特許 7158762 水位測定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-14

(45)【発行日】2022-10-24

(54)【発明の名称】水位測定システム

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/70 20060101AFI20221017BHJP

   G01F 23/64 20060101ALI20221017BHJP

   G01F 23/2962 20220101ALI20221017BHJP

   G01F 23/292 20060101ALI20221017BHJP

   G05D 1/00 20060101ALN20221017BHJP

【ＦＩ】

G01F23/70

G01F23/64 A

G01F23/2962

G01F23/292 B

G05D1/00 Z

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021008067

(22)【出願日】2021-01-21

(65)【公開番号】P2022112297

(43)【公開日】2022-08-02

【審査請求日】2021-08-17

(73)【特許権者】

【識別番号】593202025

【氏名又は名称】株式会社エイビット

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】檜山 竹生

【審査官】後藤 順也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１１４６３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１５７７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１４８４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】松平正樹ほか，雨量・河川水位データを用いた水位・水害危険度予測の研究開発，電子情報通信学会２０１４年通信ソサイエティ大会講演論文集２，2014年09月09日，ＳＳ８６－８７

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｆ ２３／００

Ｇ０１Ｆ ２３／１４－２３／２９６５

Ｇ０１Ｆ ２３／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水面に浮上可能な筐体に収納された水位計測装置と管理サーバで構成されるシステムであり、前記水位計測装置は、波発生受信回路、傾斜センサ、計算回路、無線通信回路、電源端子、アンテナを具備し、前記計算回路は、前記波発生受信回路から底面に向けて発生した波の反射波を受信することで、発生から受信までの時間を計測し底面からの距離Ｌを計算するとともに、前記距離Ｌと傾斜センサで検知する傾斜角αを用い、前記水位計測装置と、該装置の水面から底面へ向けた垂直方向の距離Ｈを水位として計算し、該Ｈを実測水位情報として、前記電源端子で測定される電池電圧とともに前記無線通信回路とアンテナにより前記管理サーバへ送信するとともに、前記管理サーバでは、前記水位計測装置が設置されている箇所の危険水位を管理していて、計測された前記実測水位情報の危険率を計算表示し、閲覧可能としていることを特徴とする水位測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、河川などの水位を測定し、測定結果を無線通信手段により測定管理サーバに報告する水位測定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、気象変動が激しくなり、河川などの水位が異常に上昇し、河川が氾濫する被害が発生している。このため、河川敷などに水位計を設置し、水位を観測し、観測結果を無線通信によって、河川管理事務所に報告し、迅速な被害対策が講じられるようにしている。特許文献１には、河川敷などに設置する水位計の例が示されているが、水位計の設置は、天気予報をもとに、危険水位を超えそうな川を対象に、上流、中流、下流など、いくつかの箇所に、短時間で行う事が必要であり、設置の容易さが求められる。合わせて天気が回復した際には設置した水位計を撤収し、次に起きる災害時に使用できるように準備するため、撤収の容易さも求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－２０６９３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水位計の設置、撤収が容易な水位計測システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

水面に浮上する浮体に水位計測装置を内蔵させ、装置は、水（例：川）の底面に向けて超音波やレーザー光を発し、底面からの反射波が帰ってくる時間を測定し、水位を計算し、その水位を管理サーバに届ける。水位計測装置は浮体であるため、川の流速や風の影響を受け傾斜するため、反射波による測定は誤差を伴うが傾斜センサを具備して、傾斜センサより得られる傾斜角をもとに誤差を補正する。

【0006】

さらに、管理サーバでは、複数の水位計測装置が示す水位情報と降水量などの情報とともに、水位管理局に、水位予測情報を提供することで、水位管理局が、災害に対し迅速な対応が採れるようにする。

【発明の効果】

【0007】

天気予報情報をもとに水位計測が必要な川と、その川のどの位置に水位計を設置するかを決め、川にかかる橋げたのような固定物から所定の長さの紐で結んで水面に浮かばせたり、船（ボートのレベルでもよい）やドローンを使用して水位計測装置を運搬し、水面に浮かばせておくことで、特別の設置工事は不要となる。

【0008】

天気が好転し、水位計測はもう必要ないと判断されたら、水面に浮いている水位計をピックアップしていくだけで撤収が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明による水位測定システムの水位計測装置が川の上流、中流、下流に 置かれ、管理サーバと無線接続されることを示すもので、本発明の全体構成を示 す図である。

