JP2006308563A - 配管漏洩箇所検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 漏洩箇所からの漏洩音による音波信号とその他の雑音による音波信号とを明確に識別することが可能な方法を提供する。
【解決手段】 漏洩箇所Ｐを挟む位置に第１信号受信手段３と第２信号受信手段４とを配置する工程と、第１信号受信手段３および第２信号受信手段４でそれぞれ受信した音波信号に基づいてクロススペクトルＳを得る工程と、クロススペクトルＳから測定ベクトルＹに関する共分散行列Ｒを作成する工程と、共分散行列Ｒを解析して固有値ｄおよび固有ベクトルｅを得る工程と、固有値ｄの大きさと固有ベクトルｅから雑音部分空間を求める工程と、雑音部分空間を用いて遅延時間に対して評価関数を計算する工程と、評価関数の高い遅延時間を漏洩箇所から伝わる漏洩音の遅延時間とし、漏洩音の遅延時間から漏洩箇所Ｐを推定する工程とを包含する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主配管と、この主配管に接続された少なくとも一つの分岐配管とを含む配管系において、漏洩箇所を検出する配管漏洩箇所検出方法に関する。

ユーティリティ管の一つであるガス管が土壌等の媒質中に埋設されている場合、例えば、長年の腐食作用等によって管に穴が開き、ガスが漏洩することがある。このような場合、ガスの漏洩箇所を検出し、その場所を掘り起こして穴が開いたガス管部分の交換が行われる。

従来、ガス管等の配管の漏洩箇所を検出する技術として、配管系の任意の二箇所（例えば、ガスメータの検査穴）にマイクロホンを設置し、それぞれのマイクロホンで受信した漏洩音の音波信号について相互相関を求めることで漏洩箇所の解析を行う方法があった（例えば、特許文献１を参照）。

また、漏洩箇所を有する配管の両端にマイクを取り付け、各マイクで検出した漏洩音波信号の伝搬時間差に基づいて配管の漏洩箇所を検出する配管漏洩箇所検出方法において、各マイクで検出した漏洩音波信号の低周波数成分をフィルタによってカットし、さらにノイズ成分を除去してから、音波信号を解析処理する方法もあった（例えば、特許文献２を参照）。

また、漏洩箇所を有する配管の両端にマイクを取り付け、各マイクで検出した漏洩音波信号の伝搬時間差に基づいて配管の漏洩箇所を検出する配管漏洩箇所検出方法において、各マイクで検出した漏洩音波信号をフーリエ変換した後、クロススペクトルを算出し、当該クロススペクトルの振幅特性について平滑化処理および不必要帯域の零値化を行った上で、二つの音波信号の相互相関を求める方法もあった（例えば、特許文献３を参照）。

さらに、漏洩箇所を有する配管の両端にマイクを取り付け、各マイクで検出した漏洩音波信号を複数の周波数帯域に分別して周波数帯域毎の相関係数を算出し、相関係数の高い周波数帯域の波形を合成した上で、二つの音波信号の相互相関を求める方法もあった（例えば、特許文献４を参照）。

特開昭５６−７３３３１号公報 特開平１０−６２２９２号公報 特開平１０−１８５７４５号公報 特開平１１−６４１５１号公報

ところが、実際の配管内には漏洩箇所からの漏洩音だけでなく、様々な雑音が存在している。その例として、分岐配管等に設置したマイクロホンが検知する通常のバックグラウンドノイズや、検査中の配管と同系統の配管に接続された測定対象区間外にあるガス機器を使用しているときに発生する燃焼音等に起因する外来雑音等が挙げられる。従って、漏洩音の強度が弱い場合、特許文献１に記載の配管漏洩箇所検出方法で行っているような二つの音波信号について単純に相互相関を求める方法では、漏洩音と他の雑音（バックグラウンドノイズや外来雑音等）とを区別することが困難であり、配管の漏洩位置を正確に検知することができない場合があった。特に、測定対象区間外から強度の大きい外来雑音が到来してきた場合では、その外来雑音の音源がマイクロホンを設置した分岐配管の分岐部にあると推定されてしまうこととなり、真の漏洩箇所との判別が困難になる。

