JP2006208163A - スロッシング警報出力システム - Google Patents

Abstract

【課題】スロッシングを引き起こす低い周波数付近の地震動を検出し、スロッシングの発生に係る警報を出力可能なスロッシング警報出力システムを提供する。
【解決手段】地震動を検出し、検出した地震動を検出信号として出力する振動検出器１１と、構造物の固有周期データ２５１を記憶する記憶部２５と、加速度データに基づいて速度応答値を算出するとともに、固有周期データに基づいて速度応答閾値を算出する演算手段（ＣＰＵ２３）と、速度応答値が、速度応答閾値を超えたか否かを判断する判断手段（ＣＰＵ２３）と、速度応答値が速度応答閾値を超えたと判断された場合に、スロッシング警報情報を警報装置３０に出力させる出力制御手段（ＣＰＵ２３）とを備える振動計測システム１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スロッシング警報出力システムに関する。

従来から、地震発生時には、地震の発生及びその規模等を通知するために警報が発令される。地震発生の有無に係る判断は、例えば、地震発生時の地震動を検出し、検出された地震動の加速度等を演算処理することによって取得された情報を指標とした処理により行われる。具体的には、例えば、地震動（地震波）をある一定の加速度を閾値として処理することにより得られたオン・オフ信号から、地震の揺れを推定する方法（例えば、特許文献１参照）や、最大加速度レベルや、計測震度、ＳＩ値等を指標として地震動を検出する方法が一般的に知られている。
特開平１０−３１９１３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に示した方法や、最大加速度レベル、計測震度、ＳＩ値等を指標として行われる地震動の検出方法においては、いずれも、対象とする地震動の周波数範囲が０．５Ｈｚ〜１０Ｈｚ程度の高い周波数範囲であるために、これよりも低い周波数の地震動を検出することができなかった。

上述した、０．５Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数よりも遥かに低い、０．１ｚ〜０．２Ｈｚ程度の周波数の地震動は、スロッシングという現象を引き起こす場合がある。スロッシングとは、巨大構造物において、低い周波数のゆったりとした揺れに構造物が共振（スロッシング）し、構造物内部の液体の液面が大きく上下する現象をいう。
石油の備蓄基地において、石油タンク等でスロッシングが発生すると、石油タンク内の石油の液面が大きく上下することにより石油タンクの蓋が破損し、又は石油がこぼれる等して火災が発生し、大規模な被害がもたらされることがあった。

本発明の課題は、スロッシングを引き起こす低い周波数付近の地震動を検出し、スロッシングの発生に係る警報を出力可能なスロッシング警報出力システムを提供することである。

以上の課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、スロッシング警報出力システムが、地震動を検出し、検出した地震動を検出信号として出力する振動検出器と、構造物の固有周期を記憶する記憶手段と、前記振動検出器より出力された検出信号に基づいて速度応答値を算出するとともに、前記記憶手段に記憶された固有周期に基づいて速度応答閾値を算出する演算手段と、前記演算手段により算出された前記速度応答値が、前記速度応答閾値を超えたか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によって、前記速度応答値が前記速度応答閾値を超えたと判断された場合に、スロッシング警報情報を警報出力手段に出力させる出力制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、スロッシング警報出力システムが、地震動を検出し、検出した地震動を検出信号として出力する振動検出器と、構造物の固有周期に基づいた速度応答閾値を記憶する記憶手段と、前記振動検出器より出力された検出信号に基づいて速度応答値を算出する演算手段と、前記演算手段により算出された前記速度応答値が、前記記憶手段に記憶された速度応答閾値を超えたか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によって、前記速度応答値が前記速度応答閾値を超えたと判断された場合に、スロッシング警報情報を警報出力手段に出力させる出力制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項1又は２に記載のスロッシング警報出力システムにおいて、前記固有周期の周波数が、０．１Ｈｚ〜０．２Ｈｚの範囲の周波数であることを特徴とする。

請求項１又は２に記載の発明によれば、振動検出器によって検出された地震動に基づいて速度応答値が算出され、この応答値が、構造物の固有周期より求められる速度応答閾値を超えた場合に、スロッシング警報が出力されることとなる。
これにより、構造物においてスロッシングを引き起こす低い周波数付近の地震動が検出された場合に、スロッシングの発生に係る警報を出力することができ、スロッシングによる被害を抑えることができる。

