JP4935469B2 - 鉄道車両の走行異常検知方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、軌道上を走行する鉄道車両の一部車両または全車両が脱線等の異常事態に陥った場合に、速やかにその走行異常を検知する方法及び装置に関するものである。

鉄道車両は、多数の車両を連結し、編成車両として運行することで、効率的な交通手段としての性能を発揮する。しかしながら、近年、大量輸送交通手段である鉄道車両の長大編成化が進む一方、列車のワンマン化により、乗務員が先頭車両のみに乗車しているケースが増えている。このような場合、乗務員が乗車する先頭車両以外の車両が脱線しても乗務員はすぐには気付かず、そのまま運転を継続することになって、異常事態がより拡大する。

このようなことから、脱線などの異常を検知するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば特許文献１では、軌道の近傍に立てた検知柱の下方に光ファイバを布設し、検知柱の倒伏に連動して光ファイバを切断することで、鉄道車両の脱線を検知するものが開示されている。
特開平９−３２８０７１号公報

また特許文献２では、鉄道車両の軸箱支持装置と台車枠との間で、上下又は左右方向の荷重か、上下方向の変位を検出し、この検出結果を演算することで脱線を検知するものが開示されている。
特開２００２−７９９４１号公報

さらに特許文献３では、車体に加わる加速度から特定周波数の信号を抽出して、この信号を所定時間ごとに繰り返し積分し、この積分値と前記所定時間前の積分値との差に基づいて脱線を検知するものが開示されている。
特開２００２−２１１４００号公報

しかしながら、特許文献１で開示されたものは、地上側から検知する方式であるため、全走行区間において脱線を検知することは難しい。

また、特許文献２及び３で開示されたものは、１車両内での異常検知に留まっており、編成としての異常検知は行われていない。従って、編成車両全ての異常検知を行うためには全車両に同様の検知システムを取り付ける必要がある。

加えて、特許文献２で開示されたものは、走行時の振動が車体よりも大幅に大きい台車のばね下部分にセンサーを取付けているので、センサーの信頼性が低くなる。

一方、特許文献３で開示されたものは、走行時の振動が少ない車体にセンサーを装備するので、センサーの信頼性は高いが、その反面、車輪が脱線した際の振動変化が小さいので、検知精度が悪くなる。また、振動加速度波形に種々の処理を施して脱線したかどうかの判定を行っているが、その振動加速度変化が小さいので明確な判定が難しい。

解決しようとする問題点は、軌道近傍に検知手段を設けることで、車両の異常を検知するものでは、全走行区間において異常を検知することが難しいという点である。また、車両に設置したセンサーで振動を検知するものでは、１車両内での異常検知に留まって編成としての異常検知が行われておらず、またセンサーの信頼性が低かったり、センサーの信頼性は高くても、検知量の変化が小さくて明確な判定が難しいという点である。

本発明の鉄道車両の走行異常検知方法は、
車両に異常が発生したことを確実に検知することを可能にするため、
編成列車の各車両間の連結力を測定する一方、
列車の運転制御指令による各車両の加速力又は減速力の指令値と、走行速度及び列車加速度から、編成列車内の各車両間に作用する連結力を演算し、
前記の測定した連結力と演算した連結力を比較し、
これらの両連結力の差が所定値以上である場合に、列車の異常と判断することを主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両の走行異常検知は、
編成列車の走行中、各車両を連結する連結器に生じる物理的変化或いは連結器に装備された緩衝器の変位量を測定するセンサーと、
このセンサーによって測定した連結器の物理的変化或いは緩衝器の変位量から連結器に作用する連結力を演算する第１演算部と、
列車の運転制御指令による各車両の加速力又は減速力の指令値と、走行速度及び列車加速度から、編成列車内の各車両間に作用する連結力を演算する第２演算部と、
これら両演算部で演算された両連結力を比較し、これらの両連結力の差が所定値以上である場合に、列車の異常と判断する比較・判断部を備えたことを最も主要な特徴とする本発明の鉄道車両の走行異常検知装置を用いて実施できる。

