JP2018203024A - Derailment sign detection system, control device, derailment sign detection method, and derailment sign detection program - Google Patents
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Abstract
【課題】列車の脱線予兆の検知精度を高めることが可能な脱線予兆検知システムを提供すること。【解決手段】台車に搭載した角速度センサ35から出力されるピッチ角速度θ(t)、ロール角速度φ(t)のそれぞれにウェーブレット解析を適用し、ピッチ角速度のウェーブレット係数14およびロール角速度のウェーブレット係数15を算出する。時系列で変化する2つのウェーブレット係数14、15の各々をウェーブレット係数の閾値16と比較し、両方が閾値を上回った時に脱線予兆を検知する。例えば0.5〜100Hzの低周波領域について算出したウェーブレット係数を利用する。周波数領域と時間領域の2種類の脱線予兆検知アルゴリズムを組み合わせて脱線予兆検知精度を高める。ウェーブレット解析の採用により、周波数領域のリアルタイム処理が可能になり、脱線予防が実現する。【選択図】図4A derailment sign detection system capable of increasing the accuracy of detection of a derailment sign of a train is provided. Wavelet analysis is applied to each of a pitch angular velocity θ (t) and a roll angular velocity φ (t) output from an angular velocity sensor 35 mounted on a carriage, and a wavelet coefficient 14 of a pitch angular velocity and a wavelet coefficient 15 of a roll angular velocity are applied. Is calculated. Each of the two wavelet coefficients 14 and 15 changing in time series is compared with a wavelet coefficient threshold 16 and a derailment sign is detected when both exceed the threshold. For example, a wavelet coefficient calculated for a low frequency region of 0.5 to 100 Hz is used. Derailment sign detection accuracy is improved by combining two types of derailment sign detection algorithms in the frequency domain and the time domain. By adopting wavelet analysis, real-time processing in the frequency domain becomes possible, and derailment prevention is realized. [Selection] Figure 4
Description
本発明は、脱線予兆検知システム、制御装置、脱線予兆検知方法、および脱線予兆検知プログラムに関する。 The present invention relates to a derailment sign detection system, a control device, a derailment sign detection method, and a derailment sign detection program.
鉄道列車の脱線の予兆を検知する従来技術として、本発明者らによる特許文献1および特許文献2に記載の技術が知られている。 As a conventional technique for detecting a sign of derailment of a railway train, techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2 by the present inventors are known.
特許文献1の技術では、走行中の台車のピッチ角速度およびロール角速度を、台車枠に取り付けたセンサによって検出し、検出した台車ピッチ角速度または台車ピッチ角速度の検出値が予め設定した閾値よりも大きくなったこと、および検出した台車ロール角速度または台車ロール角速度の積算値が予め設定した閾値よりも大きくなったことを条件として脱線予兆と判定する。 In the technique of Patent Document 1, the pitch angular velocity and the roll angular velocity of a traveling cart are detected by a sensor attached to the cart frame, and the detected value of the detected cart pitch angular velocity or the cart pitch angular velocity is larger than a preset threshold value. And that the detected bogie roll angular velocity or the integrated value of the bogie roll angular velocity is larger than a preset threshold value, it is determined as a derailment sign.
また、特許文献2の技術では、検知された台車のロール角速度を記憶装置に記憶させ、ロール角速度の履歴に基づいて移動平均を算出し、この移動平均からロール角速度の予測値を算出している。そして、検知された台車のピッチ角速度と、ロール角速度の所定時間後の予測値との夫々が既定した閾値を上回った場合に列車の脱線予兆と判定している。 In the technique of Patent Document 2, the roll angular velocity of the detected carriage is stored in a storage device, a moving average is calculated based on the history of the roll angular velocity, and a predicted value of the roll angular velocity is calculated from the moving average. . Then, when each of the detected pitch angular velocity of the carriage and the predicted value after a predetermined time of the roll angular velocity exceeds a predetermined threshold, it is determined that the train is derailed.
特許文献1、特許文献2の従来技術を利用することにより、列車の脱線予兆を検知することが可能であるが、これらの従来技術は条件によっては必ずしも十分な性能が発揮できないことがあった。例えば、試験軌道で計測されたデータに基づいて決定した閾値等のパラメータを実際の営業路線を走行する列車に適用した場合には、レールの継ぎ目等の箇所でピッチ角速度、ロール角速度に発生する外乱による著大値の影響により、脱線予兆の誤検知が発生する場合があった。また、脱線予兆を検知するために利用する閾値が走行速度に大きく依存する状況であるため、適切な閾値の決定が困難であり、特に低速域においては誤検知が生じやすい傾向があった。 By using the prior arts of Patent Document 1 and Patent Document 2, it is possible to detect a sign of a derailment of a train. However, these conventional techniques may not always exhibit sufficient performance depending on conditions. For example, when parameters such as threshold values determined based on data measured on the test track are applied to trains traveling on actual business routes, disturbances that occur in the pitch angular velocity and roll angular velocity at locations such as rail joints In some cases, the detection of derailment signs may be erroneously detected due to the influence of the extreme value. In addition, since the threshold value used to detect the derailment sign depends largely on the traveling speed, it is difficult to determine an appropriate threshold value, and there is a tendency that false detection tends to occur particularly in a low speed range.
また、ピッチ角速度、ロール角速度などの分析については様々な手法を採用することが考えられるが、列車の脱線予兆を検知する場合には、予兆が発生してから0.2秒以内にそれを検知して直ちに対策を講じないと脱線の回避が困難であるという制約があるため、ほぼリアルタイムで分析可能な手法以外は採用できない。 In addition, various methods may be adopted for analysis of pitch angular velocity, roll angular velocity, etc., but when detecting a derailment sign of a train, it is detected within 0.2 seconds after the sign is generated. Since there is a restriction that it is difficult to avoid derailment unless measures are taken immediately, methods other than those that can be analyzed almost in real time cannot be adopted.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、列車の脱線予兆の検知精度を高めることが可能な脱線予兆検知システム、制御装置、脱線予兆検知方法、および脱線予兆検知プログラムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a purpose thereof is a derailment sign detection system, a control device, a derailment sign detection method, and a derailment sign detection capable of improving the detection accuracy of a train derailment sign. To provide a program.
前述した目的を達成するために、本発明に係る脱線予兆検知システム、制御装置、脱線予兆検知方法、および脱線予兆検知プログラムは、下記(1)〜(6)を特徴としている。
(1) 列車に設けられ、走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度を検出する検知部と、
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出すると共に、前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し、算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が夫々既定した閾値を上回った場合、前記列車の脱線予兆と判定する制御装置と、
前記制御装置が脱線予兆と判定した場合、脱線予兆を外部に通知する出力部と、
を備える脱線予兆検知システム。
In order to achieve the above-described object, a derailment sign detection system, a control device, a derailment sign detection method, and a derailment sign detection program according to the present invention are characterized by the following (1) to (6).
(1) A detection unit that is provided in a train and detects a pitch angular velocity and a roll angular velocity of a running train;
The pitch angular velocity wavelet coefficient is calculated as a first wavelet coefficient, the roll angular velocity wavelet coefficient is calculated as a second wavelet coefficient, and the calculated first wavelet coefficient and second wavelet coefficient are calculated. When each exceeds a predetermined threshold value, a control device that determines a derailment sign of the train,
When the controller determines that it is a derailment sign, an output unit that notifies the derailment sign to the outside,
Derailment sign detection system with
上記(1)の構成の脱線予兆検知システムによれば、列車の脱線予兆の検知精度を高めることが可能である。すなわち、ピッチ角速度及びロール角速度の各々の検出値をウェーブレット解析して得られる第1のウェーブレット係数、及び第2のウェーブレット係数を閾値と比較して判定することにより、低速時にレール継ぎ目等の箇所で発生する外乱の影響による誤検知を減らすことができる。 According to the derailment sign detection system configured as described in (1) above, it is possible to improve the detection accuracy of a train derailment sign. That is, the first wavelet coefficient obtained by wavelet analysis of each detected value of the pitch angular velocity and the roll angular velocity, and the second wavelet coefficient are compared with a threshold value to determine at a position such as a rail joint at a low speed. It is possible to reduce false detection due to the influence of the generated disturbance.
