(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
路面温度計測値並びに地上気象量計測値を用いて、長距離にわたって道路の路面状態を推定する方法において、
道路内部に埋設した光ファイバにより路面温度を計測すると共に、地上気象量計測装置により気温、及び放射エネルギーの収支量を計測し、この計測値に基づいて路面状態推定計算を行う路面状態推定装置は、前記路面温度に基づいて路面への流入熱量を算出し、前記放射エネルギーの収支量から輻射率を算出し、式(１)に基づいて雲量係数を算出し、式(２)に基づいて日射量遮蔽率を算出し、式(３)に基づいて算出した熱伝達係数を前記日射量遮蔽率と共に適時更新し、前記雲量係数、前記日射量遮蔽率、及び前記熱伝達係数を用いて気象量計測地点以外の路面流入熱量を算出し、該気象量計測地点以外の路面流入熱量及び前記路面への流入熱量を用いて、路面状態を推定することを特徴とする路面状態推定方法。
ζ＝Ｗ０／［Ｅ０・σ・｛Ｔｅ４−ｆ（Ｔａｉｒ）・Ｔａｉｒ４  ｝］・・・(１)
ただし、ζ：雲量係数、Ｗ０：放射収支計で計測した長波放射エネルギーの収支量、Ｅ０：放射収支計の計測値から算出できる輻射率、σ：ステファンポルツマン定数、Ｔｅ：路面温度（光ファイバー温度データから算出した値）、Ｔａｉｒ：気温、ｆ（  ）：気温Ｔａｉｒの関数
η＝Ｗｓ／{（１−Ａ）・Ｗｓ０}・・・(２）
ただし、η：日射量遮蔽率、Ｗｓ：短波放射エネルギーの収支量、Ａ：路面アルベド定数、Ｗｓ０：日向の日射量
ｈｒ＝（Ｗｅ−Ｗ０）／{（Ｔａｉｒ−Ｔｅ）・Ｓ}・・・(３）
ただし、ｈｒ：熱伝達係数、Ｗｅ：路面への流入熱量、Ｗ０：放射収支計で計測した長波放射エネルギーの収支量、Ｔａｉｒ：気温、Ｔｅ：路面温度、Ｓ：熱が伝わる面積
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、長距離にわたって道路の路面状態を推定する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３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。また、気象量計測値は、計測地点を含むある程度の領域に対して代表値として適用する方法のほかに、道路近傍の複数の気象量を推定する方法が提案されている（特願２０００−３５９２８８号：道路気象検出方法及び検出システム）。これらのセンサ情報は、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、気象量計測値から道路表面への流入熱量を計算する過程で必要となる物理量以外のファクター（熱伝達係数ｈｒ、雲量係数ζ、及び日陰の影響）が計測困難であるという問題があった。
【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、気象量計測地点以外における路面状態推定精度を向上させることができる路面状態推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、この発明は、路面温度計測値並びに地上気象量計測値を用いて、長距離にわたって道路の路面状態を推定する方法において、道路内部に埋設した光ファイバにより路面温度を計測すると共に、地上気象量計測装置により気温、及び放射エネルギーの収支量を計測し、この計測値に基づいて路面状態推定計算を行う路面状態推定装置は、前記路面温度に基づいて路面への流入熱量を算出し、前記放射エネルギーの収支量から輻射率を算出し、式(１)に基づいて雲量係数を算出し、式(２)に基づいて日射量遮蔽率を算出し、式(３)に基づいて算出した熱伝達係数を前記日射量遮蔽率と共に適時更新し、前記雲量係数、前記日射量遮蔽率、及び前記熱伝達係数を用いて気象量計測地点以外の路面流入熱量を算出し、該気象量計測地点以外の路面流入熱量及び前記路面への流入熱量を用いて、路面状態を推定することを特徴とする。
ζ＝Ｗ０／［Ｅ０・σ・｛Ｔｅ４−ｆ（Ｔａｉｒ）・Ｔａｉｒ４  ｝］・・・(１)
ただし、ζ：雲量係数、Ｗ０：放射収支計で計測した長波放射エネルギーの収支量、Ｅ０：放射収支計の計測値から算出できる輻射率、σ：ステファンポルツマン定数、Ｔｅ：路面温度（光ファイバー温度データから算出した値）、Ｔａｉｒ：気温、ｆ（  ）：気温Ｔａｉｒの関数
η＝Ｗｓ／{（１−Ａ）・Ｗｓ０}・・・(２）
ただし、η：日射量遮蔽率、Ｗｓ：短波放射エネルギーの収支量、Ａ：路面アルベド定数、Ｗｓ０：日向の日射量
ｈｒ＝（Ｗｅ−Ｗ０）／{（Ｔａｉｒ−Ｔｅ）・Ｓ}・・・(３）
ただし、ｈｒ：熱伝達係数、Ｗｅ：路面への流入熱量、Ｗ０：放射収支計で計測した長波放射エネルギーの収支量、Ｔａｉｒ：気温、Ｔｅ：路面温度、Ｓ：熱が伝わる面積
【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推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。情報収集装置７は、気象センサ１及び光ファイバ２からの情報をリアルタイムで受信し、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推定計算を行い、その結果である路面状態を表示部９に出力する。
【００１１】
