JP2021512813A - 鉄道車両および軌道区間を検測する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レール走行装置（４）に支えられて軌道（１）のレール（７）上を走行可能な車両フレーム（１２）を備えた鉄道車両（２）であって、軌道経過を検出するための第１慣性測定システム（９）を備えた第１測定プラットホーム（５）を有する鉄道車両（２）に関する。第２慣性測定システム（１５）と、軌道区間（１８）の表面点（Ｐ）を検出する少なくとも１つのセンサ装置（１７）とを含む第２測定プラットホーム（１４）が、鉄道車両（２）に配置されている。第２測定プラットホーム（１４）および第２慣性測定システム（１５）により、３次元空間におけるセンサ装置（１７）の運動が容易に検出される。

Description

本発明は、レール走行装置に支えられて軌道のレール上を走行可能な車両フレームを備えた鉄道車両であって、軌道経過を検出するための第１慣性測定システムを備えた第１測定プラットホームを有する鉄道車両に関する。本発明はさらに、鉄道車両を用いて軌道区間を検測する方法に関する。

軌道上部構造の確実なメンテナンスには、定期的なチェックが必要である。この際には、軌道区間の実際の軌道幾何学形状を検出するために構成されている軌道検測車が使用される。収集した測定データに基づき、メンテナンス対策が計画されて実行される。測定装置としては、軌道それ自体も軌道周囲も共に検出する様々なセンサが使用される。軌道周囲の検出は、例えば、軌道検測車に配置されているカメラシステムを用いて行われる。

軌道経過または相対的な軌道位置を特定するために、今日の軌道検測車では、いわゆる慣性測定システム（Inertial Measurement Unit、ＩＭＵ）が使用される。このような慣性測定システムは、２００１年９月の専門誌Eisenbahningenieur（５２）、第６〜９頁に記載されている。独国特許発明第１０２００８０６２１４３号明細書にも、軌道位置を検出する慣性測定原理が記載されている。

本発明の根底にある課題は、冒頭に述べた形式の鉄道車両および方法について、従来技術に対する改善を示すことである。

この課題は、本発明により、請求項１および９の特徴によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項から得られる。

ここでは、第２慣性測定システムと、軌道区間の表面点を検出する少なくとも１つのセンサ装置とを含む第２測定プラットホームが鉄道車両に配置されている。第２測定プラットホームおよび第２慣性測定システムにより、３次元空間におけるセンサ装置の運動が容易に検出される。これにより、センサ装置によって検出した測定データを、空間的に正確に対応付け可能である。

有利には、慣性測定システムおよびセンサ装置の測定データが供給され、かつセンサ装置と共に運動する第２測定プラットホームの座標系から、軌道経過に追従する第１測定プラットホームの座標系に、表面点の座標を変換するように構成されているコンピュータが鉄道車両に直接、配置されている。その結果、センサ装置によって検出した表面点が、軌道経過に関連付けられる。これにより、軌道経過に関連して、検出した対象体についての情報を直ちに提供することが可能である。

別の一改善では、第１測定プラットホームの座標系における表面点の座標と、あらかじめ設定された、軌道区間の車両限界プロフィールとを比較するように構成されている評価装置が鉄道車両に配置されている。

本発明の有利な一特徴において規定されるのは、複数のレール走行装置のうちの１つに第１測定プラットホームが配置されていることである。これにより、第１慣性測定システムを用いて、軌道経過を容易に検出可能である。

ここでは、第１測定プラットホームが、レール走行装置の車軸に配置されかつ第１慣性測定システムが配置されている測定フレームを有すると有利である。これにより、第１慣性測定システムの運動は、３次元空間において、レール走行装置のばね弾性的な相対運動の影響を受けない状態を維持する。ここでは、軌道の長手方向の勾配が直接、検出される。

レール走行装置の横方向の運動または往復運動の影響を補償するために有利であるのは、軌道のレールに対して測定フレームの位置を特定する少なくとも２つの位置測定装置が、測定フレームに配置されている場合である。これにより、レールに対する測定フレームの正確な位置が、持続的に検出され、軌道経過を特定する際に、第１慣性測定システムによって考慮される。

