JP2020201292A

JP2020201292A - 構造物健全度評価装置

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Publication number: JP2020201292A
Application number: JP2020161386A
Authority: JP
Inventors: 武志仲沢; Takeshi Nakazawa
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2020-12-17

Abstract

【課題】コストを抑えつつ構造物の健全度を容易に評価すること。【解決手段】構造物健全度評価装置１は、構造物１１０に設置された変位計測マーカー１２０の撮像画像を生成する撮像部１０と、構造物１１０の健全度を評価する健全度評価部２０と、を備えている。健全度評価部２０は、撮像画像から変位計測マーカー１２０の位置を計測し、撮像時刻が異なる複数の撮像画像から、撮像時刻と位置とを対応させた構造物変位情報を生成し、構造物変位情報に基づき構造物１１０の健全度を評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物健全度評価装置に関する。

道路橋や鉄道橋等の構造物に対しては、劣化状況を把握するために健全度評価が実施されている。

例えば、特許文献１には、加速度センサを用いて健全度を評価する建物診断モニタリングシステムが開示されている。具体的に述べると、記録部は、建物内で複数の加速度センサからの検出データを受け取って分析し、各階の震度と、ＣＰＵ内に有する診断アルゴリズムに基づいて建物の被災評価を演算する。

一方、特許文献２には、構造物の変位等を検出して健全度を評価する構造物変位モニタリングシステムが開示されている。具体的に述べると、撮像手段は、構造物の部材に固定された１又は複数の標識等を含む領域を撮影し、撮影した画像を取得する。画像解析手段は、撮像手段により取得された画像に対する画像解析処理を行い、画像中に含まれる標識の位置及び形状を求める。変形量計測手段は、画像解析手段により求められた標識等の位置及び形状に基づいて部材等の変形量を計測する。

特開２０１３−２５４２３９号公報特開２０１７−９０２８１号公報

しかしながら、特許文献１のように、加速度センサを用いた場合、加速度センサの費用が必要になるとともに、データ通信ケーブルの引き回しが煩雑となる。一方、特許文献２では、層間変位により構造物の健全性が評価されるが、多点計測が前提となっており、健全性評価を容易に実施することは困難である。

そこで、本発明は、コストを抑えつつ構造物の健全度を容易に評価することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態による構造物健全度評価装置は、構造物に設置された変位計測マーカーの撮像画像を生成する撮像部と、構造物の健全度を評価する健全度評価部と、を備えている。健全度評価部は、撮像画像から変位計測マーカーの位置を計測し、撮像時刻が異なる複数の撮像画像から、撮像時刻と位置とを対応させた構造物変位情報を生成し、構造物変位情報に基づき構造物の健全度を評価する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。本発明の代表的な実施の形態によれば、コストを抑えつつ構造物の健全度を容易に評価することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る構造物健全度評価装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る変位計測方法の一例を示すフローチャート図である。変位計測マーカーの具体例を説明する図である。数学的処理の具体例を説明する図である。比較例における変位の計測結果の具体例を説明する図である。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまでも一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

＜構造物健全度評価装置の構成＞
本実施の形態１に係る構造物健全度評価装置は、撮像画像から変位計測マーカーの位置を計測し、撮像時刻と変位計測マーカーの位置とを対応させた構造物変位情報に基づき構造物の健全度を評価する装置である。

〈撮像部１０〉
図１は、本発明の実施の形態１に係る構造物健全度評価装置の一例を示す図である。図１に示すように、構造物健全度評価装置１は、撮像部１０及び健全度評価部２０を備えている。撮像部１０は、構造物１１０に設置された変位計測マーカー１２０を含む撮像領域１００を撮像し、撮像画像を生成する機能ブロックである。撮像部１０は、レンズ１１、イメージセンサ１２、演算部１３、データ格納部１４、通信インタフェース１５を備えている。例えば、イメージセンサ１２、演算部１３、データ格納部１４、通信インタフェース１５等は、内部バスに接続されてもよいし、個別の配線により互いに接続されてもよい。撮像部１０は、撮像領域１００にレンズ１１が向けられるよう、所定箇所に固定される。

