JP4899054B2 - Method and apparatus for predicting sliding friction on road surface and program thereof - Google Patents
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Description
本発明は、道路等の路面状態を予測するすべり摩擦予測方法及び装置並びにそのプログラムに関する。 The present invention relates to a sliding friction prediction method and apparatus for predicting a road surface condition such as a road, and a program thereof.
積雪地域では、道路に積もった雪が車両の通行により圧雪状態となり、スリップしやすい状態となることから、事故防止のために凍結防止剤の散布といった道路管理が行われている。しかしながら、道路の路面状態は、降雪−圧雪−凍結−融解といったように時刻及び場所によって多様に変化していくため、最適の道路管理が行われているとはいいがたい。例えば、道路をパトロールしたり、定点観測により道路状態を目視でチェックしたとしても各人の経験に基づいて管理が行われることになり、客観的な状況判断に基づくものではない。 In the snowy area, the snow on the road becomes a snowy state due to the passage of vehicles, and it is easy to slip, so road management such as spraying of antifreezing agent is performed to prevent accidents. However, since the road surface condition changes variously depending on the time and place such as snowfall-snowfall-freezing-thawing, it is difficult to say that optimum road management is performed. For example, even if the road is patroled or the road condition is visually checked by fixed point observation, management is performed based on each person's experience, and is not based on objective situation judgment.
そのため、こうした道路の路面状態を客観的に予測するための技術開発が進められており、その1つの手法として統計的手法を用いる方法が提案されている。統計的手法としては、重回帰分析、判別関数法、パターン解析法、ニューラルネットワークを用いた方法が挙げられるが、こうした統計的手法は、地域性に依存して汎用性に乏しく広範囲に及ぶ道路全体を管理するためには不向きである。 For this reason, technological development for objectively predicting the road surface condition of such roads has been promoted, and a method using a statistical method has been proposed as one of the methods. Statistical methods include multiple regression analysis, discriminant function method, pattern analysis method, and method using neural network. However, these statistical methods are not versatile depending on regional characteristics, and they cover a wide range of roads. It is unsuitable for managing.
また、別の手法として、熱収支を用いる方法が提案されている。この方法は、路面に形成された雪氷層を横切る熱フラックスを定量評価して路面状態を予測する方法であり、舗装構造やそれらの熱物性値等の内的因子、気象や地形等の自然的因子、通過車両等の人為的因子を考慮することで、地域性に依存せずに評価を行うことができ、道路管理に用いる上で適した手法である。 As another method, a method using a heat balance has been proposed. This method predicts the road surface condition by quantitatively evaluating the heat flux across the snow and ice layer formed on the road surface. It is a natural method such as pavement structure and internal thermal factors such as weather and topography. Considering human factors such as factors and passing vehicles, it is possible to evaluate without depending on regional characteristics, and it is a method suitable for use in road management.
本発明者らは、こうした熱収支を用いる方法について研究を進め、車両底面輻射熱を含む熱収支モデルを提案し、気象変化に伴う、乾燥、湿潤及び雪氷路面における路面温度についてその妥当性を検証した(非特許文献1参照)。また、提案した熱収支モデルをもとに、タイヤ摩擦熱フラックス及び車両底面輻射熱フラックスの定量評価を行い、路面温度に及ぼす影響について検討した(非特許文献2参照)。 The present inventors proceeded with research on a method using such a heat balance, proposed a heat balance model including vehicle bottom surface radiant heat, and verified the validity of the road surface temperature on dry, wet and snowy and ice road surfaces accompanying weather changes. (Refer nonpatent literature 1). In addition, based on the proposed heat balance model, quantitative evaluation of tire friction heat flux and vehicle bottom surface radiant heat flux was performed, and the influence on road surface temperature was examined (see Non-Patent Document 2).
また、本発明者らは、熱収支モデルに基づいて道路の路面状態を予測する手法とともに路面の雪氷状態と路面のすべり摩擦係数の関係についても研究を進め、シャーベット路面、湿潤路面及び氷板路面での野外試験車によるすべり摩擦係数の測定を行い、すべり摩擦係数と質量含氷率、すべり摩擦係数とシャーベット厚さに関する分析を行った(非特許文献3参照)。 In addition, the present inventors have also studied the relationship between the snow / ice condition of the road surface and the sliding friction coefficient of the road surface along with a method for predicting the road surface state based on the heat balance model, and the sherbet road surface, the wet road surface and the ice plate road surface. The sliding friction coefficient was measured with a field test vehicle in Japan, and the sliding friction coefficient and the mass ice content, and the sliding friction coefficient and the sherbet thickness were analyzed (see Non-Patent Document 3).
上述した統計的手法や熱収支法を用いて路面状態の凍結を予測する方法としては、例えば、特許文献1では、路面状態データ、路面温度予測データ及び天気予報データに基づいて路面状態を予測する路面状態予測システムが記載されている。また、特許文献2では、路線沿いに複数の路面凍結検知装置を配置して過去数年間の路面温度を測定し、路面温度の変化パターンを天候別及び月別に分類しておき、実変化パターンに最も類似する分類パターンを抽出して路面温度を予測する路面予測方法が記載されている。また、特許文献3では、現地の路面形状センサーと気象センサーを備える現地気象データ収集装置からの現地データに基づいて路面状態の短期予測を行い、気象庁GPV天気予報データに基づいて路面状態の中期及び長期予測を行うようにした路面状態予測システムが記載されている。
上述したように、従来は熱収支手法による路面温度の予測を行うとともに、路面状態について凹凸形状による分類や湿潤、シャーベット、圧雪といった分類で類型化して路面状態を把握して路面状態の変化を予測しようとしているが、車両等がどの程度すべりやすい状態であるのかを判断するためには、路面のすべり摩擦係数がどの程度であるのかを予測した方が凍結防止剤の散布といった道路管理を効率よく行ことができる。 As described above, in the past, the road surface temperature was predicted by the heat balance method, and the road surface state was classified according to the uneven shape classification, wetness, sherbet, snow pressure, etc., and the road surface state was grasped to predict the change in the road surface state. However, in order to judge how easy it is to slip a vehicle, etc., it is more efficient to predict the extent of the sliding friction coefficient of the road surface, such as spraying anti-freezing agents more efficiently. Can do.
そこで、本発明者らは、非特許文献2に示すように、路面のすべり摩擦係数に着目して路面状態との関連性を分析してきており、こうした分析結果で得られた知見に基づいて、本発明は、路面状態を路面雪氷層の熱収支モデル及び氷・水・空気収支モデルによりモデル化して各モデルの同時連成解析よる定量評価を行うことで、路面のすべり摩擦係数を予測することが可能な路面のすべり摩擦予測方法及び装置並びにそのプログラムを提供することを目的とするものである。
Therefore, as shown in Non-Patent
本発明に係る路面のすべり摩擦予測方法は、気象条件及び交通条件に関する予測データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出し、算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定することを特徴とする。 The sliding friction prediction method for road surface according to the present invention uses road surface snow ice layer heat balance model , road surface snow ice layer ice mass balance model, road surface snow ice layer water mass prediction using weather and traffic condition prediction data . Calculates the snow / ice condition prediction data in the road / snow / ice layer based on the balance model and the volume / volume model of the snow / ice layer air volume, and determines the sliding friction coefficient of the road surface based on the calculated snow / ice condition prediction data. And
本発明に係る別の路面のすべり摩擦予測方法は、気象条件及び交通条件に関する予測データ並びに凍結防止剤の散布データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出し、算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定し、決定された路面のすべり摩擦係数が所定範囲内であるか否か判定し、所定範囲内でない場合には路面のすべり摩擦係数が所定範囲内となるまで凍結防止剤の散布データを再設定して前記雪氷状態予測データを再算出し、所定範囲内となる凍結防止剤の散布データを決定することを特徴とする。 Another method for predicting sliding friction of a road surface according to the present invention is a heat balance model for a road surface snow ice layer, a mass balance model for the ice of a road surface snow ice layer using prediction data related to weather conditions and traffic conditions and dispersion data of an antifreezing agent. The snow ice condition prediction data in the road surface snow ice layer is calculated based on the mass balance model related to the water of the road surface snow ice layer and the volume balance model related to the air of the road surface snow ice layer, and the road surface based on the calculated snow ice condition prediction data is calculated. Determine the sliding friction coefficient, determine whether the determined sliding friction coefficient of the road surface is within a predetermined range, and if it is not within the predetermined range, the anti-freezing agent is added until the sliding friction coefficient of the road surface is within the predetermined range. The spray data is reset, the snow / ice condition prediction data is recalculated, and the spray data of the antifreezing agent within a predetermined range is determined.