【図2】本発明による水位計測装置の内部構成を示すブロック図である。

【図3a】 川の水面に浮上されている本発明の水位計測装置が、川の底面に対して 垂直に置かれている状態を示す図である。

【図3b】 川の水面に浮上されている本発明の水位計測装置が、川の底面に対し傾 いて置かれているときの状態を示す図である。

【図4a】本発明において水位計測装置から管理サーバに送る通信信号を示す図で ある。

【図4b】本発明において管理サーバから水位計測装置に送るタイマ値を示す図で ある。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明は、川や湖などの水位を計測する水位計測システムであり、河川や湖のほか遊水地やダム、さらに液体を貯蔵する場所の水位が測定対象になるが、実施例は川の水位を計測するケースについて説明する。

【0011】

図１は、川の流れの中に水位計測装置１a、１b、１cが置かれている模様を示すが、
実際は川の長さや、川の周辺にある住宅地、川の曲がり具合などから、どの位置に、ど
んな位置間隔で置くかを、河川管理局２３が、天気予報や、これまでの水害の被害の経
験をもとに決める。河川管理局２３が管理する管理サーバ２０は、川と離れたビルの事
務所などに置かれ、水位計測装置１a、１b、１cと無線通信により情報を送受信する。
無線通信の方式は、４G、５G、６Gのような公衆無線通信網でも、LPWAのような自営の
無線通信網でもよく、水位計測装置が設置される領域の広さから河川管理局２３が選定
することになろう。河川管理局２３は、気象庁のような気象情報提供業者２４から最新
の気象情報の提供が受けられるようにしている。管理サーバ２０と河川管理局２３、気
象情報提供業者２４間の通信が、有線か無線かは問わない。

【0012】

図２は、水位計測装置（以下、「装置」という）の内部構成を示すもので、１は充電可能な電池で蓄電池と呼ばれるものである。２は太陽電池で太陽光を受けて発電するものである。３は電源制御回路、４はGPSセンサ、５は計算回路、６は全体制御回路、７は無線通信回路、８は無線通信のためのアンテナ、９は超音波発生受信回路（ここでは波として超音波を利用したケースで説明する）、１０は傾斜センサ、１１はID符号発生部、１２はタイマ、１３は動作スイッチ、１４は電池電圧の測定や電池を充電するための電源端子、１５は移動駆動部である。

【0013】

一般に、河川の場合は、橋のような固定物が随所に設けられているので装置は固定物
から紐で結ばれるようにした方が、移動駆動部１５が不要になるので望まれる事である
が、長い区間橋のない河川や湖や池の場合は紐を取り付ける固定物が随所にないので、
装置は移動駆動部１５を有することになろう。移動駆動部１５は、取り外し可能なよう
に、装置の筐体と別筐体で、装置と物理的に接合されていても、接合されず短い紐で結
ばれてもよい。移動駆動部１５は、装置を、船のように川の中で移動できるよう動力発
生機構（一般的にはモータ）と方向制御のための舵を有す。移動駆動部１５は装置を運
ぶ船と考えてよく、個別に電源を有してもよい。本発明においては、移動駆動部１５の
内的構成については問わない。

【0014】

図３aは、筐体に収納されている本装置が、川の底面３３に垂直に浮遊していると
き、図３bは川の流れにより斜めに浮遊しているときの模様を示すものである。図２に
示す本装置の回路構成は、空中ブロック３０と電装ブロック３１に二分され筐体に収納
され、多くの回路は電装ブロック３１に、一部の回路が空中ブロック３０に搭載されて
いる。筐体の下半身の体積は、筐体が浮きやすいように、大きくされるとともに、下半
身の底部には、電装ブロック３１が載置され、該電装ブロックにある超音波発生受信回
路９は、超音波が川の底面３３に届き、反射波が受信できるよう配置されている。空中
ブロック３０に搭載されている太陽電池２とGPSセンサ４とアンテナ８は、筐体の上半
身で空中に露出するように載置されていて、図示しないが、それらの信号は電線を介し
て電装ブロック３１に接続されている。筐体の形状は、その下半身が浮力を得るため体
積を大きくされていれば、図３a、図３bのような三角形の断面である必要はなく、四角
錐など、任意の形状でよい。

【0015】

管理サーバ２０は、図１に示すように、内部に水位情報管理ソフト２１と水位予測ソフト２２を有し、水位情報管理ソフト２１は、設置されているすべての装置の水位などの情報を一元管理している。表１は、水位などの情報を一元管理している模様を示す。表１の情報で、ID符号、GPS値、平常水位、危険水位は、設置個所が定まると設置個所ごとに固定的に定まる情報である。その他の情報は、時々刻々と変化する情報であり、傾斜角、実測水位は、装置が実測した数字であるが、情報降水量、情報風力は気象情報提供業者２４から得られる数字である。

