JP2013174481A - 車両軸重計測システム及びこれを用いた橋梁の監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】走行する車両の軸重が精度良く計測できるとともに、安価で、且つ舗装の耐久性を低下させない車両軸重計測システムを提供する。
【解決手段】走行する車両の軸重を計測する線状圧電センサ２と、走行する車両を検出する超音波センサ３と、前記線状圧電センサ２及び超音波センサ３によって検出されたデータの演算及び記憶を行う中央演算処理装置及び記憶素子を内蔵するプログラマブルコントローラ４とから構成する。前記線状圧電センサ２を橋梁の舗装路面に設置し、前記超音波センサ３を路側帯に設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、橋梁上を走行する車両の軸重をリアルタイムで計測する車両軸重計測システム及びこれを用いた橋梁の監視システムに関する。

従来より、過積載車両の通行による道路施設の損傷が問題になっている。当局では取り締まりを強化して規制に当たっているが、交通量が多いため全車両の検査は不可能である。

このため走行車両の重量をリアルタイムで計測する手段が種々提案されている。例えば、路面に設置したロードセルによって車両の荷重を検出する直接法（下記特許文献１など）や、橋梁の橋桁に設置した歪ゲージによって車両通過時の橋桁の変形量（撓み）を測定し、この変形量に基づき車両の軸重を推定する間接法（下記特許文献２など）が知られている。

特開平８−３１３３３１号公報 特開２００５−３０７８６号公報

しかしながら、前者の直接法は精度が８％前後と高いものの施工費が１路線１億円程度と高価であり、後者の間接法は施工費が２千万円程度と安価であるが精度が２０％程度と低く、精度良く軸重が測定できないという問題があった。

そこで、比較的高精度で安価な圧電センサ（ピエゾセンサ）を用いた車両軸重計測法が提案されている。この計測法は、線状の圧電センサを路面に設置しておき、車両通過時の衝撃によって圧電センサに曲げが働くと、曲げの変化の速さに応じて芯線と外側電極との間に電位差が生じ、この電位差を検出して圧電センサに加えられる圧力を計測可能としたものである。

ところが、この圧電センサを日本の乗り心地の良い柔らかい土路盤上の舗装に設置した場合、土路盤との適合が難しく、車両通過時の衝撃が土路盤に吸収されてセンサに伝わりにくいとともに、舗装構成によるばらつきが大きく、土路盤の経年変化に影響されやすい、などの要因によって誤差が大きくなるだけでなく、精度を向上させるためには、設置時に剛性の高い路盤に地盤改良する対策が必要となるなど、大掛かりな舗装の打替が必要になり、施工費が嵩んでいた。

一方で、走行する車両を検出する方法の一つとして、従来より、路面の舗装にロの字状に切れ目を設け、この切れ目にループコイルを埋設することによって行うものがあるが、車両走行方向に並行する切れ目部分より舗装が割れやすく、舗装の耐久性が低下する問題があった。

そこで本発明の主たる課題は、走行する車両の軸重が精度良く計測できるとともに、安価で、且つ舗装の耐久性を低下させない車両軸重計測システム及びこれを用いた橋梁の監視システムを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、走行する車両の軸重を計測するトラフィックセンサと、走行する車両を検出する車両検出センサとを含む車両軸重計測システムであって、
前記トラフィックセンサとして線状の圧電センサが橋梁の舗装路面に設置され、前記車両検出センサとして超音波センサが路側帯に設置されていることを特徴とする車両軸重計測システムが提供される。

上記請求項１記載の発明では、走行する車両の軸重を計測する線状の圧電センサを橋梁の舗装路面に設置しているため、以下の理由から、走行する車両の軸重が高精度で且つ安価に計測できるようになる。(1)橋面上は床版の剛性が一様で変形が小さいので、前記圧電センサの応答値が車軸数や車軸重量に影響されにくい、(2)橋面舗装は橋梁重量の削減目的もあり、剛性が高く薄い舗装を採用しているため、一般部の舗装よりも車両通過時の衝撃が直接的に圧電センサに伝達され、計測に必要な十分な応答値が得られる、(3)橋面舗装は耐久性の高い舗装を採用しており、打換頻度が一般部よりも少ないため、打ち換えによる圧電センサの交換頻度が低減でき、ランニングコストを抑えることができる。

従って、土路盤上の舗装に設置した場合に比べ、舗装構成によるばらつきが小さくなるとともに、経年変化の影響が少なく、精度向上のための地盤改良が不要になるなど、土路盤上の舗装に設置した場合の問題点が一挙に解消できるようになる。

