JP2005353015A - 未利用エネルギーを抽出・収集・有効活用し、道路情報を一元管理する環境調和型道路エネルギー活用システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】道路、道路付帯設備及び道路周辺地域の自然エネルギーと人工的なエネルギーを抽出・収集して有効な電力エネルギーとして変換する仕組みおよび道路交通状況とともに道路の劣化・破損・損壊状況を統合的に管理できる仕組み。
【解決手段】アクチュエート材の圧電効果により車両通行エネルギーからの発電を実現し、自然エネルギー及び環境に負荷をあたえない発電とを平行活用した分散電源に、車両の通行量と舗装面の劣化状態や橋梁の劣化状態を測定するアクチュエート材の圧電効果を利用した道路埋設型センサーや、道路構造物の劣化状態を測定するアクチュエート材の圧電効果を利用したセンサーを接続し、ネットワークを介して情報収集・解析用サーバーとを結び、交通情報収集、道路構造物の劣化状態情報およびシステム自体の電力情報の一元管理により、広域で詳細にわたる道路交通管制システムの高度化を実現する。
【選択図】図１

Description

この発明は、道路と道路付帯設備において、車両通行による騒音・振動のエネルギーを利用したアクチュエート材の圧電効果による発電や、太陽光・風力・水力・地熱・海洋エネルギーの自然エネルギーによる発電、または、燃料電池・バイオマス・廃棄物利用による環境に負荷をあたえない発電とを活用した分散電源を駆動電源とし、アクチュエート材の圧電効果を応用したセンサーにより検知した道路構造物や法面、高架橋、橋梁、防音壁、トンネル、地下構造物ならびに覆工板の道路付帯設備の劣化・損壊情報と交通情報を、電力情報とともにネットワークで結んだ環境調和型道路エネルギー活用システムの分野に係る。

様々な車両が通行する道路において、騒音・振動は必然で、道路周辺環境への悪影響と、これに伴い発生する甚大な公的経済損失は衆目の認めるところでもある。これまで騒音・振動の防止対策には、いろいろな施策が行われてはきたが、改善には自ずと限界があることも明白であった。
ただ、騒音・振動は膨大なエネルギーを生み出しており、これを有効活用することは道路の付加価値を増すことのみならず、大きく周辺経済に貢献ができ重要なことである。

アスファルト舗装、コンクリート舗装、橋梁、覆工板、及びマンホールに代表される地表構造物は自動車、人、自転車の通行による繰返し荷重および振動と雨、太陽光に自然暴露されることにより経年劣化が進み、これらの劣化状況を継続して把握することは道路の品質保全を高める事に繋がり、交通手段の確保、車両と人の安全運行の確保、周辺地域に及ぼす振動・騒音低減にとって重要なことである。

道路の維持補修期間の算定には様々な手法が用いられているが、劣化状況は、過去の経験値やパトロールによる目視、車両による走行状況のチェック等、人の五感により判断する非効率な方法が主流で、道路の陥没、崩落等の急激な変化をすぐに把握できない状況にある。
また数値計測調査によるものとしては、プロフィルメータによる路面平坦性測定試験、ベンゲルマンビーム試験によるたわみ量測定試験、コア抜き取りによる抽出・性状試験、切り取り供試体による動的安定度試験、開削調査があるが、これら調査を行うには一時的に交通を規制する必要があり、交通渋滞を引き起こし、さらには通行車両と計測員ともに危険を伴う作業であった。コア抜き取り、切り取り供試体、開削調査にあっては、既設路面を切断・破壊・抜き取る必要があり調査終了後には路面補修が余分に必要であった。
また、路面性状測定車による測定は、位置特定上の誤差が生じ精度を確認するキャリブレーションが必要であること、夜間測定に限定されること、継続的な測定に不向きであることの問題があった。

