JP2017191085A

JP2017191085A - 複合式水文監視システム

Info

Publication number: JP2017191085A
Application number: JP2016177400A
Authority: JP
Inventors: 林詠彬; Yung-Bin Lin; 陳佑杰; Yu-Chieh Chen; 廖泰杉; Tai-Shan Liao; 張國鎮; Kuo-Chun Chang; 李柏翰; Bo-Han Lee; 王永康; Yung-Kang Wang; 古孟晃; Meng-Huang Gu
Original assignee: National Applied Research Laboratories
Current assignee: National Applied Research Laboratories
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2036-09-12
Also published as: TWI577966B; US20170292839A1; US10352698B2; TW201736800A; CN107289996B; CN107289996A; JP6216850B2

Abstract

【課題】土壌流出の深度、水位高度や流速などを監視することで、洪水発生時の安全性を確保し、簡単な構造、低コスト、簡単な施工と長い使用寿命を持つ複合式水文監視システムを提供する。【解決手段】複合式水文監視システムであり、ロープ４０の両端にそれぞれ重り３１と被検ユニットが接続され、重り３１の位置を検知することによって、土壌流出の深度を知ることができるとともに、垂直方向に沿って異なる高さの位置で設置された複数の検知素子８１で、水位高度や流速を測定することができる。河床の沈下と共に重りがロープ４０を下に向けて引っ張ることによって、被検ユニットに力学的エネルギーが変化するため、その力学的エネルギーの変化を検知することで、河床の沈下深度を測定することができる。また、垂直に並んでいる複数の検知素子８１は、水面の上昇と下降により信号が変わるため、その信号の変化で水位の変化を検知できる。【選択図】図１

Description

この発明は、複合式水文監視システムであり、特に土壌流出の深度、水位高度や流速を測定することができる複合式水文監視システムである。

土壌流出の深度と水位高度を測定する従来の方法は人員によって行われる。ただし、人員による測定の精度は操作人員の経験に頼る必要があり、水上作業も操作人員には一定の危険性があると考えられる。

近年、様々な土壌流出深度と水位の状況を監視する技術が開発されており、例えば、時域反射法（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）は、異なる導波管のデザインに合わせて水位や土壌流出などの物理的パラメータを監視することができる。また、アンカーケーブルと似た構造を取り入れた導波管のデザインも提案され、設置とシグナル減衰などの問題点を解消したが、複雑な構造や膨大なコストなどの課題が残されている。また、他にも河床の土壌流出深度、水流の流速や土砂濃度を監視するシステムが開発された。そのシステムは複数の感知ボール、リレー装置と計算装置を備え、各感知ボールは土砂層の異なる深さに対応している。土壌流出によって感知ボールが浮き上がる際に、感知ボールに内蔵の加速度計、深度圧力計と位置測定ユニットは感知ボールの加速度、水深及び位置を測定し、そのデータによって土壌流出の深度、水深、位置と水深方向での流速分布を算出する。ただし、前述システムは複雑な回路構成、設置の難しさ、高いコストと短い使用寿命などの問題点が存在している。

洪水による河床の土壌流出深度、洪水の水位と流速を把握できる、簡単な構造、低コスト、簡単な施工と長い使用寿命を持つ複合式水文監視システムの開発が必要とされている。

本発明は、土壌流出の深度、水位高度や流速などを監視し、洪水発生時の安全性と河川上または海上の構造物の安全性を確保することができ、簡単な構造、低コスト、簡単な施工と長い使用寿命を持つ複合式水文監視システムを提供することを目的とする。

本発明に係る複合式水文監視システムは、
内部に第１収容空間が形成され、側壁に前記第１収容空間と連通する複数の第１貫通孔が設けられている第１中空座体と、
前記第１収容空間内に設置され、内部に第２収容空間が形成され、側壁に前記第１収容空間及び前記第２収容空間と連通する複数の第２貫通孔が設けられている第２中空座体と、
前記第２収容空間内に設置され、重力の作用で垂直方向に沿って移動可能な重りと、
垂直方向に沿って移動する前記重りと共に力学的エネルギーの変化が発生する被検ユニットと、
垂直方向に沿って移動する前記重りによって前記被検ユニットに力学的エネルギーが変化するよう、前記重りと前記被検ユニットに連結されるロープと、
前記被検ユニットの力学的エネルギー変化を検知することで、第１信号を生成する第１検知ユニットと、
前記ロープに貫通され、前記ロープに沿って移動可能な浮体と、
垂直方向に沿って所定の間隔で前記第１中空座体と前記第２中空座体の間に設置された複数の検知素子を含み、前記浮体の移動で対応位置における前記検知素子を作動させることによって、第２信号を生成する第２検知ユニットと、
前記第１信号と前記第２信号を受信し、前記第１信号を土壌流出深度データに変換し、前記第２信号を流速データと水位高度データのうち、少なくとも一つに変換する信号処理ユニットと、
を備えることを特徴とする複合式水文監視システム。

また、本発明に係るもう一つの複合式水文監視システムは、
内部に第１収容空間が形成され、側壁に前記第１収容空間と連通する複数の第１貫通孔が設けられている第１中空座体と、
前記第１収容空間内に設置され、重力の作用で垂直方向に沿って移動可能な重りと、
垂直方向に沿って移動する前記重りと共に力学的エネルギーの変化が発生する被検ユニットと、
垂直方向に沿って移動する前記重りによって前記被検ユニットに力学的エネルギーが変化するよう、前記重りと前記被検ユニットに連結されるロープと、
前記被検ユニットの力学的エネルギー変化を検知することで、第１信号を生成する第１検知ユニットと、
垂直方向に所定の間隔で設置される複数の検知素子を含み、前記検知素子で対応した位置の周囲の状態を検知することで、第２信号を生成する第２検知ユニットと、
前記第１信号と前記第２信号を受信し、前記第１信号を土壌流出深度データに変換し、前記第２信号を流速データと水位高度データのうち、少なくとも一つに変換する信号処理ユニットと、
を備えることを特徴とする複合式水文監視システム。

