JP5375435B2 - 震度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサの測定値に基づいて震度を測定する装置に関する。また、本発明は、震度の測定結果に基づいて地震発生時のガスを遮断する装置に関する。

気象庁により、震度を測定するためのフィルタの特性が定義されている。震度の測定には、加速度センサにより測定された加速度波形データが用いられる。正確な震度を測定するためには、加速度波形データに気象庁定義のフィルタを適用させる必要がある。

気象庁定義のフィルタを適用させる１つの方法は、次のとおりである。加速度センサにより測定された時間軸上の加速度波形データに対してＦＦＴ演算を適用する。ＦＦＴ演算後の周波数軸上の加速度波形データを補正し、気象庁定義の特性を適用させる。補正後のデータを逆ＦＦＴ演算することによって、震度測定に利用することのできる加速度波形データを得る。

特許文献１においては、気象庁定義のフィルタをデジタルフィルタ回路として設計する試みがなされている。特許文献２においては、気象庁定義のフィルタをアナログフィルタ回路により実現する試みがなされている。

Ｘ、Ｙ、Ｚ、３成分の加速度波形データを、Ａ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）とする。加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）に、気象庁定義のフィルタ処理を適用させることにより得られる加速度波形データを、Ｈ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）とする。補正された加速度波形データの振幅の二乗和Ｗ^２（ｔ）は、数１式のように表される。

３成分の振幅の絶対値Ｗ（ｔ）は、加速度波形データの変化に伴い、時々刻々変動する。Ｗ（ｔ）が、０．３秒間以上、Ｗ_ａ以上となる場合、Ｗ_ａの値の最大値Ｗ_ｍを用いて、気象庁の定義による測定震度Ｓ_ｍは、数２式のように表される。数２式において、係数Ｃは、加速度センサの感度であり、係数Ａは、フィルタのゲインである。

このように、測定震度Ｓ_ｍの推定には、Ｗ_ａの最大値Ｗ_ｍを求める必要があり、様々な方法が提案されている。

特許文献３においては、最大値Ｗ_ｍを求めるために、３０個のメモリを用意している。１００Ｈｚサンプリングで得られる３０個の震度Ｗ（ｔ）がメモリに保存される。時間の経過とともに新たな震度Ｗ（ｔ）が追加されると、メモリに保存された３０個の震度Ｗ（ｔ）の最小値と、新しく追加された震度Ｗ（ｔ）とを比較する。新しいデータが最小値より大きければ、メモリに格納されている震度Ｗ（ｔ）の最小値を削除し、新しいデータをメモリに格納する。そして、メモリ内に格納されている震度Ｗ（ｔ）の最小値を更新する。このようにして、０．３秒以上継続する震度を測定する。

特許文献１においては、数２式にＷ（ｔ）を代入した場合に計算される測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を離散値で表している。測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）の各離散値にはそれぞれ対応する記憶場所が用意されている。各記憶場所には、各離散値の出現カウント数が格納される。測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）が得られるたびに測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）の離散値が算出され、それぞれ対応する記憶場所にカウント値が積算される。それぞれの記憶場所に格納される離散値のカウント数を分析することにより、瞬時値Ｓ（ｔ）が０．３秒以上継続している測定震度Ｓ_ｍを取得することができる。

特開２００８−１０７３３４号公報 特開２０００−３４６７０１号公報 特開２００７−１９８８１２号公報

上記のように、特許文献１あるいは特許文献２では、気象庁定義のフィルタをデジタルフィルタ回路あるいはアナログフィルタ回路により実現する試みがされている。しかし、いずれも回路が複雑であり、消費電力が大きいという問題がある。

震度測定装置が、バッテリ駆動である場合、特に、消費電力を低減させる必要がある。地震発生時に、バッテリ容量が低下し、震度判定を行うことができないという事態は避けなければならない。

本発明は前記問題点に鑑み、低消費電力で気象庁定義のフィルタを実現する技術および低消費電力で震度の測定を行う技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の震度測定装置は、加速度波形データを入力する加速度入力部と、前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、を備え、前記フィルタは、加算回路、減算回路およびビットシフト演算回路を組み合わせることで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする。

請求項２記載の震度測定装置は、加速度波形データを入力する加速度入力部と、前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、を備え、前記フィルタは、加算、減算、２のべき乗数の乗算および２のべき乗数の除算を組み合わせた演算を実行することで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の震度測定装置において、前記フィルタは、高域フィルタと、低域フィルタと、を含むことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の震度測定装置において、前記高域フィルタは微分フィルタを有し、微分フィルタにおける乗算係数は、２のべき乗数であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項３に記載の震度測定装置において、前記低域フィルタは、リカーシブルフィルタを有し、リカーシブルフィルタにおける除算係数は、２のべき乗数であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項３に記載の震度測定装置において、前記低域フィルタはＩＩＲフィルタを有し、ＩＩＲフィルタにおける除算係数は、２のべき乗数であることを特徴とする。

