JP6611991B1 - 状態監視装置 - Google Patents

Abstract

第１の振動測定器（１００−１）は、第１の位置における構造物（２，３）の振動を測定して時間領域における第１の振動信号を生成する。第２の振動測定器（１００−２）は、第１の位置とは異なる第２の位置における構造物（２，３）の振動を測定して時間領域の第２の振動信号を生成する。第１の信号処理器（２００−１）は、第１の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第１のスペクトル信号を生成する。第２の信号処理器（２００−２）は、第２の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第２のスペクトル信号を生成する。第３の信号処理器（３００）は、第１及び第２のスペクトル信号の比を計算してスペクトル比信号を生成する。損傷検出器（４００）は、スペクトル比信号に基づいて構造物（２，３）の損傷を検出する。

Description

本発明は、構造物に生じる振動を測定することにより、構造物の損傷など、構造物の状態を監視する状態監視装置に関する。

特許文献１は、橋脚の経時的な健全性を高精度に評価する状態監視システムを開示している。特許文献１のシステムは、橋脚の常時微動を測定して常時微動信号のパワースペクトルを算出し、振動数ｆ_０から振動数ｆ_１までの範囲のパワースペクトルの面積と、振動数ｆ_０から振動数ｆ_１より大きい振動数ｆ_２までの範囲のパワースペクトルの面積との比であるスペクトルスコアを算出する。

特開２０１５−２３０２０６号公報

特許文献１のシステムでは、監視対象の構造物（すなわち橋脚）に与えられる力の周波数特性が変動すると、構造物の応答周波数が変動するので、スペクトルスコアも変動してしまい、構造物に異常が生じていると誤判定する可能性がある。従って、特許文献１のシステムでは、構造物に与えられる力の周波数特性を常に一定に保たなければならないという問題がある。

また、振動数ｆ_０〜ｆ_１の範囲のパワースペクトルの面積と、振動数ｆ_０〜ｆ_２の範囲のパワースペクトルの面積とが、同じ比率で変化することがある。さらに、パワースペクトルが、振動数ｆ_０〜ｆ_２の範囲にわたって同傾向で一様に変動することがある。このように、複数の周波数範囲のパワースペクトルの面積が同じ比率で変化したり、周波数帯域全体のパワースペクトルが同傾向で一様に変動したりする場合、監視対象の構造物に損傷が生じても、特許文献１のシステムでは構造物の損傷を検出できないという問題がある。

本発明の目的は、構造物に与えられる力の周波数特性を常に一定に保つことを必要とせず、また、構造物の振動を表す信号のスペクトルがどのように変化しても、構造物の状態の変化を確実に検出することができる状態監視装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る状態監視装置は、
第１の位置における構造物の振動を測定して時間領域における第１の振動信号を生成する第１の振動測定器と、
前記第１の位置とは異なる第２の位置における前記構造物の振動を測定して時間領域の第２の振動信号を生成する第２の振動測定器と、
前記第１の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第１のスペクトル信号を生成する第１の信号処理器と、
前記第２の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第２のスペクトル信号を生成する第２の信号処理器と、
所定の周波数帯域に含まれる周波数成分ごとに前記第１及び第２のスペクトル信号の比を計算してスペクトル比信号を生成する第３の信号処理器と、
前記スペクトル比信号に基づいて前記構造物の損傷を検出する損傷検出器を含み、
前記損傷検出器は、前記構造物に与えられる外力の周波数帯域を除く周波数帯域において現在のスペクトル比信号と過去のスペクトル比信号との類似度を計算し、前記類似度を所定のしきい値と比較することで前記構造物の損傷を検出する。

