JP2015230206A - State monitoring system, information processing unit, state monitoring method, program, and recording medium - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a state monitoring system and the like capable of highly accurately performing a temporal soundness evaluation of a bridge pier.SOLUTION: A state monitoring system 1 for monitoring a state of a bridge pier 3 of a river bridge includes an acceleration sensor 11, a timer 13, and an information processing unit 15. The acceleration sensor 11 measures an acceleration of microtremor of the bridge pier 3. The information processing unit 15 calculates a power spectrum of the microtremor from the measurement result, where the information processing unit calculates, as an index value of the soundness, a ratio of a power spectrum area within a range from a vibration frequency fto a vibration frequency fto a power spectrum area within a range from a vibration frequency fto a vibration frequency fthat is larger than the vibration frequency fas a spectrum score.

Description

本発明は、橋脚の状態監視システム、情報処理装置、状態監視方法、プログラムおよび記録媒体に関する。   The present invention relates to a pier state monitoring system, an information processing apparatus, a state monitoring method, a program, and a recording medium.

既設の鉄道土木構造物には数多くの橋脚が存在する。これらは経年により劣化をしたものも多く、維持管理の高精度化および効率性向上が求められる。   There are many piers in the existing railway civil structures. Many of these have deteriorated due to aging, and high accuracy of maintenance and improvement of efficiency are required.

従来の維持管理手法としては、構造物に振動を付与し、得られたデータから健全性を判断する衝撃振動試験が多く採用されている。例えば重錘によって構造物の表面を打撃し、打撃により生じる振動をセンサ等で検出し、当該振動の固有振動数の変化によって構造物の健全性を評価する(特許文献1)。これにより、目視で発見しづらい欠陥等による劣化も発見できる。   As a conventional maintenance management technique, an impact vibration test is often employed in which vibration is applied to a structure and soundness is judged from the obtained data. For example, the surface of the structure is hit with a weight, vibration generated by the hit is detected by a sensor or the like, and the soundness of the structure is evaluated by a change in the natural frequency of the vibration (Patent Document 1). As a result, it is possible to discover deterioration due to defects that are difficult to detect visually.

特開2007−51873号公報JP 2007-51873 A

近年、維持管理の高精度化および効率性向上のため、状態監視による手法が注目されている。これは、土木構造物の健全性に影響する測定項目を長期的に状態監視し、構造物が限界状態に至る前に異常を検出し、適切な措置を行うことで構造物の延命化につなげるものである。   In recent years, a technique based on state monitoring has been attracting attention in order to improve the accuracy and efficiency of maintenance management. This will monitor the measurement items that affect the soundness of civil engineering structures over the long term, detect abnormalities before the structure reaches the limit state, and take appropriate measures to extend the life of the structure. Is.

一例として、河川橋梁では、地震時の作用に加え、洗掘の作用によっても橋脚安定性が低下する。その洗掘範囲は長期的な外力により徐々に広がる場合が多く、経時的な健全性評価が精度良くできる状態監視手法が望まれる。   As an example, in river bridges, the stability of piers is reduced by the action of scouring in addition to the action during an earthquake. In many cases, the scouring range gradually expands due to long-term external force, and a state monitoring method capable of accurately evaluating the soundness over time is desired.

この点、従来の衝撃振動試験による評価手法は、測定に時間を要し装置も大掛かりになるので、長期に渡って測定を繰り返し、経時的な健全性評価を行う状態監視には向かない。   In this regard, the conventional evaluation method based on the impact vibration test requires time for measurement and requires a large apparatus, and thus is not suitable for state monitoring in which measurement is repeated over a long period of time and soundness is evaluated over time.

本発明は、橋脚の経時的な健全性評価が精度良くできる状態監視システム等を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a state monitoring system and the like that can accurately evaluate the soundness of a pier over time.

前述した課題を解決するための第1の発明は、橋脚の状態監視システムであって、センサと情報処理装置を有し、前記センサは、前記橋脚の振動情報を測定し、前記情報処理装置は、前記振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出することを特徴とする状態監視システムである。   1st invention for solving the subject mentioned above is a state monitoring system of a pier, has a sensor and an information processor, the sensor measures vibration information of the pier, and the information processor From the waveform indicating the magnitude of vibration for each frequency obtained from the vibration information, as an index value of the soundness of the pier, the area of the waveform in the range of the frequency up to the first frequency The condition monitoring system is characterized in that a spectrum score that is a ratio of the area of the waveform in a frequency range up to a second frequency greater than the first frequency is calculated.

本発明により、風等による橋脚の常時微動をセンサにより測定した振動情報からスペクトルスコアを算出でき、これを健全性の指標値として橋脚の状態監視ができる。このスペクトルスコアは簡易に測定することができ、橋脚への入力の違いによりばらつきが生じたりすることもなく、経時的な健全性評価を精度良く行うのに適している。   According to the present invention, it is possible to calculate a spectrum score from vibration information obtained by measuring the microtremors of the pier due to wind or the like with a sensor, and to monitor the state of the pier using this as an index value of soundness. This spectrum score can be easily measured, and does not vary due to the difference in input to the pier, and is suitable for accurately evaluating the soundness over time.

前記波形はパワースペクトルの波形であることが望ましい。
パワースペクトルによって振動数毎のエネルギーの大きさを表現でき、振動数ごとの値の大小も明確に現れる。したがって、パワースペクトルの面積に基づきスペクトルスコアを算出することで、精度良く健全性の評価ができる。
The waveform is preferably a power spectrum waveform.
The magnitude of energy for each frequency can be expressed by the power spectrum, and the magnitude of the value for each frequency appears clearly. Therefore, by calculating the spectrum score based on the area of the power spectrum, it is possible to accurately evaluate the soundness.

