JP3652629B2 - 振動波形弁別方法および加速度データ出力装置並びに液状化検知装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動波形とノイズ成分とを弁別するための振動波形弁別方法、および加速度素子から出力される加速度信号を基にして地震動の被害推定等のための加速度データを出力する加速度データ出力装置、並びにこの加速度データ出力装置から出力される加速度データを基に、地震動の大きさの指標であるＳＩ（Spectrum Intensity）値を演算出力し、地震動により液状化現象が発生したか否かを検知するための液状化検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のＳＩ値演算出力装置や液状化検知装置など、加速度センサからの出力を基に液状化判定等の演算判定処理を行い処理結果を出力する機器においては、加速度素子が出力する信号に加速度信号以外のノイズ信号が重畳していることがある。この種の装置では、ノイズ信号を含んだ信号を用いて演算処理を行うと、適正な演算出力や液状化判定が得られない場合がある。
【０００３】
例えば、加速度センサのアナログ信号処理過程において整流増幅回路等が存在する場合には、外部からの電磁波ノイズが侵入すると、ノイズ自身は交流成分であるにもかかわらず、整流増幅回路によって片側（正負の一方）のみの成分を有する信号として出力される。
【０００４】
図１０は、実際の静電容量式の加速度センサが数十ＭＨｚの電磁波ノイズに曝されたときに得られた出力波形である。出力波形は、ノイズが注入されている間、ノイズ未注入の出力レベルに対して片側（単一）方向へドリフトしている。これは、内部処理回路中のある部分で注入ノイズが積分されているためと考えられる。図１１は実際に屋外で観測された電磁波ノイズと思われる出力波形であり、電磁波を発生しながら移動体（例えばトラックなどの車両）が機器周辺を通過する際に、移動体が電波を放射しながら機器に近づき、遠ざかることによってこのような山形（三角波に近い）波形が観測されると考えられる。
【０００５】
また、別の例を挙げるならば、地震動を計測すべく設計された低周波応答用の加速度センサに対して衝撃が加えられたときにも同様の現象が発生する。図１２（Ａ），（Ｂ）は低周波加速度検出用に設計された圧電式加速度センサに衝撃を加えたときの出力波形であり、衝撃により大きな電荷が一瞬にしてデバイス両端に発生し処理回路側の入力インピーダンスが周波検出用に非常に高く設計されているために出力が片側に振り切れ、もとの出力レベルに戻るまでに非常に長い時間を必要としていることがわかる。なお、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の部分拡大図である。また、図１３は容量式加速度センサに衝撃を加えたときの出力波形であるが、このようなインパルス状の波形が観測される場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、このようなノイズの影響を排除するための技術としては、信号波形がゼロ（基軸）を通過する時間間隔を計測し、これが期待される周波数帯域の振動周期を越える場合に、この信号はノイズであると判定する方法が採用されている。しかしながら、この方法では、図１１に示したノイズ信号や図１３に示したノイズ信号に対しての効果は期待できないという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、本来の入力信号（加速度信号）にノイズ成分が重畳した場合に、ノイズ成分を弁別することができる振動波形弁別方法、およびこの方法を用いて、ノイズ成分の影響のない加速度データを出力できる加速度データ出力装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、上記加速度データ出力装置を用いてＳＩ値演算や液状化現象を精度良く検知することができる液状化検知装置を提供することにある。
【０００９】
【発明を解決するための手段】
請求項１記載の振動波形弁別方法は、振動波形として加速度信号を出力する加速度素子と、加速度信号を基にした加速度データ、若しくは前記加速度データに演算処理を行なった結果を出力する出力手段とを含む加速度データ出力装置において、加速度素子から出力される加速度信号に対して、所定の時間幅における正負の最大値を求め、その正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない場合には、加速度信号が入力値として期待されている信号ではないと判断するものである。
【００１０】
請求項２記載の振動波形弁別方法は、請求項１に記載の方法において、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない状態が所定の時間幅以上にわたって継続した場合に、加速度信号が入力値として期待されている信号ではないと判断するものである。
【００１１】
請求項３記載の振動波形弁別方法は、請求項１または２に記載の方法において、加速度信号を時系列的な連続波形として処理し、所定の時間幅毎に前記加速度信号の正負の最大値の絶対値の比を算出するものである。
【００１２】
請求項４記載の振動波形弁別方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法において、加速度信号に基線補正を行った後、その正負の最大値の絶対値の比を算出するものである。
【００１３】
また、請求項５記載の加速度データ出力装置は、加速度信号を振動波形として出力する加速度素子と、この加速度素子から出力される加速度信号を基にして基にした加速度データ、若しくは加速度データに演算処理を行なった結果を出力する出力手段と、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波形弁別方法を用いて判断を行う振動波形弁別手段とを備えている。
【００１４】
請求項６記載の加速度データ出力装置は、請求項５記載の出力装置において、出力手段は、振動波形弁別手段が、加速度信号は入力値として期待されている信号ではないと判断した場合に、加速度データの演算処理または出力を停止するように構成したものである。
【００１５】
請求項７記載の加速度データ出力装置は、請求項５または６記載の出力装置において、出力手段は、地震波による振動波形を加速度信号としてその最大加速度およびＳＩ値を出力するように構成したものである。
【００１６】
更に、請求項８記載の液状化検知装置は、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の加速度データ出力装置と、この加速度データ出力装置から出力された加速度データを基に、地震動により液状化現象が発生したか否かを判定する液状化判定装置とを備えるように構成したものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
具体的な実施の形態の説明の前に、本発明に係る振動波形弁別方法の基本的な原理について説明する。
【００１９】
一般に、前述の説明（図１０乃至図１３）からも明らかなように、加速度センサの電磁ノイズに対する挙動は、加速度信号において正（＋）方向へのＤＣ（直流）バイアス的なドリフトとなって観測されるが、これに対し、実際の地震波による加速度波形は、必ず正（＋）側と負（−）側に成分を有するＡＣ（交流）的な挙動を示す。このようなことから、本発明においては、加速度素子の出力が、ＤＣ的な挙動を示しているか、ＡＣ的な挙動を示しているかによって、地震の振動波とノイズとを弁別するものである。
【００２０】
これを図５（Ａ），（Ｂ）の波形図を参照して説明する。図５（Ａ）は走行車両により電磁波ノイズが注入された場合の典型的な加速度素子の出力を、同図（Ｂ）は実際の地震波が入力された場合の加速度素子の出力波形をそれぞれ示している。図からも明確なように、ノイズ波の場合と実際の地震波の場合では基線に対する出力波形の正側方向の最大値α+ と負側方向の最大値α- の絶対値の比（｜α+ ｜／｜α- ｜）が明らかに異なっている。本発明の振動波形弁別方法は、これに着眼したものであり、次式（１）に示したように、この絶対値の比が、所定の範囲内にあるか否かによってノイズと実際の地震波とを識別する方法である。すなわち、式（１）が成立する（真）ならば地震による加速度信号、成立しない（否）場合にはノイズと判定するものである。なお、ｒ（以下、ノイズレシオという）は、ｒ＞１であり、例えばｒ＝５とする。
【００２１】
１／ｒ＜ ｜α+ ｜／｜α- ｜ ＜ｒ …（１）
【００２２】