交通量の調査はカウンターを持った計測員により実施されるが、計測後のデータ集計に時間がかかり、また、計測員の多額な人件費により継続的な調査が難しく、短期の調査にならざるを得なかった。

道路の渋滞状況を監視するのに電柱または専用のポールに取り付けた超音波センサーや光ビーコンや監視カメラが用いられているが、都市部ではライフラインの確保や都市景観の視点から、キャブシステムや共同溝による電柱等障害物廃止の方向に進んでいるため、道路周辺の地上に超音波センサーや光ビーコンや監視カメラを設備することが難しくなってきている。

さらに道路に関連した法面崩壊・トンネル内壁はく離落下・橋梁ジョイントの劣化・マンホールに代表される地表構造物不具合の危険を瞬時に察知し警告できるようなネットワーク化した遠隔監視システムも確立されていなかった。

道路、道路付帯設備および道路周辺地域は、太陽光、風、雨、音などの自然エネルギーと車両、人の通行時または停滞時に発生する荷重、振動、騒音などの人工的なエネルギーを絶えず受けているが、従来はそれらのエネルギーを無関心に拡散、消滅させるばかりで、能動的にエネルギーとして利用することは行われていなかった。

地球温暖化対策、地球環境保全、環境負荷低減への取り組みが国際的に推進される中で、省エネルギー、省資源、とならび未利用エネルギーの活用は、持続可能な社会形成に不可欠である。

道路、道路付帯設備及び道路周辺地域の自然エネルギーと人工的なエネルギーを拡散・消滅するのではなく、抽出・収集して有効なエネルギーとして変換する仕組みが課題であった。

また道路の舗装、法面、橋梁、トンネル、マンホールに代表される地表構造物の経年変化による劣化状況または自然災害、人災による破損・損壊状況を瞬時にかつ継続的に観測データとして監視できることが課題であった。

道路の渋滞状況、障害状況を、車両内でＶＩＣＳと称される道路交通情報通信システム付きのナビゲーションシステムを通して、またはパーソナルコンピュータや携帯電話を通して事前に知ることができれば、渋滞、障害を回避する道路を選択することにより、交通停滞や低速走行による燃料のムダ使いを避けられ、省エネルギー化と省資源化と大気汚染の低減につながる。
しかし、超音波センサーや光ビーコンを使ったシステムでは超音波センサーや光ビーコンを通行車両の頭上にポールを使って取り付けるか、または道路路肩の壁面に取り付けるかであり、道路面より上に設置する必要があった。
一方、キャブシステムや共同溝敷設が推進され、景観の視点から無電柱化が進んでいる都市部においては超音波センサーや光ビーコンの取り付けが困難であるため、道路面内に埋設したセンサーで車両の通行量を測定できることが課題であった。

本発明は、道路、道路付帯設備および道路周辺地域で、それら自体がもつ未活用エネルギーを抽出・収集して有効活用し、埋設型および組み込み型センサーにより景観を損なわずに、交通情報と施設の劣化状況または災害情報を、瞬時にかつ継続的に観測データとして提供できるところにある。

上述した課題を解決するため、本発明の環境調和型道路エネルギー活用システムは、分散電源に、車両の通行量と舗装面の劣化状態や橋梁の劣化状態を測定するアクチュエート材の圧電効果を利用した道路埋設型センサーや、橋梁・トンネル・道路周辺法面・マンホールに代表される地表構造物の劣化状態を測定する同じくアクチュエート材の圧電効果を利用した据置および貼り付け型センサーを接続し、無線あるいは有線のネットワークを介して情報収集・解析用サーバーとを結び、交通情報収集・道路構造物の劣化状態情報およびシステム自体の電力情報の一元管理により、広域で詳細にわたる道路交通管制システムの高度化が実現でき、交通情報収集機能・交通情報提供機能の拡充による交通流の分散・信号制御の高機能化がはかられることによる慢性交通渋滞箇所、交差点やその周辺における交通渋滞の解消・交通混雑の緩和を実現し、環境への負荷の軽減を可能とする。

