JP5846015B2 - 漏洩検知方法、漏水検知方法、漏洩検知装置および漏水検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、配管の漏洩検知方法、漏水検知方法、漏洩検知装置および漏水検知装置に関する。

内部に流体が流れている配管からの漏洩防止、例えば、都市の上水システムにおける漏水の防止は、たいへん大きな関心事である。上水システムの維持管理状況にもよるが、提供水量に対し、その数十％が漏水として地中に吸収されている地域もあると言われている。このような多量の漏水は、特に地域によっては、貴重な資源である水そのものを浪費するばかりではなく、上水場などの上水システムにおいても、実際の所要量以上の能力を保持する必要があり、極めて非効率的である。また、上水管の破損などにより、特定の場所へ大量の漏水があれば、その周辺の土壌が流出し、例えば道路が陥没してしまうなど、甚大な災害が発生した実例もしばしば報道されている。

そのため、漏水が発生したら、速やかにそれを検知して補修を行うことが必要であるが、実際にはその検知は容易ではない。その理由はいくつかあるが、主な要因は、水は無色かつ無臭であることに加え、地下には地下水などもあり、漏水か地下水かの区別がつきづらい点にある。また、上水管の大部分は地中に埋まっているため、検知自体が困難である点も大きな要因である。

しかしながら、漏水を検知するいくつかの方法が開発され、実際に用いられている。一例としては、熟練した探査員の聴覚によって、漏水箇所を検知する方法が挙げられる。これは、例えば、探査員が地表に露出している弁などの箇所において、深夜の静寂時などに聴覚にて漏水音の有無を確認し、漏水音が確認された場合には、専用の聴音器を地表に当てて管路に沿って移動しつつ、最も漏水音が明瞭となる箇所を探知して、漏水箇所を特定しようとするものである。この方法は、高価な機器などを必要とはしないが、探査員には熟練が必要であり、また、熟練した探査員間においても、個人間の技量のバラつきが大きいという問題がある。

そこで、人間の感覚に頼ることなく漏水位置を特定しようとする試みとして、例えば、配管に音響検知器や振動検知器を取り付け、漏水場所を特定する方法が検討されている（例えば、特許文献１〜４参照）。これらは、漏水の疑われるおおよその箇所を挟む配管上に二つの音響センサを設置し、それらで受信した漏水音の信号を相互相関処理にかけ、漏水音の到来時間差から、漏水位置を特定する方法である。この方法では探査員の技量にはよらず、精度よく漏水箇所を特定可能であるが、予め、おおよその漏水箇所が判明している必要がある。そのためには、前記手法のように、探査員が地表に露出している弁などの箇所において、深夜に聴覚にて漏水音の有無を確認するなどの作業工程が必要となってしまう。

結局、前記のいずれの方法においても、探査員による人海戦術的な漏水箇所の捜索が必要な状況となっている。しかし、熟練した探査員の維持確保は容易ではないことや、作業時間が静寂な深夜に限られていることなどから、捜索作業の効率は悪い一方、大都市では総延長が数万ｋｍといった上水網が設置されており、結果として、有効な漏水対策が施されていない都市が多々ある状況である。

特開２００８−５１７７６号公報 特開平１１−７２４０９号公報 特開平１１−２４８５９１号公報 特開平１１−１１７３５６号公報

前記特許文献に記載の技術のように、配管に接した音響センサを用いて、相互相関処理により位置局限を行う場合、測定原理上、漏水箇所は二つのセンサ間に存在している必要がある。すなわち、例えば二つのセンサＡ、Ｂを配管上に設けた場合、ＡＢ間の外側にある漏水箇所については、Ａより外側か、Ｂより外側かという、二者択一の情報しか得ることができず、距離に係わる情報は得ることができない。したがって、漏水箇所がセンサ網のすぐ外側にある場合はその位置を局限できず、また、せっかく複数のセンサが配置されていても、それらを活用して求めた位置データを平均化して、より位置局限の精度を高めることが難しいという課題がある。

前記特許文献に記載の技術のように、管路に沿って音響センサを配置する場合、漏水音の伝播距離の関係から、例えば、１００〜数１００ｍおき程度の間隔で配置することが望ましい。上水管等は、一般には地中に埋まっているため、工事の手間の観点から、音響センサを管路へ設置するには、マンホールなどの既存の設備を利用して設置することが現実的である。しかしながら、マンホールなどは必ずしも、音響センサの配置に都合のよい場所に存在しているわけではない。そのため、センサを理想的な位置に配置しようとすると、大掛かりな工事が必要であるなど、容易なものではなかった。

本発明の目的は、センサの設置が簡便であり、かつ、検知の精度が高く、信頼性の高い、配管の漏洩検知方法、漏水検知方法、漏洩検知装置および漏水検知装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の漏洩検知方法は、
２つの音響センサが、相互に一定の距離を置き、かつ、配管場所から一定の距離を置いて配置され、前記２つの音響センサを一組とし、
前記一組の音響センサを構成する音響センサを時刻同期させ、前記音響センサが音響データを取得する音響データ取得工程と、
前記各音響センサの受信した音の到来時間差を求める時間差算出工程と、
前記到来時間差から、前記音の音源と前記各音響センサとの距離の差を算出する距離差算出工程と、
前記各音響センサからの距離の差が一定である点の集合である、前記各音響センサの位置を焦点とする双曲線を求める双曲線取得工程と、
前記配管と前記双曲線との交点から漏洩位置を特定する位置特定工程とを含むことを特徴とする、内部に流体が流れている配管の漏洩検知方法である。