本発明の有利な一特徴では、鉄道車両の前面に第２測定プラットホームが配置されている。これにより、少ないセンサによって、鉄道車両の他の周囲領域を検出可能である。

さらに、表面点を点群として検出するレーザスキャナが、センサ装置に含まれていると有利である。このようなセンサを用いることにより、軌道の表面およびその周囲の、正確かつ高解像度の検出を実現可能である。冗長または補い合う回転スキャナおよびラインスキャナにより、測定データの精度または品質が向上する。

上記の鉄道車両を用いて軌道区間を検測する、本発明による方法によって規定されるのは、第１慣性測定システムを用いて、特に第１測定プラットホームの座標系の運動経過として、軌道経過を検出し、第２慣性測定システムを用いて、特に第２測定プラットホームの座標系の運動経過として、センサ装置の運動経過を検出し、センサ装置を用いて、軌道区間の表面点を検出することである。

この方法の一発展形態では、センサ装置と共に運動する第２測定プラットホームの座標系から、軌道経過に追従する第１測定プラットホームの座標系に、表面点の座標を変換する。これは、鉄道車両に搭載されているコンピュータを用いてオンラインで行われるか、またはリモートのシステムセンタにおいてオフラインで行われるかのいずれかである。

有利な別の一方法ステップでは、第１測定プラットホームの座標系における表面点の座標と、軌道区間の車両限界プロフィールとを比較する。これにより、車両限界プロフィールを犯していることが自動的に識別される。

ここでは、表面点が車両限界プロフィールを越えたことを出力装置に表示すると有利である。これは、危険な状態を防止できるようにするために、鉄道車両において直接行われるか、またはシステムセンタにおいて行われるかのいずれかである。

以下では、添付の図面を参照し、本発明を例示的に説明する。

軌道上の鉄道車両を示す概略図である。 座標変換を示す概略図である。 カーブに差し掛かった際の検出状況を示す概略図である。 図３に示した検出状況を座標変換と共に示す概略図である。

本発明をわかりやすく説明するために、図１では、軌道１の歪みが大きく誇張されて描かれている。軌道１に沿って鉄道車両２が測定方向３に走行している。前方のレール走行装置４には、第１測定プラットホーム５が配置されている。有利には、この第１測定プラットホーム５は、台車として構成されているレール走行装置４の軸に固定されている測定フレーム６を有する。加えて、レール７に対する第１測定プラットホーム５の相対運動を検出するために、軌道１のレール７毎に２つの位置測定装置８を第１測定プラットホーム５に取り付けることが可能である。それぞれの位置測定装置８には、例えば、レール７に向けられたレーザと、レーザ投影を検出するためのカメラとが含まれている。

第１測定プラットホーム５には、慣性基準系ｘ^ｉ、ｙ^ｉ、ｚ^ｉに対して第１空間曲線１０を検出する第１慣性測定システム９が組み込まれている。この第１空間曲線１０は、２つのレール７の内側エッジ間に対称に延在している軌道軸１１に対して平行にかつ既知の間隔で延在している。これにより、相対的な軌道経過が特定される。第１測定プラットホーム５の座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇは、この第１空間曲線１０に沿って共に運動する。場合によっては位置測定装置８を用いて、軌道１のレール７毎に空間曲線の特定が行われる。

鉄道車両２の前面１３には、車両フレーム１２に固定して接続されて、第２測定プラットホーム１４が配置されている。この第２測定プラットホーム１４には、第２空間曲線１６を検出するための第２慣性測定システム１５が固定されている。第２測定プラットホーム１４の座標系ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓは、第２空間曲線１６に沿って共に運動する。

それぞれの慣性測定システム９、１５では、それぞれ３つの加速度測定器および３つの回転速度センサが直交して組み立てられている。位置を求めるために積分を行うことにより、関係して共に運動する座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇまたはｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓにおいて与えられるそれぞれの慣性測定システム９、１５の測定した回転速度から、慣性基準系ｘ^ｉ、ｙ^ｉ、ｚ^ｉに対する位置が特定される。

第２測定プラットホーム１４は、チェックすべき軌道区間１８の表面点Ｐを検出するように構成されているセンサ装置１７の支持体として使用される。ここでは軌道区間１８に沿って、軌道１の他に様々な対象体、例えば、プラットホーム１９、電柱２０、信号装置２１および架線２２が設けられている。表面点Ｐを検出することにより、まず、第２測定プラットホーム１４の座標系ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓに対するこれらの対象体１９〜２２の位置を特定可能である。

