(57)【要約】【課題】橋脚、トンネル、橋桁等の構造物の異常の有無を無人で常時検査して監視可能な監視装置を提供する。【解決手段】検査対象の構造物に電磁波を送出する送信アレイアンテナ２４と、構造物内部からの反射波を受信する受信アレイアンテナ３１と、送信アレイアンテナ２４の電磁波送出方向を可変するデジタルビームフォーミング部１０と、受信アレイアンテナ３１の受信信号から反射波到来角を推定する到来角推定部４０と、電磁波の送出から受信までの時間を演算する送受信時間演算部５０と、反射波の推定到来角データと送受信時間データに基づいて構造物の異常の有無を判定する判定部６０と、判定結果を外部に送信する無線通信部７０と備えた監視センサ２を、構造物に取付けて常時監視する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象の構造物に常時取付けて電磁波を送出する送信アレイアンテナと、
前記構造物に常時取付けて前記電磁波の反射波を受信する受信アレイアンテナと、
前記送信アレイアンテナの電磁波送出方向を可変制御する電磁波送出方向制御部と、
前記受信アレイアンテナの受信信号に基づいて受信された反射波の到来方向を推定する反射波到来方向推定部と、
前記電磁波を送出してから前記反射波を受信するまでの時間を演算する送受信時間演算部と、
前記反射波到来方向推定部の推定結果と前記送受信時間演算部の演算結果に基づいて前記構造物の異常の有無を判定する判定部と、
を備えた監視センサで前記構造物を無人で検査する構成としたことを特徴とする監視装置。
【請求項２】
前記監視センサは、前記送信及び受信アレイアンテナをそれぞれ複数個有することを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
【請求項３】
前記監視センサは、外部と情報を通信する情報通信部を備える構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の監視装置。
【請求項４】
前記検査対象の構造物に前記監視センサを複数設け、前記情報通信部を介して監視センサ間で情報交換可能にネットワーク接続する構成としたことを特徴とする請求項３に記載の監視装置。
【請求項５】
前記複数の監視センサを１つ以上のグループに分け、各グループに１つのマスタ監視センサを設け、前記マスタ監視センサを経由して管理センタへ構造物の異常の有無を送信可能な構成としたことを特徴とする請求項４に記載の監視装置。
【請求項６】
前記監視センサは、前記判定部の判定結果を記録する記録部を備える構成としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を無人で検査し監視可能な監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
橋脚、トンネル等の構造物の監視装置としては、例えば、レーダ・アンテナを構造物の表面に沿って移動させながら、レーダ・アンテナから電磁波を発射し、構造物内からの反射波をレーダ・アンテナで受信し、その受信波形に基づいて構造物内部を検査し監視するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、アレイアンテナを用いて構造物表面を２次元的に検査して検査能率を向上するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２８６６７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のこの種の構造物監視方法は、上述のような監視装置を検査対象の構造物がある現場で検査作業者が操作する有人方式であり、また、期間を設けて定期的（例えば２年おき等）に行っている。このため、検査後に構造物の劣化が進行し何らかの異常（亀裂や内部鉄筋の破断等）が発生しても、次の検査時期までその異常が放置される可能性がある。また、検査作業者が現場に足を運び時間をかけて行われるため人件費等の検査作業コストがかかる。
【０００４】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、構造物を無人で常時検査し監視可能な構造物の監視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】