前記スペクトルスコアは、第3の振動数から前記第2の振動数までの範囲の前記波形の面積を、前記第3の振動数から前記第1の振動数までの範囲の前記波形の面積で割って算出することが望ましい。
係るスペクトルスコアは、従来の衝撃振動試験によって得た固有振動数と良好な比例関係にあり、精度良く健全性の評価ができる。
The spectrum score is obtained by dividing the area of the waveform in the range from the third frequency to the second frequency by the area of the waveform in the range from the third frequency to the first frequency. It is desirable to calculate by
The spectrum score has a good proportional relationship with the natural frequency obtained by the conventional shock vibration test, and the soundness can be accurately evaluated.

前記センサは、前記橋脚の橋軸直交方向の振動情報を測定することが望ましい。
橋脚の橋軸直交方向の安定性は橋軸方向の走行安全性に特に影響を与える。また、河川橋梁においては橋脚の橋軸直交方向の側方が洗掘され、当該方向の安定性が低下しやすい。従って、橋軸直交方向に注目して橋脚の状態監視を行うことが重要である。
The sensor preferably measures vibration information of the bridge pier in a direction orthogonal to the bridge axis.
The stability of the bridge pier in the direction perpendicular to the bridge axis affects the running safety in the bridge axis direction. Also, in river bridges, the sides of the piers in the direction perpendicular to the bridge axis are scoured, and the stability in that direction tends to decrease. Therefore, it is important to monitor the state of the pier, paying attention to the direction perpendicular to the bridge axis.

第1の状態監視システムは、前記振動情報の測定時間を定めたタイマーを有することが望ましい。
本発明では、タイマーにより測定時間を定めることで、振動情報の測定を例えば列車等の非運行時とし、風等による橋脚の常時微動からスペクトルスコアの算出ができる。
It is desirable that the first state monitoring system has a timer that defines a measurement time of the vibration information.
In the present invention, the measurement time is determined by a timer so that vibration information is measured when the train is not operating, for example, and the spectrum score can be calculated from the fine movement of the pier caused by wind or the like.

前記橋脚が河川に設けられた橋脚であることが望ましい。
河川橋梁では橋脚近辺の地盤の洗掘範囲が徐々に広がり、長期的に橋脚安定性が低下する場合が多く、本発明を適用して長期の状態監視を行うのに特に適している。
The pier is preferably a pier provided in a river.
In river bridges, the scouring range of the ground near the pier gradually widens, and the stability of the pier is often lowered in the long term, and is particularly suitable for long-term condition monitoring by applying the present invention.

第2の発明は、センサによって測定した橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出することを特徴とする情報処理装置である。
前記波形はパワースペクトルの波形であることが望ましい。
前記スペクトルスコアは、第3の振動数から前記第2の振動数までの範囲の前記波形の面積を、前記第3の振動数から前記第1の振動数までの範囲の前記波形の面積で割って算出することが望ましい。
2nd invention makes 1st frequency into an upper limit from the waveform which shows the magnitude | size of the vibration for every frequency obtained from the vibration information of the pier measured by the sensor as an index value of the soundness of the said pier A spectrum score, which is a ratio of the area of the waveform in the frequency range and the area of the waveform in the frequency range up to a second frequency greater than the first frequency, is calculated. Information processing apparatus.
The waveform is preferably a power spectrum waveform.
The spectrum score is obtained by dividing the area of the waveform in the range from the third frequency to the second frequency by the area of the waveform in the range from the third frequency to the first frequency. It is desirable to calculate by

第3の発明は、橋脚の状態監視方法であって、情報処理装置が、センサによって測定した前記橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出することを特徴とする状態監視方法である。   3rd invention is a state monitoring method of a bridge pier, Comprising: Information processing apparatus is the soundness of the said pier from the waveform which shows the magnitude | size of the vibration for every frequency obtained from the vibration information of the said pier measured by the sensor. As an index value of the sex, the area of the waveform in the range of the frequency up to the first frequency and the waveform in the range of the frequency up to the second frequency greater than the first frequency It is a state monitoring method characterized by calculating a spectrum score which is a ratio according to the area of.

第4の発明は、コンピュータを、センサによって測定した橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出する情報処理装置として機能させるためのプログラムである。   According to a fourth aspect of the present invention, the first frequency is used as an index value for the soundness of the pier from a waveform indicating the magnitude of vibration for each frequency obtained from the vibration information of the pier measured by a sensor. Information for calculating a spectrum score which is a ratio of the area of the waveform in the range of the frequency set as the upper limit and the area of the waveform in the range of the frequency set as the upper limit of the second frequency greater than the first frequency. It is a program for making it function as a processing device.

第5の発明は、コンピュータを、センサによって測定した橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出する情報処理装置として機能させるためのプログラムを記録した記録媒体である。   According to a fifth aspect of the present invention, the first frequency is used as an index value of the soundness of the pier from a waveform indicating the magnitude of vibration for each frequency obtained from the vibration information of the pier measured by a sensor. Information for calculating a spectrum score which is a ratio of the area of the waveform in the range of the frequency set as the upper limit and the area of the waveform in the range of the frequency set as the upper limit of the second frequency greater than the first frequency. It is a recording medium recording a program for causing it to function as a processing device.

本発明により、橋脚の経時的な健全性評価が精度良くできる状態監視システム等を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a state monitoring system and the like that can accurately evaluate the soundness of a pier over time.

