JP4258073B2 - 道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置 - Google Patents
道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置に係り、特に、道路の橋梁部において路面が凍結したり、積雪した場合に、その路面をロードヒーティング装置を制御する場合の路面温度の変化を予測する方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、「高速道路の雪氷管理」（財）高速道路技術センター発行に開示されるようなものがあった。
【０００３】
従来、ロードヒーティングに関しては、上記した参考文献Ｐ５２〜Ｐ５６に記載されるように、ロードヒーティング装置をアスファルト／コンクリートに埋蔵し、路面温度を上昇させる電熱融雪等の方法がある。
【０００４】
図３はかかる従来の電熱線が配置されたヒーティング道路の断面図であり、図３（ａ）はアスファルト舗装道路の断面図、図３（ｂ）はコンクリート舗装道路の断面図、図３（ｃ）はケーブル（電熱線）の断面図である。
【０００５】
図３（ａ）に示すように、アスファルト舗装道路の場合は、路盤１上にアスファルトモルタル層（厚さ２０ｍｍ）２が設けられ、そのアスファルトモルタル層２にケーブル（電熱線）３が配置され、その上に基層（４０ｍｍ）４、表層（４０ｍｍ）５が順次舗装されるようになっている。
【０００６】
図３（ｂ）に示すように、コンクリート舗装の場合は、路盤６上に舗装（２００ｍｍ）７の厚さに対し、中間点の１００ｍｍの深さにケーブル（電熱線）３を埋め込むようにしている。
【０００７】
ケーブル３の構造は、図３（ｃ）に示すように、鋼ニッケル合金線３Ａ、エチレンプロピレンゴム３Ｂ、耐熱ビニール３Ｃ、保護耐熱ビニール３Ｄから構成されている。このケーブル３の発熱量は通常２００〜２５０Ｗ／ｍ2 で用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらのロードヒーターは、常時作動しているわけではなく、路面状況に応じた出力制御を行っている。現在稼動中のものは、道路内に埋蔵された温度センサによって測定された路温データ、道路脇に設置された気象観測装置によって収集された気温等の気象データ、巡回車両によって目視された路面状況情報などに基づいて、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御を行っている。
【０００９】
また、稼動コストの削減や、より効果的な稼動の為に、道路内の熱伝導を考慮した連続的な出力の制御や、路面での熱収支による路面温度の変化予測を用いた先読み制御等が技術的には考えられている。
【００１０】
しかしながら、これらはいずれも道路の土綾部を前提にした技術であり、道路の建設状況に応じた対応はなされていない。
【００１１】
道路の建設状況には大きく分けて土綾部（図４）と、橋梁部（図５）に大別される。土綾部は地面に直接道路が敷設される。これに対して橋梁部は、橋状構造物上に道路が敷設される。
【００１２】
橋梁部では、道路の下部に空間があり、ここで熱の交換が発生するために、同じ気象条件であっても路面温度が大きく異なることがある。
【００１３】
このことは、実際の道路上で橋梁部のみが凍結するなどの現象として報告されており、道路土綾部、道路橋梁部を同一の測定方法／制御方法で行った場合、不具合が生じる。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて、道路橋梁部の上端と下端に温度センサとロードヒーティング装置を設置し、道路内の熱移動を見積もることによって、的確な道路橋梁部特有の温度変化を予測することができる道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕道路橋梁部における路面温度推定方法において、道路橋梁部に設置深度を異ならせて複数個の温度センサとロードヒーティング装置とを設置し、前記複数個の温度センサで道路表面と構造物底面の温度を測定し、この測定による前記道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数と前記ロードヒーティング装置を熱源とする熱分布関数とを用いて前記道路橋梁部の路面温度を推定するようにしたものである。
【００１６】
〔２〕道路橋梁部における路面温度推定装置において、道路橋梁部に設置深度を異ならせて設置される第１の温度センサ及び第２の温度センサと、前記道路橋梁部に配置されるロードヒーティング装置と、このロードヒーティング装置に接続される温度コントローラと、前記第１の温度センサ及び第２の温度センサと前記温度コントローラとが接続される路面状態解析装置とを備え、前記第１の温度センサ及び第２の温度センサで道路表面と構造物底面の温度を測定し、この測定による前記道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数と前記ロードヒーティング装置を熱源とする熱分布関数とを用いて前記路面状態解析装置により前記道路橋梁部の路面温度を推定するようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施例を示す道路橋梁部の路面温度推定装置の模式図である。
