JP2022165187A - 損傷領域推定システム、推定装置及び損傷領域推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】破断が発生する前段階で鉄道に関する対象物の損傷領域を簡便に推定することができる損傷領域推定システム、推定装置及び損傷領域推定方法を提供することである。【解決手段】実施形態の損傷領域推定システムは、複数のセンサと、位置標定部と、推定部とを持つ。複数のセンサは、損傷領域の推定対象となる鉄道に関する対象物で発生する弾性波を検出する。位置標定部は、前記複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波に基づいて、前記複数の弾性波の発生源の位置を標定する。推定部は、前記複数の弾性波の発生源の位置に基づいて、前記対象物における損傷領域を推定する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、損傷領域推定システム、推定装置及び損傷領域推定方法に関する。

従来、レール異常に伴う鉄道の輸送トラブルが発生している。レール異常の中でも、レール破断は脱線等の重大事故を引き起こす危険性が高いため、早急な対応が求められている。レール破断を検知する技術も提案されているが、従来の手法では、レールが破断したことを検知するため、既にレールの損傷が大きくなっていることが想定される。

損傷の初期段階で異常を捉えることができればより効果的な対策が期待でき、重大事故防止の観点からも望ましい。損傷の初期段階で異常を捉えることができる従来技術も提案されている。しかしながら、従来の手法では、異常を検知できない場所があったり、異常を検知するために数多くのセンサを設置する必要があり、損傷領域を簡便に推定することができない場合があった。なお、このような問題は、レールに限らず、架線等においても生じる。

特開２０１４－８０１３３号公報 特開２００６－２２０５６９号公報 特開２００６－２５８４９４号公報

本発明が解決しようとする課題は、破断が発生する前段階で鉄道に関する対象物の損傷領域を簡便に推定することができる損傷領域推定システム、推定装置及び損傷領域推定方法を提供することである。

実施形態の損傷領域推定システムは、複数のセンサと、位置標定部と、推定部とを持つ。複数のセンサは、損傷領域の推定対象となる鉄道に関する対象物で発生する弾性波を検出する。位置標定部は、前記複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波に基づいて、前記複数の弾性波の発生源の位置を標定する。推定部は、前記複数の弾性波の発生源の位置に基づいて、前記対象物における損傷領域を推定する。

実施形態における損傷領域推定システムの概要を説明するための図。 第１の実施形態における損傷領域推定システムの構成を表す図。 第１の実施形態における信号処理部の機能を表す概略ブロック図。 第１の実施形態における損傷領域推定システムの処理の流れを示すシーケンス図。 実レールを模擬した実験モデルの一例を示す図。 実験モデルにて実施した原理検証試験の概要を説明するための図。 原理検証試験により得られた１つの弾性波の波形の一例を示す図。 各センサによって検出された弾性波を分析した結果を示す図。 第２の実施形態における損傷領域推定システムの構成を表す図。 変形例における損傷領域推定システムの構成を表す図。 図６に示す環境下で電流印加の無い場合に得られた弾性波の波形の一例を示す図。 第３の実施形態における損傷領域推定システムの構成を表す図。 第４の実施形態における損傷領域推定システムの構成を表す図。 第４の実施形態における信号選別部の具体的な処理を説明するための図。 第４の実施形態における信号選別部の具体的な処理を説明するための図。 低周波数のセンサと、高周波数のセンサとを用いて電食弾性波を検出した結果を示す図。

以下、実施形態の損傷領域推定システム、推定装置及び損傷領域推定方法を、図面を参照して説明する。

（概要）
実施形態における損傷領域推定システムは、軌条で発生した弾性波に基づいて、軌条における損傷領域を推定する。軌条とは、例えば鉄道車両が走行するレールである。軌条において弾性波が発生する現象は、例えば図１に示すように、軌条を流れる電流が漏出して電食が発生することによって生じる。

図１は、実施形態における損傷領域推定システムの概要を説明するための図である。図１には、鉄道車両ＲＳがレールＲ上を走行している様子が示されている。鉄道車両ＲＳは、変電所１から供給される電流を利用して走行する。より具体的には、変電所１から出力される電流は、電車線２及び鉄道車両ＲＳが備えるパンタグラフ３を介して鉄道車両ＲＳに供給される。鉄道車両ＲＳで利用されなかった電流は、レールＲを介して変電所１に戻る。電流がレールＲを介して変電所１に戻る際、一部の電流は漏れ電流として地面４に流れる。このような現象により、レールＲにおいて電食が発生する。図１では、電食が発生した箇所を電食部５として示している。

電食部５では、弾性波ＡＥが発生する。電食部５で発生した弾性波ＡＥは、レールＲ内部を伝搬していく。そこで、実施形態における損傷領域推定システムでは、レールＲ又はレールＲに接触している物体に複数のセンサ１０を設置して、レールＲ内部を伝搬した弾性波ＡＥを複数のセンサ１０で検出する。レールＲに接触している物体は、例えばレールＲをまくらぎに固定するためのレールクリップや鉄道車両ＲＳの車輪などである。損傷領域推定システムでは、複数のセンサ１０それぞれによって検出された弾性波ＡＥに基づいて位置標定を行う。これにより、弾性波ＡＥの発生源（以下「弾性波源」という）が標定される。そして、損傷領域推定システムでは、位置標定の結果を用いて、レールＲにおける損傷領域を推定する。損傷領域とは、電食によりレールＲにおいて損傷が発生している領域である。

上記のような手法で損傷領域を推定することにより、従来のようにレールが破断する前段階でレールの異常を発見することができる。
以下、実施形態における損傷領域推定システムの詳細について説明する。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態における損傷領域推定システム１００の構成を表す図である。損傷領域推定システム１００は、複数のセンサ１０－１～１０－ｎ（ｎは１以上の整数）、信号処理部２０及び推定装置３０を備える。第１の実施形態において、センサ１０と信号処理部２０との間、及び、信号処理部２０と推定装置３０との間は、有線により接続される。なお、以下の説明では、センサ１０－１～１０－ｎを区別しない場合にはセンサ１０と記載する。第１の実施形態において、センサ１０及び信号処理部２０は、軌条で発生する弾性波を検出する検出装置として構成される。

センサ１０は、レールＲ又はレールＲに接触している物体に設置される。以下の説明では、センサ１０が、レールＲに設置されているものとする。信号処理部２０及び推定装置３０は、センサ１０と同じ場所に設けられてもよいし、センサ１０が設置されている場所と異なる場所（例えば、管理者がいる管理所等）に設けられてもよい。

センサ１０は、鉄道車両ＲＳが走行する軌条で発生する弾性波を検出する。センサ１０は、検出した弾性波を電気信号に変換する。センサ１０には、例えば１０ｋＨｚ～１ＭＨｚの範囲に感度を有する圧電素子が用いられる。センサ１０としてより好適なものは、１００ｋＨｚ～２００ｋＨｚに感度を有する圧電素子である。センサ１０は、周波数範囲内に共振ピークをもつ共振型、共振を抑えた広帯域型等の種類があるが、センサ１０の種類はいずれでもよい。センサ１０が弾性波を検出する方法は、電圧出力型、抵抗変化型及び静電容量型等があるが、いずれの検出方法でもよい。センサ１０は、増幅器を内蔵していてもよい。

