研究の背景と目的
高密度クラウド型地震センサーネットワーク
震構築に向けた取り組み

内藤昌平（防災科研）

2015/1/18 名古屋大学－防災科研 研究交流会

本日の発表内容

気象庁や自治体、防災科研が管理する震度計等を合わせると、日本全国に4 000以上の震度観測点がある。と、日本全国に4,000以上の震度観測点がある。
しかし、地震発生直後、局所的な被害状況を把握するために十分とはいえず 目視による確認やアンケート等十分とはいえず、目視による確認やアンケ
ト等、様々な手段様々な手段による調査が行われている。
一方で 近年の技術革新により小型・安価な半導体センサ
一方で、近年の技術革新により小型・安価な半導体センサーによる計測、および大容量のデータ処理技術が発展し、例えばスマートフォン等の多機能端末を利用することでスマトフォン等の多機能端末を利用することで、多数のセン多数のセンサーをネットワーク接続することが容易に実現可能である。
本研究ではスマ トフォン等 普及率の高い端末を利用した
本研究ではスマートフォン等、普及率の高い端末を利用した高密度な地震センサーネットワークを構築することで、個別建物毎の地震記録を取得し クラウド環境でデータを集約・処理
物毎の地震記録を取得し、クラウド環境でデータを集約・処理することにより、建物毎の健全性把握、防災意識啓発、および被害状況の迅速な把握によるリアルタイム防災への活用を目的とする。

１．スマートフォン地震計による地震観測実験

１．スマートフォン地震計による地震観測実験
２．MEMSセンサーのノイズ低減手法開発
ズ
３ モバイル版アンケート震度演算システム開発
３．モバイル版アンケート震度演算システム開発
４．センサーネットワーク利活用に関するヒアリン
４．センサ
ネットワ ク利活用に関するヒアリン
グ調査2010年にリリース「i地震」（白山工業株式会社）
現在10万DL

4スマートフォン(iPhone)地震計のスペック
項目
サンプリング周波数チャンネル数
チャ
ネ 数
分解能
ノイズ
計測レンジ
時刻校正
通信
トリガ
記録可能ファイル数

スマートフォン地震計の精度検証
スマトフォン地震計の精度検証（K‐NET02型震度計との並行観測試験）

スペック
100Hz
312bit (1.6gal)
10gal(p-p)
10gal(pp)±2,000gal
NTP（精度10NTP（精度10msec))
WiFi / 3G
緊急地震速報による外部トリガ／レベルトリガ５分ファイル×３０個

防災科研所内試験観測施設内での自然地震観測

K‐NET02型震度計（赤）との波形比較（ノイズレベル±5gal程度）

5

スマートフォン地震計と震度計との比較（計測震度相当値）

6

振動台による加振試験

震度２程度以下の地震はノイズに埋もれてしまい スマー
れてしまい、スマー
トフォン地震計では観測できない。

基準地震計（K‐NET型震度計）と同時に加振試験を行い、各端末の性能を基準地震計（KNET型震度計）と同時に加振試験を行い、各端末の性能を比較した。

加振 ケジ
加振スケジュール
ル

震度計との性能比較
項目

震度計

最大加速度(gal)スマートフォン地震計

周波数(Hz)

5

10

20

40

0.5

○

○

○

○

1

○

○

○

3

○

センサー

JA‐40GA08

LIS331DLH

計測範囲±8G±2G

分解能

24bit
1mgal以下

12bit
1 6gal1.6gal100150500 1000 1500

○

○

○

○

○

○

○

○

サンプリング周波数 100Hz

100Hz

6○

○

○

○

○

○

○

○

ノイズレベル

1 4 G/√H 以下
1.4μG/√Hz以下

218μG/√Hz
10gal(p‐p)

10

○

○

○

○

○

○

○

○

時刻校正

GPS

NTP

気象庁の震度検定を参考に加振周波数・加速度の組み合わせを作成した。

計測震度（相当値）の比較

ス クトルによる比較（10Hz加振）スペクトルによる比較（10Hz加振）
1500gal,10Hz,EW

E‐Defense振動台実験における試験観測(1)免震試験体（平成25年3月実験）(2)体育館試験体
平成26年1月実験

E‐Defense長周期化改造工事
における振動台性能確認試験
佐藤ほか(2013)