請求項７記載の震度測定装置は、加速度波形データを入力する加速度入力部と、前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、前記補正加速度波形データから振幅を算出する振幅算出部と、を備え、前記振幅算出部は、前記補正加速度波形データから振幅Ｗ（ｔ）を求める第１振幅演算部と、前記振幅Ｗ（ｔ）を２のべき乗数で表すことにより、測定震度Ｓ（ｔ）を表現した上で、Ｗ（ｔ）^６を二進数で表した場合の最大ビットの桁数をＢ_Ｎとすることにより、震度Ｓ（ｔ）を求める第２震度測定部と、を含むことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項７に記載の震度測定装置において、さらに、前記第２震度測定部により測定された震度Ｓ（ｔ）が０．３秒間以上、Ｓ_ａ以上となる場合のＳ_ａの値の最大値Ｓ_ｍを震度として出力する最大値判定部、を備えることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の震度測定装置において、さらに、前記加速度入力部に入力される加速度波形データをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートを決定するサンプリングレート決定部と、を備え、前記サンプリングレート決定部は、前記震度測定装置が観測した加速度に応じて異なる閾値で地震の検出を行う地震発生検出部と、前記地震発生検出部の検出結果に応じて、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートを切り替える切替部と、を含むことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の地震測定装置において、前記震度算出部が算出した震度の継続時間が所定の時間より短い場合には、地震としての測定をキャンセルすることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の地震測定装置において、さらに、前記震度算出部が算出した震度が所定の閾値を上回る場合、ガスを遮断する制御を行うガス遮断制御部、を備えることを特徴とする。

本発明の地震測定装置によれば、加算回路、減算回路およびシフト演算回路を組み合わせることで、気象庁定義のフィルタと特性の近似するフィルタを構成する。回路構成を複雑化させることなく、低消費電力で震度測定用のフィルタを構成することができる。

本発明の震度測定装置によれば、演算値を２のべき乗数で表し、その演算値の最大ビット数の桁数を利用した簡易な計算で震度を測定する。回路構成を複雑化させることなく、低消費電力で震度測定を行うことができる。

震度測定装置のブロック図である。 フィルタの回路ブロック図である。 気象庁定義のフィルタと本実施の形態により近似されたフィルタとを比較した図である。 測定震度演算部の回路ブロック図である。 震度測定の実験結果を示す図である。

｛１．震度測定装置の全体構成｝
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。まず、図１を参照しながら、震度測定システム１の全体構成について説明する。

図１は、本実施の形態の震度測定装置１のブロック図である。震度測定装置１は、加速度センサ１１、増幅器１２、Ａ／Ｄ変換器１３、フィルタ１４、振幅演算部１５、測定震度演算部１６、震度判定部１７およびガス遮断制御部１８を備えて構成されている。さらに、地震測定装置１は、地震発生検出部１９、切替部２０およびバッテリ２１を備えている。

本実施の形態の地震測定装置１は、ガス流量弁の近くに設置され、地震発生時には、ガス流量弁を制御し、ガスを遮断する。地震測定装置１は、バッテリ２１を備えている。地震測定装置１は、通常、商用電源からの電力供給を受けて動作している。地震測定装置１は、災害時に商用電源からの電力供給が途絶えた場合には、バッテリ２１の駆動により動作可能としている。

加速度センサ１１は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の直交３成分の加速度波形データを測定可能である。加速度センサ１１は、３成分の加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）を出力する。

加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）は、増幅器１２において増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１３においてＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換器１３は、切替部２０による切替制御に基づいてサンプリングレートが切り替えられる。

Ａ／Ｄ変換後の加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）は、フィルタ１４に入力される。フィルタ１４は、気象庁定義のフィルタに対して近似的に用いられるフィルタである。

加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）は、フィルタ１４においてフィルタ処理が施されることにより加速度波形データＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）に変換される。加速度波形データＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）は、振幅演算部１５に入力される。

振幅演算部１５では、加速度波形データＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）に基づいて、振幅Ｗ（ｔ）が演算される。振幅Ｗ（ｔ）は、数３式のように表される。

振幅演算部１５で算出された振幅Ｗ（ｔ）は、測定震度演算部１６に入力される。測定震度演算部１６は、振幅Ｗ（ｔ）から測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を算出する。振幅Ｗ（ｔ）は、加速度波形データの変化に伴い、変動する。振幅Ｗ（ｔ）を用いて、気象庁の定義による測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）は、数４式のように表される。数４式において、係数Ｃは、加速度センサの感度であり、係数Ａは、フィルタのゲインである。

