JP4575808B2 - 被覆塩水計測装置および被覆塩水計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、道路や滑走路などの路面に散布した凍結防止剤（例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムや酢酸マグネシウムナトリウム等の無機塩で構成される。むろん、同様の無機塩で構成される融雪剤を含むが、本明細書および特許請求の範囲では簡単のために融雪剤を略し、凍結防止剤とのみ表記している。）に代表される無機塩水の有無や濃度を計測する被覆塩水計測装置および被覆塩水計測方法に関する。

従来から路面に散布された凍結防止剤の濃度を測定して凍結を事前に防止する道路管理が行われているが、凍結防止剤の濃度を計測する方法あるいは装置として各種技術が開発されている（例えば特許文献１，２参照）。これらの技術では、観測車によって管理道路を走行しながらタイヤで跳ね上げた路面上の水を採取し、その採取した水に含まれる凍結防止剤の濃度を計測する方法が使われている。

しかし、この種の凍結防止剤の濃度計測方法にあっては、採取する装置の維持管理が煩雑であることに加えて、採取を行う部分に雪等がつまり採取ができなくなるといった問題があった。また、観測車が計測に出動する周期でしか凍結防止剤の濃度の計測ができないため、厳冬期においては頻繁に出動を繰り返す必要があるといった問題もあった。

このため、本願出願人は、路面に向けて電波を照射するとともに反射した電波を受信し、照射した電波に対する受信した電波の変化を基に凍結防止剤の有無または凍結防止剤の濃度を計測する方法を開発した（特許文献３）。
特開平１１−１４５１５号 特開平１１−２２９３１１号 特開２００４−１０１５２１号

上述した特許文献３の発明においては、電波の反射率に注目することによって実際の路面上の水を採取する必要がなくなり、技術的革新があった。しかし、反射率による凍結防止剤の有無・濃度の計測の前提として、実際には路面の被覆水における凍結防止剤の濃度や厚み自身がパラメータになっており、この部分を推測等によって補う必要があるので、正確さに欠けるという課題があった。

本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、路面等の所定面における凍結防止剤などの無機塩水の有無を正確に計測することが可能な被覆塩水計測装置および被覆塩水計測方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明は、所定面における無機塩水の濃度を計測するにあたり、同面に対して照射電波を照射し、同面にて反射した反射電波を受信し、同照射電波と同反射電波との関係に基づいて、同無機塩水の膜厚を計測する被覆塩水計測装置であって、周波数を所定範囲で変化させつつ上記面に対して上記照射電波を照射する電波送信手段と、上記反射電波を受信してその強度を検知する電波受信手段と、上記反射電波の上記照射電波に対する比率が極値となるときの上記周波数であるピーク周波数を取得し、上記ピーク周波数に対して一意に対応する上記無機塩水の膜厚を規定した周波数膜厚関係を参照して、上記ピーク周波数に対応する上記無機塩水の膜厚を特定する計測制御手段とを具備する。
上記のように構成した請求項１にかかる発明においては、所定面に対して電波送信手段が電波を照射し、電波受信手段が反射した電波を受信し、計測制御手段が照射波と反射波との関係に基づいて、同無機塩水の有無を計測する。

ここにおいて、計測制御手段は、上記電波送信手段における照射電波の周波数を所定の範囲で変化させつつ、電波受信手段での検知結果を取得する。そして、上記反射電波の上記照射電波に対する比率が極値となるときの上記周波数であるピーク周波数を取得する。ピーク周波数に対して一意に対応する無機塩水の膜厚を規定した周波数膜厚関係を参照して、ピーク周波数に対応する無機塩水の膜厚を特定する。照射電波の周波数を所定の範囲で変化させたときの照射電波に対する反射電波の強度の比率も変化するが、塩水の濃度に殆ど影響されることなくピーク周波数に基づいて被覆水の膜厚を特定し得ることが分かった。このため、ピーク周波数に対して一意に対応する無機塩水の膜厚を規定した周波数膜厚関係を記憶しておくことで、同周波数膜厚関係に基づいて被覆水の膜厚、およびそれに基づいた無機塩水の濃度を特定する。

むろん、このような無機塩水の状態を検知する効果的な適用例は、道路面上における凍結防止剤の溶解水の有無であり、請求項２にかかる発明では、上記請求項１に記載の被覆塩水計測装置において、上記所定面は、道路面であることを特徴としている。

照射電波と反射電波の強度に基づいて判断をするため、反射電波の強度も高い方が好ましい。このため、請求項３にかかる発明では、上記請求項１〜請求項２のいずれかに記載の被覆塩水計測装置において、上記道路面の下には、電波反射部材を埋設した構成としてある。

