JP4484216B2 - 表層地盤環境モニタリング装置及びそれを用いた表層地盤環境モニタリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、表層地盤の環境をモニタリングするモニタリング装置及びそれらを複数用いた表層地盤環境モニタリングシステムに関する。

近年、地球環境に対する関心が高まってきており、地球環境についての知見を得るために様々な調査研究が行われている。例えば、地殻表面や大気圏の環境については、合成開口レーダー（ＳＡＲ）やＧＥＯ−ＮＥＴ（ＧＰＳ）による地殻変動の観測、地球観測衛星ランドサットによる植生分布の観測、気象衛星ひまわりによる気象の観測などが行なわれている。また、地殻深部の環境については、Ｋ−ＮＥＴ、ＨＩ−ＮＥＴなどの地震波による観測や、弾性波探査、電気探査などの物理探査が行なわれている。

しかしながら、表層地盤の環境については、災害予測システムとして限定された地域の環境を観測するシステムにより観測されているにすぎない（例えば、特許文献１参照）。このような災害予測システムは、有線によるデータ通信を行なうための配線を必要とするため、広域の表層地盤の環境を観測することができないという問題があった。また、無線によるデータ通信を行うとしても、図８に示すように、既存の災害予測システムではデータ通信を行なうために、基地局３００がデータを受信できる範囲内（点線で描かれた円の内側）の観測地点３１０、３２０に観測装置を配置する必要があるため、通信電波の到達距離により観測可能な地域が制限され、基地局３００がデータを受信できる範囲外に存在する観測地点４１０、４２０の表層地盤の環境を観測することができないという問題があった。さらに、このような災害予測システムでは、恒常的な電源が必要となり、設置場所が限定されると共に設置コストが高いという問題があった。

特開平１０−２３２２８６号公報

本発明は、このような事情に鑑み、設置場所が限定されず、かつ広域の表層地盤の環境をモニタリングすることができる表層地盤環境モニタリング装置及びそれを用いた表層地盤環境モニタリングシステムを提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明の第１の態様は、表層地盤の傾斜を検知する複数の表層地盤環境モニタリング装置と、特定小電力無線を用いて前記表層地盤環境モニタリング装置により検出された観測データを収集するデータ収集サーバとを具備する表層地盤環境モニタリングシステムであって、前記表層地盤環境モニタリング装置は、表層地盤の傾斜を検出する少なくとも１つの傾斜計と、前記傾斜計に接続され、特定小電力無線を用いて前記傾斜計によって検出された観測データを送受信するとともに、他の表層地盤環境モニタリング装置が送信した観測データを受信して別の表層地盤環境モニタリング装置に送信する中継機能を有する受送信器と、前記傾斜計及び前記受送信器に電気的に接続されたバッテリーとを具備し、前記データ収集サーバと直接通信可能な範囲内に配置され、又は、他の表層地盤環境モニタリング装置を介して間接的に前記データ収集サーバと通信可能となるように配置されていることを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステムにある。

かかる第１の態様では、設置場所を限定することなく広域の表層地盤に表層地盤環境モニタリング装置を設置することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、前記表層地盤に設けられたボーリング孔の中に前記傾斜計が設置されていることを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステムにある。

かかる第２の態様では、表層地盤の中の環境をモニタリングすることができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、前記ボーリング孔内に前記ボーリング孔の内壁面を保護する保護管が設けられ、当該保護管と前記受送信器とが接続されていることを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステムにある。

かかる第３の態様では、観測データの送受信の感度を向上させ、通信距離を伸ばすことができると共に安定した観測データの送受信を行うことができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、前記表層地盤環境モニタリング装置は、前記傾斜計により検出された複数の前記観測データから前記観測データの平均値を算出する平均値算出手段をさらに具備することを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステムにある。

かかる第４の態様では、送信する観測データの量及び観測データの送信回数を減少させることができ、観測データの送信に必要となる消費電力を減少させることができる。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の何れか一つの態様に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、前記表層地盤環境モニタリング装置は、前記観測データを一時的に保存するデータ保存手段をさらに具備することを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステムにある。

