JP2012154708A - 斜面崩壊感知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構成で、環境温度の変化の影響を抑制し、傾斜計の計測精度を向上させるとともに、通信条件の改善によって計測データをより良好に送信することができる斜面崩壊感知装置を提供する。
【解決手段】この斜面崩壊感知装置２では、半導体回路を有する傾斜計１１が、斜面Ｓの地中に埋設されるとともに、斜面Ｓの地表から離れた位置に、傾斜計によって計測された斜面Ｓの変位を表す計測データをアンテナ１４ｂを介して無線で送信する送信機１４が配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、斜面に設置され、斜面の崩壊を感知するための斜面崩壊感知装置に関する。

我が国では、豪雨・地震による土砂崩れや土石流などの斜面の崩壊が頻発しており、その危険性のある斜面は数万箇所を超えるとも指摘されている。また、そのような斜面はアクセスが容易でない山間地などに多く存在し、斜面の崩壊のほとんどは、小規模斜面の表層滑りとして発生している。このため、できるだけ多くの斜面から崩壊に関する情報を得るために、斜面崩壊感知装置は、安価かつコンパクトであり、設置およびメンテナンスが容易であることが望ましい。また、検出した情報を遠隔の監視地点まで送信できるようにすることが望ましい。

本出願人は、このような観点から開発した斜面崩壊感知装置を、特許文献１にすでに提案している。この斜面崩壊感知装置（以下、単に「装置」という）は、あらかじめ組み立てたセンサユニットと、センサユニットを斜面に設置するための支柱で構成されている。センサユニットは、傾斜計、土壌水分計、電源としての電池、無線通信ユニットや、装置全体の動作を制御するマイコンなどを備えている。これらの構成要素のうち、土壌水分計以外のものは防水ボックス内に一体に組み込まれ、土壌水分計は、支柱付近の地中に埋設されている。防水ボックスには、無線通信ユニットのアンテナが上方に延びるように設けられている。

一方、支柱は、剛性の高い鉄製のアングル材などで構成され、計測を行うべき斜面の所定位置に打込みなどによって立設される。防水ボックスは、支柱の所定の位置、例えば地表から４０ｃｍ程度離れた高さの位置に固定され、設置されている。

傾斜計は、半導体回路などを一体に組み込んだＭＥＭＳ型のものであり、互いに直交する２軸回りの傾斜角を高い精度で計測する。土壌水分計は、斜面の土壌中の水分を計測し、その計測データをケーブルを介して防水ボックス側に送る。これらの計測データは、Ａ／Ｄ変換された後、マイコンに入力され、さらに無線通信ユニットからアンテナを介して、遠隔のリレー中継ユニットなどに無線で送信される。

特開２０１０−１９７１５４号公報

上述した装置に用いられる傾斜計は、半導体回路などを含むため、その出力が環境温度の変化に応じて大きく変化するという特性を有する。これに対し、従来の装置では、支柱に取り付けた防水ボックスに傾斜計が内蔵されているため、季節や昼夜の寒暖によって環境温度が大きく変化し、その影響によって傾斜計の出力がばらつく結果、計測精度が低下するという問題がある。この問題は、例えば温度センサを併用し、それにより検出された温度に応じて傾斜計の計測結果を補正することによって、解消することが可能である。しかし、その場合には、温度センサを新たに設けることが必要になり、装置のコストが増大してしまう。

また、無線通信ユニットのアンテナの送信性能は、地磁気の影響を受け、地表に近いほど、アンテナから送信された計測データに関する電波の電界強度に大きな影響を及ぼすことで、より低下する。これに対し、従来の装置では、アンテナが防水ボックスに設けられ、地表に比較的近い位置に配置されていて、地磁気の影響をより大きく受けるため、アンテナの送信性能を十分に確保しにくいという問題がある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、単純な構成で、環境温度の変化の影響を抑制し、傾斜計の計測精度を向上させるとともに、通信条件の改善によって計測データをより良好に送信することができる斜面崩壊感知装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明は、斜面に設置され、斜面の崩壊を感知するための斜面崩壊感知装置であって、半導体回路を有するとともに、斜面の地中に埋設され、斜面の変位を計測する傾斜計と、斜面の地表から離れた位置に配置されたアンテナを有し、傾斜計によって計測された斜面の変位を表す計測データをアンテナを介して無線で送信する送信機と、を備えることを特徴とする。