(2) 前記制御装置は、低周波領域の範囲内のみに限定して、前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数を算出する、
上記(1)に記載の脱線予兆検知システム。
(2) The control device calculates the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient only within the low frequency region.
The derailment sign detection system according to (1) above.
上記(2)の構成の脱線予兆検知システムによれば、列車の脱線予兆の検知精度を更に高めることが可能である。すなわち、列車の車輪フランジがレールに乗り上がり脱線に至る際には、ピッチ角速度及びロール角速度の両方に低周波数の高い出力が存在することが確認されているので、低周波領域の範囲内で算出した第1のウェーブレット係数、及び第2のウェーブレット係数を利用することにより、脱線予兆の検知精度が改善される。 According to the derailment sign detection system configured as described in (2) above, it is possible to further increase the accuracy of detection of a train derailment sign. In other words, when the train wheel flange rides on the rail and reaches derailment, it is confirmed that there is a high output of low frequency in both the pitch angular velocity and the roll angular velocity, so it is calculated within the low frequency range. By using the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient, the detection accuracy of the derailment sign is improved.
(3) 前記制御装置は、少なくとも前記ロール角速度について、検出値の履歴に基づき移動平均を算出し、前記移動平均から前記ロール角速度の変化を予測し、前記ロール角速度の予測値と、算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数とに基づいて、前記列車の脱線予兆を判定する、
上記(1)又は(2)に記載の脱線予兆検知システム。
(3) The control device calculates a moving average based on a history of detection values for at least the roll angular velocity, predicts a change in the roll angular velocity from the moving average, and calculates a predicted value of the roll angular velocity. Determining a derailment sign of the train based on the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient;
The derailment sign detection system according to (1) or (2) above.
上記(3)の構成の脱線予兆検知システムによれば、ロール角速度の予測値、算出された第1のウェーブレット係数、及び前2のウェーブレット係数を組み合わせた条件について判定できるので、脱線予兆の検知精度を更に改善することが可能である。 According to the derailment sign detection system configured as described in (3) above, it is possible to determine a condition that combines the predicted roll angular velocity, the calculated first wavelet coefficient, and the previous two wavelet coefficients. Can be further improved.
(4) 列車に設けられ、所定の検知部で検知された走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度に基づき、前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出すると共に、前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し、算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が夫々既定した閾値を上回った場合、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆と判定された場合、脱線予兆検知を外部に通知する、制御装置。 (4) A wavelet coefficient of the pitch angular velocity is calculated as a first wavelet coefficient based on the pitch angular velocity and the roll angular velocity of the running train that is provided in the train and detected by a predetermined detector, and the roll angular velocity A wavelet coefficient is calculated as a second wavelet coefficient, and when the calculated first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed a predetermined threshold value, it is determined as a derailment sign of the train, and a derailment sign A control device that notifies the outside of the derailment sign detection when it is determined.
上記(4)の構成の制御装置によれば、上記(1)の脱線予兆検知システムと同様に、列車の脱線予兆の検知精度を高めることが可能である。 According to the control device having the configuration (4), it is possible to improve the detection accuracy of the derailment sign detection system for the train as in the derailment sign detection system (1).
(5) 走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度の検出値を入力し、
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出し、
前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し、
算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数の夫々を既定した閾値と比較し、
前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が前記閾値を上回った場合に、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆検知を外部に通知する、
脱線予兆検知方法。
(5) Enter the detected values of the pitch angular velocity and roll angular velocity of the running train,
Calculating the wavelet coefficient of the pitch angular velocity as a first wavelet coefficient;
Calculating the wavelet coefficient of the roll angular velocity as a second wavelet coefficient;
Comparing each of the calculated first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient with a predetermined threshold;
When the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed the threshold, it is determined as a derailment sign of the train, and derailment sign detection is notified to the outside.
Derailment sign detection method.
上記(5)の構成の脱線予兆検知方法によれば、上記(1)の脱線予兆検知システムと同様に、列車の脱線予兆の検知精度を高めることが可能である。 According to the derailment sign detection method having the configuration of (5), it is possible to improve the accuracy of detection of a derailment sign detection system for a train, as in the derailment sign detection system of (1).
(6) 走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度の検出値を入力するステップと、
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出するステップと、
前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出するステップと、
算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数の夫々を既定した閾値と比較するステップと、
前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が前記閾値を上回った場合に、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆検知を外部に通知するステップと、
を含む処理をコンピュータに実行させる脱線予兆検知プログラム。
(6) a step of inputting detected values of the pitch angular velocity and the roll angular velocity of the running train;
Calculating the pitch angular velocity wavelet coefficient as a first wavelet coefficient;
Calculating the roll angular velocity wavelet coefficient as a second wavelet coefficient;
Comparing each of the calculated first wavelet coefficients and the second wavelet coefficients with a predetermined threshold;
When the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed the threshold, determining a derailment sign of the train, and notifying derailment sign detection to the outside,
A derailment sign detection program for causing a computer to execute processing including
上記(6)の構成の脱線予兆検知プログラムを所定のコンピュータで実行することにより、上記(1)の脱線予兆検知システムと同様に、列車の脱線予兆の検知精度を高めることが可能である。 By executing the derailment sign detection program configured as described in (6) above with a predetermined computer, it is possible to improve the detection accuracy of the derailment sign detection system of the train as in the derailment sign detection system according to (1).
本発明の脱線予兆検知システム、制御装置、脱線予兆検知方法、および脱線予兆検知プログラムによれば、列車の脱線予兆の検知精度を高めることが可能である。すなわち、列車の車輪フランジがレールに乗り上がり脱線に至る際には、ピッチ角速度及びロール角速度の両方に低周波数の高い出力が存在することが確認されているので、低周波領域の範囲内で算出した前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数を利用することにより、脱線予兆の検知精度が改善される。 According to the derailment sign detection system, the control device, the derailment sign detection method, and the derailment sign detection program of the present invention, it is possible to improve the detection accuracy of the train derailment sign detection. In other words, when the train wheel flange rides on the rail and reaches derailment, it is confirmed that there is a high output of low frequency in both the pitch angular velocity and the roll angular velocity, so it is calculated within the low frequency range. By using the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient, the detection accuracy of the derailment sign is improved.
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という。)を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。 The present invention has been briefly described above. Further, the details of the present invention will be further clarified by reading through a mode for carrying out the invention described below (hereinafter referred to as “embodiment”) with reference to the accompanying drawings. .
本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。 Specific embodiments relating to the present invention will be described below with reference to the drawings.
<列車の構成例>
本発明の実施形態の脱線予兆検知システムを搭載する列車20の構成例を図1に示す。列車20の台車22のボギーフレーム25を上方から視た状態を図2に示す。また、このボギーフレーム25を側面から視た状態を図3に示す。
<Example of train configuration>
The structural example of the train 20 carrying the derailment sign detection system of embodiment of this invention is shown in FIG. The state which looked at the bogie frame 25 of the trolley | bogie 22 of the train 20 from upper direction is shown in FIG. Moreover, the state which looked at this bogie frame 25 from the side is shown in FIG.
本発明の脱線予兆検知システム50は、図1に示したような構成の列車20に搭載した状態で使用される。なお、図1に示した列車20は2両編成の場合であるが、1両もしくは3両以上の編成の列車20にも利用できる。 The derailment sign detection system 50 of the present invention is used in a state of being mounted on the train 20 having the configuration as shown in FIG. In addition, although the train 20 shown in FIG. 1 is a case of two-car train, it can also be used for a train 20 of one train or three or more trains.
図1に示すように、列車20の各車体21は、その下部に接続され、車体21を支持する複数の台車22を備えている。図1の例では各車体21の前後にそれぞれ2つの台車22が備わっている。各々の台車22は、図2および図3に示すようなボギーフレーム25を備えている。 As shown in FIG. 1, each vehicle body 21 of the train 20 includes a plurality of carriages 22 that are connected to the lower portion thereof and support the vehicle body 21. In the example of FIG. 1, two carriages 22 are provided before and after each vehicle body 21. Each carriage 22 includes a bogie frame 25 as shown in FIGS.