また、本発明の漏水検知方法は、前記本発明の漏洩検知方法を用い、導水管からの漏水を検知することを特徴とする。

本発明の漏洩検知装置は、
音響データ取得手段と、時間差算出手段と、距離差算出手段と、双曲線取得手段と、位置特定手段とを含み、
前記音響データ取得手段は、音響データを取得可能で時刻同期可能な２つの音響センサが、相互に一定の距離を置き、かつ、配管場所から一定の距離を置いて配置され、前記２つの音響センサを一組としたものであり、
前記時間差算出手段は、前記各音響センサの受信した音の到来時間差を求める手段であり、
前記距離差算出手段は、前記到来時間差から、前記音の音源と前記各音響センサとの距離の差を算出する手段であり、
前記双曲線取得手段は、前記各音響センサからの距離の差が一定である点の集合である、前記各音響センサの位置を焦点とする双曲線を求める手段であり、
前記位置特定手段は、前記配管と前記双曲線との交点から漏洩位置を特定する手段であることを特徴とする、内部に流体が流れている配管の漏洩検知装置である。

また、本発明の漏水検知装置は、前記本発明の漏洩検知装置を含み、導水管からの漏水を検知することを特徴とする。

本発明によれば、センサの設置が簡便であり、かつ、検知の精度が高く、信頼性の高い、配管の漏洩検知方法、漏水検知方法、漏洩検知装置および漏水検知装置を提供することができる。

図１は、本発明における、２つのセンサを一組として位置局限を行う方法を説明する概念図である。 図２は、本発明における、一組のセンサを複数組用い、位置局限を行う方法を説明する概念図である。 図３は、本発明において、一組のセンサを複数組用い、漏水音か否かの判定を行う概念図である。 図４は、音速の誤差が位置局限に与える影響を説明する概念図である。 図５は、３つのセンサを一組として位置局限を行う方法を説明する概念図である。 図６は、本発明の漏水検知方法および漏水検知装置を使用した漏水検知システムの一例の概念図である。 図７は、本発明の漏水検知方法および漏水検知装置を使用した漏水検知システムの一例の構成図である。 図８は、マスタ側のセンサの動作を説明するフロー図である。 図９は、スレーブ側のセンサの動作を説明するフロー図である。 図１０は、処理センタの動作を説明するフロー図である。 図１１は、漏水検知処理の動作を説明するフロー図である。 図１２は、位置局限処理の動作を説明するフロー図である。 図１３は、本発明の第５の実施形態での、マスタ側のセンサの動作を説明するフロー図である。 図１４は、本発明の第５の実施形態での、位置局限処理の動作を説明するフロー図である。

本発明の漏洩検知方法において、前記一組の音響センサを複数組用い、前記双曲線取得工程において、前記双曲線を、各組毎に求め、前記位置特定工程において、前記各組毎に求めた双曲線の交点を加重平均することにより、音源位置を特定することが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記一組の音響センサを複数組用い、前記双曲線取得工程において、前記双曲線を、各組毎に求め、前記位置特定工程において、前記各組毎に求めた双曲線の交点のうち、前記配管上にある交点の位置を漏洩位置であると判断することが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記一組の音響センサを構成する音響センサ間において、相対時刻同期を行い、前記複数組の音響センサの組間において、絶対時刻同期を行うことが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記２つの音響センサに代えて、少なくとも３つの音響センサを用い、前記少なくとも３つの音響センサを一組とし、前記双曲線取得工程において、前記少なくとも３つの音響センサのうち、２つずつを組み合わせて焦点とした、少なくとも３種類の双曲線を求めることが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記一組の音響センサを、少なくとも３組用い、前記位置特定工程において、前記音が伝搬する媒質での音速を可変パラメータとして用いて、前記交点を求めることが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記時間差算出工程に先立ち、前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトルを導出し、漏洩の検出されなかった過去の音響データのパワースペクトルと比較し、漏洩の有無を判定する判定工程を含むことが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記双曲線の交点が複数存在する場合、前記位置特定工程において、前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトル上での漏洩音の強度比データを用い、漏洩位置を特定することが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記音響データ取得工程において、前記各音響センサが受信した音響データを、複数のサンプリング速度と収録時間との組み合わせ毎に収集することが好ましい。

本発明の漏洩検知方法において、前記時間差算出工程に先立ち、他の音響分析方法を用いて漏洩の有無を判定する判定工程を含むことが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、前記一組の音響センサを複数組用い、前記双曲線取得手段が、前記双曲線を、各組毎に求め、前記位置特定手段が、前記各組毎に求めた双曲線の交点を加重平均することにより、音源位置を特定することが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、前記一組の音響センサを複数組用い、前記双曲線取得手段が、前記双曲線を、各組毎に求め、前記位置特定手段が、前記各組毎に求めた双曲線の交点のうち、前記配管上にある交点の位置を漏洩位置であると判断することが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、前記一組の音響センサを構成する音響センサ間において、相対時刻同期を行い、前記複数組の音響センサの組間において、絶対時刻同期を行うことが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、前記２つの音響センサに代えて、少なくとも３つの音響センサを用い、前記少なくとも３つの音響センサを一組とし、前記双曲線取得手段が、前記少なくとも３つの音響センサのうち、２つずつを組み合わせて焦点とした、少なくとも３種類の双曲線を求めることが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、前記一組の音響センサを、少なくとも３組用い、前記位置特定手段が、前記音が伝搬する媒質での音速を可変パラメータとして用いて、前記交点を求めることが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、さらに、前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトルを導出し、漏洩の検出されなかった過去の音響データのパワースペクトルと比較し、漏洩の有無を判定する判定手段を含むことが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、前記双曲線の交点が複数存在する場合、前記位置特定手段が、前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトル上での漏洩音の強度比データを用い、漏洩位置を特定することが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、前記音響データ取得手段が、前記各音響センサが受信した音響データを、複数のサンプリング速度と収録時間との組み合わせ毎に収集することが好ましい。

