JP6512588B2

JP6512588B2 - 軌道状態測定方法及び軌道状態測定可能な営業車両

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Publication number: JP6512588B2
Application number: JP2013184620A
Authority: JP
Inventors: 洋平道辻; 諒松井; 安弘佐藤; 裕貴森; 忠清水; 栗原　純; 純栗原; 智博世木; 弘史大林; 将明水野; 益久谷本
Original assignee: Nippon Steel Corp; Ibaraki University NUC; Tokyo Metro Co Ltd; National Agency For Automobile and Land Transport Technology NALTEC
Current assignee: Nippon Steel Corp; Ibaraki University NUC; Tokyo Metro Co Ltd; National Agency For Automobile and Land Transport Technology NALTEC
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: EP3042822A1; TWI541155B; CN105517874B; EP3042822A4; ES2717977T3; US9963157B2; US20160194013A1; TW201512003A; CN105517874A; EP3042822B1; JP2015051674A; WO2015033988A1

Description

本発明は、営業車両が走行する軌道の状態を測定する方法及び軌道の状態を測定可能な営業車両に関する。特に、本発明は、営業車両が走行する軌道の平面性変位を当該営業車両によって精度良く測定可能な方法及びこの方法によって軌道の平面性変位を精度良く測定可能な営業車両に関する。

鉄道車両が走行する軌道の状態を管理する指標として軌道変位が知られている。この軌道変位には、軌間変位、水準変位、高低変位、通り変位、及び平面性変位の５種類がある。これらの軌道変位が大きくなると、走行する鉄道車両の揺れが大きくなり乗り心地が悪くなる。さらに、軌道変位が大きくなると、鉄道車両の走行安全性に支障が生じ、脱線事故につながるおそれもある。従って、定期的に軌道変位を測定し、適切な時期に軌道を補修する必要がある。
なお、平面性変位は、軌道の平面に対するねじれの状態を表すものであり、軌道の長手方向に一定間隔を隔てた２点間の水準変位の差を意味する。また、水準変位は、軌道を構成する左右のレールの高さの差を意味する。

従来、軌道変位は、専用の軌道検測車によって測定されている（例えば、特許文献１参照）。軌道検測車は、非営業車両であり、台数も少ないため、頻繁には軌道変位を測定できず、深夜などの運行スケジュールの合間に測定する必要がある。従い、軌道検測車を用いる代わりに、営業車両によって日常的に軌道変位を測定可能にすることが望まれている。

一方、輪重と横圧とを測定可能な台車（ＰＱモニタリング台車）を営業車両に用いることにより、鉄道車両の走行安全性を示す指標である脱線係数を日常的に測定可能とすることが提案されている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。
なお、輪重とは、鉄道車両の車輪と軌道を構成するレールとの間に作用する垂直方向の力である。横圧とは、車輪とレールとの間に作用する水平方向（車軸に沿った方向）の力である。脱線係数とは、輪重をＰ、横圧をＱとしたときに、Ｑ／Ｐで表される指標である。

上記のＰＱモニタリング台車を用いれば、脱線係数については、営業車両での日常的な測定が可能である。しかしながら、ＰＱモニタリング台車で、軌道変位、特に平面性変位を測定することについては、何ら提案されていない。

特開２００１−１３０４０８号公報特開２００６−８８９６７号公報

「ＰＱ輪軸を用いない車輪／レール接触力の測定方法」、日本機械学会論文集（Ｃ編）７７巻７７４号（２０１１−２）、ｐ．１４７−１５５

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、営業車両が走行する軌道の平面性変位を当該営業車両によって精度良く測定可能な方法、及びこの方法によって軌道の平面性変位を精度良く測定可能な営業車両を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討し、ＰＱモニタリング台車のように少なくとも車輪の輪重を測定可能な台車を備えた営業車両を用い、輪重測定値から平面性変位を算出可能であることを見出した。

本発明は、上記本発明者らの知見に基づき完成したものである。
すなわち、本発明は、営業車両が走行する軌道の状態を測定する方法であって、前記営業車両は、前後左右に４つの車輪を有する台車を備え、前記台車は、前記各車輪の輪重を測定可能であり、以下のステップを含むことを特徴とする軌道状態測定方法を提供する。
（１）輪重測定ステップ：前記各車輪の輪重を測定する。
（２）１次ばね変位算出ステップ：前記輪重測定ステップによって測定した各輪重測定値に基づき、前記各車輪をそれぞれ支持する４つの１次ばねの変位を算出する。
（３）平面性変位算出ステップ：前記１次ばね変位算出ステップで算出した前記４つの１次ばねの変位の座標点に基づき、前記軌道の平面性変位を算出する。具体的には、例えば、前記４つの１次ばねの変位の座標点のうち、いずれか３つの１次ばねの変位の座標点を通る平面を算出し、該算出した平面と残りの１次ばねの変位の座標点との距離に基づき、前記軌道の平面性変位を算出する。

