），对江苏全路网高速公路进行路温普查，开展路面低温监测及预警系统研究。通过车载设备移动采集，开展大范围的路温普查作业，建立了路温普查数据集（每20米1个点），通过数据质量控制、时间空间归一化处理、多段数据整合，叠加全省高速公路GIS数据，构建路面低温实况时空订正模型，形成了20米分辨率的省级区域高分辨率高速公路热谱地图，通过热谱地图，可以将高速公路上的低温点找出。刘端阳进一步介绍，江苏全省分为35条采样路段，每条路段2-4个自动站结合热谱地图，实现路面温度的精细化测量，并对全路网连续路面温度进行外推，实现路面温度反演（不疏漏结冰的高风险点）、路面低温预警、路面结冰风险预警及路面冰情预警，提供全路段结冰、积雪、高温等预警服务。此项技术成果可为道路养护作业、冬季融雪除冰以及布站选址建议等工作提供科学依据。

能见度激光雷达

能见度激光雷达以激光为发射光源，接收自百米之外的激光回波信号，计算得到大气消光系数，通过智能算法可自动识别被扫描区域的低能见度区域。据刘端阳介绍，利用能见度激光雷达，可获取整个探测路径的能见度信息，包括能见度水平方向廓线、水平方向消光系数时空分布廓线，可以监测局地浓雾的尺度、扩散、位移等信息。相较于前向散射式能见度仪，其采样空间大，稳定性好，可自由改变探测角度，可实现自动扫描和巡航扫描，可测量水平、斜程和垂直能见度，但其对安装地点要求较高，地形要开阔且需要市电，线路铺设复杂且价格昂贵。

基于图像识别的能见度监测

目前江苏全省建成交通气象监测站360套，通过实时共享全省联网高速公路6000路监控视频图像信息，实现公路沿线交通气象灾害实景监测、道路通行状况监控。据刘端阳介绍，这种基于图像识别的能见度监测方法具有以下亮点：在图像特征提取上，量化分析图像质量，可自我分析和提取大雾图像特征信息；在训练学习方面，构建了白天和黑夜的深度卷积神经网络（CNN）模型，可得出分类特征模型；在模型优化方面，利用交叉验证、人工订正等多种订正手段不断迭代；增加了降雨识别模型，并可与附近气象站降水量数据匹配分析；构建了降雪识别模型，增加道路积雪识别。

基于微波技术的降水观测

对于降水观测，传统的雨量筒观测法具有观测滞后性、无法观测固态降水、需校准且难维护、受风等环境因素影响较大、难以表现微物理特征等缺陷。随着第五代无线通信技术的发展，毫米波无线电频段将是未来5G通信网络研究的重要环节，微波通信链路将在世界范围内广泛分布。而利用微波链路信息反演降水是降水测量领域的最新技术，具有作用于近地面大气、时空分辨率高、现有基础网络设施覆盖范围广等优势。据刘端阳介绍，微波链路对降雨、降雪衰减影响不同，根据信号衰减值正确区分降水及降水类型是推广应用微波链路测量降水方法的基础，而利用微波链路实现对雾、温湿度等其他气象要素的监测是未来潜在的应用方向，尤其是对雾的监测，由于雾的粒子小，监测设备的频率需要更高，利用微波技术进行观测，其效果可能更好。

大桥智能感知系统

大桥智能感知系统能够实现车、路、人的信息交互，设有车路协同、雾天行车诱导、桥梁自动消冰除雪、拥堵诱导分流等功能。据刘端阳介绍，该系统的自动消冰除雪功能可在遇到雨雪等极端恶劣天气时，通过遥感式路面状态检测器或埋入式传感器自动启动桥面加热系统给桥面加热或喷洒融雪剂，将桥面冰雪及时融化。

低能见度车道级诱导与预警系统

据交通运输部公路科学研究院中交华安主任韩晖介绍，低能见度车道级诱导与预警系统中所使用的地磁感应突起路标，是一种具有车辆通过检测功能的新型突起路标，通过检测车辆通过时引起大地磁场的扰动实现车辆检测，在车道边缘线和分界线处按照纵向等间距安装，基于车辆通过触发点亮机制实现分车道行车诱导，在夜间低照度或雨雾环境下为在途车辆提供诱导和跟车预警功能。

