JP2002311157A - 路面状態推定方法 - Google Patents
路面状態推定方法Info
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Abstract
局地的な判断が可能な路面状態推定方法を提供する。 【解決手段】 気象量計測値に基づき大気側から路面に
流入する熱量Waを求め、地中温度計測値に基づき地中
側から路面に流入する熱量Weを求め、これら路面に流
入する2方向からの熱量を比較して路面の状態を推定す
る。
Description
等の路面状態を把握するための方法に係り、特に、低コ
ストで、路面状態推定を自動化し、かつ局地的な判断が
可能な路面状態推定方法に関するものである。
の路面状態が生じると、スリップ事故が発生しやすい。
このため湿潤、積雪、凍結等の危険な路面状態を速やか
に検知して自動車の運転手に注意を促す必要がある。し
かし、長距離に及ぶ道路を常に巡回監視するのは、人
手、コストの面で困難であるため、このような路面状態
を把握する手段として路面状態検出センサが用いられ
る。
分けられる。
外線または電磁波を照射し、路面からの反射率を計測す
るものである。このセンサでは、道路近傍に赤外線照射
装置、受光装置および信号処理装置を設置し、道路への
入射光と反射光との強度比が路面状態によって異なるこ
とを用いて路面状態を推定する。
量及び路面温度を計測するセンサが挙げられる。路面温
度計測には、熱電対、赤外放射温度計等の単点計測用の
センサに加えて、多点計測が可能で長距離の温度を計測
するのに適した光ファイバ温度レーダを用いる手法も提
案されている。このセンサは、道路管理担当者が過去の
知見に基づいて路面状態を推定するときの判断材料とし
て用いられる。
照射する方式のセンサを用いて路面状態を道路の長手方
向に沿って連続的に把握するためには、多数のセンサを
設置する必要があり、コストがかかる。
は、気象量観測地がある程度の広域に対して適用可能で
あること、および光ファイバ温度レーダが長距離に敷設
可能であることから低コストである。しかし、路面状態
を判断する道路管理担当者に経験が求められること、及
び危険と判断する地域を限定することが難しいという問
題がある。
し、低コストで、路面状態推定を自動化し、かつ局地的
な判断が可能な路面状態推定方法を提供することにあ
る。
に本発明は、気象量計測値に基づき大気側から路面に流
入する熱量を求め、地中温度計測値に基づき地中側から
路面に流入する熱量を求め、これら路面に流入する2方
向からの熱量を比較して路面の状態を推定するものであ
る。
気象計(気温計、湿度計、日射計、雪雨量計、風速計、
放射収支計を含む)で計測してもよい。
光ファイバ温度レーダにより計測してもよい。
求め、路面上の水分の蒸発による蒸発熱を風速計測値、
路面温度計測値、相対湿度計測値、気温計測値から求
め、この蒸発熱と上記2方向からの熱量の差とを用いて
路面の湿潤判定値を求め、湿潤判定値により路面の湿潤
状態を判定してもよい。
計測値から路面の積雪状態を判定し、路面への薬剤散布
がある場合は、路面温度計測値の変化方向と上記蒸発熱
と積雪の融解または凝固による潜熱量とから路面の積雪
状態を判定してもよい。
図面に基づいて詳述する。
た路面への流入熱量から路面状態を求めるものである。
まず、2つの熱量計算方法について説明する。
計、湿度計、日射計、雪雨量計、風速計、放射収支計を
含む)を設置して、これらの気象量計測値から路面に流
入する熱量を求めるものである。
図1の内容で表される。路面の熱収支は、大気からの熱
伝達、大気赤外放射と路面赤外放射、日射エネルギの吸
収、及び道路内部熱伝達に分類することができる。本発
明では、第1の方法を用いて、道路内部熱伝達を除いた
道路の上側(大気側)から流入する熱量の総和Waを計
算する。実際には、濡れ路面の乾燥、積雪の融解等の路
面上水分の相変化に伴う熱移動(潜熱伝達)も存在する
が、この熱量を検出することが本発明の目的であるた
め、ここでは潜熱伝達は考慮しない。
放射と路面赤外放射]+[日射エネルギの吸収] 上記の各熱量を気象量計測値から求める計算式を以下に
示す。 (1)大気からの熱伝達 大気からの熱伝達Q1は、大気と路面との接触による熱
移動であり、次式で求める。
る放射Q3との計算は、それぞれ次の式で表される。
射エネルギQ4を算出する。
めることができる。
温度レーダによる地中温度計測値に基づき、地中側から