本開示の一態様に係る状態監視装置は、構造物に与えられる力の周波数特性を常に一定に保つことを必要とせず、また、構造物の振動を表す信号のスペクトルがどのように変化しても、構造物の状態の変化を確実に検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る状態監視装置１の構成を示すブロック図である。 図１の各振動測定器１００−１，１００−２の例示的な構成を示すブロック図である。 図２の振動センサ１１０の例示的な配置を示す模式図である。 図２の振動センサ１１０の他の例示的な配置を示す模式図である。 図１の各信号処理器２００−１，２００−２の例示的な構成を示すブロック図である。 図１の信号処理器３００の例示的な構成を示すブロック図である。 図１の信号処理器３００による例示的なスペクトル比の計算を説明するための模式図である。 図１の損傷検出器４００の例示的な構成を示すブロック図である。 図１の状態監視装置１の各構成要素の例示的な実装例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の第１の変形例に係る損傷検出器４００Ａの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の第２の変形例に係る損傷検出器４００Ｂの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る状態監視装置１Ａの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施の形態について説明する。各図面において、同じ符号は、同様の構成要素を示す。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る状態監視装置１の構成を示すブロック図である。図１の状態監視装置１は、監視対象の構造物に生じる振動を測定することにより、構造物の損傷など、構造物の状態を監視する。監視対象は、連続体として構成された任意の構造物を含み、例えば、鉄道のレール、コンビナートのパイプ、及び配管といった長尺構造物、橋梁、橋脚、及びトンネルといった３次元構造物を含む。

図１の状態監視装置１は、振動測定器１００−１，１００−２、信号処理器２００−１，２００−２、信号処理器３００、損傷検出器４００、及び表示装置５００を備える。振動測定器１００−１は、第１の位置における構造物の振動を測定して時間領域における第１の振動信号を生成する。振動測定器１００−２は、第１の位置とは異なる第２の位置における構造物の振動を測定して時間領域の第２の振動信号を生成する。信号処理器２００−１は、第１の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第１のスペクトル信号を生成する。信号処理器２００−２は、第２の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第２のスペクトル信号を生成する。信号処理器３００は、第１及び第２のスペクトル信号の比を計算してスペクトル比信号を生成する。損傷検出器４００は、スペクトル比信号に基づいて構造物の損傷を検出する。表示装置５００は、損傷検出器４００の検出結果を表示する。

本明細書では、振動測定器１００−１，１００−２をそれぞれ「第１の振動測定器」及び「第２の振動測定器」ともいう。また、本明細書では、信号処理器２００−１，２００−２をそれぞれ「第１の信号処理器」及び「第２の信号処理器」ともいう。また、本明細書では、信号処理器３００を「第３の信号処理器」ともいう。

以下、図１の状態監視装置１の各構成要素についてさらに詳細に説明する。

まず、振動測定器１００−１，１００−２について説明する。

図２は、図１の各振動測定器１００−１，１００−２の例示的な構成を示すブロック図である。各振動測定器１００−１，１００−２は、互いに同様の構成を有する。各振動測定器１００−１，１００−２は、振動センサ１１０、低域通過フィルタ１２０、及びＡ／Ｄコンバータ１３０を備える。

振動センサ１１０は、監視対象の構造物における所定の位置に設けられる。振動センサ１１０は、構造物の振動を表す物理量に比例した大きさを有するアナログ信号を生成し、生成した信号を低域通過フィルタ１２０に送る。構造物の振動を表す物理量は、例えば、物体の変位、速度、又は加速度を含む。振動センサ１１０は、振動を表す物理量を示す信号を生成する任意のセンサであってもよく、例えば、圧電型加速度センサ又はサーボ型加速度センサを含む。構造物の振動は、構造物の常時微動であってもよく、インパルスハンマーなどによって構造物に与えられた外力に応じて生じる振動であってもよい。

低域通過フィルタ１２０は、入力された信号から所定の周波数を超える周波数成分をカットし、残りの周波数成分を含む信号をＡ／Ｄコンバータ１３０に送る。

Ａ／Ｄコンバータ１３０は、入力された信号を所定のサンプリング速度でアナログ信号からディジタル信号に変換して振動信号を生成する。Ａ／Ｄコンバータ１３０は、入力された信号を必ずしも常にサンプリングし続けなくてもよく、構造物の損傷を検出する必要が生じた時点に（例えば、所定の時間期間ごとに、又は、ユーザ制御に応じて）信号をサンプリングしてもよい。例えば、監視対象の構造物が鉄道のレールである場合、Ａ／Ｄコンバータ１３０は、例えば、レールの所定の位置を列車が通過する時点よりも予め決められた時間期間だけ前の時点において、信号をサンプリングしてもよい。

