JP2008175675A - 長大構造物の健全性判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳを利用して被測定物である長大構造物の健全性を判定する長大構造物の健全性判定システムを提供することにある。
【解決手段】長大構造物の健全性判定システム１０は、高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状に設置されたＧＰＳ受信装置１８と、ＧＰＳ受信装置１８の受信機１７がＧＰＳ衛星１５から受信した観測データに基づいてＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃ間の基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを算出するコンピュータ１９とを備えている。コンピュータ１９は、基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃによって画成された基準三角形２５と実測三角形２６との比較要素の相違点を用いて高架路盤１１の残留変形を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、長大構造物の健全性判定システムに関し、更に詳細には、ＧＰＳを利用して長大構造物の健全性を判定するシステムに関する。

特許文献１には、ビルなどのような高い建物がある場所でもＧＰＳを利用して国土調査や用地測量を行うことのできるＧＰＳ測量機が開示されている。この特許文献１に開示されたＧＰＳ測量機は、ＧＰＳ衛生からの衛星電波を受信するＧＰＳアンテナと、衛星電波を受信処理するＧＰＳ受信機と、ＧＰＳアンテナの三次元座標を算出するコンピュータとを基本的に備え、測量すべき場所の周囲に高い建物があるとＧＰＳ衛生からの電波を受信し難くなることからビルの屋上から張り出したＧＰＳアンテナの地上位置を鉛直器で決定することにより測量するものである。このＧＰＳ測量機によると、測量地点が地上のどの位置であってもＧＰＳアンテナがその直上（建造物の屋上から張り出した位置）にあるのでＧＰＳアンテナの周辺には障害物がなく、その結果ＧＰＳアンテナがＧＰＳ衛星からの電波を確実に受信することができる。
特開平９−２０３６３６号公報

しかし、この特許文献１に開示されたＧＰＳ測量機は、ＧＰＳ衛生からの電波を受信し難い市街地で如何にしてＧＰＳ測量を行うか、という課題に対して解決を与える測量技術であり、ＧＰＳを利用して構造物の変形やゆがみを検出し、その健全性を判定するものではなかった。近年、種々の災害に遭遇した構造物を引き続き使用することができるかを判定するには、専門の調査員や検査官が当該建造物の変形やゆがみ、或いは亀裂の発生やその程度を詳細に調査していた。このような調査は、調査員や検査官の人数が少ないこともあってすぐにはできず、また検査を始めてもその判定結果がでるまで非常に日数が掛かるという問題があった。

本発明の目的は、ＧＰＳを利用して長大構造物の健全性を即座に判定することができる長大構造物の健全性判定システムを提供することにある。

本発明は、ＧＰＳアンテナ及び受信機からなるＧＰＳ受信装置を、幅寸法に比較して長さ寸法の大きい長大構造物の複数の測定ポイントに設置して前記長大構造物の残留変形を測定し、前記長大構造物の健全性を判定するシステムにおいて、該長大構造物の健全性判定システムが、前記ＧＰＳ受信装置によりＧＰＳ衛星から受信した観測データに基づいて前記ＧＰＳ受信装置間の基線ベクトルを算出する計算機を備え、各前記ＧＰＳ受信装置は、前記基線ベクトルに囲繞された区域が少なくとも１つの三角形を形成するように前記長大構造物に配置され、前記計算機が、前記基線ベクトルによって画成された初期の基準三角形を記憶する形状記憶手段と、前記基準三角形の記憶時から所定時間経過後に算出した前記基線ベクトルによって画成される実測三角形を前記基準三角形と比較する比較手段と、前記比較手段によって比較した前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素の相違点を用いて前記長大構造物の残留変形を測定する測定手段とから構成されていることにある。

本発明に係る長大構造物の健全性判定システムにおける一実施形態としては、各前記ＧＰＳ受信装置は、前記基線ベクトルに囲繞された区域が前記長大構造物の長手方向に連続した三角形を形成するように前記長大構造物の両側部に千鳥状に配置され、前記計算機の前記形状記憶手段が、前記基線ベクトルによって画成された連続する初期の基準三角形を記憶し、前記計算機の前記比較手段が、連続する前記基準三角形の記憶時から所定時間経過後に算出した前記基線ベクトルによって画成される連続する前記実測三角形と連続する前記基準三角形とを比較し、前記計算機の前記測定手段が、前記比較手段によって比較した連続する前記基準三角形と連続する前記実測三角形との比較要素の相違点を用いて前記長大構造物の残留変形を測定することである。

また、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムにおける他の実施形態としては、前記長大構造物の健全性判定システムが、前記長大構造物の近傍における地上の座標確定ポイントに設置された基準局を備え、該基準局が誤差推定値を測定し、前記ＧＰＳ受信装置が前記誤差推定値を用いて擬似距離を補正しつつ測位計算を実行することである。

さらに、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムにおける他の実施形態としては、前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素が、前記基線ベクトルによって画成された前記基準三角形と前記実測三角形との各辺の長さ寸法である。

さらに、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムにおける他の実施形態としては、前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素が、前記基線ベクトルによって画成された前記基準三角形と前記実測三角形との各内角である。

さらに、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムにおける他の実施形態としては、前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素が、前記基線ベクトルによって画成された前記基準三角形と前記実測三角形との比高である。

