JP7160190B2 - 異常検出装置、方法、システム及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、道路の異常を検出する技術に関する。

道路の異常の把握は、車両運転者の目視等による発見及び道路管理者への連絡により行われる。また、道路管理者が定期的に点検をして発見をする場合もある。

"道路緊急ダイヤル（＃９９１０）"、［online］、［平成３１年４月２３日検索］、国土交通省、インターネット＜URL：http://www.mlit.go.jp/road/dia/＞

しかし、道路の異常が車両運転者により発見されても、道路管理者への連絡が行われるとは限らず、そのまま放置される場合がある。また、道路管理者の点検は数年に１度など、かなり間隔があいているために、異常の発見までに時間を要し、危険な状態が放置される場合がある。

本発明は、従来よりも道路の異常を早く検出することができる異常検出装置、方法、システム及びプログラムを提供することである。

この発明の一態様による異常検出装置は、道路を乗り物で通行したときに発生する音響信号を取得する振動取得部と、取得された音響信号を周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、周波数領域信号を用いて、所定の周波数ごとに、突発性があるか判断する突発性判断部と、突発性があると判断された周波数の数に基づき道路に異常があるか判断する異常判断部と、を備えている。

振動取得部は、道路を乗り物で通行したときに発生する振動の信号である振動信号を取得し、周波数領域変換部は、取得された振動信号を周波数領域信号に変換してもよい。

この発明の一態様による異常検出システムは、異常検出装置を含み、異常検出装置は、異常があると判断された道路の位置情報を送信する位置情報送信部を更に含み、(i)送信された位置情報を受信する位置情報受信部と、(ii)予め定められた領域ごとに、受信した位置情報に対応する位置の数をカウントすることによりヒストグラムを作成するヒストグラム作成部と、(iii)作成されたヒストグラムに基づき異常がある場所を判断する異常場所検出部と、を含む異常場所検出装置を更に含む。

従来よりも道路の異常を早く検出することができる。

図１は、異常検出システムの概要を説明するための図である。 図２は、第一実施形態の異常検出システムの機能構成の例を示す図である。 図３は、異常検出方法の処理手続きの例を示す図である。 図４は、突発性の判断の例を説明するための図である。 図５は、ヒストグラムの作成の例を説明するための図である。 図６は、第二実施形態の異常検出システムの機能構成の例を示す図である。 図７は、第三実施形態の異常検出システムの機能構成の例を示す図である。 図８は、突発性の判断の他の例を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面中において同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

[第一実施形態]
図１は、異常検出システムの概要を説明するための図である。

現在、運転者の所有するスマートホン等の通信機器や、自動車等の車両の標準装備される通信ユニットにより、携帯通信網に接続された車両が増えてきている。また、通信機器や車両には、GPSや加速度センサ、マイクロホン、ビデオカメラなどのセンサが装備されていることがある。異常検出装置、方法及びシステムは、これらを利用して、道路の異常を検出するものである。

図２は、第一実施形態の異常検出システムの機能構成の例を示す図である。

異常検出システムは、異常検出装置１及び異常場所検出装置２を例えば備えている。

異常検出方法は、異常検出装置の各構成部が、以下に説明する及び図３に示すステップＳ１１からステップＳ１４の処理を行うことにより例えば実現される。異常検出方法は、異常検出システムの各構成部が、以下に説明する及び図３に示すステップＳ１１からステップＳ２３の処理を行うことにより例えば実現されてもよい。

[[異常検出装置１]]
異常検出装置１は、振動取得部１１、周波数領域変換部１２、突発性判断部１３、異常判断部１４、位置情報取得部１５及び位置情報送信部１６を例えば備えている。

<振動取得部１１>
振動取得部１１は、道路を乗り物で通行したときに発生する振動の信号である振動信号を取得する（ステップＳ１）。振動取得部１１は、マイクロホン、振動センサ又は加速度センサ等の振動信号を取得するセンサである。振動信号には、マイクロホンで取得される、空気等の弾性体の縦波の振動の信号である音響信号も含まれるとする。

振動取得部１１で取得された振動信号は、周波数領域変換部１２に出力される。

<周波数領域変換部１２>
周波数領域変換部１２は、取得された振動信号を周波数領域信号に変換する（ステップＳ１２）。変換された周波数領域信号は、突発性判断部１３に出力される。

