JP7258682B2 - プラント評価システム及びプラント評価方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、津波、竜巻等の自然現象や飛来物等の衝突を含む外部事象による荷重が作用したプラントの健全性を評価するプラント評価システム、及びプラント評価方法に関する。

例えば沿岸部に位置するプラントを構成する建築物及び設備機器などが、地震や津波、洪水、強風、竜巻、火山等の自然現象、または飛来物や漂流物の衝突を含む外部事象による荷重の作用で損傷した場合には、プラントの被害拡大防止や停止のために、損傷部位の把握と健全な設備を用いた減災対応とが要請される。従来、地震による建物の損傷を、地震計からの信号を取り込んで評価する評価システム及び方法が提案されている。

特開２０１７－５８３７３号公報

前述のような従来の評価システム及び方法は、地震力を受けた建物に対するものである。しかし、自然現象や飛来物等の衝突を含めた外部事象による荷重の全般については、荷重の伝達経路を事前に把握できないだけでなく、局所的な破損や地震に比べて高い振動数の応答(振動)が発生した場合、地震向けの評価システム及び方法では対処できない恐れがある。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、地震、津波、竜巻等の自然現象や飛来物、漂流物の衝突を含む外部事象による荷重がプラントに作用した場合に、この外部事象による荷重がもたらす振動による加速度を少ない計測手段で計測しつつ、プラントの健全性を正確に評価できるプラント評価システム及びプラント評価方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態におけるプラント評価システムは、外部事象による荷重が作用したプラントの健全性を評価するプラント評価システムであって、前記プラントを構成する建築物及びこの建築物内部の設備機器における計測点に設けられて、前記外部事象による荷重が前記プラントに作用したときの振動を加速度の時刻歴として計測する計測手段と、前記計測点において計測された加速度の時刻歴を演算することで、前記計測点における加速度のスペクトログラムを生成するスペクトログラム生成手段と、前記計測点における加速度のスペクトログラムをニューラルネットワークにより変換することで、前記計測手段が存在しない非計測点における加速度のスペクトログラムを推定するスペクトログラム推定手段と、前記非計測点における加速度のスペクトログラムを演算することで前記非計測点における加速度の時刻歴を生成する加速度生成手段と、前記計測点及び前記非計測点における加速度の時刻歴に基づき前記建築物または前記設備機器の応答を解析して、構造強度評価に必要な物理量を算出する応答解析手段と、前記構造強度評価に必要な物理量に基づいて前記建築物または前記設備機器の損傷の程度を評価する損傷評価手段と、を有して構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態におけるプラント評価方法は、外部事象による荷重が作用したプラントの健全性を評価するプラント評価方法であって、前記プラントを構成する建築物及びこの建築物内部の設備機器における計測点にて、前記外部事象による荷重が前記プラントに作用したときの振動を加速度の時刻歴として計測する計測ステップと、前記計測点において計測された加速度の時刻歴を演算することで、前記計測点における加速度のスペクトログラムを生成するスペクトログラム生成ステップと、前記計測点における加速度のスペクトログラムをニューラルネットワークにより変換することで、計測手段が存在しない非計測点における加速度のスペクトログラムを推定するスペクトログラム推定ステップと、前記非計測点における加速度のスペクトログラムを演算することで前記非計測点における加速度の時刻歴を生成する加速度生成ステップと、前記計測点及び前記非計測点における加速度の時刻歴に基づき前記建築物または前記設備機器の応答を解析して、構造強度評価に必要な物理量を算出する応答解析ステップと、前記構造強度評価に必要な物理量に基づいて前記建築物または前記設備機器の損傷の程度を評価する損傷評価ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、外部事象による荷重がプラントに作用した場合に、この外部事象による荷重がもたらす振動による加速度を少ない計測手段で計測しつつ、プラントの健全性を正確に評価できる。

第１及び第２実施形態に係るプラント評価システムの構成を示すブロック図。 図１のプラントの建築物に作用する外部事象を示す概略図。 図１のスペクトログラム生成部が生成した加速度のスペクトログラムを示すグラフ。 図１のスペクトログラム推定部で用いられるニューラルネットワークであり、（Ａ）が階層型の、（Ｂ）が相互結合型のそれぞれニューラルネットワークの構造を示す概念図。 図１のプラント評価システムが実行する動作を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。

