自然災害科学 J. JSNDS 41 特別号 45-53（2022 ）防災および構造物の維持管理のための安価な小型 IoT センサの開発ならびに実現に向けた取り組み
大川原大智1・井上和真2・大塚叶登3・浅見健斗4

Development of Low Cost Small IoT Sensors for Disaster andStructural Maintenance and Initiatives for Realization
Daichi Ohkawara1, Kazuma Inoue2, Kanato Ohtsuka3 and Kento Asami4
Abstract
Recent social problems include the increase in maintenance work due to aging infrastructure,
frequent natural disasters, problems specific to each region and shortage of engineer. In thisresearch, we developed low-cost and small IoT sensors to solve these problems, and conducted
two demonstration experiments. As the demonstration experiment in the field of disaster prevention,
the water level in the confluence of rivers in Shimonita Town, Gunma Prefecture was photographed,and the information was transmitted to SNS. As the demonstration experiment in the field ofmaintenance management of structures, concrete surface was photographed from the under the RC
slab and their applicability was examined. In both fields, the demonstration experiment conductedsmoothly. As the results, the feasibility of low-cost and small IoT sensors was confirmed.
キーワード：IoT センサ，地域防災，構造ヘルスモニタリング，Raspberry Pi
Key words: IoT sensor, local disaster prevention, structural health monitoring, Raspberry Pi

1 ．はじめに

1

2

ンフラの老朽化に伴う維持管理作業の増加，少子昨今の社会問題として，頻発する自然災害やイ

高齢化，人口減少に伴う働き手の不足等が挙げら

群馬工業高等専門学校環境都市工学科（現 新潟大学工学部工学科社会基盤工学プログラム）
Department of Civil Engineering, National Institute ofTechnology, Gunma College (currently, Niigata University,Faculty of Engineering, School of Engineering, CivilEngineering Program)
群馬工業高等専門学校環境都市工学科
Department of Civil Engineering, National Institute ofTechnology, Gunma College3445

群馬工業高等専門学校環境都市工学科（現 金沢大学理工学域地球社会基盤学類）
Department of Civil Engineering, National Institute ofTechnology, Gunma College (currently, Kanazawa University
College of Science and Engineering Geosciences and CivilEngineering)
群馬工業高等専門学校環境都市工学科（現 群馬工業高等専門学校専攻科環境工学専攻）
Department of Civil Engineering, National Institute ofTechnology, Gunma College (currently, Department ofEnvironmental Engineering, National Institute of Technology,Gunma College)

46

大川原・井上・大塚・浅見：防災および構造物の維持管理のための安価な小型 IoT センサの開発ならびに実現に向けた取り組みれる。これらの社会問題を受け，地震や洪水などといった自然災害の際に，離れた場所からの河川や構造物のリアルタイムモニタリング技術や，常時の維持管理が期待される。従来の構造物の維持・実際には必要のない機能があり高額化の要因になる（オーバースペック）。
・センサの設置に際して，電源設備等の工事が必要となる。

管理では，大規模な河川橋梁においては地震計な・センサの設置場所や設置目的に適した製品がな

どのセンサを用いて，地震時挙動の分析が行われい場合があり，適したものを作ると特別注文とる。例えば，藤野ら は，2011年東北地方太平洋
1）なり，高額化の要因になる。

沖地震における横浜ベイブリッジや，その周辺地

そこで本稿では，従来のセンサに対して以下のよ盤における地震観測記録を活用して，地震応答のうな特徴，目的で IoT センサの開発を行った。

推定を行った。また，支承部の点検は目視点検や・センサの設置場所や設置目的といった，用途に打音診断などの人による作業だけでは，維持管理が困難であるため，支承内部の点検に変位モニタリング手法の開発も行われている2,3）。

