JP4742388B2 - 固定観測点及び路線における路面状態推定システム - Google Patents
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(a)熱収支モデルの式が、路面に出入りする熱量を示す項として、路面からの赤外放射量(σTs4)と、顕熱伝達熱量(H)と、潜熱伝達熱量(lE)と、地中伝導熱量(G)と、水の凍結または雪もしくは氷の融解に利用可能な最大凍結融解熱量(M')とを含んでおり、前記赤外放射量、顕熱伝達熱量、潜熱伝達熱量及び地中伝導熱量の項に含まれる路面温度(Ts)を凍結温度(Tf)に設定するとともに該熱収支モデルの式に含まれるパラメータに対して前記観測データを入力して前記熱収支モデルの式を解くことにより、前記最大凍結融解熱量(M')を算出する第1の手段。
(b)前記最大凍結融解熱量(M')と、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量との関係に基づいて、実際に使用される凍結融解熱量(M)を算出する第2の手段。
(c)前記水収支モデルの式が、前記水貯留量の変化率を示す水収支の式と、前記雪貯留量の変化率を示す雪収支の式と、前記氷貯留量の変化率を示す氷収支の式とからなりかつ各変化率の式は前記凍結融解熱量を変数として含んでおり、前記第2の手段とともに用いることにより、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量をそれぞれ算出する第3の手段。
(a)熱収支モデルの式が、路面に出入りする熱量を示す項として、路面からの赤外放射量(σTs4)と、顕熱伝達熱量(H)と、潜熱伝達熱量(lE)と、地中伝導熱量(G)と、水の凍結または雪もしくは氷の融解に利用可能な最大凍結融解熱量(M')とを含んでおり、前記赤外放射量、顕熱伝達熱量、潜熱伝達熱量及び地中伝導熱量の項に含まれる路面温度(Ts)を凍結温度(Tf)に設定するとともに該熱収支モデルの式に含まれるパラメータに対して前記観測データを入力して前記熱収支モデルの式を解くことにより、前記最大凍結融解熱量(M')を算出する第1の手段。
(b)前記最大凍結融解熱量(M')と、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量との関係に基づいて、実際に使用される凍結融解熱量(M)を算出する第2の手段。
(c)前記水収支モデルの式が、前記水貯留量の変化率を示す水収支の式と、前記雪貯留量の変化率を示す雪収支の式と、前記氷貯留量の変化率を示す氷収支の式とからなりかつ各変化率の式は前記凍結融解熱量を変数として含んでおり、前記第2の手段とともに用いることにより、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量をそれぞれ算出する第3の手段。
(d)算出された前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量に基づいて各貯留量の有無または相対的な多少を判断することにより、前記固定観測点の路面状態が、予め分類された複数の路面状態のうちの1つであることを推定する第4の手段。
(a)前記路線に沿って連続的に路面温度を観測して得たサーマルマッピングデータと、その観測時の大気安定度とを対応付けて予めデータベースに保存する第1の手段。
(b)前記熱収支モデルの式が、路面に出入りする熱量を示す項として、路面からの赤外放射量(σTs4)と、顕熱伝達熱量(H)と、潜熱伝達熱量(lE)と、地中伝導熱量(G)とを含んでおり、該熱収支モデルの式に含まれるパラメータに対して前記観測データを入力して前記熱収支モデルの式を解くことにより、前記固定観測点の路面温度(Ts)を算出する第2の手段。
(c)前記路線の大気安定度に基づいて前記データベースを参照し、対応するサーマルマッピングデータを抽出する第3の手段。
(d)前記第2の手段により算出された前記固定観測点の路面温度(Ts)と、前記第3の手段により抽出された前記サーマルマッピングデータにおける該固定観測点の路面温度(Ttm)との差の分だけ、該サーマルマッピングデータを温度軸に沿って移動させたものを、該路線の路面温度分布と推定する第4の手段。
そして、路線の路面状態を推定するシステムは、さらに以下の(e)及び(f)の手段を備えたものである。
(e)前記路線内の固定観測点の路面状態については、上記の固定観測点の路面状態推定システムを用いて路面状態を推定する第5の手段。
(f)前記路線内の非固定観測点の路面状態については、上記の路線の路面温度分布推定システムにより推定された路線の路面温度分布と、気象データから算出された正味放射量(NR)とに基づいて、該非固定観測点の路面状態が、予め分類された複数の路面状態のうちの1つであることを推定する第6の手段。
