JP6666023B2 - 感震センサ及び地震判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、感震センサ及び地震判定方法に関する。

従来、加速度センサーにより計測された所定時間内における震動の加速度データの平均値を算出すると共に平均値を繰り返し算出して移動平均法により定常状態における基礎震動データである基準値を常時算出し、地震発生判定部により基準値算出部において算出された基準値と加速度センサーにより計測されたリアルタイムの加速度データとを照合してリアルタイムの加速度データと基準値との差分が所定の閾値を超えた場合に地震であると判定する電力機器の制御方法が提案されている（例えば特許文献１）。また、ノイズレベルが一定の閾値を越えているか監視し、ノイズレベルが閾値を越えたら地震の検出に遅れが生じるものとして、地震計異常監視システムを構成する中央制御装置に異常報知信号を送信する地震計も提案されている（例えば特許文献２）。また、電源投入後の出力手段からの出力値を振動がゼロであるゼロレベルに設定するという技術も提案されている（例えば特許文献３）。この技術では、電源投入後、所定時間以上において出力値が連続的に所定レベル以下の変動か否かを判定し、安定と判定された場合に設定を行う。また、フィルタ手段で濾過した信号のそれぞれが所定レベルを超えるか否かを判定する技術も提案されている（例えば特許文献４）。この技術では、ハイパスフィルタとローパスフィルタとを備え、フーリエ変換を用いることなく所定の震度を検出するための周波数帯を抽出している。

特開２０１３−０８８３１４号公報 特開２０１３−１０８８４７号公報 特許第４０９６４０１号公報 特許第４４２７９１１号公報

マイクロコントローラを用いた感震センサは、演算処理によって地震の規模を評価するための指標値を得ることができる一方、従来利用されていた振動によって通電するような機械式の感震センサと比較して消費電力が大きくなりがちである。また、地震の発生時にガスや電気を遮断するために用いられる感震センサのように、例えばメータボックス等に設けられ電池駆動するような装置の場合、特に待機電力を低減させることが望ましい。しかしながら、装置を設置する環境によっては、車両の通行や工事等によるノイズも測定されるとともに、測定されるノイズの程度も様々となる。このような環境ノイズの誤検知を繰り返すと感震センサの電力消費が増大する。しかしながら、従来の感震センサは、半永久的に給電されることを前提としたものがほとんどであり、電力消費を低減させる技術はあまり提案されていなかった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、感震センサの電力消費を抑制することを目的とする。

本発明に係る感震センサは、省電力モード、及び当該省電力モードよりも消費電力の大きい測定モードで動作する。また、感震センサは、加速度を測定する測定部と、測定部が
測定した加速度が所定の閾値を超える場合、省電力モードから測定モードに移行し、測定された加速度に対しフィルタリングを行うフィルタリング部と、フィルタリングされた加速度に基づいて地震が発生したか否か判定する地震判定部と、地震が発生したと地震判定部が判定した場合、地震の規模を示す指標値を算出する指標算出部とを備え、地震が発生していないと地震判定部が判定した場合、測定モードから省電力モードに移行する。

このような構成とすることで、地震が発生していないと判定された場合には、指標算出部による指標値の算出を行わずに省電力モードに移行するため、余計な電力消費が抑制される。特に、加速度に対するフィルタリングによりノイズ成分を除去し、地震判定部の判定精度を向上させることができるため、適切に且つ速やかに省電力モードへ移行し、消費電力を低減させることができる。

また、フィルタリング部は、加速度の移動平均を求めるようにしてもよい。このようにすれば、フィルタリング部はローパスフィルタのような特性を有し、加速度のノイズ成分を除去することができる。

また、地震判定部は、所定期間内に測定され且つフィルタリングされた加速度の、最大値と最小値との差、平均値、又は、平均値と分散値との和が、所定の閾値よりも大きい場合に地震が発生したと判定するようにしてもよい。具体的には、フィルタリングされた加速度を用いて上述のいずれかのような値を算出し、地震が発生したか否かの判定を行うことができる。

