JP6460118B2 - 水量計測装置及び水量モニタリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、例えば下水道マンホールにおける水位などを計測する水量計測装置及び水量モニタリングシステムに関する。

近年、地球温暖化や大陸間気流の変化などの要因により、世界各地で集中豪雨やゲリラ豪雨が多発し、浸水被害が懸念されている。また、特に都市部において、降雨の大地への浸透量が減少し、排出量が増加している。下水道は、このような雨水の河川への迅速な排水という機能を司っている。

下水道管路は、地下に埋設されているが、下水道管路の保守、点検及び管理のためにマンホールと呼ばれる、人が入れる縦穴が一定区間（例えば、数十メートル）毎に設けられている。下水道管路には、生活排水や雨水などが流れているが、下水道管路内を流れる雨水などの流量は一定ではなく、時間や日によって異なる。また、降雨時に設定した雨水などの流量を超えることが無いように、状況に応じて貯水池への注水やポンプによる汲み上げを行い、マンホールからの内水氾濫を防いでいる。このような排水管理のために、下水道管路の合流地点での水位、流速、流量などの水量のモニタリングが行われているが、集中豪雨やゲリラ豪雨には十分対応できない場合もあり、内水氾濫を防止できない場合が発生してしまうのが現状である。

このため、より広域、より上流側のマンホールにおける水位などの多地点モニタリングが望まれている。しかし、多数のモニタリング地点を設けると、水位センサなどの設置と運用に費用がかかるため、安価でメンテナンス間隔の長い水量計測装置が求められている。

従来、下水道管路などの水位は、水位センサで水位を測定して判断するのが一般的である。これは、マンホールの危険状態は、先ず水位変化になって表れることと、水位がわかれば雨水などの液体の通過断面積がわかり、流路の勾配から液体の流速が予測できるので、単位時間当たりに流れる雨水などの流量の目安が得られることによる。一般的に用いられる水位センサには、圧力式水位センサと、超音波式水位センサとが含まれる。

圧力式水位センサは、液体中に設置して大気圧との圧力差から水深を求める。しかし、圧力式水位センサでは、大気圧の影響を受けること、液体が流れている場合はベルヌーイの定理（Bernoulli's Law）に従い速度水頭により圧力が増加するため、結果的に水位が高くなる方向に誤差が発生することなどの誤差要因が発生する。また、圧力式水位センサは、液体中に設置する必要があるという点で、使用形態に制約がある。さらに、圧力式水位センサは、下水、特に汚水の劣悪な環境に耐える筐体を必要とすること、電源や信号線の配線が長くなること、設置工事費用がかかること、頻繁に清掃する必要性があることなどから、設置と運用に費用がかかる。一方、流路に断面積を絞る機構を設け、前後に圧力式水位センサを形成することで、ベルヌーイの定理に従い水位と流速を同時に得ることができるものの、流路が下水道管路の場合、絞り機構は汚れの付着による機能低下が懸念されるため、絞り機構を下水道管路に設けることは望ましくない。

超音波式水位センサは、送信機から発信した超音波が水面で反射されて受信機により受信されるまでの時間を測定することで、非接触で水面までの距離を測定して水深を求めることができる。超音波式水位センサの場合、温度による音速の影響を補正する必要があるが、非接触で水面までの距離を測定できるため、圧力式水位センサの場合と比較すると、設置と運用の費用を軽減できる。しかし、超音波式水位センサは、例えば直径が約１ｍで深さが約１０ｍのマンホール内では、発信した超音波が側壁で乱反射するため正常な測定が難しいのに加え、高湿度な環境に耐える防水及び防湿処理を施す必要があることから、送受信機の送受信効率が低下して水面までの距離が１０ｍ前後の位置からの測定には大きな電力を必要とする。このため、超音波式水位センサは、広く大きな管路の水面付近に設置する必要があるという点で、使用形態に制約がある。一方、超音波の送受信機を管路内に設置し、液体中に超音波を伝播させることで、液体の流れによりドップラーシフトで超音波周波数を変化させて、超音波周波数の変化量から液体の流量を測定することができる。しかし、この場合、超音波式水位センサを液体中に設置する必要があり、非接触で水位を測定することができなくなるという点で、使用形態に制約がある。また、この場合、超音波式水位センサの耐水性を強固にする必要があり、超音波を加振する媒体の密度が空気から水などの液体に代わることなどにより、加振エネルギが必要となることから、結果的に必要な電力が著しく増加してしまう。

別の方法として、光学式距離センサにより、河川の水位を測る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。光学式距離センサには、被計測対象にレーザなどの光スポットを照射し、反射光を検出した位置から三角測量を行う方法と、光パルスの反射時間を測定するＴＯＦ（Time of Flight）式の方法とが含まれる。しかし、いずれの方法においても、照射した光の一部は水面で反射するが、照射した光の大半は液体を透過してしまうため、光を透過する液体の液面を安定に測定することは難しい。即ち、検出した反射光が、水面からの反射によるものである場合と、水底（または、水中の異物）からの反射光である場合とがあり、前者は正しい水面位置に相関しているのに対し、後者はそもそも水面位置を反映していないばかりか、光が水中から空気中へ抜けるときに屈折してしまうため、反射光が実際の水底よりも深い水底位置に相関することになる。

そこで、光を透過する液体の液面を光学式距離センサで安定に測定する方法として、液面に浮きなどの浮遊物を浮かべておき、この浮きに向かって光を照射して液面までの距離を測定する方法が提案されている。しかし、この提案方法の場合、浮きが下水、特に汚水の劣悪な環境に長期間耐える工夫や、浮きを頻繁に清掃する必要が生じ、非接触で水位を測定することの本来の利点が損なわれてしまう。また、これらの光学式距離センサを用いる方法では、液体の流量を測定することは難しい。

特開２００６−２５８５７９号公報 特開２０１２−２０２７９４号公報 特開２０１１−４２９４３号公報

従来の水位センサでは、使用形態の制約が多いため、非接触で水位などの水量を正確に測定することは難しい。

そこで、１つの側面では、非接触で水位などの水量を正確に計測可能な水量計測装置及び水量モニタリングシステムを提供することを目的とする。

１つの案によれば、管路内を流れる液体の水位を計測する水量計測装置であって、前記液体の液面に光を照射する発光素子と、前記液面で反射された光と前記管路内の底面の液底で反射された光とを受光する受光素子と、前記発光素子から前記管路内の前記液底までの距離Ｖ_０を予め記憶する記憶部と、前記受光素子の出力信号に基づき求めた距離データの上側の包絡線の平均値が表す距離をＶ_１で表し下側の包絡線の平均値が表す距離をＶ_２で表すと、前記水位の計測時に、前記距離データと前記距離Ｖ_０とを比較した比較結果が、前記受光素子の出力信号に、前記管路内の液底の反射により発生した前記距離Ｖ_０を超える距離に対応する第１の信号成分を含むか、或いは、前記液面の反射により発生した前記距離Ｖ_０未満の距離に対応する第２の信号成分を含むかを判定し、前記第１の信号成分を含むと判定した場合は水位Ｄ_１をＶ_１−Ｖ_０を用いて計算し、前記第２の信号成分を含むと判定した場合は水位Ｄ_２をＶ_０−Ｖ_２を用いて計算する計算手段とを備え、前記計算手段は、前記液底の反射により発生した前記第１の信号成分のパルスの平均発生周期をＴで表し、比例係数をβで表すと、Ｆ＝β／Ｔに基づき流速Ｆを計算する水量計測装置が提供される。

他の案によれば、上記の水量計測装置と、前記水量計測装置から少なくとも前記水位を含む計測情報を通知され、前記計測情報を集約するサーバとを備えた水量モニタリングシステムが提供される。

