JP2004030495A - 測定方法および測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】自動検針等、自動計量施設を確実に行うことを目的とする。
【解決手段】対象物の物理量を測定し測定信号を出力し、建造物構造体，流体物供給管或いは電力供給線に電気エネルギーを注入し、二つの電解を利用して、測定信号の授受を行うように構成した。
【効果】導入・維持が容易で、建物間の独立性を確保し、大規模で複雑な構造をもつ建物内に敷設された自動検針を一括して稼動監視・操作制御できる無線通信システムを提供することができる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定方法および測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
使用量に対し対価を要求するシステムの中で、消費地点でしか使用量を計測できない設備（従量制消費財：電力，水道，熱量，レンタル機器使用回数）は、人手による目視検針か、通信を使用した遠隔検針により計量を実施している。同様に蓄積内残量を計量できる設備（自動販売機）は、人手による残数調査と補充を実施するか、補充前の遠隔計量を実施している（遠隔検針のコンピュータによる自動化されたものを以後自動検針と称する）。
【０００３】
一般的に、ネットワークを形成するシステムは、ネットワーク線路が有線及び／又は無線の構成となっている。例えば、電力の課金分野で、自動検針を行う上位計算機を含む計量装置の諸設備を接続するための有線ネットワークの例としては、バス型，リング型の接続形態をもつ汎用ＬＡＮがある。また、無線ネットワークの例としては、ＧＨｚ帯の周波数を利用したスター型ネットワーク（ＩＥＥＥ
８０２．１１準拠の無線ＬＡＮ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，赤外線通信等）がある。これは、計量装置等を備えた施設でも同様である。
【０００４】
また、自動検針の分野では、各計量を行うための計量機器（電力量計，ガスメータ，水道メータ）の監視・制御を種別ごとに管理し全種類に対して、自動検針を担う施設内コンピュータ（検針装置）と従量制消費財供給者のオンラインシステムコンピュータとを連携させ、各種別毎課金・徴収システムとして構成することが通例となっている。上述した既存の無線通信装置を組み合わせた自動検針システムでは、計量装置故障，各種異常（漏電，ガス漏れ）の監視や自動遮断に利用する。また、小規模な施設フロア等では、情報ＬＡＮとして敷設された有線のＬＡＮに代えて、電波が到達可能な見通しの良い範囲で無線ＬＡＮに移行・併用するケースも増えている。この点についても、自動検針施設も同じである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無線ＬＡＮ、例えばＧＨｚ帯を利用する無線ＬＡＮでは、その使用電波の周波数特性から、以下に示す課題がある。
（１）アクセスポイント（親局）とクライアント（子局）との間に所定の空中線電界強度を得るために、局間の見通しを確保する必要があり、建物内の設備の配置計画時、設備の移設時に局配置に制約を受けやすく、導入・維持管理コストの削減に限界がある。
（２）建屋外に電波の漏れが生じやすい周波数帯であり、隣接した建屋の無線
ＬＡＮ間で混信が発生しやすく、建物ごとの独立性が確保しにくい。
（３）既設の無線通信（ＩＥＥＥ８０２．１１やＰＨＳ，赤外線通信等）で構築されたサービスに加え、新たなサービスを無線通信で構築しようとする場合、混信なく併設可能となる無線通信の選択肢が限定される。
【０００６】
従来から、施設内の自動検針分野でのデータ伝送には、上記のＧＨｚ帯を利用したネットワーク（ＬＡＮ）や、各計量器同士の近傍で赤外線通信等を利用した非接触伝送等の、種々の無線技術が使われてきたことは上記のとおりである。
【０００７】
しかるに、大規模で複雑な建物内の設備配置から構成される検針設備に無線技術を適用するには、特に上記（１）の課題に対して、何らかの改良が行われることが強く望まれている。
【０００８】
