JP3767478B2

JP3767478B2 - 路面温度推定方法

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Publication number: JP3767478B2
Application number: JP2001389382A
Authority: JP
Inventors: 博朗北川; 晃之中村
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP2003185506A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中温度の計測値から路面温度を推定する方法に係り、特に、路面温度の初期値を直接的に計測する必要のない路面温度推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、凍結等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。
【０００３】
従来の路面状態検出センサは、主に２つに分けられる。
【０００４】
第１のグループは、道路表面（路面）に赤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。例えば、図１０に示した路面状態検出センサは、道路１０１の近傍に超音波式の距離計１０２、赤外線照射装置１０３、赤外線受光装置１０４および信号処理装置１０５を設置し、道路１０１への入射光１０６と反射光１０７及び反射光１０８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。
【０００５】
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が提案されている。このセンサによる路面温度の計測結果は、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。
【０００６】
第１のグループのように、赤外線また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。
【０００７】
一方、第２のグループのように、気象量と路面温度とを計測する場合は、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、これらの計測情報から道路管理担当者が路面状態を判断するには、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。
【０００８】
そこで、路面温度の計測値と道路近傍の気象量計測値とから計算によって路面状態を推定する方法が本出願人によって提案されている（特願２００１−１１１３６７号）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記本出願人による提案では、路面下に埋設してある光ファイバ温度レーダによる地中温度測定値に基づいて、地中から路面への流入熱量Ｗｅを計算する過程で、地中深さ方向温度分布の正確な初期値が必要となる。このために、路面に熱電対を設置し、この熱電対で路面温度の初期値を実測している。しかし、道路長手方向に長距離に及ぶ測定区間内の多地点における地中深さ方向温度分布の初期値を全て熱電対で実測することは困難である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、路面温度の初期値を直接的に計測する必要のない路面温度推定方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、路面下に道路長手方向に沿わせて埋設してある光ファイバ温度レーダにより、道路長手方向の任意の地点について、該光ファイバ温度レーダの埋設深さにおける地中温度を計測するステップと、その温度計測値を時系列データとして蓄積するステップと、この時系列データから路面温度を推定するステップとを有し、
前記時系列データから路面温度を推定するステップは、前記時系列データを基本周期が１日である周期関数にフーリエ変換することにより、前記埋設深さにおける温度変化の振幅及び位相を求めるステップと、前記埋設深さにおける温度変化の振幅及び位相と前記埋設深さとを路面における温度変化が深さ方向に伝搬するときの減衰率で逆算することにより、路面における温度変化の振幅及び位相を求めるステップと、前記路面における温度変化の振幅及び位相と前記減衰率とから任意深さにおける温度変化の計算式を求めるステップと、前記任意深さにおける温度変化の計算式の周期項に任意の実時刻を代入することで、その任意時刻の地中温度を推定するステップと、前記任意深さとしてゼロを代入することで路面温度を推定するステップと、を有するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
本発明は、例えば、路面温度の計測値と道路近傍の気象量計測値とから計算によって路面状態を推定する路面状態推定方法において、地中深さ方向の温度分布Ｔｋ（ｋ；１〜ｎ，ｎは計算上設定した地中の階層数）を得る方法として用いることのできるもので、路面温度の初期値を直接的に計測するのではなく、地中温度の計測値時系列から推定するところに特徴を有する。
【００１６】
地中深さ方向の温度分布の初期値を求める手順を図１に示す。第一のステップＳ１−１では、光ファイバ温度レーダの埋設深さにおける地中温度を計測し、その温度計測値を時系列として蓄積する。例えば、時間０から特定の時間Ｎまでの連続した温度計測値をメモリ等に蓄積する。ただし、所定時間刻み毎に温度計測値をサンプリングする処理は、並列に実行されており、図には示されない。第一のステップＳ１−１では、時間Ｎにわたる時系列データが揃っているかどうかを判定し、データが揃っていなければ、温度分布の計算は行わない。データが揃っていれば、第二のステップＳ１−２にて、時間Ｎにわたる時系列データをフーリエ変換する。これにより、光ファイバ温度レーダの埋設深さにおける時間Ｎ内での温度変化の振幅及び位相を求めることができる。第三のステップＳ１−３では、上記埋設深さにおける温度変化の振幅及び位相を用いて地中深さ方向の温度分布を算出する。
【００１７】
上記手順の詳細を説明する。
【００１８】
まず、路面からの距離（地中深さ）をｘとし、深さｘにおける地中温度をＴｘとすると、熱拡散方程式から次の一般式がえられる。
【００１９】
【数１】

