JP6835251B2

JP6835251B2 - 損傷診断装置、損傷診断方法、及び、損傷診断プログラム

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Publication number: JP6835251B2
Application number: JP2019554249A
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Inventors: 翔平木下; 茂葛西; 裕清川
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Description

本願発明は、支持部と当該支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する、橋梁等の構造物に発生した損傷を診断する技術に関する。

近年、老朽化した様々な構造物（例えば橋梁あるいはビル等の建築物）において発生した損傷に起因して事故が発生することを未然に防止することができるように、構造物に発生した損傷をより正確に診断する技術への期待が高まってきている。

このような技術に関連する技術として、特許文献１には、構造物の異常を検知する構造物異常検知装置が開示されている。この装置は、第１の検査位置において取得される第１の検査値に基づいて、当該構造物の固有振動数における、所定の振動時の振動強度が第１の検査位置となる同程度となる位置である第２の検査位置において取得される第２の検査値を予測するモデルを記憶する。この装置は、特定時刻において取得した第１の検査値と第２の検査値に関して、当該モデルに対する適合度を評価することによって、当該構造物の異常を検知する。

また、特許文献２には、コンクリート鉄道橋の主桁下面に発生したひび割れをそのコンクリート鉄道橋の固有振動数の変化から検知する際に用いられる、鉄道橋固有振動数の変化量に対する評価方法が開示されている。この方法では、コンクリート鉄道橋の主桁の振動波形を測定する。この方法では、測定された振動波形に対して、フーリエ変換処理、ピーク振動数抽出処理、及びバンドパスフィルタ処理を行うことによって、モード波形を生成する。この方法では、生成したモード波形の包絡線を算出するとともに、算出した包絡線に基づいて、振幅が常に一定となるように標準モード波形を生成する。そしてこの方法では、生成した標準モード波形に基づいて、多変量自己回帰モデルの自己回帰係数行列に時間的変化を許容したモデルを用いることによって、当該鉄道橋固有振動数の変化量を評価する。

また、特許文献３には、設置から長期間が経過して支柱基部の支持条件（劣化や損傷、埋設条件等）が設計段階とは変化した防護柵支柱に関する健全度を評価する装置が開示されている。この装置は、防護柵支柱モデルに対して振動モード解析を行うことによって、振動モードを求める。この装置は、振動モードのうち任意の次数の振動モードを基準モードとする。この装置は、評価対象となる防護柵支柱に対して所定位置に振動を加えた際に、当該防護柵支柱における複数の位置に配置したセンサから、当該複数位置における振幅値を取得する。この装置は、その振幅値に基づいて実測モードを求め、その実測モードを構成する各振幅値と基準モードに含まれる振幅値との差の二乗和が最小になる位置を算出することによりカーブフィット処理を行う。そしてこの装置は、基準モードと実測モードのＭＡＣ（Modal Assurance Criteria）値を算出し、算出したＭＡＣ値に基づいて、当該防護柵支柱に関する健全度を評価する。

また、特許文献４には、構造物内部の変位や歪みなどを監視するシステムが開示されている。このシステムは、構造物の損傷の診断のため、構造物の監視対象箇所を挟む２点に設置された複数の振動応答検出センサと、参照点に設置された参照応答検出センサとを備える。このシステムは、これらのセンサによって取得した振動計測データに基づいて、固有振動の数Ｎ（Ｎは任意の整数）の振動モードの各々において、ｎ次モード（ｎは１≦ｎ≦Ｎを満たす整数）の相対モードシェイプと参照モードシェイプ、およびｎ次モードの固有振動数を求める。そして、このシステムは、求めたそれらの値から導出される評価値を算出し、現在の評価値と健全状態の評価値とに基づいて、当該構造物に関する損傷指標を評価する。

国際公開第2017/064854号特開2016-194442号公報特開2015-036661号公報特開2008-134182号公報

支持部と当該支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する、橋梁等の構造物の損傷を診断する際の課題について考える。

図６は、損傷を診断する対象である橋梁２０の構成を例示する図である。橋梁２０は、支持部２１及び２２と、被支持部２３とを有している。支持部２１及び２２は橋梁２０における橋脚であり、被支持部２３は、橋梁２０における橋桁である。被支持部２３は、支持点２１０において支持部２１により支持され、支持点２２０において支持部２２により支持されている。

図６に例示する通り、被支持部２３には、９個のセンサ３０−１乃至３０−９が、Ｘ軸方向に所定の間隔をなして、並べて設置されている。センサ３０−１乃至３０−９は、車両等が橋梁２０を通行することによって発生する、橋梁２０の振動に関するデータ（振動の振幅等）を収集可能なセンサである。

