JP6419151B2 - 構造物の変位検出装置、構造物の変位の共有システム、構造物の変位検出方法、および構造物の変位検出プログラム - Google Patents

Description

本発明は、構造物のねじれ、たわみ、動揺等の変位を算出する変位検出装置、変位の共有システム、変位検出方法、および変位検出プログラムに関する。

従来、船舶、航空機等の大型移動体、家屋やビルのような建築物、橋梁のような構造物のねじれ、たわみ等の変位を算出する方法が各種実用化されている。その１つとして、目視確認がある。また、特許文献１に示すように、レーザ光による測量を用いた方法がある。さらには、ひずみ計を用いた方法もある。

特開平１１−６３９８７号公報

しかしながら、目視の場合、構造物の変位を精確に検出することは容易でない。さらには、長周期振動による変位は目視では分かりづらく、変位を算出することが容易ではない。また、特許文献１に示すようにレーザ光を用いる場合、変位の検出のためだけに要する設備が大型化してしまい、構造物の変位を容易に検出することができない。また、ひずみ計は、一般的に温度変化に敏感であり、環境に影響されることなく、変位を精確に検出することは容易ではない。また、変位として動揺を計測する方法には、加速度計が算出した加速度を積分する方法もあるが、長周期の動揺に対する計測精度が低い。

また、例えば、構造物の変位を詳細に把握する等のために、構造物に対して複数箇所の計測点を配置することがある。しかしながら、従来の各方法では、各計測点での計測タイミングを同期させることが困難であり、構造物の変位を精確に計測できない可能性がある。

したがって、本発明の目的は、構造物の変位を精確に計測可能な構造物の変位検出装置、変位検出方法、および変位検出プログラムを提供することにある。

この発明の変位検出装置は、第１、第２姿勢データ算出部、データ抽出部、および、変位演算部を備える。第１姿勢データ算出部は、構造物の第１位置に配置されている。第１姿勢データ算出部は、受信した測位信号を用いて、第１位置の姿勢データを算出するとともに、第１位置の姿勢データの算出時刻を測位システムの時刻で算出する。第２姿勢データ算出部は、構造物の第２位置に配置されている。第２姿勢データ算出部は、受信した測位信号を用いて、第２位置の姿勢データを算出するとともに、第２位置の姿勢データの算出時刻を測位システムの時刻で算出する。データ抽出部は、測位システムの時刻を用いて、同一時刻の第１位置の姿勢データと第２位置の姿勢データを抽出する。変位演算部は、同一時刻の第１位置の姿勢データと第２位置の姿勢データとの差を用いて、構造物の変位量および変位方向を算出する。

この構成では、構造物の複数位置の姿勢データをそれぞれ個別に算出しても、測位信号が属する測位システムの時刻によって、同一時刻の姿勢データを容易且つ精確に抽出することができる。これにより、簡素な構成で容易に構造物の変位を算出できる。

この発明の変位共有システムは、構造物の変位検出装置を複数備え、複数の変位検出装置は、それぞれに離間した異なる地域に配置されている。変位を検出した変位検出装置は、他の変位検出装置に対して、検出した変位と、測位システムの時刻に基づく変位検出時刻を送信する
この構成では、広域で変位を算出し、各地域で相互に変位情報を共有することができる。これにより、例えば、広域の地震通知システムを構成でき、防災対策に有効活用することができる。

この発明によれば、簡素な構成でありながら構造物の変位を精確に検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係る構造物の変位検出装置の構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る構造物の変位検出装置をビルに装備した例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るビルにねじれが生じた場合のビルの挙動例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るビルにたわみが生じた場合のビルの挙動例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る構造物の変位検出方法のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る構造物の変位検出装置をビルに装備した例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る構造物の変位検出装置をビルに装備した例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るビルが動揺した場合のビルの挙動例を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る構造物の変位検出装置を家屋の経年劣化の検出に利用する態様を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る構造物の変位検出装置を橋梁に装備した例を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る構造物の変位検出装置を船舶に装備した例を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る変位の共有システムの概念を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る変位の共有システムで用いる変位検出装置の構成を示すブロック図である。

本発明の第１の実施形態に係る構造物の変位検出装置について、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る構造物の変位検出装置の構成図である。

変位検出装置１は、第１姿勢データ算出部１１、第２姿勢データ算出部２１、データ抽出部３０、および、変位演算部４０を備える。第１姿勢データ算出部１１は、姿勢演算部１１１、アンテナ１１２Ａ，１１２Ｂ、およびセンサ部１１３を備える。第２姿勢データ算出部２１は、姿勢演算部２１１、アンテナ２１２Ａ，２１２Ｂ、およびセンサ部２１３を備える。

測位信号は、測位衛星ＳＡＴから送信されており、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）のＧＰＳ信号等である。測位信号は、所定の周波数からなる搬送波に航法メッセージを重畳した信号である。航法メッセージには、時刻、衛星位置、衛星軌道等の測位に必要なデータが含まれている。測位信号は、航法メッセージが重畳された搬送波を擬似雑音コードでコード変調した信号である。擬似雑音コードは、測位衛星毎に固有のものである。なお、図１では、１つの測位衛星ＳＡＴしか図示していないが、複数の測位衛星ＳＡＴから、それぞれ固有の擬似雑音コードでコード変調された測位信号が送信されている。全ての測位衛星ＳＡＴは、測位システムの時刻（例えば、ＧＰＳシステムのＧＰＳ時刻（週内時計））を基準にし、同期して測位信号を送信している。このＧＰＳ時刻が本発明の「測位システムの時刻」に相当する。