本発明の振動波形弁別方法の基本的な考え方は上述の通りであるが、加速度センサの実機での動作を考慮した場合、次のような問題が生じる。すなわち、上記方法は、図５（Ａ），（Ｂ）に示した波形からも明らかなように、加速度素子の出力パターンを、１ノイズ波全体あるいは１地震波全体を判定対象にした場合の考え方である。しかし、実機においては、加速度素子の出力は刻々と変化する量として連続的に得られるものであり、この出力を基にリアルタイムに判定を行い、かつ誤判定動作を生じないような応用が必要となる。
【００２３】
従って、本発明の振動波形弁別方法を実機に適用する場合には、連続する時系列信号として得られる加速度素子の出力値を用いてノイズの有無の判定を２段階に行う必要があり、これによりノイズ判定をリアルタイムに行うことができると共に、誤判定の防止を図ることができる。
【００２４】
次に、この方法によるリアルタイムな判定動作について説明する。図６はノイズ信号、図７は地震波による加速度信号に対する一例である。このうち、図６（Ａ）はノイズ波形、同図（Ｂ）はノイズ波形の絶対値の比｜α+ ｜／｜α- ｜についてそれぞれ経時変化を示したものである。このようなノイズ波が演算処理部（ＣＰＵ）へ加速度信号として時系列に沿って入力されるとき、（Ａ）に示したように、時刻ｔa-x において正側の最大出力量α+ はα（ax+)であり、負側の最大出力量α- はα（ax-)である。この時点では、｜α（ax+)｜と｜α（ax-)｜の比（｜α（ax+)｜／｜α（ax-)｜）は、（Ｂ）に示したように式（１）の範囲内であり、ノイズとは判定されない。更に時刻が経過し、時刻ta-yになると、α+ の値はα（ay+)に更新され、｜α（ay+)｜／｜α（ax-)｜がノイズレシオ“ｒ”を超えるためにノイズと判定される。なお、以後のα+ の値は、ピーク値が得られるまで増大し、より大きなピークが入力されてこない限り、この値が最大値として固定される。その間、α- は、α（ax-)のまま、あるいは同程度の値となっている。よって、｜α+ ｜／｜α- ｜は、（Ｂ）のように“ｒ”を超えて増加した後に信号波形がピークに達した時点でほぼ一定に固定される。従って、このような波形では、一旦ノイズと判定されれば｜α+ ｜／｜α- ｜の値が保存されている限り、それ以降の波形もノイズであると判断されることになる。
【００２５】
図７（Ａ）は実際の地震による加速度信号、同図（Ｂ）はその信号波形の絶対値の比｜α+ ｜／｜α- ｜の経時変化をそれぞれ示している。このような加速度信号がＣＰＵに時系列として入力されるとき、（Ａ）に示したように時刻ｔb-x においてα+ はα（bx+)であり、α- はα（bx-)である。この時点では、（Ｂ）に示したように｜α（bx+)｜／｜α（bx-)｜は式（１）の範囲内であり、ノイズと判定されない。ところが、時刻tb-yとなると、α+ はα（by+)に更新される。このとき、｜α（by+)｜／｜α（bx-)｜はノイズレシオ“ｒ”を超えてしまう。更に、時刻tb-zでは、α- はα（bz-)に更新され、｜α（by+)｜／｜α（bz-)｜はノイズレシオ“ｒ”以下となる。その後、時刻tb-y' では、α+ はα（by'+) に更新され、｜α（by'+) ｜／｜α（bz-)｜はノイズレシオ“ｒ”を再度超えることになる。時刻tb-z' では、α- はα（bz'-) に更新され、この時点で｜α（by+)｜／｜α（bz'-) ｜はノイズレシオ“ｒ”以下となる。
【００２６】
このように、先の基本的な考え方をそのままリアルタイムにノイズ判定を行う連続した時系列に適用すると、地震波の振動状態によってはノイズと誤認される場合がある。それは出力波形の包絡線が基線に対し大きく変動する場合であり、特に、無振動状態から振動が始まる地震の初期振動において頻繁に現れることがみてとれる。それでも、時間が経過して時刻tb-z' となるとα- はα（bz'-) に更新され、この時刻で｜α（by+)｜／｜α（bz-)｜は式（１）の範囲内となる。これ以後、｜α+ ｜／｜α- ｜は式（１）の範囲内にあり、正常に地震波と判定される。従って、本発明の振動波弁別方法を実機に適用する場合には、地震動の初期振動に生じ易いこの種の誤認を回避するため、先の基本的な方法に対し下記の論理動作を付加する必要がある。
【００２７】
判定時間幅“Ｔｒ”を設定し、加速度出力の正側方向の最大値α+ と負側方向の最大値α- の絶対値の比がノイズレシオｒを超えた状態が“Ｔｒ”時間以上継続した場合に、入力信号はノイズであると判定する。ここで、判定時間幅“Ｔｒ”は、地震動による加速度波形の基本周期変動を包含する大きさ（例えば２秒）に設定する。
【００２８】
本発明の振動波弁別方法では、この論理動作を付加することにより、図６に示したノイズ波形ではノイズレシオ“ｒ”を超えた時刻ta-yから“Ｔｒ”経った時刻ta-jになったときにノイズ判定が行われる。また、図７に示した加速度波形では、時刻tb-yから“Ｔｒ”後の時刻tb-j、および時刻tb-y' から“Ｔｒ”後の時刻tb-j' のどちらの時点においても、｜α+ ｜／｜α- ｜は式（１）の範囲内に収まり、誤ってノイズと判定されることはない。
【００２９】
次に、本発明の振動波弁別方法において、加速度波形の正側の最大値α+ および負側の最大値α- の絶対値を具体的に求める方法について説明する。その方法としては、図８に示した固定幅時間窓法および図９に示したフレックス時間窓法がある。なお、ここでは、加速度の最大値の絶対値｜α+ ｜，｜α- ｜は、速度応答の最大値Ｓｖに対応している。
【００３０】
まず、固定幅時間窓法について説明する。この固定幅時間窓法は、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、単純に固定幅の時間窓を演算間隔Δｔずつ移動させる方法である。ここに、図８（Ａ）は、地震波のある軸方向の加速度に対する速度応答ｖ（ｔ）を表している。Ｓｖは速度応答の最大値を意味するが、固定幅の時間窓を現時刻からｎ秒前までと設定し、時間窓内のｖ（ｔ）を使用してＳｖを求める。演算間隔はΔｔで規定する。図８（Ｂ）に示したように、ｎ＝４〔ｓ〕，Δｔ＝１〔ｓ〕の条件下で、現時刻ｔ５としたときのＳｖ（ｔ５）を求める場合には、ｔ２〜ｔ５の時間窓になり、ｖ（ｔ２），ｖ（ｔ３），ｖ（ｔ４），ｖ（ｔ５）の最大値がＳｖ（ｔ５）になる。次の時刻ｔ６のＳｖ（ｔ６）を求める場合には、ｔ３〜ｔ６の時間窓となるので、ｖ（ｔ２）は忘却され、代わりにｖ（ｔ６）が記憶されてＳｖ（ｔ６）が求まる。図８（Ｃ）は、求められたＳｖの時刻変化を表している。
【００３１】
この固定幅時間窓法では、時間窓内の各時刻でのｖ（ｔ）を全て記憶しておく必要がある。実際には、地震波の加速度信号からＳＩ値を求めるため、Δｔ＝０．０１〔ｓ〕とする必要があり、上記例に対して信号データを格納するメモリは１００倍となる。また、Ｓｖを求める度に時間窓内の全てのｖ（ｔ）を比較する必要があり、演算処理部での演算負荷が重くなるという問題がある。
【００３２】
フレックス時間窓法は、上述の固定幅時間窓法の問題を解決するための方法である。以下、図９（Ａ）〜（Ｄ）を参照してこの方法について説明する。
【００３３】
このフレックス時間窓法では、使用する時間窓を、１つの固定幅の記憶時間窓Ｗ1 と隣接して伸び縮みする演算時間窓Ｗ0 との合計２つの時間窓で構成する。演算時間窓Ｗ0 はサンプリング時間とともに伸びてゆき、その間、サンプリングの度にメモリＭ0 に格納された時間窓Ｗ0 におけるｖ（ｔ）の最大値が更新される。なお、演算時間窓Ｗ0 が規定の幅となると、メモリＭ0 の値はメモリＭ1 にコピーされてメモリＭ0 はゼロクリアされる。
【００３４】
図９（Ａ）は、加速度素子の出力において、ある固有周期の速度応答ｖ（ｔ）の特性を表している。図９（Ｂ）は、２つの時間窓Ｗ1 ，Ｗ0 で構成される時間窓の幅を各サンプリング時間毎（ｔ＝ｔ０，ｔ１，ｔ２，…）に示している。図９（Ｃ）は、記憶時間窓Ｗ1 ，演算時間窓Ｗ0 のそれぞれに対応してｖ（ｔ）の最大値を格納するメモリＭ1 ，Ｍ0 を表している。また、図９（Ｄ）は、Ｓｖの経時変化を表している。
【００３５】
演算は時刻ｔ０から開始し、このとき全変数は０とする。各時刻毎にｖ（ｔ）をメモリＭ0 の値と比較し、ｖ（ｔ）の方が大きいならばＭ0 の値をｖ（ｔ）で更新する。時刻ｔ４でＷ0 の値はＷ１としてＭ１にコピーされ、Ｗ0 の値はゼロクリアされる。このとき、Ｓｖ（ｔ４）はｔ＝ｔ０〜ｔ４までのｖ（ｔ）の最大値となる。時刻の経過と共に時間窓の幅は大きくなり、時刻ｔ７でＷ1 とＷ0 を合わせた時間窓の幅は最大（ｔ０〜ｔ７）になる。
【００３６】