［Ａ］第１実施形態（図１～図５）
図１は、第１及び第２実施形態に係るプラント評価システムの構成を示すブロック図である。この図１に示すプラント評価システム１０は、図２に示す津波１や地震、洪水、強風、竜巻、火山等の自然現象または飛来物２や漂流物３等の衝突を含む外部事象による荷重がプラント５に作用した場合に、このプラント５を構成する建屋等の建築物６、及びこの建築物６内部の設備機器（例えば制御盤や配管など）７の健全性を評価するものである。

そして、このプラント評価システム１０は、図１に示すように、計測手段としての加速度センサ１１、信号受信部１２、スペクトログラム生成手段としてのスペクトログラム生成部１３、スペクトログラム推定手段としてのスペクトログラム推定部１４、加速度生成手段としての加速度生成部１５、応答解析手段としての応答解析部１６、損傷評価手段としての損傷評価部１７、データベース１８、及び表示部１９を有して構成される。

加速度センサ１１は、プラント５における評価対象の建築物６及び設備機器７の複数の計測点に設けられて、外部事象による荷重がプラント５に作用したときの振動を加速度の時刻歴（時系列データ）として計測する。この加速度センサ１１が計測する加速度は、水平２方向及び垂直１方向の合計３方向の加速度である。また、加速度センサ１１は、評価対象の建築物６及び評価対象の設備機器７にそれぞれ複数設置されるが、評価対象の建築物６における損傷評価に必要な全ての階層、評価対象の設備機器７における損傷評価に必要な全ての設置位置、設備機器７における損傷評価に必要な全ての箇所に、それぞれ必ずしも設置される必要はない。

信号受信部１２は、通信網２０を介して、各計測点に設置された複数の加速度センサ１１から加速度信号（各方向の加速度の時刻歴）を受信し、この加速度信号を、加速度センサ１１の位置情報を含む加速度センサ１１の識別情報と共に、スペクトログラム生成部１３及びデータベース１８へ送信する。

スペクトログラム生成部１３は、評価対象の建築物６及び設備機器７の各計測点で計測された各方向の加速度の時刻歴を演算、即ち本第１実施形態では短時間フーリエ変換することで、各計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを生成する。このスペクトログラムは、図３に示すように、時間、周波数、加速度の大きさからなる３次元データであり、各方向の加速度の時刻歴を短時間フーリエ変換することで得られる複素数の実部と虚部、または複素数の大きさと位相に関するスペクトログラムである。

スペクトログラム推定部１４は、評価対象の建築物６及び設備機器７の各計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを入力とした階層型のニューラルネットワークを備える。そして、このスペクトログラム推定部１４は、各計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを階層型のニューラルネットワークにより変換することで、加速度センサ１１が存在しない非計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを推定する。スペクトログラム推定部１４は、この推定した非計測点での各方向の加速度のスペクトログラムを、加速度生成部１５及びデータベース１８へ送信する。

ここで、加速度センサ１１が存在しない非計測点とは、評価対象の建築物６の各階層のうち加速度センサ１１が設置されていない損傷評価に必要な階層、評価対象の設備機器７が設置された設置位置のうち加速度センサ１１が設置されていない損傷評価に必要な設置位置、評価対象の設備機器７のうち加速度センサ１１が設置されていない損傷評価に必要な箇所をいう。

また、階層型のニューラルネットワークは、評価対象の建築物６及び設備機器７の振動解析モデルを用いて、想定される荷重形態についてシミュレーション解析を行なうことで得られた応答加速度を用いて、計測点での加速度のスペクトログラムから非計測点での加速度のスペクトログラムを推定するように予め機械学習したものである。上記建築物６及び設備機器７の振動解析モデルは、建築物６及び設備機器７をばね質点としてモデル化したものや、建築物６及び設備機器７をＦＥＭ（有限要素法）でモデル化したものである。

また、階層型のニューラルネットワークは、図４（Ａ）に示すように、信号を処理する要素であるノード２１が、複数個直列に接続された構造である。これに対し、図４（Ｂ）に示すように、複数個のノード２１が相互に結合された相互結合型のニューラルネットワークを、階層型のニューラルネットワークに代えて用いてもよい。評価対象の設備機器７が同一の建築物６に設置されている場合のように、計測点及び非計測点の加速度データの間に相関が強い場合には、上記相互結合型のニューラルネットワークを用いることが好ましい。この相互結合型のニューラルネットワークは、階層型のニューラルネットワークと同様にして機械学習される。

加速度生成部１５は、評価対象の建築物６及び設備機器７の非計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを演算、即ち本第１実施形態では逆フーリエ変換することで、非計測点における各方向の加速度の時刻歴（時系列データ）を生成する。加速度生成部１５は、生成した非計測点における各方向の加速度の時刻歴を、応答解析部１６及びデータベース１８へ送信する。

