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解說

# 消防防災ロボットの配備促進への一提案

天野 久徳

(平成17年11月30日受理)

### 1. はじめに

消火活動や救助活動において、消防隊員は予測していなかった事態に遭遇し、危険な状況に陥ることも予想される。また、消火活動や救助活動における肉体的、精神的な負担は大きいといえる。一方、ロボットは自律的に機能する、あるいは遠方から操縦することが可能なので、消火隊員や救助隊員を危険な環境下へ進入させずに消防活動を行うことが可能である。また、消防隊員に代わって作業を行うことにより消防隊員の負担軽減を図ることができる。したがって、消火活動や救助活動はロボット開発に最適な対象の一つといえる。

いくつかの消防本部ではロボットが実戦配備されている。日本は世界的にみても多くのロボットが消防署に配備されている。ロボットというよりはむしろ遠隔操作機械という方が適切かもしれないが、広義のロボットの範疇には入るものといえる。本稿では、現在、消防本部が所有し配備しているロボットを紹介するとともに、消防防災ロボットをより活用促進するための方策をいくつか提案する。

### 2. 配備されているロボット

消防署に配備されているロボットは概ね放水型、水中探索型、偵察型、救助型の4種類に分けることができる。それぞれを図1～4に示す。

放水型は、石油タンク火災、プラント火災、倉庫火災などにおいて、火炎からの放射熱や充満した煙によって、消防隊員が進入することが難しい現場の消火作業に使用することを目的としている。一方、水中の探索活動は肉体的にも大きな負担であるばかりでなく、危険な状況であるので単純なミスが大きな問題を引き起こすことも考えられる。そこで、隊員に代わって水中を探索する、水中探索型ロボットが配備され実戦で使用されている。偵察型は、煙が充満した状況、フラッシュオーバーの危険性がある状況において、消防隊員に代わって進入し、状況を把握することを目的として配備されている。救助隊員が近接不可能な場所で救助活動を行うために、救助型が開発配備されている。

各タイプのロボットの配備状況と活動実績を表1にまとめた。表中に示されている奏功事例件数は消防本部毎にまとめてある。すなわち、ある消防本部では、放水型ロボットが13年間で14件の奏功事例があったことを示しており複数台のロボットの合計であり、ロボット1台毎の件数でないことに注意されたい。最も多く配備されているロボットは水中探索型である。9消防本部に計15機配備されている。また、奏功事例も最も高頻度であり、水中探索型が最も活用されているといえる。一方、偵察型、救助型は実戦で使用された実績がない。配備から間もない、あるいは開発時に想定されていた災害状況が発生していないなどが理由と考えられる。

水中探索型は市販品であり、消防以外の公設機関、さらには民間企業も購入している。水中探索型以外は、専用に開発製作され、そのまま配備されている。全国では10消防本部でロボットを配備しており、総計は25機である。消防本部は全国に889設置されており、全体の1％の消防本部に配備されているにすぎない。したがって、消防防災ロボットの活用はまだ始まったばかりであり、初期の段階といえる。

図１ 東京消防庁放水型ロボット
図２ 大阪市消防局水中探索型ロボット

図 3 大阪市消防局偵察型ロボット

図４ 東京消防庁救助型ロボット

表1 消防本部に配備されているロボット

タイプ	配備数	配備本部数	奏功事例
放水型	7	4	13/14年
水中探索型	16	9	30/1年9/9年
偵察型	1	1	-
救助型	1	1	-
計	25	10

### 3. 消防防災ロボットの開発と消防組織現状

本章では、ロボットの開発や活用について、消防の組織的特徴から検討を試みる。

### 3.1 組織人員数と専門家の確保育成

消防の他に、災害対応および救助活動を業務とする公的機関には、自衛隊、海上保安庁、警察がある $ ^{1)} $ ～ $ ^{4)} $ 。自衛隊は大規模災害において、主に知事からの要請があった場合に災害派遣として、海上保安庁は海上の事案に対して、警察も救助隊を配置しており、大規模災害の時などは出動する。各組織の概要を表2に示す $ ^{5)} $ ～ $ ^{8)} $ 。なお、自衛隊については陸海空を別組織と考えるか否かについて明確な判断がつかなかったため、空欄とした。また、定員内の自衛隊の隊員を自衛隊の人員数として、定員外の自衛隊員を予備自衛官として整理した。定員外の自衛官には即応予備自衛官、予備自衛官、予備自衛官補があるが、ここではまとめて予備自衛官として表記している。

ここで1組織当たりの人員数を考えてみる。海上保安庁は総人員数では、警察、消防と比べて少ないが、1組織であるので、1組織当たりと考えると、12,297人である。警察は5,982人、消防は176人となる。

ロボットのような高度な技術を伴う開発の場合、開発を行う側の組織も技術を十分に理解し、製作を行う企業との技術的対応等が必要となる。したがって、専門の技術者が必要になるといえよう。消防組織の人員数の現状を考えると、専門家の確保育成は、他の組織と比較して、難しいといわざるを得ない。したがって標準的な消防本部で個々に開発を行うことは実現性に乏しいと考えられる。

### 3.2 組織の財政

前節と同様に、災害対応を行う組織の費用を表3に示す $ ^{5)} $ ～ $ ^{8)} $ 。表のうち、物件費については、各組織における整理が若干違うため、ここでは、人件費、その他を除く予算を物件費としてまとめた。したがって、維持費や建設費なども含まれることになる。しかしながら、資機材購入に対する概略的な傾向を読み取ることはできる。

表 2 災害対応を行う公的組織の概要

組織母体	組織数	人員数
自衛隊(予備自衛官等)	国	276,855
57,899
海上保安庁	国	1	12,297
警察本部	都道府県	47	281,158
消防本部(消防団)	市町村	886	155,524
3,524	919,150
ただし、一部直接提示されていない割合などは著者が算出した。

人件費は、ほぼ人員数に比例して額が決まり、物件費への配分により、各組織の特色が読み取れる。国からの補助を含む全国の消防本部における平成15年度決算の合計額は約1兆8,500億円で、うち約75%が人件費、約20%弱が物件費である。物件費の額を比較してみると自衛隊と比べて少ないが、警察や海上保安庁より多いことが分かる。

