JP6993143B2

JP6993143B2 - 鉄道橋梁のたわみ測定装置

Info

Publication number: JP6993143B2
Application number: JP2017172309A
Authority: JP
Inventors: 泰州永沼; 昌克前田; 良和西田
Original assignee: Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: JP2019049095A

Description

本開示は、鉄道橋梁のたわみ測定装置に関する。

鉄道橋梁におけるたわみの測定装置として、リング式たわみ測定装置、レーザー測定装置及びレーザードップラー式たわみ測定装置が知られている。リング式たわみ測定装置及びレーザー測定装置は橋梁下部に不動点を設置する必要があるため、河川橋梁や橋梁下部の交通量の多い橋梁では測定が困難である。レーザードップラー式たわみ測定装置では、測定の都度ターゲットを橋梁下部に設置する必要がある。なお、レーザードップラー式たわみ測定装置は、ターゲットが視準できればターゲットを橋梁下部に配置する必要はないが、測定可能な橋梁の長さに制限が生じる。

これに対し、加速度センサを用いた変位解析装置も知られている（特許文献１参照）。加速度センサは、橋梁の下部又は上部に装着することで加速度の測定が可能であるため、橋梁の長さに制限がなく、かつ簡便な設置手順で長期間のたわみ測定が可能である。

特開２０１６－１４８５４９号公報

加速度センサの出力（つまり加速度データ）を積分により変位に換算する際に、加速度のゼロ点が正しく設定されないと、誤差やノイズ等によって、得られる波形にドリフトが生じる。その結果、たわみを精度よく測定することができない。

本開示の一局面は、たわみを精度よく測定できる鉄道橋梁のたわみ測定装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、加速度センサと、演算部と、を備える鉄道橋梁のたわみ測定装置である。加速度センサは、鉄道橋梁に装着される。演算部は、加速度センサの出力に基づき鉄道橋梁のたわみを求める。また、演算部は、鉄道橋梁が無載荷状態であるときの加速度センサの出力を加速度のゼロ点として設定すると共に、鉄道橋梁が載荷状態であるときに加速度センサが出力した加速度に基づいて鉄道橋梁のたわみ量を推定するように構成される。

このような構成によれば、無載荷状態を基準として加速度のゼロ点を設定することで、加速度の積分時におけるドリフトの発生を抑制できる。そのため、精度よく鉄道橋梁のたわみを測定できる。また、簡便な手順で装置が設置でき、長時間に亘ってたわみを監視することができる。

本開示の一態様では、演算部は、加速度センサが出力した加速度が閾値を超えた時点から一定時間前までの期間を無載荷状態と判定するように構成されてもよい。このような構成によれば、演算部が無載荷状態を容易かつ確実に判別できるので、たわみの測定精度を高めることができる。

本開示の一態様では、加速度センサは、３軸の加速度を出力可能に構成されてもよい。また、演算部は、鉄道橋梁が無載荷状態であるときに加速度センサが出力した加速度に基づいて、無載荷状態での加速度センサの傾斜角を求めると共に、傾斜角に基づいて加速度を補正するように構成されてもよい。このような構成によれば、橋梁の沓のすきによる加速度センサの姿勢変化に起因する計測誤差を低減できるので、たわみの測定精度を高めることができる。

本開示の一態様は、ジャイロセンサをさらに備えてもよい。また、演算部は、鉄道橋梁が載荷状態であるときにジャイロセンサが出力した角速度に基づいて、載荷状態での加速度センサの傾斜角を求めると共に、傾斜角に基づいて加速度を補正するように構成されてもよい。このような構成によれば、鉄道車両通過時のたわみによる加速度センサの姿勢変化に起因する計測誤差を低減できるので、たわみの測定精度を高めることができる。

本開示の一態様は、鉄道車両が鉄道橋梁を通過する際の振幅波形を記録する記録部をさらに備えてもよい。また、演算部は、推定した鉄道橋梁のたわみの波形と記録部に記録された振幅波形とを比較することにより、異常判定を行うように構成されてもよい。このような構成によれば、例えば上下線の鉄道が同時に走行した場合などを測定の対象から外すことができる。その結果、たわみの測定精度を高めることができる。

