(57)【要約】【課題】水道管やガス管など流体を輸送する地中埋設配管網からの漏洩の位置を、配管に沿って設置した複数の振動センサにより検出した漏洩音の信号を用いて特定する方法において、振動センサに漏洩音以外の雑音が混入する場合にも、その雑音を確実に除去することで、漏洩の有無および漏洩位置の特定を精度良く行うことができる配管の漏洩位置検知方法および装置を提供する。【解決手段】配管設置振動センサ２ａ、２ｂの信号から、地盤設置振動センサ３の信号を用いて、適応デジタルフィルタ６ａ、６ｂからなるノイズキャンセラ７ａ、７ｂによって漏洩音以外の雑音を除去した後、得られた漏洩音に対して相互相関関数演算装置８によって相互相関関数演算を施し、漏洩位置を特定する。【選択図】　　　　　　図３
2004125628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を輸送する地中埋設配管網から流体が漏洩した位置を、振動センサによって検出された漏洩音の信号を用いて検知する漏洩位置検知方法であって、配管の一部に間隔をおいて複数の配管設置振動センサを設置し、地盤の振動を測定するために地表または地中に１個以上の地盤設置振動センサを設置し、前記配管設置振動センサが捉えた信号中に含まれる漏洩音以外の雑音を、前記地盤設置振動センサが捉えた信号を用いて除去し、得られた漏洩音の信号が前記複数の配管設置振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から漏洩位置を特定することを特徴とする配管の漏洩位置検知方法。
【請求項２】
前記配管設置振動センサが捉えた信号中に含まれる漏洩音以外の雑音を、前記地盤設置振動センサが捉えた信号を用いて除去する際に、適応デジタルフィルタを用いて除去することを特徴とする請求項１に記載の配管の漏洩位置検知方法。
【請求項３】
流体を輸送する地中埋設配管網から流体が漏洩した位置を、振動センサによって検出された漏洩音の信号を用いて検知するための漏洩位置検知装置であって、配管の一部に間隔をおいて設置した複数の配管設置振動センサと、地盤の振動を測定するために地表または地中に設置した１個以上の地盤設置振動センサと、前記配管設置振動センサが捉えた信号中に含まれる漏洩音以外の雑音を、前記地盤設置振動センサが捉えた信号を用いて除去する雑音除去手段と、得られた漏洩音の信号が前記複数の配管設置振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から漏洩位置を特定する漏洩位置特定手段とを有することを特徴とする配管の漏洩位置検知装置。
【請求項４】
前記雑音除去手段が適応デジタルフィルタを用いたものであることを特徴とする請求項３に記載の配管の漏洩位置検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を輸送する地中埋設配管網から流体が漏洩した位置を検知する配管網の漏洩検知に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
水道管、ガス管などの地中埋設配管網における漏洩を早期に検知し、漏洩位置を特定して、その漏洩の継続を阻止することは、省資源あるいは重大災害防止の観点から極めて重要である。
【０００３】
例えば、上水道における漏水を検知する方法としては、従来、音聴棒を用いる方法が一般的に使われてきた。これは作業者が音聴棒の一端を埋設された水道管に押し当てたり、消火栓など地上に露出している部分に接触させたりして、音聴棒から伝わる振動音を聞き取り、その音から漏水の有無を判断する方法である。しかし、この方法では作業者の感覚を主体に漏水の判断を行うため能率が悪く、また漏水個所を精度良く特定できないという問題があった。さらに、漏水音と他の雑音との区別が難しいため、熟練技術を要したり、雑音の少ない深夜の作業を強いられたりする問題もあった。
【０００４】
これらの問題を解決するため、最近では振動センサを用いて配管を伝播してきた漏水音を検出し、その情報にある信号処理を施すことで、漏水の有無および発生位置を特定する方法が提案されており、漏水検知システムとして商品化もされている。
