研究開発プロジェクト成果報告会「社会課題解決ツールとしてモニタリングシステムの実現に向けて」

道路インフラの統合的な常時監視を実現する
モニタリングシステムの研究開発

平成２８年９月１５日（木）（技）NMEMS技術研究機構 インフラモニタリング研究所 所長 下山 勲（国）東京大学IRT研究機構・機構長
ＮＭＥMＳ技術研究機構

1

本研究開発の狙い● 物流を支える道路インフラを対象● 小型・低価格・革新的機能センサによるモニタリング● 近寄れなかった、見えなかった場所もモニタリング
・無線・自立電源・高耐久性パッケージ● 道路インフラを一元管理
・多様なセンサをシームレスに統合する
インターフェースとネットワーク
国内陸上輸送分担率
国内陸上輸送分担率● 高速道路で技術を高め一般道へ将来展開
2

ＮＭＥMＳ技術研究機構

2

本テーマが対象とする社会課題（１）●橋梁:■老朽化の進展○NEXCO3社が管理する全橋梁数16,112橋中43％が30年以上経過＜10年

10～20年20～30年30～40年40～50年

50年＜

10%

22%

25%

25%

16%

2%

○橋長２m以上の橋梁は全国で699,000橋あり、その大半は市町村管理で平均年齢も35年以上になっている。

●道路付帯構造物:■環境条件等の変化で設計基準の見直し必要○橋梁上の情報板は交通振動で想定寿命下回る可能
性あり
・NEXCO中日本の橋梁上情報板：200面／ 3,000面
・NEXCO３社では：約1,000面／ 14,500面■想定外外力や損傷の定量的な連続モニタリング必要

管理者

国

都道府
県

政令都
市

市町村

高速道路
会社

比率

4%

19%

7%

68%

2%

●法面：

平均年齢

35年

35年

29年

■異常気象により要注意箇所
10年前の2倍

38年■法改正で5年に1回の近接目視による点検が義務付けされたが今後老朽化が加速する膨大な道路インフラを従来の点検手法で実施するのは困難

・要注意法面約2,500箇所／修繕予定法面
117,606箇所■安価で信頼性の高い連続モ
ニタリングシステム必要

ＮＭＥMＳ技術研究機構

3

本テーマが対象とする社会課題（２）社会インフラの老朽化が話題となる中で，様々な事故事例が散見されている【法面】【道路付帯物】【橋梁】

I-70コンクリート橋の落橋【2005年、アメリカ】

台風による情報板倒壊【2012年、神奈川】

山陰自動車道切土のり面崩壊【2007年、島根】⇒ H26年に道路法施行規則が一部改正され，道路構造物の近接目視点検が法制化☞でも大変

橋梁の近接目視点検

のり面の近接目視点検

ＮＭＥMＳ技術研究機構

TN換気設備の構造点検
4従来手法の課題（１）●点検の現状【課題】
のり面の目視点検点検結果にバラツキあり
・点検員の能力に依存
・判定結果にバラツキあり
点検困難な箇所が存在
照明設備の構造点検・容易に近接できない
・内部損傷が把握できない
実用的なモニタリングなし
・コスト･設置性に課題
・性能に課題・耐久性に課題
・統合的なシステムがない【ユーザーニーズ】①点検手法の高度化・効率化 ②健全度評価・劣化予測手法の確立 ③安価なモニタリング⇒ 最適な維持管理サイクルの実現
ＮＭＥMＳ技術研究機構

5課題を踏まえた本研究開発の意義
RIMS は道路の状況を２４時間モニタリングし、現状の保守・点検作業を補完する【課題】
点検結果にバラツキあり
・点検員の能力に依存
・判定結果にバラツキあり
点検困難な箇所が存在
・容易に近接できない
・内部損傷が把握できない

実用的なモニタリングなし
・コスト･設置性に課題
・性能に課題・耐久性に課題
・統合的なシステムがない【解決策】【開発内容】

・センサによる定量的計測
・常時モニタリングによる定量的評価
・常時設置小型センサで点検を補完
・非破壊センシングによる内部損傷の計測・MEMS技術等を活用した低コスト化
・自立電源、無線化による簡易設置
・高性能新規センサの開発
・セラミックパッケージ及び耐候性シートによる高耐久
・共通通信プラットフォームによる複数センサシステムの統合
ＮＭＥMＳ技術研究機構