さらに、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムにおける他の実施形態としては、前記長大構造物が、橋梁、高架道路、及び鉄道用軌道のいずれかである。

本発明に係る長大構造物の健全性判定システムによれば、長大構造物の残留変形の測定手段として、実測三角形を基準三角形と比較したときの比較要素の相違点を用いるから、災害が起こった後の長大構造物の捻れや、座屈等の変形を見落とすことなく調査することができ、災害が起こった後の長大構造物の健全性を確実に且つ即座に判定することができる。また、耐用年数が経過した後の長大構造物の傾きや捻れ、座屈等の変形を調査することもでき、その構造物の今後の使用可能性を判定することができる。このシステムは、ＧＰＳを利用して基準三角形と実測三角形とを形象し、それら三角形の相違点を抽出するから、目視では不可能なわずかな残留変形を確実に検出することができる。また、このシステムは、基線ベクトルに囲繞された区域が三角形を形成するように各ＧＰＳ受信装置を長大構造物の長手方向における両側部に千鳥状に配置するだけなので、システムの設定に手間がかからず、さらに、システムを容易に移設することができる。

また、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムによれば、長大構造物の近傍における地上の座標確定ポイントに設置された基準局が誤差推定値を測定し、ＧＰＳ受信装置が誤差推定値を用いて擬似距離を補正しつつ測位計算を実行するので、測定精度を向上させることができ、自然災害や人的災害が起こった後または耐用年数が経過した後の長大構造物のわずかな残留変形を確実に検出することができる。

さらに、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムによれば、基準三角形と実測三角形との比較要素が、基線ベクトルによって画成されたそれら三角形の各辺の長さ寸法であるので、実測三角形の各辺の長さ寸法が基準三角形のそれと相違すれば、自然災害または人的災害が起こった後の長大構造物や耐用年数が経過した長大構造物に傾きや捻れ、座屈等の残留変形を生じたことが直ちに分かり、基準三角形と実測三角形との各辺の長さ寸法を比較することによって長大構造物の健全性を確実に判定することができる。

さらに、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムによれば、基準三角形と実測三角形との比較要素が、基線ベクトルによって画成されたそれら三角形の各内角であるので、実測三角形の各内角の角度が基準三角形のそれと相違すれば、自然災害または人的災害が起こった後の長大構造物や耐用年数が経過した長大構造物に傾きや捻れ、座屈等の残留変形を生じたことが直ちに分かり、基準三角形と実測三角形との各内角の角度を比較することによって長大構造物の健全性を確実に判定することができる。

さらに、本発明に係る長大構造物の健全性判定システムによれば、基準三角形と実測三角形との比較要素が、基線ベクトルによって画成されたそれら三角形の比高であるので、実測三角形の垂直方向の高さ寸法が基準三角形のそれと相違すれば、自然災害または人的災害が起こった後の長大構造物や耐用年数が経過した長大構造物に傾きや捻れ、座屈等の残留変形を生じたことが直ちに分かり、基準三角形と実測三角形との比高を比較することによって長大構造物の健全性を確実に判定することができる。

以下、本発明に係る長大構造物の健全性判定システム（以下、健全性判定システム、と称する）を図に示される実施の形態について更に詳細に説明する。この明細書において「長大構造物」とは、土木、建築構造物において幅寸法に比較して長さ寸法が大きい、橋梁、高架路盤、及び鉄道用軌道を指すものとする。高架路盤は、支柱で支持された鋼製又はコンクリート製の路盤であり、該路盤上に舗装や路面などを形成して自動車道路とし、或いは軌道を敷設して高架鉄道又は輸送設備として利用する例を含む。図１は、この発明の第１の実施形態に係る健全性判定システム１０により健全性を判定する長大構造物の一例である高架路盤１１の一部を概略的に示す正面図、図２は、図１に示される高架路盤１１の概略的な平面図である。図１，図２に概略的に示される高架路盤１１は、エキスパンションジョイント１２により接続された複数のブロック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを備え、これらブロック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、それらの接続端部を複数のコンクリート支柱１４に架け渡して支持されている。

この健全性判定システム１０は、ＧＰＳ衛星１５（図３参照）が発信した衛星電波を受信するＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃ、及びこれらＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃに接続されたＧＰＳ受信機１７からなるＧＰＳ受信装置１８と、ＧＰＳ受信機１７に接続されたコンピュータ１９（計算機）（図４参照）とから構成されている。図１の健全性判定システム１０におけるＧＰＳ測位法は、スタティック測位（干渉測位）を採用している。この健全性判定システム１０では、複数台のアンテナ１６Ａ〜１６Ｃと受信機１７とを使用して同時時間帯に観測することにより、多数の基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを同時に求めることができる。測定される基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃの数は、図４に示されるように３本である。基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃに囲繞された区域は１つの三角形２１を呈する。図１，図２に示される健全性判定システム１０では、ＧＰＳ受信装置１８とコンピュータ１９とが省略されている。