分散電源の電源には、未利用エネルギー発電としてアクチュエート材の圧電効果を応用した舗装埋設型発電装置と同じくアクチュエート材の圧電効果を応用した橋梁ジョイント部・覆工板・マンホールに代表される地表構造物に設置する組み込み型発電装置、あるいはトンネル内面・防音壁・法面・中央分離帯・防眩施設・橋梁高欄・照明灯・標識・信号柱・立ち入り防止柵・防護柵に設置した音圧発電装置、自然エネルギー発電として道路の法面または防音壁・中央分離帯・防眩施設・橋梁高欄・照明灯・標識・信号柱・立ち入り防止柵・防護柵に設置した太陽光発電装置、あるいは路肩・中央分離帯・防眩施設・照明灯・標識・信号柱・橋梁高欄・立ち入り防止柵・防護柵に設置した風力発電装置、あるいは路面排水設備内に設置する水力発電装置、地熱が発生しているところに於いては地熱発電装置、海洋が近傍にあるところに於いては海洋エネルギー利用発電装置、環境に負荷を与えない発電として、燃料電池装置、バイオマス発電装置、廃棄物リサイクル発電装置があり、設置場所の発電環境と居住環境と風土に調和したものが好ましく経済性も併せて考慮する。電源は単独でも複数の組合せでも良い。

本発明によれば、道路と道路付帯設備から派生する未利用エネルギーを有効活用し、かつ利便性と質の高い道路情報を提供できる環境調和型道路エネルギー活用システムが実現する。

本発明を実施するための最良の形態

図１は、未利用エネルギーを有効活用し、道路情報を一元管理する環境調和型道路エネルギー活用システムの実施形態に係る全体の構成を示す。

分散電源システム１は分散電源ユニット２とデータ解析ユニット４と通信制御ユニットａ３から構成される。

分散電源ユニット２は道路埋設型・橋梁・トンネル内面・覆工板・マンホールに代表される地表構造物・防音壁、法面・中央分離・防眩施設・橋梁高欄・照明灯・標識・信号柱・立ち入り防止柵・防護柵に設置された圧電素子発電装置１０または道路の法面・防音壁・中央分離帯・防眩施設・橋梁高欄・照明灯・標識・信号柱・立ち入り防止柵・防護柵に設置された太陽光発電機１１または路肩・中央分離帯・防眩施設・照明灯・標識・信号柱・橋梁高欄・立ち入り防止柵・防護柵に設置された風力発電機１２または道路排水設備内に設置された水力発電機１３または地熱発電機１４または海洋エネルギー利用発電機１５または燃料電池機１６またはバイオマス発電機１７または廃棄物リサイクル発電機１８及び蓄電装置２０で構成され、圧電素子発電装置１０または太陽光発電パネル１１または風力発電機１２または水力発電機１３または地熱発電機１４または海洋エネルギー利用発電機１５または燃料電池機１６またはバイオマス発電機１７または廃棄物リサイクル発電機１８によって発電された電力を蓄電装置２０に蓄電する。

蓄電装置２０に蓄電された電力は、圧電素子車両センサー１０１・風速風力計１０２・雨量計１０３・遠隔操作機能付き監視カメラ１０４・地すべり感知装置１０５・その他検出装置１０６が接続された検出装置制御ユニット１００に供給され、圧電素子車両センサー１０１・風速風力計１０２・雨量計１０３・遠隔操作機能付き監視カメラ１０４・地すべり感知装置１０５・その他検出装置１０６および検出装置制御ユニット１００を駆動する。

同時に蓄電装置２０に蓄電された電力は、警報装置２０１・警告音発生装置２０２・警告表示装置２０３が接続された警報制御ユニット２００に供給され、警報装置２０１・警告音発生装置２０２・警告表示装置２０３および警報制御ユニット２００を駆動する。

