JP7121582B2

JP7121582B2 - 鉄道車両の異常走行検知装置

Info

Publication number: JP7121582B2
Application number: JP2018148697A
Authority: JP
Inventors: 與志佐藤; 隆雄関谷; 慎吾桑代
Original assignee: Kawasaki Railcar Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kawasaki Railcar Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2038-08-07
Also published as: JP2020023255A

Description

本発明は、車両に搭載された振動センサの検出信号に基づいて異常走行の発生を検知する装置に関する。

特許文献１では、鉄道車両に加速度センサを搭載し、車両走行中に加速度センサで検出される上下加速度のピーク値を閾値判定することで、脱線発生の有無を判定している。

特開２０１２－５８２０８号公報

ところで、特許文献１の図６に示すように、脱線発生時の振動波形では、脱線発生から数秒ほど経過した時点では大きなピーク値を示すものの、脱線発生直後の初期段階ではピーク値が十分に大きくならない。そのため、閾値判定により脱線を検知する場合には、脱線発生から脱線が検知されるまでに時間が掛かることになる。高速走行時には、脱線発生から脱線検知までに数秒も掛かると、脱線状態のままで長い距離を走行してしまうことになるため、もっと早期に検知する必要がある。

しかし、脱線発生の初期段階で脱線を検知するために閾値を下げると、車輪にフラットがある場合の振動や車輪が軌道分岐部分を通過する際の振動等を、脱線が発生したと誤判定する可能性が生じる。そのため、早期の脱線検知は難しいのが現状である。また、振動センサで検出する異常走行であれば、脱線以外の異常走行の検知についても同様の問題がある。

そこで本発明は、鉄道車両の異常走行の検知精度を下げることなく、異常走行の検知速度を上げることを目的とする。

本発明の一態様に係る編成列車の鉄道車両の異常走行検知装置は、車両に搭載された振動センサの検出信号に基づいて異常走行の発生を検知する装置であって、前記車両の異常走行時に生じる前記検出信号の波形に相当する異常走行波形のうち初期部分の波形パターンである少なくとも１つの初期波形パターンを予め記憶した記憶器と、前記振動センサから受信した検出信号の波形と前記初期波形パターンとの間の合致度を演算し、その合致度が所定の合致基準を満たすと異常走行が発生したと判定する第１異常走行判定器と、前記第１異常走行判定器により前記異常走行が発生したと判定されない場合に、前記振動センサから受信した前記検出信号が所定の異常走行条件を満たすか否かを判定する第２異常走行判定器と、を備える。

前記構成によれば、第１異常走行判定器が、振動センサから受信した検出信号の波形と記憶器に予め記憶された初期波形パターンとの間の合致度を演算し、その合致度が所定の合致基準を満たすと異常走行が発生したと判定するので、異常走行発生の初期段階で異常走行を検知でき、検知速度を上げることができる。更に、本装置は、第１異常走行判定器により異常走行が発生したと判定されない場合に、振動センサから受信した検出信号が所定の異常走行条件を満たすか否かを判定する第２異常走行判定器も備えるので、第１異常走行判定器が判別し切れない異常走行を検知することもでき、異常走行の検知精度を高めることができる。

本発明によれば、鉄道車両の異常走行の検知精度を下げることなく、異常走行の検知速度を上げることができる。

実施形態に係る編成列車の車両情報通信システムの模式図である。図１に示す車両情報通信システムのブロック図である。図２に示す子機ユニット（監視ユニット：異常走行検知装置）のブロック図である。図２に示す動作確認端末機のブロック図である。図３に示す子機ユニットの手ブレーキ不緩解判定に関する機能を説明するブロック図である。図３に示す子機ユニットの脱線判定に関する機能を説明するブロック図である。図３に示す子機ユニットの処理を説明するフローチャートである。図６に示す第１及び第２異常走行判定部による脱線判定を説明する振動波形グラフである。図２に示す親機ユニットの処理を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係る編成列車の車両情報通信システム１０の模式図である。図１に示すように、車両情報通信システム１０は、主車両に複数の副車両が連結された編成列車に適用され、具体的には、機関車２に複数の貨車３Ａ～Ｃが連結された貨物列車１に適用される。図１では簡略化のため貨車３Ａ～Ｃを３つだけ図示しているが、一般的には、貨物列車１の機関車２には多数（例えば、２０両以上）の貨車が連結される。

