JP6160766B2 - 異常検知システム及び異常検知方法 - Google Patents

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入射させ、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４−３３２８３５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、前記光ファイバの一端側及び他端側に接続され、前記一端側から前記光ファイバに光を入射して後方散乱光の第１の強度分布を取得し、前記他端側から前記光ファイバに光を入射して後方散乱光の第２の強度分布を取得する後方散乱光検出部と、前記第１の強度分布及び前記第２の強度分布と規格化関数とを用いて前記光ファイバの長さ方向の各位置で伝送損失を計算し、その計算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、光ファイバの一端側から光を入射して後方散乱光の第１の強度分布を取得し、前記光ファイバの他端側から光を入射して後方散乱光の第２の強度分布を取得する工程と、前記第１の強度分布及び前記第２の強度分布と規格化関数とを用いて前記光ファイバの長さ方向の各位置で伝送損失を計算し、その計算結果から異常の有無を判定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に示す後方散乱光の強度分布を２階微分した結果を示す図である。 図５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６（ａ）は光ファイバの一端側とビームススプリッタとの間が光学的に接続した状態を示す図、図６（ｂ）は光ファイバの他端側とビームススプリッタとの間が光学的に接続した状態を示す図である。 図７は、第１の後方散乱光ＮＴＳ１の強度分布と第２の後方散乱光ＮＴＳ２の強度分布とを示す図である。 図８は、光ファイバの一部区間を４５０℃に加熱したときの温度分布（実際の温度分布）と後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布との関係を示す図である。 図９は、規格化関数の抑圧機能を説明するイメージ図（その１）である。 図１０は、規格化関数の抑圧機能を説明するイメージ図（その２）である。 図１１は、規格化関数の一例を示す図である。 図１２は、実施形態に係る異常検知システムによる異常検知方法を示すフローチャートである。 図１３は、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布と、規格化後方散乱変動とを示す図である。 図１４は、ＦＩＲフィルタの一例を示す図である。 図１５は、ＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動を、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布及びＦＩＲフィルタ処理前の規格化後方散乱変動と併せて示す図である。 図１６は、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の位相の判定方法の一例を示すフローチャートである。 図１７は、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布と関数ＦＩＲＮＴＳ１，ＦＩＲＮＴＳ２とを併せて示す図である。 図１８は、光ファイバにより応力の測定が可能であることを確認するための実験方法を示す図である。 図１９（ａ）〜（ｃ）は、規格化後方散乱変動と、ＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動とを示す図である。 図２０は、横軸に引張り応力をとり、縦軸にＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動のピーク高さをとって、両者の関係を示す図である。 図２１は、実施形態に係る異常検知システムを適用した化学プラント監視システムの一例を示すブロック図である。 図２２は、利用可能性１を示す図である。 図２３は、異常検知システムの警報の発生を示すフローチャートである。 図２４は、利用可能性２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、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内の液体又は気体の流れが変化し、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、横軸に光ファイバの長さ方向の位置をとり、縦軸に後方散乱光の強度分布（後方散乱光量）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、後方散乱光の強度を、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、後方散乱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、単に後方散乱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、後方散乱光の強度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、後方散乱光の強度分布を２階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に示す後方散乱光の強度分布を２階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、後方散乱光の強度分布を２階微分すると後方散乱光の強度変化が強調され、伝送損失と伝送損失が生じた位置と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後方散乱光の光量差は約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。

このように、後方散乱光の強度分布を２階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。

また、例えば４００℃を超えるような大きく且つ急峻な温度勾配が生じる敷設経路では、後方散乱光の強度分布を２階微分すると、温度勾配の立ち上がり部分と立下り部分とに大きなピークが生じる。このピークが温度勾配によるものか、光ファイバに印加された応力によるものかを判定するプロセスが必要となり、システムが複雑になるという問題もある。

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及び異常検知方法について説明する。

（実施形態）
図５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。

本実施形態に係る異常検知システムは、ループ型光検出装置２０と、そのループ型光検出装置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。ループ型光検出装置２０は後方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。

ループ型光検出装置２０は、レーザ光源２１と、ビームスプリッタ２２と、伝送経路切替器２３と、光検出回路部２４と、演算部２５とを有し、光ファイバ２６に接続して使用する。光ファイバ２６は、その両端が伝送経路切替器２３に接続され、例えば図１のように配管１１，１２の周囲に敷設されて、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、ビームスプリッタ２２を透過し、伝送経路切替器２３を介して光ファイバ２６内に進入する。

伝送経路切替器２３は、一定の周期でレーザ光の伝送経路を切替える。すなわち、伝送経路切替器２３は、光ファイバ２６の一端側とビームスプリッタ２２との間が光学的に接続した状態（図６（ａ）参照）と、光ファイバ２６の他端側とビームスプリッタ２２との間が光学的に接続した状態（図６（ｂ）参照）とを交互に切替える。