路面に流入する熱量(第1の方法で除外した道路内部熱
伝達による流入熱量)を求めるものである。
の時、道路に埋設した光ファイバで計測した地中温度T
f がΔt時間当たりΔTf だけ変化したとする。このと
き、ΔTf は、ΔW=0の時の光ファイバ埋設位置fで
の温度変化量δTf0と、大気側から路面へ熱量ΔW* が
流入してきたときの温度変化量δTf との和で表すこと
ができる。
の温度変化量δTf0は、次の方法により求める。地中か
ら路面への流入熱W2 は、地中内部の温度分布から求ま
る。ここでは、地中から路面への流入熱W2 を基底温度
T0 から求める方式で説明する。
ところ(数10m程度の深さ)の温度が年間を通してほ
ぼ一定になるということを利用するものであり、この温
度を基底温度T0 とすると、路面から地中深いところま
での熱等価回路は図2で表すことができる。即ち、地表
の測定点から所定の深さごとに地中温度の測定点がある
とき、各測定点間には熱抵抗が存在し、各測定点には熱
容量が存在し、地表の測定点には大気側から路面への流
入熱W1 が入力される。
う。地中を図2に示すような階層構造と見なす場合、地
表を1番目としたときk番目の階層における地中温度T
k は式6であらわされる。
る。
置fにおける温度変化量δTf0を求めることができる。
イバ埋設位置fへ流入する熱量と、それに伴う光ファイ
バ埋設位置fの温度変化量が直線で近似できる範囲内で
路面に対する流入熱の変化量ΔWを任意の値ΔWz とし
て与える。このとき、光ファイバ埋設位置fでの仮の温
度変化量ΔTfzは、式7のW1 にΔWz を代入して式6
から式8までの式を解くことで求めることができる。温
度変化量ΔTfzは、ΔW=0の時の光ファイバ埋設位置
fでの温度変化量δTf0と、任意に定めた路面への流入
熱量ΔWz によって与えられる温度変化量δTfzとの和
で表すことができる。
化量δTf0と仮の温度変化量ΔTfzとが上記までに求め
られるので、温度変化量δTfzが求まる。
ので、式10の関係が成り立つ。
式11が得られる。
での温度変化量δTfzは、式9から得られ、また、ΔW
z は任意に定めることのできる値であることから、実際
の熱量の変化量ΔW* を算出することができる。このよ
うにして求めた熱量ΔW* が地中側から路面への流入熱
Weである。
地中の物質の組成によって一定なので、事前に熱流計を
用いて計測しておけば、地中側から路面への流入熱We
を正確に算出することができる。
の方法で求めた熱量Weとを用いて路面状態を推定する
手法を以下に述べる。
量Weを用いて、路面の湿潤状態を判定する方法を述べ
る。路面上の水分の厚みをhW (t)とすると、水分の
厚みhW (t)と蒸発熱Wev(t)との関係は式12
で表すことができる。
れる値である。
蒸発による蒸発熱Wevを路面水分厚hW 0、風速v、
路面温度Te、相対湿度H、気温Taの測定値(一部推
定値も含む)と既知の諸量とから求める。
Wa、大地(地中側)から路面への流入熱We、蒸発熱
Wevの間には、以下の関係式が成立する。
及び凍結状態では0となるので、この値をモニタしてい
ると湿潤の有無が判定できる。即ち、本発明では、大気
側から路面への流入熱Wa、地中側から路面への流入熱
We、路面上の水分の蒸発による蒸発熱Wevを用いて
湿潤判定値Yを求め、この湿潤判定値Yにより路面の湿
潤状態を判定する。
態の判定条件は、路面への薬剤散布がある場合とない場
合とで異なる。路面への薬剤散布がない場合は、次の判
定条件によって容易に積雪状態判定が可能である。
は、路面温度Teを用い、路面温度Teが時間経過によ
らず0℃を維持していることで積雪状態が判定できる。
定値Zを式16で定義する。
温度の上昇値(計算値) である。路面温度の変化量であるΔTe及びΔTcは、
路面への流入熱We及びWaにそれぞれほぼ比例する。
これらの比例関係(ΔTeがWeに比例、ΔTcがWa
に比例)によって、ほぼΔTe/ΔTc=We/Waと
なる。従って、 Z=We/Wa (式16´) と表すことができる。
Yについて考えると、積雪の融解または凝固に使われる
潜熱量をδWとすれば、 Y=(Wa−We)/Wev =(Wev+δW)/Wev =1+δW/Wev (式17) となり、湿潤判定値Yは、積雪状態では Y=1以上 融解過程(δWが負)のとき Y=1以下 凝固過程(δWが正)のとき となる。