ＧＰＳ衛星１５とＧＰＳアンテナ１６Ａ，１６Ｂとの相関関係の一例は図３に示され、ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃどうしの間に延びる基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃのイメージは、図４に示されている。ＧＰＳ衛星１５は、地上約２０２００ｋｍの上空を周期約１１時間５８分２秒で周回している。衛星１５は、６つの軌道面に４機ずつ計２４機配備され、地球上のどの位置からでも常時４機以上の衛星１５が幾何学的配置のもとで観測できるように運用されている。衛星１５は、衛星電波（搬送波、ＰＲＮコード、航法メッセージ）を生成し、生成した衛星電波を３つのブロックに分割して発信している。

ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃは、高架路盤１１（被測定構造物）の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状に設置されている。具体的には、各ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃは、支柱１４で支持された各ブロック１３ａ，１３ｂ，１３ｃに１つ配置され、各ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃを結ぶ線分（基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃ）が三角形を形成するように高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状に配置、固定されている。なお、各ＧＰＳアンテナは、これらを結ぶ線分が三角形を形成するように配置する必要はなく、線分が四角形、菱形、或いは台形を形成するように配置されていてもよい。アンテナ１６Ａ〜１６Ｃは、ＧＰＳ衛星１５で生成された衛星電波を受信し、受信した衛星電波をＧＰＳ受信機１７に出力する。

ＧＰＳ受信機１７は、入力された衛星電波を増幅かつ周波数変換し、十分なレベルの電波とした後、コード同期回路でコードの同期（電波伝搬時間の検出）を行う。受信機１７は、受信しようとする衛星と同一のＣ／Ａコードパターン基準搬送波（レプリカ）を発生させ、そのタイミングを調整して衛星電波と同期をとる。受信機１７では、生成したコードと受信した衛星コードとの相関がもっとも高くなるように時刻を移動させる。相関がもっとも高くなったときにレプリカと衛星電波とが同期し、受信機１７が航法メッセージを復調する。次に、受信機１７は、測位に用いる搬送波位相を再生する。受信機１７は、衛星電波からコードと航法メッセージとを除去し、フィルタリングをかけた後、再生搬送波（サイン波）を得る。再生搬送波は位相同期回路に出力され、受信機１７が発生させた搬送波レプリカと比較して２つの波間の位相差（衛星からの搬送波の位相と受信機内搬送波レプリカの位相との差）が測定される。位相差は、位相カウンタに入力され、位相カウンタで積算される。位相差の測定は、受信機時計の秒信号に合わせてあらかじめ設定された時刻間隔（エポック間隔）で行われる。

スタティック測位（干渉測位）では、図４に示すように、高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂの複数の測定ポイントＰにＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６ＣとＧＰＳ受信機１７とからなるＧＰＳ受信装置１８を千鳥状に設置して観測を行い、ＧＰＳ衛星１５が天空を移動する位置変化を利用して整数値バイアスを決定する。整数値バイアスによる基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃの多重解は、図３に示すように、３組の二重位相差をとる４個の衛星１５の位置によって決まる。なお、衛星１５の移動によって多重解も移動するが、真の解だけは不動点となる。これを利用し、一定時間連続して観測することで不動点を見つけ出し、基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃと整数値バイアスとを同時に確定する。スタティック側位は、位相差積算値を観測量として側位計算を行う。しかし、整数倍の不確定性があるため、衛星１５と受信機１７との時計誤差を完全に除去しなければならない。そこで、スタティック測位では、位相差積算値を衛星１５どうしで差をとるとともに、位相差積算値を受信機１７どうしで差をとることによって、衛星１５と受信機１７とに起因する誤差を解消している。

コンピュータ１９は、中央処理装置（ＣＰＵ）とキャッシュメモリとを有する。コンピュータ１９は、インターフェイス（有線２２）または無線によってＧＰＳ受信機１７に接続されている（図４参照）。コンピュータ１９には、キーボード２３やディスプレイ２４が設置され、大容量ハードディスクが内蔵されている。コンピュータ１９には、図示していないが、プリンタがインターフェイスを介して接続されている。キャッシュメモリの内部アドレスファイルには、このシステムを実行するためのプログラムと、ＧＰＳ受信機１７が観測した観測データを使用して基線解析計算を実行する基線解析アプリケーションとが格納されている。中央処理装置は、オペレーティングシステムによる制御に基づいて、内部アドレスファイルに格納されたプログラムを起動し、プログラムに従ってこのシステムの形状記憶手段や比較手段、測定手段、判定手段、出力手段を実行する。

コンピュータ１９では、キーボード２３を介して内部アドレスファイルに格納された各データを随時変更することができる。なお、コンピュータ１９は、携帯用のそれを測定時に持ち込んで、ＧＰＳ受信機１７に接続することもでき、ＧＰＳ受信機１７に接続した状態で高架路盤１１の一側部１１ａに設置することもできる。基線解析アプリケーションは、ＧＰＳ受信機１７が記録した搬送波位相や擬似距離等のデータを解析して基線ベクトルを計算する機能の他に、観測計算を作成するための衛星観測条件計算機能や三次元網平均計算機能を有し、各種測量用ツールを保有している。

