JP5616154B2 - センサ状態判断システム - Google Patents

Description

鉄道車両に用いられる加速度センサ等が鉄道車両の走行中に異常状態になっているか否かを判断するセンサ状態判断システムに関する。

鉄道車両において、ダンパ装置を積極的に制御する制振制御システム、部品の状態又は乗り心地を監視する状態監視システム等に、加速度センサ等が用いられている。例えば、制振制御システムでは、加速度センサが車体に作用する振動加速度を検出し、制御手段が検出された振動加速度に基づいてダンパ装置が発生させる減衰力を適切に決定して、アクティブダンパ制御が実行される。

上記した制振制御システムは、例えば、下記特許文献１に記載されている。下記特許文献１に記載されている制振制御システムでは、制御手段が、通常時、上述したようにアクティブダンパ制御を実行するが、検出された振動加速度がしきい値を超えた場合には、制御システムが異常状態であると判断してアクティブダンパ制御を禁止するように構成されている。これにより、車体に過度の振動が生じているときには、アクティブダンパ制御の実行により却って乗り心地が悪化することが防止されている。

特開２００１−２７１８７２号公報

ところで、上記特許文献１に記載されている制振制御システムでは、加速度センサが正常状態であるという前提の下で、検出された振動加速度に基づいてアクティブダンパ制御が実行されていて、加速度センサ自体が故障している場合が考慮されていない。即ち、加速度センサ自体が故障している場合には、異常状態である加速度センサの信号に基づいてアクティブダンパ制御が実行されるため、制振制御が適切に実行されなくなる。従って、先ず加速度センサが異常状態になっているか否かを正確に判断することが望まれている。

本発明は、上記した課題を解決すべく、鉄道車両に用いられている加速度センサ等である検出用センサが鉄道車両の走行中に異常状態になっているか否かを正確に判断することができるセンサ状態判断システムを提供することを目的とする。

本発明に係るセンサ状態判断システムは、鉄道車両に作用する物理値を検出可能な検出用センサが前記鉄道車両の走行中に異常状態になっているか否かを判断するものであって、前記検出用センサが取付けられている部位と同等の部位に前記検出用センサと同等の監視用センサが取付けられ、前記検出用センサにより検出された第１信号と前記監視用センサにより検出された第２信号とに基づいて両信号の相関関係を示すコヒーレンス値を演算し、このコヒーレンス値が予め設定された異常判断値より小さい場合に前記検出用センサが異常状態になっていると判断する判断手段が設けられていて、前記判断手段は、前記鉄道車両が走行を開始した短時間において、前記コヒーレンス値が前記異常判断値とは別に予め設定された正常判断値より大きい場合に前記検出用センサが正常状態になっていると判断することに特徴がある。

また、本発明に係るセンサ状態判断システムにおいて、前記判断手段は、前記コヒーレンス値が前記異常判断値よりより小さい場合が連続して複数回成立したとき、前記検出用センサが異常状態になっていると判断することが好ましい。

よって、本発明によれば、検出用センサが取付けられている部位と同等の部位に、検出用センサと同等の監視用センサが取付けられ、第１信号と第２信号との相関関係を示すコヒーレンス値が異常判断値より小さい場合に、検出用センサが異常状態になっていると判断される。即ち、コヒーレンス値に基づいて第１信号と第２信号との形状が比較されて、検出用センサが異常状態になっているか否かが判断される。このため、第１信号と第２信号との厳密な比較ができ、検出用センサが異常状態になっているか否かを正確に判断することができる。

センサ状態判断システムが適用されている鉄道車両を概念的に示した正面図である。 図１に示した電子制御装置と、ダンパ装置と、報知手段との関係を示した図である。 鉄道車両が走行を開始してからの経過時間と検出用センサにより検出された第１信号との関係を示したグラフである。 鉄道車両が走行を開始してからの経過時間と監視用センサにより検出された第２信号との関係を示したグラフである。 鉄道車両が走行を開始してからの経過時間とコヒーレンス値の関係を示したグラフである。 鉄道車両が走行を開始してからの経過時間と鉄道車両の走行速度の関係を示したグラフである。 鉄道車両が走行を開始してからの経過時間と状態判断部が出力する正常信号又は異常信号との関係を示したグラフである。