道路面の下に電波反射部材を埋設しておくことにより、照射電波は効率的に反射され、道路面上の無機塩水の影響以外の要因で減衰が生じるようなことを防止できる。
電波反射部材は各種の構成を採用することが可能であり、その一例として、請求項４にかかる発明では、上記電波反射部材は、カーボンファイバークロスで構成してある。
カーボンファイバークロスは電波反射が高いため、照射電波は効率的に反射される。
この他、請求項５にかかる発明は、上記無機塩水が凍結防止剤の溶解水である場合の発明であり、請求項６にかかる発明は、上記無機塩水が、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムや酢酸マグネシウムナトリウムのいずれかまたはこれらの組み合わせを含む場合の発明である。

このように、照射電波の周波数を所定範囲で変化させつつ、照射電波と反射電波の強度の関係から無機塩水による被覆の状態を特定する手法は必ずしも実体のある装置に限られる必要はなく、その方法としても機能することは容易に理解できる。このため、請求項７にかかる発明は、所定面における無機塩水の濃度を計測するにあたり、同面に対して照射電波を照射し、同面にて反射した反射電波を受信し、同照射電波と同反射電波との関係に基づいて、同無機塩水の膜厚を計測する被覆塩水計測方法であって、周波数を所定範囲で変化させつつ上記面に対して上記照射電波を照射し、上記反射電波を受信してその強度を検知し、上記反射電波の上記照射電波に対する比率が極値となるときの上記周波数であるピーク周波数を取得し、上記ピーク周波数に対して一意に対応する上記無機塩水の膜厚を規定した周波数膜厚関係を参照して、上記ピーク周波数に対応する上記無機塩水の膜厚を特定する構成としてある。

すなわち、必ずしも実体のある装置に限らず、その方法としても有効であることに相違はない。むろん、この場合にも装置の発明と同様にその従属請求項の発明を適用できる。
ところで、このような被覆塩水計測装置は単独で存在する場合もあるし、ある機器に組み込まれた状態で利用されることもあるなど、発明の思想としてはこれに限らず、各種の態様を含むものである。従って、ソフトウェアであったりハードウェアであったりするなど、適宜、変更可能である。

発明の思想の具現化例として被覆塩水計測装置のソフトウェアとなる場合には、かかるソフトウェアを記録した記録媒体上においても当然に存在し、利用されるといわざるをえない。
むろん、その記録媒体は、磁気記録媒体であってもよいし光磁気記録媒体であってもよいし、今後開発されるいかなる記録媒体においても全く同様に考えることができる。また、一次複製品、二次複製品などの複製段階については全く問う余地無く同等である。その他、供給方法として通信回線を利用して行なう場合でも本発明が利用されていることにはかわりない。

さらに、一部がソフトウェアであって、一部がハードウェアで実現されている場合においても発明の思想において全く異なるものではなく、一部を記録媒体上に記憶しておいて必要に応じて適宜読み込まれるような形態のものとしてあってもよい。
本発明をソフトウェアで実現する場合、ハードウェアやオペレーティングシステムを利用する構成とすることも可能であるし、これらと切り離して実現することもできる。例えば、各種の演算処理といっても、その実現方法はオペレーティングシステムにおける所定の関数を呼び出して処理することも可能であれば、このような関数を呼び出すことなくハードウェアから入力することも可能である。そして、実際にはオペレーティングシステムの介在のもとで実現するとしても、プログラムが媒体に記録されて流通される過程においては、このプログラムだけで本発明を実施できるものと理解することができる。

また、本発明をソフトウェアで実施する場合、発明がプログラムを記録した媒体として実現されるのみならず、本発明がプログラム自体として実現されるのは当然であり、プログラム自体も本発明に含まれる。

以上説明したように本発明は、被覆水の濃度にかかわらず膜厚を特定することができるようになったので、より正確に被覆水の状態を特定することができる。むろん、膜厚を先に特定することにより、その後、濃度を特定することも可能である。
さらに、請求項２にかかる発明によれば、道路面上には傾斜によって常に一様な水膜が形成されるため無機塩水の有無を容易に検知することができる。
さらに、請求項３にかかる発明によれば、反射電波をロスなく発生させることができるので、計測の信頼性も向上する。
さらに、請求項４にかかる発明によれば、カーボンファイバークロスは電波反射効率が高い上にしなやかであるので道路面に埋設するのに好適である。
さらに、請求項５にかかる発明によれば、凍結防止剤の膜厚を特定するのに好適である。
さらに、請求項６にかかる発明によれば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムや酢酸マグネシウムナトリウムのいずれかまたはこれらの組み合わせからなる凍結防止剤の膜厚を特定するのに好適である。
さらに、請求項７にかかる発明によれば、同様の効果を奏する被覆塩水計測方法を提供できる。

