(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川の水位および流速を観測する河川観測システムにおいて、
第１の超音波送受信器を用いて所定のタイミングで超音波を送信するとともにその反射波を受信して、その送受信の時間差に基づき河川を流れる水の水位を検出する水位計測手段と、
第２の超音波送受信器を用いて前記水位計測手段とは異なるタイミングで超音波を送信するとともにその反射波を受信して、その送受信の周波数変化に基づき前記水の流速を検出する流速計測手段とを備えることを特徴とする河川観測システム。
【請求項２】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
前記第１の超音波送受信器は、河川上方から水面に対してほぼ真下に超音波を送信するとともにその反射波を受信し、
前記第２の超音波送受信器は、河川上方から水面に対して斜め下方へ超音波を送信するとともにその反射波を受信することを特徴とする河川観測システム。
【請求項３】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
前記流速計測手段を用いて河川の各計測位置で流速を計測することにより水の流速分布を計測し、その流速分布に基づき実際に水が流れている流路の位置を検出する流路検出手段をさらに備え、
前記水位計測手段は、前記流路検出手段により検出された流路の位置で水位を計測することを特徴とする河川観測システム。
【請求項４】
請求項３記載の河川観測システムにおいて、
前記流路検出手段は、
前記河川の上方位置で前記第２の超音波送受信器を支持するアームと、
このアームを回動させることにより前記第２の超音波送受信器の計測方向を前記河川の各計測位置へ向けるアーム回動手段とを有することを特徴とする河川観測システム。
【請求項５】
請求項３記載の河川観測システムにおいて、
前記流路検出手段は、
前記河川の上方位置へ突出するアームと、
このアームに対して前記第２の超音波送受信器を前記水の水面と垂直な方向を軸として回動自在に支持し、その第２の超音波送受信器を回動させることによりその計測方向を前記河川の各計測位置へ向ける軸回動手段とを有することを特徴とする河川観測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川観測システムに関し、特に大雨による土石流や河川の氾濫などの災害に備えて、河川の水流を自動的に観測する河川観測システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大雨による土石流や河川の氾濫などの災害を回避するため、河川の上流で砂防ダムを建設して土砂の流出をせき止め、急激な河川の増水や土石流の発生を抑制してきた。しかし、このような砂防ダムでせき止められる土砂の量も限界があるため、砂防ダムの代わりに土砂の流れる勢いを緩和する暗渠砂防堰堤の建設が検討されている。暗渠砂防堰堤とは、図７に示すように、河川を横断して設けられた土手（断面台形）状の砂防堰９１に数個の暗渠９２を設け、上流側で発生した土石流の勢いを砂防堰９１で緩和するとともに、その土石流を各暗渠９２を介して下流側へ射流することにより、砂防堰での土砂の堆積を抑制して長期にわたり機能が維持されるようにしたものである。
【０００３】
このような暗渠砂防堰堤は、発生した土石流を完全にせき止めるものではないことから、土石流発生の兆候を早期に捉えるため、水流の変化を精度良く観測し、必要に応じて下流の地域へ警報する必要がある。
従来、このように河川の水位や流速を自動観測する場合、川岸９０に設置したポール９４からアーム９３を河川上方に延ばし、その先端に超音波水位計９５を設置して、予め設定した固定的な観測ポイントで水位を観測していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の河川観測システムでは、水の水位だけでなくその流速も計測することにより、より詳しく水流の変化が観測できる。