基于MAWRIS氣象數(shù)據(jù)的路面溫濕度關(guān)系研究

馮 洋 王曉燕

（北京市城市管理研究院，北京 100028）

在近幾十年來(lái)，北京的城市化進(jìn)程不斷加快。截至 2017年底，北京市常住人口達(dá)到2 000萬(wàn)，汽車保有量達(dá)到600萬(wàn)輛。車流量的迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致了交通擁堵的加劇。為了緩解交通壓力，北京市建設(shè)了多條放射狀的高速公路和城市快速環(huán)線。截至2017年底，北京市高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)到1 013 km，在緩解北京交通壓力方面發(fā)揮了重要的作用。

城市道路具有速度快、運(yùn)力大等特點(diǎn)，因此更容易受到氣象因素和路面狀況的影響。根據(jù)交通管理部門的統(tǒng)計(jì)，惡劣氣象條件導(dǎo)致的交通事故約占交通事故總數(shù)的23%。在北京加速城市化的過(guò)程中，這一比例仍處于上升的趨勢(shì)。

根據(jù)一項(xiàng)針對(duì)汽車司機(jī)的問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)冰在影響交通安全的氣象條件中排在前列，僅次于降雪和積雪。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有的交通安全事故中，路面濕潤(rùn)時(shí)的事故是干燥路面的2倍，降雪時(shí)是干燥路面的5倍，結(jié)冰時(shí)是干燥路面的10倍。這是因?yàn)楫?dāng)路面形成結(jié)冰時(shí)，路面摩擦系數(shù)降低，抗滑性能變差，容易使車輛發(fā)生空轉(zhuǎn)或打滑，提高了交通事故的發(fā)生頻率[1]。在我國(guó)北方地區(qū)的冬季，這種情況更為嚴(yán)重，路面結(jié)冰已經(jīng)超過(guò)大霧天氣，成為最不利于交通運(yùn)輸?shù)臍庀髼l件。

此前我國(guó)針對(duì)高速公路結(jié)冰事件發(fā)生的特征和生成條件開(kāi)展過(guò)研究，并建立路面結(jié)冰的預(yù)報(bào)模型，而根據(jù)氣象條件對(duì)路面結(jié)冰事件進(jìn)行預(yù)報(bào)，以便交通管理部門及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而減少交通事故。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所曾在北京開(kāi)展過(guò)高速公路結(jié)冰特征研究，并搭建結(jié)冰預(yù)警模型，引入路面溫度、路面濕度、路面露點(diǎn)溫度、前24 h降水、土壤溫度等自變量，對(duì)結(jié)冰特征進(jìn)行邏輯回歸分析。分析指出，當(dāng)路面存在積水或積雪，且路面溫度低于0 ℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰。發(fā)現(xiàn)結(jié)冰的條件會(huì)隨路面類型的變化而不同，但路面溫度低于0 ℃且存在積水是所有路面結(jié)冰的必要條件。路面結(jié)冰主要與路面溫濕度相關(guān)

我國(guó)對(duì)于城市道路路面結(jié)冰的研究經(jīng)驗(yàn)較少、起步較晚。氣象觀測(cè)站一般選擇建在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)或高速公路，對(duì)于人口集中且交通流量大的城市道路，使用氣象觀測(cè)的數(shù)據(jù)開(kāi)展城市道路結(jié)冰研究存在著嚴(yán)重的受限性。通過(guò)使用lufft研發(fā)的產(chǎn)品MARWIS移動(dòng)式道路氣象儀，收集路面溫濕度數(shù)據(jù)，并對(duì)路面溫濕度關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性研究，并針對(duì)移動(dòng)式道路氣象儀進(jìn)行路面溫濕度研究的合理性進(jìn)行評(píng)定。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 MARWIS移動(dòng)氣象儀工作原理

表1 路面狀況碼

道路清潔監(jiān)測(cè)車上安裝并調(diào)整MARWIS移動(dòng)式道路氣象監(jiān)測(cè)儀。MARWIS-UMB可以安裝在車輛上進(jìn)行對(duì)水、冰、雪及摩擦系數(shù)的檢測(cè)。傳感器與路面的距離可以是0.5 m、1 m或2 m。

設(shè)備通過(guò)紅外光實(shí)現(xiàn)測(cè)量。4個(gè)發(fā)射頭和2個(gè)接受二極管捕獲反射回來(lái)的不同波長(zhǎng)的光線。由于不同物質(zhì)反射的光譜屬性不同，例如水和冰，路面狀況可以通過(guò)捕獲的數(shù)據(jù)推演而得。

