沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）

GPS 波浪計を活用した沖合波浪観測網の構築について
The System of Offshore Wave Monitoring Network by GPS Buoy system
鈴木史朗*・宮島正悟**
SUZUKI Shiro and MIYAJIMA Shogo*（財）沿岸技術研究センター

波浪情報部主任研究員**

国土交通省中部地方整備局名古屋港湾空港技術調査事務所所長

Installation of the GPS Buoy is planned to improve existing nationwide ocean wave information
network, which provides valuable maritime information for various purposes such as planning of port
facilities, structure design, construction management and maintenance, etc. Not only this system will
make the wave information more accurate than ever, in case of earthquake this system is expected tomonitor Tsunami prior to the arrival at the coast, and to deliver Tsunami information to thoseorganizations concerned. This paper describes the outline of the Offshore Wave Network by GPS Buoy
system and the development plan of the observation center.
Key Words: GPS Buoy, GPS-RTK,GPS satellite, tsunami, NOWPHAS,COMEINS

1. はじめに2. 沖合波浪観測網の概要

GPS 波浪計とは，海上に係留されたブイなどの小型浮体に，GPS 受信機や各種センサーを搭載し，水面変動や風向・風速などの観測を行う装置である．GPS 波浪計は，固定点における GPS 測位に基づく補正データを必要とする
ため，離間 20km 以内（現時点の制限）にある陸上局と常時無線交信する．さらに，海上で得られた観測データは陸上局に送信される．図-1 にその概要を示す．日本沿岸
各地に設置される GPS 波浪計から観測される種々のデータは沖合波浪観測網によって収集・蓄積される．このシステムにより，港湾整備に必要な沖合波浪情報等の海象情報を取得するとともに，地震発生時には，津波情報を港湾到達の数分から 10 分前程度に収集し，関係機関に配信することを計画している．
本論文は，GPS 波浪計による沖合波浪観測網を構築するにあたり，その核となる観測センターと収集ネットワークについて調査・検討した内容を報告するものである．

日本沿岸各地に設置される予定のＧＰＳ波浪計について，観測データをリアルタイムで収集するための観測網について検討した．観測網全体の概要を図-2 に示す．ＧＰＳ波浪計は，無線により陸上局と接続し，陸上局は現地事務所（港湾事務所等）と専用回線等で接続される．
現地事務所からは，拡張港湾ＷＡＮを経由して観測センターと接続される．なお，国土技術政策総合研究所（以下，国総研という）に拡張港湾ＷＡＮの接続口（ルータ，Ｌ３スイッチ等）があり，観測センターは専用回線等で国総研に接続する必要がある．

ＧＰＳ衛星
ＧＰＳ波浪計
陸上局
観測情報

補正情報

図-1 ＧＰＳ波浪計の概要

GPS波浪計
陸上局
その他
観測機器

現地事務所

拡張港湾WAN

国土技術
政策総合研究所

気象庁
観測センター
データ配信
機関
データ保守
管理機関

個別配信

インターネット
公開
ホームページ

図-2 沖合波浪観測網の全体概要
GPS 波浪計でのデータ収集，陸上局との無線交信および観測センターへのデータ伝送は 1 秒毎に行われる．
GPS 波浪計では，図-3 に示すように，陸上局から無線を介して送信された補正データがブイ搭載の GPS 受信機に入力され，自動的に RTK(Real Time Kinematic)測位結果が収集・制御装置に送られる．同時に，ジャイロからの傾斜データ，風向・風速センサー等からのデータ，灯火や電源などに関する管理情報が送られる．収集・制御装置により，これらのデータはまとめて陸上局へ無線伝送される．ブイで収集されたデータや無線機情報，陸上局の管理情報などは図-4 に示すようにデータ伝送装置に収集・蓄積されるとともに，TCP/IP ソケット等を用いて観測センターへ伝送される．

－ 39 －

沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）
GPSアンテナ
通信衛星

補正データ

衛星通信端末
漂流時の位置情報

GPS 波浪計が観測したデータをリアルタイムに収集し，解析・配信するための項目について検討した．
4.1 システム全体構成の検討
システム全体の接続概要図を図-6 に示す．
沖合波浪観測システムは，常時（24 時間 365 日）運用の動作を求められるシステムであり，一部の障害発生時にも，通信および処理を停止することなく運用を継続できる高い信頼性が要求される．また，複数の GPS 波浪計のデータをリアルタイムに計算するため，高精度で高速の処理能力が必要である．運用開始時は数機程度の見込みであるが，GPS 波浪計は最大 30 機の整備が予定されているため，増設に対応した拡張性を備える必要がある．

