技報第 26 号

2013

伸縮装置異常検知エキスパートシステム
阪神高速技術(株) 技術部 技術開発課
阪神高速技術(株) 技術部
阪神高速技術(株) 技術部

塚本 成昭
杉井 謙一
山上 哲示

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
要旨

伸縮装置内部の損傷の発見は，主として日常点検時に点検車輌に搭乗した熟練点検員が，伸縮装置通過時の異常音や異常振動などを感知して感覚的に一次判断し，叩き点検等で二次判断することにより行われている．本論文は，伸縮装置通過時の異常音を解析し，熟練点検員に代わる一次判断エキスパートシステムを構築することを目的とする．
本論文では，まず，すでに損傷が発見されている伸縮装置に対して，熟練点検員，車内マイク，車外マイクを搭乗・搭載したパトロール車を走行させ，熟練点検員に異常判断をさせつつ，音響データ採取した．次いで，損傷伸縮装置での音圧相当電圧のオーバーオールと健全伸縮装置でのそれとの比較評価を行った．結果，オーバーオールから異常を判断することは難しいことが判明した．続いて，伸縮装置通過時点を中心とした１秒間のデータに対し，周波数解析を行った．結果，500〜800Hz の周波数帯域において損傷伸縮装置に特徴的なスペクトルが存在することがわかった．さらに，周波数解析を子細に行うことによって，210〜230Hz および 450〜650Hz の二つの周波数帯域でのパーシャルオーバーオールを利用することで，精度向上を図れることがわかった．
キーワード:道路橋，伸縮装置，損傷，騒音計，周波数分析いることから，将来的な管理レベルの低下が危惧はじめにされている．
道路橋の伸縮装置は，輪荷重の影響を直接的に筆者らは，点検車輌上で収録される伸縮装置通受けて損傷が生じやすく，定期的補修が必要とな過音に着目し，周波数解析およびカオス時系列解るため，維持管理上の重要部材となっている．伸析をもちいて，伸縮装置の異常検出を試みてきた縮装置の損傷は，車輌の走行性に影響をおよぼす1),2),3)．これら一連の研究では，健全伸縮装置でのだけでなく，破損した部材や抜け落ちたボルトが通過音と損傷伸縮装置での通過音との差異を，周飛散する危険性がある．

波数帯域で評価する方法と，カオス時系列解析に伸縮装置の損傷点検は，主として車輌走行によ基づく予測誤差により評価する方法とを検討しる日常点検で熟練技術者の体感により検知されてきた．これまでの研究成果として，周波数帯域ている．つまり，点検車輌が伸縮装置を通過するで評価する方法がより簡便で，効率よく評価でき際に熟練技術者が異常音や異常振動を感覚的にることがわかった．

検知したとき，点検車輌を停止して目視や叩き点

本論文では，まず，損傷の存在が確認されてい検により詳細確認している．しかし，熟練技術者

る伸縮装置を対象に，実験走行をおこない，同乗の多くが退職期を迎えること，後継者が不足してした熟練点検員の正解率を調査する．この実験走1

表-1 損傷伸縮装置

行時には，点検車輌上に車内マイクと車外マイクとを設置し，音響データを同時に採取する．次い

損傷伸縮装置ﾄﾗﾝｽﾌﾚｯｸｽｼﾞｮｲﾝﾄ（ﾆｯﾀ製）
ﾗﾊﾞｴｰｽｼﾞｮｲﾝﾄ（中外道路製）
簡易鋼製SPｼﾞｮｲﾝﾄ（ﾆｯﾀ製）
鋼製ﾌｨﾝｶﾞｰｼﾞｮｲﾝﾄ

で，収録音のオーバーオール音圧による異常検出が可能か否かを検討する．続いて，周波数解析による異常検出方法について検討する．周波数解析による方法としては，一つの周波数帯域を用いる方法と複数の周波数帯域を用いる方法とを検討

