JP6297280B2 - レール破断検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、列車が走行するレールの破断を検知するレール破断検知装置に関し、特にレール破断の誤検知を防止し得るようにしたレール破断検知装置に係るものである。

従来のレール破断検知装置は、レールの振動を測定する振動センサと、振動センサからの出力に基づいて、レール振動の振動強度がピークを示すピーク周波数を算出する周波数分析部と、周波数分析部により算出された上記ピーク周波数が予め定める許容範囲外のときに、レールは破断していると判定する判定部と、を備えて構成し、レール振動の周波数分析を行ってピーク周波数を算出し、算出したピーク周波数が予め定める許容範囲外のときに、レールは破断していると判定し、レールの破断を検知するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１５８９１９号公報

しかし、このような従来のレール破断検知装置においては、レールの振動のみによりレール破断を検知するものであったので、列車に起因する振動以外の、例えば踏切を走行する車や、踏切内部で人間がレールに対して何かを故意にぶつけたとき、又は線路の近くで強い振動が発生する建設工事が行われている等に起因した振動を周波数分析した結果、そのピーク周波数が上記許容範囲外であるときにレールが破断していると誤検知するおそれがあった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、レール破断の誤検知を防止し得るようにしたレール破断検知装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるレール破断検知装置は、列車の軌道上の複数区間に設置された振動センサによりレールの破断を検知する装置であって、列車の位置情報と、前記列車が走行中の区間の前記振動センサから受信する該振動センサの出力に基づいて算出された、前記列車の走行に起因して発生するレール振動の振動強度がピークを示すピーク周波数と、に基づいてレール破断を判定する構成としたものである。

本発明によれば、従来技術のようにレール破断を示す振動が検知された際に、直ちにレール破断と判定するのではなく、列車が走行中の区間のレールの振動のみに基づいてレール破断を判定するようにしているので、レールの破断を列車に起因する振動以外の、例えば踏切を走行する車等に起因した振動により誤検知するのを防止することができる。これにより、レール破断の誤検知による列車の一時停止を回避して、列車のスムーズな運行を実現することができる。

本発明によるレール破断検知装置の実施形態を示す概略構成図である。 本発明によるレール破断検知装置の振動検知部の一構成例を示すブロック図である。 上記振動検知部の設置例を示す概略図である。 図３のＡ−Ａ線断面矢視図である。 本発明によるレール破断検知装置のレール破断判定部の一構成例を示すブロック図である。 レール振動の周波数分析結果を示すグラフであり、レールが破断しているときの例を示す。 レール破断の判定について説明する図であり、（ａ）はレール破断の無い場合を示し、（ｂ）はレール破断がある場合を示す。 本発明によるレール破断検知装置のレール破断検知動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるレール破断検知装置の実施形態を示す概略構成図である。このレール破断検知装置は、レールの振動に基づいて列車が走行するレールの破断を検知するもので、振動検知部１と、レール破断判定部２と、を備えて構成されている。

上記振動検知部１は、列車の軌道上の予め定められた複数区間に複数の振動センサ３を備え、該各振動センサ３の出力を周波数分析して振動強度がピークを示すピーク周波数ｆｐを夫々算出し、各振動センサ３の位置情報と共に振動情報として送信するものである。以下、振動検知部１の構成について詳細に説明する。

上記振動検知部１は、図２に示すように、平行してそれぞれ敷設さレール４（４ａ，４ｂ）（図３及び図４参照）の振動をそれぞれ測定する振動センサ３（３ａ，３ｂ）と、レール振動の周波数分析をする周波数分析部５と、送信部６と、電源部７とを備えて構成されている。

上記振動センサ３は、レール４の振動をそれぞれ測定するものであり、振動の強度（例えば、振幅等）を電圧に変換し、レール振動のデータとして出力する一般的なものである。振動センサ３は、レール振動のデータを測定結果として周波数分析部５に出力する。振動センサ３は、例えば、レール４を列車１７の走行方向に沿って所定の長さに区分された各区間（区間Ｔ１、区間Ｔ２、区間Ｔ３…）の、平行したそれぞれのレール４ａ，４ｂに、少なくとも１個ずつ設置さている。本実施形態においては、例えば、図３に示すように、同一区間Ｔ１の一方のレール４ａに１個の振動センサ３ａを、他方のレール４ｂに１個の振動センサ３ｂを設置する。図の簡略化のため図３には、区間Ｔ１の振動センサ３ａ，３ｂだけを示したが、実際には、他の区間（Ｔ２、Ｔ３等）にも同様に振動センサ３ａ，３ｂがそれぞれ設置されている。また、振動センサ３ａ，３ｂは、具体的には、図５に示すように、レール４ａ，４ｂの側面にそれぞれ当接させて取付けるとよい。これにより、レール４ａ，４ｂの振動を効率的に測定することができる。また、上記振動センサ３の設置間隔は、列車１７が最高速度（１００Ｋｍ／ｈ）から停止できる距離６００ｍに相当する間隔とするのが望ましい。