本発明の漏洩検知装置において、さらに、他の音響分析手段を用いて漏洩の有無を判定する判定手段を含むことが好ましい。

漏水箇所の検知を効率よく実施するためには、音響センサを管路に沿って網状、かつ固定的に配置し、それらセンサで定期的に収集したデータを処理センタのサーバへ集積して漏水音の自動検出処理を行い、検出された場合は、近隣のセンサデータ間にて相互相関処理を行い、漏水位置を局限するシステムを設置することで可能となる。このようなシステムを構築し、運用すれば、処理センタにて漏水箇所の検知や位置局限を集中、かつ自動的に実施できるため、熟練した探査員の維持確保や、深夜に巡回する効率の悪い作業の問題が解消すると期待されている。しかしながら、そのようなシステムの構築にあたっては以下のような課題があり、実現されてはいなかった。

まず、漏水音の自動識別が挙げられる。漏水の有無を自動的に検出するには、音響センサの信号に周波数分析処理などを施し、漏水音特有の周波数帯域でのエネルギー強度により判定するなどの手法が考えられる。しかしながら、たとえ静寂な深夜にデータを取得したとしても、その帯域には漏水以外の他の音源成分がないとも限らず、誤警報を発する可能性があるという課題があった。

また、異なるセンサ間の時刻同期の課題も挙げられる。管路などの固体を伝播する音波の速度は、その材質にもよるが、おおよそ３，０００〜６，０００ｍ／ｓ程度である。音波が１ｍ伝播するためにかかる時間は、この逆数であるから、１６７〜３３３μｓ程度となる。すなわち、相互相関処理により漏水箇所を１ｍ程度の精度で局限するためには、漏水音の到来時間差を２００μｓ前後の精度で測定する必要がある。一般的に、測定は所望の精度より１桁高い刻み幅で行う必要があることから、音響センサによる漏水音の収集は２０μｓ程度の間隔、すなわち、５０ｋＨｚ程度のサンプリング速度で行うことが望ましい。

ところで、相互相関処理により漏水音の到来時間差を求める場合には、当然、二つのセンサ間にて、データ収集におけるサンプリングのタイミングが合致している必要がある。つまり、二つのセンサ間にて、２０μｓ程度の極めて高い精度で時刻が同期されている必要がある。通常、このような高い精度で時刻を同期するには、ＧＰＳや電波時計のような外部同期信号を利用する方法が一般的である。しかし、センサは一般にはマンホール下などに設置されてきたため、ＧＰＳや電波時計の電波を受信することは容易ではなく、正確な時刻同期を行うことが難しいという課題があった。もちろん、離れたセンサ同士を有線にて接続すれば、時刻同期を容易に行うことも可能である。しかし、その場合は長い接続線の設置工事費が膨大なものとなってしまうため、現実的な選択肢とはなり得ない状況である。

相互相関処理を行うセンサのペアを固定せず、隣接したセンサのペア以外でも相関処理を行えば、より精度を高めることも可能と推測される。しかしながら、それを行うためには近隣にある全てのセンサが正確に時刻同期している必要があり、前記時刻同期の問題から、それも現実的な選択肢とはなり得ない状況である。

さらに、音響センサで収集したデータの回収方法についての課題がある。前記のように、各センサを有線のネットワークで接続することは、設置工事費の観点にて現実的ではないため、無線のネットワークを用いることが妥当と考えられる。限られた無線回線の資源を用いて、効率的にデータを処理センタへ収集するためには、各センサから収集する音響データのサイズは、可能な限り小さいことが望ましい。しかしながら、所望の精度で相関処理を行うためには、前記のように、５０ｋＨｚ程度の高速サンプリングが必要である。一方、収集する音響データは、常にサーバで自動処理を行うのみならず、時には処理センタにおいても再生して探査員が聴取し、漏水による音か否かの確認を行うような運用も想定される。そのためには、音響データのサイズは例えば１分間など、探査員の有意な聴取に必要な時間を満たす長さであることが望ましい。結果として、高速サンプリングで長時間のデータ長、すなわち、データのサイズとしては非常に大きくなり、無線回線を圧迫するという課題があった。

以下、本発明の漏洩検知方法、漏水検知方法、漏洩検知装置および漏水検知装置について、例をあげて詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図１から図１４において、同一部分には、同一符号を付している。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の漏洩検知方法を説明する概念図である。図１に示すように、本発明においては、２つの音響センサ１、２が、相互に一定の距離を置き、かつ、配管５の場所から一定の距離を置いて配置されている。配管５の内部には、流体が流れている。そして、前記２つの音響センサを一組として用い、以下に述べるように、配管５における漏洩の検知を行う。本実施形態においては、配管５は地中に埋設された導水管であり、前記流体は水である場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。

本実施形態の漏洩検知方法は、以下のステップを実施する。まず、前記一組の音響センサを構成する音響センサ１、２を時刻同期させ、音響データを取得する（音響データ取得工程）。ついで、音響センサ１、２の取得した音の、音響センサ１、２間での到来時間差を求める（時間差算出工程）。得られた到来時間差から、前記音の音源と音響センサ１、２との距離の差を算出し（距離差算出工程）、音響センサ１、２からの距離の差が一定である点の集合である、音響センサ１、２の位置を焦点とする双曲線を求める（双曲線取得工程）。そして、配管５と前記双曲線との交点から漏洩位置を特定する（位置特定工程）。

本発明においては、音響センサを、配管の場所から一定距離を置いて配置するので、地中にある導水管には直接接触させず、例えば、管路近隣の、地表面の歩道上に設置することができる。漏水音は導水管を伝播するが、当然、地中も伝播するため、地表面でも聴取することは可能である。これは、関連技術において、探査員が漏水箇所を捜索する場合に、専用の聴音器を地表にあてて、漏水音を聴取することからもわかる。したがって、マンホール位置などに制約を受けず、理想の場所へセンサを設置することができるため、工事費の節約が可能となる。また、地中ではない地上への設置により、データ収集用の無線アンテナの設置が容易となり、電波の放射特性も向上して、後述するデータ収集時において、通信可能なエリアも拡大する。

