JP6998291B2

JP6998291B2 - 状態監視装置、状態監視方法及びプログラム

Info

Publication number: JP6998291B2
Application number: JP2018224689A
Authority: JP
Inventors: 岳夫城取; 香敏深澤
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: JP2020012807A

Description

本発明は、台車や車体の状態監視装置、状態監視方法及びプログラムに関するものである。

鉄道用車両の下部に設けられた台車では、台車枠に取り付けられた輪軸が、軸箱に設けられた軸受けに軸支されている。この軸箱は、軸ばねや軸ダンパ等を有する軸箱支持装置によって台車枠に取り付けられている。軸ばねは、ばね帽によって覆われており、台車枠に対する軸箱の上下方向の衝撃を緩衝する。軸ダンパは軸箱支持装置の上下方向の振動を減衰させる。また、軸箱と台車枠とは、軸箱支持装置のリンクや軸はりによって前後方向に連結され、高速走行時の蛇行等を抑制する直進安定性と、曲線走行時の転向性（輪軸の鉛直軸回りの回転性能）とのバランスを保つことが可能な前後方向の剛性が保持されている。

ところで、鉄道車両は、保全のため数年毎に大規模に分解する検査の他、営業終了後毎、月毎、或いは年毎等に、定期的に目視検査等が行われている。

極稀に、台車部品は、まだ十分に安全性が確保されている場合でも、摩耗等により異音等が生じ、営業線上で状態確認のため、乗務員が列車を停止させて検査することがある。このために列車運行に遅延が発生することがあり、大都市部では多くの乗客の足に影響してしまうことがある。このような事態を避けたいが、ばね帽に覆われた軸ばね、軸ダンパ、前後方向の剛性に関わる部品等は、目視での状態や機能の把握に限界がある。また、大手の鉄道事業者にとっては、保有する数千両の車両を対象にしなければならないという問題もある。

そこで、分解や部品の取り外しを行うことなく、台車に備えられた部品の状態を監視する状態監視装置が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１には、台車枠に加速度センサを取付け、この加速度センサで測定した加速度に基づいて、軸ダンパ、軸ばね等の状態を監視することが開示されている。特許文献２には、ボルト等の監視対象の正常時の音と異常時の音を比較することで、状態監視を行うことが開示されている。このように、鉄道事業者等では、車両の分解等を行わなくても台車や車体に取り付けられた部品の状態監視を簡単かつ確実に行うことができる技術の開発が切望されている。

特開２０１４－２１０５０７号公報特開２０１６－９０４６１号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、台車や車体の状態監視を、より簡易な構成で高精度かつ効率よく行うことが可能な状態監視装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の状態監視装置は、車両の台車及び／又は車体の状態を監視する状態監視装置であって、振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の撮像画像を連続して複数撮影し軌道脇に配置される画像取得部と、複数の前記撮像画像に基づいて、前記振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の応答波形を取得する応答波形取得部と、を備え、前記応答波形に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うことを特徴とする。

ここで、前記応答波形取得部は、複数の前記撮像画像から所定の注目領域を抽出し、前記応答波形として、前記注目領域の変位情報を時系列に取得し、前記変位情報に基づいて前記応答波形を取得する構成とすることができる。さらには、前記注目領域が、前記台車若しくは前記台車に取り付けられた軸箱周りの部品若しくは前記車体の所定の形状、又は前記台車若しくは前記軸箱周りの部品若しくは前記車体に付された目印であり、前記応答波形取得部は、前記撮像画像の特徴量に基づくマッチングにより、前記注目領域を抽出し、前記注目領域の中心を着目点とし、複数の前記撮像画像における前記着目点の位置座標の変化に基づいて、前記変位情報を取得する構成とすることもできる。

また、前記応答波形が、前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度、又は前記振動加速度若しくは前記振動速度に基づいて算出したパワースペクトル密度であり、前記振動加速度若しくは前記振動速度、又は前記パワースペクトル密度に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うことが好ましい。または前記応答波形が、前記台車及び／又は前記車体の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度と、軸箱周りの部品の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度とに基づく応答倍率であり、前記応答倍率に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うことが好ましい。さらには、前記応答波形取得部によって取得された前記応答波形を、健全状態の台車及び／又は車体について取得された応答波形又は異常状態の台車及び／又は車体について取得された応答波形と比較することで、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行う構成であることが好ましい。または、前記応答波形取得部は、時刻を変えた複数の異なる時系列の前記応答波形を取得するように構成され、時刻を変えて時系列に取得された複数の前記応答波形に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の経時的な状態監視を行う構成であることが好ましい。また、前記振動励起部は、軌道を挟むように、当該軌道の前記車両が通過する上面に配置される上部板材と、前記軌道の下面に配置される下部板材と、前記上部板材及び前記下部板材を連結して前記振動励起部を前記軌道に対して着脱自在に固定する固定部材と、を備えて構成されていることが好ましい。

また、本願の状態監視方法は、上述のような状態監視装置を用いて行われ、振動励起部によって台車及び／又は車体に振動を付与する工程と、振動する前記台車及び／又は前記車体の撮像画像を連続して複数撮影する工程と、複数の前記撮像画像に基づいて、前記振動励起部によって前記台車及び／又は前記車体が振動するときの応答波形を取得する工程と、前記応答波形に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行う工程と、を有することを特徴とする。

また、本願のプログラムは、コンピュータを、振動が付与された台車及び／又は車体を連続して撮影した複数の撮像画像を記憶する手段と、前記撮像画像から所定の注目領域を抽出し、複数の前記撮像画像に基づいて、前記注目領域の変位情報を時系列に取得し、前記変位情報に基づいて前記台車及び／又は前記車体が振動するときの応答波形を取得する応答波形取得手段として機能させるためのプログラムである。

このように構成された本発明の状態監視装置、状態監視方法及びプログラムでは、振動励起部によって振動する車両を撮影した複数の撮像画像に基づいて、台車及び／又は車体の応答波形を高精度に取得することができる。この高精度な応答波形に基づいて、軸箱周りの部品が健全であるか否かなど、台車及び／又は車体の状態監視を行うことができる。そのため、状態監視のための台車及び／又は車体の部品の取り外しや分解等の手間や時間を省くことができる。また、画像取得部によって、車両に設けられた複数の台車及び／又は車体の撮像画像を取得して、各台車及び／又は車体の状態監視を行うことができる。そのため、台車及び／又は車体毎にセンサを取付けたり、センサを付け替えたりする必要がない。したがって、台車や車体の状態監視を、より簡易な構成で高精度かつ効率よく行うことができる。

また、応答波形取得部は、複数の撮像画像から所定の注目領域を抽出し、応答波形として、注目領域の変位情報を時系列に取得し、変位情報に基づいて応答波形を取得する構成とし、さらには、注目領域が、台車若しくは台車に取り付けられた軸箱周りの部品若しくは車体の所定の形状、又は台車若しくは軸箱周りの部品若しくは車体に付された目印であり、応答波形取得部は、撮像画像の特徴量に基づくマッチングにより、注目領域を抽出し、注目領域の中心を着目点とし、複数の撮像画像における着目点の位置座標の変化に基づいて、変位情報を取得する構成とすれば、応答波形をより簡易かつ高精度に取得することができる。

また、応答波形が、変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度、又は振動加速度若しくは振動速度に基づいて算出したパワースペクトル密度であり、振動加速度若しくは振動速度、又はパワースペクトル密度に基づいて、台車及び／又は車体の状態監視を行うものとすれば、応答波形をより高精度に取得することができ、状態監視の精度をより向上させることができる。または応答波形が、台車及び／又は車体の変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度と、軸箱周りの部品の変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度とに基づく応答倍率であり、応答倍率に基づいて、台車及び／又は車体の状態監視を行うものとすれば、より明確かつより詳細に台車や車体の状態監視を行うことができる。

さらには、応答波形取得部によって取得された応答波形を、健全状態の台車及び／又は車体について取得された応答波形又は異常状態の台車及び／又は車体について取得された応答波形と比較することで、台車及び／又は車体の状態監視を行う構成であれば、台車や車体の部品、軸箱周りの部品などが健全状態であるか否か、さらにはいずれの部品に不具合を生じたか等を容易に判定することができる。

