JP7509355B2 - 列車動揺検測システム及びそのシステムを用いた線路の新設・交換時における列車動揺点検方法 - Google Patents

Description

本発明は、走行中の列車の動揺検測を行って動揺超過箇所を特定するための列車動揺検測システム、及び、そのシステムを用いた線路の新設・交換時における列車動揺点検方法に関するものである。

列車の安全走行を確保するために、列車の動揺検測が行われる。この列車の動揺検測は、一般に、感熱記録式の動揺計（振動加速度計）を列車に搭載することによって行われている。その場合、その検測のために、マーキング等を行う２名の作業員が必要となるだけでなく、動揺検測後のデータ整理において、動揺基準値超過箇所の位置特定や、測定値の把握等に時間を要するという問題がある。また、線路切換え時に動揺計（振動加速度計）を使用する場合においても、リアルタイムに測定情報を把握できず、その把握に時間を要するという問題がある。

この動揺検測を動揺センサを用いて行い、測定データを地上の地上局装置に送信する動揺検測システムを開示する先行技術として、特許第６３２２３８５号の発明がある。この発明は、動揺センサと、動揺度合判別手段と、その判別結果が所定の閾値を超過したと判別された場合に、該値を振動著大値として移動通信手段を介して固定通信回線に向けて送信する通信制御手段とを備えた、車両に搭載される情報通信システムであり、この情報通信システムから送信された動揺値が地上の地上局装置に送られて収集管理されるというもので、振動著大値が優先的に送信されることを特徴としている。

特許第６３２２３８５号公報

上記特許文献１に記載の情報通信システムは、動揺データを容易に管理することができるものであって、振動著大値が優先的に送信されることにより、振動著大値を確実に送信することができるという効果のあるものであるが、このシステムの場合、振動著大値の発生箇所を具体的に特定する機能を備えていないので、このシステムで以て動揺箇所の位置を特定することはできない。

そこで本発明は、列車動揺の測定データを取得後直ちに解析して基準値を超過する動揺箇所を正確に特定し、そのデータを基地局にリアルタイム送信して基地局において処理可能にし、以て、基準値を超過する動揺に迅速に対応して列車の安全走行を確保し、また、線路の新設・交換作業後の列車動揺点検作業を効率よく迅速に実施することを可能にする、列車動揺検測システム及びそのシステムを用いた線路の新設・交換時における列車動揺点検方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に係る発明は、列車に搭載される動揺検測装置と、ネットワークを介して前記動揺検測装置と通信する地上局装置とで構成され、
前記動揺検測装置は、上下加速度、左右加速度、進行方向変化の方位角速度及び前後加速度の測定を行う慣性センサと、ＧＰＳ受信機と、前記慣性センサによる測定データを解析処理する解析部と、前記解析部により解析処理された測定データを表示する表示部と、その解析処理された測定データを、ネットワークを介して前記地上局装置に送信する送受信部と、記憶部とを備え、
前記動揺検測装置の解析部において、上下加速度及び左右加速度の２項目について、予め設定されて前記記憶部に記憶されている基準値と測定値との比較が行われ、前記基準値を超過する箇所が、前記表示部に帯状領域表示その他の所定表示により表示され、
前記地上局装置は、送受信部、表示部、解析部及び記憶部を含んで構成され、前記動揺検測装置で測定されたデータを逐次ネットワークを介して取得し、それらの波形データを重ね書き表示し、
前記動揺検測装置は、ＧＰＳ測位情報と、前記動揺検測装置の記憶部に記憶されている構造物の座標と構造物キロ程を結び付けた構造物情報とを照合して、前記ＧＰＳ測位情報を構造物キロ程情報に変換する機能を有することを特徴とする列車動揺検測システムである。