本発明の複合式水文監視システムは、土壌流出の深度、水位高度や流速などを監視し、洪水発生時の状況を把握することができ、河川上または海上の構造物（例えば、橋脚、堤防、石油プラットフォーム、洋上風力発電設備）の安全性を確保することができる。例えば、第１と第２中空座体を河床に立設し、その側壁にある第１と第２貫通孔を通して水や土砂などが第１と第２中空座体の内部に出入りする。洪水で河床の土壌が流出する際に、前記重りは重力の作用で沈んで、ロープを下に向けて引っ張ることになるため、被検ユニットに力学的エネルギーの変化が発生する。その力学的エネルギーの変化を第１検知ユニットで検知することによって、ロープの移動距離で重りの垂直位置を測定し、土壌流出の深度を測定することができる。それと同時に、浮体は浮力で水面上に浮いているため、水面に変化が発生した場合、浮体は水位の変化と共に垂直方向に沿って移動する。第２検知ユニットにある、浮体の高さに対応する前記検知素子を浮体の移動で作動させることによって、第２検知ユニットで浮体の垂直位置を検知し、水位高度を測定することができる。また、乱流の作用で浮体が振動して検知素子を作動させることで信号に変化が生じるため、その不規則の信号の変化の度合を測定することで、水流の流速を知ることができる。あるいは、垂直位置の異なる高さで設置された複数の検知素子でその対応位置の物理的パラメータ（例えば、水温、水圧、流速）を直接に測定することで、水位高度や水流の流速を知ることができる。

本発明において、前記複合式水文監視システムはさらに第３検知ユニットを備えることが望ましい。第３検知ユニットは重りの位置に設置され、重りの移動を検知することで第３信号を生成する。前記信号処理ユニットは第３信号を、土壌流出深度、流速と水位高度のうち、少なくとも一つに関連する参考データに変換する。

本発明において、前記浮体の種類は特に制限がなく、対応する位置の検知素子を作動させることができればよい。例えば、磁気の原理で検知素子を作動させるため、浮体の側面に磁気素子を設置することも可能である。ただし、前記説明は一例に過ぎないので、本発明は検知素子を作動させる方法として磁気の原理に限定するものではない。

本発明において、被検ユニットの種類は特に制限がなく、重りの垂直方向の移動で力学的エネルギーが変化すればよい。例えば、被検ユニットの回転で重りの位置変化を知ることも可能である。即ち、被検ユニットが中心軸に対して回転し、ロープはその中心軸に対応して被検ユニットに巻き付いている。重りが下に向けて移動すると、ロープは重りに引っ張られて伸びて、被検ユニットを回転させる。また、重りの下方移動でロープを引っ張りすぎることでロープの長さが重りの移動距離を上回ることを防ぐため、被検ユニットに弾力の構造が設けられることが望ましい。例えば、被検ユニットは、ケース、機械式ターンテーブル、渦巻ばねと連結部材を有する。機械式ターンテーブルはケースの軸に設けられている。渦巻ばねは前記軸に巻き付いて機械式ターンテーブルの内側に設けられる。ロープは機械式ターンテーブルの外側に巻き付いている。連結部材は機械式ターンテーブルと第１検知ユニットに連結され、連結部材で第１検知ユニットは装着可能に機械式ターンテーブルに接続される。それで、引っ張られたロープの長さが重りの下方移動の距離を超えた場合、渦巻ばねの弾力によって、機械式ターンテーブルは逆方向で回転し、ロープを緊張状態に戻すことができ、ロープの伸びた長さが重りの移動距離に等しいようにすることができる。それによって、的確に重りの垂直位置を測定することができる。

本発明において、第１検知ユニットは特に制限がなく、被検ユニットの力学的エネルギーの変化を検知できればよい。例えば、被検ユニットの力学的エネルギー変化は回転のエネルギー変化である場合、第１検知ユニットは被検ユニットと同時に回転する回転エンコーダである。それによって、被検ユニットの回転を検知することができる。例えば、本発明の実施例において、回転エンコーダは光学式エンコーダである。光学式エンコーダはコーディング用ターンテーブル、発光素子と受光素子を有する。コーディング用ターンテーブルは被検ユニットと同時に回転できるように被検ユニットと接続される。発光素子と受光素子はコーディング用ターンテーブルの対向した両側に設置される。また、コーディング用ターンテーブルに白と黒が交錯したコードがあるため、コーディング用ターンテーブルが機械式ターンテーブルと同時に回転する際に、発光素子の光はそれらのコードで「非透過」と「透過」の状態になり、受光素子はその「非透過」と「透過」の状態で、回転のパルス数を表す第１信号としてパルス信号を生成する。信号処理ユニットでパルス信号を解析することで、回転の状況を検知することができる。例えば、本発明の実施例において、第１検知ユニットがＡ相パルス信号、Ｂ相パルス信号とＺ相パルス信号を含む第１信号を生成することによって、被検ユニットの回転角度、回転方向（正回転または逆回転）等を知ることができる。

