JP2019027874A

JP2019027874A - 鉄道車両の異常診断システム

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Publication number: JP2019027874A
Application number: JP2017146333A
Authority: JP
Inventors: 博英松嶋; Hirohide Matsushima; 鷹取　正夫; Masao Takatori; 正夫鷹取; 雅幸三津江; Masayuki Mitsue; 雄太吉松; Yuta Yoshimatsu; 純平永田; Jumpei Nagata; 恵介 ▲高▼橋; Keisuke Takahashi; 洋行川崎; Hiroyuki Kawasaki
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: JP6952531B2

Abstract

【課題】鉄道車両の診断対象範囲を拡げながら異常部位の特定を可能とすると共に、異常診断の精度を高める。【解決手段】異常診断装置は、車両を加振するようにアクチュエータに指令するアクチュエータ指令器と、前記加振された車両の第１部材の振動特性の第１検出値と前記加振された車両の第２部材の振動特性の第２検出値とから、前記第１部材から前記第２部材への振動伝達特性を算出する伝達特性演算器と、前記伝達特性演算器で算出された前記振動伝達特性に基づいて前記車両の異常の有無を判定する異常判定器と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、停止状態で鉄道車両を加振して前記車両の異常診断を行う異常診断装置を備えたシステムに関する。

特許文献１には、鉄道車両が停止している間に、台車と車体との間に介設された車体振動制御系のアクチュエータにより車体を加振し、その加振中における車体振動制御系のセンサ検出値を予め設計した基準値と照合し、基準値内に収まっていれば車体振動制御系の各機器は健全であると判定する診断手法が開示されている。

特許第２７８３０３０号公報

しかし、車体振動制御系のセンサ検出値を基準値と照合する手法では、車体振動制御系しか診断対象にできず、車体振動制御系の各機器のうちどれに異常が発生したかを特定することもできない。また、センサ検出値を基準値と照合するだけでは、車体振動制御系が健全な状態で車体振動制御系以外の部位（例えば、台車）に異常があったときに、センサ検出値が基準値から外れ、車体振動制御系に異常が発生したと誤診断する可能性がある。

そこで本発明は、鉄道車両の診断対象範囲を拡げながら異常部位の特定を可能とすると共に、異常診断の精度を高めることを目的とする。

本発明の一態様に係る鉄道車両の異常診断システムは、停止状態で鉄道車両を加振して前記車両の異常診断を行う異常診断装置を備えたシステムであって、前記異常診断装置は、前記車両を加振するようにアクチュエータに指令するアクチュエータ指令器と、前記加振された車両の第１部材の振動特性の第１検出値と前記加振された車両の第２部材の振動特性の第２検出値とから、前記第１部材から前記第２部材への振動伝達特性を算出する伝達特性演算器と、前記伝達特性演算器で算出された前記振動伝達特性に基づいて前記車両の異常の有無を判定する異常判定器と、を備える。

前記構成によれば、加振中における車両の第１部材の振動特性の第１検出値と車両の第２部材の振動特性の第２検出値とに基づいて第１部材から第２部材への振動伝達特性を算出し、当該振動伝達特性に基づいて車両の異常の有無を判定するため、鉄道車両の各部材から第１部材及び第２部材を任意に選ぶことができると共に、互いに近い部材を第１部材及び第２部材に選ぶことで診断対象部位を絞ることができる。また、１つの検出値に基づいて異常診断するのではなく、第１検出値及び第２検出値から得られる振動伝達特性に基づいて異常診断するため、診断対象部位とは異なる要因が診断に影響することを極力防止できる。よって、鉄道車両の診断対象範囲を拡げながら異常部位の特定を可能とすると共に、異常診断の精度を高めることができる。

前記車両において前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方にサスペンションが接続されており、前記異常診断システムは、前記車両の運動モデルに基づいて、質量、バネ係数及び減衰係数を含むように前記第１部材から前記第２部材への振動伝達に関する伝達関数式を設定し、前記振動伝達特性に基づき前記伝達関数式のバネ係数及び前記減衰係数を同定する係数同定演算器を更に備え、前記異常判定器は、前記係数同定演算器で同定された前記バネ係数及び前記減衰係数から前記サスペンションの異常の有無を判定してもよい。

前記構成によれば、診断対象部位をサスペンションに絞って異常診断することができる。

前記異常診断装置は、前記アクチュエータが前記車両に推力を与えたときの前記車両の挙動特性を取得する挙動特性取得器を更に備え、前記異常判定器は、前記挙動特性取得器で取得された前記挙動特性を予め用意された見本値と比較して、前記アクチュエータの異常の有無を仮判定し、前記異常判定器は、前記アクチュエータに異常が有ると仮判定されたとの第１条件と、前記サスペンションに異常が無いと判定されたとの第２条件との両方を含む条件が成立したときに、前記アクチュエータに異常が有ると本判定してもよい。