データ収録システム

する．

記号TF
RTSPFJ
合計

対象基数
30
31337

GPS
車外マイク
車内マイク

１．実験走行と熟練点検員の異常判断精度
車輌上の熟練点検員が体感により伸縮装置の図-1 計測車輌マイク設置位置

異常を判断できるか否かを試す目的で，日常点検

表-3 測定対象区間と損傷伸縮装置種類

時に損傷ありと診断された伸縮装置を対象に，実損傷伸縮 測定 伸縮装置
損傷形態
装置名 回数種類
A4TF
ﾎﾞﾙﾄの緩みB
2SP
本体内部の破断C
2
FJ
ﾎﾞﾙﾄおよびﾅｯﾄの緩み験走行した．実験走行は 2011 年度に実施し，対象とした伸縮装置数は 37 基であった．また，車両に搭乗し、異常を判断する熟練点検員は特定の１名とした．

おおむね 6〜7 割程度であると考えてよさそうで対象伸縮装置の種類および数量を表-1 に示す．
実験走行はそれぞれの損傷伸縮装置に対しておある．のおの複数回実施し，有効データが得られた対象
伸縮装置通過延べ回数は 207 回であった．

２．伸縮装置通過音の測定

車輌上の熟練点検員の判断結果は，表-2 のとおりである．ここでは熟練点検員の判断基準として，

2-1 測定方法

走行前に次の 4 段階を設定した．すなわち，◎判第１節の実験走行時に，点検車輌上に車内マイ断容易，○判断可能，△判断困難，×判断不可でクと車外マイクとを設置して，音響データを採取ある．

した．車内マイク，車外マイクの設置位置を図-1

熟練点検員がどの程度の判断精度を有するのに示す．通過音の収録は，RION NL-06 騒音計マかを検証してみる．ひとつの方法として，◎判断

イクと RION 製テープレコーダを用いておこな

容易と○判断可能の総数を有効データ数で除す

い，サンプリング周波数は 51,200Hz，1 区間 1と，159／207（77％）である．

回の収録時間は 20 秒間とした．

もうひとつの方法として，◎判断容易 3 点，○判断可 2 点，△判断困難 1 点，×判断不可 0 点と2-2 オーバーオール音圧して加重平均を求めた．
加重平均の最高点は 3 点，伸縮装置の種類によるオーバーオール音圧の最低点は 0 点である．判断の閾値として中央値を差異をみるために，日常点検で損傷有りと判断さわずかに超える 1.60 点に設定すると，該当するれた伸縮装置 A〜C を含む各区間を表-3 のように伸縮装置数は 24／37（65％）である．

設定した．便宜上，区間名と伸縮装置名とは A〜C で一致させている．

以上のことから，熟練点検員の異常判断精度は車内収録音のオーバーオール音圧に相当する電圧ゲインを図-2〜図-4 に示す．図中，「←→」2

表-2 熟練点検員判断結果
凡例 ： ◎判断容易（3点）、○判断可能（2点）、△判断困難（1点）、×判断不可（0点）、−不注意通過（無視）
伸縮装置通過回数および熟練点検員判断結果
損傷伸縮 伸縮装置
有効
加重 1.60以上
◎○数
装置番号
種類
1回目
2回目
3回目
4回目
5回目
6回目
7回目
8回目 ﾃﾞｰﾀ数
平均点 に該当2011-1
TF◎◎◎◎◎
553.001
2011-2TF○○○○○
552.001
2011-3
TF
○
○
○
○
○
―
552.001
RT
2011-4◎◎◎◎◎553.001
2011-5TF○○○○○
552.001
2011-6TF◎◎◎◎◎―
553.001
FJ
2011-7○○○○○552.001
2011-8TF○◎○××
531.402011-9TF
○
○
○×◎
×64
1.50
2011-10TF◎◎◎◎◎
553.001
2011-11TF○○○○○
552.001
SP
2011-12◎◎◎◎◎553.001
2011-13
TF○○○○○
552.001
2011-14
TF○◎◎◎◎
552.801
2011-15
TF○××○××
620.67
2011-16
TF
○○
○
○×○
◎
7
62.57
1
2011-17
TF
○×○
◎×5
3
1.40
2011-18
TF
×××××
5
00.00
2011-19
TF
○○
○
○
○
○
662.001
2011-20
TF○××○○×631.00
2011-21
TF
×○
○××○
◎
74
1.29
2011-22
TF
×○
○
○
○
○
651.67
1
FJ
2011-23
××××××60
0.00
FJ
2011-24○○○○○―552.001
2011-25
TF○○―×○××63
1.00
2011-26
TF
◎◎―
○
○
○
○
662.33
1
2011-27
TF
○××◎
◎◎
64
1.83
1
2011-28
TF
×○
○
○
○
○
65
1.67
1
2011-29
TF○◎◎◎◎◎
662.831
RT
2011-30○○××○○○751.43
2011-31
TF
○――○
―○×○
541.6012011-32
TF○×××○○×7
30.86
2011-33
TF×○
◎×○
○
64
1.50
2011-34
TF○○○○×○651.6712011-35
TF
○
○
○
○
○
552.001
2011-36
TF○○×××520.80
RT
2011-37○○○○○○662.00
1
合計
207
159
24
該当率77%
65%

