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JP7777653B2 - Structural Deterioration Diagnostic System - Google Patents
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JP7777653B2 - Structural Deterioration Diagnostic System - Google Patents

Structural Deterioration Diagnostic System

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JP7777653B2 JP2024194242A JP2024194242A JP7777653B2 JP 7777653 B2 JP7777653 B2 JP 7777653B2 JP 2024194242 A JP2024194242 A JP 2024194242A JP 2024194242 A JP2024194242 A JP 2024194242A JP 7777653 B2 JP7777653 B2 JP 7777653B2
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Description

本開示は、センサにより検出された加速度情報を用いて橋梁等の構造物の劣化診断を行う際に、構造物の劣化が発生したか、あるいはセンサの異常が発生したかを識別することのできる構造物劣化診断システムに関する。 This disclosure relates to a structural deterioration diagnosis system that can identify whether a structure has deteriorated or a sensor has malfunctioned when diagnosing the deterioration of a structure such as a bridge using acceleration information detected by a sensor.

例えば、車両が通過する橋梁に相当する構造物は、車両の通過に伴う経年変化によって次第に劣化する。橋梁のような構造物は、壊れてしまう前に劣化状態を検知することが重要となる。 For example, structures such as bridges over which vehicles pass will gradually deteriorate over time as vehicles pass by. It is important to detect the deterioration of structures such as bridges before they break.

橋梁の劣化診断を行う従来技術として、複数のセンサに基づいて算出された傾きあるいは固有振動数の変化から、センサの異常(故障)診断を行うものがある(例えば、特許文献1参照)。具体的には、複数のセンサの検出結果に基づく確率密度分布の比が許容範囲を逸脱することで、センサ自身の故障診断を可能としている。この結果、センサの健全性を確認した上で、劣化診断の信頼性を確保することができる構造物劣化診断システムを実現できる。 Prior art for diagnosing bridge deterioration involves diagnosing sensor abnormalities (failures) from changes in tilt or natural frequency calculated based on multiple sensors (see, for example, Patent Document 1). Specifically, when the ratio of probability density distributions based on the detection results of multiple sensors deviates from an acceptable range, it becomes possible to diagnose a failure in the sensor itself. As a result, a structural deterioration diagnosis system can be realized that can confirm the soundness of the sensors and ensure the reliability of deterioration diagnosis.

特許6081867号公報Patent No. 6081867

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献1では、複数のセンサによる検出結果を相互に比較することで、センサの異常(故障)診断を行っている。すなわち、構造物の劣化が発生したか、あるいはセンサの異常が発生したかを識別するためには、複数のセンサの検出結果を比較する必要があった。
However, the conventional techniques have the following problems.
In Patent Document 1, the detection results of a plurality of sensors are compared with each other to diagnose abnormalities (failures) of the sensors. That is, in order to identify whether deterioration of the structure or an abnormality in the sensor has occurred, it is necessary to compare the detection results of the plurality of sensors.

また、傾きの確率密度分布を複数センサ間で比較する場合には、センサ位置あるいはセンサの温度特性の影響によっては、構造物異常かセンサ故障かの判断がつけられない場合があった。 Furthermore, when comparing the probability density distribution of slopes between multiple sensors, it was sometimes impossible to determine whether the problem was a structural abnormality or a sensor failure, depending on the influence of the sensor position or temperature characteristics.

本開示は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、1つのセンサによる検出結果から、構造物異常かセンサ故障かを識別することができる構造物劣化診断システムを得ることを目的とする。 This disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a structural deterioration diagnosis system that can distinguish between structural abnormalities and sensor failure from the detection results of a single sensor.

本開示に係る構造物劣化診断システムは、劣化診断対象である構造物に設置され、構造物の加速度情報を出力するセンサと、センサから出力された加速度情報に基づいて、構造物の劣化が発生したか否かを判断するセンサコントローラとを備え、センサコントローラは、加速度情報における直流成分を含まない振動成分に基づいて活荷重変位を算出し、活荷重変位の時間推移から最大変位量における最頻値の時系列データを温度に依存して変化しない特徴量として算出し、最頻値の時系列データに基づいて、構造物の劣化判断指標となる異常度を算出し、異常度が閾値を超えている場合には、構造物の劣化が発生したと判断するものである。 The structure deterioration diagnosis system disclosed herein comprises a sensor that is installed in a structure to be diagnosed for deterioration and outputs acceleration information of the structure, and a sensor controller that determines whether deterioration of the structure has occurred based on the acceleration information output from the sensor.The sensor controller calculates live load displacement based on vibration components that do not contain DC components in the acceleration information , calculates time series data of the most frequent value at the maximum displacement amount from the time progression of the live load displacement as a feature that does not change depending on temperature , calculates an abnormality degree that serves as an indicator for determining deterioration of the structure based on the time series data of the most frequent value , and determines that deterioration of the structure has occurred if the abnormality degree exceeds a threshold value.

本開示によれば、1つのセンサによる検出結果から、構造物異常かセンサ故障かを識別することができる構造物劣化診断システムを得ることができる。 This disclosure provides a structural deterioration diagnosis system that can distinguish between structural abnormalities and sensor failure from the detection results of a single sensor.

本開示の実施の形態1に係る構造物劣化診断システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a structure deterioration diagnosis system according to a first embodiment of the present disclosure; 本開示の実施の形態1に係る構造物劣化診断システムの診断対象である構造物にセンサが設置された状態を示した説明図である。1 is an explanatory diagram showing a state in which a sensor is installed in a structure that is a diagnosis target of a structure deterioration diagnosis system according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1において、傾きを特徴量とした場合の、傾きの時間推移、傾きと温度の関係性、および傾き異常度を示した図である。10A to 10C are diagrams illustrating a time transition of a slope, a relationship between the slope and temperature, and a slope abnormality degree when the slope is used as a feature amount in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1において、固有振動数を特徴量とした場合の、固有振動数の時間推移、固有振動数と温度の関係性、および固有振動数異常度を示した図である。10A to 10C are diagrams illustrating a time transition of the natural frequency, a relationship between the natural frequency and temperature, and a natural frequency anomaly degree when the natural frequency is used as a feature quantity in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1において、活荷重変位を特徴量とした場合の、活荷重変位の時間推移、活荷重変位と温度の関係性、および活荷重変位異常度を示した図である。10A and 10B are diagrams showing the time progression of live load displacement, the relationship between live load displacement and temperature, and the live load displacement abnormality degree when live load displacement is used as a feature quantity in embodiment 1 of the present disclosure. 本開示の実施の形態1におけるセンサから出力される3軸の加速度情報を用いて特徴量の1つである傾きを算出する場合の説明図である。10 is an explanatory diagram illustrating a case where a tilt, which is one of the feature quantities, is calculated using three-axis acceleration information output from a sensor according to the first embodiment of the present disclosure. FIG. 本開示の実施の形態1において、傾き異常度のみが異常状態となり、固有振動数異常度および活荷重変位異常度は異常状態でない場合を示した説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a case where only the tilt anomaly degree is in an abnormal state, and the natural frequency anomaly degree and the live load displacement anomaly degree are not in an abnormal state, in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1において、すべての特徴量に関する異常度が正常状態と判定された場合の各特徴量のヒストグラムと、傾き異常度のみが異常状態と判定された場合の各特徴量のヒストグラムとを比較した図である。FIG. 10 is a diagram comparing a histogram of each feature amount when the abnormality degrees for all feature amounts are determined to be normal and a histogram of each feature amount when only the slope abnormality degree is determined to be abnormal in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1において、傾きの異常度にヒストグラムと、固有振動数のヒストグラムとを統計手法を用いて比較する場合の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram for comparing a histogram of the degree of inclination abnormality with a histogram of natural frequencies using a statistical method in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1に係る構造物劣化診断システムにより実行される構造物異常かセンサ故障かを識別するための一連処理を示したフローチャートである。1 is a flowchart showing a series of processes for identifying whether a structural abnormality or a sensor failure is present, which are executed by the structural deterioration diagnosis system according to the first embodiment of the present disclosure.

