JPWO2014087494A1 - 計算システム - Google Patents

Abstract

宇宙線による透過撮影を利用した大規模設備監視において、測定対象のみの濃淡画像を算出できる計算システムを提供する。宇宙線の飛跡に基づく濃淡画像のほかに、測定対象でない構造物の構造情報に基づく密度長の濃淡画像を構築し、宇宙線の飛跡に基づく濃淡画像の補正に利用する。

Description

本発明は、構造物の構造を計算する計算システム及び計算方法に関するものである。

従来、発電プラント等の大型構造物の健全性を検査する目的で、その構造物を構成する配管や支持部材の破壊試験および非破壊試験が実施されている。このうち、非破壊試験は、破壊試験と比較して、検査をすることによる健全性の低下の可能性が低いとう長所を有する。また、試験実施後の復元工程が不要であるという長所を備えており、様々な構造物に適用されている。例えば、工業規格に適合した金属配管の保守検査の一要素として、超音波パルスの反射を利用し、測定対象物体部位の厚さを測定することで配管内部の損耗の度合いを明らかにする手法が用いられる。だたしこの手法は、測定対象物体に超音波振動子を直接接触するため、配管の被覆材を測定前に除去し、測定後に復元する必要があり、実際の測定の前後に多大のコストを要するという欠点がある。

そこで、特許文献１に示されるように、放射線透過撮影を行うことで、配管の被服材を除去ならびに復元する工程を省略する手法も用いられている。この手法では、人工放射線源と検出器とを、測定対象物体を挟む位置にそれぞれ設置する。

また、特許文献２には、自然放射線の一種である高エネルギー二次宇宙線のミュオンを利用し、製鉄用高炉の炉壁や炉底を透過撮影することで、炉の耐火物の損耗の度合いを明らかにする手法が示されている。

さらに、特許文献３には、二次宇宙線ミュオンが測定対象を透過する際の性質を利用して、測定対象の材質の変化の度合いを明らかにする手法が示されている。

特許第４８１４９１８号 特開２００７−１２１２０２号公報 特開２０１１−１２３０４８号公報

特許文献１に示される手法では、前記の被覆材除去復元工程を省略できるものの、人工放射線の透過能力が弱いため、測定対象物体の近傍に放射線源を配置する必要がある。大規模なプラントにおいては、全ての測定対象物体近傍に人工線源を常設することは非現実的であり、測定の都度、個々の測定対象物体に線源と検出器の設置と撤去を行う必要があり、実際の測定の前後に多大のコストを要するという欠点がある。

特許文献２および特許文献３に示される手法では、極めて透過性・直進性の高い粒子を用いてその飛行経路が貫く物体の密度長をコントラスト像として提供おり、特許文献１のように必ずしも測定対象物体近傍に検出器を配置する必要は無い。しかし多くの場合、撮影された透過画像は、測定対象物体のみならず、粒子の飛行経路が貫く他の物体をも合わせた密度長がコントラスト像に反映されてしまう欠点がある。

以上のような従来技術の欠点（測定対象物体の被覆材を除去・復元する、人工放射線源を設置・撤去する）を考慮し、本発明は、大規模構造物またはその一部の健全性の検査を目的とする非破壊試験において、所望の測定対象物体のみの実際の密度長を反映するコントラスト像を得る装置または方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願で開示する発明の概要を説明すれば以下の通りである。

本願発明に記載の計算システムは、測定対象の構造物と他の構造物とを透過する宇宙線により任意の区間の構造情報を撮像する撮像部と、前記他の構造物の構造情報を有する構造情報取得部と、前記他の構造物の構造情報を測定対象として含めるか判断し、非対象として判断した構造の密度長を算出する密度長算出部と、前記撮像部により撮像された画像と前記非対象として判断した構造の密度長とに基づき測定対象の構造物の構造情報を計算する画像演算部と、を有する。

また、本願発明に記載の計算システムは、測定対象と他の構造物とを透過する宇宙線の飛跡を取得する飛跡取得部と、前記宇宙線の飛跡に基づいて撮像する撮像部と、前記宇宙線の飛跡の情報を保持する第１の記憶部と、前記測定対象ならびに前記他の構造物の構造情報を有する第２の記憶部と、前記他の構造物の構造情報に基づいて第１の密度長の濃淡像を算出し、かつ前記測定対象の構造情報ならびに前記他の構造物の構造情報に基づいて第２の密度長の濃淡像を算出する密度長算出部と、を有する。