で示す箇所が伸縮装置位置であり，それに A〜Cるときに音圧が大きくなっていることがわかる．の記号を付記したものが損傷伸縮装置である．図

また，区間 B においては，損傷の有無にかかわらより，健全伸縮装置でも大きな音圧が発生していず，全ての伸縮装置で音圧が大きい．このように，ることが確認できる．また，伸縮装置の種類によ

車外音でもオーバーオール音圧のみでは伸縮装って特に音圧が異なることはなかった．ただし，置の損傷の有無を論じることは難しい．

区間 B では，健全伸縮装置に音圧が大きいものがあり，区間 C では，損傷伸縮装置での音圧が比較

３．周波数解析的大きくなっている．このように，車内音のオーバーオール音圧のみでは損傷と音圧との直接的実験走行で得られた音圧相当の電圧波形の周関連性を論じることは難しい．

波数特性を明らかにするために，伸縮装置通過時次に，車外音の電圧ゲインを図-5〜図-7 に示す．

点を中心とした 1 秒間データに対して周波数解析

車内音と比較して，路面からの音，風切り音などをおこなった．ここでは，対象区間に含まれる全のノイズの影響が強いが，損傷伸縮装置を通過すての伸縮装置通過時のデータを取り出したのち，
3

0.04

1st
2nd
3rd
4th

A

0.01

Amplitude, V

Amplitude, V

0.02

0.00

0.02
0.00

-0.02

-0.01
-0.020510TIme, sec

15-0.04200

図-2 区間 A の車内音の電圧ゲイン

0.010.04

B

1st
2nd0.00

1520

B

1st
2nd0.02
0.00

0510TIme, sec

15-0.0420

図-3 区間 B の車内音の電圧ゲイン
C

1st2nd0.01

0510TIme, sec

1520

図-6 区間 B の車外音の電圧ゲイン

0.00

-0.01

0.04
Amplitude, V

0.02
Amplitude, V

10TIme, sec

-0.02

-0.01

-0.02

5

図-5 区間 A の車外音の電圧ゲイン

Amplitude, V

Amplitude, V

0.02

-0.02

1st
2nd
3rd
4thAC

1st
2nd0.02
0.00

-0.02

0510TIme, sec

15-0.0420

図-4 区間 C の車内音の電圧ゲイン

0510TIme, sec

1520

図-7 区間 C の車外音の電圧ゲイン
1ハニングウィンドウを掛けて FFT 処理をおこな
21x10Amplitude, Vい，パワースペクトルを求めた．
図-8 は，区間 A における車内音のパワースペ
クトルである．この区間には，損傷伸縮装置 A と健全伸縮装置 6 基とが含まれている．図より，周-21x10A (Damage)

-5

1x10

1x10-80.0

波数帯域 500〜800Hz において，損傷伸縮装置 A通過時のパワースペクトル（赤線）が，健全伸縮0.5

1.0
1.5Frequency, kHzHz2.0

図-8 区間 A 通過時の車内音パワースペクトル装置通過時のパワースペクトルに比して大きく

11x10A (Damage)

