JP5867618B2 - 異常検知システム及び異常検知方法 - Google Patents

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Description

本発明は、異常検知システム及び異常検知方法に関する。
化学プラント、製油工場及び火力発電所等のように大量の可燃物、爆発物又は危険物を取り扱う施設では、配管やタンクの腐食や減肉を早期に検知して、重大事故を未然に防ぐことが重要である。
そのために、光ファイバを温度センサとして使用する温度分布測定装置（Distributed Temperature Sensor：ＤＴＳ）を備えた異常検知システムが採用されることがある。
この種の異常検知システムでは、例えば配管やタンクの周囲に光ファイバを敷設し、光ファイバの端部を温度分布測定装置に接続する。そして、温度分布測定装置から光ファイバ内にレーザ光を照射し、光ファイバ内で発生するラマン散乱光を温度分布測定装置で検出して配管やタンク等の温度を取得し、その結果を基に異常の有無を判定する。
化学プラント、製油工場及び火力発電所等の施設では、異常検知の遅れが重大事故につながることがあるため、異常の発生をより早い段階で検知できるシステムが望まれる。
特開平９−１８４２８号公報 特開平２−１２３３０４号公報 国際公開第２０１０／１２５７１２号
化学プラント、製油工場及び火力発電所等の施設で発生する異常を初期段階で検知できる異常検知システム及び異常検知方法を提供することを目的とする。
開示の技術の一観点によれば、光ファイバと、前記光ファイバ内で発生するストークス光及び反ストークス光を検出し、前記光ファイバの長さ方向における前記ストークス光の強度分布のデータ及び前記反ストークス光の強度分布のデータを出力するラマン散乱光検出部と、前記光ファイバの長さ方向における前記ストークス光の強度分布にＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを作用させて得た値と、前記光ファイバの長さ方向における前記反ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させて得た値との積を前記光ファイバの長さ方向の各位置毎に計算し、その結果から異常の有無を判定するデータ処理部とを有する異常検知システムが提供される。
開示の技術の他の一観点によれば、ラマン散乱光検出部により、光ファイバの長さ方向のストークス光の強度分布及び反ストークス光の強度分布を取得する工程と、データ処理部により、前記光ファイバの長さ方向における前記ストークス光の強度分布にＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを作用させて得た値と、前記光ファイバの長さ方向における前記反ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させて得た値との積を前記光ファイバの長さ方向の各位置毎に計算する工程とを有する異常検知方法が提供される。
上記一観点に係る異常検知システム及び異常検知方法によれば、化学プラント、製油工場及び火力発電所等の施設で発生する異常を初期段階で検知できる。
図１は、主配管に枝配管が溶接された部分に光ファイバを一定の張力で巻き付けた状態を示す図である。 図２は、光ファイバに中程度の曲げを加えたとき、やや強い曲げを加えたとき、及び強い曲げを加えたときの伝送損失を調べた結果を示す図である。 図３は、中程度の曲げ、やや強い曲げ及び強い曲げを具体的に示す図である。 図４は、図２に示す戻り光の強度分布を２回微分した結果を示す図である。 図５は、光ファイバに曲げ応力を加えたときのラマン散乱光の強度分布と、その強度分布を２回微分した結果とを併せて示す図である。 図６は、戻り光の強度分布と温度分布測定装置により得られる温度分布とを併せて示した図である。 図７は、実施形態に係る異常検知システムを示すブロック図である。 図８は、後方散乱光のスペクトルを示す図である。 図９は、ラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。 図１０は、図９のラマン散乱光の強度の時系列分布を基にＩ1／Ｉ2比を時間毎に計算し、且つ図９の横軸（時間）を距離に換算し、縦軸（信号強度）を温度に換算した結果を示す図である。 図１１は、実施形態に係る異常検知システムにおける異常検知方法を示すフローチャート（その１）である。 図１２は、実施形態に係る異常検知システムにおける異常検知方法を示すフローチャート（その２）である。 図１３は、光ファイバの長さ方向の各位置におけるストークス光（ＮＴＳ）及び反ストークス光（ＴＴＳ）の光量のデータを示す図である。 図１４は、ＦＩＲフィルタの一例を示す図である。 図１５は、図１４に示したＦＩＲフィルタを図１３の強度分布に畳み込みした結果を示す図である。 図１６は、ストークス光とＦＩＲフィルタとの畳み込みにより得られたFIRS(Ｌ)値と、反ストークス光の強度分布とＦＩＲフィルタとの畳み込みにより得られたFIRAS(Ｌ)値との積を、光ファイバの長さ方向の各位置毎に計算した結果を示す図である。 