JP6809691B2 - 計測装置、計測方法、および計測システム - Google Patents

計測装置、計測方法、および計測システム Download PDF

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Description

本発明は、計測装置、計測方法、および計測システムに関するものである。
非特許文献１には、数値積分の際の境界条件において、速度の時間平均値が０になるという仮定を用いて橋梁の変位応答を算出する「初期速度推定法（Initial velocity estimation method）」が開示されている。
Ki-Tae Park、外３名、"The determination of bridge displacement using measured acceleration"、Engineering Structure、Vol.27、pp.371-378、2005年
しかし、非特許文献１には、構造物に生じる角速度から角度を算出することに関しては何ら記載されていない。
また、非特許文献１には、構造物に外力が作用する時間帯（以下、「強制応答区間」と称すことがある）を特定する方法が開示されていないため、数値積分の積分範囲を特定することに問題がある。
そこで本発明は、構造物に生じる角速度から角度を精度よく算出する技術を提供することを目的とする。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る計測装置は、移動体が移動する構造物に設置されたセンサによって測定された角速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の角速度を抽出し、抽出した角速度を積分して算出した角度から、角度の境界条件を特定する境界条件特定部と、前記センサによって測定された角速度を積分して、角度を算出する積分部と、前記積分部が算出した角度を、前記境界条件特定部が特定した角度の境界条件を満たすように補正する補正部と、を有することを特徴とする。
また、上記の計測装置においては、前記境界条件特定部は、抽出した角速度を積分して算出した角度の、前記構造物に外力が作用したときの第１の時刻における角度と、前記構造物に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における角度とを境界条件とする、ことを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記センサによって測定された加速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の加速度を抽出し、抽出した加速度を積分して算出した速度と、その速度を積分して算出した変位とから、速度の境界条件と変位の境界条件とを特定する速度変位境界条件特定部と、前記センサによって測定された加速度を積分して、速度と変位とを算出する速度変位積分部と、前記速度変位積分部が算出した速度を、前記速度変位境界条件特定部が特定した速度の境界条件を満たすように補正し、前記速度変位積分部が算出した変位を、前記速度変位境界条件特定部が特定した変位の境界条件を満たすように補正する速度変位補正部と、をさらに有することを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記速度変位境界条件特定部は、抽出した加速度を積分して算出した速度と、その速度を積分して算出した変位との、前記構造物に外力が作用したときの第１の時刻における速度および変位と、前記構造物に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における速度および変位とを境界条件とする、ことを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記センサは、３軸方向の角速度と３軸方向の加速度とを検出する６軸の慣性センサである、ことを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記速度変位補正部によって補正された変位から、前記構造物の異常を検出する異常検出部、をさらに有することを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記補正部によって補正された角度から、前記構造物の異常を検出する異常検出部、をさらに有することを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記速度変位積分部は、前記構造物に作用した外力の大きさに応じて、変位の算出を止める、ことを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記速度変位補正部は、前記構造物に作用した外力の大きさに応じて、第２の時刻以降の速度をゼロに補正する、ことを特徴とするものであってもよい。
また、上記の計測装置においては、前記積分部は、前記構造物に作用した外力の大きさに応じて、角度の算出を止める、ことを特徴とするものであってもよい。
また、本発明の一態様に係る計測方法は、移動体が移動する構造物に設置されたセンサによって測定された角速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の角速度を抽出し、抽出した角速度を積分して算出した角度から、角度の境界条件を特定する境界条件特定ステップと、前記センサによって測定された角速度を積分して、角度を算出する積分ステップと、前記積分ステップにて算出された角度を、前記境界条件特定ステップにて特定された角度の境界条件を満たすように補正する補正ステップと、を有することを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る計測システムは、移動体が移動する構造物に設置されるセンサと、前記センサによって測定された角速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の角速度を抽出し、抽出した角速度を積分して算出した角度から、角度の境界条件を特定する境界条件特定部と、前記センサによって測定された角速度を積分して、角度を算出する積分部と、前記積分部が算出した角度を、前記境界条件特定部が特定した角度の境界条件を満たすように補正する補正部と、を有する計測装置と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、構造物に生じる角速度から、角度を精度よく算出することができる。上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
