特許 7234102 プラント評価システム、方法及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-27

(45)【発行日】2023-03-07

(54)【発明の名称】プラント評価システム、方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01M 7/08 20060101AFI20230228BHJP

   G05B 23/02 20060101ALI20230228BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20230228BHJP

【ＦＩ】

G01M7/08 Z

G05B23/02 T

G01M99/00 Z

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019213294

(22)【出願日】2019-11-26

(65)【公開番号】P2021085708

(43)【公開日】2021-06-03

【審査請求日】2022-03-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】仲村 岳

(72)【発明者】

【氏名】藁科 正彦

(72)【発明者】

【氏名】樋口 智一

【審査官】岡村 典子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１７２９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２１５８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０９２７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０３００１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１１２６３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１０１９７８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｍ ７／０８

Ｇ０５Ｂ ２３／０２

Ｇ０１Ｍ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の振動センサから計測信号を受信する受信部と、
前記計測信号からスペクトログラムを生成する生成部と、
複数の前記計測ポイントの識別データ及び前記スペクトログラムを、外部衝撃が作用した前記プラントの位置データに変換する学習モデルを格納する格納部と、
前記学習モデルを取得し前記識別データ及び対応する前記スペクトログラムを入力して、特定された前記位置データを出力する特定部と、を備えるプラント評価システム。

【請求項2】

請求項１に記載のプラント評価システムにおいて、
前記特定された位置データに基づいて、前記構造物又は前記設置物の損傷の程度を評価する損傷評価部を備えるプラント評価システム。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のプラント評価システムにおいて、
前記スペクトログラムは、
短時間フーリエ変換の演算により生成され、複素数の実部及び虚部、又は複素数の大きさ及び位相で表されるプラント評価システム。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載のプラント評価システムにおいて、
前記スペクトログラムは、
ウェーブレット変換の演算により生成され、複素数の実部及び虚部、又は複素数の大きさ及び位相で表されるプラント評価システム。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラント評価システムにおいて、
前記学習モデルは、階層型のニューラルネットワークで構成されるプラント評価システム。

【請求項6】

請求項５に記載のプラント評価システムにおいて、
前記ニューラルネットワークは、前記構造物又は前記設置物の振動解析に基づき、前記外部衝撃からシミュレートされた複数の前記計測ポイントの各々における模擬スペクトログラムを機械学習したものであるプラント評価システム。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラント評価システムにおいて、
前記複数の振動センサは、加速度センサ、歪センサ及び変位センサのうち少なくとも一種又は二種以上からなるセンサ群で構成されるプラント評価システム。

【請求項8】

プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の振動センサから計測信号を受信するステップと、
前記計測信号からスペクトログラムを生成するステップと、
前記計測ポイントの識別データ及び前記スペクトログラムを、外部衝撃が作用した前記プラントの位置データに変換する学習モデルを取得するステップと、
前記学習モデルに前記識別データ及び対応する前記スペクトログラムを入力して、特定された前記位置データを出力するステップと、を含むプラント評価方法。

【請求項9】

コンピュータに、
プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の振動センサから計測信号を受信するステップ、
前記計測信号からスペクトログラムを生成するステップ、
複数の前記計測ポイントの識別データ及び前記スペクトログラムを、外部衝撃が作用した前記プラントの位置データに変換する学習モデルを取得するステップ、
前記学習モデルに前記識別データ及び対応する前記スペクトログラムを入力して、特定された前記位置データを出力するステップ、を実行させるプラント評価プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、津波、竜巻等の自然現象や飛来物等の衝突を含む外部事象による衝撃が作用したプラントの健全性を評価するプラント評価技術に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば沿岸部に位置するプラントを構成する構造物及び設置物などが、地震や津波、洪水、強風、竜巻、火山等の自然現象、または飛来物や漂流物の衝突を含む外部事象による衝撃の作用で損傷した場合には、プラントの被害拡大防止や停止のために、損傷部位の把握と健全な設備を用いた減災対応とが要請される。従来、地震による建物の損傷を、地震計からの信号を取り込んで評価する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－５８３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前述した従来技術は、地震力を受けた建築物に対するものである。しかし、飛来物や漂流物等の衝突による衝撃については、衝撃の伝達経路を事前に把握できないだけでなく、局所的な破損や高振動数成分の応答(振動)が発生するため、地震向けの評価システム及び方法では対処できない恐れがある。

【0005】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、衝撃が作用してプラントにもたらされた振動を解析することで、衝撃の作用した位置を特定し、プラントの健全性を正確に評価できるプラント評価技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態に係るプラント評価システムにおいて、プラントの構造物又は設置物に設定された複数の計測ポイントの各々に設けられた複数の振動センサから計測信号を受信する受信部と、前記計測信号からスペクトログラムを生成する生成部と、複数の前記計測ポイントの識別データ及び前記スペクトログラムを外部衝撃が作用した前記プラントの位置データに変換する学習モデルを格納する格納部と、前記学習モデルに前記識別データ及び対応する前記スペクトログラムを入力し特定された前記位置データを出力する特定部と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態によれば、衝撃が作用してプラントにもたらされた振動を解析することで、衝撃の作用した位置を特定し、プラントの健全性を正確に評価できるプラント評価技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係るプラント評価システムの構成を示すブロック図。

