JP6177100B2 - 構造物の状態変化判定方法、測定データの補正方法及びそれらの方法を用いた計測システム - Google Patents

Description

本発明は、建物、橋梁やダム等の構造物内に複数設置された計測装置と、それらを管理する端末やサーバがネットワークを介して接続された計測システムにおいて、構造物の状態変化をリアルタイムで判定して検知する構造物の状態変化判定方法、測定データの補正方法及びそれらの方法を用いた計測システムに関する。

橋梁等の土木構造物又は建築構造物（以下、「構造物」という。）に加速度計等の震度センサーを複数設置しておき、地震が発生した際に構造物の各部位の揺れを計測してその測定データを管理サーバへ送信し、測定データから算出した建物の変位量と構造物の設計データ等から建物の残余耐震性能を評価する残余耐震性能評価システムが知られている（特許文献１）。

特開２０１１−９５２３７号公報

従来の残余耐震性能評価システムでは、測定データをサーバ側に一定量蓄積させた後に測定データから構造物の残余耐震性能を評価するため、地震等の揺れによって構造物が破壊等の状態変化をしたかどうかということが、事後的に測定データを解析することで構造物の残余耐震性能を評価するまでわからなかった。そのため、構造物が状態変化をしたかどうかに関わらず膨大な測定データが蓄積されるという問題があった。

また、本発明者らは各計測拠点の測定データ間に時間経過に伴って時刻ずれを生じることを確認しており、その時刻ずれを含む測定データをそのまま用いると当然に構造物を正確に解析することができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、構造物内に設置された計測装置と、端末やサーバがネットワークを介して接続された計測システムにおいて、構造物の状態変化をリアルタイムで判定することができる状態変化判定方法及び測定データの時刻ずれの影響を抑える測定データの補正方法を提供することを主な技術的課題とする。

本発明に係る構造物の状態変化判定方法は、ＣＰＵとプログラム及びデータを記憶する記憶手段と設置された地点における地震に関する物理量として加速度、速度又は変位のいずれかを測定する第１のセンサーとを具備する第１の計測装置と、ＣＰＵとプログラム及びデータを記憶する記憶手段と設置された地点における地震に関する物理量として加速度、速度又は変位のいずれかを測定する第２のセンサーとを具備する第２の計測装置と、測定データを記録及び処理するための端末やサーバとがネットワークを介して接続され、前記第１及び第２の計測装置が測定対象の構造物にそれぞれ配置された計測システムにおける構造物の状態変化判定方法であって、
前記第１の計測装置における物理量と前記第２の計測装置における物理量を関係づける伝達関数を有限インパルス応答を用いて加速度Ｐａを以下の式（２）で表し、ＬＭＳ（Least Mean Square）のアルゴリズム又は伝達関数を近似的に表すことができる他のアルゴリズムにより係数ｈｍ（ｎ）を決定することにより設定するステップＳ１
（但し、
Ｘａ（ｎ）＝Σｈｍ（ｎ）・Ｐａ（ｎ−ｍ） ・・・ （２）であって、
Ｐａ（ｎ）は入力信号であり、Ｘａ（ｎ）は出力信号であり、ｈｍ（ｎ）はＰａ（ｎ）の重み係数であり、ｍ＝０，１，・・・，Ｎ−１の整数である。）
と、
前記第１のセンサーによる測定結果により第１の加速度を取得するとともに前記第２のセンサーによる測定結果により第２の加速度を取得するステップＳ２と、
前記第１の加速度及び前記伝達関数を基に第２の計測装置が設置された地点における変位のシミュレート値を算出するとともに前記第２の加速度を基に変位を算出するステップＳ５と、
前記第２の計測装置が設置された地点における変位のシミュレート値の２進数の値と前記第２の加速度を基に算出された変位の２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数を算出するステップＳ６と、
算出された異なったｂｉｔの数を基に構造物の状態変化を判定するステップＳ７とを含むことを特徴とする。

ここで、第１及び第２のセンサーとは、加速度センサー、速度センサー或いは変位センサーなど、地震の揺れに関する物理量を第一次的に検知するセンサーをいう。測定データとは第１又は第２のセンサーが記録した測定データ（生データ）等である。例えば、第１のセンサーが加速度センサーである場合には、第１の計測装置が記録した時刻と加速度のデータであってもよい。また、伝達関数は、地震等の揺れの際に構造物の各測定地点間における伝達特性を示す。伝達関数は構造物が線形変形している間は変化しない。そのため、この伝達関数が変化したことを検知することにより、構造物が破壊等されて非線形の変形へ変化したこと、すなわち、構造物の状態変化を判定して検知することができる。例えば、伝達関数は、第１の計測装置における加速度と第２の計測装置における加速度との関係を示す式であってもよく、この伝達関数を用いることで第１の計測装置により測定された加速度から第２の計測装置における加速度、速度及び変位をそれぞれ算出することができる。対象の構造物は、地震等の揺れにより一定の範囲で線形変形をするものであり、その線形変形から非線形変形への変化が比較的容易に判明するものであることが好ましく、鉄筋コンクリート構造の建物等が挙げられる。