第１の実施の形態に係る計測システムを説明する図である。 床版を省略した橋梁の斜視図である。 計測装置の機能ブロック構成例を示した図である。 センサが検出する角速度の一例を示した図である。 センサが検出する角速度の周波数成分の一例を示した図である。 境界条件特定部の動作例を説明する図である。 積分部および補正部の動作例を説明する図である。 積分部が算出した角度のドリフト除去の例を説明する図である。 境界条件特定部、積分部、および補正部の処理例を説明する図である。 計測装置の動作例を示したフローチャートである。 第２の実施の形態に係る計測装置の機能ブロック構成例を示した図である。 速度変位境界条件特定部、速度変位積分部、および速度変位補正部の処理例を説明する図である。 第３の実施の形態に係る計測装置の機能ブロック構成例を示した図である。 積分部の動作例を説明する図である。 速度変位積分部および速度変位補正部の動作例を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る計測システムを説明する図である。計測システムは、計測装置１と、センサ２ａ，２ｂとを有している。計測装置１とセンサ２ａ，２ｂは、例えば、携帯電話の無線ネットワークおよびインターネット等の通信ネットワーク３を介して、通信を行うことができる。
図１には、橋梁４と、通過検出装置５と、地震計６とが示してある。橋梁４は、橋梁４に作用する外力によって変形する。例えば、橋梁４は、車両等の移動体による通過や、地震などによって撓んだりねじれたりする。
センサ２ａ，２ｂは、角速度を検出するセンサである。センサ２ａ，２ｂは、以下で詳述するが、橋梁４の支承部に設置され、橋梁４に生じる角速度を検出する。センサ２ａ，２ｂは、検出した角速度の信号（以下では、単に角速度と称することがある）を、通信ネットワーク３を介して、計測装置１に送信する。
計測装置１は、以下で詳述するが、センサ２ａ，２ｂから送信される角速度に基づいて、外力によって生じる橋梁４のねじれ（橋梁４の変位した角度、以下では、変位角度または単に角度と呼ぶことがある）を算出する。そして、計測装置１は、算出した変位角度から、橋梁４の異常を判定する。例えば、計測装置１は、算出した変位角度が所定の閾値を超えている場合、橋梁４は異常であると判定する。すなわち、計測装置１は、車両通過や地震によって変形した橋梁４が異常であるか否か判定する。
通過検出装置５は、橋梁４を通過する車両を撮像装置で撮影し、撮影した車両の映像から、車両の橋梁４への進入時刻および橋梁４からの退出時刻を検出する。すなわち、通過検出装置５は、車両通過による、橋梁４に外力が作用した時間帯（強制応答区間）を検出する。通過検出装置５は、検出した車両の進入時刻および退出時刻を、通信ネットワーク３を介して計測装置１に送信する。
地震計６は、橋梁４の周辺で発生する地震を検出し、地震が発生した地震発生時刻と、地震がおさまった地震終了時刻とを検出する。すなわち、地震計６は、地震による、橋梁４に外力が作用した時間帯を検出する。地震計６は、検出した地震発生時刻および地震終了時刻を、通信ネットワーク３を介して計測装置１に送信する。
上記の車両進入時刻および地震発生時刻は、橋梁４に外力が作用したとき（作用し始めたとき）の時刻である。以下では、橋梁４に外力が作用したときの時刻を「第１の時刻」と呼ぶことがある。また、上記の車両退出時刻および地震終了時刻は、橋梁４に作用した外力が解除されたときの時刻である。以下では、橋梁４に作用した外力が解除されたときの時刻を「第２の時刻」と呼ぶことがある。なお、橋梁４に外力が作用する時間帯は、第１の時刻と第２の時刻との間となる。言い換えれば、強制応答区間は、第１の時刻と第２の時刻との間となる。
図１の例では、通過検出装置５および地震計６によって、橋梁４に外力が作用する時間帯を計測したが、橋梁４に外力が作用する時間帯を計測する方法は、これに限られない。
例えば、計測装置１は、センサ２ａ，２ｂから送信される角速度から、車両進入時刻および車両退出時刻を計測してもよい。具体的には、図１において、車両が左方向から右方向に通過したとする。この場合、センサ２ａからは、車両の進入によって生じた角速度が検出され、センサ２ｂからは、車両の退出によって生じた角速度が検出される。計測装置１は、この検出された角速度から、車両進入時刻および車両退出時刻を計測する。
また、計測装置１は、センサ２ａ，２ｂから送信される角速度から、地震発生時刻および地震終了時刻を計測してもよい。具体的には、地震が発生したとき、センサ２ａ，２ｂからは、地震によって生じた角速度が検出される。計測装置１は、この検出された角速度から、地震発生時刻および地震終了時刻を計測する。
また、橋梁４に外力が作用する時間帯を計測するため、加速度センサを、橋梁４の車両移動方向の両端（例えば、図１に示すセンサ２ａ，２ｂの位置）に設置してもよい。計測装置１は、角速度の場合と同様に、橋梁４に設置された加速度センサの加速度から、第１の時刻および第２の時刻を計測する。
さらに、撮像装置で撮影した橋梁４を通過する車両の映像を、計測装置１または通信ネットワーク３上のコンピュータ（図示せず）に送信してもよい。そして、計測装置１または通信ネットワーク３上のコンピュータが、撮像装置から送信された映像から、第１の時刻および第２の時刻を計測してもよい。
図２は、床版を省略した橋梁４の斜視図である。図２において、図１と同じものには同じ符号が付してある。
図２に示すように、センサ２ａ〜２ｄは、橋梁４の４隅の支承部に設置される。なお、センサの設置数は、図２の例に限られない。センサは、少なくとも１つ設置すればよい。これによっても、計測装置１は、外力の作用によって生じる橋梁４の変位角度を算出できる。
以下では、説明を簡単にするため、計測装置１は、センサ２ａの角速度を用いて橋梁４の異常を判定するとする。
図３は、計測装置１の機能ブロック構成例を示した図である。図３に示すように、計測装置１は、制御部１１と、通信部１２と、記憶部１３と、出力部１４と、操作部１５と、を有している。
制御部１１は、以下で詳述するが、橋梁４に設置されたセンサ２ａから出力される角速度に基づいて、橋梁４の異常を判定する。
