RAIMS
Research Association for Infrastructure Monitoring System モニタリングシステム技術研究組合無線加速度センサを用いた
定点収集型モニタリング
沖電気工業株式会社
野崎 正典
RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem本日の報告内容
• はじめに
• 無線マルチホップ通信技術
• 定点収集型モニタリングシステム構成
– リアルタイムデモ
• 振動データの測定結果
– 大森川橋
– 城山川第二橋
• 無線マルチホップ測定結果
– 城山川第二橋
• まとめと今後の課題
88
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystemはじめに －研究背景－
• ⽼朽化したインフラの増大
– 今後20年で建設後50年以上経過するインフラの割合が加速度的に増加 ex) 全国73万橋のうち建設後50年を経過する橋梁の割合 2016年︓全体の20% ⇒ 2026年︓全体の44%• 維持管理・更新費用の不⾜
– 維持費用に加え、専門知識を有する⼈員の不⾜ 出展︓ 社会インフラの維持管理の現状と課題 (国交省) http://www.mlit.go.jp/common/001016260.pdfセンサー技術
を活用した
インフラモニタリングシステム
が必要
RAIMS
モニタリングシステムの要素技術
• センシング技術
– 構造物の状態変化を測定ex) 振動センサー、たわみ/変位計、光ファイバーセンサー、AEセンサー etc
• 伝送技術
– センサーデータの収集 ex) 920MHz帯無線マルチホップ、電池駆動、エナジーハーベスティング etc• データ分析技術
– 構造物の⽼朽化度合いを判定 ex) 短期的な集中診断、中⻑期的なモニタリング、異常時の警告 etc 構造物モニタリングシステムの構成例89
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem無線マルチホップ通信技術
⻑時間の電池駆動ができる
省電⼒マルチホップ技術
で
完全にワイヤレス化されたセンサーネットワークを実現
21×30(mm)×
障害物に弱い ⻑距離化 自動的に迂回 動的な経路制御で”高い信頼性“ ・距離が届かない ・干渉問題 従来の2.4GHzより電波が届く “⾒通し1km” 920MHz 無線 マルチホップ 通信 従来の1:N通信 マルチホップ通信×
距離が届かない ⻑期間 電池駆動 電池駆動でマルチホップ通信 完全なワイヤレス化を実現 従来のネットワーク 省電⼒マルチホップ技術 外部電源あり 外部電源なし＋
SRモジュールRAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem定点収集型モニタリングシステム構成
• 電池駆動かつ無線マルチホップに対応したMEMS加速度センサー搭載モジュール • 3軸の振動データをゲートウェイで収集し、3G回線経由でDBサーバーに保存 • ブラウザーからサーバーにアクセスし、加速度データの参照やFFT解析が可能 ゲートウェイ 920MHz無線 伝送レート︓100kbps スリープルータ FOMA 3G ルーター DBサーバー 開発環境 データセンター ・M2Mサーバ ・MQTTブローカ ・時系列データベース (InfluxDB) ・仮想マシン 監視端末 ・Webブラウザー ・MQTTクライアント 項目 仕様 無線周波数 922.3〜928.1MHz PHY/MAC層 IEEE802.15.4g/e準拠 NWK層 OKI独自方式 (スリープルータ方式) 送信出⼒ 最大︓ 20mW 伝送レート 100kbps サイズ 18mm x 70mm (モジュールのみ) 電源 円筒形二酸化マンガンリチウム電池 x 4本(CR17450) 加速度データ FFT解析 加速度センサ ※ モジュール内蔵のCPUを用 いて、周波数解析などの分 析処理も可能 無線モジュール諸元MQTT︓MQ Telemetry Transport (IoT向け軽量通信プロトコル)
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystemシステム操作画面
X軸 Y軸 Z軸RAIMS
大森川橋のセンサー設置場所
1000 2 1 4 3 下り線 上り線 GW GW装置 検査路⼿すりに固定 無線加速度センサー 主桁にクランプで固定 無線加速度センサー 床版にボルトで固定 2 1 4 3 ・・・主桁設置 ・・・床版設置 大森川橋 外観 設置用 足場 ノードID︓F941 ノードID︓F942 ノードID︓F943 ノードID︓F94491
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem大森川橋の振動測定