【０００５】
このため、請求項１の発明の監視装置は、検査対象の構造物に常時取付けて電磁波を送出する送信アレイアンテナと、前記構造物に常時取付けて前記電磁波の反射波を受信する受信アレイアンテナと、前記送信アレイアンテナの電磁波送出方向を可変制御する電磁波送出方向制御部と、前記受信アレイアンテナの受信信号に基づいて受信された反射波の到来方向を推定する反射波到来方向推定部と、前記電磁波を送出してから前記反射波を受信するまでの時間を演算する送受信時間演算部と、前記反射波到来方向推定部の推定結果と前記送受信時間演算部の演算結果に基づいて前記構造物の異常の有無を判定する判定部と、を備えた監視センサで前記構造物を無人で検査する構成としたことを特徴とする。
【０００６】
かかる構成では、電磁波送出方向制御部により送信アレイアンテナの電磁波送出方向を可変制御し、設定された送出方向に向けて送信アレイアンテナから検査対象の構造物に電磁波を送出し、受信アレイアンテナで反射波を受信する。反射波到来方向推定部は、受信された反射波の到来方向を推定する。送受信時間演算部は、電磁波が送出されてから反射波が受信されるまでの時間を演算する。判定部は、推定された到来方向と送受信時間に基づいて構造物内における異常の有無を判定し、異常が存在する時はその異常の存在位置を判定する。
【０００７】
請求項２のように、前記監視センサは、前記送信及び受信アレイアンテナをそれぞれ複数個有する構成とするとよい。
かかる構成では、検査対象の構造物を複数の位置で検査することができるようになる。
【０００８】
請求項３のように、前記監視センサは、外部と情報を通信する情報通信部を備える構成とするとよい。
かかる構成では、監視センサの検査結果を外部に送信することができるようになる。
【０００９】
請求項４のように、前記検査対象の構造物に前記監視センサを複数設け、前記情報通信部を介して監視センサ間で情報交換可能にネットワーク接続する構成とするとよい。
かかる構成では、各監視センサ間で情報交換ができるようになる。
【００１０】
請求項４の構成において、請求項５のように、前記複数の監視センサを１つ以上のグループに分け、各グループに１つのマスタ監視センサを設け、前記マスタ監視センサを経由して管理センタへ構造物の異常の有無を送信可能な構成とするとよい。
かかる構成では、管理センタで構造物の状況を常時監視できるようになる。
【００１１】
請求項６のように、前記監視センサは、前記判定部の判定結果を記録する記録部を備える構成とするとよい。
かかる構成では、記録部の記録結果を調べることで構造物の異常の有無を知ることができるようになり、記録部の記録結果を外部に送信するようにしてもよく、管理者が定期的に監視するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、常時、検査対象の構造物の異常の有無を監視することができ、従来のように次の検査時期まで異常が放置されることなく、異常の発生を逐次知ることができる。また、外部と情報通信できる情報通信部を設けて判定結果を送信可能な構成とすれば、検査のために構造物のある現場に作業者が行く必要がなく、人件費等の検査作業コストを大幅に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る監視装置の一実施形態を示す概略図で、検査（監視）対象の構造物として複数のコンクリート柱の検査に適用した場合の例を示す。
図１において、本実施形態の監視装置は、検査対象の構造物である複数のコンクリート柱１のそれぞれに常時取付ける複数の監視センサ２を備え、これら複数の監視センサ２を、例えば無線通信により情報交換可能にネットワーク接続する。そして、前記複数の監視センサ２のうちの１つをマスタ監視センサ２Ａ（図１では右端の監視センサ）とし、他の監視センサ２の情報をマスタ監視センサ２Ａに送信し、マスタ監視センサ２Ａから、例えば伝送線３を介して有線で管理センタ４に情報を送信する。複数の監視センサ２，２Ａで構成する前記ネットワークの通信形態としては、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＺｉｇＢｅｅ等のＷＰＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を用いるとよい。尚、互いの監視センサ２間及び監視センサ２とマスタ監視センサ２Ａ間を有線で接続してもよい。また、マスタ監視センサ２Ａから無線で管理センタ４へ情報を送信するようにしてもよい。
