JP3605641B2

JP3605641B2 - 路面状態判定方法

Info

Publication number: JP3605641B2
Application number: JP2002043626A
Authority: JP
Inventors: 博朗北川; 晃之中村
Original assignee: National Institute for Land and Infrastructure Management
Current assignee: National Institute for Land and Infrastructure Management
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003240866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低コストで長距離にわたる道路表面の積雪状態及び圧雪氷板（凍結）を判定することができる路面状態判定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
道路交通において、湿潤、積雪、凍結など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、路面湿潤や路面凍結など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、人手及びコストの面で困難であるため、このような路面の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。
【０００３】
従来の路面状態検出センサは、主に２つに分けられる。第１のグループは、道路表面に赤外線又は電磁波を照射し、路面からの反射率を測定するものである。本センサの代表的な構成を図６に示す。道路２２の近傍に超音波式の距離計２３、赤外線照射装置２４と赤外線受光装置２５からなる赤外線装置２６および信号処理装置２７を設置し、道路への入射光２８と反射光２９および反射光３０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。２１は支持ポール、２１ａはセンサ取り付け部である。
【０００４】
第２のグループとしては、道路近傍の気象量及び路面温度を測定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ー温度レーダを用いる方法が提案されている。本センサ情報は、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材料として用いられるほかに、道路近傍の気象量観測値と組み合わせて路面状態を推定する方法も提案されている。
【０００５】
ところで、赤外線又は電磁波を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。
一方、路面温度と気象量を計測する場合は、光ファイバ温度レーダが長距離に敷設可能であることと、気象量が広範囲の代表値として使用可能であることから低コストである。しかし、これらの情報から道路管理者が路面状態を判断するには、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。
また、過去に提案されている気象量及び路面温度から路面状態を推定する方法においては、圧雪、シャーベット等の積雪状態の判定や、積雪の上面が凍って生成される凍結の判定が困難である。特に凍結は、通常の積雪状態によりも摩擦が小さいため危険であり、正しく判定することが求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこでこの発明は、前記のような諸問題に鑑み、過去に提案されている路面温度計測値、及び地上気象量計測値に基づいて路面状態を推定する方法を改良し、積雪状態の判定を可能とする路面状態判定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１の発明は、路面温度計測値、地上気象量計測値、薬剤散布情報から道路上の積雪密度を推定し、その推定値の経時変化に基づいて路面における積雪状態を前記積雪密度の大きさで新雪、圧雪、シャーベットの積雪３状態に判定し、前記積雪密度は新雪が０〜２００ｋｇ／ｍ ² 、圧雪が２００〜８００ｋｇ／ｍ ² 、シャーベットが８００〜１０００ｋｇ／ｍ ² であることを特徴とする。請求項２の発明は、請求項１において、積雪状態の判定した後、続けて圧雪氷板を判定することを特徴とする。請求項３の発明は、請求項１又は２において、路面温度計測値として、道路内部に埋設した光ファイバー温度レーダの計測値からの求めた値を使用することを特徴とする。請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかにおいて、積雪状態を判定する際に、道路表面の熱収支量を用いることを特徴とする。
【０００８】
