JP4334095B2

JP4334095B2 - トンネル内監視システム

Info

Publication number: JP4334095B2
Application number: JP36366099A
Authority: JP
Inventors: 明久森; 和良上田
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: JP2001174242A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル内監視システムに関し、特に、崩落等のトンネル内異常を振動や音として検知すると共に、発生位置を特定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄道等のトンネルの崩落事故が問題となっている。
トンネル壁材にはコンクリートが多用されているが、このコンクリートの組成品質のばらつきや、湿度等のトンネル環境の差異から、コンクリートの耐久寿命が様々であるため、いつ崩落事故が起きるか予測することは非常に困難である。
一方、トンネルの管理者は、この予防保全として、定期的に複数のトンネルについて、目視検査、打音検査などの点検をして対応している。
【０００３】
上述の目視検査によればトンネル壁表面の「亀裂」や、「はく離」等を発見することができ、また、打音検査によれば目では確認しにくい「ひび」や、「浮き」等を発見することができる。そして、これらの予兆部分を危険箇所として認識し、崩落等の危険度合いを判断し、必要があると判断すれば修復工事や補強工事をして対処していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のトンネル内点検を十分に行なったとしても、全ての危険箇所を完全に認識することは困難であるから、たとえ発見した危険箇所の全てについて補強工事等を施したとしても崩落事故の発生防止は困難である。
つまり、定期点検で見つけられなかった箇所、及び定期点検後に危険な状態に達した箇所にあっては、崩落の発生を防止することはできない。
例えば、定期点検した後に崩落が起き、鉄道線路上等にコンクリートの塊があったならば、それを知らないでトンネルに進入した列車等は脱線、転覆等の重大な事故を起こしてしまう虞がある。
そこで、コンクリートの崩落による２次的な災害の防止が必要となってくるが、これまでの定期点検等では、崩落が発生した際に直ぐさまそれを発見して対応することができなかった。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、トンネル内に生ずる振動或いは音を検出することにより、トンネル内におけるコンクリート崩落等の発生を常時監視することが可能なトンネル内監視システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係わるトンネル内監視システム請求項１の発明は、
トンネル内にその貫通方向に沿って配置した複数の振動又は音波検出センサと、前記検出センサの出力を並列に監視する監視手段と、車両通過及び地震の特徴的振動波形情報を予め記憶する記憶手段と、を備え、前記検出センサの出力と前記記憶手段に記憶されている波形とを比較して異物の落下を検知するともに、前記検出センサに到達する振動又は音の時間差に基づいて該異物のトンネル内の落下位置を推測する、ことを特徴とする。
また、本発明に係わるトンネル内監視システム請求項２の発明は、前記請求項１記載のトンネル内監視システムにおいて、前記異物のトンネル内の落下位置を、前記検出センサに到達する振動又は音の時間差、及び、前記検出センサの出力のレベル差、に基づいて推測することを特徴とする。
