(57)【要約】【課題】降雪量及び凍結量を単位時間内での融雪必要熱量と凍結防止必要熱量を計測し、路面の乾燥・湿潤・積雪・積雪深・温度の分布状態を非接触で計測し、計測した上記熱量と路面状態を組合せることで道路融雪の自動制御を行う為のセンサーであって、路面状態を逐次計測して無駄なエネルギーを費やすことなく、融雪を行うと共に凍結防止することが出来る路面センサーの提供。【解決手段】センサー部は、回転往復運動を行う回転台に、基準光照射／反射光受光器、空間反射受光器、比接触路温計測器、比接触積雪深計測器、路面撮像器、融雪／凍結熱量計測模擬路面、降雪強度計測器、及び水分感知器を備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
降雪量及び凍結量を単位時間内での融雪必要熱量と凍結防止必要熱量を計測し、路面の乾燥・湿潤・積雪・積雪深・温度の分布状態を非接触で計測し、計測した上記熱量と路面状態を組合せることで道路融雪の自動制御を行う為のセンサーにおいて、センサー部は、回転往復運動を行う回転台に、基準光照射／反射光受光器、空間反射受光器、比接触路温計測器、比接触積雪深計測器、路面撮像器、融雪／凍結熱量計測模擬路面、降雪強度計測器、及び水分感知器を備えていることを特徴とする路面センサー。
【請求項２】
降雪量及び凍結量を単位時間内での融雪必要熱量と凍結防止必要熱量を計測し、路面の乾燥・湿潤・積雪・積雪深・温度の分布状態を非接触で計測し、計測した上記熱量と路面状態を組合せることで道路融雪の自動制御を遠隔地にて行う為の監視制御方法において、センサー部は、回転往復運動を行う回転台に、基準光照射／反射光受光器、空間反射受光器、比接触路温計測器、比接触積雪深計測器、路面撮像器、融雪／凍結熱量計測模擬路面、降雪強度計測器、及び水分感知器を備え、上記センサー部が計測する雨又は雪の水分の有無・気温・降雪強度・融雪熱量・凍結熱量・路温分布・乾燥分布・湿潤分布・積雪分布・車輌判定・の計測値を基に、各々の計測結果を組合せて行う融雪制御、並びに、それらの情報と融雪状況をイメージで確認するための路面画像を発信し、情報受信側からの運転停止信号も受け付けることを特徴とする路面の監視制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、降雪量及び凍結量を単位時間内での融雪必要熱量と凍結防止必要熱量を計測し、路面を横断的に乾燥・湿潤・積雪・積雪深・温度の分布状態を非接触で計測し、計測した上記熱量と路面状態を組合せることで道路融雪の自動制御を行いながら気象／路面／制御の状態を遠隔地で確認できるセンサー，及び該センサーを用いた融雪の制御と遠隔監視制御の方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
融雪設備には色々な型式があるが、積雪寒冷地の生活や産業活動には欠かせない施設である。特に、道路融雪は地域経済活動に多大な貢献をしている反面、膨大な熱エネルギーを消費しているが、降雪や凍結に対応する状況を詳細に診ると、現状のセンサーによる制御方法では無駄に熱を供給することが多い。また、融雪能力を超える降雪が続く場合は路面に積雪する為、融雪の熱量を極限まで省く制御を行いながら気象の変化と融雪状況を遠隔で監視し、状況に応じて遠隔からの制御も行える複合機能を有する融雪制御用センサーが望まれている。
【０００３】
一般的に行われているロードヒーティング融雪は、電熱やヒートポンプ、石油燃焼熱等を熱源として路面を加温するもので、熱源から発生する二酸化炭素の削減は地球規模での課題でもあり、また消費する熱量に比例する経済負担の軽減も課題と成っている。
道路の融雪設備の多くは熱供給部と温度感知部を路面の表面下約１０ｃｍに埋設し、路面表面下約１０ｃｍの部分を７℃程度に暖めて積雪や凍結の防止を行うが、何れの場合も路面の温度を上昇させる制御を中心とし、路面表面の融雪結果や凍結防止結果をフイ−ドバックした制御で無いことから、安全を重視して必要以上の熱を供給せざるを得ないのが現状である。
【０００４】
また、融雪設備の設計は地方気象台観測の過去３０年間の日降雪量を基に行っている場合が多く、対象地域で発生する日降雪深を基準に発生頻度８０％に対応する設計が一般的で、残り２０％は対応出来ないことを条件にしている設備が殆どである。
