JP2020091258A - 測定システム、測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より少ないコストで流水の状態を監視することができる測定システム、測定方法及び測定装置を提供することである。【解決手段】実施形態の測定システムは、発信装置と、測定装置と、を持つ。発信装置は、浮揚部と、回転部と、発電部と、発信部と、を持つ。浮揚部は、自装置を水面付近で浮揚させる。回転部は、自装置を浮揚させる水の流れによって回転する。発電部は、前記回転部の回転を利用して発電する。発信部は、前記発電部によって生成された電力を用いて信号を無線発信する。測定装置は、受信部と、測定部と、を持つ。受信部は、前記発信装置から前記信号を受信する。測定部は、受信した前記信号に基づいて前記水の流速又は前記水面の高さを測定する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、測定システム、測定方法及び測定装置に関する。

従来、下水道管渠等に設けられた測定機器によって管渠を流れる水の状態を監視することが行われている。しかしながら、従来の監視方法では、測定機器に電力を供給する電源の確保及び維持管理が必要になり、運用コストの増大を招く可能性があった。

特開２０１５−１０４０３号公報 特開２０１８−８７８１０号公報

本発明が解決しようとする課題は、より少ないコストで流水の状態を監視することができる測定システム、測定方法及び測定装置を提供することである。

実施形態の測定システムは、発信装置と、測定装置と、を持つ。発信装置は、浮揚部と、回転部と、発電部と、発信部と、を持つ。浮揚部は、自装置を水面付近で浮揚させる。回転部は、自装置を浮揚させる水の流れによって回転する。発電部は、前記回転部の回転を利用して発電する。発信部は、前記発電部によって生成された電力を用いて信号を無線発信する。測定装置は、受信部と、測定部と、を持つ。受信部は、前記発信装置から前記信号を受信する。測定部は、受信した前記信号に基づいて前記水の流速又は前記水面の高さを測定する。

本実施形態における下水管渠監視システムのシステム構成の具体例を示す図。 本実施形態における無線発信機１の機能構成の具体例を示すブロック図。 本実施形態における発電部１１の構成の具体例を示す図。 本実施形態における測定装置２の機能構成の具体例を示すブロック図。 本実施形態における水位測定部２５１がビーコン信号の電波強度に基づいて下水管渠ＰＮを流れる下水の水位を測定する方法の具体例を示す図。 本実施形態における無線発信機１を下水管渠ＰＮを流れる下水の水面付近で、かつ所定の範囲内の位置に維持する方法の具体例を示す図。 本実施形態における無線発信機１を下水管渠ＰＮを流れる下水の水面付近で、かつ所定の範囲内の位置に維持する方法の具体例を示す図。 本実施形態における下水管渠監視システム１００において下水管渠ＰＮを流れる下水の水位及び流速が測定され、その測定データがデータサーバ３に蓄積される処理の流れを示すフローチャート。

以下、実施形態の測定システム、測定方法及び測定装置を、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態における下水管渠監視システムのシステム構成の具体例を示す図である。図１に示す下水管渠監視システム１００は、本実施形態における下水管渠監視システムの一例である。下水管渠監視システム１００は、無線発信機１（発信装置の一例）、測定装置２、データサーバ３及び監視装置４を備える。無線発信機１は、下水管渠ＰＮの内部に設置され、所定の信号を無線発信する機能を有する。無線発信機１が送信する信号は、その無線強度を受信側で取得することが可能なものであればどのような信号であってもよい。また、無線発信機１が送信する信号は、１回の信号送信に要する電力が低いものであるほうが望ましい。このような信号の一例として、本実施形態の無線発信機１はビーコン信号を送信するものとする。

測定装置２は、無線発信機１からビーコン信号を受信可能な位置に配置され、受信したビーコン信号に基づいて、下水管渠ＰＮを流れる下水に関する物理量を測定する機能を有する。測定装置２は、ネットワークＮを介してデータサーバ３と通信可能に接続され、上記物理量の測定データをデータサーバ３に送信する。

データサーバ３は、測定装置２から受信される測定データを蓄積するとともに、自身に蓄積している測定データを要求に応じて提供するデータベースとしての機能を有する。データサーバ３は、ネットワークＮを介して監視装置４と通信可能に接続され、監視装置４の要求に応じて、要求された測定データを監視装置４に送信する。