または、応答波形取得部は、時刻を変えた複数の異なる時系列の応答波形を取得するように構成され、時刻を変えて時系列に取得された複数の応答波形に基づいて、台車及び／又は車体の経時的な状態監視を行う構成とすれば、台車や車体の状態を時系列で、より詳細に把握することができる。また、振動励起部は、軌道を挟むように、当該軌道の車両が通過する上面に配置される上部板材と、軌道の下面に配置される下部板材と、上部板材及び下部板材を連結して振動励起部を軌道に対して着脱自在に固定する固定部材と、を備えて構成されているものとすれば、振動励起部の設置の安定性が向上し、車両の通過による振動励起部のズレや軌道からの脱落が抑制され、より安定した再現性の高い加振が可能となる。

本実施形態の状態監視装置を備えた軸箱支持装置を有する台車の側面図である。精度検証試験において、加速度センサで測定した振動加速度と撮像画像に基づいて算出した振動加速度とを比較したグラフである。台車不具合検知試験で得られた健全条件１～３とボルト緩み条件１～３の軸箱前後振動加速度と台車枠前後振動加速度に基づく応答倍率を示すグラフである。台車不具合検知試験で得られた健全条件１及びボルト緩み条件１の軸箱前後振動加速度ＰＳＤ及び台車枠前後振動加速度ＰＳＤを示すグラフである。台車不具合検知試験で得られた健全条件１とボルト緩み条件１の軸箱前後振動速度と台車枠前後振動速度に基づく応答倍率を示すグラフである。振動励起部の変形例の説明図であり、軌道上に振動励起部として突起物を設置した状態を示す。振動励起部の変形例の説明図であり、軌道の継ぎ目を振動励起部とした状態を示す。振動励起部の変形例の説明図であり、軌道上に振動励起部として波形ブロックを設置した状態を示す。振動励起部の変形例の説明図であり（ａ）は、変形例の振動励起部の斜視図を示し、（ｂ）は軌道上に振動励起部を設置した状態を示す。台車不具合検知試験２で得られたＮｏｒｍ．（標準条件）１～３とＨａｒｄ（２倍条件）１～３の軸箱の前後振動加速度ＰＳＤを示すグラフである。標準条件での軸箱の前後振動加速度及び台車枠の前後振動加速度を示すグラフである。数値モデルのシミュレーションにおける半車体数値モデルを示す図である。数値モデルのシミュレーションにより得られた７位の軸箱における前後振動の周波数解析結果を示すグラフである。経時的な状態監視を行ったときの数値シミュレーション結果を示すグラフである。軸ダンパ装置の不具合検知試験で得られた健全条件１、２と不具合条件１、２の上下振動加速度ＰＳＤを示すグラフである。台車枠に亀裂が生じたイメージを示す図である。台車枠の亀裂による不具合検知試験で得られた健全条件と不具合条件の振動加速度の強さを示すグラフである。牽引装置を備えた鉄道車両の模式図である。牽引装置の不具合検知試験で得られた健全条件１、２と不具合条件１、２の振動加速度ＰＳＤを示すグラフである。ヨーダンパを備えた鉄道車両の模式図である。ヨーダンパの不具合検知試験で得られた健全条件と不具合条件の振動加速度ＰＳＤを示すグラフである。スノウプラウとＡＴＳ車上子を備えた鉄道車両の模式図である。スノウプラウの不具合検知試験で得られた健全条件と不具合条件の振動加速度の強さを示すグラフである。ＡＴＳ車上子の不具合検知試験で得られた健全条件と不具合条件の振動加速度の強さを示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の状態監視装置を備えた軸箱支持装置を有する台車の側面図である。

この図１に示すように、台車１は、鉄道車両２の車体の下部に設けられるものであり、台車枠１０、空気ばね２０等を有する車体支持装置、輪軸３０、軸箱４０等を有する軸箱支持装置５０、モータ等を有する駆動装置、ブレーキ等を備えている。

台車枠１０は、台車１を構成する構造部材であって、左右の側ばり、側ばりを中央でつなぐ横ばり等で構成されている。台車枠１０は空気ばね２０、牽引装置等の車体支持装置を介して車体に装着されている。

空気ばね２０は、台車枠１０と車体との間に設けられている。空気ばね２０は、台車１の左右に例えば１対が設けられ、台車枠１０の左右の側ばりの上部にそれぞれ固定されている。輪軸３０は、２枚の車輪３１を車軸３２に圧入して組み立てられている。

軸箱４０は、輪軸３０の車軸３２の両端部に設けられ、車軸３２を回転可能に支持する軸受、軸受を収容する軸箱体、潤滑装置等を備えて構成されている。

軸箱支持装置５０は、軸箱４０を台車枠１０に対して位置決めし、弾性的に支持する装置である。本実施形態の軸箱支持装置５０は、モノリンク式のものであって、軸箱４０の他に、軸ばね５１、軸ダンパ５２、モノリンク５３等を備えている。しかし、軸箱支持装置５０がモノリンク式に限定されることはなく、軸はり式の軸箱支持装置、両板ばね（ＩＳ）式の軸箱支持装置とすることができる。この他にも、軸箱もり式、片板ばね式、平行リンク式、円すい積層ゴム式、円筒案内式、緩衝ゴム式、その他の従来公知の軸箱支持装置とすることができる。

軸ばね５１は、台車枠１０の側端部に設けられたばね帽５４内に収容されている。軸ばね５１は、ばね帽５４の上端部に設けられたばね受５５と、軸箱４０の上方に設けられたばね座５６との間に配置されている。軸ばね５１は、台車枠１０に対する軸箱４０の上下方向（垂直方向）の衝撃を緩衝し、車体などの荷重バランスを調整するとともに、台車枠１０に対する軸箱４０の鉄道車両２の進行方向における左右方向の衝撃も緩衝する。

軸ダンパ５２は、軸箱４０の側部と台車枠１０との間に設けられている。この軸ダンパ５２は、台車枠１０に対する軸箱支持装置５０の上下方向（垂直方向）の振動を減衰させる。したがって、車体の荷重バランスを調整して鉄道車両２の円滑な走行を可能とするためには、軸ばね５１や軸ダンパ５２等の一次ばね系の状態を監視することは重要である。

モノリンク５３は、一方の端部が台車枠１０の接続部１１に連結され、他方の端部が軸箱４０の接続部４１に連結されている。モノリンク５３によって台車枠１０と軸箱４０とを前後方向で連結している。各接続部１１，４１には、支軸１２，４２が設けられ、各支軸１２，４２がゴム等のリング状の弾性体１３，４３内に嵌合されている。このように、台車枠１０と軸箱４０とが、前後方向でモノリンク５３を介して連結されることで、台車枠１０に対する軸箱４０の前後方向への剛性を調整して、高速走行時の蛇行等を抑制する直進安定性と、曲線走行時の転向性とのバランスが保持されている。したがって、高速走行や曲線走行を、蛇行や脱線等を生じることなく円滑に行うためには、前後方向の剛性に関わる部品の状態を監視することは重要である。

上述のような構成の台車１の状態監視を行うため、状態監視装置６０が設けられている。この状態監視装置６０は、台車１に備えられた様々な部品、台車１と鉄道車両２本体とを連結するボルト等、台車１周りの様々な部品、さらには台車１全体の状態監視に好適である。特に、ばね要素を含む装置や部品の状態監視に好適であり、軸箱周りの部品の状態監視に最も好適である。「状態監視」とは、例えば、台車１等の健全状態の検出、異常状態の検出、さらには摩耗、変形、亀裂等の劣化状態の検出等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。台車１周りの様々な状態を監視することが可能である。

軸箱周りの部品としては、例えば、前述の軸ばね５１、軸ダンパ５２等の一次ばね系が挙げられる。また、モノリンク５３、軸はり等の連結部材、連結部材周りの接続部１１，４１、支軸１２，４２、弾性体１３，４３（前後方向を支持するゴム、軸はりのゴム等）といった軸箱支持装置５０の各部品等、前後方向の剛性を調整する部材等が挙げられる。また、軸ばね５１等がゴムである場合もあり、この場合は軸ばね５１等が、上下方向の剛性を調整する部材である。

これらの軸箱周りの部品は、外部からわかり難い場合や、部品点数が多い場合があるため、正常（健全）な状態であるか、ボルトの緩みやゴム部品の経時劣化等によって状態が変化したかを、目視で監視するのは困難である。本実施形態の状態監視装置６０では、軸箱周りの部品を取り外したり、分解したりすることなく（在姿状態及び非分解で）、軸箱周りの部品など、台車１の状態監視を簡易な構成で高精度かつ効率よく行うことができるようになっている。

