(57)【要約】【課題】地中等の対象系の状態の作業者による推定を支援しうる方法等を提供する。【解決手段】作業者は、クライアント１０（第１計算機）により生成された実測データと、サーバ２０（第２計算機）により生成され、かつ、クライアント１０の出力装置１２を通じて出力される計算データと、を対比することができる。計算データは、この実測データに基づいて自らがした対象系の状態の推定結果に基づいて生成されたものである。したがって、作業者は、当該対比作業により、対象系の状態に関する自らの推定の精度の高低を把握することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象系の状態の作業者による推定を支援する方法であって、
プローブ波入射装置が、縦波、横波、または縦波および横波の組み合わせであるプローブ波を一または複数の出力点から前記対象系に対して入射する過程と、
反射波検出装置が、前記プローブ波入射装置により前記対象系に入射された前記プローブ波の反射波を複数の入力点のそれぞれにおいて検出する過程と、
第１計算機が、前記反射波検出装置により検出された前記反射波の態様を表わす実測データを生成する過程と、
前記作業者が、前記第１計算機により生成された前記実測データに基づき、前記対象系における一または複数の物体およびこれを取り囲む媒質のそれぞれの空間占有態様および前記プローブ波に対する応答特性を少なくとも含む複数の因子により定義される前記対象系の状態を推定する過程と、
第２計算機が、前記対象系の状態の前記作業者による推定結果に基づき、前記複数の因子により定義される解析モデルを構築し、前記解析モデルにおいて、前記一または複数の出力点から前記対象系に対して前記プローブ波を仮想的に入射した際に、前記複数の入力点のそれぞれにおいて前記対象系から仮想的に検出される反射波の態様を表わす計算データを生成する過程と、
出力装置が、前記作業者が認識可能な形態で前記第２計算機により生成された前記計算データを出力する過程と、を含んでいることを特徴とする状態推定支援方法。
【請求項２】
請求項１記載の状態推定支援方法において、
前記第２計算機が、前記対象系の状態の前記作業者による推定結果とは異なる、前記対象系の仮想状態に基づき、前記解析モデルを新たに構築した上で、新たな前記解析モデルにおける前記計算データを新たに生成する過程と、
前記出力装置が、前記作業者が認識可能な形態で前記第２計算機により生成された新たな前記計算データおよび前記対象系の仮想状態を出力する過程と、を含んでいることを特徴とする状態推定支援方法。
【請求項３】
請求項２記載の状態推定支援方法において、
前記第２計算機が、前記計算データを新たに生成する過程において、前記実測データと前記計算データとの差分が第１指定値以下または第２指定値以上かつ前記第１指定値以下であるような前記対象系の仮想状態を探索することを特徴とする状態推定支援方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の状態推定支援方法において、
前記第１計算機としてのクライアントが、前記対象系の状態の前記作業者による推定結果を前記第２計算機としてのサーバに対して送信する過程と、
前記サーバが、前記出力装置を構成要素として備えている前記クライアントに対して、前記計算データ、または、前記計算データおよび前記対象系の仮想状態を送信する過程と、を含んでいることを特徴とする状態推定支援方法。
【請求項５】
請求項４記載の状態推定支援方法において、
前記第２計算機としての前記サーバが、前記出力装置を構成要素として備えている前記第１計算機としての前記クライアントに対して、前記計算データ、または、前記計算データおよび前記対象系の仮想状態を電子メールの形態で送信することを特徴とする状態推定支援方法。
【請求項６】
対象系における一または複数の物体およびこれを取り囲む媒質のそれぞれの空間占有態様および縦波、横波、または縦波および横波の組み合わせであるプローブ波に対する応答特性を少なくとも含む複数の因子により定義される、当該対象系の状態に関する情報が入力される入力インターフェースと、