次に、コンピュータ１９による基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃの解析の一例を説明する。コンピュータ１９は、ＧＰＳ受信機１７から観測ポイントＰ毎の観測データ（位相データや擬似距離、航法メッセージ）を読み込んだ後、観測時刻（エポック）毎に２つの観測ポイントＰにおける同じ衛星毎の位相差を計算する（受信機間一重位相差）。次に、２つの衛星１５に関する一重位相差の差をとり、二重位相差を計算する。さらに、エポック間での二重位相差の差をとり、三重位相差（あるエポックの二重位相差とその１つ前のエポックの二重位相差との差）を計算する（位相差の計算）。ＧＰＳ受信機１７から読み込んだ航法メッセージの軌道情報からエポック毎の衛星位置を計算する（衛星位置の計算）。三重位相差と衛星１５の位置データとから最小二乗法によって概略の基線ベクトルを計算する（概略の基線ベクトル計算）。そして、三重位相差によって求めた基線ベクトルを近似値として、二重位相差による整数値バイアスの推定と基線ベクトルの計算とを最小二乗法によって行う（整数値バイアス推定と基線ベクトル計算）。整数値バイアスの推定を行った後、整数値バイアスを整数値に固定して最小二乗法によって基線ベクトルを再び計算する（バイアスの整数化）。最終的に計算された基線ベクトルと衛星位置とをもとに理論的な観測値（二重位相差）を作る（統計量の計算）。最終的に計算された基線ベクトルの結果に対して標準偏差等の統計量の評価を行い、基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを決定する。

図５，６は、コンピュータ１４のディスプレイ２４に表示された基準三角形２５と実測三角形２６とを示す図である。図６では、それら三角形２５，２６が三次元座標に表示されている。このシステム１０では、高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状にＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６ＣとＧＰＳ受信機１７とを設置した直後、受信機１７から入力された観測データを使用してコンピュータ１９が基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを決定する。コンピュータ１９は、基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを使用して、ベクトル２０Ａ〜２０Ｃによって画成される二次元または三次元空間上の初期基準三角形２５を形象する。コンピュータ１９は、基準三角形２５を形象すると、それをメモリに格納する（形状記憶手段）。コンピュータ１９は、基準三角形２５を格納してから所定期間経過後に再び基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを決定し、再度決定した基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを使用して、ベクトル２０Ａ〜２０Ｃによって画成される二次元または三次元空間上の実測三角形２６を形象する。コンピュータ１９は、実測三角形２６を形象すると、それをメモリに格納する（形状記憶手段）。実測三角形２６を形象するための所定期間に特に限定はなく、期間を自由に決めることができる。たとえば、期間を週単位や月単位、年単位で定めることができるのみならず、地震や台風、地殻変動等の自然災害または火災や土地の掘削による陥没等の人的災害が起こった直後とすることもできる。

コンピュータ１９は、それぞれ基準三角形２５と実測三角形２６とを比較する（比較手段）。比較手段により基準三角形２５と実測三角形２６とを比較したコンピュータ１９は、基準三角形２５と実測三角形２６との比較要素の相違点を抽出し、抽出した相違点によって高架路盤１１の残留変形を測定し（測定手段）、さらに、残留変形の値によって高架路盤１１の健全性を判定する（判定手段）。なお、健全性とは、高架路盤１１が継続して使用可能か、今後何年の使用に耐えられるか、どの部分の補強が必要か等を意味する。また、基準三角形２５と実測三角形２６との比較要素は、基準三角形２５と実測三角形２６との各辺の長さ寸法、各内角の角度、比高（垂直方向の高さ寸法）、基準三角形２５に対する連続する実測三角形２６の水平方向の移動寸法である。

コンピュータ１９は、図５に示されるように基準三角形２５と実測三角形２６とを平面画像としてディスプレイ２４に表示する。ディスプレイ２４には、図示していないが、基準三角形２５の各辺（Ａ−Ｂ辺、Ｂ−Ｃ辺、Ａ−Ｃ辺）の長さ寸法が表示され、実測三角形２６の各辺（ａ−ｂ辺、ｂ−ｃ辺、ａ−ｃ辺）の長さ寸法が表示され、さらに、基準三角形２５の各辺の長さ寸法と実測三角形２６の各辺の長さ寸法との差（Ａ−Ｂ辺の長さ寸法とａ−ｂ辺の長さ寸法との差、Ｂ−Ｃ辺の長さ寸法とｂ−ｃ辺の長さ寸法との差、Ａ−Ｃ辺の長さ寸法とａ−ｃ辺の長さ寸法との差）が表示される（出力手段）。

また、ディスプレイ２４には、基準三角形２５の内角の角度（θＡ，θＢ，θＣ）が表示され、実測三角形２６の内角の角度（θａ，θｂ，θｃ）が表示され、さらに、基準三角形２５の各内角と実測三角形２６の各内角との差（角度θＡと角度θａとの差、角度θＢとθｂとの差、θＣとθｃとの差）が表示される（出力手段）。コンピュータ１９は、図５の画像をメモリに格納するとともに、基準三角形２５と実測三角形２６との各辺の長さ寸法、各辺の長さ寸法の差、内角の角度、これら内角の角度の差をメモリに格納する。

