(57)【要約】【課題】大規模な工事を伴わず建造物へ導入可能な構造ヘルスモニタリングシステムを提供する。【解決手段】本発明の構造ヘルスモニタリングシステム１００は、建造物１０２または建造物１０２の地盤に設置された第１加速度センサ１０４と、建造物１０２内の異なる高さ位置に移動可能または持運可能な端末装置（ロボット１０８）と、端末装置に設けられた第２加速度センサ１０６と、建造物１０２内の異なる高さ位置で静止して測定された第２加速度センサ１０６の複数の加速度データと第２加速度センサ１０６の加速度データに同期した第１加速度センサ１０４の複数の加速度データとを用いて、建造物１０２の構造性能を診断する計算機１２６と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建造物または該建造物の地盤に設置された第１加速度センサと、
前記建造物内の異なる高さ位置に移動可能または持運可能な端末装置と、
前記端末装置に設けられた第２加速度センサと、
前記建造物内の異なる高さ位置で静止して測定された第２加速度センサの複数の加速度データと該第２加速度センサの加速度データに同期した第１加速度センサの複数の加速度データとを用いて、該建造物の構造性能を診断する計算機と、
を備えることを特徴とする構造ヘルスモニタリングシステム。
【請求項２】
前記端末装置は、前記建造物内の異なる高さ位置に移動可能な自走式ロボットであることを特徴とする請求項１に記載の構造ヘルスモニタリングシステム。
【請求項３】
前記自走式ロボットは、少なくとも、前記建造物を高さ方向に３分割した低層階、中層階、上層階の各々に移動して静止し、
第２加速度センサが、低層階、中層階、上層階の各々の加速度データを前記自走式ロボットが静止した状態で測定することを特徴とする請求項２に記載の構造ヘルスモニタリングシステム。
【請求項４】
前記自走式ロボットは、第２加速度センサの加速度データを静止して測定する際に、振動が発生し得る全ての機能を停止することを特徴とする請求項２または３に記載の構造ヘルスモニタリングシステム。
【請求項５】
建造物内の異なる高さ位置に移動可能または持運可能な２つの端末装置と、
前記端末装置の一方に設けられた第１加速度センサと、
前記端末装置の他方に設けられた第２加速度センサと、
前記建造物内の異なる高さ位置で静止して測定された第２加速度センサの複数の加速度データと、該建造物内の所定高さの所定位置で静止して測定された、該第２加速度センサの加速度データに同期した第１加速度センサの複数の加速度データとを用いて、該建造物の構造性能を診断する計算機と、
を備えることを特徴とする構造ヘルスモニタリングシステム。
【請求項６】
前記２つの端末装置は、前記建造物内の異なる高さ位置に移動可能な自走式ロボットであることを特徴とする請求項５に記載の構造ヘルスモニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震や常時微動（人が感じることのない常時発生している微細な揺れ）に対する応答波形から構造性能を診断する構造ヘルスモニタリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
建造物の地震発生時等の損傷や建造物の経年的な劣化を診断するために、構造ヘルスモニタリングシステムが提案されている。特許文献１に記載されているように、従来の構造ヘルスモニタリングシステムでは、建造物の複数の階に加速度センサを設置し、各々の加速度センサの加速度データを一般に有線で計算機へと送信する。加速度センサは、少なくとも、建造物の低層階、中層階、高層階に設置する必要がある。計算機は、送信された加速度データを用いて、固有振動数の低下やモード形状の変化等の診断指標（非特許文献１表２参照）に基づき、当該建造物の構造性能を診断する。非特許文献１に記載されているように、当該建造物の構造性能の診断には、時刻が同期した加速度データが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２５４２３９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】坂上智 他２名,“MEMS応用感振センサを用いた構造ヘルスモニタリングシステム”,[online],2014年3月30日,富士電機,インターネット<URL: http://www.fujielectric.co.jp/about/company/gihou_2014/pdf/87-01/FEJ-87-01-0063-2014.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現状において、１９７０年代から１９８０年代に建造された高層ビルやマンション等の建造物では、その構造性能が問題視されており、構造ヘルスモニタリングシステムの導入が求められる。しかしながら、このような建造物の低層階、中層階、高層階に加速度センサを設置し、これらの加速度センサの加速度データを送信する有線を敷設するためには、大規模な工事が必要となる。