貨物列車１が長距離運行する際には、物流コストが最小になるように効率良く貨車を組み合せるため、途中駅で目的地の異なる貨車を分離したり、途中駅で新たな貨車を合流させて連結したりして、貨車の繋ぎ替えが行われる。そのため、途中駅において列車編成が頻繁に入れ替えられることになる。

図２は、図１に示す車両情報通信システム１０のブロック図である。図１及び２に示すように、車両情報通信システム１０は、サーバ１１と、機関車２に搭載された親機ユニット１２と、貨車３Ａ～Ｃに夫々搭載された子機ユニット１３Ａ～Ｃ（監視ユニット又は異常走行検知装置とも称す）とを備える。サーバ１１は、ネットワークＮ（例えば、インターネット）を介して親機ユニット１２と通信可能に接続されている。サーバ１１は、各車両に固有の番号である車両番号と各車両の通信上のＩＤ情報である車両ＩＤとの間の対応関係を有するＩＤ対応関係情報を予め記憶している。なお、サーバ１１は、貨物列車１のＩＤ対応関係情報だけでなく、他の貨物列車のＩＤ対応関係情報も予め記憶している。

車両番号は、機関車２の固有の番号である機関車番号と、貨車３Ａ～Ｃの固有の番号である貨車番号とを含む。車両ＩＤは、機関車２に搭載された親機ユニット１２の通信上のＩＤ情報である親機ＩＤ（図１の「Ｍ０」）と、各貨車３Ａ～Ｃに搭載された子機ユニット１３Ａ～Ｃの通信上のＩＤ情報である子機ＩＤ（図１の「Ｍ１～Ｍｎ」）とを含む。サーバ１１は、このＩＤ対応関係情報を親機ユニット１２にネットワークＮを介して送信する。

ネットワークＮには、貨物列車１を含む各貨物列車の運行管理を行う指令所１４に設けられた既存の運行管理システムが通信可能に接続されている。当該運行管理システムは、各貨車の出発駅／目的駅や配達納期等の要件を達成し且つ物流効率が最大化されるように貨車の組合せを最適化するプログラムに基づいて各貨物列車の編成計画を作成している。

即ち、指令所１４の運行管理システムは、各車両（機関車２及び貨車３Ａ～Ｃを含む）の夫々の編成上の連結位置と、各車両の車両番号（機関車番号及び貨車番号）との対応関係を含む夫々の編成情報を有する。指令所１４は、この夫々の編成情報から貨物列車１としての編成情報を抽出して親機ユニット１２にネットワークＮを介して送信する。なお、連結位置は、１つの列車における先頭車両からの連結順番を意味し、例えば、機関車２の連結位置が「０」とすると、機関車２に直接連結された第１貨車の連結位置を「１」とし、第１貨車に連結された第２貨車の連結位置を「２」とする。

親機ユニット１２は、子機ユニット１３Ａ～Ｃに対する通信とネットワークＮを介した通信との間のゲートウェイである。親機ユニット１２は、編成情報受信部２１、ＩＤ対応関係受信部２２、ＩＤ編成認識部２３、演算部２４、機関車無線通信部２５、及び、状態出力部２６を備える。編成情報受信部２１は、指令所１４の運行管理システムから貨物列車１の編成情報（連結位置及び車両番号の対応関係）を受信する。ＩＤ対応関係受信部２２は、サーバ１１からＩＤ対応関係情報（車両番号及び車両ＩＤの対応関係）を受信する。

ＩＤ編成認識部２３は、編成情報受信部２１で受信した貨物列車１の編成情報とＩＤ対応関係受信部２２で受信したＩＤ対応関係情報とに基づいて、自列車の貨物列車１の子機ＩＤと、当該子機ＩＤに対応する貨車の連結位置と、当該子機ＩＤに対応する貨車３Ａ～Ｃの貨車番号との間の対応関係表Ｘを求め、当該貨物列車１の機関車２に連結された貨車３Ａ～Ｃの子機ＩＤを認識する。