また、本発明に係わるトンネル内監視システム請求項３の発明は、トンネル内にその貫通方向に沿って配置した複数の振動又は音波検出センサと、前記検出センサの出力を並列に監視する監視手段と、車両通過及び地震の特徴的振動波形情報を予め記憶する記憶手段と、を備え、前記検出センサの出力と前記記憶手段に記憶されている波形とを比較して異物の落下を検知するともに、前記検出センサに到達する振動又は音の時間差に基づいて該異物のトンネル内の落下位置を推測する制御装置と、前記異物の落下がトンネル内に位置するものと判定されたとき、その旨を無線或いは有線にて所定の場所に伝達する通信手段と、を具備したことを特徴とする。
また、本発明に係わるトンネル内監視システム請求項４の発明は、前記請求項３記載のトンネル内監視システムにおいて、前記異物のトンネル内の落下位置を、前記検出センサに到達する振動又は音の時間差、及び、前記検出センサの出力のレベル差、に基づいて推測する、ことを特徴とする。
また、本発明に係わるトンネル内監視システム請求項５の発明は、請求項３又は４記載のトンネル内監視システムにおいて、トンネル壁に付したガイドレールに沿ってトンネル内を移動可能なテレビカメラを備え、前記制御装置によって特定された前記異物の落下位置近傍に前記テレビカメラを移動させて起動し、前記通信手段は該テレビカメラの映像信号を所定の場所に伝達する、ことを特徴とする。
また、本発明に係わるトンネル内監視システム請求項６の発明は、前記請求項３又は４記載のトンネル内監視システムにおいて、トンネルの貫通方向に沿って複数のテレビカメラを配置し、前記制御装置によって特定された前記異物の落下位置近傍のテレビカメラを起動し、前記通信手段は該テレビカメラの映像信号を所定の場所に伝達する、ことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施の形態例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明に係わるトンネル内監視システムの実施の形態例を示す概略図である。
【０００８】
この例に示すトンネル内監視システムは、鉄道線路１が敷設されたトンネル２において、前記トンネル２内の側壁面に所定間隔で配置した複数の振動センサ３ａ〜３ｎと、前記トンネル２内に据え付けた移動用レール４上に配置した複数の撮影機５ａ〜５ｎと、前記振動センサ３ａ〜３ｎ及び撮影機５ａ〜５ｎに接続されこれらからの信号を収集するトンネル局６と、前記トンネル局６に接続し前記トンネル２の出入口に設置した表示器７ａ、７ｂと、無線或いは有線による通信回線８を介して前記トンネル局６に接続する監視センター９とを備えている。
【０００９】
前記振動センサ３ａ〜３ｎは、音波を捉えることが可能なものであり、例えば、マイクロホンや振動ピックアップ等であり、ここでは空気中を伝播する音波を捉えるためのマイクロホンＭ１〜５として示す。
また、前記撮影機５ａ〜５ｎは、映像を捉えることが可能なものであり、例えば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサを用いたカメラ等であり、ここでは可視光領域のカラー映像を得るためにライトを備えたカメラＣ１〜３として示す。なお、鉄道線路１上の映像やトンネル内天井部の映像を撮影するために、カメラのレンズ方向が上下に可動できる構造にするか、或いは、複眼レンズ構成として反射鏡等により同一画面上に線路と天井の映像を映せるようしたものが望ましい。
【００１０】
そして、前記トンネル局６は、図２に示すよう構成されている。
図２は、本発明に係るトンネル内監視システムのトンネル局の構成例を示す機能ブロック図である。
この図に示すトンネル局６は、前記振動センサ３ａ〜３ｎを収容するセンサＩＦ（Interface）部１０と、前記撮影機５ａ〜５ｎを収容するカメラＩＦ部と、前記振動センサにて収集した振動レベルや振動波形などの音波データ及び前記撮影機にて収集した映像データを記憶すると共に、予め所定の基礎データが記憶してある主記憶部１２と、前記表示器７ａ、７ｂを駆動するための表示駆動部１７と、前記通信回線８を介して監視センター９との通信を行なう通信部１６とが、共通母線（ＢＵＳ）を介してトンネル局６を統括制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ、ＲＡＭに接続されている。
