第９回 東北大学災害制御研究センター公開講座
2010年11月27日

構造ヘルスモニタリングと構造ヘルスモニタリングと早期地震警報
ヘルスモニタリングと早期地震警報の早期地震警報の融合システムの融合システムの開発
システムの開発

東北大学大学院工学研究科
災害制御研究センター
災害制御研究センター

源栄 正人

最近の最近の活動から活動から～から～海外での海外での招待
での招待講演
招待講演と講演と小学校での小学校での地震防災授業
での地震防災授業

 ＵＳＣでの）ＵＳＣでの招待講演
での招待講演(2009/12）
招待講演

http://http://www.univsource.com/educhannels/show-video/Seminar-AstaniDepartment-Dr-Masato-Motosaka__xV6lxplQbLI&feature=youtube_gdata.html
 米国地球惑星合同学会招待講演(2009/12)
米国地球惑星合同学会招待講演
 トルコ地震
トルコ地震１０
地震１０周年記念
１０周年記念シンポ
周年記念シンポ招待講演
シンポ招待講演河北新報2009年11月1日
 Ｈ２１／Ｈ
２１／Ｈ２２／Ｈ２２で２２で５つの小学校つの小学校(2009/10)

1

2005年年8月月16日宮城県日宮城県沖地震における沖地震における地震観測における地震観測
記録

大和
仙台

石巻
塩釜

牡鹿

太平洋岸の太平洋岸の牡鹿で牡鹿でＰ波を捉えてから仙台
えてから仙台にＳ波が到来するまでに到来するまでに20秒するまでに 秒
大和
仙台
塩釜
石巻
牡鹿

講演内容
「新結合の新結合の遂行」
遂行」としての融合技術
としての融合技術
 早期地震警報システムの早期地震警報システムの現状
システムの現状と現状と課題＊緊急2008年岩手
年岩手・緊急年岩手・宮城内陸地震と宮城内陸地震と緊急地震速報＊緊急地震速報の緊急地震速報の利点・利点・欠点と欠点と限界
 構造物ヘルスモニタリングと構造物ヘルスモニタリングと早期地震警報
ヘルスモニタリングと早期地震警報システムの早期地震警報システムの融合技術の融合技術の開発＊システム構築
システム構築の構築の基本概念＊ＥＥＷ／ＳＨＭシステム＊ＥＥＷ／ＳＨＭシステム連携網
システム連携網の連携網の構築＊オンライン波形情報活用
オンライン波形情報活用システムの波形情報活用システムの開発
システムの開発
 リアルタイム地震動予測
リアルタイム地震動予測の地震動予測の高精度と高精度と構造物の構造物の振動制御＊前線波形情報の前線波形情報の有効活用
 ＥＥＷ／ＳＨＭシステムのＥＥＷ／ＳＨＭシステムの地域システムの地域における地域における利活用
における利活用

2

融合～科学技術と防災教育のために


師
弟
関係

寺田寅彦（1878-1936)
自然の「不可思議」、「狂気」、「険呑」

レオナルド・ダ・ビンチ(1452-1519)

防災
科学と芸術の融合

文 夏目漱石(1867-1916) 理融
人間の「不可思議」、合「狂気」、「険呑」
防犯
文学と心理学の融合

融合による防災技術の進化
構造ヘルスモニタ
構造ヘルスモニタリング（ＳＨＭ）
リング（ＳＨＭ）
システム

早期地震警報（ＥＥＷ）システム（ＥＥＷ）システム
通信技術
地震観測技術警報：心理学との融合

融合
システム同定技術
構造解析技術融合：
融合：組み合わせにより相乗効果
わせにより相乗効果をもたらす
相乗効果をもたらす。
をもたらす。
Ｓｉｎｅｒｇｉｃ Ｃｏｍｂｕｎａｔｉｏｎ3

２００８年岩手・宮城内陸地震と緊急地
震速報～学校と工場で効果
河北新報
2008年7月13日

読売新聞 ２００８年６月２１日 夕刊 １面
読売新聞 ２００８年６月２２日 宮城地方版

半導体工場における半導体工場における緊急地震速報における緊急地震速報の緊急地震速報の利活用
OKIセミコンダクタ宮城
OKIセミコンダクタ
セミコンダクタ宮城（旧宮城沖電気）
旧宮城沖電気）迫り来る宮城県沖地震

