JP2016089339A - Ｐｃまくらぎ劣化判定システム、ｐｃまくらぎ劣化判定方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＣまくらぎの劣化状況をより容易に把握できるようにする。
【解決手段】ＰＣまくらぎ劣化判定システムが、ＰＣまくらぎへの加振により生じる音を取得するマイクと、前記マイクが取得した音に基づいて、前記ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する固有振動数検出部と、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定部と、を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＰＣまくらぎ劣化判定システム、ＰＣまくらぎ劣化判定方法およびプログラムに関する。

まくらぎは、レールを支持し、軌間を保持するとともに、レールから伝達される負荷（作用）を、まくらぎの下に敷設された道床に対して分散して伝達する機能を有している。道床の種類は幾つか存在し、特に、削石等のバラスト（Ballast）が用いられる場合が多い。また、まくらぎとして、木製のまくらぎよりも寿命の長いコンクリート製のまくらぎが多く用いられている。

列車通過時に、まくらぎには曲げモーメントによる引張力が作用する。コンクリートは圧縮力との比較において引張力に弱く、かかる引張力によりコンクリート製のまくらぎにひび割れが発生する可能性がある。
このような引張力によるひび割れに対する対策として、ＰＣ（Prestressed Concrete、プレストレストコンクリート）まくらぎが多く用いられている。ＰＣまくらぎは、コンクリート中に鋼材（鋼線または鋼棒）が埋め込まれて構成されており、鋼材によってコンクリートに圧縮力が導入されている。

このように、ＰＣまくらぎは引張力に強く、比較的寿命が長い。もっとも、ＰＣまくらぎであっても、使用や経年によって劣化する。
特に、バラスト軌道に敷設されたＰＣまくらぎの場合、列車通過時の動的な負荷によりＰＣまくらぎとバラスト粒子との間に相対運動が発生する。ＰＣまくらぎに対するバラスト粒子のすべり、転がりおよび衝突作用により、ＰＣまくらぎの底面が摩耗する。

また、車輪のフラットなど車輪の状態による要因や、レールの溶接継目ないしレール継目部などレール頭頂部の状態による要因により、車輪とレールとの間に過大な衝撃力が発生する場合がある。かかる衝撃力がＰＣまくらぎに伝達された場合、ＰＣまくらぎにひび割れが発生する可能性がある。
なお、非特許文献１では、ＰＣまくらぎの損傷状況の調査結果が示され、まくらぎの補修や機能向上についての検討が行われている。

長谷川仁志、他２名、「ＰＣまくらぎ損傷の原因と対策」、第５９回土木学会年次学術講演会講演概要集、２００４年、Vol.59、4-071、p.141-142

ＰＣまくらぎを適切に管理するために、点検時にＰＣまくらぎの劣化状況を把握することが重要である。しかしながら、バラスト軌道では、ＰＣまくらぎは上面が見えるだけで大半がバラストに埋まっているため、目視でＰＣまくらぎの底面のひび割れや摩耗の状況を確認することはできない。バラストをかき出せば、ＰＣまくらぎの底面を目視することは可能だが、ＰＣまくらぎの断面高さは通常１５０ミリメートル（ｍｍ）以上あり、バラストのかき出し作業には大きな労力を必要とする。
さらに、バラストに埋まっていない上面のひび割れについても、粉塵による目詰まりや汚れ、また、荷重積載時にしかひび割れが開かないといった理由から、上面のひび割れを目視で確認することは容易でない。バラストをかき出した場合のＰＣまくらぎ底面の目視確認についても同様である。

本発明は、ＰＣまくらぎの劣化状況をより容易に把握することのできるＰＣまくらぎ劣化判定システム、ＰＣまくらぎ劣化判定方法およびプログラムを提供する。

本発明の第１の態様によるＰＣまくらぎ劣化判定システムは、ＰＣまくらぎへの加振により生じる音を取得するマイクと、前記マイクが取得した音に基づいて、前記ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する固有振動数検出部と、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定部と、を具備する。

前記劣化判定部は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合の固有振動数を閾値として、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定するようにしてもよい。

前記劣化判定部は、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値よりも、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定するようにしてもよい。

前記ＰＣまくらぎ劣化判定システムは、前記マイクを人から吊下げ可能なストラップを具備するようにしてもよい。

本発明の第２の態様によるＰＣまくらぎ劣化判定方法は、ＰＣまくらぎへの加振により生じる音を取得する集音ステップと、前記集音ステップにて取得した音に基づいて、前記ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する固有振動数検出ステップと、前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、を有する。