前記入力インターフェースに入力された前記対象系の状態に関する情報に基づき、前記複数の因子により定義される解析モデルを構築し、前記解析モデルにおいて、一または複数の出力点から前記対象系に対して前記プローブ波を仮想的に入射した際に、複数の入力点のそれぞれにおいて前記対象系から仮想的に検出される反射波の態様を表わす計算データを生成する演算処理装置と、
前記演算処理装置により計算された前記反射波の態様を出力する出力インターフェースと、を備えていることを特徴とする計算機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波等のプローブ波を対象系に入射することにより、当該対象系における媒質の空間占有態様により定義されるさまざまな状態を推定する作業を支援するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、トンネルおよび橋脚などのインフラの劣化が社会問題化しており、地中またはコンクリート中などの対象系の状態を可視化することが必要とされている。異常箇所検出には、非破壊検査が可能な数百ＭＨｚ帯の電磁波による地中レーダが用いられている（非特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】佐藤、信学論(C), vol.J85C, 2002
【非特許文献２】K.Belli, et al., IEEE Geo. Remote Sens., 2009
【非特許文献３】P.Sgangguan, et al., IEEE Geo. Remote Sens., 2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、地中レーダを用いて得られたレーダ画像（地中の断面図に相当する。）に基づき、作業者が地中またはコンクリート中における物体の位置および材質などを推定することができるが、この作業者の知識および経験によるところが大きく、推定精度にはばらつきがある。
【０００５】
そこで、本発明は、地中等の対象系の状態の作業者による推定を支援しうる方法等を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の状態推定支援方法は、対象系の状態の作業者による推定を支援する方法であって、プローブ波入射装置が、縦波、横波、または縦波および横波の組み合わせであるプローブ波を一または複数の出力点から前記対象系に対して入射する過程と、反射波検出装置が、前記プローブ波入射装置により前記対象系に入射された前記プローブ波の反射波を複数の入力点のそれぞれにおいて検出する過程と、第１計算機が、前記反射波検出装置により検出された前記反射波の態様を表わす実測データを生成する過程と、前記作業者が、前記第１計算機により生成された前記実測データに基づき、前記対象系における一または複数の物体およびこれを取り囲む媒質のそれぞれの空間占有態様および前記プローブ波に対する応答特性を少なくとも含む複数の因子により定義される前記対象系の状態を推定する過程と、第２計算機が、前記対象系の状態の前記作業者による推定結果に基づき、前記複数の因子により定義される解析モデルを構築し、前記解析モデルにおいて、前記一または複数の出力点から前記対象系に対して前記プローブ波を仮想的に入射した際に、前記複数の入力点のそれぞれにおいて前記対象系から仮想的に検出される反射波の態様を表わす計算データを生成する過程と、出力装置が、前記作業者が認識可能な形態で前記第２計算機により生成された前記計算データを出力する過程と、を含んでいることを特徴とする。
【０００７】
本発明の計算機は、対象系における一または複数の物体およびこれを取り囲む媒質のそれぞれの空間占有態様および縦波、横波、または縦波および横波の組み合わせであるプローブ波に対する応答特性を少なくとも含む複数の因子により定義される、当該対象系の状態に関する情報が入力される入力インターフェースと、前記入力インターフェースに入力された前記対象系の状態に関する情報に基づき、前記複数の因子により定義される解析モデルを構築し、前記解析モデルにおいて、一または複数の出力点から前記対象系に対して前記プローブ波を仮想的に入射した際に、複数の入力点のそれぞれにおいて前記対象系から仮想的に検出される反射波の態様を表わす計算データを生成する演算処理装