道路インフラモニタリング
システム（RIMS）の開発
対象
・橋梁：広帯域振動、ひずみ分布
・道路付帯物：傾斜・振動同時計測
・法面：３次元高精度変位
6課題を踏まえた開発内容（開発概要）
本研究開発では高速道路の橋梁、道路付帯物、法面等を対象にして、環境エネルギを利用した自立電源を有し、各フィールドのモニタリングに適した新規の小型、安価、高性能、高耐久性の無線センサ端末を開発する。無線通信センサネットワークや高耐久性のパッケージングに関しては共通化を図り、効率的な開発を行うとともに、各フィールドのセンシングシステムを統合して道路インフラのトータルな維持管理が可能な道路インフラモニタリングシステム（RIMS:ROAD Infrastructure
Monitoring System）を構築する。

RIMSネットワーク
収集サーバ

橋梁

収集装置
（コンセントレータ）
ＮＥＸＣＯ東日本資料より抜粋

インフラ管理センター(高速道路会社)

道路付帯物
ＮＭＥMＳ技術研究機構

法面7

研究実施体制
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
インフラ状態モニタリング用センサシステム開発
道路ｲﾝﾌﾗ状態モニタリング用センサシステムの研究開発(1)センサ端末及びモニタリングシステムの研究開発(1-1)橋梁(1-1-1)スーパー
アコースティック
（振動）（東芝、東大、京大）(1-1-2)フレキシ
ブル面パターン（ひずみ）（産総研、大日本印刷）(1-2)道路付帯
構造物（標示板等）(1-3)法面（富士電機）（三菱電機）(2)センサシステム共通基盤技術の研究開発(2-1) 無線通信ネットワーク共通PF（NTTデータ）(2-2) 高耐久性パッケージング共通PF （ＭＭＣ、日本ガイシ、大日本印刷）(3) 実証・評価研究共通PF （NEXCO東日本・中日本・西日本、阪神高速を含む全参画機関）(4) 先導研究：センサ端末同期用原子時計 （産総研、リコー、MMC、京大、東工大、首都大東京）
ＮＭＥMＳ技術研究機構

8

スケジュール
テーマ名（１）道路インフラ状態モニタリング用センサ
端末の研究開発（1-1-1)スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発（振動）（1-1-2）フレキシブル面パターンセンサによる橋梁センシングシステムの開発（ひずみ）(1-2)道路付帯構造物傾斜センシングシス
テムの開発(1-3)法面変位センシングシステムの開発(2)道路インフラ状態モニタリング用センサ
システム共通基盤技術の研究開発(2-1)無線通信ネットワーク共通プラット
フォームの開発(2-2)高耐久性パッケージング技術の開発(3)道路インフラ状態モニタリング用センサ
システムの実証及び評価研究

FY2014FY2015FY2016

「
セ
ン
サ
完
」シ
３年で新規センサ・ お ス
センシングシステムを完成
よテ
ム
・
び
「共
予通
備プ
実ラ
証ッ
実ト
共通プラットフォームの完成
験フ
ォ
完
」ー
ム
開
実証実験準備
発(4)センサ端末同期用原子時計の研究開発

FY2017FY2018

実証評価及び
実用化研究

実証評価及びデータベース構築

本格実証・データ蓄積

将来技術フィージビリティ検証
ＮＭＥMＳ技術研究機構

9スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発(1)
研究開発の概要と差異化ポイント○破壊のマルチスケール性（右図）からあらゆる劣化のステージに対応するには数Hz～1MHzの帯域のセンサが必要○SAセンサを活用した、橋梁の健全状態から、初期劣化（ミクロ破壊:10kHz～1MHz)
中間劣化（メゾ破壊:数100Hz）
限界劣化（マクロ破壊:数Hz）までを一個のセンサで検出できるセンサシステムの構築。

○SAセンサの適用対象材料は、土、岩、組積造、コンクリート、鋼、複合材料など広範に亘り、橋梁以外にも応用展開が期待できる(構造物聴診器)

