JP5199845B2 - 遠隔監視システム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを使用した遠隔監視システムに関し、特に複数の事象の変化もしくは同一事象であっても高い検知精度が必要な箇所と低い検知精度で良い箇所が混在するエリア内の事象の変化を検出するマルチセンシング機能を有する遠隔監視システムに関する。

近年、自然災害発生時その前兆となる現象を捕らえて自然災害に伴う被害を最小限に抑えるため遠隔監視システムに関する種々の発明がなされている。例えば、下水道設備などにおいては、大雨などによるオーバーフローに備えて水位を監視する必要があり、光ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）と呼ばれる光ファイバの特性を利用して水位を測定するようにした光水位検出器に関する発明が提案されている（例えば特許文献１）。

また、山地での落石や岩盤崩壊、土砂崩れおよびその前兆現象を検知するための光ファイバを利用した監視システムに関する発明も提案されている（例えば特許文献２，３）。
特開２００３−１３２７７２号公報 特開２００２−２６７５４９号公報 特開２００４−２９３２７７号公報

上記特許文献１〜３に開示されている発明は、いずれも落石など特定の事象の変化を検出するように構成されているため、例えばある地域内で河川の増水と落石のように複数の事象の変化を検出したいような場合には、複数の監視システムを設置する必要がある。そのため、トータルコストが非常に高くなるという課題があった。

この発明の目的は、１本の光ファイバと１つの監視装置で複数の事象の変化を検出することができるとともに、トータルコストを低減できる遠隔監視システムを提供することにある。

この発明の他の目的は、具体的な測定値（アナログ出力）が必要な箇所と監視対象の物理量が所定のレベルを越えたか否か（ハイまたはロウの２値出力）が得られれば良い箇所が混在する場合にトータルコストを低減できる遠隔監視システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る遠隔監視システムは、
監視地域内の所定箇所を通過するように敷設された光ファイバと、前記所定箇所に設置され前記光ファイバに接続された第１検知手段と、前記所定箇所に設置され前記光ファイバに接続された第２検知手段と、前記光ファイバに所定の波長域のレーザ光を入射して反射光の強度を所定の波長範囲にわたって測定し、該検出結果から監視対象の事象変化を検出する監視装置と、を備えた遠隔監視システムであって、
前記第１検知手段は、監視対象の物理量が予め設定された所定のレベルを越えたか否かを検出して光量を所定量変化させ、前記第２検知手段は、監視対象の物理量の変化に応じて反射光の波長を変化させ、前記監視装置は、測定した反射光の強度から前記第１検知手段の設置箇所における監視対象の物理量の変化の有無を検出し、測定した反射光の波長のピーク値から前記第１検知手段の設置箇所における監視対象の物理量の変化量を検出するように構成したものである。

ここで、好ましくは、前記第１検知手段は、監視対象の物理量が所定のレベルを越えた場合に反射光量が変化する反射型検知器とする。

さらに、好ましくは、前記第１検知手段を複数個備え、各第１検知手段は監視対象の物理量が所定のレベルを越えた場合に各々変化量の異なる反射光量を出力するように構成する。

また、好ましくは、前記第２検知手段はファイバーグレーティングを有する検知器とする。さらに、前記第２検知手段を複数個備え、各第２検知手段のファイバーグレーティングは中心波長が異なる反射光を出力するように構成する。

さらに、好ましくは、前記複数の第１検知手段および前記複数の第２検知手段はそれぞれ異なる箇所に設置する。また、前記複数の第１検知手段と前記複数の第２検知手段の一部は同一箇所に設置するようにしてもよい。

また、好ましくは、前記第１検知手段は監視対象の水位が所定のレベルを越えたか否かを検知する浸水検知器もしくは開閉検知器であり、前記第２検知手段は監視対象の水位に応じて出力が変化する水位計とする。

あるいは、前記第１検知手段は落石の有無を検知する落石検知器であり、前記第２検知手段は土圧に応じて出力が変化する土圧計としてもよい。さらに、前記第１検知手段と前記第２検知手段は互いに異なる物理量の変化を監視するように構成してもよい。

本発明によると、１つの装置で複数の事象の変化を検出することができるとともに、トータルコストを低減できる遠隔監視システムを実現することができる。また、具体的な測定値（アナログ出力）が必要な箇所と監視対象の物理量が所定のレベルを越えたか否か（２値出力）を検知できれば良い箇所が混在する場合にトータルコストを低減できる遠隔監視システムを実現できる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る遠隔監視システムの一実施形態を示す。