Amplitude, V2なっていることがわかる．
図-9 は，区間 A における車外音のパワースペクトルである．やはり周波数帯域 500〜800Hz において，損傷伸縮装置 A 通過時のパワースペクト

1x10-2

1x10-50.0ル（赤線）が，健全伸縮装置通過時のパワースペクトルに比して大きくなっている．

0.5

1.0
1.5Frequency, kHzHz

2.0

図-9 区間 A 通過時の車外音パワースペクトル4４．パーシャルオーバーオール（POA）
Amplitude, V50

第２節で，全周波数成分を対象としたオーバーオールでは伸縮装置の損傷の有無を論じることが難しいことを述べた．また，第３節で，周波数帯域 500〜800Hz において，損傷伸縮装置通過時40A3020
10005のパワースペクトルが健全伸縮装置通過時に比して大きい傾向があることを述べた．

10Time, sec

1520

図-10 区間 A における車外音振幅強度の推移

本節では，限定された周波数帯域のパーシャル

50
Amplitude, V

オーバーオールに着目した分析をおこなう．ここでは、車内での会話等のノイズが混入しにくい車外音を対象とする．
4-1 一帯域パーシャルオーバーオール

1st2nd3rd4th2)40

1st2ndB

302010005

第３節で指摘した周波数帯域 500〜800Hz における振幅強度を求め，伸縮装置の損傷の有無を判10Time, sec

1520

図-11 区間 B における車外音振幅強度の推移定できる閾値が存在するか否かを検討する．

50
Amplitude, V

実験走行で収録した 20 秒間単位の車外音の時系列データに対して，10msec.ごとに 40msec.幅のデータを切り出し，ハニングウィンドウを掛ける．次に，そのデータに対して FFT 処理をおこない振幅スペクトルを求める．最後に，得られた

C30201000

振幅スペクトルのうち 500〜800Hz 帯域の振幅を合算し，その時間における振幅強度とした．

1st2nd40510Time, sec

1520

図-12 区間 C における車外音振幅強度の推移

図-10 は，区間 A における車外音に関する 20秒間の振幅強度の推移である．この区間では 4 回損傷伸縮装置と健全伸縮装置とを区別することの試験走行をおこなったので，4 回分のデータをは難しい．

併記している．同区間には「←→」で示す 5 基の以上より，損傷を完全に識別できる閾値はなく，伸縮装置が存在するが，図中 A と付記した伸縮装誤判定を許容する必要があることがわかる．

置が日常点検時に損傷ありと診断された伸縮装
4-2 複数帯域パーシャルオーバーオール 3)

置である．図より，走行回によらず損傷伸縮装置での振幅強度が強くなっていることが確認でき

これまでの検討の結果，損傷伸縮装置と健全伸るものの，走行回によって健全伸縮装置通過時に縮装置とでは周波数帯域 500〜800Hz のパワーにも同程度の強度が得られる場合があることがわ

差異があり，損傷を判断するためのひとつの指標かる．

として使える可能性があることがわかった．

図-11〜図-12 はそれぞれ，区間 B，C における本項では，損傷頻度と実用性とを考慮して，ゴ車外音振幅強度の推移である．図より，いずれのム・鋼製一体ジョイント型トランスフレックスジ

区間においても損傷伸縮装置で振幅強度が強くョイント（TF）を対象とし，損傷伸縮装置と健全なっていることが確認できるものの，区間 A と同伸縮装置との間で特に大きな差異が生じると考様，走行回によって振幅強度にばらつきがあり，えられる周波数帯域をより狭く設定したうえで5

複数個抽出し，それらの振幅強度の組み合わせ累表-4 周波数帯域とその組み合わせ積することを考える．周波数帯域としては，図-9

縮装置 6 基を選定し，それらの前後に存在する健CaseABCDEFG

全伸縮装置 10 基を含む計 16 基に対して，新たに表-5 対象伸縮装置（TF）の詳細を参考にしながら，表-4 に示す三つの周波数帯域とそれらの組み合わせを想定した．
ゴム・鋼製一体ジョイント型トランスフレック
スジョイント（TF）の代表的損傷形態を呈する伸伸縮装置番号12345678910111213141516

