(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の物理量を計測する複数の計測装置と、該計測装置で得られた情報を収集し記録するデータ収録装置と、該データ収録装置を制御するパソコンとからなる無線通信を用いた設備監視システムにおいて、
前記複数の計測装置のうちの所定の１つが、リレー無線通信により前記データ収録装置もしくは前記複数の計測装置の残部と無線通信を行って、間欠送受信による前記計測装置の残部との計測時刻同期および通信経路の調整をするとともに、所定のサンプリング間隔で物理量を計測し、得られた該物理量計測値を前記データ収録装置へ送信することを特徴とする無線通信を用いた設備監視システム。
【請求項２】
前記計測装置が、所定の物理量の計測データを記憶した後に、該計測データを前記データ収録装置へ送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信を用いた設備監視システム。
【請求項３】
前記計測装置のうちの所定の１つは、所定の間隔で所定の時間継続してトリガ信号受信モードとなり、前記データ収録装置からのトリガ信号もしくは前記計測装置の残部から転送されたトリガ信号を受信したタイミングで物理量の計測を行い、その結果を前記データ収録装置へ送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信を用いた設備監視システム。
【請求項４】
前記計測装置は、該各々の計測装置が通信可能時の通信経路および通信不可能な場合の代替通信経路をあらかじめ定めておくことを特徴とする請求項３に記載の無線通信を用いた設備監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木設備や周辺地盤のひび割れ、沈下、すべり等の変状の進行を把握できる設備監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、コンクリート構造物に代表される土木設備や周辺地盤は、種々の原因によりひび割れや沈下、滑りなどの変状を生ずる。これら設備の変状に対しては、計測などのモニタリングにより変状進行を管理することが必要となっている。発電所等の土木構築物を効果的、効率的に維持管理するためには、構築物に生じている変状について、変状原因を推定し、必要に応じて補修等の対策を行う必要がある。変状に緊急の補修必要性がない場合には、その構築物のひび割れの進展や構築物周辺の斜面の沈下や傾斜の変動等の変状の進行状況を把握し、構築物に生じている変状の原因を推定するための監視体制が必要になってくる。
従来の設備監視システムは、変状箇所にセンサを設置して、データ収録箇所までケーブルで接続してモニタリングシステムを構築するものであった。(例えば特許文献１)
【特許文献１】再表２００５―０３３４７５号広報  またセンサをケーブルで結ばずに、無線計測により設備監視を行うシステムの構築が検討されており、無線計測システムを用いて、小型化及び省電力化が可能な計測装置により簡易に物理量の収集を行うことができるモニタリングシステムが開示されている(特許文献２)。この発明においては、無線伝送機（子機）は外部（親機）から無線伝送要求を示す無線信号を受信した場合にのみ、センサによって計測した物理量を該無線伝送機に内蔵された送信回路によって無線信号として送信するもので、ビルの屋内に、センサが接続された該無線伝送機を複数配置し、無線ＬＡＮやBluetooth（登録商標）などの無線技術を用いて、該無線伝送機とデータ収集用コンピュータとの間で、直接、無線伝送要求や物理量計測結果の送信を行うものである。
【特許文献２】特開２００１−３３８３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
然しながら 、従来の特許文献１に記載の設備監視システムは、センサとデータ収録装置間をケーブルで接続する方式で計測システムを構築しているため、以下の点が問題となっていた。
(１)  広大な範囲、面的な範囲を対象とした場合、膨大なコストが必要となる。
(２)  計測に伴ってケーブルを敷設する必要があるが、公道等ケーブルが横断できない箇所がある。
(３)  地震後等臨時で設備の状態の確認を行いたいときに、安全上立ち入ることが困難な箇所がある。