本発明において、第２検知ユニットは垂直方向に沿って異なる高さの位置で複数の検知素子が設置され、多点測定を行う。検知素子が浮体の状態を検知できるように、検知素子を第１中空座体と第２中空座体の間に設置してもよい。または、対応位置の物理的パラメータを検知できるように、ロープに設置してもよい。例えば、本発明の実施例において、浮体の側面に磁気素子を設置し、磁気誘導で検知素子が第２信号を生成する。なお、磁気素子は高透磁率のものが好ましい。それによって、水位に変化が発生した場合、浮体は浮力でロープに沿って垂直方向で上に移動する。その際に第２信号によって浮体でどちらの検知素子が駆動されたかを確認することができるため、浮体の移動後の位置を確認することができ、水位高度を検知することが可能になる。例えば、検知素子を第２中空座体の外側の少なくとも二つの対称位置に設置し、複数の検知部を形成する。各検知部は垂直方向に沿って並んでいる複数の検知素子を備えるため、垂直方向に沿って異なる高さの位置で浮体の側面にある高透磁率の磁気素子と磁気誘導を引き起こすことができる。ここで、検知素子は磁気スイッチであり、各検知部の検知素子は並列で二つのワイヤーに接続される。浮体が相対位置の磁気スイッチに対向した際に、浮体にある高透磁率の磁気素子は対応した磁気スイッチを閉じさせるため、ワイヤーはその対応位置で導通し、導通回路を形成する。それによって、ワイヤー上の位置によって抵抗が異なるため、違う電圧値が出てくる。その電圧値を測定することによって、浮体の位置を確認することができる。ここで、的確に電圧値を測定するために、第２検知ユニットは４線式測定方法で第２信号を生成することが好ましい。また、検知素子は浮体にある磁気素子と磁気誘導を引き起こせる誘導コイルを採用してもよい。すなわち、各検知素子は第２中空座体に巻き付く誘導コイルを備える。浮体が誘導コイルを通過するとき、浮体にある磁気素子は誘導コイルと磁気誘導を引き起こし、第２検知ユニットに第２信号を生成させる。それによって、浮体が誘導コイルを通過する際に引き起こされた電力的または磁力的（インダクタンス、起電力、磁力）変化で、浮体の位置を測定することができ、水位高度を知ることができる。例えば、第２検知ユニットはさらに複数のインダクタンス計算デジタルモジュールを有し、誘導コイルにおけるインダクタンスの変化を検知することが可能である。それと同じように、乱流の作用で浮体が振動して電力的や磁力的変化（両方またはどちらか）をもたらすので、その電力的や磁力的変化を検知することで流速を知ることができる。なお、本発明のもう一つの実施例において、垂直方向に沿って異なる高さの位置でロープに検知素子を設置し、各高さの位置に対応した物理的パラメータ（例えば、水温、水圧、流速）を測定する。水面下と水面上では得られる物理的パラメータは異なり、同じ水面下でも異なる水温、水圧と流速になるので、検知素子（温度計、圧力計）で測定した物理的パラメータでどの検知素子が水面上にあるかを判別することができ、それで水位高度を知ることができる。

本発明において、信号処理ユニットは受信した第１信号と第２信号を処理して変換し、重りの垂直位置で土壌流出に関する情報（例えば土壌流出の深度）を検知する。それと同時に、水流の作用で浮体に発生した垂直位置の変化や振動の状況、あるいは垂直方向に沿って異なる高さの位置で測定された物理的パラメータで、水流に関する情報（例えば水位高度や流速など）を得ることができる。ここで、本発明では浮体を検知する検知素子として磁気スイッチを採用した。前記信号処理ユニットは、復号モジュールと、第１変換モジュールと、信号増幅モジュールと、第２変換モジュールと、計算解析モジュールとを含む。また、本発明では浮体を検知する検知素子として誘導コイルを採用してもよい。ここで、信号処理ユニットは復号モジュールと、第１変換モジュールと、計算転送モジュールと、第２変換モジュールと、計算解析モジュールとを含む。復号モジュールは第１信号を受信し、第１信号を復号信号に処理する。第１変換モジュールは復号信号を受信し、復号信号を土壌流出深度データに変換する。信号増幅モジュール／計算転送モジュールは第２信号を受信し、第２信号を増幅信号／計算信号に処理する。第２変換モジュールは増幅信号／計算信号を受信し、増幅信号／計算信号を流速データと水位高度データのうち、少なくとも一つに変換する。計算解析モジュールは土壌流出深度データと水位高度データを総合的に解析し、警告信号を生成する。ここで、復号モジュールはＡＢ相復号回路で第１検知ユニットから出力されたパルス信号を受信し、パルス信号をカウントして復号する。第１変換モジュールはパルス変換回路で復号信号を土壌流出深度に変換する。信号増幅モジュールはロックインアンプの原理でノイズを除去し、正確な電圧値を得る。計算転送モジュールは時分割多重化（ＴＤＭＡ）の方式で、第２検知ユニットにある複数のインダクタンス計算デジタルモジュールに伝送媒体を共有させ、それぞれ所属の指定期間内にデータを計算転送モジュールに返送することによって、どの誘導コイルにインダクタンスの変化があるかを判別し、インダクタンス変化値を測定する。第２変換モジュールは抵抗値を位置情報に変換し、あるいはどちらかの誘導コイルにあったインダクタンスの変化で水位高度を取得する。抵抗値または誘導コイルのインダクタンスの変化は頻繁に起こるので、それで水流の流速を得ることが可能である。計算解析モジュールは土壌流出深度データと水位高度データを読み込んで解析し、下記の３つの状況の何れかで警告信号を出す。
（１）土壌流出深度データが第１警戒閾値を上回った場合。
（２）水位高度データが第２警戒閾値を上回った場合。
（３）土壌流出深度データが第１警戒閾値を下回ったと同時に、水位高度データが第２警戒閾値を下回ったときに、土壌流出深度データと水位高度データの合計が第３警戒閾値を上回った場合。
なお、上記第１警戒閾値、第２警戒閾値と第３警戒閾値は、予め設定したパラメータである。

