JP2011047657A - Seismic intensity measuring device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To design a filter with low power consumption according to the meteorological agency definition, without complication of a circuit configuration. <P>SOLUTION: The filter 14 is provided with an extended filter 141, a recursive filter 142, an IIR filter 143, and an IIR filter 144. Each of the filters 141 to 144 is formed by the combination of an adding circuit, a subtracting circuit, and a shift arithmetic circuit. Seismic intensity is calculated based on acceleration waveform data output from the filter 14. In the calculation process of the seismic intensity, a calculated value is represented by two's power, and a simple calculation is carried out by using digit number of the maximum bit number. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、加速度センサの測定値に基づいて震度を測定する装置に関する。また、本発明は、震度の測定結果に基づいて地震発生時のガスを遮断する装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for measuring seismic intensity based on measured values of an acceleration sensor. The present invention also relates to an apparatus for shutting off gas when an earthquake occurs based on seismic intensity measurement results.

気象庁により、震度を測定するためのフィルタの特性が定義されている。震度の測定には、加速度センサにより測定された加速度波形データが用いられる。正確な震度を測定するためには、加速度波形データに気象庁定義のフィルタを適用させる必要がある。   The Japan Meteorological Agency defines the characteristics of filters for measuring seismic intensity. For measuring the seismic intensity, acceleration waveform data measured by an acceleration sensor is used. In order to measure accurate seismic intensity, it is necessary to apply a JMA-defined filter to acceleration waveform data.

気象庁定義のフィルタを適用させる1つの方法は、次のとおりである。加速度センサにより測定された時間軸上の加速度波形データに対してFFT演算を適用する。FFT演算後の周波数軸上の加速度波形データを補正し、気象庁定義の特性を適用させる。補正後のデータを逆FFT演算することによって、震度測定に利用することのできる加速度波形データを得る。   One way to apply the JMA-defined filter is as follows. An FFT operation is applied to acceleration waveform data on the time axis measured by the acceleration sensor. The acceleration waveform data on the frequency axis after the FFT calculation is corrected, and the characteristics defined by the Japan Meteorological Agency are applied. Acceleration waveform data that can be used for seismic intensity measurement is obtained by performing inverse FFT operation on the corrected data.

特許文献1においては、気象庁定義のフィルタをデジタルフィルタ回路として設計する試みがなされている。特許文献2においては、気象庁定義のフィルタをアナログフィルタ回路により実現する試みがなされている。   In Patent Document 1, an attempt is made to design a filter defined by the Japan Meteorological Agency as a digital filter circuit. In Patent Document 2, an attempt is made to realize a filter defined by the Japan Meteorological Agency with an analog filter circuit.

X、Y、Z、3成分の加速度波形データを、A(t)、A(t)、A(t)とする。加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)に、気象庁定義のフィルタ処理を適用させることにより得られる加速度波形データを、H(t)、H(t)、H(t)とする。補正された加速度波形データの振幅の二乗和W(t)は、数1式のように表される。 The X, Y, Z, and three component acceleration waveform data are represented by A X (t), A Y (t), and A Z (t). The acceleration waveform data obtained by applying the filter processing defined by the Japan Meteorological Agency to the acceleration waveform data A X (t), A Y (t), and A Z (t) is expressed as H X (t), H Y (t). , H Z (t). The sum of squares W 2 (t) of the amplitude of the corrected acceleration waveform data is expressed as Equation 1.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

3成分の振幅の絶対値W(t)は、加速度波形データの変化に伴い、時々刻々変動する。W(t)が、0.3秒間以上、W以上となる場合、Wの値の最大値Wを用いて、気象庁の定義による測定震度Sは、数2式のように表される。数2式において、係数Cは、加速度センサの感度であり、係数Aは、フィルタのゲインである。 The absolute value W (t) of the amplitude of the three components varies from moment to moment as the acceleration waveform data changes. When W (t) is 0.3 seconds or more and W a or more, using the maximum value W m of W a , the measured seismic intensity S m defined by the Japan Meteorological Agency is expressed as Equation 2 The In Equation 2, the coefficient C is the sensitivity of the acceleration sensor, and the coefficient A is the gain of the filter.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

このように、測定震度Sの推定には、Wの最大値Wを求める必要があり、様々な方法が提案されている。 Thus, it is necessary to obtain the maximum value W m of W a for estimating the measured seismic intensity S m , and various methods have been proposed.

特許文献3においては、最大値Wを求めるために、30個のメモリを用意している。100Hzサンプリングで得られる30個の震度W(t)がメモリに保存される。時間の経過とともに新たな震度W(t)が追加されると、メモリに保存された30個の震度W(t)の最小値と、新しく追加された震度W(t)とを比較する。新しいデータが最小値より大きければ、メモリに格納されている震度W(t)の最小値を削除し、新しいデータをメモリに格納する。そして、メモリ内に格納されている震度W(t)の最小値を更新する。このようにして、0.3秒以上継続する震度を測定する。 In Patent Document 3, in order to obtain the maximum value W m, we are prepared 30 memory. Thirty seismic intensities W (t) obtained by 100 Hz sampling are stored in the memory. When a new seismic intensity W (t) is added over time, the minimum value of the 30 seismic intensity W (t) stored in the memory is compared with the newly added seismic intensity W (t). If the new data is larger than the minimum value, the minimum value of the seismic intensity W (t) stored in the memory is deleted, and the new data is stored in the memory. Then, the minimum value of the seismic intensity W (t) stored in the memory is updated. In this way, the seismic intensity lasting 0.3 seconds or more is measured.

特許文献1においては、数2式にW(t)を代入した場合に計算される測定震度の瞬時値S(t)を離散値で表している。測定震度の瞬時値S(t)の各離散値にはそれぞれ対応する記憶場所が用意されている。各記憶場所には、各離散値の出現カウント数が格納される。測定震度の瞬時値S(t)が得られるたびに測定震度の瞬時値S(t)の離散値が算出され、それぞれ対応する記憶場所にカウント値が積算される。それぞれの記憶場所に格納される離散値のカウント数を分析することにより、瞬時値S(t)が0.3秒以上継続している測定震度Sを取得することができる。 In Patent Document 1, the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity calculated when W (t) is substituted into Equation 2 is expressed as a discrete value. A memory location corresponding to each discrete value of the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is prepared. Each memory location stores the appearance count number of each discrete value. Each time the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is obtained, a discrete value of the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is calculated, and the count value is added to the corresponding storage location. By analyzing the count value of the discrete values stored in each storage location, the measured seismic intensity S m in which the instantaneous value S (t) continues for 0.3 seconds or more can be acquired.

特開2008−107334号公報JP 2008-107334 A 特開2000−346701号公報JP 2000-346701 A 特開2007−198812号公報JP 2007-198812 A

上記のように、特許文献1あるいは特許文献2では、気象庁定義のフィルタをデジタルフィルタ回路あるいはアナログフィルタ回路により実現する試みがされている。しかし、いずれも回路が複雑であり、消費電力が大きいという問題がある。   As described above, Patent Document 1 or Patent Document 2 attempts to realize a filter defined by the Japan Meteorological Agency using a digital filter circuit or an analog filter circuit. However, there is a problem that the circuit is complicated and the power consumption is large.

震度測定装置が、バッテリ駆動である場合、特に、消費電力を低減させる必要がある。地震発生時に、バッテリ容量が低下し、震度判定を行うことができないという事態は避けなければならない。   When the seismic intensity measuring device is battery driven, it is necessary to reduce power consumption. When an earthquake occurs, the situation where the battery capacity is reduced and the seismic intensity cannot be determined must be avoided.

本発明は前記問題点に鑑み、低消費電力で気象庁定義のフィルタを実現する技術および低消費電力で震度の測定を行う技術を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a technique for realizing a JMA-defined filter with low power consumption and a technique for measuring seismic intensity with low power consumption.

上記課題を解決するため、請求項1記載の震度測定装置は、加速度波形データを入力する加速度入力部と、前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、を備え、前記フィルタは、加算回路、減算回路およびビットシフト演算回路を組み合わせることで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the seismic intensity measurement device according to claim 1 includes an acceleration input unit that inputs acceleration waveform data, a filter that performs filtering on the acceleration waveform data and outputs corrected acceleration waveform data, and the correction A seismic intensity calculator that calculates seismic intensity from acceleration waveform data, and the filter converts the acceleration waveform data into the corrected acceleration waveform data by combining an addition circuit, a subtraction circuit, and a bit shift operation circuit. Features.

