JP2019100914A - Vibration monitoring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造物の複数の箇所に取り付けた複数の３軸加速度センサーの測定値に基づいて、構造物の振動をモニタリングする振動モニタリングシステムに関する。 The present invention relates to a vibration monitoring system that monitors vibration of a structure based on measurement values of a plurality of three-axis acceleration sensors attached to a plurality of locations of the structure.
従来、構造物に取り付けた加速度センサーの測定値を無線通信により収集し、収集した測定値に基づいて、構造物の振動をモニタリングする振動モニタリングシステムが知られている。このような振動モニタリングシステムとして、たとえば特許文献１では、一定以上の加速度を検知した場合に、省電力状態から完全動作状態に切り替えて、加速度を検出・記憶するシステムが開示されている。また、特許文献２では、振動データを所定の判定値に基づいて判定し、判定値を超えた振動データを保存するシステムが開示されている。さらに、特許文献３では、振動を加振して２つのセンサーで検出させ、２つのセンサーの変位量に基づいて一方のセンサーの測定値を補正するシステムが開示されている。 BACKGROUND Conventionally, a vibration monitoring system is known which collects measurement values of an acceleration sensor attached to a structure by wireless communication and monitors the vibration of the structure based on the collected measurement values. As such a vibration monitoring system, for example, Patent Document 1 discloses a system that switches from a power saving state to a complete operating state and detects and stores the acceleration when an acceleration of a predetermined level or more is detected. Further, Patent Document 2 discloses a system that determines vibration data based on a predetermined determination value and stores vibration data exceeding the determination value. Further, Patent Document 3 discloses a system in which vibration is vibrated to be detected by two sensors, and a measurement value of one sensor is corrected based on displacement amounts of the two sensors.
構造物の状態を高い精度でモニタリングするためには、構造物の複数の箇所に設置された複数の加速度センサーが略同時刻（具体的には、１／１００秒の誤差範囲内）に測定した測定値を比較することが要求される。しかしながら、加速度センサーを構造物内部に設置する場合には、ＧＰＳなどの外部から正確な時刻を取得することができないため、内蔵する時計に基づいて、加速度センサーの取得時刻を決定することが求められるが、通常の水晶時計を用いた場合には、水晶時計に一定の誤差が生じてしまい、実際には同時刻で取得した加速度であっても、加速度センサーごとに取得時刻のデータに誤差が生じてしまう場合があった。このような問題に対して、高精度の発信器を有する小型内蔵時計、たとえばチップレベルの原子時計を内蔵させることも考えられるが、このような小型内蔵時計は高価であり、システム全体のコストが増大してしまうという問題があった。そのため、このような高価な内蔵時計を用いることなく、構造物内の複数の箇所に設置された加速度センサーから、略同時刻で取得された複数の加速度データを同時刻で取得したデータとして取得可能なシステムが要求されていた。 In order to monitor the state of the structure with high accuracy, multiple acceleration sensors installed at multiple locations on the structure were measured at approximately the same time (specifically, within the error range of 1/100 second) It is required to compare the measured values. However, when the acceleration sensor is installed inside the structure, accurate time can not be acquired from the outside such as GPS, so it is required to determine the acquisition time of the acceleration sensor based on the built-in clock. However, when a normal quartz clock is used, a constant error occurs in the quartz clock, and even if the acceleration is actually acquired at the same time, an error occurs in data of acquisition time for each acceleration sensor. There was a case that To address this problem, it is conceivable to incorporate a small internal clock with a high precision transmitter, such as a chip level atomic clock, but such a small internal clock is expensive and the cost of the entire system There was a problem that it would increase. Therefore, it is possible to obtain a plurality of acceleration data obtained at substantially the same time as data obtained at the same time from acceleration sensors installed at a plurality of locations in the structure without using such an expensive built-in clock. System was required.
本発明は、高価な小型内蔵時計を用いることなく、略同時刻で測定された測定値を同時刻で取得した測定値として取得可能な振動モニタリングシステムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a vibration monitoring system capable of acquiring measurement values measured at approximately the same time as measurement values acquired at the same time without using an expensive small built-in clock.
本発明に係る振動モニタリングシステムは、無線通信網を介して相互通信が可能な複数のセンサーユニットと、前記センサーユニットと前記無線通信網を介して相互通信が可能なデータ収集ユニットとを備える振動モニタリングシステムであって、前記センサーユニットが、３軸加速度センサー、処理装置、計測プログラムが格納された記憶装置、内蔵時計、電源装置および無線通信装置を備え、前記計測プログラムが、他のセンサーユニットとの無線通信により内蔵時計の時刻を定期的に同期させる時刻同期手段と、所定時間内の加速度波形を分析し、有意な振動加速度が含まれている場合には当該所定時間内における前記３軸加速度センサーの計測値を、タイムスタンプを付して前記記憶装置に記憶する振動データ記憶手段と、前記記憶装置に記憶された前記３軸加速度センサーの計測値を前記データ収集ユニットに前記無線通信網を介して送信する振動データ送信手段と、を備えることを特徴とする。 A vibration monitoring system according to the present invention includes a plurality of sensor units capable of mutual communication via a wireless communication network, and a vibration monitoring system including the sensor unit and a data collection unit capable of mutual communication via the wireless communication network. In the system, the sensor unit includes a 3-axis acceleration sensor, a processing device, a storage device storing a measurement program, a built-in clock, a power supply device, and a wireless communication device, and the measurement program includes another sensor unit. Time synchronization means for periodically synchronizing the time of the built-in clock by wireless communication, and an acceleration waveform within a predetermined time are analyzed, and when significant vibration acceleration is included, the 3-axis acceleration sensor within the predetermined time Vibration data storage means for storing time-stamped measurement values in the storage device, and the storage Characterized in that it comprises a vibration data transmitting means for transmitting a measured value of the three-axis acceleration sensor, which is stored in the location via the wireless communication network to said data collection unit.
前記振動モニタリングシステムは、前記振動データ記憶手段が、所定時間における前記３軸加速度センサーの計測値を一時保存する第１の領域と第２の領域とを設定し、所定時間経過する毎に前記３軸加速度センサーの計測値の保存先を第１の領域および第２の領域間で切り替えるように構成してもよい。 In the vibration monitoring system, the vibration data storage means sets a first area and a second area for temporarily storing the measurement values of the three-axis acceleration sensor in a predetermined time, and the vibration monitoring system sets the 3 each time a predetermined time elapses. The storage destination of the measurement value of the axis acceleration sensor may be switched between the first area and the second area.
前記振動モニタリングシステムは、前記振動データ記憶手段が、前記内蔵時計からの割り込み入力を基準に前記３軸加速度センサーの計測値の保存先を第１の領域および第２の領域間で切り替えるように構成してもよい。 The vibration monitoring system is configured such that the vibration data storage means switches the storage destination of the measurement value of the three-axis acceleration sensor between the first area and the second area based on the interrupt input from the built-in clock. You may
前記振動モニタリングシステムは、前記内蔵時計が、前記処理装置が備える第一の水晶時計と、前記無線通信装置が備える第二の水晶時計とから構成され、前記第一の水晶時計と前記第二の水晶時計とが所定の間隔で同期されるように構成してもよい。 In the vibration monitoring system, the built-in watch includes a first quartz watch provided in the processing device and a second quartz watch provided in the wireless communication device, and the first quartz watch and the second watch are provided. The quartz watch may be configured to be synchronized at a predetermined interval.
前記振動モニタリングシステムは、前記振動データ記憶手段が、予め定められた時間帯の各軸の加速度計測値を平滑化処理し、ノイズ成分を低減させてから前記記憶装置に記憶するように構成してもよい。 The vibration monitoring system is configured such that the vibration data storage unit smoothes acceleration measurement values of each axis in a predetermined time zone to reduce noise components and then stores the result in the storage device. It is also good.
前記振動モニタリングシステムは、前記時刻同期手段が、前記センサーユニット間におけるタイムスタンプのズレを１／１００秒以下に維持するように構成してもよい。 The vibration monitoring system may be configured such that the time synchronization unit maintains the time stamp deviation between the sensor units at 1/100 second or less.
前記振動モニタリングシステムは、前記電源装置が電池を備え、当該電池で２日間以上駆動することができるように構成してもよい。 The vibration monitoring system may be configured such that the power supply device includes a battery and can be driven by the battery for two days or more.
