CN100458371C - 结构体监视系统 - Google Patents

Abstract

一种结构体监视系统，包括测量单元(3)、数值分析单元(5)以及显示单元(6)，其中，所述测量单元(3)利用敷设于结构体的边界上的光纤传感器(2)，测量敷设有该光纤传感器(3)的边界Γ上的各点的结构体(S)的变形；所述数值分析单元(5)以该测量单元(3)测量的变形为边界条件，通过数值分析法，计算结构体(S)的指定点的变形；所述显示单元(6)将有关该数值分析单元(5)分析的变形的信息与结构体(S)的位置关联起来进行显示。

Description

结构体监视系统

技术领域

本发明涉及一种通过光纤传感器来测量结构体的温度、变形等物理量的结构体监视系统。

背景技术

近年来，人们开发了一种结构体监视系统，该结构体监视系统通过使用一种有效地利用光纤的特性来测量温度、变形等的物理量分布的分布型光纤传感器，用于测量监视隧道、桥梁、建筑物等的结构体的物理量变化。

例如，日本特开平11-287650号专利公开公报公开了一种结构体监视系统，该结构体监视系统，根据来自在隧道的内周面上，沿隧道的纵深方向呈蜿蜒状弯曲而敷设的分布型光纤传感器的信息，来检测隧道的变形。

具体来说，在该结构体监视系统中，在每个单位螺线(loop)的区划长度上卷绕了指定圈数的螺线状光纤传感器，沿隧道的周向往复、且在隧道的轴向上敷设，并在该螺线状光纤传感器的一端连接有变形分布测量器，该变形分布测量器既将脉冲光射入螺线状光纤传感器，又对来自基于该脉冲光的螺线状光纤传感器的布里渊(Brillouin)散射光进行受光，以测量变形。而且，该结构体监视系统，可在离开现场的地方，对隧道的形状变化持续地进行监视，并且，还可通过螺线状光纤传感器，以较高的精确度检测出3维方向的变形。

然而，在上述结构体监视系统中，由于光纤传感器敷设于隧道的内壁面上，故虽可以较高的精确度检测出隧道的内壁面(表面)附近位置的变形，但却难以测量上述内壁的内部，尤其是偏离光纤传感器的位置上的变形。

而且，因技术上，或成本等方面的原因，也无法将上述光纤传感器较密集地敷设于隧道的内壁面上，因为光纤传感器是在隧道的轴向上以指定的间距，沿着隧道的周向而敷设的，所以即使在隧道的内壁面附近位置有变形，也难以精确地测量未敷设光纤传感器的位置处的变形。

因此，在上述现有的结构体监视系统中，即使是在隧道的内壁内部的位置，或内壁面附近位置，仍难以对未敷设光纤传感器的位置处的变形进行精确地检测，例如，随着变形的增加，在内壁内部产生裂纹的情况下，也只能进行粗略的监测，为了特定该裂纹的位置、大小尺寸，必须得赶到现场，进行精密的再检测，因而存在花费工夫的弊端。

发明内容

本发明旨在解决上述背景技术中所存在的问题，其目的在于提供一种结构体监视系统，该结构体监视系统可推定偏离敷设有光纤传感器的位置之处的变形、温度等物理量，从而可以较高的精确度来监视结构体中所有位置处的物理量。

为了实现上述目的，本发明所提供的结构体监视系统，可通过设定特定的边界条件，用数值分析法来分析结构体的指定点的温度、变形等物理量，根据该分析结果对结构体进行监视，其中，该结构体的边界或内部一点的所述物理量通过控制方程式来表示，它包括测量单元、设定输入单元，数值分析单元和显示单元，其中，所述测量单元利用敷设于上述结构体的边界上的光纤传感器，来测量敷设有该光纤传感器的边界上的各点的上述结构体的物理量；所述设定输入单元用来输入与结构体的制作模型有关的信息；所述数值分析单元以上述测量单元测量的物理量为边界条件，通过上述数值分析法，对结构体的指定点的物理量进行计算，所述数值分析单元受理所输入的与制作模型有关的信息，并根据上述物理量的计算结果，再制作新的模型；所述显示单元将有关上述数值分析单元分析的物理量的信息与上述结构体的位置关联起来进行显示。

根据本发明，通过具有敷设于结构体边界上的光纤传感器的测量单元，可以较高的精确度来测量敷设有该光纤传感器的位置上的温度、变形等物理量。另外，在上述数值分析单元中，通过以上述测量单元测量的物理量为边界条件，对控制方程式用指定的数值分析法进行求解，可计算推定出在结构体的指定点处的物理量，其中，所述结构体的边界或内部的任意点的物理量通过控制方程式来表示。并且，由于具有将由数值分析单元分析的物理量与上述结构体的位置关联起来进行显示的显示单元，故可以较高的精确度来监视结构体中所有位置处的物理量，而且，还可简单快速地特定发生一定值以上的物理量的变化的结构体的部分。因此，在结构体的修补等后续作业中，无需像现有技术那样进行仔细的再检查，便可迅速应对。

上述结构体监视系统最好还包括，光纤传感器，还敷设于上述结构体的内部；上述数值分析单元，导出未敷设上述光纤传感器的结构体的边界上的各点的物理量，该被导出的物理量为了作为边界条件来输入而被变换。

上述结构体监视系统最好还包括，在由上述数值分析单元分析的物理量超过预先规定的既定物理量时，发出通知的通知单元。

根据此结构，当结构体中有超过既定物理量的位置时，监视者可在瞬间了解该情况。而且，例如，如果将既定物理量设定在结构体的正常范围的极限值，则监视者可在瞬间察觉到结构体的异常。

上述结构体监视系统最好方案是，上述光纤传感器还被敷设于结构体的表面。

根据此结构，可容易地进行光纤传感器的敷设、更换。

上述结构体监视系统的上述数值分析单元，可通过作为上述数值分析法的边界元素法来计算分析物理量。

根据此结构，通过利用格林函数等或基本解，仅使用边界的信息就可以进行分析，因划分的区域维数减少1维，从而可大幅度地削减单元划分所需要的时间和工夫。而且，例如在结构体内部，当产生有裂纹等不良情况发生的部位时，与有限元素法的情况不同的是，可灵活地对应。

上述结构体监视系统的上述数值分析单元，还可以将上述结构体划分为有一部分重叠的2个区域，通过边界元素法计算出一个区域的点的分析物理量，另一方面，通过边界元素法，计算出两个区域的重叠区域的各点的物理量，并以该重叠区域上的分析物理量为边界条件，通过有限元素法计算出另一区域的点的分析物理量。

根据此结构，可以一面发挥边界元素法和有限元素法这两种数值分析法的优点，一面计算出结构体的分析物理量。也就是，例如，在将本发明的结构体监视系统应用于监视伴随着隧道内壁的缺损而产生的碎片脱落时，在作为结构体的边界而多被采用的结构体的表面的附近区域，需要以较高的精确度来分析裂纹的发生，因此，可通过适合于裂纹的分析问题的边界元素法，来计算出分析物理量。另一方面，由于在远离结构体的表面的远离区域，即使发生裂纹，也不会马上导致碎片掉落，因此，对于裂纹等分析对象的变化可忽视的情况，可通过具有通用性的有限元素法，来计算出分析物理量。

上述结构体监视系统最好是上述测量单元，至少在实际的同一点上多次测量作为上述变形物理量的变形，而另一方面，上述数值分析单元，当上述测量单元测量的变形超过指定的允许范围而变化时，则认定在结构体内部发生了裂纹，假定该裂纹的位置和形状，并通过边界元素法计算出上述结构体的指定的基准点处的假定变形，同时对上述裂纹的位置和形状进行识别，以使该假定变形与上述基准点的测量变形或以测量变形为边界条件而通过边界元素法计算出的上述基准点处的分析变形的差达到最小裂纹。

根据此结构，可以较高的精确度来推定裂纹的位置和形状，从而可以更高的精确度对结构体进行监视。

上述结构体监视系统最好是，上述测量单元，至少在实际的同一点上多次测量上述温度物理量的温度，而另一方面，上述数值分析单元，在上述测量单元测量的测温度超过指定的允许范围而变化时，则认定在结构体内部有发生了异常温度的部位，假定该异常温度部位的位置和形状，通过边界元素法，计算出上述结构体的指定基准点的假定温度，同时对上述异常温度部位的位置和形状进行识别，以使该假定温度与上述基准点的测量温度或以测量温度为边界条件而通过边界元素法计算出的上述基准点处的分析温度的差达到最小。

根据此结构，可以较高的精确度来推定异常温度部位的位置和分布状态，从而可以更高的精确度对结构体进行监视。

上述结构体监视系统最好是，上述数值分析单元，在分析具有无限大边界的上述结构体的指定点时，将该无限大边界的边界条件近似为零，来计算出上述分析物理量，其中，所述无限大边界充分地远离由上述数值分析单元分析的指定点而足以忽略上述边界条件。