本発明によれば、輪重測定ステップによって、４つの各車輪の輪重が測定され、１次ばね変位算出ステップによって、各輪重測定値に基づき、各車輪を支持する４つの１次ばねの変位が算出される。輪重測定値に基づき１次ばねの変位を算出するには、フックの法則を用いればよい。すなわち、１次ばねに加わる荷重と変位との相関関係を予め取得しておけばよい。
そして、本発明によれば、平面性変位算出ステップによって、４つの１次ばねの変位の座標点に基づき、平面性変位が算出される。具体的には、例えば、４つの１次ばねの変位の座標点のうち、いずれか３つの１次ばねの変位の座標点を通る平面が算出され、この平面と残りの１次ばねの変位の座標点との距離に基づき、平面性変位が算出される。１次ばねの変位の座標点は、１次ばねが取り付けられた位置（車輪の位置に相当）の平面座標（ｘｙ座標）と、変位の鉛直座標（ｚ座標）とで表される。この１次ばねの変位の座標点は、１次ばねが取り付けられた位置における軌道の高低に応じて変化すると考えられる。軌道の高低に応じて車輪の鉛直方向の位置が変化し、車輪の鉛直方向の位置に応じて１次ばねの変位が変化するためである。
従って、仮に平面性変位が生じていなければ、すなわち、軌道の長手方向に一定間隔を隔てた２点間の水準変位（左右のレールの高さの差）の差がなければ、４つの１次ばねの変位の座標点は、同一平面上に位置すると考えられる。換言すれば、３つの１次ばねの変位の座標点を通る平面と、残りの１次ばねの変位の座標点との距離は、平面性変位（平面性変位の絶対値）にほぼ等しいと考えられる。従って、本発明の平面性変位算出ステップによって、精度良く平面性変位を算出することが可能である。

ここで、従来、所定の起点からの営業車両の走行距離は、車輪の回転数に基づき算出される。具体的には、使用開始時の車輪の外径から求まる車輪の外周長と、測定した車輪の回転数とが積算されることにより、走行距離が算出される。しかしながら、車輪の外径は走行を繰り返すうちに摩耗によって低減するため、使用開始時の車輪の外径から算出した走行距離には誤差が生じる。また、車輪の空転、滑走も誤差が生じる原因となる。
このため、例えば、脱線係数分布（所定の起点からの営業車両の走行距離が横軸に表わされ、脱線係数が縦軸に表わされたグラフ）において、脱線係数が異常値を示したときの営業車両の走行距離を特定したとしても、車輪を使用してから一定期間以上経過している場合には、実際の走行距離と誤差を生じることになる。従い、脱線係数が異常値を示した軌道の位置を精度良く特定できず、軌道の補修などの処置を適切な位置に施せないおそれがある。

一方、本発明に係る軌道状態測定方法によれば、前述のように、平面性変位算出ステップによって、精度良く平面性変位を算出することが可能である。具体的には、後述する図２や図３に示すように、本発明によって同一の軌道について算出した平面性変位のバラツキは比較的小さくなる。

本発明者らは、本発明によって測定した平面性変位のバラツキが小さいことを利用して、前述した営業車両の走行距離の測定誤差を補正できないかと考え、鋭意検討した結果、以下の好ましい態様を想起するに至った。
すなわち、好ましくは、本発明は、以下のステップを更に含むことを特徴とする。
（１）平面性変位分布算出ステップ：前記車輪の回転数に基づき所定の起点からの前記営業車両の走行距離を算出し、該算出した走行距離が第１軸に表わされ、前記平面性変位算出ステップで算出した前記軌道の平面性変位が前記第１軸に直交する第２軸に表わされた、前記軌道の平面性変位分布を算出する。
（２）基準平面性変位分布算出ステップ：所定の起点からの距離が既知である前記軌道の位置と、当該位置において前記車輪の回転数に基づき算出した前記営業車両の走行距離との対応関係に基づき、前記第１軸に前記営業車両の真の走行距離が表わされるように、前記平面性変位分布算出ステップで算出した前記軌道の一の平面性変位分布を補正して、基準となる平面性変位分布である基準平面性変位分布を算出する。
（３）補正量算出ステップ：前記平面性変位分布算出ステップで算出した前記軌道の他の平面性変位分布と、前記基準平面性変位分布算出ステップで算出した前記基準平面性変位分布とがマッチングするように、前記軌道の他の平面性変位分布を前記第１軸について補正し、その補正量を算出する。
（４）輪重パラメータ分布算出ステップ：前記車輪の回転数に基づき算出した所定の起点からの前記営業車両の走行距離が前記第１軸に表わされ、前記平面性変位分布算出ステップで前記軌道の他の平面性変位分布を算出するのに用いた前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータが前記第２軸に表わされた、前記軌道における前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を算出する。
（５）輪重パラメータ分布補正ステップ：前記輪重パラメータ分布算出ステップで算出した前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を前記補正量算出ステップで算出した補正量に基づき補正する。

斯かる好ましい態様によれば、まず、平面性変位分布算出ステップによって、車輪の回転数に基づき算出された営業車両の走行距離が第１軸に表わされ、軌道の平面性変位が第２軸に表わされた、軌道の平面性変位分布が算出される。この算出した平面性変位分布における走行距離は、車輪の回転数に基づき算出されたものであるため、車輪の摩耗、空転及び滑走により測定誤差を生じる。

