成果報告書詳細
管理番号20160000000795
タイトル平成26年度‐平成27年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)/インフラ維持管理・更新・マネジメント技術 インフラの多種多様なセンシングデータを処理・蓄積・解析する技術の開発 インフラセンシングデータの統合的データマネジメント基盤の研究開発
(実施項目3 高精度時刻同期マルチセンシング技術の研究開発)
公開日2016/10/7
報告書年度2014 - 2015
委託先名国立大学法人筑波技術大学
プロジェクト番号P14031
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成26年度‐平成27年度成果報告書 インフラセンシングデータの統合的データマネジメント基盤の研究開発 「高精度時刻同期マルチセンシング技術の研究開発」

 本研究開発項目では、加速度センサ、温度センサ、ひずみセンサ、変位センサに加え、各種センサによる計測データを、サンプリング周波数や1つのデータの容量が異なっても比較分析できるように、チップスケール原子時計(CSAC)により、長期間メンテナンスフリーで時刻同期を確保しながら計測するマルチセンシング技術の研究開発を行った。平成26年度は、自律型時刻同期マルチセンシング用モジュール・プロトタイプについて、設計・製作を行った。プロトタイプは、メインボード、センサボード、無線通信ボードにより構成した。メインボードは、システムを制御するCPU、CSAC、FPGA、ストレージ、入出力端子等を具備し、後述のセンサボード、無線通信ボードが着脱可能な構成とした。FPGAは、CSACによる高精度なタイムスタンプを測定データに付与することに特化した集積回路である。センサボードは、MEMS加速度センサ、温度センサ、フィルタ、16bitのA/Dコンバータを搭載した加速度センサボード、及び、アナログ型センサの外部入力端子、フィルタ、24bitのA/Dコンバータを持つマルチセンサボードの2種類を開発した。マルチセンサボードには、変位センサ、ひずみセンサ等の任意のアナログセンサを接続できる。無線通信ボードは、Wi-Fi用と3G用の2種類を開発し、選択的に利用できるようにした。これらによって、様々なセンサによる測定データには、高精度なタイムスタンプが付与されるため、データを収集する手段を選ばず、測定データ間の時刻同期を確保し、相互に比較・分析することを可能とした。開発したプロトタイプの時刻同期性能を確認するために、振動台による試験を実施した。メインボードに加速度センサボードを装着した4台のモジュールを振動台に固定し、振動数を変えた加振を行った。振動台上の加速度を、各モジュールでCSACによるタイムスタンプを付与しながらサンプリング周波数100Hzで計測した。4台のうち1台をマスター、3台をスレーブとして、マスターに対する各スレーブの計測データのフーリエ位相スペクトル比を計算し、4台のモジュールが±0.001秒以内の時刻同期を実現していることを確認した。
 平成27年度は、平成26年度に開発したプロトタイプに関する課題を抽出するため、高速道路総合技術研究所所有の実験橋に設置して、マルチセンシング計測実験を行った。実験に当たっては、モジュールを実験橋に設置するための取り付け方法を考案し、専用治具を製作した。8台のモジュールを実験橋に設置し、加速度、変位、ひずみ等を計測し、実橋での計測に向けた準備として、マルチセンシング計測システムの運用性等を確認した。さらに、プロトタイプを元に、安定性や運用性の改善を行った自律型時刻同期マルチセンシング用実用版モジュールの設計・製作を行った。高精度な多チャンネルひずみ計測や、高感度加速度計測等を可能とするため、3チャンネルアナログ入力・外部センサボード(MEMS加速度センサ搭載)を開発し、センシングデータを国立情報学研究所のデータベースサーバへ転送するための通信ボードの改良およびソフトウェアの開発を行った。実用版モジュールの振動台試験により、各モジュールによる測定データの誤差時間(時刻同期性能)が0.001秒以内であることを確認した。また、実橋での計測に対応した筐体およびデータ収集ソフトウェアの検討を進め、妙高大橋、中央道への設置計画を完了した。
英文要約Title: An Integrated Data Management Platform for Civil Infrastructure Sensing, High-precision Time Synchronization Multi-Sensing Technology (FY2014-2015) Final Report

For the maintenance of civil infrastructure, the measurement data acquired from various sensors, such as an acceleration sensor, a temperature sensor, a strain sensor, and a displacement sensor should be compared and analyzed under the high-precision time synchronization. In this research, a chip scale atomic clock (CSAC) was applied to the multi-sensing technology. CSAC is an ideal clock for applications requiring precise synchronization and time keeping, especially in a GPS-denied environment. A prototype for the high-precision time synchronization multi-sensing module was designed and manufactured. The sensing module prototype consists of a main board, a sensor board, and a wireless communication board. CPU, CSAC, FPGA, storage, and input and output terminals were installed on the main board. FPGA has been developed to impart a highly accurate time stamp of CSAC to the measurement data of various sensors. The sensor board and the wireless communication board have detachable configurations. A MEMS acceleration sensor which has sufficient performance for structural health monitoring of civil infrastructure, low pass filter with cut-off frequency of 50 Hz and a 16bit A/D converter were installed in the acceleration sensor board. The displacement sensor and strain sensor can be connected to the multi-sensor board which has a 24bit A/D converter. Two types of wireless communication board for Wi-Fi and 3G have also been developed. In order to check the time synchronization performance of the developed high-precision time synchronization multi-sensing module prototype with CSAC, a shaking table test was conducted. Four multi-sensing modules with the acceleration sensor board were attached on the shaking table. The shaking table can generate various vibration on the table using sine and swept-sine wave. According to the test results, it was confirmed that the developed modules could achieve time synchronization in the range of ± 0.001 second. 
The high-precision time synchronization multi-sensing prototype module was applied to a damage detection of experimental bridge model. In the experiment, a special jig for attaching the module to the experimental bridge model was manufactured. The eight modules were installed in the experimental bridge model, acceleration, displacement, and strain were measured. As preparation for the installation of the real bridge, the performance and operability of the multi-sensing measurement system were recognized. In addition, on the basis of the prototype module, the practical version of the module was designed and manufactured. Stability and operability of the module were improved. In order to enable high precision multi-channel strain measurement and high sensitivity acceleration measurement, an external sensor board with a three-channel analog input, low pass filter with cut off frequency of 50 Hz, 24 bit A/D converter and the MEMS acceleration sensor, was manufactured. Two types of wireless communication for Wi-Fi and 3G were also provided. Furthermore, the software of a communication board for transferring sensing data to the database in National Institute of Informatics was developed. The shaking table test was conducted to evaluate the time synchronization performance of the practical version of the module with CSAC. According to the test results, it was confirmed that the developed practical modules achieve time synchronization within ± 0.001 second. This performance is sufficient for the structural health monitoring of the civil infrastructures.
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