また、特許文献２に記載の発明は、土木設備等の監視システムとして用いるには以下の問題があった。
(１)  ビル内での計測を対象としているため、無線伝送機とデータ収集用コンピュータとが直接送受信できることを前提としており、無線伝送機の配置範囲に限界があった。本発明で主に対象とするのは屋外設備や周辺地盤のモニタリングであり、広範囲を面的に管理する必要があった。
(２)  省電力化や電源の長寿命化について一定の配慮はされているが、屋外設備等の監視システムに耐えうる電源寿命を確保するには至っていなかった。特に狭隈箇所に位置する設備のモニタリングでは、電源交換に係わる人工削減のため、長期間（数年間）の電源寿命を達成する必要があった。さらに、長期的な設備計測用システムとしての信頼性も不足していた。
(３)  親機からの無線伝送要求を受信したときのみ子機で計測する方式を採用しているが、このままでは設備の定期監視には向かない。実用的な電源寿命を達成しつつも、一定サンプリング間隔で確実に定期計測できる技術が必要であった。同時に、緊急時の臨時計測にも対応できる必要があった。
(４)  専用の歪みセンサと無線伝送機を内蔵した計測装置を用いており、歪み以外の計測はできないため、計測可能な物理量の数・種類に制限があった。屋外設備等の維持管理として用いるためには、歪み計だけでなく、伸縮計、亀裂変位計、傾斜計などの設備に係わる物理量や温度計などの環境条件に係わる物理量など多種多様なセンサとの接続性を確保する必要があった。また、物理量を温度補正する必要性などから１つの計測システムで同時に複数の物理量を計測する必要があった。
【０００４】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、土木設備や周辺地盤のひび割れ、沈下、地すべり等の変状を把握できる設備監視システムにおいて、面的多点計測が可能で、長期間電源交換不要な設備監視システムを提供することにある。
また、緊急時の臨時計測にも対応でき、かつ信頼性の高い設備監視システムを提供することにある。
さらに、市販センサとの接続性もよい設備監視システム用の計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、所定の物理量を計測する複数の計測装置と、該計測装置で得られた情報を収集し記録するデータ収録装置と、該データ収録装置を制御するパソコンとからなる無線通信を用いた設備監視システムにおいて、前記計測装置のうちの所定の１つが、リレー無線通信により前記データ収録装置もしくは前記複数の計測装置の残部と無線通信を行って、間欠送受信による前記計測装置の残部との計測時刻同期および通信経路の調整をするとともに、所定のサンプリング間隔で物理量を計測し、得られた該物理量計測値を前記データ収録装置へ送信することを特徴とする無線通信を用いた設備監視システムである。
前記複数の計測装置がリレー無線通信することで、前記データ収録装置が直接通信できる範囲を超えて計測装置を配置することでき、広範囲を面的に計測することが可能となる。また、間欠送受信により、必要時以外は待機モードにすることで、省電力化による実用的な電源寿命を達成できる。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、前記複数の計測装置が所定の物理量を計測した結果を記憶し、その後、前記データ収録装置へ送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信を用いた設備監視システムである。
このことにより、前記計測装置でデータを記憶し、蓄積することで、データ消失のリスクを低減でき、信頼性の高い計測システムを構築することができる。また、データ収録装置へデータ送信する回数を減らすことができ、その分だけ消費電力を抑えることもできる。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、前記計測装置が、一定間隔で一定時間継続してトリガ信号受信モードとなり、データ収録装置からのトリガ信号もしくは他の計測装置から転送されたトリガ信号を受信したタイミングで物理量の計測を行い、その結果をデータ収録装置へ送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信を用いた設備監視システムである。
