JP7132157B2 - 河川流況の監視システム及び監視装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 平成３１年１月１８日（開催日）に、オープンイノベーション型（異分野連携型）技術開発〔流量観測機器〕ピッチイベントにて公開した。

本発明は、河川の流況を監視する監視システムと、この監視システムで用いられる監視装置に関する。

特許文献１には、ＧＰＳ浮子を用いて、河川の流況をモニタリングするモニタリングシステムが記載されている。具体的には、河川に流されたＧＰＳ浮子は、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ情報を受信し、ＧＰＳ情報やサンプリング時間を観測装置に送信する。観測装置は、ＧＰＳ情報及びサンプリング時間に基づいてＧＰＳ浮子の軌跡を求め、この軌跡に基づいて、流向や流速などの流況を計測している。

特開２００７－０１０３９４号公報

特許文献１によれば、ＧＰＳ浮子が流れた場所での流況を把握できるだけであり、河川の川幅方向における複数の場所での流況を把握することはできない。

本願第１の発明は、河川の流況を監視するための監視システムであり、複数のＧＰＳ浮子と、監視装置とを有する。複数のＧＰＳ浮子は、ＧＰＳ衛星からの信号をそれぞれ受信し、川幅方向に並んだ状態で河川に流される。監視装置は、各ＧＰＳ浮子から無線送信された各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置における流速を監視する。監視装置は、各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、各ＧＰＳ浮子が流れた位置での流速を求め、河川の流れ方向及び川幅方向における等流速分布を示す２次元画像データを生成することができる。

各ＧＰＳ浮子には、ロープを介して錘及び展開体を取り付けることができる。展開体は、河川の水中で河川の流れを受ける。監視装置は、各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置において、河川の所定水深での流速を監視する。

ＧＰＳ浮子には、気圧を測定するための気圧センサを設けることができる。ここで、監視装置は、ＧＰＳ浮子を河川に投下するときの投下位置における気圧及び気温と、基準面からの投下位置の高さと、ＧＰＳ浮子が河川に浮いた浮遊位置における気圧とに基づいて、河川の水位を求めることができる。

本願第２の発明は、河川の流況を監視するための監視装置であって、ＧＰＳ衛星からの信号をそれぞれ受信する複数のＧＰＳ浮子が、川幅方向に並んだ状態で河川に流されたときにおいて、各ＧＰＳ浮子から無線送信された各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置における流速を監視する。

監視装置は、受信部及びデータ処理部を有する。受信部は、各ＧＰＳ浮子から無線送信された位置情報を受信する。データ処理部は、各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、各ＧＰＳ浮子が流れた位置での流速を求め、河川の流れ方向及び川幅方向における等流速分布を示す２次元画像データを生成する。

各ＧＰＳ浮子には、ロープを介して錘及び展開体を取り付けることができる。展開体は、河川の水中で河川の流れを受ける。監視装置は、各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置において、河川の所定水深での流速を監視することができる。

ＧＰＳ浮子には、気圧を測定するための気圧センサを設けることができる。ここで、監視装置のデータ処理部は、ＧＰＳ浮子を河川に投下するときの投下位置における気圧及び気温と、基準面からの投下位置の高さと、ＧＰＳ浮子が河川に浮いた浮遊位置における気圧とに基づいて、河川の水位を求めることができる。

本発明によれば、河川の川幅方向における複数の場所での流況（流速）を把握することができる。

監視システムを説明する概略図である。 流況データを示す概略図である。 ＧＰＳ浮子の構造を示す図である。 河川の水位を測定するための説明図である。 河川の水中の流速を測定するための説明図である。

図１に示すように、本実施形態の監視システムは、ＧＰＳ（Global Positioning System）浮子１及び監視装置２０を有する。ＧＰＳ浮子１は、河川に投下されるものであり、河川に投下された後、河川に浮いた状態で河川の流れに沿って移動する。本実施形態では、河川の川幅方向における複数の位置において、複数のＧＰＳ浮子１を河川にそれぞれ同時に投下する。例えば、橋の上の複数の位置から複数のＧＰＳ浮子１を河川にそれぞれ投下することができる。ＧＰＳ浮子１の数は、適宜決めることができるが、ＧＰＳ浮子１の数を増やすほど、後述する流況データとして、詳細なデータを得ることができる。

ＧＰＳ浮子１は、複数のＧＰＳ衛星１００からのＧＰＳ信号を受信することにより、ＧＰＳ浮子１の現在位置を特定する。ＧＰＳ浮子１の現在位置を特定することにより、所定時間が経過したときのＧＰＳ浮子１の移動距離を求めることができ、ＧＰＳ浮子１の移動時間及び移動距離に基づいて、ＧＰＳ浮子１の移動速度（言い換えれば、河川の流速）を特定することができる。ＧＰＳ浮子１は、ＧＰＳ浮子１の現在位置を示す位置データと、ＧＰＳ浮子１の移動速度を示す移動速度データを監視装置２０に無線通信を介して送信する。

