(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
健全度診断の対象となる診断対象から離れた診断基地に設置されて、少なくとも診断結果を表示する統括手段と、
前記診断対象の１次のモードにおける固有振動数より高周波の振動を、当該診断対象の局部位置に付与する複数の積層圧電アクチュエータを具備した加振手段と、
該加振手段により付与された振動の応答を計測する計測手段と、
該計測手段と有線接続されて、当該計測手段から出力される計測データを記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶された計測データを受信して、当該計測データに基づき診断対象の健全度診断を行う解析手段と、
診断基地側に設けられた基地側伝送部及び診断対象側に設けられた前記診断対象側伝送部からなり、これらの間で前記計測データや診断結果の少なくとも１を無線により送受信する伝送手段とを備え、かつ、
前記計測手段が、応答振動を検出して電気信号に変換して出力する複数の計測部と、該複数の計測部に対応して設けられてアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、当該計測された信号を増幅して前記Ａ／Ｄ変換部に出力し、その際に該Ａ／Ｄ変換部でオーバーフローが起きないように増幅度が個別に設定可能に設けられた複数の増幅器からなる増幅部とを備えると共に、
前記記憶手段が、前記計測手段から出力される計測データの周波数に対して前記伝送手段による伝送速度が遅いことによるデータ欠落を防止すべく、当該計測手段による計測データのサンプリング速度と前記統括手段への伝送速度との速度調整機能をなす書込み速度であることを特徴とする無線遠隔診断装置。
【請求項２】
前記解析手段が前記統括手段と有線接続されて、前記記憶手段が前記統括手段からのデータ要求指令に応じて記憶している計測データを前記伝送手段及び前記統括手段を介して前記解析手段に送信し、該解析手段が受信した計測データに基づき健全度診断を行うことを特徴とする請求項１記載の無線遠隔診断装置。
【請求項３】
前記解析手段が前記記憶手段と有線接続されて、当該解析手段が前記記憶手段に記憶されている計測データを受信して健全度診断を行い、前記統括手段からのデータ要求指令に応じて診断結果を前記伝送手段を介して診断結果を該統括手段に送ることを特徴とする請求項１記載の無線遠隔診断装置。
【請求項４】
前記加振手段に、少なくとも診断開始時刻及び加振条件が予め記憶され、当該診断開始時刻になると診断対象を加振し、その応答を前記計測手段が計測して前記記憶手段に記憶して、前記診断対象側伝送部が前記統括手段からのデータ要求を受けると当該記憶手段に記憶されている計測データを当該統括手段に送信することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の無線遠隔診断装置。
【請求項５】
前記基地側伝送部と診断対象側伝送部との間で行う無線通信の伝送媒体が、電波又は赤外線であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の無線遠隔診断装置。
【請求項６】
前記加振手段で診断対象に付与する振動が、一定振幅で周期が連続して変化することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の無線遠隔診断装置。
【請求項７】
前記加振手段で診断対象に付与する振動が、一定周期で振幅が連続して変化することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の無線遠隔診断装置。
【請求項８】
前記解析手段が、前記記憶手段からの計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求める実験データ解析部と、
診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の当該変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、前記遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とする理論解析部と、
前記実験固有振動数と所定の一致度で一致する前記理論固有振動数を持つ前記個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、該個体の遺伝子情報から変状状態を推定する評価部と、
該評価部で探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて前記理論解析部が理論固有振動数を演算できるようにする解析データベースとを備えることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の無線遠隔診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物や鋼材構造物等の診断対象と離れた場所で、当該診断対象の変状を判断して、該診断対象の健全度診断を行う無線遠隔診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄橋、船舶、鉄道施設等の鋼材構造物やトンネル、ビル、発電所等のコンクリート構造物等の診断対象における健全度の診断は、目視による変状状態の発見やハンマーで診断対象に振動を与え、その時の音から変状の有無を判断することが行われている。
【０００３】
しかし、このような診断方法では見落としが発生しやすく、またその判断において個人差があるため信頼性が低く、又再現性のある診断を行うことが困難であった。
【０００４】
そこで、構造物に圧電素子を貼付し一定の周波数域で加振して、低周波数域における振動モードの変化を観察することで構造物全体の変状を検知し、また圧電素子の高周波数域での電気インピーダンスの変化を検知することで局所的な欠陥を検知する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、本来、構造物の変状箇所を特定するには、変状によって生ずる反射波を圧電素子によって検出し、検出信号における注目点の時間軸上の位置と弾性波の伝播速度とからその位置を同定する必要があり、当該位置の特定に長時間を要する問題があった。