一態様によれば、非接触で水位などの水量を正確に計測することができる。

第１実施例における水量計測装置の一例を模式的に示す図である。 水底の計測方法を説明する模式図であり、 図２の計測方法で計測されたセンサモジュールから水底までの距離の計測結果を示す図である。 水面の波が緩やかな場合を説明する図である。 水面の波が緩やかな場合の水底反射及び水面正反射を説明する図である。 水面の波が荒い場合を説明する図である。 水面の波が荒い場合の水底反射、水面正反射及び界面反射を説明する図である。 水面に波が発生している場合の実験結果を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第１の例を示す図である。 センサモジュールが三角測量式である場合の受光素子の受光強度の一例を示す図である。 センサモジュールがＴＯＦ式である場合の発光素子の発光強度と受光素子の受光強度の一例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第２の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第３の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第４の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第５の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第６の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第７の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第８の例を示す図である。 制御モジュールの他の例を示すブロック図である。 水位計測処理の一例を説明するフローチャートである。 流量計測処理の一例を説明するフローチャートである。 水量計測装置が設置されるマンホールの一例を説明する図である。 マンホール内の下水道管路の一例を示す断面図である。 水量モニタリングシステムの一例を説明する図である。

一実施例では、管路内を流れる液体の水位を計測する水量計測装置が、液体の液面に光を照射する発光素子と、液面で反射された光と管路内の底面の液底で反射された光とを受光する受光素子と、発光素子から管路内の液底までの距離Ｖ_０を予め記憶する記憶部と、計算処理部とを備える。計算処理部は、受光素子の出力信号に基づき求めた距離データの上側の包絡線の平均値が表す距離をＶ_１で表し下側の包絡線の平均値が表す距離をＶ_２で表すと、水位の計測時に、距離データと距離Ｖ_０とを比較した比較結果が、受光素子の出力信号に、管路内の液底の反射により発生した距離Ｖ_０を超える距離に対応する第１の信号成分が含まれることを示す場合は水位Ｄ_１をＶ_１−Ｖ_０を用いて計算し、液面の反射により発生した距離Ｖ_０未満の距離に対応する第２の信号成分が含まれることを示す場合は水位Ｄ_２をＶ _０−Ｖ_２を用いて計算する。

以下に、開示の水量計測装置及び水量モニタリングシステムの各実施例を図面と共に説明する。

本明細書では、「水量」とは、「水の量」に限定されず、「透明または半透明の液体の量（または、液量）」をも含む。また、水量は、水位、流速、流量などを含む。

図１は、第１実施例における水量計測装置の一例を模式的に示す図である。図１に示すように、水量計測装置１は、光学式距離センサの一例であるセンサモジュール２と、制御手段の一例である制御モジュール３を有する。

センサモジュール２は、筐体２１と、光学窓２２と、筐体２１及び光学窓２２により封止された空間内に配置された発光光学系２３と受光光学系２４とを有する。発光光学系２３は、発光素子２３−１、レンズ２３−２及び光学フィルタ２３−３を有する。受光光学系２４は、受光素子２４−１、レンズ２４−２及び光学フィルタ２４−３を有する。

筐体２１は、好ましくは防湿性及び防水性の高い材料で形成されており、さらに好ましくは耐熱性が高い材料で形成されている。光学窓２２は、発光素子２３−１から出射された光を透過し、被計測対象から反射された光を透過して受光素子２４−１により受光可能とする材料で形成されている。被計測対象は、例えば管路（図示せず）内を流れる水などの透明または半透明の液体である。発光素子２３−１は、例えばレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、赤外（ＩＲ：Infrared）・ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を含む各種ＬＥＤなどの光源により形成可能である。レンズ２３−２は、発光素子２３−１から出射された光の光スポットを被計測対象に照射するために設けられる。光学フィルタ２３−３は、環境の光への影響を低減するために、特定の波長または偏光を取り出すために設けられる。受光素子２４−１は、例えばフォトダイオード（ＰＤ：Photo-Diode）、ＡＰＤ（Avalanche Photo-Diode)、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）などのラインセンサまたは画像センサ（または、イメージセンサ）などの光電変換装置により形成可能である。光学フィルタ２４−３は、環境の光への影響を低減するために、特定の波長または偏光を取り出すために設けられる。レンズ２４−２は、被計測対象から反射された光を受光素子２４−１上に結像させるために設けられる。光学フィルタ２３−３，２４−３は、省略しても良い。

この例では、センサモジュール２（例えば、発光素子２３−１または光学窓２２の外周面）と被計測対象との間の距離は、三角測量を行う計測方法またはＴＯＦ式の計測方法の、いずれの計測方法を用いて計測しても良い。三角測量を行う計測方法では、発光素子２３−１から出射された光の光スポットを被計測対象に照射し、受光素子２４−１が被計測対象からの反射光の光重心を検出した位置のずれから三角測量を行う。一方、ＴＯＦ式の計測方法では、発光素子２３−１から出射された光（例えば、光パルス）が被計測対象で反射されて受光素子２４−１で受光されるまでの伝搬時間を測定する。三角測量を行う計測方法自体、及び、ＴＯＦ式の計測方法自体は、いずれも公知であるため、本明細書ではこれらの計測方法自体の詳細な説明は省略する。

制御モジュール３は、発光制御部３１、増幅部３２、記憶部３３、比較部３４及び演算部３５を有する。発光制御部３１は、発光素子２３−１と電気的に接続されており、発光素子２３−１の発光強度、発光タイミングなどを制御する。増幅部３２は、受光素子２４−１と電気的に接続されており、受光素子２４−１が受光した光の強度、位置などを表すの出力信号を増幅して比較部３４に供給する。記憶部３３は、センサモジュール２（例えば、発光素子２３−１または光学窓２２の外周面）から管路の底面までの距離Ｖ_０を表す基準値を記憶する。基準値は、センサモジュール２から管路の底面までの距離Ｖ_０を予め手動で計測するか、或いは、計測装置（図示せず）で予め計測しておくことで求めることができる。また、距離Ｖ_０を表す基準値は、初期設定時の管路に液体が無い状態で発光素子２３−１からの光を管路の底面に照射した場合に、受光素子２４−１が出力する信号に基づいて求めても良い。比較部３４は、被計測対象の計測時に受光素子２４−１が出力する信号に基づいて求めた、センサモジュール２から管路内の水面までの距離を表す計測値と、記憶部３３に記憶された基準値とを比較し、比較結果を表す信号を演算部３５に供給する。演算部３５は、比較結果を表す信号に後述する演算処理を施して、管路の底面からの水面までの水位を求め、求めた水位を表す信号を出力する。

比較部３４及び演算部３５は、受光素子２４−１の出力信号に基づいてセンサモジュール２から管路内の水面までの距離を表す計測値を三角測量を行う計測方法またはＴＯＦ式の計測方法により求め、計測値と記憶部３３に記憶された基準値とを比較し、比較結果に演算処理を施して管路内の水位を演算すると共に、必要に応じて水位から管路内の計測対象である液体の流速、流量などをさらに演算する、計算手段または計算処理部の一例を形成する。演算部３５が出力する信号は、ケーブルを介して外部装置（図示せず）に供給されても、通信装置などの通信手段（図示せず）を介して外部装置に送信されても良い。外部装置は、例えば複数の水量計測装置１からの信号を集中管理したり、解析したりするホスト装置、データセンタなどを形成するサーバであっても良い。この場合、複数の水量計測装置１及びサーバは、水量モニタリングシステムを形成可能である。

一例として、水量計測装置１が三角測量を行う計測方法を用いる場合について説明する。 この場合、センサモジュール２は、例えばマンホール（図示せず）の上部に設置され、センサモジュール２から下水道管路の底面までの距離Ｖ_０を表す基準値は、例えば初期設定時の下水道管路に被計測対象の一例である液体が無い状態で発光素子２３−１からの光を下水道管路の底面に照射した場合に、受光素子２４−１が出力する信号に基づいて求めて記憶部３３に記憶されている。

