JP6619616B2

JP6619616B2 - 集電電流監視装置

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Publication number: JP6619616B2
Application number: JP2015215956A
Authority: JP
Inventors: 阿彦　雄一; 雄一阿彦; 幸太郎中村; 拓紀下山
Original assignee: Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: US20180312064A1; TWI685432B; JP2017093022A; TW201722749A; WO2017078017A1; US10377240B2

Description

本発明は集電電流監視装置に関する。

鉄道車両はその屋根の上に集電装置を備える。集電装置は集電舟を集電アームで支持する構造を有する。集電舟は、舟体と、その上面に取り付けられた摺り板とを備える。集電装置は、集電舟の摺り板を架線の下縁に押し付け、架線から鉄道車両に集電電流を取り入れる（特許文献１参照）。

特許第４３８６２５３号公報

複数の集電装置を備える鉄道車両において、ある集電装置が集電できない状態を電気離線という。架線に着氷霜があるとき、鉄道車両の進行方向における前方に設けられた集電装置において電気離線が発生することがある。この場合でも、進行方向における前方に設けられた集電装置によって着氷霜は除去されるので、進行方向における後方に設けられた集電装置は集電できることが多い。

ある集電装置が電気離線の状態において、何らかの原因で、もう一方の集電装置も離線するとアークが発生し、舟体が損傷する。よって、電気離線の状態は、アークが発生し易い状態であるから、電気離線の状態を検出することが必要である。

しかしながら、電気離線のときでも、１つの集電装置における集電電流の瞬時波形は通常の波形と同様であるから、１つの集電装置における集電電流の瞬時波形からは、電気離線の状態を検出できない。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、電気離線を検出することができる集電電流監視装置を提供することを目的とする。

本発明の集電電流監視装置は、第１の集電装置を流れる集電電流の電流値Ｉ１、及び第２の集電装置を流れる集電電流の電流値Ｉ２を取得する電流値取得ユニットと、前記電流値Ｉ１のウインドウ幅Ｗにおける二乗平均平方根ＲＭＳ１を算出する第１のＲＭＳ算出ユニットと、前記電流値Ｉ２の前記ウインドウ幅Ｗにおける二乗平均平方根ＲＭＳ２を算出する第２のＲＭＳ算出ユニットと、前記二乗平均平方根ＲＭＳ１及び前記二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが、異常条件を充足するか否かを判断する判断ユニットと、前記異常条件を充足すると前記判断ユニットが判断した場合、異常発生信号を出力する異常発生信号出力ユニットと、前記第１の集電装置及び前記第２の集電装置を備える鉄道車両の位置及び速度のうち少なくとも一方を含む鉄道車両情報を取得する鉄道車両情報取得ユニットと、前記鉄道車両情報取得ユニットが取得した前記鉄道車両情報に応じて、前記ウインドウ幅Ｗ及び前記異常条件のうち少なくとも一方を含む設定事項を設定する設定ユニットと、を備える。

本発明の集電電流監視装置は、二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが異常条件を充足するか否かを判断する。その異常条件は、二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２が不均衡であるときに充足する条件（電気離線が生じたときに充足する条件）とすることができる。よって、本発明の集電電流監視装置は、電気離線が発生しているか否かを判断することができる。

また、本発明の集電電流監視装置は、鉄道車両情報に応じて、設定事項を設定する。そのため、本発明の集電電流監視装置は、設定事項を、鉄道車両情報に応じて最適化することができる。その結果、電気離線に対する検出感度を向上させながら、電気離線の誤検出を抑制できる。

集電電流監視装置１及びその他の装置の構成を表すブロック図である。集電電流監視装置１の機能的構成を表すブロック図である。集電電流監視装置１が実行する処理を表すフローチャートである。ウインドウ幅Ｗを表す説明図である。異常条件を表す説明図である。異常条件を表す説明図である。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、それぞれ、区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３において集電電流監視装置１が算出した二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２と、設定された異常領域４１、４３とを表す説明図である。図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃは、それぞれ、区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３においてウインドウ幅Ｗを固定して算出した二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２と、固定された異常領域４１、４３とを表す説明図である。