【００１４】
前記監視センサ２（マスタ監視センサ２Ａも含む）は同一構成であり、その構成例を図２に示す。
図２において、本実施形態の監視センサ２は、デジタルビームフォーミング部１０と、電磁波送信部２０と、電磁波受信部３０と、到来角推定部４０と、送受信時間演算部５０と、判定部６０と、無線通信部７０とを備えて構成される。
【００１５】
前記デジタルビームフォーミング部１０は、電磁波の送出方向を設定し、この設定方向に基づいて前記電磁波送信部２０に設けられる後述の送信アレイアンテナ２４の各アンテナ素子２４ａから送出する電磁波のそれぞれの位相を決定し、決定したそれぞれの位相調整信号を電磁波送信部２０に送信して送信アレイアンテナ２４の指向性を可変制御する。また、位相調整信号の発生に同期して送受信時間演算部５０に発信トリガ信号を送信して電磁波の送出時刻を知らせる。
【００１６】
前記電磁波送信部２０は、コンクリート柱１に向けて電磁波を送信するものであり、送信処理部２１と、Ｄ／Ａ変換部２２と、無線送信部２３と、前述の送信アレイアンテナ２４とを備える。
【００１７】
前記送信処理部２１は、送信アレイアンテナ２４の各アンテナ素子２４ａの数と同じ数（ｍ×ｎ個）設けられ、各送信処理部２１が前記デジタルビームフォーミング部２０からの各位相調整信号に基づいて対応するアンテナ素子２４ａから送出する電磁波の位相を調整する。
【００１８】
前記Ｄ／Ａ変換部２２は、各信号処理部２１からのデジタル信号をアナログ信号に変換して無線送信部２３に送信する。
前記無線送信部２３は、Ｄ／Ａ変換部２２からのアナログ信号周波数を規定の高周波にアップコンバートする。
【００１９】
前記送信アレイアンテナ２４は、無線送信部１３からの互いに異なる位相の電磁波をコンクリート柱１に向けて送出するマトリクス状に配置された前述のｍ×ｎ個（ｍ、ｎ≧２の自然数）のアンテナ素子２４ａを備えた２次元アレイアンテナであり、各アンテナ素子２４ａの送出する電磁波の位相に応じて電磁波の指向性（送出方向）が変化してコンクリート柱１の内部を電磁波で走査する。
【００２０】
前記電磁波受信部３０は、コンクリート柱１内部からの反射波を受信するものであり、受信アレイアンテナ３１と、無線受信部３２と、Ａ／Ｄ変換部３３と、受信処理部３４とを備える。
【００２１】
前記受信アレイアンテナ３１は、コンクリート柱１内部からの反射波をそれぞれ受信するマトリクス状に配置されたｍ×ｎ個のアンテナ素子３１ａを備えた２次元アレイアンテナである。
【００２２】
前記無線受信部３２は、受信アレイアンテナ３１の受信信号をベースバンド周波数にダウンコンバートすると共に受信信号の振幅調整を行う。
前記Ａ／Ｄ変換部３３は、無線受信部３２からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００２３】
前記受信処理部３４は、受信アレイアンテナ３１の各アンテナ素子３１ａと同数（ｍ×ｎ個）設けられ、対応するアンテナ素子３１ａの受信信号のデジタルデータがＡ／Ｄ変換部３３からそれぞれ入力し、例えば反射波の受信感度を高めるためのＳＴＣ（センシティブ・タイム・コントロール）制御等の受信信号処理を行う。
【００２４】
到来方向推定部である前記到来角推定部４０は、電磁波受信部３０からの受信信号に基づいて、例えばＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法等の従来公知の到来角推定アルゴリズムを用いて反射波の到来方向を推定する。
【００２５】
前記送受信時間演算部５０は、デジタルビームフォーミング部２０からの発信トリガ信号が入力してから電磁波受信部３０の反射波受信信号が入力するまでの時間を演算して、電磁波を送信してから反射波が受信されるまでの時間を演算する。
【００２６】