請求項2記載の震度測定装置は、加速度波形データを入力する加速度入力部と、前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、を備え、前記フィルタは、加算、減算、2のべき乗数の乗算および2のべき乗数の除算を組み合わせた演算を実行することで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする。   The seismic intensity measurement device according to claim 2, wherein an acceleration input unit that inputs acceleration waveform data, a filter that filters the acceleration waveform data and outputs corrected acceleration waveform data, and calculates a seismic intensity from the corrected acceleration waveform data A seismic intensity calculating unit that performs addition, subtraction, multiplication of powers of 2 and division of powers of 2 to perform the calculation by combining the acceleration waveform data with the corrected acceleration waveform data. It is characterized by converting into.

請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の震度測定装置において、前記フィルタは、高域フィルタと、低域フィルタと、を含むことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the seismic intensity measurement device according to the first or second aspect, the filter includes a high-pass filter and a low-pass filter.

請求項4記載の発明は、請求項3に記載の震度測定装置において、前記高域フィルタは微分フィルタを有し、微分フィルタにおける乗算係数は、2のべき乗数であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the seismic intensity measurement device according to the third aspect, the high-pass filter has a differential filter, and the multiplication coefficient in the differential filter is a power of two.

請求項5記載の発明は、請求項3に記載の震度測定装置において、前記低域フィルタは、リカーシブルフィルタを有し、リカーシブルフィルタにおける除算係数は、2のべき乗数であることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the seismic intensity measuring device according to the third aspect, the low-pass filter has a recursible filter, and the division coefficient in the recursible filter is a power of 2. To do.

請求項6記載の発明は、請求項3に記載の震度測定装置において、前記低域フィルタはIIRフィルタを有し、IIRフィルタにおける除算係数は、2のべき乗数であることを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the seismic intensity measuring apparatus according to the third aspect, wherein the low-pass filter has an IIR filter, and the division coefficient in the IIR filter is a power of two.

請求項7記載の震度測定装置は、加速度波形データを入力する加速度入力部と、前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、前記補正加速度波形データから振幅を算出する振幅算出部と、を備え、前記振幅算出部は、前記補正加速度波形データから振幅W(t)を求める第1振幅演算部と、前記振幅W(t)を2のべき乗数で表すことにより、測定震度S(t)を表現した上で、W(t)を二進数で表した場合の最大ビットの桁数をBとすることにより、震度S(t)を求める第2震度測定部と、を含むことを特徴とする。 The seismic intensity measurement device according to claim 7, wherein an acceleration input unit that inputs acceleration waveform data, a filter that filters the acceleration waveform data and outputs corrected acceleration waveform data, and calculates an amplitude from the corrected acceleration waveform data An amplitude calculation unit configured to calculate the amplitude W (t) from the corrected acceleration waveform data, and to express the amplitude W (t) by a power of 2 , measured seismic intensity S (t) in terms of representing the, by the most significant number of bits in the case of representing the W (t) 6 in binary and B N, the second seismic intensity measurements to determine the seismic intensity S (t) And a portion.

請求項8記載の発明は、請求項7に記載の震度測定装置において、さらに、前記第2震度測定部により測定された震度S(t)が0.3秒間以上、S以上となる場合のSの値の最大値Sを震度として出力する最大値判定部、を備えることを特徴とする。 The invention of claim 8, wherein, in the seismic intensity measurement apparatus according to claim 7, further wherein the second seismic S measured by the seismic intensity measuring portion (t) is more than 0.3 seconds, in the case where the above S a A maximum value determination unit that outputs the maximum value S m of the values of S a as the seismic intensity is provided.

請求項9記載の発明は、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の震度測定装置において、さらに、前記加速度入力部に入力される加速度波形データをA/D変換するA/D変換器と、前記A/D変換器のサンプリングレートを決定するサンプリングレート決定部と、を備え、前記サンプリングレート決定部は、前記震度測定装置が観測した加速度に応じて異なる閾値で地震の検出を行う地震発生検出部と、前記地震発生検出部の検出結果に応じて、前記A/D変換器のサンプリングレートを切り替える切替部と、を含むことを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the seismic intensity measuring device according to any one of claims 1 to 8, further comprising an A / D converter for A / D converting acceleration waveform data input to the acceleration input unit. And a sampling rate determining unit that determines a sampling rate of the A / D converter, wherein the sampling rate determining unit detects an earthquake with a different threshold according to the acceleration observed by the seismic intensity measurement device An occurrence detection unit; and a switching unit that switches a sampling rate of the A / D converter according to a detection result of the earthquake occurrence detection unit.

請求項10記載の発明は、請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の地震測定装置において、前記震度算出部が算出した震度の継続時間が所定の時間より短い場合には、地震としての測定をキャンセルすることを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the earthquake measurement device according to any one of the first to ninth aspects, when the duration of the seismic intensity calculated by the seismic intensity calculation unit is shorter than a predetermined time, It is characterized by canceling the measurement.

請求項11記載の発明は、請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の地震測定装置において、さらに、前記震度算出部が算出した震度が所定の閾値を上回る場合、ガスを遮断する制御を行うガス遮断制御部、を備えることを特徴とする。   The invention according to claim 11 is the earthquake measuring device according to any one of claims 1 to 10, further comprising a control for shutting off the gas when the seismic intensity calculated by the seismic intensity calculator exceeds a predetermined threshold. A gas cutoff control unit for performing the operation.

本発明の地震測定装置によれば、加算回路、減算回路およびシフト演算回路を組み合わせることで、気象庁定義のフィルタと特性の近似するフィルタを構成する。回路構成を複雑化させることなく、低消費電力で震度測定用のフィルタを構成することができる。   According to the seismic measurement apparatus of the present invention, a filter that approximates characteristics and a filter defined by the Japan Meteorological Agency is configured by combining an addition circuit, a subtraction circuit, and a shift calculation circuit. A filter for seismic intensity measurement can be configured with low power consumption without complicating the circuit configuration.

本発明の震度測定装置によれば、演算値を2のべき乗数で表し、その演算値の最大ビット数の桁数を利用した簡易な計算で震度を測定する。回路構成を複雑化させることなく、低消費電力で震度測定を行うことができる。   According to the seismic intensity measuring apparatus of the present invention, the calculated value is represented by a power of 2 and the seismic intensity is measured by a simple calculation using the number of digits of the maximum bit number of the calculated value. Seismic intensity measurement can be performed with low power consumption without complicating the circuit configuration.

震度測定装置のブロック図である。It is a block diagram of a seismic intensity measuring device. フィルタの回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of a filter. 気象庁定義のフィルタと本実施の形態により近似されたフィルタとを比較した図である。It is the figure which compared the filter defined by the Meteorological Agency definition and the filter approximated by this Embodiment. 測定震度演算部の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of a measurement seismic intensity calculation part. 震度測定の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of a seismic intensity measurement.

{1.震度測定装置の全体構成}
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。まず、図1を参照しながら、震度測定システム1の全体構成について説明する。
{1. Overall configuration of seismic intensity measuring device}
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the overall configuration of the seismic intensity measurement system 1 will be described with reference to FIG.

図1は、本実施の形態の震度測定装置1のブロック図である。震度測定装置1は、加速度センサ11、増幅器12、A/D変換器13、フィルタ14、振幅演算部15、測定震度演算部16、震度判定部17およびガス遮断制御部18を備えて構成されている。さらに、地震測定装置1は、地震発生検出部19、切替部20およびバッテリ21を備えている。   FIG. 1 is a block diagram of a seismic intensity measuring apparatus 1 according to the present embodiment. The seismic intensity measuring device 1 includes an acceleration sensor 11, an amplifier 12, an A / D converter 13, a filter 14, an amplitude calculating unit 15, a measured seismic intensity calculating unit 16, a seismic intensity determining unit 17, and a gas cutoff control unit 18. Yes. Further, the earthquake measurement device 1 includes an earthquake occurrence detection unit 19, a switching unit 20, and a battery 21.

本実施の形態の地震測定装置1は、ガス流量弁の近くに設置され、地震発生時には、ガス流量弁を制御し、ガスを遮断する。地震測定装置1は、バッテリ21を備えている。地震測定装置1は、通常、商用電源からの電力供給を受けて動作している。地震測定装置1は、災害時に商用電源からの電力供給が途絶えた場合には、バッテリ21の駆動により動作可能としている。   The earthquake measuring apparatus 1 of the present embodiment is installed near a gas flow valve, and controls the gas flow valve to shut off the gas when an earthquake occurs. The earthquake measuring device 1 includes a battery 21. The seismic measuring apparatus 1 normally operates by receiving power supply from a commercial power source. The earthquake measuring device 1 can be operated by driving the battery 21 when the power supply from the commercial power supply is interrupted during a disaster.

加速度センサ11は、X、Y、Z方向の直交3成分の加速度波形データを測定可能である。加速度センサ11は、3成分の加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)を出力する。 The acceleration sensor 11 can measure acceleration waveform data of three orthogonal components in the X, Y, and Z directions. The acceleration sensor 11 outputs three-component acceleration waveform data A X (t), A Y (t), and A Z (t).

