JP2017223606A - 斜面監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】山間地や丘陵地等無線通信環境が良好でない区域に利用可能であり、計測器もしくはセンサへのケーブルの敷設が不要であるとともに長期間にわたってバッテリの交換が不要な斜面監視システムを実現する。【解決手段】監視区域の斜面に設置された複数の傾斜計測器と、これらの傾斜計測器から無線通信で送られている計測データを受信し時系列的に記憶する記憶装置および無線通信手段を有する中継装置とを備えた斜面監視システムにおいて、傾斜計測器には、１個の基板上に傾斜センサと電子回路とが形成された傾斜角検出デバイス（１１）と、バッテリと、常態において電流を消費せず所定角度以上傾くと接点が導通状態にされて閉回路が形成される複数の機械式傾斜計（１２）と、を無線方式で送信可能な無線送信手段（２３）とを設け、前記複数の機械式傾斜計はそれぞれ検知する傾斜角度が異なる値に設定するようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、斜面の状態を監視するための斜面監視システムに関し、特に電波の届きにくい山間地や遠隔地の斜面の崩落等の異常の発生を監視することのできる斜面監視システムに関するものである。

山間地や丘陵地等、崩落の危険性がある斜面の近傍に敷設されている鉄道軌道においては、斜面が崩落したり崩落の危険性があると、列車の運行を見合わせるなどの対応が必要であるため、斜面の状態を常に監視する必要がある。そこで、斜面弱点箇所や落石重点監視箇所には、傾斜計などの計測機器を設置して定量的に監視を行っている。
従来、斜面監視システムとしては、例えば特許文献１や特許文献２等に記載されている技術がある。このうち、 特許文献１に開示されている斜面監視システムは、ＧＰＳ観測値に基づいて斜面の変位量を計測するようにしている。また、特許文献２に開示されている斜面監視システムは、斜面に設置した傾斜角センサから無線通信で中継装置へ送り、通信網を介して監視センタへ検出データを送信するようにしている。

特開２００４−１４４６２２号公報 特開２００９−２５０６６４号公報

しかしながら、計測機器は電力で動作するため計測機器に電力を供給したり計測データを伝送したりするためのケーブルが必要である。また、計測データの伝送に関しては、無線通信を利用することも考えられるが、山間地や遠隔地の斜面の状態を監視する場合には、電波が届きにくいためケーブルが必要となり、その設置コストが大きいという課題がある。
特許文献１や２に開示されている斜面監視システムは、無線通信を行う中継装置を備えることが記載されている。

しかし、特許文献１のシステムでは、有線または無線の計測データ集約機を設け、少なくともＧＰＳ受信機と集約機との間は有線で接続しており、これらの機器間にはケーブルの敷設が必要である。また、特許文献１には電源についての記載がないため、ＧＰＳ受信機や集約機への給電用のケーブルの敷設が必要であると考えられる。
一方、特許文献２のシステムでは、電源としてバッテリを使用し傾斜センサの検出信号を無線で送信するようにしているため、センサへのケーブルの敷設は不要であるが、消費電力を少なくする点については何ら記載されていないので、定期的にバッテリを交換する必要があり、山間地や遠隔地の場合、交換作業に多大な労力とコストが発生するおそれがある。
また、いずれのシステムにおいても中継装置を山間地や丘陵地等の無線通信環境が良好でない区域に設置する場合には、通信用ケーブルの敷設が必要になるという課題がある。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、計測器もしくはセンサへのケーブルの敷設が不要であり、山間地や丘陵地等に適用する場合にケーブルの敷設に要する労力及びコストを低減することが可能な斜面監視システムを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、山間地や丘陵地等の無線通信環境が良好でない区域に利用可能であるとともに、長期間にわたってバッテリの交換が不要な斜面監視システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本出願に係る発明は、
監視区域の斜面に設置された複数の傾斜計測器と、これらの傾斜計測器から無線通信で送られている計測データを受信し時系列的に記憶する記憶装置および無線通信手段を有する中継装置と、を備えた斜面監視システムであって、
前記傾斜計測器は、１個の基板上に傾斜センサと電源電圧で動作する電子回路とが形成された傾斜角検出デバイスと、前記電子回路に電源電圧を供給するバッテリと、常態において電流を消費せず所定角度以上傾くと接点が導通状態にされて閉回路が形成される複数の機械式傾斜計と、前記傾斜角検出デバイスおよび前記機械式傾斜計の計測情報を無線により送信可能な無線送信手段と、を備え、
前記複数の機械式傾斜計はそれぞれ検知する傾斜角度が異なる値に設定されているように構成したものである。

