JP3219305U - 河川監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】河川の水位を検知する検知装置に圧電素子を用いることで、電池などの専用の電源供給を必要としない検知装置を備えた河川監視システムを提供する。【解決手段】振動板に圧電素子を貼り付けた構造からなる圧電発電ユニット２と、上記振動板が内部に向けて突出するように設置された円筒体１と、円筒体１の内部に上記圧電発電ユニット２の突出した上記振動板と対向するように設けられたガイド部材４と、側面に凸部が設けられ上記円筒体１の内部を長手方向に移動できる円柱状のフロート機構３と、ケーブル１０を介して上記圧電発電ユニット２と接続され上記円筒体１に関する監視情報を送信する制御装置と、上記制御装置から送信された監視情報を受信して必要な措置を通知する管理センターとを有する。【選択図】図１

Description

本考案は、災害が予想される場所などに検知装置を設置し、離れた場所から監視して被害を未然に防ぐことのできる監視システムに関し、特に、台風や集中豪雨などで生ずる河川の水位の変動を自動的に検知して、動作の信頼性が高い河川監視システムに関する。

河川の増水を検知することは、防災対策上重要である。そのために、防波堤などには河川の増水を検知するための水位計やモニターが配備されているのが通常である。そして、必要に応じてこれらの情報を集めて離れた場所から集中的に管理されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、水位計などの検知装置を多くの観測場所に設置して、離れた場所から監視する場合、観測場所から観測情報を通知するためには、検知装置を駆動するための電池などの独立した電源を必要としており、定期的に多くの検知装置に対して電池交換やそれに伴う作業、確認が必要となる。また、観測場所が人手の届きにくい場所である場合や、特に災害時には危険な場所となる場合もある。一方、水位計やモニターなどの検知装置の動作が保証されないと十分な監視活動ができず、防災上重大な影響が出るという欠点があった。

また、津波や集中豪雨などは突発的なものであるため、検知装置は定期的な電源としての電池の交換や故障が起こらないようにメンテナンスをすることが日ごろから必要となり、人的及び経済的負担が大きくなる問題があった。

この改善策として、水位計とモニターの両方を観測場所に備え、水位計が故障した場合にモニター画像で状況を補足するようにした方法がある（例えば特許文献１参照）。しかしながらこの方法でも、メンテナンスは必要であり、また、設備費用が増加することになる。電池交換の必要がない太陽光発電を利用する方法も考えられるが、同様に、設置するための設備費用の増加やメンテナンスが必要となる。簡易な水位検知システムとして、複数の圧電素子を水深方向に設置して、圧電素子に印加した周波数の変化から水位などを計測する方法がある（例えば特許文献２参照）。この方法でも検知装置としての圧電素子に特定周波数の信号を印加するためには、駆動電源が別途必要になる。

特開２００４−１９９１９８号公報 特開２００３−１９４６１４号公報

解決しようとする問題点は、河川監視システムを正常に動作させるためには、観測地点に設置した水位計などの検知装置に、専用の電源を設けて常時稼働ができる状態にしておく必要があり、動作の信頼性を維持するためには、観測地点まで出かけて定期的な電源の交換や断線の有無などのメンテナンスが欠かせない点である。

本考案は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、河川監視システムにおいて電源交換やメンテナンスなどの負担が軽減できるようにするため、検知装置を圧電素子から構成し、水位が変動して、設定したレベルの圧電振動板にフロートが当たることで、この圧電素子から発電した電位により異常を検知すること、を最も主要な特徴とする。

本考案の河川監視システムによれば、異常が発生した際に生じる水位変動を圧電素子により電圧に変換して検知するため、検知のための独立した駆動電源を不要にできる。また、圧電素子センサは電池レスであり簡易な構造であるためメンテナンスなどの負担が大幅に削減できて長期にわたり信頼性の高いシステムが提供できるという利点がある。

本考案の一実施形態に係る円筒体内部の概略構造を示す断面図である。 図１の円筒体内部を構成するフロート機構の構造を示す図である。 図１の円筒体内部を構成する圧電発電ユニットの構造を示す図である。 図３の圧電素子で発生する電圧波形である。 本考案の一実施形態に係る支柱の外観構造を示す図である。 図５の支柱を構成する制御装置の動作を説明する図である。