橋梁２０は、固有の振動特性（固有振動）を有している。図７は、橋梁２０に損傷が発生していない場合における、その振動特性を表す情報の１つ（パラメータ）であるモード形状を例示する図である。但し、本願では以降、「損傷が発生していない」とは、無視できる程度の損傷（即ち問題にはならない程度の損傷）が発生していることも含むこととする。図７に例示するモード形状は、横軸を空間位置（図６に示すＸ座標）とし、縦軸を振動の振幅として、センサ３０−１乃至３０−９によって収集された振動の振幅を示す値を結んだ曲線によって表されている。尚、図７に例示するモード形状は、振幅の最大値が「１」となるように規格化されている。また、支持部と当該支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する、橋梁等の構造物のモード形状が示す振幅特性は、図７に示す通り、一般的に、支持点付近（節に相当する位置）では振幅値が小さくなり、２つの支持点の間の中央部付近（腹に相当する位置）では振幅値が大きくなることが知られている。図７に例示するモード形状は、式１に示す特性ベクトルΦとして表すことができる。

・・・・・・（式１）

但し、式１において、ｒ_ｊ、θ_ｊ（ｊは１乃至ｎのいずれかの整数）は、順に、センサ３０−ｊによって得られた振幅と位相とを表す。ｎは、橋梁２０に設置されたセンサの個数を示す整数であり、図６及び７に示す例では、「９」である。ｅ^ｉは、複素数表記を表し、ｔは、ベクトルの転置を表す符号である。

橋梁２０において損傷が発生した場合、橋梁２０のモード形状は変化するので、このモード形状の変化を検出することによって、橋梁２０において損傷が発生したことを検出することができる。図８は、橋梁２０の被支持部２３における中央部付近において損傷が発生した場合における、モード形状が示す振幅の変化を例示する図である。この場合、センサ３０−５が設置された近辺において、橋梁２０に損傷が発生した結果、センサ３０−５により得られた振動の振幅が、図７に例示するモード形状が示す振幅の２倍になっている。尚、損傷が発生していない位置に設置されたセンサ３０−１乃至３０−４、及び、センサ３０−６乃至センサ３０−９により得られた振幅は、図７に例示するモード形状が示す振幅と比較して、ほとんど差は無い。この場合、センサ３０−５により得られた振幅に関して、損傷が発生していないモード形状が示す振幅（基準値）からの変化量が大きいので、橋梁２０において損傷が発生したことを検出することは容易である。

図９は、橋梁２０の支持点２１０付近において損傷が発生した場合における、モード形状が示す振幅の変化を例示する図である。この場合、センサ３０−１が設置された近辺において、橋梁２０に損傷が発生した結果、センサ３０−１により得られた振動の振幅は、図８に示す例の場合と同様に、図７に例示するモード形状が示す振幅の２倍になっている。しかしながらこの場合、損傷が発生した部分の近辺における、モード形状の基準値からの変化量は、図８に示す例の場合と比較して非常に小さいので、モード形状が変化したことを見逃す虞がある。即ち、本発明者は、橋梁等の構造物において、振動特性（モード形状）が示す振幅が小さい支持点付近において損傷が発生した場合であっても、当該構造物に発生した損傷を正確に診断することが課題であることを見出した。特許文献１乃至４は、この課題について言及していない。本願発明の主たる目的は、この問題を解決する損傷診断装置等を提供することである。

本願発明の一態様に係る損傷診断装置は、支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物に関する、第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報を生成する生成手段と、前記構造物におけるに発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出する算出手段と、前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する診断手段と、を備える。

上記目的を達成する他の見地において、本願発明の一態様に係る損傷診断方法は、情報処理装置によって、支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物に関する、第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報を生成し、前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出し、前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する。

また、上記目的を達成する更なる見地において、本願発明の一態様に係る損傷診断プログラムは、支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物に関する、第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報を生成する生成処理と、前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出する算出処理と、前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する診断処理と、をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

更に、本願発明は、係る損傷診断プログラム（コンピュータプログラム）が格納された、コンピュータ読み取り可能な、不揮発性の記録媒体によっても実現可能である。

本願発明は、支持部と当該支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する、橋梁等の構造物に発生した損傷を、より正確に診断することを可能とする。

本願発明の第１の実施形態に係る損傷診断システム１の構成を概念的に示すブロック図である。橋梁２０の支持点２１０付近において損傷が発生した場合において、本願発明の第１の実施形態に係る損傷診断装置１０によって生成された逆モード形状が示す振幅の逆数の変化を例示する図である。本願発明の第１の実施形態に係る損傷診断装置１０の動作を示すフローチャートである。本願発明の第２の実施形態に係る損傷診断装置４０の構成を概念的に示すブロック図である。本願発明の各実施形態に係る損傷診断装置を実行可能な情報処理装置９００の構成を示すブロック図である。損傷を診断する対象である橋梁２０の構成を例示する図である。橋梁２０に損傷が発生していないときのモード形状（振幅特性）を例示する図である。橋梁２０の被支持部の中央部付近において損傷が発生した場合における、モード形状（振幅特性）が示す振幅の変化を例示する図である。橋梁２０の支持点２１０付近において損傷が発生した場合における、モード形状（振幅特性）が示す振幅の変化を例示する図である。

