JP7482001B2 - プラント評価システム、方法及びプログラム - 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衝撃が作用したプラントの健全性を評価するプラント評価技術に関する。

例えば沿岸部に位置するプラントを構成する構造物及び設置物などが、地震や津波、洪水、強風、竜巻、火山等の自然現象による飛来物、または、船舶等の漂流物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、地震や衝突により設計想定を超える荷重が構造物や設置物に作用する場合がある。この場合、構造物や設置物の塑性変形、支持部における接触、ボルト締結部における摩擦すべりといった非線形な現象を十分に考慮できない。このため、地震や衝突による構造物や設置物の応答を、精度良く評価することができない。また、ＦＥＭ（有限要素法）を用いて詳細に解析すれば、前述した非線形現象を精度良く評価できるが、解析結果を得るまでに膨大な時間を要してしまう。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたものであり、地震、津波、竜巻等の自然現象による飛来物や船舶等の漂流物の衝突といった大荷重がプラントに作用した場合、非線形の応答現象を短時間で精度良く評価するプラント評価技術を提供することを目的とする。

実施形態に係るプラント評価システムにおいて、プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の加速度センサから送信される加速度信号を受信する受信部と、受信した前記加速度信号のスペクトルを生成する生成部と、前記プラントの固有振動モードを予め反映させ複数の前記計測ポイントにおける前記スペクトルを入力すると基底ベクトル又は動的モード振幅を出力するように作成した学習モデルを格納する格納部と、前記スペクトルを入力した前記学習モデルの出力に基づいて、前記計測ポイント以外の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答を演算する演算部と、を備える。

本発明の実施形態により、地震、津波、竜巻等の自然現象による飛来物や船舶等の漂流物の衝突といった大荷重がプラントに作用した場合、非線形の応答現象を短時間で精度良く評価するプラント評価技術が提供される。

本発明の第１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。 地震が発生したり津波が押し寄せたり飛来物や漂流物が衝突したりして、外部衝撃が作用したプラントの構造物及び設置物で発生する振動の加速度信号の説明図。 第１実施形態における学習モデルの作成部（第１作成部）のデータ処理を説明する数式。 第１実施形態における時刻歴応答の演算部（第１演算部）のデータ処理を説明する数式。 各実施形態に係るプラント評価方法の工程及びプラント評価プログラムのアルゴリズムを説明するフローチャート。 本発明の第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。 第２実施形態におけるプラント評価システムの作成部（第２作成部）及び演算部（第２演算部）におけるデータ処理を説明する数式。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は実施形態に係るプラント評価システム１０の構成を示すブロック図である。図２は外部衝撃８（８ａ，８ｂ，８ｃ）が作用したプラント５の構造物６及び設置物７で発生する振動の加速度信号９（９ａ，９ｂ）の説明図である。

図１に示すように第１実施形態のプラント評価システム１０ａは、プラント５の構造物６又は設置物７に設定された複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）の各々に設けられた複数の加速度センサ１１から送信される加速度信号９を受信する受信部１２と、受信した加速度信号９のスペクトル２１を生成するスペクトル生成部１３と、プラント５の固有振動モード２６を反映させて作成した学習モデル１８ａを格納する格納部と、スペクトル２１を入力させた学習モデル１８ａの出力に基づいて計測ポイントＰ以外の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答２４を演算する第１演算部１４ａと、を備えている。

さらに、第１実施形態のプラント評価システム１０ａは、格納部から学習モデル１８ａを取得し、スペクトル生成部１３より入力したスペクトル２１から基底ベクトル３１を推定して出力させる第１推定部１５ａを備えている。そして、第１演算部１４ａは、基底ベクトル３１に基づいて構造物６及び設置物７の運動方程式２７を縮約し時刻歴応答２４を出力させる。

図２に示すようにプラント５に、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外部衝撃８（８ａ，８ｂ，８ｃ）が作用した場合を想定する。プラント評価システム１０（図１）は、このプラント５を構成する建屋等の構造物６、及びこの構造物６の内部に設置される設置物７（例えば制御盤や配管など）の健全性を評価する。

