JP2017146198A - 漏洩判定装置、漏洩判定方法及び漏洩判定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】配管されている管に漏洩のある、なしを簡単に判定することができる漏洩判定装置を提供する。
【解決手段】配管された管を流れる流体の漏れを検出する漏洩検出装置であって、流れる流体の音データを取得する音センサと、音データを記録し、記録した音データを短時間の複数の音データに分割し出力するデータ記録部と、データ記録部によって分割された短時間の音データそれぞれにノイズが含まれているか否かを判定するノイズ判定部と、ノイズ判定部によってノイズが含まれていると判定された短時間の音データを除去するノイズ除去部と、ノイズが除去された音データのみを用いて流体の漏洩判定を行う漏洩判定部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、配管されている水道管、ガス管等に漏洩があるかないかを判定する漏洩判定装置、漏洩判定方法及び漏洩判定プログラムに関する。

わが国では高度成長期に敷設された社会インフラの老朽化が社会的問題になっており、水道設備においても今後急速に老朽化が進み、漏水問題が顕著化することが心配されている。現状の漏水検査は人が巡回し、聴覚によって判別を行っているが、漏水音の特徴は管の材質や水圧、漏水量等によって変化するとともに、車の通過音などの環境ノイズが混入し、さらに下水の流音など漏水音に似た音が混在するため、人にとっても漏水音の聞き分けは難しく、経験が必要とされている。

このような問題を解決するために、水道の漏水検知を行う際に、騒音の多い昼間の時間帯や場所でも雑音除去ができる装置がある（例えば、特許文献１参照）。この従来の装置は水平方向より到来するノイズ波と垂直方向から到来する漏水波の到来方向の特徴を複数のセンサ配置方法によって到来する波の時間差（位相差）がセンサ信号間に現れこの信号をアンプユニットで位相処理することによりノイズ波と漏水波に分離するものである。

しかしながら、このように一部センサを用いて漏水検知を行う装置も提案されているが、判別精度には限界があるため、最終的には人間の聴覚による漏水判定を行っているのが現状である。

特開２０１４−２３８３８０号公報

ところで、一般的に漏水音には生活音等のノイズが含まれることが多い。この不規則ノイズ（以下、「非定常ノイズという」。）を除去する方法として、長時間データを平均化することで、非定常ノイズ（自動車の走行音等）を平均化し定常性のある漏水音を求めようとする提案もある。

しかしながら、一般に非定常ノイズは漏水音の定常性ノイズ音圧が大きいため、平均化しても定常性のある漏水音と分離ができないという問題がある。また、音圧が一定の値以上のものをノイズとし除去するという方法が簡単で実現可能である。しかしながら、その場合はノイズとして判定するためのしきい値を経験等から設定する必要があるため、経験と知識が必要となり、簡単にしきい値を決定することができないという問題もある。さらに、この問題は、水道管の径、漏水の量、漏水位置までの距離によってもしきい値を変化させる必要があり、簡単に漏水判定を行うことができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、配管されている管に漏洩のある、なしを簡単に判定することができる漏洩判定装置、漏洩判定方法及び漏洩判定プログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、配管された管を流れる流体の漏れを検出する漏洩検出装置であって、流れる前記流体の音データを取得する音センサと、前記音データを記録し、記録した音データを短時間の複数の前記音データに分割し出力するデータ記録部と、前記データ記録部によって分割された短時間の前記音データそれぞれにノイズが含まれているか否かを判定するノイズ判定部と、前記ノイズ判定部によってノイズが含まれていると判定された短時間の前記音データを除去するノイズ除去部と、ノイズが除去された前記音データのみを用いて前記流体の漏洩判定を行う漏洩判定部とを備える漏洩判定装置である。

本発明の一態様は、前記漏洩判定装置であって、前記データ記録部では、データを記録する際に複数回の記録から音圧の小さい前記音データのみを抽出して記録する。

本発明の一態様は、前記データ記録部は、前記音データを短時間に分割するときに漏洩音の特徴の定常性が保たれている範囲まで短くする。

本発明の一態様は、前記漏洩判定装置であって、前記データ記録部に記録された音データと、前記漏洩判定部の判定結果を所定のタイミングで管理サーバに送信する通信部をさらに備え、前記管理サーバは、送信された複数の前記音データと前記判定結果とに基づき漏洩判定を行う。

