河川システムの状態推定方法及びその状態推定装置
【目的】河川システムの平常時、出水時の状態をリアルタイムで推定する方法と推定装置を提供する。
【構成】河川システムの状態推定装置１５は、推定対象の河川システム４の平常時、出水時の状態（例えば、河川システムにおける水位、流速、流量変動や橋脚の安定性）を表現するＡＲＭＡモデル（例えば、ＡＲＭＡ（２，１））を持ち、前記河川システム４の平常時、出水時に所定の物理量をセンサ８で観測し、前記センサ８で観測した信号ｓから前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータから前記河川システム４の平常時、出水時の状態を推定する構成である。
【構成】河川システムの状態推定装置１５は、推定対象の河川システム４の平常時、出水時の状態（例えば、河川システムにおける水位、流速、流量変動や橋脚の安定性）を表現するＡＲＭＡモデル（例えば、ＡＲＭＡ（２，１））を持ち、前記河川システム４の平常時、出水時に所定の物理量をセンサ８で観測し、前記センサ８で観測した信号ｓから前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータから前記河川システム４の平常時、出水時の状態を推定する構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、台風や集中豪雨による河川の出水中の水位、流速や流量等の河川状態や橋脚の安定性をリアルタイムで推定する方法及びその方法を用いた河川システムの状態推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
台風や集中豪雨による河川の出水時には、その河道内で引き起こされている現象の多くが未解決のまま残っており、その解明は河川工学上の急務である。現在まで、多くの未解決課題を残している最大の理由が計測の困難さである。出水中は大量の激流が流れており、河道内に立ち入って計測等を行うことが困難である。また、今までの非接触計測も、下記[特許文献１]に開始されている「流量測定装置」のように、その土砂を大量に含んだ濁流に阻まれて何かしかの情報を得ることができるのは水表面に関するごく限られたもののみである。一般的な水位、流量観測は橋梁等の上から投入した浮子の動きから水面の高さや水表面の流速を求め、既測の河道内地形の条件をもとに行われている。
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−０５２６２２号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の方法では、たとえ水深が一定であっても河道内地形の変化に伴い流量は大きく変化するが出水中は河道内地形を計測することができないので、出水後発表される実際の流量は速報値と大きくずれている場合も少なくない。また、横断方向に複雑な地形を見せる河道内で数地点での浮子の動きから求める平均流速の算出においてもその精度には限界がある。出水後改めて地形測量を行わなければならない点も、経済的・労力的な負担であるし、さらには出水前・後のみの地形からは、出水中の地形は把握できないため真の流量値は現状では得ることができない。
【０００５】
近年、超音波ドップラー流速プロファイラー等の新しい計測技術によって流速や流量を高精度で計測することができるようになってきているが、高価であるため配置が現実的には難しい点、出水の激流に対しての利用が困難である点等のため、広く実用に耐え得るシステムを検討する際には無理がある。そのため、今のところ出水時において安全に河川流速、流量を観測でき、かつ観測精度を十分確保した観測システムは存在しない。
【０００６】
出水に起因する洗屈によって河床が低下すると堤防や橋梁等の河川構造物が安定を失い、やはり危険な状態となる。このような河床変動は水底部で引き起こされているため、表面上は観測することはできない。また、出水は巨礫や流木を伴う激しい濁流であるため、視認はおろか観測装置も破壊され、非接触のレーザ計測もその濁流に阻まれてしまう。そのため、未だ出水中の河床変動を計測する方法は十分確立されていない。そして、河床変動が引き起こす堤防や橋脚等の河川構造物の状態を推定する方法や監視するシステムも十分に確立されていない。
【０００７】
本発明は、このような従来からの水位、流速、流量等の河川状態や橋脚状態推定方法が有していた問題を解決しようとするものであり、橋脚その他河川構造物に設置した加速度計によって観測される信号からリアルタイムに出水中の水位、流速や流量の変動及び橋脚の安定状態を把握して防災の観点からみた河川環境の健全性を診断するシステムの開発を可能とする出水時における河川状態や橋脚の安定性推定方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系の力学モデルとその系から発生する振動加速度等の物理量の時系列モデルパラメータとの相関関係を求め、前記振動加速度等の物理量の時系列モデルパラメータをＡＲＭＡ（２，１）モデル（Auto Regressive Moving Average:自己回帰移動平均モデル）で表し、このＡＲＭＡ（２，１）モデルから求められた時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータ、水位、流速や流量との関係から出水時の河川状態や橋脚の安定性をリアルタイムで推定する手法を提唱し、以下の（１）〜（９）の方法又は装置を提供する。
（１）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に所定の物理量をセンサで観測し、前記センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータから前記河川システムの出水時の状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（２）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の河川状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（３）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の橋脚の安定性を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（４）