河川監視システムにおいて電源交換やメンテナンスなどの負担を軽減するという目的を、簡易な構成で水位を検知する検知装置により実現した。

以下、本考案の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本考案の一実施形態に係る円筒体内部の概略構造を示す断面図であり、鉛直に設置された円筒体１の内部には、円筒体１の長さ方向に沿って設置された３個の検知装置としての圧電発電ユニット２と、フロート機構３と、圧電発電ユニット２と対向するように設けられたガイド部材４を備えている。

円筒体１は、その長さ方向が鉛直方向となるように河川に沿って複数設置され、その上部には図示しない空気孔が、その下部には開口部５が形成されている。開口部５から円筒体１の内部に水が浸入すると、内部の空気が上部の空気孔から排出され、円筒体１の内部と外部の気圧は同じになる。このため、内部と外部は常に同一の水位が保たれている。

フロート機構３は、図２に示すように、円柱形状の本体６とその側面に同心円状に設けた凸部としての枠板７とから構成されている。本体６の内部には、下方（底部）に図示しない錘が封入されていて、水面上に浮かんでもバランスがとれるようになっている。また、錘は、後述するように、フロート機構３が水面の下降に従って下降する際に、振動板９を屈曲できる程度の重さで構成されている。このフロート機構３は、円筒体１の内部の水位にしたがって昇降する。本体６及び枠板７は、例えば、プラスチックのような同一材料で一体的に作製されるが、別部材で一体的に作製されていてもよい。また、フロート機構３は周辺部が円形状のものであればよく、本体６と枠板７が一体となった円盤形状にするなど、円筒体１内でバランスをとりながらスムーズに移動できるものであればよい。

枠板７の外周形状は、本実施例では円形状とし、枠板７と円筒体１の内壁との間に隙間を形成しながら、円筒体１内の水位変化に伴って、フロート機構３がスムーズに上昇及び下降ができる。後述するように、フロート機構３は、円筒体１の内壁に設けられたガイド部材４上では斜面に沿って上昇及び下降することになる。

また、本実施例では、３個の圧電発電ユニット２が、円筒体１の長さ方向に所定間隔で設置されている。圧電発電ユニット２の設置間隔は、注意報や警報など水位管理上の水位の程度を考慮して決めるのが好ましい。

図３に検知装置としての圧電発電ユニット２の構造を示す。圧電発電ユニット２は、屈曲変位型の圧電素子８と、圧電素子８と一体になって圧電素子８を屈曲させる板状の振動板９から構成されており、圧電素子８は振動板９の一部分と接合されている。圧電素子８が接合していない部分の振動板９の振動が圧電素子８に伝搬することで発電し、ケーブル１０を介して発生した電圧が伝達する構成になっている。振動板９は、例えばステンレスで構成される。本実施例では、圧電素子８が振動板９の一部と接合されているが、振動板９の全部と圧電素子８が接合されるように構成してもよい。

図１に示すように、圧電発電ユニット２は、圧電素子８と接合されている振動板９の部分は円筒体１に固定されて、圧電素子８と接合していない振動板９の部分が円筒体１の中心に向けて突出した構成で円筒体１に設置されている。圧電発電ユニット２は円筒体１に、例えば、ゴム部材などを介して固定され、振動板９から圧電素子８への振動の伝搬が、円筒体１に固定することで妨げられないようにするのが好ましい。

屈曲変位型の圧電素子８とは、具体的には、バイモルフ素子又はユニモルフ素子であり、バイモルフ素子は矩形の金属薄板などの補強板の両面に圧電板が張り付けられた構造をしており、ユニモルフ素子は矩形の補強板の片面に圧電板が張り付けられた構造をしている。いずれの素子も本考案に適用することができる。

図１に示すように、円筒体１の内壁には、ガイド部材４が設けられている。ガイド部材４は、その断面が圧電発電ユニット２と対向する位置を頂点として壁面に向かって傾斜した形状を有している。傾斜は、フロート機構３がその枠板７に接触しながらスムーズに上昇及び下降ができるように、なだらかであればよい。ガイド部材４は、フロート機構３が円筒体１内の水面の上昇に伴って上昇する際には、その斜面に沿って、フロート機構３の枠板７を圧電発電ユニット２の振動板９に向けながら上昇させる作用がある。下降する際にも、同様に、振動版９に向けながら下降する。

