JP6567268B2

JP6567268B2 - 信号処理装置、サーバ装置、検知システム及び信号処理方法

Info

Publication number: JP6567268B2
Application number: JP2014233532A
Authority: JP
Inventors: 隆碓井; 渡部　一雄; 一雄渡部; 笠原　章裕; 章裕笠原; 隆広大森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2034-11-18
Also published as: CN105606709A; US20160139084A1; US10545119B2; CN105606709B; JP2016099119A

Description

本発明の実施形態は信号処理装置、サーバ装置、検知システム及び信号処理方法に関する。

近年、高度経済成長期に建設された橋梁等の構造物の老朽化に伴う問題が顕在化してきている。万が一にも構造物に事故が生じた場合の損害は計り知れないため、構造物の状態を監視するための技術が従来から知られている。例えば内部亀裂の発生、又は、内部亀裂の進展に伴い発生する弾性波を、高感度センサにより検出するアコースティック・エミッション（ＡＥ：ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）方式により、構造物の損傷を検出する技術が知られている。

アコースティック・エミッションは、材料の疲労亀裂の進展に伴い発生する弾性波である。ＡＥ方式では、この弾性波を、圧電素子を利用したＡＥセンサにより電圧信号（ＡＥ信号）として検出する。ＡＥ信号は、材料の破断が生じる前の兆候として検出されるため、ＡＥ信号の発生頻度及び信号強度は材料の健全性を表す指標として有用である。そのためＡＥ方式によって構造物の劣化の予兆を検出する技術の研究が盛んに行われている。特に石油タンクの腐食診断、及び、機械装置の製造工程等においては、欧米を中心にＡＥ方式の検出技術が幅広く使用され、またＡＥ方式の検出技術の標準化も行われている。

特表２００８−５０１９５１号公報特開平９−２６４１４号公報

しかしながら従来の技術では、信号処理装置を設置できる場所が限られ、またＡＥ信号に基づく構造物の劣化診断処理の内容を柔軟に変更できなかった。

実施形態の信号処理装置は、受信部と時刻情報生成部と処理部と通信部とを備える。受信部は、構造物から発生する弾性波を検知するＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）センサから電圧信号を受信する。時刻情報生成部は、前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有する時刻情報を生成する。処理部は、前記電圧信号の特徴を示す特徴量情報と、前記電圧信号の受信時刻を示す前記時刻情報と、が関連付けられた検知情報を生成する。通信部は、前記検知情報をサーバ装置に送信する。

実施形態の検知システムの構成の例を示す図。実施形態の信号処理装置の構成の例を示す図。時刻情報のビット数と測定継続年数との関係を示す図。実施形態の処理部の構成の例を示す図。実施形態の検知情報の例を示す図。実施形態のサーバ装置の構成の例を示す図。実施形態の伝搬速度情報の例を示す図。実施形態の位置特定方法の例を説明するための図（１次元の場合）。実施形態の位置特定方法の例を説明するための図（２次元の場合）。実施形態の位置特定方法の例を説明するための図（２次元の場合）。実施形態の位置情報を示す表示情報の例を示す図。実施形態の累積エネルギーを示す表示情報の例を示す図。実施形態の位置校正方法の例を説明するための図。実施形態の信号処理装置の動作例を示すフローチャート。実施形態のサーバ装置の動作例を示すフローチャート。実施形態のサーバ装置のハードウェア構成の例を示す図。

以下に添付図面を参照して、実施形態の信号処理装置、サーバ装置、検知システム及び信号処理方法について詳細に説明する。

図１は実施形態の検知システムの構成の例を示す図である。実施形態の検知システム１は、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄ、信号処理装置１０及びサーバ装置３０を備える。ＡＥセンサ３ａ（３ｂ，３ｃ，３ｄ）は、ケーブル４ａ（４ｂ，４ｃ，４ｄ）により信号処理装置１０と接続されている。また信号処理装置１０及びサーバ装置３０はネットワーク２を介して接続されている。以下、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄを区別しない場合、単にＡＥセンサ３という。同様に、ケーブル４ａ乃至４ｄを区別しない場合、単にケーブル４という。

なおケーブル４は無線接続にしてもよい。またネットワーク２の通信方式は無線方式であっても有線方式であってもよく、無線方式と有線方式とを組み合わせて実現されていてもよい。また１つのサーバ装置３０に複数の信号処理装置１０を接続してもよい。また１つの信号処理装置１０に接続されるＡＥセンサ３の数は、弾性波の発生源の位置を特定（標定）するために必要な数を備えていれば、４つに限られず任意でよい。弾性波の発生源の位置を特定する方法の詳細については後述する。

ＡＥセンサ３は橋梁等の構造物に設置される。ＡＥセンサ３は、構造物から発生する弾性波を検知して、当該弾性波をＡＥ信号（電圧信号）に変換する。

具体的には、ＡＥセンサ３には、例えば１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲に感度を有する圧電素子が用いられる。ＡＥセンサ３は、周波数範囲内に共振ピークをもつ共振型、共振を抑えた広帯域型等があるが、ＡＥセンサ３の種類はいずれでもよい。またＡＥセンサ３はプリアンプを内蔵していてもよい。またＡＥセンサ３が弾性波を検知する方法は電圧出力型、抵抗変化型及び静電容量型等があるが、いずれの検知方法でもよい。