図３は、図２の振動センサ１１０の例示的な配置を示す模式図である。図４は、図２の振動センサ１１０の他の例示的な配置を示す模式図である。図３及び図４において、符号１１０−１は振動測定器１００−１の振動センサ１１０を示し、符号１１０−２は振動測定器１００−２の振動センサ１１０を示す。図３は、各振動センサ１１０−１，１１０−２を、鉄道のレールのような長尺構造物２の両端（すなわち、隣接するレールとの継ぎ目の近く）にそれぞれ配置した例を示す。また、図４は、各振動センサ１１０−１，１１０−２を、ある程度の幅、高さ、及び奥行きを有する３次元構造物３にそれぞれ配置した例を示す。３次元構造物３において、各振動センサ１１０−１，１１０−２は、互いにできるだけ距離を離して配置されることが望ましい。図４の例では、各振動センサ１１０−１，１１０−２は、直方体形状を有する３次元構造物における互いに最も離れた頂点の近傍にそれぞれ配置される。

各振動センサ１１０−１，１１０−２は、図３又は図４に示すように、構造物における互いに異なる位置に配置される。振動測定器１００−１は、第１の位置における構造物の振動を測定して時間領域における第１の振動信号を生成する。振動測定器１００−２は、第１の位置とは異なる第２の位置における構造物の振動を測定して時間領域の第２の振動信号を生成する。このように各振動センサ１１０−１，１１０−２を配置することにより、各振動測定器１００−１，１００−２は、互いに有意に異なる第１及び第２の振動信号を生成することができる。振動測定器１００−１は第１の振動信号を信号処理器２００−１に送り、振動測定器１００−２は第２の振動信号を信号処理器２００−２に送る。

次に、各信号処理器２００−１，２００−２について説明する。

図５は、図１の各信号処理器２００−１，２００−２の例示的な構成を示すブロック図である。各信号処理器２００−１，２００−２は、互いに同様の構成を有する。各信号処理器２００−１，２００−２は、周波数解析器２１０及び通信インターフェース２２０を備える。

周波数解析器２１０は、入力された振動信号を時間領域から周波数領域に変換してスペクトル信号を生成し、生成したスペクトル信号を通信インターフェース２２０に送る。周波数解析器２１０は、例えば、入力された振動信号の所定の時間長の区間に対してフーリエ変換を実行することにより、スペクトル信号を生成する。

通信インターフェース２２０は、信号処理器３００に対して有線又は無線により通信可能に接続され、スペクトル信号を信号処理器３００に送信する。

信号処理器２００−１は、第１の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第１のスペクトル信号を生成する。信号処理器２００−２は、第２の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第２のスペクトル信号を生成する。各信号処理器２００−１，２００−２は、例えば通信インターフェース２２０を介して互いに通信することにより、図示しない同期信号に基づいて互いに同期する。これにより、各信号処理器２００−１，２００−２は、各振動測定器１００−１，１００−２によって同時刻に生成された第１及び第２の振動信号を処理し、第１及び第２のスペクトル信号を生成する。信号処理器２００−１は第１のスペクトル信号を信号処理器３００に送り、信号処理器２００−２は第２のスペクトル信号を信号処理器３００に送る。

次に、信号処理器３００について説明する。

図６は、図１の信号処理器３００の例示的な構成を示すブロック図である。信号処理器３００は、通信インターフェース３１０及びスペクトル比計算器３２０を備える。

通信インターフェース３１０は、各信号処理器２００−１，２００−２に対して有線又は無線により通信可能に接続される。通信インターフェース３１０は、信号処理器２００−１から第１のスペクトル信号を受信し、受信した第１のスペクトル信号をスペクトル比計算器３２０に送る。通信インターフェース３１０は、信号処理器２００−２から第２のスペクトル信号を受信し、受信した第２のスペクトル信号をスペクトル比計算器３２０に送る。

スペクトル比計算器３２０は、所定の時間期間ごとに、第１及び第２のスペクトル信号の比を計算してスペクトル比信号を生成し、生成したスペクトル比信号を損傷検出器４００に送る。前述のように、第１及び第２のスペクトル信号は周波数領域で表される。スペクトル比信号は、例えば、所定の周波数帯域のうちの複数の周波数成分ごとに第１及び第２のスペクトル信号の強度の比を計算することにより生成される。