監視装置４は、データサーバ３から供給される測定データに基づいて下水管渠ＰＮの監視を支援する各種情報の生成、表示又は提供等を行う機能を有する。

図１は、簡単のため、３つの無線発信機１−１、１−２及び１−３が、それぞれ対応するマンホールＭ１、Ｍ２及びＭ３の下方に配置され、各無線発信機１−１、１−２及び１−３に対応する３つの測定装置２−１、２−２及び２−３が、対応するマンホールＭ１、Ｍ２及びＭ３の上方に配置された例を示している。これは、マンホールの内部空間を無線の伝搬路とすることで効率の良い無線通信が可能になることを想定したものであるが、無線発信機１及び測定装置２の設置位置をこのような位置に限定するものではない。

無線発信機１及び測定装置２は、無線発信機１及び測定装置２が以下の条件を満たす限りにおいてどのように配置されてもよい。
（条件１）無線発信機１が下水の水面の付近で、かつ所定の範囲内に位置すること。
（条件２）無線発信機１がいずれかの測定装置２と無線通信可能であること。
また、上記の各条件を満たす限りにおいて、無線発信機１は下水管渠ＰＮの任意の位置に配置されてよいし、測定装置２と必ずしも１対１に対応づけられる必要はない。

図２は、本実施形態における無線発信機１の機能構成の具体例を示すブロック図である。無線発信機１は、発電部１１、記憶部１２及びビーコン信号発信部１３を備える。発電部１１は、後述する回転部１１１の回転を利用して発電する機能を有する。例えば、発電部１１は、記憶部１２及びビーコン信号発信部１３に電力を供給するように接続された蓄電池を内部に有し、発電した電力を蓄電池に蓄えることで、記憶部１２及びビーコン信号発信部１３に対してビーコン信号の送信に必要な電力を供給する。

記憶部１２は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。記憶部１２はビーコン信号の送信に関する設定情報を予め記憶している。なお、ビーコン信号がワイヤードロジックで生成される場合には無線発信機１は記憶部１２を備えなくてもよい。

ビーコン信号発信部１３は、ビーコン信号を発信する機能を有する。具体的には、ビーコン信号発信部１３は、記憶部１２に記憶されている設定情報に基づいてビーコン信号を生成し、生成したビーコン信号を無線出力する。なお、ビーコン信号の発信は、ＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）（Bluetoothは登録商標）やＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers）８０２．１１等の規格をはじめとする任意の規格に基づいて行われてよい。

ここで、記憶部１２及びビーコン信号発信部１３は、発電部１１の蓄電池に、１回のビーコン信号の発信に必要な電力（以下「ビーコン発信電力」という。）が蓄えられたことに応じて、１回のビーコン信号の発信に必要な動作（以下「ビーコン発信動作」という。）を行うように構成される。すなわち、記憶部１２及びビーコン信号発信部１３は、ビーコン発信電力が発電されるごとに間欠的にビーコン発信動作を行う。

なお、無線発信機１の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。また、無線発信機１がプログラムを実行する場合、プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

図３は、本実施形態における発電部１１の構成の具体例を示す図である。例えば発電部１１は、図示する回転部１１１、回転軸１１２、第１コイル１１３−１、第２コイル１１３−２、Ｎ極の磁性を有する第１磁石１１４−１、Ｓ極の磁性を有する第２磁石１１４−２を備える。回転部１１１は、自身に固定された羽根Ｂ１〜Ｂ８が下水の流れを受けて回転軸１１２を中心に回転する、いわゆる水車と同様の回転機構を構成する。第１磁石１１４−１及び第２磁石１１４−２は、回転部１１１の回転とともに回転するように回転部１１１の回転機構に固定される。

一方、第１コイル１１３−１及び第２コイル１１３−２は、回転部１１１とは独立して発電部１１に固定されることにより、回転する第１磁石１１４−１及び第２磁石１１４−２に対して相対的に静止した状態をとる。例えば、回転部１１１が、回転軸１１２を中心に、かつ回転軸１１２とは独立して回転するように構成される場合、第１コイル１１３−１及び第２コイル１１３−２を回転軸１１２に固定することにより、第１磁石１１４−１及び第２磁石１１４−２に対して相対的に静止した状態とすることができる。

