JP2016099230A - 振動記録システム - Google Patents

Abstract

【課題】連動式振動記録システムにおいて、データの同期性を向上させる。
【解決手段】連動式振動記録システムは、複数の記録装置を備える。複数の記録装置は連動配線を介して互いに接続されている。各記録装置は、それぞれ対応する振動計に接続されている。各記録装置は、振動計からの振動波信号をサンプリングクロックに従ってＡＤ変換し、振動データとして記録する。一のサンプリングクロックが連動配線を介してすべての記録装置に分配されており、すべての記録装置はこの一のサンプリングクロックに従って振動波信号をＡＤ変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は振動記録システムに関する。具体的には、複数の振動計からの振動データを同期記録するための技術に関する。

複数の地点に振動計を設置して、これら複数の振動計から得られる振動データを総合的に利用することが行われている。例えば、図５に示すように、マルチチャンネルの記録装置１０を用いて複数の振動計９Ａ、９Ｂ、９Ｃからのデータを記録する方法がある。
マルチチャンネル記録装置１０は、データ記録部１１と、中央制御部１２と、チャンネル数に応じたＡＤコンバータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃと、を有する。
これら構成要素は、ワンチップとは言わないが、ワンボードに載せられ、マルチチャンネル記録装置１０は一つの装置となっている。
データ記録部１１は、典型的には一つの不揮発性メモリ（例えばハードディスク）であり、セクタを区切ることで複数の振動計からの振動データを振動計ごとに区分して記録していく。

振動計９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、互いに距離を隔てた所定箇所に設置されており、各チャンネル端子はそれぞれ振動計９Ａ、９Ｂ、９Ｃに繋がっている。
中央制御部１２はサンプリングクロック生成部１２Ａを有し、サンプリングクロック生成部１２Ａで生成されたサンプリングクロックが各ＡＤコンバータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃに供給される。
各振動計９Ａ、９Ｂ、９Ｃから振動波信号が送られてくる。すると、各ＡＤコンバータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、対応する振動計９Ａ、９Ｂ、９Ｃからの振動波信号を前記サンプリングクロックのサンプリングレートでＡＤ変換する。デジタル変換後のデータは、データ記録部１１に記録されていく。
このように記録された複数の振動データを総合的に分析することで各種研究開発の発展に資する。

ここで、一つのマルチチャンネル記録装置１０で多チャンネルのデータを記録することには一つ問題がある。この一つの記録装置１０が何らかのトラブルで不具合を起こした場合、すべての振動データが記録されなかったり、記録されたデータが取り出せなくなったりしてしまう。

そこで、図６のように、複数の独立した記録装置を用い、それぞれの記憶装置で振動データを記憶する方式が考えられる。各記録装置それぞれが別個のデータ記録部（不揮発性メモリ、例えばハードディスクやフラッシュメモリ）を持ち、それに合わせて各記録装置それぞれがメモリ制御回路を持っている。ここでは特に明示しないが、中央制御部１２０、２２０、３２０がメモリ制御を行うと解釈されたい。この方式を連動式振動記録システム１０００と称することにする。

連動式振動記録システム１０００は複数の記録装置で構成される。
複数の記録装置を、第１記録装置１００、第２記録装置２００・・・のように称し、さらに、第１記録装置１００のデータ記録部を第１データ記録部１１０とし、第２記録装置２００のデータ記録部を第２データ記録部２１０とする。
以下、他の構成要素も同じルールで呼称する。
この連動式振動記録システム１０００であれば、何らかのトラブルで一つか二つの記録装置にトラブルが起こったとしても、残存している記録装置は機能を維持できる。すべての振動データが消失するといった事態は回避される。

ただし、連動式振動記録システム１０００のように分離独立した複数の記録装置を用いる場合、それぞれの記録装置が自分勝手にデータを記録すると互いのデータの関連性が失われる。そこで、互いの時刻情報を同期させる手段と、互いのスタートタイミングを同期させる手段と、が必要である。
時刻情報の同期に当たっては、例えば、各記録装置１００、２００が時刻カウンタ１４０、２４０を有し、それぞれがＧＰＳ信号や時刻標準電波に同期するようにする。これにより、すべての記録装置１００、２００で内部時刻が揃う。各記録装置１００、２００は、振動データとそのデータを取得した時点の時刻情報とをセットにして各自のデータ記録部１１０、２１０に記録していく。後ほど、データ記録部１１０、２１０から振動データを取り出し、同じ時刻の振動データ同士を突き合わせれば、ある時刻における複数箇所での振動状況を知ることができる。