ここで前節同様、1 組織当たりの物件費を考えると、海上保安庁は683億円、警察は66億円、消防は4億円となる。消防は警察の1/10以下である。さらに人員1人あたりを求めてみると、自衛隊は940万円、海上保安庁は約560万円、消防は250万円となり海上保安庁の半分以下である。警察は111万円となり、消防の半分以下であるが、物件より、人員の活動に重点が置かれているものと思われる。総予算が最も大きい自衛隊では、物件費に含まれる研究開発費が2.5%あり、金額では約1,200億円となり、研究開発への費用も大きいことがうかがえる。さらに、防衛庁では防衛計画に基づき、後年度負担で高額な装備の購入が可能となっている。

このような財政状況では、各消防組織でロボットのような高額な機材を、独自に開発配備することが難しい状況にあるといえる。

### 3.3 配備の促進と組織

本章で説明してきたように、消防においては人員、財政の面から、ロボットのような高度な技術を必要とし、かつ、高額な装備を開発することは難しいように考えられる。しかしながら、第一章で説明したように、消防活動はロボット開発の対象として、まさに適しているものであり、社会的意義も大きいといえる。そこで、消防防災ロボットの配備を促進するためには、まずは、各消防本部が独自に開発するのではなく、複数の消防本部が共

表 3 災害対応を行う公的組織の予算額

総予算	人件費	物件費
自衛隊	48,301	21,562	25,938
44.6%	53.7%
海上保安庁	1,689	1,006	683
59.6%	40.4%
警察	36,367	28,457	3,117
78.2%	8.6%
消防	18,625	14,011	3,836
75.4%	20.6%

单位 [億円]

同してプロジェクトを推進することが、人員、財政的な問題解決への一つの重要なポイントといえよう。現在でも、第二章で紹介した消防防災ロボットが配備されている消防本部は、ほとんどが大都市消防であることからも明らかである。さらには、消防組織の広域化も同様な理由から有効であるといえよう。

消防本部が独自にロボットを開発し配備するためには、開発能力と十分な資金が必要となる。また、単一開発品は、量産品と比較すると同一機能であっても高価なものとなる。したがって、消防防災ロボットを個々に開発することは、非効率的であり、商品化することが重要である。これは、前節で紹介した消防防災ロボットの中で、最も配備が進んでいる水中探索型のみが市販品であることからも明らかである。しかしながら、消防用として商品化するためには市場が十分であるとはいえない。水中探索型ロボットでさえ、消防が購入配備している数は総販買台数の約5％にすぎない。人員、財政規模の面からは、複数の消防本部の連携が必要と指摘したが、市場という面からは、国際的な連携が必要と考えられる。すなわち、日本だけでは企業が商品化を進めるための市場規模が不足であっても、アジアの国々の市場も勘案すれば、可能性は高くなる。この商品化と市場の問題については、次章で技術的側面からさらに検討する。

ここで検討した消防防災ロボットの配備の促進や商品化のためには、もちろん、消防研究所による技術的支援や、公的な財源支援が必要であることはいうまでもない。

### 4. 消防防災ロボット開発の技術的提案

### 4.1 機能と大きさ

これまでは消防防災ロボットに最適な大きさについて検討されていないように思われる。そこで消防防災ロボットの大きさと特性の関係について表4に示す。ここで大型とは車両を用いなければ運搬できない程度の大きさを、また、小型とは隊員1、2名で運搬できる大きさを想定している。それぞれの特性は相対的な性能を示したもので、絶対的な特性ではない。たとえば、大型ロボットは出力、機能の面で有利である。一方、小型ロボットは、操作ミスをしてしまった場合などでも要救助者に与

表 4 消防防災ロボットの大きさと特性

大型ロボット	小型ロボット
現場への進入	難	易
要救助者への影響	重大	軽微
出力	大	小
機能	多	少
える影響は少なく、災害発生室への進入も容易である。

大型、小型ロボットはともに一長一短で、表4を見る限り、端的にどちらが最適と結論づける事はできない。今後、ロボットがより多くの災害現場で活躍することを考えると、要救助者がロボットの活動領域にいることも当然想定される。そこで、要救助者への影響を重視して検討を進めると、小型のロボットが有利である。そのためにはロボットの機能の絞り込みが第一に必要であると考えられる。消防防災ロボットの開発において、多様な機能を一台のロボットに盛り込む、あるいは完全な機能を期待する傾向がみられる。そのためロボットが大型化、大重量化している。

しかしながら機能や出力は大きさや重量と相反する条件であり、ロボットの機能を精査し、絞り込んでも、ロボットを十分に小型化することが難しい。

### 4.2 小型ロボット群

前節で解説した問題点を解決するために、小型のロボットで構成されるロボット群による消防防災ロボットシステムを提案している。表4と同様に、特性の比較を表5に示す。複数の小型ロボットが協調することにより、大きな出力を発生することができ、また、機能を分担することが可能となる。したがって、小型ロボットの長所を生かしつつ、その欠点を補うことができる。一方、単体のロボットとロボット群を比較すると、操縦の容易さに違いがある。一つの作業を遂行するにあたって、単体のロボットの操縦と、ロボット群の操縦では、ロボット群の操縦が複雑になると考えられる。そこで、ロボット群を構成する小型ロボットの自立性を高め、制御法を検討することにより、操縦の複雑さを回避する必要がある。

消防防災ロボットを開発するに当たって、機能の実現性と有効性を勘案し、バランスのとれたロボット開発を行う必要がある。そのためには、消防と製作企業との十分な討議も必要となる。最終的には、消防隊員とロボットの任務分担の検討も重要である。

### 4.3 共通ユニット

第三章で解説したように、配備を促進するためには、

表 5 消防防災ロボットとしての小型

ロボット群の特性

大型ロボット	小型ロボット群
現場への進入	難	易
要救助者への影響	重大	軽微
出力	大	共同作業
機能	多	分担
操縦	容易	難しい

製品として量産されることが望ましい。しかし、現在のところ、製品として量産できるだけの市場があるとは言い難い。ここでは、より量産化を進めやすくするための技術的側面からの検討を試みる。