図１７は、規格化された異常検知信号を示す図である。 図１８は、ストークス光と反ストークス光とを平均して得た強度分布と規格化された異常検知信号とを併せて示す図である。 図１９は、伝送損失の表示例を示す図である。 図２０は、図１３に示す戻り光の強度分布から目視で読み取った平均損失と、図１７から読み取ったピーク値とを示す図である。 図２１は、図２０に示すピーク値と平均損失との関係をグラフ化した図である。 図２２は、校正関数Ｆ(ΔＰ)を用いて図２０から平均損失を求めた結果を示す図である。 図２３は、伝送損失を計算する第２の方法を説明する図である。 図２４は、ピークＰ２，Ｐ３の光量を求めた結果を示す図である。 図２５は、目視で読み取った平均損失と第２の方法による伝送損失の計算結果とを示す図である。 図２６は、利用可能性１を示す図である。 図２７は、利用可能性２を示す図である。 図２８は、利用可能性３を示す図である。
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
実施形態に係る異常検知システムでは、曲げ応力の印加により光ファイバの伝送損失が変化することを利用して、異常を検知する。
図１は、主配管１１に枝配管１２が溶接された部分に光ファイバ１３を一定の張力で巻き付けた状態を示す図である。光ファイバ１３は、テープ１４により枝配線１２に部分的に固定している。
プラントの運転や停止にともなって、主配管１１及び枝配管１２内の溶液又はガスの流れが変化し、主配管１１及び枝配管１２の温度が変化する。この温度変化により主配管１１及び枝配管１２が膨張又は収縮し、光ファイバ１３に加わる曲げ応力や引張り応力が変化する。
光ファイバ１３は、ある程度以上の曲げ応力又は引張り応力が加えられると、伝送損失が大きくなる。そこで、例えば過去の運転時又は停止時の伝送損失と現在の伝送損失とを比較することで、異常の有無を判定することが可能になる。
図２は、横軸に距離（光ファイバの長さ方向の位置）をとり、縦軸に戻り光の強度をとって、光ファイバに中程度の曲げを加えたとき、やや強い曲げを加えたとき、及び強い曲げを加えたときの伝送損失を調べた結果を示す図である。
なお、中程度の曲げとは図３（ａ）に示す程度の曲げ（曲げ半径１０ｍｍ程度）であり、やや強い曲げとは図３（ａ）よりも若干強い曲げ（図３（ｂ）参照）であり、強い曲げとは図３（ｂ）よりも若干強い曲げ（図３（ｃ）参照）である。また、図２では、戻り光の強度を、光ファイバの長さ方向０ｍの位置の光量を基準に規格化している。
図２から、光ファイバの長さ方向の約３４０ｍの位置で、曲げの程度に応じた伝送損失が発生していることがわかる。
例えば、通常運転時には光ファイバに中程度の曲げが加わっており、光ファイバの長さ方向の特定の位置で一定量の伝送損失が発生しているものとする。この場合、光ファイバの伝送損失が急激に変化したら、何らかの異常が発生したものと判定することができる。
図２からわかるように、戻り光の強度は光ファイバの長さ方向の位置に応じて変化するため、単に戻り光の強度から異常の有無を判定することはできない。従って、異常の検知を自動化するためには、戻り光の強度の変化を検出することが重要になる。
特許文献１には、光ファイバの接続部の位置及び接続損失を高精度で測定することを目的とし、戻り光の強度分布を２回微分することが記載されている。この手法を、異常の有無の検知に利用することが考えられる。
図４は、図２に示す戻り光の強度分布を２回微分した結果を示す図である。図４中の一点鎖線は、３σ（σは標準偏差）の範囲を示している。
この図４に示すように、戻り光の強度分布を２回微分すると戻り光の強度変化が強調され、伝送損失及び伝送損失が生じた位置を比較的精度よく検出することができる。
但し、ノイズ成分を除去するためにはしきい値を３σ程度に設定することが必要になる。しきい値を３σに設定すると、中程度の曲げの部分のピークレベルはノイズレベルよりも若干高い程度であり、検出の信頼性が高いとはいえない。
図２から、やや強い曲げが加えられた位置の前後の戻り光の光量差は約２．４％であることがわかる。つまり、この方法では、曲げ応力や引張り応力により２．４％以上の光量の変化がないと、異常の発生を精度よく検知することはできない。
特許文献１で使用している光パルス検出器（Optical Time Domain Reflectmeter：ＯＴＤＲ）ではレイリー散乱光を使用するが、温度分布測定装置（ＤＴＳ）で使用するラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）を使用しても、同様の結果が得られる。温度分布測定装置を使用すると、温度分布の測定と異常の検知とを同時に行うことができる。
図５は、横軸に距離（光ファイバの長さ方向の位置）をとり、縦軸に光量（右側）及びしきい値（左側）をとって、曲げ応力を加えたときのラマン散乱光の強度分布と、その強度分布を２回微分した結果とを併せて示す図である。なお、図５中、ＮＴＳはストークス光による測定結果を示し、ＴＴＳは反ストークス光による測定結果を示している。また、図５中の破線は３σの範囲を示している。
この図５から、戻り光を２回微分する方法では、ストークス光及び反ストークス光を使用しても、光量の差が２％程度ないと異常を精度よく検出することができないことがわかる。
