地盤工学的システム設計：重要な考慮事項

壁を考えてみましょう。

誰かに監視を依頼されたら、それは簡単な依頼のように思えるかもしれません。傾斜計をいくつか設置し、あるいは一体型の気象観測装置を設置すれば、それで仕事は完了です。

しかし、壁を監視する必要がある理由を理解していなければ重要な測定値を見落としてしまう可能性が高くなります。資産所有者は、壁、その基礎、および周辺地域が安全に使用または継続して使用できることを確認する必要があります。

パラメータを効果的に監視することは、時に困難な課題となります。特定のパラメータの測定の成否には多くの要因が影響するため、監視システムの導入を成功させるには、その要件の背景にある根拠を理解することが不可欠です。

壁は測定が容易なものと考えられがちで、実際ほとんどの場合はそうでしょう。しかし、より明確な結論を出すために、この壁を監視する際に考慮すべきあらゆる要素を検討し、その結果どうなるかを見ていきましょう。

資産の種類に関わらず、資産計測のための計測機器や監視システムは最終的には安全性と長寿命を確保するための必須条件であることを忘れてはなりません。

「課題」とは何ですか？

どの資産にも、考慮し克服すべき固有の特性が存在します。それが地盤工学業界を面白くしている理由の一つです。もし、あるプロジェクトから次のプロジェクトへとあらゆる解決策を無造作にコピー＆ペーストできるとしたら、どれほど退屈な仕事になるか想像してみてください。

さて、問題の壁に戻りましょう。なぜ問題なのでしょうか？所有者にとってこの壁が懸念事項となる理由はいくつか考えられます。

• 垂れ下がっているか、回転している。
• 剥離している。
• それは、土木工事や杭打ちなどの修復が必要な地盤を保持することである。

目に見える問題点を理解することは、資産の安全性と運用可能性を検証するために監視すべきパラメータを特定する上で、良い第一歩となります。基礎の破損や地盤の飽和など、問題が目に見えない場合は、通常、まず適切な侵入調査が実施されます。

この例では、壁は回転運動の影響を受け、クライアントは対象物のすぐ近くで杭打ち工事を行う予定です。これにより、測定すべきパラメータの明確な出発点が得られます。

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何を測定する必要があるのか​​？

何を測定する必要があるのか​​、そしてどのように測定する必要があるのか​​を決定することは、答えるよりもはるかに簡単な質問です。ここではエンジニアが机上調査と現地調査の結果に基づいて、測定すべきパラメータを既に定義していると仮定します。そうすると、私たちの焦点は、計測機器とデータ取得の要件に移ります。

機器を選ぶ前に、いくつかの要素を考慮する必要があります。

• 固定の詳細 – 機器はどのように資産に取り付けられますか？
• これはこの特定の種類の資産を測定するために設計されたものですか？
• 構造技術者、地盤技術者、または設計技術者の計算に基づき、想定される可動範囲（またはそれに相当するパラメータ）に対応できますか？

様々なパラメータを測定する必要性は一つの課題です。特に予算の制約や厳しい納期に直面している場合、それらの優先順位付けは別の課題となります。最も一貫性があり信頼性の高い測定結果を提供する技術を合理的に判断することは、プロジェクトを成功させるだけでなく、予算内であなたとクライアントの両方が納得できる測定結果を提供するために不可欠です。

業界の発展に伴い、監視技術における実験と革新が継続的に行われており、その成功度や用途への適合性は様々です。今回の例では、従来型の比較的シンプルなものに留めます。

資産が抱える課題、特に構造物の近くで実施する必要のある杭打ち工事について明確に理解した上で、適切な手段を検討することができます。この例では、複数の出力タイプを持つ手段を提案します。

• バイブレーティングワイヤー
• 4～20mA
• SDI-12

この多様な出力範囲により、拡張性や将来のプロジェクトへの再展開の可能性を備えた、包括的かつ機敏なシステムを設計する柔軟性が得られます。

リニアポテンショメータ（上）、MEMS加速度計機構（左）、バイブレーティングワイヤ原理（右）、SDI-12原理（下）。

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測定頻度

測定周波数（サンプリング周波数、測定速度、サンプリング速度、収集速度とも呼ばれる）は、プロジェクトで使用可能な計測機器と、それらの計測機器を測定するために必要なハードウェアの両方を決定する重要な要素の1つです。

この例では、3種類の出力タイプを選択しました。

• アナログ電圧信号（4～20mA） – アナログベースの計測器は、一般的に出力を生成するために一定の励起（電圧または電流）を必要とします。
• バイブレーティングワイヤ出力 – これは、共振を誘発するための電気信号を必要とし、ワイヤの張力に基づいて測定可能な周波数出力を生成します。
• SDI-12出力 – このタイプの出力は、測定周波数の可能性が限られているデジタル信号ですが、静的アプリケーションにおいて消費電力を抑えながら、1本のケーブルを介して長距離にわたって複数の計測器を制御できます。