加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)は、増幅器12において増幅された後、A/D変換器13においてA/D変換される。A/D変換器13は、切替部20による切替制御に基づいてサンプリングレートが切り替えられる。 The acceleration waveform data A X (t), A Y (t), and A Z (t) are amplified by the amplifier 12 and then A / D converted by the A / D converter 13. The sampling rate of the A / D converter 13 is switched based on switching control by the switching unit 20.

A/D変換後の加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)は、フィルタ14に入力される。フィルタ14は、気象庁定義のフィルタに対して近似的に用いられるフィルタである。 The acceleration waveform data A X (t), A Y (t), and A Z (t) after A / D conversion are input to the filter 14. The filter 14 is a filter that is used approximately with respect to a filter defined by the Japan Meteorological Agency.

加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)は、フィルタ14においてフィルタ処理が施されることにより加速度波形データH(t)、H(t)、H(t)に変換される。加速度波形データH(t)、H(t)、H(t)は、振幅演算部15に入力される。 The acceleration waveform data A X (t), A Y (t), and A Z (t) are subjected to filter processing in the filter 14 to obtain acceleration waveform data H X (t), H Y (t), H Z Converted to (t). The acceleration waveform data H X (t), H Y (t), and H Z (t) are input to the amplitude calculator 15.

振幅演算部15では、加速度波形データH(t)、H(t)、H(t)に基づいて、振幅W(t)が演算される。振幅W(t)は、数3式のように表される。 The amplitude calculator 15 calculates the amplitude W (t) based on the acceleration waveform data H X (t), H Y (t), and H Z (t). The amplitude W (t) is expressed as Equation 3.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

振幅演算部15で算出された振幅W(t)は、測定震度演算部16に入力される。測定震度演算部16は、振幅W(t)から測定震度の瞬時値S(t)を算出する。振幅W(t)は、加速度波形データの変化に伴い、変動する。振幅W(t)を用いて、気象庁の定義による測定震度の瞬時値S(t)は、数4式のように表される。数4式において、係数Cは、加速度センサの感度であり、係数Aは、フィルタのゲインである。   The amplitude W (t) calculated by the amplitude calculator 15 is input to the measured seismic intensity calculator 16. The measured seismic intensity calculation unit 16 calculates an instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity from the amplitude W (t). The amplitude W (t) varies as the acceleration waveform data changes. Using the amplitude W (t), the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity defined by the Japan Meteorological Agency is expressed by the following equation (4). In Equation 4, the coefficient C is the sensitivity of the acceleration sensor, and the coefficient A is the gain of the filter.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

測定震度演算部16は、測定震度の瞬時値S(t)を分析することで、測定震度Sを算出する。算出された測定震度Sは、震度判定部17に入力される。震度判定部17は、入力した測定震度Sに基づいて、ガスを遮断すべきか否かの判断を行う。ガスを遮断すべきと判断した場合には、制御信号をガス遮断制御部18に出力する。ガス遮断制御部18は、制御信号に基づいてガスの遮断制御を行う。   The measured seismic intensity calculation unit 16 calculates the measured seismic intensity S by analyzing the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity. The calculated measured seismic intensity S is input to the seismic intensity determination unit 17. The seismic intensity determination unit 17 determines whether the gas should be shut off based on the input measured seismic intensity S. When it is determined that the gas should be shut off, a control signal is output to the gas cutoff control unit 18. The gas cutoff control unit 18 performs gas cutoff control based on the control signal.

{2.フィルタの構成}
次に、図2を参照しながらフィルタ14の構成について説明する。図2に示すように、フィルタ14は、高域フィルタ141、リカーシブルフィルタ142、IIR(Infinite impulse response)フィルタ143およびIIRフィルタ144を備えて構成されている。リカーシブルフィルタ142は1次のリカーシブルフィルタである。IIRフィルタ143およびIIRフィルタ144は、2次のIIRフィルタである。
{2. Filter configuration}
Next, the configuration of the filter 14 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the filter 14 includes a high-pass filter 141, a recursive filter 142, an IIR (Infinite Impulse Response) filter 143, and an IIR filter 144. The recursible filter 142 is a primary recursible filter. The IIR filter 143 and the IIR filter 144 are second-order IIR filters.

気象庁定義のフィルタは、約0.5Hzにピークを持ち、10Hzより高周波の領域では減衰が大きくなっている。このような気象庁定義のフィルタに対応するため、フィルタ14は、高域フィルタと低域フィルタとを組み合わせて作成される。高域フィルタとして高域フィルタ141が用いられる。低域フィルタとして、一次のリカーシブルフィルタ142と2次のIIRフィルタ143および144が用いられる。   The Japan Meteorological Agency-defined filter has a peak at about 0.5 Hz, and has a large attenuation in a frequency region higher than 10 Hz. In order to deal with such a JMA-defined filter, the filter 14 is created by combining a high-pass filter and a low-pass filter. A high-pass filter 141 is used as the high-pass filter. As the low-pass filter, a primary recursive filter 142 and secondary IIR filters 143 and 144 are used.

以下の説明において、フィルタ14は、X(t)を入力としてフィルタ演算を行い、F(t)を出力する。ここで、X(t)は、加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)を示している。つまり、以下の説明における各処理は、実際には、加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)のそれぞれに対して実行される演算であるが、それらの処理は共通の処理であるので、入力X(t)として代表して説明する。また、加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)の入力に対してフィルタ14は、加速度波形データH(t)、H(t)、H(t)を出力するが、それらを出力F(t)として代表して説明する。 In the following description, the filter 14 performs a filter operation with X (t) as an input, and outputs F (t). Here, X (t) indicates acceleration waveform data A X (t), A Y (t), A Z (t). That is, each process in the following description is actually an operation performed on each of the acceleration waveform data A X (t), A Y (t), and A Z (t). Is a common process and will be described as an input X (t). In addition, the filter 14 receives acceleration waveform data A X (t), A Y (t), and A Z (t), and the filter 14 performs acceleration waveform data H X (t), H Y (t), H Z (t). ), Which are representatively described as output F (t).

高域フィルタ141は、加速度センサの出力の微分値を算出するフィルタである。高域フィルタ141は、入力をX(t)、サンプリング間隔をΔtとして、数5式で表される。   The high-pass filter 141 is a filter that calculates a differential value of the output of the acceleration sensor. The high-pass filter 141 is expressed by Equation 5 with X (t) as an input and Δt as a sampling interval.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

は整数の演算による桁落ちを考慮して設定される定数である。Aとして2のべき乗数が設定される。Y(t)は高域フィルタ141の出力である。 A 1 is a constant set in consideration of the digit loss caused by integer arithmetic. Exponent of A 1 as 2 is set. Y 1 (t) is the output of the high-pass filter 141.

が2のべき乗数であるから、数5式における最後の乗算は、シフト演算で回路を構成することができる。高域フィルタ141は、減算回路による1回の引き算と、シフト演算回路による1回のシフト演算により実現されることになる。 Since A 1 is a power number of 2, the last multiplication in number 5 expression may be included in a circuit with shift operation. The high-pass filter 141 is realized by one subtraction by the subtraction circuit and one shift operation by the shift operation circuit.

高域フィルタ141の出力Y(t)は、低域フィルタとしてのリカーシブルフィルタ142に入力される。リカーシブルフィルタ142は、1次のリカーシブルフィルタであり、Y(t)に対して数6式で示される演算が行われる。 The output Y 1 (t) of the high-pass filter 141 is input to the recursive filter 142 as a low-pass filter. The recursible filter 142 is a first-order recursible filter, and an operation represented by Equation 6 is performed on Y 1 (t).

Figure 2011047657
Figure 2011047657

は、リカーシブルフィルタ142の特性を決める係数である。リカーシブルフィルタ142は、G個の入力に対する移動平均値を算出する。一般には、この係数は実数が用いられる。本実施の形態においては、係数Gとして、2のべき乗数が用いられる。 G 1 is a coefficient that determines the characteristics of the recursive filter 142. The recursive filter 142 calculates a moving average value for G 1 inputs. In general, this coefficient is a real number. In the present embodiment, as the coefficient G 1, exponent of 2 is used.

が2のべき乗数であるから、数6式における最後の除算は、シフト演算回路で構成することができる。リカーシブルフィルタ142は、加算回路による1回の足し算と、減算回路による1回の引き算と、シフト演算回路による1回のシフト演算により実現されることになる。 Since G 1 is a exponent of 2, the last division in equation (6) may be a shift calculation circuit. The recursible filter 142 is realized by one addition by the adder circuit, one subtraction by the subtraction circuit, and one shift operation by the shift operation circuit.