時刻ｔ８でＷ0 の値をＷ1 の値へのコピーした後、Ｗ0 の値のゼロクリア処理が行われ、以後同様の処理が行われる。以上の演算手法を用いることにより、メモリには時間窓Ｗ0 ，Ｗ1 に対応したｖ（ｔ）の最大値を２つ格納するだけで済み、これらを比較することでその時点でのＳｖが求められる。従って、固定時間窓法のように時間窓内全てのｖ（ｔ−ｎ）〜ｖ（ｔ）を記憶する必要がなくなりメモリ消費量を大幅に節約することができる。また、Ｓｖを求めるに当たり、フレックス時間窓法ではＭ0 の値と時刻ｔ毎のｖ（ｔ）、およびＭ1 の値の比較を行なうだけでよいので、固定時間窓法のように、時間窓内全てのｖ（ｔ−ｎ）〜ｖ（ｔ）同士を比較して最大値を求める必要がなくなり、そのため演算処理部の処理負荷が大幅に軽減される。これにより、フレックス時間窓法を用いて加速度の最大値の絶対値｜α+ ｜，｜α- ｜の演算をリアルタイムに行うことができる。
【００３７】
なお、これらの方法では、時間窓あたりに格納可能なデータ数と窓数によって決定される所定時間後には、保持されていた最大加速度α+ ，α- の値は、自動的に消去される。また、α+ ，α- として一旦保持された値が以降のノイズ検出に影響することを防ぐために、｜α+ ｜／｜α- ｜が所定期間以上にわたって所定の閾値以下である場合には現時点でノイズは入力されていないものと判断し、過去のものとなったα+ ，α- の値をクリアするようにしてもよい。
【００３８】
次に、以上のような基本原理に基づいた振動波形弁別方法を適用した具体的な実施の形態について説明する。
【００３９】
図１は本発明の一実施の形態に係る液状化検知装置１０のブロック構成を表すものである。この液状化検知装置１０は、加速度データ出力装置１００および液状化判定装置２００を備えている。
【００４０】
加速度データ出力装置１００は、例えばＳＩセンサと称されるものである。ＳＩセンサは、地震による振動波形（加速度波形）を基に最大加速度Ａmax を検出すると共に、加速度波形の速度応答を基にしてＳＩ値を得るものである。最大加速度Ａmax は、例えば、地震波形が基線を横切る時間（ゼロクロス時間）間隔を基にして推定されるゼロクロス周期などの固有周期Ｔ内における加速度の絶対値の最大値である。ＳＩ値は、地震による一般的な建物の揺れの程度を数値化したものであり、地震の加速度を入力として応答解析を行うことにより求められた特定の固有周波数範囲における平均値である。このＳＩ値は、具体的には、以下の式（２）により求めることができ、過去の観測結果から最大加速度よりも、震度や地震被害の有無との相関関係が高いことが知られている。
【００４１】
【数１】
【００４２】
この加速度データ出力装置１００は、地震等によって加速度信号を出力する加速度素子１０１と、この加速度素子１０１からの加速度信号を受けて、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processor Unit；中央演算装置) １０２とを有している。
【００４３】
加速度素子１０１としては例えば静電容量型のものがある。この静電容量型の加速度素子は、固定の上部電極と、重りのついた可動の下部電極とを対向配置した構造を有し、加速度に応じて重りと共に下部電極が動くようになっている。このときの上部電極と下部電極との間の静電容量の変化を読み取ることにより、加速度の方向および大きさを検出することができる。なお、加速度素子１０１としては、その他、ピエゾ抵抗型あるいは圧電型などの半導体加速度素子であってもよい。
【００４４】
ＣＰＵ１０２は、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等に格納されたプログラムに従って演算処理を実行するものであり、やはり図示はしないが、演算のためのデータを格納するメモリ（Ｍ1 ，Ｍ0 ）を有している。このＣＰＵ１０２は、入力値として期待されている地震による加速度信号とノイズ信号とを弁別するための振動波形弁別手段１０２Ａ、および加速度素子１０１から出力される加速度信号を基にして加速度データを出力するための出力手段１０２Ｂとしての機能を備えている。
【００４５】
振動波形弁別手段１０２Ａは、加速度素子１０１から出力される加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、その絶対値の比が、前述の式（１）に示した所定の範囲になく、かつその状態が所定の時間（判定時間幅Ｔｒ）以上継続した場合には、計測されている信号は、入力値として期待されている加速度信号ではない、すなわち、前述のようなノイズが発生したと判断するものである。
【００４６】
出力手段１０２Ｂは、例えば、加速度素子１０１から出力される加速度信号を基に最大加速度ＡmaX を検出すると共にＳＩ値を求め、これら最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を加速度データとして出力するものである。
【００４７】
また、本実施の形態では、加速度素子１０１とＣＰＵ１０２との間には基線補正用のフィルタ１０３、増幅器１０３およびＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１０５が介挿されている。基線補正用のフィルタ１０３は、加速度素子１０１から出力された加速度信号のＤＣバイアス成分を零に補正するもので、これにより振動波形弁別手段１０２Ａにおいて加速度信号の正負それぞれの最大値が求められる。増幅器１０４は、フィルタ１０３から出力された加速度信号を所定のレベルに増幅するものであり、Ａ／Ｄ変換器１０５は増幅された加速度信号（アナログ信号）をディジタル信号に変換してＣＰＵ１０２へ出力するものである。
【００４８】
液状化判定装置２００は、加速度データ出力装置１００から出力された最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を基にして液状化現象が発生したか否かの判断を行うものである。具体的には、例えば、これら最大加速度ＡmaX およびＳＩ値に加え、地震波形の固有周期Ｔおよび地盤変位ＤmaX を求め、これら４つのパラメータが予め定めた閾値以上である場合に、液状化現象が発生したと判断する。なお、地盤変位ＤmaX は例えば、最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を用いて次式（３）によって近似的に算出することができる。
【００４９】
ＤmaX ＝２×（ＳＩ）2 ／ＡmaX …（３）
【００５０】
なお、このような構成の液状化検知装置１では、加速度データ出力装置１００において、衝撃や電磁波の影響によって、フィルタ１０３、増幅器１０４、Ａ／Ｄ変換器１０５等に対してノイズ信号が入力され、このノイズ信号がＣＰＵ１０２に入力してしまうことがある。そのため、従来では、入力として期待されている実際の地震波による加速度信号に基づく正確なＳＩ値を出力することができず、液状化判定装置において、液状化現象の判定を精度良く行うことができなかったことは前述の通りである。これに対して、本実施の形態では、以下に説明するように、加速度データ出力装置１００の振動波形弁別手段１０２Ａによってノイズの影響をなくすことが可能になる。
【００５１】
次に、図２〜図４の流れ図を参照して、本実施の形態の液状化検知装置１０の作用について説明する。
【００５２】
〔正常判定処理〕
まず、地震が発生すると、加速度データ出力装置１００においては、加速度素子１０１から加速度信号が出力され、この加速度信号はフィルタ１０３により基線補正がなされ、増幅器１０４により所定のレベルに増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１０５においてディジタル信号に変換される。このディジタル信号に変換された加速度信号がＣＰＵ１０２へ入力される（ステップＳ１００）。加速度信号が入力されると、ＣＰＵ１０２では、振動波形弁別手段１０２Ａにより、前述のフレックス時間窓法によって、その加速度信号の正負の最大値を求める（ステップＳ１０１）。この時点で“ノイズ確定状態”にない場合（ステップＳ１０２；Ｎ）には、これら最大値の絶対値の比が（１）式で示した所定の範囲にあるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。“ノイズ確定状態”とは、後述するように、先に入力された一連の加速度信号を基にして、既にノイズと判定されている状態をいう。
【００５３】
最大値の絶対値の比が（１）式で示した範囲である場合（ステップＳ１０３；Ｙ）には、入力信号が入力値として期待されている加速度信号であると判断し、“出力一時停止状態”をクリアし（ステップＳ１０４）、出力手段１０２Ｂにおいて最大加速度ＡmaX を算出し（ステップＳ１０５）、ＳＩ値を算出する（ステップＳ１０６）。続いて、現在“出力一時停止状態”であるか否かを判断するが（ステップ１０７）、いまは“出力一時停止状態”にない（Ｎ）ため、出力手段１０２Ｂは、算出した最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を出力する（ステップＳ１０８）。更に、液状化判定装置２００では、これら最大加速度ＡmaX およびＳＩ値に加え、地震波形の固有周期Ｔおよび地盤変位ＤmaX を算出し、これらの値に基づいて液状化現象が発生したか否かの判定を行う（ステップＳ１０９）。
