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JP2024045515A - Structure diagnosis system, structure diagnosis method, and structure diagnosis program - Google Patents

Structure diagnosis system, structure diagnosis method, and structure diagnosis program Download PDF

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JP2024045515A JP2024019508A JP2024019508A JP2024045515A JP 2024045515 A JP2024045515 A JP 2024045515A JP 2024019508 A JP2024019508 A JP 2024019508A JP 2024019508 A JP2024019508 A JP 2024019508A JP 2024045515 A JP2024045515 A JP 2024045515A
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哲佑 金
Chul-Woo Kim
良直 五井
Yoshinao Goi
大剛 河邊
Daigo Kawabe
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Abstract

To enable a quantitative abnormality diagnosis of a structure to be performed at high accuracy.SOLUTION: A structure diagnosis system has a diagnosis part for calculating an evaluation index being a ratio between a first periphery likelihood representing a probability distribution of a feature amount in the case of assuming that a structure is in a healthy state and a second periphery likelihood representing a probability distribution of a feature amount in the case of assuming that the structure is not in the healthy state about a feature amount showing a state of the structure generated from a time series of information about the structure to diagnose the state of the structure on the basis of the evaluation index. An autoregressive model represents sensor information acquired from a plurality of sensors attached to the structure at a certain time by a linear combination of time series of sensor information acquired before the certain time. A regression coefficient is a matrix obtained by being multiplied to each of the time series of sensor information linearly combined in the autoregressive model. The feature amount is information based on a coefficient matrix obtained by connecting matrixes.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、構造物診断システム、構造物診断方法、および構造物診断プログラムに関する。 The present invention relates to a structure diagnosis system, a structure diagnosis method, and a structure diagnosis program.

従来から、橋梁などの構造物の加速度をもとに、振動の固有振動数や、減衰係数、モード形状などの特徴量(振動特性)を推定し、推定した振動特性の変化に基づいて構造物の異常を診断する技術がある。 Conventionally, features (vibration characteristics) such as the natural frequency of vibration, damping coefficient, and mode shape are estimated based on the acceleration of structures such as bridges, and the structure is determined based on changes in the estimated vibration characteristics. There is technology to diagnose abnormalities in

例えば特許文献1には、次の技術が開示されている。すなわち橋梁の複数個所に設置された加速度センサから取得された振動を示すセンサ信号に対して独立成分分析(ICA)を行い、独立成分分析によって得られた独立な振動成分についてスペクトル解析を行って橋梁の固有振動数を求める。そして、予め取得しておいた健全状態時の橋梁の固有振動数と現在の橋梁の固有振動数との比較に基づいて、橋梁全体の異常診断および異常箇所の特定を行う。 For example, Patent Document 1 discloses the following technology. In particular, independent component analysis (ICA) is performed on sensor signals indicating vibration obtained from acceleration sensors installed at multiple locations on the bridge, and the natural frequency of the bridge is determined by performing spectral analysis on the independent vibration components obtained by the independent component analysis. Then, based on a comparison between the natural frequency of the bridge in a healthy state obtained in advance and the natural frequency of the bridge in its current state, an abnormality diagnosis is performed on the entire bridge and abnormal locations are identified.

特開2008-255571号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-255571

しかしながら、振動計測を行う個所や振動モードに応じて、損傷に対する変化の感度に違いが生じる。さらに、先行の技術は、振動計測時の環境条件(外力、温度など)によっても推定のばらつきが生じる。しかし、加速度センサの設置個所や振動モードを適切に事前設定することは、熟練者であっても難しい。このようなことから、固有振動数に基づく例えば橋梁の異常診断では、例えば振動モードの設定を誤ると、橋梁の異常による振動特性の変化と、橋梁の異常以外による振動特性の偶発的変化とを判別できないといったように、定量的な異常診断を高精度に行い得ないという問題がある。 However, the sensitivity to changes in damage varies depending on the location and vibration mode where vibration measurement is performed. Furthermore, in the prior art, estimation variations occur depending on the environmental conditions (external force, temperature, etc.) at the time of vibration measurement. However, it is difficult even for an expert to appropriately preset the installation location and vibration mode of the acceleration sensor. For this reason, when diagnosing an abnormality in a bridge based on natural frequencies, for example, if the vibration mode is incorrectly set, changes in vibration characteristics due to bridge abnormalities and accidental changes in vibration characteristics due to non-bridge abnormalities can be detected. There is a problem in that quantitative abnormality diagnosis cannot be performed with high accuracy, such as inability to discriminate.

本発明は上述の点を考慮して、構造物の定量的な異常診断を高精度に行い得るようにすることを目的とする。 The present invention takes the above-mentioned points into consideration and aims to enable quantitative abnormality diagnosis of structures to be performed with high accuracy.

本発明は、上記課題を解決するために、本発明の構造物診断システムは、構造物に関する情報の時系列から生成された該構造物の状態を示す特徴量について、前記構造物が健全状態であると仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第1の周辺尤度と、前記構造物が前記健全状態でないと仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第2の周辺尤度と、の比率である評価指標を算出し、前記評価指標に基づいて前記構造物の状態を診断する診断部と、前記構造物に取り付けられた複数のセンサからセンサ情報を時系列で取得する取得部と、前記取得部によって或る時刻において取得された前記センサ情報を、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報の時系列の線形結合で表現する自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成部と、前記自己回帰モデルの回帰係数に基づいて、前記或る時刻における前記構造物の状態を示す前記特徴量を生成する特徴量生成部と、前記取得部と、前記自己回帰モデル生成部と、前記特徴量生成部と、前記特徴量生成部によって生成された前記特徴量を前記診断部へ送信する送信部と、を含んで構成されるセンサノードと、を有し、時系列の各時刻において複数の前記センサから取得された前記センサ情報は、前記センサの数を次数とする各時刻におけるセンサ情報ベクトルであり、前記自己回帰モデルは、前記取得部によって前記或る時刻において取得された前記センサ情報ベクトルを、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報ベクトルの時系列の線形結合で表現するものであり、前記回帰係数は、前記自己回帰モデルにおいて線形結合された前記センサ情報ベクトルの時系列のそれぞれに乗じられている行列であり、前記特徴量は、前記行列を結合した係数行列に基づく情報であることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a structure diagnosis system that determines whether the structure is in a healthy state with respect to a feature value indicating the state of the structure generated from a time series of information regarding the structure. a first marginal likelihood representing the probability distribution of the feature amount when it is assumed that the structure is not in the healthy state; and a second marginal likelihood representing the probability distribution of the feature amount when it is assumed that the structure is not in the healthy state. a diagnosis unit that calculates an evaluation index that is a ratio of , and diagnoses the state of the structure based on the evaluation index; and an acquisition unit that acquires sensor information in time series from a plurality of sensors attached to the structure. and an autoregressive model generation unit that generates an autoregressive model that expresses the sensor information acquired at a certain time by the acquisition unit as a linear combination of time series of the sensor information acquired before the certain time. a feature quantity generating unit that generates the feature quantity indicating the state of the structure at the certain time based on the regression coefficient of the autoregressive model; the acquiring unit; and the autoregressive model generating unit; a sensor node configured to include the feature amount generation section and a transmission section that transmits the feature amount generated by the feature amount generation section to the diagnosis section, and at each time in the time series. The sensor information acquired from the plurality of sensors is a sensor information vector at each time whose order is the number of the sensors, and the autoregressive model is based on the sensor information acquired at the certain time by the acquisition unit. The information vector is expressed by a linear combination of time series of the sensor information vectors acquired before the certain time, and the regression coefficient is expressed by the linear combination of the sensor information vectors obtained before the certain time, and the regression coefficient is the linear combination of the sensor information vectors obtained before the certain time. It is a matrix by which each of the series is multiplied, and the feature amount is information based on a coefficient matrix that is a combination of the matrices.

本発明によれば、構造物の定量的な異常診断を高精度に行うことができる。 According to the present invention, quantitative abnormality diagnosis of a structure can be performed with high accuracy.

実施形態1の診断システムの概略構成を示す図。1 is a diagram showing a schematic configuration of a diagnostic system according to a first embodiment; FIG. 実施形態1のセンサノードの構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a sensor node according to the first embodiment. 実施形態1の診断装置の構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing the configuration of a diagnostic device according to a first embodiment; FIG. 実施形態1の診断システムにおける基準時処理を示すシーケンス図。FIG. 4 is a sequence diagram showing a reference time process in the diagnostic system of the first embodiment. 実施形態1の診断システムにおける診断時処理を示すシーケンス図。FIG. 4 is a sequence diagram showing a diagnosis process in the diagnosis system of the first embodiment. 実施形態1の診断システムにおける診断時処理の説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of a diagnosis process in the diagnosis system of the first embodiment. 実施形態1と従来技術における係数行列と主成分行列のデータ量をセンサ数ごとに比較して示す図。11A and 11B are diagrams showing a comparison of the data amounts of coefficient matrices and principal component matrices for each number of sensors in the first embodiment and the prior art; 実施形態2の診断システムにおける診断処理を示すフローチャート。7 is a flowchart showing diagnostic processing in the diagnostic system of Embodiment 2. 実施形態2の異常判定の閾値の算出方法を説明するための図。13A and 13B are diagrams for explaining a method of calculating a threshold value for determining an abnormality according to the second embodiment. 実施形態2の複数の閾値を用いた異常判定方法の他例を説明するための図。13A to 13C are diagrams for explaining another example of the abnormality determination method using a plurality of threshold values according to the second embodiment. 実施形態2の診断システムを用いて行った異常判定の実験結果を説明するための図。FIG. 7 is a diagram for explaining experimental results of abnormality determination performed using the diagnostic system of Embodiment 2; 実施形態2の診断システムを用いて行った実験の実行条件を示す図。7 is a diagram showing execution conditions of an experiment conducted using the diagnostic system of Embodiment 2. FIG. 実施形態2の診断システムを用いて行った実験結果を示す図。FIG. 7 is a diagram showing the results of an experiment conducted using the diagnostic system of Embodiment 2. 実施形態2の診断システムを用いて行った実験と同条件で測定した振動モードに応じて異なる橋梁の固有振動数の変化を示す図。13 is a diagram showing the change in the natural frequency of a bridge that differs depending on the vibration mode measured under the same conditions as in the experiment conducted using the diagnostic system of embodiment 2. FIG. 橋梁のある桁のある期間における外気温とベイズファクターの値の経時変化を示す図。A graph showing the time-dependent changes in the outside temperature and Bayes factor values for a certain girder of a bridge during a certain period of time. 橋梁のある期間におけるたわみとベイズファクターの値の経時変化を示す図。A graph showing the change in deflection and Bayes factor values over time for a bridge over a certain period of time. 橋梁の2つの径間のベイズファクターの値の経時変化の比較を示す図。A diagram showing a comparison of changes over time in Bayes factor values between two spans of a bridge. 実施形態3の診断システムにおける係数行列の逐次更新の説明図。13 is an explanatory diagram of sequential updating of a coefficient matrix in the diagnostic system according to the third embodiment. 実施形態3の診断システムにおける係数行列の逐次更新による係数行列の確率分布の収束を示す図。FIG. 7 is a diagram showing convergence of the probability distribution of the coefficient matrix by sequentially updating the coefficient matrix in the diagnosis system of Embodiment 3; 実施形態のセンサノードとして用いるセンサノード端末の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a sensor node terminal used as a sensor node according to an embodiment.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態は、本発明を必要十分に説明するための例示であって、適宜省略および簡略化がなされている。以下の実施形態で説明する構成および処理のうち、全てが本発明の実施において必須ではなく、適宜省略可能である。本発明は、以下の実施形態の他、本発明の目的を達成できる様々な他の形態で実施することができる。また、本発明の技術思想の範囲内で整合する限りにおいて、各実施形態および変形例の一部または全部を組合せた形態も、本発明の実施形態に含まれる。 The following describes embodiments of the present invention with reference to the drawings. The following embodiments are examples for the purpose of fully explaining the present invention, and have been omitted or simplified as appropriate. Not all of the configurations and processes described in the following embodiments are essential for implementing the present invention, and may be omitted as appropriate. In addition to the following embodiments, the present invention can be implemented in various other forms that can achieve the object of the present invention. Furthermore, forms that combine some or all of the embodiments and variations are included in the embodiments of the present invention, so long as they are consistent within the scope of the technical concept of the present invention.

以下の実施形態では、既出の構成および処理と同様の後出の構成および処理には、同一の符号を付与して説明を省略し、差分のみを説明する場合がある。 In the following embodiments, configurations and processes described later that are similar to configurations and processes already described may be given the same reference numerals and explanations may be omitted, with only the differences being explained.

以下の実施形態では、亀裂などの損傷や劣化といった異常の有無を診断する対象の構造物として、橋梁を例として説明する。しかし本発明は、橋梁に限らず、トンネル、道路構造物、河川構造物、港湾構造物、上下水道、ビルといった社会基盤を担うあらゆる土木構造物あるいは建築構造物に適用し、その異常の有無を診断することができる。 In the following embodiment, a bridge is used as an example of a structure to be diagnosed for the presence or absence of abnormalities such as cracks or other damage and deterioration. However, the present invention is not limited to bridges, and can be applied to any civil engineering or architectural structure that serves as social infrastructure, such as tunnels, road structures, river structures, port structures, water supply and sewerage systems, and buildings, to diagnose the presence or absence of abnormalities.

なお、以下の実施形態の説明において、例えば“A^”のように第1の記号に第2の記号を続けて記載した表現は、第1の記号の直上に第2の記号を記載した表現と同一である。 In the following description of the embodiment, an expression in which a first symbol is followed by a second symbol, such as "A^", is the same as an expression in which the second symbol is written directly above the first symbol.

<本発明の数理的背景>
先ず、実施形態の説明に先立ち、本発明の数理的背景を説明する。本発明では、構造物の状態空間モデルにおける状態方程式のシステム行列が、或る時刻における観測信号を或る時刻以前の観測信号の時系列の線形結合として表現する自己回帰モデルの回帰係数の行列によって近似できることを用いている。本発明では、回帰係数の行列がシステム行列に含まれる構造物の状態に関する様々な情報を含んでいる点に着目し、回帰係数の行列を用いて構造物の状態を表し、この回帰係数の行列を解析することで構造物の状態を評価する。
<Mathematical background of the present invention>
First, before explaining the embodiments, the mathematical background of the present invention will be explained. In the present invention, the system matrix of the state equation in the state space model of a structure is defined by a matrix of regression coefficients of an autoregressive model that expresses an observed signal at a certain time as a linear combination of the time series of observed signals before a certain time. It uses things that can be approximated. In the present invention, we focus on the fact that the matrix of regression coefficients contains various information regarding the state of the structure included in the system matrix, and use the matrix of regression coefficients to represent the state of the structure. Evaluate the condition of the structure by analyzing the

以下では、センサによって取得されたセンサ情報を加速度として説明するが、加速度に限らず、他の物理量であってもよい。 Although the sensor information acquired by the sensor will be described below as acceleration, it is not limited to acceleration and may be other physical quantities.