以下、本発明の被覆塩水計測装置を凍結防止剤の濃度計測装置に適用した一実施形態を図１により説明する。１は電波の電波送信手段にして、数ＧＨｚ以下（本実施例においては、後述するように１．５ＧＨｚ〜３．５ＧＨｚ）の発振周波数の電界を生成する発振器１１と、入力された信号を増幅し数ＧＨｚ以下の電波として照射する送信アンテナ１２とから構成される。

２は電波受信手段にして、路面Ｒから反射した電波を受信する受信アンテナ２２と受信した電波を検波する検波器２１とから構成される。なお、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２は、梁柱などの支持手段によって路面に電波が略垂直に照射されるように並べて配置される。

３は電波送信手段１の送信強度に対する電波受信手段２の受信強度の比を電波の減衰量（反射率）として算出する送受信変化量算出部、４は路面Ｒに照射した電波の減衰量の変化傾向が変化する際の周波数と凍結防止剤の膜厚とを対応づけた周波数膜厚関係を予め記憶した周波数膜厚関係記憶部、５は電波の減衰量の変化と周波数膜厚関係から路面状態を判別する路面状態判別部である。

６は通信手段を備え、路面状態判別部５で判別された凍結防止剤の溶解水を図示しない中央の観測装置に配信する出力部、７は凍結防止剤の濃度を検出するためのプログラムを記憶した制御プログラム記憶部、８は制御プログラム記憶部７のプログラムと図示しないキースイッチにより設定されたサンプリング周期や発振周波数などの設定値に従い前記の１〜６を制御し凍結防止剤の濃度計測を実行するＣＰＵである。なお、９はアスファルトなどの路面Ｒに埋設されたカーボンファイバークロスからなる電波反射体にして、より精度の高い検出結果を得る場合に使用するものであり、路面内に埋設している。

次に、本被覆塩水計測装置の動作の説明に入る前に計測原理について説明する。なお、その前提として、道路面上に凍結防止剤の溶解水からなる水膜が存在する場合の照射電波と反射電波の強度の比率の変化については、本願出願人の先願出願である特願２００３−２９７６７２号などに詳細を記載してある。ここに同出願の内容を引用する。

図２〜図４は、上記電波送信手段１における発振器１での発振周波数を変化させた際の、周波数変化と反射率との対応関係を示している。ここで、反射率は送受信変化量算出部３が算出する電波送信手段１の送信強度に対する電波受信手段２の受信強度の比である。このような反射率は表現の差こそあれ、減衰率を含めた各種の表現が可能であるが、実質的には、照射電波の強度と反射電波の強度との関係（比率など）を意味する。

図２は水膜の膜厚が０．０１ｍｍ、図３は同水膜の膜厚が０．０５ｍｍ、図４は同水膜の膜厚が０．１ｍｍの場合である。また、各図には、水膜が同じであって塩水濃度が異なる場合についてグラフ化してあり、それぞれ濃度０％の水、濃度５％の塩水、濃度１０％の塩水、濃度１５％の塩水を乾燥状態を合わせて記載しつつ表示している。

各図に現れているように、周波数が変化すると反射率が変化していくことは共通するものの、反射率の値や変化の仕方は塩水の濃度や膜厚によってさまざまであり、このままでは濃度あるいは膜厚のいずれか一方が特定されないと他方は特定できない。
しかし、本願出願人はこのような状況の中においても反射率が変化する際のピーク値（極値）に着目したところ、膜厚と同ピーク値が現れる周波数との間に相関関係が生じていることを発見した。
図５は、このピーク値が現れる周波数（ピーク周波数）と膜厚との対応関係を示している。同図に示すように、縦軸のピーク周波数が１．５ＧＨｚ〜３．３ＧＨｚの範囲で変化するのに対応して膜厚は０ｍｍ（乾燥状態）〜１．００ｍｍの範囲で一対一で対応することが分かる。従って、ピーク周波数ごとに膜厚を対応づけてテーブル等とし、周波数膜厚関係記憶部４に記憶しておく。