<突発性判断部１３>
突発性判断部１３は、周波数領域信号を用いて、所定の周波数ごとに、突発性があるか判断する（ステップＳ１３）。突発性判断部１３による判断結果は、異常判断部１４に出力される。

突発性判断部１３による突発性の判断は、例えば以下のような手法により行われる。

突発性判断部１３は、周波数ごとのレベル（スペクトル）の短時間平均レベル（数ms～数十ms程度の時間窓でのレベル）と長時間平均レベル（数百ms～数s程度の時間窓でのレベル）を計算する。そして、突発性判断部１３は、これらレベルの比を周波数ごとで計算し、この比を突発性の指標とする。突発性判断部１３は、この指標が予め設定した閾値を超えた場合に、その周波数で、振動信号に突発性があると判断する。

段差による衝撃を受けた場合、図４に示すように、短時間平均レベルが長時間平均レベルよりも一時的に大きくなる。この手法により、このような段差による衝撃に基づく振動信号の突発性を検出することができる。

突発性判断部は、突発性のある信号と突発性のない信号を分類するように学習されたニューラルネットワークのような識別機であってもよい。例えば、周波数ごとのレベル（スペクトル）の短時間平均レベルや長時間平均レベルを入力とするニューラルネットワークであって、突発性がある信号が入力された場合に出力が1.0となり、突発性のない信号の場合には出力が0.0になるように、事前にバックプロパゲーションのような手法で学習されている。このニューラルネットワークの出力があらかじめ設定した0.0～1.0の間で設定された閾値を超えた場合には、突発性があるとして検出を行う。

このように、周波数ごとに突発性を検出することで、低周波数に集中する走行ノイズの影響を減らし、道路に異常があるかどうかの判断精度を高くすることができる。

<異常判断部１４>
異常判断部１４は、突発性があると判断された周波数の数に基づき道路に異常があるか判断する（ステップＳ１４）。異常判断部１４による判断結果は、位置情報送信部１６に出力される。

例えば、異常判断部１４は、同時刻に突発性があると判断された周波数の数が、予め定められた閾値よりも多い場合に、道路に異常があると判断する。

<位置情報取得部１５>
位置情報取得部１５は、車両の位置情報を取得して、位置情報送信部１６に出力する。位置情報は、例えばGPSの位置情報である。

<位置情報送信部１６>
位置情報送信部１６には、異常判断部１４による判断結果及び車両の位置情報が入力される。

位置情報送信部１６は、異常があると判断された道路の位置情報を送信する（ステップＳ１６）。

より具体的には、位置情報送信部１６は、入力された判断結果及び位置情報に基づいて、異常があると判断された道路の位置情報を決定し、決定された異常があると判断された道路の位置情報を、異常場所検出装置２に送信する。

[[異常場所検出装置２]]
異常場所検出装置２は、位置情報受信部２１、ヒストグラム作成部２２及び異常場所検出部２３を例えば備えている。

<位置情報受信部２１>
位置情報受信部２１は、位置情報送信部１６が送信した位置情報を受信する（ステップＳ２１）。位置情報は、ヒストグラム作成部２２に出力される。

<ヒストグラム作成部２２>
ヒストグラム作成部２２は、予め定められた場所ごとに、位置情報受信部２１が受信した位置情報に対応する位置の数をカウントすることによりヒストグラムを作成する（ステップＳ２２）。作成されたヒストグラムは、異常場所検出部２３に出力される。

ヒストグラムは、例えば、数時間、数日、1か月、1年などの期間で集計される。例えば、図５に示すようにメッシュ状に分割された地図の場所のどこで検出があったかをカウントし、メッシュごとの検出回数が求められる。図５は、ヒストグラムの作成の例を説明するための図である。

<異常場所検出部２３>
異常場所検出部２３は、作成されたヒストグラムに基づき異常がある場所を判断する（ステップＳ２３）。

例えば、異常場所検出部２３は、場所ごとのカウント値が予め設定した閾値を超えたところで異常と判断する。

以上示した手法により、例えば、一般の車両から集めた走行音や振動のデータから道路の異常を判定することができる。これにより、多くの道路の異常を監視し、従来よりも早く異常を検出することが可能となる。