一実施形態においては、前記動揺検測装置並びに地上局装置の表示部に、前記測定データと共に、構造物キロ程及び加速度が表示される。

一実施形態においては、ＧＰＳ受信機からの測位情報の受信から次の受信までの間は、前記動揺検測装置の解析部において、ＧＰＳ速度を前記慣性センサから出力される加速度を積分して求められる速度で補正した速度情報と、ＧＰＳから出力される進行方位信号を前記慣性センサから出力される方位角速度を時間で積分して求められる方位角度信号で補正した進行方位情報とを使用して生成される補間座標を以て、自己位置座標とする。

一実施形態においては、前記動揺検測装置に対して無線接続された地点入力スイッチの操作により、前記測定データに地点情報を付加することが可能である。

上記課題を解決するための請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の列車動揺検測システムを用いて行う線路の新設・交換時における列車動揺点検方法であって、
前記動揺検測装置を搭載した列車を複数用意する工程と、
前記複数の列車のうちの第１の列車を、前記動揺検測装置を動作させつつ所定速度で走行させて、前記慣性センサにより上下加速度、左右加速度、進行方向変化の方位角速度及び前後加速度の測定を行う工程と、
前記慣性センサによる測定データを前記動揺検測装置の解析部において解析し、上下加速度及び左右加速度の２項目の波形データを、前記動揺検測装置の表示部にリアルタイム表示させ、上下加速度と左右加速度について基準値を超過する箇所がある場合に、帯状領域表示その他の所定の表示をさせてその位置を特定する工程と、
前記動揺検測装置において解析されたデータが前記地上局装置に送信され、前記地上局装置の表示部に前記動揺検測装置の表示部と同じにリアルタイム表示される工程と、
前記複数の列車の残りの列車を順次所定速度で走行させて、それぞれ前記第１の列車の場合と同じ処理を行う工程とから成り、
前記残りの列車の走行は、それぞれ先行する列車の走行において基準値を超過する動揺箇所が存在した場合に、その位置の線路の点検修理をした後に行うことを特徴とする線路の新設・交換時における列車動揺点検方法である。

本発明は上記のとおりであって、列車動揺の測定データを取得して解析すると共に、基準値を超過する動揺箇所を正確に特定し、そのデータを基地局にリアルタイム送信して基地局において処理可能にし、以て、基準値を超過する動揺に迅速に対応して列車の安全走行を確保し、また、線路の新設・交換作業後の列車動揺点検作業を効率よく迅速に実施することを可能にする効果がある。

本発明に係る列車動揺検測システムの簡略ブロック図である。 本発明に係る列車動揺検測システムを用いた列車動揺位置特定方法を説明するための簡略構成図である。 本発明に係る列車動揺検測システムにおける動揺検出装置の表示部の表示イメージ図である。 本発明に係る列車動揺検測システムにおける地上局装置の表示部の表示イメージ図である。 ＧＰＳから出力される進行方位信号を、慣性センサから出力される方位角速度を時間で積分した方位角度信号で補正した値を用いて自己位置座標を決定する方法を示す図である。 進行方向と速度情報からＧＰＳ測位点間の補間座標を求める方法を示す図である。 動揺検測装置内部の平面直交座標を構造物座標とマッチングさせて、構造物キロ程を求める方法を示す図である。

本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明に係る列車動揺検測システムは、列車に搭載される動揺検測装置１と、地上局に設置され、ネットワーク１０を介して動揺検測装置１と通信する地上局装置（サーバ）１１とで構成される（図１，２参照）。動揺検測装置１は、慣性センサ２と、ＧＰＳ受信機３と、慣性センサ２による測定データを解析処理する解析部４と、解析部４により解析処理された測定データを波形表示する表示部５と、その解析処理された測定データをネットワーク１０を介して地上局装置１１に送信する送受信部６と、記憶部７を含んで構成される。

慣性センサ２は、上下加速度、左右加速度、前後加速度及び進行方向変化の方位角速度の測定を行う加速度センサである。後述するように列車速度は、慣性センサ２により得られる前後加速度と、ＧＰＳ受信機３により得られる速度情報から算出される。慣性センサ２により得られ、解析部４により解析処理された測定データは、一定間隔（５秒）置きに、送受信部６からネットワーク１０を介して地上局装置１１の送受信部１２に送られる。

