JP2008292381A - 架線着霜の予測方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 天気予報による情報に基づいて、霜の発生の予測を的確に行うことができる架線着霜の予測方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 気象予測に基づいて、架線着霜の予測を行う架線着霜の予測方法において、架線着霜予測対象地域の天気予報情報を収集し、この天気予報情報を用いて、翌朝の予想天気が晴れ又は曇りであり、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下であり、かつ予想風速が１ｍ／ｓ以下であるか否かについて前記架線着霜予測対象地域の天気予報を判定し、夕刻の気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1を演算し、この飽和水蒸気圧ｅ_s1と湿度の実測値とに基づいて、水蒸気濃度ａ₁ を演算し、前記予想最低気温Ｔ₂ から３℃を減じた温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を演算し、この飽和水蒸気圧ｅ_s2に基づく飽和水蒸気濃度ａ₂ を演算し、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ を演算し、この過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正である場合に架線への霜発生を報知する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、架線着霜の予測方法及びその装置に関するものである。

気温が低く、かつ、湿度が高い冬の晴れた夜間には、電車線（架線）に霜が付着し成長する。このような架線着霜が発生した区間を電車が走行すると、電車のパンタグラフと架線との間に介在する霜により離線が発生し、これに伴うアーク放電が、パンタグラフの損傷、架線の溶断等の事故の原因となっている。

こうした事故の低減対策として、
（１）架線に霜の付着および成長を抑制する凍結防止材を塗布する。例えば、架線へ油を塗布する（下記特許文献１参照）。

（２）架線を加熱する（下記特許文献２参照）。

（３）架線に付着した霜を除去する。例えば、『霜取り列車』と呼ばれる臨時列車を始発列車前に運行させる等が行われている。

更に、農作物への被害を防止するために、降霜予測装置が提案されている（下記特許文献３参照）。

また、これまでにも熱収支法による霜または霜の凝結量の計算方法が報告されている（下記非特許文献１参照）が、この熱収支法を使って計算するためには、物体の表面温度、気温、湿度、風速、放射収支量の値が必要になる。以上の気象要素のうち、一般の気象情報によって予測値が得られるのは、気温、湿度、風速である。
特開平９−１６４８６２号公報 特開平９−３０１０１９号公報 特開２００６−１８９４０３号公報 「地表面に近い大気の科学」、著者 近藤純正 発行所 東京大学出版会 ｐｐ．１４０−１５３

架線着霜の気象条件、霜の成長メカニズム、成長速度等の着霜性状が十分に解明されていないために、架線着霜への対策は、気象条件を基にした経験的な判断基準で行われており、その効果を定量的に把握できていない。

また、上記した熱収支法で霜の凝結量を計算するためには、多くのパラメータを必要とする。

そこで、霜取り列車等の対策を適切に行うためには、架線着霜の発生予測を的確に行う必要がある。

本発明は、上記した状況に鑑みて、天気予報による情報に基づいて、霜の発生の予測を的確に行うことができる架線着霜の予測方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕気象予測に基づいて、架線着霜の予測を行う架線着霜の予測方法において、架線着霜予測対象地域の天気予報情報を収集し、この天気予報情報を用いて、翌朝の予想天気が晴れ又は曇りであり、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下であり、かつ予想風速が１ｍ／ｓ以下であるか否かについて前記架線着霜予測対象地域の天気予報を判定し、夕刻の気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1を演算し、この飽和水蒸気圧ｅ_s1と湿度の実測値とに基づいて、水蒸気濃度ａ₁ を演算し、前記予想最低気温Ｔ₂ から３℃を減じた温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を演算し、この飽和水蒸気圧ｅ_s2に基づく飽和水蒸気濃度ａ₂ を演算し、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ を演算し、この過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正である場合に架線への霜発生を報知することを特徴とする。

