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NICT サイリアルシミュレーションワークショップ

IoTを活用したインフラモニタリングへ向けたセンサー情報モデル標準化の取り組み

2020年1月27日
沖電気工業株式会社

本取組みの一部は、総務省 戦略的情報通信研究開発推進事業「インフラモニタリングにおけるインフラ3DモデルとIoTセンサ情報モデルの異分野間連携に関する研究開発と標準化」の委託を受けたものです。

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背景： インフラ維持管理の現状
インフラの長寿命化 ⇒ 国の重要施策の一つ

2023年に50年超過：
70万橋の43%
築30年～50年を超えるインフラ数増加に対する長寿命化対策
1万トンネルの34%

災害の影響、復旧の効果確認

インフラの維持管理の課題
点検・診断は専門家による近接目視点検が基本 （知識・ノウハウ）
高齢化・若年層減による土木技術者不足、管理者（公共団体）の予算不足
設計図面、点検調書、補修履歴など多くの異なる様式の文書・データ

ICT活用による効率化・高度化
日本再興戦略： 建設生産プロセスにおいてICTの全面的な活用を推進
インフラモニタリング技術： SIP等で研究開発、一定成果
IoT技術： ホーム、シティ、インダストリー等でIoT機器・サービスが利用可能

標準化
個別システムを構築するとデータ連携や将来的なデータ継続性に課題
IoTの利用者業界（バーチカル）が最適な技術を利用できる環境整備が必要
IoT 分野でインフラモニタリングの国際的な認知を高め、モニタリングシステ
ムの要求条件、アーキテクチャ、情報モデル等を共通化
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インフラモニタリングとは
インフラモニタリング
構造物等の状況を常時もしくは複数回（常時/定期/不定期、最低2時点）で計測し、状態の変化を客観的に把握する技術⇔ これに対し従来の「点検」は構造物の状況をある時間断面で計測し、基準等に照らして評価する技術（定期点検）
出典： 国土交通省 「社会インフラのモニタリング技術活用推進検討委員会」 第1回資料５より抜粋（TTCは同委員会の専門委員）

インフラモニタリングシステム
下記を実現するためのシステムとする
構造物の状態変化を把握する技術(上記インフラモニタリング）
ネットワーク等を介したデータ収集
データの保存・蓄積、および必要時に活用する技術
出典：モニタリングシステム技術組合（RAIMS）；土木構造物のためのモニタリングシステム活用ガイドライン【床版モニタリング編】、平成30年3月、https://raims.or.jp/→ IoTの適用による効果が期待できる （仮説）2020/2/5© Copyright 2020 Oki Electric Industry Co., Ltd.

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インフラ維持管理システムへのIoT適用の課題
想定： インフラ管理とIoTでは、現状サイバーフィジカルシステムが連携していない
現状

各種データ

← 連携方法未定 →インフラ
維持管理
システム

センサー情報モデル

サイバー
IoT
モニタリング
システム

フィジカル

設計図面
点検調書
工事・補修履歴など

センサー

仮説： インフラ3Dモデルを経由して両システムを相互運用できるのではないか← 3Dモデル経由で相互運用 →標準化の狙い

ここは インフラ3Dモデル ←連携→ センサー情報モデル
別分野で3D ｲﾝﾌﾗ３Dﾓﾃﾞﾙ
IoT
インフラ検討
維持管理
モデリング
モニタリング
システム
システム
システム
各種データ

設計図面
点検調書
工事・補修履歴など

インフラ

センサー

サイバー

フィジカル

取組： インフラ3DモデルとIoTシステムの連携に用いる「センサー情報モデル」を標準化
出典：TTC技術レポートTR-1074「インフラモニタリング情報モデル標準化のためのガイドライン」、2019年3月15日制定、一般社団法人情報通信技術委員会、P14 図6に加筆
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インフラモニタリングにおける「センサー情報モデル」とはセンサーデバイスの設定・制御項目、およびセンサで計測するデータの属性などに関し、システムやベンダーに拠らず共通化できる項目を、プラットフォームやネットワークに依存しない汎用的な「情報モデル」として仕様化するもの
標準準拠のセンサーやシステムを使うと一定のモニタリング結果が得られる事を狙う
 デバイスの制御、機能
On/off