前記振動モニタリングシステムは、さらに、前記データ収集ユニットと通信可能な監視サーバを備え、前記監視サーバが、前記タイムスタンプが付された３軸加速度センサーの計測値に基づき構造物の変位量を算出する手段、および／または、前記タイムスタンプが付された３軸加速度センサーの計測値に基づき構造物の傾斜角を算出する手段を備えるように構成してもよい。 The vibration monitoring system further includes a monitoring server that can communicate with the data collection unit, and the monitoring server calculates the displacement amount of the structure based on the measurement value of the time stamped 3-axis acceleration sensor. The apparatus may be configured to include means and / or means for calculating the tilt angle of the structure based on the measurement value of the time stamped 3-axis acceleration sensor.
本発明によれば、高価な小型内蔵時計を用いることなく、略同時刻で取得された測定値を同時刻で取得された測定値として取得することができる振動モニタリングシステムを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a vibration monitoring system capable of acquiring measurement values acquired at approximately the same time as measurement values acquired at the same time without using an expensive small internal clock. Become.
以下に、本実施形態に係る振動モニタリングシステムを図に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る振動モニタリングシステムの構成を示す概略図である。図１に示すように、本発明に係る振動モニタリングシステムは、構造物の複数の箇所に設置される複数のセンサーユニット１と、複数のセンサーユニット１の測定値を収集するデータ収集ユニット２と、データ収集ユニット２からデータを受信する遠隔モニタリング装置３とから構成される。 Below, the vibration monitoring system which concerns on this embodiment is demonstrated based on figures. FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a vibration monitoring system according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the vibration monitoring system according to the present invention comprises a plurality of sensor units 1 installed at a plurality of locations of a structure, and a data collection unit 2 for collecting measurement values of the plurality of sensor units 1; The remote monitoring device 3 is configured to receive data from the data acquisition unit 2.
図１に示すように、複数のセンサーユニット１は、構造物の複数の箇所にそれぞれ設置される。たとえば、図１に示す例では、構造物Ａの複数の箇所に複数のセンサーユニット１Ａ１〜１Ａｎがそれぞれ設置されており、構造物Ｂの複数の箇所に複数のセンサーユニット１Ｂ１〜１Ｂｎが設置されている。なお、図１に示す複数のセンサーユニット１Ａ１〜１Ａｎ，１Ａ１〜１Ａｎは総称してセンサーユニット１ともいう。センサーユニット１は、３軸加速度センサー１０を有しており、複数のセンサーユニット１Ａ１〜１Ａｎは構造物Ａの各箇所の振動を加速度データとしてそれぞれ測定し、複数のセンサーユニット１Ｂ１〜１Ｂｎが構造物Ｂの各箇所の振動を加速度データとしてそれぞれ測定する。そして、センサーユニット１は、無線通信により、測定した加速度データからなる加速度波形データを、データ収集ユニット２まで送信する。 As shown in FIG. 1, the plurality of sensor units 1 are respectively installed at a plurality of locations of the structure. For example, in the example illustrated in FIG. 1, a plurality of sensor units 1 A1 to 1 An are respectively installed at a plurality of locations of structure A, and a plurality of sensor units 1 B1 to 1 Bn are installed at a plurality of locations of structure B Is installed. A plurality of sensor units shown in Figure 1 1 A1 ~1 An, 1 A1 ~1 An is also referred to as the sensor unit 1 collectively. The sensor unit 1 has a three-axis acceleration sensor 10, and the plurality of sensor units 1 A1 to 1 An respectively measure the vibration of each part of the structure A as acceleration data, and the plurality of sensor units 1 B1 to 1 Bn measures the vibration of each part of the structure B as acceleration data. Then, the sensor unit 1 transmits acceleration waveform data including the measured acceleration data to the data acquisition unit 2 by wireless communication.
ここで、センサーユニット１は、それぞれが直接、データ収集ユニット２に加速度データを送信するのではなく、図１に示すように、他のセンサーユニット１を介して、データ収集ユニット２に加速度データを送信するマルチホップ通信を行う。そして、データ収集ユニット２が、収集した加速度データを、電気通信回線４を介して、遠隔モニタリング装置３に送信する。たとえば、図１に示す例では、構造物Ａにおいて、センサーユニット１Ａ１は測定した加速度データをセンサーユニット１Ａ２に送信する。そして、センサーユニット１Ａ２は、当該センサーユニット１Ａ２が測定した加速度データと、センサーユニット１Ａ１から送信された加速度データとを、図示しないセンサーユニット１Ａ３に送信する。同様に、センサーユニット１Ａ３〜１Ａｎ−１で加速度データの送信が行われる。そして、センサーユニット１Ａｎは、当該センサーユニット１Ａｎが測定した加速度データと、センサーユニット１Ａ１〜１Ａｎ−１から送信された加速度データとを、データ収集ユニット２Ａに送信する。さらに、データ収集ユニット２Ａは、複数のセンサーユニット１Ａ１〜１Ａｎで測定された加速度データを、電気通信回線４を介して遠隔モニタリング装置３に送信する。同様に、構造物Ｂにおいても、センサーユニット１Ｂ１〜１Ｂｎが、それぞれの加速度データを、マルチホップ通信によりデータ収集ユニット２Ｂまで無線送信し、最終的に、データ収集ユニット２Ｂがセンサーユニット１Ｂ１〜１Ｂｎの加速度データを、電気通信回線４を介して、遠隔モニタリング装置３に送信する。 Here, the sensor unit 1 does not transmit the acceleration data to the data acquisition unit 2 directly, but as shown in FIG. 1, the acceleration data is sent to the data acquisition unit 2 via another sensor unit 1. Perform multi-hop communication to transmit. Then, the data collection unit 2 transmits the collected acceleration data to the remote monitoring device 3 via the telecommunication line 4. For example, in the example shown in FIG. 1, in the structure A, the sensor unit 1 A1 transmits acceleration data measured in the sensor unit 1 A2. And sensor unit 1 A2 transmits the acceleration data which the said sensor unit 1 A2 measured, and the acceleration data transmitted from sensor unit 1 A1 to sensor unit 1 A3 which is not shown in figure. Similarly, transmission of acceleration data is performed by the sensor units 1 A3 to 1 An-1 . The sensor unit 1 An includes acceleration data which the sensor unit 1 An were measured, and the acceleration data transmitted from the sensor unit 1 A1 ~1 An-1, and transmits the data collecting unit 2 A. Furthermore, the data collection unit 2 A is acceleration data measured by the plurality of sensor units 1 A1 to 1 An, it transmits to the remote monitoring device 3 via an electric communication line 4. Similarly, also in the structure B, the sensor units 1 B1 to 1 Bn wirelessly transmit their respective acceleration data to the data acquisition unit 2 B by multi-hop communication, and finally, the data acquisition unit 2 B acts as a sensor unit The acceleration data of 1 B1 to 1 Bn are transmitted to the remote monitoring device 3 via the telecommunication line 4.
なお、図１に示す例では、センサーユニット１Ａ１〜１Ａｎおよびデータ収集ユニット２Ａと、センサーユニット１Ｂ１〜１Ｂｎおよびデータ収集ユニット２Ａとがそれぞれリニアに接続されている構成を例示しているが、この構成に限定されず、センサーユニット１Ａ１〜１Ａｎおよびデータ収集ユニット２Ａと、センサーユニット１Ｂ１〜１Ｂｎおよびデータ収集ユニット２Ａとがそれぞれツリー形式で接続される構成としてもよい。この場合、データ収集ユニット２Ａは、複数のセンサーユニット１Ａから加速度データを受信する構成とすることができる。また、以下においては、マルチホップ通信において、データ収集ユニット２側にあるセンサーユニット１に対し、データ収集ユニット２と反対側にあるセンサーユニット１を下流と称し、反対に、データ収集ユニット２と反対側にあるセンサーユニット１に対し、データ収集ユニット２側にあるセンサーユニット１を上流と称す。 In the example illustrated in FIG. 1, the configuration in which the sensor units 1 A1 to 1 An and the data acquisition unit 2 A, and the sensor units 1 B1 to 1 Bn and the data acquisition unit 2 A are linearly connected is illustrated. However, the present invention is not limited to this configuration, and the sensor units 1 A1 to 1 An and the data acquisition unit 2 A, and the sensor units 1 B1 to 1 Bn and the data acquisition unit 2 A are respectively connected in a tree format It is also good. In this case, the data acquisition unit 2 A may be configured to receive the acceleration data from a plurality of sensor units 1 A. Also, in the following, in multi-hop communication, with respect to the sensor unit 1 on the data collection unit 2 side, the sensor unit 1 on the opposite side to the data acquisition unit 2 is referred to as downstream, and conversely, opposite to the data acquisition unit 2 With respect to the sensor unit 1 on the side, the sensor unit 1 on the data acquisition unit 2 side is referred to as the upstream.