以上のように、子機ＩＤと貨車番号との対応関係の情報をサーバ１１に予め用意しておき、指令所１４において既に存在する列車の編成情報を利用して互いの情報を突き合わせることで、頻繁に編成を入れ換える貨物列車１においても、機関車２に連結された貨車３Ａ～Ｃの子機ＩＤを簡単かつ迅速に認識できる。

演算部２４は、ＩＤ編成認識部２３で認識された列車編成の子機ＩＤを用いた無線通信を機関車無線通信部２５に指令することや、機関車無線通信部２５が受信した状態情報を状態出力部２６に出力指令することなどを行う。機関車無線通信部２５は、子機ユニット１３Ａ～Ｃから各貨車３Ａ～Ｃの異常又は正常に関する状態情報を含む信号を受信する。機関車無線通信部２５及び子機ユニット１３Ａ～Ｃの無線方式としては、例えば、双方向通信が可能なＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）を用いることができる。

図３は、図２に示す子機ユニット１３Ａ～Ｃのブロック図である。子機ユニット１３Ａ～Ｃは、貨車３Ａ～Ｃを監視して異常走行等を検知する装置である。子機ユニット１３Ａ～Ｃは互いに同様の構成であるため、１つの子機ユニット１３Ａについて代表して説明する。図３に示すように、子機ユニット１３Ａは、振動センサ３１（車両状態センサ、物理量センサ）、走行センサ３２、プロセッサ３３、記憶器３４、無線通信機３５、電源回路３６、動作確認スイッチ３７、及び、ケース３８を備える。また、子機ユニット１３Ａは、後述の手ブレーキセンサ６７及びブレーキ圧センサ７７に接続されている。

振動センサ３１は、貨車３Ａの状態を検出する車両状態センサの一種であり、異常時に値が増加する物理量を検出する物理量センサの一例である。具体的には、振動センサ３１は、貨車３Ａの上下加速度を検出するセンサである。振動センサ３１が検出する上下加速度は、貨車３Ａ～Ｃの走行速度が上がるにつれて値が増加する傾向を有する物理量である。なお、車両状態センサは、振動センサ３１に限られず、例えば、異常時に値が増加する物理量である台車の軸受温度を検出するセンサでもよい。なお、本実施形態の振動センサ３１は、ＣＰＵを内蔵しており、子機ユニット１３Ａのプロセッサ３３からの指令に応じて、検出信号の送信／非送信の選択や、起動状態／スリープ状態の選択等を行うことができる。

走行センサ３２は、貨車３Ａの走行速度の取得に用いられるセンサであり、走行速度を検出する速度センサでもよいし、走行方向の加速度を検出する加速度センサでもよい。加速度センサを用いた場合には、検出される加速度をプロセッサ３３にて積分することで走行速度を求めるとよい。

プロセッサ３３は、手ブレーキセンサ６７及びブレーキ圧センサ７７の検出信号に基づいて、貨車３Ａの手ブレーキの状態を判定する。プロセッサ３３は、振動センサ３１及び走行センサ３２の検出信号に基づいて脱線の発生を判定する。記憶器３４は、プロセッサ３３に接続されており、車両の異常走行時に生じる上下振動加速度の波形パターン等を予め記憶している。無線通信機３５は、プロセッサ３３からの指令により自己の子機ＩＤと共に信号を無線送信する。無線通信機３５は、半二重通信にて通信を行うため、全二重通信にて通信する場合に比べ、無線通信にかかる消費電力が抑制される。なお、無線通信機３５は、ＣＰＵを内蔵しており、プロセッサ３３からの指令に応じて、起動状態／スリープ状態の選択等を行うことができる。

電源回路３６は、交換可能な電池Ｂに接続され、子機ユニット１３Ａに電力を供給する。動作確認スイッチ３７は、磁力により操作可能に構成されており、磁力が作用しない状態でＯＦＦになり、磁力が作用した状態でＯＮになる。動作確認スイッチ３７がＯＮになると、プロセッサ３３は、子機ユニット１３Ａが正常動作することを確認し、正常に動作すれば正常動作信号を無線通信機３５に無線送信させる。即ち、子機ユニット１３Ａが正常動作しない状態においては、動作確認スイッチ３７がＯＮになっても無線通信機３５から正常動作信号が無線送信されない。なお、プロセッサ３３は、子機ユニット１３Ａが正常動作しない状態で動作確認スイッチ３７がＯＮになると、異常動作信号を無線通信機３５に送信させる構成としてもよい。