【０００６】
このような状況に鑑み、本願出願人は、構造物に局部振動を付与し、その応答を計測して求めた振動モードの変化から診断対象の変状を診断するようにしたシステムを提案している（特許文献２、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−９９７６０号公報
【特許文献２】特開２００３−１０６９３１号公報
【特許文献３】特願２００３−９７６６８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した各提案は、システムの構成要素が相互に有線接続された構成であるため、例えば診断対象が橋梁等のようにその場に観測者が居て計測できない場合には、信号ケーブルを観測者の所まで配線してシステム構成する必要があり、コストアップの要因となると共に、誤動作や計測エラーを起こす頻度が高い問題があった。
【０００８】
また、一般的に構造物の変状は長い時間をかけて徐々に進行するが、ある状態を境に急激に変状が進行する場合が多い。例えば金属疲労を考えると、塑性領域では徐々に変状が進行するが、降伏点を超えてしまうと指数関数的に進行することは周知の事実である。
【０００９】
構造物の健全度診断はかかる変状が急変する前に予防対策を講じるための現状認識に利用されるもので、長期間に渡り診断を継続することが重要である。
【００１０】
しかし、計測される応答振動は構造物の端部や変状点等で繰返し反射され、これら反射波の影響は周波数の高いところに現れる傾向があるので、診断毎に加振器や計測器を取付、また信号ケーブルを配線する構成では、加振器の取付位置のズレや信号ケーブルの取回方法等により診断対象に変状が発生していない場合でも同じ信号が計測できる保証がない。
【００１１】
従って、診断毎にシステムを構成しなければならない従来の方法では、信頼性の維持が非常に困難である問題がある。
加えて、診断を行う毎に信号ケーブルを配線等することによりシステム構成する方法では、配線手間等の作業負荷が診断コストに加わる問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、診断時における信号ケーブルの配線等を不要にして、人が近付き難い診断対象を長期に渡り診断する場合であっても、信頼性の高い健全度診断が行えるようにした無線遠隔診断装置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】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、健全度診断の対象となる診断対象から離れた診断基地に設置されて、少なくとも診断結果を表示する統括手段と、診断対象の１次のモードにおける固有振動数より高周波の振動を、当該診断対象の局部位置に付与する複数の積層圧電アクチュエータを具備した加振手段と、該加振手段により付与された振動の応答を計測する計測手段と、該計測手段と有線接続されて、当該計測手段から出力される計測データを記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された計測データを受信して、当該計測データに基づき診断対象の健全度診断を行う解析手段と、診断基地側に設けられた基地側伝送部及び診断対象側に設けられた診断対象側伝送部からなり、これらの間で計測データや診断結果の少なくとも１を無線により送受信する伝送手段とを備え、かつ、計測手段が、応答振動を検出して電気信号に変換して出力する複数の計測部と、該複数の計測部に対応して設けられてアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、当該計測された信号を増幅してＡ／Ｄ変換部に出力し、その際に該Ａ／Ｄ変換部でオーバーフローが起きないように増幅度が個別に設定可能に設けられた複数の増幅器からなる増幅部とを備えると共に、記憶手段が、計測手段から出力される計測データの周波数に対して伝送手段による伝送速度が遅いことによるデータ欠落を防止すべく、当該計測手段による計測データのサンプリング速度と統括手段への伝送速度との速度調整機能をなす書込み速度であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、解析手段が統括手段と有線接続されて、記憶手段が統括手段からのデータ要求指令に応じて記憶している計測データを伝送手段及び統括手段を介して解析手段に送信し、該解析手段が受信した計測データに基づき健全度診断を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３に係る発明は、解析手段が記憶手段と有線接続されて、当該解析手段が記憶手段に記憶されている計測データを受信して健全度診断を行い、統括手段からのデータ要求指令に応じて診断結果を伝送手段を介して診断結果を該統括手段に送ることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、加振手段に、少なくとも診断開始時刻及び加振条件が予め記憶され、当該診断開始時刻になると診断対象を加振し、その応答を計測手段が計測して記憶手段に記憶して、診断対象側伝送部が統括手段からのデータ要求を受けると当該記憶手段に記憶されている計測データを当該統括手段に送信することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に係る発明は、基地側伝送部と診断対象側伝送部との間で行う無線通信の伝送媒体が、電波又は赤外線であることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６に係る発明は、加振手段で診断対象に付与する振動が、一定振幅で周期が連続して変化することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に係る発明は、加振手段で診断対象に付与する振動が、一定周期で振幅が連続して変化することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項８に係る発明は、解析手段が、記憶手段からの計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