また、特許文献２では、配管内の漏洩音の識別性を高めるため（すなわち、Ｓ／Ｎ比を向上させるため）に元の音波波形に対してフィルタ処理を行っているが、種々の音波波形の中から漏洩音の音波波形のみを抽出することには限界があった。従って、特許文献２の方法においては、漏洩音の強度が一定以上でなければ期待できるほどの音波識別効果は見られなかった。また、漏洩音の強度が一定以上であっても、外来雑音の強度が測定対象である漏洩音の強度を上回る場合には、音波識別効果はほとんど期待できなかった。

一方、特許文献３や特許文献４においては、相互関係を求める前段階において種々の信号処理を行っている。このような特許文献３や特許文献４において行われる信号処理は、非常に複雑なアルゴリズムに基づいた処理である。ところが、信号処理が複雑であっても、その割には音波信号のＳ／Ｎ比を十分に高めることはできなかった。また、特許文献３や特許文献４においても、外来雑音の強度が測定対象である漏洩音の強度を上回る場合には、音波識別効果はほとんど期待できなかった。

従って、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、配管の漏洩箇所を検出する配管漏洩箇所検出方法において、漏洩箇所からの漏洩音による音波信号とその他の雑音による音波信号とを明確に識別することが可能な配管漏洩箇所検出方法を提供することにある。また、測定対象区間外の配管から外来雑音が到来するような場合、そのような外来雑音によるノイズを除去し、配管の漏洩箇所を精度高く特定することが可能な配管漏洩箇所検出方法を提供することにある。

本発明に係る配管漏洩箇所検出方法の特徴構成は、主配管と、この主配管に接続された少なくとも一つの分岐配管とを含む配管系において、漏洩箇所を検出する配管漏洩箇所検出方法であって、前記漏洩箇所を挟む位置に第１信号受信手段と第２信号受信手段とを配置する工程と、前記第１信号受信手段および前記第２信号受信手段でそれぞれ受信した音波信号に基づいてクロススペクトルＳを得る工程と、前記クロススペクトルＳから測定ベクトルｙに関する共分散行列Ｒを作成する工程と、前記共分散行列Ｒを解析して固有値ｄおよび固有ベクトルｅを得る工程と、前記共分散行列Ｒの前記固有値ｄの大きさと前記固有ベクトルｅから雑音部分空間を求める工程と、前記雑音部分空間を用いて遅延時間に対して評価関数を計算する工程と、前記評価関数の高い遅延時間を前記漏洩箇所から伝わる漏洩音の遅延時間とし、前記漏洩音の遅延時間から前記漏洩箇所を推定する工程とを包含する点にある。

本構成の配管漏洩箇所検出方法によれば、共分散行列Ｒの固有値ｄの大きさと固有ベクトルｅから雑音部分空間を求め、この雑音部分空間を用いて遅延時間に対して評価関数を計算するという所謂ＭＵＳＩＣ法の評価関数を用いて、配管の漏洩箇所から伝わる漏洩音の遅延時間を求めている。このようにＭＵＳＩＣ法による信号処理を行うと、有意な信号音（漏洩音）とその他の雑音とを明確に分離した状態で、漏洩音の遅延時間を識別することができるようになり、その結果、配管の漏洩箇所を正確に推定することが可能となる。

本発明の配管漏洩箇所検出方法において、前記共分散行列Ｒを作成する工程は、前記クロススペクトルＳから作成した測定ベクトルｙと、前記主配管と前記分岐配管との接続部の位置に基づいて事前に把握可能な遅延時間より形成される投影行列Ｐとから、投影ベクトルｙ´を作成する工程と、前記投影ベクトルｙ´に関する共分散行列Ｒを作成する工程とを包含することが好ましい。