次に、本発明に係るセンサ状態判断システムの実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、センサ状態判断システム５０が適用されている鉄道車両１を概念的に示した正面図である。この鉄道車両１において、前後方向に二台設けられた台車１０に空気バネ２０を介して車体３０が搭載されていて、車体３０に作用する左右振動を減衰させるダンパ装置４０が設けられている。ダンパ装置４０は、電子制御装置６０から入力されるダンパ制御指令値Ｆにより、図示しない電磁弁の開き量が調節されて、発生する減衰力を調整できるように構成されている。

センサ状態判断システム５０は、加速度センサの状態を判断するものである。このセンサ状態判断システム５０は、図１に示したように、車体３０に作用する振動加速度を検出可能な加速度センサである検出用センサ５１と、この検出用センサ５１と同じ値を出力できるような同等の加速度センサである監視用センサ５２と、上述した電子制御装置６０とを有している。

検出用センサ５１は、アクティブダンパ制御を実行するために設けられていて、車体３０に作用する振動加速度を第１信号Ｘとして電子制御装置６０に出力するものである。監視用センサ５２は、検出用センサ５１を監視するために設けられていて、車体３０に作用する振動加速度を第２信号Ｙとして電子制御装置６０に出力するものである。

電子制御装置６０には、図２に示したように、ダンパ制御指令値Ｆを演算するための制御指令値演算部６１が設けられている。制御指令値演算部６１は、車体３０に左右振動が生じているとき、検出用センサ５１から入力する第１信号Ｘに基づいて最適なダンパ制御指令値Ｆを演算し、このダンパ制御指令値Ｆをダンパ装置４０に出力する。これにより、ダンパ装置４０が積極的に減衰力を発生させて、アクティブダンパ制御が実行される。

ところで、検出用センサ５１が正常であるときには、正常である第１信号Ｘに基づいてアクティブダンパ制御が実行されるため、制振制御が適切に実行されて、乗り心地の向上が図られる。しかし、仮に検出用センサ５１が異常である（故障している）ときには、異常である第１信号Ｘに基づいてアクティブダンパ制御が実行されるため、制振制御が適切に実行されず、乗り心地が却って悪化するおそれがある。従って、検出用センサ５１が異常状態であるときには、アクティブダンパ制御を実行しないことが望ましい。なお、検出用センサ５１が異常状態である場合とは、例えば、検出用センサ５１のコネクタがはずれかかっている場合、検出用センサ５１の配線が切断されている場合等である。

そこで、この実施形態においては、検出用センサ５１が異常状態であるか否かを判断するために、上述したように検出用センサ５１と同等の部位に監視用センサ５２が取付けられ、電子制御装置６０に、判断手段としてのコヒーレンス演算部６２及び状態判断部６３とが設けられている。コヒーレンス演算部６２は、第１信号Ｘと第２信号Ｙとに基づいて両信号の相関関係を示すコヒーレンス値Ｃ_ＸＹを演算するものである。

ここで、一般的に定義されるコヒーレンス値Ｃ（ｆ）について説明する。コヒーレンス値Ｃ（ｆ）は、２つの信号であるｘ（ｔ）とｙ（ｔ）との間にどのくらい相関関係があるか示した値であり、（数１）式で定義される。

Ｓ_ｘｙ（ｆ）は、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）とのクロススペクトルであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）との相互相関関数をフーリエ変換したものである。Ｓ_ｘ（ｆ）は、ｘ（ｔ）のパワースペクトルであり、ｘ（ｔ）の自己相関関数をフーリエ変換したものである。Ｓ_ｙ（ｆ）は、ｙ（ｔ）のパワースペクトルであり、ｙ（ｔ）の自己相関関数をフーリエ変換したものである。ｔは時間であり、ｆは周波数である。

