WO2023135715A1 - 変位推定装置、変位推定方法、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents

変位推定装置、変位推定方法、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体 Download PDF

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WO2023135715A1
WO2023135715A1 PCT/JP2022/000987 JP2022000987W WO2023135715A1 WO 2023135715 A1 WO2023135715 A1 WO 2023135715A1 JP 2022000987 W JP2022000987 W JP 2022000987W WO 2023135715 A1 WO2023135715 A1 WO 2023135715A1
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WO
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displacement
period
estimating
optical fiber
fiber cable
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PCT/JP2022/000987
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咲子 美島
孝寛 久村
ムルトゥザ ペトラードワラー
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日本電気株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Definitions

  • the technical field relates to a displacement estimating device and a displacement estimating method for estimating the displacement of a structure, and further to computer-readable recording media recording programs for realizing these.
  • Patent Literature 1 discloses a technique for accurately identifying a location where a change has occurred in the environment. According to the technique of Patent Document 1, a pulsed light is incident on an optical fiber cable that is laid, backscattered light is detected from an arbitrary point on the optical fiber cable, and the time when the measurement is started and the time when the measurement is finished are calculated. and the pulse width of the pulsed light, the area where the optical fiber cable is changed is estimated.
  • a displacement estimator in one aspect includes: a first displacement estimating means for estimating a first displacement generated in the structure based on a change in a signal from an optical fiber cable laid in the structure; a second displacement estimation means for estimating a bias included in the estimated first displacement and calculating a second displacement from which the bias included in the first displacement is removed; characterized by having
  • a displacement estimation method in one aspect includes: estimating a first displacement generated in the structure based on a change in a signal from an optical fiber cable laid in the structure; estimating a bias included in the estimated first displacement and calculating a second displacement with the bias included in the first displacement removed; It is characterized by
  • a computer-readable recording medium recording a program in one aspect, to the computer, estimating a first displacement generated in the structure based on a change in a signal from an optical fiber cable laid in the structure; estimating a bias included in the estimated first displacement, and calculating a second displacement from which the bias included in the first displacement is removed; It is characterized by recording a program including instructions.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a displacement estimation device according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a system having the displacement estimation device of Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing waveforms for explaining the operation of the displacement estimation device.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining bias.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the displacement estimation device according to the first embodiment;
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a system having the displacement estimation device of Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing waveforms for explaining the operation of the displacement estimation device of the second embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram showing an example of a computer that implements the displacement estimation device according to the first and second embodiments.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a displacement estimation device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a displacement estimation device according to Embodiment 1.
  • a displacement estimating apparatus 10 shown in FIG. 1 is an apparatus for estimating the displacement of a structure in which an optical fiber cable serving as a sensing medium is laid. Further, as shown in FIG. 1 , the displacement estimation device 10 has a first displacement estimation section 11 and a second displacement estimation section 12 .
  • the first displacement estimator 11 estimates the first displacement generated in the structure based on changes in the signal (measured backscattered light) from the optical fiber cable laid in the structure.
  • a structure is a hardened material (concrete, mortar, etc.) solidified using at least sand, water, and cement, or metal, or a structure constructed using them.
  • a structure is, for example, a bridge.
  • a structure is the whole building or its part. Further, the structure is the whole machinery or part thereof.
  • a fiber optic cable is a cable that transmits light, for example, made using quartz glass, transparent plastic, or the like.
  • the optical fiber cable when the optical fiber cable is laid in the structure, the optical fiber cable changes due to the vibration that occurs in the structure.
  • the first displacement estimator 11 detects vibration by analyzing backscattered light caused by changes in the light propagating through the optical fiber cable due to changes in the optical fiber cable. Therefore, it can be said that the optical fiber cable is a measuring unit that detects (or measures) the vibration of the structure.
  • the first displacement represents the amount of displacement Y0 generated in the structure estimated using backscattered light from an arbitrary measurement position in the axial direction of the optical fiber cable.
  • Backscattered light is light that is scattered in the direction opposite to the propagation direction, out of the scattered light that occurs when light propagates through an optical fiber cable.
  • Backscattered light includes, for example, Rayleigh, Raman, and Brillouin scattered light.
  • the scattered light may be Raman scattered light, Brillouin scattered light, or the like.
  • distributed measurement As a measurement using scattered light, for example, distributed measurement is used.
  • pulsed light is injected into an optical fiber cable, and the position of the backscattered light generated in the optical fiber cable is determined according to the time difference between the injection of the pulsed light and the return of the backscattered light. judge.
  • the second displacement estimator 12 estimates the bias included in the estimated first displacement, and calculates the second displacement from which the bias included in the first displacement is removed.
  • Bias is the dynamically changing bias component caused by the dynamically changing noise component contained in the backscattered light received from the fiber optic cable.
  • the bias is a model (for example, a function, a polynomial ( biased polynomials), curves, basis sets, etc.). In the following description, it is assumed that the model is a biased polynomial.
  • the model may be represented continuously or discretely.
  • a bias polynomial is estimated to fit the given data, for example.
  • a bias polynomial is estimated, for example, by solving a nonlinear minimization problem that minimizes the squared error on the data.
  • the second displacement is the displacement Y1 obtained by removing the bias from the first displacement and correcting the first displacement. Specifically, the second displacement is calculated by subtracting the bias value at the predetermined time from the first displacement at the predetermined time.
  • Embodiment 1 by removing the estimated bias from the estimated displacement (first displacement), it is possible to estimate the displacement (second displacement) with high accuracy.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a system having the displacement estimation device of Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a system having the displacement estimation device of Embodiment 1.
  • the system 100 in Embodiment 1 has a displacement estimation device 10, an optical fiber cable 20, and an optical measurement section 30. Note that the displacement estimation device 10 and the optical measurement unit 30 may be integrated into one device.
  • the optical fiber cable 20 is laid in the structure 200.
  • the fiber optic cables 20 may be laid down to enable distributed measurements, for example to measure displacements of the structure 200 .
  • the optical fiber cable 20 may be fixed to the floor slab of the bridge using an adhesive or the like, or a pipe through which the optical fiber cable 20 is passed may be fixed to the bottom or side of the bridge. good.
  • An optical fiber cable for communication that is already in use may be used.
  • the optical fiber cable 20 is connected to the optical measurement unit 30 .
  • the optical measurement unit 30 first receives backscattered light from an arbitrary point in the axial direction of the optical fiber cable 20, converts the received backscattered light into an electrical signal, and outputs the electrical signal to the displacement estimation device 10. do.
  • the optical measuring section 30 has a light projecting section 31 , an optical circulator 32 , a light receiving section 33 and a control section 34 .
  • the light projecting unit 31 generates pulsed light that is projected onto the optical fiber cable 20 .
  • the light projecting section 31 has a light source section and an optical modulator.
  • the light source section has a light emitting element and a drive circuit.
  • light-emitting elements include semiconductor lasers, laser diodes (LDs), tunable LDs, super luminescent diodes (SLDs), ASE (Amplified Spontaneous Emission) light sources, and LEDs (Light Emitting Diodes). is.
  • the drive circuit drives the light emitting element at a constant cycle (pulse width) and outputs pulsed light from the light emitting element.
  • the optical modulator modulates the pulsed light emitted by the light emitting element and outputs the modulated pulsed light to the optical circulator.
  • the optical circulator 32 separates the pulsed light and the backscattered light.
  • the optical circulator 32 projects the pulsed light output from the optical modulator onto the optical fiber cable 20 .
  • the optical circulator 32 projects backscattered light from the optical fiber cable 20 onto the light receiving section 33 .
  • the light receiving section 33 receives backscattered light via the optical circulator 32 .
  • the light receiving section 33 has a photodetector and an A/D converter.
  • the photodetector converts the received backscattered light into, for example, an analog electrical signal.
  • the photodetector is, for example, a light receiving element such as a photodiode (PD: Photo Detector).
  • PD photodiode
  • the A/D converter converts the analog electrical signal output from the photodetector into a digital electrical signal using an analog-digital conversion circuit.
  • the A/D converter outputs the converted digital electric signal to the displacement estimation device 10 .
  • the control unit 34 controls light projection and light reception by controlling the light projecting unit 31 and the light receiving unit 33 .
  • the control unit 34 communicates various information with the displacement estimation device 10, and controls the light projecting unit 31 and the light receiving unit 33 based on the information.