以下、本開示の構造物劣化診断システムの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本開示は、1つのセンサの検出結果から複数の特徴量を求め、さらに、複数の特徴量のそれぞれに対応する異常度を求め、複数の異常度の組合せによる劣化診断を行うことで、構造物異常かセンサ故障かを識別することができる機能を有することを技術的特徴とするものである。
Hereinafter, preferred embodiments of the structure deterioration diagnosis system of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
The present disclosure has a technical feature of having the ability to distinguish between a structural abnormality and a sensor failure by determining multiple feature values from the detection results of one sensor, and then determining the degree of abnormality corresponding to each of the multiple feature values, and performing deterioration diagnosis using a combination of the multiple degrees of abnormality.

実施の形態1.
本実施の形態1では、1つのセンサによる測定結果に基づいて構造物の劣化診断を行う際に、構造物異常かセンサ故障かを識別するための具体的な構成について説明する。
Embodiment 1.
In the first embodiment, a specific configuration for distinguishing between a structural abnormality and a sensor failure when diagnosing deterioration of a structure based on the measurement results from one sensor will be described.

図1は、本開示の実施の形態1に係る構造物劣化診断システムの構成図である。本実施の形態1における構造物劣化診断システムは、1つのセンサ10と、センサコントローラ20とを備えて構成されている。 Figure 1 is a configuration diagram of a structure deterioration diagnosis system according to embodiment 1 of the present disclosure. The structure deterioration diagnosis system according to embodiment 1 is configured to include one sensor 10 and a sensor controller 20.

また、図2は、本開示の実施の形態1に係る構造物劣化診断システムの劣化診断対象である構造物にセンサ10が設置された状態を示した説明図である。図2では、構造物の具体例として橋梁30が示されており、図2(A)が橋梁30の側面図、図2(B)が橋梁30の裏面図である。 Figure 2 is an explanatory diagram showing a state in which a sensor 10 is installed in a structure that is the target of deterioration diagnosis by the structure deterioration diagnosis system according to embodiment 1 of the present disclosure. Figure 2 shows a bridge 30 as a specific example of a structure, with Figure 2(A) being a side view of the bridge 30 and Figure 2(B) being a rear view of the bridge 30.

橋梁30は、車両1の通過に伴う経年変化によって次第に劣化する。そこで、本実施の形態1に係る構造物劣化診断システムは、劣化診断に適した位置に設置されたセンサ10により出力された加速度情報をセンサコントローラ20で解析することで、時々刻々と変化する橋梁30の劣化状態を診断する。 Bridges 30 gradually deteriorate over time as vehicles 1 pass over them. Therefore, the structure deterioration diagnosis system according to the first embodiment diagnoses the constantly changing state of deterioration of bridges 30 by using a sensor controller 20 to analyze acceleration information output by sensors 10 installed in positions suitable for deterioration diagnosis.

さらに、本実施の形態1に係るセンサコントローラ20は、1個のセンサ10により出力された加速度情報に基づいて、センサ10が故障しているか否かを判定する機能を備えている。 Furthermore, the sensor controller 20 according to this embodiment 1 has the function of determining whether a sensor 10 is malfunctioning based on the acceleration information output by one sensor 10.

センサ10は、橋梁30の構成部品である主桁31に設置される。ここで、主桁31は、診断対象である構造物の構造体に相当する。図2(B)に示したように、主桁31は、一例として、3本の主桁31a、31b、31cとして構成されている。そして、図2(B)の例では、センサ10が、主桁31bの中央部分(すなわち、左右の支承2の距離に相当する支間の中央部分)に設置されている場合を例示している。この設置位置が、劣化診断に適した位置の一例に相当する。 The sensor 10 is installed on the main girder 31, which is a component of the bridge 30. Here, the main girder 31 corresponds to the structural element of the structure to be diagnosed. As shown in Figure 2(B), the main girder 31 is configured as three main girders 31a, 31b, and 31c, as an example. The example in Figure 2(B) illustrates a case in which the sensor 10 is installed in the center of the main girder 31b (i.e., the center of the span corresponding to the distance between the left and right supports 2). This installation location corresponds to an example of a location suitable for deterioration diagnosis.

なお、以下の説明では、1つのセンサ10による検出結果に基づいて劣化診断を行うとともに、構造物異常かセンサ故障かを識別する具体的な手法について説明する。ただし、センサ10自体は、1つのセンサ10が本実施の形態1とは異なる位置に設置されてもよいし、複数のセンサ10が橋梁30の複数箇所に設置されていてもよい。 The following explanation will explain a specific method for diagnosing deterioration based on the detection results from a single sensor 10 and distinguishing between a structural abnormality and a sensor failure. However, the sensor 10 itself may be installed in a different location from that in the first embodiment, or multiple sensors 10 may be installed in multiple locations on the bridge 30.

複数のセンサ10が設置されている場合には、センサコントローラ20は、個別のセンサ10の設置位置における個別の検出結果に基づいて、それぞれのセンサ10について、構造物異常を検出したか、あるいはセンサ故障であるかを識別することができる。 When multiple sensors 10 are installed, the sensor controller 20 can identify whether a structural abnormality or sensor failure has been detected for each sensor 10 based on the individual detection results at the installation location of each sensor 10.

センサ10は、橋梁30に発生する加速度情報を検出し、センサコントローラ20に対して加速度情報を出力する。センサ10の一例としては、薄膜の水晶振動子を用い、応答性に優れ、測定範囲がDC~数十Hz程度の加速度を測定可能な3軸加速度センサが挙げられる。 Sensor 10 detects acceleration information occurring on bridge 30 and outputs the acceleration information to sensor controller 20. One example of sensor 10 is a three-axis acceleration sensor that uses a thin-film quartz crystal oscillator, has excellent responsiveness, and can measure accelerations in the measurement range from DC to several tens of Hz.

このように、センサ10として3軸の加速度センサを用いることにより、水平出しが不要となり、傾きや振動の方向に関わらず、センサ出力を行うことができる。したがって、水平出しを行うなど、傾きの方向などが特定できる場合には、2軸あるいは1軸の加速度センサであってもよい。 In this way, by using a three-axis acceleration sensor as sensor 10, leveling is not necessary and sensor output can be obtained regardless of the direction of tilt or vibration. Therefore, if the direction of tilt can be determined, such as by leveling, a two-axis or one-axis acceleration sensor may be used.

また、センサ10は、設置箇所における構造物の3軸の加速度に関するアナログ信号を、所定のサンプリングレート(例えば、50Hzのサンプリングレート)でデジタル信号に変換し、加速度情報としてセンサコントローラ20へ送信することができる。 The sensor 10 can also convert analog signals related to the three-axis acceleration of the structure at the installation location into digital signals at a predetermined sampling rate (e.g., a sampling rate of 50 Hz) and transmit them to the sensor controller 20 as acceleration information.

センサ10から出力される加速度情報を受信するセンサコントローラ20は、先の図1に示したように、特徴量変換部21、異常度算出部22、および異常/故障判定部23を備えて構成されている。 The sensor controller 20, which receives the acceleration information output from the sensor 10, is configured with a feature conversion unit 21, an abnormality degree calculation unit 22, and an abnormality/fault determination unit 23, as shown in Figure 1 above.

