JP2015148539A - 地震情報配信システムとノイズ判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、地震情報配信システムに関し、従来は振動におけるノイズの影響が大きく、比較的大きな地震に限定されて測定する等の制約があり、地震被害の予測の精度を高めるにはコストが嵩むことが課題であって、それを解決することである。【解決手段】振動検知手段と、振動による加速度データを解析して震度を計算する震度解析プログラムと、情報配信手段とを少なくとも有した地震センサ付きの携帯情報端末２と、前記携帯情報端末に接続される通信用ネットワーク５と、前記通信用ネットワークに接続される情報受信・表示装置と、を少なくとも有して構成され、前記携帯情報端末２には、振動の加速度データから元波形と当該元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数の値を計算し、当該相関係数の値と閾値とを比較して、得られた前記振動がノイズであるか地震であるかを判定する、ノイズ判定手段を有している地震情報配信システム１とするものである。【選択図】図１

Description

本発明は、携帯情報端末を設置した建物において、振動の発生の際に、ノイズによる誤動作を回避して、地震である場合の震度と建物被災度とを知らせるとともに、建物の使用継続が可能か否かを判断できる、携帯情報端末を使用した地震情報配信システムとノイズ判定方法に関するものである。

従来、例えば、図１０（Ａ）に示すように、地震情報システムでは、全ての機器が地震観測専用機器であるので、汎用のＩＴ機器（パーソナルコンピュータ等）との連携手段が限られてしまい、柔軟なシステム構成が採れないとともに、機器類のコストが嵩むシステムである。また、図１０（Ｂ）に示すように、形態情報端末を利用する一形態、若しくは、地震被害判定システムなどが知られている（特許文献１，２参照）。

特開２０１２−１６８００８号公報 特開２００８−３９４４６号公報

しかし、上記の例では、小地震とノイズとの判別アルゴリズムが無い。建物内のＩＴ機器との連携が無い。更に、建物の外部に居る関係者が、地震観測結果を知ることが困難である。また、携帯端末に用いられる加速度センサーは、ノイズが大きく、ノイズによる誤動作を避けるには、震度３〜４以上の比較的大きな地震のみに限定する必要がある。従来の被災度推定システムでは、事前の建物の地震応答解析が必須であり、推定アルゴリズムが複雑で、センサーに高い精度が要求され、その推定方法の特徴から自動的な推定が困難であって、専門家の判断が必要となり、極めて手間が掛かるという課題がある。本発明に係る地震情報配信システムとノイズ判定方法は、このような課題を解決するために提案されたものである。

本発明に係る地震情報配信システムの上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、振動検知手段と、振動による加速度データを解析して震度を計算する震度解析プログラムと、情報配信手段とを少なくとも有した地震センサ付きの携帯情報端末と、前記携帯情報端末に接続される通信用ネットワークと、前記通信用ネットワークに接続される情報受信・表示装置と、を少なくとも有して構成され、
前記携帯情報端末には、振動の加速度データから元波形と当該元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数の値を計算し、当該相関係数の値と閾値とを比較して、得られた前記振動がノイズであるか地震であるかを判定する、ノイズ判定手段を有していることである。

前記加速度データは、水平な２方向と、鉛直１方向との加速度データであり、これらの３方向について相関係数の値をノイズ判定手段で求めるものである。
また、水平な２方向と鉛直１方向との３方向の加速度データにおいて、閾値を０．２として、いずれか一つの方向における相関係数の値が０．２以上であれば、ノイズ判定手段において前記加速度データに係る振動が地震であると判定することである。

更に、前記振動を振動検知手段で検知した後、その振動の加速度データの収録中において震度解析プログラムで震度計算を行い、その振動の測定完了後に、前記振動がノイズか地震かの判定をノイズ判定手段で行うことである。
また、前記ノイズ判定手段で振動が地震であると判定された場合にのみ、携帯情報端末の記憶部に対象建物の構造を特定するデータと震度に対応した被害情報とが記憶されている地震被害データベースから、前記地震の震度に対応する対象建物の被害予測情報を被害解析手段で抽出して、その対象建物の被害予測情報を震度情報と共に情報配信手段で通信用ネットワークを介して配信することを含むものである。