光ファイバ２６内に進入した光の一部は、光ファイバ２６を構成する分子により後方散乱される。後方散乱光は光ファイバ２６内を戻り、伝送経路切替器２３を通ってビームスプリッタ２２に到達する。そして、ビームスプリッタ２２により反射されて、光検出回路部２４に到達する。

光検出回路部２４には所定の波長の光を分離するフィルタ（図示せず）と、フィルタにより分離された所定の波長の光を受光する受光素子（図示せず）とが設けられている。そして、光検出回路部２４からは、受光素子で受光した光の強度に応じた電気信号が出力される。

演算部２５は、コンピュータを含んで構成される。この演算部２５は、光検出回路部２４から出力される信号の経時的変化を記憶し、それらのデータをデータ処理装置３０に出力する。

データ処理装置３０も、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。

ループ型光検出装置２０として、レイリー（Rayleigh）散乱光を使用する光パルス検出器（Optical Time Domain Reflectmeter：ＯＴＤＲ）を使用してもよく、ラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）を使用する温度分布測定装置（ＤＴＳ）を使用してもよい。光検出装置２０として温度分布測定装置を使用した場合は、異常の検知とともに、温度分布の測定を行うこともできる。

なお、本願発明者らは、光ファイバにより検出した温度分布に対し伝達関数を用いた補正計算を行う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。

図７は、横軸に光ファイバ２６の長さ方向の位置をとり、縦軸に光検出装置２０で検出される後方散乱光の光量をとって、第１の後方散乱光ＮＴＳ１の強度分布と第２の後方散乱光ＮＴＳ２の強度分布とを示す図である。

なお、図７の横軸は、図６（ａ）のように光検出装置２０と光ファイバ２６の一端側とが光学的に接続された状態において、レーザ光源２１側の所定の位置を基準位置（０ｍ）とし、基準位置からの距離を示している。また、図７中にＡ１，Ａ２で示す位置における伝送損失は、光検出装置２０と光ファイバ２６の一端側及び他端側との間を光学的に接続するコネクタで発生したものである。

図６（ａ）のように光ファイバ２６の一端側からレーザ光を入射させたときの後方散乱光ＮＴＳ１の光量は、基準位置（０ｍの位置）に近いほうが高く、基準位置から離れるほど低くなる。また、図６（ｂ）のように光ファイバ２６の他端側からレーザ光を入射させたときの後方散乱光ＮＴＳ２の光量は、基準位置から近いほうが低く、基準位置から離れるほど高くなる。

図８は、光ファイバ２６の一部区間を４５０℃に加熱したときの温度分布（実際の温度分布）と後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布との関係を示す図である。

なお、ここでは、光ファイバ２６の約９２ｍ〜約１００ｍの部分を約４５０℃に加熱し、約１２０ｍの位置に外力を印加している。また、光ファイバ２６の８１．５ｍの位置の段差は、光ファイバ接続部（コネクタ）によるものである。

図８からわかるように、大きな温度差が発生している箇所（約９２ｍ〜約１００ｍ）では、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化の向きは同じ（以下、「同位相」という）になり、ゲインもほぼ同じになる。一方、外力による異常が発生している箇所（約１２０ｍ）では、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化の向きは逆（以下、「逆位相」という）になる。

また、コネクタ又は融着等による光ファイバ接続部で伝送損失が小さい場合には、図８のように後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２は同位相になることもあるが、大きな伝送損失が発生している場合には後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２は逆位相になる。

これらのことから、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が同位相の部分では、何らかの処理で光量の変化（又は伝送損失）を抑圧しても、外力による異常の検知には問題ないことがわかる。また、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が逆位相の部分は、外力による異常が発生している部分か、又は光ファイバ接続部で大きな伝送損失が発生している部分のいずれかという十分条件が得られる。

なお、外力による異常とは、引張り、曲げ又はねじりなど、光ファイバに何らかの外力が働くことにより生じる伝送損失の異常である。

本実施形態では、外力による異常を検出するために、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布を規格化関数を用いて規格化する。この規格化関数に抑圧機能をもたせることで、温度勾配の影響を小さくする。

規格化関数の抑圧機能について、図９，図１０のイメージ図を参照して説明する。

大きな温度勾配が存在する場合、その両端部の温度差は無視してよい。また、その温度勾配が後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化に与える影響は、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２ともにほぼ同じである。

そこで、図９のように、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布において、温度差を無視してよい領域を直線（図９中に破線で示す）で結ぶ。その直線の中点の光量をａ，ｂとしたときに、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の実際の光量は（Ｋ１・ａ），（Ｋ２・ｂ）と表すことができる。但し、Ｋ１，Ｋ２はいずれも正の実数である。