本構成の配管漏洩箇所検出方法は、共分散行列Ｒを作成する工程において、クロススペクトルＳから作成した測定ベクトルｙと、主配管と分岐配管との接続部の位置に基づいて事前に把握可能な遅延時間より形成される投影行列Ｐとから投影ベクトルｙ´を作成し、この投影ベクトルｙ´に関する共分散行列Ｒを作成するという所謂Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法を利用するものである。ここで、測定対象区間外から到来してくる外来雑音の音源は主配管と分岐配管との接続部にあるとみなされることから、主配管と分岐配管との接続部に相当する遅延時間を事前に把握することができれば、Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法を用いて測定対象区間外の配管から到来してくる外来雑音を確実に除去することが可能となり、有意な信号音（漏洩音）とその他の雑音（バックグラウンドノイズや外来雑音等）とを明確に分離した状態で、漏洩音の遅延時間を識別することができるようになる。その結果、配管の漏洩箇所をより正確に推定することが可能となる。

本発明の配管漏洩箇所検出方法において、前記クロススペクトルＳを得る工程は、前記第１信号受信手段および前記第２信号受信手段でそれぞれ受信した音波信号から相互相関関数を導出する工程と、前記相互相関関数をフーリエ変換する工程とを包含することが好ましい。

本構成の配管漏洩箇所検出方法によれば、第１信号受信手段および第２信号受信手段でそれぞれ受信した音波信号から相互相関関数を導出し、この相互相関関数をフーリエ変換してクロススペクトルＳを得ている。このように、音波信号からクロススペクトルＳを求めるに際し、通用の手法を用いることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施の形態および図面に記載される構成に限定されるものではない。

（配管漏洩箇所検出方法に用いる装置）
図１は、本発明の配管漏洩箇所検出方法を実施するために使用する装置を、漏洩箇所を有する配管系に対して適用した状態を示す模式図である。なお、本実施形態では、例として、この配管系がガス配管系であることを想定して説明する。

この配管系では、第１分岐配管１が、第１接続部位であるサービスバルブ６を介して主配管１０に接続されている。また、第２分岐配管２が、第２接続部位であるサービスバルブ７を介して主配管１０に接続されて構成されている。主配管１０は、例えば、土壌等の媒質中に埋設されており、第１分岐配管１と第２分岐配管２との間のある漏洩箇所Ｐからガスが漏洩しているものとする。一例として、図１に主配管１０のスケールおよび漏洩箇所Ｐの位置を示す。本実施形態における測定対象区間は主配管１０のうち第１分岐配管１と第２分岐配管２との間の３．３５ｍの部分であり、漏洩箇所Ｐは第１分岐配管１と第２分岐配管２との中間地点から第２分岐配管２側に１．１７ｍ寄った地点に位置するものとする。当然ながら、この漏洩箇所Ｐの位置は測定前は未知である。

第１分岐配管１には、第１部位としてのメータＭ１の接続部１１が設けられており、メータＭ１の接続部１１には第１信号受信手段であるマイクロホン３が取り付けられている。また、第２分岐配管２には、第２部位としてのメータＭ２の接続部１２が設けられており、メータＭ２の接続部１２には第２信号受信手段であるマイクロホン４が取り付けられている。マイクロホン３およびマイクロホン４は、それぞれ漏洩箇所Ｐからの漏洩音を検知することができる。同時に、マイクロホン３およびマイクロホン４は、漏洩箇所Ｐからの漏洩音が、例えば、第１分岐配管１および第２分岐配管２にそれぞれ取り付けられたマイクロホン３およびマイクロホン４で反射された反射音も検知することができる。すなわち、各マイクロホン３、４で検知される音波信号は、漏洩音と反射音とが混在したものとなる。ここで、反射音は、漏洩音の検知を妨害する妨害音となる。各マイクロホン３、４で検知された漏洩音および反射音は、コンピュータＣに送信される。コンピュータＣでは、二つの漏洩音および反射音の波形の時間的なずれ（遅延時間）について、後述するＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を用いた解析処理が行われる。この解析処理では、漏洩音または反射音の候補を抽出し、例えば、その強度の最も高いものとして漏洩箇所Ｐの位置を検出することができる。

