(57)【要約】【課題】土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測システム、土粒子計測及びプログラムを提供する。【解決手段】本発明の土粒子計測システムは、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサ１１と、ＦＢＧセンサ１１から出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザ１２と、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置１３とを備える。土粒子管理・監視装置１３は、当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギー及び運動エネルギー期待値を算出し、運動エネルギーと運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になる仮定値の運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定する。【選択図】図８
2010276343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測システムであって、
土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、
前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、
検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備え、
前記土粒子管理・監視装置は、
当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出する手段と、
前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出する手段と、
前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定する手段と、
該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成する手段とを有することを特徴とする土粒子計測システム。
【請求項２】
前記土粒子管理・監視装置は、前記決定した土粒子の粒径について、所定時間分の累積値を時間累積流砂量として監視し、所定のしきい値以上となった場合に警報又は警告を発する手段を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の土粒子計測システム。
【請求項３】
前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の運動エネルギー期待値は、土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の各々について確率的に求めた値から算出されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の土粒子計測システム。
【請求項４】
前記決定した土粒子の粒径の衝突速度、衝突位置及び衝突角度は、前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の確率情報に反映されることを特徴とする、請求項３に記載の土粒子計測システム。
【請求項５】
前記運動エネルギーは、粒径ごとに予め実験的に得られた基準運動エネルギーと、衝突角度別の予め規定された衝突角度係数と、衝突位置別の衝突位置係数との積で与えられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の土粒子計測システム。
【請求項６】
前記ＦＢＧセンサは、ブラッグ波長の発生部分のＦＢＧ光ファイバとは強度及びひずみ検知感度が異なる材質の管の内側に接着して構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の土粒子計測システム。
【請求項７】
前記土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサは、複数のＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧ光ファイバ組として、複数のＦＢＧ光ファイバ組からなり、前記複数のＦＢＧ光ファイバは直列に接続され、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記土粒子が流れる方向と直行する方向に並行配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の土粒子計測システム。
【請求項８】
前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記管の断面方向にて、前記管の中心と前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの１つとを結ぶ直線を軸としたとき、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの当該１つ以外のＦＢＧ光ファイバ組が該軸を中心に対称配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の土粒子計測システム。
【請求項９】
土粒子計測システムにて土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測方法であって、
前記土粒子計測システムは、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備えており、
前記土粒子管理・監視装置の処理は、
