JP2005231427A - 軌道モニタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道の状態を車両の振動から把握するシステムとして、簡便かつ安価なものであり、また、自動化が容易であり、しかも設置スペースが小さくてもすむ軌道モニタリング装置を提供することにある。
【解決手段】軌道を走行している車両の車体床部における上下（鉛直）の振動を時系列的に計測する振動計測手段と、この振動計測手段によって時系列的に計測された前記車両本体床部の上下の振動データを前記軌道の変位データに変換するデータ変換手段と、このデータ変換手段により得られた軌道の変位データを出力するデータ出力手段と、軌道を走行している前記車両の位置を時系列的に計測する位置計測手段と、位置計測手段で特定した車両の軌道の走行区間に対し前記軌道の変位データを同期させ、軌道変位量が予め設定されたしきい値を超えると、その時刻に車両が走行した軌道に異常個所があると判断する検出する異常検出手段とを具備した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軌道の状態、例えば軌道不整としてレールの高低、通り、水準、軌間、平面性等の状態を、車両を走行させて振動から診断する軌道モニタリング装置に関する。

鉄道車両が走行する２本の軌道（レール）は、車両からの繰り返し荷重を受けている間に、次第に上下、左右方向へ変形して状態の変化、軌道狂いが生じる。軌道狂いとしては、例えば水準狂い、高低狂い、通り狂いなどがある。水準狂いとは左右レールの高低差をいい、高低狂いとはレール鉛直方向における３点の相対変位をいい、また通り狂いとはレール水平方向における３点の相対変位をいう。

こうした軌道狂いは、その上を走行する車両に上下方向及び左右方向の揺れを生じさせ、車両の乗り心地を悪くするばかりでなく、車両を安全走行させる上での障害にもなる。

従来、軌道の保守点検を行なうのに、保線係員による目視に依存する他に、下記特許文献１にもその一例が示されるように、軌道狂いの確認を行なう軌道検測車を定期的に走行させ、軌道検測車では、走行しながら自動的にレールの高低等を測定し、この測定データを処理することによって軌道不整を検出する方法が行われている。

特開２００３−５４４０５号公報（軌道検測車の計測機器取付構造）

この特許文献１の図８の軌道検測車１００は、車両を構成する台枠１０１の上下に複数の計測機器１１１〜１１５が一組となり、車輪１０２，１０２が位置する車軸の位置に合わせ、一車両の前後４箇所に配置されている。

一組の計測機器１１１〜１１５のうち、台枠１０１上の両サイドに配置された計測機器１１１，１１２は、軌道検測車の車体自身の曲げ、ねじれ変形を測定し、車体の変形による測定値の誤差を補正するための光学式変位センサ（レーザ基準装置）である。台枠１０１上の中央に配置された計測機器１１３は、ローリングによる車体の傾斜角を検出するジャイロである。

そして、台枠１０１の下に吊設された両サイドの計測機器１１４，１１５は、軌道検測車１００の走行車輪両端の軸箱と車体の相対変位を測定することにより、レールの高さ方向の変位を測るための変位計（高低変換器）である。軌道検測車１００は、４組から構成されるこうした各計測機器１１１〜１１５によって軌道狂いのための測定系が構成されている。

軌道狂いの検測は、各計測機器１１１〜１１５によって検出された測定データが演算処理され、所定の検測データとして得られる。例えば、水準狂いの場合には、図９に示すように、計測機器１１１，１１２の測定値から車体と車軸の成す角Φが求められ、その角度Φと計測機器１１３によって測定した車体のロール角θとを利用して水準の狂い量が算出される。

また、高低狂いの場合には、図１０に示すように、前後に並ぶ３箇所のレーザ基準装置１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｄによって求められる車体の曲げと、高低変換器１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂの出力から３点の相対変位Ｚが求められ、高低の狂い量が算出される。

これに対して下記特許文献２には、検測車の軸箱上下振動 加速度を測定し、測定した加速度データを解析を適用してレール継目位置を判別し、レール波状摩耗の発生箇所を検出するとともに、共振点以下の低速域での加速度測定データを用いて、軌道構造の違いによらず、レール波状摩耗波高を推定するようにしたものがある。

特開２０００−１３６９８８号（レール波状摩耗検出手法）

これは、高速軌道検測車 （軌道上を走行しながら測定する車両）等を走行させて、軸箱に設置した上下振動加速度計により加速度を測定収録し、収録した加速度データを解析してレール波状摩耗、継目を検出しようとするもので、特に時間ー周波数解析が可能なウエーブレット解析を適用し、レール波状摩耗の発生位置、及び波状摩耗の波高を把握しようとするものである。

しかしながら、保線係員による目視に依存する日常点検では、個人差も多く、定量的な把握はできないとともに、非効率的で多大な労力を要しているのが実情である。また、データベースとして診断結果を蓄積するようなこともできなかった。