次に、基準平面性変位分布算出ステップによって、所定の起点からの距離が既知である前記軌道の位置と、当該位置において車輪の回転数に基づき算出した営業車両の走行距離との対応関係が取得される。具体的には、例えば、精密な測量が行われることにより所定の起点からの距離がそれぞれ既知である軌道の２箇所の位置の脇に反射板を設置する。一方、例えば、営業車両に投受光型の光電センサを設置し、この光電センサから反射板に向かってレーザ光を投光し、反射板で反射されたレーザ光を光電センサで受光したタイミングにおいて、営業車両が前記軌道の２箇所の位置に到達したことが認識されると共に、このときの車輪の回転数に基づき算出した営業車両の走行距離も認識されることになる。これにより、前述のように、所定の起点からの距離が既知である軌道の位置（２箇所）と、当該位置において車輪の回転数に基づき算出した営業車両の走行距離との対応関係が取得される。例えば、前記軌道の２箇所の位置が所定の起点からＸ１キロポスト、Ｙ１キロポストの距離にあり、それぞれの位置において車輪の回転数に基づき算出した営業車両の走行距離がＸ２キロポスト、Ｙ２キロポストであったとすると、Ｘ１キロポストにはＸ２キロポストが対応し、Ｙ１キロポストにはＹ２キロポストが対応するという関係が取得される。
さらに、基準平面性変位分布算出ステップによって、前記取得した対応関係に基づき、第１軸に営業車両の真の走行距離が表わされるように、平面性変位分布算出ステップで算出した前記軌道の一の平面性変位分布が補正される。具体的には、前記軌道の一の平面性変位分布における走行距離（車輪の回転数に基づき算出した走行距離）がＸ２キロポストの位置は実際にはＸ１キロポストであり、前記軌道の一の平面性変位分布における走行距離（車輪の回転数に基づき算出した走行距離）がＹ２キロポストの位置は実際にはＹ１キロポストであるため、それぞれ実際の値となるように（第１軸に営業車両の真の走行距離が表わされるように）、前記軌道の一の平面性変位分布が第１軸について平行移動及び／又は伸縮される（補正される）。そして、補正後の平面性変位分布が基準平面性変位分布とされる。

次に、補正量算出ステップによって、平面性変位分布算出ステップで算出した前記軌道の他の平面性変位分布（同一の軌道について、前記一の平面性変位分布とは別のタイミングで算出した平面性変位分布）と、前記基準平面性変位分布とがマッチングするように、前記軌道の他の平面性変位分布が第１軸について補正される。具体的には、例えばシンプレックス法などを用いたマッチング手法により、前記軌道の他の平面性変位分布が前記基準平面性変位分布とマッチングするように、前記軌道の他の平面性変位分布が第１軸について平行移動及び／又は伸縮される（補正される）。これは、前述のように同一の軌道について算出した平面性変位のバラツキは比較的小さいため、走行距離について測定誤差を含み得る他の平面性変位分布を第１軸について補正しさえすれば、基準平面性変位分布とマッチングさせることができるという考えに基づくものである。以上のようにして補正した後の他の平面性変位分布の第１軸に表わされた走行距離は、真の走行距離に近似したものになるといえる。
さらに、補正量算出ステップによって、前記補正の補正量（平行移動量及び／又は伸縮倍率）が算出される。

次に、輪重パラメータ分布算出ステップによって、車輪の回転数に基づき算出された営業車両の走行距離が第１軸に表わされ、平面性変位分布算出ステップで前記軌道の他の平面性変位分布を算出するのに用いた車輪の輪重測定値に関わるパラメータ（輪重そのものや脱線係数など）が第２軸に表わされた、前記軌道における車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布（以下、適宜、輪重パラメータ分布という）が算出される。この算出した輪重パラメータ分布における走行距離は、車輪の回転数に基づき算出されたものであるため、車輪の摩耗等により測定誤差を生じる。

最後に、輪重パラメータ分布補正ステップによって、輪重パラメータ分布算出ステップで算出した輪重パラメータ分布が補正量算出ステップで算出した補正量に基づき補正される。具体的には、輪重パラメータ分布が第１軸について前記補正量（平行移動量及び／又は伸縮倍率）と同じ量だけ補正される。これは、前記軌道の他の平面性変位分布を算出するタイミングと、前記軌道における輪重パラメータ分布を算出するタイミングとが同一であり、各分布の第１軸に表わされた走行距離（車輪の回転数に基づき算出された営業車両の走行距離）は互いに同じ測定誤差を含んでいるため、輪重パラメータ分布の第１軸に営業車両の真の走行距離が表わされるようにするには、同じ補正を行えば良いという考えに基づくものである。以上のようにして補正した後の輪重パラメータ分布の第１軸に表わされた走行距離は、真の走行距離に近似したものになるといえる。

以上のように、上記好ましい態様によれば、輪重パラメータ分布の第１軸に表わされた走行距離（車輪の回転数に基づき算出された営業車両の走行距離）が真の走行距離に近似したものに補正されるため、輪重測定値に関わるパラメータ（脱線係数等）が異常値を示した軌道の位置を精度良く特定でき、軌道の補修などの処置を適切な位置に施すことが可能である。
また、所定の起点からの距離が既知である軌道の位置と、当該位置において車輪の回転数に基づき算出した営業車両の走行距離との対応関係は、基準平面性変位分布を算出する際にのみ取得すればよい。例えば、深夜などの運行スケジュールの合間に対応関係を取得すればよく、日中に頻繁に光電センサと反射板との間でレーザ光を投受光する必要がない。基準平面性変位分布を算出した後は、専らこの基準平面性変位分布を用いて輪重パラメータ分布を補正すればよい。このため、上記好ましい態様によれば、輪重パラメータ分布の第１軸に表わされた走行距離を真の走行距離に近似したものに補正する上で、手間が掛からない上、安全である。