図1は、本発明による路面温度/路面状態推定システム10を、路面情報を提供するためのネットワークシステムとして構築した一例の概略構成図である。
気象データは、固定観測点に設置した気象センサーによって観測されるデータと気象庁から所定時間毎に発表されるデータがある。気象センサーは、風速計、日射計、気温計、路面下に埋め込まれた路温計などがあり、これらのセンサーが計測した値はネットワークを介して路面温度/路面状態推定システムへ送信される。気象庁のデータは、アメダスやメッシュ気象データ(GPVデータともいう)がある。例えば、気象庁ホームページに掲載されるメッシュ気象データは、日本全国を20km四方のメッシュに分け、そのそれぞれについて、天気、気温、降水量または降雪量の24時間先までの予報を提供している。対象とする固定観測点が含まれるメッシュ気象データを、その固定観測点における気象データとして用いる。後述するように、メッシュ気象データから正味放射量を算出することができる。その他の気象データとして、雲量などを取得する。
計測データは、GPS装置及び計測装置を搭載した観測車が対象地域を走行して得るデータである。観測車は、例えば、交通状況をモニタリングするプローブカーなどである。また、車外気温、車体下部温度及び路面温度を計測することもできる。
図3は、図2の固定観測点の路面温度推定処理部1における処理の流れを示すフロー図である。
ステップS31において、後述するステップS32の熱収支モデルの式を解くために必要な観測データを取得する。観測データは、推定しようとする固定観測点におけるもので、かつ推定しようとする時点におけるものを用いる。
本システムでは、路面温度Tsを求めるために、路面に入力する正味の放射エネルギーR↓を表す式として、上記の数5の変形式である数8を用いる。
d:車両の平均全長(m)
N:毎時の交通量(台/h)
v:車両の平均速度(km/h)
ステップS33において、最大融解熱量M'と路面温度Tsを出力し、データ保存部に記憶しておく。
路面上で相変化(融解・凍結)が生じているときに、実際に用いられる融解凍結熱量Mは、数7で算出される最大融解凍結熱量M’と、水・雪・氷の各貯留量qwater、qsnow、qiceとの関係により、数10〜数12で表される。
qwater:水の貯留量(mm)
qsnow:雪の貯留量(mm)
qice:氷の貯留量(mm)
t:時間
τ:排水係数(=0〜1の範囲の数値)
M':最大融解凍結熱量(W/m2)
M:融解凍結熱量(W/m2)
lE:潜熱伝達熱量(W/m2)(数3の通り)
Pprecwater:降水量(mm)
Pprecsnow:降雪量(mm)
rm:除雪量(mm)
L:融解潜熱(J/kg)
Levap:蒸発潜熱(J/kg)
Lsubl:昇華潜熱(=2.38×106J/kg)
ステップS51〜53では、後述するステップS54の水収支モデルの式を解くために必要なパラメータを取得する。ここで取得するパラメータは、推定しようとする固定観測点におけるもので、かつ推定しようとする時点におけるものである。
ステップS51では、最大凍結融解熱量M’を取得する。最大凍結融解熱量M’は、固定観測点の路面温度推定処理部1にて熱収支モデルから算出できる。
ステップS52では、除雪による路面上の雪貯留量と氷貯留量の減少分rmおよび路面上に凍結防止剤があるか否かの情報を取得する。
ステップS53では、その他の必要な観測データを取得する。
ステップS55では、算出された水・雪・氷の各貯留量qwater、qsnow、qiceと、融解凍結熱量Mとを出力し、データ保存部に記憶しておく。
ステップS57において、推定された路面状態を出力し、データ保存部に記憶しておく。
図6の実施例では、5つの路面状態のうち、「積雪」状態はさらに3つの状態に細分類され、「凍結」状態はさらに2つの状態に細分類される。
図7は、図2の路線の路面温度分布推定処理部3における処理の流れを示すフロー図である。この処理では、固定観測点の路面温度推定処理部1で取得した路面温度を用いるが、その場合の固定観測点は、対象とする路線内に含まれるポイントでなければならない。
1回のサーマルマッピングにおいて、1つの路線について複数回の計測を実施し、その平均を採用する。図8(a)は、サーマルマッピング例を示している。1つの路線のサーマルマッピングデータを、横軸を距離、縦軸を温度としたグラフに連続的なラインで表す。この例では、縦軸は路温差としている。路温差とは、路線全体の路面温度の平均値を0℃とし、その差を表したものである。別の例として、縦軸を温度の絶対値として表してもよい。なお、図8(a)に示すように、サーマルマッピングと併せて、距離方向における道路構造(土工部、橋梁部、遮蔽部)も記録しておくことが好ましい。これにより、サーマルマッピングの妥当性を評価できる。
ステップS72では、推定しようとする時点のメッシュ気象データに基づき、図8(b)の表を用いて大気安定度を取得する。
