四国電力，四国総合研究所
研究期報１０９（2018年12月）
６－１３ページ

無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発㈱四国総合研究所 土木技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 土木技術部
四国電力㈱
土木建築部
四国電力㈱
土木建築部

キーワード：

加速度モニタリング
振動
無線式
多点同期
MEMS

Key Words：

天野雄一朗
中西 美一
山﨑 崇寛
岡田 将敏
木戸 智之

Acceleration Monitoring
Vibration
Wireless TypeMultipoint Synchronization
Micro Electro Mechanical Systems

Development of the structural vibration multipoint synchronization
monitoring system ”Swing Minder”

Shikoku Research Institute, Inc., Civil Engineering Department
Yuichiro Amano, Takahiro Yamasaki
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics Technology Department
Yoshikazu Nakanishi
Shikoku Electric Power Co., Civil & Architectural Engineering Department
Masatoshi Okada, Tomoyuki Kido

Abstract

Newly developed low cost MEMS based acceleration sensors have enough accuracy and stability to monitor
shaking of facilities caused by earthquake and analyze damages of facilities after strong shaking.

We havedeveloped a practical shaking monitoring system using the MEMS based acceleration sensors and the 920MHz
multi-hop radio communication technique that can offer reliable radio wave communication even in large scale
facilities. It is required to install an acceleration sensor unit on each floor to evaluate damages of facilities due toearthquake. In this kind of system, each sensor unit’s base clock has to be highly synchronized to the master clock
to minimize acceleration phase synchronization error. In the developed system, the acceleration phasesynchronization error among multiple sensor units could be contained three milliseconds based on ourpatent-pending technology.

－6－無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発

1. はじめにタンプを用いた時刻同期手法を提案しており，大規模な地震発生時においては，建物の安全性

RC 造の実建物での同期精度の実証がなされていを迅速に判断する必要があり，判断手法の一つとるが，1 つのセンサで 2 つの MCU を使用していして応急危険度判定士による危険度判定制度がるなど機器の構成や制御プログラムがやや煩雑整備されている。この方法は判定士が現地で建物となっている。また，高瀬ら 2)が橋梁を対象としを確認し，損傷具合や傾きなどから総合的に判断

透過性，伝達性に優れた 920MHz 帯の通信によするもので，非常時であるため人的確保の観点かる加速度やひずみの計測システムを構築していら被害対象建物が多数に亘る場合は，たとえ防災るが，同期手法としては屋外のため GPS 同期手

拠点などの重要性の高い建物であったとしても法を採用している。

迅速な診断を行い災害復旧拠点としての安全性

このような背景から本研究では，より安価で施を判断できるとは言い難い。

工性の高い無線式の振動多点同期モニタリング

昨今，橋梁などの構造物や高層建物を対象としシステムの開発に併せ，耐震壁などの障害物の多た加速度センサや変位計などを用いた多点同時

い建物内での使用を考慮した 920MHz 帯の通信計測による振動モニタリングシステムが普及しモジュールによる高精度の時刻同期手法を確立

はじめている。このシステムを利用することによすることを目的としている。

り地震直後に瞬時に地震時の構造物や建物の挙
2. システム概要

動を解析し被害状況を推定できる他，場合によっては避難警報等を情報発信することや遠方に被本研究で開発している無線式振動モニタリン

災状況を発報することが可能となってきている。

グシステム（以降，Swing Minder）は，中西 3) 4)

これらのシステムを導入することで，これまでのが開発に取り組んできたオンデマンド・モニタリ

応急危険度判定の課題解決が可能と考えられる

ング技術 openATOMS®を応用した計測システム

ものの，これらのシステムは計測センサやロガーを用いている。これまでは ZigBee などに代表さなどの計測機器が有線式のもので構成されていれる 2.4GHz 帯を利用していたが，920MHz 帯をることが多く，機器本体や機器の設置にかかるコ

利用することで，屋外での１ホップの通信距離がストが高いこともあり，いまだに導入が進んでい電波出力 20mW で最大 1,000m 程度と長距離対ないのが現状である。