ＮＭＥMＳ技術研究機構

10スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発(2)
これまでの成果 ○ＳＡセンサデバイスの開発
・構造を最適化したMEMSセンサを試作。広帯域応答特性を確認
SAセンサの構造
Beam length: 300 μm, width: 10 μm,
thickness: 0.3 μm
Liquid size: D = 900 μm,
PDMS block size: Φ = 8 mm, H = 10 mm

周波数応答特性

試作センサの外観
ＮＭＥMＳ技術研究機構

11スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発(3)
これまでの成果 ○小型センサ端末の開発とシステム実証実験
・自立発電動作可能な低消費電力小型無線センサ端末を開発
システムの信号処理ブロック

橋梁床版への設置の様子

試作した無線SAセンサ端末
・小型(100X70mm)
・4ch SAセンサ入力
・FPGAによる特徴量抽出・920MHz帯無線モジュール
・自立発電モジュール接続■エッジ端末での特徴量抽出により1/1000程度にデータを圧縮→ 省電力無線データ伝送
ＮＭＥMＳ技術研究機構

12スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発(4)
これまでの成果 ○橋梁模型を用いたデモ (NMEMSブースで実施)
・クラック進展等を模したAE波源をSAセンサで検知し、リアルタイムに処理し、サーバ上に震源密度分布を表示
橋梁模型

920MHzWireless

SAセンサ

無線SAセンサ端末

疑似AE波源の発生(ASTM規格準拠)

空間AE密度分布

ＮＭＥMＳ技術研究機構

13スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発(5)ＮＭＥMＳ技術研究機構

14スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発(6)
これまでの成果○橋梁構造の健全性定量評価手法の開発
・独自の手法で，対象物の内部ひび割れの位置を可視化。高速道路橋で実証。
①

対象橋梁の外観②

震源位置標定＆速度構造解析

コンクリート床板下面に15個のAEセンサを設置し，供用中の交通荷重を利用して，AE震源および弾性波速度構造を把握

5
2
3

6

4
外観上
微細なひび割れは確認されるが，大きな損傷は発見できな
かった。

1

4300
4200
4100
4000
3900
3800
3700
3600
3500
3400
3300
3200
3100
3000
2900
2800
2700
2600
2500
2400
2300
2200
2100
2000

7
8

9

AE源密度分布(最大値で正規化)

速度
高

低

弾性波速度構造分析により、外観上は判別できない内部ひび割れをAE源密度および速度構造により特定可能なことを確認
ＮＭＥMＳ技術研究機構

15フレキシブル面パターンセンサによる橋梁センシングシステムの開発(1)
研究開発の概要と差異化ポイント■鋼橋の亀裂・現状：目視点検にて溶接部付近に塗膜割れ確認の場合、渦流探傷で亀裂を発見。ストップホール、溶接などの補修・補強を行った後経過観察。点検（５年に１度）、観察ともそこに人がいかないとできない。
・ニーズ：センサで亀裂の進展や発生を早期発見して、軽微なうちに補修・補強したい
目的→鋼橋の亀裂を観察、発見、予測可能なひずみセンサアレイを開発する■従来技術の課題と解決方法
・箔ひずみゲージは消費電力大、アレイ化の施工
困難、配線が複雑
従来方法
・フレキシブル基板等樹脂材料の耐久性が低い→フレキ上ひずみセンサアレイからデータ通信→接着シート貼り付けによる簡単施工→有機無機複合UV・水蒸気配線保護フィルム
・静ひずみに通行車両由来の動ひずみが重畳す
る、動ひずみは車重に依存→動ひずみピーク値の分布の面パターンから応力集中、異常増大をモニタリング
フレキシブル面パターンセンサの設置イメージ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

16フレキシブル面パターンセンサによる橋梁センシングシステムの開発(2)
これまでの成果■従来技術の課題
・市販ひずみゲージは消費電力大、アレイ施工困難、配線が複雑■方法
・MEMS技術で作製した極薄PZT/Siをフレキ基板上にアレイ化
・Amp、ADC、MCU、RF-IC集積モジュールでデータ処理、通信
Top view