このことにより、前記データ収録装置からのトリガ信号により臨時計測や臨時データ送信も可能とすることで、定期計測以外にも必要時に任意のタイミングで計測することができる。また、前記計測装置は、必要最小限の範囲で間欠的にトリガ信号受信モードとなることで、電力消費量を最小限に抑制することができる。
【０００８】
また請求項４に記載の発明は、前記計測装置の通信経路および通信不可能な計測装置が存在する場合の代替通信経路をあらかじめ定めておくことを特徴とする請求項３に記載の無線通信を用いた設備監視システムである。
このことにより、前記計測装置の定常時の通信経路やトラブル時の代替通信経路（迂回経路）をあらかじめ定めておくことで、間欠送受信による通信経路の確認が容易となり、通信回数を最小限に抑えることができることから、電力消費量を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の、無線を用いた計測システムを用いた設備監視システムを構築することにより以下の効果が得られる。
(１)計測困難な箇所（高所や狭隈部等）でも計測可能となる。
(２)計測システム構築コストは大幅（一般に１／５程度）に削減できる。
(３)同コストであれば多地点の計測可能であるため、精度の高い設備診断が可能となる。
(４)ケーブル設置場所の確保等ケーブル設置に係わる業務が省けるため、迅速に計測システムが構築できる。
(５)一旦計測システムを構築した後も、計測地点を容易に追加できる。
(６)自然災害等により計測箇所に変状が発生した後も、ケーブル破断等の影響がないことから、計測を継続しやすい。
(７)子機でもデータ保存することで、信頼性が高い計測を行うことができる。
また、省電力化および電源容量の改善により、電源寿命を実用的なレベルまで延伸したことにより、バッテリー交換頻度を低減でき、交換に係わるメンテナンスコストも削減できる。
さらに、センサ接続性を改善したことにより、多種の汎用センサを使用可能となり、対応できるデータ種類が増加する。また、複数センサと接続することで、１地点で温度計と変位計等の計測が同時に行え、データ精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明の技術的範囲は本実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
［無線通信を用いた設備監視システム］
図１は、本発明の無線通信を用いた設備監視システムの構成図を示したものである。図１において、１はデータ収録装置、２は本発明における計測システム、３は所定の物理量を測定する計測装置、４は所定の物理量を測定するのに適したセンサ、Ａは本発明の無線通信を用いた設備監視システムである。
同図に示したように、本実施形態での無線設備監視システムＡは、データ収録装置１と計測システム２から構成され、さらに計測システム２は、複数の計測装置３と該計測装置３の各々に対応して接続されるセンサ４（図中では亀裂変位計を図示）から構成されている。
物理量の計測は、各センサ４からの電気的信号を該各センサ４に対応して接続された計測装置３に取り込んでデータ処理することで行う。
【００１４】
前記の各計測装置３からのデータ送信方法は、該各計測装置３がデータ収録装置１の通信範囲にあるか否かによって異なる。すなわち、前記の各計測装置３がデータ収録装置１の通信範囲内にある場合には、両者間で直接無線通信してデータ送信する。
前記の各計測装置３がデータ収録装置１の通信範囲外にある場合には、隣接する別の計測装置３を介して、リレー無線通信により、データ収録装置１へデータを転送する。
無線周波数帯は、２．４５GH帯の特定小電力無線を用いる。各計測装置３の間の通信距離は２００ｍまで可能である。次に計測装置３の構成を図２示す。図２において、(a)はセンサを接続する接続部が１つの場合、図２(b)は接続部が複数の場合(この場合は２つ)の計測装置３の構成図を表したものである。
【００１５】
