JP7437907B2

JP7437907B2 - 健全性評価装置、健全性評価システム及び健全性評価方法

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Publication number: JP7437907B2
Application number: JP2019193288A
Authority: JP
Inventors: 剛志井上
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Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2024-02-26
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: JP2021067559A

Description

本発明は、健全性評価装置、健全性評価システム及び健全性評価方法に関する。

建設機械、風力発電機等の構造物は、使用時間中、繰り返し応力の負荷による疲労環境に曝される。この結果、構造物は疲労により最終的に破壊されることが多い。構造物の使用状況に応じて負荷される繰り返し応力が異なるため、構造物の疲労寿命は構造物毎に異なる。近年では、これらの構造物が想定外の環境に曝されるケース、及び、設計時に想定された耐用年数を超えて使用されるケースが増えてきている。そこで、疲労寿命までどの程度の時間使用できるのかを予測できることが好ましい。

疲労寿命に関連して、疲労損傷度という指標が知られている。疲労損傷度は、構造物及び材料に固有の疲労寿命が消費された割合であり、構造物及び材料に作用した負荷の履歴によって決定される物理量である。疲労損傷度に関する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１には、油圧機械用の累積損傷度評価システムであって、前記油圧機械は、複数のピストンと、少なくとも一つのシリンダブロックとを備え、前記シリンダブロックは、前記複数のピストンとともに複数の油圧室を形成し前記複数のピストンの往復運動をそれぞれ案内する複数のシリンダと、前記複数の油圧室の圧力をそれぞれ切り替えるための複数の高圧弁及び複数の低圧弁とを含み、前記システムは、評価期間における各々の前記油圧室の稼動率を示す稼動率情報を取得するよう構成された稼動率情報取得部と、前記稼動率情報取得部によって取得された稼動率情報に基づいて前記評価期間全体における前記シリンダブロックの各評価点の全累積損傷度を評価するよう構成された全累積損傷度評価部とを備える、油圧機械用の累積損傷度評価システムが記載されている。

特開２０１５－２２９９３９号公報（特に請求項１参照）

特許文献１に記載の技術では、計測装置により計測された荷重に基づき、累積損傷度が算出される（段落００６８、００６９）。そして、全累積損傷度が閾値を超えた場合に、評価点への応力集中が回避される（段落００６１）。従って、特許文献１に記載の技術では、現在生じている変化に基づき現在のシリンダブロックの損傷が評価されているに過ぎない。従って、特許文献１に記載の技術では、負荷に起因して生じる構造物の挙動が、これからどのように変わっていくのかを予測できない。

本発明は、構造物への負荷に起因する構造物の挙動を表す健全性評価指標の将来の経時変化を予測可能な健全性評価装置、健全性評価システム及び健全性評価方法を提供することを課題とする。

本発明に係る健全性評価装置は、健全性評価対象としての構造物への負荷に起因する前記構造物の挙動を表す健全性評価指標を取得する指標取得部と、前記構造物への負荷を生じさせるとともに前記健全性評価指標の時系列データである稼働状態であって、健全性評価対象である前記構造物自身の稼動状態と前記構造物と同種であって健全性評価対象である前記構造物とは別の構造物の稼動状態とを取得する稼動状態取得部と、取得した前記別の構造物の稼働状態について、健全性評価対象である前記構造物が稼働開始からの経過時間に揃えた正規化を行う正規化実行部と、前記健全性評価指標を取得した前記構造物について、前記構造物における健全性評価指標の経時変化であって前記健全性評価指標の取得時刻以降の経時変化を含む経時変化データベースを、前記正規化実行部により時間を正規化することで構築するともに、前記健全性評価指標が許容可能な限界に至ることによる前記構造物の稼動停止前に構築するデータベース構築部と、前記構造物の前記稼動停止前に、前記指標取得部により取得された健全性評価指標と、前記経時変化データベースとに基づき、前記指標取得部による前記健全性評価指標の取得時刻以降の前記健全性評価指標の経時変化を予測する予測部と、を備える。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。

本発明によれば、構造物への負荷に起因する構造物の挙動を表す健全性評価指標の将来の経時変化を予測可能な健全性評価装置、健全性評価システム及び健全性評価方法を提供できる。

第１実施形態の健全性評価装置を含む健全性評価システムのブロック図である。デジタル画像相関法による亀裂長さの取得方法を説明する図である。撮像装置により得られたデジタル画像である。図２Ｂのデジタル画像へのデジタル画像相関法の適用により得られたひずみ分布画像である。二次元マッピング法による構造物の変形量の取得方法を説明する図である。撮像装置により得られたデジタル画像である。図３Ｂのデジタル画像への二次元マッピング法の適用により得られた変形挙動二次元マッピング画像である。ひずみ測定装置を使用したひずみ変化量の取得方法を説明する図である。外力及びひずみに基づき正規化されたひずみの算出方法を説明する図である。正規化方法を説明する図である。正規化後のグラフとの比較のために、構造物２毎の正規化前の時間と健全性評価指標値との関係を示すグラフである。第１実施形態で構築される経時変化データベースを示す図である。健全性評価指標値の取得時刻以降の経時変化の予測方法を説明する図である。第１実施形態の健全性評価方法を示すフローチャートである。第２実施形態の健全性評価装置を含む健全性評価システムのブロック図である。第２実施形態で構築される経時変化データベースを示す図である。第３実施形態の健全性評価装置を含む健全性評価システムのブロック図である。第３実施形態で構築される経時変化データベースを示す図である。第４実施形態の健全性評価装置を含む健全性評価システムのブロック図である。第５実施形態の健全性評価装置を含む健全性評価システムのブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。ただし、本発明は以下の内容及び図示の内容になんら限定されず、本発明の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形して実施できる。本発明は、異なる実施形態同士を組み合わせて実施できる。以下の記載において、異なる実施形態において同じ部材については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、第１実施形態の健全性評価装置３を含む健全性評価システム１のブロック図である。健全性評価システム１は、健全性評価対象としての構造物２の健全性を評価するものである。図示の例では、構造物２は３つの構造物２Ａ，２Ｂ，２Ｃを含み、健全性評価対象となる構造物２は構造物２Ａである。構造物２は、例えば、建設機械、風力発電設備、鉄道車両等の少なくとも一つである。構造物２は、全て同じ場所（同じエリア）で設置、使用等されてもよく、少なくとも１つの構造物２が遠隔地で設置、使用等されてもよい。