上記のような手段によれば、計測可能な角度範囲を高分解能（１度ピッチなど）で測定できるものの消費電力を必要とする傾斜角検出デバイスと、測定可能な角度を低分解能（１０度ピッチなど）でしか測定できないが常態において電源電圧を必要としない複数の機械式傾斜計とで傾斜計測器を構成することができる。そのため、消費電力を抑制しバッテリで動作させることができ、傾斜計測器への給電用ケーブルの敷設が不要となり、山間地や丘陵地等に適用する場合に敷設に要する労力及びコストを低減することが可能な斜面監視システムを実現することができる。

ここで、望ましくは、前記中継装置は、無線によるデータ送信要求を受けると、前記無線通信手段によって前記記憶装置に記憶されている計測データを送信するように構成する。
上記のような構成によれば、傾斜計測器から計測情報を無線で中継装置へ送信して記憶するので、傾斜計測器と中継装置との間でデータ伝送用のケーブルの敷設が不要である。さらに、中継装置が無線通信手段を有するため、中継装置の近傍へドローン等を飛ばして計測データを受信することができ、中継装置へのデータ伝送用のケーブルの敷設も不要であり、山間地や丘陵地等の無線通信環境が良好でない区域に利用可能な斜面監視システムを実現することができる。

また、望ましくは、前記傾斜角検出デバイスおよび前記複数の機械式傾斜計に接続された制御手段を備え、
前記制御手段は、所定の周期で前記傾斜角検出デバイスの計測結果を取得し、前記無線送信手段により計測結果を送信させるように構成する。
かかる構成によれば、傾斜角検出デバイスを時々動作させることで消費電力を抑制することができ、これによって長期間にわたってバッテリの交換が不要な斜面監視システムを実現することができる。

また、望ましくは、前記傾斜計測器は、常態において電流を消費せず所定震度以上の揺れに相当の揺れを検知すると動作する機械式感震器をさらに備えるように構成する。
上記のような構成によれば、所定の震度以上の地震が発生した場合における震度の情報を取得することができる。

本発明によれば、計測器もしくはセンサへのケーブルの敷設が不要であり、山間地や丘陵地等に適用する場合にケーブルの敷設に要する労力及びコストを低減することが可能な斜面監視システムを実現することができる。また、山間地や丘陵地等の無線通信環境が良好でない区域に利用可能であるとともに、長期間にわたってバッテリの交換が不要な斜面監視システムを実現することができるという効果がある。

本発明に係る斜面監視システムの一実施形態を示すシステム構成図である。 斜面監視システムを構成する傾斜計測器の構成例を示すブロック図である。 実施形態の傾斜計測器における計測タイミングの一例を示すタイミングチャートである。 実施形態の斜面監視システムの変形例を示すシステム構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る斜面監視システムについて説明する。
図１は本発明に係る斜面監視システムの一実施形態を示すシステム構成図である。
本実施形態の斜面監視システムは、図１に示すように、山間地や丘陵地等の無線通信環境が良好でない区域の斜面に設置された複数の傾斜計測器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ……と、これらの傾斜計測器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ……から無線通信で送られている計測データを時系列的に記憶するデータロガのような記憶装置を備えた中継器２０とを備える。なお、以下の説明においては、１つ１つの傾斜計測器を区別しないときは、単に傾斜計測器１０と記す。