かかる第５の態様では、観測データの欠損を防止することができる。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の何れか一つの態様に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、前記表層地盤環境モニタリング装置は、前記傾斜計以外の構成がＭＥＭＳで構成されていることを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステムにある。

かかる第６の態様では、表層地盤環境モニタリング装置を小型化、軽量化、及び省電力化することができるので、表層地盤環境モニタリング装置の製造コスト及び設置コストを低減することができる。

本発明の第７の態様は、表層地盤の傾斜を検知する表層地盤環境モニタリング装置であって、表層地盤の傾斜を検出する少なくとも１つの傾斜計と、前記傾斜計に接続され、特定小電力無線を用いて前記傾斜計によって検出された観測データを送受信する受送信器と、前記傾斜計及び前記受送信器に電気的に接続されたバッテリーとを具備し、前記受送信器は、他の表層地盤環境モニタリング装置が送信した観測データを受信して別の表層地盤環境モニタリング装置に送信する機能を有することを特徴とする表層地盤環境モニタリング装置にある。

かかる第７の態様では、設置場所を限定することなく広域の表層地盤の環境をモニタリングすることができる。

本発明によると、設置場所を限定することなく広域の表層地盤の環境をモニタリングすることができるので、地震、斜面崩壊、火山活動に対する防災に活用することにより、合理的な避難計画の策定及び効果的な補修工事を行うことができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明の構成は以下の説明に限定されない。

（実施形態１）
図１は、本発明に係る表層地盤環境モニタリング装置の概略図である。図１に示すように、本発明に係る表層地盤環境モニタリング装置１は、検出器である間隙水圧（水位）計２０、電気伝導度計２１、及び傾斜計３０と、それらに接続される受送信器である無線通信モジュール５０と、無線通信モジュール５０に接続されるアンテナ４０と、間隙水圧（水位）計２０や無線通信モジュール５０などに電気的に接続されて電力を供給するバッテリー６０とを具備している。

間隙水圧（水位）計２０及び電気伝導度計２１は、図１に示すように、表層地盤に垂直方向に設けられたボーリング穴５の内壁面を保護する保護管１０内に溜まった地下水の地下水面３より下方に設置されているが、保護管１０内に溜まった地下水に関するデータを得ることができるところであれば設置場所は限定されない。このように間隙水圧（水位）計２０及び電気伝導度計２１を設置することによって、そのボーリング穴５に溜まった地下水の水圧及び電気伝導度を得ることができる。間隙水圧（水位）計２０及び電気伝導度計２１としては、保護管１０内に設置することができるものであればその種類、形状及び大きさは特に限定されない。なお、保護管１０は、ボーリング穴５の内壁面を保護できるものであればその形状、材質及び大きさは特に限定されない。

傾斜計３０は、図１に示すように保護管１０の側面に設置されているが、表層地盤の傾斜度を測定することができるのであればその設置場所は特に限定されず、例えば保護管１０の内部に設置されても、無線通信モジュール５０の内部に設置されても、さらには、表層地盤上に設置されてもよい。傾斜計３０としては、表層地盤の傾斜度を測定することができるのであればその種類、形状及び大きさは特に限定されない。

無線通信モジュール５０は、図１に示すように保護管１０の上部を覆うように設置されているが、特定小電力無線を用いて間隙水圧（水位）計２０などによって検出された観測データを送受信することができればその設置場所は限定されず、またその種類、形状大きさ大きさも特に限定されない。特定小電力無線を用いて観測データを送受信するので、観測データを送信するときの消費電力を少なくすることができると共により遠くへ観測データを送信することができる。なお、特定小電力無線とは、電波法第４条第３号に規定されるものである。本実施形態では、２．４ＧＨｚの周波数を利用し、ダイレクトスペクトラム拡散方式を用いてデジタル通信を行なう。デジタル通信を行なうことによりノイズ低減を行なうと共に、高い周波数を利用しているので自然界の電波による影響を小さくすることができる。

