LPWAを活用した河川管理

福岡大学工学部 電子情報工学科
大橋 正良

福岡大学カーボンニュートラルセミナー 令和4年10月6日(木)於 マリンメッセ福岡

概要
1. 背景
2. 研究開発のスコープ
3. これまでの研究開発成果
4. 総務省SCOPE研究開発事業
5. 現段階の取り組みと将来構想
6. おわりに2

背景

1• 遠賀川：北九州の一級河川• 河川流域はかつて筑豊炭田として繁栄• しかし1975年にはすべて閉山.
• 以降炭田のみならず、地域経済にも大きなダメージを与えた

1 南 知浩他、“遠賀川における樋門管理の再構築”,九州国土交通研究会,July, H30.
<http://www.qsr.mlit.go.jp/useful/n-shiryo/kikaku/kenkyu/h30/03/3_03(08).pdf>

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遠賀川における樋門• 石炭採掘の代償として、深刻な地盤沈下が顕在化
水路系統再編のような抜本的対策は困難• 代替策; 樋門の設置
地盤沈下

河床陥没の例 １4樋門の例

遠賀川

直方市における樋門設置状況
直方市管理下でおよそ30の樋門が設置されている。
他にも国交省等管理の樋門もあり: 樋門設置個所
5遠賀川沿いの樋門の数は国内最大• 遠賀川沿いには約 770か所に小規模樋門が設置= 日本における全樋門数のほぼ 10% !
50代以下12780代
1650代

70代

303560代

直方市における樋門管理者の年齢構成

6• このうち約 360の樋門は自治体が委託する管理者によって人的に制御管理されている.
• しかしながら管理者の年齢構成の高齢化が進行しており、悪天候下での樋門の開閉作業はしばしば危険ですらある。

大雨時の遠賀川の様子の例

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本研究開発のスコープ• 直方市は河川管理に関し、 人的介入を必要としないICTを活用するSolutionを志向• 過去2年, 福岡大学、アドバンテック㈱＆直方市の産学官連携体制でR&Dを実施• 本年度総務省SCOPEに採択され、今後2年推進• CNへの寄与点– ネットワークを低消費電力でかつ広域をカバーできるLPWA(Low Power Wide Area)を活用して構築– 商用電力に頼らず、太陽光&バッテリーを活用した計測手段の開発と運用
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昨年度までのR&D活動の紹介

9直方市知古樋門の遠隔監視制御実証(R2年度)(Advantec株式会社 & 福岡大学(水位計測))

制御ユニットIP カメラ

超音波水位センサ(福岡大)

モータ

樋門監視制御ダッシュボード
Gate Control

VUE-5000
55inchMulti touch
monitorSluice gate location

State of gate

Sensing information

福岡大学のこれまでの取り組み
1. 超音波センサを用いた水位計測
2. PIV法に依る流速検知
3. 圧力センサによる
4. VRでの仮想樋門制御

直方市 知古樋門でのセンサ設置風景

12感田・木屋瀬地区での水位管理実証実験(2022/3-)
• 感田

• 木屋瀬

水位センサ/カメラ開発
水位計測用
Raspberry Pi B

水位センサWebカメラ

カメラ画像処理用
Raspberry Pi A

水位センサ・カメラシステムの構成
クラウド
サービス

センサ
ボックス

商用電源
５V100A

Raspberry
Pi 3 B+USB
ドングル

IoT Core

４G/LTE
４G/LTE

S3
ユーザ

温湿度センサ
Wi-Fi

センサ・電源ケーブル

水位取得時

LambdaAPI
Gateway

Dynamo
DBSNS

アラート時
水位データ
画像情報

Raspberry
Pi 3 A+カメラ
超音波センサ15

感田・木屋瀬地区での水位管理(2022/03)

リアルタイムな水位管理

PIV法による水流測定
水の流れ• PIV法は2枚の画像から移動ベクトルを検出して動きを判別• 河川の流れの検出を確認できた.
• 流速測定には較正が必要• 川下⇒川上への風が強いと、表面の波束が上流に向かい誤計測も.
18水向センサの開発• 樋門回りで水流がいずれを向いているかの情報が重要（水向の変わり目が樋門の開閉時期だそう）.
• ロードセルと呼ばれる圧力センサでプロトタイプを開発(両側の圧力を検知).
• 福岡大学近辺の河川で動作確認

?

?
ロードセル

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プロトタイプSCOPE採択を受けました(2022/5/13)

LPWAによる樋門の遠隔開閉制御
超音波水位センサ
ソーラパネルによる自立運用
流向・流速監視

両方向圧力センサによる水向検出

水位・水向センシング

データ連携

LPWA
基地局

自治体ロー
カルDB

各種情報蓄積LPWAアクセス
LPWA
端末

遠隔樋門監視水位監視制御クラウド(AWS等)

複数LPWA
端末の設置
運用

PC

スマートホン

水位・水向情報提示＆樋門遠隔制御
水路内流れのカメラ撮影画像

VRによる樋門状況可視化&制御

遠賀川
水路内流れの速度ベクトル

PIV 解析による流速計測

直方市主要域をカバーする
LPWAネットワーク構築

HMD

VR樋門

制御ハンドルLPWAを活用した強靭な市のNW作り• LPWA：Low Power Wide Area
– 通信速度は数kbpsから数百kbpsと非常に低速– 短いデータを間欠的に送信– 携帯に比べ省電力– 数kmに亘る通信が可能– 5GシナリオのmMTCを担う候補としても注目⇒水位・水向の観測や、樋門の管理制御など、秒を争わないアプリケーションであれば、LPWAを活用した、市をカバーする防災NWが構築可能
22直方市でのカバレッジ評価実験(22/08)

直方市役所の屋上に基地局を仮設置

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仮設置された基地局

太陽光&蓄電池での電源供給システム
 屋外(屋上)での運用実験

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太陽光&蓄電池での電源供給システム

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VR シミュレーション (俗称“樋門 de GO”)
・Target:CPS（Cyber Physical Systems)
・動機
LTEのような広帯域通信では現地の画像を送れるが、LPWAとなると、画像伝送は困難。また夜間は撮影が難しい
・そこでVRを使って計測された水位・流向から仮想空間上で流れを再現すると共に、リモート環境でハンドル操作により仮想空間上で樋門を開閉する。
・次のステップとして、実樋門とシンクロさせた実証実験を行う

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VR vison• R4年度

今後の取り組み予定– 市中心部(市役所を想定)にLPWA基地局を設置し、市の要求(樋門管理、下水道管理)に応じたセンサを10か所程度設置し、水位・流向の計測動作を確認• R5年度– 基地局を増設し、市全体をカバレッジ化– 各センサ状況を直方市役所でリアルタイムに監視実証– LPWAによる樋門の開閉制御の実証を実現– 上記をVRを介して実証– 非常時におけるcontingency動作の実現
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おわりに• 遠賀川流域でのLPWAを活用した水位管理、樋門管理技術を紹介した• 本年度総務省SCOPE採択を受け、2年間で市の主要領域をカバーするワイヤレスインフラを整備し、水位・水向センサ、樋門の遠隔制御を実施する• 実証を通じて有用性を確認し、他の自治体や国交省等にも紹介し、社会展開を促進したい
プロジェクトを支援していただいた直方市役所，アドバンテック株式会社の皆様に感謝いたします．
本発表内容の一部は 総務省SCOPE（JP225010001）の委託を受けたものです．

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