JP2010276343A

JP2010276343A - System and method for measuring soil grain

Info

Publication number: JP2010276343A
Application number: JP2009126022A
Authority: JP
Inventors: Yasukatsu Yoshida; 安克吉田; Toru Shimada; 徹島田; Masaharu Fujita; 正治藤田; Hiroshi Deguchi; 大志出口; Shigeshi Yamakoshi; 重志山越
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Infrastructure Network Corp; Kyoto University NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Infrastructure Network Corp; Kyoto University NUC
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a soil grain measuring system for measuring or monitoring the grain size of soil grains and the amount of drift sand, a method of measuring soil grains, and a program. <P>SOLUTION: The soil grain measuring system includes an FBG sensor 11 disposed in a direction orthogonal to a direction with soil grains flowing therein, an FBG analyzer 12 for detecting the amount of distortion caused by the collision of grains from an optical signal of Bragg wavelength output from the sensor 11, and a soil grain controller/monitor 13 for determining the grain size of the soil grains and the amount of drift sand from the value of a detected amount of distortion. By the controller/monitor 13, an assumed value on the grain size of the soil grain is determined from the value of the detected amount of distortion to calculate the kinetic energy of the soil grains when they collide with the FBG sensor with respect to the assumed value and an expected value of the kinetic energy, determining the grain size of the soil grains and the amount of drift sand from the kinetic energy of the assumed value causing a difference between the kinetic energy and the expected value of the kinetic energy to fall within a prescribed allowable range. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、流体によって運ばれる土粒子の粒径及び流砂量を計測する土粒子計測システム及び土粒子計測方法に関する。 The present invention relates to a soil particle measurement system and a soil particle measurement method for measuring the particle size and the amount of sediment flow of soil particles carried by a fluid.

荒廃した山地をはじめとする土地から土砂が流出すると、河床が上昇して河川の流れが変わることがある。また、ダム等により土砂供給が遮断されると水みちが固定したり河床が低下したりする。このような現象は、河川の形を急激に変えて洪水氾濫など周囲への被害を与えるばかりでなく、生活用水を取水することが不便になる場合も少なくない。また、海岸地形の変化をもたらす場合もある。このようなことから、河川での土砂の管理が重要である。また、土砂流出に起因する土砂災害は、現在もなお頻発しており、土砂災害に対する管理システムの構築も急務である。 When sediment flows from land such as devastated mountains, the riverbed may rise and the river flow may change. Also, if the earth and sand supply is cut off by a dam or the like, the water channel is fixed or the river bed is lowered. Such a phenomenon not only causes a sudden change in the shape of the river and causes damage to the surroundings such as flooding, but it is often inconvenient to take water for daily use. It may also cause changes in coastal topography. For this reason, it is important to manage sediment in rivers. In addition, sediment disasters caused by sediment runoff are still frequent, and it is urgent to establish a management system for sediment disasters.

河川での土砂の管理を行うことは、河川を構成する水という流体の中で、土砂などの粒子（以下、「土粒子」と称する）を管理することであり、土粒子の粒径と流砂量を分離して計測することが必要になる。粒径と流砂量を測定（モニタリング）することができれば、流域内の土砂の適切なバランスを維持するための土砂管理や下流域での土砂災害への危機管理情報の発信に資するデータを得ることができる。 The management of sediment in rivers is the management of particles such as sediment (hereinafter referred to as “soil particles”) in a fluid called water that constitutes rivers. It is necessary to measure the quantity separately. If you can measure (monitor) the particle size and the amount of sediment, obtain data that contributes to sediment management to maintain an appropriate balance of sediment in the basin and to transmit crisis management information to sediment disasters in the downstream basin. Can do.

このような河川での土砂の管理を行うことを目的として、ハイドロフォンと呼ばれる音響信号検出技法が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。この技法は、衝突音と衝突回数を測定できるセンサを河床等の所定の場所に設置し、土砂がセンサに衝突する衝突音とその数を音の大きさ毎に集計して、その集計値から流砂量に変換する技法である。 An acoustic signal detection technique called hydrophone has been conventionally known for the purpose of managing soil and sand in such rivers (see, for example, Patent Document 1). In this technique, a sensor that can measure the impact sound and the number of impacts is installed at a predetermined location such as a riverbed, and the impact sound and the number of impacts that the earth and sand collide with the sensor are counted for each loudness level. It is a technique that converts to the amount of sand flow.

一方、図２０に示すように、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）光ファイバを用いて河川での土砂の管理を行う技法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＢＧ光ファイバ１１は、光ファイバの長手方向の屈折率を一定周期で変化するように製作された複数の回折格子１１ｃとして作用するコア１１ｂを有し、このコア１１ｂは、クラッド１１ａで被覆されている。ＦＢＧ光ファイバ１１に光が入射されて通過する際、透過する成分とは別に特定の波長の光のみが反射される現象が起こる（この反射光の波長スペクトル中心λ_Ｂは、「ブラッグ波長」と称される）。例えば、ＦＢＧ光ファイバ１１のコア１１ｂに対して外部から土粒子による衝突が生じると、コア１１ｂにおける機械的ひずみや張力が変化して、反射される光の波長が変化する。このブラッグ波長の変化分を測定することで土粒子の衝突に起因する機械的ひずみや張力を知ることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 20, a technique for managing soil and sand in a river using a fiber Bragg grating (FBG) optical fiber is known (for example, see Non-Patent Document 1). The FBG optical fiber 11 has a core 11b that functions as a plurality of diffraction gratings 11c manufactured so that the refractive index in the longitudinal direction of the optical fiber changes at a constant period. The core 11b is covered with a clad 11a. Yes. When light enters and passes through the FBG optical fiber 11, a phenomenon occurs in which only light having a specific wavelength is reflected apart from the transmitted component (the wavelength spectrum center λ _B of the reflected light is “Bragg wavelength”. Called). For example, when a collision with soil particles occurs from the outside with respect to the core 11b of the FBG optical fiber 11, the mechanical strain and tension in the core 11b change, and the wavelength of reflected light changes. By measuring the change in the Bragg wavelength, it is possible to know the mechanical strain and tension resulting from the collision of the soil particles.

特許２８７６０２１号明細書Japanese Patent No. 2876021

「製品・サービス一覧」、株式会社東京測器研究所、［online］、［平成２１年４月２４日検索］、インターネット〈http://www.tml.jp/product/special_ins/fiber_measurement/fbg.html〉“Products / Services”, Tokyo Sokki Kenkyujo Co., Ltd., [online], [Search April 24, 2009], Internet <http://www.tml.jp/product/special_ins/fiber_measurement/fbg. html>

従来技術におけるハイドロフォンの技法は、音響特性を持った管状体内に搭載した音響センサ部への粒子の衝突音の回数（以下「パルス数」と称する）とその音の大きさにより間接的に流砂量や粒径を測定することができる。 Hydrophone technology in the prior art is based on the number of particle impact sounds (hereinafter referred to as “number of pulses”) to the acoustic sensor unit mounted in a tubular body having acoustic characteristics and indirectly by the volume of the sound. The amount and particle size can be measured.

しかしながら、上記ハイドロフォンの技法は、流砂量の計測のみで、流砂量（質量）と粒径（粒度分布）の両方を計測することが難しく、且つ、音響センサは音響を電気信号に変換し信号処理するため、河川などに利用する際の防水処理や電気漏電などによる故障や落雷などの自然災害による故障の可能性が高い。 However, it is difficult to measure both the amount of sand (mass) and the particle size (particle size distribution) with the hydrophone technique described above, and the acoustic sensor converts the sound into an electrical signal. Therefore, there is a high possibility of failure due to waterproof treatment or electric leakage when used in rivers, or due to natural disasters such as lightning strikes.

一方、ＦＢＧ光ファイバによる反射波で計測する技法は、ＦＢＧ光ファイバ自体に電源を必要としないため、電気的故障はない。しかしながら、同じ質量の土粒子であっても衝突する位置、角度、及び速度に関連する運動エネルギーによりひずみ量が異なることから、実際の流砂量（質量）との誤差が大きい場合があり、粒径も特定することが困難であった。 On the other hand, the technique of measuring with a reflected wave by the FBG optical fiber does not require a power source for the FBG optical fiber itself, and thus there is no electrical failure. However, even when soil particles have the same mass, the amount of strain differs depending on the kinetic energy associated with the collision position, angle, and speed, so there may be a large error from the actual sediment mass (mass). It was also difficult to identify.

本発明の目的は、衝突する土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測可能な土粒子計測システム及び土粒子計測方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a soil particle measuring system and a soil particle measuring method capable of measuring the particle size and the amount of sand flow (mass) of colliding soil particles.