適切な測定器を選ぶ際には、必ず取扱説明書で精度、分解能、再現性、および安定時間を確認してください。振動ワイヤ式測定器の場合は、周波数範囲も確認してください。これは、許容される最速の測定周波数を決定するからです。

ほとんどのデジタル出力（RS-232、RS-422、RS-485、SDI-12）では、最大測定周波数が制限されているため、これらの機器は静的な用途に適しています。この制限は、デジタル機器が一定間隔でポーリングされ、データロガーが次の機器に移動して再び測定を要求する前に、基本的に順次呼び出されて測定値を提供する必要があるためです。この遅延が蓄積され、測定値を取得するのに必要な全体の時間に影響を与えます。

静的測定と動的測定

業界では一般的に測定頻度を2つのカテゴリーに分類しています。これらは正式な規格に基づくものではありませんが、製造業者や実務者の間で広く受け入れられています。

• 1秒以上の間隔で取得された静的測定値
• 1秒未満の間隔で取得された動的測定値

振動する資産や要素の動的測定においては、特に測定周波数と測定対象の資産または要素の振動周波数との関係など、追加の考慮事項が必要となります。詳細については、「アンチエイリアシング電気信号」および「ナイキスト・シャノン定理」で検索してください。

この例では、変化をつけるために、バイブレーティングワイヤー式計測器を1分間隔で、4～20mA計測器を1分間隔で、そしてSDI-12計測器を10分間隔で測定します。

通信

ほとんどの場合、データロガーにデータをローカルに保存するのではなく、オフサイトまたはオンサイトの制御室に送信することが求められます。これには、携帯電話回線、衛星通信、監視制御・データ収集（SCADA）システムとの統合など、さまざまな方法があります。利用可能なオプションは地域によって異なる場合があります。ご不明な点がある場合は、お近くのCampbell Scientificのオフィスにお問い合わせください。

この記事では、通信手段を無線と有線に分類します。

無線通信

ほとんどの用途では、記録された測定値を外部の可視化プラットフォームに送信するには、携帯電話回線接続で十分です。ただし、携帯電話モデムの種類や、データロガー／ゲートウェイ間の物理的な通信方法、そしてこの接続で処理されるトラフィック量には注意が必要です。

• 例えば、動的監視システムを使用する場合、CAT4モデムではデータ収集システムでの測定データの滞留を回避するために必要なアップロード速度を確保できないことが一般的であるため、可能な限りCAT12や5Gなどのより高性能なモデムを使用します。
• 極めて僻地では、衛星通信が必要となる場合があります。

どちらの選択肢もかなりの電力を消費するため、電力予算に組み込む必要がありますが、現在の市場状況では衛星通信の方がはるかに高額になります。また、購入前に衛星通信のサービスエリアと設置要件についても考慮する必要があります。

ほとんどの国では何らかの携帯電話ネットワークが利用可能です。3Gネットワ​​ークはすぐに陳腐化し、4Gネットワ​​ークも間もなく陳腐化することを念頭に置いてください。システムを長期間運用する場合は、将来を見据えた対策を講じる必要があります。携帯電話接続は一般的にコストが低く、より広い範囲をカバーし、自動アラートに必要な安定した通信範囲も確保できます。

複数のステーション間またはデータロガー間の無線通信には、無線通信が一般的な選択肢となります。最適な選択肢は、消費電力とデータパケットサイズによって異なります。

• 大容量データパケットや高速データ転送（ファームウェアのアップデート、複数のデータファイルなど）には、Wi-Fiまたはスペクトラム拡散（UHF、VHF）が適している場合があります。
• 低消費電力と低データ転送速度が求められる場合、LoRaまたはLoRaWANが好ましい場合があります。
• 消費電力が非常に低く、通信範囲も限られているため、Bluetoothが最良の選択肢となるかもしれません。

最適なソリューションを見つけるには、用途と、無線通信で何を達成したいかによって決まります。

有線通信

主な有線接続オプションは4つあり、それぞれに長所と短所があります。

• イーサネット
• シリアル通信（RS-232、RS-422、RS-485）
• CANバス
• 光ファイバー

Campbell Scientificは、プロジェクトのモニタリングに適した独自の通信プロトコルも複数開発しています。PakBus、CPI、EPI、SDI-12、およびCS I/Oなどです。これらのプロトコルの詳細については、お近くのCampbell Scientificオフィスにお問い合わせください。

上記すべてのオプション（無線および有線）は、Modbus、TCP/IP、Ethernet/IP、MQTT/S、HTTP/S、PROFIBUS/PROFINET、BACnet、EtherCATなど、さまざまなプロトコルによってサポートされている通信媒体です。

最適な有線接続オプションを決定する際には、セキュリティ、アドレス指定可能性、および距離という3つの重要な要素に注目してください。有線通信媒体はそれぞれこれらの点で限界があり、プロジェクトの要件を3つすべてにおいて理解することで、最適な選択肢を見つけることができます。