また蓄電装置２０に蓄電された電力は、無線中継器ａ３０１に供給され、無線中継器ａ３０１を駆動する。これにより有線・電話回線・インターネット回線ａ４００が敷設不可能な地域でも無線中継器ａ３０１を通して、交通情報または施設の劣化状況または災害状況を逐次モニタリングできる。

分散電源ユニット２は蓄電装置２０の蓄電量を監視し、充電容量を超えた電力は系統電源５に売電する。また車両通行量、気象条件により、分散電源ユニット２から検出装置制御ユニット１００、警報制御ユニット２００、無線中継器ａ３０１、データ解析ユニット４、通信制御ユニットａ３を駆動するのに十分な電力が供給できない場合は系統電源５より不足分の電力を自動的に買電する。

検出装置制御ユニット１００は通信制御ユニットａ３に接続され、圧電素子車両センサー１０１・風速風力計１０２・雨量計１０３・遠隔操作機能付き監視カメラ１０４・地すべり感知装置１０５・その他検出装置１０６の検出信号、観測データまたは映像データを通信制御ユニットａ３から有線・電話回線・インターネット回線ａ４００経由で、または通信制御ユニットａ３から有線・電話回線・インターネット回線ａ４００、無線中継器ａ３０１、無線３００、無線中継器ｂ３０３、有線・電話回線・インターネット回線ｂ４０１経由で逐次、検出装置制御ユニット１００とは離れた場所の情報収集・解析用サーバー５００に送る。

警報制御ユニット２００は通信制御ユニットａ３に接続され、情報収集・解析用サーバー５００によって出力された警報信号、あるいは関係諸機関に配置されたコンピューター端末６０１から発した警報信号を受信して、警報信号により警報装置２０１・警告音発生装置２０２・警告表示装置２０３を単独または組合わせて駆動し、必要とされる道路、地域ならびに関係諸機関に警報・警告を発する。また警報制御ユニット２００は警報・警告を発生しない通常時は警報装置２０１・警告音発生装置２０２・警告表示装置２０３の動作状態をモニターし逐次、情報収集・解析用サーバー５００に送り、機器の正常動作を監視する。

データ解析ユニット４は圧電素子車両センサー１０１のデータを検出装置制御ユニット１００、通信制御ユニットａ３を通してモニタリングする。データ解析ユニット４は圧電素子車両センサー１０１のデータから車両通行量、舗装等道路構造物の劣化状況を解析し、解析結果を通信制御ユニットａ３、有線・電話回線・インターネット回線ａ４００、通信制御ユニットｂ４０２、インターネット回線４０３を経由して情報収集・解析用サーバー５００に送信する。

情報収集・解析用サーバー５００はインターネット回線４０３、通信制御ユニットｂ４０２から有線・電話回線・インターネット回線ａ４００経由で、またはインターネット回線４０３、通信制御ユニットｂ４０２、有線・電話回線・インターネット回線ｂ４０１、無線中継器ｂ３０３、無線３００、無線中継器ａ３０１、有線・電話回線・インターネット回線ａ４００経由で圧電素子車両センサー１０１・風速風力計１０２・雨量計１０３・遠隔操作機能付き監視カメラ１０４・地すべり感知装置１０５・その他検出装置１０６の検出信号、観測データまたは映像データとデータ解析ユニット４の解析結果をリアルタイムで収集、蓄積する。また圧電素子車両センサー１０１・風速風力計１０２・雨量計１０３・遠隔操作機能付き監視カメラ１０４・地すべり感知装置１０５・その他検出装置１０６と検出装置制御ユニット１００の動作状態、警報装置２０１・警告音発生装置２０２・警告表示装置２０３と警報制御ユニット２００の動作状態、分散電源システム１の動作状態をリアルタイムで収集、監視、蓄積する。分散電源システム１の動作状態とは圧電素子発電装置１０または太陽光発電パネル１１または風力発電機１２または水力発電機１３の発電状況と鉛蓄電池等の二次電池を主構成とする蓄電装置２０の蓄電状態と劣化状態および分散電源ユニット２の動作状態、売電・買電状態をさす。

