JP6824468B2 - レール状態監視装置 - Google Patents

Description

この発明は、レールの状態を検知するレール状態監視装置に関する。

特許文献１に記載の従来のレール状態監視装置は、信号送信部と、処理部と、信号受信部とを備えて構成されている。信号送信部から送信された電気信号は、車両の前方に設けられた第１車軸に入力される。第１車軸に入力された電気信号は、左右のレールをそれぞれ伝搬し、車両の後方に設けられた第２車軸まで伝搬される。第２車軸まで伝搬された電気信号は、信号受信部で受信される。処理部は、信号受信部が受信した電気信号の受信強度を常時蓄積する。処理部は、受信強度が低くなったときに、レール破断が発生したと判定する。

特開２００２−２９４６０９号公報

特許文献１に記載のレール状態監視装置においては、処理部が、レールを伝搬した電気信号の受信強度に基づいて、レール破断が発生したか否かを判定している。しかしながら、レールが錆びているなどのレール表面異常が発生している場合、レールと車輪との間に電気的な接触不良が発生する可能性がある。そのような場合においても、電気信号が伝搬しなくなるので、処理部が、レール表面異常とレール破断との区別ができないため、レール破断が発生していると誤判定してしまうという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、レール破断と誤判定することを抑制する、レール状態監視装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレール状態監視装置は、車両に設けられ、一対のレールのうちの第１のレールに送信される第１の電気信号と、前記一対のレールのうちの第２のレールに送信される第２の電気信号とのうちの少なくとも１つを送信する送信アンテナと、前記車両に設けられ、前記第１のレールを伝搬する前記第１の電気信号および前記第２のレールを伝搬する前記第２の電気信号のうちの少なくとも１つと、前記第１のレールと前記第２のレールとを含んで構成される環状の伝送路を伝搬する前記第１の電気信号および前記環状の伝送路を伝搬する前記第２の電気信号のうちの少なくとも１つとを受信する受信アンテナと、プロセッサとを備え、前記プロセッサは、第１の閾値と、前記第１の閾値より小さい第２の閾値とを予め設定しておき、前記受信アンテナで受信した電気信号の受信強度をそれぞれ算出し、各前記受信強度を、前記第１の閾値および前記第２の閾値と比較することで、高、中および低の３段階のレベルの１つに分類して、受信強度パターンを生成し、生成した前記受信強度パターンに基づいて、前記第１のレールおよび前記第２のレールのレール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常の中の少なくともいずれか１つとして判定し、前記判定の結果を、レール状態情報として出力する。

この発明のレール状態監装置によれば、レール破断と誤判定することを抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置における判定表を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置のハードウェア構成を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置の処理の流れを示したフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置における判定表を示した図である。 この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置におけるアンテナ故障時とレール破断時との時系列データを示した図である。 この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置における判定表を示した図である。 この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態３に係るレール状態監視装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態３に係るレール状態監視装置の処理の流れを示した図である。 この発明の実施の形態３に係るレール状態監視装置の処理の流れを示したフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る線路を区分したブロックを示した図である。 この発明の実施の形態３に係るレール状態監視装置の処理の流れを示した図である。 この発明の実施の形態３に係るレール状態監視装置の処理の流れを示したフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る線路を区分したブロックを示した図である。 この発明の実施の形態４に係るレール状態監視装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態４に係るレール状態監視装置における正常時とレール亀裂時とレール破断時との時系列データを示した図である。 この発明の実施の形態５に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態５に係るレール状態監視装置における判定表を示した図である。 この発明の実施の形態５に係るレール状態監視装置における電気信号の伝搬経路を示した図である。 この発明の実施の形態５に係るレール状態監視装置における判定表を示した図である。

以下の説明において、同一または相当する構成については、同一符号を付して示す。

実施の形態１．
図１および図２は、この発明の実施の形態１に係るレール状態監視装置１の構成を模式的に示した図である。図１は平面図であり、図２は側面図である。
図１および図２に示されるように、レール状態監視装置１は、鉄道車両などの車両２に搭載されている。車両２は、一対の前方車輪３と、一対の後方車輪４とを備えている。車両２は、前方車輪３と後方車輪４とを用いて、２本のレール５および６の上を走行する。レール５とレール６とは、予め設定された空隙を介して、平行に設置されている。また、一対の前方車輪３は、レール５とレール６間の当該空隙に合わせて、車輪軸７を介して互いに連結されている。同様に、一対の後方車輪４は、レール５とレール６間の当該空隙に合わせて、車輪軸８を介して互いに連結されている。なお、車両２は、１以上の他の車両２と共に連結されて列車として走行する。

レール状態監視装置１は、第１の送信アンテナ１０１と、第２の送信アンテナ１０２と、第１の受信アンテナ２０１と、第２の受信アンテナ２０２と、送信部３０１と、受信部４０１と、解析部５０１と、情報伝送部６０１とを備えて構成されている。

第１の送信アンテナ１０１、第２の送信アンテナ１０２、第１の受信アンテナ２０１、および、第２の受信アンテナ２０２は、それぞれ、前方車輪３と後方車輪４との間に位置するように、車両２の床下に設置されている。

第１の送信アンテナ１０１と第１の受信アンテナ２０１とは、レール５の上方に、レール５の長手方向に沿って、予め設定された間隔をあけて設置されている。同様に、第２の送信アンテナ１０２と第２の受信アンテナ２０２とは、レール６の上方に、レール６の長手方向に沿って、予め設定された間隔をあけて設置されている。

第１の送信アンテナ１０１は、レール５に電気信号を伝送する。第２の送信アンテナ１０２は、レール６に電気信号を伝送する。また、第１の受信アンテナ２０１は、レール５を伝搬する電気信号、あるいは、レール５とレール６とを含んで構成される環状の伝送路を伝搬する電気信号を受信する。第２の受信アンテナ２０２は、レール６を伝搬する電気信号、あるいは、レール５とレール６とを含んで構成される環状の伝送路を伝搬する電気信号を受信する。

送信部３０１は、第１の送信アンテナ１０１および第２の送信アンテナ１０２に接続されている。送信部３０１は、第１の電気信号を生成して第１の送信アンテナ１０１へ出力するとともに、第２の電気信号を生成して第２の送信アンテナ１０２へ出力する。

受信部４０１は、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２に接続されている。受信部４０１は、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２で受信された第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度および位相を算出する。なお、受信部４０１は、受信強度だけを算出してよく、あるいは、位相だけを算出するようにしてもよい。

解析部５０１は、受信部４０１に接続されている。解析部５０１は、受信部４０１で算出された受信強度を２つの閾値と比較することで、高、中、低の３段階のレベルに分類して、受信強度パターンを生成する。解析部５０１は、生成した受信強度パターンに基づいて、レール５およびレール６の状態を決定する。解析部５０１は、決定したレール状態を、レール状態情報として出力する。

情報伝送部６０１は、解析部５０１に接続されている。情報伝送部６０１は、解析部５０１から受信したレール状態情報を、外部に設けられた地上装置へ伝送する。地上装置については、後述の実施の形態３で説明する。

なお、送信部３０１、受信部４０１、解析部５０１、および、情報伝送部６０１の設置位置は、車両２の任意の場所でよく、特に限定されてない。

次に、動作について説明する。

送信部３０１は、予め設定された第１の周波数と第１の振幅とを持つ第１の電気信号を生成して、第１の電気信号を第１の送信アンテナ１０１へ出力する。また、送信部３０１は、予め設定された第２の周波数と第２の振幅とを持つ第２の電気信号を生成し、第２の電気信号を第２の送信アンテナ１０２へ出力する。