センサ１０に代えて加速度センサ又はマイクロホンが用いられてもよい。この場合、加速度センサは、レールＲ内部で発生する弾性波を検出する。そして、加速度センサは、センサ１０と同様の処理を行うことによって、検出した弾性波を電気信号に変換する。

信号処理部２０は、センサ１０から出力された電気信号を入力とする。信号処理部２０は、入力した電気信号に対して信号処理を行う。信号処理部２０が行う信号処理は、例えば、ノイズ除去、到達時刻の決定、パラメータ抽出等である。信号処理部２０は、信号処理により得られた弾性波の特徴量のデータを送信データとして、有線ケーブル４０を介して推定装置３０に出力する。

信号処理部２０は、アナログ回路又はデジタル回路を用いて構成される。デジタル回路は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やマイクロコンピュータにより実現される。不揮発型のＦＰＧＡを用いることで、待機時の消費電力を抑えることができる。デジタル回路は、専用のＬＳＩ（Large-Scale Integration）により実現されてもよい。信号処理部２０は、フラッシュメモリ等の不揮発メモリや、取り外し可能なメモリを搭載してもよい。

図３は、第１の実施形態における信号処理部２０の機能を表す概略ブロック図である。信号処理部２０は、フィルタ２１、Ａ／Ｄ変換器２２、波形整形フィルタ２３、ゲート生成回路２４、到達時刻決定部２５、特徴量抽出部２６、送信データ生成部２７、メモリ２８及び出力部２９を備える。

フィルタ２１では、センサ１０から出力された電気信号において信号帯域以外のノイズ成分が除去される。フィルタ２１は、例えばバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band pass filter）である。

Ａ／Ｄ変換器２２は、ノイズ成分が除去された電気信号を量子化してデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器２２は、デジタル信号を波形整形フィルタ２３に出力する。

波形整形フィルタ２３は、入力された時系列データのデジタル信号から所定の信号帯域外のノイズ成分を除去する。波形整形フィルタ２３は、例えばバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。波形整形フィルタ２３は、例えばフィルタ２１と同じ周波数帯域を通過させるように設定されているものとする。波形整形フィルタ２３は、ノイズ成分除去後の信号（以下「ノイズ除去信号」という。）をゲート生成回路２４及び特徴量抽出部２６に出力する。

ゲート生成回路２４は、波形整形フィルタ２３から出力されたノイズ除去信号を入力とする。ゲート生成回路２４は、入力したノイズ除去信号に基づいてゲート信号を生成する。ゲート信号は、ノイズ除去信号の波形が持続しているか否かを示す信号である。

ゲート生成回路２４は、例えばエンベロープ検出器及びコンパレータにより実現される。エンベロープ検出器は、ノイズ除去信号のエンベロープを検出する。エンベロープは、例えばノイズ除去信号を二乗し、二乗した出力値に対して所定の処理（例えばローパスフィルタを用いた処理やヒルベルト変換）を行うことで抽出される。コンパレータは、ノイズ除去信号のエンベロープが所定の閾値以上であるか否かを判定する。

ゲート生成回路２４は、ノイズ除去信号のエンベロープが所定の閾値以上となった場合、ノイズ除去信号の波形が持続していることを示す第１のゲート信号を到達時刻決定部２５及び特徴量抽出部２６に出力する。一方、ゲート生成回路２４は、ノイズ除去信号のエンベロープが所定の閾値未満になった場合、ノイズ除去信号の波形が持続していないことを示す第２のゲート信号を到達時刻決定部２５及び特徴量抽出部２６に出力する。

到達時刻決定部２５は、不図示の水晶発振器などのクロック源から出力されるクロックと、ゲート生成回路２４から出力されたゲート信号とを入力とする。到達時刻決定部２５は、第１のゲート信号が入力されている間に入力されたクロックを用いて、弾性波到達時刻を決定する。到達時刻決定部２５は、決定した弾性波到達時刻を時刻情報として送信データ生成部２７に出力する。到達時刻決定部２５は、第２のゲート信号が入力されている間に処理を行わない。到達時刻決定部２５は、クロック源からの信号をもとに、電源投入時からの累積の時刻情報を生成する。具体的には、到達時刻決定部２５は、クロックのエッジをカウントするカウンタとし、カウンタのレジスタの値を時刻情報とすればよい。カウンタのレジスタは所定のビット長を有するように決定される。

特徴量抽出部２６は、波形整形フィルタ２３から出力されたノイズ除去信号と、ゲート生成回路２４から出力されたゲート信号とを入力とする。特徴量抽出部２６は、第１のゲート信号が入力されている間に入力されたノイズ除去信号を用いて、ノイズ除去信号の特徴量を抽出する。特徴量抽出部２６は、第２のゲート信号が入力されている間に処理を行わない。特徴量は、ノイズ除去信号の特徴を示す情報である。

特徴量は、例えば波形の振幅［ｍＶ］、波形の立ち上がり時間［ｕｓｅｃ］、ゲート信号の持続時間［ｕｓｅｃ］、ゼロクロスカウント数［ｔｉｍｅｓ］、波形のエネルギー［ａｒｂ．］、周波数［Ｈｚ］及びＲＭＳ（Root Mean Square：二乗平均平方根）値等である。特徴量抽出部２６は、抽出した特徴量に関するパラメータを送信データ生成部２７に出力する。特徴量抽出部２６は、特徴量に関するパラメータを出力する際に、特徴量に関するパラメータにセンサＩＤを対応付ける。センサＩＤは、レールＲに設置されているセンサ１０を識別するための識別情報を表す。これにより、特徴量に関するパラメータが、どのセンサ１０により検出された弾性波の特徴量であるのかを特定することができる。

波形の振幅は、例えばノイズ除去信号の中で最大振幅の値である。波形の立ち上がり時間は、例えばゲート信号の立ち上がり開始からノイズ除去信号が最大値に達するまでの時間Ｔ１である。ゲート信号の持続時間は、例えばゲート信号の立ち上がり開始から振幅が予め設定される値よりも小さくなるまでの時間である。ゼロクロスカウント数は、例えばゼロ値を通る基準線をノイズ除去信号が横切る回数である。

波形のエネルギーは、例えば各時点においてノイズ除去信号の振幅を二乗したものを時間積分した値である。なお、エネルギーの定義は、上記例に限定されず、例えば波形の包絡線を用いて近似されたものでもよい。周波数は、ノイズ除去信号の周波数である。ＲＭＳ値は、例えば各時点においてノイズ除去信号の振幅を二乗して平方根により求めた値である。