開始/停止

条件設定

コンピュータシステム

 計測データ値、属性
温度
振動

湿度
歪み

電力量
腐食

変位設定・制御

収集

センサー
デバイス

温度計

センサーの例
電力計

振動計

腐食計

歪み計

変位計

通信形式（例）

デバイスやデータの名称、形式

コンピュータシステムとセンサーデバイス間でやり取りする情報

センサー⇒ コンピュータとセンサー間でやり取りする
情報を情報モデルとして仕様化

情報のフォーマット⇒ プラットフォーム（Web、スマホ、IoT、・・・）※用途や目的により選択肢が有るべきネットワーク⇒ 通信プロトコル（LPWA、LTE、5G、・・・）
通信媒体（有線、無線、・・・）
回線（有料通信サービス、自営、・・・）※用途や予算により選択肢が有るべき情報モデルの規定
コンピュータが扱う情報の共通事項を取り決め、仕様として記述

湿度計

設定項目、イベント等（デバイス情報モデル）
計測
データ

属性情報
（メタデータ）

出典：TTC技術レポートTR-1074「インフラモニタリング情報モデル標準化のためのガイドライン」、2019年3月15日制定、一般社団法人情報通信技術委員会 、P13 図5に加筆
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標準化の取り組み
IoTインフラモニタリングに関する業界横断の議論を目的とし、スマートIoT推進フォーラム 技術戦略検討部会 技術・標準化分科会にインフラモニタリングTFを設立（2017年12月）
2018年度にTTC IoTエリアネットワーク専門委員会へ標準化提案開始
提案者

産官学連携

国内 標準化機関

課題提起、情報提供、標準化提案

研究開発
プロジェクト等

国内標準化
提案

インフラモニタリングTF(リーダーOKI)

連携［分科会長：丹康雄（JAIST/NICT）］

TTC（情報通信技術委員会）
SWG3603/3604
IoTエリアNW専門委員会［委員長：布引純史（NTT）］

IoTを用いたインフラモニタリングに関する情報交換、標準化・方針に関する合意形成
メンバ：道路管理者、建設会社、土木コンサル、関連業界団体、計測器ベンダ、ICTベンダ、大学、研究機関、ほか

国際標準化
提案

IoT エリアNW専門委

スマートIoT推進フォーラム
技術・標準化部会
業界の取り組み等

国際 標準化機関

ITU-T SG20
提案

(IoT and SC&C)
ITU’s Telecommunication
Standardization Sector

インフラモニタリングで共通に利用する
IoTセンサ情報モデルの国内標準化

インフラモニタリングがIoTの利用業界（バーチカル）の一つとして認知されることを目指す

関連分野の業界団体、国内標準化団体（bSJ等）

関連分野の国際標準化団体（bSI, ISO、等）

出典：(一社)情報通信技術委員会 IoTエリアネットワーク専門委員会 第54回SWG3604 会合資料、沖電気工業株式会社、2019年4月9日、およびスマートIoT推進フォーラム 技術・標準化分科会 インフラモニタリングタスクフォース 第10回会合資料、Infra-mon-tf-No10-5、2019年3月19日
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標準化するインフラモニタリング情報モデル
標準化対象