一方、被計測対象の計測時には、例えば下水道管路内に被計測対象の一例である液体が満たされている状態である。このため、発光素子２３−１からレンズ２３−２、光学フィルタ２３−３及び光学窓２２を介して照射された光の一部は、下水道管路内の液体の液面（以下、「水面」とも言う）で反射する。水面が平面の場合、即ち、液体の流れが無く水面に波が全くない場合、水面での光反射は鏡面反射となる。この場合、水面からの反射光が、光学窓２２、光学フィルタ２４−３及びレンズ２４−２を介して受光素子２４−１に入射し、受光素子２４−１に入射する位置関係を満たしていれば、受光素子２４−１の出力信号に基づいて、センサモジュール２から水面までの距離を測定することが可能である。図１において、下水道管路内の水面は、例えば実線で示す位置から破線で示す位置まで変位可能である。下水道管路内の液位（以下、「水位」とも言う）は、センサモジュール２から下水道管路の底面までの距離Ｖ_０から、センサモジュール２から水面までの距離を減算することで求めることができる。

しかし、受光素子２４−１の光軸と、水面からの反射光の光軸とが完全一致していないと、正確な水位を求めることは難しい。液体は、下水道管路内を流れるため、水位は変化し、水面には波が発生する。水位及び水面にこのような変化があると、水面からの反射光を受光素子２４−１に入射させ続けることは難しいが、水面のうねりを利用して水面からの反射光を一瞬だけ受光素子２４−１に入射させることはできる。これは、マンホールの上部、例えば、マンホールの蓋の裏側などにセンサモジュール２を設置すると、水面に対して略鉛直方向の位置に受光素子２４−１を設置できることによる。

一方、発光素子２３−１からレンズ２３−２、光学フィルタ２３−３及び光学窓２２を介して照射された光の残りの部分は、下水道管路内の液体内に入射する。センサモジュール２から照射された光のうち、下水道管路内の水面で反射される部分と、下水道管路内の液体内に入射する部分の割合は、フレネルの式（Fresnel Equations）によって理論的に計算することができる。

センサモジュール２から照射された光が、マンホール内の屈折率が１の空気から、下水道管路内の屈折率ｎが空気の屈折率より高い液体の水面に対して略垂直な角度で入射する場合、水面での反射率ｒはｒ＝｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝^２％で表される。液体が水の場合、ｎ＝１．３３であるため、ｒ＝２％となり、照射された光の９８％の部分が水中に入射する。この場合、水中に入射した光は、液底（以下、「水底」とも言う）で反射される。水底、即ち、下水道管路の底面は、一般的にはコンクリートで形成されており、光の反射は鏡面ではなく拡散反射となるため、水底からの反射光の一部は受光素子２４−１上に結像する。しかし、水底からの反射光が水面を再び通過する際には、水の屈折率（１．３３）と空気の屈折率（１）が異なるため、スネルの法則（Snell's Law）により屈折する。このため、受光素子２４−１が水底からの反射光を水面での屈折後に受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置（即ち、センサモジュール２からの距離）は、屈折により光路長が延びるため、受光素子２４−１が下水道管路内に水が無い状態で下水道管路の底面で反射された光を受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置より深い（即ち、センサモジュール２から遠い）位置として計測されてしまう。なお、センサモジュール２から照射された光が水中に入射する時、法線方向の光は水面で殆ど屈折しないため、水面を通過する際の屈折は無視できる。

水量計測装置１がＴＯＦ式の計測方法を用いる場合も、受光素子２４−１が水底からの反射光を水面での屈折後に受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置（即ち、センサモジュール２からの距離）は、屈折により光路長が延びること、及び、下水道管路内の液体中では光速が１／ｎだけ遅くなることから、水量計測装置１が三角測量を行う計測方法を用いる場合と同様に、受光素子２４−１が下水道管路内に水が無い状態で下水道管路の底面で反射された光を受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置より深い（即ち、センサモジュール２から遠い）位置として計測されてしまう。

下水道管路内の水面に波が無い状態では、受光素子２４−１の出力信号に基づいて求められる水底位置は、実際の水底位置より遠い位置を示すので、本実施例ではこの現象を利用して水位を求める。波長６３０ｎｍのＬＤを発光素子２３−１に用いたセンサモジュール２を、三角測量を行う計測方法と、ＴＯＦ式の計測方法の２つの計測方法を用いる場合について、受光素子２４−１の出力信号に基づいて求めた水位を調べた。

図２は、水底の計測方法を説明する模式図である。図２では、説明の便宜上、センサモジュール２の発光素子２３−１及び受光素子２４−１のみを示す。図２において、（ａ）は下水道管路内の水面に浮き板１００を浮かせて計測する場合を説明する模式図、（ｂ）は下水道管路内の水面に浮き板１００を浮かせずに計測する場合を説明する模式図である。浮き板１００の厚さは、無視できる程度に薄い。図２中、実線で示す矢印は水有りの場合に水面（又は、浮き板１００の表面）に照射される光と水面からの反射光を示し、破線で示す矢印は、無水の場合に下水道管路の底面（即ち、水底）に照射される光と底面からの反射光を示す。

図３は、図２の計測方法で計測されたセンサモジュールから水底までの距離の計測結果を示す図である。図３中、縦軸はセンサモジュール２から下水道管路内の水面または浮き板１００までの距離を示し、横軸は水深を示す。水深は、水面から下水道管路の底面までの距離を表す。また、×印は図２（ａ）に示す浮き板１００を用いて三角測量を行う計測方法で計測したデータのプロット、□印は図２（ａ）に示す浮き板１００を用いてＴＯＦ式の計測方法で計測したデータのプロット、Ａは浮き板１００を用いた計測データのプロットから推測した距離データを示す。さらに、▲印は図２（ｂ）に示す浮き板１００を用いずに三角測量を行う計測方法で計測したデータのプロット、◇印は図２（ｂ）の浮き板１００を用いずにＴＯＦ式の計測方法で計測したデータのプロット、Ｂは浮き板１００を用いない計測データのプロットから推測した距離データを示す。

図３の計測結果より、下水道管路内に水が有り水面に波が無い場合には、図２（ｂ）の構成では受光素子２４−１の出力信号に基づいて求められる水底が、実際の水底より深い位置に相当することが確認された。また、空気と水の屈折率の違いから、下水道管路内に水が有る場合にセンサモジュール２が距離を検出する感度である距離感度αは、下水道管路内に水が無い無水の場合の約１／３であることが確認された。即ち、受光素子２４−１の出力信号に基づいて求められるセンサモジュール２から水底までの距離をｘで表すと、ｘ＞Ｖ_０という関係が成立し、（ｘ−Ｖ_０）×３を計算することで水位を求めることができることが確認された。

一方、センサモジュール２の設置角度を微調整することで、反射光を受光素子２４−１に入射させることが可能であることと、このような微調整により受光素子２４−１の出力信号に基づいて水面位置が得られることが確認された。

ところで、実際の下水道管路内では、水の流れによって水面に波が発生しており、水面（即ち、波面）が細かくうねっている。この水面の波（または、うねり）の変動周波数は、後述するように、水の流速及び水深と強い相関性がある。

図４は、水面の波が緩やかな場合を説明する図である。図４中、縦軸は受光素子２４−１の出力信号に基づき求められる、センサモジュール２から水面までの距離（任意単位）を示し、横軸は時刻（任意単位）を示す。下水道管路内の水面で発生している波が、照射される光の光スポットの大きさと比べて相対的に小さく緩やかな場合、図４からもわかるように、水底反射により下水道管路の底面位置よりも深い位置を基本として、受光素子２４−１の出力信号にパルスが発生するので、距離データもパルス成分を含む。光スポットの大きさと比べて水面で発生している波が相対的に小さい場合とは、波の斜面が光の入射方向に対し鉛直方向から略角度を有さないため、光の水中への入射時と水中から空中への出射時に光の屈折が小さくなる場合を言う。

図５は、水面の波が緩やかな場合の水底反射及び水面正反射を説明する図である。図５中、（ａ）は時刻Ｔ１における水底反射の一例を実線の矢印で模式的に示し、（ｂ）は時刻Ｔ２における水面正反射の一例を実線の矢印で模式的に示す。