図７は、図１の信号処理器３００による例示的なスペクトル比の計算を説明するための模式図である。図７の上段は、信号処理器２００−１によって生成された例示的な第１のスペクトル信号の強度を示す。図７の中段は、信号処理器２００−２によって生成された例示的な第２のスペクトル信号の強度を示す。図７の下段は、信号処理器３００によって生成された例示的なスペクトル比信号を示す。図７の例では、上段及び中段のスペクトル信号に基づいて下段のスペクトル比信号が生成される。スペクトル比信号、すなわち第１及び第２のスペクトル信号の比は、構造物に与えられる力の周波数特性とは無関係に安定した値となる。従って、各振動測定器１００−１，１００−２が構造物の常時微動を測定する場合であっても、又は、インパルスハンマーなどによって構造物に与えられる外力に応じて生じる振動を測定する場合であっても、構造物の状態が変化しない限りは、ほぼ同じスペクトル比信号が生成される。

次に、損傷検出器４００について説明する。

図８は、図１の損傷検出器４００の例示的な構成を示すブロック図である。損傷検出器４００は、記憶装置４１０、類似度計算器４２０、及び比較器４３０を備える。

信号処理器３００によって生成された現在のスペクトル比信号は、記憶装置４１０及び類似度計算器４２０に入力される。

記憶装置４１０は、信号処理器３００によって生成された現在のスペクトル比信号を記憶し、さらに、以前に生成されて記憶した過去のスペクトル比信号も記憶し続ける。過去のスペクトル比信号は、現在のスペクトル比信号に関連付けられた第１及び第２の振動信号の振動を測定した時点よりも所定の時間期間だけ先行する時点に測定された振動を表す第１及び第２の振動信号に基づいて生成される。記憶装置４１０は、例えば、不揮発性記憶装置である。

類似度計算器４２０は、信号処理器３００から入力された現在のスペクトル比信号と、記憶装置４１０から読み出した過去のスペクトル比信号とを比較して類似度αを計算し、計算した類似度を比較器４３０に送る。

類似度αは、例えば、以下のように計算される。

スペクトル比信号の類似度αは、現在のスペクトル比信号Ｒｎｏｗと過去のスペクトル比信号Ｒｂｅｆｏｒｅとの間のユークリッド距離として、次式のように定義されてもよい。

ここで、Ａは類似度αを計算するために用いる周波数帯域を表し、ｆは周波数帯域Ａに含まれる複数の周波数成分を表す。現在のスペクトル比信号Ｒｎｏｗは、周波数帯域Ａのうちの各周波数成分ｆにおける第１及び第２のスペクトル信号の比Ｒｎｏｗ［ｆ］からなるベクトル空間の元として表される。同様に、過去のスペクトル比信号Ｒｂｅｆｏｒｅは、周波数帯域Ａのうちの各周波数成分ｆにおける第１及び第２のスペクトル信号の比Ｒｂｅｆｏｒｅ［ｆ］からなるベクトル空間の元として表される。

類似度αがユークリッド距離として計算される場合、現在のスペクトル比信号Ｒｎｏｗが過去のスペクトル比信号Ｒｂｅｆｏｒｅに類似していると、類似度αは小さくなり、現在のスペクトル比信号Ｒｎｏｗと過去のスペクトル比信号Ｒｂｅｆｏｒｅの類似が失われると、類似度αは大きくなる。

また、スペクトル比信号の類似度αは、その別の表現として、現在のスペクトル比信号Ｒｎｏｗと過去のスペクトル比信号Ｒｂｅｆｏｒｅとの間の相互相関係数として、次式のように定義されてもよい。

ここで、Ｎは、周波数帯域Ａに属する周波数成分ｆの個数を表す。

類似度αが相互相関係数として計算される場合、現在のスペクトル比信号Ｒｎｏｗが過去のスペクトル比信号Ｒｂｅｆｏｒｅに類似していると、類似度αは大きくなり、現在のスペクトル比信号Ｒｎｏｗと過去のスペクトル比信号Ｒｂｅｆｏｒｅの類似が失われると、類似度αは小さくなる。

