四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報120 (2024年6月) 14－20

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 経営企画部

キーワード：

真空式下水道真空弁
遠隔監視Key Words：

中西 美一
細川 輝樹
仲田 誉
久米川 昌浩Vacuum Sewer System
Vacuum Valve
Remote Monitoring

Development of a remote monitoring system for vacuum sewer systems
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agri-Technology Department
Yoshikazu Nakanishi, Teruki Hosokawa, Homare Nakata
Shikoku Research Institute, Inc., Corporate Planning Department
Masahiro Kumegawa

Abstract
Vacuum sewer system is a suitable option to areas where traditional gravity sewer systems are difficult to install.
They specifically work well in areas with subsurface difficulties. (For example : high groundwater tables, sandy
and unstable soils or undulating subsurface )With a vacuum sewer system, vacuum pumps maintain continuous vacuum pressure on the system. In addition,
there are vacuum valves located at each sewage input point that seals the system. When these valves are activated,differential pressure propels the wastewater through the piping to the vacuum station.
Vacuum valves’ smooth working is essential to keep vacuum sewer systems stable; therefore, we have developed
a sophisticated vacuum valve remote monitoring system utilizing modern IoT technology.
It especially equips sensitive microphones to catch subtle air leakage from vacuum valves that could not be
detected conventional monitoring methods.

－ 14 －真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について

1.

設計であること。

はじめに下水道設備は近代国家に不可欠の重要インフラ・停電時にも 24 時間以上全ての機能を維持可能であること。

であり，これまでに様々な方式の下水道システムが開発されている。中でも近年では，大規模な工(2)異常検知時メール通報機能事を必要とせず，我が国特有の起伏の多い地形に・中央監視装置から，異常の検知および復帰を電も適用可能な真空式下水道システムの導入が進ん

子メールにてスマートフォン等に通知可能であ1)2）でいる。 （2020 年度末で 344 システム ）ること。

真空式下水道システムでは，地域の隅々にまで・インターネットに接続された PC，スマートフォ

張り巡らした真空母管に真空弁を装備した汚水受ン等の WEB ブラウザを中央監視装置に接続し，水桝が接続されており，受水桝に一定量の汚水が異常通報先，異常通報条件を容易に設定可能で溜まると真空弁が開き受水桝内の汚水を真空母管あること。

内に吸い込む仕組みとなっている。

(3)WEB 画面による異常監視機能

この真空弁の動作が不調になると，受水桝に接・インターネットに接続された PC，スマートフォ続された住宅からの排水が困難になったり，受水ン等の WEB ブラウザを中央監視装置に接続し，桝から汚水が溢れたり，真空母管全体の真空圧が異常状態のリアルタイム監視が可能であること。

低下しシステム全体の動作が不安定になるという・大規模地震発生時など，インターネット，LTEトラブルを引き起こすため，その常時監視システ回線などの広域通信網が機能停止した場合でも，ムが不可欠となっている。

中央監視装置に PC，スマートフォン等の WEB ブ

本稿では，運用開始から 19 年になる真空式下水ラウザを WiFi 接続することで，異常状態のリア道システムに装備された，無線通信式真空弁遠隔ルタイム監視が可能であること。

監視ステムの老朽化取り換えに際して，当社の(4)WEB 画面による蓄積データ分析機能

openATOMS 技術をベースに開発した，従来にない・インターネットに接続された PC，スマートフォ新機能を盛り込んだ真空弁遠隔監視システム(以ン等の WEB ブラウザを中央監視装置に接続し，下，本システムと記す)について報告する。

異常通報および日報蓄積データの分析が可能であること。

2.

・蓄積データの保存期間は 20 年以上であること。

主な要求仕様発注元の自治体から提示された主な要求仕様を以下に示す。

3.

(1)真空弁異常検知および動作データ収集機能

システム構成本システムは，各受水桝の空気取り入れ管(図・海岸地区に設置されている 60 機の真空弁の動1)に取り付けた樹脂ケース内に収容し，真空弁監

作状況，異常高水位の発生状況，真空漏れの発視装置として機能するセンサユニット(SU,図 1)

生状況を常時監視し，異常検知時には直ちに浄×60 台，浄化センター内に設置し中央監視装置と化センター内に設置した中央監視装置へ通知可して機能するエッジクラウドユニット(ECU,図 3)能であること。

×1 台，ならびにセンサユニット群とエッジクラ・1 日の真空弁動作回数，動作時間，異常検知回数

ウドユニットを双方向にデータ連係する無線通信を計測し，日報データとして中央監視装置へ通ネットワーク(RWN)で構成されており，エッジクラウドユニットは LTE ルータを介してインターネッ知可能であること。
・真空弁監視装置のサイズは 350×63×33mm 以下

