(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの先端部からパルス光を入射し、点在する複数の水門の開閉に連動する光ファイバの曲げによるレーリー散乱光の光量の変化点までの距離を、パルス光の入射端からの時間の測定により演算検出して複数の水門の開閉を集中監視するようにした水門の監視方法において、前記点在する複数の水門に沿って複数本の光ファイバを張り巡らせ、前記点在する複数の水門を、１又は複数個置きに規則的又は不規則的に振り分け、この振り分けられたグループ毎に、それぞれの光ファイバで順次直列に連結して複数の水門の開閉を集中監視するようにしたことを特徴とする水門の監視方法。
【請求項２】
複数の水門の１又は複数個置きの規則的又は不規則的な振り分けによるグループ分けは、隣合う水門の距離を、光ファイバの伝送損失による検出不可能距離より大きくなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の水門の監視方法。
【請求項３】
光ファイバの先端部からパルス光を入射し、点在する複数の水門の開閉に連動する光ファイバの曲げによるレーリー散乱光の光量の変化点までの距離を、パルス光の入射端からの時間の測定により演算検出して複数の水門の開閉を集中監視するようにした水門の監視装置において、前記点在する複数の水門を、１又は複数個置きに規則的又は不規則的に振り分けられたグループ毎に、それぞれ順次直列に連結するために前記複数の水門に沿って張り巡らせた複数本の光ファイバと、前記点在する水門にそれぞれ設けられ、水門の開閉に連動して光ファイバに曲げを付与する曲げ手段と、前記光ファイバの先端部からパルス光を入射するパルス光発生器と、光ファイバのパルス光入射端に戻ってきた光の量と時間とを計測して特定の水門の開閉を検知する受光部とからなることを特徴とする水門の監視装置。
【請求項４】
曲げ手段は、水門の閉鎖時にオンするように構成したことを特徴とする請求項３記載の水門の監視装置。
【請求項５】
曲げ手段は、水門のゲート板に連動する連動部によりゲート板の閉鎖時に作動する開閉検知部と、この開閉検知部により通常は直線的な光ファイバを屈曲する屈曲発生部を有する検知信号発生部とからなることを特徴とする請求項３記載の水門の監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川管理、特に、湖沼等の周囲の河川に設けられた多数の水門の開閉状態を集中監視するための水門の監視方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
河川管理設備である大型の水門のゲート設備は、遠方からのゲート開閉作業が略自動化されている。
ところが、湖、沼、貯水池、河川等の湖沼に設けられ、水が流入し又は流出するために多数存在する小型の樋門・樋管の水門、例えば、図５に示すような湖沼１５が霞ヶ浦であるような場合、この湖沼１５の周囲の河川には、約５００の樋門・樋管が点在しており、大多数の樋門・樋管の水門１２、１３は、人手によって開閉の監視が行われていた。
【０００３】
また、田畑の潅漑用水のための水利権、上流域や下流域での洪水や水枯れに対する対処、汚水の流入や流出の監視等、樋門・樋管の水門１２、１３の集中管理は極めて重要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のように水門の開閉の監視を人手による目視で行っていたのでは、水門のゲート板が完全に閉じたかどうかの判断は、ゲート板が水中に隠れてしまうので困難であるばかりか、操作委託人にとって、悪天候、夜間、２４時間拘束等の危険な作業が負担となり、湖沼の周囲の広い地域に点在するすべての水門の開閉状態を集中管理することは極めて困難であった。
【０００５】
また、湖沼の周囲の広い地域に点在する樋門・樋管においては、電源設備、情報伝送設備等が整備されていない個所が大多数であり、集中監視や集中管理をより困難なものとしていた。
【０００６】
本発明は、電源設備、情報伝送設備等が整備されていなくても、広い地域に点在する水門の開閉状態を正確に、しかも、経済的に集中監視するための方法と装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、湖沼の周囲の水門の点在する場所に、光ファイバを張り巡らし、この光ファイバのセンサ機能により水門の開閉状態をより確実に、かつ、経済的に検出しようとするものである。