特徴量変換部21は、センサ10から受信した加速度情報を、センサ10の設置位置における構造物に関する傾き、固有振動数、変位に変換する。ここで、傾き、固有振動数、変位のそれぞれは、構造物の劣化を診断するための指標値となる特徴量に相当する。 The feature conversion unit 21 converts the acceleration information received from the sensor 10 into the tilt, natural frequency, and displacement of the structure at the installation position of the sensor 10. Here, the tilt, natural frequency, and displacement each correspond to feature values that serve as index values for diagnosing deterioration of the structure.

なお、本実施の形態1における「変位」は、活荷重変位を意味している。ここで、活荷重とは、荷重の大きさが一定ではなく、その作用位置が変化するものを意味している。このような活荷重が変位する要因としては、橋梁30を通過する車両1の重量のほか、橋梁30そのものの自重、地震によって橋梁30に働く慣性力などが挙げられる。以下の説明では、「変位」と「活荷重変位」を同義として扱う。 In the present embodiment, "displacement" refers to live load displacement. Here, live load refers to a load whose magnitude is not constant and whose position of action changes. Factors that cause such live load displacement include the weight of a vehicle 1 passing over the bridge 30, the weight of the bridge 30 itself, and the inertial force acting on the bridge 30 due to an earthquake. In the following explanation, "displacement" and "live load displacement" are treated as synonyms.

異常度算出部22は、特徴量変換部21による変換処理で生成された複数の特徴量である傾き、固有振動数、活荷重変位のそれぞれについて、異常度を算出する。傾き、固有振動数、活荷重変位のそれぞれについて、以下に個別に異常度の算出方法を詳細に説明する。 The anomaly degree calculation unit 22 calculates the anomaly degree for each of the multiple feature quantities generated by the conversion process by the feature quantity conversion unit 21: tilt, natural frequency, and live load displacement. Below, the method for calculating the anomaly degree for each of tilt, natural frequency, and live load displacement will be explained in detail.

図3は、本開示の実施の形態1において、傾きを特徴量とした場合の、傾きの時間推移、傾きと温度の関係性、および傾き異常度を示した図である。図3(A)は、縦軸を傾き、横軸を日付とした、傾きの時間推移を示している。傾きに関する特徴量は、温度に依存して変化していることがわかる。さらに、図3(A)において、特徴量である傾きに対して、異常状態を判定するための閾値を設定することは困難であることがわかる。 Figure 3 shows the time progression of the slope, the relationship between the slope and temperature, and the degree of slope abnormality when the slope is used as a feature in embodiment 1 of the present disclosure. Figure 3(A) shows the time progression of the slope, with the vertical axis representing the slope and the horizontal axis representing the date. It can be seen that the feature related to the slope changes depending on the temperature. Furthermore, Figure 3(A) shows that it is difficult to set a threshold for determining an abnormal state for the slope, which is a feature.

図3(B)は、縦軸を傾き、横軸を温度とした、傾きと温度の関係を示している。図3(B)では、「予測分布」、「正常データ分布」、および「異常データ分布」が示されている。 Figure 3(B) shows the relationship between slope and temperature, with the vertical axis representing slope and the horizontal axis representing temperature. Figure 3(B) shows the "predicted distribution," "normal data distribution," and "abnormal data distribution."

「予測分布」は、図3(A)に示した「学習期間」において算出した傾きに関する推移状態を示す時系列データから、温度を入力とし、傾きを出力としたときの傾きと温度の関係性から作成できる分布である。 The "predictive distribution" is a distribution that can be created from the relationship between the slope and temperature when temperature is the input and the slope is the output, using time series data showing the transition state of the slope calculated during the "learning period" shown in Figure 3(A).

具体的には、異常度算出部22は、ガウス過程回帰を利用して、学習期間において得られた時系列データから、入力である温度と出力である傾きとの関係を、応答曲面あるいは回帰直線という形でモデル化する。さらに、異常度算出部22は、モデル化された応答曲面あるいは回帰直線から、例えば3σの範囲を「予測分布」として作成することができる。 Specifically, the anomaly calculation unit 22 uses Gaussian process regression to model the relationship between the input temperature and the output slope from the time series data obtained during the learning period in the form of a response surface or regression line. Furthermore, the anomaly calculation unit 22 can create a "predicted distribution," for example, a 3σ range, from the modeled response surface or regression line.

換言すると、「予測分布」は、学習期間において得られた時系列データから推定したガウス分布の共分散行列を使った統計処理によって特定される信頼区間に相当する。 In other words, the "predictive distribution" corresponds to a confidence interval determined by statistical processing using the covariance matrix of a Gaussian distribution estimated from the time series data obtained during the learning period.

一方、「正常データ分布」および「異常データ分布」は、図3(A)に示した「学習期間」の後の「判定期間」において収集された時系列データをプロットした分布であり、予測分布の範囲内に含まれるデータの分布が正常データ分布に相当し、予測分布の範囲外となるデータの分布が異常データ分布に相当する。 On the other hand, the "normal data distribution" and "abnormal data distribution" are distributions plotted from time series data collected during the "assessment period" after the "learning period" shown in Figure 3(A), with the distribution of data that falls within the range of the predicted distribution corresponding to the normal data distribution, and the distribution of data that falls outside the range of the predicted distribution corresponding to the abnormal data distribution.

このようなガウス過程回帰を利用する重要な特徴の1つは、その非線形性であり、入出力関係が線形回帰ではうまくフィッティングできない場合にも、有効である。もう1つの重要な特徴は、ベイズ推定を用いている点であり、ノンパラメトリックな回帰モデルである点にある。 One of the important features of using Gaussian process regression is its nonlinearity, making it effective even when the input-output relationship cannot be fitted well using linear regression. Another important feature is that it uses Bayesian estimation, making it a nonparametric regression model.

そこで、図3(B)に示したような「異常データ分布」の状態の有無を判断するための指標となる異常度を算出する具体的な手法について、数式および図3(C)を用いてさらに説明する。 Here, we will further explain, using mathematical formulas and Figure 3(C), a specific method for calculating the degree of anomaly, which serves as an index for determining whether or not an "abnormal data distribution" state like that shown in Figure 3(B) exists.

温度を入力とし、傾きを出力としたときの、ガウス過程回帰を利用した異常度の算出手順は、以下のようになる。
<手順1>N組の学習データを考えたとき,入力の学習データを
とし、出力の学習データを
とし学習データを
とする。
The procedure for calculating the degree of anomaly using Gaussian process regression when the temperature is the input and the slope is the output is as follows:
<Step 1> Consider N sets of training data, and then set the input training data as
Then, the output learning data is
Let the training data be
Let's say.

<手順2>任意の座標xにおける応答曲面(1次元の場合は曲線)の出力をf(x)とする。観測時のノイズを表すモデルは、平均値0、分散値σ2の正規分布に従うものと仮定すると、下式(1)となる。
<Step 2> Let f(x) be the output of the response surface (or curve in the case of one dimension) at any coordinate x. Assuming that the model representing noise during observation follows a normal distribution with a mean value of 0 and a variance of σ2, the following equation (1) is obtained.

<手順3>入力xにおける応答曲面の値f(x)の分布が、あるデータDから
として得られていれば、信頼区間に相当する予測分布は下式(2)として表現される。
<Step 3> The distribution of the response surface value f(x) for input x is calculated from the data D.
If the above equation is obtained, the prediction distribution corresponding to the confidence interval is expressed as the following equation (2).