健全性評価システム１は、構造物２への負荷に起因する構造物２の挙動を表す健全性評価指標に基づき、構造物２の健全性を評価する。ここでいう負荷は、例えば、構造物２の変形によって構造物２で生じる応力である。健全性の評価は、構造物２への負荷により、健全性評価指標が将来どのように経時変化するのかを予測することで行われる。健全性評価指標は、構造物２の健全性を評価可能な指標であり、例えば、構造物２に生じた亀裂、構造物２の変形、構造物２に使用されるボルト（図示しない）の歪み、隣接する構造物２間の間隙等の少なくとも一つを含む。

健全性評価システム１は、健全性評価対象としての構造物２Ａと、構造物２Ａの健全性を評価する健全性評価装置３とを備える。健全性評価装置３は、指標取得部４と、稼動状態取得部５と、正規化実行部６と、データベース構築部７と、逆正規化実行部８と、予測部９と、出力部１０とを備える。なお、健全性評価装置３は、図示のように一体として構成される必要は無く、一部が他とは別の場所に配置されるようにしてもよい。例えば、経時変化データベース１１（図中では「経時変化ＤＢ」と図示）は、遠隔地に配置されたサーバ（図示しない）に設置されるようにしてもよい。

指標取得部４は、健全性評価指標を取得するものである。取得された健全性評価指標は、記録部（図示しない）に記録される。取得は、健全性評価指標値の具体的内容に応じて、例えば構造物２に設置された任意の取得装置（図示しない）を用いて行うことができる。例えば、健全性評価指標値（後記する）が例えば亀裂長さの場合には、詳細は図２Ａ～図２Ｃを参照して後記するが、取得装置として撮像装置２３を用いることで、亀裂２６の長さ（亀裂長さ）を取得できる。また、取得は、例えば所定時の時間又は日数毎に定期的に行われる。

健全性評価指標は、健全性評価指標をデータ処理可能に可視化された可視化データとして構成される健全性評価指標値を含む。可視化データは、健全性評価指標を客観的に評価可能（例えば数値の大小等）な例えば数値化されたデータである。健全性評価指標値は、上記健全性評価指標を数値化したものであり、例えば構造物に生じた亀裂の長さ、構造物２の変形量、構造物２に使用されるボルトの軸力、隣接する構造物２間の間隙の長さ等の少なくとも一つを含む。健全性評価指標値を含むことで、数値化した健全性評価をデータ処理できる。

中でも、可視化データは、平面内での健全性評価指標値（例えば長さ、大きさ等）である二次元可視化データを含むことが好ましい。二次元可視化データを含むことで、三次元での健全性評価指標値（例えば奥行き方向の長さ）については考慮しなくてよいため、健全性評価指標値の種類を減らすことができる。

健全性評価指標値の具体的な取得方法について、図２Ａ～図４Ｂを参照して説明する。

図２Ａは、デジタル画像相関法による亀裂長さＬ（図２参照）の取得方法を説明する図である。図示の例では、健全性評価指標は亀裂２６であり、撮像装置２３は領域２４を撮像する。撮像装置２３は例えばカメラである。構造物２Ａに対し図示のように応力Ｆがかかると、亀裂２６が進行し、亀裂長さＬが長くなる。そこで、図示の例では、健全性評価指標値として亀裂２６長さＬが使用される。

図２Ｂは、撮像装置２３により得られたデジタル画像２５である。健全性評価指標値は、構造物２Ａのデジタル画像２５に基づくデジタル画像相関法により算出された亀裂長さＬを含む。健全性評価指標値が亀裂長さを含むことで、亀裂長さＬの経時変化を予測できる。

図２Ｃは、図２Ｂのデジタル画像２５へのデジタル画像相関法（ＤＩＣ法）の適用により得られたひずみ分布画像２８である。亀裂２６の先端２６Ａにおけるひずみ分布は特徴的な分布を示す。このため、両方の先端２６Ａ，２６Ａの位置の特定により、先端２６Ａ，２６Ａ間に形成される亀裂２６長さＬを測定できる。

図３Ａは、二次元マッピング法による構造物２の変形量ΔＬ（図３Ｃ参照）の取得方法を説明する図である。図示の例では、撮像装置２３によって得られた構造物２のデジタル画像に基づく二次元マッピング法により算出された変形量ΔＬを含む。健全性評価指標値が構造物２の変形量ΔＬを含むことで、変形量の経時変化を予測できる。

図示の例では、構造物２を構成する部材２ｂは、構造物２を構成する部材２ａに固定される。この場合において、部材２ｂに部材２ａの表面と平行な方向に応力Ｆがかかると、部材２ｂは変形する。この方向への変形量ΔＬは、応力Ｆの大きさ、及び、応力Ｆの方向とは反対側の部材２ｂの側面に存在する損傷３２（例えば亀裂であるがこれに限定されない）により変化する。そこで、撮像装置２３により、構造物２の変形量ΔＬが取得される。