根据此结构，可以补充数值分析单元中的未知边界条件，从而扩大所监视的结构体的适用范围。

上述结构体监视系统最好是，上述测量单元包含被敷设于上述结构体的任意位置的确认用测量单元，并测量敷设有该确认用测量单元的位置的各点处的物理量；另一方面，上述数值分析单元计算出通过上述确认用测量单元而测量出物理量的点的分析物理量；上述显示单元显示有关同一点的测量物理量与分析物理量的比较的信息。

根据此结构，通过将数值分析单元的分析结果的分析物理量，与确认用测量单元的实际测量值的测量物理量进行比较，可确认由数值分析单元推定的精确度，从而可实现根据该确认结果重新设定单元划分等的精确度的改善。

此时，最好是上述光纤传感器还兼作上述确认用测量单元用。

根据此结构，可省略敷设确认用测量单元等的工夫，而且还可抑制敷设该确认用测量单元所需要的成本。

上述结构体监视系统最好是，上述显示单元独立于上述数值分析单元而设置，通过收发信息的通信单元而与上述数值分析单元连接。

根据此结构，不受上述数值分析单元的设置场所的限制，均可得到分析物理量。

上述结构体监视系统最好是，上述光纤传感器被对应磁力而变形的磁性变形部件覆盖。

根据此结构，由于光纤传感器应磁力而变形，故可利用该光纤传感器，通过测量单元对磁场进行运算，由此可测量结构体的磁场，从而扩大其分析对象的物理量的范围。

附图说明

图1为表示本发明的第1实施例的结构体监视系统的结构图。

图2为表示该结构体监视系统的光纤传感器的配置形式的正视图。

图3为表示该结构体监视系统的测量单元的处理的流程图。

图4为表示该结构体监视系统的数值分析单元的初始设定的流程图。

图5为表示该结构体监视系统的数值分析单元的分析处理的流程图。

图6为表示圆盘体S的节点与光纤传感器的测量点之间的关系的示意图。

图7为表示第2实施例的结构体监视系统所监视的包含有裂纹的圆盘体的正视图。

图8为表示该结构体监视系统的数值分析单元的识别处理的流程图。

图9为表示第3实施例的结构体监视系统所监视的圆形筒状体的剖视图。

图10为表示第4实施例的结构体监视系统所监视的结构体的正视图。

图11为表示该结构体监视系统的数值分析单元的分析处理的流程图。

图12为表示第5实施例的结构体监视系统所监视的隧道的正视图。

图13为表示第6实施例的结构体监视系统所监视的结构体的光纤传感器的设置形式的正视图。

图14为表示该结构体监视系统的数值分析单元的分析处理的流程图。

图15为表示第7实施例的结构体监视系统的结构图。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的实施例进行描述。另外，对于各图中的相同结构，标注相同的标号，并省略对其的描述。

(第1实施例)

图1为表示第1实施例的结构体监视系统的整体结构图。该结构体监视系统1用来监视作为监视对象的结构体的圆盘体S的变形(物理量)的分布。另外，在该第1实施例中，作为二维弹性问题进行说明。

在此，假定圆盘体S，在后述的边界Γ₁上没有表面力(以下称为“集中力(traction)”)，而另一方面，在后述的边界Γ₂上位移受到约束。另外，该结构体监视系统1还监视随着材质的恶化所造成的变形的变化。

该结构体监视系统1包括，具有光纤传感器2的测量单元3、通过通信单元6a与该测量单元3电连接的控制单元4、通过通信单元6b与控制单元4电连接的显示单元6、与控制单元4电连接的监视单元10。

测量单元3以高分辨率测量圆盘体S的变形，其包括测量器7与光纤传感器2，该光纤传感器2与该测量器7连接，其一端沿着圆盘体S的边缘被固定。

测量器7，既向上述光纤传感器2射入测量光，又对基于该测量光的布里渊(Brillouin)散射光进行受光，来测量变形的分布。该测量器7的内部设置有计时器(图中未示出)，既以指定的时间间隔，例如，以1小时间隔测量变形的分布，又按需要，根据控制单元4的输出来测量变形的分布。而且，该测量器7还可采用作为光收发器而为人们所知的测量器，例如所采用的测量器可以是包括光源70、光检测单元71和运算单元72，其中，该光源70向光纤传感器2提供指定频率的脉冲光，该光检测单元71对指定频率的所述布里渊(Brillouin)散射光进行受光，并将其变换为电信号，而该运算单元72则根据上述电信号计算出变形。

光源70可采用例如，分布反馈型半导体激光器、分布布喇格(Bragg)反射型激光器等的各种半导体激光器。光检测单元71，只要对布里渊(Brillouin)散射光进行受光，并输出与接收到的光相对应的电信号即可，例如，可由将所接收到的光变换为与其光强度相对应的电信号的受光器、仅使指定频带的电信号透射的带通滤波器等构成。运算单元72可采用例如，装置了微型处理器的个人计算机等执行指定的运算处理的计算机。

光纤传感器2为分布型光纤传感器，用于测量敷设有该光纤传感器2的位置上的变形、温度等物理量的分布，例如可由石英系的光纤构成。在第1实施例中，被用于测量圆盘体S的变形分布。该光纤传感器2，必须被敷设在作为分析对象的结构体的表面或内部，在第1实施例中，被分为物理量检测部件2a和连接部件2b，其中，该物理量检测部件2a呈卷绕状固定于圆盘体S的周边(表面)的一部分上，并随该圆盘体S的歪斜而变形，该连接部件2b则以不固定于圆盘体S上的状态而设置，并连接上述光检测单元71和物理量检测部件2a。

物理量检测部件2a，其全长被固定于圆盘体S上，从而可检测出多个测量点的物理量。尤其是，在该第1实施例中，采用了具有较高精确度的物理检测部件2a的光纤传感器2，因此，可将测量点的间距设定在5cm或5cm以下。另外，物理量检测部件2a，如图2(a)所示，是通过多根(在图中为2根)光纤2d以指定的间距相互隔开，并固定于基材2c上的方式而构成。在该第1实施例中，2根光纤2d以其之间夹有基材2c的状态而沿圆盘体S的径向并排设置，从而既可以较高的精确度来测量圆盘体S上的作为物理量的变形分布，又可通过比较在圆盘体S的同一测量点上由各光纤2d测量到的变形等物理量，来特定上述物理量变化的原因。即，例如当2根光纤2d的测量变形都有增加或都有减少时，表明在该圆盘体S的测量点处，有一个方向的拉应力或压缩应力在起作用，而在其中之一的光纤的测量变形有增加，另一根光纤的测量变形有减少时，则表明在该测量点处有弯矩(bending moment)在起作用。

这样，在物理量检测部件2a由多根光纤2d构成时，光纤传感器2的连接部件2b也可对应于物理量检测部件2a的个数，由多根光纤构成，也可将这些光纤汇总成一体，由1根光纤构成。

另外，光纤传感器2也可以不像该第1实施例那样由多根光纤构成，而是如图2(b)所示，由1根光纤2d构成。

此外，该光纤传感器2至少可以测量出有以下数目的位置上的物理量，该数目与结构体的后述节点(node)的集中力和位移值中为未知的未知节点信息的数目相对应。在该第1实施例中，由于在结构体S的全部节点上，集中力或位移中的任何之一是未知的，故形成一种结构，以便能够测量出与第1～第(k-1)节点对应的位置上的(k-1)个的变形(分量)。

另外，在不测量变形，而只测量温度时，并不一定需要固定物理量检测部件2a。而且，也不要求物理量检测部件2a其全长范围被固定在圆盘体S上，可以按指定的间距，通过保持部件而固定于圆盘体S上。然而，在全长范围固定于圆盘体S上时，其优点在于可进行细致的测量。

再有，测量单元3形成一种结构，以便将已测量到的变形(测量物理量)输出到控制单元4。

控制单元4控制结构体监视系统1的各部分，由例如，微型处理器等构成的计算机组成。在该第1实施例中，该控制单元4包括数值分析单元5、输入单元8和设定输入单元9。

数值分析单元5，将从输入单元8输入的、由上述测量单元3测量的变形(测量物理量)存储于存储单元51中，根据该存储信息，通过预先设定的数值分析法，对圆盘体S的指定点的变形(分析物理量)进行分析。上述数值分析单元5，作为例如可进行高速运算处理的计算机而构成。在该第1实施例中，作为在该数值分析单元5中被运行的数值分析法，可采用下述的边界元素法，即采用从圆盘体S的控制方程式推出的边界积分方程式，对此边界积分方程式进行离散处理而推出代数方程式(联立1次方程式)，并将初始条件、边界条件等代入该联立1次方程式，从而计算出物理量。该边界元素法的分析方法将在后面进行简单说明，初始条件可采用通过事先指定的设备等而测量到的变形、集中力、位移值等，而边界条件则可采用通过上述测量单元3测量到的测量变形、根据该测量变形计算出的分析变形、分析集中力，分析位移值等。由于采用通过测量单元3测量到的测量变形、根据该测量变形计算出的分析变形等作为上述边界条件，因此，可以按指定的时间间隔，自动地取得由上述数值分析单元5分析的圆盘体S的指定点的分析变形。

