JP4023120B2

JP4023120B2 - パンタグラフの離線検出装置

Info

Publication number: JP4023120B2
Application number: JP2001258886A
Authority: JP
Inventors: 誠庭川
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: JP2003070101A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パンタグラフの離線検出装置に関し、ウェーブレット変換器を利用することにより、離線に起因するパンタグラフ加速度を正確に検出して、パンタグラフがトロリー線から離線したことを正確に検出できるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
電車では、屋根に設置したパンタグラフを介して、トロリー線から集電をしている。集電性能はパンタグラフのトロリー線への追従性能で決まり離線率で評価される。集電時において、パンタグラフが衝撃によりトロリ線から離線するとアークを発生する。アークの発生は、トロリ線やパンタグラフのみならず、各種の電気機器に悪影響を与えるため、なるべく離線が発生しないようにする必要がある。そこで、離線発生位置を検出して、アークが発生しないように、この位置におけるトロリ線の張り渡し状態を調整する等の保線作業が行われる。
【０００３】
離線が発生する位置を検査するために、一般線路では電気検測車（新幹線では電気試験車）を走行させて、離線発生位置を検査している。電気検測車や電気試験車では、そのパンタグラフに、上下方向の加速度を検出する加速度センサを取り付けている。この加速度センサから出力される加速度信号の周波数をフーリエ変換して検査することにより、離線の発生を検出することができる。即ち、パンタグラフがトロリー線に接触しつつ移動しているときには、パンタグラフの上下方向の機械的振動は小さく加速度信号の周波数は大きいのに対して、パンタグラフがトロリー線から離線して大きく上下方向に振動すると加速度信号の周波数は小さくなる。そこで、加速度信号のうち、周波数の小さい周波数成分の強度が、予め決めた値よりも大きくなったことを検出したら、その検査位置において、離線が発生したと判定することができる。
【０００４】
加速度センサから出力される信号には、パンタグラフの上下方向振動に対応した加速度信号と、加速度センサに固有の一定周波数の固有ノイズ（ホワイトノイズ）とが含まれている。このため、加速度センサから出力される信号を、所定のバンドパスフィルタに通過させ、パンタグラフの上下方向振動に対応した加速度信号のみを取り出すようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来では、加速度センサから出力される信号をバンドパスフィルタに通し、固有ノイズ（ホワイトノイズ）を除いて、パンタグラフの上下方向振動に対応した加速度信号を取り出しているため、バンドパスフィルタの種類の選定や、フィルタの次数（フィルタパラメータ、フィルタ係数）の選定によっては、フィルタを通過した加速度信号の波形が鈍ったり、フィルタを通過した加速度信号に位相遅れが生じたりする。波形が鈍った場合には、フィルタを通過した加速度信号が示す加速度が、本来の加速度よりも小さくなり、位相遅れが生じた場合には、位相遅れに起因して新たな波形が生成され、この新たに生成した波形による架空の加速度が検出されるという問題があった。
【０００６】
また、離線はランダムに突発的に発生するため、周波数の小さい加速度信号もランダムに突発的にしか発生しない。このように突発的に発生する加速度信号をフーリエ変換により検出しようとしても、ゴースト成分が現れたり、変化に対する追従性が悪いといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、パンタグラフの上下方向加速度を正確に検出して、ランダムに発生する離線を確実に検出することができる、パンタグラフの離線検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、電車のパンタグラフに取り付けられており、前記パンタグラフの上下方向振動に対応した加速度信号を出力する加速度センサと、
前記加速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
デジタル信号に変換された加速度信号をウェーブレット変換してウェーブレット信号とするウェーブレット変換器と、
前記ウェーブレット信号を、周波数の大きさに応じて切り出した複数の周波数帯域に分離して出力する分離器と、
切り分けられた複数の周波数帯域のウェーブレット信号が個別に入力されて各ウェーブレット信号の強度を判定し、強度が正でその絶対値が予め決めた値よりも大きい時には１を、強度が負でその絶対値が予め決めた値よりも大きい時には−１を、その他の時には０となる判定信号を出力する複数の判定器と、
複数の各判定器から判定信号が入力されており、周波数帯域の低いウェーブレット信号が入力される判定器から出力される判定信号に多数の１や−１が含まれているときに、離線が発生したと判定する離線判定器と、を有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係るパンタグラフの離線検出装置を示す。同図において、加速度センサ１は、パンタグラフの舟体（パンタグラフの頂部に配置されておりトロリー線に接触する棒状部材）に取り付けられており、パンタグラフの舟体の上下方向振動に対応する加速度信号ｕ（ｔ）を出力する。この加速度信号ｕ（ｔ）は、パンタグラフがトロリー線に接触しつつ移動しているときには、その周波数が大きい。しかし、パンタグラフがトロリー線から離線した場合には、図２に示すように、加速度信号ｕ（ｔ）は振幅が大きくなり、その周波数が小さくなる。なお加速度信号ｕ（ｔ）は、時間ｔの関数として表されている。
【００１１】
Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器２は、加速度センサ１から出力されたアナログ信号である加速度信号ｕ（ｔ）を、デジタル信号である加速度信号Ｕ（ｔ）に変換する。
【００１２】
ウェーブレット変換器３は、１次元データである加速度信号Ｕ（ｔ）を、ウェーブレット変換して、２次元データであるウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）に変換する。このウェーブレット変換は、次式（１）により行う。なお、ωは周波数を、ｂは時間を、ｈは基本ウェーブレットを表す。
【００１３】
【数１】

