JP7056428B2 - 軌道の状態評価方法及び評価装置 - Google Patents
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Description
また、特定地点での乗り心地レベルが所定の範囲から外れた場合に、その原因が軌道状態の劣化に起因するものであるか、或いは車両の走行速度の変化に起因するものであるかを区別できないおそれもある。
さらに、車両の走行速度の変化の影響を排除するため、乗り心地レベルを評価する特定地点を走行する際の車両の走行速度を一定に保つことも考えられるが、営業車両に対してそのような制約を課すのは現実的ではない。
(1)軌道の状態変化の種別としては、軌道を構成するレールの表面性状の劣化や、軌道のバラストの緩み、軌道を構成するレールの継ぎ目のずれ等を例示できる。
(2)上記のような軌道の状態変化の種別に応じて、軌道の状態変化に起因して車体等に発生する振動加速度の周波数帯域に差異が生じる。そして、この周波数帯域は、軌道の状態変化の種別毎に固有の周波数帯域となる場合が多い。
(3)したがい、軌道の状態変化を検出した場合、振動加速度について複数の互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分を抽出し、この抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分を用いて表わされる評価指標(第2評価指標)を用いれば、軌道の状態変化の種別が判定可能となることが期待できる。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、鉄道車両が走行する軌道の状態を評価する方法であって、前記軌道の所定の地点で、複数の測定時期に前記鉄道車両の走行速度並びに前記鉄道車両が備える車体、台車及び軸箱のうちの何れかである車両構成要素の振動加速度を測定する第1手順と、前記第1手順で測定した前記車両構成要素の振動加速度を用いて表わされる第1評価指標を目的変数とし、前記第1手順で測定した前記鉄道車両の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも前記測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う第2手順と、前記第2手順の多変量解析によって得られた前記測定時期のカテゴリースコアに基づき、前記軌道の前記所定の地点での状態変化を検出する第3手順と、前記第3手順において前記軌道の前記所定の地点での状態変化を検出した場合、前記第1手順で測定した前記車両構成要素の振動加速度について、前記軌道の状態変化の種別毎に予め設定された複数の互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分を抽出し、該抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に、該振動加速度成分を用いて表わされる第2評価指標を目的変数とし、前記第1手順で測定した前記鉄道車両の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも前記測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う第4手順と、前記第4手順の多変量解析によって前記抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に得られた前記測定時期のカテゴリースコアに基づき、前記軌道の前記所定の地点での状態変化の種別を判定する第5手順と、を含むことを特徴とする軌道の状態評価方法を提供する。
車両構成要素の振動加速度を用いて表わされる第1評価指標(例えば、乗り心地レベルなど)は、軌道の状態に関連する評価指標であると考えられる。本発明によれば、第2手順において、この軌道の状態に関連する第1評価指標を目的変数とし、走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも振動加速度及び走行速度の測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う。具体的には、目的変数が量的変数であり、説明変数が量的変数と質的変数の双方であるため、いわゆる拡張型数量化1類と称される多変量解析を行うことになる。
一般に、多変量解析によって得られた質的変数のカテゴリースコアは、目的変数に対する貢献度を表していることが知られている。したがい、本発明の第2手順における多変量解析によって得られた測定時期のカテゴリースコアは、第1評価指標に対する測定時期の貢献度を表している。換言すれば、測定時期のカテゴリースコアによって、測定時期の変化のみに起因した第1評価指標の変化を抽出できる。したがい、本発明によれば、第3手順において、測定時期のカテゴリースコアに基づき、軌道の所定の地点での状態変化を検出することが可能である。
以上のように、本発明によれば、鉄道車両の走行速度の変化に影響されることなく、簡易且つ安価に軌道の状態を検出可能である。
