(57)【要約】【課題】小型、低コスト、低消費電力な、土壌の状態を監視できる装置、システムおよび方法を提供すること。【解決手段】地中に埋設した弾性体と、それに振動を加えるアクチュエータ、振動を測定するセンサを備え、アクチュエータで加えた振動の弾性体中の伝搬パラメータを測定することにより、土壌の状態を判定する。【選択図】      図１
2017072383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設した弾性体と、
前記弾性体に振動を加えるアクチュエータと、
前記アクチュエータによって前記弾性体に振動が与えられた場合に、前記弾性体の振動を測定する振動センサと、
前記振動センサによって取得された振動データに基づき、土壌の状態を判定する判定部を備えることを特徴とする土壌監視装置。
【請求項２】
前記振動センサによって取得した振動データに基づき、前記弾性体の伝搬パラメータを算出する算出部を備えることを特徴とする請求項１に記載の土壌監視装置。
【請求項３】
前記伝搬パラメータは、伝搬速度、減衰率、共振周波数の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の土壌監視装置。
【請求項４】
前記弾性体は吸水性を有することを特徴とする請求項１から３に記載の土壌監視装置。
【請求項５】
前記弾性体は内部に流体を含有することを特徴とする請求項１から３に記載の土壌監視装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは、前記弾性体中の最も長い辺の方向に伝搬する振動を励振することを特徴とする請求項１から５に記載の土壌監視装置。
【請求項７】
前記算出部は、前記伝搬パラメータに基づいて、土壌の含水率を算出することを特徴とする請求項２から６に記載の土壌監視装置。
【請求項８】
前記アクチュエータを複数備えることを特徴とする請求項１から７に記載の土壌監視装置。
【請求項９】
少なくとも１つの土壌監視装置と、
土壌の状態を検知する土壌状態評価装置と、を備え、
前記監視装置は、
地中に埋設した弾性体と、
前記弾性体に振動を加えるアクチュエータと、
前記アクチュエータによって前記弾性体に振動が与えられた場合に、前記弾性体の振動を測定する振動センサと、
前記振動センサによって取得された振動データに基づき、土壌の状態を判定する判定部を備え、
前記土壌検知装置は、
前記土壌監視装置の判定結果を取得する判定結果取得部と、
前記判定結果取得部か取得した判定結果に基づいて、土砂災害を予測する予測部を備えることを特徴とする土壌監視システム。
【請求項１０】
前記弾性体に振動を加え、
前記弾性体に振動が与えられた場合に、前記弾性体の振動データを取得し、
取得された振動データに基づき、土壌の状態を判定することを特徴とする土壌監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に土壌の状態を監視する装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木、建築、農業などの分野において、土壌の状態を監視、診断する必要が生じる場合がある。特に近辺に集落や道路、線路がある斜面においては、崩壊の危険を察知するために土壌状態を常時監視することが望まれる。これまで斜面崩壊を検知および予知するために多くの方法が提案されている。特許文献１には地盤強度の解析方法として振動発生装置により地中に振動を発生し、その伝搬速度から地盤の強度を推定する方法が開示されている。しかしこれらの方法は地盤に振動を発生させる必要があるため、装置が大型、高コストになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１７８８６３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記のような事情を鑑みてなされたものであり、装置の小型、低コストを実現可能な土壌監視装置、システムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の土壌監視装置は、地中に埋設した弾性体と、前記弾性体に振動を加えるアクチュエータと、前記アクチュエータによって前記弾性体に振動が与えられた場合に、前記弾性体の振動を測定する振動センサと、前記振動センサによって取得された振動データに基づき、土壌の状態を判定する判定部を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明にかかる土壌監視装置等によれば、小型、低コストを実現可能な土壌監視装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態における土壌監視装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における土壌の状態評価の方法を示したフロー図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における土壌監視装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