ボギーフレーム25には、これを跨ぐように車軸23が設けられ、車軸23の両端にはレールと接する車輪24が接続されている。また、図2および図3に示すように、ボギーフレーム25の前後方向の中央付近、かつ列車20の幅方向の左側方に、角速度センサ35が配置してある。また、列車20の走行速度を検出する速度センサ34(図4参照)も台車22に備わっている。 The bogie frame 25 is provided with an axle 23 so as to straddle the wheel, and wheels 24 in contact with the rails are connected to both ends of the axle 23. As shown in FIGS. 2 and 3, an angular velocity sensor 35 is disposed near the center in the front-rear direction of the bogie frame 25 and on the left side in the width direction of the train 20. The carriage 22 is also provided with a speed sensor 34 (see FIG. 4) that detects the traveling speed of the train 20.
角速度センサ35は、ピッチ角速度、およびロール角速度を検知する。本実施形態では、音叉型振動子を有するマイクロジャイロスコープとして構成された角速度センサ35を用いている。ピッチ角速度は、ピッチ方向、すなわち列車20の幅方向を軸とした回転(又は傾斜)の角速度であり、ロール角速度は、ロール方向、すなわち列車20の前後方向を軸とした回転(又は傾斜)の角速度である。 The angular velocity sensor 35 detects the pitch angular velocity and the roll angular velocity. In the present embodiment, an angular velocity sensor 35 configured as a micro gyroscope having a tuning fork vibrator is used. The pitch angular velocity is an angular velocity of rotation (or inclination) around the pitch direction, that is, the width direction of the train 20, and the roll angular velocity is the rotation (or inclination) around the roll direction, ie, the front-rear direction of the train 20. Angular velocity.
<脱線予兆検知システム50の構成例>
図4は、脱線予兆検知システム50の構成例である。
<Configuration example of derailment sign detection system 50>
FIG. 4 is a configuration example of the derailment sign detection system 50.
図4に示した脱線予兆検知システム50は、例えば図1に示した列車20の台車22毎にそれぞれ用意され、各脱線予兆検知システム50の制御ユニット51が車体21上に設置される。各脱線予兆検知システム50の制御ユニット51に、各台車22に装着された角速度センサ35および速度センサ34の電気信号が入力される。勿論、複数の車体21の複数の台車22を、1つの制御ユニット51で集中的に制御することも可能である。 The derailment sign detection system 50 shown in FIG. 4 is prepared for each carriage 22 of the train 20 shown in FIG. 1, for example, and the control unit 51 of each derailment sign detection system 50 is installed on the vehicle body 21. Electric signals from the angular velocity sensor 35 and the velocity sensor 34 mounted on each carriage 22 are input to the control unit 51 of each derailment sign detection system 50. Of course, the plurality of carriages 22 of the plurality of vehicle bodies 21 can be centrally controlled by the single control unit 51.
制御ユニット51はコンピュータであり、短時間で計算処理を完了できるように十分な性能のハードウェアを備えている。また、周波数領域脱線予兆検知ユニット10、時間領域脱線予兆検知ユニット30、および最終判定部40に相当する各機能を実現するための制御用ソフトウェアを備えている。なお、制御ユニット51の内部に独立した複数のコンピュータを備えてもよい。 The control unit 51 is a computer and has hardware with sufficient performance so that the calculation process can be completed in a short time. Further, control software for realizing each function corresponding to the frequency domain derailment sign detection unit 10, the time domain derailment sign detection unit 30, and the final determination unit 40 is provided. A plurality of independent computers may be provided inside the control unit 51.
図4に示した脱線予兆検知システム50は、列車20の脱線予兆を検知して脱線を予防するために、2種類の脱線予兆検知アルゴリズムを搭載している。一方の脱線予兆検知アルゴリズムは周波数領域脱線予兆検知ユニット10に組み込まれており、もう一方の脱線予兆検知アルゴリズムは時間領域脱線予兆検知ユニット30に組み込まれている。 The derailment sign detection system 50 shown in FIG. 4 is equipped with two types of derailment sign detection algorithms in order to detect a derailment sign of the train 20 and prevent derailment. One derailment sign detection algorithm is incorporated in the frequency domain derailment sign detection unit 10, and the other derailment sign detection algorithm is incorporated in the time domain derailment sign detection unit 30.
詳細については後述するが、周波数領域脱線予兆検知ユニット10に組み込まれている脱線予兆検知アルゴリズムは、角速度センサ35が出力するピッチ角速度θ(t)、およびロール角速度φ(t)を入力し、これらの信号の各々にウェーブレット解析を適用して信号毎にウェーブレット係数を算出する。なお、「t」は時間を表す。そして、時系列で変化するピッチ角速度のウェーブレット係数、およびロール角速度のウェーブレット係数の各々を事前に定めた閾値と比較することにより脱線予兆の有無を識別する。実際には、ピッチ角速度のウェーブレット係数が閾値を上回り、同時にロール角速度のウェーブレット係数が閾値を上回った状態になると、脱線予兆として検知する。 Although details will be described later, the derailment sign detection algorithm incorporated in the frequency domain derailment sign detection unit 10 inputs the pitch angular velocity θ (t) and the roll angular velocity φ (t) output from the angular velocity sensor 35, and these A wavelet coefficient is calculated for each signal by applying wavelet analysis to each of the signals. “T” represents time. Then, the presence / absence of a derailment sign is identified by comparing each of the wavelet coefficient of the pitch angular velocity and the wavelet coefficient of the roll angular velocity that change in time series with a predetermined threshold value. Actually, when the wavelet coefficient of the pitch angular velocity exceeds the threshold value and at the same time the wavelet coefficient of the roll angular velocity exceeds the threshold value, it is detected as a derailment sign.
一方、時間領域脱線予兆検知ユニット30に組み込まれている脱線予兆検知アルゴリズムは、基本的に特許文献2に開示されているアルゴリズムと同じである。すなわち、角速度センサ35が出力するピッチ角速度θ(t)、およびロール角速度φ(t)と、速度センサ34が出力する走行速度V(t)とをそれぞれ入力して処理する。そして、移動平均の計算に基づきロール角速度の変化を予測する。更に、ピッチ角速度と閾値との比較や、ロール角速度の予測値と閾値との比較を行い、その結果により脱線予兆を検知する。時間領域脱線予兆検知ユニット30が使用する各閾値については、走行速度V(t)に応じて適切な値が採用される。 On the other hand, the derailment sign detection algorithm incorporated in the time domain derailment sign detection unit 30 is basically the same as the algorithm disclosed in Patent Document 2. That is, the pitch angular velocity θ (t) and roll angular velocity φ (t) output from the angular velocity sensor 35 and the traveling speed V (t) output from the speed sensor 34 are input and processed. Then, a change in the roll angular velocity is predicted based on the calculation of the moving average. Furthermore, the pitch angular velocity is compared with a threshold value, or the roll angular velocity is predicted and compared with a threshold value, and a derailment sign is detected based on the result. About each threshold value which the time domain derailment sign detection unit 30 uses, a suitable value is employ | adopted according to driving speed V (t).
基本的には、新たに開発された脱線予兆検知アルゴリズムを組み込んだ周波数領域脱線予兆検知ユニット10だけでも、脱線予兆検知について十分な性能が得られる。しかし、周波数領域脱線予兆検知ユニット10のアルゴリズムと、時間領域脱線予兆検知ユニット30のアルゴリズムとはそれぞれ異なる長所と短所を有している。したがって、2種類の脱線予兆検知アルゴリズムをうまく使い分けることにより、より効果的に脱線を回避することが可能になる。 Basically, sufficient performance can be obtained for derailment sign detection only by the frequency domain derailment sign detection unit 10 incorporating the newly developed derailment sign detection algorithm. However, the algorithm of the frequency domain derailment sign detection unit 10 and the algorithm of the time domain derailment sign detection unit 30 have different advantages and disadvantages. Therefore, it is possible to avoid derailment more effectively by properly using the two types of derailment sign detection algorithms.
そこで、最終判定部40は、周波数領域脱線予兆検知ユニット10が出力する脱線予兆判定出力17と、時間領域脱線予兆検知ユニット30が出力する脱線予兆判定出力18とを入力し、これらの信号に基づいて最適な列車の制御を実施する。 Therefore, the final determination unit 40 receives the derailment sign determination output 17 output from the frequency domain derailment sign detection unit 10 and the derailment sign determination output 18 output from the time domain derailment sign detection unit 30, and is based on these signals. And implement optimal train control.