存储单元51可以包括例如，ROM(read only memory)、或RAM(random access memory)等，存储用来使各部分操作的程序、测量变形(测量物理量)、数值分析单元5的分析结果的分析变形(分析物理量)、后述的导出集中力、导出位移值(导出物理量)等。

输入单元8，将从测量单元3得到的测量变形和与其测量点的坐标有关的信息(测量数据)相互关联起来而存储于数值分析单元5的存储单元51中。设定输入单元9是用来将各种输入数据输入到数值分析单元5中。作为该设定输入单元9的输入数据，可列举出诸如，由圆盘体S的后述控制方程式导出的边界积分方程式、基本解等、与包含在边界条件中的材料常数及圆盘体S的形状等有关的信息(例如，厚度、直径、材料常数等)、与包括了圆盘体S的节点坐标、号码等在内的模型制作(modeling)有关的事项等。

显示单元6将上述数值分析单元5的分析结果即分析变形与圆盘体S的位置关联起来进行显示，例如，将圆盘体S的变形分布作为等高线图而显示。该显示单元6可采用例如，CRT、液晶板、有机EL等显示器。

监视单元10(通知单元)，当上述数值分析单元5的分析结果即分析变形的平均值超过预先规定的既定值时，则向用户通知该情况，可包括例如，通过警报灯等以视觉方式进行通知的类型、通过警铃等以听觉方式进行通报的类型，或通过所具备的通信单元向用户发送消息等类型。上述既定值，可通过估算在圆盘体S上事先已发生了损伤等的问题、或具有发生问题的危险的全部测量点上的变形的总值，而被设定为稍小于该总值的数值。然后，将该既定值存储于数值分析单元5的存储单元51中，在超过该既定值时，则从数值分析单元5向监视单元10输出信号。接收到该信号之后，监视单元10向用户通知该情况，并在显示单元6中，特定发生该问题的圆盘体S的位置。

下面，对该第1实施例的结构体监视系统1的工作流程进行描述。图3为表示测量器7的工作的流程图。

处理一开始，首先对测量器7的各部分进行初始化处理，作为为了通过光纤传感器2来测量变形的准备，进行初始设定(步骤S10)。接着，使光源70工作，并使指定的脉冲光发光，基于该脉冲光的布里渊(Brillouin)散射光，则通过光检测单元71，在物理检测部件2a的全长范围内被进行取样处理，另一方面，在运算单元72，既利用基于该取样的散射增益光谱(scattering gain spectrum)，对测量变形进行运算，又利用取样所用的时间，对测量坐标进行运算(步骤S11)。

然后，包括上述测量变形和有关测量场所的相关信息的测量数据，通过通信单元6a，而被输出到控制单元4的输入单元8中(步骤S12)。接着，在经过指定的时间后(例如，经过1个小时后)，再次执行从上述步骤S11至步骤S12的处理(步骤S13)。具体来说，就是判断是否经过了预先设定的指定时间，若没有经过指定时间，则处于待机状态(在步骤S13，为“否”)，另一方面，若经过了指定时间，则返回到步骤S11，再次对圆盘体S的测量变形和其测量坐标进行指定。

根据从上述测量器7输出到输入单元8的测量变形等测量数据，在数值分析单元5中分析圆盘体的指定点的变形，而在进行与该分析有关的处理之前，在数值分析单元5中进行以下的初始设定。

图4为表示数值分析单元5的初始设定的流程图。该初始设定一旦开始，首先在该数值分析单元5，受理与结构体的监视范围有关的信息的输入(步骤S20)。具体来说，在该第1实施例中，与结构体的圆盘体S的平面的形状有关的信息，以及与在圆盘体S的内部或边界上的、通过该数值分析单元5而对变形进行分析的分析点相关的信息(例如，分析点的坐标、个数等)，通过设定输入单元9进行输入，并将该形状数据等输入数据存储于存储单元51中。

另外，如果输入与上述结构体的监视范围有关的信息(在步骤S20，为“是”)，与该监视范围有关的初始状态的输入则被受理(在步骤S21)。

与该监视范围有关的初始状态包括与最初作用于圆盘体S上的负荷、位移值相关的条件等初始条件，根据是将分析点的物理量作为初始的物理量的相对量而求出(即，根据以初始物理量为基准的增减而求出)，还是预先考虑初始的物理量而作为绝对量求出(即，求出实际的物理量)而有所不同。

即，由于光纤传感器2是测量其敷设的状态的相对变化量，因此根据以什么方式来设定该初始条件，所求的物理量的内容也不同。

具体来说，在前者(求出作为相对量的物理量的情况)的情况下，输入边界Γ₁上的集中力为零，并且也输入边界Γ₂上位移值为零。由此，边界Γ₁、边界Γ₂上的集中力、位移值和变形则作为从初始状态开始的相对变化量而被计算得出。

另一方面，在后者(求出作为绝对量的物理量的情况)的情况下，预先通过特定的仪器，测量边界Γ₁上的集中力，将该测量结果作为初始条件输入，并且也将在边界Γ₂上的位移值为零作为初始条件输入。由此，边界Γ₁、边界Γ₂上的集中力、位移值和变形则是作为从初始状态开始的绝对量(真值)而被计算得出的。

另外，当在应力未作用于圆盘体S上，且圆盘体S未发生变形的状态下敷设了光纤传感器2时，相对量和绝对量相等。在该第1实施例中，假定在此状态下敷设了光纤传感器2，则可通过后述的方法，计算出作为真值的物理量。

这些初始边界条件通过设定输入单元9而被输入，而该输入数据则存储于存储单元51中。

如果输入监视范围的初始状态(在步骤S21，为“是”)，则接着在圆盘体S的边界Γ(Γ＝Γ₁+Γ₂)上设定多个节点，并且将边界Γ划分为多个单元或网格(mesh)，在数值分析单元5，受理与这些单元划分有关的信息的输入(步骤S22)。具体来说，在圆盘体S的外周，即边界Γ上设置第1～第N的多个节点，使这些节点的位置(坐标)与节点号码相关联，这些信息可通过设定输入单元9来输入，而该输入数据则存储于存储单元51中(步骤S22)。

在这里，上述节点设定地越密集，精确度越高，但是，随着节点数的增加，计算量也增加，从而分析速度降低。因此，对于上述节点，可将各节点之间设定为等间距，而对于例如因位移、应力等的物理量的变化较大而被要求要有较高精确度的分析结果的位置，则可将各节点之间的间距设定为较短等，也可以将节点之间的间距设定为各不相同。这些节点和单元划分之间的关系，在边界元素法中是公知的，并详细记载于“JP特开平2-168177号专利公开公报、田中、松本、中村共著、由培風館出版的第1版《計算力学及CAE丛书2边界元素法》等中，故在此省略对其的说明。在该第1实施例中，作为线性单元，各单元上的物理量被设定成由节点的物理量来代表。

接着，如果输入关于单元划分的信息(在步骤S22，为“是”)，则在数值分析单元5中，将存储于存储单元51中的节点信息和与测量变形有关的信息相互关联起来(步骤S23)。即，在由光纤传感器2测量的坐标与设有节点的坐标为相同时，该节点号码的变形值可作为光纤传感器2的测量变形值而被存储。

如上所述，在数值分析单元5进行了初始设定后，则可在数值分析单元5进行变形的分析。

首先，对数值分析单元5的数值分析法进行简单描述。

该数值分析法，是在结构体的分析对象部分的边界上设定多个(在该第1实施例中，为N个)节点，并求出全部节点的集中力(导出集中力)和位移值(导出位移值)，将该导出集中力和导出位移值作为边界条件代入后述的边界积分方程式，对分析对象部分的内部或边界上的任意点的变形值进行分析。

具体来说，如该第1实施例，根据静弹性问题的结构体的控制方程式导出的边界积分方程式由下述公式表示。

公式(1) $c_{\mathrm{ij}}{u}_i\left(y\right)={\∫}_{\mathrm{\Γ}}{u}_{\mathrm{ij}}^{*}(x,y)t_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)$

$-{\∫}_{\mathrm{\Γ}}{t}_{\mathrm{ij}}^{*}(x,y)u_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)$