  • the control unit 34 is, for example, a CPU (Central Processing Unit), a programmable device such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a GPU (Graphics Processing Unit), or one or more of them. It is realized using a circuit.
  • a CPU Central Processing Unit
  • FPGA Field-Programmable Gate Array
  • GPU Graphics Processing Unit
  • optical measurement unit 30 described above is shown as an example of the optical measurement unit, it is not limited to the optical measurement unit 30.
  • the light measurement unit may be any device that can measure backscattered light and output the measurement result to the displacement estimation device 10 .
  • FIG. 3 is a diagram showing waveforms for explaining the operation of the displacement estimation device.
  • the displacement estimation device 10 acquires a digital electrical signal from the optical measurement unit 30, and uses the acquired digital electrical signal to perform signal processing, which will be described later.
  • the displacement estimating device 10 has a sampling unit 13 , an acceleration estimating unit 14 , a first displacement estimating unit 11 and a second displacement estimating unit 12 .
  • the displacement estimation device 10 is realized, for example, using a CPU, a programmable device such as an FPGA, a GPU, or a circuit equipped with one or more of them.
  • the displacement estimation device 10 signal processing function
  • the control unit 34 control processing function
  • the sampling unit 13 extracts digital electric signals (measurement values) for a preset number of samples (frame length) of preset channels from the digital electric signals output from the optical measuring unit 30. .
  • the sampling unit 13 outputs, for example, measured values as shown in 3A of FIG. 3 in time series. Note that FIG. 3A shows a graph of measured values for only one channel. However, in practice, the sampling unit 13 may output measured values in chronological order for each of one or more channels.
  • a channel corresponds to a position (measurement points Ch1, Ch2, .
  • the total number of channels is the same as the number of measurement points on the optical fiber cable 20 .
  • the sampling unit 13 outputs measurement values for each channel.
  • the sample rate For example, it is conceivable to set the sample rate to 200 [Hz (Hertz)] and the frame length to 60 [seconds]. Note that the frame length (the number of samples) can be determined arbitrarily.
  • the length of time during which the displacement occurs for example, the length of time based on the time the vehicle passes over the bridge may be set. Alternatively, a value calculated from the total length of the bridge and the speed of the vehicle may be used.
  • the acceleration estimation unit 14 estimates an amount corresponding to acceleration based on the measured value.
  • the measurement value of the optical measurement unit 30 may be the amount of change per unit time of the unit optical path length of the optical fiber cable 20 (value related to speed), or the amount of change per unit optical path length of the optical fiber cable 20. It may be the amount of change in optical path length (a value related to displacement).
  • the measured value is not directly used, but the amount corresponding to the acceleration is used.
  • the acceleration estimator 14 outputs, for example, values corresponding to acceleration as shown in 3B of FIG. 3 in time series.
  • a value corresponding to acceleration will be referred to as acceleration.
  • the acceleration graph is shown only for the measured values for one channel.
  • the acceleration estimator 14 may output the acceleration in time series for each of one or more channels.
  • the measurement value of the optical measurement unit 30 may be any one of a value related to displacement, a value related to velocity, and a value related to acceleration depending on the measurement principle. If the device configuration of the optical measurement unit 30 is determined in advance, what the measured value will be is also determined in advance. Numerical differentiation, for example, is used when estimating acceleration from measured values. If the measurement is in terms of displacement, differentiate the measurement twice. If the measurement is in terms of velocity, differentiate the measurement once. If the measured value is related to acceleration, the measured value is regarded as the acceleration as it is without numerical differentiation.
  • the acceleration Ai(tj) can be expressed by Equation (1).
  • the acceleration estimating unit 14 performs a process of converting the above-described measured value into a value corresponding to acceleration.
  • the acceleration estimator 14 may further remove high frequency components and zero frequency components from the acceleration.
  • DLPF digital low pass filter
  • the moving average value of acceleration may be subtracted from the acceleration in a predetermined period, or a digital high-pass filter (DHPF) may be used.
  • DHPF digital high-pass filter
  • DBPF digital bandpass filter
  • the first displacement estimator 11 estimates the first displacement generated in the structure 200 using the estimated acceleration.
  • the first displacement estimator 11 outputs the first displacement corresponding to the channel in time series, for example, as shown in 3C of FIG.
  • the graph of acceleration is shown only for one channel.
  • the first displacement estimator 11 outputs the first displacements in time series for each of one or more channels.
  • the first displacement estimator 11 estimates the first displacement (for example, deflection of a bridge) using the following processes (1) and (2).
  • channel k is selected as one of the channels, and the first displacement Y0k(tj) of the structure 200 is estimated by double-value integration using the acceleration Ak(tj) of channel k.
  • Numerical integration is realized, for example, by calculating the sum of numerical values at each timing in a certain period.
  • a method of numerical integration may be a Monte Carlo method or the like, and is not limited to the above example.
  • the first displacement is estimated using the accelerations of a plurality of preset positions (channels).
  • the second displacement estimator 12 removes the dynamically changing bias included in the estimated first displacement, corrects the first displacement, and estimates the second displacement.
  • the second displacement estimator 12 outputs the second displacements in time series, as shown in 3D of FIG. 3, for example.
  • Measured values contain noise components that change dynamically. Due to the effect of the dynamically varying noise component, the first displacement also contains a dynamically varying bias corresponding to the noise component. Therefore, the second displacement estimator 12 removes the dynamically changing bias.
  • the second displacement estimator will be explained in detail.
  • the second displacement estimator 12 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining bias.
  • the second displacement estimator 12 first determines that the absolute values (amplitude absolute values) of the plurality of measured values Xk(tj) of the selected channel k are continuously preset for a preset period or longer. If it is smaller than the predetermined value (or if the plurality of measured values Xk(tj) are within the range M1 in FIG. 4), it is assumed that the first displacement has not occurred during that period, and the first displacement has occurred. It is determined during the period (periods T1 and T3 in FIG. 4) in which it is not performed.
  • the second displacement estimator 12 determines that the absolute value (amplitude absolute value) of the measured value Xk(tj) of the selected channel k is a predetermined value continuously set in advance for a predetermined period or longer. In the above cases (or when the plurality of measured values Xk(tj) are outside the range M1 in FIG. 4), it is assumed that displacement occurs during that period, and the period during which displacement occurs (period T2 in FIG. 4) ).
  • the preset period is determined, for example, by experiments, simulators, etc.
  • the predetermined value used to determine the period during which no displacement occurs (periods T1 and T3 in FIG. 4) and the period during which displacement occurs (period T2 in FIG. 4) is, for example, the state in which no displacement occurs. Set the standard deviation value of the measured value at .
  • the second displacement estimator 12 obtains a model (for example, polynomial) representing the curve 41 shown in FIG. . That is, the bias Bk(tj) in period T2 is calculated.
  • a model for example, polynomial
  • the second displacement estimator 12 subtracts the bias Bk(tj) from the first displacement Y0k(tj) to calculate the second displacement Y1k(tj) shown in Equation 2.
  • the polynomial expression representing the bias Bk(tj) is the square of a plurality of first displacements Y0k(tj) included in the periods T1 and T3 before and after the period T2 in which the first displacement occurs and in which the first displacement does not occur. It is found by solving a non-linear minimization problem that finds a polynomial that minimizes the error.
  • a polynomial expression representing the bias Bk(tj) bias is estimated for each period in which the displacement of the measured value Xk(t) of channel k occurs.
  • the model representing the bias is estimated to fit displacements during periods when the first displacement does not occur.
  • the model representing the bias during the period in which the first displacement occurs is estimated to fit the displacement in the period before and after that period in which the first displacement does not occur.
  • the periods before and after the period in which the first displacement occurs do not necessarily have to be adjacent to the period in which the first displacement occurs. Moreover, by using a period adjacent to the period in which the first displacement occurs, it is possible to create a more accurate model.
  • the inventors of the present application have found that the bias of the optical fiber cable 20 changes smoothly from the period in which the first displacement does not occur to the next period in which the first displacement does not occur. In other words, the inventors of the present application have found that when the signal from the optical fiber cable 20 is used, the noise that changes in a relatively long period prevents the change from being accurately estimated. The inventors of the present application have found that the generated model can be used to eliminate noise during the period in which the first displacement occurs.
  • the second displacement estimator 12 may correct the second displacement Y1k(tj) by multiplying it by a preset coefficient, and use it as Y1k(tj).