ただし、このようにピーク周波数は一つの現象に過ぎないので、本発明はピーク周波数と膜厚との対応関係によって膜厚を特定するものには限られない。ピーク周波数が現れるのは反射率の変化に何らかの極値が存在することの一例に過ぎないし、その意味で極値に相当する値として特定することも可能である。また、反射率が一旦変化した後、ピーク周波数を超えると増加するという意味では、増減傾向が変化する時点の周波数をとらえても良い。この場合、微分値をとって正負の符号が変化する周波数でよい。さらに、極端な例では反射率の変化のカーブ全体として特定することも可能である。カーブをサンプリングして特定した状態で最小自乗法等によって最も差異の小さいカーブを特定すればよい。

以上のような各種の手法を採用可能であるとして、図６はその一例であるピーク周波数から膜厚を特定し、さらにオプションとして濃度も判別するための制御フローチャートを示している。
図において、ステップＳ１００では、ＣＰＵ８が制御主体となって電波送信手段１における発振器１１の周波数を望ましくは１ＧＨｚ〜６ＧＨｚぐらいの範囲、より狭めた範囲としては１．５ＧＨｚ〜３．５ＧＨｚぐらいの範囲で変化させつつ、その際の反射率を送受信変化量算出部３から取得する。より具体的には、周波数を変化させる範囲において所定の周波数間隔を設けて発振器１１に発振周波数を設定し、発振器１１が同発振周波数で発振すると送信アンテナ１２を介して路面Ｒに送信する。送信された電波は路面Ｒの状況および路面Ｒに埋設した電波反射体９によって反射電波となり、受信アンテナ２２と検波器２１を介して電波受信手段２にて受信される。その受信結果を得て送受信変化量算出部３が反射率を求め、ＣＰＵ８は先に設定した発振周波数と反射率との対応関係を得る。その後、発振周波数を所定の周波数間隔で変化させながら各発振周波数に対応する反射率を得て所定の記憶領域に記憶していく。
なお、本実施例においては、上述したように１ＧＨｚ〜３．５ＧＨｚの範囲で発振周波数を変化させているが、この周波数帯域は、電波送信手段１である発振器１１と送信アンテナ１２、および電波受信手段２である受信アンテナ２２と検波器２１の形状等によって変化する。すなわち、これらの形状、大きさによっては利用する周波数帯域を変化させることで以下に説明するような膜厚等の測定は可能であることが分かっている。
従って、所定面に照射する周波数は上記実施例の周波数に限定されるものではなく、図２〜４に示すように水膜の膜厚に対してピーク反射率がシフトする他の周波数帯を用いても、同様な計測を実行することが可能である。

予定している周波数の全範囲で反射率を求めたら、ステップＳ２００にて反射率のピーク値を取得する。最も簡単な手法としてはステップＳ１００にて所定の記録領域に記憶しておいた反射率の最小値を求めることで対応できる。また、最小自乗法を使用して反射率の変化カーブを求め、その変化カーブにおける最小値を求めても良い。また、同変化カーブを微分して増減傾向の変化ポイントを求めても良い。いずれにしてもこのような極値相当値を求める。

ステップＳ３００では、このようにして求めたピーク値が現れる周波数を特定する。ステップＳ１００〜Ｓ３００はこのような極値相当値に相当する周波数を求める手順に過ぎないので、アルゴリズムは適宜変更可能である。例えば、図７に示すように、ステップＳ１１０にて周波数を変化させながら反射率を取得する際に、周波数を変化する前後で反射率の大小を比較し、低い方の反射率を記憶しつつそれに対応する周波数を記憶させる。周波数を徐々に変化させていっても常に最小の反射率のときの周波数が記憶されるので、最も簡便に上述したピーク周波数を求めることが可能となる。

ステップＳ４００では、このピーク周波数を引数として周波数膜厚関係記憶部４に記憶されているテーブル等を参照し、対応する膜厚を取得する。
路面状態判別部５はこの膜厚に基づいて路面状態が乾燥しているのか否か、凍結防止剤の溶解水が路面Ｒを被覆しているのか否かを特定する。従って、上述したステップＳ１００〜Ｓ４００の制御は上述した計測制御手段の一例に相当する。
路面Ｒ上の水膜の膜厚だけでよければステップＳ４００で処理を終了すればよい。しかし、膜厚を特定できることにより、凍結防止剤の溶解水の濃度も求めたいのであれば、ステップＳ５００では、濃度まで特定する。濃度を特定するためには、図２〜図４に示した各膜厚ごとにおける反射率の変化を濃度ごとに記憶したテーブル等を周波数膜厚関係記憶部４か別途の記憶領域に記憶しておき、同テーブルを参照し、任意の周波数での反射率を使用して濃度を特定する。