コヒーレンス演算部６２は、（数１）式を展開して得られる（数２）式を用いて、第１信号Ｘと第２信号Ｙとのコヒーレンス値Ｃ_ＸＹを演算する。

（数２）式で示されたＸには、検出用センサ５１により検出される４ｍ秒毎の第１信号Ｘが入力され、（数２）式で示されたＹには、監視用センサ５２により検出される４ｍ秒毎の第２信号Ｙが入力される。また、（数２）式で示されたＸａは、０．１秒毎の第１信号Ｘの平均値であり、（数２）式で示されたＹａは、０．１秒毎の第２信号Ｙの平均値である。なお、第１信号Ｘ、第２信号Ｙが入力される時間は、４ｍ秒毎に限定されるものではなく、適宜変更可能である。また、平均値Ｘａ，Ｙａを演算するための時間間隔は、０．１秒毎に限定されるものではなく、周波数の大きさによって適宜変更するものである。

（数２）式により演算されたコヒーレンス値Ｃ_ＸＹは、０から１までの値であって、第１信号Ｘと第２信号Ｙが完全に一致するとき１であり、第１信号Ｘと第２信号Ｙに相関が無いとき０である。言い換えると、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹは、０．１秒毎にどのくらい第１信号Ｘと第２信号Ｙの形状が似ているかを示した値である。

状態判断部６３は、０．１秒毎に演算されるコヒーレンス値Ｃ_ＸＹを監視して、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが異常判断値Ｃａである０．６より小さいか否かを判断するものである。この状態判断部６３は、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．６以上であれば、第１信号Ｘの形状と第２信号Ｙの形状が似ていると判断して、検出用センサ５１は正常状態であると判断する。一方、状態判断部６３は、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．６より小さければ、第１信号Ｘの形状と第２信号の形状が似ていないと判断して、検出用センサ５１は異常状態になっていると判断する。

ここで、この実施形態においては、状態判断部６３は、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．６より小さい場合が連続して複数回Ｎ（例えば１０回）成立したとき、検出用センサ５１が異常状態であると判断するように、構成されている。これは、検出用センサ５１，監視用センサ５２にノイズが入力される影響により、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが１回だけ０．６より小さくなって、検出用センサ５１が異常状態になっていると判断されることを防止するためである。

また、状態判断部６３は、鉄道車両１が走行を開始した短時間（例えば１０秒）において、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが予め設定された正常判断値Ｃｂである０．８より常に小さいか否かを判断するように、構成されている。これは、鉄道車両１が走行を開始した直後に検出用センサ５１が正常状態であるか否かを判断するためである。更に、状態判断部６３は、鉄道車両１が走行しているときにのみ、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹに基づいて検出用センサ５１が異常状態になっているか否かを判断するように構成されている。これは、鉄道車両１が停止しているときには、本来第１信号Ｘ及び第２信号Ｙの値は「０」であり、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが演算されないためである。

そして、状態判断部６３は、検出用センサ５１が正常状態であると判断したとき、報知手段７０に正常信号αを出力するように構成されている。この正常信号αに基づいて、報知手段７０は、例えば青ランプを点灯させることにより、運転士等に検出用センサ５１が正常状態であることを報知する。一方、状態判断部６３は、検出用センサ５１が異常状態であると判断したとき、報知手段７０に異常信号βを出力するように構成されている。この異常信号βに基づいて、報知手段７０は、例えば赤ランプを点灯させることにより、運転士等に検出用センサ５１が異常状態になっていることを報知する。

更に、状態判断部６３は、検出用センサ５１が異常状態になっていると判断したときにのみ、制御指令値演算部６１にＯＦＦ信号γを出力するように構成されている。このＯＦＦ信号γに基づいて、制御指令値演算部６１は、アクティブダンパ制御を禁止するようにダンパ制御指令値Ｆを「０」にして、ダンパ装置４０がパッシブ状態となる。

上述したように構成した実施形態の作用効果について、図３〜図７の実験結果を用いて説明する。図３は、鉄道車両１が走行を開始してからの経過時間ｔと検出用センサ５１により検出されたＸ信号との関係を示している。図４は、経過時間ｔと監視用センサ５２により検出されたＹ信号との関係を示している。図５は、経過時間ｔとコヒーレンス値Ｃ_ＸＹとの関係を示している。図６は、経過時間ｔと鉄道車両１の走行速度Ｖとの関係を示している。図７は、経過時間ｔと状態判断部６３が出力する正常信号α又は異常信号βとの関係を示している。

