JP6865112B2

JP6865112B2 - 信号処理装置

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Publication number: JP6865112B2
Application number: JP2017111330A
Authority: JP
Inventors: 波木井　勇次; 勇次波木井; 陽介高屋敷; 田中　信吾; 信吾田中
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2037-06-06
Also published as: JP2018205152A

Description

本開示は、信号処理装置に関する。

従来、有線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）に代表されるイーサネット（登録商標）規格に準拠する伝送路を介して各種信号が送受信されている。このような伝送路は、例えば撚り対線による電線から構成されている。よって、伝送路の配索環境によっては、湿度又は温度等による経時劣化に加え、屈曲等の負荷に曝されることがあるため、電線の被覆剥け又は撚り解け等のような不具合により通信品質の低下を招く恐れがある。

そこで、伝送路の状態を判定することにより未然に不具合の対策を行うものとして、伝送路の地絡故障が生じた場合、伝送路の地絡電流波形をスペクトル解析するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、地絡事故発生時の伝送路の絶縁劣化状態を監視するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、電力ケーブルの絶縁体に交流電圧を課電してから絶縁体内の残留電荷に基づき電力ケーブルの絶縁劣化状態を判定するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平０６−２８９０８６号公報特開２０１６−２０６０３５号公報特開２０１６−２１７９４８号公報

しかし、特許文献１〜３に記載のような従来技術は、判定を行うためにシステムの機能を停止する必要があるため、システムの運用を継続することができない。また、上記のような従来技術は、そのシステムごとに専用の閾値を設定する必要があるため、汎用性に乏しいものである。したがって、従来技術においては、高い汎用性を実現し、システムの運用を中断することなく、伝送路の信頼性を向上させることができない状況である。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高い汎用性を実現し、システムの運用を中断することなく、伝送路の信頼性を向上させることができるようにするものである。

本開示の一側面である信号処理装置は、伝送路に流れる少なくとも１種類のランダム信号が入力される信号処理装置であって、前記ランダム信号が入力される入力部と、入力部により入力される前記ランダム信号をフーリエ変換して生成するスペクトルデータに基づき、前記伝送路の劣化状態を判定する演算部と、を備え、前記スペクトルデータは、前記伝送路が正常状態と想定される正常スペクトルと、前記伝送路の劣化状態の判定に用いる異常スペクトルと、を含み、前記演算部は、前記正常スペクトルと、前記異常スペクトルとに基づき、前記伝送路の劣化状態を判定するものである、ことを特徴とする。

本開示の一側面である信号処理装置によれば、正常スペクトルと、異常スペクトルとに基づき、伝送路の劣化状態を判定するものである。正常スペクトル及び異常スペクトルのように、伝送路を流れるランダム信号のスペクトルは、伝送路の比誘電率又は誘電正接の変化により変動するものである。伝送路の比誘電率又は誘電正接は、伝送路を構成する電線の被覆の劣化又は変形等により変化するものである。よって、ランダム信号のスペクトルに基づき伝送路の劣化状態を判定することで、伝送路を構成する電線の被覆の劣化又は変形等が生じているか否かを判定することができる。また、ランダム信号のスペクトルは、伝送路の周波数成分であって、ランダム信号をフーリエ変換することにより容易に求めることができるため、高い汎用性を実現するものであり、システムの運用を中断することなく取得できるものである。また、ランダム信号のスペクトルの変動は、伝送路が完全に故障する前に検出できるものである。したがって、高い汎用性を実現し、システムの運用を中断することなく、伝送路の信頼性を向上させることができる。

また、本開示の一側面である信号処理装置において、前記スペクトルデータは、前記伝送路の設計値に基づき求められる基準スペクトル、をさらに含み、前記演算部は、前記基準スペクトルと前記正常スペクトルとの差分である正常差分スペクトルから求められる正常品マハラノビス距離値と、前記基準スペクトルと前記異常スペクトルとの差分である異常差分スペクトルから求められる異常品マハラノビス距離値と、に基づき、前記伝送路の劣化状態を判定するものである、ことが好ましい。

この信号処理装置によれば、正常品マハラノビス距離値と、異常品マハラノビス距離値と、に基づき、伝送路の劣化状態を判定する。正常品マハラノビス距離値及び異常品マハラノビス距離値で用いられるマハラノビス距離は、正常な状態の集団からの距離に応じて変動する伝送路の劣化状態の判定指標である。正常な状態の集団は、伝送路の設計値に基づき求められる基準スペクトルと、伝送路が正常状態と想定されるときに求められる正常スペクトルとの差分である正常差分スペクトルに基づき求めることができるものである。よって、伝送路の初期不良だけでなく伝送路の初期劣化品の寿命も正確に判定することができる。