例えば、電力料金，水道料金，ガス代，全種別を統括して自動検針をするために、無線ＬＡＮの機器を各計量装置（電力量計，水道計，ガスメータ）に装備して利用する場合を想定しよう。大規模な集合住宅（集合ビル）では、建物内の設備や建屋・壁の複雑な配置との位置関係が原因となり、また人や荷物が通過する場合等には、子局と親局間の見通しが利かないばかりか、これらの人や荷物が通信経路を遮断する障害物となる。そのため、無線通信を適用できる範囲は、上述したように、少数の計量装置単位に個別の非接触通信方式を導入し、個々の計量装置を管掌する範囲で検針装置コンピュータの範囲でデータ適用しているのが現実である。しかるに、集合住宅全体を通して自動検針管理する場合には、少数の計量装置単位にフロアー毎や、計量種別，識別する補助入力番号補完して、上位コンピュータにて一括管理するシステムを構成している。このような積み上げ方のデータ適用では、現場の設備，検針装置からネットワークを経て上位コンピュータに到る全体を通したデータのやりとりが複雑となる。さらに、各計測装置の追加・修正や、構成見直し等の際には、検針装置から上位コンピュータまでの大規模な範囲に対して、整合のとれたシステム改修計画を立案し実施することも必要となる。
【０００９】
そこで、本発明は、自動検針を行う施設は自動計量施設におけるかかる課題を解決することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、導電体の建造物構造体，導電体の流体物供給管或いは導電性の電気供給管に高周波電流を誘起し、前記被誘起体を伝播路として作用させて電磁界を発生させ、対象物の物理量を測定し測定信号を出力するものであって、前記測定信号の授受は前記電磁界を利用してなされるように構成した。
【００１１】
なお、「無線通信に対して障害となり得る物体が行き交う」における「物体」とは、例えば人，荷物，製品，施設を行き交うものである。ちなみに、施設に固定的に配置された設備・機器類も、無線通信に対して障害になり得る物体である。
【００１２】
また、前記課題を解決した本発明は、計量器を持つ施設，計測器を持つ施設に設置され、コンピュータと前記施設内の計測器との通信をエバネセントモードで行う通信装置であって、前記施設に配された導体に高周波電流の電気エネルギーを注入して当該施設内にエバネセントモードの電場を形成する電気エネルギー注入器と、前記コンピュータ及び前記搬送手段との間で送受される情報を前記電気エネルギーとの間で相互変換する変換器と、を有する施設内通信装置とした。
【００１３】
これら構成によれば、導入・維持が容易で、建物間の独立性を確保し、既設の無線通信方式と併設が可能な無線通信を実現できる。また、大規模で複雑な構造をもつ建物内に敷設された自動検針を一括して稼動監視・操作制御できる無線通信システムを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
まず、本実施形態で使用されるエバネセント通信技術（エバネセントモードを用いた通信技術）について説明する。その次に、このエバネセント通信を用いてネットワークを構成する実施形態（自動検針への適用例）の説明を行う。
【００１６】
〔エバネセント通信技術〕
エバネセント通信技術は、無線通信路である空中伝播に用いる高周波電界のモードに、エバネセントモードを用いるものである。エバネセントモードとは、例えば金属面で取り囲まれた導波管の形状，寸法で定まるカットオフ周波数以下の高周波を用い、管の長さ方向に指数関数状に減衰する高周波電界によって電気エネルギーを伝えるモードである。一般に、多くの導波管では、導波管の長さ方向に位相変化しながら、振幅が周期的に変化する進行波を伝播させることが知られている。一方、エバネセントモードは位相変化を起こさないため、指数関数状に振幅が単調減少する安定した電場が得られることに特徴がある。エバネセント通信技術は、建物を導波管と見立て、建物の内部にエバネセントモードを形成する。
【００１７】
エバネセントモードの形成は次のように行われる。
（１）建物に高周波電流を注入する。注入された高周波電流が、壁内の鉄骨，電線管等を誘起する。
（２）高周波電流が、建物内で電気的に接続された鉄骨，電線管等が給電路として作用し、各部屋の壁までエネルギーを伝える。
（３）そして、部屋を取り囲む壁が、次の２つの物理現象によってエバネセントモードを室内に形成する。
（ａ）導波管の注入面として動作し、壁面に垂直な方向に指数的に減衰するエバネセント波を作り出す。
（ｂ）電導体の表面に誘電体が接触した「２層の表面波線路」を形成し、誘電体の中を壁面に平行な方向に高周波電流が進行波として伝播し、誘電体の表面から室内に向かう壁面に垂直な方向に指数関数的に減衰するエバネセント波を作り出す。
【００１８】
上記（３）（ａ）の電磁波挙動は、導波管のカットオフ周波数以下でのエバネセントモードであり、「Ｔｈｅ　Ｆｅｙｎｍａｎ　Ｌｅｃｔｕｒｅｓ　ｏｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ．　ＩＩＩ，　Ｃｈａｐｔｅｒ　３　“Ｗａｖｅ　Ｇｕｉｄｅ”，Ｆｅｙｎｍａｎ，　Ｌｅｉｇｈｔｏｎ　ａｎｄ　Ｓａｎｄｓ，　Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　（１９６５）」に解説がある。また、上記（３）（ｂ）の電磁波挙動は、電導体と誘電体とを組み合わせた表面波線路からのエバネセン波であり、「稲垣直樹著，“電気・電子学生のための電磁波工学”丸善（１９８０）」に解説がある。