意味

① センサーデバイス情報モデル

センサ機器の属性、設定条件、発生イベント、データ収集単位などを示す② メタデータ情報モデル

計測・収集したデータの属性を示す（生データと特徴値抽出等の加工データがある）③ 設置情報モデル

モニタリング対象とする構造物とセンサーの関係を示す（インフラ3Dモデル）

TTC標準化対象外、IFC Bridge等の検討を参照
センサーアプリケーション

インフラモニタリング用センサ

モニタリング／データ解析

モニタリング対象構造物

サーバー等

センサーデバイス、 ゲートウェイ

インフラモニタリング情報モデル

標準化対象

取り扱う情報のネーミング、モデリング手法、記法、など
インフラ3Dモデル③設置情報モデル

橋梁名

取付日
橋梁名
取付方法
部位名 センサ名

床版．．．

部位名

①センサーデバイス情報モデル
トリガーセンサ名

計測開始時刻測定周波数

デファクトIoTプラットフォーム技術（機能、処理、通信プロトコル、API、モデリング手法など）②データ情報モデル（メタデータ）
計測．．．

oneM2M
AEAE

CSE

CSE

計測時刻．．．

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞﾚｰﾄ

温度．．．

計測時刻
処理法

補正

生データ

加工データ

OCF

WoT

出典：TTC技術レポートTR-1074「インフラモニタリング情報モデル標準化のためのガイドライン」、2019年3月15日制定、一般社団法人情報通信技術委員会、P14 図7
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センサーデバイスの情報モデルの構成（案）
ユースケース
一般的なIoTモデルをインフラモニタリングに適用する場合に、標準化するセンサー情報モデルのユースケース、参照モデル、要求事項などを整理し、技術レポートに纏める

センサー情報モデル
インフラモニタリングで一般に利用されている、加速度、画像、変位、光ファイバーセンサーを検討順次拡張できる形式とする
domaininfrastructure

技術レポート） インフラモニタリング情報モデルのユースケース

標準1) インフラモニタリング向けセンサー共通モデル
デバイスのスーパークラス

id:device installation

id:device sensor

device type毎に継承

各デバイスに共通の属性

Sensor device

common property

Measured data

metadata

common property

標準2) 標準化するセンサーを順次選定 (以下一例)
device 加速度センサー

device 画像センサー

device 変位センサー

device 光ファイバセンサー

出典： スマートIoT推進フォーラム 技術・標準化分科会 インフラモニタリングタスクフォース 第10回会合資料、Infra-mon-tf-No10-5、2019年3月19日 に加筆
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モニタリングシステムの機能構成とユースケース例
インフラモニタリングの特性を反映したIoTシステムを想定、情報モデルの利用例を解説
管理拠点

モニタリングシステム機能

ユースケース（例）モニタリング拠点（管理事務所等）

アプリケーション
モニタリングプラットフォーム
広域ネットワーク

IoTエリアネットワーク

緊急対応

分析

異常検知
拠点サーバ
常時収集

クラウド常時収集

劣化解析

クラウド
定期収集
LPWA
サービス

管理者の社内LAN

GW

インフラ

サーバ

PC

定期／不定期
巡回収集

ハンド
キャリー

巡回車両

GW
無線など

マルチホップ
自営無線

変換器＋ロガセンサーデバイス

長期保存監視・可視化

モバイル
データ通信

専用ケーブル2020/2/5

参照点（設置情報ﾓﾃﾞﾙ）

ゲートウェイ

現場（インフラ毎）

データ連携・検索

参照点（ｾﾝｻﾃﾞﾊﾞｲｽ情報ﾓﾃﾞﾙ）

保存活用拠点（統括部門等）参照点（ﾃﾞｰﾀ情報ﾓﾃﾞﾙ）（標準化向けアーキテクチャ）

データロガ

記憶媒体

センサ

センサ
センサ

センサ
センサ

センサ

センサ

インフラ

インフラ

インフラ

インフラ

インフラ

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現在までの標準化成果物
標準化
団体

分類

文書名

TTC

標準

JJ-300.30 「橋梁モニタリング用. 加速度センサの 2017年5月
情報モデル. 及び低消費電力無線通信における動作」
JJ-300.xx 「IoTセンサーデバイス共通情報モデル
（仮）」

検討中
(2021年3月見込)