このように、戻り光の強度分布を２回微分して異常の検出を行う方法では、伝送損失がある程度大きくなるまで異常を検知することができない、すなわち異常を初期段階で検知できないという問題がある。工場や化学プラントなどの施設では、異常の検知の遅れが事故拡大につながるため、異常を初期段階で検知することが望まれる。
異常を初期段階で検知できない別の理由に、温度の影響がある。ラマン散乱光の強度は温度により変化するため、戻り光の強度は光ファイバに加えられる応力と温度とに関係する。
図６は、横軸に距離（光ファイバの長さ方向の位置）をとり、縦軸に温度（左側）及び戻り光の強度（右側）をとって、戻り光の強度分布と温度分布測定装置により得られる温度分布とを併せて示した図である。
なお、図６において、戻り光の強度は、光ファイバの長さ方向の０ｍの位置の光量を基準に規格化している。また、ここでは光ファイバの長さ方向の約３４５ｍの位置に曲げ応力を印加している。
図６から、光ファイバの曲げ半径を小さくして伝送損失を大きくすると、温度の測定誤差が増大することがわかる。なお、図６において、曲げ応力を印加した位置の前後の温度差は、光ファイバの敷設経路の違いによるものなので問題ない。
例えば、ハウジング型データセンターにおいて光ファイバを用いて温度監視を行っているときに、ラックに敷設した光ファイバに加わる応力が何らかの理由により変化し、それにより戻り光の強度が変化して正確な温度を検知できないことがある。この場合、実際の温度よりも高く検知されるときと、実際の温度よりも低く検知されるときとがある。
実際の温度よりも高く検知されるときには、異常がないにもかかわらず異常があると判定されてしまう。逆に、実際の温度よりも低く検知されるときには、許容上限温度を超えているにもかかわらず異常がないと判定されてしまう。
以下の実施形態では、化学プラント、製油工場及び火力発電所等の施設で発生する異常を初期段階で検知できる異常検知システムについて説明する。
（実施形態）
図７は、実施形態に係る異常検知システムを示すブロック図である。また、図８は後方散乱光のスペクトルを示す図、図９はラマン散乱光検出器で検出されるラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。
図７に示すように、本実施形態に係る異常検知システムは、ラマン散乱光検出装置２０と、ラマン散乱光検出装置２０から出力されるデータを処理するデータ処理装置３０とを有する。ラマン散乱光検出装置２９はラマン散乱光検出部の一例であり、データ処理装置３０はデータ処理部の一例である。
図７のように、ラマン散乱光検出装置２０は、レーザ光源２１と、レンズ２２ａ，２２ｂと、ビームスプリッタ２３と、波長分離部２５と、光検出器２６と、演算部２７とを有し、光ファイバ２４に接続して使用する。光ファイバ２４は、例えば図１のように配管１１，１２の周囲に敷設され、テープ１４等により配管１１，１２に部分的に固定される。
レーザ光源２１からは、所定のパルス幅のレーザ光が一定の周期で出力される。このレーザ光は、レンズ２２ａ、ビームスプリッタ２３及びレンズ２２ｂを通って光ファイバ２４の光源側端部から光ファイバ２４内に進入する。なお、図７において、２４ａは光ファイバ２４のコアを示し、２４ｂは光ファイバ２４のクラッドを示している。
光ファイバ２４内に進入した光の一部は、光ファイバ２４を構成する分子により後方散乱される。後方散乱光には、図８に示すように、レイリー（Rayleigh）散乱光と、ブリルアン（Brillouin）散乱光と、ラマン（Raman）散乱光とが含まれる。レイリー散乱光は入射光と同一波長の光であり、ブリルアン散乱光及びラマン散乱光は入射波長からシフトした波長の光である。
ラマン散乱光には、入射光よりも長波長側にシフトしたストークス光と、入射光よりも短波長側にシフトした反ストークス光とがある。ストークス光及び反ストークス光の強度はいずれも温度により変化するが、ストークス光は温度による変化量が小さく、反ストークス光は温度による変化量が大きい。すなわち、ストークス光は温度依存性が小さく、反ストークス光は温度依存性が大きいということができる。
これらの後方散乱光は、図７に示すように、光ファイバ２４を戻って光源側端部から出射する。そして、レンズ２２ｂを透過し、ビームスプリッタ２３により反射されて、波長分離部２５に進入する。
波長分離部２５は、波長に応じて光を透過又は反射するビームスプリッタ３１ａ〜３１ｃと、特定の波長の光のみを透過する光学フィルタ３３ａ〜３３ｃとを有する。また、波長分離部２５は、光学フィルタ３３ａ〜３３ｃを透過した光をそれぞれ光検出器２６の受光部２６ａ〜２６ｃに集光する集光レンズ３４ａ〜３４ｃを有する。
波長分離部２５に入射した光は、ビームスプリッタ３１ａ〜３１ｃ及び光学フィルタ３３ａ〜３３ｃによりレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光に分離され、光検出器２６の受光部２６ａ〜２６ｃに入力される。その結果、受光部２６ａ〜２６ｃからはレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光の強度に応じた信号が出力される。