当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、
前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、
前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、
該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを含むことを特徴とする土粒子計測方法。
【請求項１０】
土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備える土粒子計測システムにて、土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子管理・監視装置として構成するコンピュータに、
当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、
前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、
前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、
該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体によって運ばれる土粒子の粒径及び流砂量を計測する土粒子計測システム及び土粒子計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
荒廃した山地をはじめとする土地から土砂が流出すると、河床が上昇して河川の流れが変わることがある。また、ダム等により土砂供給が遮断されると水みちが固定したり河床が低下したりする。このような現象は、河川の形を急激に変えて洪水氾濫など周囲への被害を与えるばかりでなく、生活用水を取水することが不便になる場合も少なくない。また、海岸地形の変化をもたらす場合もある。このようなことから、河川での土砂の管理が重要である。また、土砂流出に起因する土砂災害は、現在もなお頻発しており、土砂災害に対する管理システムの構築も急務である。
【０００３】
河川での土砂の管理を行うことは、河川を構成する水という流体の中で、土砂などの粒子（以下、「土粒子」と称する）を管理することであり、土粒子の粒径と流砂量を分離して計測することが必要になる。粒径と流砂量を測定（モニタリング）することができれば、流域内の土砂の適切なバランスを維持するための土砂管理や下流域での土砂災害への危機管理情報の発信に資するデータを得ることができる。
【０００４】
このような河川での土砂の管理を行うことを目的として、ハイドロフォンと呼ばれる音響信号検出技法が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。この技法は、衝突音と衝突回数を測定できるセンサを河床等の所定の場所に設置し、土砂がセンサに衝突する衝突音とその数を音の大きさ毎に集計して、その集計値から流砂量に変換する技法である。
【０００５】
一方、図２０に示すように、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）光ファイバを用いて河川での土砂の管理を行う技法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＢＧ光ファイバ１１は、光ファイバの長手方向の屈折率を一定周期で変化するように製作された複数の回折格子１１ｃとして作用するコア１１ｂを有し、このコア１１ｂは、クラッド１１ａで被覆されている。ＦＢＧ光ファイバ１１に光が入射されて通過する際、透過する成分とは別に特定の波長の光のみが反射される現象が起こる（この反射光の波長スペクトル中心λＢは、「ブラッグ波長」と称される）。例えば、ＦＢＧ光ファイバ１１のコア１１ｂに対して外部から土粒子による衝突が生じると、コア１１ｂにおける機械的ひずみや張力が変化して、反射される光の波長が変化する。このブラッグ波長の変化分を測定することで土粒子の衝突に起因する機械的ひずみや張力を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許２８７６０２１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「製品・サービス一覧」、株式会社東京測器研究所、［online］、［平成２１年４月２４日検索］、インターネット〈http://www.tml.jp/product/special_ins/fiber_measurement/fbg.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術におけるハイドロフォンの技法は、音響特性を持った管状体内に搭載した音響センサ部への粒子の衝突音の回数（以下「パルス数」と称する）とその音の大きさにより間接的に流砂量や粒径を測定することができる。
【０００９】
しかしながら、上記ハイドロフォンの技法は、流砂量の計測のみで、流砂量（質量）と粒径（粒度分布）の両方を計測することが難しく、且つ、音響センサは音響を電気信号に変換し信号処理するため、河川などに利用する際の防水処理や電気漏電などによる故障や落雷などの自然災害による故障の可能性が高い。
【００１０】
一方、ＦＢＧ光ファイバによる反射波で計測する技法は、ＦＢＧ光ファイバ自体に電源を必要としないため、電気的故障はない。しかしながら、同じ質量の土粒子であっても衝突する位置、角度、及び速度に関連する運動エネルギーによりひずみ量が異なることから、実際の流砂量（質量）との誤差が大きい場合があり、粒径も特定することが困難であった。
【００１１】