関係諸機関はコンピューター端末６０１からセキュリティに関するパスワードを入力することにより、情報収集・解析用サーバー５００にアクセスできるセキュリティパスワードの設定・変更・修正・削除、情報収集・解析用サーバー５００にアクセスできるメンバーの登録・変更・修正・削除、情報収集・解析用サーバー５００内の蓄積されたデータの検索・解析、警報装置２０１・警告音発生装置２０２・警告表示装置２０３等を動作させる警報信号のパラメータ変更、警告通知者の登録・変更・修正・削除、遠隔操作機能付き監視カメラ１０４の操作、圧電素子車両センサー１０１・風速風力計１０２・雨量計１０３・地すべり感知装置１０５・その他検出装置１０６の設定パラメータの設定・変更・修正・削除が可能となる。

図２は舗装道路での車両通行検知と舗装及び道路構造物の劣化状況検知および車両重量と振動による発電装置の敷設実施の一例を示す。

舗装道路は通常工法として路床１００３、路盤１００２、基層１００１、表層１０００と街渠１００４等から構成され、車両通行量と舗装等道路構造物の劣化状況検知用の圧電素子車両センサー１３００または車両重量と振動による発電装置用の圧電素子発電装置１３０１は基層１００１と表層１０００の間に埋設される。

圧電素子車両センサー１３００、圧電素子発電装置１３０１はいずれか単独でも、または組み合わせて敷設することができる。

圧電素子車両センサー１３００で発生した検出信号または圧電素子発電装置１３０１で発生した電力はセンサー・電力ケーブル１２０１で地下に敷設されたキャブシステムまたは共同溝１１００内に設置された分散電源システム１２００に送られる。図１に示したとおり、分散電源システム１２００には圧電素子車両センサー１３００で発生した検出信号または図１のデータ解析ユニット４の解析データを図１の情報収集・解析用サーバー５００に送信するための図１の有線・電話回線・インターネット回線ａ４００と売電・買電を行うための図１の系統電源５が接続される。

図３は橋梁上の舗装道路での車両通行検知と舗装・橋脚・橋梁等道路構造物の劣化状況検知および車両荷重と振動による発電装置実施の一例を示す。

橋梁上の舗装道路は通常構造として橋桁２００１、橋脚２０００、橋梁ジョイント２００２等から構成され、車両通行量と舗装等道路構造物の劣化状況検知用の圧電素子車両センサー２３００または車両重量と振動による発電装置用の圧電素子発電装置２３０１は橋梁２００１と橋脚２０００間に敷設される。

圧電素子車両センサー２３００、圧電素子発電装置２３０１はいずれか単独でも、または組み合わせて敷設することができる。

圧電素子車両センサー２３００で発生した検出信号または圧電素子発電装置２３０１で発生した電力はセンサー・電力ケーブル２２０１で地下に敷設されたキャブシステムまたは共同溝２１００内に設置された分散電源システム２２００に送られる。図１に示したとおり、分散電源システム２２００には圧電素子車両センサー２３００で発生した検出信号または図１のデータ解析ユニット４の解析データを図１の情報収集・解析用サーバー５００に送信するための図１の有線・電話回線・インターネット回線ａ４００と売電・買電を行うための図１の系統電源５が接続される。