センサ装置１７には、複数のレーザスキャナ、例えば２次元回転スキャナ２３および２つの２次元セクタスキャナ２４が含まれている。これにより、鉄道車両２の既知の走行速度で、測定結果として３次元点群が得られる。その解像度は、スキャナ２３、２３のサンプリングレートおよび走行速度を適合化することによって可変である。この点群の個々の表面点Ｐの座標は、第２測定プラットホーム１４の座標系ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓを基準にしてコンピュータ２５に記憶される。

さらに、センサ装置１７と共に運動する第２測定プラットホーム１４の座標系ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓから、軌道経過を追従する第１測定プラットホーム５の座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇに、表面点Ｐの座標を変換するようにコンピュータ２５が構成されている。ここでは、２つの慣性測定システム９、１５の測定値を同期化するために、２つの慣性測定システム９、１５間の間隔Ａおよび既知の走行速度が考慮される。

座標変換は、図２に具体的に示されている。第２測定プラットホーム１４の座標系ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓは、第１測定プラットホーム５の座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇに移行され、ここでは、慣性基準座標系ｘ^ｉ、ｙ^ｉ、ｚ^ｉが共通のベースとして使用される。

図３および４に基づいて、例示的な表面Ｐについてこの過程を詳しく説明する。鉄道車両２は、図３において平面図で示されており、軌道区間１８のカーブに差し掛かっている。２次元回転スキャナ２３は、前進走行中に、軌道１と、その脇に設けられているその他の対象体１９〜２２とを螺旋状にスキャンする。ここで検出される表面点Ｐは、軌道周囲のプロフィールに対応する。この点群は、２次元セクタスキャナ２４によって検出される表面点Ｐによって補足される。ここでは、２次元セクタスキャナ２４は、２次元回転スキャナ２３の視野外にある領域に向けられている。

カーブ通過中、２つの慣性測定システム９、１５は、異なる空間曲線１０、１６をそれぞれ検出する。特に、前方のレール走行装置４の前に設けられている車両領域が頭を振ることにより、大きな偏差が発生する。図４では、２つの空間曲線１０、１６は、上から見ると重なっており、共に運動する２つの座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇまたはｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓの原点０^ｇ、０^ｓは、既知の間隔Ａおよび走行速度を用いて同期化されている。

検出した表面点Ｐ毎に、第２測定プラットホーム１４の座標系ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓにおける座標ｘ^ｓ _ｐ、ｙ^ｓ _ｐを、第１測定プラットホーム５の座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇの座標ｘ^ｇ _ｐ、ｙ^ｇ _ｐに変換可能である。それぞれの表面点Ｐの、変換された座標系ｘ^ｇ _ｐ、ｙ^ｇ _ｐは、軌道経過または軌道軸１１に対する位置を示している。

座標変換の結果は、特に車両限界チェックに利用される。ここでは評価装置を用いて、軌道軸１１を基準にして、軌道周囲のプロフィールデータが評価される。それぞれのチェック箇所において、第１測定プラットホーム５と共に運動する座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇにおける（軌道長手方向における）ｘ座標がゼロに等しい表面点Ｐが考慮される。これらの表面点Ｐのｙ座標およびｚ座標は、順守すべき車両限界プロフィールの境界値と比較される。ここでは、第１測定プラットホーム５の座標系ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇの座標系のゼロ点０^ｇを軌道軸１１にシフトするのが有効である。なぜなら、規格化された車両限界プロフィールデータも同様に軌道軸１１を基準にしているからである。

車両限界プロフィールを越えたことが問題となるのは、表面点Ｐが、あらかじめ設定された車両限界プロフィール内にある場合である。対応するｙ座標またはｚ座標は、この場合、あらかじめ設定された車両限界プロフィール境界値よりも小さい。衝突の危険性を回避するために、車両限界プロフィールを越えたことが、コントロールセンタに通知される。鉄道車両２の出力装置２６に直ちに表示することも有効である。ここでは有利には、コンピュータ２５が、表面点Ｐの座標と、車両限界プロフィール境界値とをオンラインで比較するための評価装置として構成されている。

特に、車両限界プロフィールを越えた際には、車両限界を侵す対象体１９〜２２の位置データと、チェックされる軌道区間１８のキロメートル数とを結び付ける出力データが生成される。これにより、適切な対抗措置を行うために、鉄道網におけるすべての問題箇所を所期のように探し出すことが可能である。鉄道車両２には、道程距離測定装置２７またはＧＮＳＳ受信機が配置されている。さらに、軌道１の脇に設けられている固定点に対する絶対位置を特定するために、鉄道車両２に取り付けられる固定点測定装置が有効である。