上記の路面のすべり摩擦予測方法において、前記雪氷状態予測データは、路面雪氷層中の氷、水及び空気の混合割合であることを特徴とする。 In the above-described road surface sliding friction prediction method, the snow and ice state prediction data is a mixing ratio of ice, water and air in the road surface snow and ice layer.
本発明に係る路面のすべり摩擦予測装置は、気象条件及び交通条件に関する予測データを設定する条件データ設定部と、設定された前記予測データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出する雪氷状態予測部と、算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定するすべり摩擦決定部とを備えていることを特徴とする。 A road surface sliding friction prediction device according to the present invention includes a condition data setting unit for setting prediction data relating to weather conditions and traffic conditions, a heat balance model for a road surface snow ice layer, and a road surface snow ice layer using the set prediction data . A snow ice condition prediction unit that calculates snow ice condition prediction data in the road snow ice layer based on a mass balance model for ice, a mass balance model for water in the road snow ice layer, and a volume balance model for air in the road snow ice layer, and calculation And a sliding friction determining unit that determines a sliding friction coefficient of the road surface based on the snow and ice state prediction data.
本発明に係る別の路面のすべり摩擦予測装置は、気象条件及び交通条件に関する予測データ並びに凍結防止剤の散布データを設定する条件データ設定部と、設定された前記予測データ及び前記散布データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出する雪氷状態予測部と、算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定するすべり摩擦決定部と、決定された路面のすべり摩擦係数が所定範囲内となるように前記条件データ設定部で散布データの再設定を行い前記雪氷状態予測部で雪氷状態予測データの再算出を行うことで凍結防止剤の散布データを決定する散布条件決定部とを備えていることを特徴とする。 Another apparatus for predicting sliding friction on a road surface according to the present invention uses a prediction data relating to weather conditions and traffic conditions and a condition data setting unit for setting anti-freezing agent spray data, and the set prediction data and spray data. Snow ice in the road surface snow ice layer based on the heat balance model of the road surface snow ice layer, the mass balance model for the ice of the road surface snow ice layer, the mass balance model for the water of the road surface snow ice layer and the volume balance model for the air of the road surface A snow / ice condition predicting unit that calculates condition prediction data, a sliding friction determination unit that determines a sliding friction coefficient of the road surface based on the calculated snow / ice condition prediction data, and the determined sliding friction coefficient of the road surface are within a predetermined range. As described above, the spray data is reset by the condition data setting unit and the snow / ice state prediction data is recalculated by the snow / ice state prediction unit. Characterized in that it comprises a spraying condition determining unit that determines the fabric data.
上記の路面のすべり摩擦予測装置において、前記雪氷状態予測データは、路面雪氷層中の氷、水及び空気の混合割合であることを特徴とする。 In the above-mentioned road surface sliding friction prediction apparatus, the snow / ice state prediction data is a mixing ratio of ice, water and air in the road surface / snow / ice layer.
本発明に係るプログラムは、気象条件及び交通条件に関する予測データを設定して路面のすべり摩擦係数を決定する路面のすべり摩擦予測装置を機能させるためのプログラムであって、前記路面のすべり摩擦予測装置を、設定された前記予測データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出する手段、算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定する手段として機能させる。 A program according to the present invention is a program for causing a road surface sliding friction prediction device to function by setting prediction data relating to weather conditions and traffic conditions and determining a road surface sliding friction coefficient, the road surface sliding friction prediction device The road surface snow ice layer heat balance model , the road surface snow ice layer ice mass balance model, the road surface snow ice layer water mass balance model and the road surface snow ice layer air volume balance using the set prediction data It functions as means for calculating snow / ice condition prediction data in the road surface snow / ice layer based on the model, and means for determining the sliding friction coefficient of the road surface based on the calculated snow / ice condition prediction data.
本発明に係る別のプログラムは、気象条件及び交通条件に関する予測データ並びに凍結防止剤の散布データを設定して路面のすべり摩擦係数を決定する路面のすべり摩擦予測装置を機能させるためのプログラムであって、前記路面のすべり摩擦予測装置を、設定された前記予測データ及び前記散布データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出する手段、算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定する手段、決定された路面のすべり摩擦係数が所定範囲内であるか否か判定する手段、所定範囲内でない場合には路面のすべり摩擦係数が所定範囲内となるまで凍結防止剤の散布データを再設定し前記雪氷状態予測データを再算出して所定範囲内となる凍結防止剤の散布データを決定する手段として機能させる。 Another program according to the present invention is a program for functioning a road surface sliding friction prediction device that sets prediction data related to weather conditions and traffic conditions and dispersion data of an antifreezing agent to determine a road surface sliding friction coefficient. The road surface sliding friction prediction device using the set prediction data and the scattered data, a road surface snow ice layer heat balance model , a road surface snow ice layer mass balance model, a road surface snow ice layer water mass Means for calculating snow / ice condition prediction data in the road / snow / ice layer based on the volume / balance model of the snow / ice layer air volume, and means for determining the sliding friction coefficient of the road surface based on the calculated snow / ice condition prediction data Means for determining whether or not the determined sliding friction coefficient of the road surface is within a predetermined range, and if it is not within the predetermined range, the sliding friction of the road surface Factor to function as a means of determining a scatter data cryoprotectant to be within a predetermined range by re-calculating the snow and ice condition prediction data to reconfigure the scattered data cryoprotectant until within a predetermined range.
上記のプログラムにおいて、前記雪氷状態予測データは、路面雪氷層中の氷、水及び空気の混合割合である。 In the above program, the snow and ice state prediction data is a mixing ratio of ice, water and air in the road surface snow and ice layer.
本発明に係る路面のすべり摩擦予測方法は、上記のような構成を有することで、路面のすべり摩擦係数を道路の各予測地点においてその時間推移を定量的に評価することが可能となり、道路全体にわたってきめ細かい道路管理を効率よく行うことができる。 The road surface sliding friction prediction method according to the present invention has the above-described configuration, whereby the road surface sliding friction coefficient can be quantitatively evaluated at each predicted point on the road, and the entire road can be evaluated. Detailed road management can be performed efficiently.