〔２〕気象予測に基づいて、架線着霜の予測を行う架線着霜の予測装置において、架線着霜予測対象地域の天気予報情報収集部と、天気予報情報を用いて、翌朝の予想天気が晴れ又は曇りであり、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下であり、かつ予想風速が１ｍ／ｓ以下であるか否かを判定する前記架線着霜予測対象地域の天気予報判定部と、夕刻の気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1を演算する飽和水蒸気圧ｅ_s1の演算部と、前記飽和水蒸気圧ｅ_s1と湿度の実測値とに基づいて、水蒸気濃度ａ₁ を求める水蒸気濃度ａ₁ の演算部と、前記予想最低気温Ｔ₂ から３℃を減じた温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を演算する飽和水蒸気圧ｅ_s2の演算部と、前記飽和水蒸気圧ｅ_s2に基づく飽和水蒸気濃度ａ₂ を求める飽和水蒸気濃度ａ₂ の演算部と、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の演算部と、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正であるか否かの判定部と、前記過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値の判定結果が正である場合に、架線への霜発生を報知する霜発生報知部とを具備することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の架線着霜の予測装置において、前記霜発生報知部からの情報を霜取り列車の運行所に提供することを特徴とする。

本発明によれば、架線着霜の有無の予測に用いるパラメータが少ないにもかかわらず、的確な架線着霜予測を報知することができる。

すなわち、架線着霜の有無の予測を、夕刻の気温と湿度の実測値、翌朝の予想天気、予想最低気温、予想風速という少ないパラメータから行うことが可能である。

本発明は、気象予測に基づいて、架線着霜の予測を行う架線着霜の予測方法において、架線着霜予測対象地域の天気予報情報を収集し、この天気予報情報を用いて、翌朝の予想天気が晴れ又は曇りであり、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下であり、かつ風速が１ｍ／ｓ以下であるか否かについて前記架線着霜予測対象地域の天気予報を判定し、夕刻の気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1を演算し、この飽和水蒸気圧ｅ_s1と湿度の実測値とに基づいて、水蒸気濃度ａ₁ を演算し、前記予想最低気温Ｔ₂ から３℃を減じた温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を演算し、この飽和水蒸気圧ｅ_s2に基づく飽和水蒸気濃度ａ₂ を演算し、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ を演算し、この過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正である場合に架線への霜発生を報知する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す架線着霜の予測装置を示すブロック図である。

この図において、１は気象予測所、２は通信ネットワーク、３は温湿度計、１０は架線着霜の予測装置、１１は架線着霜予測対象地域の天気予報情報収集部、１２は架線着霜予測対象地域の天気予報判定部、１３は架線着霜予測対象地域の架線着霜の予測演算部、１４は気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1の演算部、１５は水蒸気濃度ａ₁ の演算部、１６は温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2の演算部、１７は飽和水蒸気濃度ａ₂ の演算部、１８は過飽和水蒸気濃度の演算部、１９は過飽和水蒸気濃度の判定部、２０は霜発生報知部、２１は霜取り列車運用所である。

図２は本発明の実施例を示す架線着霜の予測フローを示す図である。

（１）天気予報情報を収集する（ステップＳ１）。

（２）翌朝の予想天気が晴れ又は曇りか否かをチェックする（ステップＳ２）。

（３）次に、翌朝の予想天気が晴れ又は曇りの場合には、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下であるか否かをチェックする（ステップＳ３）。

（４）次に、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下である場合には、予想風速が１ｍ／ｓ以下か否かをチェックする（ステップＳ４）。

（５）架線着霜予測対象地域の夕刻の気温をＴ₁ とし、気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1を求める（ステップＳ５）。

（６）水蒸気濃度ａ₁ の計算を行う（ステップＳ６）。なお、ここで、水蒸気濃度ａ₁ は、ａ₁ ＝２．１６７×〔ｅ_s1×（湿度ＲＨ₁ ／１００）〕／Ｔ₁ で求めることができる。

