(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
道路下に道路長手方向に沿って埋設した光ファイバにより地中における道路長手方向の温度分布を計測し、上記光ファイバ埋設位置における温度変化量と、その埋設位置から鉛直方向に道路表面に向かっての熱伝導率及び熱容量とを使用し、道路表面に流入する熱量の変化量を求め、次に、この熱量の変化量に見合った道路表面の温度変化量を求め、この温度変化量を予め測定した初期の路面温度に加えることにより、路面温度分布を推定することを特徴とする路面温度推定方法。
【請求項２】
上記熱伝導率及び熱容量は、深さ方向に所定の間隔刻みで設定することを特徴とする請求項１記載の路面温度推定方法。
【請求項３】
上記熱伝導率及び熱容量は、地中構成成分に応じて設定することを特徴とする請求項１又は２記載の路面温度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中温度から路面温度を推定する方法に係り、特に、気象データを使わなくても正確に路面温度分布を推定することができる路面温度推定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、路面温度は、気象データと熱伝導率、熱容量などの地中熱定数（地中内部定数ともいう）とによって求められている。以下に、その詳しい方法を説明する。
【０００３】
まず、熱量が路面（地表面）へ流入する概念を説明する（なお、ここでは熱量が出ていくことも含めて流入と表現している）。図４に示されるように、地表面へ流入する熱量は、
太陽からの輻射熱Ｗｓ、
雲からの輻射熱Ｗｃ、
大気からの流入熱Ｗａ（輻射熱Ｗａｒと対流熱Ｗαとの和）、
地表面からの放射熱Ｗｒｅ、
地中からの流入熱Ｗ2
からなる。大気側から地表面へ流入する各熱量の総計をＷ1 とする。このとき、（１）式、（２）式が成立する。
【０００４】
Ｗ1 ＋Ｗ2 ＝０                          （１）
Ｗ1 ＝Ｗｓ＋Ｗｃ＋Ｗａ＋Ｗｒｅ          （２）
次に、大気側からの流入熱と気象データとの関係を説明する。
【０００５】
Ｗｓ＝（１−Ａｅ）
Ｗｃ＝Ｅｅ・σ・Ｔｃ4 ・ｆ（ηｃ）
Ｗｒｅ＝Ｅｅ・σ・Ｔｅ4
Ｗα＝α（Ｔａ−Ｔｅ）
Ｗａｒ＝Ｅｅ・σ・Ｔａ4
α＝α0 ＋β・Ｖ・ｆ（Ｈ）            （３）
但し、
Ａｅ：アルベド数（定数）
Ｗｓｏ：太陽からの輻射熱（日射量）
Ｅｅ：地表面の輻射率（定数）
σ：ボルツマン定数
Ｔｅ：地表面温度（Ｋ）
Ｔｃ：雲の温度（Ｋ）（ほぼ一定）
ηｃ：雲量比率
α：対流による熱伝導率
Ｔａ：大気温度（Ｋ）
Ｖ：風速（ｍ／ｓ）
α0 、β、ｆ（Ｈ）：温度依存係数
である。これらの量を計測して（２）式、（３）式に代入することにより、大気側からの流入熱Ｗ1 を求めることができる。
【０００６】
次に、地中からの流入熱について説明する。地中からの流入熱Ｗ2 は、地中内部の温度分布から求まる。ここでは、基底温度Ｔ0 から求める方式で説明する。基底温度を利用する方式は、地中深い所（数１０ｍ程度の深さ）の温度が年間を通じてほぼ一定と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。図５に示したように、路面から基底までにｎ個の位置をとると、路面から基底までの熱等価回路は、熱抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，…，Ｒn 及び熱容量Ｃ1 ，Ｃ2 ，…Ｃｎで構成した梯子状回路となる。
【０００７】
この熱等価回路における温度計算は、時間Δｔごとに行う。
【０００８】
ｋ番目の位置での地中温度Ｔk は、（５）式で表される。
【０００９】
0003690275.tif 000002
ここで、ｎ個の位置を等間隔にとると、各間隔における熱抵抗及び熱容量について、
Ｒk ＝Δｈ／λk
Ｃk ＝ρk ・Ｃｐk ・Δｈ
となる。但し、
Δｈ：道路下深さ方向の刻み幅
λk ：各間隔における地中の鉛直方向の熱伝導率
ρk ：各間隔における地中構成物質の密度
Ｃｐk ：各間隔における地中構成物質の密度当り熱容量
そこで、（５）式にＲk の式を代入すると、
0003690275.tif 000003
となる。
【００１０】
また、（５）式にＣk の式を代入すると、
0003690275.tif 000004