この設計条件により設定される融雪能力は地域毎に異なるものの、日降雪量で約４８ｃｍ前後になり，時間降雪量では２ｃｍ前後に相当し、これに対応するための融雪熱量を電力に換算して１ｍ２当り１５０Ｗ〜２５０Ｗの範囲が設計値となる。
【０００５】
設計条件の中に路面の露出率を７０〜８０％の程度で良いとしている。これを換言すれば融雪面の２０％〜３０％の範囲は積雪が有っても良いと言うことである。このような条件で設計された１時間降雪２ｃｍ前後に対応する融雪設備の能力に対して、実際の降雪には強弱があり、全国２３箇所で数年間測定した５〜１０分毎の融雪必要熱量値を基に１時間積雪深に換算した結果では２ｃｍを超える降雪は頻繁に発生し，５ｃｍ以上の場合も多く、また降雪現象のあった合計時間の中で１時間積雪深が２ｃｍ未満の時間が半分以上ある。
【０００６】
このように、降雪量を１日単位で観測した場合と短時間で観測する場合では異なる結果になり、従来の制御はこのように変化する降雪に対して融雪設備の能力１００％で制御するため熱量の無駄が発生している。更に従来の制御方法を詳しく述べると次のようである。
センサーには気温感知器と路面表面に埋設する水分感知器、及び路面表面下約１０ｃｍの路中に埋設する温度感知器の３つの感知要素（以下、３要素制御という）を用い、気温が２℃以下で水分感知有りの場合は熱供給を開始して路面下約１０ｃｍの路中温度を約８℃に保つことで融雪を行い、水分感知が無くなれば凍結を防ぐ為に路中温度を約４℃に保つ熱の供給を続ける。
【０００７】
前述したように融雪設備は一般的に時間降雪深で約２ｃｍ前後に対応する設計が多く、路面材の熱伝達率が比較的小さいので、熱供給部が約１０ｃｍ深さの場合は温度センサー部で８℃程度に温度を上げなければ、設計値２ｃｍ／ｈの積雪を融解出来ない為である。しかし、降雪は時々に変化するもので弱い降雪が続いた場合は路面表面温度が必要以上に上昇して融解した水の蒸発熱として失われる場合が多く無駄に熱を供給することになる。
【０００８】
また、融雪能力を超えた強い降雪が続くとフルに熱を供給しても路面に積雪する。そして凍結防止の制御も同様に路温センサー部を８℃程度とする為に路面が濡れている場合は蒸発熱として失われ、乾燥している場合は放射や空気に奪われて熱損失が生じる。
これらの無駄な熱を減らすために水分センサーを設けているが、融雪面全体の安全を重視して水の溜まりやすい場所に設置する為に、全体がほぼ乾燥した時点で水分電極部の水分がなくなる構造となっているので、融雪面全体で見ると路面の表面温度が必要以上に上昇して水分の蒸発熱や放射熱として奪われる熱量が無駄になる欠点がある。
【０００９】
更に、熱供給開始から融雪面の温度上昇までの時間が必要な為に気温を基に予熱運転を行う場合も、必要以上に表面温度が上昇して無駄に熱を供給する時間帯が多くなる。また、設計条件の中に路面露出率は７０〜８０％で良いとしてあるが、降雪感知・点埋設の水分感知と温度センサーの組合せによる制御では、融雪路面の状態が感知できない為に積雪分布の状態が分らず、路中温度を一方的に約８℃に保つことで、表面温度が必要以上に上昇して残雪の無い完全融雪になり、この場合も必要以上の熱量を供給することになる。
【００１０】
更に、道路融雪では通行車輌の安定走行を確保する必要があり、融雪設備の能力を超える降雪が長時間続いた場合は路面を除雪する必要が生じるので、路面の融雪状態の情報が必要となるが、従来の融雪制御センサーには路面状態を計測する機能はなく、該路面状態の情報提供は不可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の融雪装置には上記のごとき問題がある。本発明が解決しようとする課題はこれらの問題点であり、路面状態を逐次計測して無駄なエネルギーを費やすことなく、融雪を行うと共に凍結を防止することが出来、又路面の状態をパトロールすることなく遠隔監視することが出来る路面センサーを提供する。
【００１２】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、道路の路面融雪に投入する膨大なエネルギーを極限まで削減する為に、気象と路面状況を計測するセンサーの計測値を組合せた新たな制御と遠隔監視制御機能を一体化したものである。すなわち、パトロールすることなく気象と路面状態をリアルタイムで把握し、遠隔からのバックアップ制御も可能とする多機能センサーを備えている。
