基于移动监测的冬季路面温度数据处理

汤筠筠， 李长城， 廖文洲， 张表志

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海 200092； 2.交通运输部公路科学研究院,北京 100088； 3.北京中交华安科技有限公司,北京 100088)

冬季路面结冰会大大降低路面抗滑性能，造成行车条件恶化，极易导致车辆侧滑、制动距离延长和失控，从而引发交通事故和道路阻断，给高速公路交通安全运行带来极大挑战.

路面结冰主要是因为路面低温，当路面温度降低到一定程度(通常是0 ℃以下)，路面就有可能出现不同程度的结冰现象.随着道路气象信息系统(RWIS)理念在中国的不断深入，越来越多的高速公路建设了固定式交通气象监测站，可以有效监测路面温度.但是高速公路沿线低密度、分散建设的固定式交通气象监测站仅能对其所在位置的路面温度进行监测，还无法实现对高速公路长距离路段进行全覆盖式监测.目前美国、欧洲等发达国家都研发了用于车载的移动气象站，可以移动采集气象参数，特别是芬兰Vaisala公司，研发了一系列移动气象信息系统，可以移动监测路面温度数据.但是这些传感器仅能实现路面温度的连续采集和展示，并不能将所有采集的数据统一到同一时刻进行关联分析，无法实现由有限的监测站点拓展到高速公路全路段的路面温度实时监测[1-9].

因此，为了实现高速公路长距离精细化的连续路面温度监测，应用移动式交通气象环境监测系统，针对高速公路沿线固定式交通气象监测站所在路段采集的路面温度数据，研究不同天气条件下高速公路路面温度随时间和空间变化的数据处理方法，分析移动监测路段中不同位置与固定监测站点的相对路面温度差异，推算得到同一时刻路段上其他位置的路面温度.成果对于交通管理决策者在冬季实时监测长距离路段的路面温度，辨识路面低温或易于结冰区域，提前采取有针对性的冬季养护管理决策或措施都有重要意义.

1 数据采集

1.1 数据采集天气类型

路面温度差异的空间分布是由地形、海拔、路面材料以及天气条件等因素决定，对于道路固定点而言，除天气条件外，其他因素是不变的，属于系统性因素，它们决定的是路面温度变化的波峰、波谷分布特征.而天气因素不能看作是系统性因素，路面温度差异变化幅度受不同天气条件影响，通常将天气类型划分成三类：极端天气、抑制天气、中间天气[10-11].每种天气类型的差异特征如下.

在极端天气类型条件下，天空晴朗、无风.夜晚地面向天空中辐射的热量达到最大值，地面温度会下降较低.路面温度最低的地方易出现在地势低洼地带，而最高的地方一般出现在海拔相对较高的地点.温度变化幅度可达7～10 ℃.

在抑制天气类型条件下，存在大量低层云并伴有中等强度以上的风，云层会吸收一些地面释放的长波辐射，并把热量反射回地面.最高气温一般出现在低地，最低气温出现在海拔稍高的地区.温度变化的幅度一般不会很明显，约3～5 ℃.

中间天气类型介于极端和抑制天气类型之间，存在大量中高层云(无明显风)或有微风(晴朗).路面温度的变化幅度介于上面2种类型的天气之间，一般为5～7 ℃.

正是由于不同天气条件下路面温度差异及其变化规律不同，因此路面温度数据采集需要在不同的天气条件下进行，以获得各种路面温度的变化模式.

1.2 数据采集方法

所使用的数据来自沈阳三环绕城高速公路，应用移动式交通气象环境监测系统，于2014年12月至2015年1月之间，在冬季3种不同天气类型下，进行了6次路面温度数据采集，现场采集如图1.在数据采集过程中，车辆以70～80 km·h-1的速度在外侧车道行驶.

图1 移动式交通气象环境监测系统

考虑到沈阳三环绕城高速公路全长仅为81.9 km，因此在规划数据采集单元时，将其划分为3个路段单元，如表1.将第3个路段单元设置为重复路段(K58—K61)，以便对路段单元之间的数据进行拼接整合修正.

