(シフテ紙群管理・更新等の社会課題対応システム開発プロジェクトインフテ炊選モニタング用センドステム開発道路やフフ状態モニタリング用センサンステムの研究開発Outline of Road Infrastructure Monitoring System (RMS)本研究の差異化ポイント◆新規開発の小型・低価格・革新的機能センサによるモニタリング◆道路インフラ（橋梁、道路付帯構造物、法面）を一元管理◆高速道路で技術を高め、一般道へ将来展開背景とねらい●橋梁： ■老朽化の進展ONEXCO3社が管理する全橋梁数16,112橋中43%が30年以上経過
○橋長2m以上の橋梁は全国で699,000橋あり、その大半は市町村管理で平均年齢も35年以上になっている。
■法改正で5年に1回の近接目視による点検が義務付けされたが今後老朽化が加速する膨大な道路インフラを従来の点検手法で実施するのは困難●道路付帯構造物： ■環境条件等の変化で設計基準の見直し必要○橋梁上の情報板は交通振動で想定寿命下回る可能性あり• NEXCO3社では：約1,000面/14,500面■想定外外力や損傷の定量的な連続モニタリング必要（法面: ■異常気象により要注意箇所10年前の2倍O要注意法面約2,500箇所/修繕予定法面117,606箇所■安価で信頼性の高い連続モニタリングシステム必要道路インフラモニタリングシステム(RIMS)技術研究組合国立研究開発法人NMEMS技術研究機構新エネルギー・産業技術総合開発機構
Research and Development System of RIMS体制と役割分担(2)センサシステム共通基盤技術の研究開発
(3)実証・評価研究共通PF（nexco東日本・中日本・西日本、阪神高速を含む全参画機関) (4)先導研究:センサ端末同期用原子時計(産総研リコー、MMC、京大、東工大、首都大東京)研究推進体制NEDYOブログエクローダー:神田信一サブソログエクトリーズー:下山観新エネルギー・産業技術総合開発機構
RIMS Today and Futureスケジュール●プロジェクト期間： 2014年7月3日～ 2019年3月20日
今後の展開◆国、地方公共団体管理道路への展開◆他の社会インフラ(エネルギ関連施設、鉄道、港湾施設等)への展開◆海外事業展開道路管理者別ごとの施設数エネルギ関連施設港湾湾施設NMEMS技術研究機構国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構スーパーアコースティックセンサによる橋梁センシングシステムの開発趙広帯域振動センサによる橋梁センシング(1) Bridge Sensing System using Super Acoustic Sensor (1)本研究の差異化ポイント◆超広帯域振動センサ(SA:スーパーアコースティックセンサ)の開発◆橋梁の健全状態から限界劣化までを1つのセンサでカバー ◆手のひらサイズの無線センサ端末により遠隔監視背景とねらい○破壊のマルチスケール性(右図)からあらゆる劣化のステージに対応するには数Hz 〜 1MHzの帯域のセンサが必要OSAセンサを活用した、橋梁の健全状態から、初期劣化（ミクロ破壊: 10kHz ～ 1MHz）中間劣化（メゾ破壊:数100Hz）限界劣化（マクロ破壊:数Hz）までを一個のセンサで検出できるセンサシステムの構築OSAセンサの適用対象材料は、土、岩、組積造、コンクリート、鋼、複合材料など広範に亘り、橋梁以外にも応用展開が期待できる（構造物聴診器）典型的な破壊形態時間概繁要次OSAセンサを利用した橋梁センシングシステムのイメージ▶ SAセンサ端末……片手サイズ、自立発電、無線伝送可能。橋梁の観測ポイントに設置▶センシングデ一タをセンサ端末から無線で収集。サーバへ送信▶サーバでデータを分析し、橋梁の劣化状況を監視
国立研究開発法人
新エネルギー・産業技術総合開発機構NMEMS技術研究機構
Bridge Sensing System using Super Acoustic Sensor (2)これまでの成果(H26年～) OSAセンサデバイスの開発構造を最適化したMEMSセンサを試作。広帯域応答特性を確認○小型センサ端末の開発とシステム実証実験自立発電動作可能な低消費電力小型無線センサ端末を開発システムの信号処理ブロック試作した無線SAセンサ端末・小型(100X70mm) ・4ch SAセンサ入力・FPGAによる特徴量抽出・920MHz帯無線モジュール•自立発電モジュール接続橋梁床版への設置の様子