本発明の土粒子計測システム及び土粒子計測方法は、ＦＢＧセンサによる反射波で計測されるＦＢＧセンサの土砂衝突ひずみと運動エネルギーについての実験で得られた関係と、流砂の躍動運動（Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動）解析の理論とに基づいて、流体によって運ばれる土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測する。 The soil particle measuring system and the soil particle measuring method of the present invention are the relationship obtained by the experiment about the soil collision distortion and kinetic energy of the FBG sensor measured by the reflected wave by the FBG sensor, and the dynamic motion (Saltation motion) of the sediment. Based on the theory of analysis, the particle size and the amount of sediment (mass) of soil particles carried by the fluid are measured.

即ち、本発明の土粒子計測システムは、土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測システムであって、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備え、前記土粒子管理・監視装置は、当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出する手段と、前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出する手段と、前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定する手段と、該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成する手段とを有することを特徴とする。 That is, the soil particle measurement system of the present invention is a soil particle measurement system for measuring or monitoring the particle size and the amount of sand flow of the soil particles, the FBG sensor disposed in a direction perpendicular to the direction in which the soil particles flow, An FBG analyzer that detects the amount of strain caused by the collision of soil particles from the optical signal of the Bragg wavelength output from the FBG sensor, and soil particle management that determines the particle size and the amount of sand flow from the detected strain values. The soil particle management / monitoring device determines an assumed value of the particle size of the soil particle from the detected strain value, and the soil particle at the time of collision with the FBG sensor at the assumed value. For calculating the kinetic energy of the soil particles based on the experimentally obtained value in advance, and calculating the expected value of the kinetic energy of the soil particles at the assumed value based on the Saltation kinetic theory And the assumed value is changed until the difference between the kinetic energy and the expected kinetic energy falls within a predetermined allowable range, and the particle size and sand flow amount of soil particles from the kinetic energy within the predetermined allowable range. And means for generating as information for measuring or monitoring the determined particle size and sand flow rate of the soil particles.

また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記土粒子管理・監視装置は、前記決定した土粒子の粒径について、所定時間分の累積値を時間累積流砂量として監視し、所定のしきい値以上となった場合に警報又は警告を発する手段を更に備えることを特徴とする。 Further, in the soil particle measuring system of the present invention, the soil particle management / monitoring device monitors a cumulative value for a predetermined time as a time cumulative sedimentation amount for the determined particle size of the soil particles, and a predetermined threshold value It is further characterized by further comprising means for issuing an alarm or warning when the above is reached.

また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の運動エネルギー期待値は、土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の各々について確率的に求めた値から算出されることを特徴とする。 In the soil particle measurement system of the present invention, the expected kinetic energy value of the soil particles based on the Saltation kinetic theory is calculated from values obtained probabilistically for each of the collision speed, the collision position, and the collision angle of the soil particles. It is characterized by that.

また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記決定した土粒子の粒径の衝突速度、衝突位置及び衝突角度は、前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の確率情報に反映されることを特徴とする。 In the soil particle measurement system of the present invention, the determined collision speed, collision position, and collision angle of the particle size of the soil particles are the probability information of the collision speed, collision position, and collision angle of the soil particles based on the Saltation motion theory. It is reflected in.

また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記運動エネルギーは、粒径ごとに予め実験的に得られた基準運動エネルギーと、衝突角度別の予め規定された衝突角度係数と、衝突位置別の衝突位置係数との積で与えられていることを特徴とする。 In the soil particle measurement system according to the present invention, the kinetic energy includes reference kinetic energy obtained experimentally in advance for each particle size, a predetermined collision angle coefficient for each collision angle, and a collision for each collision position. It is given as a product of the position coefficient.

また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記ＦＢＧセンサは、ブラッグ波長の発生部分のＦＢＧ光ファイバとは強度及びひずみ検知感度が異なる材質（例えば、強化塩化ビニル管や金属管など）の管の内側に接着して構成されていることを特徴とする。 In the soil particle measuring system of the present invention, the FBG sensor is made of a tube made of a material (for example, a reinforced vinyl chloride tube or a metal tube) having a strength and strain detection sensitivity different from those of the FBG optical fiber in the Bragg wavelength generation portion. It is characterized by being bonded to the inside.

また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサは、複数のＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧ光ファイバ組として、複数のＦＢＧ光ファイバ組からなり、前記複数のＦＢＧ光ファイバは直列に接続され、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記土粒子が流れる方向と直行する方向に並行配置されていることを特徴とする。 In the soil particle measurement system according to the present invention, the FBG sensor arranged in a direction perpendicular to the direction in which the soil particles flow is a plurality of FBG optical fibers as an FBG optical fiber set including a plurality of FBG optical fibers. The plurality of FBG optical fibers are connected in series, and the plurality of FBG optical fiber sets are arranged in parallel in a direction orthogonal to the direction in which the soil particles flow.

また、本発明の土粒子計測システムにおいて、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記管の断面方向にて、前記管の中心と前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの１つとを結ぶ直線を軸としたとき、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの当該１つ以外のＦＢＧ光ファイバ組が該軸を中心に対称配置されていることを特徴とする。 Further, in the soil particle measuring system according to the present invention, the plurality of FBG optical fiber groups may have a straight line connecting the center of the tube and one of the plurality of FBG optical fiber groups in the cross-sectional direction of the tube. In this case, the FBG optical fiber sets other than the one of the plurality of FBG optical fiber sets are arranged symmetrically about the axis.

更に、本発明の土粒子計測方法は、土粒子計測システムにて土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測方法であって、前記土粒子計測システムは、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備えており、前記土粒子管理・監視装置の処理は、当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを含むことを特徴とする。 Further, the soil particle measuring method of the present invention is a soil particle measuring method for measuring or monitoring the particle size and the amount of sand flow in the soil particle measuring system, wherein the soil particle measuring system is a direction in which the soil particles flow. Sensor that is arranged in a direction perpendicular to the FBG sensor, an FBG analyzer that detects the amount of strain caused by the collision of soil particles from the optical signal of the Bragg wavelength output from the FBG sensor, and soil particles from the value of the detected strain amount A soil particle management / monitoring device that determines the particle size and the amount of sand flow, and the processing of the soil particle management / monitoring device determines an assumed value of the particle size of the soil particles from the detected strain amount value. Then, calculating the kinetic energy of the soil particles at the time of the collision with the FBG sensor at the assumed value based on a value experimentally obtained in advance, and the kinetic energy of the soil particles at the assumed value Calculating an expected ghee value based on the saltation kinetic theory, and changing the assumed value until a difference between the kinetic energy and the expected kinetic energy falls within a predetermined allowable range, The method includes a step of determining the particle size and the amount of sand flow from the kinetic energy, and a step of generating as information for measuring or monitoring the determined particle size and the amount of sand flow of the soil particles.

更に、本発明は、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備える土粒子計測システムにて、土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子管理・監視装置として構成するコンピュータに、当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを実行させるためのプログラムとしても特徴付けられる。 Furthermore, the present invention provides an FBG sensor arranged in a direction orthogonal to the direction in which soil particles flow, and an FBG analyzer that detects the amount of strain caused by the collision of soil particles from an optical signal having a Bragg wavelength output from the FBG sensor. And soil particle measuring system comprising a soil particle management / monitoring device that determines the particle size and the sediment flow rate of soil particles from the detected strain value. A computer configured as a particle management / monitoring device determines an assumed value of the particle size of the soil particles from the detected strain value, and calculates the kinetic energy of the soil particles at the time of collision with the FBG sensor at the assumed value. A step of calculating based on a value experimentally obtained in advance, and calculating an expected value of the kinetic energy of the soil particles in the assumed value based on the saltation kinetic theory. And changing the assumed value until the difference between the kinetic energy and the expected kinetic energy falls within a predetermined allowable range, and from the kinetic energy within the predetermined allowable range, the particle size of the soil particles and the amount of sand flow And a step of generating information as information for measuring or monitoring the determined particle size and sand flow rate of the soil particles.

本発明によれば、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるようになる。 According to the present invention, it becomes possible to measure or monitor the particle size and the amount of sand flow (mass) of soil particles.