一般的に、構造物の運動方程式は、下記式(1)のように表される。構造物にはn個(nは1以上の自然数)のセンサが各位置に設置され、設置位置を観測点としてn次の観測ベクトルの時系列が取得されるとする。 Generally, the equation of motion of a structure is expressed as shown in equation (1) below. It is assumed that n sensors (n is a natural number of 1 or more) are installed at each position in a structure, and a time series of n-th observation vectors is acquired using the installed positions as observation points.

Figure 2024045515000002
Figure 2024045515000002

上記(1)式の運動方程式は、下記式(2-1)および式(2-2)のように状態方程式として変換できる。 The equation of motion of equation (1) above can be converted into an equation of state as shown in equations (2-1) and (2-2) below.

Figure 2024045515000003
Figure 2024045515000003

ここで、上記式(2-2)のyは観測ベクトルを、上記式(2-3)のzは状態変数ベクトルを、上記式(2-5)のAは状態空間におけるシステム(診断対象の構造物)の状態を表すシステム行列をそれぞれ表す。上記式(2-2)におけるCは観測ベクトルyとシステムの状態とを関連付ける行列であり、観測点における計測情報をそのままシステムの状態とみなす場合は単位行列になる。 Here, y in the above formula (2-2) represents the observation vector, z in the above formula (2-3) represents the state variable vector, and A s in the above formula (2-5) represents the system matrix that represents the state of the system (structure to be diagnosed) in state space. C in the above formula (2-2) is a matrix that associates the observation vector y with the state of the system, and becomes a unit matrix when the measurement information at the observation point is regarded as the state of the system as it is.

さて、上記式(2-1)および式(2-2)の状態方程式は、下記式(3)のように離散化した観測信号の時系列の線形結合である自己回帰モデルで表現できることが知られている。 Now, it is known that the state equations of equations (2-1) and (2-2) above can be expressed by an autoregressive model that is a linear combination of time series of discretized observed signals as shown in equation (3) below. It is being

Figure 2024045515000004
Figure 2024045515000004

上記式(3)において、kは時刻インデックス、y(k)は時刻kにおけるセンサ情報ベクトル、pは自己回帰モデルの次数、Aは回帰係数の行列、e(k)は時刻kにおける自己回帰モデルの誤差項である。行列Aは、自己回帰モデルにおいて線形結合されたセンサ情報ベクトルy(k-i)の時系列のそれぞれに乗じられている回帰係数である。 In the above formula (3), k is the time index, y(k) is the sensor information vector at time k, p is the order of the autoregressive model, Ai is the matrix of regression coefficients, and e(k) is the error term of the autoregressive model at time k. The matrix Ai is the regression coefficient multiplied by each of the time series of the linearly combined sensor information vector y(ki) in the autoregressive model.

上記式(3)の自己回帰モデルにおける回帰係数である行列Aの各要素は、上記式(2-1)のシステム行列Aに含まれる構造物の物理量と関連付けられ、センサが設置されている観測点における変位、速度、加速度、質量マトリクスm、減衰係数マトリクスc、および剛性マトリクスkの情報のうちの少なくとも一つを含んでいる。よって、行列Aを用いることで、振動に関する様々な情報を含むように構造物の状態を表現することができる。すなわち行列Aの変化を捉えることで構造物の状態の変化を捉えることが可能になる。 Each element of the matrix A i , which is the regression coefficient in the autoregressive model of the above equation (3), is associated with the physical quantity of the structure included in the system matrix A s of the above equation (2-1), and is associated with the physical quantity of the structure where the sensor is installed. It includes at least one of the following information: displacement, velocity, acceleration, mass matrix m, damping coefficient matrix c, and stiffness matrix k at the observation point. Therefore, by using the matrix A i , the state of the structure can be expressed so as to include various information regarding vibration. That is, by capturing changes in the matrix A i , it becomes possible to capture changes in the state of the structure.

ただし、センサが1つ(n=1)の場合では、自己回帰モデルにおける行列Aは、スカラーとなる。 However, when there is one sensor (n=1), the matrix A i in the autoregressive model is a scalar.

ここで行列Aは、下記式(4)のようにn次の正方行列である。下記式(4)におけるnは構造物の各位置に設置されたセンサの数である。 Here, the matrix Ai is an n-th order square matrix as shown in the following formula (4): n in the following formula (4) is the number of sensors installed at each position of the structure.

Figure 2024045515000005
Figure 2024045515000005

そしてn個のセンサにより計測されたセンサ情報ベクトルy(k)の時系列から生成した上記式(3)に示すp次の自己回帰モデルを行列式で表すと、下記式(5)のようになる。 Then, if the p-th order autoregressive model shown in the above formula (3) generated from the time series of the sensor information vector y(k) measured by n sensors is expressed as a determinant, it becomes as shown in the following formula (5).

Figure 2024045515000006
Figure 2024045515000006

ここで、上記式(5)における左辺のYは予測状態を、右辺第1項のYはp次の過去の加速度を、右辺第2項のEは構造物の状態観測の不確定性に起因する誤差を表す。また、上記式(5)における右辺第1項の係数行列Aは、1からpまでのiについての行列Aを結合したn×(n×p)行列であり、下記式(6)のように表される。 Here, in the above formula (5), Y f on the left side is the predicted state, Y p on the first term on the right side is the past acceleration of the pth order, and E on the second term on the right side is the uncertainty of the observation of the state of the structure. represents the error caused by In addition, the coefficient matrix A of the first term on the right side in the above equation (5) is an n×(n×p) matrix that combines the matrices A i for i from 1 to p, and is as shown in the following equation (6). is expressed in

Figure 2024045515000007
Figure 2024045515000007

なお、係数行列Aは、システム行列Aの情報を引き継ぐが、例えば時刻kにおけるシステムの固有振動数ωおよび減衰係数hを用いて表される時刻kにおけるシステムの極z,z は、上記式(5)から、下記式(7)のように求まる。 The coefficient matrix A inherits the information of the system matrix A s . For example, the poles z k , z k * of the system at time k expressed using the natural frequency ω k and damping coefficient h k of the system at time k can be obtained from the above equation (5) as shown in the following equation (7).

Figure 2024045515000008
Figure 2024045515000008

係数行列Aの事後分布を極の事後分布に変換し、上記式(7)のように求まる固有振動数ωおよび減衰係数hも、構造物の診断に用いることができる。このようにして求めた固有振動数ωおよび減衰係数hは、従来技術と比較して、固有振動数や減衰係数といった振動特性を、ばらつきを考慮して同定できるという優位性がある。また、係数行列Aの事後分布を極の事後分布に変換し、分散が小さい極から振動特性を求めることで、物理的に意味がある振動特性の選定を自動化できる。また、BIC(Bayesian information criterion)に基づいてモデル次数pの選定を自動化できる。 The natural frequency ω k and the damping coefficient h k obtained by converting the posterior distribution of the coefficient matrix A into the posterior distribution of the poles as shown in the above equation (7) can also be used for diagnosing the structure. The natural frequency ω k and the damping coefficient h k obtained in this way have an advantage over the conventional technology in that vibration characteristics such as the natural frequency and the damping coefficient can be identified while taking into account variations. Furthermore, by converting the posterior distribution of the coefficient matrix A into a posterior distribution of poles and finding vibration characteristics from the poles with small variance, it is possible to automate the selection of physically meaningful vibration characteristics. Furthermore, selection of model order p can be automated based on BIC (Bayesian information criterion).

上述のようにして求められた係数行列Aを構造物の状態を表す特徴量として診断装置へ送信することで、診断装置において構造物の振動特性を有する時系列を再現し、構造物の状態の診断が可能となる。 By transmitting the coefficient matrix A obtained as described above to the diagnostic device as a feature value representing the state of the structure, the diagnostic device can reproduce a time series having the vibration characteristics of the structure and determine the state of the structure. Diagnosis becomes possible.

しかし、係数行列Aには診断結果に関わらない質が劣る情報の成分が含まれている。この質が劣る情報の成分を除去して再構築された行列A^を診断装置へ送信することで、データの送受信量を減らすことができる。この行列A^は、係数行列Aの主成分分析によって求められるので、主成分行列という。 However, the coefficient matrix A contains components of poor quality information that are not related to the diagnosis result. By removing these components of poor quality information and sending the reconstructed matrix A^ to the diagnosis device, the amount of data sent and received can be reduced. This matrix A^ is called the principal component matrix because it is found by principal component analysis of the coefficient matrix A.

例えば構造物の基準時(例えば健全時)において推定された係数行列Aを、下記式(8)のように特異値分解する。 For example, the coefficient matrix A estimated at the reference time (e.g., when the structure is healthy) is subjected to singular value decomposition as shown in the following equation (8).

Figure 2024045515000009
Figure 2024045515000009

上記式(8)における行列Uおよび行列P(ただしPは行列Pの転置行列)は直交行列であり、行列Λは係数行列Aの固有値である。そして上記式(8)の右辺は、下記式(9)のように、主成分分析によって、行列Uがn×N行列U(N<n)と、n×(np-N)行列Uとに分解される。 The matrix U and the matrix P T (where P T is the transposed matrix of the matrix P) in the above equation (8) are orthogonal matrices, and the matrix Λ is the eigenvalue of the coefficient matrix A. Then, the right side of the above equation (8) is determined by the principal component analysis as shown in the following equation (9). It is decomposed into.

Figure 2024045515000010
Figure 2024045515000010

この基準時(例えば健全時)における行列Uが、確率空間における係数行列Aを主成分空間へ射影する行列である。下記式(10)に示すように、基準時以降の各時刻において推定された係数行列Aに対して、行列Uの転置行列U を作用させることで、質が劣る情報の成分を除去したN×np行列である主成分行列A^が生成される。 This matrix U1 at the reference time (e.g., healthy time) is a matrix that projects the coefficient matrix A in the probability space onto the principal component space. As shown in the following formula (10), the transposed matrix U1T of the matrix U1 is applied to the coefficient matrix A estimated at each time after the reference time to generate the principal component matrix A^, which is an N×np matrix from which components of poor quality information have been removed.

Figure 2024045515000011
Figure 2024045515000011

以上のようにシステム行列Aの情報を受け継ぐ係数行列Aを推定し、係数行列Aから主成分行列A^を生成し、主成分行列A^の変化を捉えることで、構造物の異常を検知することができる。本発明では、下記式(11)に示すように、ベイズ推定によって、主成分行列A^の要素の確率分布を推定する。そして、推定した確率分布を構造物の状態診断に用いることで、上記式(5)に含まれる不確定性を考慮しつつ構造物の異常検知を行うことができる。 As described above, by estimating the coefficient matrix A that inherits information from the system matrix A s , generating the principal component matrix A^ from the coefficient matrix A, and capturing changes in the principal component matrix A^, it is possible to detect abnormalities in the structure. In the present invention, as shown in the following formula (11), the probability distribution of the elements of the principal component matrix A^ is estimated by Bayesian estimation. Then, by using the estimated probability distribution to diagnose the condition of the structure, it is possible to detect abnormalities in the structure while taking into account the uncertainty included in the above formula (5).

Figure 2024045515000012
Figure 2024045515000012

本発明では、平均値と分散を持つ確率分布を、構造物の状態を評価する評価指標としているため、構造物の健全時に対する損傷時の評価指標の平均値の微小な変化を捉えることができるだけでなく、分散で評価指標の確からしさを示すことができる。 In the present invention, since a probability distribution with a mean value and a variance is used as an evaluation index for evaluating the condition of a structure, it is possible to capture minute changes in the average value of the evaluation index when the structure is damaged compared to when the structure is healthy. Instead, the certainty of the evaluation index can be shown by the variance.

なお、主成分行列A^ではなく、係数行列Aを特徴量として用いても構造物の状態診断を行うことができるが、その場合は、上記式(11)は、A^をAに置き換えた式になる。 Note that the condition of a structure can also be diagnosed using the coefficient matrix A as the feature instead of the principal component matrix A^. In that case, the above formula (11) becomes a formula in which A^ is replaced with A.

<実施形態1>
以下、図1~図7を参照して実施形態1を説明する。
<Embodiment 1>
Embodiment 1 will be described below with reference to FIGS. 1 to 7.

(実施形態1の診断システムSの構成)
図1は、実施形態1の診断システムSの概略構成を示す図である。診断システムSは、センサノード1と、診断装置2とを有する。センサノード1は、橋梁4に設置されたセンサ3から無線通信(または有線通信)を介して取得したセンサ情報に基づいて橋梁4の状態を示す特徴量を生成する。診断装置2は、センサノード1において生成された橋梁4の状態を示す特徴量を無線通信(または有線通信)を介して取得し、この特徴量を用いて橋梁4の異常の有無を診断する。
(Configuration of diagnostic system S of Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a diagnostic system S according to the first embodiment. The diagnostic system S includes a sensor node 1 and a diagnostic device 2. The sensor node 1 generates a feature amount indicating the state of the bridge 4 based on sensor information acquired from the sensor 3 installed on the bridge 4 via wireless communication (or wired communication). The diagnostic device 2 acquires the feature amount indicating the state of the bridge 4 generated by the sensor node 1 via wireless communication (or wired communication), and diagnoses whether there is an abnormality in the bridge 4 using this feature amount.

センサ3は、例えば加速度センサであり、橋梁4の各部位に設置されている。本実施形態では、センサ3は橋梁4の複数の部位に設置された複数のセンサであるとするが、これに限らず1つの部位に設置された1つのセンサでもよい。また本実施形態では、センサ3は加速度を検知する加速度センサであるとするが、これに限らず、その他の物理量(例えば歪み、変位、速度等)を測定できるセンサでもよい。 Sensor 3 is, for example, an acceleration sensor, and is installed at each location of bridge 4. In this embodiment, sensor 3 is a plurality of sensors installed at multiple locations of bridge 4, but is not limited to this and may be a single sensor installed at one location. Also, in this embodiment, sensor 3 is an acceleration sensor that detects acceleration, but is not limited to this and may be a sensor that can measure other physical quantities (e.g., strain, displacement, speed, etc.).