・独自の手法にて、対象物の内部ひび割れの位置を可視化。高速道路橋で実証①対象橋梁の外観②測定の模式図③震源位置標定＆速度構造解析国立研究開発法人NMEMS技術研究機構新工ネルギー・産業技術総合開発機構
2D-strain-pattern Sensor Sheet(1)本研究の差異化ポイント◆高感度極薄シリコンひずみセンサアレイ、低コスト印刷ひずみセンサアレイ◆ひずみ分布の面パターンから橋梁の亀裂を経過観察、発見、予測◆UV・水蒸気バリア層による長期耐久性、粘接着シートで簡単施工背景とねらい創稿の亀梨▌溶接部付近に発生O目視点検（5年に1度） →応力集中する溶接部付近に塗膜割れ確認の場合渦流探傷、磁粉探傷で亀裂を探索○補修・補強→ストップホール、溶接などを行った後、経過観察研究開発のねらい・ひずみセンサアレイの開発・補修部、溶接部に貼付け亀裂の経過観察、発見、予測するフレキシブル面パターンセンサを実現溶接部付近の亀裂ストップホールによる補修ひずみセンサアレイによる亀裂検出(プリンストン大)いずみセンサアレイシート： O箔ひずみゲージは消費電力大、アレイ化の施工困難、配線が煩雑フレキシブル回路基板上に圧電あるいは高抵抗ひずみセンサアレイを形成、センサアレイシ一トを接着シ一トで貼り付け、無線送信○静ひずみに通行車両由来の動ひずみが重畳する、動ひずみは車重に依存→通常は動心ずみピーク値の分布の面パターンから応力集中、異常増大をモニタリング、通行規制時に静ひずみ異常から亀裂検出〇フレキシブル基板等樹脂材料の耐久性低→有機無機複合材料による、UV・水蒸気バリア層でひずみセンサアレイシ一トを保護国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構
2D-strain-pattern Sensor Sheet(2)これまでの成果(H26年～) ○実務の動ひずみ分布箔ひずみゲージで実鋼橋の動ひずみ分布測定ひずみ分布の面パターン(x10-6)
・車両通過により10 ～ 100 μεの動ひずみが発生・動ひずみ値は車重に依存するが、ひずみ分布の面パターンは同様→溶接部付近の応力集中が見える○亀烈の洛過衝察（既破氏）試験体で亀裂進展時の動ひずみ分布測定ひずみ分布の面パターン(x10-6)
・亀裂発生により1000 με以上の動ひずみが発生)極薄PZT/Siをアレイ化したフレキシブル面パターンセンサプロセス開発備|普、 5:絶縁ペーストをスクリーン印刷6:配線用銀ペーストをスクリーン印刷Oフレキシブル面パターンセンサによるひずみ分布測定なして十分な感度湿布感覚のカンタン施工溶接部の応力集中の可視化に成功通信ユニット消費電力電力行事アンプ、ADC MCU、RFIC OmW 11.84mW 0.037mW 111mW常時取動123mW毎時10分間20mW毎時2分間4mW →小型太陽電池で駆動可能国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Road Information Board Monitoring using Tilt-multi-sensor(1)本研究の差異化ポイント◆MEMSセンサによる傾斜マルチセンサ端末(傾斜・振動・温度の同時計測) ◆低消費電力化(自立電源)と高速無線通信◆高速道路(実フィールド)での実証背景とねらい■点検の現状：付帯設備の老朽化進展と技術者不足O今後20年で建設後50年以上経過する施設が増加補修・更新費用の増大（財政的課題）〇少子高齢化の進展によるメンテナンス技術者の不足(人材的な課題) ○通常点検は目視により行われ、判定結果は技術者の経験や感覚によるところが大きい知識、 |課題への対応：点検の効率化と判定結果の定量化○構造物の変化や変状を検出・定量化し、定量結果に基づく点検業務の支援及び効率化を図る情報板通常点検の現状(イメージ図)税率※ ○道路付帯構造物(情報板等)の静的な変化(傾斜)と動的な変化(振動)を同時にセンシング*傾斜マルチセンサ端末の開発Oセンサネットワークシステムを構築し常時モニタリングを実現＊センサネットワークシステムの開発国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構道路付帯構造物傾斜センシングシステムの開発