通信部１２は、通信ネットワーク３を介して、センサ２ａから、角速度を受信する。センサ２ａから出力される角速度は、例えば、デジタル信号である。通信部１２は、センサ２ａから受信した角速度を制御部１１に出力する。
図４は、センサ２ａが検出する角速度の一例を示した図である。図４に示すグラフＧ１の横軸は、時間を示している。グラフＧ１の縦軸は、角速度を示している。
グラフＧ１に示す波形Ｗ１は、橋梁４に設置されたセンサ２ａが検出した角速度の波形を示している。通信部１２は、グラフＧ１に示す波形Ｗ１の角速度を受信（実際は、デジタル信号の角速度を受信）し、制御部１１へ出力する。
図５は、センサ２ａが検出する角速度の周波数成分の一例を示した図である。図４に示すグラフＧ１１の横軸は、周波数を示している。グラフＧ１１の縦軸は、パワースペクトル密度を示している。グラフＧ１１の波形Ｗ１１は、センサ２ａが検出した角速度の周波数特性を示し、例えば、図４に示した波形Ｗ１の周波数特性を示している。
橋梁４の振動には、車両の通過や地震等による、外力による応答（強制応答）の他に、橋梁４の振動（自由振動）がある。自由振動によるセンサ２ａの角速度の周波数（自由振動周波数成分）は、橋梁４の長さや材質、構造等によって変わるが、例えば、グラフＧ１１の点線枠Ａ１に示すように、２．０〜５．０Ｈｚである。
一方、車両通過や地震等による、外力による周波数（強制応答周波数成分）は、例えば、点線枠Ａ２に示すように、１．０Ｈｚ以下である。つまり、橋梁４の自由振動周波数成分と強制応答周波数成分は、点線枠Ａ１，Ａ２に示すように異なる。以下で詳述するが、計測装置１は、点線枠Ａ１に示す橋梁４の自由振動周波数成分の角速度から、角度の境界条件を特定する。
図３の説明に戻る。通信部１２は、通信ネットワーク３を介して、通過検出装置５から出力される第１の時刻および第２の時刻を受信する。また、通信部１２は、通信ネットワーク３を介して、地震計６から出力される第１の時刻および第２の時刻を受信する。通信部１２は、受信した第１の時刻および第２の時刻を制御部１１に出力する。
記憶部１３は、制御部１１が計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部１３は、制御部１１が所定のアプリケーション機能を実現するためのプログラムやデータ等を記憶している。各種のプログラムやデータ等は、あらかじめ不揮発性の記録媒体に記憶されていてもよいし、制御部１１が通信ネットワーク３を介してサーバーから受信して記憶部１３に記憶させてもよい。記憶部１３は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の各種ＩＣ（Integrated Circuit）メモリーやハードディスク、メモリーカードなどの記録媒体等により構成される。また、記憶部１３には、通信部１２によって受信された角速度が記憶される。
出力部１４は、制御部１１の異常判定結果等を、例えば、表示装置に出力する。
操作部１５は、ユーザからの操作データを取得し、制御部１１に送信する。
制御部１１について詳述する。制御部１１は、外力情報取得部２１と、境界条件特定部２２と、積分部２３と、補正部２４と、異常検出部２５とを有している。制御部１１の各部は、例えば、記憶部１３に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）によって、その機能が実現される。なお、制御部１１の各部は、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit）などのカスタムＩＣ（Integrated Circuit）でその機能を実現してもよいし、ＣＰＵとＡＳＩＣとによって、その機能を実現してもよい。
外力情報取得部２１は、通信部１２によって受信された第１の時刻と第２の時刻とを取得する。
図４に示した時刻ｔ１は、外力情報取得部２１が取得した第１の時刻の例を示している。時刻ｔ２は、外力情報取得部２１が取得した第２の時刻の例を示している。従って、図４の時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の区間は、橋梁４に外力が作用した強制応答区間である。なお、強制応答区間以外の区間、すなわち、橋梁４に外力が作用していないときの区間は、自由振動区間である。
境界条件特定部２２には、通信部１２によって受信された、センサ２ａの角速度が入力される。また、境界条件特定部２２には、通信部１２によって受信された、第１の時刻および第２の時刻が入力される。
境界条件特定部２２は、センサ２ａによって検出された角速度から、橋梁４の自由振動周波数成分の角速度を抽出する。境界条件特定部２２は、抽出した角速度を数値積分（以下、単に積分と称することがある）して角度を算出し、算出した角度から、角度の境界条件を特定する。具体的には、境界条件特定部２２は、抽出した自由振動周波数成分の角速度を積分して角度を算出し、算出した角度の第１の時刻における角度と、第２の時刻における角度とを、後述する積分部２３の積分の、角度の境界条件とする。
図６は、境界条件特定部２２の動作例を説明する図である。図６に示すグラフＧ２１〜Ｇ２３の横軸は、時間を示している。グラフＧ２１，Ｇ２２の縦軸は、角速度を示し、グラフＧ２３の縦軸は、角度を示している。図６に示す時刻ｔ１および時刻ｔ２は、外力情報取得部２１が取得した第１の時刻および第２の時刻を示している。
グラフＧ２１の波形Ｗ２１は、センサ２ａによって検出された角速度を示している。すなわち、波形Ｗ２１は、境界条件特定部２２に入力される角速度の波形を示している。なお、波形Ｗ２１は、図４に示した波形Ｗ１（通信部１２が受信した角速度の波形）である。
境界条件特定部２２は、例えば、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）やＦＦＴ（Fast Fourier Transform）によるＢＰＦ（Band Pass Filter）によって、入力した角速度から、自由振動周波数成分を抽出する。例えば、図５の点線枠Ａ１に示したように、橋梁４の自由振動周波数成分は、２．０〜５．０Ｈｚであるので、境界条件特定部２２は、入力した角速度から、２．０〜５．０Ｈｚの角速度を抽出する。グラフＧ２２の波形Ｗ２２は、グラフＧ２１の波形Ｗ２１の自由振動周波数成分を示し、境界条件特定部２２が抽出した、自由振動周波数成分の角速度を示している。