前記請求項１〜４の発明によれば、ある時間内における道路内部温度計測値の変化量から求められる道路表面温度と、気象観測値から求められる道路表面温度の関係から路面状態ならびに積雪状態時における積雪厚みを推定し、更に積雪厚みから積雪の密度を推定することが可能である。この推定積雪密度から積雪状態（積雪３状態：新雪、圧雪、シャーベット）を判定し、さらにその経時変化に基づいて凍結をも判定できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施の形態を、添付図面を参照して説明する。図１は全体構成図であり、対象となる道路４の近傍に設置される気温計、風向風速計、雨雪量計などの各種気象センサ１、道路に埋設される光ファイバ２、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３と、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５、計測データを受信する情報収集装置７と、受信したデータに基づいて路面状態判定計算を行う路面状態推定装置８と、その結果を出力する表示部９により構成されている。
【００１０】
気象センサ１は、電気的な出力が得られるものであれば特に限定されない。信号伝送装置３及び５としては、無線伝送機を使用してもよく、その場合の構成を図２に示す。信号線６の代わりに受信アンテナ１０が使用される。情報収集装置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。路面状態推定装置８では、これらの入力データに基づき路面状態を判定する。
【００１１】
路面状態判定計算の流れを図３に示す。個々の内容は次の通りである。
（ａ）基本的な路面状態の判定
計算対象となる時刻・場所の路面温度計測値、地上気象量計測値、薬剤散布情報等を入力データとして、基本的な路面状態（乾燥・湿潤・積雪・凍結）の判定を行う。基本的な路面状態は路面温度計測値及び地上気象量計測値に基づいて、２つの異なる方法で判定する。この２つの異なる方法については本出願人の提案に係る特願２００１−１１１３６７号に詳しく記述されており、前記判定においても同様に用いるので、その説明は省略する。
【００１２】
（ｂ）積雪３状態の判定
基本的な路面状態の判定によって、路面状態が積雪と分類された場合、さらに積雪３状態（新雪、圧雪、シャーベット）の判定を行う。基本的な路面状態が積雪以外（乾燥・湿潤・凍結）の場合には、この判定処理は実行せずに項目（ａ）に処理が戻る。
（ｃ）圧雪氷板の判定
基本的な路面状態の判定結果が積雪であり、積雪３状態の判定が行われた場合には、続けて圧雪氷板（凍結）の判定を行う。この判定処理は、積雪３状態の判定結果に係らず実行する。その後、項目（ａ）に処理が戻る。
ここでは気象情報から推定した流入熱量Ｗａ、流入熱量Ｗａに基づいて推定した路面温度Ｔａ、地中の温度変化量から推定した流入熱量Ｗｅ、流入熱量Ｗｅに基づいて推定した路面温度Ｔｅとし、原理の詳細を以下に説明する。
【００１３】
（１）積雪厚みの検出
積雪路面を、大気―積雪―土壌という３層構造とみなした場合の熱収支の関係を図４に示す。積雪厚みが増大するほど積雪表面への流入熱量Ｗａと土壌への流入熱量Ｗｅの位相差が増加することを利用して、計測される位相差から積雪厚みを推定できる。
まずＷａとＷｅの経時変化量をそれぞれフーリエ級数展開し、それらの卓越成分に着目して両者の位相差を求める。積雪厚みと位相差の関係は、地中深さと地中の位相差の関係と同様なので、位相差は積雪厚みに比例し、周期の平方根に比例するため、これらの関係から積雪厚みを推定できる。
【００１４】
（２）積雪状態の物理量検出
積雪厚みｄｓが分かると、Ｔｅ，Ｗｅ，Ｗａを用いて積雪状態での温度Ｔｓ，積雪表面への熱流Ｗｓ，及び積雪の物性値（密度、比熱）が分かる。計算方法は光ファイバ温度ＴｆからＴｅ，Ｗｅを計算する方法と同じである。
計算式としては、まず熱等価回路として積雪部分も組み込む方法が考えられる。積雪表面を従来実施してきた地表面と同じ考えで取り扱うと、積雪表面の温度Ｔｓ，流入熱Ｗｓが求まる。
このとき、積雪状態の熱定数は占氷率ηで近似できるので
ρｓ＝η・ρｉ
Ｃｓ＝Ｃｉ
λｓ＝η・λｉ
となる。尚、ρｉ，Ｃｉ，λｉはそれぞれ氷の密度、比熱及び熱伝導率である。このηを変えて計算し
Ｗｓ−Ｗａ
に対応するηを求める。このようにすると、積雪状態の物理量としてρｓ，Ｃｓ，λｓがわかる。
【００１５】
別の計算方式として、土壌内部の熱計算と積雪部分の熱計算を独立して行う方法が考えられる。まず、Ｔｅ，Ｗｅは従来方式と同じ等価回路で求める。次に積雪部分については、積雪の路面から距離をｘとし、積雪内部の温度Ｔｓ（ｘ），流入熱Ｗｓ（ｘ）を求める。地中側の等価回路として
等価温度源：Ｔｅｓ
等価熱抵抗：Ｒｅｓ
が必要になるが、これらはＴｅを求めるときに得られる値を用いることができる。すなわち、計算時間Δｔ経過後の温度Ｔｅの変化量として
ΔＴｅ：Ｗｅ＝０としてときのＴｅの変化量
δＴｅ：Ｗｅとしてある任意の値δＷｅ変化したときのＴｅの変化量
が得られるが、これらの値を用いると
Ｔｅｓ＝Ｔｅ０＋ΔＴｅ・（ｔ／ΔＴ）
Ｒｅｓ＝δＴｅ／δＷｅ
Ｔｅ０：計算開始前のＴｅ
このとき、積雪状態の熱定数は占氷率ηで近似できるので
ρｓ＝η・ρｉ
Ｃｓ＝Ｃｉ
λｓ＝η・λｉ
となる。このηを変えて計算し、境界条件を満足するηを求めればよい。
Ｘ＝０のとき
Ｗｓ（０）＝Ｗｅ
Ｔｓ（０）＝Ｔｅ
Ｘ＝ｄｓのとき
Ｗｓ（ｄｓ）＝Ｗａ
このようにすることで積雪状態の物理量としてρｓ，Ｃｓ，λｓを求めることができる。この内のρｓが積雪３状態の判定基準となる。