このとき、送信部３０１では、第１の電気信号と第２の電気信号が互いに干渉しないように、第１の電気信号と第２の電気信号とに対して多重化技術を適用する。具体的には、第１の電気信号の第１の周波数と第２の電気信号の第２の周波数とを互いに異なる周波数に設定する。あるいは、第１の電気信号と第２の電気信号とを、互いに異なる符号で符号変調または周波数変調する。あるいは、第１の電気信号と第２の電気信号とを時分割で送信するように、第１の送信アンテナ１０１および第２の送信アンテナ１０２を制御する。多重化技術としては、これらの技術に限定されず、他の多重化技術を適用してもよい。

第１の送信アンテナ１０１は、送信部３０１から第１の電気信号が入力されると、第１の電気信号をレール５へ向けて出力する。第２の送信アンテナ１０２は、送信部３０１から第２の電気信号が入力されると、第２の電気信号をレール６へ向けて出力する。これにより、第１の電気信号はレール５を伝搬し、第２の電気信号はレール６を伝搬する。このとき、レール５およびレール６が正常状態の場合と、レール５またはレール６に何らかの異常が発生している場合とでは、伝搬経路が変化する。以下に詳細に説明する。

はじめに、レール５およびレール６が正常状態の場合の第１の電気信号および第２の電気信号の伝搬経路について説明する。図３および図４は、レールが正常状態の場合の電気信号の伝搬経路の説明図である。なお、第１の電気信号の伝搬動作と第２の電気信号の伝搬動作とは基本的に同様であるため、以下では、第１の電気信号について主に説明する。

第１の送信アンテナ１０１は、送信部３０１から第１の電気信号が入力されると、第１の電気信号をレール５へ向けて出力する。この時、異なる２つの伝搬モードの波がレール５を伝搬する。図３に一方の伝搬モードの波を示し、図４に他方の伝搬モードの波を示す。

図３に示すように、一方の伝搬モードの波は、レール５上を伝搬する表面波２１である。以下では、レール５上を伝搬する表面波２１を第１の表面波２１と呼び、レール６上を伝搬する表面波を第２の表面波２２と呼ぶこととする。第１の表面波２１は、第１の電気信号に対応する表面波であり、レール５上を伝搬するが、レール６上は伝搬しない。第２の表面波２２は、第２の電気信号に対応する表面波であり、レール６上を伝搬するが、レール５上は伝搬しない。

また、図４に示すように、他方の伝搬モードの波は、ループコイル１０を伝搬する誘導波である。ループコイル１０は、レール５とレール６と車輪軸７と車輪軸８とで構成された、環状の伝送路である。以下では、第１の送信アンテナ１０１から出力された第１の電気信号に対応する誘導波を第１の誘導波３１と呼び、第２の送信アンテナ１０２から出力された第２の電気信号に対応する誘導波を第２の誘導波３２と呼ぶこととする。

もし、レール５またはレール６に、レール破断、あるいは、さびなどのレール表面異常が発生していた場合、車輪３および４とレール５または６との間に接触不良が発生する。その結果、ループコイル１０の切断またはループコイル１０のインピーダンス変化が発生する。そのため、表面波２１および表面波２２の伝搬状態、および、誘導波３１および誘導波３２の伝搬状態が変化する。本実施の形態１では、解析部５０１が、この伝搬状態の変化を検知して、レール５およびレール６の状態を判定する。

第１の電気信号は、図３に示すように、レール５上を第１の表面波２１として伝搬するとともに、図４に示すように、ループコイル１０を第１の誘導波３１として伝搬する。

第１の表面波２１は、レール５上を伝搬し、第１の受信アンテナ２０１が設置された地点まで到達する。一方、第１の誘導波３１は、ループコイル１０を伝搬して、第１の受信アンテナ２０１が設置された地点まで到達するだけでなく、第２の受信アンテナ２０２が設置された地点まで到達する。

同様に、第２の送信アンテナ１０２から出力された第２の電気信号は、図３に示すように、レール６上を第２の表面波２２として伝搬するとともに、図４に示すように、ループコイル１０を第２の誘導波３２として伝搬する。

第２の表面波２２は、レール６上を伝搬し、第２の受信アンテナ２０１が設置された地点まで到達する。一方、第２の誘導波３２は、ループコイル１０を伝搬して、第２の受信アンテナ２０２が設置された地点まで到達するだけでなく、第１の受信アンテナ２０１が設置された地点まで到達する。

第１の受信アンテナ２０１は、レール５を伝搬する電気信号を受信するように設置されている。そのため、第１の受信アンテナ２０１は、第１の表面波２１および第１の誘導波３１として伝搬する第１の電気信号と、第２の誘導波３２として伝搬する第２の電気信号とを受信して、受信部４０１へ出力する。

第２の受信アンテナ２０２は、レール６を伝搬する電気信号を受信するように設置されている。そのため、第２の受信アンテナ２０２は、第２の表面波２２および第２の誘導波３２として伝搬する第２の電気信号と、第１の誘導波３１として伝搬する第１の電気信号とを受信して、受信部４０１へ出力する。

受信部４０１は、第１の受信アンテナ２０１で受信した第１の電気信号および第２の電気信号、および、第２の受信アンテナ２０２で受信した第１の電気信号および第２の電気信号のそれぞれの受信強度を算出する。

解析部５０１は、受信部４０１で算出された受信強度を、２つの閾値と比較して、高、中、低の３段階のレベルに分類して、受信強度パターンを生成する。

正常時の受信強度パターンは、以下の通りとなる。
第１の受信アンテナ２０１：第１の電気信号：高
第１の受信アンテナ２０１：第２の電気信号：高
第２の受信アンテナ２０２：第１の電気信号：高
第２の受信アンテナ２０２：第２の電気信号：高
解析部５０１は、これら４つの電気信号の受信強度のレベルを順に並べて、「高、高、高、高」という受信強度パターンを生成し、当該受信強度パターンに基づいて、レール５およびレール６のレール状態は正常であると判定する。

次に、図５を用いて、レール５に破断が発生しているときの電気信号の伝搬経路について説明する。図５は、レール５に破断が発生している時の電気信号の伝搬経路の説明図である。

図５に示すように、第１の送信アンテナ１０１は、第１の電気信号が入力されると、第１の電気信号をレール５へ向けて出力する。第１の電気信号は、レール５を第１の表面波２１として伝搬する。しかし、レール５に破断があるため、第１の受信アンテナ２０１の設置された地点までは到達しない。また、レール５の破断に伴って、ループコイル１０も途中で切断されているため、第１の誘導波３１も第２の受信アンテナ２０２の設置された地点まで伝搬しない。

第２の送信アンテナ１０２は、第２の電気信号が入力されると、第２の電気信号をレール６へ向けて出力する。第２の電気信号は、レール６を第２の表面波２２として、第２の受信アンテナ２０２の設置された地点まで伝搬する。しかしながら、レール５の破断に伴って、ループコイル１０が途中で切断されているため、第２の誘導波３２は、第１の受信アンテナ２０１の設置された地点まで伝搬しない。

従って、第１の受信アンテナ２０１は、第１の電気信号および第２の電気信号の両方を受信しないので、無受信状態を通知する信号を受信部４０１へ出力する。

また、第２の受信アンテナ２０２は、第２の表面波２２として伝搬してきた第２の電気信号のみを受信して、第２の電気信号のみを受信部４０１へ出力する。

従って、解析部５０１で生成される受信強度パターンは、以下の通りとなる。
第１の受信アンテナ２０１：第１の電気信号：低
第１の受信アンテナ２０１：第２の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第１の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第２の電気信号：高
解析部５０１は、「低、低、低、高」の受信強度パターンからレール５に破断が発生しており、レール６は正常であると判定する。

次に、図６を用いて、レール６に破断が発生しているときの電気信号について説明する。図６は、レール６に破断が発生している時の電気信号の伝搬経路の説明図である。レール６に破断が発生しているときも、レール５に破断が発生したときと同じルールで電気信号が伝搬する。