また、本開示の信号処理装置において、前記演算部は、前記正常差分スペクトルを絶対値化してから積算した積算データのうち、特定周波数に対応する特徴項目データを単位空間のデータとして前記正常品マハラノビス距離値を求めるものであり、前記異常差分スペクトルを絶対値化してから積算した積算データのうち、特定周波数に対応する特徴項目データと、前記単位空間のデータと、に基づき、前記異常品マハラノビス距離値を求めるものである、ことが好ましい。

この信号処理装置によれば、正常差分スペクトル及び異常差分スペクトルのような差分スペクトルを絶対値化して積算した積算データのうち、特定周波数に対応する積算データである特徴項目データを単位空間のデータとしてマハラノビス距離を求めるものである。差分スペクトルを絶対値化することにより差分スペクトルの正負の振れを正側に統一させることができる。差分スペクトルを絶対値化したものを積算データ化することにより、ランダム信号を用いたとしても、伝送路の変化を顕在化することができる。積算データ化したもののうち特定周波数に対応する特徴項目データを抽出することにより特定周波数に対応する積算データを単位空間のデータとして抽出することができる。よって、例えば、積算データのうち、特徴が顕著な部分を特定周波数で特定すれば、特徴が顕著な部分を単位空間のデータに設定することができる。そのような特徴項目データからマハラノビス距離を求めれば、特徴が顕著な部分を含むマハラノビス距離を求めることができるため、伝送路の変化を顕在化することができる。

本開示の一側面によれば、高い汎用性を実現し、システムの運用を中断することなく、伝送路の信頼性を向上させることができる。

本開示を適用した信号処理装置１を含む通信システムの一例を示す図である。信号処理装置１が備える機能の一例を示す図である。伝送路５を流れるランダム信号の一例を示す図である。正常な伝送路５のスペクトルの一例を示す図である。異常な伝送路５のスペクトルの一例を示す図である。同じ時間軸波形で伝送路５が正常なスペクトルと異常なスペクトルとの差の一例を示す図である。違う時間軸波形で伝送路５が正常なスペクトルと異常なスペクトルとの差の一例を示す図である。マイコン１３１の内部で実行される機能構成の一例を示すブロック図である。信号処理装置１の劣化判定処理を説明するフローチャートである。正常品ＭＤ値生成処理を説明するフローチャートである。異常品ＭＤ値生成処理を説明するフローチャートである。正常品に対応する正常スペクトルと、劣化品若しくは故障品に対応する異常スペクトルとのスペクトルの差の一例を示す図である。正常スペクトルと基準スペクトルとの差分である正常差分スペクトル又は異常スペクトルと基準スペクトルとの差分である異常差分スペクトルのような差分スペクトルの一例を示す図である。伝送路５の素線断線の一例を示す図である。伝送路５の被覆剥けの一例を示す図である。伝送路５間の撚り解けの一例を示す図である。正常差分スペクトルの積算データである正常積算データの一例を示す図である。異常差分スペクトルの積算データである異常積算データの一例を示す図である。正常積算データの特徴項目の一例を示す図である。異常積算データの特徴項目の一例を示す図である。ＲＴ法による正常品マハラノビス距離値及び異常品マハラノビス距離値による伝送路５の劣化状態の判定例を示す図である。劣化又は故障要因ごとのマハラノビス距離値による伝送路５の劣化状態の判定例を示す図である。

以下、図面に基づいて本開示の実施形態を説明するが、本開示は以下の実施形態に限られるものではない。なお、「構成する」、「より成る」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「備える」又はそれらの他の何らかの同義語は、非排他的な包含関係をカバーするように意図される。例えば、要素の列挙を含むプロセス、方法、物品又は装置は、それらの要素だけに限定されることは必須でなく、明示的には列挙されていない又は本来備わっているはずの他の要素が、そのようなプロセス、方法、物品又は装置に含まれてもよい。さらに、明示的に言及しない限り、「又は」は包括的なものであり、排他的な和ではない。例えば、「条件Ａ又はＢ」は、Ａが存在し且つＢが存在しない場合、Ａが存在せず且つＢが存在する場合、ＡもＢも両方とも存在する場合の何れの場合でも満たされる。

本開示はここで説明される処理を実行する装置にも関連している。その装置は、必要な目的に応じて特別に構築されてもよいし、コンピュータに格納されているコンピュータプログラムによって選択的にアクティブにされる又は再構成される汎用コンピュータで構築されてもよい。そのようなコンピュータプログラムはコンピュータ読取可能な記憶媒体に格納されてもよく、その記憶媒体は、限定ではないが、フロッピディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気光ディスク、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード等の如何なるタイプのディスクを含んでもよいものであり、電子的な命令を格納するのに上記で指摘した如何なるタイプの媒体を含んでもよいものであって、ディスクも媒体もそれぞれコンピュータシステムバスに結合されるものである。

