JP6992597B2 - 流水位置検出装置、流水位置検出方法および流水位置検出プログラム - Google Patents

Description

本件は、流水位置検出装置、流水位置検出方法および流水位置検出プログラムに関する。

地中には、岩盤の亀裂や割れ目、または砂や礫などの層(帯水層)に地下水が存在し、大小の水脈を形成している。トンネル工事などでこれらの水脈にぶつかると、地下水が漏れ出すことがある。そこで、流水位置を自動で検出する技術が求められている。例えば、反射強度を用いて表面の状態を検知する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－２３２６５２号公報

しかしながら、計測対象の表面は、砂礫、岩盤など多岐にわたる。したがって、反射強度にバラツキが生じるおそれがある。また、計測対象の表面に粉塵が付着している場合、削れている場合など、環境に応じて反射強度に変動が生じることがある。したがって、反射強度の差異を検出しても、流水位置を検出することは困難である。

１つの側面では、本件は、流水位置を検出することができる流水位置検出装置、流水位置検出方法および流水位置検出プログラムを提供することを目的とする。

１つの態様では、流水位置検出装置は、計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光部で受光することで得られる反射強度を所定周期で取得する反射強度取得部と、前記各計測対象位置について、前記反射強度取得部によって取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する位置検出部と、前記発光部による発光と前記受光部による受光との時間差から、前記発光部または前記受光部から前記計測対象位置までの距離を取得する距離取得部と、を備え、前記位置検出部は、前記距離取得部が取得した距離の変動幅が所定範囲となる計測対象位置のうち、前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する。

流水位置を検出することができる。

実施例１に係る流水位置検出装置の全体構成を例示するブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は走査型センサを例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は反射強度を用いた表面計測について説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は壁面に流水が無い場合を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は壁面に流水が有る場合を例示する図である。 （ａ）は壁面における流水箇所を例示する図であり、（ｂ）は反射強度の取得結果を例示する図である。 流水位置検出装置によって実行される処理を表すフローチャートを例示する図である。 （ａ）はトンネルを例示する図であり、（ｂ）は計測対象領域を例示する図であり、（ｃ）は各計測対象位置における標準偏差を例示する図であり、（ｄ）は流水位置を例示する図である。 流水位置がマッピングされた３次元モデルを例示する図である。 （ａ）は前回のフローチャート実行時に検出された標準偏差を例示する図であり、（ｂ）は今回のフローチャート実行時に検出された標準偏差を例示する図である。 水溜りが生じていると推定されたエリアを例示する図である。 （ａ）はハードウェア構成を説明するためのブロック図であり、（ｂ）は変形例にかかる流水位置検出システムについて例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る流水位置検出装置１００の全体構成を例示するブロック図である。図１で例示するように、流水位置検出装置１００は、走査型センサ１０、距離取得部２０、反射強度取得部３０、流水判定部４０、流水位置検出部５０、流水位置管理部６０、流量変化検出部７０、水溜りエリア推定部８０、表示装置９０、データベースＤＢなどを備える。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、走査型センサ１０を例示する図である。図２（ａ）で例示するように、走査型センサ１０は、発光部１１、受光部１２などを備えている。発光部１１は、半導体レーザなどの発光素子である。例えば、波長が９０５ｎｍの赤外光レーザを用いれば、暗闇環境でも使用することができる。受光部１２は、半導体フォトダイオードなどの受光素子である。発光部１１によって発光された光は、計測対象位置の表面によって反射され、受光部１２で受光される。また、図２（ｂ）で例示するように、走査型センサ１０は、回転装置１３を備えている。回転装置１３は、２次元方向および３次元方向の回転が可能である。例えば、回転装置１３は、走査型センサ１０の受発光方向を水平方向３６０°に変化させる。さらに、回転装置１３は、上下方向３６０°に変化させる。それにより、回転装置１３は、受発光方向を全方位に変化させることができる。回転装置１３は、受発光方向を計測対象位置に向ける。この状態で、発光部１１による発光および受光部１２による受光（センシング）を、サンプリング時間ｔにわたって行う。その後、回転装置１３は、受発光方向を所定角度だけ回転させ、回転後の位置においてサンプリング時間ｔにわたってセンシングを行う。この動作を繰り返すことで、計測対象領域の各計測対象位置のセンシングを行うことができる。