大規模空間を有する試験体の地震時挙動天井の脱落被害メカニズムの解明を目的とした実験
梶原ほか(2014)(1)

構 重量 階造 (t) 数
RC 700 4

固有周期(s)
軒高平面形状(m)
(m)
X方向
Y方向
14 914.9
11.8×88 8 00.43‐0.44
3 0 (上部構造)

(2)

S

9.09

番号

250

1

30.0×18.6

0.340.42

スマ トフォン地震計の設置方法
スマートフォン地震計の設置方法◆給電方法
モバイルバッテリ また
モバイルバッテリーまたは交流電源◆固定方法
金属用両面テープにより接着◆データ回収方法
ノートＰＣからUSB接続により回収

1314( )体育館試験体(2)体育館試験体上の端末設置点
端末設置点(1)免震試験体上の端末設置点
５階

屋上階（山形屋根）

C
３階

5F-N

１階

3F-N

Y7

1F-N

C

F

B

E

F

Y6

1F1F
C

Y5

B

Y4

E

Y3
Y2

5F-S

1F-S

3F-S
４階

２階

4F-N
4F
N

2F-N
2F
N

A

Y1Y

振動台（免震装置下）AX
1X
2DX
3X
4X
5X
6HX
7１階（振動台上）

Y

D

H
4F-S

2 S
2F-S

G
GFFL
X

計 １２台

X

15

8箇所×2台 計１6台

16

(1)免震試験体 地震波加振時の疑似速度応答スペクトル

h=5%(2)体育館試験体 K‐NET仙台波加振時の波形・疑似速度応答スペクトル
K NET仙台波加振時の波形 疑似速度応答スペクトルh=5%

JR鷹取波のようなやや短周期成分が強い加振時は卓越周期の長周期化・速度低減等の免震効果が発揮されているが、三の丸波のような長周期成分が強い加振時は十分に免震効果が表れていないことがわかる。

h=5%

1718

(2)地震波加振前後の試験体における固有周波数 比較
固有周波数の比較

一次固有周波数：2～3Hz

建物の地震観測実験
建物
名称

構造種別

地上階数

建築
築年

耐震基準

H棟RC

31975

旧1棟

RC

31981

旧2棟

RC

21995

新D棟

RC

21999

新K棟

RC32003

新２棟

一次固有周波数：0.9～1Hz
19

H棟

１棟

D棟

K棟

スマ トフォン地震計の設置状況
スマートフォン地震計の設置状況

スマートフォン地震計により取得された地震波形
2012/6/1 17:48 茨城県南部 M5.2 長辺方向
H棟３F

１棟２F

２棟２F

D棟２F

K棟３F

K‐NET((IBR011))

2012/06/01 17:48 茨城県南部 最大震度４

地域におけるスマートフォン地震計観測実験

スマートフォン地震計の波形から
ォ
震計 波形
速度応答スペクトルを算出

自治体・企業・NPO等を窓等を窓口にして建し 建物内に設置。
常時微動計測も行
い 解析結果を実い、解析結果を実験協力者にフィードバック。

h=0.05
長辺方向

短辺方向

GoogleMap

2012/4/25 5:22 千葉県北東部 M5.5
関東地方や新潟県等、複数の建物内で観測中。

一連の実験から抽出された課題
連の実験から抽出された課題① 計測可能な地震が概ね震度３程度以上である
ため、余震活動が活発な地域において、あるいは長期間をかけて観測を行わない限りなかなか結果を入手できない。
② ソフト・ハードのバージョンアップ等、仕様がスソフト ハ ドのバ ジ ンア プ等 仕様がスマートフォン自体の変化に依存される。
③ 設置協力者にとってのメリットが、専門的知識の提供（建物毎の震度や固有周期等）以外に明確でない。

iPhoneのMEMSセンサのノイズのパワースペクトル

２．MEMSセンサーのノイズ低減手法の開発
iPhone内蔵のMEMS加速度センサーを利用した地震計アプリでは、ノイズの影響により震度２程度以下の地震は通知することができない。
イズの影響により震度２程度以下の地震は通知することができない
そのため、より発生頻度が高い震度２以下の表示を実現するための手法について検討を行い、震度０ １程度が表示可能なアプリを民手法について検討を行い、震度０～１程度が表示可能なアプリを民間企業と共同開発した。