（７）一方、温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を求める（ステップＳ７）。ここで、架線の着霜発生時には、架線温度はその周囲の温度よりも約３℃低くなることが観測で得られている。この温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を算出する点は本発明の特徴である。

（８）次に、飽和水蒸気濃度ａ₂ の計算を行う（ステップＳ８）。なお、ここで、飽和水蒸気濃度ａ₂ は、ａ₂ ＝２．１６７×（ｅ_s2）／（Ｔ₂ −３）で求めることができる。

（９）そこで、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の計算を行う（ステップＳ９）。

（１０）次に、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正（ａ₁ −ａ₂ ＞０）であるか否かの判定を行う。なお、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が、正（ａ₁ −ａ₂ ＞０）の場合は、霜が発生するものと判定する。そうでない場合は、霜は発生しないものと判定する（ステップＳ１０）。

（１１）次に、過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正（ａ₁ −ａ₂ ＞０）となり、霜が発生すると判定された場合には、霜の発生を報知する（ステップＳ１１）。

（１２）霜の発生が予想され、これが報知されると、霜取り列車の出動を要請する（ステップＳ１２）。

この場合、翌朝は霜が発生すると予想されるので、翌朝は霜取り列車を走らせて霜の除去を行う。

なお、上記（６）及び（８）で挙げた式は、水蒸気濃度及び飽和水蒸気濃度を求めるための一方法である。水蒸気濃度と飽和水蒸気濃度の求め方は、上記の式に因る以外にも、気体の状態方程式を用いる方法や、理科年表などの飽和水蒸気圧の表をデータベースとして用いる方法を採用してもよい。

図３は架線着霜危険区域の一例を示す図であり、ここでは、名古屋から塩尻までの中央西線を示している。この他に架線着霜が頻発する線区として飯田線や身延線などが挙げられる。

なお、ここまでに得られたデータを用いて、過飽和度σの計算を行う。つまり、過飽和度σは、σ＝（ａ₁ −ａ₂ ）／ａ₂ である。

また、架線着霜の成長速度νと過飽和度σとの関係を実験等で明らかにし、この関係を用いて時間積分することで、架線着霜成長量Ｍの計算を行うことができる。架線着霜成長量Ｍは、Ｍ＝∫ν＝∫ｆ（σ）で表される。

さらに、架線着霜の付着力Ｆは、架線着霜成長量Ｍと予想最低気温Ｔ₂ の関数として表され、Ｆ＝ｆ（Ｍ，Ｔ₂ ）と算出することができる。

上記したように、本発明は、架線周囲の温度と水蒸気濃度の関係に基づいて、夕刻の天気予報情報から架線着霜の発生の有無を予測し、それに対応した措置を行うようにすることができる。

さらに着霜が発生すると予測される場合には霜の成長量および霜の付着力についても予測することができる。

本発明によれば、架線着霜の有無を、夕刻の気温、湿度の実測値、翌朝の予想天気、予想最低気温、予想風速という少ないパラメータのみで予測可能である。

１００％天気予報が的中すると仮定した場合について、本発明の架線着霜の予測手法の精度を検証した結果、適中率は９１％となった。因みに、試験的に財団法人日本気象協会発表の天気予報を用いて予想した場合、本発明の架線着霜の予測方法の精度を検証した結果、的中率は７１％であった。

また、様々な気象条件を模擬した実験及び観測により、過飽和度〔温度（Ｔ₂ −３）℃での過飽和水蒸気濃度を温度（Ｔ₂ −３）℃の飽和水蒸気濃度で除したもの〕と架線着霜の成長速度との関係を求めて、架線着霜の成長量予測を行うこともできると共に、気温、架線着霜の成長量と霜と架線の界面の付着力との関係を求め、霜の付着力の予測を行うこともできる。