すると、当然ながら、その工事費用も高額となる。したがって、高額な初期費用のために、構造ヘルスモニタリングシステムを導入できないおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、大規模な工事を伴わず建造物へ導入可能な構造ヘルスモニタリングシステム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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明にかかる構造ヘルスモニタリングシステムの代表的な構成は、建造物または建造物の地盤に設置された第１加速度センサと、建造物内の異なる高さ位置に移動可能または持運可能な端末装置と、端末装置に設けられた第２加速度センサと、建造物内の異なる高さ位置で静止して測定された第２加速度センサの複数の加速度データと第２加速度センサの加速度データに同期した第１加速度センサの複数の加速度データとを用いて、建造物の構造性能を診断する計算機と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上述の端末装置は、建造物内の異なる高さ位置に移動可能な自走式ロボットであるとよい。
【０００９】
上述の自走式ロボットは、少なくとも、建造物を高さ方向に３分割した低層階、中層階、上層階の各々に移動して静止し、第２加速度センサが、低層階、中層階、上層階の各々の加速度データを自走式ロボットが静止した状態で測定するとよい。
【００１０】
上述の自走式ロボットは、第２加速度センサの加速度データを静止して測定する際に、振動が発生し得る全ての機能を停止するとよい。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明にかかる構造ヘルスモニタリングシステムの他の代表的な構成は、建造物内の異なる高さ位置に移動可能または持運可能な２つの端末装置と、端末装置の一方に設けられた第１加速度センサと、端末装置の他方に設けられた第２加速度センサと、建造物内の異なる高さ位置で静止して測定された第２加速度センサの複数の加速度データと、建造物内の所定高さの所定位置で静止して測定された、第２加速度センサの加速度データに同期した第１加速度センサの複数の加速度データとを用いて、構造性能を診断する計算機と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上述の２つの端末装置は、建造物内の異なる高さ位置に移動可能な自走式ロボットであるとよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、大規模な工事を伴わず建造物へ導入可能な構造ヘルスモニタリングシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる構造ヘルスモニタリングシステムの概略図である。
【図２】図１の自走式ロボットの機能ブロック図である。
【図３】図１の自走式ロボットの動作を例示するフローチャートである。
【図４】図１の自走式ロボットの加速度データの送信方法の変形例を示す図である。
【図５】図１の計算機の機能ブロック図である。
【図６】図５の演算処理部の機能ブロック図である。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる構造ヘルスモニタリングシステムの概略図である。
【図８】図７の自走式ロボットの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。係る実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、又、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる構造ヘルスモニタリングシステム１００の概略図である。図１に示すように、構造ヘルスモニタリングシステム１００は、建造物１０２の構造性能すなわち建造物１０２の損傷や経年的な劣化を診断するためのものである。建造物１０２としては、高層ビルやマンション、オフィスビルや商業ビル等が例示される。
【００１７】
構造ヘルスモニタリングシステム１００では、建造物１０２の低層階、中層階、高層階への加速度センサの設置を要しない。従来、建造物１０２の状態の評価には、建造物１０２の低層階、中層階、高層階にて測定した時刻が同期した加速度データが必須であったが、本実施形態では第１加速度センサ１０４、第２加速度センサ１０６（図２参照）の２つの加速度センサでこれを可能にする。
【００１８】
第１加速度センサ１０４、第２加速度センサ１０６（図２参照）としては、無感地震を検知することが可能な０．１ｇａｌ以下の分解能を有する超高感度なものを使用する。また、第１加速度センサ１０４、第２加速度センサ１０６（図２参照）としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）式の加速度センサを使用する。従来から存在するサーボ式ではなく、ＭＥＭＳ式の加速度センサとすることで、寸法を小さくでき且つコストを低減できる。