【００１９】
この図において、２１は橋脚、２２は道路橋梁部、２３は道路橋梁部路面、２４は道路橋梁部の下端（構造物底面）、２５は道路橋梁部に埋設されるロードヒーター（ケーブル）、２６は道路橋梁部路面２３側に配置される第１の路温（温度）センサ、２７は道路橋梁部下端２４側に配置される第２の路温センサ、２８はロードヒーター２５に接続される温度コントローラ、２９は上記第１の路温センサ２６と第２の路温センサ２７及び温度コントローラ２８に接続される路面状態解析装置、３０は道路橋梁部路面２３を通行する車両を示している。
【００２０】
そこで、ロードヒーター２５の制御は、温度コントローラ２８によって制御される。路面状態解析装置２９は温度コントローラ２８にも接続され、ロードヒーター２５の出力制御のための情報を提供する。
【００２１】
温度コントローラ２８は、第１、第２の路温センサ２６，２７からのリアルタイムの情報の他、路面状態解析装置２９によって解析された、各種パラメータによって、温度制御を行う。
【００２２】
以下、本発明の道路橋梁部の路面温度推定方法について図１、図２を参照して説明する。
【００２３】
構造物を含めた道路の水平方向の物理的特性を一様と考えれば、道路内での熱の移動は物理的に熱伝導方程式によって見積もることができる。
【００２４】
道路の平均的な熱伝導率をλg （上バー付き）、平均的な比熱をＣg （上バー付き）、平均的な密度をρg （上バー付き）、道路内の温度をＴg で表すと、熱伝導方程式は鉛直方向（ｚ）のみの変化となり、熱伝導方程式は以下のように表すことができる。
【００２５】
【数１】
上記式（１）は、解析的な温度分布を求めることは困難であるので、クランク−ニコルソン法などの、差分法を用いてＣg 、λg 、ρg （何れも、上バー付き）を求めることができる。
【００２６】
また、上記式（１）は線形であるため、複数の熱輸送の結果は線形和が成り立つ。すなわち、道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数をＴAG＝ＦA （ｔ，ｚ）、ロードヒーターを熱源とする熱分布関数をＴHg＝ｆH （ｔ，ｚ）とした場合、道路橋梁部の上部、下部におけるロードヒーター以外の熱源による熱分布関数ＴSg＝ｆs （ｔ，ｚ）は、次のように求められる。
【００２７】
ＴSg＝ｆs （ｔ，ｚ）＝ＴAg−ＴHg＝ＦA （ｔ，ｚ）−ｆH （ｔ，ｚ）
…（２）
上記式（２）において、ｆH （ｔ，ｚ）はＣg 、λg 、ρg （何れも、上バー付き）と、熱源の出力によって決定することができる。
【００２８】
したがって、これらを予め決定しておけば、常にＴHgを求めることが可能である。また、道路内の熱分布関数ＦA （ｔ，ｚ）は、道路橋梁部の上端／下端の温度差を熱源と見なして、差分法による数値解を得ることができる。
【００２９】
このようにして、道路橋梁部２２の表面、構造物底面での熱収支による熱分布関数ｆs （ｔ，ｚ）を算出する。道路橋梁部の路面２３と構造物下端２４に設置された第１，第２路温センサ２６，２７は、それぞれの温度を測定し、路面状態解析装置２９に送出する。路面状態解析装置２９は路面、構造物下端の温度からこれらの処理を行うことができる。道路橋梁部２２の表面／構造物底面での熱収支による熱輸送を見積もることができれば、以後の路温の変化を見積もることが可能となる。
【００３０】
路面状態解析装置２９は、熱輸送の向き（道路表面へ向かって、上向き／下向き）と量から、最も効率的なロードヒーター２５の出力を算出し、温度コントローラ２８に指示を与える。
【００３１】
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、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３３】
道路橋梁部においては、土綾部と異なり、構造物の底面で熱の交換が起こる。晴天時においては、反射光などによる顕熱の輸送、また、強風時には潜熱の輸送。これらいずれもが、道路土綾部にはない現象であり、特定条件化においては、土綾部と比べて著しく路温が異なる場合がある。ロードヒーターの制御を効率的に行うためには、路面温度と、その変化予測によって出力を制御するのが、最も望ましい。
【００３４】
しかし、上記したように、道路橋梁部での路温の変化は、道路土綾部での測定、予測方法を、そのままその橋梁部に適応した場合、結果が大きく相違する場合がある。
【００３５】
本発明は、道路橋梁部特有の熱輸送を見積もることにより、的確な道路橋梁部特有の温度変化を予測することができる。
