橋梁・構造物モニタリングシステム_IoTビジネス共創ラボ第7回勉強会

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構造物モニタリング用PoCシステム
イノベーティブソリューションカンパニー
テクニカルマーケティング部
若尾聡
2018年3月16日

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東京エレクトロンデバイスIoT戦略
わたしたちは、データの収集、蓄積、分析、活用に必要な技術、製品、サービスを
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IoT プロダクトソリューション概要
データ収集
データ通信
データ蓄積
データ活用
ビ
ジ
ネ
ス
価
値
化

ステップ2 ステップ3 ステップ4ステップ1
IoTにおけるモニタリングの考え方とその位置づけ
モニタリング＝センシングｘ通信
データ分析フィード
バック、故障予測
自動化
デバイス
マネジメント
機械学習
センシングの対象
機器アセット
モニタリング
見える化
起点はデータの
モニタリング

構造物モニタリング
 橋梁の劣化メンテナンスを効率化するか?

橋梁を管理している自治体
・国土交通省のHP 道路・橋梁の老朽化より
※国土交通省道路局調べより
国土交通省
・新道工法により定期点検必須
（5年に1度の近接目視が基本）
年々近接目視の対象増
⇒対応しきれない（専門作業・点検作業の効率化）
⇒近接目視と等価な機能・点検方法の需要が高
点検作業を支援・補完する
モニタリングシステムのニーズ高まる
※近接目視参考画像
引用）株式会社特殊高所技術

東京都港区の資料より～橋梁点検対象と予防保全型管理～
引用元）橋りょうの予防保全型管理について - 港区
引用元）道路構造物の総点検結果と対応状況について - 港区

橋梁の予防保全型管理～上野原市の資料よりその1～

300近い大小橋梁の
予防保全の構造物モニタリングは
5年の定周期メンテと状態基準監視を
うまく組み合わせることで、計画修繕を
効率的に実施できる。

構造物の予防保全の手法は大きく２種類
12
定周期メンテナンス（=突発故障に弱い）
■予防保全のためのヘルス・モニタリング

故障メカニズムと状態基準保全（状態監視でのメンテナンス）
• 監視手法は様々
 X線（X ray)
 超音波(Ultrasonic)
 振動 (Vibration) に着目
 歪・変位（Strain sensing)
 騒音（Acoustic Noise)
 累積稼動パフォーマンス
(Total Operational Performance)
 赤外線(Infrared)
周波数解析（FFT)
振動監視のアプローチ
パラメータ監視（RMS値,p-p値,速度/変位etc)
• 装置の状態を常時監視し、
故障予兆 or 故障を検知
メンテナンス:
・ダウンタイム⾧
・故障部品増
=コストアップ
異音
微小
欠陥
変形
橋梁の予知保全
状態監視は何を用いるか?

橋梁モニタリングに対する加速度センサーの利活用
＜橋梁モニタリング＞
 橋梁の維持管理 ⇒ 大型車輌の重量や交通量の統計管理
 振動、ひずみ、たわみ、変位を計測 ⇒ 車輌の重量・検知・速度の状態監視
 交通量を乱さない測量 ⇒ 妨げないWIM監視 (Weight-In-Motion)
 高価なセンサ・測定器を利用 ⇒ 常時モニタの量産化が困難
＜加速度センサーの利活用＞
 従来のMEMS加速度センサ ⇒ ノイズ性能が悪く、⾧周期振動の測定が困難
 高性能、⾧周期が取得可能なMEMS加速度センサの登場
最先端のMEMS加速度＋アナデジ半導体技術が１チップに集積
命題:最新のMEMS加速度センサーによる橋梁モニタリングにより、
自治体の定周期メンテナンスコストの低減に効果が期待できるか?

構造物モニタリング加速度センサー選定の重要スペック
センサーのノイズ密度:
ADXL203:110 μg/√Hz
↓ ↓
ADXL355:25ug/√Hz
出典:周期および加速度と震度（理論値）の
関係、気象庁
61ug（重力1gの6100万分の1）レベルを、
下限0.1Hzの周波数まで測定可能なセンサーの登場
⇒管理要件毎の測定精度ターゲットを考慮した適切なセンサー選択の幅が広がっている
（同時に測定時電力、温度変化による精度変化などの現場環境に対する考慮も必要）
ニーズ事例
震度0～１を10段階
精度で測定したい
0.06Gal（61ug）
精度で測定が必要!
0.6Gal
61ug

ADXL354/355
＝低ノイズ・低周波観測可能なMEMSでは最高クラスの3軸加速度センサ＝
特徴
► デジタル出力（ADXL355）
► 低周波数帯にわたり均一な周波数特性
► 超低ノイズ性能
► 20µg/√Hz in ±2g range:ADXL354
► 20bit (3.9ug/LSB) ADC内蔵:ADXL355（SPI、I2C出力)
► 低消費電流:測定時200uA （ADXL355、内蔵LDO使用時）
スタンバイ時21uA
► 低オフセットドリフト:±0.1mg/℃(typ)
► セラミックPKG（LCC): 6mm×6mm×2.1mm
温度及び⾧期安定性を確保⇒最小のキャリブレーション可
► 測定加速度範囲:±2/4/8g （絶対定格:5,000g@1msec）
► 出力データレート(ODR):4Hz～4kHz（ADXL355）
► セルフテスト機能、温度センサ付き
► 低電源電圧:2.25-3.6V
► 低ノイズLDO内蔵:アナログ用、デジタル用（各1.8V)
共振周波数:2.4kHz