最終判定部40の出力には、列車のブレーキ装置38、および列車の散水装置39が接続されている。すなわち、脱線予兆が検知された場合にブレーキ装置38で制動をかけることにより、脱線を防止することができる。散水装置39は、レールと車輪フランジとの接触部分に散水する装置である。つまり、脱線予兆として車輪フランジがレールに乗り上がった状態になっている時に、その接触箇所に散水して摩擦係数を低減させる。これにより、レールに乗り上がった車輪フランジを正常な位置に戻すことができ、脱線を防止できる。なお、本実施形態では、脱線予兆検知システム50が散水装置39を備える場合を例に説明しているが、これは一例であり、散水装置39に代えて、あるいは散水装置39に加え、脱線を防止するための別の装置を備えるようにしてもよい。 A train brake device 38 and a train watering device 39 are connected to the output of the final determination unit 40. That is, derailment can be prevented by applying braking by the brake device 38 when a derailment sign is detected. The water sprinkler 39 is a device that sprinkles water on the contact portion between the rail and the wheel flange. That is, when the wheel flange is on the rail as a derailment sign, water is sprayed on the contact portion to reduce the friction coefficient. As a result, the wheel flange riding on the rail can be returned to the normal position, and derailment can be prevented. In this embodiment, the case where the derailment sign detection system 50 includes the watering device 39 is described as an example, but this is an example, and derailment is performed instead of or in addition to the watering device 39. You may make it provide another apparatus for preventing.
最終判定部40の代表的な制御例としては、周波数領域脱線予兆検知ユニット10が出力する脱線予兆判定出力17により脱線予兆を認識した場合には、最終判定部40が列車のブレーキ装置38を制御してブレーキをかけるように制御する。また、時間領域脱線予兆検知ユニット30が出力する脱線予兆判定出力18により脱線予兆を認識した場合には、最終判定部40が列車の散水装置39を制御して散水し、摩擦係数を低減する。 As a typical control example of the final determination unit 40, when a derailment sign is recognized by the derailment sign determination output 17 output from the frequency domain derailment sign detection unit 10, the final determination unit 40 controls the brake device 38 of the train. And control to apply the brake. Moreover, when the derailment sign is recognized by the derailment sign determination output 18 output from the time domain derailment sign detection unit 30, the final determination unit 40 controls the train watering device 39 to sprinkle to reduce the friction coefficient.
なお、脱線予兆を検知した時に、警報を出力したり、疑似音声信号などを用いて危険であることを報知してもよい。但し、実際には脱線予兆を検知してから0.2秒以内に散水やブレーキの制御を実施しないと脱線を回避できない。したがって、最終判定部40により散水やブレーキの制御を自動的に実施することが望ましい。 When a derailment sign is detected, an alarm may be output or a danger may be notified using a pseudo audio signal or the like. However, in practice, derailment cannot be avoided unless water spray and brake control are performed within 0.2 seconds after the derailment sign is detected. Therefore, it is desirable that the final determination unit 40 automatically controls watering and braking.
<周波数領域脱線予兆検知ユニット10>
周波数領域脱線予兆検知ユニット10の構成例を図5に示す。図5に示した周波数領域脱線予兆検知ユニット10は、2つのウェーブレット変換処理部11、12、および脱線予兆判定部13を備えている。
<Frequency domain derailment sign detection unit 10>
A configuration example of the frequency domain derailment sign detection unit 10 is shown in FIG. The frequency domain derailment sign detection unit 10 illustrated in FIG. 5 includes two wavelet transform processing units 11 and 12 and a derailment sign determination unit 13.
ウェーブレット変換処理部11は、角速度センサ35が出力するピッチ角速度θ(t)の信号を一定の周期(例えば1/200[秒])で繰り返しサンプリングして入力し、この信号に対してウェーブレット変換処理を実施する。ウェーブレット変換処理部11の出力にはピッチ角速度のウェーブレット係数14が時系列の信号として得られる。ウェーブレット変換については後で説明する。 The wavelet transformation processing unit 11 repeatedly samples and inputs a signal of the pitch angular velocity θ (t) output from the angular velocity sensor 35 at a constant period (for example, 1/200 [second]), and performs wavelet transformation processing on the signal. To implement. A wavelet coefficient 14 of pitch angular velocity is obtained as a time-series signal at the output of the wavelet transform processing unit 11. The wavelet transform will be described later.
また、ウェーブレット変換処理部12は、角速度センサ35が出力するロール角速度φ(t)の信号を一定の周期(例えば1/200[秒])で繰り返しサンプリングして入力し、この信号に対してウェーブレット変換処理を実施する。ウェーブレット変換処理部12の出力にはロール角速度のウェーブレット係数15が時系列の信号として得られる。 The wavelet transform processing unit 12 repeatedly samples and inputs the roll angular velocity φ (t) signal output from the angular velocity sensor 35 at a constant period (for example, 1/200 [second]), and outputs the wavelet to this signal. Perform the conversion process. The wavelet coefficient 15 of the roll angular velocity is obtained as a time-series signal at the output of the wavelet transform processing unit 12.
様々な実験を行った結果によれば、列車の車輪フランジ乗り上がり脱線の発生時には、ロール角速度およびピッチ角速度の両方に低周波の高出力があることが分かった。そこで、脱線の予兆を効果的に検知するために、ウェーブレット変換処理部11および12のそれぞれは、予め定めた低周波領域の範囲内、例えば0.5〜100[Hz]の範囲内に限定してウェーブレット係数を算出する。 According to the results of various experiments, it was found that there was a high output of low frequency in both the roll angular velocity and the pitch angular velocity when the derailment occurred on the wheel flange of the train. Therefore, in order to effectively detect a sign of derailment, each of the wavelet transform processing units 11 and 12 is limited to a predetermined low frequency region, for example, a range of 0.5 to 100 [Hz]. To calculate wavelet coefficients.
脱線予兆判定部13は、ウェーブレット変換処理部11が出力するピッチ角速度のウェーブレット係数14と、ウェーブレット変換処理部12が出力するロール角速度のウェーブレット係数15と、ウェーブレット係数の閾値16とに基づいて脱線予兆の判定を実施する。ウェーブレット係数の閾値16については、ピッチ角速度のウェーブレット係数14およびロール角速度のウェーブレット係数15の両者に対してそれぞれ独立した閾値を割り当ててもよいが、両者に共通の閾値を用いている。また本実施形態では、ウェーブレット係数の閾値16は事前に定めた定数であり、変化しない。しかし、場合によっては、例えば列車の走行速度などに応じてウェーブレット係数の閾値16の値が多少変化するように調整してもよい。 The derailment sign determination unit 13 is based on the pitch angular velocity wavelet coefficient 14 output from the wavelet transform processing unit 11, the roll angular velocity wavelet coefficient 15 output from the wavelet transform processing unit 12, and the wavelet coefficient threshold 16. Perform the determination. As the wavelet coefficient threshold 16, independent thresholds may be assigned to both the pitch angular velocity wavelet coefficient 14 and the roll angular velocity wavelet coefficient 15, but a common threshold is used for both. In the present embodiment, the wavelet coefficient threshold 16 is a predetermined constant and does not change. However, depending on the case, for example, the value of the threshold 16 of the wavelet coefficient may be adjusted to be slightly changed according to the traveling speed of the train.
脱線予兆判定部13は、ピッチ角速度のウェーブレット係数14の値が閾値16を上回り、同時にロール角速度のウェーブレット係数15の値が閾値16を上回った状態を検知すると、脱線予兆判定出力17に、脱線予兆検知を示す信号を出力する。 When the derailment sign determination unit 13 detects a state where the value of the wavelet coefficient 14 of the pitch angular velocity exceeds the threshold 16 and at the same time the value of the wavelet coefficient 15 of the roll angular velocity exceeds the threshold 16, the derailment sign determination output 17 outputs the derailment sign determination output 17. A signal indicating detection is output.
<時間領域脱線予兆検知ユニット30>
時間領域脱線予兆検知ユニット30における入出力および判定の条件を図6に示す。
<Time domain derailment sign detection unit 30>
The input / output and determination conditions in the time domain derailment sign detection unit 30 are shown in FIG.