光ファイバは、本来、情報伝送路として広域化対策、高速化対策、マルチメディア対応、リアルタイム対応などの機能を有しており、また、各種物理量を直接計測できるセンサとしての機能も有している。特に、広大な河川管理においては、光ファイバの持っている利点である、連続して活用可能であること、材質が安定していること、正確な位置確定が即座にできること等の利点を活用することにより、より高度な河川管理が可能である。
【０００８】
光ファイバのセンサ機能には、光ファイバの散乱現象の３種類（レーリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱）があり、特に、本発明では、レーリー散乱を利用している。このレーリー散乱のセンサ原理は、光ファイバに光パルスを伝送し、光ファイバの長手方向の損失、反射量、断線位置を計測するものである。具体的監視方法は、水門の開閉状態に伴い、光ファイバに直接的又は間接的に曲げを与えることにより、損失を発生させ、結果的にレーリー散乱光も減少させて光強度の変化を計測するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、具体的実施例を図面に基づき説明する。
先ず、図２によりレーリー散乱光による光ファイバのセンサ原理を説明する。
図２において、４０は、例えば、パルス幅１０００ｎｓのパルス光を出力するパルス光発生器、４１は、光ファイバ１６（又は光ファイバ１７、以下同じ）からの反射光を屈折するハーフミラー、４２は、戻ってきた入射光と同じ波長の光を受光して、光の量と時間とを計測して特定の水門１２の開閉を検知する受光部である。
なお、パルス光のパルス幅は、距離によって分解能を上げるために、目的に応じて２０ｎｓ〜５０００ｎｓ程度の範囲内で調整できるようになっている。
【００１０】
・レーリー散乱現象
光ファイバ１６は、石英ガラスを溶融し、これを冷却する工程で製造されるが、冷却時にガラスの分子は、任意の位置に凍結されるので、光ファイバ１６の内部に密度（屈折率）の変化した構造部分が生じる。このような構造部分を光が通過する場合、他の部分との屈折率の違いにより光は屈折され、その一部の入射光と同じ波長の光が入射端に戻って行く。これがレーリー散乱現象である。
・損失分布測定
光ファイバ１６の光入射端から、このレーリー散乱により再度入射端に戻ってくる光の量と時間を計測することによって、光ファイバ１６自身の長さ方向の減衰特性や光ファイバ１６の構造の異常（曲がり）、光ファイバ１６の接続点の接続損失の測定等を行う。
【００１１】
・ひずみ変位測定
光ファイバ１６に曲げ（図２の屈曲部４３）を与えることで、光ファイバ１６から透過する光が生じ、結果的にレーリー散乱光も減少することから、光量の変化によりひずみ・変位を検出する。
・断線位置の計測
光ファイバ１６の断線位置で全反射する光が光入射端までに戻る時間を計測し、断線位置の測定を行う。
【００１２】
以上のような光ファイバ１６のレーリー散乱光によるセンサ機能を樋門・樋管の水門１２（又は水門１３、以下同じ）に利用した具体的構成例を図３及び図４により説明する。
図３において、河川２０の両側の水路壁２１に、それぞれ支柱２２が垂直に建てられ、この支柱２２の上部の桁２３からは、２本の垂直な昇降軸２４が上下自在に設けられている。この昇降軸２４は、手動又は電動の駆動部２５により上下して、下端のゲート板１９がガイドレール２６に沿って上下してゲート板１９を上下し、水門２０を開閉する。
前記ゲート板１９には、一体に上下する連動部２７が設けられ、また、支柱２２の下部であって、連動部２７に臨ませた位置に開閉検知部２８が取り付けられ、支柱２２の上部に検知信号発生部２９が設けられて、光ファイバーの曲げ手段が構成される。
【００１３】
前記光ファイバーの曲げ手段である開閉検知部２８と検知信号発生部２９の詳細を図４により説明すると、検知信号発生部２９の内部では、光ファイバ１６の一端が固定部材３７にて固定され、引っ張りばね３８で引っ張られているので、通常は直線状態にあり、また、大径屈曲ガイド板３３は、光ファイバ１６に曲げによる損失が生じないように大きな直径で屈曲するためのものである。従って、光損失は発生していない。
【００１４】
開閉検知部２８には、接触子３０が内部のコイルばねなどにより常時外方へ突出している。ゲート板１９が手動又は電動の駆動部２５により操作されて完全に閉じたときに連動部２７の突起が接触子３０の位置まで移動してきて接触子３０を押し込む。
【００１５】
