JP2017096703A - ガス計測装置およびガス濃度可視化システム、ならびに掘削現場の監視方法 - Google Patents
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Description
例えば、メタンガスは、無色無臭の気体であり、人の五感による感知は困難であるため、燃焼式や光学式のガスセンサを用いて検知を行う必要がある。
公知のガスセンサは、測定箇所における被検出ガスの濃度をピンポイントで測定することが可能であるものの、面的または立体的に被検出ガスの濃度分布を把握するには、大量のセンサを測定箇所に配置しておかなければならず、トンネルや地下構造物などの広大な空間において、ガスが発生する箇所を特定したりするような使用法には不向きである。
特許文献1に記載のガスの可視化装置は、メタンガスに吸収される波長の検出用赤外線を、二次元的に照射する赤外線面状照射手段を用いて、ガスの漏洩関連情報を二次元可視画像として表示する技術が開示されている。
(1)局所的な二次元表示に留まる。
特許文献1に記載の可視化装置は、ガスの漏洩関連情報を二次元の可視画像として表示する、と記載されているものの、あくまでイメージセンサによる撮影範囲中でのガスの分布を可視化するものであり、三次元的な可視化もできないため、トンネルや地下構造物などの広大な空間でガスの発生箇所を特定する使用法には適していない。
(2)装置全体の大きさや可搬性について考慮されていない。
土木工事では、現場内に各種の土木機械器具が設置されており、大掛かりな装置は設置しづらい面がある。また、トンネル工事のように、測定対象の形状が変化していく場所では、測定装置は容易に持ち運べるような構成であることが好ましい。
しかし、特許文献1に記載の可視化装置は、工場内でのタンクや配管でのガス漏れを検知するために、常置しておくことを前提とするものであり、装置全体の大きさや可搬性については何ら考慮されていない。
また、本願の第2発明は、ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、前記ガス計測装置は、レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面までのガスの累積濃度を測定可能な、ガスセンサと、前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第1の回転軸と、平面視して、前記第1の回転軸と直交する方向に、該第1の回転軸を回転自在とする、第2の回転軸と、を少なくとも備え、前記情報処理装置は、前記ガスセンサから得る累積濃度を、前記距離計から得る距離で除算した値を、前記反射面でのガス濃度とする、ガス濃度算出手段と、前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第1の回転軸および第2の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
また、本願の第3発明は、ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、前記ガス計測装置は、レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第1の回転軸と、平面視して、前記第1の回転軸と直交する方向に、該第1の回転軸を回転自在とする、第2の回転軸と、を少なくとも備え、前記情報処理装置は、前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第1の回転軸および第2の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
また、本願の第4発明は、前記第2発明または第3発明に記載のガス濃度可視化システムでもって、掘削現場の立体形状とガス濃度を測定する作業を、掘削作業の進行に併せて実施し、前記測定結果から、掘削現場の想定外の形状変化またはガスの発生を検知することを特徴とする、掘削現場の監視方法を提供するものである。
(1)ガス濃度の三次元分布を表示することができる。
ガスセンサによる測定値と、距離計による測定値を組み合わせることで、ガス濃度の三次元分布図を求めることができる。
(2)掘削現場の立体形状を表すことができる。
距離計による測定値から、掘削現場の立体形状を表すこともできる。
よって、トンネルの掘削現場のように、測定箇所の形状が逐一変化するような場所であっても、その都度、背景空間を把握出来る点で有益である。
(3)「立体形状」と「ガス濃度」の測定値を相互に有効活用できる。
ガス濃度が急激に増加したことを確認できれば、将来的に地盤の緩みや微視的な亀裂の発生の検知または発生可能性を予測できるため、構造に対する安全対策を事前に準備しておくことができる。