コンピュータ１９は、図６に示すように、三次元座標を用いて基準三角形２５と実測三角形２６とを立体画像としてディスプレイ２４に表示する。ディスプレイ２４には、図示していないが、基準三角形２５の各点（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）のＸ，Ｙ，Ｚ軸における座標が表示され、実測三角形２６の各点（ａ点、ｂ点、ｃ点）のＸ，Ｙ，Ｚ軸における座標が表示される。さらに、基準三角形２５の各点に対する実測三角形２６の各点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法±（基準三角形２５のＡ点に対する実測三角形２６のａ点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法、基準三角形２５のＢ点に対する実測三角形２６のｂ点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法、基準三角形２５のＣ点に対する実測三角形２６のｃ点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法）が表示される。コンピュータ１９は、図６の画像をメモリに格納するとともに、基準三角形２５と実測三角形２６との各点の座標、それら三角形２５，２６の各点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法をメモリに格納する。コンピュータ１９は、図５，６の画像をプリンタにより印刷し、各辺の長さ寸法の差や内角の角度の差、各点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法をプリンタにより印刷する（出力手段）。

コンピュータ１９は、基準三角形２５の各辺の長さ寸法と実測三角形２６のそれとの差、基準三角形２５の内角の角度と実測三角形２６のそれとの差、基準三角形２５の比高と実測三角形２６のそれとの差（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点のＹ軸方向の移動量）から、高架路盤１１の健全性を判定し、判定結果（健全性あり、または、健全性なし）を出力する。健全性を判断するそれら差の基準値はあらかじめコンピュータ１９に設定されている。コンピュータ１９は、判定結果をメモリに格納する。なお、それらの基準値は、測定する構造物の大きさや種類、アンテナ１６Ａ〜１６Ｃの設置位置、災害の大小、構造物に築年数等の各要素によって異なり、例示の基準値に限定されず、自由に設定することができる。コンピュータ１９では、それら基準値がキーボード２３を使って設定、変更される。

前述した実施形態に係る長大構造物の健全性判定システム１０では、実測三角形２５と基準三角形２６とを比較したときの比較要素の相違点を用いて高架路盤１１の残留変形を測定し、残留変形の値から高架路盤１１の健全性を判定するから、自然災害や人的災害が起こった後の高架路盤１１の傾きや捻れ、座屈等の変形を見落とすことなく調査することができ、それら災害が起こった後の高架路盤１１の健全性を確実に判定することができる。また、耐用年数が経過した後の高架路盤１１の傾きや捻れ、座屈等の変形を調査することができ、高架路盤１１の今後の使用可能性を判定することができる。この健全性判定システム１０は、ＧＰＳを利用して基準三角形２５と実測三角形２６とを形象し、それら三角形２５，２６の相違点を抽出するから、目視では不可能なわずかな残留変形を確実に検出することができる。また、基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃに囲繞された区域が三角形２１を形成するように各ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃを高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状に配置するだけなので、システム１０の設定に手間がかからず、さらに、健全性判定システム１０を容易に移設することができる。

この健全性判定システム１０は、実測三角形２６の各辺の長さ寸法が基準三角形２５の各辺の長さ寸法と相違する場合、実測三角形２６の各内角の角度が基準三角形２５のそれと相違する場合、実測三角形２６の垂直方向の高さ寸法が基準三角形２５のそれと相違する場合、実測三角形２６の各点が基準三角形２５の各点に対して水平方向へ移動する場合、自然災害または人的災害が起こった後の高架路盤１１や耐用年数が経過した高架路盤１１に傾きや捻れ、座屈等の残留変形が生じたことが判るから、基準三角形２５と実測三角形２６とを比較することによって高架路盤１１の健全性を確実に判定することができる。

図７には、この発明の他の実施形態に係る長大構造物の健全性判定システム３０が示されている。図７に示される健全性判定システム３０におけるＧＰＳ測位法は、ディファレンシャル測位を採用したもので、高架路盤１１（被測定構造物）の近傍における地上３１の座標確定ポイントＱに基準局３２（ＧＰＳアンテナ及び受信機からＧＰＳ受信装置）が設置されている。測定される基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃは、図１〜図４に示される実施形態と同様に３本であり、従って図４に示されるようにこれら基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃにより囲繞された区域は１つの三角形２１を呈する。ＧＰＳ受信機１７は、入力された衛星電波を増幅かつ周波数変換し、十分なレベルの電波とした後、コード同期回路でコードの周期（電波伝搬時間の検出）を行う。受信機１７は、受信しようとする衛星１５と同一のＣ／Ａコードパターン基準搬送波（レプリカ）を発生させ、そのタイミングを調整して衛星電波と同期をとる。受信機１７では、生成したコードと受信した衛星コードとの相関がもっとも高くなるように時刻を移動させる。相関がもっとも高くなったときにレプリカと衛星電波とが同期し、受信機１５が航法メッセージを復調する。このとき、受信機１７内で発生したＣ／Ａコード時刻が衛星電波の到達時間となり、それによって受信機１７が電波伝搬時間を算出する。受信機１７は、電波伝搬時間に光速をかけて疑似距離を算出する。しかし、この疑似距離には、受信機時計の誤差が残る。