上記周波数分析部５は、振動センサ３からの出力に基づいて、レール振動の振動強度がピークを示すピーク周波数ｆｐを算出するものである。レール振動の周波数毎の強度分布は、例えば、図６に示すように、ピーク性を有している。周波数分析部５は、例えば、送信部６と共に、一つのユニット８として構成され、図３及び図４に示すように、枕木上等に設置されている。このユニット８は、例えば、図１に示すように、複数の区間の振動センサ３からのデータが入力可能になっており、周波数分析部５の処理能力等を考慮した所定の区間数毎に設けられている（図３では、ユニット８は、図の簡略化のため一つのみ記載しているが、実際は複数設けられている）。周波数分析部５は、例えば、どの区間のどの振動センサ３の測定結果に基づいて算出したピーク周波数ｆｐなのかが分かる情報（以下において、「センサ位置情報」と言う。）と共に、ピーク周波数ｆｐの算出結果を送信部６に出力する。具体的には、周波数分析部５は、例えば、図３に示す区間Ｔに列車１７が進入した場合、振動センサ３ａ，３ｂからのデータをそれぞれ周波数分析し、区間Ｔの振動センサ３ａにおけるピーク周波数ｆｐａと、区間Ｔの振動センサ３ｂにおけるピーク周波数ｆｐｂと、をそれぞれのセンサ位置情報と共に送信部６に出力する。

上記送信部６は、ピーク周波数ｆｐの算出結果を有線により外部に設置された後述のレール破断判定部２に送信するものである。また、送信部６は、ピーク周波数ｆｐの算出結果に加えて、センサ位置情報を送信可能に構成されている。これにより、例えばレール４が破断した場合、その破断場所（区間等）を特定することができる。なお、送信部６は、有線式に限られず、無線により送信するように構成してもよい。この場合、外部のレール破断判定部２との配線施工をする必要がない。

上記電源部７は、レール振動により発電して各部（振動センサ３、周波数分析部５、及び送信部６）へ電源を供給するものである。これにより、電源部７は、自ら発電することができるため、受電したり電池を内蔵したりする必要がないため、受電用の配線や電池交換の手間もなくなる。なお、電源部７は、発電可能な構成としたが、これに限らず、例えば、外部から受電したり、電池を内蔵したりして構成してもよい。また、電源部７は、例えば、各ユニット８共通のものとしてもよいし、ユニット８毎に設けてもよい。また、電源部７は、レール振動のエネルギーを効率的に電気に変換できるように、例えば、図４に示した振動センサ３ａ，３ｂのように、レール４ａ，４ｂの側面に取り付けるとよい。

上記振動検知部１と通信可能にレール破断判定部２が設けられている。このレール破断判定部２は、振動検知部１から受信した各振動センサ３の位置情報のうちから列車１７の位置情報に合致する振動センサの位置情報を抽出し、該位置情報に関連付けられたピーク周波数ｆｐの振動強度とレール破断の判定基準とを比較してレールの破断を判定するもので、列車１７の運行管理センター９に備えられている。以下、レール破断判定部２の構成について詳細に説明する。

上記レール破断判定部２は、図５に示すように、列車１７の位置情報を受信する第１受信部１０と、レール４の振動のピーク周波数ｆｐ及びセンサ位置情報を受信する第２受信部１１と、受信した上記ピーク周波数ｆｐ及びセンサ位置情報を逐次記憶するメモリ１２と、メモリ１２に記憶されたセンサ位置情報を逐次読み出して列車１７の位置情報と比較し、上記列車１７の位置情報に合致するセンサ位置情報を抽出し、該センサ位置情報に関連付けられたピーク周波数ｆｐを出力する比較部１３と、比較部１３から出力されたピーク周波数ｆｐを予め設定されたレール破断の判定基準と比較し、レール破断を判定する判定部１４と、を備えて構成されている。

