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斜面災害モニタリング・早期警戒IoTシステムとその工学的応用(その1)

2018年3月20日

孫 光林:
中国砿業大学(北京)深部岩土力学・地下工程国家重点実験室、中原工学院建築工程学院講師,工学博士。

地質災害制御・情報分析処理方面の研究に従事

陶 志剛、宮 偉力:
中国砿業大学(北京)深部岩土力学・地下工程国家重点実験室

概要:

 傾斜流れ盤岩質斜面モニタリング・早期警戒が直面する予測困難やモニタリングポイントの多さなどの難題を解決するため、定抵抗大変形アンカーケーブルと地すべり体の間の相互作用の力学原理に基づき、モノのインターネット(IoT)技術を運用し、定抵抗大変形アンカーケーブルサブシステムとデュアルチャンネルデータ通信サブシステム、データ受信処理サブシステム、スマート給電サブシステムを打ち出し、斜面災害モニタリング・早期警戒IoTシステムを開発し、モニタリング・早期警戒モデルを改良し、流れ盤岩質斜面の「補強-モニタリング-早期警戒」の一体化機能を実現した。本鋼集団の南芬露天鉱山における「10-0731地すべり」と「10-0805地すべり」の早期警戒の成功は、斜面災害モニタリング・早期警戒IoTシステムが傾斜流れ盤岩質斜面災害の早期警戒を実現できることを示した。

キーワード:地すべり; 定抵抗大変形アンカーケーブル; モノのインターネット;モニタリング・早期警戒

 傾斜流れ盤岩質斜面は、自身の組成と構造の欠陥[1]、さらに外部の人為的・自然的要素[2]の影響を受け、地すべり災害がきわめて起こりやすい。その被害は、中国内外の露天鉱山の採掘や山間部の鉄道・道路、水利・水力発電施設の建設などの分野の安全な発展を長期にわたって阻害し[3-4]、人類の生存と生産活動に深刻な脅威をもたらしてきた。このため傾斜流れ盤岩質斜面災害の研究は、この種の災害の発生・発展メカニズムを理解し、地すべりによってもたらされる人員の死傷と経済的損失を減少させることに役立つ。

 一般的に考えると、流れ盤岩質斜面災害への対応措置としては主に、次の2つが挙げられる。1)斜面の掘削による減圧や排水、支保などの措置。これには主に、地すべり防止のための土留め壁、排水施設、アンカーの応用などが挙げられる。例えば文献[5]は、全面接着型アンカーについて、流れ盤岩質斜面の補強の力学モデルを研究したものである。文献[6]は、流れ盤岩質斜面の補強過程におけるプレストレストアンカーケーブルの耐震能力の特性を検討した。2)モニタリング・早期警戒予防措置。従来の地すべりモニタリング技術は主に、地表の変形や変位をはかる距離計やトランシット、GPS、InSARなど、深部の変位をはかる孔内傾斜計、さらに力学測定装置、アコースティックエミッション測定装置などがある。以上のモニタリングの方法と設備はすでに、プロジェクトの実践で応用されている。文献[7]は、GPSマルチアンテナ技術を採用し、瀑布溝水力発電所の移転住民の住む地すべり地域の表面変位を連続モニタリングし、GPSモニタリングの結果と傾斜計の結果とが高度に一致することを検証した。文献[8]は、CR-InSARとGPS技術を融合し、InSAR技術だけを運用した際に生まれる時間に関係した難題を解決し、良好な応用効果を得た。文献[9]は、変位モニタリングと数値シミュレーションを結合した方法で斜面問題を研究した。以上の多くの研究成果は、流れ盤岩質斜面災害対策とモニタリング・早期警戒の新たな方法の開発に、重要な参考価値を備えている。

 だが伝統的な工学的支保技術とモニタリング方法は、地すべり発生の本質、すなわちすべり力とすべり抵抗の相互関係をつかんだものではない。文献[10-12]は、地すべり発生の必要十分条件に基づき、モニタリング・早期警戒の革新的な方法を打ち出し、定抵抗大変形アンカーケーブルを支えとした地すべり災害モニタリング・早期警戒技術設備システムを開発した。このシステムは、斜面補強の役割を果たすだけでなく、地すべりの全過程をモニタリングすることができる。地すべり体が動いている時にもすべり力の変化を持続的にモニタリングできる。従来技術の限界を突破し、「補強-モニタリング-早期警戒」の一体化した機能を実現し、地すべり災害モニタリング・早期警戒分野に新たな変革をもたらした。筆者は、既存の研究成果を土台として、IoT技術を運用し、第1世代の斜面災害モニタリング・早期警戒システムのハードウェアとソフトウェアの機能改善と設備アップグレードを行い、斜面災害モニタリング・早期警戒IoTシステムを設計した。新システムは、モニタリング・早期警戒性能を高め、建設運用コストを節約し、本鋼集団南芬露天鉱山の傾斜流れ盤岩質斜面の工学応用で良好な効果を上げ、多くの地すべり災害の予報に成功し、鉱山の安全な生産を力強く保証した。

