報 文

コンクリート構造物水中部劣化診断システムの開発
Development of a Deterioration Diagnosis System for
Submerged Parts of Concrete Structures
五十嵐匡＊

国島英樹＊＊

柳沢雄二＊＊＊

長瀬禎＊＊＊＊

大西明夫＊＊＊＊＊

Tadashi IGARASHI，Hideki KUNISHIMA，Yuji YANAGISAWA，
Tadashi NAGASE，Akio ONISHI

港湾及び漁港施設における水中構造物の健全度診断は、潜水士による目視観察に頼っているのが現状である。しかしながら、海水の透明度による影響も大きく非効率で困難な作業となっている。このため、潜水士を必要としない構造物水中部を点検するための撮影技術及び効率的に健全度を診断するシステムの開発を行っている。
現地試験では、使用する機器類の構成とデータ取得方法確認及び音響カメラを水中で固定する架装装置性能を検証した。また、撮影した画像から岸壁面水中部全体の画像を作成し分解性能を検討した
結果、約３cm の分解性能を有することを確認した。
《キーワード：港湾構造物；劣化診断；音響カメラ》
At present, diagnosis of the soundness of submerged structures in harbor and fishing port
facilities depends on visual observation by divers. However, the work involved is ineﬃcient anddiﬃcult, and is greatly aﬀected by conditions of transparency. Accordingly, a technology to take aphotograph of inspection of submerged parts of structures without divers and a system to enableeﬃcient soundness diagnosis are currently being developed.
In the ﬁeld test, the conﬁguration of the devices used and the data acquisition method wereconﬁrmed, and the performance of the mounting device adopted to secure the acoustic camera
under water was verified. An image of the entire submerged part of the quay wall was also
created from the photos taken, and a resolution of approximately 3 cm was conﬁrmed.
《Keywords: port structure, deterioration diagnosis, acoustic camera》

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１．はじめに撮影装置をポール状の架装装置先端に固定し、それを架台に取り付け船舶に艤装する。そして、船舶を航港湾及び漁港施設における水中構造物の健全度診断行させながら水中構造物（岸壁）を撮影し、岸壁面水中は、有効な点検手法が確立されておらず、潜水士によ部全体画像（以下、モザイク図という。）をソフトウェる目視観察に頼っているのが現状である。水中部の点アを利用して作成する。次に、得られたモザイク図と検は、陸上で点検指示を行う技師と水中で実際に目視過去の点検履歴との比較等によって変状箇所を抽出観察する潜水士の連携が重要である。また、海水の透し、詳細な点検の必要性を判断するなど、点検作業を明度による影響も大きく、視界の悪い箇所では潜水士効率化するシステムの開発を目標としている。

が手探り状態で異常箇所を確認するなど、非効率で困難な作業となっている（ৢ૯Ƚˍ）。

ˏȅ‫ٳ‬อْࠗ

このため、潜水士を必要としない水中構造物の状況を撮影する技術、及び撮影データを蓄積して効率的に開発の年次計画をນȽˍに示す。本開発は平成20年健全度診断を行うシステムで構成する「港湾構造物水度からの３カ年計画である。本報文では平成20年度に中部劣化診断装置」の開発が求められていた。

実施した「音響カメラの現場適合性試験」について報告する。
なお、開発は寒地土木研究所と国際航業（株）との共同研究「水中構造物点検技術に関する研究」において実施している。
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潜水士の点検状況（左）、劣化状況の記録写真（右）ৢ૯Ƚˍȁஆକআͥ͢ͅത࠿
ˎȅ‫ٳ‬อͼιȜΐฦὐᬌ࡮⸘᷹࠮ࡦࠨ࡯ขᓧ࠺࡯࠲ߩ