【００１９】
第１加速度センサ１０４は、建造物１０２または建造物１０２の地盤に設置される。本実施形態では、第１加速度センサ１０４は、建造物１０２の地盤に設置される。第２加速度センサ１０６は、建造物１０２内の異なる高さ位置に移動可能または持運可能な端末装置に設けられる。端末装置としては、ロボット、ラジコン、スマートフォン、携帯電話、ＰＨＳ、ゲーム機、タブレット、ノートパソコン、時計等が例示される。ロボットとしては、構造ヘルスモニタリングシステム１００のためだけのロボットを用いてもよいが、警備ロボット、掃除ロボット、コミュニケーションロボット、多目的ロボット、エンターテイメントロボット等を用いることもできる。本実施形態では、端末装置は、建造物１０２内の異なる高さ位置に移動可能な自走式の警備ロボット（以下、単に「ロボット１０８」と称する）である。
【００２０】
ロボット１０８は、スロープや階段、エレベータ等の昇降手段１１０を通じて、建造物１０２の各階に移動可能である。以下、具体的に、ロボット１０８の機能について説明する。
【００２１】
図２は、ロボット１０８の機能ブロック図である。図２に示すように、ロボット１０８は、建造物１０２を巡回するための巡回用センサ１１２を有する。巡回用センサ１１２は、距離センサ、角度センサ等からなる。巡回用センサ１１２として、外部情報を取得するカメラを備えてもよい。
【００２２】
巡回用センサ１１２の検出データは、入出力インターフェース１１４を介して、駆動制御部１１６に送信される。駆動制御部１１６は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含んで構成され、巡回用センサ１１２の検出データに基づき駆動機構１１８に対する制御指令を生成する。駆動機構１１８はモータや車輪、または歩行手段等を有し、この制御指令に従い、当該ロボット１０８を移動させる。
【００２３】
また、ロボット１０８は、上述の第２加速度センサ１０６を有する。第２加速度センサ１０６の加速度データは、入出力インターフェース１１４を介して、記憶部１２０に入力される。記憶部１２０は、ＲＯＭやＲＡＭ等で構成される。演算処理部１２２は、記憶部１２０に入力された加速度データを無線送受信部１２４に計算機１２６へと送信させる。演算処理部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含んで構成され、ロボット１０８の全ての機能、動作を統括的に制御する。
【００２４】
再び図１を参照する。無線送受信部１２４は、無線送受信機１２８（代表して１つに符号を付す）、ＬＡＮ回線１３０を介して計算機１２６へと加速度データを送信する。また、第１加速度センサ１０４の加速度データもＬＡＮ回線１３０を介して計算機１２６へと送信される。本実施形態では、これらはＬＡＮ（Local Area Network）で計算機１２６と通信するが、ルータ１３２を介してＷＡＮで計算機１２６と通信してもよい。また、第１加速度センサ１０４の加速度データを有線（ＬＡＮ回線１３０）で送信しているが、無線で計算機１２６へと送信してもよい。
【００２５】
再び図２を参照する。ロボット１０８は、警備機能を実現するための各種機能を有する。具体的には、本実施形態では、建造物１０２内で異常が生じた場合に、聴覚的または視覚的に警報を発する警報部１３４を有する。警報部１３４は、スピーカ、ディスプレイ等によって構成される。なお、警備機能を実現するために、外部情報を取得するカメラを備えてもよい。
【００２６】
なお、ロボット１０８は、計算機１２６によって制御されてもよいし、予め記憶されたプログラムに基づいてロボット１０８側で一定の動作を行うものとしてもよい。
【００２７】
図３は、ロボット１０８の動作を例示するフローチャートである。ロボット１０８は、少なくとも、建造物１０２を高さ方向に３分割した低層階、中層階、上層階の各々に移動して静止する。そして、第２加速度センサ１０６が、低層階、中層階、上層階の各々の加速度データをロボット１０８が静止した状態で測定する。以下、図３のフローチャートに則り、本実施形態にかかるロボット１０８の動作について具体的に説明する。
【００２８】
ロボット１０８は、計算機１２６からの指示、または記憶されたプログラムに基づいて、建造物１０２の各々の所定高さ（すなわち各々の階）に設定された所定位置にて、加速度データを取得する。本実施形態では、ロボット１０８は、建造物１０２の全ての階を巡回し、全ての階の所定位置で加速度データを取得する。さらに詳細には、本実施形態では、ロボット１０８は、建造物１０２を最低層階（例えば１階）から最上層階（例えば５０階）まで順に巡回する。
【００２９】
なお、各々の階の所定位置としては、構造ヘルスモニタリングのための加速度データ測定箇所として建造物１０２の構造上最適な箇所が選定される。
【００３０】