本発明の目的は、衝突する土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測可能な土粒子計測システム及び土粒子計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の土粒子計測システム及び土粒子計測方法は、ＦＢＧセンサによる反射波で計測されるＦＢＧセンサの土砂衝突ひずみと運動エネルギーについての実験で得られた関係と、流砂の躍動運動（Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動）解析の理論とに基づいて、流体によって運ばれる土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測する。
【００１３】
即ち、本発明の土粒子計測システムは、土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測システムであって、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備え、前記土粒子管理・監視装置は、当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出する手段と、前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出する手段と、前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定する手段と、該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成する手段とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記土粒子管理・監視装置は、前記決定した土粒子の粒径について、所定時間分の累積値を時間累積流砂量として監視し、所定のしきい値以上となった場合に警報又は警告を発する手段を更に備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の運動エネルギー期待値は、土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の各々について確率的に求めた値から算出されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記決定した土粒子の粒径の衝突速度、衝突位置及び衝突角度は、前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の確率情報に反映されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記運動エネルギーは、粒径ごとに予め実験的に得られた基準運動エネルギーと、衝突角度別の予め規定された衝突角度係数と、衝突位置別の衝突位置係数との積で与えられていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記ＦＢＧセンサは、ブラッグ波長の発生部分のＦＢＧ光ファイバとは強度及びひずみ検知感度が異なる材質（例えば、強化塩化ビニル管や金属管など）の管の内側に接着して構成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサは、複数のＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧ光ファイバ組として、複数のＦＢＧ光ファイバ組からなり、前記複数のＦＢＧ光ファイバは直列に接続され、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記土粒子が流れる方向と直行する方向に並行配置されていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記管の断面方向にて、前記管の中心と前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの１つとを結ぶ直線を軸としたとき、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの当該１つ以外のＦＢＧ光ファイバ組が該軸を中心に対称配置されていることを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明の土粒子計測方法は、土粒子計測システムにて土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測方法であって、前記土粒子計測システムは、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備えており、前記土粒子管理・監視装置の処理は、当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを含むことを特徴とする。
【００２２】
更に、本発明は、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備える土粒子計測システムにて、土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子管理・監視装置として構成するコンピュータに、当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを実行させるためのプログラムとしても特徴付けられる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による一実施例の土粒子計測システムの概略図である。
【図２】本発明による一実施例の土粒子計測システムにおけるＦＢＧセンサの構成例である。
【図３】（ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、１本の光ファイバに一列に複数のＦＢＧ光ファイバを設けたＦＢＧセンサの構成例である。（ｂ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、ＦＢＧ光ファイバを設けたＦＢＧセンサの構成例である。