実際の温度分布は一様ではないが、図１０のように、その中の一部を短冊状に切り取れば、上記の関係はどの部分でも成立する。例えば光ファイバのある部分を高温のボイラー近傍に敷設したとしても、その両端部分は室温又は外気温になり、ほぼ同一温度とみなすことができる。

そこで、規格化関数として、（１）Ｋ１＝Ｋ２のときには一定値をもち、（２）Ｋ１≠Ｋ２のときには（１）のときに対して値が変化する、という条件を設定すれば、温度勾配による影響を抑圧できる。

この（１），（２）の条件を成立させるために、光ファイバ２６の一方の端面からの距離をＬとし、ある時刻ｔ１に光ファイバ２６の一方の端面から光パルスを入射させて取得した後方散乱光の強度分布を例えばその最大値で規格化して、Ｌの関数ＮＴＳ１（Ｌ）とする。

また、時刻ｔ１に隣接する時刻ｔ２に光ファイバ２６の他方の端面から光パルスを入射させて取得した後方散乱光の強度分布も、同様にその最大値で規格化してＬの関数ＮＴＳ２（Ｌ）とする。

そうすると、規格化関数には次の２つの条件、すなわち（３）ＮＴＳ１（Ｌ）／ＮＴＳ２（Ｌ）を横軸（対数軸）としＮＴＳ１（Ｌ）／ＮＴＳ２（Ｌ）＝１を中心軸としたときに偶関数であり、（４）ＮＴＳ１（Ｌ）＝ＮＴＳ２（Ｌ）のときには最大値又は最小値となり、どちらかが限りなくゼロに近づいても有限の値をもつ、という条件が必要になる。

上記（３）の条件は、着目している箇所が光ファイバ２６の一方の端面側近傍か、他方の端面側近傍かにより、ＮＴＳ１（Ｌ）の値とＮＴＳ２（Ｌ）の値とのどちらか一方が他方より大きくなる可能性があるためである。ゲインが同じ値だとしても、例えば光ファイバ２６の一方の端面側では、他方の端面側から入射した光パルスの強度は減少しているため、一方の端面側よりもオフセットや量子化誤差の影響を受けやすくなる。

このような（１）〜（４）の条件を満足する関数を規格化関数とすれば、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が同位相で且つ振幅が等しい場合は光量の変化が抑圧される。以下、ＮＴＳ１（Ｌ）,ＮＴＳ２（Ｌ）を用いて各位置（距離Ｌ）毎に規格化関数を計算した結果を、規格化後方散乱変動と呼ぶ。規格化後方散乱変動に大きな段差が発生した位置は、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が逆位相であるか、又は同位相であるが値が異なるか、のどちらかである。

前述したように後者の場合の伝送損失は小さい値となるため、規格化後方散乱変動に生じる段差は小さい。従って、規格化後方散乱変動に大きな段差が発生した位置は、光ファイバ接続部の接続状態が良好でないために大きな伝送損失が発生しているか、又は外力による伝送損失が発生しているか、のどちらかであるということができる。

例えば光ファイバ２６を敷設したときに光ファイバ接続部の位置を管理しておけば、規格化後方散乱変動に大きな段差が発生した位置が光ファイバ接続部であるのか否かを判定することができる。そして、規格化後方散乱変動に大きな段差が発生した位置が光ファイバ接続部でないのならば、その位置に外力が印加されていると判定することができる。

なお、本実施形態では、規格化後方散乱変動の段差を強調するために微分系のＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタを使用する。微分系のＦＩＲフィルタについては後述する。

図１１に、規格化関数の一例を示す。この規格化関数は、下記（１）式により表わされる。

上記（１）式において、ＮＴＳ１（Ｌ）にＫ・ａを代入し、ＮＴＳ２（Ｌ）にＫ・ｂを代入すると、下記（２）式のようになる。

この（２）式は、分母と分子のＫが打ち消されて、下記（３）式のようになる。

つまり、規格化関数を用いて計算した規格化後方散乱変動では、ゲインが等しいときには、周囲の温度の影響を受けている箇所と周囲の温度の影響を受けていない箇所とは同じ値になる。図９に示す例では、実線同士で規格化した場合と破線同士で規格化した場合とが同じ値になるということを意味する。

規格化関数として、ゼロでないＮＴＳ１（Ｌ）,ＮＴＳ２（Ｌ）に対して十分大きな実数Ａを用いた下記（４）式で表わされる関数を使用してもよく、（１）式の分母と分子とを入れ替えた（５）式の関数を使用してもよい。