置と、前記演算処理装置により計算された前記反射波の態様を出力する出力インターフェースと、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の状態推定支援方法において、前記第２計算機が、前記対象系の状態の前記作業者による推定結果とは異なる、前記対象系の仮想状態に基づき、前記解析モデルを新たに構築した上で、新たな前記解析モデルにおける前記計算データを新たに生成する過程と、前記出力装置が、前記作業者が認識可能な形態で前記第２計算機により生成された新たな前記計算データおよび前記対象系の仮想状態を出力する過程と、を含んでいることが好ましい。
【０００９】
本発明の状態推定支援方法において、前記第２計算機が、前記計算データを新たに生成する過程において、前記実測データと前記計算データとの差分が第１指定値以下または第２指定値以上かつ前記第１指定値以下であるような前記対象系の仮想状態を探索することが好ましい。
【００１０】
本発明の状態推定支援方法において、前記第１計算機としてのクライアントが、前記対象系の状態の前記作業者による推定結果を前記第２計算機としてのサーバに対して送信する過程と、前記サーバが、前記出力装置を構成要素として備えている前記クライアントに対して、前記計算データ、または、前記計算データおよび前記対象系の仮想状態を送信する過程と、を含んでいることが好ましい。
【００１１】
本発明の状態推定支援方法において、前記第２計算機としての前記サーバが、前記出力装置を構成要素として備えている前記第１計算機としての前記クライアントに対して、前記計算データ、または、前記計算データおよび前記対象系の仮想状態を電子メールの形態で送信することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の状態推定支援方法および計算機（第２計算機）によれば、作業者は、第１計算機により生成された実測データと、第２計算機により生成され、かつ、出力装置を通じて出力される計算データと、を対比することができる。計算データは、この実測データに基づいて自らがした対象系の状態の推定結果に基づいて生成されたものである。したがって、作業者は、当該対比作業により、対象系の状態に関する自らの推定の精度の高低を把握することができる。複数回にわたって対象系状態の推定、これに基づく計算データ（画像データ）の生成、および、計算データおよび実測データの対比が繰り返されることにより、作業者は、経験および知識を積み重ね、対象系の状態の推定精度を効率的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態としての状態推定支援方法が実施される状態推定支援システムの構成説明図。
【図２】本発明の一実施形態としての状態推定支援方法のフローチャート。
【図３】解析モデルの例示図。
【図４Ａ】実測データとしてのレーダ画像の例示図。
【図４Ｂ】計算データとしてのレーダ画像の例示図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（状態支援システムの構成）
本発明の一実施形態としての状態推定支援方法は、図１に示されているシステムにおいて実施される。このシステムは、プローブ波入射装置１、反射波検出装置２、クライアント１０およびサーバ２０を備えている。クライアント１０およびサーバ２０は、ネットワークを介して相互に通信可能に構成されている。クライアント１０は、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、スマートホンなどにより構成されている。
【００１５】
クライアント１０は、本発明の「第１計算機」に該当し、入力装置１１、出力装置１２および演算処理装置１４を備えている。入力装置１１は、タッチ式ボタン、キーボードおよびマウスのうち少なくとも１つにより構成されている。出力装置１２は、ディスプレイ装置（画像出力装置）により構成されている。入力装置１１および出力装置１２がタッチパネルにより構成されていてもよい。
【００１６】