送信データ生成部２７は、センサＩＤと、時刻情報と、特徴量に関するパラメータとを入力とする。送信データ生成部２７は、入力したセンサＩＤと、時刻情報と、特徴量に関するパラメータとを含む送信データを生成する。送信データ生成部２７は、生成した送信データをメモリ２８に記録してもよいし、メモリ２８に記録せずに出力部２９に出力してもよい。

メモリ２８は、送信データを記憶する。メモリ２８は、例えばデュアルポートＲＡＭ（Random Access Memory）である。

出力部２９は、メモリ２８に記憶されている送信データ、又は、送信データ生成部２７から出力された送信データを推定装置３０に逐次出力する。

図２に戻って説明を続ける。
推定装置３０は、有線通信部３１、制御部３２、記憶部３３及び表示部３４を備える。

有線通信部３１は、信号処理部２０から出力された送信データを、有線ケーブル４０を介して受信する。有線通信部３１は、受信した送信データを制御部３２に出力する。

制御部３２は、推定装置３０全体を制御する。制御部３２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサやメモリを用いて構成される。制御部３２は、プログラムを実行することによって、取得部３２１、イベント抽出部３２２、位置標定部３２３、分布生成部３２４及び推定部３２５として機能する。

取得部３２１、イベント抽出部３２２、位置標定部３２３、分布生成部３２４及び推定部３２５の機能部のうち一部または全部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡなどのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置などの非一時的な記憶媒体である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

取得部３２１、イベント抽出部３２２、位置標定部３２３、分布生成部３２４及び推定部３２５の機能の一部は、予め推定装置３０に搭載されている必要はなく、追加のアプリケーションプログラムが推定装置３０にインストールされることで実現されてもよい。

取得部３２１は、各種情報を取得する。例えば、取得部３２１は、有線通信部３１によって受信された送信データを取得する。取得部３２１は、取得した送信データを記憶部３３に保存する。

イベント抽出部３２２は、記憶部３３に記憶されている送信データの中から１イベントにおける送信データを抽出する。イベントとは、レールＲで発生した弾性波発生事象を表す。本実施形態における弾性波発生事象は、例えばレールＲで発生した電食である。１回のイベントが発生した場合、複数のセンサ１０で略同時刻に弾性波が検出されることになる。すなわち、記憶部３３には、略同時刻に検出された弾性波に関する送信データが記憶されていることになる。そこで、イベント抽出部３２２は、所定の時間窓を設け、到達時刻が時間窓の範囲内に存在する全ての送信データを１イベントにおける送信データとして抽出する。イベント抽出部３２２は、抽出した１イベントにおける送信データを位置標定部３２３に出力する。

時間窓の範囲Ｔｗは、対象とするレールＲにおける弾性波伝搬速度ｖと、最大のセンサ間隔ｄｍａｘを用いて、Ｔｗ≧ｄｍａｘ／ｖの範囲になるように決定してもよい。誤検出を避けるためには、Ｔｗをできるだけ小さい値に設定することが望ましいため、実質的にはＴｗ＝ｄｍａｘ／ｖとすることができる。弾性波伝搬速度ｖは、予め求められていてもよい。

位置標定部３２３は、センサ位置情報と、イベント抽出部３２２によって抽出された複数の送信データそれぞれに含まれるセンサＩＤ及び時刻情報とに基づいて弾性波源の位置標定を行う。なお、弾性波は、例えば振幅やエネルギーが所定値以下のデータを除去するなどしてもよい。

センサ位置情報には、センサＩＤに対応付けてセンサ１０の設置位置に関する情報が含まれる。センサ位置情報は、例えばレールＲの特定位置からの水平方向および垂直方向の距離など等の情報を含む。位置標定部３２３は、センサ位置情報を予め保持している。センサ位置情報は、位置標定部３２３が弾性波源の位置標定を行う前であればどのタイミングで位置標定部３２３に記憶されてもよい。

センサ位置情報は、記憶部３３に記憶されていてもよい。この場合、位置標定部３２３は、位置標定を行うタイミングで記憶部３３からセンサ位置情報を取得する。弾性波源の位置の標定には、カルマンフィルタ、最小二乗法などが用いられてもよい。位置標定部３２３は、計測期間中に得られた弾性波源の位置情報を分布生成部３２４に出力する。

分布生成部３２４は、位置標定部３２３から出力された複数の弾性波源の位置情報を入力とする。分布生成部３２４は、入力した複数の弾性波源の位置情報を用いて、弾性波源分布を生成する。弾性波源分布は、弾性波源の位置が示された分布を表す。より具体的には、弾性波源分布は、損傷領域の推定対象となるレールＲを表した仮想的なデータ上において弾性波源の位置を示す点が示された分布である。なお、分布生成部３２４は、弾性波源分布を用いて、弾性波源の位置をコンター図で表すことによって弾性波源密度分布を生成してもよい。

推定部３２５は、分布生成部３２４によって生成された弾性波源分布に基づいてレールＲにおける損傷領域を推定する。具体的には、推定部３２５は、弾性波源の密度が閾値以上の領域を損傷領域として推定する。

記憶部３３は、取得部３２１によって取得された送信データを記憶する。記憶部３３は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。

表示部３４は、推定部３２５の制御に従って評価結果を表示する。表示部３４は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の画像表示装置である。表示部３４は、画像表示装置を推定装置３０に接続するためのインタフェースであってもよい。この場合、表示部３４は、評価結果を表示するための映像信号を生成し、自身に接続されている画像表示装置に映像信号を出力する。

図４は、第１の実施形態における損傷領域推定システム１００の処理の流れを示すシーケンス図である。なお、図４の処理開始時には、レールＲに電流が流れているものとする。
各センサ１０は、弾性波を検出する（ステップＳ１０１）。例えば、各センサ１０は、電食により発生した弾性波を検出する。各センサ１０は、検出した弾性波を電気信号に変換して信号処理部２０に出力する。信号処理部２０は、各センサ１０から出力された各電気信号に対して信号処理を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、信号処理部２０は、各電気信号に対してノイズ除去、到達時刻の決定、パラメータ抽出等の信号処理を行う。信号処理部２０は、上記の信号処理をセンサ１０から電気信号が得られる度に実行する。

信号処理部２０は、信号処理後のデータを用いてセンサ１０毎の送信データを生成する（ステップＳ１０３）。信号処理部２０は、生成したセンサ１０毎の送信データを、有線ケーブル４０を介して推定装置３０に送信する（ステップＳ１０４）。ここで、信号処理部２０は、送信データを生成する度に推定装置３０に送信してもよいし、ある期間分の送信データを生成したタイミングでまとめて推定装置３０に送信してもよい。

推定装置３０の有線通信部３１は、信号処理部２０から送信された送信データを受信する。取得部３２１は、有線通信部３１によって受信された送信データを取得する。取得部３２１は、取得した送信データを記憶部３３に記録する（ステップＳ１０５）。イベント抽出部３２２は、記憶部３３に記憶されている１イベントにおける複数の送信データを抽出する（ステップＳ１０６）。イベント抽出部３２２は、抽出した１イベントにおける送信データを位置標定部３２３に出力する。

