(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された経過年数が異なる複数の金属サンプルのそれぞれの表面の任意の領域における表面の形状データに基づいて、任意の領域における表面の高さ方向ないし厚み方向の形状を表す所定のパラメータの値の分布を表すパラメータ分布関数の経時変化の関数を導出する導出工程と、
前記パラメータ分布関数の経時変化の関数から導出された所定の経過年数におけるパラメータ分布関数に従って、任意の領域に該パラメータの値を配置して、該経過年数における金属サンプルの表面の予測形状を表す形状モデルを生成する生成工程と、
を含んだことを特徴とする予測方法。
【請求項２】
前記複数の金属サンプルは、互いに材質および形状が類似していることを特徴とする請求項１に記載の予測方法。
【請求項３】
前記パラメータは前記任意の領域における高さ分布情報であることを特徴とする請求項１または２に記載の予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管柱、支持アンカや配管等のインフラ設備に代表される金属構造物は、全体またはその一部が地中に埋設された状態で利用される。通常、金属構造物は土壌または地下水に接するために腐食し、経過年数とともに減肉していく（非特許文献１，２参照）。
【０００３】
金属構造物には、本来担保するべき機能が発揮されなくなる前に補修や交換等の何らかの対策を講じる必要がある。しかし、地中の金属構造物は、人または機械による直接的な点検が困難な場合が多いため、一部分が地中に埋設された金属構造物では、地上部もしくは地際部の点検だけが行われ、地中部は確認されない場合が多かった。そのため、このように地中に埋設された地中部のある金属構造物の交換の時期を適切に判断することが難しかった。
【０００４】
地中部の腐食状態を確認する方法として、例えば、配管の管中を流れる流体の漏洩を検知して、腐食している部位を特定する方法が知られている。ただし、この方法はあくまで事後の保全方法になる。
【０００５】
また、他の地中部の腐食状態を確認する方法として、打音法や超音波法を用いて非破壊的に検査する方法も知られている。しかしながら、これらの方法は、現状では精度が十分ではなく、かつ検査対象も構造が単純なものに限定されており、汎用的な方法ではなかった。
【０００６】
さらに、地中部の腐食状態の直接的な確認に替えて、環境や経過年数などから腐食状態を予測する方法も知られている。例えば、腐食により貫通穴が開いた場合に寿命と判定される配管等の設備について、経験的に特定あるいは実験や分析により算出された腐食速度で設備の肉厚を除することにより、貫通穴の発生時期すなわち設備の寿命が推定される。ただし、この方法は腐食のメカニズムをごく単純化しているため、精度は低い。
【０００７】
配管等の設備の寿命については、種々の実験や実機の腐食データを用いた極値統計解析によって推定する方法も知られている。極値統計解析とは、サンプルにおける小面積の測定区画から採取された最大局部腐食深さを用いて、大面積の領域における最大局部腐食深さを推定するものであり、比較的少ないサンプルから信頼性の高い推定値が得られる。ただし、この極値統計解析も、貫通穴が開くというように設備の形状面での寿命の判定基準が明確な場合にのみ適用される。なお、非特許文献３には、表面形状を数値計算により生成するアルゴリズムが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】門井守夫，高橋紹明，矢野浩太郎，「金属材料の土壌腐食についての研究（第１報）」，防蝕技術，1967年，Vol.16，No.6，pp.10-18
【非特許文献２】宮田義一，朝倉祝治，「電気化学的手法を中心とした土壌腐食計測（その２）」，材料と環境，1997年，Vol.46，pp.610-619
【非特許文献３】内舘道正，「実用的な表面トポグラフィデータの生成と応用」，精密工学会誌，2010年，Vol.76，No.9，pp.1003-1006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、金属構造物の中には、形状面での寿命の判断基準が明確ではない場合も多い。例えば、電柱等を支える支柱アンカ等は、地中部のある部分に貫通穴が開いたとしても、直ちに寿命と判定されるわけではない。このような金属構造物に対しては、土壌や張力等の設置状態により許容される形状が異なり、平均的な減肉量や貫通穴の径や分布の他、凹凸の形状や分布といった表面形状等で判定される。