また、前記課題を解決するため、本発明は、軌道の状態を測定可能な営業車両であって、前後左右に４つの車輪を有し、該各車輪の輪重を測定可能な台車と、前記台車によって測定した各輪重測定値に基づき、前記軌道の状態を測定する演算部とを備え、前記演算部は、前記測定した各輪重測定値に基づき、前記各車輪をそれぞれ支持する４つの１次ばねの変位を算出する第１ステップと、前記算出した前記４つの１次ばねの変位の座標点に基づき、前記軌道の平面性変位を算出する（例えば、前記算出した前記４つの１次ばねの変位の座標点のうち、いずれか３つの１次ばねの変位の座標点を通る平面を算出し、前記算出した平面と残りの１次ばねの変位の座標点との距離に基づき、前記軌道の平面性変位を算出する）第２ステップと、を実行することを特徴とする軌道状態測定可能な営業車両としても提供される。

好ましくは、前記演算部は、前記車輪の回転数に基づき所定の起点からの前記営業車両の走行距離を算出し、該算出した走行距離が第１軸に表わされ、前記第２ステップで算出した前記軌道の平面性変位が前記第１軸に直交する第２軸に表わされた、前記軌道の平面性変位分布を算出する第３ステップと、所定の起点からの距離が既知である前記軌道の位置と、当該位置において前記車輪の回転数に基づき算出した前記営業車両の走行距離との対応関係に基づき、前記第１軸に前記営業車両の真の走行距離が表わされるように、前記第３ステップで算出した前記軌道の一の平面性変位分布を補正して、基準となる平面性変位分布である基準平面性変位分布を算出する第４ステップと、前記第３ステップで算出した前記軌道の他の平面性変位分布と、前記第４ステップで算出した前記基準平面性変位分布とがマッチングするように、前記軌道の他の平面性変位分布を前記第１軸について補正し、その補正量を算出する第５ステップと、前記車輪の回転数に基づき算出した所定の起点からの前記営業車両の走行距離が前記第１軸に表わされ、前記第３ステップで前記軌道の他の平面性変位分布を算出するのに用いた前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータが前記第２軸に表わされた、前記軌道における前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を算出する第６ステップと、前記第６ステップで算出した前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を前記第５ステップで算出した補正量に基づき補正する第７ステップと、を更に実行する。

本発明によれば、営業車両が走行する軌道の平面性変位を当該営業車両によって精度良く測定可能である。従って、従来のような軌道検測車を用いる代わりに、営業車両によって日常的に軌道変位を測定可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る軌道状態測定方法を説明する図である。図２は、図１に示す営業車両によって同一の曲線区間における平面性変位及び輪重を繰り返し測定した結果の一例を示すグラフである。図３は、図１に示す演算部が実行する好ましい信号処理を説明する図である。図４は、図１に示す演算部が実行する他の好ましい信号処理の結果の一例を示す図である。図５は、図１に示す演算部が実行する更に他の好ましい信号処理を説明する図である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係る軌道状態測定方法及び軌道の状態を測定可能な営業車両について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る軌道の状態を測定可能な営業車両を説明する図である。図１（ａ）は営業車両が備える台車の概略構成及び軌道状態測定方法を説明する図であり、図１（ｂ）は１次ばねの変位算出方法を説明する図である。
図１に示すように、本実施形態に係る営業車両１００は、前後左右に４つの車輪１を有し、各車輪１の輪重を測定可能な台車１０と、台車１０によって測定した各輪重測定値に基づき、軌道Ｒの状態を測定する演算部２０とを備える。台車１０は、各車輪１を支持する１次ばね２を備える。

まず、演算部２０は、測定した各輪重測定値に基づき、各車輪１をそれぞれ支持する４つの１次ばね２の変位を算出する。
具体的には、演算部２０には、１次ばね２に加わる荷重と変位との相関データが予め記憶されている。そして、演算部２０は、測定した各輪重測定値Ｐと、予め記憶された前記相関データとに基づき、１次ばね２の変位（自然長からの変位）ｚを算出する。なお、前記相関データから求められる１次ばね２のばね定数ｋは、例えば、５００〜２０００ｋＮ／ｍの値とされる。

ここで、台車１０の走行方向の前方左側に位置する車輪１を支持する１次ばね２の変位の座標点をＰ１_ｏｕｔとし、変位をｚ１_ｏｕｔとする。台車１０の走行方向の前方右側に位置する車輪１を支持する１次ばね２の変位の座標点をＰ１_ｉｎとし、変位をｚ１_ｉｎとする。台車１０の走行方向の後方左側に位置する車輪１を支持する１次ばね２の変位の座標点をＰ２_ｏｕｔとし、変位をｚ２_ｏｕｔとする。台車１０の走行方向の後方右側に位置する車輪１を支持する１次ばね２の変位の座標点をＰ２_ｉｎとし、変位をｚ２_ｉｎとする。
台車１０の走行方向の後方左側に位置する車輪１を支持する１次ばね２の変位の座標点を平面座標（ｘｙ座標）の原点とし、前後の車軸間距離を２ａ、左右の車輪間距離を２ｂ_０とすれば、各１次ばね２の変位の座標点は、それぞれ、Ｐ１_ｏｕｔ（０，２ａ，ｚ１_ｏｕｔ）、Ｐ１_ｉｎ（２ｂ_０，２ａ，ｚ１_ｉｎ）、Ｐ２_ｏｕｔ（０，０，ｚ２_ｏｕｔ）、Ｐ２_ｉｎ（２ｂ_０，０，ｚ２_ｉｎ）で表わされる。
演算部２０は、算出した４つの１次ばね２の変位ｚ１_ｏｕｔ、ｚ１_ｉｎ、ｚ２_ｏｕｔ、ｚ２_ｉｎから上記各１次ばね２の変位の座標点を算出する。