ＡＥセンサ３はＡＥ信号を信号処理装置１０に送信する。信号処理装置１０はＡＥセンサ３から受信したＡＥ信号を処理し、後述の検知信号をサーバ装置３０に送信する。ここで信号処理装置１０の構成の例について説明する。

図２は実施形態の信号処理装置１０の構成の例を示す図である。実施形態の信号処理装置１０は、受信部１１ａ乃至１１ｄ、ＢＰＦ（ＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）１２ａ乃至１２ｄ、ＡＤＣ（Ａ／ＤＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）１３ａ乃至１３ｄ、クロック発振器１４、時刻情報生成部１５、処理部１６及び通信部１７を備える。

以下、受信部１１ａ乃至１１ｄを区別しない場合、単に受信部１１という。またＢＰＦ１２ａ乃至１２ｄを区別しない場合、単にＢＰＦ１２という。またＡＤＣ１３ａ乃至１３ｄを区別しない場合、単にＡＤＣ１３という。

受信部１１はＡＥセンサ３からＡＥ信号を受信すると、当該ＡＥ信号をＢＰＦ１２に入力する。

ＢＰＦ１２は受信部１１からＡＥ信号を受け付けると、ＡＥ信号から信号帯域外のノイズ成分を除去する。ＢＰＦ１２は、ノイズ成分が除去されたＡＥ信号をＡＤＣ１３に入力する。

ＡＤＣ１３はＢＰＦ１２から、ノイズ成分が除去されたＡＥ信号を受け付けると、ノイズ成分が除去されたＡＥ信号を量子化して、デジタルのＡＥ信号に変換する。ＡＤＣ１３はデジタルのＡＥ信号を処理部１６に入力する。

クロック発振器１４はクロック信号を生成する。クロック発振器１４は、例えば水晶発振器である。クロック発振器１４はクロック信号を時刻情報生成部１５に入力する。

時刻情報生成部１５はクロック発振器１４からクロック信号を受け付ける。時刻情報生成部１５はクロック信号を利用して時刻情報を生成する。時刻情報生成部１５は、例えばレジスタを有するカウンタである。すなわち時刻情報生成部１５は、クロック信号のエッジをカウントし、信号処理装置１０の電源投入時からの累積のカウント値を、時刻情報としてレジスタに記憶する。

時刻情報（レジスタ）のビット長ｂは、構造物の測定継続時間ｙ、及び、時刻分解能ｄｔに基づいて、ｂ≧ｌｏｇ_２（ｙ／ｄｔ）を満たす１以上の整数ｂにより決定される。なお時刻分解能ｄｔは、弾性波の伝搬速度ｖ、及び、弾性波の発生源の位置特定精度ｄｒに基づいて、ｄｔ＝ｄｒ／ｖにより決定される。これにより弾性波の発生源の位置特定精度を任意の範囲に設定でき、信号処理装置１０は必要かつ十分な位置の特定を行うことができる。

例えば構造物の材質が鉄の場合、弾性波の伝搬速度ｖは５９５０［ｍ／ｓ］である。この場合、弾性波の発生源の位置特定精度を１０ｍｍとすると、ｄｔ＝０．１／５９８０＝１．６８×１０^−６［ｓｅｃ］（小数点第三位切り上げ）である。測定継続年数を１００年とすると、ｙ＝１００×３６５×２４×６０×６０＝３１５３６０００００［ｓｅｃ］である。したがって時刻情報（レジスタ）のビット長ｂは、ｂ≧ｌｏｇ_２（ｙ／ｄｔ）＝ｌｏｇ_２（３１５３６０００００／１．６８×１０^−６）を満たす最小の正の整数を算出することにより、ｂ≧５１［ｂｉｔ］となる。

更に、一般的な無線モジュールの送信パケットはバイト単位のデータ送信が基本となるため、後述の通信部１７を汎用の無線モジュールにより実現する場合、時刻情報（レジスタ）のビット長ｂを８の倍数にする必要がある。すなわち時刻情報（レジスタ）のビット長ｂを、ｂ≧５１［ｂｉｔ］を満たす最小の８の倍数として、５６ビット＝７バイトに決定することにより、汎用の無線モジュールを時刻情報の送信に使用することが可能となる。

図３は時刻情報のビット数と測定継続年数との関係を示す図である。時刻分解能ｄｔが小さい程、時刻情報の記憶に必要なビット数が大きくなる。また測定継続年数が長い程、時刻情報の記憶に必要なビット数が大きくなる。

次に実施形態の処理部１６の構成の例について説明する。

図４は実施形態の処理部１６の構成の例を示す図である。実施形態の処理部１６は、フィルタ部２１、ゲート信号生成部２２、抽出部２３、決定部２４、検知情報生成部２５及び記憶部２６を備える。

