道路・市街地の冠水のリアルタ
イムモニタリングに関する研究
東京電機大学総合研究所

小林亘

wkoba@mail.dendai.ac.jp
2024-05-17
令和６年度 研究助成成果報告会

1道路・市街地の冠水のリアルタイムモニタリングに関する研究
１年目
目標：道路・市街地の冠水を把握するセンサの信頼性を実地で定量的に評価する。
効果：信頼性の高い冠水モニタリングの実現。
定量的な評価方法の確立は製造者にもメリットがある。
２年目
目標：冠水情報の有用性を高める手法・表現を開発する。
効果：冠水情報の社会実装を可能とすることができる。

冠水センサの例：国土交通省ワンコイン浸水センサ実証実験パンフレットより

2

１．冠水センサの信頼性の基本的な評価項目①

通信の信頼度②

水検知の信頼度③

水検知情報の到達時間（その他、堅牢性、結露対策等も考えられる）

通信方式
観測時間
観測水位
観測方法

電極

連続式水位計と冠水センサの特徴の比較
連続式水位計（河川） 冠水センサ（市街地・道路）
水防道路用専用波等
LPWA等（多様な用途で共用）検知時のみ10分周期
検知高さのみ連続（1/100[m]）フロート式、水圧式、 連続式水位計の水検知方法に加超音波式、電波式等
えて、電極式等も利用可能

3実験地点（さいたま市内の8か所、18個設置）

側溝グレーチング（東岩国5丁目）
東北道アンダーパス（馬込）ガードレール（北稜高校）

設置場所

設置例

4

1

100%

0.9

90%

0.8

80%

0.7

70%

0.6

60%

0.5

50%

0.4

40%

0.3

30%

0.2

20%

0.1

10%

00%

地表より下の側溝グレーチング下に設置
無線リンク品質の内訳

通信信頼度（受信回数÷送信回数）

無線通信の信頼度

設置状況とセンサ識別コード

品質限界

品質普通

品質良

品質最良

信頼度

RSSI（受信信号強受信局数度）
3-122dBm ≦ RSSI-135dBm ≦ RSSI <3-122dBm
1 or 2-122dBm ≦ RSSI-135dBm ≦ RSSI <1 or 2-122dBm
RSSI < -135dBm
any

Link Quality
EXCELLENTGOOD
GOOD
AVERAGE
LIMIT

京セラコミュニケーションシステム：
Sigfoxネットワーク品質指標 - Link Quality -無線信頼度とリンク品質(Sigfox，送信空中線電力13dBm）
無線通信の信頼度の算出方法：受信回数÷送信回数（送信回数は454回~862回）

5

主信号と副信号(30秒後の再送信)によるダイバーシティの状況
100%

60

90%
80%
70%

40

60%
50%

30

40%
20

30%

受信の内訳・信頼度

検知回数

5020%

1010%
0%
1424D1A

1424D1B

1424D1C

1424D11

1424D121424D131424D141424D151424D161424D171424D18

1424D19

1424DA21424DA51424DA61424D46

1424D6E

1424D7B1424D75

1424D86

1424D99

0

上部

上部

上部

上部

上部

上部

上部

上部

上部

上部

上部

上部

地表

地表

地表

地下

地表

地表

地下

地下

地表

デバイスIDと設置場所

連動受信割合単独受信割合検知回数

信頼度• 連動受信割合：主信号・副信号の両方を受信した割合• 単独受信割合：主信号・副信号のいずれか一方のみを受信した割合

6

水の検知について：（参考）河川設置のフロート式センサの誤検知の例

浸水検知時の水位1)（低い水位で検知しているのは風の巻き上げの可能性）

フロート式センサとフィルタ

浸水終了時の水位1)（終了が低い水位まで遅れるのはセンサからの排出が不良であるため）センサのフィルタ部に付着した藻

1) 小林 亘, 大原 美保: LPWAを用いた市街地でのリアルタイム浸水モニタリングに関する研究, 土木学会論文集F3（土木情報学）,
75 巻, 1 号, pp. 36-47, 2019.