前記構成によれば、アクチュエータの異常診断の精度を高めることができる。

前記第１部材は、車体の台枠と台車の台車枠との間に介設された前記アクチュエータであり、前記第２部材は、前記台枠であり、前記サスペンションは、前記台枠と前記台車枠との間に介設された二次サスペンションであり、前記第１部材の振動特性は、前記アクチュエータの推力であり、且つ、前記第２部材の振動特性は、前記台枠の変位であり、前記バネ係数及び前記減衰係数は、前記運動モデルにおける台枠要素と台車枠要素との間のバネ要素及びダンパ要素の各係数であってもよい。

前記構成によれば、診断対象部位を二次サスペンションに絞って異常診断することができる。

前記車両は、輪軸とレールとの間に柔軟支持構造を介在させた状態で前記アクチュエータにより加振され、前記第１部材は、台車の台車枠であり、前記第２部材は、前記台車の輪軸であり、前記サスペンションは、前記台車枠と前記輪軸との間に介設された一次サスペンションであり、前記第１部材の振動特性は、前記台車枠の変位であり、且つ、前記第２部材の振動特性は、前記輪軸の変位であり、前記バネ係数及び前記減衰係数は、前記運動モデルにおける台車枠要素と輪軸要素との間のバネ要素及びダンパ要素の各係数であってもよい。

前記構成によれば、診断対象部位を一次サスペンションに絞って異常診断することができる。

前記車両は、輪軸がレールに直接支持された状態で前記アクチュエータにより加振され、前記第１部材は、車体の台枠であり、前記第２部材は、前記台車の台車枠であり、前記サスペンションは、前記台車枠と輪軸との間に介設された一次サスペンションであり、前記第１部材の振動特性は、前記台枠の変位であり、且つ、前記第２部材の振動特性は、前記台車枠の変位であり、前記バネ係数及び前記減衰係数は、前記運動モデルにおける台車枠要素と輪軸要素との間のバネ要素及びダンパ要素の各係数であってもよい。

前記異常判定器は、前記伝達特性演算器で算出された前記振動伝達特性を予め用意された見本値と比較して、前記車両の異常の有無を判定してもよい。

前記構成によれば、鉄道車両のうち第１部材と第２部材との間の部位について異常診断できる。

前記第１検出値又は前記第２検出値を検出するセンサを更に備え、前記センサは、前記車両に着脱自在な携帯式であってもよい。

前記構成によれば、センサの配置自由度が高まるため、鉄道車両の診断対象範囲を拡げることと異常部位を具体的に特定することとを好適に実現できる。

前記第１検出値又は前記第２検出器を検出するセンサを更に備え、前記センサは、前記異常診断装置と無線で通信する無線式であってもよい。

前記構成によれば、有線式センサを用いる場合に比べて配線の手間が省け、異常診断の作業時間を短縮できる。

前記第１検出値又は前記第２検出値を検出するセンサと、前記センサを前記車両に設置する自走ロボットとを更に備えてもよい。

前記構成によれば、センサの設置作業を自走ロボットが行うことで、複数の診断対象部位を診断するにあたり、センサの共用化を図るためにセンサを移動させながら順番に診断作業を行う場合にも、作業負担の増大を防止できる。

本発明によれば、鉄道車両の診断対象範囲を拡げながら異常部位の特定を可能とすると共に、異常診断の精度を高めることができる。

第１実施形態に係る鉄道車両の異常診断システムの全体図である。図１に示す異常診断装置のブロック図である。図１に示す異常診断装置の診断フローを説明するフローチャートである。図１に示す異常診断装置が算出する振動伝達特性を説明するグラフである。図１に示す鉄道車両の運動モデルの模式図である。第２実施形態に係る異常診断装置のブロック図である。図６に示す異常診断装置の診断フローを説明するフローチャートである。第３実施形態に係る異常診断システムの全体図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。なお、以下の説明では、鉄道車両が走行する方向であって車体が延びる方向が車両長手方向（前後方向）であり、それに直交する横方向が車幅方向（左右方向）である。また、互いに共通する構成については同一符号を付すことで説明を省略することがある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る鉄道車両の異常診断システム１の全体図である。図１に示すように、鉄道車両の異常診断システム１は、鉄道車両１０に取り付ける各センサ２１〜２４と、鉄道車両１０に設けられたアクチュエータ１４に駆動信号を与えながら各センサ２１〜２４の各検出値を受信して所定の演算を行う異常診断装置３０とを備える。異常診断装置３０は、鉄道車両１０が停止した状態でアクチュエータ１４により鉄道車両１０を加振し、その加振中における各センサ２１〜２４の検出値に基づいて鉄道車両１０の異常診断を行うものである。