【００１６】
（３）積雪３状態の判定
積雪３状態（新雪、圧雪、シャーベット）における積雪密度は大きく異なっており、新雪は０．１程度、圧雪は０．５程度、シャーベットは１．０程度である。したがって、適切なしきい値を設定することで、算出したρｓから積雪３状態を分離計測可能となる。積雪３状態の判定の一例を図５に示す。ここでは前記「雪氷の構造と物性」を参考にしきい値を定めているが、実際の道路で収集したデータに基づいてしきい値を調整することにより、判定精度の向上が可能である。
【００１７】
（４）圧雪氷板の判定
積雪３状態を判定することにより、以下の情報が常時得られることになる。
Ｔｓ：積雪表面温度
Ｗｓ：積雪表面への流入熱
ｄｓ：積雪厚み（降雪計の測定値と除雪作業情報も活用する）
ρｓ：積雪状態の密度
これらのトレンド情報から圧雪氷板（凍結）を判定する。圧雪氷板は新雪、シャーベットからは生成せず、圧雪状態からのみ生成するので、この点に着目する。圧雪状態では▲１▼顕熱過程、▲２▼融解過程、及び▲３▼凝固過程が存在する。▲１▼は潜熱が無い場合の過程である。一方、▲２▼、▲３▼は潜熱が有る場合の過程であり、日射、薬剤散布、交通車両の影響によって発生する。特に、凝固過程は放射冷却の効果が大きいときに発生しやすい。
圧雪氷板が生成するためには、▲２▼、▲３▼の過程が必要である。一方、積雪３状態の判定は、▲１▼の条件で実施しているので、▲２▼、▲３▼の過程では▲１▼の計算結果がどのように変化するのかについて以下に述べる。
【００１８】
（ａ）融解過程
前記の通り、融解過程は日射、薬剤散布、交通車両の影響によって発生する。積雪表面の雪が解ける場合の融解熱をΔＷｍとすると、数式１のようになる。
【００１９】
【数式１】
ΔＷｍ＝Ｗａ−Ｗｓ（ｄｓ）
融解時にはΔＷｍがＷｓ（ｄｓ）より十分に大きいので、ΔＷｍ＝０という条件で積雪３状態の判定を行うと、結果は実態とかけ離れた値となる。すなわち、溶融過程ではＷｓ（ｄｓ）が実際の値より大きく設定されているため、熱伝導率λ（理論最大値は１）が１より大幅に大きくなる。逆に言えば、λ≧１になる直前からこの溶融過程が発生したことになる。
また、溶融過程ではλを定数としてλ＝１と仮定して計算することによって、Ｗｓ（ｄｓ）を近似的に求めることができるので、数式１からΔＷｍを求めることができる。
【００２０】
（ｂ）凝固過程
凝固過程は溶融過程とは逆の現象であり、日射、交通車両の熱より放射冷却の熱が大きいときあるいは薬剤の濃度が低下したときに発生する。積雪表面の水分が凝固するときの凝固熱をΔＷｒとすると、数式２のようになる。
【００２１】
【数式２】
ΔＷｆ＝Ｗａ−Ｗｓ（ｄｓ）
いずれも負の値である。絶対値で見ると、凝固時にはΔＷｆがＷｓ（ｄｓ）より十分に大きい値となるので、ΔＷｆ＝０という条件で積雪３状態の判定を行うと、熱伝導率は実態とかけ離れた値となる。凝固過程の前には融解過程があり、この時点でを固定しているため、（２）式からΔＷｆが求まる。以上をまとめると、圧雪氷板の判定条件は次のようになる。
▲１▼雨雪量計による降雪の検知、あるいは熱量計算による積雪判定（積雪状態の持続）により、路面状態が積雪となっている。
▲２▼積雪開始時から現在までの路面状態判定計算において、項目（ａ）の融解過程を経過している（凝固しうる水分が存在する）。
▲３▼項目（ｂ）の凝固過程の計算において、ΔＷｆが負の値になっている。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１ないし４の発明によれば、実際の道路（長距離、広範囲）に適用した場合に、赤外線又は電磁波を照射する方式よりも低コストで路面状態の判定を実現できる。また、従来の気象量及び路面温度から路面状態を推定する方法では不可能であった積雪３状態の判定及び圧雪氷板の判定が可能になり、より適切な道路情報を提供することができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態を示す、全体構成図である。
【図２】信号線の代わりに受信アンテナを用いた別の実施の形態を示す、全体構成図である。
【図３】同上における路面状態判定計算フローである。
【図４】積雪中の熱伝導の概念図である。
【図５】積雪３状態の判定方法の一例を示す図面である。
【図６】従来の電波式路面状態検知センサの構成例を示す図面である。
【符号の説明】
１気象センサ
２光ファイバ
３信号伝送装置
４道路
５信号伝送装置
６信号線
７情報収集装置
８路面状態推定装置
９表示部

Claims

路面温度計測値、地上気象量計測値、薬剤散布情報から道路上の積雪密度を推定し、その推定値の経時変化に基づいて路面における積雪状態を前記積雪密度の大きさで新雪、圧雪、シャーベットの積雪３状態に判定し、前記積雪密度は新雪が０〜２００ｋｇ／ｍ ² 、圧雪が２００〜８００ｋｇ／ｍ ² 、シャーベットが８００〜１０００ｋｇ／ｍ ² であることを特徴とする路面状態判定方法。
積雪状態の判定した後、続けて圧雪氷板を判定する請求項１記載の路面状態判定方法。
路面温度計測値として、道路内部に埋設した光ファイバー温度レーダの計測値からの求めた値を使用する請求項１又は２記載の路面状態判定方法。
積雪状態を判定する際に、道路表面の熱収支量を用いる請求項１ないし３のいずれかに記載の路面状態判定方法。