ＭＥＭＳセンシング＆ネットワーク展2017 主催者セミナー
Connected Industries推進に向けたMEMSセンシング技術開発への挑戦
研究開発プロジェクト成果報告会
セッション２道路インフラモニタリングシステム(ＲＩＭＳ)の研究開発
平成２9年10月５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／（国）東京大学IRT研究機構 機構長 教授
下山 勲
ＮＭＥMＳ技術研究機構

1

対象とする社会課題
道路インフラの劣化

老朽化の進展
出展：国交省資料

大型車両・過積載車両の増加

異常気象・地震による
災害の多発

26%
8%

2020年

53%
2010年

約155,000橋梁（橋長15m以上）

2030年

建設後50年以上経過の割合（橋梁）維持管理・更新
平常時

劣化原因事象の監視
劣化進行状況の監視

詳細点検必要箇所の抽出劣化の発見、場所の特定

補修優先順位の決定

補修効果の確認

非常時 災害発生時における迅速な状況把握 通行可否の迅速な判断 復旧優先順位の決定
現状●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
点検作業量の増大

点検困難場所存在

あいまいな目視判定・評価基準

熟練点検員不足

点検・維持管理・更新予算不足

内部の損傷・劣化が正確に把握出来ない
ＮＭＥMＳ技術研究機構

2

本研究開発の狙い
高性能・安価な新規デバイス及びモニタリングシステムの開発により現状の課題を解決し、道路インフラの低コスト維持管理・更新を実現
劣化・損傷診断による、
事後保全から予防保全へ

・通常点検＋常時・継続モニタリング● 24時間モニタリングで現状の保守・点検作業を補完→ 将来は 目視点検の不要化を目指す● 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● 高速道路で技術を高め一般道へ将来展開

ＮＭＥMＳ技術研究機構

3

本テーマが対象とする社会課題●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

4

開発概要
・ 環境エネルギーで稼働する小型、安価、高性能、高耐久性の無線センサ端末を新たに開発
・ 「橋梁センシングシステム」、「道路付帯物センシングシステム」、「法面センシングシステム」を開発
・ これらのシステムを統合し、道路インフラの状態をリアルタイムに、一元的に維持・管理できる「道路インフラモニタリングシステム（ＲＩＭＳ： Road Infrastructure Monitoring System)」を開発
・ ネットワーク技術、高耐久性のパッケージング技術に関しては共通化を図り、効率的な開発を行う
・ パッケージとして一般道への展開及び海外展開も容易となる。これは世界初の試みと考える・ 将来技術として、センサ端末同期用原子時計の基盤技術及び高性能振動発電を開発
・ 開発したセンサシステムを大規模インフラのモニタリングに展開

ＮＭＥMＳ技術研究機構

5

開発内容

ＮＭＥMＳ技術研究機構

6

体制・役割分担●役割分担を明確にした19機関の産官学連携体制 （技術研究組合として実行）●ネットワーク技術、パッケージング技術、信頼性保証技術の共通化による高い開発効率●主要高速道路会社参画でニーズに沿った速いＰＤＣＡサイクルＮＭＥMＳ技術研究機構

7

スケジュールＮＭＥMＳ技術研究機構

8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、大規模インフラの長大橋はもとより、橋梁以外にも応用展開が期待できる(構造物聴診器)

典型的な破壊形態

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(2)
これまでの成果
橋梁モニタリングシステムの実現イメージ

床版の劣化状況を遠隔監視

SAセンサ端末:センサ位置センサ
920MHzWireless

集約装置
（中継）

3G

サーバ

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(3)
これまでの成果
振動検出部の概要およびSEM画像

課題①：市販ＡＥセンサより高感度かつ広帯域な周波数特性を持つＳＡセンサを実現

解決方法および結果：
・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・３０Ｈｚ〜１ＭＨｚで校正したセンサの感度を比較した結果、市販センサよりも高性能

実線︓試作SAセンサ

Calibrated sensitivity [V/(m/s)]

ＳＡセンサの構造

点線︓市販AEセンサ

Frequency

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(4)
これまでの成果試作したＳＡセンサ

H=2mm

Output voltage [V]

課題②：低周波数領域においてＳＡセンサが加速度センサとしての性能を確認
液体

H=5mm

H=10mm

加振電圧の1/100
市販加速度センサ
SAセンサ
Time [s]

