JPWO2019043859A1 - 検査システム、検査方法、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
(概要)
まず、本発明の実施形態の概要を説明する。
図1は、鉄道車両の概略の一例を示す図である。尚、図1において、鉄道車両は、x軸の正の方向に進むものとする(x軸は、鉄道車両の走行方向に沿う軸である)。また、z軸は、軌道16(地面)に対し垂直方向(鉄道車両の高さ方向)であるものとする。y軸は、鉄道車両の走行方向に対して垂直な水平方向(鉄道車両の走行方向と高さ方向との双方に垂直な方向)であるものとする。また、鉄道車両は、営業車両であるものとする。尚、図1および図3において、○の中に●が付されているものは、紙面の奥側から手前側に向かう方向を示す。図1では、この方向は、y軸の正の方向である。図3では、この方向は、z軸の正の方向である。
以上のことを前提として、鉄道車両の直線軌道の走行時における運動を記述する運動方程式の一例を説明する。本実施形態では、鉄道車両が21自由度を有する場合を例に挙げて説明する。即ち、輪軸13a〜13dが、左右方向における運動(横振動)とヨーイング方向における運動(ヨーイング)とを行うものとする(2×4セット=8自由度)。また、台車12a、12bが、左右方向における運動(横振動)とヨーイング方向における運動(ヨーイング)とローリング方向における運動(ローリング)とを行うものとする(3×2セット=6自由度)。また、車体11が、左右方向における運動(横振動)とヨーイング方向における運動(ヨーイング)とローリング方向における運動(ローリング)とを行うものとする(3×1セット=3自由度)。また、台車12a、12bに対してそれぞれ設けられている空気バネ(枕バネ)が、ローリング方向における運動(ローリング)を行うものとする(1×2セット=2自由度)。また、台車12a、12bに対してそれぞれ設けられているヨーダンパが、ヨーイング方向における運動(ヨーイング)を行うものとする(1×2セット=2自由度)。
添え字t、Tは、台車12a、12bを表す。添え字t、T(のみ)が付されている変数は、台車12a、12bで共通であることを表す。添え字t1、t2はそれぞれ、台車12a、12bを表す。
添え字b、Bは、車体11であることを表す。
また、変数の上に付している「・・」、「・」はそれぞれ、2階時間微分、1階時間微分を表す。
尚、以下の運動方程式の説明に際し、必要に応じて、既出の変数の説明を省略する。
輪軸13a〜13dの横振動(左右方向における運動)を記述する運動方程式は、以下の(1)式〜(4)式で表される。
輪軸13a〜13dのヨーイングを記述する運動方程式は、以下の(5)式〜(8)式で表される。
台車12a、12bの横振動(左右方向における運動)を記述する運動方程式は、以下の(9)式、(10)式で表される。
台車12a、12bのヨーイングを記述する運動方程式は、以下の(11)式、(12)式で表される。
台車12a、12bのローリングを記述する運動方程式は、以下の(13)式、(14)式で表される。
車体11の横振動(左右方向における運動)を記述する運動方程式は、以下の(15)式で表される。
車体11のヨーイングを記述する運動方程式は、以下の(16)式で表される。
車体11のローリングを記述する運動方程式は、以下の(17)式で表される。
台車12aに配置されたヨーダンパ、台車12bに配置されたヨーダンパのヨーイングを記述する運動方程式は、それぞれ以下の(18)式、(19)式で表される。
台車12aに配置された空気バネ(枕バネ)、台車12bに配置された空気バネ(枕バネ)のローリングを記述する運動方程式は、それぞれ以下の(20)式、(21)式で表される。
次に、通り狂い量yR1〜yR4の精度を向上させるための本発明者らが得た知見について説明する。
図4は、通り狂い量と鉄道車両の構成要素の運動との相互の作用関係の一例を示す図である。実線で描かれている矢線は、同一構成要素内の異なる運動間の作用関係を示す。実線以外の線種で描かれている矢線は異なる構成要素の運動間の作用関係を示す。各運動には、本実施形態で説明するその運動を記述する運動方程式の番号を添えている。例えば、輪軸13a〜13dのヨーイングは、(5)式〜(8)式で記述される。輪軸13a〜13dのヨーイングは、通り狂い量yR1〜yR4、輪軸13a〜13dの横振動、台車12a、12bの横振動、台車12a、12bのヨーイングから直接作用を受ける。台車12a、12bの横振動は、(9)式〜(10)式で記述される。台車12a、12bの横振動は、輪軸13a〜13dの横振動、台車12a、12bのローリング、車体11の横振動、車体11のヨーイング、台車12a、12bのヨーイング、車体11のローリングから直接作用を受け、輪軸13a〜13dのヨーイングからは直接作用を受けない。
軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、軸箱支持装置は、リンクを備えており、軸箱と台車枠とがリンクにより連結されている。このリンクの両端にはゴムブッシュが取り付けられる。この場合、前後方向力は、1つの輪軸の左右方向の端にそれぞれ1つずつ取り付けられる2つのリンクのそれぞれが受ける荷重の前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分になる。また、リンクの配置および構成により、リンクは、前後方向、左右方向、前後方向の荷重のうち主に前後方向の荷重を受ける。従って、例えば、各リンクに歪ゲージを1つ取り付ければよい。この歪みゲージの測定値を用いて、当該リンクが受ける荷重の前後方向の成分を導出することにより、前後方向力の測定値を得る。また、このようにすることに替えて、リンクに取り付けられたゴムブッシュの前後方向の変位を変位計で測定してもよい。この場合、測定した変位と当該ゴムブッシュのバネ定数との積を、前後方向力の測定値とする。軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、前述した、軸箱を支持するための部材は、リンクまたはゴムブッシュになる。