フィルタ部２１はＡＤＣ１３からデジタルのＡＥ信号を受け付けると、所定の周波数領域のＡＥ信号をゲート信号生成部２２及び抽出部２３に入力する。

ゲート信号生成部２２はフィルタ部２１から、所定の周波数領域のＡＥ信号を受け付ける。ゲート信号生成部２２は当該ＡＥ信号の波形が持続しているか否かを示すゲート信号を生成する。

ゲート信号生成部２２は、例えばエンベロープ検出器及びコンパレータにより実現される。すなわちエンベロープ検出器が、ＡＥ信号のエンベロープを検出し、コンパレータが、ＡＥ信号のエンベロープが所定の閾値以上であるか否かを判定する。これによりゲート信号生成部２２は、ＡＥ信号のエンベロープが所定の閾値以上となった場合、ＡＥ信号の波形が持続していることを示すゲート信号（Ｈｉｇｈ）を抽出部２３及び決定部２４に入力し、ＡＥ信号のエンベロープが所定の閾値未満になった場合、ＡＥ信号の波形が持続していないことを示すゲート信号（Ｌｏｗ）を抽出部２３及び決定部２４に入力する。

抽出部２３はフィルタ部２１から、所定の周波数領域のＡＥ信号を受け付け、ゲート信号生成部２２から、ゲート信号を受け付ける。抽出部２３はゲート信号に基づいて、ＡＥ信号の波形が持続しているときの特徴量情報を抽出する。特徴量情報はＡＥ信号の特徴を示す情報である。特徴量情報は、例えばＡＥ信号の波形の振幅［ｍＶ］、ゲート信号の立ち上がり時間［ｕｓｅｃ］、ゲート信号の持続時間［ｕｓｅｃ］、ＡＥ信号のゼロクロスカウント数［ｔｉｍｅｓ］、ＡＥ信号の波形のエネルギー［ａｒｂ．］及びＡＥ信号の周波数［Ｈｚ］等である。抽出部２３は特徴量情報を検知情報生成部２５に入力する。

また決定部２４は時刻情報生成部１５から、時刻情報を受け付け、ゲート信号生成部２２から、ゲート信号を受け付ける。決定部２４は時刻情報とゲート信号とに基づいて、受信時刻を決定する。具体的には、決定部２４は、ゲート信号の立ち上がり時刻を示す時刻情報を、ＡＥ信号の受信時刻に決定する。決定部２４は受信時刻を示す時刻情報を、検知情報生成部２５に入力する。

検知情報生成部２５は抽出部２３から、特徴量情報を受け付け、決定部２４から、受信時刻を示す時刻情報を受け付ける。検知情報生成部２５はＡＥ信号の特徴を示す特徴量情報と、ＡＥ信号の受信時刻を示す時刻情報と、が関連付けられた検知情報を生成する。検知情報生成部２５は検知情報を記憶部２６に記憶する。記憶部２６は、例えばデュアルポートＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）である。

図５は実施形態の検知情報の例を示す図である。図５はＡＥ信号から、１４ｂｙｔｅの特徴量情報と、受信時刻を示す８ｂｙｔｅの時刻情報と、を含む２２ｂｙｔｅの検知情報が生成される場合の例を示す。特徴量情報は、２ｂｙｔｅの振幅と、４ｂｙｔｅの持続時間と、４ｂｙｔｅのゼロクロスカウント数と、４ｂｙｔｅのエネルギーとを含む。なお特徴量情報は、図５の例に限られず、ＡＥ信号の特徴を示す任意の情報でよい。

図２に戻り、通信部１７は、処理部１６の記憶部２６から検知情報を読み出す。通信部１７は当該検知情報を無線通信により、所定のタイミングでサーバ装置３０に送信する。無線の周波数帯は、例えば２．４ＧＨｚ及び９２０ＭＨｚ帯（日本国内においては９１５ＭＨｚ〜９２８ＭＨｚ）等のいわゆるＩＳＭバンド（ＩｎｄｕｓｔｒｙＳｃｉｅｎｃｅＭｅｄｉｃａｌｂａｎｄ）を用いる。なお通信部１７は、記憶部２６を介さずに直接、検知情報をサーバ装置３０に送信してもよい。また通信部１７の通信方式は有線通信でもよい。

次に信号処理装置１０のハードウェアについて説明する。まず信号処理装置１０の電力は、外部の電源、一次電池、二次電池、太陽電池、又は、エネルギーハーベスタ等から供給される。エネルギーハーベスタは、例えば振動発電モジュールである。信号処理装置１０はアナログ回路及びデジタル回路により実現される。アナログ回路の電源は、絶縁型のスイッチング電源によって生成される。ＡＤＣ１３により量子化されたデジタルのＡＥ信号は、デジタルアイソレータを介して処理部１６に入力される。これによりアナロググラウンドとデジタルグラウンドとを分離することができるので、ノイズが相互に伝播することを防止できる。なおアナロググラウンドとデジタルグラウンドとは必要に応じて一点で短絡してもよい。

