屋根上消雪

屋根上消雪の研究動向

　2010年からの10年の研究期間の間、高齢者地域の除雪搬送支援の研究を実施する過程で、高齢者の屋根雪の除雪における滑落死亡事故の増加が問題となっている。特に75歳以降の後期高齢者の割合が高くなってきている。体力的な衰えが影響していると思っている。一般には周知されていないけど、2020年～2030年の間に後期高齢者の人口は2020年に比べ10倍程度増加するため、研究者の中では深刻な新規社会問題と捉えられている。人財派遣に屋根上除雪をお願いすると60代後半の作業者が2人でくるなど、屋根上除雪専門業者も高齢化してきていたりして、結構深刻な問題になってるんだけど、普通の人は知らないよね。

　今の人口の比率のまま、高齢化が深刻化すれば、屋根雪除雪も行えない様になり、老々介護の様に、若い高齢者が更に高齢者宅の除雪および屋根雪除雪を実施する必要が出てくる。文献調査を行うと、高齢者宅および空き家を対象とした屋根雪融雪装置は、既に福井県のグループ・防災研と、北陸電力のグループが先行して研究を実施している（このページの下の方に参考文献として挙げています。）。それぞれ、ガスと電気をエネルギー源としている。これら二つの研究グループの研究成果は、非常に高度化しており、自動給水によって手間いらずに融雪が可能である特徴を持っている。既に空き家融雪の問題は完結したかのように思われる。

特定空家の代執行による取り壊しが増加傾向

　この10年で所有者不明、所有者は分かっているが、入院などで意思疎通が行えない状態である。遠隔地に住んで連絡が取れない。などによる空き家が異常な速度で急増している。地域によっては30％近くが空き家になっており、従来多くは商業施設の空き家であったが、過疎化が進み個人宅の空き家が目立つようになってきた。これらの空き家が豪雪に見舞われた時に、倒壊の危険な状態を回避する必要が第三者が求められており、2020年頃から行政による代執行取り壊しの件数が増えている。

　2021～2022年の北海道・東北豪雪では、従来積雪でも倒壊することが無いといわれてきた、人の住んでいる住宅も倒壊する例が出てきた。様々な理由があって、家を健全な状態に保ちたくても、保てない。という高齢者が現れ始めてきた年だったよ。今後、同様の事故が増加すると思われる。

人力の屋根雪下ろしは大変な災害対応

　緊急の除雪を対応を考えた場合、人力の除雪が一番効率が良いとことが分かっているが、既に除雪に関する担い手は慢性的なリソース不足になっており改善は見込まれない。屋根上除雪の場合固定ハシゴ、アンカー、簡易足場による投雪スロープ、排雪トラック、などが必要になるけど、排雪業者でないと、何のことかも、何に使用するかも想像がつかないよね。

　一軒あたり10～50トンぐらいの雪を屋根から下ろす必要があったりするんだけど、1人じゃ無理だよね。専用の機材が無いと無理だよね。でも、想像の欠落から1人で屋根に登って、雪と一緒に墜落という事故が多く発生しているんだよ。専門の業者も安全を確保したいから、フルハーネス講習などを受けてから実際屋根に登っている状況なんだ。兎に角屋根の上に安易に登ろうとするのは止めよう。

　また、排雪業者が嫌がる”溜まり”と呼ばれる、大きな氷の塊で出来た雪庇（せっぴ）の対応など、個人がとっさに対応できないものがあったりする。兎に角屋根の上に安易に登ろうとするのは止めよう。

　屋根の上から落とした雪は重く、庭における所ならいいけど、そうじゃない家では排雪といって、指定された場所まで雪を運んで捨てる必要があるよ。これがまた大変で、10～50トンの雪をトラックの荷台に人力で持ち上げるって大変じゃない？

やっぱり消雪装置が一番効率がいい

　勘の良い人は気づいているかもしれないけど、排雪業者を呼んでも直ぐには自宅まで来てくれない状況だ。既に需要と供給のバランスが崩れていて、慢性的な労働者不足が起きてるんだよ。排雪業者が1～2週間待ちというような状況なんだ。

　じゃあ、どうやって屋根上の雪をどかせばいいのか？色々文献を調べてみると、世界的に見ても井戸水を屋根上に散水する方法が一番効率が良いみたい。世界中の極寒の地域でも消雪パイプを屋根に設置したりして消雪しているみたい。今では消雪装置の知的化が進んでいて365日24時間監視装置まで付いた消雪装置も提供されている。どんどん便利な時代になっているね。