すなわち、予測地点の天気、気温、風向、風速、降水(降雪)量といった気象条件に関する予測データは、例えば、予測地点に設置された観測装置の過去の観測データに基づいて設定することができ、また、日本気象協会のGPV(Grid Point Value)による局地気象予測モデルから提供される気象データを利用することもできる。予測地点の時間交通量、車両の走行速度といった交通条件に関する予測データについても、例えば、予測地点に設置した測定装置の過去の測定データに基づいて設定することができ、また、日本道路交通情報センターから提供されるデータや交通量調査によるデータを利用することもできる。 That is, the prediction data related to weather conditions such as weather, temperature, wind direction, wind speed, precipitation (snowfall) amount of the predicted point can be set based on, for example, past observation data of the observation device installed at the predicted point, Moreover, the weather data provided from the local weather prediction model by GPV (Grid Point Value) of the Japan Weather Association can also be used. Prediction data related to traffic conditions such as the hourly traffic volume at the predicted point and the traveling speed of the vehicle can also be set based on, for example, past measurement data of a measuring device installed at the predicted point, and the Japan Road Traffic Information Center You can also use the data provided by or traffic survey data.
このように、各予測地点の気象条件及び交通条件に関する精度の高い予測データを設定し、設定された気象条件及び交通条件に関する予測データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル及び氷・水・空気収支モデルに基づいて同時連成解析により路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出すれば、路面の滑りやすさに密接に関連する雪氷状態予測データの精度を高めることができる。そして、より精度の高い雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定すれば、路面の滑りやすさを定量的に評価することが可能となり、客観的な根拠に裏付けられたデータにより道路管理を適確に行うことができる。 In this way, high-precision prediction data regarding the weather conditions and traffic conditions at each prediction point is set, and using the prediction data regarding the set weather conditions and traffic conditions, the heat balance model of the road surface snow ice layer and ice / water / air If the snow / ice state prediction data in the road surface snow / ice layer is calculated by simultaneous coupled analysis based on the balance model, the accuracy of the snow / ice state prediction data closely related to the slipperiness of the road surface can be improved. Then, if the sliding friction coefficient of the road surface is determined based on more accurate snow and ice condition prediction data, it is possible to quantitatively evaluate the slipperiness of the road surface, and the road based on the data supported by the objective grounds Management can be performed accurately.
ここで、上述の各モデルの同時連成解析とは、別々の支配方程式で表される各モデルを互いに関連付けて同時に解析していく解析手法を意味する。 Here, the simultaneous coupled analysis of each model mentioned above means an analysis method in which the models represented by different governing equations are associated with each other and analyzed simultaneously.
本発明に係る路面のすべり摩擦予測装置は、上記のような構成を有することで、上述した路面のすべり摩擦予測方法と同様に、路面のすべり摩擦係数を道路の各地点においてその時間推移を定量的に評価することが可能となり、道路全体にわたってきめ細かい道路管理を効率よく行うことができる。 The road surface sliding friction prediction apparatus according to the present invention has the above-described configuration, and the road surface sliding friction coefficient is quantified at each point of the road in the same manner as the road surface sliding friction prediction method described above. Evaluation can be performed efficiently, and detailed road management can be efficiently performed over the entire road.
本発明に係る別の路面のすべり摩擦予測方法は、上記のような構成を有することで、路面のすべり摩擦係数を所定範囲内とする適切な量の凍結防止剤を散布することが可能となり、凍結防止剤の散布不足によるスリップの発生や凍結防止剤の過剰散布による無駄を抑止して適確な道路管理を行うことができる。 Another road surface sliding friction prediction method according to the present invention has the above-described configuration, so that it is possible to spray an appropriate amount of an antifreezing agent having a road surface sliding friction coefficient within a predetermined range. Slip generation due to insufficient spraying of the antifreezing agent and waste due to excessive spraying of the antifreezing agent can be suppressed to perform appropriate road management.
すなわち、路面雪氷層の熱収支モデル及び氷・水・空気収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出する際に凍結防止剤の散布データを反映させることで、散布後の路面のすべり摩擦係数を予測することができる。そのため、凍結防止剤の散布データを変更しながら繰返し雪氷状態予測データを算出して路面のすべり摩擦係数の変化をみることで、路面のすべり摩擦係数が所定範囲内に入る散布データを決定することが可能となり、道路の各地点における状況に応じて凍結防止剤の散布作業をきめ細かく行うことができる。 In other words, when calculating the snow ice condition prediction data in the road surface snow ice layer based on the heat balance model of the road surface snow ice layer and the ice / water / air balance model, the spray surface of the anti-freezing agent is reflected to calculate the road surface after spraying. The sliding friction coefficient can be predicted. Therefore, by repeatedly calculating the snow and ice condition prediction data while changing the antifreeze spray data and observing the change in the sliding friction coefficient of the road surface, determine the spray data that the road sliding friction coefficient falls within the specified range. The antifreezing agent can be finely distributed according to the situation at each point on the road.
本発明に係る別の路面のすべり摩擦予測装置は、上記のような構成を有することで、上述した別の路面のすべり摩擦予測方法と同様に、路面のすべり摩擦係数を所定範囲内とする適切な量の凍結防止剤を散布することが可能となる。 Another road surface sliding friction prediction apparatus according to the present invention has the above-described configuration, so that the road surface sliding friction coefficient is appropriately set within a predetermined range in the same manner as the other road surface sliding friction prediction method described above. It becomes possible to spray an appropriate amount of antifreezing agent.
そして、雪氷状態予測データとして、路面雪氷層中の氷、水及び空気の混合割合を算出することで、降雪状態、圧雪状態、凍結状態、シャーベット状態、湿潤状態といった路面雪氷層の多様な状態変化に密接に関連させた予測データを得ることができ、より精度の高いすべり摩擦係数の予測を行うことが可能となる。 And by calculating the mixing ratio of ice, water, and air in the road surface snow ice layer as snow ice condition prediction data, various state changes of the road surface snow ice layer such as snowfall state, compressed snow state, frozen state, sherbet state, and wet state Therefore, it is possible to obtain prediction data closely related to the above, and to predict the sliding friction coefficient with higher accuracy.
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail. The embodiments described below are preferable specific examples for carrying out the present invention, and thus various technical limitations are made. However, the present invention is particularly limited in the following description. Unless otherwise specified, the present invention is not limited to these forms.