図１に示すように、本実施形態の状態監視装置６０は、軌道３に配置される振動励起部６１によって振動する台車１を撮影し軌道脇に配置される画像取得部としてのカメラ６２と、カメラ６２からの撮像画像に基づいて各種演算処理を行う制御部６３ａを有する情報処理装置６３と、を備えている。

振動励起部６１は、台車１に振動を生じさせることができるものであれば、特に限定されることはない。例えば、板材、突起物、継ぎ目、又は波形ブロック等を振動励起部とすることができる。本実施形態では、図１に示すように、振動励起部６１として鉄板を用いている。

このような振動励起部６１を軌道３上に配置し、鉄道車両２を図１の矢印方向（進行方向）に低速走行させると、車輪３１が振動励起部６１に乗り上げ、該車輪３１が軌道３に着地する際の力により、台車１が振動（応答）する。車輪３１が振動励起部６１に乗り上げるときの振動（応答）をステップ応答といい、着地するときの振動（応答）をインパルス応答という。

振動励起部６１は、一対の軌道３の一方に設け、左右対となる車輪３１の一方のみを通過させて台車１を振動させる構成とし、振動励起部６１を設けたほうの軌道３の近傍に一台のカメラ６２を設置して振動する台車１を撮影するようにしてもよい。この構成では、状態監視装置６０をより簡易かつ廉価にすることができ、状態監視も手軽に行える。または、振動励起部６１を、一対の軌道３のそれぞれに設けて、左右対となる車輪３１の双方を通過させて台車１を振動させる構成としてもよく、台車１をより安定して振動させることができる。この場合、カメラ６２を一台のみ設置して、一方側から台車１を撮影しても、台車１の状態を精度よく監視することができるが、カメラ６２を一対の軌道３の両側にそれぞれ設置し、両側から台車１を撮影してもよい。更には、３台以上のカメラ６２を設置して、様々な角度から台車１を撮影してもよく、台車１の状態監視を、より詳細に行うことができる。

カメラ６２は、台車１が振動したときの画像（撮像画像）を連続して複数撮影する。撮像画像の撮影は、カメラ６２の操作ボタン等から直接に行ってもよいし、情報処理装置６３からの遠隔操作によって行ってもよい。カメラ６２は、台車１を撮影することができれば、軌道脇など、何れの位置に設置してもよい。また、台車１とカメラ６２との距離は、カメラ６２の性能や撮影領域によって、適宜設定することができる。例えば、台車１から約２ｍ離れた位置にカメラ６２を設置することで、高精度な応答波形を取得可能な撮像画像を取得することができる。

カメラ６２の種類としては、台車１の所定の撮影領域を撮影できるものであれば、特に限定されることはないが、高画質で高サンプリングレートのデジタルビデオカメラ等が好適である。本実施形態では、カメラ６２としてサンプリング周波数（フレームレート周波数）が１，０００Ｈｚ（１，０００ｆｐｓ）のデジタルビデオカメラを使用し、台車１の所定領域の動画像（フレーム画像）を撮影している。なお、カメラ６２での撮影画像が、動画像に限定されるものではなく、所定時間毎に連続して撮影された静止画像であってもよい。

カメラ６２での撮影領域としては、応答波形の取得象物の部品や装置を含んでいれば、台車１の何れの部分であってもよい。広角レンズを用いたり、台車１全体を撮影可能な位置にカメラ６２を設置したりして、台車１全体を撮影領域とすれば、台車１の様々な箇所の応答波形を取得して、台車１の状態監視をより詳細に行うことが可能となるとともに、台車１に取り付けられた様々な部品の状態を個別に監視することもできる。また、カメラ６２を台車１に近接して設置したり、ズーム撮影したりすることで、応答波形の取得対象のみ、又は台車１の特徴ある部分のみを撮影領域とすれば、より高精度な応答波形を取得可能となる。

また、カメラ６２での台車１の撮影場所としては、特に限定されることはなく、車両基地や車庫、又はこれらの近傍等が挙げられる。また、撮影環境としては、屋内であってもよいし屋外であってもよい。屋外の場合、例えば太陽光下では、軸箱４０に車体の強い影ができることが想定される。これにより、鉄道車両２が移動し、軸箱４０が日陰や日向になる撮影では軸箱４０の照度不足や照度過剰が起こって、撮影に影響するおそれがある。したがって、屋内や太陽光が直接に照射されることがない環境で撮影することがより望ましい。また、カメラ６２は電子機器であるため、防水手段や温度調整手段など、雨雪や夏の炎天、冬の冷気からカメラ６２を保護する手段を設けておくことが望ましい。

情報処理装置６３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＩＣメモリやハードディスクなどにより実現される記憶装置、外部装置との信号の入出力を制御する通信インターフェース、モニタ画面、キーボードやマウス等の入力部、プリンタ等を備えたコンピュータ（ＰＣ）等から構成することができる。また、情報処理装置６３は、カメラ６２と無線又は有線で接続されており、カメラ６２で撮影された撮像画像を受信可能となっている。記憶装置には、情報処理装置６３を動作させるＯＳ、各種プログラムが記憶されている。記憶装置には、カメラ６２から受信した撮像画像、パラメータ等、各種データが一時的又は長期的に記憶される。

本実施形態では、情報処理装置６３として、状態監視を実施する作業者が簡単に持ち運びや操作ができるノートＰＣを用いている。また、情報処理装置６３として、タブレット、スマートフォン、その他の携帯端末等を用いても、より手軽な持ち運びや操作が可能となる。また、情報処理装置６３が車庫等に設けられたデスクトップ型ＰＣであってもよいし、鉄道車両２の車体にそれぞれ設けられたＰＣその他の演算装置であってもよい。

制御部６３ａは、情報処理装置６３全体の動作を制御するとともに、ＲＯＭ等に予め記憶されているプログラムに従って、例えばＲＡＭをワークメモリとして用いて状態監視処理を実行する。また、制御部６３ａは、カメラ６２から入力される複数の撮像画像の画像信号に基づいて、台車１の振動時の応答波形を算出する応答波形取得部として機能する。また、制御部６３ａは、取得した応答波形のグラフ画像を生成して、モニタ画面やプリンタに出力したり、応答波形を解析して状態監視の対象物の状態を判定し、その判定結果をモニタ画面やプリンタに出力したりする機能や、カメラ６２での撮影動作を制御する機能
も備えている。

本実施形態では、制御部６３ａは、カメラ６２で撮影した複数の撮像画像から、所定の注目領域を抽出し、この注目領域の変位に基づいて応答波形を検出する応答波形取得部としても機能する。注目領域の抽出は、公知の画像認識（物体認識）手法を用いて行うことができる。例えば、撮像画像から特徴量を求め、得られた特徴量のマッチングを行って所定の注目領域を抽出し、この注目領域の変位情報を時系列に取得し、応答波形を算出している。より具体的には、例えば、制御部６３ａは、抽出した注目領域の中心（重心）を着目点とし、複数の撮像画像における着目点の位置座標の変化に基づいて、変位情報を取得している。よって、注目領域の変位情報に基づいて、応答波形をより高精度に取得することができる。

注目領域としては、例えば、台車枠１０の形状など、台車１の特徴的な形状、軸ダンパ５２、モノリンク５３、ばね帽５４等の軸箱周りの部品や、これらを取付けるボルト等、部品の特徴的な形状であってもよいし、台車１や部品に付された適宜の目印Ｍであってもよい。これらの特徴的な形状や目印Ｍを注目領域とすれば、撮像画像から、迅速に注目領域や着目点を抽出することができ、演算処理速度を速めることができる。

なお、応答波形の取得手順が本実施形態の手順に限定されることはなく、他のいずれの取得手順を用いてもよい。また、応答波形としては、変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度、又は振動加速度若しくは振動速度に基づいて算出したパワースペクトル密度であってもよく、応答波形をより高精度に取得することができ、より精度よく台車１の状態監視を行うことができる。または応答波形が、台車１の変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度と、軸箱周りの部品の変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度とに基づく応答倍率であってもよく、この応答倍率に基づいて、より明確かつより詳細に台車１の状態監視を行うことができる。

また、カメラ６２による台車１の撮影から、制御部６３ａによる応答波形の取得並びに状態監視まで一貫して行ってもよいし、カメラ６２による台車１の撮影のみを現場で行い、撮影画像を会社（事務所）等に持ち帰ったり転送したりして、撮影から時間をおいて応答波形の取得や状態監視を行ってもよい。

作業者等は、状態監視装置６０で取得した応答波形を確認することで、軸箱周りの部品が健全状態であるか、または部品に破損や緩みなどの不具合が生じた異常状態であるか等を判定することができる。

