水工学論文集,第54巻,2010年2月
水工学論文集,第54巻,2010年2月

アクティブタグ技術を応用した砂礫移動に関するトレーサ調査手法の開発
DEVELOPMENT OF TRACER INVESTIGATION TECHNIQUE
ON GRAVEL MOVEMENT THAT APPLIED ACTIVE TAG TECHNOLOGY

角哲也1・石田裕哉2・佐竹宣憲3

Tetsuya SUMI, Hiroya ISHIDA, Yoshinori SATAKE
1正会員

博士(工) 京都大学教授 防災研究所水資源環境研究センター(〒611-0011 宇治市五ヶ庄)

2非会員

株式会社建設技術研究所東京本社ダム部(〒103-8430 東京都中央区日本橋浜町3-21-1)
3正会員 有限会社佐竹設計事務所(〒114-0023 東京都北区滝野川1-93-5-403)

In case that we evaluate the effect of sediment replenishment during a flushing flow operation, there isno sophisticated measurement method to monitor gravel movements on the river bed. We have developed
a tracer investigation technique on gravel movements that applied the IC-Tag technology. This system
is composed of an IC-Tag that is inserted in each gravel, an antenna, an amplifier and a logger. Up to now,
we have confirmed that passive type IC-Tag can be used for gravel monitoring by laboratory tests andfield tests such as in Managawa river. However sensing distance is very limited up to 0.5m or so and wehave decided to use another active type IC-Tag to help the monitoring.
In this paper, we present basic features of active type IC-Tag, RUBEE system, that has been newly
developed under the IEEE1902.1 protocol and discuss its applicability to monitor the gravel movement bylaboratory and field experiments.
Key Words : IC-Tag, Active Tag, Flushing flow, Sediment replenishment, Managawa dam

１．はじめに近年，物流や交通システムの発展により電波発信機やＩＣタグの需要が増大し，複数の規格や方式が用途に応じて使い分けられている．土木や自然観測分野においても，発信器を用いた礫の移動観測やＩＣタグを用いた落葉の移動観測のように，直接目視や発見が難しい対象の位置を特定する手法として用いられつつある1), 2)．
筆者らは，河川における礫の移動実態をＩＣタグ技術によって把握する手法の開発を進めてきた3)．具体的には，固有の識別コード(ID)や各種情報を自身に記録し観測器で無線にて情報を交信するというＩＣタグの基本機能を利用し，河床における礫の位置を特定する．ここで得られた位置情報を識別コード毎に時系列で整理し，ペイントによる目視追跡やトラップボックスによる採取，河床面の水準測量といった，従来の観測手法では得られなかった礫個々の移動履歴を記録する事に成功した．
ここで使用したＩＣタグシステム(テキサスインスツ
ルメンツ社のシリーズ2000リーダシステム)は，パッシブタグと呼ばれる電池を内蔵しないタグで，通信に使用する周波数が水の影響を受けにくい長波帯の周波数(134.2kHz)である．パッシブタグは観測器側から供給される電磁波を受信することで電力を得て信号を発信する
ため，タグ側に電池が不要で，破損しない限り20年〜30年という非常に長期の追跡が可能である点が移動観測にとって有利である．反面，パッシブタグは通信距離が50cm弱と短く，表-1のように水深が浅く，また川幅が狭い河川においては高い作業効率が得られるが，水深50cmおよび川幅10m以上ともなればアンテナを水中に沈めて作業するために，追跡に大きな労力を要することがこれまでの調査作業を通じて判明した3)．
表-1 観測対象河川の作業性
観測箇所
河幅
真名川
17m
(九頭竜川水系)
ヒル谷
1.5m(神通川水系)- 1123 -勾配

水深 流れ方向縦断観測距離1/150 50cm

15 m/時/人

1/5100m/時/人15cm

平時かつ深い淵などは含まずそこで，規模の大きな河川でのパッシブタグによる調査作業性の改善を目的に，アクティブタグを用いた調査方法を考案した．アクティブタグの特徴は，次節で詳述
するが，パッシブタグに対して通信距離が数mと長いという利点を有する．今回用いたアクティブタグは，長波帯の周波数を使用したVisibleAsset 社のRUBEE （以下:RUBEE）である．本報では，RUBEEの読取特性に関する基礎実験および九頭竜川水系真名川ダムの下流河川を対象とする現地実験結果について検討を行う．