応ができ，30 ホップ程度までのマルチホップ機

近 年 ， MEMS （ Micro Electro Mechanical

能を活用し自動的に無線通信経路の構築も可能

Systems）技術による超小型，低価格，高性能のとなる。また，無線ネットワーク全体を間欠動作

加速度センサの開発や従来から使用されているさせることにより，無線通信デバイスを低消費電

2.4GHz 帯に加え，障害物の透過性，伝達性に優力動作させることができるため，電源確保の困難れた 920MHz 帯の高性能通信モジュールの開な場合でも大規模な無線通信ネットワークを構発・普及，高性能 MCU（Micro Controller Unit）

築し易いという特徴を持つ。しかし，連続動作時の汎用化および省電力化を背景に，配線が不要なの通信速度は 100kbps と比較的高速であるが，無線式で電池でも長期間計測が可能なモニタリ

低消費電力化の為に間欠動作とした場合は通信

ングシステムの構築が可能となっている。しかし，速度が低下する。
Swing Minder は図 1，2 に示すように，デー

多点同時計測による振動モニタリングで最も重要とされているセンサ間の時刻同期については，

タ収集ユニット：NC（Network Computer）と時間軸を高精度で合わせる必要があり，GPS 時

複数のセンサユニット：NICE（Networked

刻同期のように高精度であるが屋外でのみ使用

Intelligent Cell）で構成しており，NICE から通できる同期手法だけでなく，GPS 電波の届かな

信されたデータは NC に集約し，3G/LTE などのいような屋内でも使用できる同期手法の確立がインターネット回線を経由して，外部の遠隔監視必須である。

端末などにデータを送信する仕組みとした。デー

既往の研究では，澤田ら が 1250MHz 帯の特タは csv 等の汎用データ形式に変換でき，遠隔で定小電力無線を使いブロードキャストタイムスの解析が可能である。NICE は 32bit の MCU を

1)

－7－

無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発

搭載しており加速度データを収集し遂次記録媒

地震時における建物の安全性を評価する指標体（microSD）に保存しながら，リアルタイム

としては一般的に層間変形角が使用されている。

FFT 演算処理などが可能な仕様とした。ネット

本システムでも層間変形角を指標として建物のワーク上の通信速度の制約上，単位時間あたりに構造を評価する。また，NICE を設置した各階の送信できるデータ量が制限されるが，あらかじめ加速度から天井などの内装材や建築設備などのNICE でデータ処理して必要なデータのみ送信

2 次部材の評価を実施する。層間変形角は，地震することで解決を図った。また，記録開始となるを受けている間の加速度データをもとに加速度

加速度の閾値は各 NICE で設定することができ，を 2 回時間積分することにより時刻歴の変位量必要なデータのみ取得することで前述のデータを算出し，この結果に建物の階高などの情報を加送信制限に対応できる。

えて算出する。この層間変形角をクライテリアと

地震時や災害時には，長時間の停電が発生する

比較し，建物の安全性を評価する。

と懸念されるが，NICE には常用のコンセント給
3. 時刻同期手法と同期精度

電に加えバックアップ用の電源としてリチウムイオン電池を備えており，数日間は電池のみで作MEMS 加速度センサが標準で装備している動できる。また，NC は無停電電源装置から給電

RC 発信器では，発信周波数精度が悪く 100msを行うことで，停電時にも継続的に稼働できる。

単位での時刻同期は可能であっても，地震波の計

加速度センサは，安価で高精度な MEMS の 3 軸測に必要とされる 10ms 以下の同期は困難であ

加速度センサを採用し，加速度は 0.1～8000 gal，った。そこで，各 MEMS 加速度センサに高精度

水平傾斜角は 0.01°単位での計測が可能である。

なプログラマブル MEMS 発信器（誤差 0.002%

計測開始のトリガー機能として，各 NICE で設以下）を導入することにより任意の間隔で正確に定する閾値の他，トリガーとなる NICE からの信時刻を刻むことが可能となった。また，NC と号や外部入力による計測開始を設定することがNICE の間では，1 分おきに定期的な無線通信にできる。初期微動などを計測するため，計測開始