ところで、実際の測定環境では、図１中の矢印Ｎで示すように、測定対象区間外の配管からガス機器の燃焼音等に起因する外来雑音が到来してくる場合がある。このとき、外来雑音は主配管１０と第１分岐配管１との接続部Ｑ_１、および主配管１０と第２分岐配管２との接続部Ｑ_２で分岐し、それぞれのマイクロホン３、４に伝達される。外来雑音の強度が漏洩音の強度よりも小さい場合は、マイクロホン３、４で検知した音波に対してそのまま上記の解析処理を行っても漏洩音と雑音とを識別できるため特に問題はない。しかし、外来雑音の強度が漏洩音の強度よりも大きい場合は、漏洩音と雑音との識別が困難になる。そこで、このような場合は、上記ＭＵＳＩＣ法に代えて後述するＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法の評価関数を利用して解析処理を行うことも有効である。Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法による解析処理においては、主配管１０と各分岐配管１、２との接続部Ｑ_１、Ｑ_２に相当する遅延時間τ_１、τ_２を事前に把握しておくことにより、測定対象区間外の配管から到来してくる外来雑音を除去することが可能となる。このため、有意な信号音（漏洩音）とその他の雑音（バックグラウンドノイズや外来雑音等）とを明確に分離した状態で、漏洩音の遅延時間τを識別することができるようになる。そしてその結果、配管の漏洩箇所Ｐをより正確に推定することが可能となる。

図１に示した装置において、マイクロホン３、４とコンピュータＣとを無線接続しておくことも可能である。このような構成とすれば、マイクロホン３、４とコンピュータＣとの配線が不要となるので、計測装置を簡略化することができる。従って、測定対象となる配管が長い場合や配管の形状が複雑な場合であっても、配線の煩わしさがないので円滑に計測作業を進めることができる。

また、マイクロホン３、４とコンピュータＣとにそれぞれクロック手段を設けておき、マイクロホン３、４における漏洩音波信号と反射音波信号とが混在した音波信号の受信時刻をコンピュータＣがそれぞれカウントするように構成することも可能である。このような構成とすれば、マイクロホン３、４およびコンピュータＣの各クロック手段を同期させておくことで、正確な時間測定が可能となるため、遅延時間の計測の精度および信頼性が向上する。また、クロックの作動中は連続して信号の計測が可能であるので、仮に一回の計測に失敗しても直ちに次の計測を実施することができるので、作業効率が向上する。

（配管漏洩箇所検出方法）
＜第１実施形態＞
第１実施形態では、ＭＵＳＩＣ法を利用した配管漏洩箇所検出方法について説明する。
図２は、本実施形態の配管漏洩箇所検出方法を実施する際の信号処理手順を示すフローチャートである。この配管漏洩箇所検出方法の特徴は、所謂ＭＵＳＩＣ法を利用して音波信号処理を行うことにある。ＭＵＳＩＣ法は、従来の相互相関法等と比較して高分解能性を有するという利点がある。

ステップ１では、２素子アレー（すなわち、マイクロホン３、４）の音波信号間の相互相関関数を計算する（Ｓ１）。具体的には、まず図１のように主配管１０の漏洩箇所Ｐを挟む位置にマイクロホン３、４をそれぞれ配置する。
次に、マイクロホン３、４で主配管１０の管内を介して到来する音波信号を受信する。音波信号の一例を図３に示す。図３において、例えば、ｃｈ１として示したものがマイクロホン３の受信波形であり、ｃｈ２として示したものがマイクロホン４の受信波形である。漏洩音の周波数帯域は通常２００〜８００Ｈｚ程度であるが、漏洩音のバックグラウンドには多くの雑音成分が含まれているため、この段階では漏洩音のみを明確に推定することはできない。

次に、この２つの受信波形から、遅延時間に対して相互相関関数を求める。求めた相互相関関数の一例を図４に示す。図４において、遅延時間が０ｍｓの近傍において、３本の大きなピーク（ａ、ｂ、ｃ）が見られるが、これらうちのいずれか一つが漏洩箇所Ｐから発せられる漏洩音に対応し、残りの二つが測定対象区間の両端部（図１のマイクロホン３、４）において漏洩音が反射したことによる反射音に対応すると予測される。但し、この段階においても具体的にどのピークがどの音波信号に対応しているかはまだ明確ではない。また、受信した音波信号はＳ／Ｎ比があまり良くないため、図４の相互相関関数のグラフでは３本のピーク（ａ、ｂ、ｃ）が広がっている。そこで、このようなノイズを多く含むピークからより明確なピークを得るために、以下に続く処理を行う。