監視装置２０は、受信部２１及びデータ処理部２２を有する。受信部２１は、ＧＰＳ浮子１から送信された位置データ及び移動速度データを受信する。データ処理部２２は、位置データ及び移動速度データに基づいて、河川の流況を示すデータ（以下、流況データという）を生成する。監視装置２０は、川幅方向における互いに異なる位置で河川に流された複数のＧＰＳ浮子１のそれぞれから位置データ及び移動速度データを受信するため、川幅方向における複数の位置における流速を特定することができる。

流況データは、図２に示すように、河川の流れる方向と、河川の川幅方向とによって規定される２次元画像を示すデータである。図２に示す２次元画像において、縦軸は河川の流れる方向に相当し、上端は河川の上流側の所定地点を示す、下端は河川の下流側の所定地点を示す。また、横軸は、河川の川幅方向に相当する。

川幅方向における２次元画像の領域は、ＧＰＳ浮子１を河川に投下する位置に応じて適宜決めることができる。例えば、３つ以上のＧＰＳ浮子１のうちの２つのＧＰＳ浮子１を河川の両岸に投下すれば、川幅方向における２次元画像の領域を、一方の川岸から他方の川岸までの領域とすることができる。

図２に示す流況データでは、同一の流速を同一の線で表した等流速分布を示しており、各流速は、複数のＧＰＳ浮子１から送信された位置データ及び移動速度データに基づいて特定される。

なお、ＧＰＳ浮子１が流れていない場所での流速は、ＧＰＳ浮子１が流れた場所での流速から推定することができる。例えば、ＧＰＳ浮子１が流れていない場所での流速は、この場所に対して川幅方向で隣り合う場所であって、ＧＰＳ浮子１が流れた場所での流速に基づいて推定することができる。具体的には、２つのＧＰＳ浮子１によって、川幅方向における２つの場所での流速を特定したとき、２つの場所の間に位置する流速は、２つの場所での流速を線形補間することによって求めることができる。

次に、ＧＰＳ浮子１の構造について、図３を用いて説明する。

ＧＰＳ浮子１は、筐体１０と、筐体１０の上端から突出するアンテナ１１と、筐体１０の底部に固定された錘１２とを有する。筐体１０や錘１２は、例えば、生分解性の高分子材料で形成することができる。より具体的には、筐体１０を生分解性発泡スチロールで形成することができ、錘１２を生分解性プラスチックで形成することができる。

筐体１０を発泡スチロールなどの多孔質体で構成することにより、ＧＰＳ浮子１に浮力を与えることができる。錘１２は、筐体１０に対して、アンテナ１１の側とは反対側に配置されており、ＧＰＳ浮子１を河川に流したときに、ＧＰＳ浮子１を図３に示す直立姿勢に維持するために用いられる。

筐体１０の内部には、受信器１３、演算器１４、送信器１５及びバッテリ１６が配置されている。受信器１３は、アンテナ１１を介して、ＧＰＳ衛星１００（図１参照）からのＧＰＳ信号を受信する。演算器１４は、受信器１３が受信したＧＰＳ信号に基づいて、ＧＰＳ浮子１の現在位置を特定したり、この現在位置及びＧＰＳ浮子１の移動時間に基づいて、ＧＰＳ浮子１の移動速度を求めたりする。送信器１５は、アンテナ１１を介して、上述した位置データ及び移動速度データを監視装置２０に送信する。バッテリ１６は、受信器１３、演算器１４及び送信器１５を動作させるための電力を供給する。

なお、本実施形態では、筐体１０の内部に配置された演算器１４によって、ＧＰＳ浮子１の現在位置や移動速度を特定しているが、これに限るものではない。例えば、ＧＰＳ浮子１が受信したＧＰＳ信号を監視装置２０に送信することにより、監視装置２０のデータ処理部２１において、ＧＰＳ浮子１の現在位置を特定することができる。また、データ処理部２１は、各ＧＰＳ浮子１の現在位置を継続して特定することにより、各ＧＰＳ浮子１の移動速度（言い換えれば、河川の流速）を求めることができる。

本実施形態によれば、川幅に沿って複数のＧＰＳ浮子１を河川に流すことにより、川幅方向における複数の場所での流速（流況）を把握することができる。特に、大雨などによって、河川の水位が一時的に上昇したときにおいて、複数のＧＰＳ浮子１を河川に流すことにより、川幅方向に渡って河川の流況を把握することができる。

本実施形態では、上述したように、ＧＰＳ浮子１を用いることにより、河川の流速を監視することができるが、流速に加えて、河川の水位を監視することができる。以下、河川の水位を計測する方法について、図４を用いて説明する。