鉄道車両１０は、客室を有する車体１１と、車体１１を支持する台車１２と、車体１１と台車１２との間に介設された二次サスペンション１３（例えば、空気バネ）とを備える。台車１２は、台車枠１２ａと、輪軸１２ｂと、輪軸１２ｂを回転自在に支持する軸箱１２ｃと、台車枠１２ａと軸箱１２ｃとの間に介設された一次サスペンション１２ｄ（例えば、コイルバネ）とを有する。

車体１１と台車１２との間には、直動式で推力を発生するアクチュエータ１４が介設されている。即ち、アクチュエータ１４の一端部が車体１１の台枠１１ａに接続され、アクチュエータ１４の他端部が台車１２の台車枠１２ａに接続されている。アクチュエータ１４は、例えば、車幅方向に推力を発生するように配置されている。アクチュエータ１４が推力を発生することで、車体１１が台車１２に対して相対変位する。アクチュエータ１４には、例えば、電磁式アクチュエータが用いられるが他の方式のものでもよい。

本実施形態では、振動抑制制御（スカイフック制御）のために鉄道車両１０に搭載されたアクチュエータ１４が流用されるが、鉄道車両１０にそのようなアクチュエータが搭載されていない場合には、車両全体を振動させるために、輪軸を支持するレール台が水平方向又は上下方向に相対変位可能となるように定盤に支持された構成として、外部アクチュエータでレール台を振動させてもよい。

鉄道車両１０には、アクチュエータ１４の推力発生方向と同方向の加速度（例えば、左右加速度）を検出する第１〜第４センサ２１〜２４が取り付けられる。本実施形態では、第１センサ２１が車体１１の台枠１１ａに取り付けられ、第２センサ２２が台車１２の台車枠１２ａに取り付けられ、第３センサ２３が台車１２の輪軸１２ｂに取り付けられ、第４センサ２４が車体１１の構体１１ｂ（例えば、側構体）に取り付けられる。第１センサ２１は、車両走行時にアクチュエータ１４により振動抑制制御を行うために搭載されたセンサであり、第２〜第４センサ２２〜２４は、異常診断時だけ車両１０に取り付けられて走行時には取り外される。

なお、後述の数式１を用いる場合には、輪軸１２ｂを振動し易くするために輪軸１２ｂとレールＲとの間に柔軟支持構造１５（例えば、弾性部材）を介在させた状態でアクチュエータ１４により加振を行う。他方、数式２を用いる場合には、輪軸１２ｂとレールＲとの間に柔軟支持構造１５を介在させずにアクチュエータ１４により加振を行う。

図２は、図１に示す異常診断装置３０のブロック図である。図２に示すように、異常診断装置３０は、ソフトウェア面において、アクチュエータ指令部３１、伝達特性演算部３２、係数同定演算部３３、挙動特性取得部３４及び異常判定部３５を備える。異常診断装置３０は、ハードウェア面において、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を備える。異常診断装置３０の各部３１〜３５は、前記不揮発性メモリに保存されたプログラムに基づいて前記プロセッサが前記揮発性メモリを用いて演算処理することで実現される。

アクチュエータ指令部３１は、ユーザが診断開始操作を行うと、異なる周波数の駆動信号（例えば、正弦波、矩形波又はランダム波）をアクチュエータ１４に送信する。それにより、アクチュエータ１４は、停車状態の車両１０を様々な周波数で加振する。

伝達特性演算部３２は、加振された車両１０の第１部材の振動特性の第１検出値と第２部材の振動特性の第２検出値とから、第１部材から第２部材への振動伝達特性を算出する。第１部材及び第２部材は、診断対象部位が変わる毎に変わる。詳細は後述する。

係数同定演算部３３は、車両１０の運動モデル５０に基づいて、質量、バネ係数及び減衰係数を含むように前記第１部材と前記第２部材との間の振動伝達に関する伝達関数式を設定し、伝達特性演算部３２で算出された振動伝達特性に基づきバネ係数及び減衰係数を同定する。詳細は後述する。