【図４】本発明による一実施例の土粒子計測システムにおけるＦＢＧアナライザの観測結果例である。
【図５】（ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、土粒子が衝突角度φで衝突した際のひずみの検出値をＦＢＧ光センサで検出する構成例を示す図であり、（ｂ）は、その検出結果の一例を示す図である。
【図６】（ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、土粒子が衝突位置θで衝突した際のひずみの検出値をＦＢＧ光センサで検出する構成例を示す図であり、（ｂ）は、その検出結果の一例を示す図である。
【図７】（ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、土粒子が衝突速度ｖで衝突した際のひずみの検出値をＦＢＧ光センサで検出する構成例を示す図であり、（ｂ）は、その検出結果の一例を示す図である。
【図８】本発明による一実施例の土粒子計測システムのブロック図である。
【図９】河川の断面積、幅及び水深を規定して河川の基本流速を算出する際の説明図である。
【図１０】衝突位置をセンサ直上とし、衝突角度が直行するときの所定の粒径について検出したひずみに対応する基準運動エネルギーの特性例を示す図である。
【図１１】本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、衝突角度φ別の衝突角度係数ａのマップを示す図である。
【図１２】本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、衝突位置θ別の衝突位置係数ｂのマップを示す図である。
【図１３】Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルの説明図である。
【図１４】Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析の説明図である。
【図１５】（ａ）は、１つの土粒子が、河床球上（管に対応する）を横軸：距離（ｍ）とし、河床に鉛直な方向を縦軸：高さ（ｍ）として、３つのＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡として表している例を示す図であり、（ｂ）は、そのＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡の一部の拡大図である。
【図１６】５０００個の土粒子を流した場合の衝突角度のシミュレーション結果例を示す図である。
【図１７】５０００個の土粒子を流した場合の衝突位置のシミュレーション結果例を示す図である。
【図１８】本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、３つのＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧセンサを全て直列に接続した上で並行配置する例を示す図である。
【図１９】本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、３つのＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧセンサを全て直列に接続した上で並行配置する一例を示す図である。
【図２０】ＦＢＧ光ファイバの構成及び動作原理の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明による一実施例の土粒子計測システムを説明する。
【実施例１】
【００２６】
［システム構成］
図１は、本発明による一実施例の土粒子計測システムの概略図である。河川での土粒子を管理する例として説明する。本実施例の土粒子計測システムは、ＦＢＧセンサ１０と、ＦＢＧアナライザ１２と、土粒子管理・監視装置１３と備える。
【００２７】
ＦＢＧセンサ１０は、土粒子の衝突ひずみを計測することができ、河川における水の流れと直行する態様、即ち土粒子が流れる方向と直行する方向に配置される。
【００２８】
ＦＢＧアナライザ１２は、ＦＢＧセンサ１０と光ファイバ１１２で接続され、ＦＢＧセンサ１０から出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出する。
【００２９】
土粒子管理・監視装置１３は、いわゆるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成することができ、ネットワーク（インターネット又はＶＰＮ（仮想プライベートネットワーク）等）を通じてＦＢＧアナライザ１２に接続され、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する。
【００３０】
図２及び図３は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおけるＦＢＧセンサの構成例である。図２に示すように、ＦＢＧセンサ１０は、ＦＢＧ光ファイバ１１（図２０参照）とは強度及びひずみ検知感度が異なる材質（例えば、強化塩化ビニル管や金属管など）の管１１１の内側にＦＢＧ光ファイバ１１を接着し、防水処理して構成したものである。また、図３（ｂ）に示すように、ＦＢＧ光ファイバ１１は、コア１１ｂの所定の幅ＬＢ内で屈折率が一定の周期Ａで変化するように複数の回折格子１１ｃ（図３（ｂ）で例示する回折格子１１ｃ１〜１１ｃ９）で製作されたものであり、特定の波長（ブラッグ波長）の光のみを選択的に反射する。この反射光は、光ファイバ１１２の一方から規定のパルス幅の光信号を入射することにより観測することができる。
【００３１】
例えば、図３（ａ）に示すように、１本の光ファイバ１１２に一列に複数のＦＢＧ光ファイバ１１を設けたＦＢＧセンサ１０を示している。土粒子が衝突してＦＢＧセンサ１０にひずみが与えられると、複数の回折格子１１ｃの作用によりブラッグ波長がシフトするため、ＦＢＧアナライザ１２により図４に例示するように衝突の大きさを光信号に変換して定量的に計測することができる。