ケース３８は、振動センサ３１、走行センサ３２、プロセッサ３３、記憶器３４、無線通信機３５、電源回路３６及び動作確認スイッチ３７を収容している。ケース３８は、そのうち少なくとも動作確認スイッチ３７に対向する部分が磁力透過性を有する構成であればよいが、本実施形態のケース３８は、全体として磁力透過性を有する材料（例えば、合成樹脂）で形成されている。

このように、動作確認スイッチ３７をケース３８に収容するため、動作確認スイッチ３７に防水構造が必要なくなると共に、ケース３８を分解せずともケース３８に外部から磁力発生源を近づけるだけで、ケース３８外から簡単に動作確認スイッチ３７を操作することが可能になる。

図４は、図２に示す動作確認端末機１５のブロック図である。図４に示すように、動作確認端末機１５は、磁石４１（磁力発生源）、受信機４２、プロセッサ４３、及び、出力器４４を備える。動作確認端末機１５は、貨車等の定期点検を行う際に作業者が手で持ち運びできるものである。磁石４１は、子機ユニット１３Ａの動作確認スイッチ３７に磁力を作用させて操作するための磁力発生源である。当該磁力発生源は、永久磁石でも電磁石でもよい。当該磁力発生源は、受信機４２、プロセッサ４３及び出力器４４を備えたユニットとは別体であってもよい。

受信機４２は、子機ユニット１３Ａ～Ｃの無線通信機３５が送信する正常動作信号を受信する。プロセッサ４３は、不揮発メモリに保存されたプログラムに基づいて揮発性メモリを用いて演算処理する。プロセッサ４３は、受信機４２が正常動作信号を受信したか否かを識別可能な出力を出力器４４に実施させる。出力器４４は、例えば、表示装置である。なお、出力器４４は、受信機４２が正常動作信号を受信したか否かを作業者が判別するための出力を行えばよく、表示装置に代わりに無線送信機でもよいし音声出力装置でもよい。

このような構成によれば、貨車等の定期点検を行う際に作業者が動作確認端末機１５の磁石４１を子機ユニット１３Ａのケース３８に近づけると、子機ユニット１３Ａの動作確認結果が無線通信機３５を介して動作確認端末機１５へ出力される。よって、動作確認端末機１５を１台用意するだけで、子機ユニット１３Ａ～Ｃの正常動作確認を簡単に行うことができる。

そして、子機ユニット１３Ａ～Ｃの正常動作の確認は、機関車２に貨車３Ａ～Ｃが連結された編成完了毎に行うのではなく、編成前の貨車３Ａ～Ｃごとの定期点検時に動作確認スイッチ３７を操作することで行われる。即ち、車両再編成よりも頻度の少ない定期点検において子機ユニット１３Ａ～Ｃの正常動作確認を行うので、無線通信機３５の動作機会を減らすことができる。また、子機ユニット１３Ａ～Ｃの正常動作確認は、親機ユニット１２からの要求信号の受信をトリガーとするのではなく、動作確認スイッチ３７の操作をトリガーとしているので、無線通信機３５を受信待機状態にしておく必要もない。よって、電池Ｂを電源とする子機ユニット１３Ａ～Ｃの動作確認のための電力消費を低減でき、子機ユニット１３Ａ～Ｃに設ける電池Ｂの交換頻度を低減できる。

図５は、図３に示す子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の手ブレーキ不緩解判定に関する機能を説明するブロック図である。即ち図５は、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）のうち手ブレーキ不緩解判定にフォーカスした図面である。図５に示すように、貨車３Ａ（３Ｂ，３Ｃ）には、人間が手で操作して制輪子４を作動させる手ブレーキ機構６０が搭載されている。手ブレーキ機構６０は、制輪子４にロッド６１を介して連結されて且つブラケット６２に対して回動軸６３を介して揺動自在に連結された揺動アーム６４と、揺動アーム６４に連結された線状体６５（例えば、チェーン）と、線状体６５を巻取り可能なハンドル６６とを備える。手ブレーキ機構６０は、公知の構成である。