応じたカスタマイズを可能にする。
・高額化により実現困難であった多地点観測の実現のため，コストを抑える。

すべての構造物において，前述のようなモニタ

また，これまでも IoT センサの研究や開発，実験リング技術が導入されることが望ましいが，地方は行われている2,4,5）が，室内における設置や数時公共団体が管理する小規模な河川橋梁を対象とし間から数日といったように短期的設置および実験た場合，人材不足や予算制約が厳しいといった要が多い。IoT センサの屋外における長期的な設置因から，従来のセンサを活用した安定かつ継続しには屋内における短期的な設置とは異なり，設置たモニタリングの実施は困難であることが予想さ場所や通気性，耐熱性，防水性，防犯性など留意れる。その上，従来のセンサには以下のような問すべきことが多い。そこで，本稿では屋外におけ題がある。

る IoT センサの長期的設置に向けた取り組み，お・センサ 1 つの値段が高額で多地点における設置よび，防災分野および構造物の維持管理に関するができない。

実証実験による安価な小型 IoT センサの活用実現

・地震や豪雨などによる災害が予想される場所へ性を報告する。従来，センサによって取得したのセンサの設置や，災害発生直後の構造物観測データ（画像，水位，加速度等）は技術者や管理に用いる際のセンサの設置までに時間を要する。

者の利活用が中心であったが，地域住民向けにも・危機管理型水位計などは，水位観測のみの単体機能であるため，河川状況の写真撮影ができな取得したデータを防災情報として発信することで，地域の防災力向上が期待できる（図 1 ）。

い。

図 1 IoT センサによる技術者・地域住民への防災情報発信スキームの概要図

47

自然災害科学 J. JSNDS 41 特別号（2022 ）2 ．IoT センサの設計
2. 1

2. 2

IoT センサを構成するソフトウェアの概要

IoT センサを構成するハードウェアの概要

Raspberr y Pi 用 の 開 発 者 向 け OS で あ る

開発中の IoT センサを図 2 に示す。また，使用

Raspberry Pi OS（ver.10.10）を 使 用 し て 開 発 を行った。また，IoT センサにおいて，プログラミした機器を以下に示す。
①

シングルボードコンピュータ（Raspberry

ング言語はシェルスクリプトおよび Python 3.7 をPi 4 Model B 4GB）使用した。

②

赤外線カメラモジュール（UNIROI 社製）③

光学式測距モジュール（LIDAR-Lite v3HP）④

MEMS 加速度センサ（ADXL 355）⑤

USB ス テ ィ ッ ク 型 デ ー タ 通 信 端 末（AK-

猛暑などの厳しい環境下における設置を想定して020）いる。そのため，IoT センサを収納するケースに2. 3

IoT センサを収納するケースの設計

IoT センサは屋外で活用するため，大雨や強風，Raspberry Pi は，以下のような特徴がある。

は堅牢な構造が要求される。さらに，ケース内の・プログラミング言語 Python でプログラミング

センサに湿気や高温による悪影響を及ぼさないたが可能で，本稿で開発する IoT センサの目的にめには，防水性，通気性，耐熱性を確保することある，用途に応じたカスタマイズが可能である。

が必要となる。そこで，防水性および強度を高め

・Raspberry Pi を用いた開発・研究が様々な分野るために，ケースの材料として塩化ビニル管を用

2,4,5）いる。塩化ビニル管は，主に水道管に使われてい・世界中の技術者がインターネットに公開しているように厳しい環境下においても十分な強度を持で既に行われているる情報が多い。

。

6-8）

ち，多種多様な大きさ・形状がある。また，塩化そこで，IoT センサの基礎となるシングルボード

ビニル管は通信販売サイトやホームセンターで購

コンピュータにおいて Raspberry Pi を選定した。

入でき，入手が容易であるため，モニタリング実また，各機器は以下のような役割がある。

施中のケースに不具合があった際に，IoT センサ①各機器を制御，操作の管理者・利用者（地方公共団体，技術者）自身②

RC 構造物等のひび割れや河川状況を撮影で修理することが出来るといったメリットがある。

③

河川水位の観測④

地震観測や RC 構造物等の傾斜検知における温度上昇に対する対策）に関しては，発⑤

携帯電話回線の利用熱の多い Raspberry Pi に小型のファンを取り付通気性・耐熱性の確保（湿気の発生，ケース内これら，すべて取り外しが可能であり，センサの使用目的に応じた設計変更が可能である。