このように構成される発電部１１は、第１コイル１１３−１及び第２コイル１１３−２と、これらに対して相対的に運動する第１磁石１１４−１及び第２磁石１１４−２との電磁誘導現象によって誘導電流を発生させることにより発電する。発電部１１は、このようにして発電された電力を蓄電池（図示せず）に蓄電し、蓄電池を介してビーコン信号発信部１３に電力を供給する。

図４は、本実施形態における測定装置２の機能構成の具体例を示すブロック図である。測定装置２は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。測定装置２は、プログラムの実行によって第１通信部２１（受信部の一例）、第２通信部２２、ビーコン情報記憶部２３、ビーコン情報取得部２４及び測定部２５を備える装置として機能する。なお、測定装置２の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

第１通信部２１は、測定装置２を無線発信機１と無線通信可能に接続する無線通信インタフェースである。第１通信部２１は無線発信機１から受信したビーコン信号をビーコン情報取得部２４に出力する。さらに、第１通信部２１は、受信したビーコン信号の電波強度を測定する機能を有し、受信したビーコン信号をその電波強度を示す情報（以下「電波強度情報」という。）とともにビーコン情報取得部２４に出力する。

第２通信部２２は、測定装置２をネットワークＮを介してデータサーバ３と通信可能に接続する通信インタフェースである。第２通信部２２は、無線通信インタフェースであってもよいし、有線通信インタフェースであってもよい。第２通信部２２は、測定部２５によって生成される測定データをデータサーバ３に送信する。

ビーコン情報記憶部２３は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。ビーコン情報記憶部２３は、ビーコン情報取得部２４が出力するビーコン信号及び電波強度情報を記憶する。

ビーコン情報取得部２４は、無線発信機１から順次受信されるビーコン信号について、その受信タイミング及び電波強度を示す情報（以下「ビーコン情報」という。）を、受信されるビーコン信号ごとに生成してビーコン情報記憶部２３に記録する機能を有する。例えば、ビーコン情報取得部２４は、第１通信部２１からビーコン信号が出力されたタイミングをそのビーコン信号の受信タイミングとしてもよいし、無線発信機１がビーコン信号を送信したタイミング、又は第１通信部２１がビーコン信号を受信したタイミングを、そのビーコン信号の受信タイミングとしてもよい。この場合、無線発信機１は送信タイミングを示す情報を含めたビーコン信号を送信するように構成されてもよいし、第１通信部２１はビーコン信号の受信タイミングをビーコン情報取得部２４に通知するように構成されてもよい。

測定部２５は、ビーコン情報記憶部２３に記憶されているビーコン情報に基づいて下水管渠ＰＮを流れる下水の水位及び流速を測定し、その測定データをデータサーバ３に蓄積する機能を有する。具体的には、測定部２５は、水流及び流速の測定データを第２通信部２２を介してデータサーバ３に送信する。

具体的には、測定部２５は、水位を測定する水位測定部２５１と、流速を測定する流速測定部２５２とを備える。水位測定部２５１は、無線発信機１から受信されたビーコン信号の電波強度に基づいて下水管渠ＰＮを流れる下水の水位を測定する。流速測定部２５２は、ビーコン信号の受信頻度に基づいて下水管渠ＰＮを流れる下水の流速を測定する。

図５は、本実施形態における水位測定部２５１がビーコン信号の電波強度に基づいて下水管渠ＰＮを流れる下水の水位を測定する方法の具体例を示す図である。図５において、Ｈは下水管渠ＰＮの底部からの測定装置２の高さを表し、Ｄは無線発信機１と測定装置２との直線距離を表す。また、Ｘは無線発信機１と測定装置２との水平方向における距離を表し、Ｙ_１は無線発信機１と測定装置２との鉛直方向における距離を表す。この場合、測定対象の水位をＹ_２とすると、Ｈ、Ｄ、Ｘ、Ｙ_１、Ｙ_２の関係は次の式（１）及び（２）で表される。

そして式（１）及び（２）の関係から、水位Ｙ_２は次の式（３）で表すことができる。

ここで、Ｈ及びＸは無線発信機１の設置位置と測定装置２の設置位置とに応じた固定値となるため、水位測定部２５１はビーコン信号の電波強度に基づいて無線発信機１と測定装置２との直線距離Ｄを求めることにより、水位Ｙ_２を算出することができる。なお、電波の送信者と受信者との間の直線距離を、受信者側での電波受信強度に基づいて推定する方法には既知のどのような方法が用いられてもよい。