【００１４】
図２に示す離線時の加速度信号ｕ（ｔ）をデジタル化した加速度信号Ｕ（ｔ）を、ウェーブレット変換したウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）の状態を図３に示す。図３において、横軸は時間ｂを示し、縦軸は周波数ωを示し、濃度は各時間と各周波数における信号強度を示す。なお図３では図示の都合上、強度を５段階の濃度で示しているが、実際には強度は最高値から最低値まで多段階的に連続して存在しており、ウェーブレット変換器３の実際の表示器では、強度を多段階的に連続して表示している。
【００１５】
ちなみに、図３では、黒塗りした部分は、強度が正でその絶対値が大きい領域を、クロスハッチングを施した部分は強度が正でその絶対値が中程度の領域を、ハッチングを施した部分は強度が零ないし零近傍の領域を、ドットを施した部分は強度が負でその絶対値が中程度の領域を、白抜きした部分は強度が負でその絶対値が大きい領域を示している。
【００１６】
ウェーブレット変換器３により行うウェーブレット変換では、▲１▼高周波成分の時間分解能が高い、▲２▼波形の変化点を敏感にとらえる、といった特長を有している。したがって離線振動のように、周期的でなく突発的な振動検出に向いている。
【００１７】
分離器４は、ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）を、周波数の大きさに応じて切り分けた１０種の周波数帯域に分離して出力する。即ち、
（１）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₀〜ω₁₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₁₀）を、切り出して判定器５−１に送り、
（２）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₁₀〜ω₂₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₂₀）を、切り出して判定器５−２に送り、
（３）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₂₀〜ω₃₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₃₀）を、切り出して判定器５−３に送り、
（４）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₃₀〜ω₄₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₄₀）を、切り出して判定器５−４に送り、
（５）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₄₀〜ω₅₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₅₀）を、切り出して判定器５−５に送り、
（６）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₅₀〜ω₆₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₆₀）を、切り出して判定器５−６に送り、
（７）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₆₀〜ω₇₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₇₀）を、切り出して判定器５−７に送り、
（８）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₇₀〜ω₈₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₈₀）を、切り出して判定器５−８に送り、
（９）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₈₀〜ω₉₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₉₀）を、切り出して判定器５−９に送り、
（10）ウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）のうち、周波数がω₉₀〜ω₁₀₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₁₀₀）を、切り出して判定器５−１０に送る。