また、配管に接した音響センサを用いた場合には、前述のとおり、センサ間にある漏洩位置しか局限することができない。一方、本発明のように配管の場所から離れて設置されている音響センサのペアを用いると、漏洩音の相互相関処理を行い、広範囲において漏洩位置を局限することができる。具体的には、図１においては、下記式の関係を有し、漏水音の到来時間差に音速を乗じた値、すなわち、音響センサのペアから見た漏水箇所までの経路差がある一定の値となる領域は、その二つのセンサを焦点とする、双曲線上に存在することとなる。したがって、双曲線と管路との交点を求めることで、漏水位置を特定することができる。

このように、漏水箇所がペアとなる音響センサ間に存在する場合のみならず、その外側に存在する場合においても、漏水位置を局限可能となる。これにより、面的に設置した音響センサを活用して多重解の加重平均処理などを行うことにより、漏水位置の局限精度を向上することも可能となる。また、漏水箇所がセンサ網のすぐ外側に存在する場合においても、その位置を局限することが可能となる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態の漏洩検知方法を説明する概念図である。本実施形態においては、一組の音響センサを複数組用いている。図２には、３組の音響センサ（図２において、１組の音響センサを、「受波機ペア」と表示する）を用いた例を示している。各組について、第１の実施形態と同様に、双曲線を取得することができるので、得られた複数の双曲線と管路との交点を求めることで、漏水位置を特定することができる。複数組の音響センサのペアで漏水音を受信し、それらの間での相互相関処理を行うことができれば、各ペアで求めた複数の双曲線と、管路との交点の多重解を求める過程で適切な加重平均処理などを行うことにより、漏水位置の局限精度を向上することも可能となる。

複数組の音響センサのペアを用いると、さらに、音響センサが受信した音が、漏水音であるか漏水音以外の他の音源によるものであるかの判定をすることも可能となる。例えば、図３に示すように、前記複数の双曲線と管路との交点を求める過程で、双曲線同士の交点が管路上に存在しなければ、その音源は漏水に起因するものではないと合理的に判断し、処理対象から除外することができるからである。すなわち、音響センサの各ペアで求めた複数の双曲線の交点が、管路と交わらない位置にある場合、音響センサが受信した音は、漏水音以外の他の音源によるものであると判定することができる。このように、複数組の音響センサを用い、管路の位置情報と併せて解析することで、音の種類の解析等をすることなく、漏水音以外の他の音源成分に起因する誤警報を防ぐことができる。

なお、検出箇所一帯の地中の音速の推定値に幅がある（誤差がある）場合、音源の存在できる範囲は、双曲線が幅を有した帯状の領域となる。複数組の音響センサのペアで漏水音を受信した場合は、図４に示すように、この帯状の領域が交差する部分に音源が存在することになる。よって、３組以上の音響センサのペアで漏水音を受信した場合には、前記位置特定工程において、前記音が伝搬する媒質での音速を可変パラメータとして用いて、その解を得ることで前記交点の探索を行うことができる。このように、本実施形態では、検出箇所一帯の地中の音速の推定値に幅がある場合でも、音源（漏水位置）を特定することも可能である。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態の漏洩検知方法を説明する概念図である。図５に示すように、本発明においては、３つの音響センサ１、２、３を一組とし、各音響センサは、相互に一定の距離を置き、かつ、配管５の場所から一定の距離を置いて配置されている。この場合、漏水音の到来時間差を求める相互相関処理は、音響センサ１と２との組み合わせ、音響センサ１と３との組み合わせ、音響センサ２と３との組み合わせの計３通りの組み合わせを選択することができる。そうすると、図５に示すように、音響センサ１と２とを焦点とする双曲線６、音響センサ１と３とを焦点とする双曲線７および音響センサ２と３とを焦点とする双曲線８の、３本の双曲線を描くことができる。この３本の双曲線が成す３つの交点が収束する箇所を求めれば、複数組の音響線センサを用いずとも、漏水箇所の位置を局限することが可能となり、また、誤検知も防ぐことができる。ここでは、３つの音響センサを一組としたが、３つ以上の音響センサを一組として用いてもよい。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、本発明の漏水検知方法および漏水検知装置を用いた漏水検知システムの一例である。図６は、本実施形態の漏水検知システムの概念図である。図７は、前記システムの構成例を示している。図６に示すように、前記システムは、路上に設置され、漏水音の収集を行う音響センサ１０、車両等に搭載され、各所に設置された音響センサ１０を巡回し、音響データの収集を行う移動データ収集部２０、漏水音の検出や、位置局限処理を行う処理センタ部３０から構成される。音響センサ１０は、位置局限に用いる相関処理を行うペアの単位で、例えば数百メートル程度の間隔で、導水管路に沿って網状に配置されるため、漏水箇所を幅広く、面状に検知することが可能となる。

続いて図７を用いて、各部の構成要素を順に説明する。音響センサ１０は、管路や地中を振動波として伝播する漏水音を、電気信号に変換する受波素子部１１、受波素子部１１からの電気信号をデジタル化し、データの圧縮などを行う信号前処理部１２、信号前処理部１２で処理した音響データを一時的に記憶する信号一時記憶部１３、信号一時記憶部１３にて記憶している前記音響データを、移動データ収集部２０へ送信する地上側無線通信部１４、他の音響センサ１０との通信や、移動データ収集部２０との通信を利用して、内部時刻の同期を行う時刻同期部１５から構成される。

なお、前記のように、音響センサ１０は相関処理を行うペアを単位として構成されるが、ペア単位内で測定前に時刻同期を行う必要があるため、機能構成としては同一なものの、マスタとスレーブの二つの役割が存在する。

移動データ収集部２０は、ＧＰＳなどを用いて各音響センサ１０までの道順などを案内するナビゲーション部２１、音響センサ１０から送信された音響データを受信する車上側無線通信部２２、受信した音響データを一時的に記憶する信号収集部２３から構成される。