震度１の地震時のiPhone内蔵MEMSセンサと震度計とと震度計との波形比較

震度４の地震時のスペクトル比
較計 震度
計測震度

スペクトルは全ての周波数帯においてほぼ同じ強度。
同じ強度

震度計
震度計(JA-40GA)
3.7 MEMS 3.7

震度１の地震時のスペクトル比較
計測震度

本研究で提案するノイズ低減手法

震度計(JA 40GA) 1.1
震度計(JA-40GA)
1 1 MEMS 1.5
15
加速度３成分のデジタルデータ各周波数成分の信号（周波数スペクトル）に変換（FFT）

各周波数成分の振幅特性からノイズ成分の閾値以下のデータを除去

各周波数成分の信号を時間軸上の信号に再構成（逆FFT）

ノイズ除去後のデータを基に生成した震度情報を出力する

震度１の地震時のスペクトル比較
計測震度

震度計(JA-40GA)
震度計(JA40GA) 1.1
1 1 MEMS 1.5
15
震度計(JA-40GA) 1.1 MEMS 1.2

ノイズ低減手法適用前後の計測震度
ノイズ低減手法適用前

ノイズ低減手法適用後

閾値を設定

計測震度０～１を算出可能だがばらつきが大きく、震度２以下の記録の精度は良くない。

３．モバイル版アンケート震度
震演算システムの開発

ノイズ低減手法の適用例
ノイズ低減手法を適用することで、震度０表示を可能にした。
震度階に応じて背景色が変わる。

••

地震発生時と収束時に写真を撮影する機能あり。
「i震度」 白山工業(株) 2013年リリース

開発環境について•

地震発生後にアンケートを配布し集計された結果から，気象庁震度に相当する詳細な震度分布を２桁の精度で算出する手法は太田 他(1979 1998）
する詳細な震度分布を２桁の精度で算出する手法は太田・他(1979,1998）
によって開発された．また，これまで多くの被害地震において「太田方式」に基づくアンケ ト調査がなされ，様々な検証が行われてきた．
基づくアンケート調査がなされ，様々な検証が行われてきた．
これらの研究においては役所・教育委員会等の公共機関経由で依頼を行いアンケート用紙を配布する方法が主であるが，ばらつきの影響を考慮して信頼性の高いアンケート震度を得るためには数千～数万枚以上のアンケート用紙の配布，集計が必要となり，実施は容易ではない．
今回 この太田方式のアンケ トを 様々な場所にいる多数の人が 地震発
今回，この太田方式のアンケートを，様々な場所にいる多数の人が，地震発生直後に簡単に実施することが可能な仕組みを構築することを目的とし，近年普及率が高ま て る
年普及率が高まっているスマートフォン，タブレット等のモバイル端末を用い
ト ォン，タット等のイル端末を用てアンケート震度調査を実施し，結果を集計するシステムを開発した．

演算処理についてアンケート震度の演算はモバイル端末側で行い，回答デ タをHTTP POSTでサーデータをHTTP
POSTでサバー側に送信する．
また，各質問の回答時間についてサーバ上に記録されバる．
また，各アンケート項目については原則的に太田・他(1979,1998）と同一としたが，太田方式で地震時の住所を問う質問はマップ上でマーカーを動かすことで緯度経度を選択する方式に変更した．

本システムはモバイル端末に標準搭載されているブラウザ上で動作するように
本
端末 標準搭載ラウ
動作すう
HTML5,JavaScriptを利用して開発した。

システム評価について

画面遷移システムの評価を目的とし，2011年東北地方太平洋沖地震を対象 して，展示会来訪者等約 名 対して，沖地震を対象として，展示会来訪者等約50名に対して，本システムを利用したアンケート震度調査を行った．
各質問回答に費やした時間は ４番目の位置情報の• 各質問回答に費やした時間は，４番目の位置情報の入力で平均1分30秒程と最も長いが，そのほかの各項目は１質問あたり概ね平均20秒以内で回答しており，全アンケート回答にかかった時間は5分～10分程度が大部分を占めた．
•