このような構成によれば、第１の加速度及び伝達関数を用いて算出された変位の２進数の値と第２の加速度を基に算出された変位の２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数を基に構造物の状態変化を判定するため、各計測装置からの測定データを一定量蓄積させる必要が無く、測定時にリアルタイムで構造物の状態変化を判定することができる。これにより、構造物に状態変化が発生した後は、測定データを大量に蓄積する必要が無くなり、測定データを保存するためのストレージやネットワーク資源の有効利用が促進される。

構造物の構成、地震等の揺れの大きさや測定データ及び伝達関数の精度にもよるが、変位のシュミュレート値及び第２の加速度を基に算出された変位をいずれも符号付き２４ｂｉｔで表すと、構造物が線形変形している間では、異なったｂｉｔの数は３〜５程度となり、同一となるｂｉｔの数は全体の８０〜９０％程度となる。そのため、例えば、異なったｂｉｔの数が４以上である場合に構造物に状態変化が発生したと判定するようにしてもよい。

上記構造物の状態変化判定方法において、前記伝達関数は、速度の条件毎に設定され、変位のシミュレート値を算出する際に前記測定された加速度を基に算出された速度を用いて前記伝達関数が選択されるようにしてもよい。具体的には、前記伝達関数は、速度が０以上の場合及び速度が０より小さい場合の２通りの二次曲線で近似されているようにしてもよい。構造物が地震等の揺れにより線形変形しているとき、伝達関数は加速度−変位の関係を示す平面上において或る直線に対して対称となる閉曲線（略楕円形）に近似して表すことができることがわかっている。この伝達関数を速度が０以上の場合及び速度が０より小さい場合の２通りの二次曲線で表すようにすると、伝達関数をより簡易的に表して構造物の状態変化をより効率よく判定することができる。

本発明に係る測定データの補正方法は、ＣＰＵとプログラム及びデータを記憶する記憶手段と設置された地点における地震に関する物理量を測定する第１のセンサーとを具備する第１の計測装置と、ＣＰＵとプログラム及びデータを記憶する記憶手段と設置された地点における地震に関する物理量を測定する第２のセンサーとを具備する第２の計測装置と、測定データを記録及び処理するための端末やサーバとがネットワークを介して接続され、前記第１及び第２の計測装置が測定対象の構造物にそれぞれ配置された計測システムにおける測定データの補正方法であって、前記第１の計測装置における物理量と前記第２の計測装置における物理量を関係づける伝達関数を設定するステップと、前記伝達関数を用いて前記第１の計測装置における第１の測定データに対して前記第２の計測装置における第２の測定データの時刻ずれを算出するステップと、前記時刻ずれを基に前記第２の測定データの時刻に応じて線形的に前記第２の測定データの時刻を補正する時刻ずれ補正のステップとを含むことを特徴とする。

このような構成によれば、伝達関数を用いて第１の計測装置における第１の測定データに対して第２の計測装置における第２の測定データの時刻ずれ、具体的には、構造物が状態変化している間に各測定データ間に生じる時刻ずれを算出し、その時刻ずれを基に第２の測定データの時刻に応じて線形的に第２の測定データの時刻を補正するため、第２の測定データの時刻がいずれも第１の測定データの時刻に対して従来より測定データの時刻ずれの影響を抑えるように同期させることができる。これにより、これらの測定データを用いることで構造物をより正確に解析することができる。

本発明に係る計測システムは、地震に関する物理量を測定する第１のセンサーを備えた第１の計測装置と、地震に関する物理量を測定する第２のセンサーを備えた第２の計測装置と、測定データを記録及び処理するための端末及びサーバと、それらを接続するネットワークとを含み、前記端末又は前記サーバに以下のステップを実行させることを特徴とする。
ａ 前記第１の計測装置における物理量と前記第２の計測装置における物理量を関係づける伝達関数を設定する
ｂ 前記第１のセンサーにより測定された第１の加速度及び前記第２のセンサーにより測定された第２の加速度を受信する
ｃ 前記第１の加速度及び前記伝達関数を基に変位のシミュレート値を算出するとともに前記第２の加速度を基に変位を算出する
ｄ 前記変位のシミュレート値の２進数の値と前記第２の加速度を基に算出された変位の２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数を算出する
ｅ 算出された異なったｂｉｔの数を基に構造物の状態変化を判定する

このような構成によれば、伝達関数を用いて算出された変位の２進数の値と受信された変位の２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数を基に構造物の状態変化を判定するため、各計測装置から受信した測定データを一定量蓄積させる必要が無く、測定データを受信さえすれば測定時にリアルタイムで構造物の状態変化を判定することができる。

本発明に係る状態変化判定方法によると、第１の加速度及び伝達関数を用いて算出された変位の２進数の値と第２の加速度を基に算出された変位の２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数を基に構造物の状態変化を判定するため、測定時にリアルタイムで構造物の状態変化を判定することができる。

本発明に係る測定データの補正方法によると、伝達関数を用いて第１の測定データに対して第２の測定データの時刻ずれを算出し、その時刻ずれを基に第２の測定データの時刻に応じて線形的に第２の測定データの時刻を補正するため、第２の測定データの時刻がいずれも第１の測定データの時刻に対して従来より測定データの時刻ずれの影響を抑えるように同期させることができる。