態における土壌監視装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態における土壌の状態評価の方法を示したフロー図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における加速度センサ出力の周波数依存性を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態における土壌監視装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施の形態における土壌監視システム１の構成について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる土壌監視システムを示す。土壌監視システム１は、土壌監視装置１０と土砂災害予測装置（不図示）を含む。
【０００９】
土壌監視装置１０は、弾性体１０２、アクチュエータ１０３、加速度センサ１０４、アクチュエータ駆動回路１０５、センサ信号分析部１０６、及び土壌状態評価部１０７を備える。ここで、図１では、土壌監視装置１０は、１つとして開示されているが、土壌監視システム１は、複数の土壌監視装置１０を備える構成としても良い。
【００１０】
土砂災害予測装置は、土壌監視装置１０に接続されている。また、土砂災害予測装置は、土壌監視装置１０にて、検知した土壌の状態に基づいて、土砂災害の予測を行う。土砂災害予測装置は、一定範囲内に配置された複数の土壌監視装置１０が判定した土壌状態から、当該範囲の土壌の状態分布を知ることができる。この土壌の状態分布およびその時間変化を総合的に判断することにより、当該範囲およびその近辺で斜面崩壊などの土壌災害の可能性および時間的な災害確率の変化などを高精度に予測することが可能となる。
【００１１】
弾性体１０２は、土壌１０１の中に埋設される。ここで弾性体１０２の材質はステンレスやステンレス鋼などを用いることができる。また弾性体１０２の形状は、円柱であり、径は５ｍｍ、長さは３０ｃｍである。弾性体１０２は、特に円柱に限定される必要はなく、四角柱や三角柱などとしても良い。
【００１２】
アクチュエータ１０３は、圧電素子を用いる。アクチュエータ１０３はそれを駆動するアクチュエータ駆動回路１０５に接続されている。本実施形態ではアクチュエータ１０３は、圧電素子を用いるが、電磁石を用いたソレノイドアクチュエータや超磁歪素子などを用いても良い。また、アクチュエータ１０３を複数備える構成としても良い。
【００１３】
加速度センサ１０４は、センサ信号分析部１０６にそれぞれ接続されている。アクチュエータ１０３と加速度センサ１０４をそれぞれ１つずつ用いる構成としたが、１つの圧電素子でアクチュエータの機能と振動センシングの機能を実現することも可能である。尚、この場合には、１回目の反射波と２回目の反射波の強度差や時間差を測定することにより対応が可能となる。また、加速度センサ１０４を複数備える構成としても良い。
【００１４】
アクチュエータ駆動回路１０５は、アクチュエータ１０３を駆動するパルス信号を送信する。アクチュエータ駆動回路１０５は、土壌状態評価部１０７に接続されている。
【００１５】
センサ信号分析部１０６は、加速度センサ１０４より信号を取得し、取得した信号を分析する。センサ信号分析部１０６は、土壌状態評価部１０７に接続されている。センサ信号分析部１０６は回路を用いて実現される構成としても良く、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）などのコンピュータへデータを取り込んで信号処理や解析を行う構成としても良い。
【００１６】
土壌状態評価部１０７は、センサ信号分析部１０６にて、分析された信号に基づいて、土壌１０１の状態を判断する。また、土壌状態評価部１０７は、回路を用いて実現される構成としても良く、ＰＣなどのコンピュータへデータを取り込んで信号処理や解析を行う構成としても良い。
【００１７】
本実施形態のおける土壌１０１の状態評価の方法を図２に基づいて以下に説明する。図２は、土壌１０１の状態評価の方法を示したフロー図である。
【００１８】
ステップＳ１１では、駆動回路１０５は、アクチュエータ１０３に振動を発生させるためのパルス信号を送る。アクチュエータ１０３は、パルス信号により駆動し、弾性体１０２にパルス状の振動を発生させ、ステップＳ１２へ進む。
【００１９】
次にステップＳ１２では、加速度センサ１０４は、弾性体１０２に発生している振動を検知し、ステップＳ１３へ進む。ここで、弾性体１０２に発生している振動は、弾性体１０２を長さ方向に伝搬した後、片端で反射し、再度弾性体１０２を伝搬して加速度センサ１０４に到達し検知される。
【００２０】