【図2】外部衝撃が作用したプラントの構造物及び設置物に作用する振動の計測信号の説明図。

【図3】振動センサの計測信号から生成したスペクトログラムを示すグラフ。

【図4】学習モデルのニューラルネットワークが出力するプラントの位置データの配列を示す概念図。

【図5】プラント評価方法の工程及びプラント評価プログラムのアルゴリズムを説明するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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

【0010】

図１に示すようにプラント評価システム１０は、プラント５の構造物６又は設置物７に設定された複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）の各々に設けられた複数の振動センサ１１から計測信号９を受信する受信部１２と、計測信号９からスペクトログラム２１を生成する生成部１３と、複数の計測ポイントＰの識別データ２２及びスペクトログラム２１を外部衝撃８（図２）が作用したプラントの位置データ２５に変換する学習モデル２６を格納する格納部１８と、学習モデル２６を取得し識別データ２２及び対応するスペクトログラム２１を入力して特定された位置データ２５を出力する特定部１４と、を備えている。

【0011】

図２に示すようにプラント５に、津波１や地震、洪水、強風、竜巻、火山等の自然現象または飛来物２や漂流物３等の衝突を含む外部事象による外部衝撃８（８ａ，８ｂ）が作用した場合を想定する。プラント評価システム１０（図１）は、このプラント５を構成する建屋等の構造物６、及びこの構造物６の内部に設置される設置物７（例えば制御盤や配管など）の健全性を評価する。

【0012】

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

【0013】

これら計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）に設けられる複数の振動センサ１１として、加速度センサ、歪センサ及び変位センサが挙げられる。これら振動センサ１１は、少なくとも一種又は二種以上からなるセンサ群となってそれぞれの計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）に設けられる。

【0014】

加速度センサは、計測ポイントＰにおける水平２方向及び垂直１方向の合計３方向の加速度を計測し、外部衝撃８がプラント５に作用したときの振動を加速度の時刻歴（時系列データ）として計測する。歪センサ又は変位センサは、外部衝撃８がプラント５に作用したときの振動を歪量又は変位の時刻歴（時系列データ）として計測する。これら歪センサ又は変位センサは、外部衝撃８による振動の計測用として新設される場合もあるが、配管等の部材の熱膨張等を計測するために予め既設されているものを利用することもできる。

【0015】

受信部１２は、通信網２０を介して、複数の計測ポイントＰの振動センサ１１から計測信号９を受信する。受信された計測信号９は、対応する計測ポイントＰの識別データ２２とともにデータメモリ１５に記憶される。

【0016】

図３は加速度センサ（振動センサ１１）の計測信号９を入力した生成部１３において生成されたスペクトログラム２１を示すグラフである。なお説明を省略するが、振動センサ１１として歪センサ又は変位センサを使用する場合も、生成部１３において同様にスペクトログラム２１が生成される。

【0017】

図３に示すようにスペクトログラム２１は、時間、周波数、加速度の三軸で表される三次元データで表される。各計測ポイントＰで計測された水平２方向及び垂直１方向の各方向の加速度の時刻歴を表す計測信号９を短時間フーリエ変換することで、各計測ポイントＰにおける各方向の加速度のスペクトログラム２１を生成する。このスペクトログラム２１は、加速度を複素数に拡張し、複素数の実部と虚部又は複素数の大きさと位相として、表示部１９に表示することができる。

【0018】

また生成部１３において、計測信号９をウェーブレット変換してスペクトログラム２１を生成することもできる。この場合も、各計測ポイントＰで計測された水平２方向及び垂直１方向の各方向の加速度の時刻歴を表す計測信号９をウェーブレット変換することで、各計測ポイントＰにおける各方向の加速度のスペクトログラム２１を生成する。

【0019】

ウェーブレット変換により生成したスペクトログラム２１は、対応する計測ポイントＰの識別データ２２とともにデータメモリ１５に記憶される。またこのスペクトログラム２１は、加速度を複素数に拡張し、複素数の実部と虚部又は複素数の大きさと位相として、表示部１９に表示することができる。

【0020】

生成部１３において、短時間フーリエ変換よりも分解能が高いウェーブレット変換を採用してスペクトログラム２１を生成することで、時間領域及び周波数領域において変化を伴う計測信号９を高精度で解析することができる。その結果、飛来物２や漂流物３（図２）の衝突による外部衝撃８（８ａ，８ｂ）が作用したプラント５の健全性を、高い信頼性で評価することができる。なお計測信号９からスペクトログラム２１を生成する方法として、短時間フーリエ変換及びウェーブレット変換を例示したが、これらに限定されることなく任意の変換方法を採用することができる。