なお本実施形態では、説明の分かりやすさのため、図1に示すように、センサ3から取得されたセンサ情報をセンサノード1が処理した結果を診断装置2へ送信する構成を例として説明している。しかし、これに限らず、センサ3がセンサネットワークを形成し、分散協調処理を行うことでセンサノード1と同等の機能を実現する分散協調システムの構成であってもよい。なおセンサ3が1つの場合は、1つのセンサ3がセンサノード1と同等の機能を実現する。 In this embodiment, for ease of understanding, as shown in FIG. 1, a configuration is described as an example in which the sensor node 1 processes sensor information acquired from the sensor 3 and transmits the results to the diagnostic device 2. However, the present invention is not limited to this, and may be configured as a distributed cooperative system in which the sensors 3 form a sensor network and perform distributed cooperative processing to achieve functions equivalent to those of the sensor node 1. When there is only one sensor 3, the single sensor 3 achieves functions equivalent to those of the sensor node 1.

(実施形態1のセンサノード1の構成)
図2は、実施形態1のセンサノード1の構成を示すブロック図である。センサノード1は、センサ3から取得したセンサ情報から、橋梁4の状態を表す特徴量として係数行列A(または主成分行列A^)を生成するエッジ処理を行う。センサノード1は、プロセッサ11と、メモリ12と、ストレージ13と、通信I/F(Inter/Face)部14とを有する。
(Configuration of the sensor node 1 of the first embodiment)
2 is a block diagram showing the configuration of the sensor node 1 of the embodiment 1. The sensor node 1 performs edge processing to generate a coefficient matrix A (or a principal component matrix A^) as a feature quantity representing the state of the bridge 4 from sensor information acquired from the sensor 3. The sensor node 1 has a processor 11, a memory 12, a storage 13, and a communication I/F (Inter/Face) unit 14.

プロセッサ11は、CPU(Central Processing Unit)やPLD(Programmable Logic Device)、マイクロプロセッサなどの演算処理装置である。メモリ12は主記憶装置である。ストレージ13は補助記憶装置である。通信I/F部14は、センサノード1がセンサ3および診断装置2と無線通信(または有線通信)を行うための通信インターフェースである。 The processor 11 is an arithmetic processing device such as a CPU (Central Processing Unit), a PLD (Programmable Logic Device), or a microprocessor. The memory 12 is a main storage device. The storage 13 is an auxiliary storage device. The communication I/F unit 14 is a communication interface that enables the sensor node 1 to perform wireless communication (or wired communication) with the sensor 3 and the diagnostic device 2.

プロセッサ11は、メモリ12と協働してプログラムを実行することで、センサ情報取得部111と、自己回帰モデル生成部112と、特徴量生成部113と、特徴量送信部114との各機能部を実現する。 The processor 11 executes a program in cooperation with the memory 12 to realize the following functional units: a sensor information acquisition unit 111, an autoregressive model generation unit 112, a feature generation unit 113, and a feature transmission unit 114.

センサ情報取得部111は、通信I/F部14を介して、センサ3によって橋梁4の各設置位置において観測された観測信号を時系列で取得し、センサ情報131としてストレージ13に格納する。本実施形態では、センサ情報取得部111によって取得されるセンサ情報131は、連続時刻の時系列情報であるとするが、離散時刻の時系列情報であってもよい。またセンサ情報131は、常時取得されるものでも、取得指示を契機として一定時間取得されるものでもよい。 The sensor information acquisition unit 111 acquires observation signals observed by the sensors 3 at each installation position of the bridge 4 in time series via the communication I/F unit 14, and stores them in the storage 13 as sensor information 131. In this embodiment, the sensor information 131 acquired by the sensor information acquisition unit 111 is assumed to be time series information of continuous time, but may be time series information of discrete time. Further, the sensor information 131 may be acquired all the time, or may be acquired for a certain period of time in response to an acquisition instruction.

自己回帰モデル生成部112は、ストレージ13に格納されたセンサ情報131を時刻で離散化する。そして自己回帰モデル生成部112は、上記式(3)に示すように、或る時刻kにおけるセンサ情報131を、或る時刻k以前のp個の時刻k-i(i=1,・・・,p)におけるセンサ情報131の時系列の線形結合で表現する自己回帰モデルを生成する。自己回帰モデル生成部112の処理の詳細は、フローチャートを参照して後述する。 The autoregressive model generation unit 112 discretizes the sensor information 131 stored in the storage 13 by time. Then, the autoregressive model generation unit 112 converts the sensor information 131 at a certain time k to p times ki (i=1,... , p) is generated. Details of the processing by the autoregressive model generation unit 112 will be described later with reference to a flowchart.

特徴量生成部113は、自己回帰モデル生成部112によって生成された自己回帰モデルの線形結合の回帰係数を結合した係数行列A(上記式(6))から、或る時刻kにおける橋梁4の状態を表す特徴量を生成する。特徴量は、係数行列Aそのものでもよいし、係数行列Aを主成分分析に基づく主成分空間へ射影した主成分行列A^(上記式(10))でもよい。後述のように、このような特徴量に基づいて、橋梁4の表面や内部の状態を確率分布として表すことができる。特徴量生成部113の処理の詳細は、フローチャートを参照して後述する。 The feature generator 113 generates a feature representing the state of the bridge 4 at a certain time k from the coefficient matrix A (formula (6) above) that combines the regression coefficients of the linear combination of the autoregressive models generated by the autoregressive model generator 112. The feature may be the coefficient matrix A itself, or a principal component matrix A^ (formula (10) above) that projects the coefficient matrix A onto a principal component space based on principal component analysis. As described below, the surface and internal state of the bridge 4 can be represented as a probability distribution based on such feature. Details of the processing by the feature generator 113 will be described later with reference to a flowchart.

特徴量送信部114は、特徴量生成部113によって生成された特徴量を、通信I/F部14を介して診断装置2へ送信する。 The feature transmission unit 114 transmits the features generated by the feature generation unit 113 to the diagnostic device 2 via the communication I/F unit 14.

(実施形態1の診断装置2の構成)
図3は、実施形態1の診断装置2の構成を示すブロック図である。診断装置2は、プロセッサ21と、メモリ22と、ストレージ23と、通信I/F部24と、出力部25とを有する。プロセッサ21は、メモリ22と協働してプログラムを実行することで、特徴量受信部211と、診断部212との各機能部を実現する。
(Configuration of diagnostic device 2 of Embodiment 1)
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the diagnostic device 2 of the first embodiment. The diagnostic device 2 includes a processor 21 , a memory 22 , a storage 23 , a communication I/F section 24 , and an output section 25 . The processor 21 executes programs in cooperation with the memory 22 to realize the feature amount receiving section 211 and the diagnostic section 212.

プロセッサ21は、CPUやPLD、マイクロプロセッサなどの演算処理装置である。メモリ22は主記憶装置である。ストレージ23は補助記憶装置である。通信I/F部24は、診断装置2がセンサノード1と無線通信(または有線通信)を行うための通信インターフェースである。出力部25は、モニタやディスプレイ等であり、各種情報を出力する。 The processor 21 is an arithmetic processing device such as a CPU, PLD, or microprocessor. Memory 22 is a main storage device. Storage 23 is an auxiliary storage device. The communication I/F section 24 is a communication interface for the diagnostic device 2 to perform wireless communication (or wired communication) with the sensor node 1. The output unit 25 is a monitor, display, etc., and outputs various information.

特徴量受信部211は、通信I/F部24を介して、センサノード1から各時刻kにおける橋梁4の状態を示す特徴量231を受信する。特徴量受信部211は、受信した特徴量231を、ストレージ23に格納する。 The feature receiving unit 211 receives the feature 231 indicating the state of the bridge 4 at each time k from the sensor node 1 via the communication I/F unit 24 . The feature amount receiving unit 211 stores the received feature amount 231 in the storage 23.

診断部212は、評価指標として、ベイズ推定を用いて、ストレージ23に格納されている特徴量231から各時刻kにおける特徴量の確率分布(上記式(11))を求める。そして診断部212は、下記式(12)に示すように、各時刻kにおける評価指標として求めた確率分布のマハラノビス距離MDを算出する。 The diagnosis unit 212 uses Bayesian estimation to obtain a probability distribution (the above formula (11)) of the feature at each time k from the feature 231 stored in the storage 23 as an evaluation index. The diagnosis unit 212 then calculates the Mahalanobis distance MD of the probability distribution obtained as the evaluation index at each time k, as shown in the following formula (12).

Figure 2024045515000013
Figure 2024045515000013

上記式(12)において、行列Xは係数行列A(または主成分行列A^)、行列Sは行列Xの共分散行列である。診断部212は、基準時(例えば健全時)の橋梁4の係数行列A(または主成分行列A^)のマハラノビス距離MDを基準評価指標232として予め求めておきストレージ23に保存しておく。また診断部212は、損傷の有無や程度が不明な診断時の橋梁4の係数行列A(または主成分行列A^)のマハラノビス距離MDを算出する。 In the above equation (12), matrix X is a coefficient matrix A (or principal component matrix A^), and matrix S is a covariance matrix of matrix X. The diagnosis unit 212 determines in advance the Mahalanobis distance MD of the coefficient matrix A (or principal component matrix A^) of the bridge 4 at a reference time (for example, when it is healthy) as a reference evaluation index 232 and stores it in the storage 23 . The diagnosis unit 212 also calculates the Mahalanobis distance MD of the coefficient matrix A (or principal component matrix A^) of the bridge 4 at the time of diagnosis when the presence or absence of damage and the degree of damage are unknown.

そして診断部212は、診断時のマハラノビス距離MDと基準評価指標232とを比較し、それらの差や比といった統計的距離が一定値以上の場合に、基準時と比較して橋梁4に損傷などの異常が発生または進行していると診断する。診断部212は、診断結果をディスプレイ等の出力部25に出力する。 Then, the diagnosis unit 212 compares the Mahalanobis distance MD at the time of diagnosis with the standard evaluation index 232, and if the statistical distance such as the difference or ratio between them is greater than a certain value, the diagnosis unit 212 compares it with the standard time and causes damage to the bridge 4. Diagnose that an abnormality has occurred or is progressing. Diagnosis section 212 outputs the diagnosis result to output section 25 such as a display.

なお診断部212は、マハラノビス距離MDに代えて、Z値やその他の統計指標を用いて、基準時と診断時のそれぞれの統計指標間の統計的距離を閾値判定することで、橋梁4の異常や劣化の進行を診断してもよい。 The diagnosis unit 212 uses the Z value and other statistical indicators instead of the Mahalanobis distance MD to determine the threshold value of the statistical distance between the statistical indicators at the reference time and the diagnosis time, thereby detecting abnormalities in the bridge 4. It is also possible to diagnose the progress of deterioration.

(実施形態1の診断システムSにおける基準時処理)
図4は、実施形態1の診断システムSにおける基準時処理を示すシーケンス図である。診断システムSにおける基準時処理では、センサ3から基準時(例えば橋梁4の健全時)取得されたセンサ情報の時系列から係数行列Aおよび主成分行列A^を生成し、主成分行列A^をもとに基準評価指標232を算出する処理を行う。
(Reference time processing in diagnostic system S of Embodiment 1)
FIG. 4 is a sequence diagram showing the reference time processing in the diagnostic system S of the first embodiment. In the reference time processing in the diagnostic system S, a coefficient matrix A and a principal component matrix A^ are generated from the time series of sensor information acquired from the sensor 3 at a reference time (for example, when the bridge 4 is healthy), and the principal component matrix A^ is Based on this, a process is performed to calculate the standard evaluation index 232.

先ずステップS101では、センサノード1のセンサ情報取得部111は、センサ3からセンサ情報131を取得し、ストレージ13に格納する。次にステップS102では、自己回帰モデル生成部112は、上記式(3)に基づいて、ステップS101で取得したセンサ情報131を離散化した或る時刻kにおけるセンサ情報ベクトルy(k)のp次の自己回帰モデルを生成する。自己回帰モデルの次数pは、適宜定められるものであるが、例えば上述したように、BICに基づいて上記式(5)から自動決定してもよい。 First, in step S101, the sensor information acquisition unit 111 of the sensor node 1 acquires the sensor information 131 from the sensor 3 and stores it in the storage 13. Next, in step S102, the autoregressive model generation unit 112 generates a p-th order autoregressive model of the sensor information vector y(k) at a certain time k, which is obtained by discretizing the sensor information 131 acquired in step S101, based on the above formula (3). The order p of the autoregressive model is determined appropriately, but may be automatically determined from the above formula (5) based on the BIC, for example, as described above.

次にステップS103では、特徴量生成部113は、上記式(6)のように、センサ情報ベクトルy(k)のp次の自己回帰モデルの回帰係数を表す行列Aを結合した係数行列Aを生成する。次にステップS104では、特徴量生成部113は、上記式(8)~式(9)に基づいて、基準時における橋梁4の状態を表す確率空間における係数行列Aを主成分空間へ射影する主成分空間行列U を生成する。 Next, in step S103, the feature generation unit 113 generates a coefficient matrix A that is a combination of the matrices A i representing the regression coefficients of the p-th autoregressive model of the sensor information vector y(k), as shown in equation (6) above. generate. Next, in step S104, the feature generation unit 113 projects the coefficient matrix A in the probability space representing the state of the bridge 4 at the reference time onto the principal component space based on the above equations (8) to (9). Generate a component space matrix U 1 T.

次にステップS106では、特徴量生成部113は、上記式(10)に示すように、ステップS105で生成した主成分空間行列U を係数行列Aに作用させて、特徴量として主成分行列A^を生成する。次にステップS106では、特徴量送信部114は、ステップS105で生成された特徴量を診断装置2へ送信する。 Next, in step S106, the feature quantity generation unit 113 operates the principal component space matrix U 1 T generated in step S105 on the coefficient matrix A, as shown in the above equation (10), and generates a principal component matrix as a feature quantity. Generate A^. Next, in step S106, the feature quantity transmitting unit 114 transmits the feature quantity generated in step S105 to the diagnostic device 2.

次にステップS201では、診断装置2の特徴量受信部211は、センサノード1から特徴量231を受信し、ストレージ23に格納する。次にステップS202では、診断部212は、上記式(11)のように、特徴量231の確率分布p(A^|Σ,Y)を求め、確率分布p(A^|Σ,Y)のマハラノビス距離MDを基準評価指標232として算出する。次にステップS203では、診断部212は、ステップS202で算出された基準評価指標232をストレージ23に格納する。 Next, in step S201, the feature receiving unit 211 of the diagnostic device 2 receives the feature 231 from the sensor node 1 and stores it in the storage 23. Next, in step S202, the diagnostic unit 212 obtains the probability distribution p(A^|Σ, Y) of the feature 231 as in the above formula (11), and calculates the Mahalanobis distance MD of the probability distribution p(A^|Σ, Y) as the reference evaluation index 232. Next, in step S203, the diagnostic unit 212 stores the reference evaluation index 232 calculated in step S202 in the storage 23.