走行して音響データを採取した．表-5 に対象伸縮装置の詳細を示す．それぞれの伸縮装置に対して複数回の走行をおこなっており，採取したデータ数は損傷伸縮装置 39 データ，健全伸縮装置 49 データである．
損傷伸縮装置において，その前後の路面走行時の振幅強度に比較して，特定周波数帯域でより大きな振幅強度が生じることを利用して，損傷の存否を判断した．音圧ピークの大きさを評価する指標としては，伸縮装置通過時点を中央点とする 1秒間のパーシャルオーバーオールの標準偏差σ周波数帯域と組み合わせ
210〜230Hz
450〜650Hz
1130〜1150Hz
A+B
A+C
B+C
A+B+C

損傷形態
ナット緩み
健全
健全
本体損傷、ナット緩み
本体損傷、摩耗
本体損傷、摩耗
本体損傷、ナット緩み
健全
健全
健全
健全
健全
健全
ナット締結部ゴム剥離
健全
健全

測定回数
11935666663255555でその時間内の最大値 max を除して正規化をほどこした max/σを用いた．max/σが大きいほど900

損傷の可能性が大きいと判断するわけである．

800

図-13 に伸縮装置番号（表-5 に対応）と max/σ（周波数帯域 210〜230Hz＋450〜650Hz）と PO

700の関係を示す．周波数帯域に 210〜230Hz と 450 A, 600〜650Hz とを選定した理由については後述する． max500

図中，赤丸は損傷伸縮装置における走行各回の収 ／σ

400

録音の max/σを表しており，青丸は健全伸縮装300

置における走行各回の収録音の max/σである．
全体的な傾向として，損傷伸縮装置を示す赤丸

200はグラフ上方に多くプロットされ，健全伸縮装置

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Joint No.

を示す青丸はグラフ下方に多くプロットされている．このことから，損傷の存否を判断するひと

図-13 伸縮装置番号と max／σつの指標として，max/σは有効であることがわかる．

かんによっては，損傷伸縮装置を健全であると判一方で，同一伸縮装置であるにもかかわらず，断したり，健全伸縮装置を損傷ありと判断したり走行回によって max/σに大きなばらつきが生じする可能性があることを示している．たとえば，ることがある．これは，点検車両が鉄道のように

No.2 伸縮装置では，健全なものを損傷ありと誤検常に同じ軌道上を走行できるわけではないため出する可能性があり，No.14 伸縮装置では，損傷に生じる現象である．このことは，閾値の設定いありを健全と判断する可能性がある．図中の緑線
68060A (210~230hz)
B (450~650Hz)
C (1130~1150Hz)
D (=A+B)
E (=A+C)
F (=B+C)
G (=A+B+C)

10040200020406080
Detectionratio,ratio)% %検出率(DetectionFalse(Falsedetectonratio,ratio)% %誤検出率
Detection

誤検出率
Detection
False(Falsedetectonratio,ratio)
% %

100

10080POA60Prediction
error

40200020406080

100

検出率
(Detection
Detection
ratio,ratio)% %図-14 複数帯域 POA の組み合わせの影響 図-15 予測誤差による方法と POA による方法との比較
は，検出率（損傷を損傷と判断する割合）を熟練

あとがき点検員の判断精度とほぼ同等の 60％と設定したときの閾値を示したものである．このとき，健全

本論文では，損傷のあることが確認されているな No.2 伸縮装置にプロットされた 2 点が損傷あ伸縮装置を対象に走行実験をおこない，搭乗の熟りと判断され，誤検出率（健全を損傷と判断する

練点検員の異常発見率を調査した．また，点検車

割合）は 2/49=5％となる．

輌に搭載したマイクで車内音と車外音とを採取

次に，周波数帯域として 210〜230Hz と 450〜し，これらを用いて熟練点検員と同程度の異常発650Hz との組み合わせを選定した理由について見率を実現できるかを検討した．その結果，得ら説明する．