市販ひずみゲージアレイ
銅貼PEN基材

Cross-section view
Vacuum collet
Adhesive rubber

1: 極薄シリコンを吸着

2: 基板からピックアップ

30-µm-thickadhesive material

Wiring50-µm-thick flexible substrate

3: フレキシブル回路基板とアライメント

4: 接着層印刷部に転写
Conductive paste

Insulating paste

5: 絶縁ペーストをスクリーン印刷

12cm

6: 配線用銀ペーストをスクリーン印刷

・圧電MEMSによる高感度PZTひずみセンサ技術
・実装機を用いた極薄PZT/Siの転写技術・スクリーン印刷による配線技術を新規に開発極薄PZT/Si
銀ペースト配線

アンプ、ADC
MCU、RF-IC
集積モジュール

極薄PZT/Siをフレキ基板上にアレイ化したフレキシブル面パターンセンサ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

17フレキシブル面パターンセンサによる橋梁センシングシステムの開発(3)
これまでの成果

１：配線保護フィルム作製（PET、無機バリア層）■従来技術の課題
２：フレキシブル回路基板作製（銅貼PEN）
・フレキシブル基板等樹脂材料の耐久性が低い
３：配線保護フィルム＋フレキ回路基板貼り合せ
・面積が広いため接着剤での施工が困難■方法
・有機無機複合UV・水蒸気配線保護フィルムをラミネート
・保護フィルム、フレキシブル基板、粘接着シートの集積化 ４：極薄PZT/Siをフレキ回路基板に転写、配線（前ページ）
・日光を当ててプライマ塗布表面に貼るだけの簡単施工
PENフィルム

封止・接着層極薄シリコンセンサ

５：粘接着シート貼り合せ

粘接着シート（200mm）

５：UV照射→プライマ塗布構造物に貼り付け

セパフィルム剥離

貼り付け
粘接着シート（200mm）

フレキシブル面パターンセンサの実橋への施工

ＮＭＥMＳ技術研究機構

構造物
配線保護フィルム､センサ集積フレキ基板、
粘接着シート、集積化プロセスと施工

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フレキシブル面パターンセンサによる橋梁センシングシステムの開発(4)
これまでの成果

電力

駆動時

待機

■従来技術の課題
・静ひずみは通行車両の動ひずみが重畳、温度依存性大・動ひずみは車重に依存■方法
・動ひずみピーク値の分布の面パターンから応力集中、異常増大のモニタリングにより亀裂を観察、発見、予測

アンプ、ADC

11.84mW

0mW

MCU、RFIC

111mW

0.037mW

常時駆動
123mW
毎時１０分間 20mW
→小型太陽電池で駆動可能
通信ユニット消費電力
5000

溶接部
Strain [me]4000

極薄PZT/Siセンサ
通信ユニット箔ひずみゲージ

実橋での実証試験において・通行車両の動ひずみ（10～100me）を検出
・十分な感度でひずみ分布を示した
・溶接部の応力集中を可視化できた

阪神高速道路橋におけるフレキシブル面パターンセンサの実証試験
ＮＭＥMＳ技術研究機構

CH2
CH5

3000
2000
1000
0
0

2000

4000
time [s]

6000

8000

亀裂発生時の動ひずみ・亀裂通過時の動ひずみ振幅＞1000me
・開発センサ感度で亀裂の観察、発見は可能
・予測にはさらなる感度向上が必要
19

道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(1)
研究開発の概要と差異化ポイント◆開発の背景・付帯設備の老朽化進展と技術者不足
日常点検 目視による異常な揺れや変形の確認⇒センシングシステムによる点検業務の効率化
判定の定量化、状態変化の常時監視◆開発の目的・傾斜マルチセンサ端末を開発し、道路付帯物の劣化・損傷を、「傾斜の変化」及び 「揺れ方（振幅、振動数）の変化」を
常時モニタリングにより状態変化を検出（ﾌｨﾙﾀｲﾝｸﾞ）し、点検業務の効率化に資する。
◆傾斜マルチセンタ端末概要
・傾斜、振動、温度を同時計測（マルチセンサ）
・自立電源、無線通信（コードレスセンサ端末）
・上位での高度解析対応(1)複数ｾﾝｻ間の時刻同期(2)高速無線通信による大容量ﾃﾞｰﾀ送信
・高速道路（実フィールド）での実証