• 測定期間 – 2016年10⽉〜2017年5⽉ (1:00〜2:00 30分測定/日) 周波数 (Hz) 振幅スペクトル (gal・s) 振幅スペクトル (gal・s) 周波数 (Hz) F941:主桁 F942:床版 周波数 (Hz) 周波数 (Hz) 振幅スペクトル (gal・s) 振幅スペクトル (gal・s) F943:床版 F944:主桁 3.9Hz 10.1Hz 3.9Hz 10.1Hz 3.9Hz 10.1Hz 17.2Hz 15.2Hz 10.5Hz 3.9HzRAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem大森川橋の振動測定
• ピーク周波数の時系列データ 周波数 (Hz) 周波数 (Hz) F941 F942 周波数 (Hz) 周波数 (Hz) F943 F94492
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem城山川第二橋のセンサー設置場所
落下防⽌ワイヤー 城山川第二橋 ・・・無線加速度センサー (床版6ヵ所)RAIMS
城山川第二橋の振動測定
• 測定条件
– サンプリング周波数︓100Hz – ハイパスフィルタ︓OFF – 計測期間︓2017年1⽉末〜 – 計測時間︓約20分x 4/日 – NWトポロジー︓スター型 (GWと1ホップ接続)93
RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem城山川第二橋の振動測定
• 測定結果 – 測定期間︓2/1〜2/16, 2/23, 2/28 振幅スペクトル (gal・s) 振幅スペクトル (gal・s) 0091 0092 振幅スペクトル (gal・s) 振幅スペクトル (gal・s) 0093 0094 41.8Hz 3.1Hz5Hz 11Hz 31Hz 3.1Hz 9.8Hz 2.7Hz 周波数 (Hz) 周波数 (Hz) 周波数 (Hz) 周波数 (Hz)RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem城山川第二橋の振動測定
• 考察
– 各グラフはそれぞれの時間帯において取得したデータの平均値から算出している – グラフより他橋での測定結果と異なり、それぞれの地点でのピーク周波数の特性 が異なることが分かる – 特にA1地点(0091)においては、3Hzや10Hz付近ではなく、41Hz付近にピーク 周波数が⾒られる – これは、A1地点は⽀承の真上付近であり、他床版と⽐べて振動特性が異なるた めだと思われる 周波数 (Hz) 振幅スペクトル (gal・s) 振幅スペクトル (gal・s) 周波数 (Hz) A005 A006 3.1Hz 4.7Hz 10.5Hz 14.5Hz 3.1Hz 9.8Hz94
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem城山川第二橋のマルチホップ測定
• 測定条件
– サンプリング周波数︓100Hz, 200Hz, 400Hz, 800Hz – 測定軸︓1〜3軸 (X, Y, Z軸) – シェーピング遅延時間︓1〜7s – NWトポロジー︓マルチホップ固定経路 (最大6ホップ) ※ パラメータを変更することで単位時間あたりのデータ発⽣量を調整RAIMS
城山川第二橋のマルチホップ測定
• 測定結果 – 測定軸︓1〜3軸 サンプリング周波数︓100〜800Hz シェーピング遅延時間︓なし データ収集率 装置番号 データ収集率 装置番号 データ収集率 装置番号 データ収集率 装置番号95
RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem城山川第二橋のマルチホップ測定
• 測定結果 – 測定軸︓1〜3軸(平均) サンプリング周波数︓100〜800Hz シェーピング遅延時間︓なし データ収集率 装置番号• 考察
– グラフよりホップ数が多く、またサンプリング周波数が高くなるにつれて、データ収集 率が悪化していることが分かる – これはパケットの中継数が多く、データ発⽣率が高いほど、衝突によるパケット廃棄 が発⽣しやすいためである – そこで、シェーピングによる遅延時間を加えて、時間を掛けてゆっくりとデータを収集 する試験を実施したRAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem城山川第二橋のマルチホップ測定
• 測定結果 – 測定軸︓3軸 サンプリング周波数︓200Hz シェーピング遅延時間︓1s〜3s データ収集率 装置番号• 考察
– グラフより遅延時間を3秒とすることで、6ホップ先のA006からもデータ到着率を 100%とすることできた – サンプリング周波数200Hzの場合、1秒につき6.25pktのデータが発⽣するため、 1pktあたり3sの遅延を加えると、1秒間の測定データの収集に約19秒必要となる96
RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystemまとめと今後の予定
• まとめ
– 無線加速度センサーを用いた定点収集型モニタリングシステム
について報告した
– 大森川橋および城山第二橋の振動データの測定・分析結果
について報告した
– データ送信タイミングに十分な遅延を加えることで、マルチホップ
通信を用いてもデータ収集率100％を実現した
• 今後の予定
– ⻑距離伝送が可能なLPWA(LoRa方式)の伝送特性の評価