7

さいたま市水位情報システム

さいたま市水位情報システム(2023年6月3日の画面例)
さいたま市水位情報のデータのうち異常値を排除したものを真値として冠水センサデータの照合を行う

80.8

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

水位[m]

水位[m]

さいたま市水位情報システムと冠水センサの照合による検知高さの補正

0.2
0-0.2
-0.4

-5分

-4分

-3分

-2分

-1分

０分

+1分

+2分

0-0.2
-0.4

センサ検知時刻との時間差（青：発生検知，橙：消滅…

-5分

-4分

-3分

-2分

-1分

-5分

-4分

-3分

-2分

-1分

０分

+1分

+2分

検知からの相対時間差

1424D1B 異常値排除済み

０分 +1分 +2分

1424D1C
平均高さ 0.14 0.17 0.20 0.22 0.24 0.25 0.27 0.29[m]
標準偏差 0.125 0.066 0.035 0.008 0.029 0.059 0.085 0.120

1424D1C：馬込アンダーパス設置

水検知時刻の前５分から２分後までの水位計の値

9センシングの方法と特徴、特に平滑処理方法

特徴

水 の 浮 力 を 利 原理：水の浮力を利用してスイッチを制御し浸水を検知する。
用 す る 方 法 平滑処理：波浪によるチャタリングに対してフロートの慣性が平滑化の役（ フ ロ ー ト 式 割を果たす。
センサ）
メリット：仕組みが単純である。
デメリット：浮力を得るためのフロートにはある程度の大きさが必要となる、機械的機構が必要となるため実装レベルでは高価になる、ゴミ等への対処が必要。
水 と 空 気 の 電 原理：水の電気伝導を利用して浸水時に導通を得てスイッチを制御する。
気 伝 導 度 の 違 平滑処理：波浪によるチャタリングに対して信号処理による平滑化が必要
い を 利 用 す る （使用したものは30秒間隔の検出で4回連続同一判定のときに確定）。
方 法 （ 電 極 メリット：仕組みが単純であり、安価。
デメリット：様々な電気伝導度の異なる水質に対して安定して浸水を検知式）すること、電極の腐食や不純物の付着を抑止するために電極を定期的に逆転するなどの対策を講ずること、消費電力を抑制するなどの技術の開発が必要。

10水位計と冠水センサの照合
0.3

1.2回、いずれも2分以内）

0.25

0.2

0.6
0.4

0.15

水位計では観測されたがセン

0.1

0サでは観測されていないもの

0.05

2023/6/2 14:24

馬込アンダーパスに設置した1424D1C

2022/5/27 11:42

2022/7/18 1:34

2022/10/7 16:32

2022/10/7 16:38

2022/10/7 16:40

2022/10/7 22:18

9min.

10min.

8min.

7min.

2023/5/31 1:33

6min.

2023/5/22 19:08

5min.

2022/10/7 16:30

4min.

2022/9/24 0:403min.

2022/9/19 11:05

2min.

2022/9/18 13:22

1min.

2022/9/1 17:06

0min.

2022/7/17 21:21-1min.

2022/7/12 21:23-2min.

2022/6/27 20:36-3min.

2022/5/27 10:43-10min.

2021/12/1 5:05

-4min.

が7回

0-5min.

-0.4-6min.

-0.2-7min.

0.2-8min.

0.8

センサと水位計の観測日時が一致(13-9min.

12023/5/31 10:32

水位計補正センサ高＝0.22m

11２．冠水情報の有用性を高める手法・表現の開発

ベクトルタイル地図を利用した道路リンクの明示

空間又は時間の拡張

レーダ雨量との重畳

12空間的な補間の場合に検討すべき要素の例

DEM5m上の本太交差点の位置

本太交差点（円の半径は1180m）

本太交差点の下水道の状況

地盤高と下水道の状況（本太交差点の例）

13降雨と水位の関係の例（道路）
観測時刻--06-02 16:00
06-02 16:10
06-02 16:20
06-02 16:30
06-02 16:40
06-02 16:50
06-02 17:00---

10分間降雨量[mm]--3.47
1.79
3.15
5.50
4.79
3.45
0.97
---

水位[m]
--0.18
0.19
0.19
0.23
0.26
0.3
0.32
---

連続式水位計では連続的に多くのデータを収集できる

青線：降雨強度（国交省Xバンドレーダ）
赤線：水位（さいたま市水位情報システム）

14冠水センサでは連続式水位計に比べて得られる情報が限定される
冠水センサによる観測記録

冠水センサでは水位を把握できる時刻と高さはグラ
フ中の赤丸に限られる

観測時刻

検知情報

水位[m]

2023-06-02 14:09
2023-06-02 17:15
2023-06-02 23:27
2023-06-03 11:26
2023-06-03 17:16
2023-06-04 07:14