演算部２７は、コンピュータを含んで構成される。この演算部２７は、光検出器２６から出力される信号の経時的変化を記憶するとともに、ストークス光及び反ストークス光の強度比を演算して、光ファイバ２４の長さ方向の温度分布を取得する。
光ファイバ２４内で発生した後方散乱光は、光ファイバ２４を戻る間に減衰する。そのため、後方散乱が発生した位置における温度を正しく評価するためには、光の減衰を考慮することが重要である。
図９は、横軸に時間をとり、縦軸に信号強度をとって、ラマン散乱光の強度の時系列分布の一例を示す図である。光ファイバ２４にレーザパルスを入射した直後から一定の間、光検出器２６にはストークス光及び反ストークス光が検出される。光ファイバ２４の全長にわたって温度が均一の場合、レーザパルスが光ファイバ２４に入射した時点を基準とすると、信号強度は時間の経過とともに減少する。この場合、横軸の時間は光ファイバ２４の光源側端部から後方散乱が発生した位置までの距離を示しており、信号強度の経時的な減少は光ファイバ２４による光の減衰を示している。
光ファイバ２４の長さ方向にわたって温度が均一でない場合、例えば長さ方向に沿って高温部及び低温部が存在する場合は、ストークス光及び反ストークス光の信号強度は一様に減衰するのではなく、図９に示すように信号強度の経時変化を示す曲線に山及び谷が現れる。図９において、ある時間ｔにおける反ストークス光の強度をＩ1、ストークス光の強度をＩ2とする。
図１０は、図９のラマン散乱光の強度の時系列分布を基にＩ1／Ｉ2比を時間毎に計算し、且つ図９の横軸（時間）を距離に換算し、縦軸（信号強度）を温度に換算した結果を示す図である。この図１０に示すように、反ストークス光とストークス光との強度比（Ｉ1／Ｉ2）を計算することにより、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定することができる。
本実施形態で使用するラマン散乱光検出装置２０は、温度分布測定装置（ＤＴＳ）と基本的に同じ構造を有し、上述したように温度分布を測定することもできる。但し、温度分布の測定は必要に応じて行えばよく、必須ではない。
データ処理装置３０は、コンピュータを含んで構成される。そして、データ処理装置３０は、後述するようにラマン散乱光検出装置２０から出力されるデータを処理して異常の有無を判定し、異常と判定したときには警報を発生するなどの予め設定された処理を実行する。
データ処理装置３０に光ファイバの敷設経路（２次元又は３次元空間における敷設経路）を記憶しておけば、ラマン散乱光検出装置２０から出力される光ファイバ２４の長さ方向の温度分布から、２次元又は３次元空間の温度分布を演算することも可能である。
なお、本願発明者らは、特定の測定ポイントの温度を基準にし、伝達関数を用いてその他の測定ポイントの温度測定値を補正する温度測定方法を提案している（特許文献３等）。この方法によれば、光ファイバの長さ方向に沿って１０ｃｍ〜数１０ｃｍの間隔で設定された測定ポイントの温度を精度よく検出することができる。
以下、本実施形態係る異常検知システムにおける異常検知方法について、図１１〜図１２に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ１１において、光ファイバ２４の長さ方向の所定の位置に、初期化フラグ“１”を設定する。
例えばコネクタや融着によって２本の光ファイバ２４を光学的に接続した場合、接続部では必然的に伝送損失が発生する。従って、接続部である程度の伝送損失が発生していても、異常ではない。ステップＳ１１では、接続部のように伝送損失が予測される位置に、初期化フラグ“１”を設定する。また、光ファイバ２４の特定の位置に予めある程度の応力を印加しておく場合も、その位置に初期化フラグ“１”を設定する。
次に、ステップＳ１２において、データ処理装置３０は、ラマン散乱光検出装置２０から、光ファイバ２４の長さ方向の各位置（測定ポイント）におけるストークス光（ＮＴＳ）及び反ストークス光（ＴＴＳ）の光量のデータを取得する。
図１３は、光ファイバ２４の長さ方向の各位置におけるストークス光（ＮＴＳ）及び反ストークス光（ＴＴＳ）の光量のデータ、すなわちストークス光及び反ストークス光の強度分布の一例を示している。
次に、ステップＳ１３に移行し、データ処理装置３０は、ストークス光及び反ストークス光の強度分布に対し、微分系のＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタを作用させる。
微分系のＦＩＲフィルタとは、ユニットステップ型の微分フィルタと異なり、微分とローパスフィルタの特性を併せもつフィルタである。本実施形態で使用するＦＩＲフィルタの一例を、図１４に示す。
このＦＩＲフィルタを、ストークス光及び反ストークス光の強度分布に畳み込み（convolution）する。図１５は、図１４に示したＦＩＲフィルタを図１３の強度分布に畳み込みした結果を示す図である。
この図１５に示すように、ストークス光の強度分布及び反ストークス光の強度分布にＦＩＲフィルタを畳み込むことにより、伝送損失が強調される。