図1は、本発明に係る路面のすべり摩擦予測装置に関する概略ブロック構成図である。すべり摩擦予測装置は、すべり摩擦係数の決定に必要な情報処理を行う情報処理部1、情報処理に必要な予測地点に関する設定データを保存する設定データ記憶部2、予測する道路に沿って配設された検知装置301〜30nとの間でデータを送受信する送受信部3、情報処理に必要なプログラムやデータを保存する記憶部4、予測結果等を表示する表示部5、設定データ等を入力する入力部6を備えている。そして、予測装置は、インターネット等の通信ネットワーク20と接続されており、外部のサーバとの間でデータの送受信が可能となっている。
FIG. 1 is a schematic block diagram of a road surface sliding friction prediction apparatus according to the present invention. The sliding friction prediction apparatus includes an
情報処理部1は、条件データ設定部10、雪氷状態予測部11及びすべり摩擦決定部12を備えている。
The
条件データ設定部10は、例えば、日本気象協会のサーバ21と接続して気象条件に関する予測データDB22から予測地点の気象条件に関する予測データを取得して設定データ記憶部2に記憶する。同様に、日本道路交通情報センターのサーバ23に接続して交通条件に関する予測データDB24から予測地点の交通条件に関する予測データを取得して設定データ記憶部2に記憶する。また、送受信部3を介して予測地点の検知装置から検知データを取得し、過去に蓄積した検知データに基づいて予測データを作成して設定データ記憶部2に記憶する。また、入力部6から入力された予測地点に関する路面表層の物性値(路面表層厚さ等)や設定値を設定データ記憶部2に記憶するとともに、実験結果等から求められたすべり摩擦係数の値を設定テーブル42に記憶する。
For example, the condition
雪氷状態予測部11は、設定データ記憶部2に記憶された予測地点のデータを読み出して路面雪氷層の熱収支モデル及び氷・水・空気収支モデルに基づいて同時連成解析により予測地点の雪氷状態予測データを算出する。
The snow and ice
路面雪氷状態モデルとして、路面雪氷層の熱収支モデル及び氷・水・空気収支モデルを組み合わせたものを用いることで、温度変化に伴う雪氷層内の水、氷及び空気の体積変化(融解・凍結)が計算可能となり、雪氷厚さ及び雪氷層中の水、氷及び空気の混合割合(体積又は質量)が算出できる。雪氷状態は、この混合割合で表現できる。例えば、体積割合が水:氷:空気=1:0:0で湿潤状態、水:氷:空気=0.3:0.7:0でシャーベット状態、水:氷:空気=0:0.7:0.3で圧雪状態となる。 The road surface snow ice condition model is a combination of the road surface snow ice layer heat balance model and the ice / water / air balance model, and the volume change of the water, ice and air in the snow ice layer with temperature change (melting / freezing) ) Can be calculated, and the snow ice thickness and the mixing ratio (volume or mass) of water, ice and air in the snow ice layer can be calculated. Snow and ice conditions can be expressed by this mixing ratio. For example, when the volume ratio is water: ice: air = 1: 0: 0, wet state, water: ice: air = 0.3: 0.7: 0, sherbet state, water: ice: air = 0: 0.7 : It becomes a compressed snow state at 0.3.
路面雪氷層は、不純物や凍結防止剤を除けば、水、氷粒子及び間隙空気によって構成されることから、単位面積当りの雪氷体積Vs(m3/m2)は、数1に示す式のように、水体積Vw(m3/m2)、氷体積Vi(m3(m3/m2)及び空気体積Va(m3(m3/m2)の和となる。 Since the road surface snow ice layer is composed of water, ice particles and interstitial air except for impurities and antifreeze agents, the snow ice volume V s (m 3 / m 2 ) per unit area is expressed by the following equation (1). Thus, the water volume V w (m 3 / m 2 ), the ice volume V i (m 3 (m 3 / m 2 )), and the air volume V a (m 3 (m 3 / m 2 )).
したがって、雪氷層中の水、氷及び空気の体積割合(体積含水率θw、体積含氷率θi及び体積含空率θa)は、数2に示す式で表される。 Therefore, the volume ratios of water, ice, and air in the snow ice layer (volumetric water content θ w , volumetric ice content θ i, and volumetric air content θ a ) are expressed by the following equation (2).
また,雪氷密度ρs(kg/m3)及び質量含氷率Θiは、数3に示す式で求められる。
Further, the snow ice density ρ s (kg / m 3 ) and the mass ice content Θ i are obtained by the equation shown in
図2は、路面雪氷層の水収支モデル及び氷収支モデルを図解した説明図である。路面雪氷層の水収支(質量)については、図2の左半分に示すように、降雨フラックスMwf(kg/m2/s)、蒸発・凝結フラックスMwl(kg/m2/s)、融解・凝固フラックスMwi(kg/m2/s)、車両の走行に伴う飛散フラックスMws(kg/m2/s)及び道路勾配に伴う排水フラックスMwd(kg/m2/s)で規定され、雪氷層の水質量Mw(kg/m2)の時間変化率は、数4に示す式で表される。ここで、t:時間(s)である。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a water balance model and an ice balance model of a road surface snow and ice layer. As for the water balance (mass) of the road surface snow and ice layer, as shown in the left half of FIG. 2, the rainfall flux M wf (kg / m 2 / s), the evaporation / condensation flux M wl (kg / m 2 / s), Melting / solidification flux M wi (kg / m 2 / s), scattering flux M ws (kg / m 2 / s) associated with vehicle running, and drainage flux M wd (kg / m 2 / s) associated with road gradient The time change rate of the water mass M w (kg / m 2 ) of the snow and ice layer is defined by the equation shown in
降雨フラックスMwfは、降雨強度vfw(m/s)及び水密度ρwの積で与えられ、数5で示す式で表される。
The rainfall flux M wf is given by the product of the rainfall intensity v fw (m / s) and the water density ρ w and is expressed by the equation shown in
蒸発・凝結フラックスMwlは、数6で示すバルク式により与えられる。
The evaporation / condensation flux M wl is given by the bulk formula shown in
雪氷温度Ts=0℃で、後述する路面雪氷層の純熱収支フラックスQs(W/m2)>0のとき、Qsは雪氷層の融解に費やされ、逆にQs<0のとき、Qsは凝固に費やされる。その際、Mwiは、数7に示す式で与えられる。
When the snow ice temperature T s = 0 ° C. and the net heat balance flux Q s (W / m 2 )> 0 of the road surface snow ice layer described later, Q s is consumed for melting the snow ice layer, and conversely, Q s <0 Then Q s is spent on coagulation. At that time, M wi is given by the equation shown in
飛散フラックスMwsについては、実際の車両走行実験の結果に基づいて推定値を与えることができる。また、排水フラックスMwdについては、公知のマニングの公式又は平均流速の公式を用いて求めることができ、計算に必要な道路勾配及び粗度係数は、実測値に基づいて設定すればよい。 The scattered flux M ws can be estimated based on the result of an actual vehicle running experiment. Further, the drainage flux Mwd can be obtained by using a known Manning formula or an average flow velocity formula, and a road gradient and a roughness coefficient necessary for the calculation may be set based on actual measurement values.
路面雪氷層の氷収支(質量)については、図2の右半分に示すように、降雪フラックスMif(kg/m2/s)、昇華フラックスMil(kg/m2/s)、融解・凝固フラックスMwi(kg/m2/s)及び車両の走行に伴う飛散フラックスMis(kg/m2/s)で規定され、雪氷層の氷質量Mi(kg/m2)の時間変化率は、数8に示す式で表される。
As shown in the right half of Fig. 2, the snow balance (mass) of the road surface snow ice layer is the snow flux M if (kg / m 2 / s), the sublimation flux M il (kg / m 2 / s), Time variation of ice mass M i (kg / m 2 ) defined by the solidification flux M wi (kg / m 2 / s) and the scattering flux M is (kg / m 2 / s) as the vehicle travels The rate is expressed by the equation shown in
降雪フラックスMifは、降雪強度vfi(m/s)及び降雪密度ρsiの積で与えられ、数9で示す式で表される。
The snowfall flux M if is given by the product of the snowfall intensity v fi (m / s) and the snowfall density ρ si and is expressed by the equation shown in
昇華フラックスMilは、数10で示すバルク式により与えられる。
The sublimation flux M il is given by the bulk formula shown in
雪氷層の空気収支(体積)は、降雪空気フラックスVaf(m3/m2/s)、置換空気フラックスVaex(m3/m2/s)及び開放空気フラックスVao(m3/m2/s)で規定され、路面雪氷層の空気体積Va(m3/m2)の時間変化率は、数11に示す式で与えられる。
The air balance (volume) of the snow and ice layer includes the snowfall air flux V af (m 3 / m 2 / s), the replacement air flux V aex (m 3 / m 2 / s), and the open air flux V ao (m 3 / m). 2 / s), and the time change rate of the air volume V a (m 3 / m 2 ) of the road surface snow ice layer is given by the equation shown in
降雪空気フラックスVafは、降雪フラックスMifに伴って供給される空気体積であり、数12に示す式で与えられる。
The snowfall air flux V af is the volume of air supplied along with the snowfall flux M if and is given by the equation shown in
置換空気フラックスVaexは、氷の融解により雪氷層内部の空気が水と置換されて雪氷層から放出される空気の単位時間・単位面積当りの体積であり、数13に示す式で表される。 The replacement air flux V aex is a volume per unit time / unit area of the air released from the snow / ice layer when the air inside the snow / ice layer is replaced with water by melting of ice, and is expressed by the following equation (13). .
