JP5013279B2 - 落石・土砂崩落検知システム - Google Patents

Description

本発明は、無線を応用した落石や土砂崩落等の検知システムに関するものである。

急な斜面に面した地区では、土砂崩れや岩盤の崩落などにより大きな事故が発生する可能性がある、このような斜面では、過去の土砂災害の検証結果から大きな崩落が起こる前兆として落石の回数が徐々に増加する兆候が見られるので、斜面および斜面直下に設置されている落石防護柵や防護網などに落石検知装置を取付け、普段から落石の回数等を監視している。

このような落石検知装置は、落石防護柵や防護網などに複数取付けられ、落石や土砂崩落による振動や衝撃あるいは岩盤の移動等を検出してそのデータを管理装置に伝送する。管理装置は、落石検知装置から送られたデータを一括管理し、必要に応じて警報を発したり、通信回線を通じて更に上位のデータサーバ等に情報を伝送したりする。従って落石や土砂崩落を監視する現場では、落石検知装置を管理装置に接続するための配線が必要になる。設置場所が危険な斜面であるため配線工事には、危険が伴い多額の費用と多くの時間を要することになる。また場所によっては、配線への落雷により装置が破壊されることも多い。

配線を無くす方法として落石検知装置と管理装置を無線通信で接続する事例が特開２００２−２２８４９７号および特開２００８−２１５９１３号に開示されている。このような無線を使った落石検知システムの概要を図１に示す。防護施設１に落石検知装置２を取付け、管理装置３を無線が届く範囲内に設置する。管理装置３を通信回線網や携帯電話等に接続することで、遠隔地より落石状況の監視ができる。無線の通信範囲を広げるために落石検知装置と管理装置の間に無線中継器を追加することもある。

この方法では、落石検知装置を必要な場所に設置するだけでよく、配線を必要とするシステムに比べて設置に必要な費用は大幅に削減できる。またセンサ設置場所の変更や追加への対応も大がかりな工事を行うことなく可能であるため、落石検知システムを導入しやすくできる。

落石検知装置と管理装置を無線通信で接続すると落石検知装置は、配線による給電を受けられないので電池で動作する必要がある。また落石検知装置が危険な場所に設置されるため電池交換等の保守作業を行うことは容易ではない。山間部の降雪地帯では冬季期間中は落石検知装置が雪に埋もれて保守作業が不可能なこともある。従って落石検知装置は、少なくとも１年以上電池交換をせずに連続して動作することが望まれる。

前述の従来技術の事例では、３軸加速度センサとＡ／Ｄ変換器により岩石の移動を常時計測しており、加えてこの大量のデータを無線でサーバへ送信するため無線通信時間が長くなりセンサ装置の平均消費電力は、かなり多くなる。

この状態で１年以上の連続動作を行うには、自己放電の少ない大型の電池が必要となる。大型の電池を落石検知装置本体に内蔵するとセンサの感度に悪影響を与える可能性があり、また落石検知装置の取付け場所にも制限がある。この場合、落石検知装置と電池箱またはセンサと電池を内蔵した落石検知装置本体を分離することもできるが、設置場所が屋外であり風雨や落石にさらされる環境条件で使用するので、これら装置間の接続には防水型のコネクタや堅牢で屈曲性に優れた電線およびその保護材などの高価な部品が必要となる欠点がある。

また前記先行事例では、太陽電池と蓄電池の併用が提言されているが、落石検知装置を北向きの斜面に設置した場合には、太陽電池で充分な発電量が得られない可能性があり、また前述のように冬季期間センサ装置が雪に埋もれる現場では、太陽電池パネルを落石検知装置と離して地面から高い場所に設置する必要があり、無線化により配線工事を無くした意味が無くなってしまう。

落石検知装置と管理装置間の伝送に無線を利用する場合には、筐体に内蔵した小型の電池で長期間連続して動作できる落石検知システムが求められる。

一方、落石検知装置を設置する場所には、人間や動物の侵入、自動車などの車両通行や建設重機の稼動などの落石や土砂崩落以外の振動源が日常的に存在することが想定され、加速度や振動を検出するセンサを落石や土砂崩落の検出に用いた場合は、落石や土砂崩落の加速度や振動とそれ以外の加速度や振動を区別するしくみが落石検知装置に求められる。
特開２００２−２２８４９７号公報 特開２００８−２１５９１３号公報

