呂雪芹，黃宏智

（廣東省氣象探測數據中心，廣東廣州 510080）

近10多年來，為適應日新月異的經濟形勢，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，交通安全綜合風險明顯上升，氣象災害風險特別是濃霧（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。據交通管理部門統計，交通事故中有近30%是在惡劣天氣條件下發(fā)生的，對公眾的生命財產安全和交通運輸行業(yè)造成巨大損失［1-4］。

為應對氣象災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)測預警系統的建設，為交通部門提供準確、實時的專業(yè)氣象服務，有效化解道路交通安全風險。馮民學［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）技術需求，研究嚴重影響交通的低能見度濃霧監(jiān)測與預警的技術方法；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)測預報預警服務系統建設的內容、特點及趨勢；王志等［7］研究了我國公路交通氣象監(jiān)測預報預警業(yè)務體系，展望了未來公路交通氣象服務的發(fā)展方向；豐德恩等［8］、劉超等［9］、石偉偉等［10］根據中國高速公路交通氣象災害風險預警業(yè)務需求研究開發(fā)了相應的業(yè)務系統；李迅等［11］分析了交通氣象監(jiān)測設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系。以上研究主要從各個角度分析了氣象災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)測站網建設并不完善，建設水平存在較大差異。站點的布局、設備配置和建設標準等各異。本研究以廣東省交通自動氣象站建設為例，重點從選址、施工風險、建設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)新性設計交通氣象站的一體化安裝結構件，實現全省交通氣象站的統一布局、統一式樣和統一標準。

1 交通自動氣象站建設環(huán)境條件

常規(guī)氣象觀測站通常布設在開闊、平坦的區(qū)域內，按照有關建設規(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的通風防輻射罩內，風速風向傳感器安裝于10 m風塔上，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，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)測公路氣象災害天氣過程，交通氣象觀測站建設原則上布設在高速公路邊距離外側邊緣3～15 m的位置，既要考慮高速公路惡劣天氣影響路段、氣象災害隱患點的位置、風險等級等因素，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，地形復雜，以山地和丘陵為主，山區(qū)路段的高速公路兩側地形一般都比較險峻，給交通氣象觀測站的建設帶來了很大困難，主要在幾個方面：（1）多數高速公路依山而建，公路護欄與山體之間的距離通常不到5 m，除去排水溝，能用于建設的范圍較很小，無法按照自動站建設規(guī)范要求建設標準觀測場地，如果使用鉤機開山挖掘擴大場地則建設成本和難度太高。（2）高速公路邊施工風險大，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，因此自動站的基礎和安裝結構部件必須輕便簡潔適合現場人工拼裝。（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，風傳感器應安裝在10 m標準風塔上，但是高速公路旁10 m風塔的建設難度大，安裝和后期維護保障攀爬風險系數高。（5）高速公路部門倡導路邊設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，審批流程復雜，周期長，需要各部門共同推進。基于以上建設中的實際困難，要求交通自動站的安裝基礎架構必須高度集成、一體化、易維護等，以降低施工難度與建設維護成本。

2 一體化基礎部件設計

為了適應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規(guī)范要求的基礎上，一體化設計重點強化基礎部件主體的輕便而穩(wěn)固，既方便設備安裝又造型美觀。建設過程中不需要大型施工設備如勾機和吊車等，只需3～4人即可完成現場施工。

2.1 一體化可升降鐵塔設計

交通氣象站安裝基礎重要組成部分是風塔，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，因此設計者創(chuàng)新設計弧形可升降的一體化氣象鐵塔。在設計時重點考慮如下幾點：（1）風塔整體穩(wěn)固性及安全受力問題。（2）風桿穩(wěn)固、靈活可控、自由升降、風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、傳感器、供電系統和通信系統等所有設備，空間上還需滿足至少兩人同時操作的空間，圍護設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）風塔整體結構緊湊、輕巧，方便運輸、拆卸，便于人工架設安裝。（6）結構美觀大方，作為公路上一個藝術品。

一體化可升降鐵塔結構分為3部分，其中底部為塔身部分、中間為平臺部分、上部為風桿部分。

1）塔身主體結構。

塔身主體設計高度為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，弧形展現了線條流暢，美學元素十足。塔身的側面采取3層的橫拉和斜拉結構，確保力學結構堅固。高速公路幾十噸上百噸集裝箱大貨車經過，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]可能受臺風影響，采取整體通透結構設計，沒有較大面積受風面，可確保風塔穩(wěn)固安全。

圖1 塔身主體設計圖

2）綜合集成平臺結構設計。

塔中間部分為綜合集成平臺，大小為1.3 m×1.3 m，正面一側兩個角為直角，后面一側為135°角的多邊形，平臺圍欄高度為80 cm，采用網狀通透結構，正面一側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桿，如圖2所示的圍欄立面結構，考慮懸掛部分附屬儀器部件的便利，設計成水平和垂直網狀結構，同時減少風阻，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 綜合集成平臺結構設計圖

3）可升降式風桿結構設計。

結構圖如圖2所示，上面部分是3.5 m高度的風桿，平臺上面3 m，下面0.5 m，風桿安裝在平臺中心位置的緊固套管上，為了加強風桿的穩(wěn)固強度，設計的巧妙之處是加長套管長度，套管設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，大大減少風桿的搖擺幅度。風桿通過這個套管組合可以上下移動，當提升到預定高度的時候，套管底端通過穿插一根螺栓把風桿支撐住，套管三側通過螺絲把風桿緊固起來。為了增加安全措施，防止3.5 m風桿突然下落砸到人，在風桿1和2 m長的位置分別設置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，主要用于風桿上下移動時，避免風桿及頂部傳感器太重瞬間下滑砸傷工作人員。風桿的頂部焊接一個法蘭盤與風傳感器支架法蘭盤連接。雷針的接閃器通過雙抱箍和風桿固定在一起，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，形成獨立的防雷設施裝置。

2.2 標識牌警示牌設計

交通自動氣象站基礎架構一體化設計不僅充分考慮技術性能，還設計了統一的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，盡顯大氣與風范。如圖3所示，運用激光刻蝕加上絲印技術加工而成。

圖3 交通氣象站LOGO、警示牌設計

考慮交通自動氣象站安裝在野外，為防止人為破壞，依據國標規(guī)范要求，按照合適的比例大小設計了統一的交通氣象觀測站的警示標志。警示牌根據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、模擬瀝青路面的設計

高速公路護欄溫度和路面溫度對于道路結冰、路面高溫等預測預警發(fā)揮重要作用，常規(guī)的傳感器的布設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 實際應用

基于一體化可升降鐵塔的交通氣象觀測站目前已經應用于廣東省交通站監(jiān)測網，全省已經安裝了30多個站。該設計結構合理，符合觀測規(guī)范要求，主體基礎架構穩(wěn)固安全，方便施工，降低施工風險，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)務效益和經濟效益。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計和建設，遵循地面氣象觀測有關規(guī)范，結合高速公路地理環(huán)境的特殊條件和實際安裝建設的特殊要求，在保證觀測代表性準確性的前提下，高度融合了架構穩(wěn)固、結構美觀大方、安裝方便等多個關鍵元素，設計成功一體化可升降的氣象鐵塔，已經在珠三角和粵東西北各市縣陸續(xù)推廣應用。從實際應用效果來看，設計的一體化氣象鐵塔的技術性能和藝術性得到了充分的體現。本設計成果預期將成為全國交通自動氣象站建設范例，具有實用價值和借鑒意義。