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大規模・中規模水門の安全監視・管理システムの建設計画
背景紹介
現在、中国は流量が毎秒5立方メートル以上である水門を100,321基整備しており、そのうち大型水門が923基、中型水門が6,697基です。また、水門の種類別にみると、洪水放流用ゲートが8,193基、排水（退避）用ゲートが17,808基、潮止めゲートが4,955基、導水ゲートが13,796基、制御ゲートが55,569基となっています。これらは、治水・災害軽減、水資源の最適配分、そして生態環境の改善において、大きな経済的・社会的効果をもたらしています。
しかし、建設期間中の経済的・社会的・技術的条件の制約により、中国の水門は一般に、基準が低く、品質が悪く、付帯施設が不完全であるなどの問題を抱えています。また、「軽微な管理の再構築」という考え方の影響を受け、完成後もほとんどの水門で効果的な管理や維持が行われていません。そのため、長期間の運用を経た現在、多くの安全上の危険が存在し、安全運営に対する顕著なリスクが指摘されています。
安全監視は、水門プロジェクトの運転状況を適時に把握し、異常な状況を分析して、プロジェクト運営の安全性を確保するための重要な手段です。全国の規模の大きいおよび中規模の水門の安全監視業務を包括的に把握するため、水利省運営管理部門は2022年4月29日、「全国規模の大型・中型水門の安全監視調査に関する通知」（運管函〔2022〕第3号）を発行し、各省の水行政部門および流域管理機関に対し、自らが管理する大規模・中規模水門の管理単位が実情に応じて慎重に大規模・中規模水門の安全監視調査票を記入するよう監督・指導することを求めました。また、2024年11月12日には、水利省運営管理部門から第15次五カ年計画期間における重要堤防および大規模・中規模水門の安全監視実施計画の策定についての通知（運管函〔2024〕第22号）が発出され、各省の水行政部門および流域管理機関に対し、第15次五カ年計画期間における大規模・中規模水門の安全監視実施計画の作成を要請しました。
中国の大型・中型水門における現在の状況と安全監視の課題について、多くの水門安全監視システムには高度な技術が欠けており、主に手動による観察に依存し、自動化レベルも低いため、早急にアップグレードおよび改修が必要です。
システム紹介
水門の安全監視・管理体制は、「水門運営管理措置」、「水利プロジェクトの標準化された管理推進に関する指針意見」、および「水門安全監視技術仕様」を統合し、安全監視システムの設計と施工、安全監視施設の管理と保護、ならびに安全監視データおよびモニタリングデータの整理と分析を標準化しています。
近年、安全監視技術は引き続き進歩を遂げており、分散型、非接触型、自動化、ネットワーク化などの監視施設が徐々に成熟してきました。ビッグデータ、モノのインターネット、ロボット、衛星リモートセンシング、インテリジェンスといった技術手段により、複雑な環境下でも全天候型かつ大規模な監視が可能になります。水門の安全監視・管理システムは、新たな技術や手法を積極的に活用し、水門運営・管理の近代化レベルを総合的に向上させ、水資源管理の質的発展を促進するとともに、国家の水安全保障を確実に守ります。
安全監視・分析・早期警戒システムには、自動化された情報監視システム、知能型検査システム、監視データの分析および早期警戒システムなどが含まれます。
システムトポロジ図
知覚層
感知層には、水門内部のあらゆる水情情報、工学情報、現場映像などが含まれ、包括的な感知技術を活用しています。水位計、流量計、GNSS、自動化された映像監視設備、その他のセンサー技術により、地域全体にわたる工学状況、水情、環境観測など、関連する情報を高精度でリアルタイムに把握・収集することが可能になります。リアルタイムでの情報収集により、水門の安全監視・管理システムに対する分析および意思決定の基盤を提供します。
トランスポート層
トランスポート層には、システム各階層のユーザーが配置されているローカルエリアネットワークと、各階層のローカルエリアネットワークを相互接続する広域ネットワークが含まれます。これは、さまざまなビジネス情報を伝送するためのプラットフォームであり、システムデータの担い手でもあり、情報や映像、その他の種類の情報を収集するための信頼性が高く安全な伝送チャネルを提供します。