図４の上側の包絡線は水底反射により生じる誤差によるもので、この上側の包絡線の平均値をＶ_１で表す。従って、水位＝０（即ち、底面位置）の時のセンサモジュール２から下水道管路の底面位置までの距離をＶ_０で表すと、計測値が基準値を超えており受光素子２４−１の出力信号に水底反射により発生した信号パルス（第１の信号成分）が含まれる場合の水位Ｄ_１はＶ_１−Ｖ_０なる差分で表される。本発明者らによる実験結果によれば、受光素子２４−１の距離感度をαで表すと、水面反射の場合のαが水底反射の場合の約１／３であるため、水位Ｄは波が無いときと同様にＤ＝（Ｖ _１ −Ｖ _０ ）×３を計算することで求めることができる。

一方、水底反射により受光素子２４−１の出力信号にパルスが発生するのは、波面がうねった時の水面の反射光が受光素子２４−１に入射する場合であるので、この場合に受光素子２４−１の出力信号に基づいて求められる、センサモジュール２からの距離は水面位置に相当する。つまり、図４の下側の包絡線は水面付近の反射によるもので、下側の包絡線の平均値をＶ_２で表すと、計測値が基準値未満であり受光素子２４−１の出力信号に水面反射により発生した信号パルス（第２の信号成分）が含まれる場合の水位Ｄ_２はＶ_０−Ｖ_２なる差分で表されるため、水位Ｄは（Ｖ _０ −Ｖ _２ ）を計算することで求めることができる。

このような水位Ｄの計算は、図１に示す記憶部３３、比較部３４及び演算部３５を用いて行うことができる。具体的には、比較部３４は、被計測対象である下水道管路内の水位の計測時に受光素子２４−１が出力する信号に基づいて求めた、センサモジュール２から下水道管路内の水面までの距離を表す計測値と、記憶部３３に記憶された距離Ｖ_０を表す基準値とを比較することで、計測値が基準値を超えている場合の受光素子２４−１の出力信号に含まれる水底反射により発生した信号パルス（第１の信号成分）の有無と、計測値が基準値未満である場合の受光素子２４−１の出力信号に含まれる水面反射により発生した信号パルス（第２の信号成分）の有無とを判定することができる。そして、演算部３５は、比較部３４から供給される、計測値が基準値を超えるているか、或いは、基準値未満である場合に受光素子２４−１の出力信号に含まれる水底反射または水面反射により発生した信号パルス（第１または第２の信号成分）の有無を示す比較結果に基づき、比較結果が受光素子２４−１の出力信号に上記第１の信号成分が含まれることを示す場合の水位Ｄ_１はＶ_１−Ｖ_０なる差分を用いて計算し、上記第２の信号成分が含まれることを示す場合の水位Ｄ_２はＶ_０−Ｖ_２なる差分を用いて計算することができる。

なお、演算部３５は、計測値が基準値を超えている場合に受光素子２４−１の出力信号に含まれる水底反射により発生した単位時間当たりの信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数を水面の波（または、うねり）の変動周期と相関させることができる。水面の波（または、うねり）は、水の流速との関係で決まるので、水底反射により発生した信号パルスの頻度から流速を求めることが可能となる。即ち、水底反射により発生した信号パルス（または、第１の信号成分）の平均発生周期をＴで表し、比例係数をβで表すと、流速Ｆは、Ｆ＝β／Ｔを計算することで求めることができる。

このように受光素子２４−１の出力信号に基づいて求めた距離データの上側と下側の包絡線の夫々平均値Ｖ_１，Ｖ_２から２つの水位Ｄ_１，Ｄ_２が得られるが、上記の計算手段は、より安定した値を示す水位を真の水位Ｄとして決定しても良い。例えば、演算部３５において、得られた２つの水位Ｄ_１，Ｄ_２の単位時間当たりの変動量や分散、最大値と最小値を算出して比較し、より安定した値を示す水位を真の水位Ｄとして決定し、この決定した水位Ｄを選択出力すれば良い。

図６は、水面の波が荒い場合を説明する図である。図６中、縦軸は受光素子２４−１の出力信号に基づき求められる、センサモジュール２から水面までの距離（任意単位）を示し、横軸は時刻（任意単位）を示す。下水道管路内の水面で発生している波が、照射される光の光スポットの大きさと比べて相対的に大きく荒い場合、図６に示すように、水底反射により下水道管路の底面位置よりも深い位置を基本として、受光素子２４−１の出力信号にパルスが発生するので、距離データもパルス成分を含む。光スポットの大きさと比べて水面で発生している波が相対的に大きい場合とは、波の斜面が光の入射方向に対し鉛直方向から角度を有するため、光の水中への入射時と水中から空中への出射時に光の屈折が大きくなる場合を言う。特に光の水中から空中への出射時には、屈折率が大きな水から小さな空気へと変化し、約４５度の角度を臨界に全反射が起こるため、受光素子２４−１には反射光が全く戻らない場合が発生し得る。一方、光の水中への入射時においても、フレネルの式に従い、大半の光が水面で反射し、受光素子２４−１に戻る反射光が大幅に低下する。

図７は、水面の波が荒い場合の水底反射、水面正反射及び界面反射を説明する図である。図７中、（ａ）は時刻Ｔ１における水底反射の一例を実線の矢印で模式的に示し、（ｂ）は時刻Ｔ２における水面正反射の一例を実線の矢印で模式的に示し、（ｃ）は時刻Ｔ３における界面反射の一例を実線の矢印で模式的に示す。

図６の上側の包絡線は水底反射により生じる誤差によるもので、この上側の包絡線の平均値をＶ_１で表す。従って、水位＝０（即ち、底面位置）の時のセンサモジュール２から下水道管路の底面位置までの距離をＶ_０で表すと、受光素子２４−１の出力信号に上記第１の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_１はＶ_１−Ｖ_０なる差分で表される。本発明者らによる実験結果によれば、受光素子２４−１の距離感度をαで表すと、水面反射の場合が水底反射の場合のαが約１／３であるため、水位Ｄは波が無いときと同様に（Ｖ _１ −Ｖ _０ ）×３を計算することで求めることができる。

一方、水底反射により受光素子２４−１の出力信号にパルスが発生するのは、波面がうねった時の水面の反射光が受光素子２４−１に入射する場合であるので、この場合に受光素子２４−１の出力信号に基づいて求められる、センサモジュール２からの距離は水面位置に相当する。つまり、図６の下側の包絡線は水面付近の反射によるもので、破線で示す下側の包絡線の平均値をＶ_２で表すと、受光素子２４−１の出力信号に上記第２の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_２はＶ_０−Ｖ_２なる差分で表されるため、水位Ｄは（Ｖ _０ −Ｖ _２ ）を計算することで求めることができる。

このように、水面の波が荒い場合、波の斜面が急な部分では受光素子２４−１の受光量が著しく低下して距離の計測が困難となる場合がある。このように、受光素子２４−１の受光量が著しく低下すると、受光素子２４−１の出力信号の著しい低下により、図６中、例えば時刻Ｔ３で発生する部分２００のように、距離の計測が困難となる。また、水面の波の変動量が大きくなくても、水面の波が荒ければ、図６に示す上側と下側の包絡線の変動は大きくなる。しかし、上側と下側の包絡線の変動の中心が、真の水位によるものであるから、上側と下側の包絡線の平均値Ｖ_１，Ｖ_２を水位の計算に利用できる。

このような水位Ｄの計算は、図１に示す記憶部３３、比較部３４及び演算部３５を用いて、水面の波が緩やかな場合と同様に行うことができる。従って、演算部３５は、比較部３４から供給される、計測値が基準値を超えるているか、或いは、基準値未満である場合に受光素子２４−１の出力信号に含まれる水底反射または水面反射により発生した信号パルスの有無を示す比較結果に基づき、受光素子２４−１の出力信号に上記第１の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_１はＶ_１−Ｖ_０なる差分を用いて計算し、受光素子２４−１の出力信号に上記第２の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_２はＶ_０−Ｖ_２なる差分を用いて計算することができる。