トに接続されている。とし，既設の監視装置収容ケース内に設置可能であること。

3.1 センサユニット(SU)・真空弁監視装置は，装置内に内蔵する乾電池で1 年間以上動作可能であること。

従来システムでセンサユニット(以下 SU と記す)に入力されていた情報は真空弁の開閉状態信・真空弁監視装置は，気温：-20～60℃，湿度：0号および異常高水位検知信号のみであり，その監～100%の環境下で 10 年間以上連続動作可能な

視項目は真空弁の所定時間を超える連続開放の検－ 15 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について

知・通報，および異常高水位の検知・通報のみで(1)低消費電力化についてあったが，システム更新に際し，発注元の自治体

受水桝には商用電源は整備されておらず，また，より真空弁の動作回数，動作時間の計測・通報機

住宅や樹木の影になる場所が多く，太陽電池によ能に加え，真空弁不完全閉止に伴う真空漏れの検る電源確保も困難であるため，SU は内蔵乾電池で知・通報機能の実現という課題提示があり，本工1 年以上動作させなければならない。

事の元請けのМ計器様(以下, М計器と記す)と協本システム開発のベース技術として使用した

力してその実現手法を試行錯誤した結果，発注元

openATOMS は IoT システム基盤技術であり，ハーの自治体からのご要望の大部分を実現することにドウェア，ソフトウェアの両面で低消費電力化を成功している。

得意としているため，新たに開発した以下の 2 つSU のハードウェアおよびソフトウェアは全ての機能を追加搭載しているにも拘わらず，電池寿当社で独自に開発したものである。近年では IoT

命は従来システムの 1 年程度から 3 年以上へと大*1*2

用途向けに Arduino や Leafony のような汎用きく延長することに成功している。

ハードウェアが販売されているが，それらの汎用ハードウェアを利用して実用システムを構築する(2)真空弁動作回数・動作時間計測についてことには限界があり，社会に散在する様々な課題先行メーカを含め，本課題を実現可能と回答しの解決に挑戦するためには，最先端のセンサやマたのは当社だけであったとのことであるが，当社イコンを自在に組み合わせるハードウェア設計技

は極低消費電力で動作するパルス計測技術(特許術，ならびに独自 OS を開発できるレベルのソフト第 7397459 号)を保有しており，本課題についてはウェア技術が不可欠である。

本特許技術の応用により比較的容易に実現することができた。
真空弁の 1 日積算動作回数に加えて，1 日積算動作時間，1 日最大動作時間を日報データとして収集できるようにしており，それらのデータから重篤な障害に至る前の，異物の噛み込みなどによる僅かな動作不調もある程度検知可能であることが明らかとなりつつある。
(3)真空漏れ検知について
本課題については，自治体から提供された「真空漏れが発生すると，受水桝からシューシューと音が聞こえる。」という情報を頼りに，空気取り入れ管内に高感度の小型マイク(図 2)を設置し，真空弁の動作後に音量測定を行い，その計測値で真空漏れの有無を判定するという方法を考案するとともに，М計器と協力して試作機による現地試験を繰り返しながら，試行錯誤の末に実用的なハー

図1

空気取り入れ管(左)と SU (右)ドウェアおよびソフトウェアの開発に成功した。
後日の調査で，音量測定で真空漏れを検知する・受水桝に隣接して設置されている空気取り入れというアイデア自体は他の専門メーカにより特許

管に樹脂ケースが取り付けられており，樹脂出願されていたものの，審査請求されなかったこ

ケース内に SU を収容している。とが判明した。審査請求されなかった理由は定か・SU は，上から無線通信アンテナ，電子回路基板，ではないが，当社も直面し最終的には解決した電池，信号接続端子台で構成されている。

様々な技術的困難が実用化を断念させたものと推察される。

－ 16 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について

音量測定時にはマイクの消費電流に加えてマイコンの動作電流が大きくなるため，音量測定のタ

WiFi 経由で PC，スマホなどの WEB ブラウザからアクセスすることで全ての機能を利用できる。
ECU では様々なソフトウェアが動作しているが，イミング・時間・回数を最適化し，消費電力を低その全てをソフトウェアマネージメントシステム減している。
また，真空漏れ音以外にも，汚水の流入音や通を介して遠隔保守可能な設計としており，動作状

行車両音，降雨音などの環境音があり，真空漏れ況の確認，不具合修正，ならびに機能向上のため音とそれ以外のノイズを識別する工夫を行う必要のソフトウェアアップデートは基本動作を停止すがあった。

ることなく遠隔実施することができる。

音量測定による真空漏れ検知手法については，

SU から収集したデータは XML 形式で保存されて一応実用レベルには達しているものの，まだまだいる。XML 形式にはデータがその説明情報である改良の余地があり，より高精度な検知手法の検討キーを持つため，異なるデータ構造が混在した場を行っている。