$+{\∫}_{\mathrm{\Ω}}(x,y)b_i\left(x\right)\mathrm{d\Ω}\left(x\right)$

y∈Ω

在这里，c_ij表示由点y的位置确定的常数矩阵，u_j(D)表示点D的位移值，t_j(E)表示点E的集中力。另外，u^* _ij和t^* _ij表示被称为开尔文(Kelvin)的解的基本解，通常采用在具有无限的扩展性区域内的1点x处有单位集中力作用时的拉普拉斯(Laplace)方程式的解。在2次元问题时，则由下式表示。

即，

公式(2)

$u_{\mathrm{ij}}^{*}(x,y)=\frac{1}{8\mathrm{\πG}(1-r)}\{(3-4r){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}{l}_n\left(\frac{1}{r}\right)+{r,}_i{r,}_j\}$

公式(3)

$t_{\mathrm{ij}}^{*}(x,y)=\frac{-1}{4\mathrm{\π}(1-r)}\{\frac{\∂r}{\∂n}(1-2r){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+2{r,}_i{r,}_j\}+(1-2r)({r,}_i{n}_j-{r,}_i{n}_j)$

其中，r表示点x、y之间的距离，n_i表示点x的单位法线矢量，表示点x的r的法线方向导数。另外，G，ν分别表示剪切弹性系数，泊松比(Poisson’s ratio)。基本解t^* _ij被表示为包含点x和y之间的距离r的倒数的函数，因其特异性，在点x和y一致时，则发散为∞。

但是，由于上述公式(1)是用于求出点y的位移，所以，如果对该位移进行偏微分运算，则可算出某方向(在下述公式中为l方向)的变形ε_l。即，

公式(4) ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{jl}}=\frac{{\∂u}_j\left(y\right)}{{\∂y}_l}={\∫}_{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ijl}}^{*}\·t_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)-{\∫}_{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ijl}}^{*}{u}_i\·u_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)$

其中

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ijl}}^{*}=\frac{{\∂u}_{\mathrm{ij}}^{*}}{{\∂y}_l}$

然后，通过对上述边界积分方程式(4)进行离散化，并应用边界条件(节点的集中力，位移值)，则可以对圆盘体S的内部和边界上的一点处的变形进行数值分析。即，在上述边界积分方程式(4)中，将边界离散为N个单元(element)，将区域离散为M个单元格(cell)(用于离散化处理的部分区域)。该离散化可通过将上述公式(4)表示为这些边界单元、内部单元格的集合来进行，其结果，为下式(5)所示。

公式(5) ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{klj}}^{*}=\frac{{\∂t}_{\mathrm{kl}}^{*}}{{\∂y}_j}$

公式(6)    b_i(x)＝0

但是，由于如公式(6)所示，在该第1实施例中，没有体积力，这样可忽略上述公式(5)的区域积分的项，因此，如果对上述公式(5)进行整理，而进行矩阵表示，其结果则为下式(7)所示。

公式(7)    {ε(y)}＝[H]{u}+[G]{t}

在此，{ε(y)}表示区域Ω或边界Γ上的任意一点的变形，{u}、{t}为节点j的节点信息(集中力，位移值)。另外，[H]、[G]表示根据上述基本解而计算出的系数。

由此，推导出j次元联立1次方程式，在该联立方程式中，代入根据测量得到的测量变形而推导出的各节点的集中力和位移值，这样，便可计算出想要分析的区域内部或边界上的指定方向的变形值。

另外，在上述公式(7)中，是对将变形作为分析物理量而求出的情况进行了说明，但是，也可将位移作为分析物理量而求出。这种情况，可用光纤传感器2的轴线方向的位移差来表示公式(4)中的变形，并利用该位移差的公式来进行计算。

如果将以上描述的数值分析法用于该第1实施例，则情况如下。图5为表示数值分析单元的分析处理的流程图。

当分析处理开始，则判断与测量变形和测量场所等有关的测量数据是否已从输入单元8输入(步骤S30)。

如果未输入测量数据，则进入待机(在步骤S30，为“否”)，如果输入了测量数据，则确认全部节点的集中力和位移值中的为未知数的集中力和位移值(步骤S31)。具体来说，将不足的边界条件，即，在全部节点处的集中力和位移值中没有作为初始条件而被提供的集中力和位移值，设定为未知数。

此外，被设定为未知数的集中力或位移值，可采用上述公式(7)和与未知数的数目相对应的数目的测量变形来计算得出(步骤S32)。

被设定为未知数的集中力或位移值可被称为未知节点信息，在上式(7)中，将通过光纤传感器2测量到的测量变形代入左边，而另一方面，将包括未知节点信息在内的节点信息(集中力和位移值)代入右边。由此，推导出仅包含该数目的未知节点信息的方程式。该方程式，对于与未知节点信息的数目相对应的数目的测量变形一旦成立，则形成与未知节点信息的数目相对应的数目的联立方程式，通过对其求解，可计算出未知节点信息。

具体来说，在该第1实施例中，边界Γ₁的集中力是已知的，但是位移值是未知的，另一方面，边界Γ₂中的位移值是已知的，而集中力是未知的，因此，在该实施例中，由于是作为2次元问题进行处理，所以有2n个节点信息是未知的。因此，通过由光纤传感器2测量2n个测量变形，并将该2n个测量变形和2n个未知节点信息代入上述公式(7)，而导出2n个方程式，求解该2n次元联立1次方程式，从而算出2n个未知节点信息。

更具体地对n＝2的情况进行说明，例如，如图6所示，将第1节点和第2节点的位移值视为未知数。此时，由于位移值在1、2方向上均为未知数，故未知节点信息的数目为u¹ _j(第1节点的j方向的位移值：其中j＝1，2)、u² _j(第2节点的j方向的位移值：其中，j＝1，2)4个。另一方面，通过设置于圆盘体S上的光纤传感器2来测量测量点A、B、C、D的测量变形(已知数ε_A、ε_B、ε_C、ε_D)。接着，如果将这些包括未知数在内的节点的节点信息代入上式(7)的右边，而将上述已知数ε_A、ε_B、ε_C、ε_D代入上式(7)的左边，则推导出未知信息为4个(u¹ ₁、u¹ ₂、u² ₁、u² ₂)的4次元联立1次方程式。这样，可推导出作为未知节点信息的位移值(导出位移值)。这种方法在未知节点信息为集中力的情况下，或集中力与位移值混合存在的情况下都是相同的。

然后，进入到步骤S33，以该导出节点信息和已知节点信息为边界条件，根据公式(7)来分析圆盘体S的指定点的变形，对各分析点反复进行上述分析，由此，可获得圆盘体S的期望数目的分析变形。

具体来说，由于通过上述步骤S32而得到了全部的节点信息，所以，公式(7)的右边对于圆盘体S的任意点y(坐标)为常数，由此，可对点y的变形(分析变形)进行分析。

接着，将在步骤S33计算出的分析变形与分析点的坐标相关联，并将其存储于存储单元51中，将该分析变形和圆盘体S的分析坐标，连同测量变形和其测量坐标，及导出变形和其坐标一起，在显示单元6(步骤S35)进行显示，并结束处理。

根据该系统，通过包括有敷设于圆盘体S的边界上的光纤传感器2的测量单元3，可以较高的精确度来测量圆盘体S中敷设有光纤传感器2的位置处的变形。

另外，还可通过该测量单元3的测量变形与由控制方程式导出的公式(7)，简单地导出圆盘体S的节点信息(集中力、位移值)中的未知节点信息。而且，在导出该未知节点信息时，虽然由测量单元3测量的变形只需要有与未知节点信息的数目相对应的部分，但由于是采用光纤传感器2来测量测量变形，故可测量许多的测量变形，从而可避免测量变形的数量不足而不能够导出未知节点信息的情况。

而且，如上所述，通过数值分析单元5，全部节点信息必定可以导出，并可将该全部节点信息作为边界条件，通过边界元素法，计算出在圆盘体S的内部或边界上的任意点、即未敷设光纤传感器2的圆盘体S的任意点的变形(分析变形)。

上述分析变形被计算出的点(分析点)可以被预先设定，并将该分析点与分析变形相互关联起来。因此，通过使该分析变形和分析点相互关联，可以使分析变形和结构体S的位置相互关联，并通过让其结果显示于显示单元6中，从而可以较高的精确度来监视圆盘体S的所有位置的变形。而且，用户通过监视该显示单元6，可简单而迅速地特定具有一定的物理量变化的结构体的位置。因此，在结构体的修补等后续作业中，无需像现有技术那样进行仔细的再检查，便可迅速应对。

(第2实施例)

图7(a)为表示第2实施例的结构体监视系统所监视的对象的说明图，图7(b)为该监视对象的内部裂纹的放大示意图。

该第2实施例的结构体监视系统1，其基本结构与第1实施例相同，而与上述第1实施例不同之处在于，在作为分析对象的圆盘体S中发生了裂纹C时，可以在数值分析单元5中特定该裂纹C的位置和形状。