本発明が解決しようとする課題は、無線を利用した落石検知システムで落石検知装置の消費電力を極めて少なくするとともに、落石や土砂崩落のみの検知を瞬時に且正確に行い、システム利用者に確実に検知情報を伝えることである。

本発明が解決しようとするもう一つの課題は、センサ素子、無線通信装置、アンテナ、ＭＣＵそして電池を同一筐体に内蔵し、小型で防水性、堅牢性に優れた落石検知装置を提供することである。

本発明では、次に示す手段をもって上記課題を解決する。落石検知装置は、同一筐体内に地磁気、圧力、傾斜、加速度などを検出する半導体センサ素子のそれぞれ単独あるいは組み合わせと、前記半導体センサ素子の出力をテジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力するデータを演算するＭＣＵと、前記管理装置との無線通信を行う無線通信装置とアンテナおよび電池を内蔵し、落石検知情報を前記無線通信装置によって前記管理装置に伝送し、前記管理装置が複数の前記落石検知装置から伝送されるデータを集中管理する落石検知システムにおいて、前記落石検知装置に無給電微振動センサと前記無給電微振動センサの出力により前記ＭＣＵに対して割り込み信号を出力する微振動検出回路を設け、落石や土砂崩落等による微振動を検出した直後から前記半導体センサ素子および前記Ａ／Ｄ変換器を連続的に動作させることで、落石や土砂崩落に対する瞬時の応答による落石検知情報の伝送と落石検知装置の消費電力の低減を両立する。

本発明の落石検知装置は、無給電微振動センサを用いて振動の開始を検出し、その直後から半導体センサ素子とＡ／Ｄ変換器を連続動作に移行して、振動の波形情報を計測し、計測した結果と落石検知装置内に記憶された波形情報と比較した結果で落石や土砂崩落と判断されたときのみ落石検知情報を管理装置へ無線で伝送する。またＭＣＵ内に記憶させたフィルタリングプログラムにより、Ａ／Ｄ変換器の出力データのうち落石や土砂崩落以外の振動波形の周波数帯域のデータをノイズとして除去し、落石や土砂崩落の振動波形の特定周波数帯域のデータを抽出する。このため、落石や土砂崩落の振動のみの検知が可能になるとともに、膨大な波形情報を無線通信で管理装置に送ることはないので、通信時間が短く且つ無駄な通信も軽減でき、無線通信で消費される電力を低減できる。

本発明では、落石検知装置の消費電力の低減により小型電池で動作が可能になり、アンテナを含む無線通信装置、半導体センサ素子、Ａ／Ｄ変換器、ＭＣＵおよび電池をひとつの筐体内に内蔵できるようになるため、筐体の防水構造が容易に得られる。また内蔵アンテナは、筐体外部に取付けられるアンテナのように落石の衝突等によって破壊される心配がない。従って本発明の落石検知装置は、風雨や落石にさらされる屋外において長期間保守不要で使用できる。

本発明の落石検知システムでは、ＣＳＭＡ（キャリアセンス・マルチ・アクセス）方式を採用し、他の落石検知装置のキャリアが検出されたとき、次のキャリアセンスを開始するまでの時間を乱数によって可変することで複数の落石検知装置が同時に落石を検出した場合でも管理装置との無線通信が混信しないようにできる。

本発明の落石検知システムは、落石や土砂崩落を対象としたものであるが、土石流や雪崩の振動特性を踏まえたフィルタリングプログラムの設定を予めすることで、土石流や雪崩といった崩落現象を伴う自然災害一般への拡大利用も可能である。