橋梁の振動モニタリングの実験

加速度センサ（ADXL355有線-2ケ所) 現場実験
USBケーブル
＜実験機材構成＞
・MEMS加速度センサADXL355により、震度1の1/10までの振動を検出可能
・加速度測定範囲:±2G
・サンプリングレート:4Hz～1kHz数変更可能
・低消費、低ドリフト（⾧期安定性）動作
・USBケーブルで、橋梁2箇所の欄干部根元付近に下記センサを取り付け
現場提供:千葉県市原市（金毘羅橋）実験取り纏め:土木学会様

橋へのセンサ取り付け
○センサの取り付け:欄干部（金属）に木の板を接着
※養生テープは接着までの補助的役割
○取り付けに使用した接着剤
（6点接着剤を塗布したが、取り外しの際かなり強力な
力が必要であったので接着力は十分と判断）

橋梁中央欄干部振動絶対値の3軸同時測定データ

橋梁モニタリング測定結果（ADXL355)
橋梁を半日計測したデータから車の通過時のパッシブ振動を波形抽出し
FFT解析の結果、車重量に依存せず、30Hz以下の周波数にピークが検出することが確認できた。
結果:橋梁構造や大きさに応じた、構造物の共振周波数の基礎調査データが取得できることを確認
⇒高精度半導体MEMS加速度センサー＋（車通過時の波形抽出＋FFT）×ｎ回（積算）し、
橋梁の固有周波数を抽出することが可能と確認した。
中型トラック通過時大型トラック通過時

構造物モニタリングPoCシステム

加速度センサーによる構造物モニタリング事前調査から運用まで
橋梁調査
• 橋梁構造の確認と、設置ポイントの計画
• 加速度データ収集（仮設⇒撤去が前提:数時間）
• 周波数解析、分析モデルの作成、設置ポイントの絞り込み
分析モデル
• 加速度データ収集（期間設置要請:数日～数週）
• 橋梁固有のデータクレンジング、分析モデルの最適化
• 分析モデルの実装（センサー処理/エッジ処理/サーバー処理）
• 運用に向けたシステム検討（電源、通信、サーバー、ストレージ、システムメンテナンス）
モニタリング
• 状態基準監視のモニタリングシステムの設置
• 運用メンテナンス
• トレンドモニタリングによる状態変化の異常監視・警報
• 管理区域の定周期メンテナンスの効率化、計画・費用策定へのデータ活用
短時間で仮設可
信頼できるデータ収集装
置が欲しい
電源工事なしで、数週間
データ収集可能な装置が
欲しい
管轄区内の橋梁を
まとめて遠隔監視する
システムが欲しい
３段階すべてで使
える同じPFとは・・

Microsoft Azure
（有線 / WiFi)
構造物モニタリング Azure PoCシステム
・センサ分解能:3.9ug
・加速度範囲:±2G
・振動測定範囲:0.04Hz~30Hz
・サンプリングレート:62.5sps
・最大4ノードで常時モニタリング可能
・クラウドはAzureを使用
・IP67対応のエンドノード、ネジ止め可
無線付き加速度センサ
Web APP
Armadillo G3
通信
（SmartMesh)
PC、スマホ、タブレット
試験製作版

End to End system over view
※Analog Devices社 Dust Networks(SmartMesh)
IEEE802.15.4e、TSHC方式で複数のノードと1台のマネージャーで
メッシュ型NWを自律形成・自己最適化。
全ノードはミリ秒精度で時間同期しており、決められた時間内だけ起動し、周
波数ホッピング無線送受信することにより、
消費電力の低減と99.99%以上の通信信頼性を両立できる「クリティカルな
IoT向けに最適な産業品質のメッシュ無線ネットワーク
試験製作版
開発協力:
Altiux Innovations様

デモ動画

まとめ
構造物の予防保全「定周期メンテナンス」と「状態基準保全」の
ベストミックスで計画修繕を前提としたライフサイクルコスト低減が
目指されている。
定点設置で定周期メンテナンスをアシストする状態基準保全は
「高性能な半導体MEMS加速度センサー」で実現可能に
東京エレクトロンデバイスは、
事前検証から分析モデル開発段階、モニタリング運用までを
[Azure×高信頼性低消費無線×高性能加速度センサー]による
構造物モニタリングPoCシステムを試験製作。
ビジネス共創、協業パートナー募集中です。
（構造物振動データ分析、エッジ処理/エッジAI、トライアル現場提供者）

ご清聴誠にありがとうございました

橋梁・構造物モニタリングシステム_IoTビジネス共創ラボ第7回勉強会

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