[第二実施形態]
第二実施形態は、第一実施形態に対して、ヒストグラム記憶部２４及び差分検出部２３１を追加したものである。

以下では、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。第一実施形態と同様の部分については重複説明を省略する。

<ヒストグラム記憶部２４>
ヒストグラム作成部２２で作成されたヒストグラムは、ヒストグラム記憶部２４に記憶される。

これにより、ヒストグラム記憶部２４には、ヒストグラム作成部２２により過去に作成されたヒストグラムが記憶されることになる。なお、過去のヒストグラムの集計期間は、ヒストグラム作成部２２により今回作成されるヒストグラムの集計期間よりも長くても良い。

<差分検出部２３１>
第二実施形態の異常場所検出部２３は、差分検出部２３１を更に備えている。

差分検出部２３１は、ヒストグラム記憶部２４から読み込んだ過去に作成されたヒストグラムに基づき異常があった場所を判断し、異常があった場所については、ヒストグラム作成部２２により作成されたヒストグラムに基づき異常があると今回判断された場所であっても、異常がないと判断する。

このようにして、差分検出部２３１は、過去のヒストグラムで異常と判定される場所と、現在のヒストグラムで異常と判定される場所の差分を検出する。そして、差分検出部２３１は、現在のヒストグラムで異常と検出された場所でも、過去のヒストグラムで同じ場所が異常と検出されていた場合は、その検出を取り消す。

このようにすることで、すでに把握済みの異常個所や、橋梁の継ぎ目など異常ではなくても突発性を検出してしまう場所の検出を排除して、新たに発生した異常場所を検出することができる。

[第三実施形態]
第三実施形態は、第一実施形態又は第二実施形態に対して、交通量情報取得部２５を追加したものである。

以下では、第一実施形態又は第二実施形態と異なる部分を中心に説明する。第一実施形態又は第二実施形態と同様の部分については重複説明を省略する。

交通量情報取得部２５は、各場所の交通量（何台の車両が通過したか）を、車両のGPS情報や過去の統計情報から得る。すなわち、交通量情報取得部２５は、各場所の交通量情報を取得する。

異常場所検出部２３は、作成されたヒストグラムに含まれるカウント数を、そのカウント数に対応する場所の交通量情報に対応する交通量で割算することにより異常検出割合を計算し、計算された異常検出割合が所定の閾値よりも大きい領域に異常があると判断する（ステップＳ２３）。

言い換えれば、異常場所検出部２３は、異常検出のヒストグラムの値を、交通量で割り、異常検出した車両の割合を算出し、この割合があらかじめ設定した閾値を超える場合に異常発生場所として検出する。

このように、ヒストグラムの値を交通量で正規化をすることにより、より正確に異常場所を検出することができる。

[変形例]
以上、本発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計の変更等があっても、本発明に含まれることはいうまでもない。

例えば、異常検出装置は、位置情報取得部１５及び位置情報送信部１６を備えていなくてもよい。

また、異常検出装置１は、周波数領域変換部１２を備えていなくてもよい。この場合、振動取得部１１で取得された振動信号は、突発性判断部１３に入力される。この場合、突発性判断部１３は、入力された振動信号の短時間平均レベル（数msから数十ms程度の時間窓でのレベル）と長時間平均レベル（数百ms～数s程度の時間窓でのレベル）を計算する。これらレベルの比を計算し、この比を突発性の指標とする。突発性判断部１３は、この指標があらかじめ設定した閾値を超えた場合に突発性のあると判断する。

また、突発性判断部１３は、図８に示すように、対象時刻の直前までのある一定区間（例えばts1,ts2）のレベルの最大値(例えばps1,ps2)と、対象時刻のレベル（例えばp1,p2）の比Λ(ω,τ)を計算し、Λ(ω,τ)がある閾値Thr(ω)を超えた場合に突発性の信号が到来したと判断してもよい。Λ(ω,τ)は以下のように表現できる。ただし、ωは周波数であり、τは離散時刻である。ここでは、周波数領域に変換した信号で表記しているが、周波数領域に変換しない信号でもよい。