次に、ステップＳ１４に移行し、データ処理装置３０は、光ファイバ２４の長さ方向の各位置Ｌ毎に、ストークス光及び反ストークス光の強度分布とＦＩＲフィルタとの畳み込みにより得られたFIRS(Ｌ)値及びFIRAS(Ｌ)値の積を計算する。
図１６は、ストークス光とＦＩＲフィルタとの畳み込みにより得られたFIRS(Ｌ)値と、反ストークス光の強度分布とＦＩＲフィルタとの畳み込みにより得られたFIRAS(Ｌ)値との積を、光ファイバの長さ方向の各位置毎に計算した結果を示す図である。
この図１６からわかるように、FIRS(Ｌ)値とFIRAS(Ｌ)値との積を演算することにより、ノイズ成分が減少し、伝送損失がより一層強調される。
次に、ステップＳ１５に移行し、データ処理装置３０は、各位置Ｌ毎に、FIRS(Ｌ)値とFIRAS(Ｌ)値との積の値と設定値とを比較する。そして、FIRS(Ｌ)値とFIRAS(Ｌ)値との積の値が設定値よりも大きいときには異常ありと判定し、その位置Ｌに異常フラグ“１”を設定する。
設定値は、例えば３σ程度に設定すればよい。但し、位置Ｌに後述するデフォルト損失が登録されている場合は、設定値を（デフォルト損失＋誤差範囲）とする。
なお、ステップＳ１１で初期化フラグ“１”が設定された部分、すなわち光ファイバの接続部や予めある程度の応力が印加されている部分では、設定値を超える伝送損失が生じる。このため、１回目のループでは、それらの部分に異常フラグ“１”が設定される。
次に、ステップＳ１６に移行し、データ処理装置３０は、異常フラグ“１”が設定されている位置があるか否かを判定する。異常フラグ“１”が設定されている位置があると判定した場合はステップＳ１７に進み、異常フラグ“１”が設定されている位置がないと判定した場合はステップＳ１２に戻って処理を継続する。
ステップＳ１６からステップＳ１７に移行した場合、データ処理装置３０は、異常フラグ“１”が設定されている位置に初期化フラグ“１”が設定されているか否かを判定する。異常フラグ“１”が設定されている位置に初期化フラグ“１”が設定されていると判定した場合はステップＳ１８に移行し、初期化フラグ“１”が設定されていないと判定した場合はステップＳ２１に移行する。
ステップＳ１７からステップＳ１８に移行した場合、データ処理装置３０は、初期化フラグ“１”が設定されている位置ＬのFIRS(Ｌ)値及びFIRAS(Ｌ)値をデフォルト損失として登録し、データ処理装置３０内に記憶する。
その後、ステップＳ１９に移行して、データ処理装置３０は初期化フラグ“１”をリセットする。そして、ステップＳ１２に戻り、上述した処理を繰り返す。
２回目以降のループでは、初期化フラグが既にリセットされているため、ステップＳ１５で異常フラグ“１”が設定された個所があれば、ステップＳ１７からステップＳ２１に移行する。
ステップＳ２１に移行すると、データ処理装置３０は、例えば警報を発生して異常を知らせる。その後、ステップＳ２２に移行し、データ処理装置３０は、第１の方法により損失量の定量化計算を行う。
第１の方法では、データの規格化を行ってベースラインに対するピーク高さから構成テーブルを基に損失量（ｄＢ）を求める。データ処理装置３０は、例えば以下に説明する方法により、損失量を計算する。
まず、データ処理装置３０は、異常検知信号Ｐ(Ｌ)を、下記（１）式で規格化する。
Ｐ(Ｌ)＝FIRS(Ｌ)・FIRAS(Ｌ)÷sqrt(FIRS(Ｌ)2＋FIRAS(Ｌ)2) …（１）
なお、（１）式の左辺の絶対値をとってＰ(Ｌ)としてもよい。
図１７は、規格化された異常検知信号Ｐ(Ｌ)を示す図である。図１７において、異常が検知された位置にはピークが発生するので、そのピーク位置をLalertとする。図１７では、ピーク位置Lalertとして、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を設定している。
次に、ピーク位置及びその近傍の位置を除いた部分のＰ(Ｌ)の値の平均値をＰaveとする。なお、Ｐ(Ｌ)全体の平均値をＰaveとしてもよい。
その後、ピーク高さΔＰを、下記（２）式により計算する。
ΔＰ＝Ｐ(Lalert)−Ｐave …（２）
伝送損失Ｌoss1(Ｌ)は、校正関数をＦ(ΔＰ)として、下記（３）式により計算する。
Ｌoss1(Ｌ)＝−１０・log（１−Ｆ(ΔＰ)) …（３）
このようにして第１の方法で損失量Ｌoss1(Ｌ)を求めた後、ステップＳ２３に移行する。そして、ステップＳ２３において、データ処理装置３０は、第２の方法による損失量の定量化を試みる。
第２の方法では、注目する損失箇所の両端に別の損失箇所が存在することが前提となる。別の損失箇所は、隣接するピークの位置でもよく、光ファイバの接続部のようなデフォルト損失が登録された位置でもよい。そして、異常を検知した位置の前後を最小２乗メディアン法（ＬＭｅｄＳ）等で直線近似して、その切片の差から損失（ｄＢ）を求める。
ここでも、第１の方法と同様に、異常検知信号Ｐ(Ｌ)を下記（４）式により計算する。
Ｐ(Ｌ)＝FIRS(Ｌ)・FIRAS(Ｌ)÷sqrt(FIRS(Ｌ)2＋FIRAS(Ｌ)2) …（４）
