JP5091811B2 - レール破断検査方法及びレール破断検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道用のレールに破断が生じているか否かを検査するレール破断検査方法等に関する。

従来、鉄道では、列車の位置検知を軌道回路によって行っており、この軌道回路の副次的な機能として、レール破断の検知が行われていた。一方、近年では、新たな列車制御システムとして、軌道回路を用いない移動閉塞システムの開発が進んでいる。この移動閉塞システムでは、列車の位置検知は軌道回路によらず、列車自身において、例えば車軸に取り付けた速度発電機の回転数や地上装置との無線通信によって自車の走行位置を算出し、算出した現在位置を、無線通信によって他の列車や地上装置等に送信する構成となっている。

このようなシステムでは、軌道回路を必要としていないため、従来のような軌道回路を用いたレール破断検知が行えない。そこで、軌道回路を用いずにレール破断を検知する方法が提案されている。例えば、鉄道車両にレール破断検知装置を搭載する。この装置では、電気信号を、一方（前方／後方）の車輪を介してレールに送出し、レールを伝搬してきた電気信号を他方の車輪（後方／前方）を介して受信し、受信した電気信号のレベルの変化によりレール破断を判定する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２９４６０９号公報

しかしながら、上述の特許文献１の技術は、レール上を走行する列車（車上側）において、該列車の前後の車輪間のレール破断を検知するものであり、列車を走行させる必要がある。一方、レール自体の検査は、検査員が目視や実測によって検査するのが一般的であり、列車を必要としない。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軌道回路や列車を必要とせずに地上側においてレール破断の検査を実現する方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
鉄道用のレールに破断が生じているか否かを検査するレール破断検査方法であって、
レールにパルス信号を入射することと、
前記パルス信号の入射位置において前記パルス信号の入射波に対する反射波を観測して、位相が同相の波形が観測された場合に、レール破断の発生可能性有りと判断することと、
を含むレール破断検査方法である。

また、他の発明として、
鉄道用のレールに破断が生じているか否かを検査するレール破断検査装置であって、
レールにパルス信号を入射する入射手段と、
前記パルス信号の入射位置において前記パルス信号の入射波に対する反射波を観測して、位相が同相の波形が観測された場合に、レール破断の発生可能性有りと判断する判断手段と、
を備えるレール破断検査装置を構成しても良い。

この第１の発明等によれば、レールにパルス信号を入射し、パルス信号の入射位置において、パルス信号の入射波に対する反射波として位相が同相の反射波が観測された場合に、レール破断の発生可能性有りと判断される。レールのインピーダンスが一様ならば、レール破断の発生位置で入射波が反射されて反射波が観測されることになる。またその場合、レール破断が生じている状態とは、レールがその位置で“開放”されている状態に相当し、入射位置から見た反射係数は正値となる。従って、入射波と同相の反射波が観測されることになる。これにより、軌道回路を用いなくとも、地上側においてレール破断の検査が可能となる。

第２の発明として、第１の発明のレール破断検査方法であって、
前記レールの特性インピーダンスに相当する負荷インピーダンスをレール間に接続することを更に含み、
前記レール破断の発生可能性の判断は、前記パルス信号の入射位置において、前記パルス信号の入射位置と前記負荷インピーダンスの接続位置間の検査対象区間を前記パルス信号が往復伝播する時間の間、前記反射波の観測を行って当該検査対象区間におけるレール破断の発生可能性を判断することを含む、
レール破断検査方法を構成しても良い。

この第２の発明によれば、レールの特性インピーダンスに相当する負荷インピーダンスがレール間に接続され、パルス信号の入射位置において、パルス信号の入射位置と負荷インピーダンスの接続位置間の検査対象区間をパルス信号が往復伝播する時間の間、反射波の観測を行って検査対象区間におけるレール破断の発生可能性が判断される。入射されたパルス信号は、レールを伝播し、負荷インピーダンスの接続位置で反射されて、反射波としてパルス信号の入射位置で観測される。従って、少なくとも、パルス信号が検査対象区間を往復伝播するのに要する時間の間、反射波の観測を行うことで、検査対象区間におけるレール破断の発生可能性を判断できることになる。