境界条件特定部２２は、センサ２ａから出力された角速度の、自由振動周波数成分（波形Ｗ２２）を抽出すると、抽出した自由振動周波数成分の角速度を積分する。すなわち、境界条件特定部２２は、橋梁４の自由振動による変位角度を算出する。グラフＧ２３の波形Ｗ２３は、グラフＧ２２の波形Ｗ２２を積分した波形を示し、境界条件特定部２２によって算出された、橋梁４の自由振動による変位角度を示している。
境界条件特定部２２は、橋梁４の自由振動による変位角度を算出すると、外力情報取得部２１によって取得された第１の時刻および第２の時刻での変位角度を特定し、特定した変位角度を境界条件とする。
例えば、グラフＧ２３に示す時刻ｔ１および時刻ｔ２は、外力情報取得部２１によって取得された第１の時刻および第２の時刻を示している。グラフＧ２３に示すように、第１の時刻である時刻ｔ１での角度を「θ１」、第２の時刻である時刻ｔ２での角度を「θ２」とすると、境界条件特定部２２は、次の境界条件を特定する。
時刻ｔ１における角度θの境界条件：θ＝θ１
時刻ｔ２における角度θの境界条件：θ＝θ２
図３の説明に戻る。積分部２３には、通信部１２によって受信された、センサ２ａの角速度が入力される。積分部２３は、入力されたセンサ２ａの角速度を積分して、外力による橋梁４の変位角度を算出する。
補正部２４は、境界条件特定部２２によって特定された角度の境界条件を満たすように、積分部２３によって算出された変位角度を補正する。
図７は、積分部２３および補正部２４の動作例を説明する図である。図７に示すグラフＧ３１，Ｇ３２の横軸は、時間を示している。グラフＧ３１の縦軸は、角速度を示し、グラフＧ３２の縦軸は、角度を示している。図６に示す時刻ｔ１および時刻ｔ２は、外力情報取得部２１が取得した第１の時刻および第２の時刻を示している。
グラフＧ３１の波形Ｗ３１は、センサ２ａによって検出された角速度を示している。すなわち、波形Ｗ３１は、積分部２３に入力される角速度の波形を示している。なお、波形Ｗ３１は、図４に示した波形Ｗ１（通信部１２が受信した角速度の波形）である。
積分部２３は、入力された角速度（波形Ｗ３１）を積分し、角度を算出する。補正部２は、積分部２３によって算出された角度が、境界条件特定部２２によって特定された角度の境界条件を満たすように補正する。
例えば、グラフＧ３２の波形Ｗ３２は、積分部２３によって算出された橋梁４の角度の波形（波形Ｗ３１を積分した波形）であって、補正部２４によって角度の境界条件を満たすように補正された波形を示している。グラフＧ３２に示す時刻ｔ１における角度は、補正部２４によって「θ＝θ１」となっている（補正されている）。また、グラフＧ３２に示す時刻ｔ２における角度は、補正部２４によって「θ＝θ２」となっている。
図８は、積分部２３が算出した角度のドリフト除去の例を説明する図である。図８に示すグラフＧ４１の横軸は、時間を示している。グラフＧ４１の縦軸は、角度を示している。
グラフＧ４１の波形Ｗ４１は、積分部２３が算出した角度の波形であって、補正部２４によって角度の境界条件を補正しなかった場合の波形を示している。波形Ｗ４１に示すように、積分部２３が算出した角度には、例えば、センサ２ａのドリフト成分が含まれる。
図７のグラフＧ３２で説明したように、補正部２４は、角度の境界条件を満たすように、積分部２３が算出した角度を補正する。例えば、補正部２４は、角度の境界条件を満たすように、積分部２３が算出した角度の線形成分（斜線部分）を加算（または減算）することで、センサ２ａのドリフト成分の除去を行う。
これにより、計測装置１は、外力が作用する強制応答区間の変位角度を適切に計測できる。すなわち、計測装置１は、車両通過や地震による橋梁４の変位角度を適切に計測できる。
図９は、境界条件特定部２２、積分部２３、および補正部２４の処理例を説明する図である。図９の最上部に示す「角速度」は、通信部１２によって受信された、センサ２ａが検出した橋梁４の角速度を示している。通信部１２によって受信された角速度は、図９に示すように、２つの処理ルートＲ１，Ｒ２で処理される。左側の枝の処理ルートＲ１は、境界条件特定部２２の処理の流れを示す。右側の枝の処理ルートＲ２は、積分部２３および補正部２４の処理の流れを示す。
図９の矢印Ａ１１に示すように、境界条件特定部２２は、フィルタ処理によって、自由振動周波数成分の角速度を抽出する。そして、境界条件特定部２２は、矢印Ａ１２に示すように、抽出した角速度を積分して、自由振動周波数成分の角度を算出する。
境界条件特定部２２は、矢印Ａ１３に示すように、算出した角度から、境界条件を特定する。具体的には、境界条件特定部２２は、外力情報取得部２１によって取得された第１の時刻（時刻ｔ１）における角度θ１と、第２の時刻（時刻ｔ２）における角度θ２とを、角度の境界条件とする。
一方、積分部２３は、図９の矢印Ａ２１に示すように、通信部１２によって受信された角速度を積分して、角度を算出する。補正部２４は、矢印Ａ２２に示すように、積分部２３が算出した角度を、境界条件特定部２２が特定した境界条件を満たすように補正する。具体的には、補正部２４は、積分部２３が算出した時刻ｔ１の角度を、角度θ１となるように補正し、積分部２３が算出した時刻ｔ２の角度を、角度θ２となるように補正する。
図３の説明に戻る。異常検出部２５は、補正部２４によって補正された角度から、橋梁４の異常を検出する。例えば、異常検出部２５は、補正部２４によって補正された角度の絶対値が、所定の閾値を超えている場合、橋梁４に異常が発生していると検出する。所定の閾値は、例えば、橋梁４の線形変位する範囲の最も大きい値、またはそれより少し小さい値とする。
図１０は、計測装置１の動作例を示したフローチャートである。橋梁４に設置されたセンサ２ａは、例えば、所定の周期で橋梁４に生じる角速度を計測し、計測した角速度を、通信ネットワーク３を介して、計測装置１に送信するとする。そして、計測装置１の通信部１２は、センサ２ａから送信された角速度を受信するとする。
外力情報取得部２１は、通過検出装置５または地震計６から、第１の時刻および第２の時刻（強制応答区間情報）を取得する（ステップＳ１）。
境界条件特定部２２は、通信部１２によって受信されたセンサ２ａの角速度から、自由振動周波数成分の角速度を抽出する（ステップＳ２）。
境界条件特定部２２は、ステップＳ２にて抽出した角速度を積分して、角度を算出する（ステップＳ３）。
