公路交通气象观测站功能规格需求书文档格式.docx
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2组成结构
2.1概述
公路交通气象观测站由硬件和软件两部分组成。
硬件包括采集器、传感器、外围设备〔支架、机箱、避雷针〕等部分；
软件包括采集软件、中心站组网软件。
公路交通气象观测站可自由选择多种观测要素组合方式，同时，还要求低功耗、多方式供电、支持多种通讯方式等。
公路交通气象观测站总体结构如图2.1所示。
图2.1公路交通气象观测站总体结构图
2.2采集器
采集器是观测站的核心，它由硬件系统和采集软件系统两部分构成。
硬件部分由高稳固性电源，嵌入式处理器，大容量数据储备器，高精度时钟电路，高精度模数转换电路，以及多路数字及模拟传感器接口，通讯接口，指示灯电路等多种电路模块构成；
采集软件系统包含采集模块，通讯模块，时钟模块，储备模块，数据处理模块，指令响应模块等多种功能模块。
采集器功能结构见图2.2。
图2.2采集器功能结构框图
关于硬件系统的设计必须满足以下要求：
a）嵌入式处理器的选取应综合考虑功耗，速度，内置程序FLASH容量，各种功能接口〔RS232、RS485、RJ45等〕，在具备自由组合安装目前公路交通气象观测要素传感器的基础上，综合考虑可扩展性，具备扩展接入许多于2种其他新的传感器的能力，为以后应用扩展留有余量。
b）数据储备器的选型应考虑到采集要素的种类，字节大小，综合最长储备时刻运算出容量大小〔至少可储备一个月或以上的逐分钟采集的观测要素数据和逐小时状态信息〕，并留有一定的余量方便扩展。
c）模数转换芯片应在16位〔含16位〕以上，满足传感器测量要求。
d）电源模块应选择高精度、高稳固性电源模块，满足采集器本身及部格外部传感器供电要求。
e〕外接储备器包括CF卡、SD卡、USB中的一种或多种。
数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等储备在采集器内部，同时应在外接储备器上进行备份。
f〕应具备监测电路，包括主板温度测量、主板电源测量、交流供电检测、机箱门状态检测、蓄电池电量检测等。
g〕应具备指示灯，包括系统指示灯〔秒闪，包括供电状态指示、传感器采集工作状态指示〕、外接储备设备通信指示灯、通讯状态指示灯等。
h〕采集器的差不多工作电压是12V直流电压，采集器中其它直流工作电压应由此转换而成，该电压由蓄电池提供，需另外配置辅助电源〔太阳能、风能〕对蓄电池充电装置和充放电操纵器。
2.3传感器
2.3.1传感器简介
依照输出信号的特点，观测站使用的传感器可分三类：
模拟传感器、数字传感器、智能传感器。
传感器直截了当连接到采集器或上，传感器的种类和数量依照实际需要测量的要素确定。
路温、路面状况、冰点温度、以及融雪剂浓度等观测项目均为路面气象条件观测内容，路面气象条件的自动观测通常利用综合路面状况传感器或多个独立传感器来实现。
路面传感器依照传感器的观测原理或安装方式，分为埋入式路面传感器和非接触式路面传感器。
埋入式传感器安装时需要切割路面，将传感器埋入路面并使其表面与公路表面齐平；
非接触式传感器一样安装于路侧杆柱的适当高度，不具有冰点温度和融雪剂浓度观测功能。
天气现象观测可由天气现象传感器实现，也可由集能见度、天气现象为一体的传感器实现。
2.3.2传感器选型
在选择传感器时，应选用合格的传感器，是经行业主管部门批准或举荐的气象传感器型号。
假如所使用的传感器没有已认可型号，可依照服务需求选择配置。
传感器的选型要充分考虑以下因素：
交通气象观测功能需求；
传感器的爱护需求；
传感器的功耗；
传感器技术的成熟性、可靠性、经济性等。
公路交通气象观测所采纳的传感器举荐选型如表2.1所示。
表2.1传感器的选型
序号
要素名称
传感器类型
1
能见度
前向散射式能见度仪
2
气温
集成数字式温〔湿〕度传感器
或铂电阻温度传感器
3
相对湿度
集成数字式〔温〕湿度传感器
或湿敏电容湿度传感器
4
风速
超声风传感器；
或三杯风速传感器；
螺旋桨式风传感器
5
风向
或单翼风向传感器；