従って、第１の受信アンテナ２０１は、第１の表面波２１として伝搬してきた第１の電気信号のみを受信して、第１の電気信号のみを受信部４０１へ出力する。

また、第２の受信アンテナ２０２は、第１の電気信号および第２の電気信号の両方を受信しないので、無受信状態を通知する信号を受信部４０１へ出力する。

従って、解析部５０１で生成される受信強度パターンは、以下の通りとなる。
第１の受信アンテナ２０１：第１の電気信号：高
第１の受信アンテナ２０１：第２の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第１の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第２の電気信号：低
解析部５０１は、「高、低、低、低」の受信強度パターンからレール６に破断が発生しており、レール５は正常であると判定する。

次に、図７を用いて、レール５およびレール６の両方が破断しているときの電気信号について説明する。このときは、第１の表面波２１および第２の表面波２２と、第１の誘導波３１および第２の誘導波３２とが、すべて、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２まで伝搬しない。

従って、第１の受信アンテナ２０１は、第１の電気信号および第２の電気信号を受信しないので、無受信状態を通知する信号を受信部４０１へ出力する。

同様に、第２の受信アンテナ２０２は、第１の電気信号および第２の電気信号を受信しないので、無受信状態を通知する信号を受信部４０１へ出力する。

従って、解析部５０１で生成される受信強度パターンは、以下の通りとなる。
第１の受信アンテナ２０１：第１の電気信号：低
第１の受信アンテナ２０１：第２の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第１の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第２の電気信号：低
解析部５０１は、「低、低、低、低」の受信強度パターンからレール５およびレール６に破断が発生していると判定する。

次に、図８を用いて、レール５に亀裂が発生している時の電気信号の伝搬経路について説明する。このとき、レール５の抵抗値は、レール５に亀裂が生じているため、正常状態と比較して高くなる。レール５を伝搬する第１の表面波２１は、抵抗値の上昇と亀裂箇所での散乱とにより、伝搬損失がレール正常状態と比較して大きくなる。また、レール５の亀裂に起因してループコイル１０の抵抗値は、レール正常時と比較して高くなる。そのため、第１の誘導波３１および第２の誘導波３２の伝搬損失は、レール正常状態と比較して大きくなる。

第１の受信アンテナ２０１は、第１の電気信号と第２の電気信号とを受信して、受信部４０１へ出力する。第２の受信アンテナ２０２は、第１の電気信号と第２の電気信号とを受信して、受信部４０１へ出力する。このとき、第２の受信アンテナ２０２で第２の表面波２２として伝搬する第２の電気信号の受信強度は、正常時と同じである。しかしながら、他の電気信号の受信強度は、レール５の亀裂の影響により、レール正常時と比べて小さくなるが、レール５の破断時の受信強度よりは大きい。

従って、解析部５０１で生成される受信強度パターンは、以下の通りとなる。
第１の受信アンテナ２０１：第１の電気信号：中
第１の受信アンテナ２０１：第２の電気信号：中
第２の受信アンテナ２０２：第１の電気信号：中
第２の受信アンテナ２０２：第２の電気信号：高
解析部５０１は、「中、中、中、高」の受信強度パターンからレール５に亀裂が発生しており、レール６は正常であると判定する。

次に、図９を用いて、レール６に亀裂が発生している時の電気信号の伝搬経路について説明する。このとき、レール６の抵抗値は、正常状態と比較して高くなる。レール６を伝搬する第２の表面波２２は、抵抗値の上昇と亀裂箇所での散乱により、伝搬損失がレール正常状態と比較して大きくなる。また、レール６の亀裂に起因してループコイル１０の抵抗値は、レール正常時と比較して高くなる。そのため、第１の誘導波３１および第２の誘導波３２の伝搬損失は、レール正常状態と比較して大きくなる。

第１の受信アンテナ２０１は、第１の電気信号と第２の電気信号とを受信して、受信部４０１へ出力する。第２の受信アンテナ２０２は、第１の電気信号と第２の電気信号を受信して、受信部４０１へ出力する。このとき、第１の受信アンテナ２０１で第１の表面波２１として伝搬した第１の電気信号の受信強度は、正常時と同じであるが、他の電気信号の受信強度は、レール６の亀裂の影響より、レール正常時と比べて小さくなるが、レール６の破断時の受信強度よりは大きい。

従って、解析部５０１で生成される受信強度パターンは、以下の通りとなる。
第１の受信アンテナ２０１：第１の電気信号：高
第１の受信アンテナ２０１：第２の電気信号：中
第２の受信アンテナ２０２：第１の電気信号：中
第２の受信アンテナ２０２：第２の電気信号：中
解析部５０１は、「高、中、中、中」の受信強度パターンからレール６に亀裂が発生しており、レール５は正常であると判定する。

次に、図１０を用いて、レール５またはレール６のいずれか一方もしくは両方で、レール表面にさびまたは異物付着が発生した場合について説明する。図１０は、レール５の表面にさびまたは異物付着が発生した場合の電気信号の伝搬経路の説明図である。以下では、さびまたは異物付着を「レール表面異常」と呼び、レール表面異常が発生している箇所を、「異常箇所」と呼ぶこととする。

図１０において、車輪３がレール５の異常箇所を通過する際に、車輪３とレール５との間に電気的な接触不良が発生する。これより、ループコイル１０が切断状態もしくはループコイル１０のインピーダンスが変化するので、第１の誘導波３１と第２の誘導波３２とは伝搬しない、もしくは、伝搬するエネルギーがレール正常時と比べて小さくなる。しかしながら、レール５は破断していないので、第１の表面波２１は第１の受信アンテナ２０１まで伝搬し、第２の表面波２２は第２の受信アンテナ２０２まで伝搬する。

第１の受信アンテナ２０１は、第１の表面波２１として伝搬した第１の電気信号を受信し、第１の電気信号を受信部４０１へ出力する。

第２の受信アンテナ２０２は、第２の表面波２２として伝搬した第２の電気信号を受信し、第２の電気信号を受信部４０１へ出力する。

従って、解析部５０１で生成される受信強度パターンは、以下の通りとなる。
第１の受信アンテナ２０１：第１の電気信号：高
第１の受信アンテナ２０１：第２の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第１の電気信号：低
第２の受信アンテナ２０２：第２の電気信号：高
解析部５０１は、「高、低、低、高」の受信強度パターンからレール５およびレール６の少なくともいずれか一方に、表面異常が発生していると判定する。

このように、解析部５０１は、第１の電気信号と第２の電気信号との受信強度の閾値判定を行う。解析部５０１は、閾値判定結果に基づいて、レール状態を判定する。これにより、解析部５０１は、レール５またはレール６のいずれか一方のレール破断、レール５およびレール６の両方のレール破断、レール亀裂、および、レール表面異常の発生の有無を判定し、判定結果を、レール状態情報として情報伝送部６０１へ出力する。

なお、上記の説明においては、解析部５０１で、受信強度を用いてレール状態を判定する例について説明した。しかしながら、これに限定されず、第１の電気信号および第２の電気信号の位相を用いて、レール状態を判定するようにしてもよい。また、第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度と位相との両方を用いて、レール状態を判定するようにしてもよい。

図１１に、受信強度を用いた場合の判定表を示す。当該判定表には、レール状態ごとの受信強度パターンが格納されている。

上述したように、解析部５０１は、２つの閾値を用いて、受信強度を高、中、低の３段階のレベルに分類する。すなわち、第１の閾値Ｔｈ１と、第１の閾値Ｔｈ１よりも小さい第２の閾値Ｔｈ２とが予め設定されている。このとき、受信強度が第１の閾値Ｔｈ１以上の場合を「高」、受信強度が第２の閾値Ｔｈ２以上第１の閾値Ｔｈ１未満の場合を「中」、受信強度が第２の閾値Ｔｈ２未満の場合を「低」とする。