また、演算部３５は、水面の波が緩やかな場合と同様に、計測値が基準値を超えている場合に受光素子２４−１の出力信号に含まれる水底反射により発生した単位時間当たりの信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数を水面の波（または、うねり）の変動周期と相関させることができる。従って、水底反射により発生した信号パルス（または、第１の信号成分）の平均発生周期をＴで表し、比例係数をβで表すと、流速Ｆは、Ｆ＝β／Ｔを計算することで求めることができる。

このように受光素子２４−１の出力信号に基づいて求めた距離データの上側と下側の包絡線の夫々の平均値Ｖ_１，Ｖ_２から２つの水位Ｄ_１，Ｄ_２が得られるが、上記の計算手段は、より安定した値を示す水位を真の水位Ｄとして決定しても良い。例えば、演算部３５において、得られた２つの水位Ｄ_１，Ｄ_２の単位時間当たりの変動量や分散、最大値と最小値を算出して比較し、より安定した値を示す水位を真の水位Ｄとして決定し、この決定した水位Ｄを選択出力すれば良い。

図８は、水面に波が発生している場合の実験結果を示す図である。図８は、水面の波が緩やかで、波の高さが１ｃｍ未満である場合の実験結果を示す。図８中、縦軸は受光素子２４−１の出力信号レベル（任意単位）を示し、横軸は時刻（任意単位）を示し、初期値は水が無い時の水底（管路の底面）までの距離を計測した時の受光素子２４−１の出力信号レベルに相当する。図８において、（ａ）は三角測量を行う計測方法で計測した場合の実験結果を示し、（ｂ）はＴＯＦ式の計測方法で計測した場合の実験結果を示す。

発光素子２３−１を形成するＬＤから照射されるレーザ光の光スポット径が約２ｍｍであり波の大きさに比べて小さいＴＯＦ式のセンサモジュール２の場合、受光素子２４−１を形成するＰＤから出力される信号には、図８（ａ）に示すように、上記の初期値を安定点として、時折負のパルスが頻発した。しかし、ＰＤから出力される信号中、下側の包絡線は水位と一致しないことが確認された。これは、光スポット径に対して波が大きすぎるため、水面での反射光がＰＤに入射しなかったためと考えられる。このような場合は、ＰＤから出力される信号中、上側包絡線より求めた水位を利用すれば良いことが確認された。また、ＰＤから出力される信号中、水底反射により発生したパルスの発生周期を平均化することで、計測した水位から流速を計算することができることも確認された。なお、図８（ａ）中、実線の楕円形で囲まれた部分は、異常値が計測された箇所を示す。

一方、発光素子２３−１を形成するＩＲ・ＬＥＤから照射されるＩＲ光の光スポット径が約５０ｍｍであり波の大きさに比べて大きい三角測量式のセンサモジュール２の場合、受光素子２４−１を形成するＰＳＤから出力される信号は、図８（ｂ）に示すように、水面と水底反射による値を範囲として変動が観測された。なお、この例で使用したＰＳＤは、正負が反転した信号を出力する仕様であるため、上記の初期値に対して上側の包絡線は水面反射による水位を示しており、下側の包絡線は水底反射による水位を示している。この場合、図８（ｂ）ではＰＳＤが出力する信号中の水底反射により発生したパルスが明確ではないものの、上記の初期値を閾値として用いてＰＳＤが出力する信号を波形整形することで、ＴＯＦ式のセンサモジュール２で得られる信号波形と同等な変動を含む信号波形が得られていることが確認された。なお、ＰＳＤが出力する信号を閾値を用いて波形整形する代わりに、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）によりＰＳＤが出力する信号の周波数成分を抽出することで、三角測量式のセンサモジュール２においても、ＴＯＦ式のセンサモジュール２で得られる信号波形と同様の信号波形が得られることが確認された。なお、図８（ｂ）中、Ｐｋは水面に相当する信号波形のピークを示し、Ｂｔは水底に相当する信号波形のボトムを示す。

図８の実験結果からもわかるように、距離データは受光素子２４−１の出力信号レベルに基づいているので、図４及び図６における縦軸は受光素子２４−１の出力信号レベルとみなしても良い。この場合、Ｖ_０，Ｖ_１，Ｖ_２は、夫々距離の値ではなく距離に対応する出力信号レベルの値となる。

次に、センサモジュール２内の発光素子２３−１及び受光素子２４−１の配置と、受光素子２４−１が出力する信号波形の例について、図９乃至図１１と共に説明する。

図９は、センサモジュール２内の発光素子２３−１及び受光素子２４−１の配置の第１の例を示す図である。図９中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。

図１０は、図９に示すセンサモジュール２が三角測量式である場合の受光素子２４−１が受光する光の強度（以下、「受光強度」とも言う）の一例を示す図である。この場合、受光素子２４−１は、ＰＳＤ、ＣＣＤなどのラインセンサで形成され、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光を受光した光重心を、センサモジュール２からの距離を表す信号に変換する。図１０中、縦軸は受光素子２４−１の受光強度を任意単位で示し、横軸は受光位置を任意単位で示す。図１０において矢印で示すように、受光素子２４−１が受光した光重心が距離の変化に応じて実線で示す状態から破線で示す状態へずれるので、制御モジュール３の計算手段において、受光素子２４−１の出力信号をセンサモジュール２からの距離を表す信号へ変換することが可能となる。

図１１は、図９に示すセンサモジュール２がＴＯＦ式である場合の発光素子２３−１の発光強度と受光素子２４−１の受光強度の一例を示す図である。この場合、受光素子２４−１は、ＰＤ、ＡＰＤなどで形成され、発光素子２３−１が光を出射してから被計測対象で反射されて受光素子２４−１に到達するまでの伝搬時間（即ち、ＴＯＦ）をセンサモジュール２からの距離を表す信号に変換する。図１１中、（ａ）の縦軸は発光素子２３−１の発光強度を任意単位で示し、（ｂ）の縦軸は受光素子２４−１の受光強度を任意単位で示し、横軸は時刻を任意単位で示す。図１１（ｂ）に示すように、発光素子２３−１が光を出射してから被計測対象で反射されて受光素子２４−１に到達するまでの伝搬時間が、距離の変化に応じて実線で示す状態から破線で示す状態へずれるので、制御モジュール３の計算手段において、受光素子２４−１の出力信号をセンサモジュール２からの距離を表す信号へ変換することが可能となる。なお、センサモジュール２がＴＯＦ式である場合の受光素子２４−１は、ＰＳＤ、ＣＣＤなどのラインセンサで形成しても良く、複数のＰＤ、ＡＰＤなどで形成しても良い。

図１２は、発光素子及び受光素子の配置の第２の例を示す図である。図１２中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。この第２の例では、１個の発光素子２３−１に対し、複数の受光素子２４−１が設けられている。図１２（ｂ）の例では、３個の受光素子２４−１が一列に配置されており、１Ｒ，２Ｒ，３Ｒで示す順番で受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離が遠くなっている。複数の受光素子２４−１が一列に設けられているので、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光を確実に受光することが可能となり、上記第１の例と比べて距離の計測精度を向上できる。また、反射光は複数の受光素子２４−１のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置１の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。

なお、図１２及び後述する図１３乃至図１８において、各受光素子２４−１は、単一のＰＤ、ＡＰＤなどで形成しても良く、ＰＳＤ、ＣＣＤなどのラインセンサで形成しても良く、複数のＰＤ、ＡＰＤなどで形成しても良い。つまり、図１２乃至図１８に示す発光素子２３−１と受光素子２４−１の配置は、三角測量式のセンサモジュール２に用いても、或いは、ＴＯＦ式のセンサモジュール２に用いても良い。また、１個の発光素子２３−１に対して複数の受光素子２４−１が設けられている場合、制御モジュール３は、複数の受光素子２４−１の出力信号に対して別々に上記の如き演算処理を施しても、複数の受光素子２４−１の出力信号を加算または合成した信号に対して上記の如き演算処理を施しても、複数の受光素子２４−１の出力信号を平均した信号に対して上記の如き演算処理を施しても、或いは、複数の受光素子２４−１の出力信号に加算、合成、平均以外の処理した信号に対して上記の如き演算処理を施しても良い。