同様に、立体形状の変化によって地盤の緩みが発生したことを検知できれば、将来的にガスの噴出数値の増加の可能性を予測できるので、換気などの安全対策を事前に準備しておくこともできる。
(4)測定箇所の自由度に優れる。
同じ設置場所から、トンネルの側壁側の表面だけでなく前方の切羽側表面のガス濃度を測定することができる。
例えば、第2の回転軸がトンネルの軸方向を向くように計測装置を設置し、第1の回転軸でもってガスセンサと距離計を起立させた状態で、第2の回転軸でもってガスセンサと距離計を移動させれば、トンネルの長手方向の縦断面状に被検出ガスの濃度を測定することができる。
また、この状態から、第1の回転軸でもってガスセンサと距離計を水平方向からやや角度を持たせて倒した状態から、第2の回転軸でもってガスセンサと距離計を移動させることで、前方の切羽表面における被検出ガスの濃度を測定することができる。
(5)可搬性に優れる。
複数の回転軸を設けた雲台を有する三脚に、ガスセンサや距離計をセットすることで、容易にシステムを構築することができる。よって、システム一式の持ち運びは容易となり、掘削現場で邪魔になることもない。
<1>全体構成
図1に、本発明の第1実施例に係るガス濃度可視化システムの構成を示す。
本実施例に係るガス濃度可視化システムAは、掘削現場でのガス濃度などの各種計測値を計測するガス計測装置Bと、ガス計測装置Bによる各種の計測値から、三次元化したガス濃度分布図を生成する、情報処理装置Cと、を少なくとも含んで構成する。
なお、図1には図示しないが、本発明に係るガス計測装置Bおよびガス濃度可視化システムAは、各装置を駆動するためのバッテリーを設けておくこともできる。
以下、各構成要素の詳細について説明する。
ガス計測装置Bは、掘削現場内の測定箇所におけるガス濃度や、該測定箇所までの距離、ガス計測装置の姿勢や座標等の各種計測値を計測するための装置である。
本実施例では、前記「測定箇所」として、掘削途中のトンネル側壁表面や切羽表面を想定している。
図1に示すように、ガス計測装置Bは、ガスセンサ10、距離計20、第1の回転軸30および第2の回転軸40を少なくとも備える。
なお、本実施例では、前記ガスセンサ10および距離計20を箱体に収納しておき、各装置のレーザー照射口のみを箱体から露出させた状態としている。
これは、トンネルの掘削現場などは粉塵が大量に発生することから、該粉塵によって、各装置が動作不良を起こさないようにするためである。
以下、各構成要素の詳細について説明する。
ガスセンサ10は、ガスの発生を検知するための装置である。
本実施例では、ガスセンサ10に、種々の波長のレーザーを照射し、標的からの乱反射坑を受光し、反射して帰ってくる光のうち、検知対象とするガスを吸収する波長の光の強度の低下を測定することで、照射空間内のガスの累積濃度(濃度×距離[ppm・m])を測定可能なレーザー反射型のセンサを用いている。
距離計20は、前記ガスセンサ10とは別に、前記ガスセンサ10のレーザーの反射面までの距離を測定するための装置である。
距離計20は、公知の計測装置を使用することができる。
第1の回転軸30および第2の回転軸40は、前記ガスセンサ10および距離計20の姿勢を変化させるための部材である。
まず、第1の回転軸30は、前記ガスセンサ10および距離計20を、起立または倒伏するように回転自在とするための部材である。
また、第2の回転軸40は、平面視したときに、前記第1の回転軸30と直交する方向に、該第1の回転軸30を回転自在とするための部材である。
第1の回転軸30および第2の回転軸40は、三脚60に取付け可能な公知の雲台50が有するパンチルト機能を流用することができる。
第1の回転軸30の回転角度は、トンネルの前後方向(水平方向)を0°としてトンネルの上方向に向かって回転するとした場合、少なくとも0°以上90°以下を確保すれば良く、さらに90°以上を確保すればと、ガス計測装置の後方側の空間に対しても測定が可能である点でより好ましい。
また、第2の回転軸の回転角度は、少なくとも0°以上180°以下を確保すれば良く、360°回転自在に構成しておくとより好ましい。
情報処理装置Cは、三次元状のガス濃度分布図を生成するための装置である。
情報処理装置Cは、前記した第1の回転軸30および第2の回転軸40を有する雲台50のコントローラとして用いてもよい。
情報処理装置Cには、デスクトップPC、ノートPC、タブレット、スマートフォン等を使用することができる。
以下、各手段の詳細について説明する。
ガス濃度算出手段70は、前記ガスセンサ10から得る累積濃度から、前記反射面でのガス濃度を算出するための手段である。