上記第１受信部１０は、例えば駅１５に設置されたＣＢＴＣ（Communication Based Train Control）１６と呼ばれる無線式列車制御システムに例えば有線により接続され、ＣＢＴＣ１６を利用して取得された列車１７の位置情報を受信するものである。なお、ＣＢＴＣ１６による列車１７の位置情報の取得は、各列車１７に搭載された車上無線機から列車１７の上部に設けられたアンテナを介して各沿線無線機１８に送信される列車１７の位置を示す列車位置信号に基づいて行われる。

上記第２受信部１１は、例えば有線で接続された振動検知部１からレール４の振動のピーク周波数ｆｐ及びセンサ位置情報を受信するものである。

上記メモリ１２は、振動検知部１から第２受信部１１を介して逐次入力されるピーク周波数ｆｐとセンサ位置情報とを記憶するものである。この場合、複数の区間に設置された振動センサ３により検知された振動の周波数分析結果（ピーク周波数ｆｐ）が、該振動センサ３が設置されている区間のセンサ位置情報に関連付けられて記憶される。

上記比較部１３は、メモリ１２に記憶された複数のセンサ位置情報を逐次読み出し、第１受信部１０から入力した列車１７の位置情報と比較し、該列車１７の位置情報に合致したセンサ位置情報を抽出し、該センサ位置情報に関連付けられたレール４の振動に係るピーク周波数ｆｐを出力するものである。即ち、列車１７が在線している区間に設置された振動センサ３の振動情報のみが抽出されることになる。

上記判定部１４は、上記比較部１３から入力したピーク周波数ｆｐを予め設定されたレール破断の判定基準と比較してレール４が破断しているか否かを判定するものである。詳細には、図６に示すように、レール４が破断しているときには、レール４の振動の周波数分析結果であるピーク周波数ｆｐは、レール４が破断していないときの振動の周波数分析結果であるピーク周波数ｆ０（レール４の共振周波数に相当）に対して振動強度が低下すると共に、周波数がシフトすることが分かっている。したがって、本実施形態においては、上記ピーク周波数ｆｐの振動強度が予め設定された閾値と上記判定部１４で比較され、上記ピーク周波数ｆｐの振動強度が閾値よりも下回っているときにレール４が破断していると判定する。より詳細には、列車１７が任意の区間を通過中に、該区間のレール４の振動の周波数分析結果であるピーク周波数ｆｐの振動強度を監視し、該振動強度が、図７（ａ）に示すように閾値よりも上回っているときには、レール４は破断していないと判定し、同図（ｂ）に示すように、ピーク周波数ｆｐの振動強度が閾値よりも下回っているときにレール４は破断していると判定する。

次に、このように構成されたレール破断検知装置のレール破断検知動作について、図８に示すフローを参照して説明する。最初に、振動検知部１の動作について説明する。
先ず、ステップＳ１においては、振動センサ３ａ，３ｂでレール振動が検知されると、振動センサ３ａ，３ｂは振動の強度（例えば、振幅等）を電圧に変換し、レール振動のデータを周波数分析部５にそれぞれ出力する。

次いで、ステップＳ２においては、周波数分析部５は、振動センサ３ａ，３ｂからのデータをそれぞれ周波数分析し、区間Ｔ１の振動センサ３ａにおけるピーク周波数ｆｐａと区間Ｔ１の振動センサ３ｂにおけるピーク周波数ｆｐｂとを算出し、各ピーク周波数ｆｐａ，ｆｐｂの算出結果をそれぞれのセンサ位置情報と共に送信部６へ出力する。

続いて、ステップＳ３においては、送信部６は、上記各ピーク周波数ｆｐａ，ｆｐｂの算出結果とそれぞれのセンサ位置情報とを列車運行管理センター９に備えるレール破断判定部２に送信する。レール破断判定部２においては、第２受信部１１を介して受信した上記各ピーク周波数ｆｐａ、ｆｐｂの算出結果とそれぞれに対応するセンサ位置情報とを互いに関連付けて逐次メモリ１２に記憶する。

上記レール破断判定部２においては、上記振動検知部１から入力した上記各ピーク周波数ｆｐａ，ｆｐｂの算出結果とそれぞれのセンサ位置情報、及びＣＢＴＣ１６から受信した列車１７の位置情報に基づいてレール破断を判定する。以下、続けて、レール破断判定部２におけるレール破断判定動作について説明する。

