3次元CADデータと多点計測技術を活した中構造物の動態監視

於グランドアーク半蔵⾨、2015.11.12
研究助成報告会
愛媛⼤学
中畑和之
3次元CADデータと多点計測技術を活⽤した
中⼩構造物の動態監視に関する研究
研究背景
社会インフラの経年劣化が社会問題となっており，
特に我が国に70万以上あるといわれている橋梁の安全性をどのように
担保するのかが喫緊の課題である
中⼩の橋梁は近接⽬視検査が義務化．しかし，それで⼗分か︖
膨⼤な数の中⼩橋梁に対する効率的なメンテナンス技術とは︖
必要となる要素
・定量的な検査
・健全度のオンサイト判断
（即時検査）
・ポータブル性と操作性
動的挙動から評価
（振動・波動）
研究⽬的
振動・波動データを効率よく収集・制御する無線計測システムと
動態挙動の3次元可視化技術の構築．
可視化結果から，損傷を同定する技術の開発.
H25年度
(1) 計測ノードの作成
(2) 3D-CADデータ上への
計測データのマッピング
(3) 実橋における計測
H26年度
(4) マルチフィジックス
センサの搭載
(5) 様々なフィールドにおける
3次元可視化の有効性の検証
(1) 計測ノードの作成
無線計測ノード
MEMS 3軸
加速度センサ
センサノード
無線センサノード
センサノード
加速度を電圧信号へ
無線計測ノード
A/D変換を⾏う
無線通信でデータ転送する
モバイルPC (基地局)
加速度から変位を算出
計測データの記録
基地局PC
16基の無線センサノード
を対象橋梁の床版に設置
データを無線通信で計測
圧電型⾼感度センサを併⽤する場合
基本は安価な
MEMSセンサを⽤いるが
感度が⾜りない場合等は
圧電型センサで補⾜
JACIC殿の研究助成⾦で
8個購⼊．
（定電流電源装置も8個）
基地局PC
データを無線通信で計測
(2) 3D-CADデータ上への計測データのマッピング
１
3
5
7
9
11
13
15
2
4
6
8
10
12
14
16
圧電型⾼感度センサ
MEMSセンサ
※16基のセンサモジュール各3軸⽅向の加速度48波形を同時計測
サンプリング周波数︓1000Hz
デジタルフィルター︓2-400Hz
計測時間︓60sec
計測加速度
・中央で跳躍（曲げ1, 3次モード）
・中央からずれて跳躍3/4の位置（曲げ2次モード）
・⾼欄を１Hzで揺らす（ねじりモード）
実験結果（藤原町歩道橋）
雄郡横断歩道橋（松⼭市藤原町）
昭和51年完成
上部構造︓I型の桁橋
下部構造︓鋼製円柱橋脚
基礎︓直接基礎
z
y
x
⊿L=3.62
[m]
１
3
5
7
9
11
13
15
2
4
6
8
10
12
14
16
H=1.21
L=25.3
16点で得られた変形データをCAD上にマッピング．
衝撃による橋梁床版の挙動を3次元にリアルタイム可視化
⾼覧の⽚側を揺する
ノードの波形例
5
１
3
5
7
9
11
13
15
14
16
中央での跳躍
4
6
8
10
12
変位[mm]
2
跳躍位置に近いノードでは
変位が⼤きく，着地時に最⼤振幅となり，
その後減衰していく様⼦が確認できる．
時間[sec]
7
z⽅向の加速度のパワースペクトル
１
3
5
7
9
11
13
15
2
4
6
8
10
12
14
16
卓越する振動数に対して狭帯域のバンドパスフィルタを作⽤させ３次元可視化
3.49 ‐ 3.51 ‐ 3.56[Hz]
4.80 – 4.90 – 5.30[Hz]
曲げ1次モード
11.20 – 11.26 – 11.36[Hz]
曲げ2次モード
ねじり1次モード
13.96 – 14.35 – 14.67[Hz]
ねじり2次モード
21.84 – 21.87 – 21.93[Hz]
曲げ3次モード
(3) 実橋における計測
松⼭市で計測した歩道橋⼀覧
0
9
10
１
2
5
3
4
6
7
8
対象歩道橋の選定
・松⼭市中⼼部に位置する国道・市道
・構造が似ている（階段の設置状況）
・ただし，スパンに違いがある
対象とする歩道橋⼀覧
H25年度のまとめ
無線センサネットワークを構築し，橋梁の振動計測を⾏う
システムを開発した．基本はMEMSセンサだが，圧電型⾼
感度センサを部分的に取り⼊れるようにした．
加速度データから変位データに変換し，3D‐CADにマッピン
グすることで，橋梁の振動を３次元可視化する技術を開発
した．
実橋(歩道橋）によってフィージビリティチェックを⾏った．
1橋梁あたり1時間程度の計測時間であった．
(4) マルチフィジックスセンサの搭載
定常ノイズ
・加速度センサの種類
MEMS加速度センサ
ICP加速度センサ
アンプ内蔵型
⾼感度加速度センサ
定常ノイズでは精度に差があるように⾒えるが
変位に変換するとMEMSセンサも⼗分な精度を
有していることがわかる．
加速度
3Hz100gal
変位
MEMSセンサは安価で低電⼒であるから，できれば多点で使⽤したい．
しかし，MEMSのノイズは道路橋の振動を測るのには無視できないレベル．
マルチフィジックスセンサ（様々な種類のセンサ）を⽤いた
MEMS加速度計測の⾼度化を考える．
(1) MEMSセンサのデータ校正
相補フィルタ（カルマンフィルタ）を
導⼊したノイズ除去
(2)ジャイロセンサを利⽤したデータ結合