また、本発明の他の側面に係る地震判定方法は、省電力モード、及び当該省電力モードよりも消費電力の大きい測定モードで動作する感震センサが実行する。具体的には、地震判定方法は、加速度を測定する測定ステップと、測定ステップにおいて測定した加速度が所定の閾値を超える場合、省電力モードから測定モードに移行し、測定された加速度に対しフィルタリングを行うフィルタリングステップと、フィルタリングされた加速度に基づいて地震が発生したか否か判定する地震判定ステップとを備え、地震判定ステップにおいて地震が発生していないと判定された場合、測定モードから省電力モードに移行し、フィルタリングを停止する。

このような地震判定方法によれば、地震が発生していないと判定された場合には、指標算出ステップにおける指標値の算出を行わずに省電力モードに移行するため、余計な電力消費が抑制される。特に、加速度に対するフィルタリングによりノイズ成分を除去し、地震判定ステップにおける判定精度を向上させることができるため、適切に且つ速やかに省電力モードへ移行し、消費電力を低減させることができる。

なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。

感震センサの電力消費を抑制することができる。

感震センサの一例を示す装置構成図である。 感震センサの一例を示す機能ブロック図である。 本実施形態で測定される加速度と閾値を説明するための図である。 感震処理の一例を示す処理フロー図である。

以下、本発明の実施形態に係る感震センサについて、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、感震センサの一例を示すものであって、本発明に係る感震センサは、以下の構成には限定されない。

＜装置構成＞
図１は、本実施形態に係る感震センサの一例を示す装置構成図である。感震センサ１は、加速度センサ１１と、マイクロコントローラ１２と、記憶部１３と、出力部１４と、入力部１５とを有する。加速度センサ１１は、例えば圧電素子を用いた加速度センサや、電極間の静電容量を検出する加速度センサである。なお、加速度センサ１１が測定（「サンプリング」とも呼ぶ）した加速度は、マイクロコントローラ１２に出力される。マイクロコントローラ１２は、例えば汎用的な集積回路であり、所定の周期で加速度センサ１１が測定する加速度を取得し、加速度に基づいて地震の発生を検知したり、地震の規模を示す指標値を算出したりする。また、マイクロコントローラ１２は、状況に応じてアクティブモード又はスリープモードという異なる形式で動作する。スリープモードとは、マイクロコントローラ１２が、割り込みを受け付けつつ命令の実行を停止したり、クロックの供給を停止する等、機能を制限して動作することにより、アクティブモードと比較して消費電力を低減させる動作形式である。マイクロコントローラ１２は、アクティブモードにおいて、地震かノイズかの判定処理を行ったり、地震の規模を示す指標値を算出したりする。記憶部１３は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一時記憶手段や、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）等の不揮発性メモリであり、例えば測定された加速度や地震判定に用いる閾値等を保持する。なお、記憶部１３は、加速度センサ１１やマイクロコントローラ１２が内蔵するメモリであってもよい。また、出力部１４は、例えばマイクロコントローラ１２が有する出力端子である。マイクロコントローラ１２は、例えば地震が発生したと判断した場合、出力部１４を介して他の装置に地震の発生やその規模を示す情報を出力する。また、入力部１５は、マイクロコントローラ１２が有する入力端子である。マイクロコントローラ１２は、入力部１５を介して、例えば図示していないスイッチの操作や他の装置からのコマンドの入力等を受けるようにしてもよい。なお、加速度センサ１１とマイクロコントローラ１２との間には図示していないハイパスフィルタを設けて重力成分を取り除くようにしてもよい。また、マイクロコントローラ１２は、加速度センサ１１が測定する加速度を、所定のオフセットを基準とした加速度の絶対値に変換して扱うようにしてもよい。

＜機能構成＞
図２は、感震センサ１の一例を示す機能ブロック図である。感震センサ１は、加速度測定部１０１と、加速度記憶部１０２と、起動判定部１０３と、基準値記憶部１０４と、地震判定部１０５と、評価指標算出部１０６と、出力部１０７と、オフセット調整部１０８と、判定記憶部１０９と、フィルタリング部１１０とを有する。なお、加速度測定部１０１、起動判定部１０３、地震判定部１０５、評価指標算出部１０６、オフセット調整部１０８及びフィルタリング部１１０は、図１に示した加速度センサ１１又はマイクロコントローラ１２が所定のプログラムに基づいて動作することにより実現される。また、加速度記憶部１０２、基準値記憶部１０４及び判定記憶部１０９は、図１の記憶部１３によって構成される。なお、少なくとも地震判定部１０５や評価指標算出部１０６は、マイクロコントローラ１２がアクティブモードで動作することにより実現される。また、出力部１０７は、図１のマイクロコントローラ１２及び出力部１４が所定のプログラムに基づいて動作することにより実現される。