また、本願発明に記載の計算方法は、測定対象の構造物と他の構造物とを透過する宇宙線により任意の区間の構造情報を撮像する撮像する第１のステップと、前記他の構造物の構造情報を取得する第２のステップと、前記他の構造物の構造情報を測定対象として含めるか判断する第３のステップと、前記第３のステップにて非対象として判断した構造の密度長を算出する第４のステップと、前記第１のステップにより撮像された画像と前記第４のステップにて算出した密度長とに基づき測定対象の構造物の構造情報を計算する第５のステップと、を有する。

本発明によれば、所望の測定対象物体に対する好適な非破壊検査が可能となる。

本発明においてミュオンの飛行経路上に存在する様々な物体を例示する概念図である。 本発明の一実施形態の大規模設備状態監視システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態のユーザーインターフェース画面の例を示す図である。

図１は、発明に先立ち、本願の発明者が検討した図面である。ミュオンの飛行経路である矢印Ｍ１の経路には、様々な非測定対象物体が存在する状況を模式的に例示している。例えば、大規模設備９０を構成する配管等の測定対象物体９１をミュオン検出器９９により透過撮影することを目的とする場合に、測定対象物体９１を囲む建屋９２の壁や、測定対象物体９１以外の配管９３、建屋９２の外部の山９４、他の建築物９５も、飛行経路Ｍ１が貫いていることがわかる。

言い換えると、二次宇宙線ミュオンは地球大気上層という遠方で生成され、検出器に入射するまでにミュオンが飛行する距離は１０ｋｍを上回ることも珍しくない。よって、その飛行経路には、測定対象物体を囲む建屋ならびにその外部の建築物を構成する壁や柱など、もしくは、山や丘などの地形を構成する土砂などの、様々な材質と形状の非測定対象物体が存在することが考えられる。

しかし、現実にはこれらの非測定対象物体が測定時においてどのような変化をするか、一つ一つを把握することは難しい。従って、求めたコントラスト像は、本来測定すべき物体に起因する情報以外にも、非測定対象物体の情報を含んでしまうことになる。

そこで、以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図２は、本発明の一実施形態の大規模設備状態監視システムの構成を示す図である。

本実施形態の大規模設備状態監視システム１０は、飛跡取得部２０と、情報処理部３０を構成要素として含む。

まず、飛跡取得部２０を以下に説明する。

飛跡取得部２０は、電源部２１と、検出部２２と、同時計数部２３を構成要素として含む。

電源部２１は、検出部２２と同時計数部２３に、必要な電力を供給する電源部である。

検出部２２は、第１検出器２２１、鉄塊２２２と、第２検出器２２３を構成要素として含む。

第１検出器２２１ならびに第２検出器２２３はいずれも位置敏感型検出器である。ここでいう位置敏感型検出器とは、荷電粒子が通過した際に、その検出器のおける通過点の座標値が検出可能なものである。例えば、複数の検出素子(シンチレータ)をマトリクスになるように平面状に配置し、特定の検出素子において検出が行われたことを時間と共に検出する検出器が挙げられる。

また、第１検出器２２１ならびに第２検出器２２３は各々を荷電粒子が通過した際に、一定の極めて短い遅延時間の後にその通過点の座標値を同時計数部２３に送信する。第１検出器２２１ならびに第２検出器２２３の配置関係は、上述した平面状の検出器が互いに平行に配置される関係であるのが好適である。第1の検出器の平面に対して第２の検出器の平面が傾斜関係にあると、測定対象物及び第１検出器２２１を透過した荷電粒子を効率よく捉えることができなくなり、それを防止するために第１検出器２２１よりも大きな平面を必要とすることも考えられる。従って、それぞれの平面が傾斜関係から平行関係になるほど荷電粒子の検出効率を上げることが出来る。

また、検出部２２には、様々な方位角・天頂角の方向から、不規則なタイミングで荷電粒子が入射する。これら荷電粒子は高エネルギーのミュオンのみならず電子等の軟成分も含まれる。軟成分はミュオンよりも物体中における直進性が極めて劣っており、測定対象物体の正確な密度長に基づくコントラスト像を得るためには、直進性の高いミュオンのみを選択的に検出する必要がある。

よって、ミュオンのみを選択的に検出する方法を以下に述べる。まず、第１検出器２２１を通過し鉄塊２２２に入射した荷電粒子がミュオンである場合は、第２検出器２２３は単一の座標値を同時計数部２３に送信することができる。これは、そのミュオンがそのまま鉄塊２２２を通過し、第２検出器２２３に入射するためである。