傾斜マルチセンサ外形
50以下
100以下

ＮＭＥMＳ技術研究機構

70以下

20

道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(2)
これまでの成果◆MEMSセンサデバイスの開発（静電容量式加速度センサデバイス）
・開発目標①傾斜計測の出力安定性：0.05deg②振動計測の分解能：0.1gal
・成果概要
原理試作品 温度安定性評価結果①MEMSセンサデバイス構造の構造最適化、およびユニット構造化⇒原理試作品により 温度安定性：0.05degを達成
フロントエンド回路②ユニット構造化（小型化）品
設計・試作完了、評価実施中
セラミック基板

MEMSセンサ
プリント基板MEMSセンサユニット
ＮＭＥMＳ技術研究機構

21道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(3)
これまでの成果◆傾斜マルチセンサ端末の開発
・開発目標①傾斜・振動・温度を同時測定②太陽電池による自立電源③複数センサ間の時刻同期（±1ｍsec)④大量ﾃﾞｰﾀ（900ｋB/3分間）を
平均0.5ｍWで無線送信
・成果概要ⅰ)センサ端末構造設計/製作完了

セラミック
ケースに収納太陽電池

デジタル回路
傾斜マルチセンサ端末
インナーユニット
傾斜マルチセンサ端末外観

振動

低消費電力化による小型ⅱ)傾斜・振動・温度の同時計測確認 傾斜
MEMSセンサﾃﾞﾊﾞｲｽの高安定化定ⅲ）無線通信確認
実環境による通信性の確認

ⅳ)太陽電池での動作確認

温度
傾斜マルチセンサ端末出力例

低消費電力化、日照データによる連続稼働シミュレーションによる確認
ＮＭＥMＳ技術研究機構

22道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(4)
これまでの成果◆実証実験センシングシステムの構成
・集約器の設計・製作完了、動作試験中・計測システムの設計完了、今年度システム試験完了予定

収集ｻｰﾊﾞｰ

情報板
集約器機能◆データ収集◆ﾃﾞｰﾀ一次保管◆時刻同期

集約器/ｺﾝｾﾝﾄﾚｰﾀ

RIMSネット
ワーク

集約器
920MHz無線

傾斜マルチセンサ端末(間欠測定：3分間/１Hr）

ｺﾝｾﾝﾄﾚｰﾀｰ（ＮＴＴ-Ｄ)＜傾斜マルチセンサ端末-集約器間920MHｚ無線＞
要求仕様

無線仕様

ﾃﾞｰﾀ量：900kB／h

伝送速度：1,000kbps以上

伝送距離：最大30m

出力：+13dBm 以上、感度：-88dBm以下

ｾﾝｻ側消費電力：
avr.0.5mW

受信時電流:20ｍA以下、送信時電流：40mA以下、
スタンバイ電流：1μA以下ＮＭＥMＳ技術研究機構

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道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(5)
これまでの成果◆実証実験場所の選定と先行フィールド試験の実施
・実証実験場所：東名高速 吾妻山トンネル入口情報板
・先行フィールド試験の実施（既存センサにて実施）
データ収集：無線通信（携帯電話回線）にて遠隔からデータをダウンロード
東名 下り線 左ルート
吾妻山トンネル入口情報板

傾斜計、加速度計（頂部）
吾妻山トンネル

傾斜計、加速度計
PC,記録器他（内部）

温度計

加速度計、傾斜計（基部）

情報板全景（設置作業時）

ＮＭＥMＳ技術研究機構

24道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(6)
これまでの成果◆システム構築と実証実験 （先行フィールド試験実施状況）
傾斜計測データ例：時系列トレンド

支柱温度と気温に温度差発
生時に傾斜変動が大きくなる傾向がある。

・2016/5/15～2016/6/4（20日間） トレンド （全データ）

頂部（道路方向 傾斜）温度差（支柱温度ー気温）・2015/12/17～2016/6/23 夜間（23時～5時）トレンド（道路方向 傾斜）

頂部

+3σ

平均
基部

内部

-3σ

東名）吾妻山トンネル入口情報板

長期的な変動を監視するには、支柱温度と気温の差が小さな
時間帯（夜間 23時～5時）のデータをモニタリング
ＮＭＥMＳ技術研究機構

25

道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(7)卓越周波数は略支柱材質
これまでの成果のヤング率温度特性の影◆システム構築と実証実験 （先行フィールド試験実施状況）
響と考えられる。
卓越周波数計測データ：2015/12/16～2016/5/9（146日間）
・卓越周波数と支柱温度との相関
道路方向