解析部４において解析処理された測定データ、即ち、上下加速度及び左右加速度の２項目の波形データが、表示部５にリアルタイム表示される。その波形データは、例えば図３のイメージ図に示されるように、横軸を時間距離軸として、１画面１５秒分の描画とされる。ここに時間距離軸とは、走行距離を時間軸とするもので、横軸は時間軸で描画するが、キロポスト、橋梁、踏切、ホーム等の構造物、並びに、曲線等のキロ程情報を有する構造物のキロ程（以下、「構造物キロ程」とする）で、過去データと位置合わせを行って表示する。過去データは、測定データの構造物キロ程位置から描画を行い、次の構造物キロ程で再度位置合わせを行って表示する。なお、測定中の横軸は時間軸表示であるが、解析以後のグラフ表示における横軸は、キロ程軸表示となる。

また、解析部４において、全振幅にて上下加速度及び左右加速度の２項目について、予め設定されて記憶部７に記憶されている基準値と測定値との比較を行う基準値判定が行われ、基準値を超過する箇所が、帯状に領域表示されると共に、その箇所のキロ程及び超過動揺値がリアルタイム表示されるようにすることができる（図３のイメージ図参照）。その領域表示は、目立つように色塗りされることもある。また、その領域表示と同時に、音声等による警告を発するようにすることもできる。

図３には示されていないが、例えば、橋梁、踏切、ホーム等の構造物、並びに、曲線等であって、始端終端キロ程を有する構造物については、その構造物名称と共に、その始端及び終端にマークが色分け表示される。例えば、橋梁の場合のマークは緑色の三角形、踏切の場合のマークは水色の三角形のように色設定しておけば、表示されたマークの色から構造物の種類を認識することができる。このように、色分けした三角形マークで始端及び終端を表示する代わりに、始端から終端まで延びる帯状色表示とすることもできる。上述したように、波形データは横軸を時間軸として描画されるが、構造物キロ程で、現波形データと解析処理済みの過去データの重ね書き表示が可能となるようにされる。かくして、動揺波形の推移の表示及び出力が可能となる。

動揺検測装置１の位置を特定するために、動揺検測装置１の解析部４において、時間軸測定データに構造物キロ程の割付が行われる。上述したように横軸はキロ程軸時間軸で表示されるが、これを距離に置き換えることにより、位置の分かっている構造物キロ程から、動揺検測装置１の位置を特定することができる。

地上局装置１１は、送受信部１２、表示部１３、解析部１４及び記憶部１５を含んで構成される。動揺検測装置１で測定されたデータは、逐次ネットワーク１０を介して地上局装置１１の解析部１４に送られて解析され、地上局装置１１の表示部１３にも、表示部５と同様の波形データが表示される。地上局装置１１の表示部１３には、例えば、４台の動揺検測装置１からの測定データが重ね書き表示される（図４のイメージ図参照）。

本発明に係るシステムの場合は、ＧＰＳ及び慣性センサ２からの取得データ、並びに、構造物情報を総合的に処理することで、列車が動揺した箇所における列車速度、及び、構造物キロ程を正確に把握することが可能となる。

列車速度は、以下のとおり、ＧＰＳ測位情報を優先的に用い、慣性センサ２により得られる前後加速度を補足的に用いる方法によって算出される。
ア．通常走行時においてＧＰＳの受信状況が良好であれば、ＧＰＳで得られた速度情報を優先的に用いる。
イ．高架下や橋上駅舎等によりＧＰＳの受信状況が悪化したものと判断された場合は、前後加速度を時間で積分することにより求められる速度を用いる。
ウ．その後ＧＰＳ受信状況が良好になった場合は、ＧＰＳ測位情報を優先させるように切り替える。
なお、以下の場合は、ＧＰＳの受信状況が悪化したと判断される。
１）ＧＰＳ受信機から出力される水平精度低下率が、ある基準以上になった場合
２）ＧＰＳ受信機から出力される補足衛星数が、ある基準以下になった場合