  • This coefficient is, for example, a reference value for the amount of displacement generated in the structure measured using another measuring device (not shown) serving as a reference, and a second displacement Y1k(tj) corresponding to the amount of displacement. , is a numerical value that represents the statistical relationship between
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the displacement estimation device according to the first embodiment; In the following description, reference will be made to the drawings as appropriate. Further, in the first embodiment, the displacement estimation method is implemented by operating the displacement estimation device. Therefore, the description of the displacement estimation method in the first embodiment is replaced with the description of the operation of the displacement estimation device below.
  • the sampling unit 13 extracts digital electric signals corresponding to the backscattered light output from the optical measurement unit 30 for a preset number of samples of a preset channel. , extracts and outputs a digital electrical signal (measured value) (step A1).
  • the second displacement estimator 12 removes the dynamically changing bias included in the estimated first displacement, corrects the first displacement, and estimates the second displacement (step A4 ).
  • step A4 first, the second displacement estimator 12 detects that the absolute values (amplitude absolute values) of the plurality of measured values Xk(tj) of the selected channel k are continuous for a preset period or longer. is smaller than a preset value (or multiple measured values Xk(tj) are within the range M1 in FIG. 4), it is assumed that the first displacement has not occurred during that period, and the second It is determined during periods (periods T1 and T3 in FIG. 4) in which no displacement occurs.
  • step A4 the second displacement estimator 12 determines that the absolute value (amplitude absolute value) of the measured value Xk(tj) of the selected channel k is If it is equal to or greater than the set predetermined value (or if the plurality of measured values Xk(tj) are outside the range M1 in FIG. 4), it is assumed that the displacement occurs during that period, and the period during which the displacement occurs ( It is assumed to be period T2) in FIG.
  • step A4 the second displacement estimator 12 obtains a polynomial expression representing the curve 41 shown in FIG. 4 using the first displacements Y0k(tj) of the periods T1 and T3 before and after the period T2. . That is, the bias Bk(tj) in period T2 is calculated.
  • step A4 the second displacement estimator 12 subtracts the bias Bk(tj) from the first displacement Y0k(tj) to calculate the second displacement Y1k(tj) shown in Equation 2. do.
  • the polynomial expression representing the bias Bk(tj) is the square of a plurality of first displacements Y0k(tj) included in the periods T1 and T3 before and after the period T2 in which the first displacement occurs and in which the first displacement does not occur. It is found by solving a non-linear minimization problem that finds a polynomial that minimizes the error.
  • a polynomial expression representing the bias Bk(tj) bias is estimated for each period in which the displacement of the measured value Xk(t) of channel k occurs.
  • the program in the first embodiment may be any program that causes a computer to execute steps A1 to A4 shown in FIG.
  • the processor of the computer functions as sampling section 13, acceleration estimating section 14, first displacement estimating section 11, and second displacement estimating section 12 to perform processing.
  • each computer may function as one of the sampling unit 13, the acceleration estimating unit 14, the first displacement estimating unit 11, and the second displacement estimating unit 12, respectively.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a system having the displacement estimation device of Embodiment 2.
  • a system 600 according to the second embodiment has a displacement estimating device 60, an optical fiber cable 20, and an optical measuring section 30.
  • the displacement estimation device 60 and the optical measurement unit 30 may be integrated into one device.
  • a displacement estimating device 60 of the second embodiment has a sampling unit 13 , an acceleration estimating unit 14 , a first displacement estimating unit 11 , a second displacement estimating unit 12 , and a measured position acquiring unit 61 .
  • the sampling unit 13, the acceleration estimating unit 14, the first displacement estimating unit 11, and the second displacement estimating unit 12 shown in FIG. 6 have already been described in the first embodiment. detailed description is omitted.
  • the measurement position acquisition unit 61 acquires measurement position information in which the measurement position in the axial direction of the optical fiber cable 20 and the position of the structure 200 are associated. After that, the first displacement estimator 11 and the second displacement estimator 12 refer to the measurement position information and select a channel representing the measurement position of the structure 200 .
  • the measurement position acquisition unit 61 first acquires measurement position information from a storage device (not shown).
  • the measurement position information includes measurement positions in the axial direction of the optical fiber cable 20 (measurement points Ch1, Ch2, . ) is associated information.
  • the measurement position (channel k) of the optical fiber cable 20 is represented by the distance p(k) from the end (start point) of the optical fiber cable 20 on the side of incidence of the pulsed light to the measurement point (end point).
  • the measurement position of the optical fiber cable 20 and the position of the structure 200 are associated with each other by referring to construction drawing information used when the optical fiber cable 20 was laid in the structure 200, for example.
  • the construction drawing information is stored in a storage device (not shown).
  • the association between the measurement position of the optical fiber cable 20 and the position of the structure 200 is, for example, by calculating a point (channel) having a characteristic property from the time-series measurement values for each channel, and calculating the calculated point ( channel) may be used as a reference.
  • the structure 200 when the structure 200 is a bridge, the position where the maximum absolute value is measured is taken as A reference point is set, assuming the center, to correspond the channel of the fiber optic cable within the span of the bridge to the position of the bridge.
  • reference points and span lengths may be used to identify bridge endpoints and associate these locations with channels.
  • the example which paid its attention to the upper structure was described, it is not restricted to the upper structure. For example, it can be applied to bridge substructures, bearings, and the like.
  • the superstructure has a floor structure and a main structure.
  • the floor structure is formed by floor slabs, floor framing, and the like.
  • the main structure has main girders and the like to support the floor structure and transmit loads to the substructure.
  • the substructure has the abutments installed at both ends of the bridge, the piers installed in the middle of the bridge, and the foundations that support them, which support the superstructure and transmit the load to the ground.
  • vibration mode analysis of the structure 200 may be performed using a plurality of accelerations, and the correspondence with the structure 200 may be estimated from the mode shape.
  • the positions (channels) such as the center and end points of the superstructure are specified from the portions corresponding to the nodes and antinodes of the mode, and some or all of them are set as reference points. correspond to the channel of the optical fiber cable 20 in the range of .
  • the selection of the channel of the first displacement estimator 11 described in the first embodiment is performed by referring to the measured position information to determine the channel corresponding to the position where the displacement is assumed to be the largest in the structure 200. do.
  • the selection of the channel of the second displacement estimating unit 12 described in the first embodiment is performed by referring to the measurement position information to determine the channel corresponding to the portion of the structure 200 where the displacement is assumed to be the largest. do.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the displacement estimation device according to the second embodiment.
  • the displacement estimation method is implemented by operating the displacement estimation device. Therefore, the description of the displacement estimation method in the second embodiment is replaced with the description of the operation of the displacement estimation device below.
  • steps A1 to A4 have already been described in the first embodiment, detailed description of steps A1 to A4 will be omitted.
  • step B1 the measurement position acquisition unit 61 acquires measurement position information in which the measurement position in the axial direction of the optical fiber cable 20 and the position of the structure 200 are associated.
  • the first displacement estimator 11 and the second displacement estimator 12 refer to the measurement position information and select a channel representing the measurement position of the structure 200.
  • step A3 when selecting the channel of the first displacement estimator 11, the channel corresponding to the position where the displacement is assumed to be the largest in the structure 200 is determined by referring to the measured position information. After that, the first displacement estimator 11 estimates the first displacement generated in the structure 200 using the estimated acceleration.
  • the measurement position information is referred to and determined so as to include the channel corresponding to the position where the displacement is assumed to be the largest.
  • the first displacement estimator 11 estimates the first displacement generated in the structure 200 using the estimated acceleration.
  • step A4 when selecting the channel of the second displacement estimator 12, the channel corresponding to the portion of the structure 200 that is assumed to have the largest displacement is determined by referring to the measurement position information.
  • the second displacement estimator 12 removes the dynamically changing bias included in the estimated first displacement, corrects the first displacement, and estimates the second displacement.
  • the program in the second embodiment may be any program that causes a computer to execute steps A1, A2, B1, A3, and A4 shown in FIG.
  • the processor of the computer functions as the sampling section 13, the acceleration estimating section 14, the first displacement estimating section 11, the second displacement estimating section 12, and the measured position acquiring section 61, and performs processing.
  • each computer may function as one of the sampling unit 13, the acceleration estimating unit 14, the first displacement estimating unit 11, the second displacement estimating unit 12, and the measured position acquiring unit 61. good.
  • FIG. 8 is a block diagram showing an example of a computer that implements the displacement estimation device according to the first and second embodiments.