図１２は、本実施形態に係る異常検知システムによる異常検知方法を示すフローチャートである。ここでは、図６（ａ），（ｂ）のブロック図も参照する。

まず、ステップＳ１１において、データ処理装置３０は、光ファイバ２６の一端側からレーザ光を入射させて（図６（ａ）参照）、後方散乱光ＮＴＳ１の強度分布を取得する。そして、データ処理装置３０は、その後方散乱光ＮＴＳ１の強度分布をデータ取得時のレーザ光の光量を用いて生成した基準値で規格化して、距離Ｌの関数ＮＴＳ１（Ｌ）を得る。

上記の基準値として、例えば、光検出装置で測定したレーザ光の光量を使用してもよいし、レーザ光の光量の正常又は異常を光検出装置の出力やレーザの駆動電流から判断し、正常であれば所定の値を用いてもよい。レーザ光の光量として、平均値又は積算値を用いることができる。

また、データ処理装置３０は、光ファイバ２６の他端側からレーザ光を入射させて（図６（ｂ）参照）、後方散乱光ＮＴＳ２の強度分布を取得し、それをＮＴＳ１と同じ方法で生成した基準値で規格化して距離Ｌの関数ＮＴＳ２（Ｌ）を得る。

次に、ステップＳ１２に移行し、データ処理装置３０は、ＮＴＳ１（Ｌ），ＮＴＳ２（Ｌ）を用いて各距離毎に規格化関数を計算し、規格化後方散乱変動を生成する。

図１３は、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布と、規格化後方散乱変動とを示す図である。この図１３に示すように、規格化後方散乱変動では、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布の温度勾配による段差は抑圧され、コネクタ部分（約８１．５ｍの位置）及び応力が印加されている部分（約１２０ｍの位置）では大きな段差が発生する。

次に、ステップＳ１３に移行し、データ処理装置３０は、規格化後方散乱変動に対し、微分系のＦＩＲフィルタを作用（convolution：畳み込み）させる。そして、ＦＩＲフィルタを作用させた結果の絶対値をとって、ＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動とする。

微分系のＦＩＲフィルタとは、微分機能と、重みづけ平滑化による高域遮断機能とを備えたフィルタである。本実施形態で使用するＦＩＲフィルタの一例を、図１４に示す。本実施形態では、ＦＩＲフィルタとして、図１４に示すように原点では０となり、原点に対して点対称であって、原点に近づくと絶対値が大きくなり、原点から離れるほど絶対値が０に近づく関数を使用する。

図１５は、ＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動を、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布及びＦＩＲフィルタ処理前の規格化後方散乱変動と併せて示す図である。

図１５からわかるように、規格化後方散乱変動に微分系のＦＩＲフィルタを作用させると、規格化後方散乱変動の段差部分がピークとなり、光量の変化が強調される。

図１５に示す例では、約９２ｍ及び約１０３ｍの位置に大きな温度勾配の影響によるピークが発生しているものの、それらのピークの高さは低い。

その後、ステップＳ１４に移行し、データ処理装置３０は、ＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動のグラフから、極大値がしきい値を超えるピークを抽出する。

図１５に示す例では、バックグラウンドノイズが０．０００６程度であるので、しきい値をその１０倍に設定している。これにより、約９２ｍ及び約１０３ｍの位置に存在する温度勾配の影響によるピークは抽出対象から外れる。なお、しきい値はシステム設計に応じて任意に設定すればよく、バックグラウンドノイズの１０倍でなくてもよい。

また、極大値がしきい値を超えるピークがあっても、そのピークの±２ｍ以内により大きなピークがあれば、そのピークは大きなピークに伴うノイズとして扱う。これは、本システムの距離分解能が約１ｍであるので、±２ｍ以内に大きなピークと小さなピークとがある場合、小さなピークは大きなピークのノイズの可能性が高いためである。また、小さなピークと大きなピークとが別の異常によるものであったとしても、同一の異常として警報を発生しても問題ないと考えられるためでもある。

次に、ステップＳ１５において、データ処理装置３０は、ピーク位置で後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が逆位相か否かを判定する。後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が逆位相か否かの判定は、後述する方法や、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布に対しそれぞれ２階微分を行ってから所定の大きさ以上の極大値となる位置を抽出する方法などがある。

ステップＳ１５において、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が同位相と判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ１９に移行する。そして、ステップＳ１９において、データ処理装置３０は、当該ピークを光ファイバ接続部によるものとして記憶する。その後、ステップＳ２０に移行する。

一方、ステップＳ１５において、ピーク位置で後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が逆位相と判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６において、データ処理装置３０は、敷設データを参照して、ピーク位置が光ファイバ接続部か否かを判定する。