【0016】

【表1】

【0017】

なお、表１には電池電圧も管理されているが、装置の電池電圧が充分なのかは、測定上重要なことであり、管理サーバ２０は、電池電圧が不充分な装置に対しては、以後の測定データは無視するか、河川管理局が、設置現場に出向き装置の交換を行うかなどの対応を採る。

【0018】

装置の設置個所は、地方自治体などによって選定されようが、あらかじめ危険水位についての情報が管理・把握されている。設置作業としては、設置作業者が別に用意された設置用アプリソフトを携帯電話にインストールしておき、装置の動作スイッチ１３をオンにして、設置個所で携帯電話の前記アプリソフトが装置の製造工場で設定されているID符号を読み取り、携帯電話のGPS情報、さらに設置される場所（川や湖など）を表す装置の仮称を入力し、管理サーバ２０に届ける。この時点で表１のID符号、GPS値、危険水位が管理サーバ２０の表１に書き込まれる。同時に測定された水位が設置時水位として、表１に書き込まれる。

【0019】

各装置は、一定の時間間隔で、水位を計測し、傾斜角とともに管理サーバ２０に届けられるが、前記一定の時間間隔はタイマ１２で設定される。また、このタイマは、水位が増してきた時は測定を頻繁に行う必要があり、管理サーバ２０からの指示で変更可能である。

【0020】

水位の計測は、図３ａのように、電装ブロック３１内に実装された超音波発生受信回路９より超音波を、水面３２から川の底面３３に向け発生し、その底面３３からの反射波を受信し、超音波を発生した時刻と反射波を受信した時刻との差を測ることにより、計算回路５で測定値Ｌとして求める。図３ａのケースでは、川の水は穏やかで、風もなく、装置が川に垂直に浮かんでいる状態であるが、実際は川の流量の大小、風の強弱によって図３ｂのように傾く。この時は、発生時刻と反射波の受信時刻から得られる測定値Ｌは、水位Ｈを表すものでなく、傾斜センサ１０より得られる傾斜角αを用いて、水位Ｈ＝Ｌcosα、を計算回路５で計算し、求められた数値を水位とする。この実測水位と傾斜角αは、管理サーバ２０へ送られる。

【0021】

波として超音波を使用する場合は、超音波の発射角（前記の傾斜角）と反射波の周波数と発生波の周波数と音速により水流速度が計算できることがドプラ―法として知られており、計算回路５で水流速を求めておく。なお、水流速の計算に際し、反射波の周波数は、超音波発生受信回路９で受信波の周波数分析することで求まる。水中での音速は空気中の音速より早く、水温２５度で１,４９７ｍ/秒、１５度で、１,４６６ｍ/秒と、空中と同様に水温で変化するが、計算値に１％程度の誤差があることを許容することで、水温計の設置を省略し、水温を２０度と固定して考え、その温度での音速、１，４８３ｍ/秒に固定してもよい。

【0022】

管理サーバ２０では、前記したように水位予測ソフト２２を搭載していて、表１のデータをもとにすべての設置個所の、１時間後、２時間後とかの今後の水位を予測している。とある研究成果によれば、降水量だけで水位を予測・計算できる方法も紹介されているので、それを活用すれば、現在水位と降水量だけで今後の推移を予測できるわけで、水位予測のために、表１のデータがすべて揃っている必要はないが、より多くの情報を活用した方が、予測精度も高まるはずで、予測地点の上流側の少なくとも複数地点の現在の水位情報は重要である。水位予測ソフト２２は、今後研究発表されるより精度の高い予測・計算アルゴリズムを反映できるよう、随時アップデートできるようになっている。

【0023】

水位予測ソフト２２のアウトプットは表２に示すようなものであり、すべての装置の今後の水位、危険率（危険水位の何％なのかを示す）を、今後の時刻情報とともに示している。表２で時刻１、２、・・・５とあるのは１時間後、２時間後とかの時刻であり、時間に拘らず、３０分刻みでもよい。

【0024】

河川管理局２３は、表２のデータを見ながら、水位が危険率５０％を超えた装置の設置個所の住民に避難準備などの指示を出すことになろう。また表２の情報は住民が管理サーバ２０にアクセスすることで、閲覧可能にしてもよい。

【0025】

【表2】

【0026】

水位の計測タイミングは、前記したように、管理サーバ２０より指示される。装置は、タイマを有していて、管理サーバ２０から指示されるタイマ値を保存していて、計測を行うが、管理サーバでは、一つの川に設置されているすべての装置からの計測情報（例：多摩川の丸子橋、ガス橋、多摩川大橋などからの計測情報）が、等時間間隔になるよう、タイマ値や計測開始のタイミングを指示する。