図6および図4に示したように、時間領域脱線予兆検知ユニット30の入力にはピッチ角速度θ(t)、ロール角速度φ(t)、および走行速度V(t)の信号が入力される。また、時間領域脱線予兆検知ユニット30が制御上で使用するパラメータとして、図6に示すように、ピッチ角速度閾値、ロール角速度移動平均予測値閾値、検知時間、傾斜計測時間、予測時間がある。ここで、ピッチ角速度閾値、およびロール角速度移動平均予測値閾値の各々の値は走行速度V(t)に最適な値を利用するように変化する。 As shown in FIGS. 6 and 4, signals of the pitch angular velocity θ (t), the roll angular velocity φ (t), and the traveling speed V (t) are input to the time domain derailment sign detection unit 30. Further, parameters used by the time domain derailment sign detection unit 30 for control include a pitch angular velocity threshold value, a roll angular velocity moving average predicted value threshold value, a detection time, an inclination measurement time, and a prediction time, as shown in FIG. Here, each value of the pitch angular velocity threshold value and the roll angular velocity moving average predicted value threshold value changes so as to use an optimum value for the traveling velocity V (t).
図6において時間領域脱線予兆検知ユニット30のブロック中に示したように、時間領域脱線予兆検知ユニット30は、3つの条件を比較することにより脱線予兆の検知について判定し、その結果を警告として出力する。比較する3つの条件は次の通りであり、これらの論理積により判定する。 As shown in the block of the time domain derailment sign detection unit 30 in FIG. 6, the time domain derailment sign detection unit 30 determines the detection of the derailment sign by comparing three conditions and outputs the result as a warning. To do. The three conditions to be compared are as follows, and these are determined by their logical product.
(1)ピッチ角速度θ(t)がピッチ角速度の閾値(速度依存)以上である。
(2)ロール角速度φ(t)の移動平均値Φがその閾値(速度依存)以上である。
(3)ロール角速度φ(t)の移動平均に基づく予測値Φpがその閾値(速度依存)以上である。
時間領域脱線予兆検知ユニット30における処理の内容については、特許文献2に開示されている従来技術と同じであるので、詳細な説明は省略する。
(1) The pitch angular velocity θ (t) is greater than or equal to the pitch angular velocity threshold (speed dependent).
(2) The moving average value Φ of the roll angular velocity φ (t) is equal to or greater than the threshold value (speed dependency).
(3) The predicted value Φp based on the moving average of the roll angular velocity φ (t) is equal to or greater than the threshold value (speed dependency).
Since the contents of the processing in the time domain derailment sign detection unit 30 are the same as those of the prior art disclosed in Patent Document 2, detailed description thereof is omitted.
<ウェーブレット変換の説明>
ウェーブレット分析における入力信号および様々なウェーブレットの各波形を図7に示す。また、マザーウェーブレットとして使用するモルレーウェーブレットの波形を図8に示す。ただし、マザーウェーブレットには解析対象に合わせてさまざまな波形を用いることができる。
<Description of wavelet transform>
FIG. 7 shows an input signal in the wavelet analysis and each waveform of various wavelets. FIG. 8 shows the waveform of a Morley wavelet used as a mother wavelet. However, various waveforms can be used for the mother wavelet according to the analysis target.
なお、信号の周波数解析を行う手法として一般的にはフーリエ解析が用いられる。しかし、フーリエ変換を実施すると、時間に関する情報が失われてしまうので、列車の脱線予兆のように突発的な変化を検出しようとする用途においては必要な情報が得られない。また、ハミングウィンドウを使った短時間フーリエ解析の場合には、短時間で低周波を捉えることが難しいため、例えば0.2秒以内に脱線予兆を検知できない。 Note that Fourier analysis is generally used as a technique for performing frequency analysis of signals. However, when the Fourier transform is performed, information about time is lost, so that necessary information cannot be obtained in an application for detecting an abrupt change such as a train derailment sign. Further, in the case of short-time Fourier analysis using a Hamming window, it is difficult to detect a low frequency in a short time, and therefore, a derailment sign cannot be detected within 0.2 seconds, for example.
ウェーブレットは一時的な波であり、ウェーブレット解析は任意の時系列データをウェーブレットの和として表現する手法である。例えば、図7に示したように、任意の入力信号として波W1が入力される場合に、これを様々なウェーブレットに分解し、例えばウェーブレットW2、W3、W4、W5、W6の和として波W1を表現することができる。 A wavelet is a temporary wave, and wavelet analysis is a technique for expressing arbitrary time-series data as a sum of wavelets. For example, as shown in FIG. 7, when a wave W1 is input as an arbitrary input signal, the wave W1 is decomposed into various wavelets. For example, the wave W1 is obtained as the sum of the wavelets W2, W3, W4, W5, and W6. Can be expressed.
ウェーブレット変換には、連続ウェーブレット変換(CWT)と、離散ウェーブレット変換(DWT)とがある。連続ウェーブレット変換においては、マザーウェーブレットを利用し、このマザーウェーブレットに対して移動、拡大/縮小されたコピーと入力信号の波とを比較する。連続ウェーブレット変換においては、信号と解析関数との類似性の測定に内積を使う。マザーウェーブレットについては様々な形状を用いることができる。ウェーブレットが複素値であると、CWTはスケールと位置の複素値関数となり、信号が実数値であると、CWTはスケールと位置の実数値関数となる。連続ウェーブレット変換は次式で表すことができる。 Wavelet transformation includes continuous wavelet transformation (CWT) and discrete wavelet transformation (DWT). In the continuous wavelet transform, a mother wavelet is used, and a copy that has been moved and enlarged / reduced with respect to the mother wavelet is compared with the wave of the input signal. In continuous wavelet transform, inner product is used to measure the similarity between signal and analytic function. Various shapes can be used for the mother wavelet. If the wavelet is a complex value, the CWT is a complex value function of scale and position, and if the signal is a real value, the CWT is a real value function of scale and position. The continuous wavelet transform can be expressed as:
C(a,b;f(t),Ψ(t)):ウェーブレット係数(CWT係数)
a:スケールパラメータ
b:位置パラメータ
f(t):入力信号(原信号)
Ψ(t):マザーウェーブレット
t:時間
C (a, b; f (t), Ψ (t)): wavelet coefficient (CWT coefficient)
a: Scale parameter b: Position parameter f (t): Input signal (original signal)
Ψ (t): Mother wavelet t: Time
つまり、マザーウェーブレットΨ(t)および入力信号f(t)に基づき、スケールパラメータ(a)、および位置パラメータ(b)の断続的な変化により、ウェーブレット係数が得られる。各係数に適切な拡大/縮小され、移動されたウェーブレット(例えば図7に示すW2〜W6)を乗じると、原信号の構成ウェーブレットが生じる。 That is, based on the mother wavelet Ψ (t) and the input signal f (t), wavelet coefficients are obtained by intermittent changes in the scale parameter (a) and the position parameter (b). Multiplying each coefficient by the appropriate scaled and moved wavelet (eg, W2-W6 shown in FIG. 7) produces the constituent wavelet of the original signal.
本実施形態のウェーブレット変換処理部11、12においては、ウェーブレット変換のマザーウェーブレットΨ(t)として、図8に示したモルレーウェーブレットの波形を採用している。モルレーウェーブレットには実数値版と、複素値版とがある。実数値版のモルレーウェーブレットは次式で表される。正規化及び再構成に定数が使用される。 In the wavelet transform processing units 11 and 12 of the present embodiment, the waveform of the Morley wavelet shown in FIG. 8 is adopted as the mother wavelet Ψ (t) of the wavelet transform. There are two types of Morray wavelets: a real value version and a complex value version. The real value version of the Morley wavelet is expressed by the following equation. Constants are used for normalization and reconstruction.