第１姿勢データ算出部１１のアンテナ１１２Ａ，１１２Ｂは、測位信号を受信して、姿勢演算部１１１に出力する。センサ部１１３は、例えば、角速度センサを備える。この場合、測位信号を用いて算出する二軸に直交する一軸の角速度が得られる構成であればよい。センサ部１１３は、角速度を姿勢演算部１１１に出力する。

姿勢演算部１１１は、アンテナ１１２Ａ，１１２Ｂで受信した測位信号の捕捉、追尾を、予め設定したサンプリングタイミング毎に行う。姿勢演算部１１１は、測位信号のコード擬似距離等を算出し、アンテナ１１２Ａ，１１２Ｂ間の基線ベクトルを算出する。姿勢演算部１１１は、サンプリングタイミング毎に、基線ベクトルを算出する。姿勢演算部１１１は、センサ部１１３からの角速度を取得する。姿勢演算部１１１は、基線ベクトルと角速度とから、第１姿勢データ算出部１１の位置（本発明の「第１位置」に相当する。）での姿勢を算出する。ここで、姿勢とは、絶対座標系の直交三軸と基線ベクトルとの成す角の角度で算出される。

姿勢演算部１１１は、アンテナ１１２Ａ，１１２Ｂで受信した測位信号を復調して、航法メッセージを解析する。姿勢演算部１１１は、航法メッセージに含まれている測位システムの時刻を取得する。姿勢演算部１１１は、算出した姿勢と測位システムの時刻とを関連付けしておく。

姿勢演算部１１１は、予め設定した基準姿勢と算出した姿勢との差を算出し、第１姿勢データ算出部１１の位置における姿勢の変位ベクトルを算出する。第１姿勢データ算出部１１の位置における基準姿勢とは、例えば変位が発生していない状態において第１姿勢データ算出部１１の位置で算出された姿勢であり、予め変位が発生していない時に取得できる。姿勢演算部１１１は、姿勢の変位ベクトルと測位システムの時刻とを関連付けして、第１姿勢データとして、データ抽出部３０に出力する。

第２姿勢データ算出部２１のアンテナ２１２Ａ，２１２Ｂは、測位信号を受信して、演算部２１１に出力する。センサ部２１３は、例えば、角速度センサを備える。この場合、測位信号を用いて算出する二軸に直交する一軸の角速度が得られる構成であればよい。センサ部２１３は、角速度を演算部２１１に出力する。

姿勢演算部２１１は、アンテナ２１２Ａ，２１２Ｂで受信した測位信号の捕捉、追尾を、予め設定したサンプリングタイミング毎に行う。姿勢演算部２１１は、測位信号のコード擬似距離等を算出し、アンテナ２１２Ａ，２１２Ｂ間の基線ベクトルを算出する。姿勢演算部２１１は、サンプリングタイミング毎に、基線ベクトルを算出する。姿勢演算部２１１は、センサ部２１３からの角速度を取得する。姿勢演算部２１１は、基線ベクトルと角速度とから、第２姿勢データ算出部２１の位置（本発明の「第２位置」に相当する。）での姿勢を算出する。

姿勢演算部２１１は、アンテナ２１２Ａ，２１２Ｂで受信した測位信号を復調して、航法メッセージを解析する。姿勢演算部２１１は、航法メッセージに含まれている測位システムの時刻を取得する。姿勢演算部２１１は、算出した姿勢と測位システムの時刻とを関連付けしておく。

姿勢演算部２１１は、予め設定した基準姿勢と算出した姿勢との差を算出し、第２姿勢データ算出部２１の位置における姿勢の変位ベクトルを算出する。第２姿勢データ算出部２１の位置における基準姿勢とは、例えば変位が発生していない状態において第２姿勢データ算出部２１の位置で算出された姿勢であり、予め変位が発生していない時に取得できる。姿勢演算部２１１は、姿勢の変位ベクトルと測位システムの時刻とを関連付けして、第２姿勢データとして、データ抽出部３０に出力する。

アンテナ２１２Ａ，２１２Ｂが受信した測位信号と、アンテナ１１２Ａ，１１２Ｂが受信した測位信号は、同じ測位システムに属している。したがって、姿勢演算部２１１が出力する測位システムの時刻は、姿勢演算部１１１が出力する測位システムの時刻と一致する。

データ抽出部３０は、姿勢演算部１１１から入力される第１姿勢データと、姿勢演算部２１１から入力される第２姿勢データとから、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データを抽出する。

具体的には、データ抽出部３０は、第１姿勢データに関連付けられた測位システムの時刻と、第２姿勢データに関連付けられた測位システムの時刻を比較する。データ抽出部３０は、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データと抽出し、この時刻に関連付けする。データ抽出部３０は、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データを、当該時刻とともに、変位演算部４０に出力する。

変位演算部４０は、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データとの差から構造物の変位量および変位方向を算出する。具体的には、変位演算部４０は、測位システムの時刻での時刻ｔ１に関連付けされた第１姿勢データから、第１姿勢データ算出部１１の位置での姿勢の変位ベクトルを取得する。