ガイド部材４の頂点部分と突出した振動板９の端部との距離は、フロート機構３の枠板７の横幅よりも狭く構成されている。そのため、フロート機構３の枠板７がガイド部材４の頂点付近に到達したときに、枠板７は圧電発電ユニット２の振動板９と接触する。
すなわち、この状態で、フロート機構３は、ガイド部材４と振動板９により制止されている。更に、円筒体１内の水面が上昇すると、枠板７は、ガイド部材４は円筒体１に固定されているため、円筒体１内に突出した振動板９を押し上げて上昇する。この押し上げにより振動板９が上方向に屈曲して振動し、振動板９に貼り付いている圧電素子８も同時に振動して、屈曲状態が反転するところで発電する。水面が下降する場合も同様に、フロート機構３がガイド部材４の斜面に沿って下降し、フロート機構３の自重により圧電素子８を屈曲させて発電するが、下方向に屈曲させて発電させるため、発生する電位は上方向に屈曲させた場合と比べて反転した極性となる。

図１には、円筒体１の長手方向に３個の圧電発電ユニット２が設置されているがこれに限定されるものではない。この場合、例えば水位管理上、水位の上昇に伴って注意報、警報、特別警報のように各圧電発電ユニット２の設置間隔を規定することができる。

津波や集中豪雨の際には、水面が大きく波打ち、フロート機構３は大きな上下の変動を繰り返すことになる。図４は、圧電素子８で発生する具体的な電圧の出力波形を示しており、フロート機構３の上昇及び下降により電圧の極性が反転している。上昇を正極性とすると、ピークA、ピークB、ピークDでは、フロート機構３が上昇していることを示し、ピークC、ピークDでは、負極性であるため下降していることを示している。正極性及び負極性は、圧電素子の分極の向きが変わることによって生じる。

図４に示す例では、最初の２つのピークA及びピークBは正極性であるため、その時点では下から２番目の圧電発電ユニットまで水位が上昇したことがわかり、次に負極性のピークCが現れていることから、水位の下降が始まったことがわかる。この時点では、水位は下から１番目の圧電発電ユニット２と下から２番目の圧電発電ユニット２の中間にあることが分かる。続いて、正極性のピークDが現れているので、水位が再び上昇し、下から２番目の圧電発電ユニット２まで水位が上昇したことがわかる。続いて負極性のピークEが現れていることから水位低下が生じその時点では、水位は下から１番目の圧電発電ユニット２と下から２番目の圧電発電ユニット２の中間にあることがわかる。

円筒体１は、観測場所となる河川に沿った複数の箇所に設置される。各円筒体１は、水位管理上、圧電発電ユニット２の設置位置など同一の構造のものが使用される。図５は、本考案の一実施形態に係る支柱１１を示しており、各円筒体１に設置されている３個の圧電発電ユニット２から検知された電圧信号は、河川に沿ってそれぞれ敷設されたケーブル１０を介して、支柱１１に設置されている制御装置１２に供給される。図６は、複数の円筒体１と接続されている制御装置１２の動作を説明する図である。

制御装置１２では、円筒体１ごとにレベル検出回路１３が備えられており、３個の圧電発電ユニット２のうちのどの圧電発電ユニット２で電圧信号が発生したのかを特定することができる。特定の方法としては、各圧電発電ユニット２からのケーブルで判断してもよいし、各圧電発電ユニット２の振動板９の弾性率を変えて振動の変位量を変え、圧電素子８に発生する電圧のピーク値からどの圧電発電ユニット２から電圧信号が発生したのかを判断してもよい。そして、電圧の極性が正転及び反転する状況から各円筒体１で検出された水位のレベルを判断する。すなわち、図４の例では、水位が下から１番目と２番目の圧電発電ユニット２の間にあると判断する。このようにして、円筒体１のある各観測場所での水位レベルを知ることができる。また、例えば、ピークAからピークBまでの時間と圧電発電ユニット２間の設置間隔から増水の速さを調べるようにしてもよい。これにより、災害の緊急度が把握でき、洪水や浸水の危険性を予測して速やかに避難準備などの通報をすることが可能になる。

