УДК 625.7

Автоматическая дорожная метеорологическая станция (АДМС), как составляющая подсистемы метеомониторинга ИТС

Логвинов Тихон Эдуардович – магистрант кафедры Автоматизированных систем управления Московского автомобильно-дорожного технического университета.

Максимычев Олег Игоревич – доктор технических наук, профессор кафедры Автоматизированных систем управления Московского автомобильно-дорожного технического университета.

Аннотация: В статье подробно рассматриваются назначение, базовый состав аппаратной части, принцип работы стационарных автоматических дорожных метеорологических станций (АДМС), предназначенных для сбора, обработки и передачи метеорологических и дорожных параметров в центр управления (ситуационный центр) подсистемы метеомониторинга ИТС.

Ключевые слова: интеллектуальные транспортные системы (ИТС), подсистема метеомониторинга ИТС, автоматизированные дорожные метеорологические станции (АДМС), метеорологические и дорожные параметры, автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП), центр управления (ситуационный центр) подсистемы метеомониторинга ИТС.

Учитывая разнообразие природно-климатических условий регионов России, метеорологические факторы напрямую влияют на транспортный комплекс. Каждому состоянию метеорологических условий и каждому периоду года соответствуют характерные состояния автомобильных дорог и условия движения.

Основной источник метеоданных на дорогах – это автоматические дорожные метеорологические станции (АДМС), относящиеся к техническим средствам подсистемы метеомониторинга, которая в свою очередь «является обязательной составляющей интеллектуальной транспортной системы. Основное отличие от обычного метеопрогноза – контроль метеорологических параметров дорожного полотна, а так же погодных факторов, приводящих к изменению этих параметров» [1].

Станции АДМС работают непрерывно (круглосуточно) и решают следующие задачи:

сбор данных мониторинга метеорологических параметров в районе обслуживаемого дорожного участка;
сбор данных мониторинга дорожных параметров в районе обслуживаемого дорожного участка;
передача и хранение данных (Согласно ГОСТ Р 71094-2024 АДМС должна иметь внутреннюю память для хранения данных на случай выхода из строя каналов передачи данных или временных сбоев у поставщика передачи данных. Внутренняя память АДМС должна позволять хранение данных в течение 1 мес.) [2].

Измеряемые АДМС параметры в диапазоне измерения:

температура воздуха, от -60 до +55°С;
относительная влажность воздуха, от 10 до 98%;
атмосферное давление, от 600 до 1070 гПа;
скорость ветра, от 1 до 55 м/с;
направление ветра, от 0 до 360°;
количество осадков, от 0,2 до 200 мм;
метеорологическая дальность видимости, от 20 до 6000 м;
температура дорожной одежды и грунта земляного полотна, кроме слоев дорожного покрыти от -30 до +70°С;
температура дорожного полотна, (контактное измерение) от -50 до -15// от -50 до +10// от +10 до +70°С;
температура дорожного полотна, (бесконтактное измерение) от -50 до +70°С;
объемная влажность дорожной одежды и грунта земляного полотна, от 3 до 55%;
толщина слоя воды на покрытии, (контактное измерение) от 0,2 до 3 мм;
толщина слоя воды на покрытии, (бесконтактное измерение) от 0,5 до 10 мм;
толщина слоя льда на покрытии, от 0,5 до 10 мм [2].
толщина слоя снега на покрытии, мм [3].по ГОСТ Р 59434-2021

Определяемые АДМС параметры:

Наличие осадков: Да/Нет;
Тип осадков: Дождь, Дождь со снегом, Снег;
Состояние поверхности дороги: Сухо // Мокро (вода) // Лёд // Реагент со льдом // Реагент;
Наличие льда на поверхности: Да/Нет [2].

При определении комплектации и месторасположения АДМС, для повышения эффективности сбора метеорологических параметров и данных о состоянии дорожного покрытия, должна учитываться карта микроклиматического районирования, термокартирования, а также ландшафтные условия [4].

АДМС могут быть стационарными, мобильными, виртуальными.

Оборудование стационарных АДМС предназначено для размещения в районе обслуживаемого дорожного участка, в непосредственной близости к дороге. Масштабирование решений обеспечивает комплектация АДМС, базирующаяся на принципе модульности. Базовое решение состоит из:

измерительного модуля в виде комплекта первичных измерительных преобразователей (датчиков), размещаемых на траверсах, прикрепленных к метеомачте, или вмонтированных в дорожное полотно;
процессорного модуля в виде центрального блока управления (контроллера) со встроенным программным обеспечением;
модуля передачи данных в виде телекоммуникационных средств передачи данных;
модуля электропитания в виде устройств энергообеспечения;
модуля вспомогательного оборудования (мачты, штанги, крепления).