Road Information Board Monitoring using Tilt-multi-sensor(2)これまでの成果(H26年～) OMEMSセンサデバイスの開発（静間容量式加速度センサデバイス）開発目標： ①傾斜計測の出力安定性: 0.05deg ②振動計測の分解能: 0.1galく成果概要＞ • MEMSセンサ部をユニット化原理試作品で温度安定性 0.05deg達成ユニット構造化品評価中○傾斜マルチセンサ端末の開発MEMSセンサユニット原理試作品温度安定性評価結果開発目標： ①傾斜･振動･温度を同時計測②太陽電池による自立電源化③複数センサ間の時刻同期(±1msec) ④大量データ(900kB/3分)を平均0.5mWで無線転送傾斜マルチセンサ端末出力例、道路幅方向傾斜く通路方同傾斜  ＜支柱温度東名）吾妻山トンネル入口情報板（2015.12.16 ～）国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構く成果概要＞ ・センサ端末構造設計/製作完了・傾斜・振動・温度の同時計測確認•実情報板での無線通信確認Oシステム構築と実証試験・先行フィールド試験（既存センサ使用）高速道路情報板にて傾斜・振動・温度をモニタリング・集約器の開発設計・製作を完了し動作試験中高頻度・全天候型・3次元で法面変位計測(1) High Data Rate, All Weather, and 3D Landslide Detection (1)本研究の差異化ポイント◆電波位相差により高計測頻度・全天候・3次元で法面変位を高精度計測◆端末間の無線メッシュネットワークによる広範囲計測◆天候・昼夜を問わず長期間動作する多機能型センサ端末の開発背景とねらい法面崩壊の为二ズム[1] ①降雨による地盤・岩盤への水の浸透②地盤・岩盤内での斜面を支える力の減少(3微小変位発生4)大変位（崩壊）発生◆微小変位を早期に検出することで,法面の変状を明確にし、維持管理・通行止めの判断の指標とする◆従来、光波測量計が用いられているが、雨天時の計測に問題がある[1]小泉他、 “無線センサネットワークによる多点型土砂災害予測システムの開発、” H24年度国交省国土技術研究会発表論文概要込法面変位センシングシステムの概念国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構
High Data Rate, All Weather, and 3D Landslide Detection (2)これまでの成果(H26年～)異症実験(H29 ～)向け載作機センサ端末•雨天·曇天時での継続動作を確認親・子受信機•目標変位計測精度*達成に必要な国立研究開発法人NMEMS技術研究機構新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Network Communications Infrastructure Corresponding to Wide Variety of Sensors (1)本研究の差異化ポイント◆様々なデータフォーマットやインターフェースの差異を吸収する通信仕様◆設置容易性とコスト対策を目的としたコンセントレータ間の連携通信◆セキュアな情報収集への対応背景とねらい■道路インフラの老朽化や定期点検要領の更新などにより、道路インフラに多種多様なセンサが設置されるに伴い、通信基盤の重複による非効率が懸念事項Oデータ収集の非効率センサやモニタリングの開発や普及にあわせ、それぞれの独自方式にあわせた専用の機器およびシステムを構築する必要がある。 Oデータ利用の非効率データの格納形式に共通性が乏しいため、様々なセンサから取得したデータを統合的に利用することが困難である。多種多様なセンサ/メーカー、監視目的に対応するオープンなネットワーク通信基盤が求められている。差異の吸収は主にコンセントレータの通信仕様を開発することで実装する。概要区無線通信ネットワーク共通プラットフォームNMEMS技術研究機構
