2016 Fiscal Year Research-status Report
データ同化と境界追跡法による複雑形状・複数個の空洞探査法の開発と機能診断への応用
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15K14821
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
村上 章 京都大学, 農学研究科, 教授 (80157742)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中畑 和之 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (20380256)
藤澤 和謙 京都大学, 農学研究科, 准教授 (30510218)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | データ同化 / 境界追跡法 / 機能診断 / 逆解析 / 土構造物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フィルタアルゴリズムに基づくデータフュージョンを導入し、構造物の固有振動と振動モード形状から損傷位置の推定を行った。そこでは、拡張カルマンフィルタと粒子フィルタの2種類の方法を適用した。構造部材を模擬した2mの弾性板に人工きずを付加し、その位置と大きさを推定した結果、いずれの手法も振動の曲げ1次モードから損傷位置を同定できた。さらに高次モードのデータを加えることで、同定精度が向上することが確認できた。
一方、粒子フィルタと弾性波伝播解析を組み合わせて、地盤内に劣化箇所が複数個存在する場合、それらの個数、位置の推定を試みた。弾性波は構造物内部に存在する物性の異なる境界で散乱され、散乱された弾性波を受信器で記録する。弾性波の伝播を解析するために、波動方程式を時間領域と空間領域で差分化し、その差分式を時間ステップごとに逐次計算することで対象領域内の波動場を求めた。具体的には有限積分法により支配方程式を微小領域で積分した後、離散化し、入力波を2つのモデルの内部に入力した。地上と地中に受振器を計21個並べ、モデル内の適当な箇所に2つおよび3つの空洞をそれぞれ仮定した。起振点の直下に空洞が存在した場合、波の散乱がその空洞の影響しか受けないため、適度に距離を置いた3番目、5番目、7番目の受振器を独立に起振し、起振点以外の受振点において20個の受信波を得た。空洞の数は未知数と想定しているので、シミュレーションモデルには円形の空洞が1つしか存在しないと仮定して同様の解析を行い、粒子フィルタを適用した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究分担者が開発した無線通信を用いた多点計測システムを用いて、振動データから損傷同定を試みた。この結果、弾性板中の減肉部が同定できた。ただし、複数箇所に減肉部がある場合など、実際の損傷を考慮した実用的な手法に拡張する必要がある。また、相反性を利用した計測システムの改良にも取り組んでおり、一点加振多点受信の有効性を確認できたことは計測面で非常に有用であった。
弾性波伝播解析と粒子フィルタの組み合わせでは、空洞の位置および形状の表現には複雑な形状表現が可能であるフーリエ記述子を用い、粒子フィルタによりフーリエ記述子の係数を同定した。粒子フィルタを用いて複雑な形状を同定するにあたり同定すべきパラメータ数が増え、それに伴い必要となる粒子の数が莫大となることが問題となるため、Merging Particle Filter（MPF）を導入して比較的少ない粒子で同定した。MPFにより比較的少ない粒子数でも粒子の多様性を保ったまま探索範囲を狭めていく方法を提案した。すなわち、フーリエ記述子を同定パラメータとし、粒子フィルタを弾性波探査解析に適用することで劣化箇所の抽出能力を向上させる方法を提案し、数値実験を基にその有効性を確認した。劣化箇所の位置を精度良く推定することが可能となり、単純な形状ではなくより複雑な形状で近似することができた。またMPFを導入することで、同定対象のパラメータ数に対して比較的少ない粒子数でも劣化箇所を推定できることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
振動データでは損傷位置に対する分解能が低いので、振動だけでなく波動を利用したいと考える。そのためにはセンサの感度の見直しと、時間的分解能（サンプリングレート）の向上を検討することも必要であろう。また、建設用構造部材だけでなく、土構造物へと拡張したい。さらに、複数の損傷がある場合のデータ同化手法の有効性、さらにはその高速化処理についても検証を行いたい。
一方、粒子フィルタと弾性波伝播解析を組み合わせた地盤内劣化箇所の同定では、空洞が円形であると仮定して解析を行ったが、実際の空洞は複雑な形状をしているため、形状最適化を適用することで空洞の複雑形状の推定に取り組む予定である。また、MPFのアルゴリズムは確率分布の3次のモーメントを保存することはできない。したがって、例えば劣化箇所が複数存在する場合、それらの位置を推定することができない。実際の土構造物には複数の劣化箇所が存在するため、この手法は比較的狭い範囲でのみ有効な手段である。さらに、今回モデルを構成する材料は等方弾性体を仮定しているため、今後は土の非線形性を考慮した波動解析を実施する必要がある。実際の弾性波探査における観測データには、土の不均質性や計器などに起因して、より多くのノイズが含まれる。したがって、時間域の波形のみを用いて観測波と照合することは難しいと考えられ、波形を周波数領域の情報を考慮する必要がある。
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