土木工程结构监视系统、土木工程结构监视装置、土木工程结构监视方法和非暂时性计算机可读介质

摘要

根据本公开的土木工程结构监视系统设置有：线缆(20)，该线缆包括通信光纤并且布设在土木工程结构(10)中；接收单元(331)，该接收单元被配置成从线缆(20)中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与土木工程结构(10)的劣化状态相对应的图样；以及检测单元(332)，该检测单元基于图样来检测土木工程结构(10)的劣化状态。

说明书

技术领域

本公开涉及一种土木工程结构监视系统、一种土木工程结构监视装置、一种土木工程结构监视方法和一种非暂时性计算机可读介质。

背景技术

常规地，常常手动地进行对诸如隧道和桥梁的土木工程结构的异常检测。例如，情况通常是工人仅通过目视检查或使用在击打土木工程结构时的声音来判断异常。然而，手动地进行对土木工程结构的异常检测花费大量成本和时间，从而引起对异常的检测和处理的延迟。

因此，近来，已提出了一种用于使用光纤来监视土木工程结构中的异常的系统(例如，专利文献1和2)。

在专利文献1中描述的技术中，通过经由内置在复合结构(聚合物、玻璃等)中的光纤透射光并且检测光纤的应力或应变来检测复合结构的缺陷。此时，使光纤中包含的量子点引起非线性效果以增加检测灵敏度。

此外，在专利文献2中描述的技术中，将锚杆驱动到地下空间的顶棚、壁表面和基岩中，并且以交叉方式将一对两个光纤传感器固定到锚杆，以计算锚杆从光纤的应变的位移。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开第2014-052368号

专利文献2：日本未审查专利申请公开第2009-294039号

发明内容

技术问题

然而，在专利文献1和2中描述的技术中，存在问题的原因在于尽管能够检测对光纤施加了强应力的土木工程结构的状态，但是难以检测几乎不影响光纤的应力的状态，诸如土木工程结构的劣化。

因此，本公开的目的是提供能够解决上述问题并且能够准确地检测土木工程结构的劣化状态的土木工程结构监视系统、土木工程结构监视装置、土木工程结构监视方法和非暂时性计算机可读介质。

问题的解决方案

根据示例实施例的土木工程结构监视系统包括：

线缆，该线缆包括通信光纤并且布设在土木工程结构中；

接收单元，该接收单元被配置成从布设在土木工程结构中的线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

检测单元，该检测单元被配置成基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

根据示例实施例的土木工程结构监视装置包括：

接收单元，该接收单元被配置成从布设在土木工程结构中的线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与所述土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

检测单元，该检测单元被配置成基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

根据示例实施例的土木工程结构监视方法是一种由土木工程结构监视装置进行的土木工程结构监视方法，所述方法包括：

从布设在土木工程结构中的线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

根据示例实施例的非暂时性计算机可读介质是一种存储用于使计算机执行以下各项的过程的程序的非暂时性计算机可读介质：

从布设在土木工程结构中的线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

发明的有利效果

根据上述方面，可以实现能够高度准确地检测土木工程结构的劣化状态的效果。

附图说明

图1示出根据示例实施例的土木工程结构监视系统的配置的示例。

图2示出根据示例实施例的土木工程信息的示例。

图3示出在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法A中使用的土木工程结构的振动数据的频率特性的示例。

图4示出在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法A中使用的土木工程结构的振动数据的频率特性的另一示例。

图5示出在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法B中使用的土木工程结构的振动数据的示例。

图6示出在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法B中使用的土木工程结构的振动数据的另一示例。

图7示出在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法C中使用的土木工程结构的监视点的示例。

图8示出在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法C中使用的土木工程结构的振动数据的示例。

图9示出用于在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法C中在土木工程结构中布设光纤线缆的方法的示例。

图10示出用于在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法C中在土木工程结构中布设光纤线缆的方法的另一示例。

图11示出用于在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法C中在土木工程结构中布设光纤线缆的方法的进一步示例。

图12示出用于在根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法C中在土木工程结构中布设光纤线缆的方法的再一个示例。

图13示出通过根据示例实施例的土木工程结构监视系统中的方法E的机器学习的示例。

图14示出根据示例实施例的劣化等级信息的示例。

图15是示出用于实现根据示例实施例的土木工程结构监视装置的计算机的硬件配置的示例的框图。

图16是示出根据示例实施例的土木工程结构监视系统的操作流程的示例的流程图。

图17是示出用于在根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统中检测土木工程结构的劣化或破损的迹象的方法的示例的图。

图18是示出根据另一示例实施例的土木工程结构信息的示例的图。

图19是示出根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统的示例的图。

图20是示出根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统的另一示例的图。

图21是示出根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元的布置的示例的图。

图22是示出根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元的布置的另一示例的图。

图23是示出根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元的布置的进一步示例的图。

图24是示出根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元的布置的再一个示例的图。

图25是示出图21的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元在光纤断开时的操作的示例的图。

图26是示出图22的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元在光纤断开时的操作的示例的图。

图27是示出图24的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元在光纤断开时的操作的示例的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本公开的示例实施例。