前記判定部６０は、到来角推定部４０及び送受信時間演算部５０の各出力データに基づいて、コンクリート柱１の異常（例えば鉄筋の破断やクラック）の有無を判定する。具体的には、例えばコンクリート柱１の欠陥がない正常状態時に計測を行い、監視センサ２の取付け位置で計測した到来角毎の反射波受信時間（言い換えればコンクリート柱１の表面から電磁波反射位置までの距離）及び受信波形をメモリ（図示せず）に予め記憶させておく。そして、入力した推定到来角方向における反射波受信時間と受信波形を、メモリ内の記憶値（反射波受信時間と受信波形）とを比較し、一致していれば異常無しと判定し、不一致の場合は異常有りと判定する。
【００２７】
前記無線通信部７０は、他の監視センサ２と無線により情報通信可能な構成であり、この無線通信部７０により、判定部６０の判定結果を他の監視センサ２に送信する。ここで、無線通信部７０が情報通信部に相当する。尚、マスタ監視センサ２Ａの無線通信部７０は、他の監視センサ２と無線により情報通信可能な構成であると共に、伝送線３を介して管理センタ４と接続されて管理センタ４に検査結果を送信可能な構成である。
【００２８】
次に、本実施形態の構造物の監視装置によるコンクリート柱１の検査監視動作について説明する。
例えば、図３及び図４の２点鎖線で示すように鉄筋５が埋め込まれているコンクリート柱１の表面周囲の例えば３箇所に、監視センサ２をそれぞれ取付ける。尚、図３の２点鎖線で示す円Ａは、鉄筋５が埋め込まれている軌跡を示し、この円Ａ上に間隔を設けて鉄筋５が設けられているものとする。
【００２９】
このように、複数（本実施形態では３個）の監視センサ２をコンクリート柱１の適切な位置に配置することにより、１つの監視センサ２の電磁波放射方向において重なる鉄筋５がコンクリート柱１内部に存在する場合でも、重なりで死角となる鉄筋５に対して他の監視センサ２からの電磁波が照射できるようにすることで、コンクリート柱１内部を死角なく検査することが可能になり、人的に検査した場合と同様の検査の信頼性を確保できる。
【００３０】
各監視センサ２は、デジタルビームフォーミング部１０の設定方向に従って、ｍ×ｎ個の送信処理部２１が送信アレイアンテナ２４の対応するｍ×ｎ個のアンテナ素子２４ａの位相をそれぞれ調整し、Ｄ／Ａ変換部２２及び無線送信部２３を介して、送信アレイアンテナ２４の各アンテナ素子２４ａから互いに異なる調整された位相で電磁波を送出する。そして、各アンテナ素子２４ａから送出する各電磁波の位相を逐次可変設定して、送信アレイアンテナ２４から送出される電磁波の指向性を図３及び図４の点線矢印で示すように変化させ、コンクリート柱１内に向けて送出した電磁波を走査する。これにより、コンクリート柱１の上下方向及び左右方向に電磁波を走査でき、深さ方向（電磁波の到達方向）も含めて３次元的に電磁波を走査することができる。
【００３１】
受信アレイアンテ３１のｍ×ｎ個のアンテナ素子３１ａでコンクリート柱１内部からの反射波が受信されると、各アンテナ素子３１ａからの反射波に基づく受信信号は、無線受信部３２及びＡ／Ｄ変換部３３を介してデジタル信号化され、ｍ×ｎ個の受信処理部３４にそれぞれ対応する各アンテナ素子３１ａの受信信号が入力される。
【００３２】
受信処理部３４で、適切な信号レベルに処理した後、後段の到来角推定部４０に送信し、受信処理部３４から入力する各受信信号状態に基づいて従来公知の到来角推定アルゴリズムを用いて反射波の到来方向を推定する。また、送受信時間演算部５０では、デジタルビームフォーミング部１０からの発信トリガ信号の入力から計時を開始し、反射波に基づく受信信号が入力した時点で計時を停止して、電磁波が送出されてから反射波が受信されるまでの時間を演算する。
【００３３】
判定部６０は、到来角推定部４０と送受信時間演算部５０からそれぞれ入力した到来角推定結果と時間演算結果を、メモリ内の記憶データと比較してコンクリート柱１内の異常の有無を判定する。尚、鉄筋５による反射波形とクラックによる反射波形は波形が異なり、反射波形により鉄筋５とクラックは識別できる。
【００３４】
