JP2011252745A - 走行路面形状測定データの処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一波長の走行路面変位が繰り返し連続する区間を効率的に管理するための、走行路面形状測定データの処理方法を提供する。
【解決手段】地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）を求め、この測定波形ｆ（ｘ）に波長λの正弦波が繰り返し現れる場合、その繰り返しを検出するために、次式（Ａ）を用いてＦ（ｘ）を算出し（Ｍは想定する繰り返し数であるが、処理後、前記波形Ｆ（ｘ）の直流分を残すために、Ｍは偶数とする。α（Ｎ）は、ユーザーが定める係数である。）、この結果に基づいて繰り返しを考慮した、走行路形状の管理値を判定する。

【選択図】図６

Description

本発明は、同一波長の走行路面変位が繰り返し連続する区間を効率的に管理するための、走行路面形状測定データの処理方法に関するものである。

鉄道線路のような搬送機の走行路面に不陸（軌道変位）があると、搬送機に振動が生じて、場合によっては搬送機が走行路から逸脱する可能性が生じるなど、安全上の問題が生じる。したがって、走行路面の管理者は、この走行路面形状を定期的に測定し、必要により保全するようにしている。例えば、ＪＲグループの在来線では、表１の値で軌道の不陸を管理するようにしている。ここで、走行路面とは、鉄道線路・軌道、モノレールの軌道桁あるいは道路・滑走路のように、車輪を持つ搬送機を支持及び／又は案内する機能を持つ路面をいう。

なお、鉄道線路の軌道変位には、表１に示すように、（１）軌間変位：左右レール間隔の設計値からの差、（２）水準変位：左右レールの高さの差、（３）高低変位：レールの上下方向の変位、（４）通り変位：レールの左右方向の変位、（５）平面性変位：一定距離を隔てた２点の水準変位の差という５種類の変位がある。

ここで、（）内の数値は手検測等による静的値、（）のない数値は、軌道検測車による動的値、高低・通りは１０ｍ弦正矢の値である。
図９はシミュレーションによる通り変位の繰り返しと車両の応答との関係を示す図であり、図９（ａ）は入力通り変位、図９（ｂ）は車両の左右動を示す図である。
図９に示すように、同一波長の路面変位が繰り返し連続する区間を搬送機が走行すると、共振現象によりその動的応答が大きくなり、走行安全性や乗り心地を損なうことがある。これに対し、例えばＪＲグループでは、下記式（１）で定義される「複合変位」が、表２に示すように、貨物列車走行線区に限定して国鉄時代の昭和５７年から管理されている（下記非特許文献１参照）。

複合変位＝｜通り変位−１．５水準変位｜ …（１）

上記式（１）に示すとおり、複合変位は波形の絶対値で定義しているので、一般的な正弦１波の場合、表２の「２ケ所以上」を適用する。

滝野幸雄，「複合狂いの整備」，鉄道線路，ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．６，１９８２．６，ｐｐ．３０９−３１３ 真田弘，「マヤ車における要注複合狂い摘出処理」，鉄道技術研究資料，４０−９，ｐｐ．３４５−３４６ 元好茂，古川敦，神山雅子，「周期的な軌道狂いの検出方法」，日本鉄道施設協会誌，２００５．８．ｐｐ．５８０−５８３

しかしながら、上記した表２を実際の管理に適用する場合、ある区間における波数を数える必要が生じる。表２の場合、これらの値が定められた昭和５０年代の計算機処理能力の制約から、汎用性のある処理方法となっていない（上記非特許文献２参照）。その後、最近になって、波形の周波数特性の変化点を統計的に求める方法が考案されている（上記非特許文献３参照）が、複雑な信号処理技術が必要なため一般的には用いられていない。

本発明は、上記した状況に鑑みて、同一波長の走行路面変位が繰り返し連続する区間を効率的に管理するための、走行路面形状測定データの処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕同一波長の走行路面変位が繰り返し連続する区間を効率的に管理するための、走行路面形状測定データの処理方法において、地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）を求め、この測定波形ｆ（ｘ）に波長λの正弦波が繰り返し現れる場合、その繰り返しを検出するために、前記地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）に次式（Ａ）を用いてＦ（ｘ）を算出し（ここで、Ｍは想定する繰り返し数であるが、処理後、前記波形Ｆ（ｘ）の直流分を残すために、Ｍは偶数とする）、この結果に基づいて繰り返しを考慮した、走行路形状の管理値を判定することを特徴とする。

なお、α（Ｎ）は、ユーザーが定める係数である。
〔２〕上記〔１〕記載の走行路面形状測定データの処理方法において、前記式（Ａ）を離散化した次式（Ｃ）を電子回路により実現することを特徴とする。