【００１８】
なお、図２に示す離線時の加速度信号ｕ（ｔ）をデジタル化した加速度信号Ｕ（ｔ）のうち、周波数がω₁₀〜ω₂₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₁₀）は、図４のようになっている。他の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₂₀）〜Ｘ（ｂ₁₀₀）も、図３の各帯域から切り出した信号状態となっている。
【００１９】
各判定器５−１〜５−１０は、周波数の大きさに応じて切り出した周波数帯域のウェーブレット信号Ｘ（ω，ｂ）の強度を判定し、強度が正でその絶対値が予め決めた値よりも大きい時には１を、強度が負でその絶対値が予め決めた値よりも大きい時には−１を、その他の時には０となる判定信号Ｙ₁〜Ｙ₁₀を出力する。
【００２０】
図５は、図４に示す周波数がω₁₀〜ω₂₀の周波数帯域の信号成分Ｘ（ｂ₁₀）を、判定器５−１により判定して得た判定信号Ｙ₁である。即ち、黒塗りした強度が正でその絶対値が大きい領域は１となり、クロスハッチングを施した強度が正でその絶対値が中程度の領域と、ハッチングを施した強度が零ないし零近傍の領域と、ドットを施した強度が負でその絶対値が中程度の領域は０となり、白抜きした強度が負でその絶対値が大きい領域は−１となっている。
【００２１】
結局、各判定信号Ｙ₁〜Ｙ₁₀は、各周波数領域において、強度が大きく変わっている場合には、１や−１を多く含み、強度がそれ程変化していない場合には、０を多く含むことになる。
【００２２】
離線判定器６には、各判定信号Ｙ₁〜Ｙ₁₀が入力されている。そして離線判定器６は、周波数帯域の低いウェーブレット信号に対応した判定信号、例えば判定信号Ｙ₁と判定信号Ｙ₂の信号状態を検出する。そして、判定信号Ｙ₁と判定信号Ｙ₂に多数の１や−１が含まれている場合には、離線が発生したと判定する。これは、離線が発生した場合には、加速度信号ｕ（ｔ）の周波数が下がると共にその振幅が大きく変化するため、周波数帯域の低いウェーブレット信号に対応した判定信号、例えば判定信号Ｙ₁と判定信号Ｙ₂に多数の１や−１が含まれることを技術的な基礎としたものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上、実施の形態と共に具体的に説明したように本発明によれば、加速度信号をウェーブレット変換したウェーブレット信号を基に、離線に起因する加速度を検出・判定しているため、数種類の周波数が混成された加速度信号の中から離線に起因する突発的な加速度を正確に抽出することができ、離線が発生したことを確実に検出することができる。
またフィルタを使用していないため、波形変形や位相遅れが生じることはなく、正確に離線検出をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるパンタグラフの離線検出装置を示す構成図。
【図２】加速度信号を示す波形図。
【図３】ウェーブレット信号を示す波形図。
【図４】特定の周波数帯域のウェーブレット信号を示す信号状態図。
【図５】判定信号を示す信号状態図。
【符号の説明】
１加速度センサ
２Ａ／Ｄ変換器
３ウェーブレット変換器
４分離器
５−１〜５−１０判定器
６離線判定器
ｕ（ｔ），Ｕ（ｔ）加速度信号
Ｘ（ω，ｂ）ウェーブレット信号
Ｙ₁〜Ｙ₁₀ 判定信号

Claims

電車のパンタグラフに取り付けられており、前記パンタグラフの上下方向振動に対応した加速度信号を出力する加速度センサと、
前記加速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
デジタル信号に変換された加速度信号をウェーブレット変換してウェーブレット信号とするウェーブレット変換器と、
前記ウェーブレット信号を、周波数の大きさに応じて切り出した複数の周波数帯域に分離して出力する分離器と、
切り分けられた複数の周波数帯域のウェーブレット信号が個別に入力されて各ウェーブレット信号の強度を判定し、強度が正でその絶対値が予め決めた値よりも大きい時には１を、強度が負でその絶対値が予め決めた値よりも大きい時には−１を、その他の時には０となる判定信号を出力する複数の判定器と、
複数の各判定器から判定信号が入力されており、周波数帯域の低いウェーブレット信号が入力される判定器から出力される判定信号に多数の１や−１が含まれているときに、離線が発生したと判定する離線判定器と、を有することを特徴とするパンタグラフの離線検出装置。