  • the computer 110 includes a CPU (Central Processing Unit) 111, a main memory 112, a storage device 113, an input interface 114, a display controller 115, a data reader/writer 116, and a communication interface 117. and These units are connected to each other via a bus 121 so as to be able to communicate with each other.
  • the computer 110 may include a GPU or FPGA in addition to the CPU 111 or instead of the CPU 111 .
  • Input interface 114 mediates data transmission between CPU 111 and input devices 118 such as a keyboard and mouse.
  • the display controller 115 is connected to the display device 119 and controls display on the display device 119 .
  • the data reader/writer 116 mediates data transmission between the CPU 111 and the recording medium 120, reads programs from the recording medium 120, and writes processing results in the computer 110 to the recording medium 120.
  • Communication interface 117 mediates data transmission between CPU 111 and other computers.
  • the recording medium 120 include general-purpose semiconductor storage devices such as CF (Compact Flash (registered trademark)) and SD (Secure Digital), magnetic recording media such as flexible disks, and CD- Optical recording media such as ROM (Compact Disk Read Only Memory) can be mentioned.
  • CF Compact Flash
  • SD Secure Digital
  • magnetic recording media such as flexible disks
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  • the displacement estimation apparatus in Embodiments 1 and 2 can also be realized by using hardware corresponding to each part instead of a computer in which a program is installed. Furthermore, the displacement estimating device may be partly implemented by a program and the rest by hardware.
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Abstract

変位推定装置１０は、構造物２００に敷設された光ファイバケーブル２０からの信号の変化に基づいて、構造物２００に発生した第一の変位を推定する、第一の変位推定部１１と、推定された第一の変位に含まれるバイアスを推定し、第一の変位に含まれるバイアスが除去された第二の変位を算出する、第二の変位推定部１２とを有する。

Description

変位推定装置、変位推定方法、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体
　技術分野は、構造物の変位を推定する変位推定装置、変位推定方法に関し、更には、これらを実現するためのプログラムを記録しているコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
　橋梁などの構造物の耐用年数は一般におよそ５０年といわれる。ところが構造物の多くは、高度成長期（１９６０年代）に一斉に整備されており耐用年数を超えている。そのため、構造物の多くは健全性評価をする必要がある。
　構造物の健全性評価には、構造物の鉛直方向の変位（たわみ）を用いた評価がある。変位を計測する技術として、光ファイバを用いた分布型光ファイバセンシング技術が知られている。
　関連する技術として特許文献１には、環境に変化が生じた場所を精度よく特定する技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、敷設されている光ファイバケーブルにパルス光を入射し、光ファイバケーブルの任意点からの後方散乱光を検出し、計測を開始した時間と、計測が終了した時間と、パルス光のパルス幅とに基づいて、光ファイバケーブルに変化が発生した領域を推定している。
国際公開第２０１９／１８９１９２号
　しかしながら、特許文献１の技術を用いた場合、敷設されている光ファイバケーブルから受信した信号には、雑音成分が含まれているので、変化を精度よく推定することができない。
　一つの側面として、敷設されている光ファイバケーブルを用いて構造物の変位を精度よく推定する、変位推定装置、変位推定方法、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することを目的の一つとする。
　一つの側面における変位推定装置は、
　構造物に敷設された光ファイバケーブルからの信号の変化に基づいて、前記構造物に発生した第一の変位を推定する、第一の変位推定手段と、
　推定された前記第一の変位に含まれるバイアスを推定し、前記第一の変位に含まれるバイアスが除去された第二の変位を算出する、第二の変位推定手段と、
　を有することを特徴とする。
　一つの側面における変位推定方法は、
　構造物に敷設された光ファイバケーブルからの信号の変化に基づいて、前記構造物に発生した第一の変位を推定し、
　推定された前記第一の変位に含まれるバイアスを推定し、前記第一の変位に含まれるバイアスが除去された第二の変位を算出する、
　ことを特徴とする。
　一つの側面におけるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
　コンピュータに、
　構造物に敷設された光ファイバケーブルからの信号の変化に基づいて、前記構造物に発生した第一の変位を推定させ、
　推定された前記第一の変位に含まれるバイアスを推定させ、前記第一の変位に含まれるバイアスを除去された第二の変位を算出させる、
　命令を含むプログラムを記録していることを特徴とする。
　一つの側面として、敷設されている光ファイバケーブルを用いて構造物の変位を精度よく推定できる。
図１は、実施形態１の変位推定装置の一例を説明するための図である。 図２は、実施形態１の変位推定装置を有するシステムの一例を説明するための図である。 図３は、変位推定装置の動作を説明するための波形を表す図である。 図４は、バイアスを説明するための図である。 図５は、実施形態１の変位推定装置の動作を説明するための図である。 図６は、実施形態２の変位推定装置を有するシステムの一例を説明するための図である。 図７は、実施形態２の変位推定装置の動作を説明するための波形を表す図である。 図８は、実施形態１、２における変位推定装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。
　以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下で説明する図面において、同一の機能又は対応する機能を有する要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することもある。
（実施形態１）
　図１を用いて、実施形態１における変位推定装置１０の構成について説明する。図１は、実施形態１の変位推定装置の一例を説明するための図である。
［装置構成］
　図１に示す変位推定装置１０は、センシングの媒体となる光ファイバケーブルが敷設された構造物の変位を推定する装置である。また、図１に示すように、変位推定装置１０は、第一の変位推定部１１と、第二の変位推定部１２とを有する。
　第一の変位推定部１１は、構造物に敷設された光ファイバケーブルからの信号（計測した後方散乱光）の変化に基づいて、構造物に発生した第一の変位を推定する。