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時における所定の物理量をセンサで観測した検出信号を前記時系列モデルのＡＲＭＡモデルにより計算し、前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（５）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（６）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（７）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（８）河川システムに設置されて該河川システムの平常時、出水時に所定物理量を検出するセンサと、前記センサの検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項４に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（９）河川システムの平常時、出水時に振動する振動箇所に設置された加速度センサと、前記加速度センサが検出した振動加速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項５請求項６又は請求項７に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【０００９】
なお、発明の対象とする河川システムの状態推定の対象としては、上記水位、流速及び流量等の河川状態や橋脚の安定性の推定他に、堤防決壊・氾濫予測や土石流警報等が想定され、検出する物理量としては、振動加速度の他に、音、変位、速度等が考えられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係わる河川システムの状態推定方法及び河川システムの状態推定装置は、上記のように、流体、河床及び橋脚などの河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系の力学モデルとその系から発生する振動加速度などの物理量の時系列モデルパラメータとの相関関係を求め、振動加速度などの物理量の時系列モデルパラメータをＡＲＭＡ（２，１）モデルで表し、その時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータ、水位、流速や流量との関係を求め、得られた以下の（１）〜（３）の関係から平常時、出水時におけるＡＲパラメータを監視することで河川状態（水位、流速や流量）や橋脚の安定性をリアルタイムで推定することが可能となる。
（１）出水前後の時系列パラメータと水位の変化は良い対応関係を示す。
（２）力学パラメータと時系列パラメータの関係は[数１７]で表される。
（３）時系列パラメータと流体の速度や流量の関係は[数１９]、[数２０]で表される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の河川システムの状態推定方法及び推定装置の実施の形態について表及び図面に基づいて説明する。
【００１２】
先ず、台風や集中豪雨による河川の出水時において、水位、流速や流量変動等の河川状態及び橋脚の安定性をリアルタイムに把握する（監視すること）には、流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉え、モデル化し、その振動系を支配する要因、即ち振動の加速度信号をモニターして時系列解析により生成される時系列モデルパラメータの変動を観察することが極めて有効と考えられる。
【００１３】
そこで、本発明の河川システムの状態推定方法は力学モデルを設定してその運動方程式の離散化を行い、力学モデルパラメータと離散時系列モデルパラメータとの対応関係を求める。また、実際に橋脚に取り付けた加速度センサーから測定される振動信号を力学モデルに対応する離散時系列モデルで解析を行い、水位と時系列パラメータ、力学パラメータと時系列パラメータ、時系列パラメータと流速、流量との関係を導出する。
【００１４】
まず、本発明においては、流体中における橋脚の振動を表す力学モデルを以下のように設定してその離散化モデルを求める。
【００１５】
流体、橋脚を一つの振動システムとして捉え、出水前後の流速や地形変動を考慮した力学モデルは橋脚の振動を１次曲げ振動として扱い、流体中における橋脚を図１に示されるように、１自由度系のバネ、ダッシュポット質量系として近似的にモデル化できる。ここで、記号Ｍ、Ｃ、Ｋはそれぞれ質量、粘性減衰係数、バネ定数を表す。また、xはそれぞれ振動応答で変位を、Fは振動系への入力である流体力を表す。
【００１６】
図１における流体力が作用する橋脚の強制曲げ振動の運動方程式は次式で表される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
また、数[1]は以下のように表せる。
【００１９】
【数２】
【００２０】
ここで、α１＝２ζωｎ、α２＝ωｎ２、ωｎ＝（Ｋ／Ｍ）１／２：固有振動数、ζ＝Ｃ／｛２（ＭＫ）１／２｝：減衰比である。
【００２１】
次に、[数２]の離散モデルを導出する。[数２]の特性根をμ１、μ２とする。すなわち、
【００２２】
【数３】
【００２３】
ここで、 、 とすると、インパルス応答は次式のようになる。
【００２４】
【数４】
【００２５】
またx(t)の相関関数は、次式で与えられる。
【００２６】
【数５】
【００２７】
但し、 は入力Fの分散であり、 とする。サンプリング間隔をTとして
とおくと、[数５]は次式で表される。
【００２８】
【数６】
【００２９】
但し、
【００３０】
【数７】
【００３１】
である。さて、[数２]の解は次式となる。
【００３２】
【数８】
【００３３】
上式[数８]は時刻 で次のように書ける。
【００３４】
【数９】
【００３５】
上式[数９]中の
は[数４]で与えられる。ところで、上式[数９]の右辺第１項は[数４]を代入して次のように書き換えることができる。
【００３６】
【数１０】
【００３７】
ここで、
【００３８】
【数１１】
【００３９】
とおくと、[数９]は次式のように表される。
【００４０】
【数１２】
【００４１】
ここで、
【００４２】
【数１３】
【００４３】
である。したがって、Gnは次式のように１次のMA過程で置き換えることができる。
【００４４】
【数１４】
【００４５】