上記の予測手法を用いて、架線着霜による事故が発生する危険性が高い気象条件を見出すことができるため、予想気象情報から離線による架線あるいはパンタグラフの損傷の発生危険度の推定を行うことができる。また、霜取り列車の運行の要否の正確な判断を行うことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の架線着霜の予測方法は、架線着霜による事故を未然に防ぐことができるツールとして利用可能である。

本発明の実施例を示す架線着霜の予測装置を示すブロック図である。 本発明の実施例を示す架線着霜の予測フローを示す図である。 架線着霜危険区域の一例を示す図である。

符号の説明

１ 気象予測所
２ 通信ネットワーク
３ 温湿度計
１０ 架線着霜の予測装置
１１ 架線着霜予測対象地域の天気予報情報収集部
１２ 架線着霜予測対象地域の天気予報判定部
１３ 架線着霜予測対象地域の架線着霜の予測演算部
１４ 気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1の演算部
１５ 水蒸気濃度ａ₁ の演算部
１６ 温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2の演算部
１７ 飽和水蒸気濃度ａ₂ の演算部
１８ 過飽和水蒸気濃度の演算部
１９ 過飽和水蒸気濃度の判定部
２０ 霜発生報知部
２１ 霜取り列車運用所

Claims (3)

1. 気象予測に基づいて、架線着霜の予測を行う架線着霜の予測方法において、
   （ａ）架線着霜予測対象地域の天気予報情報を収集し、
   （ｂ）該天気予報情報を用いて、翌朝の予想天気が晴れ又は曇りであり、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下であり、かつ予想風速が１ｍ／ｓ以下であるか否かについて前記架線着霜予測対象地域の天気予報を判定し、
   （ｃ）夕刻の気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1を演算し、
   （ｄ）該飽和水蒸気圧ｅ_s1と湿度の実測値とに基づいて、水蒸気濃度ａ₁ を演算し、
   （ｅ）前記予想最低気温Ｔ₂ から３℃を減じた温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を演算し、
   （ｆ）該飽和水蒸気圧ｅ_s2に基づく飽和水蒸気濃度ａ₂ を演算し、
   （ｇ）過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ を演算し、
   （ｈ）該過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正である場合に架線への霜発生を報知することを特徴とする架線着霜の予測方法。
2. 気象予測に基づいて、架線着霜の予測を行う架線着霜の予測装置において、
   （ａ）架線着霜予測対象地域の天気予報情報収集部と、
   （ｂ）天気予報情報を用いて、翌朝の予想天気が晴れ又は曇りであり、予想最低気温Ｔ₂ が０．５℃以下であり、かつ予想風速が１ｍ／ｓ以下であるか否かを判定する前記架線着霜予測対象地域の天気予報判定部と、
   （ｃ）夕刻の気温Ｔ₁ での飽和水蒸気圧ｅ_s1を演算する飽和水蒸気圧ｅ_s1の演算部と、
   （ｄ）前記飽和水蒸気圧ｅ_s1と湿度の実測値とに基づいて、水蒸気濃度ａ₁ を求める水蒸気濃度ａ₁ の演算部と、
   （ｅ）前記予想最低気温Ｔ₂ から３℃を減じた温度（Ｔ₂ −３）での飽和水蒸気圧ｅ_s2を演算する飽和水蒸気圧ｅ_s2の演算部と、
   （ｆ）前記飽和水蒸気圧ｅ_s2に基づく飽和水蒸気濃度ａ₂ を求める飽和水蒸気濃度ａ₂ の演算部と、
   （ｇ）過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の演算部と、
   （ｈ）過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値が正であるか否かの判定部と、
   （ｉ）前記過飽和水蒸気濃度ａ₁ −ａ₂ の値の判定結果が正である場合に、架線への霜発生を報知する霜発生報知部とを具備することを特徴とする架線着霜の予測装置。
3. 請求項２記載の架線着霜の予測装置において、前記霜発生報知部からの情報を霜取り列車の運行所に提供することを特徴とする架線着霜の予測装置。