本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１実施形態＞
１．集電電流監視装置１の構成
集電電流監視装置１の構成を図１及び図２に基づき説明する。集電電流監視装置１は鉄道車両に搭載される装置である。集電電流監視装置１は、図１に示すように、ＣＰＵ３とメモリ５とを有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。メモリ５としては、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ等が挙げられる。集電電流監視装置１の各種機能は、ＣＰＵ３がメモリ５に格納されたプログラムを実行することにより実現される。

集電電流監視装置１は、ＣＰＵ３がプログラムを実行することで実現される機能の構成として、図２に示すように、電流値取得ユニット７と、第１のＲＭＳ算出ユニット９と、第２のＲＭＳ算出ユニット１１と、判断ユニット１３と、異常発生信号出力ユニット１５と、鉄道車両情報取得ユニット１７と、設定ユニット１９とを備える。

鉄道車両は、集電電流監視装置１に加えて、速度センサ２１、地上トランスポンダ２３、ＡＴＣ（自動列車停止装置）２５、第１の集電装置２７、第２の集電装置２９、第１の電流センサ３１、第２の電流センサ３３、制御伝送装置３５、モニタ装置３７、及び主変換装置３９を備える。

速度センサ２１は鉄道車両の速度ｖを検出し、検出した速度ｖをＡＴＣ２５に送る。ＡＴＣ２５は、速度ｖを時間で積分し、鉄道車両の位置Ｐを常時推定する。地上トランスポンダ２３は位置補正情報をＡＴＣ２５に送る。位置補正情報は、正確な位置情報である。ＡＴＣ２５は、位置補正情報を用いて、上記のように推定した位置Ｐを適宜補正する。ＡＴＣ２５は、モニタ装置３７を介して、速度ｖ及び位置Ｐを集電電流監視装置１に送る。なお、速度ｖ及び位置Ｐは鉄道車両情報に対応する。モニタ装置３７は、速度ｖ及び位置Ｐを表示する。

第１の電流センサ３１は、第１の集電装置２７を流れる集電電流の電流値Ｉ１を検出し、検出した電流値Ｉ１を集電電流監視装置１に送る。第２の電流センサ３３は、第２の集電装置２９を流れる集電電流の電流値Ｉ２を検出し、検出した電流値Ｉ２を集電電流監視装置１に送る。第１の集電装置２７は、鉄道車両のうち、ｎ号車に備えられ、第２の集電装置２９はｍ号車に備えられる。ｎ、ｍは１〜１６の範囲内の自然数であり、ｎはｍより小さい。

モニタ装置３７と制御伝送装置３５とは、集電電流監視装置１が出力する、後述する異常発生信号を受ける。制御伝送装置３５は、異常発生信号を受けたとき、その異常発生信号を主変換装置３９に伝達する。モニタ装置３７は運転席に備えられている。鉄道車両の運転士はモニタ装置３７の表示画像を見ることができる。モニタ装置３７は、異常発生信号を受けたとき、異常報知画像を表示する。異常報知画像は、異常発生信号を受けたときに特有の画像である。主変換装置３９は、異常発生信号が伝達されたとき、ノッチ制限を行う。ノッチ制限とは鉄道車両の速度又は加速を制限する制御である。

２．集電電流監視装置１が実行する処理
集電電流監視装置１が所定時間ごとに繰り返し実行する処理を図３〜図６に基づき説明する。図３のステップ１では、鉄道車両情報取得ユニット１７がＡＴＣ２５から位置Ｐと速度ｖとを取得する。

ステップ２では、設定ユニット１９が、前記ステップ１で取得した位置Ｐと速度ｖとに応じて、ウインドウ幅Ｗと異常条件とを設定する。ウインドウ幅Ｗとは、図４に示すように、後述するステップ４で二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２を算出するときにおける積分区間の長さを意味する。ウインドウ幅Ｗの単位はｍｓｅｃである。ウインドウ幅Ｗは設定事項に対応する。ウインドウ幅Ｗが大きいほど、後述するステップ５において、二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせは、異常条件を充足しにくくなる。