本発明の第３の態様によるプログラムは、ＰＣまくらぎの劣化を判定するコンピュータに、前記ＰＣまくらぎへの加振により生じる音に基づいて、前記ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する固有振動数検出ステップと、前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、を実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、ＰＣまくらぎの劣化状況をより容易に把握することができる。

本発明の一実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システムの外形の例を示す概略外形図である。 同実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システム１の機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態におけるハンマ２１０による加振位置を上から見た図において示す説明図である。 同実施形態におけるハンマ２１０による加振位置を、ＰＣまくらぎを横から見た図において示す説明図である。 ＰＣまくらぎの劣化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。 たわみ３次モード固有振動による、ＰＣまくらぎの各位置での振動の大きさの例を示す説明図である。 バラスト道床や路盤の支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。 ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。 同実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システム１が行う処理の手順の例を示すフローチャートである。 同実施形態における固有振動数検出部１９１がたわみ３次モード固有振動数を検出する処理手順の例を示すフローチャートである。 同実施形態における劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第１の例を示す説明図である。 同実施形態における劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第２の例を示す説明図である。 同実施形態における音の解析によるプレテンションＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数の検出例を示すグラフである。 同実施形態での載荷試験における荷重位置を示す説明図である。同図において、線ＣＬは、ＰＣまくらぎの中心位置を示している。 同実施形態での載荷試験における３次モード固有振動数の測定結果を示すグラフである。 加速度センサを有するＰＣまくらぎ劣化判定システムの外形の例を示す概略外形図である。 加速度センサ３２０の設置位置の例を示す説明図である。 同実施形態の比較試験における加振位置を示す説明図である。 同実施形態における３次モード固有振動数の検出成功率を示すグラフである。 同実施形態においてＰＣまくらぎの中央付近を加振した得られた３次モード固有振動数を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システムの外形の例を示す概略外形図である。同図において、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１は、本体装置１０と、ストラップ１１と、ハンマ２１０とを具備する。本体装置１０は、収録診断器１００と、マイク２２０とを具備する。ハンマ２１０と収録診断器１００とは、ＢＮＣ同軸ケーブルなどの信号線で接続されている。

ハンマ２１０は、ＰＣまくらぎを加振する。さらに、ハンマ２１０は、加速度センサを有し、加振力（特に、加振タイミングおよび加振の強さを示す信号）を収録診断器１００へ送信する。
ハンマ２１０として、２００ヘルツ（Ｈｚ）以上を安定して励起可能な振動試験用インパルスハンマを用いることが好ましいが、これに限らず、ＰＣまくらぎの３次モードの固有振動を励起可能な様々なハンマを用いることができる。例えば、ハンマ２１０として、コンクリート構造物用の点検ハンマを用いるようにしてもよい。なお、３次モードを用いる理由については後述する。
マイク２２０は、周囲音を取得する。特に、マイク２２０は、ハンマ２１０がＰＣまくらぎへ加振することにより生じる音を取得する。マイク２２０は、取得した音を音声データにて収録診断器１００へ送信する。

収録診断器１００は、マイク２２０が取得した音を収録する。そして、収録診断器１００は収録した音を解析してＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数を検出し、当該ＰＣまくらぎの劣化判定を行う。ここでいう劣化判定は、劣化の有無の判定である。また、ここでいう３次モード固有振動数の検出とは、３次モード固有振動数の推定値を取得することである。
なお、収録診断器１００が、ＰＣまくらぎの劣化の有無に代えて、あるいは加えて、ＰＣまくらぎの劣化の程度を判定するようにしてもよい。
収録診断器１００は、例えば携帯型のコンピュータを用いて構成される。収録診断器１００が携帯可能に構成されることで、線路の保守点検作業員が、現場で収録診断器１００を用いて容易にまくらぎの点検を行うことができる。

ストラップ１１は、マイク２２０を人から吊下げ可能に設けられている。具体的には、保守点検作業員がストラップ１１を首に掛けて、マイク２２０を含む本体装置１０を体の前へ吊下げる。これにより、保守点検作業員は、本体装置１０の設置作業を行う必要無しにＰＣまくらぎ劣化判定システム１を使用して劣化判定を行うことができる。
但し、マイク２２０の位置は、保守点検作業員の首から吊下げられた位置に限らず、例えばＰＣまくらぎから１メートル（ｍ）以内など、ハンマ２１０がＰＣまくらぎへ加振することにより生じる音を取得可能な位置であればよい。例えば、マイク２２０を含む本体装置１０が、保守点検作業員の腰の位置に、ベルトにて固定されていてもよい。