処理センタ部３０は、移動データ収集部２０から、メモリカード等を介して受け渡された音響データに、解凍やフィルタリングなどの処理を行う信号後処理部３１、処理した音響データを蓄積する信号蓄積部３２、信号後処理部３１にて処理した音響データを用いて、漏水音の検知処理を行う漏水検知処理部３３、各音響センサ１０の位置情報と導水管の配置情報を格納するセンサ位置データベース（ＤＢ）部３４、漏水検知処理部３３にて漏水音が検出された音響データに対し、センサ位置ＤＢ部３４が格納する位置情報を併用して、漏水の位置を求める位置局限処理部３５、検知した漏水の箇所を探査員に表示する漏水箇所表示部３６から構成される。

ここで、音響センサ１０と、移動データ収集部２０との間の音響データの受け渡しは、無線通信に限らず、メモリカードの挿抜による方法や、コネクタ接続などによる有線通信でも構わない。同様に、移動データ収集部２０と、処理センタ部３０との間の音響データの受け渡しも、メモリカードの挿抜による方法に限らず、無線通信や、コネクタ接続などによる有線通信でも構わない。

図８〜１２は、本システムの動作フローを示しており、順を追って各ステップを説明する。

まず、図８を用いて、マスタ側の音響センサ１０の動作について説明する。ステップ１００にて動作を開始すると、ステップ１０１では時刻同期部１５が内部の時計を参照し、深夜の静寂時など、データ収集を行う時刻であるか否かの確認を行う。データ収集を行う時刻であれば（Ｙｅｓ）、ステップ１０２に進み、地上側無線通信部１４を介してスレーブ側の音響センサ１０へ信号を送信して起動し、両者間での相対時刻同期を行う。続いてステップ１０３では、受波素子部１１にて受信した音響振動をアナログの電気信号に変換しつつ、ステップ１０４では信号前処理部１２にて、それをデジタルデータへ変換し、データサイズ削減のため圧縮処理などを行ったあと、ステップ１０５で信号一時記憶部１３へ保存し、ステップ１０１の待受け処理に戻る。その際、ステップ１０４では、相関処理や探査員による聴取などの目的に応じて、最適なサンプリング速度と収録時間との組み合わせ毎に音響データを分けて収集することにより、データサイズの最小化を行う。音響データの回収にあたって、前記各音響センサが受信した音響データを、複数のサンプリング速度毎に収集することで、利用する無線回線への負荷を最小限とすることができる。すなわち、音響データは処理センタで相関処理や探査員による聴取などに用いるが、これらのデータを目的に応じたサンプリング速度で分けて収集することにより、データのサイズを極小化することができる。

ステップ１０１にて、データ収集を行う時刻でなかった場合（Ｎｏ）にはステップ１０６に進み、地上側無線通信部１４にて、移動データ収集部２０からのデータ送信要求信号の有無を確認する。前記データ送信要求信号を受信した場合（Ｙｅｓ）は、ステップ１０７にて、信号一時記憶部１３に保存してある音響データを、地上側無線通信部１４を介して移動データ収集部２０へ送信し、ステップ１０８では、移動データ収集部２０から送信される、ＧＰＳなどを基にした時刻情報を利用し、時刻同期部１５にて、内部時計の絶対時刻同期を行った後、ステップ１０１の待受け処理に戻る。なお、ここでの絶対時刻同期は、深夜のデータ取得時刻のずれを防止するためのものであり、秒程度のオーダの較正で構わない。

次に、図９を用いて、スレーブ側の音響センサ１０の動作について説明する。ステップ２００にて動作を開始すると、ステップ２０１では地上側無線通信部１４にて、マスタ側の音響センサ１０からの時刻同期要求信号の有無を確認する。前記時刻同期要求信号を受信した場合（Ｙｅｓ）はステップ２０２に進み、時刻同期部１５が地上側無線通信部１４を介してマスタ側の音響センサ１０と通信を行い、両者間での相対時刻同期を行う。以降の動作については前記マスタ側の音響センサ１０の動作と同一であるため、説明を省略する。

このように、この実施の形態では音響データの取得直前に相対時刻同期を行っているが、これは、２つの音響データ間で相互相関処理を正しく行うためには、両者の取得タイミングが、マイクロ秒程度の高い精度で一致している必要があるからである。一般的な水晶発振器を用いた時計では、１日に１秒程度の時刻ずれが発生してしまう。このため、相対時刻の較正を行っても、高い精度は短時間しか持続しないことから、測定前に毎回の相対時刻較正を行うことが好ましい。

移動データ収集部２０は、車両などに搭載されて、ナビゲーション部２１の情報を基に各音響センサ１０を巡回し、前記のように、車上側無線通信部２２を介して各音響センサ１０の音響データを取得し、信号収集部２３へ蓄積した後、処理センタ部３０のある場所へ向かう。

処理センタ部３０の動作について、図１０を用いて説明する。ステップ３００にて動作を開始すると、ステップ３０１ではメモリカード等を介して、各音響センサ１０のデータを、信号収集部２３から信号後処理部３１へ移動すると共に、その内容を信号蓄積部３２に記憶する。続いてステップ３０２では、信号後処理部３１にて、圧縮された音響データを解凍し、フィルタリング等による不要周波数成分の除去を行う。その後、ステップ３０３では、漏水検知処理部３３にて漏水検知処理を実施し、ステップ３０４では、漏水が検知された場合（Ｙｅｓ）、ステップ３０５に進み、検知されなかった場合（Ｎｏ）はステップ３０８に進んで、漏水箇所表示部３６にて、漏水なしの旨を表示して処理を終了する。一方ステップ３０５では、位置局限処理部３５にて、漏水音の検出された音響データと、センサ位置ＤＢ部３４に格納されている各センサの位置情報を活用して、漏水位置の局限処理を行い、続いてステップ３０６にて、その位置局限結果を信号蓄積部３２に記録すると共に、ステップ３０７にて、漏水箇所表示部３６を用いて、その位置を表示し処理を終了する。