位置標定部３２３は、イベント抽出部３２２によって抽出された１イベントにおける複数の送信データそれぞれに含まれるセンサＩＤ、時刻情報と、センサ位置情報とに基づいて、弾性波源の位置を標定する（ステップＳ１０７）。位置標定部３２３は、弾性波源の標定結果を分布生成部３２４に出力する。イベント抽出部３２２及び位置標定部３２３は、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７の処理を所定期間繰り返し実行する。

分布生成部３２４は、所定期間分の弾性波源の位置情報を用いて、弾性波源分布を生成する（ステップＳ１０８）。分布生成部３２４は、生成した弾性波源分布を推定部３２５に出力する。推定部３２５は、分布生成部３２４によって生成された弾性波源分布に基づいてレールＲにおける損傷領域を推定する（ステップＳ１０９）。具体的には、推定部３２５は、弾性波源の密度が閾値以上の領域を損傷領域として推定する。一例として、推定部３２５は、弾性波源分布上をメッシュで区切り、区切られた領域毎に弾性波源の密度を算出する。そして、推定部３２５は、弾性波源の密度が閾値以上の領域を損傷領域として推定してもよい。なお、弾性波源分布がコンター図で表されている場合には、ある閾値以上の領域を損傷領域として推定してもよい。

推定部３２５は、推定結果を出力する（ステップＳ１１０）。例えば、推定部３２５は、推定結果を表示部３４に表示させてもよい。

次に、図５から図８を用いて、レール模擬試験体による原理検証試験の結果をもとに、レールＲの健全性の評価方法を詳しく説明する。ここで、レール模擬試験体とは図５に示す実レールを模擬した実験モデルである。図５に示す実験モデルは、レールＲと、コンクリートブロックＣＢと、レールクリップＲＣと、ゴムシートＧＳとで構成される。コンクリートブロックＣＢは、まくらぎに見立てたブロックである。レールクリップＲＣは、レールＲをコンクリートブロックＣＢに固定するための部材であり、ボルトＢと、ナットＮとにより固定される。ゴムシートＧＳは、レールＲ及びレールクリップＲＣと、コンクリートブロックＣＢとを機械的又は電気的に絶縁するための部材である。コンクリートブロックＣＢと、ボルトＢとの間には接着剤Ａが流入されている。

実施形態における検査手順は以下の通りである。第一に、検査対象となるレールＲに複数のセンサ１０を設置する。第二に、レールＲに所定の電流を印加する。第三に、損傷（例えば、電食部）から発生した弾性波をセンサ１０で検出する。第四に、センサ１０で検出した弾性波を分析して弾性波源位置を標定する。以降、第二から第四までの工程を繰り返し、損傷領域を推定する。

以下、図６を参照しながら、実験モデルにて実施した原理検証試験の概要を説明する。本試験では、レールＲに４個のセンサ１０－１～１０－４を配置した。図６では、手前に設置したセンサ１０－２及び１０－４を示している。センサ１０－１及び１０－３は、センサ１０－２及び１０－４と対面する位置に設置される。ただし、センサの設置箇所及び個数はこれに限らず、レールクリップＲＣやまくらぎなどの電食により発生した弾性波を検出可能な場所及び個数（複数）であればよい。

続いて、定電流電源にてレールＲ（正極）と、レールクリップＲＣ（負極）との間に直流電流を一定時間印加した。ここで、直流電流とした理由は、直流電気鉄道（検測車含む）から変電所間に流れる帰線（一般的にはレールＲ）電流の漏れ電流を模擬するためである。なお、交流電気鉄道を想定して交流電流を印加してもよい。さらに、現場の湿潤環境（トンネル内の漏水箇所など）を模擬するため、塩水（濃度：３％）を含ませたスポンジＳＰをレールＲとレールクリップＲＣで挟んだ。

図７は、上記の原理検証試験により得られた１つの弾性波の波形の一例を示す図である。図７の左に示す図は、横軸を時間、縦軸を振幅とした弾性波の波形を表し、図７の右に示す図は、横軸を周波数、縦軸を振幅とした弾性波の波形を表す。図７の右に示すように、電食により発生した弾性波は、低域（例えば、１００ｋＨｚ未満）に主共振周波数（図７の破線６）を持っていることがわかる。

各センサ１０によって検出された弾性波を分析（例えば、２次元位置標定、信号振幅分類）した結果を図８に示す。図８では、振幅が４０[ｄＢ]以上の弾性波源を示している。図８に示す例では、複数の電食部５の位置が標定されており、円７で示す領域が損傷領域として推定される。このように、レールＲに設置したセンサ１０－１～１０－４を利用して電食部５の位置及び損傷領域を推定出来ていることがわかる。

従来、レールＲ破断を検知する技術として、列車検知用の軌道回路を利用した方法が広く適用されてきた。一方で、軌道回路の利用廃止の動向に合わせて、レールＲ破断時の衝撃振動を起点に伝搬した超音波を検知するといった軌道回路を利用しない方法も提案さている。この方法では、き裂など比較的程度の大きな損傷に対しては有効に機能する。しかしながら、例えば腐食などのき裂進展以前の損傷については、検出感度などの理由から適用は困難と考えられる。

き裂進展以前の損傷を検知する手法としては、例えば、特許文献２で開示されている超音波を利用した方法が提案されていた。特許文献２の手法では、レールＲの頂面である踏面に当てた超音波探触子からレールＲ内に向けて超音波を照射し、損傷部からの反射エコーを検知することで損傷の有無を知ることができる。特許文献３では、レールＲ底部に設置した磁気センサを利用して検査箇所の漏洩電流を計測し、レールＲの電食状態を判定する方法が提案されていた。

しかしながら、特許文献２に開示されている方法では、レールＲ底端部などの超音波が到達しにくい箇所への適用は容易ではない。具体的には、レールＲとレールクリップ間で発生する電食検知などには適用が容易ではない。一方、特許文献３に開示されている方法であれば、レールＲとレールクリップ間で発生する電食検知は可能と推察される。しかしながら、電食損傷位置を特定するためにはレールクリップ毎に磁気センサを配置しなければならず、作業が容易ではない。

それに対して、第１の実施形態における損傷領域推定システム１００では、鉄道車両ＲＳが走行するレールＲで発生する弾性波を検出する複数のセンサ１０と、複数のセンサ１０それぞれによって検出された複数の弾性波に基づいて、複数の弾性波の発生源の位置を標定する位置標定部３２３と、複数の弾性波の発生源の位置に基づいて、レールＲにおける損傷領域を推定する推定部３２５とを備える。そのため、破断が発生する前段階でレールＲにおける損傷領域を簡便に推定することが可能になる。

さらに、損傷領域推定システム１００では、複数のセンサ１０それぞれによって検出された複数の弾性波の特徴量を抽出する信号処理部２０をさらに備える。位置標定部３２３は、弾性波の特徴量に基づいて複数の弾性波の発生源の位置を標定した後に発生源分布を導出する。推定部３２５は、発生源分布を用いてレールＲにおける損傷領域を推定する。このように、弾性波源の位置が示された分布を利用するため、弾性波源の数に応じて損傷領域を推定することができる。