サーバ２０は、本発明の「第２計算機」に該当し、入力インターフェース２１、出力インターフェース２２および演算処理装置２４を備えている。入力インターフェース２１は、ネットワークを介したデータ受信機能を有する受信装置により構成されている。出力インターフェース２２は、ネットワークを介したデータ送信機能を有する送信装置により構成されている。
【００１７】
（状態支援システムの構成）
前記構成の状態推定支援システムにより実施される状態推定支援方法について説明する。
【００１８】
プローブ波入射装置１により、プローブ波が一または複数の出力点から対象系に対して入射される（図２／ＳＴＥＰ０２）。プローブ波は、縦波、横波または縦波および横波の組み合わせである。例えば、横波である電磁波がプローブ波として用いられる。対象系は、例えば地中である。
【００１９】
反射波検出装置２により、プローブ波入射装置１により対象系に入射されたプローブ波の反射波が複数の入力点のそれぞれにおいて検出される（図２／ＳＴＥＰ０４）。
【００２０】
クライアント１０（第１計算機）を構成する演算処理装置１４により、反射波検出装置２により検出された反射波の態様を表わす実測データが生成される（図２／ＳＴＥＰ０６）。例えば、地上（対象系の境界面）でｘ方向（およびｙ方向）に１０［ｍｍ］間隔で波源を複数の出力点のそれぞれにとどまるように走査し、当該波源から地中に対して中心周波数ｆ0が８００［ＭＨｚ］のウェーブレット型パルス波Ｉyが入射された。そして、地上における複数（例えば１２８）の入力点で検出された反射波（波形信号）に基づき、画像データが実測データとして生成された。これにより、例えば図４Ａに示されているような実測データが生成される。
【００２１】
作業者により、クライアント１０（第１計算機）により生成された実測データに基づき、複数の因子により定義される対象系の状態が推定される（図２／ＳＴＥＰ０８）。複数の因子には、対象系における一または複数の物体およびこれを取り囲む媒質のそれぞれの空間占有態様およびプローブ波に対する応答特性が含まれている。物体の占有態様は、少なくとも物体の形状（例えば直方体）、そのサイズ（例えば、ｗ（幅）×ｈ（高さ）×ｌ（長さ））および位置（例えば水平位置（ｘ、ｙ）の深さｄの位置）により定義される。物体のプローブ波に対する応答特性は、例えば比誘電率εtagにより定義される。
【００２２】
地中を構成する媒質として、均質媒質および不均質媒質のうち一方が選択される。不均質媒質は、マトリックス媒質におけるフィラー媒質の配置態様およびサイズの分布態様、ならびに、マトリックス媒質およびフィラー媒質のそれぞれのプローブ波に対する応答特性により定義される。フィラー媒質の配置態様は、例えば密度により定義されている。フィラー媒質のサイズの分布態様は、例えば正規分布の平均値および標準偏差によりあらわされている。フィラー媒質のプローブ波に対する応答特性（比誘電率）は、一様乱数の下限値および上限値により定義されている。
【００２３】
例えば、物体の材質として、（Ａ１）完全導体よりなる第１材質、（Ａ２）εtag＝１．０〜２．０の範囲に含まれる第２材質、（Ａ３）εtag＝３．０〜３．５の範囲に含まれる第３材質、（Ａ４）εtag＝４．５〜５．０の範囲に含まれる第４材質、および（Ａ５）εtag＝９．０〜１０．０の範囲に含まれる第５材質という５種類の異なる材質のうちいずれであるかが推定される。
【００２４】
例えば、地中を構成する媒質として、（Ｂ１）均質媒質、（Ｂ２）第１不均質媒質および（Ｂ３）第２不均質媒質のうちいずれであるかが推定される。第１不均質媒質は、平均値が２０［ｍｍ］で標準偏差が０．２５の正規分布によりサイズの分布態様が表わされ、かつ、比誘電率が１．０〜８．０の範囲の一様乱数として与えられるフィラー媒質が、密度１０［個／ｍ3］でマトリックス媒質に配置されていることにより定義されている。第２不均質媒質は、平均値が２０［ｍｍ］で標準偏差が０．２５の正規分布によりサイズの分布態様が表わされ、かつ、比誘電率が１．０〜８．０の範囲の一様乱数として与えられるフィラー媒質が、密度２５［個／ｍ3］でマトリックス媒質に配置されていることにより定義されている。媒質の種類の数、フィラー媒質のサイズの分布態様（平均値、偏差、分散など）、フィラー媒質の比誘電率のばらつきを定義する乱数、マトリックス媒質における密度などが任意の形態で変更されてもよい。
【００２５】