図１１の判定表に示されるように、正常時は、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２の両方で、第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度は、すべて、「高」になるため、そのときの受信強度パターンは、「高、高、高、高」である。従って、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２の両方で、第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度がすべて「高」だった場合には、解析部５０１は、「高、高、高、高」という受信強度のパターンを生成する。そして、解析部５０１は、当該受信強度パターンと一致する受信強度パターンを図１１の表の中から検索して、レール状態を「正常」と判定する。

一方、レール５が破断した場合には、第２の受信アンテナ２０２で受信した第２の電気信号の受信強度は「高」であるが、他の受信強度はすべて「低」となる。従って、解析部５０１は、「低、低、低、高」という受信強度のパターンと一致する受信強度パターンを、図１１の表の中から検索して、レール状態を「レール５破断」と判定する。

また、レール５に亀裂が発生した場合には、第２の受信アンテナ２０２で受信した第２の電気信号の受信強度は「高」であるが、他の受信強度はすべて「中」となる。従って、解析部５０１は、「中、中、中、高」という受信強度のパターンと一致する受信強度パターンを、図１１の表の中から検索して、レール状態を「レール５亀裂」と判定する。

このように、レール状態ごとに固有の受信強度パターンが得られるので、図１１の判定表には、レール状態ごとの受信強度パターンが格納されている。解析部５０１は、図１１の判定表から、一致する受信強度パターンを検索することで、現在のレール状態を判定して、レール状態情報を生成する。解析部５０１は、レール状態情報を情報伝送部６０１に送信する。情報伝送部６０１は、解析部５０１から受信したレール状態情報を、外部に設置された地上装置へ伝送する。地上装置は、車両２の外部の地上に設置されている。

なお、上述した本実施の形態１に係るレール状態監視装置における各機能は、処理回路によって実現される。各機能を実現する処理回路は、専用のハードウェアであってもよく、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであってもよい。図１２は、本実施の形態１に係るレール状態監視装置１の各機能をプロセッサおよびメモリを備えた処理回路により実現する場合を示した構成図である。

図１２に示すように、レール状態監視装置１は、アンテナ１００１，１００８と、アナログ回路１００２，１００９と、ＡＤＣ（analog to digital converter）１００３と、ＤＡＣ（digital to analog converter）１００４と、ＣＰＵ（central processing unit）１００５と、Ｉ／Ｆ（interface）１００６と、無線装置１００７とを備えて構成されている。

ＣＰＵ１００５は、電気信号を生成して、ＤＡＣ１００４を介してアナログ回路１００２へ出力する。アナログ回路１００２は、電気信号を増幅して、アンテナ１００１へ出力する。アンテナ１００１は、電気信号を送信する。一方、アンテナ１００８で受信された電気信号は、アナログ回路１００９へ出力される。アナログ回路１００９は、電気信号を増幅するとともにノイズを除去して、ＡＤＣ１００３を介して、ＣＰＵ１００５に送信する。ＣＰＵ１００５は、電気信号の受信強度の計測およびレール状態判定を実施する。ＣＰＵ１００５は、判定結果を、Ｉ／Ｆ１００６を介して、無線装置１００７へ出力する。無線装置１００７は、判定結果を、外部装置または周辺車両へ伝送する。

このように、第１の送信アンテナ１０１、および、第２の送信アンテナ１０２は、アンテナ１００１から構成される。同様に、第１の受信アンテナ２０１、および、第２の受信アンテナ２０２は、アンテナ１００８から構成される。また、処理回路がプロセッサの場合、送信部３０１、受信部４０１、解析部５０１、および、情報伝送部６０１の各部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリに格納される。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、レール状態監視装置１は、処理回路により実行されるときに、送信ステップ、受信ステップ、解析ステップ、および、情報伝送ステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリを備える。

これらのプログラムは、上述した各部の手順あるいは方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリが該当する。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等も、メモリに該当する。

なお、上述した各部の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述した各部の機能を実現することができる。

図１３は、本実施の形態１に係るレール状態監視装置１の処理の流れを示したフローチャートである。図１３の処理は、予め設定された周期で繰り返し実行される。

図１３において、まず、ステップＳ１では、送信部３０１が、第１の電気信号を生成して第１の送信アンテナ１０１へ出力する。さらに、送信部３０１は、第２の電気信号を生成して第２の送信アンテナ１０２へ出力する。

ステップＳ２では、第１の送信アンテナ１０１が、第１の電気信号をレール５へ向けて出力する。また、第２の送信アンテナ１０２が、第２の電気信号をレール６へ向けて出力する。

ステップＳ３では、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２が、第１の電気信号および第２の電気信号の受信を行う。

ステップＳ４では、受信部４０１が、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２で受信された第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度を算出して、解析部５０１へ出力する。

ステップＳ５では、解析部５０１が、受信部４０１で算出された受信強度を、閾値判定して、高、中、低の３段階のレベルに分類して、受信強度パターンを生成する。解析部５０１は、図１１に示した判定表の中から、生成した受信強度パターンと一致するものを検索して、レール５およびレール６のレール状態を決定して、レール状態情報として出力する。

ステップＳ６では、情報伝送部６０１が、解析部５０１のレール状態情報を、外部に設けられた地上装置へ伝送する。

ステップＳ７では、解析部５０１が、レール５およびレール６のレール状態監視処理が終了したか否かを判定し、終了していなれば、ステップＳ１に戻り、終了していれば、レール状態監視処理を終了させる。

以上のように、本実施の形態１においては、解析部５０１が、表面波と誘導波の２つの伝搬波を解析することで、レール状態を、正常、破断、亀裂、表面異常の４つの状態のうちの少なくとも１つとして判定することができる。

なお、上述したように、特許文献１に記載の従来装置では、レールと車輪との接触不良においても電気信号が伝搬しなくなるので、レール破断と接触不良の判別ができずに誤判定が発生するという問題があった。そこで、他の従来装置では、この誤判定による誤検知率を低減するために、異なる車両にそれぞれレール状態監視装置を設置して、それぞれの検知結果を比較する構成がある。しかしながら、当該構成においても、一方の車両通過後にレールが破断するなど状態が変化した際には、車両間で検知結果が一致しないために正確な判定が困難となる。

これに対して、本実施の形態１に係るレール状態監視装置では、レール破断とレール表面異常とを区別して検出することができる。そのため、レール破断と誤判定することを抑制することができる。また、本実施の形態１に係るレール状態監視装置は、１つの装置構成で、より確度の高い判定を行うことができる。

さらに、本実施の形態１において、解析部５０１によって得られるレール状態情報を地点ごとにメモリに保存して、レール状態情報の経年変化を検出することもできる。すなわち、受信強度の低減の有無により、レール状態の劣化の有無を検出することができる。また、レール劣化が始まっている開始地点などを検出することで、精度の高いレール状態監視を可能とする。

さらに、レールの電気的特性は、気象条件などにより変動するが、本実施の形態１においては、経年変化を統計処理することで、気象条件などの影響を受けずに、確度の高いレール状態監視を可能とする。

さらに、本実施の形態１においては、レール状態監視装置１を、車両２に搭載された車上装置で構成するので、地上装置で構成した場合と比較して、初期設置および維持管理のコストを抑えることが可能となる。

実施の形態２．
図１４は、この発明の実施の形態２に係るレール状態監視装置１Ａの構成を模式的に示した図である。図１４に示すように、本実施の形態２に係るレール状態監視装置１Ａでは、実施の形態１で示した図２の構成に対して、装置故障検知部７０１が追加されている。本実施の形態２では、装置故障検知部７０１を設けることで、より信頼性の高いレール状態監視装置を提供することができる。他の構成および動作については、実施の形態１と同じである。

装置故障検知部７０１には、送信部３０１から、第１の電気信号および第２の電気信号が入力される。また、装置故障検知部７０１には、受信部４０１から、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２で受信した第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度が入力される。装置故障検知部７０１は、第１の電気信号の受信強度と第２の電気信号の受信強度の閾値判定を行う。このときの閾値は１つでよい。当該閾値を、以下では、閾値Ｔｈ３と呼ぶ。以下では、装置故障検知部７０１が生成する受信強度パターンを、第２の受信強度パターンと呼ぶ。第２の受信強度パターンは、第１の受信アンテナ２０１で受信した第１の電気信号の受信強度および第２の電気信号の受信強度、および、第２の受信アンテナ２０２で受信した第１の電気信号の受信強度および第２の電気信号の受信強度を含む。