変位演算部４０は、測位システムの時刻での時刻ｔ１に関連付けされた第２姿勢データから、第２姿勢データ算出部２１の位置での姿勢の変位ベクトルを取得する。

変位演算部４０は、第１姿勢データ算出部１１の位置における姿勢の変位ベクトル、および第２姿勢データ算出部２１の位置における姿勢の変位ベクトルがともに「０」であることを検出すると、構造物の変位が発生していないと判定する。

変位演算部４０は、第１姿勢データ算出部１１の位置における姿勢の変位ベクトルおよび第２姿勢データ算出部２１の位置における姿勢の変位ベクトルの少なくとも一方が「０」でないことを検出すると、第１姿勢算出部１１の位置における姿勢の変位ベクトルと、第２姿勢算出部２１の位置における姿勢の変位ベクトルの差を算出する。この算出された差は、ベクトル量であり、構造物の変位量および変位方向を表す。変位演算部４０は、この構造物の変位量および変位方向に基づいて、構造物の変位の種類を判定する。構造物の変位の種類としては、後述する、ねじれ、たわみ、および動揺である。

このように、本実施形態の構成を用いることで、測位システムの時刻を用いて、異なる複数箇所で検出された姿勢における同一時刻の姿勢を容易に抽出することができる。したがって、同一時刻の姿勢を抽出するための構成や装置を別途用いる必要が無い。また、同一の測位システムの時刻を用いていることにより、精確に同一時刻の第１姿勢データ算出部１１の位置の姿勢と第２姿勢データ算出部１２の位置の姿勢を抽出でき、構造物の変位量および変位方向を精確に算出することができる。

なお、上述の説明では、２つのアンテナと一軸のセンサを用いる態様を示したが、１つアンテナと二軸のセンサを用いる態様や、一直線上にない３つのアンテナを用いる態様で、第１、第２姿勢データ算出部１１，１２を構成してもよい。いずれの態様であっても、第１姿勢データ算出部１１と第２姿勢データ算出部１２は、同じ測位システムに属する測位信号を用いて、姿勢データの算出時刻を得ることができ、構造物の変位量および変位方向を精確に算出することができる。

また、上述の説明では、第１姿勢データ算出部１１と第２姿勢データ算出部２１で、同じ測位システムの測位信号を受信する場合を示した。しかしながら、例えば基準時刻が異なる複数の測位システムの測位信号を受信した場合には、受信した測位信号がそれぞれに属する複数の測位システムの時刻間の差を参照し、１つの測位システムの時刻に統一して、同一時刻の姿勢データを抽出する処理を行えばよい。

また、第１姿勢データ算出部１１が受信した測位信号を送信した測位衛星と、第２姿勢データ算出部２１が受信した測位信号を送信した測位衛星は、全く同じであることが好ましいが、同じ測位システムの測位衛星から送信された測位信号であれば、全て同じでなくても、同一時刻の姿勢データを抽出する処理を行うことができる。例えば、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１の設置位置によっては、受信環境が変化し、受信可能な測位信号の組合せが異なることがあるが、同じ測位システムの測位衛星から送信される測位信号であれば、同様の作用効果を得ることができる。この場合、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１は、ＤＯＰ等を用いて姿勢算出の精度を判定する機能を備えておけば、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１で算出される姿勢を個別に高精度にすることができ、構造物の変位をより高精度に算出することができる。

また、上述のように、測位信号を用いた航法演算とセンサを用いた慣性演算を用いることで、測位信号が受信できなくなった期間であっても、姿勢を算出できる。この場合、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１は、測位信号から時刻を取得できなくなるが、それぞれに備えられた装置内時計の誤差を、姿勢算出とともに予め推定して逐次較正しておくことで、測位信号から時刻が取得できない期間であっても、同一時刻の姿勢データを抽出する処理を行うことができる。

第１姿勢データ算出部１１を構成する各部は、例えば１つの筐体に装備されている。第２姿勢データ算出部２１を構成する各部は、第１姿勢データ算出部１１とは別体の筐体に装備されている。図２は、本発明の第１の実施形態に係る構造物の変位検出装置をビルに装備した例を示す図である。図２（Ａ）はビルを平面視した図であり、図２（Ｂ）はビルを側面視した図である。なお、図２では、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１の大きさを誇張して示している。

図２に示すように、第１姿勢データ算出部１１は、ビル９０の屋上９０Ｔに装備されている。第１姿勢データ算出部１１は、屋上９０Ｔの１つの角部付近に装備されている。第２姿勢データ算出部２１は、ビル９０の地表部９０Ｇ付近に装備されている。この際、第２姿勢データ算出部２１は、平面視して、第１姿勢データ算出部１１と重ならないように配置されている。なお、第２姿勢データ算出部２１は、平面視して、第１姿勢データ算出部１１と重なってもよいが、重ならない方が好ましい。また、第１姿勢データ算出部１１と第２姿勢データ算出部２１との平面視した位置関係は、図２の構成に限らない。

第１姿勢データ算出部１１は、ビル９０の屋上９０Ｔの変位を算出する。第２姿勢データ算出部２１は、ビル９０の地表部９０Ｇ付近の変位を算出する。

データ抽出部３０は、測位システムの時刻に基づいて、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データを抽出する。測位システムの時刻を用いることで、高い精度で同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データを抽出することができる。変位演算部４０は、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データとを用いて、ビル９０の変位を判定する。このように、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データを精確に抽出できることにより、ビル９０の変位を精確に検出することができる。そして、本実施形態に示すように、測位信号を用いることで、測位信号から得られる測位システムの時刻に基づいて同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データを抽出する処理を行えるので、簡素な構成で且つ精確にビル９０の変位を検出することができる。