次に、センサーユニット１の構成について説明する。図２は、本実施形態に係るセンサーユニット１の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態に係るセンサーユニット１は、３軸加速度センサー１０と、電源装置１１と、処理モジュール２０と、無線通信モジュール３０とを備える。 Next, the configuration of the sensor unit 1 will be described. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the sensor unit 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the sensor unit 1 according to the present embodiment includes a three-axis acceleration sensor 10, a power supply device 11, a processing module 20, and a wireless communication module 30.
３軸加速度センサー１０は、複数方向（３次元）の加速度を検出する。３軸加速度センサー１０により取得された３軸方向それぞれの加速度データは、処理モジュール２０の処理装置２１に送信される。
電源装置１１は、常時は商用電源から電力を受電し、停電時は電池から電力を受電する電源装置である。実施例のセンサーユニット１の消費電力は０．１Ｗ未満で、単三形Ｌリチウム乾電池２本で５日程度動作する。
The three-axis acceleration sensor 10 detects accelerations in a plurality of directions (three dimensions). The acceleration data in each of the three axial directions acquired by the three-axis acceleration sensor 10 is transmitted to the processing device 21 of the processing module 20.
The power supply device 11 is a power supply device that normally receives power from a commercial power supply and receives power from a battery at the time of a power failure. The power consumption of the sensor unit 1 of the embodiment is less than 0.1 W, and it operates for about 5 days with two AA lithium batteries.
処理モジュール２０は、図２に示すように、処理装置２１と、水晶時計２３と、記憶装置２４とを備える。処理装置２１は、たとえば、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、構造物の振動を計測するための計測プログラムが記憶されている。処理装置２１は、計測プログラムを実行することで、３軸加速度センサー１０から加速度データを取得する加速度データ取得機能と、取得した加速度データを記憶領域に一時記憶させるデータ書き込み機能と、一定時間における加速度データの時系列データ（以下、加速度波形データともいう）を評価するデータ評価機能と、加速度データに基づいて構造物の傾斜角を算出する傾斜角算出機能と、無線通信により送信する加速度波形データを記憶装置２４に記憶するデータ保存機能と、加速度波形データおよび傾斜角データを無線送信するデータ送信機能と、処理モジュール２０に内蔵された水晶時計２３の時刻をデータ収集ユニット２の時刻に同期させる時刻同期機能と、処理モジュール２０の水晶時計２３の時刻を基準として、３軸加速度センサー１０から取得した加速度データを書き込む記憶領域を一定時間ごとに切り替える記憶領域切替機能とを有する。なお、地震発生時には、無線通信網の機能が失われることがあるが、その場合でも加速度波形データおよび傾斜角データは記憶装置２４に保存される。また、処理装置２１の各機能の詳細については後述する。 As shown in FIG. 2, the processing module 20 includes a processing device 21, a quartz clock 23, and a storage device 24. The processing device 21 is, for example, an MCU (Micro Controller Unit), and stores a measurement program for measuring the vibration of the structure. The processing device 21 executes an measurement program to obtain an acceleration data acquisition function of acquiring acceleration data from the three-axis acceleration sensor 10, a data writing function of temporarily storing the acquired acceleration data in a storage area, and an acceleration at a predetermined time. A data evaluation function that evaluates time series data (hereinafter also referred to as acceleration waveform data), a tilt angle calculation function that calculates a tilt angle of a structure based on acceleration data, and acceleration waveform data to be transmitted by wireless communication The time to synchronize the time of the crystal clock 23 incorporated in the processing module 20 with the time of the data acquisition unit 2 and the data storage function stored in the storage device 24, the data transmission function of wirelessly transmitting the acceleration waveform data and the inclination angle data 3 axis acceleration based on the synchronization function and the time of the crystal clock 23 of the processing module 20 And a storage area switching function for switching the storage area for writing acceleration data acquired from the sensor 10 at regular time intervals. When an earthquake occurs, the function of the wireless communication network may be lost, but even in such a case, the acceleration waveform data and the inclination angle data are stored in the storage device 24. Further, details of each function of the processing device 21 will be described later.
無線通信モジュール３０は、図２に示すように、無線通信処理装置３１と、アンテナ３２と、水晶時計３３とを備える。無線通信処理装置３１は、アンテナ３２を介して、下流のセンサーユニット１から加速度波形データおよび傾斜角データを無線通信で受信するとともに、下流のセンサーユニット１から受信した加速度波形データおよび傾斜角データ並びに当該センサーユニット１で取得した加速度波形データおよび傾斜角データを、上流のセンサーユニット１またはデータ収集ユニット２に無線通信で送信する。なお、センサーユニット１がどのセンサーユニット１からデータを受信し、どのセンサーユニット１にデータを送信するかは、無線通信処理装置３１の機能により予め決定されている。 As shown in FIG. 2, the wireless communication module 30 includes a wireless communication processing device 31, an antenna 32, and a quartz clock 33. The wireless communication processing device 31 receives acceleration waveform data and tilt angle data from the downstream sensor unit 1 via wireless communication via the antenna 32, and also receives acceleration waveform data and tilt angle data received from the downstream sensor unit 1, and The acceleration waveform data and the inclination angle data acquired by the sensor unit 1 are transmitted to the upstream sensor unit 1 or the data acquisition unit 2 by wireless communication. The sensor unit 1 from which sensor unit 1 receives data and to which sensor unit 1 data is transmitted is determined in advance by the function of the wireless communication processing device 31.
また、無線通信処理装置３１は、無線マルチホップ通信により、上流のセンサーユニット１またはデータ収集ユニット２から時刻データを受信する機能も有する。さらに、無線通信処理装置３１は、無線マルチホップ通信により、受信した時刻データを、下流のセンサーユニット１に送信する機能も有する。無線通信処理装置３１は、各無線通信処理装置が多段に中継することにより、広範囲の無線マルチホップネットワークを自動で構築することができる。無線通信処理装置３１は、自動的に品質の良い通信経路を選択して中継することもできるし、優先したい経路を固定で設定することもできる。 The wireless communication processing device 31 also has a function of receiving time data from the upstream sensor unit 1 or data collection unit 2 by wireless multi-hop communication. Furthermore, the wireless communication processing device 31 also has a function of transmitting the received time data to the downstream sensor unit 1 by wireless multi-hop communication. The wireless communication processing device 31 can automatically construct a wide range of wireless multi-hop networks by relaying each wireless communication processing device in multiple stages. The wireless communication processing device 31 can automatically select and relay a communication path with high quality, and can also set a path desired to be prioritized in a fixed manner.
次に、データ収集ユニット２の構成について説明する。図３は、本実施形態に係るデータ収集ユニット２の構成を示すブロック図である。本実施形態に係るデータ収集ユニット２は、図３に示すように、処理装置４１と、記憶装置４２と、無線通信装置４３と、回線通信装置４４と、水晶時計４５とを備える。 Next, the configuration of the data acquisition unit 2 will be described. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the data acquisition unit 2 according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the data collection unit 2 according to the present embodiment includes a processing device 41, a storage device 42, a wireless communication device 43, a line communication device 44, and a quartz clock 45.