変形量ΔＬの取得のため、構造物２の側面には、二次元マッピング法により構造物２の変形量ΔＬを取得可能に、複数のマーカ点３１が取り付けられる。撮像装置２３は、上記の図２Ａに示す例と同様に、領域２４を撮像する。領域２４には、構造物２の変形量ΔＬを取得可能なように、複数のマーカ点３１が含まれる。

図３Ｂは、撮像装置２３により得られたデジタル画像２５である。応力Ｆが存在せず、構造物２が変形していなければ、構造物２は図３Ｂにおいて点線で示す位置に存在する。しかし、応力Ｆの存在により構造物２が変形し、構造物２は図３Ｂにおいて実線で示す位置に存在する。

図３Ｃは、図３Ｂのデジタル画像２５への二次元マッピング法の適用により得られた変形挙動二次元マッピング画像３３である。構造物２が変形していないとき、マーカ点３１同士を結ぶ線は点線で示すように直線である。しかし、構造物２が変形しているとき、マーカ点３１同士を結ぶ線は実線で示すように曲線となる。そして、変形量ΔＬは、構造物２の変形に起因する変位が最も大きな最上位のマーカ点３１と、変形していないときの最上位のマーカ点３１との間の距離である。

図示の例では、損傷３２（図３Ａ参照）による変形量ΔＬへの影響を明確にするため、図３Ｃにおける変形量ΔＬは、変形量ΔＬ及び応力Ｆに基づき、単位応力負荷時の変形量に正規化される。そして、正規化された変形量ΔＬが、健全性評価指標値として取得される。なお、正規化に使用される応力Ｆは、構造物２の稼動状態（後記する）に基づき算出できる。

図４Ａは、ひずみ測定装置３８を使用したひずみ変化量ΔＥ_Ｎ（図４Ｂ参照）の取得方法を説明する図である。上記図３Ａと同様に応力Ｆがかかると、損傷３２の状態に応じて、損傷３２の周辺でのひずみが変化する。そこで、損傷３２の近傍に、ひずみ測定装置３８が設置される。ひずみ測定装置３８は例えばひずみセンサである。なお、損傷３２が例えば亀裂である場合、亀裂が一気に進行すると、損傷３２近傍でのひずみの大きさは急激に小さくなる。即ち、この場合、ひずみ変化量ΔＥ_Ｎが大きくなる。

図４Ｂは、応力Ｆ及びひずみＥに基づき正規化されたひずみ変化量ΔＥ_Ｎの算出方法を説明する図である。ひずみ測定装置３８の値は、応力Ｆ及び損傷３２の状態により変化する。そこで、損傷３２によるひずみ変化量ΔＥ_Ｎの明確化のために、応力Ｆの経時変化（上段）と、ひずみ測定装置３８により測定されるひずみＥの経時変化（中段）とに基づき、単位応力負荷時のひずみＥ_Ｎへの正規化が行われる。正規化により、正規化されたひずみＥ_Ｎの経時変化（下段）が取得される。正規化されたひずみＥ_Ｎの経時変化（下段）において、最大のひずみＥ_Ｎと最小のひずみＥ_Ｎとに基づき、ひずみ変化量ΔＥ_Ｎが算出される。

このように、図示の例では、健全性評価指標値は、構造物２に生じた損傷３２近傍でのひずみそのものの値ではなく、ひずみ変化量ΔＥ_Ｎを含む。ひずみ変化量ΔＥ_Ｎは、上記のようにひずみ測定装置３８により測定可能である。健全性評価指標値がひずみ変化量ΔＥ_Ｎを含むことで、ひずみ変化量ΔＥ_Ｎの経時変化を予測できる。

なお、健全性評価指標値の具体的内容は上記の例に限られない。健全性評価指標値は、例えば、超音波検査装置を用いた亀裂深さ等であってもよい。

図１に戻って、健全性評価指標の取得は、例えば、健全性評価対象である構造物２Ａから行われる。健全性評価対象である構造物２Ａから取得することで、構造物２Ａでの健全性評価指標の変化に基づき、構造物２Ａでの負荷に起因して生じる構造物２での健全性評価指標の将来の経時変化を予測できる。

また、健全性評価指標は、構造物２Ａと同種であって健全性評価対象である構造物２Ａとは別の構造物２Ｂ，２Ｃの健全性評価指標を含む。別の構造物２Ｂ，２Ｃの健全性評価指標を含むことで、構造物２Ａが未使用又は使用開始から短時間であっても、構造物２Ａでの健全性評価指標の経時変化を予測できる。構造物２Ｂ，２Ｃからの健全性評価指標の取得は、ネットワーク２１を介した有線又は無線通信により行われる。

稼動状態取得部５は、構造物２への負荷を生じさせる構造物２の稼動状態を取得するものである。取得された稼動状態は、記録部（図示しない）に記録される。稼動状態取得部５により、構造物２での健全性評価指標の経時変化に影響を及ぼす構造物２の稼動状態を取得できる。稼動状態の取得は、健全性評価対象である構造物２の稼動開始（運転開始）以降の稼動状態について行われる。

稼動状態は、例えば、構造物２の健全性評価指標の変化との間に相関がある情報であることが好ましい。具体的には、構造物２が例えば建設機械である場合には、稼動状態は、例えば建設機械を駆動するためのシリンダ（図示しない）の圧力、建設機械の重心位置の加速度等の少なくとも一つを含む。また、構造物２が例えば風力発電設備である場合には、稼動状態は、風速、風向き等の風況データ、ブレード（図示しない）の回転速度等の少なくとも一つを含む。さらに、構造物２が例えば鉄道車両であれば、鉄道車両の走行速度、鉄道台車に負荷される加速度等の少なくとも一つを含む。