計測装置３は、図２(ａ)に示すとおり、一定間隔で信号を発信する計時部１１と、電力を出力する電源部１２と、物理量の計測および無線送受信を制御する制御部１３と、物理量の計測結果を記憶する記憶部１４と、外部と無線で信号およびデータを送受信する無線送受信部１５と、センサからの検出信号を増幅するとともにデジタル信号へと変換する変換部１６と、所定の物理量を検出するセンサと接続する接続部１７とから構成されている。
【００１６】
前記計時部１１は、一定間隔で信号を発信し、定期計測等のタイミングを制御部に知らせる機能を有している。いわゆる、コンピュータシステムで用いられている多種なリアルタイムクロック（Real Time Clock、以下ＲＴＣと称す）の中から適宜選択して用いることができる。ＲＴＣの精度と消費電力は反比例の関係にあるが、一般に土木計測用途であれば、ＲＴＣの精度を多少犠牲にしても、消費電力を抑制する方が計測装置全体の消費電力抑制のために適している。
【００１７】
前記電源部１２は、計測装置３およびセンサ４（図１参照）が稼動するための電源を供給する。確保すべき電源寿命は、土木計測用として要求仕様から決定されるが、一般に１〜３年と設定される。電源電圧は、計測装置３の構成部品との関係から設定すればよく、一般的には３．０Ｖ〜６．０Ｖと設定される。電源は、市販の電池の中から適宜選択して構成することができるが、土木計測用としては、電源寿命、電圧安定性の観点からリチウム電池（塩化チオニルリチウム電池、二酸化マンガンリチウム電池など）が最も適している。
【００１８】
前記接続部１７は、センサ４との接続口である。該接続部１７を介して、センサ４へ起動や計測の指令を送信するとともに電源を供給し、さらにセンサ４からの計測結果を変換部１６へ送信する。該接続部１７では、市販センサとの接続性を考慮して、接続できるセンサ方式を設定すればよい。土木計測用センサの８割が歪み変換式センサであることから、歪み変換式センサに対応できるように設定するのが適している。また、図２(ｂ)に示すように、前記接続部１７を複数（図示は２個）設けても良い。こうすることで、例えば同一地点の温度と物理量が同時計測でき、物理量の温度補正も容易となり、計測精度を向上させることができる。
【００１９】
前記変換部１６では、センサ４からの連続信号（アナログ信号）を制御部１３で処理可能なデジタル信号へ変換する処理（一般にＡ／Ｄ変換とよばれる）を行う。変換部１６で行うＡ／Ｄ変換処理は一般的な処理であり、市販の部品を適宜選択して用いることができる。Ａ／Ｄ変換の分解能は８ｂｉｔから用いることができるが、微小なひび割れ幅などの計測など、実用的なデータ精度を確保するためには、１６ｂｉｔ以上であることが好ましい。
前記無線送受信部１５は、無線にて、計測装置３からデータや信号を送信したり、外部からデータや信号を受信する機能を有している。無線送受信部１５にはアンテナ部（図示なし）を有しており、無線の発送信はアンテナ部を介して行われる。
【００２０】
前記計測装置３は、アンテナ部を除いては防水構造の容器内に設置される。アンテナ部は完全防水構造であり、容器の外部に設置される。防水構造の容器は、降雨時にも水の浸入がないことを保証する必要があり、一般に、ＪＩＳ保護等級としてはＪＩＳ  ＩＰＸ５（防噴流型）以上の仕様が選択される。さらに、ＪＩＳ  ＩＰＸ６（防水型）以上であることが好ましい。
【００２１】
［計測方法］
次に、本発明における計測システムについて、図３に示した計測フロー図を用いて説明する。
図３(ａ)は、本発明における計測システムの全体フロー図である。本発明における計測システムは、前記各計測装置３への指令が何もなければ通常、待機モードＳ１の状態となっている。該待機モードＳ１からは、３つのフロー（時刻同期・通信経路確認フローＳ２，定期計測・定期データ送信フローＳ３，臨時計測・臨時データ送信フローＳ４）に移行することができ、それぞれのフローが完了すると、再度待機モードＳ１に戻ることになる。
【００２２】
次に、前記の時刻同期・通信経路確認フローＳ２について説明する。本発明における時刻同期とは、定期計測等のタイミングをあわせるために、計時部の時刻を各計測装置３およびデータ収録装置１で同期させることである。又、本発明における通信経路確認とは、全ての計測装置３が直接あるいはリレー無線通信によりデータ収録装置１と通信可能な状態にあるか否かを確認することである。
【００２３】