次に、演算部２０は、算出した４つの１次ばね２の変位の座標点のうち、いずれか３つの１次ばね２の変位の座標点を通る平面を算出する。
本実施形態では、台車１０が走行する軌道Ｒの情報が演算部２０に入力されており、演算部２０は、現在台車１０が軌道Ｒのどの地点を走行しているかを把握できる。従い、演算部２０は、４つの車輪１が現在外軌側又は内軌側のいずれに位置するかを把握可能である。そして、本実施形態では、演算部２０は、４つの１次ばね２のうち、台車１０の前方の外軌側に位置する車輪１を支持する１次ばね２を除く３つの１次ばね２の変位の座標点を通る平面を算出する。
台車１０の前方の外軌側に位置する車輪１を支持する１次ばね２の変位の座標点をＰ１_ｏｕｔ（０，２ａ，ｚ１_ｏｕｔ）とすれば、演算部２０は、３つの座標点Ｐ１_ｉｎ（２ｂ_０，２ａ，ｚ１_ｉｎ）、Ｐ２_ｏｕｔ（０，０，ｚ２_ｏｕｔ）、Ｐ２_ｉｎ（２ｂ_０，０，ｚ２_ｉｎ）を通る平面ＰＬを算出する。
具体的には、上記平面ＰＬを以下の式（１）で表わし、この平面ＰＬが３つの座標点Ｐ１_ｉｎ、Ｐ２_ｏｕｔ、Ｐ２_ｉｎを通ることから、式（１）の係数Ｃ_１〜Ｃ_４を決定する。
Ｃ_１ｘ＋Ｃ_２ｙ＋Ｃ_３ｚ＋Ｃ_４＝０・・・（１）

最後に、演算部２０は、算出した上記の式（１）で表わされる平面ＰＬと、残りの１次ばねの変位の座標点Ｐ１_ｏｕｔ（０，２ａ，ｚ１_ｏｕｔ）との距離に基づき、軌道の平面性変位ｈを算出する。
具体的には、以下の式（２）のｘ、ｙ、ｚに座標点Ｐ１_ｏｕｔ（０，２ａ，ｚ１_ｏｕｔ）のｘｙｚ座標を入力し、平面性変位ｈを算出する。なお、以下の式（２）で表わされる平面性変位ｈの絶対値が、式（１）で表わされる平面ＰＬと、残りの１次ばねの変位の座標点Ｐ１_ｏｕｔ（０，２ａ，ｚ１_ｏｕｔ）との距離に相当する。

以上に説明したように、本実施形態に係る営業車両１００及び軌道状態測定方法によれば、台車１０の４つの各車輪１の輪重が測定され、各輪重測定値に基づき、各車輪１を支持する４つの１次ばね２の変位が算出される。そして、４つの１次ばね２の変位の座標点のうち、いずれか３つの１次ばね２の変位の座標点を通る平面が算出され、この平面と残りの１次ばね２の変位の座標点との距離に基づき、平面性変位ｈが算出される。この１次ばね２の変位の座標点は、１次ばね２が取り付けられた位置における軌道Ｒの高低に応じて変化すると考えられる。軌道Ｒの高低に応じて車輪１の鉛直方向の位置が変化し、車輪１の鉛直方向の位置に応じて１次ばね２の変位が変化するためである。
従って、仮に平面性変位ｈが生じていなければ、すなわち、軌道Ｒの長手方向に一定間隔２ａを隔てた２点間の水準変位（左右のレールの高さの差）の差がなければ、４つの１次ばね２の変位の座標点は、同一平面上に位置すると考えられる。換言すれば、３つの１次ばね２の変位の座標点を通る平面と、残りの１次ばね２の変位の座標点との距離は、平面性変位ｈ（平面性変位ｈの絶対値）にほぼ等しいと考えられる。従って、本実施形態に係る営業車両１００及び軌道状態測定方法によれば、精度良く平面性変位ｈを算出することが可能である。

図２は、本実施形態に係る営業車両１００によって同一の曲線区間における平面性変位及び輪重（台車１０の前方の外軌側に位置する車輪１の輪重）を繰り返し測定した結果の一例を示すグラフである。図２（ａ）は平面性変位の測定例を、図２（ｂ）は輪重の測定例を示す。具体的には、図２は、曲線半径が一定の円曲線部と、入口側及び出口側の直線部と円曲線部とを繋ぎ直線部から円曲線部にかけて曲線半径が徐々に小さくなる緩和曲線部と、出口側の直線部とで、それぞれ平面性変位及び輪重を測定した結果を示している。より具体的には、２０１１年１月、２０１２年１月及び２０１２年２月において、それぞれ１０回ずつ平面性変位及び輪重を測定している。
図２からわかるように、輪重のバラツキに比べて平面性変位のバラツキは小さい。従って、本実施形態で算出した平面性変位は、輪重に比べて、軌道Ｒの異常を検出するのに有用であると考えられる。