また、軌道検測車を使用する場合に、特許文献１のような種々の計器を搭載した大掛かりな方法では、高価なものとなってしまう。

一方、地方の小規模な民鉄や国鉄から経営を切り離された第３セクター鉄道などでは自家用車への流出、過疎化、観光不振、少子化による通学生の減少、不況による沿線企業・工場の閉鎖などで年々利用者が減少する中で、鉄道施設に対して適切な管理が行なえない状況にある。

このような厳しい経営状況下での安全性の確保、施設老朽化に伴うメンテナンス規模の拡大への対応として、安価で、効率的なメンテナンス手法が求められている。

なお、特許文献２では、加速度を測定して解析することにより、特にウエーブレット解析を適用することにより、レール継目位置を判別し、レール波状摩耗の発生箇所を検出することができ、また、共振点以下の低速域での加速度を測定することにより、軌道構造の違いによらず、レール波状摩耗波高を高精度に推定することが可能となるとされるが、位置の特定に難がある。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、軌道の状態を車両の振動から把握するシステムとして、簡便かつ安価なものであり、また、自動化が容易であり、しかも設置スペースが小さくてもすむ軌道モニタリング装置を提供することにある。

請求項１記載の本発明は前記目的を達成するため、軌道を走行している車両の車体床部における上下（鉛直）の振動を時系列的に計測する振動計測手段と、この振動計測手段によって時系列的に計測された前記車両本体床部の上下の振動データを前記軌道の変位データに変換するデータ変換手段と、このデータ変換手段により得られた軌道の変位データを出力するデータ出力手段と、軌道を走行している前記車両の位置を時系列的に計測する位置計測手段と、位置計測手段で特定した車両の軌道の走行区間に対し前記軌道の変位データを同期させ、軌道変位量が予め設定されたしきい値を超えると、その時刻に車両が走行した軌道に異常個所があると判断する検出する異常検出手段と、を具備したことを要旨とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、軌道の状態を日常的にかつ定量的に低コストで診断できる上、車両として特別仕様車を必要とせず設備費、維持費などのコストもかからない。

請求項２記載の本発明は、前記異常部検出手段により検出された軌道の状態の異常部の位置を前記位置計測手段により時系列的に計測された前記車両の位置データにより測定時刻を元に特定する異常部位置特定手段とをさらに具備し、前記異常部出力手段は、軌道の状態の異常部を前記異常部位置特定手段により特定された位置情報とともに出力することを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、軌道路面の状態に異常がある道路の位置までも容易に特定できる効果を奏する。

請求項３記載の本発明によれば、振動計測手段により時系列的に計測された前記車体における上下の振動データから車両自身の固有振動数を除去する振動除去手段を設け、データ変換手段は、前記振動除去手段により車両自身の固有振動数が除去された上下の振動データを軌道の変位データに変換することを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、軌道の状態をより正確に診断できる効果を奏する。

請求項４記載の本発明は、データ変換手段は、振動計測手段によって時系列的に計測された車体床部における上下の振動データと前記車両の諸元データとから数値解析により前記車両の車輪と軌道とが接する部分の変位を算出して軌道変位データに変換することを要旨とするものである。

請求項４記載の本発明によれば、車両本体床部における鉛直方向振動データから数値解析によって軌道変位データを得ることができ、コンピュータを有効に活用できる効果を奏する。また、車両の諸元データを車両走行前に設定しておくことで、車両を走行させながらのリアルタイムな診断も行なえるようになる。

本発明の軌道モニタリング装置は、軌道の状態を定量的に低コストで診断できる上、車両として特別仕様車を必要とせず設備費、維持費などのコストもかからないものである。

以下図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の軌道モニタリング装置の１実施形態を示す説明図で、使用設備の概要を示したもの、図２は要部構成を示すブロック図である。

本発明の軌道モニタリング装置は、振動計測の装置と位置情報の取得の装置の２つを組み合わせ、同期させるところに特徴がある。

振動計測を行なう装置としては、軌道を走行している計測車両の車体床部またはそれに準じる場所における上下の振動を時系列的に計測する振動計測手段としての振動計測器１である。

位置情報の取得の装置は、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）衛星からの電波を受信しその電波が到達するのに要した時間から、軌道を走行している前記計測車両の位置を時系列的に計測する位置計測手段としてのＧＰＳ受信機２である。

図中３は、振動計測器１からの振動計測データ及びＧＰＳ受信機２からの位置計測データをそれぞれ収集し解析して、計測車両が走行した軌道の状態を診断し、軌道の状態異常部とその位置を出力するコントローラである。

本発明は振動計測器１とＧＰＳ受信機２とこのコントローラ３とによって構成され、振動計測器１とコントローラ３及びＧＰＳ受信機２とコントローラ３とは、それぞれ専用の通信ケーブル４，５によって着脱自在に接続される。