図３(ｂ)は、図３(a)に記載している時刻同期・通信経路確認フローＳ２の詳細を示したものである。各計測装置３は、一定間隔で外部トリガ受信モードＳ５へと移行する。その際に、データ収録装置１から時刻同期、通信経路確認の開始トリガが送信されているか否かを確認する（Ｓ２１）。計測装置３がデータ収録装置１の通信範囲外にある場合は、他の残部の計測装置３を介して、リレー無線通信にて当該トリガを受信することになる。当該トリガを受信した計測装置３は、送受信モードへＳ７と移行し、時刻同期、通信経路の確認を行う（Ｓ２２）。それぞれが異常ないことを確認し（Ｓ２３）、異常があるときには調整を行い（Ｓ２４）、異常がなくなった段階で完了となり、再度待機モードＳ１へ移行する。
【００２４】
時刻同期の異常時には時刻の調整を行い、通信経路の異常時（障害物等により一部の通信経路が遮断されている場合等）には回避通信経路にて通信可能か再確認する。なお、通信経路の異常時には、計測装置３同士で通信させて、自立的に回避通信経路を確立させることが技術的に可能である。しかし、土木計測では構造物に沿って計画的に計測装置３を配置するため、予め異常時の回避通信経路を定めおくことが可能であり、そうすることで異常時の通信回数を削減し、電源寿命を延伸することができる。
【００２５】
図４は、図３(a)に示した定期計測・定期データ送信フローＳ３の詳細を示したものである。この場合には、計時部１１からのトリガにより間欠的に制御部１３(図２参照)が稼働し、トリガの種類を判別する（Ｓ８）。定期計測指定時刻に係わるトリガであれば（Ｓ３１）、計測モードＳ６に移行し、計測Ｓ３２、データ記憶Ｓ３３を行う。また、定期データ送信に係わるトリガであれば（Ｓ３４）、送受信モードＳ７に移行し、データ送信を行う（Ｓ３５）。全ての処理が完了した場合に、再度待機モードＳ１へ移行する。
定期計測や定期データ送信の頻度は、電源寿命や計測データ確認頻度などから、適宜設定することができる。また、その設定は、データ収録装置からの指令により変更することもできる。土木計測においては、定期計測は一日に数回の頻度とされ、定期データ送信は一年に数回の頻度とされるのが一般的である。
【００２６】
図５は、図３(a)に示した臨時計測・臨時データ送信フローＳ４の詳細を示したものである。臨時計測や臨時データ送信は、自然災害時などの突発事象に対して、臨時にデータを計測したい場合に用いられる。外部トリガ受信モードに移行した際に（Ｓ５）、臨時計測トリガもしくは臨時データ送信トリガを受信した場合には、それぞれのトリガ種別を判別する。臨時計測に係わるトリガであれば（Ｓ４１）、計測モードＳ６に移行し、計測Ｓ４２、データ記憶Ｓ４３を行う。また、臨時データ送信に係わるトリガであれば（Ｓ４４）、送受信モードＳ７に移行し、データ送信を行う（Ｓ４５）。全ての処理が完了した場合に、再度待機モードＳ１へ移行する。
【００２７】
［モード変換と計測フロー］
次に本発明の計測装置におけるモード変換と計測フローについて説明する。
図６は、本発明の計測装置３のモード変換と、図３に示した計測フローとの関係を示したものである。
同図に示すように、計測装置３は何も処理がない場合には待機モードＳ１になっている。待機モードＳ１は、動作電流として計時部１１を稼働させる電流のみが必要であり、最も消費電力を抑えた状態である。一般に最大使用電流は１０μＡ以下である。
【００２８】
前記計測装置３は、一定間隔で極短時間の間（数ミリ秒間）、外部トリガ受信モードＳ５へと移行する。その際は、外部信号の受信動作を行うため、最大使用電流は５０ｍＡを超えることもある。
【００２９】
外部信号を受信すると、信号種類により計測モードＳ６へと移行する。計測動作（Ｓ３２，Ｓ４２）では、まず、センサへの電源投入を行い、数十秒間センサへ通電した後、数秒間の計測処理を行う。その後、センサ電源を切断する。なお、計測データの測定間隔が一定値以下（例えば１０分以下）の場合には、センサ電源のオンオフによる電源消費量の方が多くなるので、センサ電源は常に投入された状態とする。データ記憶動作（Ｓ３３，Ｓ４３）では、計測されたデータを記憶部に書き込む動作を行う。最大使用電流は１０ｍＡを超えるのが一般的である。