<示例实施例>

<示例实施例的配置>

首先，将参考图1描述根据本示例实施例的土木工程结构监视系统的配置。注意，在图1中，为了说明的简化，作为土木工程结构10，示出了仅两个示例：作为隧道的土木工程结构10A(编号为A的土木工程结构)和作为桥梁的土木工程结构10B(编号为B的土木工程结构)。然而，土木工程结构10不限于隧道和桥梁，并且可以包括道路、铁路轨道等。

如图1所示，根据本示例实施例的土木工程结构监视系统被配置成检测土木工程结构10(图1中的土木工程结构10A、10B)的劣化状态并且包括光纤线缆20和土木工程结构监视装置33。

光纤线缆20被布设在土木工程结构10中。此时，在特别期望检测土木工程结构10的劣化状态的位置处，可以密集地安装光纤线缆20，例如，通过在形成环的同时布设光纤线缆20。这使得可以提高土木工程结构10的劣化的检测速率。

光纤线缆20是通过覆盖一根或多根通信光纤而构造的线缆，并且其一端被布线在通信运营商站建筑30内。

根据本示例实施例的土木工程结构监视系统通过利用使用光纤作为传感器的光纤感测技术来检测土木工程结构10的劣化状态。

具体地，在通信运营商站建筑30内部，脉冲光被注入到光纤线缆20中包括的通信光纤中。然后，随着脉冲光通过通信光纤在往土木工程结构10的方向上传输，在每个传输距离内生成后向散射光。此后向散射光经由同一通信光纤返回到通信运营商站建筑30的内部。

在这里，土木工程结构10因环境干扰(例如，火车或汽车的行进)而振动或自然地振动，并且土木工程结构10的振动被传输到通信光纤。此外，土木工程结构10振动的图样取决于土木工程结构10的劣化状态(挠曲、腐蚀、安装位置的变化等)而不同。

因此，返回到通信运营商站建筑30的内部的后向散射光包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样。在图1的示例中，由于设置了土木工程结构10A和10B，所以返回到通信运营商站建筑30的内部的后向散射光将包括与土木工程结构10A和10B中的每一个的劣化状态相对应的图样。

根据本示例实施例的土木工程结构监视系统通过利用如下事实来检测土木工程结构10的劣化状态：返回到通信运营商站建筑30的内部的后向散射光包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样。

在这里，上述土木工程结构监视装置33设置在通信运营商站建筑30内部。土木工程结构监视装置33是新安装的用于实现本示例实施例的设施。

土木工程结构监视装置33是具有作为光纤感测仪器的功能并且还具有检测土木工程结构10的劣化状态的功能的装置。具体地，土木工程结构监视装置33包括纤维感测单元331和检测单元332。纤维感测单元331是接收单元的示例。

纤维感测单元331将脉冲光注入到光纤线缆20中包括的至少一根通信光纤中。此脉冲光在往土木工程结构10的方向上传输。另外，纤维感测单元331从与注入有脉冲光的通信光纤相同的通信光纤接收脉冲光的后向散射光。此后向散射光是从土木工程结构10的方向接收的。

此时，如上所述，由纤维感测单元331接收到的后向散射光包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样。另外，在图1的示例中，由于设置了土木工程结构10A和10B，所以纤维感测单元331按时间先后顺序次序接收包括与土木工程结构10A和10B中的每一个的劣化状态相对应的图样的后向散射光。

因此，在接收到包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的后向散射光时，纤维感测单元331首先确定在其中生成了后向散射光的土木工程结构10。

然后，检测单元332基于与所确定的土木工程结构10的劣化状态相对应的图样来检测所确定的土木工程结构10的劣化状态。

因此，在下文中，首先，将对当在光纤感应单元331中接收到包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的后向散射光时确定在其中生成了后向散射光的土木工程结构10的方法进行描述。

在本示例实施例中，纤维感测单元331提前保持包括指示每个土木工程结构10的位置的位置信息的土木工程结构信息。图2示出土木工程结构信息的示例。注意，在图2中yy>xx。纤维感测单元331基于当脉冲光被注入到通信光纤中时的时间与当从同一通信光纤接收到包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的后向散射光时的时间之间的时间差来计算在其中生成了后向散射光的生成位置。此时，纤维感测单元331计算生成位置，使得上述时间差越小，它离纤维感测单元331越近。然后，纤维感测单元331通过参考图2的土木工程结构信息来确定在其中生成了后向散射光的土木工程结构10。

在图1的示例中，纤维感测单元331按时间先后顺序次序接收包括与土木工程结构10A和10B中的每一个的劣化状态相对应的图样的后向散射光。因此，纤维感测单元331分别计算这些后向散射光的生成位置，并且参考图2中的土木工程结构信息。结果，纤维感测单元331将其生成位置与从纤维感测单元331到土木工程结构10A的距离一致的后向散射光确定为在土木工程结构10A中生成的后向散射光。另外，纤维感测单元331将其生成位置与从纤维感测单元331到土木工程结构10B的距离一致的后向散射光确定为在土木工程结构10B中生成的后向散射光。