即，该第2实施例的数值分析单元5，除了上述第1实施例的数值分析单元5的结构，还可形成一种结构，以便对同一测量点在不同的时间测量的圆盘体S的测量变形进行对比，在该测量变形的变化量超过指定的允许范围时，认定在圆盘体S的内部发生了裂纹C。在该第2实施例中，若不满足下式(8)，则认定在圆盘体S的内部发生了裂纹C，而在做出了此认定时，则对裂纹C的位置和形状进行识别。即，

公式(8) $\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_b^r-{\mathrm{\ϵ}}_a^r)}^2\≤A$

在此，R表示全部的测量点数，ε_b ^r表示测量点的光纤传感器2在上次测量时的测量变形，ε_a ^r表示测量点的光纤传感器2在此次测量时的测量变形，A为既定值。

另外，在本第2实施例中，如上所述，是用将全部测量点的测量变形的差的平方累加而得到的总值与测量变形进行对比，但也可以是对各测量点的变形的绝对值进行对比。

对该裂纹C的位置和形状的识别，可用通过光纤传感器2测量的基准点D处的测量变形作为辅助信息，假定内在的裂纹C的位置和形状是未知的，来分析使根据边界元素法顺序分析而分析出的假定变形和上述测量变形的余数平方和达到最小的最优化问题。

关于该最优化问题，是要求出使目的函数f达到最小的后面要说明的参数，该目的函数f由下式表示。即，

公式(9) $f=\underset{p=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}^p-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}^{\text{'}p})}^2$

其中，P表示基准点D的点数，ε’^p _ij表示在基准点D测量的测量变形，ε^p _ij表示通过边界元素法顺序分析而求出的基准点D的分析变形。

下面，用图8的数值分析单元5的流程图，对该识别处理进行具体的描述。

如上所述，当在数值分析单元5中认定发生了裂纹C(在步骤S40，为“是”)，则将裂纹C的形状近似为椭圆形(包括圆形)，并假定该裂纹C在圆盘体S的内部(步骤S41)。表示该裂纹C的形状和位置的参数为下述5个。即，

式(10)    {y}＝(x，y，a，b，θ)^T

其中，如图7(b)所示，x与y表示椭圆的中心坐标，a和b分别表示该椭圆的短轴和长轴，θ表示长轴与第1轴所形成的角。另外，x为第1轴方向的坐标，y为第2轴方向的坐标。

另外，在该假定中，既假定在圆盘体S的预先规定的指定位置(在本第2实施例中，为圆盘体S的中心)处有裂纹C(在图7(a)中以虚线表示)，又假定其长轴a和短轴b和角θ均为预先规定的指定值。

接着，对假定的裂纹C，制作模型(modeling)(步骤S42)。即，规定该裂纹C为内部边界Γ₃，将该内部边界Γ₃划分为单元(及网格(mesh))，并在内部边界Γ₃上设置多个新的未知的节点。该节点可任意地设定于内部边界上，但最好在长轴方向的两端部的附近密集地设定。

另外，裂纹C的模型制作(modeling)，即，裂纹C处的单元划分或节点配置，也可通过数值分析单元5自动进行，另外，还可通过设定输入单元9，以手动方式进行。在以手动方式进行时，也可以在显示单元6中显示与裂纹C的制作模型(modeling)的输入有关的催促。

然后，对于在内部边界Γ₃上所设的节点，既采用集中力为零的初始边界条件，又采用圆盘体S的外部边界Γ上的节点处的集中力和位移值，同上述第1实施例一样，用公式(7)来分析基准点D处的变形ε^p _ij(假定变形)(步骤S43)。

另一方面，针对基准点D，测量变形ε’^p _ij通过测量单元3而被测量，并在数值分析单元5中对该测量变形ε’^p _ij与上述假定变形ε^p _ij的差(差的绝对值)是否在允许值B的范围内进行判断(步骤S44)。如果两个变形的差不在允许值B的范围内(在步骤S44，为“否”)，则反复修正裂纹C的假定，直至处于允许值B的范围内(步骤S45)。此时，该假定的修正采用用于求出使目的函数f达到最小的最优参数的公知的最优化方法，作为该最优化方法，采用例如遗传算法(genetic algorithm)。

当判断出上述假定变形ε^p _ij与测量变形ε’^p _ij之间的差在允许值B的范围内(在步骤S44，为“是”)，则决定近似椭圆形的裂纹C的中心(x，y)、短轴a、长轴b、角度θ，即，决定裂纹C的位置和形状，将与该裂纹C有关的信息与圆盘体S的形状关联起来，并显示于显示单元6中(步骤S46)。接着，将该裂纹C的位置和形状追加到上述圆盘体S的形状中(步骤S47)，根据该新的形状，同上述第1实施例一样，对圆盘体S的变形分布进行监视。

根据该第2实施例的结构体监视系统1，可以较高的精确度来推定在圆盘体S中新产生的裂纹C的位置和形状。并且，在认定了裂纹C的发生，并特定了该裂纹C的位置和形状后，通过该第2实施例的数值分析单元5，自动地将圆盘体S的形状修改为包含该新发生的裂纹C的形状。因此，在其之后对与第1实施例相同的变形进行监视时，可以在考虑了裂纹C的情况下，计算分析变形，从而可以更高的精确度对圆盘体S进行监视。而且，由于可以特定裂纹的尺寸大小等，故可以根据该尺大小寸等，来判断修补的必要性，由此，可进行具有效率的结构体监视。

另外，在上述第2实施例中，是在数值分析单元5特定了裂纹C之后，自动地将该裂纹C的形状追加于圆盘体S的形状中，但是，也可通过手动方式，对该圆盘体S的形状进行再设定。

此外，在上述第2实施例中，作为基准点D，采用光纤传感器2的测量点，对测量变形和假定变形进行对比，但是，也可将未敷设光纤传感器2的点用作基准点。此时，用该光纤传感器2的测量变形，来计算基准点的分析变形，对分析变形和假定变形进行对比。

(第3实施例)

该第3实施例的结构体监视系统1，其基本结构与第2实施例相同，而与第2实施例不同之处在于，监视的对象不是变形分布，而为温度分布，以及识别的对象不为裂纹，而为异常高温部位。而且，结构体S的形状也不同。该结构体S如图9所示，由圆形筒状体构成，在其内部，填充有高温流动体，由于该高温流动体而会造成内壁损伤缺落。因此，该第3实施例的结构体监视系统1，根据作为结构体S的圆形筒状体的温度分布，监视该筒状体的壁厚。

测量单元3，其基本结构与上述各实施例相同，但是，由于监视对象不同而形成如下的结构。即，测量单元3的光纤传感器2，其物理量检测部件2a呈卷绕状被固定于圆盘体S的外周边上，其上由绝热材料覆盖。这样，通过用绝热材料覆盖物理量检测部件2a的外侧，而使外界气温的影响降低。

测量单元3通过光纤传感器2，检测因温度变化所引起的圆盘体S的变形，根据该检测结果，可检测出圆盘体S的外周边上的温度(测量温度)分布。由于其它的结构与上述第1和第2实施例相同，故在此省略对其的描述。

可以采用由测量单元3测量的温度，导出边界上的节点的温度和热通量(导出物理量)，并将该推导出的温度和热通量作为边界条件，在数值分析单元5分析结构体S的边界上或内部的温度分布。

该数值分析单元5的结构也与上述各实施例相同，但是，由于监视对象不同，所以控制方程式不同，因此，由该控制方程式导出的边界积分方程式等也不同。监视对象为温度时的边界积分方程式，由下式来表示。

公式(11) $T\left(y\right)+{\∫}_{\mathrm{\Γ}}{q}^{*}(x,y)T\left(x\right)\mathrm{d\Γ}-{\∫}_{\mathrm{\Γ}}{T}^{*}(x,y)q\left(x\right)\mathrm{d\Γ}$

$={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{T}^{*}(x,y)b\left(x\right)\mathrm{d\Ω}$

$\∈\mathrm{\Ω}$

其中，T(x)表示温度，q(x)表示热通量，b(x)为区域Ω内部的等效热源。

另外，由于上述边界积分方程式不同，故其基本解也不同，基本解由下式表示。

公式(12) $T^{*}(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{1}{r}\right)$

$q^{*}(x,y)=-\frac{1}{2\mathrm{\π\γ}}\·\frac{\∂r}{\∂n}$

其中，r表示点x，y之间的距离，n表示点x的单位法线向量，

表示法线方向微分系数。另外，分析内部的热源视为没有。

于是，通过对上述边界积分方程式(11)进行离散化处理，并应用边界条件，则可以对结构体S的内部和边界上的1点的温度进行数值分析。而且，如果对经过该离散化处理的边界积分方程式进行矩阵表示，则如下式所示。