第３の発明として、第２の発明のレール破断検査方法であって、
前記パルス信号の入射は、前記検査対象区間を前記パルス信号が往復伝播する時間よりも長い時間間隔で前記パルス信号を繰り返し入射することを含み、
前記レール破断の発生可能性の判断は、前記パルス信号が入射される毎に前記レール破断の発生可能性を判断することを含む、
レール破断検査方法を構成しても良い。

この第３の発明によれば、検査対象区間をパルス信号が往復伝播する時間よりも長い時間間隔でパルス信号の入射が繰り返し行われ、パルス信号が入射される毎に、レール破断の発生可能性が判断される。

第４の発明として、第２又は第３の発明のレール破断検査方法であって、
前記パルス信号のパルス幅を、前記検査対象区間長に応じて変更すること、
を更に含むレール破断検査方法を構成しても良い。

この第４の発明によれば、レールに入射されるパルス信号のパルス幅が、検査対象区間長に応じて変更される。入射されたパルス信号は、レール中を伝播するに従ってその波形が減衰し、伝播長が長くなるほど減衰の程度が大きくなる。減衰の程度が大きくなると、入射位置において反射波が観測されなくなってしまう。このため、検査対象区間長が長いほど、パルス幅を広くするように変更することで、パルス信号がレール中を伝播することで減衰したとしても、入射位置における反射波が観測可能となる。

第５の発明として、第２又は第３の発明のレール破断検査方法であって、
正弦波を自乗した正弦自乗波の半周期分の波形を、前記パルス信号として生成することと、
前記正弦波の周波数を、前記検査対象区間長に応じて変更することと、
を更に含むレール破断検査方法を構成しても良い。

この第５の発明によれば、正弦自乗波の半周期分の波形がパルス信号として生成されるとともに、正弦波の周波数が検査対象区間長に応じて変更される。正弦波の周波数が変更されると、正弦自乗波の半周期の長さが変更されることになり、生成されるパルス信号のパルス幅が変更されることになる。また、パルス信号を正弦自乗波の半周期分の波形といった急峻な波形とすることで、レールを伝播中に減衰したとしても、反射波の波形の検出が容易になる。

第６の発明として、第１〜第５の何れかの発明のレール破断検査方法であって、
前記反射波の観測において入射波と位相が同相の波形が観測された場合に、前記パルス信号の入射から当該反射波の観測までに要した時間と、前記パルス信号の前記レール上の信号伝播速度とを用いて、レール破断の被疑対象位置を算出することと、
を更に含むレール破断検査方法を構成しても良い。

この第６の発明によれば、入射波と位相が同相の波形が観測された場合に、パルス信号の入射から反射波の観測までに要した時間と、パルス信号のレール上の信号伝播速度とを用いて、レール破断の被擬発生位置が算出される。ここで、被擬発生位置とは、レール破断が発生したと推定される位置のことである。

第７の発明として、第１〜第６の何れかの発明のレール破断検査方法であって、
前記反射波の観測において入射波と位相が逆相の波形が観測された場合に、軌道短絡の発生可能性有りと判断すること、
を更に含むレール破断検査方法を構成しても良い。

この第７の発明によれば、入射波と位相が逆相の波形が観測された場合に、軌道短絡の可能性有りと判断される。レールに軌道短絡が生じた場合、入射位置から見た反射係数は負値となる。従って、入射波と逆相の反射波が観測されることになる。

本発明によれば、軌道回路を用いずに地上側でレール破断の検査が可能となる。すなわち、レールにパルス信号を入射し、パルス信号の入射位置において、パルス信号の入射波に対する反射波として位相が同相の反射波が観測された場合に、レール破断の発生可能性有りと判断される。レールのインピーダンスが一様ならば、レール破断の発生位置で入射波が反射されて反射波が観測されることになる。またその場合、レール破断が生じている状態とは、レールがその位置で“開放”されている状態に相当し、入射位置から見た反射係数は正値となる。従って、入射波と同相の反射波が観測されることになる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。
［原理］
先ず、本実施形態の鉄道のレール破断検査の原理を説明する。本実施形態のレール破断検査は、ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry：時間領域反射率測定法）を利用している。ＴＤＲは、被測定体にパルス信号を入射し、そのパルス信号の反射によって被測定体のインピーダンスの変化を測定する方法である。