比較器４３０は、類似度αを所定のしきい値と比較することで構造物の損傷を検出する。ユークリッド距離のように、スペクトル比信号の類似が失われたときに大きくなる類似度αを用いている場合、比較器４３０は、類似度αが所定のしきい値以上であるとき、構造物に損傷が生じていると判定する。一方、相互相関係数のように、スペクトル比信号の類似が失われたときに小さくなる類似度αを用いている場合、比較器４３０は、類似度αが所定のしきい値以下であるとき、構造物に損傷が生じていると判定し、判定結果を示す結果信号を表示装置５００に送る。

上述の例では、類似度を計算するとき、複数の周波数成分におけるスペクトル比信号の値を考慮している。これにより、構造物に損傷が生じ、複数の周波数範囲のパワースペクトルの面積が同じ比率で変化したり、周波数帯域全体のパワースペクトルが同傾向で一様に変動したりする場合であっても、比較器４３０は、現在のスペクトル比信号と過去のスペクトル比信号との間の類似が失われたと正しく判定し、構造物の損傷を検出することができる。

次に、類似度αを計算するために用いる周波数帯域の決定方法について説明する。

類似度αを計算するために用いる周波数帯域は、構造物の特性のみを表すことが望ましい。まず、構造物に外力が与えられていない場合、類似度αを計算するために用いる周波数帯域Ａ１は、振動センサ１１０の帯域ｆ_ａ〜ｆ_ｂと、低域通過フィルタ１２０のカットオフ周波数ｆ_ｃと、振動センサ１１０の取り付け方法によって規定される最大周波数ｆ_ｄとから決まる、物理的に有効な帯域によって規定される。この場合、周波数帯域Ａ１は、Ａ１＝［ｆ_ａ，ｍｉｎ（ｆ_ｂ，ｆ_ｃ，ｆ_ｄ）］で表される。すなわち、周波数帯域Ａ１は、周波数ｆ_ａを下限とし、周波数ｆ_ｂ、ｆ_ｃ、及びｆ_ｄのうちの最小値を上限とする帯域として決定される。

また、構造物に外力が与えられる場合、外力の周波数帯域Ｂを予め測定し、類似度αを計算するために用いる周波数帯域Ａ２から外力の周波数帯域Ｂを除くことで、外力が存在する条件下でも正確に損傷を検出することができる。構造物に外力が与えられる場合、類似度αを計算するために用いる周波数帯域Ａ２は、Ａ２＝Ａ１＼Ｂで表される。このように決められた周波数帯域Ａは、外力の影響を受けず、構造物自体の振動特性のみを反映する。従って、このように決められた周波数帯域Ａを用いる場合、構造物の振動を生じるために構造物に外力を与える位置が変動しても、正確に損傷を検出することができる。

類似度αは、構造物の自由振動の周波数帯域において計算されてもよい。これにより、構造物の振動特性がどのように変化した場合であっても、構造物の損傷を検出することができる。

また、類似度αは、１つの周波数帯域を用いて計算されることに限定されず、例えば上述のように決定された周波数帯域Ａ１又はＡ２を分割した複数の部分帯域を用いて計算されてもよい。この場合、類似度計算器４２０は、複数の部分帯域のそれぞれにおいて、現在のスペクトル比信号と過去のスペクトル比信号との間の類似度を計算する。比較器４３０は、スペクトル比信号の類似が失われたときに大きくなる類似度を用いている場合、少なくとも１つの部分帯域に対応する類似度がしきい値以上であるとき、構造物に損傷が生じていると判定する。スペクトル比信号の類似が失われたときに小さくなる類似度を用いている場合も同様に、比較器４３０は、少なくとも１つの部分帯域に対応する類似度がしきい値以下であるとき、構造物に損傷が生じていると判定する。これにより、振動信号の特定の周波数成分が変動した場合であっても、構造物の損傷を高感度で検出することができる。