ここで、処理センタ部３０の動作のうち、漏水検知処理部３３にて行う、ステップ３０３の漏水検知処理、および、位置局限処理部３５にて行う、ステップ３０５の位置局限処理について、図１１および図１２を用いて詳しく説明する。

まず、ステップ３０３の漏水検知処理については、処理の開始（ステップ４００）後、ステップ４０１にて、処理する各音響センサ１０のデータを順番に選択して、パワースペクトルを導出する。続いてステップ４０２では、信号蓄積部３２より、当該音響センサにおける過去の漏水の検出されなかった音響データ複数点を読み出して、それらのパワースペクトルを導出する。これらステップ４０１と４０２におけるパワースペクトルの導出の際には、フーリエ変換による演算を行う。その際、各音響データに対して１回のみのフーリエ変換ではなく、連続して複数回のフーリエ変換を行い、その結果について、周波数ビンごとに積分、ないしは平均化することにより、短時間でのゆらぎ成分を吸収してもよい。次に、ステップ４０３では、導出した過去のパワースペクトルに、時系列的な重み付けを行ったうえで、それらの平均値を導出する。ここで、時系列的な重み付けとは、例えば、時間的に直近のデータには重み係数を大きく、遠いデータには重み係数を小さくするなどして、平均を求める手法である。このようにして重み付けを行うことにより、各音響センサ１０周辺の、物理環境条件の変化に対応した平均値を導出することが可能となる。続いてステップ４０４では、過去の重み付け平均値と最新値とを比較し、両者間における特徴的なスペクトル差異の有無などから、漏水の有無を判定する。この判定において、例えば、漏水音のエネルギーが明瞭ではなく、自動判定が難しいケースでは、必要に応じて処理センタ部３０にて操作を行う探査員が介在し、聴取による判定を行っても良い。あるいは、他の音響分析方法を用いて、漏水の有無の判定を行ってもよい。ステップ４０５では、全ての音響センサの判定を完了していれば（Ｙｅｓ）、処理を終了し（ステップ４０６）、そうでなければ（Ｎｏ）、ステップ４０１に戻り、他の音響センサの判定を継続する。

次に、ステップ３０５の位置局限処理については、処理の開始（ステップ５００）後、ステップ５０１にて、ペアとなる音響センサ１０の時間波形データを選択して相互相関処理を実施し、漏水音の到来時間差を求める。次に、求めた到来時間差と地中の音速との積から、音響センサ１０を焦点とする双曲線を導出する。ここで、実際には音速を正確に想定することは難しいため、想定される音速の下限値と上限値で双曲線を求め、その双方に挟まれる双曲線状の領域を、漏水箇所の存在可能エリアとして扱う。次にステップ５０２では、ステップ５０１にて相互相関処理を行った漏水音波形の位相差から、漏水音の到来方向が分かるため、二つの音響センサ１０間の中点に対して対称に描かれる双曲線状領域の、いずれか一方に特定する。続いてステップ５０３では、漏水音が検知された全ての音響センサ１０のペアに対し、相互相関処理が終わったことを確認し、完了していれば（Ｙｅｓ）、ステップ５０４へ進み、完了していなければ（Ｎｏ）、ステップ５０１に戻って、処理を継続する。このようにして、双曲線状の漏水箇所存在可能エリアを複数求めると、実際の漏水箇所は、図４に示すように、それら複数領域が全て、重なった部分に存在することとなる。そこでステップ５０４では、音速を変数として、これら複数の双曲線状領域の交錯エリアが、１ヵ所に収束する解を求める。具体的には、例えば図４に示すよう３つの領域が交錯している場合、音速をある一つの値に定めると、３つの双曲線状の領域は３本の双曲線に収束し、それらは計３つの交点で交わることとなる。そこで、音速を想定される下限値と上限値との間において、適当な刻み幅で順に変化させ、それぞれの値における３つの交点間の幾何学的距離の総和を求め、その値が最小となる、すなわち、３点が１点に収束する解を探せばよい。なお、収束解を求める方法は、前記の方法に限定されず、他の方法を用いても良い。このようにしてステップ５０４では解の探索を行い、ステップ５０５では、探索の結果、収束点がなければ（Ｎｏ）、ノイズ等による誤検知として処理を終了する（ステップ５０８）。一方、収束点があれば（Ｙｅｓ）、ステップ５０６に進み、センサ位置ＤＢ部３４の情報を基に、その収束点が導水管上に存在するか否かの判定を行う。もし収束点が導水管上に存在すれば（Ｙｅｓ）、漏水位置を局限として処理を終了し（ステップ５０７）、収束点が導水管上に存在しなければ（Ｎｏ）、漏水以外の音源による誤検知として処理を終了する（ステップ５０８）。

このように、３組のペアとなる音響センサで漏水音を検知できれば、地中の音速が不定であっても、それを推定して位置を局限可能である。４組以上の音響データがあれば多重解を得ることができるため、更に位置局限の精度向上が期待され、一方、２組の音響データしかない場合においても、音源は導水管上に存在と仮定を置くことで、やはり位置局限が可能となる。

もしくは、２組の音響データしかない場合、両者のパワースペクトル上での漏水音の強度比は、漏水箇所からの距離の関数となることから、それを拘束条件として利用し、収束する解を求めても良い。

本発明においては、異なる音響センサ間における時刻同期の機構を最低限のものとすることができる。これは、音響センサを管路から離して設置することにより、センサよりも外側にある漏水位置を局限可能となることから、探索可能な範囲を大きく設定できるためである。この場合、時刻同期は、ペアとなる最寄りの二つの音響センサ間のみで取れていればよく、全ての音響センサ間にて取れている必要はない。各ペア間のみで相互相関処理を行って音源の存在する双曲線を導出すれば、それら双曲線の交点を求めることにより、面的に配置した音響センサ群を有効に活用できるからである。ペアとなる二つの音響センサの間隔を１００ｍ程度に設定すれば、データ収集用の無線装置を使って時刻同期を取ることができるので好ましい。また、前記間隔を、例えば、数メートル程度に近接させれば、有線で接続するなどして同期を取っても、工事費が大きくは増大することはない。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。前記第４の実施形態では、ペアとなる２つの音響センサ１０の間で、音響データを取得する直前に時刻同期を取り、相互相関処理による、漏水音の到来時間差の正確な測定を実施していた。そこで、このようなペアを面的に配置することにより、複数のペアでの処理結果から、地中の音速が不定の状況でも漏水位置の局限を可能とすることが特徴であった。