本実施形態では、ブラケット６２のうち回動軸６３から所定距離だけ離れた部位に、手ブレーキセンサ６７（車両状態センサ）が追加されている。本実施形態では一例として、手ブレーキセンサ６７は近接スイッチである。揺動アーム６４のうち回動軸６３から前記所定距離だけ離れた部位には、手ブレーキセンサ６７の検知対象物となるマグネット６８が設けられている。手ブレーキセンサ６７は、子機ユニット１３Ａに有線接続されてプロセッサ３３に電気的に接続されている。

ハンドル６６により線状体６５が巻き取られておらず制輪子４が車輪から完全に離間した緩解状態では、揺動アーム６４は、スプリング（図示しない）によりマグネット６８が手ブレーキセンサ６７に重なる位置に付勢されている。作業者がハンドル６６を一方向に回転操作して線状体６５が巻き取られて揺動アーム６４が揺動することで制輪子４が車輪を押圧した不緩解状態では、マグネット６８が手ブレーキセンサ６７から離反する。即ち、手ブレーキセンサ６７がマグネット６８の磁力を検知しているときは、手ブレーキ機構６０が緩解状態にあり、手ブレーキセンサ６７がマグネット６８の磁力を検知していないときは、手ブレーキ機構６０が不緩解状態にある。

また、貨車３Ａ（３Ｂ，３Ｃ）には、機関車２の運転席からの操作により制輪子４を動作させるブレーキ系統７０が搭載されている。ブレーキ系統７０は、各貨車に連なって圧縮空気が通流する共通ブレーキ管７１と、共通ブレーキ管７１に接続された空気溜め部７２と、ブレーキ管７１と空気溜め部７２との間に介設された制御弁７３と、空気溜め部７２に接続された測重弁７４と、制御弁７３及び測重弁７４に接続された応荷重弁７５と、貨車の積載重量に応じて応荷重弁７５から出される圧縮空気のブレーキ圧を制輪子４に導く個別ブレーキ管７６とを備える。ブレーキ系統７０は、公知の構成である。

本実施形態では、ブレーキ系統７０に対して、個別ブレーキ管７６の制動圧を検出するブレーキ圧センサ７７が追加されている。ブレーキ圧センサ７７は、子機ユニット１３Ａに有線接続されてプロセッサ３３に電気的に接続されている。ブレーキ圧センサ７７は、圧力センサでもよいし圧力スイッチでもよい。

子機ユニット１３Ａのプロセッサ３３は、ソフトウェア的には、無線通信機起動／スリープ制御部５１と、手ブレーキ状態判定部５２とを備える。無線通信機起動／スリープ制御部５１及び手ブレーキ状態判定部５２は、不揮発メモリに保存されたプログラムに基づいてプロセッサ３３が揮発性メモリを用いて演算処理することで実現される。

無線通信機起動／スリープ制御部５１は、所定の起動条件が成立すると無線通信機３５を起動状態にする一方、所定のスリープ条件が成立すると無線通信機３５をスリープ状態にする。前記起動条件は、貨物列車１が編成されてから貨物列車１が発車するまでの間に発生する所定のイベントが検出されたとの条件を含む。前記スリープ条件は、前記イベントが検出されていないとの条件を含む。

具体的には、無線通信機起動／スリープ制御部５１は、通常は無線通信機３５をスリープ状態にしておき、ブレーキ圧センサ７７で検出したブレーキ圧が所定値を超えたとのイベントが検出されると無線通信機３５を起動状態にする。また、無線通信機起動／スリープ制御部５１は、振動センサ３１が検出する上下加速度が異常であると判定されると、無線通信機３５をスリープ状態から起動状態にし、無線通信機３５に送信動作を行わせる。