【0021】

格納部１８には、予め作成されている学習モデル２６が格納されている。この学習モデル２６は、データメモリ１５に記憶されている計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）の識別データ２２及び対応するスペクトログラム２１の集合体を、外部衝撃８が作用したプラント５の位置データ２５に変換するものである。

【0022】

学習モデル２６は、階層型のニューラルネットワークで構成されている。このニューラルネットワークは、構造物６又は設置物７の振動解析に基づき、外部衝撃８からシミュレートされた複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）の各々における模擬スペクトログラムを機械学習したものである。

【0023】

この構造物６又は設置物７の振動解析は、構造物６をばね質点としてモデル化したものや、構造物６をＦＥＭ（有限要素法）でモデル化したものを用いて実施される。想定される衝突の形態から推定される外部衝撃８について振動解析のシミュレーションを行なうことで、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）における応答加速度の模擬スペクトログラムが演算される。なお学習モデル２６の作成は、上述の方法に限定されることはなく、任意の方法で予め作成することができる。

【0024】

図４は学習モデル２６のニューラルネットワークが出力するプラント５の位置データ２５の配列を示す概念図である。この位置データ２５の配列は、構造物６の外表面を網目状に区分してできる矩形領域の総数ｎだけ要素数をもつ。この配列の要素番号ｉはこの矩形領域を識別する１からｎの番号に対応し、位置データ２５に対応する要素番号ｉの値のみ１をとりそれ以外の要素の値は全て０となるような配列である。なお学習モデル２６の構成として、階層型のニューラルネットワークを例示したが、相互結合型のニューラルネットワークを採用することもでき、またニューラルネットワーク以外の構成をとることもできる。

【0025】

図１に戻って説明を続ける。特定部１４は、格納部１８から学習モデル２６を取得する。さらに特定部１４は、データメモリ１５から計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）の識別データ２２及び対応するスペクトログラム２１を取得してこの学習モデル２６に入力する。そして特定部１４は、外部衝撃８が作用したと特定したプラント５の位置データ２５の配列（図４）を出力する。特定部１４から出力された位置データ２５は、データメモリ１５に記憶され、表示部１９に表示される。

【0026】

損傷評価部１７は、外部衝撃８の作用が特定された位置データ２５に基づいて、構造物６又は設置物７の損傷の程度を評価するものである。この評価結果は、データメモリ１５に記憶され、表示部１９に表示される。損傷評価部１７は、例えば、外部衝撃８の位置データ２５からの距離に応じて指数関数的に減少するような指標を用い、構造物６または設置物７の損傷の程度を定性的に評価することができる。

【0027】

データメモリ１５には、上述したように、振動センサ１１により各方向から計測された計測信号９の時刻歴、計測ポイントＰの識別データ２２、生成部１３が生成した各方向のスペクトログラム２１、特定部１４が特定した外部衝撃８の位置データ２５、及び損傷評価部１７が評価した評価結果をそれぞれ記憶する。

【0028】

表示部１９は、評価対象の構造物６及び設置物７の名称を、例えば損傷の程度が大きい順にリストとして表示すると共に、プラント５の地図上の構造物６、設置物７のそれぞれの位置に、それらの名称と、損傷の程度の評価結果に応じて色分けされたマーカとを表示する。また表示部１９は、上述したように外部衝撃８の位置データ２５を表示したり、各計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）で計測された計測信号９のスペクトログラム２１を表示したりもする。

【0029】

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

【0030】

この受信した計測信号９に対し短時間フーリエ変換又はウェーブレット変換等の演算を実行し、各々の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）における各方向の振動のスペクトログラム２１を生成する（Ｓ１３）。予め作成されている学習モデル２６を取得する（Ｓ１４）。そしてこの学習モデル２６に、複数の計測ポイントＰ（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃）の識別データ２２及び対応するスペクトログラム２１を入力し（Ｓ１５）、衝撃８が作用したプラント５の位置データ２５を特定し出力する（Ｓ１６）。そして、この位置データ２５に基づいて、構造物６又は設置物７の損傷の程度を評価する（Ｓ１７、ＥＮＤ）。

【0031】

以上述べた少なくともひとつの実施形態のプラント評価システム、方法及びプログラムによれば、プラント５に設けられた振動センサ１１の計測信号９からスペクトログラム２１を生成し、予め作成した学習モデル２６に入力し、外部衝撃８が作用したプラント５の位置データ２５を特定することで、プラントの健全性を正確に評価することができる。

【0032】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0033】

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

【0034】

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

【符号の説明】

【0035】

１…津波、２…飛来物、３…漂流物、５…プラント、６…構造物、７…設置物、８…外部衝撃、９…計測信号、１０…プラント評価システム、１１…振動センサ、１２…受信部、１３…生成部、１４…特定部、１５…データメモリ、１７…損傷評価部、１８…格納部、１９…表示部、２０…通信網、２１…スペクトログラム、２２…識別データ、２５…位置データ、２６…学習モデル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】