Работа АДМС построена по типовой структуре технологии автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и состоит из трех уровней.

АСУ ТП – собирательный термин, имеющий отношение ко всему многообразию управляющих компьютерных устройств и их объединений, которые имеют целью обеспечить управление разнообразными процессами [5].

Нижний уровень АСУ ТП – полевой уровень АДМС – представляет собой конфигурацию измерительного оборудования (датчиков) для измерения метеорологических и дорожных параметров, определяется набором измеряемых параметров и решаемыми задачами подсистемы метеорологического мониторинга ИТС. Датчики осуществляют сбор данных о метеорологических и дорожных параметрах, обрабатывают и передают в автоматическом режиме с заданной периодичностью или по запросу, выполнены в пылезащищенном исполнении и защищены от дождевых капель и снега IР53 [6], имеют грозоразрядники для защиты от молний. Это существенно сокращает вероятность выхода оборудования из строя.

Рынок в области разработки и производства датчиков для АДМС, традиционно представляли западные производители: «Vaisala Oy» (Финляндия), G. Lufft Mess-und Regeltechnik GmbH (Германия), MicroStep-MIS (Словакия), Gill Instruments (Великобритания), Biral (Великобритания). С началом геополитической напряженности рынок частично сместился в сторону производителей из Китая и других азиатских стран. Но то же время, в рамках импортозамещения, постоянно увеличивается доля отечественных решений, предпочтение в реализации которых не вызывает сомнения.

Все датчики в составе АДМС, отечественного или иностранного производства, имеют Сертификат соответствия и могут использоваться на территории России.

Метеодатчики в составе АДМС:

Датчик температуры и влажности воздуха Температура и влажность воздуха определяет погоду в настоящее время и на данном участке дороги. В составе дорожной метеостанции датчик влажности необходим для определения точки росы — температуры, при которой происходит конденсация водяного пара из воздуха [7];
Датчик осадков предназначен для измерения количества и интенсивности осадков, выпадающих в виде дождя и снега, града, мокрого снега, ледяного дождя [8];
Датчик скорости воздушного потока предназначен для измерения скорости ветра в составе метеостанций. Информация о скорости ветра необходима для предупреждения такого опасного явления как сильный боковой ветер. Известно, что сильные порывы бокового ветра могут привести к аварийной ситуации с транспортными средствами, имеющими большую парусность (автобусы, большегрузные фуры). Учёт переноса воздушных масс над поверхностью дороги позволяет более точно прогнозировать температуру дорожного полотна [9];
Датчик направления воздушного потока (ветра) предназначены для измерения направления воздушного потока (ветра) в составе метеостанций [10];
Датчик атмосферного давления предназначен для измерения атмосферного давления. Датчик может быть использован в составе метеостанций и как самостоятельное изделие в системах, осуществляющих мониторинг окружающей среды [11];
Датчик оптической видимости предназначен для автономного непрерывного измерения метеорологической оптической дальности, обработку и регистрацию полученных результатов. Датчик выполнен в виде единого модуля и состоит из блока излучателя, блока приемника, блока управления и монтажного крепления. В основе принципа измерения – нефелометрический метод измерения прозрачности атмосферы [12];

В состав АДМС входят не только датчики, предоставляющие стандартный набор метеоданных, но и устройства, определяющие состояние дорожного покрытия, и температуру в толще дорожной одежды:

Датчик состояния поверхности дорожного полотна предназначен для определения наличия на поверхности дорожного покрытия воды, снега, льда, влияющих на безопасность дорожного движения, а также наличия и концентрации солевых растворов, обеспечивающих устранение опасных отложений c поверхности дороги. Позволяет правильно планировать работу дорожных служб, заблаговременно оценивать необходимые объём работ и количество реагентов. В результате не только повышается безопасность движения, но и оптимизируются затраты ГСМ и ПГМ при проведении работ по зимнему содержанию, минимизируется загрязнение прилегающих к дороге почв [13];
Датчик температуры дорожного покрытия предназначен для измерения температуры покрытия дорожного полотна на его поверхности, на глубине 50 мм, а также температуры грунта на глубине 300 мм. Зная температуру дороги в холодное время года, можно прогнозировать скользкость и планировать использование противогололедных реагентов, а в летние месяцы ограничивать движение транспорта при превышении предельных значений температуры дороги [14].