TR-1066 「橋梁モニタリングのための. 低消費電力無線通信方式ガイドライン」

2017年3月

TR-1074 「インフラモニタリング情報モデル.
標準化のためのガイドライン」

2019年3月

TR-1081 「インフラモニタリング情報モデルのユー
スケース（仮）」検討中(2020年3月見込)

Supplement（補遺）

Y Suppl. 56 “ITU-T Y.4000-series – Use casesof smart cities and communities”

2019年12月

Recommendation（勧告）

Y.Xxxx “Requirements and functionalarchitecture of IoT infrastructure monitoring”（仮）検討中（2021年見込）

技術
レポート

ITU-T
SG20

2020/2/5

日付© Copyright 2020 Oki Electric Industry Co., Ltd.

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まとめ： インフラモニタリングにおけるIoT活用
3DデータとIoTセンサーデータを自動連携するために情報モデルを検討した
有用な情報を提供するためには、構造力学などの専門知識のモデル化が重要
非常に緩やかな変化が長期にわたって起きる（50年以上：予測の実証困難）
多様な関連知識（鋼, コンクリート, 土, 交通,気象,） 各分野の知識モデル、データ連携要構造物3Dモデル

インフラ管理に有用な情報

連携データ

構造力学の知識モデル間の関係（オントロジーマッピング、位置情報等で関連付け）（劣化度合など）

センサー情報モデル
その他のデータ
設計図面
点検履歴
工事履歴 ・・・
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考察：多様な関連データ・知識の連携～デジタルツイン
構造物単体の状態検知から、予防保全へ：複数の事象を包括した分析・予測が必要
種々の異なる分野のデータと、分野毎の専門知識のモデルが必要
デジタルツインはこれらを連携する有効なツールになる？
デジタルツインインフラ現場

アウトプットシミュレーション、予測
知識モデル

イベント（通勤、娯楽、）

知識モデル

交通量
（荷重、頻度、時間帯、）

インフラ管理の高度化・効率化

関係知識モデル

天候(雨量、気温、湿度、)

知識モデル

構造物データ（点検、診断、履歴、）

事後保全から予兆保全へ
補修・補強、交通規制などのタイミング最適化

関係

関係

事象
（ひび割れ、たわみ、）関係

センサー計測値（画像、振動、変位、）
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…

・・・

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デジタルツイン／シミュレーションの活用（一案）
構造物の挙動のシミュレーション
センサ設置場所の選定、正常データの範囲の特定などに活用？

長期にわたる経時劣化のシミュレーション
機械学習のインプット等としても活用できる？

突発的なイベントの影響のシミュレーション
震災、台風等後の供用判断などの優先度、しきい値決定に活用

構造全体の変化から、劣化箇所の特定等
経年変化パターンのシミュレーション結果を学習、分析し推定

センサー測定品質、アプリ品質の評価
実データとシミュレーション値の比較など

新しいセンサや分析手法の研究・開発
これらの蓄積からセンシング方式や分析手法を推定

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補足

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oneM2M SDT3.0の構成イメージ
SDTによるデバイスの構成

deviceoneM2M TS-0023 図5.2.1-1

ｾﾝｻｰﾃﾞﾊﾞｲｽ
deviceType
加速度センサー変位センサー
画像センサー
光ファイバーセンサー

簡略図（イメージ）

シンプルなデバイス

DomainDeviceSubDevice
Module
DataPoint
ActionEventProperty

Device：Module機能に関係する変数

Property
デバイス固有の属性

ModuleClass
2020/2/5

installation Infomeasured Data
moduleClass
module加速度
固有振動周波数

傾斜角度
変位量
共通Property© Copyright 2020 Oki Electric Industry Co., Ltd.

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情報モデリング手法
oneM2Mの SDT3.0テンプレート を利用

出典：oneM2M TS-0023 “Home Appliances Information Model and Mapping,” Figure 5.2.1-1: Design Structure of the Home Appliance Information Model using SDT 3.0.

