Modern Transportation March 2014, Volume 3, Issue 1, PP.13-19
Regional Weather Information System for Surface Transportation and Incident Management Zhirui Ye1, 2, #, Yuan Wang1, 2, Xinhua Wu3, Yuan Wen1, 2 1. Jiangsu Key Laboratory of Urban ITS, Southeast University, 2 Sipailou, Nanjing, Jiangsu 210096, China 2. Jiangsu Province Collaborative Innovation Center of Modern Urban Traffic Technologies, Southeast University, 2 Sipailou, Nanjing, Jiangsu 210096, China 3. Nanjing CITYAGENT Urban Planning Design Co., Ltd, 119 Ruanjian Road, Nanjing, Jiangsu 210012, China #Email: yezhirui@seu.edu.cn
Abstract This paper presents a case study known as the proof-of-concept of an integrated, user-friendly surface transportation weather system for northern California. The goal of this system is to streamline and integrate currently available road weather data into one single source that is easily accessible by incident responders and potential traveling public. The data were mainly obtained from Caltrans RWIS, California Data Exchange Center, National Weather Service. There is great potential in the use of such data for purposes ranging from maintenance and traveler safety to emergency medical response and homeland security. There is great potential in the use of such data for purposes ranging from maintenance and traveler safety to emergency medical response and homeland security. This work demonstrates an innovative approach to develop a regional pilot weather information system, in which a system engineering approach was used to incorporate stakeholder input and feedback throughout the iterative development process. Keywords: Road Weather Information System; Surface Transportation; Incident Management; Systems Engineering
服务于道路交通和事件管理的区域气象信息系统 叶智锐 1,2，汪圆 1,2，吴新华 3，文渊 1,2 1. 东南大学城市智能交通重点实验室，四牌楼 2 号，南京，江苏，210096 2. 现代城市交通技术江苏高校协同创新中心，四牌楼 2 号，南京，江苏，210096 3.南京城理人城市规划设计有限公司,软件大道 119 号,南京,江苏, 210012 摘要：道路交通经常受到恶劣天气的影响，改善道路气象信息的质量和普及程度对气象信息使用者十分重要。因此，本 文提出了一种集成并且用户友好的地面交通的区域气象信息系统。系统将现有的道路气象数据精简、整合成一个能够使 恶劣天气事件响应者和潜在的广大出行者方便获取数据的数据源。现有的这些道路气象数据主要来源于美国加州交通运 输部的道路气象信息系统、加州数据交换中心和国家气象局。本文运用系统工程方法构建区域气象信息系统，该方法能 够将整个迭代开发过程中的系统用户和利益相关者的反馈信息进行整合处理。 关键词：道路气象信息系统；道路交通；事件管理；系统工程