本発明による一実施例の土粒子計測システムの概略図である。It is the schematic of the soil particle measuring system of one Example by this invention. 本発明による一実施例の土粒子計測システムにおけるＦＢＧセンサの構成例である。It is a structural example of the FBG sensor in the soil particle measuring system of one Example by this invention. （ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、１本の光ファイバに一列に複数のＦＢＧ光ファイバを設けたＦＢＧセンサの構成例である。（ｂ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、ＦＢＧ光ファイバを設けたＦＢＧセンサの構成例である。(A) is a configuration example of an FBG sensor in which a plurality of FBG optical fibers are provided in a row on one optical fiber in the soil particle measurement system of one embodiment according to the present invention. (B) is a structural example of the FBG sensor which provided the FBG optical fiber in the soil particle measuring system of one Example by this invention. 本発明による一実施例の土粒子計測システムにおけるＦＢＧアナライザの観測結果例である。It is an example of the observation result of the FBG analyzer in the soil particle measuring system of one Example by this invention. （ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、土粒子が衝突角度φで衝突した際のひずみの検出値をＦＢＧ光センサで検出する構成例を示す図であり、（ｂ）は、その検出結果の一例を示す図である。(A) is a figure which shows the structural example which detects the detected value of the distortion at the time of the soil particle colliding with the collision angle (phi) in the soil particle measuring system of one Example by this invention by an FBG optical sensor, (b ) Is a diagram showing an example of the detection result. （ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、土粒子が衝突位置θで衝突した際のひずみの検出値をＦＢＧ光センサで検出する構成例を示す図であり、（ｂ）は、その検出結果の一例を示す図である。(A) is a figure which shows the structural example which detects the detection value of the distortion at the time of the soil particle colliding in the collision position (theta) by the FBG optical sensor in the soil particle measuring system of one Example by this invention, (b) ) Is a diagram showing an example of the detection result. （ａ）は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、土粒子が衝突速度ｖで衝突した際のひずみの検出値をＦＢＧ光センサで検出する構成例を示す図であり、（ｂ）は、その検出結果の一例を示す図である。(A) is a figure which shows the structural example which detects the detected value of the distortion at the time of the soil particle colliding with the collision speed v in the soil particle measuring system of one Example by this invention by an FBG optical sensor, (b ) Is a diagram showing an example of the detection result. 本発明による一実施例の土粒子計測システムのブロック図である。It is a block diagram of the soil particle measuring system of one Example by this invention. 河川の断面積、幅及び水深を規定して河川の基本流速を算出する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of calculating the basic flow velocity of a river by prescribing | regulating the cross-sectional area, width | variety, and water depth of a river. 衝突位置をセンサ直上とし、衝突角度が直行するときの所定の粒径について検出したひずみに対応する基準運動エネルギーの特性例を示す図である。It is a figure which shows the example of a characteristic of the reference | standard kinetic energy corresponding to the distortion detected about the predetermined particle size when a collision position is right above a sensor and a collision angle is orthogonal. 本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、衝突角度φ別の衝突角度係数ａのマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the collision angle coefficient a according to collision angle (phi) in the soil particle measuring system of one Example by this invention. 本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、衝突位置θ別の衝突位置係数ｂのマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the collision position coefficient b according to collision position (theta) in the soil particle measuring system of one Example by this invention. Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルの説明図である。It is explanatory drawing of a Saltation analysis model. Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析の説明図である。It is explanatory drawing of Saltation analysis. （ａ）は、１つの土粒子が、河床球上（管に対応する）を横軸：距離（ｍ）とし、河床に鉛直な方向を縦軸：高さ（ｍ）として、３つのＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡として表している例を示す図であり、（ｂ）は、そのＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡の一部の拡大図である。(A) shows three saltation trajectories for one soil particle, with the horizontal axis: distance (m) on the riverbed sphere (corresponding to the tube) and the vertical axis to the riverbed: height (m). (B) is an enlarged view of a part of the saltation trajectory. ５０００個の土粒子を流した場合の衝突角度のシミュレーション結果例を示す図である。It is a figure which shows the example of a simulation result of the collision angle at the time of flowing 5000 soil particles. ５０００個の土粒子を流した場合の衝突位置のシミュレーション結果例を示す図である。It is a figure which shows the example of a simulation result of the collision position at the time of flowing 5000 earth particles. 本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、３つのＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧセンサを全て直列に接続した上で並行配置する例を示す図である。In the soil particle measuring system of one Example by this invention, it is a figure which shows the example arrange | positioned in parallel, after connecting all the FBG sensors which make 3 sets of FBG optical fibers in series. 本発明による一実施例の土粒子計測システムにおける、３つのＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧセンサを全て直列に接続した上で並行配置する一例を示す図である。In the soil particle measuring system of one Example by this invention, it is a figure which shows an example arrange | positioned in parallel, after connecting all the FBG sensors which make 3 sets of FBG optical fibers in series. ＦＢＧ光ファイバの構成及び動作原理の説明図である。It is explanatory drawing of a structure and operating principle of a FBG optical fiber.

以下、本発明による一実施例の土粒子計測システムを説明する。 Hereinafter, a soil particle measuring system according to an embodiment of the present invention will be described.

［システム構成］
図１は、本発明による一実施例の土粒子計測システムの概略図である。河川での土粒子を管理する例として説明する。本実施例の土粒子計測システムは、ＦＢＧセンサ１０と、ＦＢＧアナライザ１２と、土粒子管理・監視装置１３と備える。 [System configuration]
FIG. 1 is a schematic diagram of a soil particle measuring system according to an embodiment of the present invention. This will be described as an example of managing soil particles in a river. The soil particle measurement system of this embodiment includes an FBG sensor 10, an FBG analyzer 12, and a soil particle management / monitoring device 13.

ＦＢＧセンサ１０は、土粒子の衝突ひずみを計測することができ、河川における水の流れと直行する態様、即ち土粒子が流れる方向と直行する方向に配置される。 The FBG sensor 10 can measure the collision strain of soil particles, and is arranged in a mode orthogonal to the flow of water in the river, that is, in a direction orthogonal to the direction in which the soil particles flow.

ＦＢＧアナライザ１２は、ＦＢＧセンサ１０と光ファイバ１１２で接続され、ＦＢＧセンサ１０から出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出する。 The FBG analyzer 12 is connected to the FBG sensor 10 by an optical fiber 112 and detects the amount of strain caused by the collision of soil particles from an optical signal having a Bragg wavelength output from the FBG sensor 10.

土粒子管理・監視装置１３は、いわゆるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成することができ、ネットワーク（インターネット又はＶＰＮ（仮想プライベートネットワーク）等）を通じてＦＢＧアナライザ１２に接続され、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する。 The soil particle management / monitoring device 13 can be constituted by a so-called personal computer (PC), and is connected to the FBG analyzer 12 through a network (Internet or VPN (virtual private network), etc.). Determine the particle size and the amount of sediment.

図２及び図３は、本発明による一実施例の土粒子計測システムにおけるＦＢＧセンサの構成例である。図２に示すように、ＦＢＧセンサ１０は、ＦＢＧ光ファイバ１１（図２０参照）とは強度及びひずみ検知感度が異なる材質（例えば、強化塩化ビニル管や金属管など）の管１１１の内側にＦＢＧ光ファイバ１１を接着し、防水処理して構成したものである。また、図３（ｂ）に示すように、ＦＢＧ光ファイバ１１は、コア１１ｂの所定の幅ＬＢ内で屈折率が一定の周期Ａで変化するように複数の回折格子１１ｃ（図３（ｂ）で例示する回折格子１１ｃ１〜１１ｃ９）で製作されたものであり、特定の波長（ブラッグ波長）の光のみを選択的に反射する。この反射光は、光ファイバ１１２の一方から規定のパルス幅の光信号を入射することにより観測することができる。 2 and 3 are configuration examples of the FBG sensor in the soil particle measurement system of one embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 2, the FBG sensor 10 has an FBG inside a tube 111 made of a material (for example, a reinforced vinyl chloride tube or a metal tube) having a strength and strain detection sensitivity different from those of the FBG optical fiber 11 (see FIG. 20). The optical fiber 11 is bonded and waterproofed. Further, as shown in FIG. 3B, the FBG optical fiber 11 includes a plurality of diffraction gratings 11c (FIG. 3B) such that the refractive index changes with a constant period A within a predetermined width LB of the core 11b. Are manufactured by the diffraction gratings 11c1 to 11c9) exemplified in the above, and selectively reflect only light of a specific wavelength (Bragg wavelength). This reflected light can be observed by entering an optical signal having a prescribed pulse width from one of the optical fibers 112.

例えば、図３（ａ）に示すように、１本の光ファイバ１１２に一列に複数のＦＢＧ光ファイバ１１を設けたＦＢＧセンサ１０を示している。土粒子が衝突してＦＢＧセンサ１０にひずみが与えられると、複数の回折格子１１ｃの作用によりブラッグ波長がシフトするため、ＦＢＧアナライザ１２により図４に例示するように衝突の大きさを光信号に変換して定量的に計測することができる。 For example, as shown in FIG. 3A, an FBG sensor 10 in which a plurality of FBG optical fibers 11 are provided in a row on one optical fiber 112 is shown. When the soil particles collide and the FBG sensor 10 is distorted, the Bragg wavelength shifts due to the action of the plurality of diffraction gratings 11c. Therefore, the FBG analyzer 12 converts the magnitude of the collision into an optical signal as illustrated in FIG. It can be converted and measured quantitatively.