【００５４】
〔ノイズ検出処理〕
一方、最大値の絶対値の比が（１）式で示した範囲にない場合（ステップＳ１０３；Ｎ）に、更にこの状態が判定時間Ｔｒ継続していない場合（ステップＳ１１０；Ｎ）は、入力信号が入力値として期待されている加速度信号であるか否かの判定ができない。この場合には、“出力一時停止状態”としたうえで（ステップＳ１１１）、最大加速度ＡmaX ，ＳＩ値を算出する（ステップＳ１０５，Ｓ１０６）。続いて“出力一時停止状態”であるか否かを判断するが（ステップ１０７）、いまは“出力一時停止状態”である（Ｙ）から、最大加速度ＡmaX ，ＳＩ値の演算結果を出力することなく入力信号待ち状態に戻る。なお、こののちに、信号がノイズによるものではないと判断された場合には、“出力一時停止状態”はクリアされ（ステップＳ１０４）、最大加速度ＡmaX ，ＳＩ値を算出して（ステップＳ１０５，Ｓ１０６）、これらの値に加え、クリアされる以前に求められていた最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を出力する（ステップＳ１０８）。
【００５５】
入力された信号がノイズ信号である場合は、上記ステップＳ１０３からステップＳ１０７を繰り返した後に、最大値の絶対値の比が（１）式で示した範囲にない状態（ステップＳ１０３；Ｎ）が判定時間Ｔｒ継続する（ステップＳ１１０；Ｙ）ことになる。このとき、ＣＰＵ１０２は、入力信号が入力値として期待されている加速度信号ではなくノイズによるものと確定して、現在の状態を“ノイズ確定状態”とし（ステップＳ１１２）、ＡmaX ，ＳＩ値の演算および出力を停止し（ステップＳ１１３）、入力信号待ち状態に戻る。
【００５６】
〔ノイズクリア処理〕
こうして、一旦“ノイズ確定状態”となった後は、次の入力信号についてフレックス時間窓法により、その加速度信号の正負の最大値を求め（ステップＳ１０１）、“ノイズ確定状態”と判断され（ステップＳ１０２；Ｙ）、一連のノイズクリア処理を行う。すなわち、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が（１）式で示した所定の範囲にあるか否かを判断し（ステップＳ１１４）、絶対値の比が所定の範囲にない場合（Ｎ）は、再び入力信号待ち状態に戻る。絶対値の比が所定の範囲にある場合（Ｙ）には、ＳＩ値の演算などに用いられる変数としてＣＰＵ１０２に格納されているデータを初期化し（ステップＳ１１５）、“ノイズ確定状態”をクリアして（ステップＳ１１６）、再び入力信号待ち状態に戻る。なお、前述したように、フレックス時間窓法を用いて最大加速度α+ ，α- を求める場合には、後にノイズと判定された信号の最大加速度α+ ，α- は、フレックス時間窓法の時間窓あたりに格納可能なデータ数と窓数によって決定される所定時間後には、保持されていた最大加速度α+ ，α- の値は、自動的に消去されるため、ノイズ信号が入力されなくなって所定時間が経過すると必ず“ノイズ確定状態”はクリアされることになる。以上の判定動作はリアルタイムで連続的に行われる。
【００５７】
以上のように本実施の形態の液状化検知装置１０では、加速度データ出力装置１００において、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない状態が所定の時間継続した場合に、計測されている入力信号はノイズであると判断し、このときにはＳＩ値の演算または出力を停止するようにしたので、液状化判定装置２００に対してノイズの影響のないＳＩ値を出力することができる。従って、液状化判定装置２００での判定の信頼性が向上し、地震の被害の推定が容易になる。
【００５８】
以上実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、加速度データ出力装置１００から最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を出力するようにしたが、いずれか一方を出力するような構成のものとしてもよい。
【００５９】
また、液状化判定装置２００の判定方法は上記実施の形態のものに限らず、その他の判定方法を採用してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１乃至５のいずれか１に記載の振動波形弁別方法によれば、加速度素子から出力される加速度信号に対して、所定の時間幅における正負の最大値を求め、その正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない場合には、計測されている入力信号をノイズと判断するようにしたので、容易にノイズ発生の有無を検出することができる。
【００６１】
特に、請求項２記載の振動波形弁別方法によれば、請求項１記載の方法において、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない状態が所定の時間継続した場合に、この加速度信号をノイズと判断するようにしたので、より精度良くノイズの発生の有無を検出することができる。
【００６２】
また、請求項６乃至８のいずれか１に記載の加速度データ出力装置によれば、上記振動波形弁別方法を適用し、ノイズ成分がある場合には加速度データの演算または出力を停止するようにしたので、ノイズの影響のない加速度データを出力することが可能となる。
【００６３】
更に、請求項９に記載の液状化検知装置によれば、上記加速度データ出力装置を用いるようにしたので、ノイズの影響のない加速度データを基に、液状化現象発生の有無の判定の信頼性が向上し、地震の被害の推定が容易になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液状化検知装置の構成を表すブロック図である。
【図２】図１に示した液状化検知装置の動作を説明するための流れ図である。
【図３】図２に続く流れ図である。
【図４】図２に続く流れ図である。
【図５】ノイズ波形の特性（Ａ）および地震による加速度波形の特性（Ｂ）の違いを説明するための波形図である。
【図６】本発明に係る振動波弁別方法を説明するための波形図であり、（Ａ）はノイズ波形、（Ｂ）はこのノイズ波形における正負の最大値の絶対値の比の変化状態を説明するための図である。
【図７】本発明に係る振動波弁別方法を説明するための波形図であり、（Ａ）は地震波形、（Ｂ）はこの地震波形における正負の最大値の絶対値の比の変化状態を説明するための図である。
【図８】本発明に係る振動波弁別方法において、加速度の最大値を検出するための方法（固定幅時間窓法）を説明するための図である。
【図９】同じく、加速度の最大値を検出するための他の方法（フレックス時間窓法）を説明するための図である。
【図１０】ノイズの一例を説明するための波形図である。
【図１１】ノイズの他の例を説明するための波形図である。
【図１２】ノイズの更に他の例を説明するための波形図である。
【図１３】ノイズの更に他の例を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１０…液状化検知装置、１００…加速度データ出力装置、１０１…加速度素子、１０２…ＣＰＵ、１０２Ａ…振動波弁別手段、１０２Ｂ…出力手段、１０３…フィルタ、１０４…増幅器、１０５…Ａ／Ｄ変換器、２００…液状化判定装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動波形とノイズ成分とを弁別するための振動波形弁別方法、および加速度素子から出力される加速度信号を基にして地震動の被害推定等のための加速度データを出力する加速度データ出力装置、並びにこの加速度データ出力装置から出力される加速度データを基に、地震動の大きさの指標であるＳＩ（Spectrum Intensity）値を演算出力し、地震動により液状化現象が発生したか否かを検知するための液状化検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のＳＩ値演算出力装置や液状化検知装置など、加速度センサからの出力を基に液状化判定等の演算判定処理を行い処理結果を出力する機器においては、加速度素子が出力する信号に加速度信号以外のノイズ信号が重畳していることがある。この種の装置では、ノイズ信号を含んだ信号を用いて演算処理を行うと、適正な演算出力や液状化判定が得られない場合がある。
【０００３】
例えば、加速度センサのアナログ信号処理過程において整流増幅回路等が存在する場合には、外部からの電磁波ノイズが侵入すると、ノイズ自身は交流成分であるにもかかわらず、整流増幅回路によって片側（正負の一方）のみの成分を有する信号として出力される。