請求項３に記載の発明によると、構造物の固有周期の周波数が０．１Ｈｚ〜０．２Ｈｚの範囲の周波数であることによって、特に巨大構造物において甚大な被害をもたらす可能性の高い周波数の地震動に係る警報を出力することができ、石油タンク等における、スロッシングを原因とした災害を効果的に回避することができる。

以下に、本発明について、図面を用いて具体的な態様を説明する。
図１は構造物としての石油タンクに係るスロッシング警報出力システムとして機能する振動計測システム１の内部構成を示すブロック図である。振動計測システム１は、別個の地点に複数設置された、地震動を検出する振動検出器１１と、この振動検出器１１と通信回線Ｎ１を介して接続されたデータ処理装置２０と、このデータ処理装置２０と通信回線Ｎ２を介して接続され、警報出力手段として機能する警報装置３０と、等を備えている。

振動検出器１１は、例えば、検出した加速度（地震動）に比例した電気信号（アナログ信号）をデータ処理装置２０に出力する加速度計であり、東西（X）方向、南北（Ｙ）方向、上下（Ｚ）方向の、各３方向の振動の大きさを示す電気信号（アナログ信号）を検出し、検出した電気信号を、検出信号としてデータ処理装置２０に出力する。

データ処理装置２０は、振動検出器１１の動作制御を行うと共に、振動検出器１１によって出力された検出信号に基づいて、アナログ信号である電気（加速度）信号をデジタル信号としての地震動（加速度）データに変換してデータ処理を行い、警報装置３０に、スロッシング発生に係るスロッシング警報情報を出力させるための指示を送信する装置である。
以下、振動検出器１１によって検出されたアナログ信号を「加速度信号」と称し、当該加速度が、データ処理装置２０によってデジタル信号に変換された後を「加速度データ」として説明に用いる。
データ処理装置２０は、アンプフィルタモジュール２１、・・・と、Ａ／Ｄ変換器２２、・・・、と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２３と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２４と、記憶部２５、演算部２６、ＲＯＭ（Read Only Memory）２７、表示部２８、Ｉ／Ｆ部２９等を備えている。

アンプフィルタモジュール２１、・・・は、各振動検出器１１から常時送信される加速度信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器２２へ出力するアンプである。ここで、アンプフィルタモジュール２１、・・・は、所定の周波数帯域の信号、例えば、地震波を濾波して、Ａ／Ｄ変換器２２、・・・へ出力する。この地震波の検出は、地震波の特徴である、周波数が低く、かつ振幅の大きい振動波のみを濾波することによって実現する。また、振動検出器１１からは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の振動に係る加速度信号が送信されるが、それぞれの信号を増幅して出力する。

Ａ／Ｄ変換器２２、・・・は、アンプフィルタモジュール２１、・・・によって増幅された、加速度に応じた加速度信号を、デジタル信号である加速度データに変換し、ＣＰＵ２３に出力する。

ＣＰＵ２３は、データ処理装置として、ＲＯＭ２７に格納されているＩＰＬ（Initial Program Loader）プログラム（図示省略）や各種プログラム等を実行して、処理データをＲＡＭ２４内のワークメモリエリアに格納するとともに、処理データを表示部２８に表示させる。
ここで、処理データとしては、例えば、各種地震動データとしての加速度データから算出した震度データや、ＳＩ（スペクトル強度）値データ、最大加速度データ、及びこれらのデータに基づいて作成される警報データ等がある。

また、ＣＰＵ２３は、処理データに基づいて、警報出力に係るスロッシング警報情報を出力させるための指示を、通信回線Ｎ２を介して警報装置３０に送信する。

ＲＡＭ２４は、アンプフィルタモジュール２１等を介して振動検出器１１から出力される加速度データを格納するリングバッファや、データ処理等の各種処理に係る各種データを格納するワークメモリエリアを形成している。