接触子３０が押し込まれると、接触子３０に連動する線材３１が案内管３２にガイドされて、線材３１の先端部が検知信号発生部２９の内部から突出し、屈曲発生部３６の押圧突起板３４を上方へ押し出す。すると、固定的な凹溝板３５との間で光ファイバ１６を挾み付け、光ファイバ１６を山形状に折り曲げる。この曲げが図２の屈曲部４３に相当するから、この光量の変化と計測時間からどこの水門１２が閉じているか（図２では、Ｘ番目の水門）が検出できる。２個所以上に曲げが生じたときには、同様の変化がそれぞれの曲げ位置に相当して発生するので、さらに水門１２が閉じているかどうか（図２では、Ｙ番目の水門）が検出できる。
【００１６】
なお、ゲート板１９が閉じている状態で開閉検知部２８をオンにしてゲート板１９の開閉状態を検知するこことしたが、これは、樋門・樋管のゲート板１９は、通常開いた状態となっており、出水による本川から支川への流水を防止するため、水門１２の閉じている状態を正確に把握する必要があるからである。
【００１７】
つぎに湖沼１５の周囲における複数の水門１２の集中管理のための具体的な設置について説明すると、図５において、１０は、中央管理事務所であり、この中央管理事務所１０は、湖沼１５の周囲に設けられた５個所のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ出張所１１を管理するものとする。
このうちＡ出張所１１は、Ｂ側との管理境界線１４までの水門１２に光ファイバ１６を張り巡らし、６１個所の水門１２を監視し、また、Ｃ側との管理境界線１４までの水門１２に光ファイバ１７を張り巡らし、６０個所の水門１３を監視し、合計で１２１個所の水門１２を監視する。同様に、Ｂ出張所１１は、７９個所、Ｃ出張所１１は、５２個所、Ｄ出張所１１は、１２１個所、Ｅ出張所１１は、８５個所を監視するものとする。
【００１８】
図１は、Ａ出張所１１における光ファイバ１６、１７の具体的設置例を示している。
この図１において、Ａ出張所１１からＢ出張所１１に向かって順次水門１２（１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３、…）が点在し、かつ、光ファイバ１６（１６ａ１、１６ａ２、１６ａ３、…）が張り巡らせられ、同様に、Ａ出張所１１からＣ出張所１１に向かって順次水門１３（１３ａ１、１３ａ２、１３ａ３、…）が点在し、かつ、光ファイバ１７（１７ａ１、１７ａ２、１７ａ３、…）が張り巡らせられているものとする。
【００１９】
監視距離レンジ、即ち光ファイバ１６、１７の長さを５０ｋｍとした場合、光ファイバ１６、１７の距離分解能は、約１０ｍであるが、水門１２が閉じたときの伝送損失が生じた場合、隣合う水門１２の距離が短すぎると、その閉じた水門１２の先の水門１２が計測できなくなるデッドゾーンが生じる。しかし、隣合った水門１２が十分に距離を有する場合には、正常に計測することが可能である。
【００２０】
そこで、隣合った水門１２間の距離が十分でない場合（例えば、数１０ｍ〜数１００ｍ間隔以下）には、デッドゾーンの問題を回避し、精度よく計測するため、図１に示すような配線で光ファイバ１６、１７を組むことが必要である。
図１では、光ファイバ１６ａ１に、水門１２ａ１、１２ａ４、１２ａ７、…を直列に連結し、光ファイバ１６ａ２に、水門１２ａ２、１２ａ５、１２ａ８、…を直列に連結し、光ファイバ１６ａ３に、水門１２ａ３、１２ａ６、１２ａ９、…を直列に連結している。光ファイバ１７と水門１３においても同様である。図１では、規則的に順序よく振り分けているが、隣合う水門１２の間隔や水門１２の数によって不規則的に配線するようにしてもよい。
【００２１】
以上のような構成において、図１における水門１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３、…及び水門１３ａ１、１３ａ２、１３ａ３、…のうち、斜線の入った丸で示したものが閉じており、白丸で示したものが開いているものとすると、光ファイバ１６ａ１では、水門１２ａ１、１２ａ４、１２ａ７、…の対応する時間軸の位置で受光レベルの損失が現われ、水門１２ａ１、１２ａ４、１２ａ７、…が閉じていることを表し、同様に、光ファイバ１６ａ２では、水門１２ａ５、１２ａ８、…の対応する時間軸の位置で受光レベルの損失が現われ、水門１２ａ５、１２ａ８、…が閉じていることを表し、光ファイバ１６ａ３では、対応する時間軸の位置での受光レベルの損失が現われず、いずれも開いていることを表している。光ファイバ１７と水門１３においても同様である。このようにして、Ａ出張所１１では、１２１個所の水門１２、１３の開閉の監視をすることができる。