また、スタートタイミングを同期させるには、トリガ信号を中央制御部同士で共有するようにしておく。ここでは、中央制御部１２０、２２０にスタートタイミング連動部１２１、２２１を設け、スタートタイミング連動部同士がトリガ信号を共有するようにしておく。
このように記録装置間の連動をとるための配線を連動配線１０１０と称することにする。これにより、記録のスタートタイミングが揃う。
このように複数の記録装置を連動させることで擬似的にマルチチャンネル記録装置とする。

特許５３２９３０９号

図６の連動式振動記録システム１０００によれば、記録装置間の時刻同期はとれるのであるが、それでもなお問題があることに本発明者らは気付いた。すなわち、データサンプリングタイミングがそれぞれの記録装置で異なり、データの同期性が十分でないという問題がある。
第１記録装置１００の第１サンプリングクロック生成部１２２と第２記憶装置２００の第２サンプリングクロック生成部２２２とはそれぞれ独自にサンプリングクロックを生成している。
生成されたサンプリングクロック同士にはなんら相関もなく、互いにずれるのが当然である。最も大きくずれた場合、互いに半周期ずれることになる（図７参照）。振動波のデータサンプリングレートは一般的に数１００Ｈｚ程度である。データサンプリングレートを仮に１００Ｈｚとした場合、互いのサンプリングタイミングは最大で５ミリ秒（０．００５秒）ずれることになる。

ここで、複数の振動計９Ａ−９Ｆから得られる振動データを総合的に利用したい場面を具体的に考えてみると例えば図８のような適用例が代表的である。
図８においては、高層ビル８の揺れを測定するため、ビル８の周辺およびビル８の内部に複数の振動計９Ａ−９Ｆを設置している。これら複数の振動計９Ａ−９Ｆで得られた振動データを解析することで例えば地震や強風に対してこのビル８がどのように揺れたのか、免震機能や制振機能が充分に機能していたのかがわかる。しかしながら、データの同期性が十分ではなく、最大５ミリ秒もずれていてはビル８の振動状況を正しく解析することができない。

なお、各記録装置で時刻同期がとれているとすれば、サンプリングクロックを時刻に同期させることでタイミングを合わせるという考え方もあるかもしれない。例えば、すべての記録装置で同時刻（例えば０時０分０秒）にサンプリングクロックの立ち上がりが揃うようにリセットを掛けるということもできるかもしれない。しかしながら、ビル８の内部や地中深くではＧＰＳ信号や時刻標準電波を常に受信できるとは限らず、すべての記録装置で時刻同期がとれるという保証はない。

本発明の目的は、連動式振動記録システムにおいて、データの同期性を向上させることにある。

本発明の連動式振動記録システムは、
配線を介して互いに接続された複数の記録装置を備え、
各記録装置は、それぞれ対応する振動計に接続されており、
各記録装置は、振動計からの振動波信号をサンプリングクロックに従ってＡＤ変換し、振動データとして記録する連動式振動記録システムにおいて、
一のサンプリングクロックが前記配線を介してすべての記録装置に分配されており、
すべての記録装置は前記一のサンプリングクロックに従って前記振動波信号をＡＤ変換する
ことを特徴とする。

本発明では、
前記複数の記録装置のうちの一つをホストとし、
該ホストである記録装置で生成されたサンプリングクロックを他の記録装置に分配する
ことが好ましい。

本発明では、
前記複数の記録装置のうちの一つをホストとし、
該ホストである記録装置の時刻情報を他の記録装置に分配する
ことが好ましい。

本発明では、
他の記録装置においては、所定のインターバルごとに時刻情報の記録を行う
ことが好ましい。

本発明では、
他の記録装置においては、時刻情報については、記録開始時刻のみ記録する
ことが好ましい。

本発明の連動式振動記録システムの制御方法は、
配線を介して互いに接続された複数の記録装置を備えた連動式振動記録システムの制御方法であって、
各記録装置は、それぞれ対応する振動計に接続されており、
前記配線を介して一のサンプリングクロックをすべての記録装置に分配し、
各記録装置は、振動計からの振動波信号を前記一のサンプリングクロックに従ってＡＤ変換し、振動データとして記録する
ことを特徴とする。