高さ１水検出高さ２水検出高さ３水検出高さ３水消失高さ２水消失高さ１水消失

0.03
0.35
0.52
0.52
0.35
0.03

複数の高さの水位を検出するためのセンサの設置例

15冠水センサの限られた情報から水位を予測するための仮定

降雨のうちの一定の割合（有効雨量）が一定の時間遅れて流入する

雨水が排出されなければ流入した雨水に比例して水位が上昇する

冠水予測地点

時間当たり一定量の水が排出され、時間当たり一定の水位低下が生ずる検知器(高さ ｊ )
雨水の流入検知器(高さ ｉ )雨水の排出

特許出願中：モデル生成装置、水位予測装置、モデル生成方法、モデル生成プログラム、水位予測方法、水位予測プログラム、水位予測システム、及び学習済みモデル

16

06-02 14:10
06-02 15:20
06-02 16:30
06-02 17:40
06-02 18:50
06-02 20:00
06-02 21:10
06-02 22:20
06-02 23:30
06-03 00:40
06-03 01:50
06-03 03:00
06-03 04:10
06-03 05:20
06-03 06:30
06-03 07:40
06-03 08:50
06-03 10:00
06-03 11:10
06-03 12:20
06-03 13:30
06-03 14:40
06-03 15:50
06-03 17:00
06-03 18:10
06-03 19:20
06-03 20:30
06-03 21:40
06-03 22:50
06-04 00:00
06-04 01:10
06-04 02:20
06-04 03:30
06-04 04:40
06-04 05:50

センサ設置個所

平時（2021年7月30日）

冠水時（2023年6月3日）
10分間降雨量[mm]6.0電極位置（低）での水検知

5.04.0電極位置（高）での水消滅検知

3.00.22.00.01.0

電極位置（高）での水検知

0.0

水位[m]

降水量と冠水センサによる情報（さいたま市北稜高校前）
0.8

0.6

0.4

-0.2

-0.4

時刻

降雨量:メッシュコード53397577

2023年6月2日～4日（台風２号）

雨量強度：国土交通省XRAIN

電極式センサ17

0.0
06-02 14:10
06-02 15:20
06-02 16:30
06-02 17:40
06-02 18:50
06-02 20:00
06-02 21:10
06-02 22:20
06-02 23:30
06-03 00:40
06-03 01:50
06-03 03:00
06-03 04:10
06-03 05:20
06-03 06:30
06-03 07:40
06-03 08:50
06-03 10:00
06-03 11:10
06-03 12:20
06-03 13:30
06-03 14:40
06-03 15:50
06-03 17:00
06-03 18:10
06-03 19:2006-03 20:30
06-03 21:40
06-03 22:50
06-04 00:00
06-04 01:10
06-04 02:20
06-04 03:30
06-04 04:40
06-04 05:50

1.0

降水量とセンサ情報に機械学習により算出した係数を適用して水位を予測

降雨量:メッシュコード53397577
0.84.0電極位置（高）での水消滅検知

3.0

2.0

電極位置（高）での水検知

直前の高低いずれかの検知器の信号による予測値
0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

6.0

0.7

0.6

1.0

電極位置（低）での水検知

5.0

4.0

電極位置（高）での水消滅検知

3.02.0電極位置（高）での水検知

0.0

時刻
時刻

降雨量:メッシュコード53397577

水位計観測水位直前の高低いずれかの検知器の信号による予測値

180.5

0.4

0.3

0.2

0.10水位[m]5.0

10分間降雨量[mm]電極位置（低）での水検知

水位[m]

6.0

06-02 14:10
06-02 15:20
06-02 16:30
06-02 17:40
06-02 18:50
06-02 20:00
06-02 21:10
06-02 22:20
06-02 23:30
06-03 00:40
06-03 01:50
06-03 03:00
06-03 04:10
06-03 05:20
06-03 06:30
06-03 07:40
06-03 08:50
06-03 10:00
06-03 11:10
06-03 12:20
06-03 13:30
06-03 14:40
06-03 15:50
06-03 17:00
06-03 18:10
06-03 19:20
06-03 20:30
06-03 21:40
06-03 22:50
06-04 00:00
06-04 01:10
06-04 02:20
06-04 03:30
06-04 04:40
06-04 05:50

10分間降雨量[mm]