　構造物は、少なくとも砂、水、セメントを用いて凝固させた硬化物（コンクリート、又はモルタルなど）、又は金属、又はそれらを用いて構築された構造物である。構造物は、例えば、橋梁などである。また、構造物は、建築物全体、又はその一部である。さらに、構造物は、機械類の全体、又はその一部である。
　光ファイバケーブルは、振動、音などによって光路長が変化する。光ファイバケーブルは、例えば、石英ガラス、透明なプラスチックなどを用いて生成された、光を伝送するケーブルである。
　なお、光ファイバケーブルが構造物に敷設されている場合、構造物に生じる振動によって光ファイバケーブルに変化が生じる。第一の変位推定部１１は、光ファイバケーブルの変化によって、光ファイバケーブルの中を伝搬する光に変化が生じ、後方散乱光を解析することによって振動を検知する。したがって、光ファイバケーブルは、構造物の振動を検知（又は、計測）する計測部であるということもできる。
　第一の変位は、光ファイバケーブルの軸方向の任意の計測位置からの後方散乱光を用いて推定される、構造物に発生した変位量Ｙ０を表す。
　後方散乱光は、光ファイバケーブル中を光が伝搬する際に生じる散乱光のうち、伝搬方向と逆方向に散乱する光である。後方散乱光は、例えば、レーリー、ラマン、ブリルアン散乱光などがある。
　以降において、レーリー散乱光を用いた方法について説明する。ただし、散乱光は、ラマン散乱光、及び、ブリルアン散乱光などであってもよい。
　散乱光を用いた計測として、例えば、分布型計測を用いる。分布型計測では、光ファイバケーブルにパルス光を入射し、パルス光を入射してから後方散乱光が戻ってくるまでの時間差に応じて、光ファイバケーブルのどの位置で発生した後方散乱光なのかを判定する。
　第二の変位推定部１２は、推定された第一の変位に含まれるバイアスを推定し、第一の変位に含まれるバイアスが除去された第二の変位を算出する。
　バイアスは、光ファイバケーブルから受光した後方散乱光に含まれる、動的に変化する雑音成分によって生じる、動的に変化するバイアス成分である。
　バイアスは、変位が発生していると判定される変位発生期間の前後の、変位が発生していないと判定される期間に含まれる複数の第一の変位を表すモデル（例えば、関数、多項式（バイアス多項式）、曲線、基底関数系など）によって表される。以降の説明においては、モデルがバイアス多項式であるとする。モデルは、連続的に表されていてもよいし、離散的に表されていてもよい。
　バイアス多項式は、例えば、与えられたデータにフィットするよう推定される。バイアス多項式は、例えば、該データに対する二乗誤差を最小化する非線形最小化問題を解くことにより推定される。
　第二の変位は、第一の変位からバイアスを除去し、第一の変位を補正することにより得られる変位量Ｙ１である。具体的には、所定の時点における第一の変位から、当該所定の時点のバイアス値を減算することにより、第二の変位を算出する。
　このように、実施形態１においては、推定した変位（第一の変位）から、推定したバイアスを除去することで、精度のよい変位（第二の変位）を推定できる。
　また、敷設されている光ファイバケーブルを用いて、精度のよい変位（第二の変位）を推定できる。
［システム構成］
　図２を用いて、実施形態１における変位推定装置１０の構成をより具体的に説明する。図２は、実施形態１の変位推定装置を有するシステムの一例を説明するための図である。
　図２に示すように、実施形態１におけるシステム１００は、変位推定装置１０と、光ファイバケーブル２０と、光計測部３０とを有する。なお、変位推定装置１０と、光計測部３０とを一つの装置としてもよい。
　光ファイバケーブル２０は、構造物２００に敷設されている。光ファイバケーブル２０は、例えば、構造物２００の変位を計測するために、分布型計測を可能にするような敷設がされていてもよい。橋梁を計測対象とする場合、接着剤などを用いて橋梁の床版へ光ファイバケーブル２０を固定してもよいし、光ファイバケーブル２０を通した管を橋梁の下部あるいは側面に固定してもよい。既に活用されている通信用の光ファイバケーブルを利用してもよい。また、光ファイバケーブル２０は、光計測部３０に接続される。
　実施形態１の光計測部について説明する。
　光計測部３０は、まず、光ファイバケーブル２０の軸方向の任意点からの後方散乱光を受光して、受光した後方散乱光を電気信号に変換し、該電気信号を変位推定装置１０へ出力する。光計測部３０は、投光部３１と、光サーキュレータ３２と、受光部３３と、制御部３４とを有する。
　投光部３１は、光ファイバケーブル２０へ投光するパルス光を発生する。投光部３１は、光源部と、光変調器とを有する。
　光源部は、発光素子と、駆動回路とを有する。発光素子は、例えば、半導体レーザ、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、波長可変ＬＤ、スーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などである。
　駆動回路は、一定の周期（パルス幅）で発光素子を駆動させて、発光素子からパルス光を出力する。光変調器は、発光素子が発したパルス光を変調して、変調されたパルス光を光サーキュレータへ出力する。
　光サーキュレータ３２は、パルス光と後方散乱光とを分離する。光サーキュレータ３２は、光変調器から出力されたパルス光を光ファイバケーブル２０に投光する。光サーキュレータ３２は、光ファイバケーブル２０からの後方散乱光を受光部３３に投光する。
　受光部３３は、光サーキュレータ３２を介して後方散乱光を受信する。受光部３３は、光検出器と、Ａ／Ｄ変換器とを有する。
　光検出器は、受光した後方散乱光を、例えば、アナログ電気信号に変換する。光検出器は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Detector）などの受光素子である。
　Ａ／Ｄ変換器は、光検出器から出力されたアナログ電気信号を、アナログ－デジタル変換回路を用いて、デジタル電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器は、変換後の該デジタル電気信号を変位推定装置１０に出力する。
　制御部３４は、投光部３１と受光部３３とを制御することにより、投光と受光とを制御する。制御部３４は、変位推定装置１０と各種情報を通信し、それらの情報に基づいて投光部３１と受光部３３とを制御する。
　制御部３４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのプログラマブルなデバイス、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はそれらのうちのいずれか一つ以上を搭載した回路を用いて実現する。
　なお、光計測部の一例として、上述した光計測部３０を示したが、光計測部３０に限定されるものではない。光計測部は、後方散乱光を計測して、変位推定装置１０に計測結果を出力できる装置であればよい。
　実施形態１の変位推定装置について詳細に説明をする。
　図２、図３を用いて変位推定装置１０について説明する。図３は、変位推定装置の動作を説明するための波形を表す図である。
　変位推定装置１０は、光計測部３０からデジタル電気信号を取得して、取得したデジタル電気信号を用いて後述する信号処理を実行する。変位推定装置１０は、サンプリング部１３と、加速度推定部１４と、第一の変位推定部１１と、第二の変位推定部１２とを有する。
　変位推定装置１０は、例えば、ＣＰＵ、又はＦＰＧＡなどのプログラマブルなデバイス、又はＧＰＵ、又はそれらのうちのいずれか一つ以上を搭載した回路を用いて実現する。なお、図２の例では、変位推定装置１０（信号処理の機能）と、制御部３４（制御処理の機能）とを別々に示したが、変位推定装置１０と制御部３４とを同じデバイスに設けてもよい。
　サンプリング部１３は、光計測部３０から出力されたデジタル電気信号のなかから、あらかじめ設定されたチャネルの、あらかじめ設定されたサンプル数分の（フレーム長の）、デジタル電気信号（計測値）を取り出す。
　サンプリング部１３は、例えば、図３の３Ａに示すような計測値を時系列に出力する。なお、図３の３Ａでは、一つのチャネルについてのみ計測値のグラフを示した。しかし、実際には、サンプリング部１３は、一つ以上のチャネルごとに計測値を時系列に出力してもよい。
　チャネルは、分布型計測において、光ファイバケーブル２０の軸方向の変位を計測する位置（図２の計測点Ｃｈ１、Ｃｈ２・・・）に対応する。チャネル総数は光ファイバケーブル２０の計測点の数と同じである。
　サンプリング部１３は、チャネルごとに計測値を出力する。計測値Ｘｉ（ｔｊ）は、チャネルｉ（ｉ＝１、２・・・Ｎ）の、時点ｔｊ（サンプルレートにより決まる時刻：ｊ＝１、２・・・）における計測値を表している。
　例えば、サンプルレートを２００［Ｈｚ（ヘルツ）］とし、フレーム長を６０［秒］とすることが考えられる。なお、フレーム長（サンプル数）は、任意に決定することができる。変位が生じる時間長、例えば、橋梁の上を車両が通過する時間を基準とした時間長を設定してもよい。また、橋梁の全長と車両の速度から算出した値を用いてもよい。