本発明の一態様は、配管された管を流れる流体の漏れを検出する漏洩検出装置が、流れる前記流体の音データを取得する音センサと、前記音データを記録し、記録した音データを短時間の複数の前記音データに分割し出力するデータ記録部とを備え、漏洩判定を行う漏洩判定方法であって、前記データ記録部によって分割された短時間の前記音データそれぞれにノイズが含まれているか否かを判定するノイズ判定ステップと、前記ノイズ判定ステップによってノイズが含まれていると判定された短時間の前記音データを除去するノイズ除去ステップと、ノイズが除去された前記音データのみを用いて前記流体の漏洩判定を行う漏洩判定ステップとを有する漏洩判定方法である。

本発明の一態様は、コンピュータに、請求項５に記載の漏洩判定方法を実行させるための漏洩判定プログラムである。

本発明によれば、非定常ノイズを除去したセンサ出力に基づいて漏水判定を行うようにしたため、管を流れる流体の漏洩のある、なしの判定を簡単に行うことができるようになるという効果が得られる。

本発明の実施形態の全体構成を示す模式図である。 図１に示すセンサユニット１０と管理サーバ２０の構成を示すブロック図である。 図２に示すセンサユニット１０と管理サーバ２０の動作を示すフローチャートである。 図２に示すノイズ判定部１３とノイズ除去部１６の動作を示す説明図である。 図２に示すノイズ除去部１６の動作を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による漏洩判定装置（センサユニット１０、管理サーバ２０）を説明する。以下の説明においては、水道管の漏水を例に説明するが、ガス管のガス漏れのように管を流れる流体についても同様に判定を行うことができるものである。本発明は、流体が漏洩する音を検知して漏洩のある、なしを判定するものである。

図１は同実施形態の全体構成を示す模式図である。この図において、水道管１は、地中に埋め込まれており、中を水道の水が流れる。水道管１には、水道の流量を調整したり流れを止めたりするバルブ２が設けられている。また、水道管１には、消火に用いる消火栓３も設けられている。

漏水点４は、老朽化等によって水道の水が漏れている箇所である。ただし、漏水音５は、水道管の特性（管種、管口径）、漏水状況（水圧、漏水量、漏水点とセンシング位置との距離）によっても異なる音を発する。車両６は、漏水音５を検知するために障害となりうる非定常ノイズとなる走行音を発する。非定常ノイズには、車両の走行音の他に、鳥獣の鳴き声、生活音、雨の音、自動販売機のモータ音等がある。本発明の目的は、この「非定常ノイズ」を除去して漏水音５を検知して漏水があることを見つけようとするものである。

センサユニット１０は、原則マンホールがある箇所に取り付けられる。図１の例では、バルブ２の位置と、消火栓３の位置に取り付けた例を示している。センサユニット１０の詳細な構成は後述するが、センサユニット１０は、漏水音をセンシングした際に非定常ノイズを除去したデータから漏水音があるか否かを判定する。

センサユニット１０は、無線通信機能を備えており、検知したデータと判定結果とを無線通信を介して外部へ送信することができる。この無線通信は、所定の場所に設けられた管理サーバ２０が受信し、管理サーバ２０は、受信したデータに基づいてデータの蓄積と高度な漏水判定を行う（複数のセンサユニット１０からの情報に基づいて漏洩判定を行う）。

次に、図２を参照して、図１に示すセンサユニット１０の詳細な構成を説明する。図２は、図１に示すセンサユニット１０の詳細な構成を示すブロック図である。センサユニット１０は、音圧センサ１１、データ記録部１２、ノイズ判定部１３、ノイズ判定条件記憶部１４、しきい値決定部１５、ノイズ除去部１６、漏水判定部１７、通信部１８、サンプリング間隔制御部１９を備える。通信部１８は、無線通信によって、管理サーバ２０との間で無線通信を行う。

音圧センサ１１は、マンホール内のバルブ２、消火栓３付近の水道管に取り付けられ、音圧を測定する。音圧は、大きい音であれば振幅が大きくなり、小さい音であれば振幅が小さくなる。すなわち、音圧センサ１１の出力は音の大きさに比例した振幅の信号であり、センサ内部で量子化されてデジタル値として出力される。データ記録部１２は、音圧センサ１１の出力信号（以下、「音データ」という。）に対してタイムスタンプを関係付けて記録する。そして、音データを短時間の複数の音データに分割し、分割された短時間の音データを出力する。データ記録部１２は、データを記録する際に複数回の記録から音圧の小さい音データのみを抽出して記録するようにしてもよい。