しかし、ＦＢＧセンサ１０で検出した土粒子の衝突ひずみは、同一の流砂量（質量）の土粒子であっても衝突角度、衝突位置、及び衝突速度の要因により値が異なることが確かめられている。図５（ａ）に示すように、土粒子が衝突角度φで衝突した際のひずみの検出値を管１１１の内側に設けたＦＢＧ光センサ１０で検出することができ、この検出結果を図５（ｂ）に示す。同様に、図６（ａ）に示すように、土粒子が衝突位置θで衝突した際のひずみの検出値を管１１１の内側に設けたＦＢＧ光センサ１０で検出することができ、この検出結果を図６（ｂ）に示す。同様に、図７（ａ）に示すように、土粒子が衝突速度ｖで衝突した際のひずみの検出値を管１１１の内側に設けたＦＢＧ光センサ１０で検出することができ、この検出結果を図７（ｂ）に示す。 However, it has been confirmed that the collision strain of the soil particles detected by the FBG sensor 10 varies depending on the factors of the collision angle, the collision position, and the collision speed even if the soil particles have the same amount of sand (mass). . As shown in FIG. 5A, the detected strain value when the soil particles collide at the collision angle φ can be detected by the FBG optical sensor 10 provided inside the tube 111. The detection result is shown in FIG. Shown in (b). Similarly, as shown in FIG. 6A, the detection value of the strain when the soil particles collide at the collision position θ can be detected by the FBG optical sensor 10 provided inside the tube 111, and the detection result Is shown in FIG. Similarly, as shown in FIG. 7A, the detected strain value when the soil particles collide at the collision speed v can be detected by the FBG optical sensor 10 provided inside the tube 111, and the detection result Is shown in FIG.

そこで、本実施例の土粒子計測システムは、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測可能にするために提供される。ＦＢＧセンサ１０、ＦＢＧアナライザ１２、及び土粒子管理・監視装置１３を備える本実施例の土粒子計測システムの具体的な構成について、図８を参照して説明する。 Therefore, the soil particle measurement system of the present embodiment is provided to enable measurement of the particle size and the amount of sand flow (mass) of the soil particles. A specific configuration of the soil particle measurement system according to the present embodiment including the FBG sensor 10, the FBG analyzer 12, and the soil particle management / monitoring device 13 will be described with reference to FIG.

本実施例の土粒子計測システムは、ＦＢＧセンサ１１と、ひずみ量検出部１２１を有するＦＢＧアナライザ１２と、土粒子管理・監視装置１３とを備える。 The soil particle measurement system of the present embodiment includes an FBG sensor 11, an FBG analyzer 12 having a strain amount detection unit 121, and a soil particle management / monitoring device 13.

ひずみ量検出部１２１は、ＦＢＧセンサ１１から出力されるブラッグ波長の光信号を入力して、土粒子が衝突した時のひずみ量の値を検出し、土粒子管理・監視装置１３に送出する。 The strain amount detection unit 121 receives the optical signal of the Bragg wavelength output from the FBG sensor 11, detects the strain amount value when the soil particles collide, and sends them to the soil particle management / monitoring device 13.

土粒子管理・監視装置１３は、設定値入力部１３１と、演算部１３２と、記憶部１３３と、制御部１３４と、出力制御部１３５とを備える。土粒子管理・監視装置１３は、汎用のコンピュータで構成することができる。即ち、設定値入力部１３１、演算部１３２、制御部１３４、及び出力制御部１３５の各機能は、記憶部１３３に格納されたプログラムを中央演算処理装置（ＣＰＵ）により実行して実現することができる。 The soil particle management / monitoring device 13 includes a set value input unit 131, a calculation unit 132, a storage unit 133, a control unit 134, and an output control unit 135. The soil particle management / monitoring device 13 can be composed of a general-purpose computer. That is, the functions of the set value input unit 131, the calculation unit 132, the control unit 134, and the output control unit 135 can be realized by executing a program stored in the storage unit 133 by a central processing unit (CPU). it can.

設定値入力部１３１は、河川の流量、幅、勾配、及び粗度係数を含む基本流速の情報を入力して設定する機能と、土粒子の粒径及び流砂量を判定するためのしきい値を入力して設定する機能を有する。尚、設定値入力部１３１は、記憶部１３３に予め格納しておく実験結果情報１３３１、及び基本流速に従う衝突角度・衝突位置・衝突速度の確率情報１３３２、Ｓａｌｕｔａｔｉｏｎ運動理論情報１３３３を入力して格納することができ、更に、制御部１３４によって仮説して決定した土粒子の粒径及び流砂量の値を所定時間単位で累積して（以下、「累積粒径・流砂量情報」１３３４と称する）、格納することができる。 The set value input unit 131 has a function for inputting and setting information on the basic flow velocity including the flow rate, width, gradient, and roughness coefficient of the river, and a threshold value for determining the particle size of the soil particles and the amount of sediment. Has a function to input and set. The set value input unit 131 inputs and stores experimental result information 1331 stored in advance in the storage unit 133, collision angle / collision position / collision velocity probability information 1332 according to the basic flow velocity, and salutation motion theory information 1333. In addition, the particle size of the soil particles and the value of the sand flow determined hypothesized by the control unit 134 are accumulated in a predetermined time unit (hereinafter referred to as “accumulated particle size / sand flow information” 1334). Can be stored.

演算部１３２は、ひずみ量検出部１２１から供給されるひずみ量の値を入力し、ひずみ量の振幅の絶対値を演算する絶対値演算部１３２１と、ひずみ量の振幅の絶対値から土粒子の粒径の仮定値を決定する粒径仮定演算部１３２２と、土粒子の粒径の仮定値から、予め実験的に得られた基準値からなる実験結果情報１３３１を用いて土粒子の運動エネルギー値を算出するエネルギー算出部１３２３と、当該仮定値から、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて土粒子の運動エネルギー期待値を算出する運動エネルギー期待値算出部１３２４とを備える。 The calculation unit 132 receives the strain amount value supplied from the strain amount detection unit 121, calculates an absolute value of the strain amount amplitude, and calculates the absolute value of the strain amount amplitude. The kinetic energy value of the soil particle using the particle size assumption calculation unit 1322 for determining the assumed value of the particle size and the experimental result information 1331 including the reference value obtained experimentally in advance from the assumed value of the particle size of the soil particle. And an expected kinetic energy value calculating unit 1324 that calculates an expected kinetic energy value of the soil particles from the assumed value based on the saltation kinetic theory.

制御部１３４は、エネルギー算出部１３２３によって算出された土粒子の運動エネルギー値と、運動エネルギー期待値算出部１３２４によって算出された土粒子の運動エネルギー期待値とが一致するか否か（即ち、運動エネルギー値と運動エネルギー期待値との差が所定の許容範囲内にあるか否か）の比較を行う第１比較部１３４１を有する。 The control unit 134 determines whether or not the kinetic energy value of the soil particles calculated by the energy calculation unit 1323 matches the expected kinetic energy value of the soil particles calculated by the kinetic energy expected value calculation unit 1324 (that is, the kinetic energy). A first comparison unit 1341 for comparing whether or not the difference between the energy value and the expected kinetic energy value is within a predetermined allowable range.

第１比較部１３４１は、当該比較した各値が一致しない場合には、粒径仮定演算部１３２２に一致しない旨を送出し、粒径仮定演算部１３２２に対してひずみ量の振幅の絶対値から、土粒子の土粒子の粒径の更なる仮定値を決定させる。一方、第１比較部１３４１は、当該比較した各値が一致する場合には、当該一致した運動エネルギー値に対応する土粒子の粒径及び当該一致した運動エネルギー値から算出される流砂量（質量）の値を出力制御部１３５に送出するとともに、所定時間分の粒径及び流砂量の累積値（時間累積流砂量）としての累積粒径・流砂量情報１３３４を得るために記憶部１３３に当該比較した各値が一致する度に所定時間累積して格納する。出力制御部１３５は、土粒子の粒径及び／又は流砂量の値について、当該装置に（又は外部に）設けられた表示装置（図示せず）に表示させるか、又は該装置に（又は外部に）設けられた音声発生器、ブザー、プリンタ又は外部通信装置等の情報出力装置に出力させる機能を有する。 If the compared values do not match, the first comparison unit 1341 sends a message that the particle size assumption calculation unit 1322 does not match, and the particle size assumption calculation unit 1322 determines from the absolute value of the amplitude of the strain amount. Let the soil particle size of the soil particle be further assumed. On the other hand, when the compared values match, the first comparison unit 1341 calculates the amount of sand (mass mass) calculated from the particle size of the soil particles corresponding to the matched kinetic energy value and the matched kinetic energy value. ) To the output control unit 135, and in order to obtain the accumulated particle size / sediment amount information 1334 as a cumulative value of the particle size and the amount of sediment (time accumulated sediment rate) for a predetermined time, Every time the compared values match each other, they are accumulated for a predetermined time and stored. The output control unit 135 causes the display device (not shown) provided in the device (or outside) to display the particle size and / or the amount of sand sediment of the soil particles, or makes the device (or external) B) a function of outputting to an information output device such as a provided sound generator, buzzer, printer or external communication device.