距離取得部２０は、発光部１１による発光時刻と受光部１２による受光時刻との差（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）から、発光部１１または受光部１２から計測対象位置までの距離を取得する。例えば、サンプリング時間ｔで距離取得部２０によって取得される距離の変動が閾値範囲であれば、計測対象位置までの距離が変動していないことを検出することができる。すなわち、計測対象位置が移動体などでないことを検出することができる。

反射強度取得部３０は、走査型センサ１０のセンシング結果を用いて、各計測対象位置における反射強度を取得する。反射強度取得部３０は、２次元方向の反射強度のマップおよび３次元方向の反射強度のマップを取得することができる。例えば、反射強度取得部３０は、水平方向３６０°の２次元反射強度マップを取得することができる。または、反射強度取得部３０は、全方位３次元反射強度マップを取得することができる。

流水判定部４０は、距離取得部２０が取得した距離および反射強度取得部３０が取得した反射強度を用いて、計測対象において流水が発生しているか否かを判定する。流水位置検出部５０は、流水判定部４０による判定結果を用いて、流水位置を検出する。流水位置管理部６０は、流水位置検出部５０が検出した流水位置を管理する。流量変化検出部７０は、流水位置における流量変化を検出する。水溜りエリア推定部８０は、データベースＤＢに格納されている３次元モデルと、流水位置検出部５０が検出した流水位置とから、水溜りエリアを推定する。表示装置９０は、液晶ディスプレイ、エレクトロルミネッセンスパネルなどであり、各部の処理結果を表示する。

ここで、反射強度を用いた表面計測について説明する。図３（ａ）で例示するように、表面に水面が無い場合の反射強度Ｉと、表面に水面が有る場合の反射強度Ｉ´との間には差異が生じる。そこで、反射強度の差異の絶対量を検出することで、流水が発生したか否かを検出することが考えられる。

しかしながら、トンネル掘削時の壁面などは、材質が砂礫や岩盤など多岐にわたる。したがって、材質に応じて反射強度Ｉａ～Ｉｃにバラツキが生じる。また、表面における水面の有無が生じても反射強度の差異が小さい材質もある。例えば、図３（ｂ）で例示するように、ある材質では水面が無い場合の反射強度Ｉａと水面が有る場合の反射強度Ｉａ´との差異が大きい一方で、他の材質では水面が無い場合の反射強度Ｉｃと水面が有る場合の反射強度Ｉｃ´との差異が小さくなる場合がある。この場合、反射強度の差異の絶対量を検出しても流水を検出することが困難である。また、図３（ｃ）で例示するように、壁面に粉塵などが付着する場合もある。この場合、粉塵の有無に応じて反射強度に差異が生じるおそれもある。

そこで、本実施例においては、計測対象位置における反射強度の揺らぎ（時間変化の増減幅）に着目する。図４（ａ）は、壁面に流水が無い場合を例示する図である。この場合、発光部１１によって発光された光は、壁面の表面で反射されて受光部１２で受光される。短時間範囲であれば、壁面にほとんど変化が現れない。したがって、図４（ｂ）で例示するように、反射強度取得部３０が取得する反射強度の時間変化の増減幅は、小さくなる。なお、図４（ｂ）において、横軸は経過時間を表す。

一方、図５（ａ）は、壁面に流水が発生している場合を例示する図である。この場合、発光部１１によって発光された光は、水面や壁面の表面などで反射されて受光部１２で受光される。流水の形状は時間変化するため、短時間範囲であっても流水表面は時間に対して変化する。したがって、図５（ｂ）で例示するように、反射強度取得部３０が取得する反射強度の時間変化の増減幅は、大きくなる。したがって、反射強度の時間変化の増減幅が大きくなる計測対象位置を検出することで、流水位置を検出することができる。なお、図５（ｂ）において、横軸は経過時間を表す。

図６（ａ）は、壁面における流水箇所を例示する図である。例えば、水平方向における幅がＬ[ｍ]である区間を計測対象領域とする。また、高さＨ[ｍ]を計測対象高さとする。高さＨ[ｍ]の各計測対象位置において、サンプリング時間ｔ＝１０[ｓ]とし、サンプリング周期Δｔ＝２５[ｍｓ]とする。この場合、反射強度取得部３０は、走査型センサ１０のセンシング結果を用いて、各計測開始位置に対して、反射強度を４００回取得することができる。