随后，在下文中，将描述在检测单元332中检测所确定的土木工程结构10的劣化状态的方法。

(A)方法A

首先，将参考图3和图4描述用于检测土木工程结构10的劣化状态的方法A。图3和图4示出土木工程结构10的振动数据(水平轴线是时间，而垂直轴线是强度(振幅))在经受FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)之后的频率特性(水平轴线是频率，而垂直轴线是强度(振幅))。另外，图3示出正常土木工程结构10的频率特性，并且图4示出劣化土木工程结构10的频率特性。

纤维感测单元331进行处理以确定在其中生成了从通信光纤接收到的后向散射光的土木工程结构10。另外，纤维感测单元331进行处理以通过用分布式声传感器、分布式振动传感器、分布式温度传感器等检测后向散射光来检测所确定的土木工程结构10中的振动状态、温度状态、声音状态等。

因此，检测单元332基于由纤维感测单元331对后向散射光的处理结果来检测与所确定的土木工程结构10的劣化状态相对应的图样。此时，检测单元332通过检测例如在土木工程结构10中生成的振动的强度波动、振动位置和振动频率的转变来检测振动的动态波动图样变得可能。此外，通过一起检测在土木工程结构10中生成的声音和温度的动态波动图样，检测单元332变得可以检测土木工程结构10的复杂唯一图样，并且以较高准确性检测劣化状态。在这里，具体地，检测如图3和图4所示的土木工程结构10的频率特性。

如图3和图4所示，在土木工程结构10的频率特性中发生强度峰值。发生峰值的频率变为取决于土木工程结构10的劣化状态而不同的动态波动图样。具体地，在劣化土木工程结构10的频率特性(图4)中，与正常土木工程结构10的频率特性(图3)比较，发生强度峰值的频率向较高频率侧移位。

因此，当检测土木工程结构10的劣化状态时，检测单元332首先检测土木工程结构10的频率特性(例如，图3和图4)。随后，检测单元332基于在土木工程结构10的频率特性中发生峰值的频率来检测土木工程结构10的劣化状态。另外，检测单元332可以基于从在正常土木工程结构10的频率特性中发生峰值的频率移位的移位量的幅度来检测劣化等级。

注意在方法A中，当土木工程结构10劣化时，发生峰值的频率向较高频率侧移位，但是劣化与频率的移位方向之间的关系仅仅是示例，并且这不是限制性的。由于土木工程结构10的图样由对土木工程结构10唯一的状态和材料等确定，所以取决于土木工程结构10，发生峰值的频率可以在劣化时向较低频率侧移位。

此外，方法A中使用的峰值不仅例如出现在当火车或汽车通过土木工程结构10行进时生成的振动中，而且还紧接在火车或汽车通过土木工程结构10行进之前或之后出现。

(B)方法B

随后，将参考图5和图6描述用于检测土木工程结构10的劣化状态的方法B。图5和图6示出土木工程结构10的振动数据(水平轴线是时间，而垂直轴线是强度(振幅))。另外，图5示出正常土木工程结构10的振动数据，而图6示出劣化土木工程结构10的振动数据。

在方法B中，工人通过例如用锤子击打土木工程结构10的手段来在土木工程结构10中生成振动，并且利用该振动。

类似于上述方法A，检测单元332基于通过纤维感测单元331的处理结果来检测与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样。具体地，在方法B中，检测如图5和图6所示的土木工程结构10的频率特性。

如图5和6所示，在土木工程结构10中生成的振动随后衰减。此衰减时间变为取决于土木工程结构10的劣化状态而不同的动态波动图样。具体地，如图5所示，在正常土木工程结构10的情况下，振动的衰减时间短。另一方面，如图6所示，在劣化土木工程结构10的情况下，振动的衰减时间已变长。

因此，当检测土木工程结构10的劣化状态时，检测单元332首先检测土木工程结构10的振动数据(例如，图5和图6)。随后，检测单元332在土木工程结构10的振动数据中基于在土木工程结构10中生成的振动的衰减时间来确定土木工程结构10的劣化状态。另外，检测单元332可以基于衰减时间的幅度检测劣化等级。

注意在方法B中，当土木工程结构10劣化时，振动的衰减时间变长，但是劣化与振动的衰减时间之间的关系仅仅是示例，并且不限于此。由于土木工程结构10的图样由对土木工程结构10唯一的状态和材料等确定，所以取决于土木工程结构10，振动的衰减时间可以在劣化时缩短。

另外，在方法B中，工人使用在土木工程结构10中人工地生成的振动，但这不是限制性的。例如，当火车或汽车通过土木工程结构10行进时生成振动，并且可以使用该振动。另外，可以使用紧接在火车或汽车通过土木工程结构10行进之前或紧接在火车或汽车通过土木工程结构10行进之后生成的振动。