図１３は、発光素子及び受光素子の配置の第３の例を示す図である。図１３中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。この第３の例では、１個の発光素子２３−１に対し、４個の受光素子２４−１が二列に配置されており、１Ｒ，２Ｒ，３Ｒ，４Ｒで示す順番で受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離が遠くなっている。複数の受光素子２４−１が二列に設けられているので、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第１の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子２４−１のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置１の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。

図１４は、発光素子及び受光素子の配置の第４の例を示す図である。図１４中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。この第４の例では、１個の発光素子２３−１に対し、４個の受光素子２４−１が一点鎖線で示すように同心円状に配置されており、１Ｒ，２Ｒ，３Ｒ，４Ｒで示す順番で受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離が遠くなっている。複数の受光素子２４−１が同心円状に設けられているので、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、第１の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子２４−１のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置１の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。

図１５は、発光素子及び受光素子の配置の第５の例を示す図である。図１５中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。この第５の例では、１個の発光素子２３−１に対し、一方の側（左側）に３個の受光素子２４−１が一列に配置され、他方の側（右側）に３個の受光素子２４−１が一列に配置されており、左側では１Ｌ，２Ｌ，３Ｌに示す順番で受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離が遠くなっており、右側では１Ｒ，２Ｒ，３Ｒで示す順番で受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離が遠くなっている。また、左側の１Ｌ，２Ｌ，３Ｌに示す位置の受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離は、夫々右側の１Ｒ，２Ｒ，３Ｒで示す位置の受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離と等しい。つまり、左側の３個の受光素子２４−１と、右側の３個の受光素子２４−１とは、発光素子２３−１に対して線対称に配置されている。複数の受光素子２４−１が一列に、発光素子２３−１の両側に設けられているので、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第２乃至第４の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子２４−１のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置１の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。

図１６は、発光素子及び受光素子の配置の第６の例を示す図である。図１６中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。この第６の例では、１個の発光素子２３−１に対し、一方の側（左側）に２個の受光素子２４−１が一列に配置され、他方の側（右側）に２個の受光素子２４−１が一列に配置されており、左右側では１Ｒ，２Ｌ，３Ｒ，４Ｌに示す順番で一列に配置された受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離が遠くなっている。複数の受光素子２４−１が一列に、発光素子２３−１の両側に設けられているので、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第２乃至第４の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子２４−１のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置１の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。

図１７は、発光素子及び受光素子の配置の第７の例を示す図である。図１７中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。この第７の例では、１個の発光素子２３−１に対し、一の側（右側）に１個の受光素子２４−１が配置され、他の側（手前側）に１個の受光素子２４−１が一列に配置されている。また、右側の１Ｒに示す位置の受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離は、手前側の１Ｄで示す位置の受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離と等しい。つまり、右側の１個の受光素子２４−１と、手前側の１個の受光素子２４−１とは、発光素子２３−１に対して直交する方向上に配置されている。複数の受光素子２４−１が、発光素子２３−１の異なる側に設けられているので、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第１の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子２４−１のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置１の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。

言うまでもなく、図１７（ｂ）において、発光素子２３−１の右側と手前側の夫々において、複数の受光素子２４−１を上記第２、第５または第６の例のように一列に配置しても、或いは、上記第３または第４の例のように二列に配置しても良い。

図１８は、発光素子及び受光素子の配置の第８の例を示す図である。図１８中、（ａ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の側面図、（ｂ）は発光素子２３−１及び受光素子２４−１の平面図を示す。この第８の例では、１個の発光素子２３−１に対し、左側の１Ｌの位置、右側の１Ｒの位置、奥側の２Ｕの位置、及び手前側の２Ｄの位置に夫々１個の受光素子２４−１が配置されている。また、１Ｌ，１Ｒ，２Ｕ，２Ｄの位置の受光素子２４−１の発光素子２３−１からの距離は、夫々等しい。つまり、４個の受光素子２４−１は、発光素子２３−１を囲むように配置されている。複数の受光素子２４−１が、発光素子２３−１を囲むように設けられているので、発光素子２３−１から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第１乃至第７の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子２４−１のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置１の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。

なお、図１８に示す例では、１Ｌ，１Ｒの位置の受光素子２４−１は一列に配置されており、２Ｕ，２Ｄの位置の受光素子２４−１も一列に配置されている。さらに、１Ｌ，１Ｒの位置の受光素子２４−１が一列に配置されている方向と、２Ｕ，２Ｄの位置の受光素子２４−１が一列に配置されている方向とは、互いに直交している。

言うまでもなく、図１８（ｂ）において、発光素子２３−１の右側、左側、奥側、及び手前側の夫々において、複数の受光素子２４−１を上記第２、第５または第６の例のように一列に配置しても、或いは、上記第３または第４の例のように二列に配置しても良い。さらに、図１８（ｂ）において、発光素子２３−１と同心円状に、一列に設けられた複数の受光素子２４−１を、発光素子２３−１の中心を通る複数の半径方向上に、発光素子２３−１を囲むように配置しても良い。

図１９は、制御モジュール３の他の例を示すブロック図である。図１９に示す制御モジュール３は、プロセッサの一例であるＣＰＵ（Central Processing Unit）３０１と、記憶装置の一例であるメモリ３０２と、出力部３０４とを有する。メモリ３０２は、ＣＰＵ３０１が実行するプログラム、及び基準値、計測した水位などのデータ、計測履歴などをのデータ含む各種データを格納可能である。ＣＰＵ３０１は、メモリ３０２に格納されたプログラムを実行することで、図１に示す発光制御部３１と同様の機能を実現して、センサモジュール２の発光素子２３−１の発光強度、発光タイミングなどを制御する制御信号を出力する。また、ＣＰＵ３０１は、メモリ３０２に格納されたプログラムを実行することで、図１に示す増幅部３２、比較部３４、及び演算部３５と同様の機能を実現して、受光素子２４−１の出力信号に基づいてセンサモジュール２から管路内の水面までの距離を表す計測値を三角測量を行う計測方法またはＴＯＦ式の計測方法により求め、計測値とメモリ３０２に記憶された基準値とを比較し、比較結果に演算処理を施して管路内の水位を演算すると共に、必要に応じて水位から管路内の計測対象である液体の流速、流量などをさらに演算しても良い。つまり、ＣＰＵ３０１は、上記の計算手段または計算処理部と同様の機能を実現しても良い。流量は、例えば受光素子２４−１の出力信号の変動周期の逆数に係数を乗算して計算しても良い。

出力部３０３は、ＣＰＵ３０１が出力した距離、水位、流速、流量などの計測情報を出力し、必要に応じて水量モニタリングシステムのサーバなどの通知先に供給する。出力部３０３は、制御モジュール３が出力する計測情報を有線で通知先に通知するケーブルを接続するためのインタフェース、或いは、制御モジュール３が出力する計測情報を無線で通知先に通知する通信装置などの通信手段で形成可能である。通信手段は送受信機などで形成可能であるが、水位計測装置１が計測情報を送信する機能を有するだけでサーバ側からの情報を受信する機能を有さない場合には、通信手段は送信機で形成可能である。なお、被計測対象の水位、流速、流量などは、計測情報（距離を表す信号）が通知されるサーバ側で計算して、制御モジュール３側の計算負荷を軽減しても良い。

図２０は、水位計測処理の一例を説明するフローチャートである。図２０に示す水位計測処理は、図１に示す制御モジュール３の比較部３４及び演算部３５、または、図１９に示す制御モジュール３のＣＰＵ３０１により実行可能であるが、以下の説明では便宜上、ＣＰＵ３０１により実行される場合を例に取る。