データ記録部１２は、生活音の除去のため、１日の中から間隔を置きデータ記録を行い、音圧が最小となる期間を抽出することで、生活音が含まれないデータを収集する。また、雨の音等比較的長期間連続で発生するノイズの除去のため、間隔を置きながら複数日にわたり一定期間データを収集し、音圧が最小となる期間を抽出することでノイズがなるべく含まれないデータを記録する。

ノイズ判定部１３は、データ記録部１２に記録されている音データを読み出し、所定の条件に基づいて、非定常ノイズ部分を判定する。このとき、分割された短時間の音データそれぞれにノイズが含まれているか否かを判定する。ノイズの判定は、以下のように行う。すなわち、ノイズ判定は、ノイズ判定条件記憶部１４に記憶されている情報を用いて行う。漏水音の中にノイズが含まれる場合、ノイズが含まれない音データとの音圧レベル等の特徴に相違が発生すると考えらえるため、その差を利用してノイズの判定を行う。ノイズ判定条件記憶部１４は、複数のノイズ判定条件の情報が記憶されている。具体的には、以下の４つ（（１）〜（４））のいずれかを使用する。

（１）サンプリングしたデータの音圧の平均値を計算し、平均音圧が一定のしきい値以上の値のデータをノイズとして判定する方法。
（２）音圧の分散値を計算し、分散値が一定のしきい値以上の値のデータをノイズとして判定する方法。
（３）音圧の分散の分散値を計算し、分散の分散値が一定のしきい値以上の値のデータをノイズとして判定する方法。
（４）周波数成分に対する平均値、分散値等の定常性を計算し、一定の変動があったものをノイズとして除去する方法。

次に、前述の（１）〜（４）のノイズ判定方法を用いてノイズ判定を行う際のしきい値について説明する。しきい値決定部１５は、用いる判定方法に応じてしきい値の決定を行う。すなわち、以下の（ａ）、（ｂ）のいずれかを使用する。
（ａ）判定対象の音全体の平均音圧、分散、分散の分散値の最小値、標準偏差を計算し最小値に標準偏差の定数倍の値を加えた値をしきい値とする方法。
（ｂ）水道管の管種、水圧、埋設深度等の設置条件に基づいた固定の値で判定する方法。

ノイズ除去部１６は、ノイズ判定部１３によって非定常ノイズの部分であると判定された短時間の音データの部分データを除去する。

漏水判定部１７は、非定常ノイズが除去された音データに基づいて漏水があるか否かを判定する。漏水判定部１７は、予め記録しておいた漏水がある場合の音データと、予め記録しておいた漏水がない場合の音データとのそれぞれと、非定常ノイズが除去された音データとを比較することによって漏水があるか否かの漏水判定を行う。

通信部１８は、データ記録部１２に記憶されている音データ及び漏水判定結果の情報とを無線通信を使用して管理サーバ２０に出力する。管理サーバ２０では、センサユニット１０における漏水判定と管理サーバに蓄積したデータによる漏水判定を組み合わせることで、データ送信量の削減によるセンサの電池等の長寿命化と高度な漏水判定を両立することができる。

具体的には、センサユニット１０側で収集した音データから平均値、分散値等を計算し、センサ内で蓄積可能な範囲における漏水判定を行う。センサユニット１０は、蓄積したデータを管理サーバ２０に送信し、管理サーバ２０側ではより長時間のデータを用いた判定や、高度な漏水判定を行う。

サンプリング間隔制御部１９は、必要に応じてデータ記録部１２に記録されている音データを短時間に分割して出力する間隔であるサンプリング間隔を制御する。サンプリング間隔制御部１９が行うサンプリング間隔の制御は以下のように行う。サンプリング時間は短い方がその中にノイズが含まれる可能性が下がるため、非定常ノイズの除去が行いやすくなるが、反面漏水音の特徴が含まれなくなる可能性がある。

そこで、サンプリング間隔を決める方法として、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の方法を用いる。
（ｉ）音データ記録時間全体、またはその中の一定時間における、平均音圧、音圧の分散値等の特徴を計算し、サンプリング間隔を徐々に短くし、全体の特徴との定常性が保たれている時間間隔まで短くする方法。
（ｉｉ）１秒、２秒など、サンプリング時間間隔を固定して収集を行う方法。
（ｉｉｉ）判定を行うためのデータ個数を決定し、収録時間をデータ個数で割った時間をサンプリング時間間隔とする方法。

次に、図３を参照して、図２に示すセンサユニット１０、管理サーバ２０の動作を説明する。図３は、図２に示すセンサユニット１０、管理サーバ２０の動作を示すフローチャートである。