また、制御部１３４は、記憶部１３３に格納された所定時間分の粒径及び流砂量の累積値としての累積粒径・流砂量情報を読み出し、設定値入力部１３１によって設定された、土粒子の粒径及び流砂量を判定するためのしきい値と比較して、この累積粒径・流砂量情報１３３４が当該しきい値以上となった場合に、その旨を出力制御部１３５に送出する。出力制御部１３５は、累積粒径・流砂量情報が当該しきい値以上となった旨を警告・警報として、当該装置に（又は外部に）設けられた表示装置（図示せず）にて表示させるか、又は該装置に（又は外部に）設けられた音声発生器、ブザー、プリンタ又は外部通信装置等の情報出力装置に出力させる機能を有する。 Further, the control unit 134 reads the accumulated particle size / sediment amount information as a cumulative value of the particle size and the amount of sediment for a predetermined time stored in the storage unit 133, and the soil particles set by the set value input unit 131. When the accumulated particle size / sediment amount information 1334 is equal to or greater than the threshold value compared to the threshold value for determining the particle size and the sediment rate, the fact is sent to the output control unit 135. . The output control unit 135 displays a warning / alarm indicating that the accumulated particle size / sediment amount information exceeds the threshold value on a display device (not shown) provided in the device (or outside). Or an information output device such as a sound generator, buzzer, printer, or external communication device provided in the device (or externally).

以下、本実施例の土粒子計測システムの具体的な動作について更に詳細に説明する。 Hereinafter, the specific operation of the soil particle measurement system of the present embodiment will be described in more detail.

［システム動作］
先ず、ＦＢＧアナライザ１２のひずみ量検出部１２１は、ＦＢＧセンサ１１から出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出する。 [System operation]
First, the strain amount detection unit 121 of the FBG analyzer 12 detects the strain amount caused by the collision of the soil particles from the optical signal having the Bragg wavelength output from the FBG sensor 11.

ＦＢＧアナライザ１２は、検出したひずみ量の値を例えば通信ケーブルを介して土粒子管理・監視装置１３に送出する。 The FBG analyzer 12 sends the detected strain value to the soil particle management / monitoring device 13 via a communication cable, for example.

土粒子管理・監視装置１３は、絶対値演算部１３２１により、ＦＢＧアナライザ１２から供給されたひずみ量の値の絶対値を演算する。 The soil particle management / monitoring device 13 calculates the absolute value of the strain amount supplied from the FBG analyzer 12 by the absolute value calculation unit 1321.

次に、土粒子管理・監視装置１３は、エネルギー算出部１３２３により、土粒子の粒径の仮定値（２０ｍｍ）から、粒径別の衝突エネルギー（図１０では衝突位置をセンサ直上とし、衝突角度が直行するときの所定の粒径について検出したひずみに対応する基準運動エネルギーＥｍの特性例を示す）の実験結果情報１３３１を用いて土粒子の運動エネルギー値Ｅ１を算出する。即ち、粒径仮定演算部１３２２により、例えば図１０に例示するように、各粒径毎の実験結果情報１３３１を有する１つ以上の粒径から１つを任意に選択して、例えば粒径２０ｍｍを仮定値として決定するとともに、ひずみ量の振幅の絶対値から基準運動エネルギーＥｍを決定する。尚、実験結果情報１３３１には、衝突角度φ別の衝突角度係数ａのマップ（図１１参照）と、衝突位置θ別の衝突位置係数ｂのマップ（図１２参照）とが含まれ、土粒子の運動エネルギー値Ｅ１は、式１から導出することができ、後述するように運動エネルギー値Ｅ１と衝突速度ｖが決定された場合に、流砂量（質量）Ｍを式２から算出することができる。 Next, the soil particle management / monitoring device 13 uses the energy calculation unit 1323 to determine the collision energy for each particle size from the assumed value (20 mm) of the particle size of the soil particle (in FIG. 10, the collision position is directly above the sensor, and the collision angle. The kinetic energy value E1 of the soil particles is calculated using the experimental result information 1331 of (showing a characteristic example of the reference kinetic energy Em corresponding to the strain detected for a predetermined particle diameter when the swift is orthogonal). That is, the particle size assumption calculation unit 1322 arbitrarily selects one from one or more particle sizes having experimental result information 1331 for each particle size, for example, as illustrated in FIG. Is determined as an assumed value, and the reference kinetic energy Em is determined from the absolute value of the amplitude of the strain amount. The experimental result information 1331 includes a map of the collision angle coefficient a for each collision angle φ (see FIG. 11) and a map of the collision position coefficient b for each collision position θ (see FIG. 12). The kinetic energy value E1 can be derived from Equation 1, and when the kinetic energy value E1 and the collision speed v are determined as will be described later, the sediment mass (mass) M can be calculated from Equation 2. .

ここに、Ｍ：土粒子の質量であり、粒径の大きさで定まる体積に比例した規定値を用いる。また、ｖは、衝突速度である。 Here, M is the mass of the soil particles, and a specified value proportional to the volume determined by the size of the particle diameter is used. Moreover, v is a collision speed.

従って、土粒子管理・監視装置１３は、エネルギー算出部１３２３により、粒径ごとに予め実験的に得られた基準運動エネルギーＥｍと、衝突角度φ別の予め規定された衝突角度係数ａと、衝突位置別の衝突位置係数ｂとの積で運動エネルギーＥ１を算出する。 Therefore, the soil particle management / monitoring device 13 uses the energy calculation unit 1323 to experimentally obtain the reference kinetic energy Em obtained in advance for each particle size, the predefined collision angle coefficient a for each collision angle φ, and the collision The kinetic energy E1 is calculated by the product of the collision position coefficient b for each position.

本実施例の土粒子管理・監視装置１３は、算出される運動エネルギーＥ１との照合によって仮決定から最終的に決定される粒径について、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルに基づいて衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖに成分分解して学習し、学習した衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖから運動エネルギー期待値Ｅ２を割り出す。 The soil particle management / monitoring device 13 of the present embodiment uses the collision angle φ, the collision position θ, and the particle size finally determined from the tentative determination by collation with the calculated kinetic energy E1 based on the Saltation analysis model. The component is decomposed into the collision velocity v and learned, and the expected kinetic energy value E2 is determined from the learned collision angle φ, collision position θ, and collision velocity v.

即ち、土粒子管理・監視装置１３は、運動エネルギー期待値算出部１３２４により、基本流速Ｕの値からデータベースとして蓄積された衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの確率情報に基づいて、土粒子の粒径の仮定値に対応する衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの各々を決定し、決定した衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの各々から運動エネルギー期待値Ｅ２を決定する。つまり、以下に詳述するように、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の運動エネルギー期待値Ｅ２は、土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の各々について確率的に求めた値から算出される。 In other words, the soil particle management / monitoring device 13 uses the kinetic energy expected value calculation unit 1324 to calculate the soil angle based on the probability information of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision velocity v accumulated as a database from the basic flow velocity U value. The collision angle φ, the collision position θ, and the collision speed v corresponding to the assumed particle diameter are determined, and the kinetic energy expected value E2 is determined from each of the determined collision angle φ, the collision position θ, and the collision speed v. To do. In other words, as will be described in detail below, the expected kinetic energy value E2 of the soil particles based on the Saltation kinetic theory is calculated from values obtained probabilistically for each of the collision speed, the collision position, and the collision angle of the soil particles.

例えば、流量、幅、勾配、粗度係数より河川の基本流速Ｕは、図９に示すように、河川の断面積Ａ、幅Ｂ及び水深ｈを規定してマニングの平均流速式として知られる式３から算出して設定することができる。 For example, from the flow rate, width, gradient, and roughness coefficient, the basic flow velocity U of the river is an equation known as Manning's average flow velocity equation by defining the cross-sectional area A, width B, and water depth h of the river as shown in FIG. 3 can be calculated and set.

ここに、Ｒ＝Ａ／Ｓであり、Ｕ：平均流速（ｍ／ｓ）、ｎ:マニングの粗度係数、Ｉ：水面勾配（無次元）、Ｒ：径深（ｍ）、Ａ：断面積（ｍ^２）、Ｓ：潤辺（ｍ）である。 Here, R = A / S, U: average flow velocity (m / s), n: roughness coefficient of Manning, I: water surface gradient (no dimension), R: diameter depth (m), A: cross-sectional area (M ² ), S: Junbe (m).

また、衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの確率情報のデータベースについて説明するに、式４及び式５に従って、図１３に示すＳａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルを規定する。 Further, in order to describe a database of probability information of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision speed v, the Saltation analysis model shown in FIG. 13 is defined according to Expression 4 and Expression 5.

ここに、Ｍ：流体質量（土粒子の質量に対応する）、ｘ：ｘ方向の位置ベクトル、ｚ：ｚ方向の位置ベクトル、ｔ：時間、Ａ：流体の投影面積（式３の断面積に対応する）、ρ：流体密度、ｕ:流速（式３の基本流速Ｕに対応する）、ｇ：重力加速度、Ｃ_ＤＨ：ｘ方向の抵抗係数、及びＣ_ＤＶ：ｚ方向の抵抗係数である。 Here, M: fluid mass (corresponding to the mass of soil particles), x: position vector in the x direction, z: position vector in the z direction, t: time, A: projected area of fluid (in the cross-sectional area of Equation 3) Corresponding), ρ: fluid density, u: flow velocity (corresponding to the basic flow velocity U of Equation 3), g: gravitational acceleration, C _DH : resistance coefficient in the x direction, and C _DV : resistance coefficient in the z direction.