なお、上述の説明では、基準姿勢に対する姿勢の変位ベクトルを用いる例を示したが、基準姿勢を用いずに、変位ベクトルを算出することも可能である。この場合、姿勢算出部１１および変位演算部４０は、測位システムの時刻において、第１の時刻ｔ１における第１姿勢データ算出部１１の位置の姿勢から第２の時刻ｔ２における第１姿勢データ算出部１１の位置の姿勢への姿勢の変化を姿勢の変位ベクトルとして算出する。姿勢算出部１２および変位演算部４０は、第１の時刻ｔ１における第２姿勢データ算出部２１の位置の姿勢から第２の時刻ｔ２における第２姿勢データ算出部２１の位置の姿勢への姿勢の変化を姿勢の変位ベクトルとして算出する。変位演算部４０は、第１姿勢データ算出部１１の位置での２つの時刻間に生じる姿勢の変位ベクトルと、第２姿勢データ算出部２１の位置での２つの時刻間に生じる姿勢の変位ベクトルとの差から、構造物の変位を算出する。

具体的な態様として、ビル９０に変位が生じていない場合、第１姿勢データ算出部１１における姿勢と第２姿勢データ算出部２１における姿勢は、これら第１、第２姿勢データ算出部１１，２１を設置した時のままである。すなわち、第１姿勢データ算出部１１における姿勢と第２姿勢データ算出部２１における姿勢は、設置当初に算出された基準姿勢から変化しない。したがって、第１姿勢データ算出部１１および第２姿勢データ算出部２１の姿勢の変位ベクトルはともに「０」である。

ビル９０に変位、例えば、ねじれやたわみが生じると、ビル９０に対する第１姿勢データ算出部１１及び第２姿勢データ算出部２１の配置位置に応じて、第１姿勢データ算出部１１における姿勢と第２姿勢データ算出部２１における姿勢の少なくとも一方が変化する。したがって、第１姿勢データ算出部１１および第２姿勢データ算出部２１の少なくとも一方の姿勢の変位ベクトルは「０」でない。

例えば、図２に示すように、屋上９０Ｔに装備された第１姿勢データ算出部１１は、ビル９０の変位の影響を受けやすい。一方、地表部９０Ｇ付近に装備された第２姿勢データ算出部２１は、ビル９０の変位の影響を受け難い。したがって、ビル９０に変位が生じると、第１姿勢データ算出部１１における姿勢と第２姿勢データ算出部２１における姿勢とが異なる変化をし、第１姿勢データ算出部１１における姿勢の変位ベクトルと第２姿勢データ算出部２１における姿勢の変位ベクトルは異なる。特に、図２に示すように、ビル９０の変位の影響度が大きく異なる位置に姿勢データ算出部をそれぞれ備えることで、姿勢の変位ベクトルの差を大きく算出することができる。これにより、ビル９０の変位量および変位方向をより算出しやすくなる。

変位演算部４０は、この姿勢の変位ベクトルの差を算出することで、ビル９０に変位が生じたか否かを検出でき、ビル９０の変位量および変位方向を算出することができる。

図３は、ビルにねじれが生じた場合のビルの挙動例を示す図である。図３（Ａ）はビルを平面視した図であり、図３（Ｂ）はビルを側面視した図である。なお、図３は図２を基準状態（変位が生じていない状態）として記載した図である。

図３に示すように、ビル９０にねじれが生じた場合、ビル９０の屋上９０Ｔは、地表に平行な面（図３のＸ−Ｙ平面）内で回動するようにビル９０が変形する。一方、ビル９０の地表面から屋上９０Ｔまでの距離（図３のＺ方向に沿った距離）は、殆ど変化しない。そして、地表９０Ｇに近い部分では、ビル９０は殆ど変形しない。

このため、屋上９０Ｔに装備された第１姿勢データ算出部１１で得られる姿勢の変位ベクトルは大きく、地表９０Ｇ付近に装備された第２姿勢データ算出部２１で得られる姿勢の変位ベクトルは小さい。

変位演算部４０は、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１で得られる姿勢の変位ベクトルの差から、ビル９０の変位量および変位方向を検出することで、ビル９０にねじれが生じたことを検出できる。

図４は、ビルにたわみが生じた場合のビルの挙動例を示す図である。図４（Ａ）はビルを平面視した図であり、図４（Ｂ）はビルを側面視した図である。なお、図４は図２を基準状態（変位が生じていない状態）として記載した図である。

図４に示すように、ビル９０にたわみが生じた場合、ビル９０の屋上９０Ｔの一方端が地表に近づくようにビル９０が変形する。また、ビル９０を平面視すると、屋上９０Ｔが平行移動するように、ビル９０が変形する。一方、地表９０Ｇに近い部分では、ビル９０は殆ど変形しない。

このため、屋上９０Ｔに装備された第１姿勢データ算出部１１で得られる姿勢の変位ベクトルは大きく、地表９０Ｇ付近に装備された第２姿勢データ算出部２１で得られる姿勢の変位ベクトルは小さい。