振動計測器１は、計測車両本体の床部の上下方向に対する振動加速度を計測する３方向の圧電式加速度ピックアップである加速度計１１と、この加速度計１１からのアナログ信号を増幅するチャージアンプ１２と、このチャージアンプ１２によって増幅されたアナログ信号をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器としてのスイッチングボックス１３とによって構成されている。そして、スイッチングボックス１３によってデジタル化された振動加速度データが、通信ケーブル４を通ってコントローラ３に供給される。

チャージアンプ１２は、加速度計１１から発生する電荷を増幅、電圧に変換するもので、積分器やローパスフィルタ、ハイパスフィルタ等の機能を備える。

スイッチングボックス１３は、ＰＣカードのピンのターミナルとして、このＰＣカードがセット可能なもので、アナログ信号はＰＣカードを経てデジタル信号へと変換され、コントローラ３に入力される。

ＧＰＳ受信機２は、３つ以上のＧＰＳ衛星から発信されている電波を受信し、これらの電波が到達するのに要した時間から各衛星までの距離を算出して、この距離データを元に車両位置（緯度、経度）、移動方向・移動速度を計測するもので、これらの計測データは計測日時データとともに通信ケーブル５を通ってコントローラ３に供給される。

コントローラ３は、ＨＤＤ装置各種の通信インタフェース等を備えた携帯可能なパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと略称する）を適用することができ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置）等を主体に構成された制御部３１と、操作部としてのキーボード３２と、表示部としてのディスプレイ３３と、日時を計時する時計部３４と、プリンタを接続可能なプリンタインターフェース３５と、入力ポート３６と、ＧＰＳドライバ３７と、記憶部３８とから構成さる。

そして、入力ポート３６に前記通信ケーブル４が接続され、この入力ポート３６を介して前記振動計測器１から制御部３１に振動加速度データが与えられる。また、ＧＰＳドライバ３７に前記通信ケーブル５が接続されて、ＧＰＳ受信機２からＧＰＳドライバ３７に計測データ及び計測日時データが与えられる。

記憶部３８は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）装置によって構成されており、フィルタファイル３８Ａ、振動データファイル３８Ｂ、地図データファイル３８Ｃ及び位置データファイル３８Ｄ等の各種データファイルが記憶保持される。

フィルタファイル３８Ａは、計測車両の周波数応答関数の逆フィルタである。フィルタは、計測車量の車両重量、台車重量、軸ばね常数、空気ばね定数、軸ばね減衰定数、空気ばね減衰定数等の車両諸元値から算出され、キーボード３２の操作によって手入力することで、当該計測車両のフィルタファイル３８Ａを記憶部３８に設定することができる。

振動データファイル３８Ｂは、振動計測器１によって計測された振動加速度データを記憶するもので、振動データの収録には、通常のプロミラミング言語とは違い、機能を持ったオブジェクトをウィンドウ上に配置し、それらをマウスで結束することで簡単かつ直感的に実行プログラムを作成できるソフトLabview（National Instruments社）を用いる。このソフトLabviewを用いて加速度計１１からＰＣカードを経由して入力される電気信号をリアルタイムにグラフ表示しながら、データをテキストファイルとして収録するプログラムが作成できる。実際には、Labviewには完成度の高いプログラム例が数多く収録されているので、それを用途に合わせて修正することで、簡単にデータ収録プログラムが作成できる。

地図データファイル３８Ｃは、状態を診断する軌道が掲載された電子地図データを記憶するもので、ＧＰＳ対応の市販のものを使用できる。

位置データの取得には、市販の電子地図ソフト（例えばアルプス社の電子地図ソフト「プロアトラス Lite」）を使用し、ＧＰＳ受信機２からの信号をリアルタイムに表示できるようにする。また、位置データファイル３８Ｄは、ＧＰＳ受信機２から受信した車両位置データ（緯度、経度、速度、標高、時間、進行方向、捕捉衛星数）の各計測データを計測日時データとともに位置データとしてテキスト形式しで時系列的に記憶(記録)するものである。

かかる構成の本発明の軌道モニタリング装置は、軌道の状態を診断する軌道を走行中の車両の本体床部における上下方向に対する振動と当該車両の位置とをそれぞれ時系列的に計測する測定モードと、これらの計測結果を解析して軌道の状態を診断する解析モードとを有している。そして、測定モードを実行する際には、振動計測器１、ＧＰＳ受信機２及びパソコンからなるコントローラ３をすべて計測車両に搭載する。

図３は本実施の形態で使用する計測車両６の模式図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。本実施の形態では、営業車両を計測車両６として使用している。そして、この計測車両６の後部台車位置フロアなどに前記振動計測器１を取り付け、車両後方の窓面などに前記ＧＰＳ受信機２を設置する。また、後部シートの上などに前記コントローラ３を置き、振動計測器１とコントローラ３及びＧＰＳ受信機２とコントローラ３を、それぞれ通信ケーブル４，５で接続する。