ステップS73では、大気安定度をキーとしてデータベースから対応するサーマルマッピングデータを取得する。例えば、夜間であって大気安定度が「D」または「E」であれば、データベースから図8(a)のデータを抽出する。
ステップS74では、固定観測点の路面温度Tsを、図3に示したように熱収支モデルを用いて算出する。
図10は、図2の路線の路面状態推定処理部4における処理の流れを示すフロー図である。図11は、図10のフロー図を、模式的に表した図である。
図11(a)に示すように、この例では、路線の両端の丸で示すポイントは固定観測点A、Bであり、その間の三角で示す複数のポイントは固定観測点以外の点(以下、「非固定観測点」と称する)である。図10の処理開始前には、いずれのポイントの路面状態も推定されていない。これは、図11(a)の全ての丸及び三角が白抜きで示されていることに対応する。
図10のステップS106において、推定された路線の路面状態を出力し、データ保存部に保存する。
図13は、上述した路面温度/路面状態推定システムを、固定観測点の路面状態の予測システムとして用いた場合の概略フローを示している。
時刻tの予測を行う場合は、上述の固定観測点の路面温度推測処理において、観測データとして時刻tの予測データを入力し(符号1a)、熱収支モデルの式を解く(符号1b)。この結果、時刻tの最大凍結融解熱量の予測値が得られる(符号1c)。この最大凍結融解熱量の予測値を用いて、上述の固定観測点の路面状態推測処理を実行する。水収支モデルの式を解くことにより(符号2a)、時刻tにおける水・雪・氷の貯留量の予測値が得られる(符号2b)。この水・雪・氷の貯留量の予測値を用いて、路面状態判別フローを適用し(符号2c)、時刻tにおける固定観測点の路面状態の予測値を得ることができる(符号2d)。
時刻tの予測を行う場合は、上述の固定観測点の路面温度推測処理において、観測データとして時刻tの予測データを入力して熱収支モデルの式を解く。この結果、時刻tの固定観測点の路面温度の予測値が得られる(符号1c)。時刻tの雲量・風速の予測データに基づいて大気安定度の予測値を決定する(符号3c)。予め作成されたサーマルマッピングデータ(符号3a)と、大気安定度の予測値と、路面温度の予測値とを用いて上述の路線の路面温度分布推測処理を適用することにより(符号3b)、時刻tにおける路線の路面温度分布の予測値が得られる(符号3d)。
11 外部データ取得部
12 路面温度/路面状態推定部
13 ウェブページ作成部
14 データ保存部
16 観測データ計測手段
17 サーマルマッピングデータ計測手段
18 ネットワーク等
Claims (7)
- 路面の固定観測点における観測データと、路面の熱収支モデル及び水収支モデルとを用いて、該固定観測点における水貯留量(qwater)、雪貯留量(qwater)及び氷貯留量(qice)を推定するシステムであって、
(a)前記熱収支モデルの式が、路面に出入りする熱量を示す項として、路面からの赤外放射量(σTs4) と、顕熱伝達熱量(H)と、潜熱伝達熱量(lE)と、地中伝導熱量(G)と、水の凍結または雪もしくは氷の融解に利用可能な最大凍結融解熱量(M')とを含んでおり、前記赤外放射量、顕熱伝達熱量、潜熱伝達熱量及び地中伝導熱量の項に含まれる路面温度(Ts)を凍結温度(Tf)に設定するとともに該熱収支モデルの式に含まれるパラメータに対して前記観測データを入力して前記熱収支モデルの式を解くことにより、前記最大凍結融解熱量(M')を算出する第1の手段と、
(b)前記最大凍結融解熱量(M')と、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量との関係に基づいて、実際に使用される凍結融解熱量(M)を算出する第2の手段と、
(c)前記水収支モデルの式が、前記水貯留量の変化率を示す水収支の式と、前記雪貯留量の変化率を示す雪収支の式と、前記氷貯留量の変化率を示す氷収支の式とからなりかつ各変化率の式は前記凍結融解熱量を変数として含んでおり、前記第2の手段とともに用いることにより、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量をそれぞれ算出する第3の手段と、を備えたことを特徴とする水・雪・氷貯留量推定システム。 - 路面の固定観測点における観測データと、路面の熱収支モデル及び水収支モデルとを用いて、該固定観測点における水貯留量(qwater)、雪貯留量(qwater)及び氷貯留量(qice)を推定し、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量に基づいて該固定観測点における路面状態を推定するシステムであって、