表-2 ＩＣタグシステム比較
タグ種別
方式名

パッシブタグTI-RFID

周波数134.2k(Hz)通信距離1m

アクティブタグ

FeliCaµ-chipRUBEE

ZigBee13.56M

2.45G

131k

2.4G

10cm

30cm

5m

数10m

電池寿命

−−−

5年

1年

水中

○××○×

２．RUBEEタグシステム(1) ＩＣタグシステム
ＩＣタグシステムは，1)ＩＣタグ(以下:タグ)，2)アンテナ，3)読取器，4)ロガー(パソコン等)により構成され
写真-1 右：RUBEEタグ (縦横 50mm×25mm，厚さ3mm)
る．ＩＣタグは読取器に対して自己のIDを通知し認識さ
左：従来のパッシブタグ (φ3.85mm長さ32mm)
せることで個々のタグの有無を使用者が知り得る．この
ほか内部に固有の番号以外の情報を保有したり，又は読取器等から書き込んだりする事が可能なタイプがある．
また，タグ自身が何らかの計測処理を行い，その情報を読取器に通知するタイプの開発も行われている4) ．
タグは，表-2に示すように、電池を持たず読取器側から発する電磁波により電力が供給されるパッシブ型と，内蔵した電池により動作するアクティブ型に大別され，付加機能及び通信距離を必要とする分野では，タグが使用可能な電力の面でアクティブ型が有利である．ただし，今回のように，目視追跡可能な使用方法と異なり，土中
写真-2 左：ループアンテナ （29.5cm×42cm）
や水中に埋没する状況が多く発生する用途での電池切れ
右：ケーブルアンテナ（ループ部 24m×3T）
は，追跡が不可能となる事を意味する．また，通信に使用する周波数は，水により減衰しにくい帯域(主に長波
このように砂礫に埋め込んでトレーサ試料(以下:試料)帯)を選定する必要がある．表-2に一般的なＩＣタグシとして用いる場合は寸法と性能に制約が生じ，例えば従ステムの規格を列挙する．なお，表中の通信距離は標準
来筆者らがパッシブタグにて採用した試料サイズは，主的なシステム構成での理想状態の値である．にφ70mmとφ40mm(試験的にφ100mm)である．この(2) IEEE1902.1
米国電気電子学会(IEEE)は 2009 年 2 月に周波数450kHz 以下、最大通信距離 30m 以下、通信速度 9.6kbpsのタグを対象とする近傍界の磁界を用いる通信の規格として IEEE1902.1 を定めた．中でも現在具体的に規格化
さ れ て い る IEEE1902.1-2009 は ， 搬 送 波 周 波 数
131.072kHz，通信速度 1kbps を対象とした規格である．

φ40mmという数値は，使用したパッシブタグの長さ32mmから決定している．RUBEEには用途に応じ様々なタグが用意されているが，今回は極力試料サイズを小さくするとの観点より、写真-1に示す小型タイプの平板状タグ(縦横の長さ50mm×25mm，厚さ3mm)を採用した．

(4) アンテナ
RUBEE用のアンテナは，写真-2に示すように矩形のループアンテナ以外に汎用品のフレキシブルな線材を巻(3) ＩＣタグいたケーブルアンテナを使用する事が出来る．このケーアクティブタグの電池サイズは，タグ寿命と概ね比例
ブルアンテナは，観測サイトの形状に応じて現地で作成関係にある．タグに搭載するアンテナサイズと通信距離し，河川の横断方向に容易に張る事が可能である．ただの関係についても同様のことがいえる．ただし，電池サし，際限なく長大化することは出来ず，読取器の対応範イズやアンテナサイズが大きくなれば，観測可能な粒径レンジが限られるため，アクティブタグの使用サイズは， 囲内では概ね20m×2m×1Tが最大である．ここで1Tとは線材の巻数を表し，1Tとは1巻のことである．
使用目的などを踏まえて設定する必要がある．