また、ここでは、軸箱支持装置の方式が、モノリンク式、軸はり式、および板バネ式である場合を例に挙げて、前後方向力を説明した。しかしながら、軸箱支持装置の方式は、モノリンク式、軸はり式、および板バネ式に限定されない。軸箱支持装置の方式に合わせて、モノリンク式、軸はり式、および板バネ式と同様に、前後方向力を定めることができる。
また、以下では、説明を簡単にするために、1つの輪軸について1つの前後方向力の測定値が得られる場合を例に挙げて説明する。即ち、図1に示す鉄道車両は、4つの輪軸13a〜13dを有する。従って、4つの前後方向力T1〜T4の測定値が得られる。
次に、本発明の第1の実施形態を説明する。
図8は、検査装置800の機能的な構成の一例を示す図である。図9は、検査装置800のハードウェアの構成の一例を示す図である。図10は、検査装置800における事前処理の一例を示すフローチャートである。図11は、検査装置800における本処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態では、図1に示すように、検査装置800が、鉄道車両に搭載される場合を例に挙げて示す。
ユーザインターフェース908は、オペレータが検査装置800に対して指示を行う部分である。ユーザインターフェース908は、例えば、ボタン、スイッチ、およびダイヤル等を有する。また、ユーザインターフェース908は、ディスプレイ909を用いたグラフィカルユーザインターフェースを有していてもよい。
出力部808は、例えば、通信回路904および信号処理回路905と、画像処理回路906、I/F回路907、およびディスプレイ909との少なくとも何れか一方を用いることにより実現される。
状態方程式記憶部801は、状態方程式を記憶する。本実施形態では、前述した運動方程式のうち、(5)式〜(8)式の輪軸13a〜13dのヨーイングを記述する運動方程式を状態方程式に含めない。(5)式〜(8)式には、通り狂い量yR1〜yR4が含まれる。(5)式〜(8)式を状態方程式に含めて、後述するカルマンフィルタによるフィルタリングを行う場合には、軌道16のモデルが必要になる。通り狂いは物理法則に則って記述できるものではない。従って、通り狂い量yR1〜yR4の時間微分が例えばホワイトノイズとなるように、軌道16のモデルを作成する必要がある。そうすると、軌道16のモデルの不確かさが、後述するカルマンフィルタによるフィルタリングの結果に影響を与える虞がある。また、状態方程式を少なくし、状態変数を減らすことにより、後述するカルマンフィルタの動作を安定させることができる。
まず、(9)式、(10)式の台車12a、12bの横振動(左右方向における運動)を記述する運動方程式と、(13)式、(14)式の台車12a、12bのローリングを記述する運動方程式と、(15)式の車体11の横振動(左右方向における運動)を記述する運動方程式と、(16)式の車体11のヨーイングを記述する運動方程式と、(17)式の車体11のローリングを記述する運動方程式と、(18)式、(19)式の台車12aに配置されたヨーダンパ、台車12bに配置されたヨーダンパのヨーイングを記述する運動方程式と、(20)式、(21)式の台車12aに配置された空気バネ(枕バネ)、台車12bに配置された空気バネ(枕バネ)のローリングを記述する運動方程式については、これらをそのまま用いて状態方程式を構成する。
観測方程式記憶部802は、観測方程式を記憶する。本実施形態では、車体11の左右方向における加速度、台車12a、12bの左右方向における加速度、および輪軸13a〜13dの左右方向における加速度を観測変数とする。この観測変数は、後述するカルマンフィルタによるフィルタリングの観測変数である。本実施形態では、(34)式〜(37)式、(9)式、(10)式、および(15)式の横振動を記述する運動方程式を用いて観測方程式を構成する。観測方程式記憶部802は、例えば、このようにして構成される観測方程式を、オペレータによるユーザインターフェース908の操作に基づいて入力し、記憶する。
データ取得部803は、計測データを所定のサンプリング周期で取得する。
本実施形態では、データ取得部803は、計測データとして、車体11の左右方向における加速度の測定値の時系列データ、台車12a、12bの左右方向における加速度の測定値の時系列データ、および輪軸13a〜13dの左右方向における加速度の測定値の時系列データを取得する。各加速度は、例えば、車体11、台車12a、12b、および輪軸13a〜13dにそれぞれ取り付けられた歪ゲージと、当該歪ゲージの測定値を用いて加速度を演算する演算装置とを用いることにより測定される。尚、加速度の測定は、公知の技術で実現することができるので、その詳細な説明を省略する。
データ取得部803は、例えば、前述した演算装置との通信を行うことにより、計測データを取得することができる。
第1の周波数調整部804は、データ取得部803により取得された計測データのうち、前後方向力の測定値の時系列データに含まれる低周波成分の信号強度を低減(好ましくは除去)する。この低周波成分の信号は、鉄道車両が直線軌道を走行している場合には計測されないが、鉄道車両が曲線軌道を走行している場合に計測される信号である。即ち、鉄道車両が曲線軌道を走行している場合に計測される信号は、鉄道車両が直線軌道を走行している場合に計測される信号に、この低周波成分の信号が重畳された信号と見なすことができる。
自己相関行列Rを特異値分解する。自己相関行列Rの要素は、対称である。従って、自己相関行列Rを特異値分解すると以下の(52)式のように、直交行列Uと、対角行列Σと、直交行列Uの転置行列との積となる。