ID発生回路１４では、円筒体１ごとに特有のID情報を付加して、その円筒体１の水位レベルとともに、監視情報として管理センター１５に無線により送信する。制御装置１２には、支柱１１に設置されている太陽光パネル１６により発生する電力が供給される。すなわち、太陽光パネル１６で発電された起電力は、蓄電効率の高いコンデンサなどで構成された蓄電装置１７に一旦蓄えられる。その後、制御装置１２の電源回路１８に供給されて、レベル検出回路１３などの電源として使用される。また、図５に示すように、支柱１１には監視カメラ１９が設置されており、制御装置１２と同様に太陽光パネル１６の起電力により駆動されて、周囲の状況を画像として監視することができる。この画像も監視情報として制御装置１２から管理センター１５に送ることができる。

管理センター１５は、制御装置１２から無線回線により送られた監視情報をもとにして、円筒体１の配置されている各観測場所での水位の異常の有無を把握することができる。暴風雨での河川の氾濫など緊急性の高い場合には、観測場所とその場所での水位の上昇の速さから、過去の蓄積情報などをもとにして、洪水の起こる時刻を予測し、住民に警戒や避難を呼びかけることもできる。このように、水位のレベルから注意報、警報、特別警報の通知など、きめ細かな情報を迅速に提供することができる。

以上のように、本考案にかかる河川監視システムは、監視が必要な場所に設置した検知装置の電源交換やメンテナンスの負担が軽減されるという効果を有しており、また、検知装置の小型化、薄型化が可能であるため、例えばトンネルの壁面などにも容易に取り付けを行うことができて、経年劣化など長期にわたって監視が不可欠な場所での用途に適用できる。

１ 円筒体
２ 圧電発電ユニット
３ フロート機構
４ ガイド部材
６ 本体
７ 枠板
８ 圧電素子
９ 振動板
１０ ケーブル
１２ 制御装置
１３ レベル検出回路
１４ ID発生回路
１５ 管理センター
１６ 太陽光パネル
１９ 監視カメラ

Claims (7)

1. 振動板に圧電素子を貼り付けた構造からなる圧電発電ユニットと、上記振動板の一部が内部に向けて突出するように上記圧電発電ユニットを設置された円筒体と、上記円筒体の内部であって上記圧電発電ユニットの突出した上記振動板の一部と対向するように設けられたガイド部材と、上記円筒体の内部を長手方向に上記ガイド部材に沿って移動できる周辺部が円形状のフロート機構と、河川に沿って上記円筒体を設置し、ケーブルを介して上記圧電発電ユニットと接続された、上記円筒体に関する監視情報を送信する制御装置と、上記制御装置から送信された上記監視情報を受信して必要な措置を通知する管理センターとを、有する河川監視システム。
2. 上記圧電発電ユニットは、上記円筒体の長さ方向に沿って複数個所に設置されており、上記フロート機構が上記円筒体の内部を長手方向に移動する際に上記フロート機構の周辺部が上記振動板の突出した一部分と接触して発電するように構成された請求項１に記載の河川監視システム。
3. 上記ガイド部材は、上記圧電発電ユニットと対向する位置を頂点として上記円筒体の内部壁面に向かって傾斜した形状とした請求項１又は２に記載の河川監視システム。
4. 上記フロート機構は、周辺に円形状の凸部が設けられた円柱状の構造からなる請求項１から３のいずれか一つに記載の河川監視システム。
5. 上記制御装置は、上記円筒体の識別用IDを発生するID発生回路と、上記円筒体に設置されている複数の上記圧電発電ユニットの発電により得られた電圧信号から水位のレベルを検出するレベル検出回路とを備えている請求項２に記載の河川監視システム。
6. 上記円筒体は、河川に沿って複数個所に配置されており、上記制御装置は、上記ID発生回路及び上記レベル検出回路からの情報を監視情報として上記管理センターに無線回線を介して送信する請求項５に記載の河川監視システム。
7. 上記制御装置は、太陽光発電の電力により駆動する請求項１に記載の河川監視システム。