なお図4の図示に限らず、基準時処理において、センサノード1が実行するステップを診断装置2が実行してもよいし、診断装置2が実行するステップをセンサノード1が実行してもよい。すなわち、図4に示す各ステップの実行主体が、センサノード1および診断装置2の何れであるかは、限定されない。 Note that the process is not limited to the illustration in FIG. 4, and in the reference time processing, the diagnostic device 2 may execute the steps that the sensor node 1 executes, or the sensor node 1 may execute the steps that the diagnostic device 2 executes. . That is, it is not limited whether the sensor node 1 or the diagnostic device 2 executes each step shown in FIG.

例えば、ステップS102~S105のうちの何れかのステップ以降の処理を、センサノード1ではなく診断装置2が行ってもよい。また例えば、ステップS202の処理を、診断装置2ではなくセンサノード1が行ってもよく、算出された基準評価指標は、診断装置2へ送信され、診断装置2において橋梁4の状態診断に用いられる。 For example, the processing after any one of steps S102 to S105 may be performed by the diagnostic device 2 instead of the sensor node 1. Furthermore, for example, the process in step S202 may be performed by the sensor node 1 instead of the diagnostic device 2, and the calculated standard evaluation index is transmitted to the diagnostic device 2 and used in the diagnostic device 2 to diagnose the condition of the bridge 4. .

(実施形態1の診断システムSにおける診断時処理)
図5は、実施形態1の診断システムSにおける診断時処理を示すシーケンス図である。図5の診断時処理は、図4の基準時処理と比較して、基準時ではなく診断時のセンサ情報および特徴量を取り扱う点が異なるのみで、ステップS111~S116は、図4のステップS101~S106と同様である。
(Diagnosis process in the diagnosis system S of the first embodiment)
Fig. 5 is a sequence diagram showing a diagnosis process in the diagnosis system S of the embodiment 1. The diagnosis process in Fig. 5 differs from the reference time process in Fig. 4 only in that it handles sensor information and feature amounts at the time of diagnosis rather than at the reference time, and steps S111 to S116 are the same as steps S101 to S106 in Fig. 4.

なお、図4の基準時処理のステップS104で主成分空間行列U が生成された場合には、図5の診断時処理では、ステップS114の主成分空間行列U を生成するステップを省略可能である。ステップS114が省略された場合、ステップS113に続くステップS115では、特徴量生成部113は、図4の基準時処理のステップS104で生成された主成分空間行列U をステップS113で生成された係数行列Aに作用させて、特徴量として主成分行列A^を生成する。次にステップS116では、特徴量送信部114は、ステップS115で生成された特徴量を診断装置2へ送信する。 Note that if the principal component space matrix U 1 T is generated in step S104 of the reference time process in FIG. 4, the step of generating the principal component space matrix U 1 T in step S114 in the diagnosis time process of FIG. Optional. If step S114 is omitted, in step S115 following step S113, the feature generation unit 113 converts the principal component space matrix U 1 T generated in step S104 of the reference time process in FIG. By acting on the coefficient matrix A, a principal component matrix A^ is generated as a feature quantity. Next, in step S116, the feature quantity transmitting unit 114 transmits the feature quantity generated in step S115 to the diagnostic device 2.

次にステップS211では、診断装置2の特徴量受信部211は、センサノード1から特徴量を受信する。次にステップS212では、診断部212は、ステップS211で受信した特徴量に基づいて、上記式(11)のように、ベイズ推定を用いて特徴量の確率分布p(A^|Σ,Y)を算出する。そして診断部212は、上記式(12)に基づいて診断時のマハラノビス距離MDを評価指標として算出し、評価指標と基準評価指標232を比較し、それらの差または比が一定値以上の場合に、基準時と比較して橋梁4に損傷などの異常が発生または進行していると診断する。 Next, in step S211, the feature receiving unit 211 of the diagnostic device 2 receives the feature from the sensor node 1. Next, in step S212, the diagnosis unit 212 calculates the probability distribution p(A^|Σ,Y) of the feature using Bayesian estimation, as shown in equation (11) above, based on the feature received in step S211. Calculate. Then, the diagnosis unit 212 calculates the Mahalanobis distance MD at the time of diagnosis as an evaluation index based on the above formula (12), compares the evaluation index with the reference evaluation index 232, and if the difference or ratio between them is greater than a certain value, , it is diagnosed that an abnormality such as damage has occurred or is progressing in the bridge 4 compared to the reference time.

なお図5も図4と同様に、各ステップの実行主体がセンサノード1および診断装置2の何れであるかは、限定されない。例えば評価指標の算出は、診断装置2ではなくセンサノード1が行ってもよい。このようにして算出された評価指標は、診断装置2へ送信され、診断装置2において橋梁の状態診断に用いられる。 As with FIG. 4, FIG. 5 does not limit whether each step is executed by the sensor node 1 or the diagnostic device 2. For example, the evaluation index may be calculated by the sensor node 1 instead of the diagnostic device 2. The evaluation index calculated in this manner is transmitted to the diagnostic device 2, where it is used to diagnose the condition of the bridge.

なお、図4および図5に示す処理では、主成分行列A^を特徴量としているが、係数行列Aを特徴量としてもよい。この場合、上記式(11)においてA^をAに置き換えて確率分布p(A|Σ,Y)が算出される。 In the process shown in FIG. 4 and FIG. 5, the principal component matrix A^ is used as the feature, but the coefficient matrix A may be used as the feature. In this case, A^ is replaced with A in the above formula (11) to calculate the probability distribution p(A|Σ, Y).

図6は、実施形態1の診断システムSにおける診断時処理の説明図である。図6の図示部分601は、橋梁4の基準時の振動を表す観測データから特徴量を抽出し、この特徴量に基づく統計指標を基準評価指標として算出する基準時処理(図4)の概略を示している。また図示部分602は、橋梁4の診断時の振動を表す観測データから特徴量を抽出し、この特徴量に基づく統計指標を診断時評価指標として算出する診断時処理(図5)の概略を示している。 Figure 6 is an explanatory diagram of the diagnosis processing in the diagnosis system S of embodiment 1. The illustrated portion 601 in Figure 6 shows an overview of the reference time processing (Figure 4) in which feature amounts are extracted from observation data representing the vibration of the bridge 4 at the reference time, and a statistical index based on these feature amounts is calculated as a reference evaluation index. The illustrated portion 602 shows an overview of the diagnosis time processing (Figure 5) in which feature amounts are extracted from observation data representing the vibration of the bridge 4 at the diagnosis time, and a statistical index based on these feature amounts is calculated as a diagnosis time evaluation index.

そして、診断時処理(図5)において、基準評価指標と診断時評価指標の比較結果に基づいて、橋梁4の異常の有無やその進行が判別される。すなわち、図6の図示部分603に示すように、確率空間において、基準特徴量の確率分布に基づく基準評価指標と、診断時特徴量の確率分布に基づく診断時評価指標の比較により、橋梁4の異常が診断される。基準評価指標と診断時評価指標の比較では、診断時評価指標が基準評価指標からどれだけ乖離しているかの状況をマハラノビス距離などの統計指標を用いて評価する。診断時評価指標と基準評価指標間の統計的距離が一定値以上の場合に、診断時の橋梁4の状態が基準時から変化していると判断するように、橋梁4の異常の有無の判定を行うことができる。 Then, in the diagnosis process (Fig. 5), the presence or absence of an abnormality in the bridge 4 and its progression are determined based on the comparison result between the reference evaluation index and the diagnosis evaluation index. That is, as shown in the illustrated portion 603 of Fig. 6, in a probability space, an abnormality in the bridge 4 is diagnosed by comparing a reference evaluation index based on the probability distribution of the reference feature amount with a diagnosis evaluation index based on the probability distribution of the diagnosis feature amount. In comparing the reference evaluation index with the diagnosis evaluation index, a statistical index such as the Mahalanobis distance is used to evaluate how far the diagnosis evaluation index deviates from the reference evaluation index. If the statistical distance between the diagnosis evaluation index and the reference evaluation index is equal to or greater than a certain value, the presence or absence of an abnormality in the bridge 4 can be determined so that it is determined that the state of the bridge 4 at the time of diagnosis has changed from the reference time.

なお本実施形態では、橋梁4の異常の有無の判別を、基準時と診断時のそれぞれの評価指標の統計的距離に基づいて行うとしたが、これに限らない。例えば各時刻における係数行列A(または主成分行列A^)をクラスタリングし、新規の観測データに基づく係数行列Aが既存クラスタに分類されず新規クラスタに分類される場合に、係数行列Aの特徴量のパターンが変化したとして、橋梁4に異常が生じたと判断してもよい。 In the present embodiment, the presence or absence of an abnormality in the bridge 4 is determined based on the statistical distance between the evaluation indicators at the reference time and the diagnosis time, but the present invention is not limited to this. For example, when coefficient matrix A (or principal component matrix A^) at each time is clustered, and coefficient matrix A based on new observed data is not classified into an existing cluster but is classified into a new cluster, the feature amount of coefficient matrix A It may be determined that an abnormality has occurred in the bridge 4 based on a change in the pattern.

(実施形態1の効果)
上述の実施形態1では、構造物の状態を表す特徴量に基づく状態評価を、構造物の種々の物理量を含んだ確率分布であって、計測個所によって異なる損傷に対する計測値の変化の敏感さの違いを吸収しつつ、計測値の推定誤差を考慮できる確率分布に基づく評価指標を用いて行う。よって実施形態1によれば、設定に高度な専門知識を要する損傷に敏感な振動モードの設定を必要とせず、構造物の損傷に対して敏感な特徴量に基づく平均と分散を持つ確率分布を用いて、数値解析を行わず低コストかつ高い精度で構造物の状態を評価できる。また、評価の妥当性を分散で表すことができる。
(Effects of the First Embodiment)
In the above-mentioned first embodiment, the condition evaluation based on the feature quantity representing the state of the structure is performed using an evaluation index based on a probability distribution that includes various physical quantities of the structure and that can take into account the estimation error of the measurement value while absorbing the difference in sensitivity of the change in the measurement value to damage that differs depending on the measurement location. Therefore, according to the first embodiment, it is not necessary to set a vibration mode that is sensitive to damage, which requires a high level of specialized knowledge, and the state of the structure can be evaluated at low cost and with high accuracy without performing numerical analysis by using a probability distribution having a mean and variance based on the feature quantity that is sensitive to damage of the structure. In addition, the validity of the evaluation can be expressed by the variance.

また、実施形態1で用いる確率分布の評価指標は、計測時のノイズや活荷重などの強制振動などにより埋もれやすい、構造物の損傷に伴ってゆっくりと進行して行く微小な変化を捉えるので、構造物の状態診断を高精度に行うことができる。 In addition, the probability distribution evaluation index used in embodiment 1 captures minute changes that progress slowly as the structure is damaged and that are easily obscured by noise during measurement and forced vibrations such as live loads, making it possible to perform highly accurate condition diagnosis of the structure.

また実施形態1では、構造物の状態を表す係数行列Aを、質が劣る情報を除去するため主成分空間へ射影して次数を落とした主成分行列A^を生成する。よって、構造物の状態を表す特徴量を、構造物の状態を再現可能な特徴量へ情報の質を落とさずデータ圧縮するので、エッジ処理により特定小電力無線(Low Power Wide Area)などの廉価な先端技術による方法で特徴量の転送が可能となり、センサおよび転送システムを安価に構成し、管理費の大幅な削減が期待できる。 In addition, in the first embodiment, the coefficient matrix A representing the state of the structure is projected into the principal component space to generate a principal component matrix A^ of lower order in order to remove information of lower quality. Therefore, the feature quantities representing the state of the structure are compressed into feature quantities that can reproduce the state of the structure without reducing the quality of the information, so that the feature quantities can be transferred by edge processing using inexpensive advanced technology such as low power wide area radio, and the sensors and transfer system can be constructed inexpensively, which is expected to reduce management costs significantly.

より具体的には、従来、このような振動状態を評価する場合に数分間の加速度データを用いることが必要であったために、大きな通信量が必要であった。しかし、本手法では、必要な情報は主成分行列A^の値だけであるため、計測機内でのエッジ処理により、主成分行列A^を求め、小さなデータにすることにより特定小電力無線などの安価な先端技術の利用が可能となり、図7に示すように管理コストにおいて利点があると考えられる。図7は、実施形態1と従来技術における係数行列Aと主成分行列A^のデータ量をセンサ数ごとに比較して示す図である。図7は、周期5msで60s計測したデータを送信する場合を示す。図7によれば、8個、4個、1個の何れのセンサ数の場合でも、主成分行列A^によって、センサノード1から転送するデータ量を大幅に削減できることが分かる。 More specifically, in the past, when evaluating such vibration conditions, it was necessary to use acceleration data for several minutes, which required a large amount of communication. However, in this method, the only information required is the value of the principal component matrix A^, so the principal component matrix A^ is calculated by edge processing in the measuring device, and by making the data small, it becomes possible to use inexpensive advanced technology such as specific low-power radio, and it is considered to have an advantage in terms of management costs as shown in Figure 7. Figure 7 is a diagram showing a comparison of the data amount of the coefficient matrix A and the principal component matrix A^ in the first embodiment and the conventional technology for each number of sensors. Figure 7 shows a case where data measured for 60 seconds at a period of 5 ms is transmitted. It can be seen from Figure 7 that the amount of data transferred from the sensor node 1 can be significantly reduced by the principal component matrix A^ in any number of sensors, whether 8, 4, or 1.

<実施形態2>
実施形態1では、基準時と診断時の橋梁4の特徴量に基づく確率分布のマハラノビス距離などの統計的指標を用いて橋梁4の異常診断を行うのに対し、実施形態2では、橋梁4の特徴量に基づくベイズファクターを評価指標として用いて橋梁4の異常診断を行う。なお、実施形態2の診断システムSの構成は、診断装置2の診断部212の処理の一部が異なる点を除いて、実施形態1の診断システムの構成と同様である。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, abnormality diagnosis of the bridge 4 is performed using a statistical index such as the Mahalanobis distance of a probability distribution based on the feature amounts of the bridge 4 at the reference time and the diagnosis time, whereas in the second embodiment, abnormality diagnosis of the bridge 4 is performed using, as an evaluation index, a Bayes factor based on the feature amounts of the bridge 4. Note that the configuration of the diagnosis system S in the second embodiment is similar to the configuration of the diagnosis system in the first embodiment, except that a part of the processing of the diagnosis unit 212 of the diagnosis device 2 is different.

