(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】2023-12-11
(45)【発行日】2023-12-19
(54)【発明の名称】解析装置、解析システム及び解析方法
(51)【国際特許分類】
G01M 99/00 20110101AFI20231212BHJP
G01H 13/00 20060101ALI20231212BHJP
G01N 29/12 20060101ALI20231212BHJP
G01N 29/46 20060101ALI20231212BHJP
【ＦＩ】
G01M99/00 Z
G01H13/00
G01N29/12
G01N29/46
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019157996
(22)【出願日】2019-08-30
(65)【公開番号】P2021036217
(43)【公開日】2021-03-04
【審査請求日】2022-07-13
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健
【審査官】佐々木 創太郎
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／１６３５６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－００１４５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０５７２５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第０３１２１５８６（ＥＰ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｍ １３／００－１３／０４５
Ｇ０１Ｍ ９９／００
Ｇ０１Ｈ １／００－１７／００
Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２
Ｇ０１Ｎ ３／００－ ３／６２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
構造物の剛性及び前記構造物の疲労度の時系列情報を取得する情報取得部と、前記構造物の剛性の変化量と疲労度の変化量との比に基づく評価値と、前記構造物の疲労度に基づいて定められる評価値の基準範囲とを比較することにより、前記構造物の健全性を解析する解析部と
を備え、
前記解析部は、前記構造物の疲労度の増加に伴って前記評価値と前記基準範囲との乖離が拡大している場合に、前記構造物の健全性を低く判定する
解析装置。
【請求項2】
前記構造物の剛性は、前記構造物のバネ定数である請求項１に記載の解析装置。
【請求項3】
前記構造物の疲労度は、前記構造物の累積疲労損傷度である請求項１又は２に記載の解析装置。
【請求項4】
前構造物の振動の時系列の測定データを取得する測定データ取得部をさらに備え
前記情報取得部は、
前記振動の時系列の測定データに基づいて、前記構造物の振動の卓越周波数を特定する卓越周波数特定部と、
前記卓越周波数特定部により特定された卓越周波数に基づいて、前記構造物の剛性の時系列情報を取得する剛性取得部と
を備える請求項１又は２に記載の解析装置。
【請求項5】
前記振動の時系列の測定データは、前記構造物に設けられた加速度センサにより測定された加速度データである請求項４に記載の解析装置。
【請求項6】
前記測定データ取得部は、前記構造物に生じる応力を示す時系列の測定データを取得し、前記情報取得部は、
前記応力を示す時系列の測定データに基づいて、前記構造物の疲労度の時系列情報を取得する疲労度取得部
を備える請求項４又は５に記載の解析装置。
【請求項7】
請求項１から６のいずれか一項に記載の解析装置と、前記構造物の振動を測定して前記振動の時系列の測定データを生成するセンサと、
前記構造物に生じる応力を示す情報を測定して前記応力を示す時系列の測定データを生成するセンサと
を備える解析システム。
【請求項8】
構造物の剛性及び前記構造物の疲労度の時系列情報を取得する段階と、前記構造物の剛性の変化量と疲労度の変化量との比に基づく評価値と、前記構造物の疲労度に基づいて定められる評価値の基準範囲とを比較することにより、前記構造物の健全性を解析する段階と
を備え、
前記構造物の健全性を解析する段階は、前記構造物の疲労度の増加に伴って前記評価値と前記基準範囲との乖離が拡大している場合に、前記構造物の健全性を低く判定する