【００２０】
光ファイバ温度レーダの埋設深さのみに着目し、計測した温度データをＴｆとし、この温度データＴｆが一日周期でサイクリックに変化するものと考えると、その周期関数は、
【００２１】
【数２】

【００２２】
で表すことができる。
【００２３】
この式（２）は、フーリエ級数展開すると、次式で表すことができる。
【００２４】
【数３】

【００２５】
そして、式（３）で求めた係数から、光ファイバ温度レーダの埋設深さにおける地中温度計測値の位相角εと振幅Ｄは次式で求めることができる。
【００２６】
【数４】

【００２７】
ここで、路面における温度変化が深さ方向に伝搬するときの減衰率をδ＝ルート（２λ／（ωＣ））と定義すると、地中温度変化は路面温度変化と比較して深さｘにおいて振幅がｅｘｐ（−ｘ／δ）倍小さくなり、位相はｘ／δだけ遅れるので、路面における位相ε０及び振幅Ｄ０は、埋設深さｘにおける位相角ε及び振幅Ｄから逆算して次式で求めることができる。
【００２８】
【数５】

【００２９】
同様にして、任意深さｘにおける温度変化の位相εｘ及び振幅Ｄｘを算出することができるので、次式により任意深さｘにおける任意時刻θの温度を求めることができる。
【００３０】
【数６】

【００３１】
任意深さｘをゼロとし、任意時刻θを初期値計測時刻とすれば、路面温度の初期値が求まることになる。
【００３２】
次に、本発明の応用用途である路面状態推定方法の概略の流れを図２に示す。第一のステップＳ２−１では、路面状態推定の計算に必要なデータを入力する。計算に必要なデータは、道路近傍の気象量計測値と光ファイバ温度レーダによる地中温度測定値とからなる。気象量には、気温、湿度、風速、雨量、放射収支などが含まれる。第二のステップＳ２−２では、初期値が既に計算済みであるかどうか判定する。初期値が既に計算済みであれば、初期値計算をスキップして第四のステップＳ２−４へ行く。初期値が未だ計算済みでなければ、第三のステップＳ２−３で初期値計算を行う。この初期値計算は、前述したとおりの手順で行われる。第四のステップＳ２−４では、各種計算が行われる。例えば、路面温度、路面への熱流入量、路面状態判定係数などが計算される。そして、第五のステップＳ２−５では、路面状態判定計算が行われる。
【００３３】
以下、路面状態推定方法を詳しく説明する。
【００３４】
路面状態推定の原理は、２つの異なる方法で求め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。
【００３５】
第１の方法は、道路近傍に気象計（気温計、湿度計、日射計、雪雨量計、風速計、放射収支計を含む）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。
【００３６】
ここで、路面の熱収支関係は、概念的には図３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。
【００３７】