いま、 、 のように表すと、[数１２]は次式のように表される。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
この上式[数１５]が[数２]の離散モデルである。即ち、（２，１）次のARMAモデルに帰着する。したがって、[数３]を用いて、[数１１]の離散ARMAモデルの係数a1、a2は橋脚の曲げ振動と関連した力学パラメータωnとζの項として以下のように表すことができる。
【００４８】
【数１６】
【００４９】
次に、平常時、出水時に観測した振動信号を対応する力学モデルの離散モデルであるARMA（２，１）モデルで解析を行い、時系列パラメータと水位、時系列パラメータと流速や流量との関係を調べる。
【００５０】
現地での加速度センサーによる平常時、出水時における具体的な実施形態の振動測定実験を図２に示される振動測定・分析システム７にて行った。
【００５１】
図２において、振動測定・分析システム６は平常時、出水時の流れに晒された橋脚１における振動加速度を橋脚１の最上端部に近接している橋梁の欄干部２に取り付けられた加速度センサー３により加速度信号として感知し、A/Dコンバータ５を通してパーソナルコンピュータ６に記録し、記録された加速度信号は上記式[数１]〜式[数１６]等に基づいて時系列パラメータ解析の信号処理を行うシステム構成である。
【００５２】
振動測定は、流れ方向、流下方向、横断方向及び鉛直方向の３方向で行い、１．２KHzのサンプリングレートで連続した３秒間の振動測定を行った。今回の振動測定場所は、本来流体の影響を直接的に受ける地点での測定が望ましいが、設置条件の制約により橋の欄干部における振動を測定している。このため橋脚、橋桁及びその陸地との接合構造、ひいては風等の気象条件や通過する車両等種々の影響下での測定であり、それらの中から流体による信号のみ抽出することは非常に困難である。ここでは、可能な範囲での雑音の影響を受けないように車両が通過しない内測定を行った。
【００５３】
[表１]に現地振動測定時の状況（日付、時刻、天気や水位）を示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
図３は平常時における橋梁の欄干部の四箇所に取り付けた加速度センサーから測定された振動加速度の時系列データを示したものである。ここで、振動測定橋脚と出水前後の河川の流れ状況を模式的に表したものを図４に示す。この平常時の振動データを見ると、河川の中にある橋脚「測定地点2」と「測定地点3」で測定した振動の振幅レベルが水と接していない橋脚だけの場所「測定地点1」、「測定地点4」での振動振幅値と比べると小さいことがわかる。また、時間による見かけ上の波形変化も小さく全体的に安定な形態を保っていることがわかる。これは、平常時に流れる水が橋脚の振動を低減する減衰原として作用しているためだと考えられる。
【００５６】
図５は集中豪雨による出水時に測定した振動加速度の時系列データを示したものである。「場所2」と「場所3」での振動振幅値は平常時より大きくなっていることがわかる。この出水時の水位の変化は上記[表１]から平常時（１．２５m）より約３倍高い４mになっている。このような振幅の増加は出水時、流れが速くなった水が橋脚の振動を励起する加振原として働くためだと推測される。この場合、水の流れが比較的に遅い平常時の水による減衰効果は出水時の流体力による加振効果に比べ小さいことが言える。一方、橋脚「測定地点1」での振動レベルはむしろ平常時の振動振幅より少し小さくなっている。これは、出水時の河川の出水が平常時に顕著であった橋脚、橋桁及びその陸地との接合構造特性等から生じる雑音を低減させることで起因するものと考えられる。また、「場所4」においての出水前後の違いは見られるが、測定「場所2」、「場所3」に比べるとそれほど大きくない。
以上の結果から、出水前後の河川の状態変化は河川の中に位置する橋脚の最上端の「場所2」または「場所3」に取り付けた加速度センサーからの振動データから捉える可能性があると言える。
【００５７】
次に、上記の振動加速度データの時系列解析を行い、その時系列パラメータと平常時と出水時の河川状態との関連性を検討する。
【００５８】
図６は平常時と出水時の水位、Hとそのときの振動加速度データの時系列パラメータa1とa2を掛けたものの絶対値、｜a1・a2｜＝χとの関係を示したものである。ここでは河川の中に位置する橋脚の最上端の「場所2」に設置した加速度センサーからの振動データ（河川状態による影響が一番確実に現れたところ）を時系列解析に用いた。この図からχを平常時１の値χ0で標準化したもののχ/χ0は河川状態変化、すなわち水位Hが高くなるにつれて大きくなっていることがわかる。
【００５９】
次に力学パラメータと時系列パラメータの相関関係を数式で表すと以下のように表すことができる。
【００６０】
【数１７】
【００６１】
この上式[数１７]により平常時や出水時の振動加速度信号の時系列モデルパラメータ（a1、a2）の変化から流れに晒された橋脚の力学的状態変化（ωn、ζ、K、Cの変化）を定量的に評価できる。
【００６２】
次に、力学パラメータと流体速度や流量のとの関係式の導出を検討する。
【００６３】
一般に、一定な流体の中に物体を置くと、その物体から渦が放出され振動が生じる、即ち流体の流れによって橋脚が振動する現象は、橋脚の固有振動数と渦の発生振動数が一致したことによる渦振動である。ここでは、流れに晒された橋脚の振動を流体振動と関連付けて検討する。それで、１秒間に放出される渦の数をf
(Hz)とすると、円柱の直径D (m)と一様な流れの流速をV (m/s)との間には、実験的に次式のような関係がある。
【００６４】
【数１８】
【００６５】
ここで、Srはストローハル数(Strouhal
number)である。実験的にストローハル数と橋脚の断面形状の間には[表２]のような関係がある。
【００６６】
【表２】
【００６７】
したがって、上式[数１７]と[数１８]の関係から、流速と時系列パラメータとの間には次式[数１９]のような関係が求められる。
【００６８】
【数１９】
【００６９】
ここで、αは構造物の幾何学的形状と関係する定数である。
【００７０】
したがって、上式[数１９]より、出水前後の振動加速度の時系列パラメータを監視することで流体の速度が推定できる。特に、この手法による流速の算出は、出水中の河道内の地形変化による影響も含んだ値であることからこれまでの出水前、出水中の地形変化を考慮してないことから生じる流速算出上の問題を除去することができる。