以下、本願発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本願発明の第１の実施の形態に係る損傷診断システム１の構成を概念的に示すブロック図である。損傷診断システム１は、大別して、損傷診断装置１０、橋梁２０、センサ３０−１乃至３０−９、及び、測定データ集約器３１を含んでいる。損傷診断装置１０は、橋梁２０に発生した損傷を診断する装置である。損傷診断装置１０は、上述した通り、橋梁２０において損傷が発生することに起因して、橋梁２０のモード形状（第一の振動特性情報）が、基準値（損傷が発生していないときの値）から変化したことを検出することによって、橋梁２０に発生した損傷を診断する。

本実施形態に係る橋梁２０の構成は、図６について上述した通りである。即ち、橋梁２０は、支持部２１及び２２と、被支持部２３とを有している。被支持部２３は、支持点２１０において支持部２１により支持され、支持点２２０において支持部２２により支持されている。

図１に例示する通り、被支持部２３には、９個のセンサ３０−１乃至３０−９が、Ｘ軸方向に所定の間隔をなして、並べて観測点に設置されている。但し、Ｘ軸は、例えば橋梁２０の長手方向であり、２つの支持部２１及び２２の配列の方向である。センサ３０−１乃至３０−９は、車両等が橋梁２０を通行することによって発生する、橋梁２０の振動に関するデータ（振動の振幅等）を収集可能なセンサである。尚、本実施形態に係る当該センサの個数は９個に限定されない。測定データ集約器３１は、センサ３０−１乃至３０−９と、例えば無線通信を行うことによって、センサ３０−１乃至３０−９により収集された橋梁２０の振動に関する測定データを所定のタイミングに取得する。測定データ集約器３１は、取得した測定データを、例えば無線通信によって、所定のタイミングに損傷診断装置１０に送信する。

損傷診断装置１０は、生成部１１、算出部１２、診断部１３、記憶部１４、及び、通信部１５を備えている。

通信部１５は、測定データ集約器３１と例えば無線通信を行うことによって、センサ３０−１乃至３０−９により収集された橋梁２０の振動に関する測定データを受信する。

記憶部１４は、例えば電子メモリあるいは磁気ディスク等の記憶デバイスである。記憶部１４は、通信部１５が受信した、センサ３０−１乃至３０−９により収集された橋梁２０の振動に関する測定データを記憶する。記憶部１４は、また、後述する、生成部１１、算出部１２、及び、診断部１３によって生成された情報（データ）を記憶する。

生成部１１は、橋梁２０に関して、固有振動を特定し、モード形状（振動特性）を生成（抽出）する機能を備える。即ち、生成部１１は、橋梁２０における、少なくとも１以上の特定の位置における振動を表す時刻歴波形（時間の経過とともに変動する振動を表す波形）を周波数変換することによって周波数スペクトルを算出する。この特定の位置は、支持点２１０、支持点２２０、及び、支持点２１０と支持点２２０との間の中央という３つの位置を除く位置であればよい。生成部１１は、その特定の位置における周波数スペクトルにおけるピーク周波数を、固有振動の周波数として特定する。

生成部１１は、橋梁２０における、異なる位置（センサ３０−１乃至３０−９が設置された位置）における同一の期間の振動を表す時刻歴波形を周波数変換することによって、それら位置における周波数スペクトルを算出する。生成部１１は、それら位置における周波数スペクトルから、上述した固有振動の周波数（ピーク周波数）における振幅及び位相を表す情報を抽出することによって、モード形状を生成する。

上述した、生成部１１による固有振動を特定してモード形状を生成する方法は、既存技術が示す方法の１例であり、生成部１１が固有振動を特定してモード形状を生成する方法は、上述した方法に限定されない。

生成部１１は、橋梁２０に損傷が発生していない場合における橋梁２０のモード形状を表す特性ベクトルΦを、例えば、上述した式１に示す通り、センサ３０−１乃至３０−９により収集された測定データに基づいて、モード形状の基準値１４１として生成する。生成部１１は、生成したモード形状の基準値１４１を、記憶部１４に格納する。

本実施形態では、モード形状に対して、逆モード形状（第二の振動特性情報）という指標を定義する。本実施形態に係る逆モード形状を表す特性ベクトルΦ^−１は、例えば、式２に示す通りに表されることとする。

・・・・・・（式２）

但し、式２において、ｒ_ｊ、θ_ｊ（ｊは１乃至ｎのいずれかの整数）は、式１と同様に、順に、センサ３０−ｊによって得られた振幅と位相とを表す。ｎは、橋梁２０に設置されたセンサの個数を示す整数であり、図１に示す例では、「９」である。ｅ^ｉは、複素数表記を表し、ｔは、ベクトルの転置を表す符号である。