<手順4>応答曲面の滑らかさに関するモデルについては、任意入力xとx’における応答曲面の値をそれぞれf(x)、f(x’)する。このとき、f(x)とf(x’)は、下式(3)のような確率分布に従う。
<Step 4> For a model related to the smoothness of the response surface, let f(x) and f(x') be the values of the response surface for arbitrary inputs x and x', respectively. At this time, f(x) and f(x') follow the probability distribution shown in the following equation (3).

ここで、Kはカーネル関数であり、直感的には、「xとx’がどのくらい似ているか」を表す関数である。カーネル関数としては、RBF(radial basis function:動径基底関数)カーネル等がよく利用される。 Here, K is a kernel function, which intuitively expresses "how similar x and x' are." An RBF (radial basis function) kernel is often used as the kernel function.

一般に下式(4)に示すN個の入力
があった場合、fNは、下式(5)の事前分布(prior distribution)に従う。
Generally, N inputs shown in the following formula (4) are used.
If there is a prior distribution of fN, then fN follows the prior distribution of equation (5) below.

これがガウス過程の基本的な想定である。ただし、K(x、x’)は、入力がN個ならN×N行列になり、入力が2個であれば、上式(3)のように2×2行列になる。 This is the basic assumption of a Gaussian process. However, if there are N inputs, K(x, x') becomes an NxN matrix, and if there are two inputs, it becomes a 2x2 matrix as shown in equation (3) above.

<手順5>異常度α(x’)は、GPRの、予測分布の平均
と分散
を用いて、下式(6)により計算することができる。
<Step 5> The degree of anomaly α(x') is the mean of the predictive distribution of GPR.
and dispersion
It can be calculated using the following formula (6).

すなわち、各特徴量に対応するそれぞれの異常度は、学習期間において算出された予測分布(信頼区間に相当)に基づいて算出することができる。 In other words, the degree of anomaly corresponding to each feature can be calculated based on the predictive distribution (equivalent to the confidence interval) calculated during the learning period.

以上の手順で傾きに関する異常度を、学習期間および判定期間にわたって算出したものが、図3(C)に示した傾き異常度となる。適切な閾値を設定し、閾値以上となる異常度があるか否かを判断することで、図3(B)に示した異常データ分布の状態が発生していることを定量的に判断することができる。 The degree of anomaly related to the slope calculated using the above procedure over the learning period and the evaluation period is the degree of slope anomaly shown in Figure 3(C). By setting an appropriate threshold and determining whether there is an anomaly that exceeds the threshold, it is possible to quantitatively determine whether the abnormal data distribution state shown in Figure 3(B) is occurring.

このような一連の処理を行うことで、異常度算出部22は、特徴量である傾きを、異常状態の有無を高精度に判定するための指標値である異常度に変換することができる。この結果、特徴量として傾きを使用する際に、傾きに対しては、センサごとに温度依存の度合いが異なることもあり、異常状態を判定するための閾値を設定することが困難であったが、傾きから算出した傾き異常度に対しては、異常状態を判定するための閾値を容易に設定することができる。 By performing this series of processes, the anomaly degree calculation unit 22 can convert the slope, which is a feature quantity, into an anomaly degree, which is an index value for determining with high accuracy whether an abnormal state exists. As a result, when using the slope as a feature quantity, it was difficult to set a threshold value for determining an abnormal state because the degree of temperature dependence of the slope differs for each sensor. However, for the slope anomaly degree calculated from the slope, a threshold value for determining an abnormal state can be easily set.

すなわち、センサコントローラ20は、傾き異常度を用いた判定を行う機能を有することで、温度変動の影響を考慮して上で、傾きに基づく異常状態の識別を高精度に行うことが可能となる。 In other words, by having the function of making judgments using the degree of tilt abnormality, the sensor controller 20 is able to accurately identify abnormal conditions based on tilt while taking into account the effects of temperature fluctuations.

次に、特徴量として固有振動数を用いる場合について説明する。図4は、本開示の実施の形態1において、固有振動数を特徴量とした場合の、固有振動数の時間推移、固有振動数と温度の関係性、および固有振動数異常度を示した図である。 Next, we will explain the case where the natural frequency is used as a feature quantity. Figure 4 shows the time progression of the natural frequency, the relationship between the natural frequency and temperature, and the natural frequency anomaly degree when the natural frequency is used as a feature quantity in embodiment 1 of the present disclosure.

図4(A)は、縦軸を固有振動数、横軸を日付とした、固有振動数の時間推移を示している。固有振動数に関する特徴量は、傾きと同様に、温度に依存して変化していることがわかる。従って、傾きと同様に、固有振動数の場合も、異常状態を判定するための閾値を設定することは困難であることがわかる。 Figure 4(A) shows the time progression of the natural frequency, with the vertical axis representing the natural frequency and the horizontal axis representing the date. It can be seen that the characteristic quantities related to the natural frequency, like the slope, change depending on the temperature. Therefore, just like the slope, it is clear that it is difficult to set a threshold value for determining an abnormal state in the case of the natural frequency as well.

そこで、先の図3で説明した傾きの場合と同様にして、特徴量として固有振動数を使用する場合にも、図4(B)に示した固有振動数と温度の関係性、および図4(C)に示した固有振動数異常度を求めることができる。 Therefore, in the same way as in the case of the slope described above in Figure 3, when the natural frequency is used as the feature, the relationship between the natural frequency and temperature shown in Figure 4(B) and the natural frequency anomaly degree shown in Figure 4(C) can be obtained.

詳細な説明は省略するが、傾きの場合と同様の一連の処理を行うことで、異常度算出部22は、特徴量である固有振動数を、異常状態の有無を高精度に判定するための指標値である異常度に変換することができる。この結果、特徴量として固有振動数を使用する際に、固有振動数に対しては、異常状態を判定するための閾値を設定することが困難であったが、固有振動数から算出した固有振動数異常度に対しては、異常状態を判定するための閾値を容易に設定することができる。 Although a detailed explanation will be omitted, by performing a series of processes similar to those for the slope, the anomaly degree calculation unit 22 can convert the natural frequency, which is a feature quantity, into an anomaly degree, which is an index value for determining with high accuracy whether an abnormal state exists. As a result, when using the natural frequency as a feature quantity, it was difficult to set a threshold value for determining an abnormal state for the natural frequency. However, for the natural frequency anomaly degree calculated from the natural frequency, it is now easy to set a threshold value for determining an abnormal state.

すなわち、センサコントローラ20は、固有振動数異常度を用いた判定を行う機能を有することで、温度変動の影響を考慮して上で固有振動数に基づく異常状態の識別を高精度に行うことが可能となる。 In other words, by having the function of making judgments using the natural frequency abnormality degree, the sensor controller 20 is able to accurately identify abnormal conditions based on the natural frequency while taking into account the effects of temperature fluctuations.

次に、特徴量として活荷重変位を用いる場合について説明する。図5は、本開示の実施の形態1において、活荷重変位を特徴量とした場合の、活荷重変位の時間推移、活荷重変位と温度の関係性、および活荷重変位異常度を示した図である。 Next, we will explain the case where live load displacement is used as a feature quantity. Figure 5 is a diagram showing the time progression of live load displacement, the relationship between live load displacement and temperature, and the live load displacement anomaly degree when live load displacement is used as a feature quantity in embodiment 1 of the present disclosure.

図5(A)は、縦軸を活荷重変位、横軸を日付とした、活荷重変位の時間推移を示している。活荷重変位に関する特徴量は、傾きおよび固有振動数とは異なり、温度に依存して変化しない。活荷重変位が温度に依存して変化しない理由は、最大変位量における最頻値は、車の走行量、走行スピード、重量などの影響の方が大きく、温度の影響はそれに対して小さいことが挙げられる。 Figure 5 (A) shows the time progression of live load displacement, with the vertical axis representing live load displacement and the horizontal axis representing date. Unlike the inclination and natural frequency, the characteristic quantities related to live load displacement do not change with temperature. The reason that live load displacement does not change with temperature is that the most frequent value for maximum displacement is more influenced by factors such as the amount of travel, speed, and weight of the vehicle, while the influence of temperature is relatively small.