稼動状態は、例えば、健全性評価対象である構造物２Ａ自身の稼動状態を含む。健全性評価対象である構造物２Ａ自身の稼動状態を取得することで、構造物２Ａの稼動場所での稼動状態を反映させた稼動状態を取得できる。これにより、構造物２Ａに対する健全性評価指標の経時変化についての予測精度を向上できる。

また、稼動状態は、構造物２Ａと同種であって健全性評価対象である構造物２Ａとは別の構造物２Ｂ，２Ｃの稼動状態を含む。別の構造物２Ｂ，２Ｃの稼動状態を含むことで、構造物２Ａが未使用又は使用開始から短時間であっても、構造物２Ｂ，２Ｃの稼動状態に基づき、構造物２Ａについての健全性評価指標の経時変化を予測できる。構造物２Ｂ，２Ｃからの稼動状態の取得は、ネットワーク２１を介した有線又は無線通信により行われる。

正規化実行部６は、取得した別の構造物２Ｂ，２Ｃの稼動状態について、健全性評価対象である構造物２Ａの稼動状態と揃えた正規化を行うものである。第１実施形態では、一例として時間の正規化が行われる。正規化実行部６により、異なる稼動状態で使用された構造物であっても、同じ時間軸（構造物２Ａの時間軸）で健全性評価指標値同士を比較できる。正規化の具体的方法について、図５を参照しながら説明する。

図５は、正規化方法を説明する図である。図５は、構造物２Ａに対して一定の応力を疲労破壊するまで繰り返し負荷する疲労試験の結果を示したものである。図５では、縦軸を対数軸とした応力振幅、横軸を対数軸とした疲労破壊するまでの破断繰り返し数としたグラフが示されている。

応力振幅と破断繰り返し数との関係は、両対数軸上で線形近似式Ｌ１で表すことができる。応力振幅をσ_ａ（ＭＰａ）、破断繰り返し数をＮ_ｆ（回）とすると、下記式（１）が成立する。
σ_ａ＝Ｃ×Ｎ_ｆ ^{（－１／ｍ）} ・・・式（１）
Ｃは構造物２の材料定数、ｍは疲労曲線の傾きである。

式（１）において、構造物２への負荷の大きさ、及び構造物２の損傷の進展速さは傾きｍで整理できる。そこで、個々の構造物２への負荷を生じさせる稼動状態と、個々で異なる負荷を受ける構造物２の健全性評価指標の時系列変化とについて、下記式（２）が成立する。
ｔ_ｎ＝ｔ×Ｐ^－ｍ＝ｔ×ｆ（Ｐ）・・・式（２）
ｔ_ｎは正規化時間、ｔは時間、Ｐは稼動状態、ｆ（Ｐ）は稼動状態Ｐを変数とする関数である。

式（２）により、時間の正規化を行うことができる。即ち、式（２）により、健全性評価指標値の経時変化を正規化できる。なお、稼動状態は、対象となる構造物２が稼動してから健全性評価指標値を取得するまでの時系列データとなる。ただし、計算の簡略化のために、時系列データを最大値、最小値、実効値等の統計値として整理した値を用いることが好ましい。

図６は、正規化後のグラフとの比較のために、構造物２毎の正規化前の時間と健全性評価指標値との関係を示すグラフである。図示の例では、構造物２Ａから取得された健全性評価指標値を黒塗りの三角形で、構造物２Ｂから取得された健全性評価指標値を白抜きの丸で、構造物２Ｃから取得された健全性評価指標値を黒塗りの正方形で示している。

構造物２では、使用される環境、状況等によって稼動状態が異なる。例えば、構造物２Ａでは使用頻度が高いため、短時間で健全性評価指標値が増加する。一方で、例えば構造物２Ｃでは使用頻度が低いため、健全性指標値の増加が緩やかである。このため、図６に示すように、横軸を時間として同一のグラフに単にプロットしても、構造物２間に相関が見出されない。このため、扱うことができないグラフが得られるに過ぎない。そこで、図５を参照しながら説明したように、構造物２毎に稼動状態に基づいて時間の正規化を行うことで、同じ時間軸（構造物２Ａの時間軸）で健全性評価指標値を扱うことができる。

図１に戻って、データベース構築部７は、構造物２における健全性評価指標の経時変化であって健全性評価指標の時刻ｔ０（図７参照）以降の経時変化を含む経時変化データベース１１（図７参照）を構築するものである。経時変化データベース１１について、図７を参照して説明する。

図７は、第１実施形態で構築される経時変化データベース１１を示す図である。図７に示す図は、横軸を構造物２Ａの時間に揃えた正規化時間（上記式（２）により算出可能である）、縦軸を正規化前の時間に対応する健全性評価指標値としてプロットした図である。プロットの記号の意味は、上記図６に示したプロットと同義である。

記録されている健全性評価指標値は、構造物２の稼動開始から、健全性評価指標値を取得した時刻ｔ０（取得時刻）までに取得されたものである。従って、稼動開始（時刻０）から時刻ｔ０までのデータをプロットすると、プロットは、図７に示すように時刻ｔ０を境にして左側に存在する。そこで、データベース構築部７は、指標取得部４により取得された時刻ｔ０よりも前に存在する健全性評価指標値の経時変化に基づき、時刻ｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化を含む経時変化データベース１１を構築する。経時変化データベース１１の構築により、健全性評価指標値を取得した時刻ｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化を予測できる。