地震早期警報システム
地震早期警報システム開発
システム開発・人命保護
・生産活動継続

２００３年
２００３年の地震被害
・2003年三陸南地震
年三陸南地震・2003年宮城北部地震
年宮城北部地震

被害額:約億円
被害額 約30億円
・物的被害発生・操業完全復旧にヶ月
操業完全復旧に1ヶ特徴
・P波地震計
波地震計で波地震計で直下型地震に直下型地震に対応
・P波地震計
波地震計で波加速度予測波地震計でS波加速度予測
・受信、受信、地震計、地震計、システム二重化
システム二重化による二重化による信頼性
による信頼性平成20年岩手
平成 年岩手・年岩手・宮城内陸地震では宮城内陸地震では人的
では人的・人的・物的被害無し
物的被害無し！
操業再開期間を操業再開期間を最小に最小に4

緊急地震速報の特徴と限界
利点
＜直接的＞
直接的＞
大揺れが大揺れが来
れが来る前に警報を警報を鳴らし、らし、到
来時間（来時間（カウントダウン）、カウントダウン）、予測震度を予測震度を知らせることにより、らせることにより、適切な避難行動がとれる
避難行動がとれる＜間接的＞
間接的＞
防災対策のインセンティブとなる
防災対策のインセンティブとなる

限界




欠点
＜直接的＞
直接的＞
パニックを引パニックを引き起こす可能性
こす可能性、可能性、凍りつき症候群
りつき症候群＜間接的＞
間接的＞
緊急地震速報の緊急地震速報の一般配信に一般配信による市民
よる市民の市民の根拠の根拠の無い安心、安心、防災対策
防災対策の対策の怠りなど



震源距離の短い、直下型地震
では間に合わない
海洋型の地震でも沿岸部では余裕時間は短い
震源、マグニチュード、震度等の推定の精度が十分でない場
合がある
雷や事故などのノイズによる誤報のおそれ

構造ヘルスモニタリング（SHM）と早期地震警報（EEW）の融合技術の開発
 科研費基盤研究（B) 研究代表者源栄正人（H18-H19)
 科研費基盤研究（B)研究代表者源栄正人（H20-H22)＊システムの地域展開

 関連事業・ひらめき☆ときめきサイエンス（日本学術振興会H20公募事業）
・H20 地域イノベーション創出総合支援事業（科学技術振興機構）

5構造モニタリングを兼ねた早期地震情報統合システムの開発（Ｉ）～基本概念
日常機能として日常機能として構造物として構造物の構造物の耐震モニタリング
耐震モニタリング機能
モニタリング機能・・・微動観測・・・微動観測～
微動観測～強震観測（強震観測（動特性の動特性の振幅依存性の振幅依存性の把握）把握）・・・ダイナミックレンジの広・・・ダイナミックレンジの広い高感度地震計１２０
高感度地震計１２０ｄＢ
１２０ｄＢ
・・・定時
・・・定時サンプリングとイベントサンプリング
定時サンプリングとイベントサンプリング 前方の前方の遠隔地における遠隔地におけるＰにおけるＰ波検知機能を波検知機能を有し、観測波形をオンラインで逐次をオンラインで逐次センターに逐次センターに伝送センターに伝送
・・・可変
・・・可変サンプリング
可変サンプリング、サンプリング、可変パケット
可変パケット長
パケット長



現地にも現地にも同様にも同様のシステムを同様のシステムを設置のシステムを設置し設置し、直下型地震に直下型地震に対する適用性を適用性を高める
次ページへ続
ページへ続く構造モニタリングを兼ねた早期地震情報統合システムの開発（ＩＩ） ～基本概念
前方観測点での前方観測点でのＰでのＰ波検知、波検知、緊急地震速報、緊急地震速報、現地の現地のＰ
波検知情報の波検知情報の作成・作成・伝達 震度情報ばかりでなく震度情報ばかりでなく、より高精度な地震情報としてばかりでなく、より高精度高精度な地震情報としてＰＧＡ、ＰＧＶ、スペクトル
ＰＧＡ、ＰＧＶ、スペクトル、スペクトル、波形・・・地盤・・・地盤や地盤や建物の建物の峡帯域フィルターを峡帯域フィルターを用フィルターを用いた情報
いた情報の情報の加工・・・アクティブ、・・・アクティブ、セミ・アクティブ制震セミ・アクティブ制震のフィードフォー
制震のフィードフォー
ワード制御
ワード制御への制御への活用
への活用


Ｓ波到来までの波到来までの情報までの情報ばかりでなく情報ばかりでなく、ばかりでなく、揺れの時系列れの時系列に時系列に沿った情報
った情報や情報や終息情報の終息情報の作成も作成も可能とする可能とする。とする。