図６及び図７は、本実施形態における無線発信機１を下水管渠ＰＮを流れる下水の水面付近で、かつ所定の範囲内の位置に維持する方法の具体例を示す図である。すなわち、図６及び図７は、上記の条件１を実現する方法の具体例を示す。条件１のうち、無線発信機１を下水の水面付近に維持する方法の１つとして、浮力によって無線発信機１を水面付近に浮揚させる方法が挙げられる。例えば、無線発信機１に浮力を与える方法には、無線発信機１の構成部材（浮揚部の一例）に比重の小さいものを用いる方法のほか、無線発信機１の内部空間の一部又は全部（浮揚部の一例）を周囲の水から密閉する方法、浮力を有する浮袋等の物体（浮揚部の一例）を無線発信機１の筐体外部に取り付ける方法などが考えられる。

また、図６には、条件１のうち、無線発信機１を所定の範囲内に維持する方法の１つとして、無線発信機１の移動方向を上下方向に制限する方法が示されている。より具体的には、所定位置に固定された鉛直方向の軸棒Ｐ（移動制限部の一例）を通し、軸棒Ｐに沿って上下方向に移動可能なシリンダ状の可動部Ｓ（移動制限部の一例）に回転軸１１２を連結することにより、無線発信機１を軸棒Ｐの周辺の所定範囲内において水位の変動とともに上下に移動させることが可能になる。

なお、図６の例において水流の方向が紙面手前から奥に向かう方向であることから、可動部Ｓが軸棒Ｐを中心として回転することができてしまうと、回転部１１１が必ずしも効率よく回転しない位置に無線発信機１が移動してしまう可能性がある。そのため、軸棒Ｐと可動部Ｓとを連結する機構には、回転軸１１２の軸方向が水流に対して垂直な方向に向くようにする手段が含まれてもよい。また図７に示すように、回転軸１１２の軸方向を水流に対して垂直な方向に向ける方法としては、発電部１１を貫通するように構成した回転軸１１２の両端を異なる軸棒Ｐ１及びＰ２に連結する方法も考えられる。

図８は、本実施形態における下水管渠監視システム１００において下水管渠ＰＮを流れる下水の水位及び流速が測定され、その測定データがデータサーバ３に蓄積される処理の流れを示すフローチャートである。まず、無線発信機１では、発電部１１によるビーコン発信電力の発電（ステップＳ１０１）と、発電されたビーコン発信電力によってビーコン信号発信部１３が行うビーコン発信動作（ステップＳ１０２）と、が繰り返し実行される。

なお、以下では、このように繰り返し実行される各処理を、それぞれの符号に付した繰り返しの数ｎ（１以上の整数）で識別することにする。例えば、ステップＳ１０１−１は、１回目の発電を意味し、ステップＳ１０２−１は１回目のビーコン発信動作を意味する。また、以下では、ステップＳ１０１及びＳ１０２以外の繰り返し処理についても同様の方法で識別するものとする。

続いて、測定装置２では、ビーコン情報取得部２４が、無線発信機１から受信されたビーコン信号についてビーコン情報を生成する（ステップＳ１０３）。具体的には、ビーコン情報取得部２４は、ビーコン信号の受信タイミングを示す情報と、そのビーコン信号とともに取得された電波強度情報とを対応づけることによりビーコン情報を生成する。ビーコン情報取得部２４は生成したビーコン情報をビーコン情報記憶部２３に記録する。

次に、測定部２５が、所定の測定周期ごとに、ビーコン情報記憶部２３に蓄積されている過去のビーコン情報に基づいて、下水管渠ＰＮを流れる下水の水位及び流速を測定する（ステップＳ１０４）。具体的には、水位測定部２５１が、直近で受信されたビーコン信号の電波強度に基づき、上記の式（３）から水位Ｙ_２を算出する。ここで、測定装置２は、Ｈ及びＸの値を予め記憶しているものとする。

一方、流速測定部２５２は、ビーコン信号の受信頻度に基づいて下水の流速を算出する。これは、以下の相関１〜３の相関性に基づいて算出することができる。
（相関１）ビーコン信号の受信頻度は、発電部１１の単位時間当たりの発電量に相関する。
（相関２）発電部１１の単位時間当たりの発電量は、回転部１１１の回転速度に相関する。
（相関３）回転部１１１の回転速度は、下水の流速（又は流量）に相関する。