図２０において、ＣＰＵ３０１は、被計測対象の一例である下水道管路内の水底までの距離Ｖ _０ を、初期設定時の下水道管路に水が無い状態で受光素子２４−１が出力信号に基づいて求める（ステップＳ１）。なお、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１において、センサモジュール２から下水道管路の底面までの距離Ｖ _０ を予め手動で計測するか、或いは、計測装置で予め計測しておいたものをメモリ３０２から読み出しても良い。

次に、ＣＰＵ３０１は、発光素子２３−１の発光強度、発光タイミングなどを制御する制御信号を出力して発光素子２３−１を発光させ、被計測対象からの反射光を受光する受光素子２４−１の出力信号をサンプリングして、Ｎ番目のサンプルに基づいて求めた距離Ｖ（Ｎ）及び受光強度Ｉ（Ｎ）を取得する（ステップＳ２）。また、ＣＰＵ３０１は、Ｉ（Ｎ）＞Ｉｔｈであるか、即ち、Ｎ番目のサンプルの受光強度Ｉ（Ｎ）が受光強度の閾値Ｉｔｈを超える十分に高い値であるか否かを判定する（ステップＳ３）。受光強度Ｉ（Ｎ）が受光強度の閾値Ｉｔｈを超える値であれば、Ｎ番目のサンプルが計測処理に使用可能な正常値であると判定される。ステップＳ３の判定結果がＮＯであると、ＣＰＵ３０１は、受光強度Ｉ（Ｎ）の異常値をメモリ３０２に記録し、処理は後述するステップＳ８へ進む。

一方、ステップＳ３の判定結果がＹＥＳであると、ＣＰＵ３０１は、距離Ｖ（Ｎ）＞Ｖ _０ であるか、即ち、距離Ｖ（Ｎ）が水底までの距離Ｖ _０ を超える距離であるか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５の判定結果がＹＥＳであると、ＣＰＵ３０１は、受光素子２４−１の出力信号に基づき求められた距離データの上側の包絡線の平均値Ｖ _１ （Ｎ）から受光素子２４−１の出力信号に上記第１の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_１をＶ _１ （Ｎ）−Ｖ _０ なる差分から求め、水位Ｄ_１の平均値Ａｕ及び水位Ｄ_１の単位時間当たりの分散Ｄｕを求める（ステップＳ６）。また、ステップＳ５の判定結果がＮＯであると、ＣＰＵ３０１は、受光素子２４−１の出力信号に基づき求められた距離データの下側の包絡線の平均値Ｖ _２ （Ｎ）から受光素子２４−１の出力信号に上記第２の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_２をＶ _０ −Ｖ _２ （Ｎ）なる差分から求め、水位Ｄ_２の平均値Ａｄ及び水位Ｄ_２の単位時間当たりの分散Ｄｄを求める（ステップＳ７）。ステップＳ６またはステップＳ７の後、処理はステップＳ８へ進む。

ＣＰＵ３０１は、一定期間内のサンプル数の上限をＮ_ｍａｘで表すと、一定期間繰り返しＮ＞Ｎ_ｍａｘであるか否かを判定し（ステップＳ８）、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ２へ戻る。ステップＳ８の判定結果がＹＥＳであると、ＣＰＵ３０１は、水位Ｄ_１の平均値Ａｕに補正値ｃ１を積算して補正する（ステップＳ９）。また、ＣＰＵ３０１は、Ｄｕ≦Ｄｄであると｛Ａｕ×ｃ１｝から計算した水位Ｄをより安定した値を示す真の水位として決定し、Ｄｕ＞Ｄｄであると｛Ａｄ｝または [｛（Ａｕ×ｃ１）＋Ａｄ）｝／２]から計算した水位Ｄをより安定した値を示す真の水位として決定することで、より安定した値を示す真の水位を選択出力する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において、ＣＰＵ３０１は、出力した水位Ｄを必要に応じてメモリ３０２に記録しても良い。ステップＳ１０の後、ＣＰＵ３０１の処理は、次の水位計測処理に進むか、或いは、図２１と共に説明する流量計測処理に進む。なお、出力された水位Ｄは、サーバへリアルタイムで通知しても、閾値を超える高水位が出力されたときだけサーバへ通知しても良い。

図２１は、流量計測処理の一例を説明するフローチャートである。図２１に示す量流計測処理は、図１に示す制御モジュール３の比較部３４及び演算部３５、または、図１９に示す制御モジュール３のＣＰＵ３０１により実行可能であるが、以下の説明では便宜上、ＣＰＵ３０１により実行される場合を例に取る。

図２１において、ＣＰＵ３０１は、被計測対象の一例である下水道管路内の水位を、例えば図２０に示す水位計測処理により求める（ステップＳ１１）。この状態で、受光素子２４−１の出力信号に基づき求められた距離データの上側の包絡線の平均値Ｖ _１ （Ｎ）から受光素子２４−１の出力信号に上記第１の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_１と、受光素子２４−１の出力信号に基づき求められた距離データの下側の包絡線の平均値Ｖ _２ （Ｎ）から受光素子２４−１の出力信号に上記第２の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_２とは、互いに区別可能である。ＣＰＵ３０１は、上側の包絡線の平均値Ｖ _１ （Ｎ）を用いて受光素子２４−１の出力信号に含まれる水底反射により発生した単位時間当たりの距離Ｖ _０ を超える距離に相当する信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数から水面の波（または、うねり）の変動周期を求めるか、或いは、波の周波数スペクトルをＦＦＴ、ウェブレット、フィルタ掃引などにより求める（ステップＳ１２）。次に、ＣＰＵ３０１は、波の変動周期、或いは、波の周波数スペクトルに基づき、波のピーク周波数ｆｕ及び中心周波数に対する周波数分散Ｄ_ｆｕを求める（ステップＳ１３）。また、ＣＰＵ３０１は、下側の包絡線の平均値Ｖ _２ （Ｎ）を用いて受光素子２４−１の出力信号に含まれる水面反射により発生した単位時間当たりの距離Ｖ _０ 未満の距離に相当する信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数から水面の波（または、うねり）の変動周期を求めるか、或いは、波の周波数スペクトルをＦＦＴ、ウェブレット、フィルタ掃引などにより求める（ステップＳ１４）。次に、ＣＰＵ３０１は、波の変動周期、或いは、波の周波数スペクトルに基づき、波のピーク周波数ｆｄ及び中心周波数に対する周波数分散Ｄ_ｆｄを求める（ステップＳ１５）。そして、ＣＰＵ３０１は、Ｄ_ｆｕ≦Ｄ_ｆｄであるとピーク周波数ｆｕに補正値ｃ２を積算して｛ｆｕ×ｃ２｝から流速Ｆ２を計算し、Ｄ_ｆｕ＞Ｄ_ｆｄであると｛ｆｄ×ｃ２｝または｛ｃ２×（ｆｕ＋ｆｄ）／２｝から流速Ｆ１を計算する（ステップＳ１６）。ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１６において、計算した流速及び予め計測されている下水道管路の幅に基づいて、下水道管路内の流量を計算しても良い。ＣＰＵ３０２は、計算した流速、流量などを出力し、必要に応じてメモリ３０２に記録する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７の後、ＣＰＵ３０１の処理は、次の水量計測処理に進む。なお、出力された流速、流量などは、サーバへリアルタイムで通知しても、閾値を超える流速、流量などが出力されたときだけサーバへ通知しても良い。

次に、上記各実施例における水量計測装置を適用可能な水量モニタリングシステムの一例を、図２２乃至図２４と共に説明する。

図２２は、水量計測装置が設置されるマンホールの一例を説明する図であり、図２３は、マンホール内の下水道管路の一例を示す断面図である。図２４は、水量モニタリングシステムの一例を説明する図である。

