JP2018179573A

JP2018179573A - 鉄道車両の走行速度・位置検出方法及び停車時判定方法

Info

Publication number: JP2018179573A
Application number: JP2017074971A
Authority: JP
Inventors: 育▲徳▼ 久田; Ikunori Hisada; 研介長澤; Kensuke Nagasawa; 通孝橋本; Michitaka Hashimoto
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Railway Technology Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Railway Technology Co Ltd
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】ＧＰＳデータを使用することなく、また車輪の回転パルスデータを用いることなく、車両の走行速度及び走行位置を無人で正確に検出できる車両速度・位置検出方法を提供する。【解決手段】鉄道車両１０に搭載された６軸慣性センサ２０の出力である車両１０の前後方向加速度αx を積分して、車両１０の走行速度及び走行位置を求める。その際、車両１０のピッチ角速度ωpit から車両１０の縦勾配情報を求め、これにより、軌道勾配Ｐによる誤差を前後方向加速度αx から取り除く。前記ピッチ角速度ωpit に対しては、車両１０のヨー角速度ωyaw 、ロール角速度ωroll及びこれを積分して求めたロール角θrollによる補正を加える。車両１０が駅に停車する車両停車期間についても、車両１０の前後方向加速度αx から検出し、積分により蓄積された誤差を停車時に取り除く。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両における振動や騒音、車体応力、脱線係数等の計測を実施する際に必要な車両の走行速度データ及び走行位置データを得るのに用いられる鉄道車両の走行速度・位置検出方法及び停車時判定方法に関し、特に地下区間（地下鉄路線とは限らない）における各種計測に適した鉄道車両の走行速度・位置検出方法及び停車時判定に関する。

鉄道車両においては、車両の性能調査試験の一環として、現車を用いて車両の振動や台車応力、脱線係数、乗り心地、騒音等を測定することが行われる。この測定は、現在、有人で行われているが、今後は測定を無人で行い、その測定データを車両から有人の事務所等へ自動的に無線伝送する仕組みが必要になることが予想される。そして、その際に重要なことは、各種の測定データに車両の走行速度及び走行位置を正確に対応させること、すなわち測定データがどの走行位置でのものか、いかなる走行速度でのものかを明確にすることである。このため、各種の測定データと共に、車両の走行速度及び走行位置を正確に検出することが求められる。

鉄道車両の走行速度・走行位置の検出についてはＧＰＳの利用が考えられる。しかしながら、地下鉄線内ではＧＰＳの利用が不可能である。地下鉄線内を考慮すると、ＧＰＳデータを用いない車両の走行速度・走行位置の検出方法が求められており、その一つとして、車両に搭載した前後加速度センサにより車両の前後方向加速度を測定すると共に、その測定データから軌道勾配に起因する加速度の影響を取り除いて積分を行うことにより車両の走行速度及び走行位置を検出する方法が、特許文献１により提示されている。

すなわち、ＧＰＳデータを使わずに車両の走行速度及び走行位置を検出するためには、車両の前後方向加速度から車両の走行速度及び走行位置を検出する慣性法が有効であるが、慣性法による車両の走行速度及び走行位置の検出では、測定された加速度データに軌道勾配による加速度が含まれ、速度データ及び位置データに悪影響を及ぼす。このため、測定された加速度データから軌道勾配による加速度の影響を取り除くことが重要となる。

引用文献１に記載された方法では、車両の前後方向加速度から車両の走行速度及び走行位置を検出する慣性法において、軌道勾配に起因する加速度の影響が排除されるので、高い精度で車両の走行速度及び走行位置が検出される。

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、その軌道勾配についてのデータを予め求めておく必要がある。具体的には、営業路線を走行する車両の制御系から車両の速度信号（車輪の回転パルス信号）を取り出すと共に、その車両に搭載した前後加速度センサから車両の前後方向加速度信号を取り出し、取り出した両信号をデータ処理して、前記営業路線における軌道勾配を求めるが、営業路線を走行する車両の制御系から車輪の回転パルス信号を取り出すことは、ＡＴＳ等の制御機器への影響を回避するために配線等に関して鉄道事業者の協力を必要とし、ハードルが高いので現実的とは言えない。

現実的には、鉄道車両の側から信号を受け取ることなく、鉄道車両に搭載したセンサ、特に取り扱いが簡単な慣性センサの出力のみから、車両の走行速度及び走行位置を検出することが求められる。