1 モニタリングの原理と方法

 斜面のすべり力がすべり抵抗より大きいことが地すべり発生の必要十分条件となる[10]。このため斜面内に定抵抗大変形アンカーケーブルを設置する方法で、斜面の安定性のモニタリングという目的を達することができる。定抵抗大変形アンカーケーブルと地すべり体の相互作用モデルは図1に示す通りである。

図1

図1 円弧型すべり面の地すべりの力学モデル

Fig.1 Circular sliding surface mechanics model of landslide

 アンカーケーブルが地すべり体に作用する力Pは、アンカーケーブルの外側の先端部に設置した振動ワイヤー式荷重センサーを通じてリアルタイムで測定できる。振動ワイヤー式荷重センサー[13]は、均等に設置された3ワイヤー式の高強度中空弾性部品によってアンカーケーブルが受ける力の大きさを計測し、4m電気ケーブル伝送線によって採取した信号を信号採取設備に伝送する。振動ワイヤー式荷重センサーが稼働している際、振動ワイヤーの張力σとこれに対応する振動数fの関係は次式で表される。

img

 式中のlは振動ワイヤーの有効長さ、ρは振動ワイヤー材料の密度、Eは振動ワイヤー材料の弾性率、εは振動ワイヤーのひずみ量、σは振動ワイヤー両端の応力を指す。使用前には、振動ワイヤー式荷重センサーのキャリブレーションを行う必要がある。次式が公式となる。

img

 式中のNは荷重量、Fは初期振動数、fは測定振動数、Aは切片値、kは係数を指す。

 N=Pであることから、実際の斜面プロジェクトのすべり力Pをリアルタイムでモニタリングすることができる。斜面が外乱を受け、岩石土壌の力学パラメーターに変化が発生すると、センサーの測量結果でそれを検知することができる。

2 斜面災害モニタリング・早期警戒モノのインターネットシステム

2.1 コンセプト

 モノのインターネット(Internet of Things,IoT)は、インターネットに続く新たな情報産業のトレンドである[14]。狭義のIoTは、モノとモノとをつなぐネットワークを指し、広義のIoTは、情報空間と物流空間との融合を指す。IoTは実質的に、センサーネットワークが一定の発展を遂げたことによる産物である。IoTを構成する無線センサーネットワークのノードが対象の識別を強調するものであることから[15]、物体識別機能を持った無線センサーネットワークが、IoTの基盤ネットワークとなる。IoTのアーキテクチャーは主に、感知層とトランスポート層、アプリケーション層から構成される。IoTの基本的な特徴としては主に、全面的な感知、信頼度の高い伝送、スマート処理が挙げられる[16]。IoT技術は、先進性やシステム性、経済性という特性を備え、分散資源を統合することを可能とし、坑道の突発湧水[17]や地下空洞群の施工安全早期警戒[18]などすでに多くの分野で研究と応用が進んでいる。IoTの鉱山建設における重要性は日増しに高まっている[19]。

 斜面災害モニタリング・早期警戒IoTシステムの感知層は、IoTの最も基盤となる層で、まず振動ワイヤー式センサーでそれぞれの分散式定抵抗大変形アンカーケーブル上の斜面の力学情報を採取し、採取した情報をZigbee無線通信技術を通じて短距離伝送する。トランスポート層は、情報の長距離伝送という難題を解決するものとなる。本稿におけるIoTは、北斗衛星/GPRSデュアルチャンネル通信モデルを総合的に運用し、ネットワーク技術と結びつけ、Zigbee短距離通信と長距離通信との融合を実現した。アプリケーション層は、斜面力学情報の総合的な処理・分析を土台として、斜面安定性のモニタリング・早期警戒情報をユーザーに提供するマンマシンインタラクションのプラットフォームである。斜面の力学データの量は巨大であり、専用のデータベースソフトウェアを採用し、統一的な保存・分析・処理を行う必要がある。

2.2 構成

 斜面災害モニタリング・早期警戒IoTシステムは主に、4つのサブシステムから構成される(図2)。

図4

図2 すべり力モニタリング・早期警戒IoTシステムの構成

Fig.2 The composition of sliding force monitoring and early warning network

1)定抵抗大変形アンカーケーブルサブシステム

 定抵抗大変形アンカーケーブルサブシステムは、定抵抗大変形アンカーケーブルを斜面の潜在すべり面に貫通させる方法によって、斜面すべり力の測定と取得を実現する。同サブシステムには主に、深部岩土力学・地下工程国家重点実験室(北京)の自主開発した定抵抗大変形アンカーケーブルと振動ワイヤー式荷重センサーからなる。従来のアンカーケーブルと比べると、定抵抗大変形アンカーケーブルには多くの非従来型の力学的性能が備わっている[20]。室内の静的実験によると、定抵抗大変形アンカーケーブルは、120~350kNの定抵抗張力の作用の下で0.5m以上大きく変形しても破断しなかった。室内の動的衝撃試験では、定抵抗大変形アンカーケーブル装置は、吸収変形性能の特性を示した。現場でのますます多くの工学的な実践は、この新型アンカーケーブルが、軟岩の大変形のkや地圧の衝撃への耐性など地質災害面で優れた性能を持つことを検証している[21]。このように定抵抗大変形アンカーケーブルは、斜面災害のモニタリングや早期警戒、制御にとりわけ適している。