解決方法および結果：・ＭＥＭＳチップ上の液体の高さを変えてセンサを試作。低周波数領域の応答特性を確認・結果として、市販加速度センサと同等な感度を持つＳＡセンサを実現

Calibrated sensitivity [V/ｇ]- 橋梁での実証実験用のチップと同様- チップ上の液体の高さを変えて評価
市販センサ
SA sensor
H=10 mm
H=5mm
H=2mm

Frequency [Hz]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(5)
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
・電力消費抑制動作可能な小型無線センサ端末を開発。動作を実証

ウェイクアップセンサ

AE計測センサ
AM10:44〜5分間抜粋

85
80
75

ActiveAE Amplitude , dBuV

90

Sleep
1点が1回のAEヒットに対応

70
65
60
0

50

100

150

200

250

300

Time , sec

試作端末の橋梁への設置
・小型(100X70mm)
・920MHz帯無線モジュール
・自立発電モジュール接続

イベントドリブン実測結果
大型車走行時のみ起床し計測。その後スリープし、電力消費を抑制。高速道路橋梁にて大型車走行イベント(矢印部)で計測動作を確認(1分あたり1.8イベント)
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(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
・降雨により励起された弾性波を利用し，コンクリートの内部損傷を検知①手法の概念ランダムに降り注ぐ雨

センサによりAEを記録

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(7)
これまでの成果

震源位置標定結果②手法の実証

計測時間：700秒（交通荷重の場合：140時間）
標定点の多い部分：
弾性波が透過しやすい→健全
標定点の少ない部分：
弾性波が透過しにくい→損傷

高速道路橋梁の床版にAEセンサを設置し、データを収集

コア試料分析
1

2

3

4

5

6

7

8

9

コア試料の採取15

進行したひび割れを予測

これからひび割れが進行すると予測

外観上は検知できない内部損傷を特定可能なことを確認
ＮＭＥMＳ技術研究機構

15

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(8)
これまでの成果
 大規模インフラへの展開：プレストレストコンクリート(PC)構造長大橋を対象に選定

候補高速道路橋梁
ＰＣ橋梁（箱桁）
橋長：372.3m

進入経路

進入口
約70cm四方の開口。
大型計器は搬入不可。

ＰＣ箱桁構造を対象とした計測手法を検討へ
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(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

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(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技術で作製した高感度極薄PZT/Siセンサや、印刷による低コストひずみゲージを
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
極薄シリコンタイプ

印刷タイプ

フレキシブル面パターンセンサの断面図
UVカット・水蒸気バリア配線保護フィルム

接着層

貫通銅配線

フレキシブル基板（PEN）

粘接着シート物

フレキシブル面パターンセンサ

橋梁等構造

プライマ

銀ペースト配線

極薄シリコンまたは印刷ひずみセンサ

フレキシブル面パターンセンサの断面図

ＮＭＥMＳ技術研究機構

18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
・フレキシブル基板等樹脂材料の耐久性が低い
・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
・日光を当ててプライマ塗布表面に貼るだけの簡単施工

２：フレキシブル回路基板作製（銅貼PEN）
PENフィルム

３：配線保護フィルム＋フレキ回路基板貼り合せ
封止・接着層４：極薄PZT/Siをフレキ回路基板に転写、配線（前ページ）

極薄シリコン or 印刷センサ

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

構造物

ＮＭＥMＳ技術研究機構

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

19

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
CH2
CH5

Strain []4000

フレキシブル
面パターンセンサ

亀裂

3000
2000
1000

通信ユニット
コネクタ

用

0
0

2000

4000
time [s]

6000

8000

試験体で亀裂進展時の動ひずみ測定

ストップホール

動ひずみピーク値の面パターン

高速道路箱桁内におけるフレキシブル面パターンセンサの実証試験

・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、発見が可能
ＮＭＥMＳ技術研究機構

20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(5)
これまでの成果 大規模インフラへの展開（ダムのクラックモニタリング）■従来技術の課題
・クラックゲージの目視点検による経過観察
・ダム監査廊内は閉鎖空間のため通信環境が悪い■方法
・ひずみとクラックの開口変位の相関を調査
・亀裂終端の前方にセンサを施工して進展を監視
・複数の中継機を経由させる通信システムを検討

