[論文レビュー] A framework for quantifying the value of vibration-based structural health monitoring

Antonios Kamariotis, Eleni Chatzi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Infrastructure Maintenance and Monitoring被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、振動に基づく構造健康モニタリング（SHM）の経済的価値を、SHMありとなしのライフサイクルコストを比較することで定量化するベイジアン意思決定分析フレームワークを提案する。連続的なモードデータと間欠的点検を用いて、逐次ベイズフィルタリングにより構造的信頼性を更新し、変化する劣化および環境的条件下で、2スパン橋の事例研究において最大77,000ユーロのコスト削減を実証した。

ABSTRACT

The difficulty in quantifying the benefit of Structural Health Monitoring (SHM) for decision support is one of the bottlenecks to an extensive adoption of SHM on real-world structures. In this paper, we present a framework for such a quantification of the value of vibration-based SHM, which can be flexibly applied to different use cases. These cover SHM-based decisions at different time scales, from near-real time diagnostics to the prognosis of slowly evolving deterioration processes over the lifetime of a structure. The framework includes an advanced model of the SHM system. It employs a Bayesian filter for the tasks of sequential joint deterioration state-parameter estimation and structural reliability updating, using continuously identified modal and intermittent visual inspection data. It also includes a realistic model of the inspection and maintenance decisions throughout the structural life-cycle. On this basis, the Value of SHM is quantified by the difference in expected total life-cycle costs with and without the SHM. We investigate the framework through application on a numerical model of a two-span bridge system, subjected to gradual and shock deterioration, as well as to changing environmental conditions, over its lifetime. The results show that this framework can be used as an a-priori decision support tool to inform the decision on whether or not to install a vibration-based SHM system on a structure, for a wide range of SHM use cases.

研究の動機と目的

• インfraストラクチャ所有者にとってSHMの経済的利点を体系的に定量化する手法の不足に応えること。
• 実際の応用においてコスト・ベネフィットのトレードオフが不明瞭であるため、SHM投資の正当化が難しいという課題を克服すること。
• 近実時間診断から長期的予測まで、複数の時間スケールにわたる構造劣化の管理に適用可能な統合フレームワークを開発すること。
• 環境変動の現実的なモデル化、OPM（運用的モード解析）によるSHMデータ、点検に基づく保守意思決定を統合すること。
• 構造物にSHMを導入することで測定可能な経済的利点が得られるかどうかを事前評価できる意思決定支援ツールを提供すること。

提案手法

• SHMの価値（VoSHM）を、SHMを用いる場合と従来の点検のみのアプローチとを比較した際のライフサイクルコストの期待値の低減として形式化する。
• 時間に依存する環境的要因を考慮した、徐々に進行する劣化およびショック誘発劣化を示す確率過程を用いて構造劣化をモデル化する。
• 連続的なSHMデータと定期的な視覚点検を統合して、構造劣化状態とモデルパラメータを同時に推定するため、パーティクルフィルタを用いた逐次ベイズ推論を実施する。
• 温度、湿度その他の運用条件を考慮したベイズモデルを用いて、モードデータにおける環境変動を扱う。
• 更新された信頼性推定値に基づいたヒューリスティックなリスクベース戦略を用いて、ライフサイクル全体の点検および保守意思決定をシミュレートする。
• 期待されるコスト差の堅牢な統計的推定を可能にするために、1,000サンプルのモンテカルロシミュレーションを用いてVoSHMを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 劣化する構造物に対して、連続的振動ベースSHMシステムを導入する場合と、従来の間欠的点検とを比較した場合、期待される経済的利点は何か？
• RQ2 モードデータにおける環境変動が、SHMに基づく状態評価の信頼性およびその後の保守意思決定にどのように影響するか？
• RQ3 SHMは、即時の損傷検出から構造劣化の長期的予測まで、さまざまな時間スケールにおいて、ライフサイクルコストをどの程度削減できるか？
• RQ4 連続的SHMデータと定期的視覚点検の統合が、構造的信頼性の更新精度および保守計画にどのように影響するか？
• RQ5 構造物の寿命にわたる点検および保守費用の削減という観点から、SHMシステムのコストとその価値の最適なバランスは何か？

主な発見

• フレームワークは、VoSHM（SHMの価値）を測定可能な経済的指標として定量化し、特定の劣化および環境的条件下で2スパン橋の事例研究において77,000ユーロのVoSHMを示した。
• モードデータにおける環境変動を組み込むことで信頼性推定値に顕著な影響が生じるが、ベイズモデルはリアルタイムの状態評価におけるこの不確実性を効果的に扱える。
• 逐次ベイズフィルタリングにより、ノイズが多く変動するSHMデータであっても、構造劣化状態および信頼性の正確なリアルタイム更新が可能である。
• フレームワークは、SHMが損傷の早期検出とより効率的な保守スケジューリングを可能にすることで、ライフサイクルコストを削減できることを示した。特に、徐々に進行する劣化およびショック誘発劣化の状況で顕著である。
• VoSHM指標は、近実時間診断から長期的予測まで、さまざまな意思決定時間スケールにおいても一貫した利点を示し、堅牢である。
• フレームワークは、スケーラブルで事前意思決定支援ツールとしての適用が可能であり、マルチコンポonentシステムやセンサ配置最適化への応用拡張も可能な可能性を有する。