CN112835131B - 一种高速公路结冰风险路段动态短临预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速公路结冰风险路段动态短临预警方法。本发明能够在我国现有高速公路路面状态传感器稀缺，并对黑冰、冰霜等特殊路面结冰状况检测能力不足的条件下，通过简单可行的技术方法，实现针对高速公路连续路段中结冰风险路段未来短时间内的滚动预测、研判和预警，提高高速公路沿线结冰风险路段的预测精细化程度，从而为道路交通管理部门提供准确可靠的早期结冰风险预警信息，并降低冰雪天气条件下道路交通事故的发生率。

Description

一种高速公路结冰风险路段动态短临预警方法

技术领域

本申请涉及公路交通气象技术领域，特别涉及一种高速公路结冰风险路段动态短临预警方法。

背景技术

结冰风险路段的路面抗滑能力大幅度降低，行车条件恶化，给高速公路交通安全和公路网的正常运行带来了极大的安全隐患。

在交通气象预报(包括当前交通和气象跨部门合作开展的公路交通气象预报)和高速公路运营管理与控制方面，关于路面结冰状态监测预警，特别是不易被人肉眼所察觉的路面黑冰状态，尚缺少有效的技术手段。

虽然某些高速公路已经布设了路面状态传感器，用以实时监测固定位置的路面温度和路面状态，鉴于传感器数量有限，不可能针对路段上可能存在的结冰风险进行长距离精细化的预测预警。

综上所述，亟需提出一种适用于高速公路结冰风险路段的动态短临预警方法，能够在我国现有高速公路路面状态传感器稀缺，并对黑冰、冰霜等特殊路面结冰状况检测能力不足的条件下，通过简单可行的技术方法，实现针对高速公路连续路段中结冰风险路段未来短时间内的滚动预测、研判和预警。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高速公路结冰风险路段动态短临预警方法，其包括：

1.全路段路面温度短临预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：路段上监测站点位置路面温度预测。即主要针对交通气象监测站所处位置的路面温度进行预测。利用从该交通气象监测站点获取的多源交通气象历史资料，采用路面温度时间序列预测模型，预测在大气温度、露点温度、相对湿度、风速等路面温度主要影响参数的作用下，交通气象监测站点位置在未来短时间段内，路面温度随时间变化的预测值。

步骤2：路段上各点路面温度差异。根据“确定路面温度分布规律的方法”，确定路段上监测站点位置与其他位置的路面温度差异，通过相对差值计算，可根据监测站点位置的路面温度值推算出同一时刻路段上其他位置的路面温度值。

步骤3：路段上其他位置路面温度预测。根据步骤1得到的监测站点位置路面温度的预测值，再根据步骤2得到监测站点之外各点与该站点的路面温度差异，推算出同一时刻监测站点之外其他位置的路面温度随时间变化的预测值，从而实现全路段未来短时间段内路面温度预测。

2.潜在路面结冰判断条件、流程及预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤4：露点温度预测。在交通气象监测站点附近约30公里左右的路段，由于地形地貌、水气条件差异不大，可以忽略大气温湿度的差异性，具有相同的气候条件。因此认为在交通气象监测站点左右共约30公里的路段范围内，在未来短时间内大气温度基本不变，以±0.2℃为界限波动，相对湿度基本一致，以±5％为界限波动，以弥补假设带来的误差。(1)监测站点位置露点温度预测。认为在未来短时间内，露点温度不变。(2)监测站点附近露点温度预测。根据监测站点获取的大气温度和相对湿度数据，按照露点温度计算公式获得露点温度预测范围。

步骤5：潜在路面结冰状态预测。依据“潜在路面结冰状态的判断条件”，将步骤3得到的全路段路面温度预测值与步骤4得到的露点温度预测值进行比较，通过观测降水状态，确定不同的水汽条件。再结合预测的路面温度条件检验分析路段范围内各处是否符合潜在路面结冰判断条件，判断预测时效内可能存在的结冰风险路段，以及出现路面结冰的最早时刻。

3.路面结冰状态及结冰时间预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤6：监测站点位置路面结冰状态预测。基于步骤1获得的未来短时间段内监测站点位置路面温度预测值，判断路面温度是否低于或等于0℃或冰点温度，路面温度是否小于或等于近地面大气露点温度，是否存在降水天气现象的前提下，判断该位置是否存在路面结冰(黑冰或冰霜)的风险。