製品として量産するためには生産数量を確保するために、いくつかのタイプのロボットに利用可能な基本的なユニットの開発が有効である。たとえば、移動機構に共通のユニットを利用し、各種機能を必要に応じて付加する方式である。ユニットを共通化することにより、操縦の共通化も図ることができる。ロボット群システムを採用した場合、ロボット群を構成する各小型ロボットの移動機構を共通化することにより、量産効果が得られるというさらなる利点もある。このような観点から、消防研究所においても汎用的に利用できる移動機構ユニットF R I G Oを開発した⁹)。

### 4.4 単純さと高機能

第三章で解説したように、全ての消防本部で、早急に、高機能なロボットを配備することは難しいと考えられる。そこで、消防防災ロボット配備、活用促進の一提案として、二種類の異なるロボットを考えている。ロボットの概要図を図5に示す。一種類のロボットを図5(a)に示す。このロボットは無線で操縦され、消防隊員に20～30[m]先行して現場に進入するものである。現場の情報収集のみを行う、安価、単純なものとする。積載する検知器等の機器も、既に消防本部が所有しているものを想定している。各消防署あるいは消防車両に資機材として積載することを想定している。もう一つのタイプは図5(b)に示すような、処理対応等の作業が可能な高機能なもの。安価単純なロボットで消防隊員の進入が危険と判断された場合に出場し、ロボットにより対応を行う。たとえば、危険物の封入や、中和剤の散布などである。このタイプは拠点的な都市への配備を想定し、価格より、高度な機能を優先している。作業は長時間に渉ると考えられるので、より遠距離から、見通しが効かない場所からでも操縦が可能であるよう、有線タイプを想定している。図に示しているように、作業を行うため、複数のロボットによる、作業の分担をする必要がある。

### 4.5 有線と無線

消防防災ロボットの開発において、無線と有線の問題は避けて通ることはできない。消防で採用されているロボットは、有線、無線どちらでも使用できる設計となっているものが多い。水中探索型ロボットは、いまのところ全て有線であるが、開発企業は無線化も検討している。

有線は通信に確実な通信が出来るため、確実な動作が期待できる。一方、無線はケーブルによる行動の制約が無く高機動性を実現することが出来る。しかしながら、それぞれ逆の欠点を有する。無線は有効範囲が狭く、安定性に欠ける。また、有線は機動性において難がある。
なお、近年の遠隔操縦型のロボットでは、ロボット操縦装置間の通信のみを有線としている。電気駆動であっても電源は内蔵バッテリーを使用することが一般的である。電流配線は比較的太く、配線の重量による摩擦も大きくなる。一方、通信に限れば、光ファイバーケーブルなどを使用することにより直径2～5[mm]程度で十分な機能を確保できる。しかしながら、この程度のケーブルであっても、移動機構がケーブルを巻き込む恐れがあるため、無線と同等な高機動性能を発揮することが難しいのが現状である。

そこで、図6に示すような、無線と有線のそれぞれの特徴を生かせるように、ハイブリット化したシステムを提案している。ここでは、地下鉄駅などを現場と想定している。地下などの見通しの効かない現場までは有線のロボットが移動する。操縦装置、現場間は有線で結ばれているため、信頼性の高い通信が可能となる。この有線ロボットは、以下に説明する各種作業ロボットの無線ステーションとなる。実際の作業は行わないため、作業ロボットのように、高機動性は必要ない。作業ロボットが無線到達範囲から出ない程度に移動することが必要とされる。現場で機動的に移動し、実際に作業するロボットは無線で通信する。このため通信ケーブルが作業に支障を来すことはない。図6では計測型とハンド型の2種類の作業ロボットを示している。作業ロボットと無線ステーションロボット間は無線通信とし、無線ステーションロボットと操縦装置間は、無線ステーションロボットの有線ケーブルを介して通信する。原理的にはコンピュータネットワークと同じである。

### 4.5 開発の連続性

消防防災ロボットには研究が必要な要素もまだ多く残されていることも事実である。しかしながら、開発された消防防災ロボットは配備、運用、そして実戦投入によって初めてその価値が認められるものである。したがって、開発段階から消防と研究者、開発企業が連携することが、より効率的な開発を推進するための重要な要素であるといえる。消防が連携することにより、現場の運用的な要素を開発段階で取り入れることができる。さらに、運用上のロボットの問題点を開発者にフィードバックし、継続的な改良を重ねることも重要であるので、この連携の基礎を築くことができる。

改良ばかりでなく、ロボットの維持、さらには更新も考慮することが必要である。すなわち、維持費用も考慮する必要がある。また、操縦員の育成、技量の維持も重要である。緊急時に常に稼働し、また、消防防災という重責を担うのであれば、操作員は単に操縦技術を身につけるだけでなく、ロボットの構造知識も必要となると思われる。

このように、開発に当たっては、配備運用を十分意識し、消防本部等、運用主体となる組織と十分な連携を図る必要がある。また、短期的なプロジェクトではなく、長期的な視野に基づいたプロジェクトとする必要があるといえよう。

(a)単純，安価，操作が容易な情報収集型ロボット

(b) 高機能な事案対応作業型ロボット

図 5 消防防災ロボット開発配備の一提案
図6 有線と無線を組み合わせたロボットシステム

### 5. おわりに

消防防災ロボットは、ロボット開発にとって最適な対象の一つといえる。しかしながら、実際に配備運用されているロボットの数は少なく、活用が始まったばかりである。

そこで、消防においてよりロボットを有効に活用するために、まず、消防の組織的側面から検討を行い、消防組織の連携、広域化が重要であることを指摘した。また、技術的側面の検討から、機能の絞り込み、機能の分担、ユニット化、開発と運用の連携等の重要性について論じた。さらに消防防災ロボットの配備に関する提案、有線と無線のハイブリッド化の提案をまとめた。