【００３２】
しかし、ＦＢＧセンサ１０で検出した土粒子の衝突ひずみは、同一の流砂量（質量）の土粒子であっても衝突角度、衝突位置、及び衝突速度の要因により値が異なることが確かめられている。図５（ａ）に示すように、土粒子が衝突角度φで衝突した際のひずみの検出値を管１１１の内側に設けたＦＢＧ光センサ１０で検出することができ、この検出結果を図５（ｂ）に示す。同様に、図６（ａ）に示すように、土粒子が衝突位置θで衝突した際のひずみの検出値を管１１１の内側に設けたＦＢＧ光センサ１０で検出することができ、この検出結果を図６（ｂ）に示す。同様に、図７（ａ）に示すように、土粒子が衝突速度ｖで衝突した際のひずみの検出値を管１１１の内側に設けたＦＢＧ光センサ１０で検出することができ、この検出結果を図７（ｂ）に示す。
【００３３】
そこで、本実施例の土粒子計測システムは、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測可能にするために提供される。ＦＢＧセンサ１０、ＦＢＧアナライザ１２、及び土粒子管理・監視装置１３を備える本実施例の土粒子計測システムの具体的な構成について、図８を参照して説明する。
【００３４】
本実施例の土粒子計測システムは、ＦＢＧセンサ１１と、ひずみ量検出部１２１を有するＦＢＧアナライザ１２と、土粒子管理・監視装置１３とを備える。
【００３５】
ひずみ量検出部１２１は、ＦＢＧセンサ１１から出力されるブラッグ波長の光信号を入力して、土粒子が衝突した時のひずみ量の値を検出し、土粒子管理・監視装置１３に送出する。
【００３６】
土粒子管理・監視装置１３は、設定値入力部１３１と、演算部１３２と、記憶部１３３と、制御部１３４と、出力制御部１３５とを備える。土粒子管理・監視装置１３は、汎用のコンピュータで構成することができる。即ち、設定値入力部１３１、演算部１３２、制御部１３４、及び出力制御部１３５の各機能は、記憶部１３３に格納されたプログラムを中央演算処理装置（ＣＰＵ）により実行して実現することができる。
【００３７】
設定値入力部１３１は、河川の流量、幅、勾配、及び粗度係数を含む基本流速の情報を入力して設定する機能と、土粒子の粒径及び流砂量を判定するためのしきい値を入力して設定する機能を有する。尚、設定値入力部１３１は、記憶部１３３に予め格納しておく実験結果情報１３３１、及び基本流速に従う衝突角度・衝突位置・衝突速度の確率情報１３３２、Ｓａｌｕｔａｔｉｏｎ運動理論情報１３３３を入力して格納することができ、更に、制御部１３４によって仮説して決定した土粒子の粒径及び流砂量の値を所定時間単位で累積して（以下、「累積粒径・流砂量情報」１３３４と称する）、格納することができる。
【００３８】
演算部１３２は、ひずみ量検出部１２１から供給されるひずみ量の値を入力し、ひずみ量の振幅の絶対値を演算する絶対値演算部１３２１と、ひずみ量の振幅の絶対値から土粒子の粒径の仮定値を決定する粒径仮定演算部１３２２と、土粒子の粒径の仮定値から、予め実験的に得られた基準値からなる実験結果情報１３３１を用いて土粒子の運動エネルギー値を算出するエネルギー算出部１３２３と、当該仮定値から、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて土粒子の運動エネルギー期待値を算出する運動エネルギー期待値算出部１３２４とを備える。
【００３９】
制御部１３４は、エネルギー算出部１３２３によって算出された土粒子の運動エネルギー値と、運動エネルギー期待値算出部１３２４によって算出された土粒子の運動エネルギー期待値とが一致するか否か（即ち、運動エネルギー値と運動エネルギー期待値との差が所定の許容範囲内にあるか否か）の比較を行う第１比較部１３４１を有する。
【００４０】
第１比較部１３４１は、当該比較した各値が一致しない場合には、粒径仮定演算部１３２２に一致しない旨を送出し、粒径仮定演算部１３２２に対してひずみ量の振幅の絶対値から、土粒子の土粒子の粒径の更なる仮定値を決定させる。一方、第１比較部１３４１は、当該比較した各値が一致する場合には、当該一致した運動エネルギー値に対応する土粒子の粒径及び当該一致した運動エネルギー値から算出される流砂量（質量）の値を出力制御部１３５に送出するとともに、所定時間分の粒径及び流砂量の累積値（時間累積流砂量）としての累積粒径・流砂量情報１３３４を得るために記憶部１３３に当該比較した各値が一致する度に所定時間累積して格納する。出力制御部１３５は、土粒子の粒径及び／又は流砂量の値について、当該装置に（又は外部に）設けられた表示装置（図示せず）に表示させるか、又は該装置に（又は外部に）設けられた音声発生器、ブザー、プリンタ又は外部通信装置等の情報出力装置に出力させる機能を有する。
【００４１】
また、制御部１３４は、記憶部１３３に格納された所定時間分の粒径及び流砂量の累積値としての累積粒径・流砂量情報を読み出し、設定値入力部１３１によって設定された、土粒子の粒径及び流砂量を判定するためのしきい値と比較して、この累積粒径・流砂量情報１３３４が当該しきい値以上となった場合に、その旨を出力制御部１３５に送出する。出力制御部１３５は、累積粒径・流砂量情報が当該しきい値以上となった旨を警告・警報として、当該装置に（又は外部に）設けられた表示装置（図示せず）にて表示させるか、又は該装置に（又は外部に）設けられた音声発生器、ブザー、プリンタ又は外部通信装置等の情報出力装置に出力させる機能を有する。
【００４２】
以下、本実施例の土粒子計測システムの具体的な動作について更に詳細に説明する。
【００４３】
［システム動作］
先ず、ＦＢＧアナライザ１２のひずみ量検出部１２１は、ＦＢＧセンサ１１から出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出する。
【００４４】