【００７１】
さらに、以下の[数１９]のように出水前や出水中にリアルタイムで振動データから流量やその変動量を推定することができる。
【００７２】
【数２０】
【００７３】
ここで、βはある単位時間に水が通過する断面積に対応するもので、出水中には可道内地形の変化により変動する。しかし、式[数１９]により求められる流体の速度には出水前後の河道内の地形変化による影響がすでに考慮されていることから上式[数２０]でのβは定数として仮定できる。
【００７４】
次に、以上詳述した平常時、出水時における振動信号の時系列パラメータを利用した河川システムの状態推定方法を適用した河川システムの状態推定装置について、図７のブロック図に示される推定装置１５のように、河川システム７に設置されて該河川システム７の平常時、出水時に所定物理量を検出するセンサ８と、前記センサ８が検出した検出信号sをデジタル信号dに変換する例えば１２〜２４ビットのＡ／Ｄコンバータ５と、前記デジタル信号dを入力して先述の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵ９に行わしめ、その結果を示す情報（注意、警告等）を表示装置１０に表示し、又は音響装置１１（アンプ、スピーカ、コントローラ等で構成）にて音声出力し、又はプリンタ１２で印刷出力するプログラムがハードディスクや半導体メモリ等の記憶装置１３にインストールされたコンピュータシステム１４と、を備えることを特徴とする。
【００７５】
上記構成によって、河川システムの平常時、出水時におけるリアルタイムの河川状態や橋脚の安定性推定が高速処理のアルゴリズムで実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】流体力が作用する橋脚の１次曲げ振動モデルである。
【図２】本発明の出水時における河川状態や橋脚の安定性推定方法を実施する振動測定・分析システムの構成図である。
【図３】平常時における橋梁の欄干部の四箇所に取り付けた加速度センサーから測定された振動加速度の時系列データを示す図である。
【図４】振動測定橋脚と出水前後の河川の流れ状況を模式的に表す図である。
【図５】集中豪雨による出水時に測定した振動加速度の時系列データを示す図である。
【図６】平常時と出水時の水位、Hとそのときの振動加速度データの時系列パラメータa1とa2を掛けたものの絶対値、｜a1・a2｜＝χとの関係を示す図である。
【図７】本発明に係わる河川システムの状態推定装置のブロック図例である。
【符号の説明】
【００７７】
１ 橋脚
２ 橋梁の欄干
３ 加速度センサー
４ 河川システム
５ A/Dコンバータ
６ パーソナルコンピュータ
７ 河川状態や橋脚安定性推定システム
８ センサ
９ ＣＰＵ
１０ 表示装置
１１ 音響装置
１２ プリンタ
１３ 記憶装置
１４ コンピュータシステム
１５ 河川システムの状態推定装置
ｓ 検出信号
ｄ デジタル信号
ai 加速度信号のARMA（２，１）モデルのARパラメータ
χ 時系列パラメータa1とa2を掛けたものの絶対値、｜a1・a2｜＝χ
χ０ 平常時に観測された加速度信号から求めたχ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、台風や集中豪雨による河川の出水中の水位、流速や流量等の河川状態や橋脚の安定性をリアルタイムで推定する方法及びその方法を用いた河川システムの状態推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
台風や集中豪雨による河川の出水時には、その河道内で引き起こされている現象の多くが未解決のまま残っており、その解明は河川工学上の急務である。現在まで、多くの未解決課題を残している最大の理由が計測の困難さである。出水中は大量の激流が流れており、河道内に立ち入って計測等を行うことが困難である。また、今までの非接触計測も、下記[特許文献１]に開始されている「流量測定装置」のように、その土砂を大量に含んだ濁流に阻まれて何かしかの情報を得ることができるのは水表面に関するごく限られたもののみである。一般的な水位、流量観測は橋梁等の上から投入した浮子の動きから水面の高さや水表面の流速を求め、既測の河道内地形の条件をもとに行われている。
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−０５２６２２号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の方法では、たとえ水深が一定であっても河道内地形の変化に伴い流量は大きく変化するが出水中は河道内地形を計測することができないので、出水後発表される実際の流量は速報値と大きくずれている場合も少なくない。また、横断方向に複雑な地形を見せる河道内で数地点での浮子の動きから求める平均流速の算出においてもその精度には限界がある。出水後改めて地形測量を行わなければならない点も、経済的・労力的な負担であるし、さらには出水前・後のみの地形からは、出水中の地形は把握できないため真の流量値は現状では得ることができない。
【０００５】
近年、超音波ドップラー流速プロファイラー等の新しい計測技術によって流速や流量を高精度で計測することができるようになってきているが、高価であるため配置が現実的には難しい点、出水の激流に対しての利用が困難である点等のため、広く実用に耐え得るシステムを検討する際には無理がある。そのため、今のところ出水時において安全に河川流速、流量を観測でき、かつ観測精度を十分確保した観測システムは存在しない。
【０００６】
出水に起因する洗屈によって河床が低下すると堤防や橋梁等の河川構造物が安定を失い、やはり危険な状態となる。このような河床変動は水底部で引き起こされているため、表面上は観測することはできない。また、出水は巨礫や流木を伴う激しい濁流であるため、視認はおろか観測装置も破壊され、非接触のレーザ計測もその濁流に阻まれてしまう。そのため、未だ出水中の河床変動を計測する方法は十分確立されていない。そして、河床変動が引き起こす堤防や橋脚等の河川構造物の状態を推定する方法や監視するシステムも十分に確立されていない。
【０００７】