装置故障検知部７０１は、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２で受信した第１の電気信号の受信強度が、共に、閾値Ｔｈ３未満の場合には、「低、高、低、高」という第２の受信強度パターンを生成して、第１の送信アンテナ１０１の故障と判定する。

装置故障検知部７０１は、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２で受信した第２の電気信号の受信強度が、共に、閾値Ｔｈ３未満の場合には、「高、低、高、低」という第２の受信強度パターンを生成して、第２の送信アンテナ１０２の故障と判定する。

装置故障検知部７０１は、第１の受信アンテナ２０１で受信した第１の電気信号の受信強度および第２の電気信号の受信強度が、共に、閾値Ｔｈ３未満の場合には、「低、低、高、高」という第２の受信強度パターンを生成して、第１の受信アンテナ２０１の故障と判定する。

装置故障検知部７０１は、第２の受信アンテナ２０２で受信した第１の電気信号の受信強度および第２の電気信号の受信強度が、共に、閾値Ｔｈ３未満の場合には、「高、高、低、低」という第２の受信強度パターンを生成して、第２の受信アンテナ２０２の故障と判定する。

このように、装置故障検知部７０１により、装置の異常を検出することができる。さらに、その場合においても、装置故障検知部７０１の解析結果と解析部５０１の解析結果とを合わせることにより、装置が故障している場合においても、レール５およびレール６の一部の状態は検知することができる。

図１５を用いて、第１の送信アンテナ１０１の故障した場合について説明する。

第１の送信アンテナ１０１が故障している場合、第１の電気信号は送信されない。そのため、第１の受信アンテナ２０１は、第２の誘導波３２として伝搬された第２の電気信号を受信して、受信部４０１に出力する。また、第２の受信アンテナ２０２は、第２の表面波２２および第２の誘導波３２として伝搬された第２の電気信号を受信し、受信部４０１に出力する。

これにより、装置故障検知部７０１は、受信部４０１からの電気信号の受信強度に基づいて、第１の送信アンテナ１０１の故障と判定する。

このとき、第１の送信アンテナ１０１の故障に加えて、レール破断があった場合について説明する。その場合、ループコイル１０が切断されているため、誘導波３１および誘導波３２は伝搬しない。従って、第１の受信アンテナ２０１は、無受信状態となる。第２の受信アンテナ２０２は、レール５が破断したときは、第２の表面波２２を受信し、レール６が破断したときは無受信状態となる。

次に、第１の送信アンテナ１０１の故障に加えて、レール５にレール表面異常があった場合について説明する。その場合、車輪３がレール５の異常個所を通過する際に、車輪３とレール５との間に電気的な接触不良が発生する。そのため、ループコイル１０が切断され、誘導波３１および誘導波３２は伝搬しない。従って、第１の受信アンテナ２０１は、無受信状態となる。第２の受信アンテナ２０２は、第２の表面波２２だけを受信する。

このように、第１の送信アンテナ１０１が故障した場合においても、解析部５０１は、少なくともレール破断もしくはレール表面異常の検知は可能となる。

そのため、解析部５０１は、装置故障検知部７０１から、第１の送信アンテナ１０１が故障であることを通知する装置故障情報を受けた場合、第２の電気信号の受信強度だけを用いて、レール状態の判定を行う。同様に、解析部５０１は、装置故障検知部７０１から、第２の送信アンテナ１０２が故障であることを通知する装置故障情報を受けた場合、第１の電気信号の受信強度だけを用いて、レール状態の判定を行う。

次に、第１の受信アンテナ２０１の故障時の第１の受信アンテナ２０１と第２の受信アンテナ２０２の受信する電気信号について図１６を用いて説明する。

第１の受信アンテナ２０１は、第１の表面波２１と第１の誘導波３１と第２の誘導波３２とが伝搬してきているが、故障のため、受信できずに、無受信状態を出力する。

第２の受信アンテナ２０２は、第１の誘導波３１と第２の表面波２２と第２の誘導波３２とを受信し、第１の電気信号と第２の電気信号を出力する。

これにより、装置故障検知部７０１は、受信部４０１からの電気信号の受信強度に基づいて、第１の受信アンテナ２０１の故障と判定する。

このとき、第１の受信アンテナ２０１の故障に加えて、レール破断があった場合について説明する。

レール５が破断したとき、第２の受信アンテナ２０２は第２の表面波２２を受信する。レール６が破断したとき、第２の受信アンテナ２０２は無受信状態となる。

また、第１の受信アンテナ２０１の故障に加えて、レール表面異常があった場合について説明する。

レール表面異常があったときは、誘導波３１および誘導波３２は伝搬しない。そのため、第２の受信アンテナ２０２は、第２の表面波２２を受信する。

このように、第１の受信アンテナ２０１が故障した場合においても、解析部５０１は、少なくともレール破断もしくはレール表面異常の検知は可能となる。

そのため、解析部５０１は、装置故障検知部７０１から、第１の受信アンテナ２０１が故障であることを通知する装置故障情報を受けた場合、第２の受信アンテナ２０２が受信した第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度だけを用いて、レール状態の判定を行う。同様に、解析部５０１は、装置故障検知部７０１から、第２の受信アンテナ２０２が故障であることを通知する装置故障情報を受けた場合、第１の受信アンテナ２０１が受信した第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度だけを用いて、レール状態の判定を行う。

次に、図１８を用いて、送信アンテナまたは受信アンテナが故障した装置故障の場合、レール破断が発生した場合、および、レール表面異常が発生した場合のそれぞれの場合を区別するための判定方法について説明する。図１８において、横軸は、列車位置を示し、縦軸は、受信強度を示す。また、図１８において、実線５０は、レール破断の場合の受信強度のグラフであり、実線５１は、装置故障の場合の受信強度のグラフであり、実線５２は、レール表面異常の場合の受信強度のグラフである。また、第１の送信アンテナ１０１と第１の受信アンテナ２０１との間の距離をＬ１とし、前方車輪３と後方車輪４との間の距離をＬ２とする。

図１８において、実線５０で示されるように、レール破断により受信強度が低下する区間は、距離Ｌ１以下となる。一方、実線５１で示されるように、装置故障により受信強度が低下する区間は、距離Ｌ１より大きくなる。また、レール表面異常の場合は、異常箇所に車輪３または４が接触したときに信号が低下するため、実線５２で示されるように、距離Ｌ２の間隔で、信号低下する区間が２回現れる。

従って、解析部５０１は、判定の精度をより高くするために、受信部４０１からの受信強度のデータに基づいて、受信強度が低下する持続区間を求めて、受信強度パターンと当該持続区間とに基づいて、レール状態を判定するようにしてもよい。その場合には、図１９の判定表を用いる。当該判定表には、レール状態ごとに、受信強度パターンと持続区間の条件とが格納されている。解析部５０１は、受信部４０１で算出された受信強度に基づいて、受信強度パターンを生成するとともに、受信強度が低下する持続区間を算出する。そして、解析部５０１は、生成した受信強度パターンと一致するものを図１９の判定表から検索し、一致した場合、算出した持続区間が、図１９の判定表の持続区間の条件を満たしているか否かを判定する。このように、受信強度低下の持続区間の情報と第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度とを用いてレール状態を判定するようにすれば、さらに、精度よく、レール５およびレール６の状態を判定することができる。