電源

資産の種類、パラメータ、測定頻度がわかったので、システムの電力要件を検討できます。

最適な電源を選ぶ際には、以下の点を考慮してください。

• システムと資産の所在地
• 測定頻度
• 通信周波数
• 将来のシステム拡張の可能性

これらの要素すべてが組み合わさり、ある程度の冗長性も備えているため、ほぼあらゆる状況下で測定を継続することが可能です。

立地と太陽光発電

電力供給において、立地条件は最も重要な決定要因です。砂漠に設置されたソーラーパネルは、洞窟に設置されたものよりも1日あたりの日照時間が長くなります。そのため、Campbell Scientific社は、電力予算計算を支援する無料のツールを開発しました。このインタラクティブなプログラムには、いくつかのプリセットが用意されているほか、ユーザー自身の場所や設置場所を追加することも可能です。

注： 温度はバッテリーの健全性と寿命に大きな影響を与えるため、検討したいカスタムロケーションについては、月平均気温を必ず含めてください。

プログラム内では、特定のハードウェアを選択（または独自のハードウェアを追加）し、測定および通信周波数を設定し、システムが完全に消耗するまでの日数を指定できます。すると、計算ツールは、設定された間隔でシステムを稼働させるのに最適なバッテリー容量（アンペア時）とソーラーパネルのサイズ（ワット数）を算出します。

太陽光発電パネルには、単結晶シリコン（Mono-Si）と多結晶シリコン（Poly-Si）が業界で一般的に使用されており、コストに対して中～高効率を実現しています。設置場所のスペースと立地条件によって、どちらのパネルを選ぶかが決まるでしょう。

• 限られたスペースでは、単位面積あたりの効率が高い単結晶シリコンの方が適しています。
• 広い設置スペースとコスト重視の場合、ポリシリコンの方が経済的な選択肢となる可能性があります。

以下は、太陽光入力と放電のグラフの例です。

グラフをクリックすると拡大画像が表示されます。

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理論的な計算が完了し、バッテリーとソーラーパネルが揃ったら、次は最適な設置方法です。ソーラーパネルを設置する際は、北半球では南向き、南半球では北向きに、30～40度の角度で設置するようにしましょう。完全に水平に設置することは必ずしも可能ではありませんが、できる限り近い角度にしてください。設置前に、周囲の植生や樹冠の成長状況を確認してください。設置時点では問題にならないかもしれませんが、生育期には周囲の植生がパネルの発電効率に影響を与える可能性があります。

バッテリーの選択

近年、バッテリー技術の向上に向けた取り組みが活発化していますが、これは利点であると同時に、バッテリーの種類による違いを深く理解していない人にとっては混乱の原因にもなりかねません。「どのバッテリーが最適か？」という問いに対する答えは、一般的に用途によって異なり、単純なものではありません。

最適なバッテリーを選ぶ際には、以下の点を考慮してください。

以下に、一般的なバッテリーの構成とその長所・短所をまとめました。

すべてをまとめる

必要な要素がすべて揃ったので、この問題のある壁に最適なシステムを提案し、それを実現できるメーカーと建設的な話し合いをするために必要なものが揃いました。（まさにうってつけの会社を知っていますよ！）

メーカーにアプローチする前にこれらの点を一つずつ検討しておくことで、システム設計に関する議論をより簡潔かつ実りあるものにすることができます。また、チャネル数、コスト、設置要件といった具体的な相違点について、両者が明確な解決策を携えて交渉しやすくなります。

おそらく最も重要なのは、これらの考慮事項を理解することで、監視システムの要件をエンドクライアントや資産所有者に自信を持って伝えることができる点です。説得力のある、論理的な提案書は、資金調達や、ますます困難になっている作業エリアへのアクセス確保において、大きな違いを生み出します。

壁面への設置や、それに伴う様々な疑問点について、その目的を達成できる方法は数多く存在します。異なるメーカーの製品を比較検討し、自分にとって最適なもの、そして用途に最適なものを見極めようとすると、途方に暮れてしまうかもしれません。データロガーの色だけで判断すべきではありません。

色の違いだけが唯一の決め手であれば、それで全く問題ありません。しかし、どのシステムが自分の用途に最適か本当に分からない場合は、メーカーに問い合わせてアドバイスを求めてください。

最初のメールで見積もりを提示されたら、その業者とは取引しない方が良いでしょう。必要なのは、質問をし、あなたの抱える課題を理解し、あなたの具体的なニーズに合わせてシステムをカスタマイズしてくれる業者です。

掘り下げた質問は、時間がかかると感じたり、少し煩わしく感じるかもしれません。しかし、これらの質問には理由があります。それは、既に苦い経験から学んだ教訓を繰り返さないためです。ですから、監視システムを導入する際には、システムが期待どおりに機能することを確信していただけます。

まだ迷っていますか？ここまで全部読んだ後でも？

直接メールで私に連絡を取りたい場合は、andrew.mercer@campbellsci.co.ukまでメールをお送りください。