本発明は、このような従来からの水位、流速、流量等の河川状態や橋脚状態推定方法が有していた問題を解決しようとするものであり、橋脚その他河川構造物に設置した加速度計によって観測される信号からリアルタイムに出水中の水位、流速や流量の変動及び橋脚の安定状態を把握して防災の観点からみた河川環境の健全性を診断するシステムの開発を可能とする出水時における河川状態や橋脚の安定性推定方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系の力学モデルとその系から発生する振動加速度等の物理量の時系列モデルパラメータとの相関関係を求め、前記振動加速度等の物理量の時系列モデルパラメータをＡＲＭＡ（２，１）モデル（Auto Regressive Moving Average:自己回帰移動平均モデル）で表し、このＡＲＭＡ（２，１）モデルから求められた時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータ、水位、流速や流量との関係から出水時の河川状態や橋脚の安定性をリアルタイムで推定する手法を提唱し、以下の（１）〜（９）の方法又は装置を提供する。
（１）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に所定の物理量をセンサで観測し、前記センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータから前記河川システムの出水時の状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（２）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の河川状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（３）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の橋脚の安定性を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（４）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時における所定の物理量をセンサで観測した検出信号を前記時系列モデルのＡＲＭＡモデルにより計算し、前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（５）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（６）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（７）流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
（８）河川システムに設置されて該河川システムの平常時、出水時に所定物理量を検出するセンサと、前記センサの検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項４に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
（９）河川システムの平常時、出水時に振動する振動箇所に設置された加速度センサと、前記加速度センサが検出した振動加速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項５請求項６又は請求項７に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【０００９】
なお、発明の対象とする河川システムの状態推定の対象としては、上記水位、流速及び流量等の河川状態や橋脚の安定性の推定他に、堤防決壊・氾濫予測や土石流警報等が想定され、検出する物理量としては、振動加速度の他に、音、変位、速度等が考えられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係わる河川システムの状態推定方法及び河川システムの状態推定装置は、上記のように、流体、河床及び橋脚などの河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系の力学モデルとその系から発生する振動加速度などの物理量の時系列モデルパラメータとの相関関係を求め、振動加速度などの物理量の時系列モデルパラメータをＡＲＭＡ（２，１）モデルで表し、その時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータ、水位、流速や流量との関係を求め、得られた以下の（１）〜（３）の関係から平常時、出水時におけるＡＲパラメータを監視することで河川状態（水位、流速や流量）や橋脚の安定性をリアルタイムで推定することが可能となる。
（１）出水前後の時系列パラメータと水位の変化は良い対応関係を示す。
（２）力学パラメータと時系列パラメータの関係は[数１７]で表される。
（３）時系列パラメータと流体の速度や流量の関係は[数１９]、[数２０]で表される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の河川システムの状態推定方法及び推定装置の実施の形態について表及び図面に基づいて説明する。
【００１２】
先ず、台風や集中豪雨による河川の出水時において、水位、流速や流量変動等の河川状態及び橋脚の安定性をリアルタイムに把握する（監視すること）には、流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉え、モデル化し、その振動系を支配する要因、即ち振動の加速度信号をモニターして時系列解析により生成される時系列モデルパラメータの変動を観察することが極めて有効と考えられる。
【００１３】
そこで、本発明の河川システムの状態推定方法は力学モデルを設定してその運動方程式の離散化を行い、力学モデルパラメータと離散時系列モデルパラメータとの対応関係を求める。また、実際に橋脚に取り付けた加速度センサーから測定される振動信号を力学モデルに対応する離散時系列モデルで解析を行い、水位と時系列パラメータ、力学パラメータと時系列パラメータ、時系列パラメータと流速、流量との関係を導出する。
【００１４】
まず、本発明においては、流体中における橋脚の振動を表す力学モデルを以下のように設定してその離散化モデルを求める。
【００１５】
流体、橋脚を一つの振動システムとして捉え、出水前後の流速や地形変動を考慮した力学モデルは橋脚の振動を１次曲げ振動として扱い、流体中における橋脚を図１に示されるように、１自由度系のバネ、ダッシュポット質量系として近似的にモデル化できる。ここで、記号Ｍ、Ｃ、Ｋはそれぞれ質量、粘性減衰係数、バネ定数を表す。また、xはそれぞれ振動応答で変位を、Fは振動系への入力である流体力を表す。