作業者による対象系状態の推定結果が、クライアント１０からサーバ２０に対して送信される（図２／矢印Ｘ１）。「作業者」は、人間のほか、人工知能を備えたロボットであってもよい。作業者は、入力装置１１を通じてクライアント１０に対して当該推定結果を入力し、その後、必要に応じて入力装置１１を通じて付加的な操作を行う。これに応じて、入力インターフェース２１を通じて対象系状態の推定結果がサーバ２０に対して入力される。
【００２６】
サーバ２０（第２計算機）を構成する演算処理装置２４により、対象系の状態の作業者による推定結果に基づき、複数の因子により定義される解析モデルが構築される（図２／ＳＴＥＰ１０）。これにより、例えば図３に示されているように、サイズがｗ（幅）×ｈ（高さ）×ｌ（長さ）で比誘電率εtagの直方体状の物体（例えばその中心）が位置（ｘ、ｙ）の地中の深さｄの位置に存在する解析モデルが構築される。
【００２７】
サーバ２０により、解析モデルにおいて、一または複数の出力点から対象系に対してプローブ波を仮想的に入射した際に、複数の入力点のそれぞれにおいて前記対象系から仮想的に検出される反射波の態様を表わす計算データが生成される（図２／ＳＴＥＰ１２）。サーバ２０の演算処理装置２４を構成するＧＰＵとしてＮＶＩＤＩＡ  Ｔｅｓｌａ  Ｋ２０ｍが用いられ、１ノードにＧＰＵ４台（他の値でもよい）が搭載された１６ノード計６４台のＧＰＵクラスタが用いられた。ＧＰＵおよびＧＰＵクラスタの構成は任意の形態で変更されてもよい。
【００２８】
解析モデルの解析領域は２５６×１２８×１２８セルであり、各セルについて比誘電率、透磁率および導電率などの電磁波応答特性を表わす物性値のうち少なくとも１つが定義される。当該解析領域の吸収境界条件を定義するために１６層のＰＭＬ（Ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｌａｙｅｒ）が適用される。これは、シミュレーションは、無限に広がっている領域をモデル化することはできないので、有限の領域にしておいて、その境界では反射が生じないという境界条件を設ける必要があるためである。解析領域のセルの定義の仕方は任意の形態に変更されてもよい。ＰＭＬは１６層のほか任意の複数層であってもよい。ＰＭＬ以外にも、Ｍｕｒ、Ｈｉｇｄｏｎ、Ｌｉａｏなどが提案している吸収境界条件が適用されてもよい。
【００２９】
解析モデルにおいて、地上（対象系の境界面）でｘ方向（およびｙ方向）に１０［ｍｍ］間隔で波源を複数の出力点のそれぞれにとどまるように走査し、当該波源から地中に対して中心周波数ｆ0が８００［ＭＨｚ］のウェーブレット型パルス波Ｉyがプローブ波として仮想的に入射された。出力点の個数および配置態様、プローブ波の周波数（指定周波数）および波形などは任意の形態で変更されてもよい。
【００３０】
そして、地上における複数（例えば１２８）の入力点で仮想的に検出された反射波（波形信号）に基づき、画像データ（地中レーダ画像）が生成された。ＦＤＴＤ法のセルサイズが０．０１［ｍ］（波長に対して１／２０の以下程度であれば他での値でもよい）に設定され、時間ステップが１．５×１０-11［ｓ］（セルサイズから安定条件を満たせば他の値でもよい）に設定された。これにより、例えば図４Ｂに示されているような計算データとしてのレーダ画像が生成される。なお、レーダ画像（計算データ）の生成に際して、ＦＤＴＤ法のほか、差分法，有限要素法，境界要素法など縦波・横波を表す方程式を計算できる方法なら何でもよい。
【００３１】
計算データとしての画像データが、サーバ２０からクライアント１０に対して送信される（図２／矢印Ｘ２）。この際、出力インターフェース２２を通じて計算データがサーバ２０から出力される。例えば、計算データは、電子メールの形でサーバ２０からクライアント１０に対して送信されてもよい。
【００３２】
クライアント１０において、出力装置１２が、計算データを表示出力する（図２／ＳＴＥＰ１４）。これにより、例えば図４Ｂに示されているような計算データとしてのレーダ画像が出力装置１２を構成するディスプレイ装置に表示される。
【００３３】
（作用効果）