列車速度は、具体的には、以下の方法による補正を行って求める。
ａ．ＧＰＳ受信機３からは、１秒に１回測位情報（位置、位置精度劣化度等）が出力され、前後加速度は、慣性センサ２から常時出力される。
ｂ．速度は、前後加速度を積分することにより常時算出される。この積分計算は、慣性センサ２からの出力の更新毎に行われる。
ｃ．ＧＰＳ受信機３の位置精度劣化度が予め設定した数値（閾値）を上回っている場合は受信良好と判断され、前後加速度積分のための初期値として、ＧＰＳ受信機３で算出した速度がセットされる（上記ア、ウの場合）。
ｄ．ＧＰＳ受信機３の位置精度劣化度が予め設定した数値（閾値）を下回っている場合は受信不良と判断され、前後加速度積分のための初期値には、ＧＰＳ受信機３からの速度ではなく、前後加速度積分値のみ使用される（上記イの場合）。
ｅ．副次的な効果として、ＧＰＳからの速度情報は１秒に１回の更新周期なのに対し、前後加速度は常時更新しているので、ＧＰＳ速度が更新されるまでの１秒間の速度については、前後加速度の積分速度で補間することができる。

また、列車の移動距離は、速度を時間で積分することにより求めることができる。ＧＰＳによる移動距離情報並びに前後加速度を時間で積分して得られた速度を用いて得られる移動距離情報は、測定開始点からの移動距離情報であるので、動揺発生地点を特定するには、これを構造物キロ程に変換する必要がある。そのためには、予め構造物の座標（平面直交座標）とキロ程を結び付けたデータベースを動揺検測装置１の記憶部７に記憶させておき（このデータベースは地上局装置１１からダウンロードする。）、これをＧＰＳ受信機３で得られた測位情報と照合させる必要がある（構造物情報での構造物キロ程補正）。即ち、鉄道の軌道における構造物キロ程は、必ずしも移動距離に一致している訳ではないので、適当な距離ごとに、その構造物キロ程と記憶部７に記憶されているデータベースの構造物キロ程を一致させる必要があるため、このような照合処理が必要となるのである。

動揺検測装置１は、１秒毎にＧＰＳからの測位情報を受信しているが、列車の速度が速くなるほど受信した測位点の間隔が広がることになる。仮に列車が１００ｋｍ／ｈの速度で走行した場合、測位点の間隔は約２８ｍになってしまい、この間に構造物座標が存在した場合、この構造物を構造物キロ程補正用として採用することができないことになってしまう。そこで本発明においては、ＧＰＳ測位情報だけでなく、慣性センサ２による方位角速度情報及び速度情報を併用し、ＧＰＳ測位点間を補間しながら自己位置座標を算出するようにしている。

即ち、ＧＰＳ受信機３からは１秒毎に測位情報が得られるが、その受信から次の受信までの間は解析部４において補間座標を生成し、それを以て自己位置座標とする。この補間座標を生成するために、速度情報と進行方位情報を使用する。速度情報については、前述のＧＰＳ速度を前後加速度積分速度で補正した値を用い、進行方位については、ＧＰＳから出力される進行方位信号を、慣性センサ２から出力される方位角速度を時間で積分した方位角度信号で補正した値を用い、自己位置座標を決定する（図５参照）。なお、ＧＰＳから出力される進行方位信号は衛星の受信状況と速度（低速時に不安定になる）に依存するため、両者の状況が問題ない場合にのみ、ＧＰＳ進行方位信号を採用することとする。

