JP2014077721A - 着霜予測装置、及び、着霜予測システム - Google Patents

Abstract

【課題】 トロリ線の温度を精度よく推定し、トロリ線の周囲の飽和水蒸気量を精度良く算出することにより、トロリ線への着霜の判定精度を向上させる。
【解決手段】 着霜予測の対象となる区間に設置される測定器にて測定される気温及び風速を蓄積し、熱伝達率を算出し、トロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算することにより翌朝の予測時におけるトロリ線温度を推定する。推定されたトロリ線温度を用い、当該トロリ線温度での飽和水蒸気圧を算出し（Ｓ２１０）、トロリ線周囲の飽和水蒸気量を算出する（Ｓ２２０）。また、予測時における気温での飽和水蒸気圧を算出し（Ｓ２４０）、当該気温及び予測時における湿度から予測時の水蒸気量を算出する（Ｓ２５０）。トロリ線温度が０℃を下回り、かつ、水蒸気量が飽和水蒸気量を上回る場合に（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、着霜ありと判定する（Ｓ２７０）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、トロリ線の温度推定技術、及び、当該温度推定技術を用いたトロリ線の着霜予測技術に関する。

気温が低く湿度が高い冬季の晴れた夜間にあっては、トロリ線に霜が付き成長することが知られている。トロリ線はパンタグラフを介して電力を供給する鉄道の架線であり、トロリ線に霜が付いた区間を列車が運行すると、パンタグラフとトロリ線との間に介在する霜により離線等の不具合が発生する。例えば離線に伴うアーク放電等が生じると、パンタグラフの損傷やトロリ線の溶断を招く虞がある。

そのため、従来、このようなトロリ線への着霜を予測する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、夕刻の水蒸気量と予測される翌朝のトロリ線周囲の飽和水蒸気量との差を過飽和水蒸気量として算出し、予想最低気温が０．５℃以下であり、かつ、予想風速が１ｍ／ｓ以下である場合に着霜があると予測する。これにより、在来線では、無集電のパンタグラフによりトロリ線についた霜を削り落とす霜取り列車を、始発列車の運行前に走行させていた。

特許４８７９８２２号公報

しかしながら、従来技術では、予測される翌朝のトロリ線周囲の飽和水蒸気量を、予想最低気温から３℃を減じた温度での飽和水蒸気量としている。すなわち、トロリ線の温度を予想最低気温から３℃を減じた温度としている。この場合、翌朝に到るまでのトロリ線に対する風等による熱の収受の影響が考慮されないため、着霜予測精度が低下することは否めない。

なお、トロリ線の温度を直接的に赤外線温度計で測定することも考えられるが、多くの観測点に配備することはコストアップに繋がり現実的でない。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、トロリ線の温度を精度よく推定することにより、トロリ線への着霜の判定精度を向上させることにある。

上記目的を達成するためになされた着霜予測装置（２０）は、翌朝の予測時におけるトロリ線温度を推定する温度推定手段（２１ａ）を備えている。温度推定手段は、着霜予測の対象となる区間に設置される測定器（１０）にて測定される気温に基づき、前夜の初期温度に対しトロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算することにより、翌朝の予測時におけるトロリ線温度を推定する。

なお、本発明では、主として始発列車の運行前にノッチ制限区間を特定することを目的とする。したがって、前夜の初期温度は前夜営業終了後の深夜０時前後であり、翌朝予測時は始発列車運行前の午前５時前後であることが考えられる。

また、第１算出手段（２１ｂ）は、温度推定手段にて推定されたトロリ線温度を用い、当該トロリ線温度での飽和水蒸気圧を算出し、トロリ線周囲の飽和水蒸気量を算出する。第２算出手段（２１ｃ）は、予測時における気温での飽和水蒸気圧を算出し、当該気温及び予測時における湿度から予測時のトロリ線周囲の水蒸気量を算出する。

着霜判定手段（２１ｄ）は、トロリ線温度が０℃を下回り、かつ、予測時の水蒸気量がトロリ線周囲の飽和水蒸気量を上回る場合に、着霜ありと判定する。
トロリ線への着霜を予測するためには、トロリ線温度が必要となる。このとき、着霜判定にトロリ線温度を用いる他、トロリ線周囲の飽和水蒸気圧及び飽和水蒸気量を算出するため、トロリ線周囲の温度をトロリ線温度で代用する。