この実施形態の遠隔監視システムは、ＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）などを利用して具体的な測定値（アナログ出力）を得るためのアナログ出力センサ（高分解能センサ）と、監視対象の物理量が所定のレベルを越えたか否か（２値出力）を得るための２値出力センサ（低分解能センサ）の２種類のセンサを使用するとともに、これらのセンサを１本の光ファイバに接続することでコストの低減を図ることを特徴としている。

具体的には、監視地域内の着目する事象の変化を検知したい場所を通過するように敷設された光ファイバ１０と、該光ファイバ１０にサーキュレータ２１を介してレーザ光を入射する光源２０と、光ファイバ１０からの反射光を分析して測定値や必要な情報を出力する監視装置３０と、光ファイバ１０の途中に接続されたアナログ出力センサ４０ａ，４０ｂ，……と、光ファイバ１０の途中に光カプラ２２ａ，２２ｂ……および分岐ファイバ１１ａ，１１ｂ……を介して接続された２値出力センサ６０ａ，６０ｂ，……とを備えている。

ここで、センサ４０ａ，４０ｂ，……とセンサ６０ａ，６０ｂ，……は別々の場所に設置してもよいし、同一の場所に設置してもよい。別々の場所に設置すれば同一の数のセンサでより多くの地点の監視を行え、同一の場所に設置した場合には異なる視点からの測定結果が得られるためより精度の高い状況把握が可能となる。なお、後述のように２値出力センサ６０ａ，６０ｂ，……の設置可能な数はアナログ出力センサ４０ａ，４０ｂ，……の設置可能な数よりも少ないので、現時点では、システム全体としてはアナログ出力センサの設置数の方が多くなると考えられる。

サーキュレータ２１は、光源２０から出射されたレーザ光を光ファイバ１０へ入射する一方、光ファイバ１０からの反射光を監視装置３０へ入射する方向性結合器として機能する。ＦＢＧを利用したアナログ出力センサ（ＦＢＧセンサ）４０ａ，４０ｂ，……は、ファイバのコアに周期的な屈折率変調構造を持たせたセンサである。なお、具体的な測定値が得られるものであればＦＢＧを利用したセンサに限定されず、他の原理のセンサであっても良い。ＦＢＧセンサは反射型のセンサであるため、アナログ出力センサ側にバッテリを設ける必要がなくメンテナンスが簡単になるという利点がある。

本実施形態では、ＦＢＧセンサ４０ａ，４０ｂ，……は、それぞれ反射波のピーク波長（中心波長）が異なったものとなるようにファイバーグレーティングが形成されている。すなわち、ＦＢＧセンサ４０ａの反射波のピーク波長はλａ、ＦＢＧセンサ４０ｂの反射波のピーク波長はλｂ（λａ≠λｂ）、……となるように構成される。光源２０は、光ファイバ１０に接続されている全てのセンサのピーク波長λａ、λｂ、……を含む波長域のレーザ光を出力するように構成される。このように中心波長の異なるＦＢＧセンサを使用することで、複数箇所に設置した場合にどの箇所からの反射波であるかを識別することができる。また、レーザ光源については、一般的に連続光源（ＣＷ光源）が用いられているが、センサからの反射光量が受光器にて検出可能な光量であれば、パルス光源を用いても構わない。

２値出力センサ６０ａ，６０ｂ，……は、例えば反射ミラーを備え監視対象の事象の変化量が所定のレベル（しきい値）を超えた場合に強い反射光が発生するオン／オフ・センサのようなものが考えられる。２値出力センサをこのような反射型のセンサとすることで、２値出力センサ側にバッテリを設ける必要がなくメンテナンスが簡単になるという利点がある。なお、２値出力センサ６０ａ，６０ｂ，……はそれぞれ検出時の反射光量が異なるように構成するのが望ましい。これにより、反射光の強さからどの場所に設置されたセンサからの反射光であるかを識別することができるようになる。図１の例では、センサ６０ａの反射強度Ｒａはセンサ６０ｂの反射強度Ｒｂよりも高いすなわちＲａ＞Ｒｂとなるように設定されているものとする。