АДМС имеет следующие эксплуатационные характеристики [2]:

По ГОСТ 15150-69 [15]

Минимальный диапазон температур эксплуатации, в °С;
Диапазон относительной влажности для эксплуатации, в %
В пределах 600 – 1070 гПа – Минимальный диапазон атмосферных давлений для эксплуатации;

По ГОСТ 14254-2015 [6]

Класс защиты для датчиков и шкафов на опоре IP64;
Класс защиты для датчиков в дорожной одежде и грунте земляного полотна IP

Средняя наработка на отказ не менее 8000 часов и для датчиков и шкафов на опоре, и для датчиков в дорожной одежде и грунте земляного полотна.

Средний уровень АСУ ТП – уровень контроллеров (PLC) АДМС

При работе АДМС на уровне контроллера циклически осуществляется: прием данных – обработка данных – передача данных.

Контроллер в составе АДМС – центральный блок управления с встроенным программным обеспечением – функционирует без участия человека, работает в режиме реального времени (РВ), осуществляет сбор данных, поступающих со всех датчиков АДМС, обработку данных и передачу их на верхний уровень автоматически (через определенные временные интервалы) или по запросу. Контроллер АДМС имеет модульную структуру и представляет собой металлический шкаф, в котором установлены: цифровой модуль регистрации данных (МРД) с подключенными датчиками; модуль аналоговых сигналов (МАС); модуль управления питанием (МУП); модуль машинного зрения (ММЗ, при наличии видеокамеры); источник вторичного питания; маршрутизатор (роутер); устройства защиты сети [16]. Металлический шкаф, обеспечивающий защиту от неблагоприятных условий внешней среды, крепится на метеомачту.

Телекоммуникационное оборудование в составе АДМС обеспечивает передачу данных по запросу в специальное ПО ПММ, интеграционную платформу, смежные подсистемы ИТС и/или ВИС.

Электропитание станций АДМС может осуществляться от внешнего источника тока или встроенной аккумуляторной батареи. На случай выхода из строя или временных сбоев каналов передачи данных в АДМС предусмотрена внутренняя память для хранения данных, позволяющая хранение в течение 1 мес.

По устойчивости и прочности к воздействию вибрационных нагрузок АДМС относится к группе L1

Каждая АДМС имеет встроенное программное обеспечение, обеспечивающее прием, обработку, анализ, отображение, передачу результатов измерений, архивирование, создание метеорологических сообщений, проверку состояния станции.

Полный цикл работ по сборке готовой АДМС (монтаж, пусконаладка, тестирование готовых изделий, подготовка к монтажу в полевых условиях) производится на территории производства изготовителя, после этого каждой станции присваивается заводской номер. Ремонт вышедших из строя компонентов АДМС осуществляется без вывода всей системы из штатного режима эксплуатации.

Сведения об АДМС, в качестве номера утвержденного типа средств измерения, подлежат обязательному внесению в Государственный реестр средств измерений «Аршин» с присвоением уникального регистрационного номера.

Шильд (металлическая наклейка) с заводским номером и номером утвержденного типа является для АДМС обязательным и помещается либо на внутренней стороне, либо на внешней стороне защитного шкафа центрального блока управления (процессора). Согласно Методике поверки, разрабатываемой отдельно для каждого типа АДМС, для измерительных приборов обязательны первичная и периодические метрологические поверки в аккредитованном испытательном центре.

Верхний уровень АСУ ТП – это уровень визуализации, диспетчеризации (мониторинга) и сбора, обработки и хранения данных. На этом уровне задействован человек, т.е. оператор (диспетчер) [5].

Текущие данные от контроллера АДМС поступают в центр управления (ситуационный центр) подсистемы метеомониторинга ИТС для последующей их обработки, передачи пользователю, хранения и архивации.

Центр управления (ситуационный центр) предназначен для организации и обеспечения функционирования ИТС, координирования работы смежных подсистем ИТС, обмена данными с внешними системами [4].

Стационарные технические средства Центра управления (ситуационного центра) размещаются в закрытом кондиционированном помещении, функционируют круглосуточно в течение всего срока службы, и представляют собой сеть серверов, стационарных АРМ операторов (диспетчеров) с установленным общим и специальным ПО, мониторов, на которых в разной форме визуализируются изменения параметров метеорологических явлений и состояний дорожного полотна.

Специальное ПО позволяет «собирать (агрегировать), обрабатывать и хранить метеорологическую и дорожную информацию, прогнозировать метеорологическую и дорожную обстановку, рассчитывать специальные данные, вести справочник метеооборудования и учитывать места его установки, передавать данные о текущей метеорологической обстановке, выделять и определять основные, существенные параметры получения данных с метеорологического оборудования, оповещать об изменении погоды и возможном состоянии дороги, сооружений на обслуживаемых участках, выдавать рекомендации по времени и технологии проведения работ» [17], самостоятельно сравнивает полученные данные с их граничными параметрами (установками) и при выходе за границы уведомляет оператора с помощью тревог, позволяет подготавливать данные для информирования пользователей и управления процессами, зависящими от метеорологической обстановки и состояния дорожного полотна.