ステップ２において、ステップ１で求めた相互相関関数を高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ＦＦＴ）し、クロススペクトルＳを計算する（Ｓ２）。このように本実施形態では、上記のステップ１およびステップ２によって、マイクロホン３およびマイクロホン４でそれぞれ受信した音波信号に基づいてクロススペクトルＳを求めることができる。計算したクロススペクトルＳの一例を図５に示す。

ステップ３では、各周波数におけるクロススペクトルＳを要素とする測定ベクトルｙを形成する（Ｓ３）。すなわち、測定ベクトルｙは式（１）のように表される。

ここで、Ｓ_ｘｙ（ｆ_Ｎ）は、１０スナップショット（Ｓｎａｐｓｈｏｔ）のデータのうち、図５のクロススペクトルＳに示すような１スナップショットのみのデータから抽出したものである。

ステップ４では、ステップ３において形成した測定ベクトルｙを用いて、以下の式（２）に示す共分散行列Ｒを算出する（Ｓ４）。

この共分散行列Ｒは、１０スナップショットから得られる１０個のｙｙ^＊Ｔを平均処理Ｅ［ｙｙ^＊Ｔ］したものである。

ステップ５では、共分散行列Ｒについて固有値問題を解き（Ｓ５）、固有値ｄおよび固有ベクトルｅを求める。図６に、共分散行列Ｒについて行った固有値の解析結果の一例を示す。

次にステップ６において、例えば、図６中の点線で囲った部分である固有値ｄの大きいものから３つを信号部分空間に対応させ、残余が雑音部分空間Ｅ_Ｎであると推定する（Ｓ６）。このとき、雑音部分空間Ｅ_Ｎは、以下の式（３）のように、

と表される。

最後にステップ７において、以下の式（４）に示すＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対して計算する（Ｓ７）。

ここで、式（４）中のａ（τ）は、以下の式（５）のように、

と表される。これは、遅延時間τに対応するモードベクトルを意味する。また、Ｅ_Ｎ ^＊ＴはＥ_Ｎの共役転置を表し、ａ^＊Ｔ（τ）はａ（τ）の共役転置を表している。

ＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対してプロットすると、図７のようになる。遅延時間τが５．０６８４ｍｓにおいて漏洩音と推定される大きなピークが現れ、さらにこのピークを挟む二箇所に反射音と推定される鋭いピークが見られる。この遅延時間τから、主配管１０上の漏洩箇所Ｐを推定することができる。

以上のように、本実施形態の配管漏洩箇所検出方法では、共分散行列Ｒの固有値ｄの大きさと固有ベクトルｅから雑音部分空間Ｅ_Ｎを求め、この雑音部分空間Ｅ_Ｎを用いて遅延時間τに対して評価関数を計算するという所謂ＭＵＳＩＣ法の評価関数を用いて、主配管１０の漏洩箇所Ｐから伝わる漏洩音の遅延時間τを求めている。このようにＭＵＳＩＣ法による信号処理を行うと、有意な信号音（漏洩音）とその他の雑音とを明確に分離した状態で、漏洩音の遅延時間を識別することができるので、漏洩箇所Ｐの測定対象区間に反射箇所があっても、主配管１０の漏洩箇所Ｐを正確に推定することができる。

また、本実施形態の配管漏洩箇所検出方法では、第１信号受信手段および第２信号受信手段でそれぞれ受信した音波信号から相互相関関数を導出し、この相互相関関数をフーリエ変換してクロススペクトルＳを得ている。このように、音波信号からクロススペクトルＳを求めるに際し、特殊な演算等を行うことなく、通用の手法を用いることができる点において有用である。

さらに、本実施形態の配管漏洩箇所検出方法では、固有値ｄの大きいもの（例えば、大きいものから３つの固有値）を信号部分空間に対応させ、残余を雑音部分空間Ｅ_Ｎとして評価関数を計算している。このとき、漏洩音の音波信号は、ほとんどの場合において固有値ｄの大きいものに含まれる。従って、この場合の評価関数の解析結果を利用すれば、ほぼ確実に主配管１０の漏洩箇所Ｐを推定することができる。