また、構造物に損傷が生じていると判定するために、類似度αを１つのしきい値と比較することに限定されず、複数のしきい値、例えば２つのしきい値と比較してもよい。例えば、構造物の重度の損傷と軽微な損傷とを区別し、異なる保守作業を行うことがある。例えば構造物が鉄道のレールである場合、レールが完全に破断したときは、直ちに列車の運行を止めて破断したレールを補修し、一方、レールが損傷を受けたが破断に達していないときは、営業終了後に損傷したレールを補修する、というような運用形態が考えられる。そのため、構造物の重度の損傷（例えば完全な破断）と軽微な損傷（例えば破断に達していない損傷）とを区別する必要がある。比較器４３０は、スペクトル比信号の類似が失われたときに大きくなる類似度αを用いている場合、互いに異なる２つのしきい値ｋ１，ｋ２（ｋ１＜ｋ２）を設定し、類似度αをしきい値ｋ１，ｋ２と比較することで以下のように判定してもよい。

ｋ１＜α＜ｋ２のとき：軽微な損傷
ｋ２＜αのとき： 深刻な損傷

スペクトル比信号の類似が失われたときに小さくなる類似度αを用いている場合も同様に、構造物の重度の損傷と軽微な損傷とを区別して判定してもよい。

図９は、図１の状態監視装置１の各構成要素の例示的な実装例を示すブロック図である。周波数解析器２１０、スペクトル比計算器３２０、類似度計算器４２０、及び比較器４３０のうちの少なくとも一部は、図９に示すように、汎用プロセッサ１０００、メモリ１０１０、入出力装置１０２０、及びデータバス１０３０を備えてもよい。メモリ１０１０に記憶されたプログラムをデータバス１０３０を介して汎用プロセッサ１０００が読みだして所定の動作を実行することにより、周波数解析器２１０、スペクトル比計算器３２０、類似度計算器４２０、及び／又は比較器４３０の機能が実現される。データバス１０３０は、入出力装置１０２０を介して他の構成要素に接続される。

周波数解析器２１０は、汎用プロセッサ１０００に代えて、又は、汎用プロセッサ１０００に加えて、ディジタルシグナルプロセッサを備えてもよい。

振動測定器１００−１及び信号処理器２００−１を互いに一体化してもよく、振動測定器１００−２及び信号処理器２００−２を互いに一体化してもよい。また、信号処理器３００及び損傷検出器４００を互いに一体化してもよい。また、信号処理器３００及び損傷検出器４００を、信号処理器２００−１，２００−２の一方に一体化してもよい。また、信号処理器２００−１，２００−２、信号処理器３００、及び損傷検出器４００を互いに一体化し、振動測定器１００−１及び信号処理器２００−１を有線又は無線により通信可能に接続し、振動測定器１００−２及び信号処理器２００−２を有線又は無線により通信可能に接続してもよい。

実施の形態１に係る状態監視装置１は、第１のスペクトル信号と第２のスペクトル信号との比を示すスペクトル比信号を計算し、スペクトル比信号を、構造物に与えられる力の周波数特性とは無関係に安定した指標として用いて、構造物の損傷を検出することができる。従って、実施の形態１に係る状態監視装置１によれば、構造物に与えられる力の周波数特性を常に一定に保つ必要がない。

また、実施の形態１に係る状態監視装置１は、ユークリッド距離又は相互相関係数を用いて現在のスペクトル比信号と過去のスペクトル比信号との類似度を計算するとき、複数の周波数成分におけるスペクトル比信号の値を考慮している。従って、構造物に損傷が生じ、複数の周波数範囲のパワースペクトルの面積が同じ比率で変化したり、周波数帯域全体のパワースペクトルが同傾向で一様に変動したりする場合であっても、構造物の損傷を正しく検出することができる。

次に、実施の形態１の変形例について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態１の第１の変形例に係る損傷検出器４００Ａの構成を示すブロック図である。

損傷検出器４００Ａは、記憶装置４１０、類似度計算器４２０、比較器４３０Ａ、記憶装置４４０、及び減算器４５０を備える。

図１０の記憶装置４１０及び類似度計算器４２０は、図８の対応する構成要素と同様に構成される。

記憶装置４４０は、類似度計算器４２０によって計算された現在の類似度を記憶し、さらに、以前に計算されて記憶した過去の類似度も記憶し続ける。過去の類似度は、現在の類似度に関連付けられた第１及び第２の振動信号の振動を測定した時点よりも所定の時間期間だけ先行する時点に測定された振動を表す第１及び第２の振動信号に基づいて生成される。記憶装置４４０は、例えば、不揮発性記憶装置である。