さらに、損傷領域推定システム１００では、推定部３２５が、発生源分布において密度が閾値以上の領域を損傷領域として推定する。弾性波源の密度が閾値以上である領域は、弾性波がより多く発生している領域である。弾性波は、材料の変形、破壊又は電気化学反応時などに損傷部分から放出される波である。弾性波源が多い領域ほど、損傷が発生している可能性がある。このように、損傷領域推定システム１００では、発生源分布を用いて、容易に損傷領域を推定することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、信号処理部と推定装置とが有線により接続されていた。第２の実施形態では、信号処理部と推定装置とを無線により接続する構成について説明する。

図９は、第２の実施形態における損傷領域推定システム１００ａの構成を表す図である。損傷領域推定システム１００ａは、複数のセンサ１０－１～１０－ｎ、信号処理部２０ａ、無線通信部５０、電源供給部６０及び推定装置３０ａを備える。第２の実施形態において、センサ１０、信号処理部２０ａ、無線通信部５０及び電源供給部６０は、レールＲで発生する弾性波を検出する検出装置として構成される。以下、第１の実施形態との相違点について説明する。

信号処理部２０ａは、信号処理により得られたデータを送信データとして無線通信部５０に出力する。

無線通信部５０は、信号処理部２０ａから出力された送信データを、所定のタイミングで推定装置３０ａに送信する。無線通信部５０は、第１の無線通信部の一態様である。

電源供給部６０は、信号処理部２０ａ及び無線通信部５０に電源を供給する。電源供給部６０は、自立電源であることが好ましい。電源供給部６０は、例えば１次電池、帰線電流による二次電池の充電又は振動発電機に代表されるエナジーハーベスタを利用する装置である。

（振動発電機）
電源供給部６０は、信号処理部２０ａ及び無線通信部５０に電源を供給可能な位置であればどこに設置されてもよい。電源供給部６０がレールＲ又はレールＲに接触している物体に設置されている場合、電源供給部６０をレールＲの上下振動を利用して発電する振動発電機とすることで、電池交換が不要でかつ配線を台車上で完結することができ、設置コストを低減することができ、好適である。振動発電機における可動子の固有振動数が、設置する場所における固有振動周波数±１０％の範囲に含まれるように構成することで、より大きな発電量が得られる。特に振動発電機における可動子の固有振動数が設置場所の１次曲げ固有振動数近傍に設定されることが望ましい。

推定装置３０ａは、無線通信部３５、制御部３２、記憶部３３及び表示部３４を備える。推定装置３０ａは、有線通信部３１に代えて無線通信部３５を備える点で第１の実施形態と構成が異なる。推定装置３０ａは、それ以外の構成については、第１の実施形態における推定装置３０と構成は同じである。

無線通信部３５は、無線通信部５０から送信された送信データを無線により受信する。無線通信部３５は、第２の無線通信部の一態様である。

第２の実施形態における損傷領域推定システム１００ａの処理は、検出装置から推定装置３０ａへの送信データの送信が有線から無線になった点を除けば第１の実施形態と同様である。

以上のように構成された損傷領域推定システム１００ａによれば、弾性波の特徴量のデータを含む送信データを無線により送信する無線通信部５０と、少なくとも無線通信部５０に給電する電源供給部６０と、無線通信部５０から送信された送信データを受信する無線通信部３５を備えている。これにより、無線通信部５０を備える検出装置は、電源供給部６０から給電される電力で動作可能になる。さらに、無線化することにより、ケーブルの敷設や管理の作業コストを削減することができる。

さらに、損傷領域推定システム１００ａでは、少なくとも無線通信部３５、位置標定部３２３及び推定部３２５を備える推定装置３０ａが鉄道車両ＲＳに設置される。これにより、推定装置３０ａを載せた鉄道車両ＲＳ（例えば、営業車や検測車など）を少なくとも１台以上走行させて、検出装置からデータを吸い上げればよく、データ収集効率を向上させることができる。

さらに、損傷領域推定システム１００ａでは、電源供給部６０として、１次電池、帰線電流による二次電池の充電、振動発電機に代表されるエナジーハーベスタ等の自立電源を用いる。これにより、電源が近くにない場所であっても容易に送信データを送信することが可能になる。

（第２の実施形態における損傷領域推定システム１００ａの変形例）
損傷領域推定システム１００ａにおいて、間欠動作を可能とするウェイクアップ機能を備えるように構成されてもよい。間欠動作を可能とするウェイクアップ機能を備えた構成を図１０に示す。図１０は、変形例における損傷領域推定システム１００ｂの構成を表す図である。損傷領域推定システム１００ｂは、複数のセンサ１０－１～１０－ｎ、信号処理部２０ａ、無線通信部５０、電源供給部６０、検出部７０、制御部８０及び推定装置３０ｂを備える。センサ１０、信号処理部２０ｂ、無線通信部５０、電源供給部６０、検出部７０及び制御部８０は、レールＲで発生する弾性波を検出する検出装置として構成される。検出装置において、信号処理部２０ｂ及び無線通信部５０が処理開始前はスリープ状態である点、検出部７０及び制御部８０を新たに備える点が第２の実施形態との相違点である。

検出部７０は、環境の変化を検出する。例えば、検出部７０は、加速度センサである。環境の変化とは、加速度が所定値以上変化したことである。検出部７０は、鉄道車両ＲＳの走行振動を監視し、所定値以上の加速度を検出した場合に、環境が変化したことを制御部８０に通知する。

制御部８０は、検出部７０により環境の変化が検出された場合に、スリープ状態である機能部を起動させる。例えば、制御部８０は、電源供給部６０に対して信号処理部２０ｂ及び無線通信部５０への給電を行うように制御することによってスリープ状態である信号処理部２０ｂ及び無線通信部５０を起動させる。なお、信号処理部２０ｂ又は無線通信部５０の一方がスリープ状態であってもよい。

このように構成されることによって、信号処理部２０ｂ及び無線通信部５０は常に起動している必要はなく、消費電力を抑制することができる。

なお、電源供給部６０として振動発電機を利用する場合には、制御部８０は振動発電機からの電源の出力信号が得られたことを契機にスリープ状態である機能部を起動させる。この場合、損傷領域推定システム１００ｂは、検出部７０を備えなくてよい。

このように構成されることによって、上記の検出部７０を備えなくて済む。そのため、検出部７０を備える構成よりもコストを削減することができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態及び第２の実施形態では、センサで検出される弾性波を全て利用する構成を説明した。しかしながら、実際に現場で運用するためには、各種外乱への対策が必要である。例えば、センサで検出される弾性波には、電食により発生する弾性波（以下「電食弾性波」という。）の他に、自然腐食に起因する弾性波（以下「自然腐食弾性波」という。）等がある。自然腐食が発生する現場で作業する場合には、電食弾性波と、自然腐食弾性波とが混在する可能性が高い。電食による損傷領域の推定精度の劣化を抑制するためには、これらの弾性波を分離する必要がある。そこで、第３の実施形態では、センサで検出される弾性波のうち、自然腐食弾性波を除くための構成について説明する。