よるタイムスタンプを発信することで正確な時より以前の 10 秒間のデータと，トリガーの閾値

刻同期を行い，これらを組み合わせることで，当を下回った後，任意の時間のデータが計測可能な初目標としていた時刻同期精度である±5ms 以下設定にした。各設定は microSD 内の設定ファイを達成することができた。時刻同期精度を確認す

ルを書き換えることで簡単にできる。また，試作るために，複数台の NICE を，同一の加振台で同型 NICE は 175×125×60(mm)の樹脂製の箱体に時に加振する試験を実施し，同期誤差が±5ms 以

納め，狭い場所でも設置できる寸法とした。

下となることを確認している（図 3）。
通信
モジュール

MCU

3G/LTE
ルータ

通信
モジュール

加速度
センサ

125mm

MCU

図1

Swing Minder のシステム構成図

－8－

図2

175mm

電池

機器外観(上図：NC 下図：NICE)

無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発

NICE 同期試験
NICE014

4. 加振試験の概要

NICE02

NICE03 NICE01

NICE02

NICE03

3.58

3.6

0.2
3

Swing Minder の計測精度検証のために，モッ

02

各層の加速度時刻歴を計測した。
4.1 モックアップを用いた加振試験

3.56
-0.2

1
0
-1

図 4 に示す高さ 595mm，重量 20.77kg のモッ-2

クアップに 1 個 580g の加速度計 NICE を振動台

-3面，3 層目，5 層目の計 3 台を乗せ，図 5 の小型

-4

2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
加速度(m/s2)
4.7
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6

加速度（m/S2)

クアップや実大試験体を用いた加振試験を行い，

-0.4
-0.6

-0.8
-1

経過時間

時刻（ｓ）

振動台で加振試験を行った。なお，本試験では基図3

NICE 同期試験結果

準加速度計を設置せずに，NICE と同位置にワイヤー変位計を設置し，変位を基準値とした。入力
波は，El-Centro 波の NS 成分で，加振方向は X
軸方向である。
4.2 実大試験体を用いた加振試験
図 6 に示す高さ 2,512.5mm，重量 1,524kg のヒノキの実大試験体に 506kg のおもりを乗せ，
図 7 の大型振動台で加振試験を行った。
振動台面と梁上に NICE を設置し，基準加速度計として ARS-200S001（東京測器研究所製）を設置した。入力波は，試験体の固有振動数 2.3Hzを含む Sweep 波 2～3Hz で，加速度を 10gal と50gal の 2 パターンとし，加振方向は X 軸方向とした。

図 4 モックアップ立面

図 6 実大試験体立面

図 5 小型加振台外観図 7 加振試験状況

5. 加振試験の結果
5.1 モックアップを用いた加振試験結果
モックアップを用いた加振試験では，変位を比較するため，等時間間隔∆𝑡ごとに，得られた加速度の時刻歴𝑦̈ (𝑡)を積分して速度𝑦̇ (𝑡)，変位𝑦(𝑡)を求める。時刻𝑡 + ∆𝑡における速度および変位は式(1)，(2)，求めた変位を基線補正した修正値𝑦̂(𝑡)は式(3)～(5)で表される 5）。ここで， T は継続時間とした。計測した加速度の時刻歴から式(1)~(5)を用いて応答変位を算出し，各層ごとにワイヤー
𝑦̇ 𝑡+∆𝑡 = 𝑦̇ 𝑡 + (𝑦̈ 𝑡 + 𝑦̈ 𝑡+∆𝑡 )

変位計の値と一致するか検証した。
NICE の加速度を積分して求めた応答変位とワイヤー変位計の値を比較して図 8 に示す。振動
台面では最大 0.21cm，3 層目では最大 0.29cm，

(2)

1
1
𝑦̂(𝑡) = 𝑦(𝑡) − ( 𝑎0 𝑡 2 + 𝑎1 𝑡 3 )
2
6

(3)