データベース構築部７は、例えば、時刻ｔ０よりも前に存在する健全性評価指標値の有限要素解析又は統計学的手法により、時刻ｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化を予測する。これにより、経時変化データベース１１を構築できる。有限要素解析又は統計学的手法により経時変化データベース１１を構築することで、時刻ｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化の精度を高めることができる。

データベース構築部７は、構造物２毎に経時変化データベース１１を構築する。例えば、データベース構築部７は、構造物２Ａ（黒塗りの三角）について、時刻ｔ０以前の健全性評価指標値の経時変化に基づき、近似曲線Ｌ２Ａ１を算出する。次いで、データベース構築部７は、近似曲線Ｌ２Ａ１の例えば有限要素解析又は統計学的手法により、時刻ｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化である近似曲線Ｌ２Ａ２を予測する。これらにより、構造物２Ａについての健全性評価指標値の経時変化を示す近似曲線Ｌ２Ａが得られる。

同様に、データベース構築部７は、構造物２Ｂ（白抜きの丸）について、時刻ｔ０以前の健全性評価指標値の経時変化に基づき、近似曲線Ｌ２Ｂ１を算出する。次いで、データベース構築部７は、近似曲線Ｌ２Ｂ１の例えば有限要素解析又は統計学的手法により、時刻ｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化である近似曲線Ｌ２Ｂ２を予測する。これらにより、構造物２Ｂについての健全性評価指標値の経時変化を示す近似曲線Ｌ２Ｂが得られる。

さらに、データベース構築部７は、構造物２Ｃ（黒塗りの正方形）について、時刻ｔ０以前の健全性評価指標値の経時変化に基づき、近似曲線Ｌ２Ｃ１を算出する。次いで、データベース構築部７は、近似曲線Ｌ２Ｃ１の例えば有限要素解析又は統計学的手法により、時刻ｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化である近似曲線Ｌ２Ｃ２を予測する。これらにより、構造物２Ｃについての健全性評価指標値の経時変化を示す近似曲線Ｌ２Ｃが得られる。

なお、構造物２Ａの近似曲線Ｌ２Ａと、構造物２Ｂの近似曲線Ｌ２Ｂと、構造物２Ｃの近似曲線Ｌ２Ｃとは通常は少しずれる。これは、構造物２間での疲労寿命のばらつき、及び、有限要素解析又は統計学的手法に起因する計算誤差により、経時変化データベース１１は幅を持つことに起因する。従って、以降の処理では、最も広範な領域となる近似曲線Ｌ２Ａと近似曲線Ｌ２Ｃとの間で囲まれた領域Ｄ（図７において斜線で示す領域Ｄ）が経時変化データベース１１として使用される。

図１に戻って、逆正規化実行部８は、データベース構築部７により構築された経時変化データベース１１（２つの近似曲線で囲まれた領域Ｄ）の逆正規化を行うものである。逆正規化実行部８により、経時変化データベース１１を、正規化されていない構造物２毎の健全性評価指標値に適用できる。逆正規化は、例えば、正規化に使用した上記式（２）の逆関数に関する下記式（３）に基づき、行うことができる。
ｔ＝ｔ_ｎ×ｆ^－１（Ｐ）・・・式（３）
ｆ^－１（Ｐ）は関数ｆ（Ｐ）の逆関数である。

予測部９は、指標取得部４により取得された健全性評価指標と、経時変化データベース１１とに基づき、指標取得部４による健全性評価指標を取得した時刻ｔ０以降の健全性評価指標の経時変化を予測するものである。予測方法について図８を参照して説明する。

図８は、健全性評価指標値の時刻ｔ０以降の経時変化の予測方法を説明する図である。図８に示す領域Ｄは、逆正規化実行部８により、健全性評価対象となる構造物２Ａについて時間の逆正規化を行って得られたものである。そして、健全性評価対象となる構造物２Ａの時刻ｔ１における健全性評価指標値Ｐ１をプロットする。時刻ｔ１は、例えば、健全性評価指標値（例えば亀裂長さ）が許容可能な値の限界値に達するまでの残り時刻を予測したい時刻である。図示の例では、時刻ｔ１は、健全性評価指標を取得した時刻ｔ０以降の時刻である。

また、これとともに、健全性評価指標値の閾値Ｐ２に至る時刻は、領域Ｄとの交点のうち最も時刻ｔ１に近い時刻ｔ２と決定できる。ここでいう閾値Ｐ２は、健全性評価指標値について許容可能な値の限界値である。健全性評価指標値が例えば亀裂長さである場合には、亀裂は定常的に進展する領域を経て急激に進展する領域に移行する。このため、閾値Ｐ２は、例えば急激に進展する領域に移行する直前の値に設定できる。そして、健全性評価指標値が許容可能な値の限界値に至る時間Ｔは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間である。

このように、健全性評価指標値が許容可能な値の限界値である閾値Ｐ２に至るまでの時間Ｔを予測できれば、健全性評価対象とする構造物２の使用現場における工程を考慮しつつ、他の補修作業と合わせて、効果的な時期に効果的な補修作業を実行できる。このため、例えば、構造物２に損傷が確認された段階で突発的に構造物２の稼動を停止させて補修作業を実施する必要が無い。

図１に戻って、出力部１０は、予測部９による予測結果を被出力装置２２に出力するものである。出力部１０を備えることで、使用者又は外部機器が予測結果に基づく作業を行うことができる。被出力装置２２は、例えばモニタ、健全性評価装置３に接続された外部機器（図示しない）でもよい。例えば、被出力装置２２がモニタであることで、作業者が予測結果を把握できる。また、被出力装置２２が外部機器であることで、外部機器が予測結果に基づく動作を行うことができる。この場合、出力部１０は、被出力装置２２に対し、被出力装置２２の駆動制御信号を出力する。なお、外部機器は、例えば構造物２であってもよい。