処理装置４１は、無線通信装置４３を介して、複数のセンサーユニット１から加速度波形データおよび傾斜角データを受信する。そして、処理装置４１は、複数のセンサーユニット１から受信した加速度波形データおよび傾斜角データを、３Ｇ網、ＬＴＥ網等の携帯電話網通信が可能な回線通信装置４４により、電気通信回線４を通じて遠隔モニタリング装置３に送信する。なお、遠隔モニタリング装置３に送信するデータの送信容量よりも、センサーユニット１から受信するデータの受信容量の方が大きい場合には、処理装置４１は、送信待ちのデータを、記憶装置４２に一時的に記憶することができる。そして、処理装置４１は、複数のセンサーユニット１から受信した加速度波形データおよび傾斜角データを記憶装置４２に保存すると共に、３Ｇ網、ＬＴＥ網等の携帯電話網通信が可能な回線通信装置４４により、電気通信回線４を通じて遠隔モニタリング装置３に送信する。なお、地震発生時には電気通信回線４の機能が一時的に失われることがあるが、その場合でも加速度波形データおよび傾斜角データは記憶装置４２に保存される。 The processing device 41 receives acceleration waveform data and tilt angle data from the plurality of sensor units 1 via the wireless communication device 43. Then, the processing device 41 causes the acceleration waveform data and inclination angle data received from the plurality of sensor units 1 to be remoted through the telecommunication line 4 by the line communication device 44 capable of mobile telephone network communication such as 3G network and LTE network. Transmit to monitoring device 3. When the reception capacity of data received from the sensor unit 1 is larger than the transmission capacity of data to be transmitted to the remote monitoring device 3, the processing device 41 temporarily stores the data waiting for transmission in the storage device 42. Can be stored. Then, the processing unit 41 stores the acceleration waveform data and the inclination angle data received from the plurality of sensor units 1 in the storage unit 42, and by the line communication unit 44 capable of mobile phone network communication such as 3G network and LTE network. , Transmits to the remote monitoring device 3 through the telecommunication line 4. Although the function of the telecommunication line 4 may be temporarily lost when an earthquake occurs, the acceleration waveform data and the inclination angle data are stored in the storage device 42 even in that case.
また、処理装置４１は、内蔵する水晶時計４５の時刻データを、無線通信装置４３を介して、センサーユニット１に送信する機能を有する。各センサーユニット１に送信される時刻データは、各センサーユニット１の時刻を、データ収集ユニット２の時刻に同期するために利用されることとなる。 In addition, the processing device 41 has a function of transmitting time data of the built-in crystal clock 45 to the sensor unit 1 via the wireless communication device 43. The time data transmitted to each sensor unit 1 is used to synchronize the time of each sensor unit 1 with the time of data collection unit 2.
次に、遠隔モニタリング装置３の構成について説明する。図４は、遠隔モニタリング装置３の構成を示すブロック図である。遠隔モニタリング装置３は、たとえばＰＣサーバなどの機器であり、図４に示すように、処理装置５１と、受信装置５２と、データベース５３と、入力装置５４と、表示装置５５とを有する。 Next, the configuration of the remote monitoring device 3 will be described. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the remote monitoring device 3. The remote monitoring device 3 is, for example, a device such as a PC server, and includes a processing device 51, a receiving device 52, a database 53, an input device 54, and a display device 55, as shown in FIG.
処理装置５１は、ユーザが構造物の状態をモニタリングするための監視プログラムと、監視プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、アクセス可能な記憶装置として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）と、を備える。そして、処理装置５１は、ＲＡＭに記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することで、データ収集ユニット２から加速度波形データおよび傾斜角データを受信するデータ受信機能と、データベース５３から同時刻に取得された加速度データを抽出する加速度データ抽出機能と、構造物の各箇所の振動の変位量を算出する変位量算出機能と、構造物の各箇所の加速度データ、変位量、傾斜角のいずれか１以上を含むモニタリング情報をユーザに提示する情報提示機能と、を有する。なお、処理装置５１の各機能の詳細については後述する。 The processing device 51 includes a monitoring program for the user to monitor the state of the structure, a central processing unit (CPU) executing the monitoring program, and a random access memory (RAM) functioning as an accessible storage device. Prepare. Then, the processing device 51 executes the program stored in the RAM by the CPU to obtain the data receiving function of receiving the acceleration waveform data and the inclination angle data from the data acquisition unit 2 at the same time from the database 53. Acceleration data extraction function to extract acceleration data, displacement amount calculation function to calculate displacement amount of vibration of each part of structure, acceleration data of each part of structure, displacement amount, any one or more of inclination angle And D. an information presentation function of presenting the user with the monitoring information included. The details of each function of the processing device 51 will be described later.
次に、本実施形態に係る振動モニタリングシステムの実施例および動作について説明する。本実施例では、３軸加速度センサー１０としてＡＤＸＬ３５５（アナログデバイセズ社）を、無線通信モジュール３０として通信距離の長い９２０ＭＨｚ帯無線に対応したＳＲ９２０（沖電気工業株式会社）を、バッファ記憶装置となる記憶装置２４としてＭｉｃｒｏＳＤを使用した。 Next, examples and operations of the vibration monitoring system according to the present embodiment will be described. In the present embodiment, a memory that serves as a buffer storage device is an ADXL 355 (Analog Devices) as the three-axis acceleration sensor 10 and an SR 920 (Oki Electric Industry Co., Ltd.) compatible with 920 MHz band radio with long communication distance as the wireless communication module 30. MicroSD was used as device 24.
まず、本実施形態に係る振動モニタリング処理について説明する。なお、図５は、本実施形態に係る振動モニタリング処理を示すフローチャートであり、図６は、本実施形態に係るセンサーユニット１の動作を説明するための図である。なお、図５に示すように、ステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理は各センサーユニット１により実行され、ステップＳ１０９の処理はデータ収集ユニット２により実行され、ステップＳ１１０〜Ｓ１１３の処理は遠隔モニタリング装置３により実行される。また、図５に示す例では、説明の便宜上に、ステップＳ１０１〜Ｓ１１３の処理を時系列に並べて説明するが、各処理はそれぞれ独自のサイクルで繰り返し行われており、また、異なる処理が並行して行われることもある。 First, the vibration monitoring process according to the present embodiment will be described. In addition, FIG. 5 is a flowchart which shows the vibration monitoring process which concerns on this embodiment, and FIG. 6 is a figure for demonstrating the operation | movement of the sensor unit 1 which concerns on this embodiment. As shown in FIG. 5, the processing of steps S101 to S108 is performed by each sensor unit 1, the processing of step S109 is performed by the data collection unit 2, and the processing of steps S110 to S113 is performed by the remote monitoring device 3. Be done. Further, in the example shown in FIG. 5, for convenience of explanation, the processing of steps S101 to S113 are described in chronological order, but each processing is repeatedly performed in its own cycle, and different processing is performed in parallel. Is sometimes done.
ステップＳ１０１では、構造物の各箇所に設置された３軸加速度センサー１０により、３軸方向の加速度データが測定される。本実施形態において、３軸加速度センサー１０は、独自のクロックメカニズムにより（たとえば５ミリ秒ごとに）、自律的に、処理モジュール２０の処理装置２１に対して、ＤａｔａＲｅａｄｙ信号を出力する。ＤａｔａＲｅａｄｙ信号は割り込み入力となっており、処理モジュール２０の処理装置２１はＤａｔａＲｅａｄｙ信号を受信すると即座に、処理装置２１の加速度データ取得機能により、３軸加速度センサー１０から３軸方向の加速度データをＩ２Ｃ通信で取得する。 In step S101, acceleration data in three axial directions is measured by the three-axis acceleration sensor 10 installed at each location of the structure. In the present embodiment, the three-axis acceleration sensor 10 autonomously outputs a DataReady signal to the processing device 21 of the processing module 20 by a unique clock mechanism (for example, every 5 milliseconds). The DataReady signal is an interrupt input, and when the processing device 21 of the processing module 20 receives the DataReady signal, the acceleration data acquisition function of the processing device 21 immediately performs I2C acceleration data in the directions of three axes from the three-axis acceleration sensor 10. Acquire by communication.
ステップＳ１０２では、処理装置２１のデータ書き込み機能により、ステップＳ１０１で取得された加速度データが、第１記憶領域２２Ａおよび第２記憶領域２２Ｂのいずれか一方に記憶される。ここで、本実施形態においては、第１記憶領域２２Ａおよび第２記憶領域２２Ｂのうち、測定された加速度データが書き込まれる領域をアクティブ領域と称し、もう一方の記憶領域をストア領域と称する。アクティブ領域とストア領域とは、処理装置２１により、一定時間（たとえば１０秒）ごとに交互に切り替えられる。 In step S102, the acceleration data acquired in step S101 is stored in one of the first storage area 22A and the second storage area 22B by the data writing function of the processing device 21. Here, in the present embodiment, of the first storage area 22A and the second storage area 22B, the area to which the measured acceleration data is written is referred to as an active area, and the other storage area is referred to as a store area. The active area and the store area are alternately switched by the processing device 21 every fixed time (for example, 10 seconds).
たとえば、図６に示す例では、時刻ｎから、第１記憶領域２２Ａを、３軸加速度センサー１０の加速度データを書き込むアクティブ領域としており、第２記憶領域２２Ｂをストア領域としている。この場合、データ書き込み機能は、時刻ｎから一定時間、アクティブ領域である第１記憶領域２２Ａに、３軸加速度センサー１０から取得した加速度データを記憶させる。
アクティブ領域とストア領域との切替は、処理モジュール２０の水晶時計２３からの１秒毎の割り込み入力を基準に行っており、ソフトウェア処理による揺らぎを起こさない設計としている。
For example, in the example shown in FIG. 6, from time n, the first storage area 22A is the active area to which the acceleration data of the three-axis acceleration sensor 10 is to be written, and the second storage area 22B is the store area. In this case, the data writing function stores acceleration data acquired from the three-axis acceleration sensor 10 in the first storage area 22A, which is an active area, for a certain period of time from time n.
The switching between the active area and the store area is performed based on an interrupt input per second from the crystal clock 23 of the processing module 20, and is designed so as not to cause fluctuation due to software processing.
ステップＳ１０３では、処理装置２１のデータ評価機能により、ステップＳ１０２で書き込まれた時系列の加速度データ（加速度波形データ）の評価が行われる。具体的には、データ評価機能は、まず、第１記憶領域２２Ａおよび第２記憶領域２２Ｂのうち、ストア領域である記憶領域から一定時間前までの加速度データの時系列データを加速度波形データとして読み込む。たとえば、図６に示す例において、時刻ｎから第２記憶領域２２Ｂがストア領域となっている場合には、データ評価機能は、時刻ｎの直前にストア領域であった第１記憶領域２２Ａに記憶された、時刻ｎ−１から時刻ｎまでに取得された加速度データの時系列データを、加速度波形データとして読み込む。そして、データ評価機能は、読みだした加速度波形データに有意な振動加速度が含まれるか否かの評価を行う。なお、ステップＳ１０３のデータ評価処理は、ステップＳ１０２のデータ書き込み処理と並行して行なわれる。 In step S103, the data evaluation function of the processing device 21 evaluates the time-series acceleration data (acceleration waveform data) written in step S102. Specifically, the data evaluation function first reads, as acceleration waveform data, time-series data of acceleration data from the storage area, which is the store area, of the first storage area 22A and the second storage area 22B up to a predetermined time ago. . For example, in the example shown in FIG. 6, when the second storage area 22B is the store area from time n, the data evaluation function stores the data in the first storage area 22A that was the store area immediately before time n. The time-series data of acceleration data acquired from time n-1 to time n is read as acceleration waveform data. Then, the data evaluation function evaluates whether or not the read acceleration waveform data includes significant vibration acceleration. The data evaluation process of step S103 is performed in parallel with the data writing process of step S102.
ステップＳ１０４では、処理装置２１のデータ評価機能により、ステップＳ１０３における加速度波形データの評価結果に基づいて、加速度波形データに有意な振動加速度が含まれるか否かの判断が行われる。加速度波形データに有意な振動加速度が含まれると判断された場合には、ステップＳ１０５に進み、一方、加速度波形データに有意な振動加速度が含まれないと判断された場合は、ステップＳ１０６に進む。 In step S104, based on the evaluation result of the acceleration waveform data in step S103, it is determined by the data evaluation function of the processing device 21 whether or not significant vibration acceleration is included in the acceleration waveform data. If it is determined that the significant acceleration is included in the acceleration waveform data, the process proceeds to step S105. If it is determined that the significant acceleration is not included in the acceleration waveform data, the process proceeds to step S106.
ステップＳ１０３およびＳ１０４における有意な振動加速度の判定方法について補足の説明をする。一定期間（たとえば１０秒間）の加速度波形に有意な振動加速度が含まれるかどうかの判定方法は、たとえば次の手順で行う。
（１）ＸＹＺの各軸の加速度計測値について、期間平均値（Xave, Yave, Zave）を算出する。
（２）ＸＹＺの各軸について、読み込んだ全ての時系列加速度データと平均値の差の絶対値（abs(X - Xave), abs(Y - Yave), abs(Z - Zave)）を算出し、絶対値の期間最大値（Xmax, Ymax, Zmax）を算出する。ここで、各軸の絶対値は、重力加速度の寄与のない振動加速度の大きさである。
（３）(Xmax + Ymax + Zmax)が予め設定した閾値を超える場合に、当該期間に有意な振動加速度が含まれていると判定する。
A supplementary description will be given of the determination method of significant vibration acceleration in steps S103 and S104. For example, the following procedure is used to determine whether a significant vibration acceleration is included in the acceleration waveform for a fixed period (for example, 10 seconds).
(1) The period average value (Xave, Yave, Zave) is calculated for the acceleration measurement value of each axis of XYZ.
(2) For each axis of XYZ, calculate the absolute value (abs (X-Xave), abs (Y-Yave), abs (Z-Zave)) of the difference between all the time-series acceleration data read and the average value Calculate the period maximum value (Xmax, Ymax, Zmax) of the absolute value. Here, the absolute value of each axis is the magnitude of the vibration acceleration without contribution of gravity acceleration.
(3) When (Xmax + Ymax + Zmax) exceeds a preset threshold value, it is determined that a significant vibration acceleration is included in the period.
ステップＳ１０５では、処理装置２１のデータ保存機能により、有意な振動加速度が含まれると判断された加速度波形データが、記憶装置２４に記憶される。具体的には、データ保存機能は、有意な振動加速度を含む期間の加速度波形データに、当該加速度波形データの取得が開始された時刻をタイムスタンプとして付与し、記憶装置２４に記憶する。たとえば、図６に示す例において、時刻ｎ−１から時刻ｎまでに取得された加速度波形データを記憶装置２４に記憶する場合、データ保存機能は、図６に示すように、加速度波形データのファイル名に当該加速度波形データの取得が開始された時刻ｎ−１を含ませることで、加速度波形データに時刻ｎ−１のタイムスタンプを付与することができる。このような加速度波形データは、時刻ｎ−１から時刻ｎまでの一定時間における加速度データであり、このように、一定時間における加速度データを１つの加速度波形データのファイルとして保存することで、後述するデータ処理を容易とすることができる。また、データ保存機能は、記憶装置２４に加速度波形データを記憶するとともに、加速度波形データの送信順番をデータ送信キューに登録する。これにより、加速度波形データが時系列順に無線送信されることとなる。 In step S105, acceleration waveform data determined to include significant vibration acceleration by the data storage function of the processing device 21 is stored in the storage device 24. Specifically, the data storage function adds the time when acquisition of the acceleration waveform data is started as a time stamp to acceleration waveform data in a period including significant vibration acceleration, and stores the time waveform in the storage device 24. For example, when the acceleration waveform data acquired from time n-1 to time n is stored in the storage device 24 in the example shown in FIG. 6, the data storage function is a file of acceleration waveform data as shown in FIG. By including the time n-1 at which acquisition of the acceleration waveform data is started in the name, it is possible to add a time stamp of time n-1 to the acceleration waveform data. Such acceleration waveform data is acceleration data in a fixed time from time n-1 to time n, and thus, will be described later by storing acceleration data in a fixed time as a file of one acceleration waveform data. Data processing can be facilitated. The data storage function stores the acceleration waveform data in the storage device 24 and registers the transmission order of the acceleration waveform data in the data transmission queue. As a result, the acceleration waveform data is wirelessly transmitted in chronological order.
図５のステップＳ１０４において、加速度波形データに有意な振動加速度が含まれないと判断された場合は、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、処理装置２１の傾斜角算出機能により、ＸＹＺの各軸の加速度波形データの平滑化処理が行われる。たとえば、傾斜角算出機能は、各軸方向の加速度波形データについて、移動平均などの平滑化処理（ローパスフィルター処理）を行うことができる。重力加速度は直流成分であるのに対し、微小な振動ノイズや３軸加速度センサー１０の電気ノイズは交流成分であるため、このような平滑化処理を行うことで、ノイズの影響を大幅に低減することができる。 If it is determined in step S104 of FIG. 5 that the acceleration waveform data does not include significant vibration acceleration, the process proceeds to step S106. In step S106, the acceleration waveform data of each axis of XYZ is smoothed by the inclination angle calculation function of the processing device 21. For example, the tilt angle calculation function can perform smoothing processing (low pass filter processing) such as moving average on acceleration waveform data in each axial direction. Gravitational acceleration is a direct current component, while minute vibration noise and electrical noise of the 3-axis acceleration sensor 10 are alternating current components. Therefore, the effect of noise is significantly reduced by performing such smoothing processing. be able to.