また、本実施形態の無線通信モジュール５０は観測データを送受信することができるので、より広範囲の表層地盤の環境をモニタリングすることができる。具体的には、図２に示すように、各観測地点に設置された表層地盤環境モニタリング装置１の無線通信モジュール５０は受信した観測データを受信すると共に近接した別の表層地盤環境モニタリング装置１へ送信する、いわゆるマルチホッピングを行なうことができる。ここで、点線で描かれた円は、その中心に存在する表層地盤環境モニタリング装置１が観測データを送信することができる範囲を示す。例えば、データ収集サーバ２００は、観測地点１１０に設置された表層地盤環境モニタリング装置１が観測データを送信することができる範囲内に存在しないので、観測地点１１０に設置された表層地盤環境モニタリング装置１は観測地点１１０で観測された観測データを直接データ収集サーバ２００に送信することはできない。しかしながら、観測地点１１０に設置された表層地盤環境モニタリング装置１から観測データを送信することができる範囲内にある観測地点１２０に設置された表層地盤環境モニタリング装置１へと観測地点１１０で観測された観測データを送信し、次に観測地点１２０に設置された表層地盤環境モニタリング装置１から観測データを送信することができる範囲内にある観測地点１３０に設置された表層地盤環境モニタリング装置１へ観測地点１１０で観測された観測データを送信し、さらに観測地点１３０に設置された表層地盤環境モニタリング装置１からデータを送信することができる範囲内にあるデータ収集サーバ２００へ観測地点１１０で観測された観測データを送信する、いわゆるマルチホッピングを行なうことにより、観測地点１１０で観測された観測データをデータ収集サーバ２００に送信することができる。したがって、このようなマルチホッピングによる観測データの送信を行なうことによって、データ収集サーバ２００へデータを直接送信することができない観測地点の観測データをデータ収集サーバ２００に送信することができるので、データ収集サーバ２００に観測データを直接送信することができる範囲を超えて、広域の表層地盤の観測データを送信することができる。

アンテナ４０は、送信された観測データを受信又は観測データを送信することができるものであればその設置場所は特に限定されず、その種類、形状及び大きさも特に限定されない。

バッテリー６０は、各検出器や無線通信モジュール５０に電気的に接続することができればその設置場所は特に限定されず、さらに各検出器や無線通信モジュール５０を駆動させることができるものであればその種類、形状及び大きさも特に限定されないが、より多くの電力を長時間供給することができるものが好ましいことは言うまでもない。

このように構成された表層地盤環境モニタリング装置１では、間隙水圧（水位）計２０などの各検出器から所定のタイミングで検出された観測データは、無線通信モジュール５０に送られ、無線通信モジュール５０により特定小電力無線を用いてデータ収集サーバ２００や別の表層地盤環境モニタリング装置１に送信されることになる。

次に、複数の前述した表層地盤環境モニタリング装置１と、その表層地盤環境モニタリング装置１の少なくとも１つと特定小電力無線を用いて表層地盤環境モニタリング装置１により検出された観測データを収集するデータ収集サーバ２００とを具備した表層地盤環境モニタリングシステム１００を構築し、その動作について説明する。なお、データ収集サーバ２００は専用機器である必要はなく、一般的なパーソナルコンピュータなどであってもよい。

本実施形態では、図３に示すように、縦横４．５ｋｍの範囲の表層地盤の環境を３００ｍおきに設けた表層地盤環境モニタリング装置１を用いて広域の表層地盤の環境をモニタリングする表層地盤環境モニタリングシステム１００を構築する。表層地盤環境モニタリングシステム１００は、２５６個の表層地盤環境モニタリング装置１と、この表層地盤環境モニタリング装置１により検出された観測データを収集するデータ収集サーバ２００とからなっている。ここで、「Ｐ０，０」や「Ｐ０，１」などは表層地盤環境モニタリング装置１が設置されている観測地点を示す。