また処理部１６は、例えばＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）により実現される。不揮発型のＦＰＧＡを用いることにより、待機時の消費電力を抑えることができる。なお処理部１６を専用のＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）により実現してもよい。

また信号処理装置１０はフラッシュメモリ及びＭＲＡＭ等の基板実装型不揮発メモリ（ＮＶＲＡＭ）を備える。基板実装型不揮発メモリに閾値情報等を格納することにより、電源の喪失に伴う再設定が不要となる。また基板実装型不揮発メモリとは別に、フラッシュメモリ等の取り外し可能なメモリを搭載してもよい。例えばＳＤカード（登録商標）等のメモリカードを信号処理装置１０に挿入し、当該メモリカード内部に上述の検知情報を蓄積してもよい。当該メモリカードをサーバ装置３０で読み込むことにより、当該無線通信が使用できない場所にある構造物のモニタリングも可能になる。

また信号処理装置１０は、接点のオン又はオフを行うプッシュスイッチを備える。上述の時刻情報生成部１５は、プッシュスイッチの接点のオン又はオフの切り替わりに応じて、時刻情報を所定の初期値にリセットする。

次に実施形態のサーバ装置３０の構成の例について説明する。

図６は実施形態のサーバ装置３０の構成の例を示す図である。実施形態のサーバ装置３０は、通信部３１、記憶部３２、特定部３３、診断部３４、表示制御部３５及び校正部３６を備える。

通信部３１は信号処理装置１０から検知情報を受信する。通信部３１は当該検知情報を記憶部３２に記憶する。

記憶部３２はＡＥセンサ３ａ乃至３ｄの初期設置位置情報（設置位置情報）、信号処理装置１０から送信された検知情報、及び、伝搬速度情報を記憶する。なお初期設置位置情報は、後述の校正部３６により、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄの設置位置のズレが考慮された設置位置情報に更新されてもよい。伝搬速度情報の詳細は後述する。

特定部３３は記憶部３２から所定のタイミングで検知情報を読み出す。特定部３３は当該検知情報に基づいて、弾性波の発生源の位置情報を特定する。

具体的には、まず特定部３３はそれぞれの検知情報に含まれる特徴量情報の類似度を算出し、特徴量情報の類似度が所定の閾値以上であるか否かに基づいて、複数の検知情報をグループに分ける。そして特定部３３は同一グループに含まれる検知情報を、同一発生源の検知情報として認識する。

類似度は、特徴量情報と特徴量情報との距離により決定される。すなわち類似度は異なる特徴量情報の間の距離が近いほど大きい。特定部３３は特徴量情報同士の距離を所定の距離関数により算出する。距離関数は、例えば標準ユークリッド距離、ミンコフスキー距離又はマハラノビス距離等を算出する関数である。特にマハラノビス距離は、特徴量情報間の相関を考慮した距離の算出が可能となり、グループの分類精度を向上させることができる。

次に特定部３３は類似度が所定の閾値以上の特徴量情報（同一グループに含まれる検知情報の特徴量情報）に関連付けられた時刻情報を比較することにより、４つのＡＥセンサ３間のＡＥ信号の受信時刻の時間差情報を算出する。特定部３３は４つのＡＥセンサ３の位置情報と、時間差情報と、弾性波の伝搬速度とに基づいて、弾性波の発生源の位置情報を特定する。ここで弾性波の伝搬速度について説明する。

材料中を伝わる弾性波の伝播速度ｖは、材料の体積弾性率Ｋ［Ｐａ］と、密度ρ_０［ｋｇ／ｍ^３］を用いて、下記式（１）により表される。

構造物（３次元体）を伝わる弾性波の伝搬速度ｖは、更に材料のせん断弾性率Ｇを考慮し、下記式（２）により表される。

すなわち弾性波の伝搬速度は材料固有の物性値により決定される。したがって材料（構造物の材質）毎に予め計算しておいた伝播速度情報を、例えば上述の記憶部３２にルックアップテーブルとして記憶しておくことにより、特定部３３が、当該ルックアップテーブルから構造物の材質に応じた適切な伝搬速度を選択することができる。

図７は実施形態の伝搬速度情報の例を示す図である。図７は伝搬速度情報を、ルックアップテーブルとして記憶する場合の例を示す。例えば構造物の材質が鉄である場合の伝搬速度ｖは５９５０［ｍ／ｓ］である。

次に特定部３３が、弾性波の発生源の位置を特定する方法について説明する。簡単のため１次元の場合について詳細に説明する。なお２次元及び３次元の場合でも原理は同じである。

図８は実施形態の位置特定方法の例を説明するための図（１次元の場合）である。ＡＥセンサ３ａ及びＡＥセンサ３ｂの間で構造物の亀裂が生じ、この亀裂による弾性波をＡＥセンサ３ａ及びＡＥセンサ３ｂが検出する場合について説明する。