この健全か否かの判定は、例えば、健全状態の台車１で取得した応答波形や、軸ばね５１、軸ダンパ５２、モノリンク５３、その他の軸箱周りの各種部品に不具合が生じた台車１について取得した応答波形を、基準データとして予め記憶装置に記憶しておき、この基準データと、状態監視対象の台車１から取得した応答波形のデータとを比較して行うことができる。また、基準データと、応答波形データとを並べてモニタ画面等に表示することにより、状態の変化を明確に把握することができ、作業者等が一目で台車１が健全か否か、さらには何れの部品に不具合を生じたか等を容易に判定することが可能となる。

また、制御部６３ａにおいて、基準データと応答波形データとを比較して、健全か否かを自動で判定して結果を出力するように構成してもよい。制御部６３ａにより、軸箱周りの部品、その他の部品の状態、さらには台車１の状態をより高速かつ、より客観的に判定することが可能となる。また、様々な条件での状態監視データや鉄道車両２に関するデータをデータベースに記憶しておき、これらの情報（さらにはビッグデータ）に基づいて、台車１のいずれの部品に不具合が生じているかまで判定する構成とすることもできる。

健全か否か等の状態監視の異なる判定手法として、例えば、制御部６３ａにより、時刻を変えた複数の異なる時系列の応答波形を取得するようにし、このように時刻を変えて時系列に取得された複数の応答波形に基づいて、台車１の経時的な状態監視を行うことも好適である。この場合、一日の営業終わりに一回、即ち毎営業日に応答波形を取得することが好ましいが、監視対象や実情に応じて、数営業日毎、１週間毎、数週間毎、１月毎、又は数か月毎に行ってもよいし、一営業日内で数時間毎に複数回取得してもよい。そして、取得したそれぞれの応答波形を、時間軸を基準として時系列にグラフ化する等により、台車１の状態変化を監視する。より具体的には、例えば、ピーク周波数を時系列に表示して、その経時的な変化を監視する。

この経時的な状態監視により、台車１等の健全状態や異常状態、劣化状態などを、より詳細に把握することができる。更には、状態の経時的な変化によって、異常や劣化の発生を予測することができ、部品等の交換やメンテナンス等の必要性を判定したり、異常や劣化の発生前に交換やメンテナンス等の対応を行ったりすることができる。さらに、交換作業やメンテナンス作業のためのスケジュール調整、部品の手配などを円滑かつ迅速に行って、効率的な対応が可能となる。

図６Ａ～図６Ｄに、振動励起部の変形例を列挙する。図６Ａは、鉄板等の板材に代えて、進行方向に向かって高くなるくさび形の突起物からなる振動励起部６１ａを軌道３に設置した例である。なお、突起物がくさび形に限定されることはなく、軌道３上に突出して鉄道車両２に振動を付与できれば、他のいずれの形状であってもよい。図６Ｂは、軌道３の継ぎ目を振動励起部６１ｂとした例である。図６Ｃは、波形ブロックからなる振動励起部６１ｃを軌道３に設置した例である。

図６Ｄの（ａ）は、軌道３に着脱自在に固定することができる振動励起部６１ｄの斜視図であり、図６Ｄの（ｂ）は、この振動励起部６１ｄを軌道３に設置した状態を示す図である。この振動励起部６１ｄは、軌道３を挟むように、この軌道３の上面に配置される上部板材６４と、軌道３の下面に配置される下部板材６５と、上部板材６４及び下部板材６５を連結して振動励起部６１ｄを軌道３に固定する固定部材（ボルトとナット等）６６とを備えている。さらに下部板材６５は、軌道３下部のフランジ部３ａを挟持してこれに固定されるように、一対のスペーサ６５ｃ，６５ｃを挟んでフランジ部３ａの上面に配置される一対の板材６５ａ，６５ａ及びフランジ部３ａ下面に配置される板材６５ｂと、フランジ部３ａに対する下部板材６５の位置を調整する調整部材（調整ねじ）６７とを有して構成されている。

このような振動励起部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ上、又は振動励起部６１ｄの上部板材６４上を鉄道車両２が通過することで、台車１に振動を生じさせることができ、状態監視装置６０を用いた台車１の状態監視を、高精度に行うことができる。また、以上のような本実施形態又は変形例の振動励起部６１,６１ａ,６１ｂ,６１ｃ,６１ｄでは、鉄道車両２や軸箱周りの部品の耐久性等に影響を与えることなく、精度よく状態監視が可能な適度な振動を与えることができる。また、図６Ｄに示す振動励起部６１ｄは、軌道３に固定できるため、設置の安定性が向上し、鉄道車両２の通過による振動励起部６１ｄのズレや軌道３からの脱落が抑制される。そのため、より安定した再現性の高い加振が可能となり、より信頼性の高い状態監視が可能となる。

以上、本実施形態によれば、軌道３に配置される振動励起部６１上を、鉄道車両２が走行することで、車輪３１が振動励起部６１に乗り上げ、該車輪３１が軌道３に着地するときの力により、台車１が振動（応答）する。この振動時の台車１の撮像画像をカメラ６２で連続して複数撮影し、これらの複数の撮像画像に基づいて、制御部６３ａが台車１の振動時の応答波形を取得する。この応答波形に基づいて、軸箱周りの部品の状態、その他の台車周りの部品の状態、さらには台車１全体の状態が健全か否か等、台車１の状態監視を行うことができる。

ここで、従来のように台車に加速度センサ等を取付けて状態監視を行う場合は、多くの加速度センサを必要とするとともに、加速度センサの取り付け作業も多くなる。しかし、本実施形態では、軌道脇に設置したカメラ６２で複数の台車１の撮像画像を撮影することができ、台車１毎に加速度センサを用意したり取り付けたりする必要がない。したがって、台車１の状態監視を、より簡易な構成で高精度かつ効率よく行うことが可能な状態監視装置６０を提供することができる。

また、部品の取り外しや分解を行うことなく、状態監視ができるため、外部から視認できない部品等の状態監視も行うことができるとともに、定期検査をより簡易に行うことができる。例えば、営業終了後毎に、車庫へ帰還する鉄道車両２の状態監視を簡易に行うことができるため、不具合が見つかった際に、部品交換や台車１交換等を、再出庫するまでに行うことができる。また、日々の劣化度合いを確認することができるので、大規模なメンテナンス時期の決定や、部品手配を計画的に行うことができる。そのため、鉄道車両２のメンテナンス性が向上するとともに信頼性も向上し、日々の円滑な営業が可能となる。

（試験例１：台車不具合検知試験）
以下、本実施の形態の状態監視装置６０を用いて、台車不具合検知試験を試みた。また、この台車不具合検知試験の前に、カメラ６２での撮像画像に基づいて取得する応答波形の精度を確認するための精度検証試験を行った。以下、各試験及びその成果について詳細に説明する。

＜精度検証試験＞
振動試験機において鉄片を上下振動させ、この振動について、加速度センサによって振動加速度を測定した。また、振動状態の鉄片をカメラ６２で撮影した撮像画像に基づいて変位データを取得し、時間差分して振動加速度を算出した。加速度センサによる振動加速度と撮像画像による振動加速度とを比較した。比較結果のグラフを図２に示す。この試験では、後述する鉄道車両２での台車不具合検知試験を念頭に、カメラ６２と鉄片との距離を約２ｍとし、振動試験機の振動周波数を台車１のピッチング周波数周辺（インパルス応答の周波数）の１６Ｈｚとした。また、サンプリング周波数を、使用したカメラの最大サンプリング周波数である１，０００Ｈｚ（１，０００ｆｐｓ）とした。

図２のグラフの横軸は時間（Time）[ｓ]であり、縦軸は振動加速度（Acceleration）［ｍ／ｓ²］である。図２のグラフに示すとおり、加速度センサによる振動加速度と撮像画像による振動加速度とは、ほぼ一致している。よって、約２ｍ離れた所からの撮像画像に基づいて取得した振動加速度は、加速度センサで測定した振動加速度と比較して、その精度に差がないことがわかった。

＜台車不具合検知試験の手順＞
構内走行で鉄道車両２を加振するため、図１に示すように、振動励起部６１として、鉄板（長さ１６７ｍｍ、幅７３ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を軌道３上に設置した。今回の試験では、振動波形の観察を容易にしつつ、車輪３１のフランジ高さ（概ね３０ｍｍ）を考慮し脱線を回避するためと、車輪３１やレールへの影響を極力小さくするために、鉄板の厚さを５ｍｍとしたものであり、振動励起部６１に用いる鉄板のサイズが、本試験で用いる鉄板のサイズに限定されるものではない。

