新型土石流警報システムの開発

株式会社

藤井基礎設計事務所グループ
株式会社

シンク・フジイ開発部
1.

小村芳生

概要
株式会社シンク・フジイでは特定小電力無線式の土石流警報システム（土石流センサー）を販売すると共にこの機器を使用して土石流監視業務の受託を行っている。今回、土石流警報シ
ステムの通信に LoRa 通信を用い、通信距離を大幅に伸ばした新たなシステムを開発したのでここに紹介する。

2.

従来型土石流警報システム
約 11 年前、シンク・フジイでは FSK 特定小電力無線（従来型特小無線）により通信を行う
土石流警報システムを開発し、これまで津和野・邑南土石流災害（平成 25 年 7 月豪雨）、広島市安佐南区土石流災害（平成 26 年 8 月豪雨）東広島土石流（平成 30 年 7 月西日本豪雨災害）など大規模な土石流災害復旧工事現場の安全管理に使用してきた。
土石流警報システム（シンク・フジイホームページより）

これまでシステムを 25 以上の現場で設置・運用してきたが、その際、最も苦労した点は、通信の可否の見極めであった。広島安佐南区や東広島などの土石流河川は多くが河川長 500ｍ程度であり、普段の流水量は少ない。これらの河川に土石流ワイヤーセンサーを設置する場合、下流から 200ｍ〜300ｍの場所となるが、この距離は通常の特定小電力無線通信にとって厄介な距離である。通常の FSK 特定小電力無線の通信距離は通信モジュールの仕様表では 800ｍ程度となっている。しかし、これは見通し（間に障害物がない）距離であり、河川の周囲には樹木や尾根など障害物となる物が多い。当社はこれまでの通信機器設置経験から障害物がそれなりに多い山の中などでは通信距離が仕様表の約 1/2〜1/3 程度となることを知っている。この距離がちょうどワイヤーセンサー設置位置から下流の警報機の警報機までの距離と重なる。
通信が届かなければ途中に中継器を入れれば良いとよく言われるが、普段はスリープ状態にありワイヤー断線時にのみ電波を出せばよい送信機とは異なり、中継器は下流の警報機と同様、常時電波を待ち受けていなければならない。つまり受信機と同様にソーラー電源などを持っていなければならない。通信の妨げになるほど樹木など障害物の多い河川の途中にソーラー電源を置けるような場所はなかなか見つからない。また、中継機とは「受信機＋送信機」であり、通信機器やソーラー電源の数が倍増した結果、システム全体の費用が跳ね上がる。このため、電波が通りにくい場合、ワイヤーセンサーの端を延長して送信機をなるべく警報機に対して見通しの良い場所まで引っ張り出すなどの方策をとってきた。このような場合、どこまで伸ばせば通信が可能となるか見定めるにはある程度の経験を積む必要がある。
より強い出力の通信を使用すれば解決するため、当社ではデジタル簡易無線（見通し 30ｋｍの通信距離）を使用する土石流警報装置も開発した。しかし、この通信は電波局（送受信機）の登録や年度毎の電波使用料の納付など手続きが煩わしいためお客様からは敬遠されてきた。

3.

429MHz LoRa 無線の導入
当社が地盤モニタリング（のび太観測システム）に最近取り入れた LoRa(Long Range)通信は特定小電力無線の出力で見通し 10 ㎞の通信距離が得られ、従来の FSK 特小無線と同様に免許も登録も必要のない手軽な通信である。この通信方式を用いた土石流警報システムならば通信距離にかなり余裕が出るためシステム設置の際の苦労が軽減する。しかし、市販の LoRa
通信モジュールを購入してそのまま通信機に組み込んで使用することは出来ない。
従来の特定小電力無線モジュールはほぼ即時に通信が行われる。これに対して通常の LoRa
通信は標準的な使い方では 1 回の通信に 30 秒〜60 秒の時間がかかる。これは通信方式や、送信・受信するデータの違いによる。
（違いについての詳細は割愛する）10 分毎にデータを取り込んで地盤データの推移を見るモニタリングでは一回の通信にある程度の時間がかかっても問題はないが、土石流監視の場合では送信機が信号を速やかに下流側警報機に送って警報（サイレンや回転灯）を動作させなければならない。土石流は秒速 5〜20ｍの速度（※1）で河川を下るとされていることから、仮に警報機から 300ｍ上流のワイヤーセンサーが切断されたとするとそこから土石流が下流まで到達するのに最短で 300/20＝15 秒ということになる。
通信に 30 秒かかっていたのでは警報システムとして役に立たない。
しかし、LoRa 通信の通信距離には大きな魅力があった。このため LoRa 通信モジュールのメーカーと協議を行い、通信を接点通信に特化し、通信にかかる時間を極力短縮したモジュールの開発を依頼した。この結果、接点信号を約１秒で伝達できる特殊な LoRa 通信モジュールが完成したため、土石流警報システムへの LoRa 通信の適用が可能となった。

4.