レンズ１１は、変位計測領域Ａ１方向から届いた光をイメージセンサ１２へ集光させる。イメージセンサ１２は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）素子がアレイ状に配置されたＣＭＯＳイメージセンサや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子がアレイ状に配置されたＣＣＤイメージセンサ等で構成される。イメージセンサ１２の各素子は、レンズ１１で集光された光の光量に応じた電気信号を生成する。イメージセンサ１２は、各素子で生成された電気信号を演算部１３へ出力する。

演算部１３は、イメージセンサ１２で生成された電気信号に基づき撮像画像データのファイルを生成する。なお、撮像画像データのファイルには、撮像時刻の情報が付加されてもよい。演算部１３は、撮像画像に撮像時刻を合成した画像に基づく撮像画像データを生成してもよい。また、演算部１３は、撮像部１０の各部の動作を制御する。

演算部１３は、例えばマイコン１３ａ及びＲＡＭ（Random Access Memory）１３ｂを備えている。ＲＡＭ１３ｂには、例えば、データ格納部１４から読み出されたプログラムが展開され、展開されたプログラムがマイコン１３ａで実行されることにより、撮像画像データの生成機能が実現され、撮像部１０の各部が制御される。

データ格納部１４は、データ格納部１４は、例えばフラッシュメモリ等の不揮発性メモリを備え、演算部１３で生成された撮像画像データ、変位計測マーカー１２０までの距離情報、プログラム、各種設定情報等を格納する。なお、撮像画像データや距離情報は、後述する健全度評価部２０のデータ格納部２３に格納されてもよい。

通信インタフェース１５は、健全度評価部２０の通信インタフェース２１との間でデータの送受信を行う。撮像部１０から、通信インタフェース１５，２１を介して、撮像画像データや健全度評価部２０への制御信号等のデータが送信される。一方、健全度評価部２０から、通信インタフェース２１，１５を介して、撮像部１０へ制御信号等のデータが送信される。通信インタフェース１５及び通信インタフェース２１は、有線で接続されてもよいし、無線で接続されてもよい。また、通信インタフェース１５及び通信インタフェース２１は、内部ネットワーク、インターネット等の外部ネットワークを介してデータの送受信を行ってもよい。

〈健全度評価部２０〉
健全度評価部２０は、撮像部１０で生成された撮像画像データに基づき、変位計測マーカーの変位を計測し、変位計測領域すなわち地盤や構造物等の変位を計測する機能ブロックである。健全度評価部２０は、図１に示すように、通信インタフェース２１、演算部２２、データ格納部２３を備えている。これらは、内部バスに接続されてもよいし、個別の配線により互いに接続されてもよい。

演算部２２は、撮像画像データに対する画像処理や構造物の健全度評価等の処理を行う機能ブロックである。演算部２２は、例えばマイコン２２ａ及びＲＡＭ２２ｂを備えている。ＲＡＭ２２ｂには、例えばデータ格納部２３から読み出されたプログラムが展開され、展開されたプログラムがマイコン２２ａで実行されることにより、画像処理や健全度評価等の処理、健全度評価部２０を構成する各部の制御が実行される。なお、健全度評価に係る処理については、後で詳しく説明する。

データ格納部２３は、例えばフラッシュメモリ等の不揮発性メモリを備え、演算部２２における撮像画像から計測した変位計測マーカーの位置、撮像画像ごとの撮像時刻、健全度評価結果、プログラム、各種設定情報等の各データを格納する。また、データ格納部２３は、撮像部１０から送信された撮像画像データを格納してもよい。

図１では、撮像部１０及び健全度評価部２０が別体で構成されているが、これらが一体で構成されてもよい。この場合、例えば、演算部１３，２２が統合されてもよいし、データ格納部１４，２３が統合されてもよい。また、この場合には、通信インタフェース１５，２１は省略されてもよい。また、撮像部１０として例えばデジタルスチールカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタル機器が用いられてもよい。また、健全度評価部２０として、例えばパソコンやタブレット端末等の情報処理装置が用いられてもよい。

＜健全度評価方法＞
次に、図１の構造物健全度評価装置を用いた構造物の健全度評価方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る健全度評価方法の一例を示すフローチャート図である。図２（ａ）は、撮像時刻と変位得計測マーカーの位置とを対応させた構造物変位情報の生成に関わるフローチャートである。図２（ｂ）は、構造物の健全度評価に関わるフローチャートである。

〈構造物変位情報の生成〉
構造物変位情報の生成には、図２（ａ）に示すステップＳ１１〜Ｓ１４の処理が実行される。なお、ステップＳ１１の処理に先立ち、撮像部１０の設置やレンズ１１の位置決め等が行われているものとする。ステップＳ１１では、撮像部１０が、変位計測マーカー１２０を含む撮像領域１００を撮像し、位置計測用の撮像画像データを生成する。撮像部１０は、生成した撮像画像データを健全度評価部２０へ送信する。撮像画像データは、健全度評価部２０のデータ格納部２３や、撮像部１０のデータ格納部１４に格納される。また、撮像画像データは、図示しない外部のストレージ等に格納されてもよい。

ステップＳ１２では、演算部２２は、撮像画像データに対する画像処理を行い、構造物１１０に設けられた変位計測マーカー１２０を抽出する。そして、演算部２２は、抽出した変位計測マーカー１２０の位置を計測する。

図３は、変位計測マーカーの具体例を説明する図である。図３を参照して具体的に述べると、１回目の位置計測において、演算部２２は、撮像画像から、例えば図３の変位計測マーカー１２０を抽出する。変位計測マーカー１２０の抽出には、周知の画像処理が実行される。なお、変位計測マーカー１２０の形状・模様等は、これに限定されるものではない。

そして、演算部２２は、変位計測マーカー１２０の任意の箇所に変位計測点１２１を設定し、撮像領域１００における変位計測点１２１の位置を変位計測マーカー１２０の位置として計測する。ここで計測される変位計測マーカー１２０の位置は、ピクセル単位で得られる値である。なお、図３には、変位計測マーカー１２０右下部の所定位置に変位計測点１２１が設定された例が示されているが、これ以外の場所に変位計測点１２１が設定されてもよい。演算部２２は、計測した変位計測マーカー１２０の位置を、撮像時刻と対応付けてＲＡＭ２２ｂに保持するか、データ格納部２３へ格納する。

ステップＳ１３では、演算部２２は、撮像時刻と変位計測マーカー１２０の位置とを対応させた構造物変位情報を生成する。演算部２２は、ＲＡＭ２２ｂに保持している、あるいはデータ格納部２３に格納された変位計測点１２１の位置及び対応する撮像時刻を読み出し、例えば、撮像時刻と変位計測点１２１の位置とを対応させたテーブルを構造物変位情報として生成する。このとき、演算部２２は、複数方向（例えば垂直方向及び水平方向）のそれぞれに対応する構造物変位情報を生成してもよい。また、演算部２２は、これら以外の方向の構造物変位情報を生成してもよい。演算部２２は、生成した構造物変位情報をＲＡＭ２２ｂに保持してもよいし、データ格納部２３に格納してもよい。

ステップＳ１４では、変位計測マーカー１２０の撮像を継続して行うかどうかが判断される。構造物健全度評価装置１は、異なるタイミングで変位計測マーカー１２０を複数回撮像することにより、変位計測点１２１の位置の変化を時系列で計測し、構造物変位情報を生成する。例えば、撮像部１０又は健全度評価部２０は、変位計測マーカー１２０の撮像回数をカウントし、撮像回数Ｎが所定撮像回数Ｎ１に達したかどうかを判定する。撮像回数が所定撮像回数に達していない場合（Ｎｏ）、ステップＳ１１〜Ｓ１３の処理が再度実行される。

２回目以降のステップＳ１２では、演算部２２は、変位計測マーカー１２０及び１回目のステップＳ１１において設定された変位計測点１２１を抽出し、各回の撮像画像における変位計測点１２１の位置を計測する。なお、演算部２２は、位置計測を行う度に変位計測点１２１の位置及び対応する撮像時刻をデータ格納部２３へ格納してもよいし、複数回分の変位計測点１２１の位置及び対応する撮像時刻を、纏めてデータ格納部２３へ格納してもよい。