SDT構成要素Domain
ドメイン
Module Class
2
モジュールクラス
Device3
デバイス
Sub Device
4
サブデバイスModule5
モジュール
1

2020/2/5

••
•
•
••••
•
•

概要

Moludeの構成要素

ネームスペースを示すユニークな名前含まれるモジュールやデバイスを一意に参照
Action, DataPoint, Event, Propertyで構成
単一サービスを示し、Device間で再利用可モデル化するセンサ等の実体
ModuleとPropertyで構成、SubDeviceで階層化可
Deviceに機能を追加する実体
ModuleとPropertyで構成
DeviceまたはSub Deviceに特有のサービス
Module Classから生成されDevice/SubDeviceに包含

Actionアクション
DataPoint
7
データポイント
Events8
イベント
Property
9
プロパティ
Doc
10
ドキュメンテーション
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概要
••
•
•••
••
••

Deviceの操作
Moduleに含むDeviceのステートレス機能の１態様
読/書/両方が可能、Moduleに含む
Deviceに特定の事象の発生を公開
Moduleに含む
機能に直接関係しない付加情報
DeviceまたはModuleに含む機能に影響しない補足説明の記載
全構成要素に含む

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加速度センサデバイス情報モデルの例 TTC標準JJ-300.30（第１版）（Domain）
TtcInfrastructure0..*（Device）
deviceAccelerationSensor

1..*

1..1
(moduleClass)trigger

1..*（module）
measuredData1..n（module）
measuredTime

1..*（module）
Measurement
Trigger

1..1

1..1
1..1

（module）
EarthquakeTrigger

1..*

1..1

(module)Device Time

1..1

1..*
1..1

1..1
(module) Battery(module)Initialization

0..*(DataPoint)
Read
MeasuredDataX/Y/ZcurrentTime (sec)currentTime (ms)samplingRate (Hz)range (mG)measuedAxes
packetCountbatteryVoltage (V)deviceTemperature (C)outsideTemperature (C)

センサ情報モデル

メタデータ

デバイス情報モデル（DataPoint）
Read/Write
startTime (time)
duration (min)（DataPoint）
Read/Writeaxis
range (mG)acceptNewTrigger (y/n)
samplingRate (Hz)
preTriggerMeasurement
afterTriggerMeasurement
thresholdX/YZ(Event) triggerAlarm（DataPoint）
Read/Write
currentTime (sec)currentTime (msec)（DataPoint）
battery(V)

1..1

1..1

（DataPoint） ReadcurrentTime (sec)currentTimeIn (msec)

Read(Action) initialization

出典：TTC標準 JJ-300.30 「橋梁モニタリング用加速度センサの情報モデル」、2017年5月25日制定、一般社団法人情報通信技術委員会 、P11図3
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インフラモニタリング関連のモデリング標準化動向
地形情報モデルBIM

構造物の3Dモデル

IFC-Rail, Road, P&H, Tunnel

IoT IoT センサー情報モデル

IFC-Bridge

連携

センサー情報モデル

IFC (Industry Foundation Class)
GML (Geography Markup Language)
インフラ
モニタリングに関する標準

bSI (buildingSMART International)bSJ (buildingSMART Japan)
土木構造物（橋・道路・トンネル等）(Open GeospatialConsortium)

切り土・盛り土、道路、河川等
主要標準化
団体

計測データ

センサー

標準化
対象
2020/2/5(Smart Device Template)

oneM2M

OGC

キーとなる標準技術

SDT© Copyright 2020 Oki Electric Industry Co., Ltd.

oneM2M,

アーキテクチャ

WoT 等
センサー、計測データ等

TTC（国内標準）

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センサーデータ可視化の例
加速度データ

変位データ

リアルタイムに波形を観測
スペクトル解析により固有振動周波数の異常値を検出可能
X軸

温度変化による水平方向の変動を観測
継続計測により年間変動の検証が可能
温度

Y軸

垂直変位

Z軸
水平

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