終息後に終息後に直ちに構造物ちに構造物の構造物の応答解析システムに応答解析システムに連動システムに連動

6牡鹿総合支所
牡鹿総合支所（Ｋ－ＮＥＴ地点（Ｋ－ＮＥＴ地点）
地点）
雄勝総合支所
雄勝総合支所（震度情報ネットワーク震度情報ネットワーク）
ネットワーク）石巻市立釜小学校
石巻市立釜小学校

七
七ヶ浜町役場（震度情報ネットワーク震度情報ネットワーク）
ネットワーク）東北大学
東北大学・
東北大学・工学研究科
人間・人間・環境系研究棟

サーバ
サーバ

東北大学・
東北大学・工学研究科総合研究棟

システム構成TCP/IPででIP-VPNのネットワークをのネットワークを利用のネットワークを利用し利用した観測システム
観測システム7

リアルタイム波形情報活用のための体験ソフトの公開～汎用LabVIEWソフトで作成
IP網

東北大学

ルータ３
ルータ３

モニタPC
モニタPC

人間・
人間・環境系研究棟
ルータ２
ルータ２

オンライン波形表示

９階 地震計ルータ１
ルータ１

5階 地震計

１階 地震計
データ中継
データ中継PC
中継PC

公開用データサーバシステム

スペクトル表示

時系列に沿った構造モニタリング情報の作成
観測データ

常時

大揺れ到達前

構造モデル

揺れの最中

終息後

オフライン解析
オフライン解析オンライン解析オンライン解析

オフライン解析
オフライン解析

固有周期
建物の変形

固有周期
最大加速度
最大速度
震度

固有周期の時間的変化
部材の変形
剛性の変化

損傷度と耐震性の総合評価
(目標）

損傷の有無
損傷箇所
損傷程度
耐震性能

現地地震情報
緊急地震速報

健全性評価

情報発信（例：音声情報、画面表示、レポート作成）

情報提供

警報
機械の制御

応急危険度判定の事前情報として提供

適切な避難の誘導
早急に対策を開始

8リアルタイム地震情報利活用モデルの検討
東北大学人間・環境系棟での構造ヘル
スモニタリング
建設以来、約40年間にわたる地震観測による構造ヘルスモニタリング
2008年岩手・宮城内陸地震
Acc.(cm/s/s)
9F max = 392

4000-400
2500-250
1000-100

5F max = 216

1F max = 88020

40Time [s]6080

前線波形情報のフォーワード利用①地震動の地震動の予測

多点観測データのフォーワード
多点観測データのフォーワード利
データのフォーワード利用

過去の観測データを利用して地震動を直接予測

現在の緊急地震速報は震源情報の推定を基本としたバックワード予測であり、今後も機械制御を行うことのできる高精度の予測は期待できない。

フォーワード予測の実現に期待

9前線波形情報を用いた地震動予測シ
ステムの実用化～これまでの実績
ＡＮＮを用いた高精度リアルタイム地震動予測(Kyuk&Motosaka,2009)①地震動の地震動の予測

前線波形情報と過去の観測データを利用して高精度な地震動直接予測

フィードフォーワード振動制御
Kuyuk, 2008
大和：
大和：MYG009

大和：
大和：MYG009

牡鹿：
牡鹿：MYG011

石巻：
石巻：MYG010

石巻：
石巻：MYG010
仙台：
仙台：MYG013
仙台：
仙台：MYG013

牡鹿

塩釜：
塩釜：MYG012

塩釜：
塩釜：MYG012

1997 December 07
2005 August 16
7.2 M – 122 Epicenter 42 Depth 5.2 M – 43 Epicenter 83 Depth

10

ＥＥＷ／ＳＨＭシステムの地域展開
新設のリアルタイム
新設のリアルタイム地震観測点のリアルタイム地震観測点
Ｈ22年度
22年度
栗原市高清水庁舎（栗原市高清水庁舎（宮城県北部）
宮城県北部）
亘理町役場（亘理町役場（宮城県南部）
宮城県南部）
鹿島台市庁舎（鹿島台市庁舎（工業団地へ
工業団地への伝播経路）
伝播経路）
石巻市開北橋（石巻市開北橋（78年地震観測点78年地震観測点）年地震観測点）
仙台住友生命ビル
仙台住友生命ビル（ビル（ 同）ＩＰ網
ＩＰ網
ＥＥＷ／ＳＨＭシステム
ＥＥＷ／ＳＨＭシステム
新設観測点