低域フィルタは、数6式のリカーシブフィルタ142の他に、IIRフィルタ143および144が用いられる。1段目のIIRフィルタ143の出力D(t)は、Y(t)を入力として、数7式および数8式で示される。 As the low-pass filter, IIR filters 143 and 144 are used in addition to the recursive filter 142 of Formula 6. The output D 2 (t) of the IIR filter 143 in the first stage is expressed by Equation 7 and Equation 8 with Y 2 (t) as an input.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

Figure 2011047657
Figure 2011047657

(t)は、IIRフィルタ143のフィードバック項である。G、GはIIRフィルタ143の特性を決める係数である。係数G、Gとして、一般的には実数が用いられるが、本実施の形態においては、係数G、Gとして、2のべき乗数が用いられる。 D 1 (t) is a feedback term of the IIR filter 143. G 2 and G 3 are coefficients that determine the characteristics of the IIR filter 143. As the coefficient G 2, G 3, but in general real number used in the present embodiment, as the coefficient G 2, G 3, exponent of 2 is used.

およびGが2のべき乗数であるから、数7式における最後の除算および数8式における最後の除算は、シフト演算回路で構成することができる。また、数8式における2の乗算もシフト演算回路で構成することができる。IIRフィルタ143は、数7式の演算に関しては、加算回路による1回の足し算と、減算回路による1回の引き算と、シフト演算回路による1回のシフト演算により実現される。IIRフィルタ143は、数8式の演算に関しては、減算回路による1回の引き算と、加算回路による1回の足し算と、シフト演算回路による2回のシフト演算により実現される。 Since G 2 and G 3 are powers of 2, the last division in Equation 7 and the last division in Equation 8 can be configured by a shift operation circuit. Further, multiplication of 2 in Formula 8 can also be configured by a shift operation circuit. The IIR filter 143 is realized by one addition by the addition circuit, one subtraction by the subtraction circuit, and one shift operation by the shift operation circuit with respect to the calculation of Expression 7. The IIR filter 143 is realized by performing one subtraction by the subtraction circuit, one addition by the addition circuit, and two shift operations by the shift operation circuit with respect to the calculation of Expression 8.

1段目のIIRフィルタ143の出力D(t)は、2段目のIIRフィルタ144に入力される。2段目のIIRフィルタ144は、D(t)を入力として、数9式および数10式で示される演算を行う。 The output D 2 (t) of the first stage IIR filter 143 is input to the second stage IIR filter 144. The second-stage IIR filter 144 receives D 2 (t) as an input and performs calculations represented by Equation 9 and Equation 10.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

Figure 2011047657
Figure 2011047657

(t)は、IIRフィルタ144のフィードバック項である。G、GはIIRフィルタ144の特性を決める係数である。係数G、Gとして、一般的には実数が用いられるが、本実施の形態においては、係数G、Gとして、2のべき乗数が用いられる。 D 3 (t) is a feedback term of the IIR filter 144. G 4 and G 5 are coefficients that determine the characteristics of the IIR filter 144. As a coefficient G 4, G 5, although in general real number used in the present embodiment, as the coefficient G 4, G 5, exponent of 2 is used.

およびGが2のべき乗数であるから、数9式における最後の除算および数10式における最後の除算は、シフト演算回路で構成することができる。また、数10式における2の乗算もシフト演算回路で構成することができる。IIRフィルタ144は、数9式の演算に関しては、加算回路による1回の足し算と、減算回路による1回の引き算と、シフト演算回路による1回のシフト演算により実現される。IIRフィルタ144は、数10式の演算に関しては、減算回路による1回の引き算と、加算回路による1回の足し算と、シフト演算回路による2回のシフト演算により実現される。 Since G 4 and G 5 are powers of 2, the last division in Equation 9 and the last division in Equation 10 can be configured by a shift operation circuit. Further, the multiplication of 2 in Formula 10 can also be configured by a shift operation circuit. The IIR filter 144 is realized by one addition by the addition circuit, one subtraction by the subtraction circuit, and one shift operation by the shift operation circuit with respect to the calculation of Equation (9). The IIR filter 144 is realized by performing one subtraction by the subtraction circuit, one addition by the addition circuit, and two shift operations by the shift operation circuit with respect to the calculation of Expression 10.

2段目のIIRフィルタ144の出力のゲインを1.0にするためには、数11式のような係数Aが必要である。前述した高域フィルタ141では、定数Aを乗算した。係数Aは、任意の定数Aに対して、フィルタ14のゲインを1.0とするための係数である。 In order to set the gain of the output of the second-stage IIR filter 144 to 1.0, a coefficient A 2 as shown in Equation 11 is required. In the high-pass filter 141 described above, and multiplied by a constant A 1. The coefficient A 2 is a coefficient for setting the gain of the filter 14 to 1.0 with respect to an arbitrary constant A 1 .

Figure 2011047657
Figure 2011047657

係数Aは、フィルタのゲインを表す定数で実数である。係数Aはゲイン調整用であるので、数11式の除算を実際に実行する必要はない。 Factor A 2 is a real constant representing the gain of the filter. Since the coefficient A 2 is a gain adjustment, there is no need to actually perform a division of the equation (11).

係数Aは実数であるが、上述したようにゲイン調整用の実数であり、フィルタの特性には影響をおよぼさない。つまり、フィルタ14において、実数の演算が必要となるわけではない。 The factor A 2 is a real number, but a real number for gain adjustment as described above, does not adversely affect the characteristics of the filter. That is, the filter 14 does not require a real number operation.

以上説明した数5式〜数11式で示されるフィルタ141〜145を用い、係数A、Aおよび係数G〜Gを最適化することにより、フィルタ14の特性を気象庁定義のフィルタに近似させる。数5式〜数11式で用いられた係数G〜Gは、数12式で表される。数12式の添え字pは、1〜5の整数である。 Using the filters 141 to 145 represented by the equations 5 to 11 described above and optimizing the coefficients A 1 and A 2 and the coefficients G 1 to G 5 , the characteristics of the filter 14 can be changed to a JMA-defined filter. Approximate. Coefficients G 1 to G 5 used in Expressions 5 to 11 are expressed by Expression 12. The subscript p in Expression 12 is an integer of 1 to 5.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

本実施の形態のフィルタ14の特性を気象庁定義のフィルタに近似させるため、あらかじめ最適なG〜Gが決定される。具体的には、各Gについてkを0から9まで変更し、計100,000個の全ての組み合わせについてフィルタの特性を計算する。100,000パターンのフィルタの特性の中で気象庁定義のフィルタの特性と最も近似しているkの組み合わせを決定する。たとえば、フィルタのゲインが1.0となるよう、係数Aを決定し、両フィルタの特性の差の二乗和が最少となる係数Gの組み合わせを求める。 In order to approximate the characteristics of the filter 14 of the present embodiment to a filter defined by the Japan Meteorological Agency, optimum G 1 to G 5 are determined in advance. Specifically, k is changed from 0 to 9 for each G p , and the filter characteristics are calculated for all 100,000 combinations in total. Among the 100,000 filter characteristics, the combination of k that is closest to the characteristics of the Japan Meteorological Agency-defined filter is determined. For example, the coefficient A 2 is determined so that the gain of the filter is 1.0, and a combination of the coefficients G p that minimizes the sum of squares of the difference between the characteristics of both filters is obtained.

従来、リカーシブルおよび非リカーシブルフィルタの組み合わせを用いて、係数が実数であるフィルタを作成している。本実施の形態においては、計100,000個の全ての組み合わせを調べることにより、全ての係数が2のべき乗数で表わせるフィルタを設計する。   Conventionally, a filter whose coefficient is a real number is created using a combination of a recursible filter and a non-recursive filter. In the present embodiment, a filter that can express all coefficients as powers of 2 is designed by examining all 100,000 combinations.

上記の方法をとることで、GからGの未知定数が求められる。図2において、IIRフィルタ144の出力は、D(t)であるが、数11式の演算は、フィルタ14においては実行されない。したがって、ここでは、D(t)=F(t)として以降の処理を実行する。 By using the above method, unknown constants G 1 to G 5 are obtained. In FIG. 2, the output of the IIR filter 144 is D 4 (t), but the calculation of Equation 11 is not executed in the filter 14. Therefore, the subsequent processing is executed here with D 4 (t) = F (t).

本実施の形態においては、以下のように、各係数を設定することで、フィルタ14を設計することとしている。
=2=16
=2=16
=2=16
=2=2
=2=1
=2=2
In the present embodiment, the filter 14 is designed by setting each coefficient as follows.
A 1 = 2 4 = 16
G 1 = 2 4 = 16
G 2 = 2 4 = 16
G 3 = 2 1 = 2
G 4 = 2 0 = 1
G 5 = 2 1 = 2

このように、本実施の形態のフィルタ14は、気象庁定義による震度のフィルタを、整数の足し算、引き算、2のべき乗数による近似計算により実現している。本実施の形態のフィルタ14は、掛け算、割り算を用いないので、回路構成が簡単であり、低消費電力化を図ることができる。   As described above, the filter 14 of the present embodiment realizes the seismic intensity filter defined by the Japan Meteorological Agency by approximate calculation using addition and subtraction of integers and a power of two. Since the filter 14 of the present embodiment does not use multiplication or division, the circuit configuration is simple and low power consumption can be achieved.