(C)方法C

随后，将参考图7和图8描述用于检测土木工程结构10的劣化状态的方法C。图7示出在方法C中使用的土木工程结构10的监视点。在图7中，省略了检测单元332的图示。另外，类似于图3和图4，图8中包括的每个图示出土木工程结构10的频率特性。

通常，土木工程结构10在每个位置处不均匀地振动。

因此，能够获取的振动取决于进行土木工程结构10的监视的监视点而不同，并且振动的特征也不同。

由于该原因，通过设计出将光纤线缆20布设在土木工程结构10中的方法，增加土木工程结构10的各个监视点处的振动变得可能。

因此，在方法C中，在一个土木工程结构10的多个监视点(图7中的两个监视点#1和#2)处获取振动，并且组合多个振动的特征，从而提高土木工程结构10的劣化检测的准确性。

当检测土木工程结构10的劣化状态时，检测单元332如在上述方法A中一样，基于通过纤维感测单元331的处理结果在两个监视点#1和#2中的每一个处检测与劣化状态相对应的图样。具体地，在方法C中，检测与图3和图4的频率特性类似的频率特性。此外，检测单元332在两个监视点#1和#2的每一个处周期性地检测与劣化状态相对应的图样。

然后，检测单元332按两个监视点#1和#2中的每一个的时间先后顺序次序基于在频率特性中发生峰值的频率来检测土木工程结构10的劣化状态。具体地，当发生强度峰值的频率在两个监视点#1和#2的两个频率特性中向较低频率侧移位时，检测单元332检测到土木工程结构10劣化了。另外，检测单元332可以基于移位量的幅度检测土木工程结构10的劣化等级。

注意，在方法C中，当土木工程结构10劣化时发生峰值的频率向较低频率侧移位，但是如方法A中所说明的，劣化与频率的移位方向之间的关系仅仅是示例，并且不限于此。

随后，参考图9至图11，将描述在方法C中将光纤线缆20布设在土木工程结构10中的方法。注意在图9至图11中，省略了检测单元332的图示。

在图9的示例中，光纤线缆20相对于土木工程结构10线性地布设。在这种情况下，土木工程结构10能够通过用于监视振动状况的线来表示。

在图10的示例中，光纤线缆20被以Z字形方式布设在特定表面上，以便覆盖与土木工程结构10中的光纤线缆20的轴向方向平行的特定表面。在这种情况下，可以监视土木工程结构10的整个特定表面的振动状况。

在图11的示例中，光纤线缆20被以Z字形方式布设在特定表面和第二特定表面上，使得除了图10的土木工程结构10的特定表面之外，还覆盖与土木工程结构10的光纤线缆20的轴向方向正交的第二特定表面。在这种情况下，可以(在三个轴向方向上)监视整个土木工程结构10的振动状况。

以这种方式，尤其在图10和图11的示例中，可以增加能够获取土木工程结构10的振动的监视点的数目。

另外，当土木工程结构10处于剧烈摇动的状况下时，监视到过度振动，并且以适当的强度监视振动状况变得不可能。

在那种情况下，如图12所示，可以在光纤线缆20与土木工程结构10之间安装减小冲击的减震材料等，诸如减震器60。结果，从土木工程结构10传输的振动减小了，使得能够以适当的强度监视振动状况。

(D)方法D

接下来，将描述用于检测土木工程结构10的劣化状态的方法D。

在方法D中，检测单元332通过使用关联表来检测土木工程结构10的劣化状态。

检测单元332保持与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样和土木工程结构10的劣化状态彼此相关联的关联表。与劣化状态相对应的图样例如是如图3和图4所示并且在方法A中描述的振动数据以及如图5和图6所示并且在方法B中描述的振动数据的频率特性。

当检测土木工程结构10的劣化状态时，检测单元332首先检测与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样。随后，检测单元332通过使用上述关联表，与和土木工程结构10的劣化状态相对应的图样关联地确定土木工程结构10的劣化状态。

(E)方法E

接下来，将描述用于检测土木工程结构10的劣化状态的方法E。

在方法E中，检测单元332进行与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的机器学习(例如，深度学习)，并且使用机器学习的训练结果(初始训练模型)来检测土木工程结构10的劣化状态。

首先，将参考图13描述方法E中的机器学习的方法。在这里，将描述进行以三个土木工程结构10(称为土木工程结构10A、10B和10C)的图样作为教师数据进行训练的方法。

如图13所示，检测单元332输入作为指示土木工程结构10A、10B和10C的劣化程度的劣化等级信息的教师数据、以及与土木工程结构10A、10B和10C的劣化状态相对应的图样(步骤S1和S2)。图14示出用作教师数据的劣化等级信息的示例。注意，在图14中，劣化等级的较大数值指示劣化的进一步进度。此外，劣化等级信息由检测单元332保持。另外，与劣化状态相对应的图样包括例如如图3和图4所示并且在方法A中描述的振动数据以及如图5和图6所示并且在方法B中描述的振动数据的频率特性。

随后，检测单元332进行两者的匹配和分类(步骤S3)以进行监督训练(步骤S4)。结果，获得了初始训练模型(步骤S5)，该初始训练模型将是当输入在土木工程结构10中生成的图样时输出土木工程结构10的劣化状态的模型。