変位演算部４０は、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１で得られる姿勢の変位ベクトルの差から、ビル９０の変位量および変位方向を検出することで、ビル９０にたわみが生じたことを検出できる。

ねじれとたわみでは、ビル９０の変位量および変位方向が異なるので、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１で得られる姿勢の変位ベクトルの差も異なる。したがって、この姿勢の変位ベクトルの差の特徴から、単にビル９０の変位のみでなく、ねじれ、たわみといった変位の種類も検出することができる。

このように、ビル９０の変位を算出できることで、ビル９０の効果的な維持管理、耐震性の把握、耐震性補償の決定を、確実に行うことができる。また、ビル９０の天災による被災度を精確に判定することができる。

なお、上述の説明では、各処理を複数の機能ブロックで分担して実行する例を示したが、アンテナ１１２Ａ，１１２Ｂ，２１２Ａ，２１２Ｂ、センサ部１１３，２１３の配置位置を、上述のように決定しておけば、次のフローを実現するプログラムをコンピュータに実行させることで、ビル９０の変位検出を行うことができる。図５は、本発明の第１の実施形態に係る構造物の変位検出方法のフローチャートである。

まず、コンピュータは、第１の位置にあるアンテナ１１２Ａ，１１２Ｂ、および第２の位置にあるアンテナ２１２Ａ，２１２Ｂで受信した測位信号を取得し、測位信号を追尾して航法メッセージを取得する。コンピュータは、航法メッセージから測位システムの時刻を取得する（Ｓ１０１）。

コンピュータは、第１の位置に関する第１姿勢データおよび第２の位置に関する第２姿勢データを算出する（Ｓ１０２）。

次に、コンピュータは、第１姿勢データと第２姿勢データとを、取得した測位システムの時刻に関連付けして記憶する（Ｓ１０３）。

次に、コンピュータは、測位システムの時刻に基づいて、同一時刻に算出した第１姿勢データと第２姿勢データとを抽出する（Ｓ１０４）。

次に、コンピュータは、同一時刻の第１姿勢データと第２姿勢データとの比較結果、例えば、第１位置で得られる姿勢の変位ベクトルと第２位置で得られる姿勢の変位ベクトルとの差から、構造物の変位量および変位方向を算出する（Ｓ１０５）。

次に、第２の実施形態に係る構造物の変位検出装置について、図を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る構造物の変位検出装置をビルに装備した例を示す図である。図６（Ａ）はビルを平面視した図であり、図６（Ｂ）はビルを側面視した図である。なお、図６では、第１、第２、第３姿勢データ算出部１１，２１，３１の大きさを誇張して示している。

本実施形態に係る構造物の変位検出装置は、第１の実施形態に示した変位検出装置１に対して、さらに、第３姿勢データ算出部３１を追加したものである。第３姿勢データ算出部３１は、第１姿勢データ算出部１１および第２姿勢データ算出部２１と同じ内部構成からなり、第３姿勢データを生成して、データ抽出部を介して変位演算部に出力する。変位演算部は、上述の実施形態と同様に、第１、第２、第３姿勢データの差を用いて、ねじれ、たわみ等のビル９０の変位を算出する。このように、姿勢データの算出箇所を増加させることで、ビル９０の変位を、より詳細に検出することができる。なお、本実施形態では、姿勢データ算出部を３つ用いる例を示したが、４つ以上であってもよい。

次に、第３の実施形態に係る構造物の変位検出装置について、図を参照して説明する。図７は本発明の第３の実施形態に係る構造物の変位検出装置をビルに装備した例を示す図である。図７（Ａ）はビルを平面視した図であり、図７（Ｂ）はビルを側面視した図である。なお、図７では、第１、第２、第４姿勢データ算出部１１，２１，４１の大きさを誇張して示している。

本実施形態に係る構造物の変位検出装置は、第１の実施形態に示した変位検出装置１に対して、さらに、第４姿勢データ算出部４１を追加したものである。第４姿勢データ算出部４１は、第１姿勢データ算出部１１および第２姿勢データ算出部２１と同じ内部構成からなり、第４姿勢データを生成して、データ抽出部を介して変位演算部に出力する。第４姿勢データ算出部４１は、ビル９０の高さ方向に沿って、屋上９０Ｔと地表９０Ｇの途中位置に装備されている。このような構成を用いることで、ビル９０の動揺を検出することができる。

図８は、ビルが動揺した場合のビルの挙動例を示す図である。なお、図８は図２（Ｂ）を基準状態（変位が生じていない状態）として記載した図である。

図８の白矢印に示すように、ビル９０に動揺が生じると、ビル９０の高さ方向によって、地表面に平行な方向における変位量や変位方向が異なる。したがって、次の方法を用いれば、ビル９０の動揺を検出することができる。ビル９０の高さ方向に沿って、複数箇所に姿勢データ算出部を配置する。各姿勢データ算出部は、姿勢の変位ベクトル（特に、地表面に平行な方向の姿勢の変位量）を継続的に算出する。動揺が生じる場合、姿勢の変位ベクトルは、ビル９０の高さ方向の位置によって異なる。したがって、変位演算部は、各姿勢データ算出部が算出する姿勢の変位ベクトルの時間変化を比較することで、ビル９０の動揺を検出することができる。

