コンセッション事業における管路施設の状態監視保全への取り組みについていとう

井藤もとのぶ

元暢11日本工営(株)流域水管理事業本部 水環境事業部（〒102-8539 東京都千代田区麹町5-4）(前，みおつくし工業用水コンセッション(株) 施設部 (〒559-0034 大阪市住之江区南港北2-1-10))大阪市工業用水道事業では，管路施設の状態監視保全技術として漏水音センサーによる常時監視を導入した．漏水発生時に機動的にセンサーを設置して計測を行うことで，漏水音センサーの精度確認と漏水評価手法の検討を行い，従前の最小音圧値のモニタリングに加えて音圧ヒストグラムの変化を把握することで，より高精度の漏水監視が可能となった.漏水箇所特定にはボーリング調査が確実であるものの地下埋設物輻輳等により実施困難な箇所が多く課題であったが，漏水箇所に地中レーダ探査を適用した結果，漏水検知が可能であることが示された.
Key Words : コンセッション事業，管路施設の状態監視保全，漏水音センサー，最小音圧値，音圧ヒストグラム，周波数スペクトル，地中レーダ

１．はじめに

２．管路施設の状態監視保全への取り組み

水インフラ事業では，施設の老朽化が進行すると共に料金収入の減少，職員の不足等が顕在化しており，持続可能な事業運営に向けて官民連携が推進されている．本論文の対象事業は，大阪市工業用水道事業について，SPC（特別目的会社）が公共施設等運営権実施契約に基づき管理運営を行うもので，経済産業大臣から許可を受けて業務を行う国内唯一のフルパッケージ型のコンセッション事業である．
管理対象の管路施設は約290kmで，経過年数40年を超える老朽管が80%以上を占めている．本事業では，修繕と更新のベストバランスを図ることを経営方針としており，そのためには管路施設への状態監視保全技術の導入が必要不可欠となっている．
本論文では，大阪市工業用水道事業にコンセッション事業者として参画し，管路施設の状態監視保全技術の導入を行い，漏水調査技術の精度検証や課題等へ取り組み得られた成果について報告する．

管路施設の中で幹線道路下や軌道横断する路線のうち高級鋳鉄管（図-1のFA管，FC管）で整備された路線（約12km）を重点監視路線と位置付けた．大規
模な地上漏水に至る前の地下漏水の段階で検知することを目的として，従前人が現地で都度確認していた漏水音を自動計測するセンサー(107台) （以下「漏水音センサー」という．）を常設して監視する状態監視保全システムを構築した．
このシステムは，弁栓類に設置した漏水音センサーが夜間に自動計測を行い，携帯電話の通信回線を利用してクラウドサーバに計測データを毎日送信する．漏水監視システムで漏水の可能性が示された箇所については，現場で相関式漏水探知機や路面音聴による詳細調査を実施し，修繕工事の要否を判断する．
また，漏水音センサーによる状態監視保全に加え，人工衛星を活用した広域的な漏水探査等，管路施設全体での漏水検知も実施している．

❶1960年代が管路整備のピークであり，老朽管30.2, 10%路が多い.（経過年数40年超が約80%，55年
高級鋳鉄管（FA、FC超が約70％）等）, 118.5,❷高級鋳鉄管(FA管等)が41%
ダクタイル鋳鉄管40%程度を占めている.
（一般接手）,水管橋の鋼管と合わせ128.3, 44%て，漏水発生の主要管種となっている.
図-1 管種別延長内訳と特徴

ダクタイル鋳鉄管

鋼管, 14.6
鋼管,,5%
14.6, 5%（耐震接手）,携帯電話の基地局

人工衛星の画像解析
による広域漏水調査

LTE-M
NB-IoT

SPC本社
クラウド(データサーバ)