– 無線加速度センサーでの周波数分析処理機能の評価
RAIMS
<参考> ー室内実験結果ー
• 輪荷重⾛⾏試験における移動載荷試験時の加速度データを分析 • 非定常スペクトルデータの分析により、3次モードの周波数変化を確認 ⇒ 供試体の局部破損の発⽣を示している 輪荷重⾛⾏試験機 フーリエ変換スペクトル⽐較 加速度データ (5往復) 3次モードの変化 低周波数域に変化97
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Research Association for Infrastructure Monitoring System モニタリングシステム技術研究組合路⾞間通信による計測データの伝送
株式会社 ⽇⽴製作所
上松 正史
RAIMS
Research Association for Infrastructure Monitoring System モニタリングシステム技術研究組合1. フィールド実証の背景と目的
2. 路⾞間通信とは
3. フィールド実証の概要
4. フィールド実証場所と期間
5. 実験条件
6. 実験システム構成
7. 実験機器の設置
8. 実験結果
9. まとめと今後の予定
98
RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem１．フィールド実証の背景と目的
フィールド実証の背景
フィールド実証の目的
モニタリングシステムを実橋梁に導⼊する際、各種センサで発生するデータ量や
機器の設置場所、データ収集の運用形態等を考慮して、
伝送方式を選択する
必要
がある。
データ収集の運用形態として想定される伝送方式に関して、
環境条件や性能等
、
道路管理者がシステム導⼊時に確認すべき項目について検証する必要がある。
さまざまなフィールド条件下で設置された送信機と⾛⾏⾞両内にある受信機で
データ通信を⾏い、路⾞間通信（巡回型データ回収方式）における
通信条件・
課題を明確化
し、
最適な運用方法をガイドラインへ適用
することを目的とする。
本研究テーマでは、伝送方式として 『 路⾞間通信 』 を選択して検証を実施RAIMS
２．路車間通信とは
データ伝送方式
Bluetooth 無線端末 スマホ／ タブレット端末 路車間通信 モバイル通信 マルチホップ通信 データ伝送方式の⼀つとして、路⾞間通信（巡回型データ回収方式）がある。 路⾞間通信とは、路側部に設置された機器から発信されたデータを、⾛⾏する⾞両内部に 設置した機器で受信する方式である。 点在するインフラ設備を管理する際に、効率的なデータ収集が期待できると考えられる。99
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem３．フィールド実証の概要
フィールド実証の概要
ステップ① （平成２８年度）無線通信の最適化検証
ステップ② （平成２９年度）データ通信の最適化検証
①－１：さまざまな条件下でのデータ受信エリア（範囲）を評価 ⇒走行試験 ①－２：一定量のパケットを送信し、データ受信失敗率等により 無線通信精度を評価 ⇒パケットロス試験 ②－１：複数センサにおけるデータ受信可否の検証 ②－２：路車間通信において伝送可能なデータ量の評価 フィールド実証は、２つのステップに分けて進めております。 本当に⾛りながらデータ収集できるの︖
「路⾞間通信」では、どういう条件が最適なの︖
本日のご報告範囲RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystemフィールド実証場所
東北⾃動⾞道
（二本松IC〜福島⻄IC）
⇒ 大森川橋
大森川橋（側道より撮影した写真）フィールド実証期間・天候
平成２８年８⽉２９⽇
〜８⽉３１⽇
天候︓⾬天・台風
４．フィールド実証場所と期間
100
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem５．実験条件
（A）⾛⾏条件による違い ︓４パターン（上り線・下り線×⾛⾏⾞線・追越⾞線） ※⾛⾏⾞線は80km/hで⾛⾏、追越⾞線は100km/hで⾛⾏ （B）送信機の設置条件による違い ︓３パターン 下り線 上り線 路側部（遮音壁・防護柵）に設置 支承部に設置 フィールド実証を⾏うにあたり、実運用を考慮した⾛⾏条件、機器設置条件を設定しております。RAIMS
HITACHI WirelessMonitor 受信用無線機 Androidタブレット bluetooth HITACHI WirelessMonitor 路側上部 取付アンテナ 路側下部 取付アンテナ HITACHI WirelessMonitor 支承部 取付アンテナ 道路側無線機 支承部側無線機 Ethernet HUB Ethernet cable 3m Ethernet cable 3m Ethernet cable 50m 無線制御用 パソコン ※500m秒周期でパケット送信６．実験システム構成
無線制御用パソコンで、各アンテナから500m秒で⼀定のデータ量のパケットを送信するよう制御 受信機側は、データ受信した際のデータと電波強度等をタブレット端末に送信し、表⽰と保持101