【0027】

図４a、図４bは管理サーバ２０と装置間の通信信号の形式を示すもので、図４aは、
装置から管理サーバ２０へ送る信号で、ID符号、現在時刻、傾斜角、水位、水流速度、
電池電圧、測定開始時刻が送られる。測定を開始した最初の信号には、測定開始時刻を
示す測定開始信号のフィールドが付加されているが、２回目以降の信号には、この
フィールドは不要である。なお、測定開始フィールドを受信した管理サーバ２０は、装
置に対して図４bに示すタイマ値を送り、装置は、タイマ１２を設定する。

【0028】

図４ｂはタイマ値を変更するときの信号でID符号とともに送られる。このID符号より設置されている装置は自分に送られてきたデータと理解し、タイマ１２をいったんリセットして、新しいタイマ値に変更する。

【0029】

図２において、動作スイッチ３は装置の動作を始めるときにオンとして、装置を撤収したらオフにする。電源制御回路は、図２の各回路への電源の供給を制御する回路で、電源が常時供給されているタイマ１２が水位を測定するタイミングになったときだけの１０秒間くらいの間はすべての回路に電源を供給する。無線通信回路７への電源供給は常時の方が望ましいが、より省電力化を図るときは、受信機能をデータ送信後の６０秒間だけ有効にする手段をとれば、送信時の１０秒間に加え、７０秒間だけ供給するようにしてもよい。前記タイミングは、平常時は６０分間隔、水位が増してきた時は、３０分間隔、危険水位を５０％超えたときは１０分間隔とかの数値が、管理サーバ２０で設定される。１０分間隔で測定するとしたとき、装置の各回路に給電されるのは前記したように６０秒間だけなので、相当な省電力化が図れる。全体制御回路６は、他の回路と直接的、間接的にも接続され、装置全体の制御や通信信号の作成を行う回路である。蓄電池１は太陽電池２で発電された電力で常時充電されている。

【0030】

移動駆動部１５は、前記したように装置の筐体と別筐体とし、装置の筐体と物理的に接合されたり、短い紐で結ばれたりして実装されるが、いずれのケースでも、装置はGPSセンサ４を有し、装置の現時点でのGPS値と表１のGPS値（装置が留まっておくべき位置）を比較しながら、全体制御回路６より移動方向が指示され、留まるべき位置に戻ったら、移動停止の指示がなされる。この場合、装置が留まっておくべき位置は、表１に示す設置地点のGPS値から所定の半径の範囲でよく、所定の半径としては５０メートルや１０メートルとかの数値が河川管理局２３で決められる。移動駆動部１５を駆動させる電力は、装置の全体制御回路６の指示で供給される。移動駆動部１５に必要な電力は他の回路に比し大であるため、装置は太陽電池２を搭載しているが、移動駆動部１５が独立に電源を具備することは望ましいことであり、その場合、装置が太陽電池２を搭載することは必ずしも必要ではない。

【0031】

水位の測定が不要となり、装置を撤収するときは、設置時と同様に設置個所で、装置をピックアップし動作スイッチ１３をオフにする。装置を所定の倉庫などに保管しているとき、太陽電池を具備している装置は、太陽光を受ける場所に保管することが望ましいが、そうでなくてもよい。天気予報などで、装置が使用される可能性が高まったときは、図２の電源端子１４で電池電圧を測定し、必要に応じて、電源端子１４より電池の充電を行う。

【0032】

図２の回路ブロックで、装置が橋などに紐で結ばれているときは、移動駆動部１５は不要で、太陽電池２、ＧＰＳセンサ４は必ずしも必要ではない。このように本発明は、設置目的、設置個所に応じて適宜な回路構成を選択することができる。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本発明は、大雨や台風時の河川の水位上昇を検知するものであり、水面に浮かばせておくだけで機能発揮でき、設置、撤収が容易であるため、多数の出荷が期待されるものであり産業上の利用可能性は大である。

【符号の説明】

【0034】

１ａ、１ｂ、１ｃ 水位計測装置
１．蓄電池
２．太陽電池
３．電源制御回路
４．GPSセンサ
５．計算回路
６．全体制御回路
７．無線通信回路
８．アンテナ
９．超音波発生受信回路
１０．傾斜センサ
１１．ID符号発生部
１２．タイマ
１３．動作スイッチ
１４．電源端子
１５．移動駆動部
２０．管理サーバ
２１．水位情報管理ソフト
２２．水位予測ソフト
２３．河川管理局
２４．気象情報提供業者
３０．空中ブロック
３１．電装ブロック
３２．水面
３３．底面

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】