これら提案を今後実現するためには、各方面からの研究者は勿論のこと、現場の消防本部、開発企業、生産企業そして行政の連携なくしては難しい。火災、災害における人命救助の一翼を担う消防防災ロボットの開発は人道的に考えても重要度は高く、その促進に向けての活動が期待されているといえよう。

## 参考文献

1）消防法第1条

2）自衛隊法第83条

3）海上保安厅法第2条

4）警察法第5条第2項

5）防衛庁；日本の防衛平成17年度版防衛白書、ぎょうせい、(2005)

6）海上保安庁；海上保安レポート2005、海上保安庁、国立印刷局、(2005)

7）警察庁；平成17年度版警察白書、ぎょうせい（2005）

8）総務省消防庁；平成16年度版消防白書、ぎょうせい、(2004)

9）天野久徳；移動機構ユニットの開発、消防研究所報告、No.100、pp.94-100,(2005)
# Proposal for Acceleration of Fire Fighting and Rescue Robots Disposition

(Abstract)

Hisanori Amano

(Accepted November 30, 2005)

Fire fighting and rescue activities are appropriate and suitable subjects for robots, because, those activities are accomplishable without fire fighters getting into dangerous environments by using robots. Some fire departments have already disposed the robots in Japan. However, those fire departments are very few. Then, I discussed some reasons why many fire departments don’t dispose the robots, from the viewpoints of the number of staffs and the total budgets of fire departments in Japan. Next, I explained the importance that the robots are manufactured as commercial products, based on the discussion. After that, I summarized the trade-off between the robots’ size and performance, and I examined small mobile robots group has powerful performance for the activities. Finally, I proposed some typical disposition plan and robots that are effective for the activities. Further, I proposed a tethered and radio hybrid robots system that is useful for fire fighting and rescue activities.
解說

# 物質安全研究と熱分析・熱測定

古積 博、桃田 道彦

(平成17年12月2日受理)

### 1. はじめに

最近、危険物類や廃棄物の火災や事故が多発している $ ^{1,2,3,4} $ 。その原因は、危険物の暴走反応、発火や堆積物の内部での蓄熱によるもの等さまざまであるが、熱分析機器や熱量測定装置を組み合わせることで、原因を明らかにすることが可能となる場合があり、消防法でも危険性評価試験として採用されている $ ^{5} $ 。

ここでは、最近の火災、事故の調査に絡めて、消防研究所や国内の研究機関が有する主な熱分析機器等の紹介と火災原因究明、危険性評価のための研究手法を解説する。

### 2. 各種熱分析機器・熱量測定装置とその特性

物質安全の分野で広く使われている熱分析・熱測定機器とそれらによる測定結果の例を紹介する。

### 2.1 示差热分析 (DTA)

示差熱分析（DTA、Differential Thermal Analysis）は、熱分析として最も基本的なもので、また、機器としても比較的安価なため、物質の危険性評価の予備試験（スクリーニング試験）として最も良く使われている。試料10mg程度を熱的に安定な標準物質と共に常温から数100℃まで一定の速度で加熱させてその間に発生するエネルギーを温度変化として捉えるものである。試料は開放セルで測定することが多いが、密閉セルを使う場合もある。消防法では、第5類（自己反応性物質）の危険性評価の手段として使われている $ ^{5} $ 。

同時に試料の重量を測定することで（TG, Thermo Gravimetry）、含水分の蒸発その他の情報を得ることが可能となる（TG-DTA）。更に、同時に生成するガスの分析を行う場合もある（TG/DTA-MS）。また、TGの欠点を補うため、加熱速度を制御する場合がある（CR-TG）。ダイナミック温度制御法（DRC, Dynamic Rate Control）は、重量変化が発生した場合、昇温を止めて、等温制御に切り替える方法である $ ^{6} $ 。

一方、感度が低いため、微少発熱現象の観察は難しく、また、開放系で使用する場合が多いが、試料中に水分がある場合にはその蒸発（吸熱）のために、100℃以下の微少発熱が測定できない。図1は平成15年7月の佐倉市での木材チップの火災に関連して測定したTG-DTAのデータで、上向きが発熱（温度上昇）、下向きが吸熱（温度低下）であるが、80℃以下では含水分（約45%）の蒸発のための吸熱が大きいため発酵による微少発熱現象が確認できない $ ^{7} $ 。

図２（a）は、平成15年4月の鹿児島市での花火の製造中の事故物質である過塩素酸カリウム/アルミニウム/アンチモン混合物のTG-DTAの測定結果である $ ^{4)} $ 。このような大きな熱移動があれば、危険性評価の判断がし易い。同物質が500℃付近まで熱に対して大略安定であることが判る。また、試料容器は、金属製が使われるが、消防法の判定試験ではステンレス鋼製を要求している $ ^{5)} $ 。金属と反応する物質に対しては、容器の影響について十分に注意する必要があり、金メッキしたものやテフロンコーティングした容器を使う場合もある $ ^{8)} $ 。

図1 木材チップのTG-DTAの測定結果 左軸は、TGカーブ 右側は温度変化（熱流速）カーブ
(b) 過塩素酸カリウム/アルミニウム/アンチモン混合物のDSCの測定結果

### 2.2 示差走查热量测定 (DSC)

示差走査熱量測定（DSC、Differential Scanning Calorimetry）は、DTA同様に、消防法では第5類の自己反応性物質の危険性評価の手段として使われている $ ^{5} $ 。DTAと異なり、熱量（発熱、吸熱）を測定することができる上、DTAよりも感度が高い。消防法の測定では密閉セル（SC, Sealed cell）を使う（SC-DSC）。

図２（b）は、（a）と同じ過塩素酸カリウム混合物の測定結果である $ ^{4} $ 。DTAのデータと比べてより詳細な発熱吸熱が測定でき、感度が高いことが判る。

消防法では、標準物質（2,4-ジニトロトルエン（DNT）及び過酸化ベンゾイル（BPO））との比較実験を行うこと

図2 過塩素酸カリウム/アルミニウム/アンチモン混合物の測定結果

図3 消防法によるヒドロキシルアミン及び塩類の危険性評価。直線は、標準物質のデータから得られた。直線の上側（線上を含む）は、標準物質以上の危険性を有していると判断される。