この状態で、調査担当者は、軌道状態診断対象の軌道を計測車両６で実際に走行するとともに、コントローラ３のキーボード３２を操作してコントローラ３に測定モードの実行コマンドを入力する。そうすると、制御部３１は、図５の流れ図に示す手順で各部を制御する。

先ず、制御部３１は、測定開始コマンドが入力されるのを待機する（Ｓ１）。そして、キーボード３２の操作により測定開始コマンドが入力されたならば、制御部３１は、時計部３４にて計時されている日時データを読込み、この日時データを測定開始時刻として振動データファイル３８Ｂの１行目に記録する（Ｓ２）。また制御部３１は、ＧＰＳドライバ３７を起動する（Ｓ３）。

しかる後、制御部３１は、予め設定されている振動計測のサンプリングレート（例えば２０回／秒〉に従い、振動計測器１から入力ポート３６を介して供給されている振動加速度データを連続的にサンプリングし、テキスト（数値）データに変換して振動データファイル３８Ｂの２行目以降に順次記録する（Ｓ４，Ｓ５）。

制御部３１は、測定終了コマンドが入力されるまで、振動加速度データのサンプリングと記録とを繰り返す。そして、キーボード３２の操作により測定終了コマンドが入力されたならば（Ｓ６）、制御部３１は、ＧＰＳドライバ３７を停止する（Ｓ７）。また制御部３１は、振動データファイル３８Ｂを記憶部３８に保存する（ＳＴ８）。以上で、制御部３１は、計測モード実行時の制御を終了する。

なお、この計測モードにおいて、制御部３１は、振動計測器１からの出力信号をディスプレイ３３にリアルタイムにチャート表示させる。こうすることにより、調査担当者は、計測中に振動計測器１が正常に作動していることを確認できる。

一方、ＧＰＳドライバ３７は、制御部３１の制御により起動すると、予め設定されているサンプリングレート（例えば０．５回／秒）の間隔で、ＧＰＳ受信機２から車両位置（緯度、経度）、移動方向及び移動速度の各計測データと計測日時データとを入力し、その都度、日付、時刻、緯度、移動方向及び移動速度の各項目を１行としてテキスト形式で位置データファイル３８Ｄに順次記録する処理を繰り返す。そして、制御部３１の制御により停止すると、位置データファイル３８Ｄを記憶部３８に保存する。

このように、振動計測器１、ＧＰＳ受信機２及びコントローラ３を搭載した計量測車両６で軌道状態診断対象の軌道を実際に走行することによって、この軌道を走行中の計測車両６の車両本体床部における鉛直方向の振動加速度データが時系列的に計測されコントローラ３に振動データファイル３８Ｂとして記録保存されるとともに、当該計測車両６のＧＰＳ位置データが時系列的に計測され、同じくコントローラ３に位置データファイル３８Ｄとして記録保存される。

さて、軌道状態診断対象の軌道を走破して振動加速度データとＧＰＳ位置，デー夕との計測を終えると、調査担当者は、キーボード３２を操作してコントローラ３に解析モードの実行コマンドを入力する。そうすると、制御部３１は、図５の流れ図に示す手順で各部を制御するものとなっている。

先ず、制御部３１は、記憶部３８に当該計測車両６のフィルタファイル３８Ａが保存されているか否かを判断する（Ｓ１１）。フィルタファイル３８Ａが保存されていない場合には、計測結果を解析できないので、制御部３１は、解析モードの実行をエラーとして、この制御を終了する。

当該計測車両６のフィルタファイル３８Ａが保存されていた場合には、制御部３１は、前記測定モードの実行により記憶部３８に保存された振動データファイル３８Ｂの２行目以降から振動加速度データを一区間に対応する予め設定されているデータ数ずつ順次取得する（Ｓ１２）。そして制御部３１は、同振動データファイル３８Ｂに記録されている測定開始時刻と、位置データファイルの対応する時刻から位置を取得し、時刻−加速度データから距離−加速度データに変換する（Ｓ１３）。また制御部３１は、加速度データのパワースペクトル密度を算出し（Ｓ１４）、フィルタ演算を行い軌道変位データのパワースペクトルを算出し（Ｓ１５）、軌道変位量を求め（Ｓ１６）、軌道変位量ｒ（軌道高低狂い）を区間ｄに対応させて記憶する（Ｓ１８）。

車体の振動は３つの並進運動と３つの回転運動が含まれる複雑な波形となるが、前後・左右方向に対称とみなせる一般的な鉄道車両では上下・前後・ピッチング系と左右・ローリング・ヨーイング系は理論的な取り扱いの上では２つの系に分離される事が多い。