第１の実施形態の計測システムを示す図である。 第１の実施形態の第１の計測装置、第２の計測装置及びデータ処理端末を示す図である。 第１の実施形態の構造物の状態変化判定方法のフローチャートである。 第１の実施形態の伝達関数の概念を示すグラフである。 変位のシミュレート値と加速度から算出された変位の各ｂｉｔ同士の比較を示す図である。 第１の実施形態の計測システムの第１の計測装置及び第２の計測装置のブロック構成を示す図であり、（ａ)は第１の計測装置を示す図であり、（ｂ）は第２の計測装置を示す図である。 第１の実施形態の計測システムのデータ処理端末及びデータ処理サーバのブロック構成を示す図であり、（ａ)はデータ処理端末を示す図であり、（ｂ）はデータ処理サーバを示す図である。 試験体の状態変化前における伝達関数を示すグラフであり、（ａ)はＬＭＳを用いてインパルス応答で表した伝達関数を示すグラフであり、（ｂ）は図８（ａ）の伝達関数を高速フーリエ変換した後のグラフである。 試験体の状態変化前における加速度の波形を示すグラフであり、（ａ)は実際の応答波形及び予測波形を示すグラフであり、（ｂ）は図９（ａ）の領域Ｂ１を拡大したグラフである。 試験体の状態変化後における加速度の波形を示す図であり、（ａ)は実際の応答波形及び予測波形を示すグラフであり、（ｂ）は図１０（ａ）の領域Ｂ２を拡大したグラフである。 差分圧縮の圧縮効率と時間の関係を示すグラフである。 各計測装置における入力波形を示す図 構造物の状態変化前後の伝達関数の一例を示す図 構造物の状態変化前後の震度データの一例を示す図

以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。同一又は同類の部材には同一の符号を用いるか又は添字のみ異ならせて表示するものとし、重複した説明を省略しているが、本実施形態の記載は本発明の技術的思想を理解するために合目的的に解釈され、実施形態の記載に限定解釈されるべきものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の計測システムを示す図である。この計測システム１００は、複数の計測装置１０、２０と、データ処理端末（以下、単に「処理端末」という場合がある。）３０と、データ処理サーバ（以下、単に「処理サーバ」という場合がある。）５０と、利用者端末７０とを備え、それらがネットワーク６０を介して接続されている。複数の計測装置１０、２０（２０ａ、２０ｂ、・・・）と処理端末３０は、いずれもローカルエリアネットワーク（以下、「ＬＡＮ」という。）４０に接続されている。処理サーバ５０は処理端末３０から送られる膨大な地震に関するデータを処理する。また、処理サーバ５０は図示しないストレージを備え、そのストレージに処理サーバ５０に集められた各種のデータを記録したり必要な認証データ等を保存する。

図６は、第１の実施形態の計測システムの第１の計測装置１０及び第２の計測装置２０のブロック構成を示す図である。図６（ａ)は第１の計測装置１０を示す図であり、図６（ｂ）は第２の計測装置２０（２０ａ、２０ｂ、・・・）を示す図である。図６（ａ）に示すように、第１の計測装置１０は、装置全体を制御するＣＰＵ１１と、フラッシュメモリーやハードディスク等のストレージデバイス１２と、ＲＡＭ等の一時記憶手段１３と、ネットワークインターフェース１４と、Ａ／Ｄ変換器１５と、加速度センサー１６等を一つの筐体内に備える。また、図６（ｂ）に示すように、第２の計測装置２０は、装置全体を制御するＣＰＵ２１と、フラッシュメモリーやハードディスク等のストレージデバイス２２と、ＲＡＭ等の一時記憶手段２３と、ネットワークインターフェース２４と、Ａ／Ｄ変換器２５と、加速度センサー２６等を一つの筐体内に備える。第２の計測装置２０は一つの計測対象物（構造物）に対して同じ構成のものが複数設けられる。

ストレージデバイス１２（２２）は、ＯＳや計測のためのプログラムを記録したりＣＰＵ１１（２１）による演算結果をデータとして保存したりする。加速度センサー１６はＡ／Ｄ変換器１５を介してＣＰＵ１１に接続され、加速度の計測値をサンプリングしながらＣＰＵ１１に伝達する。また、加速度センサー２６も同様にして加速度の計測値をサンプリングしながらＣＰＵ２１に伝達する。

第１の計測装置１０は、３つの加速度センサー１６を内蔵し、水平（Ｘ−Ｙ方向）及び垂直（Ｚ方向）の３軸に対応する加速度をリアルタイムに計測することができる。また、第２の計測装置２０は、３つの加速度センサー２６を内蔵し、水平（Ｘ−Ｙ方向）及び垂直（Ｚ方向）の３軸に対応する加速度をリアルタイムに計測することができる。なお、加速度と速度と変位は積分乃至微分の関係にあるため、上記各センサーは、いずれも理論的には加速度センサー、速度センサーや変位センサーのいずれであってもよい。

図７は、第１の実施形態の計測システムのデータ処理端末３０及びデータ処理サーバ５０のブロック構成を示す図である。図７（ａ)はデータ処理端末を示す図であり、図７（ｂ）はデータ処理サーバを示す図である。図７（ａ)に示すように、データ処理端末３０は、ＣＰＵ３１、ストレージデバイス３２、ＲＡＭ３３、ネットワークインターフェース３４等を備えた汎用的なコンピュータに所定のデータ処理端末用のプログラムをインストールしたものでよい。ＣＰＵ３１は、第１の計測装置１０により測定された加速度データを第２の計測装置２０により測定された加速度データを用いて圧縮するプログラムを実行するほか、各計測装置（１０、２０）間の時刻を同期するプログラム、測定データを補正するプログラムや必要なデータのみをストレージデバイス３２に記録しデータ処理サーバ５０に送信するプログラムを実行する等の働きをする。ストレージデバイス３２は、ＯＳや各種のプログラムを記録すると共に震度データや加速度データを保存する。ストレージデバイス３２は当然ながらＬＡＮ４０内などに設けられたファイルサーバ等でもよい。