被出力装置２２に出力される予測結果は、予測部９によって予測された結果であればどのようなものでもよく、図８を参照して説明した時間Ｔそのものであってもよく、図８に示す図が表示されてもよい。例えば、予測結果として時間Ｔが外部機器に出力される場合、外部機器は、出力部１０による出力後時間Ｔの経過時に任意の動作を行うことができる。任意の動作は、例えば、外部機器に備えられるモニタ（図示しない）に構造物２の稼動停止を促す表示を行う、外部機器に備えられる制御部（図示しない）により構造物２の稼動を強制的に停止させる、等の動作である。

健全性評価装置３は、いずれも図示はしないが、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、Ｉ／Ｆ（インターフェイス）等を備えて構成される。そして、健全性評価装置３は、ＲＯＭに格納されている所定の制御プログラムがＣＰＵによって実行されることにより具現化される。また、健全性評価装置３と構造物２及び被出力装置２２とは、有線ケーブル又は無線により電気的に接続される。

図９は、第１実施形態の健全性評価方法を示すフローチャートである。図９に示す健全性評価方法は、上記の健全性評価装置３によって実行できる。そこで、適宜図１をあわせて参照しながら、以下の説明を行う。

第１実施形態の健全性評価方法は、指標取得ステップＳ１と、稼動状態取得ステップＳ２と、正規化実行ステップＳ３と、データベース構築ステップＳ４と、逆正規化実行ステップＳ５と、予測ステップＳ６と、出力ステップＳ７を含む。

指標取得ステップＳ１は、健全性評価対象としての構造物２Ａへの負荷に起因する構造物２Ａの挙動を表す上記健全性評価指標を取得するステップである。指標取得ステップＳ１は、指標取得部４により実行される。稼動状態取得ステップＳ２は、構造物２Ａへの負荷を生じさせる構造物２Ａの上記稼動状態を取得するステップである。このとき、別の構造物２Ｂ，２Ｃの稼動状態も取得される。稼動状態取得ステップＳ２は、稼動状態取得部５により実行される。正規化実行ステップＳ３は、取得した別の構造物２Ｂ，２Ｃの稼動状態について、健全性評価対象である構造物２Ａの稼動状態と揃えた正規化を行うステップである。第１実施形態では、一例として時間の正規化が行われる。正規化実行ステップＳ３は、正規化実行部６により実行される。

データベース構築ステップＳ４は、構造物２Ａにおける健全性評価指標の経時変化であって健全性評価指標の時刻ｔ０（図７参照）以降の経時変化を含む経時変化データベース１１を構築するステップである。データベース構築ステップＳ４は、データベース構築部７により実行される。逆正規化実行ステップＳ５は、データベース構築ステップＳ４において構築された経時変化データベース１１の逆正規化を行うステップである。逆正規化実行ステップＳ５は、逆正規化実行部８により実行される。

予測ステップＳ６は、指標取得ステップＳ１において取得された健全性評価指標と、経時変化データベース１１とに基づき、指標取得ステップＳ１における健全性評価指標の時刻ｔ０（図７参照）以降の健全性評価指標の経時変化を予測するステップである。予測ステップＳ６は、予測部９により実行される。出力ステップＳ７は、予測ステップＳ６での予測結果を被出力装置２２に出力するステップである。出力ステップＳ７は、出力部１０により実行される。

健全性評価システム１、健全性評価装置３及び健全性評価方法によれば、構造物２への負荷に起因する構造物２の挙動を表す健全性評価指標の将来の経時変化を予測できる。健全性指標の将来の経時変化を予測できることで、構造物の損傷を補修する補修の必要性を判断できる。即ち、予測した経時変化に基づき、健全性評価指標値が例えば上記の健全性評価指標値の閾値Ｐ２（図８参照）に至る直前で補修できる。これにより、補修計画を適切に立案でき、構造物２の稼動を計画的に停止でき、稼動率の意図しない低下を抑制できる。

また、例えば、健全性評価指標の変化に応じて、任意の時期に補修できる。例えば、稼動停止をできるだけ抑制する観点では、健全性評価指標値の閾値Ｐ２（図８参照）に至る直前で補修すればよい。しかし、構造物２の長寿命化を図る観点では、小規模の補修を繰り返して行うことが好ましい。そこで、例えば健全性評価指標値が大きく変化する前（例えば閾値Ｐ２の半分の値）に補修を行うこともできる。

さらに、健全性指標の将来の経時変化は、健全性評価対象となる構造物２毎（上記の例では構造物２Ａ）に予測できる。このため、健全性評価指標の経時変化における構造物２毎のばらつきを排除でき、構造物２毎に適切な補修計画を立案できる。

図１０は、第２実施形態の健全性評価装置３Ａを含む健全性評価システム１Ａのブロック図である。健全性評価装置３Ａは、上記の健全性評価装置３でのデータベース構築部７（図１参照）に代えて、第２データベース構築部７Ａを備える。第２データベース構築部１２は、データベース構築部７と同様に、経時変化データベース１１Ａ（後記する）を構築する。ただし、第２データベース構築部７Ａは、取得した健全性評価指標値に基づくｔ０以降の健全性評価指標値の経時変化予測を行わない。従って、第２データベース構築部７Ａは、取得した健全性評価指標値のみを用いて、経時変化データベース１１Ａを構築する。健全性評価装置３Ａは、取得した健全性評価指標値が豊富に蓄積されている場合に好適である。