測定震度演算部１６は、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を分析することで、測定震度Ｓを算出する。算出された測定震度Ｓは、震度判定部１７に入力される。震度判定部１７は、入力した測定震度Ｓに基づいて、ガスを遮断すべきか否かの判断を行う。ガスを遮断すべきと判断した場合には、制御信号をガス遮断制御部１８に出力する。ガス遮断制御部１８は、制御信号に基づいてガスの遮断制御を行う。

｛２．フィルタの構成｝
次に、図２を参照しながらフィルタ１４の構成について説明する。図２に示すように、フィルタ１４は、高域フィルタ１４１、リカーシブルフィルタ１４２、ＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ１４３およびＩＩＲフィルタ１４４を備えて構成されている。リカーシブルフィルタ１４２は１次のリカーシブルフィルタである。ＩＩＲフィルタ１４３およびＩＩＲフィルタ１４４は、２次のＩＩＲフィルタである。

気象庁定義のフィルタは、約０．５Ｈｚにピークを持ち、１０Ｈｚより高周波の領域では減衰が大きくなっている。このような気象庁定義のフィルタに対応するため、フィルタ１４は、高域フィルタと低域フィルタとを組み合わせて作成される。高域フィルタとして高域フィルタ１４１が用いられる。低域フィルタとして、一次のリカーシブルフィルタ１４２と２次のＩＩＲフィルタ１４３および１４４が用いられる。

以下の説明において、フィルタ１４は、Ｘ（ｔ）を入力としてフィルタ演算を行い、Ｆ（ｔ）を出力する。ここで、Ｘ（ｔ）は、加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）を示している。つまり、以下の説明における各処理は、実際には、加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）のそれぞれに対して実行される演算であるが、それらの処理は共通の処理であるので、入力Ｘ（ｔ）として代表して説明する。また、加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）の入力に対してフィルタ１４は、加速度波形データＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）を出力するが、それらを出力Ｆ（ｔ）として代表して説明する。

高域フィルタ１４１は、加速度センサの出力の微分値を算出するフィルタである。高域フィルタ１４１は、入力をＸ（ｔ）、サンプリング間隔をΔｔとして、数５式で表される。

Ａ_１は整数の演算による桁落ちを考慮して設定される定数である。Ａ_１として２のべき乗数が設定される。Ｙ_１（ｔ）は高域フィルタ１４１の出力である。

Ａ_１が２のべき乗数であるから、数５式における最後の乗算は、シフト演算で回路を構成することができる。高域フィルタ１４１は、減算回路による１回の引き算と、シフト演算回路による１回のシフト演算により実現されることになる。

高域フィルタ１４１の出力Ｙ_１（ｔ）は、低域フィルタとしてのリカーシブルフィルタ１４２に入力される。リカーシブルフィルタ１４２は、１次のリカーシブルフィルタであり、Ｙ_１（ｔ）に対して数６式で示される演算が行われる。

Ｇ_１は、リカーシブルフィルタ１４２の特性を決める係数である。リカーシブルフィルタ１４２は、Ｇ_１個の入力に対する移動平均値を算出する。一般には、この係数は実数が用いられる。本実施の形態においては、係数Ｇ_１として、２のべき乗数が用いられる。

Ｇ_１が２のべき乗数であるから、数６式における最後の除算は、シフト演算回路で構成することができる。リカーシブルフィルタ１４２は、加算回路による１回の足し算と、減算回路による１回の引き算と、シフト演算回路による１回のシフト演算により実現されることになる。

低域フィルタは、数６式のリカーシブフィルタ１４２の他に、ＩＩＲフィルタ１４３および１４４が用いられる。１段目のＩＩＲフィルタ１４３の出力Ｄ_２（ｔ）は、Ｙ_２（ｔ）を入力として、数７式および数８式で示される。

Ｄ_１（ｔ）は、ＩＩＲフィルタ１４３のフィードバック項である。Ｇ_２、Ｇ_３はＩＩＲフィルタ１４３の特性を決める係数である。係数Ｇ_２、Ｇ_３として、一般的には実数が用いられるが、本実施の形態においては、係数Ｇ_２、Ｇ_３として、２のべき乗数が用いられる。