図６（ｂ）は、反射強度の取得結果を例示する図である。図６（ｂ）において、横軸は計測対象位置を示し、縦軸は各計測対象位置での４００回の取得結果の標準偏差σを示す。図６（ｂ）で例示するように、流水が生じている計測対象位置では、反射強度の時間変化の増減幅が大きくなるため、標準偏差σが大きくなる。そこで、流水判定部４０は、標準偏差σが閾値σｔｈ以上となる場合に流水が生じていると判定する。なお、流水が生じていると判定する場合に、当該計測対象位置に対する距離取得部２０の取得距離の変動がサンプリング時間ｔにおいて閾値範囲であることを条件とすることが好ましい。流水位置検出部５０は、流水判定結果と計測対象位置とを関連付けることで、流水位置を検出する。

続いて、より詳細な説明として、トンネル内での流水位置検出について説明する。図７は、流水位置検出装置１００によって実行される処理を表すフローチャートを例示する図である。以下、図７～図１１を参照しつつ、トンネル内での流水位置検出の詳細について説明する。

図８（ａ）は、トンネルを例示する図である。図８（ａ）で例示するように、走査型センサ１０は、トンネルの見通しの良い場所（例えば路面中央部）に設置される。走査型センサ１０の高さは、所望の位置に調整されている。

走査型センサ１０の受発光方向は、水平方向に設定してある。まず、走査型センサ１０は、発光部１１が発光して受光部１２が受光することで、計測対象領域の各計測対象位置に対してセンシングを行う（ステップＳ１）。例えば、走査型センサ１０は、図８（ｂ）で例示するように、水平方向３６０°の各計測対象位置についてセンシングを行う。

反射強度取得部３０は、各計測対象位置について、サンプリング周期Δｔ、合計のサンプリング時間ｔで、反射強度を取得する（ステップＳ２）。次に、反射強度取得部３０は、各計測対象位置について、反射強度の揺らぎ（時間変化の増減幅）を検出する（ステップＳ３）。本実施例においては、反射強度取得部３０は、一例として、反射強度の標準偏差σを取得する。ステップＳ２と並行して、距離取得部２０は、サンプリング周期Δｔ、合計のサンプリング時間ｔで、計測対象位置までの距離を取得する（ステップＳ４）。

流水判定部４０は、各計測対象位置について、図８（ｃ）で例示するように、標準偏差σが閾値σｔｈ以上となる場合に流水が生じていると判定する（ステップＳ５）。流水判定部４０は、標準偏差σが閾値σｔｈ未満となる場合には流水が生じていていないと判定する。次に、流水位置検出部５０は、流水が生じていると判定された計測対象位置（標準偏差σが閾値σｔｈ以上となった計測対象位置）を抽出することで、流水位置を検出する（ステップＳ６）。図８（ｄ）で例示するように、流水位置検出部５０は、回転装置１３の回転量からトンネル内における流水位置を検出する。

次に、流水位置管理部６０は、データベースＤＢに格納されているトンネルの３次元モデルに対して、流水位置をマッピングする（ステップＳ７）。図９は、流水位置がマッピングされた３次元モデルを例示する図である。表示装置９０は、流水位置がマッピングされた３次元モデルを表示する。それにより、ユーザは、トンネル内の流水位置を視覚的に把握することができる。なお、３次元モデルは、予め作成してデータベースＤＢに格納しておいてもよく、距離取得部２０による距離取得結果を用いて作成してもよい。

次に、流量変化検出部７０は、検出された流水位置における反射強度の履歴から、流量変化を検出する（ステップＳ８）。例えば、流量変化検出部７０は、前回のフローチャート実行時のセンシング結果と今回のフローチャート実行時のセンシング結果とから得られる反射強度変化量の増減または流水箇所の幅の増減を用いて、流水箇所の流量の変化を検出する。例えば、図１０（ａ）で例示するように、流量変化検出部７０は、前回のフローチャート実行時に流水が発生していると判定された流水位置ｉ（角度θｉ）において標準偏差σが閾値σｔｈ以上となる角度幅Δθｉ、および流水位置ｉにおける標準偏差σｉを算出する。また、流量変化検出部７０は、図１０（ｂ）で例示するように、今回のフローチャート実行時の角度幅Δθｉ´、および標準偏差σｉ´を算出する。流量変化検出部７０は、Δθｉ´－Δθｉが閾値εθを上回るか、σｉ´－σｉが閾値εσを上回るか、または両方の条件を満たした場合に、流量増と判定する。流量変化検出部７０は、Δθｉ´－Δθｉが－εθを下回るか、σｉ´－σｉが－εσを下回るか、または両方の条件を満たした場合に、流量減と判定する。