逆モード形状は、式１及び式２に示す通り、モード形状における振幅を、その逆数に置き換えた指標である。したがって、逆モード形状が示す特性値（即ち振幅の逆数）は、モード形状が示す振幅とは反対の増加特性（モード形状が示す振幅が小さくなるにつれて大きくなる特性）を有する。

生成部１１は、橋梁２０に損傷が発生していない場合における橋梁２０の逆モード形状を表す特性ベクトルΦ^−１を、センサ３０−１乃至３０−９により収集された測定データに基づいて、逆モード形状の基準値１４２として生成する。生成部１１は、生成した逆モード形状の基準値１４２を、記憶部１４に格納する。

図２は、橋梁２０の支持点２１０付近において損傷が発生した場合において、本実施形態に係る生成部１１によって生成された、逆モード形状１１２が示す振幅の逆数に関する、逆モード形状の基準値１４２が示す振幅の逆数からの変化を例示する図である。尚、この場合における、生成部１１によって生成された、モード形状１１１が示す振幅に関する、モード形状の基準値１４１が示す振幅からの変化は、上述した図９に示す通りである。図２及び図９に示す通り、橋梁２０の支持点２１０付近において損傷が発生した場合、モード形状１１１とモード形状の基準値１４１との間における振幅の差分（変化量）が小さいのに対して、逆モード形状１１２と逆モード形状の基準値１４２との間における振幅の逆数の差分（変化量）は大きくなる。

生成部１１は、モード形状の基準値１４１及び逆モード形状の基準値１４２を生成したのち、所定のタイミングにセンサ３０−１乃至３０−９により収集された測定データに基づいて、式１を使用して橋梁２０のモード形状１１１を生成するとともに、式２を使用して橋梁２０の逆モード形状１１２を生成する。生成部１１は、生成したモード形状１１１及び逆モード形状１１２を、算出部１２へ入力する。

生成部１１は、生成したモード形状の基準値１４１とモード形状１１１とを表すグラフを、例えば図８に示す通り、モニター等の表示装置（図１には不図示）に重ねて表示するようにしてもよい。生成部１１は、生成した逆モード形状の基準値１４２と逆モード形状１１２とを表すグラフを、例えば図２に示す通り、表示装置に重ねて表示するようにしてもよい。

算出部１２は、生成部１１から入力されたモード形状１１１と、記憶部１４に記憶されているモード形状の基準値１４１とに関して、モード形状の類似度１２１を算出する。本実施形態に係る算出部１２は、モード形状の類似度１２１を表す指標として、周知の指標であるモード信頼性評価基準ＭＡＣを使用することとする。算出部１２は、式３に示す通り、ＭＡＣを算出する。

・・・・・・（式３）

但し、式３において、Ｆはモード形状の基準値１４１を表す符号であり、Ｉはモード形状１１１を表す符号である。即ち、Φ_Ｆはモード形状の基準値１４１を表す特性ベクトルであり、Φ_Ｉはモード形状１１１を表す特性ベクトルである。式３において、Ｔはベクトルの転置を表す符号であり、Φ_Ｆ ^Ｔは、Φ_Ｆの転置ベクトルを表す。式３の分母が示す「||Φ_Ｆ||^２」及び「||Φ_Ｉ||^２」は、順に、特性ベクトルΦ_Ｆ及び特性ベクトルΦ_Ｉのノルム（ベクトルの長さ）の２乗を表す。式３の分子が示す「||Φ_Ｆ ^ＴΦ_Ｉ||^２」は、特性ベクトルΦ_Ｆと特性ベクトルΦ_Ｉとの内積の２乗を表す。したがって、ＭＡＣ（Ｆ，Ｉ）は、特性ベクトルΦ_Ｆと特性ベクトルΦ_Ｉとの類似度が大きいほど「１」に近づき、当該類似度が小さいほど０に近づく指標である。

算出部１２は、生成部１１から入力された逆モード形状１１２と、記憶部１４に記憶されている逆モード形状の基準値１４２とに関して、逆モード形状の類似度１２２を算出する。本実施形態では、逆モード形状の類似度１２２を表す指標として、上述したモード信頼性評価基準ＭＡＣと同様に算出可能なＭＡＣ’を定義する。算出部１２は、式４に示す通り、ＭＡＣ’を算出する。