より詳細には、前記ガス濃度算出手段70は、前記累積濃度([ppm・m])を、前記距離計20から得る距離([m])で除算した値([ppm])を、前記反射面でのガス濃度として算出している。
分布図生成手段80は、前記ガス計測装置Bの設置位置の座標、前記第1の回転軸30および第2の回転軸40の回転角度、前記距離計20から得る距離、ならびにガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成するための手段である。
より詳細には、前記分布図生成手段80は、ガス計測装置Bから得られる、ある反射面上のガス濃度、前記反射面までの距離、第1の回転軸30の角度および第2の回転軸40の角度の値に基づいて、ある座標におけるガス濃度を求めることができる。
そして、第1および第2の回転軸の角度や、ガス計測装置Bの設置位置を変更しながら、各反射面のガス濃度を求めて三次元座標状にプロットしていくことにより、三次元状のガス濃度分布図と、測定空間の形状情報を生成することができる。
よって、前記ガス濃度分布図は、測定空間の立体形状をも表すことにもなる。
図2では、仮想の三次元空間上にプロットした点を、レーザーの反射面である測定箇所でのガス濃度の値に応じて色分けしている。
このように、測定箇所毎にガス濃度の値で色分けされた点を表示することにより、測定箇所の立体形状と、どの測定箇所でガス濃度が高い状態であるのかを視覚的に把握することができる。
本発明に係る情報処理装置Cでは、前記掘削現場の時間経過毎に生成した複数のガス濃度分布図を対比して、前記掘削現場でのガス濃度または立体形状の変化のうち、少なくとも何れか一方の変化を検知することが可能な、検知手段90をさらに設けることもできる(図1)。
前記したガス濃度分布図を、所定時間毎に作成していくと、ガス濃度の分布の遷移とトンネルの立体形状の変化の遷移を視覚的に捉えることができる。
次に、測定箇所に応じたガス計測装置の使用方法の一例について説明する。
(1)初期状態
まず、ガス計測装置Bの座標を求める。この座標を求める方法としては、ガス計測装置Bの後方に複数設定した仮基準点から後方交会法によって求める方法がある。
次に、ガスセンサ10および距離計20による計測の開始点を設定する。
図3では、第1の回転軸30の角度を90°とし、第2の回転軸40の角度を0°に設定した位置を開始点に設定している。
このとき、ガスセンサ10および距離計20の測定箇所D(D1)はトンネルの側壁Eの右端近傍に位置した状態となる。
この状態から測定箇所D1の累積濃度および距離を計測する。
次に、第2の回転軸40による回転運動を行い、ガスセンサ10および距離計20の向きをトンネルの側壁Eの周方向に移動させて、次の測定箇所D2の累積濃度および距離を計測する。
この動作を、トンネルの側壁Eの左端近傍に達する箇所である測定箇所D9まで繰り返すことで、トンネルのある横断面での累積濃度の分布が計測できたことになる。
次に、ガス計測装置Bの位置をトンネルの前後方向に移動させて、前記(1)〜(3)と同様の測定を行い、異なる横断面での累積濃度分布を計測する。
このように、複数の横断面での累積濃度分布を順次測定していくことで、情報処理装置Cで三次元処理を行うデータを蓄積していく。
測定作業の終了後、または測定作業と並行して、取得した各測定値から、三次元状のガス濃度分布図を生成し、情報処理装置Cのモニタに表示する。
各横断面でのガス濃度分布図を合成する際には、前記(1)で求めたガス計測装置Bの座標情報を反映させればよい。
(1)初期状態
前記使用例1と同様、ガス計測装置Bの座標を求める。
次に、第1の回転軸30の回転角度は、は0°に近い状態(θ1)で倒伏した状態とする。第2の回転軸40の回転角度の初期位置は水平方向(0°)とする。
この状態で、測定箇所Dの累積濃度および距離を計測する。
第2の回転軸による回転動作で、ガスセンサ10および距離計20を、次の測定箇所D2まで移動させて、累積濃度および距離を計測していく。
この動作を、第2の回転軸40が一周するまで繰り返せば、切羽F上において円形の軌跡に沿うように位置した測定箇所D(D1〜D8)でのガス濃度を測定できる。
次に、第1の回転軸30の回転角度を変えて、前記(3)と同様の測定を行っていく。
ガス計測装置Bの高さが低い場合には、第2の回転軸40を全周に渡って回転させる必要は無い。
この測定を順次繰り返していくことで、図4(b)に示すように、切羽Fに放射円状の軌跡に沿ったガス濃度分布の測定が可能となる。
前記使用例1と同様、取得した各測定値から、三次元状のガス濃度分布図を生成し、情報処理装置Cのモニタに表示する。
前記した使用例1および2の作業を、掘削作業が進む度に繰り返して実施することで、複数の三次元状のガス濃度分布図を得ることができる。