道路幅方向

頂部

相関係数：-0.7978
周波数の温度特性：-0.0160 ％/℃＊ﾔﾝｸﾞ率の温特からの試算：-0.0144 %/℃

基部

内部

1.49Hz相関係数：-0.5731
周波数の温度特性：-0.0133 ％/℃

1.65Hz東名）吾妻山トンネル入口情報板

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法面変位センシングシステムの開発(1)
研究開発の概要と差異化ポイント

位相差から距離差を求め変位を検出

センサ端末◆電波位相差により高計測頻度・全天候・3次元で法面変位を高精度計測

位相差

センサ端末
から電波放射◆端末間の無線メッシュネットワークによる広範囲計測

子受信機#2の受信電波

子受信機

法面変位センシングシステムの概念

電波利用

方式

GPS

電波位相差
GPS衛星

親受信機

無線

収集サーバ
（NTTデータ）◆天候・昼夜を問わず長期間動作する
多機能型センサ端末の開発

子受信機#1の受信電波

集約機（NTTデータ）

光波利用

ワイヤー利用

光波測量器

伸縮計

計測点

システム
概要図
GPS受信機変位後のワイヤー○ 1時間に1回以上△ 1日に1回○ 1時間に1回以上○ 1時間に1回◎ 1mm以下

△ 数mm

○ 1mm

◎ 1mm以下

耐悪天候

○

○

× 大雨，霧で精度劣化

○

3次元計測

○

○

○

× 1次元

計測頻度
精度

ＮＭＥMＳ技術研究機構

27

法面変位センシングシステムの開発(2)
これまでの成果

原理検証実験結果

 ケーブル等の位相変動を補償することにより，4㎜のステップ変位を計測
 道路法面の維持管理（通行止め要否等）に適用可能な精度が得られることを検証
子受信機• 子受信機8基，センサ端末6台を設置• 920MHz帯の特小無線の電波を用いて，4㎜*1の強制変位を捉えることを確認

受信アンテナ20
アンプ・電源4mmの変位を捉えることが
できている

15
10

子受信機

X方向 [mm]

5

Z方向

-5
-10

-20

X方向

＊ 計測値
-- 真値

-15

センサ端末

Y方向

0

3軸ステージを用いて，センサ端末を強制的に±4㎜変位0510
測定時刻 [h]1520*1：高速道路の管理基準値として，4㎜/h以上の変位が認められた場合に通行止めにするというものがある

ＮＭＥMＳ技術研究機構

28

法面変位センシングシステムの開発(3)
これまでの成果

センサ端末試作

 太陽電池モジュールと蓄電デバイスにより長期動作を図ったセンサ端末を設計・試作
 雨天・曇天時でも連続して動作することを確認
ｿｰﾗ電圧

6

センサ端末

5

電圧 [V]

太陽電池モジュール

動作電圧範囲（2.5～3.3V）

4
3
2
雨天・曇天

1
0

日射量

日射量 [W/㎡]

1500

外気温

40
30

1000

20
500
0

10
1

2

ＮＭＥMＳ技術研究機構

3

4
日数

5

6

7

8

気温[℃]

蓄電デバイス

基板（無線モジュール，電源制御等）

無線モジュール動作電圧

029法面変位センシングシステムの開発(4)
これまでの成果

子・親受信機試作

 子－親受信機間を光ファイバ化することにより，長距離（数100m）伝送を可能にした子・親受信機を試作
 機器単体で十分な位相精度0.1deg（≒0.1㎜）が得られることを確認
RF部・A/D変換部

100mの光ファイバで接続

増幅器，フィルタ，E/O変換
子受信機×8

受電部

親受信機
機器単体で十分な位相精度0.1deg（≒0.1㎜）を確認（4㎜/hの変位検出に必要な位相精度の目安3deg）

位相差計測精度[degree]