解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、解析装置、解析システム及び解析方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、構造物の変位振幅の計測結果に基づいて構造物の疲労診断を行う技術が開示されている。
特許文献１ 特開２００２－２９６２５２号公報
特許文献１ 特開２００２－２９６２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
構造物の剛性は、例えば錆びの発生や劣化等だけでなく、疲労によっても低下し得る。そのため、構造物の剛性又は構造物の疲労度のみから構造物の健全性を高精度に判定することは容易でない。
【課題を解決するための手段】
【0004】
第１の態様において、解析装置が提供される。解析装置は、構造物の剛性及び構造物の疲労度の時系列情報を取得する情報取得部を備える。解析装置は、構造物の剛性の変化量と疲労度の変化量との比に基づいて、構造物の健全性を解析する解析部を備える。
【0005】
解析部は、構造物の剛性の変化量と疲労度の変化量との比に基づく評価値と、予め定められた評価値の基準範囲とを比較することにより、構造物の健全性を判定してよい。
【0006】
解析部は、評価値と、構造物の疲労度に基づいて定められる評価値の基準範囲とを比較することにより、構造物の健全性を判定してよい。
【0007】
解析部は、構造物の疲労度の増加に伴って評価値と基準範囲との乖離が拡大している場合に、構造物の健全性を低く判定してよい。
【0008】
構造物の剛性は、構造物のバネ定数であってよい。
【0009】
構造物の疲労度は、構造物の累積疲労損傷度であってよい。
【0010】
解析装置は、前構造物の振動の時系列の測定データを取得する測定データ取得部を備えてよい。情報取得部は、振動の時系列の測定データに基づいて、構造物の振動の卓越周波数を特定する卓越周波数特定部を備えてよい。情報取得部は、卓越周波数特定部により特定された卓越周波数に基づいて、構造物の剛性の時系列情報を取得する剛性取得部を備えてよい。
【0011】
振動の時系列の測定データは、構造物に設けられた加速度センサにより測定された加速度データであってよい。
【0012】
測定データ取得部は、構造物に生じる応力を示す時系列の測定データを取得してよい。情報取得部は、応力を示す時系列の測定データに基づいて、構造物の疲労度の時系列情報を取得する疲労度取得部を備えてよい。
【0013】
第２の態様において、解析システムが提供される。解析システムは、上記の解析装置を備える。解析システムは、構造物の振動を測定して振動の時系列の測定データを生成するセンサを備える。解析システムは、構造物に生じる応力を示す情報を測定して応力を示す時系列の測定データを生成するセンサを備える。
【0014】
第３の態様において、解析方法が提供される。解析方法は、構造物の剛性及び構造物の疲労度の時系列情報を取得する段階を備える。解析方法は、構造物の剛性の変化量と疲労度の変化量との比に基づいて、構造物の健全性を解析する段階を備える。
【0015】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】モニタリングシステム１０の全体構成を概略的に示す。
【図2】解析装置１００のブロック構成の一例を概略的に示す。
【図3】バネ定数及び疲労度の変化の態様を示すグラフである。
【図4】疲労試験で得られるデータの一例を示す。
【図5】疲労試験により得られる物体のＳ－Ｎ曲線を示す。
【図6】物体に一定応力を繰り返し負荷した回数とバネ定数との関係を示す。
【図7】健全度評価値の疲労度への依存性を示す。
【図8】異なる応力における健全度評価値の疲労度依存性を示す。
【図9】健全度評価値の基準範囲の一例を示す。
【図10】健全であると判定される場合の健全度評価値の経時変化を示す。
【図11】健全であると判定される場合の健全度評価値の他の経時変化を示す。
【図12】健全でないと判定される場合の健全度評価値の経時変化を示す。
【図13】加速度の測定データを周波数解析する手法を概念的に示す。
【図14】ＦＦＴ（Ｗｉ）のアンサンブル平均により得られた周波数スペクトルを示す。
【図15】解析装置１００が実行する解析方法の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0018】