本発明に係るノイズ判定方法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、振動の加速度データから、水平な２方向と鉛直１方向との３方向について、元波形と元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数の値を求め、閾値を０．２として、前記３方向のうちのいずれか一つの方向における相関係数の値が０．２以上であれば、前記加速度データに係る振動が地震であるとノイズ判定手段で判定することである。

前記振動を加速度センサーで検知した後、その振動の加速度データの収録中において震度解析プログラムで震度計算を行い、その振動の測定完了後に、ノイズ判定手段で前記振動がノイズまたは地震であるかの判定を行うことを含むものである。

本発明の地震情報配信システムとノイズ判定方法によれば、加速度データから相関係数（自己相関係数、以下、同じ）の値を求めて、該自己相関係数値と閾値とを比較することで、例えば、震度２以上の地震を検知する感度を確保しつつ、ノイズによる誤動作を回避できると言う優れた効果を奏する。
また、振動の加速度データから、水平な２方向と鉛直１方向との３方向について、元波形と元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との自己相関係数の値を求め、前記３方向のうちのいずれか一つの方向における自己相関係数の値が０．２以上であれば、前記加速度データに係る振動が地震であると判定することで、地震が１方向にだけ大きく揺れる場合があることを考慮すれば、ノイズ判定に適した判定方法となる。

携帯情報端末を用いてノイズを判別すると共に被災度も推定して外部に配信するので、機動性が高く、高い配信機能が発揮され、迅速に建物の被災状況を判断して使用継続の判断が行えると言う優れた効果を奏するものである。

また、各携帯情報端末は、加速度センサーを備えて独立しているので、センサー設置点の変更・追加・撤去に関して、特別な設定変更が必要無いので、メンテナンスが容易であるという優れた効果を奏するものである。

本発明に係る地震情報配信システム１の最小の構成例を示すシステム構成図である。 同本発明の地震情報配信システム１の、遠隔管理型のシステム構成図である。 同本発明の地震情報配信システム１の、データ外部管理型のシステム構成図である。 同本発明の地震情報配信システム１の、汎用型のシステム構成図である。 ノイズ判定手段における、センサ出力の自己相関性を示す相関図である。 自己（相互）相関係数Ｒの確率分布が正規分布で有ることを示す説明図である。 同本発明の地震情報配信システム１の振動が検知されたときのフローチャート図である。 ３回の振動を、それぞれノイズ判定手段で水平・鉛直の３方向に係る自己相関係数Ｒの値を求めた例を示す説明図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）である。 携帯情報端末における、地震被害データベースとして記憶部に記憶される内容を示す詳細図（Ａ）と、地震の揺れに対応する被災度を推定する場合の方法を示す説明図（Ｂ）である。 従来例に係る地震情報の配信システムを示す例の概略構成図（Ａ），（Ｂ）である。

本発明に係る地震情報配信システム１は、図１と図５とに示すように、携帯情報端末２にノイズ判定手段を設けて、建物の被害予測情報を得る過程において、ノイズの影響による誤動作を排除するようにしたものである。

図１に示すように、前記携帯情報端末２は、加速度センサーによる振動検知手段と、振動による加速度データを解析して震度を計算する震度解析プログラムと、情報配信手段とを少なくとも有している。前記携帯情報端末２とは、例えば、ＰＤＡ、そのほか、スマートフォン、ｉＰｈｏｎｅ、ｉＰａｄ、タブレットコンピュータ端末、通話機能を備えた小型ノートＰＣ、などを含むものである。

そして、前記携帯情報端末２に接続されるハブ３、該ハブ３に接続される各個人のパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）４、前記ハブ４に接続される通信用ネットワークとして主のインターネット５と、前記通信用ネットワーク５に接続される外部ユーザー６におけるの情報受信・表示装置（携帯情報端末、ＰＣ、ノートＰＣなど）とを少なくとも有して構成されている。