- 1124 -(5) 読取器とロガー(ノートパソコン)
読取器は，アンテナを介してタグと通信し，その固有IDを認識する装置である．アンテナの状態や特性値に応じて最適な同調を自動で行う機能を有し，アンテナ設計の自由度が高い(写真-3)．
ロガーは，制御ソフトウエアにより認識したタグのIDを記録することが主たる機能である．そのほかアンテナの同調や，観測モードの指定(後述)，タグ観測動作の開始・終了，周辺ノイズレベルの簡易測定，タグの信号強度測定(後述)といった一切の動作をつかさどる(写真-3)．
(6) 観測モード
RUBEEはタグの呼出方法に表-3に示す３つのモードを有する．不特定多数のタグに呼び出しをかける
Discover，既知のIDリストに基づき呼び出すPing，セイコーエプソン(株)が開発した不特定多数から高速でタグの呼び出しを行うDMCの３方式である．実際の観測では電池の消耗を抑えつつ不特定多数が呼び出せる
Discover方式が有利と考え同方式により試験を行う．
(7) タグの信号強度
タグのIDを認識可能な距離(以下:認識距離)が長い場
合，タグの有無だけ判明しても実際の位置の特定が困難となる．アンテナの指向性や利得制限で認識距離を調整するなどの手法が考えられるが，本装置はタグの信号強度の目安を測定し図示することが可能であるため，位置特定の参考となる．ただし，アンテナに指向性がある場
合はアンテナとタグの相互の位置関係により，同一距離でも信号強度が変化するため信号強度のみでは距離の測定には至らない．アンテナからタグを徐々に離した場合の信号強度の推移を図-1に例として示す．90cmから最大2.5mまでタグを遠ざけることによる受信強度の低下傾向が認められる．

ロガー読取器写真-3 読取器とロガー
表-3 呼び出し方法比較
方式

Discover

Ping

DMC

対象

不特定多数

既知のID

不特定多数

IDが既知である 不要なタグを呼び Discoverに比べ利 必要がない出さない．条件に 高速点
よ っ て は Discoverより高速
通信が複雑なた リスト順に呼び出 独自のコードを欠
め時間がかかる すため対象個数が 埋め込む必要が点増えると遅くなる ある
電池
寿命(8) ＩＣタグ試料
ＩＣタグ試料(以下:試料)は，最終的に石材に穴を開けて取付ける事を想定し，今回は直径70mmの球形に成形したモルタルに埋め込んだものと，プラスチックカプセルにガラスビーズと共に封入した物(写真-4)を作成した．

通信が複雑なた 必要なタグのみ呼めPingとDMCの び出すので３方式中間の消耗があ の中で最も消耗しるないタグが常時呼びかけに反応するので消耗が激しい

距離:90cm

距離:2.5m

緑線 : 受信強度青線 : 発信強度
橙線 : 受信強度の傾向

図-1 タグの信号強度推移の例

３．RUBEE基本性能試験(1) 目的と概要
読取器が認識可能なアンテナとタグとの距離を把握す
る．読取器側のアンテナも，タグに内蔵されたアンテナも指向性を持つことが想定されるため，静置した状態では有利な状態と不利な状態にて計測する．また，衝撃や水圧，氷結と言った過酷な環境に対するタグのパッケージの耐力性能についても試験を行い確認する．

- 1125 -写真-4 ＩＣタグ試料(φ70mm)

表-4 静置認識距離試験結果
アンテナ

ケーブルアンテナ

認識範囲

認識距離
有利方向

不利方向(1)

不利方向(2)

3m

1.5 m

1.0 m

7m

3m

2.5 m

ﾙｰﾌﾟｱﾝﾃﾅ
ｹｰﾌﾞﾙｱﾝﾃﾅ
長辺相対位置

ロガー 読取器

タグアンテナd=4(m)(2) 静置認識距離試験
30cm程度までタグとアンテナを近づけて読取器にタグを認識させた状態から徐々にアンテナからタグを離していき，認識できなくなった距離を認識距離とした．
表-4に示すように，アンテナの種類およびタグの指向性により結果が異なるが，いずれも1m以上の認識距離があり，特にケーブルアンテナ(5m×7m×3T)では最大7mであることが確認された．

1.5(m)

試料ｖ(m/sec)
認識範囲

アンテナ線

図-2 転動試験(3) 転動認識試験
実際の河川における礫の流下を想定し，図-2,写真-5のようにケーブルアンテナを斜路上に間隔1.5mにて設置し，15個の試料を同時に群体で下方に流下させて認識できたタグの観測個数を記録する．勾配は5ﾟ, 7.5ﾟ, 10ﾟに変化させ，移動速度vと認識個数nの関係を確認した．
表-5に示すように，アンテナの認識範囲がd=4.0mと仮定すると，認識されたタグ一個あたりの認識時間はt=d/v/n で表される．結果より t は約0.3秒であった．これは読取器の認識処理タイミングが0.25秒に1回と設定していた事によると考えられ，認識個数はアンテナ認識範囲内を試料群体が通過する時間によって決定される事がわかった．これより，認識個数を増加させるためには認識時間を短くすることが重要と考えられる．

写真-5 転動試験状況
表-5 転動試験結果
斜路勾配

5ﾟ7.5ﾟ

10ﾟ

認識個数 n (個)13107

移動速度 v (m/sec)