図１は、実施形態における鉄道橋梁のたわみ測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。図２は、図１の鉄道橋梁のたわみ測定装置の演算部が実行する処理を概略的に示すフロー図である。図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、加速度をたわみに変換する過程を示す模式図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す鉄道橋梁のたわみ測定装置（以下、単に「たわみ測定装置」ともいう）１は、鉄道車両が走行する鉄道橋梁のたわみ（つまり鉛直方向の変位）を測定するための装置である。

たわみ測定装置１は、計測部２と、演算部３と、記録部４と、表示部５と、操作部６と、設定部７と、電源８とを備える。

＜計測部＞
計測部２は、加速度センサ２Ａと、ジャイロセンサ２Ｂとを有する。

加速度センサ２Ａは、３軸の加速度を計測及び出力する機器である。加速度センサ２Ａは、鉄道橋梁に装着され、鉄道橋梁の加速度を計測し、演算部３に出力する。
ジャイロセンサ２Ｂは、３軸の角速度を計測及び出力する機器である。ジャイロセンサ２Ｂは、主に載荷状態（つまり鉄道車両が走行している状態）における鉄道橋梁の角速度を計測し、演算部３に出力する。

加速度センサ２Ａと、ジャイロセンサ２Ｂとは、慣性計測装置（ＩＭＵ）を構成している。換言すれば、計測部２は、３軸の加速度と３軸の角速度とを検出するＩＭＵを有している。また、計測部２は、例えばＭＥＭＳ（微小電気機械システム）によって構成されている。

加速度センサ２Ａを含む計測部２の装着場所は、加速度が測定できる場所であれば特に限定されず、橋梁の下部又は上部とすることができる。計測部２は、例えばアンカの打ち込み等によって橋梁に固定される。

＜演算部＞
演算部３は、加速度センサ２Ａの出力、つまり加速度センサ２Ａから取得した加速度に基づき鉄道橋梁のたわみを求める。演算部３は、例えば入出力部を備えるマイクロコンピュータにより構成される。

演算部３は、鉄道橋梁が無載荷状態（つまり鉄道車両が走行していない状態）であるときの加速度センサ２Ａの出力を加速度のゼロ点として設定する。そして、演算部３は、鉄道橋梁が載荷状態であるときに加速度センサ２Ａが出力した鉛直方向の加速度に基づいて、鉄道橋梁のたわみ量を推定する。なお、鉄道橋梁のたわみ量を推定する処理については、後に詳述する。

このとき、演算部３は、鉄道橋梁が無載荷状態であるときに加速度センサ２Ａが出力した３軸の加速度に基づいて、無載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角を求め、この傾斜角に基づいて加速度センサ２Ａが出力した鉛直方向の加速度を補正する。

また、演算部３は、鉄道橋梁が載荷状態であるときにジャイロセンサ２Ｂが出力した３軸の角速度に基づいて、載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角を求め、この傾斜角に基づいて加速度センサ２Ａが出力した鉛直方向の加速度を補正する。

さらに、演算部３は、推定した鉄道橋梁のたわみの波形と後述の記録部４に記録された振幅波形とを比較することで異常判定を行う。鉄道車両の台車は通常２つの車軸を持っており、２つの車軸の距離及び前後の台車の間隔は、車両ごとに決まっている。そのため、鉄道車両は、それぞれ特定の形状の振幅波形を有する。例えば、ある新幹線車両では、車軸による複数のピークが形成された特徴的な振幅波形を有する。そのため、新幹線用の鉄道橋梁において、演算部３で推定されたたわみの波形が想定数以上のピークを有していれば、上下線が同時に通過した状態であると判別でき、これを異常値として除外することができる。

また、演算部３は、たわみを推定した時（つまり鉄道車両が鉄道橋梁を通過した時）の鉄道車両の走行速度と、得られたたわみの推定値とを比較して、異常判定を行ってもよい。鉄道橋梁のたわみ量は、鉄道車両の走行速度に比例するので、これらを比較することで異常の有無を確認できる。

＜記録部＞
記録部４は、各種データを記録する。記録部４は、例えばフラッシュメモリ等の記憶媒体と、記憶媒体にデータを記録する記憶装置とにより構成される。

記録部４は、上述のように、鉄道車両が鉄道橋梁を通過する際の振幅波形を鉄道車両ごとに記録している。また、記録部４は、推定したたわみの波形データと、加速度の生データとを記録する。さらに、記録部４は、たわみを推定した時の鉄道車両の走行速度を、たわみの推定データの付加情報として同時記録するとよい。