引言 恶劣天气对道路交通的影响大、范围广。降雨、降雪、横风等不利气象造成能见度下降，降低车轮与 路面的附着系数，对道路交通安全有巨大负面影响[1][2]。在美国，2001 年由于气象原因导致的车辆碰撞事件 超过 140 万起，包括 61.5 万起受伤事件和 6900 起死亡事故[3]。据估计，与气象因素相关的交通事故（死 - 13 www.ivypub.org/mt
亡，受伤以及财产损失）而导致的年平均经济损失高达 420 亿美元[1]。此外，由于不利天气导致的年平均交 通延误也高达将近 10 亿小时[3]。 及时、准确、可靠以及用户友好型的道路气象信息对于支持道路交通以保证交通信息系统的流动性、 安全性、高效率和高生产率至关重要。2002 年的一项研究显示，美国 511 系统中有 40%的潜在用户赞同气 象是最重要的信息元素[3]。此外，美国道路交通的气象信息将在各级别的联邦、州和地方规划与应急预案中 发挥越来越重要的作用[1]。最近的研究还表明，使用准确的天气信息能显著减少冬季维护成本[5][6][7]。 多个方面的气象数据用户会受益于高质量、便于获取的道路气象信息，包括国家和州交通运输部门 (DOTs)，公众气象预报机构，民营气象信息提供者，电子和印刷媒体，道路使用者（通勤者、游客、司机 和急救人员），车载导航系统供应商，大众运输以及轨道运输[8]。因此，美国交通运输部提出倡议开发和展 示一个复合型道路交通气象观测、预报和数据库管理系统，并建立一个全国性的道路交通气象观测预报系 统。该倡议的最终目标是为所有交通管理者和使用者提供信息帮助以减轻恶劣天气的影响[8]。 在北加州，包括 11 个市（7 个在 2 区、4 个在 3 区）在内的 RIME(Redding Incident Management Enhancement)机构负责建立区域气象信息系统，根据现有、预测以及历史道路交通气象信息对州际高速公路 及其突发事件和紧急情况进行维护和应对。系统的基本目标是把加州交通局道路气象信息系统(RWIS)、加 州数据交换中心(CDEC)、国家气象局(NWS)等气象数据源精简、整合成单一方便获取的资源。为了引导该 系统的设计与开发，本文提出了如下运营理念：1）记录现有系统；2）确定需要解决的高层次需求；3）提 供所需的系统的概念概述；4）定义该系统的用户和运行方案；5）显示系统的业务影响；以及 6）分析该系 统的优势。
现有系统概况
1
加州交通运输局 2 区在 1993 年开始使用道路气象信息系统。现已建成 11 个气象站和 50 个规划在建气 象站。现有站点中，六个在线站点和两个离线站点能够为用户提供数据，并且其中有六个站点还能够提供 路面温度预测数据。此外，四个站点已经配有闭路电视监视系统，在未来一段时间内，其他站点也将配 备。 其他州和联邦机构也在管理该地区设置上百个气象站。加州林业消防部门和美国土地管理局管理该区 域的远程自动气象站。他们采集风速、风向、降水、温度、相对湿度和可燃物降水率等气象数据，相关专 家学者能够利用这些数据来提出一些防火防灾的措施。自然资源保护局管理积雪量遥感观测站，并自动采 集积雪量和相关的气象数据。此外，海湾地区海洋研究所，美国联邦航空管理局和国家气象局也参与到一 些其他气象站的运营管理当中。 表 1 现有系统的不足以及理想区域气象信息系统的特性 现有系统的不足
理想系统的特性
必须通过不同接口获取天气信息，其中一些接口 对于非专业用户较复杂 现有天气数据源的重复整合和缺乏整合 RWIS 信息仅能通过加州交通局网站获取 每次只能观测一个加州交通局 RWIS 气象站（非 整体观测） 外界观测站不可查看路面检测状况 加州交通局 RWIS 的准确性不稳定 仅能通过供应商提供的应用获取加州交通局 RWIS 信息以及历史天气数据只能通过供应商才可以使用
允许管理者从现有数据源添加新的站点 允许用户打开/关闭各种数据层的交互地图显示 每 5 分钟为用户自动更新道路天气信息 为所有实时报告站提供质量控制程序 确保只有授权的用户才能访问机密信息（例如， 路面温度） 允许用户显示在选定区域代表特定数据值的图形 允许用户放大，缩小以及移动任意区域 允许用户跟踪历史数据一年 允许用户定义警报空气温度、露点温度和风速状 态的变化的阈值 等等
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2
面临的挑战 尽管区域内的大量道路气象信息是可获取的，但由于必须通过访问不同资源使得获取过程效率较低且
较费时。同时，这些信息也不利于方便整合各种资源的现有数据。因此本系统中加州交通局 2 区以及其他 RIME 成员负责从单一资源获取所有可利用的道路气象信息。 根据运营者商讨以及最终用户的调查反馈，本文确定了现有系统的不足以及修改系统的必要性，这些 不足和理想区域气象信息系统的特性具体见表 1。 理想区域气象信息系统将允许用户查看汇编了这个地区各种资源的所有可利用的道路气象信息。这将 有利于加州交通局 2 区、其他事件响应者以及一般公众更加有效地获取该区域现有道路气象信息，同时也可 为路面维护以及冬季养护提高效率。