図2

IoT センサの構成例

図3

IoT センサを収納するケースの一例48

大川原・井上・大塚・浅見：防災および構造物の維持管理のための安価な小型 IoT センサの開発ならびに実現に向けた取り組み

けることや，ケースに穴を開けベントフィルターできる場所では必要がなく，設置環境に合わせたを貼付することで，通気性を確保しながらケースIoT センサの電源供給を選択可能である。

を防水仕様にする。作製したケースの一例を図 3に示す。このケースは河川橋梁への設置を想定して作製したものであり，フランジとアンカーボルトを用いることによって，支承付近のコンクリー

3 ．防 災分野における IoT センサ活用の検討
3. 1 IoT センサによる防災情報の発信スキーム

トへの固定が可能といった特徴がある。このよう地震や豪雨などの災害発生時の問題として，技に，設置場所，設置環境に応じて設計を変更する

術者および管理者は現地に直接点検に行かなけれことが可能である。

ばならないことや，危険箇所へ住民が直接見に行ってしまうことが挙げられる9-11）。そこで，多2. 4 屋外利用を想定した IoT センサの電源供給

地点に IoT センサを設置し，撮影した画像を防災

IoT センサは，従来のセンサが設置されていな情報として発信することで減災に繋がることが期

いような電源供給の困難な場所に設置することが待される。具体的な情報発信の方法として，スマ想定される。そのため，そのような場所においてホユーザー向けには SNS を利用した発信，非スマも安定した電源供給が行えるように，独立太陽光

ホユーザーの多い高齢者向けには役場や避難所と発電システムを採用した。独立太陽光発電システ

いった公共施設におけるライブ映像の配信によっ

ムとは，太陽光パネルで発電した電気を鉛蓄電池て発信を行うことが考えられる。また，既に多くに蓄え，IoT センサに電源を供給するシステムでの自治体で防災向けのライブ映像の配信は行われある。電源供給の困難な場所においても IoT センている。しかし，高額なため設置場所に限りがあサを安定して稼働させることが可能である（図 4 ）。

ることや，配信する web サイトが複数存在し，情

しかし，日照時間や天候による太陽光パネルの発報発信方法が分散されているといった問題がある。

電量への影響が懸念されるため，それらを改善す

そこで，本稿の IoT センサはプログラミングが可るために，バッテリーの容量を12V20Ah，太陽光能であり，指定したサーバに送信するなど，プロパネルを50W とした。今後，風力発電と太陽光グラムを組み込んでおくことで，各自治体が所有発電の併用などの他の方法による発電を組み合わする今までのライブ映像の配信システムと連携すせる発展性もある。本稿では IoT センサの電源供ることが可能で，情報発信方法の分散を防止でき給に工事が必要な場所であったが，代替として太る。また，既存システムのない自治体は IoT セン

陽光発電によって電源供給を行った。電源が確保

サで取得した河川状況などのデータを，SNS を用いて発信することで，新規にシステムを構築する必要がなく，防災情報の発信が可能になる。このように各自治体の状況に応じた設置が可能であり，これまでの取り組みと違いがあり有用性がある。
次に，地域住民に対する防災情報の分かりやすさが課題として挙げられる。現在も，洪水時の水位観測に特化した低コストできめ細かな水位把握が可能な危機管理型水位計12）が存在するが，数字のみの情報である水位は地域住民に対する防災情報の分かりやすさとしては不十分であり，避難意識の向上には繋がらないことが予想される。そこ