・・・・・・（式４）

但し、式４において、Ｆは逆モード形状の基準値１４２を表す符号であり、Ｉは逆モード形状１１２を表す符号である。即ち、Φ_Ｆ ^−１は逆モード形状の基準値１４２を表す特性ベクトルであり、Φ_Ｉ ^−１は逆モード形状１１２を表す特性ベクトルである。式４において、Ｔはベクトルの転置を表す符号であり、（Φ_Ｆ ^−１）^Ｔは、Φ_Ｆ ^−１の転置ベクトルを表す。式４の分母が示す「||Φ_Ｆ ^−１||^２」及び「||Φ_Ｉ ^−１||^２」は、順に、特性ベクトルΦ_Ｆ ^−１及び特性ベクトルΦ_Ｉ ^−１のノルムの２乗を表す。式４の分子が示す「||（Φ_Ｆ ^−１）^Ｔ（Φ_Ｉ ^−１）||^２」は、特性ベクトルΦ_Ｆ ^−１と特性ベクトルΦ_Ｉ ^−１との内積の２乗を表す。したがって、ＭＡＣ’（Ｆ^−１，Ｉ^−１）は、式３に示すＭＡＣと同様に、特性ベクトルΦ_Ｆ ^−１と特性ベクトルΦ_Ｉ ^−１との類似度が大きいほど「１」に近づき、当該類似度が小さいほど０に近づく指標である。

算出部１２は、算出したモード形状の類似度１２１（ＭＡＣ）、及び、逆モード形状の類似度１２２（ＭＡＣ'）を、診断部１３へ入力する。

診断部１３は、算出部１２から入力されたモード形状の類似度１２１（ＭＡＣ）と、逆モード形状の類似度１２２（ＭＡＣ'）とに基づいて、橋梁２０に発生している損傷を診断する。即ち、診断部１３は、ＭＡＣがＭＡＣに関する閾値以下であること、及び、ＭＡＣ'がＭＡＣ'に関する閾値以下であることの少なくともいずれかを満たす場合、橋梁２０において、注目すべき（対処すべき）損傷が発生していると診断する。診断部１３は、ＭＡＣがＭＡＣに関する閾値よりも大きく、且つ、ＭＡＣ'がＭＡＣ'に関する閾値よりも大きい場合、橋梁２０において、注目すべき損傷が発生していないと診断する。

次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態に係る損傷診断装置１０の動作（処理）について詳細に説明する。

生成部１１は、センサ３０−１乃至３０−９により得られた測定データに基づいて、橋梁２０の固有振動を特定するとともに、橋梁２０のモード形状１１１を生成する（ステップＳ１０１）。算出部１２は、記憶部１４に記憶されているモード形状の基準値１４１と、生成部１１により生成されたモード形状１１１とについて、モード形状の類似度１２１を算出する（ステップＳ１０２）。

生成部１１は、モード形状１１１に含まれる各要素の振幅の逆数を算出することによって、橋梁２０の逆モード形状１１２を生成する（ステップＳ１０３）。算出部１２は、記憶部１４に記憶されている逆モード形状の基準値１４２と、生成部１１により生成された逆モード形状１１２とについて、逆モード形状の類似度１２２を算出する（ステップＳ１０４）。

診断部１３は、モード形状の類似度１２１及び逆モード形状の類似度１２２が、閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。モード形状の類似度１２１及び逆モード形状の類似度１２２の両方が閾値より大きい場合（ステップＳ１０６でＮｏ）、診断部１３は、橋梁２０において、注目すべき損傷は発生していないと診断し（ステップＳ１０７）、全体の処理は終了する。モード形状の類似度１２１及び逆モード形状の類似度１２２の少なくともいずれかが閾値以下である場合（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、診断部１３は、橋梁２０において、注目すべき損傷が発生していると診断し（ステップＳ１０８）、全体の処理は終了する。

本実施形態に係る損傷診断装置１０は、支持部と当該支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する、橋梁等の構造物に発生した損傷を、より正確に診断することができる。その理由は、損傷診断装置１０は、橋梁２０に関するモード形状１１１（第一の振動特性情報）が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む逆モード形状１１２（第二の振動特性情報）を生成し、橋梁２０に発生した損傷によって、モード形状１１１及び逆モード形状１１２が、それぞれの基準値から変化した度合いに基づいて、橋梁２０に発生した損傷を診断するからである。

以下に、本実施形態に係る損傷診断装置１０によって実現される効果について、詳細に説明する。

支持部２１あるいは２２と、当該支持部によって支持点２１０あるいは２２０において支持される被支持部２３とを有する、橋梁２０のような構造物のモード形状が示す振幅特性は、図７に示す通り、一般的に、支持点付近（節に相当する位置）等では振幅が小さくなり、２つの支持点の間の中央部付近（腹に相当する位置）等では振幅が大きくなることが知られている。橋梁２０において発生した損傷を、その損傷による橋梁２０のモード形状の変化を検出することによって診断する場合、図８に示すような、橋梁２０の被支持部２３における中央部付近において発生した損傷に関しては、モード形状の変化量が大きいので損傷の診断は容易である。これに対して、図９に示すような、橋梁２０の支持点２１０付近において発生した損傷に関しては、モード形状の変化量が小さく、誤差やノイズ等による誤判定を回避するためにある程度の大きさの当該変化量をもって損傷を診断する必要があることをふまえると、損傷の発生を見逃す虞がある。即ち、橋梁等の構造物において、モード形状が示す振幅が小さい支持点付近において損傷が発生した場合であっても、当該構造物に発生した損傷を正確に診断することが課題である。