公式(13)    {T(y)}＝[H_T]{T}+[G_T]{q}

其中，{T(y)}表示区域Ω或边界Γ上的任意点的温度，{T}、{q}表示节点j的温度和热通量。另外，[H_T]、[G_T]表示根据基本解算出的系数。

通过在上式(13)中代入指定的初始条件，及基于由测量单元3测量到的测量温度等的节点信息的边界条件，可以计算出结构体S的任意点的温度，通过在该结构体S的多个分析点反复进行该处理，可以分析结构体S的温度分布。另外，还可通过将该温度分布与结构体S的位置关联起来而显示于显示单元6中，从而来监视结构体S的温度分布。

另一方面，数值分析单元5，与上述第2实施例相同，可形成一种结构，以便当在同一测量点的不同的时间测量的温度的差超过指定的范围时，认定在圆盘体S的内部，有异常高温部位发生，通过与上述第2实施例相同的方法，可指定异常高温部位的位置和形状。具体来说，数值分析单元5，当高温部位发生了扩大时，可认定结构体S的内壁有一部分缺损，而高温部位则因结构体S的形状变化而发生了扩大，并将该扩大高温部位作为异常高温部位，来识别其位置和形状，根据该识别结果，再次设定结构体S的形状。

即，测量单元3可对同一测量点，多次测量温度(测量温度)。而且，数值分析单元5还对同一测量点在不同的时间测量的温度进行对比，在这些测量温度的差超过指定的允许范围时，可认定有异常高温部位发生。在有了该认定的情况下，则在数值分析单元5，对异常高温部位的位置和形状进行识别。在对该异常高温部位的位置和形状的识别中，用通过光纤传感器2测量的基准点D的测量温度作为辅助信息，假定内在异常高温部位的位置和形状是未知的，通过边界元素法顺序分析来分析假定温度，并作为使上述测量温度和假定温度的余数平方和达到最小的最优化问题而进行分析。由于该具体的方法在上述第2实施例中进行了描述，故在这里，对其不同点进行描述。

即，在第3实施例中，假定作为内部边界的边界Γ₉随着内壁的缺损而变为边界Γ₁₀，将该边界Γ₁₀上的节点坐标设定为参数。在此，边界Γ₁₀上的节点数目预先通过设定输入单元9而设定，例如，由16个节点构成。另外，各节点被设定在边界Γ₉上或区域Ω内的范围内，并被设定成通过连结相邻号码的节点和连结第1节点和最终节点而形成一个封闭区域。例如，为了由各节点形成封闭区域，也可设定第1节点和中间号码的节点第9节点，将连接该第1节点和第9节点的连结线划分为8段，在每个划分点的上下分别设定节点。

另外，假定边界Γ₁₀上的节点，即，将各节点坐标认定为参数，由此，可指定新的边界Γ₁₀。

根据第3实施例的结构体监视系统1，可针对在结构体S的边界上或内部预先设定的多个分析点，计算出分析温度。而且，通过使该分析点和分析温度相互关联，则可使结构体S的位置和分析温度相关联，从而可求出结构体S的温度分布。通过将该温度分布显示于显示单元6中，则可以较高的精确度来监视结构体S的所有位置的温度，而且，用户也可通过监视该显示单元6，简单而迅速地指定具有一定温度变化的结构体S的位置。因此，在结构体S的修补等后续作业中，不需要像现有的技术那样进行仔细的再检查，便可迅速应对。此外，与第2实施例相同，可以较高的精确度推定在圆盘体S中产生的异常高温部位的位置和形状，并根据该异常高温部位的位置和形状，再次设定结构体S的形状，由此，来指定随着内壁等的缺损等而产生的异常高温部位，根据该结果，用户可以判断是否需要修补。

(第4实施例)

该第4实施例的结构体监视系统1，其基本结构与上述第1实施例相同，而与上述第1实施例不同之处在于，作为其监视对象的结构体S的形状、光纤传感器2被设置于结构体S的内部、以及在数值分析单元5中进行的分析方法。

即，该第4实施例的结构体监视系统1所监视的结构体S，如图10所示，是由第1结构体S1、第2结构体S2及连结第1和第2结构体S1、S2的2个连结体J构成，其中，第1结构体S1的一端被固定于固定面上，第2结构体S2是被设置于该第1结构体S的另一端边缘侧，且由与第1结构体S1不同的材质构成。

在第2结构体S2的前端部，设置有横切其前端部的光纤传感器2。测量单元3形成一种结构，以便可以采用该光纤传感器2，至少测量出与节点信息的未知数的数目相对应的数目的变形，而所述节点信息是设定于后述的边界Γ₅上的节点的节点信息(集中力和位移值)。即，测量点m的数目至少被设定在边界上的节点n_b的未知节点信息的数目或其数目以上。

但是，与在上述第1实施例的数值分析单元5的数值分析法中，可灵活地对应作为裂纹发生等的监视对象的结构体的形状变化的情况相反，如图10所示的结构体S，在由多个不同的材料形成的结构体S1、S2通过连结体J连结时，被认为由于连结体J周围的边界条件等的设定困难等原因而导致分析困难，因此在对第1结构体S1和连结体J的监视中，在效率和精确度方面会产生问题。

于是，本第4实施例的结构体监视系统1，是在数值分析单元5，将上述第1实施例的数值分析法和有限元素法组合起来进行分析。即，数值分析单元5将结构体S划分为有一部分重叠的区域Ω₁与区域Ω₂，通过上述第1实施例的数值分析法计算出区域Ω₁的内部或边界上的变形(分析变形)，而另一方面，则通过有限元素法，计算出区域Ω₂的内部或边界上的变形。

该分析处理通过图11的数值分析单元5的流程图，进行具体描述。

即，首先，通过设定输入单元9，受理与结构体S的制作模型(modeling)有关的信息(步骤S50)，就该制作模型(modeling)，具体来说，是将结构体S划分为有一部分重叠的区域Ω₁与区域Ω₂，在区域Ω₁中，将其边界划分为多个线性单元，针对每个单元设定一个节点n_b，另一方面，在区域Ω₂中，将其内部区域划分为多个方形的区域单元，针对各单元的角所集合的点，设定一个节点n_f。在此，如果将区域Ω₁和区域Ω₂一部分重叠的重叠区域Ω_d在区域Ω₂侧的边界(区域Ω₁的边界)作为边界Γ₅，而将其在区域Ω₁侧的边界(区域Ω₂的边界)作为边界Γ₅’，则在边界Γ₅上的区域Ω₁和区域Ω₂的节点n_b、n_f被设定成重复。

接着，在边界Γ₄上的节点n_b上集中力为零，在边界Γ₅上的节点n_b处，节点信息(集中力和位移值)均是未知的，这些初始设定信息通过设定输入单元9进行输入。

然后，利用光纤传感器2，计算出在上述初始设定中被设定为未知数的边界Γ₅上的节点n_b处的节点信息(步骤S51)。具体来说，由于边界Γ₅上的节点n_b处的集中力和位移值在第1和第2方向上均为未知数，故未知数的数目为边界Γ₅上的节点n_b的数目的4倍，在测量单元3，测量与该数目相对应的测量点m处的测量变形。另外，通过将由该测量单元3测量的变形代入上述式(7)中，推导出联立方程式。通过求解该联立方程式，上述未知节点信息(集中力和位移值)可以全部计算出。

由于可计算该边界Γ₅上的节点n_b处的集中力和位移值，故与上述第1实施例的情况相同，可以对区域Ω₁的边界上或内部的任意点处的分析变形进行分析。然后，计算出边界Γ₅’上的节点n_b处的集中力和位移值(步骤S52)，并只将该计算结果中的位移值用于后述的区域Ω₂的分析。

另一方面，在区域Ω₂中，将通过上述方式计算出的区域Γ₅’上的节点n_b处的位移值、和与区域Ω₁的节点n_b重合设定的边界Γ₅上的节点n_f的位移值作为边界条件，通过有限元素法，计算内部或边界上的分析变形(步骤S53)。另外，由于有限元素法的数值分析法是公知的，其通用软件也随处可见，故在这里省略对其的说明。此外，如果着眼于边界与边界之间的区域，则在将通过有限元素法(FEM)求出的应力场变换为集中力时，与通过边界元素法(BEM)求出的集中力必然一致。

此时，在有限元素法中，由于将作为分析对象的结构体划分为区域单元，故允许存在由各种材料形成的单独部件等。因此，即使在像包括第1和第2结构体S1、S2，及连结体J的区域Ω₂那样具有复杂的连结条件的情况下，仍可较容易地进行分析。

另外，在区域Ω₁处产生裂纹时，该第4实施例也与上述第2实施例相同，可识别裂纹的位置和形状。

(实施例5)