計算機１２６からの指示、または上述の記憶されたプログラムの実行を受けて、ロボット１０８は、各々の階の加速度測定のための動作を開始する。本実施形態では、ロボット１０８には、巡回を開始する最初の階Ａと巡回を終了する最後の階Ｂが設定される（ステップＳ３００）。詳細には、最初の階Ａとして最低層階（例えば１階）、最後の階Ｂとして最上層階（例えば５０階）が設定される。この設定は、計算機１２６からの指示によって適宜設定されるものとしても、予め記憶部１２０に記憶されているものとしてもよい。
【００３１】
ステップＳ３００を受けて、ロボット１０８は、現在の階Ｘが最初の階Ａであるか否かを判定する（ステップＳ３０２）。現在の階Ｘが最初の階Ａである場合には（ステップＳ３０２Ｙｅｓ）、ロボット１０８は現在の階Ｘの所定位置へ移動する（ステップＳ３０６）。現在の階Ｘが最初の階Ａでない場合には（ステップＳ３０２Ｎｏ）、ロボット１０８は昇降手段１１０を使用して最初の階Ａに移動する（ステップＳ３０４）。そして、現在の階Ｘを最初の階Ａとし、その所定位置へ移動する（ステップＳ３０６）。
【００３２】
ステップＳ３０６にて所定位置へ移動すると、ロボット１０８はその所定位置で静止する。ここで、ロボット１０８は、地震や常時微動（人が感じることのない常時発生している微細な揺れ）に対する応答波形を適切に測定するために、所定位置で底面積が広がるように（腰を下ろすように）動作する（ステップＳ３０８）。具体的には、駆動機構１１８の車輪等を収容して底面を地面に接触させたり、移動中は地面に接触していなかった部位を所定位置で地面に接触させたりする構成とするとよい。
【００３３】
次に、ロボット１０８は、振動が発生し得る全ての機能を停止する（ステップＳ３１０）。具体的には、駆動機構１１８に用いられるモータやサーボシステム等の振動が発生し得る機能を停止する。そして、ロボット１０８の第２加速度センサ１０６が、所定位置の加速度データを測定する（ステップＳ３１２）。この加速度データの測定は、１分程度の時間行われる。測定した加速度データは、ロボット１０８から無線送受信機１２８、ＬＡＮ回線１３０を介して計算機１２６へと送信される（ステップＳ３１４）。
【００３４】
次に、ロボット１０８は、振動が発生し得る機能の停止を解除すると共に（ステップＳ３１６）、底面積の広範囲接触（腰下ろし動作）を解除し（ステップＳ３１８）、その後、現在の階Ｘが最後の階Ｂであるか否かを判定する（ステップＳ３２０）。現在の階Ｘが最後の階Ｂである場合には（ステップＳ３２０Ｙｅｓ）、各々の階の加速度測定のための動作を終了する。現在の階Ｘが最後の階Ｂでない場合には（ステップＳ３２０Ｎｏ）、ロボット１０８は昇降手段１１０を使用して１つ上の階（Ｘ＋１）に移動し（ステップＳ３２２）、ステップＳ３０６からの処理を繰り返す。
【００３５】
なお、上述の各々の階の巡回は、ロボット１０８の警備機能を発揮しつつ実施されるとよい。上述の加速度測定のための動作は、振動発生源（空調設備等）の影響を回避するために、例えば建造物１０２が閉館している夜間や休日に行うとよい。
【００３６】
図４は、ロボット１０８の加速度データの送信方法の変形例を示す図である。各々の階の加速度データの計算機１２６への送信方法は、上述の例に限られない。例えば、図４に示すように、ロボット１０８が、ＵＳＢメモリやメモリカード等の着脱可能な外部メモリ１２０ａを有し、この外部メモリ１２０ａに各々の階の加速度データを記憶するようにしてもよい。そして、外部メモリ１２０ａに記憶されたデータを計算機１２６へ移すようにしてもよい。
【００３７】
図５は、図１の計算機１２６の機能ブロック図である。図５に示すように、計算機１２６は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含んで構成され建造物１０２の構造性能を診断する演算処理部１３６、ＲＯＭやＲＡＭ等で構成され各種のデータやプログラムを記憶する記憶部１３８、ロボット１０８との間でデータや指令を送受信可能な通信部１４０を有する。また、ロボット１０８は、入出力インターフェース１４２、キーボードやマウス等の入力部１４４、ディスプレイやプリンタ等の出力部１４６を有する。
【００３８】
図６は、演算処理部１３６の機能ブロック図である。図６に示すように、演算処理部１３６は、応答波形算出部１４８、構造性能診断部１５０として機能する。
【００３９】
応答波形算出部１４８は、第２加速度センサ１０６が測定した各々の階の加速度データと、各々の階の加速度データに同期した第１加速度センサ１０４の複数の加速度データとを用いて、ある時点における建造物１０２の地震や常時微動に対する各々の階の応答波形を算出する。構造性能診断部１５０は、応答波形算出部１４８が算出した応答波形に基づき、当該建造物１０２の構造性能を診断する。具体的には、固有振動数の低下やモード形状の変化等の診断指標に基づき、当該建造物１０２の構造性能を診断する。
【００４０】
再び図５を参照する。構造性能診断部１５０の診断結果は、出力部１４６に表示させることができる。また、構造性能診断部１５０の診断結果が、緊急に退避を要する場合には、ロボット１０８の警報部１３４が警報を発するように通信部１４０から指令を出すような構成とするとよい。
【００４１】