コンクリート柱１に取付けた３つの監視センサ２の判定情報は、予め各監視センサ２毎に設定した識別ＩＤを付加し、予め決めた３つのうちのいずれか１つの監視センサ２に送信する。そして、各コンクリート柱１の判定情報を纏めて、図１に示すように、予め決めた順序に従って他のコンクリート柱１の監視センサ２に順次送信し、最終的にマスタ監視センサ２Ａを経由して管理センタ４に送信される。これにより、管理センタ４においてマスタ監視センサ２Ａから送られた識別ＩＤ情報と判定情報から、どのコンクリート柱１に異常が発生したかを監視することができる。
尚、各監視センサ２から直接マスタ監視センサ２Ａに識別ＩＤを付加して判定情報を送信するようなネットワーク構成としてもよい。
【００３５】
かかる構成によれば、管理センタ４で常時コンクリート柱１の異常の有無を監視することができ、従来のように次の検査時期まで異常が放置されることなく、異常の発生を直ちに知ることができる。また、検査のためにコンクリート柱１のある現場に作業者が行く必要がなく、人件費等の検査作業コストを大幅に低減できる。
【００３６】
上記実施形態では、１つのコンクリート柱１に複数の監視センサ２を設ける構成としたが、図５に示すように、複数の送信アレイアンテナ２４及び受信アレイアンテナ３１とセンサ本体２ａとで監視センサ２を構成し、コンクリート柱１に複数の送信アレイアンテナ２４及び受信アレイアンテナ３１を常時取付け、それぞれの送信アレイアンテナ２４の指向性制御と受信アレイアンテナ３１の受信信号処理をセンサ本体２ａで行う構成としてもよい。
【００３７】
この場合、センサ本体２ａは、図２から送受信アレイアンテナ２４，３１を除いた構成に、無線送信部２３と各送信アレイアンテナ２４との接続及び各受信アレイアンテナ３１と無線受信部３２との接続をそれぞれ切換え制御する構成を付加した構成とし、各送受信アレイアンテナ２４，３１を周期的に順次切換え動作させ、各送受信アレイアンテナ２４，３１により得られた各電磁波送出方向におけるデータを統合してコンクリート柱１内部の検査結果を作成し、この作成した検査結果を他の監視センサ２或いは直接マスタ監視センサ２Ａに送信する。
かかる構成によれば、図３のように複数の監視センサ２をコンクリート柱１に取付ける構成に比べて監視装置のコストを低減できる利点がある。
【００３８】
尚、上記各実施形態において、監視センサ２に自己診断機能を設けて診断情報も送信可能な構成とすれば、監視センサ２自体の異常発生を知ることができ、監視装置の信頼性がより一層向上する。
【００３９】
また、一方向からの電磁波送出で内部全体を検査可能な構造の構造物であれば、１つの監視センサ或いは１組の送受信アレイアンテナを検査（監視）対象の構造物に取付ければよく、必ずしも複数の監視センサ或いは送受信アレイアンテナを取付ける必要はない。
【００４０】
また、例えば判定部６０の判定結果を記録する記録部を設け、該記録部の判定結果を、表示、印刷或いは読取り可能な構成としてもよい。かかる構成によれば、判定結果を管理者が現場に行って確認するようにすれば、監視センサ２に必ずしもデータ伝送機能を設けなくとも済むようになる。
【００４１】
また、上記各実施形態では、検査（監視）対象の構造物としてコンクリート柱を示したが、これに限らずトンネルや建物等、内部検査が必要で電磁波を用いて検査可能ないかなる構造物の監視にも適用できることを言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る監視装置の一実施形態を示す概略図
【図２】同上実施形態の監視センサの構成図
【図３】同上実施形態のコンクリート柱の横断面方向から見た場合の監視センサの取付け状態を示す図
【図４】同上実施形態のコンクリート柱の側面方向から見た場合の監視センサの取付け状態を示す図
【図５】監視センサの別の構成例を示す図
【符号の説明】
【００４３】
１    コンクリート柱（構造物）
２    監視センサ
２Ａ    マスタ監視センサ
１０    デジタルビームフォーミング部
２０    電磁波送信部
２４    送信アレイアンテナ
３０    電磁波受信部
３１    受信アレイアンテナ
４０    到来角推定部
５０    送受信時間演算部
６０    判定部
７０    無線通信部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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