状態監視システム1を設けた橋脚3を示す図The figure which shows the pier 3 which provided the state monitoring system 1 状態監視システム1の構成を示す図The figure which shows the structure of the state monitoring system 1 情報処理装置15のハードウェア構成を示す図The figure which shows the hardware constitutions of the information processing apparatus 15 橋脚3の状態監視方法の流れを示すフローチャートThe flowchart which shows the flow of the state monitoring method of the pier 3 フーリエ振幅スペクトルの例を示す図Diagram showing an example of a Fourier amplitude spectrum パワースペクトルの例を示す図Figure showing an example of power spectrum スペクトルスコアと卓越振動数の経時変化を示す図Diagram showing changes in spectrum score and dominant frequency over time スペクトルスコアと卓越振動数の経時変化を示す図Diagram showing changes in spectrum score and dominant frequency over time スペクトルスコアと固有振動数の関係を示す図Diagram showing the relationship between spectrum score and natural frequency

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(1.状態監視システム1)
図1は状態監視システム1を設けた橋脚3を示す図であり、図1(a)は橋脚3を側方から見た図、図1(b)は橋脚3を上から見た図である。本実施形態に係る状態監視システム1は、橋脚3の状態監視を行うものである。図は河川橋梁の例であり、橋脚3が河川20内に設けられ水底の地盤30で支持される。
(1. Condition monitoring system 1)
FIG. 1 is a view showing a pier 3 provided with a state monitoring system 1. FIG. 1 (a) is a view of the pier 3 viewed from the side, and FIG. 1 (b) is a view of the pier 3 viewed from above. . The state monitoring system 1 according to the present embodiment monitors the state of the pier 3. The figure shows an example of a river bridge. The pier 3 is provided in the river 20 and supported by a ground 30 at the bottom of the water.

状態監視システム1は橋脚3上に設けられる。橋脚3は橋桁5を支持し、橋桁5には列車の軌道が設けられる。   The state monitoring system 1 is provided on the pier 3. The bridge pier 3 supports a bridge girder 5, and a train track is provided on the bridge girder 5.

状態監視システム1では、橋桁5の軸方向に直交する方向の常時微動を測定することにより、橋脚3の状態監視を行う。常時微動は、例えば風や水流の影響で橋脚3に常時生じる微小振動である。なお、以下では橋桁5の軸方向を橋軸方向といい、橋軸方向に直交する方向を橋軸直交方向というものとする。橋軸方向は図1(b)の左右方向に対応し、橋軸直交方向は図1(b)の上下方向に対応する。   In the state monitoring system 1, the state of the pier 3 is monitored by measuring the fine movement in the direction orthogonal to the axial direction of the bridge girder 5. The microtremor is a micro vibration that always occurs in the pier 3 due to, for example, the influence of wind or water flow. In the following, the axial direction of the bridge girder 5 is referred to as the bridge axis direction, and the direction orthogonal to the bridge axis direction is referred to as the bridge axis orthogonal direction. The bridge axis direction corresponds to the horizontal direction in FIG. 1B, and the bridge axis orthogonal direction corresponds to the vertical direction in FIG.

橋軸直交方向の常時微動を測定するのは、当該方向の安定性が列車の走行安全性に特に影響を与えるためである。また、河川橋梁では図1(b)の矢印に示す水流21によって橋脚基部の橋軸直交方向の側方の地盤30が洗掘され、橋軸直交方向の安定性が損なわれやすい。従って、橋軸直交方向に注目して橋脚3の状態監視を行うことが重要である。   The reason for measuring microtremors in the direction orthogonal to the bridge axis is that the stability in that direction particularly affects the running safety of the train. Moreover, in the river bridge, the ground 30 on the side of the pier base in the direction perpendicular to the bridge axis is scoured by the water flow 21 shown by the arrow in FIG. 1B, and the stability in the direction perpendicular to the bridge axis tends to be impaired. Therefore, it is important to monitor the state of the pier 3 by paying attention to the direction orthogonal to the bridge axis.

図2は状態監視システム1の構成を示す図である。状態監視システム1は、加速度センサ11、タイマー13、情報処理装置15等を有し、不図示のバッテリー等で駆動する。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the state monitoring system 1. The state monitoring system 1 includes an acceleration sensor 11, a timer 13, an information processing device 15, and the like, and is driven by a battery (not shown).

加速度センサ11は、橋脚3の常時微動の加速度(振動情報)を測定するセンサであり、微小振動を検出可能な精度の高い一軸加速度計が用いられる。加速度センサ11としては、例えばMEMS加速度計を用いることができる。MEMS加速度計を用いることで、安価かつ省電力で駆動することができる。   The acceleration sensor 11 is a sensor that measures the acceleration (vibration information) of the pier 3 at all times and uses a highly accurate uniaxial accelerometer capable of detecting minute vibrations. As the acceleration sensor 11, for example, a MEMS accelerometer can be used. By using the MEMS accelerometer, it can be driven at low cost and with low power consumption.

タイマー13は、加速度センサ11により加速度を測定する測定時間の情報が設定されている。本実施形態では、測定時間が列車の非運行時に設定される。   The timer 13 is set with information on measurement time for measuring acceleration by the acceleration sensor 11. In this embodiment, the measurement time is set when the train is not operating.

情報処理装置15は、上記の測定時間において加速度センサ11を制御し加速度を測定させ、その測定結果に基づいて後述するスペクトルスコアを算出する。算出したスペクトルスコアなど、橋脚3の維持管理に必要な情報はSDカード等の記録媒体に記録される。   The information processing device 15 controls the acceleration sensor 11 to measure acceleration during the above measurement time, and calculates a spectrum score to be described later based on the measurement result. Information necessary for maintenance of the pier 3 such as the calculated spectrum score is recorded on a recording medium such as an SD card.

図3に情報処理装置15のハードウェア構成を示す。情報処理装置15は、制御部151、記憶部152、入力部153、メディア入出力部154、表示部155、通信部156等がバス157を介して接続されたコンピュータで実現できる。ただし、情報処理装置15の構成がこれに限ることはない。   FIG. 3 shows a hardware configuration of the information processing apparatus 15. The information processing apparatus 15 can be realized by a computer in which a control unit 151, a storage unit 152, an input unit 153, a media input / output unit 154, a display unit 155, a communication unit 156, and the like are connected via a bus 157. However, the configuration of the information processing apparatus 15 is not limited to this.