この斜面崩壊感知装置によれば、傾斜計によって計測された斜面の変位を表す計測データが、送信機からアンテナを介して無線で送信される。この傾斜計は、半導体回路を有するため、前述したように、その出力が、季節や昼夜の寒暖による環境温度の変化に応じて大きく変化するという特性を有する。また、地中は、地上に比べて環境温度の変化が小さい。本発明によれば、傾斜計を斜面の地中に埋設するので、環境温度の変化の影響を抑制し、傾斜計の計測精度を向上させることができる。

これに対し、アンテナは傾斜計とは別個に斜面の地表から離れた位置に配置されるので、アンテナを地表から可能な限り遠い位置に配置することによって、地磁気の影響を抑制でき、したがって、計測データをより良好に送信することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の斜面崩壊感知装置において、傾斜計は、底面が平らなケースに収容されていることを特徴とする。

この構成によれば、傾斜計を収容したケースを水平な部材、例えばはりなどに載せた状態で取り付けることによって、傾斜計を、所定の角度に位置決めしながら容易に設置することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の斜面崩壊感知装置において、計測された斜面の変位が所定量以上であるか否かを判別する判別手段と、判別手段によって斜面の変位が所定量以上であると判別されたときに、傾斜計が転倒していると判定する転倒判定手段と、をさらに備えることを特徴とする。

傾斜計が転倒すると、斜面の変位を適切に計測することができなくなる。本発明によれば、計測された斜面の変位が所定量以上であると判別されたときに、傾斜計が転倒していると判定するので、転倒した傾斜計で計測された不適切な計測データの採用を回避することができる。また、傾斜計の転倒をそれ自身の出力値を用いて判定するので、傾斜計の転倒を検出するための専用のセンサを別個に設ける必要がなく、その分、コストを削減することができる。

本発明の一実施形態による斜面の監視システムを概略的に示す図である。 斜面への斜面崩壊感知装置の設置状況を模式的に示す図である。 斜面崩壊感知装置の構成を模式的に示す図である。 第１傾斜計を収容したケースの断面図である。 計測データ決定処理を示すメインフローである。 リレー中継ユニットの構成を模式的に示す図である。 斜面崩壊感知装置の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に示すように、本発明の一実施形態による斜面の監視システム１は、監視を行うべき斜面Ｓ（図２参照）に設置された複数の斜面崩壊感知装置２と、これらの斜面崩壊感知装置２に、無線ＷＬや、携帯電話ネットＰＮ、インターネットＩＮを介して順次、接続された、複数のリレー中継ユニット３、中継器４、携帯センター５、中央監視装置６およびユーザー端末７などで構成されている。

図２および図３に示すように、各斜面崩壊感知装置２は、第１および第２傾斜計１１，１２、土壌水分計１３、無線通信ユニット１４、メモリ１５、電源１６およびマイコン１７を備えている。第１傾斜計１１および土壌水分計１３以外の構成要素は、防水性および防塵性を有する防水ボックス１８内に一体に組み込まれている（図３参照）。防水ボックス１８は、斜面Ｓの所定位置に設けられた支柱２０に、斜面Ｓの地表から所定の距離（例えば約１００〜１５０ｃｍ）離れた高さの位置に固定され、設置されている。

第１傾斜計１１は、ＭＥＭＳ技術を利用した傾斜計であり、水平面内の互いに直交する２軸（Ｘ軸およびＹ軸）回りの傾斜角を計測するように構成されている。具体的には、第１傾斜計１１は、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ延びる２組のばねと、これらのばねに連結されたおもりと、半導体回路（いずれも図示せず）を有している。半導体回路は、おもりの変位量に応じて、第１Ｘ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｘおよび第１Ｙ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｙ（以下、総称するときは「第１傾斜角ＡＮＧ１」とする）を表す検出信号を出力する。この検出信号は、Ａ／Ｄ変換された後、ケーブル２２を介してマイコン１７に入力される。この第１傾斜計１１の精度は０．００２５度、消費電力は５Ｖ、４ｍＡであり、電源投入後、５０ｍｓ以内に計測を終了することが可能である。