漏水音センサー

図-2

漏水音センサー

状態監視保全システムの概念図

漏水音センサー３．漏水音センサーの精度検証と課題への対応(1) 漏水音センサーの原理
漏水音センサーによる漏水検知は，管路で漏水が発生すると，流水音，管振動音，摩擦音で構成される漏水音（振動）が管路を伝搬する．そのため，弁栓類に設置したセンサーで音圧レベル（dB，以下「音圧値」という．）を複数回計測し，その大きさで漏水の有無を判断するものである．また，漏水音の周波数特性を分析して漏水評価する手法もあるが，漏水の可能性が認められた箇所での詳細調査で利用される場合が多い．
(2) 漏水音センサーの種類と計測方法等
本事業では，２社の漏水音センサーを重点監視路線の弁栓類（制水弁，空気弁，消火栓）に設置し，１日１回暗騒音（振動）の少ない深夜に計測を行っている．漏水音センサーは，センサーとロガーが一体となった本体部とアンテナを含む通信部で構成され，バッテリーで動作する．弁栓類への設置は，本体底部に取り付けられた磁石で固定するため作業は容易である．漏水音センサーの概要と計測方法を表-1に示す．A社の場合，深夜2〜4時の間に10秒間隔で音圧値(dB)として720データ（Ｂ社の場合は120データ）を取得し，携帯電話の回線を利用してクラウドサーバに送信される.
表-1

漏水音センサーの概要と計測方法
Ａ社
Ｂ社

外観写真

ｾﾝｻｰ・ﾛｶﾞｰ ｱﾝﾃﾅ ｾﾝｻｰ・ﾛｶﾞｰ ｱﾝﾃﾅ
ｾﾝｻｰ・ﾛｶﾞｰ φ4cm×11cm
φ4cm×10cm
ｱﾝﾃﾅ
φ7cm×11.5cm
φ3cm×1cm*ｱﾝﾃﾅ長9.5cm*ｱﾝﾃﾅ長7.5cm
通信方式
LTE-M
NB-IoT20
計測時間 （深夜）2時～4時 （深夜）3時～4時
計測頻度
10秒間隔
30秒間隔
データ数
720（7200÷10） 120（3600÷30）

漏水は一旦発生すると自己修復しないため，計測される音圧値は漏水音を下回ることはない，すなわち，計測される音圧値(dB)≧漏水音(dB)という考え方に基づき，最小音圧値に着目して漏水発生の有無を評価するのが一般的である．最小音圧値の経日変化をモニタリングし，設定した閾値を超過すると漏水可能性ありと判断される．
(4) 最小音圧値に基づく漏水評価の課題
最小音圧値に基づく漏水評価は，設置箇所毎にベースとなる音圧値が異なるため閾値の設定が難しいことが課題である．漏水音センサーのベン
ダーでは，技術開発により最小音圧値をベースとした独自のアラートロジックを開発し，サービス提供している．しかしながら，ユーザ側では判定根拠が把握できない，警報発報ルールを自ら定める必要があるなど，実運用上の課題が存在している．特に，本事業では２社の異なるシステムを採用しており，それらを並列で比較した上で，現地確認や詳細調査等の優先度を決定する必要がある．そのため，自ら計測データを判断し，漏水評価を行うことが必要であった．
(5) 漏水音センサーの精度検証と評価方法
漏水音センサーの精度検証と漏水評価の課題に対応するために，実際に漏水が発生した管路近傍の弁栓類に漏水音センサーを設置し，漏水修繕工事前後（漏水あり/なし）のデータを比較した．対象となる管路は，図-4に示すように水管橋（鋼管φ300mm，管長70m）からの漏水事象で，漏水音センサー設置箇所は，以下の2箇所である．
・地点①：漏水箇所より 49m(SP管40ｍ+DP管9m)
・地点②：漏水箇所より225m(SP管40ｍ+DP管185m)＊SP管は鋼管，DP管はﾀﾞｸﾀｲﾙ鋳鉄管（K形及びNS形）（漏水あり：修繕前）（漏水なし：修繕後）←鋼管用
割継輪による修繕（注記）計測時間等は各社の標準値を採用．

図-4

カウント数

(3) 計測データの整理及び漏水評価方法
計測データは，音圧値(dB)毎の計測回数をヒストグラム（横軸：音圧値(dB)，縦軸：カウント数(回)）として整理するのが一般的で，このデータ整理は各社のシステムで自動的に処理される．
最頻音圧値(dB)