行列Σsおよび行列Usを行列要素で表現すれば、以下の(55)式のようになる。
ここでは、前述した修正自己回帰モデルの説明における物理量は、前後方向力になる。前後方向力の値は、鉄道車両の状態に応じて変動する。
そこで、まず、鉄道車両を軌道16上で走行させて、前後方向力の測定値についてのデータyを得る。得られたデータy毎に、(49)式と(51)式とを用いて自己相関行列Rを求める。この自己相関行列Rについて(52)式で表される特異値分解を行うことによって自己相関行列Rの固有値を求める。図12は、自己相関行列Rの固有値の分布の一例を示す図である。図12では、輪軸13aにおける前後方向力T1の測定値のデータyのそれぞれについての自己相関行列Rを特異値分解して得られた固有値σ11〜σmmを昇順に並べ替えて、プロットしている。図12の横軸は、固有値のインデックスであり、縦軸は、固有値の値である。
まず、第1の周波数調整部804は、前後方向力の測定値のデータyと、予め設定されている数M、mと、に基づいて、(49)式と(51)式とを用いて自己相関行列Rを生成する。
次に、第1の周波数調整部804は、自己相関行列Rの複数の固有値σ11〜σmmのうち、最大のものからs個の固有値σ11〜σssを、修正自己回帰モデルの係数αを求めるのに利用する自己相関行列Rの固有値として選択する。
次に、第1の周波数調整部804は、前後方向力の測定値のデータyと、固有値σ11〜σssと、自己相関行列Rの特異値分解により得られた直交行列Uと、に基づいて、(57)式を用いて、修正自己回帰モデルの係数αを決定する。
第1の周波数調整部804は、以上のようにして、前後方向力T1〜T4の高周波成分の時系列データを導出する。
フィルタ演算部805は、観測方程式を観測方程式記憶部802により記憶された観測方程式とし、状態方程式を状態方程式記憶部801により記憶された状態方程式として、カルマンフィルタにより、(44)式に示す状態変数の推定値を決定する。このとき、フィルタ演算部805は、データ取得部803で取得された計測データのうち、前後方向力T1〜T4を除く計測データと、第1の周波数調整部804で生成された前後方向力T1〜T4の高周波成分の時系列データとを用いる。前述したように本実施形態では、計測データには、車体11の左右方向における加速度の測定値、台車12a、12bの左右方向における加速度の測定値、および輪軸13a〜13dの左右方向における加速度の測定値が含まれる。輪軸13a〜13dにおける前後方向力T1〜T4については、データ取得部803で取得された計測データ(測定値)を用いずに、第1の周波数調整部804で生成された前後方向力T1〜T4の高周波成分の時系列データを用いる。
Y=HX+V ・・・(58)
X・=ΦX+W ・・・(59)
フィルタ演算部805は、(44)式に示す状態変数の推定値を所定のサンプリング周期で決定することにより、(44)式に示す状態変数の推定値の時系列データを生成する。
第1の周波数調整部804により、前後方向力の測定値の時系列データに含まれる低周波成分の信号強度が十分に除去されていないと、フィルタ演算部805により生成される状態変数の推定値の時系列データに、鉄道車両が曲線軌道を走行することに起因する低周波成分の信号が残る虞がある。そこで、第2の周波数調整部806は、フィルタ演算部805により生成された状態変数の推定値の時系列データに含まれる低周波成分の信号強度を低減(好ましくは除去)する。尚、第1の周波数調整部804により、前後方向力の測定値の時系列データに含まれる低周波成分の信号強度が十分に除去されるように、(53)式に示す自己相関行列Rから抽出する固有値の数sを定めることができる場合には、第2の周波数調整部806の処理は不要になる。
ここでは、前述した修正自己回帰モデルの説明における物理量は、状態変数になる。即ち、状態変数のデータyは、フィルタ演算部805により生成された状態変数の推定値の時系列データになる。状態変数の推定値は、何れも鉄道車両の状態に応じて変動する。
まず、第2の周波数調整部806は、状態変数の推定値のデータyと、予め設定されている数M、mと、に基づいて、(49)式と(51)式とを用いて自己相関行列Rを生成する。
次に、第2の周波数調整部806は、自己相関行列Rの複数の固有値σ11〜σmmのうち、最大のものからs個の固有値σ11〜σssを、修正自己回帰モデルの係数αを求めるのに利用する自己相関行列Rの固有値として選択する。sは、状態変数毎に予め定められる。例えば、鉄道車両を軌道16上で走行させて、これまで説明してきたようにして各状態変数の推定値のデータyを得る。そして、自己相関行列Rの固有値の分布を状態変数毎に個別に作成する。この自己相関行列Rの固有値の分布から、(53)式に示す自己相関行列Rから抽出する固有値の数sを状態変数のそれぞれについて決定する。
(5)式〜(8)式の輪軸13a〜13dのヨーイングを記述する運動方程式に、(22)式〜(25)式を代入すると、以下の(60)式〜(63)式が得られる。
軌道状態算出部807は、(30)式〜(33)式より、輪軸13a〜13dのヨーイング方向における回動量(角変位)ψw1〜ψw4の推定値を算出する。そして、軌道状態算出部807は、輪軸13a〜13dのヨーイング方向における回動量(角変位)ψw1〜ψw4の推定値と、第2の周波数調整部806で生成された状態変数の高周波成分の値と、第1の周波数調整部804により生成された前後方向力T1〜T4の高周波成分の値とを、(60)式〜(63)式に与えることにより、輪軸13a〜13dの位置での通り狂い量yR1〜yR4を算出する。ここで使用される状態変数は、台車12a〜12bの左右方向の変位yt1〜yt2、台車12a〜12bの左右方向の速度yt1・〜yt2・、輪軸13a〜13dの左右方向の変位yw1〜yw4、および輪軸13a〜13dの左右方向の速度yw1・〜yw4・である。軌道状態算出部807は、以上のような通り狂い量yR1〜yR4の算出を所定のサンプリング周期で行うことにより、通り狂い量yR1〜yR4の時系列データを得る。