まず、ＧＰＳ浮子１を投下する位置（高さＺ１）を特定する。高さＺ１は、基準面Ｓ１からＧＰＳ浮子１を投下する位置までの距離（垂直方向の距離）である。図４に示すように、橋３０から河川にＧＰＳ浮子１を投下する場合には、高さＺ１は、基準面Ｓ１から橋３０までの距離である。基準面Ｓ１は、適宜決めることができるが、例えば、河川が通常状態であるときの水面を基準面Ｓ１とすることができる。通常状態とは、大雨などの異常状態ではない状態をいう。

次に、ＧＰＳ浮子１を投下する位置において、気圧Ｐ１及び気温Ｔａを測定する。ここでは、ＧＰＳ浮子１に気圧センサ（不図示）が搭載されており、気圧センサによって気圧Ｐ１が測定される。ＧＰＳ浮子１の送信器１５（図３参照）は、気圧センサによって測定された気圧データを、アンテナ１１を介して監視装置２０に送信する。

気温Ｔａは、ＧＰＳ浮子１に気温センサを搭載することによって測定してもよいし、ＧＰＳ浮子１とは別に用意された気温センサを用いて測定してもよい。ＧＰＳ浮子１に気温センサを搭載した場合、ＧＰＳ浮子１の送信器１５（図３参照）は、気温センサによって測定された気温データを、アンテナ１１を介して監視装置２０に送信する。ＧＰＳ浮子１とは別に用意された気温センサを用いて気温Ｔａを測定した場合、気温データを監視装置２０に入力する。

次に、ＧＰＳ浮子１を河川に投下し、河川にＧＰＳ浮子１が浮いている状態において、気圧Ｐ２を測定する。気圧Ｐ２は、ＧＰＳ浮子１に搭載された気圧センサによって測定され、ＧＰＳ浮子１の送信器１５（図３参照）は、気圧センサによって測定された気圧データを、アンテナ１１を介して監視装置２０に送信する。河川に浮いているＧＰＳ浮子１の位置は、ＧＰＳ浮子１を投下する位置よりも低いため、気圧Ｐ２は気圧Ｐ１とは異なる。

上述したように、高さＺ１、気温Ｔａ、気圧Ｐ１，Ｐ２を測定すれば、下記式（１）に基づいて、河川に浮いているＧＰＳ浮子１の位置（後述する高さＺ２）を求めることができる。すなわち、監視装置２０のデータ処理部２２は、下記式（１）に基づいて、河川に浮いているＧＰＳ浮子１の位置、言い換えれば、河川の水位を求める。

上記式（１）において、Ｚ１は、基準面Ｓ１からＧＰＳ浮子１の投下位置までの高さ［ｍ］であり、Ｚ２は、基準面Ｓ１からＧＳＰ浮子１が河川に浮いている浮遊位置までの高さ［ｍ］である。Ｒは空気の気体定数（２８７［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］）であり、Ｔａは気温［℃］であり、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］である。Ｐ１は、高さＺ１での気圧［ｈＰａ］であり、Ｐ２は、高さＺ２での気圧［ｈＰａ］である。

高さＺ１、気温Ｔａ、気圧Ｐ１，Ｐ２を上記式（１）に代入することにより、高さＺ２を求めることができる。高さＺ２が０［ｍ］であるとき、河川の水面が基準面Ｓ１に位置することになる。ここで、河川の水面に波が発生しているときには、この波によってＧＰＳ浮子１が上下に変動することにより、気圧Ｐ２が変動することがある。この場合には、所定期間内における複数の測定タイミングにおいて、気圧Ｐ２を測定し、これらの測定値（気圧Ｐ２）の平均値を上記式（１）に示す気圧Ｐ２として用いることができる。

上述したように、高さＺ２を求めることにより、河川の流速だけでなく、河川の水位を把握することができる。上述した河川の水位の取得は、流況データを取得するために河川に投下される複数のＧＰＳ浮子１のうち、いずれか１つのＧＰＳ浮子１を用いればよい。一方、複数のＧＰＳ浮子１のそれぞれを用いて、河川の水位を取得し、複数の水位の平均値を求めることもできる。

次に、本実施形態の変形例について、図５を用いて説明する。

ＧＰＳ浮子１は河川に浮いて移動するため、河川の表面における流速を測定することができる。一方、図５に示すように、ＧＰＳ浮子１に錘４２及び展開体４３を取り付けることにより、河川の内部（水中）における流速を測定することができる。

ＧＰＳ浮子１には、ロープ４１の一端が固定されている。ＧＰＳ浮子１に対してロープ４１を固定する位置は、適宜決めることができる。例えば、ＧＰＳ浮子１の錘１２（図３参照）にロープ４１を固定することにより、河川に浮いたＧＰＳ浮子１を図５に示す姿勢（直立姿勢）に保ちやすくなる。