開放空気フラックスVaoは、氷の融解により雪氷層内部から開放される空気の単位時間・単位面積当りの体積であり、数14に示す式で表される。 The open air flux V ao is the volume per unit time and unit area of the air released from the inside of the snow and ice layer by melting ice, and is expressed by the equation shown in Equation 14.
図3は、路面雪氷層に影響を及ぼす熱収支成分を図解した説明図である。まず、左端に示すように、舗装された路面上に積雪により雪氷層が形成されて積雪路面となる。形成された雪氷層は、主に車両の走行によって圧雪されて圧密状態となり、圧雪路面となるが、車両の走行により、車両底面輻射熱、タイヤによる摩擦熱、車両通過により誘発される風に基づく顕熱といった熱収支成分が発生すると考えられる。そして、圧密状態の雪氷層の車両通過領域において融解した状態になる。 FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating heat balance components that affect the snow and ice layer on the road surface. First, as shown at the left end, a snow and ice layer is formed by snow on the paved road surface to form a snowy road surface. The formed snow and ice layer is mainly compressed by the running of the vehicle to become a compacted state and becomes a compressed snow road surface, but the running of the vehicle reveals radiant heat from the bottom of the vehicle, frictional heat from the tires, and wind induced by passing the vehicle. It is thought that heat balance components such as heat are generated. And it will be in the state melt | dissolved in the vehicle passage area | region of the snow-ice layer of the compaction state.
こうした人為的因子による熱収支成分の他に、自然的因子による熱収支成分が考えられる。図3では、舗装面から雪氷層に伝えられる舗装伝導熱、自然風による顕熱、降雨・除雪による顕熱、凍結に伴う凝固潜熱、天空から雪氷層に放射される放射熱、雪氷層から放射される長波放射熱が発生すると考えられる。そして、主に夜間において雪氷層表面で融解した水が凍結して凍結路面となる。また、日中においては、日射による太陽熱、蒸発による潜熱が発生すると考えられ、雪氷層全体がシャーベット状に緩んだ状態のシャーベット路面となる。 In addition to the heat balance component due to such artificial factors, the heat balance component due to natural factors can be considered. In Fig. 3, pavement conduction heat transferred from the pavement surface to the snow and ice layer, sensible heat from natural wind, sensible heat from rainfall and snow removal, solidification latent heat due to freezing, radiant heat radiated from the sky to the snow and ice layer, and radiated from the snow and ice layer It is thought that long wave radiant heat is generated. And the water thawed on the surface of the snow and ice layer at night mainly freezes to become a frozen road surface. Further, during the daytime, it is considered that solar heat due to solar radiation and latent heat due to evaporation are generated, and the entire snow and ice layer becomes a sherbet road surface in a loose state like a sherbet.
図4は、図3に示す熱収支成分をそれぞれ定量化した熱フラックスを図解した説明図である。自然的因子による熱フラックス(単位;W/m2)としては、舗装熱フラックスGsp、放射フラックスRsd、日射の反射フラックスRsu、日射の透過フラックスRst、天空放射熱フラックスRld、路面放射熱フラックスRlu、自然風による顕熱フラックスSa、降雨−降雪に伴う顕熱フラックスSf及び蒸発・昇華潜熱フラックスLe及び融解・凝固潜熱フラックスLmが挙げられる。人為的因子による熱フラックスとしては、車両熱フラックスQvが挙げられる。なお、この例では、道路縦断方向(x方向)の熱移動が十分小さいと仮定して、道路横断方向(y方向)及び鉛直方向(z方向)の2次元で取り扱う。 FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the heat flux obtained by quantifying the heat balance components shown in FIG. As heat flux (unit: W / m 2 ) due to natural factors, pavement heat flux G sp , radiation flux R sd , solar reflection flux R su , solar transmission flux R st , sky radiation heat flux R ld , road surface The radiant heat flux R lu , the sensible heat flux S a due to natural wind, the sensible heat flux S f accompanying rain-snowfall, the evaporation / sublimation latent heat flux Le, and the melting / solidification latent heat flux L m can be mentioned. As the heat flux due to human factors, the vehicle heat flux Q v and the like. In this example, it is assumed that the heat transfer in the longitudinal direction of the road (x direction) is sufficiently small, and it is handled in two dimensions, the road crossing direction (y direction) and the vertical direction (z direction).
そして、雪氷表層の体積熱容量を(ρc)s(J/m3/K)、雪氷温度をTs(℃)、雪氷厚さをzs(m)とすると、車両通過領域における雪氷表層の純熱収支Qsは、数15に示す式で与えられる。
If the volumetric heat capacity of the snow ice surface layer is (ρc) s (J / m 3 / K), the snow ice temperature is T s (° C.), and the snow ice thickness is z s (m), The heat balance Q s is given by the equation shown in
雪氷厚さzsは、単位面積当りの雪氷層の水、氷及び空気体積(Vw、Vi及びVa)の和として数17に示す式で与えられる。 The snow ice thickness z s is given by the equation shown in Equation 17 as the sum of the water, ice and air volumes (V w , V i and V a ) of the snow ice layer per unit area.
舗装熱フラックスGspは、雪氷層と舗装表面間の熱移動量であり、接触熱抵抗Rc(m2K/W)を用いて数18に示す式により与えられる。 The pavement heat flux G sp is the amount of heat transfer between the snow ice layer and the pavement surface, and is given by the equation shown in Equation 18 using the contact thermal resistance R c (m 2 K / W).
日射の反射フラックスRsu及び日射の透過フラックスRstは、それぞれ数20に示す式で与えられる。
The reflected solar radiation flux R su and the transmitted solar radiation flux R st are given by the equations shown in
路面長波放射ラテックスRluは、Stefan−Boltzmannの法則に従い、数21に示す式で与えられる。
The road surface long wave radiation latex R lu is given by the equation shown in
自然風による顕熱フラックスSaは、Newtonの冷却則に従い、数5に示す式で与えられる。
Sensible heat flux S a by natural wind, in accordance with the cooling law of Newton, given by the equation shown in
降雨−降雪に伴う顕熱フラックスSfは、降雨強度vfw又は降雪強度vfiを用いて数25に示す式で与えられる。
The sensible heat flux S f accompanying the rainfall-snowfall is given by the equation shown in
蒸発・昇華潜熱フラックスLeは、蒸発フラックスMwl及び昇華フラックスMilを用いて数26に示す式で与えられる。 Evaporation and sublimation latent heat flux L e is given by the equation shown in Expression 26 by using the evaporation flux M wl and sublimation flux M il.