既存のリアルタイム
既存のリアルタイム地震観測点のリアルタイム地震観測点
Ｈ20年度科研費
20年度科研費
牡鹿総合支所（牡鹿総合支所（三陸沿岸）三陸沿岸）
石巻市立釜小学校（石巻市立釜小学校（学校耐震防災）
学校耐震防災）東北大学人間環境系研究棟
Ｈ21年度科研費
21年度科研費
雄勝総合支所（雄勝総合支所（三陸沿岸）三陸沿岸）
七ヶ浜町役場（浜町役場（仙台への仙台への伝播経路への伝播経路）伝播経路）
ＥＥＷ／ＳＨＭシステム
ＥＥＷ／ＳＨＭシステム

共有化

東北大学・
東北大学・災害制御研究センター
災害制御研究センター
受信配信用データサーバ
受信配信用データサーバ

リアルタイム地震情報共有化
リアルタイム地震情報共有化システムの構築
システムの構築

H20 JSTシーズ
JSTシーズ発掘試験
シーズ発掘試験
リアルタイム波形受
信・表示体験ソフト
表示体験ソフト新設設備
既存設備

リアルタイム地震情報の利活用モデルの検討①時系列（時系列（常時、常時、地震前、地震前、地震による地震による振動中による振動中、振動中、地震後）地震後）の地震情報提供システムのためのソフトウェア
地震情報提供システムのためのソフトウェア開発
システムのためのソフトウェア開発②建物のリアルタイム
システム開発開発のための
建物のリアルタイム
損傷度評価
システム
開発のための○のリアルタイム損傷度評価○ にP○ ○にS 損傷度評価システム
仙台にS
○ ○で地
仙台で地
波到達
波到達
波到達
震終息
震終息
地ソフトウェア開発
ソフトウェア開発
震③ 地震防災教育への地震防災教育への活用への活用
発
最新の信号解析手法
生（Wavelet解析・カルマンフィルタなど）
前線・中間点でのＰ波・Ｓ波検知情報 警報の即時性・信頼性向上
リアルタイムの気象庁からの緊急地震速報
周期変化・変形量の即時評価
連続観観測
建物損傷度のリアルタイム評価
高精度地震動予測情報の提供
地震動の終息情報や現地の揺れの情報
構造解析モデルと連動したＳＨＭ
建物の損傷度情報
小学生～技術者教育まで

11産官学連携によるＥＥＷ／ＳＨＭシステ
ム利活用の推進 公共建築物に公共建築物に構造モニタリングによる構造モニタリングによる耐震健全性
モニタリングによる耐震健全性の耐震健全性の即 時評価が時評価ができる
 参画企業・参画企業・大学の大学の施設に施設に同様のシステムを同様のシステムを設置のシステムを設置し設置し、企業や企業や大学の大学の地震対策に地震対策に活用で活用で、事業継続計画（ＢＣＰ）
事業継続計画（ＢＣＰ）の（ＢＣＰ）の一環として一環として活用として活用できる
活用できる 企業の企業の地域貢献（ＣＳＲ）
地域貢献（ＣＳＲ）と（ＣＳＲ）と大学の大学の地域貢献（ＵＳＲ）
地域貢献（ＵＳＲ）とし（ＵＳＲ）とし て位置づ位置づけられる オンラインオンライン地震情報
地震情報の共有化によりリアルタイム
によりリアルタイム地震動予測
地震動予測や地震情報の共有化
によりリアルタイム
地震動予測
や構造ヘルスモニタリングに関ヘルスモニタリングに関する学術的貢献する学術的貢献 学校における学校における防災教育における防災教育の防災教育の一環としてシステムを一環としてシステムを有効としてシステムを有効に有効に活用することができる
活用することができる
国内他地域への展開
への展開
地域防災力への地域防災力への貢献への貢献、貢献、企業誘 ・国内他地域への・海外へのへの展開
展開のの可
海外への展開致による地域経済による地域経済の地域経済の活性化

おわりに
ＥＥＷとＳＨＭの融合
・・・イノベーション
・・・「新結合の遂行」（シュンペータ「経済発展の理論」）
 「先んずれば地震を制す」
・・・事前対策の重要性の意味も 「大揺れの前に安全確保」
・・・報知系の対応
日常から安全な場所と危険な場所の把握が防災対策のインセンティブに・・・機械制御系の対応
 「非常時のシステムは非常時だけにあらず」・・・日常機能との融合により付加価値を高める
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