O/E変換

0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1

0.1

信号長[ms]1

試作機の位相計測精度（センサ端末-子受信機間距離2.5m）
ＮＭＥMＳ技術研究機構
30

無線通信ネットワーク共通プラットフォームの開発(1)
背景/課題

ニーズ

道路 イン フ ラの老 朽化や定期 点検 要 領の更 新などによ り、 多 種多様 なセン
サが 設置 さ れるに 伴い、
通信 基盤 の 重複に よる非効率

差異化ポイント

多種多様なセンサ/
メーカー、監視目的に対応するオープン
なネットワーク通信
基盤が求められている◆様々なデータフォーマットやイン
ターフェースの差異を吸収する通信仕様◆設置容易性とコスト対策を目的としたコンセントレータ間の連携通信◆セキュアな情報収集への対応

無線通信ネットワーク共通プラットフォーム
収集装置（コンセントレータ）

セキュアな
情報収集

RIMSネット
ワーク

収集
サーバ

橋
梁

連携通信
通信仕様
の開発

道路付帯物

法面

インフラ管理センター(高速道路会社)道路インフラモニタリングシステム（ＲＩＭS）
ＮＭＥMＳ技術研究機構

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無線通信ネットワーク共通プラットフォームの開発(2)
これまで
の成果

○多種多様なセンサに対応するための通信仕様の開発①共通インターフェースをもとに各社のデータフォーマットと通信仕様を確定
連携試験により方式に問題ないことを検証済み②受信モジュールを独立させ遠隔にて変更可能であること検証済み
無線通信ネットワーク共通プラットフォーム
センサ

ロガー

コンセントレータ

収集サーバ

データ仕様

データ仕様

データ仕様

データ仕様

①共通的なインターフェースで多様なデータを吸収するため対応が容易

ヘッダー

データ（変位、雨量、・・）

ヘッダー

データ（加速度、温度、・・）②独立モジュールの遠隔変更

32

共通インターフェース

ＮＭＥMＳ技術研究機構

32

無線通信ネットワーク共通プラットフォームの開発(3)
これまでの成果○コンセントレータ間の連携通信
３ホップまで連携通信を確認済み
3G回線

ＷｉＦｉによるコンセントレータ３台によるホップ通信

コンセントレータ○セキュアな情報収集
データは独自暗号化方式
で通信、内部モジュールの遠隔変更はSSL暗号方式で通信を実装済み→平成２８年度にセキュリ
ティの検証予定

ロガー
センサ

距離と電波強度の影響を確認

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高耐久性パッケージング技術の開発(1)
研究開発の概要と差異化ポイント●高耐久性化●オールインワンパッケージング■設置する自立型無線センサ端末の環境○設置環境が、屋内と比べて厳しい。
・過酷な環境下でも安定的に動作しなければインフラ分野では適用困難○NEXCO,阪神高速等の事業者にとって、自立型無線センサ端末の寿命及び信頼性確保は重大関心事である。
・インフラの寿命や点検サイクルに⽐してシステムの寿命が著しく短い場合は適用困難（国交省；社会インフラのモニタリング技術
活用推進検討委員会から抜粋）■端末の長時間性能維持■全体として保護出来、かつ衝撃強度、電磁波伝導、
光透過、熱伝導性能及び必要に応じて外部との電気的接続端子が確保できるセラミック型パッケージが必要●取り付け簡単施工性■事業者にとって、施工性と維持管理は重要○コンクリート、鋼板との接着・接合強度が必要■ベースプレートに接着されたセンサ端末内蔵パッケージを現場で簡単取付け施工

本研究の差異化ポイント◆常時モニタリングを長期に保証するセンサ端末パッケージング技術◆自立電源、無線モジュール、環境センサをオールインワンパッケージング◆パッケージを構造物に強固接着／接合する簡易施工シート実装技術
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高耐久性パッケージング技術の開発(2)
最終目標

パッケージサイズ；７ｃｍｘ１０ｃｍｘ５ｃｍ

耐久性；１０年以上

開発内容及びこれまでの成果
透光性セラミック
ＬＴＣＣ(Low Temperature Co-fired
Ceramics)

オールインワンパッケージング
自立電源
センサ
無線ＬＳＩ

アンテナ
外部配線

コンクリート・鋼板a) アンテナ形成できる大型サイズのLTCC基板及び透光性セラミック基板開発
７ｘ１０ｘ５ｃｍの大型サイズ、かつ低指向性ダイバーシテイアンテナ付きのＬＴＣＣパッケージを完成した。
規格
Gain上限 +3dBi
Gain下限 -5dBi