また、走行する車両を検出する超音波センサが路側帯に設置してあるため、舗装を傷めることがなく舗装の耐久性を低下させることがなくなる。

なお、本発明でいう「橋梁」とは、水面又は海面上に架けられた橋梁や陸上部に架けられた橋梁のいずれでもよく、構造型式は問わない。

請求項２に係る本発明として、前記線状の圧電センサ及び超音波センサによって検出されたデータの演算及び記憶を行う中央演算処理装置及び記憶素子が内蔵されたプログラマブルコントローラを備えている請求項１記載の車両軸重計測システムが提供される。

上記請求項２記載の発明では、従来はセンシングと演算にパソコンが用いられ、その収納用の小屋や大型ケースを設置するために、路側帯や歩道の占有が必要であったが、本車両軸重計測システムでは、線状の圧電センサ及び超音波センサによって検出されたデータの演算及び記憶を行うために、工場の生産工程自動化のためのファクトリーオートメーション（ＦＡ）用などとして利用されている中央演算処理装置及び記憶素子を内蔵したプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）を用いているため、ＰＬＣを小型の防水ケース内に収容して橋脚部分の隙間等に設置すれば、施設の小型化と低コスト化が図られるとともに、耐候性や安定性の向上が実現できるようになる。

請求項３に係る本発明として、前記線状の圧電センサは、車両走行方向に間隔を空けて２箇所以上に設置されている請求項１〜２いずれかに記載の車両軸重計測システムが提供される。

上記請求項３記載の発明では、線状の圧電センサを車両走行方向に間隔を空けて２箇所以上に設置してあるため、走行車両の速度が検出でき、速度による応答値の補正が可能になる。

請求項４に係る本発明として、車両走行方向に間隔を空けて２箇所に設置された線状の圧電センサの中間に前記超音波センサが設置されている請求項３記載の車両軸重計測システムが提供される。

上記請求項４記載の発明では、車両走行方向に間隔を空けて２箇所に設置された線状の圧電センサの中間に超音波センサを設置してあるため、圧電センサによって検出した軸重のデータ群の中から車両１台当たりの軸重のデータが容易に判別できるようになる。

請求項５に係る本発明として、前記超音波センサは、車両走行方向に間隔を空けて２箇所以上に設置され、その中間に前記線状の圧電センサが少なくとも１箇所設置されている請求項１〜２いずれかに記載の車両軸重計測システムが提供される。

上記請求項５記載の発明では、超音波センサを車両走行方向に間隔を空けて２箇所以上に設置し、その中間に線状の圧電センサを少なくとも１箇所設置することによって、走行車両の速度及び軸重の計測を可能とした上で、圧電センサの設置本数を低減することによってコスト削減を図っている。

請求項６に係る本発明として、上記請求項１〜５いずれかに記載の車両軸重計測システムを用いた橋梁の監視システムであって、
車両走行時に計測した橋梁のたわみ量と、前記車両軸重計測システムによって計測した軸重との関係から、橋梁の健全性を判定する判定手段を備えた橋梁の監視システムが提供される。

上記請求項６記載の発明では、車両走行時の橋梁のたわみ量を別途変位計等によって計測し、この橋梁のたわみ量と、車両計測システムによって計測した軸重との関係から、同一軸重でもたわみ量が相当量を超えた場合には橋梁に異常が発生したと判断するような橋梁の健全性の判定手段を備えた橋梁の監視システムについて規定している。

以上詳説のとおり本発明によれば、走行する車両の軸重が精度良く計測できるとともに、安価で、且つ舗装の耐久性を低下させることがない計測システム及びこれを用いた橋梁の監視システムが提供できるようになる。

本発明に係る車両軸重計測システム１を示すシステム構成図である。 線状圧電センサ２と超音波センサ３の計測結果の一例を示すグラフである。 速度と応答値の合計との関係を示すグラフである。 速度と応答誤差率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明に係る車両軸重計測システム１は、走行中の車両の軸重をリアルタイムに計測するためのものであり、図１に示されるように、走行する車両の軸重を計測するトラフィックセンサとして、橋梁の舗装路面に設置された線状の圧電センサ２（以下、線状圧電センサという。）を用い、橋梁上を走行する車両を検出する車両検出センサとして、橋梁の路側帯に設置された超音波センサ３を用い、前記線状圧電センサ２及び超音波センサ３によって検出されたデータの演算及び記憶を行う機器として、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び記憶素子（メモリ）を内蔵するプログラマブルコントローラ４が用いられている。