本発明において、信号処理ユニットは無線または有線の伝送方式で土壌流出深度データ、水位高度データ、流速データと警告信号を受信側に送信する。詳しく言うと、信号処理ユニットは、土壌流出深度データ、水位高度データ、流速データと警告信号を受信する通信モジュールを有する。通信モジュールは土壌流出深度データ、流速データ、水位高度データと警告信号を受信側に送信する。そこで、通信モジュールは所定の時間間隔で土壌流出深度データ、流速データと水位高度データを読み込み、計算解析モジュールが警告信号を出すと、通信モジュールはＳＭＳ、Ｅメールや音声メッセージなどの方法で、管理にあたる担当者に知らせる。

上述のように、本発明の複合式水文監視システムは、重りと浮体を利用し、土壌流出深度、水位高度と流速を測定するシステムである。本発明は、簡単な構造、低コストや高い信頼性などの長所を持ち、深刻な洪水でも長い使用寿命を維持することができ、洪水発生時の安全性を確保することが可能である。

本発明の実施例において、複合式水文監視システムを示す模式図。本発明の実施例において、被検ユニットと第１検知ユニットを示す模式図。本発明の実施例において、被検ユニットを示す分解図。本発明の実施例において、第２検知ユニットで浮体を検知することを示す模式図。本発明の実施例において、信号処理ユニットを示すブロック図。本発明の実施例において、計算解析の流れを示すフローチャート。本発明のもう一つの実施例において、第２検知ユニットを示す模式図。本発明のもう一つの実施例において、検知ユニットで浮体を検知することを示す模式図。本発明のもう一つの実施例において、信号処理ユニットを示すブロック図。本発明のもう一つの実施例において、インダクタンス計算デジタルモジュールと計算転送モジュールの連接関係を示す模式図。本発明のもう一つの実施例において、重りに第３検知ユニットが設置されることを示す模式図。本発明のもう一つの実施例において、複合式水文監視システムを示す模式図。

以下、具体的な実施例に基づいて本発明の実施形態を説明する。当業者はこの明細書の記載によって本発明のメリットと効果を理解することができる。以下の図面は簡略化した図面であり、部材の数量と、形状と、サイズとは必要に応じて種々変更することができ、実際の構造は図面より複雑な場合もある。また、複数の実施例を組合せ、必要に応じて種々変更することができる。この明細書の詳細内容についても、様々な観点や応用などに基づいて、本発明の原理を背けないことを前提として、種々変更することができる。

図１を参照する。図１は本発明の実施例において複合式水文監視システム１００を示す模式図である。図１に示すように、複合式水文監視システム１００は第１中空座体１０と、第２中空座体２０と、重り３１と、ロープ４０と、被検ユニット５０と、第１検知ユニット６０と、浮体７０と、第２検知ユニット８０と、信号処理ユニット９０とを備える。第１中空座体１０は中空のスチール製柱体であり、内部に第１収容空間１１が形成され、側壁１３に前記第１収容空間１１と連通する複数の第１貫通孔１３１が設けられている。第２中空座体２０は中空のプラスチック製のチューブであり、前記第１収容空間１１内に設置され、内部に第２収容空間２１が形成され、側壁２３に前記第１収容空間１１及び前記第２収容空間２１と連通する複数の第２貫通孔２３１が設けられている。重り３１はリード製の錘であり、前記第２中空座体２０の第２収容空間２１内に設置され、垂直方向Ｄ１に沿って移動可能である。ロープ４０は約３０メートルのスチールワイヤーであり、その相対の両端にそれぞれ重り３１と被検ユニットに連結される。重力で垂直方向に沿って移動する重り３１によって、ロープ４０が被検ユニット５０を移動させることで、力学的エネルギーが変化する。第１検知ユニット６０は被検ユニット５０の力学的エネルギー変化を検知することで、第１信号Ｓ１を生成する。浮体７０は発泡スチロールであり、中心部に貫通孔７０１が貫穿され、側面に磁気素子として磁石片と高透磁率の材料が設けられている。ロープ４０が浮体７０の通孔７０１を貫通することで、浮体７０はロープ４０に沿って移動可能である。浮体７０は浮力でロープ４０の垂直方向Ｄ１に沿って上下移動可能である。また、浮体７０は乱流の作用で振動する。第２検知ユニット８０は垂直方向Ｄ１に沿って所定の間隔で第１中空座体１０と第２中空座体２０の間に設置され、第２中空座体２０の外側に固定された複数の検知素子８１を含む。第２中空座体２０内にある浮体７０が磁気素子７１で対応位置における検知素子８１を作動させることで、第２検知ユニット８０は第２信号Ｓ２を生成する。信号処理ユニット９０は第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２を受信し、第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２をそれぞれ土壌流出深度データと水位高度データ及び流速データに変換する。

それによって、本発明の複合式水文監視システム１００は、洪水による河床の土壌流出深度と洪水の水位を随時監視することに適用可能である。洪水で河床Ｇの土壌が流出した場合、重り３１は流出が発生した地点で沈み、ロープ４０を下に引っ張ることで、被検ユニット５０に力学的エネルギーが変化する。第１検知ユニット６０でその力学的エネルギーの変化を検知することによって、重り３１の垂直位置を知ることができ、河床の土壌流出深度を測定することができる。それと同時に、浮体７０は浮力で水面上に浮いているので、水面Ｗの高さが変わった場合、浮体７０の垂直位置も水面Ｗによって変わる。それと共に、浮体７０にある磁気素子７１は対応位置における第２検知ユニット８０の検知素子８１を作動させる。それによって、浮体７０の垂直位置を測定することができ、水位高度を知ることができる。なお、不規則の信号の変化を検知することで、水流の流速を測定することもできる。