表1 路段单元划分

2 数据处理

为了实现不同路段单元路面温度数据的有效拼接，得到整条高速公路相对于某个参考点的路面温度差异分布图，以沈阳三环绕城高速公路2014年12月29日采集的数据为例进行分析说明，将采集到的每项原始数据按照一定的规则和步骤进行空间维和时间维的处理和修正.路面温度数据处理流程图见图2.

2.1 路面温度原始数据

以路段单元1(K58—K81.9)为例，移动式交通气象环境监测系统采集的原始数据信息包括：日期时间、车速、路面温度和实时记录的桩号，如表2.可见，数据采集间隔为每秒5次，但是桩号信息仅在整公里桩号时通过人工打点进行输入，并未与每条数据一一对应.而且数据采集从开始到结束持续了20多分钟，道路和气象环境已经发生变化，因此需要将路面温度数据进行空间和时间上的处理，使所有数据与桩号一一对应，并调整到同一时刻，才能使路段中各点路面温度具有可比性.

2.2 路面温度空间修正方法

在路面温度数据从起点到终点移动采集的过程中，通过数据采集获得的距离增量S应与实际里程桩号的距离增量S′一致，但由于高速公路里程桩号的设置会根据道路的实际情况做相应调整，对于具体的路段采集单元而言，通常S和S′会有差别.为了保持数据的统一，对空间上采集的路面温度进行修正，以便能够与高速公路里程桩号对应.

图2 路面温度数据处理流程

日期时间车速/(km·h-1)路面温度/℃桩号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距离增量修正

(1)

(2)

(3)

以路段单元1中23:27:59.0时刻采集的实测数据进行分析，各条采集记录计算结果如表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 距离增量修正处理结果

2.2.2路面温度与桩号匹配

表4 路面温度与桩号匹配关系

2.3 路面温度时间修正方法

通常1 s时间内车辆行驶约20 m，即采集相邻20 m间距2个点的路面温度值，可以视为同一时刻采集.但随着时间的推移，移动采集的路面温度在时刻变化，为了减小天气及地形变化对路面温度带来的影响，使相同天气条件下不同时间采集的路面温度数据能够整合，需要对路面温度进行时间修正，调整到“同一时刻”，这样不同点的路面温度才具有可比性，路面温度相对值才具有实际意义.

2.3.1建立路面温度时变函数

图3为沈阳三环绕城高速公路东陵交通气象站冬季随机1天的路面温度随时间变化曲线图.可见，在同一天气条件下，路段单元内路面温度变化在时间上是同步的，路面温度在0至7点的时间段基本处于一直缓慢下降的过程.

图3 路面温度日变化

因此以路面温度为因变量，以时间为自变量，绘制路面温度时变图，如图4.图中Tol1为开始采集时重叠路段路面温度均值，℃；Tol2为采集结束时采集的重叠路段路面温度均值，℃；ΔTp为路段上任意p点路面温度随时间变化的调整量，℃；ts为路段起点开始采集时间，s；te为路段采集完成再次回到起点开始重叠路段采集时间，s；tp为路段上任一数据采集点p对应的时间，s.

图4 路面温度随时间变化示意

2.3.2各点路面温度修正

(4)

(5)

基于路面温度时间修正方法，以沈阳三环绕城高速公路路面温度数据为例.首先，计算重叠路段(即路段单元3，K58—K61)采集开始和结束时的路面温度均值，得Tol1=-8.53 ℃，Tol2=-10.04 ℃.

其次，计算路段上任意位置(p点)路面温度随时间变化的调整量ΔTp，对路面温度Tp进行修正.例如表5中，东陵交通气象监测站在K39.6处修正后的路面温度计算过程如下：

[(-10.04)+(-8.53)]×(1.039-1.015)/

(1.039-0.978)=-0.59(℃)

(-0.59)=-9.69(℃)

表5 任意位置路面温度结果

2.4 获取路面相对温度

选取数据采集路段上任意位置的路面温度值作为参照点，结合路面温度数据时空修正处理结果，推算出该路段其他位置同时刻的路面温度值.

(6)

式中：Ta为该路段的绝对温度参考值，即固定式交通气象站实时采集的路面温度值，℃.

表5中，以东陵交通气象监测站(K39.6)作为绝对温度参考值，即Ta=-9.69 ℃，则K58处的相对路面温度求取过程为

3 实际天气类型验证

选择标准差SD(standard deviation)作为描述路面温度差异程度的指标，通常极端天气路面温度分布的SD最大，抑制天气最小，中间天气居中.