図３は、演算部２０が実行する好ましい信号処理を説明する図である。図３（ａ）は平面性変位の測定例を、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す平面性変位の測定値を所定期間毎に加算平均した結果を、図３（ｃ）は図３（ｂ）に示す結果からドリフト除去を行った結果を示す。
具体的には、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す平面性変位の測定値を１カ月ごとに加算平均した結果、すなわち、２０１１年１月、２０１２年１月及び２０１２年２月においてそれぞれ測定した１０回分の測定値を加算平均した結果を示す。また、図３（ｃ）は、営業車両１００が走行を開始した直後には平面性変位は生じていない（各車輪１の輪重測定値は本来であれば同一である）と仮定し、営業車両１００が走行を開始した直後の輪重測定値のアンバランス分だけ、測定された平面性変位を補正（これをドリフト除去という）した後の結果を示す。
図３からわかるように、単純に平面性変位を算出する場合（図３（ａ））に比べて、加算平均し、さらにドリフト除去を施すことにより、結果のバラツキが低減するため、軌道Ｒの異常を検出するのに有効であると考えられる。

演算部２０は、好ましい構成として、経時差分処理を施す。具体的には、演算部２０は、同じ軌道Ｒについて算出したドリフト除去後の平面性変位（図３（ｃ）参照）について、現在の結果から一定期間前の結果を減算する処理を施すことが可能に構成されている。
図４は、演算部２０が施した経時差分処理の結果の一例を示す図である。図４（ａ）は軌道Ｒの一部を新しいレールに置き換えた状況を模式的に示す図である。図４（ｂ）は、新しいレールに置き換えた後の平面性変位（ドリフト除去後の平面性変位）から、置き換える前の平面性変位（ドリフト除去後の平面性変位）を減算した結果を示すグラフである。図４（ｃ）は、新しいレールに置き換えた後の平面性変位（ドリフト除去後の平面性変位）から、測定時期は古いものの同じく新しいレールに置き換えた後の平面性変位（ドリフト除去後の平面性変位）を減算した結果を示すグラフである。
図４（ａ）に示すように、軌道Ｒの一部（片側のレール）を新しいレールに置き換えるに際しては、旧レールと新レールとの継ぎ目で段差が生じないように、継ぎ目近傍の旧レールの下方に所定のスペーサを設置した。従い、旧レールにおいては、継ぎ目付近において局所的に高さ方向の勾配が発生することになり、左右のレールの高さの差が変化するため、軌道Ｒにねじれが発生する。
図４（ｂ）からわかるように、平面性変位に経時差分処理を施すことにより、軌道Ｒの状態が変化した部分、すなわち新レールと旧レールとの継ぎ目部分を精度良く検出することが可能である。一方、図４（ｃ）からわかるように、軌道Ｒの状態が減算処理する双方で変化しない場合には、差分値の変動がないため、軌道Ｒの状態変化を誤検出するおそれが少ない。

図３、図４を参照して説明した例は、演算部２０が、加算平均処理、ドリフト除去、及び経時差分処理の全てをこの順で実行するものである。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、これら３つの好ましい処理のいずれか１つのみ、あるいは、いずれか２つのみを実行することも可能である。

以上に説明した本実施形態に係る営業車両１００及び軌道状態測定方法によれば、精度良く平面性変位を算出することが可能である。具体的には、前述した図２や図３に示すように、同一の軌道Ｒについて算出した平面性変位のバラツキは比較的小さくなる。このため、好ましい構成として、平面性変位のバラツキが小さいことを利用し、営業車両１００の走行距離の測定誤差を補正することが考えられる。以下、具体的に説明する。

本実施形態の演算部２０は、好ましい構成として、車輪１の回転数に基づき所定の起点からの営業車両１００（台車１０）の走行距離を算出し、該算出した走行距離が第１軸に表わされ、算出した軌道Ｒの平面性変位が第１軸に直交する第２軸に表わされた、軌道Ｒの平面性変位分布を算出する。演算部２０には車輪１の回転数を検出するパルスジェネレータの出力信号が入力されると共に、使用開始時の車輪１の外径が入力されており、これにより演算部２０は、所定の起点からの営業車両１００の走行距離を算出可能である。算出した平面性変位分布における走行距離は、車輪１の回転数に基づき算出されたものであるため、車輪１の摩耗等により測定誤差を生じる。