步骤7：路段上其他位置路面结冰状态预测。基于步骤3获得的未来短时间段内其他位置的路面温度预测值，结合步骤4进行监测站点附近露点温度范围预测，利用步骤5判断路段上其它位置的路面结冰风险。

步骤8：监测站点位置路面结冰时间预测。根据监测站点位置路面温度滚动预测结果，得到未来露点温度和路面温度的相互关系，判断最早可能出现路面结冰的时间。

步骤9：路段上其他位置路面结冰时间预测。构建预测的路段上其他位置路面温度与露点温度关系图，其中露点温度曲线为取预测结果的上限值，判断最早可能出现路面结冰的时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的文字说明、连接关系等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何形式的修饰、连接关系的改变或文字说明的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1是本发明高速公路结冰风险路段动态短临预警方法实施流程示意图；

图2是本发明利用路面温度差相对关系确定各点路面温度值示意图；

图3是本发明潜在路面结冰状态判断条件示意图；

图4是本发明路面结冰时间预测对应的判断关系示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

参见附图1，为本发明的高速公路结冰风险路段动态短临预警方法实施流程示意图，该方法实施流程包括：

通过采集交通气象监测站点的多源交通气象历史资料数据，包括路面温度、大气温度、露点温度、相对湿度、风速等，建立基于路面温度主要影响参数的路面温度时间序列预测模型。基于该模型，可根据监测站点实时采集的交通气象数据，动态预测监测站点位置，路面温度在其主要影响参数条件下，未来短时间段内，随时间变化的预测值。

其中，动态指连续滚动预测。短临指在保证预测时效性和准确率的情况下，根据实际需要设置预测时效，实现未来短时间内的准确预测。未来短时间段可以根据用户需要设置并更改，本发明实施例对此不做具体限定。

例如，可以将24小时作为连续滚动预测的滚动周期，将未来1-3小时作为对路面温度进行预测的短时间段。

依据“确定路面温度分布规律的方法”(CN107131972A，本人为发明人之一)，确定路段上其他位置与监测站点位置的路面温度差异，通过相对差值计算，基于监测站点的路面温度值，推算出同一时刻路段上其他位置的路面温度值，从而实现全路段路面温度预测。

公式一：T′_x＝T′₀+Δt_x

其中，该路段包括N个点。假设N₀代表监测站点位置，T₀为监测站点实时监测的路面温度，T′₀为监测站点预测未来短时间内的路面温度；N_x代表预测点位置，T′_x为预测与监测站点同一时刻的未来短时间内路面温度；Δt_x为各预测点位置与监测站点位置的路面温度相对差值。

例如，参见附图2。若当前监测站点采集的路面温度为3℃，预测得到未来1小时的路面温度值T′₀为2.95℃，若监测站点右侧位置与其相对路面温度差值Δt_x为-1℃。根据公式一，则监测站点右侧位置的路面温度预测值 T′_x为1.95℃。

参见附图3，根据“潜在路面结冰状态判断条件”，结合路面温度条件和水汽条件，综合判断分析预测时效内潜在结冰风险路段，以及可能出现路面结冰的最早时刻。

公式二：T_r≤0℃

公式三：T_r≤T_d

其中，T_r为路面温度，T_d为露点温度，单位为℃。以上两个条件是未出现降水时，路面出现冰霜的必要条件；或者当出现降水时，出现路面黑冰的必要条件仅需公式三，因此上述条件并非路面结冰的充分条件，即该判断条件只能用于对当前路面结冰状态的预测，而非结果判定。

公式四：

公式五：

其中，T_d为露点温度，单位为℃；e为露点温度对应的饱和水汽压(即实际水汽压)，单位为hPa；E0为0℃时的饱和水汽压，取6.1078hPa；a，b 均为常系数，分别取7.69和243.92。U为相对湿度的数值，单位为％；E_w为温度t所对应的纯水平液面饱和水汽压，单位为hPa。T₁＝273.16，为水的三相点温度，单位为K；T＝273.15+t，为绝对温度，单位为K；t为大气温度，单位为℃。

大气温湿度相对于路面温度所呈现的稳定性会高很多，在固定交通气象监测站附近约30公里左右的路段，由于地形地貌、水气条件差异不大，可以忽略大气温湿度的差异性，认为具有相同的气候条件。

(1)对于监测站点位置，认为在未来短时间内，露点温度不变。

(2)对于监测站点附近30公里左右的位置，认为在未来短时间内大气温度基本不变，以±0.2℃为界限波动，相对湿度基本一致，以±5％为界限波动。根据监测站点获取的实时大气温度和相对湿度数据，可以通过公式四和公式五计算出附近30公里左右的露点温度范围。