「港湾構造物水中部劣化診断装置」は、水中構造物

⸃ᨆᚻᴺߩ㐿⊒の状況を撮影する装置と、それを撮影位置に固定するฦὐᬌ࡮⸘᷹࠮ࡦࠨ࡯‫⸃࠲࡯࠺ޔ‬ᨆ

架装装置、取得した画像を解析するソフトウェア、及ᚻᴺߩో૕ࠪࠬ࠹ࡓൻ

び健全度診断を行うシステムで構成される。

᳓ਛㇱὐᬌ࡮⸘᷹ࠪࠬ࠹ࡓߩᕈ⢻ⷐ

開発のイメージを଎Ƚˍに示す。

ઙ૞ᚑːȅ‫΃ޣإ‬ιρ͈࡛ાഐࣣ଻দࡑ
潜水士の目視観察に代わる撮影装置を選定するた
め、現状の点検調査方法実態調査及び点検技術動向調査を実施した。それらの調査結果を分析して、光学式水中カメラでは撮影不可能な濁水中での撮影を可能とする超音波式の「音響カメラ」を採用することとした。１）
以下、音響カメラの概要、音響カメラ撮影画像によるモザイク図の作成、音響カメラを使用した実海域での撮影方法と平成20年度に実施した撮影試験について報告する。
଎Ƚˍȁ‫ٳ‬อͼιȜΐ

さらに、今後の課題として、撮影試験結果と問題点、検討事項について整理した。

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2010年８月31ˑȅ‫΃ޣإ‬ιρˑȅˍȁඅಭ
音響カメラは、超音波を使用しており、被写体に発射した音波の反射強度により画像化し、反射波が大きければ明るい光、小さければ薄暗い光にかえて白黒の映像を作り出す。従って、海水の濁度や周囲の明暗に関係なく撮影することができる。２）
本体をৢ૯Ƚˎに示す。外寸、重量は以下のとおりである。

ৢ૯Ƚˏȁ‫΃ޣإ‬ιρْͥ͢ͅ௨
⿥㖸ᵄㅍฃᵄེ

ˑȅˏȁ໦ٜ଻ෝ
音響カメラによる撮影試験を水槽及び実海域において行い、以下について確認している。３）
࠺࡯࠲ಣℂⵝ⟎ৢ૯Ƚˎȁ‫΃ޣإ‬ιρུఘᄖኸ㧦32.5 cm×18.36 cm×22.4cm㊀㊂㧦13.2 kg㧔ⓨਛ㧕‫ޔ‬5.4 kg㧔᳓ਛ㧕

実海域での岸壁面の撮影において、既存調査で報告されている変状箇所やケーソン目地を音響カメラで撮影した画像でも認識することができた。また、音響カメラでの撮影で見逃した欠損箇所がないか潜水目視観察を実施したが、新たな欠損箇所は見つからなかった。
これらから、実海域において音響カメラを用いて撮影した画像の分解性能は、潜水士の目視による判断程ˑȅˎȁΫȜθΩΗȜϋȂज़‫ْג‬௨

度を確保していることを確認した。

音響カメラは、周波数1.8 MHz（または、1.1 MHz）の音波を使用し、水平方向29゜（＝幅0.3゜×96ビー˒ȅκΎͼ·଎͈ै଼ム）、垂直方向14°幅のビームパターンを形成する（଎Ƚˎ）
。なお、周波数は、最大レンジ15ｍを境に、識別モード1.8 MHz（15ｍ以下）、探知モード1.1MHz（15次に、撮影画像の各フレームを重ね合わせて、モザイク図を作成する方法を検討した。

ｍ以上）に自動的に切り替わる。
そして、８回の送受信サイクルに分割したビーム画˒ȅˍȁज़‫ْג‬௨͈ੜၑํս

像ラインを張り合わせて１画像を形成し、毎秒４〜ȁ଎Ƚˏは撮影距離に対する反射強度の分布を表した21フレームの画像を提供する（ৢ૯Ƚˏ）。

ものである。
フレーム（଎Ƚˏऒ）中の数値は音響カメラからの距離（撮影距離）を表す。設定した撮影範囲（2.5 〜 7.0ｍ）内で音波の反射強度が大きい部分が明るく写っている。これに対応して、撮影距離に対する反射強度の分布（଎Ƚˏֲ）では、画像が鮮明となる反射強度のピーク付近が存在することがわかる。このピーク付近の部分を処理範囲とし、各フレームで同様の処理を行い繋ぎ合わせを行う。

଎ȽˎȁΫȜθΩΗȜϋ
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情報、姿勢情報（ロール、ピッチ、撮影方位）、音響カಣℂኻ⽎ᄖ