【０００４】
図１０は、実際の静電容量式の加速度センサが数十ＭＨｚの電磁波ノイズに曝されたときに得られた出力波形である。出力波形は、ノイズが注入されている間、ノイズ未注入の出力レベルに対して片側（単一）方向へドリフトしている。これは、内部処理回路中のある部分で注入ノイズが積分されているためと考えられる。図１１は実際に屋外で観測された電磁波ノイズと思われる出力波形であり、電磁波を発生しながら移動体（例えばトラックなどの車両）が機器周辺を通過する際に、移動体が電波を放射しながら機器に近づき、遠ざかることによってこのような山形（三角波に近い）波形が観測されると考えられる。
【０００５】
また、別の例を挙げるならば、地震動を計測すべく設計された低周波応答用の加速度センサに対して衝撃が加えられたときにも同様の現象が発生する。図１２（Ａ），（Ｂ）は低周波加速度検出用に設計された圧電式加速度センサに衝撃を加えたときの出力波形であり、衝撃により大きな電荷が一瞬にしてデバイス両端に発生し処理回路側の入力インピーダンスが周波検出用に非常に高く設計されているために出力が片側に振り切れ、もとの出力レベルに戻るまでに非常に長い時間を必要としていることがわかる。なお、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の部分拡大図である。また、図１３は容量式加速度センサに衝撃を加えたときの出力波形であるが、このようなインパルス状の波形が観測される場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、このようなノイズの影響を排除するための技術としては、信号波形がゼロ（基軸）を通過する時間間隔を計測し、これが期待される周波数帯域の振動周期を越える場合に、この信号はノイズであると判定する方法が採用されている。しかしながら、この方法では、図１１に示したノイズ信号や図１３に示したノイズ信号に対しての効果は期待できないという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、本来の入力信号（加速度信号）にノイズ成分が重畳した場合に、ノイズ成分を弁別することができる振動波形弁別方法、およびこの方法を用いて、ノイズ成分の影響のない加速度データを出力できる加速度データ出力装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、上記加速度データ出力装置を用いてＳＩ値演算や液状化現象を精度良く検知することができる液状化検知装置を提供することにある。
【０００９】
【発明を解決するための手段】
請求項１記載の振動波形弁別方法は、振動波形として加速度信号を出力する加速度素子と、加速度信号を基にした加速度データ、若しくは前記加速度データに演算処理を行なった結果を出力する出力手段とを含む加速度データ出力装置において、加速度素子から出力される加速度信号に対して、所定の時間幅における正負の最大値を求め、その正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない場合には、加速度信号が入力値として期待されている信号ではないと判断するものである。
【００１０】
請求項２記載の振動波形弁別方法は、請求項１に記載の方法において、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない状態が所定の時間幅以上にわたって継続した場合に、加速度信号が入力値として期待されている信号ではないと判断するものである。
【００１１】
請求項３記載の振動波形弁別方法は、請求項１または２に記載の方法において、加速度信号を時系列的な連続波形として処理し、所定の時間幅毎に前記加速度信号の正負の最大値の絶対値の比を算出するものである。
【００１２】
請求項４記載の振動波形弁別方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法において、加速度信号に基線補正を行った後、その正負の最大値の絶対値の比を算出するものである。
【００１３】
また、請求項５記載の加速度データ出力装置は、加速度信号を振動波形として出力する加速度素子と、この加速度素子から出力される加速度信号を基にして基にした加速度データ、若しくは加速度データに演算処理を行なった結果を出力する出力手段と、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波形弁別方法を用いて判断を行う振動波形弁別手段とを備えている。
【００１４】
請求項６記載の加速度データ出力装置は、請求項５記載の出力装置において、出力手段は、振動波形弁別手段が、加速度信号は入力値として期待されている信号ではないと判断した場合に、加速度データの演算処理または出力を停止するように構成したものである。
【００１５】
請求項７記載の加速度データ出力装置は、請求項５または６記載の出力装置において、出力手段は、地震波による振動波形を加速度信号としてその最大加速度およびＳＩ値を出力するように構成したものである。
【００１６】
更に、請求項８記載の液状化検知装置は、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の加速度データ出力装置と、この加速度データ出力装置から出力された加速度データを基に、地震動により液状化現象が発生したか否かを判定する液状化判定装置とを備えるように構成したものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
具体的な実施の形態の説明の前に、本発明に係る振動波形弁別方法の基本的な原理について説明する。
【００１９】
一般に、前述の説明（図１０乃至図１３）からも明らかなように、加速度センサの電磁ノイズに対する挙動は、加速度信号において正（＋）方向へのＤＣ（直流）バイアス的なドリフトとなって観測されるが、これに対し、実際の地震波による加速度波形は、必ず正（＋）側と負（−）側に成分を有するＡＣ（交流）的な挙動を示す。このようなことから、本発明においては、加速度素子の出力が、ＤＣ的な挙動を示しているか、ＡＣ的な挙動を示しているかによって、地震の振動波とノイズとを弁別するものである。
【００２０】
これを図５（Ａ），（Ｂ）の波形図を参照して説明する。図５（Ａ）は走行車両により電磁波ノイズが注入された場合の典型的な加速度素子の出力を、同図（Ｂ）は実際の地震波が入力された場合の加速度素子の出力波形をそれぞれ示している。図からも明確なように、ノイズ波の場合と実際の地震波の場合では基線に対する出力波形の正側方向の最大値α+ と負側方向の最大値α- の絶対値の比（｜α+ ｜／｜α- ｜）が明らかに異なっている。本発明の振動波形弁別方法は、これに着眼したものであり、次式（１）に示したように、この絶対値の比が、所定の範囲内にあるか否かによってノイズと実際の地震波とを識別する方法である。すなわち、式（１）が成立する（真）ならば地震による加速度信号、成立しない（否）場合にはノイズと判定するものである。なお、ｒ（以下、ノイズレシオという）は、ｒ＞１であり、例えばｒ＝５とする。
【００２１】
１／ｒ＜ ｜α+ ｜／｜α- ｜ ＜ｒ …（１）
【００２２】
本発明の振動波形弁別方法の基本的な考え方は上述の通りであるが、加速度センサの実機での動作を考慮した場合、次のような問題が生じる。すなわち、上記方法は、図５（Ａ），（Ｂ）に示した波形からも明らかなように、加速度素子の出力パターンを、１ノイズ波全体あるいは１地震波全体を判定対象にした場合の考え方である。しかし、実機においては、加速度素子の出力は刻々と変化する量として連続的に得られるものであり、この出力を基にリアルタイムに判定を行い、かつ誤判定動作を生じないような応用が必要となる。
【００２３】
従って、本発明の振動波形弁別方法を実機に適用する場合には、連続する時系列信号として得られる加速度素子の出力値を用いてノイズの有無の判定を２段階に行う必要があり、これによりノイズ判定をリアルタイムに行うことができると共に、誤判定の防止を図ることができる。
【００２４】
次に、この方法によるリアルタイムな判定動作について説明する。図６はノイズ信号、図７は地震波による加速度信号に対する一例である。このうち、図６（Ａ）はノイズ波形、同図（Ｂ）はノイズ波形の絶対値の比｜α+ ｜／｜α- ｜についてそれぞれ経時変化を示したものである。このようなノイズ波が演算処理部（ＣＰＵ）へ加速度信号として時系列に沿って入力されるとき、（Ａ）に示したように、時刻ｔa-x において正側の最大出力量α+ はα（ax+)であり、負側の最大出力量α- はα（ax-)である。この時点では、｜α（ax+)｜と｜α（ax-)｜の比（｜α（ax+)｜／｜α（ax-)｜）は、（Ｂ）に示したように式（１）の範囲内であり、ノイズとは判定されない。更に時刻が経過し、時刻ta-yになると、α+ の値はα（ay+)に更新され、｜α（ay+)｜／｜α（ax-)｜がノイズレシオ“ｒ”を超えるためにノイズと判定される。なお、以後のα+ の値は、ピーク値が得られるまで増大し、より大きなピークが入力されてこない限り、この値が最大値として固定される。その間、α- は、α（ax-)のまま、あるいは同程度の値となっている。よって、｜α+ ｜／｜α- ｜は、（Ｂ）のように“ｒ”を超えて増加した後に信号波形がピークに達した時点でほぼ一定に固定される。従って、このような波形では、一旦ノイズと判定されれば｜α+ ｜／｜α- ｜の値が保存されている限り、それ以降の波形もノイズであると判断されることになる。