本発明では、測定される気温に基づきトロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算することでトロリ線温度を推定する。このようにすれば、トロリ線の温度を精度よく推定することができるため、トロリ線への着霜の判定精度を向上させることができる。

ところで、トロリ線の熱収支を積算する際、熱伝達率を用いる。この熱伝達率は、風速やトロリ線の寸法などから算出可能である。そこで、測定器が風速を測定可能な構成とし、請求項２に示すように、温度推定手段は、気温と共に測定器にて測定される風速に基づき算出される熱伝達率を用い、トロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算することとしてもよい。このようにすれば、より正確な熱伝達率を用いてトロリ線の熱収支が積算されるため、トロリ線の温度を精度よく推定することができる。

従来技術では、翌朝のトロリ線周囲の飽和水蒸気圧を求めるにあたり、氷表面での算出式でなく水表面での算出式を用いているため、トロリ線周囲の実際の飽和水蒸気圧との間に誤差が生じることが懸念される。そこで、請求項３に示すように、第１算出手段は、トロリ線温度での飽和水蒸気圧を算出する際、氷表面における飽和水蒸気圧として算出するようにするとよい。このようにすれば、トロリ線周囲の実際の飽和水蒸気圧との間の誤差が小さくなり、より正確な飽和水蒸気圧が得られる。

なお、第２算出手段は、上述したように、予測時における気温及び湿度を利用して、当該気温での飽和水蒸気圧を求めて、水蒸気量を求めている。このときの気温や湿度は、例えば天気予報に基づく予想気温や予想湿度などとすることも考えられる。しかしながら、少なくとも気温については測定器で測定されることを考えると、湿度についても測定器で測定されるようにするとよい。すなわち、請求項４に示すように、第２算出手段は、予測時における気温及び湿度として、測定器にて測定される実測値を用いることとするとよい。このようにすれば、予測時における気温及び湿度が実測値となるため、当該気温での飽和水蒸気圧や水蒸気量がより正確なものとなる。

請求項５では、着霜判定手段は、着霜ありと判定した場合、着霜による制限区間を示す制限区間情報を出力する。このようにすれば、出力される制限区間情報に基づいてノッチ制限などを迅速に行うことができる。

ところで、測定器については、請求項６に示すように、着霜予測の対象となる区間にある各駅に設置することが考えられる。このようにすれば、着霜の判定区間を、ある駅からその隣の駅までの区間として細分化することができる。もちろん、駅と駅との間にも測定器を設置するようにすれば、さらに着霜の判定区間を細分化することができる。ノッチ制限を行うとその区間の列車は速度が低くなり、列車の遅れにつながる。したがって、ノッチ制限区間を局限化することで列車の遅れを極小にできる。

なお、以上は着霜予測装置の発明として説明してきたが、測定器を備えた着霜予測システムの発明として実現することも可能である。すなわち、請求項７に示すような、上記着霜予測装置（２０）と、着霜予測の対象となる区間に設置される測定器（１０）と、を備えた着霜予測システム（１）である。

着霜予測システムの概略構成を示すブロック図である。 温度推定処理を示すフローチャートである。 着霜予測処理を示すフローチャートである。 外部の放射の熱を受け取らない表面積の算出を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す着霜予測システム１は、複数台の測定器１０と、着霜予測装置２０とを備えている。

測定器１０は、鉄道沿線に設置されるものであり、着霜予測の対象となる区間における各駅および駅間内に設置される。測定器１０は、それぞれ受け持ち区間を持ち、設置場所における気温、湿度、風速を測定データとして取得する。これらの測定データは、着霜予測装置２０へ入力される。具体的には、測定器１０に付属するデータ送信部１１から測定データが送信される。測定器１０と着霜予測装置２０とは、有線によるデータ通信方式を採用してもよいし、無線によるデータ通信方式を採用してもよい。

着霜予測装置２０は、制御部２１、記憶部２２、及び、通信部２３を有している。着霜予測装置２０は、指令所の電力指令と呼ばれるセクションに設置される。電力指令は、変電所の動作監視や、架線などの鉄道関係設備・施設への給電状況の監視を行うセクションである。

ここで制御部２１は、いわゆるコンピュータシステムとして構成されており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ及びこれらを接続するバスラインを備えている。制御部２１は、後述する温度推定処理及び着霜予測処理を実行する。この制御部２１に、記憶部２２及び通信部２３が接続されている。

記憶部２２は、例えばハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）などとして具現化される。この記憶部２２には、各測定器１０から送信された測定データおよび、制御部２１による温度推定処理で算出されたトロリ線の温度などが記憶される。つまり、複数台の測定器１０は、上述したデータ送信部１１を介し、記憶部２２へ測定データを送信する。