応答解析部１６は、評価対象の建築物６及び設備機器７の計測点及び非計測点における各方向の加速度の時刻歴に基づき、建築物６または設備機器７の応答を解析して、建築物６、設備機器７のそれぞれについての構造強度評価に必要な物理量（建築物６、設備機器７のそれぞれの応力、変位、ひずみ等）を算出する。応答解析部１６は、建築物６、設備機器７のそれぞれについて算出した構造強度評価に必要な物理量を、建築物６、設備機器７のそれぞれの識別情報と共に、損傷評価部１７及びデータベース１８へ送信する。

例えば、応答解析部１６は、データベース１８から評価対象の設備機器７の応答解析モデルを読み込み、この設備機器７が設置された設置位置に対応する計測点または非計測点での各方向の加速度の時刻歴を上記応答解析モデルに入力して、上記設備機器７の動的な応答をシミュレーション解析（動的応答解析）し、この設備機器７における構造強度評価に必要な物理量（この設備機器７における応力、変位、ひずみ、応力加速度、さらには最大応力、最大変位、最大ひずみ及びひずみの時刻歴から求めた疲労蓄積係数など）を算出する。

また、例えば、応答解析部１６は、上述の応答解析モデルを用いる代わりに、評価対象の設備機器７が設置された設置位置に対応する計測点または非計測点での各方向の加速度の時刻歴を用いて、上記設備機器７の応答スペクトルを算出する。そして、応答解析部１６は、データベース１８から読み込んだ上記設備機器７の固有振動数及び減衰比と上記応答スペクトルとを用いて、この設備機器７における構造強度評価に必要な物理量（この設備機器７における応力、変位、ひずみ、応力加速度など）を算出してもよい。

更に、例えば、応答解析部１６は、評価対象の建築物６における損傷評価に必要な階層、または評価対象の設備機器７における損傷評価に必要な箇所のそれぞれに対応した計測点または非計測点での各方向の加速度（応答加速度）の時刻歴を用いて、上記建築物６または上記設備機器７における構造強度評価に必要な物理量（建築物６または設備機器７における応力、変位、ひずみ等）を算出してもよい。

損傷評価部１７は、応答解析部１６が算出した建築物６または設備機器７における構造強度評価に必要な物理量に基づいて、建築物６または設備機器７の損傷の程度を評価し、この評価結果をデータベース１８及び表示部１９へ送信する。例えば、損傷評価部１７は、評価対象の建築物６または設備機器７における応力、変位、ひずみ、応力加速度に関するそれぞれの許容値をデータベース１８から読み込み、この許容値を、応答解析部１６が算出した対応する構造強度評価に必要な物理量（応力、変位、ひずみ、応力加速度など）で除して裕度を算出することで、建築物６または設備機器７の損傷の程度を評価する。また、応答解析部１６は、上記許容値と構造強度評価に必要な物理量とを直接比較することで、建築物６または設備機器７の損傷の程度を評価してもよい。

データベース１８は、前述の如く、評価対象の建築物６及び設備機器７の振動解析モデル（ばね質点モデル、ＦＥＭモデル）、建築物６の応答解析モデル、固有振動数及び減衰比、設備機器７の応答解析モデル、固有振動数及び減衰比、建築物６における応力、変位、ひずみ、応力加速度に関するそれぞれの許容値、設備機器７における応力、変位、ひずみ、応力加速度に関するそれぞれの許容値などを予め記憶する。

更に、データベース１８は、加速度センサ１１が計測した各方向の加速度の時刻歴、スペクトログラム生成部１３が生成した計測点における各方向の加速度のスペクトログラム、スペクトログラム推定部１４が推定した非計測点における各方向の加速度のスペクトログラム、加速度生成部１５が生成した非計測点における各方向の加速度の時刻歴、応答解析部１６が解析した構造強度評価に必要な物理量、及び損傷評価部１７が評価した評価結果をそれぞれ記憶する。

表示部１９は、評価対象の建築物６及び設備機器７の名称を、例えば裕度の小さい順にリストとして表示すると共に、プラント５の地図上の建築物６、設備機器７のそれぞれの位置に、それらの名称と、裕度に応じて色分けされたマーカとを表示する。

