JP6007065B2

JP6007065B2 - 鉄道車両の保守システム

Info

Publication number: JP6007065B2
Application number: JP2012238777A
Authority: JP
Inventors: 飯星　洋一; 洋一飯星
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP2014088084A

Description

本発明は、異常監視機能を備えた保守システムに関し、特に、異常監視機能を備えた鉄道車両の保守システムに関する。

鉄道車両の保守効率改善のため車両情報（センサ値、制御指令値、制御出力等）から車両状態を推定し、推定された車両状態に基づいて保守を行う状態基準保全の導入が進んでいる。

例えば、特許文献１（特開２０１１−２０１３３６号公報）は、車両から収集したデータにもとづいて車両の異常を検知するシステムとして、移動体の故障発生時における故障から、異常に繋がる可能性を適切に予測し、誤検知を低下させて稼働率向上を目的とする移動体異常判断支援システムが開示されている。この移動体異常判断支援システムは、移動体に、各種計測装置と、計測装置からの状態データを用いて故障発生を検知する状態監視装置と、地上システムに故障情報を送信し、地上システムからの異常判定結果を受信する通信装置とを備える。地上システムは、移動体とデータを送受信する通信装置と、過去の故障情報を蓄積する蓄積部と、過去の故障が異常であるか否かを分析・判定する異常診断部と、過去の故障情報と異常診断結果とを関連付けて記憶する異常分析データベースと、故障発生時の故障情報と異常分析データベースとを対比して異常判定結果を出力する異常発生予測部とを備える。

特許文献２（特開２０１２−２６８９７号公報）は、鉄道車両に用いられている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監視システムを提供する。この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と、電子制御装置とを備える。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ている。電子制御装置には、検出用センサにより検出される第１信号Ｘと監視用センサにより検出される第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ＣＸＹを演算し、このコヒーレンス値ＣＸＹが予め設定された異常判断値Ｃａ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する判断手段（コヒーレンス演算部，状態判断部）が設けられている。

特開２０１１−２０１３３６号公報特開２０１２−２６８９７号公報

しかし、特許文献１のような異常判断支援システムでは、例えば軸箱異常検知装置や火災検知装置などの安全・保安装置は、通常の運転状態では殆ど出力が変わらないため状態監視（異常検知）が困難である。また、特許文献２のようなセンサ状態監視システムでは、複雑な装置構成が必要となり、高価な装置とならざるを得ない。

本課題を解決するため、本発明の鉄道車両の保守システムでは、複数の車両機器の状態情報を監視する車上モニタ装置と、前記車上モニタ装置及び前記車両機器へ確認信号を同時に送信する確認信号生成装置と、前記車上モニタ装置及び前記車両機器へ同時に送信された前記確認信号及び前記車上モニタ装置で監視した前記車両機器の状態情報を地上局へ無線通信により送信する無線装置を備え、前記無線装置から受信した状態情報および確認情報を記録する地上サーバを地上側に備えたことを特徴とする。

本発明により、車両機器の状態監視（異常検知）を、確認信号と状態情報の出力状態に基づいて地上側で監視できるため、メンテナンス作業の省力化および監視対象車両機器の信頼性向上につながる。さらには、車両機器に構成される車両機器装置が安全装置であった場合には、地上で蓄積した過去データを利用することで、安全装置のセンサ等の故障による異常の誤検知を防止できる。

本発明の鉄道車両の保守システムの実施例構成の概要を示す機能ブロック図である。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例に用いる確認信号による車両機器の状態変化の一例を示す図である。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例に用いる確認信号による車両機器の状態変化の別の一例を示す図である。本発明の保守システムを鉄道車両の軸箱監視装置に適用したときの動作の一例を示すタイムチャートである。本発明の鉄道車両の保守システムの別の実施例構成の概要を示す機能ブロック図である。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例の確認信号生成フローチャートの一例を示す。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例の運転台の車両状態モニタ表示のマスク方法の一例を示す。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例の診断指標Ｔの分布の一例を示す。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例の異常診断のフローチャートの一例を示す。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例の異常判定表示の一例を示す。本発明の鉄道車両の保守システムの実施例の異常分離フローチャートの一例を示す。