となる。実際には、（５）式にＲk の式とＣk の式とを両方とも代入することになる。
【００１１】
境界条件は、（６）式、（７）式で表される。
【００１２】
（Ｔ１−Ｔ２）／Ｒ1 ＝Ｗ1                 （６）
Ｔn ＝Ｔ0                                 （７）
従って、（５）式、（６）式、（７）式を計算すると、Ｔ1 すなわち路面温度（地表面温度）Ｔｅが求まる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の路面温度算出方法では、以下のような問題があった。
【００１４】
（１）日射、気温、風速、湿度等を計測する気象センサが必要であり、気象センサを設置していない箇所では、路面温度の精度が悪くなる。
【００１５】
（２）道路長手方向の路面温度分布を算出しようとすると、予め地形データ等の周囲環境のデータを把握しておく必要があり、このデータを収集するのに非常に手間がかかる。また、予めデータを把握できたとしても、そのデータをもとに道路長手方向の気象量を補正しており、路面温度の精度が悪くなる。気象センサを道路長手方向に多数設置する案もあるが、気象センサを道路長手方向に多数設置すると非常にコストが高くなる。
【００１６】
（３）路面状態（特に凍結、積雪）毎に、（３）式のアルベド数Ａｅが変化するため、正確に路面温度を推定することは困難である。また、正確に路面温度を推定するためには、路面状態センサを設置する必要があり、路面状態センサを設置するとコストが高くなる。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、気象データを使わなくても正確に路面温度分布を推定することができる路面温度推定方法を提供することにある。
【００１８】
【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、道路下に道路長手方向に沿って埋設した光ファイバにより地中における道路長手方向の温度分布を計測し、上記光ファイバ埋設位置における温度変化量と、その埋設位置から鉛直方向に道路表面に向かっての熱伝導率及び熱容量とを使用し、道路表面に流入する熱量の変化量を求め、次に、この熱量の変化量に見合った道路表面の温度変化量を求め、この温度変化量を予め測定した初期の路面温度に加えることにより、路面温度分布を推定するものである。
【００１９】
上記熱伝導率及び熱容量は、深さ方向に所定の間隔刻みで設定してもよい。
【００２０】
上記熱伝導率及び熱容量は、地中構成成分に応じて設定してもよい。
【００２１】
【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。
【００２２】
図１に示されるように、本発明の路面温度推定方法を実施するために、道路１の道路表面下に道路長手方向に沿って光ファイバ２が埋設されている。この光ファイバ２の一端には光ファイバ長手方向の温度分布を計測する光ファイバ温度計測装置３が設けられている。そして、この温度分布から路面温度分布を推定する路面温度推定装置４が設けられている。
【００２３】
以下、本発明の路面温度推定方法を詳しく説明する。
【００２４】
図３に示されるように、光ファイバ２の埋設位置（深さ）ｆを含んだ熱等価回路を考える。光ファイバ２の埋設位置ｆを、例えば、道路表面下３ｃｍとする。この埋設位置の温度変化量（過去から現在までの温度変化量）と、その埋設位置から鉛直方向に道路表面に向かっての熱伝導率及び熱容量とを使用し、道路表面に流入する熱量の変化量を求める。次に、この熱量の変化量に見合った道路表面の温度変化量を求め、この温度変化量を予め測定した初期の路面温度に加えることにより、現在の路面温度を推定する。
【００２５】
実際の大気側から路面への流入熱の変化量ΔＷがΔＷ* のとき、光ファイバ２で計測した地中温度Ｔf が時間Δｔ当たりΔＴf だけ変化したとする。このとき、ΔＴf は、ΔＷ＝０のときの光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴf0と、大気側から路面へΔＷ* が流入してきたときの温度変化量δＴf との和で表される（（１０１）式）。
【００２６】
ΔＴf ＝δＴf0＋δＴf                     （１０１）