また、軌道状態算出部807は、位相を合わせた通り狂い量yR1〜yR4の同じサンプリング時刻における値のうち、最大値と最小値を除く2つの値の算術平均値を最終的な通り狂い量yRとして算出してもよい。
出力部808は、軌道状態算出部807により算出された最終的な通り狂い量yRの情報を出力する。このとき出力部808は、最終的な通り狂い量yRが、予め設定された値よりも大きい場合には、軌道16が異常であることを示す情報を出力してもよい。出力の形態としては、例えば、コンピュータディスプレイへの表示、外部装置への送信、およびの内部または外部の記憶媒体への記憶の少なくとも何れか1つを採用することができる。
以上のように本実施形態では、検査装置800は、前後方向力T1〜T4の測定値の時系列データに含まれる低周波成分の信号強度を低減し、前後方向力T1〜T4の高周波成分の時系列データを生成する。検査装置800は、前後方向力T1〜T4の高周波成分の時系列データを、前後方向力T1〜T4と輪軸13a〜13dの位置での通り狂い量yR1〜yR4との関係式に与えることにより、輪軸13a〜13dの位置での通り狂い量yR1〜yR4を算出する。この関係式は、鉄道車両の直線軌道の走行時における運動を記述する運動方程式(即ち、軌道16(レール)の曲率半径Rを含まない式)に基づく式である。従って、曲線軌道における不整を特別な測定装置を用いることなく高精度に検出することができる。
本実施形態では、修正自己回帰モデルを用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしも、修正自己回帰モデルを用いて、前後方向力測定値のデータyから、鉄道車両の曲線軌道の走行に起因する低周波成分の信号を低減する必要はない。例えば、鉄道車両の曲線軌道の走行に起因する周波数帯を特定することができる場合には、ハイパスフィルタを用いて、前後方向力の測定値のデータyから、鉄道車両の曲線軌道の走行に起因する低周波成分の信号を低減してもよい。
次に、第2の実施形態を説明する。以下の説明では、第1の実施形態の手法で算出される最終的な通り狂い量yRを、必要に応じて通り狂い量yRの推定値と称し、実際に測定した通り狂い量yRを、必要に応じて通り狂い量yRの測定値と称する。
図17は、検査装置1700の機能的な構成の一例を示す図である。図18は、検査装置1700における事前処理の一例を示すフローチャートである。図19は、検査装置1700における本処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態でも、第1の実施形態と同様に、検査装置1700が、鉄道車両に搭載される場合を例に挙げて示す。
軌道データ記憶部1701は、軌道データを記憶する。軌道データは、鉄道車両が走行する軌道の位置と当該位置におけるレールの曲率1/Rとの関係を示すデータを含む。曲率1/Rが0(ゼロ)である位置は直線軌道である。曲率1/Rが0(ゼロ)でない位置は曲線軌道である。このようなデータとして、例えば、鉄道会社が路線ごとに管理しているデータを用いることができる。
継目判定部1702は、鉄道車両が曲線軌道におけるレールの継目を含む区間を通過したか否かを判定する。以下の説明では、この領域を必要に応じて継目区間と称する。本実施形態では、継目判定部1702は、以下のようにして継目区間を算出する。まず、継目判定部1702は、輪軸13b〜13dの左右方向における加速度yw2・・〜yw4・・の位相を、輪軸13aの左右方向における加速度yw1・・に合わせる。即ち、継目判定部1702は、輪軸13aと輪軸13b〜13dとの前後方向の距離と、鉄道車両の速度とから、或る位置を輪軸13aが通過する時刻に対する、当該位置を輪軸13b〜13dが通過する時刻の遅れ時間を算出する。継目判定部1702は、輪軸13b〜13dの左右方向における加速度yw2・・〜yw4・・の時系列データに対して、この遅れ時間だけ位相をずらす。継目判定部1702は、位相を合わせた輪軸13a〜13dの左右方向における加速度yw1・・〜yw4・・の算出平均値yw・・を算出する。継目判定部1702は、この輪軸13a〜13dの左右方向における加速度yw1・・〜yw4・・の算術平均値yw・・の絶対値が閾値を上回る時刻を、鉄道車両の輪軸13aが曲線軌道におけるレールの継目を通過した時刻とする。閾値は、予め定められる。鉄道車両が曲線軌道におけるレールの継目を通過するときの、輪軸13a〜13dの左右方向における加速度yw1・・〜yw4・・を調査し、その調査の結果から、鉄道車両が曲線軌道におけるレールの継目を通過したと判定することができる値を閾値として採用する。例えば、3(m/s2)〜6(m/s2)の値が閾値として定められる。継目判定部1702は、鉄道車両の輪軸13aが曲線軌道におけるレールの継目を通過した時刻の前後t(秒)の間に鉄道車両の輪軸13aが通過する区間を継目区間とする。tは、予め定められる時刻であり、例えば0.2(秒)未満の値がtの値として定められる。
補正部1703は、継目判定部1702により、鉄道車両の輪軸13aが継目区間を通過したと判定されると起動する。本実施形態では、補正部1703は、鉄道車両の輪軸13aが当該継目区間を通過した時間に対応する時刻における前後方向力T1〜T4の高周波成分の値を補正する。
尚、補正部1703による補正の方法は、線形補間に限定されない。例えば、補正部1703は、スプライン補間を行ってもよい。
以上のように本実施形態では、検出装置1800は、鉄道車両の輪軸13aが継目区間を通過した時間に対応する時刻における前後方向力T1〜T4の高周波成分の値を補正する。従って、最終的な通り狂い量yRの推定値の精度を更に向上させることができる。