図１は、本開示を適用した信号処理装置１を含む通信システムの一例を示す図である。図１に示すように、信号処理装置１は、検知部６等によりデータ線７を介して伝送路５に流れる信号が入力されるものである。また、信号処理装置１は、通信線８を介して通信機器３と各種信号を送受信するものである。伝送路５は、少なくとも１種類のランダム信号が流れるものであって、例えば、単線又は撚り線から構成されるものである。通信システムは、信号処理装置１の他に、伝送路５及び通信機器３を含むものであって、例えば車両に搭載されるものである。伝送路５は、車両内に配索されて設置されるものである。信号処理装置１及び通信機器３のそれぞれは、例えば車両内においてＥＣＵとして構成されるものであって、それぞれ異なる機能を備えるものである。

図２は、信号処理装置１が備える機能の一例を示す図である。信号処理装置１は、入力部１２、演算部１３、出力部１４、及び電源１６を備える。入力部１２は、デジタル入力信号及びアナログ入力信号のような各種信号を入力し、演算部１３に伝達可能なインターフェースである。入力部１２は、入力バッファ１２１及びＡＤコンバーター１２２を備える。入力バッファ１２１は、デジタル入力信号をマイコン１３１に入力できる信号レベルに変換するものであって、デジタル入力信号が入力された場合、一時保存する。入力バッファ１２１に一時保存された信号は、演算部１３により読み出し可能である。ＡＤコンバーター１２２は、アナログ入力信号をマイコン１３１に入力できるデジタル値にＡＤ変換する。ＡＤ変換された信号は、演算部１３により読み出し可能である。演算部１３は、マイコン１３１及び半導体メモリ１３２を備え、入力部１２に入力された信号に各種処理を実行する。演算部１３は、例えば、伝送路５を流れるランダム信号が入力部１２に入力される場合、入力部１２に入力されたランダム信号をフーリエ変換して生成されるスペクトルデータに基づき、伝送路５の劣化状態を判定する。出力部１４は、出力ドライバ１４１及び通信部１４２を備え、演算部１３により各種処理の実行結果に基づき、各種信号を出力する。電源１６は、入力部１２、演算部１３は及び出力部１４に安定した電圧を供給するものである。なお、電源１６は、ＡＤコンバーター１２２の基準電圧にも使用される場合、高精度なものであることが好ましい。また、マイコン１３１は、各種の入力信号から制御量を演算し、出力する。半導体メモリ１３２は、例えばＥＥＰＲＯＭから構成されるものであり、マイコン１３１の各種制御量及びデータを記憶するものである。出力ドライバ１４１は、マイコン１３１が出力する信号に従い、アクチュエーター駆動信号のようにアクチュエータが駆動できる信号の形態に変換したり電圧を増幅したりするものである。通信部１４２は、ドライバ及びレシーバの機能を備える。通信部１４２は、ドライバの機能としては、マイコン１３１の出力データを通信規格に適した通信信号に変換する。通信部１４２は、レシーバの機能としては、他のＥＣＵが送信する信号をマイコン１３１に入力できるレベルに変換する。

図３は、伝送路５を流れるランダム信号の一例を示す図である。図３に示すようなランダム信号は、スクランブラによりランダム信号化されているものであるため、同じパターンの波形が観測されることはない。よって、単純な波形の比較により信号パターンもタイミングも振幅も完全にランダムな信号となるため、アイ・パターンによる各種評価を行うことも不可能である。これにより、振幅又はジッタといった時間に対する各種揺らぎ成分を評価することもできない。そこで、時間に対して振幅変化を伴う時間軸波形から周波数に対して振幅変化を伴う周波数軸波形に変換することにより、周波数成分による比較をするのが好ましい。時間軸波形を周波数軸波形に変換し、スペクトルデータを生成する処理として、例えばＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）が好ましい。

図４は、正常な伝送路５のスペクトルの一例を示す図である。図５は、異常な伝送路５のスペクトルの一例を示す図である。図４，５に示すように、スペクトルの全体の傾向は近似するものの、細かな振幅は異なるものとなり、１つのスペクトルだけでは比較は難しい。また、例えば伝送路５を構成する線路の被覆５２が擦れることにより擦り減っていたり、被覆５２の一部が破れたり、ツイストペア線路の撚りが解かれたり、撚りピッチが変化するような非常に微細な伝送路５の変化であれば、通信機能には全く問題が生じない。しかしそのまま症状が進行すれば通信エラーにつながるような故障の予兆すなわち伝送路５の劣化の影響は、スペクトルの細かな振幅の中に埋もれる程の変化しか現れない。