(実施形態2の診断システムSにおける診断処理)
図8は、実施形態2の診断システムSにおける診断処理を示すフローチャートである。図8に示すフローチャートは、図5に示す実施形態1の診断時処理のステップS212の処理の別例である。すなわち実施形態2では、診断装置2は、ステップS211に引き続いて図8に示す診断処理を実行する。なお、実施形態2では、診断装置2は、図4の基準時処理を行うことなく、図5の診断時処理を実行可能である。
(Diagnostic processing in diagnostic system S of Embodiment 2)
FIG. 8 is a flowchart showing diagnostic processing in the diagnostic system S of the second embodiment. The flowchart shown in FIG. 8 is another example of the process in step S212 of the diagnosis process in the first embodiment shown in FIG. That is, in the second embodiment, the diagnostic device 2 executes the diagnostic process shown in FIG. 8 following step S211. Note that in the second embodiment, the diagnostic device 2 can execute the diagnosis time process in FIG. 5 without performing the reference time process in FIG. 4 .

先ずステップS2121では、診断装置2の診断部212は、ステップS211で受信した特徴量である係数行列A(または主成分行列A^)に基づいて、評価指標として、下記式(13)で定義されるベイズファクターBを算出する。後述のローカルベイズファクターBと区別する場合には、ベイズファクターBをグローバルベイズファクターと呼ぶ。 First, in step S2121, the diagnosis unit 212 of the diagnosis device 2 calculates a Bayes factor B defined by the following formula (13) as an evaluation index based on the coefficient matrix A (or the principal component matrix A^), which is the feature amount received in step S211. When distinguishing it from a local Bayes factor Bj described later, the Bayes factor B is called a global Bayes factor.

Figure 2024045515000014
Figure 2024045515000014

上記式(13)において、Hは帰無仮説(本実施形態では橋梁4の健全状態)、Hは対立仮説(本実施形態では橋梁4の異常・損傷状態)、Yは仮説検定の対象とする特徴量(本実施形態では係数行列Aまたは主成分行列A^)、ΦはHあるいはHの仮説のもとでのパラメータ(例えば特徴量の確率分布の平均値や標準偏差)である。 In the above equation (13), H 0 is the null hypothesis (in this embodiment, the healthy state of the bridge 4), H 1 is the alternative hypothesis (in this embodiment, the abnormal/damaged state of the bridge 4), and Y t is the hypothesis test. The target feature quantity (in this embodiment, coefficient matrix A or principal component matrix A^), Φ t is a parameter under the hypothesis of H 0 or H 1 (for example, the mean value or standard deviation of the probability distribution of the feature quantity). ).

上記式(13)に示すベイズファクターBにおいて、分母p(Y,H)は診断時の特徴量Yが橋梁4の基準時における状態(健全状態)と同じ特徴量である周辺尤度を示し、分子p(Y,H)は診断時の特徴量Yが橋梁4の基準時における状態と異なる特徴量である周辺尤度を示す。よってp(Y,H)に対するp(Y,H)の比であるベイズファクターBが閾値を超えると、或る特徴量に基づいて橋梁4に異常や損傷が発生していると判断できる。 In the Bayes factor B shown in Equation (13) above, the denominator p (Y tt , H 0 ) is the same feature as the feature Y t at the time of diagnosis is the state (healthy state) of the bridge 4 at the reference time. The numerator p(Y tt , H 1 ) indicates the marginal likelihood in which the feature quantity Y t at the time of diagnosis is a feature quantity different from the state of the bridge 4 at the reference time. Therefore, when the Bayes factor B, which is the ratio of p(Y tt , H 1 ) to p(Y tt , H 0 ), exceeds the threshold, an abnormality or damage occurs to the bridge 4 based on a certain feature amount. It can be determined that this is occurring.

次にステップS2122では、診断部212は、ステップS2121で算出したベイズファクターBが閾値より大であるか否かを判定する。この閾値は、過去の点検データなどから、橋梁4の点検技術者が異常と判定した区分が設定されたものである。診断部212は、ベイズファクターBが閾値より大である場合(ステップS2122Yes)に橋梁4に異常があると判定し(ステップS2123)、ベイズファクターBが閾値以下である場合(ステップS2122No)に橋梁4が正常であると判定する(ステップS2124)。 Next, in step S2122, the diagnostic unit 212 determines whether the Bayes factor B calculated in step S2121 is greater than a threshold value. This threshold value is set based on past inspection data and the like for categories that the inspection engineer of the bridge 4 has determined to be abnormal. The diagnosis unit 212 determines that there is an abnormality in the bridge 4 when the Bayes factor B is greater than the threshold (Step S2122 Yes) (Step S2123), and determines that the bridge 4 has an abnormality when the Bayes factor B is less than or equal to the threshold (Step S2122 No). is determined to be normal (step S2124).

なお、図8に示す診断処理は、診断装置2ではなく、センサノード1で行われてもよい。 Note that the diagnostic processing shown in FIG. 8 may be performed by the sensor node 1 instead of the diagnostic device 2.

(異常判定の閾値の算出方法)
ここで、診断処理(図8)のステップS2122で用いた異常判定の閾値の算出方法について説明する。図9Aは、実施形態2の異常判定の閾値の算出方法を説明するための図である。図9Aの左側のグラフ(a)では、横軸を時間、縦軸をベイズファクターBの対数とし、各時刻におけるベイズファクターBの値がプロットされている。また図9Aの右側のグラフ(b)では、横軸を度数、縦軸をベイズファクターBの対数とし、ベイズファクターBの各値の度数分布が表されている。異常判定の閾値の算出は、診断装置2が行ってもよいし、その他の情報処理装置が行ってもよい。
(Method of calculating threshold for abnormality determination)
Here, a method for calculating the abnormality determination threshold used in step S2122 of the diagnostic process (FIG. 8) will be described. FIG. 9A is a diagram for explaining a method of calculating a threshold value for abnormality determination according to the second embodiment. In the graph (a) on the left side of FIG. 9A, the horizontal axis is time, the vertical axis is the logarithm of Bayes factor B, and the value of Bayes factor B at each time is plotted. In the graph (b) on the right side of FIG. 9A, the horizontal axis is the frequency, the vertical axis is the logarithm of the Bayes factor B, and the frequency distribution of each value of the Bayes factor B is expressed. The calculation of the threshold value for abnormality determination may be performed by the diagnostic device 2, or may be performed by another information processing device.

実際の橋梁においては、例えば大きな荷重のトラックが通過したり橋梁上でブレーキをかけたりするといった、異常判定に影響を与える様々な状況が発生する。ベイズファクターBは、様々な状況下で、特異的なデータを含むバラつきを持った値となる。ベイズファクターBの閾値を算出する際に、過去の所定期間の複数の計測データの特異的なデータや、データのバラつきを排除するのではなく、閾値算出の基礎に含めることで、実際の橋梁で生起する様々な状況を考慮した閾値を算出することができる。 On an actual bridge, various situations occur that affect anomaly detection, such as the passing of a truck carrying a heavy load or braking on a bridge. Bayes Factor B is a value with variation that includes specific data under various situations. When calculating the threshold value for Bayes Factor B, by including specific data from multiple measurement data over a specified period of time in the past as the basis for calculating the threshold value rather than eliminating such data, it is possible to calculate a threshold value that takes into account the various situations that occur on an actual bridge.

橋梁4の過去の計測データのうち、基準となる所定期間(例えば1年間)の計測データ(図9Aのグラフ(a)参照)を上記式(13)にあてはめてベイズファクターBの値の分布を作成する(図9Aのグラフ(b)参照)。ベイズファクターBの値の分布の平均値μ、分散σを基に、例えばμ、μ+σ、μ+2σと等の何れかの値を閾値として決定することができる。図9Aのグラフ(b)では、ベイズファクターBの値を正規化しているので、平均μ=0の正規分布となっており、閾値を平均μとした場合を示している。ベイズファクターBの閾値は、橋梁4の特性や、使用条件、地理的条件、気象条件等の指標値に基づいて、平均μ及び分散σを用いて定量的に定めることができる。このように実際の橋梁で生起する様々な状況を考慮した閾値を用いて異常判定の精度を高めることができる。 Among the past measurement data of Bridge 4, the measurement data for a predetermined standard period (for example, one year) (see graph (a) in FIG. 9A) is applied to the above equation (13) to calculate the distribution of Bayes factor B values. (See graph (b) in FIG. 9A). Based on the average value μ and variance σ of the distribution of Bayes factor B values, any value such as μ, μ+σ, μ+2σ, etc. can be determined as the threshold value, for example. In the graph (b) of FIG. 9A, since the value of Bayes factor B is normalized, it has a normal distribution with an average μ=0, and shows the case where the threshold value is the average μ. The threshold value of the Bayes factor B can be determined quantitatively using the average μ and the variance σ based on the characteristics of the bridge 4 and index values such as usage conditions, geographical conditions, and weather conditions. In this way, the accuracy of abnormality determination can be improved by using threshold values that take into account various situations that occur in actual bridges.

(異常診断の閾値の他例)
異常診断の閾値の他例を説明する。図9Bは、実施形態2の複数の閾値を用いた異常判定方法の他例を説明するための図である。図9Bの(グラフa)では、横軸を度数分布、縦軸をベイズファクターBの対数とし、ベイズファクターBの各値の度数分布が表されている。図9Bの(グラフb)では、横軸を日、縦軸をベイズファクターBの対数とし、各日におけるベイズファクターBの各値がプロットされている。
(Other examples of abnormality diagnosis thresholds)
Another example of the threshold value for abnormality diagnosis will be explained. FIG. 9B is a diagram for explaining another example of the abnormality determination method using a plurality of threshold values according to the second embodiment. In (graph a) of FIG. 9B, the horizontal axis is the frequency distribution, the vertical axis is the logarithm of the Bayes factor B, and the frequency distribution of each value of the Bayes factor B is expressed. In (graph b) of FIG. 9B, the horizontal axis is the day, the vertical axis is the logarithm of the Bayes factor B, and each value of the Bayes factor B for each day is plotted.

ベイズファクターBの値は、閾値を超えると異常と判定されるものである。このことから、図9Aを参照して上述した計測データに基づくベイズファクターBの値の分布の中で、平均μより大きい値について、平均μ及び標準偏差σを用いて複数の閾値を定め、異常を段階的に判定することができる。複数の閾値に基づいて、例えば「正常」の範囲、「要注意」の範囲、及び「異常」の範囲のように、診断レベルを表す範囲を定めてもよい。 The value of Bayes factor B is determined to be abnormal when it exceeds a threshold value. For this reason, in the distribution of values of Bayes factor B based on the measurement data described above with reference to FIG. 9A, for values greater than the mean μ, multiple threshold values can be defined using the mean μ and standard deviation σ, and abnormality can be determined in stages. Based on multiple threshold values, ranges representing diagnostic levels, such as a "normal" range, a "caution required" range, and an "abnormal" range, can be defined.

例えば、ベイズファクターBの値の分布の平均値μ及び分散σに基づく複数の値(図9Bの(グラフa)のμ、μ+σ、μ+2σ等)を、ベイズファクターBに基づく橋梁4の異常診断の段階的な複数の閾値と決定する。図14の(グラフa)に示すように、ベイズファクターBがB≦μ+σであれば「正常」と診断し、μ+σ<B≦μ+2σであれば「要注意」と診断し、μ+2σ<Bであれば「異常」と診断することができる。図9Bの例では、異常診断の段階的な複数の閾値の数は“2”としているがこれに限定されない。ベイズファクターBの段階的な閾値及びその数は、橋梁4の特性や、使用条件、地理的条件、気象条件等の指標値に基づいて、平均μ及び分散σを用いて定量的に決定することができる。 For example, multiple values based on the mean μ and variance σ of the distribution of the Bayes Factor B values (such as μ, μ+σ, and μ+2σ in (graph a) of FIG. 9B) are determined as multiple stepped thresholds for abnormality diagnosis of the bridge 4 based on the Bayes Factor B. As shown in (graph a) of FIG. 14, if the Bayes Factor B is B≦μ+σ, it is diagnosed as "normal", if μ+σ<B≦μ+2σ, it is diagnosed as "needs attention", and if μ+2σ<B, it is diagnosed as "abnormal". In the example of FIG. 9B, the number of stepped thresholds for abnormality diagnosis is "2", but is not limited to this. The stepped thresholds and the number of thresholds for the Bayes Factor B can be quantitatively determined using the mean μ and variance σ based on index values such as the characteristics of the bridge 4, the conditions of use, the geographical conditions, and the weather conditions.

このように実際の橋梁で生起する様々な状況を考慮した複数の閾値を用いて異常判定の精度を高めることができる。またベイズファクターBに基づく橋梁4の異常診断の閾値を段階的に決定することで、橋梁4の管理者は、時間経過と共に徐々に進行する橋梁4の異常を段階的に捉えることができ、計画的に橋梁4の保守を行うことができる。 In this way, the accuracy of abnormality determination can be improved by using multiple thresholds that take into account various situations that occur on actual bridges. Furthermore, by gradually determining the threshold for abnormality diagnosis of bridge 4 based on Bayes factor B, the manager of bridge 4 can gradually detect abnormalities in bridge 4 that progress gradually over time, and can perform maintenance of bridge 4 in a planned manner.

(ローカルベイズファクターB)
さて、上記式(13)に基づくベイズファクターBは、橋梁4を全体的に見て異常を検知するための評価指標である。一方、橋梁4に設置されている個々のセンサ3のセンサ情報の時系列から得られる特徴量に基づいて個別のベイズファクターを算出することもできる。個別のベイズファクターをローカルベイズファクターと呼ぶ。例えば橋梁4に設置されている複数のセンサ3のうちのj番目(j=1,・・・,n)のセンサ3のセンサ情報の時系列の特徴量に基づくローカルベイズファクターBは、下記式(14)で定義される。
(Local Bayes Factor B)
Now, the Bayes factor B based on the above formula (13) is an evaluation index for detecting an abnormality by looking at the bridge 4 as a whole. On the other hand, it is also possible to calculate individual Bayes factors based on feature amounts obtained from time series of sensor information of individual sensors 3 installed on the bridge 4. The individual Bayes factors are called local Bayes factors. For example, the local Bayes factor B j based on the time-series feature amount of the sensor information of the j-th (j=1,...,n) sensor 3 among the plurality of sensors 3 installed on the bridge 4 is as follows. It is defined by equation (14).

Figure 2024045515000015
Figure 2024045515000015

ローカルベイズファクターBをベイズファクターBに代えて、図8に示す診断処理を行うことで、異常を示すローカルベイズファクターBのインデックスjから、j番目のセンサ3の設置個所において橋梁4の異常や損傷が発生していると識別できる。 By replacing the local Bayes factor B j with Bayes factor B and performing the diagnostic processing shown in FIG . or damage has occurred.