データ処理端末３０は、建物１外に設置され、ＬＡＮ４０に接続されている。データ処理端末３０は、主に計測装置１０、２０を管理する役割を果たすものであり、複数の計測装置１０、２０を設置した一つの構造物に対して少なくとも一台設けられていればよい。ただし、計測装置１０、２０の少なくとも一台に処理端末３０の機能を兼ね備えさせ、これを「親機」、その他の計測装置を「子機」として用いることで、処理端末３０を省略してもよい。或いは、全ての計測装置が処理端末の機能を備えてもよい。

図７（ｂ)に示すように、データ処理サーバ５０はＣＰＵ５１、ストレージデバイス５２、ＲＡＭ５３、ネットワークインターフェース５４等を備えた汎用的なコンピュータに所定のデータ処理サーバ用のプログラムをインストールしたものでよい。

図２は、第１の実施形態の第１の計測装置１０、第２の計測装置２０及びデータ処理端末３０を示す図である。第１の計測装置１０は、測定の基準地点として建物１内の１階（地上階）の床面に設置され、ＬＡＮ４０に接続されている。第２の計測装置２０（２０ａ、２０ｂ、・・・）は、建物１内の２階以上の各階の床面にそれぞれ設置され、ＬＡＮ４０にそれぞれ接続されている。データ処理端末３０は、建物１外に設置され、ＬＡＮ４０に接続されている。建物１は、地震等の揺れにより線形変形する構造物であればよく、線形変形から非線形変形への変化が判明し易いものであることが好ましい。具体的には、建物１は、木造よりも鉄筋コンクリート構造であることが好ましい。なお、建物１は橋梁の脚部であってもよい。

この建物１では、地震等の揺れにより基準地点である第１の計測装置１０において加速度Ｐａが測定されると、第２の計測装置２０ａにおいて第１の計測装置１０に対して相対的な変位Ｘｍａが測定され、第２の計測装置２０ｂにおいて第１の計測装置１０に対して相対的な変位Ｘｍｂが測定される。

以下、第１の実施形態の構造物の状態変化判定方法について、図２の建物１、第１の計測装置１０及び第２の計測装置２０ａを用いて簡単に説明する。なお、第１の計測装置１０の時刻と第２の計測装置２０ａの時刻は同期されており、特に言及しない限り第１の計測装置１０の加速度と第２の計測装置２０ａの加速度は同時刻のものを指す。また、状態変化判定方法において、加速度はいずれも水平（Ｘ−Ｙ方向）及び垂直（Ｚ方向）の３軸に対してそれぞれ測定後各方向において構造物（建物１）の状態変化がそれぞれ判定されて検知されるが、以下の説明では、Ｘ方向についてのみ説明し、Ｙ及びＺ方向についてはＸ方向と同様として説明を省略している。

図３は、第１の実施形態の構造物の状態変化判定方法のフローチャートである。
まず、第１の計測装置１０（第１の加速度センサー系）における加速度Ｐａと第２の計測装置２０ａ（第２の加速度センサー系）における変位Ｘａとを関係づける伝達関数ｆを設定する（ステップＳ１）。この伝達関数ｆは予め準備しておく。

図４は、第１の実施形態の伝達関数ｆの概念を示すグラフである。図４に示すように、伝達関数ｆは、建物１が線形変形を保持した状態では縦軸が加速度Ｐａであり横軸が変位Ｘａである平面上の或る直線Ｌに対して対称の閉曲線（略楕円形）で近似して表すことができる。この伝達関数ｆを加速度Ｐａを変数として数式で表しておくと、伝達関数ｆを用いて加速度Ｐａから変位Ｘａが算出できる。なお、建物１が硬い構造物の場合、伝達関数ｆは直線Ｌに対しての距離が全体的に小さくなり、直線Ｌに近づくようになる。

例えば、この伝達関数ｆを、第１の計測装置１０の速度Ｐｖの正負の符号により大きく２通りに分けて二次曲線ｆｐ（Ｐｖ≧０）、ｆｎ（Ｐｖ＜０）で表すと、速度Ｐｖ≧０の場合、変位Ｘａは加速度Ｐａ及び伝達関数ｆｐを用いて以下の式（１）により算出できる。
Ｘａ＝ｆｐ（Ｐａ） ・・・（１）

上記伝達関数ｆ（ｆｐ及びｆｎ）は、予め第１の計測装置１０による加速度の測定値及び第２の計測装置２０ａによる加速度の測定値を基に近似式で表して準備しておく。例えば、伝達関数ｆを有限インパルス応答（Finite Impulse Response、FIR）を用いてＬＭＳ（Least Mean Square、最小二乗平均法）等のアルゴリズムにより数式で表してもよい。なお、建物１が十分な剛体である場合、建物１の線形変形を前提条件として、ＬＭＳのアルゴリズムを用いて伝達関数を近似的に表すことができるが、建物１の構造（性質）により用いるアルゴリズムや伝達関数を変える必要がある。