ダム監査廊内のクラックにフレキシブル面パターンセンサを施工

ダムにおけるクラック観察の現状

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(1)
研究開発の概要と差異化ポイント

振動強度 [G]◆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。
・傾斜の変化（静的変動） ・揺れ方の変化：振幅、固有振動数◆傾斜マルチセンタ端末概要
劣化時（動的変動）
・傾斜、振動、温度を同時計測（マルチセンサ）
正常時・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
振動数 [Hz](1)複数ｾﾝｻ間の時刻同期＜発電施設＞(2)高速無線通信による大容量ﾃﾞｰﾀ送信
発電所棟
展
・高速道路（実フィールド）での実証
水槽
発電機
開・大規模インフラ（発電施設）への展開
導水ﾄﾝﾈﾙＮＭＥMＳ技術研究機構

水圧鉄管

22

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、及びユニット構造化⇒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
MEMSセンサユニット構造化品製作、評価中

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

23

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
太陽電池◆傾斜マルチセンサ端末の開発
太陽電池
・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化
デジタル回路デジタル回路③複数センサ間の時刻同期（±1ｍsec)
傾斜マルチセンサ端末④大量ﾃﾞｰﾀ（900ｋB/3分間）を
インナーユニット
平均0.5ｍWで無線送信
・成果概要ⅰ)センサ端末製作完了
振動

セラミック
ケースに収納傾斜マルチセンサ端末外観（寸法70×100×50ｍｍ）

情報板へ設置・実証評価準備中ⅱ)傾斜・振動・温度の同時計測確認
MEMSセンサﾃﾞﾊﾞｲｽの高安定化定傾斜ⅲ）無線通信確認
実環境による無線通信確認

温度ⅳ)太陽電池での動作確認

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、ランニング試験評価中
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(4)
これまでの成果◆実証実験センシングシステム

RIMS収集ｻｰﾊﾞｰ・集約器の設計製作・動作試験完了
・計測システムの実環境での動作確認完了
・実証実験サイトに設置、立上・調整中
傾斜マルチセンサ

傾斜マルチセンサ

情報板

RIMSネットワーク

集約器/ｺﾝｾﾝﾄﾚｰﾀ
内部

携帯電話網
頂部
傾斜マルチセンサ

920MHz無線

集約器

ｺﾝｾﾝﾄﾚｰﾀｰ（ＮＴＴ-Ｄ)
集約器機能◆データ収集◆ﾃﾞｰﾀ一次保管◆時刻同期

傾斜マルチセンサ端末(間欠測定：1- 3分間/１Hr）
基部
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(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：東名高速道路 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

26

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）
卓越周波数計測データ：2015/12/16〜2017/2/23（435日間）：
加速度⇒卓越周波数1次の温度特性
・卓越周波数と支柱温度との相関

卓越周波数は略支柱温度と相関があり，支柱材質のヤン
グ率温度特性の影響と考えられる。
現地調整作業による重量増により，通常時の範囲を超えた変動を確認。

頂部

現地調整作業（重量増）に伴う変動
基部

1.49H
z

内部

1.65H
z

東名）吾妻山トンネル入口情報板

ＮＭＥMＳ技術研究機構

27

道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発(7)
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）

平均値は年間を通して変動が小さく安定している。
特徴量として使用する事で、傾斜・温度計測データ（時系列トレンド）：
2015/12/16〜2017/2/23（435日間） 情報板の状態変化を検出可能と考えられる。
頂部

内部道路幅方向

内部道路方向基部

支柱温度東名）吾妻山トンネル入口情報板

ＮＭＥMＳ技術研究機構

28

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◆地すべりなどによる道路法面の変動の予兆を検知するため、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

位相差から距離差を求め変位を検出
センサ端末

位相差

子受信機#2の受信電波◆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

親受信機

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

集約機（NTTデータ）

無線

法面変位センシングシステムの概念

電波利用

方式

子受信機#1の受信電波

センサ端末
から電波放射

電波位相差

GPS
GPS衛星

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○ 1時間に1回以上△ 1日に1回○ 1時間に1回以上変位後のワイヤー○ 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

29

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

月山湖PA付近の法面で事前実験を実施し、草木の影響により変位計測誤差の増加を確認
子受信機＃0子受信機＃1

子受信機＃2子受信機＃3アンテナ
アンプ

月山湖PA（上り）
親受信機設置バッテリ

強制変位実験結果
計測ポイントTx#1のxh vs. 測定時刻(初期値基準)

30

計測値
移動平均値

25

高さ1m

変位[mm]

センサ
端末

真値

20

草木による誤差-約4㎜

15
10
5
0
-5
-10

0

10

20

30

40

50

60

測定時刻[min]