＜表示部＞
表示部５は、演算部３によって推測されたたわみ等を表示する。表示部５は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）により構成される。

＜操作部＞
操作部６は、たわみ測定装置１の起動、終了、測定の開始等を操作する。操作部６は、スイッチやタッチパネル等により構成される。

＜設定部＞
設定部７は、計測部２の計測条件を設定する。設定部７は、例えばスイッチ、キーボード、タッチパネル等の入力装置を備え、各種の計測条件が入力可能に構成されている。

＜電源＞
電源８は、計測部２、演算部３、記録部４、表示部５等に電力を供給する。電源８は、たわみ測定装置１に内臓された電池でもよいし、外部の発電機であってもよい。

［１－２．処理］
以下、図２のフロー図を参照しつつ、演算部３が実行するたわみ推定処理について説明する。

まず、演算部３は、電源８がオンか判定する（ステップＳ１０）。電源８がオン（Ｓ１０：ＹＥＳ）であれば、次のステップに進む。電源８がオフ（Ｓ１０：ＮＯ）の場合、電源８がオンになるまで演算部３は待機する。

次に、演算部３は、現在時刻が予め定めた測定時間帯かどうかを判定する（ステップＳ２０）。現在時刻が測定時間帯の場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、演算部３は、加速度の取得を開始する（ステップＳ３０）。一方、現在時刻が測定時間帯でない場合（Ｓ２０：ＮＯ）、演算部３は、ステップＳ１０の処理に戻る。つまり、演算部３は、電源８がオンであり、かつ現在時刻が測定時間帯でない場合は、スリープ状態となる。

ステップＳ３０では、演算部３は、計測部２の加速度センサ２Ａ及びジャイロセンサ２Ｂが出力した加速度及び角速度の取得を開始する。
その後、演算部３は、加速度センサ２Ａから取得した鉛直方向の加速度が閾値を超えているか判定する（ステップＳ４０）。ステップＳ４０における加速度の閾値は、鉄道車両が橋梁を通過している際に発生する加速度よりも小さい値に設定される。

加速度が閾値を超えていない場合（Ｓ４０：ＮＯ）、つまり鉄道車両が橋梁を通過していない無載荷状態と判定される場合、演算部３は、Ｔ１秒間の加速度センサ２Ａの鉛直方向の加速度を記録部４に記録し（ステップＳ５０）、ステップＳ４０を繰り返す。ここで、Ｔ１は、加速度のゼロ設定を行うための無載荷状態を判定する時間であり、予め設定された値である。Ｔ１は、例えば１秒から２秒の間で任意に設定することができる。

一方、加速度が閾値を超えている場合（Ｓ４０：ＹＥＳ）、つまり鉄道車両が橋梁を通過している載荷状態と判定される場合、演算部３は、ステップＳ５０にて記録したデータから、現在からＴ１秒前までの鉛直方向の加速度（以下、「無載荷状態における加速度Ａ０」ともいう）を収録する（ステップＳ６０）。

Ｔ１秒間の無載荷状態における加速度Ａ０の収録後、演算部３は、現在の鉛直方向の加速度（以下、「載荷状態における加速度Ａ１」ともいう）を収録する（ステップＳ７０）。そして、演算部３は、収録した加速度Ａ１が上述の閾値をＴ２秒間下回っているか判定する（ステップＳ８０）。加速度Ａ１が閾値をＴ２秒間下回っている場合（Ｓ８０：ＹＥＳ）、演算部３は、加速度の収録及び計測を完了する（ステップＳ９０）。なお、ステップＳ８０の閾値と、ステップＳ４０の閾値とは、通常同じ値であるが、異なる値としてもよい。

一方、加速度Ａ１が閾値をＴ２秒間下回っていない場合（Ｓ８０：ＮＯ）、演算部３は、ステップＳ７０に戻り、現在の加速度Ａ１の収録を継続する。
ここで、Ｔ２は、Ｔ１と同様、無載荷状態を判定する時間であり、予め設定された値である。Ｔ２は、Ｔ１と同じ値としてもよいし、異なる値としてもよい。