最小
音圧値(dB)←A社の場合，音圧ﾋｽﾄｸﾞﾗﾑのｶｳﾝﾄ数の合計は720となる．

図-3

音圧ヒストグラムの一例

音圧値(dB)

水管橋（鋼管300mm）からの漏水発生及び修繕状況

地点①における漏水修繕工事前後（漏水あり/なし）の音圧ヒストグラムを比較した結果を，図-5に示す．漏水なしから漏水発生への変化を想定して音圧値を比較すると，漏水なしの最小値は38dBに対して漏水ありでは54dBへ増加しており，最頻値も同様に増加した．漏水なしでは通常の流水音や水管橋での風や振動等が計測されていたものが，漏水ありでは漏水（噴出)の摩擦音や管の振動等により高い音圧値として計測されたといえる．
また，漏水ありでは音圧ヒストグラムがシャープ（急峻）な形状になることが確認された．

最小音圧値(dB)
最頻音圧値(dB)

表-2

修繕工事前
（漏水あり）
音圧値
(dB)
最小音圧値

最頻音圧値

修繕工事後
（漏水なし）
音圧値
(dB)

図-5

地点①における漏水あり/なし（修繕前後）の音圧ヒストグラムの変化（Ａ社計測値）

地点①，②それぞれにおける漏水あり／なしの計測データを整理した結果を，図-6に示す．地点①，②ともに，漏水ありは，漏水なしと比較して最小音圧値，最頻音圧値ともに高い値となり，漏水現象を捉えている．また，計測される音圧値のレベルは，地点①＞地点②であり漏水箇所からの距離よって減衰している．しかし，漏水箇所から200ｍ以上遠点においても漏水現象の検知が可能

707060（漏水箇所から49m）（漏水箇所から225m）

最頻音圧値(dB)

504030
Ａ社（漏水あり）
Ａ社（漏水なし）
Ｂ社（漏水あり）
Ｂ社（漏水なし）

201010203040

最小音圧値(dB)

図-6506030
Ａ社（漏水あり）
Ａ社（漏水なし）
Ｂ社（漏水あり）
Ｂ社（漏水なし）

1070

漏 カウント数
15
水
105
な0し

0010203040506070

最小音圧値(dB)

地点①②における漏水あり/なし（修繕前後）の最小音圧値と最頻音圧値との関係(6) 音圧ヒストグラムの形状変化の定量化
前項(5)に示したように，漏水音センサーによる漏水評価では，最小音圧値のみでなく音圧ヒストグラムの変化が重要である．実際の漏水発生箇所の弁栓類に漏水音センサーを設置して，漏水修繕工事前後のデータを取得することで，漏水音センサーの精度検証に加えて音圧ヒストグラムの形状変化の定量化を試みた．表-2に漏水事象の概要，漏水音センサーの設置箇所，音圧ヒストグラムの特徴を定量化した結果を，図-7にＹ地区，Ｎ地区それぞれにおける音圧ヒストグラム（漏水なしと漏水あり）を示す．なお，Ｙ地区，Ｎ地区ともに最小音圧値，最頻音圧値は，漏水あり＞漏水なしである．

)

040200Ｎ
地区
Ｂ社
センサー(最頻音圧値(dB)

50

漏水
なし
漏水
あり

21

カウント数
150
120
9060
300
カウント数

Ｙ
地区
Ａ社
センサー)

地点②

地点①60

（注記）音圧ヒストグラムのカウント数の()は，当該音圧値におけるカウント数を総カウント数（A社：720，B社：120）で除した値(であることが確認できた．また，計測される音圧値のレベルは，A社＞B社であり絶対値は異なるものの，それぞれ漏水あり＞漏水なしの傾向を示している．このため，ベンダーを跨ぐ統一的な閾値の設定は現実的ではなく，それぞれの計測地点での変化量を確認するのが望ましい．また地点②のB社データのように最小音圧値の変化量が少ないケースも存在する．そのため，図-5に示したような音圧ヒストグラム全体の動きを確認することが重要である．