【００２５】
図７（Ａ）は実際の地震による加速度信号、同図（Ｂ）はその信号波形の絶対値の比｜α+ ｜／｜α- ｜の経時変化をそれぞれ示している。このような加速度信号がＣＰＵに時系列として入力されるとき、（Ａ）に示したように時刻ｔb-x においてα+ はα（bx+)であり、α- はα（bx-)である。この時点では、（Ｂ）に示したように｜α（bx+)｜／｜α（bx-)｜は式（１）の範囲内であり、ノイズと判定されない。ところが、時刻tb-yとなると、α+ はα（by+)に更新される。このとき、｜α（by+)｜／｜α（bx-)｜はノイズレシオ“ｒ”を超えてしまう。更に、時刻tb-zでは、α- はα（bz-)に更新され、｜α（by+)｜／｜α（bz-)｜はノイズレシオ“ｒ”以下となる。その後、時刻tb-y' では、α+ はα（by'+) に更新され、｜α（by'+) ｜／｜α（bz-)｜はノイズレシオ“ｒ”を再度超えることになる。時刻tb-z' では、α- はα（bz'-) に更新され、この時点で｜α（by+)｜／｜α（bz'-) ｜はノイズレシオ“ｒ”以下となる。
【００２６】
このように、先の基本的な考え方をそのままリアルタイムにノイズ判定を行う連続した時系列に適用すると、地震波の振動状態によってはノイズと誤認される場合がある。それは出力波形の包絡線が基線に対し大きく変動する場合であり、特に、無振動状態から振動が始まる地震の初期振動において頻繁に現れることがみてとれる。それでも、時間が経過して時刻tb-z' となるとα- はα（bz'-) に更新され、この時刻で｜α（by+)｜／｜α（bz-)｜は式（１）の範囲内となる。これ以後、｜α+ ｜／｜α- ｜は式（１）の範囲内にあり、正常に地震波と判定される。従って、本発明の振動波弁別方法を実機に適用する場合には、地震動の初期振動に生じ易いこの種の誤認を回避するため、先の基本的な方法に対し下記の論理動作を付加する必要がある。
【００２７】
判定時間幅“Ｔｒ”を設定し、加速度出力の正側方向の最大値α+ と負側方向の最大値α- の絶対値の比がノイズレシオｒを超えた状態が“Ｔｒ”時間以上継続した場合に、入力信号はノイズであると判定する。ここで、判定時間幅“Ｔｒ”は、地震動による加速度波形の基本周期変動を包含する大きさ（例えば２秒）に設定する。
【００２８】
本発明の振動波弁別方法では、この論理動作を付加することにより、図６に示したノイズ波形ではノイズレシオ“ｒ”を超えた時刻ta-yから“Ｔｒ”経った時刻ta-jになったときにノイズ判定が行われる。また、図７に示した加速度波形では、時刻tb-yから“Ｔｒ”後の時刻tb-j、および時刻tb-y' から“Ｔｒ”後の時刻tb-j' のどちらの時点においても、｜α+ ｜／｜α- ｜は式（１）の範囲内に収まり、誤ってノイズと判定されることはない。
【００２９】
次に、本発明の振動波弁別方法において、加速度波形の正側の最大値α+ および負側の最大値α- の絶対値を具体的に求める方法について説明する。その方法としては、図８に示した固定幅時間窓法および図９に示したフレックス時間窓法がある。なお、ここでは、加速度の最大値の絶対値｜α+ ｜，｜α- ｜は、速度応答の最大値Ｓｖに対応している。
【００３０】
まず、固定幅時間窓法について説明する。この固定幅時間窓法は、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、単純に固定幅の時間窓を演算間隔Δｔずつ移動させる方法である。ここに、図８（Ａ）は、地震波のある軸方向の加速度に対する速度応答ｖ（ｔ）を表している。Ｓｖは速度応答の最大値を意味するが、固定幅の時間窓を現時刻からｎ秒前までと設定し、時間窓内のｖ（ｔ）を使用してＳｖを求める。演算間隔はΔｔで規定する。図８（Ｂ）に示したように、ｎ＝４〔ｓ〕，Δｔ＝１〔ｓ〕の条件下で、現時刻ｔ５としたときのＳｖ（ｔ５）を求める場合には、ｔ２〜ｔ５の時間窓になり、ｖ（ｔ２），ｖ（ｔ３），ｖ（ｔ４），ｖ（ｔ５）の最大値がＳｖ（ｔ５）になる。次の時刻ｔ６のＳｖ（ｔ６）を求める場合には、ｔ３〜ｔ６の時間窓となるので、ｖ（ｔ２）は忘却され、代わりにｖ（ｔ６）が記憶されてＳｖ（ｔ６）が求まる。図８（Ｃ）は、求められたＳｖの時刻変化を表している。
【００３１】
この固定幅時間窓法では、時間窓内の各時刻でのｖ（ｔ）を全て記憶しておく必要がある。実際には、地震波の加速度信号からＳＩ値を求めるため、Δｔ＝０．０１〔ｓ〕とする必要があり、上記例に対して信号データを格納するメモリは１００倍となる。また、Ｓｖを求める度に時間窓内の全てのｖ（ｔ）を比較する必要があり、演算処理部での演算負荷が重くなるという問題がある。
【００３２】
フレックス時間窓法は、上述の固定幅時間窓法の問題を解決するための方法である。以下、図９（Ａ）〜（Ｄ）を参照してこの方法について説明する。
【００３３】
このフレックス時間窓法では、使用する時間窓を、１つの固定幅の記憶時間窓Ｗ1 と隣接して伸び縮みする演算時間窓Ｗ0 との合計２つの時間窓で構成する。演算時間窓Ｗ0 はサンプリング時間とともに伸びてゆき、その間、サンプリングの度にメモリＭ0 に格納された時間窓Ｗ0 におけるｖ（ｔ）の最大値が更新される。なお、演算時間窓Ｗ0 が規定の幅となると、メモリＭ0 の値はメモリＭ1 にコピーされてメモリＭ0 はゼロクリアされる。
【００３４】
図９（Ａ）は、加速度素子の出力において、ある固有周期の速度応答ｖ（ｔ）の特性を表している。図９（Ｂ）は、２つの時間窓Ｗ1 ，Ｗ0 で構成される時間窓の幅を各サンプリング時間毎（ｔ＝ｔ０，ｔ１，ｔ２，…）に示している。図９（Ｃ）は、記憶時間窓Ｗ1 ，演算時間窓Ｗ0 のそれぞれに対応してｖ（ｔ）の最大値を格納するメモリＭ1 ，Ｍ0 を表している。また、図９（Ｄ）は、Ｓｖの経時変化を表している。
【００３５】
演算は時刻ｔ０から開始し、このとき全変数は０とする。各時刻毎にｖ（ｔ）をメモリＭ0 の値と比較し、ｖ（ｔ）の方が大きいならばＭ0 の値をｖ（ｔ）で更新する。時刻ｔ４でＷ0 の値はＷ１としてＭ１にコピーされ、Ｗ0 の値はゼロクリアされる。このとき、Ｓｖ（ｔ４）はｔ＝ｔ０〜ｔ４までのｖ（ｔ）の最大値となる。時刻の経過と共に時間窓の幅は大きくなり、時刻ｔ７でＷ1 とＷ0 を合わせた時間窓の幅は最大（ｔ０〜ｔ７）になる。
【００３６】
時刻ｔ８でＷ0 の値をＷ1 の値へのコピーした後、Ｗ0 の値のゼロクリア処理が行われ、以後同様の処理が行われる。以上の演算手法を用いることにより、メモリには時間窓Ｗ0 ，Ｗ1 に対応したｖ（ｔ）の最大値を２つ格納するだけで済み、これらを比較することでその時点でのＳｖが求められる。従って、固定時間窓法のように時間窓内全てのｖ（ｔ−ｎ）〜ｖ（ｔ）を記憶する必要がなくなりメモリ消費量を大幅に節約することができる。また、Ｓｖを求めるに当たり、フレックス時間窓法ではＭ0 の値と時刻ｔ毎のｖ（ｔ）、およびＭ1 の値の比較を行なうだけでよいので、固定時間窓法のように、時間窓内全てのｖ（ｔ−ｎ）〜ｖ（ｔ）同士を比較して最大値を求める必要がなくなり、そのため演算処理部の処理負荷が大幅に軽減される。これにより、フレックス時間窓法を用いて加速度の最大値の絶対値｜α+ ｜，｜α- ｜の演算をリアルタイムに行うことができる。
【００３７】
なお、これらの方法では、時間窓あたりに格納可能なデータ数と窓数によって決定される所定時間後には、保持されていた最大加速度α+ ，α- の値は、自動的に消去される。また、α+ ，α- として一旦保持された値が以降のノイズ検出に影響することを防ぐために、｜α+ ｜／｜α- ｜が所定期間以上にわたって所定の閾値以下である場合には現時点でノイズは入力されていないものと判断し、過去のものとなったα+ ，α- の値をクリアするようにしてもよい。
【００３８】
次に、以上のような基本原理に基づいた振動波形弁別方法を適用した具体的な実施の形態について説明する。
【００３９】
図１は本発明の一実施の形態に係る液状化検知装置１０のブロック構成を表すものである。この液状化検知装置１０は、加速度データ出力装置１００および液状化判定装置２００を備えている。
【００４０】