また、ローカルベイズファクターBは、次のような使い方もできる。橋梁4などの構造物や、構造物において発生する異常や損傷の種別によって、ベイズファクターを用いて異常を敏感に検出できるセンサ情報の種別が異なる場合がある。そこで、橋梁4などの構造物に複数のセンサ種別のセンサ3を設置し、センサ種別ごとに生成した特徴量に基づくローカルベイズファクターBに基づいて診断を行う。 The local Bayes factor Bj can also be used as follows. The type of sensor information that can sensitively detect anomalies using the Bayes factor may differ depending on the structure such as the bridge 4 and the type of anomaly or damage that occurs in the structure. Therefore, sensors 3 of multiple sensor types are installed on the structure such as the bridge 4, and diagnosis is performed based on the local Bayes factor Bj based on the feature amount generated for each sensor type.

すなわち検知する物理量が異なる(センサ種別が異なる)センサ3が橋梁4に設置されており、センサ種別ごとのセンサ情報の時系列の特徴量に基づいてローカルベイズファクターBを算出する。j番目のセンサ種別のローカルベイズファクターBに基づいて異常が判断される場合、ローカルベイズファクターBのインデックスjから、j番目のセンサ種別のセンサ3のセンサ情報に基づいて異常や損傷が発生していると識別できる。このようにローカルベイズファクターBを用いることで、複数の物理量のうち何れかの物理量が異常を感知するようにできることから、異常検出の感度を高めることができる。 That is, sensors 3 that detect different physical quantities (different sensor types) are installed on the bridge 4, and a local Bayes factor Bj is calculated based on the time-series feature amount of the sensor information for each sensor type. When an abnormality is determined based on the local Bayes factor Bj of the jth sensor type, it can be identified from the index j of the local Bayes factor Bj that an abnormality or damage has occurred based on the sensor information of the sensor 3 of the jth sensor type. By using the local Bayes factor Bj in this way, it is possible to detect an abnormality using any one of multiple physical quantities, thereby improving the sensitivity of anomaly detection.

(実施形態2の橋梁診断システムSにおける異常判定)
図10は、実施形態2の診断システムSを用いて行った異常判定の実験結果を説明するための図である。図10は、横軸を時刻、縦軸をローカルベイズファクターBの二進対数軸として、A1~A10の10種類のローカルベイズファクターBの二進対数の時間推移を示す。図10では、A1~A10は、一例としてセンサ3の設置位置を示す。図10のINT(初期)、DMG1、DMG2は、各期間を表す。
(Abnormality determination in bridge diagnosis system S of Embodiment 2)
FIG. 10 is a diagram for explaining the experimental results of abnormality determination performed using the diagnostic system S of the second embodiment. FIG. 10 shows the time course of the binary logarithm of ten types of local Bayes factors B j , A1 to A10, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the binary logarithm axis of the local Bayes factor B j . In FIG. 10, A1 to A10 indicate the installation positions of the sensors 3 as an example. INT (initial), DMG1, and DMG2 in FIG. 10 represent each period.

INTにおいては、橋梁4に損傷を加えていないので、何れの設置位置のセンサ3のセンサ情報に基づくローカルベイズファクターBも、概ね0であり閾値を超えていない。逆に、ローカルベイズファクターBが図10に示すINTのような値であれば、橋梁4は異常や損傷が発生していない健全状態であると推定できる。 In INT, since no damage is caused to the bridge 4, the local Bayes factor Bj based on the sensor information of the sensor 3 at any installation position is approximately 0 and does not exceed the threshold value. Conversely, if the local Bayes factor B j is a value like INT shown in FIG. 10, it can be estimated that the bridge 4 is in a healthy state with no abnormality or damage.

INTに続く、橋梁4のA6付近の部位に損傷を加えたDMG1においては、A1~A10の中でも特にA6のセンサ3のセンサ情報に基づくローカルベイズファクターの値がINTと比較して閾値を超えて大きくなっている。逆に、ローカルベイズファクターBがINTと比較してDMG1のような値であれば、橋梁4のA6付近の部位に損傷が発生したと推定できる。 Following INT, in DMG1 where damage was done to the area near A6 of bridge 4, the value of the local Bayes factor based on the sensor information of sensor 3 of A6, especially among A1 to A10, exceeded the threshold compared to INT. It's getting bigger. Conversely, if the local Bayes factor B j is a value like DMG1 compared to INT, it can be estimated that damage has occurred in the area near A6 of the bridge 4.

またDMG1に続く、橋梁4のA6付近の部位にさらに損傷を加えたDMG2においては、A6のセンサ3のセンサ情報に基づくローカルベイズファクターBがDMG1と比較してさらに大きくなっている。逆に、ローカルベイズファクターBがDMG1と比較してDMG2のような値であれば、橋梁4のA6付近の部位に発生した損傷がさらに進行したと推定できる。また、DMG1のローカルベイズファクターBの和や平均と、DMG2のローカルベイズファクターBの和や平均とを比較することで、DMG1からDMG2への損傷の進行程度を評価することができる。 Furthermore, in DMG2, which follows DMG1 and further inflicts damage on a portion of bridge 4 near A6, the local Bayes factor Bj based on the sensor information of sensor 3 at A6 is even larger than that of DMG1. Conversely, if the local Bayes factor Bj has a value similar to that of DMG2 compared to DMG1, it can be estimated that the damage that occurred in the portion of bridge 4 near A6 has progressed further. Also, by comparing the sum or average of the local Bayes factors Bj of DMG1 with the sum or average of the local Bayes factors Bj of DMG2, the degree of progression of damage from DMG1 to DMG2 can be evaluated.

なおグローバルベイズファクターを用いても、図10と同様の評価を行うことができる。 Note that the same evaluation as in FIG. 10 can be performed using the global Bayes factor.

このようにベイズファクターBまたはローカルベイズファクターBを用いることで、橋梁4が健全状態から異常状態へ変化したことを検出し、また点検などで既に判明している損傷の進行を評価することができる。 By using Bayes factor B or local Bayes factor B j in this way, it is possible to detect that the bridge 4 has changed from a healthy state to an abnormal state, and also to evaluate the progress of damage that has already been found through inspection etc. can.

(実施形態2の実験結果)
図11は、実施形態2の診断システムSを用いて行った実験の実行条件を示す図である。図12は、実施形態2の診断システムSを用いて行った実験結果を示す図である。
(Experimental Results of the Second Embodiment)
Fig. 11 is a diagram showing the execution conditions of an experiment performed using the diagnostic system S of the embodiment 2. Fig. 12 is a diagram showing the results of an experiment performed using the diagnostic system S of the embodiment 2.

図11は、横軸を時刻、縦軸を負荷とし、時間経過に応じて橋梁に対して加える負荷のパターンを示す。図11に示すように、時刻t0~t1(Stage1)、t2~t3(Stage2)、t4~t5(Stage3)、t6~t7(Stage4)、t7~t8(Stage5)、t9~t10(Stage6)、t10~t11(Stage7)、t12~(Stage8)では、橋梁に対して振動を加えた。時刻t1~t2(Loading1)では、橋梁に対してひび割れ荷重を加えた。時刻t3~t4(Loading2)では、橋梁に対して降伏荷重を加えた。時刻t5~t6(Loading3)は、橋梁に対する荷重継続期間である。時刻t8~t9(Loading4)では、橋梁に対して設計荷重を加えた。時刻t11~t12(Loading5)では、橋梁に対して最大荷重を加えた。 FIG. 11 shows a pattern of loads applied to a bridge over time, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing load. As shown in FIG. 11, at times t0 to t1 (Stage 1), t2 to t3 (Stage 2), t4 to t5 (Stage 3), t6 to t7 (Stage 4), t7 to t8 (Stage 5), t9 to t10 (Stage 6), From t10 to t11 (Stage 7) and from t12 to (Stage 8), vibrations were applied to the bridge. From time t1 to t2 (Loading 1), a cracking load was applied to the bridge. From time t3 to t4 (Loading 2), a yield load was applied to the bridge. Time t5 to t6 (Loading3) is a period during which the load on the bridge continues. From time t8 to t9 (Loading 4), a design load was applied to the bridge. From time t11 to t12 (Loading 5), the maximum load was applied to the bridge.

このような実行条件で実験を行った結果、図12に示すように、ベイズファクターは、加負荷(Loading)を伴うStageの進行につれて概ね増加傾向にあると言える。よって、ベイズファクターの変化の観察結果に対して明確な解釈を与えることができるため、橋梁に発生した異常や損傷の検出を容易に行うことができる。 As a result of conducting an experiment under such execution conditions, as shown in FIG. 12, it can be said that the Bayes factor generally tends to increase as the stage with loading progresses. Therefore, it is possible to give a clear interpretation to the observation results of changes in the Bayes factor, making it easy to detect abnormalities and damage occurring in bridges.

このように、橋梁の固有振動数の増加および低下に関係なく、橋梁に発生した異常や損傷の検出を簡易に行い得るという本実施形態の利点は、図13からも分かる。図13は、比較例として、図12に示した実施形態2の診断システムSを用いて行った実験と同条件で測定した振動モードに応じて異なる橋梁の固有振動数の変化を示す図である。 The advantage of this embodiment, that abnormalities or damage occurring in a bridge can be easily detected regardless of an increase or decrease in the bridge's natural frequency, can be seen from Figure 13. Figure 13 shows, as a comparative example, the change in the natural frequency of a bridge that differs depending on the vibration mode measured under the same conditions as in the experiment conducted using the diagnosis system S of embodiment 2 shown in Figure 12.

図13のグラフ1101は、Stage1~Stage8における一次曲げモードの固有振動数の変化を示す。また図13のグラフ1102は、Stage1~Stage8における二次曲げモードの固有振動数の変化を示す。グラフ1101,1102に示すように、橋梁の状態変化により、固有振動数は増加または低下する。理論的には、損傷による剛性低下により固有振動数は低下するが、例えば橋梁の支承部の状態変化を伴う場合は固有振動数が増加することがある。またグラフ1101,1102に示すように、モードによっても固有振動数の変化が異なる。 Graph 1101 in Figure 13 shows the change in the natural frequency of the primary bending mode in Stage 1 to Stage 8. Graph 1102 in Figure 13 shows the change in the natural frequency of the secondary bending mode in Stage 1 to Stage 8. As shown in graphs 1101 and 1102, the natural frequency increases or decreases depending on the change in the condition of the bridge. Theoretically, the natural frequency decreases due to a decrease in rigidity caused by damage, but the natural frequency may increase if, for example, there is a change in the condition of the bridge's support parts. Also, as shown in graphs 1101 and 1102, the change in the natural frequency differs depending on the mode.

このように固有振動数に基づく異常診断は、損傷の部位や振動モードによって固有振動数の変化の態様が異なることから、適切な振動モードを設定し、損傷の有無および部位を判定することが難しい。この点、本実施形態によるベイズファクターを用いた異常診断は、振動モードの設定を必要とせず、橋梁に発生した異常や損傷の検出を定量的に行うことができる。 As described above, abnormality diagnosis based on natural frequency is difficult because the manner in which the natural frequency changes varies depending on the location of the damage and the vibration mode, making it difficult to set an appropriate vibration mode and determine the presence or absence of damage and its location. In this regard, abnormality diagnosis using the Bayes factor according to this embodiment does not require the setting of a vibration mode, and can quantitatively detect abnormalities and damage that have occurred in the bridge.

(温度とベイズファクターの値の経時変化)
図14は、橋梁4のある桁のある期間における外気温とベイズファクターの値の経時変化を示す図である。図14の(グラフa)はある期間の外気温の経時変化を示すグラフであり、(グラフb)は外気温のベイズファクターBの経時変化を示すグラフである。図14の(グラフb)における実線はベイズファクターBの異常判定の閾値を示し、この閾値を超えた場合に異常と判定される。
(Change in temperature and Bayes factor value over time)
FIG. 14 is a diagram showing changes over time in the outside temperature and the Bayes factor value during a certain period of time with a certain girder of the bridge 4. (Graph a) in FIG. 14 is a graph showing the change over time in the outside temperature over a certain period, and (graph b) is a graph showing the change over time in the Bayes factor B of the outside temperature. The solid line in FIG. 14 (graph b) indicates the threshold for abnormality determination of Bayes factor B, and when this threshold is exceeded, it is determined to be abnormal.

図14では、構造物自体に異常がないことを確認した橋梁4の桁の外気温の変化のデータを例示している。外気温は1年周期で変動するが、本実施形態を外気温に適用した場合の異常判定では異常を判定する対象期間の外気温の変化は異常な変化ではないと判定する。すなわち図14から、本実施形態では、温度変化等の自然界に起こる定期的な変動の影響の有無を考慮して構造物の異常判定が可能であることが分かる。 Figure 14 shows an example of data on changes in outside air temperature of the girders of bridge 4, where it has been confirmed that there are no abnormalities in the structure itself. The outside air temperature fluctuates on an annual cycle, but when this embodiment is applied to the outside air temperature, the abnormality determination determines that the change in outside air temperature during the period for which abnormalities are to be determined is not abnormal. In other words, Figure 14 shows that this embodiment makes it possible to determine abnormalities in a structure by taking into account the presence or absence of the effects of periodic fluctuations that occur in nature, such as temperature changes.

(橋梁4のたわみとベイズファクターの値の経時変化)
図15は、橋梁のある期間におけるたわみとベイズファクターの値の経時変化を示す図である。たわみは連通管を用いて検出している。図15は、4月から翌年3月までの1年を年度単位とし、(グラフa)にはある期間のたわみの経時変化を示し、(グラフb)にはたわみのベイズファクターBの経時変化を示す。図15の(グラフb)における実線はベイズファクターBの異常判定の閾値を示し、この閾値を超えた場合に異常と判定される。基準年度の1年間の測定データを基に異常判定の閾値を定めている。
(Changes in the deflection and Bayes factor values of Bridge 4 over time)
Figure 15 shows the change over time in the deflection and Bayes Factor values of a bridge over a certain period of time. Deflection is detected using a connecting pipe. In Figure 15, one year from April to March of the following year is taken as one fiscal year, and (graph a) shows the change over time in deflection over a certain period, while (graph b) shows the change over time in the Bayes Factor B of deflection. The solid line in (graph b) of Figure 15 indicates the threshold for determining an abnormality in Bayes Factor B, and if this threshold is exceeded, it is determined to be abnormal. The threshold for determining an abnormality is determined based on measurement data for one year in the base fiscal year.

年間を通じて気温が変動するが、図15の(グラフa)に示すように、本実施形態による判定結果ではたわみ量が大きくなる時期(例えば第4年度の9月から翌年1月まで)に異常と判定されていることが分かる。また、第5年度以降は、明確に異常と判定されていることが分かる。 Although the temperature fluctuates throughout the year, as shown in (graph a) in Figure 15, the determination results according to this embodiment indicate that an abnormality occurs during the period when the amount of deflection increases (for example, from September of the fourth year to January of the following year). You can see that it has been judged. Furthermore, it can be seen that from the 5th year onwards, it is clearly determined to be abnormal.