　ただし、排水設備が確保できなかったり、塩ビパイプを屋根上に設置したりすることが高額であったり、井戸堀ができない地域だったりの問題で、消雪装置を利用できない人も多くいるのが現状のようだ。また、余りにも地下水消雪の効果があるというのも問題だね。地下水利用が多すぎて井戸枯れする地域がでたり、その後水道水で代替させて、上水道が枯れる地域が日本国内でも多くあるんだ。その後の市民生活にも影響が出ているのが現状のようだ。

　融雪方法には、良いところがあれば、悪いところもある。トレードオフの関係が成り立っていて、各県の指導のもと、それぞれの地域に合った融雪方法が戦略的に決定されているんだよ。

　先述の消雪・融雪技術は、雪が降ってからでは設置不可能なんだ。真夏日の中屋根の上に設置するなど融雪装置は雪が降らない時期に設置する必要がある。では、雪が降ってから、緊急の融雪装置は無いのか調べてみた。実は既に色々あって、間伐材ペレットや灯油を燃やして雪を融かすということが一般的に行われている地域が多くある。地域の公共施設周辺の融雪設備として、普及が進んでいるものの、余り知られていないのが現状だよね。

　個人向けの間伐材ペレットや灯油を燃やした融雪装置もあるが、余り効果がないというのが現状のようだ。もっと問題なのは、あまり効果が無い。という結論はあるが、どの程度効果が無いのか定量的な評価が行われていない。もしかしたら、何らしかの改善で解決できる問題かもしれないのにね。そこで本研究室は、効果が薄いといわれている間伐材ペレットの消雪能力を測定評価している。うまくいかないことを文章で残すことも大事な仕事なんだよ。

　そうすると、道路の融雪装置は凄いよね。実際道路の融雪装置１ユニットから１日で家庭の水道使用量の１ヶ月分が吐出されているんだ。凄い量の井戸水だよね。それでも融けない区間というのがあって、そこはやっぱり、石油や間伐材ペレットを燃やして熱を加えているんだよ。最近では地中にパイプを埋設して、液体を循環させ、地下の熱だけを取り出して融雪する地熱ポンプというシステムもあるよ。

冬の降雪が起きてから、緊急に取付け可能な融雪装置ってないよね

　消雪・融雪装置どちらにせよ。結局人間が屋根の上に登ってパイプを這わせる必要があったりする。本研究室では、それらを省く方法を考えているよ。そのためには、以下の二つの課題があるよ。　

①各家庭の屋根形状に合わせるように融雪装置を配置する。
②固定設備のため初期設置費用が高く導入が進まない問題が考えられ、ポータブル安価な設備である。

　本研究室では、「高齢者屋根雪除雪を支援を目的としたAI搭載ポータブル循環式屋根雪融雪装置」の構築を目指している。人工知能を用いて一軒毎に形状のことなる屋根に対応したり、屋根雪の融け具合をパターン化して、短時間で融雪できる方法を提案していこうと思っているよ。

屋根の上に登る前にとりあえず屋根上を覗いてみよう

　屋根上の状況が目視できると非常に心に安心感を与える事ができる。下記に示すのは、本研究室が提案している屋根上の総合監視システムを用いた屋根上雪下ろしの支援状況だよ。高層ビル用の窓ガラス清掃用のグラスファイバーポールの先にステレオカメラを取り付けて屋根上の状況を撮影している。研究として屋根上の奥行距離を評価するためにステレオカメラを取り付けたが、安価なベビーモニターを用いても屋根上の積雪状況は容易に評価が可能で、なお、選定した高所作業用ポールは米国１社からのみ市場供給されている状況であり、個人で海外から入手する必要がある。ポールの下端に紐を取り付け、ポールを上下移動させ、紐の移動量を測定することがで、屋根上の積雪高さを簡易に評価することができる。

　研究室には5m、7mの高所作業用ポールがあるが、見栄えの良い撮影を目的に3.5mまでポールを縮めた状態で撮影を実施した。6.5m高さの屋根雪の状況が確認できる。当然であるが屋根雪は無く、雪下ろしの必要がない。屋根の上に登らずに安全に屋根上状況を観察することができた。元々高所作業用に開発されたポールを転用したため、取り回しが簡単で、実際には片手でも安全に作業が行えた。

　こんな装置見たことないけど、誰でも思いつくでしょ。そうです、そうです、誰でも思いつくけど、誰もやっていないので、やってみたという感じだよ。高いところは危ないので登らずに屋根上をもっと、鳥の様に俯瞰的（ふかんてき）に全体を見ることが可能になったよ。これって単純に凄くない？！