監視管理センターは、現場の監視機器を遠隔で監視できます。現場の機器は、5G/4Gネットワークや有線ネットワークなど、柔軟なネットワーク方式を用いて上位管理部門のコンピューターと通信し、遠隔監視を実現します。
フロントエンドの無線RTU、多機能データ取得装置などは、移動通信ネットワークやイーサネット通信ネットワークなどを基盤とし、データセンターのインターフェース機器とともに、暗号化された水文・水資源プロトコルのデータ伝送チャンネルを提供して、ユーザー固有のデータネットワークを構築します。
マネジメント
データ管理層は、システム情報の集約と配信のハブであるとともに、データの保存と管理の中心的な領域でもあります。データ管理の内容には、空間データフレームワークに基づく、水門監視用の自社構築データベース、ビデオ監視、自動化された業務管理、データ分析などがあります。
アプリケーション層
アプリケーション層は、システムが実装する「プラットフォームのインテリジェンス、フラットな管理、および事前サービス」の核心です。この層は、水門の監視データを包括的に管理・分析し、標準的なサービスインターフェースを提供することで、ビジネスアプリケーションシステムの迅速な構築に向けた機能とサービスの共有を可能にします。
建設実施計画
関連する技術基準および文書要件に基づき、既存の大型・中型水門について、環境量、変形、浸透、応力ひずみ、温度などの設備や特殊な監視システム、さらには自動化システムを段階的に整備・改善します。また、水門の開閉に関するリスク警戒を強化し、衛星リモートセンシング、GNSS（北斗）、無人航空機など先進技術の活用を推進します。日常的および緊急時の監視ニーズを総合的に考慮し、各種監視データの相互検証と連携分析を強化することで、水門のあらゆる要素に対する動的な感知能力と全天候型の三次元連携機能を向上させ、「空・地上・水工事」を統合した監視・感知ネットワークを構築します。さらに、水門のデジタルツイン水利プラットフォームにおけるモデルライブラリおよび知識ベースの充実を支援し、デジタルツイン水門の構築を後押しすることで、水利業務の「4つの事前プロジェクト」を実現します。
環境モニタリング：
主に、ゲートの前後の水位監視、ゲートを通る流量の監視、降雨量の監視、気象監視などです。
水門の環境パラメーターを監視することは、水門の安全管理において重要な环节です。閘門周辺に降水量や気象要素の観測点を設け、さらに閘門の上流および下流に水位・流量測定点を設置します。現場の環境に応じて適切なセンサーを選定し、リアルタイムの気象情報、水位データ、および水流状況を取得することで、閘門の科学的な運用計画と安全運転に重要な支援を提供します。
1.1 水位監視
レーダー式水位計を使用。水位の変化をリアルタイムで把握し、適時な水文予測とスケジュール管理を行います。
レーダー水位計は、ミリ波レーダー技術に基づく完全自動型の水位計で、高周波パルスまたは周波数変調連続波（FMCW）レーダーの測距機能を利用して水位測定を実現します。動作中、水位プローブは高周波パルスまたは連続波を下方に発信します。このパルスまたは連続波が水面に当たると、反射して再びプローブに受信されます。電磁波の送信と受信の間にはわずかな時間差が生じます。この微小な時間差と波の伝播速度（光速C）を用いて、プローブから対象物（水面）までの距離H2を計算できます。その後、距離H1から距離H2を引くことで、水位hを求めることができます。
1.2 オーバーパス流量の監視
レーダー流量計を使用できます。レーダー流量計は、ミリ波レーダー技術に基づく完全自動型の流量計です。このレーダー流量計はまず、周波数変調連続波（FMCW）レーダーの測距機能を用いて水位を測定します。動作中、水位プローブは高周波の連続波を下方に発信します。この連続波は水面に当たると反射し、再びプローブによって受信されます。受信されたエコーの周波数は、送信された周波数と同じで、両方とも三角波パターンを描きますが、時間差があります。このわずかな時間差と波の伝播速度（光速C）を利用して、プローブから対象物（水面）までの距離Dを計算でき、さらに測定範囲から距離Dを引くことで水位を求めることができます。