このような課題に対して、本実施形態に係る損傷診断装置１０は、生成部１１と、算出部１２、診断部１３、を備え、例えば図１乃至図３を参照して上述した通り動作する。即ち、生成部１１は、支持部２１及び２２と、それら支持部によって支持点２１０及び２２０において支持される被支持部２３とを有する構造物（橋梁２０）に関する、第一の振動特性情報（モード形状１１１）が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値（例えば振幅の逆数）を含む第二の振動特性情報（逆モード形状１１２）を生成する。算出部１２は、当該構造物に発生した損傷によって、第一及び第二の振動特性情報が示す値が第一及び第二の振動特性情報に関する基準値（モード形状の基準値１４１及び逆モード形状の基準値１４２）から変化した度合いを算出する。そして、診断部１３は、当該変化した度合いに基づいて、損傷を診断する。

より具体的には、本実施形態に係る損傷診断装置１０は、モード形状１１１と逆モード形状１１２という、振幅に関する増加特性が互いに反対である２つの指標を用いて、モード形状１１１と逆モード形状１１２に関するそれぞれの基準値から変化した度合い（基準値との類似度）の少なくともいずれかが基準を満たす場合に、橋梁２０に注目すべき損傷が発生していると診断する。即ち、損傷診断装置１０は、逆モード形状１１２よりもモード形状１１１に関する変化した度合いが大きくなる場所（２つの支持点の間の中央部付近等）に発生した損傷については、モード形状１１１に基づく診断を行なう。損傷診断装置１０は、モード形状１１１よりも逆モード形状１１２に関する変化した度合いが大きくなる場所（２つの支持点付近等）に発生した損傷については、逆モード形状１１２に基づく診断を行なう。これにより、本実施形態に係る損傷診断装置１０は、支持部と当該支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する、橋梁等の構造物に発生した損傷を、より正確に診断することができる。

また、本実施形態に係る損傷診断装置１０は、モード形状１１１が示す振幅をその逆数に置き換えた指標として逆モード形状１１２を生成するが、逆モード形状１１２に含まれる特性値は、モード形状１１１が示す振幅の逆数に限定されない。逆モード形状１１２に含まれる特性値は、モード形状１１１が示す振幅とは反対の増加特性（モード形状１１１が示す振幅が小さくなるにつれて大きくなる特性）を有するものであればよい。

また、本実施形態に係る損傷診断装置１０は、橋梁２０に関する振動特性情報として、モード形状とは異なる情報を使用してもよい。損傷診断装置１０は、また、ＭＡＣのようなモード形状に関する類似度に基づく評価基準とは異なる評価基準を用いて、橋梁２０に発生した損傷を診断してもよい。損傷診断装置１０は、例えば、振幅に関する増加特性が互いに反対である２つの振動特性情報に関して、当該２つの振動特性情報に関する基準値からの変化量（差分）に基づいて、橋梁２０に発生した損傷を診断してもよい。

尚、本実施形態に係る損傷診断装置１０が、損傷を診断する対象とする構造物は、橋梁に限定されない。当該構造物は、支持部と支持部によって支持点において支持される被支持部とを有すればよい。従って、本実施形態に係る損傷診断装置１０は、例えば、建物（ビル）、煙突、プラント等の建築物、あるいは看板等を、損傷を診断する対象としてもよい。

＜第２の実施形態＞
図４は、本願発明の第２の実施形態に係る損傷診断装置４０の構成を概念的に示すブロック図である。

本実施形態に係る損傷診断装置４０は、生成部４１、算出部４２、及び、診断部４３を備えている。

生成部４１は、支持部５１と支持部５１によって支持点５１０において支持される被支持部５２とを有する構造物５０に関する、第一の振動特性情報４１１が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報４１２を生成する。

算出部４２は、構造物５０に発生した損傷によって、第一の振動特性情報４１１及び第二の振動特性情報４１２が示す値が、第一の振動特性情報４１１及び第二の振動特性情報４１２に関する基準値から変化した度合い４２１を算出する。

診断部４３は、変化した度合い４２１に基づいて、当該損傷を診断する。

本実施形態に係る損傷診断装置４０は、支持部５１と支持部５１によって支持点５１０において支持される被支持部５２とを有する、構造物５０に発生した損傷を、より正確に診断することができる。その理由は、損傷診断装置１０は、構造物５０に関する第一の振動特性情報４１１が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報４１２を生成し、構造物５０に発生した損傷によって、第一の振動特性情報４１１及び第二の振動特性情報４１２が、それぞれの基準値から変化した度合いに基づいて、構造物５０に発生した損傷を診断するからである。