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。
【００３８】
Ｑ１＝ｈ_T ×（Ｔａ−Ｔｅ）×Ａ（式１１）
ただし、ｈ_T ：熱伝達係数
Ｔａ：大気の温度
Ｔｅ：路面温度
Ａ：熱が伝わる面積
である。
（２）大気赤外放射と路面赤外放射
大気から路面に対する放射Ｑ２と、路面から大気に対する放射Ｑ３との計算は、それぞれ次の式で表される。
【００３９】
Ｑ２＝εａ×σ×Ｔａ⁴ （式１２）
Ｑ３＝εｒ×σ×Ｔｅ⁴ （式１３）
ただし、 εａ：大気の放射率
Ｔａ：大気の温度
εｒ：路面の放射率
Ｔｅ：路面温度
σ：ステファン・ボルツマン定数
である。
（３）日射エネルギの吸収
日射量と路面の日射吸収率とから、路面に吸収される日射エネルギＱ４を算出する。
【００４０】
Ｑ４＝（１−ｒ）×Ｉ（式１４）
ただし、ｒ：路面のアルベト数
Ｉ：日射強度
である。
【００４１】
よって、
Ｗａ＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４
により、大気側から路面に流入する熱量の総和Ｗａを求めることができる。
【００４２】
第２の方法は、地中に埋設した光ファイバ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。
【００４３】
大気側から路面への流入熱量ΔＷがΔＷ^* 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ΔＴ_f だけ変化したとする。このとき、ΔＴ_f は、ΔＷ＝０の時の光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴ_f0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δＴ_f との和で表すことができる。
【００４４】
ΔＴ_f ＝δＴ_f0＋δＴ_f （式１５）
式１５において、ΔＷ＝０の時の光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴ_f0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。
【００４５】
基底温度Ｔ₀ を利用する方式は、地中深いところ（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４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。
【００４６】
熱量計算は、計算刻み時間Δｔごとに行う。地中を図４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１６であらわされる。
【００４７】

ここで、Ｒ＝Δｈ／λ_T
Ｃ＝ρ・Ｃ_p ・Δｈ_D
ただし、
Ｒ：当該階層の熱抵抗
Ｃ：当該階層の熱容量
Δｈ_D ：道路下深さ方向の刻み幅
λ_T ：当該階層における熱伝導率
ρ：当該階層における地中物質の密度
Ｃ_p ：当該階層における面積当たり熱容量
_k ：階層を表す添字変数（₁ ，₂ ，₃ ，…）
である。
【００４８】
ここで、境界条件は式１７、式１８で表される。
【００４９】
（Ｔ₁ −Ｔ₂ ）／Ｒ₁ ＝Ｗ₁ （式１７）
Ｔ_n ＝Ｔ₀ （式１８）
式１５から式１８までの式を解くことで、光ファイバ埋設位置ｆにおける温度変化量δＴ_f0を求めることができる。
【００５０】
次に、図５に示すように、路面から光ファイバ埋設位置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ΔＷ_z 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ΔＴ_fzは、式７のＷ₁ にΔＷ_z を代入して式１６から式１８までの式を解くことで求めることができる。温度変化量ΔＴ_fzは、ΔＷ＝０の時の光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴ_f0と、任意に定めた路面への流入熱量ΔＷ_z によって与えられる温度変化量δＴ_fzとの和で表すことができる。