図１７に示すように、異常が検知された位置には、規格化された異常検知信号のグラフにピークが発生するので、そのピーク位置をLalertとする。また、ピーク位置及びその近傍の部分を除いた部分のＰ(Ｌ)の平均値（又はＰ(Ｌ)全体の平均値）をＰaveとする。そして、ピーク高さΔＰを、下記（５）式により計算する。
ΔＰ＝Ｐ(Lalert)−Ｐave …（５）
その後、ピークの半値幅の両端の位置ＬＦ，ＬＲを求める。
図１８は、ストークス光と反ストークス光とを平均して得た強度分布と規格化された異常検知信号とを併せて示す図である。
例えば図１８に示すように、注目するピーク（図１８ではＰ３）の半値幅の両端の位置ＬＦ，ＬＲを、ＬＦN，ＬＲNとし、それよりも光源側のピークの半値幅の両端の２つの位置をＬＦN-1，ＬＲN-1とする。また、逆側のピークの半値幅の両端の２つの位置をＬＦN+1，ＬＲN+1とする。そして、ＬＲN-1とＬＦN間でストークス光の光量Ｓ(Ｌ)及び反ストークス光の光量ＡＳ(Ｌ)を直線近似し、ＬＲNとＬＦN+1間でストークス光の光量Ｓ(Ｌ)及び反ストークス光の光量ＡＳ(Ｌ)を直線近似する。
このようにして得た４つの直線のＬ＝Lalertの位置での値を、ＰS1(Lalert)、ＰS2(Lalert)、ＰAS1(Lalert)，ＰAS2(Lalert)とする。この場合、Lalertの位置におけるＰS1(Lalert)とＰS2(Lalert)との差は下記（６）式のようになり、ＰAS1(Lalert)とＰAS2(Lalert)との差は下記（７）式のようになる。
ΔＰS(Lalert)＝abs(ＰS1(Lalert)−ＰS2(Lalert)) …（６）
ΔＰAS(Lalert)＝abs(ＰAS1(Lalert)−ＰAS2(Lalert)) …（７）
これらの値を用いて、伝送損失Ｌoss2(Ｌ)を、下記（８）式により計算する。
Ｌoss2(Lalert)＝−１０・log(１−２・(ΔＰS(Lalert)＋ΔＰAS(Lalert))÷(ＰS1(Lalert)＋ＰS2(Lalert)＋ＰAS1(Lalert)＋ＰAS2(Lalert))) …（８）
ＬＦN及びＬＲNは、図１８に示す位置よりも若干ピーク中央から離れる位置に設定してもよい。一般的に、損失が発生している場合の光量はキンク的な特性を示すため、そのキンク的な特性を示す領域を外したほうが、近似した直線のデータに対する残差が小さくなるためである。
その後、ステップＳ２４に移行し、データ処理装置３０は、第２の方法により伝送損失Ｌoss2(Ｌ)が得られたか否かを判定する。第２の方法により伝送損失Ｌoss2(Ｌ)が得られた場合は、ステップＳ２５に移行する。そして、ステップＳ２５において、第１の方法により得られた伝送損失Ｌoss1(Ｌ)及び第２の方法で得られた伝送損失Ｌoss2(Ｌ)を比較し、下記（９）式で確度Ａ（％）を計算する。
Ａ＝１０B×１００ …（９）
但し、Ｂ＝（−abs(Ｌoss1(Ｌ)−Ｌoss2(Ｌ)）÷１０）である。また、伝送損失Ｌoss1(Ｌ)及び伝送損失Ｌoss2(Ｌ)の単位はｄＢである。
そして、データ処理装置３０は、例えばディスプレイに、異常が発生した位置と、伝送損失Ｌoss1(Ｌ)及び伝送損失Ｌoss2(Ｌ)の平均値と、確度Ａとを表示する。図１９に伝送損失の表示例を示す。
一方、２つの方法のうち、第２の方法により伝送損失Ｌoss2(Ｌ)が得られていなければ、ステップＳ２４からステップＳ２６に移行する。そして、データ処理装置３０は、例えばディスプレイに、異常が発生した位置と、伝送損失Ｌoss1(Ｌ)とを表示する。
本実施形態に係る異常検知システムは、光ファイバに印加される応力の微小な変化を精度よく検知できる。これにより、化学プラント、製油工場及び火力発電所等の施設における異常の発生を初期段階で検知でき、事故の発生又は事故の拡大を防止できる。
（考察）
図１３は、光ファイバをある敷設経路に沿って敷設したときのストークス光及び反ストークス光の強度分布量を示している。上述した実施形態では光ファイバの片側のみを接続するいわゆるシングルエンド方式の光検出装置を使用しているが、光ファイバの両端を接続するいわゆるループ方式の光検出装置を使用してもよい。
ループ方式の光検出装置を使用した場合、一端側にレーザ光を照射して戻り光を検出したときと、他端側にレーザ光を照射して戻り光を検出したときとで、それぞれ強度分布が得られる。それらの強度分布を使用して、それぞれ伝送損失を計算できる。ディスプレイ等に伝送損失を表示する場合、それらの伝送損失の両方を表示するようにしてもよく、平均を表示するようにしてもよい。
図１５は、図１３の強度分布に対し図１４のＦＩＲフィルタを畳み込みして得た図である。図１３の強度分布に対し図１４のＦＩＲフィルタを畳み込みすると、応力が印加された個所の前後における光量の差が強調される。但し、この図１５では、しきい値を３σとした場合、ストークス光では異常を検知できるが、反ストークス光では異常を検知できない領域がある。
図１６は、光ファイバの長さ方向の各位置でFIRS(Ｌ)値とFIRAS(Ｌ)値との積を計算した結果を示している。ストークス光のノイズ成分と反ストークス光のノイズ成分の位相が同じとは限らないので、光ファイバの長さ方向の各位置でFIRS(Ｌ)値とFIRAS(Ｌ)値との積を計算することにより、ノイズ成分が減少され、応力が印加された個所の前後における光量の差がより一層強調される。