通信部２３は、制御部２１による着霜予測処理によって着霜予測に基づく制限区間情報が出力されると、当該制限区間情報を輸送指令と呼ばれるセクションへ送信するための構成である。輸送指令は、列車がダイヤ通りに運行されているか否かを監視するセクションであり、列車の遅れなど異常事態が発生した際には、運転士への臨時の速度規制やノッチ制限などの指示を行う。

次に、着霜予測装置２０の制御部２１にて実行される温度推定処理を、図２のフローチャートに基づいて説明する。温度推定処理は、複数の測定器１０ごとに行われるものである。

最初のＳ１１０では、初期設定処理を行う。なお、Ｓ１１０の初期設定処理については後述する。
Ｓ１２０では、測定データを取得する。この処理は、測定器１０からデータ送信部１１を介して記憶部２２に蓄積された気温及び風速を取得するものである。記憶部２２には時系列に測定データが蓄積されている。ここで、取得される気温をＴ_C（℃）とし、風速をＷ（ｍ／ｓ）とする。

続くＳ１３０では、熱伝達率を算出する。この処理は、Ｓ１２０にて取得した風速Ｗに基づき、熱伝達率ｈを算出するものである。
なお、熱伝達率ｈの算出には風速に加えトロリ線寸法等を用いるが、ライスの実験式、マックアダムスの実験式など、いずれの円柱表面の算出式で計算してもよい。

次のＳ１４０では、トロリ線温度を算出する。この処理は、次の式１によって時刻ｔ（ｔ＝ｎΔｔ）におけるトロリ線の温度Ｔ（ｔ）を算出するものである。温度Ｔ（ｔ）は絶対温度で示される。

式１におけるＨは、次の式２で示すごとくである。

ここで、温度Ｔ（０）は、時刻「０」（測定開始直後）でのトロリ線温度推定値であり、絶対温度で示される。Ｃはトロリ線比熱、Ｄはトロリ線断面積、Ｅは熱の仕事当量、ρはトロリ線密度である。また、Ｓは長さ１ｍあたりのトロリ線表面積、σはステファン・ボルツマン係数、ηはトロリ線の放射率である。Ａは外部の放射の熱を受け取らない表面積である。詳しくは、図４に示すように、円柱表面とみなすことができるトロリ線と当該トロリ線に垂直な断面とが交わってできる円Ｃに沿ってトロリ線表面を一周する微小面ΔＳを考える。このとき、微小面ΔＳの垂線方向Ｐが天空を指す割合を上記トロリ線表面積Ｓに掛け合わせた値がＡである。ここで「天空を指す」とは、大地や地上の建造物、山、及び樹木などを指さないことを意味する。具体的にＡは、掘割のような区間では「０．３Ｓ」、それ以外では「０．５Ｓ」とする。

続くＳ１５０では、Ｓ１４０にて算出されたトロリ線温度Ｔ（ｔ）を記憶部２２に記憶し、その後、温度推定処理を終了する。
Ｓ１４０の処理では、Ｓ１２０にて取得される時系列の測定データに対して処理が繰り返されることにより、時間Δｔ毎にトロリ線の熱収支が計算されて積算される。これにより、気温Ｔ_C及び風速Ｗの影響を考慮したトロリ線の温度推定が可能となる。

なお、Ｓ１１０の初期設定処理は、式１におけるＴ（０）を設定するものである。具体的には、測定器１０から取得される気温Ｔ_Cとすることが考えられる。あるいは、式２においてＨ＝０のときの解ＴをＴ（０）としてもよい。

後者の場合、Ｐ＝σＡη、Ｑ＝ｈＳ、Ｒ＝Ｔ_Cとして、次の式３でαを表すと、Ｔは式４又は式５となる。ここで、式４又は式５のＴのうち正の実数となるものを選択する。

なお、この温度推定処理は、営業開始時刻に間に合うように早朝に実行される。
次に、着霜予測装置２０の制御部２１にて実行される着霜予測処理を、図３のフローチャートに基づいて説明する。着霜予測処理も、温度推定処理と同様、複数の測定器１０毎に行われる。この着霜予測処理は、着霜によるノッチ制限区間を特定するためのものであり、温度推定処理と同様、営業開始時刻に間に合うように早朝に実行される。