ここで流速計測のために超音波水位計付近に超音波流速計を併設し、単に並行して計測した場合、超音波送受信器へのケーブル間での送信信号の干渉や、反射波の回り込みなどの原因により、正確に水位および流速を計測できないことから、ある程度距離をおいて両者を配置する必要があり、流路の真上位置など最も良好な同一観測位置から水位および流速を計測できないという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、水の水位および流速を同一観測位置から精度よく計測できる河川観測システムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による河川観測システムは、水位計測手段で、第１の超音波送受信器を用いて所定のタイミングで超音波を送信するとともにその反射波を受信して、その送受信の時間差に基づき河川を流れる水の水位を検出し、流速計測手段で、第２の超音波送受信器を用いて水位計測手段とは異なるタイミングで超音波を送信するとともにその反射波を受信して、その送受信の周波数変化に基づき水の流速を検出するようにしたものである。
【０００６】
また、第１の超音波送受信器は、河川上方から水面に対してほぼ真下に超音波を送信するとともにその反射波を受信し、第２の超音波送受信器は、河川上方から水面に対して斜め下方へ超音波を送信するとともにその反射波を受信するようにしたものである。
【０００７】
さらに、流速計測手段を用いて河川の各計測位置で流速を計測することにより水の流速分布を計測し、その流速分布に基づき実際に水が流れている流路の位置を検出する流路検出手段を設け、この流路検出手段により検出された流路の位置で水位を計測するようにしてもよい。
【０００８】
具体的には、流路検出手段として、河川の上方位置で第２の超音波送受信器を支持するアームと、このアームを回動させることにより第２の超音波送受信器の計測方向を河川の各計測位置へ向けるアーム回動手段とを設けてもよく、また、河川の上方位置へ突出するアームと、このアームに対して第２の超音波送受信器を水の水面と垂直な方向を軸として回動自在に支持し、その第２の超音波送受信器を回動させることによりその計測方向を河川の各計測位置へ向ける軸回動手段とを設けてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態である河川観測システムのブロック図、図２は河川観測システムの外観図である。図２において、川岸２１には、アーム１１を支持するためのポール１３が立てられている。アーム１１はアーム回動部４によりポール１３を中心として回動する。アーム１１の先端には流速計測用の超音波送受信器６Ａおよび水位計測用の超音波送受信器７Ａが取り付けられている。またアーム１１の後にはバランス用の重り１２が取り付けられている。またポール１３の上端には、河川の状況を撮像するカメラ（ＩＴＶカメラ）１が設置されている。
【００１０】
川岸２１と対向する川岸２２との間には、水が流れていない河原２３と実際に水が流れている流路２４が存在している。流速計測用の超音波送受信器６Ａは、アーム１１の先端で軸回動部５により水面と垂直な軸１４を中心として水平方向に回動自在に支持されている。なお、超音波送受信器６Ａは、水平方向から斜め下方（例えば４５゜下方）へ向けて支持されている。水位計測用の超音波送受信器７Ａは、軸１４の下端に支持されている。また、超音波送受信器７Ａは、真下へ向けて支持されている。
【００１１】
ポール１３付近には、河川観測システム全体を制御する制御盤１０が設置されている。この制御盤１０には、図１に示すように、カメラ１からの画像信号を画像処理し画像データとして出力する画像処理部２と、超音波送受信器６Ａを用いて水の流速を計測する流速計測部（流速計）６と、超音波送受信器７Ａを用いて水の水位を計測する水位計測部（水位計）７と、これら流速計測部６や水位計測部７で得られた観測データを蓄積するデータ蓄積部８と、通信回線９Ａを介してセンターへ観測データや警報を送信する通信インターフェース部９と、これら各部を制御する制御部３とが設けられている。また、制御部３には、河川で水が実際に流れている流路２４位置を検出する流路検出部３Ａと、計測された流速や水位などの観測データを処理するデータ処理部とが設けられている。
【００１２】
