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原子力プラントにおける異常信号（ノイズ）弁別手法の開発
Development of Abnormal Signal(Noise) Discrimination Method
in Nuclear Power Plant楳田

義一(Yoshikazu Umeda)*
津高良和

犬島浩

(Hiroshi Inujima)†(Yoshikazu Tutaka)‡

要約 微弱信号を取り扱う計測制御装置においては,観測信号が異常信号（ノイズ）によって乱された場合，その信号の本質を同定することは極めて困難であるが，原子力プラントの安全性の維持管理という観点からは，観測信号とノイズを分離する手法は重要である．
本稿では，このような問題に対し，信号とノイズの波形をパターン分類して，効果的に分離同定できるアルゴリズム（異常信号弁別手法）の開発とシステム化を試みた．この波形認識アルゴ
リズムは，計算機の支援により，観測信号を小区間のサンプル周期に分割して波形形状を認識しながら，波形の特徴を抽出する．
このアルゴリズムは正確で高感度の機能を有していることが確認でき，原子力プラントの放射線監視装置への適用性についても見通しが得られた．
キーワード

ノイズ，パターン分類，放射線監視装置，異常信号弁別手法，アルゴリズム

Abstract
Measuring and characterizing low-level input signals for control systems is extremely
difficult in the presence of noise. However, separating the signal from the noise is important for
maintaining and controlling the plant safety.
This paper describes the experiment made to systematically develop an algorithm(noise discriminationmethod) which allows for the effective identification and classification of signal and noise. This
computerized signal recognition algorithm samples the observed signal at a high frequency in order torecognize the wave pattern and extract characteristics.
It has been verified that this is an accurate and highly sensitive algorithm. Thus it is proposed that it
would be applicable to radiation monitoring systems for nuclear power plants.

Keywords

1.

noise, pattern classification, radiation monitoring system, noise discrimination method, algorithm

はじめにられる．
本研究では後者の考え方に基づき，原子力プラン

原子力プラントでは，設備の高信頼化はもとより，ト特有の微弱信号を取り扱う計装システムにおい運転中の機器に対しては，事故を未然に防止したり，て，異常信号が検出器出力に重畳した時，正常信号稼働率を向上させることを目的とした設備状態監視と異常信号を弁別できる手法の研究に着手した．計技術に対する要求が高まりつつある．設備の状態監装システムの出力信号としては，核計装および放射視技術には，機器に取り付けたセンサの信号から運線監視装置の検出器出力に重畳したノイズを実プラ

転中の異常徴候を早期に検出したり，プロセスデーントで採取し，その信号を統計処理して正常信号とタから正常信号と異常信号（ノイズ）を弁別し，原因異常信号に弁別できる診断アルゴリズムの開発を実を同定するための情報を提供するなどの方法が考え施した．

（* 株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所†三菱電機（株）産業システム研究所‡三菱電機（株）制御製作所

147

また，その結果をタイムリーに，運転員や保修員にの２タイプに分類できる．

提供して，診断支援できる技術のシステム化を検討（２）ノイズ（疑似パルス）の形状
疑似パルスの形状は，実機データの観測結した．システム化の検討では，放射線監視装置にお果から６つのパターンに分類された．

ける正常信号と異常信号を弁別できる診断プログラ
ミング，およびハードウエアと機能構成を考慮した

ａ．負の単一ピーク：
負の電圧領域で大きく振れる形状

プロトタイプ機の試作検証および実機への適用性を

ｂ．振動波形：検討した．

正負の電圧領域で振動している形状

2.