加速度測定部１０１は、設定された周期で加速度を測定する。なお、加速度測定部１０１は、通常、比較的低速（すなわち、比較的大きな測定周期。「第１の周期」とも呼ぶ）で加速度の測定を繰り返す。なお、このような低速サンプリングを行う場合、マイクロコントローラ１２は基本的にスリープモードで動作する。このような消費電力の小さい動作
状態を、「省電力モード」又は「待機状態」とも呼ぶものとする。換言すれば、「省電力モード」とは、低速サンプリングを行う動作状態であり、このときマイクロコントローラ１２は、機能が制限されたスリープモードで動作するため、電力消費が抑制される。また、加速度測定部１０１は、基準値記憶部１０４に予め設定されている閾値よりも大きな振動を検知した場合、低速サンプリング時よりも高速（すなわち、比較的小さな周期。「第２の周期」とも呼ぶ）で加速度の測定を繰り返す。このような高速サンプリングを行うとき、マイクロコントローラ１２はスリープモード又はアクティブモードで動作する。なお、地震判定部１０５や評価指標算出部１０６が処理を行う場合は、マイクロコントローラ１２がアクティブモードで動作する。このような高速サンプリング時の動作状態を、「測定モード」とも呼び、省電力モードから測定モードへの、動作状態の移行を「起動」とも呼ぶものとする。換言すれば、「測定モード」とは、高速サンプリングを行う動作状態であり、このときマイクロコントローラ１２は、機能が制限されたスリープモードで動作する場合もあれば、最大限の計算能力で動作し得るアクティブモードで動作する場合もある。測定モードにおいては、マイクロコントローラ１２がスリープモードからアクティブモードに切り替わることにより、省電力モードよりも消費電力が大きくなる。

フィルタリング部１１０は、加速度測定部１０１が測定した加速度の値に対し、フィルタリング処理を行い、フィルタリングされた加速度を加速度記憶部１０２に保持させる。本実施形態では、フィルタリング部１１０はいわゆるデジタルフィルタとして働く。フィルタリングの具体的な手法は、既存の技術を採用することができる。フィルタリング部１１０は、例えば加速度の絶対値の移動平均を算出することで、ローパスフィルタとして機能する。

また、加速度記憶部１０２は、加速度測定部１０１が測定した加速度の値、又はフィルタリング部１１０がフィルタリングした加速度の値を保持する。起動判定部１０３は、加速度測定部１０１が測定した加速度の値と、基準値記憶部１０４に保持されている起動閾値とを比較し、加速度の値が起動閾値を超える場合、省電力モードから測定モードへ起動させる。また、地震判定部１０５は、加速度測定部１０１が測定モードで測定した加速度と、基準値記憶部１０４に予め設定された閾値とを用いて、測定した加速度が地震を示すかノイズであるか判定する。

地震判定部１０５が地震であると判定した場合、評価指標算出部１０６は、地震の規模を示す評価指標を算出する。例えば、地震評価指標として、ＳＩ（Spectrum Intensity）値を算出するものとする。そして、出力部１０７は、算出されたＳＩ値を外部の装置へ出力する。

一方、地震判定部１０５が振動はノイズであると判定した場合、オフセット調整部１０８は、いわゆるオフセット調整を行う。本実施形態では、センサの経時的変化に伴い発生する測定値の変化量や、温度変化に伴って生ずる測定値の変化量、設置されたセンサの姿勢が何らかの原因で傾いた場合にセンサに対する重力加速度の方向が変化することで生ずる測定値の変化量等、測定される加速度に含まれるノイズ成分をオフセット成分と呼ぶ。オフセット調整部１０８は、例えばノイズであると判定された加速度の最大値及び最小値の中央値や、加速度の平均値をオフセット成分として算出する。図３は、本実施形態で測定される加速度とオフセット成分及び閾値を説明するための図である。図３のグラフは、縦軸が加速度の大きさを示し、横軸が時間の経過を示す。図３（１）のように、太い実線で示す振動が測定された場合、オフセット成分は、例えば一点鎖線で示すような加速度の平均値として求めることができる。算出したオフセット成分は、基準値記憶部１０４に格納され、起動判定部１０３が実行する起動判定や、地震判定部１０５が実行する地震判定に用いられる。また、図３（２）のように、太い実線で示す振動が測定された場合、破線で示すように閾値はオフセット成分との相対的な値として規定される。

