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汎用小型マイコンボードを活用した無線式簡易振動センサの冬期現地試験への適用について(国研) 土木研究所 寒地土木研究所 ○阿部 孝章, 藤浪 武史，田中 忠彦，矢部 浩規
1. はじめに日本は火山国であるため，一度発生すると甚大な被害をもたらす噴火による火砕流や火山泥流のための防災対策は，社会的にも住民等から強く望まれているところである．こうした火山災害の早期検知のためにワイヤセンサを設置することは防災上有効である．しかし，写真-1 のように，北海道のような積雪寒冷地域においては，積雪の沈降力や融雪時の腐食等による切断や誤作動，保守点検費用が嵩むなどの課題が存在し，ワイヤセンサに代わる土砂移動検知手段の開発が進められている．ま

写真-1 十勝岳ワイヤセンサ周辺の積雪状況(2016/12/14)

た，近年では半導体技術の発展により，安価かつ小型なセンサを活用したモニタリングシステムの開発とそれによる多点環境計測が盛んに行われている．更に，オープンソースハードウェア基盤と無償の統合開発環境から構成される汎用小型マイコンボードも，基盤の入手性，拡張の容易性から注目を浴びている．こうした新たな技術は，気象予測や環境計測など様々な自然科学分野で利活用されてきている 1)．火山泥流等の土砂移動検知にこうした各種技術の応用が可能であれば，従前より低価格で空間的に高密度なモニタリングを実施できる可能性がある．こうした背景に鑑み，本稿では汎用小型マイコンボード及び小型センサを用いた無線式簡易振動センサを試作し，火山地域におけるフィールド試験を通じてその適用性を検討することを目的とした．
2. 手法
高密度のモニタリングを実施するためには個別のセンサは簡易かつ安価に製作することが必要である．そのような観点から本稿では，振動計測や無線通信の処理にオープンソースハードウェア基盤から構成される汎用小型マイコンボード Arduino2) （Marduino UNO R3（マルツエレック, 日本）を採用）を用いることとした．振動検知部としては静電容量型 MEMS 3 軸加速度センサ KXR94-2050 （Kionix, Inc., 米国）を採用した．振動データの無線通信については ZigBee 規格を実装した XBee ZB (S2C)モジュール（周波数帯域 2.4 GHz）を用いた．これらは電子部品店・通信販売等で容易に入手可能であり汎用性がある．以上から構成される無線式簡易振動センサ（写真-2）であるが，材料費は 2016 年現在で 1 台当たり 10,000 円程度，製作時間は 1 時間程度であり，他の市販品と比較して大きなコスト低減効果が見込める可能性がある．尚，同タイプのセンサを屋外試験の振動検知や無線通信に適用した事例は別報にて報告している 3)．
屋外試験は図-1 に示すように，美瑛町白金に位置する白金流路工周辺及び火山砂防情報センターに無線式簡易振動センサ及び受信機を設置して行った．
流路工内の St.1 (受信機からの距離 405 m)，St.2 (610 m)，St.3 (805 m)に無線式簡易振動センサを設置しており流路工から情報センターにかけての縦断図は図-1 右段に示す通りである．St.1, 2 については写真-3 に示す通りランマー（1.8 kW 級）により起振を行い，St.3 については急傾斜部であったため人力の足踏みによる振動を与えて起振を行った．振動レベルは加速 写真-2 無線式簡易振動センサの振 写真-3 ランマーによる起振状況

動検知部及び送信部
690
尻無沢川第１号ダム(St.3)

火山砂防情報センター(受信機)670
標高 [m]

流路工中腹(St.2)

650
永光橋上流(St.1)

630
610※地形データは基盤地図情報による

美瑛川

590
0200

400

600

水平距離 [m]図-1 白金流路工付近平面図（左）及び St.1, 2, 3 及び受信機の位置関係を示した縦断図（右）- 762 -

800

1000

120

180
時間 [s]

1500
1000
5000-500
-1000
-1500

240

300

543210060120

180
時間 [s]

240

300

360

振動加速度 [gal]3002001000-100-200-300

060120180
時間 [s]

400

240

300

36000-200-400
543210060120

180
時間 [s]

20406080100

時間 [s](e) 3月, St.2 (610m)

200(c) 2月, St.3 (805m)

543210振動レベル

543210360(d) 3月, St.1 (405m)(b) 2月, St.2 (610m)