しかしながら、例えば住宅密集部ではない閑散部などでは、導水管が面的には配置されておらず、したがって、音響センサ１０のペアを面的に配置することが非効率となる場合も想定される。その場合は、漏水音を複数のペアで捉えることができない可能性が高い。

そこで、前記第３の実施形態（図５）のように、３つの音響センサ１、２、３を１組とし、それらの間で時刻同期を取って相互相関処理を行うことで、他の組を必要とせず、地中の音速が不定の状況でも漏水位置の局限を可能とすることができる。

図５に示すように、音響センサ１、２、３を導水管５に沿って一列に設置した場合、中心の音響センサ１をマスタとし、両側の音響センサ２、３をスレーブとすれば、マスタが両脇のスレーブと交互に時刻同期を行うことで、結果的に、３者それぞれの間で時刻同期が取られていることとなる。したがって、漏水音の到来時間差を求める相互相関処理は、音響センサ１と２との組み合わせ、音響センサ１と３との組み合わせ、音響センサ２と３との組み合わせの計３通りの組み合わせを選択することができる。そうすると、図５に示すように、それぞれの組み合わせの音響センサを焦点とする、３本の双曲線を描くことができる。地中の音速をパラメータとして、この３本の双曲線が成す３つの交点が収束する箇所を求めれば、それが漏水箇所となる。

第５の実施形態は、組となる音響センサが２つではなく３つとなる点以外、第４の実施形態と構成は同一である。動作に関しても、第４の実施形態と異なるのは、マスタ側の音響センサ１のフロー、および、位置局限処理部３５のフローのみである。

まず、図１３を用いて、マスタ側の音響センサ１の動作について説明する。ステップ６００にて動作を開始すると、ステップ６０１では時刻同期部１５が内部の時計を参照し、深夜の静寂時など、データ収集を行う時刻であるか否かの確認を行う。データ収集を行う時刻であれば（Ｙｅｓ）、ステップ６０２に進み、地上側無線通信部１４を介して１つ目のスレーブ（スレーブ＃１）側の音響センサへ信号を送信して起動し、両者間での時刻同期を行う。続いてステップ６０３では、同様に２つ目のスレーブ（スレーブ＃２）側の音響センサへ信号を送信して起動し、両者間での時刻同期を行う。このようにして、３者の間での時刻同期を完了する。以降の動作、および、スレーブ側の音響センサの動作は、第４の実施形態と同一であるため、説明を省略する。

続いて、図１４を用いて、位置局限処理部３５の動作について説明する。処理の開始（ステップ７００）後、ステップ７０１にて、３つの組となる音響センサの時間波形データを選択して、３通りの組み合わせで相互相関処理を実施し、それぞれでの漏水音の到来時間差を求める。次に、求めた３つの到来時間差と、想定される地中の音速の下限値と上限値との積とから、３通りの音響センサの組み合わせを焦点とする、３通りの双曲線状の領域を導出する。次にステップ７０２では、ステップ７０１にて相互相関処理を行った、３通りの漏水音波形の位相差から漏水音の到来方向が分かるため、それぞれの音響センサの組み合わせの間の中点に対して、対称に描かれる双曲線状領域の、いずれか一方に特定する。続いてステップ７０３では、音速を変数として、これら３通りの双曲線状領域の交錯エリアが１ヵ所に収束する解を求める。以降の動作は第４の実施形態と同一であるため、説明を省略する。

このように、３つの音響センサを１組とし、それらの間で時刻同期を取って相互相関処理を行うことで、地中の音速が不定の状況でも、音響センサを面的に配置することなく、漏水位置の局限が可能となる。

本発明によれば、センサの設置が簡便であり、かつ、検知の精度が高く、信頼性の高い、配管の漏洩検知方法、漏水検知方法、漏洩検知装置および漏水検知装置を提供することができる。本発明を適用することにより、広範囲の場所での漏水検知を効率的に実施することができるので、捜索効率が飛躍的に向上し、また、熟練した技量を持った探査員確保の問題も解消する。実施形態においては、導水管の漏水について具体的に説明したが、本発明の適用対象は導水管に限られるものではなく、ガス配管やプラント配管での各種流体の漏洩を検出対象とすることができる。

１、２、３、１０ 音響センサ
５ 配管（導水管）
６、７、８ 双曲線
Ｘ 漏水位置
１１ 受波素子部
１２ 信号前処理部
１３ 信号一時記憶部
１４ 地上側無線通信部
１５ 時刻同期部
２０ 移動データ収集部
２１ ナビゲーション部
２２ 車上側無線通信部
２３ 信号収集部
３０ 処理センタ部
３１ 信号後処理部
３２ 信号蓄積部
３３ 漏水検知処理部
３４ センサ位置ＤＢ部
３５ 位置局限処理部
３６ 漏水箇所表示部

Claims (22)