図１は、モニタリングシステム１０の全体構成を概略的に示す。モニタリングシステム１０は、道路情報板８０に関する物理量を測定して、測定した物理量に基づいて、道路情報板８０を解析する。例えば、モニタリングシステム１０は、道路情報板８０の構造性能や安全性等の健全性を解析する。道路情報板８０は、構造物の一例である。
【0019】
モニタリングシステム１０は、構造物の健全性を解析するシステムの一例である。モニタリングシステム１０は、少なくともバネ定数の変化量に基づいて、構造物の健全性を解析する。道路情報板８０のバネ定数は、道路情報板８０の形状の変化によって変化し得る。例えば、道路情報板８０の劣化や、道路情報板８０を構成するボルト等の機械要素の不良、道路情報板８０に加えられた外力による損傷等が生じることにより、道路情報板８０の形状が変化することによって、バネ定数が変化する。また、道路情報板８０のバネ定数は、道路情報板８０の疲労によっても変化し得る。
【0020】
モニタリングシステム１０は、道路情報板８０の振動及び道路情報板８０に生じた歪みを連続的又は断続的に測定する。モニタリングシステム１０は、測定された歪みに基づいて、道路情報板８０の累積疲労損傷度を算出する。また、モニタリングシステム１０は、測定された振動の卓越周波数に基づいて、道路情報板８０のバネ定数を算出する。モニタリングシステム１０は、道路情報板８０のバネ定数の変化量と累積疲労損傷度の変化量とに基づいて道路情報板８０の健全性を判定する。これにより、疲労により生じるバネ定数の変化を考慮して、道路情報板８０の健全性を判定することができる。
【0021】
道路情報板８０は、支柱８１と、支柱８２と、ベースプレート８３と、表示プレート８４とを備える。道路情報板８０は、高速道路や都市道路等の道路の路肩に、片持ち式で設置される。ベースプレート８３は、コンクリート等の基礎に、アンカーボルト等で固定される。支柱８１はベースプレート８３に固定される。支柱８１は、地面から鉛直上方に延びる。支柱８２は、支柱８１から、鉛直方向とは略直交する方向に延伸する。表示プレート８４は、支柱８２に固定される。表示プレート８４は、交通状況、道路状況、トンネル等の情報を表示する。
【0022】
モニタリングシステム１０は、加速度センサ４０と、歪センサ５０と、収集装置９０と、送信機１１０と、解析装置１００とを備える。
【0023】
道路情報板８０は、道路情報板８０の近傍を車両が通過するときの振動が地面を通じて道路情報板８０に伝わったり、道路情報板８０が風等の外力を受けたりすることによって、振動する。加速度センサ４０は、道路情報板８０の振動を検出するセンサの一例である。加速度センサ４０は、例えば表示プレート８４に設けられ、表示プレート８４の加速度を測定する。
【0024】
加速度センサ４０は、例えば、ＭＥＭＳ型加速度センサである。加速度センサ４０は、静電容量式の加速度センサである。加速度センサ４０はそれぞれ、３軸加速度センサであってよい。加速度センサ４０により生成されたアナログの加速度信号は、デジタルの加速度データに変換されて、無線通信又は有線通信により収集装置９０に送信される。
【0025】
歪センサ５０は、道路情報板８０の応力集中部に設けられる。例えば、歪センサ５０は、支柱８１におけるベースプレート８３との接続部の近傍に設けられる。歪センサ５０により生成されたアナログの歪信号は、デジタルの歪データに変換されて、無線通信又は有線通信により収集装置９０に送信される。
【0026】
収集装置９０は、加速度センサ４０及び歪センサ５０により測定された時系列の測定データを、有線又は無線通信により取得する。送信機１１０は、収集した測定データを、通信ネットワーク１９０を通じて解析装置１００に送信する。通信ネットワーク１９０は、有線通信又は無線通信の伝送路を含み得る。通信ネットワーク１９０は、インターネット、Ｐ２Ｐネットワーク、専用回線、ＶＰＮ、電力線通信回線、携帯電話回線等を含む通信網を含んでよい。
【0027】
解析装置１００は、加速度センサ４０の時系列の測定データを、ＦＦＴ等のアルゴリズムを用いた周波数解析して、振動の周波数成分を抽出する。解析装置１００は、抽出した周波数成分に基づいて、道路情報板８０の卓越周波数を特定する。解析装置１００は、特定した卓越周波数の変化量に基づいてバネ定数の変化量を算出する。解析装置１００は、歪センサ５０の時系列の測定データに基づいて道路情報板８０に生じた応力を算出し、算出した応力の履歴に基づいて累積疲労損傷度を算出する。