次に、図２０を用いて、車輪３または車輪４に異常が発生したときの第１の受信アンテナ２０１と第２の受信アンテナ２０２が受信する電気信号について説明する。

車輪３または車輪４に異常が発生すると、ループコイル１０の切断もしくはループコイル１０のインピーダンス変化が発生するので、誘導波３１および３２の伝搬状態が変化する。第１の受信アンテナ２０１は、第１の表面波２１を受信し、第１の電気信号を受信部４０１へ出力する。第２の受信アンテナ２０２は、第２の表面波２２を受信し、第２の電気信号を受信部４０１へ出力する。そのため、解析部５０１で生成される受信強度パターンは「高、低、低、高」となる。この受信強度パターンは、レール５およびレール６の表面異常の場合と同じである。従って、車輪３または車輪４の異常の場合とレール表面異常が発生した場合とを区別する判定方法について以下に説明する。

まず、車輪３または車輪４の異常の場合とレール表面異常が発生した場合との相違点について説明する。レール表面異常が発生したときは、車輪が異常箇所を通過した瞬間だけループコイル１０が切断される。異常箇所は前方車輪３と後方車輪４とが順に通過するので、列車の走行速度と前後車輪の間隔とに基づいて算出された時間間隔をあけて、ループコイル１０が２回切断される。従って、受信強度が低下する持続区間は、距離Ｌ２の間隔で２回現れる。一方、車輪３または車輪４に異常が発生したときは、常時、ループコイル１０が切断されているため、受信強度が低下する持続区間は、距離Ｌ１より大きくなる。従って、解析部５０１は、生成した受信強度パターンと一致するものを図１９の判定表から検索し、一致した場合、算出した持続区間が、図１９の判定表の持続区間の条件を満たしているか否かを判定する。そうすることで、解析部５０１は、車輪３または車輪４の異常の場合とレール表面異常が発生した場合とを区別して正しく判定することができる。

以上のことから、解析部５０１および装置故障検知部７０１が、図１９に示す判定表に従って、受信強度低下の持続区間の情報と第１の電気信号および第２の電気信号の受信強度とを用いて判定を行うようにすれば、さらに、精度よく、レール５およびレール６の状態、および、装置の状態を判定することができる。図１９の判定表においては、すべての受信強度パターンが互いに異なり、すべての条件が重複することがないので、レール状態を１つ以上の状態に特定することができる。

以上のように、本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、解析部５０１が、表面波２１および２２と誘導波３１および３２の２つの伝搬波を解析することで、レール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常のいずれであるかを判定できる。さらに、本実施の形態２では、装置故障検知部７０１を設けたため、レール状態監視装置１Ａの故障も同時に判定することができる。

従って、本実施の形態２によれば、レール状態監視装置１Ａの装置故障とレール状態の異常とを区別して判定することができる。このように、本実施の形態２によれば、レール状態監視装置１Ａの故障検知ができるので、フェールセーフなシステムを実現できる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３においては、レール状態監視装置１が、地上装置４０と連携した場合について説明する。ここでは、レールに異常状態が発生したときの安全な列車運行管理の方法について説明する。

図２１に示すように、地上装置４０は、情報伝送部８０１と運行管理部９０１とを備えて構成されている。レール状態監視装置１の構成については、実施の形態１で説明したレール状態監視装置１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

レール状態監視装置１において、情報伝送部６０１は、解析部５０１から受信したレール状態情報を地上装置４０へ伝送する。なお、当該レール状態情報には、車両２の車両位置と、解析部５０１によって判定されたレール状態と、第１の受信アンテナ２０１と第２の受信アンテナ２０２とで受信したそれぞれの第１の電気信号の受信強度と第２の電気信号の受信強度とが含まれる。

なお、車両２の車両位置の取得方法としては、例えば、地図と衛星測位とにより計測した車両位置を取得してもよいし、あるいは、既設の列車制御装置が管理している列車のキロ呈位置を取得してもよい。ここで、列車制御装置とは、全ての列車の運行を制御している装置である。

地上装置４０の情報伝送部８０１は、レール状態監視装置１からレール状態情報を受信すると、運行管理部９０１へ出力する。

運行管理部９０１は、情報伝送部８０１から入力されたレール状態情報を読み取る。その結果、当該レール状態情報に、レール破断、レール亀裂などの異常情報が含まれている場合、運行管理部９０１は、当該異常情報を、情報伝送部８０１を介して、他の列車に向けて送信する。さらに、運行管理部９０１は、必要に応じて、他の列車の走行を停止させる、または、他の列車を徐行させるための指示信号を生成して、情報伝送部８０１を介して、他の列車に向けて送信する。

本実施の形態３は、特に、移動閉塞システムにおいて有効である。すなわち、レール破断時に、固定閉塞システムの概念を仮想的に取り入れた運用を行うことで安全性を向上させることができる。なお、移動閉塞システムとは、先行列車との距離、および、双方の列車の速度を考慮して、列車間隔を制御する閉塞方式である。これに対し、固定閉塞システムは、閉塞区間が固定されている閉塞方式である。固定閉塞システムでは、閉塞区間は、隣接する駅の間の区間、あるいは、隣接する信号機の間の区間に設定される。

図２２〜図２４は、１つの駅と次の駅との中間の地点で、レール状態監視装置１が、レール破断を検知したときの具体例である。図２４に示すように、レールを複数の区間に分割して、複数のブロックを形成する。図２４の例では、５つのブロック、すなわち、ブロックＢ１００１、Ｂ１００２、Ｂ１００３、Ｂ１００４、および、Ｂ１００５が形成されている。図示しない列車制御装置と地上装置４０とは、これらのブロックのブロック情報をメモリに保持している。なお、列車制御装置とは、全ての列車の運行を制御する装置である。

図２２および図２３に示すように、まず、ステップＳ１１で、車両２に搭載されたレール状態監視装置１が、レール破断を検知する。

次に、ステップＳ１２で、レール状態監視装置１は、レール破断位置の情報を、レール状態情報として、地上装置４０に通知する。

次に、ステップＳ１３で、地上装置４０は、無線装置４１を介して、レール破断位置の情報を受信する。地上装置４０は、レール破断位置が含まれるブロックを特定し、当該ブロックを進入禁止区間に設定する。

次に、ステップＳ１４で、地上装置４０は、全ての列車に対して、進入禁止区間となったブロックの情報を無線装置４１を介して伝送し、各列車が進入禁止区間に設定されたブロックを通過することを抑制する。

図２５〜図２７は、駅構内でレール破断を検知したときの具体例である。上記の図２４で説明したように、レールは、複数の区間に分割されて、複数のブロックを形成している。図２４の例では、５つのブロック、すなわち、ブロックＢ１００１、Ｂ１００２、Ｂ１００３、Ｂ１００４、および、Ｂ１００５が形成されている。列車制御装置と地上装置４０は、ブロック情報および仮想軌道情報をメモリに保持している。

このとき、まず、ステップＳ２１で、図２７に示すように、ブロックＢ１００１、Ｂ１００２、Ｂ１００３、Ｂ１００４、および、Ｂ１００５に、仮想軌道回路を割り当てて、在線情報を仮想軌道回路に変換する。仮想軌道回路は、従来の列車運行管理で活用している軌道回路と同じ役割を果たす。なお、仮想軌道回路の割当方法としては、１つのブロックに対して１つの仮想軌道回路が割り当てられてもよく、あるいは、複数のブロックに対して１つの仮想軌道回路が割り当てられてもよい。

次に、ステップＳ２２で、地上装置４０は、電子連動装置４２に、仮想軌道回路の情報を転送する。これにより、電子連動装置４２は、仮想軌道回路での動作を開始する。電子連動装置４２は、信号設備を駆動制御する装置である。

次に、ステップＳ２３で、車両２に搭載されたレール状態監視装置１が、レール破断を検知する。

次に、ステップＳ２４で、レール状態監視装置１は、レール破断位置の情報を、レール状態情報として、地上装置４０に通知する。

次に、ステップＳ２５で、地上装置４０は、無線装置４１を介して、レール破断位置の情報を受信する。地上装置４０は、レール破断位置が含まれるブロックを特定し、当該ブロックに対応する仮想軌道回路を停止させる。