進行方向と速度情報からＧＰＳ測位点間の補間座標を求める具体的方法は、以下のとおりである（図６参照）。
１）１秒毎に受信するＧＰＳ緯度経度情報を平面直交座標系に変換し、自己位置座標の初期値として採用する。当然、ＧＰＳ緯度経度はＧＰＳの受信状態が良好な状態の値のみ採用する。
２）慣性センサ２の方位角速度を積分して求めた進行方位角及び速度から、ＧＰＳ測位点間の移動量及び方位を推測し、装置内部の自己位置座標を更新する。
３）この操作を、次にＧＰＳ測位情報が得られるまで繰り返す。
４）次のＧＰＳ測位情報が得られたら、その緯度経度を平面直交座標に変換して、装置内部の自己位置座標を置き換える。

列車（動揺検測装置１）の走行位置については、上記のとおり、ＧＰＳ測位情報を慣性センサ２からの出力で補間することにより、動揺検測装置１の記憶部７に記憶されている平面直交座標をリアルタイムで更新することが可能となる。次いで、動揺検測装置１の記憶部７に記憶されている平面直交座標を構造物座標とマッチングさせて、構造物キロ程を求める。例えば、図７に示すように、動揺検測装置１がＡ点から順にＦ点方向に順次移動しているものとした場合、動揺検測装置１は、新たな自己位置の座標が決定される度に周辺の構造物との距離を計算し、その距離が予め設定した距離内（構造物判定円）にある構造物の情報を取り込むことにより構造物キロ程を決定する。構造物判定円の半径は、例えば１０ｍとされるが、変更可能である。

動揺検測装置１に付設される地点入力スイッチは有線の場合もあるが、これを無線化した場合は、動揺検測装置１において解析処理された測定データに地点情報を付加するための地点入力操作を、動揺検測装置１から離れた場所から行うことが可能となる。特に、駅等の地点情報が既知の地点で地点入力スイッチを入れることで、測定データに適切に地点情報を付加することが可能となる。また、ＧＰＳ信号を受信できない区間では、地点入力スイッチを入れることで、その位置で構造物キロ程を付すことができる。

本発明に係る線路の新設・交換時における列車動揺点検方法は、上記システムを用い、線路の新設・交換作業後の列車動揺点検のために実施されるもので、その列車動揺点検は、具体的には以下の工程により実施される（図２参照）。
１）動揺検測装置１を搭載した列車を複数（例えば４両）用意する。
２）そのうちの第１の列車を、動揺検測装置１を動作させつつ、所定速度で走行させて、慣性センサ２により上下加速度、左右加速度、進行方向変化の方位角速度及び前後加速度の測定を行う。
３）慣性センサ２による測定データを解析部４において解析し、上下加速度及び左右加速度の波形データと列車速度の３項目を、表示部５にリアルタイム表示させ、上下加速度と左右加速度について基準値を超過する箇所がある場合には、表示部５において帯状領域表示その他の所定表示をさせてその位置を特定する（図３参照）。
４）解析部４において解析した第１の列車の測定データを地上局装置１１にリアルタイム送信し、地上局装置１１の表示部１３に表示部５と同じ波形データ等を表示させる。
５）次いで、第２の列車を所定速度（通例、第１の列車と同じ速度）で走行させる。第１の列車の走行において基準値を超過する箇所が存在した場合は、第２の列車の走行は、その位置の線路の点検修理を行った後に行う。
６）第３及び第４の列車についても第２の列車の場合と同じ処理をし、線路の新設・交換区間において、基準値を超過する動揺が存在しないことを確認する。

本発明は上記のとおりであって、列車動揺の測定データを取得して解析すると共に、基準値を超過する動揺箇所を正確に特定し、そのデータを地上局にリアルタイム送信して地上局においても解析処理可能にし、以て、基準値を超過する動揺発生時に迅速に対応して列車の安全走行を確保し、また、線路の新設・交換作業後の列車動揺点検作業を効率よく迅速に実施することを可能にする効果のあるものであって、その産業上の利用可能性は大である。