とされている。試料の発熱開始温度 $ T_{0} $ 及び発熱量Qを求めて危険物かどうか判定する $ ^{5)} $ 。図3は、ヒドロキシルアミン水溶液及びその塩類についての消防法による判定試験の結果である $ ^{8)} $ 。20%（wt）ヒドロキシルアミン水溶液は、判定線の上にあり、危険物に該当する性状を有する。

### 2.3 高压DTA、高压DSC

雰囲気を空気、酸素、窒素及びそれらの混合気と変えることができ、かつ、高压状態での測定ができる。図4は、木材（赤ラワン）の発熱発火現象を調べた高压TG-DTAの測定結果である⁹)。微少発熱現象の観察には難しい場合があるが、エネルギー物質や可燃物のような発熱

図4 木材（赤ラワン）の高圧TG-DTA及びDSCの測定結果。DSC（示差熱）は、任意値で、上向きが発熱、下向きが吸熱を意味する。
量が大きいものには有効な装置である。

### 2.4 断熱型反応熱量計（ARC、Accelerating Rate Calorimeter）

ARCは反応性化学物質の危険性を評価するために、断熱条件での化学物質の発熱挙動を計測する装置である。断熱条件における化学物質の自己発熱による昇温速度と温度の関係、圧力上昇速度と温度の関係等を測定することにより、その化学物質の危険性（発熱を開始し、暴走反応を引き起こす温度等）を判断することができる。測定できる温度範囲は常温から500℃までである $ ^{10} $ 。ARCは、元々は、米国Dow社が開発したが、今日では、改良型が米国及び英国から販売されている。

測定の方法は、球形の金属製試料容器（9 ml）に試料を入れ、試料温度を適宜変えていく。例えば、50℃付近から5℃ないし10℃程度間隔で昇温させていき（ステップ昇温）、昇温後、一定時間、系の温度を保つ。この間の温度を測定し、0.02℃以上の温度上昇があればその温度を発熱開始温度Tsとし、引き続き温度変化を観測し、急激な温度上昇（暴走反応）が起こるかどうか確認する。金属製の試料容器の外壁温度を測定するため、容器によって熱が奪われることから誤差を生じる。そのため、熱補正值（φファクター）によって補正が必要である。φは、$\phi=\Delta T/\Delta T_{\mathrm{obs}}$ で定義されている。$\Delta T$は、断熱系での試料容器の温度上昇、$\Delta T_{\mathrm{obs}}$は、試料容器の温度上昇（測定値）で、$\phi$は理想的には1、一般には2～4程度の値をとる。

ARCは、暴走反応が起こるかどうかの判断に使用できることから、暴走反応熱量計とも呼ばれるが、平成16年11月に京都市内で起きたLTI（リジントリイソシアネート）の漏洩事故に関連して著者らが行った実験では、LTIの暴走反応を予想できず、必ずしも万能ではない $ ^{[11]} $ 。すなわ

図5 LTIのARCの測定結果（蒸留済：高純度LTI、脱色済：粗製品）。130-160℃の範囲でわずかに発熱が見られるが、暴走反応を起こす程ではないと判断した。

ち、同事故ではLTIは130℃付近で暴走反応を起こしたが、ARCによる測定結果（図5）では、発熱自体は確認できたが、暴走反応を起こす程の発熱を起こさないと判断された。現実の化学反応に対応できるようなより断熱条件の高い装置の開発が望まれる。

### 2.5 C80カロリーメータ

C80カロリーメータは、フランスSetram社製のカルベ型高感度カロリーメータ（熱流速計）である。カルベ型とは、考案者の一人Calvetの名前から命名されたもので、試料部と参照部を有する伝導型熱量計で、高感度で微少熱量の測定に適する $ ^{8)} $ 。試料容器は10mlで、試料量は数g程度とすることが多い。C80からDSC同様の熱量の情報がより高感度（10μW/gオーダー）で得られる。また、圧力の測定が可能である。温度を変化させた場合の、発熱/吸熱現象、圧力の変動が測定できるため、最近広く使われている。常温から300℃まで測定可能である。また、2つのセルに分けておいて、両者を任意に混合させて、その時の発熱を調べることが可能なタイプもある。

図6は、前記LTIの蒸留中の事故 $ ^{[11]} $ に関連して、C80を使って測定したものである。本実験からLTIは、概ね3段階の反応過程があることが判る。つまり、第1段階は70℃付近から開始する極めて微少な発熱、第2段階は120℃付近からのもので、蒸留済後のものは、発熱量がより大きくなっている。この間は連続して発熱が起きている。反応は200℃付近で一度ストップし、更に270℃付近から第3段階の大きな発熱が見られる。このようにC80は、感度が高く微少発熱現象を明らかにするのには有効な機器で、DSCやARCではこのような詳細な発熱の情報は得られない $ ^{[11]} $ 。また、図7は平成12年8月の韓国でのMEKPO（メチルエチルケトンパーオキサイド）の製造中の爆発事故に関連して、微量に存在する硫酸の影響を調べたものである。MEKPOのような有機過酸化物は、酸、酸化剤等が微量に存在すると分解開始温度が大きく

図6 LTIのC80の測定結果（蒸留済：高純度LTI、脱色済：粗製品）。水添加で発熱開始温度は大きく低下した。
低下することが判る $ ^{12)} $ 。

### 2.6 高感度微少热量计

#### 2.6.1 MS80 カロリーメータ

MS80カロリーメータはフランス製のカルベ型高感度熱流速計である。C80よりも更に高感度（感度：1μW/g）である。等温過程の化学物質の発熱挙動を観察するために用いられるが、非常にゆっくり系の温度を上げることで（最小昇温速度；0.01K/min）、常温から200℃までの間の挙動が一度の実験で測定可能である。試料容器は8mlである。非常に高感度に熱量測定が可能であるが、欠点としては、測定に極めて時間がかかること、また、装置の冷却にも時間がかかることである。そのため、国内で稼働中のものは数台程度であろう。