次に、図３を参照して、本発明の動作を説明する。図３は本発明の動作として水位および流速計測動作を示すタイミングチャートである。ここでは、予めアーム回動部４を制御してアーム１１を回動させることにより、流路上方位置へ超音波送受信器６Ａ，７Ａを配置するとともに、軸回動部５を制御して超音波送受信器６Ａを上流側へ向けているものとする。
水位計測部７では、時刻Ｔ1から時刻Ｔ2までの期間ｔ1だけ、内部回路の送信ゲート７Ｓを開状態にすることにより、所定周波数の超音波を超音波送受信器７Ａから送信する。この送信は繰り返し周期ｔ0ごとに繰り返し行われる。この期間ｔ1は、その反射波を正常に検出しうる期間長であればよい。
【００１３】
このとき、超音波送受信器７Ａでは、自己が送信した超音波の直接波７１が受信されるが、水位計測部７では、内部回路の受信ゲート７Ｒを閉じているため、これによる誤検出は生じない。
送信された超音波は流路の水面で反射し、その反射波７２が超音波送受信器７Ａで受信される。水位計測部７では、送信終了の時刻Ｔ2から期間ｔ2経過後の時刻Ｔ3において、受信ゲート７Ｒを開き、反射波７２の取り込みのための受信期間を開始する。
【００１４】
この期間ｔ2については、この水位計測部７で計測する水位範囲の最高水位のとき、すなわち超音波の伝搬行程が最も短いときの反射波７２の受信に間に合う期間を用いればよい。なお、期間ｔ2をなるべく長く設定することにより直接波７１の余韻部分や他のノイズの影響を受けにくくできる。
【００１５】
ここで、時刻Ｔ3からの受信期間内の時刻Ｔ4に反射波７２の受信を開始した場合、水位計測部７では、超音波送受信器７Ａの水位高Ｈ、０℃での音速Ｃ０、音波の温度係数α、気温Ｔ、および時刻Ｔ1から時刻Ｔ4までの期間ｔS（時間差）から、次式により水位ＷＬを求める。
ＷＬ＝Ｈ−（Ｃ０＋αＴ）×ｔS／２
【００１６】
その後、時刻Ｔ3から期間ｔ3だけ経過した時刻Ｔ5に、水位計測部７は、受信ゲート７Ｒを閉じて受信期間を終了する。この期間ｔ3については、水位計測部７で計測する水位範囲の最低水位のとき、すなわち超音波の伝搬行程が最も長いときの反射波７２を正常に受信できる期間を用いればよい。なお、期間ｔ3をなるべく短く設定することにより他のノイズの影響を受けにくくできる。また、直接波７１および反射波７２は、ケーブル間の干渉や反射波の回り込みにより流速計測部６の超音波送受信器６Ａでも、ノイズ波６１，６２として受信されるが、受信ゲート６Ｒが閉じているため誤検出されない。
【００１７】
流速計測部６では、時刻Ｔ1から期間ｔ4だけ経過した時刻Ｔ6から送信ゲート６Ｓを開き、超音波送受信器６Ａから所定周波数の超音波を送信する。この期間ｔ4は、水位計測用の反射波７２すなわちノイズ波６２の余韻部分による影響がなくなる時間位置までの期間長であればよく、なるべく短い方が繰り返し周期ｔ0を短縮できる。
このとき、超音波送受信器６Ａでは、自己が送信した超音波の直接波６３が受信されるが、流速計測部６では、内部回路の受信ゲート６Ｒを閉じているため、これによる誤検出は生じない。
【００１８】
送信された超音波は流路の水面で生じている波で反射し、その反射波６４が超音波送受信器６Ａで受信される。流速計測部６では、送信終了の時刻Ｔ7から期間ｔ6経過後の時刻Ｔ8において、受信ゲート６Ｒを開き、反射波６４の取り込みのための受信期間を開始する。
この期間ｔ6については、この流速計測部７で計測する水位範囲の最高水位のとき、すなわち超音波の伝搬行程が最も短いときの反射波６４の受信に間に合う期間を用いればよい。なお、期間ｔ6をなるべく長く設定することにより直接波６３の余韻部分や他のノイズの影響を受けにくくできる。
【００１９】
ここで、送信した超音波の周波数ｆ０、その反射波６４の周波数ｆ、０℃での音速Ｃ０、音波の温度係数α、気温Ｔ、水の流速Ｖ、水の流速方向と超音波送受信器６Ａの音軸とがなす角度θとすれば、次式の関係が得られる。
ｆ−ｆ０＝（２Ｖｃｏｓθ）／｛（Ｃ０＋αＴ）−Ｖｃｏｓθ｝×ｆ
したがって、時刻Ｔ8からの受信期間内の時刻Ｔ9から反射波６４を受信した場合、流速計測部６では、上式の関係から流速Ｖを求める。
【００２０】
その後、時刻Ｔ8から期間ｔ7だけ経過した時刻Ｔ10に、流速計測部６は、受信ゲート６Ｒを閉じて受信期間を終了する。この期間ｔ7については、流速計測部６で計測する水位範囲の最低水位のとき、すなわち超音波の伝搬行程が最も長いときの反射波６４を正常に受信できる期間を用いればよい。なお、期間ｔ7をなるべく短く設定することにより他のノイズの影響を受けにくくできる。また、直接波６３および反射波６４は、ケーブル間の干渉や反射波の回り込みにより水位計測部７の超音波送受信器７Ａでも、ノイズ波７３，７４として受信されるが、受信ゲート７Ｒが閉じているため誤検出されない。