異常信号弁別技術の開発

ｃ．微小パルス：

放射線監視装置で検出器出力信号に重畳するノイズを弁別する手法の検討を行った．対象モニタの信号出力波形は，原子力プラントで用いられている表
１の代表的な検出器で採取した信号およびノイズと短時間のスパイク状の形状
ｄ．正の振動波形：
正の電圧領域で振動している形状
ｅ．巨大パルス：
波高値が通常観測される電圧レベルを大きした．各検出器での観測信号は，特定の電圧以上の波形をパルス信号としてカウントしている．このカウントする電圧レベルを表１に示したが，最小検出電圧は 0.3V であり，経験上この電圧の 66.7%（0.2V）以上と 5V 以下を診断対象とした．また，マイナスの電圧に関してはパルス信号としてカウントしないので詳細な検討から除外するが，その存在だ

く越えているパルス
ｆ．タイプ不明：
上記ａ〜ｅにあてはまらない形状
正常パルスと疑似パルス（振動波形）の代表例を図１に示す．

2.2

波形認識アルゴリズム

けは明示しておいた．パルス巾が 10ns 以下のサージ状の波形は周波数特性上，装置が反応しないこと

波形認識アルゴリズムは，３つの部分で構成されるアルゴリズムを考えた．

から診断対象外とした．

パルス区間の抽出，特徴抽出，パターン分類である．

2.1

波形の特徴

パルス区間は，観測された信号を正と負の電圧領域に分割することで，観測信号の持続時間を決定す（１）正常パルスの形状
正常なパルスは急峻に立ち上がり，なだらかに下降する形状を有している．
検出器のタイプによってこの形状はゼロＶ以下にアンダーシュートするもの，しないもの

る．次に，正常パルスとノイズを区別するために，信号の正と負の領域から各種パラメータを設定して特徴を抽出する．最後にパルス区間と特徴抽出のパラメータからパターンを分類する．
（１）パルス区間の抽出
パルス区間とは，正のベースライン（しきいプラント

検出器の種類

最小検出電圧値ｈと呼ぶ）以上の振幅を持ったパルスの継続

１A

エリアモニタ GM 管

2.0V

時間をいう．言い替えれば，パルスと認識し２A

NaI シンチレータ

0.4Vたい区間である．

３

A

プロセスモニタ GM 管

1.0V

４

A,BPl シンチレータ

0.3V

５B

プロセスモニタ GM 管

1.0V

原信号を適当な小区間ｊに分割し，それ６B

NaI シンチレータ

0.4V

ぞれの区間でしきい値ｈ以上のデータを積

このパルス区間の抽出アルゴリズムは，次のステップで構成した．
ａ．正と負のエネルギー信号の作成分する．このように一定の幅とある高さを

表１

検出器の種類と最小検出電圧持ったデータを，仮にエネルギーと称し信

148

疑似パルス
（振動波形）

正常パルス

図１

正常パルスと疑似パルス（振動波形）の形状例

図２

特徴抽出の概念図

149号として取り扱うこととした．このしきい+ER ＝ EM ／ EP

値ｈ以上の積分値を正のエネルギー（ｅ j），ｉ．ピーク最大値： PP（単位同様にしきい値-ｈ以下の積分値を負のエネ

正のエネルギーの最大値-+ルギー（ｅj）と呼ぶこととした．また，ｅ j とｊ．ピーク最小値： PM（単位ｅ- j のそれぞれの総和を全エネルギー（ｅ j）

負のエネルギーの最大値ｋ．符号反転： CS（単位とした．
ｂ．連続区間の抽出v）v）回）

パルス区間に於いてエネルギーの小区間が小区間毎に積分した正負エネルギーを最初の区間から走査し，２個以上連続して存ベースラインを越えた回数．
ｌ．正のピーク個数： CP（単位在している箇所をパルス区間の開始位置とする．更に小区間を走査して正負エネルギ個）

正エネルギーのピークの数．
（3）パターン分類

ーがゼロの小区間を 10 個以上連続した時，実測データをもとに分類（正常パルス：２分信号の終了位置とした．

類，疑似パルス：６分類）した信号波形を自動（２）特徴の抽出的に識別させるために，（２）項のパラメータに，正常パルスと疑似パルスの特徴を自動的にそれぞれの定数を設定した．パラメータ定数+の設定にあたっては，観測結果から経験的にとｅ j）をベースに，以下のパラメータを設定設定した後，波形の診断と定数の修正を繰りした．