同時に、レーダー速度プローブは水面に向けて電磁波を発生させます。電磁波が動いている水面に当たると、散乱してエコーを形成します。受信されたエコーの周波数が送信周波数に対してずれるため、ドップラー周波数方程式から水面の速度を求めることができます。
その後、レーダー流量計本体は、内蔵の「水位 - 断面積アルゴリズム」および「表面流速と層流速度の関係アルゴリズム」を使用して、断面積と流量を算出します。水位と断面積、および表面流速と層流速度の関係を計算することで、断面積と流量を決定することができます。
1.3 降雨量の監視
ティッピングバケット式雨量計の採用について。雨量計が稼働中、給水口で集められた雨水は上部の漏斗を通じてろ過され、計量用のティッピングバケットに注入されます。ティッピングバケットは機械式的なバイスタブル構造となっており、一方の区画に水が入ると、もう一方の区画は待機状態となります。受信した雨水量が事前に設定された値に達すると、重力によりバケットがひっくり返り、待機状態となる一方、もう一方のチャンバーは雨水を受け取る作動状態になります。さらにその水量が所定値に達すると、自ら再びひっくり返って待機状態となります。このティッピングバケットの側壁には永久磁石が取り付けられており、バケットがひっくり返る際に乾式リードスイッチの前を通過し、これにより乾式リードスイッチが交互にオンとオフします。乾式リードスイッチは、ティッピングバケットがひっくり返るたびに、オン-オフ信号（パルス信号）を送出します。
この方法では、磁性鋼をドライリードスイッチでスキャンし、パルス信号を送出することで、ひっくり返るバケツの回数がカウントされます。記録された各パルス信号は、降水量0.5ミリメートルまたは0.2ミリメートル分を表し、降水の遠隔測定という目的を達成します。
1.4 気象監視
統合型ルーバーボックスと風速・風向センサーを採用。ゲートおよび周囲環境の温度やその他の気象情報を監視することで、ゲートの凍結や機器故障などの状況に対する警告効果があります。
このデバイスは、騒音の収集、PM2.5およびPM10、温度と湿度、大気圧、照明機能を統合し、環境検出に幅広く活用できます。ルーバーボックスに設置され、RS485信号出力で標準のMODBUS-RTU通信プロトコルを採用しています。通信距離は最大2000メートル（測定値）に達します。この送信機は、環境の温度・湿度、騒音、空気品質、大気圧、照明などの測定を必要とするさまざまな場面で広く使用されています。安全性が高く、信頼性が高く、見た目も美しく、設置が簡単で耐久性にも優れています。
風向送信機は、コンパクトで軽量な外観をしており、持ち運びや組み立てが簡単で、効果的に風向および風速情報を取得できます。筐体はポリカーボネート複合素材で作られており、優れた耐腐食性と耐浸食性を備えているため、長期間の使用でも送信機が変形することはありません。同時に、内部には滑らかなベアリングシステムが搭載されており、正確な情報収集を確実にしています。
変形モニタリング：
変形監視は、手動方式とGNSS自動観測方式を組み合わせた手法を採用しています。
人工的な変位観測は、変形監視点を設置し、トランシットやトータルステーションなどの監視機器を用いてダムの変形をモニタリングすることで実現されます。
GNSSシステムには、主に米国の全地球測位システム（GPS）とロシアのGLONASS衛星航法システムが含まれます。
(GLONASS)、中国の北斗衛星航法システム（BDS）、欧州連合のガリレオ衛星航法システム（GALILEO）などがあります。GNSS技術は、リアルタイム性、継続性、グローバル性、自動化、全天候対応という利点を持ちます。この技術は、高速道路、橋梁、超高層ビル、鉄道、水門、治水斜面などの変形監視にすでに成功して応用されており、さらに地盤沈下や膨潤土斜面、地滑り、地質災害その他の危険の監視および早期警戒にも重要な役割を果たしています。
GNSS測定局を継続的に観測することで、各測定点の異なる時点における位置情報を取得できます。次に、高精度な計算技術を用いてソフトウェアで位置情報を処理し、さまざまな環境影響による誤差要因を除去したうえで、初期結果と比較して、各測定点の異なる時点での変位情報を得ます。最後に、その監視結果をシステムの監視プラットフォーム上に表示し、現場スタッフが構造状態をリアルタイムで把握できるようにします。