加速度データ出力装置１００は、例えばＳＩセンサと称されるものである。ＳＩセンサは、地震による振動波形（加速度波形）を基に最大加速度Ａmax を検出すると共に、加速度波形の速度応答を基にしてＳＩ値を得るものである。最大加速度Ａmax は、例えば、地震波形が基線を横切る時間（ゼロクロス時間）間隔を基にして推定されるゼロクロス周期などの固有周期Ｔ内における加速度の絶対値の最大値である。ＳＩ値は、地震による一般的な建物の揺れの程度を数値化したものであり、地震の加速度を入力として応答解析を行うことにより求められた特定の固有周波数範囲における平均値である。このＳＩ値は、具体的には、以下の式（２）により求めることができ、過去の観測結果から最大加速度よりも、震度や地震被害の有無との相関関係が高いことが知られている。
【００４１】
【数１】
この加速度データ出力装置１００は、地震等によって加速度信号を出力する加速度素子１０１と、この加速度素子１０１からの加速度信号を受けて、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processor Unit；中央演算装置) １０２とを有している。
【００４３】
加速度素子１０１としては例えば静電容量型のものがある。この静電容量型の加速度素子は、固定の上部電極と、重りのついた可動の下部電極とを対向配置した構造を有し、加速度に応じて重りと共に下部電極が動くようになっている。このときの上部電極と下部電極との間の静電容量の変化を読み取ることにより、加速度の方向および大きさを検出することができる。なお、加速度素子１０１としては、その他、ピエゾ抵抗型あるいは圧電型などの半導体加速度素子であってもよい。
【００４４】
ＣＰＵ１０２は、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等に格納されたプログラムに従って演算処理を実行するものであり、やはり図示はしないが、演算のためのデータを格納するメモリ（Ｍ1 ，Ｍ0 ）を有している。このＣＰＵ１０２は、入力値として期待されている地震による加速度信号とノイズ信号とを弁別するための振動波形弁別手段１０２Ａ、および加速度素子１０１から出力される加速度信号を基にして加速度データを出力するための出力手段１０２Ｂとしての機能を備えている。
【００４５】
振動波形弁別手段１０２Ａは、加速度素子１０１から出力される加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、その絶対値の比が、前述の式（１）に示した所定の範囲になく、かつその状態が所定の時間（判定時間幅Ｔｒ）以上継続した場合には、計測されている信号は、入力値として期待されている加速度信号ではない、すなわち、前述のようなノイズが発生したと判断するものである。
【００４６】
出力手段１０２Ｂは、例えば、加速度素子１０１から出力される加速度信号を基に最大加速度ＡmaX を検出すると共にＳＩ値を求め、これら最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を加速度データとして出力するものである。
【００４７】
また、本実施の形態では、加速度素子１０１とＣＰＵ１０２との間には基線補正用のフィルタ１０３、増幅器１０３およびＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１０５が介挿されている。基線補正用のフィルタ１０３は、加速度素子１０１から出力された加速度信号のＤＣバイアス成分を零に補正するもので、これにより振動波形弁別手段１０２Ａにおいて加速度信号の正負それぞれの最大値が求められる。増幅器１０４は、フィルタ１０３から出力された加速度信号を所定のレベルに増幅するものであり、Ａ／Ｄ変換器１０５は増幅された加速度信号（アナログ信号）をディジタル信号に変換してＣＰＵ１０２へ出力するものである。
【００４８】
液状化判定装置２００は、加速度データ出力装置１００から出力された最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を基にして液状化現象が発生したか否かの判断を行うものである。具体的には、例えば、これら最大加速度ＡmaX およびＳＩ値に加え、地震波形の固有周期Ｔおよび地盤変位ＤmaX を求め、これら４つのパラメータが予め定めた閾値以上である場合に、液状化現象が発生したと判断する。なお、地盤変位ＤmaX は例えば、最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を用いて次式（３）によって近似的に算出することができる。
【００４９】
ＤmaX ＝２×（ＳＩ）2 ／ＡmaX …（３）
【００５０】
なお、このような構成の液状化検知装置１では、加速度データ出力装置１００において、衝撃や電磁波の影響によって、フィルタ１０３、増幅器１０４、Ａ／Ｄ変換器１０５等に対してノイズ信号が入力され、このノイズ信号がＣＰＵ１０２に入力してしまうことがある。そのため、従来では、入力として期待されている実際の地震波による加速度信号に基づく正確なＳＩ値を出力することができず、液状化判定装置において、液状化現象の判定を精度良く行うことができなかったことは前述の通りである。これに対して、本実施の形態では、以下に説明するように、加速度データ出力装置１００の振動波形弁別手段１０２Ａによってノイズの影響をなくすことが可能になる。
【００５１】
次に、図２〜図４の流れ図を参照して、本実施の形態の液状化検知装置１０の作用について説明する。
【００５２】
〔正常判定処理〕
まず、地震が発生すると、加速度データ出力装置１００においては、加速度素子１０１から加速度信号が出力され、この加速度信号はフィルタ１０３により基線補正がなされ、増幅器１０４により所定のレベルに増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１０５においてディジタル信号に変換される。このディジタル信号に変換された加速度信号がＣＰＵ１０２へ入力される（ステップＳ１００）。加速度信号が入力されると、ＣＰＵ１０２では、振動波形弁別手段１０２Ａにより、前述のフレックス時間窓法によって、その加速度信号の正負の最大値を求める（ステップＳ１０１）。この時点で“ノイズ確定状態”にない場合（ステップＳ１０２；Ｎ）には、これら最大値の絶対値の比が（１）式で示した所定の範囲にあるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。“ノイズ確定状態”とは、後述するように、先に入力された一連の加速度信号を基にして、既にノイズと判定されている状態をいう。
【００５３】
最大値の絶対値の比が（１）式で示した範囲である場合（ステップＳ１０３；Ｙ）には、入力信号が入力値として期待されている加速度信号であると判断し、“出力一時停止状態”をクリアし（ステップＳ１０４）、出力手段１０２Ｂにおいて最大加速度ＡmaX を算出し（ステップＳ１０５）、ＳＩ値を算出する（ステップＳ１０６）。続いて、現在“出力一時停止状態”であるか否かを判断するが（ステップ１０７）、いまは“出力一時停止状態”にない（Ｎ）ため、出力手段１０２Ｂは、算出した最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を出力する（ステップＳ１０８）。更に、液状化判定装置２００では、これら最大加速度ＡmaX およびＳＩ値に加え、地震波形の固有周期Ｔおよび地盤変位ＤmaX を算出し、これらの値に基づいて液状化現象が発生したか否かの判定を行う（ステップＳ１０９）。
【００５４】
〔ノイズ検出処理〕
一方、最大値の絶対値の比が（１）式で示した範囲にない場合（ステップＳ１０３；Ｎ）に、更にこの状態が判定時間Ｔｒ継続していない場合（ステップＳ１１０；Ｎ）は、入力信号が入力値として期待されている加速度信号であるか否かの判定ができない。この場合には、“出力一時停止状態”としたうえで（ステップＳ１１１）、最大加速度ＡmaX ，ＳＩ値を算出する（ステップＳ１０５，Ｓ１０６）。続いて“出力一時停止状態”であるか否かを判断するが（ステップ１０７）、いまは“出力一時停止状態”である（Ｙ）から、最大加速度ＡmaX ，ＳＩ値の演算結果を出力することなく入力信号待ち状態に戻る。なお、こののちに、信号がノイズによるものではないと判断された場合には、“出力一時停止状態”はクリアされ（ステップＳ１０４）、最大加速度ＡmaX ，ＳＩ値を算出して（ステップＳ１０５，Ｓ１０６）、これらの値に加え、クリアされる以前に求められていた最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を出力する（ステップＳ１０８）。
【００５５】