図４に示すように、第１傾斜計１１は、ケース１９に収容されている。このケース１９は、円筒状のケース本体１９ａと、ケース本体１９ａの上下面を閉鎖する板状の上蓋１９ｂおよび下蓋１９ｃで構成されている。第１傾斜計１１は、下蓋１９ｃの上面に、ケース１９に対して所定の角度に位置決めした状態で配置され、例えばエポキシ樹脂ＥＰで接着されている。また、ケース１９内には、少なくとも第１傾斜計１１とケーブル２２との接続部が埋まるように、シリコン樹脂ＳＩが充填されている。このケース１９は、地中に鉛直に打ち込まれた支柱２１に、第１傾斜計１１のＸ軸およびＹ軸を所定の方向に位置決めした状態で、２本のバンドＢ，Ｂで固定されるとともに、地中に埋設されている。これにより、第１傾斜計１１は、斜面Ｓの地中に水平に埋設され、この状態での第１Ｘ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｘおよび第１Ｙ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｙは、所定の角度（例えば０°）である。また、ケーブル２２は、上蓋１９ｂの孔１９ｄを通って防水ボックス１８側に延び、マイコン１７側に接続されている。

第２傾斜計１２は、第１傾斜計１１が転倒したときに、傾斜角を補完的に計測するためのものである。第２傾斜計１２は、第１傾斜計１１と同様、ＭＥＭＳ技術を利用した傾斜計で構成されており、互いに直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）回りの傾斜角（ＡＮＧ２Ｘ，ＡＮＧ２Ｙ，ＡＮＧ２Ｚ）を、第２傾斜角ＡＮＧ２として計測する。この第２傾斜角ＡＮＧ２は、Ａ／Ｄ変換された後、マイコン１７に入力される。この第２傾斜計１２の精度は０．０４度、消費電力は５Ｖ、４ｍＡであり、電源投入後、５０ｍｓ以内に計測を終了することが可能である。

土壌水分計１３は、防水ボックス１８付近の斜面Ｓの地中に埋設され、例えば土の含水率を誘電率を介して計測するＴＤＲタイプのものであり、その精度は±３％である。その計測データは、Ａ／Ｄ変換された後、ケーブル２３を介して、マイコン１７に入力される。

無線通信ユニット１４は、省電力タイプのユニット本体１４ａとアンテナ１４ｂを有している。アンテナ１４ｂは、防水ボックス１８の上面に設けられ、上方に延びており、ケーブル１４ｃでユニット本体１４ａに接続されている。無線通信ユニット１４は、マイコン１７から出力され、Ａ／Ｄ変換された計測データを、アンテナ１４ｂを介してリレー中継ユニット３に無線ＷＬで送信する。その送信可能距離は、公称で約３００ｍであり、見通しの良い場所では最大約１２００ｍに及ぶことが確認されている。

メモリ１５は、バックアップ用のものであり、ＳＤメモリなどの着脱式のメモリで構成され、マイコン１７から出力された計測データを記憶する。

電源１６は、４本の単三アルカリ乾電池で構成されており、第１および第２傾斜計１１，１２、土壌水分計１３、無線通信ユニット１４およびマイコン１７の駆動源となるものである。

マイコン１７は、斜面崩壊感知装置２全体の動作を制御するものであり、調停消費電流タイプのマイコンチップで構成されている。また、マイコン１７は、記憶されたプログラムに基づくスリープ（休止）機能を有しており、第１および第２傾斜計１１，１２および土壌水分計１３による計測および無線通信ユニット１４による計測データの送信を、所定時間（例えば１分）ごとに行うとともに、この計測・送信時間以外は、マイコン１７自身、第１および第２傾斜計１１，１２、土壌水分計１３および無線通信ユニット１４をスリープ状態に維持することで、消費電力がほぼ０に制御される。また、マイコン１７は、計測された第１傾斜角ＡＮＧ１に応じて、第１傾斜角ＡＮＧ１または第２傾斜角ＡＮＧ２のいずれを計測データとしてリレー中継ユニット３に送信するか否かを決定する。