本実施形態の配管漏洩箇所検出方法は、配管系において顕著な反射箇所がない場合であっても当然に適用することができる。例えば、ガス検知用に使用する一対の分岐配管と主配管との接続部において音波の反射が発生している場合においても、本実施形態は有効である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法を利用した配管漏洩箇所検出方法について説明する。
図１中の矢印Ｎで示すように、測定対象区間外の配管からガス機器の燃焼音等の外来雑音が到来する場合がある。このとき、その外来雑音の強度が漏洩音の強度よりも大きいと、上記第１実施形態で説明したＭＵＳＩＣ法による配管漏洩箇所検出方法では、漏洩箇所Ｐの特定精度が低下する場合がある。そこで、そのような場合は、以下説明するＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法による配管漏洩箇所検出方法を実施することも有効である。

図８は、Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法による配管漏洩箇所検出方法を実施する際の信号処理手順を示すフローチャートである。Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法を利用することの利点は、不要な外来雑音を除去した上で、漏洩音の音波信号処理を実行できることである。

ステップ１１は、第１実施形態におけるステップ１と同様であるため手順に関する詳細な説明は省略するが、マイクロホン３、４で受信した音波信号の一例を図９に示す。図９において、例えば、ｃｈ１として示したものがマイクロホン３の受信波形であり、ｃｈ２として示したものがマイクロホン４の受信波形である。但し、漏洩音のバックグラウンドには外来雑音を含む多くの雑音成分が含まれているため、この段階では漏洩音のみを明確に推定することはできない。

次に、この２つの受信波形から、遅延時間に対して相互相関関数を求める。求めた相互相関関数の一例を図１０に示す。図１０において、遅延時間が０．０１ｓの周辺において、複数の大きなピーク成分が見られるが、これらのうちのいずれか一つが漏洩箇所Ｐから発せられる漏洩音に対応し、残りのピーク成分が主配管１０と第１分岐配管１および第２分岐配管２との接続部Ｑ_１、Ｑ_２が音源と擬制される測定対象区間外から到来してきた外部雑音ならびに測定対象区間の両端部（図１において、マイクロホン３、４）において漏洩音が反射したことによる反射音に対応すると予測される。但し、この段階においても具体的にどのピークがどの音波信号に対応しているかはまだ明確ではない。また、受信した音波信号はＳ／Ｎ比があまり良くないため、図１０の相互相関関数のグラフでは複数のピーク成分が広がっている。そこで、このようなノイズを多く含むピークからより明確なピークを得るために、以下に続く処理を行う。

ステップ１２は、第１実施形態におけるステップ２と同様であるため手順に関する詳細な説明は省略するが、ステップ１２において求めたクロススペクトルＳの一例を図１１に示す。

ステップ１３は、第１実施形態におけるステップ３と同様であるため手順に関する詳細な説明は省略するが、ステップ１３において形成した測定ベクトルｙは式（６）のように表される。

ここで、Ｓ_ｘｙ（ｆ_Ｎ）は、１０スナップショット（Ｓｎａｐｓｈｏｔ）のデータのうち、図１１のクロススペクトルＳに示すような１スナップショットのみのデータから抽出したものである。

ステップ１４は、この第２実施形態において独特のステップである。ステップ１４では、ステップ１３において形成したクロススペクトルＳから作成した測定ベクトルＹと、主配管１０と第１分岐配管１および第２分岐配管２との接続部Ｑ_１、Ｑ_２の位置に基づいて事前に把握可能な遅延時間（図１に示す構成では、主配管１０と第１分岐配管１との接続部Ｑ_１における遅延時間がτ_１、主配管１０と第２分岐配管２との接続部Ｑ_２における遅延時間がτ_２となる）より形成される行列Ｃ＝［ａ（τ_１）｜ａ（τ_２）｜］から求められる投影行列Ｐ＝（Ｉ−Ｃ（Ｃ^＊ＴＣ）^−１Ｃ^＊Ｔ）とから、式（７）で示す投影ベクトルｙ´を作成する。ここで、Ｉは単位行列、Ｃ^＊ＴはＣの共役転置を表している。