2)デュアルチャンネルデータ通信サブシステム

 デュアルチャンネルデータ通信サブシステムは、斜面体に分散された定抵抗大変形アンカーケーブル群の力学情報をまずZigbee無線通信技術で信号モデル識別器に発信する。モデル識別を経た後、GPRS或北斗方式を通じて、力学情報は最終的に、コンピューターネットワークサーバーに伝送される。デュアルチャンネル通信モデルは、2種類の通信方式の優位性の相互補完を実現し、外的な干渉への耐性を大きく高め、通信システムの安定性を増強した。

3)データ受信処理サブシステム

 深部岩土力学・地下工程国家重点実験室(北京)にあるデータ受信処理センターは現在、モニタリングステーションの300件余りのデータを毎日リアルタイムで計算・分析している。SQLServerデータベースは、大量のデータの保存という難題に解決方法を提供した。自主開発したフレンドリーなマンマシンインタラクションインターフェイスを採用し、立体可視化地質イメージング機能を通じて、プロジェクト現場のリアルタイムの動的モニタリングを実現した。斜面災害早期警戒のルールに基づき、システムは、モニタリング・早期警戒の信号を自動的に発信することができる。無人でのモニタリングを実現し、人材と物資を節約した。

4)スマート給電サブシステム

 スマート給電サブシステムは主に、定抵抗大変形アンカーケーブルサブシステムとデュアルチャンネル通信サブシステムにクリーンな電気エネルギーの保障を提供するものである。このサブシステムは、大容量の充電池、ソーラーパネル、保護スイッチ、7~11V調整可能定電圧装置、電気エネルギーコントローラーからなる。

 スマート給電サブシステムは、ソーラーパネルによる発電を採用し、太陽エネルギー資源を十分に利用しただけでなく、環境汚染も防止した。日照時には充電池を充電し、無光または日射強度が低い時には、大容量充電池に蓄えられた電気エネルギーを用いて装置への給電を行う。電気エネルギーコントローラーは、充電池の過度の充電でもたらされる損害を有効に回避した。保護スイッチ装置は、過負荷やショートの保護機能を備えている。調整可能定電圧装置は、スマート給電サブシステムの最終的な出力電圧を、定抵抗大変形アンカーケーブルサブシステムとデュアルチャンネル通信サブシステムの必要とする電圧の範囲内に安定させることを可能とした。

2.3 斜面災害モニタリング・早期警戒モデル

 これまでの研究を土台として[10]、斜面災害モニタリングの曲線変化をカバーする5種類のモニタリング・早期警戒モデルの改善をはかった(図3)。

図5

図3 すべり力変化モニタリング・早期警戒モデル

Fig.3 Sliding force change monitoring and early warning models

 1)安定モデル。すべり力Pは基本的に一定の値にとどまり、モニタリングの曲線は総体として水平線を描き、地すべりは安定状態にある(図3a)。2)亜安定モデル。潜在不安定モデルとも呼ぶことができる。すべり力Pは、時間とともにゆっくりと増大する。すべり力のモニタリング曲線は、時間とともに高まる傾向を示し、地すべり体が成長し、安定性が低下していることを表す(図3b)。3)亀裂モデル。すべり力Pが短時間で増大する。モニタリング曲線は、突然高まる線を描く(図3c)。統計によると、亀裂の大小はすべり力の高まりの幅と正の相関関係を示す。4)滑動モデル。すべり力Pが短時間で大きく低下する。モニタリング曲線は突然低下する線を描く(図3d)。地すべり体の滑動ですべり力のモニタリング値が低下したことを示す。5)外乱モデル。地すべりモニタリングの現場は、さまざまな程度の降雨や地震などの自然的要素や爆破や採掘などの人為的要素の影響を受ける。斜面災害モニタリング・早期警戒IoTシステムは感度が高いため、すべり力モニタリング値の大小にも一定の影響を産出する。モニタリング曲線には、狭いパルス幅状の波動として表れる(図3e)。

その2へつづく)

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※本稿は孫光林,陶志剛,宮偉力「辺坡災害監測預警物聯網系統及工程応用」(『中国鉱業大学学報』2017年第46卷第2期、pp.285-291)を『中国鉱業大学学報』編 集部の許可を得て日本語訳/転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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