挙動特性取得部３４は、アクチュエータ１４が車両１０に推力を与えたときの車両１０の挙動特性を取得する。本実施形態では、挙動特性取得部３４は、車体１１の台枠１１ａの左右加速度を検出する第１センサ２１の検出値を挙動特性として取得する。なお、挙動特性取得部３４は、これに限られない。例えば、挙動特性取得部３４は、車体１１の台枠１１ａと台車１２の台車枠１２ａとの間の左右方向変位を取得する構成としてもよいし、アクチュエータ１４から台枠１１ａに付与される推力を検出するロードセルの検出値を取得する構成としてもよい。

異常判定部３５は、挙動特性取得部３４で取得された挙動特性に基づいてアクチュエータ１４の異常の有無を仮判定する。異常判定部３５は、伝達特性演算部３２で算出された振動伝達特性に基づき同定したバネ係数及び減衰係数に基づいて、一次サスペンション１２ｄ及び二次サスペンション１３の異常の有無を判定する。異常判定部３５は、アクチュエータ１４の異常ありの仮判定結果と、一次サスペンション１２ｄ及び二次サスペンション１３の異常なしの判定結果とに基づいて、アクチュエータ１４の異常の本判定を行う。異常判定部３５は、伝達特性演算部３２で算出された振動伝達特性に基づいて構体１１ｂの異常の有無を判定する。異常判定部３５による異常の有無の判定結果は、外部に出力するための出力装置４０（例えば、表示装置や送信装置）に送信される。

図３は、図１に示す異常診断装置３０の診断フローを説明するフローチャートである。以下、図３の流れに沿って図１，２，４及び５を適宜参照しながら診断の内容を説明する。なお、後述する係数同定等に用いる最適化アルゴリズムは、汎用的なソフトウェア言語（例えば，Ｃ言語）などで実装される。

先ず、アクチュエータ１４の仮診断のために、アクチュエータ指令部３１がアクチュエータ１４に所定の推力（例えば、ステップ状の推力）を発生させる（ステップＳ１）。それと同時に、挙動特性取得部３４は、第１センサ２１で検出された車体１１の台枠１１ａの加速度の時系列データを取得する（ステップＳ２）。

そして、異常判定部３５は、挙動特性取得部３４で取得された加速度の時系列データを予め用意された正常時の加速度または速度または変位の時系列データ（事前取得データ：見本値）と比較し、その誤差を求める（ステップＳ３）。正常時の加速度または速度または変位（挙動特性）の時系列データは、シミュレーション又は実験により事前に取得しておき、異常診断装置３０に予め保存されている。異常判定部３５は、当該誤差が所定の許容範囲内にある場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、アクチュエータ１４が正常であると判定する。他方、異常判定部３５は、当該誤差が前記許容範囲を超えている場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、アクチュエータ１４に異常があると仮判定する。

なお、推力をロードセルで検出する場合には、アクチュエータ１４で発生する推力を直接的に検出しているため、仮判定は不要となる。また、アクチュエータ１４に異常があると仮判定した場合には、後述の第１部材をアクチュエータ１４とした処理において、推力の指令値を実際の推力となるように補正する。補正値の演算方法としては、例えば二次サスペンションのバネ係数が正常と仮定し、ステップ状の推力を与えた際の最終的な変位からアクチュエータ１４の推力を推定し、推定した推力と指令値の差から補正値を演算する方法がある。

次に、アクチュエータ指令部３１がアクチュエータ１４に様々な周波数で鉄道車両１０を加振させ（ステップＳ５）、その際に第１〜第４センサ２１〜２４で夫々検出される第１〜第４検出値を伝達特性演算部３２が取得する（ステップＳ６）。そして、一次サスペンション１２ｄの診断のために、伝達特性演算部３２は、台車枠１２ａを「第１部材」とし且つ輪軸１２ｂを「第２部材」とし、台車枠１２ａから輪軸１２ｂへの振動伝達特性を算出する。

具体的には、伝達特性演算部３２は、第２センサ２２で検出された台車枠１２ａの加速度を２回積分して台車枠１２ａの変位Ｘ２を求め、第３センサ２３で検出された輪軸１２ｂの加速度を２回積分して輪軸１２ｂの変位Ｘ３を求め、それらに基づいて、図４に示すような台車枠１２ａから輪軸１２ｂへの振動伝達のゲインＸ３／Ｘ２（増幅率）を振動伝達特性として算出する（ステップＳ７）。即ち、本実施形態の振動伝達特性は、横軸に周波数で縦軸がゲインのデータである。なお、本例では変位から変位への振動伝達特性の例を示したが、変位から速度への振動伝達特性や加速度から加速度への振動伝達特性など、任意の組合せの振動伝達特性を用いてもよい。

次いで、係数同定演算部３３は、図５に示す車両１０の運動モデル５０に基づいて、台車枠１２ａから輪軸１２ｂへの振動伝達に関する伝達関数式を設定する。その伝達関数式を以下の数式１に示す。