前記線状圧電センサ（ピエゾセンサ）２は、曲げが作用することによって曲げの変化の速さに応じて芯線と外側電極との間に電位差が生じ、この電位差を検出することによって圧電センサに加えられる圧力を計測可能としたセンサである。この線状圧電センサ２は、図１に示されるように、車両走行方向に対して垂直方向に沿って設置する。前記圧電センサ２の据え付けは、橋梁の舗装路面の車両走行方向に対して垂直方向に溝を形成した後、この溝内の所定の深さ位置に圧電センサを設置し、溝内にグラウト材を充填することにより行う。前記線状の圧電センサ２は、株式会社東京センサが販売する「Roadtrax BL」（登録商標）として容易に入手が可能である。

設置対象となる「橋梁」は、水面又は海面上に架けられた橋梁や陸上部に架けられた橋梁のいずれでもよく、鋼橋、ＲＣ橋、ＰＣ橋等の橋梁型式及び構造型式は問わない。

本車両軸重計測システム１では、線状圧電センサ２を橋梁の舗装路面に設置することによって、走行する車両の軸重を高精度で且つ安価に計測できるようにしている。すなわち、橋面上は土路盤などに比べて床版の剛性が一様で変形が小さいので、線状圧電センサ２の応答値が車軸数や車軸重量に影響されにくいため、精度良く計測できるようになる。また、橋面舗装は橋梁重量の削減目的もあって、剛性が高く薄い舗装を採用しているため、一般部の土路盤のような舗装よりも車両通過時の衝撃が直接的に線状圧電センサ２に伝達されやすく、計測に必要な十分な応答値が得られるので、高精度の計測が可能となる。さらに、橋面舗装は耐久性の高い舗装を採用しており、打換頻度が土路盤などの一般部よりも少ないため、打ち換えによる線状圧電センサ２の交換頻度が低減でき、ランニングコストを抑えることが可能となる。従って、土路盤上の舗装に設置した場合に比べて、舗装構成によるばらつきが小さくなるとともに、経年変化の影響が少なく、精度向上のための地盤改良が不要になるなど、土路盤上の舗装に設置した場合の問題点が一挙に解消できるようになる。

また、超音波センサ３を路面ではなく路側帯に設置することによって、舗装を傷めることがなく、舗装の耐久性を低下させることがなくなる。

さらに、従来はセンシングと演算にパソコン及びその周辺機器が必要であり、これら機器収納用の小屋や大型ケースを設置するために路側帯や歩道の占有が必要であったが、本車両軸重計測システム１では前記線状圧電センサ２及び超音波センサ３によって検出されたデータの演算及び記憶を行うため、工場の生産工程自動化のためのファクトリーオートメーション（ＦＡ）用などとして利用されているプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）を用いているため、ＰＬＣを小型の防水ケース内に収容して橋脚部分の隙間等に設置すれば、施設の小型化と低コスト化が図れるとともに、耐候性や安定性の向上が実現できるようになる。

前記線状圧電センサ２は、同図１に示されるように、車両走行方向に所定の間隔Ｌを空けて２箇所以上に設置することが好ましい。これにより、線状圧電センサ２の間隔Ｌとこの間の車両の通過時間から車両の走行速度が算出できるようになる。間隔Ｌとしては、１ｍ〜５ｍが好ましく、３ｍ程度がより好ましい。

図示例では、線状圧電センサ２は、車両走行方向に間隔を空けて２箇所に設置され、その中間に前記超音波センサ３が１箇所設置されている。線状圧電センサ２を所定間隔で２箇所に設置することによって、上述の通り通過車両の速度の計測が可能になるとともに、計測データの確認用や一方が損傷した場合の予備用としても利用可能となる。また、線状圧電センサ２、２の中間に超音波センサ３を設置することによって、図２に示されるように、軸重の時系列データの中から車両１台当たりの軸重データが容易に識別可能になる。

一方、超音波センサ３を車両走行方向に間隔を空けて２箇所に設置し、その中間に線状圧電センサ２を１箇所設置することも可能である。この場合には、線状圧電センサ２を２箇所設置した場合に比べて精度は低下するが、車両の走行速度と軸重の計測を可能とした上で、線状圧電センサ２の設置本数が低減できるのでコスト削減が図れるようになる。なお、超音波センサ３は２箇所以上に設置してもよいし、超音波センサ３、３の中間に設置する線状圧電センサ２を２箇所以上としてもよい。

前記超音波センサ３は、超音波発振器から超音波を発振し、反射波を計測することによって、通過車両の有無あるいは車両の種類を識別するためのものである。車両検出に超音波センサ３を採用することによって、車両が通行する舗装路面ではなく路側帯に設置することが可能となるため、舗装路面を傷めることがなくなる。

前記線状圧電センサ２及び超音波センサ３によって検出されたデータは、プログラマブルコントローラ４に送られる。プログラマブルコントローラ４は、内蔵する中央演算処理装置及び記憶素子にてデータの演算及び記憶を行うとともに、予めプログラムされた条件で、携帯電話回線５等を通じてサーバ６にデータを送信したり、規定値を超えた軸重が計測された場合には警告メールを送信したりする。その後、サーバ６に蓄積されたデータは、違反車両の追跡や橋梁の老朽化診断に活用される。