求める実験データ解析部と、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の当該変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とする理論解析部と、実験固有振動数と所定の一致度で一致する理論固有振動数を持つ個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、該個体の遺伝子情報から変状状態を推定する評価部と、該評価部で探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて理論解析部が理論固有振動数を演算できるようにする解析データベースとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、伝送手段により計測データ又は診断結果の少なくとも１を無線伝送すると共に、計測データを記憶手段に記憶するため、診断毎に信号ケーブルの配線等を行う作業手間が不要になり、観測者が診断対象に近付き難い所であっても、長期に渡る診断が容易に行え、また記憶手段が計測データのサンプリング速度と伝送速度とのバッファと機能するので、取得した計測データの信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明に係る無線遠隔診断装置２の構成図で、診断開始や診断内容の指示を行うと共に、診断結果等を受信して表示する統括手段３、基地側伝送部４ａと診断対象側伝送部４ｂとからなり各種の情報の送受信を行う伝送手段４、診断対象に所定の振動を付与する加振手段５、該加振手段５により付与された振動に対する応答を計測する計測手段６、該計測手段６で計測された計測データを一時記憶する記憶手段７、計測データに基づき診断対象の健全度診断を行う解析手段９等を主要構成としている。
【００２３】
そして、加振手段５、計測手段６、記憶手段７及び診断対象側伝送部４ｂは診断対象側に配置され、当該診断対象と離れた診断基地には統括手段３、解析手段９及び基地側伝送部４ａが配置されている。
【００２４】
統括手段３は、パーソナルコンピュータ等からなり、診断対象の健全度を最も適切に診断するための加振条件を指示し、また診断結果を表示等することにより診断処理全体を統括するもので、診断開始時には、診断開始指令や加振条件等の制御データを伝送手段４を介して加振手段５に送信する。
また、データ要求指令を伝送手段４を介して記憶手段７に送信し、受信した計測データを解析手段９に送ると共に、当該解析手段９から診断結果を受信して、それを画面表示する。
【００２５】
伝送手段４は、このような制御データや計測データを電波や赤外線等の伝送媒体を用いて伝送するもので、伝送方式については、本発明では特に規定しない。
即ち、ノートパソコン，携帯電話，ＰＤＡ等のモバイル機器やその他の種々の電子機器同士を通信ケーブルの代替として無線通信する際に用いられる通信規格の１つであるブルートゥース等のＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）や赤外線を使った無線データ通信技術の１であるＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）、また無線ＬＡＮ等が利用可能である。
【００２６】
どのような伝送方式を採用するかは、診断対象と診断基地との距離や周辺の状況等により決定され、例えば診断対象が鉄橋であり、この鉄橋から数十ｍ程度離れた場所を診断基地とするような場合には、１００ｍ程度の通信距離が容易に確保でき、かつ、指向性の小さい電波方式が好ましい。
【００２７】
一方、赤外線は、消費電力が少なく、かつ、電波障害を起さないので、例えば原子力発電所における配管診断のように多数の電子機器が近接して設けられている系への適用が好適である。
【００２８】
無線ＬＡＮやＰＡＮは、無指向性の電波を伝送媒体とするため、障害の程度にもよるが通信路に障害物が有るような場合であっても利用可能になる利点がある。このとき、外部からの電波障害が抑制できるようにスペクトル拡散による電波干渉回避機能を備える無線ＬＡＮが好ましい。
【００２９】
さらに、同じ無線ＬＡＮでも、周波数２．４ＧＨｚの帯域を使う国際規格のＩＥＥＥ８０２．１１ｂに準拠したものが好ましい。これは、当該規格がパーソナルコンピュータとの接続性を考慮して企画されているため、例えば統括手段３としてパーソナルコンピュータを利用しても特別なインターフェースを必要としないこと、即ち汎用性が高いためである。
【００３０】
なお、診断対象側伝送部４ｂで受信した統括手段３からの指令をそのまま加振手段５に入力できるように、また記憶手段７の計測データをそのまま統括手段３に送信できるように、伝送手段４としてディジタル信号が送受信できることが好ましいが、基地側伝送部４ａにＤ／Ａ変換器を設け診断対象側伝送部４ｂにＡ／Ｄ変換器を設けて基地側伝送部４ａと診断対象側伝送部４ｂとの間をＦＭ変調等されたアナログ信号で通信するようにすることも可能であり、本発明は係る場合を排除するものではない。
【００３１】
また、基地側伝送部４ａと診断対象側伝送部４ｂとの間の通信をディジタル信号で行う場合に、パケット通信により行うことも可能であるが、その際にはＴＣＰ／ＩＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ  ）におけるようにパケット順序を示す情報が付加されて送られる方式が好ましい。これは、通信エラーによるデータ欠損の発生を防止して診断の信頼性を高めるためである。
【００３２】
加振手段５は、統括手段３からの加振条件に基づき、診断対象に付与する振動の波形信号を発生する信号発生部１２、該信号発生部１２で発生された信号を増幅して駆動信号を出力する駆動部１３、該駆動信号に応じた振動を診断対象に付与する加振部１４を備えている。
【００３３】
信号発生部１２は、ファンクションジェネレータやマルチファンクションシンセサイザ等から構成されて統括手段３からの加振条件に応じたアナログ信号の波形信号を生成して出力する。
【００３４】
一般にマルチファンクションジェネレータやマルチファンクションシンセサイザでは、それ自体においてサイン波、矩形波、ノコギリ波等の一般的な波形信号を生成することができるが、診断対象や目的に応じて任意の波形信号が作成できる機能を具備することが好ましい。