以下、複合式水文監視システム１００の構成と効果について説明する。

図２と図３を参照する。被検ユニット５０と第１検知ユニット６０の構成と作用について説明する。ここで、本実施例は一例として回転式の被検ユニット５０と第１検知ユニット６０について説明する。図２は被検ユニット５０と第１検知ユニット６０を示す模式図である。被検ユニット５０は第１検知ユニット６０と軸で連結されている。ロープ４０は中心軸Ｃに対応して被検ユニット５０に巻き付いている。被検ユニット５０が中心軸Ｃに対して回転すると、第１検知ユニット６０も同時に回転する。以下、被検ユニット５０を示す分解図である図３で詳しく説明する。被検ユニット５０はケース５１、機械式ターンテーブル５３、渦巻ばね５５と連結部材５７を有する。ケース５１内の中心部に軸５１１が設置されている。機械式ターンテーブル５３はケース５１の内部に収容され、ケース５１の軸５１１に設置される。渦巻ばね５５は機械式ターンテーブル５３の内側に設けられ、付勢力を利用できるよう前記軸５１１に巻き付いてる。ロープ４０は機械式ターンテーブル５３の外側に巻き付いている。連結部材５７の一端は３つの係合爪５７１でターンテーブル５３の係合穴５３１に係合し、他端は連結軸５７３で第１検知ユニット６０に連結される（図２を参照）。ここで、図３に示すように、分解と組立を容易にするために、連結部材５７の３つの係合爪５７１は内側に向く端部５７１１を有し、係合爪５７１の端部５７１１で垂直にターンテーブル５３の係合穴５３１に係合することが可能である。また、図２に示すように、本実施例において第１検知ユニット６０として回転エンコーダタイプの光学式エンコーダを採用する。第１検知ユニット６０はコーディング用ターンテーブル６１、発光素子６３と受光素子６５を有する。コーディング用ターンテーブル６１は被検ユニット５０の連結部材５７に連結される。発光素子６３と受光素子６５はコーディング用ターンテーブル６１の対向した両側に設置される。コーディング用ターンテーブル６１に複数のスリット６１１が設けられていて、光の「透過」と「非透過」で二進数の「１」と「０」を表す。発光素子６３から発射された光がスリット６１１を通過し、受光素子６５に到達した場合、「１」を表す信号が生成される。その一方で、発光素子６３から発射された光がスリット６１１を通過できなく、受光素子６５に到達しなかった場合、「０」を表す信号が生成される。それによって、受光素子６５で１０１０１０．．．という信号が生成され、回転の状況を知ることができる。

なお、コーディング用ターンテーブル６１に複数のコードが設けられていて（黒と白が交錯した一周は１つのコードであり、図２は一周分のスリットで示す簡単な概略図である）、Ａ相パルス信号、Ｂ相パルス信号とＺ相パルス信号を含む第１信号を生成する。Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号の位相差は９０度である。Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号のどちらのほうが前にあるのかを確認することで、コーディング用ターンテーブル６１が正回転または逆回転であるかを判別できる。Ｚ相パルス信号は１つのスリットのみを含む第３コードで生成されるので、ゼロレファレンスである。

河床が土壌流出で沈下した場合、重り３１（図１を参照）は重力で下に向けて移動する。ロープ４０は重り３１に引っ張られて伸びて、被検ユニット５０の機械式ターンテーブル５３を正回転させる（矢印Ａに示すように）。それと同時に、第１検知ユニット６０のコーディング用ターンテーブル６１も正回転する。ロープが引っ張られた距離と河床沈下の深さが一致できるよう、被検ユニット５０の渦巻ばね５５（図３を参照）の弾力性を利用する。重り３１に引っ張られたロープ４０の長さが河床沈下の深さを上回った場合、機械式ターンテーブル５３は渦巻ばね５５の弾力性で（矢印Ｂに示すように）逆回転し、ロープ４０を緊張状態に戻す。それと同時に、第１検知ユニット６０のコーディング用ターンテーブル６１も逆回転する。最後に、Ａ相、Ｂ相とＺ相パルス信号を集計することで、ロープ４０の移動距離を測定することができる。

次に、図４を参照する。浮体７０と第２検知ユニット８０について説明する。図４に示すように、第２検知ユニット８０の検知素子８１は、第１検知部８０１と第２検知部８０３として第１中空座体（図示せず）の内側と第２中空座体（図示せず）の外側の二つの対称位置に設置されている。ここで、第１実施例においては一例として検知素子８１は磁気スイッチを採用するという構成で説明する。第１検知部８０１と第２検知部８０３の各検知素子８１は、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３などの位置でそれぞれ並列で二つのワイヤー８３に接続される。各検知素子８１は垂直方向Ｄ１に沿って５センチの間隔で垂直に並んでいる。それによって、図４に示すように、浮体７０が相対位置Ｙ３の検知素子８１に対向した際に、浮体７０にある磁気素子７１がＹ３位置の検知素子８１に作動させることで、第１検知部８０１と第２検知部８０３における二つのワイヤー８３はＹ３位置で導通し、導通回路を形成する。それで導通回路に電圧値を測定することが可能になる。二つのワイヤー８３は異なる位置で違う抵抗値を有するため、浮体７０が対向した検知素子８１によって、異なる電圧値を得ることになる。それによって、電圧値で水面の高さを判断することができる。ここで、正確に電圧値を測定するため、４線式測定方法を利用するのが望ましい。

次に、図５で示す信号処理ユニットのブロック図を参照する。第１検知ユニット６０と第２検知ユニット８０で生成された第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２を信号処理ユニット９０に送信する。信号処理ユニット９０で信号を処理する。図５に示すように、この実施例において、信号処理ユニット９０は、復号モジュール９１と、第１変換モジュール９２と、信号増幅モジュール９３と、第２変換モジュール９５と、計算解析モジュール９６と、通信モジュール９７と、を含む。