気象計測値から路面流入熱量Ｗａを推定する方法において、計算ファクターである熱伝達係数ｈｒ、雲量係数ζ、及び日陰の影響を評価し、精度よく求める方法である。計算手順とそれを含む路面状態判定計算の流れを図２に示す。図２の個々の内容についての概要は以下の通りである。
（１）路面流入熱量Ｗｅの算出
光ファイバ温度データに基づいて、路面への流入熱量Ｗｅを算出する。
（２）雲量係数ζの算出
放射収支計で計測した長波エネルギーから、放射収支計の計測場所以外で計算に使用する雲量係数ζを算出する。
（３）日陰の影響度の算出
路面乾燥時において、熱量ＷａとＷｅの比較から日陰による日射量遮蔽率を算出し、データベースとして蓄える。
（４）熱伝達係数ｈｒの算出
路面乾燥時において、熱量ＷａとＷｅの比較から熱伝達係数ｈｒを算出し、次回以降の計算に使用する。
（５）気象量計測地点以外の場所における路面流入熱量Ｗａの算出
項目（２），（３），（４）で求めた各計算ファクターを用いて、路面流入熱量Ｗａを算出する。雲量係数ζは逐次求めた値を使用し、日陰の影響度は過去の乾燥時に求めた係数の中から日付が最も近いものを使用する。また、熱伝達係数ｈｒは過去に最新の計算値を使用する。
（６）路面状態の推定
２つの方式で求めた路面流入熱量ＷａとＷｅを用いて、路面状態を推定する。
【００１２】
次に原理の詳細を説明する。
（ａ）雲量係数ζの算出
長波放射エネルギー収支量Ｗｒ1を算出する式が提案されている（武市  靖「路面凍結の予測に関する研究」土木学会論文集No.４７０、Ｐ１７５〜Ｐ１８４、１９９３年７月）。これによると、Ｗｒｌは次の数式１で近似することができる。
【００１３】
【数式１】
Ｗｒｌ＝ζ・Ｅ・σ・｛Ｔｅ4−ｆ（Ｔａｉｒ）・Ｔａｉｒ4  ｝
ここで
ζ：雲量係数
Ｅ：輻射率
σ：ステファンポルツマン定数
Ｔｅ：路面温度（光ファイバー温度データから算出した値）
Ｔａｉｒ：気温
ｆ（ ）：気温Ｔａｉｒの関数
輻射率Ｅは、路面状態（乾燥、湿潤、積雪、凍結）に対応した値を事前に実験で求めておき、最新の路面状態推定結果に基づいた値を使用する。数式１では雲量係数ζが未知数となるので、これらの算出方法を以下に述べる。雲量係数ζの求め方としては、雲量が数ｋｍのオーダーでほぼ変化しないことを前提として、気象量計測場所で求めた値を代表値として使用する。すなわち、
【００１４】
【数式２】
ζ＝Ｗ０／［Ｅ０・σ・｛Ｔｅ4−f（Ｔａｉｒ）・Ｔａｉｒ4  ｝］
ここで、
Ｗ０：放射収支計で計測した長波放射エネルギー収支量
Ｅ０：放射収支計の計測値から算出できる輻射率Ｅ
数式２の右辺は既知につき、ζを求めることができる。
【００１５】
（ｂ）日陰の影響度の算出
面状態推定の対象となる場所は、それぞれ固有の遮蔽物（建造物、土手など）が存在し、場所毎に路面に対する日射量が異なる。実際には、太陽の方角と高度角に対する遮蔽物と路面の位置関係によって、日射量の遮蔽率は定まる。ここで、太陽の方角と高度角は、季節と時刻によって決まっているので、路面状態推定計算時に対象となる場所毎に日射量遮蔽率ηを求めて日時のデータベースとして蓄積することにより、次年度以降の近い日時の計算において、より正確な日射量遮蔽率ηを使用することができるようになる。ただし、計算上Ｗａ＝Ｗｅの関係を必要とするため、この関係が成立する路面状態が乾燥している場合にのみ日射量遮蔽率ηを算出する。
短波の放射エネルギー収支量Ｗｓ（日射量の収支量）は、次の数式３で表現できる。
【００１６】
【数式３】
Ｗs＝η・（１−Ａ）・Ｗs０
ここで
η：日射量遮蔽率
Ａ：路面アルベド定数
Ｗs０：日向の日射量
数式３から、求める未知数ηは、
【００１７】
【数式４】
η＝Ｗs／｛（１−Ａ）・Ｗs０｝
【００１８】
【数式５】
Ｗs＝Ｗa−Ｗrｌ−Ｗc
ここで、
Ｗc：大気と路面の対流熱伝達量
乾燥時という前提からＷａ＝Ｗｅなので、数式４と数式５からηを算出することができる。
【００１９】
（ｃ）熱伝達係数ｈｒの算出
熱伝達係数ｈｒと項目（ｂ）の日射量遮蔽率ηは、同時に求めることはできないため、熱伝達係数ｈｒは日射量がゼロとなる夜間において調整する。また、計算上Ｗａ＝Ｗｅの関係を必要とするため、路面乾燥時にのみ計算を行う。大気と路面の対流熱伝達率Ｗｃは、次の数式６で表わすことができる。
【００２０】
【数式６】
Ｗc＝ｈr・（Ｔaｉｒ−Ｔe）・Ｓ
ここで
ｈr：熱伝達係数
Ｓ：熱が伝わる面積
夜間という条件からＷsであるので、数式５とＷａ＝Ｗｅの関係から、
【００２１】
【数式７】
ｈr＝（Ｗe−Ｗｒｌ）／｛（Ｔaｉｒ−Ｔe）・Ｓ｝
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、前記のように気象量計測地点以外における路面状態推定精度を向上させることができるので、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の精度を向上し、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】同上における路面状態推定計算フローである。
【図３】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
【図１】
0003677542.tif 000002
【図２】
0003677542.tif 000003
【図３】
0003677542.tif 000004