【0028】
解析装置１００は、累積疲労損傷度の変化量に対するバネ定数の変化量の比に基づいて、道路情報板８０の健全性を判定する。これにより、解析装置１００は、疲労により生じるバネ定数の変化を考慮して、道路情報板８０の健全性を判定することができる。
【0029】
図２は、解析装置１００のブロック構成の一例を概略的に示す。解析装置１００は、処理部２６０と、メモリ２７０と、通信部２９０とを備える。処理部２６０は、測定データ取得部２００と、情報取得部２１０と、解析部２２０とを備える。情報取得部２１０は、卓越周波数特定部２４０と、バネ定数取得部２４２と、疲労度取得部２５０とを備える。
【0030】
解析装置１００は、コンピュータにより実装されてよい。処理部２６０は、解析装置１００の全体を制御する。処理部２６０はプロセッサにより実現されてよい。通信部２９０は、送信機１１０から送信された加速度センサ４０の測定データ及び歪センサ５０の測定データを示す情報を受信する。通信部２９０により受信した情報は、測定データとして処理部２６０に提供される。
【0031】
メモリ２７０は不揮発性メモリや揮発性メモリ等の記憶装置である。処理部２６０は、メモリ２７０に記憶された情報を用いて、解析装置１００の各部を制御する。メモリ２７０は、処理部２６０が実行するプログラムを格納する。処理部２６０は、メモリ２７０からロードされたプログラムを実行し、プログラムに従って動作することにより、解析装置１００の各部を制御する。プログラムは、処理部２６０によって実行された場合に、処理部２６０を、測定データ取得部２００、情報取得部２１０及び解析部２２０を含む、処理部２６０の各部として機能させる。
【0032】
測定データ取得部２００は、前道路情報板８０の振動の時系列の測定データを取得する。測定データ取得部２００は、道路情報板８０に生じる応力を示す時系列の測定データを取得する。振動の時系列の測定データは、卓越周波数道路情報板８０に設けられた加速度センサ４０により測定された加速度データである。応力を示す時系列の測定データは、例えば、道路情報板８０に設けられた歪センサ５０により測定された歪みデータである。
【0033】
情報取得部２１０は、道路情報板８０のバネ定数及び道路情報板８０の疲労度の時系列情報を取得する。具体的には、情報取得部２１０は、測定データ取得部２００が取得した加速度センサ４０の測定データ及び歪センサ５０の測定データを取得する。
【0034】
情報取得部２１０において、卓越周波数特定部２４０は、振動の時系列の測定データに基づいて、道路情報板８０の振動の卓越周波数を特定する。バネ定数取得部２４２は、卓越周波数特定部２４０により特定された卓越周波数に基づいて、道路情報板８０のバネ定数の時系列情報を取得する。なお、バネ定数は、道路情報板８０の剛性の一例である。また、バネ定数は、道路情報板８０の静的バネ定数である。
【0035】
疲労度取得部２５０は、応力を示す時系列の測定データに基づいて、道路情報板８０の疲労度の時系列情報を算出する。道路情報板８０の疲労度は、例えば、道路情報板８０の累積疲労損傷度である。
【0036】
解析部２２０は、道路情報板８０のバネ定数の変化量と疲労度の変化量との比に基づいて、道路情報板８０の健全性を解析する。具体的には、解析部２２０は、バネ定数の変化量と疲労度の変化量との比に基づいて、道路情報板８０の健全性を評価するための評価値を算出する。そして、解析部２２０は、道路情報板８０の剛性の変化量と疲労度の変化量との比に基づく評価値と、予め定められた評価値の基準範囲とを比較することにより、道路情報板８０の健全性を判定する。より具体的には、解析部２２０は、評価値と、道路情報板８０の疲労度に基づいて定められる評価値の基準範囲とを比較することにより、道路情報板８０の健全性を判定する。例えば、解析部２２０は、評価値が、道路情報板８０の疲労度に基づいて定められる評価値の基準範囲外である場合に、道路情報板８０の健全性を低く判定してよい。解析部２２０は、道路情報板８０の疲労度の増加に伴って評価値と基準範囲との乖離が拡大している場合に、道路情報板８０の健全性を低く判定してよい。
【0037】
以上に説明したように、解析装置１００は、疲労により生じるバネ定数の変化を考慮して、道路情報板８０の健全性を判定する。これにより、例えば、道路情報板８０の疲労度が小さいにもかかわらず道路情報板８０のバネ定数が比較的に大きく低下している場合に、道路情報板８０の健全性が悪化したと判定することができる。
【0038】