実漏水現場における音圧ヒストグラムの変化
Y地区漏水
N地区漏水
漏 水 事 象 の 鋼管(SPφ400)の過 ダクタイル鋳鉄管
概要
去の管体部漏水修 (DTφ150)の継手部繕箇所から地上漏 から地下漏水➡袋
水➡割継輪で修繕 ジョイントで修繕
漏水音セン
Ａ社
Ｂ社
サーの種類
漏水箇所から23m
漏水箇所から65mの空気弁に設置の消火栓に設置と設置位置
デ ー タ 断水作業実施直後 修繕工事実施直後取得日 測定日(2023/11/25) 測定日(2024/5/26)
音圧①最小音圧値：21dB ①最小音圧値：12dB
漏 ヒスト
ｶｳﾝﾄ数：3(0.42%) ｶｳﾝﾄ数：3(2.5%)
水 グラム ②最頻音圧値：31dB ②最頻音圧値：15dB
なｶｳﾝﾄ数：63(8.8%) ｶｳﾝﾄ数：19(16%)
し 最 小 ～ Y軸(②－①)÷
Y軸(②－①)÷
X軸(②－①)＝
最 頻 値 X軸(②－①)＝の傾き (8.8-0.42)÷(63-3) (16-2.5)÷(19-3)＝0.14(%/dB)＝0.84(%/dB)
デ ー タ 断水作業実施直前 修繕工事実施直前
取得日 測定日(2023/11/24) 測定日(2024/5/25)
音圧①最小音圧値：45dB ①最小音圧値：25dB
漏 ヒスト
ｶｳﾝﾄ数：2(0.28%) ｶｳﾝﾄ数：12(10%)
水 グラム ②最頻音圧値：53dB ②最頻音圧値：26dB
あｶｳﾝﾄ数：130(18%) ｶｳﾝﾄ数：43(36%)
り 最 小 ～ Y軸(②－①)÷
Y軸(②－①)÷
X軸(②－①)＝
最 頻 値 X軸(②－①)＝の傾き (18-0.28)÷(53-45) (36-10)÷(26-25)＝26(%/dB)＝2.2(%/dB)

632040200150100403020100

図-745 536080

音圧値(dB)

13050
020101060401215

カウント数

漏水
あり

3180

音圧値(dB)

1920202526

304050音圧値(dB)

304050音圧値(dB)

43

Ｙ地区，Ｎ地区における漏水あり/なし（修繕前後）の音圧ヒストグラムの変化

音圧ヒストグラムの形状は，漏水なしの場合は音圧値の範囲が広くなだらかな形状であるのに対し，漏水ありの場合は音圧値の範囲が狭く最頻音
圧値のカウント数が大きくシャープ（急峻）な形状となった．このグラフの形状変化を，表-2に示すように最小音圧値～最頻音圧値間の傾きとして定量化した結果，Ｙ地区，Ｎ地区ともに漏水あり＞漏水なしとなることが確認できた．
漏水検知は，一般に口径が大きく距離が長いほど難易度が増加し，グラフの形状変化量も少なくなるため，口径及び距離別の知見集積が今後の課題となるが，最小音圧値のモニタリングに加えて音圧ヒストグラムの形状の変化に着目することで漏水評価の精度向上を図ることが可能である．

(7) 漏水音の周波数特性による漏水評価の可能性
漏水音が管路を伝搬する現象は，管の材質により周波数特性が異なることが知られており，漏水評価に有用な周波数特性に関する研究も行われている．漏水音の周波数特性の分析は，弁栓類等で漏水音を一定時間録音した後，FFT解析を行い，度の減少が原因と推察された．漏水により地中に水分が存在する場合には，地中レーダ調査により多重反射や見かけ上の深度変化等により把握可能であり，ボーリング調査の代替手法として期待できる．
（測線位置）（使用機材）

周波数スペクトルを得るが，漏水音センサーにはこの機能を有している機種もあるため，漏水評価への適用性を検証した．前項(6)に示したＮ地区の漏水事象を対象に，漏水あり／なしにおける周波数スペクトルの変化を図-8に示す．漏水ありの周波数スペクトルは，漏水なしの場合と比較して高い周波数へシフトし400 ～500Hzにピークがあった．一方，漏水なしの場合は，60～80Hzにピークがあり，その倍数付近にも若干ピークが認められることから，商用交流（Ｎ地区の場合は60Hz）による電気ノイズを拾っている可能性が示された．
このように周波数スペクトルを分析して傾向変化を把握することで，漏水評価の精度向上に寄与可能である．
音声ｽﾍﾟｸﾄﾙ