このように、経過年数にともなった腐食後の金属構造物の形状の多様な条件により金属構造物の寿命が判定される場合には、寿命の予測が困難であった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、経過年数にともなった腐食後の金属構造物の形状を予測して、高精度に寿命を判定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る予測方法は、地中に埋設された経過年数が異なる複数の金属サンプルのそれぞれの表面の任意の領域における表面の形状データに基づいて、任意の領域における表面形状を表す所定のパラメータの値の分布を表すパラメータ分布関数の経時変化の関数を導出する導出工程と、前記パラメータ分布関数の経時変化の関数から導出された所定の経過年数におけるパラメータ分布関数に従って、任意の領域に該パラメータの値を配置して、該経過年数における金属サンプルの表面の予測形状を表す形状モデルを生成する生成工程と、を含んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、経過年数にともなった腐食後の金属構造物の形状を予測して、高精度に寿命を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る予測装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本実施形態の導出部の処理を説明するための説明図である。
【図３】図３は、本実施形態の導出部の処理を説明するための説明図である。
【図４】図４は、本実施形態の導出部の処理を説明するための説明図である。
【図５】図５は、本実施形態の導出部の処理を説明するための説明図である。
【図６】図６は、本実施形態の導出部の処理を説明するための説明図である。
【図７】図７は、本実施形態の生成部の処理を説明するための説明図である。
【図８】図８は、本実施形態の生成部の処理を説明するための説明図である。
【図９】図９は、本実施形態の生成部の処理を説明するための説明図である。
【図１０】図１０は、本実施形態の生成部の処理を説明するための説明図である。
【図１１】図１１は、本実施形態の予測処理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】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００１５】
［予測装置の構成］
図１は、本実施形態に係る予測装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、予測装置１は、パソコン等の汎用コンピュータで実現され、入力部１１、出力部１２、記憶部１３、および制御部１４を備える。
【００１６】
入力部１１は、マウスやキーボードなどの入力デバイスを用いて実現され、操作者による入力操作に対応して、制御部１４に対して各種指示情報や計測データ等を入力する。出力部１２は、液晶ディスプレイなどの表示装置、プリンターなどの印刷装置、情報通信装置などによって実現され、後述する予測処理で生成された形状モデルを出力する。
【００１７】
記憶部１３は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、フラッシュメモリ（Flash  Memory）等の半導体メモリ素子、または、ハードディスク、光ディスク等の記憶装置によって実現され、後述する予測処理に用いられる形状データや予測処理により導出されたパラメータ分布関数の経時変化の関数等を記憶する。記憶部１３は、ＬＡＮやインターネットなどの電気通信回線を介し制御部１４と通信する構成としてもよい。
【００１８】
制御部１４は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等の演算処理装置によって実現される。予測装置１は、制御部１４の制御により後述する予測処理を実行し、任意の経過年数における金属サンプルの予測形状を表す形状モデルを生成する。制御部１４は、メモリに記憶された処理プログラムを実行することによって、導出部１４１および生成部１４２として機能する。
【００１９】
導出部１４１は、地中に埋設された経過年数が異なる複数の金属サンプルのそれぞれの表面の任意の領域における表面の形状データに基づいて、任意の領域における表面形状を表す所定のパラメータの値の分布を表すパラメータ分布関数の経時変化の関数を導出する。
【００２０】
具体的に、導出部１４１は、まず、入力部１１を介して、地中に埋設された経過年数が異なる金属サンプルのそれぞれについて求められた表面の任意の領域の表面の形状データを取得する。
【００２１】
ここで、各金属サンプルは、特に限定されないが、互いに、また予測対象の金属構造物と、材質および形状が類似していて、地中に埋設された経過年数のみが異なることが好ましい。すなわち、各金属サンプルの材質、形状および埋設された土壌条件や設置環境が、予測対象の金属構造物の実環境に近いことが好ましい。また、経過年数の値が、偏ることなく比較的小さく新しいものから大きく古いものまで分散していることが好ましい。これにより、予測処理の信頼性が高まる。
【００２２】
また、金属サンプルの表面の任意の領域の表面積は、金属サンプルの表面積の１％程度以上であることが好ましい。また、形状データは、例えば、３次元の座標位置で表される。すなわち、形状データは、例えばレーザー変位計を用いて取得され、図２に例示するように、直交するＸ方向軸とＹ方向軸とで表されるＸＹ平面上の座標点（ｘ、ｙ）における高さｚ（ｘ、ｙ）で表される。以下、表面の任意の領域に対応するＸＹ平面上の領域を、データ取得領域と称する。