6
降水
天气现象传感器；
或翻斗式雨量传感器
7
天气现象
天气现象传感器
8
路温
铂电阻温度传感器；
或满足要求的路面传感器的温度输出
9
路面状况
路面传感器
10
冰点温度
11
融雪剂浓度
备注：
天气现象观测要紧指自动观测并判别：
有/无降水，降水类型（雨、雨夹雪、雪等），降水强度（小、中、大等），以及雾、霾、沙尘等天气现象。
2.3.3传感器布设及安装要求
为尽可能减小各个传感器之间的相互干扰，同时有效减少行驶车辆、绿化、路侧其它设备等对传感器的阻碍，须合理设计传感器的安装高度和布局。
除降水传感器、路温、路面传感器（埋入式）等需要安装在基础平台或路面上，其它各个传感器应安装在支架上，布局要求如下：
公路交通气象观测站外廓距离公路外侧行车道边缘不应小于3m〔包括应急车道〕，不大于50m，且与高速公路处于同一水平高度。
能见度传感器：
安装高度为3.0±
0.2m，往常向散射式能见度仪取样点为基准。
空气温度、湿度传感器：
0.2m，传感器安装在自然通风的防辐射罩内。
风速、风向传感器：
安装高度为3.5±
0.2m。
雨量传感器：
安装在基础平台上，与公路交通气象观测站主立杆相距不小于2.0m，并确保行驶车辆在雨天可不能将路面上的积水溅到雨量传感器承水器内；
雨量传感器的承水口水平，承水口以观测站基础平面为基准高度为0.70m。
假设采纳路面传感器（非接触式）、多要素组合传感器、天气现象传感器等，依照各类传感器的安装要求，在公路交通气象观测站支架上进行安装。
2.4外围设备
2.4.1支架
支架要紧用于装配各类传感器、通信装置等设备。
2.4.2机箱
机箱用于安装主控系统，各个功能模块布局合理，符合电气安全要求，散热性能良好。
机箱具有良好的密封性，防护等级要求达到IP65，具有安全防盗、防辐射等性能。
2.4.3避雷针
避雷针的长度〔接闪器的高度〕需达到观测站上端布设的各类传感器所需要的爱护范畴的要求，避雷针的制作材料、直径、接闪器材料、固定连接装置、引下线和接地等应达到相关防雷的技术规范要求。
2.5软件
2.5.1采集软件
采集软件由嵌入式操作系统和应用软件组成，嵌入式操作系统应选择实时性高、性价比好、稳固可靠的多任务实时操作系统。
要紧实现以下功能：
（1）实现差不多的数据采集、数据处理、数据储备和数据传输功能。
（2）实现远程参数设置、数据监视、数据文件下载、采集器复位等功能。
（3）储备数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等。
2.5.2中心站组网软件
中心站组网软件是实现某一区域公路交通气象观测站的自动组网和监控治理的应用软件。
安装在公路沿线的各公路交通气象观测站均通过公路沿线光缆或GPRS/CDMA/3G等无线通信方式与监控治理中心建立双向联系，实现公路交通气象观测站的组网和监控治理功能。
中心站组网软件的要紧功能要求如下：
（1）设置或查询各个观测站的站名、区站号、经纬度、海拔高度、DTU等通讯号码、在线登录状态、数据传输状态、当前或历史资料等。
（2）设置数据上传时刻间隔：
可向一个或多个公路交通气象观测站下达指令，将其设置成按照特定时刻间隔〔常规设置1min，可选择设置10min〕自动上传公路交通气象观测站最新的逐分钟观测数据。
（3）遗漏资料补传：
可补传公路交通气象观测站中储备的历史观测数据。
（4）观测要素开关设置：
可打开或关闭公路交通气象观测站的某一观测要素的传感器。
（5）日期和时钟校准：
分布在公路沿线的各个公路交通气象观测站，须支持网络时钟同步协议，且具有GPS授时功能，可由监控中心下达指令，对观测站的日期和时刻进行设置和校准，并反馈和验证校准信息。
（6）报警功能：
对接收到的专门数据提供报警功能，例如：
缺测、观测数据专门等。
可接收观测站的实时安全报警信息，例如：
供电中断、通信中断、蓄电池电压过低、机箱内温度等。
各类报警参数的设置功能由监控治理员预置。
（7）多种监控界面功能：
提供多种类型的监控界面，以不同的界面形式反映公路交通气象观测站网的运行情形，监控界面可自动实时刷新。