加速度の収録完了後、演算部３は、加速度のゼロ補正を行う（ステップＳ１００）。具体的には、演算部３は、ステップＳ６０で収録したＴ１秒間の無載荷状態における加速度Ａ０の平均値（つまり直線補正した値）を加速度のゼロ点とし、ステップＳ７０で収録した載荷状態における加速度Ａ１を補正する。

また、演算部３は、無載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角に基づいて加速度Ａ１を補正する。この傾斜角は、鉄道橋梁が無載荷状態であるときに加速度センサ２Ａが出力した３軸の加速度に基づいて算出されるロール角及びピッチ角である。

さらに、演算部３は、載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角に基づいて加速度Ａ１を補正する。この傾斜角は、鉄道橋梁が載荷状態であるときにジャイロセンサ２Ｂが出力した３軸の角速度に基づいて算出される。

ゼロ補正後、演算部３は、補正された加速度Ａ１に基づいて鉄道橋梁のたわみ量を推定する（ステップＳ１１０）。加速度Ａ１に基づくたわみ量の推定方法は、２階積分、ベイズ推定等の公知の手法が使用できる。

２階積分によってたわみ量を推定する手順の例を図３Ａ，３Ｂ，３Ｃに示す。図３Ａは、加速度センサ２Ａから出力された鉛直方向の加速度の波形である。図３Ｂは、図３Ａの加速度を積分した波形であり、速度を表す波形である。図３Ｃは、図３Ｂの波形をさらに積分した波形であり、たわみ量を表す波形である。

ベイズ推定では、ベイズフィルタを用いてドリフト補正を行う。鉄道車両では、走行線区によって走行する車種がある程度限定される。そのため、演算部３は、ベイズ推定において車種に基づいた教師データを与えることで、正常な範囲を緩く拘束できる。その結果、測定精度を向上できる。

なお、積分の際、加速度Ａ１の収録開始点からの積分結果と、加速度Ａ１の収録終了点からの積分結果とを平均処理することで誤差を補正することができる。また、積分時に加速度Ａ１にカルマンフィルタを適用することでドリフトの発生をより確実に抑制できる。

たわみ量の推定後、演算部３は、たわみ量が閾値以下か判定する（ステップＳ１２０）。たわみ量が閾値以下である場合（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、演算部３は、たわみ量のデータを記録部４に記録する（ステップＳ１３０）。

一方、たわみ量が閾値を超える場合（Ｓ１２０：ＮＯ）、演算部３は、たわみ量が一定量を超えたことを示すアラームを作動させる（ステップＳ１４０）。アラームの作動後、演算部３は、ステップＳ１３０にてたわみ量の記録を行う。

たわみ量を記録した後、演算部３は、ステップＳ１０に戻り、電源８がオフになるまで、上述の処理を繰り返す。

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。

（１ａ）演算部３が、無載荷状態を基準として加速度のゼロ点を設定することで、加速度の積分時におけるドリフトの発生を抑制できる。そのため、精度よく鉄道橋梁のたわみを測定できる。また、簡便な手順で装置が設置でき、長時間に亘ってたわみを監視することができる。

なお、道路橋のように無載荷状態が存在しにくい、又は判定しにくい橋梁では、加速度のゼロ点の設定は困難である。これに対し、鉄道橋梁は、鉄道車両の通過時に間欠的に荷重が加わるため、無載荷状態の判定が容易である。そのため、ゼロ点の設定、傾斜角の補正等が比較的容易に行える。

（１ｂ）演算部３が、加速度が閾値を超えた時点から一定時間Ｔ１前までの期間を無載荷状態と判定することで、無載荷状態を容易かつ確実に判別できる。その結果、たわみの測定精度を高めることができる。

（１ｃ）演算部３が、無載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角に基づいて加速度を補正することで、橋梁の沓のすきによる加速度センサ２Ａの姿勢変化に起因する計測誤差を低減できる。その結果、たわみの測定精度を高めることができる。

（１ｄ）演算部３が、ジャイロセンサ２Ｂの出力により得た載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角に基づいて加速度を補正するので、鉄道車両通過時のたわみによる加速度センサ２Ａの姿勢変化に起因する計測誤差を低減できる。その結果、たわみの測定精度を高めることができる。