なお、ハンマ２１０と収録診断器１００とが、無線通信を行うようにしてもよい。
また、収録診断器１００とマイク２２０とが一体化されていなくてもよい。例えば、収録診断器１００と、ハンマ２１０と、マイク２２０とが、それぞれ別個の装置として構成され、ハンマ２１０、マイク２２０のそれぞれが、収録診断器１００と無線通信を行うようにしてもよい。この場合、保守点検作業員が収録診断器１００を身に着ける必要はない。例えば、汎用のノートパソコン（Laptop Computer）にプログラムをインストールして収録診断器１００として機能させ、保守点検対象の線路の近くに置いておくようにしてもよい。

図２は、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１の、本体装置１０とハンマ２１０とが示されている。本体装置１０は、収録診断器１００と、マイク２２０とを具備する。収録診断器１００は、表示部１１０と、記憶部１８０と、制御部１９０とを具備する。制御部１９０は、固有振動数検出部１９１と、劣化判定部１９２とを具備する。
図２において図１の各部に対応して同様の機能を有する部分には、同一の符号（１、１０、１００、２１０、２２０）を付して説明を省略する。

表示部１１０は、例えば液晶パネルなどの表示画面を有し、各種画像を表示する。特に、表示部１１０は、ＰＣまくらぎの劣化判定結果を表示する。
記憶部１８０は、収録診断器１００の有する記憶デバイスを用いて構成され、各種データを記憶する。特に、記憶部１８０は、マイク２２０が送信する音声データや、劣化判定の基準となる閾値を記憶する。

制御部１９０は、収録診断器１００の各部を制御して各種機能を実行する。制御部１９０は、例えば収録診断器１００の有するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）が、記憶部１８０からプログラムを読み出して実行することで実現される。
固有振動数検出部１９１は、マイク２２０が取得する音を解析して、ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する。具体的には、固有振動数検出部１９１は、マイク２２０が取得する音のフーリエスペクトルを、ハンマ２１０の加速度センサが測定する加振力で除算したアクセレランス（Accelerance）を算出する。そして、固有振動数検出部１９１は、得られたアクセレランスからたわみ３次モードの固有振動数を検出する。
なお、固有振動数検出部１９１が、アクセレランスに変えて音のフーリエスペクトルからたわみ３次モードの固有振動数を検出するようにしてもよい。この場合、ハンマ２１０は加振力を測定する必要がなく、したがって、加速度センサを有していなくてもよい。

劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波か否かに基づいて、ＰＣまくらぎが劣化しているか否かを判定する。より具体的には、劣化判定部１９２は、当該固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、ＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
例えば、劣化判定部１９２は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合（例えば５パーセント（％））の固有振動数を閾値として判定を行う。劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。

次に、図３および図４を参照して、ハンマ２１０による加振位値の例について説明する。
図３は、ハンマ２１０による加振位置を、ＰＣまくらぎを上から見た図において示す説明図である。同図の例において、ハンマ２１０は、ＰＣまくらぎの中央付近に打撃を加えて加振する。実験により、図３の例のようにＰＣまくらぎの中央付近に加振することで、ＰＣまくらぎの３次モードの固有振動を励起し易いことが見出されたためである。

図４は、ハンマ２１０による加振位置を、ＰＣまくらぎを横から見た図において示す説明図である。図４では、図３を参照して説明した位置が別の角度から示されている。図３を参照して説明したように、ハンマ２１０は、ＰＣまくらぎの中央付近に打撃を加えて加振する。
なお、ハンマ２１０による加振位置は、正確にＰＣまくらぎの中央である必要は無く、ＰＣまくらぎの中央付近であればよい。

また、ハンマ２１０による加振位置は、図３および図４に示すＰＣまくらぎの中央付近以外の位置であってもよい。例えば、ハンマ２１０が、レールより外側かつレールの近傍にてＰＣまくらぎに加振するようにしてもよい。
なお、加振位置によっては、３次モードの固有振動数の検出精度が低下する場合がある。この場合、例えば、加振ごとにＰＣまくらぎの劣化の有無を判定し、多数決によって、ＰＣまくらぎの劣化の有無の最終的な判定結果を決定するようにしてもよい。