先ず、図５において、鉄道車両１が走行を開始した短時間Ａ（１０秒）を見ると、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．８より大きくなっていることが確認できる。これにより、状態判断部６３は、図７に示したように、検出用センサ５１が正常状態であると判断して、報知手段７０に正常信号αを出力する。従って、鉄道車両１が走行を開始した直後に、検出用センサ５１が初期不良でないことを運転士等に報知することができる。

次に、図５において、時間Ｂ及び時間Ｃを見ると、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．６より小さくなっていることが確認できる。しかし、時間Ｂ及び時間Ｃにおいては、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．６より小さい場合が連続して複数回Ｎ（１０回）成立していないため、検出用センサ５１が異常状態になっていると判断されず、正常状態であると判断される（図７参照）。従って、検出用センサ５１，監視用センサ５２にノイズが入力される影響により、検出用センサ５１が異常状態になっていると判断されることを防止することができる。

更に、図５において、車両の走行速度Ｖが「０」である時間Ｄを見ると（図６参照）、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．６より小さくなっていることが確認できる。しかし、時間Ｄにおいては、鉄道車両１が停止している時間帯であるため、上述したように状態判断部６３がコヒーレンス値Ｃ_ＸＹに基づいて検出用センサ５１が異常状態になっているか否かを判断しない。従って、時間Ｄにおいては、検出用センサ５１が正常状態であると判断されていた結果が維持される。なお、時間Ｄにおいて、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが大きく変動しているのは、検出用センサ５１，監視用センサ５２に入力されたノイズの影響である。

続いて、図５において、時間Ｅを見ると、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが０．６より小さい場合が連続して複数回Ｎ（１０回）成立している。このとき、状態判断部６３は、図７に示したように、検出用センサ５１が異常状態になっていると判断して、報知手段７０に異常信号βを出力する。この結果、運転士等に検出用センサ５１の異常状態を報知することができる。また、このときには、状態判断部６３は、制御指令値演算部６１にＯＦＦ信号γを出力し、ダンパ装置４０がパッシブ状態となる。この結果、検出用センサ５１が異常状態である場合にアクティブダンパ制御が実行されなくなって、乗り心地が悪化することを防止できる。

ところで、仮に電子制御装置の構成として、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹを用いずに、第１信号Ｘと第２信号Ｙとの振幅の差又はパワーの差が所定値以上であるときに、検出用センサ５１が異常状態になっていると判断する構成も考えられる。しかし、この構成の場合には、第１信号Ｘと第２信号Ｙの或る瞬間毎における振幅又はパワーが比較されるため、検出用センサ５１，監視用センサ５２にランダムなノイズが入力されたときに、検出用センサ５１が異常状態になっているか否かを正確に判断し難くなる。

一方、この実施形態における電子制御装置６０は、第１信号Ｘと第２信号Ｙとの相関の度合いを示すコヒーレンス値Ｃ_ＸＹが異常判断値Ｃａより小さいときに検出用センサ５１が異常状態になっていると判断するものであって、第１信号Ｘと第２信号Ｙの所定時間毎（０．１秒毎）における形状を比較している。このため、第１信号Ｘと第２信号Ｙの或る瞬間毎における振幅又はパワーを比較する場合に比して、検出用センサ５１，監視用センサ５２にランダムなノイズが入力された場合であっても、第１信号Ｘと第２信号Ｙとの厳密な比較ができ、検出用センサ５１が異常状態になっているか否かを正確に判断することができる。

以上、本発明に係るセンサ状態判断システム５０について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、上記した実施形態においては、上記した（数２）式を用いてコヒーレンス値Ｃ_ＸＹを演算したが、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹを演算するための式は、（数２）式に限定されるものではない。従って、例えば、以下に示す（数３）式を用いてコヒーレンス値Ｃ_ＸＹを演算しても良い。