図4

IoT センサへの電源供給のための独立太陽光発電システムの構成

で，IoT センサによって撮影する画像を用いることで，視覚的な情報として地域住民に対して情報

49

自然災害科学 J. JSNDS 41 特別号（2022 ）を発信し，前述の問題を解決することを試みる。

3. 3

また，将来的には IoT センサに，以下のような機

群馬県甘楽郡下仁田町において IoT センサを設

下仁田町における IoT センサの実証実験

能を搭載し，地域住民の新しい防災ツールとして置し，防災分野における活用の検討を行った（図活用することを目指す。

6 ）。下河原地区上流の鏑川と南牧川の合流地点

危機管理型水位計を参考にした，ランニンである青岩公園に IoT センサを設置し，実証実験

グコストの軽減を目的とする，洪水時のみ高を行っている（図 7 ）。下仁田町におけるソフト

頻度にデータ取得を行う機能

ウェアの開発フローを図 8 に示す。まず，カメラ①

水位計とカメラを連携し，防災情報としてで合流地点の河川状況の撮影を行い，その画像に洪水のような緊急時のみに情報発信する機能

撮影場所や撮影時間の情報を記載する。撮影場所②

は事前に設定をした場所情報が記載され，撮影時
3. 2

令和元年東日本台風の群馬県下仁田町

間は画像データに含まれる Exif 情報から得て記

群馬県甘楽郡下仁田町は群馬県南西部に位置し，載される。その画像を防災情報の発信の取り組み

人口約7,000人，65歳以上の割合が約45％の超高齢社会といった特徴を持つ。令和元年東日本台風
では甚大な被害が発生した（図 5 ）。河川水位が観測史上最大水位を記録，鏑川上流に位置し気象台のある西野牧地区では2019年10月10日（木）から10月13日（ 日 ）ま で の 3 日 間 で 期 間 合 計 雨 量
496.5 mm を記録し，町内全域に避難勧告が発令され，その後，下仁田町で初の避難指示が下河原地区に発令された。その際，役場職員が河川状況の確認に行くことや，住民に対し，車で直接，避難を呼び掛けに行くこととなった。また，下仁田
町は東西に長く，災害発生時のパトロール領域は

図6

青岩公園における IoT センサの設置位置と周辺環境

図7

青岩公園（群馬県下仁田町）におけるIoT センサ設置の様子広大であるため役場職員の人手不足が問題となっている。そのため，災害時，多地点の情報を即時に一括で取得し役場職員が状況把握するだけでなく住民へ発信する必要があった。

図5

令和元年東日本台風の際の青岩公園の様子 13）

50

大川原・井上・大塚・浅見：防災および構造物の維持管理のための安価な小型 IoT センサの開発ならびに実現に向けた取り組み

図8

下仁田町の実証実験における IoT センサのソフトウェアの開発フロー

図10

青岩公園（群馬県下仁田町）における夜間の撮影画像（2021年12月 7 日00時00分）

として SNS（本実証実験では Twitter）へ投稿を10に示す。結果として，IoT センサにより撮影し行う。それら撮影，情報記載，情報発信といったた画像から河川状況の把握が可能であることを確

一連の動作の定期実行をする。以上のようなフ認した。

ローでソフトウェアを開発した。撮影した画像をまた，本実証実験では投稿頻度を 1 時間に 1 回

1 時間に 1 回，Twitter14,15）に自動投稿した。実際としたが，地震や洪水による災害が予想される際の投稿を図 9 に示す。また，Twitter へ投稿するはシングルボードコンピュータである Raspberry

際に画像とともにコメントも投稿することが可能

Pi にリモートアクセスし，どこからでも遠隔でである。

撮影頻度や撮影方法，投稿の際のコメントなどは昼夜では明るさが異なるため，同様の撮影方法プログラムを書き換えることで変更が可能である。

では河川水位を確認するための写真を撮影するこ

本実証実験で行った Twitter は下仁田町の web サとは困難である。そこで，朝と夕方（本実証実験イトにも掲載され，住民に対する防災情報の発信

では6：00と17：00）に撮影方法の変更を行うことや，にも貢献している16）。また，2021年12月24日に設

画像に記載される情報の文字の色を変更するプロ置し，2022年 6 月30日現在まで，問題なく稼働しグラムを作成した。夜間の撮影においては昼間のている。

撮影とは異なり，シャッター速度を遅くすること

本実証実験で用いた IoT センサの総額は電源装によって外灯の光を出来る限り取り込むことで河置を含め，約 5 万円で作成することができ，通信川状況の認識を試みた。夜間に撮影した結果を図費は， 1 ヶ月あたり通信量400MB で月額1,000円となった。ただし，本実証実験では下仁田町管理の立ち入り禁止場所に設置したため，盗難対策などは行わなかった。しかし，人の立ち入りが容易な場合，盗難対策が必須となる。その場合，追加の予算が必要となるが，一般的なセンサは約100万円12）といったように，非常に高額なためそれと比較すると安価である。