以下本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の鉄道車両の保守システムの実施例構成の概要を示す機能ブロック図である。車上モニタ装置１０１は、鉄道車両（図示ぜず）に搭載された様々な車両機器１０２，１０２，１０２の状態情報（車両情報）Ｃを収集し、その一部情報を運転台（図示せず）に表示すると共に、収集したデータを車上サーバ１０３に引き渡す。車上サーバ１０３では、車上モニタ装置１０１が収集した情報を蓄積するとともに、要求に応じて蓄積した状態情報（車両情報）を無線装置１０４に引き渡す。車上の無線装置１０４は、地上の無線装置１０５と状態情報（車両情報）の通信を行い、地上サーバ１０６では、通信で得られた状態情報（車両情報）を蓄積する。確認信号生成装置１０７は、車両機器１０２の装置の内の安全装置などのように通常状態では出力が変化しない機器を対象にして、その出力を変化させるためのトリガとなる第２の確認信号Ｂを生成し、車両機器１０２へ送信する。すなわち、第２の確認信号Ｂがトリガとなって、車両機器１０２の状態情報は変化することになる。そして、第２の確認信号Ｂは、車両機器１０２の状態情報Ｃと共に、車上モニタ装置１０１に収集される。また、確認信号生成装置１０７から第２の確認信号Ｂと同時に送信される第１の確認信号Ａは、確認信号生成装置１０７から車両機器１０２へ第２の確認信号Ｂが送信されたことを確認することが可能な情報を含んでおり、車上モニタ装置１０１に出力される。そして、状態情報（車両情報）Ｃと同様に第１，第２の確認信号Ａ，Ｂは車上モニタ装置１０１から車上サーバ１０３を介して出力され、無線通信を通じて地上サーバ１０６に蓄積される。

図２に第２の確認信号Ｂによる車両機器１０２の状態変化の一例を示す。図２では第２の確認信号Ｂにより車両機器１０２のセンサ入力信号を切り替えることで車両機器１０２の状態を変化させる。すなわち図２（ａ）に示すように、第２の確認信号Ｂが１（第２の確認信号Ｂの出力あり）になると車両機器装置１０２への入力信号が切り替わり、通常のセンサ入力からテストセンサ入力に切り替わる（図２（ａ）は切り替わり前の状態）。このテストセンサ入力は車両機器１０２の出力信号を、例えば図２（ｂ）に示すように、通常センサからの入力信号が正常な場合には０であり、テストセンサからの入力信号がありの場合には０から１へと変化するように設定する。このような構成にすることにより、地上サーバ１０６で第２の確認信号Ｂと同時に車両機器１０２からの出力信号を記録し、その関係が図２（ｂ）に示す関係を満たせば車両機器１０２が正常に動作していることが地上サーバ１０６を有する地上にて確認できる。

図３に第２の確認信号による車両機器１０２の状態変化の別の一例を示す。図３では、第２の確認信号による車両機器の判定しきい値を切り替えることで車両機器１０２の状態を変化させる。すなわち図３（ｂ）に示すように、第２の確認信号Ｂが１（第２の確認信号Ｂの出力あり）になると車両機器１０２では通常しきい値からテストしきい値に切り変わる（図３（ａ）は切り替わり前の状態）。このテストしきい値は車両機器１０２の出力信号を０から１へ変化するように設定する。このような構成にすることにより、地上サーバ１０６で第２の確認信号Ｂと車両機器１０２の出力を記録し、その関係が図３（ｂ）に示す関係を満たせば車両機器１０２が正常動作していることを地上にて確認できる。