次にステップＳ１３では、センサ信号分析部１０６は、加速度センサ１０４にて最初に検知した振動の大きさと、加速度センサ１０４にて検知した反射波の振動の大きさの比を計算し、ステップＳ１４へ進む。ここで、振動の大きさの比は、弾性体１０２を振動が伝搬する際の減衰率によって変化する。また、振動の減衰率は周囲の土の特性によって変化する。センサ信号分析部１０６は、弾性体１０２を伝搬する振動の減衰率の変化を算出する構成としたが、弾性体１０２を伝搬する振動の速度変化、弾性体１０２を伝搬する振動の共振周波数変化を測定する構成としても良く、これらのうち複数を測定する構成としても良い。センサ信号分析部１０６は、センサ信号の減衰率を測定しているが、得られた信号をフーリエ変換し、周波数毎の減衰の変化を見ても良い。また、センサ信号分析部１０６は、得られたセンサ信号を数学的に解析、例えばウェーブレット変換を行い、周波数毎の速度を算出しても良い。
【００２１】
次にステップＳ１４では、土壌状態評価部１０７は、振動の減衰率に基づいて、土壌の状態を推定し、フローを終了する。左記の推定方法は、土壌が固く、土中の振動伝搬速度が早い場合には前記減衰率が大きくなり、逆に土壌が軟弱で土中の振動伝搬速度が遅い場合には前記減衰率が小さくなることに起因する。
【００２２】
以上より、本実施形態では、弾性体の振動の往復に基づいて、弾性体の減衰率を算出することにより、土壌監視装置及び、土壌監視システムの小型化を実現できる。
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態における土壌監視システム２の構成について図３を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。図３は、土壌監視システム２を示す。
【００２３】
土壌監視システム２は、土壌監視装置２０と土砂災害予測装置（不図示）を含む。
【００２４】
土壌監視装置２０は、弾性体２０１、アクチュエータ１０３、加速度センサ１０４、アクチュエータ駆動回路１０５、センサ信号分析部１０６、及び土壌状態評価部１０７を備える。ここで、図３では、土壌監視装置２０は、１つとして開示されているが、土壌監視システム２は、複数の土壌監視装置２０を備える構成としても良い。
【００２５】
弾性体２０１は、中空として構成されている。つまり、弾性体２０１の内部は、空間になっており、内部には水２０２が封入されている。すなわち、弾性体２０１は、ステンレスの外殻２０３と水２０２から構成されている。ここで、実施形態として、外殻２０３の内部に水２０２を封入しているが、特に水に限定される必要はなく、弾性体２０１に伝搬する振動の伝播速度を遅くできる流体であれば、他の流体を採用することが可能である。また弾性体２０１の形状は円柱であり、外形は４０ｍｍ、長さは３０ｃｍ、外殻２０３の厚さは３ｍｍである。
【００２６】
制御フローについては、第１の実施形態で図２を使用して説明したフローを同様であるため、説明を省略する。
【００２７】
以上より、本実施形態では弾性体２０１内部に液体を封入した構造を採用したため、弾性体中を伝搬する振動の伝搬速度の土の状態への依存性を大きくでき、これによって土の状態変化の検出感度を高くすることができる。
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態における土壌監視システム３の構成について図４を参照して説明する。ここでも前述の実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。図４に第３の実施形態にかかる土壌監視システム３を示す。
【００２８】
土壌監視システム３は、土壌監視装置３０と土砂災害予測装置（不図示）を含む。
【００２９】
土壌監視装置３０は、弾性体３０１、アクチュエータ１０３、加速度センサ１０４、アクチュエータ駆動回路１０５、センサ信号分析部１０６、及び土壌状態評価部１０７を備える。ここで、図４では、土壌監視装置３０は、１つとして開示されているが、土壌監視システム３は、複数の土壌監視装置３０を備える構成としても良い。
【００３０】
弾性体３０１の材質は、発泡コンクリートを用いる。ここで、弾性体３０１の材質は、発泡コンクリートに限定されず、吸水性のある弾性体であれば、採用可能である。弾性体３０１の形状は角柱であり、長さは５０ｃｍ、断面は一辺が４ｃｍの正方形である。
【００３１】
本実施形態のおける土壌の状態評価の方法を図５に基づいて以下に説明する。図５は、土壌の状態評価の方法を示したフロー図である。
【００３２】
まず、ステップＳ２１では、第１の実施形態のステップＳ１１と同様の処理を実施し、ステップＳ２２へ進む。
【００３３】
次に、ステップＳ２２では、加速度センサ１０４は、弾性体３０１に発生する振動を検知し、ステップＳ２３へ進む。ここで弾性体３０１に発生する振動は連続的であるため、第１、２の実施形態と異なり、加速度センサ１０４は、定常状態の振動を検出することになる。加速度センサ１０４は振動の大きさに比例した信号を出力し、センサ信号分析部１０６はその信号の大きさを記録する。
【００３４】
次に、ステップＳ２３では、アクチュエータ駆動回路１０５は、アクチュエータ１０３に送る電気信号の周波数を変えるか否かを判断する。アクチュエータ駆動回路１０５は、アクチュエータ１０３に送る周波数を変更する場合には、ステップＳ２１に戻り、再度、センサ信号分析部１０６は加速度センサ１０４の出力信号の大きさを記録する。アクチュエータ駆動回路１０５は、アクチュエータ１０３に送る周波数を変更しない場合には、ステップＳ２４に進む。