᷹ⷰ〒㔌೎ߩ᣿ࠆߐಽᏓ

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メラと対象構造物までの距離と、構造物での３次元情報が必要となる。

ಣℂ▸࿐ߩ⸳ቯ

②は、得られた画像のみから接合を行う方法であり、

ጯო߆ࠄߩ෻኿▸࿐

１測線上に隣り合う２フレームにおいて、画像中の特

徴的な濃淡を示す領域が次フレームのどこにあるかを

探して前後の画像を繋ぎ合わせる（଎Ƚˑ）。



ಣℂኻ⽎ᄖ᣿ᐲࡇ࡯ࠢ㧔᠟ᓇ▸࿐ਛᔃߣ઒ቯ㧕଎Ƚˏȁੜၑํս˒ȅˎȁै଼ͼιȜΐ
１測線分の画像は、撮影画像の各フレームを水平方向に繋ぎ合わせて作成する。次に、繋ぎ合わせた１測線分の画像を垂直方向に繋ぎ合わせ、モザイク図を作成する（଎Ƚː）
。なお、この作業は「画像解析ソフトウェア」にて行う。
଎Ƚˑȁْ௨ζΛΙϋΈੜၑ༹༷˒ȅːȁඅಭ
①、②それぞれの作成方法の特徴として、以下の点があげられる。
①では、音響カメラの位置情報、姿勢情報等によるため、当然ながら位置精度は高いものとなる。
②では、位置精度は低いが、得られた画像のみで接合を行うため、音響カメラの動揺による影響が小さいという利点があり、形状把握には有利といえる。
以下においては、モザイク図を①の作成方法で作成するため、常時変動している音響カメラの位置情報、姿勢情報等をリアルタイムに計測する方法について検଎ȽːȁκΎͼ·଎͈ै଼ͼιȜΐ

本ソフトウェアの開発は、東京大学生産技術研究所討する。
˓ȅज़‫༹༷ג‬Ȃज़‫ג‬দࡑ

海中工学国際研究センター 浅田昭教授への委託研究
次に、平成20年度に実海域で実施した撮影試験及びにて実施している。

モザイク図作成について報告する。
˒ȅˏȁै଼༹༷
モザイク図の作成方法は、①「幾何学的接合」と②「画像マッチング処理」の２つの方法がある。
①は、音響カメラの位置情報、姿勢情報等より、対˓ȅˍȁज़‫༹༷ג‬
高い分解性能で岸壁面水中部全体を効率よく撮影する方法を検討した。

象構造物との相対的な位置関係を用いて幾何学的に接音響カメラは指向性の高い超音波を使用している。

合を行う方法であり、各フレームでの音響カメラ位置

また、分解性能を高めるために至近距離での撮影が必

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要となるため、撮影範囲（フットプリント）が狭くなり、また、ポールは水面下の長さ１〜 13m の範囲で手岸壁面水中部全体を撮影するには短時間で連続的な撮動のワイヤーロープ巻上機により調整可能であり、撮影が必要となる。

影位置にて音響カメラを固定する仕組みである。材質

そこで、水平方向に音響カメラを移動させながら、水深部を数回に分けて撮影する方法を検討した。

はアルミ合金及びステンレス製で、重量は150kg 程度であり、小型船舶にも搭載可能である。

具体的な方法を଎Ƚ˒に示す。船舶に艤装したポール状の架装装置先端に音響カメラを取り付け、岸壁と一定距離に保ちながら船舶をゆっくりと航行させ撮影を行う。この作業を水深に応じて繰り返し、岸壁面水中部全体を撮影する。
このとき、航行の安全性を考慮して、船舶・岸壁間の距離を3.5ｍに、また、過去の試験結果 ３）より撮影角度は10 〜 45度が良好であるが、撮影距離は近距離ほど分解性能が高くなることから、撮影角度は撮影距離が最短となる45度とし、撮影距離を５ｍとした（଎Ƚ˒ऒ）。
なお、以上の条件の場合、水深方向に撮影幅1.9ｍを確保でき、重複部を考慮しても1.5ｍ間隔で各水深部を撮影することができる（଎Ƚ˒ֲ）。

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また、船速は可能な限り遅いほうが好ましいため、଎Ƚ˓ȁ‫ط‬௡௡౾