合でも柔軟なデータ処理が可能であることや，システム間のデータ交換も容易であるという利点があり，ECU でもこの利点を最大限に生かしたデータ処理システムを実装している。
一方，IoT データの保存形式としては XML 形式は冗長であることから，近年では XML の利点を残したまま構造が簡素化された JSON 形式でデータ交換，ならびにデータ蓄積する方式が標準となっており，openATOMS においても順次 JSON 形式でのデータ蓄積・交換への移行を進めている。

図2

高感度小型マイク・高湿度環境中に設置されるため，アクリル樹脂製のカプセルに密封しているが，全面のアクリル薄板が振動板として機能し，周囲音をマイクへ高効率に伝達する設計となっている。
3.2 エッジクラウドユニット(ECU)
図3

IoT 用途では集中型クラウドサービスの提供保ECU証期間よりシステム寿命が長いことが多く，殆どのシステムがオンプレミスで構築されており，本・ECU は、左から LTE ルータ, CPU, LoRa 無線通信モジュールで構成されている。

システムおいても，現場設置型の小型 Linux コンピュータであるエッジクラウドユニット(以下，・無線通信モジュールは屋外の高所に設置し，10mECU と記す)に「データ受信」「データ蓄積」「デーの通信ケーブルで屋内に設置した CPU へ接続しタ解析」「データ参照」などの通常のクラウド機能ている。

を全て搭載している。
ECU には固定グローバル IP アドレスを付与した3.3 高性能クラウドユニット(VCU)

LTE ルータが搭載されており，ECU に搭載されてい１台の ECU に 100 台程度の SU を無線接続可能

る WEB アプリにインターネットあるいはローカルな設計となっており，また，SU の数が 100 を超え－ 17 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発についてる場合は，ECU の増設で容易に規模拡大可能であたため，既存設備を流用して LoRa 無線中継装置をるが，複数台の ECU を IP ネットワーク上で連係す設置した。電源は既設の AC 電源と乾電池を利用しる方式では，それらを統合して仮想的に 1 台の ECUた独自設計の無停電電源装置(バックアップ時間：として扱うことはできないため，必要に応じて100 時間)を組み合わせて構成しているが，無線中IoT 用途専用に設計した高性能クラウドユニット

継装置の消費電力は 0.1W 程度と小さいため，商用(以下，VCU と記す)を運用可能な設計としている。

電源が確保できない場合は名刺サイズの太陽電池（本システムでは不使用）と Li 蓄電池の組み合わせでも運用可能である。

ECU には，SU から無線受信したデータを内部ス

LoRa 技術は従来技術に比べて無線通信性能がトレージに XML 形式で保存すると共に VCU へ MQTT

高く，無線中継装置を設置することなく ECU は全プロトコルにて JSON 形式で送信する機能が搭載ての SU との無線通信が可能であったが，無線中継されており，数万台規模の SU を VCU で一元管理す

装置の運用開始後は 2～3 台の SU が 1 ホップの無ることも可能である。

線中継通信へ自動的に移行したことを確認していVCU では JSON データを蓄積・処理することが多る。

*3

いため MongoDB を使用しており，大量の IoT デー

本システムの無線通信は各 SU から開始され，そタを安全に保管し，柔軟かつ高速な検索処理を可

れには異常検知送信と 1 日分の計測データを加工能としている。

して送信する日報通信の 2 種類がある。異常検知

IoT システムにおいて，集中型クラウドサービ

送信の頻度は非常に少なく，その送信タイミングスの利用を妨げる要因として，前述のサービス期には特別な調整は不要で，万一複数の SU からの送間の保証が得られないという問題があるが，VCU信タイミングが重なっても，LoRa 通信の CSMA お

ではクラウドサービスを利用するのではなく，クよび再送メカニズムが有効に機能し，通信不良はラウドサービスを実行するクラウドサービス実行発生しない。

環境サービスを利用する。openATOMS では個々の一方，日報送信では全 SU からのデータ送信が一IoT システム向けに構築した VCU パッケージを提斉に開始されるため，LoRa の基本機能だけでは対*4*5供し，ユーザは ST クラウド ，AWS ，さくらのク*6

ラウド ，などの好みのクラウドサービス実行環応できず，何らかの調整をしなければ，通信衝突による欠測が多発してしまう。

境サービス上で VCU パッケージを動作させること本システムでは，日報送信を毎日 00:00～01:00で，独自の集中型クラウドサービスを運用するこの間に，各 SU からのデータ送信タイミングを 60とができる。

秒ずつずらすことで，通信衝突そのものが発生し小規模な監視システムを ECU ベースで構築し，ない設計とし，これを実現するために，SU の内部複数の ECU を VCU で統合する設計の利点には，規時計は無線通信による時刻同期メカニズムにより模拡大の容易さに加えて，堅牢性の高さがある。