　加速度推定部１４は、計測値に基づいて、加速度に相当する量を推定する。光計測部３０の計測値は、計測原理に依存して、光ファイバケーブル２０の単位光路長の単位時間当たりの変化量であったり（速度に関する値）、光ファイバケーブル２０の単位光路長あたりの光路長の変化量であったりする（変位に関する値）。計測原理によらず、計測値から第一の変位を推定するために、計測値を直接使うのではなく加速度に相当する量を使う。加速度推定部１４は、例えば、図３の３Ｂに示すような加速度に相当する値を時系列に出力する。以降において、説明を簡単にするために、加速度に相当する値を加速度と呼ぶ。
　なお、図３の３Ｂでは、一つのチャネルに対する計測値についてのみ加速度のグラフを示した。しかし、加速度推定部１４は、一つ以上のチャネルごとに加速度を時系列に出力してもよい
　加速度の推定処理について説明する。前述のとおり、光計測部３０の計測値は、計測原理に依存して、変位に関する値、速度に関する値、加速度に関する値、のいずれかの可能性がある。光計測部３０の装置構成をあらかじめ定めておけば、計測値が何に関する値となるかもあらかじめ定まる。計測値から加速度を推定する際には、例えば、数値微分を使う。計測値が変位に関するならば、計測値を二回数値微分する。計測値が速度に関するならば、計測値を一回微分する。計測値が加速度に関するならば、数値微分をせず、計測値をそのまま加速度と見做す。
　数値微分は、例えば、計測値に対して、時刻ｔｊの計測値Ｘｉ（ｔｊ）と、時刻「ｔｊ－１」の計測値Ｘｉ（ｔｊ－１）との差を、計測値サンプル周期ｄｔで除算する処理である。すなわち、加速度Ａｉ（ｔｊ）は数１で表すことができる。
（数１）
　Ａｉ（ｔｊ）＝（Ｘｉ（ｔｊ）－Ｘｉ（ｔｊ－１））／ｄｔ
 
　また、加速度推定部１４は、上述した計測値を加速度に相当する値へ変換する処理をする。加速度推定部１４は、さらに、高域周波数成分とゼロ周波数成分とを加速度から除去してもよい。
　高域周波数成分を除去するために、例えば、３０［Ｈｚ］以下の周波数を通過させるデジタル低域通過フィルタ（ＤＬＰＦ）を用いてもよい。
　又は、ゼロ周波数成分を除去するために、例えば、所定期間における加速度から、加速度の移動平均値を減算してもよいし、デジタル高域通過フィルタ（ＤＨＰＦ）を用いてもよい。
　又は、高域周波数成分とゼロ周波数成分とを除去するために、デジタル帯域通過フィルタ（ＤＢＰＦ）を用いてもよい。
　第一の変位推定部１１は、推定した加速度を用いて構造物２００で発生する第一の変位を推定する。第一の変位推定部１１は、例えば、図３の３Ｃに示すように、チャネルに対応する第一の変位を時系列に出力する。
　なお、図３の３Ｃでは、一つのチャネルについてのみ加速度のグラフを示した。しかし、第一の変位推定部１１は、一つ以上のチャネルごとに第一の変位を時系列に出力する。
　具体的には、第一の変位推定部１１は、第一の変位（例えば、橋梁のたわみなど）を、次に示す（１）（２）の処理を用いて推定することが考えられる。
　（１）加速度を用いた二回数値積分により第一の変位を推定する。例えば、チャネルの一つとしてチャネルｋを選定し、チャネルｋの加速度Ａｋ（ｔｊ）を用いて二回数値積分して、構造物２００の第一の変位Ｙ０ｋ（ｔｊ）を推定する。数値積分は、例えば、ある期間における各タイミングでの数値の総和を算出することにより実現される。数値積分する方法は、モンテカルロ法などでもよく、上述した例に限定されない。
　（２）複数の加速度を、カルマンフィルタを用いて処理することで、光ファイバケーブル２０の長手方向の任意の点の第一の変位を推定する。例えば、Ｍ個のチャネルを選定し、Ｍ個のチャネルそれぞれの加速度Ａｋ（ｔｊ）（ｋ＝０からＭ－１）を用いて、第一の変位を推定する（Ｙ０ｋ（ｔｊ））。
　（２）の処理では、あらかじめ設定されている複数の位置（チャネル）の加速度を用いて第一の変位を推定する。
　（１）（２）の処理では、チャネルｋが構造物２００のどの位置に対応するかが、あらかじめ分かっているので、構造物２００の所定の位置の変位を推定できる。
　なお、第一の変位を推定する処理は、上述した（１）（２）の処理に限定されるものではない。
　第二の変位推定部１２は、推定した第一の変位に含まれる動的に変化するバイアスを除去して、第一の変位を補正し、第二の変位を推定する。第二の変位推定部１２は、例えば、図３の３Ｄに示すように第二の変位を時系列に出力する。
　計測値には動的に変化する雑音成分が含まれている。その動的に変化する雑音成分の影響によって、第一の変位にも雑音成分に対応する動的に変化するバイアスが含まれてしまう。そこで、第二の変位推定部１２は、動的に変化するバイアスを除去する。
　第二の変位推定部について詳細に説明する。
　図４を用いて、第二の変位推定部１２の説明をする。図４は、バイアスを説明するための図である。
　第二の変位推定部１２は、まず、選定されたチャネルｋの、複数の計測値Ｘｋ（ｔｊ）の絶対値（振幅絶対値）が、あらかじめ設定された期間以上、連続してあらかじめ設定された所定値より小さい場合（又は、複数の計測値Ｘｋ（ｔｊ）が図４の範囲Ｍ１以内の場合）、その期間では第一の変位が発生していないと見做し、第一の変位が発生していない期間（図４の期間Ｔ１、Ｔ３）に決定する。
　また、第二の変位推定部１２は、選定されたチャネルｋの、計測値Ｘｋ（ｔｊ）の絶対値（振幅絶対値）が、あらかじめ設定された期間以上、連続してあらかじめ設定された所定値以上場合（又は、複数の計測値Ｘｋ（ｔｊ）が図４の範囲Ｍ１の外の場合）、その期間において変位が発生していると見做し、変位が発生する期間（図４の期間Ｔ２）とする。
　あらかじめ設定された期間は、例えば、実験、シミュレータなどにより決定する。変位が発生していない期間（図４の期間Ｔ１、Ｔ３）の判定、及び、変位が発生している期間（図４の期間Ｔ２）の判定に用いる所定値は、例えば、変位が発生しない状態における計測値の標準偏差値を基準に設定する。
　次に、第二の変位推定部１２は、期間Ｔ２の前後の期間Ｔ１、Ｔ３の第一の変位Ｙ０ｋ（ｔｊ）を用いて、図４に示す曲線４１を表すモデル（例えば、多項式）を求める。すなわち、期間Ｔ２におけるバイアスＢｋ（ｔｊ）を算出する。
　次に、第二の変位推定部１２は、第一の変位Ｙ０ｋ（ｔｊ）からバイアスＢｋ（ｔｊ）を減算して、数２に示す第二の変位Ｙ１ｋ（ｔｊ）を算出する。
（数２）
　Ｙ１ｋ（ｔｊ）＝Ｙ０ｋ（ｔｊ）－Ｂｋ（ｔｊ）
 
　バイアスＢｋ（ｔｊ）を表す多項式は、第一の変位が発生する期間Ｔ２の前後の第一の変位が発生しない期間Ｔ１、Ｔ３に含まれる、複数の第一の変位Ｙ０ｋ（ｔｊ）との二乗誤差を最小化するような多項式を求める非線形最小化問題を解くことによって求められる。
　バイアスＢｋ（ｔｊ）バイアスを表す多項式は、チャネルｋの計測値Ｘｋ（ｔ）の変位が発生する期間それぞれについて推定する。
　言い換えると、バイアスを表すモデルは、第一の変位が発生していない期間の変位に適合するよう推定される。あるいは、第一の変位が発生している期間のバイアスを表すモデルは、該期間の前後の、第一の変位が発生していない期間における変位に適合するよう推定されるともいうことができる。
　第一の変位が発生している期間の前後の期間は、必ずしも、該第一の変位が発生している期間と隣接していなくてもよい。また、第一の変位が発生している期間に隣接している期間を用いることで、より正確なモデルを作成することができるという効果を奏する。
　本願発明者は、光ファイバケーブル２０においては、第一の変位が発生していない期間から、次に第一の変位が発生していない期間まで、バイアスが滑らかに変化することを見出した。言い換えると、本願発明者は、光ファイバケーブル２０からの信号を用いる場合には、比較的長周期にて変化する雑音によって、変化を精度よく推定することができないということを見出した。そして、本願発明者は、生成したモデルを用いて、第一の変位が発生している期間の雑音を除去できるということを見出した。
　さらに、第二の変位推定部１２は、第二の変位Ｙ１ｋ（ｔｊ）にあらかじめ設定された係数を乗じて補正し、それを改めてＹ１ｋ（ｔｊ）としてもよい。この係数は、例えば、基準となる別の計測装置（不図示）を使って計測された構造物に発生する変位量の基準値と、該変位量に対応する第二の変位Ｙ１ｋ（ｔｊ）と、の統計的な関係を表す数値である。
［装置動作］
　実施形態１における変位推定装置の動作について図５を用いて説明する。図５は、実施形態１の変位推定装置の動作を説明するための図である。以下の説明においては、適宜図を参照する。また、実施形態１では、変位推定装置を動作させることによって、変位推定方法が実施される。よって、実施形態１における変位推定方法の説明は、以下の変位推定装置の動作説明に代える。
　図５に示すように、まず、サンプリング部１３は、光計測部３０から出力された後方散乱光に対応するデジタル電気信号のなかから、あらかじめ設定されたチャネルの、あらかじめ設定されたサンプル数分の、デジタル電気信号（計測値）を抽出して出力する（ステップＡ１）。
　次に、加速度推定部１４は、計測値を加速度に相当する値に変換する（ステップＡ２）。第一の変位推定部１１は、推定した加速度を用いて構造物２００で発生する第一の変位を推定する（ステップＡ３）。具体的には、第一の変位推定部１１は、上述した（１）（２）の処理を用いて推定することが考えられる。