復号モジュール９１が第１信号Ｓ１を受信すると、ＡＢ相復号回路で第１信号Ｓ１を復号信号に処理する。続いて、第１変換モジュール９２はパルス変換回路で復号信号を土壌流出深度データに変換する。なお、信号増幅モジュール９３が第２信号Ｓ２を受信すると、ロックインアンプの原理で第２信号Ｓ２を増幅信号に処理する。詳しく言うと、上述のように、図４で示された検知素子８１は５センチ間隔で設置されるので、位置の変化による抵抗値の変化は少なく、ノイズや他の干渉に影響されやすいため、正確に測定できるようにロックインアンプの原理でノイズ等を除去することが望ましい。次に、第２変換モジュール９５は抵抗値を利用して増幅信号を位置情報に変換し、水位高度データと流速データを取得する。続いて、計算解析モジュール９６は土壌流出深度データと水位高度データを読み込んで総合的に解析し、状況によって警告信号を出す。計算解析モジュール９６は警告信号、土壌流出深度データ、水位高度データと流速データを通信モジュール９７に送信する。通信モジュール９７は所定の時間間隔で上記データを読み込み、無線または有線の伝送方式で上記データと警告信号を受信側Ｕに送信する。それによって、受信側ＵはモニターでＸ軸とＹ軸でそれぞれ土壌流出深度及び、水位高度あるいは流速を表示することができる。なお、計算解析モジュール９６で警告信号を出すと、通信モジュール９７はＳＭＳ、Ｅメールや音声メッセージなどの方法で、即時に管理にあたる担当者に知らせる。

以下、計算解析モジュール９６で土壌流出深度データＸと水位高度データＹを総合的に解析する流れについて説明する。図６を参照する。まず、計算解析モジュール９６は土壌流出深度データＸが第１警戒閾値ｈｈを上回ったかを判別する（ステップＳ１）。土壌流出深度データＸが第１警戒閾値ｈｈを上回った場合、計算解析モジュール９６は警告信号を通信モジュール９７に送信する（ステップＳ２）。土壌流出深度データＸが第１警戒閾値ｈｈを下回った場合、計算解析モジュール９６は水位高度データＹが第２警戒閾値ｙｙを上回ったかを判別する（ステップＳ３）。水位高度データＹが第２警戒閾値ｙｙを上回った場合、計算解析モジュール９６は警告信号を通信モジュール９７に送信する（ステップＳ４）。水位高度データＹが第２警戒閾値ｙｙを下回った場合、計算解析モジュール９６は土壌流出深度データＸと水位高度データＹの合計が第３警戒閾値ｚｚを上回ったかを判別する（ステップＳ５）。ＸとＹの合計が第３警戒閾値ｚｚを上回った場合、計算解析モジュール９６は警告信号を通信モジュール９７に送信する（ステップＳ６）。ＸとＹの合計が第３警戒閾値ｚｚを下回った場合、計算解析モジュール９６は警告信号を出さない（ステップＳ７）。上記第１警戒閾値ｈｈ、第２警戒閾値ｙｙと第３警戒閾値ｚｚはパラメータである。

また、図７を参照する。図７は本発明のもう一つの実施例において、第２検知ユニット８０を示す模式図である。図７に示すように、第２中空座体２０の外側Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３．．．の位置で検知素子８１として誘導コイルが巻いてある。浮体７０が水面の上昇や下降によって対応した誘導コイルを通過したとき、浮体７０にある高透磁率の磁気素子７１は誘導コイルと磁気誘導を引き起こし、電力的や磁力的（インダクタンス、起電力、磁力）変化を生じさせる。そのため、浮体７０が通過したときに起きた電力的や磁力的（インダクタンス、起電力、磁力）変化で、浮体７０の位置を知ることができる。それと同じように、浮体７０は乱流の作用で振動して電力的や磁力的変化（両方またはどちらか）を引き起こすので、電力的や磁力的変化を測定することで流速を知ることができる。ここで、本発明の第２実施例においては、一例としてインダクタンスの変化を測定することについて説明する。図８を参照する。各検知素子８１（即ち、誘導コイル）はインダクタンス計算デジタルモジュール８５と組み合わせて測定する。図８に示すように、各検知素子８１（即ち、誘導コイル）の両端はインダクタンス計算デジタルモジュール８５と接続される。それによって、浮体７０が誘導コイルを通過すると、誘導コイルは浮体７０にある高透磁率の磁気素子７１でインダクタンスの変化が発生する。インダクタンス計算デジタルモジュール８５はインダクタンスの数値を算出し、誘導コイルの位置とインダクタンスを含む第２信号Ｓ２を出力する。

次に、図９を参照する。図９は本発明の第２実施例において、信号処理ユニットを示すブロック図である。図９に示すように、信号処理ユニット９０は、復号モジュール９１と、第１変換モジュール９２と、計算転送モジュール９４と、第２変換モジュール９５と、計算解析モジュール９６と、通信モジュール９７と、を含む。ここで、第１信号Ｓ１の処理方法は上記第１実施例と同じなので省略する。以下、第２信号Ｓ２の処理方法について詳しく説明する。図９に示すように、計算転送モジュール９４は第２信号Ｓ２を受信し、第２信号Ｓ２を計算信号に処理する。続いて、第２変換モジュール９５で計算信号を流速データと水位高度データに変換する。その後、計算解析モジュール９６で上記第１実施例で記載された総合的な解析を行う。

以下、図１０を参照して上記構成について詳しく説明する。図１０はインダクタンス計算デジタルモジュール８５と計算転送モジュール９４の連接関係を示す模式図である。図１０に示すように、第２実施例において、複数のインダクタンス計算デジタルモジュール８５で垂直位置Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３などの位置におけるインダクタンスの変化を検知する。複数のインダクタンス計算デジタルモジュール８５は防水接合部８７で接続され、計算転送モジュール９４に連結される。それによって、それらのインダクタンス計算デジタルモジュール８５は伝送媒体を共有でき、時分割多重化（ＴＤＭＡ）の方式で、それぞれ所属の指定期間内にデータを計算転送モジュール９４に返送する。インダクタンス計算デジタルモジュール８５が送信した第２信号には、所属の誘導コイルの位置ナンバー（ＩＤ）と測定したインダクタンスが含まれているため、計算転送モジュール９４は第２信号Ｓ２でどちらの誘導コイルにインダクタンスの変化があるかを判別でき、インダクタンス変化値を測定できる。それで、第２変換モジュール９５で水位高度データと流速データを取得できる。同じように、インダクタンスの変化を検知することで、流速を知ることができる。