GoogleEarthＮＭＥMＳ技術研究機構

30

法面変位センシングシステムの開発(3)
これまでの成果

原理検証実験

センサ端末周辺の草木の影響が支配的であることが分かり、草木を周囲1m程度離すことで変位計測誤差を大きく低減可能なことを追加実験で検証 ⇒ 端末周囲の草木のみ除去すれば所要精度を確保可能
センサ端末

1m

0.3m
子受信機
＃6〜8は

写真の左
側に設置

センサ端末周囲半径1mに草木設置

センサ端末周囲半径0.3mに草木設置
真値

10

10

真値

計測誤差2.5㎜

0

計測値（子受信機8機）

変位[mm]

変位[mm]

計測値（子受信機8機）

‐10

‐20
0

20

40
60
測定時刻[min]80

計測誤差0.9㎜

0

‐10

‐20

100

0

20

40
60
測定時刻[min]80100

センサ端末周囲半径1mに草木設置（子受信機8機）

センサ端末周囲半径0.3mに草木設置（子受信機8機）

ＮＭＥMＳ技術研究機構

31

法面変位センシングシステムの開発(4)
これまでの成果

実証実験向け試作機

実証実験用の試作機が完成し、設計値以下の精度で位相差を計測できることを確認
センサ端末
子受信機
・アンテナ
・RF基板
・O/E変換

親受信機

信号処理部

150

RF部（Ch1〜8）

E/O変換器（Ch1〜8）
RF部（Ch9〜16）位相差[deg]100

E/O変換器（Ch9〜16）

0

-50

-100
0

ＮＭＥMＳ技術研究機構

位相差のばらつきが1deg

50

0.5

1

1.5
時間[h]

2

子受信機8台の位相

2.5

3

32

法面変位センシングシステムの開発(5)
これまでの成果

実証実験現場の全体図

子受信機

センサ端末16台、子受信機16機を現地（月山
湖PA斜面）に設置し、実証実験を実施中

固定点に設置
した子受信機

親受信機

センサ端末

子受信機の受信信号を集約し測位計算する
親受信機

耐雪カバーを取り付けたセンサ端末

センサ端末設置ポイント（SEN05,07,09,11）
ＮＭＥMＳ技術研究機構

33

無線通信ネットワーク共通プラットフォームの開発(1)
研究開発の概要と差異化ポイント
課題

差異化ポイントニーズ

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

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

ＮＥＸＣＯ東日本資料より抜粋

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

34

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
各社センサデータをコンセントレータで受信し、格納サーバへデータ格納を実施
無線通信ネットワーク共通プラットフォーム
各社センサ

ロガー

コンセントレータ

収集サーバ

データ仕様

SA振動センサ

データ仕様

面パターン歪センサ
データ仕様

振動/傾斜マルチセンサ
データ仕様

電波位相差変位センサ

ヘッダー

データ（変位、雨量、・・）

ヘッダー

データ（加速度、温度、・・）

共通的なインターフェースで多様なデータ仕様を吸収するため、多種多様なセンサ対応が容易。

共通インターフェース

ＮＭＥMＳ技術研究機構

35

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○多種多様なセンサに対応するための通信仕様の開発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
収集サーバ側からコンセントレータ内の受信モジュール変更を実施
無線通信ネットワーク共通プラットフォーム
各社センサ
SA振動センサロガー

コンセントレータ

収集サーバ

データ仕様

データ仕様

面パターン歪センサ
データ仕様

振動/傾斜マルチセンサ
データ仕様

電波位相差変位センサ

各モジュールを独立させることで変更に伴う処理を最小限にできるため、データ送信への影響を最小限にできる。コンセントレータ
設置現場での作業も不要。
ＮＭＥMＳ技術研究機構

36

無線通信ネットワーク共通プラットフォームの開発(4)
これまでの成果○セキュアな情報収集
データは独自暗号化方式、内部モジュールの遠隔変更はSSL暗号方式を実装し、通信のセキュリティ対策を実施
コンセントレータから収集サーバへのデータ
送信は、独自暗号化方式で通信。
各社センサ

無線通信ネットワーク共通プラットフォーム

ロガー

コンセントレータ

収集サーバ

データ仕様

SA振動センサ

データ仕様

面パターン歪センサ
データ仕様

振動/傾斜マルチセンサ
データ仕様

電波位相差変位センサ

収集サーバからコンセントレータへの遠隔モジュール変更は、SSL暗号化方式で通信。
ＮＭＥMＳ技術研究機構

37

無線通信ネットワーク共通プラットフォームの開発(5)
これまでの成果

現地実証無線通信ネットワーク共通プラットフォームの構築

RIMSネット
ワーク

コンセントレータ

収集サーバ

橋梁（スーパーアコースティックセンサ）
コンセントレータ

RIMSデータセンター(ＮＴＴデータ)