境界条件特定部２２は、ステップＳ３にて算出した角度の、ステップＳ１にて取得された第１の時刻における角度と、第２の時刻における角度とを、境界条件として特定する（ステップＳ４）。
積分部２３は、通信部１２によって受信された角速度を積分して、角度を算出する（ステップＳ５）。
補正部２４は、ステップＳ５にて算出された角度を、ステップＳ４にて特定された境界条件を満たすように補正する（ステップＳ６）。
異常検出部２５は、ステップＳ６にて補正された角度から、橋梁４の異常を検出する（ステップＳ７）。
このようにして、計測装置１は、橋梁４の異常を検出する。なお、計測装置１の動作は、図１０の例に限定されない。例えば、ステップＳ１〜Ｓ４の処理と、ステップＳ５，Ｓ６の処理は、同時に実行されてもよい。
以上説明したように、境界条件特定部２２は、車両が移動する橋梁４に設置されたセンサ２ａによって測定された角速度から、橋梁４の自由振動周波数成分の角速度を抽出し、抽出した角速度を積分して算出した角度から、角度の境界条件を特定する。積分部２３は、センサ２ａによって測定された角速度を積分して、角度を算出する。補正部２４は、積分部２３が算出した角度を、境界条件特定部２２が特定した角度の境界条件を満たすように補正する。これにより、計測装置１は、橋梁４に生じる角速度から、角度を精度よく算出することができる。
また、計測装置１は、精度よく橋梁４の角度を算出できるので、橋梁４の異常を精度よく検出することができる。
また、境界条件特定部２２は、抽出した角速度を積分して算出した角度の、橋梁４に外力が作用したときの第１の時刻における角度と、橋梁に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における角度とを境界条件とする。これにより、計測装置１は、橋梁４の角度を精度よく算出することができる。
また、センサ２ａとして、３軸の慣性センサを用いた場合、計測装置１は、容易に橋梁４の角度を算出できる。例えば、１軸の傾斜計を用いた場合、３軸方向の傾斜を検出するため、３つ必要となる。しかし、３軸の慣性センサを用いると、１つのセンサで３軸の角速度を測定でき、計測装置１は、容易に３軸の角度を算出することができる。
なお、上記では、説明を簡単にするため、計測装置１は、センサ２ａの角速度から角度を算出したが、もちろん、センサ２ｂ〜２ｄの角速度から角度を算出してもよい。そして、異常検出部２５は、センサ２ａ〜２ｄの角速度から算出された角度から、橋梁４の異常を検出してもよい。例えば、異常検出部２５は、センサ２ａ〜２ｄの角速度から算出された角度から、１つでも所定の閾値を超える角度を検出した場合、橋梁４は異常であると検出する。
また、境界条件特定部２２の自由振動周波数成分の角速度を抽出する周波数は、上記した２．０〜５．０Ｈｚに限られない。境界条件特定部２２は、自由振動周波数成分の角速度を抽出できればよく、例えば、通過帯域が２．０Ｈｚ以上のＨＰＦ（High Pass Filter）によって、自由振動周波数成分の角速度を抽出してもよい。
また、上記では、計測装置１を、橋梁４に適用した例について説明したが、例えば、立体駐車場等の構造物にも適用することができる。
また、構造物に移動体が近づいているとき、構造物に移動体の影響が生じることがある。例えば、橋梁４に車両が近づいているとき、車両の移動による影響（例えば、振動）が橋梁４に生じることがある。そこで、第１の時刻には、このような、移動体が構造物に進入する前の時刻が含まれていてもよい。例えば、車両が橋梁４に進入した時刻より少し前を、第１の時刻としてもよい。具体的には、車両が橋梁４に進入した時刻より０．１秒前を、第１の時刻としてもよい。
また、構造物から移動体が退出した後、少しの間、構造物に外力の影響が生じることがある（移動体が退出した直後に、すぐに自由振動とはならないことがある）。例えば、車両が橋梁４を退出した後、少しの間、橋梁４は、外力の影響を受けていることがある。そこで、第２の時刻には、このような、構造物から移動体が退出した後の時刻が含まれていてもよい。例えば、車両が橋梁４を退出した時刻より少し後を、第２の時刻としてもよい。具体的には、車両が橋梁４から退出した時刻より０．１秒後を、第２の時刻としてもよい。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、計測装置は、第１の実施の形態と同様に橋梁に生じる角度を算出するが、さらに、外力の作用によって生じる橋梁の加速度から、橋梁に生じる速度と変位とを算出する。そして、計測装置は、外力によって生じる橋梁の角度、速度、および変位から、橋梁の異常を検出する。
なお、加速度から算出される変位とは、例えば、橋梁の撓みの垂直方向の大きさを示す。例えば、車両が橋梁を通過すると、橋梁は、下方に撓む。変位は、その下方の撓みの、垂直方向の大きさを示す。
図１１は、第２の実施の形態に係る計測装置３０の機能ブロック構成例を示した図である。図１１において、図３と同じものには同じ符号が付してある。
図１１に示す計測装置３０は、図３に示した計測装置１に対し、通信部３１と、速度変位境界条件３２と、速度変位積分部３４と、速度変位補正部３４と、異常検出部３５とが異なる。以下では、図３と異なる部分について説明する。
なお、橋梁４には、角速度および加速度を検出するセンサが設置されている。このセンサは、例えば、１つで、３軸方向の角速度と３軸方向の加速度とを検出する、６軸の慣性センサである。角速度および加速度を検出するセンサは、例えば、図２に示した橋梁４の４隅の支承部に設置される。以下で述べるセンサは、特に断らない限り、角速度および加速度を検出するセンサとする。
通信部３１は、通信ネットワーク３を介して、センサから、角速度および加速度を受信する。センサから出力される角速度および加速度は、例えば、デジタル信号である。通信部３１は、センサから受信した角速度を、境界条件特定部２２と積分部２３とに出力し、センサから受信した加速度を、速度変位境界条件特定部３２と速度変位積分部３３とに出力する。
速度変位境界条件特定部３２は、境界条件特定部２２と同様の処理を行うが、通信部３１によって受信された加速度から、速度と変位との境界条件を特定とするところが異なる。