返して最適値を決定した．

抽出するために，正負のエネルギー信号（ｅ j-図２に特徴抽出の概念（パラメータの抽出法）

2.3を示す．

測定波形と認識結果実機で採取した全データについて，波形の診断を＝各パラメータの定義＝行った．診断にあたっては，パーソナルコンピューns ／点）タ（パソコン）に波形認識アルゴリズムを組み込み，解析対象とする信号のサンプリング周期．

診断結果の確認のためパラメータの計算結果も合わ

信号採取時に決定する．

せて出力して評価した．

ａ．原信号サンプル周期：△Ｔ（単位測定波形と認識結果の概要を以下に示す．

ｂ．出力サンプル周期：△ TS（単位 ns）（=n･△ T

（１）正常パルスの測定波形と認識結果例

ｎは適当な整数）

図３に正常パルスの測定波形と認識結果を積分対象とする小区間の周期巾．波形認識示す．

できる適当な値を設定．
ｃ．定常状態しきい値：ｈ（単位定性的に良く認識されている．

v）

パルスを検出するための最小電圧レベル．
ｄ．持続時間：Ｔ（単位（２）疑似パルスの測定波形と認識結果例
図４に疑似パルス（振動波形例）の測定波形ns）と認識結果を示す．

パルスと判定された時間長．
ｅ．持続時間（最初の正ピーク）： TP（単位正エネルギーの最初の連続区間長．
ｆ．総エネルギー（正）： EP（単位v・ns）

パルス区間に於ける正エネルギーの小区間

3.

システムの試作検証

信号弁別支援システムをオンライン化するには，パルス波形を連続採取しながら診断が可能な高速処の積分和
ｇ．総エネルギー（負）： EM（単位定性的に良く認識されている．

ns）v・ns）

理機能が要求されるため，検出器出力信号の少ないパルス区間に於ける負エネルギーの小区間放射線監視装置（RMS）を対象とした．このプロトの積分和

タイプシステムを RMS 異常信号弁別システムとしｈ．エネルギー比（負／正）： ER

た．

150

[パソコンの波形出力][診断のため信号処理した出力波形]
図3[パソコンの波形出力]
図４

正常パルス認識結果[診断のため信号処理した出力波形]
疑似パルス（振動波形例）認識結果

151

分類

RMS 異常信号弁別システム開発

3.1（５）診断結果の表示（1）システム構成

診断結果を確認したい時（例えば，RMS が

図５にシステム構成を示す．実装する計測指示上昇した場合）は，固定ディスクの情報を器は実機への適用性を考慮して小型のモジュパーソナルコンピュータ画面に出力表示するールを選定した．システム構成は，ディジタと共にダンプ出力も可能とした．

ルオシロで検出器の出力波形を信号処理し，（６）画面設計コントローラへ転送して診断を行う．コント

診断アルゴリズムの検証と実機適用性の検ローラへの各種条件設定や診断結果の表示の討情報を入手するために，パーソナルコンピためにパーソナルコンピュータを使用，コンュータ画面の設計を行った．

トローラとパーソナルコンピュータ間を LAM

ａ．初期設定画面で接続した．

発電所のユニット No.，年月日時分を入

図６にプロトタイプ機の外観写真を示す．
（２）計測範囲

力．
ｂ．機能選択画面

プロトシステムの性能目標を次のとおり定各種機能画面（個別設定画面，指示値のめた．

表示等）の選択．

波形認知の計測範囲：０〜 1000cpm
RMS の計測範囲は 1 〜 107cpm である．通常のｃ．個別設定画面
計測するモニタの選択と，トリガレベル，指示値は，検出器の設置場所によって異なるが 5 〜 700cpm 程度であるため，実運用上必要サンプリング時間等の設定
ｄ．指示値モニタ画面とされる計測範囲に限定した．