ＦＢＧアナライザ１２は、検出したひずみ量の値を例えば通信ケーブルを介して土粒子管理・監視装置１３に送出する。
【００４５】
土粒子管理・監視装置１３は、絶対値演算部１３２１により、ＦＢＧアナライザ１２から供給されたひずみ量の値の絶対値を演算する。
【００４６】
次に、土粒子管理・監視装置１３は、エネルギー算出部１３２３により、土粒子の粒径の仮定値（２０ｍｍ）から、粒径別の衝突エネルギー（図１０では衝突位置をセンサ直上とし、衝突角度が直行するときの所定の粒径について検出したひずみに対応する基準運動エネルギーＥｍの特性例を示す）の実験結果情報１３３１を用いて土粒子の運動エネルギー値Ｅ１を算出する。即ち、粒径仮定演算部１３２２により、例えば図１０に例示するように、各粒径毎の実験結果情報１３３１を有する１つ以上の粒径から１つを任意に選択して、例えば粒径２０ｍｍを仮定値として決定するとともに、ひずみ量の振幅の絶対値から基準運動エネルギーＥｍを決定する。尚、実験結果情報１３３１には、衝突角度φ別の衝突角度係数ａのマップ（図１１参照）と、衝突位置θ別の衝突位置係数ｂのマップ（図１２参照）とが含まれ、土粒子の運動エネルギー値Ｅ１は、式１から導出することができ、後述するように運動エネルギー値Ｅ１と衝突速度ｖが決定された場合に、流砂量（質量）Ｍを式２から算出することができる。
【００４７】
【数１】
2010276343.tif 000003
【００４８】
【数２】
2010276343.tif 000004
【００４９】
ここに、Ｍ：土粒子の質量であり、粒径の大きさで定まる体積に比例した規定値を用いる。また、ｖは、衝突速度である。
【００５０】
従って、土粒子管理・監視装置１３は、エネルギー算出部１３２３により、粒径ごとに予め実験的に得られた基準運動エネルギーＥｍと、衝突角度φ別の予め規定された衝突角度係数ａと、衝突位置別の衝突位置係数ｂとの積で運動エネルギーＥ１を算出する。
【００５１】
本実施例の土粒子管理・監視装置１３は、算出される運動エネルギーＥ１との照合によって仮決定から最終的に決定される粒径について、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルに基づいて衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖに成分分解して学習し、学習した衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖから運動エネルギー期待値Ｅ２を割り出す。
【００５２】
即ち、土粒子管理・監視装置１３は、運動エネルギー期待値算出部１３２４により、基本流速Ｕの値からデータベースとして蓄積された衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの確率情報に基づいて、土粒子の粒径の仮定値に対応する衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの各々を決定し、決定した衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの各々から運動エネルギー期待値Ｅ２を決定する。つまり、以下に詳述するように、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の運動エネルギー期待値Ｅ２は、土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の各々について確率的に求めた値から算出される。
【００５３】
例えば、流量、幅、勾配、粗度係数より河川の基本流速Ｕは、図９に示すように、河川の断面積Ａ、幅Ｂ及び水深ｈを規定してマニングの平均流速式として知られる式３から算出して設定することができる。
【００５４】
【数３】
2010276343.tif 000005
【００５５】
ここに、Ｒ＝Ａ／Ｓであり、Ｕ：平均流速（ｍ／ｓ）、ｎ:マニングの粗度係数、Ｉ：水面勾配（無次元）、Ｒ：径深（ｍ）、Ａ：断面積（ｍ２）、Ｓ：潤辺（ｍ）である。
【００５６】
また、衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの確率情報のデータベースについて説明するに、式４及び式５に従って、図１３に示すＳａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルを規定する。
【００５７】
【数４】
2010276343.tif 000006
【００５８】
【数５】
2010276343.tif 000007
【００５９】
ここに、Ｍ：流体質量（土粒子の質量に対応する）、ｘ：ｘ方向の位置ベクトル、ｚ：ｚ方向の位置ベクトル、ｔ：時間、Ａ：流体の投影面積（式３の断面積に対応する）、ρ：流体密度、ｕ:流速（式３の基本流速Ｕに対応する）、ｇ：重力加速度、ＣＤＨ：ｘ方向の抵抗係数、及びＣＤＶ：ｚ方向の抵抗係数である。  
【００６０】
更に、このＳａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく、流体Ｍの運動エネルギー期待値Ｅ２は、式６及び式７に従う式８から求めることができる。
【００６１】
【数６】
2010276343.tif 000008
【００６２】
【数７】
2010276343.tif 000009
【００６３】
【数８】
2010276343.tif 000010
【００６４】