＜ハードウェア構成例＞
上述した各実施形態において図１、及び、図４に示した損傷診断装置における各部は、専用のＨＷ（ＨａｒｄＷａｒｅ）（電子回路）によって実現することができる。また、図１、及び、図４において、少なくとも、下記構成は、ソフトウェアプログラムの機能（処理）単位（ソフトウェアモジュール）と捉えることができる。
・生成部１１及び４１、
・算出部１２及び４２、
・診断部１３及び４３。

但し、これらの図面に示した各部の区分けは、説明の便宜上の構成であり、実装に際しては、様々な構成が想定され得る。この場合のハードウェア環境の一例を、図５を参照して説明する。

図５は、本願発明の各実施形態に係る損傷診断装置を実行可能な情報処理装置９００（コンピュータ）の構成を例示的に説明する図である。即ち、図５は、図１、及び、図４に示した損傷診断装置１０及び４０を実現可能なコンピュータ（情報処理装置）の構成であって、上述した実施形態における各機能を実現可能なハードウェア環境を表す。

図５に示した情報処理装置９００は、構成要素として下記を備えている。
・ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ＿Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ＿Ｕｎｉｔ）９０１、
・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ＿Ｏｎｌｙ＿Ｍｅｍｏｒｙ）９０２、
・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ＿Ａｃｃｅｓｓ＿Ｍｅｍｏｒｙ）９０３、
・ハードディスク（記憶装置）９０４、
・外部装置との通信インタフェース９０５、
・バス９０６（通信線）、
・ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ＿Ｄｉｓｃ＿Ｒｅａｄ＿Ｏｎｌｙ＿Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録媒体９０７に格納されたデータを読み書き可能なリーダライタ９０８、
・入出力インタフェース９０９。

即ち、上記構成要素を備える情報処理装置９００は、これらの構成がバス９０６を介して接続された一般的なコンピュータである。情報処理装置９００は、ＣＰＵ９０１を複数備える場合もあれば、マルチコアにより構成されたＣＰＵ９０１を備える場合もある。

そして、上述した実施形態を例に説明した本願発明は、図５に示した情報処理装置９００に対して、次の機能を実現可能なコンピュータプログラムを供給する。その機能とは、その実施形態の説明において参照したブロック構成図（図１、及び、図４）における上述した構成、或いはフローチャート（図３）の機能である。本願発明は、その後、そのコンピュータプログラムを、当該ハードウェアのＣＰＵ９０１に読み出して解釈し実行することによって達成される。また、当該装置内に供給されたコンピュータプログラムは、読み書き可能な揮発性のメモリ（ＲＡＭ９０３）、または、ＲＯＭ９０２やハードディスク９０４等の不揮発性の記憶デバイスに格納すれば良い。

また、前記の場合において、当該ハードウェア内へのコンピュータプログラムの供給方法は、現在では一般的な手順を採用することができる。その手順としては、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等の各種記録媒体９０７を介して当該装置内にインストールする方法や、インターネット等の通信回線を介して外部よりダウンロードする方法等がある。そして、このような場合において、本願発明は、係るコンピュータプログラムを構成するコード或いは、そのコードが格納された記録媒体９０７によって構成されると捉えることができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本願発明を説明した。しかしながら、本願発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本願発明は、本願発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

尚、上述した各実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうる。しかしながら、上述した各実施形態により例示的に説明した本願発明は、以下には限られない。

（付記１）
支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物に関する、第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報を生成する生成手段と、
前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出する算出手段と、
前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する診断手段と、
を備える損傷診断装置。

（付記２）
前記生成手段は、前記第一の振動特性情報が示す振幅の逆数を、前記特性値として算出する、
付記１に記載の損傷診断装置。

（付記３）
前記第一及び第二の振動特性情報は、前記構造物における１以上の観測点ごとの、振動に関する振幅及び位相を表す値を含む特性ベクトルを表す、
付記１または付記２に記載の損傷診断装置。

（付記４）
前記算出手段は、前記第一あるいは第二の振動特性情報及び前記第一あるいは第二の振動特性情報に関する基準値に関する前記特性ベクトルのノルムと、前記第一あるいは第二の振動特性情報に関する前記特性ベクトルと前記第一あるいは第二の振動特性情報に関する基準値に関する前記特性ベクトルとの内積を表す値とに基づいて、前記変化した度合いを示す類似度を算出する、
付記３に記載の損傷診断装置。

（付記５）
前記算出手段は、前記特性ベクトルを表すモード形状に基づいて、前記類似度を表すＭＡＣ（Model Assurance Criteria）を算出する、
付記４に記載の損傷診断装置。

（付記６）
前記診断手段は、前記類似度が、閾値以下であるか否かを判定する、
付記４または付記５に記載の損傷診断装置。

（付記７）
前記構造物は橋梁である、
付記６に記載の損傷診断装置。

（付記８）
前記生成手段は、生成した前記第一の振動特性情報と前記第一の振動特性情報に関する基準値とを重ねて表示装置に表示し、生成した前記第二の振動特性情報と前記第二の振動特性情報に関する基準値とを重ねて前記表示装置に表示する、
付記１乃至付記７のいずれか一項に記載の損傷診断装置。