【００２１】
水位計測部７では、時刻Ｔ1から期間ｔ0だけ経過した時刻Ｔ11から、前述した時刻Ｔ1から時刻Ｔ5までの水位計測処理を繰り返し行う。この繰り返し周期ｔ0は、流速計測用の反射波６４すなわちノイズ波７４の余韻部分による影響がなくなる時間位置までの期間長であればよく、なるべく短い方が繰り返し周期ｔ0を短くできる。
【００２２】
なお、水位計測部７では、超音波の送受信に応じて新たな水位ＷＬが得られた場合、図４に示す判定処理を行うことにより、得られた水位ＷＬの有効／無効を判断するとともに、これを統計処理し、計測値として出力している。
この判定処理では、まず、新たに得られた水位ＷＬと前回の判定処理で確定された現在の出力値との差Ｄを算出し（ステップ１０１）、この差Ｄと規定幅とを比較することにより、新たな水位ＷＬの値が現在の出力値から規定幅以上離れているかどうか判断する（ステップ１０２）。
【００２３】
ここで、差Ｄ≦規定値の場合は（ステップ１０３：ＹＥＳ）、新たな水位ＷＬの値が現在の出力値から規定幅以内にあり有効な値であると判断して、過去に得られた最新のＮ個の有効な水位ＷＬの移動平均値を求め（ステップ１０４）、その移動平均値を新たな現在の出力値として出力し（ステップ１０５）、一連の処理を終了する。
【００２４】
また、差Ｄ＞規定値の場合は（ステップ１０３：ＮＯ）、新たな水位ＷＬの値が現在の出力値から規定幅以上離れており無効な値であると判断して、この無効な水位ＷＬを含む最新のＮ個がすべて無効かどうか判断し（ステップ１１１）、最新のＮ個がすべて無効でない場合は（ステップ１１１：ＮＯ）、今回得られた水位ＷＬが単なるバラツキあるいは誤検出と判断してステップ１０４へ移行する。
【００２５】
一方、最新のＮ個がすべて無効であった場合は（ステップ１１１：ＹＥＳ）、そのＮ個の無効な水位ＷＬの分散Ｗ０を算出するとともに（ステップ１１２）、この新たな水位ＷＬから遡って最新のＮ個の有効な水位ＷＬの分散Ｗ１を算出する（ステップ１１３）。そして、これら分散Ｗ０，Ｗ１を比較する（ステップ１１４）。
【００２６】
ここで、無効水位の分散Ｗ０が有効水位の分散Ｗ１以上の場合は（ステップ１１５：ＮＯ）、ステップ１０４へ以降する。また、無効水位の分散Ｗ０が有効水位の分散Ｗ１より小さい場合は（ステップ１１５：ＹＥＳ）、水位ＷＬが大きく変動したと判断して、今まで無効としていたＮ個の水位を有効とし、有効としていたＮ個の水位を無効とする（ステップ１１６）。そして、ステップ１０４へ以降する。
【００２７】
このように、新たに得られた水位ＷＬと現在の出力値との差Ｄに基づき、得られた水位ＷＬの有効／無効を判断するようにしたので、ノイズなどに起因して突発的に水位が大きく変化した場合でも、単なるバラツキあるいは誤検出と判断できる。また、過去に得られた最新のＮ個の有効な水位ＷＬの移動平均値を出力値として出力するようにしたので、統計的な重みを含んだ計測値を出力できる。
さらに、無効水位が連続して得られた場合は、その分散により無効水位と有効水位とを入れ換えるようにしたので、水位ＷＬが大きく変化した場合でも柔軟に追従できる。
なお、図４の判定処理については、水位ＷＬだけでなく流速Ｖにも適用でき、同様の作用効果が得られる。
【００２８】
次に、図５を参照して、河川の各計測位置で計測した流速の分布に基づき流路２４の位置を検出する場合について説明する。図５は流路位置検出処理を示す説明図である。
流路位置を検出する場合、図５（ａ）に示すように、制御部３の流路検出部３Ａは、まず、アーム回動部４を制御してアーム１１の先端に取り付けられている超音波送受信器６Ａを川岸２１付近の計測位置ＰAに配置する。そして、軸回動部５を制御して超音波送受信器６Ａを河川上流側に回動させ、流速計測部６を制御して計測位置ＰAでの流速を計測する。次に、アーム１１を回動させて計測位置ＰAよりわずかに川岸２２側の位置で流速を計測する。
【００２９】