【０００５】
図２は、上記の振動センサを用いて漏水音を検出し、その情報に信号処理を施すことで、漏水の有無および発生位置を特定する方法を説明する図である。
【０００６】
配管１上の距離Ｌだけ離れた２点に振動センサ２ａと２ｂを設置する。もしも漏水位置４で漏水が起こると漏水音が発生し、配管１を伝播して、振動センサ２ａおよび２ｂで検出することができる。一般に漏水音は不規則な変化を示す雑音なので、振動センサ２ａおよび２ｂで検出される信号の相互相関関数を求めれば、漏水位置４から振動センサ２ａおよび２ｂに漏水音が到達するまでの時間差Δｔを算出することができる。漏水音の伝播速度をνとし、振動センサ２ａへの到達の方が早い（振動センサ２ａの方が漏水位置４に近い）とすると、振動センサ２ｂから漏水位置４までの距離Ｌｂは振動センサ２ａから漏水位置４までの距離ＬａよりもνΔｔだけ長いことになる。したがって、距離Ｌａは次の（１）、（２）式により求めることができる。
【０００７】
【数１】
2004125628.tif 000003
【０００８】
【数２】
2004125628.tif 000004
【０００９】
しかしながら、現実の配管網では、多くの場合、漏水音以外の様々な雑音も混入するため、相互相関関数処理によって得られるピークが明瞭でないことが多い。それゆえ、図４に示すような、振動センサ２ａと２ｂからの信号を相互相関関数処理８によって相互相関関数処理する方法では、到達時間差Δｔの正確な導出が困難となり、漏水位置４の特定ができないという問題があった。
【００１０】
これに対し、相互相関関数処理の前処理として、振動センサによる検出信号にある特定の周波数特性を持ったバンドパスフィルタを通すことで、漏水音以外の雑音を除去し、漏水位置特定の可能性を高める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−２１０９９９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなバンドパスフィルタによる雑音除去法は、漏水音と除去したい雑音との周波数帯域が異なる場合には有効だが、漏水音と除去したい雑音との周波数帯域が重なる場合には無力となる。
【００１３】
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたもので、水道管やガス管など流体を輸送する地中埋設配管網からの漏洩の位置を、配管に沿って設置した複数の振動センサにより検出した漏洩音の信号の相互相関関数処理によって特定する方法において、振動センサに漏洩音以外の雑音が混入する場合にも、その雑音を確実に除去することで、漏洩の有無および漏洩位置の特定を精度良く行うことができる配管の漏洩位置検知方法および装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、まず本発明者らは振動センサに混入する漏洩音以外の雑音について調査することにした。調査は工場地域に埋設された水道管を対象に行った。
【００１５】
意図的に漏水を発生させ、振動センサが捉える漏水音とそれ以外の雑音との大小関係や周波数帯域などを調べたところ、様々な設備から発生する雑音が漏水音のレベルよりも遥かに大きく、さらにその周波数帯が漏水音の周波数帯と重なる場合がかなり多いことが分かった。この場合は従来の相互相関関数法による漏水位置の特定ができないのはもちろんのこと、漏水有無の判断すら困難であった。さらに雑音の伝播経路を確かめるために、地盤にも振動センサを設置し、詳細調査を実施した。その結果、雑音の大部分は地盤を通じて配管にも伝播していることが分かった。そして、配管に設置した振動センサが捉えた信号と地盤に設置した振動センサが捉えた信号とのコヒーレンス（関連度関数）を算出してみると、雑音成分についてはコヒーレンスが大きな値をとり、配管で捉えた信号と地盤で捉えた信号との関連が強いが、漏水音についてはコヒーレンスが非常に小さく、関連がほとんどないことが分かった。これは様々な設備から発生する雑音は地盤にも配管にも伝播し、どちらに設置した振動センサでも捉えることができるが、漏水音は地盤を伝播しにくく、地盤に設置した振動センサでは十分に捉えられていないことを示している。