また、図１１を参照する。本発明において重り３１の内部又は周囲に第３検知ユニット３３を設置することも可能である。第３検知ユニット３３は重り３１の移動を検知して第３信号を生成する。信号処理ユニット９０は第３検知ユニット３３で生成された第３信号を受信し、第３信号を土壌流出深度、流速と水位高度のうち、少なくとも一つに関連する参考データに変換する。それで、第１信号で得られた土壌流出深度データや第２信号で得られた水位高度データまたは流速データと再び比較し、データの正確性を確保する。ここで、第３検知ユニット３３は重り３１の移動や運動状態を検知できる任意の装置であり、例えば、加速度計、イメージセンサー、温度計やジャイロスコープなどである。

次に、図１２を参照する。図１２は本発明のもう一つの実施例において、複合式水文監視システム２００を示す模式図である。複合式水文監視システム２００は第１中空座体１０と、重り３１と、ロープ４０と、被検ユニット５０と、第１検知ユニット６０と、第２検知ユニット８０と、信号処理ユニット９０と、を備える。図１２に示すように、複合式水文監視システム２００の第１中空座体１０、重り３１、被検ユニット５０と第１検知ユニット６０は、その配置とメカニズムは図１と図３に示されたものとほぼ同じで、主な違いとして複合式水文監視システム２００は浮体を備えていなくて、直接ロープ４０に設置された第２検知ユニット８０で水位高度や流速などを測定する。詳しく言うと、第２検知ユニット８０は複数の検知素子８１を有し、検知素子８１は垂直方向Ｄ１に沿って所定の間隔でロープ４０のＹ１、Ｙ２、Ｙ３などの位置に設置される。ロープ４０に沿って垂直位置の高さによって周囲の状態が異なるため、検知素子８１は高さによって異なる物理的パラメータ（例えば、温度、圧力や流速など）を測定する。それによって、信号処理ユニット９０は、第２検知ユニット８０で生成された第２信号を受信すると、測定値でどの検知素子８１が水面Ｗにあったのかを判別することで、水位高度を知ることができる。例えば、検知素子８１として温度計や圧力計を採用し、各垂直位置の温度や圧力を測定し、温度や圧力の測定値で水位高度を判断する。なお、水深によって流速が異なるため、ロープ４０の垂直方向に沿って異なる位置では違う流速が観察できる。そのため、検知素子８１で垂直方向に沿って異なる位置における流速を測定し、流速分布で水位高度を判断することも可能である。また、図１１に示すように、複合式水文監視システム２００はさらに第３検知ユニットを備えてもよい。第３検知ユニットで土壌流出深度、流速と水位高度のうち、少なくとも一つに関連する参考データを提供し、第１信号で得られた土壌流出深度データや第２信号で得られた水位高度データまたは流速データと比較する。

上記の実施例は、本発明の実施形態と特徴を説明するための例である。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その他種々の変更が可能である。特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限り、種々の実施の形態を含むことは言うまでもない。

本発明の複合式水文監視システムは、重りと浮体を利用し、土壌流出深度、水位高度と流速を測定するシステムである。本発明は、簡単な構造、低コストや高い信頼性などの長所を持ち、深刻な洪水でも長い使用寿命を維持することができ、洪水発生時の安全性を確保することが可能である。

１００複合式水文監視システム
１０第１中空座体
１１第１収容空間
１３、２３側壁
１３１第１貫通孔
２０第２中空座体
２１第２収容空間
２３１第２貫通孔
３１重り
３３第３検知ユニット
４０ロープ
５０被検ユニット
５１ケース
５１１軸
５３機械式ターンテーブル
５３１係合穴
５５渦巻ばね
５７連結部材
５７１係合爪
５７１１端部
５７３連結軸
６０第１検知ユニット
６１コーディング用ターンテーブル
６１１スリット
６３発光素子
６５受光素子
７０浮体
７０１貫通孔
７１磁気素子
８０第２検知ユニット
８０１第１検知部
８０３第２検知部
８１検知素子
８３ワイヤー
８５インダクタンス計算デジタルモジュール
９０信号処理ユニット
９１復号モジュール
９２第１変換モジュール
９３信号増幅モジュール
９４計算転送モジュール
９５第２変換モジュール
９６計算解析モジュール
９７通信モジュール
Ｃ中心軸
Ｓ１第１信号
Ｓ２第２信号
Ｓ３第３信号
Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ１０位置
Ｄ１垂直位置
Ｇ河床
Ｗ水面
Ａ、Ｂ矢印
Ｕ受信側