4、面向未来的交通气象监测预警

新基建浪潮之下，“云、网、边、端”一体化的交通新生态体系正在加速形成，交通气象监测预警正朝着观测智能化、高效协同化、数据云端化的方向发展。刘端阳表示，当前新基建驱动交通行业数字化转型加速，未来5到10年将进入智能社会，交通气象观测必将以数字技术为核心，实现一体化、数字化发展；同时，将云、AI、计算、应用等多种技术有效整合，构建一个开放的具有立体感知、多域协同、精确判断和持续进化能力的智能系统，实现云、网、边、端的高效协同。交通气象行业也将逐渐甩开硬件包袱，在公有云上建成强大的基础设施，推出精准匹配智慧交通的传输网络，研发出“云网融合”的边缘设备，破除应用软件和设施硬件的绑定关系，实现各类终端的主动对接。

业内专家认为，面对行业数字化，交通气象智能化监测预警主要有以下几个发展方向。

车联网+气象观测

将车联网技术与气象探测技术相结合，设计出一种移动互联气象站。刘端阳表示，这种移动气象站能够打破传统标准观测站点的地域限制，将气象要素整体协调起来，并通过网络通信将观测数据实时回传到数据中心处理并及时发布，实现整个路网及城市气象的全覆盖全实时动态监测与预报。这种基于车辆行为数据的气象预测方法，接收多个车辆上报的行为数据（包括环境感知数据、车辆运行事件、车辆位置及时间数据等），根据这些行为数据输出任意坐标位置的气象数据，再根据多个不同坐标位置的气象数据得出区域的实时气象，最终根据多个不同坐标位置的气象数据预测当前时间段区域的气象趋势。该预测方法能够节省人力物力、降低成本，同时保证局部气象实况与预报的准确性。

多传感器融合感知技术

对当前各种常见传感器性能进行对比发现，超声波与微波传感器探测距离较近，无法作为远距离路面事件的探测传感器；毫米波雷达、激光雷达、可见光摄像头各有优缺点，彼此之间无法完全取代。刘端阳表示，目前针对气象感知的研究热点主要是对多传感器融合感知技术的研究和基于多传感器的融合算法研究，未来，研发基于多传感器融合感知的公路感知设备是一大趋势。

建立交通气象服务体系

当前，交通气象系统需求、技术和环境都发生了很大变化，公路气象面临新的机遇和挑战。面对新机遇，温磊表示，未来要建立“交通”属性的气象信息服务体系，进行气象+交通的深度融合，解决交通部门的实际需求，丰富气象大数据资源，服务千行百业；要建立面向民生的公共气象数据服务平台，从服务市场的角度考虑，不求大而全，分布完成，不断完善和改进。韩晖提出，要逐步建成公路交通气象服务平台，融合“人、车、路、环境”综合数据信息，建立基于道路信息、气象数据、地质数据、车辆数据等的道路安全等级判别模型及未来交通运行态势研判模型，对不同道路不同气象条件所造成的影响进行评估，更加智能地联动相应的安全保障和处置系统。

交通新基建时代已经来临，“数据大脑”是智慧高速建设的重点方向之一，建设智慧公路等融合高效的智慧交通基础设施，气象服务可参与到各部门一起发挥作用。

当前，气象环境已成为交通准全天候通行关注的重要因素之一。众多的企业开始介入该领域，5G、物联网、人工智能、区块链、云计算、大数据等新一代信息技术正逐步应用于交通气象设备的研发和软件开发。通过对交通气象环境和交通流的全面感知、精准研判、高效联动、主动干预，实现高速公路气象的全面监测和动态管理，提供“百米级预报、分钟级预警”气象服务，全面提升公路交通安全保障科技应用水平和全天候通行保障能力。

与此同时，智慧交通气象设备正逐渐成为全路感知的重要一环。道路的精准感知是实现车路协同，构建智慧公路的前提和基础，未来应利用先进的无线通信和新一代互联网技术，实现交通全路段无盲区的实时监控；针对路面温度、湿度、积冰、积雪、积水，以及降水、大雾、雷暴、大风等高影响天气进行严密的数据采集，完成信息交互，并在此基础上开展道路协同管理，充分实现车路的有效协同，以保证交通安全。

可以预见，随着气象监测预警技术的不断进步，高速公路准全天候通行必将迈上新的台阶。

转自“中国交通信息化”，侵权删

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