入力された信号がノイズ信号である場合は、上記ステップＳ１０３からステップＳ１０７を繰り返した後に、最大値の絶対値の比が（１）式で示した範囲にない状態（ステップＳ１０３；Ｎ）が判定時間Ｔｒ継続する（ステップＳ１１０；Ｙ）ことになる。このとき、ＣＰＵ１０２は、入力信号が入力値として期待されている加速度信号ではなくノイズによるものと確定して、現在の状態を“ノイズ確定状態”とし（ステップＳ１１２）、ＡmaX ，ＳＩ値の演算および出力を停止し（ステップＳ１１３）、入力信号待ち状態に戻る。
【００５６】
〔ノイズクリア処理〕
こうして、一旦“ノイズ確定状態”となった後は、次の入力信号についてフレックス時間窓法により、その加速度信号の正負の最大値を求め（ステップＳ１０１）、“ノイズ確定状態”と判断され（ステップＳ１０２；Ｙ）、一連のノイズクリア処理を行う。すなわち、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が（１）式で示した所定の範囲にあるか否かを判断し（ステップＳ１１４）、絶対値の比が所定の範囲にない場合（Ｎ）は、再び入力信号待ち状態に戻る。絶対値の比が所定の範囲にある場合（Ｙ）には、ＳＩ値の演算などに用いられる変数としてＣＰＵ１０２に格納されているデータを初期化し（ステップＳ１１５）、“ノイズ確定状態”をクリアして（ステップＳ１１６）、再び入力信号待ち状態に戻る。なお、前述したように、フレックス時間窓法を用いて最大加速度α+ ，α- を求める場合には、後にノイズと判定された信号の最大加速度α+ ，α- は、フレックス時間窓法の時間窓あたりに格納可能なデータ数と窓数によって決定される所定時間後には、保持されていた最大加速度α+ ，α- の値は、自動的に消去されるため、ノイズ信号が入力されなくなって所定時間が経過すると必ず“ノイズ確定状態”はクリアされることになる。以上の判定動作はリアルタイムで連続的に行われる。
【００５７】
以上のように本実施の形態の液状化検知装置１０では、加速度データ出力装置１００において、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない状態が所定の時間継続した場合に、計測されている入力信号はノイズであると判断し、このときにはＳＩ値の演算または出力を停止するようにしたので、液状化判定装置２００に対してノイズの影響のないＳＩ値を出力することができる。従って、液状化判定装置２００での判定の信頼性が向上し、地震の被害の推定が容易になる。
【００５８】
以上実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、加速度データ出力装置１００から最大加速度ＡmaX およびＳＩ値を出力するようにしたが、いずれか一方を出力するような構成のものとしてもよい。
【００５９】
また、液状化判定装置２００の判定方法は上記実施の形態のものに限らず、その他の判定方法を採用してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１乃至５のいずれか１に記載の振動波形弁別方法によれば、加速度素子から出力される加速度信号に対して、所定の時間幅における正負の最大値を求め、その正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない場合には、計測されている入力信号をノイズと判断するようにしたので、容易にノイズ発生の有無を検出することができる。
【００６１】
特に、請求項２記載の振動波形弁別方法によれば、請求項１記載の方法において、加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない状態が所定の時間継続した場合に、この加速度信号をノイズと判断するようにしたので、より精度良くノイズの発生の有無を検出することができる。
【００６２】
また、請求項６乃至８のいずれか１に記載の加速度データ出力装置によれば、上記振動波形弁別方法を適用し、ノイズ成分がある場合には加速度データの演算または出力を停止するようにしたので、ノイズの影響のない加速度データを出力することが可能となる。
【００６３】
更に、請求項９に記載の液状化検知装置によれば、上記加速度データ出力装置を用いるようにしたので、ノイズの影響のない加速度データを基に、液状化現象発生の有無の判定の信頼性が向上し、地震の被害の推定が容易になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液状化検知装置の構成を表すブロック図である。
【図２】図１に示した液状化検知装置の動作を説明するための流れ図である。
【図３】図２に続く流れ図である。
【図４】図２に続く流れ図である。
【図５】ノイズ波形の特性（Ａ）および地震による加速度波形の特性（Ｂ）の違いを説明するための波形図である。
【図６】本発明に係る振動波弁別方法を説明するための波形図であり、（Ａ）はノイズ波形、（Ｂ）はこのノイズ波形における正負の最大値の絶対値の比の変化状態を説明するための図である。
【図７】本発明に係る振動波弁別方法を説明するための波形図であり、（Ａ）は地震波形、（Ｂ）はこの地震波形における正負の最大値の絶対値の比の変化状態を説明するための図である。
【図８】本発明に係る振動波弁別方法において、加速度の最大値を検出するための方法（固定幅時間窓法）を説明するための図である。
【図９】同じく、加速度の最大値を検出するための他の方法（フレックス時間窓法）を説明するための図である。
【図１０】ノイズの一例を説明するための波形図である。
【図１１】ノイズの他の例を説明するための波形図である。
【図１２】ノイズの更に他の例を説明するための波形図である。
【図１３】ノイズの更に他の例を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１０…液状化検知装置、１００…加速度データ出力装置、１０１…加速度素子、１０２…ＣＰＵ、１０２Ａ…振動波弁別手段、１０２Ｂ…出力手段、１０３…フィルタ、１０４…増幅器、１０５…Ａ／Ｄ変換器、２００…液状化判定装置
Claims (8)
- 振動波形として加速度信号を出力する加速度素子と、前記加速度信号を基にした加速度データ、若しくは前記加速度データに演算処理を行なった結果を出力する出力手段とを含む加速度データ出力装置において、
前記加速度素子から出力される加速度信号に対して、所定の時間幅における正負の最大値を求め、その正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にあるか否かを検出し、前記加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない場合には、前記加速度信号が入力値として期待されている信号ではないと判断する
ことを特徴とする振動波形弁別方法。 - 前記加速度信号の正負の最大値の絶対値の比が所定の範囲内にない状態が所定の時間幅以上にわたって継続した場合に、前記加速度信号が入力値として期待されている信号ではないと判断する
ことを特徴とする請求項１記載の振動波形弁別方法。 - 前記加速度信号を時系列的な連続波形として処理し、所定の時間幅毎に前記加速度信号の正負の最大値の絶対値の比を算出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動波形弁別方法。 - 前記加速度信号に基線補正を行った後、その正負の最大値の絶対値の比を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波形弁別方法。 - 加速度信号を振動波形として出力する加速度素子と、
この加速度素子から出力される加速度信号を基にして基にした加速度データ、若しくは前記加速度データに演算処理を行なった結果を出力する出力手段と、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波形弁別方法を用いて判断を行う振動波形弁別手段
とを備えたことを特徴とする加速度データ出力装置。 - 前記出力手段は、前記振動波形弁別手段が、前記加速度信号は入力値として期待されている信号ではないと判断した場合に、加速度データの演算処理または出力を停止する
ことを特徴とする請求項５に記載の加速度データ出力装置。 - 前記出力手段は、地震波による振動波形を加速度信号としてその最大加速度およびＳＩ値を出力する
ことを特徴とする請求項５または６に記載の加速度データ出力装置。 - 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の加速度データ出力装置と、
この加速度データ出力装置から出力された加速度データを基に、地震動により液状化現象が発生したか否かを判定する液状化判定装置
とを備えたことを特徴とする液状化検知装置。
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