それに対し、第１検出器２２１を通過し鉄塊２２２に入射した荷電粒子が軟成分である場合は、第２検出器２２３がほぼ同時に複数の座標値を同時計数部２３に送信することになる。これは、その粒子は鉄塊２２２を通過する過程で多数の粒子を発生させ、それらの粒子の進行方向は様々であるためである。

以上のように、第２検出器２２３が単一の座標値を検出する場合のみを選択的に採用することにより、ミュオンのみを選択的に検出し軟成分の影響を排除できる。

同時計数部２３は、第１検出器２２１ならびに第２検出器２２３から送信されたそれぞれの時刻を比較し、その差がある一定の範囲内に収まる場合にのみ、同一のミュオンが通過したものと判定する。そして、判定されたこれら２組の座標値を、情報処理部３０に送信する。後述するように、同時と判定されたこれら２組の座標値から、ミュオンの軌跡を求めることができる。

次に、情報処理部３０を以下に説明する。

情報処理部３０は、電源部３１と、ユーザーインターフェース３２と、記憶部３３と、計算部３４を構成要素として含む。

電源部３１は、ユーザーインターフェース３２と、記憶部３３と、計算部３４に、必要な電力を供給する電源部である。

ユーザーインターフェース３２は、キーボードやマウス等の入力部３２１と、ディスプレイ装置やプリンター等の出力部３２２を構成要素として含む。ユーザーインターフェース３２を介し、以下の操作を操作者は行うことができる。例えば、計算部３４が提示する選択肢の中から所望の１個以上の項目を選択する操作、計算部３４が図示する幾何形状の一部範囲を選択する操作、計算部３４が提示する有限の範囲の数値の中から特定の数値を選択する操作、計算部３４が提示する変数に代入すべき値を入力する操作、などが挙げられる。

記憶部３３は、飛跡情報記憶部３３１と、地形情報記憶部３３２と、設備情報記憶部３３３を構成要素として含む。

飛跡情報記憶部３３１は、ミュオン通過の度に同時計数部２３から送信される２組のミュオン通過座標データに、時刻情報を組み合わせて飛跡（軌跡）情報とした上で、それを新たに記憶する。

地形情報記憶部３３２は、測定対象物体を構成要素とする大規模設備９０周辺の地形を示す幾何学的データと、その地形を構成する地形物の材質または密度を示すデータを保持する。ここで地形物とは、天然に形成された山や丘陵等のみならず、人工的に形成されたダム、隧道、橋梁、ビル等の構造物といった構成要素を含む。

設備情報記憶部３３３は、大規模設備９０を構成する壁、柱、梁等の静的な建築部材のほか、扉や起重機（例えば設置型クレーン）等の、一定の範囲内で位置や形状が変化しうる物体や、タンク等の、一定の範囲内で変化しうる分量の流動性物体を蓄えうる物体の、幾何学的形状データと、材質または密度を示すデータを保持する。また、設備情報記憶部３３２は、前記の一定の範囲内で変化しうる各種の量の値ならびにその量の変化範囲を示すデータと、前記の流動性物体の材質または密度を示すデータを保持する。

計算部３４は、撮像部３４１と、密度長算出部３４２と、画像演算部３４３を構成要素として含む。

撮像部３４１は、飛跡情報記憶部３３１に保持された多数の飛跡情報のうち、操作者がユーザーインターフェース３２を介して指定する期間に該当する時刻情報を持つ飛跡情報を選び出し、それらのミュオン通過座標値データを基に測定対象物のコントラスト像を構築する。以後、このコントラスト像を実測像と表記する。撮像部３４１は実像データを画像演算部３４３に送信する。

密度長算出部３４２は、地形情報記憶部３３２ならびに設備情報記憶部３３３に保持された各種データを基に、後述の方法により仮想的なコントラスト像を構築する。以後、このコントラスト像を仮想像と表記する。

画像演算部３４３は、撮像部３４１から送信される実測像と、密度長算出部３４２から送信される仮想像に対し、操作者がユーザーインターフェース３２を介して指定する演算を行い、その結果をユーザーインターフェース３２に送信する。この演算には、送信された像をそのまま演算結果として扱うものも含まれる。

図３は、ユーザーインターフェース３２の画面の例を示す図である。画面５００は、マウスポインタ５０１、画像表示部５０２、物体一覧表示部５０３、表示モード選択部５０４、仮想像モード選択部５０５、実測像時間指定部５０６、可変状態量指定部５０７を備え、キーボードやマウス等の入力部３２１と連携して操作者による各種操作を実現する。