１ 動揺検測装置
２ 慣性センサ
３ ＧＰＳ受信機
４ 解析部
５ 表示部
６ 送受信部
７ 記憶部
１０ ネットワーク
１１ 地上局装置
１２ 送受信部
１３ 表示部
１４ 解析部
１５ 記憶部

Claims (5)

1. 列車に搭載される動揺検測装置と、ネットワークを介して前記動揺検測装置と通信する地上局装置とで構成され、
   前記動揺検測装置は、上下加速度、左右加速度、進行方向変化の方位角速度及び前後加速度の測定を行う慣性センサと、ＧＰＳ受信機と、前記慣性センサによる測定データを解析処理する解析部と、前記解析部により解析処理された測定データを表示する表示部と、その解析処理された測定データを、ネットワークを介して前記地上局装置に送信する送受信部と、記憶部とを備え、
   前記動揺検測装置の解析部において、上下加速度及び左右加速度の２項目について、予め設定されて前記記憶部に記憶されている基準値と測定値との比較が行われ、前記基準値を超過する箇所が、前記表示部に帯状領域表示その他の所定表示により表示され、
   前記地上局装置は、送受信部、表示部、解析部及び記憶部を含んで構成され、前記動揺検測装置で測定されたデータを逐次ネットワークを介して取得し、それらの波形データを重ね書き表示し、
   前記動揺検測装置は、ＧＰＳ測位情報と、前記動揺検測装置の記憶部に記憶されている構造物の座標と構造物キロ程を結び付けた構造物情報とを照合して、前記ＧＰＳ測位情報を構造物キロ程情報に変換する機能を有することを特徴とする列車動揺検測システム。
2. 前記動揺検測装置並びに地上局装置の表示部に、前記測定データと共に、構造物キロ程及び加速度が表示される、請求項１に記載の列車動揺検測システム。
3. 前記ＧＰＳ受信機からの測位情報の受信から次の受信までの間は、前記動揺検測装置の解析部において、ＧＰＳ速度を前記慣性センサから出力される加速度を積分して求められる速度で補正した速度情報と、ＧＰＳから出力される進行方位信号を前記慣性センサから出力される方位角速度を時間で積分して求められる方位角度信号で補正した進行方位情報とを使用して生成される補間座標を以て、自己位置座標とする、請求項１又は２に記載の列車動揺検測システム。
4. 前記動揺検測装置に無線接続された地点入力スイッチの操作により、前記測定データに地点情報を付加することが可能な、請求項１乃至３のいずれかに記載の列車動揺検測システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の列車動揺検測システムを用いて行う線路の新設・交換時における列車動揺点検方法であって、
   前記動揺検測装置を搭載した列車を複数用意する工程と、
   前記複数の列車のうちの第１の列車を、前記動揺検測装置を動作させつつ所定速度で走行させて、前記慣性センサにより上下加速度、左右加速度、進行方向変化の方位角速度及び前後加速度の測定を行う工程と、
   前記慣性センサによる測定データを前記動揺検測装置の解析部において解析し、上下加速度及び左右加速度の２項目の波形データを、前記動揺検測装置の表示部にリアルタイム表示させ、上下加速度と左右加速度について基準値を超過する箇所がある場合に、帯状領域表示その他の所定の表示をさせてその位置を特定する工程と、
   前記動揺検測装置において解析されたデータが前記地上局装置に送信され、前記地上局装置の表示部に前記動揺検測装置の表示部と同じにリアルタイム表示される工程と、
   前記複数の列車の残りの列車を順次所定速度で走行させて、それぞれ前記第１の列車の場合と同じ処理を行う工程とから成り、
   前記残りの列車の走行は、それぞれ先行する列車の走行において基準値を超過する動揺箇所が存在した場合に、その位置の線路の点検修理をした後に行うことを特徴とする線路の新設・交換時における列車動揺点検方法。

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