選択されたモニタの指示値を表示．

（３）波形採取・転送

ｅ．異常波形データ一覧画面

ａ．チャンネル数 １チャンネル（入力抵抗 1M Ω）
ｂ．入力レンジ−８〜＋ 8V

ｃ．周波数帯域

DC 〜 250MHz

ｄ．トリガ−

１〜 3V で可変（0.1V 単位）採取波形の収録時刻と診断結果を一覧表
示．
ｆ．波形表示画面
波形データ一覧で指定した波形形状と診

ｅ．波形採取時間設定

断結果を表示．

可変（標準設定は 10μsと100μs）（７）データ欠測率の評価

ｆ．採取波形の転送方法

検出器出力を連続採取しながら診断する場

波形を連続採取（ｎ＝ 256 個）しディジタル合，装置の不感時間および伝送時間等の物理変換した後，データをまとめてコントローラ的な制約がシステムの性能に影響する．

へ転送する．

10μs

デッドタイム3.5ms

波形２10μs

デッドタイム3.5ms

波形３10μs▼

波形１

システム性能として，欠測率（信号の数え落波形ｎデータ転送10μs9.33sとし率）を評価した．
システム検討の段階では，欠測率の補正が可能な１割を目標としたが，モデル機での試算では約４割であった．

（４）診断
ディジタルオシロから転送されたデータを，3.2

工場・現地試験

２章の診断アルゴリズムにより正常か異常かを診断して下記の情報を提供すると共に，固定ディスクに格納する．
ａ．異常波形の採取時刻，異常波形のパターン（１）試験要領
図７-1 に工場・現地での試験回路を示し，図７-2 に試験状況の写真を示す．

152（被診断装置）

破線：放射線監視装置
検出器 I/O▼▼

検出器

実線：異常信号弁別システム

レートメータメインアンプ

表示装置

出力▼
▼

入力装置
デジタル
オシロ

コントロー

パーソナル

ラ

コンピュータ
記憶装置

図５↑
パソコン出力画面

図６

システム構成↑↑プロト機（架に収納）
放射線監視装置

プロトタイプ機外観153た．観測された疑似パルスは，要約する（２）初期設定検証試験のための初期設定を，下記のとおと次のとおり．
イ．微小なノイズ，振動波形ノイズり実施した．

単発的に観測された信号のため RMS
項目

サンプリング時間
１波形収録時間
トリガレベル

GM管

NaI，P1シンチ

100 n sec
100μsec

10 n sec
10μsec

本設モニタの最小検出電圧設定に合わせたの指示値上昇はない．
代表波形を図８（Ｂ）に示す．
ロ．波高値がほぼ一定の負の単一パルスおよび負のパルスに連動した正のパ
ルス
負の単一パルスは，RMS の指示値（３）試験結果に影響しない．

ａ．正常信号の計測範囲

負のパルスに連動した正のパルスは外来ノイズを与えない状態で，線源を照3射して全波形を診断（約 10 cpm まで）した結正常信号と類似しており指示値の上果，すべて同一波形であり正常信号と弁別昇が見られた．これは，負の単一パできた．

ルスが溶接機ケーブルに近接する前ｂ．宇宙線の影響

置増幅器前段に入り，増幅されて正常信号と類似したと考えられる．

環境中に存在する宇宙線を採取し，指示値に対する影響を評価した．
宇宙線のようにエネルギーが極度に高い
場合には，検出器出力波形は装置の増幅範囲を超えて飽和波形となり，正常波形と異（ｂ）雷サージノイズ試験
検出器に多目的高電圧発生器を近接させ，雷サージノイズを発生させた．
ノイズ発生時に RMS の指示値が上昇なる形状になる．このため当初は巨大パルし，異常信号（微小ノイズ）と弁別した．

スとして分類した．

代表波形を図８（Ｃ）に示す．

しかし，RMS の通常時の指示値には高エ（ｃ）電磁継電器ノイズ

ネルギーの宇宙線が含まれ，その割合も大検出器に電磁継電器を近接して，励きいことから，この巨大パルスを正常信号磁／非励磁を一定周期繰り返し動作させと分類することにした．