最初のＳ２００では、トロリ線温度を取得する。この処理は、図２中のＳ１５０にて記憶されたトロリ線温度を記憶部２２から取得するものである。トロリ線温度は、前日夜の営業終了後から翌朝までその熱収支を積算することで算出されて記憶されている。

続くＳ２１０では、トロリ線周囲の飽和水蒸気圧を算出する。着霜が生じる場合、トロリ線は０℃以下となるため、ここでは、氷表面における飽和水蒸気圧を算出する。ここでＳ２００にて取得したトロリ線温度をＴ₂（℃）とすると、氷表面における飽和水蒸気圧ｅ_s2（Ｐａ）は、次の式６で表される。

次のＳ２２０では、トロリ線周囲の飽和水蒸気量を算出する。Ｓ２１０にて算出した飽和水蒸気圧ｅ_s2を用い、トロリ線温度Ｔ₂とすると、飽和水蒸気量ａ₂（ｇ／ｍ³）は、次の式７で算出される。

続くＳ２３０では、測定データを取得する。この処理は、予測時点における実際の測定値を取得するものである。ここでは、実測気温Ｔ₁（℃）、実測湿度ＲＨ₁（％）を取得する。

次のＳ２４０では、実測気温での飽和水蒸気圧を算出する。ここでは、水表面における飽和水蒸気圧を算出する。ここでＳ２３０にて取得した実測気温をＴ₁用いて、水表面における飽和水蒸気圧ｅ_s1（Ｐａ）は、次の式８で表される。

続くＳ２５０では、水蒸気量を算出する。Ｓ２４０にて算出した飽和水蒸気圧ｅ_s1を用いて、実測気温Ｔ₁、実測湿度ＲＨ₁である場合、水蒸気量ａ₁（ｇ／ｍ³）は、次の式９で算出される。

次のＳ２６０では、着霜条件が成立したか否かを判断する。具体的には、トロリ線温度Ｔ₂が０℃を下回り、かつ、水蒸気量ａ₁が飽和水蒸気量ａ₂を上回っているか否かを判断する。ここでＴ₂＜０かつａ₁＞ａ₂である場合（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、Ｓ２７０にて着霜ありと判定し、Ｓ２８０にて制限区間情報を出力して、その後、着霜予測処理を終了する。この制限区間情報は、測定器１０ごとの受け持ち区間である。一方、Ｔ₂≧０又はａ₁≦ａ₂である場合（Ｓ２６０：ＮＯ）、Ｓ２９０にて着霜なしと判定し、その後、着霜予測処理を終了する。

Ｓ２８０にて出力される制限区間情報は、上述したように、着霜予測装置２０の通信部２３を介して、輸送指令へ出力される。着霜ありと判定された測定器１０の受け持ち区間の全体が制限区間となる。この情報により、制限区間のノッチ制限が行われる。

以上詳述したように、本実施形態では、温度推定手段２１ａが、翌朝の予測時におけるトロリ線温度を推定する。温度推定手段２１ａは、着霜予測の対象となる区間に設置される測定器１０にて測定され記憶部２２に時系列に記憶された気温及び風速を取得し（図２中のＳ１２０）、熱伝達率を算出し（Ｓ１３０）、トロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算することにより翌朝の予測時においてトロリ線温度を推定する（Ｓ１４０）。

また、第１算出手段２１ｂは、温度推定手段２１ａにて推定されたトロリ線温度を用い、当該トロリ線温度での飽和水蒸気圧を算出し（図３中のＳ２１０）、トロリ線周囲の飽和水蒸気量を算出する（Ｓ２２０）。第２算出手段２１ｃは、予測時における気温での飽和水蒸気圧を算出し（Ｓ２４０）、当該気温及び予測時における湿度から予測時の水蒸気量を算出する（Ｓ２５０）。着霜判定手段２１ｄは、トロリ線温度が０℃を下回り、かつ、水蒸気量が飽和水蒸気量を上回る場合に（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、着霜ありと判定する（Ｓ２７０）。

これにより、トロリ線の温度を精度よく推定することができるため、トロリ線への着霜の判定精度を向上させることができる。
また、本実施形態では、測定データとしての風速を取得し（図２中のＳ１２０）、当該風速に基づく熱伝達率を算出し（Ｓ１３０）、トロリ線の温度を推定する（Ｓ１４０）。すなわち、温度推定手段２１ａは、気温と共に測定器にて測定される風速に基づく熱伝達率を用い、トロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算する。これにより、より正確な熱伝達率を用いてトロリ線の熱収支が積算されるため、トロリ線の温度を精度よく推定することができる。

