2015 Fiscal Year Research-status Report
緩和型粒子フィルター理論を用いたカオス信号駆動型構造損傷検出装置の開発
| Project/Area Number |
26420470
|
|---|
| Research Institution | Kobe Gakuin University |
|---|
Principal Investigator |
佐藤 忠信 神戸学院大学, 現代社会学部, 研究員 (00027294)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野村 泰稔 立命館大学, 理工学部, 講師 (20372667)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 構造工学 / 構造ヘルスモニタリング / カオス理論 / アトラクタ / 粒子フィルター / 適応・緩和フィルター / 模型実験 / フラクタル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
カオス理論で用いられるアトラクタ解析とフラクタル次元解析の概念を用いて、カオス信号を入力とした構造物の応答値からアトラクタを作成し、構造物が損傷を受ける前後のアトラクタを比較することで損傷検出を行うアルゴリズムを確立した。２つのアトラクタ軌道の幾何学的な接近度を定量的に評価する手法であるRecurrence Analysisを利用して、カオス性を有する外力に対する構造物の応答から得られるアトラクタを、Recurrence 指標を用いて定量化し、この値を損傷前後で比較することで損傷検出が可能とするアルゴリズムを確立した。検出する損傷のレベルは、健全な構造物からの剛性低下率が数％以下とした。カオス性を有する電気信号に基づいて、構造物にカオス性振動外乱を与えることのできる小型起振器を開発した。開発された起振器を利用した模型実験により、提案手法の実用性を検証した。模型実験のための構造物は4層フレーム構造物とし、各層のフレームの剛性を数％低減することにより、損傷を受けた構造物モデルとした。
以上の手法では、損傷が発生したかどうかだけの判定しかできないので、本研究の第二の目的として、剛性低下の割合が数％以下の構造部材の動特性を決定するために、申請者が開発した緩和型粒子フィルター理論を利用した新しい構造同定法の開発を行った。緩和型粒子フィルターを適応型フィルターにするために、尤度関数に適応性を導入する方法論を開発した。数値解析により、模型構造物の剛性が急激に変動する場合にも、開発した適応型粒子フィルター理論により、精度よく構成変化を追従できることを明らかにした。さらに、地震動が入力する構造物の動特性を同定するために、地震動のフラクタル特性を同定するための方法論を確立した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成27年度の研究計画として6項目を設定した。項目ごとに達成度を記入する。
（１）損傷の有無を判定するだけでなく、入力と出力の再構成アトラクタを利用した、構造同定アルゴリズムを開発した。理論展開には既に発表済みのモンテカルロフィルターやサポートベクトルマシンの概念を利用したが、時系列として再構成されたアトラクタを利用したので、従来のアルルゴリズムに比べ同定精度が向上した。（100％）（２）昨年度に作成した3次元フレームモデルを利用した数値解析により提案手法の有効性を検証した。１箇所のみが損傷を受けているときを対象として、同定できる損傷のレベルの最小値を明確にした。複数個所が同時に損傷した場合の組み合わせに対しても同定できる限界を明らかにした。(80％)（３）既に作成済みの4層フレーム模型構造物を利用した実験データを用いて、提案する手法の有効性を検証した。実験は東南大学構内で実施した。（100％）（４）3次元フレーム構造模型を作成して、立体的な構造物に対してもここで提案する手法を用いて構造物の損傷検出や構造同定が可能であることを明らかにした。実験は立命館大学構内と東南大学構内で実施した。数値解析結果と比較して、実験で提案する方法論の限界を明らかにした。(70％)（５）構造部材の内部欠陥の検出に、ここで提案する手法が利用できるかどうかの可能性を模索した。そのために、有限要素法を利用して、２次元弾性体内をカオス性を有する平面波が伝播するとき、弾性体内に存在する内部欠陥により波動がどのように散乱されるかを詳細に検討した。(30％)（６）その結果に基づいて、カオス波動を利用した内部欠陥の検出法を開発する。このためには、波動の周波数帯域と内部欠陥のサイズの関連性、散乱波の観測方法ならびに観測位置などに関する情報が必須であるので、数値シミュレーションにより詳細な検討を行った。(30％)
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究推進のため、以下の６項目を設定する：（１）3次元弾性体を対象として同様な解析を実施する。(佐藤・万)（２）内部欠陥の数を増やしたときに、との程度の数まで同時に検出できるのかを発信器の設置位置と受信器数と配置の関連に基づいて考察を加える。(佐藤・野村)（３）高周波領域でカオス性波動を発信できる装置の開発を行う。カオス性波動を受信できる装置も同時に開発する。(佐藤・野村)（４）矩形の鉄板を利用し、内部に微細な円孔を穿ち、17)で開発した発信器と受信機を用い、円孔によって散乱されるカオス性波動の挙動を計測する。(全員)（５）観測データから円孔の位置ならびにサイズを同定するためのアルゴリズムの開発を行う。結果として、カオス性波動を用いると、従来の方法に比べて観測点の数が少なくてすみ、内部欠陥の位置やサイズの同定精度の向上することが明らかにできると予想している。(佐藤)（６）研究成果を具体化するために可搬型の検出システムの開発を開始する。具体的な開発を行うためには本研究費の補助だけでは実現不可能なので、あらたな補助金を模索する。（全員）
|
| Causes of Carryover |
模型実験を行う費用として２０万円を予定していたが、次年度に事件を行くことになったため、２０万円を繰り越した。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
実験データの解析用にノート型パソコンを購入する予定である。
|