300
200
100
0-100-200-300

振動レベル

60

振動レベル

振動レベル

振動加速度 [gal]

0300
200
1000-100-200-300

振動加速度 [gal]振動レベル

543210振動加速度 [gal](a) 2月, St.1 (405m)

振動加速度 [gal]振動加速度 [gal]
振動レベル

1500
1000
500
0-500-1000-1500

240300(f) 3月, St.3 (805m)

543210360

060120180
時間 [s]

240300360

図-2 各観測点における振動検知実験の結果（上段が振動加速度[gal]，下段が振動レベル，(a)-(c)は 2 月，(d)-(f)は 3 月）

度が 10 gal 上昇するごとに 1 上昇するものとして，振動の計測と同時にレベル判定，その情報送信処理が可能なように設定を行った（詳細は文献 3）と同様）．
3. 結果
図-2 に示したのは，各観測点における振動検知実験の計測結果であり，上段が振動加速度値[gal]，下段は振動レベルを示している．(a)~(c)は 2 月，(d)~(f)は

表-1 実験結果のまとめ
実験実施日2017/2/24
2017/2/24

観測点
St.1
St.2

天候
吹雪
吹雪

通信状況
△（間欠）
○

2017/2/24
2017/3/17
2017/3/16

St.3
St.1
St.2

吹雪
曇り
雪

○
△（間欠）
○

2017/3/16

St.3

雪

○

3 月に実験を実施したものである．まず図-2 (a)の St.1 では，ランマーによる間欠的な起振によって，振動無しの時間帯と振動有りの時間帯で明瞭な差異が生じている．間欠的な起振条件では 1分間の起振と 1 分間の小休止を交互に行ったが．起振時は振動値が明瞭に上昇し，最大で 1000 gal を超える振動加速度が生じている．しかし，小休止の間も僅かに振動値が上昇しており，これは St.1 が道路橋に近いことや地盤状況によりノイズを拾いやすい環境であったためと考えられた．図-2 (b)の St.2 においても，間欠的な起振によって，振動有無の時間帯は明瞭に分かれている．周辺地盤は St.1 に比較してやや軟弱であり，振動振幅の絶対値は St.1 に比較すると小さくなっている．また周辺環境は静穏で無起振時の時間帯は振動値がほぼゼロに近い結果となった．
仮にこの地点で土砂移動などが生じ大きな地盤振動が発生した際には検知しやすい状況であることが想定される．
図-2 (c) St.3 地点は火山砂防情報センターから最も離れた地点であり，人力による起振を行っているが，概ね 30 s以後の起振後，振動加速度の記録・送信と振動レベルの判定まで一連の処理を行うことに成功している．
図-2 (d)~(f)に示したのは 3 月実験実施時の振動波形であり，(d), (e)についてはランマー起振，(f)については人力による起振の有無を明瞭に捉えることに成功している．ここで，表-1 に示したのは全実験ケースの天候と通信状況の概略である．2 月実験時の天候は吹雪，3 月実験時は曇りまたは降雪有りの気象条件であったが，St.1 は間欠的な通信であったのに対し St.2, 3 は良好な通信状況であった．これは St.1 の設置点が台地直下部に近接しており，通信モジュールの機能的制約により，地形によって通信が阻害されたものと考えられた．一方 St.2, 3 においては気象条件によらず 600～800 m の距離で良好な無線通信に成功したことが分かった．
4. まとめ本稿で構築した無線式簡易振動センサにより，安価でありながらも振動検知や振動レベルの推定，そして計測値の無線通信に活用できる可能性が示された．振動レベルの推定結果は火山噴火時などにおいて下流域に対する影響範囲の推定にも活用できることを想定しており，今後も継続的に屋外試験や現地への試験設置を行っていく予定である．但し本稿においては，１ヶ月以上の長期にわたるモニタリング試験，山間地など密集した植生の影響が無視できない場合の試験などは行っておらず，これらの点に関する追加検討が今後の課題と考えられる．
謝辞：実験の実施にあたり，北海道開発局旭川開発建設部及び美瑛町にご協力頂きました．記して謝意を表します．
参考文献：1) 黒崎ら, 農業情報研究, Vol.25(1) pp.19-28, 2016. 2) Arduino - HomePage, URL: https://www.arduino.cc/(2017 年 4 月 6 日参照). 3) 阿部ら, 寒地技術論文報告集, Vol.32, pp.130-135, 2016.

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