、
そのほか、図２〜図４に、他の実施例として、図２に管理者７と、該管理者７がインターネット５を介してアクセスする端末制御サーバ８を設けた遠隔管理型のシステム構成図、図３に外部ユーザー６とＰＣ４とがインターネット５を介してデータ共有・簡易診断サーバ９にアクセスできるデータ外部管理型のシステム構成図、図４にこれらの組みあわせを集めてなる汎用型のシステム構成図を示す。

前記携帯情報端末２には、振動の加速度データから元波形と当該元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数の値を計算し、当該相関係数の値と閾値とを比較して、得られた前記振動がノイズであるか地震であるかを判定する、ノイズ判定手段を有している。

前記振動の加速度データから元波形と当該元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数Ｒを、この出願では、自己相関係数Ｒと称する。同じ加速度データを元にして、相関係数を算出するものだからである。この自己相関係数Ｒの概念として、図５に示すように、例えば、地震波の出力例であると、時間間隔ｄｔ（１コマ分：１／５０〜１／２００秒）ずらした波形との相関をとると、自己相関性の図で示すように、ほとんどデータに変化が無いので、高い相関性を示す。これに対して、ランダムなノイズであれば、相関は０（ゼロ）に近い。

前記自己相関係数Ｒの値は、ｎ個のサンプルからなる２つのベクトル（データ配列）を以下の様に置く。
Ａｎ＝（ａ１，ａ２，… ，ａｎ）、Ｂｎ＝（ｂ１，ｂ２，… ，ｂｎ）
この２つのベクトルの相互相関係数は、
（式１）
で定義される。

前記相互相関係数が自己相関係数Ｒである場合、その性質としては、観測データのベクトルが無数にある場合を考え、それぞれのデータについて、適宜な時刻として１／５０〜１／２００秒程度で、１コマずらしのデータと相互相関をとった集合Ｒ（Ｒ^１ _ｎ 、… Ｒ^ｉ _ｎ ，…）の分布は、中央極限定理より、平均μ_ｒ ，分散σ^２ _ｒ に従う正規分布となる。

ここで、前記平均μ_ｒ は、
（式２）
前記分散σ^２ _ｒ は、
（式３）
であり、Ｒ_ｎの確率分布は、図６に示す正規分布になる。

前記自己相関係数Ｒから、ノイズと地震との判断をする。それには、ノイズと判断する自己相関係数Ｒの閾値を決定する必要がある。そこで、以下のようにする。
許容できるＳ／Ｎの下限をＳＮ_０ と置くと、それに対する相互相関係数である自己相関係数Ｒ_ｎの期待値は、μ_ｒ０＝ＳＮ_０／（１＋ＳＮ_０）となる。

このとき、相互相関係数である自己相関係数Ｒが、ある値Ｒを超える基準は、次の式で表される。
（式４）
ここに、Ｎ（μ，σ^２）：平均μ，分散σ^２ の正規分布。

したがって、不良率（確率的ばらつきにより下限値を下回るＳ／Ｎ値を持つデータが排除されないで残る確率）を、Ｐcr以下に収めようとした場合、判定の基準となるＲcrは、次の式で表される。
（式５）
なお、これらの記法は、それぞれ、min｛Ａ｝；集合Ａに要素の中で最小のもの、
｛ｘ|条件式Ｂ（ｘ）｝：条件式Ｂ（ｘ）を満足する全てのｘからなる集合、を表す。

そこで、前記Ｒcrを求めると、実際の振動データに対して、条件１：まず、「少なくともデータを記録している全時間帯のうち１／１０以上の時間帯でＳ／Ｎ比が１以上」の条件を満たさないベクトルは排除する。これは、信号が弱すぎるか、継続時間の短すぎるものは、自己相関性があっても地震では無いからである。そこで、
ＳＮ_０＝１×１／１０＋０×９／１０＝０．１、
μ_r０＝ＳＮ_０／（１＋ＳＮ_０）＝０．１／（１＋０．１）＝０．０９１とする。