国立研究開発法人
新工ネルギー・産業技術総合開発機構多重多数など特に対応するネットワーク通信基盤(2) Network Communications Infrastructure Corresponding to Wide Variety of Sensors (2)これまでの成果(H26年～) O多種多様なセンサに対応するための通信仕様の開発①共通インターフェースをもとに各社のデータフォーマットと通信仕様を確定連携試験により方式に問題ないことを検証済み②受信モジュールを独立させ遠隔にて変更可能であること検証済み無線通信ネツトワーク共通プラツトフォームOコンセントレータ間の連携通信3ホップまで連携通信を確認済みOセキュアな情報収集データは独自暗号化方式で通信、内部モジュールの遠隔変更はSSL暗号方式で通信を実装済み平成28年度にセキュリティの第計予定NMEMS技術研究機構国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Robust Package for Environment Stress of Road Infrastructure (1)本研究の差異化ポイント◆常時モニタリングを長期に保証する端末パッケージング技術◆自立電源、無線モジュール、環境センサをオールインワンパッケージング◆パッケージを構造物に強固接着／接合する簡易施工シート実装技術背景とねらい○高耐久性化■設置する自立型無線センサ端末の環境O設置環境が、屋内と比べて厳しい。 •過酷な環境下でも安定的に動作しなければインフラ分野では適用困難ONEXCO、阪神高速等の事業者にとって、自立型無線センサ端末の寿命及び信頼性確保は重大関心事である。 •インフラの寿命や点検サイクルに比してシステムの寿命が著しく短い場合は適用困難(国交省)社会インフラのモニタリング技術活用推進検討委員会から抜粋）ア○オールインワンパッケージング■端末の長時間性能維持O自立電源(太陽電池、振動発電、蓄電池、蓄電キャパシタ)、無線アンテナ、通信制御回路及びセンサ群をワンパッケージ化する。 l全体として保護出来、かつ衝撃強度、電磁波伝導、光透過、熱伝導性能及び必要に応じて外部との電気的接続端子が確保できるセラッミック型パッケージが必要○取り付け簡単施工性■事業者にとって、施工性と維持管理は重要Oコンクリート、鋼板との接着・接合強度が必要■道路インフラ環境ストレスに、少なくと10年間■ベースプレートに接着されたセンサ端末内蔵性能維持できる高耐久性パッケージでパッケージを現場で簡単貼り付け施工保護された自立型無線センサ端末が必要新工ネルギー・産業技術総合開発機構高耐久性パッケージング技術の開発
Robust Package for Environment Stress of Road Infrastructure (2)これまでの成果(H26年～)最終日標パッケージサイズ； 7cmx10cmx5cm耐久性；10年以上開発内容及びこれまでの成果a)アンテナ形成できる大型サイズのLTCC基板及び透光性セラミック基板開発（日本ガイシ） 7cmx10cmx5cmの大型サイズ、かつ低指向性ダイバーシティアンテナ付きのLTCCパッケージを完成した。 b)低温接合できる封止材料を用いた高気密封止実装開発（MMC）低温接合できる無機･有機複合接合材を開発し、パッケージ封止実装を完了した。耐候性試験(500Hr)、PCT (Pressure Cooker Test)規格達成。熱サイクル試験(-40°C⇒85°C、200回)実施中。 c)簡単施工できるベースプレート実装構造及びプロセスの開発（DNP）ベースプレート（SUS312L）の構造を設計、試作した。 d)エポキシ系粘接着シートによる粘着接合開発（DNP) 10年相当の耐久加速試験としてJISA5557耐久加速試験条件1.5倍を完了した。コンクリート、鋼板、SUS312LにおいてLTCCとの引張強度0.4MPa以上であることを確認した。 e)リモ一ト耐久性加速試験法開発（MMC、リモートで信頼性データを観察評価できる完全自立型耐久性加速試験法を開発できた。自然暴露（実証）試験を阪神高速橋梁下、NEXCO西日本西安堵橋橋梁下で実施した。耐久加速試験引張試験底部