Автоматизированные системы управления помогают значительно сократить участие человека в производственных процессах для того, чтобы исключить ошибки, причиной которых является так называемый «человеческий фактор» [18].

Если оператор осуществляет контроль локальной сети АДМС подсистемы метеомониторинга, то для его осуществления используется так называемый человеко-машинный интерфейс (HMI, Human-Machine Interface).

Если оператор осуществляет контроль за распределенной сетью АДМС подсистемы метеомониторинга, то применим термин SCADA.

SCADA-системы предназначены для осуществления мониторинга и диспетчерского контроля большого числа удаленных объектов (от 1 до 10000, иногда на расстоянии в тысячи километров друг от друга) или одного территориально распределенного объекта [19]. В настоящее время SCADA является наиболее перспективной технологией автоматизированного управления.

Достоверные и оперативные данные метеомониторинга позволяют центру управления (ситуационному центру) подсистемы метеомониторинга ИТС:

получать предупреждения о наступлении опасных погодных явлений;
своевременно информировать пользователей о метеоусловиях на дороге и состоянии дорожного полотна;
автоматизировать контроль работ подрядных организаций по содержанию дорог;
получать информацию о текущем уровне содержания дорожной сети;
сократить смертность на дорогах и уменьшить число ДТП по причине скользкости, плохой видимости и иных опасных погодных явлений;
повысить эффективность использования бюджетных средств за счет улучшения контроля выполнения работ и оптимизации расходов противогололедных материалов (ПГМ);
контролировать экологическую обстановку (концентрация жидких ПГМ на дорожном покрытии, взвешенные частицы и концентрация опасных газов в атмосфере) [1].

Благодаря информации, оперативно полученной от АДМС, пользователи услуг быстро реагируют на неблагоприятные погодные условия, а дорожные службы эффективно обслуживают дорожное полотно, что, несомненно, способствует повышению:

безопасности дорожного движения;
пропускной способности автомобильных дорог;
качества обслуживания участников дорожного движения;
эффективности при планировании регламентных и ремонтных работ.

Список литературы

Системы метеорологического и экологического мониторинга // Сайт АО «Трасском» [Электронный ресурс] URL: https://trasscom.ru/uslugi/meteo-eco-monitoring.
ГОСТ Р 71094-2024 Интеллектуальные транспортные системы. Подсистема метеомониторинга. Общие требования. [Электронный ресурс] URL: https://allgosts.ru/amp/35/240/gost_r_71094-2024.
ГОСТ Р 59434-2021 Дороги автомобильные общего пользования. Требования к уровню зимнего содержания. Критерии оценки и методы контроля. [Электронный ресурс] URL: https://allgosts.ru/amp/93/080/gost_r_59434-2021.
Конкурсная документация ООО «Автодор-Платные дороги» Приложение №3 к Операторскому Соглашению. [Электронный ресурс] URL: https://russianhighways.ru/upload/iblock/1fd/prilozhenie_3_trebovaniya_k_its.pdf.
АСУ ТП – Типовая структура, 2010 // Интернет-сайт «Tadviser» [Электронный ресурс] URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:АСУ_ТП_-_типовая_структура.
ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013) Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP). [Электронный ресурс] URL: https://allgosts.ru/amp/17/160/gost_14254-2015.
Датчик влажности и температуры воздуха // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/hymidity.
Датчик осадков // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/precipitation.
Датчик скорости воздушного потока // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/datchik-skorosti-vozdushnogo-potoka.
Датчик направления ветра // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/wind.
Датчик давления // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/datchik-davleniya.
Датчик оптической видимости // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/vision.
Датчик состояния дорожного покрытия // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/roadsurface.
Датчик температуры дорожного покрытия // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/weatherstation/roadtemp.
ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. [Электронный ресурс] URL: https://allgosts.ru/amp/21/020/gost_15150-69.
Контроллер метеостанции // АО «Минимакс», каталог продукции. [Электронный ресурс] URL: https://mm94.ru/products/kontroller-meteostantsii.
Руководство пользователя. Программа для ЭВМ «Краммерти. Подсистема метеомониторинга». [Электронный ресурс] URL: https://krammerti.ru/software.
ООО «Инженерно-внедренческий центр «Технологика». [Электронный ресурс] URL: https://ivctl.ru/o-kompanii/blog/struktura-asu-tp/?ysclid=lu788k10wd112198606.
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition, 2020 // Интернет-сайт «Tadviser». [Электронный ресурс] URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:SCADA_назначение_систем.

Интересная статья? Поделись ей с другими: