JP2021095684A - 橋梁変位量算出装置、橋梁変位量測定装置、橋梁変位量算出方法、橋梁変位量測定方法、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】解析期間を特定することなく、橋梁の変位量を求める。【解決手段】橋梁変位量算出装置は、直流成分除去部、ハイパスフィルタ部、第１積分部、第２積分部を備える。直流成分除去部は、直流除去加速度データを出力する。ハイパスフィルタ部は、橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を遮断周波数とする。第１積分部は、入力されたデータを積分する。第２積分部は、入力されたデータを積分し、変位量データを出力する。ハイパスフィルタ部は直流除去加速度データを入力とし、第１積分部はハイパスフィルタ部の出力を入力とし、第２積分部は第１積分部の出力を入力とする、または、第１積分部は直流除去加速度データを入力とし、ハイパスフィルタ部は第１積分部の出力を入力とし、第２積分部はハイパスフィルタ部の出力を入力とする。橋梁変位量測定装置は、加速度センサと遮断周波数決定部と橋梁変位量算出装置を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両が通過したときに生じる橋梁の変位量を算出する橋梁変位量算出装置、橋梁変位量算出方法、橋梁の変位量を測定する橋梁変位量測定装置、橋梁変位量測定方法、および、橋梁変位量算出方法または橋梁変位量測定方法をコンピュータに実行させるプログラムに関する。

橋梁に設置した加速度センサの出力を２階積分することで橋梁の変位量を求める従来技術として特許文献１などが知られている。特許文献１の要約には、『変位量算出装置１２の受信部１２１は橋梁の上部構造に取り付けられた加速度計の計測値を継続的に受信する。演算部１２３の第１演算部１２３１は、加速度計の計測値を２階積分して変位量を算出する。第１演算部１２３１により算出される変位量は、加速度計の計測値に含まれる重力成分と計測誤差に起因する積分誤差の一部が除去されている。演算部１２３の第２演算部１２３２は、第１演算部１２３１により算出された変位量を平滑化した平滑化変位量がピークを示すタイミングの前後に出現するボトムを制御点とするスプライン曲線を特定する。第２演算部１２３２は、第１演算部１２３１により算出された変位量からスプライン曲線が示す値を減算して、第１演算部１２３１により算出される変位量に残存する積分誤差を除去する。』と記載されている。図１３は、特許文献１の図３である。

特開２０１８−２０４９５２号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、スプライン曲線を特定するために、取得したデータから解析期間（特許文献１では、第１の制御点と第２の制御点）を特定する必要があるという課題がある（特許文献１の段落００６５など参照）。

本発明は、解析期間を特定することなく、橋梁の変位量を求めることを目的とする。

本発明の橋梁変位量算出装置は、車両が通過したときに生じる橋梁の変位量を、橋梁の所定箇所の加速度データに基づいて算出する。橋梁変位量算出装置は、直流成分除去部、ハイパスフィルタ部、第１積分部、第２積分部を備える。直流成分除去部は、加速度データの直流成分を除去し、直流除去加速度データを出力する。ハイパスフィルタ部は、橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を遮断周波数として、入力されたデータの低周波成分を低減する。第１積分部は、入力されたデータを積分し、出力する。第２積分部は、入力されたデータを積分し、変位量データを出力する。橋梁変位量算出装置は、以下の第１の処理、または第２の処理を行う。第１の処理は、ハイパスフィルタ部は直流除去加速度データを入力とし、第１積分部はハイパスフィルタ部の出力を入力とし、第２積分部は第１積分部の出力を入力とする。第２の処理は、第１積分部は直流除去加速度データを入力とし、ハイパスフィルタ部は第１積分部の出力を入力とし、第２積分部はハイパスフィルタ部の出力を入力とする。本発明の橋梁変位量測定装置は、橋梁の所定箇所の加速度データを取得する加速度センサと遮断周波数決定部と本発明の橋梁変位量算出装置とを備える。

本発明の橋梁変位量算出装置、橋梁変位量測定装置によれば、橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を遮断周波数として、入力されたデータの低周波成分を低減することで、加速度データに含まれている測定誤差を低減できるので、積分による誤差の蓄積を避けて橋梁の変位量を求めることができる。また、この発明では、解析期間を特定する必要がない。

本発明の橋梁変位量算出装置と橋梁変位量測定装置の機能構成例を示す図。 本発明の第１の橋梁変位量算出方法の処理フローを示す図。 本発明の第２の橋梁変位量算出方法の処理フローを示す図。 本発明の第１の橋梁変位量測定方法の処理フローを示す図。 本発明の第２の橋梁変位量測定方法の処理フローを示す図。 実験した橋梁の図を示す図。 図２の処理フローでのデータの例を示す図。 図３の処理フローでのデータの例を示す図。 加速度から変位を求めた結果を示す図。 遮断周波数を変更した場合の例を示す図。 低周波成分を低減しない場合の例を示す図。 コンピュータの機能構成例を示す図。 特許文献１の図３。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図１に本発明の橋梁変位量算出装置と橋梁変位量測定装置の機能構成例を示す。図２に本発明の第１の橋梁変位量算出方法の処理フローを、図３に本発明の第２の橋梁変位量算出方法の処理フローを示す。図４に本発明の第１の橋梁変位量測定方法の処理フローを、図５に本発明の第２の橋梁変位量測定方法の処理フローを示す。

＜橋梁変位量算出装置と橋梁変位量算出方法＞
橋梁変位量算出装置１００は、車両が通過したときに生じる橋梁の変位量を、橋梁の所定箇所の加速度データに基づいて算出する。橋梁変位量算出装置１００は、直流成分除去部１１０、ハイパスフィルタ部１２０、第１積分部１３０、第２積分部１４０を備える。直流成分除去部１１０は、加速度データの直流成分を除去し、直流除去加速度データを出力する（Ｓ１１０）。ハイパスフィルタ部１２０は、橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を遮断周波数として、入力されたデータの低周波成分を低減する（Ｓ１２０またはＳ１２５）。「躯体」とは、橋台と橋脚の両方を含む意味である。「躯体の間」に関連する長さには桁長、支間長などがあるが、桁長と支間長との差が橋梁変位量算出装置１００の算出結果に大きな影響を与えることはないので、どちらの長さを用いてもよい。また、「躯体の間」を、既存の橋梁に関連する長さの定義以外の定義を用いて決めてもよい。例えば、あらかじめ定めた手順での実測値に基づいて躯体の間隔を求めてもよい。低周波成分の低減には、いろいろな特性での低減があり得るが、厳密に規定する必要はない。遮断周波数の近傍で３ｄＢ程度低減すればよい。

第１積分部１３０は、入力されたデータを積分し、出力する（Ｓ１３０またはＳ１３５）。橋梁変位量算出装置１００は、以下の第１の処理、または第２の処理を行う。第１の処理（図２参照）の場合は、ハイパスフィルタ部１２０は直流除去加速度データを入力とし、第１積分部１３０はハイパスフィルタ部１２０の出力を入力とし、第２積分部１４０は第１積分部１３０の出力を入力とする。第２の処理（図３参照）の場合は、第１積分部１３０は直流除去加速度データを入力とし、ハイパスフィルタ部１２０は第１積分部１３０の出力を入力とし、第２積分部１４０はハイパスフィルタ部１２０の出力を入力とする。

第２積分部１４０は、入力されたデータを積分し、変位量データを出力する（Ｓ１４０）。つまり、第１の処理の場合は、第２積分部１４０は、第１積分部１３０の出力を積分し、変位量データを出力する。第２の処理の場合は、第２積分部１４０は、ハイパスフィルタ部１２０の出力を積分し、変位量データを出力する。

＜橋梁変位量測定装置と橋梁変位量測定方法＞
橋梁変位量測定装置２００は、少なくとも加速度センサ２１０と遮断周波数決定部２４０と橋梁変位量算出装置１００とを備える。加速度センサ２１０は、橋梁の所定箇所に取り付けられ、加速度データを取得する（Ｓ２１０）。

遮断周波数決定部２４０は、遮断周波数を決定する（Ｓ２４１またはＳ２４２）。例えば、橋梁変位量測定装置２００は、車両通過センサ２２０または車両速度センサ２３０を備えればよい。車両通過センサ２２０は、橋梁の隣り合う２つの躯体のそれぞれの位置を通過する車両を検知する（Ｓ２２０）。例えば、車両通過センサ２２０は２つのセンサの組であり、それぞれの躯体の上部の道路に配置して車両の通過を検知すればよい。遮断周波数決定部２４０は、車両通過センサ２２０の一方のセンサが検知した車両の通過と他方のセンサが検知した車両の通過の時間間隔から、躯体の間を車両が通過する時間を取得し、その時間の逆数を遮断周波数として決定する（Ｓ２４１）。車両通過センサ２２０を用いる場合は、躯体の間隔のデータを記録しておく必要はない。車両速度センサ２３０は、橋梁を通過する車両の速度を計測する（Ｓ２３０）。橋梁を通過する車両の速度は一定とは限らないが、躯体の間を通過するおおよその時間を求められる程度の精度でよい。この場合は、遮断周波数決定部２４０は、躯体の間隔のデータをあらかじめ記録しておき、車両速度センサの出力と橋梁の隣り合う２つの躯体の間隔に基づいて遮断周波数を決定する（Ｓ２４２）。具体的には、
遮断周波数＝１／（躯体の間隔／速度）
のように遮断周波数を求めればよい。また、遮断周波数決定部２４０は、躯体の間隔のデータを記録しておき、あらかじめ定めた速度の場合の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を、遮断周波数としてもよい。この場合は、車両通過センサ２２０も車両速度センサ２３０（ステップＳ２２０，Ｓ２３０）も不要である。

なお、本発明の橋梁変位量算出装置１００も橋梁変位量測定装置２００も、主に橋梁の保守点検に利用する。例えば、一般車両がほとんど通過しない時間帯に、重量が既知の車両を、ほぼ一定の速度で橋梁を走行させて変位量を求めれば、橋梁の劣化を診断できる。本発明では、このように橋梁の保守点検を目的としているので、車両通過センサ２２０を用いる場合も車両速度センサ２３０を用いる場合も、急激な速度の変化があり得ること、複数の車両が同時に通過することを考慮する必要はない。また、点検用の車両が走行する速度をあらかじめ決めておけば、車両通過センサ２２０も車両速度センサ２３０も備えなくても測定は可能である。

橋梁変位量算出装置１００は、取得した加速度データと決定された遮断周波数に基づいて橋梁の変位量を算出する（Ｓ１００，Ｓ１０５）。

＜実験＞
図６に実験した橋梁の図を示す。図６（Ａ）は橋梁の側面図、図６（Ｂ）は橋梁の平面図である。橋脚Ｐ３と橋脚Ｐ４のほぼ中央部分に加速度センサを設置して車両通行時の加速度を測定した。橋脚Ｐ３と橋脚Ｐ４の間隔は８００００ｍｍ（８０ｍ）である。

図７に図２の処理フローでのデータの例、図８に図３の処理フローでのデータの例を示す。横軸は時間（秒）であり、車両は２７秒のあたりに橋脚Ｐ３を通過し、３５秒のあたりで橋脚Ｐ４を通過している。図７（Ａ）と図８（Ａ）は、直流除去加速度データ（加速度センサ２１０で取得したデータから直流成分を除去したデータ）を示している。縦軸は加速度（ｍｍ／ｓ^２）を示している。図７（Ａ）と図８（Ａ）は同じデータである。図７（Ｂ）は、直流除去加速度データを入力したときのハイパスフィルタ部１２０の出力を示している。縦軸は加速度（ｍｍ／ｓ^２）を示している。図７（Ｃ）は、ハイパスフィルタ部１２０の出力を入力としたときの第１積分部１３０の出力を示している。縦軸は速度（ｍｍ／ｓ）を示している。図８（Ｂ）は、直流除去加速度データを入力したときの第１積分部１３０の出力を示している。縦軸は速度（ｍｍ／ｓ）を示している。図８（Ｃ）は、第１積分部１３０の出力を入力としたときのハイパスフィルタ部１２０の出力を示している。縦軸は速度（ｍｍ／ｓ）を示している。図７（Ｃ）と図８（Ｃ）から、ハイパスフィルタと積分の順番を入れ替えても、結果はほぼ同じであることが分かる。なお、躯体の間を通過する時間が８秒程度なので、約０．１２Ｈｚ以下の周波数成分を低減している。

図９は、加速度から変位を求めた結果を示す図である。図９（Ａ）は、直流除去加速度データであり、図７（Ａ），図８（Ａ）と同じである。図９（Ｂ）は図８（Ｃ）と同じであり、加速度データを１回積分し、ハイパスフィルタによって低周波成分を低減したデータである。図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）をさらに積分したデータ（第２積分部１４０の出力である変位量）と、レーザードップラー変位計で測定した変位量のデータである。「Ｐ」を付しているのは第２積分部１４０の出力である変位量であり、「Ｌ」を付しているのはレーザードップラー変位計で測定した変位量である。多少のずれはあるが、橋梁変位量算出装置１００で求めた変位量とレーザードップラー変位計で測定した変位量は、全体的には同様の変位を示している。

図１０は、遮断周波数を変更した場合の例を示す図である。図１０は、図９（Ｃ）にハイパスフィルタの遮断周波数を０．２Ｈｚとして変位量を求めた結果を付加している。遮断周波数を０．２Ｈｚとしたときの変位量のデータは「Ｑ」を付している。高すぎる周波数を遮断周波数に設定すると、変位量の計算結果が小さくなってしまうことが分かる。

図１１は、低周波成分を低減しない場合の例を示すための図である。図１１の縦軸は、図９（Ｃ）および図１０の縦軸とはスケールが異なるが、変位量である。図１１の「Ｐ」を付しているデータは、図９（Ｃ）と図１０の「Ｐ」を付しているデータと同じである。「Ｎ」を付しているデータは、ハイパスフィルタ部１２０を用いないで、直流除去加速度データを２階積分したデータを示している。ハイパスフィルタ部１２０を用いないと、積分によって誤差が蓄積されることが分かる。

これらの結果から、加速度データの低周波成分を低減しないと積分により誤差が蓄積し、高すぎる遮断周波数で低周波成分を低減すると変位量の計算結果が小さくなってしまうことが分かる。つまり、ハイパスフィルタ部１２０の特性は、誤差が蓄積しない程度には低周波成分を低減し、変位量の計算値が小さくなりすぎないように周波数特性を調整すればよいことが分かる。本発明では、ハイパスフィルタ部１２０の設計の指針として、遮断周波数を橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数とすればよいことを示している。さらに詳細な周波数特性は、求められる測定精度なども考慮し、適宜設計すればよい。

橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を遮断周波数とするハイパスフィルタを利用すれば積分による誤差の蓄積を低減できる理由は、以下のように推測される。加速度センサは橋梁に固定されている。橋梁が変位するときには橋梁はたわむので、加速度センサにとって、橋梁が変位していないときと、橋梁が変位したときでは重力の方向が微妙に変化する。橋梁が変位したときの重力方向の微妙な変化が、測定誤差となり積分によって蓄積していると考えられる。橋梁のたわみは車両の通過によって生じるので、橋梁の躯体の間を車両が通過する時間よりも長い周期（遮断周波数よりも低い周波数）の成分は存在しないはずである。そこで、本発明では、橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を遮断周波数とするハイパスフィルタを利用している。

本発明の橋梁変位量算出装置、橋梁変位量測定装置によれば、橋梁の躯体の間を車両が通過する時間の逆数を遮断周波数として、入力されたデータの低周波成分を低減することで、加速度データに含まれている測定誤差を低減できるので、積分による誤差の蓄積を避けて橋梁の変位量を求めることができる。また、解析期間を特定する必要もないし、車両が躯体の上を通過した時間を正確に知る必要もない。

［プログラム、記録媒体］
上述の各種の処理は、図１２に示すコンピュータ２０００の記録部２０２０に、上記方法の各ステップを実行させるプログラムを読み込ませ、制御部２０１０、入力部２０３０、出力部２０４０、表示部２０５０などに動作させることで実施できる。

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。

また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、本装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

１００ 橋梁変位量算出装置 １１０ 直流成分除去部
１２０ ハイパスフィルタ部 １３０ 第１積分部
１４０ 第２積分部 ２００ 橋梁変位量測定装置
２１０ 加速度センサ ２２０ 車両通過センサ
２３０ 車両速度センサ ２４０ 遮断周波数決定部

Claims (9)

1. 車両が通過したときに生じる橋梁の変位量を、前記橋梁の所定箇所の加速度データに基づいて算出する橋梁変位量算出装置であって、
   前記加速度データの直流成分を除去し、直流除去加速度データを出力する直流成分除去部と、
   前記橋梁の躯体の間を前記車両が通過する時間の逆数を遮断周波数として、入力されたデータの低周波成分を低減するハイパスフィルタ部と
   入力されたデータを積分し、出力する第１積分部と、
   入力されたデータを積分し、変位量データを出力する第２積分部と、
   を備え、
   前記ハイパスフィルタ部は前記直流除去加速度データを入力とし、前記第１積分部は前記ハイパスフィルタ部の出力を入力とし、前記第２積分部は前記第１積分部の出力を入力とする、または、
   前記第１積分部は前記直流除去加速度データを入力とし、前記ハイパスフィルタ部は前記第１積分部の出力を入力とし、前記第２積分部は前記ハイパスフィルタ部の出力を入力とする
   ことを特徴とする橋梁変位量算出装置。
2. 請求項１記載の橋梁変位量算出装置を備える橋梁変位量測定装置であって、
   前記橋梁の前記所定箇所の加速度データを取得する加速度センサと、
   前記遮断周波数を決定する遮断周波数決定部
   も備えることを特徴とする橋梁変位量測定装置。
3. 請求項２記載の橋梁変位量測定装置であって、
   前記橋梁の隣り合う２つの躯体のそれぞれの位置を通過する車両を検知する車両通過センサをさらに備え、
   前記遮断周波数決定部は、前記車両通過センサの出力に基づいて前記遮断周波数を決定する
   ことを特徴とする橋梁変位量測定装置。
4. 請求項２記載の橋梁変位量測定装置であって、
   前記橋梁を通過する車両の速度を計測する車両速度センサをさらに備え、
   前記遮断周波数決定部は、前記車両速度センサの出力と前記橋梁の隣り合う２つの躯体の間隔に基づいて前記遮断周波数を決定する
   ことを特徴とする橋梁変位量測定装置。
5. 車両が通過したときに生じる橋梁の変位量を、前記橋梁の所定箇所の加速度データに基づいて算出する橋梁変位量算出方法であって、
   前記加速度データの直流成分を除去し、直流除去加速度データを出力する直流成分除去ステップと、
   前記橋梁を前記車両が通過する時間の逆数を遮断周波数として、入力されたデータの低周波成分を低減するハイパスフィルタステップと
   入力されたデータを積分し、出力する第１積分ステップと、
   入力されたデータを積分し、変位量データを出力する第２積分ステップと、
   を有し、
   前記ハイパスフィルタステップは前記直流除去加速度データを入力とし、前記第１積分ステップは前記ハイパスフィルタステップの出力を入力とし、前記第２積分ステップは前記第１積分ステップの出力を入力とする、または、
   前記第１積分ステップは前記直流除去加速度データを入力とし、前記ハイパスフィルタステップは前記第１積分ステップの出力を入力とし、前記第２積分ステップは前記ハイパスフィルタステップの出力を入力とする
   ことを特徴とする橋梁変位量算出方法。
6. 前記橋梁の前記所定箇所の加速度データを取得する加速度取得ステップと、
   前記遮断周波数を決定する遮断周波数決定ステップと、
   請求項５記載の橋梁変位量算出方法の各ステップ
   を実行する橋梁変位量測定方法。
7. 請求項６記載の橋梁変位量測定方法であって、
   前記橋梁の隣り合う２つの躯体のそれぞれの位置において通過する車両を検知する車両通過検知ステップも有し、
   前記遮断周波数決定ステップは、前記車両通過検知ステップの出力に基づいて前記遮断周波数を決定する
   ことを特徴とする橋梁変位量測定方法。
8. 請求項６記載の橋梁変位量測定方法であって、
   前記橋梁を通過する車両の速度を計測する車両速度計測ステップも有し、
   前記遮断周波数決定ステップは、前記車両速度計測ステップの出力と前記橋梁の隣り合う２つの躯体の間隔に基づいて前記遮断周波数を決定する
   ことを特徴とする橋梁変位量測定方法。
9. 請求項５記載の橋梁変位量算出方法の各ステップ、または請求項６から８のいずれかに記載の橋梁変位量測定方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。

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