【００１３】
融雪で消費するエネルギー量を削減できるのは融雪能力未満の降雪時と予熱運転や凍結防止運転時に生じる熱損失の抑制である。そこで、本発明の融雪制御用センサーは気象の変化を融雪必要熱量と凍結防止必要熱量に分けて計測すると共に、路面状態は路面光反射値による乾燥／湿潤／積雪と路面表面温度・路面積雪深・車輌有無の項目を全て比接触で道路表面を線状に横断計測し、各計測項目毎の道路横断変化状態から、設定値を超えた場所を特定すると共に、横断全体に対する分布率で数値化する。
【００１４】
ここで、センサーの感知項目と設定内容等について詳しく述べる。
センサーは５〜１５分の範囲で任意に設定して計測の単位時間とし、原則として正時を基本に単位時間毎に計測する気象と路面状態の計測項目を次に示す。
（気象計測項目）
（１）  雪粒子計数による降雪強度計測と降雪現象の判定（以下、降雪強度という）
（２）  降雪を融解するために必要な熱量の計測        （以下、融雪熱量と言う）
（３）  凍結を防止する為に必要な熱量の計測          （以下、凍結熱量と言う）
（４）  気温計測                                    （以下、気温という）
（５）  上空からの雨又は雪を解かした水分の有無を計測（以下、水分感知と言う）
熱量計測の方法は、熱量計測用電気ヒーターを埋め込み、下面を断熱してヒーターの熱を上面に均等に伝える円盤状で約１／３０ｍ２規模の模擬路面を熱量計測の基準面とし、その面に降る雪の融解熱量と凍結防止に必要な熱量を１ｍ２当り１分間の熱量に換算する。
【００１５】
（設備能力設定）
融雪設備は設計で求めた１ｍ２当りの熱供給量を基に融雪面に有効に働く熱量を設備能力値として１ｍ２／分にあたりの熱量で設定する。例えば、設計値が２００Ｗ／ｍ２の場合は８６０ｋｃａｌ×０．２÷６０＝２８６６ｃａｌになるが、融雪面に有効に働く熱量が９０％と推定される場合は２８６ｃａｌ×０．９＝２５７９ｃａｌ／ｍ２・分で設備能力を設定する。
【００１６】
（設備能力制御値と熱収支制御）
設備能力制御値は計測した融雪／凍結熱量と設備能力設定値を比較して計測する単位時間毎に０〜１００％の範囲で設備能力を可変制御するものである。計測した融雪／凍結熱量に等しい値を融雪面に供給するために、予め設定した設備能力値と計測した熱量値を比較演算して計測熱量の値以上であれば抑制運転を行う。また以下であれば１００％の制御を出力するが熱量不足が生じる。この不足する熱量分を次に計測する融雪／凍結熱量値に加算して必要熱量とする。この必要熱量と設備能力設定値を比較して更に熱量が不足する場合は次に計測する融雪／凍結熱量に加算する。
このように降雪／凍結の熱量計測値に等しい熱量を融雪面に加え続け、降雪／凍結熱量が止んだ後に不足熱量が残っていれば，その熱量分を路面に供給して制御を停止する。この一連の動作を熱収支制御と言う。
【００１７】
（設備能力下限設定）
熱収支制御を行う中で設備能力制御値が小さい場合は供給した熱が有効に機能しないので設備能力下限設定を設け、設定以下の制御能力の場合は下限値で供給する方法で制御を行う。通常の設備能力下限設定値は２０〜５０％の範囲で設定する。
【００１８】
（路面状態を横断分布率で計測する項目）
（１）  路面に基準光を照射しその光反強度の計測値で乾燥・湿潤・積雪の分布率を判断  （各々を以下、乾燥分布・湿潤分布・積雪分布と言う）
（２）  路面温度分布の計測          （以下、路温分布と言う）
（３）  路面積雪深分布の計測        （以下、積雪深分布と言う）
（４）  通過車輌高さを概数で計測    （以下、車輌判定と言う）
（５）  路面状況画像                （以下、路面画像と言う）
分布計測の方法は、直径約１５ｃｍの円を計測点とし、計測点を道路横断方向に移動しながら５０〜１００点の範囲で任意に設定した数で均等に区切って計測する。通過車輌高さの計測は、路面に照射する基準光が路面上の空間で反射した値を３段階の高さに区別して、道路を通過する車輌の有無と高さを判定する。
【００１９】
（計測項目を組合せた融雪と凍結防止の自動制御と情報発信等）
「（１）凍結防止制御の方法」
凍結熱量が発生し、１℃以下の路温分布率が５０％以上でかつ湿潤分布率が５０％以上であれば熱収支制御を行う。（温度及び％の設定は任意可変）