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem （１）送信機設置場所 （２）受信機設置場所（⾛⾏試験時） 受信機設置位置 1200mm 受信機アンテナ タブレット端末 時刻 GPSデータ 受信状況 （RSSI,受信カウンタ） 評価用アプリ画面 ※ 国土地理院地図に加筆 支承部設置位置 路側部設置位置７．実験機器の設置
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem８-１．走行試験（①-１）
（A）⾛⾏条件︓⾛⾏⾞線（80km/h） （B）設置条件︓路側部上部 -82dBm以上を正常な通信範囲としてプロット（青色） ②上り走行車線（80km/h） ①下り走行車線（80km/h） 上り 下り 送信機 HITACHI Wireless Monitor HITACHI Wireless Monitor 送信機 上り線/下り線での違いは受信開始位置の違い、受信エリアは約600m ※ 国土地理院地図に加筆102
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem８-２．走行試験（①-１）
（A）⾛⾏条件︓上り線 （B）設置条件︓路側部上部 -82dBm以上を正常な通信範囲としてプロット（青色） ②上り追越車線（100km/h） ①上り走行車線（80km/h） ⾞線（速度）での違いはほとんど⾒受けられない、受信エリアは約600m 上り 送信機 HITACHIWireless Monitor 送信機 上り HITACHI Wireless Monitor ※ 国土地理院地図に加筆RAIMS
８-３．走行試験（①-１）
（A）⾛⾏条件︓下り⾛⾏⾞線（80km/h） （B）設置条件︓路側部上部、下部、支承部-82dBm以上を正常な通信範囲としてプロット（青色） ①路側部上部 送信機の設置条件により、受信エリアは大きく異なる。 路側部上部では約600m、路側部下部では約500m、支承部では約200m ②路側部下部 ③支承部 ※ 国土地理院地図に加筆 下り HITACHI Wireless Monitor 送信機 下り HITACHI Wireless Monitor 送信機 下り HITACHI Wireless Monitor 送信機103
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Research Association for InfrastructureMonitoringSystem パケットロス試験は、路側部アンテナ位置を基準に10ｍ間隔で離れていき、 基準点から200ｍまで、それぞれの地点で1分間とどまり測定 10ｍ間隔で計測 路側部アンテナ（基準点） 30m地点 100m地点 120m地点 200m地点 路側アンテナ８-４．パケットロス試験（①-２）
各地点の受信パケット数から、パケットロス率（受信できなかった割合）を算出RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystem路側に設置した送信機は、170ｍ地点までパケットロス無く安定して受信することを確認 （パケットロス率︓５％未満） 支承部に設置した送信機は、附帯設備（看板、ガードレール）及び樹木等に複数回 反射した電波の合成波を受信しているため、複雑なパケットロス特性となった 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m 80 m 90 m 10 0m 11 0m 12 0m 13 0m 14 0m 15 0m 16 0m 17 0m 18 0m 19 0m 20 0m 路側 上部 路側 下部 支承部
８-５．パケットロス試験（①-２）
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RAIMS
Research Association for InfrastructureMonitoringSystemフィールド実証まとめ
⾛⾏しながらデータ受信することは可能
（悪天候でも正常に受信可能）
⾛⾏⾞線（80km/h）と追越⾞線（100km/h）ではほぼ同等の受信範囲
⾛⾏する⾞両のフロントウィンドウ直下に受信機を置いたため、送信機までは受信
範囲が広く、送信機から遠ざかる場合は受信範囲が狭くなる
受信範囲が広いのは路側部上部、路側部下部、支承部の順で、
路側部に設置
すれば約200m以上で受信可能
今後の予定
９．まとめと今後の予定
ステップ② （平成２９年度）データ通信の最適化検証
②－１：複数センサにおけるデータ受信可否の検証 ②－２：路車間通信において伝送可能なデータ量の評価実運用を想定し、
複数台のデータ収集できるの︖
どれだけのデータ受信が可能︖
RAIMS
Research Association for Infrastructure Monitoring System モニタリングシステム技術研究組合ガイドラインの作成に向けて
東⽇本⾼速道路株式会社
本間 淳史
RAIMS
ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystem研究目的