【００３５】
ここで、マルチファンクションとしたのは、加振部１４を複数の加振器により構成して、マルチチャネルによる加振が行えるようにするためである。
これにより、各加振器毎に加振のタイミングをずらしたり、位相を変えたり、あるいは振幅、周波数、加振時間を変えたり、さらにはスイープ振動（振幅や周波数を時間と共に変化させた振動）させたりと診断対象や目的に応じた加振が行えるようになる。
【００３６】
駆動部１３は、信号発生部１２からの波形信号を所定のゲインで増幅し、これを駆動信号として該当する加振器に出力する。なお、ゲインは、信号発生部１２から指定できるようにしてもよい。
【００３７】
加振部１４は、積層圧電アクチュエータ等からなる加振器により構成され、この加振器は固定具により一定荷重で診断対象に押付けて取付られる（図２（ｃ）参照）。
【００３８】
固定具としては、板バネを反力板１７として用いた例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、振動が診断対象に確実に付与することができるものであればよく、例えば両面テープ、ねじ止め、マグネット磁着方式等の構成が例示できる。
【００３９】
また、加振器は必ずしも位置固定される場合に限定されず、３次元アームにより加振器を所望の位置に移動させて診断対象に押付ける構成であっても良い。無論、その際には加振位置を高精度（例えば、１０ミクロン）に指定できることが好ましい。後述する計測器についても同様である。
【００４０】
なお、診断対象の変状を観測するためには、高周波（例えば、５００Ｈｚ以上）の振動を与えることができる加振器が好ましい。これは診断対象として、原子力発電所、化学プラント、鉄橋、船舶等を考えた場合、これらの固有振動数（１次のモードにおける固有振動数）は非常に低い振動数になるが（重量が重いため）、変状点の固有振動数は振動数が高いため、かかる振動数での変化が計測できるようにするためである。
【００４１】
計測手段６は、診断対象に付与した振動に対する応答を計測する計測部２１、該計測部２１から出力されるアナログ信号である計測信号を増幅する増幅部２２、該増幅部２２からの計測信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２３を備えている。
【００４２】
計測部２１は、複数のレーザ式変位測定器や圧電素子等を用いて、診断対象の応答振動を計測するもので、その配置方法は加振器の配置方法や予想される変状点位置等に応じて適宜設定される。
【００４３】
なお、複数の加振器や計測器の配置は、一定の間隔で配置したり一定の規則に従って配置したりすることも可能であるが、診断対象に応じて適宜設定できることは先に述べたと同様である。
【００４４】
即ち、健全度診断は、原子力発電所、化学プラント、鉄橋、船舶等におけるように事故が発生すると甚大な人的、物的損害をもたらす系において特に要求され、かつ、長期間にわたる診断が要求される。
【００４５】
そして、構造材においては腐食や繰り返し荷重による金属疲労等によりリベット連結部分、溶接部分等で変状が発生し易く、また配管においては加工硬化が激しく、ウォータハンマによる大きな衝撃を受け易い配管の曲がり部分、配管接続部分等で変状が発生し易い特徴がある。
【００４６】
また、例えば溶接箇所といっても、当該溶接箇所が一様に劣化して亀裂等が発生することはなく、通常は溶接端部側から発生する。
【００４７】
このように診断対象により変状を受けやすい箇所に特徴があり、かかる箇所を中心に診断することは、無駄な診断を省き、かつ、危険度の高い部分を集中して診断することになり、診断対象における初期変状を高精度にいち早く検出することができるようになる。
【００４８】
そこで、かかる変状が予想される部位を的確に診断できるように加振器や計測器を配置し、かつ、その数を設定することが肝要となる。
【００４９】
また、上述した意味ばかりでなく、対称振動、逆対称、ねじり振動等による振動モードを精度良く測定するために複数の加振器及び計測器を設ける場合もある。
【００５０】
増幅部２２は各計測器に対応して設けられたシグナルコンディショナ等の増幅器からなり、主にＡ／Ｄ変換部２３に入力する信号レベルのレベル調整役を担って、各増幅器のゲインは計測器の構成や診断対象の構成に依存して設定される。
【００５１】
即ち、各増幅器のゲインは一定となるように（少なくとも同一レベルの信号が入力されたときに同一レベルの信号が出力されるように）設定する必要があり、また増幅部２２からの信号を後述するようにＡ／Ｄ変換部２３によりディジタル信号に変換するが、このときオーバーフローを起こさないように設定する必要がある。
【００５２】
ところが、診断対象に応じて付与する振動のエネルギーを調整したい場合や付与する振動エネルギーを連続的に変化させたい場合には、固定ゲインの増幅器であるとオーバーフローを起こしてしまう場合がある。
このような観点から、ゲインは調整可能であることが好ましく、そのゲイン調整はマニュアル調整でもよく又は統括手段３等からゲイン調整できるようにしても良い。
【００５３】
Ａ／Ｄ変換部２３は、計測部２１からの信号がアナログ信号であるため、これをディジタル信号に変換することで、記憶手段７で記憶できるようにするものである。このＡ／Ｄ変換部２３におけるサンプリング速度は、当然の如く応答振動の卓越周波数より速いことが要件となっている。
【００５４】
記憶手段７は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の書換え可能なメモリからなる計測データ記憶部２４を有して、Ａ／Ｄ変換部２３からの計測データを記憶する。そして、診断対象側伝送部４ｂからデータ要求を受けると記憶している計測データを出力し、また当該診断対象側伝送部４ｂからデータ送信完了通知を受けるとデータ消去を行うようになっている。
【００５５】
なお、このように記憶手段７を用いずに、計測データを直接伝送手段４を介して統括手段３に送信することも可能であるが、計測データの周波数に対して伝送速度が遅いような場合には計測データの欠落が起きる恐れがある。
【００５６】