鉄道車両の走行速度及び走行位置を検出するためには、その鉄道車両が駅に停車している期間を知ることも重要であるので、鉄道車両に搭載した慣性センサの出力から鉄道車両の停車時を判定する方法も求められる。なお、鉄道車両の走行距離検出に慣性センサを併用する事自体は公知である（非特許文献１）。

特開２０１６−１３０６７５号公報鉄道総研論文：慣性センサを併用した複合型位置検知システムの開発（RTRI REPORT Vol.30 No.1 Jan.2016）

本発明の目的は、車両の前後方向加速度から車両の走行速度及び走行位置を検出する慣性法での誤差要因である軌道勾配を求めて排除するにあたり、その軌道勾配を慣性センサの出力から簡単に計測することにより、車両の走行速度及び走行位置を無人で正確に且つ簡単に検出できる鉄道車両の車両速度・位置検出方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、鉄道車両に搭載した慣性センサの出力から鉄道車両の停車期間を正確に且つ簡単に検出できる鉄道車両の停車時判定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の鉄道車両の走行速度・位置検出方法は、鉄道車両の前後方向加速度から走行速度及び走行位置を検出するにあたり、前記鉄道車両の前後方向加速度αx を測定すると共に、前記鉄道車両のピッチ角速度ωpit を測定し、そのピッチ角速度ωpit の測定値を積分することにより前記鉄道車両のピッチ角θpit を求め、そのピッチ角θpit から求めた前記鉄道車両の縦勾配情報Ｐを軌道勾配として、前記鉄道車両の前後方向加速度αx を補正する。

本発明の鉄道車両の走行速度・距離検出方法においては、前記鉄道車両が停車した車両停車期間に、前記鉄道車両の前後方向加速度αx から停車時ピッチ角θpit-stを求め、前記鉄道車両のピッチ角速度ωpit から算出したピッチ角θpit を、前記停車時ピッチ角θpit-stにより補正するのが好ましい。

また、前記鉄道車両のピッチ角速度ωpit からピッチ角θpit を算出する際には、そのピッチ角速度ωpit に対して、前記鉄道車両のヨー角速度ωyaw 、ロール角速度ωroll及びロール角θrollによる補正を加えるのが好ましい。

前記鉄道車両のロール角θrollについては、前記鉄道車両のロール角速度ωrollを積分して求めるのが好ましい。その際、前記鉄道車両が停車した車両停車期間に、前記鉄道車両の左右方向加速度αy 及び上下方向加速度αz から停車時ロール角θroll-st を求め、前記鉄道車両のロール角速度ωrollから算出したロール角θrollを、前記停車時ロール角θroll-stにより補正するのが好ましい。

また、本発明の鉄道車両の停車時判定方法は、鉄道車両に搭載された慣性センサの出力から当該車両の停車期間を判定する鉄道車両の停車時判定方法であって、
前記鉄道車両の前後方向加速度αx 若しくはこれに類する加速度が一定値を所定時間以上維持する定加速度期間を検出する第１段階の工程と、
検出された定加速度期間より前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上小さいマイナス加速度が検出され、且つ前記定加速度期間より後の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きいプラス加速度が検出されたときに、前記定加速度期間を前記鉄道車両の停車期間とする第２段階の工程とを含む。

本発明の鉄道車両の停車時判定方法においては、前記第２段階の工程は、前記定加速度期間より前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きい第１のプラス加速度が検出されると共に、第１のプラス加速度が検出された時点より更に前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上小さいマイナス加速度が検出され、更に前記定加速度期間より後の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きい第２のプラス加速度が検出されたときに、前記定加速度期間を前記鉄道車両の停車期間とすることもできる。

本発明の鉄道車両の走行速度・位置検出方法は、各種の計測において、各種の計測データに対応させる車両の走行速度及び走行位置を、当該車両に搭載する慣性センサの出力から検出するので、ＧＰＳデータを使う必要がない。このため地下鉄線内にも対応できる。その際、車輪の回転パルスデータも使用する必要がないので、車両に手を加える必要がなく、計測装置の車両への設置が容易であると共に、その設置に伴う車両制御系統への悪影響を排除することができる。