図１に戻って説明を続ける。プラント５の外側に作用した衝撃によりその内部に伝播する振動を計測するための計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）が設定される。この計測ポイントＰは、プラント５の構造物６により構成される任意の階層に設定されたり、それぞれの階層に設置されている設置物７の表面又は内部に設定されたりする。

加速度センサ１１は、計測ポイントＰにおける水平２方向及び垂直１方向の合計３方向の加速度を計測し、外部衝撃８がプラント５に作用したときの振動を加速度の時刻歴（加速度信号９）として計測する。

受信部１２は、通信網２０を介して、複数の計測ポイントＰの加速度センサ１１から加速度信号９を受信する。受信された加速度信号９は、対応する計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）の識別データ（図示略）とともにスペクトル２１のスペクトル生成部１３に送信される。

スペクトル生成部１３は、受信部１２から送信された加速度信号９をフーリエ変換することで、計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）における各方向の加速度のスペクトル２１を生成する。このスペクトル２１は、周波数と加速度の大きさからなる２次元データで表される。

このスペクトル２１は、加速度信号９に含まれる各方向の加速度の時刻歴をフーリエ変換して得られる複素数の大きさを示すものである。さらにこの複素数の大きさの情報は、位相角の情報と併せて、複素数の実部と虚部の情報に変換することもできる。このスペクトル２１は、対応する計測ポイントＰの識別データ（図示略）とともに第１推定部１５ａに送信される。

図３は、第１実施形態で学習モデル１８ａ（図１）を作成する第１作成部１６ａのデータ処理を説明する数式（１）～（６）を示している。第１推定部１５ａ（図１）は、プラント５の固有振動モード２６を反映させた学習モデル１８ａを取得する。そして、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）のスペクトル２１を入力し、基底ベクトル３１を推定して第１演算部１４ａに送信する。

学習モデル１８ａは、振動解析モデル２２を固有値解析部２５で解析したＲ個の固有振動モード２６とスペクトル２１とを入力すると、振動解析モデル２２の自由度を縮約するＲ個の基底ベクトルφ_iで構成される行列Φを出力するように、予め機械学習したものである。学習モデル１８ａは、階層型のニューラルネットワークである。

基底ベクトル３１は、図３の数式（１）に示すように、Ｒ個の基底ベクトルφ_i（i＝１～Ｒ）を並べた行列Φで表される。振動解析モデル２２は、プラント５の構造物６及び設置物７を、ばね質点としてモデル化したものや、ＦＥＭ（有限要素法）でモデル化したものである。

第１作成部１６ａでは、学習モデル１８ａの作成にあたり、出力である基底ベクトルφを、図３の数式（２）で表されるJを最大化することで得る。ここで、プラント５に地震動の加速度ａが作用することを想定し、振動解析モデル２２でシミュレーション解析して得た任意の時間ステップｊ(ｊ＝１，…，Ｐ)における変位をｕ_jとする。

ここで、数式（２）を最大化する基底ベクトルφ_iの解は、数式（３）で表される固有値問題を解くことで得られる。ここで、Ｃは任意の時間ステップｊ（ｊ＝１,…,Ｐ）における変位ｕ_jからなる行列で、数式（４）のように定義される。さらに、数式（４）のＣを特異値分解することで数式（５）を得る。この数式（５）のΛは特異値λ_i（ｉ＝１，…，Ｎ）の対角行列で、左特異行列ＵからＲ個（Ｒ＜Ｎ）の基底ベクトルφ_iを、数式（６）となるように決定する。

第１演算部１４ａ（図１）は、学習モデル１８ａの出力（基底ベクトル３１）に基づいて計測ポイントＰ以外の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答２４を演算する。この基底ベクトル３１は、構造物６及び設置物７の運動方程式２７を縮約し、時刻歴応答２４を出力させる。

図４は第１実施形態で時刻歴応答２４（図１）を演算する第１演算部１４ａのデータ処理を説明する数式（７）～（１２）である。ここで、数式（７）は、振動解析モデル２２の運動方程式２７を表している。第１演算部１４ａでは、入力した基底ベクトル３１の行列Φ（数式（１））を用いて、この数式（７）を数式（８）のように変換（縮約）する。