【００１９】
エバネセント通信の原理を、図１を参照してより具体的に説明する。図１は、エバネセント通信技術の具体的な原理を図示したものである。建物１は、鉄骨等の構造物２が機械的に接合されたものであり、構造物２が電気的にも接続されたものとなっている。さらに、建物１の壁内，床・天井間もしくは部屋内には、水道管３，電線管・ケーブルトレイ・ダクト４等金属性のものが配置されている。アクセスポイント（親局）は、建物構造物２，水道管３，電線管・ケーブルトレイ・ダクト４等の電導体に対して高周波電流を注入し建物内の各部屋にエバネセントモードの電場を形成するための電気エネルギー注入器５（以下、エキサイタと称す）と、データ・制御信号を電気エネルギーとの間の相互変換を行うためのハブ６から構成されている。ハブ６は、有線或いは無線によるネットワークシステム７によって、建物１内或いは建物１外の図示しない通信システム或いはサーバと接続されている。このように、導電体に高周波電流が誘起され、伝播路を伝播し、電磁界を発生させる。この電磁界を利用して通信をおこなう。
【００２０】
建物１内には、クライアント（子局）が、エバネセントモードの空中線電界とエネルギー交換するアンテナ（プローブ）８が接続された端末９として配置されている。図１の端末９は、ネットワークシステム７と接続された図示しない通信システム或いはサーバとの間でデータ交換を行う。
【００２１】
なお、エキサイタ５は上位概念では「電気エネルギー注入器」に相当し、ハブ６は上位概念では「変換器」に相当する。また、端末９は「搬送可能な装置」にも「固定式の装置」にも適用できる。
【００２２】
このエバネセント通信技術では、例えば短波帯近傍の高周波を用いることにより、建物１の内部に空中線電界強度を得られ、見通しの遮られた個々の部屋への通信が可能となる。また、建物固有のカットオフ周波数以下での運用によって、建物１の外部への空中線電界の漏洩がないため、建物１ごとに独立した通信環境を確立することが可能となる。
【００２３】
ちなみに、図２に他の無線通信方式との比較をした結果を示すが、この図からエバネセント通信が優れていることが理解される。また、図２には示さなかったが、導入のしやすさについても、建物にエキサイタ５（及びハブ６）を追加するだけでよく、エバネセント通信は他の方式よりも優れている。なお、到達距離が建物内であるので、盗聴等に対してのセキュリティが高いといえる。
【００２４】
次に、本発明の実施形態を、電力量の遠隔検針技術（以下自動検針という）分野で電力量を計測する為の機器（電力量計）の電力量計測，漏電監視に関連付けて、エバネセント通信技術を用いた無線ＬＡＮの応用について説明する。しかし、本実施形態は、本開示の範囲を、以下に示す機器の種類，機器の接続形態，機器間のデータ・制御信号の伝送プロトコルにのみ限定するものではなく、この好適な実施形態は、無線通信と有線通信を併用したネットワークシステムの機能及び入出力インターフェース及びこれらを実装するデバイスに適用可能である。
【００２５】
〔自動検針への適用例１〕
次に、エバネセント通信技術を計量器のある施設に適用した実施形態である適用例１を説明する。
【００２６】
図３は、図１に示したエバネセント通信技術を用いた自動検針の概要を示す図である。図３に示す自動検針では、建物内に設置された設備への供給量を自動計量するために、課金・徴収ホストコンピュータ（１７，１８，１９，２０）と、検針装置１４，計量装置（計測あるいは測定とも称す）１０，１１，１２，１３…とがネットワークで接続されている。また、この自動検針施設では、ホストコンピュータにて設定された監視機能に従って、ネットワーク経由で各計量装置
１０，１１，１２，１３…の動作指示がなされる。各計量装置１０，１１，１２，１３…の稼動状況をはじめとしたリアルタイム監視情報や、設備の稼動実績や製品の生産実績等は、エバネセント通信により課金・徴収ホストコンピュータに転送される。ホストコンピュータは、上位概念では「コンピュータ」或いは「電子計算機」に相当する。
【００２７】
なお、図３において、設備としての計量装置（１０，１１，１２，１３）は、図中の吹出しに示すように、子局１５（図１における符号５に相当）を備えている。更に、検針装置１４もエキサイタ（親局）１６（図１における符号８，９に相当）を備えたものになっている。