＜感震処理＞
図４は、感震処理の一例を示す処理フロー図である。まず、感震センサ１の加速度測定部１０１は、省電力モードで加速度を測定する（図４：Ｓ１）。省電力モードにおいては、加速度測定部１０１は低速サンプリングを行う。また、感震センサ１の起動判定部１０３は、起動する（すなわち、測定モードへ移行する）か否かの判定を行う（Ｓ２）。本ステップでは、Ｓ１で測定された加速度が図３に示した閾値（起動閾値，例えば５０ｇａｌ）以下の場合（Ｓ２：ＮＯ）、処理はＳ１に遷移し、省電力モード（低速サンプリング）を継続する。一方、Ｓ１で測定された加速度が図３に示した閾値よりも大きい場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、加速度測定部１０１は測定モードに移行する。なお、図３（３）に示したように、起動閾値は、オフセットを基準とした相対的な値である。測定モードにおいては、加速度測定部１０１は高速サンプリングを行う。

その後、加速度測定部１０１は、測定モードにおいて高速サンプリングで加速度を測定し、フィルタリング部１１０は、測定された加速度に対してフィルタリング処理を行い、結果の値を加速度記憶部１０２に記憶させる（Ｓ３）。また、感震センサ１の地震判定部１０５は、地震判定（換言すれば、ノイズ判定）を行う（Ｓ４）。なお、フィルタリングは、マイクロコントローラ１２がアクティブモードへ移行して実行するようにしてもよいし、マイクロコントローラ１２はスリープモードのまま加速度センサ１１が実行するようにしてもよい。本ステップでは、検知した振動が地震によるものかノイズかを判定する。例えば、振動が所定時間以上続かなければ、Ｓ１で測定された振動は地震でなくノイズであったと判断する。具体的には、高速で複数回サンプリングされた、加速度の絶対値の移動平均（「フィルタ値」とも呼ぶ）を用いて、例えば所定期間（例えば１秒）におけるフィルタ値の最大値と最小値との差、フィルタ値の平均値、又はフィルタ値の平均値と分散値（若しくは標準偏差値）との和を求める。そして、求めた値が所定の閾値（地震判定閾値，例えば１００ｇａｌ）よりも大きい場合に地震であると判定する。なお、本ステップで用いる地震判定閾値は、起動閾値とは異なる値が好ましいが、起動閾値と同じ値であってもよい。また、平均値と分散値（若しくは標準偏差値）との和を採用する場合は、例えば、標準偏差をσとしたときに、σに所定の係数を乗じた値を分散値として扱ってもよい。このようにすれば、正規分布に従うノイズ成分を検出してしまう場合に、ノイズによる起動を抑制することができる。なお、地震かノイズかの判定に用いる値は、上述の例に限らない。例えば、フィルタ値の最大値、フィルタ値の最小値、フィルタ値の平均値、フィルタ値の分散値（標準偏差値）の各々や、これらのうち２以上の値を、加減乗除によって組み合わせた値であってもよい。Ｓ４においては、このような値と地震判定閾値とが所定の大小関係にあるとき、地震であると判断する。

Ｓ４において地震であると判定された場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、感震センサ１の評価指標算出部１０６は、地震の規模を示す評価指標を算出する（Ｓ５）。なお、評価指標の算出を行う際、マイクロコントローラ１２はアクティブモードで動作する。本ステップでは、例えばＳＩ値を求める。ＳＩ値とは、地震評価指標の一例であり、建物が受ける被害の程度との相関が認められている値である。なお、感震センサ１の出力部１０７は、算出した評価指標は他の装置へ出力するものとする。具体的には、次の数１によりＳＩ値を求めることができる。