Ｎ
地区
(Ｂ社
セン
サー20

漏水
なし

1510500)

漏水
あり
図-8

100200300

400500 周波数(Hz)100200300

400500 周波数(Hz)音声ｽﾍﾟｸﾄﾙ

1510500

Ｎ地区における漏水あり/なし（修繕前後）の周波数スペクトルの変化

４．漏水箇所特定に向けた今後のアプローチ漏水音センサーの監視データから漏水の可能性があると判断された場合には，現場にて弁栓類や路面での音聴や相関式漏水探知機を用いた詳細調査を実施していく．最終的な漏水箇所特定に向けては，ボーリングを行い地中の水分の有無の確認等を行うことが望ましいが，本事業においては地下埋設物輻
輳等により実施困難な箇所が多く課題となっている．
そこで，空洞調査等に用いられている地中レーダの適用に着目した．地中レーダは，電磁波を地中内部に照射し，電気的特性の異なる物質境界面での反射波を解析することで，地中内部の状態（地下埋設物，空洞等）を調べる．地中に空洞や水分があると照射した電磁波は多重反射となることから，漏水に伴う水分の検知も可能と考えられる．
微小な地上漏水が発生していた現場において地中レーダ探査を実施し，漏水検知の可能性を検証した．
地中レーダ調査の測線と使用機材を図-9に示す．また，各測線におけるレーダ画像を図-10に示す．測線②において多重反射がみられ，漏水による水分を検知できている．測線④では地上漏水部付近で管の埋設深度が深く示され，これは水分による電磁波速(注記)測線④は，工業用水道管の埋設ルートである．

図-9

地中レーダ調査の測線位置と使用機材（測線①～③※同時表示）（測線④）注記参照
工水管の縦断波形

工水管の横断波形

漏水によるみかけ上の埋設深度の変化

漏水による多重反射(注記)測線④の赤線は工業用水道管，黄色は不明管，青線は測線②との交差部を示す．

図-10

各測線におけるレーダ画像

５．まとめ
本事業では，管路施設の状態監視保全技術として，漏水音センサーによる常時監視を導入した．漏水発生時に機動的にセンサーを設置して計測を行うことで，漏水音センサーの精度確認と漏水評価手法の検討を行った．これにより，従前より精度の高い漏水監視が可能となった.
今後も漏水発生時等のデータ検証を重ねながら，より大口径や長距離における精度向上を図ることに加え，本事業で実施難易度が高く課題となっているボーリング調査の代替として，地中レーダを活用した漏水箇所特定にも取り組んでいく．また，本事業では，水量・水圧調査による漏水エリア絞り込み等にも取り組んでおり，これらを組み合わせた総合的な漏水検知システムを構築する予定としている．
謝辞：本論文では大阪市工業用水道特定運営事業等の運営権者である「みおつくし工業用水コンセッション(株)」(SPC)が取り組む状態監視保全技術について報告した．本事業に従事するSPC職員の皆様，SPCを支援する前田建設工業(株)ほか株主企業，並びに大阪市水道局の関係者各位に感謝申し上げます．
参考文献
1) みおつくし工業用水コンセッション株式会社：大阪市
工業用水道特定運営事業等の紹介と先進デジタル技術，工業用水協会雑誌，第677号，2023．
2) 河村和湖，荒井康裕，小泉明，稲員とよの，加治克広，鈴木賢一，有吉寛記，森山慎一：音圧ヒストグラムを活用した水道管路の漏水判別モデル，土木学会論文集
Ｇ（環境），Vol.73，No.6，ppⅡ_93～100，2017．
3) 河村和湖，荒井康裕，小泉明，稲員とよの，横川勝也，
加治克広，鈴木賢一，有吉寛記，森山慎一：水道管路のセンシングデータを用いた漏水有無の判別分析，土木学会論文集Ｇ（環境），Vol.72，No.6，ppⅡ-187～
194，2016．