そして、カメラ６２を台車１から約２ｍ離れた位置に設置し、鉄道車両２を約５ｋｍ／ｈで低速走行させ、振動励起部６１を車輪３１が乗り上げるときと、振動励起部６１から軌道３に車輪３１が落下するときの軸箱４０と台車枠１０（具体的には、ばね帽５４）の動画像を撮影した。振動励起部６１による加振は、第８位車輪３１のみに行った。

ここでは、以下の２つの条件下で台車不具合検知試験を行った。
（１）健全条件：軸箱周りの部品に不具合がない正常（健全）条件
（２）ボルト緩み条件：前後方向の剛性に不具合を生じさせた条件

上記（２）のボルト緩み条件を作り出すため、軸箱４０とモノリンク５３との間に２ｍｍ程度の隙間ができるように、軸箱４０の接続部４１とモノリンク５３とを接続する軸箱締結ボルトを緩めた。

上記条件下で、それぞれ３回（３試番）、鉄道車両２を走行させて、合計６回の台車不具合検知試験を行った。それぞれの試験において、カメラ６２で撮影した撮像画像から、注目領域として軸箱４０部分とばね帽５４部分を抽出した。この試験では、図１に示すように軸箱４０の中心とばね帽５４の中心に塗料で目印Ｍを付し、撮像画像から画像認識により各目印Ｍを抽出し、その目印の重心を着目点とし、各着目点の位置座標の変位データを取得した。各着目点の変位データに適宜のフィルタ処理を施した後、時間差分することにより、応答波形としての軸箱４０の前後の振動加速度（軸箱前後振動加速度）と、台車枠１０（ばね帽５４）の前後の振動加速度（台車枠前後振動加速度）を算出した。得られた両振動加速度に基づいて、下記のように状態を評価（不具合の識別）した。

＜試験結果＞
図３に、軸箱前後振動加速度と台車枠前後振動加速度に基づく応答倍率のグラフを示す。図３では、３回行った健全条件１、２、３の応答倍率を、それぞれ細実線、細波線、細一点鎖線で示し、３回行ったボルト緩み条件１、２、３の応答倍率を、それぞれ太実線、太破線、太一点鎖線で示した。図３のグラフの横軸は周波数（Frequency）［Ｈｚ］であり、縦軸は応答倍率（Transfer function）である。

この図３の応答倍率のグラフによれば、健全条件の応答倍率とボルト緩み条件の応答倍率とに差があることがわかる。特に、６Ｈｚ付近から１１Ｈｚ付近にかけて、健全条件の応答倍率が、ボルト緩み条件の応答倍率より大きいことがわかる（図３の斜線部分参照）。このような特性を示す理由を検討するために、図４に、健全条件１及びボルト緩み条件１の台車枠１０と軸箱４０の前後振動加速度ＰＳＤ（Power Spectrum Density、パワースペクトル密度）を示した。図４のグラフの横軸は周波数（Frequency）［Ｈｚ］であり、縦軸は前後振動加速度ＰＳＤ（Acceleration PSD）［（ｍ／ｓ²）²／Ｈｚ］である。

図４の健全条件１の台車枠前後振動加速度ＰＳＤ（細波線）とボルト緩み条件１の台車枠前後振動加速度ＰＳＤ（太破線）は、６Ｈｚから１１Ｈｚ付近までそれほど差がない。しかし、健全条件１の軸箱前後振動加速度ＰＳＤ（細実線）は、台車枠前後ＰＳＤ（細破線）より低いのに対し、ボルト緩み条件１の軸箱前後振動加速度ＰＳＤ（太実線）は、台車枠前後ＰＳＤ（太破線）より高くなる。

ここでの応答倍率は台車枠前後振動加速度／軸箱前後振動加速度としたので、ボルト緩み条件の軸箱前後振動加速度（分母）が高くなることにより、図３に示したボルト緩み条件の応答倍率は低くなったと考えられる。また、図４の１０Ｈｚから２０Ｈｚにある軸箱前後振動加速度ＰＳＤのピーク周波数が低下した。つまり、図４に矢印で示すように、応答波形のピーク位置が変化するという特性が見られた。このピーク周波数の低下は、３回の試験すべてに見られ、軸箱ボルトの緩みにより軸箱支持装置５０の前後剛性が低下したためと考えられる。

＜不具合の識別＞
図３のグラフにおいて、６Ｈｚから１１Ｈｚの周波数帯で健全条件のグループとボルト緩み条件のグループの２つに分けられる。したがって、状態監視装置６０を用いた状態監視結果（応答倍率）が、図３のボルト緩み条件のような応答倍率となったときは、軸箱締結ボルトの緩みを識別することができる。また、図４の１０Ｈｚから２０Ｈｚにある軸箱前後振動加速度ＰＳＤのピーク周波数の低下によっても、軸箱締結ボルトの緩みを識別することができる。応答波形の特性は、不具合条件によって異なり、それぞれ固有の周波数において、固有の変化が見られる。

なお、上記では振動加速度や、振動加速度に基づく応答倍率若しくは振動加速度ＰＳＤに基づいて不具合の識別を行っているが、振動速度や、振動速度に基づく応答倍率若しくはＰＳＤによっても不具合の識別を適切に行うことができる。図５に、上記台車不具合検知試験における健全条件１とボルト緩み条件１の軸箱前後振動速度と台車枠前後振動速度に基づく応答倍率のグラフを示した。図５では、健全条件１の応答倍率を細実線で示し、ボルト緩み条件１の応答倍率を太実線で示した。図５のグラフの横軸は周波数（Frequency）［Ｈｚ］であり、縦軸は応答倍率（Transfer function）である。

この図５の応答倍率のグラフによっても、健全条件の応答倍率とボルト緩み条件の応答倍率とに差があることがわかる。さらに、６Ｈｚ付近から１１Ｈｚ付近にかけて、健全条件の応答倍率が、ボルト緩み条件の応答倍率より大きいことも示された。よって、振動速度も不具合の識別に好適な判断材料であることが確認された。

以上のような健全条件、不具合条件での応答波形の特性を利用すれば、台車１が健全であるか、締結ボルトの緩み等の前後方向の剛性に関わる部品に不具合を生じたのかを識別することができる。また、この応答波形の特性を利用すれば、軸ばね５１、軸ダンパ５２等の一次ばね系の不具合を識別することも可能となる。よって、図３～図５のような振動加速度、振動速度、応答倍率、ＰＳＤ等のデータは、コンピュータ（制御部６３ａ）が各基準データを比較して、台車１が健全か否かを評価したり、不具合を生じた部品を特定したりするとき等に用いるのに有効なデータである。なお、図３～図５のグラフをモニタ画面やプリンタ等に出力することで、作業者等が目視によって容易に状態監視をすることができるので、人間が台車１の状態を判定するときに用いるのに有効なデータである。

（試験例２：モノリンクゴムの剛性評価試験）
次に、試験例２として、図６Ｄに示す変形例の振動励起部６１ｄを備えた状態監視装置６０を用いて、モノリンク５３のゴム製の弾性体１３，４３（以下、「モノリンクゴム」という。）の剛性評価試験（モノリンクゴムの剛性評価試験）を行った。以下、試験及びその成果について詳細に説明する。

前述の試験例１の台車不具合検知試験では、軸箱４０の前後剛性を変えるために、軸箱４０の接続部４１とモノリンク５３とを接続する軸箱締結ボルトを緩めて異常状態を作り出している。この場合、前後剛性が健全か、剛性なしの異常かの２つの状態を検出できる。

これに対して、モノリンクゴムのようなゴム製品の劣化状態を検出する場合、健全状態の剛性か、劣化により硬化した後の剛性かのみの検出だけでなく、劣化が進行していく過程での剛性の変化の状態を検出できることが必要となる。ここでは、健全状態の剛性値を有する現行品のモノリンクゴムを用意するとともに、劣化状態を想定した現行品の２倍の剛性値を有するモノリンクゴムを製作した。そして、現行品のモノリンクゴムを備えたモノリンクを取り付けた台車１と、２倍の剛性値を有するモノリンクゴムを備えた試作モノリンクを取り付けた台車１に対して、各々加振試験を行い、モノリンクの剛性の違いを、撮像画像から取得された変位データ（振動波形）に基づいて検出できるか調査した。