次に、上述のように構成されたプラント評価システム１０の作用を、主に図５を用いて説明する。
津波１や地震、洪水、竜巻、火山等の自然現象または飛来物２や漂流物３の衝突を含む外部事象による荷重がプラント５に作用したとき、このプラント５の評価対象の建築物６及び設備機器７の計測点に設置された加速度センサ１１が、上述の外部事象による荷重の作用で振動する建築物６及び設備機器７の計測点での振動を、各方向の加速度の時刻歴として計測する計測ステップを実行する（Ｓ１）。

次に、スペクトログラム生成部１３は、通信網２０及び信号受信部１２を介して受信した加速度センサ１１からの計測点における各方向の加速度の時刻歴を短時間フーリエ変換することで、評価対象の建築物６及び設備機器７の計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを生成するスペクトログラム生成ステップを実行する（Ｓ２）。

次に、スペクトログラム推定部１４は、スペクトログラム生成部１３にて生成された計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを、階層型または相互結合型のニューラルネットワークを用いて変換することで、評価対象の建築物６及び設備機器７における非計測点での各方向の加速度のスペクトログラムを推定するスペクトログラム推定ステップを実行する（Ｓ３）。

次に、加速度生成部１５は、スペクトログラム推定部１４にて推定された非計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを逆フーリエ変換することで、評価対象の建築物６及び設備機器７における非計測点での各方向の加速度の時刻歴を生成する加速度生成ステップを実行する（Ｓ４）。

次に、応答解析部１６は、ステップＳ１にて計測された計測点における各方向の加速度の時刻歴と、ステップＳ４にて生成された非計測点における各方向の加速度の時刻歴とに基づき、評価対象の建築物６または設備機器７の応答を解析して、この建築物６または設備機器７の構造強度評価に必要な物理量を算出する応答解析ステップを実行する（Ｓ５）。

その後、損傷評価部１７は、応答解析部１６が算出した構造強度評価に必要な物理量に基づいて、評価対象の建築物６または設備機器７における損傷の程度を評価する損傷評価ステップを実行する（Ｓ６）。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態のプラント評価システム１０によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）図１に示すように、プラント５における評価対象の建築物６及びこの建築物６の内部に設置された評価対象の設備機器７における計測点に設けられた加速度センサ１１は、津波１、地震、竜巻等の自然現象や飛来物２、漂流物３等の衝突を含む外部事象による荷重がプラント５に作用したときの振動を、各方向の加速度の時刻歴として計測する。そして、この計測点における各方向の加速度の時刻歴からスペクトログラム生成部１３が計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを生成し、このスペクトログラムをスペクトログラム推定部１４が、階層型または相互結合型のニューラルネットワークを用いて変換することで、評価対象の建築物６及び設備機器７における非計測点での各方向の加速度のスペクトログラムを推定する。そして、この非計測点での各方向の加速度のスペクトログラムから加速度生成部１５が、非計測点における各方向の加速度の時刻歴を生成する。

これらの計測点及び非計測点における各方向の加速度の時刻歴に基づき応答解析部１６が、評価対象の建築物６または設備機器７の応答を解析して構造強度評価に必要な物理量を算出し、この構造強度評価に必要な物理量から損傷評価部１７が、評価対象の建築物６または設備機器７の損傷の程度を評価する。この結果、外部事象による荷重がプラント５に作用した場合に、この外部事象による荷重がもたらす振動による加速度を、少ない加速度センサ１１で計測しつつ、プラント５の健全性を正確に評価できる。

［Ｂ］第２実施形態（図１）
図１は、第１及び第２実施形態に係るプラント評価システムの構成を示すブロック図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態のプラント評価システム２５が第１実施形態と異なる点は、スペクトログラム生成手段としてのスペクトログラム生成部２６が行なう演算がウェーブレット変換であり、また、加速度生成手段としての加速度生成部２７が行なう演算が逆ウェーブレット変換である点である。

つまり、スペクトログラム生成部２６は、評価対象の建築物６及び設備機器７の計測点において計測された各方向の加速度の時刻歴をウェーブレット変換することで、評価対象の建築物６及び設備機器７の計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを生成する。従って、このスペクトログラム生成部２６により生成される各方向の加速度のスペクトログラムは、各方向の加速度の時刻歴をウェーブレット変換することで得られる複素数の実部と虚部、または複素数の大きさと位相に関するスペクトログラムである。

また、加速度生成部２７は、評価対象の建築物６及び設備機器７の非計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを逆ウェーブレット変換することで、評価対象の建築物６及び設備機器７の非計測点における各方向の加速度の時刻歴を生成する。