速度変位境界条件特定部３２は、センサによって検出された加速度から、橋梁４の自由振動周波数成分の加速度を抽出する。速度変位境界条件特定部３２は、抽出した加速度を積分して算出した速度と、その速度を積分して算出した変位とから、速度の境界条件と変位の境界条件とを特定する。具体的には、速度変位境界条件特定部３２は、抽出した自由振動周波数成分の加速度を積分して速度を算出し、算出した速度の第１の時刻における速度と、第２の時刻における速度とを、後述する速度変位積分部３３の積分の、速度の境界条件とする。また、速度変位境界条件特定部３２は、算出した速度を積分して変位を算出し、算出した変位の第１の時刻における変位と、第２の時刻における変位とを、後述する速度変位積分部３３の積分の、変位の境界条件とする。
速度変位積分部３３は、積分部２３と同様の処理を行うが、通信部３１によって受信された加速度から、速度と変位とを算出するところが異なる。
速度変位積分部３３には、通信部３１によって受信された、センサの加速度が入力される。速度変位積分部３３は、入力されたセンサの加速度を積分して、外力によって生じる橋梁４の速度を算出し、算出した速度をさらに積分して、外力によって生じる変位を算出する。
速度変位補正部３４は、速度変位境界条件特定部３２によって特定された速度の境界条件を満たすように、速度変位積分部３３によって算出された速度を補正する。また、速度変位補正部３４は、速度変位境界条件特定部３２によって特定された変位の境界条件を満たすように、速度変位積分部３３によって算出された変位を補正する。
異常検出部３５は、補正部２４によって補正された角度と、速度変位補正部３４によって補正された変位とから、橋梁４の異常を検出する。例えば、異常検出部３５は、補正部２４によって補正された角度の絶対値が、所定の閾値を超えている場合、または、速度変位補正部３４によって補正された変位の絶対値が、所定の閾値を超えている場合、橋梁４に異常が発生していると検出する。
図１２は、速度変位境界条件特定部３２、速度変位積分部３３、および速度変位補正部３４の処理例を説明する図である。図１２の最上部に示す「加速度」は、通信部３１によって受信された、センサが検出した橋梁４の加速度を示している。通信部３１によって受信された加速度は、図１２に示すように、２つの処理ルートＲ１１，Ｒ１２で処理される。左側の枝の処理ルートＲ１１は、速度変位境界条件特定部３２の処理の流れを示す。右側の枝の処理ルートＲ１２は、速度変位積分部３３および速度変位補正部３４の処理の流れを示す。
図１２の矢印Ａ３１に示すように、速度変位境界条件特定部３２は、フィルタ処理によって、自由振動周波数成分の加速度を抽出する。そして、速度変位境界条件特定部３２は、矢印Ａ３２に示すように、抽出した加速度を積分して、自由振動周波数成分の速度を算出する。
速度変位境界条件特定部３２は、矢印Ａ３３に示すように、算出した速度から、速度の境界条件を特定する。具体的には、速度変位境界条件特定部３２は、外力情報取得部２１によって取得された第１の時刻（時刻ｔ１）における速度Ｖ１と、第２の時刻（時刻ｔ２）における速度Ｖ２とを境界条件とする。
また、速度変位境界条件特定部３２は、矢印Ａ３４に示すように、算出した速度をさらに積分して、自由振動周波数成分の変位を算出する。
速度変位境界条件特定部３２は、矢印Ａ３５に示すように、算出した変位から、変位の境界条件を特定する。具体的には、速度変位境界条件特定部３２は、外力情報取得部２１によって取得された第１の時刻（時刻ｔ１）における変位Ｕ１と、第２の時刻（時刻ｔ２）における変位Ｕ２とを境界条件とする。
一方、速度変位積分部３３は、図１２の矢印Ａ４１に示すように、通信部１２によって受信された加速度を積分して、速度を算出する。速度変位補正部３４は、矢印Ａ４２に示すように、速度変位積分部３３が算出した速度を、速度変位境界条件特定部３２が特定した、速度の境界条件を満たすように補正する。具体的には、速度変位補正部３４は、速度変位積分部３３が算出した時刻ｔ１の速度を、速度Ｖ１となるように補正し、速度変位積分部３３が算出した時刻ｔ２の速度を、速度Ｖ２となるように補正する。
速度変位積分部３３は、図１２の矢印Ａ４３に示すように、加速度を積分して算出した速度をさらに積分して変位を算出する。速度変位補正部３４は、矢印Ａ４４に示すように、速度変位積分部３３が算出した変位を、速度変位境界条件特定部３２が特定した、変位の境界条件を満たすように補正する。具体的には、速度変位補正部３４は、速度変位積分部３３が算出した時刻ｔ１の変位を、変位Ｕ１となるように補正し、速度変位積分部３３が算出した時刻ｔ２の変位を、変位Ｕ２となるように補正する。
以上説明したように、速度変位境界条件特定部３２は、センサによって測定された加速度から、橋梁４の自由振動周波数成分の加速度を抽出し、抽出した加速度を積分して算出した速度と、その速度を積分して算出した変位とから、速度の境界条件と変位の境界条件とを特定する。速度変位積分部３３は、センサによって測定された加速度を積分して、速度と変位とを算出する。速度変位補正部３４は、速度変位積分部３３が算出した速度を、速度変位境界条件特定部３２が特定した速度の境界条件を満たすように補正し、速度変位積分部３３が算出した変位を、速度変位境界条件特定部３２が特定した変位の境界条件を満たすように補正する。これにより、計測装置３０は、橋梁４に生じる加速度から、速度および変位を精度よく算出することができる。
また、計測装置３０は、精度よく橋梁４の速度および変位を算出できるので、橋梁４の異常を精度よく検出することができる。
また、計測装置３０は、角度および変位を精度よく算出するので、橋梁４のねじれや撓みの変形を精度よく取得することができる。
また、速度変位境界条件特定部３２は、抽出した加速度を積分して算出した速度と、その速度を積分して算出した変位との、橋梁４に外力が作用したときの第１の時刻における速度および変位と、橋梁４に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における速度および変位とを境界条件とする。これにより、計測装置３０は、橋梁４の変位を精度よく算出することができる。
また、センサとして、３軸方向の角速度と３軸方向の加速度とを検出する６軸の慣性センサを用いた場合、計測装置３０は、容易に橋梁４の角度、速度、および変位を算出できる。例えば、６軸の慣性センサからは、３軸方向の角速度と３軸方向の加速度とが出力されるので、計測装置３０は、少ない数のセンサで、橋梁４の３軸方向の角度、速度、および変位を容易に算出できる。
［第３の実施の形態］