前記第(1)式の連続ウェーブレット変換(CWT)は、フーリエ逆変換を用いて次式のように書き換えることができる。これにより、信号の周波数ベースのフィルタリングとして連続ウェーブレット変換を解釈することもできる。
上記第(3)式は、時間の経過後のウェーブレットの広がりは、周波数領域のそのサポートの収縮の原因となることを示している。中心周波数は、広がりのため、低周波数の方へ移動する。ウェーブレット変換では、ウェーブレット動作の拡大は、エネルギーの保存と定義される。収縮中エネルギーを保存するために、周波数サポートはピークエネルギーレベルの増大を必要とする。品質係数(またはフィルタ係数と呼ばれることもある)は、ピークエネルギー対帯域幅の比率である。そのため、ウェーブレットは定数Qフィルタということもある。ウェーブレットの周波数サポートの収縮と拡張がピークエネルギーの比例した増加または減少を生じるからである。これは、列車の脱線予兆を検知するに際し利用価値のあるウェーブレットの重要な特性である。 Equation (3) above shows that the spread of the wavelet after time causes the support to contract in the frequency domain. The center frequency moves toward lower frequencies due to the spread. In the wavelet transform, the expansion of the wavelet operation is defined as energy conservation. In order to conserve energy during contraction, frequency support requires an increase in peak energy levels. The quality factor (or sometimes called the filter factor) is the ratio of peak energy to bandwidth. Therefore, the wavelet is sometimes called a constant Q filter. This is because the contraction and expansion of the wavelet frequency support results in a proportional increase or decrease in peak energy. This is an important characteristic of a wavelet that has utility value in detecting a derailment sign of a train.
上記第(3)式は、CWTをフーリエ変換の積のフーリエ逆変換として基本的に定義している。これは、CWTをフーリエ逆変換を用いて計算できることを意味する。
離散フーリエ変換の計算には効率的アルゴリズムがある。そこで、CWTにおける効率的アルゴリズムの採用を可能にするために、CWTの考え方をフーリエ領域に適用し、CWTの計算式を構築する。
The above equation (3) basically defines CWT as the inverse Fourier transform of the product of the Fourier transform. This means that CWT can be calculated using inverse Fourier transform.
There is an efficient algorithm for the calculation of the discrete Fourier transform. Therefore, in order to enable the adoption of an efficient algorithm in CWT, the concept of CWT is applied to the Fourier domain, and a calculation formula for CWT is constructed.
上記第(4)式は次式の形式で書き換えることができる。
CWTの離散バージョンを実行する場合には、入力系列をN長ベクトル(x[n])として表す。CWTの畳み込みの離散バージョンは次式で表される。
上記第(6)式の形式でCWTを取得するためには、シフトされたパラメータ(b)の各値の畳み込みを計算し、それぞれのスケール(a)に対し、このプロセスを繰り返す必要がある。但し、2つの系列が環状に広がり、長さNまで期分けされる場合、環状畳み込みは、離散フーリエ変換の積として次の第(7)式で表せる。CWTは、積のフーリエ逆変換である。 In order to obtain CWT in the form of equation (6) above, it is necessary to calculate the convolution of each value of the shifted parameter (b) and repeat this process for each scale (a). However, when the two sequences spread in a ring and are divided into lengths N, the circular convolution can be expressed by the following equation (7) as the product of the discrete Fourier transform. CWT is the inverse Fourier transform of the product.
上記のように、CWTをフーリエ逆変換として表わすことにより、高速フーリエアルゴリズムを採用してCWTの計算を実施することが可能になる。これにより、計算効率を大幅に高め、畳み込みの計算コストを削減できる。 As described above, by expressing the CWT as the inverse Fourier transform, it is possible to calculate the CWT using the fast Fourier algorithm. As a result, the calculation efficiency can be greatly increased, and the calculation cost of convolution can be reduced.
以上に説明したような手法を用いて、図5に示したウェーブレット変換処理部11および12が、それぞれウェーブレット変換の計算処理を実施する。ウェーブレット変換処理部11はピッチ角速度θ(t)を処理してピッチ角速度のウェーブレット係数14を算出する。また、ウェーブレット変換処理部12はロール角速度φ(t)を処理してロール角速度のウェーブレット係数15を算出する。算出されるピッチ角速度のウェーブレット係数14、およびロール角速度のウェーブレット係数15は、いずれも変化する時系列の信号である。 Using the method described above, the wavelet transform processing units 11 and 12 shown in FIG. 5 each perform a wavelet transform calculation process. The wavelet transform processing unit 11 processes the pitch angular velocity θ (t) to calculate the pitch angular velocity wavelet coefficient 14. The wavelet transform processing unit 12 processes the roll angular velocity φ (t) and calculates the roll angular velocity wavelet coefficient 15. The calculated pitch angular velocity wavelet coefficient 14 and roll angular velocity wavelet coefficient 15 are both time-series signals that change.
<実験データの説明>
図4に示した脱線予兆検知システム50の周波数領域脱線予兆検知ユニット10、および時間領域脱線予兆検知ユニット30の各々が列車脱線予兆を正しく検知できるように各種閾値等のパラメータを事前に適切に決定する必要がある。そのために、実験を行いその結果のデータを利用して、脱線予兆検知システム50の調整を実施した。
<Explanation of experimental data>
Parameters such as various thresholds are appropriately determined in advance so that each of the frequency domain derailment sign detection unit 10 and the time domain derailment sign detection unit 30 of the derailment sign detection system 50 shown in FIG. 4 can correctly detect the train derailment sign. There is a need to. For this purpose, an experiment was performed and the data of the result was used to adjust the derailment sign detection system 50.
東京大学千葉実験所の試験軌道において、実物大台車を使い、様々な走行速度についてフランジ乗り上がり脱線試験を実施した。この試験においては、安全に脱線試験ができるように様々な工夫が施された。また、図1に示した列車20と同じように、台車上に角速度センサ35、速度センサ34、およびその他のセンサを取り付けて試験を実施した。すなわち、台車におけるピッチ角速度θ(t)、ロール角速度φ(t)、および走行速度V(t)を含む時系列データを計測し、データロガーを用いてこれを記録した。 On the test track of the University of Tokyo Chiba Laboratory, a full-scale trolley was used to carry out flange derailment tests at various running speeds. In this test, various measures were taken so that the derailment test can be performed safely. Further, as in the case of the train 20 shown in FIG. 1, the angular velocity sensor 35, the speed sensor 34, and other sensors were attached on the carriage, and the test was performed. That is, time series data including a pitch angular velocity θ (t), a roll angular velocity φ (t), and a traveling speed V (t) in the carriage was measured and recorded using a data logger.
この実験の結果として、次の表1に示した「試験1」、「試験2」、「試験3」、「試験4」、「試験5」、「試験6」、「試験7」、および「試験8」の8組のデータをそれぞれ抽出し各データの分析を実施した。 As a result of this experiment, “Test 1”, “Test 2”, “Test 3”, “Test 4”, “Test 5”, “Test 6”, “Test 7”, and “Test 7” shown in Table 1 below are shown. Eight sets of data of “Test 8” were extracted and analyzed.
試験軌道を用いた実験で得られた8種類の試験データのそれぞれにおけるロール角速度(Roll)およびピッチ角速度(Pitch)のウェーブレット係数の時間推移を図9(a)、図9(b)、図9(c)、図9(d)、図9(e)、図9(f)、図9(g)、および図9(h)にそれぞれ示す。図9(a)〜図9(h)において、各グラフの横軸は時間(秒)を表し、縦軸はウェーブレット係数の値を表す。 FIG. 9A, FIG. 9B, and FIG. 9 show time transitions of the wavelet coefficients of the roll angular velocity (Roll) and the pitch angular velocity (Pitch) in each of the eight types of test data obtained in the experiment using the test trajectory. (C), FIG. 9 (d), FIG. 9 (e), FIG. 9 (f), FIG. 9 (g), and FIG. 9A to 9H, the horizontal axis of each graph represents time (seconds), and the vertical axis represents the value of the wavelet coefficient.
図9(a)〜図9(h)において、四角で囲んだ箇所は、脱線またはその予兆が発生している箇所を表す。すなわち、台車の車輪フランジがレールに乗り上がる際には、ロール角速度(Roll)のウェーブレット係数、およびピッチ角速度(Pitch)のウェーブレット係数の両方について、数値が同時期に大きくなっている。つまり、脱線またはその予兆が発生している状況では、ロール角速度(Roll)のウェーブレット係数、およびピッチ角速度(Pitch)のウェーブレット係数が共に所定値以上に増大している。 9A to 9H, a portion surrounded by a square represents a portion where derailment or a sign thereof has occurred. That is, when the wheel flange of the bogie rides on the rail, both the wavelet coefficient of the roll angular velocity (Roll) and the wavelet coefficient of the pitch angular velocity (Pitch) increase at the same time. In other words, in a situation where derailment or a sign thereof is occurring, the wavelet coefficient of roll angular velocity (Roll) and the wavelet coefficient of pitch angular velocity (Pitch) are both increased to a predetermined value or more.