　次に、第二の変位推定部１２は、推定した第一の変位に含まれる動的に変化するバイアスを除去して、第一の変位を補正し、第二の変位を推定する（ステップＡ４）。
　ステップＡ４においては、まず、第二の変位推定部１２は、選定されたチャネルｋの、複数の計測値Ｘｋ（ｔｊ）の絶対値（振幅絶対値）が、あらかじめ設定された期間以上、連続してあらかじめ設定された所定値より小さい場合（又は、複数の計測値Ｘｋ（ｔｊ）が図４の範囲Ｍ１以内の場合）、その期間では第一の変位が発生していないと見做し、第一の変位が発生していない期間（図４の期間Ｔ１、Ｔ３）に決定する。
　また、ステップＡ４においては、第二の変位推定部１２は、選定されたチャネルｋの、計測値Ｘｋ（ｔｊ）の絶対値（振幅絶対値）が、あらかじめ設定された期間以上、連続してあらかじめ設定された所定値以上場合（又は、複数の計測値Ｘｋ（ｔｊ）が図４の範囲Ｍ１の外の場合）、その期間において変位が発生していると見做し、変位が発生する期間（図４の期間Ｔ２）とする。
　次に、ステップＡ４においては、第二の変位推定部１２は、期間Ｔ２の前後の期間Ｔ１、Ｔ３の第一の変位Ｙ０ｋ（ｔｊ）を用いて、図４に示す曲線４１を表す多項式を求める。すなわち、期間Ｔ２におけるバイアスＢｋ（ｔｊ）を算出する。
　次に、ステップＡ４においては、第二の変位推定部１２は、第一の変位Ｙ０ｋ（ｔｊ）からバイアスＢｋ（ｔｊ）を減算して、数２に示す第二の変位Ｙ１ｋ（ｔｊ）を算出する。
　バイアスＢｋ（ｔｊ）を表す多項式は、第一の変位が発生する期間Ｔ２の前後の第一の変位が発生しない期間Ｔ１、Ｔ３に含まれる、複数の第一の変位Ｙ０ｋ（ｔｊ）との二乗誤差を最小化するような多項式を求める非線形最小化問題を解くことによって求められる。
　バイアスＢｋ（ｔｊ）バイアスを表す多項式は、チャネルｋの計測値Ｘｋ（ｔ）の変位が発生する期間それぞれについて推定する。
［実施形態１の効果］
　実施形態１によれば、推定した変位（第一の変位）から、推定したバイアスを除去することで、精度のよい変位（第二の変位）を推定できる。さらに、既存の通信用光ファイバケーブルを活用することで変位を得るための新たなセンサを計測対象の構造物もしくは周囲に設置することが不要になる。
　また、敷設されている光ファイバケーブルを用いて、精度のよい変位（第二の変位）を推定できる。
［プログラム］
　実施形態１におけるプログラムは、コンピュータに、図５に示すステップＡ１からＡ４を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、実施形態１における変位推定装置と変位推定方法とを実現することができる。この場合、コンピュータのプロセッサは、サンプリング部１３、加速度推定部１４、第一の変位推定部１１、第二の変位推定部１２として機能し、処理を行なう。
　また、実施形態１におけるプログラムは、複数のコンピュータによって構築されたコンピュータシステムによって実行されてもよい。この場合は、例えば、各コンピュータが、それぞれ、サンプリング部１３、加速度推定部１４、第一の変位推定部１１、第二の変位推定部１２のいずれかとして機能してもよい。
（実施形態２）
　実施形態２では、実施形態１で説明した、第一の変位推定部１１と第二の変位推定部１２が実行するチャネルの選定について説明する。
　図６は、実施形態２の変位推定装置を有するシステムの一例を説明するための図である。図６に示すように、実施形態２におけるシステム６００は、変位推定装置６０と、光ファイバケーブル２０と、光計測部３０とを有する。なお、変位推定装置６０と、光計測部３０とを一つの装置としてもよい。
　実施形態２の変位推定装置６０は、サンプリング部１３と、加速度推定部１４と、第一の変位推定部１１と、第二の変位推定部１２と、計測位置取得部６１とを有する。
　なお、図６に示した、サンプリング部１３と、加速度推定部１４と、第一の変位推定部１１と、第二の変位推定部１２とについては、実施形態１において既に説明をしたので、詳細な説明を省略する。
　計測位置取得部６１は、光ファイバケーブル２０の軸方向の計測位置と、構造物２００の位置とが関連付けられた計測位置情報を取得する。その後、第一の変位推定部１１、第二の変位推定部１２は、計測位置情報を参照して、構造物２００の計測位置を表すチャネルを選定する。
　計測位置取得部６１は、まず、計測位置情報を記憶装置（不図示）から取得する。計測位置情報は、光ファイバケーブル２０の軸方向の計測位置（計測点Ｃｈ１、Ｃｈ２・・・）と、光ファイバケーブル２０が敷設されている構造物２００の位置（計測点Ｃｈ１、Ｃｈ２・・・に対応する位置）とが関連付けられた情報である。
　また、計測位置情報は、チャネルｋと、距離ｐ（ｋ）とを関数で近似した情報を用いてもよい。光ファイバケーブル２０の計測位置（チャネルｋ）は、パルス光を入射する側の光ファイバケーブル２０の端部（始点）から計測点（終点）までの距離ｐ（ｋ）により表される。
　なお、光ファイバケーブル２０の計測位置と、構造物２００の位置との関連付けは、例えば、光ファイバケーブル２０を構造物２００に敷設した際に用いた工事用図面情報を参照して関連付ける。工事用図面情報は、記憶装置（不図示）に記憶されている。
　また、光ファイバケーブル２０の計測位置と、構造物２００の位置との関連付けは、例えば、チャネルごとの時系列の計測値から特徴的な性質を有する点（チャネル）を算出し、算出した点（チャネル）を基準とした計測位置情報を用いてもよい。
　特徴的な点は、例えば、チャネルごとの時系列の計測値の最大絶対値を求め、それが観測された点（チャネル）を特徴的な性質を有する点（チャネル）とする。最大絶対値を用いる場合、特徴的な性質を有する点（チャネル）は計測値の強度が高いことを示しており、計測値から求まる変位量も大きいことが予測できる。そこで、最大絶対値の最頻点（チャネル）を構造物２００の変位が最も大きいと想定される構造物２００の位置に関連付けてもよい。
　例えば、構造物２００が橋梁である場合、橋梁の上部構造の径間の中央の変位が最も大きいと想定されることを利用して、最大絶対値が計測された位置を、橋梁の上部構造の中央と見做して基準点を設定し、橋梁の範囲にある光ファイバケーブルのチャネルと橋梁の位置とを対応させる。さらに、基準点と径間長を利用して橋梁の端点を特定し、これらの位置とチャネルとを対応付けてもよい。なお、上部構造に着目した例を述べたが、上部構造に限らない。例えば、橋梁の下部構造、支承部などにも適用できる。
　上部構造は、床構造と主構造と有する。床構造は、床版、床組などにより形成される。主構造は、主桁などを有し、床構造を支えて荷重を下部構造へ伝達する。
　下部構造は、上部構造を支え荷重を地盤に伝達する、橋梁の両端に設けられる橋台、橋梁の中間に設けられる橋脚、それらを支える基礎を有する。
　支承部は、上部構造と下部構造との間に設置される部材である。支承部は、上部構造にかかる荷重を下部構造に伝達する。
　又は、複数の加速度を用いて構造物２００の振動モード解析を行い、モード形状から構造物２００との対応を推定してもよい。モード形状は、例えば、Shohei Kinoshita, Shigeru Kasai, Murtuza Petladwala, and Takaku, Hideaki.，「Slab Vibration Model Coupled with pier Structure on Continuous Girder Bridge」, 文献　European Workshop on Structural Health Monitoring 2020, pp.256-265などに開示された方法により求める。
　例えば、構造物２００が橋梁である場合、モードの節と腹に相当する部分から上部構造の中央、端点などの位置（チャネル）を特定し、それらの一部又は全部を基準点と設定し、橋梁の範囲にある光ファイバケーブル２０のチャネルと橋梁の位置を対応させる。
　次に、実施形態１で説明した、第一の変位推定部１１のチャネルの選定は、構造物２００において最も変位が大きいと想定される位置に対応するチャネルを、計測位置情報を参照して決定する。
　複数のチャネルを選定する場合、最も変位が大きいと想定される位置に対応するチャネルを含むよう、計測位置情報を参照して決定する。
　次に、実施形態１で説明した、第二の変位推定部１２のチャネルの選定は、構造物２００において最も変位が大きいと想定される部分に対応するチャネルを、計測位置情報を参照して決定する。
［装置動作］
　実施形態２における変位推定装置の動作について図７を用いて説明する。図７は、実施形態２の変位推定装置の動作を説明するための図である。以下の説明においては、適宜図を参照する。また、実施形態２では、変位推定装置を動作させることによって、変位推定方法が実施される。よって、実施形態２における変位推定方法の説明は、以下の変位推定装置の動作説明に代える。
　ステップＡ１からＡ４については既に実施形態１で説明したので、ステップＡ１からＡ４については詳細な説明を省略する。
　ステップＢ１において、計測位置取得部６１は、光ファイバケーブル２０の軸方向の計測位置と、構造物２００の位置とが関連付けられた計測位置情報を取得する。
　次に、ステップＡ３、Ａ４において、第一の変位推定部１１、第二の変位推定部１２は、計測位置情報を参照して、構造物２００の計測位置を表すチャネルを選定する。