本発明の第4手順における多変量解析によって得られた測定時期のカテゴリースコアは、第2評価指標に対する測定時期の貢献度を表している。換言すれば、測定時期のカテゴリースコアによって、測定時期の変化のみに起因した第2評価指標の変化を抽出できる。第4手順では互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に多変量解析を行うため、第5手順において、互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に得られた測定時期のカテゴリースコアに基づき、軌道の所定の地点での状態変化の種別を判定可能である。具体的には、第5手順において、例えば、各周波数帯域に対応する測定時期のカテゴリースコアの大小を比較し、最も大きなカテゴリースコアが得られた周波数帯域に対応する状態変化の種別を判定結果とすることが可能である。
以上のように、本発明によれば、鉄道車両の走行速度の変化に影響されることなく、簡易且つ安価に軌道の状態変化を検出可能であると共に、軌道の状態変化の種別を判定可能である。
なお、上記の好ましい方法において、質的な説明変数である「振動加速度を測定した編成における車両構成要素の位置」としては、号車番号を例示できる。また、号車番号と車体の前位又は後位との組み合わせ(例えば、3号車の前位など)を例示できる。
また、本発明における「振動加速度成分を用いて表わされる第2評価指標」には、振動加速度成分の二乗平均平方根(RMS)を例示できる。この他、振動加速度成分を用いて算出される乗り心地レベル、振動加速度成分の最大値、振動加速度成分の振幅の大きさ、所定値以上の振幅を有する振動加速度成分の発生回数、振動加速度成分のパワースペクトル密度など、軌道の状態に関連する車両構成要素の振動加速度成分を用いて表わされる評価指標である限りにおいて、本発明の第2評価指標には特に制限はない。
算出するのに用いるパラメータが、振動加速度であるか、又は、抽出した振動加速度成分であるかの違いはあるものの、第1評価指標及び第2評価指標として同じ評価指標を用いる(例えば、双方共に乗り心地レベルやRMSを用いる)ことも可能であるし、異なる評価指標を用いる(例えば、第1評価指標として乗り心地レベルを用い、第2評価指標としてRMSを用いる)ことも可能である。
本実施形態に係る軌道の状態評価方法(以下、適宜、単に「評価方法」という)は、第1手順~第5手順を含み、評価装置100及び後述の動揺防止制御装置を用いて実行される。具体的には、動揺防止制御装置によって第1手順が実行され、評価装置100の解析部10によって第2手順及び第4手順が実行され、評価装置100の評価部20によって第3手順及び第5手順が実行される。
本実施形態に係る評価方法の第1手順では、軌道7の所定の地点で、複数の測定時期に鉄道車両1の走行速度並びに鉄道車両1が備える車体2の振動加速度を測定する。
本実施形態に係る評価装置100を適用する鉄道車両1には、公知の動揺防止制御装置が搭載されている。この動揺防止制御装置は、車体2の前後にそれぞれ設けられ、車体2を台車3A、3Bに対して左右方向(図1の紙面に垂直な方向)に押圧するアクチュエータ4A、4Bを備えている。また、動揺防止制御装置は、車体2の前後(図1の左右)にそれぞれ設けられ、車体2の左右方向の振動加速度を測定する加速度センサ5A、5Bを備えている。さらに、動揺防止制御装置は、入力された各加速度センサ5A、5Bで測定した振動加速度に基づき各アクチュエータ4A、4Bを制御する制御器6を備えている。したがい、制御器6には、加速度センサ5Aによって測定した車体2の前位の振動加速度と、加速度センサ5Bによって測定した車体2の後位の振動加速度とが入力されることになる。
また、本実施形態の制御器6には、鉄道車両1のブレーキ制御等のために車体2に設けられた機器(図示せず)が検出した鉄道車両1の走行速度も入力される。
さらに、本実施形態の制御器6は、入力された鉄道車両1の走行速度を積算すると共に、鉄道車両1が駅に到達したことを示す駅信号を受信して前記積算値を補正することで、鉄道車両1の位置(距離程)を算出するように構成されている。或いは、本実施形態の制御器6は、外部からGPS(Global Positioning System)信号を受信して鉄道車両1の位置を算出するように構成されている。換言すれば、本実施形態の制御器6は、振動加速度を測定した軌道7の地点の位置を算出するように構成されている。
以上のように、本実施形態に係る評価方法の第1手順は、動揺防止制御装置によって実行される。
本実施形態に係る評価方法の第2手順では、第1手順で測定した車体2の振動加速度を用いて表わされる第1評価指標を目的変数とし、第1手順で測定した鉄道車両1の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う。
本実施形態に係る評価装置100が備える解析部10には、軌道7の所定の地点で複数の測定時期(例えば、直近から1年間に亘る時期)に測定された鉄道車両1の走行速度及び鉄道車両1が備える車体2の左右方向の振動加速度が測定時期と共に入力される。本実施形態では、左右方向の振動加速度を測定・入力する場合について例示しているが、本発明はこれに限るものではなく、例えば加速度センサ5A、5Bが車体2の上下方向の振動加速度を測定可能であれば、測定した上下方向の振動加速度を解析部10に入力することも可能である。
本実施形態では、第1評価指標として、特許文献1に記載の1式を用いて算出される乗り心地レベルを用いている。具体的には、本実施形態の解析部10は、入力された車体2の振動加速度を、入力された軌道7の地点の位置(振動加速度を測定した軌道7の地点の位置)に基づき、軌道7の状態を評価する単位である評価区間毎に纏めて、各評価区間内の平均乗り心地レベルを算出し、これを第1評価指標としている。同様に、本実施形態の解析部10は、入力された鉄道車両1の走行速度を、軌道7の状態を評価する評価区間毎に纏めて、各評価区間内の平均走行速度を算出し、これを量的な説明変数としている。