また、表1に示したように、「試験1」〜「試験8」は、車輪フランジ乗り上がり開始直前の走行速度がそれぞれ異なっているが、図9(a)〜図9(h)の各々における脱線予兆発生箇所のウェーブレット係数の大きさには大きな違いは生じていない。 Further, as shown in Table 1, “Test 1” to “Test 8” have different traveling speeds immediately before starting the wheel flange climbing, but each of FIGS. 9A to 9H. There is no big difference in the size of the wavelet coefficient at the occurrence of derailment sign.
そこで、本実施形態では、周波数領域脱線予兆検知ユニット10の脱線予兆判定部13に与えるウェーブレット係数の閾値16として、走行速度に依存しない一定の定数を与えることとする。具体的には、図9(a)〜図9(h)のデータと同様の環境においては、「0.08」程度の値をウェーブレット係数の閾値16として割り当てることが想定される。したがって、図5に示した脱線予兆判定部13は、ピッチ角速度のウェーブレット係数14が「0.08」を上回り、同時にロール角速度のウェーブレット係数15が「0.08」を上回ったことを検知したときに、「脱線予兆あり」と判定する。 Therefore, in the present embodiment, a constant constant independent of the traveling speed is given as the wavelet coefficient threshold value 16 to be given to the derailment sign determination unit 13 of the frequency domain derailment sign detection unit 10. Specifically, in the same environment as the data in FIGS. 9A to 9H, it is assumed that a value of about “0.08” is assigned as the threshold 16 of the wavelet coefficient. Therefore, when the derailment sign determination unit 13 shown in FIG. 5 detects that the wavelet coefficient 14 of the pitch angular velocity exceeds “0.08” and at the same time the wavelet coefficient 15 of the roll angular velocity exceeds “0.08”. Then, it is determined that “there is a sign of derailment”.
試験軌道を用いた実験で得られた1組の試験データに関するウェーブレット係数の時間軸方向および周波数軸方向の分布状態を表す3次元グラフを図10(a)および図10(b)に示す。図10(a)はロール角速度、図10(b)はピッチ角速度をそれぞれ示す。 10A and 10B show a three-dimensional graph representing the distribution state of the wavelet coefficients in the time axis direction and the frequency axis direction with respect to one set of test data obtained in the experiment using the test trajectory. FIG. 10A shows the roll angular velocity, and FIG. 10B shows the pitch angular velocity.
また、試験軌道を用いた実験で得られた1組の試験データに基づくウェーブレット係数の時間推移を図11(a)および図11(b)に示す。図11(a)はロール角速度、図11(b)はピッチ角速度をそれぞれ示す。 Moreover, the time transition of the wavelet coefficient based on one set of test data obtained by the experiment using the test trajectory is shown in FIGS. FIG. 11A shows the roll angular velocity, and FIG. 11B shows the pitch angular velocity.
周波数領域脱線予兆検知ユニット10が採用している脱線予兆検知アルゴリズムにおいては、低周波領域(例えば0.5〜100[Hz])におけるピッチ角速度およびロール角速度のパワースペクトル密度の時間推移を監視することができる。つまり、図10(a)、図10(b)のグラフのような変化を監視することにより脱線予兆を検知する。 In the derailment sign detection algorithm employed by the frequency domain derailment sign detection unit 10, the temporal transition of the power spectral density of the pitch angular velocity and roll angular velocity in the low frequency region (for example, 0.5 to 100 [Hz]) is monitored. Can do. That is, a derailment sign is detected by monitoring changes as shown in the graphs of FIGS. 10 (a) and 10 (b).
得られた実験データを分析することにより、ピッチ角速度およびロール角速度の周波数成分は、台車の正常な走行状態(レール継ぎ目等で発生する外乱を含む)と、車輪フランジ乗り上がり脱線状態とを区別する上で非常に有効であることが判明した。また、ピッチ角速度およびロール角速度のウェーブレット解析を採用することにより、周波数成分の時間推移もリアルタイムで監視できるため、脱線予兆が発生してから0.2秒以内にそれを検知することができる。 By analyzing the experimental data obtained, the frequency components of the pitch angular velocity and the roll angular velocity distinguish between the normal traveling state of the carriage (including disturbances generated at rail joints) and the wheel flange climbing derailment state. It was found to be very effective above. Further, by adopting wavelet analysis of the pitch angular velocity and roll angular velocity, the time transition of the frequency component can be monitored in real time, so that it can be detected within 0.2 seconds after the occurrence of the derailment sign.
また、図4に示した脱線予兆検知システム50のように、周波数領域脱線予兆検知ユニット10、および時間領域脱線予兆検知ユニット30を採用して2種類の脱線予兆検知アルゴリズムを併用することにより、脱線予兆検知精度を更に改善したり、効果的な脱線予防制御が可能になる。例えば、時間領域脱線予兆検知ユニット30の脱線予兆検知アルゴリズム単独の場合には、レール継ぎ目で発生する外乱による著大値の影響により脱線予兆の誤検出が発生する場合がある。しかし、ウェーブレット解析を採用したアルゴリズムを組み合わせることにより、誤検出の発生を抑制可能になる。 Further, as in the derailment sign detection system 50 shown in FIG. 4, the frequency domain derailment sign detection unit 10 and the time domain derailment sign detection unit 30 are employed, and two types of derailment sign detection algorithms are used in combination. The sign detection accuracy can be further improved, and effective derailment prevention control can be performed. For example, in the case of the derailment sign detection algorithm alone of the time domain derailment sign detection unit 30, an erroneous detection of a derailment sign may occur due to the influence of a significant value due to a disturbance generated at the rail joint. However, the occurrence of false detection can be suppressed by combining algorithms that employ wavelet analysis.
なお、脱線予兆検知システム50の各部の機能については、列車に搭載する専用の制御装置として実現することもできるし、パーソナルコンピュータのような汎用の装置にアプリケーションプログラムとして組み込んで実現することもできる。 The functions of each part of the derailment sign detection system 50 can be realized as a dedicated control device mounted on a train, or can be realized by being incorporated as an application program in a general-purpose device such as a personal computer.
ここで、上述した本発明に係る脱線予兆検知システム、制御装置、脱線予兆検知方法、および脱線予兆検知プログラムの実施形態の特徴をそれぞれ以下[1]〜[6]に簡潔に纏めて列記する。
[1] 列車に設けられ、走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度を検出する検知部(角速度センサ35)と、
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出すると共に、前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し、算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が夫々既定した閾値を上回った場合、前記列車の脱線予兆と判定する制御装置(周波数領域脱線予兆検知ユニット10)と、
前記制御装置が脱線予兆と判定した場合、脱線予兆を外部に通知する出力部(最終判定部40)と、
を備える脱線予兆検知システム(50)。
Here, the features of the embodiment of the derailment sign detection system, the control device, the derailment sign detection method, and the derailment sign detection program according to the present invention described above are briefly summarized and listed in the following [1] to [6], respectively.
[1] A detection unit (angular velocity sensor 35) that is provided in the train and detects a pitch angular velocity and a roll angular velocity of the running train,
The pitch angular velocity wavelet coefficient is calculated as a first wavelet coefficient, the roll angular velocity wavelet coefficient is calculated as a second wavelet coefficient, and the calculated first wavelet coefficient and second wavelet coefficient are calculated. When each exceeds a predetermined threshold value, a control device (frequency domain derailment sign detection unit 10) that determines that the train is a derailment sign,
When the control device determines that it is a derailment sign, an output unit (final determination unit 40) that notifies the derailment sign to the outside;
A derailment sign detection system (50) comprising:
[2] 前記制御装置(ウェーブレット変換処理部11、12)は、低周波領域の範囲内のみに限定して、前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数を算出する、
上記[1]に記載の脱線予兆検知システム。
[2] The control device (wavelet transform processing units 11 and 12) calculates the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient only within a low frequency region.