Ｇ_２およびＧ_３が２のべき乗数であるから、数７式における最後の除算および数８式における最後の除算は、シフト演算回路で構成することができる。また、数８式における２の乗算もシフト演算回路で構成することができる。ＩＩＲフィルタ１４３は、数７式の演算に関しては、加算回路による１回の足し算と、減算回路による１回の引き算と、シフト演算回路による１回のシフト演算により実現される。ＩＩＲフィルタ１４３は、数８式の演算に関しては、減算回路による１回の引き算と、加算回路による１回の足し算と、シフト演算回路による２回のシフト演算により実現される。

１段目のＩＩＲフィルタ１４３の出力Ｄ_２（ｔ）は、２段目のＩＩＲフィルタ１４４に入力される。２段目のＩＩＲフィルタ１４４は、Ｄ_２（ｔ）を入力として、数９式および数１０式で示される演算を行う。

Ｄ_３（ｔ）は、ＩＩＲフィルタ１４４のフィードバック項である。Ｇ_４、Ｇ_５はＩＩＲフィルタ１４４の特性を決める係数である。係数Ｇ_４、Ｇ_５として、一般的には実数が用いられるが、本実施の形態においては、係数Ｇ_４、Ｇ_５として、２のべき乗数が用いられる。

Ｇ_４およびＧ_５が２のべき乗数であるから、数９式における最後の除算および数１０式における最後の除算は、シフト演算回路で構成することができる。また、数１０式における２の乗算もシフト演算回路で構成することができる。ＩＩＲフィルタ１４４は、数９式の演算に関しては、加算回路による１回の足し算と、減算回路による１回の引き算と、シフト演算回路による１回のシフト演算により実現される。ＩＩＲフィルタ１４４は、数１０式の演算に関しては、減算回路による１回の引き算と、加算回路による１回の足し算と、シフト演算回路による２回のシフト演算により実現される。

２段目のＩＩＲフィルタ１４４の出力のゲインを１．０にするためには、数１１式のような係数Ａ_２が必要である。前述した高域フィルタ１４１では、定数Ａ_１を乗算した。係数Ａ_２は、任意の定数Ａ_１に対して、フィルタ１４のゲインを１．０とするための係数である。

係数Ａ_２は、フィルタのゲインを表す定数で実数である。係数Ａ_２はゲイン調整用であるので、数１１式の除算を実際に実行する必要はない。

係数Ａ_２は実数であるが、上述したようにゲイン調整用の実数であり、フィルタの特性には影響をおよぼさない。つまり、フィルタ１４において、実数の演算が必要となるわけではない。

以上説明した数５式〜数１１式で示されるフィルタ１４１〜１４５を用い、係数Ａ_１、Ａ_２および係数Ｇ_１〜Ｇ_５を最適化することにより、フィルタ１４の特性を気象庁定義のフィルタに近似させる。数５式〜数１１式で用いられた係数Ｇ_１〜Ｇ_５は、数１２式で表される。数１２式の添え字ｐは、１〜５の整数である。

本実施の形態のフィルタ１４の特性を気象庁定義のフィルタに近似させるため、あらかじめ最適なＧ_１〜Ｇ_５が決定される。具体的には、各Ｇ_ｐについてｋを０から９まで変更し、計１００，０００個の全ての組み合わせについてフィルタの特性を計算する。１００，０００パターンのフィルタの特性の中で気象庁定義のフィルタの特性と最も近似しているｋの組み合わせを決定する。たとえば、フィルタのゲインが１．０となるよう、係数Ａ_２を決定し、両フィルタの特性の差の二乗和が最少となる係数Ｇ_ｐの組み合わせを求める。

従来、リカーシブルおよび非リカーシブルフィルタの組み合わせを用いて、係数が実数であるフィルタを作成している。本実施の形態においては、計１００，０００個の全ての組み合わせを調べることにより、全ての係数が２のべき乗数で表わせるフィルタを設計する。

上記の方法をとることで、Ｇ_１からＧ_５の未知定数が求められる。図２において、ＩＩＲフィルタ１４４の出力は、Ｄ_４（ｔ）であるが、数１１式の演算は、フィルタ１４においては実行されない。したがって、ここでは、Ｄ_４（ｔ）＝Ｆ（ｔ）として以降の処理を実行する。

本実施の形態においては、以下のように、各係数を設定することで、フィルタ１４を設計することとしている。
Ａ_１＝２^４＝１６
Ｇ_１＝２^４＝１６
Ｇ_２＝２^４＝１６
Ｇ_３＝２^１＝２
Ｇ_４＝２^０＝１
Ｇ_５＝２^１＝２

このように、本実施の形態のフィルタ１４は、気象庁定義による震度のフィルタを、整数の足し算、引き算、２のべき乗数による近似計算により実現している。本実施の形態のフィルタ１４は、掛け算、割り算を用いないので、回路構成が簡単であり、低消費電力化を図ることができる。