【００５１】
ΔＴ_fz＝δＴ_f0＋δＴ_fz （式１９）
よって、Ｗ＝０の時の光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴ_f0と仮の温度変化量ΔＴ_fzとが上記までに求められるので、温度変化量δＴ_fzが求まる。
【００５２】
また、図５に示す直線関係を仮定しているので、式２０の関係が成り立つ。
【００５３】
δＴ_f ／ΔＷ^* ＝δＴ_fz／ΔＷ（式２０）
式１９、式２０から、路面に流入する熱量ΔＷ^* を求める式２１が得られる。
【００５４】
ΔＷ^* ＝（ΔＷ_z ／δＴ_fz）・δＴ_f （式２１）
式２１において、δＴ_f は実際の光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴ_fzは、式１９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。
【００５５】
上記の計算に必要となる地中の熱定数は、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。
【００５６】
次に、第１の方法で求めた熱量Ｗａと第２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。
【００５７】
まず、第１の方法で求めた熱量Ｗａ及び熱量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ｈ_W （ｔ）とすると、水分の厚みｈ_W （ｔ）と蒸発熱Ｗｅｖ（ｔ）との関係は式２２で表すことができる。
【００５８】
ｈ_W （ｔ）＝ｈ_W ０−Ｗｅｖ（ｔ）／λ_W （式２２）
ここで、Ｗｅｖ（ｔ）は式２３により気象量より求められる値である。
【００５９】
Ｗｅｖ（ｔ）＝（α＋β・ｖ）・（Ｐ（Ｔｅ）−Ｈ・Ｐ（Ｔａ））（式２３）
ただし、
ｈ_W ０：降雨直後の路面に溜った水分の厚み
λ_W ：水の蒸発潜熱
α，β：定数
ｖ：風速
Ｈ：相対湿度
Ｔｅ：路面温度
Ｔａ：気温
Ｐ（Ｔｅ）：温度Ｔｅにおける水分の飽和水蒸気圧
Ｐ（Ｔａ）：温度Ｔａにおける水分の飽和水蒸気圧
である。
【００６０】
このように、本発明では、路面上の水分の蒸発による蒸発熱Ｗｅｖを路面水分厚ｈ_W 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。
【００６１】
湿潤状態では、大気側から路面への流入熱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。
【００６２】
Ｗａ−Ｗｅ＝Ｗｅｖ（式２４）
ここで、湿潤判定値Ｙとして式２５を導入する。
【００６３】
Ｙ＝（Ｗａ−Ｗｅ）／Ｗｅｖ（式２５）
湿潤判定値Ｙは、理論的に、湿潤状態では１、乾燥状態及び凍結状態では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。
【００６４】
次に積雪状態の判定方法を述べる。積雪状態の判定条件は、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。
【００６５】
Ｔｅ＝０℃ かつ ΔＴｅ＝０℃
ただし、
ΔＴｅ：計測時間当たりの路面温度の変化量
である。
【００６６】
このように、路面への薬剤散布がない場合は、路面温度Ｔｅを用い、路面温度Ｔｅが時間経過によらず０℃を維持していることで積雪状態が判定できる。
【００６７】
薬剤散布が有り得る場合は、まず、積雪判定値Ｚを式２６で定義する。
【００６８】
Ｚ＝ΔＴｅ／ΔＴｃ（式２６）
ただし、
ΔＴｅ：計測時間当たりの路面温度の上昇値（測定値）
ΔＴｃ：大気側からの流入熱Ｗａが流入したときの路面温度の上昇値（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２６´）
と表すことができる。
【００６９】
また、湿潤状態の判定に用いた湿潤判定値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、