Claims

複合式水文監視システムであり、
内部に第１収容空間が形成され、側壁に前記第１収容空間と連通する複数の第１貫通孔が設けられている第１中空座体と、
前記第１収容空間内に設置され、内部に第２収容空間が形成され、側壁に前記第１収容空間及び前記第２収容空間と連通する複数の第２貫通孔が設けられている第２中空座体と、
前記第２収容空間内に設置され、重力の作用で垂直方向に沿って移動可能な重りと、
垂直方向に沿って移動する前記重りと共に力学的エネルギーの変化が発生する被検ユニットと、
垂直方向に沿って移動する前記重りによって前記被検ユニットに力学的エネルギーが変化するよう、前記重りと前記被検ユニットに連結されるロープと、
前記被検ユニットの力学的エネルギー変化を検知することで、第１信号を生成する第１検知ユニットと、
前記ロープに貫通され、前記ロープに沿って移動可能な浮体と、
垂直方向に沿って所定の間隔で前記第１中空座体と前記第２中空座体の間に設置された複数の検知素子を含み、前記浮体の移動で対応位置における前記検知素子を作動させることによって、第２信号を生成する第２検知ユニットと、
前記第１信号と前記第２信号を受信し、前記第１信号を土壌流出深度データに変換し、前記第２信号を水位高度データと流速データのうち、少なくとも一つに変換する信号処理ユニットと、
を備えることを特徴とする複合式水文監視システム。
前記浮体の側面に磁気素子が設置され、前記磁気素子で対応位置における前記検知素子を作動させることを特徴とする請求項１記載の複合式水文監視システム。
前記検知素子は磁気スイッチまたは誘導コイルであることを特徴とする請求項２記載の複合式水文監視システム。
前記磁気スイッチは、複数の検知部を形成するよう、前記第２中空座体の外側の少なくとも二つの対称位置に設置され、前記検知部は垂直方向に沿って並んでいる複数の磁気スイッチを備えることを特徴とする請求項３記載の複合式水文監視システム。
前記磁気スイッチは並列で二つのワイヤーに接続され、前記浮体が対応位置における前記磁気スイッチを作動させる際、前記磁気スイッチは前記二つのワイヤーと導通回路を形成することを特徴とする請求項３記載の複合式水文監視システム。
前記信号処理ユニットはロックインアンプの原理で第２信号を処理することを特徴とする請求項５記載の複合式水文監視システム。
前記誘導コイルは前記第２中空座体に巻き付き、前記浮体が前記誘導コイルを通過するとき、前記浮体にある前記磁気素子は前記誘導コイルと磁気誘導を引き起こし、前記第２検知ユニットに第２信号を生成させることを特徴とする請求項３記載の複合式水文監視システム。
前記浮体が前記誘導コイルを通過するとき、前記誘導コイルは前記浮体の前記磁気素子でインダクタンスの変化が発生することを特徴とする請求項７記載の複合式水文監視システム。
複合式水文監視システムであり、
内部に第１収容空間が形成され、側壁に前記第１収容空間と連通する複数の第１貫通孔が設けられている第１中空座体と、
前記第１収容空間内に設置され、重力の作用で垂直方向に沿って移動可能な重りと、
垂直方向に沿って移動する前記重りと共に力学的エネルギーの変化が発生する被検ユニットと、
垂直方向に沿って移動する前記重りによって前記被検ユニットに力学的エネルギーが変化するよう、前記重りと前記被検ユニットに連結されるロープと、
前記被検ユニットの力学的エネルギー変化を検知することで、第１信号を生成する第１検知ユニットと、
垂直方向に所定の間隔で設置される複数の検知素子を含み、前記検知素子で対応した位置の周囲の状態を検知することで、第２信号を生成する第２検知ユニットと、
前記第１信号と前記第２信号を受信し、前記第１信号を土壌流出深度データに変換し、前記第２信号を水位高度データと流速データのうち、少なくとも一つに変換する信号処理ユニットと、
を備えることを特徴とする複合式水文監視システム。
前記検知素子は前記ロープに設置されることを特徴とする請求項９記載の複合式水文監視システム。
前記検知素子は温度計または圧力計であることを特徴とする請求項９記載の複合式水文監視システム。
第３検知ユニットを備え、前記第３検知ユニットは前記重りに設置され、前記重りの移動を検知することで第３信号を生成し、前記信号処理ユニットは前記第３信号を、土壌流出深度、流速と水位高度のうち、少なくとも一つに関連する参考データに変換することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の複合式水文監視システム。
前記力学的エネルギーの変化は前記被検ユニットの回転による変化であり、前記第１検知ユニットは前記被検ユニットの回転を検知することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の複合式水文監視システム。
前記被検ユニットは中心軸に対して回転し、前記ロープは前記中心軸に対応して前記被検ユニットに巻き付き、前記重りが下に向けて移動すると、前記ロープは前記重りに引っ張られて伸びて、前記被検ユニットを正回転させることを特徴とする請求項１３記載の複合式水文監視システム。
引っ張られた前記ロープの長さが前記重りの下方移動の距離を超えた場合、前記被検ユニットは弾力によって逆回転し、前記ロープを緊張状態に戻すことを特徴とする請求項１４記載の複合式水文監視システム。
前記被検ユニットは、ケース、機械式ターンテーブル、渦巻ばねと連結部材を有し、前記機械式ターンテーブルは前記ケースの軸に設けられ、前記渦巻ばねは前記軸に巻き付いて、前記機械式ターンテーブルの内側に設けられ、前記ロープは前記機械式ターンテーブルの外側に巻き付き、前記連結部材は前記機械式ターンテーブルと前記第１検知ユニットに連結されることを特徴とする請求項１５記載の複合式水文監視システム。
前記第１検知ユニットは前記被検ユニットと同時に回転する回転エンコーダであることを特徴とする請求項１６記載の複合式水文監視システム。
前記信号処理ユニットは計算解析モジュールを有し、前記土壌流出深度データと前記水位高度データを総合的に解析し、警告信号を生成することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の複合式水文監視システム。
前記計算解析モジュールは、前記土壌流出深度データと前記水位高度データを読み込んで解析し、
（１）前記土壌流出深度データが第１警戒閾値を上回った場合、
（２）前記水位高度データが第２警戒閾値を上回った場合、
（３）前記土壌流出深度データが前記第１警戒閾値を下回ったと同時に、前記水位高度データが前記第２警戒閾値を下回ったときに、前記土壌流出深度データと前記水位高度データの合計が第３警戒閾値を上回った場合、
の何れかの状況で警告信号を出し、
前記第１警戒閾値、前記第２警戒閾値及び前記第３警戒閾値は、予め設定したパラメータであることを特徴とする請求項１８記載の複合式水文監視システム。