熱収支制御中に路温及び湿潤分布率の何れかが設定値を超えた場合は熱収支制御を無視して停止する。
凍結熱量の計測値が無くても１℃以下の路温分布率が５０％以上で、かつ湿潤分布率が５０％以上であれば設備能力１００％で熱量を供給する。（温度及び％の設定は任意可変）
【００２０】
「（２）融雪制御の方法」
１℃以下の路温分布率が５０％以上の状態において、融雪熱量が発生した場合は熱収支制御を行う。（温度及び％の設定は任意可変）
熱収支制御中に路温分布率が設定を超えた場合は熱収支制御を停止する。１℃以下の路温分布が５０％以上で路面積雪分布率が３０％以上になれば融雪を起動する。それらの設定が下回れば制御を停止する。（温度及び％の設定は任意可変）
【００２１】
「（３）遠隔監視制御機能」
５〜１５分毎に計測した値と路面画像を情報としてＲＳ２３２Ｃやコンピュータネットワークなどを利用して外部に発信するとともに、情報受信側からの運転停止信号も受けつける。
【００２２】
「（４）計測値の記録機能」
５〜１０分毎に計測した値と判断状態をセンサー内部に記憶し、任意にその情報を取出せる。
以下、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
【実施例】
図１（ａ）、（ｂ）は本発明に係る計測装置を示す実施例であり、センサー部と信号変換器で構成している。センサー部は、回転台、基準光照射／反射光受光器、空間反射受光器、比接触路温計測器、比接触積雪深計測器、路面撮像器、融雪／凍結熱量計測模擬路面、降雪強度計測器、及び水分感知器を一体的に構成している。
センサー部が計測する雨又は雪の水分の有無・気温・降雪強度・融雪熱量・凍結熱量・路温分布・乾燥分布・湿潤分布・積雪分布・車輌判定・の計測値を基に、各々の計測結果を組合せて行う融雪の制御、並びに、それらの情報と融雪状況をイメージで確認するための路面画像を発信し、情報受信側からの運転停止信号も受けつける機能を信号変換器が有する。
このセンサーを用いて行った電熱融雪の制御と情報発信並びに遠隔監視制御の具体例を次のように述べる。
【００２４】
上記センサー部は各々の計測を次の方法で行っている。
「降雪強度の計測」
図１に示す空間反射高の機能を利用し、雪粒子通過時に瞬間変化する反射値に上下限の範囲を設け、その反射値の範囲内で雪粒子が通過する時間設定の範囲にあれば雪粒子として計数する。雪粒子通過時間の設定は０．０００５〜０．０９９秒の範囲で任意に設定でき、実施例では０．００１５秒に設定した。詳しくは、気温が３℃以下で熱量測模擬路面温度が２℃以下を満足した状態において雪粒子を計数する。
降雪の判定は１分間に３〜９個の雪粒子数の範囲で設定でき、設定値を超えれば降雪とし、計数値によって降雪強度を表す。（実施例での設定個数は３とした）
車輌通過による空間反射の値とそれが持続する時間は雪粒子と大きく異なるので車輌と雪粒子の区別が行える。（ここで表している設定数字は任意に可変できる）
【００２５】
「融雪熱量の計測」
水分感知又は降雪感知がある状態で、熱量計測模擬路面の表面温度を１．５℃に保つ為に必要な熱量を融雪熱量とする。（温度設定は任意に可変できる）
「凍結熱量の計測」
水分感知と降雪感知が無い状態で、熱量計測模擬路面の表面温度を０．５℃に保つ為に必要な熱量を凍結熱量とする。（温度設定は任意に可変できる）
【００２６】
「路面状態を横断分布率で計測する方法」
図１に示すようにセンサー部には水平に回転する回転台を有し、基準光照射／反射光受光器、空間反射受光器、比接触路温計測器、比接触積雪深計測器、路面撮像器は、４５度の角度で路面を計測する。（角度は任意に変更可能）
図２に示すように路面の計測点は回転台が回転することで路面を円弧状に操作して路面を横断的に計測する。その円弧線上を１００点に均等に分割して、各点毎に各々の計測値を１０ビットで分解して数値化する。（分割数は５０〜１００の範囲で任意設定可能）
回転台の回転スピードは回転角１８０度に対して約０．５分前後に設定した。
計測は前述したように、５〜１５分の範囲のうち１０分毎に行うよう設定した。回転台停止時の位置は車輌判定を感知しやすい位置に任意に設定できる。
【００２７】
「路面と車輌の判別と車輌計数の方法」