回答内容に応じて飛ばされる質問に関しては表示しないようにしたほか，判断に迷う質問はスキップボタンで飛ばせるようにした．
加えて，地震発生直後にアンケートを実施可能にするために 地震リスを実施可能にするために，地震リス
トを自動的に取得し，アンケート対象とする地震を選択出来るようにした．

アンケート震度結果について評価時に取得したアンケート震度については，回答者が地震時にいた場所は関東地方が約86%，鉄骨・RC建物内が約80%，回答者のうち男性が約78%，30～49才が約68%と属性に偏りがある調査になったが アンケート震度約3調査になったが，アンケ
ト震度約3.1
1～66.4の記録が取得できた．
4の記録が取得できた
さらに，アンケート震度（太田・他(1998)）と近傍の震度観測点の震度との比較を試みたが，同じ震度観測点近傍のデータにおいても1.5以上の差が生じるなどばらつきの大きいデータになった．これは建物・地盤による増幅・減衰効果のほか
れは建物地盤による増幅 減衰効果のほか，回答者の個人差，地震から３年以上経過したことに回答者の個人差 地震から３年以上経過したことによる記憶の劣化等が影響しているものと考えられるが，現状では結果について検討するに足る十分な標本数を入手したとは言えない．

４．センサーネットワークの利活用に
センサ ネットワ クの利活用に関するヒアリング調査• これまでスマートフォンを利用して高密度な地震観測網を構築する実験を各種行ってきたが、安定性や精度面での課題も多い。
• これらの課題を解決するためには専用機器の開発等が必要だが、そのためには社会におけるニーズや課題の抽出が必要不可欠となる。
• 今回、複数の民間企業や公共機関に対して、既に地震計測をおこなっている場合は観測点増設や情報公開に関する課題を、地震計測を行っていない場合はセンサーネットワーク導入に関する課題を把握することを目的とし、ヒアリングを実施した。

ヒアリング調査の方法と質問内容

ヒアリングを実施した事業所と対応者一覧

複数の民間企業・公共機関の防災あるいはBCP担当者に対し個別に依頼を行い、許諾を得られた計
複数の民間企業
公共機関の防災あるいはBCP担当者に対し個別に依頼を行い 許諾を得られた計
１９事業所、３４名の担当者に対し、アンケート用紙を用いた訪問式のヒアリングを用いた。
質問内容は選択式と口頭記述を併用し、２～３名の調査官が１件あたり１時間３０分程度かけてヒアリングを行った。
リングを行った
項目

事業所の実態

高密度センサーネ トワ ク のネットワークへの期待と潜在ニーズセンシング情報公開に関する課題

項番

質問内容

分類

地震計測システムを持っていないカテゴリ
ゴ№業態

対応者

1

自治体

市町村

防災担当

2

協議会（エリア防災）協議会（リア防災）

高層ビル地域協議会
高層ル地域協議会

協議会委員

3

協議会（エリア防災）

高層ビル街区

管理責任者

4

学校

小学校

防災担当

5

通信

携帯キャリア

新規事業開発担当

11
1‐1

回答者の属性について

1‐2

拠点数について

6

警備

警備保障

新規事業開発担当

1‐3

地震時の初動対応の際に必要な情報

7

流通

コンビニ、スーパー等
ン、等

危機管理責任者

1‐3’

東日本大震災等、過去の地震時に発生した問題点・成功事例

8

住宅

ハウスメーカー

技術担当

1‐4

BCPまたは災害対応マニュアルの策定状況、徹底に際しての問題点

9

住宅

ハウスメーカー

危機管理担当21
2‐1

既設のセンサ 防災システム
既設のセンサー・防災システム

10

住宅

ハウスメーカー

新規事業開発担当

2‐2

現状以上に高密度なセンサー網を構築する取り組みに対する考え

11

建設研究所

耐震構造技術者

2‐3

高密度センサー網により入手したい情報

12

鉄道研究所

研究者

2‐4

高密度センサー網設置により期待される効用

13

鉄道

民間鉄道

危機管理担当2‐5センサーに求められる機能

14

鉄道

民間鉄道

危機管理担当2‐6

妥当なセンサー設置コスト

15

鉄道

民間鉄道

施設管理責任者

3‐1

センシングデータを公開可能な範囲

16

インフラ

ガス事業者

危機管理担当3‐2
3
2

センシングデータを公開可能なタイミング
センシングデタを公開可能なタイミング

17

学校

大学

研究者

3‐3

センシング情報のうち公開可能な内容

18

道路

研究機関

研究者

3‐3’