本発明の鉄道車両の走行異常検知では、検知精度の更なる向上を図るためには、列車の走行位置検知結果により軌道の条件を特定して正常時における車両の走行抵抗を求め、前記の演算した連結力を補正するようにすることが望ましい。

これらの本発明の走行異常検知装置を備えた編成列車では、編成列車の一部車両または全車両が脱線等の異常事態に陥った場合にも、速やかにその走行異常を検知することができる。

本発明では、編成内の車両間の力のやりとりを常時確認することで、編成内の車両に脱線などの異常がないかどうかを検知するので、一部車両で異常事態が発生した場合も、早期にしかも確実に異常を検知できる。従って、一部車両で発生した異常事態が、編成内の他の車両に拡大する前に、列車を停止することができ、安全性が向上する。

また、本発明では、車体部分にセンサーを設ければよいので、センサーの信頼性が高くなる。しかも、センサーで車両間の連結力の変化を検知することで走行異常を検知するので、より精度の高い異常検知が行える。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの経過と共に、本発明を実施するための最良の形態例を、添付図面を用いて説明する。

編成内の一部車両で脱線が発生すれば、特に枕木による凹凸部分やバラスト部分に車輪が落下するような脱線の場合、その車両の走行抵抗が通常走行に比べて大幅に大きくなる。

そこで、発明者は、前記走行抵抗の増加に伴い、当該車両の前後車両との連結器を介した力のやりとりの状態が変化し、これを通常の連結器部分の力のやりとりと比較することで異常検知が行えると考えた。

編成列車が一定加速度（減速時、定速時を含む）で走行している場合に、連結器で結合されている各車両間の連結力は、図１に示す力学モデルとして、例えば下記の計算式で求めることができる。

なお、図１中の１〜ｎは編成車両を示し、１号車を最後尾の車両とする。また、ｍ1〜ｍnは、車体、台車、乗客を含んだ１〜ｎ号車の全質量、Ｆ1〜Ｆnは１〜ｎ号車の引張力で、モータを搭載していない車両は０となる。Ｒ1〜Ｒnは１〜ｎ号車の走行抵抗、Ｔ1〜Ｔn−1は１号車と２号車間〜ｎ−１号車とｎ号車間の連結力を示す。

起動時などの緩衝器の過渡振動は考えず、定常加速時の力の釣り合いのみを考え、各車両間は剛に連結していると考えた場合、各車両ごとに運動方程式をたてると、次のようになる。

１号車：ｍ₁・α＝Ｆ₁＋Ｔ₁−Ｒ₁
２号車：ｍ₂・α＝Ｆ₂−Ｔ₁＋Ｔ₂−Ｒ₂
３号車：ｍ₃・α＝Ｆ₃−Ｔ₂＋Ｔ₃−Ｒ₃
…
ｉ号車：ｍ_i・α＝Ｆ_i−Ｔ_i−1＋Ｔ_i−Ｒ_i
…
ｎ−１号車：ｍ_n−1・α＝Ｆ_n−1−Ｔ_n−2＋Ｔ_n−1−Ｒ_n−1
ｎ号車：ｍ_n・α＝Ｆ_n−Ｔ_n−1＋Ｒ_n