次に、図５〜図８を参照して、固有振動数検出部１９１が検出するたわみ３次モードの固有振動数について説明する。
図５は、ＰＣまくらぎの劣化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。同図の横軸は曲げ剛性を示し、縦軸は固有振動数を示す。図５では、剛体としての上下、剛体としての回転、たわみ１次モード〜たわみ５次モードの各固有振動数の変動率が、曲げ剛性が１（基準値）の場合の固有振動数を１として示されている。
なお、弾性係数（ヤング率）をＥとし、断面２次モーメントをＩとして、曲げ剛性はＥＩで示される。

図５に示す各固有振動数のうち、たわみ２次モード〜たわみ５次モードの固有振動数が、曲げ剛性の変化に応じて大きく変化している。従って、ＰＣまくらぎにひび割れや摩耗等の劣化が生じた際に、たわみ２次モード〜たわみ５次モードの固有振動数のいずれかを測定することで、劣化による曲げ剛性の変化を検出することが考えられる。

図６は、たわみ３次モード固有振動による、ＰＣまくらぎの各位置での振動の大きさの例を示す説明図である。
同図において、線Ｌ１１は、たわみ３次モード固有振動の波形の例を示す説明図である。線Ｌ１１にて示されるように、ＰＣまくらぎのレール部（レールが敷設される位置）付近や中央付近は、たわみ３次モード固有振動における腹の位置となる。

また、領域Ａ１１およびＡ１２は、ひび割れが発生し易い領域である。
領域Ａ１１は、レール部底面の領域であり、領域Ａ１２は、中央上面の領域である。レール上を鉄道車両が通過することで、レール部に負荷がかかる。これにより、領域Ａ１１が上向き（下に凸）にたわみ、正曲げ（下に凸の曲げ）によるひび割れが発生する可能性がある。

また、左右両方の領域Ａ１１が上向きにたわむことで、その真ん中に位置する領域Ａ１２が下向き（上に凸）にたわみ、負曲げ（上に凸の曲げ）によるひび割れが発生する可能性がある。
振動波形の腹付近にひび割れ等の変形が生じることで、当該振動の周波数が変化することが考えられる。この点において、３次モード固有振動数は、レールを鉄道車両が通過することによるＰＣまくらぎの劣化の検出に適していると考えられる。

図７は、バラスト道床や路盤の支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。同図の横軸はバラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力を示す。縦軸は、固有振動数を示す。図７では、剛体としての上下、剛体としての回転、たわみ１次モード〜たわみ５次モードの各固有振動数の変動率が、支持力が１（基準値）の場合の固有振動数を１として示されている。
また、領域Ａ２１は、バラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力として通常想定される範囲を示す。

図７において、たわみ３次モード固有振動数の変動は、領域Ａ２１の範囲において−０．９パーセント〜１．５パーセントとなっている。このように、バラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力の変動が、たわみ３次モード固有振動数の変動に及ぼす影響は小さい。従って、劣化判定部１９２が、たわみ３次モード固有振動数を用いて劣化判定を行うことで、バラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力の変動をＰＣまくらぎの劣化と誤判定してしまう可能性を低くすることができる。

図８は、ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。同図の横軸はＰＣまくらぎに対する両端支持力を示す。縦軸は、固有振動数を示す。図８では、剛体としての上下、剛体としての回転、たわみ１次モード〜たわみ５次モードの各固有振動数の変動率が、ＰＣまくらぎに対する両端支持力が１（基準値）の場合の固有振動数を１として示されている。

同図に示すように、ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変動が、たわみ３次モード固有振動数の変動に及ぼす影響は小さい。従って、劣化判定部１９２が、たわみ３次モード固有振動数を用いて劣化判定を行うことで、ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変動をＰＣまくらぎの劣化と誤判定してしまう可能性を低くすることができる。

次に、図９〜図１２を参照してＰＣまくらぎ劣化判定システム１の動作について説明する。
図９は、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１が行う処理の手順の例を示すフローチャートである。図９の処理において、ハンマ２１０がＰＣまくらぎを加振し、マイク２２０が加振にて生じる音を取得する（ステップＳ１０１）。具体的には、ユーザ（例えば、線路保守点検作業員）が、ハンマ２１０を用いてＰＣまくらぎを叩き、ＰＣまくらぎを叩くタイミングを含む所定時間の音を、マイク２２０が取得する。
マイク２２０は、取得した音を音声データにて収録診断器１００へ送信する。また、ハンマ２１０は加振力を収録診断器１００へ送信する。収録診断器１００において記憶部１８０は、マイク２２０からの音声データとハンマ２１０からの加振力データとを記憶する。