ここで、振動加速度データから軌道変位量ｒへの変換は、計測車両の周波数応答関数の逆フィルタを用いる。まず、振動加速度データにフーリエ変換を適用し、パワースペクトル密度を算出する。次に、周波数応答関数の逆フィルタをかけることで軌道変位のパワースペクトル密度を求める。さらに、パワースペクトル密度から逆フーリエ変換を適用し、軌道変位を算出する。

周波週応答関数の逆フィルタは、周波数応答関数の振幅倍率の逆数を求めることにより算出する。

周波数応答関数は、計測車両の振動モデルに対し、定速度、定振幅、定波長の正弦波を路面変位量として入力し、その応答を計算することで、速度および空間周波数に対する振幅倍率（応答加速度振幅／軌道変位振幅）を得ることで算出できる。

計測車両の振動モデルは、計測車両６を図６に示す車体６１（上下、前後、ピッチング）、台車枠６２（前後、上下、ピッチング）×２の合計９の自由度系からなるモデルとしてとらえ、各質点の釣り合い式を用いて数値解析により各部の変位を算出して行なう。輪軸は前後方向にペデスタルによってガイドされているため、その自由度は考えない。

図６において、２ｍ_ｂは車体の全質量（ｋｇｆ）、ｍ_ｔは台車の質量（ｋｇｆ）、Ｉ_θｂは車体の慣性モーメント（ｋｇｆ・ｃｍ^２）、Ｉ_θｔは台車の慣性モーメント（ｋｇｆ・ｃｍ^２）、ｚ_ｂは車体の鉛直変位量（ｃｍ）、ｘ_ｂは車体の前後方向の変位量（ｃｍ）、θ_ｂは車体の傾き角（ラジアン）、ｚ_ｔ１およびｚ_ｔ２はそれぞれ前後の台車の鉛直変位量（ｃｍ）、ｘ_ｔ１は前の台車の前後方向の変位量（ｃｍ）、ｘ_ｔ２は後の台車の前後方向の変位量（ｃｍ）、θ_ｔ１は前の台車の傾き角（ラジアン）、θ_ｔ２は後の台車の傾き角（ラジアン）、ｚ_ｓ１は前の台車の空気ばね位置での鉛直変位量（ｃｍ）、ｚ_ｓ２は後の台車の空気ばね位置での鉛直変位量（ｃｍ）、ｋ１は軸ばねのばね定数（ｋｇｆ／ｃｍ）、ｋ２、ｋ３およびｋ４は空気ばねのばね定数（ｋｇｆ／ｃｍ）、ｋｂはボスタルアンカゴムのばね定数、ｃ_１は軸ばねの減衰定数（ｋｇｆｓ／ｃｍ）、ｃ２は空気ばねの減衰定数（ｋｇｆｓ／ｃｍ）、ｈ_１は輪軸重心から台車重心までの高さ（ｃｍ）、ｈ_２は台車重心からボスタルアンカゴムまでの高さ（ｃｍ）、ｈ_３はボスタルアンカゴムから車体重心までの高さ（ｃｍ）、２ａは輪軸間隔（ｃｍ）、２ｌは台車中心間隔である、ｚ_Ｒ１は前の台車に取り付けられた前の車輪が軌道に接する部分の変位量（ｃｍ）、ｚ_Ｒ２は前の台車に取り付けられた後の車輪が軌道に接する部分の変位量（ｃｍ）、ｚ_Ｒ３は後の台車に取り付けられた前の車輪が軌道に接する部分の変位量（ｃｍ）、ｚ_Ｒ４は後の台車に取り付けられた後の車輪が軌道に接する部分の変位量（ｃｍ）である。