コンセントレータ
コンセントレータ橋梁（面パターンセンサ）

道路付帯物
ＮＭＥMＳ技術研究機構

法面38

無線通信ネットワーク共通プラットフォームの開発(6)
これまでの成果○大規模インフラへの展開を踏まえ、クラウドベースでのプラットフォームの構築
大量センサ設置を想定し、処理性能と効率の向上を検証中。
大規模インフラ
無線通信ネットワーク共通プラットフォーム
各社センサ

ロガー

コンセントレータ

収集サーバ

データ仕様

SA振動センサ

クラウド
ベースの
IoT基盤

データ仕様

面パターン歪センサ
データ仕様

振動/傾斜マルチセンサ
データ仕様

電波位相差変位センサ

アプリケーション インタフェース

クラウドベースのIoT基盤とすることで、リソースの効果的活用を可能とする。

システム管理
基盤

データ蓄積

データ通信

基盤

基盤

フィールドユニット インタフェース (MQTT/ファイル)
ＮＭＥMＳ技術研究機構

39

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○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○道路及び大規模インフラ環境ストレスに、少なくとも10年間性能維持できる高耐久性
パッケージで保護された自立型無線センサ
端末が必要■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◆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◆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◆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

ＮＭＥMＳ技術研究機構

40

高耐久性パッケージング技術の開発(2)
これまでの成果
最終目標

技術開発内容端末の回路すべてを、パッケージ
内に収納したオールインワンパッ
ケージング技術開発完了。

(a)高効率ｱﾝﾃﾅ内蔵LTCC基板及び透光性ｾﾗﾐｯｸ基板の開発（NGK）
100mm×70mm×50mm以下のパッケージ構造のLTCC基板と透光性セラミックを開発供給する。通信距離30mと無指向性を狙い、
920MHZ帯アンテナを内蔵したパッケージ構造基板を開発試作する。

自立電源
センサ 無線ＬＳ
Ｉ
コンクリート・鋼板(b)高気密封止接合技術の開発（MMC）

１． パッケージサイズ；7cmｘ10cm5cm

低融点接合材料を用いた目標リーク速度10−９Pa・m3/sec以下を満足する高気密封止特性を持つパッケージ実装開発試作する。

(c)ベースプレート実装プロセス及び構造物への取り付け技術開発(DNP）
３． 全体として保護し、アンテナを内蔵、 各センサ端末に適したベースプレート構造の開発及び、様々な実光を透過そして外部との電気的接続
環境に応じたセンサ設置技術を開発する。
が確保できるパッケージ(d)ﾊﾟｯｹｰｼﾞﾝｸﾞ評価用ﾓｼﾞｭｰﾙと耐久性加速試験法の開発（MMC、産総研）総研）
４． パッケージを構造部材に現場で簡単取付け施工
２． 10年間の耐久性

道路インフラ使用10年間の耐久性を満足する加速試験法の開発・実施する。

LTCC=Low Temperature Co-fired Ceramics

ＮＭＥMＳ技術研究機構

41

高耐久性パッケージング技術の開発(3)
これまでの成果(a)高効率ｱﾝﾃﾅ内蔵LTCC基板及び透光性ｾﾗﾐｯｸ基板の開発 （NGK）
7cm×10cm×5cm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

ダイバーシテイアンテナ

三菱端末パッケージ例YX
アンテナ特性図(b)高気密封止接合技術の開発（MMC）−９

低融点接合材料を用いた目標リーク速度10
封止工程を開発した。
接合材塗布

気密組立
ディスペンサ

吸着パッド

Pa・m3/sec以下を満足する高気密封止特性を持つ
加熱圧着

乾燥ガス
置換

加圧
ｱｸﾁｭｴｰﾀ

グローブ
ハンド

排気

ＮＭＥMＳ技術研究機構

ヒータ
ワークステージ
ワークステージ
42

高耐久性パッケージング技術の開発(4)
これまでの成果(c)ベースプレート実装プロセス及び構造物への取り付け技術開発(DNP）
コンクリート、鋼板、ステンレスと、LTCCとの接着強度0.4MPa以上を満足する粘接着シートを開発した。
屋外10年相当の耐久加速試験（JISA5557をベース）においても接着強度の規格を満足した。
各種センサの様々な実証現場環境（低温、高温、多湿など）でセンサ設置プロセスを検証中。
ステンレス（SUS）への接着
LTCCパッケージ／端子引出用SUS基板

