| 研究課題/領域番号 |
20K05023
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| 研究機関 | 室蘭工業大学 |
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研究代表者 |
佐藤 信也 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (00300963)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 防災センサ / 歪みセンサ / 温度センサ / 光ファイバ / ニューラルネットワーク / AI |
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| 研究実績の概要 |
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。
2021年度は、ファイバブラッググレーティング（FBG）とニューラルネットワークによるディープラーニングを用いて鉄道用に敷設された線路の温度と熱膨張を同時に測定する技術について研究を行った。その基本技術を確認するため、線路に用いられている複数種類の機械構造用炭素鋼を用いて実験を行った。複数のFBGセンサを縦列に接続し、戻り光の時間遅延を利用して1台の測定器で複数のセンサの出力信号を同時に測定し、ディープラーニングによって温度、歪みを機械学習させ、精度良く出力が得られることを確認した。また線路へのFBGの設置方法等についての知見も得られた。
またこの実験は線路に留まらず、山間部の斜面やトンネルの崩落検知等幅広く応用が可能であり、様々な防災用のセンサとしての応用を今後展開していきたい。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、ファイバブラッググレーティング（FBG）とニューラルネットワークによるディープラーニングを用いて鉄道用に敷設された線路の温度と熱膨張を同時に測定する技術について研究を行った。レールは周囲温度の変化によって常に伸縮化しているが、熱膨張や温度の常時監視を行っておらず、線路幅が規定値以内に収まっているかをゲージを用いて測定している。耐環境性、耐ノイズ性、高精度などの特徴を持つFBGを用いて常時監視するシステムの作製を目的に、レールに最も近い素材である機械構造用炭素鋼を用いて、温度変化とそれに対する熱膨張をFBGで測定した。
実験ではレールと同じ材質である厚さ15×幅150×長さ250mmの機械構造用炭素鋼のプレートを用いた。炭素成分が異なることで線膨張係数に違いがあるため、炭素成分の異なる3種類のS45C、S50C、S53Cを用意した。光源として狭帯域レーザーを使用し、サーキュレータを介して複数の縦続接続したFBGに入射する。反射光の測定にはフォトディテクタとオシロスコープを用い、FBGに印可された歪みや温度変化に伴うパワーの変化を測定する。狭帯域光源はパルスになるように変調し、FBG間の時間遅延によって信号の切り分けを行う。温度変化を与えると、熱膨張よる歪みと温度変化の両方に伴う光パワーの変動が同時に計測されるため、測定した反射パワーをニューラルネットワークを用いて機械学習させ近似関数を算出する。
ニューラルネットワークで学習させる際に中間層数および素子数の変化による学習結果の比較も行い、学習における最適な条件の決定も試みた。
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| 今後の研究の推進方策 |
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。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。
また設置や交換における手間（コスト）の低減も図り、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。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
端数が生じておりますが、ほぼ予定通りに使用しております。研究全体の進捗に変化・影響はありません。
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