記憶部２５は、処理データを記憶するための記憶媒体（図示省略）を有しており、記憶手段として機能する。具体的には、例えば、記憶媒体には、石油タンクの固有周期に係る固有周期データ２５１が記憶される。
この記憶媒体は磁気的、光学的な記憶媒体、若しくは半導体メモリで構成されている。また、この記憶媒体は記憶部２５に固定的に設けられたもの、若しくは着脱自在に装着されるものであり、ハードディスクドライブやメモリカード等の何れの媒体であってもよい。

ここで、固有周期データ２５１とは、石油タンクの固有周期に係るデータであって、固有周期とは、例えば、構造物の種類毎に異なる値であって、当該構造物が最も揺れ易くなる周波数を意味する。石油タンクの場合、石油タンクの径、石油タンク内の液体の液面高さ及び重力加速度を用いて所定の計算（数１参照）を実行することにより固有周期を算出することができる。尚、数1において、Ｔｓはスロッシングの固有周期（秒）、Ｔｆはスロッシングの固有周波数（Ｈｚ）、Ｄはタンク内径（ｍ）、Ｈは液面高さ（ｍ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）である。
具体的には、石油タンクなどの巨大構造物における固有周期は、その周波数が、０．１Ｈｚ〜０．２Ｈｚ程度の周波数からなる周期である。
固有周期データ２５１は、予め図示しない入力部を介してデータ処理装置２０に入力されて、記憶部２５に記憶される。

演算部２６は、振動検出器１１より、アンプフィルタモジュール２１等を介して出力された加速度データから取得した加速度に基づいて速度応答値を算出し、記憶部２５に記憶された固有周期データ２５１から取得した石油タンクの固有周期に基づいて速度応答閾値を算出することにより、演算手段として機能する。演算部２６は、具体的には、例えば、積分回路２６１を備える。

積分回路２６１は、抵抗（図示省略）及びコンデンサ（図示省略）によって概略構成されており、加速度データに積分処理を施すことによって速度応答値データを算出する。
具体的には、例えば、積分回路２６１は、振動検出器１１より、アンプフィルタモジュール２１等を介してＣＰＵ２３に出力され、ＲＡＭ２４に格納された加速度データから取得した加速度に基づいて積分処理を行い、速度応答値を算出する。
また、積分回路２６１は、記憶部２５に記憶された石油タンクの固有周期データ２５１から取得した固有周期に基づいても積分処理を行い、速度応答閾値を算出する。
演算部２６において算出された速度応答値及び速度応答閾値は、それぞれ速度応答値データ及び速度応答閾値データとしてＲＡＭ２４に格納される。

ＲＯＭ２７は、ＣＰＵ２３によって起動時に実行されるＩＰＬプログラム（図示省略）や、各種データ処理プログラムの他、ＩＰＬプログラムやデータ処理プログラムに係る各種初期設定値等を格納する。
具体的には、ＲＯＭ２７は、判断プログラム２７１及び出力制御プログラム２７２等を格納する。

判断プログラム２７１は、演算部２６において算出された速度応答値が、速度応答閾値を超えたか否かを判断するためのプログラムであって、ＣＰＵ２３は当該判断プログラム２７１を実行することにより判断手段として機能する。
具体的には、ＣＰＵ２３は、ＲＡＭ２４に格納された速度応答値データを参照することにより速度応答値を取得し、一方、速度応答閾値データを参照することにより速度応答閾値を取得する。そして、速度応答値と速度応答閾値とを比較して、速度応答値と速度応答閾値とが一致した場合及び速度応答値が速度応答閾値を上回った場合に、速度応答値が速度応答閾値を超えたと判断する。

出力制御プログラム２７２は、ＣＰＵ２３によって、速度応答値が速度応答閾値を超えたと判断された場合に、警報装置３０にスロッシング警報情報を出力させるためのプログラムであって、ＣＰＵ２３は当該出力制御プログラム２７２を実行することにより出力制御手段として機能する。
具体的には、ＣＰＵ２３は、警報装置３０の音声出力部３２（後述する）から所定の音声を出力させるための音声信号を送信し、警報装置３０の表示部３３（後述する）に警報表示を表示するための表示信号を送信する。

表示部２８は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等により構成され、ＣＰＵ２３によりデータ処理された処理データを表示する。