图 1 区域气象信息系统数据流
3
新系统理念 基于上述挑战，本文所述的区域气象信息系统的数据流如图 1 所示。首先加州交通局 2 区、1 区、3 区
的道路气象系统和 CDEC 气象站点监测一定时间内的道路和气象条件并且将数据上传到中心数据库。然 而，气象事件往往始于所监测区域的周边地区，该系统也会采集 1 区和 3 区周围县市的数据。除了上述站点 外，MesoWest 和 MADIS 也将从上层数据库中提取该时间范围内的其他数据。 该系统的数据来源于 RWIS 气象站、CDEC 气象站、MesoWest 和 MADIS。其中加州交通局 1 区的 RWIS 和 CEDC 站点将每 15 分钟自动对系统进行一次数据更新。但是，对于其他的数据源，系统每隔 15 分 钟需要主动去这些数据源中提取数据。 - 15 www.ivypub.org/mt
该系统在获取完原始数据后，还要对这些数据的质量进行控制。尽管各个气象站会分别对数据进行质 量控制(QC)，该区域气象信息系统仍然会对所更新的数据再进行新一轮的质量控制考核。只有通过了全部 质量控制考核的数据才能够用于近期数据报告中。此外，用户也可以获取全部的原始数据，这些数据尽管 没有通过质量控制考核，但是针对每一个数据，系统都会给用户提供一份数据质量等级说明。 系统在完成所有的数据考核和处理后，用户可以通过一种交互式图解界面(GUI)将数据请求发送给该区 域气象信息系统的数据发布模块。该区域气象信息系统的基本界面是标准兼容的 W3 浏览器。用户第一次使 用该系统时将看到一个标准的用户界面。除了公众外，其他用户能够通过他们的 ID 和密码登陆到系统中去 设置个人资料和数据偏好，确定数据层级结构和阈值。图 2 所示该区域气象系统的基本界面。 收到用户请求后，系统利用其查找功能在数据库中搜索用户所需数据，并将运行结果发送到用户端。 系统针对不同的用户设置了不同的权限等级，因此不同的用户所能够获取的数据也是不同的。只有认证用 户才能获取一些机密数据，例如，路面温度。系统也会每 5 分钟将为用户提供一次道路气象信息，因此用户 无需刷新网页便能更新数据来实时监视整条道路条件的变化。
图 2 区域气象信息系统界面
4
用户和运行方案 新系统的用户主要包括代理用户、RWIS 监测员和出行者。该三类用户将直接从区域气象信息系统获取
信息而非通过其他气象站网站获取资源。 该系统用户还包括该系统的管理员、其他系统类用户以及其他数据源类用户。其他系统类用户群将直 接从区域气象信息系统获取道路气象信息，而其他数据源类用户群将会为该系统提供有别于气象站网站的 数据。 根据用户群确定该区域气象信息系统的运行方案，具体用例见表 2。 - 16 www.ivypub.org/mt
表 2 区域气象信息系统用例 用例
目标
用户
条件 1.
获取系统
观测条件
用户通过接入系统获 取使用权
用户从系统中获取未 控制道路气象信息
出行者；系统管理 员；代理用户； RWIS 监测员
出行者; 代理用 户；RWIS 监测员
2.
系统存在的用户 账户（除出行者 用户） 系统可访问用户 配置文件
用户（除出行者用 户）具备访问系统权 限
主要成功方案 1.
出行用户无需用户名和密码登陆系 统。
2.
系统管理员通过管理员密码访问系 统和接收根权限。
3.
加州交通局 2 区通过用户名和密码 登陆获取所有道路气象信息。
1.
出行者在出行前获得道路天气信 息。
2.
加州交通局 2 区 TMC 经营者缩放 事故地区地图以及检索在地图中显 示的用有颜色的点表示的空气温 度。
3.
任何 RIME 代理用户可以任意缩放 地图。
控制信息 观测
访问特定权限信息
代理用户
用户具备访问控制信 息权限
加州交通局 2 区区域维护员工缩放事故 地区地图以及检索在地图中显示的用有 颜色的点表示的空气温度。
紧急回应
访问特定权限信息
代理用户
用户具备接受警报信 息和报警条件权限
加州交通局 2 区区域维护员工注意观测 站的警报图标。这将影响他们采用防化 学品冬季养护的决定。 系统管理员根据需要建立一个加州 交通局 2 区区域维护账户并为账户 设置特定权限。
1. 管理员系 统及维护
监控系统运行，备份 数据，并控制不同用 户特权和存取区
系统管理员
系统管理员获取系统 管理员权限
2. 3.
RWIS 数据 质量监测
检查可疑的 RWIS 传 感器/观测站以及改正 系统报告的错误数据
区域气象 信息数据 输出
将区域气象信息系统 数据输入其他系统
RWIS 监测员
其他系统用户
RWIS 监测用户登录并 具备监测 RWIS 传感 器/观测站信息权 其他系统具备访问系 统下载权
区域气象信息系统具 备通过气象站网络获 取实时数据权限
系统管理员备份数据。
系统管理员删除过期的账户。
1.
RWIS 监测员获取 RWIS 传感器/气 象站信息。
2.
RWIS 监测员监测传感器/气象站错 误。
其他网站获取区域气象信息系统数据 1.
系统通过被动更新模式获取加州交 通局 1 区道路气象信息系统 CDEC 实时气象信息。
2.