4 ．構造物の維持管理への活用の検討
4. 1

IoT センサによる構造物の維持管理

大規模な河川橋梁では，高価な地震計やカメラ
図9

青岩公園における Twitter の投稿による情報発信（2021年12月 7 日16時00分）を用いてひび割れなどの損傷検知をリアルタイムで行っている。しかし，地方自治体の管理するよ51

自然災害科学 J. JSNDS 41 特別号（2022 ）うな小規模な河川橋梁では， 5 年に 1 回の触診や

4. 2 IoT センサによる RC 床版のひび割れの撮影

打音検査による点検が義務付けられているが，技術者不足などの理由から目視点検のみで維持管理構造物の維持管理に IoT センサを活用するため，を行っている。また，ひび割れの起きやすい橋梁

RC 床版のひび割れの撮影実験を行った。IoT セ

上部工下面は，足場などを組み立てなければ技術

ンサはこれまでの維持管理に代わるのではなく，者や管理者が直接見に行くことは困難である。そ点検・パトロール順序の決定やひび割れ過程の追こで，修繕時の足場を利用して，事前にモニタリ跡といった維持管理の一助になることを目的としングを行いたい箇所に IoT センサを設置しておくている。そのため，本実証実験ではひび割れ幅なことで，修繕による効果などの確認が可能になる。

どの詳細なデータを取得せずに，ひび割れの有無

さらに，センサで河川水位の上昇を記録した際や，が安価なカメラを用いて撮影した写真で判断可能

構造物の異常検知をした際にメールなどで知らせか明らかにすることを目的とした。

るアラート機能をプログラムしておくことで，技インフラメンテナンスのためのリカレント教育

術者や管理者が異常を即時把握することが可能に事業である REIM 長岡高専17）（Recurrent Educationなる。また，多数ある構造物，災害が予想されるof Infrastructure Maintenance）の実習フィールド場所に設置することで維持管理作業の効率化や，にある供用後の劣化した RC 床版を対象に IoT セ

災害時の橋梁上の道路通行の判断に役立つことがンサによる撮影実験を行った。RC 床版からカメ期待される。また，開発する IoT センサは地方自ラを 2 m 離して観測を行い昼間と夜間に撮影を治体が管理する小規模な河川橋梁への設置を対象行った（図12）。本実験で用いた UNIROI 社のカとしているため，一団体が管理することは困難であると予想される。そこで，各地方自治体の技術者や管理者が IoT センサの設置から操作を可能にする必要がある。そのためには一定以上の知識が必要だが，マニュアル等を作成することで誰でも使用できるようにする。また，将来的には IoT センサに加速度センサや距離センサを付随することによって得られるデータを数値解析することで，損傷検知や異常検知などの発展性もあると考えられる（図11）。
図12

図11

長岡高専における RC 床版撮影実験の様子

IoT センサによる構造物の維持管理への活用の概要図

52

大川原・井上・大塚・浅見：防災および構造物の維持管理のための安価な小型 IoT センサの開発ならびに実現に向けた取り組み

状況の撮影および取得した画像の情報発信といった実証実験において，防災面における活用方法の一例を示した。また，IoT センサに搭載された安価なカメラモジュールにより劣化した RC 床版を撮影し，取得した画像からひび割れの確認をすることができた。この事は，構造物の維持管理における活用実現性を示した。今後，本稿で示したような IoT センサにより河川状況や構造物のひび割れといった情報を獲得し活用することで，防災および構造物の維持管理において DX 化の促進の一⒜

2021年11月30日15時56分

助になることが期待される。

謝辞

本研究は，一般財団法人野﨑わかば会研究助成のご支援のもと遂行させていただきました。また，
群馬県下仁田町役場，群馬県嬬恋村役場，長岡高専陽田修教授，東京高専小嶋徹也教授，福井高専
芹川由布子助教，株式会社数理設計研究所矢澤正人氏，群馬高専地震工学研究室の皆様にご協力とご助言をいただきました。ここに感謝の意を表す。