図１５に示す例では、８０．５ｍの位置にしきい値よりも大きなピークが発生している。また、敷設データには、８１．５ｍの位置にコネクタがあることが記録されている。ＦＩＲ処理後の規格化後方散乱変動のピーク位置と敷設データのコネクタ位置との間には１ｍの差があるが、この差は前述した±２ｍの範囲内であるので、データ処理装置３０は、８０．５ｍの位置のピークは光ファイバ接続部によるものと判定する。従って、この場合（ステップＳ１６でＹＥＳの場合）はステップＳ１９に移行する。そして、ステップＳ１９において、データ処理装置３０は、８０．５ｍの位置のピークを光ファイバ接続部による伝送損失として記憶する。その後、ステップＳ２０に移行する。

ステップＳ２０において、データ処理装置３０はシステムチェックを行う。例えば、データ処理装置３０は、過去のデータを参照して光ファイバ接続部における伝送損失量が大きく変化していないか否か調べる。そして、伝送損失量が大きく変化していないと判定したときは、異常がないとして処理を終了する。また、伝送損失が大きく変化していると判定したときは、光ファイバ接続部で何らかの異常が発生したものと考えられるため、データ処理装置３０は警報を発生するなどの処理を実行する。

一方、ステップＳ１６でピーク位置が光ファイバ接続部でないと判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ１７に移行する。

図１５に示す例では１１９．５ｍの位置に大きなピークが発生している。しかし、敷設データには１１９．５ｍ±２ｍの位置に光ファイバ接続部のデータはない。従って、ステップＳ１７において、データ処理装置３０は、１１９．５ｍに位置するピークは外力の印加による伝送損失として記憶する。

その後、ステップＳ１７からステップＳ１８に移行し、データ処理装置３０は兆候分析を行う。例えば、データ処理装置３０は、外力の印加による伝送損失量（例えば図１３の検出信号の大きさ）を過去のデータを比較する。そして、伝送損失量が過去の異常のないときと同じであれば、異常はないとして処理を終了する。

しかし、外力の印加による伝送損失量が過去の異常のないときの伝送損失量に比べて大きく異なる場合、放置すれば重大事故につながるおそれがある。この場合、データ処理装置３０は、異常を示す警報を発生するなどの処理を行う。なお、外力の印加による伝送損失量が予め設定された範囲から外れる場合に、警報を発生するようにしてもよい。

本実施形態では、後方散乱光の強度分布を２階微分する方法（図４参照）に比べて３倍以上の感度が得られる。このため、本実施形態によれば、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することができ、重大事故を未然に防ぐことができるという効果を奏する。

以下、ステップＳ１５において行う後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の位相の判定方法の一例について、図１６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Ｓ２１において、データ処理装置３０は、後方散乱光ＮＴＳ１,ＮＴＳ２の強度分布に対し微分系のＦＩＲフィルタを作用（convolution：畳み込み）させる。後方散乱光ＮＴＳ１,ＮＴＳ２の強度分布に対し微分系のＦＩＲフィルタを作用させると、ノイズが少なく且つ光量の変化に応じたピークを有する関数（グラフ）が得られる。ここでも、微分系のＦＩＲフィルタとして、図１４に示す特性のフィルタを使用する。

以下、後方散乱光ＮＴＳ１の強度分布に対しＦＩＲフィルタを作用させて得た関数をＦＩＲＮＴＳ１と呼び、後方散乱光ＮＴＳ２の強度分布に対しＦＩＲフィルタを作用させて得た関数をＦＩＲＮＴＳ２と呼ぶ。

図１７は、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布と関数ＦＩＲＮＴＳ１，ＦＩＲＮＴＳ２とを併せて示す図である。この図１７に示す例では、関数ＦＩＲＮＴＳ１は約８０ｍ、約１００ｍ、約１２０ｍの位置に正のピークをもち、約９２ｍの位置に負のピークをもつ。また、関数ＦＩＲＮＴＳ２は約１００ｍの位置に正のピークをもち、約８０ｍ、約９２ｍ、約１２０ｍの位置に負のピークをもつ。

次に、ステップＳ２２に移行し、データ処理部３０は、関数ＦＩＲＮＴＳ１，ＦＩＲＮＴＳ２の各ピーク位置で、ピーク値の乗算（掛け算）を行う。その後、ステップＳ２３に移行し、各ピーク位置毎に計算結果が負か否かを判定する。

この計算結果が負であれば、そのピーク位置における後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化は逆位相であるということができる。また、この計算結果が０又は正であれば、そのピーク位置における後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化は同位相であるということができる。

ステップＳ２３で計算結果が負と判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ２４に移行し、ピーク位置における後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化は逆位相と判定して、図１２のステップＳ１５に戻る。

また、ステップＳ２３で計算結果が０又は正と判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ２５に移行し、ピーク位置における後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化は同位相と判定して、図１２のステップＳ１５に戻る。