一般に、診断対象全体を一様に診断対象とすることは現実的に困難であるため、想定される変状点を予め特定して、その箇所を中心にした計測が行われるが、鉄橋や原子力施設等の大型の診断対象ではかかる変状想定箇所も膨大な数になることがあり、計測データが欠落する毎に再計測を行うようでは、計測時間が長引き作業性を著しく低下させてしまう。
【００５７】
また、観測者はデータ欠落の発生を殆どの場合認識できないため、データ欠落がないものとして診断せざるを得ず、このような事態に対応するためにはデータ欠落を監視する装置を導入して当該装置による監視結果と加振手段５の動作とを連係させて再計測を実行させる構成が必要となり、診断装置は非常に複雑化し、かつ、高価になってしまう。
【００５８】
しかし、記憶手段７を設けることにより、この記憶手段７が計測データのサンプリング速度と統括手段への伝送速度との速度調整機能をなすので、データ欠落が防止できて装置の簡略化及び低コスト化が可能になる利点がある。
【００５９】
なお、記憶手段７としてＤＲＡＭのような高速で読書きできる半導体素子が好ましいが、ハードディスクのような情報記録媒体であっても書込み速度等の要件を満たす限り適用可能である。
【００６０】
解析手段９は、計測データから診断対象の１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数（以下、実験固有振動数という）を求める実験データ解析部２５、理論的に診断対象の１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数（以下、理論固有振動数という）を算出する理論解析部２６、理論固有振動数が実験固有振動数と所定条件下で一致するか否かを判断して健全度診断を行う評価部２７、診断情報、理論固有振動数及び実験固有振動数等の情報を保存する解析データベース（解析ＤＢ）２８等を備えている。
【００６１】
以下においては、図２に示すようにＨ型鋼材３９をアングル４１を介して支柱４０で支え、当該Ｈ型鋼材３９とアングル４１とは複数のボルト４２により固定され、また該アングル４１は支柱４０に溶接等して固着されている系を例に説明する（図２（ａ）、（ｂ）参照）。
【００６２】
そして、変状はボルト４２の弛緩により起きると仮定し、加振器４５は反力板１７の反力によりＨ型鋼材３９に押付けられ、計測器４６は両面テープ等によりＨ型鋼材３９に貼付られているとする。
【００６３】
このような系において、付与した振動の応答を計測してそのパワースペクトルを求めると図１３のようなパワースペクトルが取得される。図１３（ａ）は、全てのボルト４２が緊結状態にある場合、図１３（ｂ）はいずれかのボルト４２が弛緩状態にある場合のパワースペクトルで、横軸が周波数、縦軸がスペクトル強度を示している。
【００６４】
これらのパワースペクトルを比較すると、図１３（ｂ）において約３１０Ｈｚで大きなピークが出現し（図中Ｐ１で示す点）、また約１５０Ｈｚでピークが分離したように見える（図中Ｐ２で示す点）。このように変状発生の有無は、パワースペクトルに違いが生じているか否かにより判断することができる。
従って、健全度診断が変状の有無を目的とする場合には当該パワースペクトルを比較することにより可能である。
【００６５】
しかし、変状の発生が判断できでも、何処でどの様な変状が起きているまでは判断できない。そこで、かかる変状点の位置や変状内容までも診断内容とすべく、本発明では後述するＧＡ等の解析アルゴリズムを利用している。
【００６６】
このような解析アルゴリズムとしては遺伝的アルゴリズム、ニューロネットワーク回帰分析、多変量解析、パターン認識解析等が適用可能であるが、この中でも最適化問題に非常に有効であるとされている遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Ｇｅｎｅｔｉｃ  Ａｌｇｏｒｌｔｈｍ）を用いた場合を例に説明する。
【００６７】
ＧＡの概要を簡単に説明する。ＧＡはもともと、生物界にある遺伝の法則を模擬して案出された手法で、複数の解を遺伝的に変化させながら、より良い解を求める手法である。そして、この解を遺伝子という形で表現する（コーディングする）。
【００６８】
図３は、このようなＧＡのアルゴリズムをフローチャート化して示した図である。ＧＡでは、先ず解（個体）の集団である初期集団（個体群）を作成する（ステップＳ１）。
この個体は診断対象の１の変状状態に対応し、この個体を特徴付ける遺伝子情報として変状点の位置やバネ剛性値等を用いる。
【００６９】
例えば、ボルトＡ，Ｂが２本ある場合に、ボルトＡを「０１」、ボルトＢを「１０」とし、また各ボルトＡ，Ｂが緊結状態にあるときを「１」、弛緩状態にあるときを「０」のように対応付ける。この場合、遺伝子情報は、「０１１」（ボルトＡが緊結状態）、「０１０」（ボルトＡが弛緩状態）、「１０１」（ボルトＢが緊結状態）、「１００」（ボルトＢが弛緩状態）としてコーディングできる。従って、変状状態として４の個体が定義できることになる（健全な状態も変状状態の１態様とする）。
【００７０】
次に、評価を行う。評価は全ての個体（解）について適合度を求めて、この適合度に基づき次の世代に残す個体を決定する（ステップＳ２，ステップＳ３）。この適合度は、解の評価の高さのようなもので、良い解ほど高い適合度が得られるように評価関数を設定する。
なお、本発明においては、各個体の理論固有振動数を計算して、この理論固有振動数が実験固有振動数とどの程度適合（一致）しているか（良い解であるか）を評価関数により評価する。評価関数については後述する。
【００７１】
変状態様がボルトの弛緩のような場合には、想定した個体の中に最適解を見い出せる場合も多いが、亀裂のようにな場合には、想定した個体からは最適解を見いだすことができないこともある。
そこで、ＧＡにおいては、ＧＡオペレータと称される交叉や突然変異操作を行う（ステップＳ４）。
【００７２】
この交叉や突然変異操作は遺伝の法則をヒントに作られたもので、交叉では複数の親（一般には二つ個体）から遺伝子を受け継ぐ新しい個体（子）を一定の確率で発生させ、突然変異では交叉より低い確率で個体が発生するように設定する。
【００７３】
例えば、複数のボルトがあり、１つ置きにボルトの弛緩を考えた個体群を想定していた場合、想定したボルトに隣接するボルトが弛緩したとする。このとき想定したボルトが弛緩していれば、探査により最適解を得ることができる。
【００７４】