図１１は、図６に示す環境下で電流印加の無い場合に得られた弾性波の波形の一例を示す図である。図１１の左に示す図は、横軸を時間、縦軸を振幅とした弾性波の波形を表し、図１１の右に示す図は、横軸を周波数、縦軸を振幅とした弾性波の波形を表す。図１１に示す弾性波は、湿潤環境下で生じた自然腐食弾性波であり電食弾性波とは異なる。図１１の右に示すように、自然腐食弾性波は、高域（例えば、１００ｋＨｚ以上）に主共振周波数（図１１の破線８）を持っていることがわかる。このように、電食弾性波と、自然腐食弾性波とでは、主共振周波数が異なる。そこで、センサ１０により得られた弾性波の周波数成分を確認することで、電食弾性波と、自然腐食弾性波とを分離することができる。

図１２は、第３の実施形態における損傷領域推定システム１００ｃの構成を表す図である。損傷領域推定システム１００ｃは、複数のセンサ１０－１～１０－ｎ、信号処理部２０ａ、無線通信部５０、電源供給部６０及び推定装置３０ｃを備える。推定装置３０ｃ以外の構成は、第２の実施形態と同様である。

推定装置３０ｃは、無線通信部３５、制御部３２ｃ、記憶部３３及び表示部３４を備える。制御部３２ｃは、推定装置３０ｃ全体を制御する。制御部３２ｃは、ＣＰＵ等のプロセッサやメモリを用いて構成される。制御部３２ｃは、プログラムを実行することによって、取得部３２１、イベント抽出部３２２、信号判定部３２６、位置標定部３２３ｃ、分布生成部３２４及び推定部３２５として機能する。

取得部３２１、イベント抽出部３２２、信号判定部３２６、位置標定部３２３ｃ、分布生成部３２４及び推定部３２５の機能部のうち一部または全部は、ＡＳＩＣやＰＬＤ、ＦＰＧＡなどのハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置などの非一時的な記憶媒体である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

取得部３２１、イベント抽出部３２２、信号判定部３２６、位置標定部３２３ｃ、分布生成部３２４及び推定部３２５の機能の一部は、予め推定装置３０ｃに搭載されている必要はなく、追加のアプリケーションプログラムが推定装置３０ｃにインストールされることで実現されてもよい。

制御部３２ｃは、位置標定部３２３に代えて位置標定部３２３ｃを備える点、信号判定部３２６を新たに備える点で制御部３２と構成が異なる。以下、相違点について説明する。

信号判定部３２６は、複数のセンサ１０それぞれによって検出された弾性波毎に主共振周波数が所定の範囲内であるか否かを判定する。例えば、信号判定部３２６は、センサ１０によって検出された弾性波毎に、主共振周波数が低域（例えば、１００ｋＨｚ）未満であるか否かを判定する。

位置標定部３２３ｃは、信号判定部３２６によって主共振周波数が所定の範囲内であると判定された弾性波を用いて弾性波源の位置を標定する。主共振周波数が所定の範囲内であると判定された弾性波は、上述したように、電食弾性波である。このように、位置標定部３２３ｃは、電食弾性波を用いて弾性波源の位置を標定する。

以上のように構成された損傷領域推定システム１００ｃによれば、複数のセンサ１０それぞれによって検出された弾性波毎に、主共振周波数が所定の範囲内であるか否かを判定する信号判定部３２６を備える。そして、位置標定部３２３ｃは、信号判定部３２６によって主共振周波数が所定の範囲内であると判定された弾性波を用いて発生源の位置を標定する。これにより、損傷領域推定システム１００ｃでは、電食弾性波と、自然腐食弾性波とを分離して用いることができる。したがって、電食に起因する損傷領域を精度よく推定することが可能になる。

（第３の実施形態における損傷領域推定システム１００ｃの変形例）
上記の実施形態では、電食弾性波と、自然腐食弾性波とを分離して、電食に起因する損傷領域を推定する構成を示した。推定装置３０ｃは、自然腐食に起因する損傷領域を推定するように構成されてもよい。このように構成される場合、位置標定部３２３ｃは、信号判定部３２６によって主共振周波数が所定の範囲内ではないと判定された弾性波を用いて弾性波源の位置を標定すればよい。そして、推定部３２５は、位置標定部３２３ｃによって標定された弾性波源の位置に基づいて損傷領域を推定する。このように、位置標定部３２３ｃによって標定された弾性波源の位置は、自然腐食に起因する弾性波の発生源である。そのため、自然腐食に起因する損傷領域を精度よく推定することが可能になる。

推定装置３０ｃは、電食に起因する損傷領域と、自然腐食に起因する損傷領域との両方を推定するように構成されてもよい。このように構成される場合、位置標定部３２３ｃは、第１段階として信号判定部３２６によって主共振周波数が所定の範囲内であると判定された弾性波を用いて弾性波源の位置を標定する。さらに、位置標定部３２３ｃは、第２段階として信号判定部３２６によって主共振周波数が所定の範囲内ではないと判定された弾性波を用いて弾性波源の位置を標定する。そして、推定部３２５は、位置標定部３２３ｃによって別々に標定された弾性波源の位置に基づいて、電食に起因する損傷領域と、自然腐食に起因する損傷領域との両方を推定する。推定部３２５は、推定結果を別々に表示部３４に表示する。

（第４の実施形態）
鉄道車両の帰線電流による電食誘起を想定した場合、鉄道走行位置と電食弾性波の発生源とが所定の距離以内では走行外乱をセンサにより同時に検出して電食弾性波のセンサ到達時刻が正確に読み取れず、位置標定の精度劣化を招く可能性がある。一方で、走行外乱の周波数帯域が電食弾性波の主要帯域から離れている場合には、周波数フィルタリングによる外乱除去は十分可能と考えられる。しかし、両者が接近している場合は難しい。このような場合に有効な手段の一つとして、時間領域での外乱除去が挙げられる。具体的には、ある時刻で取得した鉄道車両の位置から所定の距離以上離れたセンサを選別することで、外乱の混入回避が期待できる。そこで、第４の実施形態では、鉄道車両の位置に応じて、位置標定に利用するセンサを選択する構成について説明する。

図１３は、第４の実施形態における損傷領域推定システム１００ｄの構成を表す図である。損傷領域推定システム１００ｄは、複数のセンサ１０－１～１０－ｎ、信号処理部２０ａ、無線通信部５０、電源供給部６０、推定装置３０ｄ及び位置情報提供装置９０を備える。推定装置３０ｄ及び位置情報提供装置９０以外の構成は、第２の実施形態と同様である。