该第5实施例的结构体监视系统1，其基本结构与上述第1实施例相同，而作为监视对象的结构体S为隧道、随此而被输入到数值分析单元5中的边界条件则与上述第1实施例不同。

即，在该第5实施例中，如图12所示，其监视对象为隧道S(更具体地说，构成隧道口的结构体)，所要监视的是例如，构成隧道的混凝土块的剥落、塌崩等。

为此，测量单元3的光纤传感器2沿着隧道内壁面(边界上)而设置。具体来说，光纤传感器2从隧道的一端开口起，一面沿隧道的周向往复、一面沿隧道的轴向而朝着其另一端开口敷设。

这样，在监视对象为隧道等非常大的物体时，对偏离山的地表附近位置等隧道的内壁面足够远的位置的物理量的影响怎样进行处理成为问题。在此，因为该系统1是用来监视隧道内的混凝土块的剥离等，所以监视隧道内壁附近的变形分布便足够了。

因此，该第5实施例的结构体监视系统1可形成一种结构，以便在其数值分析单元5中，在初始边界条件的输入上下功夫，从而以较高的精确度来监视隧道内壁附近的变形分布。

在此，作为构成隧道口的结构体S的分析对象的区域Ω，如图12所示，由隧道的内壁的边界Γ₆、与该边界Γ₆相连的接地部的边界Γ₇，及与边界相连的无限边界的边界Γ₈围绕而成。以边界Γ₈作为无限边界的原因在于，由于该系统1所监视的范围在边界Γ₆附近，而边界Γ₆与边界Γ₈相距较远，故边界Γ₈项的基本解为零，从而可忽略边界Γ₈项。

因此，若将结构体S的控制方程式变换为边界积分方程式，则成为下式。

公式(14) ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{jl}}=\frac{{\∂u}_j\left(y\right)}{\∂y_l}={\∫}_{{\mathrm{\Γ}}_6}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ijl}}^{*}{t}_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)+{\∫}_{{\mathrm{\Γ}}_7}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ijl}}^{*}{t}_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)$

$-{\∫}_{{\mathrm{\Γ}}_6}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ijl}}^{*}{u}_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)-{\∫}_{{\mathrm{\Γ}}_7}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ijl}}^{*}{t}_i\left(x\right)\mathrm{d\Γ}\left(x\right)$

其中，

${\∫}_{\mathrm{\Γ}7}{{\mathrm{\ϵ}}^{*}}_{\mathrm{ijl}}{t}_{j\left(x\right)d}{\mathrm{\Γ}}_{\left(x\right)}={\∫}_a^{\∞}{{\mathrm{\ϵ}}^{*}}_{\mathrm{ijl}}{t}_j\left(x_1\right){\mathrm{dx}}_1$

${\∫}_{\mathrm{\Γ}7}{{\mathrm{\ϵ}}^{*}}_{\mathrm{ijl}}{t}_{j\left(x\right)d}{\mathrm{\Γ}}_{\left(x\right)}={\∫}_a^b{{\mathrm{\ϵ}}^{*}}_{\mathrm{ijl}}{t}_j\left(x_1\right){\mathrm{dx}}_1$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}^{*}}_{\mathrm{ijl}}\left(m\right)t_j\left(m\right)(x_{\mathrm{lm}}-x_{\mathrm{lm}-1})$

在上式(14)中，对于与边界Γ₇有关的积分项，由于边界Γ₇接地，故显然，其位移值和集中力均只具有垂直分量。另外，由于边界Γ₇由直线表示，故可简单地求出边界Γ₇的集中力的分布。即，如图12所示，设定距边界Γ₇足够远的点b，而a与b之间的m个节点被设定成相邻接的节点之间的间距逐渐扩大，利用大于点b的边界上的基本解充分地变小，将ab之间的集中力与位移值作为未知数，则可将其与Γ₆上的未知数一起求出。

因此，如果整理上式(14)而进行矩阵表示，则可成为下式。

公式(15) $\left\{\mathrm{\ϵ}\left(y\right)\right\}=\left[H_1\right]\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{u\Γ}}_6\\ u_m\end{array}\right\}+\left[G_1\right]\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{t\Γ}}_6\\ t_m\end{array}\right\}$

在此，{ε(y)}表示区域Ω或边界Γ上的任意1点上的变形，{u_Γ6}、{t_Γ6}表示边界Γ₆上的节点的节点信息(集中力，位移值)。另外，[H₁]、[G₁]表示根据上述基本解求出的系数。

上式(15)被存储在数值分析单元5中，从设定输入单元9将与边界Γ₇有关的初始边界条件(位移值为零)等初始条件输入到该数值分析单元5，另一方面，从输入单元8，输入通过光纤传感器2测量的与边界Γ₆有关的测量变形。另外，根据这些条件，数值分析单元5可对结构体S的边界Γ₆上或其附近的内部区域的任意点的变形(分析变形)进行分析。

如此，在该第5实施例中，可补充与数值分析单元5中的边界积分方程式(15)的边界Γ₈有关的未知边界条件，例如，即使是隧道等非常大的结构体，仍可以较高的精确度对隧道的内周壁附近进行监视，从而可扩大其适用范围。

(第6实施例)

该第6实施例的结构体监视系统1，其基本结构与上述第1实施例相同，而该第6实施例的结构体监视系统1与上述第1实施例的不同之处在于，除了敷设测量作为边界条件的测量变形的光纤传感器2，还敷设用于确认由数值分析单元5分析的变形的精确度的确认用光纤传感器200。另外，在该第6实施例中，作为监视对象的结构体S的形状也与第1实施例不同。

即，结构体S如图13所示，为略呈方形的板状体。此外，测量单元3的光纤传感器2形成一种结构，以便沿着该结构体S的一个周边缘被固定，且用作为该固定部分的物理量检测部件2a，可测量多个测量变形。另外，在该结构体监视系统1中，与上述第1实施例相同，可通过数值分析单元5，采用该测量变形来分析结构体S的边界上或内部的任意的点的变形(分析变形)。

另一方面，在该结构体S的中央部，与上述光纤传感器2平行地敷设有确认用光纤传感器200。该确认用光纤传感器200，通过预先在该确认用光纤传感器200上设定确认用测量点m_c，在测量单元3对该确认用测量点m_c处的布里渊(Brillouin)散射光进行受光，根据其光谱，可计算出该确认用测量点m_c处的测量变形。而且，从测量单元3，将该测量变形连同确认用测量点m_c处的坐标一起输出到数值分析单元5。

数值分析单元5根据来自光纤传感器2的测量变形，计算确认用测量点m_c处的分析变形，另一方面，对该确认用测量点m_c处的分析变形和通过确认用光纤传感器200在确认用测量点m_c测量到的测量变形进行对比。

图14为表示数值分析单元5的分析处理的流程图，下面通过该图，对分析处理进行具体的描述。

分析处理一旦开始，与第1实施例相同，确认光纤传感器2的测量数据(测量变形，测量点的坐标)的取得(步骤S60)。接着，判断是否取得了由确认用光纤传感器200侧量的测量数据(确认用测量点m_c处的测量变形、确认用测量点m_c的坐标)(步骤S61)，如果取得，则采用来自光纤传感器2的测量数据，计算出确认用测量点m_c处的分析变形(步骤S62)。由于该数值分析法与上述第1实施例相同，故在此省略对其的描述。

接着，数值分析单元5对确认用测量点m_c处的测量变形和分析变形进行对比(步骤S63)，判断其误差(分析变形和测量变形的差)是否在预先规定的允许范围内(步骤S64)。在这里，对两个变形的对比，既可以是比较两个变形的差的平方，也可以是比较两个变形的差的绝对值。另外，作为判断是否在允许范围内的判断基准的既定值，可预先通过设定输入单元9而输入，并根据监视标准，也可设定多个既定值。

然后，如果误差在允许范围内(步骤S64为“是”)，则更新存储于存储单元51中的测量数据(步骤S65)，并在显示单元6中显示变形分布，结束分析处理。

另一方面，如果确认用测量点m_c处的分析变形和测量变形的误差超过允许范围内(在步骤S64为“否”)，则在显示单元6既显示误差超过允许范围内的通知，又显示该误差(步骤S67)，再次设定结构体S的模型制作(modeling)。该结构体S的模型制作(modeling)的再次设定，具体来说，就是对例如结构体S的节点数目、节点坐标进行变更、对边界要素划分进行重新设定等。在该第6实施例中，则是对节点坐标进行变更。然后，向测量单元3输出指示对结构体S的指定测量点m处进行再次测量的信号(步骤S69)，接着转到步骤S60。