図3は、上記プロセスで実際に設計されたフィルタ14の特性と、気象庁定義のフィルタの特性とを比較したものである。図中、Fは、フィルタ14の特性を表し、Fは、気象庁定義のフィルタを表している。両フィルタの特性が非常に近似していることが分かる。 FIG. 3 compares the characteristics of the filter 14 actually designed by the above process with the characteristics of the filter defined by the Japan Meteorological Agency. In the figure, F 1 represents the characteristic of the filter 14, F 2 represents the JMA defined filters. It can be seen that the characteristics of both filters are very close.

数3式〜数11式から明らかなように、フィルタ14は、整数の足し算5回、引き算6回、ビットシフト操作9回の演算で実現されている。本実施の形態においては、上述したように、G=2=1と設定されているので、整数の足し算5回、引き算6回、ビットシフト操作8回の演算で実現されている。従って、従来の実数を用いた計算方法に比べ、演算時間が二桁程度軽減され、大幅な低消費電力化が図られる。また、マイコンを用いることなく、ハードウェアのみで気象庁定義のフィルタに近似したフィルタを実行できるので、低消費電力化を図ることができる。 As is apparent from the equations (3) to (11), the filter 14 is realized by an arithmetic operation of adding integers 5 times, subtracting 6 times, and bit shifting operation 9 times. In the present embodiment, as described above, since G 4 = 2 0 = 1 is set, this is realized by arithmetic operations of integer addition 5 times, subtraction 6 times, and bit shift operation 8 times. Therefore, the calculation time is reduced by about two orders of magnitude compared with the conventional calculation method using real numbers, and a significant reduction in power consumption is achieved. In addition, since a filter approximated to a filter defined by the Japan Meteorological Agency can be executed only by hardware without using a microcomputer, power consumption can be reduced.

{3.震度の演算と判定}
上述したフィルタ14によって、加速度波形データA(t)、A(t)、A(t)は、加速度波形データH(t)、H(t)、H(t)に変換される。次に、加速度波形データH(t)、H(t)、H(t)に基づいて振幅W(t)が算出される。さらに、加速度センサ11の感度Cと、フィルタ14のゲインを1.0とするために設定された係数Aを用いて振幅W(t)が補正される。補正された振幅W(t)に基づいて、測定震度の瞬時値S(t)が算出され、最終的に、測定震度Sが推定される。
{3. Calculation and determination of seismic intensity}
The above-described filter 14 converts the acceleration waveform data A X (t), A Y (t), A Z (t) into acceleration waveform data H X (t), H Y (t), H Z (t). Is done. Next, the amplitude W (t) is calculated based on the acceleration waveform data H X (t), H Y (t), and H Z (t). Furthermore, the sensitivity C of the acceleration sensor 11, the gain of the filter 14 by using the coefficients A 2, which is set to 1.0 amplitude W (t) is corrected. Based on the corrected amplitude W (t), an instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is calculated, and finally the measured seismic intensity S is estimated.

<3−1.震度演算の理論>
まず、本実施の形態における震度演算の数学的根拠について説明する。本実施の形態においては、測定震度を0.1の分解能で推定するものとする。数4式で示される測定震度の瞬時値S(t)を、W(t)を用いて表現するために、数4式を数13式に変形する。W(t)は数3式を3乗することで得られる。
<3-1. Theory of seismic intensity calculation>
First, the mathematical basis of the seismic intensity calculation in this embodiment will be described. In this embodiment, the measured seismic intensity is estimated with a resolution of 0.1. In order to express the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity expressed by Equation 4 using W (t) 6 , Equation 4 is transformed into Equation 13. W (t) 6 is obtained by raising Equation 3 to the third power.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

数2式においては、0.3秒以上継続した振幅Wを入力することで、測定震度Sを算出した。これに対して、数4式では、時間の経過とともに変動するW(t)を代入することで、測定震度の瞬時値S(t)を算出している。 In Equation 2, the measured seismic intensity S m was calculated by inputting the amplitude W m that continued for 0.3 seconds or more. On the other hand, in Equation 4, the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is calculated by substituting W (t) that varies with time.

次に、W(t)を数14式のように置き換える。 Next, W (t) 6 is replaced as shown in Equation 14.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

数13式と数14式とから測定震度の瞬時値S(t)は、数15式のように変形できる。   From the equation (13) and the equation (14), the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity can be transformed as the equation (15).

Figure 2011047657
Figure 2011047657

測定震度の瞬時値S(t)を、例えば4.0以上から、0.1の分解能で算出する場合には、以下のように取り扱う。測定震度の瞬時値S(t)が、3.95から4.05までの範囲である場合に、測定震度の瞬時値S(t)として、4.0を対応させる。数15式においてS(t)=3.95と代入することで、測定震度の瞬時値S(t)が3.95である場合の桁数Aは、数15式より、数16式のように表される。数16式において、係数Cは、加速度センサ11の感度であり、係数Aは、フィルタのゲインであり、上記の数11式により求められる。 When the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is calculated with a resolution of 0.1 from 4.0 or more, for example, it is handled as follows. When the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is in the range from 3.95 to 4.05, 4.0 is associated as the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity. By substituting S (t) = 3.95 in equation (15), the number of digits A 0 when the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is 3.95 is given by equation (16) from equation (15). It is expressed as follows. In Equation 16 Equation, the coefficient C is the sensitivity of the acceleration sensor 11, the coefficient A 2 is the gain of the filter is determined by the number 11 formula above.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

W(t)を二進数で表した場合の最大ビットの桁数をB(t)とすると、測定震度の瞬時値S(t)は、式(15)〜式(16)より数17式のように表される。 Assuming that the number of digits of the maximum bit when B (t) 6 is expressed in binary is B 4 (t), the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is expressed by Equation 17 from Equations (15) to (16). It is expressed as an expression.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

W(t)を演算する場合、二進法で表した場合の最大ビットの桁のみを使用すればよい。つまり、この演算を高分解能で行う必要はなく、桁落ちを考慮して、整数の演算に変更して行うことができる。 When calculating W (t) 6 , it is only necessary to use the digit of the maximum bit when expressed in binary. That is, it is not necessary to perform this calculation with high resolution, and it can be performed by changing to an integer calculation in consideration of digit loss.

気象庁の震度の定義では、W(t)が、0.3秒間以上、W以上となる場合のWの値の最大値Wを数2式に代入することになっている。この定義は、測定震度の瞬時値S(t)が0.3秒間以上S以上となる場合のSの最大値Sを求めることと等価である。従って、数17式を用いて、0.3秒間以上となる最大値Sを求めれば良いことになる。 According to the definition of seismic intensity of the Japan Meteorological Agency, the maximum value W m of the value of W a when W (t) is equal to or greater than W a for 0.3 seconds or more is to be substituted into Equation 2. This definition is equivalent to obtaining the maximum value S m of S a when the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is S a or more for 0.3 seconds or more. Therefore, the maximum value S m that is 0.3 seconds or longer can be obtained using Equation (17).

ここでは、測定震度4.0から0.1の分解能で得る場合を例に挙げて説明した。数17式における4.0の項は、基準震度を表す。例えば、測定震度5.0から0.1の分解能で得る場合(この場合、基準震度は5.0である。)には、測定震度の瞬時値S(t)が、4.95から5.05までの範囲である場合に、測定震度の瞬時値S(t)として、5.0を対応させる。数4式においてS(t)=4.95と代入することで、測定震度の瞬時値S(t)が4.95である場合の桁数Aは、数16式において、3.95を4.95に置き換えればよい。そして、測定震度の瞬時値S(t)は、数17式において、4.0を5.0に置き換えればよい。より一般的には、震度Nから0.1の分解能で得るためには、数16式において、3.95を(N−0.05)に置き換え、数17式における4.0をNに置き換えればよい。 Here, a case where the measured seismic intensity is obtained with a resolution of 4.0 to 0.1 has been described as an example. The 4.0 term in Equation 17 represents the standard seismic intensity. For example, when the measured seismic intensity is obtained with a resolution of 5.0 to 0.1 (in this case, the reference seismic intensity is 5.0), the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is 4.95 to 5.95. When the range is up to 05, 5.0 is associated as the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity. By substituting S (t) = 4.95 in Equation 4, the number of digits A 0 when the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is 4.95 is 3.95 in Equation 16. It may be replaced with 4.95. The instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity may be replaced with 5.0 in Expression 17 below. More generally, in order to obtain seismic intensity N with a resolution of 0.1, in Equation 16, 3.95 can be replaced with (N-0.05), and 4.0 in Equation 17 can be replaced with N. That's fine.

