福岡大学工学部電子情報工学科　河川管理システムの研究開発　WEBサイト

ごあいさつ

大橋　正良

福岡大学工学部電子情報工学科大橋研究室ならびに B5G/IoT基盤活用研究所では、これまで直方市らと産学官連携体制をとって、直方市内の遠賀川流域の中小河川の水位管理ならびに樋門管理の研究開発を進めて参りました。
特に2022年度からは総務省戦略的情報通信研究開発推進事業（SCOPE）、社会展開促進型研究開発に本申請1件のみ採択され、社会の実課題に実装を通じて貢献するR&Dを目指しています。
本プロジェクトでは特に低消費電力で、かつ直方市街地をカバーし得る、LPWA(Low Power Wide Area)という通信技術を利用し、これからのカーボンニュートラルに少しでも貢献できるよう努力しています。

※大橋教授は2024年3月に福岡大学を退官され、名誉教授となられました。

LoRaWAN省電力型
ワイヤレスネットワーク

LoRaWAN 省電力型
ワイヤレスネットワークとは？

　LoRaWAN（Long Range Wide Area Network）は、低電力広域ネットワーク（LPWAN）の一種であり、遠距離で低消費電力のデバイスとインターネットを接続するための通信技術です。

LoRaWANは、センサーやアクチュエータなどのIoTデバイスが、およそ数キロメートルの範囲で通信するのに適したプロトコルとネットワークアーキテクチャを有しています。

主な特徴は以下の通りです

広範なカバレッジ
LoRaWANは、無線信号の強力な到達性を活かして、都市部や郊外などの広範な地域をカバーすることができます。1つのゲートウェイ（基地局）が複数のデバイスと通信できるため、コスト効率の良い通信が実現されます。

低消費電力
IoTデバイスはバッテリー駆動が一般的であり、長寿命の動作が求められます。LoRaWANは、デバイスが休眠モードに入ることで電力を節約し、必要な時にデータを送信することができるため、消費電力を最小限に抑えます。

セキュリティとプライバシー
LoRaWANは、AES暗号化などのセキュリティ機能を提供し、データの安全な通信を確保します。また、デバイスとネットワーク間の認証やプライバシー保護にも配慮されています。

複数のアプリケーションに
適用可能
農業、スマートシティ、産業制御など、さまざまな分野で利用されています。センサーデータの収集、遠隔操作、環境モニタリングなど、様々なアプリケーションに適しています。

　IoT分野では今後、農業をはじめ各種の産業に広く浸透してゆくことが期待されています。
この下で必要な情報を確実に、かつ低消費電力・低コストで実現できるかがキーポイントで、その観点からも私たちはLoRaWANの活用を試みています。

システム全体の構成

ソーラパネルによる
自立運用(2台)

LPWAによる
樋門の
遠隔開閉制御

超音波
水位センサ

両方向圧力
センサによる
水向検出

水位・水向センシング

データ連携

○流向・流速監視　○遠隔樋門監視制御
○水位監視　○自治体ローカルDB

LPWA 基地局

クラウド(AWS等)

各種情報蓄積

スマートフォン

水位・水向情報提示＆樋門遠隔制御

HMD

制御ハンドル

VR樋門

VRによる樋門状況可視化&制御

ソーラパネルによる
自立運用(2台)

LPWAによる
樋門の
遠隔開閉制御

超音波
水位センサ

両方向圧力
センサによる
水向検出

水位・水向センシング

VR上での操作による、
LPWA通信を介した
遠賀川流域の実樋門の上昇下降制御の
デモンストレーション

直方市に敷設した
LoRaWANネットワーク

LPWA（Low Power Wide Area-network）と呼ばれる通信技術により、省電力かつ長距離での無線通信が可能になり、市が要望した地点での観測が可能になりました。
また、直接接続できなかった個所も中継器の設置で接続できました。

水位・水向並びに
冠水・マンホール水位センサの
観測機器開発・設置

河川、農業用水路などの増水に備え、予想される危険な箇所に水位・水向センサを設置（上図参照）し、リアルタイムな計測情報をLPWAを介して伝送することで、市役所で状況を確認できます。同時にデータは逐次クラウド(AWS)に蓄積しています。
令和4年度は10ヶ所、令和5年度は10ヶ所にセンサが設置されました。
開発センサ例を以下に示します。

