JP7309985B2 - 監視システム及び監視装置 - Google Patents
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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。
特許文献1によれば、河川の水位を把握することはできない。
本願第1の発明である監視システムは、気圧を測定するための気圧センサを有し、河川に流され、GPS衛星からの信号を受信するGPS浮子と、GPS浮子から無線送信されたGPS浮子の位置情報及び気圧センサの測定結果に基づいて、GPS浮子が流れた位置での河川の水位を求める監視装置と、を有する。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。
本願第2の発明である監視装置は、GPS衛星からの信号を受信し、気圧を測定するための気圧センサを有するGPS浮子から無線送信された情報に基づいて、河川の水位を求めるデータ処理部を有する。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、GPS浮子から無線送信された位置情報によって特定されるGPS浮子が流れた位置での河川の水位を求める。
本願第1の発明において、GPS浮子は、気温を測定するための気温センサを有し、気温センサの測定結果を監視装置に無線送信することができる。本願第1又は第2の発明において、所定期間内における複数の測定タイミングにおいて、浮遊位置での気圧を測定し、水位を求めるときの浮遊位置の気圧として、測定された複数の気圧の平均値を用いることができる。また、複数のGPS浮子を用いて水位をそれぞれ求め、これらの水位の平均値を河川の水位とすることができる。
本発明によれば、河川の水位を把握することができる。
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/s2]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
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 (7)
- 気圧を測定するための気圧センサを有し、河川に流され、GPS衛星からの信号を受信するGPS浮子と、
前記GPS浮子から無線送信された前記GPS浮子の位置情報及び前記気圧センサの測定結果に基づいて、前記GPS浮子が流れた位置での河川の水位を求める監視装置と、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。 - 前記GPS浮子は、気温を測定するための気温センサを有し、前記気温センサの測定結果を前記監視装置に無線送信することを特徴とする請求項1に記載の監視システム。
- 所定期間内における複数の測定タイミングにおいて、前記浮遊位置での気圧を測定し、
前記水位を求めるときの前記浮遊位置の気圧として、測定された複数の気圧の平均値を用いることを特徴とする請求項1に記載の監視システム。 - 複数の前記GPS浮子を用いて前記水位をそれぞれ求め、
これらの水位の平均値を河川の水位とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の監視システム。 - GPS衛星からの信号を受信し、気圧を測定するための気圧センサを有するGPS浮子から無線送信された情報に基づいて、河川の水位を求めるデータ処理部を有し、
前記データ処理部は、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、前記GPS浮子から無線送信された位置情報によって特定される前記GPS浮子が流れた位置での河川の水位を求めることを特徴とする監視装置。 - 所定期間内における複数の測定タイミングにおいて、前記浮遊位置での気圧を測定し、
前記水位を求めるときの前記浮遊位置の気圧として、測定された複数の気圧の平均値を用いることを特徴とする請求項5に記載の監視装置。 - 複数の前記GPS浮子を用いて前記水位をそれぞれ求め、
これらの水位の平均値を河川の水位とすることを特徴とする請求項5又は6に記載の監視装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022132983A JP7309985B2 (ja) | 2019-03-07 | 2022-08-24 | 監視システム及び監視装置 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2019042061A JP7132157B2 (ja) | 2019-03-07 | 2019-03-07 | 河川流況の監視システム及び監視装置 |
JP2022132983A JP7309985B2 (ja) | 2019-03-07 | 2022-08-24 | 監視システム及び監視装置 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2019042061A Division JP7132157B2 (ja) | 2019-03-07 | 2019-03-07 | 河川流況の監視システム及び監視装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022162059A JP2022162059A (ja) | 2022-10-21 |
JP7309985B2 true JP7309985B2 (ja) | 2023-07-18 |
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ID=87201162
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022132983A Active JP7309985B2 (ja) | 2019-03-07 | 2022-08-24 | 監視システム及び監視装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP7309985B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2614006B2 (ja) * | 1993-03-04 | 1997-05-28 | 鹿島建設株式会社 | 気圧センサを用いた地中連続壁工事の安定液の水位管理方法 |
-
2022
- 2022-08-24 JP JP2022132983A patent/JP7309985B2/ja active Active
Non-Patent Citations (2)
Title |
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江端 萌奈美 他1名,「GPSフロートに基づく河川流のラグランジュ的観測」,水工学論文集(CD-ROM),日本,2006年02月,Vol.50,Page.ROMBUNNO.118 |
江端 萌奈美 他2名,「河川流の拡散・分散特性に関するGPSフロート調査と数値シミュレーション」,土木学会年次学術講演会講演概要集(CD-ROM),日本,2005年08月20日,Vol.60 No.Disk1,Page.ROMBUNNO.2-264 |
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Publication number | Publication date |
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JP2022162059A (ja) | 2022-10-21 |
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