また、本発明の鉄道車両の停止時判定方法は、鉄道車両に搭載した慣性センサの出力から当該車両の停車期間を正確に且つ簡単に検出できるので、鉄道車両の走行速度・位置検出方法に用いて、その検出精度の向上、検出方法の簡略化等に有効である。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両の走行速度・位置検出方法に用いられるシステムの概略構成図である。同走行速度・位置検出方法における制御手順を示すフローチャートである。同走行速度・位置検出方法おける軌道勾配の算出手順を示すフローチャートである。同走行速度・位置検出方法におけるロール角の算出手順を示すフローチャートである。同走行速度・位置検出方法における停車時判定の手順を示すフローチャートである。軌道勾配が鉄道車両の左右方向加速度に与える影響を説明するための正面図である。軌道勾配が鉄道車両の前後方向加速度に与える影響を説明するための側面図である。前記停車時判定の第１段階を説明するためのグラフで、前後方向加速度の経時変化を示す。前記停車時判定の第２段階を説明するためのグラフで、前後方向加速度の経時変化を示す。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態の車両速度・位置検出方法は、例えば地下鉄の営業路線における振動や騒音、車体応力、脱線係数等の各種データの計測を行う際に各種の計測データに対応させる車両の走行速度データ及び走行位置データを採取するのに使用される。

この車両速度・位置検出方法では、図１に示すように、鉄道車両１０が営業路線を走行する際に、当該車両１０に搭載された６軸慣性センサ２０により、車両１０の前後方向加速度αx 、左右方向加速度αy 、上下方向加速度αz 、ピッチ角速度ωpit 、ロール角速度ωroll 及びヨー角速度ωyaw が測定され、各測定データが、当該車両１０に搭載されたコンピュータにより所定の手順に従って処理されることにより、当該車両１０の走行速度及び走行位置が求められる。ここにおける測定データの処理手順を図２〜図９により説明する。

本実施形態の車両速度・位置検出方法は、基本的には、図２に示すように、車両１０について測定された前後方向加速度αx を積分して車両１０の走行速度Ｖを求め、更にこれを積分して車両１０の走行位置、すなわち走行距離Ｌを求める慣性法であるが、この方法では、車両１０の前後方向加速度αx が、軌道勾配Ｐによって車両１０に発生する加速度（ｇ・Ｐ）の影響を含み、αx ＝α'x＋ｇ・Ｐとなる。ここで、α'xは、車両１０を走行させるための走行加速度で、車両１０の前後方向加速度αx から、軌道勾配Ｐによる誤差を取り除いたものである。

本実施形態の車両速度・位置検出方法では、走行加速度α'xを（αx −ｇ・Ｐ）により求めると共に、これに必要な軌道勾配Ｐについても、６軸慣性センサ２０による測定データから求める。また、軌道勾配Ｐによる誤差を含まない走行加速度α'x（＝αx −ｇ・Ｐ）を求めたとしても、これを積分すると誤差が蓄積して、車両１０の走行速度Ｖが不正確になるので、本方法では、車両１０の停車時に走行速度Ｖを０に強制的に一致させる停車時補正を行うが、これに必要な車両１０の停車時判定についても、６軸慣性センサ２０による測定データに基づいて行う。

以下に、６軸慣性センサ２０による測定データから軌道勾配Ｐを求める方法を図３及び図４並びに図６及び図７により説明し、６軸慣性センサ２０による測定データから停車時判定を行う方法を図５並びに図８及び図９により説明する。

６軸慣性センサ２０による測定データから軌道勾配Ｐを求める方法では、図３に示すように、基本的には、６軸慣性センサ２０により測定されたピッチ角速度ωpit を積分してピッチ角θpit を求め、そのピッチ角θpit から次の（１）式により車両１０の縦勾配情報を求め、これを軌道勾配Ｐとするが、ピッチ角速度ωpit はヨー角速度ωyaw 、ロール角速度ωroll 及びロール角θroll の影響を受けるので、その影響を取り除いた補正ピッチ角速度ω'pitを下の（２）式により求める。（２）式は前記非特許文献１に示されており、式中のｋは曲線時の係数（進行方向右側：ｋ＝−１、進行方向左側：ｋ＝＋１）である。
Ｐ＝ｇ・ｓｉｎθpit ・・・（１）
ω'pit＝ωpit ＋ωyaw ×sin θroll−ｋ・ωroll・sin θroll・・・（２）

ここで、前記ロール角θrollは、図４に示すように、基本的には、ロール角速度ωrollを積分することにより求めるが、積分では誤差が蓄積するので、車両１０が停車するごとに、停車時補正を行う。すなわち、停車までに算出したロール角θroll を、停車時のロール角θroll-st に強制的に一致させる。ここにおける停車時ロール角θroll-st は、図６から分かるように、次の（３）式により求める。停車時判定の手順については、後で図５並びに図８及び図９により説明する。
θroll-st＝arctan（αy ／αz ）・・・（３）