ここで、Ｍは質量行列、Ｒ（ｕ）は内力ベクトル、Ｐは外力ベクトル、Ｍ^*は変換後の質量行列、Ｒ^*（ｑ）は変換後の内力ベクトル、Ｐ^*は変換後の外力ベクトルとする。さらに、受信部１２から受信した加速度信号９を用いて算出した地震力を外力ベクトルＰとして、行列Φ（数式（１））により変換（縮約）された運動方程式（数式（８））を、直接時間積分法などを用いてｑについて解く。これにより、計測ポイントＰ以外の任意ポイントにおける変位ｕ又は応力の時刻歴応答２４が演算される。変位ｕから歪が計算され、この歪から応力が計算され、損傷評価部１７に送信される。

損傷評価部１７は、受信した時刻歴応答２４から把握される、プラント６の任意ポイントにおける構造物６及び設置物７の加速度、変位ｕ、歪、応力を、予めデータベースに記録されている疲労線図に照らし、累積損傷係数許容値などを導出する。そして、この導出した累積損傷係数許容値などを、予め記録されている許容値と比較して損傷を判定し、判定結果を表示部１９に表示させる。

表示部１９は、プラント５の構造物６及び設置物７の名称を、例えば損傷の程度が大きい順にリストとして表示すると共に、プラント５の地図上の構造物６、設置物７のそれぞれの位置に、それらの名称と、損傷の程度の評価結果に応じて色分けされたマーカとを表示する。

図５のフローチャートに基づいて第１実施形態に係るプラント評価方法の工程及びプラント評価プログラムのアルゴリズムを説明する（適宜、図２，図１参照）。津波１や地震、洪水、竜巻、火山等による飛来物２や漂流物３の衝突による衝撃８（８ａ，８ｂ，８ｃ）がプラント５に作用したとする（Ｓ１１）。複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）の各々に設けられた複数の加速度センサ１１から送信される加速度信号９（９ａ，９ｂ）を受信する（Ｓ１２）。この加速度信号９には、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）における各方向の加速度の時刻歴が含まれている。

この受信した加速度信号９に対しフーリエ変換を実行し、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）における各方向の振動のスペクトル２１を生成する（Ｓ１３）。次に、プラント５の固有振動モード２６を反映させて予め作成されている学習モデル１８ａを取得する（Ｓ１４）。そしてこの学習モデル１８ａに、複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）のスペクトル２１を入力し（Ｓ１５）、基底ベクトル３１を推定する。そして、この基底ベクトル３１に基づいて構造物６及び設置物７の運動方程式２７を縮約し、計測ポイントＰ以外のプラント５の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答２４を演算する（Ｓ１６）。そして、この時刻歴応答２４に基づいて、構造物６又は設置物７の損傷の程度を評価する（Ｓ１７、ＥＮＤ）。

（第２実施形態）
次に図６及び図７を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図６は本発明の第２実施形態に係るプラント評価システム１０ｂの構成を示すブロック図である。なお、図６において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

図６に示すように第２実施形態のプラント評価システム１０ｂは、プラント５の構造物６又は設置物７に設定された複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）の各々に設けられた複数の加速度センサ１１から送信される加速度信号９を受信する受信部１２と、受信した加速度信号９のスペクトル２１を生成するスペクトル生成部１３と、プラント５の固有振動モード２６を反映させて作成した学習モデル１８ｂを格納する格納部と、スペクトル２１を入力させた学習モデル１８ｂの出力に基づいて計測ポイントＰ以外の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答２４を演算する第２演算部１４ｂと、を備えている。

さらに、第２実施形態のプラント評価システム１０ｂは、格納部から学習モデル１８ｂを取得し、生成部１３より入力したスペクトル２１から動的モード振幅２３を推定して出力させる第２推定部１５ｂを備えている。そして、第２演算部１４ｂは、動的モード振幅２３に加え、振動解析モデル２２に基づき予め計算した動的モード２８及び固有値２９にも基づいて、時刻歴応答２４を出力させる。