系统通过主动更新模式获取加州交 通局 2 区道路气象信息系统 CDEC 实时气象信息。
提供天气 数据
提供系统需要的天气 信息
气象站网络
提供其他 数据
提供系统可能需要的 其他有用信息
其他系统用户
N/A
该系统提供从其他系统集合获取的有效 信息。
为系统读 入信息
为系统中特定代理用 户更新信息
代理用户
用户具备更新信息权
加州交通局 2 区职工登陆、更新个人文 件并确定气象警报阈值。
5
系统影响 总的来说，区域气象信息系统通过 RIME 组织能够有效地完成道路气象信息的共享。对于交通的决策者
和该地区的事件响应者来说，气象信息的质量和普及程度也得到了改进。 从运营角度来说，所有的 RIME 的用户需要通过一定的培训才能熟悉使用区域气象信息系统。在未来， - 17 www.ivypub.org/mt
该系统将会改变交通管理中心(TMC)或者调度中心的接口、互联网访问策略、RWIS 历史数据的调用程序 等。该系统也将会在组织方面会有比较大的改进效果，比如说对员工的职责修改和所需要的培训。
6
系统优势 区域气象信息系统具有如下优势：第一，作为 RIME 计划中的组成部分，加州交通局 2 区的公共安全将
会得到提高；第二，系统界面对用户十分友好，因此用户可以在庞大的数据信息群众找到可用的道路气象 信息，这将使得用户在评价一些诸如路面维修、事件管理、国土安全、紧急医疗服务、预防火灾洪水等方 面现状时的效率得到大幅提升；第三，区域气象信息系统的自动警报功能可以缩短交通事件的反应时间； 第四，紧急事件响应者和执法人员能够方便获取经过整合后的道路气象信息，这将有助于国土安全的保 证；第五，通过使用该系统，用户可以更快更准确地获取其出行路线中的道路气象信息，从而保证了出行 安全；第六，区域气象信息系统的单一界面为 2 区工作人员提供更简易有效的工具来采集道路气象信息；第 七，该系统可以快速方便地培训新人员；第八，该系统的数据质量监控技术使得道路气象信息的准确性得 以保证。
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结束语 及时、准确、可靠且用户友好型的道路气象信息对于地面运输和减轻不利天气影响至关重要。这些信
息将有助于交通管理者做出决策和交通参与者做出选择。区域气象信息系统则是一个区域性的展示以及一 种国家优先级的理念型系统。 目前，道路气象观测数据十分丰富，但是缺乏对这些数据进行合理的整合处理，因此我们应该充分利 用现有资源，改进道路交通气象系统。由于多方利益相关者的参与、整个体制的复杂程度和相关技术问题 的制约，如何制定组织间的合作关系显得尤为重要。良好的关系有利于整合来自不同数据源的道路气象信 息。一个能够满足用户需求的智能交通系统务必要在设计开发的初期就要考虑到用户和利益相关者的方方 面面。区域气象信息系统采用系统工程的方法，不仅提高了系统工作的效率，还满足了客户需求和可接受 成本及进度的约束。在整个项目进行的过程中，用户能够利用这种迭代的方法不断提供数据需求和期望功 能。经过不断的优化，该系统的可用性和实用性将会大大提高。
REFERENCES [1] Office of the Federal Coordinator for Meteorological Services and Supporting Research (OFCM), ‘Weather Information for Surface Transportation: A National Needs Assessment Report’ [J], U.S. Department of Commerce, NOAA, FCM-R18-2002, 2003. [2] Strong, C.K., Ye, Z., and Shi, X. ‘Safety Effects of Winter Weather: The State of Knowledge and Remaining Challenges’, Transport Reviews, 30(6), 677-699, 2010 [3] Federal Highway Administration (FHWA), ‘Clarus – America’s 21st Century Surface Transportation Weather Observing and Forecasting System’ [J], Road Weather Management Program, Office of Transportation Operations, Publication No. FHWA-HOP04-037, 2004 [4] ITS America. ‘511’s Weather and Road Condition Reports Most Valuable, Survey Shows’ [J], Intelligent Transportation Society of America, Washington, D.C., 2002 [5] Strong, C., and Shi, X., ‘Benefit-Cost Analysis of Weather Information for Winter Maintenance: A Case Study’, Transportation Research Record, 2055, 119-127. 2008 [6] Ye, Z., Shi, X., Strong, C.K., and Greenfield, T. H. ‘Evaluation of the Effects of Weather Information on Winter Maintenance Costs’, Transportation Research Record, 2107, 104-110, 2009 [7] Ye, Z., Strong, C., Fay, L., and Shi, X. ‘Cost Benefits of Weather Information for Winter Road Maintenance’, Final Report for the Aurora Consortium led by the Iowa Department of Transportation, 2009 [8] Murphy, R.‘Clarus – Nationwide Surface Transportation Weather Observing & Forecasting System’ [J], ITSA Rural Stakeholder - 18 www.ivypub.org/mt
Interest Group, ITS America Conference, Phoenix, AZ., 2005
【作者简介】 叶智锐（1978- ），男，汉族，博士，教授、博士生导师，研究方向：智能交通、交通安全。2007 年毕 业于美国德州农工大学(Texas A&M University)，获得交通运输工程博士学位。 Email: yezhirui@seu.edu.cn
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