１ノット程度で撮影試験を行った。
˓ȅˎȁ‫ط‬௡௡౾˓ȅˏȁࠗ௶‫ܕܥ‬

架装装置は、前項の撮影条件を満たし、撮影時の水前述の①「幾何学的接合」によるモザイク図の作成

流抵抗に耐え、可搬性にも優れた଎Ƚ˓に示す装置をにおいては、音響カメラでの撮影で得られる、各画像試作した。

データ（数フレーム / 秒）に対し、それらが岸壁面での主要部材であるポールは、-14m 岸壁撮影を想定し、どの位置の画像であるかを把握する必要がある。

撮影時には水面から13m 程度伸ばすことが可能であ

このため、撮影においては、音響カメラと岸壁間のり、また、可搬時には音響カメラを取り外して全長距離をリアルタイムに計測し、同時に音響カメラの動2.7m まで縮めることが可能な伸縮構造としている。

揺による補正を行う。
なお、撮影では音響カメラのほか、音響カメラの位

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置情報、姿勢情報を把握するため、RTK-GPS 装置、（１）
機器類の構成とデータ取得方法の確認

モーションセンサーのほか、音響カメラと岸壁との距画像解析ソフトウェアに対し最適なデータを提供す

離を計測する音響測深機等の機器類を使用してデータるため、機器類の構成とデータ取得方法を確認した。

を取得した。

（２）
架装装置性能の検証

架装装置の艤装状態と各計測機器類の取付状態を଎Ƚ˔、ৢ૯Ƚːに示す。
また、計測した各データは、画像取得用に１台、各データ取得用に１台の計２台の PC で取得し、取得時刻は GPS 時刻データにより同期した。

水中部でのポールの伸縮動作状況や、撮影航行時の水圧に対する架装装置の強度等に加えて、最深部撮影時の画像データの精度について検証した。
（３）画像解析ソフトウェアによるモザイク図作成①「幾何学的接合」による方法でモザイク図を作成した。
˓ȅːȅˎȁদࡑાਫ਼
撮 影 試 験 は、 北 海 道 小 樽 市 の 小 樽 港・ 港 町 ふ 頭（-14m）、第２ふ頭（-9m）、第３ふ頭（-9m）の岸壁前面で実施した（଎Ƚ˕）
。

╙㧟ၟ㗡଎Ƚ˔ȁ‫ܕܥ௶ࠗڎ‬႒᷼↸ၟ㗡╙㧞ၟ㗡ർᶏ㆏ዊᮻᏒ଎Ƚ˕ȁज़‫ג‬দࡑ‫ؿ‬ਫ਼˓ȅˑȁκΎͼ·଎͈ै଼
撮影試験により取得したデータより、モザイク図（ৢ૯Ƚˑષ）を作成するにあたり、分解性能、位置精度を確認するため、予めコンクリート平板表面にクラックを疑似再現した供試体（ৢ૯Ƚˑಎ）を製作し、各水深で岸壁面水平方向同位置に設置した。
ৢ૯Ƚˑ‫ئ‬は供試体付近部分を拡大したものである。
位置精度を確認するため、設置した供試体位置を比較した結果、最大２m 程度のばらつきが見られたこৢ૯Ƚːȁ‫ܕܥ௶ࠗڎ‬႒͈৾ັેఠとから、位置精度に課題が残った。
また、供試体の撮影画像と疑似クラックの比較から、約３cm の分解性能を確認した。

˓ȅːȁज़‫ג‬দࡑ˓ȅːȅˍȁদࡑඤယ
平成20年度は、以下の点に留意して撮影試験及びモザイク図の作成を行った。
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台を組んだが、必要な強度が得られず振動の原因になったほか、設置に多くの時間を要し運用面で問題が明⚂ 9㨙×75㨙

らかになった。そのため、架装装置を船舷に固定する艤装用架台を製作し、短時間で確実に艤装する方法を450mm

今後検討する。
30mm

450mm

（３）画像解析ソフトウェア改良

20mm

画像解析ソフトウェアは、撮影条件や計測状況によ10mmってはモザイク処理が困難になることがわかった。こ5mmのため、それらに応じた対応など、プログラムの修正を検討する。