【００１６】
図１における流体力が作用する橋脚の強制曲げ振動の運動方程式は次式で表される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
また、数[1]は以下のように表せる。
【００１９】
【数２】
【００２０】
ここで、α１＝２ζωｎ、α２＝ωｎ２、ωｎ＝（Ｋ／Ｍ）１／２：固有振動数、ζ＝Ｃ／｛２（ＭＫ）１／２｝：減衰比である。
【００２１】
次に、[数２]の離散モデルを導出する。[数２]の特性根をμ１、μ２とする。すなわち、
【００２２】
【数３】
【００２３】
ここで、 、 とすると、インパルス応答は次式のようになる。
【００２４】
【数４】
【００２５】
またx(t)の相関関数は、次式で与えられる。
【００２６】
【数５】
【００２７】
但し、 は入力Fの分散であり、 とする。サンプリング間隔をTとして
とおくと、[数５]は次式で表される。
【００２８】
【数６】
【００２９】
但し、
【００３０】
【数７】
【００３１】
である。さて、[数２]の解は次式となる。
【００３２】
【数８】
【００３３】
上式[数８]は時刻 で次のように書ける。
【００３４】
【数９】
【００３５】
上式[数９]中の
は[数４]で与えられる。ところで、上式[数９]の右辺第１項は[数４]を代入して次のように書き換えることができる。
【００３６】
【数１０】
【００３７】
ここで、
【００３８】
【数１１】
【００３９】
とおくと、[数９]は次式のように表される。
【００４０】
【数１２】
【００４１】
ここで、
【００４２】
【数１３】
【００４３】
である。したがって、Gnは次式のように１次のMA過程で置き換えることができる。
【００４４】
【数１４】
【００４５】
いま、 、 のように表すと、[数１２]は次式のように表される。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
この上式[数１５]が[数２]の離散モデルである。即ち、（２，１）次のARMAモデルに帰着する。したがって、[数３]を用いて、[数１１]の離散ARMAモデルの係数a1、a2は橋脚の曲げ振動と関連した力学パラメータωnとζの項として以下のように表すことができる。
【００４８】
【数１６】
【００４９】
次に、平常時、出水時に観測した振動信号を対応する力学モデルの離散モデルであるARMA（２，１）モデルで解析を行い、時系列パラメータと水位、時系列パラメータと流速や流量との関係を調べる。
【００５０】
現地での加速度センサーによる平常時、出水時における具体的な実施形態の振動測定実験を図２に示される振動測定・分析システム７にて行った。
【００５１】
図２において、振動測定・分析システム６は平常時、出水時の流れに晒された橋脚１における振動加速度を橋脚１の最上端部に近接している橋梁の欄干部２に取り付けられた加速度センサー３により加速度信号として感知し、A/Dコンバータ５を通してパーソナルコンピュータ６に記録し、記録された加速度信号は上記式[数１]〜式[数１６]等に基づいて時系列パラメータ解析の信号処理を行うシステム構成である。
【００５２】
振動測定は、流れ方向、流下方向、横断方向及び鉛直方向の３方向で行い、１．２KHzのサンプリングレートで連続した３秒間の振動測定を行った。今回の振動測定場所は、本来流体の影響を直接的に受ける地点での測定が望ましいが、設置条件の制約により橋の欄干部における振動を測定している。このため橋脚、橋桁及びその陸地との接合構造、ひいては風等の気象条件や通過する車両等種々の影響下での測定であり、それらの中から流体による信号のみ抽出することは非常に困難である。ここでは、可能な範囲での雑音の影響を受けないように車両が通過しない内測定を行った。
【００５３】
[表１]に現地振動測定時の状況（日付、時刻、天気や水位）を示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
図３は平常時における橋梁の欄干部の四箇所に取り付けた加速度センサーから測定された振動加速度の時系列データを示したものである。ここで、振動測定橋脚と出水前後の河川の流れ状況を模式的に表したものを図４に示す。この平常時の振動データを見ると、河川の中にある橋脚「測定地点2」と「測定地点3」で測定した振動の振幅レベルが水と接していない橋脚だけの場所「測定地点1」、「測定地点4」での振動振幅値と比べると小さいことがわかる。また、時間による見かけ上の波形変化も小さく全体的に安定な形態を保っていることがわかる。これは、平常時に流れる水が橋脚の振動を低減する減衰原として作用しているためだと考えられる。
【００５６】
図５は集中豪雨による出水時に測定した振動加速度の時系列データを示したものである。「場所2」と「場所3」での振動振幅値は平常時より大きくなっていることがわかる。この出水時の水位の変化は上記[表１]から平常時（１．２５m）より約３倍高い４mになっている。このような振幅の増加は出水時、流れが速くなった水が橋脚の振動を励起する加振原として働くためだと推測される。この場合、水の流れが比較的に遅い平常時の水による減衰効果は出水時の流体力による加振効果に比べ小さいことが言える。一方、橋脚「測定地点1」での振動レベルはむしろ平常時の振動振幅より少し小さくなっている。これは、出水時の河川の出水が平常時に顕著であった橋脚、橋桁及びその陸地との接合構造特性等から生じる雑音を低減させることで起因するものと考えられる。また、「場所4」においての出水前後の違いは見られるが、測定「場所2」、「場所3」に比べるとそれほど大きくない。
以上の結果から、出水前後の河川の状態変化は河川の中に位置する橋脚の最上端の「場所2」または「場所3」に取り付けた加速度センサーからの振動データから捉える可能性があると言える。
【００５７】
次に、上記の振動加速度データの時系列解析を行い、その時系列パラメータと平常時と出水時の河川状態との関連性を検討する。
【００５８】
図６は平常時と出水時の水位、Hとそのときの振動加速度データの時系列パラメータa1とa2を掛けたものの絶対値、｜a1・a2｜＝χとの関係を示したものである。ここでは河川の中に位置する橋脚の最上端の「場所2」に設置した加速度センサーからの振動データ（河川状態による影響が一番確実に現れたところ）を時系列解析に用いた。この図からχを平常時１の値χ0で標準化したもののχ/χ0は河川状態変化、すなわち水位Hが高くなるにつれて大きくなっていることがわかる。