これら編成全体の運動方程式は、
（Σｍ）・α＝ΣＦ−ΣＲ
であるので、列車の加速度αは、
α＝（ΣＦ−−ΣＲ）／Σｍ
で求めることができる。

得られた加速度αを用いて各車両ごとの運動方程式を、編成端部の車両から順番に解いていくと、以下のようになる。

１号車：ｍ₁・α＝Ｆ₁＋Ｔ₁−Ｒ₁より、Ｔ₁＝ｍ₁・α−Ｆ₁＋Ｒ₁
２号車：ｍ₂・α＝Ｆ₂−Ｔ₁＋Ｔ₂−Ｒ₂より、Ｔ₂＝ｍ₂・α−Ｆ₂＋Ｔ₁＋Ｒ₂
…
ｉ号車：ｍ_i・α＝Ｆ_i−Ｔ_i−1＋Ｔ_i−Ｒ_iより、Ｔ_i＝ｍ_i・α−Ｆ_i＋Ｔ_i−1＋Ｒ_i
…
ｎ−１号車：ｍ_n−1・α＝Ｆ_n−1−Ｔ_n−2＋Ｔ_n−1−Ｒ_n−1より、
Ｔ_n−1＝ｍ_n−1・α−Ｆ_n−1＋Ｔ_n−2＋Ｒ_n−1

発明者は、上記の方法により、１０両の編成列車を時速６０kmで正常状態で走行する場合の各車両間の連結力を求めた。なお、列車の加速度αは、０．９５８m／s²である。下記表１に、求めた各車両間の連結力などを、各車両の質量、モータを搭載したモータ車、モータを搭載しない非モータ車の区分とともに示す。

図２に表１に示した各車両間の連結力を示す。また、１〜１０両目の車両が１両のみ脱線したことにより、走行抵抗がモータを搭載した車両の加速引張力なみ（８００００Ｎ）に上昇した場合の連結力を求めた場合の結果を、図３〜図１２に示す。

図２〜図１２を比較すると、全車両が脱線していない正常な図２と、何れかの車両が脱線した図３〜図１２とでは、連結力分布の変化が明確に判別できることが分かる。従って、これらの連結力を比較することで、編成内の車両の異常を容易に検知できることが分かる。

なお、図３〜図１２では、編成列車中の１両のみ脱線した場合の連結力を示したが、脱線する車両が複数両の場合も、全車両が脱線していない正常な場合の連結力と比較すれば、同様に編成内の車両の異常を容易に検知できることは言うまでもない。

ところで、編成内の車両の異常検知に必要な各車両間の連結力の測定は、どのような方法で測定したものでもよい。例えば図１３に示すように、車両間を連結している連結器２の胴体部分に歪ゲージ３を取付け、この歪ゲージ３で検出した信号を、車体１に設置した歪測定器４に送り、ここで変換した歪をもとに連結器２に作用する連結力を得るものでもよい。

また、図１４に示すように、連結器２の緩衝器（ばね）５の変位を測定する変位センサー６を取付け、この変位センサー６で検出した信号を、車体１に設置した変位測定器７に送り、ここで変換した変位量をもとに連結器２に作用する連結力を得るものでもよい。

前記変換した歪や変位量をもとに、第１演算部（図示せず）では各車両間の連結器２に作用する連結力を求める。求めた連結力は、例えば図１５に示すように、先頭車両に設置された演算装置８に伝送され、連結力分布が作成される。

一方、編成列車では、図１６に示すように、列車の走行制御器９より、各車両に対する加速力（又は減速力）の制御指令が各モータ搭載車両の制御器１０に伝送され、各モータ搭載車両はこの制御指令に基づいて加速力を発揮する。

このとき、第２演算部（図示せず）は、全車両が正常であれば、各車両の加速力、列車の速度、各車両の走行抵抗より、先に説明したように、各連結器の連結力を求め、連結力分布を作成する。

この連結力を求める際、図１７に示すように、勾配や曲線情報などの列車の走行位置検知結果により軌道の条件を特定して正常時における車両の走行抵抗を求め、演算した連結力を補正することが望ましい。

前記演算装置８内の比較・判断部では、この第２演算部で求めた正常時における各連結器の連結力分布と、前記測定値をもとに第１演算部で求めた連結力分布を比較し、それらのずれ量を算出してずれ量が所定値以上の場合に車両異常と判定し、警報を発する。

このような本発明装置を備えた編成列車では、編成内の車両間の力のやりとりを常時確認し、連結力の変化によって編成内の車両に脱線などの異常がないかどうかを検知するので、一部車両で異常事態が発生した場合も、早期にしかも確実に異常を検知することができる。