図６は、同じ時間軸波形で伝送路５が正常なスペクトルと異常なスペクトルとの差の一例を示す図である。図７は、違う時間軸波形で伝送路５が正常なスペクトルと異常なスペクトルとの差の一例を示す図である。図６，７は、正常な伝送路５を通過した時間軸波形と、途中で線路の被覆５２が２ｍｍ剥けた伝送路５を通過した時間軸波形とをそれぞれフーリエ変換したスペクトルの差の絶対値をプロットしたグラフの一例を示すものである。具体的には、図６は、同じ時間軸波形を正常な伝送路５と異常な伝送路５とにそれぞれ流して得られたスペクトルの差である。図６に示すように、６６ＭＨｚ及び８０ＭＨｚ以上で数ｄＢの差が出ているため、これが２ｍｍの被覆剥けの影響とわかる。一方、図７は、異なる時間軸波形を正常な伝送路５と異常な伝送路５とにそれぞれ流して得られたスペクトルの差である。図７に示すように、０〜１２５ＭＨｚにわたって周波数全体でスペクトルの差が生じている。よって、伝送路５の違いによる特徴が全く把握できない。

したがって、周波数軸においても微細な伝送路５の状態変化を読み取ることが困難な場合があり得る。しかし、上記の説明では、スペクトル１つで伝送路５の微細な変化を読み取ろうとした結果である。そこで、任意の周波数帯域幅で複数のスペクトルを用いて伝送路５の微細な変化を読み取ることについて説明する。

図８は、マイコン１３１の内部で実行される機能構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、マイコン１３１により、信号観測処理部１３０１Ａ、波形抽出処理部１３０２Ａ、ＦＦＴ処理部１３０３Ａ、平均化処理部１３０４Ａ、測定データ選択処理部１３０５Ａ、差分処理部１３０６Ａ、絶対値処理部１３０７Ａ、積算処理部１３０８Ａ、特徴項目処理部１３０９Ａ、感度及び標準ＳＮ比処理部１３１０Ａ、２変数処理部１３１１Ａ、単位空間中心演算処理部１３１３、及びＭＤ値処理部１３１２Ａの機能が実現される。また、マイコン１３１により、信号観測処理部１３０１Ｂ、波形抽出処理部１３０２Ｂ、ＦＦＴ処理部１３０３Ｂ、平均化処理部１３０４Ｂ、測定データ選択処理部１３０５Ｂ、差分処理部１３０６Ｂ、絶対値処理部１３０７Ｂ、積算処理部１３０８Ｂ、特徴項目処理部１３０９Ｂ、感度及び標準ＳＮ比処理部１３１０Ｂ、２変数処理部１３１１Ｂ、及びＭＤ値処理部１３１２Ｂの機能が実現される。また、マイコン１３１により、劣化判定処理部１３１４の機能が実現される。

なお、信号観測処理部１３０１Ａ及び信号観測処理部１３０１Ｂの何れかを特に限定しない場合、信号観測処理部１３０１と称する。また、波形抽出処理部１３０２Ａ及び波形抽出処理部１３０２Ｂの何れかを特に限定しない場合、波形抽出処理部１３０２と称する。また、ＦＦＴ処理部１３０３Ａ及びＦＦＴ処理部１３０３Ｂの何れかを特に限定しない場合、ＦＦＴ処理部１３０３と称する。また、平均化処理部１３０４Ａ及び平均化処理部１３０４Ｂの何れかを特に限定しない場合、平均化処理部１３０４と称する。また、測定データ選択処理部１３０５Ａ及び測定データ選択処理部１３０５Ｂの何れかを特に限定しない場合、測定データ選択処理部１３０５と称する。また、差分処理部１３０６Ａ及び差分処理部１３０６Ｂの何れかを特に限定しない場合、差分処理部１３０６と称する。また、絶対値処理部１３０７Ａ及び絶対値処理部１３０７Ｂの何れかを特に限定しない場合、絶対値処理部１３０７と称する。また、積算処理部１３０８Ａ及び積算処理部１３０８Ｂの何れかを特に限定しない場合、積算処理部１３０８と称する。また、特徴項目処理部１３０９Ａ及び特徴項目処理部１３０９Ｂの何れかを特に限定しない場合、特徴項目処理部１３０９と称する。感度及び標準ＳＮ比処理部１３１０Ａ及び感度及び標準ＳＮ比処理部１３１０Ｂの何れかを特に限定しない場合、感度及び標準ＳＮ比処理部１３１０と称する。２変数処理部１３１１Ａ及び２変数処理部１３１１Ｂの何れかを特に限定しない場合、２変数処理部１３１１と称する。また、ＭＤ値処理部１３１２Ａ及びＭＤ値処理部１３１２Ｂの何れかを特に限定しない場合、ＭＤ値処理部１３１２と称する。