手ブレーキ状態判定部５２は、手ブレーキセンサ６７からの情報により、手ブレーキ機構６０が緩解状態であるか不緩解状態であるかを判定する。手ブレーキ状態判定部５２は、ブレーキ圧センサ７７で検出したブレーキ圧が所定値を超えたとのイベントが検出されていないときは、手ブレーキ機構６０が不緩解状態であると判定されても、無線通信機３５に送信指令を行わない。手ブレーキ状態判定部５２は、ブレーキ圧センサ７７で検出したブレーキ圧が所定値を超えたとのイベントが検出されているときに、手ブレーキ機構６０が不緩解状態であると判定されると、異常信号として不緩解信号を自己の子機ＩＤと共にブロードキャスト送信させる。

親機ユニット１２（図２参照）は、子機ユニット１３Ａ～Ｃからブロードキャスト送信された不緩解信号を機関車無線通信部２５で受信し、その不緩解信号の子機ＩＤをＩＤ編成認識部２３の対応関係表Ｘと照合する。親機ユニット１２は、受信した不緩解信号の子機ＩＤがＩＤ編成認識部２３の対応関係表Ｘの子機ＩＤと一致する場合には、自己の貨物列車１で異常が発生したと判定すると共に、どの連結位置の貨車で異常が発生したかを特定する。

以上のように、貨物列車１が編成されてから貨物列車１が発車するまでの間の発車準備状態の期間にフォーカスし、当該期間に発生するイベントが検出されないときは、子機ユニット１３Ａ～Ｃの無線通信機３５をスリープ状態にするので、無線通信機３５の消費電力が大幅に抑制される。即ち、貨物列車１が編成される前は手ブレーキ機構６０が不緩解状態であっても問題なく、且つ、貨物列車１が発車するときは手ブレーキ機構６０の緩解が確認された後であるため手ブレーキ機構６０の状態確認が不要である。

よって、発車準備状態の期間に発生するイベントが検出されるまでは無線通信機３５をスリープ状態にし、当該イベントが検出されると無線送信機３５をスリープ状態から起動状態する。そして、手ブレーキ機構６０が不緩解状態であることが検出されると、無線送信機３５に不緩解信号を送信させ、手ブレーキ機構６０が緩解状態であることが検出されると、無線通信機３５に緩解信号を送信させる。これにより、無線送信機３５の消費電力の低減と、発車前における手ブレーキ機構６０の不緩解状態の通知とが好適に実現される。

以上のように、無線通信機３５は、貨物列車１の編成後かつ発車前のイベント発生時、異常発生時（手ブレーキ不緩解、脱線発生等）、動作確認スイッチ３７のＯＮ時以外は、スリープ状態となることで、無線通信機３５を極力スリープ状態にしておくことができ、無線通信機３５の消費電力を好適に低減できる。

そして、貨物列車１の編成後で且つ貨物列車１の発車前の発車準備状態の期間には、通常はブレーキ圧を上昇させてブレーキシステムの正常確認を行う手順が定められており、当該手順を利用し、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）が貨車３Ａ（３Ｂ，３Ｃ）のブレーキ圧をブレーキ圧センサ７７から有線で受信することで、無線通信機３５を動作させることなく発車準備状態を把握することができる。よって、無線通信機３５の消費電力が更に低減される。

しかも、子機ユニット１３Ａ～Ｃの無線通信機３５は、手ブレーキセンサ６７により手ブレーキ不緩解が検出されると不緩解信号を親機ＩＤ宛てに指定送信するのではなく、不緩解信号を子機ＩＤと共にブロードキャスト送信するので、子機ユニット１３Ａ～Ｃは事前に親機ＩＤを受信する必要が無くなる。そのため、親機ユニット１２から親機ＩＤを受信するために子機ユニット１３Ａ～Ｃの無線通信機３５を受信待機状態にする必要がなくなり、子機ユニット１３Ａ～Ｃの通信動作を停止させておくことができる。よって、子機ユニット１３Ａ～Ｃの消費電力を低減でき、子機ユニット１３Ａ～Ｃに設ける電池Ｂの交換頻度を低減できる。

図６は、図３に示す子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の脱線判定に関する機能を説明するブロック図である。即ち図６は、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）のうち脱線判定にフォーカスした図面である。図６に示すように、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）のプロセッサ３３は、ソフトウェア的には、センサ制御部８１と、第１異常走行判定部８２と、第２異常走行判定部８３とを備える。これら各部８１～８３は、不揮発メモリに保存されたプログラムに基づいてプロセッサ３３が揮発性メモリを用いて演算処理することで実現される。