度を用いて算出した応答変位の方が大きくなったが，最大変位が約 3cm であることから精度良𝑦̇ (𝑇) − 𝑎1 𝑇 2 /2
𝑇

(4)

28 1
15 𝑇
∙ [2𝑦̇ (𝑇) − 5 ∫ 𝑦(𝑡)(3𝑇𝑡 2 − 2𝑡 3 )𝑑𝑡 ]
13 𝑇
𝑇 0

(5)

𝑎0 =

く計測，解析ができていると考えられる。また，
ワイヤー変位計で計測した値と概ね一致した。

－9－

(1)

𝑦̈ 𝑡 𝑦̈ 𝑡+∆𝑡
𝑦𝑡+∆𝑡 = 𝑦𝑡 + 𝑦̇ 𝑡 ∆𝑡 + ( +) (∆𝑡)23
6

5 層目では最大 0.30cm，NICE で計測した加速

高層になるにつれて誤差が若干大きくなったが，

∆𝑡
2

𝑎1 =

無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発

5.2 実大試験体
実大試験体を用いた加振試験では，NICE の加速度と基準加速度計で計測した値が一致するか検証した。NICE の加速度と基準加速度計の値を比較した結果を図 9，10 に示す。Sweep 波 10gal

振動台面の場合，振動台面では最大 4cm/s2，梁上では最大 5cm/s2，NICE で計測した加速度の方が大きくなった（図 9）。Sweep 波 50gal の場合，振動台
面では最大 5cm/s2，梁上では最大 17cm/s2，NICEで計測した加速度の方が大きくなった（図 10）。
梁上の方が振動台面より誤差が大きくなったが，３層目

基準加速度計の値と概ね一致した。
6. 実建物でのシステム検証
これまでの加振試験等で，NICE 間の同期精度

５層目や計測精度については有線式の加速度計測シス
テムと比べて，遜色無く計測に使用することがで

図 8 時刻歴変位の比較きる仕様であることを確認した。
Swing Minder を建物に設置する場合には，伝送の障害となるコンクリート耐震壁や床スラブ等の影響を考慮する必要がある。今回，RC 造や鉄骨造を対象とした実証試験として T ビル（徳島

振動台面

市，RC 造：8 階建＋PH），K ビル（高知市，RC造：8 階建＋PH），N ビル（四万十市，鉄骨造：

梁上

図 9 時刻歴加速度の比較（Sweep 波 10gal）

図 11 N ビル設置状況図（左図：ビル外観 右上図：NC，NICE 設置状況（最上階）
右下図：NICE 設置状況（5 階シャフト））

振動台面

NICE
NICE
NICE

層間変形角

小破？中破？

NICE

梁上

図 10 時刻歴加速度の比較（Sweep 波 50gal）

図 12 層間変形角の解析イメージ－ 10 －

無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発

7 階建＋PH）の 3 建物の各階に Swing Minderを設置し実証試験を行っている。N ビルにおける設置状況を図 11 に，解析イメージを図 12 に示す。
地震等の発生などにより 5gal 以上の有意な振動を感知すると，各 NICE は計測を始め x，y，z
方向の 3 軸の 200Hz，10 秒間のデータを作成しmicroSD に保存すると同時に NC へと送信する。
設置前に電波強度を確認しているが，高知支店ビルでは，中央コアの空調シャフトに置いた 1 階と5 階の NICE の間で良好な通信が可能であった。
RC 造の建物において，ある程度の距離や障害物

図 13 データ表示画面の例があったとしても，電波到達が可能であることを確認した。計測は平成 30 年 5 月から開始し，現10

在，遠隔からデータ収集を行っている。遠隔から

6のデータ表示画面例（10 秒データ情報）を図 13

4

NICE6

NICE7

NICE8

加速度（gal）

8に示す。NICE に設定されているトリガーを超えずに計測状態にならない場合でも，10 秒間の平

2
0
-2 0

2.5

5

7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5-4均加速度や最大加速度，平均加速度から求まる傾-6斜角度などの情報を NC に蓄積する。