【００５９】
次に力学パラメータと時系列パラメータの相関関係を数式で表すと以下のように表すことができる。
【００６０】
【数１７】
【００６１】
この上式[数１７]により平常時や出水時の振動加速度信号の時系列モデルパラメータ（a1、a2）の変化から流れに晒された橋脚の力学的状態変化（ωn、ζ、K、Cの変化）を定量的に評価できる。
【００６２】
次に、力学パラメータと流体速度や流量のとの関係式の導出を検討する。
【００６３】
一般に、一定な流体の中に物体を置くと、その物体から渦が放出され振動が生じる、即ち流体の流れによって橋脚が振動する現象は、橋脚の固有振動数と渦の発生振動数が一致したことによる渦振動である。ここでは、流れに晒された橋脚の振動を流体振動と関連付けて検討する。それで、１秒間に放出される渦の数をf
(Hz)とすると、円柱の直径D (m)と一様な流れの流速をV (m/s)との間には、実験的に次式のような関係がある。
【００６４】
【数１８】
【００６５】
ここで、Srはストローハル数(Strouhal
number)である。実験的にストローハル数と橋脚の断面形状の間には[表２]のような関係がある。
【００６６】
【表２】
【００６７】
したがって、上式[数１７]と[数１８]の関係から、流速と時系列パラメータとの間には次式[数１９]のような関係が求められる。
【００６８】
【数１９】
【００６９】
ここで、αは構造物の幾何学的形状と関係する定数である。
【００７０】
したがって、上式[数１９]より、出水前後の振動加速度の時系列パラメータを監視することで流体の速度が推定できる。特に、この手法による流速の算出は、出水中の河道内の地形変化による影響も含んだ値であることからこれまでの出水前、出水中の地形変化を考慮してないことから生じる流速算出上の問題を除去することができる。
【００７１】
さらに、以下の[数１９]のように出水前や出水中にリアルタイムで振動データから流量やその変動量を推定することができる。
【００７２】
【数２０】
【００７３】
ここで、βはある単位時間に水が通過する断面積に対応するもので、出水中には可道内地形の変化により変動する。しかし、式[数１９]により求められる流体の速度には出水前後の河道内の地形変化による影響がすでに考慮されていることから上式[数２０]でのβは定数として仮定できる。
【００７４】
次に、以上詳述した平常時、出水時における振動信号の時系列パラメータを利用した河川システムの状態推定方法を適用した河川システムの状態推定装置について、図７のブロック図に示される推定装置１５のように、河川システム７に設置されて該河川システム７の平常時、出水時に所定物理量を検出するセンサ８と、前記センサ８が検出した検出信号sをデジタル信号dに変換する例えば１２〜２４ビットのＡ／Ｄコンバータ５と、前記デジタル信号dを入力して先述の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵ９に行わしめ、その結果を示す情報（注意、警告等）を表示装置１０に表示し、又は音響装置１１（アンプ、スピーカ、コントローラ等で構成）にて音声出力し、又はプリンタ１２で印刷出力するプログラムがハードディスクや半導体メモリ等の記憶装置１３にインストールされたコンピュータシステム１４と、を備えることを特徴とする。
【００７５】
上記構成によって、河川システムの平常時、出水時におけるリアルタイムの河川状態や橋脚の安定性推定が高速処理のアルゴリズムで実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】流体力が作用する橋脚の１次曲げ振動モデルである。
【図２】本発明の出水時における河川状態や橋脚の安定性推定方法を実施する振動測定・分析システムの構成図である。
【図３】平常時における橋梁の欄干部の四箇所に取り付けた加速度センサーから測定された振動加速度の時系列データを示す図である。
【図４】振動測定橋脚と出水前後の河川の流れ状況を模式的に表す図である。
【図５】集中豪雨による出水時に測定した振動加速度の時系列データを示す図である。
【図６】平常時と出水時の水位、Hとそのときの振動加速度データの時系列パラメータa1とa2を掛けたものの絶対値、｜a1・a2｜＝χとの関係を示す図である。
【図７】本発明に係わる河川システムの状態推定装置のブロック図例である。
【符号の説明】
【００７７】
１ 橋脚
２ 橋梁の欄干
３ 加速度センサー
４ 河川システム
５ A/Dコンバータ
６ パーソナルコンピュータ
７ 河川状態や橋脚安定性推定システム
８ センサ
９ ＣＰＵ
１０ 表示装置
１１ 音響装置
１２ プリンタ
１３ 記憶装置
１４ コンピュータシステム
１５ 河川システムの状態推定装置
ｓ 検出信号
ｄ デジタル信号
ai 加速度信号のARMA（２，１）モデルのARパラメータ
χ 時系列パラメータa1とa2を掛けたものの絶対値、｜a1・a2｜＝χ
χ０ 平常時に観測された加速度信号から求めたχ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に所定の物理量をセンサで観測し、前記センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータから前記河川システムの出水時の状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項２】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の河川状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項３】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の橋脚の安定性を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項４】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時における所定の物理量をセンサで観測した検出信号を前記時系列モデルのＡＲＭＡモデルにより計算し、前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項５】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項６】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項７】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項８】