制御部151は、CPU、ROM、RAM等で構成される。CPUは、記憶部152、ROM、記録媒体等に格納された、情報処理装置15の後述する処理に係るプログラム等をRAM上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、処理を実現する。ROMは不揮発性メモリであり、プログラムやデータ等を恒久的に保持する。RAMは揮発性メモリであり、記憶部152、ROM、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部151が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。   The control unit 151 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The CPU calls a program or the like related to processing described later of the information processing apparatus 15 stored in the storage unit 152, ROM, recording medium, or the like to the work memory area on the RAM and executes it, thereby realizing the processing. The ROM is a non-volatile memory and permanently holds programs, data, and the like. The RAM is a volatile memory, and temporarily stores programs, data, and the like loaded from the storage unit 152, ROM, recording medium, and the like, and includes a work area used by the control unit 151 to perform various processes.

記憶部152は、ハードディスクドライブやソリッドステートドライブ等であり、制御部151が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ等が格納される。
入力部153は、操作指示、動作指示、データ入力等を行うためのものである。
メディア入出力部154は、メディアに対しデータの入出力を行う。メディアには、例えばSDカード等の記録媒体が用いられる。
The storage unit 152 is a hard disk drive, a solid state drive, or the like, and stores a program executed by the control unit 151, data necessary for program execution, and the like.
The input unit 153 is for performing operation instructions, operation instructions, data input, and the like.
The media input / output unit 154 inputs / outputs data to / from the media. As the medium, for example, a recording medium such as an SD card is used.

表示部155は、液晶パネル等のディスプレイ装置、およびディスプレイ装置と連携して表示機能を実現するための論理回路等を有する。
通信部156は、ネットワーク等を介した通信を媒介する通信インタフェースである。
バス157は、各部間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。
The display unit 155 includes a display device such as a liquid crystal panel and a logic circuit for realizing a display function in cooperation with the display device.
The communication unit 156 is a communication interface that mediates communication via a network or the like.
The bus 157 is a path that mediates transmission / reception of control signals and data signals between the respective units.

なお、状態監視システム1の構成は上記に限らない。例えば、上記の加速度センサ11のほか、橋脚3の維持管理に用いるため、列車通過時の比較的大きな振動を検出する加速度センサを追加することも可能である。このセンサには、例えば、微小振動の測定精度は多少落ちるが、2軸または3軸方向の加速度を測定可能なMEMS加速度計を用いることができる。   The configuration of the state monitoring system 1 is not limited to the above. For example, in addition to the acceleration sensor 11 described above, an acceleration sensor that detects a relatively large vibration when passing through the train can be added to use for maintenance management of the pier 3. As this sensor, for example, a MEMS accelerometer capable of measuring acceleration in two or three axes can be used, although the measurement accuracy of minute vibrations is somewhat lowered.

(2.橋脚3の状態監視方法)
次に、状態監視システム1による橋脚3の状態監視方法について説明する。図4は、橋脚3の状態監視方法の流れを示すフローチャートであり、各ステップは情報処理装置15の制御部151が実行する処理である。
(2. State monitoring method of pier 3)
Next, a state monitoring method for the pier 3 by the state monitoring system 1 will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a flow of the state monitoring method of the pier 3, and each step is a process executed by the control unit 151 of the information processing device 15.

本実施形態では、情報処理装置15が、タイマー13で設定された測定時間に加速度センサ11を制御し、橋脚3の振動情報として風等による常時微動の加速度を測定させる。情報処理装置15は加速度センサ11から常時微動の加速度を取得する(S1)。測定時間は前記したように列車の非運行時とし、例えば、列車が運行しない深夜帯の午前2時〜午前4時の間で、30分ごとに計5回(1回の測定は例えば16秒間)の測定時間を設定する。   In the present embodiment, the information processing device 15 controls the acceleration sensor 11 during the measurement time set by the timer 13 and measures the acceleration of fine movement caused by wind or the like as vibration information of the pier 3. The information processing device 15 acquires the acceleration of fine movement from the acceleration sensor 11 (S1). As described above, the measurement time is when the train is not in operation, for example, 5 times every 30 minutes between 2 am and 4 am in the midnight when the train does not operate (one measurement is, for example, 16 seconds). Set the measurement time.

情報処理装置15は、測定時間における加速度の時間変化の波形を既知の手法で解析し、フーリエ振幅スペクトルを算出する(S2)。   The information processing device 15 analyzes the waveform of the change in acceleration over the measurement time by a known method, and calculates a Fourier amplitude spectrum (S2).

フーリエ振幅スペクトルは振動数ごとの振動の大きさを振幅で示したものである。フーリエ振幅スペクトルの例を図5に示す。図5(a)、(b)は、横軸を振動数、縦軸を振幅として、河川20内の2つの橋脚3のフーリエ振幅スペクトルを示したグラフである。   The Fourier amplitude spectrum indicates the magnitude of vibration for each frequency in terms of amplitude. An example of the Fourier amplitude spectrum is shown in FIG. 5A and 5B are graphs showing Fourier amplitude spectra of two piers 3 in the river 20 with the horizontal axis representing the frequency and the vertical axis representing the amplitude.

情報処理装置15は、フーリエ振幅スペクトルからパワースペクトルを算出する(S3)。   The information processing device 15 calculates a power spectrum from the Fourier amplitude spectrum (S3).