異常条件とは、二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが、図５に示す異常領域４１又は異常領域４３内にあるという条件である。図５は、横軸が二乗平均平方根ＲＭＳ１の大きさであり、縦軸が二乗平均平方根ＲＭＳ２の大きさである二次元空間を表す。

図５に示す二次元空間において、異常領域４１は、二乗平均平方根ＲＭＳ１が閾値Ａ_１以下であり、且つ二乗平均平方根ＲＭＳ２が閾値Ｂ_１以上である領域である。また、異常領域４３は、二乗平均平方根ＲＭＳ１が閾値Ｂ_２以上であり、且つ二乗平均平方根ＲＭＳ２が閾値Ａ_２以下である領域である。

二乗平均平方根ＲＭＳ１が閾値Ａ_１以下であり、且つ二乗平均平方根ＲＭＳ２が閾値Ｂ_１以上であるとき、異常条件が充足される。
また、二乗平均平方根ＲＭＳ１が閾値Ｂ_２以上であり、且つ二乗平均平方根ＲＭＳ２が閾値Ａ_２以下であるとき、異常条件が充足される。

閾値Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２はいずれも正の値である。閾値Ｂ_１は、閾値Ａ_１、Ａ_２より大きい。閾値Ｂ_２は、閾値Ａ_１、Ａ_２より大きい。閾値Ａ_１と閾値Ａ_２とは同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。閾値Ｂ_１と閾値Ｂ_２とは同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。異常条件は、設定事項に対応する。

また、異常領域４１、４３は、図６に示すように、横軸が二乗平均平方根ＲＭＳ１の大きさであり、縦軸が二乗平均平方根ＲＭＳ２の大きさである二次元空間において、矩形以外の形状を有する領域であってもよい。

異常条件が厳しいほど（すなわち、異常領域４１、４３が狭いほど）、後述するステップ５において、二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせは、異常条件を充足しにくくなる。

設定ユニット１９は予め、位置Ｐ及び速度ｖと、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件との対応関係を規定するテーブルを備える。設定ユニット１９は、そのテーブルを用いて、前記ステップ１で取得した位置Ｐ及び速度ｖに対応するウインドウ幅Ｗ及び異常条件を設定する。テーブルは、上記の対応関係を書き換えることができるものである。

テーブルにおけるウインドウ幅Ｗの範囲は、例えば、１０〜１０００ｍｓｅｃの範囲内である。テーブルは、例えば、ベースとなるテーブルを作成した後、テーブルの使用と、使用結果の検証と、検証結果に基づくテーブルの修正とのサイクルを繰り返すことで作成できる。テーブルにおけるウインドウ幅Ｗ及び異常条件のうち少なくとも一方は、位置Ｐ及び速度ｖに応じて変化することが好ましい。

異常条件が図５に示される条件である場合、異常条件は、上述したように、閾値Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２により定まるものであるから、設定ユニット１９が異常条件を設定することは、閾値Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２のいずれか１以上を設定することに等しい。

ステップ３では、電流値取得ユニット７が、第１の電流センサ３１を用いて第１の電流値Ｉ１を取得するとともに、第２の電流センサ３３を用いて第２の電流値Ｉ２を取得する。

ステップ４では、第１のＲＭＳ算出ユニット９が、前記ステップ３で取得した第１の電流値Ｉ１のウインドウ幅Ｗにおける二乗平均平方根ＲＭＳ１を算出する。ここで用いるウインドウ幅Ｗは、前記ステップ２で設定したものである。

また、本ステップでは、第２のＲＭＳ算出ユニット１１が、前記ステップ３で取得した第２の電流値Ｉ２のウインドウ幅Ｗにおける二乗平均平方根ＲＭＳ２を算出する。ここで用いるウインドウ幅Ｗは、前記ステップ２で設定したものである。

ステップ５では、前記ステップ４で算出した二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが、異常条件を充足するか否かを判断ユニット１３が判断する。すなわち、前記ステップ４で算出した二乗平均平方根ＲＭＳ１及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが、図５又は図６に示す異常領域４１、４３のうちのどちらかに属するか否かを判断ユニット１３が判断する。ここで用いる異常条件は、前記ステップ２で設定したものである。

