JP5345568B2

JP5345568B2 - 鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法

Info

Publication number: JP5345568B2
Application number: JP2010021042A
Authority: JP
Inventors: 英治矢澤; 聡明南木
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: JP2011158372A

Description

本発明は、鉄道軌道管理のための平面線形・縦断線形（それぞれの、ある地点での曲率・曲線半径）の測定方法に関するものである。

従来、車体傾斜制御用データの取得を目的として、台車枠に取り付けたジャイロ信号を元に、鉄道軌道の曲率・曲線半径を実測する技術は既に存在している（下記特許文献１参照）。
図８はかかる従来の鉄道軌道の曲線形状データ取得装置の模式図である。
この図において、１０１は鉄道軌道、１０２は車体、１０３はセンサ部、１０４は傾斜はり、１０５は台車枠、１０６は車輪軸、１０７は車体方位角速度センサ、１０８は速度センサ、１０９は傾斜角センサ、１１０は車体左右振動加速度センサ、１１１は演算・記憶部、１１２は曲率演算部、１１３はカント演算部、１１４は記憶部である。

ここでは、台車枠１０５に取り付けた傾斜角センサ（ジャイロセンサ）１０９からの信号に基づいて車体傾斜制御用データの取得を行うようにしている。
また、本願発明者らは、検出器ユニットを車両の台車枠に取付けることで、加速度計の傾きの影響を回避し、加速度計、変位計ともに個数を減らし、取付車両を選ばず、軸箱に部品を取り付ける必要のない慣性正矢法軌道狂い検測装置を提案している（下記特許文献２参照）。

特開２００２−１９５８１８号公報特許第３４１１８６１号公報

しかしながら、上記した従来の測定方法は、車体傾斜制御用データの取得を目的としており、台車枠１０５に取り付けた傾斜角センサによって、営業列車の速度で走行させて測定することを前提としている。このため、この方法の場合、曲率（平面曲線）の算出は、
曲率（１／ｍ）＝台車枠の方位角速度（ｒａｄ／ｓ）／走行速度（ｍ／ｓ）
で計算するようにしている。

しかし、この方法では、低速時には方位角速度、走行速度とも出力値が小さくなる。ここで計測器の分解能は無限に小さくできるわけではないから、結果として計算誤差が大きくなり、この方法を適用可能な速度には下限が生じる。ゆえに、この方法は、例えば、歩行速度で用いる計測器への適用は困難である。
本発明は、上記状況に鑑みて、測定範囲を低速域にまで広げることができる鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕軌道検測車に角度計をセットし、この角度計により計測した情報に基づいて鉄道軌道の２点の接線の相対角度を求め、一方、前記軌道検測車に車輪回転計をセットし、この車輪回転計により計測した情報に基づいて前記鉄道軌道の２点間の距離を求め、前記鉄道軌道の２点間の相対角度及び前記鉄道軌道の２点間の距離を所与の計算式に代入して計算結果を求め、この計算結果にローパスフィルタ処理を施す、鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法において、前記角度計からの情報が傾斜角であり、前記計算式が前記鉄道軌道の２点間の相対角度／前記鉄道軌道の２点間の距離であり、それによって前記鉄道軌道の縦断線形の曲率を求めることを特徴とする。

〔２〕軌道検測車に角度計をセットし、この角度計により計測した情報に基づいて鉄道軌道の２点の接線の相対角度を求め、一方、前記軌道検測車に車輪回転計をセットし、この車輪回転計により計測した情報に基づいて前記鉄道軌道の２点間の距離を求め、前記鉄道軌道の２点間の相対角度及び前記鉄道軌道の２点間の距離を所与の計算式に代入して計算結果を求め、この計算結果にローパスフィルタ処理を施す、鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法において、前記角度計からの情報が傾斜角であり、前記計算式が前記鉄道軌道の２点間の距離／前記鉄道軌道の２点間の相対角度であり、それによって前記鉄道軌道の縦断線形の曲線半径を求めることを特徴とする。