(橋梁の2つの径間のベイズファクターの値の経時変化の比較)
図16は、橋梁の2つの径間のベイズファクターの値の経時変化の比較を示す図である。図16では、5月から翌年4月までの1年を年度単位としている。図16にデータを示す橋梁4は、図15にデータを示した橋梁4と同一である。
(Comparison of changes in Bayes factor values over time for two spans of a bridge)
Figure 16 is a diagram showing a comparison of the change over time in the Bayes factor values of two spans of a bridge. In Figure 16, the fiscal year is one year from May to April of the following year. Bridge 4 whose data is shown in Figure 16 is the same as Bridge 4 whose data is shown in Figure 15.

図16の(グラフa)及び(グラフb)では、同一の橋梁4の異なる2地点(損傷した第1径間と損傷が比較的少ない第2径間)における加速度の計測結果を基に異常判定の結果を算出している。図16では、基準年度の1年分の計測データを基に閾値を設定している。但し、図16の基準年度、第1年度、第2年度、第3年度は、図15とは異なるため、例えば図15の第1年度、図16の第1年度のように表記して区別する。 In (graph a) and (graph b) of Fig. 16, an abnormality is determined based on the acceleration measurement results at two different points of the same bridge 4 (the damaged first span and the second span with relatively little damage). The results are calculated. In FIG. 16, the threshold value is set based on one year's worth of measurement data, which is the base year. However, the base year, 1st year, 2nd year, and 3rd year in Figure 16 are different from those in Figure 15, so they are distinguished by notation, for example, 1st year in Figure 15 and 1st year in Figure 16. .

本実施形態による異常判定では、損傷した第1径間の異常を図16の第1年度の9月に検知しており、以後経年的な劣化を捉えることができている。一方、損傷が比較的少ない第2径間では、図16の第1径間に異常が検出された年度でも、一時的な異常値を除いて正常と判断されている。この第1径間の結果は、図15に示したたわみ量の変動が大きくなった時期(図15の第4年度、第5年度以降)と同じであることから、適切な異常値を判断できると考えられる。 In the abnormality judgment according to this embodiment, an abnormality in the damaged first span was detected in September of the first year in Figure 16, and deterioration over time was able to be detected thereafter. On the other hand, in the second span, which was relatively less damaged, it was judged to be normal except for temporary abnormal values, even in the year in which an abnormality was detected in the first span in Figure 16. This result for the first span is the same as the period when the fluctuation in the amount of deflection became large as shown in Figure 15 (from the fourth and fifth years in Figure 15), so it is believed that appropriate abnormal values can be judged.

(実施形態2の変形例)
本実施形態では、診断装置2は、橋梁4の係数行列Aまたは主成分行列A^を橋梁4の状態を表す特徴量とし、特徴量に基づくベイズファクターBまたはローカルベイズファクターBを用いて橋梁の異常診断を行うとした。しかしこれに限らず、構造物の各部位の1または複数の物理量を継続的に測定した時系列データから特徴量を抽出し、この特徴量に基づくベイズファクターを用いて構造物の異常診断を行ってもよい。物理量は、変位、速度、加速度、外力、歪み、温度などである。例えば橋梁4の温度を定点観測した時系列データのうちの所定期間のデータから抽出した特徴量に基づくベイズファクターを用いて構造物の異常診断を行ってもよい。
(Modification of Embodiment 2)
In this embodiment, the diagnostic device 2 uses the coefficient matrix A or the principal component matrix A^ of the bridge 4 as a feature amount representing the state of the bridge 4, and uses the Bayes factor B or the local Bayes factor Bj based on the feature amount to evaluate the bridge condition. The aim is to diagnose abnormalities. However, this is not limited to this, and features can be extracted from time-series data obtained by continuously measuring one or more physical quantities of each part of a structure, and a Bayes factor based on this feature can be used to diagnose abnormalities in a structure. It's okay. Physical quantities include displacement, velocity, acceleration, external force, strain, and temperature. For example, abnormality diagnosis of the structure may be performed using a Bayes factor based on a feature quantity extracted from data for a predetermined period of time series data obtained by observing the temperature of the bridge 4 at a fixed point.

また、診断部は、橋梁4に対する点検作業者による実地点検の結果を用いてベイズファクターを補正し、補正したベイズファクターに基づいて橋梁4の状態の診断を行ってもよい。例えば、ある特徴量のベイズファクターに基づいて異常と判断されたが、実地点検を行った結果、異常なしであった場合に、以後、同じ特徴量で異常と判断されないようにベイズファクターが補正される。あるいは、実地点検を行った結果、異常があった場合に、この異常が検出された部位の近傍に設置されたセンサに基づくベイズファクターを参照して、閾値が設定または補正されてもよい。 The diagnosis unit may also correct the Bayes factor using the results of an on-site inspection of the bridge 4 by an inspector, and diagnose the condition of the bridge 4 based on the corrected Bayes factor. For example, if an abnormality is determined based on the Bayes factor of a certain feature, but no abnormality is found as a result of an on-site inspection, the Bayes factor is corrected so that the same feature is not subsequently determined to be abnormal. Alternatively, if an abnormality is found as a result of an on-site inspection, the threshold may be set or corrected by referring to the Bayes factor based on a sensor installed near the location where the abnormality was detected.

(実施形態2の効果)
実施形態2では、各時間領域での構造物の観測データの時系列から算出される健全状態と異常状態の確率の比であるベイズファクターと、高度な専門知識を持つ点検技術者が過去に異常とした損傷状態から設定された閾値とに基づいて、構造物の状態診断を行う。よって、高度な専門知識を持たない者であっても、数値解析などの高コスト処理を必要とせず、定量的な評価指標を用いて、高度な専門知識を持つ点検技術者と同等に、構造物の健全性評価を高精度に行うことができる。
(Effects of Embodiment 2)
In Embodiment 2, the Bayes factor, which is the ratio of the probability of a healthy state to an abnormal state calculated from the time series of observation data of a structure in each time domain, and an inspection engineer with highly specialized knowledge The state of the structure is diagnosed based on the threshold value set based on the damaged state. Therefore, even those without highly specialized knowledge can use quantitative evaluation indicators to assess structural integrity in the same way as inspection engineers with highly specialized knowledge, without the need for high-cost processing such as numerical analysis. It is possible to evaluate the health of objects with high precision.

<実施形態3>
実施形態3では、実施形態1または2において、橋梁4の状態を表す特徴量である係数行列Aをベイズ推定を用いて逐次学習することで、橋梁4の異常検知精度の向上を図る。係数行列Aの逐次学習は、センサノード1(例えば特徴量生成部113)が行っても、診断装置2(例えば診断部212)が行ってもよい。なお、係数行列Aに代え、主成分行列A^でも同様の処理を行っても、同様の効果が得られる。
<Embodiment 3>
In Embodiment 3, in Embodiment 1 or 2, the coefficient matrix A, which is a feature amount representing the state of bridge 4, is sequentially learned using Bayesian estimation, thereby improving the accuracy of detecting abnormalities in bridge 4. The sequential learning of the coefficient matrix A may be performed by the sensor node 1 (for example, the feature value generation unit 113) or by the diagnostic device 2 (for example, the diagnosis unit 212). Note that the same effect can be obtained even if the same processing is performed on the principal component matrix A^ instead of the coefficient matrix A.

図17は、実施形態3の診断システムSにおける係数行列Aの逐次更新の説明図である。図17では、センサ3で検知した加速度を縦軸に示し、時刻を横軸としている。図17に示す時間iにおける係数行列Aの事後確率p(A,Σ|Y)は、下記式(15-1)のように、ベイズ推定を用いて求められる。ただし、時間iにおける事前確率p(A,Σ)は、下記式(15-2)に示すように、時間(i-1)における事後確率p(A,Σ|Y)i-1である。下記式(15-1)および式(15-2)のiをi+1に置き換えることで、同様にして、時間(i+1)における係数行列Aの事後確率p(A,Σ|Y)i+1が求められる。 FIG. 17 is an explanatory diagram of sequential updating of the coefficient matrix A in the diagnostic system S of the third embodiment. In FIG. 17, the acceleration detected by the sensor 3 is shown on the vertical axis, and the time is shown on the horizontal axis. The posterior probability p(A,Σ|Y) i of the coefficient matrix A at time i shown in FIG. 17 is obtained using Bayesian estimation as shown in the following formula (15-1). However, the prior probability p(A,Σ) i at time i is the posterior probability p(A,Σ|Y) i-1 at time (i-1) as shown in the following formula (15-2). By replacing i with i+1 in the following formulas (15-1) and (15-2), the posterior probability p(A,Σ|Y) i+1 of the coefficient matrix A at time (i+1) can be obtained in the same manner.

Figure 2024045515000016
Figure 2024045515000016

(実施形態3の効果)
図18は、実施形態3の診断システムにおける係数行列の逐次更新による係数行列の確率分布の収束を示す図である。図18では、横軸を特徴量(例えば係数行列A)の要素が取りうる値とし、縦軸を要素の各値における事後確率としている。実施形態3では、係数行列Aの確率分布を逐次学習することで、図18に示すように、確率分布の平均値が真値へ近づき分散が小さくなる方向へ収束(図18に示す確率分布が細線から破線そして太線へと収束)していくので、係数行列Aが構造物の状態をより高精度に表すようになる。そして、診断部212は、逐次学習後の係数行列Aまたは主成分行列A^を特徴量として用いて構造物の状態を診断する。よって、構造物の状態の異常推定の高精度化を図ることができる。係数行列Aは、構造物の振動データの種々の特徴を含んだ特徴量であるため、固有振動数などを用いて異常判定を行う従来技術よりも、より微細な構造物の状態変化を捉えて異常判定を行うことが可能になる。
(Effects of the Third Embodiment)
FIG. 18 is a diagram showing the convergence of the probability distribution of the coefficient matrix by sequentially updating the coefficient matrix in the diagnosis system of the third embodiment. In FIG. 18, the horizontal axis represents the values that the elements of the feature (for example, the coefficient matrix A) can take, and the vertical axis represents the posterior probability at each value of the element. In the third embodiment, by sequentially learning the probability distribution of the coefficient matrix A, as shown in FIG. 18, the average value of the probability distribution approaches the true value and converges in a direction in which the variance becomes smaller (the probability distribution shown in FIG. 18 converges from the thin line to the dashed line and then to the thick line), so that the coefficient matrix A represents the state of the structure with higher accuracy. Then, the diagnosis unit 212 diagnoses the state of the structure using the coefficient matrix A or the principal component matrix A^ after the sequential learning as a feature. Therefore, it is possible to improve the accuracy of the abnormality estimation of the state of the structure. Since the coefficient matrix A is a feature including various features of the vibration data of the structure, it is possible to capture a more minute change in the state of the structure and perform an abnormality determination than the conventional technology that performs an abnormality determination using the natural frequency or the like.

(その他の実施形態)
上述した実施形態では、診断システムSは、センサノード1と、診断装置2とを有するものとして説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、診断システムSは、診断装置2を有さずに構成されてもよい。かかる場合、診断システムSは、取得部と、自己回帰モデル生成部と、特徴量生成部と、診断部とを有するセンサノード1を含んで構成される。すなわち、センサノード1は、構造物に取り付けられたセンサからセンサ情報を時系列で取得する取得部と、取得部によって或る時刻において取得されたセンサ情報を、或る時刻以前において取得されたセンサ情報の時系列の線形結合で表現する自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成部と、自己回帰モデルの回帰係数に基づいて、或る時刻における構造物の状態を示す特徴量を生成する特徴量生成部と、構造物に関する情報の時系列から生成された該構造物の状態を示す特徴量について、構造物が健全状態であると仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第1の周辺尤度と、構造物が健全状態でないと仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第2の周辺尤度と、の比率である評価指標を算出し、評価指標に基づいて構造物の状態を診断する診断部とを有する。
(Other embodiments)
In the embodiment described above, the diagnostic system S was described as having the sensor node 1 and the diagnostic device 2, but the embodiment is not limited to this. For example, the diagnostic system S may be configured without the diagnostic device 2. In such a case, the diagnostic system S includes a sensor node 1 having an acquisition section, an autoregressive model generation section, a feature amount generation section, and a diagnosis section. That is, the sensor node 1 includes an acquisition unit that acquires sensor information in time series from sensors attached to a structure, and a sensor information acquired at a certain time by the acquisition unit and a sensor information acquired before a certain time. An autoregressive model generator that generates an autoregressive model expressed as a linear combination of time series information, and a feature that generates a feature that indicates the state of a structure at a certain time based on the regression coefficient of the autoregressive model. a generation unit, and a first periphery representing a probability distribution of the feature amount indicative of the state of the structure generated from the time series of information regarding the structure, assuming that the structure is in a healthy state. An evaluation index, which is the ratio between the likelihood and a second marginal likelihood representing the probability distribution of the feature amount assuming that the structure is not in a healthy state, is calculated, and the state of the structure is determined based on the evaluation index. It has a diagnostic section that diagnoses.

上述した実施形態では、自己回帰モデルの回帰係数に基づいて、或る時刻における構造物の状態を示す特徴量を生成する場合について説明したが実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、自己回帰モデルの回帰係数以外から、構造物の状態を示す特徴量を生成してもよい。 In the embodiment described above, a case has been described in which a feature value indicating the state of a structure at a certain time is generated based on the regression coefficient of an autoregressive model, but the embodiment is not limited to this. For example, the feature quantity indicating the state of the structure may be generated from other than the regression coefficient of the autoregressive model.

(センサノード1の実装例)
図19は、実施形態のセンサノード1として用いるセンサノード端末1Bの構成を示すブロック図である。センサノード1として実装するセンサノード端末1Bは、センサノード1(図2)の構成と比較して、加速度センサ15をさらに有する。このようなセンサノード端末1Bでは、所定のアプリケーションを実行することでセンサノード1及びセンサ3と同様の機能を発揮する。すなわちセンサノード端末1Bは、センサ3と同様に橋梁4に設置され、取得した加速度データから橋梁4の特徴量を生成し、診断装置2へ送信する。
(Example of sensor node 1 implementation)
19 is a block diagram showing the configuration of a sensor node terminal 1B used as the sensor node 1 of the embodiment. The sensor node terminal 1B implemented as the sensor node 1 further includes an acceleration sensor 15, in comparison with the configuration of the sensor node 1 (FIG. 2). Such a sensor node terminal 1B exerts the same functions as the sensor node 1 and the sensor 3 by executing a predetermined application. That is, the sensor node terminal 1B is installed on the bridge 4 in the same way as the sensor 3, generates feature quantities of the bridge 4 from the acquired acceleration data, and transmits them to the diagnostic device 2.