橋梁などの構造物の老朽化等に対応するため，インフラ管理者にとって，センサなどによるモニタリン グ技術を維持管理業務に活用することは，大きな関心があり，期待されている。 一方で，モニタリング技術は，ICT 技術の発展とともに多種多様な技術が存在していているものの，イ ンフラ管理者としては，どの場面でどのように採用してよいか判断が難しいため，結果的に採用を躊 躇しているのが現状。モニタリング技術を維持管理業務で活用するためのガイドラインを作成する
維持管理業務の実態を踏まえて，モニタリング技術の採用が効果的と考
えられる場面（シナリオ）を想定し，それに見合うモニタリング技術の方法
や留意事項などをガイドラインとしてまとめる
道路管理者 ○○するために モニタリングを 使いたい ・着目する物理現象 ・計測部位 ・計測方法 what 何を測るか？ where どこを測るか？ how どうやって測るか？ ガイド ライン106
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ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystem点検
診断
措置
(補修・ 補強)記録
点検を補助するモニタリング 振動、変位・ひずみ、内部応力の変化等客観的な手法に より異常個所を抽出 【維持管理コストの縮減】 診断を補助するモニタリング 振動、変位・ひずみ、内部応力の変化等客観的な 手法により健全性を評価 【点検・診断の信頼性向上】 補修・補強の効果を確認するため のモニタリング 振動、変位・ひずみ、内部応力の変化等客観的な 手法により対策の効果や地震時の応答などを評価 【安全性の評価】 緊急時の対応を補助するモニタ リング 地震等の災害発生時における迅速な変状把握 【効率化・合理化・安全性の向上】維持管理サイクルにおけるモニタリングの役割
RAIMS
RAIMS
ガイドライン 目次（案）
第１章 総則 1-1 ガイドラインの目的 1-2 適用範囲 1-3 用語の定義 1-4 モニタリングの概要 1-4-1 モニタリングの目的 1-4-2 構造物の劣化事象 1-4-3 モニタリングシステムの基本構成 1-5 モニタリングの計画 1-5-1 維持管理サイクルにおけるモニタリング導入シナリオ 1-5-2 計測技術の特徴と留意事項 1-6 モニタリングシステムの維持管理 1-6-1 一般 1-6-2 個別の留意事項土木構造物のためのモニタリング活用ガイドライン（案）
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ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystemRAIMS
ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystem第２章 ＲＣ床版のモニタリング 2-1 計測対象 2-2 ひび割れの計測 2-2-1 ひび割れの分布 2-2-2 ひび割れ幅 2-3 変位の計測 2-3-1 概要 2-3-2 変位測定の仕様 2-3-3 評価と判定 2-4 振動の計測 2-5 プレキャスト床版の継目部の計測 第３章 主桁のモニタリング 3-1 計測対象 3-2 ひび割れの計測 3-3 変位の計測 3-4 振動の計測 3-5 うき・はく離の計測
ガイドライン 目次案
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ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystemRAIMS
ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystem第４章 塩害環境下のコンクリート構造物のモニタリング 4-1 概要 4-2 塩害環境の調査 4-3 かぶりコンクリート中の塩分浸透状況 4-4 コンクリート中の鉄筋腐食状況 4-5 塩害補修効果の確認 4-6 センサ及びケーブル設置 4-7 評価と対策 第５章 鋼部材の塗装のモニタリング 5-1 概要 5-2 計測手法 5-3 撮影範囲 5-4 画像の処理方法 5-5 濃淡モフォロジィ処理 5-6 評価手法・運用方針 5-7 留意点
ガイドライン 目次案
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ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystemRAIMS
ResearchAssociation for InfrastructureMonitoringSystem第６章 斜張橋のモニタリング 第７章 下部構造基礎の洗掘状況のモニタリング 第８章 のり面・斜面の安定性評価のモニタリング 第９章 モニタリングデータの伝送 第１０章 計測データの保存・活用 付属資料 １．用語集・・・・・・・・・・・・・・・・・・・土木用語，施設用語，通信用語etc． ２．モニタリング適用例・・・・・・・・・RAIMSでの実橋計測の紹介