随后，将描述用于在方法E中检测土木工程结构10的劣化状态的方法。

当检测土木工程结构10的劣化状态时，检测单元332首先检测与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样，然后将所检测到的图样输入到初始训练模型中。结果，检测单元332获得土木工程结构10的劣化状态作为初始训练模型的输出结果。

如上所述，在方法E中，进行与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的机器学习，并且机器学习的训练结果用于检测土木工程结构10的劣化状态。

可能难以通过人类分析从数据中提取用于检测土木工程结构10的劣化状态的特征。在方法E中，通过从大量图样构造训练模型，即使当通过人类分析困难时，也可以高度准确地检测土木工程结构10的劣化状态。

在方法E中的机器学习中，在初始状态下，可以基于两个或更多个教师数据来创建训练模型。另外，可以按重新检测到的图样而重新训练训练模型。那时，可以根据新训练模型调整用于检测土木工程结构10的劣化状态的详细条件。

随后，参考图15，将在下面描述用于实现土木工程结构监视装置33的计算机40的硬件配置。

如图15所示，计算机40包括处理器401、存储器402、存储装置403、输入/输出接口(输入/输出I/F)404、通信接口(通信I/F)405等。处理器401、存储器402、存储装置403、输入/输出接口404和通信接口405通过数据传输线互连以用于向彼此间发送数据并且从彼此接收数据。

处理器401例如是诸如CPU(中央处理单元)或GPU(图形处理单元)的算术处理单元。存储器402例如是诸如RAM(随机存取存储器)或ROM(只读存储器)的存储器。存储装置403是诸如HDD(硬盘驱动器)、SSD(固态驱动器)或存储卡的存储设备。另外，存储装置403可以是诸如RAM或ROM的存储器。

存储装置403存储实现土木工程结构监视装置33中包括的纤维感测单元331和检测单元332的功能的程序。处理器401通过执行这些程序中的每一个来实现纤维感测单元331和检测单元332的功能。在这里，当执行上述程序中的每一个时，处理器401可以将这些程序读出到存储器402上，然后执行程序，或者可以在不将它们读出到存储器402上的情况下执行程序。存储器402和存储装置403还起到存储由纤维感测单元331和检测单元332保持的信息和数据的作用。

另外，可以使用各种类型的非暂时性计算机可读介质来存储上述程序并且将其供应给计算机(包括计算机40)。非暂时性计算机可读介质包括各种类型的有形存储介质。非临时计算机可读介质的示例包括磁记录介质(例如，软盘、磁带、硬盘驱动器)、磁光记录介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(紧致盘只读存储器)、CD-R(可记录CD)、CD-R/W(可重写CD)、半导体存储器(例如，掩模ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除PROM)、闪速ROM、RAM(随机存取存储器))。也可以通过各种类型的暂时性计算机可读介质将程序供应给计算机。暂时性计算机可读介质的示例包括电信号、光学信号和电磁波。暂时性计算机可读介质能够通过诸如电线和光纤的有线通信路径或无线通信路径来将程序供应给计算机。

输入/输出接口404与显示装置4041、输入装置4042等连接。显示装置4041是显示与由处理器401处理的渲染数据相对应的画面的装置，诸如LCD(液晶显示)或CRT(阴极射线管)显示器。输入装置4042是接收操作者的操作输入的装置，并且例如是键盘、鼠标、触摸传感器等。可以将显示装置4041和输入装置4042集成并且实现为触摸面板。计算机40还可以包括传感器(未示出)，包括分布式声传感器、分布式振动传感器、分布式温度传感器等，并且此传感器可以连接到输入/输出接口404。

通信接口405向外部装置发送数据并且从外部装置接收数据。例如，通信接口405经由有线通信路径或无线通信路径与外部装置进行通信。

<示例实施例的操作>

在下文中，将描述根据本示例实施例的土木工程结构监视系统的操作。在这里，将参考图16描述根据本示例实施例的土木工程结构监视系统的操作流程。

如图16所示，首先，纤维感测单元331将脉冲光注入到光纤线缆20中包括的至少一根通信光纤中(步骤S11)。

随后，纤维感测单元331从与注入有脉冲光的通信光纤相同的通信光纤接收包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的后向散射光(步骤S12)。

随后，纤维感测单元331确定已在其中生成了在步骤S12中接收到的后向散射光的土木工程结构10(步骤S13)。此时，纤维感测单元331可以基于时间差通过使用上述方法来确定已在其中生成了后向散射光的土木工程结构10。

然后，检测单元332基于在步骤S12中接收到的后向散射光中包括的图样来检测在步骤S13中确定的土木工程结构10的劣化状态(步骤S14)。此时，检测单元332可以通过使用上述方法A至方法E中的任一种来检测土木工程结构10的劣化状态。

注意，在图16中，在步骤S12中，每当接收到包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的后向散射光时，可以进行步骤S13和S14的处理。替选地，在步骤S12中，在接收到包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的多个后向散射光之后，可以针对每个后向散射光执行步骤S13和S14的处理。