本発明の環境調和型道路エネルギー活用システムの実施に係る全体構成図である。 舗装道路での敷設実施例の構成図である。 橋梁での敷設実施例の構成図である。

符号の説明

１ 分散電源システム
２ 分散電源ユニット
３ 通信制御ユニットａ
４ データ解析ユニット
５ 系統電源
１０ 圧電素子発電装置
１１ 太陽光発電機
１２ 風力発電機
１３ 水力発電機
１４ 地熱発電機
１５ 海洋エネルギー利用発電機
１６ 燃料電池発電機
１７ バイオマス発電機
１８ 廃棄物リサイクル発電機
２０ 蓄電装置
１００ 検出装置制御ユニット
１０１ 圧電素子車両センサー
１０２ 風速風力計
１０３ 雨量計
１０４ 遠隔操作機能付き監視カメラ
１０５ 地すべり感知装置
１０６ その他検出装置
２００ 警報制御ユニット
２０１ 警報装置
２０２ 警告音発生装置
２０３ 警告表示装置
３００ 無線
３０１ 無線中継器ａ
３０３ 無線中継器ｂ
４００ 有線・電話回線・インターネット回線ａ
４０１ 有線・電話回線・インターネット回線ｂ
４０２ 通信制御ユニットｂ
４０３ インターネット回線
５００ 情報収集・解析用サーバー
６０１ コンピューター端末
１０００ 表層
１００１ 基層
１００２ 路盤
１００３ 路床
１００４ 街渠
１１００ キャブシステムまたは共同溝
１２００ 分散電源システム
１２０１ センサー・電力ケーブル
１３００ 圧電素子車両センサー
１３０１ 圧電素子発電装置
２０００ 橋脚
２００１ 橋桁
２００２ 橋梁ジョイント
２１００ キャブシステム
２２００ 分散電源システム
２２０１ センサー・電力ケーブル
２３００ 圧電素子発電装置
２３０１ 圧電素子車両センサー

Claims (8)

1. 圧電効果を利用したアクチュエート材を埋め込んでなり、道路交通情報を検出する埋設型センサーと、前記センサーにネットワークを介して接続され、道路交通情報の遠隔監視を行なう情報収集解析用サーバーとを具備してなることを特徴とする環境調和型道路エネルギー活用システム。
2. 圧電効果を利用したアクチュエート材を埋め込んでなり、道路構造物の劣化状況を検出する埋設型センサーと、前記センサーにネットワークを介して接続され、道路劣化情報の遠隔監視を行なう情報収集解析用サーバーとを具備してなることを特徴とする環境調和型道路エネルギー活用システム。
3. 道路の周辺環境を悪化させる騒音や振動を利用して、道路舗装面内、防音壁、道路周辺の法面、橋梁、トンネル、中央分離帯、防眩施設、照明灯、標識、防護柵、マンホールを代表とする地表構造物、横断歩道橋、共同溝、仮設覆工板施設に組み込んだアクチュエート材の圧電効果を電力に転換させる発電装置と、自然エネルギーを利用した発電装置と、その他の環境に負荷をあたえないエネルギーを利用した発電装置とを組み合わせた分散電源により、道路付帯設備の電力源として電力を供給し更には系統電源への売電を特徴とする環境調和型道路エネルギー活用システム。
4. 請求項３の、自然エネルギーを利用した発電装置は、太陽光発電・風力発電・水力発電・地熱発電・海洋エネルギー利用発電をいう。
5. 請求項３の、環境に負荷をあたえないエネルギーを利用した発電装置は、燃料電池発電・バイオマス発電・廃棄物リサイクル発電をいう。
6. 車両通過時の荷重または振動または音を利用した発電装置の電圧波形から舗装及び橋梁ジョイント劣化状況を解析する分析装置を備えたことを特徴とする環境調和型道路エネルギー活用システム。
7. 車両通過時の荷重または振動または音を利用した発電装置の電圧波形から車両の通行状況または渋滞状況を解析する分析装置を備えたことを特徴とする環境調和型道路エネルギー活用システム。
8. 請求項１または請求項２で収集した情報は、サーバー内に蓄積され、短期間・長期間に渡るモニタリングにより道路および道路付帯設備の補修時期を推定する機能と道路の混雑状況をモニタリングする機能を関係諸機関に提供し課金することを特徴とする環境調和型道路エネルギー活用システム。

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