【００２８】
ちなみに、この検針装置１４を有する建物は、図１に示した建物１のような構成をしており、エキサイタ５及びハブ６から構成される親局を介して、計量装置１０，１１，１２，１３…と検針装置１４とがエバネセントモードによる通信を行えるようになっている。
【００２９】
このような、構成を有する適用例１の検針装置１４では、計量装置１０，１１，１２，１３が、構造物の裏側や床や天井の裏側や他の設備の裏側に回り込んでも、他の通信方式に比べて良好な回り込み特性により良好な通信を行うことができるので、見通しの遮断によるエラー率の悪化等がない。よって、計量装置１０，１１，１２，１３を確実に動作させることができる。一方、人・荷物よって、見通しを遮断される場合もあるが、このような場合も遮断される側の他の計量装置１０，１１，１２，１３や検針装置１４も良好な通信を行うことができる。これは、人や荷物等の無線通信に対して障害となり得る物体が、例えば計量装置
１０，１１，１２，１３の見通しを遮断する場合も同じである。つまり、従来の通信では障害物となり得るような物体の存在の有無にかかわらず、エバネセントモードでは良好な通信を行うことができる。
【００３０】
また、大規模で複雑な構造をもつ建物内に敷設された計量装置群（供給施設）を一括して使用量監視・操作制御できる通信システムを構築することが可能となる。
【００３１】
以上、適用例１によれば、計量装置１３に備えられる子局１５，検針装置１４に備えられるエキサイタ（親局）１６との間に、見通しを遮る障害物があっても安定したエバネセント通信による接続状態を確立できる。
【００３２】
なお、子局１５（図３等参照）が、建物１内に配置された各設備１１，１５…へのデータ転送・中継機能を有するインターフェース装置を備えるようにしてもよい。前記の適用例１（図３参照）では、計量装置１０，１１，１２，１３及び検針装置１４と子局１５との間のデータ転送・中継機能に用いる接続形態や伝送プロトコルの組み合わせは、各装置１１，１２…の既設インターフェースと整合を持たせた設計が可能である。
【００３３】
具体的には、現場設置の計量装置とのインターフェースとして、接続形態は
ＬＡＮによるものとし、伝送プロトコルはＴＣＰ／ＩＰとする組み合わせが可能であるし、アナログ計装データを収集するためのＲＳ−２３２Ｃ，ＧＰＩＢ等のインターフェースを、計量装置１０，１１，１２，１３の側に装備することも可能である。また、現場警報，保護装置のリレー接点の監視・制御のために、デジタル入出力インターフェースを装備することも可能である。その他、レガシーなＰＩ／Ｏのレパートリ，デファクトの計装ネットワーク（Ｄｅｖｉｃｅ　Ｎｅｔ、Ｌｏｎ　Ｗｏｒｋｓ等），自律分散ミドルウェア等に対応した伝送プロトコルとその実装インターフェースの組み合わせが可能である。
【００３４】
さらに、子局１５に、エバネセント通信接続のための送受信用のプローブに加えて、既存の無線通信接続（ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮ等）のためのアンテナを併設して、有線通信接続だけでなく無線によるデータ転送・中継を提供することも可能である。
【００３５】
このようにすることで、エバネセント通信技術が担う物理層の上に構築するデータリンク層，ネットワーク層，トランスポート層，アプリケーション層に最適な実装手段を組み合わせて、生産施設，製造装置の監視制御に最適な情報伝送を実現することができる。
【００３６】
以上はエキサイタ１６（図３等参照）を建物１の中に１つだけ設置するものであったが、複数のエキサイタ１６を設置するようにしてもよい（親局を複数設置するようにしてもよい）。以下、複数のエキサイタ１６を設置した適用例を説明する。
【００３７】
〔自動検針への適用例２〕
図４を参照して適用例２を説明する。図４は、エバネセント通信により位置を推定する原理を示す模式図及び位置推定装置のブロック図である。なお、適用例１では、エキサイタ１６及びハブ２１を含んで親局が構成されるものとしたが
（図３等参照）、この適用例６の説明では、エキサイタ１６（１６ａ，１６ｂ）を親局１６（１６ａ，１６ｂ）とする。
【００３８】
図４では、搬送周波数（中心周波数）の異なる複数の親局１６ａ，１６ｂを建物１に設置する。建物１内に設置してある計量装置１０（子局１５）は、適宜通信に使用する周波数を切り替える構成を有している。つまり、エバネセント通信を行う親局１６ａ，１６ｂを選択する。そして、親局１６側の位置推定装置でそれぞれの通信強度を検知し、親局１６ａ，１６ｂと計量装置１０との距離を推定し、建物１内での計量装置１０の位置を推定する。
【００３９】