次に、図４から図１１を用いて本発明の実施形態としての実施例について以下にさらに説明する。

図４は、車両機器１０２の構成として軸箱監視装置を適用した事例である。図４（ａ）に第２の確認信号Ｂの有無、図４（ｂ）に軸箱温度と異常判定しきい値、図４（ｃ）に軸箱の軸箱監視装置の出力を示す。ここでは図３で説明した、しきい値を変化させる方法をさらに工夫し、異常判定しきい値を一定割合で変化させている。このように第２の確認信号Ｂが１になってから判定しきい値を小さくなるように変化させることで、第２の確認信号Ｂが１（ｔ０）になってから軸箱監視装置の出力が１（ｔ１）に変わるまでの時間差Ｔから軸箱温度が推定出来る。この方法は軸箱監視装置の温度情報を直接無線で通信する方法よりも少ないコストで、軸箱監視装置が持つ軸箱温度情報を送信できる。

図５は本発明の鉄道車両の保守システムの別の実施例に用いる概要を示すブロック図の一例である。本発明の図５においては、図１で説明したブロック図と同一構成のものについての説明は省略する。図５の機能ブロック図では、車両位置情報を検知するための車両位置検知装置（ＧＰＳ）５０１をさらに備えている。本構成により、第２の確認信号Ｂによる車両機器１０２の状態の監視条件をそろえることができ、より正確な異常検知が可能となる。さらに図１に示したブロック図に加えて地上サーバ１０６に蓄積した確認データと車両情報データをもとに車両機器１０２の状態の診断指標を算出する診断指標算出装置５０２を備える。ここでは、図４に示した第２の確認信号Ｂの立ち上がり（ｔ０）から軸箱監視装置の出力の立ち上がり（ｔ１）までの時間Ｔを診断指標として軸箱ごとに算出し、後述する分布を算出する。

図６は、図５に示した車両位置検知装置５０１を備えた際の確認信号生成フローチャートの一例である。ステップＳ６０１では車両位置検知装置（ＧＰＳ）５０１による位置計測を行う。ステップＳ６０２では車両機器１０２が所定位置を通過したか否かを判定し、通過した場合はステップＳ６０３に進み、そうでない場合は処理を終了する。なお、ステップＳ６０１では車両機器１０２が所定位置を通過した際に第１，第２の確認信号Ａ，Ｂを生成する。本構成により通信状態が良く、かつ一定速度以上で走行中の軸箱温度データを収集することができる。軸箱温度を測定する位置としては例えば天気などの環境の影響を受けにくいトンネル通過後などが好ましい。

図７は、本発明の鉄道車両の保守システムの操作時に運転者に誤った異常信号と誤認を起こさせないために、運転台の車両状態モニタ表示のマスク方法の一例を示す。ステップＳ７０１で確認信号Ａ，Ｂの状態をチェックし、確認信号Ａ，Ｂが生成されている状態であればステップＳ７０２に進み、そうでなければ処理を終了する。ステップＳ７０２では確認信号Ａ，Ｂによる異常診断中は当該異常診断中の車両機器１０２の状態表示を運転台に表示しないように表示情報をマスクする。なお、本例ではステップＳ７０２で車上運転台の対象機器の状態表示をマスクしたが、その代わりに動作確認中であることを知らせる表示をしても良い。本例では軸箱装置の出力を確認動作中は一時的に異常状態を出力するように変化させる。このような操作を行わない場合は、これら軸箱装置の出力は通常運転台にも表示されており、このままだと運転手が軸箱に異常が発生したと勘違いしてしまう恐れがある。そこで軸箱装置の動作確認中は運転台への出力をマスクすることで運転手の勘違いを防止するものである。