超音波水位センサ

タブレットによる
水位可視化

冠水センサ

マンホール水位センサ

圧力センサによる
水向計測

2022～2023年度水位センサ
設置場所（20か所）

⑪植木駅裏

⑫池代池

⑬中泉88号線

⑭阿高神社

⑮下境北交差点道路

⑯知古美容室前

⑰知古コンビニ前

⑱知古駐車場前

⑲知古ドラッグストア前

⑳感田マンホール

⑪植木駅裏

⑫池代池

⑬中泉88号線

⑭阿高神社

⑮下境北交差点道路

⑯知古美容室前

⑰知古コンビニ前

⑱知古駐車場前

⑲知古ドラッグストア前

⑳感田マンホール

全体の計測状況の例

計測状況が可視化されています。
（1部切り出した結果）
PC・モバイル端末で確認できます。

R5年度の主な実施施策

市役所屋上設置の LoRaWAN 基地局による市主要部のカバーならびに不達個所の中継器設置による解決
マンホール内の水位センサならびに冠水センサの開発
市の GIS（Geographic Information System）システムとの連携
LoRaWAN ダウンリンクメッセージ（Class C）による樋門の開閉制御
VR を活用した仮想の樋門制御ならびに VR による実樋門との CPS（Cyber Physical System）連携制御
太陽光パネルを活用した商用電源を用いない運用実証
Wi-Fi HaLowを用いる際のカバレッジ評価
機械学習による動画からの水向推定

R6年度以降

直ちに産学官連携研究フェーズから、実用を目的とした直方市による継続的な運用へ移行します。

研究開発の意義

マルチベンダによる柔軟なLPWAネットワーク構築が可能であることを実証し、LPWA普及の推進に寄与。
各種会議・イベントでの紹介を通じ、本研究開発の社会展開を一層促進
（令和5年版国土交通白書のコラム(P.62)で掲載されました!）

メディア等の主な掲載実績

―新聞、テレビ―
令和3年5月　　　読売新聞朝刊
令和4年11月　　
NHK「みみより！くらし解説」
令和5年3月　　　
NHK福岡放送局　ニュース（福岡）
―雑誌―
令和4年6月　　　
株式会社財界九州社「財界九州」6月号
令和4年12月　　
日本河川協会「河川」12月号
令和5年7月　　　
国土交通省白書
―会議・学会等―
令和3年5月　　　
遠賀川圏域大規模氾濫減災協議会
- 令和3年12月　　
【招待講演】国際会議JAC-ECC2021
（Japan Africa Conference on Electronics, Communications and Computers 2021）
令和4年8月　　　
第7回先端ネットワーク技術に関するワークショップ
令和4年9月　　　
2022年度電気・情報関係学会九州支部連合大会 3件
令和4年9月　　　
電子情報通信学会ソサイエティ大会 1件
令和4年10月　　
福岡大学カーボンニュートラルセミナー
令和4年11月　　
[招待講演]電子情報通信学会CQ研究会
令和5年1月　　　
電子情報通信学会SeMI研究会 @鳴門 3件
令和5年6月　　　
情報処理学会九州支部2023年度支部報告会、特別講演会
令和5年9月　　　
電子情報通信学会ソサイエティ大会　＠名古屋大学
令和5年10月　　
電子情報通信学会MIKA @沖縄 3件
令和6年2月　　　
電子情報通信学会SeMI研究会@福岡 2件
令和6年3月　　　
電子情報通信学会総合全国大会@広島 4件

令和5年6月の
九州大雨時の計測

直方市で
観測している様子

センサ設置個所の
様子（感田）

直方市感田地区
水位測定システム

下境北交差点付近（冠水によりセンサ停止）

泥が被った跡が...

下境北交差点付近の冠水の様子

令和5年6月の大雨の状況

センサ設置10箇所中、9か所が5分間隔でデータを計測しLPWAネットワークも順調に動作を継続した。
ただし途中2ヶ所のセンサが、おそらく浸水に起因し、動作を停止した。（後の調査で冠水が確認された）
LTEアクセスを介して設置した2ヶ所のセンサ(感田・木屋瀬)も画像も含めデータを計測し続けた。

教訓：

計測/通信設備は十分高い所に据えるべき。水位センサは張り出して設置しているが損傷の際は交換で済ませたほうが良いか。