【００１１】
この図に示すトンネル内監視システムは以下のように機能する。即ち、前記マイクロホンＭ１〜Ｍ５の配置毎に、それぞれトンネル２内の区間割当てがなされており、前記トンネル局６は、これらマイクロホンＭ１〜Ｍ５を並列に監視している。
そして、トンネル２内において、崩落等による衝撃音（音波）が発生すると、前記マイクロホンにより、これを検出するのである。
このとき、前記マイクロホンＭ１〜Ｍ５のうち衝撃音の音源に最も近いマイクロホンが最初に音波を検出することになる。そして、トンネル局６は、何れかのマイクロホンに音波を検出したときから、各マイクロホンからのデータを一斉にモニタして音波の到達時刻差及び音波のレベルを取得するのである。
【００１２】
上述の様子を図３を参照しつつ説明する。
図３（ａ）は、鉄道線路１上にコンクリート片１８が崩落した場合の例を示す概略図であり、ここでは圧電型振動ピックアップＨ１〜Ｈｎを前記鉄道線路１の側面に貼付け固定した例を示している。また、図３（ｂ）は、同一時間軸上における各センサの音波検出の様子を示すタイミングチャート例である。
【００１３】
つまり、トンネル２内にて崩落等の異常が発生した場合には、コンクリート片１８の落下衝撃により音波が発生し、これを受けた鉄道線路１は、その場所から両方向へ音波を伝播する。そして、鉄道線路１を伝播する音波（表面波）を圧電型振動ピックアップＨ１〜Ｈｎにより検出すると（ｂ）に示すようになる。
この場合にあっては、振動ピックアップＨ４或いはＨ５にて最初の振動検出があり、続いて振動ピックアップＨ３及びＨ６→振動ピックアップＨ３→振動ピックアップＨ１のような順で振動検出がなされている。これは鉄道線路１を伝播する音波の伝播遅延に基づく時間差であり、このことから最初に振動を検出した振動ピックアップＨ４とＨ５間に振動源、即ち崩落箇所があることが推測することができるのである。
また、例えば、前記振動ピックアップを１０ｍ毎に設置する場合であれば、鉄道線路１の伝播表面波を計測する際のクロック周波数は、１００ｋＨｚ程度あれば足りる。但し、更に精密に波形を観測する必要があれば、サンプリング周波数として更に高い周波数を用いる必要があろう。
【００１４】
また、各振動ピックアップＨ１〜Ｈｎにて検出される振動レベルは、振動源から遠ざかるほど減衰して小さくなるので、これに基づいて振動源の位置を推測することも可能である。
【００１５】
ところで、上述のように設置した振動センサ（振動ピックアップＨ１〜Ｈｎ）は、鉄道線路１を通過する電車の振動をも検出してしまうことになる。
この場合の様子を図４に基づき説明する。
図４（ａ）は、トンネル２への進入方向（一方をＡ方向とすれば、その逆をＢ方向とする）別に電車が通過する様子を示す図であり、図４（ｂ）は、Ａ方向から電車が進入した場合の通過振動検出例を示すタイミングチャート図であり、図４（ｃ）は、Ｂ方向から電車が進入した場合の通過振動検出例を示すタイミングチャート図である。
つまり、電車の通過時には（ｂ）及び（ｃ）の図に示すように、Ａ方向又はＢ方向の何れか最端部に設置した振動センサから順に振動検出が発生するという特徴を有する一方、検出される振動波形にもコンクリート崩落の場合とは異なる特徴がある。
【００１６】
崩落等の場合と電車通過の場合とでは、振動波形の立上り及び立下り、振動波形の持続時間、振動波形レベル（減衰の程度）、振動スペクトル等が異なるので、トンネル局６は、これら特徴的振動波形情報を予め記憶しておき、これらとの比較を行なうことで、電車通過時の振動とそれ以外の振動とを判別することができる。
【００１７】
また、これと同様に地震による振動にあっては、振動センサ３ａ〜３ｎがほぼ同時、或いは何れか最端の振動センサから順に振動検出され、且つ、それぞれの振動波形レベルも同等となるであろうことから、トンネル２内の異物落下等による衝撃音（振動）との判別が可能である。
【００１８】
このような処理を、トンネル局６のセンサＩＦ部１０が、ＣＰＵ１３の制御に基いて行なっており、前記ＣＰＵ１３は振動源位置を推定することができる。