なお、各変数は以下の通りである。
Ｘ２：台車枠要素の変位
Ｘ３：輪軸要素の変位
ｍ２：台車枠要素の質量
ｃ２：一次サスペンション１２ｄの減衰要素の減衰係数
ｃ３：柔軟支持構造１５の減衰要素の減衰係数
ｋ２：一次サスペンション１２ｄの弾性要素のバネ係数
ｋ３：柔軟支持構造１５の弾性要素のバネ係数
ｓ：ラプラス演算子

係数同定演算部３３は、数式１の伝達関数式に対して、台車枠要素の質量ｍ２、柔軟支持構造１５の減衰係数ｃ３及びバネ係数ｋ３を既知の値として代入すると共に、伝達特性演算部３２で算出したゲインＸ２／Ｘ３に基づき、最適化アルゴリズムで振動伝達特性のゲインの誤差（実測したゲインと伝達関数式から演算したゲインとの誤差）の二乗平均平方根などの評価値が小さくなるように減衰係数及びバネ定数を探索することにより、一次サスペンション１２ｄの減衰係数ｃ２及びバネ係数ｋ２を同定する（ステップＳ８）。

そして、異常判定部３５は、係数同定演算部３３で同定された一次サスペンション１２ｄの減衰係数ｃ２及びバネ係数ｋ２を、正常時の一次サスペンション１２ｄの減衰係数及びバネ係数（見本値）と比較して互いの誤差を算出する（ステップＳ９）。異常判定部３５は、当該誤差が所定の許容範囲内にある場合には（ステップＳ９：ＮＯ）、一次サスペンション１２ｄが正常であると判定し、当該誤差が前記許容範囲を超えている場合には（ステップＳ９：ＹＥＳ）、一次サスペンション１２ｄが異常であると判定する。なお、正常時の一次サスペンション１２ｄの減衰係数及びバネ係数は、異常診断装置３０に予め保存されている。

また、輪軸１２ｂとレールＲとの間に柔軟支持構造１５を介在させずに、輪軸１２ｂがレールＲに直接支持された状態でアクチュエータ１４により鉄道車両１０を加振する場合には、数式１の代わりに以下の数式２を伝達関数式として用いる。即ち、輪軸１２ｂがレールＲに直接支持される場合には、輪軸が振動し難いため、台枠１１ａ及び台車枠１２ａの振動から一次サスペンション１２ｄの減衰係数及びバネ定数を同定する。

なお、各変数は以下の通りである（数式１と同じ変数は説明省略）。
Ｘ１：台枠要素の変位
ｍ１：台枠要素の質量

次いで、二次サスペンション１３の診断のために、伝達特性演算部３２は、アクチュエータ１４を「第１部材」とし且つ台枠１１ａを「第２部材」とし、アクチュエータ１４から台枠１１ａへの振動伝達特性を算出する。具体的には、伝達特性演算部３２は、アクチュエータ指令部３１の駆動信号からアクチュエータ１４の推力Ｆを求め、第１センサ２１で検出された台枠１１ａの加速度を２回積分して台枠１１ａの変位Ｘ１を求め、それらに基づいて図４に示すようなアクチュエータ１４から台枠１１ａへの振動伝達のゲインＸ１／Ｆを振動伝達特性として算出する（ステップＳ１０）。なお、前述のようにアクチュエータ１４に異常があると仮判定した場合は、推力Ｆについては補正を実施した推力を用いて振動伝達特性を算出する。なお、推力Ｆをロードセルで直接検出する場合には補正を実施する必要はない。

次いで、係数同定演算部３３は、図５に示す車両１０の運動モデル５０に基づいて、アクチュエータ１４から台枠１１ａへの振動伝達に関する伝達関数式を設定する。その伝達関数式を以下の数式３に示す。

なお、各変数は以下の通りである（数式１及び２と同じ変数は説明省略）。
Ｆ：アクチュエータ１４の推力
ｍ２：台車枠要素の質量
ｃ１：二次サスペンション１３の減衰要素の減衰係数
ｋ１：二次サスペンション１３の弾性要素のバネ係数

係数同定演算部３３は、数式３の伝達関数式に対して、台枠要素の質量ｍ１、台車枠要素の質量ｍ２、ステップＳ８で同定した減衰係数ｃ２及びバネ係数ｋ２を既知の値として代入すると共に、伝達特性演算部３２で算出したゲインＸ１／Ｆに基づき、最適化アルゴリズムで振動伝達特性のゲインの誤差（実測したゲインと伝達関数式から演算したゲインとの誤差）の二乗平均平方根などの評価値が小さくなるように減衰係数及びバネ定数を探索することにより、二次サスペンション１３の減衰係数ｃ１及びバネ係数ｋ１を同定する（ステップＳ１１）。