図8は、木材チップの火災に関連して木材チップを常温から180℃まで測定した結果である。50℃付近での微少発熱現象が確認出来た。この発熱は、木材チップ中に存在する雑菌の発酵に伴う発熱で、80℃程度まで温度を上げると大部分の雑菌は死滅するためその発熱は停止する $ ^{7} $ 。このような微少な発熱は、DTA、DSC、C80では感度が低いため測定しにくい。

#### 2.6.2 TAM (Thermal Activity Monitor)

TAMはスエーデン製で、MS80よりも更に高感度な熱量測定が可能である $ ^{12,13} $ 。消防研究所にあるTAM（図9）は、20mlの試料容器（金属製）を有し、等温実験が可能で、かつ、180℃まで温度を上げることができる。数100ナノオーダーの発熱速度を測定することができ、微生物の呼吸による微少発熱が検知可能と言われている。等温条件下で試料容器と参照容器の周りに取り付けられた高感度なサーモパイルによって両者の温度差を検出する $ ^{13} $ 。

本装置によって、堆積した廃棄物等における発熱の初期過程の微少発熱（発熱速度）を精度良く測定することができる。RDF（ごみ固形化燃料）や木材チップの常温

図7 MEKPOのC80の測定結果（微量の硫酸の存在で発熱開始温度は大きく低下した。）

付近での微少発熱現象が等温実験（試料を一定温度に長時間保ち、発熱が起こるかどうか調べるもの）で確認されている（図10、RDFの場合 $ ^{14} $ ）。しかし、これらの発熱が直ちに火災発生に結びつくかどうかは別の問題で、後述するSIT等の断熱試験による発熱（温度上昇）の確認等

図8 木材チップのMS80の測定結果。50-60℃で発酵による発熱を確認した。昇温速度：0.02K/分。

図 9 TAMの外観。微少発熱が検知出来、蓄熱発火研究に有力な測定機器。

図10 RDFのTAMの測定結果（水添加による発酵・発熱が確認出来た。測定温度：25℃）
を組み合わせて判断する必要がある（この点は、MS80での測定でも同様である）。

### 2.7 断熱型压力追従式断熱熱量計（APTAC、Automatic Pressure Tracking Adiabatic Calorimeter）

測定原理、機能はARCと基本的には同じである。試料セルにガラスが使用できること、試料セルの容量が大きいといった利点がある。そのため、ヒドロキシルアミンのように金属と反応する物質にも使用可能である上、ARCよりも高い感度での測定が可能になる。4 ルの耐圧容器中に130mlの試料セルが設置されており、反応過程中に試料セル内外の圧力バランスを保持するように制御されている。測定できる温度範囲は50℃から400℃までである。本装置は、米国製で、日本で最初の導入品であるが、国内外でなかなか普及しないのは、高価な割に操作性が悪く、データの取得が難しいためである。直接試料の温度を測定しているので、熱補正值（φファクター）は小さく、ARCより感度が高く、ある程度習熟した技術者によって測定した場合、有益なデータが出る $ ^{8} $ 。図11はヒドロキシルアミン50%水溶液の測定例である。概ね70℃付近から発熱が開始し、暴走反応に至ることが判る。このように金属と反応する物質に対しては有効な装置である。また、試料量が大きく、微小反応現象にも対応可能である。

### 2.8 SIT (Spontaneous Ignition Tester)

断熱状態での物質の自然発熱現象を調べる装置で、試料（最大量：2ml程度）から生じた熱を系内に留めるため断熱制御がなされている。空気（または、酸素、窒素及びこれらの混合気体）を一定量流すことができる。そのため系内の雰囲気をほぼ一定に保つことができる。自然発火（発熱）があれば、温度上昇を観測、自然発火温度を得ることができる。

図12は、肉骨粉のSIT結果である。肉骨粉は、狂牛病騒動の後、処理が出来ず、大量に貯蔵され、そのため平成13年、14年に国内で貯蔵中に2件の火災が発生した。肉骨粉の発火点（ASTM式）を測定すると468℃であったが、断熱状態（大量貯蔵のため、微少発熱の蓄熱による温度上昇が予想される）では、178～185℃付近から酸化反応に伴う発熱が開始されることが確認された。肉骨粉には動物性脂肪酸が存在するが、先ず、これが、酸化したものと思われる $ ^{15} $ 。

一方、木材チップやRDFの場合、植物性脂肪酸が存在することが多くより酸化されやすい（ヨウ素価が大きい）ため、発熱開始温度はより低くなる傾向にある。図13は、木材チップの発熱発火現象を調べたものである。雑菌が大量に存在する場合には50～60℃付近からの発酵に起因する発熱と温度上昇（発火）が起こる $ ^{7} $ 。これは、MS80（図8）やTAMの実験結果と良く合致する。

図11 50%（重量）ヒドロキシルアミン水溶液のAPTACの測定結果。70℃付近から発熱が開始され、暴走に至ることが明らかに出来た。

図12 肉骨粉のSITの測定結果。185℃に保った場合、約8時間で発熱が始まった。

図13 木材チップのSITの測定結果。肉骨粉に比べて低い温度から発熱が開始された。
### 2.9 CRC、スーパーCRC

いずれも米国からの輸入品で、物質の混合発熱挙動が容易に測定できる（図14）。C80に比べて感度は低いが、簡便であることからヒドロキシルアミンと鉄イオンの反応等の混合危険の評価に広く利用されている $ ^{9} $ 。反応容器は、最大16ml、測定温度範囲は200℃までである。

### 2.10 小型压力容器试验装置（MCPVT、Mini closed pressure vessel test）

消防法第5類の試験方法 $ ^{5)} $ や国連勧告書 $ ^{16)} $ に規定されている圧力容器試験の場合、温度、圧力を測定出来ないこと、試料量が多いこと等の検討課題を抱えている。その改良型として日本、オランダが提案している試験方法で、圧力容器（6ml）に少量の試料（数g）を入れたガラス容器（5ml）を入れて、一定速度で温度を上昇させて温度、圧力を測定するものである。より定量的な扱いが可能であるとされている $ ^{17)} $ 。試料容器内の圧力上昇速度（dP/dt）でもって物質の評価を試みている（図15）。装置が小型のため、やや使い勝手が悪いが、国際的にも認知されつつあり、ラウンドロビン試験（同一試料を複