ଏ⹜૕˔ȅˎȁႦ‫૷ا‬౯ΏΑΞθ
構想中の劣化診断システムは、画像解析ソフトウェアにより作成されたモザイク図を使って、過去の点検データとの比較や詳細点検の実施を船上にて可能にする支援ツールである（଎Ƚ21）。
ଏ⹜૕

劣化診断システムを利用して作成する現況図は、モザイク図と重ね合わせ、変状箇所・状況を付記したイメージである（଎Ƚ22）。また、変状箇所の重要度が高い場合などには、詳細な撮影による記録も可能とする。

ৢ૯ȽˑȁκΎͼ·଎

なお、詳細については、今後、機能要件･仕様を含めて検討する。

˔ȅज़‫ג‬দࡑࠫ‫ض‬Ȃ‫ه‬ఴ
位置精度の高いモザイク図を得るため、平成20年度の試験結果から問題点を抽出し検討事項を整理した。
また、今後構築する劣化診断システムの概略構想を示す。
˔ȅˍȁ໹଼31ාഽদࡑࠫ‫ه͈ࢃ͍ࣽݞض‬ఴ
試験結果と今後の課題は以下に示すとおりである。
（１）
機器類の構成とデータ取得方法
音響カメラと岸壁面との垂直距離の誤差は岸壁面水平方向の位置精度に直接影響することが判明した。モ
ザイク図を構成する個々のフレームの位置精度を向上させるため、音響カメラと岸壁面との垂直距離を高精଎Ƚ21ȁࢽსࢹ௮໤କಎ໐Ⴆ‫૷ا‬౯௡౾

度で計測する方法を今後検討する。
（２）
架装装置改造ポール及びポール下部先端に取り付けた音響カメラ等は航行時に水流抵抗を受け、ポール自体に撓みが生じ、ポール上部先端部に取り付けた RTK-GPS アンテナとの間に位置誤差が生じることがわかった。このため、ポールを撓みの少ない構造に改造することを検討する。
また、架装装置を艤装するため単管パイプにより架36

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଎Ƚ22ȁ࠲஠ഽത࠿ࠫ‫ͼض‬ιȜΐȪ࡛‫ޙ‬଎ȫ˕ȅ͂͛͘・モザイク図を、変状図、劣化診断システムへ適用する際、幾何学的接合方法と画像マッチング処理方法の平成20年度に実施した「音響カメラの現場適合性試２つの作成方法をどう適用するのか、それぞれの優位験」について、以下のとおり整理した。

性（位置精度、形状把握など）から検討する。

・港湾及び漁港施設における水中構造物の健全度診断

・各点検・計測技術の開発を進め、取得データの管理、において、音響カメラを使用した点検手法は有効であ解析手法を含めたシステム全体の検討を行う。

る。
・撮影画像の分解性能は、供試体の撮影画像と疑似ク४ࣉ໲ࡃ

ラックの比較から、約３cm の分解性能を確認してお１）北海道開発局：平成18年度港湾構造物水中部劣化り、潜水士の目視による判断程度を確保している。
・モザイク図作成における個々の撮影画像の位置関係について、最大約２m のばらつきがあるため、位置精度向上が必要である。
また、今後更に港湾及び漁港施設の健全度診断の効率化を図っていくため、以下の検討を行う。
・実運用試験を行い、架装装置設置から計測完了まで診断業務報告書
２）浅田 昭：音響ビデオカメラと海中作業，作業船，第265号，pp.14 〜 19，2003.1
３）北海道開発局：平成19年度港湾構造物水中部劣化診断業務報告書
４）サウンドメトリックス社ホームページ（http://www.soundmetrics.com/）のサイクルタイムの計測及び潜水士による点検とのコスト比較を行う。
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五十嵐 匡＊
Tadashi IGARASHI

国島 英樹＊＊
Hideki KUNISHIMA

柳沢 雄二＊＊＊
Yuji YANAGISAWA

長瀬 禎＊＊＊＊
Tadashi NAGASE

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
主任研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
上席研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

大西 明夫＊＊＊＊＊
Akio ONISHI
国際航業（株）
社会基盤事業部
河川･環境部水域基盤グループ
主任技師

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