（付記９）
付記１乃至付記８のいずれか一項に記載の損傷診断装置と、
前記生成手段が前記第一及び第二の振動特性情報を生成するのに必要となる情報を、前記構造物から収集するセンサと、
を有する損傷診断システム。

（付記１０）
情報処理装置によって、
支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物に関する、第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報を生成し、
前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出し、
前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する、
損傷判定方法。

（付記１１）
支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物に関する、第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の増加特性を有する特性値を含む第二の振動特性情報を生成する生成処理と、
前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出する算出処理と、
前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する判定処理と、
をコンピュータに実行させるための損傷診断プログラムが格納された記録媒体。

この出願は、２０１７年１１月１６日に出願された日本出願特願２０１７−２２０８９３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１損傷診断システム
１０損傷診断装置
１１生成部
１１１モード形状
１１２逆モード形状
１２算出部
１２１モード形状の類似度
１２２逆モード形状の類似度
１３診断部
１４記憶部
１４１モード形状の基準値
１４２逆モード形状の基準値
１５通信部
２０橋梁
２１支持部
２１０支持点
２２支持部
２２０支持点
２３被支持部
３０−１乃至３０−９センサ
３１測定データ集約器
４０損傷診断装置
４１生成部
４１１第一の振動特性情報
４１２第二の振動特性情報
４２算出部
４２１変化した度合い
４３診断部
５０構造物
５１支持部
５２被支持部
５１０支持点
９００情報処理装置
９０１ＣＰＵ
９０２ＲＯＭ
９０３ＲＡＭ
９０４ハードディスク
９０５通信インタフェース
９０６バス
９０７記録媒体
９０８リーダライタ
９０９入出力インタフェース

Claims

支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物における１以上の観測点の空間位置と、前記構造物が振動する際の前記観測点の振幅との関係を表す、第一の振動特性情報を生成するとともに、前記空間位置と、前記第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の前記空間位置に対する増加特性を有する特性値との関係を表す、第二の振動特性情報を生成する生成手段と、
前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出する算出手段と、
前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する診断手段と、
を備える損傷診断装置。
前記生成手段は、前記第一の振動特性情報が示す振幅の逆数を、前記特性値として算出する、
請求項１に記載の損傷診断装置。
前記第一及び第二の振動特性情報は、前記構造物における前記１以上の観測点ごとの、振動に関する振幅及び位相を表す値を含む特性ベクトルを表す、
請求項１または請求項２に記載の損傷診断装置。
前記算出手段は、前記第一あるいは第二の振動特性情報及び前記第一あるいは第二の振動特性情報に関する基準値に関する前記特性ベクトルのノルムと、前記第一あるいは第二の振動特性情報に関する前記特性ベクトルと前記第一あるいは第二の振動特性情報に関する基準値に関する前記特性ベクトルとの内積を表す値とに基づいて、前記変化した度合いを示す類似度を算出する、
請求項３に記載の損傷診断装置。
前記算出手段は、前記特性ベクトルを表すモード形状に基づいて、前記類似度を表すＭＡＣ（Model Assurance Criteria）を算出する、
請求項４に記載の損傷診断装置。
前記診断手段は、前記類似度が、閾値以下であるか否かを判定する、
請求項４または請求項５に記載の損傷診断装置。
前記構造物は橋梁である、
請求項６に記載の損傷診断装置。
前記生成手段は、生成した前記第一の振動特性情報と前記第一の振動特性情報に関する基準値とを重ねて表示装置に表示し、生成した前記第二の振動特性情報と前記第二の振動特性情報に関する基準値とを重ねて前記表示装置に表示する、
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の損傷診断装置。
情報処理装置によって、
支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物における１以上の観測点の空間位置と、前記構造物が振動する際の前記観測点の振幅との関係を表す、第一の振動特性情報を生成するとともに、前記空間位置と、前記第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の前記空間位置に対する増加特性を有する特性値との関係を表す、第二の振動特性情報を生成し、
前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出し、
前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する、
損傷診断方法。
支持部と前記支持部によって支持点において支持される被支持部とを有する構造物における１以上の観測点の空間位置と、前記構造物が振動する際の前記観測点の振幅との関係を表す、第一の振動特性情報を生成するとともに、前記空間位置と、前記第一の振動特性情報が示す振幅とは反対の前記空間位置に対する増加特性を有する特性値との関係を表す、第二の振動特性情報を生成する生成処理と、
前記構造物に発生した損傷によって、前記第一及び第二の振動特性情報が示す値が、前記第一及び第二の振動特性情報に関する基準値から変化した度合いを算出する算出処理と、
前記変化した度合いに基づいて、前記損傷を診断する判定処理と、
をコンピュータに実行させるための損傷診断プログラム。