（8）具有生成储备数据文件、上传数据文件的功能。
3功能要求
3.1软件初始化
（1）对采集器进行自检，检测各外围传感器接口，预备储备器，做好数据采集预备；
（2）与中心站终端建立通讯连接；
（3）通过中心站终端对观测站采集器参数进行配置，可修改、查询观测站的参数配置，包括观测站差不多参数、传感器参数、通信参数等；
（4）建立和运行采集、处理、通讯等观测任务。
3.2数据采集
（1）对传感器按预定的采样频率进行扫描,将获得的传感器电压、电流或其它电信号，再转换成微操纵器可读信号，得到具体变量测量数据序列；
（2）将得到的测量数据序列依照传感器测量范畴转换成气象要素单位量值，得到气象要素采集瞬时值；
（3）将得到的气象要素采集瞬时值按照规定的各气象要素规定的算法运算出瞬时气象值〔即气象要素变量瞬时值〕；
（4）实现数据质量检查和处理。
3.3数据处理
（1）在数据采集过程中，以获得的连续的气象变量瞬时值为基础，经相关算法和处理，运算出气象观测所需要的气象变量瞬时值。
或者通过高频率的采样过程来获得瞬时变量值，通过运算或统计，得到某一时段内的气象要素的统计值〔如累计值、平均值、最大值、极大值等〕
（2）由采集器生成的各种气象观测数据，在算法实现过程中，对数据进行预处理，加强元数据的质量操纵，专门是超出预设的阈值、缺测数据、专门数据的处理。
（3）经处理后的数据，按照采集操纵器配置的储备器治理要求，通过储备检测、写入、检验等，完成数据写入储备器任务。
3.4数据储备
观测站配置有足够的储备器，至少能够储备一个月〔≥31天〕的逐分钟的所有观测数据，以及观测站逐小时工作状态和安全报警信息。
气象要素数据包括：
能见度，温度，相对湿度，瞬时风速、风向，分钟内极大风速、风向，2分钟平均风速、风向，10分钟平均风速、风向，降水量，路面温度、路基温度〔-10cm〕，以及路面状况、天气现象等数据集。
观测站工作状态包括：
供电状态，蓄电池电压，机箱温度，传感器工作状态信息等。
安全报警状态包括：
交流供电状态、蓄电池电压、机箱温度、机箱门开关状态、传感器工作状态等显现专门或故障等报警信息。
各气象要素数据，工作状态及安全报警状态数据均可按照时序变化有序地进行储备和检验，也能够调入缓冲区进行实时读取。
3.5数据传输
公路交通气象观测站网内的各观测站，通过约定的有线通信方式〔光纤、交换机等〕或无线通信方式〔GPRS、CDMA、3G等〕实时向省级通信系统直截了当传输数据，或同意中心站指令并组织上传所需的数据信息集。
观测站上传的数据由中心站软件负责自动组织和储存。
数据传输采纳ASCII码形式。
3.6数据格式
本文规定了公路交通气象观测站的数据字典，规定了数据传输格式、数据储备格式和实时上传数据文件格式。
详见附录1。
3.7数据质量操纵
为保证观测数据质量，应对自动气象站进行数据质量操纵，包括自动气象站采集器的嵌入式软件、中心站软件两部分的质量操纵。
自动气象站采集器应具备对用于数据质量检查的各要素极值范畴、承诺变化速率和变化率值等参数的设置。
3.7.1采集软件中的数据质量操纵
对采样瞬时值的质量操纵，如超越界限值的检查和处理。
采样瞬时值应在传感器的正常测量范畴内。
对气象要素逐分钟瞬时值的质量操纵，如超越界限值的检查和处理。
气象要素逐分钟瞬时值应在气象要素规定的最大量程范畴内。
对达不到质量操纵要求的数据进行剔除，并记录专门标记。
未满足质量要求的数据不参加相关算法处理和统计。
采样信号或气象要素瞬时值的界限值〔上限/下限、有/无〕等由传感器的测量范畴来确定。
数据质量操纵过程中，需要对采样瞬时值和瞬时气象值是否通过数据质量操纵以及质量操纵得结果进行标识，这种标识用于定性描述数据置信度。
标识的规定见附录1中表2.5。
3.7.2中心站软件中的数据质量操纵
中心站软件在与观测站进行通信以及对接收的数据进行处理和储备过程中，需要进行有效的数据质量操纵。
在通信传输过程中，依照观测站与中心站软件的通讯协议，检查数据传输的编码格式、校验码是否一致。
在通信协议或编码过程中，对数据的打包传输、接收解码、还原结果等进行一致性检查。