<示例实施例的有利效果>

如上所述，根据本示例实施例，包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的后向散射光(光学信号)是从光纤线缆20中包括的至少一根通信光纤接收的。然后，基于所接收到的后向散射光中包含的图样来检测土木工程结构10的劣化状态。如上所述，根据本示例实施例，可以例如通过对在土木工程结构10中生成的振动的变化(例如，振动强度的变化等的转变)进行动态图样分析来检测土木工程结构10的劣化状态。因此，能够高度准确地检测土木工程结构10的劣化状态。

另外，根据本示例实施例，为了检测土木工程结构10的劣化状态，可以使用现有的通信光纤，并且既不必要如在专利文献1中一样在光纤中包括量子点，也不必要如在专利文献2中一样将锚杆驱动到土木工程结构10的地下空间中。因此，由于不需要用于检测土木工程结构10的劣化状态的专用结构，所以能够以低成本构造土木工程结构监视系统。

另外，根据本示例实施例，由于能够通过使用现有的通信光纤同时地且远程地检测多个土木工程结构10的劣化状态，所以掌握土木工程结构10的劣化状态并且降低掌握土木工程结构10的劣化状态的成本变得更容易。

另外，根据本示例实施例，使用将光纤用作传感器的光纤感测技术。因此，可以获得诸如对电磁噪声不敏感、无必要向传感器供应电力、耐环境性优异、维护方便等的优点。

<其他示例实施例>

注意，如上所述，纤维感测单元331能够基于当脉冲光被注入到通信光纤中时的时间与当从同一通信光纤接收到包括与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样的后向散射光时的时间之间的时间差来计算生成了后向散射光的生成位置。因此，纤维感测单元331可以基于计算结果，不仅确定在其中生成了后向散射光的土木工程结构10，而且还确定土木工程结构10的劣化位置。

另外，检测单元332可以被配置成保持所检测到的以上针对每个土木工程结构10描述的土木工程结构10的劣化状态，并且可以通过周期性地(例如，每年)检测土木工程结构10的劣化状态来检测土木工程结构10的劣化状态的随时间而推移的状态变化。

另外，检测单元332可以基于土木工程结构10的劣化状态的随时间的状态变化来检测土木工程结构10的劣化或破损的迹象。

在这里，参考图17，将描述在检测单元332中检测土木工程结构10的劣化或破损的迹象的方法。图17按时间先后顺序次序示出与图3和图4中的那些类似的土木工程结构10的振动数据的频率特性。

如图17所示，检测单元332基于三年前、两年前和目前时间的土木工程结构10的振动数据的频率特性的随时间的变化来预测一年后的频率特性，并且基于一年后的预测频率特性，预测土木工程结构10在一年后中的劣化或破损。在这里，检测单元332已基于在一年后的频率特性中发生峰值的频率来预测到土木工程结构10将在一年之后达到劣化等级3。

另外，纤维感测单元331还可以将每个土木工程结构的信息添加到由它本身保持的土木工程结构信息，并且检测单元332还可以使用添加到土木工程结构信息的附加信息来检测土木工程结构10的劣化状态。图18示出土木工程结构信息的另一示例。与图2比较，图18所示的土木工程结构信息被添加有关于每个土木工程结构10的材料、长度和建造年份(或安装年份)的信息。因此，检测单元332可以通过除了考虑后向散射光中包含的与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样之外还考虑土木工程结构10的材料、长度和建造年份信息来检测土木工程结构10的劣化状态。结果，能够提高检测准确性。

另外，在已由检测单元332检测为劣化的土木工程结构10用新土木工程结构10替换之后，分析人员可以实际上拆卸旧土木工程结构10以确定实际的劣化等级。此时，如果在由检测单元332检测到的劣化等级与由分析人员判断的劣化等级之间存在差异，则可以将该差异反馈给检测单元332。在这种情况下，由于检测单元332此后将检测土木工程结构10的劣化状态使得其劣化等级接近实际的劣化等级，所以能够提高检测准确性。

另外，当在检测单元332中通过方法E机器学习到与土木工程结构10的劣化状态相对应的图样时，认为土木工程结构10的劣化状态取决于区域而不同。例如，认为劣化状态在温暖区域与寒冷区域之间不同。因此，检测单元332可以通过使用与区域相对应的教师数据来对于每个区域进行机器学习。

另外，在上述示例实施例中，假定了使用现有的光纤线缆20，但是如图19所示，可以重新安装光纤线缆20，并且可以将数据收集单元34连接到新安装的光纤线缆20。数据收集单元34还收集土木工程结构10A和10B的图样(例如，声音、温度、振动等)的数据，并且将所收集到的数据发送到检测单元332。此时，可以经由光纤线缆20或经由单独地提供的无线电仪器来进行数据从数据收集单元34到检测单元332的发送。检测单元332针对土木工程结构10A和10B，基于由数据收集单元34和纤维感测单元331收集到的数据来检测劣化状态。因此，能够提高检测准确性。