図１７に示す例では、約８０ｍ及び約１２０ｍの位置で計算結果が負の値となり、約９２ｍ及び約１００ｍの位置で正の値となる。つまり、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の光量の変化は、約８０ｍ及び約１２０ｍの位置では逆位相であり、約９２ｍ及び約１００ｍの位置では同位相であることがわかる。

以下、光ファイバにより応力の測定が可能であることを確かめた実験及びその結果について説明する。

図１８に示すように、半径が光ファイバ２６の最小許容曲げ半径よりも大きい３個の円形ボビン３１ａ，３１ｂ，３２を用意した。そして、ボビン３１ａ，３１ｂを支持体（図示せず）に固定し、ボビン３１ａ，３１ｂ間に光ファイバ２６を垂らして、その中央にボビン３２を配置した。

ボビン３２にバネばかり（図示せず）を取り付け、バネばかりを介してボビン３２を下方に引っ張ることで、ボビン３１ａ，３１ｂ間の光ファイバ２６に所望の引張り応力を印加できるようにした。また、光ファイバ２６とボビン３１ａ，３１ｂとはテープで接合し、引張り応力がボビン３１ａ，３１ｂ間の光ファイバ２６のみに印加されるようにした。

光ファイバ２６の両端を光検出器２０（図５参照）に接続して後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２の強度分布を測定し、データ処理装置３０（図５参照）によりデータ処理して規格化後方散乱変動及びＦＩＲ処理後の規格化後方散乱変動を得た。なお、規格化後方散乱変動を得る際に、ＮＴＳ１（Ｌ），ＮＴＳ２（Ｌ）が逆位相となることを確認した。

図１９（ａ）〜（ｃ）は、横軸に光ファイバの位置をとり、縦軸に温度及びＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動のピーク高さ、すなわち検出信号をとって、それらの関係を示す図である。また、図２０は、横軸に引張り応力をとり、縦軸にＦＩＲフィルタ処理後の規格化後方散乱変動のピーク高さをとって、両者の関係を示す図である。

図１９（ａ）はボビン３２に中程度の引張り応力を印加したときのグラフであり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のときの２倍の引張り応力を印加したときのグラフであり、図１９（ｃ）は図１９（ａ）のときの２．８倍の引張り応力を印加したときのグラフである。図１９（ａ）〜（ｃ）において、９８ｍ付近のピークが引張り応力によるものである。

図１９（ａ）〜（ｃ）から、光ファイバ２６に印加された引張り応力の強さに応じて検出信号が変化することがわかる。また、図２０から、引張り応力に対して検出信号のピーク高さは二次関数的に変化していることがわかる。

図２１は、本実施形態に係る異常検知システムを適用した化学プラント監視システムの一例を示すブロック図である。

図２１に例示する化学プラント監視システムは、化学反応塔４１及び配管４２の異常の有無を監視する異常検知システム４０と、化学プラント全体の状態監視と制御とを行う監視制御システム５０とを有する。

この図２１に示す例では、光ファイバ２６を化学反応塔４１の外面と、その化学反応塔４１に接続した配管４２とに敷設し、光ファイバ２６と、光検出装置２０と、データ処理装置３０とにより異常検知システム４０を構築している。

この異常検知システム４０は、光ファイバ２６の伝送損失の履歴を更新していくことで、配管４２の変形、継ぎ手部での折れ、及び化学反応塔４１の運転状態の不具合による異常な膨張又は収縮等を検知する。そして、この異常検知システム４０は、データ処理装置３０により異常を検知すると、監視警報灯４４又はブザー等を作動させて、オペレータに異常を知らせる。

なお、図２１に示す例では、光検出装置２０として温度分布測定装置（ＤＴＳ）を使用しており、光ファイバ２６の長さ方向の温度分布を測定することができる。予め設定された区画の温度データは、外部接点４３を介してＩ／Ｏ機器５３に送られ、例えば電磁バルブ５４等の開閉制御に使用される。

異常検知システム４０は、伝送制御ＬＡＮ５５を介して監視制御システム５０に接続されている。監視制御システム５０は、伝送制御ＬＡＮ５５を介してＩ／Ｏ機器５３及び異常検知システム４０等の状態を監視する監視制御サーバ５１と、マンマシンＬＡＮ５６を介して監視制御サーバ５１に接続された監視操作卓５２とにより構成されている。監視操作卓５２によりプラント内の各所の状態を監視できるとともに、Ｉ／Ｏ機器５３を介して電磁バルブ５４等を操作することができる。

この図２１に示す例では、異常検知システム４０は監視制御システム５０に接続されているものの、ローカルシステムとして独立して構成されている。これは、何らかの原因で異常検知システム４０が停止しても、他の部分に影響を与えないようにするためである。

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２２（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２２（ａ）のように、プラント運用中は、主配管６１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、プラント運用中は主配管６１が膨張し、プラントが停止しているときには主配管６１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２６の損失量を記憶しておく。