減算器４５０は、類似度計算器４２０から入力された現在の類似度α_ｎｏｗと、記憶装置４４０から読み出した過去の類似度α_{ｂｅｆｏｒｅ}との差の絶対値｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜を計算し、計算結果を比較器４３０Ａに送る。

比較器４３０Ａは、類似度の差｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜を所定のしきい値と比較することで構造物の損傷を検出する。スペクトル比信号の類似が失われたときに大きくなる類似度αを用いている場合、比較器４３０Ａは、類似度の差｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜が所定のしきい値以上であるとき、構造物に損傷が生じていると判定する。一方、スペクトル比信号の類似が失われたときに小さくなる類似度αを用いている場合、比較器４３０Ａは、類似度の差｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜が所定のしきい値以下であるとき、構造物に損傷が生じていると判定し、判定結果を示す結果信号を表示装置５００に送る。。

また、構造物に損傷が生じていると判定するために、類似度の差｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜を１つのしきい値と比較することに限定されず、複数のしきい値、例えば２つのしきい値と比較してもよい。比較器４３０Ａは、スペクトル比信号の類似が失われたときに大きくなる類似度αを用いている場合、互いに異なる２つのしきい値ｋ３，ｋ４（ｋ３＜ｋ４）を設定し、類似度の差｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜をしきい値ｋ３，ｋ４と比較することで以下のように判定してもよい。

ｋ３＜｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜＜ｋ４のとき：軽微な損傷
ｋ４＜｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜のとき： 深刻な損傷

スペクトル比信号の類似が失われたときに小さくなる類似度αを用いている場合も同様に、構造物の重度の損傷と軽微な損傷とを区別して判定してもよい。

図１０の損傷検出器４００Ａは、類似度の差｜α_ｎｏｗ−α_{ｂｅｆｏｒｅ}｜を計算することにより、構造物の状態の急激な変化を検出することができる。

図１１は、本発明の実施の形態１の第２の変形例に係る損傷検出器４００Ｂの構成を示すブロック図である。

損傷検出器４００Ｂは、図８の損傷検出器４００の各構成要素に加えて、スイッチＳＷを備える。スイッチＳＷは、例えば構造物の保守作業の終了直後にのみオンされる。これにより、記憶装置４１０は、構造物が健全な状態にあるとき（すなわち、構造物の保守作業の終了直後）に測定された振動を表す第１及び第２の振動信号に基づいて生成されたスペクトル比信号を記憶する。記憶装置４１０に記憶されたスペクトル比信号は、好ましくは、構造物の保守作業が終了するごとに、及び／又は、構造物の構成が変化するごとに更新される。

図１１の類似度計算器４２０及び比較器４３０は、図８の対応する構成要素と同様に構成される。

損傷検出器４００Ｂによれば、現在のスペクトル比信号と、構造物が健全な状態にあるときに測定された振動を表す第１及び第２の振動信号に基づいて生成されたスペクトル比信号との類似度を計算することで、構造物の損傷が徐々に進行する場合でも、損傷を確実に検出することができる。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２に係る状態監視装置１Ａの構成を示すブロック図である。

状態監視装置１Ａは、振動測定器１００−１〜１００−Ｎ、セレクタ６００、信号処理器２００−１，２００−２、信号処理器３００、損傷検出器４００、及び表示装置５００を備える。

振動測定器１００−１〜１００−Ｎは、複数の位置における構造物の振動を測定して時間領域における振動信号をそれぞれ生成する。

セレクタ６００は、複数の振動信号から第１及び第２の振動信号を選択して信号処理器２００−１，２００−２に入力する。

図１２の信号処理器２００−１，２００−２、信号処理器３００、損傷検出器４００、及び表示装置５００は、図１の対応する構成要素と同様に構成される。

実施の形態２に係る状態監視装置１Ａによれば、複数の位置における構造物の振動を表す複数の振動信号を選択的に用いることにより、実施の形態１に係る状態監視装置１よりも構造物の状態を正確に監視することができる。