次に、物体の卓越周波数とバネ定数との関係について説明する。物体の質量をｍ、物体の固有振動の角速度の初期値をω０、バネ定数の初期値をｋ０とすると、ω０
２＝ｋ０／ｍの関係式が成立する。物体の固有振動数の初期値をｆ０とすると、ω０＝２πｆ０である。
【0039】
質量ｍが一定であるとして、バネ定数がｋ０からｋ０＋δｋに微少変化したことによって、固有振動の角速度がω０からω０＋δωに変化した場合、上記関係式より、２δｆ／ｆ０＝δｋ／ｋ０となる。したがって、振動の固有振動数の変化量δｆは、バッテリの変化量δｋに比例する。したがって、道路情報板８０の固有振動数の変化量を測定することにより、道路情報板８０のバネ定数の変化量を測定することができる。
【0040】
ここで、バネ定数ｋは、物体の材質のヤング率をＥ、形状因子Ｉとして、ｋ＝Ｅ×Ｉで表すことができる。ヤング率Ｅは、一般には物体を形成する物質の物性量であるが、物体の加工時に生じる欠陥や熱履歴の他、疲労による欠陥の進展等によっても変化し得る。形状因子Ｉは、物体の形状から定まる。
【0041】
したがって、バネ定数の変化には、疲労により生じる変化と、物体の形状変化による変化とが含まれる。したがって、道路情報板８０のバネ定数が低下したことがわかったとしても、主として疲労によってバネ定数が低下した可能性もあれば、主として道路情報板８０の形状変化によって低下した可能性もあることになる。
【0042】
図３は、バネ定数及び疲労度の変化の態様を示すグラフである。図３のグラフの横軸は疲労度であり、縦軸は初期値で規格化したバネ定数である。疲労度は、例えば累積疲労損傷度である。累積疲労損傷度については後述する。
【0043】
図３のＡ、Ｂ及びＣは、それぞれ構造物Ａ、Ｂ及びＣのバネ定数及び疲労度の変化を線で示したものである。ここで、構造物Ａ、Ｂ及びＣは、同一材料で製造され、初期状態で同一形状を持っていたとする。構造物Ａ、Ｂ及びＣはそれぞれ、バネ定数が初期値ｋ０から一定量δｋ／ｋ０だけ低下している状況にある。構造物Ａ、Ｂ及びＣの疲労度は、それぞれＤＡ、ＤＢ及びＤＣである。図示されるようにＤＡ＜ＤＢ＜ＤＣである。
【0044】
ここで、構造物の疲労度のみに注目したとすると、疲労度が最も高い構造物Ｃのリスクが最も高いと判断される。また、バネ定数のみに注目したとすると、バネ定数の変化量は同一であるので、リスクは同一と判断される。
【0045】
しかし、疲労度の変化量に対するバネ定数の変化量の比に注目すると、構造物Ａ、Ｂ及びＣのうち、構造物Ａは、疲労度の変化量が最も小さいにも関わらず、他の構造物と同じ量だけバネ定数が低下したことが分かる。したがって、例えば構造物Ｂ及びＣに比べて構造物Ａに大きな形状変化が生じたことによって、構造物Ａのバネ定数が低下している可能性があることが分かる。このように、疲労度の変化量に対する変化量の比に基づいて構造物を評価することで、構造物の健全性をより適切に判定することができる。
【0046】
図４は、疲労試験で得られるデータの一例を示す。疲労試験では、物体に一定振幅の応力を繰り返し物体に負荷して、破断するまでの応力の繰り返し数を測定する。図４の横軸は一定振幅の応力を加えた回数を示す繰り返し数であり、縦軸は平均歪である。
【0047】
図４に示されるように、弾性変形の範囲内であっても、一定振幅の応力を負荷していくにつれて平均歪が変化していることが分かる。これは物体のヤング率が変化していることを示す。つまり、上述したように、疲労によってバネ定数が変化していることを示す。
【0048】
図５は、疲労試験により得られる物体のＳ－Ｎ曲線を示す。図５の横軸は破断までの応力の繰り返し数であり、縦軸は応力振幅σである。Ｓ－Ｎ曲線は、ｊを自然数として、応力振幅σｊがＮｊ回発生した場合に破断に至ることを示す。Ｓ－Ｎ曲線は、異なる応力についてそれぞれ疲労試験を行うことによって、σｉ及びＮｉの複数の組を取得することによって得られる。
【0049】
線形累積損傷則によると、過去に応力振幅σｉの応力が物体に発生した回数がｎｉであるとき、物体の累積疲労損傷度Ｄは、Ｄ＝ｎ１／Ｎ１＋ｎ２／Ｎ２＋・・・ｎｋ／Ｎｋ＝Σｎｉ／Ｎｉにより算出される。なお、ｎｉは、歪の時系列の測定データから、レインフロー法等の手法により計数される。線形累積損傷則では、累積疲労損傷度Ｄが１になった場合に疲労破壊に至ると考える。したがって、現在までの疲労蓄積時間をＴとし、現在の累積疲労損傷度Ｄとすると、寿命はＴ／Ｄにより算出される。この場合、余寿命は、Ｔ／Ｄ－Ｔとなる。
【0050】