在数据处理和储备过程中，中心站终端在接收数据时检查数据的正确性，正确判定数据对应的日期和时刻，检查数据是否超越界限。
系统判定专门的数据须经人工判定删除与否；
依照接收到的数据起始时刻和长度进行准确定位，并将数据储存在对应的记录文件或数据库内；
系统自动进行数据完整性的检查，可对最近24小时内缺失数据进行自动补传，也可由人工操作进行数据补传；
通过数据质量操纵阈值的统计和设计，建立数据过滤预处理模块（操纵规那么），设定数据质量操纵阈值作为数据质量操纵专门数据判别规那么的参数。
标识的规定见附录1中表2.6。
3.8对时功能
采纳中心站监控治理系统自动或人工公布指令，对站网内的观测站统一校准日期和时刻，当观测站时钟误差超过设定值时可自动报警。
3.9观测站状态监控
每小时上传一次观测站工作状态参数集，或随时接收监控中心下达的指令上传监测站当前工作状态信息集。
包括：
交流供电状态、蓄电池电压、机箱温度、机箱门开关状态、传感器工作状态参数等。
3.10观测站安全报警
每小时上传一次监测站安全状态信息集，或随时接收监控中心下达的指令上传监测站当前安全状态信息集。
安全报警监控包括交流供电状态、蓄电池电压、机箱温度、机箱门开关状态、无线通讯在线状态、传感器工作状态等显现专门时报警。
3.11终端操作命令
终端操作命令为采集器和终端微机之间进行通讯的命令，以实现对采集器各种参数的传递和设置，从采集器读取各种数据和下载各种文件。
按照操作命令性质的不同，分为监控操作命令、数据质量操纵参数操作命令、观测数据操作命令和报警操作命令。
终端命令格式详见附录2。
4测量性能
4.1测量要素
公路交通气象观测站应能够同时测量以下气象要素：
（1）差不多气象要素：
能见度、气温、相对湿度、风速、风向、降水。
（2）路面气象要素：
路温――路面温度、路基温度〔-10cm〕
路面状况――至少能够准确区分干燥、潮湿、积水、结冰、积雪等5种路面状态，能测量水膜厚度、冰层厚度、雪层厚度，假如采纳埋入式路面传感器，除满足以上要求外，还需有冰点温度、融雪剂浓度。
（3）天气现象
4.2量和单位
要紧公路交通气象要素的量和单位名称及其符号按下表确定：
表4.1要紧公路交通气象要素的量和单位的名称及其符号
气象变量的名称
单位的名称
单位的符号
说明
摄氏度
℃
百分率
%
另一个常用的相对湿度符号为〝%RH〞
例如1：
相对湿度为50%；
例如2：
湿度为50%RH。
度
°
由北按顺时针方向旋转，以0～360标度，其中0为北风，90为东风。
米每秒
m/s
降水量
毫米
mm
降水强度〔precipitationintensity〕〔又名降水率〕的单位名称及符号是：
毫米每分〔mm/min〕。
米或千米
m，km
路面温度
路基温度
千分号
‰
雪层厚度
12
水层厚度
13
冰层厚度
14
WMO天气现象编码
4.3指标要求
公路交通气象观测站的测量性能应遵循«
和相关规范的要求。
常见的气象要素观测性能要求见下表：
表4.2公路交通气象站测量性能要求
测量要素
范畴
辨论力
准确度
-50℃～50℃
0.1℃
±
0.2℃
5%～100%
1%
3%〔≤80%〕
5%〔＞80%〕
0～360°
3°
5°
0～60m/s
0.1m/s
〔0.5+0.03V〕m/s
0～4mm/min
0.1mm
0.4mm〔≤10mm〕
4%〔＞10mm〕
10～10000m
1m
10%〔≤1500m〕
20%〔＞1500m〕
-50℃～80℃
0.5℃
路基温度〔-10cm〕
-40℃～60℃
0.4℃
准确区分干燥、潮湿、积水、结冰、积雪等5种路面状态，能测量水膜厚度、冰层厚度、雪层厚度，假如采纳埋入式路面传感器，除满足以上要求外，还需有冰点温度、融雪剂浓度。
至少可识别有/无降水，降水类型（雨、雪、雨夹雪），降水强度（微量、小、中、大、特大等）；
可识别雾、霾、沙尘等视程障碍现象；
能够对各种天气状况下的能见度进行观测，观测性能同本表能见度仪的技术要求。
4.4采样和算法
各要素的采样频率及气象值的运算见下表：
表4.3自动气象站测量要素采样频率
要 素
采样频率
运算方法
气 温