【００１６】
本発明者らは、この現象を利用して雑音を除去することを思いついた。具体的には、適応デジタルフィルタを用いたノイズキャンセラにより雑音を除去しようとするもので、最小二乗法アルゴリズム（ＬＳＭアルゴリズム）を用いた以下のステップ１〜４（（３）〜（５）式）による方法を適用することができる。
【００１７】
ステップ１：適応デジタルフィルタ畳み込み演算
【００１８】
【数３】
2004125628.tif 000005
【００１９】
ステップ２：誤差の計算
【００２０】
【数４】
2004125628.tif 000006
【００２１】
ステップ３：適応デジタルフィルタ係数の逐次更新（ＬＳＭアルゴリズム）
【００２２】
【数５】
2004125628.tif 000007
【００２３】
ステップ４：更新された適応デジタルフィルタを用いて再びステップ１へ
ここで
ｄ：配管に設置した配管設置振動センサの信号（目標信号）
ｘ：地盤に設置した地盤設置振動センサの信号（入力信号）
Ｗ：適応デジタルフィルタ係数
Ｎ：適応デジタルフィルタのタップ数
μ：ステップサイズパラメータ
ｙ：適応デジタルフィルタ出力信号
ε：誤差信号
である。
【００２４】
一般に適応デジタルフィルタ係数Ｗの逐次更新が進んで収束に近づくと、誤差信号εは小さくなっていく。つまりｙがｄに近づいていく。しかし近づいていくのはｄの中でｘと相関のある成分だけなので、仮にｄが漏水音の成分ｓおよびこれと相関のない雑音成分ｎ０とからなっている（ｄ＝ｓ＋ｎ０）とし、ｘはｎ０と相関のある雑音成分ｎ１のみからなっている（ｘ＝ｎ１）とすると、ｙはｎ０にどんどん近づいていくことになる。すると結果的にε＝ｄ−ｙ＝（ｓ＋ｎ０）−ｎ０＝ｓとなり、雑音成分が除去された漏水音成分だけを抽出できるのである。
【００２５】
なお、ステップサイズパラメータμは大きいほど収束速度が高まるが、大きくしすぎると発散することがあるので、適切な値に設定する必要がある。
【００２６】
以上より、前記の課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
【００２７】
［１］流体を輸送する地中埋設配管網から流体が漏洩した位置を、振動センサによって検出された漏洩音の信号を用いて検知する漏洩位置検知方法であって、配管の一部に間隔をおいて複数の配管設置振動センサを設置し、地盤の振動を測定するために地表または地中に１個以上の地盤設置振動センサを設置し、前記配管設置振動センサが捉えた信号中に含まれる漏洩音以外の雑音を、前記地盤設置振動センサが捉えた信号を用いて除去し、得られた漏洩音の信号が前記複数の配管設置振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から漏洩位置を特定することを特徴とする配管の漏洩位置検知方法。
【００２８】
［２］前記配管設置振動センサが捉えた信号中に含まれる漏洩音以外の雑音を、前記地盤設置振動センサが捉えた信号を用いて除去する際に、適応デジタルフィルタを用いて除去することを特徴とする前記［１］に記載の配管の漏洩位置検知方法。
【００２９】
［３］流体を輸送する地中埋設配管網から流体が漏洩した位置を、振動センサによって検出された漏洩音の信号を用いて検知するための漏洩位置検知装置であって、配管の一部に間隔をおいて設置した複数の配管設置振動センサと、地盤の振動を測定するために地表または地中に設置した１個以上の地盤設置振動センサと、前記配管設置振動センサが捉えた信号中に含まれる漏洩音以外の雑音を、前記地盤設置振動センサが捉えた信号を用いて除去する雑音除去手段と、得られた漏洩音の信号が前記複数の配管設置振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から漏洩位置を特定する漏洩位置特定手段とを有することを特徴とする配管の漏洩位置検知装置。
【００３０】
［４］前記雑音除去手段が適応デジタルフィルタを用いたものであることを特徴とする前記［３］に記載の配管の漏洩位置検知装置。
【００３１】