ここで、Δは対象時刻の直前までのある一定区間（例えばts1,ts2）の離散時刻を表し、音場の状況にもよるが約3～5秒程度の区間を設定すればよい。P(ω,τ)は、時刻τの時点の周波数ωのレベルである。なお、Λ(ω,τ)とThr(ω)を比較する際に、ある程度の幅をもった周波数帯域で平均した値を用いればさらに雑音に頑健となるため好適である。周波数幅は、受音時のSN比が高い帯域が選択されるように選定されていてもよい。

また、通常の走行音と、穴や段差などがある異常な路面を走行した際の走行音や振動データを予め用意し、これらを見分けるためのニューラルネットワークを機械学習により学習して、異常の有り無しを判定できる識別機を構成してもよい。この場合、突発性判断部１３は、この識別器を用いて異常の有無の判定を行っても良い。

実施の形態において説明した各種の処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。

異常検出装置の構成部間のデータのやり取りは直接行われてもよいし、図示していない記憶部を介して行われてもよい。

[プログラム、記録媒体]
上記説明した各装置における各種の処理機能をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記各装置における各種の処理機能がコンピュータ上で実現される。

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD-ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記憶装置に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるASP（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。

また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、本装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

１ 異常検出装置
１１ 振動取得部
１２ 周波数領域変換部
１３ 突発性判断部
１４ 異常判断部
１５ 位置情報取得部
１６ 位置情報送信部
２ 異常場所検出装置
２１ 位置情報受信部
２２ ヒストグラム作成部
２３ 異常場所検出部
２３１ 差分検出部
２４ ヒストグラム記憶部
２５ 交通量情報取得部

Claims (7)

1. 道路を乗り物で通行したときに発生する音響信号を取得する振動取得部と、
   前記取得された音響信号を周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、
   前記周波数領域信号を用いて、所定の周波数ごとに、突発性があるか判断する突発性判断部と、
   突発性があると判断された周波数の数に基づき前記道路に異常があるか判断する異常判断部と、
   を含む異常検出装置。
2. 請求項１の異常検出装置を含み、
   前記異常検出装置は、異常があると判断された道路の位置情報を送信する位置情報送信部を更に含み、
   (i)前記送信された位置情報を受信する位置情報受信部と、(ii)予め定められた領域ごとに、前記受信した位置情報に対応する位置の数をカウントすることによりヒストグラムを作成するヒストグラム作成部と、(iii)前記作成されたヒストグラムに基づき異常がある場所を判断する異常場所検出部と、を含む異常場所検出装置を更に含む、
   異常検出システム。
3. 請求項２の異常検出システムであって、
   前記異常場所検出装置は、前記ヒストグラム作成部により過去に作成されたヒストグラムが記憶されるヒストグラム記憶部を更に含み、
   前記異常場所検出部は、前記ヒストグラム記憶部から読み込んだ過去に作成されたヒストグラムに基づき異常があった場所を判断し、異常があった場所については、前記作成されたヒストグラムに基づき異常があると今回判断された場所であっても、異常がないと判断する差分検出部を含む、
   異常検出システム。
4. 請求項２の異常検出システムであって、
   前記異常検出装置は、各場所の交通量情報を取得する交通量情報取得部を更に含み、
   前記異常場所検出部は、前記作成されたヒストグラムに含まれるカウント数を、そのカウント数に対応する場所の交通量情報に対応する交通量で割算することにより異常検出割合を計算し、計算された異常検出割合が所定の閾値よりも大きい領域に異常があると判断する、
   異常検出システム。
5. 請求項１の異常検出装置であって、
   前記振動取得部は、道路を乗り物で通行したときに発生する振動の信号である振動信号を取得し、
   前記周波数領域変換部は、前記取得された振動信号を周波数領域信号に変換する、
   異常検出装置。
6. 振動取得部が、道路を乗り物で通行したときに発生する音響信号を取得する振動取得ステップと、
   周波数領域変換部が、前記取得された音響信号を周波数領域信号に変換する周波数領域変換ステップと、
   突発性判断部が、前記周波数領域信号を用いて、所定の周波数ごとに、突発性があるか判断する突発性判断ステップと、
   異常判断部が、突発性があると判断された周波数の数に基づき前記道路に異常があるか判断する異常判断ステップと、
   を含む異常検出方法。
7. 請求項１の異常検出装置の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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