図８は、診断指標としてのＴ（図４の如く、しきい値を変化させた場合に、第２の確認信号Ｂの立ち上がり（ｔ０）から軸箱監視装置の出力の立ち上がり（ｔ１）までの時間（Ｔ））の分布の一例を示す。図５の診断指標算出装置５０２で算出された軸箱毎の診断指標（Ｔ）は平均値を中心に図８のような正規分布となる。そこで例えば標準偏差σの３倍（３σ）を基準として異常と正常の分離ができる。これは同じ条件で収集された軸箱同士の分布から大きく離れたデータに関しては軸箱温度が異常である可能性が高いためである。またこの分布は確認信号Ｂが入力された条件により平均値やσが変化する可能性があるため、診断指標を平均値およびσを用いて正規化しても良い。

図９は、異常診断のフローチャートの一例を示す。ステップＳ９０１では診断指標にはずれ値（例えば３σより大きい値）が存在するか否かを判断し、存在すればステップＳ９０２に進み、そうでなければ処理を終了する。そして、ステップＳ９０２では異常判定処理を行う。異常判定処理では、後述するような異常判定のためのデータ表示や異常分離のためのアルゴリズムをもちいてセンサ異常と本故障（軸箱異常）を分離する。

図１０は、異常判定表示の一例を示す。例えば図１０の上図に示すように、診断指標のはずれ値を一つ表示し（十字型のマーク）、同図の下図に示すように、そのはずれ値に対応する過去データの時系列を表示する（十字型のマーク）。ここで重要なのは地上サーバ１０６に蓄積された過去データに基づいて分布や時系列データを地上側の表示手段（図示せず）に表示することである。軸箱異常は熱容量があるため診断指標が平均値から緩やかに離れていく一方で、センサ異常はセンサ故障が発生した瞬間に突然値が変化する。そこで、この性質を使ってセンサ異常と本故障（車両機器１０２の故障）を分離することができる。

図１１（ｂ）は、異常分離フローチャートの一例を示す。図１１（ａ）に示すように、診断しきい値をオーバした時の平均のずれをΔ（デルタ）ｎ、それよりも一つ前の診断指標の計算値をΔ（デルタ）ｎ−１とする。図１１（ｂ）は、この際の異常分離フローチャートの一例である。ステップＳ１１０１でははずれ値があるか否かを判別し、はずれ値がある場合にはステップＳ１１０２に進み、はずれ値が無い場合は処理を終了する。ステップＳ１１０２では診断指標の変化|Δｎ−Δｎ−１|が所定値よりも大きい場合にはステップＳ１１０３にすすみ、そうでない場合はステップＳ１１０４にすすむ。ステップＳ１１０３ではセンサ異常と判断し、軸箱監視装置の出力結果をドライバーに表示しないが、地上側には軸箱の異常を通知しセンサもしくは軸箱監視装置の交換を促すメッセージを地上側の表示手段に表示する。一方ステップＳ１１０４では軸箱の本故障と判断し、軸箱監視装置の出力結果をドライバーおよび地上側の表示手段に表示し、車両機器１０２を停止するように促す。このような構成にすることによりセンサ故障による異常誤検知で車両運行が遅延することを防止しつつ、かつ本故障のときは速やかに車両機器１０２を停止させることで事故を防止できる。また本軸箱の異常判定装置により所定個所で必ず軸箱のチェックを行うことで人による軸箱メンテナンスの手間を省くことができる。また本事例では軸箱装置を対象としたが、前述のように火災報知機などの車両機器１０２に構成される安全装置に関して本発明が適用できる。

以上のように、本発明によれば、車両機器１０２の状態監視（異常検知）を、確認信号と状態情報の出力状態に基づいて地上側（車上でない）で監視できるため、メンテナンス作業の省力化および監視対象車両機器の信頼性向上につながる。さらには、車両機器１０２に構成される車両機器装置が安全装置であった場合には、地上で蓄積した過去データを利用することで、安全装置のセンサ等の故障による異常の誤検知を防止できる。