Ｉ／Ｆ部２９は、振動検出器１１や警報装置３０との間で信号やデータを入出力するためのインターフェイスであり、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポートやＲＳ−４８５Ｃ端子をはじめとするシリアル入出力端子、パラレル入出力端子、接点出力端子、ＳＣＳＩインターフェイス、ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）規格に準じた赤外線通信装置等が備えられ、有線または無線通信手段により振動検出器１１や警報装置３０と接続することが可能である。通信回線Ｎ１、Ｎ２は、有線であっても無線であってもよく、例えば、電話回線、通信ケーブル等により構成されている。

警報装置３０は、データ処理装置２０より出力された指示に基づいてスロッシング警報情報を出力する警報出力手段として機能する。警報装置３０は、例えば、制御部３１や音声出力部３２、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）やＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示部３３等を備えて概略構成される。
警報装置３０の制御部３１は、データ処理装置２０から送信された音声信号を音声に変換し、音声出力部３２が備えるスピーカ（図示省略）等から出力する。また、制御部３１は、データ処理装置２０から送信された表示信号の指示に従って所定の表示を表示部３３に表示するなどして、警報装置３０の各種動作設定を行う。

次に、図２のフローチャートを用いて、振動計測システム１によるスロッシング警報出力処理について説明する。尚、当該警報出力処理が実行される際には、予め、図示しない入力部より、石油タンクの固有周期データ２５１がデータ処理装置２０に入力され、記憶部２５に記憶されている。

警報出力処理は、まず、振動検出器１１が地震動を検出することにより開始される（ステップＳ１）。
振動検出器１１が地震動の加速度を検出すると（ステップＳ１）、振動検出器１１は、検出した加速度を加速度信号としてデータ処理装置２０に出力する（ステップＳ２）。

データ処理装置２０は、入力された加速度信号を、アンプフィルタモジュール２１、Ａ／Ｄ変換器２２を介してデジタルの加速度データに変換し（ステップＳ３）、ＣＰＵ２３に出力する。
次いで、ＣＰＵ２３は、入力された加速度データを演算部２６の積分回路２６１に入力することにより、当該加速度データに積分処理を施して速度応答値データに変換する。また、同様に、記憶部２５に記憶されている固有周期データ２５１を積分回路２６１に入力することにより積分処理を施し、速度応答閾値データに変換し（ステップＳ４）、変換した速度応答値データ及び速度応答閾値データをＲＡＭ２４に一旦格納する。

ステップＳ５においては、ＣＰＵ２３が、ＲＯＭ２７に格納された判断プログラム２７１を読み出し、ＲＡＭ２４の所定のワークスペースに展開して実行することにより、ＲＡＭ２４に格納される速度応答値データを読み出して速度応答値を取得し、速度応答閾値データを読み出して速度応答閾値を取得し、速度応答値が速度応答閾値を超えているか否かを判断する（ステップＳ５）。
ＣＰＵ２３が、速度応答値が速度応答閾値を超えていると判断すると（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、警報装置３０に所定の指示を送信するために次ステップに移行する。

ステップＳ６においては、ＣＰＵ２３は、ＲＯＭ２７に格納された出力制御プログラム２７２を読み出し、ＲＡＭ２４の所定のワークスペースに展開して実行することにより、警報装置３０に、スロッシング警報情報を出力させるための指示を送信する（ステップＳ６）。
警報装置３０の制御部３１は、スロッシングの警報に係る指示を受信すると、当該指示に基づいて、音声出力部３２から、スロッシング警報情報としての所定の音声を出力し、表示部３３に、スロッシング警報情報としての所定の表示を表示して（ステップＳ７）、本処理を終了する。
一方、ステップＳ５において、ＣＰＵ２３が、速度応答値が速度応答閾値を超えていないと判断した場合には（ステップＳ５；Ｎｏ）警報を出力することなく本処理を終了する。