各質点系の釣り合い式を求めると、次の（１）〜（１１）式となる。

２ｍ_ｂＤ^２ｚ_ｂ＋２（ｋ_２＋ｋ_３）（２ｚ_ｂ−ｚ_ｔ１−ｚ_ｔ２）−２ｋ_２（ｚ_ｓ１＋ｚ_ｓ２）＝０…（１）
ｍ_ｔＤ^２ｚ_ｔ１＋２ｃ_１Ｄｚ_ｔ１＋２（ｋ_１＋ｋ_２＋ｋ_３）ｚ_ｔ１−２（ｋ_２＋ｋ_３）（ｚ_ｂ＋ｌθ_ｂ）＋２ｋ_２ｚ_ｓ２−（ｋ_１＋ｃ_１Ｄ）（ｚ_Ｒ１＋ｚ_Ｒ２）＝０…（２）
ｍ_ｔＤ^２ｚ_ｔ２＋２ｃ_１Ｄｚ_ｔ２＋２（ｋ_１＋ｋ_２＋ｋ_３）ｚ_ｔ１−２（ｋ_２＋ｋ_３）（ｚ_ｂ−ｌθ_ｂ）＋２ｋ_２ｚ_ｓ２−（ｋ_１＋ｃ_１Ｄ）（ｚ_Ｒ３＋ｚ_Ｒ４）＝０…（３）
２ｍ_ｂＤ^２ｘ_ｂ＋２ｋ_ｂ｛２ｘ_ｂ＋２ｈ_３θ_ｂ−ｘ_ｔ１−ｘ_ｔ２＋ｈ_２（θ_ｔ１＋θ_ｔ２）｝＝０…（４）
ｍ_ｔＤ^２ｘ_ｔ１−２ｋ_ｂ（ｘ_ｂ＋ｈ_３θ_ｂ−ｘ_ｔ１＋ｈ_２θ_ｔ１）＝０…（５）
ｍ_ｔＤ^２ｘ_ｔ２−２ｋ_ｂ（ｘ_ｂ＋ｈ_３θ_ｂ−ｘ_ｔ２＋ｈ_２θ_ｔ２）＝０…（６）
Ｉ_θｂＤ^２θ_ｂ＋２（ｋ_２＋ｋ_３）ｌ（２ｌθ_ｂ−ｚ_ｔ１−ｚ_ｔ３）−２ｋ_２ｌ（ｚ_ｓ１−ｚ_ｓ２）＋２ｋ_ｂｈ_３｛２ｘ_ｂ＋２ｈ_３θ_ｂ＋ｈ_２（θ_ｔ１＋θ_ｔ２）−ｘ_ｔ１−ｘ_ｔ２｝＝０…（７）
Ｉ_θｔＤ^２θ_ｔ１＋ａ（ｋ_１＋ｃ_１Ｄ）（２ａθ_ｔ１−ｚ_Ｒ１＋ｚ_Ｒ２）＋２ｋ_ｂｈ_２（ｘ_ｂ＋ｈ_３θ_ｂ＋ｈ_２θ_ｔ１−ｘ_ｔ１）＝０…（８）
Ｉ_θｔＤ^２θ_ｔ２＋ａ（ｋ_１＋ｃ_１Ｄ）（２ａθ_ｔ２−ｚ_Ｒ３＋ｚ_Ｒ４）＋２ｋ_ｂｈ_２（ｘ_ｂ＋ｈ_３θ_ｂ＋ｈ_２θ_ｔ２−ｘ_ｔ２）＝０…（９）
２ｃ_２Ｄｚ_ｓ１＋２（Ｎ＋１）ｋ_２ｚ_ｓ１−２ｋ_２（ｚ_ｂ−ｚ_ｔ１＋ｌθ_ｂ）＝０…（１０）
２ｃ_２Ｄｚ_ｓ２＋２（Ｎ＋１）ｋ_２ｚ_ｓ２−２ｋ_２（ｚ_ｂ−ｚ_ｔ２＋ｌθ_ｂ）＝０…（１１）
なお、Ｄ＝ｄ／ｄｔ

（１）〜（１１）式において、未知数はｚ_ｂ、ｚ_ｔ１、ｚ_ｔ２、ｚ_ｓ１、ｚ_ｓ２、ｘ_ｂ、ｘ_ｔ１、ｘ_ｔ２、θ_ｂ、θ_t1、θ_ｂt2の11である。そこで、（１）〜（11）式に変位量ｚ_Ｒ１、ｚ_Ｒ２、ｚ_Ｒ３、ｚ_Ｒ４に定速度、定波高、定波長の正弦波を入力し、計測車両６の諸元データとを代入することによって、上記未知数ｚ_ｂ、ｚ_ｔ１、ｚ_ｔ２、ｚ_ｓ１、ｚ_ｓ２、ｘ_ｂ、ｘ_ｔ１、ｘ_ｔ２、θ_ｂ、θ_t1、θ_ｂt2を求めることができる。それにより、応答値の最大値を求め、入力波高に対する比を振幅倍率として求める。この振幅倍率を入力する波長を変化させ、繰り返し（１）〜（11）式を解くことで、周波数応答関数を求めることができる。
その結果、振動加速度データに周波数応答関数の逆フィルタを適用することで、複数の定速度、定波高、定波長の波形の重ね合わせとして、軌道変位量ｒが得られる。

制御部３１は、振動データファイル３８Ｂに記録されている各振動加速度データについて、上記の処理を繰り返す。そして、振動データファイル３８Ｂに記録されている最後の振動加速度データについて上記の処理を実行し、次の振動加速度データが振動データファイル３８Ｂに記録されていないことを確認すると（Ｓ１８）、制御部３１は、区間ｄに対応した軌道変位量ｒのデータを解析して軌道状態の異常部を検出する。