特殊 LoRa モジュール通信試験
完成した時短 429MHz LoRa モジュールを使用した通信機（送信機・受信機）を使用して実際に通常の LoRa モジュールと通信距離に遜色がないことを確かめた。

通信試験結果（概略）
過去の地盤モニタリング（のび太システム；データ通信）LoRa 通信試験でデータ通信が確認されている地点間と同じ地点で接点通信を行い通信距離に差が生じるか試験した。
試験場所；島根県松江市東津田町（弊社所在地）〜松江市西忌部町・松江市東出雲町揖屋他

シンク・フジイ（弊社）所在地

西忌部町
通信距離 10.67 ｋｍ東出雲町揖屋
通信距離 7.83ｋｍ

試験の結果、データ通信の場合と同様に通信距離最長 10.67 km（松江市東津田町-西忌部町間）で接点信号の伝達（約 1 秒）ができることが確認された。この 2 点の他、図中の○印が通信可能、×印が通信不能の点であり、障害物により通信が不能となる場所も通常の LoRa 通信と一致することが確かめられた。

試験用通信機時短型 429MHzLoRa 通信モジュール
SLR-429M 改造品（サーキットデザイン製）
外観上は通常の SLR-429M と同じ

5.

LoRa 通信式土石流警報システム
システムイメージ

河川上流側（送信側）

河川下流側（受信・警報側）

新システム特徴（従来品との比較）
・LoRa 通信採用により従来（特小無線）の 5 倍以上の通信距離が得られる。
ただし、5 倍以上というのは従来型と同条件での比較であり、LoRa 通信の場合でも障害物により通信距離は変わる。
・送信機本体とアンテナを分離させた。
これによりアンテナを高い位置に設置して低い位置の送信機本体で電池交換や送信テストなどの操作ができる。従来型送信機はアンテナと一体型だったため、高い位置に設置すると電池交換の時などに降ろさなければならなかった。
・受信機内にはタイマー式接点出力装置がある。
サイレンと回転灯について別々の稼働継続時間を設定できる。従来型受信機は出力がひとつであったため、サイレンと回転灯の継続時間を別々にするには別途、タイマーリレーを組んで追加しなければならなかった。
・無線通信を行わず、ワイヤーセンサーを直接受信機に接続することも出来る。（有線式土石流センサーとして使用できる）従来品は無線を通じての接点信号しか受け付けなかった。

・受信機にソーラーパネル、バッテリー、警報機、その他（メール通報機など）を接続する場所を 1 か所の端子台とし、裸線の接続とした。従来品は各部を専用のコネクタで接続していたが、ソーラーパネルや電源の位置を離れた場所としたい時や電源容量を変更する場合、専用コネクタのついた長い専用ケーブルを都度、準備しなければならなかった。
・送信機と受信機の間で送信テストを行う場合、受信機側を受信待ち受けとして警報機への出力を外しておけば、LoRa 通信（双方向通信）により送信機側で受信機からのコールバックを確認できるため、一人で通信テストが可能となる。従来型送信機は送信のみ（1 方向）のため、送信側と受信側の 2 人が連絡を取り合って行う必要があった。

新型 LoRa 通信式土石流警報システム開発状況
現在（本稿執筆時 令和 5 年 6 月 26 日）、新型 LoRa 通信システムは試作段階にある。
（7月中旬試作品完成予定）警報機・ソーラー電源は LoRa のび太システムと共通（ソーラーパネルやバッテリー容量は現場により選択する）
試作品写真
警報送信機

警報受信機(ユニット間未結線)

電池ケース（単 1 アルカリ 3 本）
保護ケース寸法（125×210×75 ㎜）

タイマーユニット

チャージコントローラ

通信ユニット端子台保護ケース寸法（280×380×130 ㎜）

おわりに弊社が無線式土石流センサーによる土石流の監視業務を開始したのは 16 年前（2007 年）である。当初は一般的な無線式警報機の送受信機を土石流監視用に転用していたが、平成 24
年（2012 年）に弊社オリジナルの現行型（FSK 特小無線式）土石流警報システムを開発し、多数の災害現場に導入してきた。
無線式の土石流センサーが一般的ではなく、弊社の現場導入経験数も少なかった現行品開発当時、システムの様々な活用の可能性に応えられるよう、機器に多くの機能や他機器を接続する端子などを盛り込んだ。結果として様々な現場の要望に応じたシステムを組むことができる一方、通信や電気回路の知識が乏しい人には扱いにくい機器となっている。これから土石流監視システムを協力会社と共に全国に展開していく上では、より扱い易いシンプルなシステムが求められると考えられる。
これまでの土石流監視業務で得られた経験から現行品の余剰な部分は削ぎ、不足した部分は加えながらもなるべく分かりやすく使い易いシステムを目指して開発を行った。今後、土石流監視業務は協力会社と弊社の経験やノウハウを分け合い、本システムを全国レベルで普及させることを目指している。

参考文献（WEB；2023 年 6 月 26 日時点）

※1）土石流による労働災害の防止に向けて（土石流による労働災害防止のためのガイドラインのポイント）建設業労働災害防止協会

技術管理部

P8

https://www.kensaibou.or.jp/safe̲tech/leaflet/files/guideline̲dosekiryu.pdf