信号観測処理部１３０１は、伝送路５を流れるランダム信号を取得する。波形抽出処理部１３０２は、信号観測処理部１３０１により取得されるランダム信号の波形の一部を抽出する。ＦＦＴ処理部１３０３は、波形抽出処理部１３０２で抽出されるランダム信号の波形の一部のフーリエ変換を実行する。平均化処理部１３０４は、ＦＦＴ処理部１３０３でフーリエ変換されたスペクトルにおいて、数ＫＨｚ〜数ＭＨｚ範囲の特定周波数帯域幅でスペクトルに平均化処理を実行し、スペクトルに重畳する外来ノイズの影響を少なくする。測定データ選択処理部１３０５は、平均化処理部１３０４により平均化された複数の平均化スペクトルにデータ選択処理を実行する。具体的には、測定データ選択処理部１３０５は、複数の平均化スペクトルのうち、同じ周波数ごとに、保存する平均化スペクトルを選択する。なお、さまざまな温度、湿度、又は振動等のような異なる環境において、信号観測処理部１３０１Ａ〜測定データ選択処理部１３０５Ａまでを繰り返し実行することにより、正常スペクトルの種類を増やすことが好ましい。差分処理部１３０６Ａは、信号観測処理部１３０１Ａ、波形抽出処理部１３０２Ａ、ＦＦＴ処理部１３０３Ａ、平均化処理部１３０４Ａ、及び測定データ選択処理部１３０５Ａにより正常スペクトルが生成されるものであれば、正常スペクトルと、基準スペクトルとの差分である正常差分スペクトルを求める。差分処理部１３０６Ｂは、信号観測処理部１３０１Ｂ、波形抽出処理部１３０２Ｂ、ＦＦＴ処理部１３０３Ｂ、平均化処理部１３０４Ｂ、及び測定データ選択処理部１３０５Ｂにより異常スペクトルが生成されるものであれば、異常スペクトルと、基準スペクトルとの差分である異常差分スペクトルを求める。なお、基準スペクトルは、伝送路５の設計値に基づき求められるものである。

絶対値処理部１３０７Ａは、正常差分スペクトルを絶対値化する。積算処理部１３０８Ａは、絶対値化した正常差分スペクトルの積算データを求める。特徴項目処理部１３０９Ａは、積算データのうち特定周波数のものを特徴項目データとして抽出する。感度及び標準ＳＮ比処理部１３１０Ａは、特徴項目データを単位空間のデータとして感度及び標準ＳＮ比を求める。２変数処理部１３１１Ａは、単位空間のデータの全メンバーについて感度及び標準ＳＮ比に基づき２変数に変換する。単位空間中心演算処理部１３１３は、２変数から単位空間の中心を求める。ＭＤ値処理部１３１２Ａは、単位空間の個々のメンバーについて単位空間の中心からの距離である正常品マハラノビス距離値を求める。

絶対値処理部１３０７Ｂは、異常差分スペクトルを絶対値化する。積算処理部１３０８Ｂは、絶対値化した異常差分スペクトルの積算データを求める。特徴項目処理部１３０９Ｂは、積算データのうち特定周波数のものを特徴項目データとして抽出する。感度及び標準ＳＮ比処理部１３１０Ｂは、特徴項目データを信号データとして感度及び標準ＳＮ比を求める。２変数処理部１３１１Ｂは、信号データの全メンバーについて感度及び標準ＳＮ比に基づき２変数に変換する。ＭＤ値処理部１３１２Ｂは、信号データの個々のメンバーについて単位空間の中心からの距離である異常品マハラノビス距離値を求める。

劣化判定処理部１３１４は、正常品マハラノビス距離値と、異常品マハラノビス距離値と、閾値とに基づき、劣化判定を行う。具体的には、劣化判定処理部１３１４は、異常品マハラノビス距離値が正常品マハラノビス距離値で特定される正常範囲にあるか否かに応じて伝送路５の劣化状態を判定し、劣化状態判定処理を終了する。正常範囲は、正常品マハラノビス距離値の上限値により定まるものである。さらに、非正常範囲において、劣化範囲、異常範囲、及び故障範囲を定めることにより、異常品マハラノビス距離値が正常範囲に該当しない場合には、異常品マハラノビス距離値が劣化、異常、及び故障の何れに該当するかを判定することができる。よって、正常範囲と、非正常範囲との間に、閾値として第１閾値が設定されれば、異常品マハラノビス距離値が正常範囲に属するか否かを判定することができる。さらに、非正常範囲のうち、劣化範囲と、異常範囲との間に、閾値として第２閾値が設定されれば、異常品マハラノビス距離値が劣化範囲及び異常範囲の何れか一方に属するかを判定することができる。さらに、非正常範囲のうち、異常範囲と、故障範囲との間に、閾値として第３閾値が設定されれば、異常品マハラノビス距離値が異常範囲及び故障範囲の何れか一方に属するかを判定することができる。