異種センサからのデータも加法的に結合す
ることによって多点間のデータを補間
（現在，研究中です）
センサ・
フュージョンの
構築
カルマンフィルタによる状態量推定
測定値
ノイズ
状態=本当の加速度
計測値
計測値
状態
推定値
推定値
カルマンフィルタ
尤度上昇
次の状態の予測
状態空間モデル
現在の状態
相補フィルタ
圧電型⾼感度センサを校正⽤として⽤いる
新しいノイズ除去法
x
＋
－
カルマン
フィルタ
になるような
フィルタ設計
渡り廊下の振動実験
y
275
275
x
5150
２
5150
5150
４
６
手摺
８
1150
３
５
手摺
７
1150
650
650
１
8000
工学部 1 号館
工学部本館
16000
無線センサノード設置点
加振点
概要
センサモジュール8セット(圧電＋MEMS)
各3軸⽅向の加速度48波形を同時取得
• サンプリング周波数︓1kHz
• ローパスフィルタ︓100Hz
• 約12kgのおもりを渡り廊下中央で落下
加振位置付近
（ノード6，z⽅向）
1.0×10 0
1.0×10 -2
1.0×10 -4
パワースペクトル
1.0×10 -6
1.0×10 -8
1.0×10 -10
0
10
20
7.5Hz
30
40
50
渡り廊下端
（ノード7，z⽅向）
1.0×10 0
1.0×10 -2
ノイズが取り除かれ卓越する
振動成分がはっきり表れる
特にノード7においては，ノ
イズに埋もれていた卓越周波
数が読み取ることができる
卓越周波数を確認
1.0×10 -4
1.0×10 -6
1.0×10 -8
1.0×10 -10
0
10
20
30
周波数(Hz)
40
50
原波形
相補フィルタ
(5)様々なフィールドにおける3次元可視化の有効性の検証
振動による損傷の検出は，難しそう．
⼩さな損傷では，固有振動数の低次モードに変化が現れない．
波動の可視化はできないか︖
桁を伝搬する
B
A
波動計測時の注意点
・サンプリングレート
・各ノードの時刻同期の精度
たとえば6m離れた位置A,Bで計測すると
B
250
250
200
200
150
150
100
100
[gal]
[gal]
A
50
0
初動部を拡⼤
50
0
‐50
‐50
‐100
‐100
‐150
‐150
‐200
‐200
A
‐250
0
0.002
0.004
0.006
[s]
0.008
0.01
B
‐250
0
0.002
0.004
0.006
[s]
確かに到達時間が遅れている．波動として計測可能︕
0.008
0.01
I型⾦属部材の計測実験
⾼感度センサ
材質(Aluminum)
cL=6.3km/s
cT=3.1km/s
ρ=2700kg/m3
AD変換ボード
ナショナルインスツルメンツ
NI-9234
ハンマー加振
センサ出⼒を記録する．
ノートPCで計測制御．
インターフェースはLabVIEWを使⽤．
ワイヤレス通信
加振点A
加振点B
加振点 A 加振点 B
250
受信センサ 128 点（10mm おき）
y
10
x
130
y
加振点C
加振点
C
57
z
57
x
z
10
10
2000
[mm]
振動に⽐べると2桁⾼い
20
1.2
15
1.0
正規化スペクトル
振幅 (mm)
10
5
0
-5
-10
0.6
0.4
0.2
-15
-20
0.0000
0.8
0.0005
0.0010
0.0015
時間 (sec)
0.0020
0.0025
0.0030
0.0
0
1250
2500
3750
5000
周波数 (Hz)
6250
7500
8750
10000
250
計測列 3 計測列 2 計測列 1
計測列 1,2,3
受信センサ 128 点（10mm おき）
y
y
x
計測列 8
計測列 7
計測列 4
計測列 4
z
計測列 5
x
z
計測列 6
可視化領域
計測列 5,6,7,8
2000
0.5msec
1.0msec
1.5msec
2.0msec
2.5msec
3.0msec
3.5msec
4.0msec
H26年度のまとめ
• センサフュージョンの検討を⾏った．
通常のMEMSではノイズに埋もれて確認することができない
固有振動数を，相補フィルタによって読み取ることができた．
• 3次元可視化を“波動”に応⽤した．
振動よりも周波数が２桁⼤きいので，サンプリング数や
時刻同期に注意する必要がある．波動の⽅が周波数が⾼く，
⽋陥や損傷に対して検出感度が期待できる．
損傷箇所のスクリーニング検査には振動を，損傷同定には波動
というふうに2段階（あるいはマルチステップ）の検査法を検討中．
全体を振り返って
H25年度
⾃⼰評価
(1) 計測ノードの作成
(2) 3D-CADデータ上への計測デー
タのマッピング
(3) 実橋における計測
H26年度
(5) マルチフィジックスセンサ
の搭載
(6) 様々なフィールドにおける
3次元可視化の有効性の検証
今後の展望
ジャイロセンサ等を活⽤したより⾼度なセンサフュージョンの実施．
振動・波動の可視化を応⽤した⽋陥同定法の開発
道路橋でフィージビリティチェック

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