傾斜計測器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ……は、それぞれバッテリ（一次電池）を内蔵しバッテリ電圧で動作するとともに、無線通信機能を備える。中継器２０は太陽光発電パネル２１および充放電可能なバッテリ（二次電池）を備えるとともに、傾斜計測器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ……から無線通信で送られてくる計測データを受信し無線通信機を搭載したドローン３０等からのデータ要求に応じて無線で送信可能なデータ送受信機能を備える。なお、中継器２０へのデータ要求は、ビーコン信号によって行うように構成することができる。また、中継器２０にビーコン信号を発信する機能を設け、ドローン３０がビーコン信号を受けて中継器を見つけ、データを受信するように構成しても良い。

また、本実施形態の斜面監視システムにおいては、監視区域の近傍に鉄道軌道が敷設されている場合には、監視区域に設けられているすべての傾斜計測器１０および鉄道軌道上から無線通信が可能な位置に中継器２０が設置され、中継器２０は列車４０に搭載されているデータ収集器（例えばタブレット端末）からのデータ送信要求を受けると収集したデータを送信可能に構成されている。ドローン３０は、リモコン式のものでもよいが、ジャイロおよびマイクロプロセッサが搭載され、所定のルートに沿って無人で自動飛行する機能を有するものを使用するのが望ましい。

上述したような構成の斜面監視システムによれば、システムの管理者は、定期的あるいは地震発生直後などにドローン３０を飛ばしたり、付近を通過する列車４０へ指令を送って中継器２０へ収集した計測データの送信要求を行なってデータを受信したりすることができる。従って、電波環境が劣悪な区域を監視する場合にも、計測データを送信するためのケーブルの敷設が不要でありコストアップを回避することができる。中継器２０に設けられる無線通信手段は、傾斜計測器１０との間で行う無線通信とドローンや列車上のデータ収集器との間で行う無線通信とがそれぞれ異なる方式の通信手段であっても良いし、共通であっても良い。

図２には、図１の斜面監視システムを構成する傾斜計測器の構成例が示されている。
本実施形態の斜面監視システムに使用される傾斜計測器１０は、図２に示すように、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）傾斜センサ１１、機械式の傾斜計１２、機械式の感震器１３の３種類のセンサと、これらのセンサからの計測値を収集するマイクロプロセッサ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃと、計測データを定期的に送信する無線通信モジュール１５と、これらのデバイスに電源電圧を供給するバッテリ（一次電池）１６とを備える。

ＭＥＭＳ傾斜センサ１１は、１個の半導体チップのような基板上に機械式のセンサと電子回路が形成されたデバイスであり、例えば０．１度のような単位で傾斜角度を計測可能なものが使用される。そして、ＭＥＭＳ傾斜センサ１１は、マイクロプロセッサ１４Ａのタイマ割込み機能により所定周期（例えば１０分ごと）で活性化されて傾斜角の計測を行う。また、センサより得られた計測データは中継器２０へ送られて内部のデータロガに計測時間情報と共に記憶されるように構成されている。

現在市場に提供されているＭＥＭＳ傾斜センサは、消費電力が少ないとともに計測角度の精度が高いが、計測可能な傾斜角は大きくなく１０度以内である。そこで、本実施形態では、精度は低いが検出可能な傾斜角度が大きいとともに常態において電力を消費しない機械式の傾斜計を組み合わせている。そして、上記のような２種類の傾斜計を組み合わせて使用することによって、ＭＥＭＳ傾斜センサ１１を常時動作させずに周期的に動作させるだけで、解析に必要最小限のデータを収集することができる。

機械式の傾斜計１２は、通常は電力を消費しないセンサであり、内部に鋼球を有し所定角度以上傾くと鋼球が移動して閉回路が形成されることで、傾斜状態を感知するように構成されている。本実施形態では、機械式の傾斜計１２として、それぞれ感知する傾斜角度が１０度、２０度、３０度のように異なる３個の傾斜計１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃで構成されている。
そして、いずれかの傾斜計が傾きを感知すると、感知信号がマイクロプロセッサ１４Ｂへ供給され、マイクロプロセッサ１４Ｂは、感知信号に基づいて傾斜角を判定し傾斜の発生と発生時刻を中継器２０のデータロガに記憶する。また、マイクロプロセッサ１４Ｂはタイマ割込み機能により所定周期（例えば１０分ごと）でスリープ状態から抜けて３個の傾斜計１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃが正常であるか否か判定する生存確認処理を実行する。