２回目以降のステップＳ１３では、例えば、演算部２２は、前回のステップＳ１３において生成した構造物変位情報をＲＡＭ２２ｂ又はデータ格納部２３から読み出し、今回計測した変位計測点１２１の位置及び対応する撮像時刻を追加して構造物変位情報を更新する。

なお、演算部２２は、最終回の直前まで構造物変位情報の生成を行わず、最終回において、最終回までに計測したすべての変位計測点１２１の位置及び撮像時刻を用いて構造物変位情報を生成してもよい。この場合、最終回の直前までステップＳ１３における処理は行われず、最終回のみステップＳ１３の処理が行われることとなる。

撮像回数が所定撮像回数に達した場合（Ｙｅｓ）、構造物変位情報の生成等に関わる一連の処理が完了する。

なお、ここでは、ステップＳ１２において、撮像画像が生成されるごとに変位計測点１２１の位置計測が行われる場合について説明したが、すべての撮像が完了してから、すなわち、撮像回数が所定撮像回数に達してから、すべての撮像画像に対し変位計測点の位置計測を行ってもよい。

〈構造物の健全度評価〉
次に、構造物変位情報に基づく構造物の健全度評価について説明する。健全度評価では、例えば、図２（ｂ）に示すステップＳ２１〜Ｓ２２の処理が実行される。

ステップＳ２１では、ステップＳ１３で生成された構造物変位情報に対し数学的処理を行う。演算部２２は、例えば、構造物変位情報に対しフーリエ変換を行い、振幅と周波数とを対応させた構造物振幅情報を生成する。

図４は、数学的処理の具体例を説明する図である。図４は、変位計測マーカーの垂直方向における計測結果を示している。図４（ａ）は、フーリエ変換前の構造物変位情報をグラフ化した図である。図４（ａ）の横軸は撮像時刻、縦軸は位置である。なお、図４（ａ）では、撮像を開始してからの経過時間が撮像時刻として示されている。また、図４（ａ）では、変位計測マーカーの位置は、基準位置からの変位として示されている。言い換えれば、図４（ａ）の縦軸は、計測された位置と基準位置との差分を示している。図４（ｂ）は、フーリエ変換後の構造物振幅情報をグラフ化した図である。図４（ｂ）の横軸は周波数、縦軸は振幅である。

図４（ａ）に示す構造物変位情報によれば、時刻Ｔ１，Ｔ２付近で変位のピークが検出されている。一方、図４（ｂ）に示す構造物振幅情報によれば、周波数Ｆ１付近で振幅のピークが検出されている。すなわち、変位計測マーカー１２０は、Ｆ１程度の周波数で振動していることが分かる。変位計測マーカー１２０が振動する時の周波数は、構造物によってそれぞれ異なる。

ここでは、数学的処理としてフーリエ変換を用いる場合を例示したが、これ以外にも、ラプラス変換等の処理が数学的処理に用いられてもよい。また、演算部２２は、使用目的に応じて、同一の構造物変位情報に対し異なる数学的処理を行ってもよい。

また、ステップＳ１３において複数方向のそれぞれに対応する構造物変位情報が生成されている場合、演算部２２は、すべての構造物変位情報に対し数学的処理を行ってもよいし、一部の構造物変位情報のみに対し数学的処理を行ってもよい。

ステップＳ２２では、ステップＳ２１で生成された構造物振幅情報に基づき構造物の健全度が評価される。演算部２２は、例えば、構造物振幅情報から振幅の半値幅を算出し、算出した半値幅（以下、算出半値幅と呼ぶ）と、所定の半値幅閾値とを比較することにより健全度を評価する。具体的に述べると、算出半値幅が半値幅閾値以下であれば、演算部２２は、評価対象の構造物の健全度に問題はないものと評価する。一方、算出半値幅が半値幅閾値より大きければ、演算部２２は、評価対象の構造物の健全度に問題があるものと評価する。