連動式振動記録システム２０００のシステム構成図。 第１から第３ADコンバータに入力されるサンプリングクロックを示す図。 変形例を示す図。 変形例の作用効果を説明するための図。 マルチチャンネルの記録装置１０を示す図。 連動式振動記録システム１０００を示す図。 第１サンプリングクロックと第２サンプリングクロックとのずれを例示した図。 ビルに連動式振動記録システムを適用した例を示す図。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、連動式振動記録システム２０００のシステム構成図である。
基本的な構成は図６と同じである。
ただし、本実施形態の特徴は、一つのサンプリングクロックを複数の記録装置で共有することにある。
ここでは、第１記録装置１００をホストとし、第１記録装置１００で生成された第１サンプリングクロックを他の記録装置２００、３００でも共有することとする。

第１サンプリングクロック生成部１２２で生成された第１サンプリングクロックは、第１ＡＤコンバータ１３０に供給されることはもちろんであるが、さらに、第１サンプリングクロックは連動配線１０１０によって他の記録装置２００、３００に供給され、他の記録装置２００、３００のＡＤコンバータ２３０、３３０にも供給される。
したがって、記録装置自体は互いに分離していたとしても、すべてのＡＤコンバータ１３０、２３０、３３０は同じ第１サンプリングクロックに従って振動波信号をＡＤ変換する。
これにより、ＡＤ変換のサンプリングタイミング自体が全体で揃うことになる。連動式のマルチチャンネル振動波記録において、すべてのチャンネルで完全に同期した振動データが得られる。

ここで、各記録装置１００、２００、３００の構成自体はすべて同じであるとすれば、すべての記録装置１００、２００、３００は各自サンプリングクロック生成部１２２、２２２、３２２を持っていることになる。が、複数あるサンプリングクロック生成部のなかの一つだけ、ここでは第１記録装置１００の第１サンプリングクロック生成部１２２だけを利用し、他の記録装置２００、３００のサンプリングクロック生成部２２２、３２２は利用しない、ということである。
他の記録装置２００、３００のサンプリングクロック生成部２２２、３２２については、機能を停止させておいてもよいし、あるいは出力配線を切っておいてもよいだろう。要は、すべての記録装置１００、２００、３００が第１サンプリングクロック生成部１２２からの第１サンプリングクロックを引き込んで、各自のＡＤコンバータ２３０、３３０にこのサンプリングクロックを供給するようにする。

一つのサンプリングクロックを連動配線１０１０で伝送すると遅延が生じるのではないかという指摘が予想される。たしかに遅延は多少なりとも生じるかもしれないが、ここでいう遅延時間は極々短いものであり、精々マイクロ秒以下であろう（例えば図２参照）。最大で数ミリ秒ずれてしまうことに比べれば、完全同期とみなしてよいレベルである。
完全同期した複数の振動データを記録できることから、本実施形態の連動式振動記録システム２０００は、高層ビル、橋梁、ダム、堤防といった大型構造物の揺れの解析に好適である。

（変形例１）
上記実施形態においては各記録装置１００、２００、３００が時刻カウンタ１４０、２４０、３４０を有している場合を例示したが、全体のホストとなる第１記録装置１００が時刻情報を有していれば、他の記録装置２００、３００が独自の時刻カウンタを有している必要はない。
他の記録装置２００、３００は、連動配線１０１０を介して第１記録装置１００の時刻情報を共有するとする。
図３において、第１記録装置１００は時刻カウンタ１４０を有し、時刻をｔ０、ｔ１、ｔ２・・・とカウントしているとする（図４参照）。
そして、第１記録装置１００は、記録開始の合図を他の記録装置２００、３００に伝送する。（例えば、振動の検知があったら記録開始の合図を発する。）
すると、すべての記録装置１００、２００、３００が同じ開始時刻から全く同じタイミングでデータをサンプリングして記録していくことになる（図４参照）。
第１データ記録部１１０は振動データとそのときの時刻情報とをセットで記録していく。
他のデータ記録部２１０、３１０は、振動データと、連動配線を介して取得する時刻カウンタ１４０の時刻情報とセットで記録していく。