た．

代表波形を図８（Ａ）に示す．
ｃ．実信号によるノイズ試験
RMS の指示値変動に影響を与える外来ノイズ要因として，溶接機，雷，遮断機の投継電器動作中に RMS の指示値が上昇し，異常信号（微小ノイズ）と弁別した．
代表波形を図８（Ｄ）に示す．
ｄ．欠測率の確認

入／遮断，電源系の短絡事故，電磁継電器信号発生器から一定周期の疑似パルスをの動作等による誘導ノイズを経験してい一定時間入力し，信号発生器出力数と観測る．実信号による外来ノイズ試験では，過した疑似パルス数を比較して欠測率の評価

去に最も影響を受けたノイズ（溶接作業時を行った．結果は，本システムの試算値に発生する高周波ノイズ，電磁継電器ノイズおよび雷サージ）を人為的に与え異常波形と診断できることを確認した．
（ａ）溶接機ノイズ試験（約４割）とほぼ一致していた．
ｅ．正常／疑似パルス重畳時の弁別性能試験
検出器に線源を照射した状態で，雷サージを連続発生しながら観測した．結果は，検出器近傍で溶接機によるノイズを発正常パルスと疑似パルスが重畳したり，正生させた．特定のモニタにおいて RMS の常パルスを複数個同時に観測した時，異常指示値が上昇し，異常信号として弁別し信号と診断した．

154

サージ試験器 5KV
パルス波形（立ち上がり 1.2 μs
立ち上がり 50 μs）

雷サージノイズ発生源
工

電磁継電器８台

場

リレー駆動発信器（0.2 〜２秒周期）

RMS 検出器

RMS 盤

溶接ケーブル

ノイズ発生源
異常信号弁別装置
現地・工場

▼トーチ

溶接機

図７-1

実信号によるノイズ試験回路

↑試験装置

図７-2

↑
ノイズ発生源工場での試験状況写真↑検出器（モニタ）

155

Ａ：宇宙線

Ｂ：溶接機ノイズ

Ｃ：雷サージ

Ｄ：電磁継電器
図８

異常信号採取例

であった．

ｆ．連続性能試験
外来ノイズの影響を受けやすい定検中のプラントにおいて，プロトタイプ機の連続稼働試験を行った．

4.
4.1

成果および技術的課題と対策
成果

連続稼働試験中，RMS 指示値の異常な上昇はなく，単発の疑似パルスが観測されたのみであるが，その概要は以下のとおり．

工場および現地試験結果では，以下に示すとおり，大部分のケースで正常パルスと疑似パルスを正しく（ａ）ほとんどの信号は正常信号と弁別した．

認識できた．

（ｂ）近接して複数個同時に正常パルスを観測（１）正常パルスの波高値が極端に低い場合（約すると，異常信号と誤診断した．

0.4V 以下）および正常パルスが近接して複数発生頻度は 14.5 時間中（BG:約 500cpm）個同時に観測された場合以外は正常信号と正５個程度であった．

しく診断できた．

（ｃ）最小検出電圧値（0.3V）に近い波高値の正常パルスを異常信号と誤診断した．
この割合は数％（700cpm で 3 〜 6 個程度）

（２）電磁継電器，雷サージ，溶接機等の疑似パル
スを異常信号と正しく診断できた．
（３）今回検証した外来ノイズ以外のノイズとして，

156

4.2

遮断器投入／遮断，電源系での短絡等による伝送時間の高速化（欠測率の低減）について誘導ノイズを経験しているが，これらの波形は，開発中のオシロを適用することにより，は今回診断した振動波形ノイズと類似してお実用上問題ないレベルまで改善できるものとり正しく弁別できると考える．