三菱端末パッケージ例Y

ダイバーシテイX
アンテナ特性図
アンテナ
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35高耐久性パッケージング技術の開発(3)
開発内容及びこれまでの成果
オールインワンパッケージング
気密封止材実装

粘接着シートによる構造物との
接合

自立電源
無線ＬＳＩ
センサ
コンクリート・鋼板

鋼板

ｺﾝｸﾘｰﾄ4.0

SUS312L

5点平均

ｱﾙｶﾘ温水
凍結融解
熱劣化
塩水噴霧

4.5

≧0.4MPa

3.5

1.0
0.5
0.0

1

2

3

4

5

6

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7

8

9

10

初期

1.5

熱劣化
塩水噴霧

2.0

凍結融解

2.5

初期
ｱﾙｶﾘ温水3.0

初期
ｱﾙｶﾘ温水凍結融解
熱劣化

１０年耐久性

耐久加速試験 引張試験結果
引張強度 [N/mm2(MPa)]

低温接合できる無機･有機
複合接合材を開発し、パケージ封止実装を完了した。耐候性試験(500Hr)、Ｐ
ＣＴ（Pｒｅｓｓｕｒｅ Cooker
Test) 、規格熱サイクル試
験(-45⇔80℃、200回)達成。

10年相当の耐久加速試験としてJISA5557耐久加速試
験条件1.5倍を完了、ｺﾝｸﾘｰﾄ、鋼板、SUS312LにおいてLTCCとの引張強度0.4MPa以上であることを確認した。

11

12

13

14

15

16

36

道路インフラ状態モニタリング用センサシステムの実証及び評価研究(1)
研究開発の概要と差異化ポイント【開発内容】【現状】○個別フィールドのモニタリングシステムはあるが、フィールドを跨った統合的なモニタリングシステムはない。
（例）
・橋梁モニタリングシステム
・法面モニタリングシステム○有線の長期モニタリングはあるが、無線センサによるモニタリングは一般的には1年未満の短期モニタリン
グであり、研究期間終了後はセンサを取り外している。
○人や車両によるモニタリングは離散的であり、常時モ
ニタリングできない。
○人によるモニタリングは判定にバラツキが大きい。
○点検困難なモニタリング箇所がある。
G1

P39(B-Line)

G2 G3

４つのフィールドで自立電源、無線センサネットによる２年の常時モニタリング実証実験を実施
し、進行している劣化・損傷診断に必要な基礎データを取得する。データの一元管理化や統合
データベース構築とネットワークを利用した閲覧の実証及び評価研究を実施する。一般道へ展開するために有用なパラメータを抽出する。

G4

：加速度計
：熱伝対

有線センサによる橋梁モニタリング 点検車によるモニタリング
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37道路インフラ状態モニタリング用センサシステムの実証及び評価研究(2)
これまでの成果

予備実証実験

山形自動車道月山湖PA周辺法面

阪神高速13号東大阪線大阪城付近橋梁

極薄歪センサアレイ（橋梁のひずみ予備計測）
フレキシブル面パターンセンサによる橋梁歪センシング 【産総研、大日本印刷】

アンテナ内蔵
LTCCパッケージ（パッケージ接着強度予備実験）
高耐久性パッケージング技術【ＭＭＣ、大日本印刷、日本ガイシ】（法面の変位予備計測）
電波変位センサによる法面変位センシング【三菱電機】

中国自動車道・菅野川橋

東名高速 下り線 左ルート
吾妻山トンネル入口情報板（橋梁のAE予備計測）
スーパーアコースティックセンサによる橋梁振動
センシング 【東芝、東大、京大】（情報板の振動・傾斜予備計測）（情報板回線状況予備実測）

傾斜マルチセンサによる道路付帯構造物
センシング
38 【富士電機】

無線通信ネットワーク共通プラットフォーム【ＮＴＴデータ】

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38

波及効果
（１）国、地方公共団体管理道路への展開（２）他の社会インフラ（エネルギー関連施設、鉄道、港湾施設等）への展開（３）海外事業展開

鉄道（出典：国交省資料）

他道路インフラエネルギ関連施設
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港湾施設
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謝 辞

本研究は、国立研究開発法人新エネルギー・
産業技術総合開発機構（NEDO）の委託研究
業務の結果得られた成果です。

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