更に、このＳａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく、流体Ｍの運動エネルギー期待値Ｅ２は、式６及び式７に従う式８から求めることができる。 Furthermore, the expected kinetic energy value E2 of the fluid M based on this Saltation kinetic theory can be obtained from Equation 8 according to Equation 6 and Equation 7.

即ち、図１３に示すＦｘ，Ｆｚは、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルの基本式として上記の式４及び式５のように表すことができるため、衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分として分解することができるとともに、式６〜式８のように衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分からＦｘ，Ｆｚを決定して運動エネルギー期待値Ｅ２を算出することができる。即ち、運動エネルギー期待値Ｅ２と運動エネルギー期待値Ｅ１とが一致する衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分を分解して学習しておくことによって、次に運動エネルギー期待値Ｅ２を算出する際には、最も尤度の高い衝突角度φ、衝突位置θ、及び衝突速度ｖの成分を選定して運動エネルギー期待値Ｅ２を算出することができる。図１５（ａ）に示すように、１つの土粒子が、河床球上（管に対応する）を横軸Ｆｘ：距離（ｍ）とし、河床に鉛直な方向を縦軸Ｆｚ：高さ（ｍ）として、例えば３つの土粒子のＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡として表すことができる。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す破線部分の拡大図である。 That is, Fx and Fz shown in FIG. 13 can be expressed as the above-described equations 4 and 5 as basic equations of the Saltation analysis model, so that they are decomposed as components of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision velocity v. In addition, the kinetic energy expectation value E2 can be calculated by determining Fx and Fz from the components of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision speed v as in Expressions 6 to 8. That is, by analyzing the components of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision velocity v at which the kinetic energy expected value E2 and the kinetic energy expected value E1 coincide with each other and learning, the next kinetic energy expected value E2 is obtained. When calculating, the kinetic energy expectation value E2 can be calculated by selecting the components of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision velocity v with the highest likelihood. As shown in FIG. 15A, one soil particle has a horizontal axis Fx: distance (m) on the river bed sphere (corresponding to a pipe), and a vertical axis Fz: height (m ) As, for example, a saltation locus of three soil particles. FIG.15 (b) is an enlarged view of the broken-line part shown to Fig.15 (a).

従って、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ解析モデルについて、土粒子が管１１１（ＦＢＧセンサ１０）に衝突する様子を図１４に示すようにモデル化してＳａｌｔａｔｉｏｎ軌跡を求め、衝突角度φ、衝突位置θ及び衝突速度ｖの各々の確立分布（確率情報１３３２）を算出し、予め記憶部１３３に記憶しておくことができる。尚、５０００個の土粒子（粒径約２ｍｍ）を流した場合の衝突角度φの解析結果を図１６に示しており、５０００個の土粒子（粒径約２ｍｍ）を流した場合の衝突位置θの解析結果を図１７に示している。また、図１４に示すＳａｌｔａｔｉｏｎ解析から、式９に示すように衝突速度ｖ（衝突直前のＶ’）を解析することができる。 Accordingly, with respect to the saltation analysis model, the manner in which the soil particles collide with the tube 111 (FBG sensor 10) is modeled as shown in FIG. 14 to obtain the saltation trajectory, and each of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision velocity v is obtained. The probability distribution (probability information 1332) can be calculated and stored in the storage unit 133 in advance. FIG. 16 shows the analysis result of the collision angle φ when 5000 soil particles (particle size of about 2 mm) are flowed, and the collision position when 5000 soil particles (particle size of about 2 mm) are flowed. The analysis result of θ is shown in FIG. Further, from the saltation analysis shown in FIG. 14, the collision speed v (V ′ immediately before the collision) can be analyzed as shown in Expression 9.

ここに、ｅ:反発係数（＝０．６）、θ：衝突直前の最終落下角度（衝突角度に対応する）、φ：河床球上（管に対応する）の衝突位置、Ｖ’：衝突直前の速度、及びＶ：衝突直後の速度である。 Where, e: coefficient of restitution (= 0.6), θ: final fall angle just before the collision (corresponding to the collision angle), φ: collision position on the river bed sphere (corresponding to the pipe), V ′: just before the collision And V: the speed immediately after the collision.

このようにして、土粒子管理・監視装置１３は、運動エネルギー期待値算出部１３２４により、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて、式４及び式５の基本式から式６〜式８によって算出される土粒子の運動エネルギー期待値Ｅ２を算出する。 In this way, the soil particle management / monitoring device 13 is calculated by the kinetic energy expected value calculation unit 1324 based on the saltation kinetic theory from the basic expressions of Expression 4 and Expression 5 according to Expressions 6 to 8. The expected kinetic energy value E2 is calculated.

次に、土粒子管理・監視装置１３は、第１比較部１３４１により、運動エネルギー値Ｅ１とＳａｌｔａｔｉｏｎ理論からの運動エネルギー期待値Ｅ２を照合し、一致するか否かを判定する。尚、この比較動作における「一致」とは、運動エネルギー値Ｅ１と運動エネルギー期待値Ｅ２との差が所定の許容範囲以内（例えば、誤差１０％以内）にある場合を云う。 Next, the soil particle management / monitoring device 13 collates the kinetic energy value E1 with the expected kinetic energy value E2 from the Saltation theory by the first comparison unit 1341, and determines whether or not they match. In this comparison operation, “match” refers to the case where the difference between the kinetic energy value E1 and the expected kinetic energy value E2 is within a predetermined allowable range (for example, within 10% error).

比較動作で一致しない場合は、その旨を粒径仮定演算部１３２２に送出し、粒径仮定演算部１３２２に対してひずみ量の振幅の絶対値から、土粒子の土粒子の粒径及び流砂量の更なる仮定値を決定させる（例えば、仮定した粒径の運動エネルギーが大きい場合には、次に仮定する粒径を前回値より小さくする）。土粒子管理・監視装置１３は、第１比較部１３４１により、仮定し直した土粒子の粒径について、再度比較動作を行い、運動エネルギー値Ｅ１とＳａｌｔａｔｉｏｎ理論からの運動エネルギー期待値Ｅ２が一致するまで動作を繰り返す。 If they do not match in the comparison operation, the fact is sent to the assumed particle size calculation unit 1322, and the particle size of the soil particles and the flow rate of sand are calculated from the absolute value of the amplitude of the strain amount to the assumed particle size calculation unit 1322. (For example, when the kinetic energy of the assumed particle size is large, the next assumed particle size is made smaller than the previous value). The soil particle management / monitoring device 13 performs a comparison operation again on the re-assumed particle size of the soil particles by the first comparison unit 1341, and the kinetic energy value E1 matches the expected kinetic energy value E2 from the Saltation theory. Repeat until the operation.

一方、比較動作で一致した場合は、土粒子管理・監視装置１３は、第１比較部１３４１により、一致した運動エネルギーＥ１から、式３を用いて質量Ｍを算出し、仮定して一致すると判定した粒径と、その流砂量（質量Ｍに対応する）を出力制御部１３５に送出するとともに、記憶部１３３の累積粒径・流砂量情報１３３４として蓄積する。土粒子管理・監視装置１３の制御部１３４は、この累積粒径・流砂量情報１３３４のデータ（又は衝突角度φ、衝突位置θ、衝突速度ｖのデータ）を、次にＦＢＧセンサ１０に衝突する土粒子の衝突角度φ、衝突位置θ、衝突速度ｖを決定する確率情報に反映するデータとする機能を有する。 On the other hand, if they match in the comparison operation, the soil particle management / monitoring device 13 calculates the mass M from the matched kinetic energy E1 using the first comparison unit 1341 using Equation 3, and determines that they match. The obtained particle size and the amount of sand flow (corresponding to the mass M) are sent to the output control unit 135 and accumulated as accumulated particle size / sand flow amount information 1334 in the storage unit 133. The control unit 134 of the soil particle management / monitoring device 13 collides the data (or the data of the collision angle φ, the collision position θ, and the collision speed v) of the accumulated particle size / sand flow information 1334 with the FBG sensor 10 next. It has a function of making data reflected in the probability information for determining the collision angle φ, the collision position θ, and the collision speed v of the soil particles.

また、土粒子管理・監視装置１３の制御部１３４は、第２比較部１３４２により、その粒径と流砂量の累積値を表す累積粒径・流砂量情報１３３４における土粒子の粒径及び／又は流砂量の値が予め設定しておいたしきい値以上となれば、警告又は警報を発生し、土砂災害の危機管理として利用する。 In addition, the control unit 134 of the soil particle management / monitoring device 13 uses the second comparison unit 1342 to determine the particle size and / or the soil particle size in the accumulated particle size / sediment amount information 1334 indicating the accumulated value of the particle size and the sediment rate. If the value of the sediment load exceeds a preset threshold value, a warning or warning is generated and used for crisis management of landslide disasters.