　実はこの誰でも思いつく装置のおかげで高齢者屋根上除雪問題が解決できる糸口が見つかったりしている。将来的に誰も屋根上に登らずに消雪・融雪する時代が到来しそうだよ。

ILSVRC2014モデルによる水流の認識実験

　庭の散水消雪・融雪について検討を行っている。画像認識に関するDeepLearning によって学習された分類器がオープンソースとして共有利用されている。ここでは、ImageNet Large-scale Visual Recognition Challenge 2014: ILSVRC2014で優勝したAI画像認識モデルを利用して水流を認識できるか試してみた。開発者たちが水流を認識するように深層学習したかは不明であるが、とりあえず、ILSVRC2014モデルを対象動画に適用してみた。

　もともと水流の認識は、深層学習のアルゴリズム的にも認識が難しいと考えられている。例えば、水流は、特徴的な点が多かったり、形に再現性が無い、カオスな画像となるため、深層学習で認識することは難しそう。実際、下記に示す様に、画素数が荒いと遠い場所に位置する木を人間に、近い場所のArUcoマーカーを椅子に認識しています。肝心の水流については傘として認識しているようです。

　深層学習モデルでは水流の認識が難しいということが予め分かっていたので、異常検知技術を用いた水流を認識するＡＩを作成した。AIアルゴリズムには、ステレオカメラ技法、ArUcoマーカーによる相対位置特定、差分画像の生成、モルフォロジー演算によるノイズ除去などを総和した技術を使用して、なんとなく水流の落下地点がわかったよ。

他の無散水消雪システムとの比較

　昔から融雪による膨大な地下水資源の枯渇化と、それに伴う海岸部周辺の地盤沈下による道路および上下水道などのインフラの破壊が指摘されている。

　近年、日本地下水開発より、家庭用無散水消雪システム「ジョザネ」が提案されている。この製品は、地下水を地下から地上直下までくみ上げ、地下直下に敷設されたパイプ内を循環させることで、水資源を使用せず、その熱のみを取り出し消雪する画期的な方法を提案している。非常に優れたアィデアであり、今後新規に建築される個人宅の融雪システムは無散水消雪型のシステムにしてもらいたいと思った。これら、先行している無散水消雪システムと兼用して後期高齢者地域の除雪支援に関わる融雪・消雪を研究したい。

　本研究室では富山の融雪仕様を計測している。富山県内の融雪に用いられる消雪ユニットは４つ穴で、１つの穴から２４～６０リットル/分の地下水が吐出されていた。2020年12月～2021年2月までの融雪時間は8～16時間であり、1家庭における1カ月に利用する水道量と同等の地下水が融雪装置１ユニットの１つの穴から吐出されていた。これは、過小評価であり、過大評価であれば、１つの穴から７カ月分の地下水が吐出されていた。１ユニットからは、１年の使用量以上の地下水が吐出されたことになる。富山県内には、この融雪ユニットが数キロにわたって敷設されている。無散水消雪システムはSDGsの観点からも望まれる設備であり、富山県外の地下水制限のある地域にとっては、朗報であると思われる。

　また、北越融雪株式会社からは、路面および屋根融雪の、ガス、電気（ヒートポンプ）、灯油、バイオマスを用いた各種融雪設備のサービスが提供されている。こちらも無散水消雪システムとなっており、温水をパイプ内に循環させることで、極短時間に融雪を行う画期的なアイディアで、既に実用実績が多い安定した融雪技術となっている。

　また、弘前のヒロデン株式会社からも、路面および屋根融雪の、ガス、電気（ヒートポンプ）、灯油を用いた各種融雪設備のサービスが提供されている。この会社では、地中熱を利用した融雪システムのサービスも提供している。地中熱を利用した発電など地熱エネルギーを用いた社会インフラの整備が少しずつではあるが、広がっており、その良い適用例の1つと考えられる。

　上述の様に無散水融雪システムは既に実用化されている。先行例との比較を行うと、本研究では再生エネルギーを利用していること。バイオマス融雪利用では、「融雪設備の効率的な再生可能エネルギー活用に関する研究」や、「木質バイオマスを利用した無散水融雪設備」、「小規模な木質バイオマス発電の推進について」などが検討されている。本研究はこれら先行研究の結果を参考に、搬送可能な小型ボイラ・融雪システムを構築し、AI融雪機械によってどのような形状でも融雪対応が可能で、敷設・撤去費用が掛からない安価な個人向けの駐車場、家の前の道路、庭、屋根上雪を対象とした融雪システムの構築を目指している。

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