図５は、この計測データ決定処理を示すフローチャートである。本処理は、計測データの送信間隔よりも短い所定時間ごとに実行される。本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、第１傾斜計１１で計測された第１Ｘ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｘまたは第１Ｙ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｙが所定角度ＡＮＧＲＥＦ（例えば３０°）以上であるか否かを判別する。

この判別結果がＮＯで、第１Ｘ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｘおよび第１Ｙ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｙがいずれも所定角度ＡＮＧＲＥＦよりも小さいときには、第１傾斜計１１が転倒していないとして、そのことを表すために、転倒フラグＦ＿ＦＡＬＬを「０」にセットし（ステップ２）、本処理を終了する。このように転倒フラグＦ＿ＦＡＬＬが「０」のときには、斜面Ｓの傾斜角を表す計測データとして、第１傾斜計１１で計測された第１傾斜角ＡＮＧ１が、無線通信ユニット１４を介してリレー中継ユニット１３に送信される。

一方、前記ステップ１の判別結果がＹＥＳで、第１Ｘ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｘおよび／または第１Ｙ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｙが所定角度ＡＮＧＲＥＦ以上のときには、第１傾斜計１１が転倒しているとして、そのことを表すために、転倒フラグＦ＿ＦＡＬＬを「１」にセットし（ステップ３）、本処理を終了する。このように、転倒フラグＦ＿ＦＡＬＬが「１」で、第１傾斜計１１が転倒していると判定されたときには、斜面Ｓの傾斜角を表す計測データとして、第１傾斜角ＡＮＧ１ではなく、第２傾斜計１２で計測された第２傾斜角ＡＮＧ２が、無線通信ユニット１４を介してリレー中継ユニット３に送信される。

各リレー中継ユニット３は、斜面崩壊感知装置２から離れた場所に設置されており、複数の斜面崩壊感知装置２から無線ＷＬで送信された複数の計測データを受信するとともに、中継器４に無線ＷＬで転送するものである。図６に示すように、各リレー中継ユニット３は、防水ボックス１８内に、無線通信ユニット１４、メモリ１５、電源２６およびマイコン１７などを一体に組み込んだものであり、すなわち、第１および第２傾斜計１１，１２および土壌水分計１３がないことを除き、基本的に斜面崩壊感知装置２と同じ構成になっている。

また、リレー中継ユニット３では、斜面崩壊感知装置２よりも消費電力が大きくなることが想定されるため、電源２６は単一アルカリ乾電池とソーラ電池で構成されている。無線通信ユニット１４で受信した計測データは、中継器４に転送される他、マイコン１７に入力され、メモリ１５に記憶される。

中継器４は、リレー中継ユニット３から離れた場所に設置されている。中継器４は、複数のリレー中継ユニット３から無線ＷＬで送信された計測データを受信し、そのデータ形式やプロトコルを携帯電話ネットＰＮやインターネットＩＮで送信可能なものに変換するとともに、携帯電話ネットＰＮを介して携帯センター５に一括して送信するものである。携帯センター５に送信された計測データはさらに、インターネットＩＮを介して中央監視装置６に転送される。

中央監視装置６は、監視サーバ８および監視データベース９を備えている。監視サーバ８は、送信された計測データに基づき、所定の解析プログラムに従って、斜面Ｓの安定解析を行うことによって、斜面Ｓの安定性をリアルタイムで評価する。この安定解析は、例えば、第１または第２傾斜計１１，１２で計測された斜面Ｓの第１傾斜角ＡＮＧ１または第２傾斜角ＡＮＧ２から、斜面Ｓの各計測点における変位を算出し、算出された変位と土壌水分計１３で計測された斜面Ｓの含水率、およびそれらの推移などに基づいて、斜面Ｓの崩壊に対する安全率Ｆｓを算出することによって、行われる。斜面が崩壊する際には、その兆候として、斜面の変位および水分の飽和度が上昇することが多いので、上記のような安定解析によって、斜面Ｓの安定性を適切に評価することができる。