6次/min
或30次/min
通过数据质量操纵后运算平均值。
湿 度
风 速
4次/s
以0.25s为步长求3s滑动平均值，即瞬时风速；
以1s为步长运算每分钟的1min、2min算术平均，即2分钟平均风速；
以1分钟为步长〔取1min平均值〕运算每分钟的10min滑动平均，即10分钟平均风速。
风 向
1次/s
求1min、2min平均；
以1min为步长〔取1min平均值〕运算每分钟的10min平均。
1次/min
运算累计值。
≥4次/min
瞬时气象〔分钟〕值为采样值等权相加求算术平均值。
1次/min
5软件流程
5.1采集操纵软件流程
传感器将各气象要素转换为电信号传送给采集操纵器，采集操纵器得到采样数据，通过数据质量检查进行标记，由采样数据通过指定算法形成气象要素瞬时数据，通过质量检查等后续程序处理，储备到外储备器并上传至监控中心业务软件，形成数据文件，具体采集操纵流程如以下图所示：
图5.1采集操纵流程图
5.2数据流程
观测站采集数据流程如以下图所示：
图5.2采集数据流程图
6供电要求
6.1供电方式
公路沿线气象观测站点供电方式可采纳以下四种方式：
〔1〕常规市电〔AC220V〕
〔2〕太阳能供电
〔3〕风力供电
〔4〕风光互补供电
选取兼顾可靠性和经济性的供电方式是确保公路沿线气象观测站点正常工作的必要条件。
选取原那么如下：
〔1〕常规市电是最可靠的供电方式。
在气象观测站点布设位置或邻近能够方便就近取电时，应优先市电供电方式。
假如气象观测站点与常规市电取电点距离较远，应综合考虑供电可靠性、电缆铺设费用等因素确定供电方案。
〔2〕在太阳能或风能资源比较富足的地区，可选择太阳能、风能或者风光互补供电方式。
亦可采纳常规市电、太阳能、风能和风光互补等多种组合供电方式。
〔3〕依照需求选择以上一种或两种供电方式，不管选择何种供电方式，都必须确保气象观测站点供电系统正常连续工作。
6.2蓄电池及充放电操纵装置
蓄电池的容量可依照各气象观测站点的实际功耗进行选型、配备。
在显现市电因故障断电无法正常工作的情形下，蓄电池容量应保证气象观测站点能连续工作7天以上；
或使用太阳能供电因连阴雨天气无法正常工作的情形下，蓄电池容量应保证气象观测站点能连续工作14天以上，为确保气象观测站点的不间断供电，气象观测站点应配备蓄电池与充放电操纵装置。
7安全要求
7.1标记要求
7.1.1产品标识
公路交通气象观测站至少应标明：
（1）制造厂商名或商标或识别标记；
（2）制造厂商规定的产品型号、名称或型号标志；
（3）数据采集器的型号、名称和序列号；
（4）各气象传感器的型号、名称和序列号。
7.1.2电源
公路交通气象观测站应设有电源额定值的电源铭牌，电源铭牌应包括以下内容：
（1）电源性质的符号〔交流或直流〕；
（2）额定电压或额定电压范畴；
（3）额定频率或额定频率范畴〔仅用直流电源的自动气象站除外〕；
（4）额定电流或功耗。
7.1.3熔断器
在每一熔断器座上或其就近处标上标记，该标记应标出熔断器的额定电流，假如该熔断器能装上不同电压额定值的熔断器，那么还应同时标出熔断器的额定电压。
7.1.4电源开关
电源开关应标明电源〝通〞〝断〞位置。
7.1.5电击危险
使用市电的公路交通气象观测站应在外壳显著位置设〝当心电击危险〞安全标记。
7.1.6其他标记
公路交通气象观测站的其他标记要求和方法应符合公路部门和气象部门有关行业和国家标准的要求。
7.2文件要求
随同自动气象站应提供技术说明书、使用或操作说明等技术文件，必须包括以下差不多内容：
自动气象站额定工作条件、自动气象站安装信息、自动气象站操作信息、自动气象站爱护信息，以及从上述文件能够获得技术关心的制造厂或供货方的名称、地址和尽可能多的通讯联系方式。
7.3结构安全
公路交通气象观测站结构上的棱缘或拐角，应倒圆和磨光。
关于在产品寿命期内无法始终保持足够的机械强度而需要定期爱护或更换的部件，应在产品使用说明书上醒目地载明更换周期并着重注明不如此做的危险性。
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