そして、異常判定部３５は、係数同定演算部３３で同定された二次サスペンション１３の減衰係数ｃ１及びバネ係数ｋ１を、正常時の二次サスペンション１３の減衰係数及びバネ係数（見本値）と比較して互いの誤差を算出する（ステップＳ１２）。異常判定部３５は、当該誤差が所定の許容範囲内にある場合には（ステップＳ１２：ＮＯ）、二次サスペンション１３が正常であると判定し、当該誤差が前記許容範囲を超えている場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、二次サスペンション１３が異常であると判定する。なお、正常時の二次サスペンション１３の減衰係数及びバネ係数は、異常診断装置３０に予め保存されている。

次いで、異常判定部３５は、アクチュエータ１４に異常が有ると仮判定されたとの第１条件（ステップＳ４：ＹＥＳ）と、一次サスペンション１２ｄ及び二次サスペンション１３に異常が無いと判定されたとの第２条件（ステップＳ９，Ｓ１２：ＹＥＳ）との両方を含む条件が成立したときに、アクチュエータ１４に異常が有ると本判定する（ステップＳ１３）。

次いで、構体１１ｂの診断のために、伝達特性演算部３２は、台枠１１ａを「第１部材」とし且つ構体１１ｂを「第２部材」とし、台枠１１ａから構体１１ｂへの振動伝達特性を算出する。具体的には、伝達特性演算部３２は、第１センサ２１で検出された台枠１１ａの加速度を２回積分して台枠１１ａの変位Ｘ１を求め、第４センサ２４で検出された構体１１ｂの加速度を２回積分して構体１１ｂの変位Ｘ４を求め、それらに基づいて、図４に示すような台枠１１ａから構体１１ｂへの振動伝達のゲインＸ４／Ｘ１（増幅率）を振動伝達特性として算出する（ステップＳ１４）。

そして、異常判定部３５は、伝達特性演算部３２で算出されたゲインＸ４／Ｘ１を予め用意された正常時のゲイン（見本値）と比較し、その誤差を求める（ステップＳ１５）。正常時のゲインは、シミュレーション又は実験により事前に取得しておき、異常診断装置３０に予め保存されている。異常判定部３５は、当該誤差が所定の許容範囲内にある場合には（ステップＳ１６：ＮＯ）、構体１１ｂが正常であると判定する。他方、異常判定部３５は、当該誤差が前記許容範囲を超えている場合には（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、構体１１ｂに異常があると仮判定する。即ち、構体１１ｂには構造的に複数のバネ・減衰要素が含まれ得るため、ゲインＸ４／Ｘ１自体を正常値と比較して計算の簡素化を図る。

以上に説明した構成によれば、鉄道車両１０のうち振動伝達特性（Ｘ３／Ｘ２，Ｘ２／Ｘ１，Ｘ１／Ｆ，Ｘ４／Ｘ１）を算出する部位を任意に選ぶことができると共に、振動伝達特性を算出する診断対象部位を絞ることができる。また、１つの検出値に基づいて異常診断するのではなく、第１〜第４センサ２１〜２４のうち２つのセンサの検出値から得られる振動伝達特性に基づいて異常診断するため、診断対象部位とは異なる要因が診断に影響することを極力防止できる。よって、鉄道車両１０の診断対象範囲を拡げながら異常部位の特定を可能とすると共に、異常診断の精度を高めることができる。

なお、前記実施形態では、振動伝達特性として横軸に周波数で縦軸がゲインのデータを算出したが、横軸に周波数で縦軸が位相差（振動波形の遅れ）のデータを算出してもよい。第１〜第４センサ２１〜２４は、鉄道車両１０に着脱自在な携帯式のセンサでもよい。その場合、センサを２個だけ用意し、診断対象部位が変わる毎にセンサを移動させるようにしてもよい。また、前記実施形態ではセンサ２１〜２４として加速度センサが用いられたが、これに限られず、振動情報を検出できるセンサであれば他のセンサ（例えば、角加速度センサ、音センサ等）が用いられてもよい。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る異常診断装置１３０のブロック図である。図７は、図６に示す異常診断装置１３０の診断フローを説明するフローチャートである。図６に示すように、異常診断装置１３０では、アクチュエータ指令部３１、伝達特性演算部３２及び挙動特性取得部３４が第１実施形態のものと同じであるが、異常判定部１３５に人工知能（ＡＩ）が用いられている。以下、図７の流れに沿って図６を適宜参照しながら診断の内容を説明する。但し、図７のフローチャートのうちステップＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ１０，Ｓ１３は第１実施形態のものと同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。