儀器采用光學(xué)/光譜采樣，采樣速率：10 s/次。車速主要影響采樣點(diǎn)距離，即：車速慢時(shí)采樣點(diǎn)間距小，車速快時(shí)采樣點(diǎn)間距大，該方案檢測(cè)車速為10 km/h，采樣點(diǎn)間距約25 m距離。（盡量保證勻速通過(guò)檢測(cè)路段。）

MARWIS移動(dòng)式道路氣象儀的時(shí)間分辨率為10 s，觀測(cè)變量包括路面溫度、氣溫、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、路面溫度對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度、水膜高度、路面狀況以及摩擦系數(shù)。

1.2 MARWIS移動(dòng)氣象儀監(jiān)測(cè)方案

道路氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于道路監(jiān)測(cè)車上加裝的MARWIS移動(dòng)氣象儀，通過(guò)隨道路清潔監(jiān)測(cè)車的日常監(jiān)測(cè)任務(wù)進(jìn)行溫濕度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，將MARWIS移動(dòng)氣象儀監(jiān)測(cè)方案分為三種：

（1） 隨監(jiān)測(cè)車進(jìn)行監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)車每條檢測(cè)路段采取十個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)平均監(jiān)測(cè)時(shí)間為4 min，即：停車檢測(cè)約4 min之后移動(dòng)檢測(cè)約10 s，往復(fù)此過(guò)程做10個(gè)周期循環(huán)，直至完成道路檢測(cè)。

數(shù)據(jù)日期及地點(diǎn)分別為2017年2月1日阜安西路、將臺(tái)路、望京街，2月2日育慧東路、安立路、慧中北路，2月18日清華南路、三環(huán)主路、四環(huán)主路，2月20日阜石路、馬家堡東路、四環(huán)主路，2月22日阜石路、三環(huán)輔路，2月25日北環(huán)路、亢山路、南環(huán)東路、南環(huán)路、永安路。

嚴(yán)重不良反應(yīng)1例：女，63歲，輸尿管結(jié)石伴腎積水，行輸尿管鏡碎石術(shù)，術(shù)后于2016-07-2916:00因左輸尿管結(jié)石，給予丁溴東莨菪堿注射液20 mg靜滴qd，于16:30出現(xiàn)下列癥狀：心慌、胸悶，心律最高達(dá)102次/分，血壓145/85 mmHg，血氧飽和度99%，無(wú)心前區(qū)疼痛不適，無(wú)惡心、嘔吐。針對(duì)癥狀，16:35采取如下措施：立即停用該藥，給予吸氧、心電監(jiān)護(hù)；在17:30癥狀開(kāi)始緩解，19:00癥狀基本消失。

（2） 移動(dòng)檢測(cè)：移動(dòng)檢測(cè)對(duì)于交通路況的要求較高，故選取其中的2月1日望京街，2月2日育慧東路，2月18日三環(huán)主路、四環(huán)主路，2月20日馬家堡東路、四環(huán)主路，2月22日三環(huán)輔路，2月23日太陽(yáng)宮北街。

（3） 夜間定點(diǎn)檢測(cè)：2月23日太陽(yáng)宮北街。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖比較

將MARWIS移動(dòng)氣象儀收集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用EXCEL軟件進(jìn)行整理，并繪制趨勢(shì)圖，通過(guò)圖表的形式直觀的對(duì)溫濕度的變化關(guān)系進(jìn)行分析。在MARWIS移動(dòng)氣象儀的兩種監(jiān)測(cè)方案下，將不同方案的檢測(cè)數(shù)據(jù)整理成趨勢(shì)圖，進(jìn)行直觀的比較并分析各個(gè)方案間所存在的問(wèn)題，為下一步方案優(yōu)化做準(zhǔn)備。

1.3.2 基于STATA的相關(guān)性分析

使用STATA軟件對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行散點(diǎn)圖的繪制，并采用線性回歸的數(shù)學(xué)方法對(duì)溫濕度的相關(guān)性進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)溫濕度分析

2.1 隨車檢測(cè)與移動(dòng)檢測(cè)溫濕度分析

通過(guò)整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析得出：隨車檢測(cè)時(shí)，溫濕度變化有一定規(guī)律，溫濕度變化隨清潔監(jiān)測(cè)車監(jiān)測(cè)作業(yè)呈周期性變化。據(jù)實(shí)際情況，該變化與汽車行駛狀況相關(guān)。

其中，望京街、育慧東路、馬家堡東路、三環(huán)輔路隨車檢測(cè)的溫濕度周期性波動(dòng)較大，相比較三環(huán)主路、四環(huán)主路的路面溫濕度周期性波動(dòng)較為平緩，結(jié)合道路情況：三環(huán)主路、四環(huán)主路此類主路路側(cè)無(wú)綠植、高樓，路面陰影較少。由此得出：路面溫濕度變化受路側(cè)陰影影響顯著。