浸透監視：
主に、揚圧力モニタリング、ゲートピア浸透モニタリング、バイパス浸透モニタリングなど。
水門工学における基盤岩の透水性は、構造クラックの存在により変化し、その結果生じる揚圧力が水門基礎の滑り力を増加させ、水門基礎の損傷リスクを高めることになります。そのため、揚圧力をモニタリングし、浸透特性の変化を分析することは非常に重要です。
同時に、高い水頭を持つゲートおよび両側が良好な土壌透水性を有するゲートでは、横方向の浸透が生じます。この横方向の浸透は、堤防壁や翼壁に対して横方向の水平水圧をかけ、それらの安定性に影響を与えます。また、浸透出口部や盛土と護岸壁または翼壁との接合部において、浸透による損傷が生じる可能性があります。そのため、横方向の浸透は、水門の浸透モニタリングにおける重要なポイントでもあります。
水門構造物の漏水状況は、橋脚や法面保護など適切な位置に圧力測定用パイプを設置し、圧力計や揚圧計などを配置することで監視できます。監視値が設定された閾値を超えた際には、システムが自動的に警報を発し、水門構造物の安定性を確保するとともに、潜在的な安全上の危険を早期に検出し、水門の安全運転に確かな保障を提供します。
ストレスとひずみのモニタリング：
水力構造物またはその他の構造物の表面に振動線式表面ひずみゲージを設置することで、構造物表面のひずみを測定するとともに、設置点の温度も同期して測定できます。
振動ワイヤー表面ひずみゲージは、弾性率が小さく、測定対象構造との追従性能に優れており、測定時に元の応力場を妨げることはありません。また、包括的な設計で、全ステンレス鋼構造であり、取り付けが簡単で信頼性が高く、リサイクルや再利用が可能です。
試験対象の構造が変形を受けると、表面のひずみゲージがそれに伴い変形し、その変形が前後端のシートを通じて振動線に伝わり、振動線の応力の変化へと転換されます。これにより、振動線の振動周波数が変わります。電磁コイルは振動線を励起し、その振動周波数を測定します。周波数信号はケーブルを通じて計測装置に送られ、構造物のひずみを測定します。同時に、埋設ポイントの温度値も同期して測定します。
クラックおよび構造継手のモニタリング：
内部と外部の温度差、コンクリートの収縮、外部からの拘束、および基礎の不均一な沈下などの複合的な影響により、ゲートピアのコンクリートにひび割れが生じる可能性があり、これが構造物の耐久性に大きく影響し、しばしば構造損傷の原因となります。
クラック計を亀裂に設置することで、ゲートピアの既存の亀裂を監視し、亀裂の変化パターンを分析して、水門構造物の安定性と健全性を確保し、安全な運転を実現することができます。
測定対象構造が変位を受けると、表面ジョイント計の測定ロッドが伸縮し、ユニバーサルジョイントを通じて振動線に伝達され、振動線応力の変化に変換されます。これにより、振動線の振動周波数が変わります。電磁コイルは振動線を励起し、その振動周波数を測定します。この周波数信号はケーブルを通じて表示装置に送られ、測定対象構造の変位を測定すると同時に、埋設点の温度値も同時に測定できます。
ゲートおよびホイストの状態監視：
主に、ゲートの開閉、ホイストの電圧および電流監視などが含まれます。
ゲート開閉監視：
ゲートの開閉をリアルタイムで監視することで、ゲート運転中のつまりや変形などの異常な状況や安全上のリスクを迅速に検出し、適切な保守対策を講じて、ゲートの安全な運転を確保することができます。
極端な気象や水位の変化時には、ゲート開閉の監視がエンジニアが迅速にゲート開閉を調整し、環境の変化に対応するとともに、不適切な操作による設備の損傷や安全事故を軽減するのに役立ちます。
同時に、手動検査の頻度を減らし、人件費を削減できるほか、データ分析を通じて潜在的な問題を事前に特定し、ダウンタイムを短縮して全体の作業効率を向上させることができます。
ゲートの開閉をリアルタイムで監視するために適切なゲートセンサーを設置することで、センサーはゲートの開閉情報を電気信号に変換し、それを制御センターに送信して処理と分析を行います。