次に、固有振動数検出部１９１は、マイク２２０が取得した音に基づいて、ＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数を検出する（ステップＳ１０２）。
図１０は、固有振動数検出部１９１がたわみ３次モード固有振動数を検出する処理手順の例を示すフローチャートである。固有振動数検出部１９１は、図９のステップＳ１０２において、図１０の処理を行う。

図１０の処理において、固有振動数検出部１９１は、記憶部１８０の記憶している音声データから、加振による音が含まれる一定時間分を切り出す（ステップＳ２０１）。例えば、固有振動数検出部１９１は、ハンマ２１０が測定した加振力が振幅最大を記録した時間から０．２秒間について、マイク２２０が取得した音のデータと、ハンマ２１０が測定した加振力のデータとを切り出す。
以下では、ハンマ２１０が測定した加振力を単に「加振力」と称する。

次に、固有振動数検出部１９１は、ステップＳ２０１で切り出した加振力、音それぞれのフーリエスペクトルを算出する（ステップＳ２０２）。そして、固有振動数検出部１９１は、音のフーリエスペクトルを加振力のフーリエスペクトルで除算することで、アクセレランスを求める（ステップＳ２０３）。
さらに、固有振動数検出部１９１は、得られたアクセレランスのうち、ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数が励起される周波数帯域を切り出す（ステップＳ２０４）。具体的には、固有振動数検出部１９１は、アクセレランスのうち６００ヘルツから１０００ヘルツまでの範囲のデータを切り出す。

そして、固有振動数検出部１９１は、切り出したアクセレランスのデータの無次元化を行う（ステップＳ２０５）。具体的には、固有振動数検出部１９１は、切り出したデータを当該データの最大値で除算する基準化を行う。
そして、固有振動数検出部１９１は、アクセレランスが１（最大値）となる振動数（周波数）をたわみ３次モードの固有振動数として検出する（ステップＳ２０６）。
その後、図１０の処理を終了して図９に戻る。

なお、固有振動数検出部１９１が、アクセレランスに代えて、音のフーリエスペクトルからたわみ３次モードの固有振動数を検出するようにしてもよい。この場合、ステップＳ２０１やＳ２０２における加振力に対する処理、および、ステップＳ２０３の処理は不要である。また、ステップＳ２０４〜Ｓ２０６において、「アクセレランス」を「音のフーリエスペクトル」と読み替える。

図９に戻って、ステップＳ１０２の後、固有振動数検出部１９１は、ステップＳ１０１およびＳ１０２の処理を所定回数繰り返したか否かを判定する（ステップＳ１０３）。例えば、固有振動数検出部１９１は、ステップＳ１０１およびＳ１０２の処理を２回実行したか否かを判定する。
ステップＳ１０１およびＳ１０２の処理の所定回数繰り返しが完了していないと判定した場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、ステップＳ１０１へ戻って繰り返しを実行する。

一方、繰り返しが完了したと判定した場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、固有振動数検出部１９１は、繰り返しにて得られた複数の固有振動数の平均値を算出し、ＰＣまくらぎを識別するための識別情報（ＩＤ）とともに記憶部１８０に記憶させる（ステップＳ１０４）。ＰＣまくらぎの識別情報として、例えばキロ程やまくらぎ番号を用いることができる。
そして、劣化判定部１９２は、得られた固有振動数に基づいてＰＣまくらぎの劣化判定を行う（ステップＳ１０５）。

図１１は、劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第１の例を示す説明図である。劣化判定部１９２は、図９のステップＳ１０５において図１１の処理を行う。
図１１の処理において、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が算出した平均値が所定の閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ３０１）。

ＰＣまくらぎの劣化診断データベースが構築されている場合、他のＰＣまくらぎの固有振動数に基づいて当該閾値を決定する。例えば、ステップＳ３０１において劣化判定部１９２は、データベース内の下位５パーセントに含まれるか否かを判定する。この５パーセントは、ＰＣまくらぎうち劣化しているものの割合が約５パーセントであるとの経験則に基づく値である。