ステップＳ２の後、異常判定部１３５は、挙動特性取得部３４で取得された加速度の時系列データを予め用意された正常時及び異常時の多数の加速度の時系列データ（事前取得データ：見本値）と比較し、人工知能により事前取得データから最も近い時系列データを選び（ステップＳ２３）、その選ばれた最も近い時系列データが正常時データであればアクチュエータ１４が正常であると判定し（ステップＳ２４：ＮＯ）、その選ばれた最も近い時系列データが異常時データであればアクチュエータ１４が異常であると判定する（ステップＳ２４：ＹＥＳ）。

ステップＳ７の後は、異常判定部１３５は、伝達特性演算部３２で算出された台車枠１２ａから輪軸１２ｂへの振動伝達のゲインＸ３／Ｘ２を、予め用意された多数の正常時及び異常時の台車枠１２ａから輪軸１２ｂへの振動伝達のゲインの事前取得データ（見本値）と比較し、人工知能により事前取得データから最も近いデータを選び（ステップＳ２８）、その選ばれた最も近いデータが正常時データであれば一次サスペンション１２ｄが正常であると判定し（ステップＳ２９：ＮＯ）、その選ばれた最も近いデータが異常時データであれば一次サスペンション１２ｄが異常であると判定する（ステップＳ２９：ＹＥＳ）。

ステップＳ７の後は、異常判定部１３５は、伝達特性演算部３２で算出されたアクチュエータ１４から台枠１１ａへの振動伝達のゲインＸ１／Ｆを、予め用意された多数の正常時及び異常時のアクチュエータ１４から台枠１１ａへの振動伝達のゲインの事前取得データ（見本値）と比較し、人工知能により事前取得データから最も近いデータを選び（ステップＳ３１）、その選ばれた最も近いデータが正常時データであれば二次サスペンション１３が正常であると判定し（ステップＳ３２：ＮＯ）、その選ばれた最も近いデータが異常時データであれば二次サスペンション１３が異常であると判定する（ステップＳ３２：ＹＥＳ）。

次いで、異常判定部１３５は、伝達特性演算部３２で算出された台枠１１ａから構体１１ｂへの振動伝達のゲインＸ４／Ｘ１を、予め用意された多数の正常時及び異常時の台枠１１ａから構体１１ｂへの振動伝達のゲインの事前取得データ（見本値）と比較し、人工知能により事前取得データから最も近いデータを選び（ステップＳ３５）、その選ばれた最も近いデータが正常時データであれば構体１１ｂが正常であると判定し（ステップＳ３６：ＮＯ）、その選ばれた最も近いデータが異常時データであれば構体１１ｂが異常であると判定する（ステップＳ３６：ＹＥＳ）。

以上の構成のように、鉄道車両の各要素の正常時及び異常時のデータを人工知能に学習させておき、その学習結果に基づいて異常診断を行うことで、異常箇所の異常の程度（例えば、減衰係数の５０％低下等）の診断も可能となり、詳細な異常診断を実現できる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る異常診断システム２０１の全体図である。図８に示すように、異常診断システム２０１では、第１実施形態よりもセンサの個数を減らし、例えば２個の携帯式のセンサを用いる。この場合、鉄道車両１０を加振するごとにセンサ１２１を移動させるために、センサ１２１を鉄道車両１０に設置する自走ロボット２０２が用いられる。自走ロボット２０２が作業場所を移動し、自走ロボット２０２のアームにより鉄道車両１０の所望の位置にセンサ１２１を取り付ける。これにより、複数の診断対象部位を診断するにあたり、センサ１２１の共用化を図るためにセンサ１２１を移動させながら順番に診断作業を行う場合に、作業負担の増大を防止できる。

センサ１２１は、磁石や吸盤等により鉄道車両１０に着脱自在に取り付けられてもよいし、接着剤や粘着剤により着脱自在に取り付けられてもよい。また、センサ１２１は、非接触式のセンサでもよい。また、センサ１２１は、無線送信器が設けられた無線式センサである。センサ１２１で検出されたセンサ検出値は、無線通信により無線受信装置２０３で受信され、無線受信装置２０３から異常診断装置３０に送信される。これにより、有線式センサを用いる場合に比べて配線の手間が省け、異常診断の作業時間を短縮できる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