本発明の別の利点は、センサ装置１７を用いてレール内側エッジの表面点Ｐも一緒に検出することによって得られる。これにより、説明した座標変換により、軌道経過を特定することが可能である。これは、例えば測定走行の後、オフラインで行うことができ、これにより、第１測定プラットホーム５を用いて検出した軌道経過の確かさがチェックされる。したがって本発明には、軌道経過を特定するための冗長なシステムが含まれている。

Claims (12)

1. レール走行装置（４）に支えられて軌道（１）のレール（７）上を走行可能な車両フレーム（１２）を備えた鉄道車両（２）であって、軌道経過を検出するための第１慣性測定システム（９）を備えた第１測定プラットホーム（５）を有する、鉄道車両（２）において、
   第２慣性測定システム（１５）と、軌道区間（１８）の表面点（Ｐ）を検出する少なくとも１つのセンサ装置（１７）とを含む第２測定プラットホーム（１４）が前記鉄道車両（２）に配置されていることを特徴とする、鉄道車両（２）。
2. 前記慣性測定システム（９、１５）および前記センサ装置（１７）の測定データが供給され、かつ前記センサ装置（１７）と共に運動する前記第２測定プラットホーム（１４）の座標系（ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓ）から、前記軌道経過に追従する前記第１測定プラットホーム（５）の座標系（ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇ）に、前記表面点（Ｐ）の座標を変換するように構成されているコンピュータ（２５）が、前記鉄道車両（２）に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の鉄道車両（２）。
3. 前記第１測定プラットホーム（５）の前記座標系（ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇ）における前記表面点（Ｐ）の前記座標と、あらかじめ設定された、前記軌道区間（１８）の車両限界プロフィールとを比較するように構成されている評価装置が前記鉄道車両（２）に配置されていることを特徴とする、請求項２記載の鉄道車両（２）。
4. 複数の前記レール走行装置（４）のうちの１つに前記第１測定プラットホーム（５）が配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の鉄道車両（２）。
5. 前記第１測定プラットホーム（５）が、前記レール走行装置（４）の車軸に配置されかつ前記第１慣性測定システム（９）が配置されている測定フレーム（６）を有することを特徴とする、請求項４記載の鉄道車両（２）。
6. 前記軌道（１）の前記レール（７）に対して前記測定フレーム（６）の位置を特定する少なくとも２つの位置測定装置（８）が、前記測定フレーム（６）に配置されていることを特徴とする、請求項５記載の鉄道車両（２）。
7. 前記鉄道車両（２）の前面（１３）に前記第２測定プラットホーム（１４）が配置されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の鉄道車両（２）。
8. 前記表面点（Ｐ）を点群として検出するレーザスキャナ（２３、２４）が、前記センサ装置（１７）に含まれていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の鉄道車両（２）。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の鉄道車両（２）を用いて軌道区間（１８）を検測する方法であって、
   前記第１慣性測定システム（９）を用いて、特に前記第１測定プラットホーム（５）の座標系（ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇ）の運動経過として、前記軌道経過を検出し、
   第２慣性測定システム（１５）を用いて、特に前記第２測定プラットホーム（１４）の座標系（ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓ）の運動経過として、前記センサ装置（１７）の運動経過を検出し、
   前記センサ装置（１７）を用いて、前記軌道区間（１８）の表面点（Ｐ）を検出する
   ことを特徴とする、軌道区間（１８）を検測する方法。
10. 前記センサ装置（１７）と共に運動する前記第２測定プラットホーム（１４）の座標系（ｘ^ｓ、ｙ^ｓ、ｚ^ｓ）から、前記軌道経過に追従する前記第１測定プラットホーム（５）の座標系（ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇ）に、前記表面点（Ｐ）の座標を変換することを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. 前記第１測定プラットホーム（５）の前記座標系（ｘ^ｇ、ｙ^ｇ、ｚ^ｇ）における前記表面点（Ｐ）の座標と、前記軌道区間（１８）の車両限界プロフィールとを比較することを特徴とする、請求項１０記載の方法。
12. 前記表面点（Ｐ）が車両限界プロフィールを越えたことを出力装置（２６）に表示することを特徴とする、請求項１１記載の方法。

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