-8

平成 30 年 6 月の大阪府北部地震では約 400km-10
経過時刻（秒）

離れた四万十市は震度 1 以下であったが，N ビル

図 14

N ビル加速度時刻歴の上階に設置していた NICE6～8（6，7，PH 階）で 5gal 以上の有意な振動を 40 秒間計測していた

125mm（図 14）。

125mm

今後も引き続き長期計測を行うことで機器動電池

作および通信状況の確認に加え，地震動を観測し

MCU
35mm

た場合には，各階の加速度を積分して変位に換算

MEMS 加速度センサ

し，層間変形角等を概ね自動的に解析する仕組みを構築する予定である。
7. センサユニット NICE の改良
長距離通信用ダイポールアンテナ

7.1 改良型センサユニット NICE の開発

図 15

実証試験では，ある程度空間的に自由である空

標準フィルムアンテナ

新型 NICE の外観

調シャフトなどに設置することができた。しかし，期精度も差異が±3ms 以下に向上した。また，ダ

そのようなスペースが確保できない場合には，執イポールアンテナの他，薄型のフィルムアンテナ

務室のフリーアクセスフロア内などの限られたも設置状況に併せて選択できるようにした。これ

狭いスペースに設置する必要がある。これらの背らにより，外形寸法は 125mm×125mm×35mm

景より，センサユニット NICE の更なる小型化とと大幅に小型化することに成功した。

通信機能の更なる向上に取り組むこととした。

7.2 ゲイン補正手法の検討

新しく開発した Swing Minder の新型 NICE

Swing Minder に採用している MEMS 加速度の外観を図 15 に示す。小型化に際し，専用基板

センサ（Analogを設計し MEMS 加速度センサを基板上に配置す

荷時において内蔵しているスプリング等の固有ることにより，機器の影響によるモーメントや電誤差があることが分かっており，初期補正として気ノイズなどを軽減することができた。併せて同ゲイン補正などを実施する必要がある。初期補正－ 11 －

Devices 製：ADXL355）は出無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発を実施しない場合には，10%程の誤差を生じる可能性があることが分かっている 8)。このことをふまえ，新型 NICE ではゲイン補正を実施することとした。ゲイン補正には，x，y，z 軸方向にそれぞれセンサを回転させ，重力加速度を利用して補正する方法がある。本研究では，アクリル製の正方形の箱の底面に新型 NICE を設置し，高性能斜度計を使って水平にした面上を回転させること
で，ゲイン補正を実施した。補正式を（6），（7）に示す。求めた係数で補正した新型 NICE の表示
値の例を図 16 に示す。x，y 方向の平均加速度は
概ね 0 となり，z 方向に対しては高松における重力加速度とほぼ一致する結果になった。
今後はこの補正手法により出荷時における初期補正を実施する。また，設置後の差異も同様の

図 16手法で補正できるパラメータを設け，設置後にお補正後の新型 NICE の表示値の例

いても補正ができるようにした。
AX0=－（（X1+X2）／2a）AX1=－2g ／（X1－X2）×

・・・
（6）
b

・・
（7）

AX0：機器オフセット補正係数
AX1：機器ゲイン補正係数
X1 ：x 軸を上面に向けた x 軸方向の加速度計測値
X2 ：x 軸を下面に向けた x 軸方向の加速度計測値
a：計測分解能(=0.0006125m/s 2)

図 17 固定方法の違いによる差異の確認

b：整数化係数（＝10000）
両面テープ（厚)g：重力加速度（＝9.79698m/s2：高松）

木ねじ

接着剤

両面テープ（薄）

30.4

30.6

30.8

3

※y および z 方向においても同様の手法で補正

2

加速度（m/s2)

7.3 固定方法の違いによる影響の検証
実建物に設置する際には，設置場所や設置方法等の制限を受ける可能性が考えられる。NICE を床に堅牢に固定する必要があるため，異なる設置

1030

方法での計測結果の差異を，加振試験により確認-2をした。加振台に固定方式毎に両面テープ（厚）-3（NICE01～03），木ねじ（NICE04～06），コン（sin 波 2Hz