本発明による落石検知装置の概要を図２に示す。落石検知装置２の枠線内がひとつの筐体に内蔵されている。半導体センサ素子４としては、地磁気、圧力、傾斜、加速度などを検出する素子を単独であるいは組み合わせて利用する。本発明の一例として半導体センサ素子４は加速度センサであり、その出力をＡ／Ｄ変換器５でデジタルデータに変換する。ＭＣＵ６は、記憶装置を内蔵したワンチップマイクロコンピュータであり、テジタル化された加速度センサのデータを予めＭＣＵ６に記憶されたフィルタリングプログラムによって落石や土砂崩落以外の振動波形の周波数帯域のデータをノイズとして除去することで、落石や土砂崩落のみの振動波形の特定周波数帯域のデータを抽出する。抽出データをＭＣＵ６に記憶された加速度振幅データ等と比較して異常のレベルを判断し、異常と判断されたときのみ無線通信装置７により管理装置に判断結果を落石検知情報として送信する。本発明の落石検知装置のアンテナ８は、筐体内に内蔵できるように小型化が可能で且つ安価なプリントパターンアンテナを採用している。電池１０は、安定化電源回路９を介して内蔵している各電子回路へ電力を供給している。筐体は、長期間屋外で使用されることを考慮して、耐候性および耐衝撃性に優れた樹脂を採用した防水構造としている。

図３は、本発明のフィルタリングプログラムによる所定の周波数帯域のデータ抽出を示したものである。図ではＡ／Ｄ変換器からの出力データを周波数と加速度振幅の関数として表している。取り込んだ加速度センサの出力データからＭＣＵに記憶しているフィルタリングプログラム１１によって、高周波数帯域のノイズと低周波数帯域のノイズを除去し、落石や土砂崩落による振動波形の周波数帯域のデータを抽出する。例えば、ワイヤーと金網から構成される落石防護網を使った落石検知システムを構築する場合、落石防護網の落石衝突時の卓越周波数帯域は、現地衝撃実験で５０〜１００Ｈｚである。この場合は、５０〜１００Ｈｚの周波数帯域を落石による振動波形の特定周波数帯域としてデータ抽出し、それ以外の帯域のデータを除去するようなフィルタリングプログラムを予め設定する。そして、抽出データにより、ＭＣＵに記憶している加速度振幅データ等と比較し落石の規模を判断する。この判断の結果は、例えば落石規模１、落石規模２、落石規模３のようにランク分けされ無線通信装置によって落石検知装置の識別符号と共に規模を示す番号もしくは符号を送信する。この結果、管理装置ではどの落石検知装置にどれほどの規模の落石が検出されたのかを知ることができる。

消費電力を低減できる手段として無給電微振動センサと微振動検出回路を説明する。この方法では、図６に示すように通常時には加速度センサとＡ／Ｄ変換器を動作させることはなく、無給電微振動センサと微振動検出回路によって振動を検出した後に加速度センサとＡ／Ｄ変換器を動作させるため、通常時の消費電力を低減できる。

無給電微振動センサは、スイッチの接点が振動によって開閉する機構になっている。図４および図５でこの動作を説明する。図４は、本発明人考案による無給電微振動センサを利用した微振動検出回路の一例である。ここで無給電微振動センサ１２は、電源とモノステーブル・マルチバイブレータ１３のトリガ入力端子に接続されている。振動によって無給電微振動センサ１２の接点が閉じるとモノステーブル・マルチバイブレータ１３にトリガ信号が入力されＣＲ時定数１５で設定されたパルス幅の出力が得られる。この出力パルスをＭＣＵの割り込み入力ポートに接続することで、振動の検出でＭＣＵに割り込みをかけ、加速度センサとＡ／Ｄ変換器を連続動作に切替える。

無給電微振動センサ１２は、スイッチであるからそれ自体の電力消費はない、モノステーブル・マルチバイブレータ１３にＣＭＯＳロジックＩＣを採用すれば静的消費電力は、加速度センサとＡ／Ｄ変換器の動作に比べて非常に少なくできる。

無給電微振動センサ１２は、わずかな振動で開閉するスイッチであるため、一定以下の強さの振動によるトリガ信号の発生を無くすために積分回路１４を用いている。この積分回路１４の時定数を適宜設定することで検出する振動の強さを調整できる。