図３は、上記プロセスで実際に設計されたフィルタ１４の特性と、気象庁定義のフィルタの特性とを比較したものである。図中、Ｆ_１は、フィルタ１４の特性を表し、Ｆ_２は、気象庁定義のフィルタを表している。両フィルタの特性が非常に近似していることが分かる。

数３式〜数１１式から明らかなように、フィルタ１４は、整数の足し算５回、引き算６回、ビットシフト操作９回の演算で実現されている。本実施の形態においては、上述したように、Ｇ_４＝２^０＝１と設定されているので、整数の足し算５回、引き算６回、ビットシフト操作８回の演算で実現されている。従って、従来の実数を用いた計算方法に比べ、演算時間が二桁程度軽減され、大幅な低消費電力化が図られる。また、マイコンを用いることなく、ハードウェアのみで気象庁定義のフィルタに近似したフィルタを実行できるので、低消費電力化を図ることができる。

｛３．震度の演算と判定｝
上述したフィルタ１４によって、加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）、Ａ_Ｙ（ｔ）、Ａ_Ｚ（ｔ）は、加速度波形データＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）に変換される。次に、加速度波形データＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）に基づいて振幅Ｗ（ｔ）が算出される。さらに、加速度センサ１１の感度Ｃと、フィルタ１４のゲインを１．０とするために設定された係数Ａ_２を用いて振幅Ｗ（ｔ）が補正される。補正された振幅Ｗ（ｔ）に基づいて、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）が算出され、最終的に、測定震度Ｓが推定される。

＜３−１．震度演算の理論＞
まず、本実施の形態における震度演算の数学的根拠について説明する。本実施の形態においては、測定震度を０．１の分解能で推定するものとする。数４式で示される測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を、Ｗ（ｔ）^６を用いて表現するために、数４式を数１３式に変形する。Ｗ（ｔ）^６は数３式を３乗することで得られる。

数２式においては、０．３秒以上継続した振幅Ｗ_ｍを入力することで、測定震度Ｓ_ｍを算出した。これに対して、数４式では、時間の経過とともに変動するＷ（ｔ）を代入することで、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を算出している。

次に、Ｗ（ｔ）^６を数１４式のように置き換える。

数１３式と数１４式とから測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）は、数１５式のように変形できる。

測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を、例えば４．０以上から、０．１の分解能で算出する場合には、以下のように取り扱う。測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）が、３．９５から４．０５までの範囲である場合に、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）として、４．０を対応させる。数１５式においてＳ（ｔ）＝３．９５と代入することで、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）が３．９５である場合の桁数Ａ_０は、数１５式より、数１６式のように表される。数１６式において、係数Ｃは、加速度センサ１１の感度であり、係数Ａ_２は、フィルタのゲインであり、上記の数１１式により求められる。

Ｗ（ｔ）^６を二進数で表した場合の最大ビットの桁数をＢ_４（ｔ）とすると、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）は、式（１５）〜式（１６）より数１７式のように表される。

Ｗ（ｔ）^６を演算する場合、二進法で表した場合の最大ビットの桁のみを使用すればよい。つまり、この演算を高分解能で行う必要はなく、桁落ちを考慮して、整数の演算に変更して行うことができる。

気象庁の震度の定義では、Ｗ（ｔ）が、０．３秒間以上、Ｗ_ａ以上となる場合のＷ_ａの値の最大値Ｗ_ｍを数２式に代入することになっている。この定義は、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）が０．３秒間以上Ｓ_ａ以上となる場合のＳ_ａの最大値Ｓ_ｍを求めることと等価である。従って、数１７式を用いて、０．３秒間以上となる最大値Ｓ_ｍを求めれば良いことになる。

ここでは、測定震度４．０から０．１の分解能で得る場合を例に挙げて説明した。数１７式における４．０の項は、基準震度を表す。例えば、測定震度５．０から０．１の分解能で得る場合（この場合、基準震度は５．０である。）には、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）が、４．９５から５．０５までの範囲である場合に、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）として、５．０を対応させる。数４式においてＳ（ｔ）＝４．９５と代入することで、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）が４．９５である場合の桁数Ａ_０は、数１６式において、３．９５を４．９５に置き換えればよい。そして、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）は、数１７式において、４．０を５．０に置き換えればよい。より一般的には、震度Ｎから０．１の分解能で得るためには、数１６式において、３．９５を（Ｎ−０．０５）に置き換え、数１７式における４．０をＮに置き換えればよい。

＜３−２．震度演算の構成＞
次に、上述した数学的根拠に基づいて振幅Ｗ（ｔ）、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）の演算および測定震度Ｓの判定を行う回路構成について説明する。図４は、振幅演算部１５および測定震度演算部１６の回路ブロック図である。