はじめに、センサユニット１０の動作を説明する。まず、音圧センサ１１は、音データを測定し、デジタル化された音データをデータ記録部１２に出力する（ステップＳ１）。データ記録部１２は、音圧センサ１１から出力された音データを一定時間（例えば、５分間）記録する（ステップＳ２）。そして、データ記録部１２は、記録された音データをサンプリング間隔制御部１９から出力されるサンプリング間隔で音データを短時間に分割してサンプリングを行いノイズ判定部１３へ出力する。サンプリング間隔は、前述した方法（ｉ）〜（ｉｉｉ）が動的に変更されてもよいし、外部から指定するまで所定の方法を継続して使用するようにしてもよい。

次に、ノイズ判定部１３は、データ記録部１２によってサンプリングされた音データを読み出す（ステップＳ３）。そして、ノイズ判定部１３は、前述した方法のいずれかでノイズ判定を行う（ステップＳ４）。このとき、分割された短時間の音データそれぞれにノイズが含まれているか否かを判定する。ノイズ判定は、前述した方法（１）〜（４）が動的に変更されてもよいし、外部から指定するまで所定の方法を継続して使用するようにしてもよい。しきい値についても前述した方法（ａ）、（ｂ）が動的に変更されてもよいし、外部から指定するまで所定の方法を継続して使用するようにしてもよい。

次に、ノイズ除去部１６は、ノイズ判定によって非定常ノイズと判定された短時間の音データを除去する（ステップＳ５）。これによって、非定常ノイズが除去された音データのみが残る。

次に、漏水判定部１７は、ノイズが除去された音データのみから前述した方法によって漏水があるか否かを判定する（ステップＳ６）。また、漏水判定部１７は、現況の状況をサンプリング間隔制御部１９に出力する。

次に、通信部１８は、漏水判定によって、漏水ありと判定されたのみに、管理サーバ２０に対して、「漏水あり」の情報と、データ記録部１２に記録された音データを送信する（ステップＳ７）。なお、通信部１８は、一定時間間隔（例えば、２４時間間隔）で、「漏水あり」、「漏水なし」の情報と、データ記録部１２に記録された音データを送信してもよい。

次に、サンプリング間隔制御部１９は、漏水判定部１７から出力された現況の状況の情報から前述した方法を使用してサンプリング間隔を制御する（ステップＳ８）。

次に、管理サーバ２０の動作について説明する。まず、管理サーバ２０は、通信部１８から送信された情報（「漏水あり」の情報と、データ記録部１２に記録された音データ）を内部の記録媒体にデータ蓄積する（ステップＳ１１）。そして、管理サーバ２０は、蓄積された情報から詳細な漏水判定を行う。

例えば、図１に示す例において、２つのセンサユニット１０から同時に「漏水あり」の情報が送信された場合は、バルブ２と消火栓３との間の水道管で漏水が発生している可能性が高いと判定するなどのデータ解析（漏洩判定）を行う（ステップＳ１２）。このように、複数のセンサユニット１０から送信される情報を使用することによって高度な漏水判定を行うことが可能となる。

次に、図４を参照して、ノイズ判定と、ノイズ除去の動作を説明する。図４は、ノイズ判定とノイズ除去の動作を示す説明図である。図４の上段は、データ記録部１２から読み出したノイズ除去前の音圧（音データ）である。この状態から、前述したノイズ判定によって非定常ノイズ部分を特定し、非定常ノイズ部分の境界を求める（図４に示す破線）。また、最小音圧に近い部分には、非定常ノイズが含まれないことが多いため、所定の振幅以上の音データを除去する。

この処理後の音データが、図４の下段に示すノイズ除去後の音圧（音データ）である。図４に示すように、非定常ノイズと判定された部分の音データが削除されている。漏水判定部１７は、図４の下段に示す音データを使用して漏水判定を行う。このように、漏水判定部１７は、非定常ノイズが除去された状態の音データのみによって漏水判定を行うため、正確な漏水判定を行うことが可能となる。

次に、定常性に着目した非定常ノイズ除去の効果について説明する。漏水音では観測された音の統計的な性質（平均値、分散値など）の時間的な変動が少なく（定常性）、自動車の通過音など非定常ノイズでは、音の統計的性質が時間とともに大きく変化する。