また、構造物振幅情報の振幅の大きさや、構造物変位情報の変位等に基づき構造物の健全度が評価されてもよい。また、構造物振幅情報による評価結果、及び構造物変位情報による評価結果を組み合わせて構造物の健全度が評価されてもよい。

演算部２２は、これらの評価結果を、例えば表示装置（図示は省略）に表示させることによりユーザーに通知してもよい。また、演算部２２は、健全度に問題があると診断した場合、構造物健全度評価装置１から警報を出させるようにしてもよい。

［比較例］
ここで、比較例について説明する。比較例として、振動計を用いた場合の変位の計測結果について説明する。図５は、比較例における変位の計測結果の具体例を説明する図である。図５は、図４の場合と同一の構造物に対する変位計測結果である。図５（ａ）は、１００Ｈｚの周波数でサンプリングを行った場合の構造物の変位計測結果を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の変位計測結果に対しフーリエ変換を行った変換結果を示している。

図４（ａ）の構造物変位情報と、図５（ａ）の変位計測結果とを比較すると、撮像画像から計測した構造物変位情報は、振動計を用いた変位計測結果とほほ同じ結果となっている。したがって、図４（ｂ）の構造物振幅情報も、図５（ｂ）の変換結果とほぼ同じ結果となっている。ただし、図面上は図４及び図５は、ほぼ同様の結果となっているが、デジタル機器では、ピクセル単位で変位計測マーカーの位置を計測することができるので、本実施の形態に係る構造物健全度評価装置の計測精度は、比較例に係る振動計の計測精度より高い。

＜本実施の形態による効果＞
本実施の形態によれば、演算部２２は、複数の撮像画像から変位計測マーカー１２０のそれぞれの位置を計測し、撮像時刻と変位計測マーカー１２０の位置とを対応させた構造物変位情報を生成する。そして、演算部２２は、構造物変位情報に基づき、評価対象の構造物の健全度を評価する。この構成によれば、健全度評価において、加速度センサや比較例で説明した振動計等の計測器を用いる必要がない。また、変位計測マーカー１２０の位置検出には、変位計測点１２１を１点のみ設定すればよいので、コストを抑えつつ構造物の健全度を容易に評価することが可能となる。また、構造物健全度評価装置の設置作業が効率化される。

また、本実施の形態によれば、演算部２２は、複数方向（例えば垂直方向、水平方向）のそれぞれに対応する構造物変位情報を生成する。この構成によれば、複数方向から構造物の健全度を評価することができるので、より正確に健全度を評価することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、演算部２２は、構造物変位情報に対し数学的処理を行い、構造物変位情報を所定の情報に変換する。たとえば、演算部２２は、構造物変位情報に対しフーリエ変換を行い、周波数と振幅とを対応させた構造物振幅情報に変換する。この構成によれば、構造物変位情報から健全度評価に有用な情報を取得することができるので、構造物の健全度評価を効果的に行うことが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１…構造物健全度評価装置、１０…撮像部、２０…健全度評価部、１００…撮像領域、１１０…構造物、１２０…変位計測マーカー、１２１…変位計測点

Claims

構造物に設置された変位計測マーカーの撮像画像を生成する撮像部と、
前記構造物の健全度を評価する健全度評価部と、
を備え、
前記健全度評価部は、前記撮像画像から前記変位計測マーカーの位置を計測し、撮像時刻が異なる複数の前記撮像画像から、前記撮像時刻と前記位置とを対応させた構造物変位情報を生成し、前記構造物変位情報に対しフーリエ変換を行うことで振幅と周波数とを対応させた構造物振幅情報を生成し、前記構造物振幅情報から前記構造物の振幅の半値幅を算出し、前記半値幅と所定の半値幅閾値とを比較することにより前記構造物の健全度を評価する、
構造物健全度評価装置。
請求項１に記載の構造物健全度評価装置において、
前記健全度評価部は、複数方向のそれぞれに対応する前記構造物変位情報を生成する、
構造物健全度評価装置。
請求項２に記載の構造物健全度評価装置において、
前記健全度評価部は、垂直方向及び水平方向の前記構造物変位情報をそれぞれ生成する、
構造物健全度評価装置。