さらに、本発明によれば、車両機器１０２やその安全装置等に異常が生じた際、車上モニタ装置１０１や地上側に出力された状態情報に基づいて、異常を検知することができるが、例えば、車両機器１０２の異常を検出するセンサが故障している場合には、車上モニタ装置１０１へ状態情報が送信されなかったりすることがあるため、車上モニタ装置１０１や地上側では異常発生の正確な検出が困難となることが考えられるのだが、本発明では、第２の確認信号Ｂの送信と同時に第１の確認信号Ａが、車上モニタ装置１０１や地上側へ送信されるため、第２の確認信号Ｂにより変化等された状態情報と第１の確認信号Ａ等の情報に基づいて、異常の検出をできるだけ正確に行うことが可能となる。すなわち、図１または図５に示すように、車両機器１０２から車上モニタ装置１０１への状態情報をＡとし、第１の確認信号をＢとして一例を以下に説明すると、ＡとＢの両フラグが立つ場合には、車両機器１０２とセンサは正常に動作している、Ａのみフラグが立つ場合には車両機器１０２は正常に動作しているがセンサは故障中（点検中）、Ｂのみフラグが立つ場合には車両機器は故障中であるがセンサは正常に動作している、ＡとＢのフラグが立たない場合には車両機器とセンサはいずれも動作していない、として判別でき、地上側等で正確な状態監視が可能となる。

１０１車上モニタ装置
１０２車両機器
１０３車上サーバ
１０４無線装置（車上）
１０５無線装置（地上）
１０６地上サーバ
１０７確認信号生成装置
５０１車両位置情報検知装置（ＧＰＳ）
５０２診断指標算出装置

Claims

複数の車両機器の状態情報を監視する車上モニタ装置と、
前記車上モニタ装置及び前記車両機器へ確認信号を同時に送信する確認信号生成装置と、
前記車上モニタ装置及び前記車両機器へ同時に送信された前記確認信号及び前記車上モニタ装置で監視した前記車両機器の状態情報を地上局へ無線通信により送信する無線装置を備え、
前記無線装置から受信した状態情報および確認情報を記録する地上サーバを地上側に備えたことを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項１において、前記確認信号は、前記確認信号生成装置から前記車上モニタ装置に送信される第１の確認信号と、前記確認信号生成装置から前記車両機器を介して前記車上モニタ装置に送信される第２の確認信号からなり、
前記第２の確認信号の送信と同時に前記車上モニタ装置へ送信された前記第１の確認信号は、前記確認信号生成装置から前記車両機器へ前記第２の確認信号が送信されたことを確認することができる情報を含むことを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項２において、前記車両機器へ送信される前記第２の確認信号は、前記車上モニタ装置へ送信される前記状態情報を変化させるためのものであることを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項３において、前記第２の確認信号は前記車両機器のセンサ入力値の変更トリガであること特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項３において、前記第２の確認信号は前記車両機器の状態情報を変化させる判定しきい値の変更トリガであることを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項５において、前記判定しきい値を一定割合で変化させることを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項３において、車両位置を検知するための車両位置検知装置を備え、前記車両位置検知装置で所定場所の通過を検知した際に前記第１，第２の確認信号が生成され、該生成された第１，第２の確認信号が前記確認信号生成装置から送信されることを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項３において、前記第２の確認信号が発生中は運転台における当該車両機器の状態表示をマスクすることを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項３において、前記車両機器の診断指標を前記地上サーバに蓄積された前記車両機器の状態情報の出力と前記確認信号生成装置から送信された前記第２の確認信号から生成する診断指標算出装置を備えたことを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項９において、前記複数の車両機器から算出した診断指標の分布から外れ度合いを算出し、前記外れ度合いに基づいて前記車両機器の異常を検知することを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項１０において、前記分布からの外れ度合いが大きい車両機器の過去の診断指標データと前記診断指標の分布図を表示することを特徴とする鉄道車両の保守システム。
請求項１１において、前記車両機器の過去の診断指標データに基づいて前記車両機器のセンサ故障を判定することを特徴とする鉄道車両の保守システム。