⒝
図13

2021年11月30日22時00分

RC 床版下部からの IoT センサの撮影画像

メラモジュールは2592×1944ピクセルの静止画が撮影可能である。夜間撮影は青岩公園と同様である。実証実験の結果，IoT センサで撮影した画像から，肉眼でひび割れを確認することができた。
撮影結果を図13に示す。本実証実験では，カメラのみで実施した。しかし，将来的には加速度セン
サや距離センサ等から取得したデータの有効利用を目指しており，本実証実験では床版の写真により活用実現性を報告する。

5 ．結論

本稿では安価な小型 IoT センサを開発した。また，独立太陽光発電を用いた屋外における稼働も円滑に行われた。今後，雨天などの繰り返しの悪天候の際にも稼働するかの検証も必要である。また，下仁田町で実施した，IoT センサによる河川

引用文献
1 ）藤野陽三・シリゴリンゴ ディオンシウス・並川
賢治・矢部正明：2011年東北地方太平洋沖地震における横浜ベイブリッジの応答，土木学会論文集 A1（構造・地震工学），Vol.69，No.2，pp.372391，2013．
2 ）Zuo Rongzhi・党紀・鵜野禎史・清水和弘・鈴木康寛：IoT センシングによる橋梁支承の変位モニタリング手法の加発，第11回インフラ・ライフライン減災対策シンポジウム講演集．
3 ）小野寺周・吉田善紀・豊岡亮洋・林吾介・高橋
宏寿：変位センサーによる支承部の地震後損傷推定手法の開発，鉄道総研報告，Vol.35，No54，pp.47-52，2021．
4 ）山下善道・内藤裕貴・稲葉修武・根本知明・金井源太，星典宏：営業再開後の通い農業を支援するハウス遠隔監視システムの開発とその展開，
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53

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k00/00m/040/040000c，（2022年 6 月22日閲覧）．
10）後を絶たない台風のときに「川を見に行く人」に は ど ん な 心 理 が は た ら い て い る の か？，
AERA dot.，2019-10-20，https://dot.asahi.com/dot/2019101900015.html?page=1，（2022年 6 月22日閲覧）．
11）国土交通省関東地方整備局：洪水に備えて web
ペ ー ジ，https://www.ktr.mlit.go.jp/river/bousai/river_index0001.html（2022年 6 月22日閲覧）．

要12）国土交通省：危機管理型水位計の概要 web ページ，https://www.mlit.go.jp/river/mizubousaivision/pdf/honshou_kouhyoushiryou.pdf（2021年12月14日閲覧）．
13）下仁田町防災マップ（令和 3 年 6 月発行）https://www.town.shimonita.lg.jp/soumu/m02/m02/
2021bousai_map_all.pdf（2022年 3 月23日閲覧）．
14）Twython 3.8.0 Documentation．https://twython.
readthedocs.io/en/latest/（2022年 6 月29日）．
15）Twitter（@GK_Shimonita）web ページ：https://twitter.com/GK_Shimonita（2021 年 12 月 9 日 閲覧）．
16）下仁田町 web ページ：https://www.town.shimonita.lg.jp/soumu/m02/m02/20211112163758.html（2021年12月10日閲覧）．
17）REIM 長岡高専 web ページ：http://www.nagaoka-ct.ac.jp/reim/（2021年12月 9 日閲覧）．
（投 稿 受 理：2022年 3 月31日
訂正稿受理：2022年 7 月 1 日）

旨

昨今の社会問題として，頻発する自然災害やインフラの老朽化に伴う維持管理作業の増加，少子高齢化，人口減少に伴う働き手の不足等が挙げられる。本研究では，前述した問題を解決することを目的とした安価な小型 IoT センサを開発し，防災情報の取得・発信や，構造物の維持管理に関する実証実験を行った。防災分野における実証実験として，群馬県甘楽郡下仁田町を流れる河川合流部の水位状況を，IoT センサを用いて写真を撮影し，SNS への情報発信（画像投稿）を実施した。また，構造物の維持管理に関する実証実験として，RC 床版下部のひび割れの撮影を行い，IoT センサを用いた構造物のひび割れ検出への適用性について検討した。防災分野および構造物の維持管理に関する実証実験は円滑に行われ，安価な小型 IoT センサ活用の実現可能性を示す結果となった。