yi=β0+β1(n1)+β2(n2)+β3(n3)+β4・xi ・・・(1)
また、上記の式(1)において、n2は1~tまでの整数であり、tは多変量解析に用いるデータに含まれる振動加速度を測定した編成における車体2の位置(車体2の号車番号及び車体2の前位・後位の区別)の数を意味する。例えば、多変量解析に用いるデータに1~6号車それぞれの前位・後位で測定した(加速度センサ5A、5Bで測定した)振動加速度が含まれているとすれば、t=6×2=12であり、各号車番号と前位又は後位との組み合わせに対応するカテゴリスコアβ2(1)~β2(12)がそれぞれ決定される。
さらに、上記の式(1)において、n3は1~uまでの整数であり、uは多変量解析に用いるデータの測定時期(年月)の数を意味する。例えば、多変量解析に用いるデータに2015年1月から2015年12月までに測定した走行速度及び振動加速度が含まれているとすれば、u=12であり、各測定時期に対応するカテゴリースコアβ3(1)~β3(12)がそれぞれ決定される。
yi=β0+β1(n1)+β3(n3)+β4・xi ・・・(2)
yi=β0+β3(n3)+β4・xi ・・・(3)
以上のように、本実施形態に係る評価方法の第2手順は、解析部10によって実行される。
本実施形態に係る評価方法の第3手順では、第2手順の多変量解析によって得られた測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)に基づき、軌道7の所定の地点での状態変化を検出する。
具体的には、評価部20が、解析部10における多変量解析によって得られた測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)に基づき、軌道7の各評価区間iでの状態変化を検出する。第2手順の多変量解析によって得られた測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)は、乗り心地レベルyiに対する測定時期の貢献度を表している。換言すれば、測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)によって、測定時期の変化のみに起因した乗り心地レベルyiの変化を抽出できる。したがい、測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)に基づき、軌道7の各評価区間iでの状態変化を検出することが可能である。
以上のように、本実施形態に係る評価方法の第3手順は、評価部20によって実行される。
本発明者らは、鉄道車両1の走行速度と乗り心地レベルとの関係を調査した。具体的には、所定の期間に亘って、軌道7の所定の評価区間を走行する鉄道車両1の該評価区間内の平均走行速度を測定すると共に、該評価区間内の平均乗り心地レベルを測定する試験を実施した。なお、試験を実施した期間内に軌道7の前記評価区間に手入れを施した。また、試験を実施した期間内であって前記手入れを施した後に、軌道7の前記評価区間に劣化が生じていることを確認した。
図2に示すように、本発明者らの想定した通り、走行速度が大きくなると、乗り心地レベルも大きくなる傾向にあることが分かった。したがい、前述のように、鉄道車両1の走行速度を考慮していない特許文献1に記載の方法では、軌道状態の大きな変化が生じない限り、軌道状態の変化を検出できないと考えられる。
図3から分かるように、単純な乗り心地レベルの変化(時系列変化)によって軌道状態の変化(軌道7の手入れ、軌道7の劣化)を検出することは困難である。これは、図2に示すように、乗り心地レベルの変化には、軌道7の状態変化のみならず、鉄道車両1の走行速度等も影響しているため、鉄道車両1の走行速度が異なる条件で算出された乗り心地レベルが混在するデータをそのまま用いたのでは、軌道7の状態変化のみを抽出することができないからである。
図4に示すように、軌道7の評価区間に手入れを施した年月には、カテゴリースコアβ3(n3)が絶対値の大きな負の値になっていることがわかる。すなわち、この年月において軌道7の評価区間に手入れを施したことで、軌道7の評価区間における乗り心地レベルyiの値が低下(乗り心地が向上)していることを認識可能である。このため、本実施形態に係る評価方法の第3手順において、例えば、測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)が、予め決定した所定のしきい値以下の負の値になれば、軌道7の評価区間の状態が良好であると自動的に評価することが可能である。換言すれば、軌道7の状態が変化(改善)したことを自動的に検出可能である。このような評価(検出)は、前述の図3に示す結果では行うことができない。
(1)カテゴリスコアβ3(n3)が所定のしきい値以上の正の値であり続けた場合(すなわち、軌道7の評価区間の状態が劣化して、乗り心地が低下し続けている場合)、その評価区間の手入れの優先順位を上げる。
(2)軌道7の評価区間の手入れ前後でのカテゴリスコアβ3(n3)の値を比較することにより(すなわち、手入れ前後での乗り心地レベルの改善幅を評価することにより)、その評価区間の手入れの効果を定量化する。
(3)軌道7の評価区間の手入れ後におけるカテゴリスコアβ3(n3)の値の経時変化率を評価することで、乗り心地レベルが手入れ前と同等になるまでの期間を予測し、その予測期間に至るまでの間に、その評価区間で再度手入れを行うように計画を見直す。