本発明の状態推定支援方法によれば、作業者は、クライアント１０（第１計算機）により生成された実測データと、サーバ２０（第２計算機）により生成され、かつ、クライアント１０の出力装置１２を通じて出力される計算データと、を対比することができる。計算データは、この実測データに基づいて自らがした対象系の状態の推定結果に基づいて生成されたものである。したがって、作業者は、当該対比作業により、対象系の状態に関する自らの推定の精度の高低を把握することができる。複数回にわたって対象系状態の推定、これに基づく計算データ（画像データ）の生成、および、計算データおよび実測データの対比が繰り返されることにより、作業者は、経験および知識を積み重ね、対象系の状態の推定精度を効率的に向上させることができる。
【００３４】
（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、対象系として地中が採用されたが、他の実施形態として対象系として水中、地上空間（界空間）、チャンバ等により閉塞された空間（閉空間）が採用されてもよい。例えば反射波測定装置の周辺における地上空間が対象系である場合、当該地上空間における歩行者、動物、自動車、建造物などの物体の空間占有態様により定義される複数の状態が認識されてもよい。
【００３５】
前記実施形態では、物体および媒質のそれぞれの電磁波応答特性を表わす因子として比誘電率が定義されたが、他の実施形態として当該因子として比透磁率、電気伝導率などの物性値が採用されてもよい。前記実施形態では、一の周波数を基準とした電磁波に対する物体および媒質のそれぞれの応答特性が当該因子として採用されたが、他の実施形態として、複数の異なる周波数を基準とした電磁波に対する物体および媒質のそれぞれの応答特性が当該因子として採用されてもよい。例えば、周波数が異なる第１電磁波および第２電磁波のそれぞれの入射に応じて得られた画像データ（実測データおよび計算データ）が生成されてもよい。
【００３６】
前記実施形態では、物体および媒質のそれぞれの横波である電磁波への応答特性を表わす因子により対象系の状態が定義されたが、他の実施形態として、物体および媒質のそれぞれの縦波である音波または縦波および横波の組み合わせである弾性波への応答特性を表わす因子により対象系の状態が定義されていてもよい。
【００３７】
サーバ２０（第２計算機）が、対象系の状態の作業者による推定結果とは異なる、対象系の仮想状態に基づき、解析モデルを新たに構築した上で、新たな解析モデルにおける計算データを新たに生成し、クライアント１０の出力装置１２が、新たな計算データおよび対象系の仮想状態を出力してもよい（図２／ＳＴＥＰ０８、１０および１２参照）。
【００３８】
この状態推定支援方法によれば、作業者は、画像データと、作業者による対象系状態の推定結果に応じた計算データおよび仮想状態に応じた新たな計算データのそれぞれとの類似度または乖離度を把握することができる。この結果、作業者は、自らの推定結果および対象系の仮想状態のそれぞれと、対象系の実際の状態との類似度または乖離度を推察し、その推定結果の適否を的確に判定することができる。
【００３９】
本発明の状態推定支援方法において、前記第２計算機が、前記計算データを新たに生成する過程において、前記実測データと前記計算データとの差分が第１指定値以下または第２指定値以上かつ前記第１指定値以下であるような前記対象系の仮想状態を探索することが好ましい。
【００４０】
この状態推定支援方法によれば、作業者は、実測データとの差分が第１指定値以下（または第２指定値以上かつ第１指定値以下）になるような新たな計算データに応じた対象系の仮想状態を把握することができるので、対象系状態の推定結果の適否をより的確に判定することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１‥プローブ波入射装置、２‥反射波検出装置、１０‥クライアント（第１計算機）、１１‥入力装置、１２‥出力装置、１４‥演算処理装置、２０‥サーバ（第２計算機）、２１‥入力インターフェース、２２‥出力インターフェース、２４‥演算処理装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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