根据路面温度是否低于或等于0℃/冰点温度，路面温度是否小于或等于露点温度，是否存在降水天气现象的前提下，综合判断全路段是否存在路面结冰(黑冰或冰霜)风险，以及最早可能出现路面结冰的时间。

参见附图4，例如根据路面温度滚动预测结果，得到路段上某一位置未来短时间段内预测的露点温度和路面温度的相互关系，可见大约在凌晨 3：30左右，路面温度开始低于露点温度，且此时路面温度低于0℃，因此预测最早在凌晨3：30，该位置可能出现路面结冰风险。

综上，本发明涉及交通气象跨学科领域，针对高速公路结冰风险路段动态短临预警提出一套工程可实际应用的技术方法。此方法能够实现针对高速公路结冰风险路段的实时监测和短临预测研判，提高高速公路全线无缝全覆盖的路面结冰状况预测预警的时空精细化水平。

以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种高速公路全路段结冰风险动态短临预警方法，所述方法给出了一套工程可实际应用的技术流程，包括：全路段路面温度短临预测、潜在路面结冰判断条件、流程及预测、路面结冰状态及结冰时间预测，其特征在于：

所述全路段路面温度短临预测包括：路段上监测站点位置路面温度预测、路段上其他位置路面温度预测；其中，所述监测站点位置路面温度预测包括：基于从交通气象监测站点获取的多源交通气象历史资料，建立路面温度时间序列预测模型，针对监测站点实时采集的交通气象数据，滚动预测在大气温度、露点温度、相对湿度、风速作用下，交通气象监测站点位置在未来短时间段内，路面温度随时间变化的预测值；所述路段上其他位置路面温度预测包括：通过监测站点位置未来短时间段内的路面温度预测值，根据路段上其他位置与监测站点路面温度相对差值计算，可推算出同一时刻监测站点之外其他位置的路面温度预测值；

所述潜在路面结冰判断条件、流程及预测包括：监测站点位置及附近露点温度预测、潜在路面结冰状态预测；其中，所述监测站点位置及附近露点温度预测包括：在交通气象监测站点附近约30公里左右的路段，由于地形地貌、水气条件差异不大，可以忽略大气温湿度的差异性，认为具有相同的气候条件；其中，认为在未来短时间内，监测站点位置露点温度不变；其中，认为在交通气象监测站点左右共约30公里的路段范围内，在未来短时间内大气温度基本不变，以±0.2℃为界限波动，相对湿度基本一致，以±5％为界限波动，根据监测站点获取的大气温度和相对湿度数据，按照露点温度计算公式获得监测站点附近露点温度预测范围；其中，所述潜在路面结冰状态预测包括：通过路面温度条件和水汽条件的相互关系判断潜在路面结冰状态，判断全路段路面温度预测值是否低于或等于冰点温度，是否低于或等于同一时刻露点温度，再结合当前观测的降水状态，判断预测时效内高速公路全路段各位置可能存在的路面结冰风险；其中，所述全路段路面温度预测值包括监测站点位置路面温度预测值和路段上其他位置路面温度预测；所述路面结冰状态包括黑冰和冰霜；

所述路面结冰状态及结冰时间预测包括：监测站点位置路面结冰状态预测、路段上其他位置路面结冰状态预测、监测站点位置路面结冰时间预测、路段上其他位置路面结冰时间预测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监测站点位置路面结冰状态预测和所述监测站点位置路面结冰时间预测包括：对于监测站点位置，根据未来短时间段内，路面温度随时间变化的预测值，以及该监测站点位置露点温度预测值，判定是否满足路面温度条件和水汽条件，并构建路面温度与露点温度的相互关系图，判断潜在结冰风险路段，以及最早可能出现的路面结冰时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路段上其他位置路面结冰状态预测和所述路段上其他位置路面结冰时间预测包括：对于路段上其他位置，根据未来短时间段内，路段上其他位置路面温度随时间变化的预测值，以及对应的露点温度预测范围，判定是否满足路面温度条件和水汽条件，并构建路面温度与露点温度的相互关系图，判断潜在结冰风险路段，以及最早可能出现的路面结冰时间；其中，露点温度取其预测范围的上限值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法适用于高速公路，以及其他具备交通气象监测设施或路面温度传感器或路面状态传感器的道路。

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