对6次实际采集的路面温度数据进行时空修正后，再统计分析求出路面温度标准差，验证数据采集时所认定的天气条件是否符合实际情况.表6为各次路面温度数据采集的判别值.

表6可见，第1次和第6次天气条件下采集的数据标准差最小.第4次和第5次天气条件下采集的数据标准差最大，说明路面温度数据变化最显著.第2次和第3次天气条件下采集的数据标准差介于它们之间.可见，判定结果与实际天气类型相符，也与1.1节数据采集的3种典型天气类型划分依据一致.

表6 天气类型调整

4 相对路面温度分布

高速公路相对路面温度分布是指在特定的天气条件下，同一路段某个时间点沿道路走向的不同路面温度样本点相对于某一特定点的路面温度差异的分布.

高速公路上不同点段具有相对稳定的路面温度变化趋势，区别主要体现在不同天气条件下这种路面温度变化幅度是不同的，其波动幅度的大小与极端、中间、抑制等不同的天气特征有关.

根据路面温度时空修正处理方法，形成了3种不同天气条件下沈阳三环高速公路的相对路面温度分布图，可以展现全路段相对路面温度高低值的变化情况，易于辨识路段中路面低温或易于结冰的区域.

图5分别表示为极端天气、中间天气和抑制天气3种天气类型下采集的各点路面温度与东陵固定交通气象站(K39.6)的相对路面温度分布.图中，横坐标表示路段桩号，纵坐标表示路段各点路面温度与参考点K39.6的路面温度相对值.可见，参考点K39.6的相对路面温度为0 ℃，路段K56—K60路面温度相对其他位置较低，为路面低温区域，易发路面结冰现象.通过实际调研，该路段高架桥涵多，秋冬季路面积雪结冰情况时有发生，且临河、跨河，由浑河横穿，易出现局地性低能见度的大雾，在夜间气温较低时，易凝结成冰霜，与分析结果一致.

a 极端天气

b 中间天气

c 抑制天气

Fig.5RelativepavementtemperaturebetweendifferentpointsandDonglingtrafficweatherstationunderdifferentweathertypes

由图5也可以看出，极端天气条件下路段上各点相对路面温度差异最为明显.因为在该种天气条件下，路面温度变化相对稳定，昼夜路面温差较大，尤其在凌晨时间段，同一点的路面温度最低.因此，此种方法最适用于极端天气条件.

5 实测数据对比分析

以东陵交通气象监测站(K39.6)为固定站，选取路段区域附近13个实测点作为移动参考点.对移动式交通气象环境监测系统获得的数据和实测数据进行分析对比，并验证其准确性.

以2015年2月17日5点49分数据为例，依据当天判断的极端天气类型结果，应用极端天气条件下的相对路面温度分布进行数据分析和处理，根据固定站实测的路面温度数据推算得到13个移动实测点的路面温度数据，并与其在同一时刻的实测数据进行对比.路面温度对比结果见表7，路面温度效果对比见图6.

表7 路面温度结果对比

图6 路面温度效果对比

由上述分析可知，13个实测点的路面温度允许绝对误差在±0.5 °C、±1.0 °C范围内，该方法推算路面温度准确率分别达到69.23%、92.31%，符合期望值.

6 结语

(1)以沈阳三环绕城高速公路(G1501)为实验路段，基于移动式交通气象环境监测系统，对路面结冰的关键参数——路面温度进行了移动采集.

(2)提出了高速公路路段20 m精度范围内路面温度数据的时空修正处理方法，使整个路段采集的路面温度数据能统一到同一时刻，并与桩号一一对应.

(3)拟合成不同天气条件下同一时刻的相对路面温度分布图，展现路段上不同位置与固定交通气象监测站的相对路面温度差异.通过检验在允许误差范围内路面温度的准确性可见，利用该方法得到的路面温度准确率很高，允许误差在±1 ℃范围内，准确率达到92.31%.成果有助于高速公路交通管理部门在冬季快速准确有效地监测路面温度、辨识路面低温或易于结冰区域，提升冬季路面结冰状态的监测预警和安全保障水平.