ΔＷ＝０のときの光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴf0は、（６）式のＷ1 を０とし、（５）式、（７）式より求まる。
【００２７】
次に、図２に示すように、熱量の変化と温度の変化との関係が直線で近似される範囲内で、大気側から路面への流入熱の変化量ΔＷを任意にΔＷz 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ΔＴfzは、（６）式のＷ1 をΔＷz とし、（５）式、（７）式より求まる。温度変化量ΔＴfzは、ΔＷ＝０のときの光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴf0と、任意に定めた大気側から路面へΔＷz が流入してきたときの温度変化量δＴfzとの和で表される  （（１０２）式）。
【００２８】
ΔＴfz＝δＴf0＋δＴfz                      （１０２）
よって、ΔＷ＝０のときの光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量δＴf0と、仮の温度変化量ΔＴfzとが上記までに求められるので、温度変化量δＴfzが求まる。
【００２９】
次に、図２より（１０３）式が得られる。
【００３０】
δＴf ／ΔＷ* ＝δＴfz／ΔＷz               （１０３）
（１０３）式より、実際に路面に入ってくる熱量変化ΔＷ* は、
ΔＷ* ＝（ΔＷz ／δＴfz）・δＴf           （１０４）
（１０４）式において、δＴf は実際の光ファイバ埋設位置ｆでの温度変化量から得られ、、δＴfzは（１０２）式から得られ、また、ΔＷz は任意に定めることができる値であることから、実際の熱量変化ΔＷ* が分かる。
【００３１】
このようにして求まったΔＷ* を（６）式に代入し、（５）式、（７）式から、路面温度の変化量ΔＴe が求まる。
【００３２】
初期の路面温度Ｔe0は、予め熱電対等で測定しておけば、下記（１０５）式のようにして、路面温度が算出できる。
【００３３】
Ｔe ＝Ｔe0＋ΔＴe                           （１０５）
初期の路面温度Ｔe0は、道路長手方向の一箇所で測定すればよく、その測定点における路面温度Ｔe0と光ファイバ埋設位置ｆでの温度との差（初期温度差）を求め、この初期温度差を道路長手方向各測定点における光ファイバ埋設位置ｆでの温度に加算して初期路面温度分布とする。爾後、各測定点について、それぞれ（１０５）式により路面温度を算出することになる。
【００３４】
刻み幅Δｈは、例えば、０．５ｍｍとする。地中構成物質が道路表面より順にアスファルト（又はコンクリート）、砕石、土となっており、刻み幅Δｈ毎の熱抵抗Ｒk ＝Δｈ／λk は、これらの地中構成物質の熱伝導率λk により定めることになる。また、刻み幅Δｈ毎の熱容量Ｃk ＝ρk ・Ｃｐk ・Δｈは、地中構成物質の密度ρk 及び密度当り熱容量Ｃｐk により定めることになる。
【００３５】
図１の場合、埋設する光ファイバを１本としたが、深さ方向、道路幅方向に複数本の光ファイバを埋設してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３７】
（１）日射、気温、風速、湿度等を計測する気象センサがなくとも、光ファイバで計測した地中内部温度と道路下の地中内部定数（熱伝導率など）とだけで、路面温度を正確に推定できる。
【００３８】
（２）地形データ（山、建物等）による情報を処理する必要がなく、システムの構築が容易である。
【００３９】
（３）簡素なシステムで実施できるので、コストが安い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の路面温度推定方法を用いたシステムの構成図である。
【図２】本発明に利用する熱量変化対温度変化の特性図である。
【図３】本発明における地中の熱等価回路の図である。
【図４】地表面へ流入する熱量の概念図である。
【図５】地中の熱等価回路の図である。
【符号の説明】
１  道路
２  光ファイバ
３  光ファイバ温度計測装置
４  路面温度推定装置
【図１】
0003690275.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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