另外，如图20所示，可以提供用于基于通过土木工程结构监视装置33的检测结果来管理土木工程结构10的管理系统50。管理系统50可以向系统管理员等呈现土木工程结构10的劣化状态、土木工程结构10的劣化状态的随时间的状态变化、土木工程结构10的劣化或破损的迹象等。另外，管理系统50可以基于通过土木工程结构监视装置33的检测结果来计算土木工程结构10的维修时间，并且将土木工程结构10的维修时间呈现给系统管理员等。另外，尽管管理系统50被设置在通信运营商站建筑30的外部中，但是可以将它设置在通信运营商站建筑30内部。另外，当管理系统50被设置在通信运营商站建筑30外部时，通过光纤线缆20连接到多个通信运营商站建筑30中的每一个的土木工程结构10可以由单个管理系统50集中地监视。

另外，土木工程结构监视装置33的纤维感测单元331和检测单元332可以彼此分开地设置。例如，可以将仅纤维感测单元331设置在通信运营商站建筑30内部，并且可以将包括检测单元332的土木工程结构监视装置33设置在通信运营商站建筑30外部。

另外，在上述示例实施例中，设置仅一个纤维感测单元331并且它占据光纤线缆20，但这不是限制性的。在这里，参考图21至图24，将描述根据其他示例实施例的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元331的布置。注意，在图21至图24中，省略了检测单元332的图示。

在图21的示例中，纤维感测单元331与现有的通信设施31共享光纤线缆20。另外，为了在纤维感测单元331与现有的通信设施31之间共享光纤线缆20，设置了用于信号分离的滤波器32。

在图22的示例中，为多个通信运营商站建筑30(在图22中，两个通信载波站建筑30A和30Z)中的每一个设置一个纤维感测单元331。具体地，纤维感测单元331A和331Z分别设置在通信运营商站建筑30A和30Z内部。注意，在图22的示例中，土木工程结构10A和10B通过光纤线缆20连接到通信运营商站建筑30A；土木工程结构10C和10D通过光纤线缆20连接到通信运营商站建筑30Z；并且土木工程结构10B和10D通过光纤线缆20连接。通信设施31A和31Z对应于通信设施31，并且滤波器32A和32Z对应于滤波器32。

在图22的示例中，纤维感测单元331A和331Z都监视土木工程结构10A至10D。

在图23的示例中，与图22比较，数据收集单元34设置在土木工程结构10B附近。在这里，虽然为四个土木工程结构10A至10D设置仅一个数据收集单元34，但是可以为预定数目的土木工程结构10(例如，10个土木工程结构10)设置一个数据收集单元34，并且因此可以设置其一个或多个。例如，当将光纤线缆20布设在100个土木工程结构10中时，可以为每10个土木工程结构10设置一个数据收集单元34，并且可以设置总共10个数据收集单元34。

在图23的示例中，每个数据收集单元34收集对应预定数目的土木工程结构10的图样(例如，声音、温度、振动等)的数据，并且检测单元332聚合由每个数据收集单元34收集到的数据。此时，可以经由光纤线缆20或经由分开地设置的无线电仪器来进行数据从每个数据收集单元34到检测单元332的发送。对于数据收集单元34已收集了数据的土木工程结构10，检测单元332基于该数据检测劣化状态。

由于该原因，一个纤维感测单元331的监视区段缩短了，并且要监视的土木工程结构10的数目减小了。由于作为纤维感测单元331的监视区段的缩短的结果脉冲光和后向散射光的传输距离缩短了，所以光纤损耗减小了。结果，能够提高要接收的后向散射光的S/N比(信噪比)，并且能够提高监视准确性。另外，作为要由纤维感测单元331监视的土木工程结构10的数目减小的结果，可以增加监视周期。

在图24的示例中，多个纤维感测单元331(在图24中，两个纤维感测单元331A和331Z)设置在一个通信运营商站建筑30AZ中。注意，在图24的示例中，土木工程结构10A和10B通过光纤线缆20连接到纤维感测单元331A；土木工程结构10C和10D通过光纤线缆20连接到纤维感测单元331Z；并且土木工程结构10B和10D通过光纤线缆20连接。通信设施31A和31Z对应于通信设施31，并且滤波器32A和32Z对应于滤波器32。

在图24的示例中，纤维感测单元331A和331Z都监视土木工程结构10A至10D。然而，纤维感测单元331A沿顺时针方向注入脉冲光以监视土木工程结构10A至10D，并且纤维感测单元331Z沿逆时针方向注入脉冲光以监视土木工程结构10A至10D。

注意，当如图22至图24所示的那样设置多个纤维感测单元331时，可以为多个纤维感测单元331设置包括检测单元332的一个土木工程结构监视装置33。然后，通过光纤线缆20连接到多个纤维感测单元331中的每一个的土木工程结构10的劣化状态可以由一个土木工程结构监视装置33集中地检测。在这种情况下，土木工程结构监视装置33可以设置在通信运营商站建筑30中的任何一个内部，或者可以设置在通信运营商站建筑30外部。