表示モード選択部５０４には表示モードとして４つの選択肢「対象選択」、「実測像表示」、「仮想像表示」、「比較表示」が示され、そのうち１つを操作者は選択できる。

選択されている表示モードが「対象選択」の場合、画像表示部５０２には、大規模設備９０の図面が表示される。この図面は、平面図、立体図等、設備の状況が判別できる図面であればよく、また、例えば３方向から見た平面図と立体図の計４種類の図面が並べて表示されるように、複数にの図面を組み合わせてもよい。さらに、立体図については、任意の平面により切り取られた断面図の形で表示されてもよい。

これらの図面データは、設備情報記憶部３３３に保持されている。大規模設備９０を構成する個々の物体の属性情報として、測定対象フラグも、設備情報記憶部３３３に保持されている。この測定対象フラグは、二値の状態変数であり、その物体が測定対象であるか、非測定対象であるかを示す。

測定対象である物体は、図面上で特定の色に描画されたり、点滅表示されるなどの形で、ハイライト表示され、操作者は容易に認識できる。物体一覧表示部５０３には、大規模設備９０を構成する個々の物体の識別名称が一覧表の形で表示され、各物体が測定対象フラグに応じて、シンボルが付記されたり、識別名称が色分けされ、操作者は容易に測定対象か否かを認識できる。

そして、操作者がマウス操作により、図面に記載された配管などの物体を選択することで、その物体の測定対象フラグを変更できる。また、物体の識別名称をマウス操作することによっても、測定対象フラグを変更できる。この変更結果は、設備情報記憶部３３３に登録される。

選択されている表示モードが「実測像表示」または「仮想像表示」の場合、画像表示部５０２には、それぞれ、画像演算部３４３から送信される実測像または仮想像が表示される。

選択されている表示モードが「比較表示」の場合、画像表示部５０２には、画像演算部３４３から送信される比較画像が表示される。ここで比較画像とは、例えば、実測像を青色のコントラスト像とし、仮想像を赤色のコントラスト像とした上で、両者を重ね合わせたカラー画像であったり、実測像と仮想像の差分を表す画像である。これら実測像と仮想像の間の演算は、画像演算部３４３が行う。

仮想像モード選択部５０５には、仮想像モードとして３つの選択肢「対象のみ」、「非対象のみ」、「全物体」が示され、そのうち１つを操作者は選択できる。

選択されている仮想像モードが「対象のみ」の場合、密度長算出部３４２は、設備情報記憶部３３３に保持されている物体のうち、測定対象フラグの値が測定対象である物体のみを対象に、各画素に対応する仮想的な直線状のミュオン飛跡が個々の物体により切り取られる線分を算出する。そしてその物体の密度との積を、その物体の密度長とし、対象とされる全ての物体の密度長の和を、その画素の画素値とする。こうして全画素について密度長を求め、それを例えば正規化することで構築されたコントラスト像を仮想像とする。

ここで、仮想的な直線状のミュオン飛跡は、それと画素との対応関係が、撮像部３４１が実測像を構築する際の実際に検出されたミュオン飛跡と画素との対応関係に一致するように、予め定める。なお、一定の範囲内で位置や形状が変化しうる物体や、一定の範囲内で変化しうる分量の流動性物体を蓄えうる物体については、設備情報記憶部３３３に保持されている変位などの値を参照し、適宜その形状を算出した上で、上記の仮想像構築の際に用いられる。

また、選択されている仮想像モードが「非対象のみ」の場合、密度長算出部３４２は、設備情報記憶部３３３に保持されている物体のうち、測定対象フラグの値が非測定対象である物体すべてと、地形情報記憶部３３２に保持されている物体すべてを対象に、仮想像を構築する。具体的な構築方法は、仮想像モードが「対象のみ」の場合と同じである。

選択されている仮想像モードが「全物体」の場合、密度長算出部３４２は、設備情報記憶部３３３に保持されている物体すべてと、地形情報記憶部３３２に保持されている物体すべてを対象に、仮想像を構築する。具体的な構築方法は、仮想像モードが「対象のみ」の場合と同じである。