データ公開に対する注意点・課題について

19

インフラ

研究機関

研究者

地震計測システムを持 てを持っている

地震発生直後の初動対応に必要とする情報は？

回答者の担当業務

N=19

N=19

各回答者とも第一に人の安否確認、次に建物の安全性確認が初動対応の際に重要と考えている。

BCP等、災害時対応マニュアルの策定状況は？

N=19

既設のセンサー・防災防犯システムに いて教えてくださいについて教えてください。

N=19

ほぼ全ての事業所がBCPまたは災害時対応マニュアルを策定しており、マニュアルに従った訓練を定期的に実施し、周知に努めて る。また、東日本大震災以降、期的に実施し、周知に努めている。また、東日本大震災以降、マニュアルの改訂や訓練の高度化をアルの改訂や訓練の高度化を行ったという事業者が多かった。なお、鉄道やガス等、インフラ事業所ではリアルタイムのセンシング情報を事業継続へ活用している事例を聞くことができた。

各事業所とも監視カメラや安否確認システム、緊急地震速報の導入数が高い。地震計はインフラ、鉄道、建設業等に多数導入されているものの、地震計・変位計の記録を用いた被災度判定システムの導入事例は一部の高層ビル地域のみで聞くことができた。

高密度なセンサーネットワーク構築が必要だと思いますか？

高密度なセンサーネットワークにより入手したい情報は何ですか？

N=19「積極的に必要と感じる」または「どちらかといえば必要」という回答が42%であった。センサーを多数置く試み自体は賛同する意見が多いものと思われる 「どちらともいえない」の中ではセンサーを使用しく試み自体は賛同する意見が多いものと思われる。「どちらともいえない」の中ではセンサーを使用しておらず、高密度に設置することによる効果がよくわからないという意見が多かった。なお、既に多数のセンサーを設置している鉄道やインフラ事業者では当面増設は不要という声が多かった。

N=19
震度よりも被害状況をより直接的に推定できる「被災度」の把握を求める意見が多かった。また、映像や音声といった実際の被害状況を把握できる情報への要望が多くあった。なお、地震波形を入手したいかどうかについてはデータを解釈できる専門家がいるかどうかで異なる回答となった。

高密度なセンサーネットワークにどのような効果を期待しますか？

センサー１点あたりいくらなら導入したいと思いますか？

N=17
N=19
防災意識向上、事業復旧に活用したいという意見が多かった。次に、CSR向上という回答が多かった。
防災意識向上事業復旧に活用したいという意見が多かった。次に CSR向上という回答が多かった。
その他としては「自分や家族が安全かどうかわかる情報」、「研究への利用」、「現象の解明」、「被害の軽減」などが挙がった。

センシングデータを公開し、防災・研究用途で活用することに関してどう考えますか？

半数が10万円以下の数字を回答した。しかし、高くても必要な機能があれば購入する、答えにくい、判断できないという回答もあった。

業態により要求されるニーズは異なる情報の即時性

リアルタイムによる詳細な情報収集が必要不可欠。
（既に多数のセンシング情報を事業継続に活用している）

鉄道
ガス
道路
石油

地域の防災行動につながる情報を入手したい。
学校

N=19

自治体や学校等公共機関では、データは個人情報保護の観点上問題なければ一般公開しても問題ないという回答が多かった。しかし、インフラ、鉄道、建設、住宅等の設備被害が自社のサービス・資産価値に関わる民間企業においては公開不可という意見が多か た また 民間でも自社ビルではなくテナントの場合はデ タ公開してもよいといいては公開不可という意見が多かった。また、民間でも自社ビルではなくテナントの場合はデータ公開してもよいという意見があった。