地震の規模によっては、橋梁が崩落する場合がある。第３の実施の形態では、橋梁が崩落したとき、積分部および速度変位積分部は、積分処理を止める。また、速度変位補正部は、橋梁が崩落したとき、第２の時刻以降の速度をゼロに補正する。
図１３は、第３の実施の形態に係る計測装置４０の機能ブロック構成例を示した図である。図１３において、図１１と同じものには同じ符号が付してある。
図１３に示す計測装置４０は、図１１に示した計測装置３０に対し、積分部４１と、速度変位積分部４２と、速度変位補正部４３とが異なる。以下では、図１１と異なる部分について説明する。なお、第２の実施の形態と同様に、橋梁４には、角速度および加速度を検出するセンサが設置されている。
積分部４１は、橋梁４に作用した外力の大きさに応じて、角度の算出を止める。例えば、積分部４１は、橋梁４に所定以上の外力が作用した場合、角度の算出を止める。
橋梁４に作用する所定以上の外力とは、例えば、橋梁４の崩落によって生じる外力である。例えば、橋梁４が地震によって崩落し、地面に衝突すると、橋梁４には、非常に大きな外力が作用する。つまり、言い換えれば、積分部４１は、橋梁４が崩落したとき、角度の算出を止める。積分部４１は、例えば、通信部３１によって受信された加速度が、所定の閾値（橋梁４の崩落によって、橋梁４に生じるような加速度の値）より大きい場合、角度の算出を止める。
図１４は、積分部４１の動作例を説明する図である。図１４に示すグラフＧ５１の横軸は、時間を示している。グラフＧ５１の縦軸は、角度を示している。
グラフＧ５１に示す波形Ｗ５１は、積分部４１が算出する角度を示している。グラフＧ５１に示す時刻ｔ１は、第１の時間を示し、時刻ｔ１１は、橋梁４が崩落した時刻を示す。なお、橋梁４が崩落した時刻ｔ１１は、橋梁４に設置されたセンサによって検出される加速度の大きさから分かる。例えば、橋梁４に設置されたセンサから、所定値以上の加速度が検出されたときの時刻を、橋梁４が崩落した時刻ｔ１１とすることができる。
積分部４１は、グラフＧ５１に示すように、橋梁４が崩落した時刻ｔ１１で、角度の算出を止める。これにより、計測装置４０は、例えば、地震等によって橋梁４が崩落したときの、橋梁４の変位角度を測定できる。
図１３の説明に戻る。速度変位積分部４２は、橋梁４に作用した外力の大きさに応じて、変位の算出を止める。例えば、速度変位積分部４２は、橋梁４に所定以上の外力が作用した場合、角度の算出を止める。
橋梁４に作用する所定以上の外力とは、上記と同様に、例えば、橋梁４の崩落によって生じる外力である。つまり、言い換えれば、速度変位積分部４２は、橋梁４が崩落したとき、変位の算出を止める。速度変位積分部４２は、例えば、通信部３１によって受信された加速度が、所定の閾値（橋梁４の崩落によって、橋梁４に生じるような加速度の値）より大きい場合、変位の算出を止める。
速度変位補正部４３は、橋梁４に作用した外力の大きさに応じて、第２の時刻以降の速度をゼロに補正する。例えば、速度変位補正部４３は、橋梁４に所定以上の外力が作用した場合、第２の時刻以降の速度をゼロに補正する。
橋梁４に作用する所定以上の外力とは、上記と同様に、例えば、橋梁４の崩落によって生じる外力である。つまり、言い換えれば、速度変位補正部４３は、橋梁４が崩落した場合、第２の時刻以降の速度をゼロにする。その理由は、橋梁４が地震によって地面に落下し、その後地震がおさまると（第２の時刻以降になると）、橋梁４に生じる速度はゼロになるからである。
図１５は、速度変位積分部４２および速度変位補正部４３の動作例を説明する図である。図１５に示すグラフＧ６１，Ｇ６２の横軸は、時間を示している。グラフＧ６１の縦軸は、速度を示し、グラフ６２の縦軸は、変位を示している。
グラフＧ６１，Ｇ６２に示す時刻ｔ１は、第１の時刻を示す。グラフＧ６１の時刻ｔ２は、第２の時刻を示す。グラフＧ６２の時刻ｔ１１は、橋梁４が崩落した時刻を示す。なお、橋梁４が崩落した時刻ｔ１１は、例えば、橋梁４に設置されたセンサによって検出される加速度の大きさから分かる。
グラフＧ６１に示す波形Ｗ６１は、速度変位積分部４２が算出する速度を示している。速度変位積分部４２は、グラフＧ６１に示すように、橋梁４が崩落した時刻ｔ１１以降であっても、速度を算出し続ける。そして、速度変位補正部４３は、時刻ｔ２以降の速度を、ゼロに補正する。これは、橋梁４が地面に崩落し、その後地震がおさまると、橋梁４は地面の上にあるため、橋梁４の速度はゼロになるからである。なお、時刻ｔ１１と時刻ｔ２の間は、まだ地震が発生していることを示している。
グラフＧ６２に示す波形Ｗ６２は、速度変位積分部４２が算出する変位を示している。速度変位積分部４２は、グラフＧ６２に示すように、橋梁４が崩落した時刻ｔ１１で、変位の算出を止める。これにより、計測装置４０は、例えば、地震等によって橋梁４が崩落したときの、橋梁４の変位を測定できる。
以上説明したように、積分部４１は、橋梁４に作用した外力の大きさに応じて、角度の算出を止める。これにより、計測装置４０は、例えば、地震等によって橋梁４が崩落したときの、橋梁４の変位角度を測定できる。
また、速度変位積分部４２は、橋梁４に作用した外力の大きさに応じて、変位の算出を止める。これにより、計測装置４０は、例えば、地震等によって橋梁４が崩落したときの、橋梁４の変位を測定できる。
また、速度変位補正部４３は、橋梁４に作用した外力の大きさに応じて、第２の時刻以降の速度をゼロに補正する。これにより、計測装置４０は、地震等によって橋梁４が崩落したときの、橋梁４の適切な速度を出力することができる。
以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、計測装置の機能構成は、計測装置の構成を理解容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方や名称によって、本願発明が制限されることはない。計測装置の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。また、各構成要素の処理は、１つのハードウェアで実行されてもよいし、複数のハードウェアで実行されてもよい。
また、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者には明らかである。例えば、各実施の形態を組み合わせてもよい。また、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。また、本発明は、計測装置、計測方法、プログラム、当該プログラムを記憶した記憶媒体、および計測システムとして提供することもできる。