　ステップＡ３において、第一の変位推定部１１のチャネルを選定する場合、構造物２００において最も変位が大きいと想定される位置に対応するチャネルを、計測位置情報を参照して決定する。その後、第一の変位推定部１１は、推定した加速度を用いて構造物２００で発生する第一の変位を推定する。
　また、複数のチャネルを選定する場合、最も変位が大きいと想定される位置に対応するチャネルを含むよう、計測位置情報を参照して決定する。
　その後、第一の変位推定部１１は、推定した加速度を用いて構造物２００で発生する第一の変位を推定する。
　ステップＡ４において、第二の変位推定部１２のチャネルを選定する場合、構造物２００において最も変位が大きいと想定される部分に対応するチャネルを、計測位置情報を参照して決定する。
　その後、第二の変位推定部１２は、推定した第一の変位に含まれる動的に変化するバイアスを除去して、第一の変位を補正し、第二の変位を推定する。
［実施形態２の効果］
　このように、計測位置情報を参照することで、構造物の変位を精度よく推定できる。さらに、既存の通信用の光ファイバケーブルを活用することで、変位を得るための新たなセンサを計測対象の構造物もしくは周囲に設置することが不要になる。
［プログラム］
　実施形態２におけるプログラムは、コンピュータに、図７に示すステップＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ａ３、Ａ４を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、実施形態２における変位推定装置と変位推定方法とを実現することができる。この場合、コンピュータのプロセッサは、サンプリング部１３、加速度推定部１４、第一の変位推定部１１、第二の変位推定部１２、計測位置取得部６１として機能し、処理を行なう。
　また、実施形態２におけるプログラムは、複数のコンピュータによって構築されたコンピュータシステムによって実行されてもよい。この場合は、例えば、各コンピュータが、それぞれ、サンプリング部１３、加速度推定部１４、第一の変位推定部１１、第二の変位推定部１２、計測位置取得部６１のいずれかとして機能してもよい。
［物理構成］
　ここで、実施形態１、２におけるプログラムを実行することによって、変位推定装置を実現するコンピュータについて図８を用いて説明する。図８は、実施形態１、２における変位推定装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。
　図８に示すように、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１と、メインメモリ１１２と、記憶装置１１３と、入力インターフェイス１１４と、表示コントローラ１１５と、データリーダ／ライタ１１６と、通信インターフェイス１１７とを備える。これらの各部は、バス１２１を介して、互いにデータ通信可能に接続される。なお、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ１１１に加えて、又はＣＰＵ１１１に代えて、ＧＰＵ、又はＦＰＧＡを備えていてもよい。
　ＣＰＵ１１１は、記憶装置１１３に格納された、実施形態１、２におけるプログラム（コード）をメインメモリ１１２に展開し、これらを所定順序で実行することにより、各種の演算を実施する。メインメモリ１１２は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性の記憶装置である。また、実施形態１、２におけるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体１２０に格納された状態で提供される。なお、実施形態１、２におけるプログラムは、通信インターフェイス１１７を介して接続されたインターネット上で流通するものであってもよい。なお、記録媒体１２０は、不揮発性記録媒体である。
　また、記憶装置１１３の具体例としては、ハードディスクドライブの他、フラッシュメモリなどの半導体記憶装置があげられる。入力インターフェイス１１４は、ＣＰＵ１１１と、キーボード及びマウスといった入力機器１１８との間のデータ伝送を仲介する。表示コントローラ１１５は、ディスプレイ装置１１９と接続され、ディスプレイ装置１１９での表示を制御する。
　データリーダ／ライタ１１６は、ＣＰＵ１１１と記録媒体１２０との間のデータ伝送を仲介し、記録媒体１２０からのプログラムの読み出し、及びコンピュータ１１０における処理結果の記録媒体１２０への書き込みを実行する。通信インターフェイス１１７は、ＣＰＵ１１１と、他のコンピュータとの間のデータ伝送を仲介する。
　また、記録媒体１２０の具体例としては、ＣＦ（Compact Flash（登録商標））及びＳＤ（Secure Digital）などの汎用的な半導体記憶デバイス、フレキシブルディスク（Flexible Disk）などの磁気記録媒体、又はＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）などの光学記録媒体があげられる。
　なお、実施形態１、２における変位推定装置は、プログラムがインストールされたコンピュータではなく、各部に対応したハードウェアを用いることによっても実現可能である。さらに、変位推定装置は、一部がプログラムで実現され、残りの部分がハードウェアで実現されていてもよい。
　以上、実施形態を参照して発明を説明したが、発明は上述した実施形態に限定されるものではない。発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　上述した記載によれば、敷設されている光ファイバケーブルを用いて構造物の変位を精度よく推定ができる。また、構造物の変位を推定が必要な分野において有用である。
　１０、６０　変位推定装置
　１１　第一の変位推定部
　１２　第二の変位推定部
　１３　サンプリング部
　１４　加速度推定部
　２０　光ファイバケーブル
　３０　光計測部
　３１　投光部
　３２　光サーキュレータ
　３３　受光部
　３４　制御部
　６１　計測位置取得部
１００、６００　システム
２００　構造物
１１０　コンピュータ
１１１　ＣＰＵ
１１２　メインメモリ
１１３　記憶装置
１１４　入力インターフェイス
１１５　表示コントローラ
１１６　データリーダ／ライタ
１１７　通信インターフェイス
１１８　入力機器
１１９　ディスプレイ装置
１２０　記録媒体
１２１　バス
 

Claims (9)

  1. 　構造物に敷設された光ファイバケーブルからの信号の変化に基づいて、前記構造物に発生した第一の変位を推定する、第一の変位推定手段と、
    　推定された前記第一の変位に含まれるバイアスを推定し、前記第一の変位に含まれるバイアスが除去された第二の変位を算出する、第二の変位推定手段と、
    　を有する変位推定装置。
  2. 　前記第一の変位推定手段は、前記信号をサンプリングして得た計測値を用いて加速度を推定し、推定した前記加速度を用いて前記第一の変位を推定する
    　請求項１に記載の変位推定装置。
  3. 　前記第二の変位推定手段は、前記第一の変位が発生した変位発生期間の前後に存在する、変位が発生しない期間に含まれる複数の前記第一の変位を表すモデルを用いて、前記変位発生期間におけるバイアスを推定する
    　請求項２に記載の変位推定装置。
  4. 　前記第二の変位推定手段は、前記計測値の絶対値が、あらかじめ設定された期間以上、連続してあらかじめ設定された所定値より大きい場合、前記所定値以上の前記計測値が連続した期間を前記変位発生期間とし、
    　前記計測値の絶対値が、あらかじめ設定された期間以上、連続してあらかじめ設定された前記所定値より小さい場合、前記所定値より小さい前記計測値が連続した期間を前記変位が発生しない期間とする、
    　請求項３に記載の変位推定装置。
  5. 　前記光ファイバケーブルの軸方向の計測位置と、前記構造物の位置とを関連付ける計測位置情報を用いて、前記光ファイバケーブルの前記計測位置を表すチャネルを選定する、
    　請求項１から３のいずれか一つに記載の変位推定装置。
  6. 　前記モデルは、多項式にて表されている
    　請求項３又は４に記載の変位推定装置。
  7. 　前記変位発生期間の前後の期間は、前記変位発生期間に隣接している
    　請求項３又は４に記載の変位推定装置。
  8. 　処理装置が、構造物に敷設された光ファイバケーブルからの信号の変化に基づいて、前記構造物に発生した第一の変位を推定し、
    　推定された前記第一の変位に含まれるバイアスを推定し、前記第一の変位に含まれるバイアスが除去された第二の変位を算出する、
    　変位推定方法。
  9. 　コンピュータに、
    　構造物に敷設された光ファイバケーブルからの信号の変化に基づいて、前記構造物に発生した第一の変位を推定させ、
    　推定された前記第一の変位に含まれるバイアスを推定させ、前記第一の変位に含まれるバイアスが除去された第二の変位を算出させる、
    　命令を含むプログラムを記録しているコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
     
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