思われる．

4.3

課題と対策

波形認識の改善対策（１）診断アルゴリズムの改善検討
工場および現地試験結果から実機適用時の課題とプロトタイプ機での検証試験結果から，前対策について検討した．

項に示した正常パルスの波高値が極端に低い（１）波形認識の改善

場合や複数個の正常パルスを正しく認識する

ａ．正常パルスであるにもかかわらずパルス波ための方法を検討した．

高値が極端に低い場合（約 0.4V 以下）は，サ

最も誤診断しているケースは，正常パルスンプリング時の波形歪みの影響により疑似に高周波成分が重畳した場合である．この高パルスと誤診断した．

周波成分を除去して，正常パルスを抽出する

ｂ．正常パルスを近接して複数個同時に観測すると，大きな振動波形と判断し疑似パルス方法を検討した．
しかし，単に高周波成分を除去しただけでと誤診断した．

は振動的な波形と区別がつかないため，原信対策については次項で述べる．

号と平滑化信号の差分から高周波成分を計算し，その絶対値を平滑化して高周波成分の分（２）信号処理時間の高速化
プロトタイプシステム機はデータ転送時の布を得る．この高周波成分の分布は正常パル確認時間が大きく，欠測率は計数率上限

スの特徴である滑らかなピークを持つ波形で3は，ほぼゼロであるが，振動的なパルスではるものの，異常信号を検出し診断することは大きな値を持つ．そこで平滑化信号から高周可能であった．

波成分の分布を減じ，負値をゼロに置き換え

｝

▼

原 信 号
▼

スムージング▼

平滑化信号（差分−絶対値）▼（10 cpm）で約４割であった．数え落としはあ

高周波絶対値信号▼

スムージング▼

高周波絶対値平滑化信号▼ ▼差分−負値除去▼

高周波除去負値除去信号▼

スムージング▼

疑似パルス除去信号

図９

診断

改善アルゴリズム模式図157

ることによって，高周波のパワーの強い部分1000cpm）に，検出器の出力信号をリアルタイを削除する．最後に細かい波形の揺らぎを押ムで弁別でき，外来ノイズの分離と発生原因さえるために，もう一度スムージングを行う．

を同定できる支援システムが開発できた．まこのアルゴリズムを摸式的にあらわすと図た，システムを試作評価して実機開発への見９となる．図 10 にその診断結果例を示す．
（２）判定結果通しが得られた．
（２）システム試験と実機適用検討

工場／現地試験結果で誤診断したデータに波形の弁別については，放射線監視装置のついて，（１）項のアルゴリズムを組み込んで再NaI シンチレータ，Pl シンチレータ，ＧＭ管診断すると 148 個中 143 個が視覚的判定基準の各種検出器出力でのフィールドテストの結と一致した．比率に直すと約 97% であり，か果，ほぼ計画通りの成果を得た．一部で性能なり人間の判断基準と合っており，残りの不を満足できなかった項目については，診断ア一致の診断も許容できるものであった．

ルゴリズムの検討により改善できた．
また，精度向上のための高速化および運用の5.

利便性を考慮したマンマシーンインターフェ

まとめ

イスの改善により，実機への適用が期待でき（１） システム開発

る．

放射線監視装置の指示が上昇した場合（約（診断のための解析結果）

図 10

改善アルゴリズムによる診断結果（ダブルパルスと診断）

158（３）適用範囲の拡大
適用範囲の拡大検討として，炉外核計装装置への適用が考えられる．
炉外核計装装置は，放射線監視装置に比べて通常時の計数率が大きくデジタルオシロの不感時間が更に大きくなるが，異常信号が継（２）堀，他，低圧配電線の雷サージ電流の実測と予測について，1987 年電学全大，1401（３）本阿彌，ノイズ発生源とその特徴

電学計測

研資，IM − 88 − 8，11（1988）（４）B. Klipec，Controlling Noise in Instrument
Circuit Controll Engineering, 15 − 3

続している場合には疑似パルスの特徴を捉え（５）T. Dvorak，"Basics of Radiation Measurements",

られ原因調査の支援への適用が期待できる．

8th International Zurich Symposium andTechnical Exhibition on EMC, Tutorial Lectures

参考文献（１）本阿彌，エレクトロニクス産業におけるノイズ発生源とその特徴，静電気学誌，８（1984）(March 1991)