<3−2.震度演算の構成>
次に、上述した数学的根拠に基づいて振幅W(t)、測定震度の瞬時値S(t)の演算および測定震度Sの判定を行う回路構成について説明する。図4は、振幅演算部15および測定震度演算部16の回路ブロック図である。
<3-2. Configuration of seismic intensity calculation>
Next, a circuit configuration for calculating the amplitude W (t) and the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity and determining the measured seismic intensity S based on the mathematical basis described above will be described. FIG. 4 is a circuit block diagram of the amplitude calculator 15 and the measured seismic intensity calculator 16.

振幅演算部15は、加速度波形データH(t)、H(t)、H(t)を入力し、数3式で示した演算を行うことにより、振幅W(t)を算出する。 The amplitude calculator 15 receives the acceleration waveform data H X (t), H Y (t), and H Z (t), and calculates the amplitude W (t) 2 by performing the calculation shown in Equation 3. To do.

測定震度演算部16は、近似演算部161、桁数演算部162、瞬時値演算部163および最大値判定部164を備えている。   The measured seismic intensity calculation unit 16 includes an approximate calculation unit 161, a digit number calculation unit 162, an instantaneous value calculation unit 163, and a maximum value determination unit 164.

近似演算部161は、数18式および数19式で示す演算を行うことにより、W(t)の最大ビットの桁数MとK(t)を出力する。 The approximate calculation unit 161 outputs the number of digits M and K (t) 6 of the maximum bits of W (t) 2 by performing the calculations shown in Formula 18 and Formula 19.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

Figure 2011047657
Figure 2011047657

桁数演算部162は、入力したW(t)の最大ビットの桁数Mと、K(t)の最大ビットの桁数とから、W(t)の最大ビットの桁数A(t)を求める。 The number-of-digits calculation unit 162 calculates the number of digits A (the maximum number of bits of W (t) 6 from the number of digits M of the maximum bits of W (t) 2 and the number of digits of the maximum bits of K (t) 6. t).

瞬時値演算部163は、W(t)の最大ビットの桁数A(t)を入力すると、数20式に示す演算を行い、測定震度の瞬時値S(t)を算出する。 When the instantaneous value calculation unit 163 inputs the number of digits A (t) of the maximum bits of W (t) 6 , the instantaneous value calculation unit 163 performs the calculation shown in Equation 20 and calculates the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

数20式において、A(t)=A(t)−Aである。瞬時値演算部163において算出されたA(t)は、最大値判定部164に入力される。 In Equation 20, A 4 (t) = A (t) −A 0 . A 4 (t) calculated by the instantaneous value calculation unit 163 is input to the maximum value determination unit 164.

測定震度の瞬時値S(t)を0.1の分解能で求める場合、数15式からA(t)は整数で求めれば十分である。測定震度の瞬時値S(t)を、0.1刻みで、4.0から7.0までの範囲で求める場合は、31個のカウンタが必要となる。最大値判定部164が備えるカウンタ165は、第1から第31までの31個の記憶領域を有している。   When the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is obtained with a resolution of 0.1, it is sufficient that A (t) is obtained as an integer from Equation 15. When the instantaneous value S (t) of the measured seismic intensity is obtained in the range from 4.0 to 7.0 in increments of 0.1, 31 counters are required. The counter 165 included in the maximum value determination unit 164 has 31 storage areas from first to 31st.

瞬時値演算部163から入力したA(t)が、1以上である場合には、第1番目から第A(t)番目の記憶領域に1が加算される。入力したA(t)が31以上の場合、全ての記憶領域に1が加算される。 When A 4 (t) input from the instantaneous value calculation unit 163 is 1 or more, 1 is added to the first to A 4 (t) -th storage areas. When the input A 4 (t) is 31 or more, 1 is added to all the storage areas.

31個の記憶領域の中で、カウント数が30以上となる記憶領域を調べ、カウント数が30以上となっている記憶領域のうち、最も上位ビットに対応する記憶領域の番号Aを求める。この記憶領域の番号Aから、数21式に示すように測定震度Sが決定される。 Among the 31 pieces of the storage area, examining the storage area count is 30 or more, among the storage areas count becomes 30 or more, obtaining the number A 4 of the storage area corresponding to the highest order bits. From number A 4 in this storage area, measured seismic intensity S as shown in Equation 21 Equation is determined.

Figure 2011047657
Figure 2011047657

カウント数が30以上となる記憶領域が存在しない場合は、測定震度が4.0以下の場合である。ここでは、測定震度4.0以上の地震を測定することを目的としている。   When there is no storage area where the count number is 30 or more, the measured seismic intensity is 4.0 or less. The purpose here is to measure earthquakes with a seismic intensity of 4.0 or more.

たとえば、震度5.0以上の地震を判定したい場合は、同様に、震度5.0から震度7.0までの震度を0.1刻みでカウントするため、カウンタとして21個の記憶領域を用意すればよい。   For example, if you want to determine an earthquake with a seismic intensity of 5.0 or higher, similarly, 21 memory areas are prepared as counters in order to count seismic intensity from seismic intensity 5.0 to seismic intensity 7.0 in increments of 0.1. That's fine.

再び、図1を参照する。測定震度演算部16において上記の演算により測定震度Sが算出されると、測定震度Sが震度判定部17に出力される。震度判定部17では、入力した測定震度Sに基づいて、ガスを遮断すべきか否かを判定する。震度判定部17は、ガスを遮断すべき測定震度Sの閾値を保持している。   Reference is again made to FIG. When the measured seismic intensity calculation unit 16 calculates the measured seismic intensity S by the above calculation, the measured seismic intensity S is output to the seismic intensity determination unit 17. The seismic intensity determination unit 17 determines whether the gas should be shut off based on the input measured seismic intensity S. The seismic intensity determination unit 17 holds a threshold value of the measured seismic intensity S that should block the gas.

震度判定部17によりガスを遮断すべきと判定された場合、ガス遮断制御部18に対してガスの遮断を指示する制御信号が出力される。この信号に応答して、ガス遮断制御部18は、ガス流量弁を閉じる操作を行う。   When the seismic intensity determination unit 17 determines that the gas should be shut off, a control signal that instructs the gas cutoff control unit 18 to shut off the gas is output. In response to this signal, the gas cutoff controller 18 performs an operation of closing the gas flow valve.

以上説明したように、本実施の形態の震度測定装置1は、足し算、引き算およびシフト演算の組み合わせにより、気象庁定義のフィルタ処理に近似したフィルタ処理を実行することができる。これにより、低消費電力化を実現する。   As described above, the seismic intensity measurement apparatus 1 according to the present embodiment can execute a filter process approximated to the JMA-defined filter process by a combination of addition, subtraction, and shift calculation. Thereby, low power consumption is realized.

たとえば、震度5程度以上の地震が発生した場合に、ガスを遮断させるバッテリ駆動型の装置等において、低消費電力型の装置の開発が可能となる。   For example, a low power consumption type device can be developed in a battery-driven device that shuts off gas when an earthquake having a seismic intensity of about 5 or more occurs.

また、本実施の形態の震度測定装置1は、分解能に応じて、測定震度Sを簡易な演算で取得することが可能である。これによっても、震度測定装置1の低消費電力化を図ることができる。   Moreover, the seismic intensity measuring apparatus 1 of this Embodiment can acquire the measured seismic intensity S by simple calculation according to the resolution. Also by this, the power consumption of the seismic intensity measuring device 1 can be reduced.

本実施の形態の地震測定装置1は、簡易な回路構成でフィルタ処理および震度の測定を行うので、処理速度の向上も図ることができる。P波検出による地震警報装置に適している。   Since the seismic measurement apparatus 1 of the present embodiment performs filter processing and measurement of seismic intensity with a simple circuit configuration, the processing speed can be improved. Suitable for earthquake warning device by P wave detection.

{4.低消費電力化対策}
震度5以上の地震を非常に高い確率で検出するためには、1成分、低速度サンプリングの加速度振幅が10ガル程度以上となった場合、サンプリングレートを高めた測定を行う必要がある。しかし、振動が大きい場所では、加速度振幅が10ガル程度以上となる場合が頻繁に発生する。
{4. Low power consumption measures}
In order to detect earthquakes with a seismic intensity of 5 or more with a very high probability, it is necessary to perform measurement with an increased sampling rate when the acceleration amplitude of one component, low-speed sampling is about 10 gal or more. However, in a place where the vibration is large, a case where the acceleration amplitude becomes about 10 gal or more frequently occurs.