次に、ステップＳ２４では、センサ信号分析部１０６は、取得した振動データに基づいて、土壌の含水率を計算し、ステップＳ２５へ進む。より具体的には、センサ信号分析部１０６は、図６に示すように加速度センサ１０４の出力の振動周波数依存性に基づいて、含水率を算出する。前述のように加速度センサ１０４は、振動の大きさに比例した信号を出力することから、図６は弾性体３０１の振動の大きさの周波数依存性を示しており、弾性体３０１の共振周波数でピークを持つことになる。弾性体３０１を伝搬する振動の伝搬速度は、周囲の土の特性によって変化し、これに伴い共振周波数も変化する。本実施形態では弾性体３０１として発泡コンクリートを用いており、本材料は吸水性を有する。このため周囲の土の含水率に応じて、弾性体３０１中の含水率も変化し、それによって振動の伝搬速度が変化する。すなわち本実施形態では土の状態の中でも特に土の含水率に対する感度が高い測定が可能となる。本実施形態では土壌の含水率が増えると弾性体３０１を伝搬する振動の伝搬速度が遅くなり、共振周波数が低下する。逆に含水率が減れば、共振周波数が増加する。したがって共振周波数から土壌の状態、特に含水率を推定することが可能である。
次にステップＳ２４では、土壌状態評価部１０７は、に基づいて、土壌の状態を推定し、フローを終了する。左記の推定方法は、土中の含水率が低い場合には土壌が固くなり、逆に土中の含水率が高い場合には土壌が軟弱となることに起因する。
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態における土壌監視装置の構成について図７を参照して説明する。ここでも前の実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。図７に土壌監視システム４を示す。
【００３５】
土壌監視システム４は、土壌監視装置４０と土砂災害予測装置（不図示）を含む。
【００３６】
土壌監視装置４０は、弾性体４０１、第１アクチュエータ４０２、第２アクチュエータ４０３、加速度センサ１０４、アクチュエータ駆動回路１０５、センサ信号分析部１０６、及び土壌状態評価部１０７を備える。ここで、図７では、土壌監視装置４０は、１つとして開示されているが、土壌監視システム４は、複数の土壌監視装置４０を備える構成としても良い。
【００３７】
弾性体４０１は、土壌１０１の中に埋設されている。ここで弾性体４０１の材質には硬質塩化ビニルを用いている。また弾性体４０１の形状は板状であり、表面は１辺が３０ｃｍの正方形、厚さは５ｍｍである。弾性体４０１には振動を発生する第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３と、振動を検知する加速度センサ１０４が取り付けられている。
【００３８】
第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３は、第１の実施形態のアクチュエータ１０３と同様の構成である。さらに、第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３は、それぞれ弾性体４０１の逆の面に貼り付けられており、弾性体４０１を挟んで対向している。第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３はそれらを駆動するアクチュエータ駆動回路１０５と、加速度センサはその信号を分析するセンサ信号分析部１０６にそれぞれ接続されている。第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３を弾性体４０１の両面に貼り付ける構成としたが、第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３を弾性体４０１の片面に２つ付ける構成としてもよい。
【００３９】
本装置を用いた土壌の状態評価の方法を以下に説明する。まず駆動回路１０５からアクチュエータ４０２と４０３に振動を発生させるためのパルス信号が送られる。第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３はこの信号により駆動され、弾性体４０１に振動が発生する。振動は弾性体４０１中を伝搬した後、加速度センサ１０４に到達し、加速度センサ１０４で検知される。さらに振動は弾性体４０１中を伝搬し、弾性体４０１の端部で反射を繰り返す。このため加速度センサ１０４では断続的に信号が検知される。第1アクチュエータ４０２及び第２アクチュエータ４０３からの励振は単発的なものなので、伝搬中の振動減衰のため加速度センサ１０４で検知される信号は、徐々に弱くなる。振動伝搬中の減衰の速さは、周囲の土壌１０１の状態に依存するため、加速度センサ１０４の信号の減衰速度から土壌１０１の状態を推定できる。
【００４０】