補正ピッチ角速度ω'pitが求まると、図３に示すように、これを積分し、停車時補正を行うことによりピッチ角θpit を求める。停車時補正では、停車までに算出したピッチ角θpit を、停車時のピッチ角θpit-stに強制的に一致させる。ここにおける停車時ピッチ角θpit-stは、図７から分かるように、次の（４）式により求める。停車時判定の手順については、後で図５並びに図８及び図９により説明する。
θpit-st＝arcsin（αx ／ｇ）・・・（４）

ピッチ角θpit が求まると、そのピッチ角θpit から前記（１）式により車両１０の縦勾配情報が求まり、これが軌道勾配Ｐとなることは前述したとおりである。

次に、積分により走行速度Ｖを求める際（図２）、同じく積分によりロール角θroll を求める際（図４）、同じく積分によりピッチ角θpit を求める際（図３）にそれぞれ用いる停車時判定を、図５並びに図８及び図９により具体的に説明する。

車両１０の停車時判定も、６軸慣性センサ２０による測定データの特に前後方向加速度αx により行う。すなわち、図５に示すように、必要に応じて６軸慣性センサ２０により測定された前後方向加速度αx を移動平均した後、その前後方向加速度αx-ave に対して、第１段階の判定及び第２段階の判定を行う。

第１段階の判定では、図８に示すように、移動平均された前後方向加速度αx-ave が一定に維持される定加速度期間、より具体的には、前記前後方向加速度αx-ave が所定範囲（全振幅が２ｗ以内）内で所定時間以上（Ｔｏ以上でＴｏは例えば２０秒）続く定加速度期間を検出する。定加速度期間が検出されると、その定加速度期間の開始時刻ｔａ及び終了時刻ｔｂを検出する。

ここにおける定加速度期間は、移動平均された前後方向加速度αx-ave が一定に維持される期間であるので、鉄道車両１０が駅に停車している車両停車期間を含むが、それ以外にも惰行期間、低速走行期間、特に低速惰行期間などを含む。このため、車両停車期間以外の定加速度期間を排除することを目的として、鉄道車両１０の停車に特徴的な加速度変化のパターンを複合的に検出する。これが第２段階の判定である。

すなわち、第２段階の判定では、図９に示すように、検出された定加速度期間に対して次の３つの判定を行う。第１は、定加速度期間の開始時刻ｔａより前の所定時間Ｔ１内に、開始時刻ｔａにおける前後方向加速度αx-ave より所定値以上大きい第１のプラス加速度ｈ１が検出されるか否かの判定である。第２は、第１のプラス加速度ｈ１が検出されたとき、その検出時点より前の所定時間Ｔ２内に、開始時刻ｔａにおける前後方向加速度αx-ave より所定値以上小さいマイナス加速度ｈ２が検出されるか否かの判定である。第３は、定加速度期間の終了時刻ｔｂより後の所定時間Ｔ３内に、終了時刻ｔｂにおける前後方向加速度αx-ave より所定値以上大きい第２のプラス加速度ｈ３が検出されるか否かの判定である。

そして、第１のプラス加速度ｈ１、マイナス加速度ｈ２、及び第２のプラス加速度ｈ３の全てが検出されたときに、その定加速度期間を車両停車期間とする。

鉄道車両１０が停車するとき、特に駅停車するときは、減速の後に停車し、所定時間経過後に発車するが、停車の直前に揺り戻しがある。前記マイナス加速度ｈ２は停車前の減速動作に対応し、第１のプラス加速度ｈ１が停車直前の揺り戻し動作に対応する。そして、第２のプラス加速度ｈ３が発車動作に対応し、これらが全て揃った定加速度期間を車両停車期間とする。これにより、６軸慣性センサ２０の出力データである前後方向加速度αx-ave から、車両停車期間が高精度に検出される。

すなわち、鉄道車両１０の停車を一度の判定で検出するよりも、２段階の判定、すなわち定加速度期間の検出と停車に特徴的な加速度の変化パターン検出との組み合わせにより検出する方が、結果的に高精度で簡単となるのである。

また、第１段階の定加速度期間の検出においては、６軸慣性センサ２０の出力である前後方向加速度αx を用い、且つ前後方向加速度αx の定加速度期間を検出し、必ずしも前後方向加速度αx が０の期間を検出するわけではないので、簡単で安定な検出が可能となる。

運転手の技能が高い場合、停車直前の揺り戻しが小さいことがある。この場合の停車を検出するためには、第２段階の停車に特徴的な加速度の変化パターン検出を次の２工程で行うのがよい。第１は、定加速度期間より前の所定時間内に、定加速度期間における加速度より所定値以上小さいマイナス加速度を検出する工程であり、第２は、定加速度期間より後の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きいプラス加速度を検出する工程であり、両方が検出されたときに、定加速度期間を鉄道車両１０の停車期間とする。