なお、このような動揺を検出する場合、測位信号やセンサ部から加速度を検出すると、より容易に動揺を検出することができる。

そして、このように、動揺を検出することで、地震時のビル９０への影響を、精確に検出することができる。したがって、耐震性保証の決定、地震の被災状況、避難の判断等に、有効に利用することができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る構造物の変位検出装置について、図を参照して説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係る構造物の変位検出装置を家屋の経年劣化の検出に利用する態様を示す図である。図９（Ａ）は、家屋の建築当初の状態を示し、図９（Ｂ）は家屋の経年劣化が生じた状態を示し、図９（Ｃ）は土台の崩れが生じた状態を示す。

図９に示すように、本実施形態では、第１姿勢データ算出部１１は家屋９１に装備され、第２姿勢データ算出部２１は土台９０１に設置されている。
図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、家屋９１が経年劣化によって傾くと、第１姿勢データ算出部１１で算出される姿勢が変化する。この際、土台９０１は崩れていないので、第２姿勢データ算出部２１で算出される姿勢は変化しない。

したがって、変位演算部は、継続的に第１姿勢データ算出部１１の姿勢の変位ベクトルと第２姿勢データ算出部２１の姿勢の変位ベクトルとを記憶しておく。そして、変位演算部は、第２姿勢データ算出部２１の姿勢の変位ベクトルが略「０」であり、且つ、第１姿勢データ算出部１１の姿勢の変位ベクトルと第２姿勢データ算出部２１の姿勢の変位ベクトルとの差が大きく変化したことを検出すると、家屋９１が経年劣化によって傾いたことを検出することができる。

図９（Ａ），（Ｃ）に示すように、土台９０１が経年劣化によって傾くと、第１姿勢データ算出部１１で算出される姿勢および第２姿勢データ算出部２１で算出される姿勢がともに変化する。

したがって、変位演算部は、継続的に第１姿勢データ算出部１１の姿勢の変位ベクトルと第２姿勢データ算出部２１の姿勢の変位ベクトルとを記憶しておく。そして、変位演算部は、第１姿勢データ算出部１１の姿勢の変位ベクトルと第２姿勢データ算出部２１の姿勢の変位ベクトルが「０」と異なって大きく、且つ、第１姿勢データ算出部１１の姿勢の変位ベクトルと第２姿勢データ算出部２１の姿勢の変位ベクトルとの差が殆ど変化していないことを検出すると、土台９０１が崩れて、それに伴い、家屋９１が傾いたことを検出することができる。

なお、本実施形態では、経年劣化の検出を例にしたが、地震や暴風雨等の自然災害によって、家屋９１が傾いたことや、土台９０１が崩れたことを検出することもできる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る構造物の変位検出装置について、図を参照して説明する。上述の各実施形態では、構造物として、ビル、家屋等の建築物を例に示したが、本実施形態では、橋梁に適用した場合を示す。図１０は本発明の第５の実施形態に係る構造物の変位検出装置を橋梁に装備した例を示す図である。図１０（Ａ）は橋梁を側面視した図であり、図１０（Ｂ）は橋梁を正面視した図である。なお、図１０では、第１、第２、第３姿勢データ算出部１１，２１，３１の大きさを誇張して示している。

橋梁９２は、主塔９２１，９２２、主桁９２３、吊りワイヤ９２４を備える。主桁９２３は、橋梁９２を渡す方向に延びる形状である。主桁９２３の延びる方向の途中位置には、主塔９２１，９２２が配設されている。主桁９２３は、複数本の吊りワイヤ９２４を用いて、主塔９２１，９２２に対して吊り上げられている。

このような橋梁９２に対して、主塔９２１，９２２の先端付近にそれぞれ第１姿勢データ算出部１１と第２姿勢データ算出部２１が装備されている。これにより、主塔９２１，９２２の先端の姿勢の変位ベクトルを検出でき、主塔９２１，９２２のねじれ、たわみを検出することができる。ひいては、橋梁９２のねじれ、たわみを検出することができる。なお、橋梁９２のねじれとは、図１０のＬ方向、すなわち主桁９２３の延びる方向を軸とする回動であり、回動量および回動方向が位置、例えば主塔９２１，９２２によって異なる状態を示す。また、橋梁９２のたわみとは、図１０のＨ方向に主桁９２３の一部が変位する状態を示す。

また、図１０に示すように主桁９２３における主塔９２１の位置と主塔９２２の位置との中間位置に、第３姿勢データ算出部３１を装備するとよい。第３姿勢データ算出部３１を装備することで、主桁９２３のたわみを検出することができる。これにより、橋梁９２のねじれ、たわみをより多様な観点から検出することができる。さらに、第３姿勢データ算出部３１を、主桁９２３の延びる方向の略中心、言い換えれば、主桁９２３の延びる方向における主塔９２１，９２２の位置の略中間の位置に配置することで、より確実に橋梁９２のたわみを検出することができる。

このような橋梁９２のねじれ、たわみ等の変位を算出することで、強風や地震等の天災による橋梁９２への負荷を検出でき、通行禁止等の判断や保守点検に、有効に利用することができる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る構造物の変位検出装置について、図を参照して説明する。上述の各実施形態では、構造物として、ビル、家屋等の建築物や橋梁を例に示したが、本実施形態では、船舶に適用した場合を示す。図１１は本発明の第６の実施形態に係る構造物の変位検出装置を船舶に装備した例を示す図である。なお、図１１では、船舶の側面図を示し、第１、第２姿勢データ算出部１１，２１の大きさを誇張して示している。