上述した構成によれば、ある時点における建造物１０２の地震や常時微動に対する各々の階の応答波形を取得するために、建造物１０２の各々の階に加速度センサを設置し有線を敷設する必要がない。したがって、大規模な工事を伴わず、建造物１０２へ構造ヘルスモニタリングシステム１００を導入可能となる。これにより、構造ヘルスモニタリングシステムの普及を促進する効果を奏する。
【００４２】
また、端末装置を建造物１０２内の異なる高さ位置に移動可能な自走式ロボットとすることで、夜間や休日等に効果的に加速度データを収集することができる。加えて、一定期間ごとに加速度データを収集する設定等にすれば、建造物１０２の構造性能の経時的な変化を把握することができる。警備機能等の他の機能と相まって上述の機能（加速度データ測定・収集機能）を持たせるようにすれば、高効率化やコスト削減を実現することができる。
【００４３】
また、上述のロボット１０８は、少なくとも、建造物１０２を高さ方向に３分割した低層階、中層階、上層階の各々に移動して静止し、第２加速度センサ１０６が、低層階、中層階、上層階の各々の加速度データをロボット１０８が静止した状態で測定する。すなわち、基準となる第１加速度センサ１０４の加速度データに対し、構造ヘルスモニタリングにて測定が求められる低層階、中層階、上層階の第２加速度センサ１０６の加速度データが収集される。そのため、一定の診断精度を担保することができる。
【００４４】
また、上述のロボット１０８は、第２加速度センサ１０６の加速度データを静止して測定する際に、振動が発生し得る全ての機能を停止するので、加速度データの測定精度を担保することができる。したがって、従来の各々の階に加速度センサを設置する方式と比しても、その精度が劣るものとはならない。
【００４５】
図７は、本発明の第２実施形態にかかる構造ヘルスモニタリングシステム２００の概略図である。図７に示すように、第２実施形態にかかる構造ヘルスモニタリングシステム２００では、第１加速度センサ１０４が地盤に設置されていず、その替わりに端末装置がさらに備えられる点で第１実施形態と相違する。具体的には、ロボット１０８と同様の機能・構成を有するロボット２０８が端末装置として備えられる。
【００４６】
図８は、ロボット２０８の機能ブロック図である。図８に示すように、ロボット２０８は、第１加速度センサ１０４を有する。
【００４７】
第２実施形態では、ロボット１０８が建造物１０２の各々の階の加速度測定のための動作を開始してから終了するまでのステップＳ３００からステップＳ３２０Ｙｅｓまでの間、ロボット２０８が、建造物１０２内の所定高さの所定位置、すなわち、ある階の所定位置で静止して加速度データを測定する。この時、ロボット２０８は、ロボット１０８のステップＳ３０８、Ｓ３１０と同様に、所定位置で底面積が広がるように腰を下ろしたり、振動が発生し得る全ての機能を停止したりするとよい。ロボット２０８が測定した加速度データは、無線送受信機１２８、ＬＡＮ回線１３０を介して計算機１２６へと適宜送信される。ロボット２０８のある階の所定位置は、ロボット１０８と同じ位置でも別の位置でもよいし、ロボット２０８が加速度データを測定する階はロボット１０８が加速度データを測定しないものとしてもよい。なお、第１実施形態の変形例と同様に外部メモリ１２０ａ等で計算機１２６へ加速度データを移す構成としてもよい。
【００４８】
計算機１２６は、ロボット１０８、２０８から送信された加速度データを用いて、第１実施形態と同様に、建造物１０２の構造性能を診断する。第２実施形態によれば、第１加速度センサ１０４がロボット２０８に設けられるため、建造物１０２への加速度センサの設置工事を全く必要としない。加えて、ロボット２０８を警備機能等の他の用途にも用いることができ、高効率化やコスト削減を実現することができる。
【００４９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、地震や常時微動（人が感じることのない常時発生している微細な揺れ）に対する応答波形から構造性能を診断する構造ヘルスモニタリングシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００、２００…構造ヘルスモニタリングシステム
１０２…建造物
１０４…第１加速度センサ
１０６…第２加速度センサ
１０８、２０８…ロボット
１１０…昇降手段
１１２…巡回用センサ
１１４…入出力インターフェース
１１６…駆動制御部
１１８…駆動機構
１２０…記憶部
１２２…演算処理部
１２４…無線送受信部
１２６…計算機
１２８…無線送受信機
１３０…ＬＡＮ回線
１３２…ルータ
１３４…警報部
１３６…演算処理部
１３８…記憶部
１４０…通信部
１４２…入出力インターフェース
１４４…入力部
１４６…出力部
１４８…応答波形算出部
１５０…構造性能診断部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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