前後方向加速度αx に類する加速度とは、前後方向加速度αx を平均化したものであり、使用可能であるならば、前後方向加速度αx から軌道勾配Ｐによく誤差を取り除いて走行加速度α'x、これを平均化したものなども含む。

１０鉄道車両
２０６軸慣性センサ

Claims

鉄道車両の前後方向加速度から走行速度及び走行位置を検出するにあたり、前記鉄道車両の前後方向加速度αx を測定すると共に、前記鉄道車両のピッチ角速度ωpit を測定し、そのピッチ角速度ωpit の計測値を積分することにより前記鉄道車両のピッチ角θpit を求め、そのピッチ角θpit から求めた前記鉄道車両の縦勾配情報を軌道勾配Ｐとして、前記鉄道車両の前後方向加速度αx を補正する鉄道車両の走行速度・距離検出方法。
請求項１に記載の鉄道車両の走行速度・距離検出方法において、前記鉄道車両が停車した車両停車期間に、前記鉄道車両の前後方向加速度αx から停車時ピッチ角θpit-stを求め、前記鉄道車両のピッチ角速度ωpit から算出したピッチ角θpit を、前記停車時ピッチ角θpit-stにより補正する鉄道車両の走行速度・距離検出方法。
請求項１又は２に記載の鉄道車両の走行速度・距離検出方法において、前記鉄道車両のピッチ角速度ωpit からピッチ角θpit を算出する際に、そのピッチ角速度ωpit に対して、前記鉄道車両のヨー角速度ωyaw 、ロール角速度ωroll及びロール角θrollによる補正を加える鉄道車両の走行速度・距離検出方法。
請求項３に記載の鉄道車両の走行速度・距離検出方法において、前記鉄道車両のロール角θrollは、前記鉄道車両のロール角速度ωrollを積分して求める鉄道車両の走行速度・距離検出方法。
請求項４に記載の鉄道車両の走行速度・距離検出方法において、前記鉄道車両が停車した車両停車期間に、前記鉄道車両の左右方向加速度αy 及び上下方向加速度αz から停車時ロール角θroll-st を求め、前記鉄道車両のロール角速度ωrollから算出したロール角θrollを、前記停車時ロール角θroll-st により補正する鉄道車両の走行速度・距離検出方法。
請求項２又は５に記載の鉄道車両の走行速度・距離検出方法において、前記車両停車期間を、下記工程を用いて検出する鉄道車両の走行速度・距離検出方法。
前記鉄道車両の前後方向加速度αx 若しくはこれに類する加速度が一定値を所定時間以上維持する定加速度期間を検出する第１段階の工程。
及び、検出された定加速度期間より前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上小さいマイナス加速度が検出され、且つ前記定加速度期間より後の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きいプラス加速度が検出されたときに、前記定加速度期間を前記鉄道車両の停車期間とする第２段階の工程。
請求項６に記載の鉄道車両の走行速度・距離検出方法において、
前記第２段階の工程は、前記定加速度期間より前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きい第１のプラス加速度が検出されると共に、第１のプラス加速度が検出された時点より更に前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上小さいマイナス加速度が検出され、更に前記定加速度期間より後の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きい第２のプラス加速度が検出されたときに、前記定加速度期間を前記鉄道車両の停車期間とする鉄道車両の走行速度・距離検出方法。
鉄道車両に搭載された慣性センサの出力から当該車両の停車期間を判定する鉄道車両の停車時判定方法であって、
前記鉄道車両の前後方向加速度αx 若しくはこれに類する加速度が一定値を所定時間以上維持する定加速度期間を検出する第１段階の工程と、
検出された定加速度期間より前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上小さいマイナス加速度が検出され、且つ前記定加速度期間より後の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きいプラス加速度が検出されたときに、前記定加速度期間を前記鉄道車両の停車期間とする第２段階の工程とを含む鉄道車両の停車時判定方法。
請求項８に記載の鉄道車両の停車時判定方法において、
前記第２段階の工程は、前記定加速度期間より前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きい第１のプラス加速度が検出されると共に、第１のプラス加速度が検出された時点より更に前の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上小さいマイナス加速度が検出され、更に前記定加速度期間より後の所定時間内に、前記定加速度期間における加速度より所定値以上大きい第２のプラス加速度が検出されたときに、前記定加速度期間を前記鉄道車両の停車期間とする鉄道車両の停車時判定方法。