さらにまた、本実施形態では、氷表面における飽和水蒸気圧の計算式を用いて、トロリ線周囲の飽和水蒸気圧を算出する（図３中のＳ２１０）。すなわち、第１算出手段２１ｂは、トロリ線温度での飽和水蒸気圧を算出する際、氷表面における飽和水蒸気圧として算出する。これにより、トロリ線周囲の実際の飽和水蒸気圧との間の誤差が小さくなり、より正確な飽和水蒸気圧が得られる。

また、本実施形態では、測定器１０から測定データとしての気温及び湿度を取得し（図３中のＳ２３０）、当該気温における飽和水蒸気圧を算出し（Ｓ２４０）、また、水蒸気量を算出する（Ｓ２５０）。すなわち、第２算出手段２１ｃは、予測時における気温及び湿度として、測定器１０にて測定される実測値を用いる。これにより、予測時における気温及び湿度が実測値となるため、当該気温での飽和水蒸気圧や水蒸気量がより正確なものとなる。

さらにまた、本実施形態では、着霜条件が成立すると着霜ありと判定し（図３中のＳ２６０：ＹＥＳ，Ｓ２７０）、さらに、制限区間情報を出力する（Ｓ２８０）。すなわち、着霜判定手段２１ｄは、着霜ありと判定した場合、着霜による制限区間を示す制限区間情報を出力する。これにより、出力される制限区間情報に基づいてノッチ制限などを迅速に行うことができる。

また、本実施形態では、測定器１０は、鉄道沿線に設置されるものであり、着霜予測の対象となる区間における各駅および駅間内に設置される。これにより、着霜の判定区間を、沿線を適切に分けた区間として細分化することができる。

本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その技術的範囲を逸脱しない限り、種々なる形態で実施可能である。

１…着霜予測システム、１０…測定器、１１…データ送信部、２０…着霜予測装置、２１…制御部、２１ａ…温度推定手段、２１ｂ…第１算出手段、２１ｃ…第２算出手段、２１ｄ…着霜判定手段、２２…記憶部、２３…通信部

Claims (7)

1. 着霜予測の対象となる区間に設置される測定器（１０）にて測定される気温に基づき、前夜の初期温度に対しトロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算することにより、翌朝の予測時におけるトロリ線温度を推定する温度推定手段（２１ａ）と、
   前記温度推定手段にて推定された前記トロリ線温度を用い、当該トロリ線温度での飽和水蒸気圧を算出し、トロリ線周囲の飽和水蒸気量を算出する第１算出手段（２１ｂ）と、
   前記予測時における気温での飽和水蒸気圧を算出し、当該気温及び前記予測時における湿度から前記予測時の水蒸気量を算出する第２算出手段（２１ｃ）と、
   前記トロリ線温度が０℃を下回り、かつ、前記予測時の水蒸気量が前記トロリ線周囲の飽和水蒸気量を上回る場合に、着霜ありと判定する着霜判定手段（２１ｄ）と、
   を備えていることを特徴とする着霜予測装置（２０）。
2. 請求項１に記載の着霜予測装置において、
   前記温度推定手段は、前記気温と共に前記測定器にて測定される風速に基づき算出される熱伝達率を用い、前記トロリ線の熱収支を所定時間間隔で積算すること（Ｓ１２０，Ｓ１３０，Ｓ１４０）
   を特徴とする着霜予測装置。
3. 請求項１又は２に記載の着霜予測装置において、
   前記第１算出手段は、前記トロリ線温度での飽和水蒸気圧を算出する際、氷表面における飽和水蒸気圧として算出すること（Ｓ２１０）
   を特徴とする着霜予測装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の着霜予測装置において、
   前記第２算出手段は、前記予測時における気温及び湿度として、前記測定器にて測定される実測値を用いること（Ｓ２３０）
   を特徴とする着霜予測装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の着霜予測装置において、
   前記着霜判定手段は、前記着霜ありと判定した場合、着霜による制限区間を示す制限区間情報を出力すること（Ｓ２８０）
   を特徴とする着霜予測装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の着霜予測装置において、
   前記測定器は、着霜予測の対象となる区間にある各駅又は当該各駅に加え駅間内に設置されること
   を特徴とする着霜予測装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の着霜予測装置（２０）と、
   着霜予測の対象となる区間に設置される測定器（１０）と、
   を備えた着霜予測システム（１）。

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