ディファレンシャル測位では、疑似距離の前記誤差を補正することによって測位精度を向上させる。最初に、疑似距離の誤差を推定するため、測地座標が正確に求められた座標確定ポイントＱに基準局３２を設置し、基準局３２が各衛星１５からの衛星電波を観測して観測距離（実際の疑似距離Ｌ１）を求める。一方、基準局３２の測地座標は正確にわかっており、航法メッセージで送られる軌道情報から計算した衛星位置座標に基づいて、衛星１５と基準局３２のアンテナ（観測ポイントＱ）との間の幾何学的距離Ｌ２が算出される。したがって、擬似距離Ｌ１から幾何学的距離Ｌ２を引くことにより、擬似距離誤差の誤差推定値Ｌ３（補正量）を求めることができる。ディファレンシャル測位では、観測している各衛星１５についての誤差推定値Ｌ３を、衛星１５を介して各観測ポイントＰのＧＰＳ受信機１７に送信する。受信機１７は、この誤差推定値Ｌ３を使用してそれが受信した擬似距離Ｌ４を補正し、測位計算を行う。なお、基準局３２は、各衛星１５についての誤差推定値Ｌ３を直接受信機１７に送信することも、またコンピュータ１９を介して受信機１７に送信することもできる。

このシステム３０では、ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６ＣとＧＰＳ受信機１７とを設置し、さらに基準局３２を設置した直後、受信機１７から入力された観測データを使用してコンピュータ１９が基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｃを決定し、これに基づいて基準三角形２５と実測三角形２６をディスプレイ２４に表示することから高架路盤１１における健全性の判定までの一連の解析及び動作は、前述した実施形態と同じであるので、その説明を省略する。

この発明に係る長大構造物の健全性判定システムでは、各ＧＰＳアンテナを結ぶ線分（基線ベクトル）が高架路盤１１の長手方向に連続する三角形を形成するように、各ＧＰＳアンテナを高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状に配置されていてもよい。具体的には、各ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｄが、図８に示されるように高架路盤１１の長手方向に連続する２つの三角形２１ａ，２１ｂを形成するように配置されている。高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状にＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６ＤとＧＰＳ受信機１７とを設置した直後、受信機１７から入力された観測データを使用してコンピュータ１９が基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｅを決定する。コンピュータ１９は、基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｅを使用して、ベクトル２０Ａ〜２０Ｅによって画成される二次元または三次元空間上の連続する２つの初期基準三角形２５Ａ，２５Ｂを形象する。コンピュータ１９は、連続する２つの基準三角形２５Ａ，２５Ｂを形象すると、それをメモリに格納する（形状記憶手段）。コンピュータ１９は、連続する２つの基準三角形２５Ａ，２５Ｂを格納してから所定期間経過後に再び基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｅを決定し、再度決定した基線ベクトル２０Ａ〜２０Ｅを使用して、ベクトル２０Ａ〜２０Ｅによって画成される二次元または三次元空間上の連続する２つの実測三角形２６Ａ，２６Ｂを形象する。コンピュータ１９は、連続する２つの実測三角形２６Ａ，２６Ｂを形象すると、それをメモリに格納する（形状記憶手段）。実測三角形２６Ａ，２６Ｂを形象するための所定期間に特に限定はなく、期間を自由に決めることができる。たとえば、期間を週単位や月単位、年単位で定めることができるのみならず、地震や台風、地殻変動等の自然災害または火災や土地の掘削による陥没等の人的災害が起こった直後とすることもできる。

コンピュータ１９は、比較手段によって連続する２つの基準三角形２５Ａ，２５Ｂと連続する２つの実測三角形２６Ａ，２６Ｂとを比較して、これら三角形２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂの比較要素の相違点を抽出し、抽出した相違点によって高架路盤１１の残留変形を測定し（測定手段）、さらに、残留変形の値によって高架路盤１１の健全性を判定する（判定手段）。基準三角形２５Ａ，２５Ｂと実測三角形２６Ａ，２６Ｂとの比較要素は、それら各三角形２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂの各辺の長さ寸法、各内角の角度、比高（垂直方向の高さ寸法）、連続する基準三角形２５Ａ，２５Ｂに対する連続する実測三角形２６Ａ，２６Ｂの水平方向の移動寸法である。

コンピュータ１９は、図９に示すように、連続する２つの基準三角形２５Ａ，２５Ｂと連続する２つの実測三角形２６Ａ，２６Ｂとを平面画像としてディスプレイ２４に表示する。ディスプレイ２４には、図示していないが、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの各辺（Ａ−Ｂ辺、Ｂ−Ｃ辺、Ａ−Ｃ辺、Ｂ−Ｄ辺、Ｃ−Ｄ辺）の長さ寸法が表示され、実測三角形２６Ａ，２６Ｂの各辺（ａ−ｂ辺、ｂ−ｃ辺、ａ−ｃ辺、ｂ−ｄ辺、ｃ−ｄ辺）の長さ寸法が表示され、さらに、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの各辺の長さ寸法と実測三角形２６ａ，２６Ｂの各辺の長さ寸法との差（Ａ−Ｂ辺の長さ寸法とａ−ｂ辺の長さ寸法との差、Ｂ−Ｃ辺の長さ寸法とｂ−ｃ辺の長さ寸法との差、Ａ−Ｃ辺の長さ寸法とａ−ｃ辺の長さ寸法との差、Ｂ−Ｄ辺の長さ寸法とｂ−ｄ辺の長さ寸法との差、Ｃ−Ｄ辺の長さ寸法とｃ−ｄ辺の長さ寸法との差）が表示される（出力手段）。