平均値が閾値以上であると判定した場合（ステップＳ３０１：ＮＯ）、図１１の処理を終了し、図９の処理も終了する。
一方、平均値が閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、表示部１１０は、重要監視アラームを表示する（ステップＳ３０２）。ここでいう重要監視アラームは、対象となるＰＣまくらぎが劣化している可能性があり監視が必要であることを示すアラームである。
ステップＳ３０２の後、図１１の処理を終了し、図９の処理も終了する。

なお、１つのＰＣまくらぎに限らず、一群のＰＣまくらぎを重要監視対象としてもよい。具体的には、重要監視アラームの発せられたＰＣまくらぎと同じ路線の一群のＰＣまくらぎ、または、同じ製造パッチの一群のＰＣまくらぎを重要監視対象とする。
路線を対象とする場合、地盤や通過トン数や降雨などの環境的要因の影響を把握する。また、製造パッチを対象とする場合、製造時のコンクリートの材質の影響を把握する。そして、同様のＰＣまくらぎを重要監視対象とする。
これは、過去に異常が確認されたＰＣまくらぎと同様の箇所で同様の異常が発生する可能性が比較的高いとの経験則に基づく。
なお、ＰＣまくらぎの劣化診断データベースは、複数のＰＣまくらぎ劣化判定システムに共用で設けられていてもよいし、ＰＣまくらぎ劣化判定システム毎に設けられていてもよい。

ＰＣまくらぎの劣化診断データベースが構築されていない場合、劣化判定部１９２が、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値を用いて判定を行うことが考えられる。この場合、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する。

図１２は、劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第２の例を示す説明図である。劣化判定部１９２は、図９のステップＳ１０５において図１１の処理に代えて図１２の処理を行う。
図１２の処理において、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が算出した平均値が所定の第１閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ４０１）。第１閾値は、例えば健全なＰＣまくらぎの固有振動数の８５パーセントに設定する。

平均値が第１閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、表示部１１０は、重大な劣化発生のアラームを表示する（ステップＳ４０２）。その後、図１２の処理を終了し、図９の処理も終了する。
重大な劣化発生のアラームは、例えばひび割れが鉄筋に達する可能性があるなど、重大な劣化が発生している可能性を示すアラームである。

一方、ステップＳ４０１において平均値が第１閾値以上であると判定した場合（ステップＳ４０１：ＮＯ）、劣化判定部１９２は、平均値が所定の第２閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ４０３）。第２閾値は、第１閾値より大きい閾値であり、例えば健全なＰＣまくらぎの固有振動数の９５パーセントに設定する。

平均値が第２閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ４０３：ＹＥＳ）、表示部１１０は、劣化発生のアラームを表示する（ステップＳ４０４）。劣化発生のアラームは、重大な劣化発生のアラームよりは軽微な劣化が発生している可能性を示すアラームである。
ステップＳ４０４の後、図１２の処理を終了し、図９の処理も終了する。
一方、ステップＳ４０３において平均値が第２閾値以上であると判定した場合（ステップＳ４０３：ＮＯ）、図１２の処理を終了し、図９の処理も終了する。
なお、軌道の定期徒歩巡回点検終了時に、当該巡回点検で記録した全てのＰＣまくらぎの固有振動数の平均値を降順にソートし、劣化状態のランキングとしてアウトプットするようにしてもよい。

以上のように、マイク２２０は、ＰＣまくらぎへの加振により生じる音を取得する。そして、固有振動数検出部１９１は、マイク２２０が取得した音に基づいて、ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する。そして、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
これにより、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、目視点検に頼らずにＰＣまくらぎの劣化判定を行うことができ、この点において、ＰＣまくらぎの劣化状況をより容易に把握することができる。
また、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、マイク２２０が音を取得するという非接触のデータ取得を行うので、ＰＣまくらぎにセンサを接触させて設置するといった準備が不要である。この点において、ユーザの負担を軽減することができ、また、短時間で判定を行うことができる。また、診断終了後も、ＰＣまくらぎからセンサを取り外すといった処理が不要である。この点においても、ユーザの負担を軽減することができ、また、作業時間を短縮することができる。

また、劣化判定部１９２は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合の固有振動数を閾値として、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
これにより、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、劣化しているＰＣまくらぎの割合に応じた閾値を用いて劣化判定を行うなど、ＰＣまくらぎの保守点検における実績に応じた閾値を用いることができる。これにより、より正確にＰＣまくらぎの劣化判定を行うことができる。

また、劣化判定部１９２は、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値よりも、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
これにより、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、ユーザは、健全なＰＣまくらぎを基準として比較的容易に閾値を設定することができる。