まず、所定のタイミングですべての表層地盤環境モニタリング装置１が間隙水圧（水位）計２０などの検出器からの観測データを取得する。すると、それらの観測データは表層地盤環境モニタリング装置１の無線通信モジュール５０に送られ、無線通信モジュール５０により特定小電力無線を用いて送信される。ここで、観測データは、最終的にデータ収集サーバ２００に受信されるように、マルチホッピングにより送信される。具体的には、たとえば「Ｐ３，１」の観測地点で検出された観測データは、「Ｐ３，０」の観測地点にある表層地盤環境モニタリング装置１に送信され、次に「Ｐ３，０」の観測地点にある表層地盤環境モニタリング装置１から「Ｐ２，０」の観測地点にある表層地盤環境モニタリング装置１に送信される。このように次々に観測データが送信され、「Ｐ３，１」で検出された観測データは、データ収集サーバ２００に最も近い「Ｐ０，０」の観測地点にある表層地盤環境モニタリング装置１に送信され、最終的にはデータ収集サーバ２００に送信されることになる。なお、「Ｐ３，１」の観測地点で検出された観測データは、最終的にデータ収集サーバ２００に送信されるのであれば、どのような経路を通って送信されてもよい。

このようにして、すべての観測地点で観測された観測データがデータ収集サーバ２００に収集されることにより、広域の表層地盤の環境のモニタリングを行うことができる。

（実施形態２）
実施形態１では、バッテリー６０を表層地盤上に設置したが、図４に示すように、表層地盤表面２より下方に位置し、地下水面３より上方に位置する保護管１０の内部に設置してもよく、さらにはバッテリーに防水加工を施して地下水面３より下方に設置してもよい。このような位置の温度は年間を通して１０℃程度で一定であるので、冬季になると地表温度が−１０℃以下となるような寒冷地において表層地盤の環境をモニタリングする場合にもバッテリーの凍結を防止するヒーターなどを設ける必要がなく、表層地盤環境モニタリング装置を簡素化及び省電力化することができる。

（実施形態３）
実施形態１又は２では、各検出器により検出された観測データはそれぞれ随時送信されるようにしたが、表層地盤環境モニタリング装置１に各検出器により検出された複数の観測データから観測データの平均値を算出する平均値算出手段を設け、その平均値算出手段を用いて複数回検出した観測データから観測データの平均値を算出した後、その平均値を送信するようにしてもよい。観測データが検出されるたびに送信するのではなく、複数回検出した観測データから観測データの平均値を算出し、その平均値のみを送信することになるので、送信する観測データの量及び観測データの送信回数を減少させることができ、観測データの送信に必要となる消費電力を減少させることができる。

（実施形態４）
実施形態１〜３では、各検出器より検出された観測データを収集し、無線通信モジュール５０により送信されるようにしたが、表層地盤環境モニタリング装置１に、それらの観測データを一時的に保存するデータ保存手段をさらに具備させてもよい。データ保存手段により観測データを一時的に保存することができるので、たとえば雨による電波の散乱や減衰により観測データが正常に送信されなかった場合があったとしても、所定の時間経過後、データ保存手段により保存されていた観測データを再度送信することにより観測データの欠損を防止することができる。

（実施形態５）
実施形態１〜４では、無線通信モジュール５０の上方に設けられたアンテナ４０を用いて観測データの送受信を行なっているが、図５に示すように無線通信モジュール５０と保護管１０を接続させ、保護管１０をアンテナとして用いるようにしてもよい。保護管１０をアンテナとして用いることにより、観測データの送受信の感度を向上させ、通信距離を伸ばすことができると共に安定した観測データの送受信を行うことができる。具体的には、保護管１０を表層地盤表面２より１０〜１００ｃｍ程度の高さを地上部に残し、その部分と無線通信モジュール５０とを接続する。なお、この場合の保護管１０としては、鋼管、ステンレス管、塩化ビニル管などが好ましく、特に鋼管が好ましい。