＜試験条件＞
試験場所：公益財団法人鉄道総合技術研究所国立研究所車庫南側
試験日：２０１７年１２月４日～２０１８年１月１７日
供試台車：試作在来線用台車ＲＴＸ－１２
供試構体：試作在新直通車両用試験構体
試験速度：時速１～２ｋｍ／ｈ程度
加振方法：振動励起部（振動励起部６１ｄ、図６Ｄ参照）上の走行による台車（輪軸、台車枠等）の加振
車輪が乗り上がる鉄板（上部板材６４）の高さ：１０ｍｍ
モノリンク一本あたりの前後剛性：
・現行品約６ＭＮ／ｍｍ
・試作モノリンク約１２ＭＮ／ｍｍ
測定項目：第７位車輪の軸箱支持装置付近の動画画像
使用レンズ：６ｍｍｆ１：１．４
サンプリング周波数：１，０００Ｈｚ（１，０００ｆｐｓ）
画素数：６４０×４８０画素

<試験方法＞
この試験では、７位と８位のモノリンク２本を、現行品と試作モノリンクにそれぞれ変えて前後剛性を変化させた。加振治具として振動励起部６１ｄを２個、それぞれ７位車輪と８位車輪の進行方向前方の軌道上に取付け、この軌道上を供試台車が通過する際の動画を撮影し、動画中の軸箱の前後振動を解析した。試験回数は、試験の信頼性確保のために同一条件で３回（３試番）ずつ行った。

＜試験結果＞
図７に、カメラ画像に基づいて取得した変位データを２回差分して得られた軸箱前後振動の周波数の解析結果（軸箱前後振動加速度ＰＳＤ）を示した。この図７では、モノリンクの前後剛性が現行品（約６ＭＮ／ｍｍ／本）の場合の試験結果を「Ｎｏｒｍ．」、試作モノリンク（約１２ＭＮ／ｍｍ／本）の場合の試験結果を「Ｈａｒｄ」と記し、各条件での３回の試験結果を、線種を変えて表している。以下、本文中では、現行品のモノリンクを取り付けた条件を「標準条件」、試作モノリンクを取り付けた条件を「２倍条件」と呼ぶ。

図７によれば、標準条件では１６Ｈｚであったピーク周波数が、２倍条件では１８～１９Ｈｚになっている。このことを利用すれば、撮像画像から取得した変位データに基づいて、モノリンクの前後剛性の変化を検出できる。したがって、撮像画像に基づいて、非接触測定でモノリンクゴムの剛性を評価することが可能であることがわかる。

ここで、減衰率の変化や台車の自由度などを省略した簡易計算を試みた。このとき、輪軸質量ｍｗ＝１．６×１０³／２ｋｇ、在来線輪軸の想定値（左右の片側）、モノリンク前後剛性ｋｊｘ＝６×１０⁶Ｎ／ｍ（標準条件）、標準条件での試験結果のピーク周波数ｆ１＝１６Ｈｚとする。

この試験において、車輪が振動励起部６１ｄ上を通過したときの乗り上がり後と落下後に外力の無い自由振動をすると仮定し、固有振動を計算するとモノリンクの前後剛性のみでは試験結果１６Ｈｚより低い結果になる。そのため、軸ばねの前後剛性などモノリンクの前後剛性以外の前後剛性をｋ０として加味すると、下記式（１）のようになる。

上記式（１）により、ｋ０＝２．１×１０⁶Ｎ／ｍが算出される。

上記の計算結果に基づいて、２倍条件を計算してみると、２倍条件の固有振動数ｆ２は、モノリンク前後剛性ｋｊｘ’＝１２×１０⁶ Ｎ／ｍ（２倍条件）として、下記式（２）により算出できる。

上記式（２）によって、ｆ２＝約２１Ｈｚが算出される。２倍条件の試験結果が標準条件と比べ高くなる点は、図７に示す試験結果と一致したが、その値は１８Ｈｚ～１９Ｈｚ程度なので、簡易計算と試験結果は異なる。これは４～５Ｈｚの台車モードの影響と考えられる。そこで、後述の＜試験の数値モデル＞で数値シミュレーションを試みた。

＜試験の考察＞
上部板材６４から軌道への車輪３１の落下により、軸箱４０は主に上下方向に加振されるが、軸箱４０は前後方向にも振動する。台車１のピッチングによりモノリンクが前後方向に運動し、軸箱４０も前後方向に運動させられるためとも考えられる。

同じ条件のピーク周波数は一致度が高く、再現性は高い。例えば、２倍条件のピーク周波数が１６Ｈｚになることはない。４Ｈｚ～５Ｈｚは輪軸３０と台車１が一体の台車１の前後振動モードと思われ、モノリンクの前後剛性の条件が変わっても同じピーク周波数がある（図８の標準条件での軸箱４０の前後振動加速度及び台車枠１０の前後振動加速度のグラフ参照）。これは、台車１と輪軸３０が一体（同相）で動くので、モノリンクの前後剛性の違いの影響を受けにくいためと考えられる。

また、図７に示された４Ｈｚ～５Ｈｚのピーク周波数は、すべての試験で前後振動加速度ＰＳＤの高さがほぼ同じなので、同程度の強さで台車１の加振ができていると考えられる。即ち、試験で用いた振動励起部６１ｄは、軌道３に固定されているため、車輪３１の通過によるズレや脱落が抑制され、より安定した再現性の高い加振が実現できていることがわかる。

＜試験の数値モデル＞
モノリンクゴムの剛性評価試験の現象を詳細に調査するために、本試験を数値モデルで再現することを試みた。ここでは、輪軸３０の前後加速度ＰＳＤに基づく数値モデルについて説明する。この数値モデルは、試験結果と定性的に一致するというシミュレーション結果が出ている。

＜仮定した数値モデル＞
モノリンクゴムの剛性評価試験では車輪３１の７位と８位が通過する位置に加振治具として振動励起部６１ｄを取り付けて、左右対称な加振を行っている。よって、数値モデルでは、車体は後１／４車体、台車は車輪５位側と車輪７位側の左右１／２台車を仮定した。その半車体数値モデルを図９に示す。また、車体、台車、軸箱、モノリンクを質点と仮定し、自由度は前後と上下、ピッチングを仮定した。また、空気ばね、軸ばね、モノリンクゴムは、ばね要素と減衰要素を仮定した。下記表１に、数値モデルに使用した主要諸元を示す。車輪と軌道間、車輪と振動励起部６１ｄ間で接触判定を行いながら、時速２ｋｍ／ｈ程で車両を走行させ、振動励起部の通過による状態監視の試験を模擬した。

＜シミュレーション結果＞
図１０に、シミュレーションにより得られた７位の軸箱における前後振動の周波数解析結果を示す。図１０中では、標準条件即ちモノリンクの前後剛性が現行品（約６ＭＮ／ｍｍ／本）を「Ｎｏｒｍ．」、２倍条件即ち試作モノリンク（約１２ＭＮ／ｍｍ／本）を「Ｈａｒｄ」と記している。

モノリンクゴムの剛性評価試験の結果と同様に、数値モデルによるシミュレーションにおいても、４Ｈｚ～５Ｈｚのピーク周波数は、モノリンクの前後剛性が変化しても変わらず、モノリンクの前後剛性を高くすると、１６Ｈｚのピーク周波数が１８Ｈｚ～１９Ｈｚに変化し、ＰＳＤの高さも下がっている。

即ち、モノリンクゴムの剛性評価試験において軸箱４０の前後振動加速度を測定した場合、振動加速度ＰＳＤの周波数ピークが標準条件で１６Ｈｚ、２倍条件では１８～１９Ｈｚという結果が得られ、数値シミュレーションの結果と一致した。したがって、カメラでの撮像画像を利用した状態監視装置６０が、軸箱４０の前後剛性の定量的評価を行うのに好適であることがわかる。

以上の試験結果より、本実施形態の状態監視装置６０では、前後方向の剛性に関わる部品の不具合を識別することができることが確認された。したがって、本実施形態の状態監視装置６０では、前後方向の剛性に関わる部品の状態、さらには一次ばね系などの軸箱周りの各種部品の状態や、その他の台車周りの状態など、台車１の状態監視を、簡易な構成で高精度かつ効率よく行えることがわかった。

＜経時的な状態監視の数値シミュレーション＞
上述したように、本数値モデルのシミュレーション結果が、剛性評価試験の結果とよく一致しているので、本数値モデルの妥当性が高いことがわかる。そこで、本数値モデルを用いて、時刻を変えた複数の異なる時系列応答波形より経時的な状態監視を行う実施形態について、以下で説明する。

