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1. iRICを活用したIHIの取り組み事例の紹介 ～水門の自動操作支援技術の開発～ 2025年10月6日 社会基盤事業領域 事業推進部 防災・減災ソリューショングループ 髙良 圭（Kei KOURA） Copyright © 2024 IHI Corporation All Rights Reserved. 取扱注意
2. © IHI Corporation All Rights Reserved. 目次 1. 背景と目的 1.1 背景 1.2 目的 2. 技術課題と実施内容 2.1 技術課題 2.2 実施内容 2.3 iRIC Cabernet2Dによるシミュレーション 3. これまでの成果と今後の予定 3.1 進捗状況と成果 3.3 今後の予定 2
3. 3 出典：国交省 2015年参考 水門操作員の年齢構成 地域によっては、担い手不足が顕在化しており、 操作委託を受けている自治体が上位団体に対 して委託を断るなど、操作体制の確保が課題と なっている。 水門操作は、施設管理者や操作を委託された操作員が現場で、川の流れ等を目視確認により実施 されているが、操作員の高齢化や担い手不足が進んでおり、操作の省力化・省人化技術の導入が進 められている。 水門は河川や水路を横断して設けられる制御設備であり、主に支川への逆流を防止する役割がある。 技術開発の背景 水門の役割 60歳以上が60% 70歳以上が25% 洪水時に適切なタイミングで水門が閉じられるこ とにより、バックウォーター等による支川への流入 とそれに起因する氾濫を防ぐ。
4. 4 こうした課題を踏まえ、 「担い手不足等に対応した遠隔化・自動化・集中管理への移行」 という方針が、2022年に社会資本整備審議会 から答申された。 技術開発の背景 国交省 社会資本整備審議会 河川分科会 河川機械設備小委員会 資料より そして、2023年度より開始された内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）における 「スマート防災ネットワークの構築」の一部として、水門等の操作の遠隔化・自動化に関する研究が 進められている。 サブ課題D 「流域内の貯留機能を最大限活 用した被害軽減の実現」
5. • 水門の操作は逆流を正確に捉え、確実な操作判断が求めら れており信頼性の高い操作判断技術が必要。 • 機側で操作員が実施する操作判断・異常監視・周囲監視の すべてを自動化する技術が必要。 解決すべき課題 技術的課題 （操作員の作業を自動化するために必要な要素） 水位 流向 映像 気象 流況 SMART GATE AI ・操作前に設備の状態を自動的に点検 診断する状態監視診断する技術 ・洪水時操作中の異常や不具合の兆候を 捉え緊急時対応に備える検知技術 異 常 診 断 操 作 判 断 ・複雑に変化する水門周辺 のリアルタイムな水位・流向 等センサデータから操作判 断する技術 • カメラ等の監視による、周辺の安全監視結 果に基ずく操作支援技術 操 作 ・操作判断 アルゴリズム 操作 自動化 自動化に必要な情報を処理する技術 現状（操作員の対応） 遠隔化・自動化を実現する技術要素 水門ごとに配置された操作員が、 現場で水門の開閉を判断・操作 水門操作に関わる操作判断・状態監視・安全監視を 自動的に処理する開閉判断・操作自動化を実現 待機 現場 確認 操作 判断 操作 出動に備えて 気象情報を確 認する 現場で30分ごとに水位・流向等を目視確認 現場の水位・流向や過去の経験に基づき水門の 開閉を判断 周囲の安全を確認した上で水門を操作 ◼ 機側操作プロセス ◼ 水門単体操作の自動化に必要な技術要素 リアルタイムデータに基づく短時間の対応や、客観的な情報に基づいた正確な 判断と確実な操作を実現する自動操作支援システム 内水側 外水側 異常 確認 操作前や操作中の開閉装置の状態監視 異常時の監視・対応 • 水位や流向等の情報を統合的に処理した操作判断技術 • 開閉装置の異常を検知する状態監視、診断技術 • 周囲(第３者・水路等)の安全を確認し安全を担保する技術 アウトプット ・過去の操作履歴や周辺の 操作状況と比較した信頼 性の高い判断 • 操作判断,状態監視,安全監視の情報を 統合的に処理し操作する制御技術 ・判断システム
6. 水門の操作規則では、逆流が発生したら水門を閉める、と定められている。 しかし、順流から逆流に遷移する過程で、水門周辺の流れが滞留に近い状態になるため、 水門操作員は逆流発生の判断に苦慮している。 ＜本川水位の上昇時＞ 支川へ逆流が始まったタイミングで水門を閉める（②） ＜本川水位の下降時＞ 本川水位が支川水位より低くなったときに水門を開ける（④） 支川等の川幅が広い場合、単一地点の流向が全体の流向を表している とは限らず、流向の判定が難しい。 水理シミュレーションにより逆流発生過程における水門付近の水の流れ を再現し、「水門の自動操作を可能にしていく上での基礎情報」を把握 する 6 © IHI Corporation All Rights Reserved. 技術的課題 そもそも、逆流の発生前後において 水門周辺の水の流れはどうなっているのか
7. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 対象設備 7 新桂川水門 （筑後川右岸KP46.3） 新桂川水門 恵利堰 ←筑後川 地理院地図 桂川流域 （A=38km2） 筑後川流域 （A=2,860km2，うち桂川 合流点上流域1,600km2） 床島用水路 （サイフォンで桂川をアンダーパス） 逆流が起きているかどう かの判定が難しいとの認 識が関係者に共有され ている水門
8. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 新桂川水門の概要 8 8 川幅（アバット間距離）＝73m 水門幅20m 水門幅20m 水門幅20m 桂 川 筑後川 6.5m 6.5m 桂 川
9. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 新桂川水門での逆流防止操作の実施状況 9 豪雨名称 平成24年7月 九州北部豪雨 平成29年7月 九州北部豪雨 令和2年7月 豪雨 令和5年７月 大雨 解析対象 期間 2012年 7月13～15日 2017年 7月5～6日 2020年 7月6～8日 2023年 7月9～10日 新桂川水門 操作の有無 全閉操作あり 全閉操作なし 断続開閉操 作？ 全閉操作なし 合流点付近での逆流防止のため、 全閉操作を実施 完全な閉扉までは行わなかった との証言あり 数年に1回のペースで 逆流又はそれに近い状況が発生している。
10. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 操作員が流向判断に苦慮する状況例 10 ・中央付近は動きがほぼ無く、流れてきたゴミなどが 滞留した状態 ・合流点の手前で漂流物の速度が落ちていた ・水門から下流の動きはかなりゆっくり （30分ぐらいの間でほんの数メートル動いたかなと いう感じ） 現地確認者の証言 洪水時（下流方向） 洪水時（上流方向） 本来の流向 筑後川 桂川 桂川 年 2014 2015 2016 2017 2018 最高水位 4.82 5.47 7.19 10.30 9.67 年 2019 2020 2021 2022 2023 最高水位 8.46 10.52 8.40 6.94 10.14 片の瀬地点における年最高水位（赤字は今次出水より高い水位） このときの片の瀬地点ピーク水位は7月1日 15時に7.76m。過去10年の最高水位（下 の表）と比較してみると，1年確率洪水より少 し小さい程度の規模感の出水。 （最高水位の出典）https://www1.river.go.jp/cgi-bin/DspWaterData.exe?KIND=4&ID=309061289901130&BGNDATE=19600131&ENDDATE=20231231&KAWABOU=NO 平常時 筑後川 桂川
11. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 水理計算に使用したプログラム 11 Nays2DH 非定常平面2次元流れ・河床変動計算 Cabernet2D （開発中） 非定常平面2次元流れ・河床変動計算 + 分合流点・氾濫域を含む河道解析機能 水理シミュレーションモデル 本技術開発で使用したソルバー 分合流点を含む水理計算に適している 二次元水理解析 逆流の有無・流量に応じた水流の傾向把握 三次元水理解析 上層・下層の流れの違いを考慮した水流の傾向把握 これまでの実施範囲
12. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 計算格子の設定 12 計算格子設定 ・新桂川水門付近の流水の挙動を詳細に把握するため、水門付近の格子間隔が密になる ようにした。 （水門の横断幅65mに対し、桂川横断方向1.8m、縦断方向8mの格子を生成） 新桂川水門 ・筑後川縦断方向の上流側に1.05倍、下流側に1.08倍と等比級数的に格子サイズを漸 増させた。 ※iRIC v4にて作成
13. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 河道部と氾濫域の地形データの設定 13 2020年度に行われた航空レーザー測深（1/1000）および空中写真撮影（地上解像度 5cm）業務の成果を使用した。 筑後川の河床勾配は（両筑橋～大城橋間平均で）1/1100，桂川は1/1600。 筑後川 H29年洪水時の河道断面については2019（R1）年度に福岡県が実施した河道横断測 量成果から設定。R2・R5年洪水については、その測量以降の桂川河道改修の進捗状況を 反映した河道断面を設定。H24洪水については，R1測量実施以前に行われた河川改修 内容の内，資料が残っていた部分を反映して推定。 桂川 2021年の航空測量成果に基づく数値地図5mメッシュ（国土地理院）を使用した。 氾濫域 河道形状・河床勾配の設定方法 大規模な改修が行われたため，年別に異なる断面形状を設定
14. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 粗度係数の設定 14 マニング式に基づく粗度係数の設定方法 筑後川河川事務所保有の一次元解析用粗度係数を初期値として与え、 水理シミュレーション結果との整合性が高まるよう逆算粗度を設定 筑後川 河川管理者（福岡県）が桂川の流下能力評価に用いる0.035を適用 桂川 氾濫域 桂川と同じ0.035を適用（既往文献でのレンジ内，モデル設定省力化） ※iRIC v4にて作成 桂川 筑後川 筑後川
15. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 境界条件の設定 15 その時の洪水の高水流量観測結果を反映したHQ式に基づく「恵蘇の宿地点流量」と、流 出モデルベースの「恵蘇の宿地点下流残留域（美津留川；流域面積7.7km2）からの 流出量」の和とした。 残留域（美津留川）からの流出量は、筑後川河川事務所が保有する流出モデルに，関 係する雨量観測所計測データを入れて求めたもの。 筑後川上流端流量 筑後川河川事務所が保有する流出モデルに，関係する雨量観測所計測データを入れて求 めた。 桂川上流端流量 「恵蘇の宿地点」、「新桂川水門地点」、「片ノ瀬水位基準点（解析区間下流端の約2km 下流）」の3点の水位を滑らかに結ぶ二次の近似曲線より設定した。 下流端水位 解析区間の境界条件設定方法
16. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 計算条件の設定 16 【移流項の差分方式】 CIP法 【計算ステップ】 0.125秒 ※CFL条件を満たし、計算結果が安定する計算ステップとした。 【乱流モデル】 ゼロ方程式モデル 渦動粘性係数𝒗𝒕 は次式で与えた。 𝒗𝒕 = 𝒂𝒖∗ 𝒉 （𝒂:定数 𝒖∗ :摩擦速度 𝒉:水深） ※定数𝒂は、河川砂防技術基準における水深や粗度が空間的に漸変する場 合の値（0.13～0.15）を参考に0.15とした。 シミュレーションの計算条件
17. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 再現計算による妥当性の検証 17 観測水位 計算水位 観測水位 計算水位 観測水位 計算水位 観測水位 計算水位 H24 H29 R2 R5
18. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 再現計算による妥当性の検証 18 観測水位 計算水位 観測水位 計算水位 観測水位 計算水位 観測水位 計算水位 H24 H29 R2 R5 シミュレーション上でも 逆流が発生 シミュレーション上でも 逆流が発生
19. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. H24およびR2洪水の計算結果 19 H24 R2 シミュレーション上の逆流開始の瞬間における流速ベクトル分布 ※iRIC v4にて作成 ※iRIC v4にて作成 新桂川水門 新桂川水門 反時計回りの渦が 潰れた後に，時計 回りの渦が入り込 む状況もときとして 起きる この瞬間には 下流側の渦と 同様に時計回 りの渦 筑後川近くに時計 回り，そこから桂川 上流方向に向きが 異なる渦が交互に 形成されるのが典 型的状況 [m/s] [m/s]
20. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. H24およびR2洪水の計算結果 20 逆流開始時点前後各５分，計１０分平均（恵利堰での跳水を起源とする振動影 響排除のために一定時間平均値採用）での新桂川水門断面での流量・流速分布 H24 R2 逆流が右岸寄りに偏っている 大きな時計回りの渦により 左岸側で順流が、 右岸側で逆流が卓越したため 考えられる要因 左岸から右岸にかけて 順流と逆流が交互に発生 位置が時間的に不安定な，小 規模な渦が認められる状況下で 発生 考えられる要因
21. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. H24およびR2洪水の計算結果 21 H24 R2 シミュレーション上の逆流開始前後各30分(計１時間)のGELATO動画 ※iRIC v4にて作成 ※iRIC v4にて作成 新桂川水門 新桂川水門
22. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. H24九州北部豪雨 逆流発生時刻と水門操作時刻の比較 22 H24 実際の閉操作よりも早期に水門を閉め、比較的すぐに開操作を行うことで、逆流 を防止しつつ流量28,200m3を流下させることができた可能性がある。
23. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. R2 7月豪雨 逆流発生時刻と水門操作時刻の比較 23 R2 実際のゲート降下開始時刻がシミュレーション上の逆流開始時刻より1時間以上遅れてお り、このズレを解消することでより効果的に支川の排水ができる可能性がある。（但し，桂川 のハイドロは流出モデルベースのものであり精度の限界には留意必要）
24. 相関係数の確認結果 © IHI Corporation All Rights Reserved. 24 シミュレーション（中心移動平均）との相関係数を確認した。（赤色＝相関係数が1に近い。） 対象データ ・計測位置： 有効なデータが格納されている範囲（地点6～ 32） ・時間帯： 逆流付近±20minと、 逆流付近±45min（全期間） ・逆流発生付近（±20min）の方が 右岸寄り ・いずれにおいても、 中央から右岸付近の相関が高い。 以下の推奨範囲であれば妥当と考える。 ・推奨：12～23の範囲 ・NG：それ以外（とくに負の地点に設置して しまうと、逆応答の恐れあり） H24_v3 相関係数（40min） 相関係数（90min） R2 相関係数（40min） 相関係数（90min） 1 position_6 -0.452472 0.355961 1 position_6 0.588007 0.689908 2 position_7 -0.551389 0.446994 2 position_7 0.180936 0.5635 3 position_8 -0.414351 0.460562 3 position_8 0.375217 0.37871 4 position_9 0.106629 0.505493 4 position_9 0.499368 0.280751 5 position_10 0.678839 0.571022 5 position_10 0.540733 0.341443 6 position_11 0.896626 0.634676 6 position_11 0.556255 0.490583 7 position_12 0.961071 0.698628 7 position_12 0.693535 0.648244 8 position_13 0.980646 0.752398 8 position_13 0.819925 0.753099 9 position_14 0.982781 0.801017 9 position_14 0.896454 0.813316 10 position_15 0.98307 0.840522 10 position_15 0.920443 0.84561 11 position_16 0.981679 0.869041 11 position_16 0.929061 0.875214 12 position_17 0.978656 0.894462 12 position_17 0.933 0.896309 13 position_18 0.973668 0.913738 13 position_18 0.936262 0.918427 14 position_19 0.965864 0.925588 14 position_19 0.935501 0.934966 15 position_20 0.953204 0.93825 15 position_20 0.930646 0.959279 16 position_21 0.938946 0.941484 16 position_21 0.923497 0.95785 17 position_22 0.92544 0.925013 17 position_22 0.90965 0.953395 18 position_23 0.914203 0.863163 18 position_23 0.884386 0.938986 19 position_24 0.862472 0.744107 19 position_24 0.829651 0.906278 20 position_25 0.566552 0.570958 20 position_25 0.71225 0.835511 21 position_26 -0.114051 0.391746 21 position_26 0.438546 0.680913 22 position_27 -0.514236 0.220734 22 position_27 0.017118 0.489946 23 position_28 -0.417922 0.03524 23 position_28 0.503696 0.466628 24 position_29 -0.719526 -0.35947 24 position_29 0.186888 -0.341141 25 position_30 -0.915973 -0.429669 25 position_30 -0.553361 -0.595418 26 position_31 -0.883725 -0.338834 26 position_31 -0.667296 -0.512726 27 position_32 NaN -0.264209 27 position_32 -0.522451 -0.349159 28 Q 0.496945 0.748033 28 Q 0.223793 0.62837 H24 R2 ±20 min ±45 min ±20 min ±45 min 右岸 ↑ 中央 ★現地⇒ ★現地⇒ センサ最適配置手法の検討 ※川の幅の広い水門では、逆流発生のタイミングでは、流速が低下し流向が順流と逆流が輻輳するためセンサ類の 相関係数の低い箇所に設置すると逆応答の懸念が生じることが分かった。 上記結果より、相関性の高い推奨範囲１２～２３の範囲中央から右岸側の地点にセンサを最適配置することとする。
25. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 実河川での観測 25 桂川 流向計 水位計 気象計 カメラ カメラ 6月より現地観測を開始（水位、流向、風速、風向、雨量、カメラ）
26. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. 最上川流域 大旦川水門での検討 大旦川水門 大久保 第一遊水地 新桂川水門と同様の検討を、大旦川水門（最上川流域）にて実施 観測水位 計算水位 閉操作開始時刻 8/3 22:08 シミュレーション上の 逆流開始時刻 8/4 3:00 シミュレーション上の 逆流終了時刻 8/5 3:42 26
27. ６月から大旦川水門で観測を開始 © IHI Corporation All Rights Reserved. 27 実河川での観測 機器設置状況（カメラ・水位計・気象計）
28. Copyright © 2019 IHI Corporation All Rights Reserved. iRICによる計算結果を用いたプロトタイプ動作検証 30 9/30 模擬水門実機を用いて動作検証を実施