次に、演算部２０は、所定の起点からの距離が既知である軌道Ｒの位置と、当該位置において車輪１の回転数に基づき算出した営業車両１００の走行距離との対応関係を取得し、記憶する。
前記対応関係を取得するには、例えば、精密な測量が行われることにより所定の起点からの距離がそれぞれ既知である軌道Ｒの２箇所の位置の脇に反射板を設置する。一方、例えば、営業車両１００に投受光型の光電センサを設置し、この光電センサから反射板に向かってレーザ光を投光し、反射板で反射されたレーザ光を光電センサで受光したタイミングにおいて、営業車両１００が軌道Ｒの２箇所の位置に到達したことが認識されると共に、このときの車輪１の回転数に基づき算出した営業車両１００の走行距離も認識されることになる。演算部２０には光電センサの出力信号（反射されたレーザ光の検出信号）が入力されると共に、軌道Ｒの前記２箇所の位置の所定の起点からの距離が予め入力されている。これにより演算部２０は、前述のように、所定の起点からの距離が既知である軌道Ｒの位置（２箇所）と、当該位置において車輪１の回転数に基づき算出した営業車両１００の走行距離との対応関係が取得される。例えば、軌道Ｒの２箇所の位置が所定の起点からＸ１キロポスト、Ｙ１キロポストの距離にあり、それぞれの位置において車輪１の回転数に基づき算出した営業車両１００の走行距離がＸ２キロポスト、Ｙ２キロポストであったとすると、Ｘ１キロポストにはＸ２キロポストが対応し、Ｙ１キロポストにはＹ２キロポストが対応するという関係が取得され、演算部２０に記憶される。

演算部２０は、前述のようにして記憶した対応関係に基づき、第１軸に営業車両１００の真の走行距離が表わされるように、算出した軌道Ｒの一の平面性変位分布を補正する。具体的には、演算部２０は、軌道Ｒの一の平面性変位分布における走行距離（車輪１の回転数に基づき算出した走行距離）がＸ２キロポストの位置は実際にはＸ１キロポストであり、軌道Ｒの一の平面性変位分布における走行距離（車輪１の回転数に基づき算出した走行距離）がＹ２キロポストの位置は実際にはＹ１キロポストであるため、それぞれ実際の値となるように（第１軸に営業車両１００の真の走行距離が表わされるように）、軌道Ｒの一の平面性変位分布を第１軸について平行移動及び／又は伸縮する（補正する）。そして、補正後の平面性変位分布を基準平面性変位分布として記憶する。

次に、図５に示すように、演算部２０は、算出した軌道Ｒの他の平面性変位分布（同一の軌道Ｒについて、前記一の平面性変位分布とは別のタイミングで算出した平面性変位分布）と、記憶した基準平面性変位分布とがマッチングするように、軌道Ｒの他の平面性変位分布を第１軸について補正し、その補正量を算出する。具体的には、図５（ａ）の模式図に示すように、演算部２０は、例えばシンプレックス法などを用いたマッチング手法により、軌道Ｒの他の平面性変位分布が基準平面性変位分布とマッチングするように、軌道Ｒの他の平面性変位分布を第１軸について平行移動及び／又は伸縮する（補正する）。すなわち、平行移動量ａ及び／又は伸縮倍率ｂを決定する。図５（ｂ）は、軌道Ｒの他の平面性変位分布が基準平面性変位分布とマッチングするように、軌道Ｒの他の平面性変位分布を第１軸について実際に補正した結果の一例を示す。これは、前述のように同一の軌道Ｒについて算出した平面性変位のバラツキは比較的小さいため、走行距離について測定誤差を含み得る他の平面性変位分布を第１軸について補正しさえすれば、基準平面性変位分布とマッチングさせることができるという考えに基づくものである。以上のようにして補正した後の他の平面性変位分布の第１軸に表わされた走行距離は、真の走行距離に近似したものになるといえる。そして、演算部２０は、上記補正の補正量（平行移動量ａ及び／又は伸縮倍率ｂ）を記憶する。

次に、演算部２０は、車輪１の回転数に基づき算出した所定の起点からの営業車両１００の走行距離が第１軸に表わされ、軌道Ｒの他の平面性変位分布を算出するのに用いた車輪１の輪重測定値に関わるパラメータ（輪重そのものや脱線係数など）が第２軸に表わされた、軌道Ｒにおける車輪１の輪重測定値に関わるパラメータの分布（以下、適宜、輪重パラメータ分布）を算出する。この算出した輪重パラメータ分布における走行距離は、車輪の回転数に基づき算出されたものであるため、車輪の摩耗等により測定誤差を生じる。

最後に、演算部２０は、算出した車輪１の輪重測定値に関わるパラメータの分布を前記算出した補正量に基づき補正する。具体的には、演算部２０は、輪重パラメータ分布を第１軸について前記補正量（平行移動量ａ及び／又は伸縮倍率ｂ）と同じ量だけ補正する。これは、軌道Ｒの他の平面性変位分布を算出するタイミングと、軌道Ｒにおける輪重パラメータ分布を算出するタイミングとが同一であり、各分布の第１軸に表わされた走行距離（車輪１の回転数に基づき算出された営業車両の走行距離）は互いに同じ測定誤差を含んでいるため、輪重パラメータ分布の第１軸に営業車両１００の真の走行距離が表わされるようにするには、同じ補正を行えば良いという考えに基づくものである。以上のようにして補正した後の輪重パラメータ分布の第１軸に表わされた走行距離は、真の走行距離に近似したものになるといえる。