れた知見は以下のとおりである．

図-14 は，表-4 に示した三つの周波数帯域とそ

１）点検車輌に搭乗した熟練点検員の伸縮装置

れらの組み合わせに対して図-13 と同様のグラフ

異常発見率は，6〜7 割程度である．

を作成したのち，いろいろな閾値を設定して，検２）オーバーオール音圧により伸縮装置の異常出率と誤検出率の関係を調べたものである．右下を判断することは難しい．

方に向かって最も大きな凸形状となるのが，D

３）パーシャルオーバーオール音圧により伸縮（210〜230Hz＋450〜650Hz）の線である．B

装置の異常を判断しようとするとき，ひとつ（450〜650Hz）の線に比してわずかではあるが，の周波数帯域のみ設定する場合には 500〜

この周波数帯域の組み合わせ D が最も効率的で800Hz 帯域を利用すればよく，複数周波数帯あることがわかる．

域を設定する場合には 210〜230Hz 帯域となお，本論文冒頭で述べたように，筆者らは本450〜650Hz 帯域とを総合評価すればよい．

論文で扱ったパーシャルオーバーオールによる

ただし，いずれの方法によってもある程度の方法の他に，予測誤差による方法（Prediction

誤検出（健全伸縮装置を損傷伸縮装置と判断Error Method）3)についても検討しているが，図する場合）を許容する必要がある．

-15 に示すように，パーシャルオーバーオールに４）210〜230Hz 帯域と 450〜650Hz 帯域とを総よる方法の方がより効果的であるという結果を合評価する場合，検出率を熟練点検員と同程得ている．

度の判断精度 60％を目標とすれば，誤検出率を 5％程度におさえることができる．
7

謝辞：本研究は，京都大学大学院工学研究科，(株)表会論文集，pp.299-306，2010

日本工業試験所，国際振音計装(株)，（株）ケイア

２） 服部洋，大島義信，塚本成昭：車輌通過音を活用しールティとの共同研究の成果の一部をとりまとた道路橋伸縮装置の異常検知に関する基礎的研究，めたものです．関係していただいた方々に謝意を土木学会論文集 A2，Vol.67，No.2，pp.I̲865-I̲873，表します．

2011３） 大島義信，福田翔平，Heng Salpisoth，服部洋，塚

参考文献

本成昭：車両通過音を用いた道路橋伸縮装置の異常

１） 塚本成昭，山上哲示：走行時の異常音による伸縮継検知における高精度化に関する検討，土木学会論文

手損傷検出の試み，阪神高速道路第 42 回技術研究発

集 A2，Vol.68，No.2，pp.I̲751-I̲759，2012

AN ACOUSTIC EXPERT SYSTEM FOR DETECTING DAMAGE OF EXPANSION JOINTS
Shigeaki TSUKAMOTO, Kenichi SUGII and Tetsuji YAMAGAMI
Damage of bridge expansion joints has been detected primarily by skilled inspectors boarding on aninspection vehicle who determine possible damage from the noise and vibration generated during passage
over each joint and perform hammer sounding where necessary. However, the number of younger
personnel to replace them is decreasing due to the aging society. The purpose of this study was to analyze
the noise generated during passage over expansion joints and develop a system to take over the sensory
inspection.
In this study, an inspection vehicle equipped with microphones and boarded by a skilled inspector was
made to run, passing over existing expansion joints with and without known damage. While the vehicle
was traveling, sound data was collected and the inspector inside performed the sensory inspection. Acomparison between the overall values of sound pressure at the damaged joints and those at the soundjoints revealed that this approach was ineffective in detecting damaged ones. The authors carried out
frequency analyses on the data of one-second period, with the time point of passage over each expansion
joint adjusted to the middle of the period. The frequency analyses showed that the damaged joints
exhibited characteristic spectra in the band from 500 to 800 Hz, and that accuracy might be increased byusing partial overall values in two bands, from 210 to 230 Hz and from 450 to 650 Hz.

塚本 成昭

杉井 謙一

山上 哲示

阪神高速技術株式会社

阪神高速技術株式会社

阪神高速技術株式会社

技術部 技術開発課

技術部

技術部

Shigeaki Tsukamoto

Kenichi Sugii

Tetsuji Yamagami

8