【００３６】
また、短時間の路面温度推定にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す道路橋梁部の路面温度推定装置の模式図である。
【図２】 道路土綾部と道路橋梁部の熱収支を比較する図である。
【図３】 従来の電熱線が配置されたヒーティング道路の断面図である。
【図４】 道路土綾部を示す図である。
【図５】 道路橋梁部を示す図である。
【符号の説明】
２１ 橋脚
２２ 道路橋梁部
２３ 道路橋梁部路面
２４ 道路橋梁部の下端（構造物底面）
２５ ロードヒーター（ケーブル）
２６ 第１の路温センサ
２７ 第２の路温センサ
２８ 温度コントローラ
２９ 路面状態解析装置
３０ 車両
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置に係り、特に、道路の橋梁部において路面が凍結したり、積雪した場合に、その路面をロードヒーティング装置を制御する場合の路面温度の変化を予測する方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、「高速道路の雪氷管理」（財）高速道路技術センター発行に開示されるようなものがあった。
【０００３】
従来、ロードヒーティングに関しては、上記した参考文献Ｐ５２〜Ｐ５６に記載されるように、ロードヒーティング装置をアスファルト／コンクリートに埋蔵し、路面温度を上昇させる電熱融雪等の方法がある。
【０００４】
図３はかかる従来の電熱線が配置されたヒーティング道路の断面図であり、図３（ａ）はアスファルト舗装道路の断面図、図３（ｂ）はコンクリート舗装道路の断面図、図３（ｃ）はケーブル（電熱線）の断面図である。
【０００５】
図３（ａ）に示すように、アスファルト舗装道路の場合は、路盤１上にアスファルトモルタル層（厚さ２０ｍｍ）２が設けられ、そのアスファルトモルタル層２にケーブル（電熱線）３が配置され、その上に基層（４０ｍｍ）４、表層（４０ｍｍ）５が順次舗装されるようになっている。
【０００６】
図３（ｂ）に示すように、コンクリート舗装の場合は、路盤６上に舗装（２００ｍｍ）７の厚さに対し、中間点の１００ｍｍの深さにケーブル（電熱線）３を埋め込むようにしている。
【０００７】
ケーブル３の構造は、図３（ｃ）に示すように、鋼ニッケル合金線３Ａ、エチレンプロピレンゴム３Ｂ、耐熱ビニール３Ｃ、保護耐熱ビニール３Ｄから構成されている。このケーブル３の発熱量は通常２００〜２５０Ｗ／ｍ2 で用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらのロードヒーターは、常時作動しているわけではなく、路面状況に応じた出力制御を行っている。現在稼動中のものは、道路内に埋蔵された温度センサによって測定された路温データ、道路脇に設置された気象観測装置によって収集された気温等の気象データ、巡回車両によって目視された路面状況情報などに基づいて、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御を行っている。
【０００９】
また、稼動コストの削減や、より効果的な稼動の為に、道路内の熱伝導を考慮した連続的な出力の制御や、路面での熱収支による路面温度の変化予測を用いた先読み制御等が技術的には考えられている。
【００１０】
しかしながら、これらはいずれも道路の土綾部を前提にした技術であり、道路の建設状況に応じた対応はなされていない。
【００１１】
道路の建設状況には大きく分けて土綾部（図４）と、橋梁部（図５）に大別される。土綾部は地面に直接道路が敷設される。これに対して橋梁部は、橋状構造物上に道路が敷設される。
【００１２】
橋梁部では、道路の下部に空間があり、ここで熱の交換が発生するために、同じ気象条件であっても路面温度が大きく異なることがある。
【００１３】
このことは、実際の道路上で橋梁部のみが凍結するなどの現象として報告されており、道路土綾部、道路橋梁部を同一の測定方法／制御方法で行った場合、不具合が生じる。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて、道路橋梁部の上端と下端に温度センサとロードヒーティング装置を設置し、道路内の熱移動を見積もることによって、的確な道路橋梁部特有の温度変化を予測することができる道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕道路橋梁部における路面温度推定方法において、道路橋梁部に設置深度を異ならせて複数個の温度センサとロードヒーティング装置とを設置し、前記複数個の温度センサで道路表面と構造物底面の温度を測定し、この測定による前記道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数と前記ロードヒーティング装置を熱源とする熱分布関数とを用いて前記道路橋梁部の路面温度を推定するようにしたものである。