図１１は、第２実施形態で構築される経時変化データベース１１Ａを示す図である。プロットの記号の意味は、図６及び図７に示したプロットと同義である。第２実施形態は、構造物２の使用実績があり、健全性評価指標値の経時変化の蓄積が豊富である場合を想定している。従って、経時変化データベース１１Ａでは、有限要素解析等は行われず、構造物２Ａ，２Ｂ，２Ｃの各プロットに基づく近似曲線Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ，Ｌ２Ｃが算出される。そして、経時変化データベース１１Ａと最も広範な領域となる近似曲線Ｌ２Ａと近似曲線Ｌ２Ｃとの間で囲まれた領域Ｄ（図７において斜線で示す領域Ｄ）が経時変化データベース１１Ａとして使用される。

第２実施形態によれば、実績に基づく経時変化データベース１１Ａを構築できる。このため、有限要素解析等に起因する計算誤差を抑制でき、健全性評価指標値の経時変化の予測精度を向上できる。

図１２は、第３実施形態の健全性評価装置３Ｂを含む健全性評価システム１Ｂのブロック図である。健全性評価装置３Ｂでは、経時変化データベース１１に代えて、第２経時変化データベース１１Ｂを備える。第２経時変化データベース１１Ｂは、想定される稼動状況に基づき予めシミュレーション等で決定した健全性評価指標値の経時変化を含む。健全性評価装置３Ｂは、例えば新機種等の理由で構造物２の稼動実績が無く、健全性評価指標値の取得実績が存在しない場合に好適である。

図１３は、第３実施形態で構築される第２経時変化データベース１１Ｂを示す図である。プロットの記号の意味は、図６及び図７に示したプロットと同義である。第２経時変化データベース１１Ｂは、上記のように、予めシミュレーション等で決定されたものである。従って、第２経時変化データベース１１Ｂは、例えば図７に示すようなプロットは含まない。従って、構造物２の稼動開始後、健全性評価指標値の取得量が少ない時点では、第２経時変化データベース１１Ｂを備える健全性評価装置３Ｂにより、構造物２Ａの健全性評価指標値の経時変化を予測できる。ただし、予測精度向上のため、健全性評価指標値の取得量がある程度蓄積された時点で、健全性評価装置３Ｂによる予測から例えば上記健全性評価装置３，３Ａによる予測に切り替えることが好ましい。これにより、構造物２Ａの健全性評価指標値の経時変化を予測精度を向上できる。

第３実施形態によれば、健全性評価対象となる構造物２Ａが、稼動実績が無い新機種である場合であっても、健全性評価指標値の経時変化を予測できる。

図１４は、第４実施形態の健全性評価装置３Ｃを含む健全性評価システム１Ｃのブロック図である。健全性評価装置３Ｃは、健全性評価装置３とは異なり、稼動状態取得部５を備えない。従って、健全性評価装置３Ｃは、構造物２の稼動状態を取得せず、健全性評価指標値のみを取得する。また、健全性評価装置３Ｃは、健全性評価装置３とは異なり、正規化実行部６及び逆正規化実行部８を備えない。従って、健全性評価装置３Ｃは、取得した健全性評価指標値の正規化及び逆正規化を行わない。健全性評価装置３Ｃは、稼動状態が似たような構造物２での予測に好適である。

例えば、ある程度狭い領域内で同じ頻度で使用される建設機械、環状の経路を走行する鉄道車両等、健全性評価対象である構造物２Ａの稼動状態と、別の構造物２Ｂ，２Ｃ（１台でもよく３台以上でもよい）の稼動状態とが似ている場合がある。この場合、構造物２の稼動状態は全て同じであると仮定でき得る。そこで、第４実施形態では、個々の構造物２から稼動状態を取得せず、健全性評価指標値の経時変化予測が行われる。

具体的には、データベース構築部７は、各構造物２から取得した健全性評価指標値のグラフへのプロットにより、横軸を時間、縦軸を健全性評価指標値とする経時変化データベース（図示しない）を構築する。このとき、上記のように稼動状態は全ての構造物２について同じと仮定できるから、時間の正規化は行わない。そして、構築された経時変化データベースに基づき、予測部９は健全性評価指標値の経時変化予測を行う。

第４実施形態によれば、正規化及び逆正規化を行わないことにより、計算の手間及び計算誤差を削減できる。また、稼動状態に関するデータの不使用により、計算の手間も削減できる。これらにより、簡便な方法で健全性評価指標値の経時変化を予測できる。

図１５は、第５実施形態の健全性評価装置３Ｄを含む健全性評価システム１Ｄのブロック図である。第５実施形態では、構造物２Ｂ，２Ｃの稼動状態及び健全性評価指標値は取得されず、構造物２Ａのみの稼動状態及び健全性評価指標値に基づき、構造物２Ａの健全性評価指標値の経時変化が予測される。従って、第５実施形態では、健全性評価対象の構造物２Ａ自身の健全性評価指標値の経時変化に基づき、健全性評価指標値の将来の経時変化が予測される。

第５実施形態によれば、スタンドアロン型の構造物２においても、構造物２Ａの稼動状態及び健全性評価指標値に基づき、構造物２Ａ自身の健全性評価指標値の経時変化を予測できる。

１健全性評価システム
１０出力部
１１経時変化データベース
１１Ａ経時変化データベース
１１Ｂ第２経時変化データベース
１Ａ健全性評価システム
１Ｂ健全性評価システム
１Ｃ健全性評価システム
１Ｄ健全性評価システム
２構造物
２１ネットワーク
２２被出力装置
２３撮像装置
２４領域
２５デジタル画像
２６亀裂
２６Ａ先端
２８ひずみ分布画像
２Ａ構造物
２ａ部材
２Ｂ構造物
２ｂ部材
２Ｃ構造物
３健全性評価装置
３１マーカ点
３２損傷
３３変形挙動二次元マッピング画像
３８ひずみ測定装置
３Ａ健全性評価装置
３Ｂ健全性評価装置
３Ｃ健全性評価装置
３Ｄ健全性評価装置
４指標取得部
５稼動状態取得部
６正規化実行部
７データベース構築部
７Ａ第２データベース構築部
８逆正規化実行部
９予測部
Ｓ１指標取得ステップ
Ｓ２稼動状態取得ステップ
Ｓ３正規化実行ステップ
Ｓ４データベース構築ステップ
Ｓ５逆正規化実行ステップ
Ｓ６予測ステップ
Ｓ７出力ステップ