スイッチギアの電圧および電流の監視：
ゲートモーターの電圧と電流の変化を監視することで、モーターの作動状況や動作状態を判断できます。
電圧は機器の正常な動作の基盤であり、高電圧または低電圧は機器の動作に影響を及ぼすことがあります。高電圧により機器が焼損する恐れがあり、一方、低電圧では動作が遅くなったり、効率が低下したり、場合によっては機器の起動自体が不可能になることもあります。そのため、電圧を監視することで、電圧の変動や異常を適時検出でき、電圧問題による機器の損傷を防ぎ、機器の使用寿命を延ばすための対応策を講じることが可能になります。
電流は、機器の負荷状況を反映する重要なパラメータです。電流を監視することで、機器が正常な負荷下で動作しているかどうかを判断でき、過剰またはアンバランスな負荷による過熱や損傷などの問題を回避できます。過剰な電流や三相不平衡は、ベアリングの油不足、ローターのスイーピングなど、機器内部の故障を示している可能性があります。適時に行われる電流の監視は、こうした故障を未然に防ぎ、機器のダウンタイムを削減することに役立ちます。
インテリジェント監視システムにより、ゲート開閉機の電圧および電流をリアルタイムで監視し、設備が正常な動作範囲内であることを確保できます。異常な電圧や電流が検出された際には、システムが自動的に警報を鳴らし、コンピューターやモバイルアプリなどさまざまな手段を通じて管理担当者に通知されるため、迅速な問題解決が可能になります。
ビデオAI監視：
ビデオ監視システムは、アクセスチャネルや操作室など、ゲートステーションの主要エリアをリアルタイムで監視し、人員と設備の安全を確保します。高解像度カメラとインテリジェントな認識技術により、異常行動を自動的に特定し、適時警告信号を発して、潜在的な安全リスクを未然に防ぎます。
ビデオ監視システムは、ゲートステーションを24時間体制で全方位的に監視でき、手動巡回の必要性を低減し、人件費を削減します。管理担当者は、監視センターを通じて現場の状況をリアルタイムで把握し、迅速に問題を特定・対処することで、管理効率を向上させることができます。
ビデオ監視システムが記録した画像および映像データは、管理担当者がゲートステーションの運営を分析し、スケジュール計画を最適化し、リソースの活用効率を向上させるための重要な基盤となります。また、システムは自動的にさまざまな業務報告書を生成し、管理部門に包括的なデータサポートを提供します。
一方、映像監視システムは抑止効果があり、盗難や強盗などの犯罪行為の発生を効果的に抑制できます。映像システムにより現場のリアルタイムの動きを記録することで、事件の捜査の基盤を提供し、業務終了後には証拠収集に役立てられます。
自動ドローン巡回：
無人航空機自律検査システムには、無人航空機、デュアルライトパンチルトカメラ、遠隔スピーカー、大型自動機械巣などの末端感知装置に加え、高精度センチメートルレベル測位サービスなどのネットワークインフラが含まれる。
システム内に、空港概要、タスク計画、経路計画、設備管理、警報管理、システム管理などのモジュールからなる飛行管制プラットフォームを設計できます。また、浮遊物体認識や釣り認識など、さまざまな人工知能アルゴリズムを搭載しており、水位の変化やダムの潜在的な問題を迅速に特定することが可能です。
無人航空機自律検査システムは、水利工事における「空・地上・地下水工学」統合監視・感知システムの「空」に関するモニタリングおよび感知システムを補完する理想的な存在です。無人運転下で、マシンネストや無人航空機などの設備の制御と自動検査を実現し、水理構造物や地すべりに対する完全自動かつ非停止型の検査ニーズに応えます。緊急事態が発生した際には、誘導飛行機能を通じてドローンからのリアルタイム映像を表示し、迅速に現場情報を取得します。また、このシステムは、複数回、多様な角度や方向から水理構造物や地すべりの検査データおよび高精細画像を収集し、データベースを構築することも可能です。
プラットフォームの紹介
スルース安全監視・管理システムの基本バージョンには、主に基本情報管理、スルース運転管理、スルース地理分析、スルース運転分析、スルース安全管理、スルース保守管理、および画像監視機能が含まれます。