ＡＥセンサ３ａ及びＡＥセンサ３ｂとの距離をｌとする。またＡＥセンサ３ａ及びＡＥセンサ３ｂとの中間点から亀裂までの距離をΔｘとする。このときＡＥセンサ３ｂではＴ秒後に弾性波を検出し、ＡＥセンサ３ａではＴ＋Δｔ秒後に弾性波を検出した場合、Δｔは下記式（３）により表すことができる。

したがってＡＥセンサ３ａとＡＥセンサ３ｂとの距離ｌ、及び、弾性波の伝搬速度ｖが既知であれば、特定部３３が時間差情報Δｔを算出することにより、ＡＥセンサ３ａ及びＡＥセンサ３ｂとの中間点から亀裂までの距離Δｘを、式（３）から算出することができる。すなわち特定部３３は時間差情報Δｔから亀裂（弾性波の発生源）の位置情報を特定することができる。

次に２次元の場合について簡単に説明する。

図９及び図１０は実施形態の位置特定方法の例を説明するための図（２次元の場合）である。図９は構造物に亀裂が生じ、この亀裂による弾性波が伝搬速度ｖ［ｍ／ｓ］でＡＥセンサ３ａ乃至３ｄのそれぞれに到達する場合の例を示す。このときＡＥセンサ３ａ乃至３ｄのそれぞれに弾性波が到達する時刻は、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄのそれぞれで異なる。弾性波の受信時刻の時間差がわかると、図１０に示されるように、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄのそれぞれを中心とした円周ＡＲＣ＿ａ（半径Ｔａ）、円周ＡＲＣ＿ｂ（半径Ｔｂ）、円周ＡＲＣ＿ｃ（半径Ｔｃ）、及び、円周ＡＲＣ＿ｄ（半径Ｔｄ）上に弾性波の発生源があると推定できる。すなわち特定部３３は円周ＡＲＣ＿ａ乃至ＡＲＣ＿ｄの交点を、弾性波の発生源の位置情報として特定することができる。

一般に、次元数＋１個のＡＥセンサ３を用いることにより、弾性波の発生源の位置を特定することができる。したがって３次元の場合、４個のＡＥセンサ３を用いることにより、弾性波の発生源の位置を特定することができる。またＡＥセンサ３の数が多い程、位置情報の特定精度を向上させることができる。

なお特定部３３は特定された位置情報が、所定の観測範囲外の場合（所定の閾値を満たさない場合）、特定に使用された検知情報の特徴量情報をノイズとして除去するノイズ処理を行う。特定部３３のノイズ処理はサーバ装置３０で行われるため、ノイズ処理の判定に使用される閾値の条件を柔軟に変更することができる。すなわちＡＥセンサ３の設置状況、測定対象の構造物の条件、及び、気候条件等を柔軟に変更できるので、特定部３３はノイズをより効果的に除去することができる。

図６に戻り、特定部３３は検知情報及び位置情報を診断部３４に入力する。

診断部３４は特定部３３から検知情報及び位置情報を受け付ける。診断部３４は検知情報及び位置情報に基づいて構造物の劣化を診断する。診断部３４は、例えば弾性波の累積エネルギーが所定の閾値以上となっている発生源があるか否かを判定することにより、構造物の劣化を診断する。診断部３４は診断結果を示す診断結果情報を生成する。診断部３４は、検知情報、位置情報及び診断結果情報を表示制御部３５に入力する。

表示制御部３５は診断部３４から検知情報、位置情報及び診断結果情報を受け付ける。表示制御部３５は検知情報、位置情報及び診断結果情報に基づく表示情報を、図６では図示されていない表示装置に表示する。

図１１は実施形態の位置情報を示す表示情報の例を示す図である。図１１は位置情報４１等により弾性波の発生源を表示する場合の例を示す。

図１２は実施形態の累積エネルギーを示す表示情報の例を示す図である。図１２は累積エネルギーを曲線４２により表示する場合を示す。表示制御部３５は、例えば図１１に示す表示情報が表示されているときに、位置情報４１の選択を示す入力があった場合に、図１２に示す表示情報を表示する制御を行う。また、図１１に示す表示情報が表示されている画面上で、ユーザが選択範囲を指定した場合、選択範囲に含まれる弾性波の累積エネルギーを曲線４２により表示することで、より容易に特性を把握することができる。選択範囲は例えばマウスのドラッグアンドドロップ操作により指定されたドラッグ位置からドロップ位置までを対角線とする矩形の内部、または前記矩形に内接する円形の内部とすることでさらに操作性を向上させることができる。

Ｅ_１は構造物の劣化の状態が、診断部３４により診断されるときに使用される閾値である。すなわち診断部３４は累積エネルギーの値がＥ_１となった時刻ｔ_１に、劣化の度合いが大きいことを示す警告等を表示することを、表示制御部３５に要求する。これにより構造物の管理者等が、更に劣化が進むことにより構造物の破断等が生じる前に、構造物の破断等が生じる可能性が高いことを把握できる。なお図１２の例は、時刻ｔ２で構造物の破断が生じた場合も示している。構造物の破断時の衝撃により、累積エネルギーＥ_２以降は、累積エネルギーＥが急激に増加する。そして破断後に構造物の状態が安定した場合は、弾性波が発生しなくなり、累積エネルギーＥは一定となる。