以上に説明した振動計測システム１においては、振動検出器１１によって検出された地震動に基づいて速度応答値が算出され、この速度応答値が、石油タンクの固有周期データ２５１より求められる速度応答閾値を超えた場合に、警報装置３０より警報が出力されることとなる。これにより、石油タンクの固有周期である０．１Ｈｚの周波数付近の地震動が検出された場合に、スロッシングの発生に係る警報を出力することができ、スロッシングによる被害を抑えることができる。
また、当該振動計測システム１においては、振動検出器１１によって検出される加速度信号を用いて警報出力処理を行っており、これにより、当該加速度信号に所定の演算を施すことにより取得される最大加速度レベルや、計測震度、ＳＩ値などを用いて、０．５〜１０Ｈｚの範囲の周波数を備える地震動、即ち、有感地震動を検知し、これに伴う警報を出力することもできる。

固有周期データ２５１は、予め図示しない入力部を介してデータ処理装置２０に入力されることとしたが、例えば、固有周期の算出に必要な項目の数値を、入力部（図示省略）を介してデータ処理装置２０に入力することにより、ＣＰＵ２３が所定のプログラムを実行して所定の演算を施し、これにより算出された固有周期からなる固有周期データを記憶部２５に記憶する構成としても良い。
また、予め固有周期に基づいた速度応答閾値を算出し、これをデータ処理装置２０に入力することにより、記憶部２５に速度応答閾値データとして記憶することとしても構わない。この場合、速度応答閾値データには積分処理を施すことなく、速度応答値データとの比較に用いることができる。

振動計測システム１は、一箇所に設けられていても良く、また別々の場所に設置されていても構わない。具体的には、例えば、振動検出器１１は、可能な限り石油タンクの近傍に設けることが好ましく、警報装置３０は適宜好適な場所に設置することができる。従って、例えば、振動検出器１１及び警報装置３０を石油タンクの近傍に設けても良いし、振動検出器１１を石油タンクの近傍に設けて、警報装置３０を、石油タンクを遠隔操作によって管理する管理センターなど、石油タンクから離れた場所に設置することとしても構わない。警報装置３０を石油タンクの近傍及び遠方の管理センターの両方に設置することによって、石油タンク周辺からの非難を呼びかけると同時に、遠隔操作によって火災の発生を未然に防ぐことができ、より確実に災害を回避することができる。

尚、固有周期データ２５１及び加速度データの積分処理を、積分回路２６１を用いて行うこととしたが、これに限られることはなく、例えば、ＣＰＵ２３が所定のプログラムを実行することにより積分処理を施すこととしても構わない。

振動計測システム１の内部構成を示すブロック図である。 警報出力処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 振動計測システム（スロッシング警報出力システム）
１１ 振動検出器
２０ データ処理装置
２３ ＣＰＵ
２４ ＲＡＭ
２５ 記憶部（記憶手段）
２５１ 固有周期データ
２６ 演算部（演算手段）
２６１ 積分回路
２７ ＲＯＭ（判断手段、出力制御手段）
２７１ 判断プログラム
２７２ 出力制御プログラム
３０ 警報装置（警報出力手段）

Claims (3)

1. 地震動を検出し、検出した地震動を検出信号として出力する振動検出器と、
   構造物の固有周期を記憶する記憶手段と、
   前記振動検出器より出力された検出信号に基づいて速度応答値を算出するとともに、前記記憶手段に記憶された固有周期に基づいて速度応答閾値を算出する演算手段と、
   前記演算手段により算出された前記速度応答値が、前記速度応答閾値を超えたか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段によって、前記速度応答値が前記速度応答閾値を超えたと判断された場合に、スロッシング警報情報を警報出力手段に出力させる出力制御手段と、
   を備えることを特徴とするスロッシング警報出力システム。
2. 地震動を検出し、検出した地震動を検出信号として出力する振動検出器と、
   構造物の固有周期に基づいた速度応答閾値を記憶する記憶手段と、
   前記振動検出器より出力された検出信号に基づいて速度応答値を算出する演算手段と、
   前記演算手段により算出された前記速度応答値が、前記記憶手段に記憶された速度応答閾値を超えたか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段によって、前記速度応答値が前記速度応答閾値を超えたと判断された場合に、スロッシング警報情報を警報出力手段に出力させる出力制御手段と、
   を備えることを特徴とするスロッシング警報出力システム。
3. 請求項１又は２に記載のスロッシング警報出力システムにおいて、
   前記固有周期の周波数が、０．１Ｈｚ〜０．２Ｈｚの範囲の周波数であることを特徴とするスロッシング警報出力システム。

Images