異常条件を充足すると判断した場合はステップ６に進み、異常条件を充足しないと判断した場合は本処理を終了する。
ステップ６では、異常発生信号出力ユニット１５が異常発生信号を出力する。

３．集電電流監視装置１が奏する効果
（１Ａ）集電電流監視装置１は、二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが異常条件を充足するか否かを判断する。その異常条件は、二乗平均平方根ＲＭＳ１と二乗平均平方根ＲＭＳ２とが不均衡であるときに充足する条件であり、電気離線が生じたときに充足する条件である。よって、集電電流監視装置１は、二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが異常条件を充足するか否かにより、電気離線が発生しているか否かを判断することができる。

（１Ｂ）集電電流監視装置１は、鉄道車両の位置Ｐ及び速度ｖに応じて、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件を設定する。そのため、集電電流監視装置１は、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件を、鉄道車両の位置Ｐ及び速度ｖに応じて最適化することができる。その結果、電気離線に対する検出感度を向上させながら、電気離線の誤検出を抑制できる。なお、位置Ｐ及び速度ｖは、それぞれ、二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２に影響を与える要因である。

（１Ｃ）集電電流監視装置１は、異常条件として、二乗平均平方根ＲＭＳ１が閾値Ａ_１以下であり、且つ二乗平均平方根ＲＭＳ２が閾値Ｂ_１以上であるか、あるいは、二乗平均平方根ＲＭＳ１が閾値Ｂ_２以上であり、且つ二乗平均平方根ＲＭＳ２が閾値Ａ_２以下であるという条件を設定することができる。

そのため、閾値Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２のうちのいずれか１以上を設定するだけで異常条件を設定することができる。その結果、異常条件の設定が容易になる。また、二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが異常条件を充足するか否かの判断が容易になる。

（１Ｄ）集電電流監視装置１は、位置Ｐ及び速度ｖと、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件との対応関係を規定するテーブルを備え、そのテーブルを用いて、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件を設定する。そのため、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件の設定が容易である。また、テーブルを交換又は書き換えすれば、位置Ｐ及び速度ｖと、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件との対応関係を容易に変更することができる。

４．集電電流監視装置１が奏する効果を確かめるための試験
集電電流監視装置１を搭載する鉄道車両を、区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の順に走行させた。集電電流監視装置１は、区間Ｓ１では、ウインドウ幅Ｗを５０ｍｓｅｃとし、異常条件を構成する異常領域４１、４３を図７Ａに示すものとした。また、区間Ｓ２では、ウインドウ幅Ｗを３３．３ｍｓｅｃとし、異常条件を構成する異常領域４１、４３を図７Ｂに示すものとした。また、区間Ｓ３では、ウインドウ幅Ｗを２００ｍｓｅｃとし、異常条件を構成する異常領域４１、４３を図７Ｃに示すものとした。

区間Ｓ１における二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の検出結果を図７Ａに示し、区間Ｓ２における二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の検出結果を図７Ｂに示し、区間Ｓ３における二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の検出結果を図７Ｃに示す。区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のいずれにおいても、電気離線に対する検出感度を向上させながら、電気離線の誤検出を抑制できた。

一方、比較試験として、基本的な試験方法は上と同様であるが、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件を常に一定にして試験を行った。区間Ｓ１における二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の検出結果を図８Ａに示し、区間Ｓ２における二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の検出結果を図８Ｂに示し、区間Ｓ３における二乗平均平方根ＲＭＳ１、及び二乗平均平方根ＲＭＳ２の検出結果を図８Ｃに示す。区間Ｓ２では、実際には電気離線が生じていたが、それを検出することができなかった。また、区間Ｓ３では、実際には電気離線が生じていなかったが、誤って異常条件が充足されてしまった。
＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。

（１）鉄道車両情報取得ユニット１７は、速度ｖ及び位置Ｐのうち、一方を取得するものであってもよい。この場合、設定ユニット１９は、その一方に応じて、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件を設定することができる。