なお、図５に示すように疲労限度σｗを持つ物体には、疲労限度σｗ以下の一定の応力振幅を加えても、破断に至らないとされる。しかし、例えば変動応力下では、σｗ以上の応力と組み合わせた負荷がかかること等によって、σｗ以下の応力が疲労損傷に寄与する場合がある。そこで、修正マイナー則に基づき、Ｓ－Ｎ曲線において疲労限度σｗ以上のＳ－Ｎ曲線を疲労限度σｗ以下まで延長したものを用いて、累積疲労損傷度Ｄを算出する。図５の破線は、修正マイナー則に基づくＳ－Ｎ曲線を示す。
【0051】
図６は、物体に一定応力を繰り返し負荷した回数とバネ定数との関係を示す。図６の横軸は繰り返し数であり、縦軸は規格化したバネ定数である。上述したように、バネ定数はヤング率に比例する。ヤング率は、疲労試験で得られた平均歪データと物体に負荷した一定応力データとに基づいて算出される。図６の縦軸の値は、算出されたヤング率をヤング率の初期値で規格化することによって得られる。図６に示す関係から、図４等に関連して説明したように、疲労によってバネ定数が変化していることが分かる。
【0052】
図７は、健全度評価値の疲労度への依存性を示す。図７のグラフの横軸は累積疲労損傷度であり、縦軸は健全度評価値である。ここで、健全度評価値は、累積疲労損傷度の変化量に対する、規格化したバネ定数の変化量の比である。累積疲労損傷度の変化量をδＤとし、規格化したバネ定数の変化量をδｋとすると、健全度評価値はδｋ／δＤから算出される。図７に示す健全度評価値の疲労度依存性は、疲労試験において特定の応力を負荷した場合に得られる平均歪、応力の負荷回数、及び破断までに負荷した回数を示す情報に基づいて、算出される。
【0053】
図８は、異なる応力における健全度評価値の疲労度依存性を示す。図８のグラフの横軸は累積疲労損傷度であり、縦軸は健全度評価値である。図８には、疲労度依存性を示す３本の線が示されている。図８の３本の線は、それぞれ互いに異なる一定応力を負荷した場合の疲労度依存性を示す。図８の疲労度依存性は、疲労試験において異なる応力を負荷した場合に得られる情報に基づいて算出される。
【0054】
ここで、実環境における物体の累積疲労損傷度及び健全度評価値を実測して、ある時点の累積疲労損傷度及び健全度評価値を示す点を、図８のグラフ上にプロットすることができる。累積疲労損傷度及び健全度評価値の実測値を示す点が、下限８１０と上限８２０との間の範囲８００内にある場合、その物体は健全であると判定してよい。
【0055】
なお、実環境における物体の健全性の判定に用いる場合、物体に加わることが想定される応力の上限値及び下限値や物体を構成する材料のばらつきや、安全係数等を考慮して、物体が健全であると判定するための基準範囲を、範囲８００より広い範囲に設定してよい。図９は、健全度評価値の基準範囲の一例を示す。図９の基準範囲９００は、図８の範囲８００を含む、範囲８００より広い範囲である。
【0056】
図１０は、健全であると判定される場合の健全度評価値の経時変化を示す。図１０の丸印は、複数の時点で実測された累積疲労損傷度及び健全度評価値のデータ点である。図１０の矢印は、実測された順番を示す。図１０に示されるデータ点のように、累積疲労損傷度及び健全度評価値の実測値が基準範囲９００内で推移している場合、その物体は健全であると判定してよい。つまり、その物体は設計寿命を保持していると判定してよい。また、現在までの疲労蓄積期間Ｔと、現在の累積疲労損傷度Ｄとに基づいて、余寿命を算出できる。
【0057】
図１１は、健全であると判定される場合の健全度評価値の他の経時変化を示す。図１１のデータ点で示されるように、累積疲労損傷度及び健全度評価値の実測値が、基準範囲９００内に入る方向に推移している場合、その物体は健全であると判定してよい。例えば、基準範囲からの乖離が小さくなる方向に推移している場合、その物体は健全であると判定してよい。また、現在までの疲労蓄積期間Ｔと、現在の累積疲労損傷度Ｄとに基づいて、余寿命を算出できる。
【0058】
図１２は、健全でないと判定される場合の健全度評価値の経時変化を示す。図１２のデータ点で示されるように、基準範囲の下限９１０からの乖離量は、ｄ１からｄ２へ、ｄ２からｄ３へと拡大している。このように、データ点が基準範囲外にあり、かつ、基準範囲の下限９１０からの乖離量が拡大している場合、その物体は健全でないと判定してよい。同様に、データ点が基準範囲外にあり、かつ、基準範囲の上限９２０からの乖離量が拡大する方向に推移している場合、その物体は健全でないと判定してよい。
【0059】