次に、ステップＳ２６で、電子連動装置４２は、仮想軌道回路が停止したため、当該仮想軌道回路に関係する信号設備を鎖錠する。

以上のように、本実施の形態３によれば、レール状態監視装置１が地上装置４０と連携するようにしたので、同じ路線を走行している列車で情報展開することで、安全な列車運行を維持することができる。

なお、上記の実施の形態３の説明においては、実施の形態１のレール状態監視装置１と地上装置４０とが連携した場合について説明したが、実施の形態２のレール状態監視装置１Ａと地上装置４０とが連携するようにしてもよい。その場合においても、同様の効果が得られる。

なお、上記の説明においては、実施の形態１に係るレール状態監視装置１が、地上装置４０と連携した場合について説明したが、その場合に限らず、実施の形態２に係るレール状態監視装置１Ａが、地上装置４０と連携するようにしてもよい。

実施の形態４．
図２８は、この発明の実施の形態４に係るレール状態監視装置１と地上装置４０Ａとを示した図である。

実施の形態４においても、実施の形態３と同様に、レール状態監視装置１が、地上装置４０Ａと連携する場合について説明する。レール状態監視装置１の構成については、実施の形態１で説明したレール状態監視装置１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

図２８に示すように、地上装置４０Ａは、情報伝送部８０１と、運行管理部９０１と、解析部１１０１とを備えて構成されている。情報伝送部８０１と運行管理部９０１の動作は、基本的に、実施の形態３と同じである。以下では、地上装置４０Ａの動作として、実施の形態３の地上装置４０と異なる点を説明する。

解析部１１０１は、各車両２に搭載されているレール状態監視装置１からのレール状態情報と、車両２の列車位置から算出したモニタリング位置とを合わせてメモリに蓄積する。解析部１１０１は、複数のレール状態情報を統計処理して、レール全体のレール状態を一括管理する。これにより、より確度の高いレール状態監視が可能となる。

以下、動作について説明する。

レール状態監視装置１の情報伝送部６０１は、列車位置とレール状態と第１の受信アンテナと第２の受信アンテナとで受信した第１の電気信号の受信強度及び位相と第２の電気信号の受信強度及び位相を含むレール状態情報を地上装置４０Ａへ伝送する。

地上装置４０の情報伝送部６０１は、レール状態情報を運行管理部９０１と解析部１１０１とに出力する。

解析部１１０１は、列車位置毎に、表面波２１および２２の受信強度と位相、および、誘導波３１および３２の受信強度と位相をそれぞれ記憶し、各列車位置における表面波２１および２２の受信強度と位相の時系列データ、および、誘導波３１および３２の受信強度と位相の時系列データを解析する。

図２９は、ある地点での表面波または誘導波の受信強度の時系列データを示す。図２９において、横軸は時間、縦軸は受信信号強度を示す。

レール５または６に亀裂がはいると、表面波２１または２２は、亀裂箇所で再放射するなど伝搬状態が変化する。このため、亀裂発生により表面波２１または２２の受信強度は低下する。解析部１１０１は、同一地点における表面波２１または２２の受信強度をモニタし、この受信強度を、閾値Ｔｈ１およびＴｈ２を用いて、閾値判定することで、亀裂状態を検知する。

また、レール５または６に亀裂が入ると、ループコイル１０のインピーダンスが変化するため、誘導波３１または３２の受信強度および位相が変化する。このため、図２９に示すように、受信強度の時系列データをモニタリングして、亀裂発生による誘導波の受信強度と位相の変化を検知することで、亀裂状態を検知する。また、亀裂以外に、レール抵抗値の上昇要因となるさびによる腐食などのレール表面異常の検知も同様に可能となる。

解析部１１０１は、レール状態が正常か亀裂かの判定結果を、第２のレール状態情報として運行管理部９０１へ出力する。

運行管理部９０１は、第２のレール状態情報の中に、レール状態が亀裂であることを示す情報が含まれている場合に、レール亀裂情報と列車徐行などを指示する指示情報を情報伝送部８０１へ出力する。

情報伝送部８０１は、指示情報を他列車へ送信する。

以上のように、本実施の形態４によれば、地上装置４０Ａの解析部１１０１が、各地点における表面波２１および２２と誘導波３１および３２の伝搬状態の経時変化を解析することで、レール破断前の亀裂状態を検出することができる。このように、本実施の形態４によれば、レール破断前に亀裂箇所を検知できるので、より安全な列車運行を維持することができる。

なお、上記の説明においては、実施の形態１に係るレール状態監視装置１が、地上装置４０Ａと連携した場合について説明したが、その場合に限らず、実施の形態２に係るレール状態監視装置１Ａが、地上装置４０Ａと連携するようにしてもよい。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５においては、送信アンテナおよび受信アンテナの別の形態について説明する。

本実施の形態５においては、図３０に示すように、図１に示した第２の送信アンテナ１０２が設けられていない。従って、図３０に示すように、本実施の形態５に係るレール状態監視装置１Ｂは、第１の送信アンテナ１０１と、第１の受信アンテナ２０１と、第２の受信アンテナ２０２とを備えて構成されている。また、図３０では、図示を省略しているが、レール状態監視装置１Ｂは、図１に示した、送信部３０１、受信部４０１、解析部５０１、および、情報伝送部６０１も備えている。

第１の受信アンテナ２０１は、第１の表面波２１と第１の誘導波３１として伝搬した第１の電気信号を受信して、受信部４０１に送信する。

第２の受信アンテナ２０２は、第１の誘導波３１として伝搬した第１の電気信号を受信して、受信部４０１に送信する。

受信部４０１は、第１の受信アンテナ２０１および第２の受信アンテナ２０２で受信した第１の電気信号の受信強度を算出する。

解析部５０１は、受信部４０１で算出された受信強度に基づいて、図３１に示す判定表を用いて、レール５およびレール６のレール状態を判定する。

また、レール状態監視装置１Ｂが、実施の形態２で示した装置故障検知部７０１を備えていてもよい。その場合には、装置故障検知部７０１が、受信部４０１で算出された受信強度に基づいて、図３１に示す判定表を用いて、第１の送信アンテナ１０１、第１の受信アンテナ２０１、第２の受信アンテナ２０２、車輪３および４の故障の有無を判定する。

このように、図３０に示す構成においても、レール５および６の正常、レール破断、レール表面異常、レール亀裂の状態を判別することができる。

また、上記の説明においては、送信アンテナが１つの場合について説明したが、受信アンテナを１つにしてもよい。すなわち、レール状態監視装置１Ｂが、第１の送信アンテナ１０１と、第２の送信アンテナ１０２と、第１の受信アンテナ２０１とを備えて構成されている。

その場合には、第１の受信アンテナ２０１は、第１の表面波２１と第１の誘導波３１として伝搬した第１の電気信号を受信して、受信部４０１に送信する。また、第１の受信アンテナ２０１は、第２の表面波２２と第２の誘導波３２として伝搬した第２の電気信号を受信して、受信部４０１に送信する。

受信部４０１は、第１の受信アンテナ２０１で受信した第１の電気信号の受信強度および第２の電気信号の受信強度を算出する。

解析部５０１は、受信部４０１で算出された受信強度に基づいて、図３１または図３３に示す判定表を用いて、レール５およびレール６のレール状態を判定する。

また、この場合においても、レール状態監視装置１Ｂが、実施の形態２で示した装置故障検知部７０１を備えていてもよい。その場合には、装置故障検知部７０１が、受信部４０１で算出された受信強度に基づいて、図３１または図３３に示す判定表を用いて、第１の送信アンテナ１０１、第２の送信アンテナ１０２、第１の受信アンテナ２０１、車輪３および４の故障の有無を判定する。