図14 スーパーCRCの概要。混合による発熱が容易に測定可能である。

図15 硝酸アンモニウム（AN）/塩化カルシウム混合物のMCPVTの測定結果。Tempは、時間-温度曲線、Pは時間-圧力曲線。

数の機関が同一の測定方法で測定して結果の比較を行い、試験方法を評価するもの）が行われている $ ^{17} $ 。

図15は、平成13年9月にフランスで起きた硝酸アンモニウムの爆発事故 $ ^{18)} $ に関連して、硝酸アンモニウムに微量の不純物（塩化カルシウム）を加えた場合の影響について調べたもので、不純物（塩化カルシウム）の存在で、硝酸アンモニウムの発熱開始温度は大きく低下することが明らかになった $ ^{19)} $ 。

### 3. まとめ

危険物や廃棄物に起因する火災・事故の原因究明の手段、また、それらの危険性評価試験方法としての熱分析・熱測定を総覧した。対象が様々で、硝酸アンモニウム、ヒドロキシルアミン水溶液のような高エネルギー物質からRDF、木材チップの微少発熱現象まで、研究の目的に応じて機器を選択する必要がある。実験を行う上で重要なことは、測定装置の選択であり、また、装置の測定限界を知ることが重要である。また、そのデータをいかに解析するかである。研究者は、機器の保守に努め、解析するための知識の修得に努力する必要があろう。

また、すべての機器を揃えている研究機関（グループ）は無く、研究機関が協力していくことが重要である。消防研究所では、上記紹介した機器の大部分を備えていることから、化学工場、廃棄物施設等の火災、爆発、事故の原因究明やリサイクル物質等の危険性評価の要請に対応してゆきたい。

## 参考文献

1）小林恭一：繰り返される産業災害の背景、消防研修76 pp.1-4（2004）

2) Yoichi Uehara : Frequent Fire Breakouts in Recent Times, Proceedings of 3rd NRIFD Symposium pp.1-19

Mitaka Tokyo, Japan (2004.3)

3）古積博：廃棄物の蓄熱火災事例と危険性評価、安全工学 43(6) pp.385-391 (2004)

4）消防研究所：第7回消防防災研究講演会資料、(2004.1)

5）危険物技術研究会：危険物確認試験実施マニュアル pp.68-75 (1990)

6）日本熱量測定学会：熱量測定・熱分析ハンドブック、丸善（1998.8）

7）桃田道彦、岩田雄策、古積博：木材チップの自然発火の危険性評価、熱測定討論会（2002.11）

8）産業安全研究所、ヒドロキシルアミン等の爆発危険性と安全な取扱いについて、産業安全研究所安全ガイド、NIIS-SG-No.1（2001）

9）駒宮功額：大量堆積有機物の自然発火、セイフティダイジェスト 50, pp.39-44 (2004)
10）菊池武史：ARCによる反応性化学物質の熱暴走危険性の評価、住友化学 1989-1, pp.61-81（1989）

11）京都市消防局：ファインケミカル工場安全対策調査

検討報告書（2005.3）

12) Xin-Rui Li, Hiroshi Koseki, Yusaku Iwata and Yun-Soo Mok : Decomposition of methyl ethyl ketone peroxide and mixtures with sulfuric acid, J. of Loss Prevention in the Process Industries 17 pp.23-28 (2004)

13）森尻宏、柳勇次：等温マイクロカロリメーターを用いた自然発火性物質の測定手法について、第52回全国消防技術者会議資料 pp.37-42 消防研究所（2004.10）

14) Zhi-Min Fu, Xin-Rui Li and Hiroshi Koseki: Heat Generation of Refuse Derived Fuel With Water, J. of Loss Prevention in the Process Industries 18 pp.27-33 (2005)

15) 桃田道彦、岩田雄策、古積博：動物性飼料の自然発火

に関する研究報告書、消防研究所研究資料第58号(2003.3)

16) The United Nations: Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, Manual of Tests and Critetia, Fourth revised edition, New York and Geneva, (2003)

17) OECD-IGUS-EOS Technical Meeting: Buxton UK (2005.6)

18) 古積博、李新蕊、田村昌三：フランスの硝酸アンモニウム爆発事故について、Explosion 12(3) pp.164-168, (2002)

19) Xin-Rui Li and Hiroshi Koseki: Study on the Contamination of Chorides in Ammonium Nitrate, Process Safety and Environmental Protection, 83 (B1) pp.31-37 (2005)
# Thermal Analysis and Heat Flux Measurements for Study of Material Safety

(Abstract)

Hiroshi Koseki and Michihiko Momoda

(Accepted December 2, 2005)

Summary of thermal analysis and heat flux measurements and their applications in cause investigation of fire or accident of chemical material is shown. To understand heat transfer in faint reaction using such equipments as thermal analysis and heat flux meters is so important for conducting cause investigation of fire or accident relating to heat accumulation in large amount of material of solid waste or high energetic material. The TAM and the MS80 are very useful heat flux meters to distinguish faint heat release caused with fermentation.
解說

# VR技術を用いた火災体験シミュレータの開発

山田 常圭、阿部 伸之、須賀 昌昭

(平成17年12月5日受理)

### 1. はじめに

コンピュータのダウンサイジングやインターネットを始めとする通信技術の急速な進展により、IT技術が生活の隅々に入り込み、今まで一部の専門家しか利用できなかったコンピュータ技術が身近になってきている。コンピュータグラフィックス（CG）を機軸としたバーチャルリアリティー（VR）技術もその一つであり、一昔前ならグラフィックに特化したスーパーコンピュータでしか実現できなかったスムーズなCG映像が、家庭のビデオゲーム等で見られるようになってきている。