無線機

GPS受信機

収集データ

GPS-RTK
測位結果

リモート信号

収集・制御装置
ジャイロ

4. データ収集・解析・配信システムの検討

陸上局

傾斜データ

オプション
観測センサーオプションデータ

管理情報

灯火，電源等監視装置

GPS波浪計（海上ブイ）

図-3 ＧＰＳ波浪計（海上ブイ）におけるデータの流れ
GPSアンテナ
観測センター

GPS波浪計（海上ブイ）

無線機

補正データ

GPS
波浪計

GPS受信機

GPS
波浪計

管理情報

室温，電源等
陸上局情報

データ解析処理システム
データ配信システム

・・・
GPS
波浪計

陸上局

陸上局

配信機関

データ収集システム

陸上局
現地事務所

データ伝送装置

気象庁

沖合波浪観測システム

現地事務所

ブイ収集データ
無線機情報
リモート信号

沖合波浪情報観測センター

陸上局

拡張港湾
WAN

現地事務所

監視端
末

公開ホームページサーバ

データ保守・管理システム

図-4 陸上局におけるデータの流れ
図-6 沖合波浪観測システム接続概要図

3. 拡張港湾 WAN を用いた収集ネットワークの検討
拡張港湾ＷＡＮは，広域イーサネット技術を用いたＷＡＮ(Wide Area Network)であり，国土交通省港湾局，国総研，地方整備局（港湾空港部），港湾事務所，港湾・空港整備事務所，港湾空港技術調査事務所などを結んでいる．拡張港湾ＷＡＮには，一般行政情報ネットワークと港湾危機管理ネットワークがあるが，波浪観測データを収集することを想定した「波浪観測ネットワーク」セグメントの新設が検討されている．技術的には，ＶＬＡＮ（Virtual LAN；仮想 LAN）を用いることにより，波浪情報ネットワークは一般行政情報ネットワークや港湾危機管理ネットワークとは分離されるため，セキュリティ上の問題は無いといえる．拡張港湾ＷＡＮを用いたデータ収集網におけるデータの流れを図-5 に示す．

沖合波浪観測システムは 3 つのサブシステムから構成される．３つのサブシステムとその特徴を図-7 に示す．
沖合波浪情報観測センター
GPS
波浪計

沖合波浪観測システム
データ収集システム
・観測データの収集（複数回線）
・24時間365日のリアルタイム受信のオンライン通信
・高信頼性
データ解析処理システム
・観測データの解析
・リアルタイム解析処理
・高精度、高速処理
・高信頼性

データ配信システム・解析データの配信（複数回線）
・24時間365日のリアルタイム受信のオンライン通信
・高信頼性

利用機関

図-7 サブシステムの特徴
観測センター
GPS波浪計陸上局①

港湾事務所等拡張港湾WAN 国総研②③データ保守管理機関

図-5 拡張港湾ＷＡＮを用いたデータ収集網

4.2 GPS 波浪計のデータ解析処理の検討
GPS 波浪計の解析処理は，ノイズ処理，周期帯波高演算，津波波形抽出処理，津波検知処理，波向演算処理等の各種の解析処理で構成される．これらの処理・解析のフローを図-8 に示す．また，解析処理によって発行されるデータの種類を表-1 に示す．

－ 40 －

沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）

表-2 データ保守管理の業務内容
項 目
データ品質管理
データ収集(ｵﾌﾗｲﾝ，ﾉﾝﾘｱﾙﾀｲﾑ)

データ統計処理
解析処理
データアーカイブ管理

データ提供
その他

内 容
・波形ﾁｪｯｸ，ﾉｲｽﾞ除去，補正，再計算・再計算結果の評価
・ﾘｱﾙﾀｲﾑ収集が出来なかったﾃﾞｰﾀのｵﾌﾗｲﾝ収集
・ｵﾌﾗｲﾝﾃﾞｰﾀ再投入計算処理
・品質管理を経たﾃﾞｰﾀを用いた月次報告，年次報告作成（日表，ｸﾞﾗﾌ，出現頻度図など）
・高波浪，津波発生時の事例解析
・天文推算潮位の解析・作成
・品質管理されたﾃﾞｰﾀ（波形，演算結果等ﾌｧｲﾙ）を記録ﾒ
ﾃﾞｨｱに保存・管理する．
・記録ﾒﾃﾞｨｱが古くなった場合に，ﾒﾃﾞｨｱ変換等を行う．
・品質管理されたﾃﾞｰﾀについて，研究機関等の要請に基づきｵﾌﾗｲﾝによる提供を行う．
・場合によっては，ﾃﾞｰﾀ提供用ﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞなどを運用する．
・その他の品質管理に係わる業務