根据该第6实施例的结构体监视系统1，数值分析单元5的分析变形的推定精确度，可通过与确认用光纤传感器200的测量变形进行对比而得到确认，由此，既可确认模型制作(modeling)、初始设定等的精确度，又可通过重新设定该模型制作(modeling)来寻求精确度的改善。这样，既可以较高的精确度来推定结构体S的变形分布，又可以较高的精确度来特定变形厉害而具有损伤的危险的部位，从而可快速地进行修补等处理。

另外，在该第6实施例中，是在误差超过允许范围时，再次设定结构体S的模型制作(modeling)的，但也有该误差起因于结构体S中产生的新的裂纹的情况。因此，在将结构体S的模型制作(modeling)变换为再设定，或虽然进行了数次的模型制作(modeling)的再设定，误差仍不在允许范围内的情况下，与第2实施例的情况相同，可以认定裂纹的发生，并识别该裂纹的位置和形状。

此外，在该第6实施例中，作为确认用光纤传感器200，独立于光纤传感器而设置，但是，也可使光纤传感器2具有该功能。此时，在光纤传感器2中，可设置确认用测量点，该确认用测量点不同于为了计算分析变形而被采用的测量变形的测量点，在该确认用测量点处的测量变形成为对比的对象。

并且，在该第6实施例中，为了确认分析变形的精确度，采用光纤传感器，通过该光纤传感器，在测量单元3计算测量变形，但是，用于确认的测量变形，也可采用例如其它的变形传感器等公知的测量机构。

(第7实施例)

该第7实施例的结构体监视系统1，其基本结构与上述第1实施例相同，而该第7实施例的结构体监视系统1与上述第1实施例的不同之处则在于，显示单元是通过无线或互联网线路与控制单元连接的。

图15为表示该第7实施例的结构体监视系统1的结构图。

该结构体监视系统1，如图15所示，包括具有通信单元14的控制单元4、通过有线线路与该控制单元4连接的显示单元6、通过网络系统11与上述控制单元4连接的第1远程显示单元12，以及通过通信单元14、15与上述控制单元4通信的第2远程显示单元13。

第1远程显示单元12，除了具有与显示单元6相同的结构，还具有调制解调器，通过该调制解调器，借助互联网等的网络系统11，接收从控制单元4输出的信息。来自该控制单元4的信息，包括有例如，与分析变形或其分析坐标、以及结构体S的形状有关的信息，第1远程显示单元12，通过图形或字符等在其画面上进行显示，另一方面，还具有作为监视单元10的功能，在分析变形超过既定值时，向用户发出通知。

第2远程显示单元13，除了具有与显示单元6相同的结构，还具有通信单元15，通过该通信单元15捕获作为从控制单元4传送来的传送波的电磁波，抽取包含在该电磁波中的通信信号，将其变换为电信号，根据该电信号，将结构体S的变形分布作为图象进行显示。

通过第1和第2远程显示单元12、13，与上述数值分析单元5的设置场所无关，均可获得分析物理量。

(其它的实施例)

以上，对该本实施例的结构体监视系统进行了描述，但是，本发明的结构体监视系统并不限局于上述各实施例，在不脱离本发明的实质的范围内，可进行各种变换。例如，可进行如下所述的变换。

①在上述各实施例的结构体监视系统1中，是对作为物理量的变形或温度进行了分析，但是，作为该分析的对象的物理量并不局限于此，也可以是例如，磁场、声波等的波动、流动、位移、集中力等。

此时，作为各物理量的控制方程式，可采用拉普拉斯(Laplace)方程式、泊松(Poisson)方程式、亥姆霍兹(Helmholtz)方程式等。

另外，为了根据分析对象的物理量，来使用光纤传感器测量各物理量，可对光纤传感器进行改进。例如，在监视对象为磁场时，可用对应于磁力而变形的磁变形部件覆盖光纤传感器。此时，由于光纤传感器对应于磁力而变形，故可采用光纤传感器，通过测量单元对磁场进行计算。

②在上述各实施例的结构体监视系统1中，结构体取为平面，是作为2维问题来进行处理的，但是，结构体也可取为立体，而作为3维问题进行处理。此时，基本解、结构体的模型制作(modeling)、例如边界单元划分、节点的取法等不同，但是，这些作为边界元素法是公知的，在此省略对其的描述。

③在上述各实施例中，是通过结构体监视系统1，监视结构体的整体的物理量变化，但是，监视范围并不限于结构体的整体，也可为结构体的一部分。此时，通过设定输入单元9，指定监视范围(分析范围)。

④在数值分析单元5中进行的数值分析法并不限于上述各实施例的数值分析法。作为数值分析法，如果是设定边界条件，采用其边界条件进行数值分析的方法，则也可以是有限元素法等其它公知的数值分析法。

Claims (13)

1.一种结构体监视系统，通过设定特别指定的边界条件，用数值分析法分析结构体(S)的指定点的温度、变形物理量，根据该分析结果对结构体(S)进行监视，其中，所述结构体(S)的边界或内部一点的所述物理量通过控制方程式来表示，其特征在于包括：

测量单元(3)，利用敷设于上述结构体(S)的边界上的光纤传感器(2)，来测量敷设有该光纤传感器(2)的边界上的各点的上述结构体(S)的物理量；

设定输入单元(9)，用来输入与结构体(S)的制作模型有关的信息；

数值分析单元(5)，以上述测量单元(3)所测量的物理量为边界条件，通过上述数值分析法，对结构体(S)的指定点的物理量进行计算，上述数值分析单元(5)受理所输入的与制作模型有关的信息，并根据上述物理量的计算结果，再制作新的模型；以及

显示单元(6)，将有关上述数值分析单元(5)分析的物理量的信息与上述结构体(S)的位置关联起来进行显示。

2.根据权利要求1所述的结构体监视系统，其特征在于：

上述光纤传感器(2)，还敷设于上述结构体(S)的内部；以及

上述数值分析单元(5)，导出未敷设上述光纤传感器(2)的结构体(S)的边界上的各点的物理量，该被导出的物理量为了作为边界条件来输入而被变换。

3.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：还包括通知单元，用来在由上述数值分析单元分析的物理量超过预先规定的既定物理量时，发出通知。

4.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：上述光纤传感器还被敷设于结构体的表面上。

5.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：上述数值分析单元通过作为上述数值分析法的边界元素法，计算得出分析物理量。

6.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：上述数值分析单元将上述结构体划分为有一部分重叠的2个区域，通过边界元素法计算出一个区域的点的分析物理量，另一方面，通过边界元素法，计算出两个区域的重叠区域的各点的物理量，以该重叠区域上的分析物理量为边界条件，通过有限元素法计算出另一区域的点的分析物理量。

7.根据权利要求5所述的结构体监视系统，其特征在于：

上述测量单元(3)，至少在实际的同一点上多次测量作为上述变形物理量的变形；

上述数值分析单元(5)，当上述测量单元(3)测量的变形超过指定的允许范围而变化时，则认定在结构体(S)内部发生了裂纹，假定该裂纹的位置和形状，通过边界元素法，计算出上述结构体(S)的指定的基准点处的假定变形，并对上述裂纹的位置和形状进行识别，以使该假定变形与上述基准点的测量变形或以测量变形为边界条件而通过边界元素法计算得出的上述基准点处的分析变形的差达到最小。

8.根据权利要求5所述的结构体监视系统，其特征在于：

上述测量单元(3)，至少在实际的同一点上多次测量作为上述温度物理量的温度；

上述数值分析单元(5)，在上述测量单元(3)测量的温度超过指定的允许范围而变化时，则认定在结构体(S)内部发生了异常温度部位，假定该异常温度部位的位置和形状，通过边界元素法，计算出上述结构体(S)的指定的基准点的假定温度，同时对上述异常温度部位的位置和形状进行识别，以使该假定温度与上述基准点的测量温度或以测量温度为边界条件而通过边界元素法计算出的上述基准点处的分析温度的差达到最小。

9.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：上述数值分析单元，在分析具有充分远离由上述数值分析单元分析的指定点而足以忽略上述边界条件的无限大边界的上述结构体的指定点时，将该无限大边界的边界条件近似为零，计算出上述分析物理量。

10.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：

上述测量单元包含被敷设于上述结构体的任意位置的确认用测量单元，并测量敷设有该确认用测量单元的位置的各点处的物理量；

上述数值分析单元，计算通过上述确认用测量单元而测量出物理量的点处的上述分析物理量；

上述显示单元，显示有关同一点处的测量物理量与分析物理量的比较的信息。

11.根据权利要求10所述的结构体监视系统，其特征在于：上述光纤传感器还兼用作上述确认用测量单元。

12.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：上述显示单元独立于上述数值分析单元而设置，通过收发信息的通信单元而与上述数值分析单元连接。

13.根据权利要求1或2所述的结构体监视系统，其特征在于：上述光纤传感器被对应磁力而变形的磁性变形部件覆盖。

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