また、マイク２２０を人から吊下げ可能なストラップ１１が設けられている。
ＰＣまくらぎの点検を行うユーザは、このストラップを用いてマイク２２０を吊下げた状態でＰＣまくらぎ劣化判定システム１を使用することで、マイク２２０をＰＣまくらぎの近くに位置させることができる。この点において、ユーザは、容易にＰＣまくらぎ劣化判定システム１を使用することができる。また、マイク２２０がＰＣまくらぎの近くに位置することで、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１の判定精度を高めることができる。

次に図１３〜図２０を参照して、本実施形態の方法によるＰＣまくらぎの劣化診断の例について説明する。まず、図１３を参照して、ひび割れのあるまくらぎの３次モード固有振動数と、健全なまくらぎの３次モード固有振動数との比較例について説明する。
図１３は、音の解析によるプレテンションＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数の検出例を示すグラフである。同図において、まくらぎ１、まくらぎ２は、いずれも、レール部下面にひび割れのあるＰＣまくらぎである。ここでいうレール部とは、レールを設置される部分である。
一方、まくらぎ３〜５は、いずれも、健全なまくらぎである。ここでいう健全なまくらぎとは、ひび割れなどの劣化が進んでいないまくらぎである。

図１３は、各まくらぎについて３回ずつたわみ３次モードの固有振動数を測定した結果を示している。レール部下面にひび割れのあるＰＣまくらぎの３次モード固有振動数は、いずれも、健全なＰＣまくらぎの３次モード固有振動数よりも５０ヘルツ（Ｈｚ）程度小さくなっている。

次に、図１４〜１５を参照して、載荷試験における３次モード固有振動数の変化の例について説明する。
図１４は、載荷試験における荷重位置を示す説明図である。同図において、線ＣＬは、ＰＣまくらぎの中心位置を示している。
図１４に示すように、ＰＣまくらぎの上面のレール部にパッド９０１を載せ、パッド９０１の上に載荷板９０２を載せ、載荷板９０２の上に荷重受け９０３を載せている。また、ＰＣまくらぎ下面では、荷重位置（パッド９０１が載せられた位置）ＰＣまくらぎの端側、中央側それぞれ３５０ミリメートル（ｍｍ）離れた位置にてＰＣまくらぎを支持している。

この状態で、荷重受け９０３の上側からの荷重載荷、除荷、測定を繰り返して、ＰＣまくらぎに徐々に損傷を与えながら３次元固有振動数の変化を観察した。測定では、ＰＣまくらぎの３次元固有振動数をスペクトルから求めた。
なお、試験は、ＪＩＳ Ｅ １２０１、および、ＪＩＳ Ｅ １２０２に準じて行った。

図１５は、載荷試験における３次モード固有振動数の測定結果を示すグラフである。同図の横軸は載荷荷重を示し、縦軸は、除荷した状態で測定を行って得られた３次モード固有振動数を示している。
１５０キロニュートン（ｋＮ）以上では、レール部の断面に大きなひび割れが見受けられており、３次モード固有振動数も、載荷荷重の増加にともなって低下している。３次モード固有振動数は、最大で５０ヘルツ程度低下しており、図１３に示すデータと整合している。

次に図１６〜２０を参照して、マイクを用いた劣化判定と、加速度センサを用いた劣化判定との比較結果について説明する。
図１６は、加速度センサを有するＰＣまくらぎ劣化判定システムの外形の例を示す概略外形図である。
同図において、ＰＣまくらぎ劣化判定システム２のハンマ２１０と、本体装置３００と、加速度センサ３２０とが示されている。加速度センサ３２０をＰＣまくらぎに設置した状態で、ハンマ２１０がＰＣまくらぎに加振すると、本体装置３００は、加速度センサ３２０が検出する加速度の周波数スペクトルから、ＰＣまくらぎの３次モード固有振動数を求める。

図１７は、加速度センサ３２０の設置位置の例を示す説明図である。同図に示すように、例えば、レール部よりもＰＣまくらぎの中心側のレール部付近に加速度センサ３２０を設置する。
加速度センサ３２０の設置は、例えば、加速度センサ３２０とＰＣまくらぎとの間に接着剤を塗って行ってもよいし、シリコングリスを塗って行ってもよい。