図９は、信号処理装置１の劣化判定処理を説明するフローチャートである。図１０は、正常品ＭＤ値生成処理を説明するフローチャートである。図１１は、異常品ＭＤ値生成処理を説明するフローチャートである。図１２は、正常品に対応する正常スペクトルと、劣化品若しくは故障品に対応する異常スペクトルとのスペクトルの差の一例を示す図である。図１３は、正常スペクトルと基準スペクトルとの差分である正常差分スペクトル又は異常スペクトルと基準スペクトルとの差分である異常差分スペクトルのような差分スペクトルの一例を示す図である。図１４は、伝送路５の素線断線の一例を示す図である。図１５は、伝送路５の被覆剥けの一例を示す図である。図１６は、伝送路５間の撚り解けの一例を示す図である。図１７は、正常差分スペクトルの積算データである正常積算データの一例を示す図である。図１８は、異常差分スペクトルの積算データである異常積算データの一例を示す図である。図１９は、正常積算データの特徴項目の一例を示す図である。図２０は、異常積算データの特徴項目の一例を示す図である。図２１は、ＲＴ法による正常品マハラノビス距離値及び異常品マハラノビス距離値による伝送路５の劣化状態の判定例を示す図である。図２２は、劣化又は故障要因ごとのマハラノビス距離値による伝送路５の劣化状態の判定例を示す図である

ステップＳ１１〜ステップＳ１３の処理が、劣化判定処理である。ステップＳ３１〜ステップＳ４４の処理が、正常品ＭＤ値生成処理である。ステップＳ６１〜ステップＳ７３の処理が、異常品ＭＤ値生成処理である。なお、ステップＳ３１〜ステップＳ３５の処理と、ステップＳ６１〜ステップＳ６５の処理とは同様の処理である。よって、ステップＳ６１〜ステップＳ６５の処理についての説明は省略する。

ステップＳ１１において、演算部１３は、正常品ＭＤ値生成処理を実行する。正常品ＭＤ値生成処理の詳細については後述する。ステップＳ１２において、演算部１３は、異常品ＭＤ値生成処理を実行する。異常品ＭＤ値生成処理の詳細については後述する。ステップＳ１３において、演算部１３は、正常品ＭＤ値である正常品マハラノビス距離値と、異常品ＭＤ値である異常品マハラノビス距離値と、閾値とに基づき、劣化判定を行う。

ステップＳ３１において、演算部１３は、伝送路５を流れるランダム信号を取得する。ステップＳ３２において、演算部１３は、ランダム信号の波形の一部を抽出する。ステップＳ３３において、演算部１３は、フーリエ変換を実行する。ステップＳ３４において、演算部１３は、特定周波数帯域幅でスペクトルに平均化処理を実行する。ステップＳ３５において、演算部１３は、複数の平均化スペクトルにデータ選択処理を実行する。ステップＳ３６において、演算部１３は、データ選択処理の実行結果を正常スペクトルとして正常データベースに記憶する。ステップＳ３７において、演算部１３は、正常データベースに記憶されている正常スペクトルと、基準スペクトルとの差分である正常差分スペクトルを求める。

ステップＳ３８において、演算部１３は、正常差分スペクトルを絶対値化する。ステップＳ３９において、演算部１３は、絶対値化した正常差分スペクトルの積算データを求める。ステップＳ４０において、演算部１３は、積算データのうち特定周波数のものを特徴項目データとして抽出する。ステップＳ４１において、演算部１３は、特徴項目データを単位空間のデータとして感度及び標準ＳＮ比を求める。ステップＳ４２において、演算部１３は、単位空間のデータの全メンバーについて感度及び標準ＳＮ比に基づき２変数に変換する。ステップＳ４３において、演算部１３は、２変数から単位空間の中心を求める。ステップＳ４４において、演算部１３は、単位空間の個々のメンバーについて単位空間の中心からの距離である正常品マハラノビス距離値を求め、正常品ＭＤ値生成処理を終了する。

ステップＳ６６において、演算部１３は、データ選択処理の実行結果を異常スペクトルとする。ステップＳ６７において、演算部１３は、異常スペクトルと、基準スペクトルとの差分である異常差分スペクトルを求める。

ステップＳ６８において、演算部１３は、異常差分スペクトルを絶対値化する。ステップＳ６９において、演算部１３は、絶対値化した異常差分スペクトルの積算データを求める。ステップＳ７０において、演算部１３は、積算データのうち特定周波数のものを特徴項目データとして抽出する。ステップＳ７１において、演算部１３は、特徴項目データを信号データとして感度及び標準ＳＮ比を求める。ステップＳ７２において、演算部１３は、信号データの全メンバーについて感度及び標準ＳＮ比に基づき２変数に変換する。ステップＳ７３において、演算部１３は、信号データの個々のメンバーについて単位空間の中心からの距離である異常品マハラノビス距離値を求め、異常品ＭＤ値生成処理を終了する。