即ち、図１３に示すＦｘ，Ｆｚは、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルの基本式として上記の式４及び式５のように表すことができるため、衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分として分解することができるとともに、式６〜式８のように衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分からＦｘ，Ｆｚを決定して運動エネルギー期待値Ｅ２を算出することができる。即ち、運動エネルギー期待値Ｅ２と運動エネルギー期待値Ｅ１とが一致する衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分を分解して学習しておくことによって、次に運動エネルギー期待値Ｅ２を算出する際には、最も尤度の高い衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分を選定して運動エネルギー期待値Ｅ２を算出することができる。図１５（ａ）に示すように、１つの土粒子が、河床球上（管に対応する）を横軸Ｆｘ：距離（ｍ）とし、河床に鉛直な方向を縦軸Ｆｚ：高さ（ｍ）として、例えば３つの土粒子のＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡として表すことができる。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す破線部分の拡大図である。
【００６５】
従って、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルについて、土粒子が管１１１（ＦＢＧセンサ１０）に衝突する様子を図１４に示すようにモデル化してＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡を求め、衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの各々の確立分布（確率情報１３３２）を算出し、予め記憶部１３３に記憶しておくことができる。尚、５０００個の土粒子（粒径約２ｍｍ）を流した場合の衝突角度φの解析結果を図１６に示しており、５０００個の土粒子（粒径約２ｍｍ）を流した場合の衝突位置θの解析結果を図１７に示している。また、図１４に示すＳａｌｔａｔｉｏｎ解析から、式９に示すように衝突速度ｖ（衝突直前のＶ’）を解析することができる。
【００６６】
【数９】
2010276343.tif 000011
【００６７】
ここに、ｅ:反発係数（＝０．６）、θ：衝突直前の最終落下角度（衝突角度に対応する）、φ：河床球上（管に対応する）の衝突位置、Ｖ’：衝突直前の速度、及びＶ：衝突直後の速度である。
【００６８】
このようにして、土粒子管理・監視装置１３は、運動エネルギー期待値算出部１３２４により、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて、式４及び式５の基本式から式６〜式８によって算出される土粒子の運動エネルギー期待値Ｅ２を算出する。
【００６９】
次に、土粒子管理・監視装置１３は、第１比較部１３４１により、運動エネルギー値Ｅ１とＳａｌｔａｔｉｏｎ理論からの運動エネルギー期待値Ｅ２を照合し、一致するか否かを判定する。尚、この比較動作における「一致」とは、運動エネルギー値Ｅ１と運動エネルギー期待値Ｅ２との差が所定の許容範囲以内（例えば、誤差１０％以内）にある場合を云う。
【００７０】
比較動作で一致しない場合は、その旨を粒径仮定演算部１３２２に送出し、粒径仮定演算部１３２２に対してひずみ量の振幅の絶対値から、土粒子の土粒子の粒径及び流砂量の更なる仮定値を決定させる（例えば、仮定した粒径の運動エネルギーが大きい場合には、次に仮定する粒径を前回値より小さくする）。土粒子管理・監視装置１３は、第１比較部１３４１により、仮定し直した土粒子の粒径について、再度比較動作を行い、運動エネルギー値Ｅ１とＳａｌｔａｔｉｏｎ理論からの運動エネルギー期待値Ｅ２が一致するまで動作を繰り返す。
【００７１】
一方、比較動作で一致した場合は、土粒子管理・監視装置１３は、第１比較部１３４１により、一致した運動エネルギーＥ１から、式３を用いて質量Ｍを算出し、仮定して一致すると判定した粒径と、その流砂量（質量Ｍに対応する）を出力制御部１３５に送出するとともに、記憶部１３３の累積粒径・流砂量情報１３３４として蓄積する。土粒子管理・監視装置１３の制御部１３４は、この累積粒径・流砂量情報１３３４のデータ（又は衝突角度φ、衝突位置θ、衝突速度ｖのデータ）を、次にＦＢＧセンサ１０に衝突する土粒子の衝突角度φ、衝突位置θ、衝突速度ｖを決定する確率情報に反映するデータとする機能を有する。  
【００７２】
また、土粒子管理・監視装置１３の制御部１３４は、第２比較部１３４２により、その粒径と流砂量の累積値を表す累積粒径・流砂量情報１３３４における土粒子の粒径及び／又は流砂量の値が予め設定しておいたしきい値以上となれば、警告又は警報を発生し、土砂災害の危機管理として利用する。
【００７３】
このように、本実施例の土粒子計測システムによれば、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるようになる。
【００７４】
次に、実施例２の土粒子計測システムについて説明する。
【実施例２】
【００７５】
実施例１では、ＦＢＧセンサ１０として１つ又は１組のＦＢＧ光ファイバ１１を設置したものとして説明したが、実施例２では、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサ１０は、複数のＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧ光ファイバ組として、複数のＦＢＧ光ファイバ組からなり、この複数のＦＢＧ光ファイバは直列に接続され、複数のＦＢＧ光ファイバ組が、土粒子が流れる方向と直行する方向に並行配置されている点で相違する。従って、ＦＢＧセンサの構成とＦＢＧアナライザの構成を除いて、他の実施例２の構成は、実施例１と同様である。
【００７６】
図１８（ａ）に示すように、３つのＦＢＧ光ファイバを一組とする各ＦＢＧ光ファイバ組１１−１〜１１−３は、ＦＢＧアナライザ１２に接続される光ファイバ１１２に対して全て直列に接続した上でそれぞれ並行配置されており、河幅方向と折り返しで管１１１内の断面方向に設置される。河幅方向のＦＢＧ光ファイバの数量は、計測する川幅の大きさによって決定することができる。