この図１６から、伝送損失が発生している位置を極めて高い精度で特定することができる。
図１７は、図１６のグラフを前述の第１の方法で規格化したものである。図１７では縦軸のレンジが図１６とは異なる。図１７ではノイズレベルが比較的大きいものの、図１５，図１６に比べてピークを安定して検出できる。
伝送損失が発生した位置を特定するだけであれば図１６を使用してもよいが、伝送損失の定量化には図１７に示すように異常検知信号を規格化することが好ましい。
図２０は、図１３に示す戻り光の強度分布から目視で読み取った平均損失（割合）と、図１７から読み取ったピーク値とを示している。
例えば図５に示す例では、８５ｍの位置に発生する伝送損失（図２０のピークＰ３に対応）を検知することができるが、８０ｍの位置に発生する伝送損失（図２０のピークＰ２に対応）を検知することはできない。それに対し、実施形態による方法では、図２０に示すように８０ｍの位置に発生する伝送損失（ピークＰ２）を検知することが可能である。
ピークＰ２の平均損失が０．００８０９５であり、ピークＰ３の平均損失が０．０２５５１８であるので、実施形態による方法では、図５の戻り光の強度分布から目視で異常個所を検出する場合に、２．５倍以上の検出精度を有するということができる。
図２０に示すピーク値と平均損失との関係をグラフ化したものが図２１である。この図２１から、校正関数Ｆ(ΔＰ)を、下記（１０）式のように定義することができる。
Ｆ(ΔＰ)＝ １．１２７０１９×１０-4・ΔＰ …（１０）
この校正関数Ｆ(ΔＰ)を用いて図２０から伝送損失（単位：ｄＢ）を求めた結果を図２２に示す。平均損失（ｄＢ）は目視で読み取ったものをｄＢ単位に換算したものであり、ピーク値（ｄＢ）は本方法により求めたものである。この図２２から、本実施形態に開示した方法によりピーク値から求めた伝送損失と、戻り光の強度分布から目視で求めた平均損失との間に大きな差は認められない。従って、実施形態に開示した方法により求めた伝送損失の信頼性が高いということが検証できた。
以下、前述の第２の方法について、より詳細に説明する。
例えば、ＬＦ，ＬＲとして、ピーク中央から１ｍ外側の位置を採用するものとする。図２３に、光ファイバの長さ方向におけるピークＰ１〜Ｐ４の半値幅の位置（前半値幅位置及び後半値幅位置）、ＬＦ及びＬＲの位置を示す。
ここで、ピークＰ２に着目し、最小２乗法又は最小２乗メディアン法（ＬＭｅｄＳ）等により、ＬＦよりも左側、ＬＲよりも右側、ＬＦとＬＲとの間を、それぞれ直線近似する。そして、ＬＦ，Ｐ２，ＬＲの位置の光量を決定する。これと同様に、ピークＰ３に着目し、最小２乗法又は最小２乗メディアン法（ＬＭｅｄＳ）等により、ＬＦよりも左側、ＬＲよりも右側、ＬＦとＬＲとの間をそれぞれ直線近似して、ＬＦ，Ｐ２，ＬＲの位置の光量を決定する。
このようにして各ピークＰ２，Ｐ３の光量を求めた結果を、図２４に示す。この図２４から、ピークＰ２，Ｐ３の位置における伝送損失（直線近似損失）を求めた結果を、図２５に示す。また、図２５には、目視で読み取った平均損失（図２２参照）を併せて示している。
この図２５からわかるように、目視で読み取った平均損失と第２の方法で求めた伝送損失とは、ほぼ一致している。
以下、開示した技術の利用可能性について説明する。
（利用可能性１）
図２６は、データセンターのサーバラックに光ファイバを敷設して空調管理を行う際に、光ファイバの敷設状態の異常を検知するシステムに適用した事例を示している。
データセンター内にサーバラック４１が新設された場合、床下に設置された光ファイバカセット（図示せず）から光ファイバ２４を引き出し、治具４３を用いてサーバラック４１に光ファイバ２４を敷設する。
作業者は正しく敷設したつもりでも、例えば光ファイバ２４の治具４３への巻き付けに不備があると、伝送損失が低下する。伝送損失の低下は、前述したように温度の検出精度が低下するという問題だけでなく、光ファイバ２４の寿命の低下にもつながる。
実施形態に開示した技術を使用すると、治具４３への巻き付け不備による伝送損失の低下をリアルタイムに検知できる。その情報が管理者に通知され、管理者から作業者に敷設ミスの場所と修正指示とを通知することにより、光ファイバ２４を正しく敷設し直すことができる。
（利用可能性２）
図２７（ａ）〜（ｄ）は、実施形態で説明した異常検知システムを図１に示したような配管接続部の異常検知に適用した事例を示している。
図２７（ａ）のように、プラント運用中は、主配管５１内を高温の液体又はガスが流れているものとする。この場合、プラント運用中は配管５１が膨張し、プラントが停止しているときには配管５１が収縮する。データ処理装置３０には、プラント運用中及び停止中における光ファイバ２４の損失量を記憶しておく。
なお、図２７（ａ）〜（ｄ）において、５４は光ファイバ２４を固定するテープであり、５５は主配管５１の周囲に配置された断熱材及び保護管を示している。
図２７（ｂ）のように、例えばプラントの停止にともなって主配管５１と枝配管５２との接合溶接部に金属疲労が発生した場合、図２７（ｃ）のように次に運用したときには通常よりも枝配管５２が外に押し出される。そして、図２７（ｄ）のように、次に停止状態になると、押し出された枝配管５２が戻りきらずに光ファイバ２４が引っ張られ、異常検知システムにより異常が検知される。