（１ｅ）演算部３が、推定した鉄道橋梁のたわみの波形と記録部４に記録された振幅波形とを比較することで異常判定を行うので、例えば上下線の鉄道が同時に走行した場合などを測定の対象から外すことができる。その結果、たわみの測定精度を高めることができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記第１実施形態のたわみ測定装置１において、演算部３は、必ずしも加速度が閾値を超えた時点から一定時間前までの期間（つまり鉄道車両が通過する前の期間）を無載荷状態と判定しなくてもよい。

例えば、演算部３は、加速度が閾値を超えた後に再び閾値以下となった時点から一定時間後の期間（つまり鉄道車両が通過した後の期間）を無載荷状態と判定してもよい。また、鉄道車両が通過する前の期間と鉄道車両が通過した後の期間とにおける加速度の平均値を用いてゼロ点補正を行ってもよい。さらに、演算部３は、上述以外の手段によって無載荷状態を判断してもよい。

（２ｂ）上記第１実施形態のたわみ測定装置１において、演算部３は、必ずしも無載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角に基づいて加速度を補正しなくてもよい。この場合、加速度センサ２Ａは、少なくとも鉛直方向の加速度が計測できればよく、必ずしも３軸の加速度センサである必要はない。

（２ｃ）上記第１実施形態のたわみ測定装置１において、演算部３は、必ずしも載荷状態での加速度センサ２Ａの傾斜角に基づいて加速度を補正しなくてもよい。この場合、計測部２は、ジャイロセンサ２Ｂを必ずしも有しなくてもよい。

（２ｄ）上記第１実施形態のたわみ測定装置１において、演算部３は、必ずしも推定した鉄道橋梁のたわみの波形と記録部４に記録された振幅波形とを比較する必要はない。また、演算部３は、必ずしもたわみ量が閾値を超えた場合にアラームを作動させる必要はない。

（２ｅ）上記第１実施形態のたわみ測定装置１において、記録部４、表示部５、操作部６、及び設定部７は、必須の構成要件ではなく、適宜省略が可能である。また、これらの構成は、他の構成と一体化されてもよい。

（２ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…鉄道橋梁のたわみ測定装置、２…計測部、２Ａ…加速度センサ、
２Ｂ…ジャイロセンサ、３…演算部、４…記録部、５…表示部、６…操作部、
７…設定部、８…電源。

Claims

鉄道橋梁に装着され、３軸の加速度を出力可能な加速度センサと、
前記加速度センサの出力に基づき前記鉄道橋梁のたわみを求める演算部と、
ジャイロセンサと、
を備え、
前記演算部は、
前記鉄道橋梁が無載荷状態であるときの前記加速度センサの出力を加速度のゼロ点として設定すると共に、前記鉄道橋梁が載荷状態であるときに前記加速度センサが出力した加速度に基づいて前記鉄道橋梁のたわみ量を推定し、
前記加速度センサが出力した加速度が閾値を超えた時点から一定時間前までの期間を前記無載荷状態と判定し、
前記加速度が前記閾値を超えた後、前記加速度が前記閾値を一定時間下回るまでの期間を前記載荷状態と判定し、
前記鉄道橋梁が前記無載荷状態であるときに前記加速度センサが出力した加速度に基づいて前記無載荷状態での前記加速度センサの第１傾斜角を求めると共に、前記鉄道橋梁が前記載荷状態であるときに前記ジャイロセンサが出力した角速度に基づいて前記載荷状態での前記加速度センサの第２傾斜角を求め、前記第１傾斜角及び前記第２傾斜角に基づいて前記加速度センサが出力した加速度を補正するように構成される、鉄道橋梁のたわみ測定装置。
鉄道橋梁に装着される加速度センサと、
前記加速度センサの出力に基づき前記鉄道橋梁のたわみを求める演算部と、
鉄道車両が前記鉄道橋梁を通過する際の振幅波形を記録する記録部と、
を備え、
前記演算部は、前記鉄道橋梁が無載荷状態であるときの前記加速度センサの出力を加速度のゼロ点として設定すると共に、前記鉄道橋梁が載荷状態であるときに前記加速度センサが出力した加速度に基づいて前記鉄道橋梁のたわみ量を推定し、
前記加速度センサが出力した加速度が閾値を超えた時点から一定時間前までの期間を前記無載荷状態と判定し、
推定した前記鉄道橋梁のたわみの波形と前記記録部に記録された前記振幅波形とを比較することにより、異常判定を行うように構成される、鉄道橋梁のたわみ測定装置。