なお、α_N は、ユーザーが定める係数である。
〔３〕上記〔１〕記載の走行路面形状測定データの処理方法において、前記式（Ａ）をプログラム化したソフトウェアを用いることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
従来用いられている走行路面形状測定データの処理方法においては、波形の繰り返しの検出法は、上記した表２に示すように特定の波長及び波数に対応したものであり、汎用的なものではない。これに対し、本発明によれば、任意の波長及び波数の繰り返しについて、これを強調して検出することが可能となり、さまざまな固有振動数の搬送機に対応した走行路面形状の管理を行うことが可能となる。

本発明にかかる、Ｍ＝２とした場合の正弦２波の測定データに対する処理前後の波形を示す図である。ただし、ここでは、α（Ｎ）はすべて１とする。 Ｍ＝４又はＭ＝６とした場合の正弦２波の測定データに対する処理前後の波形を示す図である。ただし、ここでは、α（Ｎ）はすべて１とする。 Ｍ＝４又はＭ＝６とした場合の正弦２．５波の測定データに対する処理前後の波形を示す図である。ただし、ここでは、α（Ｎ）はすべて１とする。 Ｍ＝４とした場合の正弦２．５波の測定データに対する、｛α（０），α（１），α（２），α（３），α（４）｝＝｛１，１，１，０．５，０．５｝の場合の処理前後の波形を示す図である。 実変位の波長と処理に用いる波長λとの比と、検出倍率との関係を示す図である。 本発明の第１実施例を示すシステムブロック図である。 図６において式（４）を実現するための回路図である。 本発明の第２実施例を示すシステムブロック図である。 シミュレーションによる通り変位の繰り返しと車両の応答との関係を示す図である。

本発明の同一波長の走行路面変位が繰り返し連続する区間を効率的に管理するための、走行路面形状測定データの処理方法は、地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）を求め、この測定波形ｆ（ｘ）に波長λの正弦波が繰り返し現れる場合、その繰り返しを検出するために、前記地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）に次式（Ａ）を用いてＦ（ｘ）を算出し（ここで、Ｍは想定する繰り返し数であるが、処理後、前記波形Ｆ（ｘ）の直流分を残すために、Ｍは偶数とする）、この結果に基づいて繰り返しを考慮した、走行路形状の管理値を判定する。

なお、α（Ｎ）は、ユーザーが定める係数である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、従来の方法、つまり、路面形状測定装置により、軌道変位データを収集し、時系列解析を行い、周波数特性変化点検出を行う。
そこで、地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）を求め、この測定波形ｆ（ｘ）に搬送機の波長λの正弦波が繰り返し現れる場合を想定する。その繰り返しを検出するために、地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）に次式（２）を用いて波形Ｆ（ｘ）を算出する。ここで、Ｍは想定する繰り返し数であるが、処理後、波形Ｆ（ｘ）の直流分を残すために、Ｍは偶数とする。

以下、本発明の走行路面形状測定データの処理方法について詳細に説明する。
図１は本発明にかかる式（２）による処理前後の波形を示す図である。
この図において、Ｍ＝２とし、波長λの正弦波が２波連続する波形に対し、上記式（２）の処理を行うと、図１のようになる。上記した式（２）の処理によって、繰り返しがある場合は、振幅が３倍（一般的にはＭ＋１倍又は「実際の繰り返し波数×２」の小さい方）にまで増加するのがわかる。

図２はＭ＝４又はＭ＝６とした場合の正弦２波の測定データに対する処理前後の波形を示す図、図３はＭ＝４又はＭ＝６とした場合の正弦２．５波の測定データに対する処理前後の波形を示す図である。
比較のため、正弦２波の処理前後の波形を図２に、正弦２．５波の処理前後の図形を図３に示す。それぞれ、（ａ）はＭ＝４、（ｂ）はＭ＝６の場合を示している。各図において、Ｍ＝４の場合とＭ＝６の場合で波形に違いはあるものの、最大値は等しい。これは、上述したように、処理後の最大振幅が、Ｍ＋１倍又は「繰り返し波数×２」の小さい方となるためである。

このように、Ｍを大きめに設定しておけば、処理後に得られるＦ（ｘ）の最大振幅は、元の波形ｆ（ｘ）に含まれる波長λの正弦波の繰り返し数にしたがって大きくなる。したがって、表２とは異なり、繰り返し数に関わらず、同一の基準値での管理が可能となる。
なお、一般には、走行路面変位の繰り返し数が多くなると、搬送機の応答は頭打ちとなるため、上記式（Ａ）または式（Ｃ）のＮ番目の項にあたる係数α（Ｎ）またはα_N を乗じてもよい。すなわち、上記式（２）を一般化すると、次式（３）となる。