図5(B)に示したように、温度に依存しない特徴量である活荷重変位を用いる場合にも、「予測分布」は、学習期間において得られた時系列データから推定したガウス分布の共分散行列を使って信頼区間に相当する分布として計算できる。 As shown in Figure 5(B), even when using live load displacement, a feature that is independent of temperature, the "prediction distribution" can be calculated as a distribution equivalent to the confidence interval using the covariance matrix of the Gaussian distribution estimated from the time series data obtained during the learning period.

一例として、温度に依存しない特徴量である活荷重変位を用いる場合には、異常度算出部22は、例えば、ホテリングのT2法を用いて、下式(7)により異常度α(x’)を求めることが考えられる。
As an example, when using live load displacement, which is a feature independent of temperature, the abnormality calculation unit 22 may use, for example, Hotelling's T2 method to calculate the abnormality α(x') using the following equation (7):

なお、上式(7)において、x’はデータ、μに^が付されたものは平均値、σに^が付されたものは分散値を意味している。 In the above equation (7), x' represents the data, μ with a ^ represents the mean value, and σ with a ^ represents the variance value.

特徴量として活荷重変位を用いる場合には、図5(A)に示したように、活荷重変位に対して異常状態を判定するための閾値を設定することもできる。 When live load displacement is used as a feature, a threshold can be set to determine whether the live load displacement is in an abnormal state, as shown in Figure 5(A).

また、図5(C)に示すように、温度に依存して変化する傾きおよび固有振動数を特徴量とした場合と同様に、活荷重変位を特徴量とした場合にも、上式(7)などを用いて活荷重変位異常度を求めることで、閾値を用いて容易に異常状態を識別することができる。 Furthermore, as shown in Figure 5(C), just as when the slope and natural frequency that change depending on temperature are used as feature quantities, when live load displacement is used as the feature quantity, abnormal conditions can be easily identified using a threshold value by calculating the live load displacement abnormality degree using the above equation (7) or the like.

なお、傾き異常度、固有振動数異常度、活荷重変位異常度に対する閾値は、あらかじめ設定することもできるが、学習期間における時系列データの取得結果に基づいて統計的に設定することも可能である。例えば、閾値としては、標準偏差をσとした場合に、3σ、あるいは下式(8)の値を用いることが考えられる。
The thresholds for the tilt anomaly, natural frequency anomaly, and live load displacement anomaly can be set in advance, or they can be set statistically based on the results of time-series data acquired during the learning period. For example, when the standard deviation is σ, the threshold can be 3σ or the value of the following formula (8):

このように、特徴量の時系列データに基づいて算出される異常度と、異常度に対する閾値との比較処置を行うことで、特徴量が温度に依存して変化するか否かにかかわらず、特徴量が異常状態を示していることを、定量的に容易に識別することができる。 In this way, by comparing the degree of abnormality calculated based on the time-series data of the feature with a threshold value for the degree of abnormality, it is possible to easily and quantitatively identify whether the feature indicates an abnormal state, regardless of whether the feature changes depending on the temperature.

次に、本実施の形態1に係る構造物劣化診断システムの技術的特徴である、構造物異常かセンサ故障かを識別する手法について説明する。上述したように、異常度という指標を用いることで、特徴量が異常状態であるか否かを容易に識別することができる。ただし、このような異常状態は、構造物が異常になった場合およびセンサが故障した場合のいずれにおいても起こり得る。 Next, we will explain the method for distinguishing between a structural abnormality and a sensor failure, which is a technical feature of the structural deterioration diagnosis system according to the first embodiment. As described above, by using an index called the degree of abnormality, it is possible to easily distinguish whether a feature is in an abnormal state. However, such an abnormal state can occur both when a structural abnormality occurs and when a sensor fails.

そこで、本実施の形態1に係る構造物劣化診断システムでは、傾き、固有振動数、活荷重変位の3つの特徴量に基づいて算出された傾き異常度、固有振動数異常度、活荷重変位異常度のそれぞれを劣化診断指標とした異常状態の判定結果を用いて、構造物異常かセンサ故障かを識別する。この識別処理について、次に具体的に説明する。 The structural deterioration diagnosis system according to the first embodiment uses the results of abnormality assessments, which use the degree of tilt abnormality, the degree of natural frequency abnormality, and the degree of live load displacement abnormality calculated based on the three feature quantities of tilt, natural frequency, and live load displacement as deterioration diagnosis indices, to identify whether the problem is a structural abnormality or a sensor failure. This identification process will be explained in detail below.

本実施の形態1に係る構造物劣化診断システムでは、3つの異常度に関して以下のような[処理1]~[処理7]の一連処理を行うことで、構造物異常かセンサ故障かの識別を行っている。
[処理1]特徴量変換部21は、センサ10から出力された加速度情報に基づいて、3つの特徴量として、構造物に関する傾き、固有振動数、活荷重変位を算出する。
In the structure deterioration diagnosis system according to the first embodiment, a series of processes from [Process 1] to [Process 7] described below are performed for the three abnormality levels to identify whether the abnormality is in the structure or a sensor failure.
[Process 1] Based on the acceleration information output from the sensor 10, the feature quantity conversion unit 21 calculates three feature quantities, namely, the tilt, natural frequency, and live load displacement of the structure.

[処理2]異常度算出部22は、3つの特徴量である傾き、固有振動数、活荷重変位のそれぞれについて、構造物の劣化判断指標となる異常度として、傾き異常度、固有振動数異常度、および活荷重変位異常度を算出する。 [Process 2] The anomaly degree calculation unit 22 calculates the anomaly degree for each of the three feature quantities, i.e., inclination, natural frequency, and live load displacement, as anomaly degrees that serve as indicators for determining deterioration of the structure: inclination anomaly degree, natural frequency anomaly degree, and live load displacement anomaly degree.

[処理3]異常/故障判定部23は、傾き異常度が第1の閾値を超えている場合には傾き異常が発生したと判断する。
[処理4]異常/故障判定部23は、固有振動数異常度が第2の閾値を超えている場合には固有振動数異常が発生したと判断する。
[処理5]異常/故障判定部23は、活荷重変位が第3の閾値を超えている場合には活荷重変位異常が発生したと判断する。
[Process 3] The abnormality/fault determination unit 23 determines that an abnormal tilt has occurred if the degree of abnormal tilt exceeds the first threshold value.
[Process 4] The abnormality/failure determination unit 23 determines that an abnormality in the natural frequency has occurred if the degree of abnormality in the natural frequency exceeds the second threshold value.
[Process 5] The abnormality/fault determination unit 23 determines that a live load displacement abnormality has occurred if the live load displacement exceeds the third threshold value.

[処理6]異常/故障判定部23は、傾き異常が発生し、かつ固有振動数異常および活荷重変位異常がともに発生していないと判断した場合には、センサの故障が発生したと判断する。
[処理7]異常/故障判定部23は、傾き異常が発生したか否かにかかわらず、固有振動数異常および活荷重変位異常の少なくともいずれか一方が発生したと判断した場合には、構造物の劣化が発生したと判断する。
[Process 6] If the abnormality/failure determination unit 23 determines that an inclination abnormality has occurred and that neither a natural frequency abnormality nor a live load displacement abnormality has occurred, it determines that a sensor failure has occurred.
[Process 7] The abnormality/failure judgment unit 23 determines that deterioration of the structure has occurred if it determines that at least one of a natural frequency abnormality and a live load displacement abnormality has occurred, regardless of whether an inclination abnormality has occurred or not.