このように、プラント等において配管接続部の異常を初期段階で検知することにより、重大事故の発生が回避される。
（利用可能性３）
図２８は、実施形態で説明した異常検知システムを、ビニールハウス内での高級果物の栽培及び盗難防止に適用した事例を示す。
ここでは、クラウンメロンのハウス栽培において、土中温度、周囲環境温度、及び果物の温度を、温度分布測定装置（ＤＴＳ）により測定し、その測定結果に基づいてハウス内の温度を管理しているものとする。また、ここでは、温度分布測定装置を図７のラマン散乱光検出装置２０としても使用し、データ処理装置３０に接続して異常の検知にも使用しているものとする。
例えば盗難者がメロンを盗難しようとする場合、メロンに巻きつけられた光ファイバ２４を解こうとする。盗難者が慎重に作業をすれば光ファイバ２４を切断することは無いが、光ファイバ２４を解こうとすると微小伝送損失の発生は避けられない。これにより、異常検知システムにおいて、異常を検知することができる。
異常検知システムが異常を検知すると、パトランプの点灯や警報ブザーの始動と共に管理者に異常の発生が通知される。これにより、甚大な被害を抑えることができる。

Claims (8)

  1. 光ファイバと、
    前記光ファイバ内で発生するストークス光及び反ストークス光を検出し、前記光ファイバの長さ方向における前記ストークス光の強度分布のデータ及び前記反ストークス光の強度分布のデータを出力するラマン散乱光検出部と、
    前記光ファイバの長さ方向における前記ストークス光の強度分布にＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを作用させて得た値と、前記光ファイバの長さ方向における前記反ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させて得た値との積を前記光ファイバの長さ方向の各位置毎に計算し、その結果から異常の有無を判定するデータ処理部と
    を有することを特徴とする異常検知システム。
  2. 前記ＦＩＲフィルタは、微分とローパスフィルタとの特性を併せもつことを特徴とする請求項１に記載の異常検知システム。
  3. 前記データ処理部は、前記ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させて得た値と前記反ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させて得た値との積を規格化し、それにより得られたピークから、異常が発生した位置と伝送損失とを計算することを特徴とする請求項１又は２に記載の異常検知システム。
  4. 前記データ処理部は、前記ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させた結果における前記光ファイバの長さ方向の位置Ｌの値をFIRS(Ｌ)とし、前記反ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させた結果における前記光ファイバの長さ方向の位置Ｌの値をFIRAS(Ｌ)としたときに、前記規格化を、FIRS(Ｌ)・FIRAS(Ｌ)÷sqrt(FIRS(Ｌ)2＋FIRAS(Ｌ)2)により行うことを特徴とする請求項３に記載の異常検知システム。
  5. 規格化後のピーク高さをΔＰとしたときに伝送損失は関数Ｆ(ΔＰ)であらわすことができ、前記データ処理部は、前記ピーク位置Ｌにおけるデシベル表示の伝送損失Ｌoss1(Ｌ)を、Ｌoss1(Ｌ)＝−１０・log（１−Ｆ(ΔＰ))により算出することを特徴とする請求項４に記載の異常検知システム。
  6. 前記データ処理部は、前記ピークの前後におけるストークス光の強度分布及び反ストークス光の強度分布を直線近似し、前記ピーク位置におけるストークス光の光量変化量及び反ストークス光の光量変化量を算出して、それらの結果から伝送損失を算出することを特徴とする請求項３に記載の異常検知システム。
  7. 前記ラマン散乱光検出部は、前記ストークス光及び前記反ストークス光から前記光ファイバの長さ方向の温度分布を取得することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の異常検知システム。
  8. ラマン散乱光検出部により、光ファイバの長さ方向のストークス光の強度分布及び反ストークス光の強度分布を取得する工程と、
    データ処理部により、前記光ファイバの長さ方向における前記ストークス光の強度分布にＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを作用させて得た値と、前記光ファイバの長さ方向における前記反ストークス光の強度分布に前記ＦＩＲフィルタを作用させて得た値との積を前記光ファイバの長さ方向の各位置毎に計算する工程と
    を有することを特徴とする異常検知方法。
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