また、マイクロプロセッサ１４Ｂは、例えば傾斜角度が２０度に設定されている傾斜計１２Ｂが感知したにも拘わらず、傾斜角度が１０度に設定されている傾斜計１２Ａが傾斜を感知しなかった場合には傾斜計１２Ａが異常であると判定し、傾斜角度が３０度に設定されている傾斜計１２Ｃが感知したにも拘わらず、傾斜角度が１０度に設定されている傾斜計１２Ａまたは傾斜角度が２０度に設定されている傾斜計１２Ｂが傾斜を感知しなかった場合には傾斜計１２Ａまたは１２Ｂが異常であると判定する機能を有している。

機械式の感震器１３は、１４０〜４００ｇａｌの揺れ（震度５弱の地震の揺れに相当）を検知すると検出回路に設けられているノーマリオフの接点がチャタリングを起こし、チャタリングの大きさから震度５弱の地震が発生したことを検知するように構成されている。そして、感震器１３が震度５弱の地震の揺れに相当の揺れを検知すると、感知信号がマイクロプロセッサ１４Ｃへ供給され、マイクロプロセッサ１４Ｃは、地震が発生したことを把握し、中継器２０へ情報を送り内部のデータロガに地震の発生と発生時刻を記憶させる。

また、マイクロプロセッサ１４Ｃはタイマ割込み機能により所定周期（例えば１０分ごと）でスリープ状態から抜けて感震器１３が正常であるか否か判定する生存確認処理を実行する。なお、感震器１３は、例えば圧電素子などを有し揺れのエネルギーを電気エネルギーに変換する機構によって生成された電力で動作するものであっても良い。
図３には、各計測器からのデータの収集のタイミング例が示されている。図３に示すように、ＭＥＭＳセンサからは、１０分おきに中継器２０のデータロガへ計測データが送られる一方、他の機械式センサからは地震発生時等不定期でデータロガへデータが送られる。また、データロガに蓄積されたデータは、ドローン等かのデータ要求により不定期で収集されることとなる。

上述したような構成を有する傾斜計測器によれば、傾斜計１２Ａ〜１２Ｃおよび感震器１３は電力を消費しない一方、ＭＥＭＳ傾斜センサ１１およびマイクロプロセッサ１４Ａ〜１４Ｃ、無線通信モジュール１５は、所定周期（例えば１０分ごと）でわずかな時間だけ動作するだけで済むため、機器の消費電力は非常に少なく、本発明者の試算によれば、１本の電池で約１０年間稼働可能であることが確認された。
そのため、上記傾斜計測器１０を、図１の斜面監視システムに利用すれば、電波環境が劣悪な区域を監視する場合にも、計測データを送信するためのケーブルは勿論のこと、電力を供給するケーブルの敷設が不要でありコストアップを回避することができる。

次に、上記実施形態の変形例について、図４を用いて説明する。
図４の斜面監視システムは、山間地の無人駅のような鉄道関連施設に、通信装置とドローンの充電装置を設置した第２中継器５０を設け、該設備をドローンの待機基地として使用し、定期的あるいは地震発生直後などにドローン３０を飛ばして監視区域に設けられている第１の中継器２０へ計測データの送信要求を行なってデータを受信できるようにしたものである。

この変形例では、ドローン３０は監視区域で第１の中継器２０からのデータを受信した後、待機基地（第２中継器５０）へ戻って、そこにある通信装置を使用して管理センタ等へ収集したデータを送信するように構成される。あるいは、ドローン３０は監視区域で第１の中継器２０からのデータを受信すると、高度の高い上空へ移動して無線で待機基地のある第２中継器５０へデータを送信し、そこにある通信装置を介して管理センタ等へ収集したデータを送信するように構成しても良い。管理センタ等へ収集データを送信する第２中継器５０の通信装置は、無線方式のものでも有線方式のものでも良い。