(a)前記熱収支モデルの式が、路面に出入りする熱量を示す項として、路面からの赤外放射量(σTs4) と、顕熱伝達熱量(H)と、潜熱伝達熱量(lE)と、地中伝導熱量(G)と、水の凍結または雪もしくは氷の融解に利用可能な最大凍結融解熱量(M')とを含んでおり、前記赤外放射量、顕熱伝達熱量、潜熱伝達熱量及び地中伝導熱量の項に含まれる路面温度(Ts)を凍結温度(Tf)に設定するとともに該熱収支モデルの式に含まれるパラメータに対して前記観測データを入力して前記熱収支モデルの式を解くことにより、前記最大凍結融解熱量(M')を算出する第1の手段と、
(b)前記最大凍結融解熱量(M')と、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量との関係に基づいて、実際に使用される凍結融解熱量(M)を算出する第2の手段と、
(c)前記水収支モデルの式が、前記水貯留量の変化率を示す水収支の式と、前記雪貯留量の変化率を示す雪収支の式と、前記氷貯留量の変化率を示す氷収支の式とからなりかつ各変化率の式は前記凍結融解熱量を変数として含んでおり、前記第2の手段とともに用いることにより、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量をそれぞれ算出する第3の手段と、
(d)算出された前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量に基づいて各貯留量の有無または相対的な多少を判断することにより、前記固定観測点の路面状態が、予め分類された複数の路面状態のうちの1つであることを推定する第4の手段と、を備えたことを特徴とする固定観測点の路面状態推定システム。 - 前記第4の手段が、前記水貯留量、前記雪貯留量及び前記氷貯留量について、全てが0であるか否か、水貯留量のみが0でないか否か、氷貯留量が最大であるか否か、及び水貯留量が雪貯留量より多いか否か、を順次判断することにより、乾燥状態、湿潤状態、シャーベット状態、凍結状態及び積雪状態からなる5分類の路面状態のいずれであるかを推定することを特徴とする請求項2に記載の固定観測点の路面状態推定システム。
- 路面状態を予測するために、前記観測データとして、対象とする時点の予測データを用いることを特徴とする請求項2または3に記載の固定観測点の路面状態推定システム。
- 路線の路面状態を推定するシステムであって、
請求項2または3に記載の固定観測点の路面状態推定システムを備えるとともに、
路線に含まれる固定観測点における観測データと、路面の熱収支モデルとを用いて、該路線における路面温度分布を推定する、路線の路面温度分布推定システムを備えており、
前記路線の路面温度分布推定システムは、
(a)前記路線に沿って連続的に路面温度を観測して得たサーマルマッピングデータと、その観測時の大気安定度とを対応付けて予めデータベースに保存する第1の手段と、
(b)前記熱収支モデルの式が、路面に出入りする熱量を示す項として、路面からの赤外放射量(σTs4)と、顕熱伝達熱量(H)と、潜熱伝達熱量(lE)と、地中伝導熱量(G)とを含んでおり、該熱収支モデルの式に含まれるパラメータに対して前記観測データを入力して前記熱収支モデルの式を解くことにより、前記固定観測点の路面温度(Ts)を算出する第2の手段と、
(c)前記路線の大気安定度に基づいて前記データベースを参照し、対応するサーマルマッピングデータを抽出する第3の手段と、
(d)前記第2の手段により算出された前記固定観測点の路面温度(Ts)と、前記第3の手段により抽出された前記サーマルマッピングデータにおける該固定観測点の路面温度(Ttm)との差の分だけ、該サーマルマッピングデータを温度軸に沿って移動させたものを、該路線の路面温度分布と推定する第4の手段と、を有しており、さらに、
(e)前記路線内の固定観測点の路面状態については、請求項2または3に記載の固定観測点の路面状態推定システムを用いて路面状態を推定する第5の手段と、
(f)前記路線内の非固定観測点の路面状態については、前記路線の路面温度分布推定システムにより推定された路線の路面温度分布と、気象データから算出された正味放射量(NR)とに基づいて、該非固定観測点の路面状態が、予め分類された複数の路面状態のうちの1つであることを推定する第6の手段と、を備えたことを特徴とする路線の路面状態推定システム。 - 前記第6の手段が、
前記非固定観測点の路面状態の初期値を、最も近い固定観測点と同じ状態に設定する初期状態設定手段と、
降水の有無、降雪の有無、前記路面温度分布から得た路面温度が0℃以上か以下か、または、前記正味放射量(NR)が正か負かを判断することにより、路面状態を前記初期状態のままとするかまたは該初期状態から別の状態に遷移させる手段とを備えたことを特徴とする請求項5に記載の路線の路面状態推定システム。 - 路線の路面状態を予測するために、前記観測データとして、対象とする時点の予測データを用いることを特徴とする請求項5または6に記載の路線の路面状態推定システム。
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