図６に戻り、校正部３６は、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄのそれぞれの設置位置情報を校正する。具体的には、はじめに校正部３６は通信部３１を介して、いずれか１つのＡＥセンサ３を振動発生源として動作させる校正要求を、信号処理装置１０に送信する。

図１３は実施形態の位置校正方法の例を説明するための図である。図１３は、信号処理装置１０が、サーバ装置３０から校正要求を受信したときに、ＡＥセンサ３ｄを振動発生源として動作させた場合の例を示す。具体的には、ＡＥセンサ３ｄは所定のタイミングで所定の識別パターンを有する弾性波を発生させる。このときＡＥセンサ３ａ乃至３ｃでは、ＡＥセンサ３ｄとの距離に応じた時間差で弾性波が検出される。信号処理装置１０は、当該弾性波を示すＡＥ信号の特徴量情報と、当該弾性波を示すＡＥ信号の受信時刻を示す時刻情報と、を含む検知情報をサーバ装置３０に送信する。サーバ装置３０の校正部３６は、弾性波のパターンが所定の識別パターンであるか否かを判定する。校正部３６は所定の識別パターンである場合、時間差情報を算出する。これによりノイズを除去する効果が得られる。この時間差情報が、記憶部３２に記憶されている設置時の初期設置位置情報から想定される時間差情報と異なっている場合、校正部３６はＡＥセンサ３の位置がずれた可能性があることをユーザに通知する情報を表示することを、表示制御部３５に要求する。

なお、更に校正部３６が、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄの振動発生源を順次切り替えて同様の処理を行うことによって、ＡＥセンサ３ａ乃至３ｄの相対的な位置関係を算出し、記憶部３２に記憶されているＡＥセンサ３ａ乃至３ｄの初期設置位置情報を更新してもよい。

また校正部３６は、ＡＥセンサ３を振動発生源として動作させることにより、記憶部３２にルックアップテーブル（図７参照）の形式で記憶されている構造物の材質に応じた弾性波の伝搬速度の値を校正してもよい。

次に実施形態の信号処理方法について説明する。

図１４は実施形態の信号処理装置１０の動作例を示すフローチャートである。はじめに、受信部１１が、ＡＥセンサ３からＡＥ信号を受信する（ステップＳ１）。次に、抽出部２３が、ゲート信号に基づいて、ＡＥ信号の波形が持続しているときの特徴量情報を抽出する（ステップＳ２）。次に、決定部２４が、ゲート信号の立ち上がり時刻を示す時刻情報を、ＡＥ信号の受信時刻に決定する（ステップＳ３）。次に、検知情報生成部２５が、ＡＥ信号の特徴を示す特徴量情報と、ＡＥ信号の受信時刻を示す時刻情報と、が関連付けられた検知情報を生成する（ステップＳ４）。次に、通信部１７が、当該検知情報を無線通信により、所定のタイミングでサーバ装置３０に送信する（ステップＳ５）。

図１５は実施形態のサーバ装置３０の動作例を示すフローチャートである。はじめに、通信部３１が、信号処理装置１０から検知情報を受信する（ステップＳ１１）。

次に、特定部３３が、当該検知情報に基づいて、弾性波の発生源の位置情報を特定する（ステップＳ１２）。具体的には、まず、特定部３３はそれぞれの検知情報に含まれる特徴量情報の類似度を算出し、特徴量情報の類似度が所定の閾値以上であるか否かに基づいて、複数の検知情報をグループに分ける。次に、特定部３３は類似度が所定の閾値以上の特徴量情報（同一グループに含まれる検知情報の特徴量情報）に関連付けられた時刻情報を比較することにより、４つのＡＥセンサ３間のＡＥ信号の受信時刻の時間差情報を算出する。そして、特定部３３は４つのＡＥセンサ３の位置情報と、時間差情報と、弾性波の伝搬速度とに基づいて、弾性波の発生源の位置情報を特定する。

次に、診断部３４が、検知情報及び位置情報に基づいて構造物の劣化を診断する（ステップＳ１３）。具体的には、診断部３４は弾性波の累積エネルギーが所定の閾値以上となっている発生源があるか否かを判定することにより、構造物の劣化を診断する。そして、診断部３４は診断結果を示す診断結果情報を生成する。

次に、表示制御部３５は検知情報、位置情報及び診断結果情報に基づいて表示装置に表示する表示情報を更新する（ステップＳ１４）。表示情報は、例えば図１１及び図１２等である。

次に、表示制御部３５は、累積エネルギーが閾値以上の場合（ステップＳ１５、Ｙｅｓ）、構造物の劣化の度合いが大きいことを示す警告を表示装置に表示する（ステップＳ１６）。累積エネルギーが閾値未満の場合（ステップＳ１５、Ｎｏ）、処理は終了する。