【００１９】
こうして、振動を検出したトンネル局６は、通信部１６を用いて遠隔地にある監視センター９に通報する。例えば、ＰＨＳや携帯電話等の一般公衆回線を通信回線８に用いて、オートダイヤルによるダイヤルアップ接続をしてデータ通信を行なうようにしてもよい。このとき、監視センター９に通報するデータとしては、異常発生の旨と、推定されるトンネル内振動源の発生場所（区間或いは座標情報）と、振動波形データ等が考えられる。
【００２０】
以下に本発明のトンネル内監視システムの動作手順例を、図を用いて更に詳細に説明する。
図５は、本発明に係るトンネル内監視システムの動作手順例を示すフローチャート図である。
【００２１】
まず、トンネル局６は、トンネル内に設置した複数の振動センサ３ａ〜３ｎのうち、何れかのセンサに振動反応を検出したか否か判断する<ＳＴＥＰ１>。
これは、各振動センサに所定の閾値を設定し、これを超える振動（音圧）を監視しており、この閾値を超える振動反応が無ければ（ＮＯ）、引き続いて監視を継続し、この閾値を超える振動反応が有ったならば（ＹＥＳ）、全ての振動センサからの振動検出データ収集を一斉に開始する<ＳＴＥＰ２>。
このときデータを収集する時間は、予め定めた一定時間（例えば３０秒間）でも良いし、振動が継続している間中収集しても良い。但し、後者の場合にあっては、必要十分なところで上限時間を定めるべきであろう。
【００２２】
また、前記ＳＴＥＰ２の実行と同時に、前記振動センサ３ａ〜３ｎからの振動データのうち、何れか適当なセンサからの振動波形データを主記憶部１２に記憶する<ＳＴＥＰ３>。例えば、最初に反応した振動センサのデータはレベルが大きすぎて波形全体がつかめないような場合には、少し遅れて反応した別の振動センサからの波形を記憶するようにする。こうすれば、波形の立ち上がりも欠けることなく捉えることができる。
なお、ここで記憶する振動波形データは、その後に振動解析処理に用いることを想定しているので、再生波形に劣化を伴う圧縮は行なわないようにするのが望ましい。
【００２３】
次に、前記ＳＴＥＰ２によって収集したデータから、各振動センサの相対検出時間差、及び各振動センサの相対検出レベル差を計り、これらに基いてトンネル内のどの位置にて振動が発生したかを特定（推測）する<ＳＴＥＰ４>。
このときトンネル局６は、電車通過や地震等との区別についても判定を行なっており、前記推測された振動源区域がトンネル内であったならば、表示器７ａ、７ｂに注意警告表示を行い<ＳＴＥＰ５>、トンネルに進入しようとする者へ警報する。これにより、電車の運転手等はトンネル内に崩落等が発生した可能性があることを察知し、電車のスピードを緩めることができる。
また、前記ＳＴＥＰ４によりトンネル内の振動源区域が特定されると、撮影機５ａ〜５ｎのうち、当該区域を担当範囲とする撮影機を起動し、撮影の準備を行なう<ＳＴＥＰ６>。
【００２４】
次に、トンネル局６は、監視センター９と通信を行ない、異常発生の旨、推定されるトンネル内振動源の発生場所、取得振動波形データ等を通報する<ＳＴＥＰ７>。
【００２５】
前記通報を受ける監視センター９は、監視員が常駐しており、前記ＳＴＥＰ７による通報を受けると、当該トンネル局６に対し遠隔操作（リモート制御）を開始する。
そこで、トンネル局６は、監視センター９からのリモート制御モードと、ローカル制御モードとを有し、前記リモート制御モードを優先として次の動作を行なう<ＳＴＥＰ８>。
【００２６】
前記ＳＴＥＰ８にてリモート制御が開始されたならば（ＹＥＳ）、前記ＳＴＥＰ６にて準備された撮影機を駆動し、トンネル内映像を見ると共に、送られてきた振動波形を聞いたり、或いは、振動解析処理（例えば、ウエーブレット変換を応用した解析手法による）したりして、監視員が振動の発生原因を調査する<ＳＴＥＰ９>。
【００２７】
そして、前記監視員は、前記調査結果に基いて危険度合いの判断を行ない<ＳＴＥＰ１０>、危険があると判断すれば（ＹＥＳ）、リモート制御によりトンネル２の表示器７ａ、７ｂに進入禁止警告表示を行ない<ＳＴＥＰ１１>、その後、保守員などが現地に出向いて修復処置を施すことになる<ＳＴＥＰ１２>。