【００２３】
次に、導出部１４１は、データ取得領域を所定の単位領域に分割し、各単位領域に対する所定のパラメータ値を算出する。ここで、単位領域の形状は限定されないが、分割数はある程度多くすることが好ましい。例えば、図２に例示するように、形状データが、直交するＸ方向軸とＹ方向軸とで表されるＸＹ平面上の座標点（ｘ、ｙ）における高さｚ（ｘ、ｙ）で表される場合に、ＸＹ平面上の単位区画を単位領域とする。
【００２４】
また、パラメータとは、金属サンプルの表面形状を表すパラメータを意味する。パラメータには、形状データから算出される単位領域の平均板厚、最大山高さ、最大谷深さ、算術平均高さ、二乗平均平方根高さ、スキューネス値、またはクルトシス等の高さ分布情報が例示される。
【００２５】
本実施形態では、パラメータを表面の凹凸状態を表すスキューネス値とする場合について説明する。スキューネス値Ｓｓｋは、形状データすなわちＸＹ平面上の座標点（ｘ、ｙ）における高さｚ（ｘ、ｙ）を用いて、次式（１）で算出される。ここで、Ａはデータ取得領域の面積である。
【００２６】
【数１】
0006480305.tif 000002
【００２７】
導出部１４１は、図３に例示するように、各単位領域について、スキューネス値を算出する。図３の例では、ある単位領域についてのスキューネス値はａ、別の単位領域についてのスキューネス値はｂと算出されている。
【００２８】
次に、導出部１４１は、各金属サンプルの各単位領域に対して算出されたパラメータ値を用いて、各金属サンプルのデータ取得領域におけるパラメータの値の分布を表すパラメータ分布関数を、回帰関数として導出する。
【００２９】
例えば、データ取得領域に対するスキューネス値の算出値は、図４に例示するヒストグラムのように分布する。また、スキューネス値は、図４に曲線で示すように、次式（２）で表される正規分布関数に従って分布することが知られている。ここで、μは平均、σは標準偏差である。
【００３０】
【数２】
0006480305.tif 000003
【００３１】
そこで、導出部１４１は、図４に例示するスキューネス値の算出値のヒストグラムを用いて、回帰的に上記式（２）の平均μおよび標準偏差σを特定する。このようにして、導出部１４１は、スキューネス値の分布関数を導出する。なお、パラメータ分布関数の関数形は正規分布関数に限定されず、パラメータごとに決定される。
【００３２】
次に、導出部１４１は、複数の経過年数の異なる金属サンプルのそれぞれについて導出されたパラメータ分布関数を用いて、パラメータ分布関数の経時変化の関数すなわち経過年数とパラメータ分布関数との関係式を導出する。
【００３３】
具体的に、導出部１４１は、図５に例示するように、経過年数Ｔの異なる金属サンプルのそれぞれについて、上記の手順でスキューネス値の分布関数を導出する。図５の例では、経過年数がｘ１、ｘ２、およびｘ３での３つのスキューネス値の分布関数が導出されている。そして、導出部１４１は、図６に例示するように、経過年数Ｔとパラメータ分布関数との関係を導出する。図６の例では、図５に例示した３つのスキューネス値の分布関数についての経過年数（ｘ１、ｘ２、ｘ３）と平均との関係を示す３点から、スキューネス値の分布関数の平均μの経時変化を直線と仮定して、経過年数Ｔと平均μとの関係式として次式（３）が導出される。ここで、αおよびβは定数である。
【００３４】
【数３】
0006480305.tif 000004
【００３５】
同様にして、導出部１４１は、経過年数Ｔとスキューネス値の分布関数の標準偏差σとの関係式を導出する。これにより、経過年数Ｔが特定されれば、経時変化するスキューネス値の分布関数の平均μおよび標準偏差σが特定される。
【００３６】
なお、パラメータの種類は１つに限定されない。パラメータの種類が複数である場合には、複数種類のパラメータのそれぞれについて、上記の処理により、パラメータ分布関数の経時変化の関数が導出される。
【００３７】
生成部１４２は、パラメータ分布関数の経時変化の関数から導出された所定の経過年数におけるパラメータ分布関数に従って、任意の領域に該パラメータの値を配置して、該経過年数における金属サンプルの表面の予測形状を表す形状モデルを生成する。
【００３８】
具体的に、生成部１４２は、まず、経過年数Ｔを特定し、経過年数Ｔにおけるパラメータ分布関数を特定する。次に、生成部１４２は、特定されたパラメータ分布関数に従うように、任意の領域内の各単位領域にパラメータ値を分布させる。すなわち、生成部１４２は、図７に曲線で例示するように、特定された経過年数ｘにおけるスキューネス値の分布関数を用いて、スキューネス値ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅの頻度を特定する。そして、生成部１４２は、図８に例示するように、任意の領域内の各単位領域に、スキューネス値ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅを特定された頻度に応じて分布させる。
【００３９】