The derailment sign detection system according to [1] above.
[3] 前記制御装置(制御ユニット51)は、少なくとも前記ロール角速度について、検出値の履歴に基づき移動平均を算出し、前記移動平均から前記ロール角速度の変化を予測し、前記ロール角速度の予測値と、算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数とに基づいて、前記列車の脱線予兆を判定する、
上記[1]又は[2]に記載の脱線予兆検知システム。
[3] The control device (control unit 51) calculates a moving average based on a history of detection values for at least the roll angular velocity, predicts a change in the roll angular velocity from the moving average, and predicts the roll angular velocity. And determining a derailment sign of the train based on the calculated first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient.
The derailment sign detection system according to the above [1] or [2].
[4] 列車に設けられ、所定の検知部で検知された走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度に基づき、前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出すると共に、前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し、算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が夫々既定した閾値を上回った場合、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆と判定された場合、脱線予兆検知を外部に通知する、制御装置(周波数領域脱線予兆検知ユニット10)。 [4] A wavelet coefficient of the pitch angular velocity is calculated as a first wavelet coefficient based on the pitch angular velocity and the roll angular velocity of the running train that is provided in the train and detected by a predetermined detection unit, and the roll angular velocity A wavelet coefficient is calculated as a second wavelet coefficient, and when the calculated first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed a predetermined threshold value, it is determined as a derailment sign of the train, and a derailment sign If it is determined, the control device (frequency domain derailment sign detection unit 10) for notifying the outside of the derailment sign detection.
[5] 走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度の検出値を入力し、
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出し(ウェーブレット変換処理部11の機能に相当)、
前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し(ウェーブレット変換処理部12の機能の機能に相当)、
算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数の夫々を既定した閾値と比較し(脱線予兆判定部13の機能に相当)、
前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が前記閾値を上回った場合に、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆検知を外部に通知する(最終判定部40の機能に相当)、
脱線予兆検知方法。
[5] Input the detected values of the pitch angular velocity and roll angular velocity of the running train,
Calculating the wavelet coefficient of the pitch angular velocity as a first wavelet coefficient (corresponding to the function of the wavelet transform processing unit 11);
The wavelet coefficient of the roll angular velocity is calculated as a second wavelet coefficient (corresponding to the function of the wavelet transform processing unit 12),
Each of the calculated first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient is compared with a predetermined threshold (corresponding to the function of the derailment sign determination unit 13),
When the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed the threshold value, it is determined as a derailment sign of the train, and the derailment sign detection is notified to the outside (corresponding to the function of the final determination unit 40). ,
Derailment sign detection method.
[6] 走行中の列車のピッチ角速度及びロール角速度の検出値を入力するステップと、
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出するステップ(ウェーブレット変換処理部11の機能に相当)と、
前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出するステップ(ウェーブレット変換処理部12の機能の機能に相当)と、
算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数の夫々を既定した閾値と比較するステップ(脱線予兆判定部13の機能に相当)と、
前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が前記閾値を上回った場合に、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆検知を外部に通知するステップ(最終判定部40の機能に相当)と、
を含む処理をコンピュータに実行させる脱線予兆検知プログラム。
[6] A step of inputting detected values of the pitch angular velocity and the roll angular velocity of the running train;
Calculating the wavelet coefficient of the pitch angular velocity as a first wavelet coefficient (corresponding to the function of the wavelet transform processing unit 11);
Calculating the wavelet coefficient of the roll angular velocity as a second wavelet coefficient (corresponding to the function of the function of the wavelet transform processing unit 12);
Comparing each of the calculated first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient with a predetermined threshold (corresponding to the function of the derailment sign determination unit 13);
When the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed the threshold value, a step of determining a derailment sign of the train and notifying a derailment sign detection to the outside (corresponding to the function of the final determination unit 40) )When,
A derailment sign detection program for causing a computer to execute processing including
10 周波数領域脱線予兆検知ユニット
11,12 ウェーブレット変換処理部
13 脱線予兆判定部
14 ピッチ角速度のウェーブレット係数
15 ロール角速度のウェーブレット係数
16 ウェーブレット係数の閾値
17,18 脱線予兆判定出力
20 列車
21 車体
22 台車
23 車軸
24 車輪
25 ボギーフレーム
30 時間領域脱線予兆検知ユニット
31,32 列車制御信号
34 速度センサ
35 角速度センサ
38 列車のブレーキ装置
39 列車の散水装置
40 最終判定部
50 脱線予兆検知システム
51 制御ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Frequency domain derailment sign detection unit 11,12 Wavelet transformation process part 13 Derailment sign determination part 14 Pitch angular velocity wavelet coefficient 15 Roll angular velocity wavelet coefficient 16 Wavelet coefficient threshold 17,18 Derailment sign judgment output 20 Train 21 Car body 22 Cart 23 Axle 24 Wheel 25 Bogie frame 30 Time domain derailment sign detection unit 31, 32 Train control signal 34 Speed sensor 35 Angular speed sensor 38 Train brake device 39 Train sprinkler 40 Final decision unit 50 Derailment sign detection system 51 Control unit
Claims (6)
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出すると共に、前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し、算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が夫々既定した閾値を上回った場合、前記列車の脱線予兆と判定する制御装置と、
前記制御装置が脱線予兆と判定した場合、脱線予兆を外部に通知する出力部と、
を備える脱線予兆検知システム。 A detector that is provided in the train and detects the pitch angular velocity and roll angular velocity of the running train, and
The pitch angular velocity wavelet coefficient is calculated as a first wavelet coefficient, the roll angular velocity wavelet coefficient is calculated as a second wavelet coefficient, and the calculated first wavelet coefficient and second wavelet coefficient are calculated. When each exceeds a predetermined threshold value, a control device that determines a derailment sign of the train,
When the controller determines that it is a derailment sign, an output unit that notifies the derailment sign to the outside,
Derailment sign detection system with
請求項1に記載の脱線予兆検知システム。 The control device calculates the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient only within the low frequency region.
The derailment sign detection system according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の脱線予兆検知システム。 The control device calculates a moving average based on a history of detected values for at least the roll angular velocity, predicts a change in the roll angular velocity from the moving average, and calculates the predicted value of the roll angular velocity and the calculated first Determining a derailment sign of the train based on the wavelet coefficient of the second wavelet coefficient and the second wavelet coefficient;
The derailment sign detection system according to claim 1 or 2.
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出し、
前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出し、
算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数の夫々を既定した閾値と比較し、
前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が前記閾値を上回った場合に、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆検知を外部に通知する、
脱線予兆検知方法。 Input the detected value of the pitch angular velocity and roll angular velocity of the running train,
Calculating the wavelet coefficient of the pitch angular velocity as a first wavelet coefficient;
Calculating the wavelet coefficient of the roll angular velocity as a second wavelet coefficient;
Comparing each of the calculated first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient with a predetermined threshold;
When the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed the threshold, it is determined as a derailment sign of the train, and derailment sign detection is notified to the outside.
Derailment sign detection method.
前記ピッチ角速度のウェーブレット係数を第1のウェーブレット係数として算出するステップと、
前記ロール角速度のウェーブレット係数を第2のウェーブレット係数として算出するステップと、
算出された前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数の夫々を既定した閾値と比較するステップと、
前記第1のウェーブレット係数、及び前記第2のウェーブレット係数が前記閾値を上回った場合に、前記列車の脱線予兆と判定し、脱線予兆検知を外部に通知するステップと、
を含む処理をコンピュータに実行させる脱線予兆検知プログラム。
Inputting the detected values of the pitch angular velocity and the roll angular velocity of the running train;
Calculating the pitch angular velocity wavelet coefficient as a first wavelet coefficient;
Calculating the roll angular velocity wavelet coefficient as a second wavelet coefficient;
Comparing each of the calculated first wavelet coefficients and the second wavelet coefficients with a predetermined threshold;
When the first wavelet coefficient and the second wavelet coefficient exceed the threshold, determining a derailment sign of the train, and notifying derailment sign detection to the outside,
A derailment sign detection program for causing a computer to execute processing including
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