第２推定部１５ｂは、プラント５の固有振動モード２６を反映させて作成した学習モデル１８ｂを取得し、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）のスペクトル２１から動的モード振幅２３を推定して第２演算部１４ｂに送信する。

学習モデル１８ｂは、振動解析モデル２２を固有値解析部２５で解析したＲ個の固有振動モード２６とスペクトル２１とを入力すると、Ｒ個の動的モード振幅α_iで構成される行列を出力するように、予め機械学習したものである。学習モデル１８ｂは、階層型のニューラルネットワークである。

第２作成部１６ｂでは、学習モデル１８ｂの作成にあたり、プラント５に地震動の加速度ａが作用することを想定し、振動解析モデル２２でシミュレーション解析を実行する。そして、このシミュレーション解析により得られた任意の時間ステップｊ(ｊ＝１，…，Ｐ)における変位ｕ_jを動的モード分解し、動的モード２８と固有値２９を得る。そして、これら動的モード２８と固有値２９に対応する動的モード振幅α_iを予め学習させておく。

図７は、第２実施形態のプラント評価システム１０ｂで学習モデル１８ｂを作成する第２作成部１６ｂ及び時刻歴応答２４を演算する第２演算部１４ｂにおけるデータ処理を説明する数式（１３）～（２６）を示している。この図７に基づいて変位ｕ_jの動的モード分解について説明する。ここで、図７の数式（１３）（１４）は、変位ｕ_j（ｊ＝１…Ｐ）を時系列に並べて定義した行列である。

次に数式（１５）を満たすような行列Ａを求めるため、Ｙ₀を数式（１６）のように特異値分解する。さらに数式（１６）の左側の特異行列Ｕを用いた線形変換により、数式（１７）のように変位ｕ_jの次元を削減したＦを用いてＡを表すことを考える。そして、数式（１５）に数式（１６）と数式（１７）を代入してＦについて解くことで数式（１８）を得る。

数式（１９）を定義し、数式（１５）に数式（１７）と数式（１９）とを代入して、数式（２０）を得る。これにより変位ｕ_jの時系列を近似することができる。さらに、数式（１８）のＦを固有値分解することで数式（２１）を得る。ここで、Ｄ_μはμ_i（ｉ＝１…Ｒ)を対角項とする対角行列であり、Ｘ及びＺは数式（２２）（２３）で表される。

これにより、数式（２０）に数式（２１）と数式（１９）を適用し、数式（２４）が得られる。ここで、動的モード２８を表すφ_iを数式（２５）とし、動的モード振幅２３を表すα_iは数式（２６）とした。

第２演算部１４ｂ（図６）は、保存されている動的モード２８と固有値２９と、第２推定部１５ｂが出力する動的モード振幅２３とを、数式（２４）に代入し、変位ｕ_j又は応力の時刻歴応答２４を演算して出力する。

図５のフローチャートに基づいて第２実施形態に係るプラント評価方法の工程及びプラント評価プログラムのアルゴリズムを説明する（適宜、図２，図６参照）。津波１や地震、洪水、竜巻、火山等による飛来物２や漂流物３の衝突による衝撃８（８ａ，８ｂ，８ｃ）がプラント５に作用したとする（Ｓ１１）。複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）の各々に設けられた複数の加速度センサ１１から送信される加速度信号９を受信する（Ｓ１２）。この加速度信号９（９ａ，９ｂ）には、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）における各方向の加速度の時刻歴が含まれている。

この受信した加速度信号９に対しフーリエ変換を実行し、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）における各方向の振動のスペクトル２１を生成する（Ｓ１３）。次に、プラント５の固有振動モード２６を反映させて予め作成されている学習モデル１８ｂを取得する（Ｓ１４）。そしてこの学習モデル１８ｂに、複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…）のスペクトル２１を入力し（Ｓ１５）、動的モード振幅２３を推定する。そして、この動的モード振幅２３に加え、振動解析モデル２２に基づき予め計算した動的モード２８及び固有値２９にも基づいて、計測ポイントＰ以外のプラント５の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答２４を演算する（Ｓ１６）。そして、この時刻歴応答２４に基づいて、構造物６又は設置物７の損傷の程度を評価する（Ｓ１７、ＥＮＤ）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のプラント評価システムによれば、プラント５に設けられた加速度センサ１１の加速度信号９から生成したスペクトル２１を、学習モデル１８に入力し、任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答を出力することで、大荷重が作用したプラントの非線形応答現象を短時間で精度良く評価することができる。