なお、α（Ｎ），α_N は、ユーザーが定める係数である。つまり、式（Ｂ）、式（Ｄ）を満足する正の数であれば何でも構わないが、一般には１．０とする。ただし、この場合、波形の繰り返し数が大きくなった場合に、処理後の波形Ｆ（ｘ），ｆ_n の振幅が大きくなりすぎることがあるので、後述するように、Ｎが大きくなるにつれてα（Ｎ），α_N の値が小さくなるように定めておくことにより、より車両の挙動に近い処理結果が得られる。

図４は正弦２．５波の測定データに対する処理前後の波形を示す図である。
図４は、図３（ａ）と同じ正弦２．５波，Ｍ＝４で、｛α（０），α（１），α（２），α（３），α（４）｝＝｛１，１，１，０．５，０．５｝とした場合の処理波形を示している。図３（ａ）と比較すると、処理後波形Ｆ（ｘ）の最大振幅は処理前波形ｆ（ｘ）の４倍に抑えられており、図９に示したシミュレーション波形に近くなることがわかる。ただし、α（Ｎ）を全て１にするのは安全側の管理となるため、実務上は１でも良い。

図５は実変位の波長と処理に用いる波長λとの比と、検出倍率との関係を示す図であり、図５（ａ）は０．１倍〜２倍の範囲を示す図、図５（ｂ）は０．１倍〜１００倍の範囲を示す図である。
波長λは、搬送機の応答が最も大きくなる値、すなわち搬送機の固有振動数に相当する値を用いればよい。例えば、一般的な鉄道車両の場合、固有振動数は１Ｈｚ前後にあることから、この車両が１０８ｋｍ／ｈ（＝３０ｍ／ｓ）で走行する場合、波長λ＝３０とする。現実に存在する変位の波長が、λと完全に一致することはないが、図５に示すように、実変位の波長がλの０．８倍〜１．３倍であれば、処理後波形の最大振幅がもとの振幅の２．５倍以上で検出できるので（Ｍ＝２の場合）、実用上の問題はない。

次に、本発明の具体例について説明する。
図６は本発明の第１実施例を示すシステムブロック図、図７は図６において式（４）を実現するための回路図である。
図６において、まず、地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）において、搬送機の波長λの正弦波が繰り返し現れるかを走行路面形状測定装置１で測定し、搬送機の波長λの正弦波が繰り返し現れる場合には、本発明の方法を実行する電子回路２によって上記式（２）の処理を行い、整備基準値として判定して、判定結果を出力装置４により出力する。

図６の電子回路２は、具体的には式（２）を離散化した次式（４）となる。

なお、α_N は、ユーザーが定める係数である。
すなわち、半波長毎の距離遅れを持って振幅の和または差が繰り返される。これを回路図で表現すると、図７のようになる。
図８は本発明の第２実施例を示すシステムブロック図である。
この図において、まず、地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）において、搬送機の波長λの正弦波が繰り返し現れるかを走行路面形状測定装置１１で測定し、搬送機の波長λの正弦波が繰り返し現れる場合には、上記式（２）をプログラム化したソフトウェア１２を用いて上記式（２）の処理を行い、整備基準値判定処理装置１３で判定し、出力装置１４より出力する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明は、走行路面形状測定データの処理方法は、同一波長の走行路面変位が繰り返し連続する区間の走行路面形状の効率的な管理に利用可能である。

１，１１ 走行路面形状測定装置
２ 電子回路
３，１３ 整備基準値判定処理装置
４，１４ 出力装置
１２ 式（２）をプログラム化したソフトウェア

Claims (3)

1. 同一波長の走行路面変位が繰り返し連続する区間を効率的に管理するための、走行路面形状測定データの処理方法において、地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）を求め、該測定波形ｆ（ｘ）に波長λの正弦波が繰り返し現れる場合、その繰り返しを検出するために、前記地点ｘにおける走行路面変位の測定波形ｆ（ｘ）に次式（Ａ）を用いてＦ（ｘ）を算出し（ここで、Ｍは想定する繰り返し数であるが、処理後、前記波形Ｆ（ｘ）の直流分を残すために、Ｍは偶数とする）、この結果に基づいて繰り返しを考慮した、走行路形状の管理値を判定することを特徴とする走行路面形状測定データの処理方法。
   

   

   なお、α（Ｎ）は、ユーザーが定める係数である。
2. 請求項１記載の走行路面形状測定データの処理方法において、前記式（Ａ）を離散化した次式（Ｃ）を電子回路により実現することを特徴とする走行路面形状測定データの処理方法。
   

   

   なお、α_N は、ユーザーが定める係数である。
3. 請求項１記載の走行路面形状測定データの処理方法において、前記式（Ａ）をプログラム化したソフトウェアを用いることを特徴とする走行路面形状測定データの処理方法。

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