なお、生成部１４２が任意の領域内にパラメータ値を配置する際、乱数等を利用して無作為に配置してもよいし、例えば、パラメータ値ｃの隣にはパラメータ値ｂを配置する等の規則に従って配置してもよい。腐食に関して、例えば、平均板厚は、ある単位領域での値が小さければ、その単位領域と隣り合う単位領域においても値が小さい場合が多い。このように、隣接する単位領域における腐食に関する各パラメータの関連性を加味した規則に従って配置すれば、予測処理の精度が高まる。
【００４０】
生成部１４２は、図９に例示するように、複数種類のパラメータについて、同様の処理により、パラメータ値を分布させる。図９の例では、平均板厚、スキューネス値、およびクルトシスの３種類を含む複数のパラメータが適用されている。ここでは、ある単位領域に平均板厚ａ１、スキューネス値ｂ１、クルトシスｃ１等が配置され、別の単位領域に平均板厚ａ２、スキューネス値ｂ２、クルトシスｃ２等が配置されている。
【００４１】
次に、生成部１４２は、分布させたパラメータ値を用いて、金属サンプルの経過年数Ｔにおける表面の予測形状を表す形状モデルを生成する。具体的に、生成部１４２は、図９に例示した複数種類の各単位領域のパラメータ値を用いて、図１０に例示するように、表面の形状モデルを生成する。例えば、生成部１４２は、各単位領域について、パラメータ値、データ点数およびピッチ等の情報を用いて、フラクタルモデル、係数行列による畳み込み、または逆フーリエ変換等のアルゴリズムを適用して（非特許文献３参照）、３次元の形状モデルを生成する。生成部１４２は、パラメータ値を配置した領域内の全単位領域について、この処理を繰り返し、任意の領域の３次元の形状モデルを生成する。
【００４２】
なお、生成部１４２は、隣り合う単位領域間で形状モデルが不連続となる場合には、各単位領域の境界線部分の数値が連続となるように円滑化してもよい。
【００４３】
［予測処理］
次に、図１１のフローチャートを参照して、予測装置１における予測処理手順について説明する。まず、導出部１４１が、入力部１１を介して地中に埋設された経過年数が異なる複数の金属サンプルのそれぞれの任意の領域における表面の形状データを取得する（ステップＳ１０１）。
【００４４】
次に、導出部１４１が、形状データを用いて、表面の任意の領域に対応するデータ取得領域を所定の単位領域に分割し、各単位領域に対する所定のパラメータ値を算出する（ステップＳ１０２）。そして、導出部１４１が、各金属サンプルの各単位領域に対して算出されたパラメータ値を用いて、各金属サンプルのデータ取得領域におけるパラメータ分布関数を導出する（ステップＳ１０３）。続いて、導出部１４１が、複数の経過年数の異なる金属サンプルのそれぞれについて導出されたパラメータ分布関数を用いて、パラメータ分布関数の経時変化の関数を導出する（ステップＳ１０４）。
【００４５】
その後、生成部１４２が、経過年数を特定し、特定された所定の経過年数におけるパラメータ分布関数を導出する（ステップＳ１０５）。そして、生成部１４２が、導出されたパラメータ分布関数に従うように、任意の領域内の各単位領域にパラメータ値を配置する（ステップＳ１０６）。最後に、生成部１４２が、配置されたパラメータ値を用いて、金属サンプルの所定の経過年数における表面の任意の領域の予測形状を表す形状モデルを生成する（ステップＳ１０７）。
【００４６】
以上、説明したように、本実施形態の予測装置１では、導出部１４１が、地中に埋設された経過年数が異なる複数の金属サンプルのそれぞれ表面の任意の領域における表面の形状データに基づいて、任意の領域における表面形状を表す所定のパラメータの値の分布を表すパラメータ分布関数の経時変化の関数を導出する。また、生成部１４２が、パラメータ分布関数の経時変化の関数から導出された所定の経過年数におけるパラメータ分布関数に従って、任意の領域に該パラメータの値を配置して、該経過年数における金属サンプルの表面の予測形状を表す形状モデルを生成する。
【００４７】
これにより、経過年数にともなった腐食後の金属構造物の形状を予測することができる。また、生成された形状モデルを用いて、例えば、金属構造物の張力に対する抵抗力を力学シミュレーションにより算出し、抵抗力の低下から金属構造物の寿命を高精度に判定する等、腐食に対するリスクの評価を行うことができる。
【００４８】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１    予測装置
１１  入力部
１２  出力部
１３  記憶部
１４  制御部
１４１  導出部
１４２  生成部
【図１】
0006480305.tif 000005
【図２】
0006480305.tif 000006
【図３】
0006480305.tif 000007
【図４】
0006480305.tif 000008
【図５】
0006480305.tif 000009
【図６】
0006480305.tif 000010
【図７】
0006480305.tif 000011
【図８】
0006480305.tif 000012
【図９】
0006480305.tif 000013
【図１０】
0006480305.tif 000014
【図１１】
0006480305.tif 000015