換言すれば、図１２に示すように、正常スペクトルと、異常スペクトルとのスペクトルの差は非常に小さい。そこで、演算部１３は、伝送路５の設計値に基づき求められる基準スペクトルを伝送路５の劣化状態の判定に用いる。演算部１３は、基準スペクトルと正常スペクトルとの差分である正常差分スペクトルから正常品マハラノビス距離値を求め、基準スペクトルと異常スペクトルとの差分である異常差分スペクトルから異常品マハラノビス距離値を求める。正常差分スペクトル及び異常差分スペクトルのような差分スペクトルは、図１３に示すように、差が現れるが、その差は最大でも３ｄＢ以下であるため、そのままでは非常に小さく、差分が正負で振れるように出現しているだけでなく、劣化若しくは故障規模に対しては位相若しくは振幅に違いが見られる。よって、このままでは一様に評価をすることができない。そこで、図１７及び図１８に示すように、正常差分スペクトル及び異常差分スペクトルのような差分スペクトルをそれぞれ絶対値化してから積算して積算データを生成する。図２０のＡＷＧ＿Ｅｒｒ＿Ｌｅｎｇにおいては、図１４に示すように、素線５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃのような素線５１に含まれる銅線５１１の一部が断線した場合を示す。図２０のＲｕｂｂｅｒ＿Ｇａｐにおいては、図１５に示すように、被覆５２で覆われた導体５３間距離の変化により被覆剥けが生じた場合を示す。図２０のＦｒａｙ＿Ｌｅｎｇにおいては、図１６に示すように、導体５３間距離により撚り解けが生じた場合を示す。このように、正常差分スペクトル及び異常差分スペクトルを絶対値化してから積算することにより、正常差分スペクトルを絶対値化してから積算したものに比べ、異常差分スペクトルを絶対値化してから積算したものにおいて、伝送路５の微細な変化が顕著に現れる。さらに、積算データのうち、図１９に示すような特定周波数に対応する特徴項目データを単位空間のデータとして正常品マハラノビス距離値を求め、図２０に示すような特定周波数に対応する特徴項目データを信号データとして異常品マハラノビス距離値を求める。これにより、図２１に示すように、正常集団にある単位空間のデータと、劣化若しくは故障に該当する信号データとのそれぞれの分布がはっきりわかれる。よって、マハラノビス距離が正常範囲にあるか否かに応じて伝送路５の劣化状態を判定することができる。また、図２２に示すように、劣化若しくは故障規模の長さが長くなるにつれ、異常品マハラノビス距離値が大きくなる。例えば、劣化若しくは故障規模の長さが１ｍｍであっても異常品マハラノビス距離値は１０以上を示すので、伝送路５の微細な変化であっても劣化若しくは故障の検出を行うことができる。つまり、演算部１３は、通信部１４２により受信されるランダム信号をフーリエ変換して生成するスペクトルデータに基づき、伝送路５の劣化状態を判定することができる。

以上の説明から、本開示を適用した信号処理装置１は、正常スペクトルと、異常スペクトルとに基づき、伝送路５の劣化状態を判定するものである。正常スペクトル及び異常スペクトルのように、伝送路５を流れるランダム信号のスペクトルは、伝送路５の比誘電率又は誘電正接の変化により変動するものである。伝送路５の比誘電率又は誘電正接は、伝送路５を構成する線路の被覆５２の劣化又は変形等により変化するものである。よって、ランダム信号のスペクトルに基づき伝送路５の劣化状態を判定することで、伝送路５を構成する線路の被覆５２の劣化又は変形等が生じているか否かを判定することができる。また、ランダム信号のスペクトルは、伝送路５の周波数成分であって、ランダム信号をフーリエ変換することにより容易に求めることができるため、高い汎用性を実現するものであり、システムの運用を中断することなく取得できるものである。また、ランダム信号のスペクトルの変動は、伝送路５が完全に故障する前に検出できるものである。したがって、高い汎用性を実現し、システムの運用を中断することなく、伝送路５の信頼性を向上させることができる。

また、信号処理装置１は、基準スペクトルと正常スペクトルとの差分である正常差分スペクトルから求められる正常品マハラノビス距離値と、基準スペクトルと異常スペクトルとの差分である異常差分スペクトルから求められる異常品マハラノビス距離値と、に基づき、伝送路５の劣化状態を判定する。正常品マハラノビス距離値及び異常品マハラノビス距離値で用いられるマハラノビス距離は、正常な状態の集団からの距離に応じて変動する伝送路５の劣化状態の判定指標である。正常な状態の集団は、伝送路５の設計値に基づき求められる基準スペクトルと、伝送路５が正常状態と想定されるときに求められる正常スペクトルとの差分である正常差分スペクトルに基づき求めることができるものである。よって、伝送路５の初期不良だけでなく伝送路５の初期劣化品の寿命も正確に判定することができる。