本実施形態では、継目区間を曲線軌道に対してのみ設定する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、曲線軌道に加えて直線軌道に対しても継目区間を設定してもよい。
その他、本実施形態においても、第1の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
次に、第3の実施形態を説明する。
第1の実施形態では、鉄道車両に搭載した検査装置800が最終的な通り狂い量yRを算出する場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、検査装置800の一部の機能が実装されたデータ処理装置が、指令所に配置される。このデータ処理装置は、鉄道車両から送信される計測データを受信し、受信した計測データを用いて最終的な通り狂い量yRを算出する。このように、本実施形態では、第1の実施形態の検査装置800が有する機能を、鉄道車両と指令所とで分担して実行する。本実施形態と第1の実施形態とは、このことによる構成および処理が主として異なる。従って、本実施形態の説明において、第1の実施形態と同一の部分については、図1〜図16に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
データ収集装置2010a、2010bは、同じもので実現することができる。データ収集装置2010a、2010bは、データ取得部2011a、2011bと、データ送信部2012a、2012bとを有する。
データ取得部2011a、2011bは、データ取得部803と同じ機能を有する。即ち、データ取得部2011a、2011bは、データ取得部803で取得する計測データと同じ計測データを取得する。具体的にデータ取得部2011a、2011bは、計測データとして、車体11の左右方向における加速度の測定値、台車12a、12bの左右方向における加速度の測定値、輪軸13a〜13dの左右方向における加速度の測定値、および前後方向力の測定値を取得する。これらの測定値を得るための歪ゲージおよび演算装置は、第1の実施形態で説明したものと同じである。
データ送信部2012a、2012bは、データ取得部2011a、2011bで取得された計測データを、データ処理装置2020に送信する。本実施形態では、データ送信部2012a、2012bは、データ取得部2011a、2011bで取得された計測データを、無線通信により、データ処理装置2020に送信する。このとき、データ送信部2012a、2012bは、データ収集装置2010a、2010bが搭載されている鉄道車両の識別番号を、データ取得部2011a、2011bで取得された計測データに付加する。このようにデータ送信部2012a、2012bは、鉄道車両の識別番号が付加された計測データを送信する。
[データ受信部2021]
データ受信部2021は、データ送信部2012a、2012bにより送信された計測データを受信する。この計測データには、当該計測データの送信元である鉄道車両の識別番号が付加されている。
データ記憶部2022は、データ受信部2021で受信された計測データを記憶する。データ記憶部2022は、鉄道車両の識別番号ごとに計測データを記憶する。データ記憶部2022は、鉄道車両の現在の運行状況と、計測データの受信時刻とに基づいて、当該計測データの受信時刻における鉄道車両の位置を特定し、特定した位置の情報と当該計測データとを相互に関連付けて記憶する。尚、データ収集装置2010a、2010bが、鉄道車両の現在の位置の情報を収集し、取集した情報を計測データに含めてもよい。
データ読み出し部2023は、データ記憶部2022により記憶された計測データを読み出す。データ読み出し部2023は、データ記憶部2022により記憶された計測データのうち、オペレータにより指定された計測データを読み出すことができる。また、データ読み出し部2023は、予め定められたタイミングで、予め定められた条件に合致する計測データを読み出すこともできる。本実施形態では、データ読み出し部2023により読み出される計測データは、例えば、鉄道車両の識別番号および位置の少なくとも何れか1つに基づいて決定される。
以上のように本実施形態では、鉄道車両に搭載されたデータ収集装置2010a、2010bは、計測データを収集してデータ処理装置2020に送信する。指令所に配置されたデータ処理装置2020は、データ収集装置2010a、2010bから受信した計測データを記憶し、記憶した計測データを用いて、最終的な通り狂い量yRを算出する。従って、第1の実施形態で説明した効果に加え、例えば、以下の効果を奏する。即ち、データ処理装置2020は、計測データを任意のタイミングで読み出すことにより、任意のタイミングで最終的な通り狂い量yRを算出することができる。また、データ処理装置2020は、同じ位置における最終的な通り狂い量yRの時系列的な変化を出力することができる。また、データ処理装置2020は、複数の路線における最終的な通り狂い量yRを路線ごとに出力することができる。
本実施形態では、データ収集装置2010a、2010bからデータ処理装置2020に計測データを直接送信する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、クラウドコンピューティングを利用して検査システムを構築してもよい。
また、指令所に配置されたデータ処理装置2020は、第2の実施形態で説明したようにして最終的な通り狂い量yRを算出してもよい。このようにする場合、データ処理装置2020は、継目判定部1702および補正部1703を更に有する。
その他、本実施形態においても、第1の実施形態および第2の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。
軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、軸箱支持装置は、リンクを備えており、軸箱と台車枠とがリンクにより連結されている。このリンクの両端にはゴムブッシュが取り付けられる。この場合、前後方向力は、1つの輪軸の左右方向の端にそれぞれ1つずつ取り付けられる2つのリンクのそれぞれが受ける荷重の前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分になる。また、リンクの配置および構成により、リンクは、前後方向、左右方向、上下方向の荷重のうち主に前後方向の荷重を受ける。従って、例えば、各リンクに歪ゲージを1つ取り付ければよい。この歪みゲージの測定値を用いて、当該リンクが受ける荷重の前後方向の成分を導出することにより、前後方向力の測定値を得る。また、このようにすることに替えて、リンクに取り付けられたゴムブッシュの前後方向の変位を変位計で測定してもよい。この場合、測定した変位と当該ゴムブッシュのバネ定数との積を、前後方向力の測定値とする。軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、前述した、軸箱を支持するための部材は、リンクまたはゴムブッシュになる。
尚、補正部1703による補正の方法は、線形補間に限定されない。例えば、補正部1703は、スプライン補間を行ってもよい。
以上のように本実施形態では、検出装置1700は、鉄道車両の輪軸13aが継目区間を通過した時間に対応する時刻における前後方向力T1〜T4の高周波成分の値を補正する。従って、最終的な通り狂い量yRの推定値の精度を更に向上させることができる。
Claims (20)
- 車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値の時系列データである計測データを取得するデータ取得手段と、
前記鉄道車両の状態に応じて値が変動する物理量の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減する周波数調整手段と、
前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出手段と、を有し、
前記計測データは、前後方向力の測定値を含み、
前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前後方向の力であり、
前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、
前記前後方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向であり、
前記周波数調整手段は、前記物理量である前記前後方向力の測定値の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減する第1の周波数調整手段を有し、
前記軌道状態導出手段は、前記輪軸の位置での前記軌道の状態を反映する情報と前記前後方向力との関係を示す関係式と、前記第1の周波数調整手段により低周波成分の信号強度が低減された前記前後方向力の値と、を用いて、前記軌道の状態を反映する情報を導出し、
前記関係式は、レールの曲率半径を含まない式であることを特徴とする検査システム。 - 前記計測データと、状態方程式と、観測方程式と、を用いて、データ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、前記状態方程式で推定値を決定すべき変数である状態変数の推定値を決定するフィルタ演算手段を更に有し、
前記計測データは、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値を更に含み、
前記左右方向は、前記前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であり、
前記前後方向力は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、当該輪軸が設けられる前記台車のヨーイング方向の角変位との差に応じて定まる力であり、
前記ヨーイング方向は、前記上下方向を回動軸とする回動方向であり、
前記状態方程式は、前記状態変数と、前記前後方向力と、変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記状態変数は、前記台車の左右方向の変位および速度と、前記台車のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記台車のローリング方向の角変位および角速度と、前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記鉄道車両に取り付けられている空気バネのローリング方向の角変位と、を含み、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度を含まず、
前記ローリング方向は、前記前後方向を回動軸とする回動方向であり、
前記変換変数は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と前記台車のヨーイング方向の角変位とを相互に変換する変数であり、
前記観測方程式は、観測変数と、前記変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記観測変数は、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度を含み、
前記フィルタ演算手段は、前記観測変数の測定値と、前記第1の周波数調整手段により低周波成分の信号強度が低減された前記前後方向力の値および前記変換変数の実績値を代入した前記状態方程式と、前記変換変数の実績値を代入した前記観測方程式と、を用いて、前記観測変数の測定値と推定値との誤差または当該誤差の期待値が最小になるときの前記状態変数の推定値を決定し、