図１は、本実施形態のレール破断検査の原理を説明する図である。同図に示すように、鉄道用レールＲの一部区間が、レール破断の検査対象区間として定められる。この検査対象区間の他端側（終端位置）では、レールＲ間に負荷インピーダンスＺ_Ｌが接続されている。つまり、他端側が負荷インピーダンスＺ_Ｌで終端されている。そして、検査対象区間の一端側（入射位置）から、入射波としてパルス信号が、終端位置に向けて入射される。入射波はレールＲを伝播し、終端部にて反射されて反射波として入射側で観測される。

図２は、入射波と反射波との関係の一例を示す図である。同図において、入射波の振幅をＶ_ｉ、反射波の振幅をＶ_Ｒとすると、反射係数ρは次式（１）で与えられる。

式（１）において、Ｚ_Ｌは負荷インピーダンス、Ｚ_０はレールＲの特性インピーダンスである。ここで、負荷インピーダンスＺ_Ｌを特性インピーダンスＺ_０に一致させる（Ｚ_Ｌ＝Ｚ_０）、反射係数ρはゼロ（ρ＝０）となり、反射波は生じない。

また、レール破断や在線列車による軌道短絡等によってレールＲにインピーダンス不連続点が生じると、その不連続点で入射波の一部が反射する。

図３は、軌道にレール破断／短絡が生じた場合を示す図である。同図に示すように、検査対象区間内でレール破断が生じた場合、その破断位置でインピーダンスが不連続となって入射波が反射される。これは、その位置でレールＲが“開放”された状態に相当する。つまり、式（１）において、Ｚ_Ｌ＞Ｚ_０、とした場合に相当し、反射係数ρは、０＜ρ≦１となる。従って、入射波と反射波との波形の正負が一致する。

一方、在線列車の車輪による軌道短絡が生じた場合、その短絡位置でインピーダンスが不連続となって入射波が反射される。つまり、式（１）において、Ｚ_Ｌ＜Ｚ_０、とした場合に相当し、反射係数ρは、−１≦ρ＜０、となる。従って、入射波と反射波との波形の正負が逆となる。

このように、レールＲへの入射波に対する反射波の有無から、レール破断／短絡の発生有無を判断できる。更に、入射波と反射波との波形の正負によって、レール破断が生じたのか列車在線かを判断できる。つまり、入射波と反射との波形の正負が一致するならば、レール破断が発生したのであり、正負が逆ならば、列車在線であることが判断できる。

また、入射波の反射位置、すなわち、レール破断／短絡が生じたと推定される位置（被擬発生位置）は、入射波の入射から反射波が観測されるまでに要する時間ΔＴをもとに、算出される。すなわち、入射位置から反射位置までの距離Ｌは、次式（２）で与えられる。

ここで、Ｖ_ｐはレールＲ中の電磁波の伝播速度であり、次式（３）で与えられる。

ここで、εは軌道の比誘電率であり、μは軌道の比透磁率である。

［構成］
図４は、上述の原理を利用したレール破断検査装置１の構成図である。レール破断検査装置１は、例えば軌道近傍に設置され、レール破断／短絡の発生を検査する。検査結果は、無線通信等によって中央管理装置や軌道を走行中の列車等に送信される。

先ず、レールＲの一部区間が、レール破断検査装置１の検査対象区間として設定される。この検査対象区間は、電気的に１本のレールとみなせる区間であり、絶縁継ぎ目を含まないように設定される。なお、理想的には、継ぎ目を含まないように検査対象区間を設定すると良い。検査対象区間の他端側（終端位置）は、レールＲの特性インピーダンスＺ_０に一致する負荷インピーダンスＺ_ＬがレールＲ間に接続されて終端されている。そして、レール破断検査装置１は、検査対象区間の一端側から終端側に向けて、入射波としてパルス信号をレールＲに送信（入射）し、入射位置で観測される反射波をもとに、対象区間内におけるレール破断／短絡の発生有無やその発生位置を判断する。

なお、レール破断検査装置１とレールＲとの間には、レールＲの特性インピーダンスとの整合を図るための整合トランスや、レールＲから流れ込む交流を阻止するためのブロッキング（静電容量等）が、適宜設けられる。