融解・凝固潜熱フラックスLmは、融解・凝固フラックスMwiに氷の融解潜熱qmを乗じて数27に示す式で与えられる。 Melting and Solidification latent heat flux L m is given by the equation of the equation 27 is multiplied by the latent heat of fusion q m of ice melting and solidification flux M wi.
車両熱フラックスQvは、タイヤ摩擦熱フラックスSt、車両底面輻射熱フラックスRv及び車両誘発顕熱フラックスSvaの和として与えられ、数28に示す式になる。 The vehicle heat flux Q v is given as the sum of the tire friction heat flux St , the vehicle bottom surface radiant heat flux R v, and the vehicle induced sensible heat flux S va , and is given by the following equation (28).
タイヤ摩擦熱フラックスStは、数29に示すように、タイヤ及び路面の温度差に熱伝達率を乗じた式で与えられる。 The tire frictional heat flux St is given by an equation obtained by multiplying the temperature difference between the tire and the road surface by the heat transfer coefficient, as shown in Equation 29.
車両底面輻射熱フラックスRvは、数31に示す式で与えられる。 The vehicle bottom surface radiant heat flux R v is given by the equation shown in Equation 31.
車両誘発顕熱フラックスSvaは、数33に示す式で与えられる。 The vehicle-induced sensible heat flux S va is given by the equation shown in Equation 33.
雪氷状態予測部11では、以上説明した路面雪氷層の熱収支モデル及び氷・水・空気収支モデルを用いて必要な気象条件及び交通条件の予測データを設定データ記憶部2から読出し同時連成解析により解析することで、雪氷温度、雪氷厚さ及び雪氷層中の水、氷及び空気の混合割合(質量又は体積)等の雪氷状態予測データを算出する。そして、算出された雪氷層中の水、氷及び空気の混合割合に関する予測データに基づいて雪氷密度及び質量含氷率といったすべり摩擦に密接な関連性を有するデータを得ることができる。
The snow and ice
すべり摩擦決定部12は、雪氷状態予測部11において算出された雪氷状態予測データに基づいて各予測地点の路面のすべり摩擦係数を決定する。本発明者らは、非特許文献3において、路面の雪氷状態が変化する場合の雪氷層中の水、氷及び空気の体積割合(体積含水率θw、体積含氷率θi及び体積含空率θa)とすべり摩擦係数μとの間の相関関係を実験により分析しており、その分析結果は図7に示すグラフのとおりである。こうして求められたすべり摩擦係数に関するデータは、水、氷及び空気の体積割合と対応させて設定テーブル42に登録しておく。すべり摩擦決定部12では、算出された雪氷状態予測データに基づいて設定テーブル42から対応するすべり摩擦係数を読み出して各予測地点のすべり摩擦係数の時間的推移が決定される。
The sliding
上述した水、氷及び空気の体積割合以外でも、雪氷の厚さ、雪氷密度及び質量含氷率といった予測データがタイヤのスリップに関連することから、こうした予測データを用いてスリップしやすさを総合的に評価するようにしてもよい。例えば、雪氷の厚さについては、10mm以下では走行中のタイヤが路面に直接グリップするようになるため、雪氷層によるすべり摩擦への影響は小さくなるが、10mmを超えると路面に対して直接グリップすることがなくなり、水、氷及び空気の体積割合や質量含氷率によりすべり摩擦が左右されるようになる。 In addition to the volume ratios of water, ice and air described above, prediction data such as snow ice thickness, snow ice density, and mass ice content are related to tire slip. Evaluation may be performed. For example, if the thickness of snow and ice is less than 10 mm, the running tire will grip directly on the road surface, so the effect of the snow and ice layer on sliding friction will be less, but if it exceeds 10 mm, it will grip directly on the road surface. The sliding friction is influenced by the volume ratio of water, ice and air and the mass ice content.
図8は、すべり摩擦係数の予測処理に関するフローである。まず、初期状態として、気象条件及び交通条件に関する必要なデータが設定データ記憶部2に記憶される(S100)。次に、熱収支、氷・水・空気収支の計算に必要なパラメータを設定する(S101)。設定するパラメータとしては、各予測地点の気象条件及び交通条件に関する予測データが挙げられる。例えば、図9に示すように、降雪データ、降雨データ及び気温といった気象条件に関するパラメータの時間的推移を設定し、図10に示すように、車両交通量データ、車両速度データといった交通条件に関するパラメータの時間的推移を設定する。
FIG. 8 is a flow relating to the prediction process of the sliding friction coefficient. First, necessary data relating to weather conditions and traffic conditions is stored in the setting
次に、雪氷状態予測部11において熱収支モデルを用いて雪氷層及び舗装層の熱収支を計算する(S102)とともに、氷・水・空気収支モデルを用いて雪氷層の氷・水・空気収支を計算し(S103)、相互のモデル間において同時連成解析を行う。解析結果に基づいて各予測地点の雪氷状態予測データ(水、氷及び空気の体積割合、雪氷の厚さ、雪氷密度及び質量含氷率等)を算出する(S104)。
Next, the snow / ice
図11は、図9及び図10に示す予測データを基に算出した路面温度Tp、雪氷温度Ts及び雪氷層中の水、氷及び空気の体積割合に関する時間的推移である。時間帯TAでは、降雪による積雪及び交通量の影響により圧雪状態の雪氷層が形成されてその厚さが次第に厚くなっていき、含氷率が大きくなっている。そして、残りは空気が含有されており、水は含有されていない。時間帯TBでは、気温が上昇して路面温度Tpが0℃を越えると雪氷層内で氷が融解して含水率が次第に大きくなり、シャーベット状態の雪氷層に変化する。また、日射や降雨の影響で雪氷層の厚さが急激に薄くなっていく。そして、時間体TCでは、雪氷温度Tsが0℃以上となり、氷がすべて融解して雪氷層が消失して湿潤状態の路面になる。このように路面の雪氷状態の変化が、水、氷及び空気の体積割合の変化として定量化される。 FIG. 11 shows temporal transitions regarding the road surface temperature T p , the snow ice temperature T s, and the volume ratio of water, ice and air in the snow ice layer calculated based on the prediction data shown in FIGS. 9 and 10. In the time zone TA, a snow and ice layer in a compressed snow state is formed due to the accumulation of snow due to snowfall and the influence of traffic, and the thickness gradually increases and the ice content rate increases. And the remainder contains air and does not contain water. In time period TB, the temperature is ice melts the water content gradually increases in snow and ice layer the surface temperature T p exceeds 0 ℃ to rise, changes in snow and ice layers sorbet state. In addition, the thickness of the snow and ice layer suddenly decreases due to the effects of solar radiation and rainfall. In the time body TC, the snow / ice temperature T s becomes 0 ° C. or more, and all the ice melts and the snow / ice layer disappears to become a wet road surface. Thus, the change in the snow and ice condition on the road surface is quantified as the change in the volume ratio of water, ice and air.
こうして算出された雪氷層内の水、氷及び空気の体積割合の予測データ及び設定テーブル42に記憶されたすべり摩擦係数のデータに基づいてすべり摩擦係数の予測データを決定する(S105)。 Based on the prediction data of the volume ratio of water, ice and air in the snow / ice layer calculated in this way and the sliding friction coefficient data stored in the setting table 42, the prediction data of the sliding friction coefficient is determined (S105).