上記した（数３）式は、上記した（数２）式の分子式から絶対値を除いた式である。この（数３）式を用いた場合には、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹは−１から１までの値になり、位相が１８０度ずれているときにコヒーレンス値Ｃ_ＸＹがプラスの所定値とマイナスの所定値（例えば１と−１）になる。これに対して、分子式に絶対値が付いている（数２）式を用いた場合には、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹは０から１までの値になり、位相が１８０度ずれているときでもコヒーレンス値Ｃ_ＸＹが共にプラスの所定値（例えば１）になる。従って、（数３）式を用いた場合には、位相のずれに基づくコヒーレンス値Ｃ_ＸＹのマイナスの値も考慮することができて、第１信号Ｘと第２信号Ｙとの厳密な比較をすることができる。

また、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹを演算するための式は、（数３）式より簡単な以下に示す（数４）式であっても良い。

また、この実施形態において、鉄道車両１が走行を開始した短時間Ａ（１０秒）、異常判断値Ｃａ（０．６）、正常判断値Ｃｂ（０．８）、上述した複数回Ｎ（１０回）は、予め実験により決定されるものであり、適宜変更可能である。また、異常判断値Ｃａと正常判断値Ｃｂは一致していても良い。

また、この実施形態において、センサ状態判断システム５０は、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが異常判断値Ｃａ（０．６）より小さい場合が１回成立した場合に、即ち図５に示した時間Ｂのときに、検出用センサ５１が異常状態になっていると判断しても良い。

また、この実施形態において、センサ状態判断システム５０は、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが異常判断値Ｃａより小さい場合が連続して１０回成立した場合には、検出用センサ５１が異常状態であると判断したが、例えば、センサ状態判断システム５０は、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが異常判断値Ｃａより小さい場合が連続して１０回以上且つ２０回未満成立した場合には軽度の故障による異常状態であると判断し、コヒーレンス値Ｃ_ＸＹが異常判断値Ｃａより小さい場合が連続して２０回以上成立した場合には重度の故障による異常状態であると判断しても良い。

また、この実施形態において、センサ状態判断システム５０は、制振制御システムに用いられる加速度センサ（検出用センサ５１）が異常状態になっているか否かを判断するように構成したが、センサ状態判断システムは、鉄道車両の部品の状態又は乗り心地を監視する状態監視システムに用いられている加速度センサ等が異常状態になっているか否かを判断するような構成や、車両の制御に用いられている各種センサが異常状態になっているか否かを判断するような構成としても良い。

また、この実施形態において、検出用センサ５１及び監視用センサ５２は、左右方向の振動加速度を検出する加速度センサであるが、上下方向又は前後方向を検出する加速度センサ、或いは２軸又は３軸加速度センサであって良い。更に、検出用センサ５１及び監視用センサ５２は、速度センサ、角度センサ、角速度センサ、変位センサ、圧力センサ等であっても良い。また、検出用センサ５１及び監視用センサ５２は、車体３０に取付けられているが、鉄道車両１のうち何れの部位に取付けられていても良い。

１ 鉄道車両
１０ 台車
２０ 空気バネ
３０ 車体
４０ ダンパ装置
５０ センサ状態判断システム
５１ 検出用センサ
５２ 監視用センサ
６０ 電子制御装置
６１ 制御指令値演算部
６２ コヒーレンス演算部
６３ 状態判断部
７０ 報知手段

Claims (2)

1. 鉄道車両に作用する物理値を検出可能な検出用センサが前記鉄道車両の走行中に異常状態になっているか否かを判断するセンサ状態判断システムにおいて、
   前記検出用センサが取付けられている部位と同等の部位に前記検出用センサと同等の監視用センサが取付けられ、
   前記検出用センサにより検出された第１信号と前記監視用センサにより検出された第２信号とに基づいて両信号の相関関係を示すコヒーレンス値を演算し、このコヒーレンス値が予め設定された異常判断値より小さい場合に前記検出用センサが異常状態になっていると判断する判断手段が設けられていて、
   前記判断手段は、前記鉄道車両が走行を開始した短時間において、前記コヒーレンス値が前記異常判断値とは別に予め設定された正常判断値より大きい場合に前記検出用センサが正常状態になっていると判断することを特徴とするセンサ状態判断システム。
2. 請求項１に記載するセンサ状態判断システムにおいて、
   前記判断手段は、前記コヒーレンス値が前記異常判断値より小さい場合が連続して複数回成立したとき、前記検出用センサが異常状態になっていると判断することを特徴とするセンサ状態判断システム。

Images