仮想像モードを「非対象のみ」とし、表示モードを「比較表示」とすることで、非測定対象物体の影響が排除され、測定対象の物体のみのコントラスト像を提供できる。また、仮想像モードを「全物体」とし、表示モードを「比較表示」とすることで、記憶部に保持されている地形情報ならびに設備情報と、実際の物体の状態との差異に関する情報をコントラスト像の形で提供でき、施工不良や経年変化などの発見に役立てることができる。

実測像時間指定部５０６には、撮像部３４１が実測像を構築する際に用いる飛跡情報の期間を指定するための入力欄があり、例えば開始日と終了日の形で、操作者がキーボード操作等により入力できる。

可変状態量指定部５０７には、密度長算出部３４２が仮想像を構築する際に用いる、各物体の変位等の値を指定するための欄があり、例えば、「引戸89D3」という名称の引戸の「変位」という量を、「4.54m」という値に、キーボード操作等により指定できる。

最後に、本発明によれば、発電プラント等の大型構造物を構成する配管等の健全性検査を目的とする非破壊試験を、測定対象物体の被覆材を除去・復元することなく、人工放射線源を設置・撤去することなく、かつ、所望の測定対象物体のみの実際の密度長を反映するコントラスト像を得ることができる。

また、本発明によれば、所望の測定対象物体の実際の状態と、設計上の理想的な状態との差異を示す像を得ることができる。その結果、プラントの健全性を操業時に常時監視することが可能となり、稼働率と安全性の高いプラントを提供できるようになる。

１０ 大規模設備状態監視システム
２０ 飛跡取得部
３０ 情報処理部
９０ 大規模設備
９１ 測定対象物体

Claims (9)

1. 測定対象の構造物と他の構造物とを透過する宇宙線により任意の区間の構造情報を撮像する撮像部と、
   前記他の構造物の構造情報を有する構造情報取得部と、
   前記他の構造物の構造情報を測定対象として含めるか判断し、非対象として判断した構造の密度長を算出する密度長算出部と、
   前記撮像部により撮像された画像と前記非対象として判断した構造の密度長とに基づき測定対象の構造物の構造情報を計算する画像演算部と、を有する計算システム。
2. 請求項１において、
   前記測定対象の構造物の構造情報は、前記測定対象の構造物の密度長であることを特徴とする計算システム。
3. 請求項１において、
   前記画像演算部は前記測定対象の構造物の構造情報により、前記測定対象の構造物の損耗を評価することを特徴とする計算システム。
4. 測定対象と他の構造物とを透過する宇宙線の飛跡を取得する飛跡取得部と、
   前記宇宙線の飛跡に基づいて撮像する撮像部と、
   前記宇宙線の飛跡の情報を保持する第１の記憶部と、前記測定対象ならびに前記他の構造物の構造情報を有する第２の記憶部と、
   前記他の構造物の構造情報に基づいて第１の密度長の濃淡像を算出し、かつ前記測定対象の構造情報ならびに前記他の構造物の構造情報に基づいて第２の密度長の濃淡像を算出する密度長算出部と、を有する計算システム。
5. 請求項４において、
   前記計算システムは、前記撮像部により撮像した画像と前記第１の密度長の濃淡像とに基づいて前記撮像した画像を補正し、前記撮像した画像と前記第２の密度長の濃淡像との差異を示す濃淡像を演算する画像演算部と、
   を有する計算システム。
6. 請求項４において、
   前記飛跡取得部は測定対象を挟むように配置された第１乃至第２検出器と、前記第１検出器ならびに前記第２検出器に接続され検出された宇宙線の強度を係数する同時計数部と、を有する計算システムであって、
   前記同時計数部は、前記宇宙線がミュオンであるか判断し、ミュオンと判断した宇宙線の飛跡のみを取得することを特徴とする計算システム。
7. 測定対象の構造物と他の構造物とを透過する宇宙線により任意の区間の構造情報を撮像する撮像する第１のステップと、
   前記他の構造物の構造情報を取得する第２のステップと、
   前記他の構造物の構造情報を測定対象として含めるか判断する第３のステップと、
   前記第３のステップにて非対象として判断した構造の密度長を算出する第４のステップと、
   前記第１のステップにより撮像された画像と前記第４のステップにて算出した密度長とに基づき測定対象の構造物の構造情報を計算する第５のステップと、を有する計算方法。
8. 請求項７において、
   前記測定対象の構造物の構造情報は、前記測定対象の構造物の密度長であることを特徴とする計算方法。
9. 請求項７において、
   前記測定対象の構造物の構造情報により、前記測定対象の構造物の損耗を評価する第６のステップと、を有する計算方法。

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