本実施形態に係る評価方法の第4手順は、第3手順において軌道7の所定の地点での状態変化を検出した場合に実行される。本実施形態では、軌道7の所定の地点での状態が劣化したことを検出した場合に第4手順を実行する。第4手順では、第1手順で測定した車体2の振動加速度について複数の互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分を抽出し、該抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に、該振動加速度成分を用いて表わされる第2評価指標を目的変数とし、第1手順で測定した鉄道車両1の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う。
図5は、軌道7の状態変化の種別に応じて異なる車体2の振動加速度のパワースペクトラムの一例を示す。図5(a)は軌道7のバラストの緩みが生じている場合に得られるパワースペクトラムの一例を、図5(b)は軌道7を構成するレールの継ぎ目のずれが生じている場合に得られるパワースペクトラムの一例を示す。図5において、軌道7の状態変化前のパワースペクトラムは破線で、軌道7の状態変化後のパワースペクトラムは実線で示している。
図5(a)に示す例では、軌道7のバラストの緩みが生じることにより、1.1~2.5Hz程度の周波数帯域で振動加速度のパワースペクトル密度が大きくなっている。一方、図5(b)に示す例では、軌道7を構成するレールの継ぎ目のずれが生じることにより、0.4~0.9Hz程度の周波数帯域で振動加速度のパワースペクトル密度が大きくなっている。換言すれば、軌道7の状態変化の種別に応じて、軌道7の状態変化に起因して車体2に発生する振動加速度の周波数帯域に差異が生じているといえる。本発明者らが検討したところによれば、軌道7の状態変化に起因して発生する振動加速度の周波数帯域は、軌道7の状態変化の種別毎に固有の周波数帯域となる場合が多い。したがい、この振動加速度の周波数帯域の差異に基づき、軌道7の状態変化の種別が判定可能となることが期待できる。
解析部10に入力された車体2の振動加速度が解析部10が具備する各フィルタを通過することで、複数の互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分が抽出される。
また、軌道7の地点に応じて、発生する軌道7の状態変化の種別が異なる可能性もある。このため、軌道7の地点毎に設けるフィルタの数を変更可能にすることが好ましい。
本実施形態では、第2評価指標として、振動加速度成分の二乗平均平方根(RMS)を用いている。具体的には、本実施形態の解析部10は、抽出した振動加速度成分を、入力された軌道7の地点の位置(振動加速度を測定した軌道7の地点の位置)に基づき、軌道7の状態を評価する単位である評価区間i毎に纏めて、各評価区間i内の平均RMS(二乗平均平方根の平均値)を算出し、これを第2評価指標としている。同様に、本実施形態の解析部10は、入力された鉄道車両1の走行速度を、軌道7の状態を評価する評価区間i毎に纏めて、各評価区間i内の平均走行速度を算出し、これを量的な説明変数としている。
第4手順の多変量解析は、抽出した振動加速度成分毎に(複数のフィルタをそれぞれ通過した振動加速度成分毎に)行われる。すなわち、抽出した振動加速度成分毎に、β0、β1(n1)、β2(n2)、β3(n3)、β4を決定する。
以上のように、本実施形態に係る評価方法の第4手順は、解析部10によって実行される。
本実施形態に係る評価方法の第5手順では、第4手順の多変量解析によって抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に得られた測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)に基づき、軌道7の所定の地点での状態変化の種別を判定する。
具体的には、評価部20が、解析部10における多変量解析によって抽出した振動加速度成分毎に得られた、測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)に基づき、軌道7の各評価区間iでの状態変化の種別を判定する。第4手順の多変量解析によって得られた測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)は、第2評価指標(RMS)yiに対する測定時期の貢献度を表している。換言すれば、測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)によって、測定時期の変化のみに起因した第2評価指標(RMS)yiの変化を抽出できる。このため、第5手順において、互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に得られた測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)に基づき、軌道7の各評価区間iでの状態変化の種別を判定可能である。具体的には、第5手順において、例えば、各周波数帯域に対応する測定時期のカテゴリースコアβ3(n3)の大小を比較し、最も大きなカテゴリースコアβ3(n3)が得られた周波数帯域に対応する状態変化の種別を判定結果とすることが可能である。
以上のように、本実施形態に係る評価方法の第2手順は、評価部20によって実行される。