そして、前記分布図を対比したり、複数の分布図を統合してなる遷移図を確認したりすることで、掘削現場の立体形状やガス濃度についての変化を検知することができる。
ガス濃度の急激な増加を検知できれば、掘削現場内での地盤の緩みや微視的な亀裂の発生の検知または発生可能性を予測することができ、構造に対する安全対策を事前に準備しておくことができる。
同じように、掘削現場の立体形状の変化として表れる地盤の緩み等を検知できれば、将来的にガスの噴出数値の増加の可能性を予測でき、換気などの安全対策を事前に準備しておくことができる。
図5に、本発明の第2実施例に係るガス濃度可視化システムの構成を示す。
前記した第1実施例に係るガス濃度可視化システムAと異なる点は、ガスセンサ10に、測定箇所であるレーザーの反射面でのガス濃度を測定可能なセンサを用いることにより、情報処理装置C内の前記ガス濃度算出手段70を省略できた点である。
本実施例に係る構成によれば、ガス計測装置Bから得られるガス濃度および距離の測定値をそのまま用いて、三次元状のガス濃度分布図を生成することができる。
B ガス計測装置
C 情報処理装置
D 測定箇所
E 側壁
F 切羽
10 ガスセンサ
20 距離計
30 第1の回転軸
40 第2の回転軸
50 雲台
60 三脚
70 ガス濃度算出手段
80 分布図生成手段
90 検知手段
Claims (4)
- 掘削現場でのガスの発生を検知するためのガス計測装置であって、
レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面までのガスの累積濃度、または前記反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、
前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、
前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第1の回転軸と、
平面視して、前記第1の回転軸と直交する方向に、該第1の回転軸を回転自在とする、第2の回転軸と、
を少なくとも備えたことを特徴とする、
ガス計測装置。 - ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、
前記ガス計測装置は、
レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面までのガスの累積濃度を測定可能な、ガスセンサと、
前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、
前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第1の回転軸と、
平面視して、前記第1の回転軸と直交する方向に、該第1の回転軸を回転自在とする、第2の回転軸と、を少なくとも備え、
前記情報処理装置は、
前記ガスセンサから得る累積濃度を、前記距離計から得る距離で除算した値を、前記反射面でのガス濃度とする、ガス濃度算出手段と、
前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第1の回転軸および第2の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とする、
ガス濃度可視化システム。 - ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、
前記ガス計測装置は、
レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、
前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、
前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第1の回転軸と、
平面視して、前記第1の回転軸と直交する方向に、該第1の回転軸を回転自在とする、第2の回転軸と、を少なくとも備え、
前記情報処理装置は、
前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第1の回転軸および第2の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とする、
ガス濃度可視化システム。 - 請求項2または3に記載のガス濃度可視化システムでもって、掘削現場の立体形状とガス濃度を測定する作業を、掘削作業の進行に併せて実施し、
前記測定結果から、掘削現場の想定外の形状変化またはガスの発生を検知することを特徴とする、
掘削現場の監視方法。
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