また、レール破断検査装置１は、パルス信号生成部１０と、送信部２０と、受信部３０と、制御部４０とを備えて構成される。

パルス信号生成部１０は、パルス信号を生成する。図５は、パルス信号生成部１０におけるパルス信号の生成を説明する図である。同図に示すように、パルス信号生成部１０では、先ず、周波数Ｆの正弦波（ｓｉｎ波形）を生成する。なお、発振周波数Ｆは、制御部４０によって制御される。次いで、この正弦波を自乗した正弦自乗波（ｓｉｎ^２波）を生成する。そして、この正弦自乗波の波形のうち、正値の半周期分の信号波形を取り出してパルス信号とする。ここで、正弦自乗波とするのは、急峻な波形のパルス信号とするためであり、この正弦自乗波の半周期分を取り出すことで、図５の示すパルス電圧Ｖの半値Ｖ／２での幅（半値幅）Ｔｗ_１を短くして急峻性を高めた１つのパルス信号波形を生成する。

送信部２０は、パルス信号生成部１０によって生成されたパルス信号を、入射波としてレールＲの一端側から入射（送信）する。このとき、制御部４０の制御に従って、所定の時間間隔でパルス信号を間欠的に入射する。受信部３０は、レールＲの一端側に到達した反射波を受信する。

制御部４０は、検査対象のレールＲのレール破断／短絡を検査する処理を行う。すなわち、パルス信号生成部１０における正弦波の発振周波数Ｆを、検査対象区間のレールの長さ（対象区間長）Ｄに応じて制御する。具体的には、対象区間長Ｄが長いほど、発振周波数Ｆを低くして、生成されるパルス信号の幅（パルス幅）Ｔｗ_０を大きくする。これは、レールＲを伝播する信号の伝播距離が長いほど、その信号波形の減衰が大きくなるためである。図６に、対象区間長Ｄと発振周波数Ｆとの関係の一例を示す。なお、同図に示した値は一例であり、レールの設置状況によって異なる。

また、制御部４０は、送信部２０におけるパルス信号の送信時間間隔を制御する。具体的には、入射したパルス信号が検査対象区間の終端位置で反射した場合に、反射波が入射側に到達するのに要する時間Ｔｔより長い時間を、パルス信号の送信時間間隔とする。
なお、最長到達時間Ｔｔは、Ｔｔ＝（１／Ｖ_ｐ）×Ｄ×２、で算出される。

また、制御部４０は、送信部２０によるパルス信号を送信すると、このパルス信号に対する反射波の受信を待機する。そして、送信部２０からのパルス信号の送信から所定の待機時間Ｔｒが経過しても、受信部３０にて反射波が受信されないならば、対象区間内のレールＲには、レール破断も軌道短絡も発生していないと判断する。待機時間Ｔｒは、最長到達時間Ｔｔより長く設定される。

一方、送信部２０にて反射波が受信されたならば、対象区間内のレールＲにレール破断／短絡が発生したと判断し、受信した反射波の正負から、レール破断が生じたのか、列車在線による軌道短絡が生じたのかを判断する。すなわち、入射波と反射波との波形の正負が一致するならば、レール破断が生じたと判断し、波形の正負が逆ならば、軌道短絡が生じたと判断する。次いで、送信部２０によるパルス信号の送信から、受信部３０における反射波の受信までに要した時間ΔＴをもとに、式（２）に従って、レール破断／短絡が生じた位置（距離Ｌ）を被擬発生位置として算出する。

［作用・効果］
このように、本実施形態によれば、レールＲの一部区間がレール破断検査装置１の検査対象区間として設定され、この設定された検査対象区間の他端側は、レールＲ間に、レールＲの特性インピーダンスＺ０に等しい負荷インピーダンスＺ_Ｌが接続されて終端されている。そして、レール破断検査装置１では、検査対象区間の一端側から他端側に向けてパルス信号を入射（送信）し、入射位置において受信（観測）された反射波の波形をもとに、検査対象区間内のレール破断／短絡の発生有無を判断する。更に、レール破断／短絡の発生有りと判断した場合には、レールＲへのパルス信号の入射から反射波の受信までに要した時間ΔＴから、入射位置から発生位置までの距離Ｌを算出する。これにより、軌道回路を用いなくとも、レール破断／短絡の発生有無の検査が可能となるとともに、レール破断／短絡の発生位置の算出が可能となる。