処理6および処理7によって、構造物異常かセンサ故障かの識別が可能な理由について、図6を用いて説明する。図6は、本開示の実施の形態1におけるセンサ10から出力される3軸の加速度情報を用いて特徴量の1つである傾きを算出する場合の説明図である。 The reason why process 6 and process 7 make it possible to distinguish between a structural abnormality and a sensor failure will be explained using Figure 6. Figure 6 is an explanatory diagram of the case where tilt, which is one of the feature quantities, is calculated using triaxial acceleration information output from sensor 10 in embodiment 1 of the present disclosure.

ax,ay,azは、各軸の加速度値である。ただし、振動による影響を除いた、静的な傾きを算出するために、各軸毎にディジタルフィルタによるローパスフィルタ処理を行うこととする。 ax, ay, and az are the acceleration values for each axis. However, to calculate the static tilt, excluding the effects of vibration, low-pass filtering is performed using a digital filter for each axis.

従って、傾きは、振動成分を除いた各軸の直流(DC)成分から算出される。この直流成分は、センサ10内部の電源などの電子部品が劣化の影響を受けることで、変化してしまうことがある。一方、固有振動数や活荷重変位は、直流成分ではなく振動から算出されるため、センサ故障などによる直流成分の変化の影響を受けにくい。 The tilt is therefore calculated from the direct current (DC) component of each axis, excluding the vibration component. This DC component can change due to deterioration of electronic components such as the power supply inside the sensor 10. On the other hand, the natural frequency and live load displacement are calculated from the vibration rather than the DC component, and are therefore less susceptible to changes in the DC component due to sensor failure, etc.

本来、傾きに異常がある場合には、桁あるいは支承の損傷など、剛性の低下が考えられ、かつ、剛性低下は、傾きと同様に活荷重変位、固有振動数にも影響すると考えられる。従って、傾きだけが異常状態を示す結果となった場合には、センサ内部の電子分品の劣化や損傷、つまり、センサ10の故障が推測される。 In principle, if there is an abnormality in the tilt, it is likely that there is a decrease in rigidity, such as damage to the girders or supports, and that a decrease in rigidity, like the tilt, also affects the live load displacement and natural frequency. Therefore, if the results show that only the tilt is abnormal, it is likely that there is deterioration or damage to the electronic components inside the sensor, in other words, a failure of the sensor 10.

その一方で、センサ故障によって、固有振動数にのみ異常が出ることは考えにくい。その理由は、故障状態を判断するための指標として固有振動数を用いた場合には、前述のように振動を扱うため、直流成分の影響を受けにくいためである。 On the other hand, it is unlikely that a sensor failure will result in an abnormality only in the natural frequency. The reason for this is that when the natural frequency is used as an indicator for determining the fault state, it deals with vibrations, as mentioned above, and is therefore less susceptible to the influence of DC components.

また、固有振動数は、橋梁全体の水分量、橋全体の温度、支承の状態の影響などが大きく、そもそもバラつきが大きい。従って、固有振動数に異常が出る場合には、剛性の低下が原因であると推測される。 In addition, the natural frequency is greatly influenced by the moisture content of the entire bridge, the temperature of the entire bridge, the condition of the bearings, and other factors, and is therefore subject to considerable variation. Therefore, if an abnormality in the natural frequency is observed, it is assumed that a decrease in rigidity is the cause.

同様に、センサ故障によって、活荷重変位のみに異常がでることも考えにくい。その理由は、故障状態を判断するための指標として活荷重変位を用いた場合には、活荷重変位も、前述のように加速度値の振動成分(例えば、1Hz付近、直流成分は含まれない)から算出するためである。 Similarly, it is unlikely that a sensor failure will result in an abnormality in only the live load displacement. The reason for this is that when live load displacement is used as an indicator for determining the fault state, the live load displacement is also calculated from the vibration component of the acceleration value (for example, around 1 Hz, which does not include a DC component), as mentioned above.

よって、活荷重変位は、電源周りの劣化など、内部の電子部品などの劣化による、直流成分の変化の影響を受けにくい。従って、活荷重変位に異常が出た場合には、構造物の剛性の低下が原因であると推測される。 As a result, live load displacement is less susceptible to changes in the DC component due to deterioration of internal electronic components, such as deterioration around the power supply. Therefore, if abnormalities in live load displacement occur, it is assumed that the cause is a decrease in the rigidity of the structure.

図7は、本開示の実施の形態1において、傾き異常度のみが異常状態となり、固有振動数異常度および活荷重変位異常度は異常状態でない場合を示した説明図である。このケースは、上述した処理6に相当し、異常/故障判定部23は、傾き異常が発生し、かつ固有振動数異常および活荷重変位異常がともに発生していないことから、センサ10の故障が発生したと判断することができる。 Figure 7 is an explanatory diagram showing a case in which only the tilt anomaly degree is in an abnormal state, while the natural frequency anomaly degree and the live load displacement anomaly degree are not in an abnormal state, in embodiment 1 of the present disclosure. This case corresponds to process 6 described above, and the anomaly/fault determination unit 23 can determine that a fault has occurred in the sensor 10 because a tilt anomaly has occurred and neither the natural frequency anomaly nor the live load displacement anomaly has occurred.

なお、異常/故障判定部23は、傾き異常が発生し、かつ固有振動数異常および活荷重変位異常がともに発生していない状態を判定するに当たっては、各異常度が閾値を超えたかどうかに基づく判定手法以外に、ヒストグラム等を用いた統計的な判定手法に基づくことも可能である。そこで、ヒストグラムを用いた統計的な判定手法について、図8および図9を用いて説明する。 When determining whether an inclination abnormality has occurred but neither a natural frequency abnormality nor a live load displacement abnormality has occurred, the abnormality/fault determination unit 23 can use a statistical determination method using a histogram or the like in addition to a determination method based on whether each abnormality level exceeds a threshold value. Therefore, a statistical determination method using a histogram will be explained using Figures 8 and 9.

図8は、本開示の実施の形態1において、(A)すべての特徴量に関する異常度が正常状態と判定された場合の各特徴量のヒストグラムと、(B)傾き異常度のみが異常状態と判定された場合の各特徴量のヒストグラムとを比較した図である。図8(A)と図8(B)とを比較すると、傾きに関する異常度の頻度分布が明らかに異なっている。その一方で、固有振動数に関する異常度および活荷重変位に関する異常度の分布は、図8(A)と図8(B)とで大差が見られない。 Figure 8 compares (A) a histogram of each feature when the anomaly levels for all feature levels are determined to be normal, and (B) a histogram of each feature when only the slope anomaly level is determined to be abnormal, in embodiment 1 of the present disclosure. Comparing Figure 8(A) with Figure 8(B), the frequency distribution of the slope anomaly level is clearly different. On the other hand, there is not much difference between Figure 8(A) and Figure 8(B) in the distribution of the natural frequency anomaly level and the live load displacement anomaly level.

このように、傾きの異常度だけが増加した場合、傾きの異常度と他の物理量から算出される異常度とを統計手法を用いて比較することで、傾きから算出される異常度のみの増加を判断することができる。具体的な統計手法としては、ウェルチのt検定によるT値を用いる場合、あるいは密度比を用いる場合などが考えられる。 In this way, if only the anomaly degree of the slope has increased, it is possible to determine whether only the anomaly degree calculated from the slope has increased by using a statistical method to compare the anomaly degree of the slope with the anomaly degree calculated from other physical quantities. Specific statistical methods that can be used include the T-value from Welch's t-test or the density ratio.