しかし、想定したボルトに隣接するボルトが弛緩していた場合には探査により最適解が見つからないので、適応度が高い２のボルト（想定したボルト）を親として、交叉操作により新しい個体を作る。この個体が隣接するボルトが変状したとするものであれば、上記探査により最適解が求まる。
【００７５】
ところが、変状がボルトの弛緩ではなく、亀裂であった場合には、交叉操作を繰返しても最適解が求まらないので、この場合には突然変異操作により亀裂を変状内容とする個体を生成して探査を行うことになる。
このような探査を一世代と考え所定回数について行い最適解を求める。
【００７６】
かかるＧＡを用いて診断を行う場合の手順を図４を参照して説明する。先ず、診断対象に加振する（ステップＳＡ１）。これにより、診断対象からは１次〜ｎ次（ｎ：整数）の振動モードを持つ応答振動が計測される。
【００７７】
そこで、実験データ解析部２５では、計測データのパワースペクトル分析を行い、変状により卓越した振幅が変化し、又は新たに卓越した振幅が生じるとして、この卓越点を探して実験固有振動数とする（ステップＳＡ２，ステップＳＡ３）。
【００７８】
例えば、診断対象に図５に示すような、周波数をスタート周波数からストップ周波数まで連続的に変化するスイープ振動を付与した場合には、図６に示すような計測データが観測される。そこで、実験データ解析部２５で、この計測データに対しパワースペクトル分析を行って、図７に示すようなパワースペクトルを得、同図で縦線を引いた所を実験固有振動数とする。
【００７９】
なお、計測データをフーリエ変換して周波数分析を行い、各周波数における振幅が卓越している点を実験固有振動数としてもよく、さらにはフーリエ変換して得られたデータに対し、パワースペクトル分析を行うことにより振幅変化を明確化し、これにより精度良く実験固有振動数を同定するようにしても良い。
【００８０】
図５に示すようなスイープ振動を付与する理由は、この変状点を共振させ、変状点の位置、大きさ、種類等の情報を計測データに含まれるようにするためである。
【００８１】
即ち、診断時においては変状点の位置等は不明であるので、幅広い周波数で加振することにより変状点を共振させて計測データにその情報が含まれるようにする。
【００８２】
無論、変状点が特定できる場合や変状点が高精度に予測できる場合等においては、スイープ振動でなく一定振動数の振動であってもよく、また狭い範囲で周波数が変化する振動であっても良い。
【００８３】
例えば、複数の部材がボルトにより一体化されているような系において、経験的に或いは統計的にボルトの弛緩が起きることが予測される場合（この場合の弛緩度は２値的であるとする）、ボルトの位置が予め知れているため、そのボルトの変状を検出するように特定の周波数又はその近傍範囲の周波数の振動を付与すればよい。
【００８４】
また、図５において付与された振動は診断対象の表面又はその近傍を伝播する表面弾性波と考えているが、例えばコンクリート構造物における鉄筋の腐食や酸性雨によるコンクリートの変状等の内部欠陥のように深い位置での変状を計測する際には、当然のことながらその深度まで振動を伝播させ、その応答が返ってくるだけのエネルギーが必要になる。
【００８５】
このため、例えば時間と共に振幅が増大するスイープ振動を付与する等の検出する変状点の深度に対応したエネルギーの振動を付与する必要が生じる。本発明は、係る場合も含むものである。
【００８６】
図５におけるような診断対象の場合には、変状の態様としては（１）ボルトの弛緩、（２）亀裂、（３）錆・腐食等が想定できるが、以下においてはボルトの弛緩を例に説明する。
【００８７】
理論解析部２６は、診断対象の理論固有振動を有限要素法等を用いて算出する。有限要素法では、図２に示すような診断対象を例えば図８に示すように複数の要素に分割し、各要素の境界条件及びヤング率・断面積・ボルトの締め付け長さ等で表されるバネ要素剛性値を変化させて計算する。
【００８８】
このため予め想定される変状点に対応した要素分割が重要になる。例えば、変状としてボルトの弛緩や腐食が想定される場合には、要素の１に当該ボルトや腐食位置が含まれるように要素分割する。また、溶接箇所等において亀裂が想定される場合には、溶接箇所が要素の境界に位置するように要素分割する。
【００８９】
なお、変状としてボルトの弛緩を想定する場合には上述したように遺伝子情報にバネ要素剛性値を設定し、亀裂を想定する場合には隣接する要素との連続性が無いとする境界条件を遺伝子情報に設定する。また腐食による場合には、弾性係数を遺伝子情報に設定する。
このように、想定される変状の性質に応じてバネ要素剛性値等を遺伝子情報に設定しし、これを演算パラメータとする。
【００９０】
図９は、ボルトが弛緩した変状状態を示す図で、ＣＡＳＥ１が健全な状態、ＣＡＳＥ２〜ＣＡＳＥ７が変状状態を示している。そして、ボルト位置が丸印で示され、当該丸印に斜線が付されたボルトが弛緩していることを示している。
【００９１】
要素分割された診断対象に対し、上記演算パラメータを設定するが、このとき診断対象を構成する部材のバネ定数、弾性係数、減衰定数等を用いることも可能である。しかし、理論の適用に際して診断対象を適正にモデル化することが困難であるため信頼性の高い固有振動数を算出することができない。
【００９２】
そこで、本発明では、最初の診断時（Ｋ＝１）においては部材のバネ定数等を演算パラメータとして理論固有振動数を算出し、この理論固有振動数が実験固有振動数と所定条件で一致するように当該演算パラメータを変化させる。そして、一致したときの演算パラメータを診断対象のバネ要素剛性値等と同定する。
【００９３】
これにより、実際の診断対象の固有振動数に近い（精度の高い）理論固有振動数を容易に求めることができ、演算に要する時間を短縮することが可能となる。
【００９４】
最初の診断時（Ｋ＝１）とは、当該装置を設置した場合や設置後に解析データベースのデータが初期化された場合の最初に診断する時を意味している。
診断対象の変状は状態変化を検出することにより行うため、最初の診断では（Ｋ＝１）では元の状態に関するデータが存在しないため診断が行えず、またＧＡにおける個体群も設定されていない状態だからである。
【００９５】
このため、最初の診断時には、ＧＡにおける個体群を設定し（ステップＳＡ４，ステップＳＡ６）、個体の遺伝子情報をコーディングする（ステップＳＡ７）。図１０は、このようにコーディングされた各個体の遺伝子情報を示している。