Claims

健全性評価対象としての構造物への負荷に起因する前記構造物の挙動を表す健全性評価指標を取得する指標取得部と、
前記構造物への負荷を生じさせるとともに前記健全性評価指標の時系列データである稼働状態であって、健全性評価対象である前記構造物自身の稼動状態と前記構造物と同種であって健全性評価対象である前記構造物とは別の構造物の稼動状態とを取得する稼動状態取得部と、
取得した前記別の構造物の稼働状態について、健全性評価対象である前記構造物が稼働開始からの経過時間に揃えた正規化を行う正規化実行部と、
前記健全性評価指標を取得した前記構造物について、前記構造物における健全性評価指標の経時変化であって前記健全性評価指標の取得時刻以降の経時変化を含む経時変化データベースを、前記正規化実行部により時間を正規化することで構築するともに、前記健全性評価指標が許容可能な限界に至ることによる前記構造物の稼動停止前に構築するデータベース構築部と、
前記構造物の前記稼動停止前に、前記指標取得部により取得された健全性評価指標と、前記経時変化データベースとに基づき、前記指標取得部による前記健全性評価指標の取得時刻以降の前記健全性評価指標の経時変化を予測する予測部と、を備える
健全性評価装置。
前記健全性評価指標は、前記構造物と同種であって健全性評価対象である前記構造物とは別の構造物の健全性評価指標を含む
請求項１に記載の健全性評価装置。
前記健全性評価指標は、前記健全性評価指標をデータ処理可能に可視化された可視化データとして構成される健全性評価指標値を含む
請求項１又は２に記載の健全性評価装置。
前記データベース構築部は、前記指標取得部により取得された前記健全性評価指標値の経時変化に基づき、前記経時変化データベースを構築する
請求項３に記載の健全性評価装置。
前記データベース構築部は、有限要素解析又は統計学的手法により前記経時変化データベースを構築する
請求項４に記載の健全性評価装置。
前記健全性評価指標値は、撮像装置によって得られた前記構造物の画像に基づくデジタル画像相関法により算出された亀裂長さを含む
請求項３に記載の健全性評価装置。
前記健全性評価指標値は、撮像装置によって得られた前記構造物のデジタル画像に基づく二次元マッピング法により算出された変形量を含む
請求項３に記載の健全性評価装置。
前記健全性評価指標値は、前記構造物に生じた損傷近傍でのひずみの変化量を含む
請求項３に記載の健全性評価装置。
前記予測部による予測結果を被出力装置に出力する出力部を備える
請求項１又は２に記載の健全性評価装置。
健全性評価対象としての構造物と、
前記構造物への負荷に起因する前記構造物の挙動を表す健全性評価指標を取得する指標取得部と、前記構造物への負荷を生じさせるとともに前記健全性評価指標の時系列データである稼働状態であって、健全性評価対象である前記構造物自身の稼動状態と前記構造物と同種であって健全性評価対象である前記構造物とは別の構造物の稼動状態とを取得する稼動状態取得部と、取得した前記別の構造物の稼働状態について、健全性評価対象である前記構造物が稼働開始からの経過時間に揃えた正規化を行う正規化実行部と、前記健全性評価指標を取得した前記構造物について、前記構造物における健全性評価指標の経時変化であって前記健全性評価指標の取得時刻以降の経時変化を含む経時変化データベースを、前記正規化実行部により時間を正規化することで構築するともに、前記健全性評価指標が許容可能な限界に至ることによる前記構造物の稼動停止前に構築するデータベース構築部と、前記構造物の前記稼動停止前に、前記指標取得部により取得された健全性評価指標と、前記経時変化データベースとに基づき、前記指標取得部による前記健全性評価指標の取得時刻以降の前記健全性評価指標の経時変化を予測する予測部と、を備える健全性評価装置と、を備える
健全性評価システム。
健全性評価対象としての構造物への負荷に起因する前記構造物の挙動を表す健全性評価指標を取得する指標取得ステップと、
前記構造物への負荷を生じさせるとともに前記健全性評価指標の時系列データである稼働状態であって、健全性評価対象である前記構造物自身の稼動状態と前記構造物と同種であって健全性評価対象である前記構造物とは別の構造物の稼動状態とを取得する稼動状態取得ステップと、
取得した前記別の構造物の稼働状態について、健全性評価対象である前記構造物が稼働開始からの経過時間に揃えた正規化を行う正規化実行ステップと、
前記健全性評価指標を取得した前記構造物について、前記構造物における健全性評価指標の経時変化であって前記健全性評価指標の取得時刻以降の経時変化を含む経時変化データベースを、前記正規化実行ステップで時間を正規化することで構築するともに、前記健全性評価指標が許容可能な限界に至ることによる前記構造物の稼動停止前に構築するデータベース構築ステップと、
前記構造物の前記稼動停止前に、前記指標取得ステップにおいて取得された健全性評価指標と、前記経時変化データベースとに基づき、前記指標取得ステップにおける前記健全性評価指標の取得時刻以降の前記健全性評価指標の経時変化を予測する予測ステップとを含む
健全性評価方法。