【００２８】
前記ＳＴＥＰ１２により安全が確認された、又は、前記ＳＴＥＰ１０において危険がないと判断（ＮＯ）された場合には、監視センター９からのリモート制御によりトンネル局６の警報（警告表示）が解除される<ＳＴＥＰ１３>。
【００２９】
一方、前記ＳＴＥＰ８において、直ちに監視センターからのリモート制御が開始されない場合（ＮＯ）には、トンネル局６はローカル制御モードにて予めインプットされたプログラムに基き自動的に次のような動作を行なう。
まず、前記ＳＴＥＰ６にて起動した撮影機により、推測した振動源区域の鉄道線路１上の映像、及びトンネル２内の天井映像を、移動用レール４に沿って自動的に撮影し<ＳＴＥＰ１４>、これら映像を、予め主記憶部１２に撮影機の位置座標に対応付けして記憶した平常時画像データと照合（相関比較）し、異物検出等のための画像処理を行なう<ＳＴＥＰ１５>。
この場合、例えば、トンネル貫通方向に並行移動した場合の映像は比較的近似した映像となることを鑑みて、照合処理すべき画像データ量を減らすなどして高速に処理する。
【００３０】
また、前記ＳＴＥＰ３にて記録した振動波形データを、予め主記憶部１２に記憶した複数のサンプル波形パターンと照合し、振動源の原因種別の予測を試みる<ＳＴＥＰ１６>。
【００３１】
そして、前記ＳＴＥＰ１５及びＳＴＥＰ１６の結果に基づき、事故発生の可能性を判断する<ＳＴＥＰ１７>。この判断にて事故発生の可能性有り（ＹＥＳ）となれば、トンネル局６は表示器７ａ、７ｂに進入禁止警告表示を行ない<ＳＴＥＰ１８>、その後に再度、監視センター９に上述の自動判定結果及び取得データ等（ＳＴＥＰ１４〜１８の結果）を通報する<ＳＴＥＰ１９>。また、前記ＳＴＥＰ１７の判断にて事故発生の可能性無し（ＮＯ）となれば、前記ＳＴＥＰ１８を行なわずにＳＴＥＰ１９に移行する。
【００３２】
ここまでが、トンネル局６のローカル制御モードにて行われ、これ以後は、監視センター９からの指示待ち<ＳＴＥＰ２０>、即ち、監視センター９からのリモート制御等、人間による判断制御となる。
【００３３】
以上説明した本発明の実施の形態例においては、振動センサ３ａ〜３ｎとしてマイクロホンＭ（コンデンサマイクロホン、ダイナミックマイクロホン、エレクトレットマイクロホンなど）、及び振動ピックアップＨ（圧電型ピックアップ、動電型ピックアップなど）を示したが、この他に高感度震度計（３軸方向別の加速度センサや、磁気センサ等を用いたもの）を用いてもよい。
また、これら振動センサ３ａ〜３ｎをトンネル２内の壁面または鉄道線路１の側面に設置し、振動（音波）を観測するという例を示したが、本発明の実施にあってはこの例に限らず、例えば、振動センサ３ａ〜３ｎをコンクリートや地中に埋設するように構成しても良い。これによれば、センサ本体や接続ケーブルが露出しないため風圧抵抗の影響を与えなくて済むと共に、固体中を伝播する直接波（Ｐ波又はＳ波）を観測できるので更に短時間の検出ができる。
また、上述の実施の形態例においては、撮影機５ａ〜５ｎとして、ライトを備えた可視光カメラを示したが、これに限らず、例えば、赤外線カメラや高感度暗視カメラなどを用いても良い。これによれば、ライトを省略することができる。
また、上述の実施例では、トンネル２の出入口に表示機７ａ、７ｂを設け、警告表示を行なうものを示したが、例えば、列車の運転手に無線等の連絡手段で危険を知らせるものや、自動列車制御システムと連係して列車を自動停止させるなど、他の警報伝達手段や管制制御手段に本発明を適用してもよいことは言うまでもない。
【００３４】
