堤防やのり面におけるAIを用いた防災用光ファイバ計測

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05023
• Research Institution: Muroran Institute of Technology
• Principal Investigator: 佐藤 信也 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (00300963)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 防災センサ / 橋梁振動 / レーザ変位計 / ニューラルネットワーク / AI

Outline of Annual Research Achievements

台風による土砂災害や堤防が決壊し多数の河川で氾濫が起こる等、日本は全国的に河川構造物や道路のり面及び斜面の変状に伴う多くの災害が発生している。また地震による大規模な土砂崩れによって多くの人命が奪われている。また、高速道路や鉄道のトンネル等の崩落事故も教訓に、土木・建築分野における構造物の管理の高度化による安心、安全な暮らしの実現が求められ、光ファイバセンサによる線的及び面的な歪み計測が着目されており、多くの技術開発がなされてきた。
これら防災用光ファイバセンサシステムは、光ファイバ自体をセンサとして使用しなおかつそれが低損失な信号伝送路を兼ねるため、システムをシンプルに構成できるという特徴を持つ。またガラスでできた光ファイバは金属ケーブルよりも遙かに軽量であるため、道路などが整備されていない場所に設置する際にも資材搬入等における労力が軽減され、容易に設置ができるという利点がある。
本年度は、本研究のメインテーマであるAI活用のための学習データをより多く収集する目的で、レーザ変位計を用いて橋梁のたわみを測定するシステムを作成し実験を行った。橋桁の上下動の測定を行うためには、橋の真下にレーザ変位計を設置する必要がある。しかし、橋が跨ぐ河川や道路等があるため下方からの測定は実際には困難である。そこで、測定したい橋桁に対してレーザ変位計を水平に設置して測定が出来るように、レーザが当たる散乱板の形状に工夫を行い垂直方向からの測定とほとんど変わらない精度と分解能でで測定が出来ることを確認し、データの収集を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、ニューラルネットワークを使用した防災用センサの応用技術の一つのアプローチとして、レーザ変位計による橋梁振動の測定の実験を行った。橋桁の上下動の測定を行うためには、橋の真下にレーザ変位計を設置する必要がある。しかし、橋が跨ぐ河川や道路等があるため下方からの測定は実際には困難である。そこで、測定したい橋桁に対してレーザ変位計を水平に設置して測定が出来るように、レーザが当たる散乱板の形状に工夫を行った。
実験室内で移動ステージに散乱板を取付け、橋梁の上下動に見立てた。測定結果の比較を行うため移動ステージに対して垂直方向、および水平方向にレーザ変位計を設置し、それぞれの出力をマルチチャンネルのデータロガーによって記録した。結果として垂直方向に設置したレーザ変位計と変わらない精度と分解能で水平方向からの測定が可能であることを確認した。
またレーザ変位計の設置角度のずれ、及び散乱板の設置角度のずれに対するトレランスについても確認を行い数度程度の角度ずれがあっても測定値に大きく影響しないこと、および影響するほどの角度ずれがあった場合でもソフトウェアでの補正が可能である事を確認した。

Strategy for Future Research Activity

これまでに開発された光ファイバセンサ技術は実用レベルにあるものの、高コストであることや施工性および拡張性が低いという問題があり、普及レベルに達していないのが現状である。このため新技術の普及にあたり、これらの課題を解決する必要があると考えられる。
本年度はニューラルネットワークの学習に必要なデータを収集し、FBGのみならず別の測定技術を用いた社会インフラの経年劣化の目安となる測定を行うための技術開発を行った。これまで必要が認められつつも予算がないために防災管理システムの設置が見送られていた場所にも導入され、我々が目指す安全な社会の実現への一助となることを願う。
本研究は低価格で普及可能な光ファイバセンサシステムの開発を目指している。研究の最終年度となる本年度はデータ解析の手法としてニューラルネットワークを利用し、センサの変位と光ファイバ中を伝搬する光の各種パラメータとの関係を学習し、多点計測システムへの発展を目指す。光ファイバとニューラルネットワークを組み合わせたシステムの有効性を確認するため、これまで研究を行ってきた。今後もさらなる応用を目指しいくつかのアプローチで実験を試みる。

Causes of Carryover

本年度は研究発表等を見送ったため、出張の経費等に誤差が出ましたが、研究全体の進捗に変化・影響はありません。次年度はFBG及び実験に必要な機材の追加購入および研究発表のための出張等を予定しております。