以上のように、上記の好ましい構成によれば、輪重パラメータ分布の第１軸に表わされた走行距離（車輪１の回転数に基づき算出された営業車両の走行距離）が真の走行距離に近似したものに補正されるため、輪重測定値に関わるパラメータ（脱線係数等）が異常値を示した軌道Ｒの位置を精度良く特定でき、軌道Ｒの補修などの処置を適切な位置に施すことが可能である。
また、所定の起点からの距離が既知である軌道Ｒの位置と、当該位置において車輪１の回転数に基づき算出した営業車両１００の走行距離との対応関係は、基準平面性変位分布を算出する際にのみ取得すればよい。例えば、深夜などの運行スケジュールの合間に対応関係を取得すればよく、日中に頻繁に光電センサと反射板との間でレーザ光を投受光する必要がない。基準平面性変位分布を算出した後は、専らこの基準平面性変位分布を用いて輪重パラメータ分布を補正すればよい。このため、上記の好ましい構成によれば、輪重パラメータ分布の第１軸に表わされた走行距離を真の走行距離に近似したものに補正する上で、手間が掛からない上、安全である。

１・・・車輪
２・・・１次ばね
１０・・・台車
２０・・・演算部
１００・・・営業車両
Ｒ・・・軌道

Claims

営業車両が走行する軌道の状態を測定する方法であって、
前記営業車両は、前後左右に４つの車輪を有する台車を備え、前記台車は、前記各車輪の輪重を測定可能であり、
前記各車輪の輪重を測定する輪重測定ステップと、
前記輪重測定ステップによって測定した各輪重測定値に基づき、前記各車輪をそれぞれ支持する４つの１次ばねの変位を算出する１次ばね変位算出ステップと、
前記１次ばね変位算出ステップで算出した前記４つの１次ばねの変位の座標点に基づき、前記軌道の平面性変位を算出する平面性変位算出ステップと、
を含むことを特徴とする軌道状態測定方法。
前記車輪の回転数に基づき所定の起点からの前記営業車両の走行距離を算出し、該算出した走行距離が第１軸に表わされ、前記平面性変位算出ステップで算出した前記軌道の平面性変位が前記第１軸に直交する第２軸に表わされた、前記軌道の平面性変位分布を算出する平面性変位分布算出ステップと、
所定の起点からの距離が既知である前記軌道の位置と、当該位置において前記車輪の回転数に基づき算出した前記営業車両の走行距離との対応関係に基づき、前記第１軸に前記営業車両の真の走行距離が表わされるように、前記平面性変位分布算出ステップで算出した前記軌道の一の平面性変位分布を補正して、基準となる平面性変位分布である基準平面性変位分布を算出する基準平面性変位分布算出ステップと、
前記平面性変位分布算出ステップで算出した前記軌道の他の平面性変位分布と、前記基準平面性変位分布算出ステップで算出した前記基準平面性変位分布とがマッチングするように、前記軌道の他の平面性変位分布を前記第１軸について補正し、その補正量を算出する補正量算出ステップと、
前記車輪の回転数に基づき算出した所定の起点からの前記営業車両の走行距離が前記第１軸に表わされ、前記平面性変位分布算出ステップで前記軌道の他の平面性変位分布を算出するのに用いた前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータが前記第２軸に表わされた、前記軌道における前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を算出する輪重パラメータ分布算出ステップと、
前記輪重パラメータ分布算出ステップで算出した前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を前記補正量算出ステップで算出した補正量に基づき補正する輪重パラメータ分布補正ステップと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の軌道状態測定方法。
軌道の状態を測定可能な営業車両であって、
前後左右に４つの車輪を有し、該各車輪の輪重を測定可能な台車と、
前記台車によって測定した各輪重測定値に基づき、前記軌道の状態を測定する演算部とを備え、
前記演算部は、
前記測定した各輪重測定値に基づき、前記各車輪をそれぞれ支持する４つの１次ばねの変位を算出する第１ステップと、
前記算出した前記４つの１次ばねの変位の座標点に基づき、前記軌道の平面性変位を算出する第２ステップと、
を実行することを特徴とする軌道状態測定可能な営業車両。
前記演算部は、
前記車輪の回転数に基づき所定の起点からの前記営業車両の走行距離を算出し、該算出した走行距離が第１軸に表わされ、前記第２ステップで算出した前記軌道の平面性変位が前記第１軸に直交する第２軸に表わされた、前記軌道の平面性変位分布を算出する第３ステップと、
所定の起点からの距離が既知である前記軌道の位置と、当該位置において前記車輪の回転数に基づき算出した前記営業車両の走行距離との対応関係に基づき、前記第１軸に前記営業車両の真の走行距離が表わされるように、前記第３ステップで算出した前記軌道の一の平面性変位分布を補正して、基準となる平面性変位分布である基準平面性変位分布を算出する第４ステップと、
前記第３ステップで算出した前記軌道の他の平面性変位分布と、前記第４ステップで算出した前記基準平面性変位分布とがマッチングするように、前記軌道の他の平面性変位分布を前記第１軸について補正し、その補正量を算出する第５ステップと、
前記車輪の回転数に基づき算出した所定の起点からの前記営業車両の走行距離が前記第１軸に表わされ、前記第３ステップで前記軌道の他の平面性変位分布を算出するのに用いた前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータが前記第２軸に表わされた、前記軌道における前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を算出する第６ステップと、
前記第６ステップで算出した前記車輪の輪重測定値に関わるパラメータの分布を前記第５ステップで算出した補正量に基づき補正する第７ステップと、
を更に実行することを特徴とする請求項３に記載の軌道状態測定可能な営業車両。