在移動(dòng)檢測(cè)中，因其受道路交通情況影響較大，故根據(jù)移動(dòng)檢測(cè)行駛情況，選取望京街、育慧東路、馬家堡東路、三環(huán)輔路進(jìn)行移動(dòng)檢測(cè)。

從移動(dòng)檢測(cè)溫濕度變化趨勢(shì)圖，觀察得出：移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)變化無(wú)明顯規(guī)律，其原因可能是路面狀況、道路環(huán)境較為復(fù)雜，檢測(cè)過(guò)程中路面材質(zhì)發(fā)生變化，汽車尾氣以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射影響較為顯著。

其中，三環(huán)主路、四環(huán)主路2月18日移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)相比較望京街、育慧東路、馬家堡東路、三環(huán)輔路移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為平緩，結(jié)合道路情況：三環(huán)主路、四環(huán)主路檢測(cè)路段紅綠燈較少且交通狀況較為良好，移動(dòng)檢測(cè)盡量可以保證勻速行駛，由此得出：在移動(dòng)檢測(cè)中，盡量保證車輛均速行駛可獲得較為良好的溫濕度數(shù)據(jù)曲線。

2.2 溫濕度相關(guān)性分析

將溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入STATA軟件中，探究路面溫濕度之間的相關(guān)性。

將隨車檢測(cè)和移動(dòng)檢測(cè)方案所測(cè)得的數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入stata進(jìn)行相關(guān)性分析。分別制作散點(diǎn)圖如圖1和圖2所示。

圖1 隨車檢測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

圖2 移動(dòng)檢測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

通過(guò)繪制溫濕度散點(diǎn)圖，觀察可得：隨車檢測(cè)數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)點(diǎn)有明顯的扎堆聚攏的現(xiàn)象，可進(jìn)一步驗(yàn)證：隨車檢測(cè)中，監(jiān)測(cè)車的啟動(dòng)、前進(jìn)、剎車對(duì)溫濕度的影響顯著。

分別對(duì)隨車檢測(cè)及移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算并進(jìn)行線性回歸，如表2和表3所示。

表2 隨車檢測(cè)相關(guān)系數(shù)

表3 移動(dòng)檢測(cè)相關(guān)系數(shù)

隨車檢測(cè)相關(guān)系數(shù)為-0.341 5，移動(dòng)檢測(cè)相關(guān)系數(shù)為-0.596 9，溫度與濕度在兩種方案中都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。隨車檢測(cè)相關(guān)系數(shù)|-0.341 5|＜0.5，相關(guān)度為低相關(guān)度；移動(dòng)檢測(cè)相關(guān)系數(shù)|-0.596 9|＞0.5，相關(guān)度為中相關(guān)度。由此可分析出，在溫濕度檢測(cè)過(guò)程中，移動(dòng)檢測(cè)的溫濕度關(guān)系所受外界影響更小，外界干擾項(xiàng)可能更少。

同時(shí)，對(duì)隨車檢測(cè)數(shù)據(jù)、移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸，回歸結(jié)果中：隨車檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整后的可決系數(shù)Adj R2≥0.1159，移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整后的可決系數(shù)Adj R2≥0.3552。在移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)中溫濕度的線性擬合度也比隨車檢測(cè)數(shù)據(jù)要好，由此可得：在使用MARWIS移動(dòng)氣象儀進(jìn)行溫濕度關(guān)系研究的試驗(yàn)中，移動(dòng)檢測(cè)方案所得數(shù)據(jù)更好，干擾項(xiàng)更少。

3 結(jié)語(yǔ)

在基于MARWIS移動(dòng)氣象儀的路面溫濕度研究中，路面溫度與濕度整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。在預(yù)設(shè)的隨車檢測(cè)和移動(dòng)檢測(cè)兩種方案中，進(jìn)行溫濕度采集工作宜采用移動(dòng)式檢測(cè)作業(yè)，其所獲取的溫濕度數(shù)據(jù)受外界因素影響更小，溫濕度相關(guān)性更高，且線性擬合度更好，整體數(shù)據(jù)在研究中更具可觀性。

路面溫濕度檢測(cè)儀受檢測(cè)過(guò)程中清潔監(jiān)測(cè)車的啟動(dòng)、前進(jìn)、剎車的影響十分顯著；路面溫濕度變化受路側(cè)陰影影響顯著；路面溫濕度受路面狀況、所檢測(cè)路面材質(zhì)、汽車尾氣以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射影響較為顯著。在移動(dòng)檢測(cè)中，盡量保證車輛均速行駛可獲得較為良好的溫濕度數(shù)據(jù)曲線。