本実施の形態においては、f1Hzの低速サンプリングレートで観測中、ある1成分の加速度データが閾値E1以上になった場合、f2Hzの中速サンプリングレートで、当該1成分の加速度データの観測を実施する。中速サンプリングレート観測で、t1秒間以上、加速度が閾値E2未満の状態が継続すると、低速サンプリングレートに戻る。逆に、加速度が閾値E2以上になった場合には、100Hzサンプリングレートで3成分の加速度データを観測し、震度の瞬時値を計算する。100Hzサンプリングによる観測の結果、瞬時値が閾値E3未満となる状態がt2秒間以上継続した場合には、中速サンプリングレートに戻る。閾値、f1,f2,E1,E2,E3,t1,t2の値は、過去に発生した地震で、国の強震観測網で観測された波形データを用い、統計上100%の確率で、地震発生が検出できるように設定される。この設定が最適となるようにすることにより、人工的ノイズ震幅が大きい場所でも、中速サンプリングレートや、100Hzサンプリングレートでの3成分の観測時間を短くすることができる。   In the present embodiment, when the acceleration data of one component becomes equal to or higher than the threshold value E1 during observation at the low sampling rate of f1 Hz, the acceleration data of the one component is observed at the medium sampling rate of f2 Hz. . If the acceleration is less than the threshold value E2 for t1 seconds or longer during medium-speed sampling rate observation, the low-speed sampling rate is restored. Conversely, when the acceleration is equal to or greater than the threshold value E2, three component acceleration data is observed at a 100 Hz sampling rate, and an instantaneous value of seismic intensity is calculated. As a result of observation by 100 Hz sampling, when the state where the instantaneous value is less than the threshold value E3 continues for t2 seconds or more, the medium speed sampling rate is restored. The threshold values f1, f2, E1, E2, E3, t1, and t2 are earthquakes that occurred in the past. Using the waveform data observed by the national strong motion observation network, there is a statistical probability of 100%. Is set to be detected. By optimizing this setting, the observation time of the three components at the medium speed sampling rate or 100 Hz sampling rate can be shortened even in a place where the artificial noise amplitude is large.

図1に示した地震発生検出部19および測定震度演算部16には、過去に発生した地震の波形データを用いて、地震発生を統計上100%の確率で、かつ、最も効率的に検出するための閾値が設定されている。通常、A/D変換器13は、1成分の加速度データに対して、低速サンプリングレートでA/D変換を行い、低消費電力状態で動作している。地震発生検出部19は、A/D変換器13から出力された加速度波形データA(t)を入力し、加速度が閾値以上であるか、未満であるかの判定を行う。地震発生検出部19は、加速度が閾値以上になると、切替部20に対して、中速サンプリングレートでの観測を行うよう通知する。切替部20は、この制御信号に応答して、A/D変換器13に対してサンプリングレートの変更指示を行う。中速サンプリングレート観測において、加速度が別の閾値以上となった場合には、地震発生検出部19は、A/D変換器13が3成分の加速度データに対して高サンプリングレートで動作するよう制御する。加速度振幅が、所定期間以上、閾値未満である状態が継続すると、サンプリングレートを下げ、中速、あるいは、低速サンプリングレートにする。震度が閾値以上である場合には、短時間、500Hzサンプリングを行い、波形データの卓越周波数等を調べ、地震であるか、ノイズであるかの判定を行う。この操作により、誤動作の少ない、地震検出が可能である。閾値、f1,f2,E1,E2,E3,t1,t2の値を最適となるよう選ぶことにより、新幹線の高架橋の下や、高速道路の下のように、極端に振動が大きい場所でも、平均的サンプリングレート2.5Hz程度で、非常に高い確率での地震検出が可能であり、バッテリでの長時間の使用が可能である。 The earthquake occurrence detector 19 and the measured seismic intensity calculator 16 shown in FIG. 1 use the waveform data of earthquakes that have occurred in the past to detect the occurrence of earthquakes with a statistically 100% probability and most efficiently. A threshold value is set. Usually, the A / D converter 13 performs A / D conversion on the acceleration data of one component at a low sampling rate and operates in a low power consumption state. The earthquake occurrence detection unit 19 receives the acceleration waveform data A X (t) output from the A / D converter 13 and determines whether the acceleration is greater than or less than a threshold value. When the acceleration becomes equal to or greater than the threshold value, the earthquake occurrence detection unit 19 notifies the switching unit 20 to perform observation at the medium speed sampling rate. In response to the control signal, the switching unit 20 instructs the A / D converter 13 to change the sampling rate. In the medium-speed sampling rate observation, when the acceleration is equal to or higher than another threshold, the earthquake occurrence detection unit 19 controls the A / D converter 13 to operate at a high sampling rate with respect to three-component acceleration data. To do. When the acceleration amplitude continues for a predetermined period or longer and less than the threshold value, the sampling rate is lowered to a medium or low sampling rate. If the seismic intensity is equal to or greater than the threshold value, 500 Hz sampling is performed for a short time, and the dominant frequency of the waveform data is examined to determine whether it is an earthquake or noise. This operation enables earthquake detection with few malfunctions. By choosing the optimal values for the threshold values f1, f2, E1, E2, E3, t1, and t2, the average is obtained even in places with extremely large vibrations, such as under the bullet train viaduct or under the expressway. With a typical sampling rate of about 2.5 Hz, earthquake detection with a very high probability is possible, and the battery can be used for a long time.

図5は、有楽町駅近くの高架橋の下での測定テスト結果である。最大加速度300ガルが観測された。本実施の形態の地震測定装置1は、大きな振幅の信号を検出し、区間Tにおいて、X,Y,Z方向の3成分について、100Hzサンプリングでデータ収録を行う震度測定モードに入った。 FIG. 5 shows measurement test results under a viaduct near Yurakucho Station. A maximum acceleration of 300 gal was observed. Seismic measuring device 1 of this embodiment detects a large amplitude of the signal, in the interval T 1, X, Y, about 3 component in the Z-direction, entered the seismic intensity measurement mode for data recording at 100Hz sampling.

次に、震度5以上の測定結果が得られたため、区間Tにおいて、500Hzサンプリングでデータ収録が行なわれた。区間Tにおいて、卓越周波数および地震波の特性を有しているかのチェックが行なわれた。その結果、ノイズであることが示され、区間Tでは、再び低速サンプリングレートによるデータ収録に戻った。 Then, since the intensity 5 or more measurement results were obtained, in the interval T 2, the data recorded in 500Hz sampling was performed. In the section T 2, she is of the checks have characteristics of dominant frequency and seismic waves was conducted. As a result, it is shown to be noise, the interval T 3, and returned to the data recording by the lower sampling rate again.

{5.雷対策}
気象庁による緊急地震速報の観測点では、200箇所において、年1回程度、雷による振動を、震度5以上の地震として警報を配信している。加速度センサを多数設置する場合、雷対策は不可欠であると思われる。雷による振動は、1〜2秒程度で減衰するが、地震による振動はそれに比べて長く継続する。本実施の形態の震度測定装置1には、この特徴を考慮した雷対策が組み込まれている。具体的には、地震発生検出部19は、たとえ閾値を超える振幅を検出した場合であっても、あらかじめ与えられた時間、大きな振幅が継続しない場合には、地震と判定しないこととしている。振幅が所定閾値を超えた状態でビットをONにし、ビットがONとなっている期間をカウントする方法をとっているので、処理負荷も小さく、消費電力を大きくすることもない。
{5. Lightning countermeasures}
At the observation points of the earthquake early warnings by the Japan Meteorological Agency, warnings are distributed as earthquakes with a seismic intensity of 5 or more once a year at 200 stations. If many acceleration sensors are installed, lightning countermeasures are considered essential. The vibration due to lightning is attenuated in about 1 to 2 seconds, but the vibration due to the earthquake lasts longer than that. The seismic intensity measuring device 1 of the present embodiment incorporates lightning countermeasures that take this feature into consideration. Specifically, even if the earthquake occurrence detection unit 19 detects an amplitude that exceeds a threshold, if the large amplitude does not continue for a predetermined time, the earthquake occurrence detection unit 19 does not determine that there is an earthquake. Since the bit is turned on while the amplitude exceeds the predetermined threshold and the period during which the bit is on is counted, the processing load is small and the power consumption is not increased.