パワースペクトルは、簡単に説明すると、振動数ごとの振動の大きさを振幅の2乗で示したものであり、振動数単位での波のエネルギーが表現できる。パワースペクトルの例を図6に示す。図6(a)、(b)は、それぞれ図5(a)、(b)のフーリエ振幅スペクトルに対するパワースペクトルを、横軸を振動数、縦軸を振幅の2乗値として示したグラフである。図に示すように、パワースペクトルでは、フーリエ振幅スペクトルに比べ値の高低が明確に現れる。   In brief, the power spectrum indicates the magnitude of vibration for each frequency in terms of the square of the amplitude, and can express wave energy in frequency units. An example of the power spectrum is shown in FIG. FIGS. 6A and 6B are graphs showing the power spectrum for the Fourier amplitude spectrum of FIGS. 5A and 5B, with the horizontal axis representing the frequency and the vertical axis representing the square value of the amplitude. . As shown in the figure, in the power spectrum, the level of the value clearly appears compared to the Fourier amplitude spectrum.

情報処理装置15は、橋脚3の健全性を示す指標値として、パワースペクトルからスペクトルスコアを算出する(S4)。   The information processing device 15 calculates a spectrum score from the power spectrum as an index value indicating the soundness of the pier 3 (S4).

スペクトルスコアは、図6に示すように、振動数f(第3の振動数)を下限とし、振動数f(第1の振動数)を上限とする範囲Aのパワースペクトルの波形の面積と、振動数fを下限とし、振動数fより大きい振動数f(第2の振動数)を上限とする範囲Bのパワースペクトルの波形の面積による比で算出される。各振動数は、f<f<fを条件として任意に定めることができる。 As shown in FIG. 6, the spectrum score has an area of a power spectrum waveform in a range A with the frequency f 0 (third frequency) as the lower limit and the frequency f 1 (first frequency) as the upper limit. And the ratio by the area of the waveform of the power spectrum in the range B with the frequency f 0 as the lower limit and the frequency f 2 (second frequency) greater than the frequency f 1 as the upper limit. Each frequency can be arbitrarily determined on condition that f 0 <f 1 <f 2 .

本実施形態では、範囲Bのパワースペクトルの波形の面積を範囲Aのパワースペクトルの波形の面積で割って比の値を求める。即ち、スペクトルスコアの算出式は下式(1)のように表される。なお、下式(1)のパワースペクトル面積とは、上記したパワースペクトルの波形の面積(波形の積分値)を指す。
[スペクトルスコア]=(f〜fまでのパワースペクトル面積)/(f〜fまでのパワースペクトル面積)…(1)
In this embodiment, the area of the power spectrum waveform in the range B is divided by the area of the power spectrum waveform in the range A to obtain the ratio value. That is, the calculation formula of the spectrum score is expressed as the following formula (1). In addition, the power spectrum area of the following formula (1) indicates the area of the waveform of the power spectrum described above (the integrated value of the waveform).
[Spectrum Score = (the power spectrum area to f 0 ~f 2) / (power spectrum area to f 0 ~f 1) ... (1 )

情報処理装置15は、例えば、1日5回の測定で得られたそれぞれの常時微動から、上記のようにしてスペクトルスコアを算出し、その平均値を測定日におけるスペクトルスコアとしてSDカード等の記録媒体等に記憶する。   For example, the information processing device 15 calculates a spectrum score from each microtremor obtained by measurement five times a day as described above, and records the average value as a spectrum score on the measurement date, such as an SD card. Store in a medium or the like.

本実施形態では以上の手順を繰り返し、経時的にスペクトルスコアを算出することで長期的な橋脚3の状態監視が簡易にできる。さらに、このスペクトルスコアを用いて橋脚3の健全性を判定することも可能である。具体的な例については後述する。   In the present embodiment, the above procedure is repeated, and the spectrum score is calculated over time, so that long-term monitoring of the pier 3 can be simplified. Furthermore, it is also possible to determine the soundness of the pier 3 using this spectrum score. A specific example will be described later.

なお、本実施形態では情報処理装置15にてスペクトルスコアを算出したが、例えば上記したフーリエ振幅スペクトルやパワースペクトルのデータを遠隔の情報処理装置に入力し、当該情報処理装置にてスペクトルスコアの算出を行うことも可能である。その場合には、当該情報処理装置も状態監視システム1に含まれる。   In the present embodiment, the spectrum score is calculated by the information processing device 15. However, for example, the above-described Fourier amplitude spectrum or power spectrum data is input to a remote information processing device, and the spectrum score is calculated by the information processing device. It is also possible to perform. In that case, the information processing apparatus is also included in the state monitoring system 1.

(3.スペクトルスコアの有効性)
本実施形態において、橋脚3の健全性の指標値としてスペクトルスコアを算出したのは、これが橋脚3の状態監視に適し、かつ健全性の指標値として有効であるためである。
(3. Effectiveness of spectrum score)
In the present embodiment, the reason why the spectrum score is calculated as the index value of the soundness of the pier 3 is that it is suitable for monitoring the state of the pier 3 and is effective as the index value of the soundness.

すなわち、図5からわかるように、衝撃振動試験とは異なり、常時微動の測定では外乱等によりフーリエ振幅スペクトルに明確な極値が現れないため、固有振動数の特定が困難である。また、常時微動の測定では衝撃振動試験のように入力が一定でなく、入力の変動に測定結果が影響されやすい。例えば入力が大きいと、フーリエ振幅スペクトルの振幅が全体的に大きくなることがある。   That is, as can be seen from FIG. 5, unlike the shock vibration test, since the extreme amplitude does not appear in the Fourier amplitude spectrum due to disturbance or the like in the constant tremor measurement, it is difficult to specify the natural frequency. In the measurement of microtremors, the input is not constant as in the case of the impact vibration test, and the measurement result is easily affected by fluctuations in the input. For example, if the input is large, the amplitude of the Fourier amplitude spectrum may increase overall.