図6に示す例では、第3手順で検出した軌道7の評価区間に劣化が生じた年月において、図6(a)に示すカテゴリースコアβ3(n3)の方が図6(b)に示すカテゴリースコアβ3(n3)よりも大きくなっている。したがい、軌道7の評価区間の劣化の種別は、軌道7を構成するレールの継ぎ目のずれであると判定可能である。
2・・・車体
3A、3B・・・台車
5A、5B・・・加速度センサ
10・・・解析部
20・・・評価部
100・・・評価装置
Claims (6)
- 鉄道車両が走行する軌道の状態を評価する方法であって、
前記軌道の所定の地点で、複数の測定時期に前記鉄道車両の走行速度並びに前記鉄道車両が備える車体、台車及び軸箱のうちの何れかである車両構成要素の振動加速度を測定する第1手順と、
前記第1手順で測定した前記車両構成要素の振動加速度を用いて表わされる第1評価指標を目的変数とし、前記第1手順で測定した前記鉄道車両の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも前記測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う第2手順と、
前記第2手順の多変量解析によって得られた前記測定時期のカテゴリースコアに基づき、前記軌道の前記所定の地点での状態変化を検出する第3手順と、
前記第3手順において前記軌道の前記所定の地点での状態変化を検出した場合、前記第1手順で測定した前記車両構成要素の振動加速度について、前記軌道の状態変化の種別毎に予め設定された複数の互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分を抽出し、該抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に、該振動加速度成分を用いて表わされる第2評価指標を目的変数とし、前記第1手順で測定した前記鉄道車両の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも前記測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う第4手順と、
前記第4手順の多変量解析によって前記抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に得られた前記測定時期のカテゴリースコアに基づき、前記軌道の前記所定の地点での状態変化の種別を判定する第5手順と、
を含むことを特徴とする軌道の状態評価方法。 - 前記第1手順において、複数の編成について前記鉄道車両の走行速度及び前記鉄道車両が備える前記車両構成要素の振動加速度を測定し、
前記第2手順及び前記第4手順において、質的な説明変数として編成番号を更に含む多変量解析を行うことを特徴とする請求項1に記載の軌道の状態評価方法。 - 前記第2手順及び前記第4手順において、質的な説明変数として前記振動加速度を測定した前記編成における前記車両構成要素の位置を更に含む多変量解析を行うことを特徴とする請求項2に記載の軌道の状態評価方法。
- 前記第1評価指標は、前記振動加速度を用いて算出される乗り心地レベルであることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の軌道の状態評価方法。
- 前記第2評価指標は、前記振動加速度成分の二乗平均平方根であることを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の軌道の状態評価方法。
- 鉄道車両が走行する軌道の状態を評価する装置であって、
前記軌道の所定の地点で複数の測定時期に測定された前記鉄道車両の走行速度並びに前記鉄道車両が備える車体、台車及び軸箱のうちの何れかである車両構成要素の振動加速度が測定時期と共に入力され、前記入力された前記車両構成要素の振動加速度を用いて表わされる第1評価指標を目的変数とし、前記入力された前記鉄道車両の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも前記測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行う解析部と、
前記解析部における多変量解析によって得られた前記測定時期のカテゴリースコアに基づき、前記軌道の前記所定の地点での状態変化を検出する評価部と、を備え、
前記解析部は、前記評価部によって前記軌道の前記所定の地点での状態変化が検出された場合、前記入力された前記車両構成要素の振動加速度について、前記軌道の状態変化の種別毎に予め設定された複数の互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分を抽出し、該抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に、該振動加速度成分を用いて表わされる第2評価指標を目的変数とし、前記入力された前記鉄道車両の走行速度を量的な説明変数とし、少なくとも前記測定時期を質的な説明変数として多変量解析を行い、
前記評価部は、前記多変量解析によって前記抽出した互いに異なる周波数帯域の振動加速度成分毎に得られた前記測定時期のカテゴリースコアに基づき、前記軌道の前記所定の地点での状態変化の種別を判定する、
ことを特徴とする軌道の状態評価装置。
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