次に、本実施形態の遠隔監視システムの動作を、図２の波形図を用いて説明する。

監視装置３０は、光ファイバ１０から入射される反射光を波長分析して各波長のレベルを検出する。図２には、監視装置３０によって検出される反射光の波形例が示されている。図２において、実線Ａは全てのセンサが監視対象の事象変化を捉えていない平常時の反射波形であり、波長λａとλｂのところにピークが出現している。仮に、ＦＢＧセンサ４０ａが監視対象の事象変化を捉えたとすると波形のピーク点がλａからずれ、ＦＢＧセンサ４０ｂが監視対象の事象変化を捉えたとすると波形のピーク点がλｂからずれる。従って、監視装置３０は、予め分かっている各ＦＢＧセンサの中心波長と反射光のピーク点との差から変化量すなわち測定値を演算によって求めることができる。

また、図２において、破線Ｂはセンサ６０ｂが監視対象の事象変化がしきい値を越えたことを検出している場合の波形、点線Ｃはセンサ６０ａが監視対象の事象変化がしきい値を越えたことを検出している場合の波形、一点鎖線Ｄはセンサ６０ａと６０ｂの両方が監視対象の事象変化がしきい値を越えたことを検出している場合の波形である。これより、監視装置３０は、図２において、ＴＬ１，ＴＬ２，ＴＬ３で示すようなところに予め判定レベルを設定して、これらの判定レベルと反射光の強度とを比較することで、監視場所で事象が変化したか否かおよびいずれのセンサが事象変化を検知しているかを識別することができる。
（実施例）
次に、上記実施形態に係る遠隔監視システムのより具体的な実施例について説明する。ここでは、図１のような構成の遠隔監視システムの応用例として、下水道や河川などで水位を監視する水位監視システム、山地における落石及び土砂崩れの監視システム、立ち入り制限区域もしくは設備における侵入監視システムを考える。各システムでは、使用するアナログ出力センサと２値出力センサの仕様もしくは機能に差異がある。各システムに必要なセンサの機能と組合せを整理したものを次の表１に示す。

なお、表１においては、アナログ出力センサをセンサ１、２値出力センサをセンサ２として記載している。

表１のように、水位監視システムでは、センサ１として水位値を検出可能な水位計、センサ２として水位が所定のレベルを越えたか否かを検出可能な浸水検知器もしくは開閉検知器が使用される。水位計としては特許文献１で開示されているＦＢＧを利用したセンサなどが考えられる。浸水検知器としては、図３および図４に示すような構成を有するものが考えられる（後述）。また、開閉検知器としては、例えば光ファイバの端部と対向して反射鏡を配置すると共に両者間にシャッタを設けて、このシャッタをフロートの上下動で動作させるように構成したものが考えられる。

落石監視システムでは、センサ１として岩盤もしくは地層の変位値を検出可能な変位計もしくは土石の重量変化を検出可能な土圧計、センサ２として落石を検出可能な落石検知器が使用される。変位計もしくは土圧計としては特許文献３で開示されている光ファイバを利用したセンサが、また落石検知器としては特許文献２で開示されている光ファイバを利用したセンサなどが考えられる。このように、変位計もしくは土圧計と落石検知器とを使い分けて設置することで、多くの監視箇所からの情報を収集できる落石監視システムを低コストで実現することができる。

侵入監視システムでは、センサ１として侵入物の荷重を検出可能な荷重計、センサ２として所定の重量以上の移動物が進入したか否を検出可能な荷重検知器が使用される。荷重計は上記変位計もしくは土圧計に準じた構成のものや水位計に準じた構成のもの（ＦＢＧセンサ）、荷重検知器は上記落石検知器に準じた構成のものが考えられる。

なお、荷重計と荷重検知器とを備えた監視システムは落石監視システムにも応用することができる。また、監視システムは上記のような構成に限定されず、例えば水位計と落石検知器を組み合わせた異種の事象を監視するマルチ監視システムも可能である。異種の事象を監視することで、土砂崩れなどの自然災害の発生をより詳しく把握したり予知したりすることができるようになる。

以上説明したように、異種の事象を監視する従来のマルチ監視システムは別々のシステムとして設置しなければならなかったため、２本の光ファイバと測定装置を設ける必要がありコストアップを招いていたが、本実施形態の遠隔監視システムは、１本の光ファイバに異なる事象の変化を検知する検知手段を接続してなるので、トータルコストを大幅に引き下げることができるという利点がある。
（具体例）
本発明を一例として例えば下水道設備のような複数箇所の水位を検知したい水位監視システムに適用した場合の具体例について説明する。

この水位監視システムでは、センサ１としてＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）を利用した水位計、センサ２として水位が所定のレベルを越えたか否かを検出可能な浸水検知器が使用される。