【００９６】
その後、有限要素法により理論固有振動数を算出する（ステップＳＡ８）。このとき、遺伝子情報を構成するバネ要素剛性値や変状点位置を演算パラメータとして演算し、図１１に示すような周波数（横軸）に対する振幅（縦軸）の曲線が得られる。
【００９７】
この曲線の極大値は、１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数に対応し、この固有振動数が変状の発生により影響を受けて、周波数変化等として現れているとする。
【００９８】
このように得られた理論固有振動数ｆａ（ｉ）と実験固有振動数ｆｅ（ｉ）とを予め設定した評価関数δに代入して適応度の評価を行う（ステップＳＡ９）。ここで、ｉはｉ次の振動モードの固有振動数であることを示している。
【００９９】
評価関数δとしては、例えば式１のように理論固有振動数ｆａ（ｉ）と実験固有振動数ｆｅ（ｉ）との差分の２乗を各振動モードで加算する関数とすることができる。無論、種々の評価関数δを定義することができ、例えば差分の絶対値を各振動モードで加算する関数としてもよい。
【数１】
0003694749.tif 000002
【０１００】
一方、ステップＳＡ４において、最初の診断（Ｋ＝１）でないと判断された場合には、解析ＤＢ２８から前回の診断結果であるデータＤ（Ｋ−１）を読込み、このデータＤ（Ｋ−１）に含まれている理論固有振動数とステップＳＡ３で求めた実験固有振動数とを用いて適応度を評価する（ステップＳＡ９）。
【０１０１】
このようにして得られた適応度が、一定の適応度基準値より小さいか否かを判断し（ステップＳＡ１０）、適応度基準値より大きい場合（適応度が低い場合）には、予め設定した交叉確率Ｐｃ、突然変異確率Ｐｍに基づいて遺伝子操作を行う（ステップＳＡ１１）。このような処理を１世代として、予め設定された世代数まで繰り返して最適解を求める。
【０１０２】
最適解が求まると、診断が最初（Ｋ＝１）で有るか否かを判断し、Ｋ＝１の場合には求まった最適解からなる個体群をデータＤ（Ｋ）として解析ＤＢ２８に保存する（ステップＳＡ１５）。
【０１０３】
一方、診断が最初でない場合には（Ｋ≠１）、最適解の個体における遺伝子情報から変状位置や変状の内容（変状はボルトの弛緩によるものか、亀裂によるものか等）を判断することにより健全度診断を行い（ステップＳＡ１３，ステップＳＡ１４）、その結果を保存する（ステップＳＡ１５）。
【実施例】
【０１０４】
次に、本発明の無線遠隔診断装置の実証試験について説明する。なお、試験対象としては、図２に示すような鋼材構造物で、３５０ｍｍＸ３５０ｍｍＸ１２ｍｍＸ１９ｍｍ、長さＬ＝２２００ｍｍのＨ形鋼を診断対象とし、当該診断対象と支柱４０は接触していないとした。
【０１０５】
このような診断対象に、図１に示すような加振手段５、計測手段６、記憶手段７、解析手段９を取付る。アクチュエータの加振器（１基）及び加速度計の計測器（１基）は、図２に示されるように、加振器を反力板１７により反力が約１００Ｎ程度となるように取付け、計測器は両面テープ等により貼り付けた。
【０１０６】
次に、計測データが無線による場合と有線による場合とで同じデータとなることを確認した。図１２がその結果である。図１２（ａ）は有線の場合を示し、図１２（ｂ）〜図１２（ｅ）は無線ＬＡＮを用いた場合を示している。また、図１２（ｂ）〜図１２（ｅ）はそれぞれ異なる無線ＬＡＮ機器（伝送手段）を用いた場合を示している。なお、各図で波形の時間軸がずれているのは、サンプリングのタイミングのずれによるものである。
【０１０７】
これらの図から分かるように、各図における波形は同じ波形を示し、無線の場合でも有線におけると同等の信頼性が得ることが可能であることが示される。
【０１０８】
解析手段においては前準備として診断対象のボルト接合部をバネ要素としてモデル化し、有限要素法による固有振動解析を行った。このとき、ボルト接合部を表すバネ要素剛性を解析的に評価するため、ＧＡを用いてバネ剛性の同定を行い（先に説明した解析手順における最初の診断（Ｋ＝１）の結果に対応）、変状点の同定可能性を検討した。
【０１０９】
モデル化に際しては、ボルトによるＨ形鋼とアングルとの接触状況を３方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のバネ要素で表現し、バネ要素節点の回転方向の拘束条件（θｘ，θＹ，θｚ）を固定とした。
【０１１０】
これらのバネ要素をアングルとの接触面上の節点に所定数ずつ配置し、弛緩部分でのバネ要素剛性値を求めた。なお、ＧＡにおいては、理論固有振動数の算出を繰返し行うので、これに要する時間が長くなる。そこで、本実施例では、ＧＡ解析のモデルを可能な限り簡略化して解析による時間の短縮を図った。
【０１１１】
そして、統括手段から図５に示すような、一定振幅でスタート周波数が０．１Ｈｚ、ストップ周波数が４００Ｈｚで直線的に周波数が変化するｓｉｎ波の振動を１５秒のスイ−プ時間で診断対象に付与することを診断内容とする指示を伝送手段を介して加振手段に送信した。当該加振手段では、この指令に基づき振動波形信号を生成して加振器を振動させた。
【０１１２】
この加振による応答振動を計測器で計測し、Ａ／Ｄ変換部２３でオーバフローを起こさないように増幅部のゲイン調整を行って増幅し、計測データ記憶部２４に記憶した。
【０１１３】
計測が終了すると、診断対象側伝送部４ｂからのデータ要求指令がなされ、これに応じて計測データ記憶部２４が記憶している計測データを診断対象側伝送部４ｂに送り、当該診断対象側伝送部４ｂから基地側伝送部４ａ、統括手段３を介して解析手段９における実験データ解析部２５に送られる。
【０１１４】
図１３は計測データに基づきパワースペクトル解析して得たパワースペクトルで、図１３の（ａ）は健全時（ＣＡＳＥ１）に対応し、図１３の（ｂ）はＣＡＳＥ３に対応している。
【０１１５】
また、図１４はＣＡＳＥ１〜ＣＡＳＥ７における各次数の振動モードの実験固有振動数の結果を示し、図１５は健全時（ＣＡＳＥ１）を基準としてＣＡＳＥ２〜ＣＡＳＥ７の実験固有振動数の変化を減少率で示した図である。これらの図において減少率に注目すれば、弛緩するボルトにより固有振動数の変化の減少の程度が異なっていることがわかる。
【０１１６】
次いで、理論解析部２６及び評価部２７で健全時の（即ち、ＣＡＳＥ１の計測データに基づく）実験固有振動数を目標値として理論固有振動数をＧＡを用いて同定する。