6.沖合波浪情報観測センター構築の検討

図-8 GPS 波浪計データの処理・解析フロー
表-1
データ名

発行されるデータ一覧

種類

説

明

間隔／入力

①受信データ

生データ

陸上局から毎秒伝送1秒②検定前波形データ

波形(時系列)RTK データ

1 秒／①③自動検定後波形ﾃﾞｰﾀ

波形(時系列)自動ノイズ除去，内挿，時刻補正等行う

1 秒／②④潮位（平均水面波形(時系列)波浪成分を除去した潮位

10 秒／③波形(時系列)天文潮位，高潮，異常潮位等成分を差し10 秒／④高）波形データ⑤津波波形データ

引いた津波成分．０値を中心に変動．

⑥長周期波形ﾃﾞｰﾀ

波形(時系列)

周期30 秒以上の長周期成分

5 秒／③⑦気象観測等ﾃﾞｰﾀ

波形(時系列)

風向風速・気温等の気象観測データ

1 秒／①⑧波浪諸元データ

演算値

ｾﾞﾛｱｯﾌﾟｸﾛｽ法での波高/周期,波数,波向．

20分／③⑦⑨周期帯別波浪ﾃﾞｰﾀ

演算値

ｽﾍﾟｸﾄﾙ解析による周期帯別波高・波向

20 分／③⑩長周期波高ﾃﾞｰﾀ

演算値

120 分単位の長周期波高120 分／⑥⑪潮位値データ

演算値

毎分，10 分毎，毎時などの潮位値

分,10 分,時／④⑫推算天文潮位

演算値

１年間潮位値からの天文潮位値／品質管理後⑪⑬津波解析情報

演算値(a)第N 波津波検知情報

発行毎／⑤④が，地点毎の閾値を超えた場
合に発行．
(b)第N 波津波極大値情報(a)発行後に，極大値時に発行．
(c)第N 波津波波高周期情報a），(b)発行後に，一周期を検知し津波波高・周期を解析し発行⑭GPS 波浪計
ステータス情報

演算値

GPS 波浪計管理情報を監視に必要な任意／①フォーマットとしたもの

5.データ保守・管理システムの検討
データ保守・管理の業務内容は，収集したデータの品質管理，解析，保存管理などである．具体的なデータ保守管理作業を表-2 に示す．

沖合波浪情報観測センター構築における装置の構成方
針について検討結果を示す．
6.1 システムの信頼性
24 時間 365 日の連続運用を実現するために，観測センターの運用マシンは主機と障害時の運用・待機となる副機の二重構成が望まれる．システムそのものが堅剛である必要がある．一般に基幹業務で採用される UNIX サーバ
では，ディスク，電源，ファンなど主要コンポーネントが冗長化されている．連続運用が必須である本センターにおいても，主要コンポーネントが冗長化された UNIX サーバの採用が望まれる．
6.2 システムの冗長性
信頼性が高く安定した連続運用を実現するためには，運用マシンの他に，もう１台のマシンを準備し運用・待機の構成をとることが多い．なお，このシステムではトラブル発生時に，業務を待機マシンに引き継ぐための２重化制御ソフトウェアにおいては，高い信頼性と実績が必要であり，次に示すような機能を必要とする．
・ 運用マシンでのトラブルの自動的な検出・ 運用マシンから待機マシンへのデータの引継ぎ
・ 運用マシンから待機マシンへのネットワークの引継ぎ
・ 待機マシンにおける運用マシンとしての業務起動
6.3 トラブルの監視
ハードウェア，OS の異常などは，製造メーカのリモー
ト監視サービスに委ねることができる．本サービスを利用した場合，トラブル発生後に専門スタッフを呼ぶのではなく，異常を事前に検出することができる．異常発生の兆候を検知し予防保守を実施することで不要なトラブルを未然に防ぐことができる．
6.4 システム構成の概要とシステムの拡張性
30 の観測局から，1 秒間 1 回の間隔でデータを受信した場合，1 日当たり 1 観測局で，86,400 通のデータとなり，全局では，2,592,000 通のデータを処理することになる．これらの条件を想定した導入当初の構成例（CPU 数，メモリ量）を表-3 に示す．さらに，拡張性を考慮した機－ 41 －

沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）

器構成図例を図-9 に示す．
表-3 拡張性を考慮した構成例
1

装置名
データ解析サーバ2データ収集サーバ

3配信サーバ

CPU 数
メモリ数
CPU 数
メモリ数
CPU 数
メモリ数

導入当初
2CPU
4GB
2CPU
4GB
2CPU
4GB

将来の拡張性
4CPU
8GB
4CPU
8GB
4CPU
8GB

機器構成図
利用者側ネットワーク

ストレージシステム
L3スイッチL3スイッチファイアウォール

ファイア
ウォール

L2スイッチL2スイッチ

拡張港湾
WAN

RAID0+1(2+2)
540GB

ストレージシステム
RAID0+1(4+4)
1TB

ストレージシステム
RAID0+1(2+2)
540GB

データ収集用 (二台化)
データ収集用 (二台化)UNIXワークステーション

データ解析用 (二重化)
データ解析用 (二重化)UNIXワークステーション

データ収集用 (二台化)
データ収集用 (二台化)UNIXワークステーション

CPU 1.98GHz×2
MEM 4GBDISK 73.0GB×2、147GB×２
内蔵
DAT装置

CPU １．９８×２
MEM 4GBDISK 73.0GB×2、147GB×２
内蔵
DAT装置

CPU 1.98GHz×2
MEM 4GBDISK 73.0GB×2、147GB×２
内蔵
DAT装置

100BASE-

監視用端末
パーソナルコンピュータ
監視用端末
Windows
XP Professional
パーソナルコンピュータ
監視用端末
Celeron®
D33
Windows
XP Professional
パーソナルコンピュータ（2 66GHz）
Celeron®
Windows D33
XP Professional（2 66GHz）
Celeron® D33（2.66GHz）

操作用端末
パーソナルコンピュータ
操作用端末
Windows
XP Professional
パーソナルコンピュータ
操作用端末
Celeron®
D33
Windows
XP Professional
パーソナルコンピュータ（2 66GHz）
Celeron®
Windows D33
XP Professional
Celeron® D33（2.66GHz）（2 66GHz）

また解析データについては，津波高さを自動的に計算する手法が十分にオーソライズされていないことから，津波に関する観測データの一般公開については，今後十分な検討が必要である．
(3)公開データの統一性
観測データの信頼性を確保するため，各観測局で行う
GPS 波浪計の個別解析処理結果と，全国に配置された GPS
波浪計のデータを集中処理する観測センターの解析結果に不整合が生じないようにする必要がある．このため解析ソフトウェアの共通化を図るとともに，データ分岐・再利用時の不整合防止にも留意する必要がある．

開発用
UNIXワークステーション
CPU 1.98GHz×1
MEM 4GBDISK 147GB×2

図-9 機器構成図例

7.沖合波浪情報観測センターの運用課題の検討

7.2 データ提供先とデータ内容の検討
データ提供先とデータ内容についての検討結果を以下に示す．
①気象庁
補正等の前処理データを除く，ほとんどのデータの提供を行うことにより，津波警報や津波予報への活用が考えられる．
②地方整備局・港湾事務所等
観測主体であり，補正等の前処理データの扱いを除き，全てのデータが利活用できる．ただし，データ処理手法やデータの見方などの「利用の手引き」等により周知が必要．
③港湾管理者等及び防災機関（自治体）等「利用の手引き」の配布だけではなく，データ利用のための防災担当者向け研修会などの実施が必要．
④現地事務所での演算等
現地事務所において，演算・表示を行う場合は，観測センターと同一の解析手法・ソフトウェアを用いることとする．
⑤ホームページによる一般公開
ノイズを含むデータによる一般の利用者の混乱が起きないように注意するとともに，判断が難しいデータ，誤解を生みやすいデータの公開は避けるべきである．
特に，地震・津波発生時に，影響地域においてパニックや流言など社会的な混乱を引き起こすことがないよ
うに十分注意すべきである．

沖合波浪観測情報及び解析情報の提供・公開に係る課題について検討した．
7.1 データ提供・公開に関する問題の整理(1)波浪観測情報の提供・公開
国土交通省港湾局が管轄する全国波浪観測データについては，（独）港湾空港技術研究所において，リアルタイムでデータの収集・解析処理が行われており，その解析結果はホームページにより公開されている．また，（財）
沿岸技術研究センターが運用している COMEINS Web において港湾局や港湾管理者などの特定ユーザに提供されている．波浪観測データのリアルタイムでの公開の際には，「解析処理は自動であり，演算値にはノイズによる異常値が含まれる場合がある速報値であること」と，この速報値は，品質管理を経て，後日修正される場合があることを明記すべきである．
(2)津波に関する情報の提供・公開
8. おわりに津波警報は気象庁のみが行うことが気象業務法に定めGPS 波浪計及び観測センターの整備が行われることにられている（政令に定められた場合を除く）．また，防災より，沖合における波浪観測及び津波観測を通じて沿岸上の観点等から気象庁以外の事業者等による津波予報は防災に大きな貢献を果たすことが期待される．
当面許可しないとされている．従って，沖合波浪観測デ
本稿は，国土交通省中部地方整備局名古屋港湾空港技
ータの津波警報や津波予報への活用は，これらのデータ術調査事務所発注による「平成 17 年度 沖合波浪観測シを気象庁に配信して気象庁で行う方法が考えられる．
ステム検討調査」を取りまとめたものである．多大なご一方，自動検定後波形データやフィルター処理を施し協力をいただいた関係各位に感謝申し上げます．
た津波周期成分の波形データをリアルタイムで一般に公開することは，特に法的には問題ないが，ノイズ処理や解析処理が自動であるためノイズを含む場合があること，－ 42 －