具体的には、有限インパルス応答を用いて加速度Ｐａを以下の式（２）で表し、ＬＭＳ等のアルゴリズムにより係数ｈｍ（ｎ）を決定するようにしてもよい。
Ｘａ（ｎ）＝Σｈｍ（ｎ）・Ｐａ（ｎ−ｍ） ・・・ （２）
ただし、Ｐａ（ｎ）は入力信号であり、Ｘａ（ｎ）は出力信号であり、ｈｍ（ｎ）はＰａ（ｎ）の重み係数であり、ｍ＝０，１，・・・，Ｎ−１の整数である。

次に、第１の計測装置１０により加速度Ｐａを、第２の計測装置２０ａによりその加速度Ｐａに対応する加速度Ｐｍａをそれぞれ測定する（ステップＳ２）。データ処理端末３０又はデータ処理サーバ５０側で処理する際には、その測定された加速度Ｐａ、Ｐｍａのデータをそれぞれ受信する。加速度Ｐａ、Ｐｍａはいずれも２４ｂｉｔのデータである。加速度Ｐａ及び変位Ｘｍａは、３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向についてそれぞれ測定するが、２軸（Ｘ，Ｙ）方向だけでもよい。

次に、上記伝達関数ｆがｆｐ（Ｐｖ≧０）又はｆｎ（Ｐｖ＜０）の２通りで表されている場合、第１の計測装置１０の加速度Ｐａを基に速度Ｐｖを算出し（ステップＳ３）、算出された速度Ｐｖにより上記伝達関数ｆとしてｆｐ又はｆｎを選択する（ステップＳ４）。速度Ｐｖを算出する際にはノイズ除去フィルター等を用いてノイズを除去してもよい。なお、ステップＳ３及びＳ４は、伝達関数ｆが１つの数式で表されている場合や速度Ｐｖの所定の範囲毎に数式で表されていない場合は不要となる。

次に、測定された加速度Ｐａ及び上記伝達関数ｆを用いて第２の計測装置２０ａにおける変位のシミュレート値Ｘａを算出する。また、測定された加速度Ｐｍａを基に第２の計測装置２０ａにおける変位Ｘｍａを算出する（ステップＳ５）。

次に、変位のシミュレート値Ｘａの２進数の値と変位Ｘｍａの２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較する（ステップＳ６）。このとき、各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数Ｎを算出する。

図５は、変位のシミュレート値Ｘａと加速度から算出された変位Ｘｍａの各ｂｉｔ同士の比較を示す図である。図５に示すように、２進数で表された変位のシミュレート値Ｘａの値と２進数で表された変位Ｘｍａの値の各ｂｉｔ同士を比較し、異なったｂｉｔを示すＤの総数をＮとする。各ｂｉｔ同士を比較する際にはノイズの影響が大きい下位４ｂｉｔを除いてもよい。

この各ｂｉｔ同士の比較は、同様の処理を実施する際、具体的には、変位Ｘｍａを変位のシミュレート値Ｘａを用いて差分圧縮する際に実施してもよい。この場合、全体のｂｉｔの数（２４）から異なったｂｉｔの数Ｎを差し引いた値は全体の割合でみると差分圧縮の圧縮効率と考えることができる。

次に、異なったｂｉｔの数Ｎを基に建物１の状態変化を判定する（ステップＳ７）。建物１が地震等の揺れにより線形変形している場合では、異なったｂｉｔの数Ｎは小さいが、建物１が破壊されて非線形に変形するとこのＮは大きくなる。そのため、例えば、異なったｂｉｔの数Ｎが一定値以上となった場合、建物１に状態変化が発生したと判定する。

また、上記差分圧縮の圧縮効率は、建物１が地震等の揺れにより線形変形している間では８０〜９０％程度を維持するが、建物１が破壊されて非線形に変形しはじめると圧縮効率が大幅に低下する。そこで、この場合、建物１に状態変化が発生したと判定する。

以上ステップＳ１〜Ｓ７により、第１の計測装置１０により加速度Ｐａを、第２の計測装置２０ａによりその加速度Ｐａに対応する加速度Ｐｍａをそれぞれ測定し、上記異なったｂｉｔの数Ｎ又は上記差分圧縮の圧縮効率の時系列的な変化をみることにより、測定時にリアルタイムで建物１の状態変化を判定することができる。

また、上記異なったｂｉｔの数Ｎや上記差分圧縮の圧縮効率以外にも、上記伝達関数ｆを用いて、第２の計測装置２０ａの短時間平均ＳＴＡと長時間平均ＬＴＡの比ＳＴＡ／ＬＴＡを算出し、その比ＳＴＡ／ＬＴＡの時系列的な変化をみるようにしてもよく、同様に建物１の状態変化を判定することができる。

なお、ステップＳ１〜Ｓ７は、データ処理端末３０又はデータ処理サーバ５０のいずれで実施するようにしてもよく、第１の計測装置１０や第２の計測装置２０ａにおいて実施するようにしてもよい。

ここで、実際に３段構成のスチールラックを試験体として、試験体の状態変化を判定して検知する実験を実施した。まず、試験体の１段目に上記第１の計測装置１０（入力側）を、３段目に上記第２の計測装置２０（応答側）をそれぞれ設置し、試験体に一定の加速度を加えて試験体の状態変化する前（以下、「状態変化前」という。）の伝達関数をＬＭＳのアルゴリズムを用いてインパルス応答で近似的に表した。そして、その伝達関数を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform、ＦＦＴ）して、伝達関数の帯域（周波数）通過特性を調べた。