【０１１７】
図１６は、交叉確率Ｐｃ＝６０％、突然変異確率Ｐｍ＝５％、人口数５０として単純ＧＡによる理論固有振動数と実験固有振動数とを示した図で、１次モードでは若干誤差が見られるが、３次および４次では実験値と非常に近い結果となっている。
【０１１８】
次に、図９に示すＣＡＳＥ３を想定してボルトが弛緩した状態を診断する。このとき、該当する要素についてＹ方向のバネ要素剛性値のみを減少させることとし、健全時の６０％のバネ要素剛性値とした。そして、Ｙ方向のバネ要素剛性値を同定して、その結果が健全時の６０％になっているかを調べた。
【０１１９】
図１７はその結果で、健全時の６０％よりも小さく評価されたバネ要素もありばらつきが認められるものの全体的には有効であることがわかる。即ち、変状としてＣＡＳＥ３を診断することができる。なお、このときのＧＡとして単純ＧＡを適用し、交叉率６０％、突然変異率５％、人口数５０とした。
【０１２０】
以上により、無線による計測データを伝送する場合であっても、優先の場合と同様の結果を得ることが実証でき、これにより観測者が診断対象に近付き難い所であっても、長期に渡る診断が容易に行え、かつ、診断毎に信号ケーブルの配線等を行う作業手間が不要にすることが可能になった。
【０１２１】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態においては、診断対象側には、加振手段５、計測手段６、記憶手段７及び診断対象側伝送部４ｂが配置され、診断基地には統括手段３、解析手段９及び基地側伝送部４ａが配置された構成であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１８に示すように、解析手段９を診断対象側に設けて記憶手段７と有線接続し、診断結果や計測データを統括手段３に送信するような構成であっても良い。
【０１２２】
また、図１９に示すように、加振手段５、計測手段６、記憶手段７及び診断対象側伝送部４ｂをユニット化して、加振手段５にタイマー等の計時部３０を備える加振制御部３１を設けると共に、当該加振制御部３１に診断開始時間を記憶させて、診断開始時間になると自動的に加振、計測を行い、その結果を統括手段３に送信する構成も可能である。
【０１２３】
このように、自動的に加振・診断を行うことにより、例えば原子力発電所等の大規模な施設において、いちいち診断開始命令する必要が無くなり、施設のいずれかの場所で変状が検出されると、警報を出す等のシステム監視が可能になる。
【０１２４】
このようなシステム監視は、構成機器の動き（例えば冷却水の流量異常）を監視する目的で現在必須的に用いられているが、構造物の監視までは行われておらず、かつ、その手段が皆無である現状に鑑みれば安全性を確保する上で非常に有益となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明に係る無線遠隔診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】診断対象を例示する図である。
【図３】ＧＡのアルゴリズムを説明するフローチャートである。
【図４】診断解析手順を示すフローチャートである。
【図５】診断対象に付与する振動波形としてスイープ振動を例示する図である。
【図６】計測データを例示する図である。
【図７】計測データからパワースペクトルを求めた図である。
【図８】図２に示す診断対象を有限要素法の適用のために要素分割した図である。
【図９】図２に示す診断対象の変状状態を例示した図である。
【図１０】図９における変状状態を個体とした際の遺伝子情報を例示する図である。
【図１１】理論解析部で算出した振動モードの波形である。
【図１２】伝送手段を有線とした場合と無線ＬＡＮとした場合の計測データを示す図である。
【図１３】変状の有無の違いによりパワースペクトルがどの様に変化するかを示した図である。
【図１４】図９に示す個体の実験固有振動数、その変動率を振動モードで示した図である。
【図１５】図９の結果をグラフ化した図である。
【図１６】健全時（ＣＡＳＥ１）における理論固有振動数と実験固有振動数とを各次数の振動モードで比較した図である。
【図１７】変状状態としてＣＡＳＥ３を想定したときの診断結果を示す図である。
【図１８】他の実施の形態の説明に適用される図１に代わる無線遠隔診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１９】他の実施の形態の説明に適用される図１に代わる無線遠隔診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２６】
２  無線遠隔診断装置
３  統括手段
４  伝送手段
４ａ  基地側伝送部
４ｂ  診断対象側伝送部
５  加振手段
６  計測手段
７  記憶手段
９  解析手段
１２  信号発生部
１３  駆動部
１４  加振部
１７  反力板
２１  計測部
２２  増幅部
２３  Ａ／Ｄ変換部
２４  計測データ記憶部
２５  実験データ解析部
２６  理論解析部
２７  評価部
３０  計時部
３１  加振制御部
【要約】
【課題】人が近付き難い診断対象を長期に渡り診断する場合であっても、信頼性の高い健全度診断が行えるようにする。
【解決手段】無線遠隔診断装置２を診断対象から離れた診断基地に設置されて、少なくとも診断結果を表示する統括手段３、診断対象に所定の局部振動を付与する加振手段５と、該加振手段５により付与された振動の応答を計測する計測手段６と、該計測手段６と有線接続されて、当該計測手段６から出力される計測データを記憶する記憶手段７と、該記憶手段７に記憶された計測データを受信して、当該計測データに基づき診断対象の健全度診断を行う解析手段９と、該診断基地側に設けられた基地側伝送部４ａ及び診断対象側に設けられた診断対象側伝送部４ｂからなり、これらの間で計測データや診断結果の少なくとも１を無線により送受信する伝送手段４とにより構成する。
【選択図】      図１
【図１】
0003694749.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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