（他の実施形態）
実施形態１〜５では、検出器として間隙水圧（水位）計２０、電気伝導度計２１及び傾斜計３０を用いたが、表層地盤の状態を検出することができるものであれば特に限定されず、例えば温度計、湿度計、雨量計、地震計、照度計、ＧＰＳによる位置測定器を検出器として用いてもよい。

また、検出器以外の表層地盤環境モニタリング装置１を、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）で構成してもよい。ＭＥＭＳで構成することにより、表層地盤環境モニタリング装置１を小型化、軽量化、及び省電力化することができるので、表層地盤環境モニタリング装置の製造コスト及び設置コストを低減することができる。

実施形態１に係る表層地盤環境モニタリング装置の概略図である。 実施形態１に係る表層地盤環境モニタリング装置の観測データの送信方法を示す図である。 実施形態１に係る表層地盤環境モニタリングシステムの概略図である。 実施形態２に係る表層地盤環境モニタリング装置の概略図である。 実施形態５に係る表層地盤環境モニタリング装置の概略図である。 従来の災害予測モニタリングシステムの観測データの送信方法を示す図である。

符号の説明

１ 表層地盤環境モニタリング装置
２ 表層地盤表面
３ 地下水面
５ ボーリング穴
１０ 保護管
２０ 間隙水圧（水位）計
２１ 電気伝導度計
３０ 傾斜計
４０ アンテナ
５０ 無線通信モジュール
６０ バッテリー
１００ 表層地盤環境モニタリングシステム
１１０、１２０、１３０、３１０、３２０、４１０、４２０ 観測地点
２００ データ収集サーバ
３００ 基地局

Claims (7)

1. 表層地盤の傾斜を検知する複数の表層地盤環境モニタリング装置と、
   特定小電力無線を用いて前記表層地盤環境モニタリング装置により検出された観測データを収集するデータ収集サーバとを具備する表層地盤環境モニタリングシステムであって、
   前記表層地盤環境モニタリング装置は、
   表層地盤の傾斜を検出する少なくとも１つの傾斜計と、
   前記傾斜計に接続され、特定小電力無線を用いて前記傾斜計によって検出された観測データを送受信するとともに、他の表層地盤環境モニタリング装置が送信した観測データを受信して別の表層地盤環境モニタリング装置に送信する中継機能を有する受送信器と、
   前記傾斜計及び前記受送信器に電気的に接続されたバッテリーとを具備し、
   前記データ収集サーバと直接通信可能な範囲内に配置され、又は、他の表層地盤環境モニタリング装置を介して間接的に前記データ収集サーバと通信可能となるように配置されている
   ことを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステム。
2. 請求項１に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、
   前記表層地盤に設けられたボーリング孔の中に前記傾斜計が設置されていることを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステム。
3. 請求項２に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、
   前記ボーリング孔内に前記ボーリング孔の内壁面を保護する保護管が設けられ、当該保護管と前記受送信器とが接続されている
   ことを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステム。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、
   前記表層地盤環境モニタリング装置は、前記傾斜計により検出された複数の前記観測データから前記観測データの平均値を算出する平均値算出手段をさらに具備する
   ことを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステム。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、
   前記表層地盤環境モニタリング装置は、前記観測データを一時的に保存するデータ保存手段をさらに具備することを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステム。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載する表層地盤環境モニタリングシステムにおいて、
   前記表層地盤環境モニタリング装置は、前記傾斜計以外の構成がＭＥＭＳで構成されている
   ことを特徴とする表層地盤環境モニタリングシステム。
7. 表層地盤の傾斜を検知する表層地盤環境モニタリング装置であって、
   表層地盤の傾斜を検出する少なくとも１つの傾斜計と、
   前記傾斜計に接続され、特定小電力無線を用いて前記傾斜計によって検出された観測データを送受信する受送信器と、
   前記傾斜計及び前記受送信器に電気的に接続されたバッテリーとを具備し、
   前記受送信器は、他の表層地盤環境モニタリング装置が送信した観測データを受信して別の表層地盤環境モニタリング装置に送信する機能を有する
   ことを特徴とする表層地盤環境モニタリング装置。

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