なお、図４は、建物１の平面図であり、２つの親局１６（第１親局１６ａ，第２親局１６ｂ）が建物の１面（１壁面）に「所定距離」離間し、かつ床からある高さを持って設置してある（エキサイタ１６ａ，１６ｂを基準にしての位置）。また、この図４は、建物１の壁面に計量装置１０が固定しているところを模式的に示してある。また、図４は、位置推定装置は親局１６側に設けられ、通信強度検出手段，距離推定手段，距離テーブル，位置推定手段を含んで構成されていることを示している。
【００４０】
ここで、親局１６側に設けられる位置推定装置の各手段の機能を説明する。
【００４１】
通信強度検出手段は、第１親局１６ａと計量装置１０がエバネセント通信を行っているときは、その強度（「第１の通信強度」）を検出する機能を有する。また、第２親局１６ｂと計量装置１０がエバネセント通信を行っているときは、その強度（「第２の通信強度」）を検出する機能を有する。
【００４２】
以上説明した本発明は、前記した実施形態（適用例１とその変形例）に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。また、適用例１とその変形例を適宜組み合わせて実施することができる。
【００４３】
例えば、実施形態での説明では検針装置を事例として、供給量の計量の典型的な作業の流れを図示して引用した。しかし、本発明は、本例のようなエネルギー供給での自動検針とそのデータ伝送に限らず、他の分野の残量の計測の自動販売機の残量・故障監視にも適用可能である。
【００４４】
また、建物の規模の大小を問わずにエバネセント通信技術を適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、建物の建物内部に所定の空中線電界強度を得られ、見通しの遮られた場合でも確実な通信が可能となる。また、建物外部への空中線電界の漏洩がないため、建物ごとに独立した通信環境を確立することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エバネセント通信技術の具体的な原理を示す図である。
【図２】他の無線通信方式との比較をした結果を示した図である。
【図３】自動検針分野での、エバネセント通信技術の適用形態の一例を示す図である。
【図４】エバネセント通信により位置を推定する原理を示す模式図及び位置推定装置のブロック図である。
【符号の説明】
１…建物、２…構造物、３…水道管、４…電線管・ケーブルトレイ・ダクト、５…エキサイタ、６，２１…ハブ、７…外部ネットワークシステム、８…プローブ、９…端末、１０〜１３…計量装置、１４…検針装置、１５…子局（計量装置内蔵）、１６…エキサイタ（親局）、１７〜２０…課金・徴収ホストコンピュータ（コンピュータ）、２２…エバネセント通信。

Claims (9)

1. 導電体の建造物構造体，導電体の流体物供給管或いは導電性の電気供給管に高周波電流を誘起し、前記被誘起体を伝播路として作用させて電磁界を発生させ、対象物の物理量を測定し測定信号を出力するものであって、前記測定信号の授受は前記電磁界を利用してなされる測定方法。
2. 請求項１において、前記電磁界を利用して親局から子局に信号を送信するものであって、前記子局から前記親局に送信し、前記子局において前記測定がなされる測定方法。
3. 請求項２において、前記子局は複数設置され、前記親局は前記複数の子局に対して共通的に通信する測定方法。
4. 請求項３において、前記子局の情報は、前記共通の親局を介して、複数の内の選択された電子計算機に送られる測定方法。
5. 請求項４において、前記電子計算機は前記測定量に基づいて課金処理をする測定方法。
6. 請求項２において、前記測定される物理量は、電力量，水道使用量，ガス使用量或いはレンタル機器使用回数である測定方法。
7. 請求項１において、前記子局と前記親局との間の通信に用いる周波数は、複数の周波数の中から選択する測定方法。
8. 導電体の建造物構造体，導電体の流体物供給管或いは導電体の電力供給管に高周波電流を誘起し、前記被誘起体を伝播路として作用させて電磁界を発生させる手段と、対象物の物理量を測定し測定信号を出力する手段を有し、前記測定信号の授受は前記電磁界を利用してなされる測定システム。
9. 導電体の建造物構造体，導電体の流体物供給管或いは導電体の電気供給管に高周波電流を誘起し、前記被誘起体を伝播路として作用させて電磁界を発生させる手段と、対象物の物理量を測定し測定信号を出力する手段を有し、前記測定信号の授受は前記電磁界を利用してなされる測定システム。

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