更に、条件２：データ数は少なくとも３，０００（５０Ｈｚで６０秒）であるので、
分散σ^２＝（０．０９１）（１−０．０９１^２）／３０００（０．１）
＝３．０×１０^−４ 、

条件３：またＰcrは、品質管理等で用いられるシックスシグマ（定義：統計学における標準偏差を意味するσである。ある品質特性値が（平均値μ，標準偏差σ）の正規分布に従う製品不良の発生状態において、「１００万回の作業を実施しても不良品の発生率を３．４回に抑える」こと、）における不良率Ｐcr＝３．４×１０^−６、これを、上記式５に代入すると、
（式６）
となる。したがって、閾値＝０．２としておくことで、自己相関係数Ｒが、０．２以上であれば、ノイズを排除しているので、振動が地震であると判るのである。

そこで、前記振動の加速度データは、水平な２方向と、鉛直１方向との加速度データであり、これらの３方向についてそれぞれ自己相関係数Ｒの値をノイズ判定手段で求めるものである。

そして、水平な２方向と鉛直１方向との３方向の加速度データにおいて、閾値を０．２として、いずれか一つの方向における自己相関係数Ｒの値が０．２以上であれば、ノイズ判定手段において前記加速度データに係る振動が地震であると判定するのである。これが、本件の明細書および特許請求の範囲において、閾値を０．２とした根拠である。

本発明に係る地震情報配信システム１において、振動があったときの処理手順を示すと、図７に示すように、携帯情報端末２において、振動検知手段、震度解析プログラム、ノイズ判定手段、情報配信手段などの、立ち上げや起動に必要な初期設定を行う（ステップ１：以下、ＳＴ１のように略記する）。

そして、ＳＴ１で待機して、前記携帯情報端末２において振動を振動検知手段で検知（ＳＴ２）した後、その振動の加速度データをＣＰＵで収録し（ＳＴ３）、その加速度データの収録中において前記ＣＰＵにインストールされている震度解析プログラムで震度計算を行う（ＳＴ４）。

前記振動の測定を完了する（ＳＴ５）。その後に、前記振動がノイズか地震かの判定をノイズ判定手段としての判定プログラムで行う（ＳＴ６）。自己相関係数Ｒが、０．２未満であれば、その振動は、ノイズであると判断され、待機状態に戻る（ＳＴ１）。一方、振動の加速度データから、水平な２方向と鉛直１方向との３方向について、元波形と元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数の値を求め、閾値を０．２として、前記３方向のうちのいずれか一つの方向における相関係数の値が０．２以上であれば、前記加速度データに係る振動が地震であるとノイズ判定手段で判定する。

振動の判定例として具体例を示すと、図８（Ａ）に示すように、データの上２つが水平方向であり、下が鉛直方向であり、自己相関係数Ｒの値がいずれも０．２以上では無い。よって、この振動は、ノイズである。図８（Ｂ）に示すデータは、上２つの水平方向の自己相関係数Ｒの値が０．６８９と、０．４９２なので閾値０．２を超えており、この振動は地震である。図８（Ｃ）に示すデータは、上の１つだけが自己相関係数Ｒが０．２２３で閾値０．２を超えており、他は０．２未満であるが、３つの方向いうち、いずれか一つの方向の自己相関係数Ｒの値が閾値以上であれば良いので、この振動は、地震であると判定される。

そして、前記ノイズ判定手段で振動が地震であると判定された場合にのみ、携帯情報端末２の記憶部に対象建物の構造を特定するデータと震度に対応した被害情報とが記憶されている地震被害データベース（ＳＴ７）から、前記地震の震度に対応する対象建物の被害予測情報を被害解析手段（ＳＴ８）としてのプログラムで抽出する。

前記地震被害データベースには、例えば、図９（Ａ）に示すように、携帯情報端末２が設置してある場所の建物が、地震による被災度を測定する対象建物である。この対象建物に関して、建物の条件としては、構造、階数、築年数などのデータが前記記憶部に記憶されている。前記構造は、鉄筋鉄骨コンクリート造（ＳＲＣ）、鉄筋コンクリート造（ＲＣ）、木造、鉄骨造（Ｓ造）の４種類である。