計測路面に車輌が侵入している間は路面状態の計測が出来ないので、車輌と路面を区別する必要があり、図１、図２に示す空間反射高、空間反射中、空間反射低を用いて、計測路面に車輌が侵入したことを判断する。
高・中・低の３種類の空間反射の計測結果から車輌の高さを区別し、通過台数も計数することが出来る。
【００２８】
「融雪／凍結防止の制御」
路面の状態は気象の変化によってもたらされるため、日中の日射量等により路面が保有する熱量はその時々よって異なるので積雪や凍結の始りに時間的違いが生じる。
このように、路面が保有する熱量の違いによる融雪開始のタイミングを路面状況の計測により決定し、融雪の供給熱量は計測した融雪熱量と凍結熱量を基に熱収支制御を行う。これら、詳細な制御は次のように行った。
【００２９】
１℃以下の路面温度分布が５０％以上で融雪又は凍結の熱量が計測されれば、融雪の運転を開始し熱収支制御で熱量を供給する。
熱収支制御中、又は、熱量計測値が無くても積雪分布率が２０％を超えた場合は、融雪設備の能力１００％で融雪を行う。また、凍結防止制御では１℃以下の路面温度分布率が５０％以上で湿潤分布率が５０％以上の場合は熱収支制御を行い、熱量計測値が無い場合は１００％能力で融雪熱量を供給する。
路面に車輌が止まり車輌で遮られて観測出来ない路面の率が４０％以下になった場合は路面観測による制御を停止し熱収支制御で運転を行う。
【００３０】
「融雪を実施した省エネの結果」
このセンサー部で自動運転を行ったのは電気融雪で、１ｍ２当り１７５ｗの発熱量である。
約１５年前に施設が完成し３要素制御による融雪を行っていた。
新と旧の制御を同時に行って省エネの程度を確認するため、各々の融雪面の周囲条件が同等になるように考慮して２分割し制御結果を比較した。
その結果、１２月１日から２月末までに融雪／凍結防止にとして供給した電気熱量は旧の３要素制御に比べ本発明のセンサーによる制御では４５％の電気熱量で済み５５％の省エネの結果を得た。
【００３１】
「情報を利用した遠隔監視制御」
センサー部が計測する全ての情報と融雪の制御情報、並びに、路面画像をインターネットを介して７００ｋｍ離れた事務所へ伝送して路面状態の判断を行った結果、融雪の起動停止が適正に行われる状況や、融雪能力を超える降雪時は路面に積雪する状態も計測データと画像で明確に判断でき、路面積雪深の分布状況から除雪の必要性や積雪面の平坦さと温度から凍結防止剤散布の指令も示唆できることや、また、遠隔監視制御機能により、晴天で気温が高く降雪にならない時に融雪路面に雪が持ち込まれた場合も異常な路面積雪と判断して警報を発し路面画像により積雪状態が明確に判断でき、人為的に遠隔からのバックアップ制御も対応できることを実証した。
【００３２】
以上述べたように、本発明の路面センサーは回転台に、基準光照射／反射光受光器、空間反射受光器、比接触路温計測器、比接触積雪深計測器、路面撮像器、融雪／凍結熱量計測模擬路面、降雪強度計測器、及び水分感知器を一体的に構成して、該回転台を回転往復運動するものであり、次のような効果を得ることが出来る。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係るセンサーは気象状況、路面の状態、散水融雪の流末路面状態をリアルタイムで観測することが出来る。従って、的確な融雪運転管理を実現することが出来、的確な路面状態の把握を実現することが出来、さらにはタイムリーな除雪、凍結防止作業を行うことが可能となる。その結果、路面状態を逐次計測して無駄なエネルギーを費やすことなく融雪を行うと共に凍結を防止することが出来る。
【００３４】
そして、該センサーにて観測した気象状況、路面状態、流末路面状態を遠隔地へ送信し、該遠隔地から融雪装置及び路面凍結防止装置を的確に運転することが出来る。従来のようにパトロールにて気象状況及び路面状態を把握する場合に比較して、空白時間がなく、所定の基準に基づいた客観的な判断がなされ、勿論、パトロールに要する人件費も削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る路面センサーの実施例。
【図２】路面センサーの動作。
【図１】
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【図２】
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