次に、水溜りエリア推定部８０は、３次元モデルの路面の窪み位置と、検出された流水位置とから、水溜りエリアを推定する（ステップＳ９）。例えば、水溜りエリア推定部８０は、３次元モデルの窪み位置と、流水箇所とを水平面に投影し、両者の距離が閾値以下となる場合に、当該窪み位置に水溜りエリアが生じていると推定する。図１１は、水溜りが生じていると推定されたエリアを例示する図である。その後、フローチャートの実行が終了する。なお、図７のフローチャートは、所定周期で繰り返し実行される。

本実施例によれば、計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部１１が発光した光の反射光を受光することで得られる反射強度が、所定周期で取得される。各計測対象位置について、取得された反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かが判定される。当該増減幅が閾値以上であると判定された計測対象位置が検出される。それにより、流水位置を検出することができる。

検出された流水位置がマッピングされた３次元立体像を表示することで、流水位置を視覚的に把握することができる。検出された流水位置における反射強度の履歴から、流量の変化を検出することができる。検出された流水位置と、３次元立体像の窪みの位置とから、水たまりエリアを推定することができる。

なお、上記例では、水平方向３６０°の２次元範囲を計測対象領域としたが、それに限られない。３次元範囲を計測対象領域とし、当該領域の各計測対象位置の反射強度を取得してもよい。

また、上記例では、反射強度の時間変化の増減幅として標準偏差を用いたが、それに限られない。例えば、最大値と最小値との差などの、他の統計量を用いてもよい。

図１２（ａ）は、距離取得部２０、反射強度取得部３０、流水判定部４０、流水位置検出部５０、流水位置管理部６０、流量変化検出部７０および水溜りエリア推定部８０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１２（ａ）で例示するように、ＣＰＵ２０１、ＲＡＭ２０２、記憶装置２０３等が備わっている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２０１は、中央演算処理装置である。

ＣＰＵ２０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０２は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラム、ＣＰＵ２０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置２０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置２０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。記憶装置２０３は、プログラムを記憶している。ＣＰＵ２０１が記憶装置２０３に記憶されているプログラムを実行することで、距離取得部２０、反射強度取得部３０、流水判定部４０、流水位置検出部５０、流水位置管理部６０、流量変化検出部７０および水溜りエリア推定部８０が実現される。なお、距離取得部２０、反射強度取得部３０、流水判定部４０、流水位置検出部５０、流水位置管理部６０、流量変化検出部７０および水溜りエリア推定部８０は、専用の回路などのハードウェアを用いてもよい。

（変形例）
図１２（ｂ）は、変形例にかかる流水位置検出システムについて例示する図である。実施例１においては、距離取得部２０、反射強度取得部３０、流水判定部４０、流水位置検出部５０、流水位置管理部６０、流量変化検出部７０および水溜りエリア推定部８０は、走査型センサ１０のセンシング結果を取得している。これに対して、距離取得部２０、反射強度取得部３０、流水判定部４０、流水位置検出部５０、流水位置管理部６０、流量変化検出部７０および水溜りエリア推定部８０の機能を有するサーバ３０２が、インターネットなどの電気通信回線３０１を通じて、走査型センサ１０のセンシング結果を取得してもよい。また、距離取得部２０、反射強度取得部３０、流水判定部４０、流水位置検出部５０、流水位置管理部６０、流量変化検出部７０および水溜りエリア推定部８０の処理結果は、電気通信回線３０１を通じて表示装置９０に表示されてもよい。