降水量と冠水センサによる水位予測
さいたま市水位情報システムによる検証

0.8

0.70.6

予測を組み込み降雨とセンサを可視化

2023-06-02 12:00

さいたま市に設置したセンサ

凡例
降雨強度と着色
センサアイコンの意味

19

冠水予測と可視化システムでの表示例

2023-06-02 14:30

平常時の馬込アンダ―パス

馬込アンダー地点で低位置センサが発報し冠水を予測した

2023年6月2日18時の状況

20

冠水予測と可視化システムでの表示例

2023-06-02 16:10

2023-06-03 00:00

20mm/h、30mm/h以上の降雨により、冠水が予測される地点が増加し、北稜高校前も規制値以上を予測。

深夜0時において、20mm/h前後の降雨により、冠水を予測した地点で冠水の確認地点が増加。

21

道路管理者の意見• 道路冠水水位の数値があいまいでも低下・上昇・不変が判ることは有用である。
• 通行規制の作業は地元の業者が行っており、⾧年の勘でうまく実施しているが高齢による退職によってノウハウが失われることを懸念しており、それを新技術で補えることに期待する。
• 通行規制の現地作業を職員が行っており、個所数に対して職員数が足らないので優先順が分かることは有用である。

22

冠水センサによる内水氾濫と外水氾濫の把握の事例（茂原市内）

冠水センサ設置場所

地理院地図

23

2023/9/7 17:00
2023/9/7 17:30
2023/9/7 18:00
2023/9/7 18:30
2023/9/7 19:00
2023/9/7 19:30
2023/9/7 20:00
2023/9/7 20:30
2023/9/7 21:00
2023/9/7 21:30
2023/9/7 22:00
2023/9/7 22:30
2023/9/7 23:00
2023/9/7 23:30
2023/9/8 0:00
2023/9/8 0:30
2023/9/8 1:00
2023/9/8 1:30
2023/9/8 2:00
2023/9/8 2:30
2023/9/8 3:00
2023/9/8 3:30
2023/9/8 4:00
2023/9/8 4:30
2023/9/8 5:00
2023/9/8 5:30
2023/9/8 6:00
2023/9/8 6:30
2023/9/8 7:00
2023/9/8 7:30
2023/9/8 8:00
2023/9/8 8:30
2023/9/8 9:00
2023/9/8 9:30
2023/9/8 10:00
2023/9/8 10:30
2023/9/8 11:00
2023/9/8 11:30
2023/9/8 12:00
2023/9/8 12:30
2023/9/8 13:00
2023/9/8 13:30
2023/9/8 14:00
2023/9/8 14:30
2023/9/8 15:00
2023/9/8 15:30
2023/9/8 16:00
2023/9/8 16:30
2023/9/8 17:00
2023/9/8 17:30
2023/9/8 18:00
2023/9/8 18:30
2023/9/8 19:00
2023/9/8 19:30
2023/9/8 20:00
2023/9/8 20:30
2023/9/8 21:00
2023/9/8 21:30
2023/9/8 22:00
2023/9/8 22:30
2023/9/8 23:00
2023/9/8 23:30

降雨強度

2023年9月8日（台風13号）
10㎝浸水発生10㎝浸水発生10㎝浸水発生10㎝浸水消滅

10㎝浸水消滅

10㎝浸水消滅

内水氾濫

降雨(mm/h)
水位(cm)

外水氾濫

茂原市八千代の降雨強度と水位

5045403530252015105020

15

1050

日時

10㎝浸水発生20㎝浸水発生30㎝浸水発生24水位

冠水センサによる内水氾濫と外水氾濫の把握の事例（茂原市内）
30㎝浸水消滅
20㎝浸水消滅
10㎝浸水消滅353025

外水氾濫に近い時間の状況（川の防災情報による）2023年9月8日17時の付近の国土交通省「川の防災情報」サイト
・地図と水位グラフ（左）・河川監視カメラの画像（右）

25

まとめ
１．冠水センサに対して信頼性の基本的な評価項目を設定し、センサ単体と水位計との照合により評価を行った。
• 無線通信(Sigfox)において信頼度1があった一方、信頼度が低いものがあった。なお、
この結果は、電波伝搬に加えて通信システムの周波数ダイバーシティ、スペースダイバーシティ等を含めた総合的な性能である。
• 送信信号の冗⾧化（副信号）による効果が見られたものがあった。
• 電極式の水検知の判定処理の時間(2分)を差し引くと水位計水位との一致が見られた。
センサデータの精密な利用にはセンサの検知時間について処理する必要がある。
• 水検知の判定処理により検知の有無が異なる場合があった。

２．センサと降雨データ、降雨予測を表示する可視化システムを開発した。
• 道路管理者には水位の予測において相対的な情報（上昇・下降・不変）だけでも有用であることが分かった。

３．その他• センサとレーダ雨量から内水氾濫と外水氾濫の識別の事例が得られた。

26