1.12

1.48

1.79

t=d/v/n (sec/個)

0.27

0.27

0.32

(4) 水没試験
タグに直接5mの水圧を2週間かけ，漏水やパッケージ破損の有無を確認した．水没させたまま認識距離を観測したところ，2週間後においても有利方向で約3mと気中と性能の変化はなく，外装も大きな変化は見られなかった．但し，樹脂は一般に吸水するとその含水率により強度が低下するため，長期間の確認は必要である．
(5) 氷結試験
1週間氷結させ温度低下やパッケージ破損により使用不能にならないかを確認するために，タグを入れた厚さ約5cmの氷を作成し，中央のタグを外部から観測した．
その結果，水没させた場合と同様にタグを認識する距離は有利方向で約3mであったが，３つ試験したパッケージのうちの１つに写真-6のような凹みが生じた．

凹み

写真-6 氷結させた試料

なお，長期間では，水没試験同様の経年変化に加え，低温によるによるバッテリーの性能低下やパッケージの脆性が増大するなどの問題が生じる可能性があり，このような条件下での使用に対しては氷結防止対策が必要になるものと考えられる．

- 1126 -表-6 混在試験結果(RUBEE 認識距離)

蓋

タグを底部に固定

タグ間距離

認識方法

有利方向

不利方向(1)

密着

個別

認識せず

1.0m

1cm

個別

3.0m

1.5m

1cm

同時

1.0m

認識せず

水流

試料

写真-7 茶筒に入れたタグ

計測ライン 1

アンテナ

(6) 金属透過試験
RUBEEの特徴の一つは金属による影響を受けにくいことである．RUBEEは近傍磁界による通信を行っており，磁力線の経路は物質の透磁率により変化するものの，金属等を透過しても熱などで減衰しないため，通信は可能とされている．これを確認するために，写真-7に示す
一般的なスチール茶筒にタグを入れて蓋をした状態にて観測を行った．その結果，通常よりもやや短いものの有利方向にて1.5mの認識距離を得た．
(7) 衝撃試験
通常の実河川では最大流速が7m/s程度であり，タグが岩や石になど衝突した場合の耐衝撃性を確認した．モル
タルで成形した試料を約2.5mの高さ（この時空気抵抗を無視した落下速度は約7m/s）から試料5つを落下させた
結果，一部欠けたものが生じた試料も認められたが，認識性能に支障は見られなかった．
(8) パッシブタグとの混在試験
電池寿命を迎えたRUBEEは全く無反応となるため，パッシブタグを同一試料に取付けて試料回収の可能性を残す用途が想定される．そこで，RUBEEと従来使用していたパッシブタグ(以下:TI-RFID)が近傍に有った場合の認識距離の変化を確認した．結果を表-6に示す．
二つを1cmの距離に並べた有利方向での認識距離は，読取器を同時に使用しない場合はRUBEE 3.0m，パッシブタグ 35cmでありそれぞれ単独の場合と変化はなかった．一方，二つのタグを密着させた場合は，有利方向は全く読めなかったが不利方向については単独の場合より短い読み取り距離ではあったが認識することができた．
パッシブタグが連続して認識動作を行っている状況下においては，RUBEEは有利方向における認識距離が1mと大幅に低下し，不利方向では50cmまで近づいても認識できなかった．これはTI-RFIDとRUBEEの使用周波数が近い事が原因と考えられる．
(9) まとめ
以上から，移動する試料を認識するためには，可能な限りアンテナの認識範囲が大きくなるように設定するとともに，読取器の毎秒の認識個数が大きくなるようにプ

計測ライン 2
読取器,ロガー
ID,通過時刻を記録
図-3 定置型装置(従来)
水流

アンテナ

計測ライン 1
計測ライン 2
読取器,ロガー
ID,通過時刻を記録
図-4 定置型装置(RUBEE)

ログラムを工夫することが必要である．タグ自体は試料に成形する事で，河川での使用に必要な性能を発揮する事が確認された．ここで，TI-RFIDとRUBEEの同一試料の取付けは可能であるが，二つのタグを密着させず，2種のタグに対して認識作業を同時に行ってはならない．
また，低温における長期にわたるバッテリーへのダメー
ジは今後も注意して確認する必要がある．