以上のように、本実施の形態５によれば、送信アンテナが１個の場合、あるいは、受信アンテナが１個の場合においても、図３１または図３３に示す判定表を用いることにより、解析部５０１が、レール５および６のレール状態を、正常、レール破断、レール表面異常、レール亀裂の中から判別することができる。

本発明を或る特定の好ましい実施の形態を参照して説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。

１，１Ａ，１Ｂ レール状態監視装置、２ 車両、３，４ 車輪、５，６ レール、１０１ 第１の送信アンテナ、１０２ 第２の送信アンテナ、２０１ 第１の受信アンテナ、２０２ 第２の受信アンテナ、３０１ 送信部、４０１ 受信部、５０１ 信号解析部、６０１ 情報伝送部、７０１ 装置故障検知部。

Claims (8)

1. 車両に設けられ、一対のレールのうちの第１のレールに送信される第１の電気信号と、前記一対のレールのうちの第２のレールに送信される第２の電気信号とのうちの少なくとも１つを送信する送信アンテナと、
   前記車両に設けられ、前記第１のレールを伝搬する前記第１の電気信号および前記第２のレールを伝搬する前記第２の電気信号のうちの少なくとも１つと、前記第１のレールと前記第２のレールとを含んで構成される環状の伝送路を伝搬する前記第１の電気信号および前記環状の伝送路を伝搬する前記第２の電気信号のうちの少なくとも１つとを受信する受信アンテナと、
   第１の閾値と、前記第１の閾値より小さい第２の閾値とを予め設定しておき、
   前記受信アンテナで受信した電気信号の受信強度をそれぞれ算出し、
   各前記受信強度を、前記第１の閾値および前記第２の閾値と比較することで、高、中および低の３段階のレベルの１つに分類して、受信強度パターンを生成し、
   生成した前記受信強度パターンに基づいて、前記第１のレールおよび前記第２のレールのレール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常の中の少なくともいずれか１つとして判定し、前記判定の結果を、レール状態情報として出力し、
   正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常のレール状態ごとに、受信強度パターンを格納した判定表を予めメモリに保存しておき、
   前記生成した受信強度パターンと一致する受信強度パターンを前記判定表から検索することで、前記第１のレールおよび前記第２のレールのレール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常の中の少なくともいずれか１つとして判定する、解析部と、
   第３の閾値を予め設定しておき、
   前記受信アンテナで受信した前記第１の電気信号および前記第２の電気信号の受信強度のそれぞれを、前記第３の閾値と比較することで、高および低の２段階のレベルの１つに分類して、第２の受信強度パターンを生成し、
   前記第２の受信強度パターンに基づいて、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナが異常か否かを判定し、異常の場合に、装置故障情報として出力する、
   前記送信アンテナおよび前記受信アンテナが異常か否かを判定する装置故障検知部と、
   を備えた、レール状態監視装置。
2. 前記送信アンテナは、
   前記車両に設けられ、前記第１のレールに前記第１の電気信号を送信する第１の送信アンテナと、
   前記車両に設けられ、前記第２のレールに前記第２の電気信号を送信する第２の送信アンテナと
   を含み、
   前記受信アンテナは、
   前記車両に設けられ、前記第１のレールを伝搬する前記第１の電気信号および前記環状の伝送路を伝搬する前記第２の電気信号を受信する第１の受信アンテナと、
   前記車両に設けられ、前記第２のレールを伝搬する前記第２の電気信号および前記環状の伝送路を伝搬する前記第１の電気信号を受信する第２の受信アンテナと
   を含み、
   前記解析部は、
   前記第１の受信アンテナで受信した前記第１の電気信号の受信強度および前記第２の電気信号の受信強度を算出して、それぞれ、第１の受信強度および第２の受信強度として出力し、
   前記第２の受信アンテナで受信した前記第１の電気信号の受信強度および前記第２の電気信号の受信強度を算出して、それぞれ、第３の受信強度および第４の受信強度として出力し、
   前記第１の受信強度、前記第２の受信強度、前記第３の受信強度、および、前記第４の受信強度を、それぞれ、前記第１の閾値および前記第２の閾値と比較することで、高、中および低の３段階のレベルの１つに分類して、受信強度パターンを生成し、
   前記受信強度パターンに基づいて、前記第１のレールおよび前記第２のレールのレール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常の中の少なくともいずれか１つとして判定し、前記判定の結果を、レール状態情報として出力する、
   請求項１に記載のレール状態監視装置。
3. 前記送信アンテナは、
   前記車両に設けられ、前記第１のレールに前記第１の電気信号を送信する第１の送信アンテナ
   を含み、
   前記受信アンテナは、
   前記車両に設けられ、前記第１のレールを伝搬する前記第１の電気信号を受信する第１の受信アンテナと、
   前記車両に設けられ、前記環状の伝送路を伝搬する前記第１の電気信号を受信する第２の受信アンテナと
   を含み、
   前記解析部は、
   前記第１の受信アンテナで受信した前記第１の電気信号の受信強度を算出して、第１の受信強度として出力し、
   前記第２の受信アンテナで受信した前記第１の電気信号の受信強度を算出して、第２の受信強度として出力し、
   前記第１の受信強度、および、前記第２の受信強度を、それぞれ、前記第１の閾値および前記第２の閾値と比較することで、高、中および低の３段階のレベルの１つに分類して、受信強度パターンを生成し、
   前記受信強度パターンに基づいて、前記第１のレールおよび前記第２のレールのレール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常の中の少なくともいずれか１つとして判定し、前記判定の結果を、レール状態情報として出力する、
   請求項１に記載のレール状態監視装置。
4. 前記送信アンテナは、
   前記車両に設けられ、前記第１のレールに前記第１の電気信号を送信する第１の送信アンテナと、
   前記車両に設けられ、前記第２のレールに前記第２の電気信号を送信する第２の送信アンテナと
   を含み、
   前記受信アンテナは、
   前記車両に設けられ、前記第１のレールを伝搬する前記第１の電気信号および前記環状の伝送路を伝搬する前記第２の電気信号を受信する第１の受信アンテナ
   を含み、
   前記解析部は、
   前記第１の受信アンテナで受信した前記第１の電気信号の受信強度および前記第２の電気信号の受信強度を算出して、それぞれ、第１の受信強度および第２の受信強度として出力し、
   前記第１の受信強度、および、前記第２の受信強度を、それぞれ、前記第１の閾値および前記第２の閾値と比較することで、高、中および低の３段階のレベルの１つに分類して、受信強度パターンを生成し、
   前記受信強度パターンに基づいて、前記第１のレールおよび前記第２のレールのレール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常の中の少なくともいずれか１つとして判定し、前記判定の結果を、レール状態情報として出力する、
   請求項１に記載のレール状態監視装置。
5. 前記解析部は、
   前記レール状態情報の時系列データを前記レールの地点ごとにメモリに保存する、
   請求項１に記載のレール状態監視装置。
6. 前記解析部は、
   算出した前記受信強度のレベルが低となる持続区間を求め、
   前記持続区間および前記受信強度パターンに基づいて、前記第１のレールおよび前記第２のレールのレール状態を、正常、レール破断、レール亀裂、レール表面異常の中の少なくともいずれか１つとして判定し、前記判定の結果を、レール状態情報として出力する、
   請求項１に記載のレール状態監視装置。
7. 前記レール状態情報を、地上に設けられた地上装置に、無線で送信する、情報伝送部をさらに備えた、
   請求項１に記載のレール状態監視装置。
8. 前記受信アンテナが受信する前記第１の電気信号は、
   前記第１のレールを伝搬する前記第１の電気信号の表面波と、
   前記環状の伝送路を伝搬する前記第１の電気信号の誘導波を含み、
   前記受信アンテナが受信する前記第２の電気信号は、
   前記第２のレールを伝搬する前記第２の電気信号の表面波と、
   前記環状の伝送路を伝搬する前記第２の電気信号の誘導波を含む、
   請求項１に記載のレール状態監視装置。

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