図５は、定常性に着目した非定常ノイズ除去の効果を示す説明図である。ノイズ除去の手順として、まず、観測データ（５分間）を１秒ごとの区間に分割し、区間ごとの統計量（平均値、分散値）を算出する。そして、分散値が最小となる区間を決定する。次に、統計量が一定の範囲を超える区間を非定常ノイズを含む区間として除去する。図５に示すように、従来は、定常性に着目していなかったため、図５に左図に示すように、非定常ノイズとして除去された部分（図５の灰色部分）が少ない。一方、本実施形態のように、定常性に着目することにより、非定常ノイズとして除去された部分が多くなる（図５右図）。これにより、非定常ノイズの影響を最小限に抑制することができるため、漏水判定の精度を向上させることができる。

なお、センサユニット１０は、定常的に水道管付近に取り付けられていてもよい。また、定期点検時のみに水道管付近に取り付けて、水道水の漏洩があるか否かを判定するような使用方法であってもよい。

また、前述した説明では、水道管を例にして説明したが、ガス管などの気体が流れる管であっても同様に漏洩判定が行える。この場合、図２に示す漏水判定部１７をガス漏れ判定部に置き換え、図３に示す漏水判定（ステップＳ６）をガス漏れ判定に置き換えればよい。

以上説明したように、少量の音データでもノイズ除去を行い漏水判定を行うことができる。また、生活音、雨の音、自動販売機のモータ音等長時間発生するノイズであっても除去することができる。また、漏水音の記録レベルにかかわらずノイズ除去、漏水判定を行うことができる。センサユニット１０側の処理と管理サーバ２０側の処理を組み合わせることで、消費電力や、通信ネットワークなどを効率的に利用した識別を行うことができる。

前述した実施形態における漏洩判定装置（センサユニット１０、管理サーバ２０）の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

配管されている水道管、ガス管等に漏洩があるかないか判定することが不可欠な用途に適用できる。

１・・・水道管、２・・・バルブ、３・・・消火栓、４・・・漏水点、５・・・漏水音、６・・・車両、１０・・・センサユニット、１１・・・音圧センサ、１２・・・データ記録部、１３・・・ノイズ判定部、１４・・・ノイズ除去部、１５・・・しきい値決定部、１６・・・ノイズ除去部、１７・・・漏水判定部、１８・・・通信部、１９・・・サンプリング間隔制御部、２０・・・管理サーバ

本発明の一態様は、前記漏洩判定装置であって、前記データ記録部に記録された音データと、前記漏洩判定部の判定結果を所定のタイミングで管理サーバに送信する通信部をさらに備え、前記管理サーバは、送信された複数の前記音データと前記判定結果とに基づき前記漏洩判定部に判定された場所以外の漏洩判定を行う。

Claims (6)

1. 配管された管を流れる流体の漏れを検出する漏洩検出装置であって、
   流れる前記流体の音データを取得する音センサと、
   前記音データを記録し、記録した音データを短時間の複数の前記音データに分割し出力するデータ記録部と、
   前記データ記録部によって分割された短時間の前記音データそれぞれにノイズが含まれているか否かを判定するノイズ判定部と、
   前記ノイズ判定部によってノイズが含まれていると判定された短時間の前記音データを除去するノイズ除去部と、
   ノイズが除去された前記音データのみを用いて前記流体の漏洩判定を行う漏洩判定部と
   を備える漏洩判定装置。
2. 前記データ記録部では、データを記録する際に複数回の記録から音圧の小さい前記音データのみを抽出して記録する請求項１に記載の漏洩判定装置。
3. 前記データ記録部は、前記音データを短時間に分割するときに漏洩音の特徴の定常性が保たれている範囲まで短くする請求項１または２に記載の漏洩判定装置。
4. 前記データ記録部に記録された音データと、前記漏洩判定部の判定結果を所定のタイミングで管理サーバに送信する通信部をさらに備え、
   前記管理サーバは、送信された複数の前記音データと前記判定結果とに基づき漏洩判定を行う請求項１から３にいずれか一項に記載の漏洩判定装置。
5. 配管された管を流れる流体の漏れを検出する漏洩検出装置が、流れる前記流体の音データを取得する音センサと、前記音データを記録し、記録した音データを短時間の複数の前記音データに分割し出力するデータ記録部とを備え、漏洩判定を行う漏洩判定方法であって、
   前記データ記録部によって分割された短時間の前記音データそれぞれにノイズが含まれているか否かを判定するノイズ判定ステップと、
   前記ノイズ判定ステップによってノイズが含まれていると判定された短時間の前記音データを除去するノイズ除去ステップと、
   ノイズが除去された前記音データのみを用いて前記流体の漏洩判定を行う漏洩判定ステップと
   を有する漏洩判定方法。
6. コンピュータに、請求項５に記載の漏洩判定方法を実行させるための漏洩判定プログラム。

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