「インフラ維持管理・更新等の社会課題対応システム開発プロジェクト」

第1回ライフラインコアモニタリング
プロジェクト成果報告会～UCoMSプロジェクトのミッションとIoTへのインパクト～
コアモニタリング研究体
研究体長 伊藤 寿浩（国立研究開発法人 産業技術総合研究所）

2015年4月23日
コアモニタリング研究体

1

IoT ?
・ばら撒ける無線センサ端末 （GSN端末）のことか？
・・・でもインターネットに繋がっているのはグリーンコンセント
レータ（の一部）
・・・片方向（センシング）だけ
・すべての端末がインターネットに直接繋がるのがIoTか？
・・・IPv6
・・・双方向・アクチュエーションも可・・・セキュリティ
・・・マルチホップ・・・・・・・・

コアモニタリング研究体

グリーンコンセントレータ
 WiFiマルチホップ機能を開発。メッシュネットワーク構成でのコンセントレータ間データ転送を確認
 クラウドから３G／LTEを介して、コンセントレータを経由した空調機器アクチュエーションを実現 グリーンセンサ端末、受信機との接続を実施。クラウドへのセンサデータ送信を確認
デバイス環境

キャリア環境クラウド環境

センサデータの定期収集
コンセントレータ制御／管理
ＮＴＴデータクラウド920MHz無線
グリーンセ
ンサ無線

コンセントレータ
コンセントレータ

コンセントレータ

Internet

グリーンセンサ
端末

MVNO(OCN)

3G/LTE

NTTdocomo

WiFiマルチホップ
コンセントレータ間転送

スマートコンビニ

スマートオフィス

コンセントレータ
アクチュエーション
簡易メンテナンス
空調機器

コントローラ

コアモニタリング研究体

スマートファクトリ

IoT端末・Simple Architectures:
A. Sensor(s)B. Processing Unit
C. Connectivity Unit
・Technology Drivers- Low Cost
- Low Power- Small Feature Size
- Short Lifetime- Environmentally Friendly⇒ まさにばら撒ける端末では？

Ulf Schneider (SSIA), “FROM HERE TO BEYOND”,
3rd Solid State Systems Symposium, Oct. 22, 2014

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電力はあるのか？
・GSN: 150 μW/10 cm2 （室内光）
・環境発電（エナジーはーベスタ）は、環境に依存（GSN：夜間運転の問題）
・無線通信を前提にすれば、端末仕様を決めるのは電源 環境発電を使うのであれば、アプリ（環境）毎に異なる端末仕様

コアモニタリング研究体

プロジェクトの目的■都市インフラ(ライフライン)は、経験にもとづく目視・聴音点検が主体であり、近年各種の遠隔管理システムが進化しているとはいえ、普及については緒に就いたばかり。
■病院、地域エネルギー供給施設等のインフラはその公共性も高く、その中核となる発電機、ボイラ、ポンプ等の回転機器をコアとしたシステムの保全が都市機能の安定化・安全化に重要な役割を担う。
■本研究開発では、ライフラインのコア設備の早期異常検知、健全性確保が行える、低コストの常時モニタリングシステムの開発を目的とする。

コアモニタリング研究体

目的（２）• 定期メンテナンスからCondition-basedメンテナンスへ• 大型機器はすでに遠隔メンテナンス，ポンプ群の状態モニタリング• 病院のエネルギーセンター設備、地域冷暖房施設の設備で実験

コアモニタリング研究体

7-20'12/01/15'12/02/11'12/02/23'12/03/06'12/03/25'12/04/06'12/04/22'12/05/16'12/05/30'12/06/28'12/07/08'12/07/18'12/08/02'12/08/15'12/08/30'12/09/08'12/09/20'12/09/29'12/10/06'12/10/12'12/10/20'12/10/30'12/11/09'12/11/21'12/12/04'12/12/12'12/12/23'13/02/01'13/02/10'13/03/13'13/03/22'13/04/05'13/04/20'13/05/01'13/05/10'13/05/19'13/05/28

振動加速度 [dB]

尖り度 (－)