そこで、本実施形態では、橋脚3の状態監視に適し、かつ入力の変動の影響を受けず健全性の評価に有効な指標値として、前記したスペクトルスコアを用いた。スペクトルスコアは、パワースペクトル面積を正規化し、パワースペクトルの波形において低振動数の領域がどの程度卓越しているかを表したものであり、入力の変動による振幅の大小の影響を除外できる。   Therefore, in the present embodiment, the above-described spectrum score is used as an index value that is suitable for monitoring the state of the pier 3 and that is not affected by input fluctuations and is effective for evaluating the soundness. The spectrum score normalizes the power spectrum area and expresses how excellent the low frequency region is in the waveform of the power spectrum, and can exclude the influence of the magnitude of the amplitude due to the fluctuation of the input.

図7(a)、(b)はそれぞれ、状態監視期間(約3か月)における河川20内の橋脚3のスペクトルスコアと卓越振動数の経時変化を、横軸を測定日、縦軸をスペクトルスコアまたは卓越振動数として示す図である。卓越振動数はスペクトルスコアとの比較のため求めた値であり、フーリエ振幅スペクトルにおいて振幅が最大となる振動数である。   7 (a) and 7 (b) show the time course of the spectrum score and dominant frequency of the pier 3 in the river 20 during the state monitoring period (about 3 months), the horizontal axis is the measurement date, and the vertical axis is the spectrum. It is a figure shown as a score or a dominant frequency. The dominant frequency is a value obtained for comparison with the spectrum score, and is the frequency at which the amplitude is maximum in the Fourier amplitude spectrum.

図7(a)、(b)から、同じ橋脚3であっても、卓越振動数では測定日ごとの変動が大きく安定しない一方、スペクトルスコアでは変動が比較的小さく、安定した値となる傾向が確認できる。   7 (a) and 7 (b), even if the same pier 3 is used, the fluctuation at each measurement day is not large and stable at the dominant frequency, whereas the fluctuation is relatively small at the spectrum score and tends to become a stable value. I can confirm.

図8(a)、(b)はそれぞれ、河川20内の別の2つの橋脚3について、スペクトルスコアと卓越振動数の経時変化を図7と同様に示したグラフである。この2つの橋脚3は、衝撃振動試験による固有振動数が異なっており、それぞれ7.9Hz(橋脚a)と4.4Hz(橋脚b)である。   FIGS. 8A and 8B are graphs showing the time-dependent changes in the spectrum score and the dominant frequency for the other two piers 3 in the river 20 as in FIG. The two bridge piers 3 have different natural frequencies according to the impact vibration test, and are 7.9 Hz (pier pier a) and 4.4 Hz (pier pier b), respectively.

図8(a)、(b)から、固有振動数が異なる橋脚3間を比較すると、スペクトルスコアは固有振動数と同様に異なるのに対し、卓越振動数は値が近く、スペクトルスコアのほうが固有振動数の大小をよく表現できていることがわかる。   8 (a) and 8 (b), when the piers 3 having different natural frequencies are compared, the spectrum score is different from the natural frequency, whereas the dominant frequency is close and the spectrum score is more specific. It can be seen that the magnitude of the frequency can be expressed well.

図9はスペクトルスコアと衝撃振動試験による固有振動数との関係を示す図であり、河川20内の複数の橋脚3の各々のスペクトルスコアと固有振動数を、横軸を固有振動数、縦軸をスペクトルスコアとしてプロットしたグラフである。なお、スペクトルスコアの算出時には前記のf、f、fの値をそれぞれ1Hz、4Hz、20Hzとした。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the spectrum score and the natural frequency obtained by the impact vibration test. The horizontal axis represents the natural frequency and the vertical axis represents the spectrum score and the natural frequency of each of the plurality of piers 3 in the river 20. Is plotted as a spectrum score. When calculating the spectrum score, the values of f 0 , f 1 , and f 2 were set to 1 Hz, 4 Hz, and 20 Hz, respectively.

図9より、スペクトルスコアと固有振動数の間には良好な比例関係が存在することがわかる。   FIG. 9 shows that there is a good proportional relationship between the spectrum score and the natural frequency.

このように、スペクトルスコアは従来の衝撃振動試験による固有振動数との間に良好な比例関係を有しており、その大小関係を適切に表現でき、かつ値の変動が小さい。従って、スペクトルスコアを指標値とした状態監視によって、固有振動数と同じように橋脚の健全性を精度良く定量的に評価できるといえる。   As described above, the spectrum score has a good proportional relationship with the natural frequency obtained by the conventional shock vibration test, the magnitude relationship can be appropriately expressed, and the fluctuation of the value is small. Therefore, it can be said that the soundness of the pier can be accurately and quantitatively evaluated by state monitoring using the spectrum score as an index value in the same manner as the natural frequency.

(4.橋脚3の健全性の判定)
状態監視時には、情報処理装置15、あるいは前記した遠隔の情報処理装置等により、スペクトルスコアを用いた健全性の判定が可能である。
(4. Judgment of soundness of pier 3)
At the time of state monitoring, the soundness determination using the spectrum score can be performed by the information processing device 15 or the remote information processing device described above.

例えばスペクトルスコアの基準値を予め定めておくことで、基準値との比較により健全性の判定が可能である。スペクトルスコアが基準値を下回った場合には異常とし、例えば所定の警報装置(不図示)などでアラーム音や警告表示等の警報を発する。これに応じて、衝撃振動試験等による詳細な点検や補修を行うことができる。   For example, by determining the reference value of the spectrum score in advance, the soundness can be determined by comparison with the reference value. When the spectrum score falls below the reference value, an abnormality is detected, and an alarm such as an alarm sound or warning display is issued by a predetermined alarm device (not shown), for example. In response to this, detailed inspections and repairs can be performed by an impact vibration test or the like.