光ファイバ１０は、監視地域内の水位を検知したい場所を通過するように敷設される。そして、光ファイバ１０の途中にＦＢＧを利用した光水位計４０ａ，４０ｂ……が設けられている。光水位計４０ａ，４０ｂ……は、例えば水圧を歪に変換するダイヤフラムとダイヤフラムの歪を計測するＦＢＧで構成され、下水道設備では水位を監視したいマンホールなどに設置される。

また、光ファイバ１０の途中には、監視場所の水位が単に予め設定した所定のレベルに達したか否かを検知する、光水位計４０ａ，４０ｂ……よりも構成が簡単で安価に構成できる浸水検知器６０ａ，６０ｂ……が、光カプラ２２ａ，２２ｂ……および分岐ファイバ１１ａ，１１ｂ……を介して接続される。このように、光水位計と浸水検知器とを使い分けて設置することで、多くの監視箇所からの情報を収集できる水位監視システムを低コストで実現することができる。

図３および図４には、水位監視システムに使用して好適な浸水検知器の実施例が示されている。図３は浸水検知器の概観図、図４は内部構造を示す構成図である。この実施例の浸水検知器６０は、図３に示されているように、円筒状の保護カバー６１の上半分に収納固定された磁気検知型の近接スイッチ６２と、保護カバー６１の下半分に上下移動可能に収納されたフロート６３とからなり、近接スイッチ６２に分岐ファイバ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ……の端部が接続され、フロート６３の上面に永久磁石６４が載置されている。

近接スイッチ６２は、磁気ファラデー効果を利用したセンサであり、図４に示されているように、内部に光ファイバの端面と対向するレンズ６５と、複屈折素子６６と、リング状磁石６７およびこれに保持された第１ファラデー回転子６８ａと、第２ファラデー回転子６８ｂと、反射ミラー６９が直列に配置されてなる。

この具体例の浸水検知器は、水位上昇によりフロート６３が上昇して永久磁石６４が近接スイッチ６２に近づくと、内部のファラデー回転子６８ｂの偏光面が回転し光ファイバの端面から入射した光が反射ミラー６９で強く反射する状態になることで、水位が所定のレベル以上に上昇したことを反射光で出力する。なお、反射光量は、例えば反射ミラー６９の反射率あるいはファラデー回転子の光透過率等を調整することで変化させることができる。

図５には、本発明者らが作成した実験用の水位監視システムにおける反射光量の測定結果が示されている。実験用の水位監視システムでは、図１の構成において、センサ４０ａ，４０ｂとして水位計を、センサ６０ａ，６０ｂとして浸水検知器を使用し、水位計には中心波長が１５５２ｎｍのものおよび１５５４ｎｍのものを使用するとともに、浸水検知器６０ａと６０ｂの反射光量は、６０ａの方が大きくなるように設定した。

図５において、横軸は光の波長、縦軸は反射光量の強さである。また、ＯＦＦ１／ＯＦＦ２は浸水検知器６０ａと６０ｂが共にオフ状態のときの反射光量の波形、ＯＦＦ１／ＯＮ２は浸水検知器６０ａがオフ状態で６０ｂがオン状態のときの反射光量の波形である。さらに、ＯＮ１／ＯＦＦ２は浸水検知器６０ａがオン状態で６０ｂがオフ状態のときの反射光量の波形、ＯＮ１／ＯＮ２は浸水検知器６０ａと６０ｂが共にオン状態のときの反射光量の波形である。

図５より、２個の浸水検知器が共にオフ（ＯＦＦ１／ＯＦＦ２）のときの反射光レベルを０ｄＢとすると、６０ａがオフで６０ｂがオン（ＯＦＦ１／ＯＮ２）のときの反射光レベルは３．０ｄＢ、６０ａがオンで６０ｂがオフ（ＯＮ１／ＯＦＦ２）のときの反射光量は４．８ｄＢ、共にオン（ＯＮ１／ＯＮ２）のときの反射光レベルは６．０ｄＢであり、各反射光間には１．２ｄＢ以上のレベル差があるので、充分に判別することが可能である。なお、上記具体例では、下水道設備の水位監視システムに適用した場合を説明したが、河川やダム、池などの水位監視システムにも適用することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、水位計としてＦＢＧを利用した光水位計を使用した場合について説明したが、それ以外の水位計（例えば特開２０００−１１１３６１号公報に開示されている光路差を利用したセンサを水位計とするもの等）を使用する場合にも適用することができる。

また、実施形態を表わす図１では、１本の光ファイバにアナログ出力センサと２値出力センサを２個ずつ接続したものを示したが、アナログ出力センサは１０個以上、２値出力センサは３個以上接続することも可能である。ただし、２値出力センサに関しては、判別レベルを確保するため数個以内に止めるのが望ましい。