ライフラインコア＝ポンプのモニタリング• 従来は保守員が振動音や機器温度の異常から判断- 月１回の定期点検、年２回の精密検査、日常は保守員が振動音や機器温度を確認• 振動周波数解析による故障モード分析研
究例の蓄積
センサ端末
（お金をかければ可能なことは判っている）

0-10-4002000

正常なベアリング

4000
6000
周波数[Hz]8000
10000
50454035302520151050

呼吸域

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全域(5Hz～20kHz)
高域(1kHz～20kHz)

保全による低下-30月／日【劣化の進行に伴う振動特性(尖り度)の増加の実例】◆尖り度：振動波形の衝撃性として、正規分布からのずれを示す。
尖り度＝Σ(|Xi|－X)4／(N-1)Xrms4

外輪に圧痕のあるベアリング

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課 題• 有線の（モニタリング）システム：敷設コストを含め100点程
度のモニタリングシステムで1000～2000万円→普及のためには一桁安価にする必要あり• 無線システムの課題
 （敷設コストは低いが）有線と同じデータ通信容量・品質は得られない。品質を上げようとすれば、無線センサ端末の消費電力の増加／サイズ増大／高コスト化を招く，端末の自立電源が困難になり、電池交換等の（端末の）メンテナンスコストが増大
 端末に供給される電力量が限られるため、取得データ量も（著しく）制限される

 限られたデータ量で状態モニタリングを可能にする技術
 限られた発電量で自立動作する低コスト端末
 低コスト・低消費電力の高信頼性無線通信システムなどを開発する必要
コアモニタリング研究体

9ハイブリッド型の無線センサネットワーク
親機（受信機）

複雑な空間

単純な（無線通信障害を避けやすい）空間

無線センサ端末

無線センサ端末

P型端末
測定ポイントの10~20%
マルチホップ端末
M型端末

測定ポイントの80~90%
片方向通信/超低消費電力低コスト端末

柔軟なルーティングが可能なマルチホップ端末と片方向通信（低コスト）端末を適切に組み合わせてネットワークを構成
コアモニタリング研究体

プロジェクトの全体像
AlN-MEMS振動発電センサデバイス

医療機関、地域冷暖房設備他

Ｓｉ

鹿威しセンシング方式

Ｓｉ

ウェハレベル集積化プロセス

050

高耐久性超小型センサ端末

カウンタ

データ送信のパルスセンサ端末の開発

ペットボトル
キャップサイズ

時刻

呼吸域 呼吸域
Time

無線中継機

ネットワークシステムの開発
モニタリングシステムの開発と実証システム
構築・実験クラウド

無線親機

回線

データ収集装置

構造的に複雑な環境下で通信の信頼性確保

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体制

コアモニタリング研究体

センサ端末の開発• 低周波数域（<30 Hz）に対応したAlN圧電発電センサデバイス→柔軟構造の最適化と封止蓋へのストッパ構造の導入• 鹿威し型端末システム開発

AｌN圧電発電センサデバイス

鹿威し方式振動発電回路• 低コスト化：複数デバイス（低周波数域用,高周波数域用,突発事象用）製造プロ
セスの共通化,ウェハレベル真空封止実装プロセス• 耐震性端末実装構造，低コスト設置方
法、信頼性試験方法の開発
P型センサ端末
コアモニタリング研究体
コアモニタリング研究体

13センサ端末の開発（２）①デバイス・無線センサ端末開発（産総研）
圧電MEMS振動発電デバイスが発電した電力のみでデータ送信を行う鹿威し方式
により、送信頻度から回転機器の異常判定が可能なシステムを開発②量産化プロセス・ウェハレベルデバイスパッケージ（MMC）
コアモニタリング用AlN圧電デバイス量産プロセス及び低コスト・高信頼性ウエハレベルパッケージプロセスの開発③端末実装（明星電気）
回転機器の異常検知モニタのため、8kHzまで高周波計測が必要
安価なシステムアップを目指すため、長期メンテナンスフリーの信頼性回転機器の任意の場所に設置を可能にするための固定方法と小型パッケージ
コアモニタリング研究体
コアモニタリング研究体