診断装置2は、例えばクラウドサーバ上に構築されて、クラウドサービスとして、特徴量に基づく診断結果を提供する。診断装置2は、センサノード端末1Bまたはその他の端末装置へ診断結果を送信する。ユーザは、センサノード端末1Bまたはその他の端末装置の画面出力を見て診断結果を確認する。 The diagnostic device 2 is constructed, for example, on a cloud server, and provides diagnostic results based on the features as a cloud service. The diagnostic device 2 transmits the diagnostic results to the sensor node terminal 1B or other terminal device. The user checks the diagnostic results by viewing the screen output of the sensor node terminal 1B or other terminal device.

また複数のセンサノード端末1Bが、複数のセンサノード1として実装され、センサ3と同様に橋梁4の複数箇所に設置されてもよい。この場合、複数のセンサノード端末1Bを代表する1つのセンサノード端末1Bの単独処理または所定数のセンサノード1の協調処理によって、複数のセンサノード端末1Bの全てによって取得された加速度データから橋梁4の特徴量が生成され、診断装置2へ送信される。 In addition, multiple sensor node terminals 1B may be implemented as multiple sensor nodes 1 and installed at multiple locations on the bridge 4, similar to the sensors 3. In this case, a feature of the bridge 4 is generated from the acceleration data acquired by all of the multiple sensor node terminals 1B by independent processing of one sensor node terminal 1B representing the multiple sensor node terminals 1B or by cooperative processing of a predetermined number of sensor nodes 1, and is transmitted to the diagnostic device 2.

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の構成について、追加、削除、置換、統合、または分散をすることが可能である。また実施形態で示した構成および処理は、処理または実装の効率に基づいて適宜分散、統合、または入れ替えることが可能である。上述の実施形態で説明した診断システムの各処理を実行するプログラムは、記録媒体あるいは伝送媒体を介して1または複数のコンピュータにインストールされる、もしくは組み込みプログラムとして提供される。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and the configurations of each embodiment can be added, deleted, replaced, integrated, or distributed. Furthermore, the configurations and processes shown in the embodiments can be distributed, integrated, or replaced as appropriate based on processing or implementation efficiency. A program that executes each process of the diagnostic system described in the above embodiments is installed in one or more computers via a recording medium or a transmission medium, or is provided as an embedded program.

S:診断システム、1:センサノード、2:診断装置、3:センサ、4:橋梁、111:センサ情報取得部、112:自己回帰モデル生成部、113:特徴量生成部、114:特徴量送信部、131:センサ情報、211:特徴量受信部:212:診断部、231:特徴量、232:基準評価指標
S: diagnostic system, 1: sensor node, 2: diagnostic device, 3: sensor, 4: bridge, 111: sensor information acquisition unit, 112: autoregressive model generation unit, 113: feature generation unit, 114: feature transmission unit, 131: sensor information, 211: feature reception unit, 212: diagnostic unit, 231: feature, 232: reference evaluation index

Claims (9)

構造物に関する情報の時系列から生成された該構造物の状態を示す特徴量について、前記構造物が健全状態であると仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第1の周辺尤度と、前記構造物が前記健全状態でないと仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第2の周辺尤度と、の比率である評価指標を算出し、前記評価指標に基づいて前記構造物の状態を診断する診断部と、
前記構造物に取り付けられた複数のセンサからセンサ情報を時系列で取得する取得部と、
前記取得部によって或る時刻において取得された前記センサ情報を、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報の時系列の線形結合で表現する自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成部と、
前記自己回帰モデルの回帰係数に基づいて、前記或る時刻における前記構造物の状態を示す前記特徴量を生成する特徴量生成部と、
前記取得部と、前記自己回帰モデル生成部と、前記特徴量生成部と、前記特徴量生成部によって生成された前記特徴量を前記診断部へ送信する送信部と、を含んで構成されるセンサノードと、を有し、
時系列の各時刻において複数の前記センサから取得された前記センサ情報は、前記センサの数を次数とする各時刻におけるセンサ情報ベクトルであり、
前記自己回帰モデルは、前記取得部によって前記或る時刻において取得された前記センサ情報ベクトルを、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報ベクトルの時系列の線形結合で表現するものであり、
前記回帰係数は、前記自己回帰モデルにおいて線形結合された前記センサ情報ベクトルの時系列のそれぞれに乗じられている行列であり、
前記特徴量は、前記行列を結合した係数行列に基づく情報である
ことを特徴とする構造物診断システム。
A first marginal likelihood representing a probability distribution of the feature when the structure is assumed to be in a healthy state, with respect to a feature indicating the state of the structure generated from a time series of information regarding the structure. , and a second marginal likelihood representing the probability distribution of the feature amount when it is assumed that the structure is not in a healthy state, and based on the evaluation index, calculate the evaluation index of the structure. A diagnostic section that diagnoses the condition;
an acquisition unit that acquires sensor information in time series from a plurality of sensors attached to the structure;
an autoregressive model generation unit that generates an autoregressive model that expresses the sensor information acquired at a certain time by the acquisition unit as a linear combination of time series of the sensor information acquired before the certain time;
a feature amount generation unit that generates the feature amount indicating the state of the structure at the certain time based on the regression coefficient of the autoregressive model;
A sensor configured to include the acquisition section, the autoregressive model generation section, the feature amount generation section, and a transmission section that transmits the feature amount generated by the feature amount generation section to the diagnosis section. has a node;
The sensor information acquired from the plurality of sensors at each time in the time series is a sensor information vector at each time whose order is the number of the sensors,
The autoregressive model expresses the sensor information vector acquired by the acquisition unit at the certain time as a time-series linear combination of the sensor information vectors acquired before the certain time,
The regression coefficient is a matrix that is multiplied by each time series of the linearly combined sensor information vectors in the autoregressive model,
The structure diagnosis system, wherein the feature amount is information based on a coefficient matrix that is a combination of the matrices.
前記特徴量生成部は、前記特徴量として、前記係数行列の特異値分解に基づいて前記係数行列の主成分行列を生成する
ことを特徴とする請求項1に記載の構造物診断システム。
The structure diagnosis system according to claim 1, wherein the feature amount generation unit generates, as the feature amount, a principal component matrix of the coefficient matrix based on singular value decomposition of the coefficient matrix.
前記特徴量生成部は、
前回生成の前記特徴量の確率分布を事前分布とするベイズ推定によって求まる事後分布を今回生成の前記特徴量の確率分布とする処理を繰り返す逐次学習によって前記特徴量を生成する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の構造物診断システム。
The feature value generation unit is
A claim characterized in that the feature quantity is generated by sequential learning that repeats a process in which a posterior distribution obtained by Bayesian estimation using a probability distribution of the previously generated feature quantity as a prior distribution is used as a probability distribution of the currently generated feature quantity. Item 2. Structure diagnosis system according to item 1 or 2.
前記特徴量は、該特徴量の観測点における前記構造物の変位、速度、加速度、質量、剛性、および減衰係数の情報のうちの少なくとも一つを含んだことを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の構造物診断システム。 Claims 1 to 3, wherein the feature amount includes at least one of information on displacement, velocity, acceleration, mass, stiffness, and damping coefficient of the structure at an observation point of the feature amount. The structure diagnosis system according to any one of the above. 前記診断部は、前記構造物に対する実地点検による点検結果を用いて前記評価指標を補正し、該補正した前記評価指標に基づいて前記構造物の状態を診断する
ことを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の構造物診断システム。
The structure diagnosis system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the diagnosis unit corrects the evaluation index using inspection results from an on-site inspection of the structure, and diagnoses the condition of the structure based on the corrected evaluation index.
前記診断部は、前記評価指標と閾値との比較に基づいて前記構造物の状態を診断し、
前記閾値は、前記構造物の過去の所定期間の複数の計測データの平均及び分散に基づいて決定されたものである
ことを特徴とする請求項1~5の何れか1項に記載の構造物診断システム。
The diagnosis unit diagnoses a state of the structure based on a comparison between the evaluation index and a threshold value;
The structure diagnosis system according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the threshold value is determined based on the average and variance of multiple measurement data of the structure over a predetermined period of time in the past.
前記閾値は、前記平均及び前記分散に基づいて複数決定され、
前記診断部は、前記評価指標と複数の前記閾値に基づく範囲との比較に基づいて前記構造物の状態を診断する
ことを特徴とする請求項6に記載の構造物診断システム。
A plurality of the threshold values are determined based on the average and the variance,
The structure diagnosis system according to claim 6, wherein the diagnosis unit diagnoses the state of the structure based on a comparison between the evaluation index and a range based on the plurality of threshold values.
構造物診断システムが実行する構造物診断方法であって、
前記構造物診断システムは、
取得部と、自己回帰モデル生成部と、特徴量生成部と、送信部と、診断部と、を含んで構成されるセンサノードを有し、
前記取得部が、構造物に取り付けられた複数のセンサからセンサ情報を時系列で取得し、
前記自己回帰モデル生成部が、前記取得部によって或る時刻において取得された前記センサ情報を、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報の時系列の線形結合で表現する自己回帰モデルを生成し、
前記特徴量生成部が、前記自己回帰モデルの回帰係数に基づいて、前記或る時刻における前記構造物の状態を示す特徴量を生成し、
前記送信部が、前記特徴量生成部によって生成された前記特徴量を前記診断部へ送信し、
前記診断部が、前記特徴量について、前記構造物が健全状態であると仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第1の周辺尤度と、前記構造物が前記健全状態でないと仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第2の周辺尤度と、の比率である評価指標を算出し、前記評価指標に基づいて前記構造物の状態を診断する
各処理を有し、
時系列の各時刻において複数の前記センサから取得された前記センサ情報は、前記センサの数を次数とする各時刻におけるセンサ情報ベクトルであり、
前記自己回帰モデルは、前記取得部によって前記或る時刻において取得された前記センサ情報ベクトルを、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報ベクトルの時系列の線形結合で表現するものであり、
前記回帰係数は、前記自己回帰モデルにおいて線形結合された前記センサ情報ベクトルの時系列のそれぞれに乗じられている行列であり、
前記特徴量は、前記行列を結合した係数行列に基づく情報である
ことを特徴とする構造物診断方法。
A structure diagnosis method executed by a structure diagnosis system, comprising:
The structure diagnosis system includes:
A sensor node including an acquisition unit, an autoregressive model generation unit, a feature generation unit, a transmission unit, and a diagnosis unit,
The acquisition unit acquires sensor information in time series from a plurality of sensors attached to a structure,
The autoregressive model generation unit generates an autoregressive model that expresses the sensor information acquired at a certain time by the acquisition unit as a linear combination of time series of the sensor information acquired before the certain time. death,
The feature amount generation unit generates a feature amount indicating the state of the structure at the certain time based on the regression coefficient of the autoregressive model,
The transmitting unit transmits the feature amount generated by the feature amount generating unit to the diagnostic unit,
The diagnosis unit calculates, for the feature amount, a first marginal likelihood representing a probability distribution of the feature amount when the structure is assumed to be in a healthy state, and a first marginal likelihood representing a probability distribution of the feature amount when it is assumed that the structure is not in the healthy state. and a second marginal likelihood representing the probability distribution of the feature amount in the case, and diagnosing the state of the structure based on the evaluation index,
The sensor information acquired from the plurality of sensors at each time in the time series is a sensor information vector at each time whose order is the number of the sensors,
The autoregressive model expresses the sensor information vector acquired at the certain time by the acquisition unit as a time-series linear combination of the sensor information vectors acquired before the certain time,
The regression coefficient is a matrix that is multiplied by each time series of the linearly combined sensor information vectors in the autoregressive model,
A structure diagnosis method, wherein the feature amount is information based on a coefficient matrix that is a combination of the matrices.
コンピュータを、
構造物に関する情報の時系列から生成された該構造物の状態を示す特徴量について、前記構造物が健全状態であると仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第1の周辺尤度と、前記構造物が前記健全状態でないと仮定した場合における該特徴量の確率分布を表す第2の周辺尤度と、の比率である評価指標を算出し、前記評価指標に基づいて前記構造物の状態を診断する診断部、
前記構造物に取り付けられた複数のセンサからセンサ情報を時系列で取得する取得部、
前記取得部によって或る時刻において取得された前記センサ情報を、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報の時系列の線形結合で表現する自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成部、
前記自己回帰モデルの回帰係数に基づいて、前記或る時刻における前記構造物の状態を示す前記特徴量を生成する特徴量生成部、
前記取得部と、前記自己回帰モデル生成部と、前記特徴量生成部と、前記特徴量生成部によって生成された前記特徴量を前記診断部へ送信する送信部と、を含んで構成されるセンサノード
として機能させるための構造物診断プログラムであり、
時系列の各時刻において複数の前記センサから取得された前記センサ情報は、前記センサの数を次数とする各時刻におけるセンサ情報ベクトルであり、
前記自己回帰モデルは、前記取得部によって前記或る時刻において取得された前記センサ情報ベクトルを、該或る時刻以前において取得された前記センサ情報ベクトルの時系列の線形結合で表現するものであり、
前記回帰係数は、前記自己回帰モデルにおいて線形結合された前記センサ情報ベクトルの時系列のそれぞれに乗じられている行列であり、
前記特徴量は、前記行列を結合した係数行列に基づく情報である
ことを特徴とする構造物診断プログラム。
Computer,
a diagnosis unit that calculates an evaluation index, which is a ratio between a first marginal likelihood representing a probability distribution of a feature quantity indicating a state of a structure, generated from a time series of information about the structure, when it is assumed that the structure is in a healthy state, and a second marginal likelihood representing a probability distribution of the feature quantity when it is assumed that the structure is not in the healthy state, and diagnoses the state of the structure based on the evaluation index;
an acquisition unit that acquires sensor information in time series from a plurality of sensors attached to the structure;
an autoregressive model generation unit that generates an autoregressive model that expresses the sensor information acquired by the acquisition unit at a certain time as a linear combination of a time series of the sensor information acquired before the certain time;
a feature generating unit that generates the feature indicating a state of the structure at the certain time based on a regression coefficient of the autoregressive model;
a sensor node including the acquisition unit, the autoregressive model generation unit, the feature generation unit, and a transmission unit that transmits the feature generated by the feature generation unit to the diagnosis unit,
The sensor information acquired from the plurality of sensors at each time point in the time series is a sensor information vector at each time point, the vector having an order equal to the number of the sensors;
the autoregressive model expresses the sensor information vector acquired by the acquisition unit at the certain time as a linear combination of a time series of the sensor information vector acquired before the certain time,
the regression coefficient is a matrix multiplied by each of the time series of the sensor information vectors linearly combined in the autoregressive model;
the feature amount is information based on a coefficient matrix obtained by combining the matrices.
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