上記各例において、反射強度取得部３０が、計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光することで得られる反射強度を所定周期で取得する反射強度取得部の一例として機能する。流水判定部４０が、前記各計測対象位置について、前記反射強度取得部によって取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定する判定部の一例として機能する。流水位置検出部５０が、前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する位置検出部の一例として機能する。表示装置９０が、前記位置検出部によって検出された計測対象位置がマッピングされた３次元立体像を表示する表示装置の一例として機能する。流量変化検出部７０が、前記位置検出部によって検出された計測対象位置における前記反射強度の履歴から、流量の変化を検出する流量変化検出部の一例として機能する。水溜りエリア推定部８０が、前記位置検出部によって検出された計測対象位置と、３次元立体像の窪みの位置とから、水たまりエリアを推定する推定部の一例として機能する。距離取得部２０が、前記発光部による発光と前記受光部による受光との時間差から、前記発光部または前記受光部から前記計測対象位置までの距離を取得する距離取得部の一例として機能する。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 走査型センサ
１１ 発光部
１２ 受光部
２０ 距離取得部
３０ 反射強度取得部
４０ 流水判定部
５０ 流水位置検出部
６０ 流水位置管理部
７０ 流量変化検出部
８０ 水溜りエリア推定部
９０ 表示装置
１００ 流水位置検出装置

Claims (8)

1. 計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光部で受光することで得られる反射強度を所定周期で取得する反射強度取得部と、
   前記各計測対象位置について、前記反射強度取得部によって取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する位置検出部と、
   前記発光部による発光と前記受光部による受光との時間差から、前記発光部または前記受光部から前記計測対象位置までの距離を取得する距離取得部と、を備え、
   前記位置検出部は、前記距離取得部が取得した距離の変動幅が所定範囲となる計測対象位置のうち、前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出することを特徴とする流水位置検出装置。
2. 計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光部で受光することで得られる反射強度を所定周期で取得する反射強度取得部と、
   前記各計測対象位置について、前記反射強度取得部によって取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する位置検出部と、
   前記位置検出部によって検出された計測対象位置がマッピングされた３次元立体像を表示する表示装置と、を備えることを特徴とする流水位置検出装置。
3. 計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光部で受光することで得られる反射強度を所定周期で取得する反射強度取得部と、
   前記各計測対象位置について、前記反射強度取得部によって取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する位置検出部と、
   前記位置検出部によって検出された計測対象位置における前記反射強度の履歴から、流量の変化を検出する流量変化検出部と、を備えることを特徴とする流水位置検出装置。
4. 計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光部で受光することで得られる反射強度を所定周期で取得する反射強度取得部と、
   前記各計測対象位置について、前記反射強度取得部によって取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する位置検出部と、
   前記位置検出部によって検出された計測対象位置と、３次元立体像の窪みの位置とから、水たまりエリアを推定する推定部と、を備えることを特徴とする流水位置検出装置。
5. 前記増減幅として、標準偏差を用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流水位置検出装置。
6. 前記発光部による発光と前記受光部による受光との時間差から、前記発光部または前記受光部から前記計測対象位置までの距離を取得する距離取得部を備え、
   前記位置検出部は、前記距離取得部が取得した距離の変動幅が所定範囲となる計測対象位置のうち、前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出することを特徴とする請求項２～４のいずれか一項に記載の流水位置検出装置。
7. 反射強度取得部が、計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光部で受光することで得られる反射強度を所定周期で取得し、
   判定部が、前記各計測対象位置について、反射強度取得部によって取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定し、
   位置検出部が、前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出し、
   距離取得部が、前記発光部による発光と前記受光部による受光との時間差から、前記発光部または前記受光部から前記計測対象位置までの距離を取得し、
   前記位置検出部は、前記距離取得部が取得した距離の変動幅が所定範囲となる計測対象位置のうち、前記判定部によって前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出することを特徴とする流水位置検出方法。
8. コンピュータに、
   計測対象領域の各計測対象位置に対して発光部が発光した光の反射光を受光部で受光することで得られる反射強度を所定周期で取得する処理と、
   前記各計測対象位置について、取得された前記反射強度の増減幅が閾値以上であるか否かを判定する処理と、
   前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出する処理と、
   前記発光部による発光と前記受光部による受光との時間差から、前記発光部または前記受光部から前記計測対象位置までの距離を取得する処理と、を実行させ、
   前記計測対象位置を検出する処理において、前記取得した距離の変動幅が所定範囲となる計測対象位置のうち、前記増減幅が前記閾値以上であると判定された計測対象位置を検出することを特徴とする流水位置検出プログラム。

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