振幅 5mm）

7.4 新型 NICE の同期精度確認

況を図 17 に，sin 波を入力した場合の計測結果
を図 18 に示す。

時刻（s）

図 18 固定方法の差異による比較結果

クリート用接着剤（NICE07～09），両面テープ（薄）（NICE00）によって固定した。試験の状

30.2

-1

補正を行った新型 NICE を加振台に 10 台設置
し同期精度の確認を行った。入力波は sin 波（2Hz

固定方法による明確な差異を確認することはおよび 5Hz），sweep 波（0.1～20Hz）で行った。

できなかった。この検証結果により，堅牢に固定

sin 波 2Hz の場合における測定結果を図 19 に示できれば固定方法による差異は概ねないというす。この結果により，新型 NICE においては，各結果を得ることができた。

機器間の同期誤差が目標としていた±3ms 以内－ 12 －

31

無線式振動モニタリングシステム Swing Minder の開発

NICE01

NICE02

NICE03

NICE04

NICE05

NICE06

NICE07

NICE08

NICE09NICE003

加速度（m/s2）

2
1
0
20

20.1

20.2

20.3

20.4

20.5

20.6

20.7

20.8

20.9

21

-1
-2
-3

時間（ｓ）

図 19

新型 NICE 同期精度試験結果（sin 波 2Hz

振幅 5mm，新型 NICE10 台）となることを確認できた。また，新型 NICE10［参考文献］

台で取得した 40 秒の地震データを通信時間 3 分

1)程度で NC にデータ集約できることを確認した。

澤田他：加速度計測のための無線センサネッ
トワークの実用的な時刻同期手法の開発，第30 回土木学会地震工学研究発表会論文集，
2010

8. まとめ本研究では，無線式の振動モニタリングシステ

2)

高瀬他：省電力化を図ったワイアレスセンサ

ム Swing Minder を開発し，加振試験等による精による橋梁の継続的遠隔モニタリングシス

度検証の結果，変位計や基準加速度計などの計測

テムの概要，コンクリート工学 Vol56 No.1，
2018

値と概ね一致することを確認した。
今後も引き続き更なる精度向上に向けた検討

3)

中西美一：openATOMS を活用した各種フィと共に，改良を行った Swing Minder を実建物にールドモニタリングシステムの開発と運用，導入し，長期的な実証試験を通して最適な設置方

電気学会全国大会論文集（C 部門），2011

法や解析手法等についての検討を行う予定であ4)る。

中西美一：高性能かつ安価な農業用環境モニ
タリングシステム（HaPPiMinder）の開発，
電気学会全国大会論文集（C 部門），2013.1

［謝辞］

5)

本研究は，四国電力㈱土木建築部殿より委託を受けた「地震発生後の建物被害推定に関する研究

大崎順彦，新・地震動のスペクトル解析入門，
鹿島出版会，2011.1，pp133-138

6)

天野雄一朗他：無線式振動モニタリングシス（その２）」において実施したもので，ご協力いテムの開発（その 1）開発目的とシステム概ただいた関係各位に深く感謝いたします。

要，日本建築学会学術講演梗概集（東北），2018.9

また，Swing Minder の開発にあたって，香川大学創造工学部の宮本慎宏准教授，大田佳奈氏，福7)ムの開発（その 2）加振試験と解析結果，日田隆晟氏にご協力頂きました。

本建築学会学術講演梗概集（東北），2018.9

加振試験の実施にあたって，高知工業高等専門学校の池田雄一准教授，奈良女子大学の瀧野敦夫

大田佳奈他：無線式振動モニタリングシステ

8)岡田敬一他：構造物の被害推定システム構築

講師，近畿職業能力開発大学校の藤村悦生特任教のためのデータ管理・利活用に関する研究

授，宇都宮直樹准教授，香川工業高等専門学校の（その２）大型振動台実験に適用する各種無小竹望教授にご協力頂きました。ここに謹んで深線型加速度センサー性能の検証，日本建築学

甚なる謝意を表します。

会学術講演梗概集（東北），2018.9－ 13 －