〔３〕軌道検測車に角度計をセットし、この角度計により計測した情報に基づいて鉄道軌道の２点の接線の相対角度を求め、一方、前記軌道検測車に車輪回転計をセットし、この車輪回転計により計測した情報に基づいて前記鉄道軌道の２点間の距離を求め、前記鉄道軌道の２点間の相対角度及び前記鉄道軌道の２点間の距離を所与の計算式に代入して計算結果を求め、この計算結果にローパスフィルタ処理を施す、鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法において、前記角度計が測定途中で停止した場合には、前記２点間の相対角の計算の段階で、途中停止直後の数データとして停止直前値を用い、誤差軽減処理を行うことを特徴とする。

本発明の鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法によれば、ごく低速、例えば歩行速度で、また、途中で停止しながらの測定も可能である。また、低速測定であれば、ジャイロセンサなどの高価なセンサを搭載しなくとも、安価な地磁気による方位センサや傾斜計で実現することも可能である。

本発明の参考例を示す低速で測定可能な鉄道軌道の平面線形の曲率・曲線半径を求める方法の模式図である。本発明の参考例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（平面線形）の曲率の測定フローチャートである。本発明の参考例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（平面線形）の曲線半径の測定フローチャートである。本発明の実施例を示す低速で測定可能な鉄道軌道の縦断線形の曲率・曲線半径を求める方法の模式図である。本発明の実施例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（縦断線形）の曲率の測定フローチャートである。本発明の実施例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（縦断線形）の曲線半径の測定フローチャートである。軌道検測車での実測値と、本発明の測定方法での計算例を示す図である。従来の鉄道軌道の曲線形状データ取得装置の模式図である。

本発明の鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法は、軌道検測車に角度計をセットし、この角度計により計測した情報に基づいて鉄道軌道の２点の接線の相対角度を求め、一方、前記軌道検測車に車輪回転計をセットし、この車輪回転計により計測した情報に基づいて前記鉄道軌道の２点間の距離を求め、前記鉄道軌道の２点間の相対角度及び前記鉄道軌道の２点間の距離を所与の計算式に代入して計算結果を求め、この計算結果にローパスフィルタ処理を施す、鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法において、前記角度計からの情報が傾斜角であり、前記計算式が前記鉄道軌道の２点間の相対角度／前記鉄道軌道の２点間の距離であり、それによって前記鉄道軌道の縦断線形の曲率を求める。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
低速時の測定を安定的に精度良く行うには、速度の項を排した演算式を用い、それに応じた項目を測ればよい。具体的には、平面線形を見る平面曲線なら方位角（ヨー角）、縦断線形を見る縦曲線なら線路長手方向の傾斜角（ピッチ角）を測定することになる。
ここで、平面線形とは平面路線の形状を言う。また、縦断線形とは線路のこう配や縦曲線など、線路長手方向の高低変化の形状を言う。

図１は本発明の参考例を示す低速で測定可能な鉄道軌道の平面線形の曲率・曲線半径を求める方法の模式図、図２は本発明の参考例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（平面線形）の曲率の測定フローチャート、図３は本発明の参考例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（平面線形）の曲線半径の測定フローチャートである。
〔Ａ〕鉄道軌道の平面線形の曲率を求める場合（図２参照）
（１）まず、角度計（ジャイロセンサ、傾斜計、方位センサなど）を用いて、方位角を検出する（ステップＳ１）。

（２）次に、方位角に基づいて、鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂのそれぞれの接線Ｃ，Ｄの相対角度γを計算する（ステップＳ２）。
（３）一方、車輪回転計（ロータリーエンコーダなど）を用いて、距離信号（車輪回転パルスなど）を検出する（ステップＳ３）。
（４）次に、距離信号に基づいて、鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂ間の距離ｄ（サンプリング間隔）を計算する（ステップＳ４）。

（５）次に、鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂのそれぞれの接線Ｃ，Ｄの相対角度γ／鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂ間の距離ｄを計算し、曲率を求める（ステップＳ５）。ここで、実際には、曲率（１／ｍ）＝鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂ間の相対方位角γ（ｒａｄ）／鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂの距離ｄ（ｍ）を求める。
（６）上記ステップＳ５で得られているデータは角度計の分解能に依存した階段状波形なので、ローパスフィルタ処理を施す（ステップＳ６）。それにより、鉄道軌道１の管理に必要十分な精度の滑らかな曲率が得られる。