また、鉄道車両情報取得ユニット１７は、速度ｖ及び位置Ｐに加えて、第３の情報を取得してもよい。この場合、設定ユニットは、速度ｖ、位置Ｐ、及び第３の情報に応じて、ウインドウ幅Ｗ及び異常条件を設定することができる。

（２）設定ユニット１９は、ウインドウ幅Ｗは設定するが、異常条件は設定しないものであってもよい。この場合、異常条件は、常に一定の条件にすることができる。また、設定ユニット１９は、異常条件は設定するが、ウインドウ幅Ｗは設定しないものであってもよい。この場合、ウインドウ幅Ｗは、例えば、固定値とすることができる。

（３）設定ユニット１９は、閾値Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２のうち、一部を設定するものでもよい。前記一部以外のものは、例えば、固定値とすることができる。
（４）異常条件は、他の条件であってもよい。例えば、異常条件は、以下の（式１）で表されるＲが、閾値Ｘより大きいか、閾値Ｙより小さいという条件であってもよい。

（式１）Ｒ＝（二乗平均平方根ＲＭＳ２）／（二乗平均平方根ＲＭＳ１）
ここで、閾値Ｘは１より大きい値であり、閾値Ｙは０より大きく１より小さい値である。

１…集電電流監視装置、３…ＣＰＵ、５…メモリ、７…電流値取得ユニット、９…第１のＲＭＳ算出ユニット、１１…第２のＲＭＳ算出ユニット、１３…判断ユニット、１５…異常発生信号出力ユニット、１７…鉄道車両情報取得ユニット、１９…設定ユニット、２１…速度センサ、２３…地上トランスポンダ、２５…ＡＴＣ、２７…第１の集電装置、２９…第２の集電装置、３１…第１の電流センサ、３３…第２の電流センサ、３５…制御伝送装置、３７…モニタ装置、３９…主変換装置、４１、４３…異常領域

Claims

第１の集電装置を流れる集電電流の電流値Ｉ１、及び第２の集電装置を流れる集電電流の電流値Ｉ２を取得する電流値取得ユニットと、
前記電流値Ｉ１のウインドウ幅Ｗにおける二乗平均平方根ＲＭＳ１を算出する第１のＲＭＳ算出ユニットと、
前記電流値Ｉ２の前記ウインドウ幅Ｗにおける二乗平均平方根ＲＭＳ２を算出する第２のＲＭＳ算出ユニットと、
前記二乗平均平方根ＲＭＳ１及び前記二乗平均平方根ＲＭＳ２の組み合わせが、異常条件を充足するか否かを判断する判断ユニットと、
前記異常条件を充足すると前記判断ユニットが判断した場合、異常発生信号を出力する異常発生信号出力ユニットと、
前記第１の集電装置及び前記第２の集電装置を備える鉄道車両の位置及び速度のうち少なくとも一方を含む鉄道車両情報を取得する鉄道車両情報取得ユニットと、
前記鉄道車両情報取得ユニットが取得した前記鉄道車両情報に応じて、前記ウインドウ幅Ｗ及び前記異常条件のうち少なくとも一方を含む設定事項を設定する設定ユニットと、
を備える集電電流監視装置。
請求項１に記載の集電電流監視装置であって、
前記異常条件は、前記二乗平均平方根ＲＭＳ１及び前記二乗平均平方根ＲＭＳ２のうち一方が閾値Ａ以下であり、且つ他方が前記閾値Ａより大きい閾値Ｂ以上であるという条件である集電電流監視装置。
請求項２に記載の集電電流監視装置であって、
前記設定ユニットは、前記閾値Ａ及び／又は前記閾値Ｂを設定する集電電流監視装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の集電電流監視装置であって、
前記鉄道車両情報と、前記設定事項との対応関係を規定するテーブルを備え、
前記設定ユニットは、前記テーブルを用いて、前記鉄道車両情報取得ユニットが取得した前記鉄道車両情報に対応する前記設定事項を設定する集電電流監視装置。