図9は、本開示の実施の形態1において、傾きの異常度のヒストグラムと、固有振動数のヒストグラムとを統計手法を用いて比較する場合の説明図である。図9中の(A)~(D)は、以下のような図を示したものである。
図9(A):傾きおよび固有振動数の2つの特徴量に関する異常度がともに正常状態と判定された場合の各特徴量のヒストグラム。
図9(B):傾きおよび固有振動数の2つの特徴量に関する異常度のうち、傾き異常度のみが異常状態と判定され、固有振動数異常度が正常であると判定された場合の各特徴量のヒストグラム。
図9(C):図9(A)および図9(B)のヒストグラムに基づいて算出したウェルチのt検定によるT値の時系列データ。
図9(D):図9(A)および図9(B)のヒストグラムに基づいて算出した密度比の時系列データ。
9 is an explanatory diagram illustrating a case where a histogram of the degree of anomaly in the slope and a histogram of the natural frequency are compared using a statistical method in the first embodiment of the present disclosure. (A) to (D) in FIG. 9 show the following diagrams.
FIG. 9A: Histogram of each feature amount when the degree of abnormality for the two feature amounts of tilt and natural frequency is determined to be normal.
FIG. 9B: Histogram of each feature when, of the anomaly degrees for the two feature amounts of inclination and natural frequency, only the anomaly degree for inclination is determined to be in an abnormal state, and the anomaly degree for natural frequency is determined to be normal.
FIG. 9(C): Time series data of T-values from Welch's t-test calculated based on the histograms of FIG. 9(A) and FIG. 9(B).
FIG. 9(D): Time series data of density ratio calculated based on the histograms of FIG. 9(A) and FIG. 9(B).

ウェルチのt検定によるT値は、下式(9)によって、傾き異常度および固有振動数異常度のそれぞれに関する平均値、分散値、サンプル数を用いて求めることができる
The T-value of the Welch t-test can be calculated using the average value, variance, and number of samples for the slope anomaly and natural frequency anomaly, respectively, according to the following formula (9):

また、密度比は、下式(10)によって、傾き異常度の確率密度および固有振動数異常度の確率密度を用いて求めることができる。
The density ratio can be calculated using the probability density of the tilt anomaly and the probability density of the natural frequency anomaly according to the following equation (10).

図9(C)および図9(D)から明らかなように、T値および密度比は、ともに、学習期間における遷移状態よりも判定期間における遷移状態の方が大きな値を示している。従って、異常/故障判定部23は、学習期間における遷移状態から求められる閾値、あるいはあらかじめ設定した閾値と、判定期間における遷移状態との比較結果から、傾き異常度のみが異常状態となったことを判定することができる。 As is clear from Figures 9(C) and 9(D), the T value and density ratio are both larger in the transition state during the judgment period than in the transition state during the learning period. Therefore, the abnormality/fault judgment unit 23 can determine that only the degree of slope abnormality has become abnormal based on the results of comparing the transition state during the judgment period with a threshold value determined from the transition state during the learning period or a preset threshold value.

なお、上述した図9の例では、特徴量として傾きと固有振動数とを用いて比較する場合を示したが、特徴量として傾きと活荷重変位とを用いて比較する場合も、同様の統計手法を適用でき、詳細な説明は省略する。 Note that in the example shown in Figure 9 above, a comparison was made using inclination and natural frequency as feature quantities, but similar statistical methods can also be applied when comparing using inclination and live load displacement as feature quantities, and detailed explanations will be omitted.

次に、本実施の形態1における構造物劣化診断システムにより、1つのセンサによる検出結果から構造物異常かセンサ故障かを識別するための一連処理について、フローチャートを用いて説明する。図10は、本開示の実施の形態1に係る構造物劣化診断システムにより実行される構造物異常かセンサ故障かを識別するための一連処理を示したフローチャートである。 Next, a series of processes for identifying whether a structural abnormality or a sensor failure is present based on the detection results of a single sensor using the structural deterioration diagnosis system according to the first embodiment of the present disclosure will be described using a flowchart. Figure 10 is a flowchart showing a series of processes for identifying whether a structural abnormality or a sensor failure is present, performed by the structural deterioration diagnosis system according to the first embodiment of the present disclosure.

まず始めに、ステップS1001において、特徴量変換部21は、センサ10から出力された加速度情報を取得するとともに、加速度情報が生成された際の気温に相当する温度情報を外部から順次取得する。 First, in step S1001, the feature conversion unit 21 acquires acceleration information output from the sensor 10 and sequentially acquires temperature information from the outside, which corresponds to the air temperature when the acceleration information was generated.

次に、ステップS1002において、特徴量変換部21は、加速度情報に基づいて、3つの特徴量に相当する各物理量(傾き、固有振動数、活荷重変位)に変換する。 Next, in step S1002, the feature conversion unit 21 converts the acceleration information into physical quantities (tilt, natural frequency, and live load displacement) corresponding to the three feature quantities.

次に、ステップS1003において、異常度算出部22は、変換された各物理量に基づいて、傾き異常度、固有振動数異常度、および活荷重変位異常度を算出する。なお、異常度算出部22は、傾き異常度および固有振動数異常度を算出する際には、温度情報を加味することで、傾き異常度および固有振動数異常度を用いた判定処理が温度に依存して変化してしまう影響を抑制し、安定した判定処理を実現することができる。 Next, in step S1003, the anomaly calculation unit 22 calculates the tilt anomaly degree, natural frequency anomaly degree, and live load displacement anomaly degree based on each converted physical quantity. Note that when calculating the tilt anomaly degree and natural frequency anomaly degree, the anomaly calculation unit 22 takes temperature information into account, thereby suppressing the influence of temperature-dependent changes in the judgment process using the tilt anomaly degree and natural frequency anomaly degree, and achieving stable judgment process.

次に、ステップS1004において、異常/故障判定部23は、傾き異常度が異常状態になったか否かを判定する。そして、異常/故障判定部23は、傾き異常度が異常状態になったと判定した場合にはステップS1007の処理に進み、傾き異常度が異常状態になっていないと判定した場合にはステップS1005の処理に進む。 Next, in step S1004, the abnormality/failure determination unit 23 determines whether the tilt abnormality degree has become abnormal. If the abnormality/failure determination unit 23 determines that the tilt abnormality degree has become abnormal, it proceeds to processing in step S1007, and if it determines that the tilt abnormality degree has not become abnormal, it proceeds to processing in step S1005.

ステップS1005に進んだ場合には、異常/故障判定部23は、活荷重変位異常度または固有振動数異常度の少なくともいずれかが異常状態となったか否かを判定する。そして、異常/故障判定部23は、少なくともいずれかの異常度が異常状態になったと判定した場合にはステップS1006の処理に進み、構造物異常が発生したと判断する。 If the process proceeds to step S1005, the abnormality/failure judgment unit 23 determines whether at least one of the live load displacement abnormality degree or the natural frequency abnormality degree has become abnormal. If the abnormality/failure judgment unit 23 determines that at least one of the abnormality degrees has become abnormal, the process proceeds to step S1006, where it determines that a structural abnormality has occurred.

また、異常/故障判定部23は、ステップS1005において、活荷重変位異常度および固有振動数異常度がともに正常状態であると判定した場合には、すべての異常度が正常状態であるため、ステップS1001の処理に戻り、ステップS1001以降の処理を繰り返すこととなる。 Furthermore, if the abnormality/failure judgment unit 23 determines in step S1005 that both the live load displacement abnormality degree and the natural frequency abnormality degree are in a normal state, all abnormality degrees are in a normal state, so the process returns to step S1001 and repeats the processes from step S1001 onwards.