モノリンクゴムの劣化形態には経年変化によりゴムが硬化する劣化形態やゴムに亀裂が入り剛性が低下する劣化形態などがある。経年変化によりゴムが硬化する劣化形態では、経年により前後剛性が新品時の２倍程度になるものがある。ゴムの劣化の程度は、線路線形の曲線の多さやブレーキの頻度などにより、千差万別である。１編成の複数車両の中においても先頭の車軸なのか、駆動軸であるのかなどの条件により、ゴムの劣化の程度は異なり、一定ではない。そこで、経年数だけではなく、モノリンク１つ１つについて劣化を経時的に監視することが望ましい。

例えば、ゴムに亀裂が入り剛性が低下する劣化形態では、何らかの理由でゴム部に亀裂が生じ、円筒形の外周部と円筒中心部にある軸部が分離した状態に近くなる。どのような条件でゴム部に亀裂が生じるかは明らかにされていないので、この劣化形態に関してもモノリンク１つ１つについて劣化を経時的に監視することが望ましい。

図１１に、経時的な状態監視を行ったときの数値シミュレーション結果を示す。図１１には、同一車両、同一箇所のモノリンクゴムの剛性が、新品に対し１．３倍、１．６倍、２倍に経時的に変化したと仮定し、数値シミュレーションを行った結果を示している。

図１１によれば、モノリンクゴムの剛性が高くなるに従い、１５Ｈｚから１８Ｈｚにかけてのピーク周波数が経時的に高周波側に推移し、ピークの高さも経時的に低下していることがわかる。よってこの推移に着目すれば、ゴムが硬化する劣化形態の経時的な状態監視を行うことが可能になる。

また、図１１中にはモノリンクゴムに亀裂が入り、モノリンク剛性が、標準条件の０．５倍になったと仮定した数値シミュレーションの結果も示している。標準条件の１５Ｈｚのピーク周波数が１４Ｈｚの低周波側に推移し、ピークの高さも高くなっている。なお、複雑になり図が見難くなるので標準条件の０．５倍になる過程の数値シミュレーションの結果は省いてあるが、例えば０．９倍、０．７倍と徐々に剛性が下がることを経時的に状態監視すれば、亀裂が進展していることが監視できる。なお、測定には統計学的に測定誤差による測定値の揺らぎを免れず、少ない回数の測定では測定誤差の範囲内なのか、不具合が生じているのかが明らかにならないこともあるが、経時的に傾向があれば不具合が生じていると明確に診断できる可能性が高くなる。

以上のように、経時的に台車の状態監視を行う構成とした状態監視装置、状態監視方法及びプログラムでは、経時的な状態監視結果に基づいて、モノリンクゴムの交換時期等の予測をより的確に行うことができる。この予測に基づいて、ゴム部品の購入手配や交換のための作業場所や要員の計画が事前に立てられるようになり、効率的なメンテナンスが実現できる。

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、上記実施形態及び試験では、軸箱４０の前後剛性の評価を行うことで、カメラで撮影した撮像画像に基づいて、２０Ｈｚ程度までの台車振動計測が可能なことがわかった。そのため、本発明の状態監視装置は、例えば、一本リンクやヨーダンパなど他の台車周りの装置や部品の状態監視にも好適に用いられる。更には、車体の状態監視にも好適に用いられる。

また、上記実施形態及び試験で使用したカメラは、１,０００Ｈｚサンプリングが可能であったが、着目する振動加速度ＰＳＤの周波数ピークが２０Ｈｚ程度ならば、よりサンプリング周波数の低いカメラを利用することも可能である。また、画像ノイズが上記カメラと同程度である場合は、より低価格なカメラを利用することも可能である。

また、台車１の状態監視を非接触で行うことができるため、例えば各種車両の帰着検査時の加振による応答波形データ（振動データ）を簡易かつ大量に収集することが可能となる。したがって、状態監視装置の制御部にＡＩ（artificial intelligence、人工知能）を搭載し、取得した大量のデータと、実際の検修時に明らかになる部品の劣化具合を、ＡＩで統合することで、ＡＩによる状態監視、異常や劣化の判定や予測等を、より高精度かつ詳細に行うことが可能となる。

以下、不具合試験の他の試験例について説明する。上述の試験例１では、ボルト緩み条件で、台車不具合試験を行っているが、以下では、軸ダンパ装置、台車枠、牽引装置、ヨーダンパ、スノウプラウ及びＡＴＳ車上子に、それぞれ不具合が生じた場合を想定して、不具合試験（試験例３～試験例７）を行った。各試験例では、試験例１と同様に、図１に示す振動励起部６１を備えた状態監視装置６０を用いて、試験例１と同様の手順で、健全状態と、不具合状態での応答波形の検知を行った。

（試験例３：軸ダンパ装置の不具合検知試験）
試験例３として、軸ダンパ装置（図１に示す軸ダンパ５２）の不具合検知試験を行った。軸ダンパ装置は、輪軸３０と台車枠１０との間の振動を減衰させ、乗心地を向上させるための部品である。この軸ダンパ装置や、後述するヨーダンパは、内部にシリコーン油などの液体が装填されているが、万が一、シール部材の不具合等でシリコーン油が流出した場合でも、外部から油量などを見ることができないので、その機能を診断することが難しい。このような場合でも、台車１の振動加速度をカメラ等で監視する本発明の実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、軸ダンパ装置の機能診断を簡易に行うことが可能である。

この試験例３では、軸ダンパ装置が機能しないことの模擬条件（不具合条件）として、軸ダンパ装置を取り外した。試験例３では、健全条件と軸ダンパ装置を取り外した不具合条件を２回ずつ繰り返した。図１２に、軸ダンパ装置の不具合を模擬した検知試験の結果として、健全条件１、２及び不具合条件１、２の上下振動加速度ＰＳＤを示す。この図１２に示すように、健全条件１、２と軸ダンパ装置を取り外した不具合条件１、２では１３Ｈｚ付近の上下振動加速度のＰＳＤの高さが異なり、またこの再現性も高かった。

この図１２の試験結果が示すように、軸ダンパ装置の不具合により台車１の上下振動加速度ＰＳＤが異なるため、本実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、非分解で簡易に軸ダンパ装置の機能診断ができることがわかった。

（試験例４：台車枠の亀裂に対する不具合検知試験）
試験例４として、台車枠（図１に示す台車枠１０）の亀裂に対する不具合検知試験を行った。鉄道車両２の台車枠１０は、数十トンある車体を支える重要な部位であるため、この部分に亀裂等の存在の有無を簡易に検知できることが、円滑な運行を行う上で望ましい。図１３に、台車枠１０に亀裂が生じたイメージを示す。このような場合も、本発明の実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、台車枠１０の亀裂の存在を簡易に診断することができる。

この試験例４では、台車枠１０の亀裂の模擬条件（不具合条件）として、台車枠１０の上下剛性を低下させた。図１４に、台車枠１０の亀裂を模擬した検知試験の結果として、健全条件及び不具合条件の振動加速度の強さを示す。この図１４に示すように、台車枠１０に亀裂がある不具合条件では、４５Ｈｚ付近の振動加速度の強さが、健全条件と異なった。

この図１４の試験結果が示すように、台車枠１０の亀裂により台車の振動加速度の強さが異なるため、本実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、非分解で簡易に台車枠１０の亀裂が検知できることがわかった。

（試験例５：牽引装置の不具合検知試験）
試験例５として、牽引装置の不具合検知試験を行った。図１５に、牽引装置１４を備えた鉄道車両２の模式図を示す。この図１５に示すように、鉄道車両２には、モータ駆動力やブレーキ力を台車－車体間で伝達するための牽引装置１４と呼ばれる部位がある。この牽引装置１４は、モータ駆動力やブレーキ力を負担するだけでなく、高速走行時の安定性を確保する上でも重要な部位である。牽引装置１４のゴム部は、外部に露出している部分が少ないため、外見のみでゴム剛性のような機能を診断することが難しく、また牽引装置１４のボルト締結部は台車下部にある。このような場合も、本発明の実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、牽引装置１４の機能診断を簡易に行うことができる。

この試験例５では、牽引装置１４に不具合が生じたことの模擬条件（不具合条件）として、牽引装置１４のボルトを緩めた。試験例５では、健全条件とボルトを緩めた不具合条件を２回ずつ繰り返した。図１６に、牽引装置１４の不具合を模擬した検知試験の結果として、健全条件及び不具合条件の振動加速度ＰＳＤを示す。この図１６に示すように、健全条件とボルトを緩めた不具合条件では、６Ｈｚ付近の振動加速度ＰＳＤの高さが異なり、またこの再現性も高かった。