ステップＳ１０７では、処理装置２１の傾斜角算出機能により、ステップ１０４で有意な振動加速度を含まないと判定された期間のデータから、ステップ１０６で平滑化処理により有意な振動加速度とは判定されないレベルの微小な振動ノイズやセンサー自体の電気ノイズを除去したデータに基づいて、構造物の傾斜角の算出を行い、記憶装置２４に記憶する。具体的には、傾斜角算出機能は、有意な振動加速度を含まないＸＹＺ各方向における重力加速度計測データに基づいて、三角関数を用いた公知の方法により、構造物の各箇所における傾斜角を算出することができる。特に、本実施形態においては、ステップＳ１０４において有意な振動加速度を含まない計測データを選別し、さらに、ステップＳ１０６でノイズ低減処理を予め行うことにより、１／１００°以下の分解能で傾斜角を算出することが可能となる。 In step S107, from the data of the period determined not to contain significant vibration acceleration in step 104 by the inclination angle calculation function of the processing device 21, the level does not determine that the vibration acceleration is significant in smoothing processing in step 106. The tilt angle of the structure is calculated based on the data from which the minute vibration noise and the electric noise of the sensor itself are removed, and stored in the storage device 24. Specifically, the tilt angle calculation function calculates tilt angles at each location of the structure by a known method using a trigonometric function based on gravity acceleration measurement data in each of the XYZ directions not including significant vibration acceleration. can do. In particular, in the present embodiment, measurement data not including significant vibrational acceleration is selected in step S104, and noise reduction processing is performed in advance in step S106 to calculate an inclination angle with a resolution of 1/100 ° or less. It is possible to
ステップＳ１０８では、処理装置２１のデータ送信機能により、ステップＳ１０５で記憶装置２４に記憶された加速度波形データおよびステップＳ１０７で算出された構造物の傾斜角データが、無線通信モジュール３０を介して無線送信される。本実施形態において、データ送信機能は、ステップＳ１０５で登録した送信キューを参照し、取得された時期の古い加速度波形データから順に無線送信を行う。なお、上述したように、本実施形態における無線通信モジュール３０は、マルチホップ通信を行っており、当該センサーユニット１で取得した加速度波形データおよび傾斜角データに加えて、下流のセンサーユニット１から受信した加速度波形データおよび傾斜角データも、上流のセンサーユニット１またはデータ収集ユニット２に無線送信を行う。 In step S108, the acceleration waveform data stored in the storage device 24 in step S105 and the tilt angle data of the structure calculated in step S107 are transmitted wirelessly through the wireless communication module 30 by the data transmission function of the processing device 21. Be done. In the present embodiment, the data transmission function refers to the transmission queue registered in step S105, and performs wireless transmission in order from the acceleration waveform data with the older acquired time. Note that, as described above, the wireless communication module 30 in the present embodiment performs multi-hop communication, and receives from the downstream sensor unit 1 in addition to the acceleration waveform data and the inclination angle data acquired by the sensor unit 1 The acceleration waveform data and the inclination angle data are also wirelessly transmitted to the upstream sensor unit 1 or data acquisition unit 2.
ステップＳ１０９の処理は、データ収集ユニット２により行われる。ステップＳ１０９では、データ収集ユニット２の処理装置４１により、構造物の複数の箇所に設置された複数のセンサーユニット１において計測された加速度波形データおよび傾斜角データが、記憶装置４２に保存されると共に、回線通信装置４４および電気通信回線４を介して、遠隔モニタリング装置３に送信される。 The process of step S109 is performed by the data acquisition unit 2. In step S109, the acceleration waveform data and the inclination angle data measured by the plurality of sensor units 1 installed at the plurality of locations of the structure are stored in the storage device 42 by the processing device 41 of the data collection unit 2. , And via the line communication device 44 and the telecommunication line 4 to the remote monitoring device 3.
ステップＳ１１０〜Ｓ１１３の処理は、遠隔モニタリング装置３により行われる。まず、ステップＳ１１０では、遠隔モニタリング装置３の処理装置５１のデータ受信機能により、データ収集ユニット２から送信された加速度波形データおよび傾斜角データの受信が行われる。そして、データ受信機能は、受信した加速度波形データおよび傾斜角データを、データベース５３に記憶する。 The processing of steps S110 to S113 is performed by the remote monitoring device 3. First, in step S110, the acceleration waveform data and inclination angle data transmitted from the data acquisition unit 2 are received by the data reception function of the processing device 51 of the remote monitoring device 3. Then, the data receiving function stores the received acceleration waveform data and inclination angle data in the database 53.
ステップＳ１１１では、処理装置５１の加速度データ抽出機能により、データベース５３を参照して、同時刻に取得された加速度データの抽出が行われる。本実施形態では、データ収集ユニット２から受信した加速度波形データには、加速度データの取得を開始した時刻のタイムスタンプが付与されており、加速度データ抽出機能は、当該タイムスタンプを参照することで、同じ構造物における複数の箇所で、同時刻に取得された複数の加速度データを抽出することができる。なお、ユーザは、遠隔モニタリング装置３の入力装置５４を介して、ユーザが所望する時刻に取得された加速度データを抽出させることもできるし、また、遠隔モニタリング装置３が自動で最新の加速度データを抽出することもできる。 In step S111, the acceleration data extraction function of the processing device 51 refers to the database 53 to extract acceleration data acquired at the same time. In the present embodiment, the acceleration waveform data received from the data acquisition unit 2 is provided with a time stamp of the time when acquisition of acceleration data was started, and the acceleration data extraction function refers to the time stamp by referring to the time stamp. A plurality of acceleration data acquired at the same time can be extracted at a plurality of locations in the same structure. Note that the user can also extract acceleration data acquired at a time desired by the user via the input device 54 of the remote monitoring device 3, or the remote monitoring device 3 automatically updates the latest acceleration data. It can also be extracted.
ステップＳ１１２では、処理装置５１の変位量算出機能により、構造物の各箇所における変位量の算出が行われる。たとえば、変位量算出機能は、構造物の各箇所に設置されたセンサーユニット１の経時的な変位量を算出することができる。これにより、構造物の各箇所においてどのような変位が生じているかをユーザに提示することができる。さらに、本実施形態において、変位量算出機能は、算出された同時刻の変位量データを比較することで、構造物の各箇所間の変位量の差を算出することもできる。これにより、構造物全体の歪みの状態をユーザに提示することができる。なお、本実施形態において、加速度データは３軸方向において測定されるため、変位量算出機能は各軸方向における変位量を算出することが可能である。 In step S112, the displacement amount calculation function of the processing device 51 calculates the displacement amount at each location of the structure. For example, the displacement amount calculation function can calculate the displacement amount of the sensor unit 1 installed at each location of the structure over time. This allows the user to be presented with what kind of displacement occurs at each part of the structure. Furthermore, in the present embodiment, the displacement amount calculation function can also calculate the difference in displacement amount between each part of the structure by comparing the calculated displacement amount data at the same time. Thereby, the distortion state of the whole structure can be presented to the user. In the present embodiment, since the acceleration data is measured in three axial directions, the displacement calculation function can calculate the displacement in each axial direction.
ステップＳ１１３では、処理装置５１の情報提示機能により、構造物の各箇所の加速度データ、変位量、傾斜角のいずれか１つ以上を含むモニタリング情報が、表示装置５５のディスプレイに表示される。たとえば、情報提示機能は、モニタリングしている構造物のイラストを生成し、当該構造物のイラストに重畳して、構造物の対応箇所で測定された各センサーユニット１の加速度データ、およびそれに基づく変位量や傾斜角を、表示装置５５に表示させることができる。 In step S113, monitoring information including any one or more of acceleration data, displacement amount, and inclination angle of each part of the structure is displayed on the display of the display device 55 by the information presentation function of the processing device 51. For example, the information presentation function generates an illustration of the structure being monitored, and superimposes the illustration of the structure on the acceleration data of each sensor unit 1 measured at the corresponding location of the structure, and displacement based thereon The amount and the inclination angle can be displayed on the display device 55.