なお、上記［１］〜［４］において、「配管の一部に」というのは、配管そのものだけでなく、消火栓などの配管と直結した部分も含んでいる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態として、本発明に係る漏洩位置検知装置を地中埋設水道配管網に適用した場合について説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態における振動センサの設置を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００３４】
図１において、配管１の一部に間隔をおいて２つの配管設置振動センサ２ａと２ｂが設置されている。地中埋設水道配管の場合、地中の配管に直接振動センサを設置するのは困難な場合もあるが、図１のように、通常は消火栓など配管１と直結した部分が、ある間隔をおいて地上に露出しているので、その部分に配管設置振動センサ２ａ、２ｂを設置すれば良い。
【００３５】
また、配管設置振動センサ２ａ、２ｂとは別に、地盤上には地盤設置振動センサ３が設置されている。地盤の振動は、地表の材質（土かアスファルトかなど）によって測定しやすさが異なるが、図１４のような地盤設置振動センサ用設置杭５を用意し、この杭に地盤設置振動センサ３をしっかりと設置することで、測定しやすくなり、良好なデータを取ることができる。
【００３６】
図３は、本発明の一実施形態に係る漏洩位置検知装置のシステム構成を示している。
【００３７】
図３において、本発明の一実施形態に係る漏洩位置検知装置は、２個の配管設置振動センサ２ａ、２ｂと、１個の地盤設置振動センサ３と、適応デジタルフィルタ６ａからなるノイズキャンセラ７ａと、適応デジタルフィルタ６ｂからなるノイズキャンセラ７ｂと、相互相関関数演算装置８とから構成されている。
【００３８】
そして、配管設置振動センサ２ａからの信号と地盤設置振動センサ３からの信号は、適応デジタルフィルタ６ａからなるノイズキャンセラ７ａで前述のＬＳＭアルゴリズムにより処理され、配管設置振動センサ２ａの信号から漏洩音以外の雑音が取り除かれる。同様に、配管設置振動センサ２ｂからの信号と地盤設置振動センサ３からの信号は、適応デジタルフィルタ６ｂからなるノイズキャンセラ７ｂで前述のＬＳＭアルゴリズムにより処理され、配管設置振動センサ２ｂの信号から漏洩音以外の雑音が取り除かれる。その後、漏洩音以外の雑音が取り除かれた配管設置振動センサ２ａの信号と配管設置振動センサ２ｂの信号に対して相互相関関数演算装置８によって相互相関関数演算が施され、漏水位置４から配管設置振動センサ２ａおよび２ｂに漏水音が到達するまでの時間差Δｔが算出され、漏洩位置が特定される。
【００３９】
このように、この実施形態においては、地盤設置振動センサ３からの信号を用いて、適応デジタルフィルタ６ａ、６ｂからなるノイズキャンセラ７ａ、７ｂによって、漏洩音以外の雑音を除去してから相互相関関数演算を施すので、漏洩の有無および漏洩位置の特定を精度良く行うことができる。
【００４０】
【実施例】
本発明の実施形態に係る漏洩位置検知方法と従来の漏洩位置検知方法とを比較することで、本発明の優位性を説明する。
【００４１】
図５は、回転機械からの振動の影響が非常に大きい環境下において、図４に示す従来の雑音除去機能を備えていないシステムで漏水位置検知を試みた際に、配管設置振動センサ２ａおよび２ｂが捉えた配管１の振動の時刻歴波形である。回転機械からの周期性雑音が支配的であるため、漏洩音による不規則振動は完全に埋もれてしまっている。したがって、これらの信号の相互相関関数を計算しても、図６のようなものしか得られず、漏洩音の伝播時間差を求めることはできない。
【００４２】
図１１は図５の時刻歴波形を周波数解析したものであるが、グラフの中央部分に見られる漏洩音の不規則振動成分に比べ、回転機械からの周期性雑音成分が大きいことが分かる。さらに、周期性雑音成分の一部は漏洩音の不規則成分と周波数帯が重なっているため、前述の特許文献１に示されているようなバンドパスフィルタによる除去でも困難である。
【００４３】