このようにして、河川を横断するようにアーム１１を徐々に回動させて、川岸２１付近の計測位置ＰAから川岸２２付近の計測位置ＰBまでの各計測位置で流速を計測する。これにより、図５（ｂ）に示すような流速分布が得られる。このとき、実際に水の流れが生じている流路２４が存在する位置では流速が上昇し、河原２３では流速がほぼゼロとなる。流路計測部３Ａでは、計測ノイズを考慮してしきい値Ｓを設定し、流速分布がこのしきい値Ｓと交差する位置を流路２４の両端と判断する。
【００３０】
図５（ｂ）では、流速分布としきい値Ｓとが位置Ｐ1，Ｐ2で交差していることから、この位置Ｐ1，Ｐ2の中点が流路の中心位置Ｐ3として選択される。そして、この中心位置Ｐ3に対応するアーム１１の回動角度、例えば位置ＰBから位置ＰA方向へ回動するための角度θが求められ、アーム回動部４を制御してその角度θだけアーム１１を回動させる。これにより、アーム１１の先端に取り付けられている流速計測用の超音波送受信器６Ａおよび水位計測用の超音波送受信器７Ａが流路２４のほぼ中心位置に配置されるため、流路２４の位置が変化するような場所であっても、精度良く水位や流速を自動的に計測できる。
【００３１】
以上では、流速分布により流路２４の位置を検出する場合を例に説明したが、流速分布に限定されるものではなく、流路２４と河原２３とを区別できる計測値の分布であれば、同様にして適用できる。例えば、放射温度計をアーム１１の先端に取り付け、流速分布の代わりに放射温度分布を計測して用いてもよい。放射温度分布の場合は、図５（ｃ）に示すように、流路２４と河原２３とで異なった放射温度が得られる。この場合もしきい値Ｔを設定し、放射温度分布としきい値Ｔとの交点Ｐ1，Ｐ2の中点を流路２４の中心位置Ｐ3として選択できる。
【００３２】
また図５では、アーム１１を回動させることにより、超音波送受信器６Ａを移動させて流速分布を計測するようにした場合について説明したが、図６に示すように、超音波送受信器６Ａのみの向きを変えることにより流速分布を計測してもよい。特に、超音波を用いた流速計や放射温度計は、その計測装置の向きで決定される限られた角度範囲を計測領域としており、この計測領域すなわち計測装置の向きを変更すれば所望の流速分布あるいは放射温度分布が得られる。なお、この際、図５に示すように、アーム１１を回動させ計測機器を河川の幅方向でほぼ中央に配置した後、その計測機器の向きを回動させることにより、誤差の少ない分布が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、水位計測手段で、第１の超音波送受信器を用いて所定のタイミングで超音波を送信するとともにその反射波を受信して、その送受信の時間差に基づき河川を流れる水の水位を検出し、流速計測手段で、第２の超音波送受信器を用いて水位計測手段とは異なるタイミングで超音波を送信するとともにその反射波を受信して、その送受信の周波数変化に基づき水の流速を検出するようにしたので、従来のように、超音波水位計付近に超音波流速計を併設し、単に並行して計測した場合と比較して、超音波送受信器へのケーブル間での送信信号の干渉や、反射波の回り込みなどを確実に回避できる。したがって流路の真上位置など最も良好な同一観測位置から水位および流速を精度良く計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による河川観測システムのブロック図である。
【図２】  河川観測システムの外観図である。
【図３】  水位および流速計測動作を示すタイミングチャートである。
【図４】  判定処理を示すフローチャートである。
【図５】  流路位置検出処理を示す説明図である。
【図６】  他の流路位置検出処理を示す説明図である。
【図７】  従来の河川観測システムを示す説明図である。
【符号の説明】
１…カメラ、２…画像処理部、３…制御部、３Ａ…流路検出部、３Ｂ…データ処理部、４…アーム回動部、５…軸回動部、６…流速計測部、６Ａ…超音波送受信器、７…水位計測部、７Ａ…超音波送受信器、８…データ蓄積部、９…通信Ｉ／Ｆ部、９Ａ…通信回線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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