中側から路面への流入熱Weとの差をΔWとすると、 ΔW=Wa−We =Wev+δW (式18) となる。ここで、δWは、融解過程において正、凝固過
程において負となる。
次のように表すことができる。
とができる。
v>0かつZ≧1、 条件2=We<0かつTf>TeかつδW>0かつWe
v<0かつ|δW|>|Wev|かつ(Wev+δW)
/We>0かつZ<1、 条件3=We>0かつTf<TeかつδW>0かつWe
v>0かつZ<1、 条件4=We>0かつTf>TeかつδW<0かつWe
v>0かつ|δW|>|Wev|かつ(Wev+δW)
/We<0かつZ>1、の4つの条件であり、条件1〜
4のいずれかが満たされている場合は、積雪状態と判定
する。
布がない場合は、路面温度Teを用い、路面温度Teが
時間経過によらず0℃を維持しているかどうか積雪状態
を判定し、路面への薬剤散布がある場合は、路面温度の
変化方向(熱量Weの正負)と、水の凝固点Tfに対す
る路面温度Teの高低と、蒸発熱Wevの正負と、積雪
の融解または凝固による潜熱量δWの正負とから路面の
積雪状態を判定する。
には凍結状態と乾燥状態とでは、ほぼ同じ挙動が生じ
る。即ち、凍結状態でも乾燥状態でも、積雪判定値Z=
ほぼ1、かつ湿潤判定値Y=ほぼ0となる。凍結状態と
乾燥状態とを区別するためには、現時点に至るまでの過
去の路面状態の時系列を用いる。この時系列で前回の状
態を基準にする。即ち、積雪判定値Z=ほぼ1、かつ湿
潤判定値Y=ほぼ0であるとき、前回の状態が湿潤状態
であれば、今回は乾燥状態に移行すると考える。また、
積雪判定値Z=ほぼ1、かつ湿潤判定値Y=ほぼ0であ
るとき、路面温度Teが前回、前々回の路面温度Teと
ほぼ同じであれば遷移状態と考え、さらに路面への流入
熱ΔWが負の値であれば冷却過程であると考え、冷却過
程の遷移状態であれば、次回は凍結状態に移行すると考
える。
Y,Zをそれぞれ横軸、縦軸にとりプロットすると、各
路面状態に対応した領域を図4のように示すことができ
る。この図に即して各路面状態の特長を次に述べる。 1)乾燥状態、凍結状態(定常状態) Y=0,Z=1のポイントで示される。乾燥状態か凍結
状態かの区別はトレンド(過去の路面状態の時系列)か
ら判定することになる。 2)湿潤状態 Y=1,Z=0〜1(温度上昇過程のとき)の範囲か、
Y=1,Z=1以上(温度下降過程のとき)の範囲で示
される。 3)積雪状態(薬剤なし)、凍結状態(遷移状態であっ
て薬剤なし) Z=0,Y=1以下(凝固過程のとき)の範囲か、Z=
0,Y=1以上(融解過程のとき)の範囲で示される。 4)積雪状態(薬剤あり)、凍結状態(遷移状態であっ
て薬剤あり) 薬剤を含んだ水の凝固点Tfと路面温度Teとの組み合
わせによって、A〜Dの4つの領域に区分される。
変化に対して図5のように区分される。即ち、路面温度
Teが正の温度から負の温度に降下した後、凝固点Tf
に至るまでは領域A、路面温度Teが凝固点Tfより下
で降下すると領域B、路面温度Teが凝固点Tfより下
で上昇すると領域C、路面温度Teが凝固点Tfより上
で上昇し0度に至るまでは領域Dとなる。
際に行った結果を図6に示す。対象期間は3日間で、そ
の間に路面状態を目視観測した結果を図の上部に示して
ある。縦線縞模様を描いた期間は湿潤状態であり、その
後の空白を描いた期間は乾燥状態であった。これに対し
て、潜熱相当の熱量比である湿潤判定値Yは、実線グラ
フで示したとおりに変化した。なお、図中WwはWev
と同義である。この湿潤判定値Yに適切な閾値(ここで
は0.1程度)を適用することで湿潤状態を判定するこ
とが可能である。
のシステム構成について図7を用いて説明する。このシ
ステムは、対象となる道路4の近傍に設置された気象セ
ンサ1、路面下に埋設された光ファイバ2(光信号を温
度分布値に変換する光ファイバ温度レーダを含む)、光
ファイバ2により計測されたデータを信号線6を介して
伝送する信号伝送装置3、気象センサ1により計測され
たデータを信号線6を介して伝送する信号伝送装置5、
計測データを受信する情報収集装置7、受信したデータ
に基づいて路面状態推定計算を行う路面状態推定装置
8、その推定結果を出力する表示部9により構成され
る。
ものであれば、気象諸量の計測方式は特に限定されな
い。気象センサ1は、気温計、湿度計、日射計、雪雨量
計、風速計、放射収支計などを総称したものであり、大
気の温度Ta、相対湿度H、日射強度I、風速vなどを