また、ステップS1007に進んだ場合には、異常/故障判定部23は、活荷重変位異常度および固有振動数異常度のいずれもが正常状態であるか否かを判定する。そして、異常/故障判定部23は、少なくともいずれかの異常度が異常状態になったと判定した場合にはステップS1006の処理に進み、構造物異常が発生したと判断する。 Furthermore, if the process proceeds to step S1007, the abnormality/failure judgment unit 23 determines whether both the live load displacement abnormality degree and the natural frequency abnormality degree are in a normal state. If the abnormality/failure judgment unit 23 determines that at least one of the abnormality degrees has become abnormal, the process proceeds to step S1006, where it determines that a structural abnormality has occurred.

一方、異常/故障判定部23は、ステップS1007において、活荷重変位異常度および固有振動数異常度がともに正常状態であると判定した場合には、ステップS1008の処理に進み、傾き異常度のみが異常状態であることから、センサ故障が発生したと判断する。 On the other hand, if the abnormality/failure determination unit 23 determines in step S1007 that both the live load displacement abnormality degree and the natural frequency abnormality degree are normal, it proceeds to processing in step S1008 and determines that a sensor failure has occurred because only the tilt abnormality degree is in an abnormal state.

なお、異常/故障判定部23は、センサ10が複数個で構成され、かつ、2個以上のセンサ10によるそれぞれの加速度情報に基づいて、傾き異常度のみが異常状態であると判定した場合には、軽度の構造物異常が発生したと判断することも可能である。 In addition, if the system is configured with multiple sensors 10 and determines that only the degree of tilt abnormality is abnormal based on the acceleration information from two or more sensors 10, the abnormality/failure determination unit 23 can also determine that a minor structural abnormality has occurred.

以上のように、実施の形態1によれば、1つのセンサで検出された加速度情報から複数の特徴量を算出し、それぞれの特徴量に対応して傾き異常度、固有振動数異常度、および活荷重変位異常度を求め、それらの異常度の状態の組合せから、構造物異常かセンサ故障かを識別する機能を備えている。このように、1つのセンサによる加速度情報に基づいて算出された複数の異常度を用いて識別処理を行うことで、高精度に、1つのセンサの検出結果から、構造物異常かセンサ故障かを識別することができる。 As described above, according to embodiment 1, multiple feature values are calculated from acceleration information detected by a single sensor, and the tilt anomaly degree, natural frequency anomaly degree, and live load displacement anomaly degree are determined corresponding to each feature value. The system is then able to identify whether there is a structural abnormality or a sensor failure based on the combination of these anomaly degrees. In this way, by performing an identification process using multiple anomaly degrees calculated based on acceleration information from a single sensor, it is possible to identify with high accuracy whether there is a structural abnormality or a sensor failure from the detection results of a single sensor.

なお、上述した実施の形態1では、特徴量として傾き、固有振動数、活荷重変位の3つを用いる場合を説明したが、これに限定されるものではない。傾きを第1の特徴量とし、傾き以外の特徴量を第2の特徴量として、2つの特徴量を用いることによっても、1つのセンサによる検出結果から、構造物異常かセンサ故障かを識別することができる構造物劣化診断システムを得ることができる。 In the above-described first embodiment, the case where three feature quantities - tilt, natural frequency, and live load displacement - are used is described, but this is not limited to this. By using two feature quantities, with tilt as the first feature quantity and a feature quantity other than tilt as the second feature quantity, it is possible to obtain a structural deterioration diagnosis system that can distinguish between a structural abnormality and a sensor failure from the detection results of a single sensor.

なお、第2の特徴量としては、実施の形態1で説明した固有振動数または活荷重変位を用いることができ、また、構造物の劣化を診断するための指標値となる特徴量であれば、それ以外の特徴量を第2の特徴量として用いることも可能である。 The natural frequency or live load displacement described in embodiment 1 can be used as the second feature, and any other feature can also be used as the second feature as long as it serves as an index value for diagnosing deterioration of the structure.

この場合には、傾き異常のみが発生した場合にはセンサの故障が発生したと判断し、傾き異常が発生したか否かにかかわらず第2の特徴量に基づいて固有振動数異常または活荷重変位異常が発生したと判断した場合には、構造物の劣化が発生したと判断することが可能である。 In this case, if only an inclination abnormality occurs, it can be determined that a sensor failure has occurred, and if it is determined that a natural frequency abnormality or live load displacement abnormality has occurred based on the second feature value, regardless of whether an inclination abnormality has occurred, it can be determined that deterioration of the structure has occurred.

10 センサ、20 センサコントローラ、21 特徴量変換部、22 異常度算出部、23 異常/故障判定部。 10 Sensor, 20 Sensor controller, 21 Feature conversion unit, 22 Anomaly degree calculation unit, 23 Anomaly/fault determination unit.

Claims (3)

劣化診断対象である構造物に設置され、前記構造物の加速度情報を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記加速度情報に基づいて、前記構造物の劣化が発生したか否かを判断するセンサコントローラと
を備え、
前記センサコントローラは、
前記加速度情報における直流成分を含まない振動成分に基づいて活荷重変位を算出し、
前記活荷重変位の時間推移から最大変位量における最頻値の時系列データを温度に依存して変化しない特徴量として算出し、
前記最頻値の時系列データに基づいて、前記構造物の劣化判断指標となる異常度を算出し、
前記異常度が閾値を超えている場合には、前記構造物の劣化が発生したと判断する
構造物劣化診断システム。
a sensor that is installed in a structure that is a deterioration diagnosis target and outputs acceleration information of the structure;
a sensor controller that determines whether or not deterioration of the structure has occurred based on the acceleration information output from the sensor,
The sensor controller
Calculating a live load displacement based on vibration components not including a DC component in the acceleration information;
calculating time series data of the most frequent value at the maximum displacement from the time transition of the live load displacement as a feature quantity that does not change depending on temperature ;
calculating an abnormality degree serving as an index for determining deterioration of the structure based on the time-series data of the mode ;
A structure deterioration diagnosis system that determines that deterioration of the structure has occurred when the degree of abnormality exceeds a threshold value.
前記センサコントローラは、前記加速度情報における直流成分を含まない振動成分に基づいて前記構造物の劣化が発生したと判断することで、前記直流成分の変化の影響を受けにくい状態で、前記構造物の剛性の低下が原因で前記構造物の劣化が発生したことを推測できる
請求項1に記載の構造物劣化診断システム。
The sensor controller determines that deterioration of the structure has occurred based on vibration components that do not include a DC component in the acceleration information, and can therefore infer that deterioration of the structure has occurred due to a decrease in the rigidity of the structure in a state that is less susceptible to the influence of changes in the DC component.
The structure deterioration diagnosis system according to claim 1 .
前記センサコントローラは、
あらかじめ設定された学習期間において、前記最頻値の時系列データに対して統計処理を施すことで予測分布を作成し、
前記学習期間の後の判定期間において収集された前記最頻値の時系列データの中で、前記予測分布の範囲外となるデータの分布を異常データ分布として判断するための指標として、前記構造物の劣化判断指標となる前記異常度を前記予測分布に基づいて算出する
請求項1または2に記載の構造物劣化診断システム。
The sensor controller
creating a predictive distribution by performing statistical processing on the time series data of the mode during a predetermined learning period;
The degree of anomaly, which serves as an index for determining deterioration of the structure, is calculated based on the predictive distribution as an index for determining that a distribution of data outside the range of the predictive distribution is an abnormal data distribution among the time-series data of the mode collected during a determination period after the learning period.
The structure deterioration diagnosis system according to claim 1 or 2.
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