【００２２】
同様にして、Ｂ出張所１１は、７９個所、Ｃ出張所１１は、５２個所、Ｄ出張所１１は、１２１個所、Ｅ出張所１１は、８５個所を監視し、そのデータは、中央管理事務所１０へ送られて、すべての水門１２の開閉の監視が行われる。
【００２３】
請求項１記載の発明によれば、水門のゲート板が完全に閉じたかどうかの判断が確実で、天候、時間等に左右されずに常時監視できる。
また、光ファイバを使用したので、電源設備、情報伝送設備等が整備されていない個所であっても、集中監視や集中管理を容易に行うことができる。特に、広大な河川管理においては、光ファイバの持っている利点である、連続して活用可能であること、材質が安定していること、正確な位置確定が即座にできること等の利点を活用することにより、より高度な河川管理が可能である。
さらに、点在する複数の水門に沿って複数本の光ファイバを張り巡らせ、前記点在する複数の水門を、１又は複数個置きに規則的又は不規則的に振り分け、この振り分けられたグループ毎に、それぞれの光ファイバで順次直列に連結して複数の水門の開閉を集中監視するようにしたので、隣合った水門間の距離が光ファイバの距離分解能以下と十分でない場合（例えば、数１０ｍ〜数１００ｍ間隔以下）でも、隣合った水門の間の距離を十分に取るようにグループ分けしてデッドゾーンの問題を回避し、多数個の水門が点在していても精度よく計測し、確実に監視できる。
【００２４】
請求項２記載の発明によれば、複数の水門の１又は複数個置きの規則的又は不規則的な振り分けによるグループ分けは、隣合う水門の距離を、伝送損失による検出不可能距離より大きくなるようにしたので、隣合った複数の水門の距離間隔が短い場合でもデッドゾーンなく確実に監視できる。
【００２５】
請求項３記載の発明によれば、光ファイバの先端部からパルス光を入射し、点在する複数の水門の開閉に連動する光ファイバの曲げによるレーリー散乱光の光量の変化点までの距離を、パルス光の入射端からの時間の測定により演算検出して複数の水門の開閉を集中監視するようにした水門の監視装置において、前記点在する複数の水門を、１又は複数個置きに規則的又は不規則的に振り分けられたグループ毎に、それぞれ順次直列に連結するために前記複数の水門に沿って張り巡らせた複数本の光ファイバと、前記点在する水門にそれぞれ設けられ、水門の開閉に連動して光ファイバに曲げを付与する曲げ手段と、前記光ファイバの先端部からパルス光を入射するパルス光発生器と、光ファイバのパルス光入射端に戻ってきた光の量と時間とを計測して特定の水門の開閉を検知する受光部とからなるので、本発明装置を用いることにより、隣合った水門間の距離が光ファイバの距離分解能以下と十分でない場合（例えば、数１０ｍ〜数１００ｍ間隔以下）でも、隣合った水門の間の距離を十分に取るようにグループ分けしてデッドゾーンの問題を回避し、多数個の水門が点在していても精度よく計測し、確実に監視できる。また、装置自体の構成が簡単で安価に提供でき、しかも、長期間の使用に耐えるものである。
【００２６】
請求項４記載の発明によれば、曲げ手段は、水門の閉鎖時にオンするように構成したので、通常開いた状態となっている水門の閉じている状態を正確に把握して、出水による本川から支川への流水を防止することができる。
【００２７】
請求項５記載の発明によれば、曲げ手段は、水門のゲート板に連動する連動部によりゲート板の閉鎖時に作動する開閉検知部と、この開閉検知部により通常は直線的な光ファイバを屈曲する屈曲発生部を有する検知信号発生部とからなるので、とかく雨風に晒されるような位置に取り付けられるにも拘らず、故障になりにくく長期間確実に動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による水門の監視方法及び装置の一実施例を示す説明図である。
【図２】  本発明による水門の監視方法及び装置に用いたレーリー散乱の原理の説明と回路のブロ
ック図である。
【図３】  本発明による水門の監視方法及び装置を水門に設置した状態を示す説明図である。
【図４】  本発明による水門の監視方法及び装置に用いられる曲げ手段の具体的構成の説明図であ
る。
【図５】  本発明による水門の監視方法及び装置を湖沼に実際に配置した状態の説明図である。
【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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