そして、ステップ１５では、ステップ１４において作成した投影ベクトルｙ´を用いて、以下の式（８）に示す共分散行列Ｒを作成する（Ｓ１５）。なお、上記投影ベクトルｙ´を作成するステップ（Ｓ１４）を、この共分散行列Ｒを作成するステップ（Ｓ１５）の一部として取り扱っても構わない。

共分散行列Ｒは、１０スナップショットから得られる１０個のｙ´ｙ´^＊Ｔを平均処理Ｅ［ｙ´ｙ´^＊Ｔ］したものである。

ステップ１６は、第１実施形態におけるステップ５と同様であるため手順に関する詳細な説明は省略するが、図１２に、共分散行列Ｒについて行った固有値の解析結果の一例を示す。

次にステップ１７において、例えば、図１２中の点線で囲った部分である固有値ｄの大きいものから３つを信号部分空間に対応させ、残余が雑音部分空間Ｅ_Ｎであると推定する（Ｓ１７）。このとき、雑音部分空間Ｅ_Ｎは、以下の式（９）のように、

と表される。

最後にステップ１８において、以下の式（１０）に示すＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対して計算する（Ｓ１８）。

ここで、式（１０）中のＰを形成するＣは、以下の式（１１）のように、

と表される。これは、遅延時間τに対応するモードベクトルを意味する。前述のように、τ_１およびτ_２は、主配管１０と第１分岐配管１および第２分岐配管２との接続部Ｑ_１およびＱ_２における遅延時間であり、事前に求めておくことが可能である。また、Ｅ_Ｎ ^＊ＴはＥ_Ｎの共役転置を表し、Ｐａ（τ）^＊ＴはＰａ（τ）の共役転置を表している。

Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対してプロットすると、図１３のようになる。なお、測定条件として、漏洩音はガスで満たされた配管中を伝搬するものとし、その場合の音速を３４０ｍ／ｓｅｃとする。また、外来雑音はマイクロホン４の外側から到来し、その周波数帯域は漏洩音と同じ約２００〜８００Ｈｚ、強度は漏洩音の約４倍である。
この測定条件下では、遅延時間τが約０．００７ｓにおいて漏洩音と推定される大きなピークが現れ、さらにこのピークの遅延側である約０．０１ｓにおいて外来雑音と推定される小さなピークが見られる。ここで、外来雑音の音源と擬制される主配管１０と第１分岐配管１および第２分岐配管２との接続部Ｑ_１、Ｑ_２における遅延時間はそれぞれ、τ_１＝−１．６７５×２／３４０＝−０．０１（ｓｅｃ）、τ_２＝１．６７５×２／３４０＝０．０１（ｓｅｃ）であるから、約０．０１ｓにおける小さなピークは外来雑音に起因するものと判断することができる。従って、この外来雑音のピークを除去し、漏洩音の遅延時間τから、主配管１０上の漏洩箇所Ｐを推定することができる。

因みに、上記と同じ測定条件において、通常のＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対してプロットすると、図１４のようになる。この図１４では、図１３とは反対に、遅延時間τが約０．００７ｓにおいて漏洩音と推定される小さなピークが現れ、さらにこのピークの遅延側である約０．０１ｓにおいて外来雑音と推定される大きなピークが見られる。このように外来雑音のピークが漏洩音のピークよりも大きい場合、外来雑音の遅延時間を漏洩音の遅延時間τを誤認してしまうおそれがあるため、主配管１０上の漏洩箇所Ｐを正確に推定することは困難である。

Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法の評価関数を用いた本発明の配管漏洩箇所検出方法は、主配管１０に接続される分岐配管の数がさらに増える場合においても適用することができる。その場合、式（１１）のＰを形成するＣを、以下の式（１２）に変更するだけでよい。