コンクリート面への接着

鋼板（防食塗膜面）への接着

SAセンサヘッド／コンクリート床版

フレキシブル面パターンセンサ／
鋼板（鋼橋の防食塗膜面）
フレキシブル面パターンセンサ

LTCCパッケージ

SAセンサ

粘接着シート接合

粘接着シート接合
LTCC
粘接着シート
ＳＵＳ

コンクリート
プライマ処理プライマ処理粘接着シート

粘接着シート接合（全面）
フレキシブル面パターンセンサ
粘接着シート

プライマ処理鋼板

防食塗膜

ＳＵＳ、アルミナ●様々な構造物材料に対して接着性能を確認、屋外暴露試験においても良好な接着耐久性を示した。
ＮＭＥMＳ技術研究機構

43

高耐久性パッケージング技術の開発(5)
これまでの成果(d)ﾊﾟｯｹｰｼﾞﾝｸﾞ評価用ﾓｼﾞｭｰﾙと耐久性加速試験法の開発（MMC、産総研）総研）・開発した評価モジュールを実装したパッケージを用いて、加速信頼性試験による耐久性評価をした。
パッケージ実装

道路インフラでのパッケージ耐久性における重点課題①凍結防止剤散布による塩害

パッケージ
評価用
センサ
モジュール

②渋滞での
排気ガス

③重量車両での ④積雪による
耐寒性
振動

⑤多雨
耐湿性

三菱電機

加速信頼性試験による耐久性評価

実装中①塩水噴霧試験
富士電機
実装中
東芝

②腐食ガス試験③加速振動試験 ④ヒートサイク ⑤PCT試験
ル加速試験 （Pressure Cooker Test)

Nacl5%塩水噴霧2
ｈ、
40℃、93％を
7日間；
５サイクル

複合ガス
SO2;25ppm,
NO2;4ppm
高温40℃、
高湿80%
500Hr

結果良

結果良

実装中

ＮＭＥMＳ技術研究機構

振動実測波形でのピーク値３倍印加
3.65日

-40℃〜
85℃
4.5hr周期、200cycle

85℃,85%,不飽和
蒸気圧,800h

結果良

結果良

結果良
44

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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45

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○RIMSセンサ間の連携及び外部情報や道路管理者情報との連携を模擬するエミュレータ（Pilot-RIMS）を開発
道路管理者の運用シナリオを作成し、具体的な業務支援内容や効果のデモを作成
・気象情報
被害発生の ・地震情報
要因情報
・交通情報
各社
センサ

RIMS共通センサプラットフォーム
無線収集装置RIMS収集サーバ（コンセントレータ）

Pilot-RIMS

外部情報
データベース①外部情報連携③RIMSセンサ情報連携⑤現場支援模擬

アラート表示画面例②3D地図マッピング
現場モバイル端末

共通機能
アプリＡ
各監視対象の個別解析機能統合情報管理システム④道路管理者データベース連
携

道路管理者模擬データベー
ス

アプリＢ
アプリＣ

道路管理者データベース
センサデータ表示画面例

ＮＭＥMＳ技術研究機構

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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(3)●現地実証実験開始

収集サーバ

ＲＩＭＳネットワーク
床版健全性評価結果

インフラ管理センター

無線通信ネットワーク共通プラットフォーム【ＮＴＴデータ】
コンセントレータ

RIMSの実証・評価【NEXCO３社、阪神高速を含む全機関】

橋梁

SAセンサ

コンセントレータ

コンセントレータ

法面

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】

センサ端末
コンセントレータ

橋梁
コンセントレータ面パターンセンサアレイ

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、東大】

親受信機

傾斜マルチセンサ

集約器

子受信機

電波変位センサによる法面変位センシング【三菱電機】

道路付帯物

傾斜マルチセンサによる道路付帯構造物
センシング 【富士電機】

ＮＭＥMＳ技術研究機構

アンテナ内蔵LTCCパッケージ

オールインワンパッケージ

高耐久性パッケージング技術【ＭＭＣ、大日本印刷、日本ガイシ、産総研】 47

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。

ＮＭＥMＳ技術研究機構

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