図12は、図11に示す予測データを基に決定したすべり摩擦係数の予測結果である。時間帯TAでは、圧雪状態の雪氷層が形成されてその厚さが厚くなっていくため、氷の含有率が大きくなってすべり摩擦係数は0.2〜0.4となり、スリップしやすい路面となることが予測される。また、時間帯TBにおいても氷が融解し始めた状態では氷の含有率がそれほど減少していないためすべり摩擦係数が0.4となっており、スリップしやすい状態が依然として解消されていないが、含氷率が減少して含水率が大きくなるに従いすべり摩擦係数が0.6に上昇することが予測されている。 FIG. 12 shows the predicted sliding friction coefficient determined based on the predicted data shown in FIG. In the time zone TA, a snow and ice layer in a compressed snow state is formed and its thickness increases, so that the ice content increases and the sliding friction coefficient becomes 0.2 to 0.4, and the slippery road surface Is expected to be. In addition, in the state where the ice started to melt even in the time zone TB, the sliding friction coefficient is 0.4 because the ice content has not decreased so much, and the slipping state is still not resolved, It is predicted that the sliding friction coefficient increases to 0.6 as the ice content decreases and the water content increases.
以上のように、各地点の気象条件及び交通条件に関する予測データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル及び氷・水・空気収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出すれば、路面の滑りやすさに密接に関連する雪氷状態予測データの精度を高めることが可能となる。そして、より精度の高い雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定すれば、路面の滑りやすさを定量的に評価することが可能となり、客観的な根拠に裏付けられたデータにより道路管理を適確に行うことができる。また、運転者に対して警告表示や速度規制といった安全管理を最適のタイミングで行うことができる。 As described above, if the prediction data on the weather and traffic conditions at each point is used to calculate the snow / ice condition prediction data in the road / snow / ice layer based on the heat / snow model of the road / snow / ice layer and the ice / water / air balance model In addition, it is possible to improve the accuracy of snow and ice state prediction data closely related to the slipperiness of the road surface. Then, if the sliding friction coefficient of the road surface is determined based on more accurate snow and ice condition prediction data, it is possible to quantitatively evaluate the slipperiness of the road surface, and the road based on the data supported by the objective grounds Management can be performed accurately. In addition, safety management such as warning display and speed regulation for the driver can be performed at an optimal timing.
次に、路面のすべり摩擦予測装置に関する別の実施形態について説明する。この実施形態では、凍結防止剤を散布する場合の路面のすべり摩擦を予測するもので、図13は、その概略ブロック構成図である。図13では、図1に示す概略ブロック構成図において、情報処理部1に散布条件決定部13が設けられており、それ以外は同じブロック構成となっている。
Next, another embodiment relating to a sliding friction prediction device for a road surface will be described. In this embodiment, the sliding friction of the road surface when antifreezing agent is sprayed is predicted, and FIG. 13 is a schematic block configuration diagram thereof. In FIG. 13, in the schematic block configuration diagram shown in FIG. 1, a scatter
条件データ設定部10では、入力部6から入力された凍結防止剤の種類並びにその散布による融出速度データ及び融解熱量データを設定データとして設定テーブル42に記憶しておく。
In the condition
凍結防止剤に関する融出速度データは、実験により求めることができる。例えば、一定温度状態の氷板に所定量の凍結防止剤を散布して所定時間経過後に溶液濃度と融氷量を測定し、融出速度(g/m3/s)を算出する。そして、気温及び散布量を変えながら同様の実験を繰り返すことで、気温及び散布量に対応した融出速度データを求めることができる。 The melt rate data for the cryoprotectant can be determined by experiment. For example, a predetermined amount of an antifreezing agent is sprayed on an ice plate at a constant temperature, and after a predetermined time has elapsed, the solution concentration and the amount of ice melt are measured to calculate the melting rate (g / m 3 / s). Then, by repeating the same experiment while changing the air temperature and the spraying amount, the fusion rate data corresponding to the air temperature and the spraying amount can be obtained.
凍結防止剤の融解熱量は、融出速度に融解潜熱を乗じることで算出することができ、求められた融出速度データに基づいて設定する。 The heat of fusion of the antifreezing agent can be calculated by multiplying the melting speed by the latent heat of melting, and is set based on the obtained melting speed data.
また、条件データ設定部11では、初期設定として予め決められた凍結防止剤の散布データ(凍結防止剤の種類、単位面積当りの散布量(g/m2)及び散布時期)を設定する。
In addition, the condition
凍結防止剤としては、食塩や塩化カルシウムといった無機塩系の物質、酢酸カルシウムといった酢酸塩系の物質が挙げられ、粒状又は粉末状で使用されることが多い。凍結防止剤を散布することで、凍結防止剤が雪氷層の表面で溶解して溶液濃度が高まることで凍結温度が低下し路面温度が氷点下となっても雪氷層が凍結しにくくなる。したがって、水分が多いシャーベット路面に近い状態が発生して、水、氷及び空気の体積割合が変化し、図7に示すように、すべり摩擦係数の低下が抑えられるようになる。こうした凍結防止剤の作用は、上述した氷・水・空気収支モデルに影響を与え、融解・凝固フラックスを変化させることになる。また、凍結防止剤の散布により吸熱反応が生じるため、熱収支モデルにも影響を与え、融解・凝固潜熱フラックスを変化させることになる。 Antifreeze agents include inorganic salt substances such as sodium chloride and calcium chloride, and acetate substances such as calcium acetate, and are often used in the form of granules or powders. By spraying the antifreezing agent, the antifreezing agent dissolves on the surface of the snow and ice layer and the concentration of the solution increases, so that the freezing temperature is lowered and the snow and ice layer is difficult to freeze even when the road surface temperature becomes below freezing point. Therefore, a state close to a sherbet road surface with a lot of moisture occurs, and the volume ratio of water, ice and air changes, and as shown in FIG. 7, a decrease in the sliding friction coefficient can be suppressed. The action of such an antifreeze affects the above-mentioned ice / water / air balance model and changes the melting / solidification flux. In addition, since an endothermic reaction occurs due to the application of the antifreeze agent, the heat balance model is also affected, and the melting / solidification latent heat flux is changed.