こうした技術を防火安全に適用しようとする試み $ ^{1)} $ ～ $ ^{5)} $ が、ここ10年ほど散見されるようになってきた。消防研究所においても、防火安全に関わる技術者・研究者のエンジニアリングツールとして、あるいは消防隊員の教育訓練またさらには一般の人々への啓蒙ツールとしてのVR技術の適用可能性を探るため、平成13年度から3年計画で研究プロジェクトを開始した。その結果、既存技術を用いてどの程度のことができるのか、ハード・ソフトの両面から開発を行い、「VR災害体験室」（登録商標：fire cube、以下fire cubeと呼ぶ）というモノとして提示することができた。また平成16年度から2年間、本システムを防火安全工学にどのように活用していくか、といった応用面での検討を「誘導灯等の避難誘導効果」の観点から行っている。

本稿では、防火安全工学分野でのVR技術を巡る内外の研究開発動向および消防研究所で開発してきているfire cubeを含む各種シミュレータを概説し、その上で、将来の技術展開の方向性や課題について述べる。

### 2. VR技術の防火安全工学における位置づけ

### 2.1 VRとは？

本論に入るに先立ち、VRについて簡単に説明する。VRとは、“Virtual Reality”（人工現実感）の略語で『みかけや形は現実そのものではないが、本質的あるいは効果として現実であり現物であること』 $ ^{6)} $ を意味する。VRは、しばしば『仮想現実』と訳されることがあるが、重要なのは本質を外さないという点にあり、みせかけの現実を想起させるこの表現は必ずしも適切ではない。また、視覚による情報量が他の感覚によるものと比べ圧倒的に多いことから、VRというと、CGからなる映像を想起しがちである。しかしながら、それ以外にも聴覚・触覚・臭覚等の人間の五感の再現もVR技術としては重要であり、今やVR研究の中心は、視覚とそれ以外の感覚を複合した複合現実感に移ってきている。特に火災のような非日常的な状況を再現する上では、火煙からの熱やにおい等、視覚以外の要素が非常に重要であると考えられている。

一般にVR技術では、「臨場感・現実感・存在感」を具現化するため、高性能のコンピュータが大きな役割を果たしており、その傾向はますます進んでいる。VR技術そのものは、飛行機のパイロット用の操縦シミュレータとして古くから用いられてきた。また、体験あるいは実際に作成するのに時間的・経済的な負担がかかる自動車、建物等の設計ツールとしての利用も普及してきている。その他、テロ対策や戦闘訓練のように体験が危険を伴うか、現実に実施することが不可能な訓練対象にも用いられてきている。VRの描画ソフトウェアには、軍隊用の装備、人間等のライブラリーが付属している例が多く見られる。このことは、軍事用に開発されたVR技術が民生用に転用されてきたことを物語っており、特に冷戦終了以降、VRが多くの工学分野で普及することとなった。

### 2.2 火災分野へのVRの適用事例

VRを工学的ツールとして実用に供するためには、対象となる現象を単に絵として描画するだけでは不十分であり、再現されたものが科学的合理性に裏付けられていることが非常に重要である。火災研究分野では、二層ゾーンモデルやCFDの火災性状シミュレーション技術、種々の避難シミュレーション技術等、工学的ツールが蓄積されており、それをいかにVRとして表現できるか、その技術が待たれている状況にあった。そしてコンピュータの
ダウンサイジング化とともに、この約10年前から防火安全工学への試用が始められた。以下、既往のVRに関わる主要な研究開発状況を簡単に紹介する。

## (1) 火災シミュレーション結果の表示ツールとしての利用（図1、図2）

VR技術の基本は見せる技術でもある。VRの防火分野への最初の適用事例が、既存の煙効果、避難のシミュレーション予測結果をとり入れ、あたかも火災現場に身を置き、歩いて見てまわれる、いわゆるwalkthroughモデルの開発であったことは自然の成り行きであった。この分野では、米国商務省標準技術研究所（NIST）建築火災研究所(BFRL)で開発された二層ゾーンモデル(CFAST)の結果をVRとしてPC上で表示できるFirewall²が最も早く開発されたものの一つである。開発者は、米国UC Berkeley校の大学院生である。ちなみに開発者の父はNIST/BFRLの火災研究者である。図1に示すように、描画内容は荒削りで、現実感からは十分とはいえないが、当時のPCの能力からすれば相当高いレベルである。このシステムの開発中には、火災のシミュレーション技術とVRを繋ぐのに将来必要となる重要なコンセプトは、ほぼ含まれているといって良い。

図 1 FirewalkによるVR表示例 $ ^{2)} $

同様な視点からの研究は我が国でも行われている。ゾーンモデルに変えてCFDの結果を用い、群衆避難シミュレーションの結果とあわせてVR空間で表現する試みが松下電工と大林技術研究所の共同研究 $ ^{4} $ で行われている。(図2)この研究は、経済産業省産業科学研究開発制度の一環として、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)からの委託研究「ヒューマンメディア研究開発」で行われたものであり、防火安全への応用というよりは、メディアに関する研究に力点が置かれている。スーパーコンピュータや高機能のVR投影装置を用いており、一般への普及という点では難があるが、防火安全分野へのVRの適用可能性を示すという点ではパイオニア的な役割を果たしたといえる。また類似した研究が、東京大学生産技術研究所においても行われている $ ^{1} $ 。いずれの場合も、コンテンツとして地下街での火災を対象としている。その理由としては、地下街における防火安全に対する漠とした危険意識を多くの人が抱いている点およびVR空間としても比較的取り扱いやすい空間構成である点が挙げられよう。

## (2) 設計ツール、リスクコミュニケーションツールとしての利用（図3）

VR技術を防火安全に適用したユニークな手法としては鹿島建設技術研究所の開発事例が挙げられる $ ^{7} $ 。この開発事例は、施主への設計段階への説明用ツールとしての位置づけと聞く。音や空調等の設計であれば、設計の結

図2 地下空間における煙および避難行動のVR事例 $ ^{4} $

(a) 俯瞰図

(b) 火災の進展状況

図3 住宅における防火安全のリスクコミュニケーションツールとしてのVR事例 $ ^{6)} $