この構成によれば、すべての記録装置で時刻同期を取る必要がない。したがって、ＧＰＳ信号や時刻標準電波を受信することも必須ではなくなるので、設置環境の制約がなくなる。

（変形例２）
変形例１では、記録装置１００と同じように、記録装置２００、３００でも振動データと時刻情報とをセットで記録するとした。
さらなる変形例としては、例えば、記録装置２００、３００においては、時刻情報の記録は全部でなく、ときどきにしてもよい。例えば、振動データ１００個ごと、あるいは、振動データ１０００個ごとにそのときの時刻情報を記録しておく。
すべての記録装置１００、２００、３００が同じ開始時刻から全く同じタイミングでデータをサンプリングして記録しているので、データ記録部１１０、２１０、３１０に蓄積された振動データをそれぞれ取り出したとき、それらを第１データ記録部１１０に蓄積された振動データと先頭を揃えて順に付き合わせれば、すべてのデータのサンプリング時刻が正確にわかる。

（変形例３）
さらには、記録装置２００、３００においては、時刻情報としては、記録開始時刻だけを記録してもよい。第１データ記録部１１０に蓄積された振動データと先頭を揃えて順に付き合わせれば、すべてのデータのサンプリング時刻が正確にわかる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施形態では第１記録装置の第１サンプリングクロックを他の記録装置に分配することとしたが、記録装置１００、２００、３００とは別に、サンプリングクロック生成のための回路を別途設けてもよい。

記録開始の合図は、第1記録装置１００からだけでなく、他の記録装置２００、３００からも発するようにしておくことが好ましい。例えば、一番早く振動を検知した記録装置が他の記録装置に記録開始の合図を発するようにすることが好ましい。

８…ビル、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ…振動計、１０…マルチチャンネル記録装置、１１…データ記録部、１２…中央制御部、１２Ａ…サンプリングクロック生成部、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ…ＡＤコンバータ、１００、２００、３００…記録装置、１１０、２１０、３１０…データ記録部、１２０、２２０、３２０…中央制御部、１２１、２２１、３２１…スタートタイミング連動部、１２２、２２２、３２２…サンプリングクロック生成部、１３０、２３０、３３０…ＡＤコンバータ、１４０、２４０、３４０…時刻カウンタ、１０００、２０００、３０００…連動式振動記録システム。

Claims (6)

1. 配線を介して互いに接続された複数の記録装置を備え、
   各記録装置は、それぞれ対応する振動計に接続されており、
   各記録装置は、振動計からの振動波信号をサンプリングクロックに従ってＡＤ変換し、振動データとして記録する連動式振動記録システムにおいて、
   一のサンプリングクロックが前記配線を介してすべての記録装置に分配されており、
   すべての記録装置は前記一のサンプリングクロックに従って前記振動波信号をＡＤ変換する
   ことを特徴とする連動式振動記録システム。
2. 請求項１に記載の連動式振動記録システムにおいて、
   前記複数の記録装置のうちの一つをホストとし、
   該ホストである記録装置で生成されたサンプリングクロックを他の記録装置に分配する
   ことを特徴とする連動式振動記録システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の連動式振動記録システムにおいて、
   前記複数の記録装置のうちの一つをホストとし、
   該ホストである記録装置の時刻情報を他の記録装置に分配する
   ことを特徴とする連動式振動記録システム。
4. 請求項３に記載の連動式振動記録システムにおいて、
   他の記録装置においては、所定のインターバルごとに時刻情報の記録を行う
   ことを特徴とする連動式振動記録システム。
5. 請求項３に記載の連動式振動記録システムにおいて、
   他の記録装置においては、時刻情報については、記録開始時刻のみ記録する
   ことを特徴とする連動式振動記録システム。
6. 配線を介して互いに接続された複数の記録装置を備えた連動式振動記録システムの制御方法であって、
   各記録装置は、それぞれ対応する振動計に接続されており、
   前記配線を介して一のサンプリングクロックをすべての記録装置に分配し、
   各記録装置は、振動計からの振動波信号を前記一のサンプリングクロックに従ってＡＤ変換し、振動データとして記録する
   ことを特徴とする連動式振動記録システムの制御方法。