このようにして、鉄道軌道の平面曲線の曲率を測定することができる。
〔Ｂ〕鉄道軌道の平面線形の曲線半径を求める場合（図３参照）
（１）ステップＳ１１〜Ｓ１４は、上記した図１のステップＳ１〜Ｓ４と同様である。
（２）次に、鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂ間の距離ｄ／鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂのそれぞれの接線Ｃ，Ｄの相対角度γを計算して、曲線半径Ｒを求める（ステップＳ１５）。

なお、Ｒ≫ｄのとき、Ｒ≒（１／２）ｄ／ｓｉｎ〔（１／２）γ〕≒ｄ／γ
である。ここで、鉄道軌道１の２点Ａ，Ｂ間の距離ｄは、軌道検測車が低速なほど小さくなる。
（３）次いで、ローパスフィルタ処理を施す（ステップＳ３６）。それにより、鉄道軌道１の管理に必要十分な精度の滑らかな曲線半径が得られる。

このようにして、鉄道軌道の平面線形の曲線半径を測定することができる。
図４は本発明の実施例を示す低速で測定可能な鉄道軌道の縦断線形の曲率・曲線半径を求める方法の模式図、図５は本発明の実施例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（縦断線形）の曲率の測定フローチャート、図６は本発明の実施例を示す低速で測定可能な鉄道軌道（縦断線形）の曲線半径の測定フローチャートである。

〔Ｃ〕鉄道軌道の縦断線形の曲率を求める場合（図５参照）
（１）まず、角度計（ジャイロセンサ、傾斜計、方位センサなど）を用いて、傾斜角を検出する（ステップＳ２１）。
（２）次に、傾斜角に基づいて、鉄道軌道１１の２点Ａ′，Ｂ′のそれぞれの接線Ｃ′，Ｄ′の相対角度γ′を計算する（ステップＳ２２）。

（３）一方、車輪回転計（ロータリーエンコーダなど）を用いて、距離信号（車輪回転パルスなど）を検出する（ステップＳ２３）。
（４）次に、距離信号に基づいて、鉄道軌道１１の２点Ａ′，Ｂ′間の距離ｄ′（サンプリング間隔）を計算する（ステップＳ２４）。
（５）次に、鉄道軌道１１の２点Ａ′，Ｂ′のそれぞれの接線Ｃ′，Ｄ′の相対角度γ′／鉄道軌道１１の２点Ａ′，Ｂ′間の距離ｄ′を計算し、曲率を求める（ステップＳ２５）。ここで、実際には、曲率（１／ｍ）＝軌道方向２点Ａ′，Ｂ′間の相対傾斜角γ′（ｒａｄ）／鉄道軌道１１の２点Ａ′，Ｂ′間の距離ｄ′（ｍ）を求める。

（６）上記ステップＳ２５で得られているデータは角度計の分解能に依存した階段状波形なので、ローパスフィルタ処理を施す（ステップＳ２６）。それにより、鉄道軌道１１の管理に必要十分な精度の、滑らかな曲率が得られる。
このようにして、鉄道軌道の縦断線形の曲率を測定することができる。
〔Ｄ〕鉄道軌道の縦断線形の曲線半径を求める場合（図６参照）
（１）ステップＳ３１〜Ｓ３４は、上記した図５のステップＳ２１〜Ｓ２４と同様である。

（２）次に、鉄道軌道１１の２点Ａ′，Ｂ′間の距離ｄ′／鉄道軌道１１の２点Ａ′，Ｂ′のそれぞれの接線Ｃ′，Ｄ′の相対角度γ′を計算して、曲線半径Ｒ′を求める（ステップＳ３５）。
（３）次いで、ローパスフィルタ処理を施す（ステップＳ３６）。それにより、鉄道軌道１１の管理に必要十分な精度の、滑らかな曲線半径が得られる。

このようにして、鉄道軌道の縦断線形の曲線半径を測定することができる。
鉄道軌道の２点間の距離は、例えば、ＧＰＳを利用した場合には直前１秒間の移動距離が得られるので、それを元に計算することになる。この場合、２点間の距離は走行速度が低速であるほど小さくなる。また、実際の軌道検測車では、車輪の回転をエンコーダで検出するなど、何らかの形で等距離間隔の信号を得てデータを記録しているので、２点間の距離はこの信号の間隔に応じた定数となり、計算は非常に単純となる。