最後に、実施形態のサーバ装置３０のハードウェア構成の例について説明する。

図１６は実施形態のサーバ装置３０のハードウェア構成の例を示す図である。実施形態のサーバ装置３０は、制御装置５１、主記憶装置５２、補助記憶装置５３、表示装置５４、入力装置５５及び通信装置５６を備える。制御装置５１、主記憶装置５２、補助記憶装置５３、表示装置５４、入力装置５５及び通信装置５６は、バス５７を介して接続されている。サーバ装置３０は、例えばパーソナルコンピュータ及びスマートデバイス等である。

制御装置５１は補助記憶装置５３から主記憶装置５２に読み出されたプログラムを実行する。主記憶装置５２はＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等のメモリである。補助記憶装置５３はＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）及び光学ドライブ等である。図６の記憶部３２は主記憶装置５２及び補助記憶装置５３に対応する。

表示装置５４はサーバ装置３０の状態等を表示する。表示装置５４は、例えば、液晶ディスプレイである。入力装置５５はサーバ装置３０を操作するためのインタフェースである。入力装置５５は、例えばキーボードやマウス等である。サーバ装置３０がスマートフォン及びタブレット型端末等のスマートデバイスの場合、表示装置５４及び入力装置５５はタッチパネルでもよい。通信装置５６はネットワーク２に接続するためのインタフェースである。

実施形態のサーバ装置３０で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ−Ｒ及びＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記録されてコンピュータ・プログラム・プロダクトとして提供される。

また実施形態のサーバ装置３０で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また実施形態のサーバ装置３０で実行されるプログラムをダウンロードさせずにインターネット等のネットワーク経由で提供するように構成してもよい。

また実施形態のサーバ装置３０のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

実施形態のサーバ装置３０で実行されるプログラムは、上述した図６の各機能ブロック（通信部３１、特定部３３、診断部３４、表示制御部３５及び校正部３６）を含むモジュール構成となっている。当該各機能ブロックは、実際のハードウェアとしては、制御装置５１が上記記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより、上記各機能ブロックが主記憶装置５２上にロードされる。すなわち上記各機能ブロックは主記憶装置５２上に生成される。なお上述した図６の各機能ブロックの一部又は全部をソフトウェアにより実現せずに、ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよい。

以上説明したように、実施形態の信号処理装置１０では、時刻情報生成部１５が、構造物の測定継続時間、弾性波の伝搬速度、及び、弾性波の発生源の位置特定精度に基づくビット長を有する時刻情報を生成する。また処理部１６が、ＡＥ信号の特徴を示す特徴量情報と、ＡＥ信号の受信時刻を示す時刻情報と、が関連付けられた検知情報を生成する。そして通信部１７が、検知情報をサーバ装置３０に送信する。すなわち信号処理装置１０では、ＡＥ信号に基づく構造物の劣化診断処理を行わないことにより、信号処理装置１０の回路規模を抑えることができ、また構造物の劣化診断処理を後から自由に変更することができる。またＡＥ信号ではなく、特徴量情報を含む検知情報をサーバ装置３０に送信することにより、送信データ量を削減することが可能になる。これにより信号処理装置１０の消費電力を削減することができ、信号処理装置１０を太陽電池及び振動発電モジュール等により動作させることができるので、信号処理装置１０を電源がない場所に設置することも可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１検知システム
２ネットワーク
３ＡＥセンサ
４ケーブル
１０信号処理装置
１１受信部
１２ＢＰＦ
１３ＡＤＣ
１４クロック発振器
１５時刻情報生成部
１６処理部
１７通信部
２１フィルタ部
２２ゲート信号生成部
２３抽出部
２４決定部
２５検知情報生成部
２６記憶部
３０サーバ装置
３１通信部
３２記憶部
３３特定部
３４診断部
３５表示制御部
３６校正部
５１制御装置
５２主記憶装置
５３補助記憶装置
５４表示装置
５５入力装置
５６通信装置
５７バス