図１３は、加速度の測定データを周波数解析する手法を概念的に示す。グラフ１３００は、加速度センサ４０により得られた１分間の測定データのグラフである。まず、測定データを特定の時間ウィンドウで区切ることによって、測定データを複数の部分データに分割する。一例として、１分間の測定データＷａｌｌを６秒毎に区切ることによって、１０個の部分データに分割する。図１３のＷｉ（ｉは、１から１０の自然数）は、部分データを表す。Ｗａｌｌは、Ｗｉ（ｉは、１から１０の自然数）の連結で表される。
【0060】
次に、１０個の部分データをそれぞれフーリエ変換することによって、部分データ毎に周波数スペクトルを取得する。例えば、ＦＦＴのアルゴリズムを用いて各部分データをフーリエ変換することにより、１０個の周波数スペクトルＦＦＴ（Ｗｉ）（ｉは、１から１０の自然数）を取得する。なお、ＦＦＴのアルゴリズムを用いてデータＷをフーリエ変換することによって得られた周波数スペクトルを「ＦＦＴ（Ｗ）」と記載する。
【0061】
１０個のＦＦＴ（Ｗｉ）を平均化することにより、１つの周波数スペクトル１３２０を算出する。このようにして、１分間の測定データから、アンサンブル平均による１つの周波数スペクトルが得られる。図１４は、ＦＦＴ（Ｗｉ）のアンサンブル平均により得られた周波数スペクトルを示す。
【0062】
アンサンブル平均によって、バックグランドの大きな強度振幅が抑えられて、周波数構造を比較的に明確に特定することが可能になる。図１４の矢印で示されるように、４０Ｈｚ以下の周波数領域において、周波数成分が最大になるピーク周波数が９つ存在することがわかる。卓越周波数特定部２４０は、これらのピーク周波数のうち、特定の周波数帯に含まれるピーク周波数を道路情報板８０の卓越周波数として特定してよい。バネ定数取得部２４２は、卓越周波数特定部２４０により特定した卓越周波数に基づいて、道路情報板８０のバネ定数を算出する。
【0063】
【0064】
Ｓ１５００において、測定データ取得部２００は、送信機１１０から送信された加速度センサ４０及び歪センサ５０の測定データを、通信部２９０を通じて取得する。
【0065】
Ｓ１５０２において、バネ定数取得部２４２は、道路情報板８０のバネ定数を算出する。具体的には、卓越周波数特定部２４０が、図１４に関連して説明した手法を用いて、加速度センサ４０の測定データに基づいて道路情報板８０の卓越周波数を特定する。そして、バネ定数取得部２４２は、卓越周波数特定部２４０により特定した卓越周波数に基づいて、道路情報板８０のバネ定数を算出する。
【0066】
Ｓ１５０４において、疲労度取得部２５０は、道路情報板８０の累積疲労損傷比を算出する。疲労度取得部２５０は、歪センサ５０の測定データに基づいて、道路情報板８０の累積疲労損傷度を特定する。疲労度取得部２５０は、上述したようにレインフロー法等の手法を用いて、歪センサ５０の測定データに基づいて道路情報板８０に加わる応力の発生回数を計数する。疲労度取得部２５０は、計数した応力の発生回数と道路情報板８０のＳ－Ｎ曲線とに基づいて、累積疲労損傷比を算出する。なお、道路情報板８０のＳ－Ｎ曲線及び道路情報板８０のバネ定数の初期値を示す情報は、予めメモリ２７０に格納されている。
【0067】
Ｓ１５０６において、解析部２２０は、健全性を評価するための評価値を算出する。評価値とは、道路情報板８０の累積疲労損傷度の変化量に対する、道路情報板８０のバネ定数の変化量である。Ｓ１５０８において、解析部２２０は、Ｓ１５０６において算出した評価値に基づいて、道路情報板８０の健全性が低いか否かを判定する。
【0068】
例えば、解析部２２０は、図３等に関連して説明したように、初期状態からの累積疲労損傷度の増加量に対するバネ定数の低下量の比を評価値として算出し、評価値が低いほど、道路情報板８０の健全性が低いと判定してよい。例えば、解析部２２０は、算出して評価値が予め定められた閾値より大きい場合に、道路情報板８０の健全性が低いと判定してよい。
【0069】
また、解析部２２０は、図９から図１２等に関連して説明したように、算出した健全度評価値が、累積疲労損傷度から定まる基準値の範囲外にある場合に、道路情報板８０の健全性が低いと判定してよい。また、解析部２２０は、算出した健全度評価値が基準値の範囲外にあり、かつ、累積疲労損傷度の増加に伴って健全度評価値と基準範囲との乖離が拡大している場合に、道路情報板８０の健全性が低いと判定してよい。
【0070】