４．真名川現地試験(1) 目的と概要
基本性能試験を踏まえ，本調査手法を実用に供するため実際に河川で模擬的な観測を行う．観測には，アンテナを河床に定置し流下する試料を次々と認識する定置型装置と，河床上をアンテナを移動させて河床にある試料を認識し，位置をGPSで記録する追跡型装置を用いる方法がある．ここでは，定置型装置の改良を試みるための試験を行う．
定置型装置は，図-3， 図-4のように計測ラインを二つ以上設けることで，その間の試料の移動速度が観測可能となる装置である．パッシブ型では認識距離が短く，複数台の読取り器とアンテナをまるごと河床中に沈めて- 1127 -５．おわりにRUBEEは小型長寿命に加え，金属に対する強みもあり過酷な環境に耐える．また，アンテナの観測範囲内に複数個のタグが存在しても混信を防ぎ個体の特定が可能であり，砂礫の移動観測に適したアクティブタグシステムで有る事が解った．しかしながら，アクティブタグは写真-8 現地用ケーブルアンテナ(20m×2m×1T)
発信する事で電池は確実に消耗し寿命へと近づく．つまり，通信手順の選択が電池寿命を左右し観測スケジュー
支持棒
読取器
アンテナ
ルに大きな影響を及ぼす．この点はパッシブタグとの大きな違いである．
電池寿命は計算上，5年〜7年かつ発信回数300万回と示されているが，実際にそれだけの年月を経たタグが無いため実証はされていない．また，読取器との通信内容
タグによっても消費電力は増減するため注意深く使用してい図-5 現地試験
く必要がある．
反面，電池による電力でマイコンや時計を標準で内蔵
表-7 認識距離しているため，パッシブタグに比べて種々のセンサーを搭載する事が容易である．例えば水圧センサーを搭載すアンテナ長辺
短辺
中央ることで，ICタグの平面位置のみならず鉛直深さも知る
20m×2m×1T
1.0 m
0.8m
1.2m
ことが可能となり，たとえば一連の砂礫移動観測におい10m×2m×2T
1.2 m
1.0m
1.5mて移動床の交換層厚を把握することなども可能となるものと期待される．
観測することが必要であり，このため，設置には少なか
また，従来の製品と異なり，ケーブルアンテナによるらぬ労力を要し，また，アンテナ周辺の洗掘による装置フレキシブルな観測範囲の設定により，河川の状況に応流出の恐れもあった．そこで，これまでのアンテナを河床に設置する方式から，RUBEEの認識距離に期待して， じた観測体制を取る事が可能となった．これらを踏まえて，実際の観測に則したタグとの通信手順，アンテナのアンテナを水面上に設置する方式での観測を試みた．な形状や設置方法の検討を進める必要がある．
お実験はパッシブタグでの経験を有する真名川(福井県大野市)にて行った．
(2) 試験結果
河川の水面上に設置するアンテナは20m×2mであり，写真-8，図-5に示すように人力にて流線方向に直角に伸張し，その場合の認識距離を計測した．なお認識距離は有利方向とした．表-7に示すように認識距離は一巻(1T)で1m程度とパッシブタグの現地での実績(最大50cm弱)より向上しているが，アクティブタグとしては基本試験での7m(5m×7m×3T)より低下した．これは巻き数が少なく，かつ細長い形状のためアンテナとしての効率が低かったためと考えられる．また巻数を1T→2Tに増やした結果では約25%の認識距離の拡大が認められた．

謝辞：本研究を行うにあたり，国土交通省九頭竜川ダム統合管理事務所およびセイコーエプソン株式会社(RUBEEタグ技術)の協力を得た．ここに記して謝意を表する．

参考文献
1) 福島雅紀, 植木真生, 山下武宣, 箱石憲昭：低周波発信器を用いた礫の移動状況調査，第62回土木学会年次学術講演会，
pp.235-236, 2007.
2) 船田晋, 吉村千洋, 石平 博, 竹内邦良：ICタグによる個体識別技術を用いた落葉動態観測，水工学論文集，第51巻, pp.
1159-1164, 2007.
3) 角 哲也, 石田裕哉, 佐竹宣憲：ＩＣタグ技術を用いたトレーサ調査手法による砂礫移動観測，水工学論文集，第52巻,(3) まとめ
pp.889-894, 2008.
実河川における試験により，アンテナ巻数やサイズを4) 泉田正道：LF 帯アクティブRFID の新規格IEEE1902.1のプ工夫する事により，アンテナを水面上に設置してもタグロフィール，RFワールド№7，CQ出版社, 2009.
を観測することが可能であることが示された．また，この場合水中に装置を埋設する必要がないため，洗掘によ（2009.9.30受付）
る装置流失の恐れが無く安全に設置・撤収が可能である．

- 1128 -