これに対し、図７は図３に示す本発明の一実施形態の漏洩位置検知装置を用いて、配管設置振動センサ２ａおよび２ｂが捉えた信号からノイズキャンセラ７ａ、７ｂによって回転機械の周期性雑音を除去した配管１の振動の時刻歴波形である。これらを周波数解析したものが図１２であるが、回転機械からの周期性雑音成分はほぼ完全に除去されていることが分かる。したがって、図７の時刻歴波形の相互相関関数を計算すると、図８のように漏洩音の伝播時間差Δｔを明確に求めることができる。
【００４４】
ちなみに、図９は回転機械が停止している（周期性雑音が無い）状態において、配管設置振動センサ２ａおよび２ｂが捉えた配管１の振動の時刻歴波形で、図１０はそれらの相互相関関数である。この相互相関関数から求まる漏洩音の伝播時間差Δｔは図８から求めたものと等しく、ノイズキャンセラ７ａ、７ｂによる回転機械の周期性雑音除去が良好に行われていることを示している。
【００４５】
また、図１３は図９の時刻歴波形を周波数分析したものだが、図１２がこの図１３に近いことからも本発明の漏洩位置検知方法の優位性が分かる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、水道管やガス管など流体を輸送する地中埋設配管網からの漏洩の位置を、振動センサにより検出された漏洩音の信号を用いて相互相関関数演算によって特定するに際して、地盤に設置した振動センサからの信号を用いて、配管に設置した振動センサの信号から漏洩音以外の雑音を確実に除去してから相互相関関数演算を施すので、周囲に雑音を発生する設備や機械が存在し、漏洩音がその雑音に埋もれてしまうような場合でも、漏洩の有無および漏洩位置の特定を精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における振動センサの配置を示す図である。
【図２】相互相関関数を用いた漏洩位置検知の方法を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す図である。
【図４】従来の漏洩位置検知方法を示す図である。
【図５】回転機械の周期性雑音に埋もれた漏洩音振動の時刻歴波形を示す図である。
【図６】図５の時刻歴波形から求めた相互相関関数を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態におけるノイズキャンセラを用いて、図５の時刻歴波形から回転機械の周期性雑音を除去した時刻歴波形を示す図である。
【図８】図７の時刻歴波形から求めた相互相関関数を示す図である。
【図９】回転機械が停止して周期性雑音の無い漏洩音振動の時刻歴波形を示す図である。
【図１０】図９の時刻歴波形から求めた相互相関関数を示す図である。
【図１１】図５の時刻歴波形を周波数分析したパワースペクトラムを示す図である。
【図１２】図７の時刻歴波形を周波数分析したパワースペクトラムを示す図である。
【図１３】図９の時刻歴波形を周波数分析したパワースペクトラムを示す図である。
【図１４】地盤振動センサ用設置杭の一例を示す図である。
【符号の説明】
１：配管
２ａ、２ｂ：配管設置振動センサ
３：地盤設置振動センサ
４：漏洩位置
５：地盤設置振動センサ用設置杭
６ａ、６ｂ：適応デジタルフィルタ
７ａ、７ｂ：ノイズキャンセラ
８：相互相関関数演算装置
【図１】
2004125628.tif 000008
【図２】
2004125628.tif 000009
【図３】
2004125628.tif 000010
【図４】
2004125628.tif 000011
【図５】
2004125628.tif 000012
【図６】
2004125628.tif 000013
【図７】
2004125628.tif 000014
【図８】
2004125628.tif 000015
【図９】
2004125628.tif 000016
【図１０】
2004125628.tif 000017
【図１１】
2004125628.tif 000018
【図１２】
2004125628.tif 000019
【図１３】
2004125628.tif 000020
【図１４】
2004125628.tif 000021