船舶９３は、船体９３０と、操舵室等を備えたブリッジ９３１を備える。船体９３０は、船首尾方向に長く、ブリッジ９３１は、船体９３０の船尾よりの位置に配置されている。

船体９３０の船首付近には、第１姿勢データ算出部１１が装備されている。船体９３０の船尾付近、例えばブリッジ９３１の屋上には、第２姿勢データ算出部２１が装備されている。これにより、船体９３０の船首および船尾の先端の姿勢の変位ベクトルを検出でき、船舶９３のねじれ、たわみを検出することができる。なお、船舶９３のねじれとは、図１１のＬ方向（船首−船尾方向）を軸とする回動であり、回動量および回動方向が位置、例えば船首と船尾とによって異なる状態を示す。また、船舶９３のたわみとは、図１１のＨ方向への船体９３０の変位が船体９３０のＬ方向（船首−船尾方向）における位置毎に異なる状態を示す。

このような船舶９３のねじれ、たわみ等の変位を算出することで、波や風の自然の外力による船舶９３への負荷を検出でき、航行速度の低下の判断、航行中止の判断や保守点検に、有効に利用することができる。

なお、上述の各実施形態では、各姿勢データ算出部、データ抽出部、および変位演算部が接続される構成を記載しているが、この接続を実現する通信態様は、有線であっても無線であってもよい。さらに、リアルタイム性が求められない場合には、各姿勢データ算出部で姿勢データを記憶しておき、後に姿勢データをデータ抽出部および変位演算部に出力し、構造物の変位を算出してもよい。また、アンテナで受信した測位信号の追尾結果（基線ベクトル等）とセンサ部からの出力データ（角速度等）を記憶しておき、後に姿勢算出を行うようにしてもよい。特に、構造物の保守、点検の場合は、これらの構成を用いればよい。

また、上述の各実施形態では、姿勢データ算出部がデータ抽出部および変位演算部と別体で、アンテナやセンサ部と一体になっている。しかしながら、姿勢データ算出部がデータ抽出部および変位演算部と一体で、アンテナやセンサ部と別体にしてもよい。

次に、本発明の第７の実施形態に係る変位の共有システムについて、図を参照して説明する。図１２は、本発明の第７の実施形態に係る変位の共有システムの概念を示す図である。図１３は、本発明の第７の実施形態に係る変位の共有システムで用いる変位検出装置の構成を示すブロック図である。

図１２に示すように、構造物の変位の共有システム９０は、複数の変位検出装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆを備える。各変位検出装置１Ａ−１Ｆは、変位を共有したい全領域を複数の地域に分割し、地域ごとに配置されている。各変位検出装置１Ａ−１Ｆは、例えば、各地域に建築された高層ビル等に装備されている。

図１３に示すように、変位検出装置１Ａは、上述の変位検出装置１に対して、通信制御部５０と通信用アンテナ５５とを追加したものである。他の構成は、上述の変位検出装置１と同じである。また、変位検出装置１Ａ−１Ｆは、基本的には同じ構成である。したがって、変位検出装置１Ａのみを具体的に説明する。

変位検出装置１Ａの通信制御部５０は、変位演算部４０が出力した構造物の変位（変位量および変位方向）を、通信用アンテナ５５を介して送信する。また、通信制御部５０は、通信用アンテナ５５を介して受信した、他の変位検出装置で検出した変位を取得し、所定の通知、報知処理を行う。

このような構成からなる変位の共有システム９０を用いることで、例えば、地震の警報システムを実現することができる。地震が発生すると、発生地点に最も近い地域の変位検出装置によって、地震による構造物の変位を算出する。地震による構造物の変位を算出した変位検出装置は、無線通信により、他の変位検出装置に地震による構造物の変位の発生を通知する。この際、地震による構造物の変位を算出した変位検出装置は、測位システムの時刻に基づいて、変位の発生時刻（地震の発生時刻）、検出した変位量、変位方向、変位の周期（例えば、動揺周期）等を通知する。

他の変位検出装置は、構造物の変位の発生を受信すると、例えば、当該変位検出装置がある地域における地震による揺れの到達予測時刻を推定する。この際、本実施形態の変位検出装置は、測位信号を用いているので、測位システムの時刻によって精確に発生時刻を得ることができるので、通知を受信した側の変位検出装置が、通知した側の変位検出装置から遠く離れていても、到達予測時刻を精確に推定することができる。これにより、他の変位検出装置が配置された地域に対して、より有用で確からしい通知を行うことができる。

より具体的には、長周期地震動の伝搬速度は、３〜７ｋｍ／ｓｅｃ．である。したがって、阪神地域で地震が生じた場合、東北地域に長周期地震動が到達するのに、１分以上かる。したがって、無線通信を行って、阪神地域で長周期地震動が発生したことを通知すれば、東北地域では、長周期地震動が到達する前に長周期地震動による対策を確実に行うことができる。したがって、防災の観点から非常に有効である。