なお、構造物の振動が継続する場合には、センサーユニット１で送信対象となる加速度波形データの量が多くなり、センサーユニット１が送信可能な送信量を上回ることもあるが、一時的に記憶装置２４に送信対象の加速度波形データを記憶しておくことで、有意な振動加速度が収まった後に、全ての加速度波形データをデータ収集ユニット２へ送信することが可能となる。 When the vibration of the structure continues, the amount of acceleration waveform data to be transmitted by the sensor unit 1 increases and may exceed the amount of transmission that the sensor unit 1 can transmit, but temporarily storing By storing the acceleration waveform data to be transmitted in the device 24, it is possible to transmit all the acceleration waveform data to the data acquisition unit 2 after the significant vibration acceleration is settled.
次に、図７に基づいて、本実施形態に係る時刻同期処理について説明する。図７は、本実施形態に係る時刻同期処理を示すフローチャートである。なお、図７に示すように、ステップＳ２０１〜Ｓ２０２の処理はデータ収集ユニット２で実行され、ステップＳ２０３〜Ｓ２０５の処理は各センサーユニット１でそれぞれ実行される。また、図５に示す振動モニタリング処理と同様に、図７に示す時刻同期処理では、説明の便宜上、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５の処理を時系列に並べて説明するが、各処理はそれぞれ独自のサイクルで繰り返し行われており、また、異なる処理が並行して行われることもある。 Next, time synchronization processing according to the present embodiment will be described based on FIG. FIG. 7 is a flowchart showing time synchronization processing according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, the processing of steps S201 to S202 is performed by the data collection unit 2, and the processing of steps S203 to S205 is performed by each sensor unit 1. Further, as in the vibration monitoring process shown in FIG. 5, in the time synchronization process shown in FIG. 7, the processes of steps S201 to S205 will be described in time series for convenience of explanation, but each process is repeated in its own cycle. It is done, and different processes may be done in parallel.
まず、ステップＳ２０１では、データ収集ユニット２の処理装置４１により、データ収集ユニット２に内蔵する水晶時計４５の時刻データが取得される。そして、ステップＳ２０２では、データ収集ユニット２の処理装置４１により、無線通信装置４３を介して、ステップＳ２０１で取得されたデータ収集ユニット２の時刻データが各センサーユニット１にマルチホップ通信により無線送信される。 First, in step S201, the processing device 41 of the data acquisition unit 2 acquires time data of the quartz clock 45 incorporated in the data acquisition unit 2. Then, in step S202, the processing device 41 of the data collection unit 2 wirelessly transmits the time data of the data collection unit 2 acquired in step S201 to each sensor unit 1 through the wireless communication device 43 by multi-hop communication. Ru.
ステップＳ２０３では、センサーユニット１の処理装置２１の時刻同期機能により、無線通信モジュール３０の水晶時計３３の時刻を、ステップＳ２０２で送信されたデータ収集ユニット２の時刻に同期する処理（第１の時刻同期処理）が行われる。たとえば、時刻同期機能は、１０分間隔で、データ収集ユニット２から時刻データを受信することで、１０分ごとに、無線通信モジュール３０の水晶時計３３の時刻を、データ収集ユニット２の時刻に同期することができる。 In step S203, the time synchronization function of the processing device 21 of the sensor unit 1 synchronizes the time of the crystal clock 33 of the wireless communication module 30 with the time of the data collection unit 2 transmitted in step S202 (first time Synchronous processing is performed. For example, the time synchronization function synchronizes the time of the crystal clock 33 of the wireless communication module 30 with the time of the data acquisition unit 2 every 10 minutes by receiving time data from the data acquisition unit 2 at intervals of 10 minutes. can do.
ステップＳ２０４では、さらに、処理装置２１の時刻同期機能により、処理モジュール２０の水晶時計２３の時刻を、ステップＳ２０３で同期させた無線通信モジュール３０の水晶時計３３の時刻に同期する処理（第２の時刻同期処理）が行われる。たとえば、時刻同期機能は、１分間隔で、無線通信モジュール３０の水晶時計３３の時刻データを取得することで、１分ごとに、処理モジュール２０の水晶時計２３の時刻を、無線通信モジュール３０の時刻、言い換えれば、データ収集ユニット２の時刻に同期することができる。 In step S204, the time synchronization function of the processing device 21 further synchronizes the time of the crystal clock 23 of the processing module 20 with the time of the crystal clock 33 of the wireless communication module 30 synchronized in step S203 (second process Time synchronization processing is performed. For example, the time synchronization function acquires the time data of the crystal clock 33 of the wireless communication module 30 at an interval of one minute so that the time of the crystal clock 23 of the processing module 20 can be It is possible to synchronize with the time, in other words, the time of the data collection unit 2.
ステップＳ２０５では、処理装置２１の記憶領域切替機能により、処理モジュール２０の水晶時計２３の時刻を基準として、第１記憶領域２２Ａと第２記憶領域２２Ｂとにおいて、アクティブ領域とストア領域との切り替えが行われる。たとえば、本実施形態では、１０秒ごとに、アクティブ領域とストア領域との切り替えが行われる。ここで、記憶領域切替機能は、当該１０秒間の基準として、水晶時計２３の時刻を利用する。この切替信号は、割り込み入力にて行われるため、アクティブ領域とストア領域との切り替えにソフトウェアによる揺らぎが生じない設計とされている。 In step S205, the storage area switching function of the processing device 21 switches the active area and the store area in the first storage area 22A and the second storage area 22B based on the time of the crystal clock 23 of the processing module 20. To be done. For example, in the present embodiment, switching between the active area and the store area is performed every 10 seconds. Here, the storage area switching function uses the time of the quartz clock 23 as a reference for the 10 seconds. Since this switching signal is performed at the interrupt input, the switching between the active area and the storage area is designed so that no fluctuation is caused by software.
このように、本実施形態においては、同一構造物の複数の箇所に設置された複数のセンサーユニット１のそれぞれにおいて、センサーユニット１の処理モジュール２０の水晶時計２３の時刻を、データ収集ユニット２の時刻に同期させることができる。これにより、同一構造物の複数の箇所に設置された複数のセンサーユニット１間の時刻のずれを減少させることができるため、各センサーユニット１間で、実際に同時刻で取得した加速度データに、同時刻のタイムスタンプを付与することができる。これにより、遠隔モニタリング装置３において、構造物の複数の箇所において実際に同時刻に取得された加速度データを、同時刻で取得された加速度データとしてモニタリングすることができ、その結果、構造物の変位量を高い精度で検出することができる。 Thus, in the present embodiment, the time of the quartz clock 23 of the processing module 20 of the sensor unit 1 is set to the time of the data acquisition unit 2 in each of the plurality of sensor units 1 installed at a plurality of locations of the same structure. It can be synchronized to the time. As a result, it is possible to reduce the time shift between the plurality of sensor units 1 installed at a plurality of locations of the same structure, so that acceleration data actually acquired at the same time between the sensor units 1 can be obtained. The same time stamp can be given. Thereby, in the remote monitoring device 3, the acceleration data actually acquired at the same time at a plurality of locations of the structure can be monitored as the acceleration data acquired at the same time, and as a result, the displacement of the structure The quantity can be detected with high accuracy.
特に、地震波の主な周波数成分は小さくとも１０Ｈｚ程度あり、その周期は１／１０秒程度となる。そのため、構造物の振動を高い精度でモニタリングするためには、センサーユニット間の時刻のずれ量は、さらにその１／１０、すなわち、１／１００秒以下とすることが要求される。原子時計などの高価な小型内蔵時計を除けば、優れた性能の水晶時計（水晶振動子）でも誤差は５ｐｐｍ程度あり、１日で０．４秒の誤差が生じる。そのため、水晶時計の誤差を１／１００秒以下で維持するためには、本実施形態に係るセンサーユニット１のように、センサーユニット１間の時刻の同期を行う必要があり、本実施形態では、定期的に同期を行うことで、時刻の誤差がほとんどなく、センサーユニット間で、同時刻に取得した加速度データに、同時刻のタイムスタンプを付与することができる。実際に上述した実施例では、センサーユニット間の時刻のずれ量を１／１００秒以下とすることができた。 In particular, the main frequency component of the seismic wave is at least about 10 Hz and its period is about 1/10 second. Therefore, in order to monitor the vibration of the structure with high accuracy, it is required that the time shift amount between the sensor units is further reduced to 1/10, that is, 1/100 second or less. With the exception of expensive small built-in clocks such as atomic clocks, even an excellent performance quartz clock (quartz crystal unit) has an error of about 5 ppm, and an error of 0.4 seconds occurs in one day. Therefore, in order to maintain the error of the quartz clock at 1/100 second or less, it is necessary to synchronize the time between the sensor units 1 as in the sensor unit 1 according to the present embodiment, and in the present embodiment By performing synchronization periodically, it is possible to give time stamps of the same time to acceleration data acquired at the same time between sensor units with almost no time error. In the embodiment described above, the amount of time shift between sensor units can be made 1/100 second or less.