図２２に示す例では、道路５０にマンホール５１が設けられており、マンホール５１は開閉可能な蓋５２により塞がれている。マンホール５１は、道路５０の下部を通る下水道管路５３に連通している。水などの液体６０は、下水道管路５３を図２２中、例えば矢印で示すように左側から右側へ流れる。水量計測装置１は、例えば蓋５２の裏側（即ち、道路５０の路面とは反対側）に設置されている。なお、水量計測装置１のセンサモジュール２のみを蓋５２の裏側に設置し、センサモジュール２とケーブルで接続された制御モジュール３をマンホール５１の側壁などに設置しても良い。

図２３は、図２２に示すマンホール５１の一点鎖線に沿った断面を示す。図２３において、Ｖ_１１は下水道管路５３の低水位、Ｖ_１２は下水道管路５３の高水位を示す。水量計測装置１は、上記の如く下水道管路５３内の水位などを正確に計測できるので、例えば高水位Ｖ_１２が計測されると、サーバでは水量計測装置１からの通知に基づき下水道管路５３内の水位を許容水位まで下げる対策などをとることができる。

図２４に示す水量モニタリングシステムでは、データセンタ７０内にサーバ７１、ゲート７２、浄水装置７３、ポンプ７４などが設けられている。サーバ７１は、周知の汎用コンピュータで形成可能であり、例えば図１９と同様にＣＰＵ、メモリ、及び通信装置を有する。サーバ７１の通信装置は、複数の水量計測装置１の通信装置と通信可能である。複数の水量計測装置１は、好ましくは無線通信によりサーバ７１に水位などの計測情報を通知する。この例では、各マンホール５１の蓋５２の裏側に設置された水量計測装置１により監視される下水道管路５３は、雨水路７５と接続されている。雨水路７５を流れる液体は、サーバ７１により開閉制御されるゲート７２を介して浄水装置７３により浄水され、ポンプ７４により海８０などに放出される。例えば雨９０による降水量が多い場合には、雨水路７５及び下水道管路５３を流れる液体が溢れないように、浄水装置７３の浄水量及びポンプ７４の排水量を増加させる必要がある。

この例では、水量センサノードを形成する複数の水量計測装置１から通知される計測データを、サーバ７１側に集約させる。集約とは、計測データのロギングや加工、計測結果の要約表示または警報の表示、上流のデータセンタのサーバへの報告などの作業を含む。従って、サーバ７１側では、各水量計測装置１から通知される計測データに基づき、雨水路７５及び下水道管路５３を流れる液体が溢れないように、ゲート７２の開閉、浄水装置７３の浄水量及びポンプ７４の排水量を適切に制御することができる。水量計測装置１自体は小型、安価で低電力なので、多地点計測ネットワークにより容易に水量モニタリングシステムを構築可能となる。また、水量計測装置１を、従来の圧力式センサ、超音波式センサなどと組み合わせて使用することで、設置環境や精度の要求に応じた多地点計測ネットワークを構築しても良い。

上記各実施例によれば、受光素子が受光する、水面で反射される光と、水中を透過した光が水底で反射した光の両方を活用して、非接触で、センサモジュールから被計測対象までの距離を計測できるので、水位などの水量を正確に計測可能となる。また、センサモジュールは小型であり、浮き板などを用いずに被計測対象までの距離を計測できるので、使用形態の制約を抑えて、例えば狭くて狭いマンホールの上部などに設置することも可能となる。さらに、センサモジュールを含む水量計測装置は、安価で低電力な計測を可能とする。また、受光素子が受光して出力する信号の変動を利用して流速を計測できるので、水量計測装置は、水位、流速、流量などの水量を同時に計測することも可能である。

以上、開示の水量計測装置及び水量モニタリングシステムを実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。

１ 水量計測装置
２ センサモジュール
３ 制御モジュール
２１ 筐体
２２ 光学窓
２３ 発光光学系
２３−１ 発光素子
２３−２，２４−２ レンズ
２３−３，２４−３ 光学フィルタ
２３−３を有する。
２４ 受光光学系
２４−１ 受光素子
７１ サーバ
３０１ ＣＰＵ
３０２ メモリ
３０３ 出力部

Claims (10)

1. 管路内を流れる液体の水位を計測する水量計測装置であって、
   前記液体の液面に光を照射する発光素子と、
   前記液面で反射された光と前記管路内の底面の液底で反射された光とを受光する受光素子と、
   前記発光素子から前記管路内の前記液底までの距離Ｖ_０を予め記憶する記憶部と、
   前記受光素子の出力信号に基づき求めた距離データの上側の包絡線の平均値が表す距離をＶ_１で表し下側の包絡線の平均値が表す距離をＶ_２で表すと、前記水位の計測時に、前記距離データと前記距離Ｖ_０とを比較した比較結果が、前記受光素子の出力信号に、前記管路内の液底の反射により発生した前記距離Ｖ_０を超える距離に対応する第１の信号成分を含むか、或いは、前記液面の反射により発生した前記距離Ｖ_０未満の距離に対応する第２の信号成分を含むかを判定し、前記第１の信号成分を含むと判定した場合は水位Ｄ_１をＶ_１−Ｖ_０を用いて計算し、前記第２の信号成分を含むと判定した場合は水位Ｄ_２をＶ_０−Ｖ_２を用いて計算する計算手段と
   を備え、
   前記計算手段は、前記液底の反射により発生した前記第１の信号成分のパルスの平均発生周期をＴで表し、比例係数をβで表すと、Ｆ＝β／Ｔに基づき流速Ｆを計算することを特徴とする、水量計測装置。
2. 前記計算手段は、前記水位Ｄ_１及び前記水位Ｄ_２のうち、より安定した値を真の水位Ｄとして選択出力することを特徴とする、請求項１記載の水量計測装置。
3. 前記計算手段は、前記水位Ｄ_１及び前記水位Ｄ_２の夫々の単位時間当たりの変動量、分散、及び最大値と最小値のいずれかの比較に基づき前記より安定した値を決定することを特徴とする、請求項２記載の水量計測装置。
4. 前記計算手段は、前記発光素子から前記液面までの距離を、前記受光素子が前記液面及び前記液底で反射された光を受光した光重心に基づき求める、三角測量を行う計測方法、または、前記発光素子が光を出射してから前記液面及び前記液底で反射されて前記受光素子に到達するまでの伝搬時間に基づき求める、ＴＯＦ（Time Of Flight）式のいずれかの計測方法を用いて計算することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項記載の水量計測装置。
5. 前記計算手段は、前記受光素子の出力信号に基づき求められた距離データの上側の包絡線の平均値Ｖ_１（Ｎ）から前記受光素子の出力信号に前記第１の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_１をＶ_１（Ｎ）−Ｖ_０なる差分から求めると共に前記水位Ｄ_１の平均値Ａｕ及び前記水位Ｄ_１の単位時間当たりの分散Ｄｕを求め、前記受光素子の出力信号に基づき求められた距離データの下側の包絡線の平均値Ｖ_２（Ｎ）から前記受光素子の出力信号に前記第２の信号成分が含まれる場合の水位Ｄ_２をＶ_０−Ｖ_２（Ｎ）なる差分から求めると共に、前記水位Ｄ_２の平均値Ａｄ及び前記水位Ｄ_２の単位時間当たりの分散Ｄｄを求めることを特徴とする、請求項１記載の水量計測装置。
6. 前記受光素子は、前記発光素子の少なくとも一方の側に複数個配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項記載の水量計測装置。
7. 前記受光素子は、前記発光素子の複数の側に少なくとも１個ずつ配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項記載の水量計測装置。
8. 前記受光素子は、前記発光素子を囲むように複数配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項記載の水量計測装置。
9. 少なくとも前記水位を外部装置へ有線または無線で通知する通信手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項記載の水量計測装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項記載の水量計測装置と、
    前記水量計測装置から少なくとも前記水位を含む計測情報を通知され、前記計測情報を集約するサーバと
    を備えたことを特徴とする、水量モニタリングシステム。

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