このように、本実施例の土粒子計測システムによれば、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるようになる。 Thus, according to the soil particle measuring system of the present embodiment, it becomes possible to measure or monitor the particle size and the amount of sand flow (mass) of the soil particles.

次に、実施例２の土粒子計測システムについて説明する。 Next, the soil particle measurement system of Example 2 will be described.

実施例１では、ＦＢＧセンサ１０として１つ又は１組のＦＢＧ光ファイバ１１を設置したものとして説明したが、実施例２では、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサ１０は、複数のＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧ光ファイバ組として、複数のＦＢＧ光ファイバ組からなり、この複数のＦＢＧ光ファイバは直列に接続され、複数のＦＢＧ光ファイバ組が、土粒子が流れる方向と直行する方向に並行配置されている点で相違する。従って、ＦＢＧセンサの構成とＦＢＧアナライザの構成を除いて、他の実施例２の構成は、実施例１と同様である。 In the first embodiment, the FBG sensor 10 has been described as having one or a set of FBG optical fibers 11 installed. However, in the second embodiment, the FBG sensor 10 arranged in a direction orthogonal to the direction in which the soil particles flow is as follows. As the FBG optical fiber set including a plurality of FBG optical fibers, the FBG optical fiber set includes a plurality of FBG optical fiber sets. The plurality of FBG optical fibers are connected in series, and the plurality of FBG optical fiber sets flow through the soil particles. It differs in that it is arranged in parallel in the direction perpendicular to the direction. Therefore, except for the configuration of the FBG sensor and the configuration of the FBG analyzer, the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.

図１８（ａ）に示すように、３つのＦＢＧ光ファイバを一組とする各ＦＢＧ光ファイバ組１１−１〜１１−３は、ＦＢＧアナライザ１２に接続される光ファイバ１１２に対して全て直列に接続した上でそれぞれ並行配置されており、河幅方向と折り返しで管１１１内の断面方向に設置される。河幅方向のＦＢＧ光ファイバの数量は、計測する川幅の大きさによって決定することができる。 As shown in FIG. 18A, each of the FBG optical fiber sets 11-1 to 11-3 including three FBG optical fibers is set in series with the optical fiber 112 connected to the FBG analyzer 12. They are arranged in parallel after being connected, and are installed in the cross-sectional direction in the pipe 111 in the river width direction and folded back. The number of FBG optical fibers in the river width direction can be determined by the size of the river width to be measured.

図１８（ｂ）に示すように、断面方向は、一定の位置間隔の位置（ψｓ）でＦＢＧ光ファイバを複数個設置することで、１つの土粒子の衝突に対し、ＦＢＧ光ファイバの設置個数分のひずみ計測が検出可能となる。 As shown in FIG. 18B, the number of FBG optical fibers installed for one soil particle collision is determined by installing a plurality of FBG optical fibers at a constant position interval (ψs). Minute strain measurement can be detected.

例えば、図１９に示すように、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２を基準としてψｓ＝−３０°の位置にＦＢＧ光ファイバ組１１−１、 ψｓ＝３０°の位置にＦＢＧ光ファイバ組１１−３からなるＦＢＧセンサ１０を設置することができる。即ち、複数のＦＢＧ光ファイバ組は、管１１１の断面方向にて、管１１１の中心と複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの１つとを結ぶ直線を軸としたとき、複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの当該１つ以外のＦＢＧ光ファイバ組が該軸を中心に対称配置されている。 For example, as shown in FIG. 19, with reference to the FBG optical fiber set 11-2, from the FBG optical fiber set 11-1 at a position of ψs = −30 °, and from the FBG optical fiber set 11-3 at a position of ψs = 30 °. An FBG sensor 10 can be installed. That is, the plurality of FBG optical fiber sets are formed by using a straight line connecting the center of the tube 111 and one of the plurality of FBG optical fiber sets in the cross-sectional direction of the tube 111 as an axis. FBG optical fiber groups other than the one of them are arranged symmetrically about the axis.

いま、土粒子がＦＢＧ光ファイバ組１１−２に対し、衝突角０°および衝突位置０°で衝突し、この時のＦＢＧ光ファイバ組１１−２の運動エネルギーをＥ１−２とする。 Now, the soil particles collide with the FBG optical fiber set 11-2 at a collision angle of 0 ° and a collision position of 0 °, and the kinetic energy of the FBG optical fiber set 11-2 at this time is E1-2.

一方、 ψｓ＝−３０°の位置のＦＢＧ光ファイバ組１１−１の運動エネルギーをＥ１−１、 ψｓ＝３０°の位置のＦＢＧ光ファイバ組１１−３の運動エネルギーをＥ１−３とすると、ＦＢＧ光ファイバ組１１−１、ＦＢＧ光ファイバ組１１−３は、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２に対し衝突角０°及び衝突位置３０°であるため、衝突位置係数ｂ＝０．５６の逆数の積により、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置での運動エネルギーに換算することができる。 On the other hand, assuming that the kinetic energy of the FBG optical fiber set 11-1 at the position of ψs = −30 ° is E1-1 and the kinetic energy of the FBG optical fiber set 11-3 at the position of ψs = 30 ° is E1-3, FBG Since the optical fiber set 11-1 and the FBG optical fiber set 11-3 have a collision angle of 0 ° and a collision position of 30 ° with respect to the FBG optical fiber set 11-2, the product of the reciprocal of the collision position coefficient b = 0.56. Thus, the kinetic energy at the position of the FBG optical fiber set 11-2 can be converted.

この場合、
ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置でのＦＢＧ光ファイバ組１１−１の換算エネルギー：Ｅ１−１’ ＝Ｅ１−１／ｂ＝Ｅ１−１／０．５６、
ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置でのＦＢＧ光ファイバ組１１−３の換算エネルギー：Ｅ１−３’ ＝Ｅ１−３／ｂ＝Ｅ１−３／０．５６、
となり、ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の位置でのエネルギーは３つの値が算出可能となる。 in this case,
Converted energy of the FBG optical fiber set 11-1 at the position of the FBG optical fiber set 11-2: E1-1 ′ = E1-1 / b = E1-1 / 0.56,
Equivalent energy of the FBG optical fiber set 11-3 at the position of the FBG optical fiber set 11-2: E1-3 ′ = E1-3 / b = E1-3 / 0.56,
Thus, three values can be calculated for the energy at the position of the FBG optical fiber set 11-2.

ここで、ＦＢＧアナライザ１２は、上記３つのエネルギーを平均し、
ＦＢＧ光ファイバ組１１−２の運動エネルギー＝｛（Ｅ１−２）+（Ｅ１−１’）+（Ｅ１−３’）｝／３
を計算することにより、ＦＢＧ光ファイバが１個の場合より高精度に算出することができるようになる。 Here, the FBG analyzer 12 averages the above three energies,
Kinetic energy of FBG optical fiber set 11-2 = {(E1-2) + (E1-1 ′) + (E1-3 ′)} / 3
Can be calculated with higher accuracy than in the case of one FBG optical fiber.

従って、本実施例の土粒子計測システムによれば、高精度で土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるようになる。 Therefore, according to the soil particle measuring system of the present embodiment, it becomes possible to measure or monitor the particle size and the amount of sand flow (mass) of the soil particles with high accuracy.

前述した実施例では、特定の形態について説明したが、本発明は、前述した実施例に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。従って、前述した実施例に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において多くの変形例を実現することができる。 Although specific embodiments have been described in the above-described embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and many modifications can be realized without departing from the gist thereof.

本発明によれば、土粒子の粒径及び流砂量（質量）を計測又は監視することができるので、河川での土砂の管理や、土砂災害に対する監視を要する用途に有用である。 According to the present invention, since the particle size and the amount of sediment (mass) of soil particles can be measured or monitored, it is useful for applications that require management of sediment in rivers and monitoring for sediment disasters.