また、ディスプレイ２４には、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの内角（θＡ，θＢ１，θＣ１，θＤ，θＢ２，θＣ２）が表示され、実測三角形２６Ａ，２６Ｂの内角（θａ，θｂ１，θｃ２，θｄ，θｂ２，θｃ２）が表示され、さらに、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの各内角と実測三角形２６Ａ，２６Ｂの各内角との差（角度θＡと角度θａとの差、角度θＢ１とθｂ１との差、θＣ１とθｃ１との差、角度θＤと角度θｄとの差、角度θＢ２とθｂ２との差、θＣ２とθｃ２との差）が表示される（出力手段）。コンピュータ１９は、図９の画像をメモリに格納するとともに、基準三角形２５Ａ，２５Ｂと実測三角形２６Ａ，２６Ｂとの各辺の長さ寸法、各辺の長さ寸法の差、内角の角度、これら内角の角度の差をメモリに格納する。

コンピュータ１９は、図１０に示すように、三次元座標を用いて連続する２つの基準三角形２５Ａ，２５Ｂと連続する２つの実測三角形２６Ａ，２６Ｂとを立体画像としてディスプレイ２４に表示する。ディスプレイ２４には、図示していないが、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの各点（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点）のＸ，Ｙ，Ｚ軸における座標が表示され、実測三角形２６Ａ，２６Ｂの各点（ａ点、ｂ点、ｃ点、ｄ点）のＸ，Ｙ，Ｚ軸における座標が表示される。さらに、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの各点に対する実測三角形２６Ａ，２６Ｂの各点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法±（基準三角形２５ＡのＡ点に対する実測三角形２６Ａのａ点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法、基準三角形２５Ａ，２５ＢのＢ点に対する実測三角形２６Ａ，２６Ｂのｂ点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法、基準三角形２５Ａ，２５ＢのＣ点に対する実測三角形２６Ａ、２６Ｂのｃ点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法、基準三角形２５ＢのＤ点に対する実測三角形２６Ｂのｄ点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法）が表示される。コンピュータ１９は、図１０の画像をメモリに格納するとともに、基準三角形２５Ａ，２５Ｂと実測三角形２６Ａ，２６Ｂとの各点の座標、それら三角形２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂの各点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法をメモリに格納する。コンピュータ１９は、図９、図１０の画像をプリンタにより印刷し、各辺の長さ寸法の差や内角の角度の差、各点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動寸法をプリンタにより印刷する（出力手段）。

コンピュータ１９は、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの各辺の長さ寸法と実測三角形２６Ａ，２６Ｂのそれとの差、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの内角の角度と実測三角形２６Ａ，２６Ｂのそれとの差、基準三角形２５Ａ，２５Ｂの比高と実測三角形２６Ａ，２６Ｂのそれとの差（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点のＹ軸方向の移動量）から、高架路盤１１の健全性を判定し、判定結果（健全性あり、または、健全性なし）を出力する。健全性を判断するそれら差の基準値はあらかじめコンピュータ１９に設定されている。この長大構造物の健全性判定システムでは、これらＧＰＳアンテナを結ぶ線分（基線ベクトル）が高架路盤１１の長手方向に連続する２つの三角形２１ａ，２１ｂを形成するように各ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｄを高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに千鳥状に配置した場合を例にしたが、この発明の長大構造物の健全性判定システムでは、高架路盤１１の長手方向に連続する複数の三角形２１ａ，２１ｂ，………を形成するように各ＧＰＳアンテナを配置することもできる。このような実施形態の場合に、ＧＰＳ受信機１７から入力された観測データを使用してコンピュータ１９が基線ベクトルを決定し、これに基づいて連続する複数の基準三角形と連続する複数の実測三角形をディスプレイ２４に表示する解析と動作から、その後の高架路盤１１における健全性の判定までの一連の解析及び動作は、前述した実施形態と同じである。

図１及び図７に示すシステム１０，３０では、ＧＰＳアンテナ１６Ａ〜１６Ｃを支柱１４で支持された高架路盤１１の両側部１１ａ，１１ｂに設置して、該高架路盤１１の健全性を判定する場合を例として説明したが、この発明に係る健全性判定システムにおける長大構造物として鉄道用軌道を判定対象物とすることができる。鉄道用軌道に発生した変形や捻れの有無を判定する場合には、図１１，図１２に示されるように、ＧＰＳ受信装置１８が、２本のレール４２を支持している多数の枕木４１を利用して鉄道用軌道４０の延長方向に対して少なくとも１つの三角形を形成するように所定の間隔で、好ましくは千鳥状に複数設置される。各ＧＰＳ受信装置１８は、列車の走行に支障を起こさない取り付け箇所として、図１１，図１２のように枕木４１の端部に適当な取り付け具を用いて設置される。このように複数のＧＰＳ受信装置１８を鉄道用軌道４０に設置することにより前述した実施形態と同様に鉄道用軌道４０の変形や捻れなどの発生を確実かつ容易に判定することができる。

また、長大構造物として橋梁についてもこの健全性判定システムを適用することができる。橋梁の場合は、橋梁の側部における適所に少なくとも１つの三角形を形成するように所定の間隔で、好ましくは千鳥状にＧＰＳ受信装置１８を複数設置することにより、前述した実施形態と同様に橋梁の捻れや変形などの発生を確実かつ容易に判定することができる。