具体的には、軌道変位量ｒが予め設定されたしきい値（図７参照）を超えると、その区間に計測車両６が走行した軌道に異常個所があると制御部３１は判断する［異常部検出手段］。
しきい値は、計測された軌道変位量の過去のデータを統計的に処理したものを用いるか、または管理限界として定められた値を用いる。軌道変位量の過去のデータを用いる場合、しきい値は、車両の運行に支障を及ぼさない範囲で計測された軌道変位量に統計処理を行い、定常成分の代表値として平均値、変動成分の代表値として標準偏差を求め、それらに係数を乗じて算出される．

さて、区間ｄに対応した軌道変位量ｒのデータを解析した結果、軌道状態の異常部有りと判断すると（Ｓ２０）、制御部３１は、軌道状態異常部の位置を特定する［異常部位置特定手段］。

ここで、前述したように振動記録データのサンプリングレートは１００回／秒（１秒間に１００回、つまりは０．０１秒に１回）であり、位置記録データのサンプリングレートは１回／秒（１秒間に１回）なので、軌道変位量ｒに対応した測定時刻ｔと同時刻の位置記録データが保存されているとは限らない。そこで、振動記録データと位置記録データとを測定時刻を元に同定することによって、測定時刻ｔとほぼ同時刻の位置記録データを求める必要がある。具体的には、あるタイミングで位置記録データを測定してから次のタイミングで位置記録データを測定するまでの間に、振動記録データは１００回測定されるので、位置記録データに関して直前のデータとの差を１００等分しそれぞれの時刻における位置記録データとする。そして、測定時刻ｔに最も近い時刻の位置記録データを、測定時刻ｔとほぼ同時刻の位置記録データとする。

こうして、制御部３１は、地図データファイル３８Ｃに記憶されている電子地図データをディスプレイ３３に表示させる。そして、位置記録データが示す電子地図データ上の位置に軌道異常部を知らせるマークを表示させて［異常位置出力手段］、解析モードの処理を終了する。

したがって、調査担当者は、ディスプレイ３３の表示内容を一瞥するだけで軌道状態の異常個所を知ることができる。

ところで、本実施の形態では、振動計測器１を車両本体の床面上部に取り付けて、車体床部における鉛直方向の振動加速度を測定しているが、この値には計測車両自身の機関部に起因する振動も含まれている。

そこで、床部における鉛直方向の振動加速度データから、計測車両自身の振動データを除去するために、計測車両から起因する振動の固有振動数を求める。例えば、計測車両の機関部を起動したまま地面に停車した状態で振動を測定することにより、計測車両から起因する振動の固有振動数を求める。

そして、車両本体床部における鉛直方向の振動加速度データから、上記固有振動数付近の周波数帯をフィルタ処理により除去する［振動除去手段］。こうすることにより、生の振動計測波形から車両に起因する振動の振動一成分を排除し、外部からの加振のみによる振動計測波形を得られるので、この振動計測波形のデータを軌道変位データに変換して解析することによって、より正確に軌道の異常状態を診断することができる。

このように、本実施の形態によれば、車両本体の床面６３の上部に振動計測器１が取り付けられるとともに、携帯型パソコンからなるコントローラ３とＧＰＳ受信機２とが搭載され、コントローラ３と振動計測器１及びコントローラ３とＧＰＳ受信機２とがそれぞれ通信ケーブル４，５で接続された計測車両６を、軌道状態診断対象の軌道を走行させるだけで、軌道の状態を定量的に診断することができる。

この場合において、振動計測器１は車内床面６３の上部に粘着テープなどで貼り付けて固定すればよく、取り付けが容易である上、コントローラ３とＧＰＳ受信機２も車内に持ち込めばよいので、計測車両として特別な仕様車を用意する必要はなく、車両の諸元データさえわかっていれば、一般の営業車両を計測時にのみ計測車両として使用することができる。しかも、ＧＰＳ受信機は簡単に入手でき、コントローラとして適用可能なパソコンも広く普及しているので、設備費を低く抑えることができる上、検測用の特別仕様車の維持コストも不要となるので、従来と比較してコストを大幅に低減できる。

また、データ解析時にはコントローラが振動計測器１やＧＰＳ受信機に接続されている必要はないので、コントローラを計測車両から持ち出してオフィス等でデータを解析することも可能である。

また、本実施の形態では、振動計測器１、ＧＰＳ受信機２及びコントローラ３を搭載した計測車両６で軌道状態診断対象の軌道を実際に走行することによって、この軌道を走行中の計測車両６の車両本体床部における鉛直方向の振動加速度データが時系列的に計測され、コントローラ３に振動データファイル３８Ｂとして記録保存されるとともに、当該計測車両６のＧＰＳ位置データが時系列的に計測され、同じくコントローラ３に位置デー夕ファイル３８Ｄとして記録保存されるので、振動データファイル３８Ｂに保存された鉛直方向の振動加速度データと、位置データファイル３８Ｄに保存された当該計測車両６のＧＰＳ位置データとを、診断が終了しても例えばハードディスクに残すことによって、軌道診断の結果をデータベース化することができる。これにより、経年劣化に対する診断も容易に行なえる。