さらに、前記実施形態では、光ファイバ１０を入射光の進行が一方通行となるように構成されているものを示したが、光ファイバ１０を監視装置３０側に戻して他端からも光を入射できるよう切替え可能に構成しても良い。これにより、ファイバが事故により途中で切断されたとしても光の入射端を変えた測定を行うことでより多くの監視箇所（切断箇所が１箇所ならばすべての監視箇所）の測定値を得ることが可能となる。

さらには、光ファイバは監視用途のみでなく通信用途の光線路として使用してもよい。例えば光ファイバの両端に光式通話装置を設置し、光ファイバ端の一方には光切り替え装置にて監視装置と光通話装置が切り替え可能な構成とさせる。この場合、通話が必要な際には光式通話装置を利用した通話が可能となる。光式通話装置としては、例えば光ファイバ曲げ径を変化させて伝搬光を変調させる方式の通話装置（特開平５−１９１８４）がある。

以上の説明では主として水位監視システム、落石監視システム、侵入監視システムに適用した場合を説明したが、これら限定されるものでなく、例えば風速の変化など種々の事象の変化を監視したいシステムに利用することができる。

本発明に係る遠隔監視システムの一実施形態を示すブロック図である。 図１の遠隔監視システムにおいて、光ファイバから監視装置に入射される反射光の波形例を示す波形図である。 水位監視システムに使用して好適な浸水検知器の一実施例を示す概観図である。 図３の浸水検知器の内部構造を示す構成図である。 実験用の水位監視システムにおいて反射光量の測定した結果を示す波形図である。

符号の説明

１０ 光ファイバ
１１ 分岐ファイバ
２０ 光源
２１ サーキュレータ
２２ 光カプラ
３０ 監視装置
４０ アナログ出力センサ（ＦＢＧセンサ）
６０ ２値出力センサ（オン／オフ・センサ）
６１ 保護カバー
６２ 磁気検知型近接スイッチ
６３ フロート
６４ 永久磁石
６５ レンズ
６６ 複屈折素子
６７ リング状磁石
６８ａ 第１ファラデー回転子
６８ｂ 第２ファラデー回転子
６９ 反射ミラー

Claims (8)

1. 監視地域内の所定箇所を通過するように敷設された光ファイバと、
   前記所定箇所に設置され前記光ファイバに接続された第１検知手段と、
   前記所定箇所に設置され前記光ファイバに接続された第２検知手段と、
   前記光ファイバに所定の波長域のレーザ光を入射して反射光の強度を所定の波長範囲にわたって測定し、該検出結果から監視対象の事象変化を検出する監視装置と、を備えた遠隔監視システムであって、
   前記第１検知手段は、監視対象の物理量が予め設定された所定のレベルを越えたか否かを検出して光量を所定量変化させ、
   前記第２検知手段は、監視対象の物理量の変化に応じて反射光の波長を変化させ、
   前記監視装置は、測定した反射光の強度から前記第１検知手段の設置箇所における監視対象の物理量の変化の有無を検出し、測定した反射光の波長のピーク値から前記第１検知手段の設置箇所における監視対象の物理量の変化量を検出することを特徴とする遠隔監視システム。
2. 前記第１検知手段は、監視対象の物理量が所定のレベルを越えた場合に反射光量が変化する反射型検知器であることを特徴とする請求項１に記載の遠隔監視システム。
3. 前記第１検知手段を複数個備え、各第１検知手段は監視対象の物理量が所定のレベルを越えた場合に各々変化量の異なる反射光量を出力するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の遠隔監視システム。
4. 前記第２検知手段はファイバーグレーティングを有する検知器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の遠隔監視システム。
5. 前記第２検知手段を複数個備え、各第２検知手段のファイバーグレーティングは中心波長が異なる反射光を出力するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の遠隔監視システム。
6. 前記複数の第１検知手段および前記複数の第２検知手段はそれぞれ異なる箇所に設置されていることを特徴とする請求項５に記載の遠隔監視システム。
7. 前記複数の第１検知手段と前記複数の第２検知手段の一部は同一箇所に設置されていることを特徴とする請求項５に記載の遠隔監視システム。
8. 前記第１検知手段は監視対象の水位が所定のレベルを越えたか否かを検知する浸水検知器もしくは開閉検知器であり、前記第２検知手段は監視対象の水位に応じて出力が変化する水位計であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の遠隔監視システム。

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