外部信号により送受信モードＳ７へも移行する。その際、データ収録装置と送受信して、保存データの転送、計測制御方法などの動作設定の変更などを行う。保存データの送信を行うため、最大使用電流は１００ｍＡを超えることもある。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明の無線通信を用いた設備監視システムを地すべり監視へ適用した例を示す。
一般に、対象構造物は鉄筋コンクリート製のオープントレンチである。このトレンチでは、平面的に数百メートルの大きさの地すべりブロックが存在しており、この地すべりブロックを横切ってオープントレンチが存在していることから、地すべりによってコンクリートにはひび割れ等の変状が生じている。
【００３１】
図７は、本発明の無線通信を用いた設備監視システムを地すべり監視へ適用した際の構成を示すもので、点検者は、データ収録装置および制御用パソコンを現場に持ち込み、各計測データを無線通信により、遠隔自動収集を行うことができる。
次に、当該地点における計測項目と使用センサの例を図９に示す。同表に示すように、無線通信の経路１では、伸縮計、一軸亀裂変位計、温度計を用いて、地すべり変位、コンクリートひび割れ幅、気温、コンクリート温度の計測を行っている。経路２では、傾斜計、二軸亀裂変位計、温度計を用いて、傾斜角度、コンクリートひび割れ幅、気温、コンクリート温度の計測を行っている。
【００３２】
以上の構成態様で、ある１日の計測装置No.１の亀裂変位と計測装置No.２のコンクリート温度の関係をデータ収集した結果を図８に示す。図８のデータは１５分間隔での計測結果である。計測期間が短いことから、亀裂変位の経時的な変化を評価するまでには至っていないが、コンクリート温度１℃の変化に対し、亀裂変位は-0.01ｍｍ程度の変化量であることが分かる。Ａ／Ｄ変換の分解能は16bitであるが、ひび割れ幅と温度の関係に明確な直線性を確認でき、計測精度が十分であることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の無線通信を用いた設備監視システムは、土木設備や周辺地盤のひび割れ、沈下、地すべり等の変状を把握できる設備監視システムにおいて、面的多点計測が可能であり、長期間電源交換不要であるため、緊急時の臨時計測にも対応できる信頼性の高い設備監視システムとして利用することができる。また、本発明の計測装置は、市販の様々な物理量測定用センサとの接続性もよいので、多面的な尺度での計測が可能な設備監視システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の無線を用いた設備監視システムの構成図である。
【図２】本発明の計測装置の構成図である。
【図３】本発明における計測システムのフロー図である。
【図４】本発明における計測システムのフロー図である。
【図５】本発明における計測システムのフロー図である。
【図６】本発明におけるモード変換と計測フローとの関係を表したフロー図である。
【図７】本発明の設備監視システム及び計測装置を地すべり監視システムに適用した構成図である。
【図８】コンクリート温度と亀裂変位との関連を表すグラフである。
【図９】計測項目と使用センサの例を表すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１    データ収録装置
２    計測システム
３    計測装置
４    センサ
１１  計時部
１２  電源部
１３  制御部
１４  記憶部
１５  無線送受信部
１６  変換部
１７  接続部    
Ａ    設備監視システム
Ｓ１  待機モード
Ｓ２  時刻同期・通信経路確認フロー
Ｓ３  定期計測・定期データ送信フロー
Ｓ４  臨時計測・臨時データ送信フロー
Ｓ５  外部トリガ受信モード
Ｓ６  計測モード
Ｓ７  送受信モード
【図１】
0005224871.tif 000002
【図２】
0005224871.tif 000003
【図３】
0005224871.tif 000004
【図４】
0005224871.tif 000005
【図５】
0005224871.tif 000006
【図６】
0005224871.tif 000007
【図７】
0005224871.tif 000008
【図８】
0005224871.tif 000009
【図９】
0005224871.tif 000010