ｎは分岐配管の数を表し、τ_ｎはｎ番目の分岐配管と主配管１０との接続部における遅延時間である。

以上のように、主配管１０と第１分岐配管１および第２分岐配管２との接続部Ｑ_１、Ｑ_２に相当する遅延時間τ_１、τ_２を把握することができれば、Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法を用いて測定対象区間外の配管から到来してくる外来雑音を確実に除去することが可能となるため、有意な信号音（漏洩音）とその他の雑音（バックグラウンドノイズや外来雑音等）とを明確に分離した状態で、漏洩音の遅延時間τを識別することができるようになる。その結果、配管の漏洩箇所Ｐをより正確に推定することが可能となる。

本発明の配管漏洩箇所検出方法は、上記実施形態の中で例示的に説明したガス配管系に限らず、例えば、地下に埋設されている上下水道配管、工場等に配設されている各種薬液輸送管、各種機械に接続される圧縮空気管等の各種配管系の漏洩箇所の検出にも利用することができる。

本発明の配管漏洩箇所検出方法を実施するために使用する装置を、漏洩箇所を有する配管系に対して適用した状態を示す模式図 第１実施形態の配管漏洩箇所検出方法を実施する際の信号処理手順を示すフローチャート 第１実施形態において、マイクロホンで受信した主配管の管内を到来する音波信号の一例を示す図 第１実施形態において、マイクロホンで受信した二つの受信波形について、遅延時間に対して求めた相互相関関数の一例を示す図 第１実施形態において、相互相関関数を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して求めたクロススペクトルの一例を示す図 第１実施形態において、共分散行列について行った固有値の解析結果の一例を示す図 第１実施形態において、ＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対してプロットした図 第２実施形態の配管漏洩箇所検出方法を実施する際の信号処理手順を示すフローチャート 第２実施形態において、マイクロホンで受信した主配管の管内を到来する音波信号の一例を示す図 第２実施形態において、マイクロホンで受信した二つの受信波形について、遅延時間に対して求めた相互相関関数の一例を示す図 第２実施形態において、相互相関関数を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して求めたクロススペクトルの一例を示す図 第２実施形態において、共分散行列について行った固有値の解析結果の一例を示す図 第２実施形態において、Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対してプロットした図 通常のＭＵＳＩＣ法の評価関数を遅延時間τに対してプロットした図

符号の説明

１ 第１分岐配管
２ 第２分岐配管
３ 第１信号受信手段（マイクロホン）
４ 第２信号受信手段（マイクロホン）
１０ 主配管
Ｐ 漏洩箇所

Claims (3)

1. 主配管と、この主配管に接続された少なくとも一つの分岐配管とを含む配管系において、漏洩箇所を検出する配管漏洩箇所検出方法であって、
   前記漏洩箇所を挟む位置に第１信号受信手段と第２信号受信手段とを配置する工程と、
   前記第１信号受信手段および前記第２信号受信手段でそれぞれ受信した音波信号に基づいてクロススペクトルＳを得る工程と、
   前記クロススペクトルＳから測定ベクトルｙに関する共分散行列Ｒを作成する工程と、
   前記共分散行列Ｒを解析して固有値ｄおよび固有ベクトルｅを得る工程と、
   前記共分散行列Ｒの前記固有値ｄの大きさと前記固有ベクトルｅから雑音部分空間を求める工程と、
   前記雑音部分空間を用いて遅延時間に対して評価関数を計算する工程と、
   前記評価関数の高い遅延時間を前記漏洩箇所から伝わる漏洩音の遅延時間とし、前記漏洩音の遅延時間から前記漏洩箇所を推定する工程と
   を包含する配管漏洩箇所検出方法。
2. 前記共分散行列Ｒを作成する工程は、
   前記クロススペクトルＳから作成した測定ベクトルｙと、前記主配管と前記分岐配管との接続部の位置に基づいて事前に把握可能な遅延時間より形成される投影行列Ｐとから、投影ベクトルｙ´を作成する工程と、
   前記投影ベクトルｙ´に関する共分散行列Ｒを作成する工程と
   を包含する請求項１に記載の配管漏洩箇所検出方法。
3. 前記クロススペクトルＳを得る工程は、前記第１信号受信手段および前記第２信号受信手段でそれぞれ受信した音波信号から相互相関関数を導出する工程と、前記相互相関関数をフーリエ変換する工程とを包含する請求項１または２に記載の配管漏洩箇所検出方法。

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