另外，布设在土木工程结构10中的光纤线缆20可能被断开。因此，参考图25至图27，将描述根据另一示例实施例的土木工程结构监视系统中的纤维感测单元331在光纤线缆20被断开时的操作。注意，在图25至图27中，省略了检测单元332的图示。

图25的示例是在图21的配置中断开土木工程结构10A与土木工程结构10B之间的光纤线缆20的示例。即使光纤线缆20被断开，纤维感测单元331也继续将脉冲光注入到光纤线缆20中。结果，通信运营商站建筑30能够继续对直到断开位置的区段进行监视。

图26的示例是在图22的配置中断开土木工程结构10A与土木工程结构10B之间的光纤线缆20的示例。即使光纤线缆20被断开，纤维感测单元331A和331Z也继续将脉冲光注入到光纤线缆20中。此时，土木工程结构10总是连接到两个或更多个通信运营商站建筑30(图26中的两个通信运营商站建筑30A和30Z)。因此，通过通信运营商站建筑30A和30Z从两个方向进行监视，可以构造能够在单故障的情况下连续地监视整个区段的冗余配置。

图27的示例是在图24的配置中断开土木工程结构10A与土木工程结构10B之间的光纤线缆20的示例。即使光纤线缆20被断开，纤维感测单元331A和331Z也继续将脉冲光注入到光纤线缆20中。此时，在图27的示例中，构造了光纤线缆20以环形状连接的环配置。因此，通过在环的两个方向上从一个通信运营商站建筑30AZ进行监视，可以构造能够在单故障的情况下连续地监视整个区段的冗余配置。

尽管已在上面参考示例实施例描述了本公开，但是本公开不限于上述示例实施例。在本公开的范围内，能够对本公开的配置和细节做出本领域的技术人员能够理解的各种变化。

此外，以上实施例中的一些或全部可以如在以下附录中一样被描述，但是不限于下列的。

(补充注释1)

一种土木工程结构监视系统，包括：

线缆，该线缆包括通信光纤并且布设在土木工程结构中；

接收单元，该接收单元被配置成从线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

检测单元，该检测单元被配置成基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

(补充注释2)

根据补充注释1所述的土木工程结构监视系统，其中

接收单元基于光学信号来确定已生成了光学信号的土木工程结构，并且

检测单元基于图样来检测述确定的土木工程结构的劣化状态。

(补充注释3)

根据补充注释2所述的土木工程结构监视系统，其中，接收单元基于光学信号来确定土木工程结构的劣化位置。

(补充注释4)

根据补充注释1至3中的任一项所述的土木工程结构监视系统，其中，检测单元通过周期性地检测土木工程结构的劣化状态来检测土木工程结构的劣化状态的随时间的状态变化。

(补充注释5)

根据补充注释3所述的土木工程结构监视系统，其中，检测单元基于土木工程结构的劣化状态的随时间的状态变化来检测土木工程结构的劣化或破损的迹象。

(补充注释6)

一种土木工程结构监视装置，包括：

接收单元，该接收单元被配置成从布设在土木工程结构中的线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

检测单元，检测单元被配置成基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

(补充注释7)

根据补充注释6所述的土木工程结构监视装置，其中

接收单元基于光学信号来确定已生成了光学信号的土木工程结构，并且

检测单元基于图样来检测述确定的土木工程结构的劣化状态。

(补充注释8)

根据补充注释7所述的土木工程结构监视装置，其中，接收单元基于光学信号来确定土木工程结构的劣化位置。

(补充注释9)

根据补充注释6至8中的任一项所述的土木工程结构监视装置，其中，检测单元通过周期性地检测土木工程结构的劣化状态来检测土木工程结构的劣化状态的随时间的状态变化。

(补充注释10)

根据补充注释9所述的土木工程结构监视装置，其中，检测单元基于土木工程结构的劣化状态的随时间的状态变化来检测土木工程结构的劣化或破损的迹象。

(补充注释11)

一种由土木工程结构监视装置进行的土木工程结构监视方法，该方法包括：

从布设在土木工程结构中的线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，光学信号包括与土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

(补充注释12)

一种存储用于使计算机执行以下过程的程序的非暂时性计算机可读介质：

从布设在土木工程结构中的线缆中包括的通信光纤中的至少一根接收光学信号，该光学信号包括与土木工程结构的劣化状态相对应的图样；以及

基于图样来检测土木工程结构的劣化状态。

本申请基于于2018年11月12日提交的日本专利申请第2018-211915号要求优先权，其公开内容通过引用整体地并入本文。

附图标记列表

10、10A至10D 土木工程结构

20 光纤线缆

30、30A、30Z、30AZ 通信运营商站建筑

31、31A、31Z 通信设施

32、32A、32Z 滤波器

33 土木工程结构监视装置

331、331A、331Z 纤维感测单元

332 检测单元

34 数据收集单元

40 计算机

401 处理器

402 存储器

403 存储装置

404 输入/输出接口

4041 显示装置

4042 输入装置

405 通信接口

50 管理系统