１，１Ａ：変位検出装置
１１，２１，３１，４１：姿勢データ算出部
３０：データ抽出部
４０：変位演算部
５０：通信制御部
５５：通信用アンテナ
６０：変位の共有システム
９０：ビル
９０Ｔ：屋上
９０Ｇ：地表部
９１：家屋
９２：橋梁
９３：船舶
１１１，２１１：姿勢演算部
１１２Ａ，１１２Ｂ，２１２Ａ，２１２Ｂ：アンテナ
１１３，２１３：センサ部
９０１：土台

Claims (9)

1. 構造物の第１位置に配置され、測位信号をそれぞれに受信する複数のアンテナを備え、受信した前記測位信号から得られる前記第１位置の複数のアンテナの基線ベクトルを用いて、前記第１位置の姿勢データを算出するとともに、前記受信した測位信号に含まれる測位システムの時刻によって前記第１位置の姿勢データの算出時刻を取得する第１姿勢データ算出部と、
   前記構造物の第２位置に配置され、測位信号をそれぞれに受信する複数のアンテナを備え、受信した前記測位信号から得られる前記第２位置の複数のアンテナの基線ベクトルを用いて、前記第２位置の姿勢データを算出するとともに、前記受信した測位信号に含まれる測位システムの時刻によって前記第２位置の姿勢データの算出時刻を取得する第２姿勢データ算出部と、
   前記測位システムの時刻に基づいて、同一時刻の前記第１位置の姿勢データと前記第２位置の姿勢データを抽出するデータ抽出部と、
   同一時刻の前記第１位置の姿勢データと前記第２位置の姿勢データとの差を用いて、前記構造物の変位量および変位方向を算出する変位演算部と、
   を備える、構造物の変位検出装置。
2. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記第１姿勢データ算出部は、前記第１位置の基準姿勢からの姿勢の変位ベクトルを前記第１位置の姿勢データとして算出し、
   前記第２姿勢データ算出部は、前記第２位置の基準姿勢からの姿勢の変位ベクトルを前記第２位置の姿勢データとして算出する、
   構造物の変位検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の構造物の変位検出装置であって、
   前記変位演算部は、前記構造物の変位量および変位方向に基づいて、前記構造物の変位の有無を検出する、
   構造物の変位検出装置。
4. 請求項３に記載の構造物の変位検出装置であって、
   前記変位演算部は、前記構造物の変位量および変位方向から、前記構造物の変位の種類を検出する、
   構造物の変位検出装置。
5. 請求項４に記載の構造物の変位検出装置であって、
   前記構造物の変位は、前記構造物のねじれ、たわみ、および動揺の少なくとも１つである、
   構造物の変位検出装置。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の構造物の変位検出装置であって、
   前記変位演算部は、
   前記構造物の変位量および変位方向を所定期間に亘り記憶しておき、前記構造物の変位量および変位方向の経時変化から、前記構造物の経時劣化を検出する、
   構造物の変位検出装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の構造物の変位検出装置を複数備え、
   複数の変位検出装置は、それぞれに離間した異なる地域に配置されており、
   変位を検出した変位検出装置は、
   他の変位検出装置に対して、検出した変位と、前記測位システムの時刻に基づく変位検出時刻を送信する、
   構造物の変位の共有システム。
8. 構造物の第１位置に配置された複数のアンテナで受信した測位信号から得られる前記第１位置の複数のアンテナの基線ベクトルを用いて、前記第１位置の姿勢データを算出するとともに、前記受信した測位信号に含まれる測位システムの時刻によって、前記第１位置の姿勢データの算出時刻を取得する第１姿勢データ算出工程と、
   前記構造物の第２位置に配置された複数のアンテナで受信した測位信号から得られる前記第２位置の複数のアンテナの基線ベクトルを用いて、前記第２位置の姿勢データを算出するとともに、前記受信した測位信号に含まれる測位システムの時刻によって、前記第２位置の姿勢データの算出時刻を取得する第２姿勢データ算出工程と、
   前記測位システムの時刻に基づいて、同一時刻の前記第１位置の姿勢データと前記第２位置の姿勢データを抽出するデータ抽出工程と、
   同一時刻の前記第１位置の姿勢データと前記第２位置の姿勢データとの差を用いて、前記構造物の変位量および変位方向を算出する変位演算工程と、
   を有する、構造物の変位検出方法。
9. 構造物の変位検出処理をコンピュータに実行させる変位検出プログラムであって、
   前記コンピュータは、
   前記構造物の第１位置に配置された複数のアンテナが受信した測位信号から得られる前記第１位置の複数のアンテナの基線ベクトルを用いて、第１位置の姿勢データを算出するとともに、前記受信した測位信号に含まれる測位システムの時刻によって、前記第１位置の姿勢データの算出時刻を取得する第１姿勢データ算出処理と、
   前記構造物の第２位置に配置された複数のアンテナが受信した測位信号から得られる前記第２位置の複数のアンテナの基線ベクトルを用いて、前記第２位置の姿勢データを算出するとともに、前記受信した測位信号に含まれる測位システムの時刻によって、前記第２位置の姿勢データの算出時刻を取得する第２姿勢データ算出処理と、
   前記測位システムの時刻に基づいて、同一時刻の前記第１位置の姿勢データと前記第２位置の姿勢データを抽出するデータ抽出処理と、
   同一時刻の前記第１位置の姿勢データと前記第２位置の姿勢データとの差を用いて、前記構造物の変位量および変位方向を算出する変位演算処理と、
   を実行する、構造物の変位検出プログラム。

Images