日本標準時の±5 秒以内に維持している。

VCU の運用はインターネットや LTE 回線に依存しており，その機能停止中は運用できないが，ECU 単

3.5 システム操作 WEB アプリ

位の監視システムはそれらに依存せず運用可能とECU，VCU のどちらを使用する場合でも WEB アプなっている。また ECU の消費電力は 10W 程度と小リの構築スタイルは統一されており，JavaScript

さく停電時のバッテリバックアップも容易である。

を駆使して構成した画面と ECU または VCU のデー
タ管理バックエンドが WEBAPI で動的にデータ通信する，操作性とリアルタイム性に優れた GUI を3.4 無線通信ネットワーク(RWN)
本システムの無線データ通信量はシステム全体実現している。

で 12KB/日程度と非常に少ないため，無線通信技

WEBAPI では複雑なデータ処理メカニズムの構術として 3 ホップまでの無線中継機能を搭載した築が難しいため，アプリケーション毎に専用のLoRa 技術を使用している。従来システムでは，データ処理プロセッサ(ソフトウェア)を実装して400MHz 帯の特定省電力無線技術が使用されておECU，VCU 上で動作させることが多い。

り，エリア内に無線中継設備を 4 カ所設置してい－ 18 －特に ECU では XML データを低速の microSD メモ

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発についてリに蓄積していることから，WEBAPI で要求される・地図上に状態表示することで，異常個所の発見が容易となっている。

日報データや月報データをオンデマンドで生成す
ると WEB アプリの応答速度が著しく低下するため，・地図上の状態表示マークをマウスクリックする

データ処理プロセッサで定期的に参照用のデータと，図 6 のトレンドグラフが表示される。

を生成することで，高性能クラウドに劣らない軽快な操作性を実現している。
WEB アプリの機能の一部として搭載している
現在状態マトリクス(図 4)，機場マップ(図 5)，日報トレンドグラフ(図 6)は，その直観的かつシンプルな設計と遅延の無い軽快な動作が発注元の自治体からも高く評価されている。

図6

トレンドグラフ画面

・全データ蓄積期間(最長 20 年間)のデータを期間指定してトレンドグラフ表示し，CSV データとしてもダウンロードできる。
4.

システム運用実績と効果システム設置から現在までの 3 カ月間の運用実績では，稀に日報通信が不良となり日報データが欠測となる問題を除くと，全て設計時の期待通りに機能している。
（日報通信不良の原因については，
図4

現在調査中。）

現在状態マトリクス画面

これまでの所，監視対象である設備側には緊急・全 60 機場の状態が一目で確認できるように工対応が必要な大きなトラブルは発生していないものの，ECU に日々蓄積されるデータから，これまで夫している。
・マトリクス表中の状態表示マークをマウスク見過ごされていた機器の不調が順次明らかとなり，リックすると，詳細なデータが下表に表示され都度，適切な対応がなされた結果，システム運用る。

開始後に度々発生していた異常通報は徐々に減ってきている。
今後，AI 技術などの活用により，日々の収集データから重篤なトラブルに至る前の変調を自動検知できるようになれば，維持管理コストの低減にも繋がるものと期待される。
監視対象エリアは夏季の海水浴シーズンに汚水量が急増し，さまざまなトラブルの発生頻度が高くなるとのことで，これから本システムの実力が試されることになるが，本システムがトラブルの早期発見に役立ち，ひいてはトラブルの発生自体を未然に防ぐ強力な武器となれば幸いである。
図5

機場マップ画面－ 19 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について［謝辞］
本システム開発の貴重な機会を頂いた自治体様，本システム更新工事の元請けとして，最大限の努力を行って頂いたМ計器様，ならびに当社内関係各位に心より感謝し，本報告のまとめと致します。

[参考文献]
1）真空式下水道システム(機械設備・電気設備)
修繕・更新の手引き，一般社団法人日本産業機会工業会真空式下水道システム委員会，2016.7
2) 真空式下水道システム委員会「都道府県別全国採用実績 2020 年度実績」＊1 Arduino
オープンソースハードウェアとして開発・普及しているマイコンボード。
ハードウェアだけでなく優れた統合開発環境(Arduino IDE)も無償利用可能である。
＊2 Leafony
小型・低消費電力を特長とするオープンソースのマイコンおよび周辺デバイスボード。
開発環境は Aruduino IDE などを使用する。
＊3 MongoDB
MongoDB Inc.が開発・配布しているドキュメ
ントデータベース。IoT システムで扱われるJSON 形式のデータを高速かつ柔軟に蓄積・検索できる。
＊4 ST クラウド株式会社 ST ネットが提供しているクラウド
サーバーサービス。
＊5 AWS
Amazon Web Serivce, Inc.が提供しているクラウドサーバ―サービス。
＊6 さくらのクラウド
さくらインターネット株式会社が提供しているクラウドサーバ―サービス。

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