なお、図２２（ａ）〜（ｄ）において、６４は光ファイバ２６を固定するテープであり、６５は主配管６１の周囲に配置された断熱材及び保護管を示している。

図２２（ｂ）のように、例えばプラントの停止にともなって主配管６１と枝配管６２との接合溶接部の金属疲労が発生した場合、図２２（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２２（ｄ）のように、次に停止状態になると、押し出された枝配管６２が戻りきらずに光ファイバ２６が引張られ、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。

図２３は、異常検知システムの警報の発生を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ３１でしきい値以上のピーク（図１５参照）を検出すると、ステップＳ３２に移行してピーク箇所が前回と違う箇所か否かを判定する。ステップＳ３２でピーク箇所が前回と同じ場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ３３に移行し、ピーク箇所が前回と同じでない場合（ＮＯの場合）はステップＳ３７に移行する。

ステップＳ３３では、後方散乱光ＮＴＳ１，ＮＴＳ２が逆位相か否かを判定する。逆位相の場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ３４に移行し、同位相の場合（ＮＯの場合）はステップＳ３６に移行する。

ステップＳ３３からステップＳ３４に移行した場合は、ピークの位置と大きさを保存する。そして、ステップＳ３５に移行し、赤色灯を点灯する。この赤色灯の点灯は、外力による損失異常を示す。

一方、ステップＳ３３からステップＳ３６に移行した場合は、黄色灯を点灯する。この黄色灯の点灯は、未登録の融着接続点などがあることを示す。

ステップＳ３２からステップＳ３７に移行した場合は、ピーク位置が敷設データに未登録か否かを判定する。未登録の場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ３８に移行し、登録済みの場合（ＮＯの場合）はステップＳ４１に移行する。

ステップＳ３７からステップＳ３８に移行した場合は、過去データと有意の差があるか否かを判定する。有意の差があると判定した場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ３９に移行して赤色灯を点灯する。この赤色灯の点灯は、損失の拡大を示す。

また、ステップＳ３８で過去データと有意の差がないと判定した場合（ＮＯの場合）はステップＳ４０に移行して黄色灯を点灯する。この黄色灯の点灯は、損失の残存を示す。

ステップＳ３７からステップＳ４１に移行した場合も、過去データと有意の差があるか否かを判定する。ここで、有意の差があると判定した場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ４２に移行して黄色灯を点灯する。この黄色灯の点灯は、コネクタ又は光ファイバの融着箇所の接続状態が悪化したことを示す。

一方、ステップＳ４１で有意の差がないと判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ４３に移行して緑色灯を点灯する。この緑色灯の点灯は、ピークがコネクタ等によるものであり、異常がないことを示す。

この図２３に示す例では、光ファイバの微細な伝送損失の変化を捉えてそれが外力によるものか、コネクタや融着によるものかの区分けができる。そして、設定したしきい値を超えた伝送損失を逐次データとして登録しておき、次回以降のデータ収集時の監視警告灯の表示レベルの指示判定に用いる。これにより、例えば地震等が発生した後に配管に大きなずれが生じていないかなどのヘルスチェック機能としても使用可能である。

（利用可能性２）
図２４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５の光検出装置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７０を盗難しようとする場合、メロン７０に巻きつけられた光ファイバ２６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２６を切断することは無いが、光ファイバ２６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。

（その他の利用可能性）
鉄道の鉄橋等の橋梁に光ファイバを取り付け、開示した異常検知システムにより橋梁の異常を検知することができる。これにより、例えば地震が発生したときに橋梁の異常の有無を判定したり、メンテナンスの時期を見積もることができる。

Claims (15)