［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）負荷インピーダンスＺ_Ｌ
レールが無限に長いと仮定できる理想的な場合には、検査対象区間の他端側を、負荷インピーダンスＺ_Ｌで終端しなくとも良い。この場合、レール破断／短絡が生じていないならば、入射波（パルス信号）は反射されず、入射位置において反射波が観測されないことになる。一方、レール破断／短絡が生じているならば、その発生位置で入射波が反射されて、入射位置で反射波が観測されることになる。また、長さＤの検査対象区間を設定した場合、パルス信号の入射から、この入射波が入射位置から対象区間長Ｄだけ離れた位置で反射されて入射位置に戻ってくるのに要する時間Ｔｔの間、反射波の観測を待機し、反射波が観測されなければ、検査対象区間内ではレール破断／短絡が生じていないと判断できる。

（Ｂ）入射波（パルス信号）
また、入射波として入射するパルス信号は正弦自乗波の半周期分の波形に限らず、正弦三乗波の半周期分の波形としても良いし、矩形波やインパルス波としても良い。

レール破断検査原理の説明図。 入射波及び反射波の一例。 レール破断／短絡の発生時の入射波と反射波との関係図。 レール破断検査装置の構成図。 パルス信号生成方法の説明図。 対象区間長と正弦波の発振周波数との関係の一例。

符号の説明

１ レール破断検査装置
１０ パルス信号生成部、２０ 送信部、３０ 受信部、４０ 制御部
Ｒ レール

Claims (8)

1. 鉄道用のレールに破断が生じているか否かを検査するレール破断検査方法であって、
   前記レールの特性インピーダンスに相当する負荷インピーダンスをレール間に接続することと、
   レールにパルス信号を入射することと、
   前記パルス信号の入射位置において、前記パルス信号の入射位置と前記負荷インピーダンスの接続位置間の検査対象区間を前記パルス信号が往復伝播する時間の間、前記パルス信号の入射波に対する反射波の観測を行って当該検査対象区間におけるレール破断の発生可能性を判断することと、
   を含むレール破断検査方法。
2. 前記パルス信号の入射は、前記検査対象区間を前記パルス信号が往復伝播する時間よりも長い時間間隔で前記パルス信号を繰り返し入射することを含み、
   前記レール破断の発生可能性の判断は、前記パルス信号が入射される毎に前記レール破断の発生可能性を判断することを含む、
   請求項１に記載のレール破断検査方法。
3. 前記パルス信号のパルス幅を、前記検査対象区間長に応じて変更すること、
   を更に含む請求項１又は２に記載のレール破断検査方法。
4. 正弦波を自乗した正弦自乗波の半周期分の波形を、前記パルス信号として生成することと、
   前記正弦波の周波数を、前記検査対象区間長に応じて変更することと、
   を更に含む請求項１又は２に記載のレール破断検査方法。
5. 前記反射波の観測において入射波と位相が同相の波形が観測された場合に、前記パルス信号の入射から当該反射波の観測までに要した時間と、前記パルス信号の前記レール上の信号伝播速度とを用いて、レール破断の被疑発生位置を算出することと、
   を更に含む請求項１〜４の何れか一項に記載のレール破断検査方法。
6. 鉄道用のレールに破断が生じているか否かを検査するレール破断検査方法であって、
   レールにパルス信号を入射することと、
   前記パルス信号の入射位置において前記パルス信号の入射波に対する反射波を観測して、位相が同相の波形が観測された場合にはレール破断の発生可能性有りと判断し、逆相の波形が観測された場合には軌道短絡の発生可能性有りと判断することと、
   を含むレール破断検査方法。
7. 鉄道用のレールに破断が生じているか否かを検査するレール破断検査装置であって、
   前記レールの特性インピーダンスに相当する負荷インピーダンスが前記レール間に接続された当該レールにパルス信号を入射する入射手段と、
   前記パルス信号の入射位置において、前記パルス信号の入射位置と前記負荷インピーダンスの接続位置間の検査対象区間を前記パルス信号が往復伝播する時間の間、前記パルス信号の入射波に対する反射波の観測を行って当該検査対象区間におけるレール破断の発生可能性を判断する判断手段と、
   を備えるレール破断検査装置。
8. 鉄道用のレールに破断が生じているか否かを検査するレール破断検査装置であって、
   レールにパルス信号を入射する入射手段と、
   前記パルス信号の入射位置において前記パルス信号の入射波に対する反射波を観測して、位相が同相の波形が観測された場合にはレール破断の発生可能性有りと判断し、逆相の波形が観測された場合には軌道短絡の発生可能性有りと判断する判断手段と、
   を備えるレール破断検査装置。

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