接着剤を用いる場合は接着剤が固まるのを待つ必要があるのに対し、シリコングリスを用いる場合、固まるのを待つ必要がない。シリコングリスを用いる場合、この点で加速度センサの設置に要する時間を短縮することができる。さらに、シリコングリスを用いる場合、接着剤を用いる場合よりも容易に加速度センサ３２０をＰＣまくらぎから取り外すことができる。シリコングリスを用いる場合、この点で測定後の加速度センサの取り外しに要する時間を短縮し、作業者の負担を軽減することができる。

但し、本実施形態におけるマイクを用いる方法では、加速度センサ等をＰＣまくらぎに設置する必要がなく、設置の時間も取り外しの時間も要しない。本実施形態におけるマイクを用いる方法では、この点でＰＣまくらぎの劣化の判定に要する時間、および、作業者の負担を軽減することができる。

図１８は、比較試験における加振位置を示す説明図である。同図の加振位置１のようにＰＣまくらぎのレール部の外側を加振しての３次モード固有振動数の測定を、加速度センサを用いる場合、マイクを用いる場合のそれぞれについて複数回行った。同様に、同図の加振位置２のようにＰＣまくらぎのレール部を加振しての３次モード固有振動数の測定を、加速度センサを用いる場合、マイクを用いる場合のそれぞれについて複数回行った。同図の加振位置３のようにＰＣまくらぎの中央付近を加振しての３次モード固有振動数の測定も、加速度センサを用いる場合、マイクを用いる場合のそれぞれについて複数回行った。
それぞれの加振位置について、得られる３次モード固有振動数のばらつき度合いを調べるため、加振位置毎に、得られた３次モード固有振動数の平均値を求めた。平均値±５０ヘルツ以内を成功、平均値±５０ヘルツよりもばらつきが大きい場合を失敗とし、成功率を算出した。

図１９は、３次モード固有振動数の検出成功率を示すグラフである。加振位置１、２、３毎に、加速度センサを用いた場合、マイクを用いた場合のそれぞれについて、上記の成功率を示している。同図においてＡは、加速度センサを用いた場合を示し、Ｂは、マイクを用いた場合を示している。
加振位置２および３では、加速度センサを用いた場合、マイクを用いた場合共に高い成功率を得られており、特に、加振位置３では１００パーセントの成功率を得られている。この試験結果から、ＰＣまくらぎの中央付近を加振する（ハンマ２１０で叩く）ことで、得られる３次モード固有振動数のばらつきを低減させられると考えられる。

図２０は、ＰＣまくらぎの中央付近を加振した得られた３次モード固有振動数を示すグラフである。ＰＣまくらぎ１〜１６の１６個のＰＣまくらぎの各々について、加速度センサを用いた場合、マイクを用いた場合それぞれ、３回ずつ測定を行い、得られた固有振動数をグラフに示している。
同図に示すように、いずれの測定でも、加速度センサを用いた場合とマイクを用いた場合とで同様の結果を得られた。このように、本実施形態におけるマイクを用いた方法にて、加速度センサを用いた場合と同様に、高い精度で３次モード固有振動数を得られた。３次モード固有振動数を高精度に得られることで、本実施形態におけるマイクを用いた方法にて、ＰＣまくらぎの劣化の有無を高精度に判定し得る。

なお、制御部１９０の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１ ＰＣまくらぎ劣化判定システム
１００ 収録診断器
１１０ 表示部
１８０ 記憶部
１９０ 制御部
１９１ 固有振動数検出部
１９２ 劣化判定部
２１０ ハンマ
２２０ マイク

Claims (6)

1. ＰＣまくらぎへの加振により生じる音を取得するマイクと、
   前記マイクが取得した音に基づいて、前記ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する固有振動数検出部と、
   前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定部と、
   を具備するＰＣまくらぎ劣化判定システム。
2. 前記劣化判定部は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合の固有振動数を閾値として、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する、請求項１に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
3. 前記劣化判定部は、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値よりも、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する、請求項１に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
4. 前記ＰＣまくらぎ劣化判定システムは、前記マイクを人から吊下げ可能なストラップを具備する、請求項１から３のいずれか１項に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
5. ＰＣまくらぎへの加振により生じる音を取得する集音ステップと、
   前記集音ステップにて取得した音に基づいて、前記ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する固有振動数検出ステップと、
   前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、
   を有するＰＣまくらぎ劣化判定方法。
6. ＰＣまくらぎの劣化を判定するコンピュータに、
   前記ＰＣまくらぎへの加振により生じる音に基づいて、前記ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数を検出する固有振動数検出ステップと、
   前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、
   を実行させるためのプログラム。