ガイド波を用いた上水道管の漏水検知・位置推定技術の開発

利用导波进行水管泄漏检测和位置估计技术的开发

• 批准号: 22K14318
• 负责人: 丸山 泰蔵
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Ehime University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14318/
• 关键词: 弾性波; ガイド波; 上水道管; モニタリング; 漏水調査; 時間反転法; 有限要素法; 半解析的有限要素法; 音波; 構造ヘルスモニタリング

令和4年度は①上水道管中を低減衰で伝搬するガイド波のモードの選定，②水道管接合部での散乱減衰の評価，③漏水位置の推定方法の開発の3項目について数値シミュレーションを用いて理論的なアプローチを行った．上記①については，半解析的有限要素（SAFE）法によって地中に埋設された満水状態の円管中を伝搬するガイド波の分散解析手法を開発した．水道管周囲の外部領域は無限に広がる等方性弾性体でモデル化し，地中への音波の漏洩を含めた分散解析を実行した．最終的に非線形固有値問題に帰着されたため，複素平面上の経路積分を利用した非線形固有値問題の解法であるSakurai-Sugiura法によって解いた．得られた数値解析結果から水中にエネルギーが集中するガイド波のモードは地中へのエネルギー漏洩が少なく遠くまでの伝搬が期待されることが明らかになった．上記②については，局所的な散乱問題を有限要素法（FEM）で解析するSAFE-FEハイブリッド法による解析手法を開発した．水道管接合部は固体部が不連続，流体部は連続としてモデル化した．SAFE-FEハイブリッド法では水道管周囲の土領域はまだ考慮できていない状態ではあるが，散乱解析によって接合部でのガイド波の挙動を調べた．その結果，水中にエネルギーが集中するモードでは接合部の影響が小さいことがわかった．上記③については，様々なガイド波のモードが混在して計測されるため，それらの影響の自動的な反映が期待できる時間反転法による位置推定方法の開発を行った．現状としは，数値シミュレーションによる理想的なソースに対しては精度良く位置推定できるが，実測波形では比較的精度が悪い．ソース位置推定の指示関数の構成，観測波形の処理方法に課題があると考えられるため，引き続き検討を重ねる必要がある．

In the fourth year of this year, the three items of (1) the selection of the mode of low attenuation in the middle of the water pipe,(2) the evaluation of scattered attenuation in the joint part of the water pipe, and (3) the development of the estimation method of the leakage position were carried out. The paper describes the development of the semi-analytical finite element (SAFE) method for the dispersion analysis of waves embedded in the earth and in the tube. The outer region of the channel is infinite, and the isotropic body is uniform. The acoustic leakage in the ground is dispersed. Finally, the non-linear intrinsic value problem is solved by Sakurai-Sugiura method. The numerical analysis results obtained show that the leakage of electromagnetic waves concentrated in the water from the ground to the earth is very small and far away, and the transmission is expected to be very good. The finite element method (FEM) is used to analyze the scattered problems of local areas. The joint part of the waterway pipe is not connected to the solid part, and the fluid part is connected to the solid part.SAFE-FE method is used to analyze the joint part of the waterway pipe. As a result, the concentration of water in the joint is small. Note 3 above: The development of position estimation method is carried out by the time inversion method. The present situation is that the ideal solution for the numerical value of the waveform is to estimate the position with good accuracy, and the accuracy of the measured waveform is to compare with the accuracy of the waveform. The composition of the position estimation index and the processing method of the measurement waveform are discussed.

项目成果

水道管を伝搬するガイド波に対する相反定理を利用した分散関係の計測

利用互易定理测量水管中传播导波的色散关系

• 发表时间: 2022
• 作者: 浦道将;丸山泰蔵;中畑和之
• 通讯作者: 中畑和之

半解析的有限要素法を用いた地中に埋設された上水道管中のガイド波の分散解析

地下水管道导波频散半解析有限元分析

• 发表时间: 2022
• 期刊: 計算数理工学論文集
• 作者: 丸山泰蔵;中畑和之
• 通讯作者: 中畑和之

上水道管接合部での超音波の反射・透過に対するハイブリッドSAFE-FE解析

水管接头处超声波反射和传输的混合 SAFE-FE 分析

• 发表时间: 2023
• 作者: 松尾太聖;丸山泰蔵;中畑和之
• 通讯作者: 中畑和之

数値モデルを援用した上水道管の漏水位置のガイド波検査の検討

水管泄漏位置导波检测数值模型研究

• 发表时间: 2023
• 作者: 和田啓志;丸山 泰蔵;中畑和之
• 通讯作者: 中畑和之

Numerical Continuation and Semi-analytical Finite Element Method for Guided Wave Dispersion Analysis

导波色散分析的数值延拓和半解析有限元方法

• 发表时间: 2022
• 作者: Taizo Maruyama;Kazuyuki Nakahata
• 通讯作者: Kazuyuki Nakahata