１，２０１異常診断システム
１０鉄道車両
１１車体
１１ａ台枠
１２台車
１２ａ台車枠
１２ｂ輪軸
１２ｄ一次サスペンション
１３二次サスペンション
１４アクチュエータ
１５柔軟支持構造
２１〜２４，１２１センサ
３０，１３０異常診断装置
３１アクチュエータ指令部
３２伝達特性演算部
３３係数同定演算部
３４挙動特性取得部
３５，１３５異常判定部
５０運動モデル
２０１異常診断システム
２０２自走ロボット

Claims

停止状態で鉄道車両を加振して前記車両の異常診断を行う異常診断装置を備えたシステムであって、
前記異常診断装置は、
前記車両を加振するようにアクチュエータに指令するアクチュエータ指令器と、
前記加振された車両の第１部材の振動特性の第１検出値と前記加振された車両の第２部材の振動特性の第２検出値とから、前記第１部材から前記第２部材への振動伝達特性を算出する伝達特性演算器と、
前記伝達特性演算器で算出された前記振動伝達特性に基づいて前記車両の異常の有無を判定する異常判定器と、を備える、鉄道車両の異常診断システム。
前記車両において前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方にサスペンションが接続されており、
前記異常診断システムは、前記車両の運動モデルに基づいて、質量、バネ係数及び減衰係数を含むように前記第１部材から前記第２部材への振動伝達に関する伝達関数式を設定し、前記振動伝達特性に基づき前記伝達関数式のバネ係数及び前記減衰係数を同定する係数同定演算器を更に備え、
前記異常判定器は、前記係数同定演算器で同定された前記バネ係数及び前記減衰係数から前記サスペンションの異常の有無を判定する、請求項１に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記異常診断装置は、前記アクチュエータが前記車両に推力を与えたときの前記車両の挙動特性を取得する挙動特性取得器を更に備え、
前記異常判定器は、前記挙動特性取得器で取得された前記挙動特性を予め用意された見本値と比較して、前記アクチュエータの異常の有無を仮判定し、
前記異常判定器は、前記アクチュエータに異常が有ると仮判定されたとの第１条件と、前記サスペンションに異常が無いと判定されたとの第２条件との両方を含む条件が成立したときに、前記アクチュエータに異常が有ると本判定する、請求項２に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記第１部材は、車体の台枠と台車の台車枠との間に介設された前記アクチュエータであり、
前記第２部材は、前記台枠であり、
前記サスペンションは、前記台枠と前記台車枠との間に介設された二次サスペンションであり、
前記第１部材の振動特性は、前記アクチュエータの推力であり、且つ、前記第２部材の振動特性は、前記台枠の変位または速度または加速度であり、
前記バネ係数及び前記減衰係数は、前記運動モデルにおける台枠要素と台車枠要素との間のバネ要素及びダンパ要素の各係数である、請求項２又は３に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記車両は、輪軸とレールとの間に柔軟支持構造を介在させた状態で前記アクチュエータにより加振され、
前記第１部材は、台車の台車枠であり、
前記第２部材は、前記台車の輪軸であり、
前記サスペンションは、前記台車枠と前記輪軸との間に介設された一次サスペンションであり、
前記第１部材の振動特性は、前記台車枠の変位または速度または加速度であり、且つ、前記第２部材の振動特性は、前記輪軸の変位または速度または加速度であり、
前記バネ係数及び前記減衰係数は、前記運動モデルにおける台車枠要素と輪軸要素との間のバネ要素及びダンパ要素の各係数である、請求項２又は３に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記車両は、輪軸がレールに直接支持された状態で前記アクチュエータにより加振され、
前記第１部材は、車体の台枠であり、
前記第２部材は、前記台車の台車枠であり、
前記サスペンションは、前記台車枠と輪軸との間に介設された一次サスペンションであり、
前記第１部材の振動特性は、前記台枠の変位または速度または加速度であり、且つ、前記第２部材の振動特性は、前記台車枠の変位または速度または加速度であり、
前記バネ係数及び前記減衰係数は、前記運動モデルにおける台車枠要素と輪軸要素との間のバネ要素及びダンパ要素の各係数である、請求項２又は３に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記異常判定器は、前記伝達特性演算器で算出された前記振動伝達特性を予め用意された見本値と比較して、前記車両の異常の有無を判定する、請求項１に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記第１検出値又は前記第２検出値を検出するセンサを更に備え、
前記センサは、前記車両に着脱自在な携帯式である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記第１検出値又は前記第２検出器を検出するセンサを更に備え、
前記センサは、前記異常診断装置と無線で通信する無線式である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の鉄道車両の異常診断システム。
前記第１検出値又は前記第２検出値を検出するセンサと、前記センサを前記車両に設置する自走ロボットとを更に備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の鉄道車両の異常診断システム。