【００７７】
図１８（ｂ）に示すように、断面方向は、一定の位置間隔の位置（ψｓ）でＦＢＧ光ファイバを複数個設置することで、１つの土粒子の衝突に対し、ＦＢＧ光ファイバの設置個数分のひずみ計測が検出可能となる。
【００７８】
例えば、図１９に示すように、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２を基準としてψｓ＝−３０°の位置にＦＢＧ光ファイバ組１１−１、 ψｓ＝３０°の位置にＦＢＧ光ファイバ組１１−３からなるＦＢＧセンサ１０を設置することができる。即ち、複数のＦＢＧ光ファイバ組は、管１１１の断面方向にて、管１１１の中心と複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの１つとを結ぶ直線を軸としたとき、複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの当該１つ以外のＦＢＧ光ファイバ組が該軸を中心に対称配置されている。
【００７９】
いま、土粒子がＦＢＧ光ファイバ組１１−２に対し、衝突角０°および衝突位置０°で衝突し、この時のＦＢＧ光ファイバ組１１−２の運動エネルギーをＥ１−２とする。
【００８０】
一方、 ψｓ＝−３０°の位置のＦＢＧ光ファイバ組１１−１の運動エネルギーをＥ１−１、 ψｓ＝３０°の位置のＦＢＧ光ファイバ組１１−３の運動エネルギーをＥ１−３とすると、ＦＢＧ光ファイバ組１１−１、ＦＢＧ光ファイバ組１１−３は、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２に対し衝突角０°及び衝突位置３０°であるため、衝突位置係数ｂ＝０．５６の逆数の積により、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置での運動エネルギーに換算することができる。
【００８１】
この場合、
ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置でのＦＢＧ光ファイバ組１１−１の換算エネルギー： Ｅ１−１’ ＝Ｅ１−１／ｂ＝Ｅ１−１／０．５６、
ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置でのＦＢＧ光ファイバ組１１−３の換算エネルギー： Ｅ１−３’ ＝Ｅ１−３／ｂ＝Ｅ１−３／０．５６、
となり、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置でのエネルギーは３つの値が算出可能となる。
【００８２】
ここで、ＦＢＧアナライザ１２は、上記３つのエネルギーを平均し、
ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の運動エネルギー＝｛（Ｅ１−２）+（Ｅ１−１’）+（Ｅ１−３’）｝／３  
を計算することにより、ＦＢＧ光ファイバが１個の場合より高精度に算出することができるようになる。
【００８３】
従って、本実施例の土粒子計測システムによれば、高精度で土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるようになる。
【００８４】
前述した実施例では、特定の形態について説明したが、本発明は、前述した実施例に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。従って、前述した実施例に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において多くの変形例を実現することができる。  
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるので、河川での土砂の管理や、土砂災害に対する監視を要する用途に有用である。
【符号の説明】
【００８６】
１０  ＦＢＧセンサ
１１  ＦＢＧ光ファイバ
１１−１，１１−２，１１−３  ＦＢＧ光ファイバ組
１１ｃ  回折格子
１２  ＦＢＧアナライザ
１３  土粒子管理・監視装置
１１１  管
１１２  光ファイバ  
１３１  設定値入力部
１３２  演算部
１３３  記憶部
１３４  制御部
１３５  出力制御部
１３２１  絶対値演算部
１３２２  粒径仮定演算部
１３２３  エネルギー算出部
１３２４  運動エネルギー期待値算出部
１３３１  実験結果情報
１３３２  確率情報
１３３３  Ｓａｌｕｔａｔｉｏｎ運動理論情報
１３３４  累積粒径・流砂量情報
１３４１  第１比較部
１３４２  第２比較部
【図１】
2010276343.tif 000012
【図２】
2010276343.tif 000013
【図３】
2010276343.tif 000014
【図４】
2010276343.tif 000015
【図５】
2010276343.tif 000016
【図６】
2010276343.tif 000017
【図７】
2010276343.tif 000018
【図８】
2010276343.tif 000019
【図９】
2010276343.tif 000020
【図１０】
2010276343.tif 000021
【図１１】
2010276343.tif 000022
【図１２】
2010276343.tif 000023
【図１３】
2010276343.tif 000024
【図１４】
2010276343.tif 000025
【図１５】
2010276343.tif 000026
【図１６】
2010276343.tif 000027
【図１７】
2010276343.tif 000028
【図１８】
2010276343.tif 000029
【図１９】
2010276343.tif 000030
【図２０】
2010276343.tif 000031