1 地震測定装置
11 加速度センサ
13 A/D変換器
14 フィルタ
15 振幅演算部
16 測定震度演算部
141 高域フィルタ
142 (1次)リカーシブルフィルタ
143 (2次)IIRフィルタ
144 (2次)IIRフィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Earthquake measuring device 11 Acceleration sensor 13 A / D converter 14 Filter 15 Amplitude calculating part 16 Measuring seismic intensity calculating part 141 High pass filter 142 (Primary) Recursive filter 143 (Secondary) IIR filter 144 (Secondary) IIR filter

Claims (11)

加速度波形データを入力する加速度入力部と、
前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、
前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、
を備え、
前記フィルタは、加算回路、減算回路およびビットシフト演算回路を組み合わせることで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする震度測定装置。
An acceleration input unit for inputting acceleration waveform data;
A filter that performs filtering on the acceleration waveform data and outputs corrected acceleration waveform data;
A seismic intensity calculation unit for calculating a seismic intensity from the corrected acceleration waveform data;
With
The seismic intensity measuring device, wherein the filter converts the acceleration waveform data into the corrected acceleration waveform data by combining an addition circuit, a subtraction circuit, and a bit shift operation circuit.
加速度波形データを入力する加速度入力部と、
前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、
前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、
を備え、
前記フィルタは、加算、減算、2のべき乗数の乗算および2のべき乗数の除算を組み合わせた演算を実行することで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする震度測定装置。
An acceleration input unit for inputting acceleration waveform data;
A filter that performs filtering on the acceleration waveform data and outputs corrected acceleration waveform data;
A seismic intensity calculation unit for calculating a seismic intensity from the corrected acceleration waveform data;
With
The filter converts the acceleration waveform data into the corrected acceleration waveform data by performing a combination of addition, subtraction, multiplication of powers of two, division of powers of 2 and division of power. measuring device.
請求項1または請求項2に記載の震度測定装置において、
前記フィルタは、
高域フィルタと、
低域フィルタと、
を含むことを特徴とする震度測定装置。
In the seismic intensity measuring device according to claim 1 or 2,
The filter is
A high-pass filter,
A low pass filter,
Seismic intensity measuring device characterized by including.
請求項3に記載の震度測定装置において、
前記高域フィルタは、数1式で示される演算を行う微分フィルタを有し、
は、整数演算の桁落ちを考慮して設定される2のべき乗数の定数であることを特徴とする震度測定装置。
ただし、tは時間であり、X(t)は加速度波形データであり、Y(t)は微分フィルタの出力である。
Figure 2011047657
In the seismic intensity measuring device according to claim 3,
The high-pass filter has a differential filter that performs an operation represented by Equation (1),
A 1 is a seismic intensity measuring device characterized in that it is a constant of a power of 2 set in consideration of a digit loss in integer arithmetic.
Where t is time, X (t) is acceleration waveform data, and Y 1 (t) is the output of the differential filter.
Figure 2011047657
請求項3に記載の震度測定装置において、
前記低域フィルタは、数2式で示される演算を行うリカーシブルフィルタを有し、
は、2のべき乗数であることを特徴とする震度測定装置。
ただし、tは時間、Y(t)はリカーシブルフィルタの入力であり、Y(t)は、リカーシブルフィルタの出力である。
Figure 2011047657
In the seismic intensity measuring device according to claim 3,
The low-pass filter includes a recursible filter that performs an operation represented by Formula 2,
G 1 is a power of 2 and is a seismic intensity measuring device.
However, t is time, Y 1 (t) is the input of recursive Le filter, Y 2 (t) is the output of the recursive Le filter.
Figure 2011047657
請求項3に記載の震度測定装置において、
前記低域フィルタは、
数3式および数4式で示される演算を行う第1のIIRフィルタと、
数5式および数6式で示される演算を行う第2のIIRフィルタと、
を有し、
、G、GおよびGは、2のべき乗数であることを特徴とする震度測定装置。
ただし、tは時間であり、Y(t)は第1のIIRフィルタの入力であり、D(t)は第1のIIRフィルタのフィードバック項である。また、D(t)は第1のIIRフィルタの出力であり、かつ、第2のIIRフィルタの入力である。D(t)は、第2のIIRフィルタのフィードバック項であり、D(t)は第2のIIRフィルタの出力である。
Figure 2011047657
Figure 2011047657
Figure 2011047657
Figure 2011047657
In the seismic intensity measuring device according to claim 3,
The low pass filter is
A first IIR filter that performs the operations shown in Equation 3 and Equation 4;
A second IIR filter that performs the operations shown in Equation 5 and Equation 6,
Have
G 2 , G 3 , G 4 and G 5 are powers of 2, and the seismic intensity measuring device.
Where t is time, Y 2 (t) is the input of the first IIR filter, and D 1 (t) is the feedback term of the first IIR filter. D 2 (t) is the output of the first IIR filter and the input of the second IIR filter. D 3 (t) is a feedback term of the second IIR filter, and D 4 (t) is an output of the second IIR filter.
Figure 2011047657
Figure 2011047657
Figure 2011047657
Figure 2011047657
加速度波形データを入力する加速度入力部と、
前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、
前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、
を備え、
前記震度算出部は、
X,Y,Z3方向の前記補正加速度波形データをH(t)、H(t)、H(t)としたとき、数7式で示される演算を行うことによりW(t)を求める第1震度演算部と、
Figure 2011047657
数8式で示されるS(t)を、W(t)=2A(t)とすることにより、数9式のように変形し、
Figure 2011047657
Figure 2011047657
震度NとなるA(t)をA=10(N−0.94+2log(C*A))とし、W(t)を二進数で表した場合の最大ビットの桁数をB(t)とすることにより、数10式で示される演算を行うことにより震度S(t)を求める第2震度測定部と、
を含むことを特徴とする震度測定装置。
Figure 2011047657
ただし、数10式において、Sは基準震度である。
An acceleration input unit for inputting acceleration waveform data;
A filter that performs filtering on the acceleration waveform data and outputs corrected acceleration waveform data;
A seismic intensity calculation unit for calculating a seismic intensity from the corrected acceleration waveform data;
With
The seismic intensity calculation unit
When the corrected acceleration waveform data in the X, Y, and Z3 directions is H X (t), H Y (t), and H Z (t), W (t) is obtained by performing the calculation shown in Formula 7. A first seismic intensity calculation unit to be obtained;
Figure 2011047657
By changing S (t) shown in Equation 8 to W (t) = 2 A (t) , it is transformed into Equation 9;
Figure 2011047657
Figure 2011047657
When A (t) with seismic intensity N is A 0 = 10 (N−0.94 + 2 log (C * A)), and W (t) 6 is expressed in binary, the number of digits of the maximum bit is B N (t ), The second seismic intensity measurement unit for obtaining the seismic intensity S (t) by performing the calculation represented by Equation 10;
Seismic intensity measuring device characterized by including.
Figure 2011047657
However, the number 10 formula, S B is the reference seismic intensity.
請求項7に記載の震度測定装置において、さらに、
前記第2震度測定部により測定された震度S(t)が0.3秒間以上、S以上となる場合のSの値の最大値Sを震度として出力する最大値判定部、
を備えることを特徴とする震度測定装置。
The seismic intensity measuring device according to claim 7, further comprising:
The second seismic S measured by the seismic intensity measuring portion (t) is more than 0.3 seconds, the maximum value determination unit for outputting a maximum value S m of the values of S a when the above S a as seismic intensity,
A seismic intensity measuring device comprising:
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の震度測定装置において、さらに、
前記加速度入力部に入力される加速度波形データをA/D変換するA/D変換器と、
前記A/D変換器のサンプリングレートを決定するサンプリングレート決定部と、
を備え、
前記サンプリングレート決定部は、
前記震度測定装置が観測した加速度に応じて異なる加速度の閾値で地震の検出を行う地震発生検出部と、
前記地震発生検出部の検出結果に応じて、前記A/D変換器のサンプリングレートを切り替える切替部と、
を含むことを特徴とする地震測定装置。
In the seismic intensity measuring device according to any one of claims 1 to 8,
An A / D converter for A / D converting acceleration waveform data input to the acceleration input unit;
A sampling rate determining unit for determining a sampling rate of the A / D converter;
With
The sampling rate determining unit
An earthquake occurrence detector that detects an earthquake at a threshold of different acceleration according to the acceleration observed by the seismic intensity measurement device;
According to the detection result of the earthquake occurrence detection unit, a switching unit for switching the sampling rate of the A / D converter,
A seismic measuring device comprising:
請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の地震測定装置において、
前記震度算出部が算出した震度の継続時間が所定の時間より短い場合には、地震としての測定をキャンセルすることを特徴とする地震測定装置。
In the earthquake measuring device according to any one of claims 1 to 9,
The seismic intensity measurement apparatus characterized by canceling the measurement as an earthquake when the duration of the seismic intensity calculated by the seismic intensity calculation unit is shorter than a predetermined time.
請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の地震測定装置において、さらに、
前記震度算出部が算出した震度が所定の閾値を上回る場合、ガスを遮断する制御を行うガス遮断制御部、
を備えることを特徴とする地震測定装置。
The earthquake measurement device according to any one of claims 1 to 10, further comprising:
When the seismic intensity calculated by the seismic intensity calculation unit exceeds a predetermined threshold, a gas cutoff control unit that controls to shut off the gas,
An earthquake measuring apparatus comprising:
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