解析部２２０は、Ｓ１５０８において健全性が低いと判定した場合、Ｓ１５１０において、処理部２６０は、健全性が低くなっている可能性があることを道路の管理者に通知して、本フローチャートの処理を終了する。一方、解析部２２０は、Ｓ１５０８において健全性が低くないと判定した場合、本フローチャートの処理を終了する。
【0071】
以上に説明したように、解析装置１００によれば、疲労により生じるバネ定数の変化を考慮して、道路情報板８０の健全性を判定することができる。なお、本実施形態によれば、「累積疲労損傷度の変化量に対するバネ定数の変化量の比」が、健全性の評価値として用いられる。評価値は、その「累積疲労損傷度の変化量に対するバネ定数の変化量の比」そのものに限られない。「『比』に基づいて構造物の健全性を解析する」ことは、例えば、「比」をパラメータとして持つ様々な評価値を用いて構造物の健全性を解析することを含む。例えば、「『比』に基づいて構造物の健全性を解析する」ことは、「比」の逆数、「比」の累乗根又は「比」を少なくとも１つの変数とする任意の関数を用いて算出される評価値を用いて構造物の健全性を解析することを含む。
【0072】
本実施形態では、道路情報板８０の累積疲労損傷度を測定するためのセンサとして、歪センサ５０が用いられる。しかし、他の実施形態では、歪センサ５０に代えて、道路情報板８０の応力集中部にかかる応力を推定できる任意のセンサを用いることができる。例えば、歪センサ５０に代えて、支柱８１の頂部に加速度センサ又は変位センサを設けて、支柱８１の頂部に設けた加速度センサ又は変位センサにより測定された加速度又は変位と、加速度又は変位と応力との関係を示す予め定められた情報とに基づいて、累積疲労損傷度を測定してもよい。
【0073】
本実施形態では、解析装置１００が、送信機１１０から通信ネットワーク１９０を通じて受信した測定データに基づいて、道路情報板８０の健全性を解析する。他の実施形態では、収集装置９０が道路情報板８０のバネ定数及び疲労度の少なくとも一方の情報を取得してよい。この場合、解析装置１００は、収集装置９０取得した情報を、通信ネットワーク１９０を通じて受信して、道路情報板８０の健全性を解析してよい。このように、収集装置９０は、解析装置１００の少なくとも一部の機能を備えてよい。収集装置９０は、解析装置１００の全ての機能を備えてもよい。
【0074】
道路情報板８０は、解析装置１００による解析対象となる構造物の一例である。解析装置１００による解析対象となる構造物としては、鉄塔、電信柱、電力柱、架線柱、照明塔、広告塔、標識塔、信号機、電波塔、橋梁、トンネル、建築物、ガードレール、空港の管制塔、飛行場灯台、鉄道信号機、鉄道橋、クレーン、ダム、堤防、溝渠等を含んでよい。道路情報板８０は、工作物以外の構造物、例えば土構造物等であってよい。また、解析装置１００の解析対象は構造物に限られない。解析装置１００の解析対象は、構造物や機械等の部品等であってよい。解析装置１００の解析対象は、任意の剛体であってよい。
【0075】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【0076】
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【0077】
１０ モニタリングシステム
１００ 解析装置
４０ 加速度センサ
５０ 歪センサ
８０ 道路情報板
８１、８２ 支柱
８３ ベースプレート
８４ 表示プレート
９０ 収集装置
１００ 解析装置
１１０ 送信機
１９０ 通信ネットワーク
２００ 測定データ取得部
２１０ 情報取得部
２２０ 解析部
２４０ 卓越周波数特定部
２４２ バネ定数取得部
２５０ 疲労度取得部
２６０ 処理部
２７０ メモリ
２９０ 通信部
８００ 範囲、８１０ 下限、８２０ 上限
９００ 基準範囲、９１０ 下限、９２０ 上限
１３００ グラフ、１３２０ 周波数スペクトル
１００ 解析装置
４０ 加速度センサ
５０ 歪センサ
８０ 道路情報板
８１、８２ 支柱
８３ ベースプレート
８４ 表示プレート
９０ 収集装置
１００ 解析装置
１１０ 送信機
１９０ 通信ネットワーク
２００ 測定データ取得部
２１０ 情報取得部
２２０ 解析部
２４０ 卓越周波数特定部
２４２ バネ定数取得部
２５０ 疲労度取得部
２６０ 処理部
２７０ メモリ
２９０ 通信部
８００ 範囲、８１０ 下限、８２０ 上限
９００ 基準範囲、９１０ 下限、９２０ 上限
１３００ グラフ、１３２０ 周波数スペクトル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】