振幅演算部１５は、加速度波形データＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）を入力し、数３式で示した演算を行うことにより、振幅Ｗ（ｔ）^２を算出する。

測定震度演算部１６は、近似演算部１６１、桁数演算部１６２、瞬時値演算部１６３および最大値判定部１６４を備えている。

近似演算部１６１は、数１８式および数１９式で示す演算を行うことにより、Ｗ（ｔ）^２の最大ビットの桁数ＭとＫ（ｔ）^６を出力する。

桁数演算部１６２は、入力したＷ（ｔ）^２の最大ビットの桁数Ｍと、Ｋ（ｔ）^６の最大ビットの桁数とから、Ｗ（ｔ）^６の最大ビットの桁数Ａ（ｔ）を求める。

瞬時値演算部１６３は、Ｗ（ｔ）^６の最大ビットの桁数Ａ（ｔ）を入力すると、数２０式に示す演算を行い、測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を算出する。

数２０式において、Ａ_４（ｔ）＝Ａ（ｔ）−Ａ_０である。瞬時値演算部１６３において算出されたＡ_４（ｔ）は、最大値判定部１６４に入力される。

測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を０．１の分解能で求める場合、数１５式からＡ（ｔ）は整数で求めれば十分である。測定震度の瞬時値Ｓ（ｔ）を、０．１刻みで、４．０から７．０までの範囲で求める場合は、３１個のカウンタが必要となる。最大値判定部１６４が備えるカウンタ１６５は、第１から第３１までの３１個の記憶領域を有している。

瞬時値演算部１６３から入力したＡ_４（ｔ）が、１以上である場合には、第１番目から第Ａ_４（ｔ）番目の記憶領域に１が加算される。入力したＡ_４（ｔ）が３１以上の場合、全ての記憶領域に１が加算される。

３１個の記憶領域の中で、カウント数が３０以上となる記憶領域を調べ、カウント数が３０以上となっている記憶領域のうち、最も上位ビットに対応する記憶領域の番号Ａ_４を求める。この記憶領域の番号Ａ_４から、数２１式に示すように測定震度Ｓが決定される。

カウント数が３０以上となる記憶領域が存在しない場合は、測定震度が４．０以下の場合である。ここでは、測定震度４．０以上の地震を測定することを目的としている。

たとえば、震度５．０以上の地震を判定したい場合は、同様に、震度５．０から震度７．０までの震度を０．１刻みでカウントするため、カウンタとして２１個の記憶領域を用意すればよい。

再び、図１を参照する。測定震度演算部１６において上記の演算により測定震度Ｓが算出されると、測定震度Ｓが震度判定部１７に出力される。震度判定部１７では、入力した測定震度Ｓに基づいて、ガスを遮断すべきか否かを判定する。震度判定部１７は、ガスを遮断すべき測定震度Ｓの閾値を保持している。

震度判定部１７によりガスを遮断すべきと判定された場合、ガス遮断制御部１８に対してガスの遮断を指示する制御信号が出力される。この信号に応答して、ガス遮断制御部１８は、ガス流量弁を閉じる操作を行う。

以上説明したように、本実施の形態の震度測定装置１は、足し算、引き算およびシフト演算の組み合わせにより、気象庁定義のフィルタ処理に近似したフィルタ処理を実行することができる。これにより、低消費電力化を実現する。

たとえば、震度５程度以上の地震が発生した場合に、ガスを遮断させるバッテリ駆動型の装置等において、低消費電力型の装置の開発が可能となる。

また、本実施の形態の震度測定装置１は、分解能に応じて、測定震度Ｓを簡易な演算で取得することが可能である。これによっても、震度測定装置１の低消費電力化を図ることができる。

本実施の形態の地震測定装置１は、簡易な回路構成でフィルタ処理および震度の測定を行うので、処理速度の向上も図ることができる。Ｐ波検出による地震警報装置に適している。

｛４．低消費電力化対策｝
震度５以上の地震を非常に高い確率で検出するためには、１成分、低速度サンプリングの加速度振幅が１０ガル程度以上となった場合、サンプリングレートを高めた測定を行う必要がある。しかし、振動が大きい場所では、加速度振幅が１０ガル程度以上となる場合が頻繁に発生する。