河川システムに設置されて該河川システムの平常時、出水時に所定物理量を検出するセンサと、前記センサの検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項４に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項９】
河川システムの平常時、出水時に振動する振動箇所に設置された加速度センサと、前記加速度センサが検出した振動加速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項５請求項６又は請求項７に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項１】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に所定の物理量をセンサで観測し、前記センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータから前記河川システムの出水時の状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項２】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の河川状態を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項３】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの連成系と捉え、その河川システムの平常時、出水時における種々の状態を表現するＡＲＭＡモデルを持ち、前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサで観測し、前記加速度センサで観測した信号を前記ＡＲＭＡモデルにより計算し、求めた前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータの変化から出水時の橋脚の安定性を推定することを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項４】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時における所定の物理量をセンサで観測した検出信号を前記時系列モデルのＡＲＭＡモデルにより計算し、前記ＡＲＭＡモデルのＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項５】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡモデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項６】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと平常時、出水時の水位、流速及び流量との関係を求めるステップと、
求められた前記平常時、出水時におけるＡＲパラメータの変化から前記水位、流速及び流量等の河川状態をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項７】
流体、河床及び橋脚等の河川構造物を一つの振動システムとして捉えた河川システムの動力学的な系を対象とする力学モデルの運動方程式を流体中における橋脚の質量、剛性、減衰係数の力学パラメータで表すステップと、前記運動方程式の離散化を行って前記力学モデルの離散時間モデルを求めるステップと、前記力学モデルの離散時間モデルから時系列モデルであるＡＲＭＡ（２，１）モデルを求めるステップと、
求められた前記時系列モデルパラメータのＡＲパラメータと力学パラメータとの関係を求めるステップと、
前記河川システムの平常時、出水時に振動加速度を橋脚等の河川構造物に設置した加速度センサの振動加速度信号を測定して前記ＡＲパラメータを算出するステップと、
算出された前記ＡＲパラメータと前記力学パラメータとの関係から出水時の橋脚の安定性をリアルタイムで推定するステップと、
からなることを特徴とする河川システムの状態推定方法。
【請求項８】
河川システムに設置されて該河川システムの平常時、出水時に所定物理量を検出するセンサと、前記センサの検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項４に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【請求項９】
河川システムの平常時、出水時に振動する振動箇所に設置された加速度センサと、前記加速度センサが検出した振動加速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を入力して請求項５請求項６又は請求項７に記載の河川システムの状態推定方法を実行するアルゴリズムにて演算処理をＣＰＵに行わしめ、その結果を示す情報を表示装置に表示し、又は音響装置にて音声出力し、又は印刷出力するプログラムがインストールされたコンピュータシステムと、を備えることを特徴とする河川システムの状態推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２６０１７３（Ｐ２００６−２６０１７３Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７６７２５（Ｐ２００５−７６７２５）
【出願日】平成１７年３月１７日（２００５．３．１７）
【出願人】（５９１０３２７０３）群馬県 (144)
【出願人】（５０２３９８６１０）株式会社数理設計研究所 (5)
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１７日（２００５．３．１７）
【出願人】（５９１０３２７０３）群馬県 (144)
【出願人】（５０２３９８６１０）株式会社数理設計研究所 (5)
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
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