前記軌道状態導出手段は、前記フィルタ演算手段により決定された前記状態変数の一つである前記台車のヨーイング方向の角変位の推定値と、前記変換変数の実績値と、を用いて、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を導出し、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値と、前記第1の周波数調整手段により低周波成分の信号強度が低減された前記前後方向力の値と、前記関係式と、を用いて前記軌道の状態を反映する情報を導出し、
前記関係式は、前記輪軸のヨーイング方向の運動を記述する運動方程式を、前記前後方向力を用いて表現した式であり、
前記変換変数の実績値は、前記第1の周波数調整手段により低周波成分の信号強度が低減された前記前後方向力の値を用いて導出されることを特徴とする請求項1に記載の検査システム。 - 前記状態方程式は、前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車のローリング方向の運動を記述した運動方程式と、前記空気バネのローリング方向の運動を記述した運動方程式と、を用いて構成され、
前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位に代えて、前記変換変数を用いて記述された運動方程式であり、
前記台車のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度に代えて、前記前後方向力を用いて記述された運動方程式であり、
前記変換変数は、前記台車のヨーイング方向の角変位と前記輪軸のヨーイング方向の角変位との差で表されることを特徴とする請求項2に記載の検査システム。 - 前記データ取得手段は、前記車体の左右方向の加速度の測定値を更に取得し、
前記観測変数は、前記車体の左右方向の加速度を更に含み、
前記状態変数は、前記車体の左右方向の変位および速度と、前記車体のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記車体のローリング方向の角変位および角速度と、前記鉄道車両に取り付けられるヨーダンパのヨーイング方向の角変位と、を更に有し、
前記フィルタ演算手段は、前記車体、前記台車、および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と推定値との差が最小になるときの前記状態変数の推定値を決定することを特徴とする請求項2または3に記載の検査システム。 - 前記状態方程式は、前記車体の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記車体のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式と、前記車体のローリング方向の運動を記述した運動方程式と、前記ヨーダンパのヨーイング方向の運動を記述した運動方程式と、を更に用いて構成されることを特徴とする請求項4に記載の検査システム。
- 前記観測方程式は、前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車の左右方向の運動を記述した運動方程式と、を更に用いて構成され、
前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位に代えて、前記変換変数を用いて記述された運動方程式であることを特徴とする請求項2〜5の何れか1項に記載の検査システム。 - 前記観測方程式は、前記車体の左右方向の運動を記述した運動方程式を更に用いて構成されることを特徴とする請求項6に記載の検査システム。
- 前記周波数調整手段は、前記物理量である前記状態変数の推定値の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減する第2の周波数調整手段を更に有することを特徴とする請求項2〜7の何れか1項に記載の検査システム。
- 前記フィルタは、カルマンフィルタであることを特徴とする請求項2〜8の何れか1項に記載の検査システム。
- 前記周波数調整手段は、前記物理量の時系列データを用いて、修正自己回帰モデルにおける係数を決定し、当該係数を決定した修正自己回帰モデルと、前記物理量の時系列データとを用いて、前記物理量の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減し、
前記修正自己回帰モデルは、前記物理量の値と、前記値に対する前記係数と、を用いて、前記物理量の予測値を表す式であり、
前記周波数調整手段は、第1の行列を係数行列とし、自己相関ベクトルを定数ベクトルとする方程式を用いて、前記係数を決定し、
前記自己相関ベクトルは、時差が1から前記修正自己回帰モデルで用いられる前記測定値の数であるmまでの前記物理量の時系列データの自己相関を成分とするベクトルであり、
前記第1の行列は、1以上且つm未満の設定された数であるsに対して、自己相関行列のs個の固有値と対角行列Σとから導出される第2の行列Σsと、前記s個の固有値と直交行列Uとから導出される第3の行列Usと、から導出される行列UsΣsUs Tであり、
前記自己相関行列は、時差が0からm−1までの前記物理量の時系列データの自己相関を成分とする行列であり、
前記対角行列は、前記自己相関行列を特異値分解することで導出される前記自己相関行列の固有値を対角成分とする行列であり、
前記直交行列は、前記自己相関行列の固有ベクトルを列成分ベクトルとする行列であり、
前記第2の行列は、前記対角行列の部分行列であって、前記s個の固有値を対角成分とする行列であり、