上記の基準値は、衝撃振動試験時の固有振動数との関係から定めることができる。例えば橋脚3の安定性に係る固有振動数の標準値が4.0Hzである場合、図9の比例関係から対応するスペクトルスコアが1.0程度であることがわかるので、これをスペクトルスコアの基準値として用いることが可能である。   The reference value can be determined from the relationship with the natural frequency during the impact vibration test. For example, when the standard value of the natural frequency related to the stability of the pier 3 is 4.0 Hz, it can be seen from the proportional relationship of FIG. 9 that the corresponding spectrum score is about 1.0. It can be used as a value.

その他、スペクトルスコアの低減度合いが大きい場合に、異常の恐れありと判定することもできる。例えば図7(a)のCに示すように、一定期間のスペクトルスコアの経時変化を近似した近似線を算出し、当該近似線Cの傾きが負の所定値を下回る場合に、健全性の低減度合いが大きく、異常の恐れありと判定できる。   In addition, when the degree of reduction of the spectrum score is large, it can be determined that there is a possibility of abnormality. For example, as shown in C of FIG. 7A, an approximate line that approximates the temporal change of the spectrum score for a certain period is calculated, and the soundness is reduced when the slope of the approximate line C falls below a predetermined negative value. The degree is large and it can be determined that there is a possibility of abnormality.

あるいは、直近の一定期間と、過去の一定期間のそれぞれでスペクトルスコアの平均値等の代表値を求め、直近の一定期間の代表値が過去の一定期間の代表値に比べ所定値以上低下していた場合に、同じく異常の恐れありと判定することもできる。   Alternatively, a representative value such as an average value of spectrum scores is obtained for each of the most recent fixed period and the past fixed period, and the representative value of the most recent fixed period is lower than the representative value of the past fixed period by a predetermined value or more. If there is a problem, it can also be determined that there is a risk of abnormality.

以上説明したように、本実施形態の状態監視システム1によれば、風等による橋脚3の常時微動からスペクトルスコアを算出でき、これを健全性の指標値として橋脚3の状態監視ができる。このスペクトルスコアは簡易に測定することができ、橋脚3への入力の違いによりばらつきが生じたりすることもなく、経時的な健全性評価を精度良く行うのに適している。   As described above, according to the state monitoring system 1 of the present embodiment, the spectrum score can be calculated from the constant fine movement of the pier 3 due to wind or the like, and the state of the pier 3 can be monitored using this as a soundness index value. This spectrum score can be easily measured, and does not vary due to a difference in input to the pier 3, and is suitable for accurately evaluating the soundness over time.

また、本実施形態ではパワースペクトルによって振動数毎のエネルギーの大きさを表現でき、振動数ごとの値の大小も明確に現れる。したがって、パワースペクトル面積に基づきスペクトルスコアを算出することで、精度良く健全性の評価ができる。ただし、図5のようなフーリエ振幅スペクトルからスペクトルスコアと同様の値を指標値として算出することも可能である。   In the present embodiment, the magnitude of energy for each frequency can be expressed by the power spectrum, and the magnitude of the value for each frequency appears clearly. Therefore, by calculating the spectrum score based on the power spectrum area, it is possible to accurately evaluate the soundness. However, a value similar to the spectrum score can be calculated as an index value from the Fourier amplitude spectrum as shown in FIG.

また、本実施形態では、前記の式(1)により、従来の衝撃振動試験による固有振動数と良好な比例関係にあるスペクトルスコアを算出し、橋脚3の健全性を精度良く評価できる。ただし、スペクトルスコアとしては低振動数領域の卓越度合いを表現できればよく、必要に応じて、式(1)の右辺の逆数を用いたり、振動数fまでの任意の範囲のパワースペクトル面積と振動数f(>f)までの任意の範囲のパワースペクトル面積による比とするなどの変更は可能である。 Moreover, in this embodiment, the spectrum score which has a favorable proportional relationship with the natural frequency by the conventional impact vibration test can be calculated by the above formula (1), and the soundness of the pier 3 can be accurately evaluated. However, the spectrum score only needs to be able to express the degree of excellence in the low frequency region. If necessary, the inverse of the right side of equation (1) is used, or the power spectrum area and vibration in an arbitrary range up to the frequency f 1 are used. Changes such as a ratio according to the power spectrum area in an arbitrary range up to a number f 2 (> f 1 ) are possible.

加速度センサ11は橋軸直交方向の加速度を測定するので、橋軸方向の走行安全性に特に影響を与える橋軸直交方向の安定性の状態監視を好適に行える。また、河川橋梁においては橋脚3の橋軸直交方向の側方が洗掘され、当該方向の安定性が低下しやすく、この点においても橋軸直交方向の状態監視が重要である。ただし、必要に応じて橋軸方向の常時微動を測定することも可能である。   Since the acceleration sensor 11 measures the acceleration in the direction perpendicular to the bridge axis, it is possible to suitably monitor the state of stability in the direction perpendicular to the bridge axis that particularly affects the traveling safety in the bridge axis direction. Moreover, in the river bridge, the side of the bridge pier 3 in the direction perpendicular to the bridge axis is scoured, and the stability in the direction tends to be lowered. In this respect, it is important to monitor the state in the direction perpendicular to the bridge axis. However, it is also possible to measure microtremors in the direction of the bridge axis as necessary.

また、状態監視システム1ではタイマー13によって測定時間を定めるので、測定時間を列車等の非運行時とし、風等による橋脚3の常時微動からスペクトルスコアの算出ができる。例えば列車等の走行時の振動を測定する場合は列車等の違いにより結果が大きくばらつく可能性があり、また異常時等に列車運行が不可能になった場合に測定ができなくなるが、本実施形態ではそのような恐れもない。   Moreover, in the state monitoring system 1, since the measurement time is determined by the timer 13, the measurement time is set to a time when the train or the like is not in operation, and the spectrum score can be calculated from the fine movement of the pier 3 caused by wind or the like. For example, when measuring vibrations when running trains, etc., the results may vary greatly due to differences in trains, etc., and if the train operation becomes impossible due to abnormalities, etc., measurement will not be possible. There is no such fear in form.