本実施の形態においては、ｆ１Ｈｚの低速サンプリングレートで観測中、ある１成分の加速度データが閾値Ｅ１以上になった場合、ｆ２Ｈｚの中速サンプリングレートで、当該１成分の加速度データの観測を実施する。中速サンプリングレート観測で、ｔ１秒間以上、加速度が閾値Ｅ２未満の状態が継続すると、低速サンプリングレートに戻る。逆に、加速度が閾値Ｅ２以上になった場合には、１００Ｈｚサンプリングレートで３成分の加速度データを観測し、震度の瞬時値を計算する。１００Ｈｚサンプリングによる観測の結果、瞬時値が閾値Ｅ３未満となる状態がｔ２秒間以上継続した場合には、中速サンプリングレートに戻る。閾値、ｆ１，ｆ２，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，ｔ１，ｔ２の値は、過去に発生した地震で、国の強震観測網で観測された波形データを用い、統計上１００％の確率で、地震発生が検出できるように設定される。この設定が最適となるようにすることにより、人工的ノイズ震幅が大きい場所でも、中速サンプリングレートや、１００Ｈｚサンプリングレートでの３成分の観測時間を短くすることができる。

図１に示した地震発生検出部１９および測定震度演算部１６には、過去に発生した地震の波形データを用いて、地震発生を統計上１００％の確率で、かつ、最も効率的に検出するための閾値が設定されている。通常、Ａ／Ｄ変換器１３は、１成分の加速度データに対して、低速サンプリングレートでＡ／Ｄ変換を行い、低消費電力状態で動作している。地震発生検出部１９は、Ａ／Ｄ変換器１３から出力された加速度波形データＡ_Ｘ（ｔ）を入力し、加速度が閾値以上であるか、未満であるかの判定を行う。地震発生検出部１９は、加速度が閾値以上になると、切替部２０に対して、中速サンプリングレートでの観測を行うよう通知する。切替部２０は、この制御信号に応答して、Ａ／Ｄ変換器１３に対してサンプリングレートの変更指示を行う。中速サンプリングレート観測において、加速度が別の閾値以上となった場合には、地震発生検出部１９は、Ａ／Ｄ変換器１３が３成分の加速度データに対して高サンプリングレートで動作するよう制御する。加速度振幅が、所定期間以上、閾値未満である状態が継続すると、サンプリングレートを下げ、中速、あるいは、低速サンプリングレートにする。震度が閾値以上である場合には、短時間、５００Ｈｚサンプリングを行い、波形データの卓越周波数等を調べ、地震であるか、ノイズであるかの判定を行う。この操作により、誤動作の少ない、地震検出が可能である。閾値、ｆ１，ｆ２，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，ｔ１，ｔ２の値を最適となるよう選ぶことにより、新幹線の高架橋の下や、高速道路の下のように、極端に振動が大きい場所でも、平均的サンプリングレート２．５Ｈｚ程度で、非常に高い確率での地震検出が可能であり、バッテリでの長時間の使用が可能である。

図５は、有楽町駅近くの高架橋の下での測定テスト結果である。最大加速度３００ガルが観測された。本実施の形態の地震測定装置１は、大きな振幅の信号を検出し、区間Ｔ_１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の３成分について、１００Ｈｚサンプリングでデータ収録を行う震度測定モードに入った。

次に、震度５以上の測定結果が得られたため、区間Ｔ_２において、５００Ｈｚサンプリングでデータ収録が行なわれた。区間Ｔ_２において、卓越周波数および地震波の特性を有しているかのチェックが行なわれた。その結果、ノイズであることが示され、区間Ｔ_３では、再び低速サンプリングレートによるデータ収録に戻った。

｛５．雷対策｝
気象庁による緊急地震速報の観測点では、２００箇所において、年１回程度、雷による振動を、震度５以上の地震として警報を配信している。加速度センサを多数設置する場合、雷対策は不可欠であると思われる。雷による振動は、１〜２秒程度で減衰するが、地震による振動はそれに比べて長く継続する。本実施の形態の震度測定装置１には、この特徴を考慮した雷対策が組み込まれている。具体的には、地震発生検出部１９は、たとえ閾値を超える振幅を検出した場合であっても、あらかじめ与えられた時間、大きな振幅が継続しない場合には、地震と判定しないこととしている。振幅が所定閾値を超えた状態でビットをＯＮにし、ビットがＯＮとなっている期間をカウントする方法をとっているので、処理負荷も小さく、消費電力を大きくすることもない。

１ 地震測定装置
１１ 加速度センサ
１３ Ａ／Ｄ変換器
１４ フィルタ
１５ 振幅演算部
１６ 測定震度演算部
１４１ 高域フィルタ
１４２ （１次）リカーシブルフィルタ
１４３ （２次）ＩＩＲフィルタ
１４４ （２次）ＩＩＲフィルタ

Claims (11)