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ネットワークシステムの開発• 時刻同期型の省電力通信方式

受信側

送信側

＜追加メカニズム＞⑤同期情報から微細な同期ズレを検知⇒受信側と送信側のクロックを補正することで消費電力を75%削減

・・・①Wakeup
フレーム送信

②Wakeup
フレーム受信用
間欠受信③データ
フレーム受信④データ送信と同期情報• 再送を伴わない衝突回避制御方式
基地局

クロスレイヤで輻輳回避
・MAC層：通信タイミング
・ネットワーク層：設置密度推定
・アプリケーション層：データ重要度⇒最適な通信タイミングを自律的に決定．
遅延を抑えつつ輻輳発生を90%低減

コアモニタリング研究体
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ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞｼｽﾃﾑの開発と実証ﾈｯﾄﾜｰｸ構築・実験◆圧電振動発電センサデバイスを用いた監視技術の開発→課題：不定期な鹿威し方式振動データのフィルタリングと異常検知ロジック◆汎用モニタリングシステムの開発→課題：煩雑な初期設定が不要で、データ収集から異常検知，余裕時間予測までをシームレスに処理◆実証実験による効果検証→課題：実施設の運用と連携した監視システムの構築⑩摩耗劣化の進行によって増幅する異常振動を鹿威しの間隔とその間の発生頻度で検出
データ送信のパルス【対象機器】

Ｍ型端末

運転中

運転中

0
10

カウンタ

渦巻きポンプ

停止中

0

パルスから運転／停止の判断

5

パルスとカウントから回転数の特定

Ｍ型端末
0

回転数 N1

時刻【鹿威し方式振動データ】(パルス、カウントの不定期データ)

立型ポンプ【フィルタリング】【摩耗劣化など日常時の監視】
日常管理における劣化判断【耐震性・非日常時の監視】
災害時におけるシステム停止判断
アラーム

メンテナンス
注意

時間 →

変位 →

振動加速度の時間波形

変位 →

アラーム

▽災害発生
運転停止
異常なし

▽シ ステム再起動

時間 →異常あり【シームレスに処理する汎用モニタリングシステム】
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シ ステム停止N2

N3

目標とする端末
基本計画端末仕様

研究終了時の端末（P型）振動または変位＋温度計測機能 圧電発電型振動センサ＋半導体
温度センサ
1回/時以上の無線通信

10分に１回程度の非同期送信可（鹿威し方式）

自立電源動作センサの振動発電のみで動作（端末消費電力：5 μW）

地震等の突発事象検出

圧電センサ（震度４相当の地震で動作）

サイズ：概ね7cmx10cmx5cm以下 ペットボトルキャップ大無線通信：免許不要、通信距離30 m以上

920MHz特定小電力，直接30m以上通信できる箇所に適用

信頼性：10年以上

実環境下で10年以上（想定端末コスト）（1000円前後）
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再びIoT・振動発電だけで自立する端末、ただし端末はペットボトルキャップ大程度
でないと、ポンプの振動モニタには使えない（数10μW級の発電量は期待できない）
・鶏用の端末などばら蒔ける端末もIoT
・環境発電で自立する端末の割合はどの程度か（案外発電が難しいところばかり…），電源が無いところにはThingsもない？
・メンテナンスフリーの意味、もし１０年持つのであれば電池でも良い？
・端末の（超）低消費電力化 ＝ データの最少化
・フィールド毎に、端末・システム最適化の必要
・鹿威し型の可能性－電流，活動量，振動 ・・・
コアモニタリング研究体

鶏健康モニタリング端末

Piezoelectric Activity Sensor

Analogcomparator

OverVref ?

Output Voltage

Yes

CounterCountDigitalcomparatorOver
settingvalue?

ResetYes

Measurement by thermistor
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Transmission

おわりに・（予兆・初期診断に）役に立つ端末・システム
・本年度から試作端末でフィールド試験を開始，フィールド実験からのフィードバックが重要
・低コスト化＝シンプルなソリューションをMEMS（構造，プロセス）, 無線ネットワーク，診断方法→個々の成果（2014.8~）はこの後の講演で！

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