また、本実施形態では状態監視対象の橋脚として河川橋梁の橋脚3の例を挙げて説明したが、これに限らず、高架橋の橋脚などでもよい。ただし、河川橋梁では橋脚近辺の地盤の洗掘範囲が徐々に広がり、長期的に安定性が低下する場合が多く、本発明を適用して長期の状態監視を行うのに特に適している。   In the present embodiment, the example of the bridge pier 3 of the river bridge is described as the state monitoring target pier. However, the present invention is not limited thereto, and a viaduct pier may be used. However, in river bridges, the scouring area of the ground near the pier gradually widens and the stability is often lowered in the long term, and is particularly suitable for long-term condition monitoring by applying the present invention.

以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

1;状態監視システム
3;橋脚
5;橋桁
11;加速度センサ
13;タイマー
15;情報処理装置
20;河川
21;水流
30;地盤
1; condition monitoring system 3; pier 5; bridge girder 11; acceleration sensor 13; timer 15; information processing device 20; river 21; water flow 30;

Claims (12)

橋脚の状態監視システムであって、
センサと情報処理装置を有し、
前記センサは、前記橋脚の振動情報を測定し、
前記情報処理装置は、
前記振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出することを特徴とする状態監視システム。
A pier condition monitoring system,
Having a sensor and an information processing device,
The sensor measures vibration information of the pier,
The information processing apparatus includes:
From the waveform indicating the magnitude of vibration for each frequency obtained from the vibration information, as an index value of the soundness of the pier, the area of the waveform in the frequency range with the first frequency as the upper limit, 2. A state monitoring system, comprising: calculating a spectrum score that is a ratio of a frequency range up to a second frequency larger than the first frequency, depending on an area of the waveform.
前記波形はパワースペクトルの波形であることを特徴とする請求項1記載の状態監視システム。   The state monitoring system according to claim 1, wherein the waveform is a waveform of a power spectrum. 前記スペクトルスコアは、第3の振動数から前記第2の振動数までの範囲の前記波形の面積を、前記第3の振動数から前記第1の振動数までの範囲の前記波形の面積で割って算出することを特徴とする請求項1または請求項2記載の状態監視システム。   The spectrum score is obtained by dividing the area of the waveform in the range from the third frequency to the second frequency by the area of the waveform in the range from the third frequency to the first frequency. The state monitoring system according to claim 1, wherein the state monitoring system calculates the state. 前記センサは、前記橋脚の橋軸直交方向の振動情報を測定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の状態監視システム。   The state monitoring system according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor measures vibration information of the bridge pier in a direction perpendicular to the bridge axis. 前記振動情報の測定時間を定めたタイマーを有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の状態監視システム。   The state monitoring system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a timer that determines a measurement time of the vibration information. 前記橋脚が河川に設けられた橋脚であることを特徴する請求項1から請求項5のいずれかに記載の状態監視システム。   The state monitoring system according to any one of claims 1 to 5, wherein the pier is a pier provided in a river. センサによって測定した橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出することを特徴とする情報処理装置。   From the waveform indicating the magnitude of the vibration for each frequency obtained from the vibration information of the pier measured by the sensor, as an index value of the soundness of the pier, the frequency in the range of the frequency up to the first frequency An information processing apparatus that calculates a spectrum score that is a ratio of an area of a waveform and a frequency range in which the second frequency greater than the first frequency is an upper limit, by the area of the waveform. 前記波形はパワースペクトルの波形であることを特徴とする請求項7記載の情報処理装置。   The information processing apparatus according to claim 7, wherein the waveform is a waveform of a power spectrum. 前記スペクトルスコアは、第3の振動数から前記第2の振動数までの範囲の前記波形の面積を、前記第3の振動数から前記第1の振動数までの範囲の前記波形の面積で割って算出することを特徴とする請求項7または請求項8記載の情報処理装置。   The spectrum score is obtained by dividing the area of the waveform in the range from the third frequency to the second frequency by the area of the waveform in the range from the third frequency to the first frequency. The information processing apparatus according to claim 7, wherein the information processing apparatus calculates the information. 橋脚の状態監視方法であって、
情報処理装置が、
センサによって測定した前記橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出することを特徴とする状態監視方法。
A method for monitoring the state of a pier,
Information processing device
From the waveform indicating the magnitude of vibration for each frequency obtained from the vibration information of the bridge pier measured by the sensor, as an index value of the soundness of the bridge pier, the frequency range with the first frequency as the upper limit A state monitoring method, comprising: calculating a spectrum score that is a ratio of an area of the waveform and an area of the frequency up to a second frequency larger than the first frequency, by the area of the waveform.
コンピュータを、
センサによって測定した橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出する情報処理装置として機能させるためのプログラム。
Computer
From the waveform indicating the magnitude of the vibration for each frequency obtained from the vibration information of the pier measured by the sensor, as an index value of the soundness of the pier, the frequency in the range of the frequency up to the first frequency A program for functioning as an information processing device that calculates a spectrum score that is a ratio of an area of a waveform and a frequency range within a range of frequencies up to a second frequency greater than the first frequency.
コンピュータを、
センサによって測定した橋脚の振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、前記橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積による比であるスペクトルスコアを算出する情報処理装置として機能させるためのプログラムを記録した記録媒体。
Computer
From the waveform indicating the magnitude of the vibration for each frequency obtained from the vibration information of the pier measured by the sensor, as an index value of the soundness of the pier, the frequency in the range of the frequency up to the first frequency A program for functioning as an information processing device that calculates a spectrum score that is a ratio of a waveform area to a frequency range within a range of frequencies up to a second frequency greater than the first frequency. Recorded recording medium.
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