位置情報提供装置９０は、鉄道車両ＲＳの位置情報を取得して、取得した位置情報を推定装置３０ｄに提供する。位置情報提供装置９０は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）により位置情報を取得してもよい。なお、位置情報提供装置９０は、鉄道車両ＲＳの位置情報を取得できればその他の方法で鉄道車両ＲＳの位置情報を取得してもよい。例えば、位置情報提供装置９０は、軌道回路やＣＢＴＣ（Communication Based Train Control）の列車検知情報を参照してもよい。

推定装置３０ｄは、無線通信部３５、制御部３２ｄ、記憶部３３及び表示部３４を備える。制御部３２ｄは、推定装置３０ｄ全体を制御する。制御部３２ｄは、ＣＰＵ等のプロセッサやメモリを用いて構成される。制御部３２ｄは、プログラムを実行することによって、取得部３２１、イベント抽出部３２２、信号選別部３２７、位置標定部３２３ｄ、分布生成部３２４及び推定部３２５として機能する。

取得部３２１、イベント抽出部３２２、信号選別部３２７、位置標定部３２３ｄ、分布生成部３２４及び推定部３２５の機能部のうち一部または全部は、ＡＳＩＣやＰＬＤ、ＦＰＧＡなどのハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置などの非一時的な記憶媒体である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

取得部３２１、イベント抽出部３２２、信号選別部３２７、位置標定部３２３ｄ、分布生成部３２４及び推定部３２５の機能の一部は、予め推定装置３０ｄに搭載されている必要はなく、追加のアプリケーションプログラムが推定装置３０ｄにインストールされることで実現されてもよい。

制御部３２ｄは、位置標定部３２３に代えて位置標定部３２３ｄを備える点、信号選別部３２７を新たに備える点で制御部３２と構成が異なる。以下、相違点について説明する。

信号選別部３２７は、位置情報提供装置９０から提供された鉄道車両ＲＳの位置情報に基づいて、センサ１０と鉄道車両ＲＳとの距離が所定値以上離れているセンサ１０を複数のセンサ１０の中から選択する。

信号選別部３２７によるセンサ１０の選択方法について説明する。図１４及び図１５は、信号選別部３２７の具体的な処理を説明するための図である。図１４及び図１５において、ある地点の変電所１と他の地点の変電所１との間の距離をＬとし、鉄道車両ＲＳの位置をＸ_Ｔとし、あるセンサ１０の位置をＸ_ｓ０とし、あるセンサ１０と他のセンサ１０との間の距離をΔＸ_ｓｍａｘとする。鉄道車両ＲＳの位置は、鉄道車両ＲＳの中心の位置であってもよい。この場合、鉄道車両ＲＳの位置と、先頭の車輪との間の距離をΔＸ_Ｔｆとし、鉄道車両ＲＳの位置と、後尾の車輪との間の距離をΔＸ_Ｔｒとする。

図１４では、鉄道車両ＲＳの位置Ｘ_Ｔが地点Ｌ／２の位置に達していない状態を示している。この場合、信号選別部３２７は、以下の式（１）を満たすセンサ１０を複数のセンサ１０の中から選択する。

Ｘ_ｓ０＞Ｘ_Ｔ＋ΔＸ_Ｔｆ＋ΔＸ_ｓｍａｘ・・・式（１）

図１５では、鉄道車両ＲＳの位置Ｘ_Ｔが地点Ｌ／２の位置を通り過ぎている状態を示している。この場合、信号選別部３２７は、以下の式（２）を満たすセンサ１０を複数のセンサ１０の中から選択する。

Ｘ_ｓ０＜Ｘ_Ｔ－ΔＸ_Ｔｒ－ΔＸ_ｓｍａｘ・・・式（２）

位置標定部３２３ｄは、信号選別部３２７によって選択されたセンサ１０によって検出された弾性波に基づいて弾性波源の位置を標定する。

以上のように構成された損傷領域推定システム１００ｄによれば、鉄道車両ＲＳの位置情報を提供する位置情報提供装置９０と、位置情報提供装置９０から提供された鉄道車両ＲＳの位置情報に基づいて、センサ１０と鉄道車両ＲＳとの距離が所定値以上離れているセンサ１０を複数のセンサ１０の中から選択する信号選別部３２７と、を備える。位置標定部３２３ｄは、選択されたセンサ１０によって検出された弾性波に基づいて弾性波源の位置を標定する。このように、センサ１０と鉄道車両ＲＳとの距離が所定値以上離れているセンサ１０を複数のセンサ１０の中から選択することで、走行外乱の影響を抑制して位置標定ができる。そのため、位置標定の精度劣化を抑制することができる。

（第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかに共通する変形例）
上記の各実施形態では、損傷領域の推定対象が、軌条である場合を例に説明した。損傷領域の推定対象は、鉄道に関する対象物であればよく、軌条に限定される必要はない。例えば、損傷領域の推定対象となる鉄道に関する対象物は、架線であってもよい。第２の実施形態から第４の実施形態のように、無線方式を用いる場合には、軌条の他に、架線の損傷領域を推定することも可能である。架線においても、軌条と同様に腐食により弾性波が発生する。センサ１０の設置対象が架線に代わる点を除けば、処理は第２の実施形態から第４の実施形態と同様である。

第３の実施形態及び第４の実施形態では、検出装置と推定装置とが有線により接続されるように構成されてもよい。第３の実施形態及び第４の実施形態は、第２の実施形態と同様に変形されてもよい。

第１の実施形態から第４の実施形態では、レールＲを流れる電流として、鉄道車両ＲＳと変電所との間を流れる帰線電流を例に説明したが、レールＲに電流を流すことができればそのほかの手法で与えられる電流であってもよい。例えば、図６に示したように、定電流電源を用いて、任意のタイミングでレールＲに電流を流してもよい。この方法であれば、検査したいタイミング検査が可能になる。

推定装置３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃが備える一部の機能は、別の筺体に備えられていてもよい。第１の実施形態における推定装置３０を例にすると、例えば、推定装置３０の制御部３２には取得部３２１及び推定部３２５の機能が備えられ、イベント抽出部３２２、位置標定部３２３及び分布生成部３２４の機能が別の筺体に備えられてもよい。このように構成される場合、推定部３２５は、弾性波源分布を別の筺体から取得し、取得した弾性波源分布を用いて損傷領域を推定する。

第１の実施形態から第４の実施形態において、センサ１０として低周波のセンサ１０を用いるように構成されてもよい。低周波のセンサ１０とは、例えば共振周波数が７０ｋＨｚのセンサである。上述したように、電食弾性波は、低域に主共振周波数をもつという特徴がある。したがって、センサ１０の中心周波数を電食弾性波の主共振周波数に合致させることで自然腐食弾性波の分離及び電食弾性波を高感度に検出することができる。具体的には、センサ１０として低周波数のセンサ１０（共振周波数：７０ｋＨｚ）を用いればよい。図１６は、低周波数のセンサ１０と、高周波数のセンサ１０とを用いて電食弾性波を検出した結果を示す図である。図１６（Ａ）は低周波数のセンサ１０を用いて電食弾性波を検出した結果を表し、図１６（Ｂ）は高周波数のセンサ１０を用いて電食弾性波を検出した結果を表す。図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に示すように、低周波数のセンサ１０を適用することで、高周波数のセンサ１０（共振周波数：１５０ｋＨｚ）よりも電食弾性波を高感度に検出できていることがわかる。