また無給電微振動センサ１２と積分回路１４だけでは、多数のパルス幅が不確定なトリガ信号が発生する可能性があるため、モノステーブル・マルチバイブレータ１３で一定時間内に一回のみ一定幅のトリガ信号が発生するようにして、ＭＣＵに対する無用な割り込みの抑制とパルス幅の安定化をしている。割り込みの抑制は、ＭＣＵのソフトウェアによって可能な場合もあるので、モノステーブル・マルチバイブレータ１３を使用せずに本発明と同等の動作を得ることは、当業者には容易である。

一つの現場において落石検知装置は、複数取付けられる場合がほとんどである。落石が発生したとき近傍にある複数の落石検知装置がほぼ同時に落石を検出する可能性は高い。従ってほぼ同時に落石を検出した複数の落石検知装置の無線通信が重ならないようにしなければ互いに混信を起こして通信ができなくなってしまう。

これを回避するために本発明では、落石検知装置と管理装置の無線通信にＣＳＭＡ方式（キャリアセンス・マルチ・アクセス）を用いている。落石検知装置は、送信を開始する前にキャリアセンス（近傍で同じ周波数の電波が発射されていないことを確認する）してから送信を開始する。もし他の落石検知装置が送信中であった場合は、ある時間間隔を待って再度キャリアセンスを行ってから送信を開始する。このキャリア検出後の時間間隔は、乱数によって決定されるようにして、同時に送信を開始しようとする複数の落石検知装置が均等に送信の機会を得られるようにしている。

図７にその様子を示す。ここでは落石検知装置１が最も速く落石を検出して送信を開始している。落石検知装置２は、落石検知装置１よりわずかに遅かったので最初のキャリアセンスで落石検知装置１の送信する電波を検出したので送信ができない。落石検知装置３も落石検知装置２と同様である、落石検知装置２の二回目のキャリアセンスでは、落石検知装置１の送信は終了しているので送信が可能になったが、落石検知装置３は、落石検知装置２の電波を検出したため再度送信を待たされ、三回目のキャリアセンスで送信が可能になる。このようにして同時に送信を開始しようとする落石検知装置の送信期間が重複しないですべての送信を終了できる。

落石・土砂崩落検知システムの概要 落石検知装置のブロック図 本発明のフィルタリングプログラムによる所定の周波数帯域のデータ抽出 本発明による微振動検出回路 微振動検出回路の動作波形 本発明の無給電微振動センサを使用した落石検知装置の動作タイミング図 キャリアセンスタイミング図

１ 防護施設
２ 落石検知装置
３ 管理装置
４ 半導体センサ素子
５ Ａ／Ｄ変換器
６ ＭＣＵ
７ 無線通信装置
８ アンテナ
９ 安定化電源回路
１０ 電池
１１ フィルタリングプログラム
１２ 無給電微振動センサ
１３ モノステーブル・マルチバイブレータ
１４ 積分回路
１５ ＣＲ時定数

Claims (1)

1. 斜面および斜面直下に設置された落石防護網等の落石防護施設に取付けて落石や土砂崩落等の検出を行う複数の落石検知装置と、前記落石検知装置から出力されるデータを収集および管理する管理装置で構成され、前記落石検知装置と前記管理装置が無線通信によって接続されている落石検知システムであり、前記落石検知装置は、同一筐体内に地磁気、圧力、傾斜、加速度などを検出する半導体センサ素子のそれぞれ単独あるいは組み合わせと、前記半導体センサ素子の出力をテジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力するデータを演算するＭＣＵと、前記管理装置との無線通信を行う無線通信装置とアンテナおよび電池を内蔵し、落石検知情報を前記無線通信装置によって前記管理装置に伝送し、前記管理装置が複数の前記落石検知装置から伝送されるデータを集中管理する落石検知システムにおいて、前記落石検知装置に無給電微振動センサと前記無給電微振動センサの出力により前記ＭＣＵに対して割り込み信号を出力する微振動検出回路を設け、落石や土砂崩落等による微振動を検出した直後から前記半導体センサ素子および前記Ａ／Ｄ変換器を連続的に動作させることで、落石や土砂崩落に対する瞬時の応答による落石検知情報の伝送と落石検知装置の消費電力の低減を両立することを特徴とする落石検知システム。

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