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。
【００７０】
次に、大気側から路面への流入熱Ｗａと地中側から路面への流入熱Ｗｅとの差をΔＷとすると、

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。
【００７１】
式２６´、式２８から、積雪判定値Ｚは、次のように表すことができる。
【００７２】

式２９から以下の条件によって、積雪状態判定を行うことができる。
【００７３】
路面温度Ｔｅが降下中（熱量Ｗｅが負）の時、
Ｔｆ（凝固点）が路面温度Ｔｅより低い場合（Ｔｆ＜Ｔｅ）、
潜熱量δＷ、蒸発熱Ｗｅｖがともに正であって、
積雪判定値Ｚが１より大であること …条件１
Ｔｆ（凝固点）が路面温度Ｔｅより高い場合、
蒸発熱Ｗｅｖが正、潜熱量δＷが負、
かつ｜δＷ｜＞｜Ｗｅｖ｜であって、
（Ｗｅｖ＋δＷ）／Ｗｅ＞０であって、
積雪判定値Ｚが１より小であること …条件２
路面温度Ｔｅが上昇中（熱量Ｗｅが正）の時、
Ｔｆ（凝固点）が路面温度Ｔｅより低い場合、
潜熱量δＷ、蒸発熱Ｗｅｖがともに正であって、
積雪判定値Ｚが１より小であること …条件３
Ｔｆ（凝固点）が路面温度Ｔｅより高い場合、
蒸発熱Ｗｅｖが正、潜熱量δＷが負、
かつ｜δＷ｜＞｜Ｗｅｖ｜であって、
（Ｗｅｖ＋δＷ）／Ｗｅ＜０とであって、
積雪判定値Ｚが１より大であること …条件４
の条件が考えられる。結局、積雪が継続する条件は、
条件１＝Ｗｅ＜０かつＴｆ＜ＴｅかつδＷ＞０かつＷｅｖ＞０かつＺ≧１、
条件２＝Ｗｅ＜０かつＴｆ＞ＴｅかつδＷ＞０かつＷｅｖ＜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Ｗｅｖ＞０かつＺ＜１、
条件４＝Ｗｅ＞０かつＴｆ＞ＴｅかつδＷ＜０かつＷｅｖ＞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。
【００７４】
このように、本発明では、路面への薬剤散布がない場合は、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。
【００７５】
次に、凍結状態の判定方法を述べる。熱的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。
【００７６】
様々の路面状態において計算した判定値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６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。
【００７７】
この４つの領域は、路面温度Ｔｅの時間的変化に対して図７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。
【００７８】
これまでに述べた路面状態の判定方法を実際に行った結果を図８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。
【００７９】
本発明の路面状態推定方法を実施するためのシステム構成について図９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（光信号を長手方向の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。
【００８０】
気象センサ１は、電気的な出力が得られるものであれば、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。
【００８１】
図示しないが路面上の塩分濃度を測定す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。
【００８２】
また、水膜厚ｈ_W （ｔ）については、予め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ｈ_W 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ｈ_W ０とし、ある時間が経過した後の水膜厚ｈ_W （ｔ）は式２２で求める。
【００８３】
路面温度Ｔｅは、前述した第２の方法で求めた路面への流入熱Ｗｅを用いて路面温度の変化量ΔＴｅ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、システム起動時などにおいて路面温度Ｔｅの初期値が必要な場合には図１で説明した手順で求める。
【００８４】
光ファイバ２の埋設位置は、図４の温度Ｔ１，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。
【００８５】
信号伝送装置３、５は、無線伝送装置であってもよい。
【００８６】
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に与えるものである。
【００８７】
路面状態推定装置８は、これら入力データを用い、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ものである。
【００８８】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００８９】
（１）実際の道路に長距離或いは広範囲に適用した場合、赤外線又は電磁波を照射して路面温度を検出する方式よりも低コストで路面温度を検出し、路面状態推定に用いることができる。
【００９０】
（２）熱電対などで直接路面温度を検出せずとも、正確に路面温度を検出することができるので、路面状態推定の精度が向上し、より適切な道路情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す地中深さ方向温度分布の初期値を求める手順を示した流れ図である。
【図２】本発明による路面状態推定方法の概略の流れを示した流れ図である。
【図３】本発明による路面状態推定方法の基本となる路面の熱収支の概念図である。
【図４】本発明において地中側から路面に流入する熱量を求めるための地中熱伝導の等価回路図である。
【図５】本発明で使用する地中側から路面に流入する熱量と地中温度変化量との関係図である。
【図６】本発明による判定値Ｙ，Ｚと路面状態との関係図である。
【図７】本発明による路面温度変化と凝固点温度とによ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。
【図８】本発明で実際に路面状態を判定したときの、熱量比及び路面状態の時間変化図である。
【図９】本発明による路面状態推定方法を実施するためのシステム構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】従来例を示す路面状態検出センサの構成図である。
【符号の説明】
１気象センサ（気象計）
２光ファイバ（光ファイバ温度レーダ）
４道路
８路面状態推定装置

Claims

路面下に道路長手方向に沿わせて埋設してある光ファイバ温度レーダにより、道路長手方向の任意の地点について、該光ファイバ温度レーダの埋設深さにおける地中温度を計測するステップと、その温度計測値を時系列データとして蓄積するステップと、この時系列データから路面温度を推定するステップとを有し、
前記時系列データから路面温度を推定するステップは、
前記時系列データを基本周期が１日である周期関数にフーリエ変換することにより、前記埋設深さにおける温度変化の振幅及び位相を求めるステップと、
前記埋設深さにおける温度変化の振幅及び位相と前記埋設深さとを路面における温度変化が深さ方向に伝搬するときの減衰率で逆算することにより、路面における温度変化の振幅及び位相を求めるステップと、
前記路面における温度変化の振幅及び位相と前記減衰率とから任意深さにおける温度変化の計算式を求めるステップと、
前記任意深さにおける温度変化の計算式の周期項に任意の実時刻を代入することで、その任意時刻の地中温度を推定するステップと、
前記任意深さとしてゼロを代入することで路面温度を推定するステップと、を有することを特徴とする路面温度推定方法。