1. 加速度波形データを入力する加速度入力部と、
   前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、
   前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、
   を備え、
   前記フィルタは、加算回路、減算回路およびビットシフト演算回路を組み合わせることで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする震度測定装置。
2. 加速度波形データを入力する加速度入力部と、
   前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、
   前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、
   を備え、
   前記フィルタは、加算、減算、２のべき乗数の乗算および２のべき乗数の除算を組み合わせた演算を実行することで、前記加速度波形データを前記補正加速度波形データに変換することを特徴とする震度測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の震度測定装置において、
   前記フィルタは、
   高域フィルタと、
   低域フィルタと、
   を含むことを特徴とする震度測定装置。
4. 請求項３に記載の震度測定装置において、
   前記高域フィルタは、数１式で示される演算を行う微分フィルタを有し、
   Ａ_１は、整数演算の桁落ちを考慮して設定される２のべき乗数の定数であることを特徴とする震度測定装置。
   ただし、ｔは時間であり、Ｘ（ｔ）は加速度波形データであり、Ｙ_１（ｔ）は微分フィルタの出力である。
   

   
5. 請求項３に記載の震度測定装置において、
   前記低域フィルタは、数２式で示される演算を行うリカーシブルフィルタを有し、
   Ｇ_１は、２のべき乗数であることを特徴とする震度測定装置。
   ただし、ｔは時間、Ｙ_１（ｔ）はリカーシブルフィルタの入力であり、Ｙ_２（ｔ）は、リカーシブルフィルタの出力である。
   

   
6. 請求項３に記載の震度測定装置において、
   前記低域フィルタは、
   数３式および数４式で示される演算を行う第１のＩＩＲフィルタと、
   数５式および数６式で示される演算を行う第２のＩＩＲフィルタと、
   を有し、
   Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４およびＧ_５は、２のべき乗数であることを特徴とする震度測定装置。
   ただし、ｔは時間であり、Ｙ_２（ｔ）は第１のＩＩＲフィルタの入力であり、Ｄ_１（ｔ）は第１のＩＩＲフィルタのフィードバック項である。また、Ｄ_２（ｔ）は第１のＩＩＲフィルタの出力であり、かつ、第２のＩＩＲフィルタの入力である。Ｄ_３（ｔ）は、第２のＩＩＲフィルタのフィードバック項であり、Ｄ_４（ｔ）は第２のＩＩＲフィルタの出力である。
   

   

   

   

   
7. 加速度波形データを入力する加速度入力部と、
   前記加速度波形データにフィルタ処理を施し、補正加速度波形データを出力するフィルタと、
   前記補正加速度波形データから震度を算出する震度算出部と、
   を備え、
   前記震度算出部は、
   Ｘ，Ｙ，Ｚ３方向の前記補正加速度波形データをＨ_Ｘ（ｔ）、Ｈ_Ｙ（ｔ）、Ｈ_Ｚ（ｔ）としたとき、数７式で示される演算を行うことによりＷ（ｔ）を求める第１震度演算部と、
   

   

   数８式で示されるＳ（ｔ）を、Ｗ（ｔ）＝２^Ａ（ｔ）とすることにより、数９式のように変形し、
   

   

   

   震度ＮとなるＡ（ｔ）をＡ_０＝１０（Ｎ−０．９４＋２ｌｏｇ（Ｃ＊Ａ））とし、Ｗ（ｔ）^６を二進数で表した場合の最大ビットの桁数をＢ_Ｎ（ｔ）とすることにより、数１０式で示される演算を行うことにより震度Ｓ（ｔ）を求める第２震度測定部と、
   を含むことを特徴とする震度測定装置。
   

   

   ただし、数１０式において、Ｓ_Ｂは基準震度である。
8. 請求項７に記載の震度測定装置において、さらに、
   前記第２震度測定部により測定された震度Ｓ（ｔ）が０．３秒間以上、Ｓ_ａ以上となる場合のＳ_ａの値の最大値Ｓ_ｍを震度として出力する最大値判定部、
   を備えることを特徴とする震度測定装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の震度測定装置において、さらに、
   前記加速度入力部に入力される加速度波形データをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートを決定するサンプリングレート決定部と、
   を備え、
   前記サンプリングレート決定部は、
   前記震度測定装置が観測した加速度に応じて異なる加速度の閾値で地震の検出を行う地震発生検出部と、
   前記地震発生検出部の検出結果に応じて、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートを切り替える切替部と、
   を含むことを特徴とする地震測定装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の地震測定装置において、
    前記震度算出部が算出した震度の継続時間が所定の時間より短い場合には、地震としての測定をキャンセルすることを特徴とする地震測定装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の地震測定装置において、さらに、
    前記震度算出部が算出した震度が所定の閾値を上回る場合、ガスを遮断する制御を行うガス遮断制御部、
    を備えることを特徴とする地震測定装置。

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