散布条件決定部13では、予め設定されたすべり摩擦係数の基準範囲データに基づいて、すべり摩擦決定部12で決定されたすべり摩擦係数の予測データが基準範囲内か否か判定する。そして、予測データのうち基準範囲から外れた時間帯がある場合には、条件データ設定部10で散布データの再設定を行い、雪氷状態予測部11で雪氷状態予測データの再算出を行ってすべり摩擦係数の予測データが基準範囲内となる凍結防止剤の散布データを決定する。
The spraying
条件データ設定部10及びすべり摩擦決定部12は、図1において説明した内容と同様であるので説明を省略する。
The condition
図14は、凍結防止剤を散布する場合のすべり摩擦係数の予測処理に関するフローである。まず、凍結防止剤の散布データとして、その種類、散布量及び散布時期が設定される(S200)。散布データは予め記憶されたデータを自動的に設定してもよいし、入力部6から入力するようにしてもよい。
FIG. 14 is a flow relating to the prediction process of the sliding friction coefficient when the antifreezing agent is sprayed. First, the type, application amount, and application time are set as application data of the antifreezing agent (S200). As the scatter data, data stored in advance may be automatically set, or may be input from the
次に、初期状態として、気象条件及び交通条件に関する必要なデータが設定データ記憶部2に記憶される(S201)。そして、熱収支、氷・水・空気収支の計算に必要なパラメータを設定する(S202)。設定するパラメータとしては、図8に示す予測処理フローのステップS101と同様に設定すればよい。
Next, necessary data regarding weather conditions and traffic conditions are stored in the setting
次に、雪氷状態予測部11において熱収支モデルを用いて雪氷層及び舗装層の熱収支を計算する(S203)とともに、氷・水・空気収支モデルを用いて雪氷層の氷・水・空気収支を計算し(S204)、相互のモデル間において同時連成解析を行う。解析結果に基づいて各予測地点の雪氷状態予測データ(水、氷及び空気の体積割合、雪氷の厚さ、雪氷密度及び質量含氷率等)を算出する(S205)。こうして算出された雪氷状態予測データ及び設定テーブル42に記憶されたすべり摩擦係数のデータに基づいてすべり摩擦係数の予測データを決定する(S206)。
Next, the snow / ice
図15は、凍結防止剤として塩化ナトリウムを用い、降雪前に散布量を50g/m2で散布した場合のすべり摩擦係数の予測結果である。図12に示すように散布しない場合には、圧雪状態の雪氷層が形成されてすべり摩擦係数が0.2に低下し、スリップしやすい状態が予測されていたが、図15では、同じ時間帯ですべり摩擦係数が0.4となり、すべり摩擦係数の低下が抑えられていることがわかる。これは、凍結防止剤の散布により圧雪状態の雪氷層の形成が抑止され、含水率が大きくなったことで、すべり摩擦係数の低下が抑えられている。 FIG. 15 is a prediction result of a sliding friction coefficient when sodium chloride is used as an antifreezing agent and sprayed at a spraying amount of 50 g / m 2 before snowfall. When not sprayed as shown in FIG. 12, a snow and ice layer in a compressed snow state was formed, the sliding friction coefficient was reduced to 0.2, and a state where slipping was likely to occur was predicted. Therefore, the sliding friction coefficient is 0.4, and it can be seen that the reduction of the sliding friction coefficient is suppressed. This is because the formation of a snow and ice layer in a compressed snow state is suppressed by spraying the antifreezing agent, and the moisture content is increased, so that the reduction of the sliding friction coefficient is suppressed.
こうして決定されたすべり摩擦係数の予測結果が基準範囲内であるか否か判定し(S207)、予測結果が基準範囲内に収まっている場合には、ステップS200で設定した散布データを最適のものとして散布条件を決定する(S208)。決定されたすべり摩擦係数の予測結果の一部でも基準範囲外である場合には、ステップS200に戻り、散布データを再設定してステップS201からS206まで再計算してすべり摩擦係数を再度決定する。そして、再度決定したすべり摩擦係数が基準範囲内となるまで凍結防止剤の散布データを調整して最適の散布条件を決定する。 It is determined whether or not the prediction result of the sliding friction coefficient thus determined is within the reference range (S207). If the prediction result is within the reference range, the application data set in step S200 is the optimum one. The spraying conditions are determined as follows (S208). If any part of the determined sliding friction coefficient prediction result is out of the reference range, the process returns to step S200, the scattered data is reset, and the calculation is repeated from step S201 to S206 to determine the sliding friction coefficient again. . Then, the optimum spraying condition is determined by adjusting the spray data of the antifreeze agent until the sliding friction coefficient determined again falls within the reference range.
すべり摩擦係数の基準範囲は、下限についてはスリップを防止するのに必要なすべり摩擦係数であり、路面の傾斜状態等の状況に合せて設定するとよい。一般に0.4以下では滑りやすい状態とされているが、道路状況を勘案して設定することが望ましい。上限については、通常の湿潤状態の路面に合せて設定すればよい。一般に0.6〜0.7とされているが、道路状況に合せて設定することが望ましい。 The reference range of the sliding friction coefficient is a sliding friction coefficient necessary for preventing slip at the lower limit, and may be set in accordance with a situation such as an inclined state of the road surface. In general, it is slippery at 0.4 or less, but it is desirable to set in consideration of road conditions. The upper limit may be set according to a normal wet road surface. Generally, it is 0.6 to 0.7, but it is desirable to set according to the road condition.
図16は、図15の場合の散布データを再設定して散布量を100g/m2に設定した場合のすべり摩擦係数の予測結果である。図15の場合に比べて、すべり摩擦係数が0.5に上昇して路面状況がさらに改善することが予測される。しかし、すべり摩擦係数の基準範囲の下限が0.4の場合には、散布量は50g/m2で散布条件が決定されるようになり、客観的なデータに基づいて過剰散布を行うことなく適正な散布条件を決定することができるようになる。 FIG. 16 is a prediction result of the sliding friction coefficient when the spray data in the case of FIG. 15 is reset and the spray amount is set to 100 g / m 2 . Compared to the case of FIG. 15, it is predicted that the sliding friction coefficient increases to 0.5 and the road surface condition is further improved. However, when the lower limit of the sliding friction coefficient reference range is 0.4, the application condition is determined at an application rate of 50 g / m 2 without excessive application based on objective data. Appropriate spraying conditions can be determined.
1 情報処理部
2 設定データ記憶部
3 送受信部
4 記憶部
5 表示部
6 入力部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記路面のすべり摩擦予測装置を、
設定された前記予測データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出する手段、
算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定する手段
として機能させるためのプログラム。 A program for setting a prediction data related to weather conditions and traffic conditions and determining a sliding friction coefficient of a road surface to function a sliding friction prediction device for a road surface,
A sliding friction prediction device for the road surface,
Using the set prediction data, the road surface snow ice layer heat balance model , the road surface snow ice layer mass balance model, the road surface snow ice layer water mass balance model, and the road surface snow ice layer air volume balance model Means for calculating snow and ice state prediction data in the road surface snow and ice layer,
A program for functioning as a means for determining a sliding friction coefficient of a road surface based on calculated snow and ice condition prediction data.
前記路面のすべり摩擦予測装置を、
設定された前記予測データ及び前記散布データを用いて路面雪氷層の熱収支モデル、路面雪氷層の氷に関する質量の収支モデル、路面雪氷層の水に関する質量の収支モデル及び路面雪氷層の空気に関する体積の収支モデルに基づいて路面雪氷層中の雪氷状態予測データを算出する手段、
算出された雪氷状態予測データに基づいて路面のすべり摩擦係数を決定する手段、
決定された路面のすべり摩擦係数が所定範囲内であるか否か判定する手段、
所定範囲内でない場合には路面のすべり摩擦係数が所定範囲内となるまで凍結防止剤の散布データを再設定し前記雪氷状態予測データを再算出して所定範囲内となる凍結防止剤の散布データを決定する手段
として機能させるためのプログラム。 A program for functioning a sliding friction prediction device for a road surface that sets prediction data on weather conditions and traffic conditions and dispersion data of an antifreezing agent and determines a sliding friction coefficient of the road surface,
A sliding friction prediction device for the road surface,
The heat balance model of the road surface snow ice layer, the mass balance model of the mass of the road surface snow ice layer, the mass balance model of the mass of the road surface snow ice layer and the volume of the air of the road surface snow ice layer using the set prediction data and the scattered data Means for calculating snow and ice condition prediction data in the road surface snow and ice layer based on the balance model of
Means for determining the sliding friction coefficient of the road surface based on the calculated snow and ice condition prediction data;
Means for determining whether or not the determined sliding friction coefficient of the road surface is within a predetermined range;
If it is not within the predetermined range, reset the antifreezing agent spray data until the sliding friction coefficient of the road surface is within the predetermined range, and recalculate the snow / ice condition prediction data to obtain the antifreezing agent spray data within the predetermined range. A program for functioning as a means for determining
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