この図１６の試験結果が示すように、牽引装置１４の不具合により台車１の振動加速度ＰＳＤが異なるため、本実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、非分解で簡易に牽引装置１４の機能診断ができることがわかった。

（試験例６：ヨーダンパの不具合検知試験）
試験例６として、ヨーダンパの不具合検知試験を行った。図１７に、ヨーダンパ１５を備えた鉄道車両２の模式図を示す。この図１７に示すように、鉄道車両２には、ヨーダンパ１５と呼ばれる車体と台車１間に取り付けられるダンパ部品がある。ヨーダンパ１５は、高速走行時に車体と台車１の安定性を確保する安全上重要な部品である。ヨーダンパ１５は、内部にシリコーン油などの液体が装填されているが、万が一、シール部材の不具合等でシリコーン油が流出した場合でも、外部から油量などを見ることができないので、機能を診断することが難しい。このような場合も、本発明の実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、ヨーダンパ１５の機能診断が容易に可能である。

この試験例６では、ヨーダンパ１５に不具合が生じたことの模擬条件（不具合条件）として、ヨーダンパ１５を取り外した。図１８に、ヨーダンパ１５の不具合を模擬した検知試験の結果として、健全条件及び不具合条件の振動加速度ＰＳＤを示す。この図１８に示すように、ヨーダンパ１５を取り外した不具合条件の台車１の振動加速度ＰＳＤは、健全条件と比べ、３倍程高くなり、ピーク周波数も０．５Ｈｚ程低くなった。

この図１８の試験結果が示すように、ヨーダンパ１５の不具合により台車１の振動加速度ＰＳＤが異なるため、本実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、非分解で簡易にヨーダンパ１５の機能診断ができることがわかった。

（試験例７：スノウプラウとＡＴＳ車上子の不具合検知試験）
試験例７として、スノウプラウとＡＴＳ車上子の不具合検知試験を行った。図１９に、スノウプラウ１６とＡＴＳ車上子１７を備えた鉄道車両２の模式図を示す。この図１９に示すように、鉄道車両２（先頭車両）には、スノウプラウ１６と呼ばれる雪かき装置が台車枠１０に取り付けられている。また、自動列車停止装置（Automatic Train Stop：ＡＴＳ）と呼ばれる衝突防止装置があり、これには車上子（ＡＴＳ車上子１７）と呼ばれるアンテナが車体に取り付けられている。このスノウプラウ１６とＡＴＳ車上子１７は、稀に線路外から線路内に入ってきた飛来物等との衝突による、亀裂や取り付けボルトの緩みにより、ぐらついてしまう場合がある。このような場合でも、本発明の実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、スノウプラウ１６とＡＴＳ車上子１７のぐらつき診断が容易に可能である。

この試験例７では、スノウプラウ１６とＡＴＳ車上子１７のぐらつきを模擬するために、それぞれの取り付け部の剛性を変えて検知試験を行った。図２０に、スノウプラウ１６の健全条件と不具合条件の振動加速度の強さを示す。図２１に、ＡＴＳ車上子１７の健全条件と不具合条件の振動加速度の強さを示す。スノウプラウ１６については、図２０に示すように、健全状態では３６Ｈｚにピークがあったが、ぐらつきがある不具合状態ではピーク周波数が２６Ｈｚに変化した。ＡＴＳ車上子１７については、図２１に示すように健全条件とぐらつきがある不具合条件で、１Ｈｚから１０Ｈｚにピーク周波数等の違いが生じた。

この図２０、図２１の試験結果が示すように、スノウプラウ１６とＡＴＳ車上子１７のぐらつきにより、各装置のピーク周波数が異なるため、本発明の実施形態に係る状態監視装置６０、状態監視方法及びプログラムにより、非分解で簡易にスノウプラウ１６とＡＴＳ車上子１７のぐらつきが診断できることがわかった。

１台車
２鉄道車両（車両）
３軌道
４０軸箱
６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ振動励起部
６２カメラ（画像取得部）
６３制御部（応答波形取得部）
Ｍ目印

Claims

車両の台車及び／又は車体の状態を監視する状態監視装置であって、
振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の撮像画像を連続して複数撮影し軌道脇に配置される画像取得部と、
複数の前記撮像画像から所定の注目領域を抽出し、前記注目領域の変位情報を時系列に取得し、前記変位情報に基づいて、前記振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の応答波形を取得する応答波形取得部と、を備え、
前記応答波形が、前記台車及び／又は前記車体の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度と、軸箱周りの部品の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度とに基づく応答倍率であり、
前記応答波形である前記応答倍率に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うことを特徴とする状態監視装置。
車両の台車及び／又は車体の状態を監視する状態監視装置であって、
振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の撮像画像を連続して複数撮影し軌道脇に配置される画像取得部と、
複数の前記撮像画像から所定の注目領域を抽出し、前記注目領域の変位情報を時系列に取得し、前記変位情報に基づいて、前記振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の応答波形を取得する応答波形取得部と、を備え、
前記応答波形が、前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度に基づいて算出したパワースペクトル密度であり、
前記応答波形である前記パワースペクトル密度に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うことを特徴とする状態監視装置。
前記注目領域が、前記台車若しくは前記台車に取り付けられた軸箱周りの部品若しくは前記車体の所定の形状、又は前記台車若しくは前記軸箱周りの部品若しくは前記車体に付された目印であり、前記応答波形取得部は、前記撮像画像の特徴量に基づくマッチングにより、前記注目領域を抽出し、前記注目領域の中心を着目点とし、複数の前記撮像画像における前記着目点の位置座標の変化に基づいて、前記変位情報を取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の状態監視装置。
前記応答波形取得部によって取得された前記応答波形を、健全状態の台車及び／又は車体について取得された応答波形又は異常状態の台車及び／又は車体について取得された応答波形と比較することで、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の状態監視装置。
前記応答波形取得部は、時刻を変えた複数の異なる時系列の前記応答波形を取得するように構成され、時刻を変えて時系列に取得された複数の前記応答波形に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の経時的な状態監視を行うことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の状態監視装置。
前記振動励起部は、軌道を挟むように、当該軌道の前記車両が通過する上面に配置される上部板材と、前記軌道の下面に配置される下部板材と、前記上部板材及び前記下部板材を連結して前記振動励起部を前記軌道に対して着脱自在に固定する固定部材と、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の状態監視装置。
車両の台車及び／又は車体の状態を監視する状態監視装置であって、
振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の撮像画像を連続して複数撮影し軌道脇に配置される画像取得部と、
複数の前記撮像画像に基づいて、前記振動励起部によって振動する前記台車及び／又は前記車体の応答波形を取得する応答波形取得部と、を備え、
前記振動励起部は、軌道を挟むように、当該軌道の前記車両が通過する上面に配置される上部板材と、前記軌道の下面に配置される下部板材と、前記上部板材及び前記下部板材を連結して前記振動励起部を前記軌道に対して着脱自在に固定する固定部材と、を備えて構成され、
前記応答波形に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うことを特徴とする状態監視装置。
請求項１に記載の状態監視装置を用いて行われる状態監視方法であって、
振動励起部によって台車及び／又は車体に振動を付与する工程と、
振動する前記台車及び／又は前記車体の撮像画像を連続して複数撮影する工程と、
複数の前記撮像画像から所定の注目領域を抽出し、前記注目領域の変位情報を時系列に取得し、前記変位情報に基づいて、前記振動励起部によって前記台車及び／又は前記車体が振動するときの応答波形を取得するときに、前記台車及び／又は前記車体の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度と、軸箱周りの部品の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度とに基づく応答倍率を、前記応答波形として取得する工程と、
前記応答波形である前記応答倍率に基づいて、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行う工程と、
を有することを特徴とする状態監視方法。
コンピュータを、
振動が付与された台車及び／又は車体を連続して撮影した複数の撮像画像を記憶する手段と、
前記撮像画像から所定の注目領域を抽出し、複数の前記撮像画像に基づいて、前記注目領域の変位情報を時系列に取得し、前記変位情報に基づいて前記台車及び／又は前記車体が振動するときの応答波形を取得するときに、前記台車及び／又は前記車体の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度と、軸箱周りの部品の前記変位情報を時間差分することで算出した振動加速度若しくは振動速度とに基づく応答倍率を、前記台車及び／又は前記車体の状態監視を行うため前記応答波形として取得する応答波形取得手段として機能させるためのプログラム。