次に、上記車両軸重計測システム１を用いた橋梁の監視システムについて説明する。本監視システムは、車両走行時に計測した橋梁のたわみ量と、車両軸重計測システム１によって計測した軸重との関係から、橋梁の健全性をリアルタイムに判定する判定手段を備えている。

前記橋梁のたわみ量の計測装置としては、ダイヤルゲージ型変位計などの接触式のものや、レーザ変位計、超音波変位計など非接触式のものなど、更には計測点にターゲットを設置し、トータルステーションによって橋桁の変位を計測する方法などを採用することができる。

車両の軸重と橋梁のたわみ量とは、一定の比例関係にあることが知られているが、同一の軸重でもたわみ量が所定の比例関係の範囲から外れた場合には、前記判定手段で橋梁の健全性に異常が発生したと判断して、警報を発したり、橋梁の通行を規制したりする措置を取ることができる。

本計測システムの精度の高さを実証するため、橋梁の舗装路面に２本の線状圧電センサ２、２を設置し、３軸（前側から１軸、２軸の順で、前側に１軸、後側に２軸）を有するトラックを２０〜５０ｋｍ／ｈ程度の速度で走行させたときの応答値を計測する実験を行った。トラックの軸間距離は、１軸−２軸間が５９００mm、２軸−３軸間が１３１０mmである。また、トラックの静的軸重は、１軸が６２８０ｋｇ、２軸が６７９０ｋｇ、３軸が６５９０ｋｇである。２本のトラフィックセンサ２、２間の離間距離は３ｍとした。

各種の速度で走行させたときの時刻（ｍｓ）と応答値（Ｖ）の計測値と、各軸の応答値の合計（Ｖ）を表１に示す。なお、測定は、２本の線状圧電センサ２、２のうち、第２本目の線状圧電センサ２の値を用いた。

表１の各軸の通過時刻とトラックの軸間距離からトラックの実速度（ｋｍ／ｈ）を算出し、その平均を求めた。その結果を表２に示す。また、速度と表１の応答値の合計の関係を示したグラフを図２に示す。

図２から、速度が増加するにつれて応答値が増加する傾向にあるため、速度４０ｋｍ／ｈに標準化した４０キロ標準応答値を次式(1)によって算出した。その結果を表３に示す。

４０キロ標準応答値＝応答値＋（４０−速度）×０．０３３ ……(1)

表３の各軸の４０キロ標準応答値とその平均値とから応答誤差率を次式(2)によって算出した。その結果を図３に示す。

応答誤差率＝（平均値−４０キロ標準応答値）／平均値×１００％…(2)
図３に示されるように、本システムによって計測した応答誤差率の最大値は、１軸：12.8％、２軸：11.0％、３軸：7.6％、合計：8.5％となり、本システムが高い精度で計測できることが実証できた。

１…車両軸重計測システム、２…線状圧電センサ、３…超音波センサ、４…プログラマブルコントローラ、５…携帯電話回線、６…サーバ

Claims (6)

1. 走行する車両の軸重を計測するトラフィックセンサと、走行する車両を検出する車両検出センサとを含む車両軸重計測システムであって、
   前記トラフィックセンサとして線状の圧電センサが橋梁の舗装路面に設置され、前記車両検出センサとして超音波センサが路側帯に設置されていることを特徴とする車両軸重計測システム。
2. 前記線状の圧電センサ及び超音波センサによって検出されたデータの演算及び記憶を行う中央演算処理装置及び記憶素子が内蔵されたプログラマブルコントローラを備えている請求項１記載の車両軸重計測システム。
3. 前記線状の圧電センサは、車両走行方向に間隔を空けて２箇所以上に設置されている請求項１〜２いずれかに記載の車両軸重計測システム。
4. 車両走行方向に間隔を空けて２箇所に設置された線状の圧電センサの中間に前記超音波センサが設置されている請求項３記載の車両軸重計測システム。
5. 前記超音波センサは、車両走行方向に間隔を空けて２箇所以上に設置され、その中間に前記線状の圧電センサが少なくとも１箇所設置されている請求項１〜２いずれかに記載の車両軸重計測システム。
6. 上記請求項１〜５いずれかに記載の車両軸重計測システムを用いた橋梁の監視システムであって、
   車両走行時に計測した橋梁のたわみ量と、前記車両軸重計測システムによって計測した軸重との関係から、橋梁の健全性を判定する判定手段を備えた橋梁の監視システム。

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