本実施形態では土壌監視システムは、第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３を用いる構成としているため、それぞれの第１アクチュエータ４０２、第２アクチュエータ４０３に与える信号の周波数、位相を調整することにより弾性体中に発生しうる多数の伝搬モードのうち、１つもしくは複数のモードを選択的に励振することができる。例えば第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３を同相で駆動することにより、いわゆるＳ（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）モードのみの振動を弾性体４０１に与えることができる。また、第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３を逆相で駆動することによりＡ（Ａｎｔｉ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ）モードのみの振動を弾性体４０１に与えることができる。弾性体４０１の振動の減衰の速度は、振動モード（ＳモードｏｒＡモード）によって異なる。よって、土壌１０１の状態の関係を弾性体４０１の振動の減衰率から推定するには、常に同じ振動モードが励振されるか、あるいは複数の振動モードが一定の強度比で励振される必要がある。本実施形態では上記のように第１アクチュエータ４０２と第２アクチュエータ４０３を駆動することにより振動モードを選択的に励振することができる。すなわち毎回同じモードを励振することが容易となり、安定した土壌状態の診断が可能となる。
【００４１】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明したが、上述の第１から第４の実施形態は例示であり、本発明の主旨から逸脱しない限り、上述各実施の形態に対して様々な変更、増減、組合せを加えてもよい。これらの変更、増減、組合せが加えられた変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。さらに本発明の用途は必ずしも土砂災害防止のための監視システムのみならず、土壌に関連する他の分野にも適用が可能である。
【００４２】
［付記１］
地中に埋設した弾性体と、
前記弾性体に振動を加えるアクチュエータと、
前記アクチュエータによって前記弾性体に振動が与えられた場合に、前記弾性体の振動を測定する振動センサと、
前記振動センサによって取得された振動データに基づき、土壌の状態を判定する判定部を備えることを特徴とする土壌監視装置。
【００４３】
［付記２］
前記振動センサによって取得した振動データに基づき、前記弾性体の伝搬パラメータを算出する算出部を備えることを特徴とする付記１に記載の土壌監視装置。
【００４４】
［付記３］
前記伝搬パラメータは、伝搬速度、減衰率、共振周波数の少なくとも一つを含むことを特徴とする付記１または２に記載の土壌監視装置。
【００４５】
［付記４］
前記弾性体は吸水性を有することを特徴とする付記１から３に記載の土壌監視装置。
【００４６】
［付記５］
前記弾性体は内部に流体を含有することを特徴とする付記１から３に記載の土壌監視装置。
【００４７】
［付記６］
前記アクチュエータは、前記弾性体中の最も長い辺の方向に伝搬する振動を励振することを特徴とする付記１から５に記載の土壌監視装置。
【００４８】
［付記７］
前記算出部は、前記伝搬パラメータに基づいて、土壌の含水率を算出することを特徴とする付記２から６に記載の土壌監視装置。
【００４９】
［付記８］
前記アクチュエータを複数備えることを特徴とする付記１から７に記載の土壌監視装置。
【００５０】
［付記９］
少なくとも１つの土壌監視装置と、
土壌の状態を検知する土壌状態評価装置と、を備え、
前記監視装置は、
地中に埋設した弾性体と、
前記弾性体に振動を加えるアクチュエータと、
前記アクチュエータによって前記弾性体に振動が与えられた場合に、前記弾性体の振動を測定する振動センサと、
前記振動センサによって取得された振動データに基づき、土壌の状態を判定する判定部を備え、
前記土壌検知装置は、
前記土壌監視装置の判定結果を取得する判定結果取得部と、
前記判定結果取得部か取得した判定結果に基づいて、土砂災害を予測する予測部を備えることを特徴とする土壌監視システム。
【００５１】
［付記１０］
前記弾性体に振動を加え、
前記弾性体に振動が与えられた場合に、前記弾性体の振動データを取得し、
取得された振動データに基づき、土壌の状態を判定することを特徴とする土壌監視方法。
【符号の説明】
【００５２】
１０１    土壌
１０２、２０１、３０１、４０１    弾性体
１０３    アクチュエータ
１０４    加速度センサ
１０５    アクチュエータ駆動回路
１０６    センサ信号分析部
１０７    土壌状態評価部
２０２    水
２０３    外殻
４０２    第1アクチュエータ
４０３    第２アクチュエータ
【図１】
2017072383.tif 000003
【図２】
2017072383.tif 000004
【図３】
2017072383.tif 000005
【図４】
2017072383.tif 000006
【図５】
2017072383.tif 000007
【図６】
2017072383.tif 000008
【図７】
2017072383.tif 000009