以上のように構成されことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（２）を奏する。
（２）スペクトログラム生成部２６は、計測点における各方向の加速度の時刻歴を、短時間フーリエ変換よりも分解能が高いウェーブレット変換することで、計測点における各方向の加速度のスペクトログラムを生成している。このため、時間領域及び周波数領域で変化する加速度の時刻歴をウェーブレット変換により高精度に解析して加速度のスペクトログラムを生成できる。この結果、外部事象による荷重が作用したプラント５の健全性を、高い信頼性で評価することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…津波、２…飛来物、３…漂流物、５…プラント、６…建築物、７…設備機器、１０…プラント評価システム、１１…加速度センサ（計測手段）、１３…スペクトログラム生成部（スペクトログラム生成手段）、１４…スペクトログラム推定部（スペクトログラム推定手段）、１５…加速度生成部（加速度生成手段）、１６…応答解析部（応答解析手段）、１７…損傷評価部（損傷評価手段）、２５…プラント評価システム、２６…スペクトログラム生成部（スペクトログラム生成手段）、２７…加速度生成部（加速度生成手段）

Claims (6)

1. 外部事象による荷重が作用したプラントの健全性を評価するプラント評価システムであって、
   前記プラントを構成する建築物及びこの建築物内部の設備機器における計測点に設けられて、前記外部事象による荷重が前記プラントに作用したときの振動を加速度の時刻歴として計測する計測手段と、
   前記計測点において計測された加速度の時刻歴を演算することで、前記計測点における加速度のスペクトログラムを生成するスペクトログラム生成手段と、
   前記計測点における加速度のスペクトログラムをニューラルネットワークにより変換することで、前記計測手段が存在しない非計測点における加速度のスペクトログラムを推定するスペクトログラム推定手段と、
   前記非計測点における加速度のスペクトログラムを演算することで前記非計測点における加速度の時刻歴を生成する加速度生成手段と、
   前記計測点及び前記非計測点における加速度の時刻歴に基づき前記建築物または前記設備機器の応答を解析して、構造強度評価に必要な物理量を算出する応答解析手段と、
   前記構造強度評価に必要な物理量に基づいて前記建築物または前記設備機器の損傷の程度を評価する損傷評価手段と、を有して構成されたことを特徴とするプラント評価システム。
2. 前記スペクトログラム生成手段における演算が短時間フーリエ変換であり、前記加速度生成手段における演算が逆フーリエ変換であり、
   前記スペクトログラム生成手段により生成される加速度のスペクトログラムが、加速度の時刻歴を前記短時間フーリエ変換することで得られる複素数の実部と虚部、または複素数の大きさと位相に関するスペクトログラムであることを特徴とする請求項１に記載のプラント評価システム。
3. 前記スペクトログラム生成手段における演算がウェーブレット変換であり、前記加速度生成手段における演算が逆ウェーブレット変換であり、
   前記スペクトログラム生成手段により生成される加速度のスペクトログラムが、加速度の時刻歴を前記ウェーブレット変換することで得られる複素数の実部と虚部、または複素数の大きさと位相に関するスペクトログラムであることを特徴とする請求項１に記載のプラント評価システム。
4. 前記スペクトログラム推定手段では、計測点における加速度のスペクトログラムを入力とした階層型または相互結合型のニューラルネットワークが用いられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラント評価システム。
5. 前記ニューラルネットワークは、評価対象の建築物及び設備機器の振動解析モデルを用いて、想定される荷重形態についてシミュレーション解析を行うことで得られた応答加速度を用いて機械学習されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラント評価システム。
6. 外部事象による荷重が作用したプラントの健全性を評価するプラント評価方法であって、
   前記プラントを構成する建築物及びこの建築物内部の設備機器における計測点にて、前記外部事象による荷重が前記プラントに作用したときの振動を加速度の時刻歴として計測する計測ステップと、
   前記計測点において計測された加速度の時刻歴を演算することで、前記計測点における加速度のスペクトログラムを生成するスペクトログラム生成ステップと、
   前記計測点における加速度のスペクトログラムをニューラルネットワークにより変換することで、計測手段が存在しない非計測点における加速度のスペクトログラムを推定するスペクトログラム推定ステップと、
   前記非計測点における加速度のスペクトログラムを演算することで前記非計測点における加速度の時刻歴を生成する加速度生成ステップと、
   前記計測点及び前記非計測点における加速度の時刻歴に基づき前記建築物または前記設備機器の応答を解析して、構造強度評価に必要な物理量を算出する応答解析ステップと、
   前記構造強度評価に必要な物理量に基づいて前記建築物または前記設備機器の損傷の程度を評価する損傷評価ステップと、を有することを特徴とするプラント評価方法。

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