また、図９（Ｂ）に示すように、この対象建物の、過去の地震の震度（震度２〜６程度）による被害を、データとして記憶部に記憶されている。前記被害解析手段で、地震のよれに対応する前記対象建物の条件に合致した被災度をデータベースから抽出するものである。

次に、図７に示すように、ＳＴ９において、携帯情報端末２の情報配信手段により、その対象建物の被害予測情報を震度情報と共に通信用ネットワーク５を介して、情報配信先である、例えば、建物内のＬＡＮ内部の端末に、外部の外部サーバから一定の登録者に、若しくは、メール配信などにより配信する（ＳＴ１０）。それにより、地震の被災度の情報が各自のパソコンや携帯情報端末に表示される。

以上の様にして、地震があった場合に、対象建物の被災度が直ちに判るので、その建物の使用継続を判断することができる。

本発明に係る地震情報配信システムとノイズ判定方法によれば、携帯情報端末を使用して被災情報を、特に振動が小さい場合などにおいてノイズの影響を廃して誤動作なく、被災情報を配信することができる。

１ 地震情報配信システム、
２ 携帯情報端末、
３ ハブ、
４ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、
５ 通信用ネットワーク（インターネット）、
６ 外部ユーザー、
７ 管理者、
８ 端末制御サーバ、
９ データ共有・簡易診断サーバ。

Claims (7)

1. 振動検知手段と、振動による加速度データを解析して震度を計算する震度解析プログラムと、情報配信手段とを少なくとも有した地震センサ付きの携帯情報端末と、
   前記携帯情報端末に接続される通信用ネットワークと、
   前記通信用ネットワークに接続される情報受信・表示装置と、
   を少なくとも有して構成され、
   前記携帯情報端末には、振動の加速度データから元波形と当該元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数の値を計算し、当該相関係数の値と閾値とを比較して、得られた前記振動がノイズであるか地震であるかを判定する、ノイズ判定手段を有していること、
   を特徴とする地震情報配信システム。
2. 加速度データは、水平な２方向と、鉛直１方向との加速度データであり、これらの３方向について相関係数の値をノイズ判定手段で求めるものであること、
   を特徴とする請求項１に記載の地震情報配信システム。
3. 水平な２方向と鉛直１方向との３方向の加速度データにおいて、閾値を０．２として、いずれか一つの方向における相関係数の値が０．２以上であれば、ノイズ判定手段において前記加速度データに係る振動が地震であると判定すること、
   を特徴とする請求項２に記載の地震情報配信システム。
4. 振動を振動検知手段で検知した後、その振動の加速度データの収録中において震度解析プログラムで震度計算を行い、その振動の測定完了後に、前記振動がノイズか地震かの判定をノイズ判定手段で行うこと、
   を特徴とする請求項２または３に記載の地震情報配信システム。
5. ノイズ判定手段で振動が地震であると判定された場合にのみ、携帯情報端末の記憶部に対象建物の構造を特定するデータと震度に対応した被害情報とが記憶されている地震被害データベースから、前記地震の震度に対応する対象建物の被害予測情報を被害解析手段で抽出して、その対象建物の被害予測情報を震度情報と共に情報配信手段で通信用ネットワークを介して配信すること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の地震情報配信システム。
6. 振動の加速度データから、水平な２方向と鉛直１方向との３方向について、元波形と元波形の時刻を適宜な時刻１コマ分ずらした波形との相関係数の値を求め、閾値を０．２として、前記３方向のうちのいずれか一つの方向における相関係数の値が０．２以上であれば、前記加速度データに係る振動が地震であるとノイズ判定手段で判定すること、
   を特徴とするノイズ判定方法。
7. 振動を加速度センサーで検知した後、その振動の加速度データの収録中において震度解析プログラムで震度計算を行い、その振動の測定完了後に、ノイズ判定手段で前記振動がノイズまたは地震であるかの判定を行うこと、
   を特徴とする請求項６に記載のノイズ判定方法。