ステップＳ４においては、ＣＢＴＣ１６から列車１７の位置情報を第１受信部１０を介して取得する。

ステップＳ５においては、比較部１３でメモリ１２に記憶されたセンサ位置情報を逐次読み出して、ＣＢＴＣ１６から取得した列車１７の位置情報と比較する。そして、該列車１７の位置情報に合致したセンサ位置情報が抽出されると（“ＹＥＳ”判定）、該センサ位置情報に関連付けられたピーク周波数ｆｐの計算結果が出力され、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６においては、上記ピーク周波数ｆｐの振動強度が予め設定されたレール破断の判定基準である閾値と比較される。そして、ピーク周波数ｆｐの振動強度が閾値よりも低いか否かが判定部１４において判定される。ここで、ピーク周波数ｆｐの振動強度が閾値よりも低いときに、レール４が破断していると判定される。そして、ステップＳ６は、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ７に進む。

ステップＳ７においては、列車１７が走行中の区間のレール４が破断していることをＣＢＴＣ１６を介して列車１７に警告し、列車１７を直ちに停止させる。

このように、本実施形態によれば、列車１７の位置を追跡しながら、該列車１７が在線中のレール４の振動に基づいてレール４の破断を検知するようにしているので、レール４の破断の判定に使用される振動は、列車１７に起因した振動のみである。したがって、列車１７以外に起因した振動によりレール４の破断を誤検知するおそれがない。

なお、上記実施形態においては、ピーク周波数ｆｐの振動強度が閾値を下回っているときに、レール４が破断していると判定する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、ピーク周波数ｆｐが基準周波数ｆ０（レール４の共振周波数）を中心とする予め定められた第１許容範囲外であるときに、レール４が破断していると判定してもよい。この場合、第１許容範囲内にヒビ等の損傷検知用の第２許容範囲を予め設定し、ピーク周波数ｆｐが第２許容範囲外で、且つ第１許容範囲内のときに、レール４にヒビ等の損傷があると判定してもよい。

また、上記実施形態においては、列車１７の位置情報の取得をＣＢＴＣ１６により行う場合について説明したが、本発明はこれに限られず、車上子が地上子から受信する地上子ＩＤに基づいて列車１７の位置情報を取得する等、公知の技術を使用して行ってもよい。

さらに、上記実施形態においては、列車１７の位置情報を取得し、該列車位置情報に合致したセンサ位置情報を抽出し、該センサ位置情報に関連付けられたピーク周波数ｆｐに基づいてレール破断を判定する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、各区間に設置された振動センサ３の振動情報からレール破断を示す振動情報を検出し、該レール破断を示す振動が検出されたセンサ位置情報と列車１７の位置情報とを比較し、両者が合致したときに、上記レール破断を示す振動情報は列車１７に起因したものであり、レール４は破断していると判定してもよい。この場合、レール破断を示す振動が検出されたセンサ位置情報と列車１７の位置情報とが合致しないときには、レール破断を示す振動情報は列車１７以外に起因したものであり、レール４は破断していないと判定するとよい。

１…振動検知部
２…レール破断判定部
３，３ａ，３ｂ…振動センサ
４，４ａ，４ｂ…レール
９…列車運行管理センター
１７…列車

Claims (5)

1. 列車の軌道上の複数区間に設置された振動センサによりレールの破断を検知する装置であって、
   列車の位置情報と、前記列車が走行中の区間の前記振動センサから受信する該振動センサの出力に基づいて算出された、前記列車の走行に起因して発生するレール振動の振動強度がピークを示すピーク周波数と、に基づいてレール破断を判定する構成としたことを特徴とするレール破断検知装置。
2. 列車の軌道上の予め定められた複数区間に複数の前記振動センサを備え、該各振動センサの出力を周波数分析して振動強度がピークを示すピーク周波数を夫々算出し、前記各振動センサの位置情報と共に送信する振動検知部と、
   前記振動検知部から受信した前記各振動センサの位置情報のうちから前記列車の位置情報に合致する振動センサの位置情報を抽出し、該位置情報に関連付けられたピーク周波数の振動強度と前記レール破断の判定基準とを比較してレールの破断を判定するレール破断判定部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレール破断検知装置。
3. 前記レール破断判定部は、前記ピーク周波数のレベルが予め定められた閾値より下回っているときに、レールの破断を検知することを特徴とする請求項２に記載のレール破断検知装置。
4. 前記レール破断判定部は、列車の運行管理センターに備えられていることを特徴とする請求項２又は３に記載のレール破断検知装置。
5. 前記振動センサは、前記列車が最高速度から停止できる距離に相当する間隔で複数設置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレール破断検知装置。