信号処理部２０は、推定装置３０，３０ｃ，３０ｄに備えられてもよい。信号処理部２０ａは、推定装置３０ａに備えられてもよい。信号処理部２０ｂは、推定装置３０ｂに備えられてもよい。このように構成される場合、信号処理部２０，２０ａ，２０ｂは、センサ１０から出力された電気信号を、センサ１０から直接、又は、不図示の中継装置を介して取得する。

推定部３２５は、出力制御部として動作してもよい。出力制御部は、出力部を制御して、推定結果を出力する。ここで、出力部には、表示部３４、通信部および印刷部が含まれる。出力部が通信部である場合、出力制御部は通信部を制御して、推定結果を他の装置に送信する。出力部が印刷部である場合、出力制御部は印刷部を制御して、推定結果を印刷する。なお、推定装置３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、表示部３４、通信部および印刷部の一部又は全てを備えて上記の動作を実行してもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、損傷領域の推定対象となる鉄道に関する対象物（例えば、鉄道車両ＲＳが走行する軌条）で発生する弾性波を検出する複数のセンサと、複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波に基づいて、複数の弾性波の発生源の位置を標定する位置標定部と、複数の弾性波の発生源の位置に基づいて、対象物における損傷領域を推定する推定部とを持つことにより、破断が発生する前段階で鉄道に関する対象物の損傷領域を簡便に推定することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０、１０－１～１０－ｎ…センサ，２０、２０ａ、２０b…信号処理部，２１…フィルタ，２２…Ａ／Ｄ変換器，２３…波形整形フィルタ，２４…ゲート生成回路，２５…到達時刻決定部，２６…特徴量抽出部，２７…送信データ生成部，２８…メモリ，２９…出力部，３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…推定装置，５０…無線通信部，６０…電源供給部，７０…検出部，８０…制御部，９０…位置情報提供装置，３１…有線通信部，３２、３２ｃ、３２ｄ…制御部，３３…記憶部，３４…表示部，３２１…取得部，３２２…イベント抽出部，３２３、３２３ｃ、３２３ｄ…位置標定部，３２４…分布生成部，３２５…推定部，３２６…信号判定部，３２７…信号選別部

Claims (18)

1. 損傷領域の推定対象となる鉄道に関する対象物で発生する弾性波を検出する複数のセンサと、
   前記複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波に基づいて、前記複数の弾性波の発生源の位置を標定する位置標定部と、
   前記複数の弾性波の発生源の位置に基づいて、前記対象物における損傷領域を推定する推定部と、
   を備える損傷領域推定システム。
2. 前記複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波の特徴量を抽出する信号処理部をさらに備え、
   前記位置標定部は、前記弾性波の特徴量に基づいて前記複数の弾性波の発生源の位置を標定し、標定した前記複数の弾性波の発生源の位置を表す発生源分布を導出し、
   前記推定部は、前記発生源分布を用いて前記対象物における損傷領域を推定する、
   請求項１に記載の損傷領域推定システム。
3. 前記推定部は、前記発生源分布において密度が閾値以上の領域を前記損傷領域として推定する、
   請求項２に記載の損傷領域推定システム。
4. 前記弾性波は、前記対象物を流れる電流が漏出して電食が発生する際に放出される波である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
5. 前記対象物を流れる電流は、鉄道車両と変電所との間を流れる帰線電流である、
   請求項４に記載の損傷領域推定システム。
6. 前記複数のセンサは、少なくとも前記対象物、又は、前記対象物に接触している物体のいずれかに設置される、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
7. 前記複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波により得られる弾性波の特徴量のデータを無線により送信する第１の無線通信部と、
   少なくとも前記第１の無線通信部に給電する電源供給部と、
   前記第１の無線通信部から送信された前記弾性波の特徴量のデータを受信する第２の無線通信部と、
   をさらに備え、
   前記位置標定部は、前記第２の無線通信部により受信された前記弾性波の特徴量のデータを用いて前記複数の弾性波の発生源の位置を標定する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
8. 前記第２の無線通信部、前記位置標定部及び前記推定部は、鉄道車両に設置される、
   請求項７に記載の損傷領域推定システム。
9. 前記電源供給部は、自立電源である、
   請求項７又は８に記載の損傷領域推定システム。
10. 環境の変化を検出する検出部と、
    前記検出部により環境の変化が検出された場合に、少なくとも前記第１の無線通信部を起動させる制御部と、
    をさらに備える、
    請求項７から９のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
11. 前記電源供給部が振動発電機である場合、前記振動発電機が動作したことを契機に少なくとも前記第１の無線通信部を起動させる制御部と、
    をさらに備える、
    請求項７から９のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
12. 前記複数のセンサそれぞれによって検出された弾性波毎に主共振周波数が所定の範囲内であるか否かを判定する信号判定部、
    をさらに備え、
    前記位置標定部は、前記信号判定部によって主共振周波数が所定の範囲内であると判定された弾性波を用いて発生源の位置を標定する、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
13. 鉄道車両の位置情報を提供する位置情報提供装置と、
    前記位置情報提供装置から提供された前記鉄道車両の位置情報に基づいて、センサと前記鉄道車両との距離が所定値以上離れているセンサを前記複数のセンサの中から選択する信号選別部と、
    をさらに備え、
    前記位置標定部は、選択されたセンサによって検出された弾性波に基づいて発生源の位置を標定する、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
14. 前記複数のセンサの中心周波数は、前記弾性波の主共振周波数に略等しい、
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
15. 前記対象物は、鉄道車両が走行する軌条である、
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の損傷領域推定システム。
16. 損傷領域の推定対象となる鉄道に関する対象物で発生する弾性波を検出する複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波に基づいて、前記複数の弾性波の発生源の位置を標定する位置標定部と、
    前記複数の弾性波の発生源の位置に基づいて、前記対象物における損傷領域を推定する推定部と、
    を備える推定装置。
17. 損傷領域の推定対象となる鉄道に関する対象物で発生する弾性波を検出する複数のセンサそれぞれによって検出された複数の弾性波に基づいて、前記複数の弾性波の発生源の位置を標定し、
    標定により得られた前記複数の弾性波の発生源の位置に基づいて前記対象物における損傷領域を推定する、
    損傷領域推定方法。
18. 前記対象物は軌条であり、
    前記軌条に電流を印加し、
    前記軌条を流れる電流が漏出して電食が発生する際に放出される弾性波の発生源の位置を標定し、
    標定した前記複数の弾性波の発生源の位置を表す発生源分布を導出し、
    前記発生源分布を用いて前記軌条における損傷領域を推定する、
    請求項１７に記載の損傷領域推定方法。

Images