長大構造物の健全性判定システムの一実施形態として、高架路盤の健全性を判定すべくＧＰＳ受信装置が設置された高架路盤を概略的に示す正面図である。 図１の高架路盤を概略的に示す平面図である。 ＧＰＳ衛星とＧＰＳアンテナとの相関関係の一例を示す構成説明図である。 ＧＰＳアンテナどうしの間に延びる基線ベクトルのイメージ図である。 ディスプレイに表示された基準三角形と実測三角形とを示す構成説明図である。 ディスプレイに表示された基準三角形と実測三角形とを三次元的に示す図である。 他の実施形態に係る長大構造物の健全性判定システムで用いるディファレンシャル側位の説明図である。 ＧＰＳアンテナどうしの間に延びる基線ベクトルのイメージ図である。 ディスプレイに表示された連続する２つの基準三角形と連続する２つの実測三角形とを示す構成説明図である。 ディスプレイに表示された連続する２つの基準三角形と連続する２つの実測三角形とを三次元的に示す図である。 長大構造物として鉄道用軌道の健全性を判定すべくＧＰＳ受信装置を設置した鉄道用軌道を部分的に示す平面図である。 図１１の１２−１２線で切断して鉄道用軌道を示す断面図である。

符号の説明

１０，３０ 建造物健全性判定システム
１１ 高架路盤（長大構造物）
１１ａ，１１ｂ 高架路盤の側部
１２ エキスパンションジョイント
１３ａ〜１３ｃ 高架路盤のブロック
１４ 支柱
１５ ＧＰＳ衛星
１６Ａ〜１６Ｄ ＧＰＳアンテナ
１７ ＧＰＳ受信機
１８ ＧＰＳ受信装置
１９ コンピュータ（計算機）
２０Ａ〜２０Ｅ 基線ベクトル
２５，２５Ａ，２５Ｂ 基準三角形
２６，２６Ａ，２６Ｂ 実測三角形
３１ 地上
３２ 基準局
Ｐ 測定ポイント
Ｑ 座標確定ポイント

Claims (7)

1. ＧＰＳアンテナ及び受信機からなるＧＰＳ受信装置を、幅寸法に比較して長さ寸法の大きい長大構造物の複数の測定ポイントに設置して前記長大構造物の残留変形を測定し、前記長大構造物の健全性を判定するシステムにおいて、
   該長大構造物健全性判定システムが、前記ＧＰＳ受信装置によりＧＰＳ衛星から受信した観測データに基づいて前記ＧＰＳ受信装置間の基線ベクトルを算出する計算機を備え、
   各前記ＧＰＳ受信装置は、前記基線ベクトルに囲繞された区域が少なくとも１つの三角形を形成するように前記長大構造物に配置され、
   前記計算機が、前記基線ベクトルによって画成された初期の基準三角形を記憶する形状記憶手段と、前記基準三角形の記憶時から所定時間経過後に算出した前記基線ベクトルによって画成される実測三角形を前記基準三角形と比較する比較手段と、前記比較手段によって比較した前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素の相違点を用いて前記長大構造物の残留変形を測定する測定手段とを有する長大構造物の健全性判定システム。
2. 各前記ＧＰＳ受信装置は、前記基線ベクトルに囲繞された区域が前記長大構造物の長手方向に連続した三角形を形成するように前記長大構造物の両側部に千鳥状に配置され、
   前記計算機の前記形状記憶手段が、前記基線ベクトルによって画成された連続する初期の基準三角形を記憶し、前記計算機の前記比較手段が、連続する前記基準三角形の記憶時から所定時間経過後に算出した前記基線ベクトルによって画成される連続する前記実測三角形と連続する前記基準三角形とを比較し、前記計算機の前記測定手段が、前記比較手段によって比較した連続する前記基準三角形と連続する前記実測三角形との比較要素の相違点を用いて前記長大構造物の残留変形を測定する請求項１に記載の長大構造物の健全性判定システム。
3. 前記長大構造物の健全性判定システムは、前記長大構造物の近傍における地上の座標確定ポイントに設置された基準局を備え、該基準局が誤差推定値を測定し、前記ＧＰＳ受信装置が前記誤差推定値を用いて擬似距離を補正しつつ測位計算を実行する請求項１又は２に記載の長大構造物の健全性判定システム。
4. 前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素が、前記基線ベクトルによって画成された前記基準三角形と前記実測三角形との各辺の長さ寸法である請求項１〜３のいずれかに記載の長大構造物の健全性判定システム。
5. 前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素が、前記基線ベクトルによって画成された前記基準三角形と前記実測三角形との各内角である請求項１〜３のいずれかに記載の長大構造物の健全性判定システム。
6. 前記基準三角形と前記実測三角形との比較要素が、前記基線ベクトルによって画成された前記基準三角形と前記実測三角形との比高である請求項１〜３のいずれかに記載の長大構造物の健全性判定システム。
7. 前記長大構造物が、橋梁、高架道路、及び鉄道用軌道のいずれかである請求項１〜６のいずれかに記載の長大構造物の健全性判定システム。

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