また、この安定解析の結果、安全率Ｆｓが低下し、斜面Ｓが崩壊するおそれが生じたと認められる場合には、安全率Ｆｓの推移などから、斜面Ｓが崩壊するまでの予測時間Ｔｆを算出し、それに基づいて警報情報を設定する。また、監視データベース９は、中央監視装置６に送信された計測データや、算出された安全率Ｆｓなどの情報を記憶する。

ユーザ端末７は、パソコンや携帯電話で構成され、インターネットＩＮを介して、中央監視装置６と通信可能であり、随時、中央監視装置６にアクセスし、監視データベース９内の情報を読み出すことができる。また、あらかじめメールアドレスを登録したユーザ端末７には、監視サーバ８から上述した警報情報が配信されるようになっている。

以上のように、本実施形態によれば、半導体回路を有する第１傾斜計１１が、温度が比較的安定した斜面Ｓの地中に埋設されるので、環境温度の変化の影響を抑制し、第１傾斜計１１の計測精度を向上させることができる。

これに対し、アンテナ１４ｂは第１傾斜計１１とは別個に斜面Ｓの地表から離れた位置に配置されるので、アンテナ１４ｂを地表から可能な限り遠い位置に配置でき、それにより、地磁気の影響を抑制でき、その結果、計測データをより良好に送信することができる。

また、第１Ｘ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｘまたは第１Ｙ軸傾斜角ＡＮＧ１Ｙが所定角度ＡＮＧＲＥＦ以上のときに、第１傾斜計１１が転倒していると判定し、その場合には、中央監視装置６に送信される計測データとして第２傾斜角ＡＮＧ２を用いるので、第１傾斜角ＡＮＧ１に基づく不適切な安全率Ｆｓの算出を回避し、警報情報の信頼性を維持することができる。

さらに、第１傾斜計１１の転倒を、第１傾斜計１１で計測された第１傾斜角ＡＮＧ１を用いて判定するので、第１傾斜計１１の転倒を検出するための専用のセンサを別個に設ける必要がなく、その分、コストを削減することができる。

図７は、斜面崩壊感知装置２の変形例を示している。この変形例では、ケース１９の取付方法が異なる。すなわち、ケース１９は、地中に埋設した水平なはり３０に載せられ、ねじ（図示せず）などで固定されている。この構成により、第１傾斜計１１を、所定の角度に位置決めしながら容易に設置することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、第１傾斜計１１を収容するケース１９は、実施形態では円筒状であるが、これに限らず、例えば直方体状でもよい。この場合には、支柱をアングル材や角柱の部材で構成し、ケースの側面を支柱に当接した状態でケースを取り付けたり、変形例のようにケースをはりに載せた状態で取り付けたりすることによって、第１傾斜計１１を容易に位置決めしながら設置することができる。

また、実施形態では、第１傾斜計１１はＭＥＭＳ型のものであるが、これに限らず、半導体回路を有するものである限り、他のタイプの傾斜計を用いてもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

２ 斜面崩壊感知装置
１１ 第１傾斜計（傾斜計）
１４ 無線通信ユニット（送信機）
１４ｂ アンテナ
１７ マイコン（判別手段および転倒判定手段）
１９ ケース
Ｓ 斜面
ＡＮＧ１ 第１傾斜角（斜面の変位）
ＡＮＧＲＥＦ 所定角度（所定量）

Claims (3)

1. 斜面に設置され、当該斜面の崩壊を感知するための斜面崩壊感知装置であって、
   半導体回路を有するとともに、前記斜面の地中に埋設され、当該斜面の変位を計測する傾斜計と、
   前記斜面の地表から離れた位置に配置されたアンテナを有し、前記傾斜計によって計測された斜面の変位を表す計測データを前記アンテナを介して無線で送信する送信機と、
   を備えることを特徴とする斜面崩壊感知装置。
2. 前記傾斜計は、底面が平らなケースに収容されていることを特徴とする、請求項１に記載の斜面崩壊感知装置。
3. 前記計測された斜面の変位が所定量以上であるか否かを判別する判別手段と、
   当該判別手段によって前記斜面の変位が所定量以上であると判別されたときに、前記傾斜計が転倒していると判定する転倒判定手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の斜面崩壊感知装置。

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