また、実施の形態２に係る状態監視装置１Ａは、実施の形態１に係る状態監視装置１と同様の効果も有する。

本発明は、連続体として構成された任意の構造物に適用可能であり、例えば、鉄道のレール、コンビナートのパイプ、及び配管といった長尺構造物、橋梁、橋脚、及びトンネルといった３次元構造物の損傷を検出可能である。

１，１Ａ 状態監視装置、 ２ 長尺構造物、 ３ ３次元構造物、 １００−１〜１００−Ｎ 振動測定器、 １１０，１１０−１，１１０−２ 振動センサ、 １２０ 低域通過フィルタ、 １３０ Ａ／Ｄコンバータ、 ２００−１，２００−２ 信号処理器、 ２１０ 周波数解析器、 ２２０ 通信インターフェース、 ３００ 信号処理器、 ３１０ 通信インターフェース、 ３２０ スペクトル比計算器、 ４００，４００Ａ，４００Ｂ 損傷検出器、 ４１０ 記憶装置、 ４２０ 類似度計算器、 ４３０，４３０Ａ 比較器、 ４４０ 記憶装置、 ４５０ 減算器、 ＳＷ スイッチ、 ５００ 表示装置、 ６００ セレクタ、 １０００ 汎用プロセッサ、 １０１０ メモリ、 １０２０ 入出力装置、 １０３０ データバス。

Claims (7)

1. 第１の位置における構造物の振動を測定して時間領域における第１の振動信号を生成する第１の振動測定器と、
   前記第１の位置とは異なる第２の位置における前記構造物の振動を測定して時間領域の第２の振動信号を生成する第２の振動測定器と、
   前記第１の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第１のスペクトル信号を生成する第１の信号処理器と、
   前記第２の振動信号を時間領域から周波数領域に変換して第２のスペクトル信号を生成する第２の信号処理器と、
   所定の周波数帯域に含まれる周波数成分ごとに前記第１及び第２のスペクトル信号の比を計算してスペクトル比信号を生成する第３の信号処理器と、
   前記スペクトル比信号に基づいて前記構造物の損傷を検出する損傷検出器を含み、
   前記損傷検出器は、前記構造物に与えられる外力の周波数帯域を除く周波数帯域において、現在のスペクトル比信号と過去のスペクトル比信号との類似度を計算し、前記類似度を所定のしきい値と比較することで前記構造物の損傷を検出する、
   状態監視装置。
2. 前記過去のスペクトル比信号は、前記現在のスペクトル比信号に関連付けられた前記第１及び第２の振動信号の振動を測定した時点よりも所定の時間期間だけ先行する時点に測定された振動を表す前記第１及び第２の振動信号に基づいて生成される、
   請求項１記載の状態監視装置。
3. 前記過去のスペクトル比信号は、前記構造物が健全な状態にあるときに測定された振動を表す前記第１及び第２の振動信号に基づいて生成される、
   請求項１記載の状態監視装置。
4. 前記スペクトル比信号は、所定の周波数帯域のうちの複数の周波数成分における前記第１及び第２のスペクトル信号の比からなるベクトル空間の元として表され、
   前記類似度は、前記現在のスペクトル比信号と前記過去のスペクトル比信号との間のユークリッド距離として計算される、
   請求項１〜３のうちの１つに記載の状態監視装置。
5. 前記スペクトル比信号は、所定の周波数帯域のうちの複数の周波数成分における前記第１及び第２のスペクトル信号の比からなるベクトル空間の元として表され、
   前記類似度は、前記現在のスペクトル比信号と前記過去のスペクトル比信号との間の相互相関係数として計算される、
   請求項１〜３のうちの１つに記載の状態監視装置。
6. 前記損傷検出器は、前記構造物の自由振動の周波数帯域において前記類似度を計算する、
   請求項１〜５のうちの１つに記載の状態監視装置。
7. 複数の位置における構造物の振動を測定して時間領域における振動信号をそれぞれ生成する複数の振動測定器と、
   前記複数の振動信号から第１及び第２の振動信号を選択して前記第１及び第２の信号処理器に入力するセレクタとをさらに備える、
   請求項１〜６のうちの１つに記載の状態監視装置。

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