また、信号処理装置１は、正常差分スペクトルを絶対値化してから積算した積算データのうち、特定周波数に対応する特徴項目データを単位空間のデータとして正常品マハラノビス距離値を求めるものであり、異常差分スペクトルを絶対値化してから積算した積算データのうち、特定周波数に対応する特徴項目データと、単位空間のデータと、に基づき、異常品マハラノビス距離値を求めるものである。正常差分スペクトル及び異常差分スペクトルのような差分スペクトルを絶対値化することにより差分スペクトルの正負の振れを正側に統一させることができる。差分スペクトルを絶対値化したものを積算データ化することにより、ランダム信号を用いたとしても、伝送路５の変化を顕在化することができる。積算データ化したもののうち特定周波数に対応する特徴項目データを抽出することにより特定周波数に対応する積算データを単位空間のデータとして抽出することができる。よって、例えば、積算データのうち、特徴が顕著な部分を特定周波数で特定すれば、特徴が顕著な部分を単位空間のデータに設定することができる。そのような特徴項目データからマハラノビス距離を求めれば、特徴が顕著な部分を含むマハラノビス距離を求めることができるため、伝送路５の変化を顕在化することができる。

以上、本開示を適用した信号処理装置１を実施形態に基づいて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、マハラノビス距離は、ＲＴ法を用いて演算している一例について説明しているが、これに限らず、ＡＰＲＴ（ＡｃｃｕｍｕｌａｔｅｄＰｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｔＲＴ）法を用いて演算してもよい。

また、伝送路５が撚り線や単線などの電線であり、伝送路５に流れる信号がデータ線７から信号処理装置１に入力される一例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、伝送路５は機器内のプリント配線であって、伝送路５に流れる信号がその機器内のプリント配線上から取り出されるものであってもよい。

１信号処理装置
１２入力部、１２１入力バッファ、１２２ＡＤコンバーター
１３演算部、１３１マイコン
１３０１，１３０１Ａ，１３０１Ｂ信号観測処理部
１３０２，１３０２Ａ，１３０２Ｂ波形抽出処理部
１３０３，１３０３Ａ，１３０３ＢＦＦＴ処理部
１３０４，１３０３Ａ，１３０４Ｂ平均化処理部
１３０５，１３０５Ａ，１３０５Ｂ測定データ選択処理部
１３０６，１３０６Ａ，１３０６Ｂ差分処理部
１３０７，１３０７Ａ，１３０７Ｂ絶対値処理部
１３０８，１３０８Ａ，１３０８Ｂ積算処理部
１３０９，１３０９Ａ，１３０９Ｂ特徴項目処理部
１３１０，１３１０Ａ，１３１０Ｂ感度及び標準ＳＮ比処理部
１３１１，１３１１Ａ，１３１１Ｂ２変数処理部
１３１２，１３１２Ａ，１３１２ＢＭＤ値処理部
１３１３単位空間中心演算処理部
１３１４劣化判定処理部
１３２半導体メモリ
１４出力部、１４１出力ドライバ、１４２通信部
１６電源
３通信機器
５伝送路、５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ素線、５１１銅線
５２被覆、５３導体
６検知部、７データ線、８通信線

Claims

伝送路に流れる少なくとも１種類のランダム信号が入力される信号処理装置であって、
前記ランダム信号が入力される入力部と、
入力部により入力される前記ランダム信号をフーリエ変換して生成するスペクトルデータに基づき、前記伝送路の劣化状態を判定する演算部と、
を備え、
前記スペクトルデータは、
前記伝送路が正常状態と想定される正常スペクトルと、
前記伝送路の劣化状態の判定に用いる異常スペクトルと、
を含み、
前記演算部は、
前記正常スペクトルと、前記異常スペクトルとに基づき、前記伝送路の劣化状態を判定するものである、
ことを特徴とする信号処理装置。
前記スペクトルデータは、
前記伝送路の設計値に基づき求められる基準スペクトル、
をさらに含み、
前記演算部は、
前記基準スペクトルと前記正常スペクトルとの差分である正常差分スペクトルから求められる正常品マハラノビス距離値と、前記基準スペクトルと前記異常スペクトルとの差分である異常差分スペクトルから求められる異常品マハラノビス距離値と、に基づき、前記伝送路の劣化状態を判定するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
前記演算部は、
前記正常差分スペクトルを絶対値化してから積算した積算データのうち、特定周波数に対応する特徴項目データを単位空間のデータとして前記正常品マハラノビス距離値を求めるものであり、
前記異常差分スペクトルを絶対値化してから積算した積算データのうち、特定周波数に対応する特徴項目データと、前記単位空間のデータと、に基づき、前記異常品マハラノビス距離値を求めるものである、
ことを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。