なお、電子地図データをディスプレイに表示させ、この電子地図上に軌道異常部を知らせるマークを表示させて、軌道異常部の位置を表示するようにすることの外、振動記録データから変換された軌道変位量ｒのグラフをディスプレイ３３に表示させ（データ出力手段）、このグラフを見て調査担当者が軌道の状態を診断するように構成してもよい。

このような構成を採用することにより、予め計測車両６の周波数応答関数の逆フィルタを設定したフィルターファイル３８Ａをコントローラの記憶部３８に登録しておくことによって、計測車両６を走行させながら軌道の状態を診断することが可能となる。

また、この場合には位置記録データがなくても軌道異常部を調査担当者が認識できるので、ＧＰＳ受信機２を搭載していない車両も計測車両６として使用できる利点がある。

また前記一実施の形態では、軌道を走行している車両の車両本体床部における鉛直方向の振動を振動加速度波形から求めたが、振動速度センサを用いることにより、振動速度波形から車両本体床部における鉛直方向の振動を求めても同様な効果を奏することができる。

また前記一実施の形態では、営業車を計測車両６として使用したが、計測車両６は特別仕様車であってもよい。また、前記一実施の形態では、振動計測器１を計測車体６１床面６３に取り付けたが、振動計測器１の取り付け位置はこの場所に限定されるものではなく、要は、計測車両６の床面鉛直方向の振動データを精度よく計測できる場所であれば何処でもよい。

この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の軌道モニタリング装置の１実施形態を示す説明図である。 本発明の軌道モニタリング装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の軌道モニタリング装置の計測車両と各構成要素の取り付け状態を示す正面図及び側面図である。 同実施の形態におけるコントローラの測定モード実行時の要部処理手順を示す流れ図である。 同実施の形態におけるコントローラの解析モード実行時の要部処理手順を示す流れ図である。 車両上下振動モデルを示す説明図である。 振動データの再現を示すグラフである。 従来例の軌道検測車を輪切りにした状態の図である。 水準狂いの検測を概念的に示した図である。 高低狂いの検測を概念的に示した図である。

符号の説明

１…振動計測器 ２…ＧＰＳ受信機
３…コントローラ ４，５…通信ケーブル
６…計測車両 １１…加速度計
１２…チャージアンプ １３…スイッチングボックス
３１…制御部 ３２…キーボード
３３…ディスプレイ ３４…時計部
３５…プリンタインターフェース ３６…入力ポート
３７…ＧＰＳドライバ ３８…記憶部
３８Ａ…フィルタファイル（諸元データファイル）
３８Ｂ…振動データファイル ３８Ｃ…地図データファイル
３８Ｄ…位置データファイル
６０…車体 ６１…車体
６２…台車枠 ６３…床面
１００…軌道検測車 １０１…台枠
１１１〜１１５…計測機器
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｄ…レーザ基準装置
１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂ…高低変換器

Claims (4)

1. 軌道を走行している車両の車体床部における上下（鉛直）の振動を時系列的に計測する振動計測手段と、
   この振動計測手段によって時系列的に計測された前記車両本体床部の上下の振動データを前記軌道の変位データに変換するデータ変換手段と、
   このデータ変換手段により得られた軌道の変位データを出力するデータ出力手段と、
   軌道を走行している前記車両の位置を時系列的に計測する位置計測手段と、
   位置計測手段で特定した車両の軌道の走行区間に対し前記軌道の変位データを同期させ、軌道変位量が予め設定されたしきい値を超えると、その時刻に車両が走行した軌道に異常個所があると判断する検出する異常検出手段と、
   を具備したことを特徴とする軌道モニタリング装置。
2. 前記異常部検出手段により検出された軌道の状態の異常部の位置を前記位置計測手段により時系列的に計測された前記車両の位置データにより測定時刻を元に特定する異常部位置特定手段とをさらに具備し、前記異常部出力手段は、軌道の状態の異常部を前記異常部位置特定手段により特定された位置情報とともに出力することを特徴とする請求項１記載の軌道モニタリング装置。
3. 振動計測手段により時系列的に計測された前記車体における上下の振動データから車両自身の固有振動数を除去する振動除去手段を設け、データ変換手段は、前記振動除去手段により車両自身の固有振動数が除去された上下の振動データを軌道の変位データに変換することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軌道モニタリング装置。
4. データ変換手段は、振動計測手段によって時系列的に計測された車体床部における上下の振動データと前記車両の諸元データとから数値解析により前記車両の車輪と軌道とが接する部分の変位を算出して軌道変位データに変換することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の軌道モニタリング装置。

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