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、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

以上説明したプラント評価システムは、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。またプラント評価システムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

このようなコンピュータで実行されるプラント評価プログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。また、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。

１…津波、２…飛来物、３…漂流物、５…プラント、６…構造物、７…設置物、８…外部衝撃、９…加速度信号、１０（１０ａ，１０ｂ）…プラント評価システム、１１…加速度センサ、１２…受信部、１３…スペクトル生成部、１４ａ（１４）…第１演算部（演算部）、１４ｂ（１４）…第２演算部（演算部）、１５ａ（１５）…第１推定部（推定部）、１５ｂ（１５）…第２推定部（推定部）、１６ａ（１６）…第１作成部（作成部）、１６ｂ（１６）…第２作成部（作成部）、１７…損傷評価部、１８（１８ａ，１８ｂ）…学習モデル、１９…表示部、２０…通信網、２１…スペクトル、２２…振動解析モデル、２３…動的モード振幅、２４…時刻歴応答、２５…固有値解析部、２６…固有振動モード、２７…運動方程式、２８…動的モード、２９…固有値、３１…基底ベクトル。

Claims (6)

1. プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の加速度センサから送信される加速度信号を受信する受信部と、
   受信した前記加速度信号のスペクトルを生成するスペクトル生成部と、
   前記プラントの固有振動モードを予め反映させ、複数の前記計測ポイントにおける前記スペクトルを入力すると基底ベクトル又は動的モード振幅を出力するように作成した学習モデルを格納する格納部と、
   前記スペクトルを入力した前記学習モデルの出力に基づいて、前記計測ポイント以外の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答を演算する演算部と、を備えるプラント評価システム。
2. 請求項１に記載のプラント評価システムにおいて、
   前記格納されている前記学習モデルを取得し、前記入力した前記スペクトルから前記基底ベクトルを推定して前記出力させる第１推定部を備え、
   前記演算部は、前記基底ベクトルに基づいて前記構造物及び前記設置物の運動方程式を縮約し、前記時刻歴応答を出力させるプラント評価システム。
3. 請求項１に記載のプラント評価システムにおいて、
   前記格納されている前記学習モデルを取得し、前記入力した前記スペクトルから前記動的モード振幅を推定して前記出力させる第２推定部と、
   前記演算部は、前記動的モード振幅に加え、前記構造物及び前記設置物の振動解析モデルに基づき予め計算した動的モード及び固有値にも基づいて、前記時刻歴応答を出力させるプラント評価システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラント評価システムにおいて、
   前記演算された前記変位又は前記応力に基づいて、前記構造物又は前記設置物の損傷の程度を評価する損傷評価部を備えるプラント評価システム。
5. プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の加速度センサから送信される加速度信号を受信するステップと、
   受信した前記加速度信号のスペクトルを生成するステップと、
   前記プラントの固有振動モードを予め反映させ、複数の前記計測ポイントにおける前記スペクトルを入力すると基底ベクトル又は動的モード振幅を出力するように作成した学習モデルを格納するステップと、
   前記スペクトルを入力した前記学習モデルの出力に基づいて、前記計測ポイント以外の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答を演算するステップと、を含むプラント評価方法。
6. コンピュータに、
   プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の加速度センサから送信される加速度信号を受信するステップ、
   受信した前記加速度信号のスペクトルを生成するステップ、
   前記プラントの固有振動モードを予め反映させ、複数の前記計測ポイントにおける前記スペクトルを入力すると基底ベクトル又は動的モード振幅を出力するように作成した学習モデルを格納するステップ、
   前記スペクトルを入力した前記学習モデルの出力に基づいて、前記計測ポイント以外の任意ポイントにおける変位又は応力の時刻歴応答を演算するステップ、を実行させるプラント評価プログラム。
   

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