１０ＦＢＧセンサ
１１ＦＢＧ光ファイバ
１１−１，１１−２，１１−３ＦＢＧ光ファイバ組
１１ｃ回折格子
１２ＦＢＧアナライザ
１３土粒子管理・監視装置
１１１管
１１２光ファイバ
１３１設定値入力部
１３２演算部
１３３記憶部
１３４制御部
１３５出力制御部
１３２１絶対値演算部
１３２２粒径仮定演算部
１３２３エネルギー算出部
１３２４運動エネルギー期待値算出部
１３３１実験結果情報
１３３２確率情報
１３３３Ｓａｌｕｔａｔｉｏｎ運動理論情報
１３３４累積粒径・流砂量情報
１３４１第１比較部
１３４２第２比較部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 FBG sensor 11 FBG optical fiber 11-1, 11-2, 11-3 FBG optical fiber set 11c Diffraction grating 12 FBG analyzer 13 Soil particle management / monitoring device 111 Tube 112 Optical fiber
131 Setting Value Input Unit 132 Calculation Unit 133 Storage Unit 134 Control Unit 135 Output Control Unit 1321 Absolute Value Calculation Unit 1322 Particle Size Assumption Calculation Unit 1323 Energy Calculation Unit 1324 Kinetic Energy Expected Value Calculation Unit 1331 Experimental Result Information 1332 Probability Information 1333 Salutation Exercise Theoretical information 1334 Cumulative particle size / sand flow information 1341 First comparison unit 1342 Second comparison unit

Claims

土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測システムであって、
土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、
前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、
検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備え、
前記土粒子管理・監視装置は、
当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出する手段と、
前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出する手段と、
前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定する手段と、
該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成する手段とを有することを特徴とする土粒子計測システム。 A soil particle measuring system for measuring or monitoring the particle size and the amount of sediment of soil particles,
An FBG sensor arranged in a direction perpendicular to the direction in which the soil particles flow;
An FBG analyzer that detects the amount of strain caused by the collision of soil particles from an optical signal of Bragg wavelength output from the FBG sensor;
A soil particle management / monitoring device that determines the particle size and the amount of sediment from the detected strain value,
The soil particle management / monitoring device
An assumed value of the particle size of the soil particles is determined from the detected strain value, and the kinetic energy of the soil particles at the time of collision with the FBG sensor at the assumed value is based on a value obtained experimentally in advance. Means for calculating
Means for calculating an expected value of kinetic energy of the soil particles at the assumed value based on the saltation kinetic theory;
Means for changing the assumed value until the difference between the kinetic energy and the expected kinetic energy is within a predetermined allowable range, and determining the particle size and the amount of sand sediment from the kinetic energy within the predetermined allowable range. When,
A soil particle measuring system comprising: means for generating as information for measuring or monitoring the determined particle size of the soil particles and the amount of sediment.

前記土粒子管理・監視装置は、前記決定した土粒子の粒径について、所定時間分の累積値を時間累積流砂量として監視し、所定のしきい値以上となった場合に警報又は警告を発する手段を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の土粒子計測システム。 The soil particle management / monitoring device monitors the accumulated value for a predetermined time as the time accumulated sand amount with respect to the determined particle size of the soil particle, and issues an alarm or warning when a predetermined threshold value is exceeded. The soil particle measuring system according to claim 1, further comprising means.

前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の運動エネルギー期待値は、土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の各々について確率的に求めた値から算出されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の土粒子計測システム。 The expected value of kinetic energy of soil particles based on the Saltation kinetic theory is calculated from values obtained probabilistically for each of the collision speed, collision position, and collision angle of the soil particles. The soil particle measurement system described in 1.

前記決定した土粒子の粒径の衝突速度、衝突位置及び衝突角度は、前記Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づく土粒子の衝突速度、衝突位置及び衝突角度の確率情報に反映されることを特徴とする、請求項３に記載の土粒子計測システム。 The determined collision speed, collision position, and collision angle of the particle size of the soil particles are reflected in the probability information of the collision speed, collision position, and collision angle of the soil particles based on the Saltation motion theory. Item 4. The soil particle measurement system according to Item 3.

前記運動エネルギーは、粒径ごとに予め実験的に得られた基準運動エネルギーと、衝突角度別の予め規定された衝突角度係数と、衝突位置別の衝突位置係数との積で与えられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の土粒子計測システム。 The kinetic energy is given by the product of a reference kinetic energy obtained experimentally in advance for each particle size, a predetermined collision angle coefficient for each collision angle, and a collision position coefficient for each collision position. The soil particle measuring system according to any one of claims 1 to 4, wherein

前記ＦＢＧセンサは、ブラッグ波長の発生部分のＦＢＧ光ファイバとは強度及びひずみ検知感度が異なる材質の管の内側に接着して構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の土粒子計測システム。 6. The FBG sensor according to claim 1, wherein the FBG sensor is configured to be bonded to the inside of a tube made of a material having a strength and strain detection sensitivity different from those of the FBG optical fiber that generates the Bragg wavelength. The soil particle measurement system according to one item.

前記土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサは、複数のＦＢＧ光ファイバを一組とするＦＢＧ光ファイバ組として、複数のＦＢＧ光ファイバ組からなり、前記複数のＦＢＧ光ファイバは直列に接続され、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記土粒子が流れる方向と直行する方向に並行配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の土粒子計測システム。 The FBG sensor arranged in a direction perpendicular to the direction in which the soil particles flow is composed of a plurality of FBG optical fiber sets as an FBG optical fiber set including a plurality of FBG optical fibers, and the plurality of FBG optical fibers are The soil particle measuring system according to claim 6, wherein the soil particle measuring system is connected in series, and the plurality of FBG optical fiber groups are arranged in parallel in a direction orthogonal to a direction in which the soil particles flow.

前記複数のＦＢＧ光ファイバ組は、前記管の断面方向にて、前記管の中心と前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの１つとを結ぶ直線を軸としたとき、前記複数のＦＢＧ光ファイバ組のうちの当該１つ以外のＦＢＧ光ファイバ組が該軸を中心に対称配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の土粒子計測システム。 The plurality of FBG optical fiber sets are arranged with a straight line connecting the center of the tube and one of the plurality of FBG optical fiber sets as an axis in the cross-sectional direction of the tube. The soil particle measuring system according to claim 7, wherein the FBG optical fiber sets other than the one of the two are symmetrically arranged about the axis.

土粒子計測システムにて土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子計測方法であって、
前記土粒子計測システムは、土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備えており、
前記土粒子管理・監視装置の処理は、
当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、
前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、
前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、
該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを含むことを特徴とする土粒子計測方法。 A soil particle measuring method for measuring or monitoring the particle size of the soil particles and the amount of flowing sand in the soil particle measuring system,
The soil particle measuring system detects an amount of strain caused by the collision of soil particles from an FBG sensor arranged in a direction perpendicular to the direction in which the soil particles flow, and an optical signal having a Bragg wavelength output from the FBG sensor. It has an analyzer and a soil particle management / monitoring device that determines the particle size of the soil particles and the amount of sand flow from the detected strain value.
The processing of the soil particle management / monitoring device is as follows:
An assumed value of the particle size of the soil particles is determined from the detected strain value, and the kinetic energy of the soil particles at the time of collision with the FBG sensor at the assumed value is based on a value obtained experimentally in advance. Calculating step,
Calculating an expected value of the kinetic energy of the soil particles at the assumed value based on the Saltation kinetic theory;
Changing the assumed value until the difference between the kinetic energy and the expected kinetic energy is within a predetermined allowable range, and determining the particle size and the amount of sand sediment from the kinetic energy within the predetermined allowable range. When,
And a step of generating as information for measuring or monitoring the determined particle size of the soil particles and the amount of sand flow.

土粒子が流れる方向と直行する方向に配置されるＦＢＧセンサと、前記ＦＢＧセンサから出力されるブラッグ波長の光信号から、土粒子の衝突によって生じるひずみ量を検出するＦＢＧアナライザと、検出したひずみ量の値から土粒子の粒径及び流砂量を決定する土粒子管理・監視装置とを備える土粒子計測システムにて、土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視する土粒子管理・監視装置として構成するコンピュータに、
当該検出したひずみ量の値から土粒子の粒径の仮定値を決定して、該仮定値における前記ＦＢＧセンサへの衝突時の土粒子の運動エネルギーを、予め実験的に得られた値に基づいて算出するステップと、
前記仮定値における土粒子の運動エネルギー期待値を、Ｓａｌｔａｔｉｏｎ運動理論に基づいて算出するステップと、
前記運動エネルギーと前記運動エネルギー期待値の差が所定の許容範囲内になるまで前記仮定値を変更し、前記所定の許容範囲内の当該運動エネルギーから土粒子の粒径及び流砂量を決定するステップと、
該決定した土粒子の粒径及び流砂量を計測又は監視するための情報として生成するステップとを実行させるためのプログラム。 An FBG sensor arranged in a direction orthogonal to the direction in which the soil particles flow, an FBG analyzer that detects the amount of strain caused by the collision of the soil particles from the optical signal of the Bragg wavelength output from the FBG sensor, and the detected strain amount As a soil particle management / monitoring device that measures or monitors the particle size and the amount of sand flow in a soil particle measurement system equipped with a soil particle management / monitoring device that determines the particle size and the amount of sand flow from the value of On the computer you are configuring,
An assumed value of the particle size of the soil particles is determined from the detected strain value, and the kinetic energy of the soil particles at the time of collision with the FBG sensor at the assumed value is based on a value obtained experimentally in advance. Calculating step,
Calculating an expected value of the kinetic energy of the soil particles at the assumed value based on the Saltation kinetic theory;
Changing the assumed value until the difference between the kinetic energy and the expected kinetic energy is within a predetermined allowable range, and determining the particle size and the amount of sand sediment from the kinetic energy within the predetermined allowable range. When,
A program for executing the step of generating as information for measuring or monitoring the determined particle size of the soil particles and the amount of sediment.