図８は、試験体の状態変化前における伝達関数を示すグラフである。図８（ａ)はＬＭＳを用いてインパルス応答で表した伝達関数を示すグラフであり、図８（ｂ）は図８（ａ）の伝達関数を高速フーリエ変換した後のグラフである。図８（ａ)の横軸はステップ数（１ステップ＝１０［ｍｓ］）を、縦軸は伝達関数のゲイン（出力信号／入力信号）をそれぞれ示す。また、図８（ｂ）の横軸は周波数［Ｈｚ］を、縦軸は伝達関数のゲイン（出力信号／入力信号）をそれぞれ示す。

図８（ｂ）に示すように、伝達関数の帯域通過特性は、低周波数領域ほど通過して伝達されることがわかる。特に、０〜５［Ｈｚ］程度までの通過特性がよいことがわかる。逆に、この伝達関数を用いると、第１の計測装置１０の入力波形及び第２の計測装置２０の応答波形に含まれる高周波数領域のノイズが伝達され難いことがわかる。

その後、試験体に一定の加速度を加えて試験体の状態変化前と試験体の状態変化した後（以下、「状態変化後」という。）のそれぞれにおいて、実際の第２の計測装置２０の応答波形（以下、「応答波形」という。）及び第２の計測装置２０の予測波形（以下、「予測波形」という。）をそれぞれ調べた。なお、試験体の状態変化後の状態は、試験体の各固定ネジをゆるめた状態とした。応答波形は第２の計測装置２０における加速度の実測値であり、予測波形は図８の伝達関数を基に第１の計測装置１０における加速度の実測値を用いて算出した。

図９は、試験体の状態変化前における加速度の波形を示す図である。図９（ａ)は実際の応答波形及び予測波形を示すグラフであり、図９（ｂ）は図９（ａ）の領域Ｂ１を拡大したグラフである。図９（ａ)及び図９（ｂ）の横軸はいずれもステップ数（１ステップ＝１０［ｍｓ］）を、縦軸はいずれも±１に正規化した加速度ｇａｌ［ｃｍ／ｓ^２］をそれぞれ示す。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、試験体の状態変化前においては、予測波形は全体的に応答波形と近似していることがわかる。

図１０は、試験体の状態変化後における加速度の波形を示す図である。図１０（ａ)は実際の応答波形及び予測波形を示すグラフであり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の領域Ｂ２を拡大したグラフである。図１０（ａ)及び図１０（ｂ）の横軸はいずれもステップ数（１ステップ＝１０［ｍｓ］）を、縦軸はいずれも±１に正規化した加速度ｇａｌ［ｃｍ／ｓ^２］をそれぞれ示す。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、試験体の状態変化後においては、予測波形は応答波形と全体的に大きく異なっていることがわかる。これは、伝達関数が試験体の状態変化により変わってしまったためである。そのため、この伝達関数の変化を調べることで、試験体の状態変化前後のトリガーを判定して検知することができる。具体的には、この伝達関数を用いて、上記異なったｂｉｔの数Ｎや上記差分圧縮の圧縮効率等を時系列的に調べ、それらの大きな変化が生じた地点付近を試験体の状態変化が発生した時刻と考えることができる。

なお、上記試験体の状態変化前において、実際の応答波形と予測波形の誤差を平滑化することにより、誤差による試験体の状態変化前後の誤検知を防ぐことができる。

図１１は、差分圧縮の圧縮効率と時間の関係を示すグラフである。上記試験体の状態変化前・後のデータから上記差分圧縮際の圧縮効率と時間の関係をグラフに表した。図１１に示すように、圧縮効率は、試験体の状態変化前において８０％以上であったが、境界Ｐ（時刻Ｔ［ｓ］）の後大幅に１０％未満にまで低下した。なお、実験では１００［ｍｓ］平均が８０％を維持出来ない場合を「検知（状態変化あり）」としたが、実際の運用に際してはより精度を担保するため段階的な検知（例えば、１００［ｍｓ]平均が８０％を維持出来ないときに予備トリガを発生させ、かつ、５００［ｍｓ］平均が８０％を維持出来ないときにトリガを確定させる、など）を行なう方がよいと考えられる。このように、圧縮効率の変化を調べることにより、境界Ｐ（時刻Ｔ［ｓ］）付近で試験体に状態変化が発生したことを検知できることがわかった。

第１の実施形態の計測システムにおける状態変化判定方法では、第１の計測装置１０により測定された加速度Ｐａ及び伝達関数ｆを用いて算出された変位Ｘａの２進数の値と、第２の計測装置２０ａにより測定された変位Ｘｍａの２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数Ｎを基に建物１の状態変化を判定するため、測定時にリアルタイムで建物１の状態変化を判定することができる。

（第２の実施形態）
建物の残余耐震性能を評価する残余耐震性能評価システムにおいて、所定時間経過後に各計測装置の間に時刻ずれが生じるとそれらの測定データをそのまま用いても構造物を正確に解析することができない。また、各計測装置間で単に時刻を同期するような場合、時刻同期した直後の測定データは構造物を正確に解析するデータとして有効であるが、時刻同期した後次の時刻同期するまでの間の測定データは何らかの時刻ずれを含むと考えられる。以上のことから構造物をより正確に解析するために、各計測装置間に時刻ずれを生じた測定データの補正方法について説明する。この測定データの補正方法は、第１の実施形態の計測システムにおいても用いることができ、第２の実施形態の計測システムとして以下図１及び図２で示す計測システムを用いて説明する。