１…計測装置、２ａ〜２ｄ…センサ、３…通信ネットワーク、４…橋梁、５…通過検出装置、６…地震計、１１…制御部、１２…通信部、１３…記憶部、１４…出力部、１５…操作部、２１…外力情報取得部、２２…境界条件特定部、２３…積分部、２４…補正部、２５…異常検出部、３０…計測装置、３１…通信部、３２…速度変位境界条件特定部、３３…速度変位積分部、３４…速度変位補正部、３５…異常検出部、４０…計測装置、４１…積分部、４２…速度変位積分部、４３…速度変位補正部。

Claims (11)

  1. 移動体が移動する構造物に設置されたセンサによって測定された角速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の角速度を抽出し、抽出した角速度を積分して算出した角度から、角度の境界条件を特定する境界条件特定部と、
    前記センサによって測定された角速度を積分して、角度を算出する積分部と、
    前記積分部が算出した角度を、前記境界条件特定部が特定した角度の境界条件を満たすように補正する補正部と、
    を有し、
    前記境界条件特定部は、抽出した角速度を積分して算出した角度の、前記構造物に外力が作用したときの第１の時刻における角度と、前記構造物に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における角度とを境界条件とする、
    ことを特徴とする計測装置。
  2. 請求項１に記載の計測装置であって、
    前記センサによって測定された加速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の加速度を抽出し、抽出した加速度を積分して算出した速度と、その速度を積分して算出した変位とから、速度の境界条件と変位の境界条件とを特定する速度変位境界条件特定部と、
    前記センサによって測定された加速度を積分して、速度と変位とを算出する速度変位積分部と、
    前記速度変位積分部が算出した速度を、前記速度変位境界条件特定部が特定した速度の境界条件を満たすように補正し、前記速度変位積分部が算出した変位を、前記速度変位境界条件特定部が特定した変位の境界条件を満たすように補正する速度変位補正部と、
    をさらに有することを特徴とする計測装置。
  3. 請求項２に記載の計測装置であって、
    前記速度変位境界条件特定部は、抽出した加速度を積分して算出した速度と、その速度を積分して算出した変位との、前記構造物に外力が作用したときの第１の時刻における速度および変位と、前記構造物に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における速度および変位とを境界条件とする、
    ことを特徴とする計測装置。
  4. 請求項２または３に記載の計測装置であって、
    前記センサは、３軸方向の角速度と３軸方向の加速度とを検出する６軸の慣性センサである、
    ことを特徴とする計測装置。
  5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の計測装置であって、
    前記速度変位補正部によって補正された変位から、前記構造物の異常を検出する異常検出部、
    をさらに有することを特徴とする計測装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の計測装置であって、
    前記補正部によって補正された角度から、前記構造物の異常を検出する異常検出部、
    をさらに有することを特徴とする計測装置。
  7. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の計測装置であって、
    前記速度変位積分部は、前記構造物に作用した外力の大きさに応じて、変位の算出を止める、
    ことを特徴とする計測装置。
  8. 請求項７に記載の計測装置であって、
    前記速度変位補正部は、前記構造物に作用した外力の大きさに応じて、第２の時刻以降の速度をゼロに補正する、
    ことを特徴とする計測装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の計測装置であって、
    前記積分部は、前記構造物に作用した外力の大きさに応じて、角度の算出を止める、
    ことを特徴とする計測装置。
  10. 移動体が移動する構造物に設置されたセンサによって測定された角速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の角速度を抽出し、抽出した角速度を積分して算出した角度から、角度の境界条件を特定する境界条件特定ステップと、
    前記センサによって測定された角速度を積分して、角度を算出する積分ステップと、
    前記積分ステップにて算出された角度を、前記境界条件特定ステップにて特定された角度の境界条件を満たすように補正する補正ステップと、
    を有し、
    前記境界条件特定ステップは、抽出した角速度を積分して算出した角度の、前記構造物に外力が作用したときの第１の時刻における角度と、前記構造物に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における角度とを境界条件とする、
    ことを特徴とする計測方法。
  11. 移動体が移動する構造物に設置されるセンサと、
    前記センサによって測定された角速度から、前記構造物の自由振動周波数成分の角速度を抽出し、抽出した角速度を積分して算出した角度から、角度の境界条件を特定する境界条件特定部と、前記センサによって測定された角速度を積分して、角度を算出する積分部と、前記積分部が算出した角度を、前記境界条件特定部が特定した角度の境界条件を満たすように補正する補正部と、を有する計測装置と、
    を有し、
    前記境界条件特定部は、抽出した角速度を積分して算出した角度の、前記構造物に外力が作用したときの第１の時刻における角度と、前記構造物に作用した外力が解除されたときの第２の時刻における角度とを境界条件とする、
    ことを特徴とする計測システム。
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