【００１６】
〔２〕道路橋梁部における路面温度推定装置において、道路橋梁部に設置深度を異ならせて設置される第１の温度センサ及び第２の温度センサと、前記道路橋梁部に配置されるロードヒーティング装置と、このロードヒーティング装置に接続される温度コントローラと、前記第１の温度センサ及び第２の温度センサと前記温度コントローラとが接続される路面状態解析装置とを備え、前記第１の温度センサ及び第２の温度センサで道路表面と構造物底面の温度を測定し、この測定による前記道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数と前記ロードヒーティング装置を熱源とする熱分布関数とを用いて前記路面状態解析装置により前記道路橋梁部の路面温度を推定するようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施例を示す道路橋梁部の路面温度推定装置の模式図である。
【００１９】
この図において、２１は橋脚、２２は道路橋梁部、２３は道路橋梁部路面、２４は道路橋梁部の下端（構造物底面）、２５は道路橋梁部に埋設されるロードヒーター（ケーブル）、２６は道路橋梁部路面２３側に配置される第１の路温（温度）センサ、２７は道路橋梁部下端２４側に配置される第２の路温センサ、２８はロードヒーター２５に接続される温度コントローラ、２９は上記第１の路温センサ２６と第２の路温センサ２７及び温度コントローラ２８に接続される路面状態解析装置、３０は道路橋梁部路面２３を通行する車両を示している。
【００２０】
そこで、ロードヒーター２５の制御は、温度コントローラ２８によって制御される。路面状態解析装置２９は温度コントローラ２８にも接続され、ロードヒーター２５の出力制御のための情報を提供する。
【００２１】
温度コントローラ２８は、第１、第２の路温センサ２６，２７からのリアルタイムの情報の他、路面状態解析装置２９によって解析された、各種パラメータによって、温度制御を行う。
【００２２】
以下、本発明の道路橋梁部の路面温度推定方法について図１、図２を参照して説明する。
【００２３】
構造物を含めた道路の水平方向の物理的特性を一様と考えれば、道路内での熱の移動は物理的に熱伝導方程式によって見積もることができる。
【００２４】
道路の平均的な熱伝導率をλg （上バー付き）、平均的な比熱をＣg （上バー付き）、平均的な密度をρg （上バー付き）、道路内の温度をＴg で表すと、熱伝導方程式は鉛直方向（ｚ）のみの変化となり、熱伝導方程式は以下のように表すことができる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
また、上記式（１）は線形であるため、複数の熱輸送の結果は線形和が成り立つ。すなわち、道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数をＴAG＝ＦA （ｔ，ｚ）、ロードヒーターを熱源とする熱分布関数をＴHg＝ｆH （ｔ，ｚ）とした場合、道路橋梁部の上部、下部におけるロードヒーター以外の熱源による熱分布関数ＴSg＝ｆs （ｔ，ｚ）は、次のように求められる。
【００２７】
ＴSg＝ｆs （ｔ，ｚ）＝ＴAg−ＴHg＝ＦA （ｔ，ｚ）−ｆH （ｔ，ｚ）
…（２）
上記式（２）において、ｆH （ｔ，ｚ）はＣg 、λg 、ρg （何れも、上バー付き）と、熱源の出力によって決定することができる。
【００２８】
したがって、これらを予め決定しておけば、常にＴHgを求めることが可能である。また、道路内の熱分布関数ＦA （ｔ，ｚ）は、道路橋梁部の上端／下端の温度差を熱源と見なして、差分法による数値解を得ることができる。
【００２９】
このようにして、道路橋梁部２２の表面、構造物底面での熱収支による熱分布関数ｆs （ｔ，ｚ）を算出する。道路橋梁部の路面２３と構造物下端２４に設置された第１，第２路温センサ２６，２７は、それぞれの温度を測定し、路面状態解析装置２９に送出する。路面状態解析装置２９は路面、構造物下端の温度からこれらの処理を行うことができる。道路橋梁部２２の表面／構造物底面での熱収支による熱輸送を見積もることができれば、以後の路温の変化を見積もることが可能となる。
【００３０】
路面状態解析装置２９は、熱輸送の向き（道路表面へ向かって、上向き／下向き）と量から、最も効率的なロードヒーター２５の出力を算出し、温度コントローラ２８に指示を与える。
【００３１】
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、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３３】
道路橋梁部においては、土綾部と異なり、構造物の底面で熱の交換が起こる。晴天時においては、反射光などによる顕熱の輸送、また、強風時には潜熱の輸送。これらいずれもが、道路土綾部にはない現象であり、特定条件化においては、土綾部と比べて著しく路温が異なる場合がある。ロードヒーターの制御を効率的に行うためには、路面温度と、その変化予測によって出力を制御するのが、最も望ましい。