第２の実施形態の計測システムにおける測定データの補正方法は、まず、第１の計測装置１０における物理量と第２の計測装置２０における物理量を関係づける伝達関数を、具体的には、第１の実施形態と同様に第１の計測装置１０（第１の加速度センサー系）における加速度Ｐａと第２の計測装置２０ａ（第２の加速度センサー系）における変位Ｘａとを関係づける伝達関数ｆを設定する。この伝達関数ｆは予め準備しておく。なお、以下の説明では、第２の実施形態の計測システムは、第１の計測装置１０の時刻を基準にしている。

次に、伝達関数ｆを用いて第１の計測装置１０における第１の測定データに対して第２の計測装置２０における第２の測定データの時刻ずれΔＴを算出する。

図１２は、各計測装置における入力波形を示す図である。実線の波形Ｗ１は第１の計測装置の入力波形を、破線の波形Ｗ２は第２の計測装置の入力波形をそれぞれ示す。また、図１３は、構造物の状態変化前後の伝達関数ｆの一例を示す図である。なお、伝達関数ｆは実線以外にも破線のような軌道を描く。ここで、時刻Ｔ_Ｄは構造物が状態変化した時刻である。

図１２に示すように、第２の実施形態の計測システムでは、時刻Ｔ_０で第１の計測装置１０の時刻と第２の計測装置２０の時刻が同期されている。そして、所定時間経過後に時刻ずれを算出する。具体的には、伝達関数ｆを用いて時刻Ｔ_０から時刻Ｔ_１までの時間（Ｔ_１−Ｔ_０）経過後における第１の計測装置１０の測定データｗ_１（時刻Ｔ_１）に対応する第２の計測装置２０の測定データｗ_２（時刻Ｔ_２）の時刻ずれΔＴを算出する。

図１３に示すように、伝達関数ｆは構造物の状態変化した時刻Ｔ_Ｄの前後で安定せずに大きく変化することが判明しており、例えば、この伝達関数ｆが大きく変化する前の第１の計測装置の入力波形Ｗ１及び第２の計測装置の入力波形Ｗ２を基に第１の計測装置１０と第２の計測装置２０の間の伝達特性を示す波形をそれぞれ同定し、同定された各波形の特徴部分を比較して、第１の計測装置１０の測定データｗ_１（時刻Ｔ_１）に対応する第２の計測装置２０の測定データｗ_２（時刻Ｔ_２）の時刻ずれΔＴを算出する。なお、波形を同定する方法の一つとして、上述のように有限インパルス応答を用いて波形を表し、ＬＭＳのアルゴリズムにより係数を決定して波形を同定する方法が挙げられる。

また、パルス入力のある振動環境では、第１の計測装置において短時間平均ＳＴＡ１と長時間平均ＬＴＡ１との比ＳＴＡ１／ＬＴＡ１を算出し、同様にして第２の計測装置において短時間平均ＳＴＡ２と長時間平均ＬＴＡ２との比ＳＴＡ２／ＬＴＡ２を算出する。そして、比ＳＴＡ１／ＬＴＡ１と比ＳＴＡ２／ＬＴＡ２との比較から時刻ずれΔＴを算出するようにしてもよい。この短時間平均と長時間平均の比は波形の自己相似性を示すものであり、パルスの波形が入力されることによりその自己相似性を失った瞬間の時刻を容易に抽出して比較することができる。なお、このパルス入力のある振動環境とは、機械振動や電車の通る鉄橋等定刻に振動が発生する環境をいう。

次に、第２の測定データの時刻ずれΔＴを基に第２の測定データの時刻に応じて線形的に第２の測定データの時刻を補正する。このとき、構造物の状態変化が続いている時間帯を特定するために震度データを用いる。

図１４は、構造物の状態変化前後の震度データの一例を示す図である。図１４に示すように、まず、仮のトリガーとして構造物の状態変化をした時刻Ｔ_Ｄを抽出する。なお、この時刻Ｔ_Ｄは、第１の実施形態の計測システムにおいて構造物の状態変化があったと判定された時刻を用いるようにしてもよい。次に、トリガー時刻として構造物の状態変化の時刻Ｔ_Ｄを基準に構造物の状態変化前における無震状態（震度０）の終了時刻Ｔ_３を抽出し、トリガーを解除するデトリガー時刻として構造物の状態変化後における無震状態（震度０）の開始時刻Ｔ_４を抽出する。ここで、トリガー時刻とは、測定データの抽出を開始する時刻をいう。そして、第２の実施形態の計測システム（第１の計測装置１０）の時刻ｔが時刻（Ｔ_３〜Ｔ_４）間において、第２の測定データの時刻Ｔ_２（ｔ）に時刻ずれΔＴを線形的に加える。例えば、時刻ｔが時刻（Ｔ_０〜Ｔ_１）間では以下の式（３）のように補正する。