Claims

構造物から発生する弾性波を検知するセンサから電圧信号を受信する受信部と、
前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有する時刻情報を生成する時刻情報生成部と、
前記電圧信号の特徴を示す特徴量情報と、前記電圧信号の受信時刻を示す前記時刻情報と、が関連付けられた検知情報を生成する処理部と、
前記検知情報をサーバ装置に送信する通信部と、
を備える信号処理装置。
前記処理部は、
前記電圧信号の波形が持続しているか否かを示すゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
前記ゲート信号に基づいて、前記電圧信号の波形が持続しているときの前記特徴量情報を抽出する抽出部と、
前記時刻情報と前記ゲート信号とに基づいて、前記受信時刻を決定する決定部と、
を備える請求項１に記載の信号処理装置。
前記特徴量情報は、前記電圧信号の波形の振幅、前記電圧信号の波形のエネルギー、前記ゲート信号の立ち上がり時間、前記ゲート信号の持続時間、前記電圧信号の周波数、及び、前記電圧信号のゼロクロスカウント数のうち、少なくともいずれか１つを含む、
請求項２に記載の信号処理装置。
構造物から発生する弾性波を表すＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）信号の特徴を示す特徴量情報と、前記ＡＥ信号の受信時刻を示す時刻情報と、が関連付けられた検知情報を受信する通信部と、
前記検知情報を記憶する記憶部と、
前記検知情報に基づいて前記弾性波の発生源の位置情報を特定する特定部と、を備え、
前記時刻情報は、前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有する、
サーバ装置。
前記特定部は、前記特徴量情報の類似度を算出し、前記類似度が所定の閾値以上の前記特徴量情報に関連付けられた前記時刻情報を比較することにより、複数のＡＥセンサ間の前記ＡＥ信号の受信時刻の時間差情報を算出し、前記複数のＡＥセンサの位置情報と、前記時間差情報と、前記弾性波の伝搬速度とに基づいて前記弾性波の発生源の位置情報を特定する、
請求項４に記載のサーバ装置。
前記記憶部は、前記構造物の材質と、前記弾性波の伝搬速度とが関連付けられた伝搬速度情報を更に記憶し、
前記特定部は、前記伝搬速度情報を参照して前記弾性波の伝搬速度を決定する、
請求項５に記載のサーバ装置。
前記弾性波の位置情報と、前記位置情報に応じた前記弾性波の累積エネルギーを示す累積情報と、を表示部に表示する制御を行う表示制御部、
を更に備える請求項４に記載のサーバ装置。
前記ＡＥセンサを振動発生源として動作させ、前記振動発生源から発生する弾性波を示す電圧信号の特徴を示す前記特徴量情報を含む前記検知情報に基づいて、前記複数のＡＥセンサの位置情報、又は、前記弾性波の伝搬速度を校正する校正部、
を更に備える請求項５に記載のサーバ装置。
複数のＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）センサと、信号処理装置と、サーバ装置と、を備える検知システムであって、
前記ＡＥセンサは、
構造物から発生する弾性波を電圧信号として検知する検知部を備え、
前記信号処理装置は、
前記ＡＥセンサから電圧信号を受信する受信部と、
前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有する時刻情報を生成する時刻情報生成部と、
前記電圧信号の特徴を示す特徴量情報と、前記電圧信号の受信時刻を示す前記時刻情報と、が関連付けられた検知情報を生成する処理部と、
前記検知情報をサーバ装置に送信する通信部と、を備え、
前記サーバ装置は、
前記信号処理装置から前記検知情報を受信する通信部と、
前記検知情報を記憶する記憶部と、
前記検知情報に基づいて前記弾性波の位置を特定する特定部と、
を備える検知システム。
信号処理装置が、構造物から発生する弾性波を検知するＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）センサから電圧信号を受信するステップと、
信号処理装置が、前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有する時刻情報を生成するステップと、
信号処理装置が、前記電圧信号の特徴を示す特徴量情報と、前記電圧信号の受信時刻を示す前記時刻情報と、が関連付けられた検知情報を生成するステップと、
信号処理装置が、前記検知情報をサーバ装置に送信するステップと、
を含む信号処理方法。
構造物から発生する弾性波を検知するセンサから電圧信号を受信する受信部と、
前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有し、前記電圧信号の受信時刻を示す時刻情報を生成する時刻情報生成部と、
前記時刻情報をサーバ装置に送信する通信部と、
を備える信号処理装置。
構造物から発生する弾性波を表すＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）信号の受信時刻を示す時刻情報を受信する通信部と、
前記時刻情報を記憶する記憶部と、を備え、
前記時刻情報は、前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有する、
サーバ装置。
複数のＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）センサと、信号処理装置と、サーバ装置と、を備える検知システムであって、
前記ＡＥセンサは、
構造物から発生する弾性波を電圧信号として検知する検知部を備え、
前記信号処理装置は、
前記ＡＥセンサから電圧信号を受信する受信部と、
前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有し、前記電圧信号の受信時刻を示す時刻情報を生成する時刻情報生成部と、
前記時刻情報をサーバ装置に送信する通信部と、を備え、
前記サーバ装置は、
前記信号処理装置から前記時刻情報を受信する通信部と、
前記時刻情報を記憶する記憶部と
を備える検知システム。
信号処理装置が、構造物から発生する弾性波を検知するＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）センサから電圧信号を受信するステップと、
信号処理装置が、前記構造物の測定継続時間をｙとし、前記弾性波の伝搬速度をｖとし、前記弾性波の発生源の位置特定精度をｄｒとした場合に、ｂ≧ｌｏｇ _２（ｙ×ｖ／ｄｒ）を満たすビット長ｂを有し、前記電圧信号の受信時刻を示す時刻情報を生成するステップと、
信号処理装置が、前記時刻情報をサーバ装置に送信するステップと、
を含む信号処理方法。