計測することができる。
塩分量計が設けられている。塩分量計で測定される塩分
濃度によって、路面上の水分の凝固点Tfが計算され
る。また、塩分濃度によって、薬剤散布の有無を判定す
ることができる。
レーザレーダ等により路面粗さ(路面凹凸深さの平均
値)を計測しておき、降雨時の雪雨量計の計測値が路面
粗さ以下であれば雪雨量計の計測値を初期水膜厚hW 0
とし、降雨時の雪雨量計の計測値が路面粗さを超えると
きには、路面粗さを初期水膜厚hW 0とし、ある時間が
経過した後の水膜厚hW (t)は式12で求める。
めた路面への流入熱Weを用いて路面温度の変化量ΔT
eが算出可能であるので、前回の路面温度TeにΔTe
を加算することで今回の路面温度Teの値が求まる。た
だし、システム起動時に限り、路面温度Teの初期値は
路面温度が直接計測可能な温度計測器を使用して実測す
る。
1,T2,T3…の測定点のいずれかであり、実際の深
さ位置は施工上の都合で決定することができる。
ってもよい。信号伝送装置3、5が無線伝送装置である
場合の構成を図8に示す。図7と符号の同じ部材は同一
部材である。図7との相違として、信号線6の代わりに
受信アンテナ6が設置される。
置7は、気象センサ1及び光ファイバ2からの情報を受
信し、データの種類や遅延時間等を考慮して必要なデー
タを路面状態推定装置8に与える。
を用い、これまでに説明した計算式、手順に従い路面状
態を判定する。
る。
従来より低コストで可能となる。
る。
を求めるための地中熱伝導の等価回路図である。
量と地中温度変化量との関係図である。
図である。
る路面状態判定区分を示した路面温度の時間変化図であ
る。
量比及び路面状態の時間変化図である。
ステム構成の一例を示すブロック図である。
ステム構成の一例を示すブロック図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 気象量計測値に基づき大気側から路面に
流入する熱量を求め、地中温度計測値に基づき地中側か
ら路面に流入する熱量を求め、これら路面に流入する2
方向からの熱量を比較して路面の状態を推定することを
特徴とする路面状態推定方法。 - 【請求項2】 上記気象量計測値は、道路近傍に設置し
た気象計(気温計、湿度計、日射計、雪雨量計、風速
計、放射収支計を含む)で計測することを特徴とする請
求項1記載の路面状態推定方法。 - 【請求項3】 上記地中温度計測値は、路面下に埋設し
た光ファイバ温度レーダにより計測することを特徴とす
る請求項1又は2記載の路面状態推定方法。 - 【請求項4】 上記地中温度計測値から路面温度計測値
を求め、路面上の水分の蒸発による蒸発熱を風速計測
値、路面温度計測値、相対湿度計測値、気温計測値から
求め、この蒸発熱と上記2方向からの熱量の差とを用い
て路面の湿潤判定値を求め、この湿潤判定値により路面
の湿潤状態を判定することを特徴とする請求項1〜3い
ずれか記載の路面状態推定方法。 - 【請求項5】 路面への薬剤散布がない場合は、路面温
度計測値から路面の積雪状態を判定し、路面への薬剤散
布がある場合は、路面温度計測値と上記蒸発熱と積雪の
融解または凝固による潜熱量とから路面の積雪状態を判
定することを特徴とする請求項4記載の路面状態推定方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001111367A JP3809519B2 (ja) | 2001-04-10 | 2001-04-10 | 路面状態推定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2002311157A true JP2002311157A (ja) | 2002-10-23 |
JP3809519B2 JP3809519B2 (ja) | 2006-08-16 |
Family
ID=18962983
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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- 2001-04-10 JP JP2001111367A patent/JP3809519B2/ja not_active Expired - Lifetime
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