【００３４】
しかし、上記したように、道路橋梁部での路温の変化は、道路土綾部での測定、予測方法を、そのままその橋梁部に適応した場合、結果が大きく相違する場合がある。
【００３５】
本発明は、道路橋梁部特有の熱輸送を見積もることにより、的確な道路橋梁部特有の温度変化を予測することができる。
【００３６】
また、短時間の路面温度推定にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す道路橋梁部の路面温度推定装置の模式図である。
【図２】 道路土綾部と道路橋梁部の熱収支を比較する図である。
【図３】 従来の電熱線が配置されたヒーティング道路の断面図である。
【図４】 道路土綾部を示す図である。
【図５】 道路橋梁部を示す図である。
【符号の説明】
２１ 橋脚
２２ 道路橋梁部
２３ 道路橋梁部路面
２４ 道路橋梁部の下端（構造物底面）
２５ ロードヒーター（ケーブル）
２６ 第１の路温センサ
２７ 第２の路温センサ
２８ 温度コントローラ
２９ 路面状態解析装置
３０ 車両
Claims (2)
- 道路橋梁部における路面温度推定方法において、
道路橋梁部に設置深度を異ならせて複数個の温度センサとロードヒーティング装置とを設置し、前記複数個の温度センサで道路表面と構造物底面の温度を測定し、該測定による前記道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数と前記ロードヒーティング装置を熱源とする熱分布関数とを用いて前記道路橋梁部の路面温度を推定することを特徴とする道路橋梁部の路面温度推定方法。 - 道路橋梁部における路面温度推定装置において、
（ａ）道路橋梁部に設置深度を異ならせて設置される第１の温度センサ及び第２の温度センサと、
（ｂ）前記道路橋梁部に配置されるロードヒーティング装置と、
（ｃ）該ロードヒーティング装置に接続される温度コントローラと、
（ｄ）前記第１の温度センサ及び第２の温度センサと前記温度コントローラとが接続される路面状態解析装置とを備え、
（ｅ）前記第１の温度センサ及び第２の温度センサで道路表面と構造物底面の温度を測定し、該測定による前記道路表面と構造物底面を境界条件とする熱分布関数と前記ロードヒーティング装置を熱源とする熱分布関数とを用いて前記路面状態解析装置により前記道路橋梁部の路面温度を推定することを特徴とする道路橋梁部の路面温度推定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23710799A JP4258073B2 (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置 |
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| JP23710799A JP4258073B2 (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 道路橋梁部の路面温度推定方法及びその装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001059205A JP2001059205A (ja) | 2001-03-06 |
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ID=17010526
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| US6695469B2 (en) | 2001-11-19 | 2004-02-24 | Energy Absorption Systems, Inc. | Roadway freezing point monitoring system and method |
| JP3605641B2 (ja) * | 2002-02-20 | 2004-12-22 | 国土交通省国土技術政策総合研究所長 | 路面状態判定方法 |
| CN101261765B (zh) * | 2007-03-06 | 2010-05-26 | 张小平 | 高速公路路段气象信息提示系统 |
| CN102393877B (zh) * | 2011-07-13 | 2014-06-11 | 东南大学 | 一种桥梁结构钢箱梁随机温度场的模拟方法 |
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1999
- 1999-08-24 JP JP23710799A patent/JP4258073B2/ja not_active Expired - Fee Related
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