拠点数は多いが、活用に至るには費用対効果が見えにくい果が見えにくい。

協議会
自治体

流通被害の原因究明にセンサーが必要。
建設

警備

住宅

通信

情報の精緻さ平時・災害時におけるセンサーネットワーク活用法(案)

データ公開に関して
情報の即時性

安全システムに直結するためリアルタイムのデータ公開は困難
鉄道
ガス
道路

民間企業

災害時の活用

オフィスビルの健全性評価

建物各フロアの被災度把
握BCP訓練での活用

遠隔拠点の被害状況の俯瞰

CSR面での効果
協議会
建物の資産価値評価に影響するため詳細なデータ公開は困難

自治体

流通
警備
通信

センシングデータ公開に関しての抵抗感は高くない。
ニ ズを掘り起こすことでテニーズを掘り起こすことでテストフィールドとなる可能性はある。

建設
住宅

情報の精緻さ平時・災害時におけるセンサーネットワーク活用法(案)

民間企業

平時の活用

石油学校

ターゲット
タゲット

ターゲット
タゲット

平時の活用

災害時の活用

オフィスビルの建物各フロアの被災度把
健全性評価
握防災科研の目指す公的な方向性と民間企業の利益保持のた
BCP訓練での活用
遠隔拠点の被害状況のめに目指す方向性を調和させ指向性俯瞰
る提案を行うことが必要。
CSR面での効果
緊急対応の時間短縮

防災教育・啓発への活 避難所、避難経路の安全
自治体と協力し、避難所等の用性の把握
公共機関
地域防災拠点
地域防災拠点へのセンサー設
設
置や住民参加型のセンシング
地域の被害状況の面的な(学校・自治体)(学校自治体) 地域の災害リスク把握
実験等を実施する
実験等を実施する。
把握

緊急対応の時間短縮

公共機関

防災教育・啓発への活 避難所、避難経路の安全
用性の把握(学校・自治体)(学校自治体) 地域の災害リスク把握 地域の被害状況の面的な把握

今後の方向性社会社会のニーズ
発災時だけでなく、平時でも活用できるセンサーネットワークを構築する。
センサーネットワークに求められる機能
・各種構造物の健全性をリアルタイムで推定する
各種構造物 健全性をタ
推定す・遠隔拠点の現在の被災状況を面的に可視化する
・場所毎の被害推定情報を即時的に通知する
場所毎の被害推定情報を即時的に通知する
・極めて稀に発生する規模の災害発生時、局所的な被災記録を残す
必要な技術開発
・建物種別毎の被災度推定手法の開発
・地盤情報、人口モデル等を活用した被害推定手法の開発
・様々な機関が保有するセンシングデータの利活用・先端IT技術を利用したリアルタイム被害状況可視化手法の開発
先端IT技術を利用したリアルタイム被害状況可視化手法の開発

ままとめ• スマートフォン等の普及率が高いセンサー端末を利用して地震波形、計測震度、あるいは体感震度を集計するシステム
震震
震を構築 ク ウド環境を構築し、クラウド環境でのデータ収集実験を実施した。
デ タ収集実験を実施 た• センサーネットワーク活用のユーザニーズを把握するためのヒアリングを行 た センサ の様々な活用事例を聞くことがヒアリングを行った。センサーの様々な活用事例を聞くことができたが、既に多点のセンサーを活用している市場において多点 増設 容易
多点の増設は容易ではなく、既設センサーのデータをリアルな 、既設タをリタイムに活用するためには様々な障壁をクリアする必要がある。
• 新規に多点のセンサー網を構築するためには民間企業に対新規に多点のセンサ 網を構築するためには民間企業に対してはそれぞれの市場ごとに異なる、費用対効果に見合うスト リ を提示する必要があり、公的機関に対しては地域とトーリーを提示する必要があり、公的機関に対しては地域と連携した関係を構築した上で、住民や学校を対象とした実証実験を行うという手段が考えられる。
• 今後も多点のデータを効率的に、かつ利便性が高い形で提今後も多点のデ タを効率的に かつ利便性が高い形で提供するシステムの開発に努めるとともに、高密度観測データ利活用 可能性
利活用の可能性について引き続き探っていきたい。
引き続き探き。