図７は鉄道軌道の平面線形の軌道検測車での実測値と、本発明の測定方法での計算例を示す図であり、図７（ａ）は方位角を、図７（ｂ）は２点の方位角の差を、図７（ｃ）はローパスフィルタ処理前の正矢量を示し、図７（ｄ）はローパスフィルタで処理された正矢量を示しており、ｅは本発明による計算値、ｆは軌道検測車による実測値を示している。

これらの図に示すように、角度センサ（角度計）の分解能の関係で、この曲率の計算結果は、往々にして、角度センサの最小分解能を１ステップとした階段状になる。しかし、鉄道軌道の場合、車輪を円滑に通過させるというその役目から、ある点で急に折れ曲がるような箇所は存在せず、曲率がある程度なめらかに変化することは保証されている。このため、軌道管理上必要とされる波長より長い波長を通過させるローパスフィルタで処理することで、鉄道軌道の管理に必要十分な精度の、滑らかに変化した曲率、および曲率半径が得られる。

なお、角度計によっては、測定途中で停止すると、時間経過に伴ってドリフトを発生し、計算誤差の要因となるが、２点間の相対角の計算の段階で、途中停止直後の数データにのみ便宜的に停止直前値を与える。誤差は単純なホールド処理により大幅に軽減できる。このような誤差軽減処理が実行できることも本発明の特徴である。
また、上記実施例では、軌道検測車による計測に基づいて曲率・曲線半径を測定する場合について述べたが、車両の形をなしていなくても、本発明の手法を用いて歩行速度で使えるポータブルな機器として展開することも可能である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法は、測定範囲を低速域にまで広げることができる鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法として利用可能である。

１，１１軌道
Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′ 軌道上の２点
Ｃ，Ｃ′，Ｄ，Ｄ′ 鉄道軌道上の２点のそれぞれの接線
γ ２点のそれぞれの接線の相対角度
γ′ ２点のそれぞれの接線の相対角度
ｄ，ｄ′ 鉄道軌道の２点間の距離
Ｒ鉄道軌道の平面線形の曲線半径
Ｒ′ 鉄道軌道の縦断線形の曲線半径

Claims

軌道検測車に角度計をセットし、該角度計により計測した情報に基づいて鉄道軌道の２点の接線の相対角度を求め、一方、前記軌道検測車に車輪回転計をセットし、該車輪回転計により計測した情報に基づいて前記鉄道軌道の２点間の距離を求め、前記鉄道軌道の２点間の相対角度及び前記鉄道軌道の２点間の距離を所与の計算式に代入して計算結果を求め、該計算結果にローパスフィルタ処理を施す、鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法において、前記角度計からの情報が傾斜角であり、前記計算式が前記鉄道軌道の２点間の相対角度／前記鉄道軌道の２点間の距離であり、それによって前記鉄道軌道の縦断線形の曲率を求めることを特徴とする鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法。
軌道検測車に角度計をセットし、該角度計により計測した情報に基づいて鉄道軌道の２点の接線の相対角度を求め、一方、前記軌道検測車に車輪回転計をセットし、該車輪回転計により計測した情報に基づいて前記鉄道軌道の２点間の距離を求め、前記鉄道軌道の２点間の相対角度及び前記鉄道軌道の２点間の距離を所与の計算式に代入して計算結果を求め、該計算結果にローパスフィルタ処理を施す、鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法において、前記角度計からの情報が傾斜角であり、前記計算式が前記鉄道軌道の２点間の距離／前記鉄道軌道の２点間の相対角度であり、それによって前記鉄道軌道の縦断線形の曲線半径を求めることを特徴とする鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法。
軌道検測車に角度計をセットし、該角度計により計測した情報に基づいて鉄道軌道の２点の接線の相対角度を求め、一方、前記軌道検測車に車輪回転計をセットし、該車輪回転計により計測した情報に基づいて前記鉄道軌道の２点間の距離を求め、前記鉄道軌道の２点間の相対角度及び前記鉄道軌道の２点間の距離を所与の計算式に代入して計算結果を求め、該計算結果にローパスフィルタ処理を施す、鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法において、前記角度計が測定途中で停止した場合には、前記２点間の相対角の計算の段階で、途中停止直後の数データとして停止直前値を用い、誤差軽減処理を行うことを特徴とする鉄道軌道の曲率・曲線半径測定方法。