上記のＳＩ値は、剛性の高い構造物の固有周期である０．１秒〜２．５秒の間の速度応答
スペクトル積分値の平均によって地震動の破壊力を表す指標としたものである。なお、Ｓｖは速度応答スペクトル、Ｔは周期、ｈは減衰定数である。

一方、Ｓ４において地震でないと判定された場合（Ｓ４：ＮＯ）、感震センサ１のオフセット調整部１０８は、オフセットを調整する（Ｓ６）。本ステップでは、オフセットとして、例えば図３（１）に一点鎖線で示す加速度の平均値を求める。このようにして、閾値の基準が調整される。

＜効果＞
上述のような実施形態によれば、フィルタリング部１１０が加速度をフィルタリングすることにより、極端な大きさのノイズが除去される。そして、地震判定の精度が向上し、地震でないと判定された場合には速やかに省電力モードに戻ることができる。したがって、いたずらに地震であると判定して評価指標を算出し、電力を浪費することが抑制される。すなわち、感震センサの電力消費を抑制することができるようになる。

＜変形例＞
図４に示した処理フロー図において、オフセットの動的な調整（例えばＳ６）を行わないようにしてもよい。このような態様であっても、フィルタリングによる地震判定の精度向上により、感震センサの消費電力を低減させることができる。

また、上述のＳ５において、出力部１０７は、評価指標を直接出力するだけでなく，評価指標が所定の閾値を上回った場合に、所定のパルスパターンを発生するようにしたり、Ｏｎ／ＯｆｆやＨｉｇｈ／Ｌｏｗといった２値信号を出力するようにしたりして、所定の大きさ以上の地震が発生したことを外部機器に通知するようにしても良い。感震センサ１が評価指標を出力するか、パルスパターン等を出力するか、設定により切り替えられるようにすれば、従来の装置との互換性を有する感震センサを提供できる。

１ 感震センサ
１１ 加速度センサ
１２ マイクロコントローラ
１３ 記憶部
１４ 出力部
１５ 入力部
１０１ 加速度測定部
１０２ 加速度記憶部
１０３ 起動判定部
１０４ 基準値記憶部
１０５ 地震判定部
１０６ 評価指標算出部
１０７ 出力部
１０８ オフセット調整部
１０９ 判定記憶部
１１０ フィルタリング部

Claims (3)

1. 省電力モード、及び当該省電力モードよりも消費電力の大きい測定モードで動作する感震センサであって、
   加速度を測定する測定部と、
   前記測定部が測定した加速度が所定の閾値を超える場合、前記省電力モードから前記測定モードに移行し、測定された加速度に対しフィルタリングを行うフィルタリング部と、
   フィルタリングされた加速度に基づいて地震が発生したか否か判定する地震判定部と、
   地震が発生したと前記地震判定部が判定した場合、地震の規模を示す指標値を算出する指標算出部と、
   を備え、
   地震が発生していないと前記地震判定部が判定した場合、前記測定モードから前記省電力モードに移行し、
   前記地震判定部は、所定期間内に測定され且つフィルタリングされた加速度の、最大値と最小値との差、又は、平均値と分散値との和が、所定の閾値よりも大きい場合に地震が発生したと判定する
   感震センサ。
2. 前記フィルタリング部は、前記加速度の移動平均を求める
   請求項１に記載の感震センサ。
3. 省電力モード、及び当該省電力モードよりも消費電力の大きい測定モードで動作する感震センサが実行する地震判定方法であって、
   加速度を測定する測定ステップと、
   測定した前記加速度が所定の閾値を超える場合、前記省電力モードから前記測定モードに移行し、測定した前記加速度に対しフィルタリングを行うフィルタリングステップと、
   フィルタリングされた加速度に基づいて地震が発生したか否か判定する地震判定ステップと、
   地震が発生したと判定された場合、地震の規模を示す指標値を算出する指標算出ステッ
   プと、
   を備え、
   前記地震判定ステップにおいて地震が発生していないと判定された場合、前記測定モードから前記省電力モードに移行し、
   前記地震判定ステップにおいて、所定期間内に測定され且つフィルタリングされた加速度の、最大値と最小値との差、又は、平均値と分散値との和が、所定の閾値よりも大きい場合に地震が発生したと判定する
   地震判定方法。

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