1. ２つの音響センサが、相互に一定の距離を置き、かつ、配管場所から一定の距離を置いて配置され、前記２つの音響センサを一組とし、
   前記一組の音響センサを構成する音響センサを時刻同期させ、前記音響センサが音響データを取得する音響データ取得工程と、
   前記各音響センサの受信した音の到来時間差を求める時間差算出工程と、
   前記到来時間差から、前記音の音源と前記各音響センサとの距離の差を算出する距離差算出工程と、
   前記各音響センサからの距離の差が一定である点の集合である、前記各音響センサの位置を焦点とする双曲線を求める双曲線取得工程と、
   前記配管と前記双曲線との交点から漏洩位置を特定する位置特定工程とを含むことを特徴とする、内部に流体が流れている配管の漏洩検知方法。
2. 前記一組の音響センサを複数組用い、
   前記双曲線取得工程において、前記双曲線を、各組毎に求め、
   前記位置特定工程において、前記各組毎に求めた双曲線の交点を加重平均することにより、
   音源位置を特定する、請求項１記載の漏洩検知方法。
3. 前記一組の音響センサを複数組用い、
   前記双曲線取得工程において、前記双曲線を、各組毎に求め、
   前記位置特定工程において、前記各組毎に求めた双曲線の交点のうち、前記配管上にある交点の位置を漏洩位置であると判断する、請求項１または２記載の漏洩検知方法。
4. 前記一組の音響センサを構成する音響センサ間において、相対時刻同期を行い、
   前記複数組の音響センサの組間において、絶対時刻同期を行う、請求項２または３記載の漏洩検知方法。
5. 前記２つの音響センサに代えて、少なくとも３つの音響センサを用い、前記少なくとも３つの音響センサを一組とし、
   前記双曲線取得工程において、前記少なくとも３つの音響センサのうち、２つずつを組み合わせて焦点とした、少なくとも３種類の双曲線を求める、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の漏洩検知方法。
6. 前記一組の音響センサを、少なくとも３組用い、
   前記位置特定工程において、前記音が伝搬する媒質での音速を可変パラメータとして用いて、前記交点を求める、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の漏洩検知方法。
7. 前記時間差算出工程に先立ち、
   前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトルを導出し、漏洩の検出されなかった過去の音響データのパワースペクトルと比較し、漏洩の有無を判定する判定工程を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の漏洩検知方法。
8. 前記双曲線の交点が複数存在する場合、
   前記位置特定工程において、前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトル上での漏洩音の強度比データを用い、漏洩位置を特定する、請求項７記載の漏洩検知方法。
9. 前記音響データ取得工程において、前記各音響センサが受信した音響データを、複数のサンプリング速度と収録時間との組み合わせ毎に収集する、請求項１から８のいずれか一項に記載の漏洩検知方法。
10. 前記時間差算出工程に先立ち、
    他の音響分析方法を用いて漏洩の有無を判定する判定工程を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の漏洩検知方法。
11. 請求項１から９のいずれか一項に記載の漏洩検知方法を用い、導水管からの漏水を検知することを特徴とする、漏水検知方法。
12. 音響データ取得手段と、時間差算出手段と、距離差算出手段と、双曲線取得手段と、位置特定手段とを含み、
    前記音響データ取得手段は、音響データを取得可能で時刻同期可能な２つの音響センサが、相互に一定の距離を置き、かつ、配管場所から一定の距離を置いて配置され、前記２つの音響センサを一組としたものであり、
    前記時間差算出手段は、前記各音響センサの受信した音の到来時間差を求める手段であり、
    前記距離差算出手段は、前記到来時間差から、前記音の音源と前記各音響センサとの距離の差を算出する手段であり、
    前記双曲線取得手段は、前記各音響センサからの距離の差が一定である点の集合である、前記各音響センサの位置を焦点とする双曲線を求める手段であり、
    前記位置特定手段は、前記配管と前記双曲線との交点から漏洩位置を特定する手段であることを特徴とする、内部に流体が流れている配管の漏洩検知装置。
13. 前記一組の音響センサを複数組用い、
    前記双曲線取得手段が、前記双曲線を、各組毎に求め、
    前記位置特定手段が、前記各組毎に求めた双曲線の交点を加重平均することにより、
    音源位置を特定する、請求項１２記載の漏洩検知装置。
14. 前記一組の音響センサを複数組用い、
    前記双曲線取得手段が、前記双曲線を、各組毎に求め、
    前記位置特定手段が、前記各組毎に求めた双曲線の交点のうち、前記配管上にある交点の位置を漏洩位置であると判断する、請求項１２または１３記載の漏洩検知装置。
15. 前記一組の音響センサを構成する音響センサ間において、相対時刻同期を行い、
    前記複数組の音響センサの組間において、絶対時刻同期を行う、請求項１３または１４記載の漏洩検知装置。
16. 前記２つの音響センサに代えて、少なくとも３つの音響センサを用い、前記少なくとも３つの音響センサを一組とし、
    前記双曲線取得手段が、前記少なくとも３つの音響センサのうち、２つずつを組み合わせて焦点とした、少なくとも３種類の双曲線を求める、
    請求項１２から１５のいずれか一項に記載の漏洩検知装置。
17. 前記一組の音響センサを、少なくとも３組用い、
    前記位置特定手段が、前記音が伝搬する媒質での音速を可変パラメータとして用いて、前記交点を求める、
    請求項１２から１６のいずれか一項に記載の漏洩検知装置。
18. さらに、前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトルを導出し、漏洩の検出されなかった過去の音響データのパワースペクトルと比較し、漏洩の有無を判定する判定手段を含む、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の漏洩検知装置。
19. 前記双曲線の交点が複数存在する場合、
    前記位置特定手段が、前記各音響センサの受信した音響データのパワースペクトル上での漏洩音の強度比データを用い、漏洩位置を特定する、請求項１８記載の漏洩検知装置。
20. 前記音響データ取得手段が、前記各音響センサが受信した音響データを、複数のサンプリング速度と収録時間との組み合わせ毎に収集する、請求項１２から１９のいずれか一項に記載の漏洩検知装置。
21. さらに、他の音響分析手段を用いて漏洩の有無を判定する判定手段を含む、請求項１２から２０のいずれか一項に記載の漏洩検知装置。
22. 請求項１２から２１のいずれか一項に記載の漏洩検知装置を含み、導水管からの漏水を検知することを特徴とする、漏水検知装置。
    

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