Ｔ_２’（ｔ）＝Ｔ_２（ｔ）−ΔＴ・（ｔ−Ｔ_０）／（Ｔ_１−Ｔ_０） ・・・ （３）
ただし、Ｔ_２（ｔ）は時刻ｔの補正前の第２の測定データの時刻であり、Ｔ_０＝Ｔ_２（Ｔ_０）であり、Ｔ_２＝Ｔ_２（Ｔ_１）であり、Ｔ_２’（ｔ）は時刻ｔの補正後の第２の測定データの時刻である。

式（３）ように第２の測定データの時刻を補正することで、第２の測定データの時刻がいずれも第１の測定データの時刻に対して従来より同期させることができる。そして、第２の実施形態の計測システムでは、データ処理端末３０により第１の測定データ及び上述の補正後の第２の測定データをそれぞれ取得してデータ処理サーバ５０に送信することにより、データ処理サーバ５０で構造物をより正確に解析することができる。

第２の実施形態の計測システムにおける計測データの補正方法は、第１の計測装置と第２の計測装置間の時刻ずれを基に第２の測定データの時刻に応じて線形的に第２の測定データの時刻を補正するため、第２の測定データの時刻がいずれも第１の測定データの時刻に対して従来より測定データの時刻ずれの影響を抑えるように同期させることができる。

１０ 第１の計測装置
２０ 第２の計測装置
３０ データ処理端末
４０ ＬＡＮ
５０ データ処理サーバ
６０ ネットワーク

Claims (5)

1. ＣＰＵとプログラム及びデータを記憶する記憶手段と設置された地点における地震に関する物理量として加速度、速度又は変位のいずれかを測定する第１のセンサーとを具備する第１の計測装置と、ＣＰＵとプログラム及びデータを記憶する記憶手段と設置された地点における地震に関する物理量として加速度、速度又は変位のいずれかを測定する第２のセンサーとを具備する第２の計測装置と、測定データを記録及び処理するための端末やサーバとがネットワークを介して接続され、前記第１及び第２の計測装置が測定対象の構造物にそれぞれ配置された計測システムにおける構造物の状態変化判定方法であって、
   前記第１の計測装置における物理量と前記第２の計測装置における物理量を関係づける伝達関数を有限インパルス応答を用いて加速度Ｐａを以下の式（２）で表し、ＬＭＳ（Least Mean Square）のアルゴリズム又は伝達関数を近似的に表すことができる他のアルゴリズムにより係数ｈｍ（ｎ）を決定することにより設定するステップＳ１
   （但し、
   Ｘａ（ｎ）＝Σｈｍ（ｎ）・Ｐａ（ｎ−ｍ） ・・・ （２）であって、
   Ｐａ（ｎ）は入力信号であり、Ｘａ（ｎ）は出力信号であり、ｈｍ（ｎ）はＰａ（ｎ）の重み係数であり、ｍ＝０，１，・・・，Ｎ−１の整数である。）
   と、
   前記第１のセンサーによる測定結果により第１の加速度を取得するとともに前記第２のセンサーによる測定結果により第２の加速度を取得するステップＳ２と、
   前記第１の加速度及び前記伝達関数を基に第２の計測装置が設置された地点における変位のシミュレート値を算出するとともに前記第２の加速度を基に変位を算出するステップＳ５と、
   前記第２の計測装置が設置された地点における変位のシミュレート値の２進数の値と前記第２の加速度を基に算出された変位の２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数を算出するステップＳ６と、
   算出された異なったｂｉｔの数を基に構造物の状態変化を判定するステップＳ７とを含むことを特徴とする構造物の状態変化判定方法。
2. 前記変位のシミュレート値及び前記第２の加速度を基に算出された変位の値は、いずれも２４ｂｉｔのデータであり、
   前記異なったｂｉｔの数を算出する際には下位４ｂｉｔが除外されることを特徴とする請求項１記載の構造物の状態変化判定方法。
3. 前記異なったｂｉｔの数は、前記第２の加速度を基に算出された変位の値と前記変位のシミュレート値とを比較して異なったｂｉｔ数Ｎであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の構造物の状態変化判定方法。
4. 前記異なったｂｉｔ数Ｎを基にデータの圧縮効率を算出するステップと、
   算出された圧縮効率を基に構造物の状態変化を判定するステップとを含むことを特徴とする請求項３記載の構造物の状態変化判定方法。
5. 地震に関する物理量として加速度、速度又は変位のいずれかを測定する第１のセンサーを備えた第１の計測装置と、地震に関する物理量として加速度、速度又は変位のいずれかを測定する第２のセンサーを備えた第２の計測装置と、測定データを記録及び処理するための端末及びサーバと、それらを接続するネットワークとを含み、
   前記端末又は前記サーバに以下のステップを実行させることを特徴とする計測システム。
   ａ 前記第１の計測装置における物理量と前記第２の計測装置における物理量を関係づける伝達関数を設定する
   ｂ 前記第１のセンサーにより測定された第１の加速度及び前記第２のセンサーにより測定された第２の加速度を受信する
   ｃ 前記第１の加速度及び前記伝達関数を基に変位のシミュレート値を算出するとともに前記第２の加速度を基に変位を算出する
   ｄ 前記変位のシミュレート値の２進数の値と前記第２の加速度を基に算出された変位の２進数の値の各ｂｉｔ同士を比較して異なったｂｉｔの数を算出する
   ｅ 算出された異なったｂｉｔの数を基に構造物の状態変化を判定する

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