ロープ４１の他端には、錘４２及び展開体４３が固定されている。錘４２は、展開体４３を水中に維持させ続けるために用いられる。錘４２の重量は、ＧＰＳ浮子１を水面上で浮かせ続けることを考慮して適宜決めることができる。展開体４３は、水中で展開しており、河川（水中）の流れを受けて移動する。ここで、展開体４３が河川の流れを受ける面積は、ＧＰＳ浮子１が河川の流れを受ける面積よりも大きくなる。

本実施形態において、展開体４３は、開閉可能な傘体４３ａと、傘体４３ａを錘４２に接続するための複数の接続ロープ４３ｂとによって構成されている。なお、展開体４３は、河川の流れを受けて移動できればよく、本実施形態の構成に限るものではない。

展開体４３が河川の流れを受ける面積は、ＧＰＳ浮子１が河川の流れを受ける面積よりも大きいため、ＧＰＳ浮子１の移動速度は、展開体４３の移動速度に依存する。また、展開体４３は水中で移動するため、ＧＰＳ浮子１の移動速度は、水中の流速を示すことになる。したがって、図５に示す構成によれば、水中の流速を測定することができる。

川幅方向の複数の位置において、錘４２及び展開体４３が取り付けられたＧＰＳ浮子１を流すことにより、水中（所定の水深）における流況データ（図２参照）を生成することができる。ここで、ロープ４１の長さを調整することにより、水中における展開体４３の位置、言い換えれば、流速を測定しようとする水中の位置を決めることができる。これにより、任意の水深における流速を把握することができる。

１：ＧＰＳ浮子、１０：筐体、１１：アンテナ、１２：錘、１３：受信器、
１４：演算器、１５：送信器、１６：バッテリ、２０：監視装置、２１：受信部、
２２：データ処理部、３０：橋、４１：ロープ、４２：錘、４３：展開体、
４３ａ：傘体、４３ｂ：接続ロープ、１００：ＧＰＳ衛星、Ｓ１：基準面、
Ｓ２：測定対象の水位

Claims (6)

1. 河川の流況を監視するための監視システムであって、
   気圧を測定するための気圧センサを有し、川幅方向に並んだ状態で河川に流され、ＧＰＳ衛星からの信号をそれぞれ受信する複数のＧＰＳ浮子と、
   前記各ＧＰＳ浮子から無線送信された前記各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置における流速を監視する監視装置と、を有し、
   前記監視装置は、前記ＧＰＳ浮子を河川に投下するときの投下位置における気圧及び気温と、基準面からの前記投下位置の高さと、前記ＧＰＳ浮子が河川に浮いた浮遊位置における気圧とに基づいて、河川の水位を求めることを特徴とする監視システム。
2. 前記監視装置は、前記各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、前記各ＧＰＳ浮子が流れた位置での流速を求め、河川の流れ方向及び川幅方向における等流速分布を示す２次元画像データを生成することを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
3. 前記各ＧＰＳ浮子にロープを介して取り付けられる錘と、
   前記各ＧＰＳ浮子に前記ロープを介して取り付けられ、河川の水中で河川の流れを受ける展開体と、を有し、
   前記監視装置は、前記各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置において、河川の所定水深での流速を監視することを特徴とする請求項１又は２に記載の監視システム。
4. 河川の流況を監視するための監視装置であって、
   気圧を測定するための気圧センサを有してＧＰＳ衛星からの信号をそれぞれ受信する複数のＧＰＳ浮子が、川幅方向に並んだ状態で河川に流されたときにおいて、前記各ＧＰＳ浮子から無線送信された前記各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置における流速を監視し、
   前記監視装置は、前記ＧＰＳ浮子を河川に投下するときの投下位置における気圧及び気温と、基準面からの前記投下位置の高さと、前記ＧＰＳ浮子が河川に浮いた浮遊位置における気圧とに基づいて、河川の水位を求めるデータ処理部を有することを特徴とする監視装置。
5. 前記各ＧＰＳ浮子の位置情報を受信する受信器と、
   前記各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、前記各ＧＰＳ浮子が流れた位置での流速を求め、河川の流れ方向及び川幅方向における等流速分布を示す２次元画像データを生成するデータ処理部と、
   を有することを特徴とする請求項４に記載の監視装置。
6. 錘がロープを介して前記各ＧＰＳ浮子に取り付けられているとともに、河川の水中で河川の流れを受ける展開体が前記ロープを介して前記各ＧＰＳ浮子に取り付けられており、
   前記監視装置は、前記各ＧＰＳ浮子の位置情報に基づいて、川幅方向の複数の位置において、河川の所定水深での流速を監視することを特徴とする請求項４又は５に記載の監視装置。

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