システムは、ゲートの自動制御画像監視、水情報の自動収集・伝送・照会・意思決定を統合し、ゲートの自動制御を実現。これにより、スタッフの労働強度を低減するとともに、管理担当者が監督やスケジューリングを行う際の支援を行います。
インテリジェント水門3D可視化管理プラットフォームは、高度なデジタルツイン技術に基づいています。このプラットフォームは、デジタルツイン技術と高度なデータ処理アルゴリズムを通じて、水門の包括的な監視、メンテナンス、管理を実現します。ユーザーは、プラットフォームを通じて水門のリアルタイムの運転状況や環境データを取得できるほか、遠隔操作も行うことができ、これにより水門施設の洪水防止能力と対応速度が向上します。
デジタルツイン水門プロジェクトとは、水門の物理的構造、水流の動態、水質などリアルタイムの環境データを高度なデジタル技術を用いてデジタル化し、実際の水門に対応する仮想モデルを構築することを指します。この仮想モデルを活用することで、水門の操作シミュレーションや水流の予測、故障の検出、メンテナンス管理が可能になります。デジタルツイン水門プロジェクトには、以下の特徴があります：
1. リアルタイムの動的監視：センサーおよび監視装置を通じて、水門の運転状況、水位の変化、水流速度などのデータをリアルタイムで取得し、これらのデータをデジタル化して仮想モデルにリアルタイムで更新します。
2. 知的運用シミュレーション：仮想モデルを通じて、水門のさまざまな運転状況をシミュレートし予測可能であり、高度なシミュレーション技術とアルゴリズムを活用して、水門の運用・管理に関する知的な意思決定支援を提供します。
3. 故障検出とメンテナンス管理：仮想モデルを通じて、水門の故障検出およびメンテナンス管理を実施し、事前に問題を検知・解決することで、水門の正常な運転を確保できます。
4. データ共有と共同作業：仮想モデルは、クラウドコンピューティングプラットフォームを通じてデータ共有や共同作業を実現でき、複数の部門が共同で仮想モデルを活用して水門の管理・運用を行うことができます。
5. セキュリティ管理：水門周辺エリアを24時間365日、映像監視カメラで常時モニタリングし、その映像ストリームをバックエンドに送信して処理および保存します。ユーザーはプラットフォームを通じてリアルタイムの映像監視映像を閲覧でき、異常な状況を確認次第、直ちに対応するセキュリティ対策を取ることができます。
デジタルツイン水門プロジェクトの導入は、水門の運用効率と安全性を向上させ、人的ミスや事故を低減し、都市の水資源管理および洪水対策業務に新たな技術的支援を提供します。また、水門の全ライフサイクルにわたるオンライン管理を実施し、開閉時のリスク分析と警戒を強化することで、水門の安全を確保します。
体系的価値
1. 都市水資源管理の知能化レベルを向上させる：水門の安全監視・管理システムは、水門のスマートな監視、運用シミュレーション、意思決定支援を実現し、都市の水資源管理の知能化レベルを高め、より安全で信頼性の高い飲料水と水道サービスを都市に提供します。
2. 都市洪水対策の能力とレベルを向上させる：デジタルツイン水門プロジェクトにより、水門のリアルタイムな動的監視と運用シミュレーションが可能となり、水門の運用効率と安全性が向上し、都市の洪水対策能力とレベルが高まり、洪水による都市への影響を軽減できます。
3. 都市水資源工学技術の革新と発展を促進する：デジタルツイン水門プロジェクトは、デジタル技術と水資源工学技術のバランスをとり、両者の統合と革新的な発展を推進し、都市水資源工学技術に新たなアイデアと手法を提供する必要があります。
要約すると、デジタルツイン水門プロジェクトは、都市の水資源管理および洪水対策業務において重要な応用可能性を有しています。このプロジェクトは、水資源管理の高度化を図り、洪水対策業務の能力とレベルを向上させ、水利工学技術の革新と発展を促進するとともに、都市の水環境の質や生態系の健全性を改善することができます。今後も継続的な技術革新と実践的探求を通じて、デジタルツイン水門プロジェクトが、都市の水資源管理や洪水対策業務により良い技術支援と解決策を提供することを期待しています。
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