国立研究開発法人
新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Bridge Inspection of the Expressway点検の現状
変状事例NMEMS技術研究機構=DO国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Inspection of Expressway Equipment点検の現状
照明設備の構造検査
詳細点検状況〜 (例)道路照明設備〜劣化事例点検口下部に母材の腐食が見られる取付け用アンカーボルトの腐食、減肉化NMEMS技術研究機構国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Slope Inspection of the Expressway点検の現状切土のり面のり枠、グラウンドアンカーの目視点検のり面小段部からの目視点検変状事例切土のり面の倒木のり尻部からの湧水排水溝に土砂等が堆積コンクリートブロック積のひび割れ、ずれ切土のり面ののり面保護工原地盤の沈下盛土のり面の崩落国立研究開発法人NMEMS技術研究機構新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Atomic Clock Leading to Innovation of Monitoring System (1)本研究の差異化ポイント◆モニタリングシステムの時刻同期を不要とし、設置・運用労力を革新的に低減◆センサ端末に組込可能な小型で低消費電力な原子時計◆高い時刻精度の長期間維持を可能とするガスセル内環境維持・計測技術背景とねらいデータ間の時刻整合性での課題橋梁や法面、道路付帯物など各フィールドからのデータを統合して分析するには、データ間の時刻の整合性が重要。各データに付与するタイムスタンプの精度は、センサ端末などに組込んだタイミングデバイスの時刻同期精度で決まり、設置環境や天候などで変化する電波状況に依存する△設置場所や天候などを考慮したシステム✓設計にノウハウが必要■セキュリティでの課題公衆回線を介した時刻同期経路がセキュリティホールとなる可能性があるSPXOなどに換わり、高精度な原子時計(ULPAC)をセンサ端末に組込むことで、モニタリングシステムの時刻同期を不要とし、設置・運用の労力を革新的に低減SPXO : Simple Packaged Crystal Oscillator CSAC : Chip Scale Atomic Clock ULPAC : Ultra – Low Power Atomic Clock →独立したタイムサーバが必要概要次■ガスセル内環境維持技術・ガスセル内高純度化（焼だし＋高純度ガス） ・ガス透過率低減(ガス種＋ガスセル材料) ■デュアルガス計測による周波数補正技術▪ Cs/RbのCPT共鳴同時検出で推定するガスセル内環境変化を基にした発振周波数補正小型ガスセル真空断熱保持技術量子部真空気密＋低熱伝導ガスセル保持＋低熱輻射ガスセル＋量子部高熱反射壁■制御回路の低消費電力技術•低消費電力と低位相雑音を両立したCMOS集積化PLL回路CPT : Coherent Population Trapping,  PLL : Phase Locked Loopアルカリ原子固有の励起周波数を利用して、高精度な周波数を作り出す仕組みセンサ端末同期用原子時計(ULPAC) VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser
国立研究開発法人
新工ネルギー・産業技術総合開発機構
Atomic Clock Leading to Innovation of Monitoring System (2)これまでの成果(H27年～) )小型・高純度ガスセルとCMOS集積化PLL回路で、原子時計を小型・低消費電力・長期安定化27年度ULPAC(ガスセル)の時刻精度OデュアルガスセルによるCsとRbのCPT共鳴の同時計測CsとRbのCPT共鳴を同時計測し、その周波数差から共鳴周波数の変動量を推定。基準周波数の補正精度を検証実験中NMEMS技術研究機構国立研究開発法人新工ネルギー・産業技術総合開発機構