このとき、ステップＳ１００で取得した反射率の最小値を記憶したままであれば、ステップＳ５００のテーブルとしては膜厚ごとに濃度と最小値だけを記憶しておき、特定した膜厚における上記最小値に対応した濃度を取得することも可能である。むろん、上述したステップＳ１００〜Ｓ５００の処理は上述した濃度計測制御手段の一例に相当する。

テーブル等の記憶手法は様々であり、周波数と膜厚との関係については、周波数と膜厚のそれぞれを対として記憶しておいてもよいし、予め所定間隔の周波数を設定することを前提として周波数自体は省略して所定間隔の周波数に対応する膜厚だけを並べて記憶しておいても良い。

このように、ステップＳ１００では、電波送信手段１における発振器１１の周波数を１ＧＨｚ〜６ＧＨｚぐらいの範囲で変化させつつ、その際の反射率を送受信変化量算出部３から取得し、ステップＳ２００にて反射率のピーク値を取得するとともに、ステップＳ３００では、このようにして求めたピーク値が現れる周波数を特定し、ステップＳ４００では、このピーク周波数を引数として周波数膜厚関係記憶部４に記憶されているテーブル等を参照し、対応する膜厚を取得するようにしたので、従来のような推測等の余地が無くなり、正確に膜厚を測定することができる。

本発明の一実施形態にかかる被覆塩水計測装置を適用した凍結防止剤の濃度計測装置のブロック図である。 ０．０１ｍｍの膜厚における塩水濃度と反射率を周波数の関係を示す図である。 ０．０５ｍｍの膜厚における塩水濃度と反射率を周波数の関係を示す図である。 ０．１ｍｍの膜厚における塩水濃度と反射率を周波数の関係を示す図である。 ピーク周波数と膜厚の関係を示す図である。 凍結防止剤の濃度計測装置における制御フローを示すフローチャートである。 凍結防止剤の濃度計測装置における制御フローの変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…電波送信手段
１１…発振器
１２…送信アンテナ
２…電波受信手段
２１…検波器
２２…受信アンテナ
３…送受信変化量算出部
４…周波数膜厚関係記憶部
５…路面状態判別部
６…出力部
７…制御プログラム記憶部
８…ＣＰＵ
９…電波反射体

Claims (7)

1. 所定面における無機塩水の濃度を計測するにあたり、同面に対して照射電波を照射し、同面にて反射した反射電波を受信し、同照射電波と同反射電波との関係に基づいて、同無機塩水の膜厚を計測する被覆塩水計測装置であって、
   周波数を所定範囲で変化させつつ上記面に対して上記照射電波を照射する電波送信手段と、
   上記反射電波を受信してその強度を検知する電波受信手段と、
   上記反射電波の上記照射電波に対する比率が極値となるときの上記周波数であるピーク周波数を取得し、
   上記ピーク周波数に対して一意に対応する上記無機塩水の膜厚を規定した周波数膜厚関係を参照して、上記ピーク周波数に対応する上記無機塩水の膜厚を特定する計測制御手段とを具備することを特徴とする被覆塩水計測装置。
2. 上記所定面は、道路面であることを特徴とする上記請求項１に記載の被覆塩水計測装置。
3. 上記道路面の下には、電波反射部材を埋設してあることを特徴とする上記請求項１〜請求項２のいずれかに記載の被覆塩水計測装置。
4. 上記電波反射部材は、カーボンファイバークロスであることを特徴とする上記請求項３に記載の被覆塩水計測装置。
5. 上記無機塩水は、凍結防止剤の溶解水であることを特徴とする上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の被覆塩水計測装置。
6. 上記無機塩水は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムや酢酸マグネシウムナトリウムのいずれかまたはこれらの組み合わせを含む上記請求項１〜請求項５のいずれかに記載の被覆塩水計測装置。
7. 所定面における無機塩水の濃度を計測するにあたり、同面に対して照射電波を照射し、同面にて反射した反射電波を受信し、同照射電波と同反射電波との関係に基づいて、同無機塩水の膜厚を計測する被覆塩水計測方法であって、
   周波数を所定範囲で変化させつつ上記面に対して上記照射電波を照射し、
   上記反射電波を受信してその強度を検知し、
   上記反射電波の上記照射電波に対する比率が極値となるときの上記周波数であるピーク周波数を取得し、
   上記ピーク周波数に対して一意に対応する上記無機塩水の膜厚を規定した周波数膜厚関係を参照して、上記ピーク周波数に対応する上記無機塩水の膜厚を特定することを特徴とする被覆塩水計測方法。

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