図４の変形例は、山などの障害物を挟んで複数の斜面（監視区域）が存在する山間地などに適用すると有効である。このような複数の監視区域が比較的距離の短い範囲に存在する山間地等では、ドローン３０を複数の監視区域を回る所定のルートに従って飛ばして、各監視区域に設けられている中継器２０からそれぞれ計測データを受信して待機場所へ戻り、第２中継器５０にある通信装置を使用して管理センタへ収集データを送信するというような利用形態が可能になるという利点がある。

上記説明より分かるように、本出願には、監視区域の斜面に設置された複数の傾斜計測器と、これらの傾斜計測器から無線通信で送られている計測データを時系列的に記憶する記憶装置および無線通信手段を有する１または２以上の第１中継装置と、通信手段を有する第２中継装置と、無線通信手段を有し前記第２中継装置に配備された無人自動飛行体（ドローン）と、を備えた斜面監視システムであって、前記無人自動飛行体は、前記第２中継装置の配備地点から前記第１中継装置が設置されている監視区域の上空へ飛行し、前記無線通信手段を介して前記第１中継装置へデータ送信要求を送り、前記第１中継装置の前記記憶装置に記憶されている計測データを受信するようにした発明が含まれる。そして、かかる発明によって、山間地や丘陵地等の無線通信環境が良好でない区域に好適な斜面監視システムを実現することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、上記実施形態では、３種類の計測器に対応して３個のマイクロプロセッサ１４Ａ〜１４Ｃを設けた傾斜計測器１０について説明したが、３種類の計測器に対して１個のマイクロプロセッサを共用させるように構成することも可能である。また、前記実施形態の傾斜計測器１０では、機械式の傾斜計として設定値の異なる３個の傾斜計１２Ａ〜１２Ｃを設けているが、設定値の異なる２個あるいは４個以上の傾斜計を設けても良い。

さらに、前記実施形態では、傾斜計１２Ａ〜１２Ｃまたは感震器１３が所定の傾斜または揺れを検知した時点でその情報を中継器２０へ送って記憶させるようにしているが、傾斜計１２Ａ〜１２Ｃと感震器１３の検知情報は、マイクロセッサに保持しておき、次にＭＥＭＳ傾斜センサ１１の計測値を取得、送信するタイミングでその計測値と共に中継器２０へ送信するように構成しても良い。

１０ 傾斜計測器
１１ ＭＥＭＳ傾斜センサ（傾斜角検出デバイス）
１２ 機械式の傾斜計
１３ 機械式の感震器
１４ マイクロプロセッサ
１５ 無線通信モジュール
１６ バッテリ（一次電池）
２０ 中継器
３０ ドローン
５０ 第２中継器

Claims (4)

1. 監視区域の斜面に設置された複数の傾斜計測器と、これらの傾斜計測器から無線通信で送られている計測データを受信し時系列的に記憶する記憶装置および無線通信手段を有する中継装置と、を備えた斜面監視システムであって、
   前記傾斜計測器は、１個の基板上に傾斜センサと電源電圧で動作する電子回路とが形成された傾斜角検出デバイスと、前記電子回路に電源電圧を供給するバッテリと、常態において電流を消費せず所定角度以上傾くと接点が導通状態にされて閉回路が形成される複数の機械式傾斜計と、前記傾斜角検出デバイスおよび前記機械式傾斜計の計測情報を無線により送信可能な無線送信手段と、を備え、
   前記複数の機械式傾斜計はそれぞれ検知する傾斜角度が異なる値に設定されていることを特徴とする斜面監視システム。
2. 前記中継装置は、無線によるデータ送信要求を受けると、前記無線通信手段によって前記記憶装置に記憶されている計測データを送信するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の斜面監視システム。
3. 前記傾斜角検出デバイスおよび前記複数の機械式傾斜計に接続された制御手段を備え、
   前記制御手段は、所定の周期で前記傾斜角検出デバイスの計測結果を取得し、前記無線送信手段により計測結果を送信させるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の斜面監視システム。
4. 前記傾斜計測器は、常態において電流を消費せず所定震度以上の揺れに相当の揺れを検知すると動作する機械式感震器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の斜面監視システム。

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