測定部２５は、このように算出された下水の水位及び流速を示す情報を測定データとしてデータサーバ３に送信する（ステップＳ１０５）。データサーバ３は、測定装置２から受信した測定データを記録する（ステップＳ１０６）。

このように構成された本実施形態の下水管渠監視システム１００によれば、下水管渠ＰＮの内部に設置される無線発信機１に対して電力を外部から供給する必要がない。そのため、無線発信機１を動作させるための電源の確保及び維持管理が不要になり、より少ないコストで下水（流水の一例）の状態を監視することが可能になる。

また、本実施形態の下水管渠監視システム１００によれば、測定装置２がビーコン信号の受信頻度に基づいて下水の流速を測定するため、下水管渠ＰＮの内部に水位測定のための装置と、流速測定のための装置とを個別に設置する必要がない。そのため、下水管渠ＰＮを流れる下水の水位及び流速を従来よりも簡易な構成で測定することが可能になる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、自装置を浮揚させる水の流れによって回転する回転部１１１と、１１１回転部の回転を利用して発電する発電部１１と、発電部１１によって生成された電力を用いてビーコン信号を無線発信するビーコン信号発信部１３と、ビーコン信号発信部１３から受信されたビーコン信号に基づいて下水の流速又は水位を測定する測定部２５と、を持つことにより、より少ないコストで流水の状態を監視することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…下水管渠監視システム、１，１−１〜１−３…無線発信機、１１…発電部、１１１…回転部、１１２…回転軸、１１３−１…第１コイル、１１３−２…第２コイル、１１４−１…第１磁石、１１４−２…第２磁石、１２…記憶部、１３…ビーコン信号発信部、２，２−１〜２−３…測定装置、２１…第１通信部、２２…第２通信部、２３…ビーコン情報記憶部、２４…ビーコン情報取得部、２５…測定部、２５１…水位測定部、２５２…流速測定部、３…データサーバ、４…監視装置

Claims (7)

1. 自装置を水面付近で浮揚させる浮揚部と、
   自装置を浮揚させる水の流れによって回転する回転部と、
   前記回転部の回転を利用して発電する発電部と、
   前記発電部によって生成された電力を用いて信号を無線発信する発信部と、
   を備える発信装置と、
   前記発信装置から前記信号を受信する受信部と、
   受信した前記信号に基づいて前記水の流速又は前記水面の高さを測定する測定部と、
   を備える測定装置と、
   を備える測定システム。
2. 前記発信装置の移動範囲を前記水面付近の所定範囲内に維持する移動制限部をさらに備える、
   請求項１に記載の測定システム。
3. 前記測定部は、前記信号の受信強度に基づいて前記水面の高さを測定する、
   請求項１又は２に記載の測定システム。
4. 前記発信部は、前記信号の１回の送信に必要な電力が生成されるごとに前記信号の送信を実行し、
   前記測定部は、前記信号の受信頻度に基づいて前記水の流速を測定する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の測定システム。
5. 自装置を水面付近で浮揚させ、自装置を浮揚させる水の流れによる回転部の回転を利用して発電する発電ステップと、
   前記発電ステップによって生成された電力を用いて信号を無線発信する送信ステップと、
   前記信号を受信する受信ステップと、
   受信した前記信号に基づいて前記水の流速又は前記水面の高さを測定する測定ステップと、
   を有する測定方法。
6. 自装置を水面付近で浮揚させる浮揚部と、自装置を浮揚させる水の流れによって回転する回転部と、前記回転部の回転を利用して発電する発電部と、前記発電部によって生成された電力を用いて信号を無線発信する発信部と、を備える発信装置から前記信号を受信する測定装置が、
   受信した前記信号に基づいて前記水の流速又は前記水面の高さを測定する、
   測定方法。
7. 自装置を水面付近で浮揚させる浮揚部と、自装置を浮揚させる水の流れによって回転する回転部と、前記回転部の回転を利用して発電する発電部と、前記発電部によって生成された電力を用いて信号を無線発信する発信部と、を備える発信装置から前記信号を受信する受信部と、
   受信した前記信号に基づいて前記水の流速又は前記水面の高さを測定する測定部と、
   を備える測定装置。

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