また、本発明では、先に説明したように、走行時の振動が少ない車体部分にセンサー３，６を設けるので、センサー３，６の信頼性が高くなる。

本発明は上記の例に限らず、本発明の各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、上記の例では、勾配や曲線情報などの列車の走行位置検知結果により軌道の条件を特定して正常時における車両の走行抵抗を求め、演算した連結力を補正するものを示したが、この補正は必ずしも必要ではない。

また、走行中の列車間の連結力を測定する手段は、連結力の測定が精度良く行えるものであれば、先に説明した歪ゲージや変位センサーを使用したものに限らない。

さらに、本発明のみを採用した場合でも、早期にしかも高精度に異常を検知できるが、車体部分にセンサーを設置した従来の異常検知システムを併用すれば、より安定した異常検知を行うことができるものと考えられる。

連結器で結合されている各車両間の連結力を計算するための力学モデルを示す図である。 １０両の編成列車を時速６０kmで正常走行する場合の各車両間の連結力の分布を示した図である。 １０両の編成列車を時速６０kmで走行中に、１両目が脱線した場合の各車両間の連結力の分布を示した図である。 ２両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 ３両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 ４両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 ５両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 ６両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 ７両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 ８両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 ９両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 １０両目が脱線した場合の図３と同様の連結力分布を示した図である。 各車両間の連結力を測定する方法の第１の例を説明する図である。 各車両間の連結力を測定する方法の第２の例を説明する図である。 列車間の連結力を測定したデータの集約状況を説明する図である。 列車の加速力制御指令を説明する図である。 本発明方法の流れを説明するフロー図である。

符号の説明

１ 車体
２ 連結器
３ 歪ゲージ
４ 歪測定器
５ 緩衝器
６ 変位センサー
７ 変位測定器
８ 演算装置
９ 走行制御器
１０ 制御器

Claims (7)

1. 編成列車の各車両間の連結力を測定する一方、
   列車の運転制御指令による各車両の加速力又は減速力の指令値と、走行速度及び列車加速度から、編成列車内の各車両間に作用する連結力を演算し、
   前記の測定した連結力と演算した連結力を比較し、
   これらの両連結力の差が所定値以上である場合に、列車の異常と判断することを特徴とする鉄道車両の走行異常検知方法。
2. 前記連結力の測定を、
   編成列車の各車両を連結する連結器に生じる物理的変化によって得ることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の走行異常検知方法。
3. 前記連結力の測定を、
   編成列車の各車両を連結する連結器に装備された緩衝器の変位によって得ることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の走行異常検知方法。
4. 列車の走行位置検知結果により軌道の条件を特定して正常時における車両の走行抵抗を求め、前記の演算した連結力を補正することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両の走行異常検知方法。
5. 編成列車の走行中、各車両を連結する連結器に生じる物理的変化を測定するセンサーと、
   このセンサーによって測定した連結器の変化から連結器に作用する物理的連結力を演算する第１演算部と、
   列車の運転制御指令による各車両の加速力又は減速力の指令値と、走行速度及び列車加速度から、編成列車内の各車両間に作用する連結力を演算する第２演算部と、
   これら両演算部で演算された両連結力を比較し、これらの両連結力の差が所定値以上である場合に、列車の異常と判断する比較・判断部を備えたことを特徴とする鉄道車両の走行異常検知装置。
6. 前記センサーによる測定を、
   連結器に生じる物理的変化に代えて、連結器に装備された緩衝器の変位量とし、この変位量から連結器に作用する物理的連結力を得ることを特徴とする請求項５に記載の鉄道車両の走行異常検知装置。
7. 列車の走行位置検知結果により軌道の条件を特定して正常時における車両の走行抵抗を求め、前記第２演算部で演算した連結力を補正する補正部を備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の鉄道車両の走行異常検知装置。

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