前記第3の行列は、前記直交行列の部分行列であって、前記s個の固有値に対応する固有ベクトルを列成分ベクトルとする行列であることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の検査システム。 - 前記s個の固有値は、前記自己相関行列の固有値のうち、値が最大の固有値を含むことを特徴とする請求項10に記載の検査システム。
- 前記軌道の曲線部にあるレールの継目を含む区間における前記前後方向力の値を補正する補正手段を更に有し、
前記補正手段により補正される前記前後方向力の値は、前記計測データに含まれる前記前後方向力の測定値、または、前記第1の周波数調整手段により低周波成分の信号強度が低減された前記前後方向力の値であることを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載の検査システム。 - 前記軌道の状態を反映する情報は、前記軌道の通り狂い量、または、前記輪軸に設けられた車輪と前記軌道との間における左右方向の応力である横圧であり、
前記左右方向は、前記前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であることを特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の検査システム。 - 前記前後方向力は、1つの前記輪軸の左右方向の両側に取り付けられた2つの前記部材のそれぞれに生じる力の前記前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分であり、
前記左右方向は、前記前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であることを特徴とする請求項1〜13の何れか1項に記載の検査システム。 - 前記部材は、前記軸箱を支持するリンク、または、前記軸箱を支持するリンクに取り付けられたゴムブッシュであることを特徴とする請求項14に記載の検査システム。
- 前記部材は、前記軸箱を支持する軸はり、または、前記軸箱を支持する軸はりに取り付けられたゴムブッシュであることを特徴とする請求項14に記載の検査システム。
- 前記部材は、前記軸箱を支持する板バネ、または、前記軸箱を支持する板バネに取り付けられたゴムブッシュであることを特徴とする請求項14に記載の検査システム。
- 前記データ取得手段により取得された前記計測データを送信する送信手段と、
前記送信手段により送信された前記計測データを受信する受信手段と、を更に有することを特徴とする請求項1〜17の何れか1項に記載の検査システム。 - 車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値の時系列データである計測データを取得するデータ取得工程と、
前記鉄道車両の状態に応じて値が変動する物理量の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減する周波数調整工程と、
前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出工程と、を有し、
前記計測データは、前後方向力の測定値を含み、
前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前後方向の力であり、
前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、
前記前後方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向であり、
前記周波数調整工程は、前記物理量である前記前後方向力の測定値の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減する第1の周波数調整工程を有し、
前記軌道状態導出工程は、前記輪軸の位置での前記軌道の状態を反映する情報と前記前後方向力との関係を示す関係式と、前記第1の周波数調整工程により低周波成分の信号強度が低減された前記前後方向力の値と、を用いて、前記軌道の状態を反映する情報を導出し、
前記関係式は、レールの曲率半径を含まない式に基づく式であることを特徴とする検査方法。 - 車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値の時系列データである計測データを取得するデータ取得工程と、
前記鉄道車両の状態に応じて値が変動する物理量の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減する周波数調整工程と、
前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出工程と、をコンピュータに実行させ、
前記計測データは、前後方向力の測定値を含み、
前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前後方向の力であり、
前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、
前記前後方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向であり、
前記周波数調整工程は、前記物理量である前記前後方向力の測定値の時系列データから、前記鉄道車両が前記軌道の曲線部を走行することに起因して生じる低周波成分の信号強度を低減する第1の周波数調整工程を有し、
前記軌道状態導出工程は、前記輪軸の位置での前記軌道の状態を反映する情報と前記前後方向力との関係を示す関係式と、前記第1の周波数調整工程により低周波成分の信号強度が低減された前記前後方向力の値と、を用いて、前記軌道の状態を反映する情報を導出し、
前記関係式は、レールの曲率半径を含まない式に基づく式であることを特徴とするプログラム。
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