また、処理モジュール２０の処理装置２１は、３軸加速度センサー１０から加速度データを取得する処理、水晶時計２３の時刻を同期させる処理、加速度波形データを評価し無線送信する処理など複数の処理を同時に行う必要があり、３軸加速度センサー１０から加速度データを漏れなく取得しながら、水晶時計２３の時刻を同期させる必要がある。本実施形態では、第１記憶領域２２Ａと第２記憶領域２２Ｂとにおいて、アクティブ領域とストア領域とを一定時間ごとに切り替えて、アクティブ領域において加速度データの書き込みを行い、ストア領域においてデータ評価を行うことで、３軸加速度センサー１０から加速度データを漏れなく取得しながらも、水晶時計２３の時刻を同期させることが可能となった。 Further, the processing device 21 of the processing module 20 simultaneously performs a plurality of processes such as processing for acquiring acceleration data from the three-axis acceleration sensor 10, processing for synchronizing the time of the crystal clock 23, processing for evaluating acceleration waveform data and wireless transmission. It is necessary to synchronize the time of the crystal clock 23 while acquiring acceleration data from the three-axis acceleration sensor 10 without omission. In the present embodiment, in the first storage area 22A and the second storage area 22B, the active area and the store area are switched at regular intervals, acceleration data is written in the active area, and data evaluation is performed in the store area. This makes it possible to synchronize the time of the quartz clock 23 while acquiring acceleration data from the three-axis acceleration sensor 10 without leakage.
また、本実施形態では、有意な振動加速度を含まない加速度波形データに基づいて、構造物の傾斜角の算出を行うことで、本来、振動モニタリングに利用されない加速度データを有効に利用することができる。また、傾斜角計測は、構造物の変位量計測のための加速度波形計測と並行して自動的に行われるため、構造物が時々刻々と傾いていく様子を高精度に計測することができ、特に地盤沈下によるビルの傾きのような、ゆっくりした傾斜の進行を高精度に計測することができる。また、本実施形態では、傾斜角を算出する場合に、各軸方向における加速度データの平滑化処理を行うことで、微小なノイズ振動や３軸加速度センサー１０自体の電気ノイズの影響を抑制することができ、その結果、１／１００°以下の分解能で、傾斜角を算出することができる。 Further, in the present embodiment, by calculating the tilt angle of the structure based on the acceleration waveform data not including significant vibration acceleration, it is possible to effectively utilize acceleration data which is not originally used for vibration monitoring. . In addition, since the inclination angle measurement is automatically performed in parallel with the acceleration waveform measurement for measuring the displacement amount of the structure, it is possible to measure with high accuracy how the structure is being inclined every moment, In particular, it is possible to measure the progress of a slow slope, such as the slope of a building due to land subsidence, with high accuracy. Further, in the present embodiment, when the inclination angle is calculated, the effects of minute noise vibration and electrical noise of the three-axis acceleration sensor 10 itself are suppressed by performing smoothing processing of acceleration data in each axial direction. As a result, the tilt angle can be calculated with a resolution of 1/100 or less.
以上、本発明の好ましい実施形態例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態例には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。 As mentioned above, although the preferable embodiment of this invention was described, the technical scope of this invention is not limited to the description of the said embodiment. Various modifications and improvements can be added to the embodiment described above, and modifications in which such modifications or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.
１…センサーユニット
１０…３軸加速度センサー
１１…電源装置
２０…処理モジュール
２１…処理装置
２２Ａ…第１記憶領域
２２Ｂ…第２記憶領域
２３…水晶時計
２４…記憶装置
３０…無線通信モジュール（無線通信装置）
３１…無線通信処理装置
３２…アンテナ
３３…水晶時計
２…データ収集ユニット
４１…処理装置
４２…記憶装置
４３…無線通信装置
４４…回線通信装置
４５…水晶時計
３…遠隔モニタリング装置（監視サーバ）
５１…処理装置
５２…受信装置
５３…データベース
５４…入力装置
５５…表示装置
４…電気通信回線（インターネット）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor unit 10 ... 3 axis acceleration sensor 11 ... Power supply device 20 ... Processing module 21 ... Processing device 22A ... 1st storage area 22B ... 2nd storage area 23 ... Crystal watch 24 ... Storage device 30 ... Wireless communication module (wireless communication) apparatus)
31 ... wireless communication processing device 32 ... antenna 33 ... crystal clock 2 ... data collection unit 41 ... processing device 42 ... storage device 43 ... wireless communication device 44 ... line communication device 45 ... crystal clock 3 ... remote monitoring device (monitoring server)
51 processing device 52 receiving device 53 database 54 input device 55 display device 4 telecommunication circuit (Internet)
Claims (9)
前記センサーユニットが、３軸加速度センサー、処理装置、計測プログラムが格納された記憶装置、内蔵時計、電源装置および無線通信装置を備え、
前記計測プログラムが、他のセンサーユニットとの無線通信により内蔵時計の時刻を定期的に同期させる時刻同期手段と、
所定時間内の加速度波形を分析し、有意な振動加速度が含まれている場合には当該所定時間内における前記３軸加速度センサーの計測値を、タイムスタンプを付して前記記憶装置に記憶する振動データ記憶手段と、
前記記憶装置に記憶された前記３軸加速度センサーの計測値を前記データ収集ユニットに前記無線通信網を介して送信する振動データ送信手段と、
を備えることを特徴とする振動モニタリングシステム。 A vibration monitoring system comprising: a plurality of sensor units capable of mutual communication via a wireless communication network; and a data collection unit capable of mutual communication via the sensor unit and the wireless communication network,
The sensor unit includes a three-axis acceleration sensor, a processing device, a storage device storing a measurement program, a built-in clock, a power supply device, and a wireless communication device.
Time synchronization means for periodically synchronizing the time of the internal clock by the measurement program by wireless communication with another sensor unit;
An acceleration waveform within a predetermined time is analyzed, and when significant vibration acceleration is included, the measurement value of the three-axis acceleration sensor within the predetermined time is time-stamped and stored in the storage device. Data storage means,
Vibration data transmitting means for transmitting the measurement value of the three-axis acceleration sensor stored in the storage device to the data collection unit via the wireless communication network;
A vibration monitoring system comprising:
前記第一の水晶時計と前記第二の水晶時計とが所定の間隔で同期されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の振動モニタリングシステム。 The built-in clock is composed of a first crystal clock included in the processing device and a second crystal clock included in the wireless communication device.
The vibration monitoring system according to any one of claims 1 to 3, wherein the first quartz clock and the second quartz clock are synchronized at predetermined intervals.
前記監視サーバが、前記タイムスタンプが付された３軸加速度センサーの計測値に基づき構造物の変位量を算出する手段、および／または、前記タイムスタンプが付された３軸加速度センサーの計測値に基づき構造物の傾斜角を算出する手段を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の振動モニタリングシステム。 And a monitoring server capable of communicating with the data collection unit.
Means for calculating the displacement amount of the structure based on the measurement value of the three-axis acceleration sensor to which the time stamp is attached, and / or to the measurement value of the three-axis acceleration sensor to which the time stamp is attached The vibration monitoring system according to any one of claims 1 to 7, further comprising means for calculating the tilt angle of the structure based on the above.
前記タイムスタンプが付された３軸加速度センサーの計測値に基づき構造物の変位量を算出する手段、および／または、前記タイムスタンプが付された３軸加速度センサーの計測値に基づき構造物の傾斜角を算出する手段を備えることを特徴とする監視サーバ。 A monitoring server capable of communicating with the data collection unit of the vibration monitoring system according to any one of claims 1 to 7, comprising:
Means for calculating the displacement amount of the structure based on the measurement value of the time stamped 3-axis acceleration sensor, and / or the inclination of the structure based on the measurement value of the time stamped 3-axis acceleration sensor A monitoring server comprising means for calculating a corner.
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