1. 光ファイバと、
   前記光ファイバの一端側及び他端側に接続され、前記一端側から前記光ファイバに光を入射して後方散乱光の第１の強度分布を取得し、前記他端側から前記光ファイバに光を入射して後方散乱光の第２の強度分布を取得する後方散乱光検出部と、
   前記第１の強度分布及び前記第２の強度分布と規格化関数とを用いて前記光ファイバの長さ方向の各位置で伝送損失を計算し、その計算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. 前記規格化関数が、前記光ファイバの任意の位置Ｌにおける前記第１の強度分布の強度をＫ１・ａ（但し、ａは前記第１の強度分布にピークがないと仮定したときの位置Ｌにおける強度）とし、前記第２の強度分布の強度をＫ２・ｂ（但し、ｂは前記第２の強度分布にピークがないと仮定したときの位置Ｌにおける強度）としたときに、（１）Ｋ１＝Ｋ２のときには一定値となり、（２）Ｋ１≠Ｋ２のときには前記一定値と異なる値となり、
   前記第１の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ１（Ｌ）、前記第２の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ２（Ｌ）としたときに、（３）ＮＴＳ１（Ｌ）／ＮＴＳ２（Ｌ）を横軸（対数軸）としたときにＮＴＳ１（Ｌ）／ＮＴＳ２（Ｌ）＝１を中心軸とする偶関数であり、（４）ＮＴＳ１（Ｌ）＝ＮＴＳ２（Ｌ）のときには最大値又は最小値をとり、どちらかが限りなくゼロに近づいても有限の値をもつ、という条件を満足する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. 前記関数ＮＴＳ１（Ｌ）及び前記関数ＮＴＳ２（Ｌ）は、測定時のレーザ光の光量を用いて規格化されていることを特徴とする請求項２に記載の異常検知システム。
4. 前記後方散乱光検出部が、温度分布測定装置（Distributed Temperature Sensor）又は光パルス検出器（Optical Time Domain Reflectmeter）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異常検知システム。
5. 前記データ処理部は、前記関数ＮＴＳ１（Ｌ）及び前記関数ＮＴＳ２（Ｌ）を前記規格化関数に入力して得た規格化後方散乱変動に対し微分系の第１のＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを作用させた後にその絶対値をとって得た分布から、しきい値よりも大きな極大値のピークを抽出することを特徴とする請求項２に記載の異常検知システム。
6. 前記データ処理部は、前記関数ＮＴＳ１（Ｌ）及び前記関数ＮＴＳ２（Ｌ）に対して微分系の第２のＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを作用させて得た結果同士の積が負の箇所を抽出することを特徴とする請求項５に記載の異常検知システム。
7. 前記第１のＦＩＲフィルタと前記第２のＦＩＲフィルタが同一であることを特徴とする請求項６に記載の異常検知システム。
8. 前記データ処理部は、敷設データに記録された光ファイバ接続部と前記負の箇所とを照合し、その結果に基づいて前記負の箇所が光ファイバ接続部か、前記光ファイバに応力が印加された箇所かを判定することを特徴とする請求項６に記載の異常検知システム。
9. 前記規格化関数が、前記第１の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ１（Ｌ）、前記第２の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ２（Ｌ）としたときに、下記式で表わされることを特徴とする請求項１に記載の異常検知システム。
   

   
10. 前記規格化関数が、前記第１の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ１（Ｌ）、前記第２の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ２（Ｌ）としたときに、下記式で表わされることを特徴とする請求項１に記載の異常検知システム。
    

    
11. 前記データ処理部は、抽出後の前記しきい値よりも大きなピークのピーク高さから前記光ファイバに印加された応力を推定することを特徴とする請求項５に記載の異常検知システム。
12. 前記データ処理部は、抽出後の前記しきい値よりも大きなピークのピーク高さを過去のデータと比較し、その結果に応じて異常か否かを判定することを特徴とする請求項５に記載の異常検知システム。
13. 光ファイバの一端側から光を入射して後方散乱光の第１の強度分布を取得し、前記光ファイバの他端側から光を入射して後方散乱光の第２の強度分布を取得する工程と、
    前記第１の強度分布及び前記第２の強度分布と規格化関数とを用いて前記光ファイバの長さ方向の各位置で伝送損失を計算し、その計算結果から異常の有無を判定する工程と
    を有することを特徴とする異常検知方法。
14. 前記規格化関数が、前記光ファイバの任意の位置Ｌにおける前記第１の強度分布の強度をＫ１・ａ（但し、ａは前記第１の強度分布にピークがないと仮定したときの位置Ｌにおける強度）とし、前記第２の強度分布の強度をＫ２・ｂ（但し、ｂは前記第２の強度分布にピークがないと仮定したときの位置Ｌにおける強度）としたときに、（１）Ｋ１＝Ｋ２のときには一定値となり、（２）Ｋ１≠Ｋ２のときには前記一定値と異なる値となり、
    前記第１の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ１（Ｌ）、前記第２の強度分布を規格化した関数をＮＴＳ２（Ｌ）としたときに、（３）ＮＴＳ１（Ｌ）／ＮＴＳ２（Ｌ）を横軸（対数軸）としたときにＮＴＳ１（Ｌ）／ＮＴＳ２（Ｌ）＝１を中心軸とする偶関数であり、（４）ＮＴＳ１（Ｌ）＝ＮＴＳ２（Ｌ）のときには最大値又は最小値をとり、どちらかが限りなくゼロに近づいても有限の値をもつ、という条件を満足することを特徴とする請求項１３に記載の異常検知方法。
15. 前記第１の強度分布及び前記第２の強度分布は、光パルス検出器（Optical Time Domain Reflectmeter：ＯＴＤＲ）又は温度分布測定装置（Distributed Temperature Sensor：ＤＴＳ）を用いて取得することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の異常検知方法。

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