以上のように、本発明に係わるトンネル内監視システムは、トンネル２内に発生した崩落等を直ちに検出し、これを監視センター９に通報すると共に、表示器７ａ、７ｂに警告表示するので、異物による電車の脱線事故等を防止することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明に係わるトンネル内監視システムは、複数の振動センサにより検出した振動波から、相対時間差及び相対レベル差を求めることにより振動源位置を判定し、所定の場所に通報すると共に、該所定場所からの遠隔操作によりトンネル内映像を確認できるので、トンネル内の異常を直ちに検出し、この発生原因を調査し、更に、危険度を判定して警告表示することが可能なトンネル内監視システムが実現できる。
これにより、従来からの綿密な定期点検（目視調査、打音調査）の実施と共に、更に、素早い対応が可能となり、トンネル内事故防止に極めて優れたトンネル安全管理を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトンネル内監視システムの実施例を示す概略図である。
【図２】本発明に係るトンネル局の構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明に係る振動検出を説明するための図である。
【図４】本発明に係る振動源判別を説明するための図である。
【図５】本発明に係るトンネル内監視システムの動作手順例を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１・・・鉄道線路
２・・・トンネル
３ａ〜３ｎ・・・振動センサ
４・・・移動用レール
５ａ〜５ｎ・・・撮影機
６・・・トンネル局
７ａ、７ｂ・・・表示器
８・・・通信回線
９・・・監視センター
１０・・・センサＩＦ部
１１・・・カメラＩＦ部
１２・・・主記憶部
１３・・・ＣＰＵ
１４・・・ＲＯＭ
１５・・・ＲＡＭ
１６・・・通信部
１７・・・表示駆動部
１８・・・コンクリート片
Ｃ１〜Ｃ３・・・カメラ
Ｍ１〜Ｍ５・・・マイクロホン
Ｈ１〜Ｈｎ・・・振動ピックアップ

Claims

トンネル内にその貫通方向に沿って配置した複数の振動又は音波検出センサと、
前記検出センサの出力を並列に監視する監視手段と、
車両通過及び地震の特徴的振動波形情報を予め記憶する記憶手段と、
を備え、
前記検出センサの出力と前記記憶手段に記憶されている波形とを比較して異物の落下を検知するともに、前記検出センサに到達する振動又は音の時間差に基づいて該異物のトンネル内の落下位置を推測する、
ことを特徴とするトンネル内監視システム。
前記異物のトンネル内の落下位置を、
前記検出センサに到達する振動又は音の時間差、及び、前記検出センサの出力のレベル差、に基づいて推測する、
ことを特徴とする請求項１記載のトンネル内監視システム。
トンネル内にその貫通方向に沿って配置した複数の振動又は音波検出センサと、
前記検出センサの出力を並列に監視する監視手段と、
車両通過及び地震の特徴的振動波形情報を予め記憶する記憶手段と、
を備え、
前記検出センサの出力と前記記憶手段に記憶されている波形とを比較して異物の落下を検知するともに、前記検出センサに到達する振動又は音の時間差に基づいて該異物のトンネル内の落下位置を推測する制御装置と、
前記異物の落下がトンネル内に位置するものと判定されたとき、その旨を無線或いは有線にて所定の場所に伝達する通信手段と、を具備した
ことを特徴とするトンネル内監視システム。
前記異物のトンネル内の落下位置を、
前記検出センサに到達する振動又は音の時間差、及び、前記検出センサの出力のレベル差、に基づいて推測する、
ことを特徴とする請求項３記載のトンネル内監視システム。
トンネル壁に付したガイドレールに沿ってトンネル内を移動可能なテレビカメラを備え、
前記制御装置によって特定された前記異物の落下位置近傍に前記テレビカメラを移動させて起動し、前記通信手段は該テレビカメラの映像信号を所定の場所に伝達する、
ことを特徴とする請求項３又は４記載のトンネル内監視システム。
トンネルの貫通方向に沿って複数のテレビカメラを配置し、
前記制御装置によって特定された前記異物の落下位置近傍のテレビカメラを起動し、前記通信手段は該テレビカメラの映像信号を所定の場所に伝達する、
ことを特徴とする請求項３又は４記載のトンネル内監視システム。