センサ制御部８１は、振動センサ３１の検出値が所定の閾値Ａを下回るときは、振動センサ３１にプロセッサ３３に向けた検出信号の送信動作を実施させない。センサ制御部８１は、振動センサ３１の検出値が閾値Ａを上回るときは、振動センサ３１にプロセッサ３３に向けた検出信号の送信動作を実施させる。

即ち、振動センサ３１は、異常発生が起こり得るとき（振動センサ３１の検出値が閾値を超えるとき）にプロセッサ３３に検出信号を送信してプロセッサ３３で異常の有無を判定する一方で、振動センサ３１は、異常発生が起こり得ないとき（振動センサ３１の検出値が閾値未満のとき）は、プロセッサ３３に検出信号を送信しない。よって、振動センサ３１によるプロセッサ３３への送信処理の機会と、プロセッサ３３によるセンサ検出値の異常判定処理の機会とを削減できる。よって、子機ユニット１３Ａ～Ｃの消費電力を低減でき、子機ユニット１３Ａ～Ｃに設ける電池Ｂの交換頻度を低減できる。

また、振動センサ３１が検出する上下加速度は、正常走行時において貨車３Ａ～Ｃの走行速度が上がるにつれて値が増加する傾向を有するので、閾値Ａが固定であると高速走行時の異常判定の精度が低下する可能性がある。そこで、センサ制御部８１は、走行センサ３２で検出される走行速度が増加するにつれて閾値Ａを段階的又は連続的に増加させる。それにより、正常な高速走行時に振動センサ３１がプロセッサに検出信号を送信する機会を減らし、消費電力を低減することができる。

更に、センサ制御部８１は、走行センサ３２で検出される走行速度が減少するにつれて、振動センサ３１から受信する検出信号のサンプリング周波数を段階的又は連続的に減少させる。即ち、低速走行時は単位時間あたりの走行距離が短いため、走行速度が減少するにつれて振動センサ３１の検出信号のサンプリング周波数を減少させることで、異常検出の精度低下を防ぎながらも消費電力の増加を抑制することができる。

また、貨物列車１の走行速度は急変し難いため、走行センサ３２のサンプリング周波数を小さくしても、走行速度の変化を検出し損ねる可能性は低い。そこで、センサ制御部８１は、振動センサ３１のサンプリング周波数や閾値Ａの変更のために参照する走行センサ３１のサンプリング周波数を、振動センサ３１のサンプリング周波数よりも小さくすることで、異常検出の精度低下を防ぎながらも走行センサ３１による電力消費を低減できる。

センサ制御部８１は、走行センサ３２で検出される走行速度がゼロであり貨物列車１が停止状態であると判定すると、振動センサ３１にスリープ状態になるように指令する。このように、異常による影響がない列車停止時には振動センサ３１をスリープ状態にすることで、振動センサ３１による電力消費を低減できる。

図７は、図３に示す子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の処理を説明するフローチャートである。以下、図７の流れに沿って適宜図３～６及び８を参照しながら説明する。まず、貨物列車１の貨車３Ａ～Ｃが車庫にあり、定期点検等が行われる段階で、作業者が動作確認端末機１５を用いて子機ユニット１３Ａ～Ｃの動作確認を行う。即ち、作業者が子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の動作確認スイッチ３７にケース３８の外側から磁石４１を近づけることで、動作確認スイッチ３７がＯＮになると（ステップＳ１：Ｎ）、それをトリガーとしてプロセッサ３３が動作確認を実施する（ステップＳ２）。

プロセッサ３３は、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）が正常動作しない場合には、送信不能でなければ無線通信機３５に異常動作信号を送信させ、正常動作することが確認されると無線通信機３５に正常動作信号を送信させる（ステップＳ３）。動作確認端末機１５がその正常動作信号を受信して出力器４４により正常動作確認済であることが出力されると、作業者は子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）が正常であることを確認できる。動作確認端末機１５による動作確認作業が終了して磁石４１が子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）から離されると、動作確認スイッチ３７がＯＦＦになる（ステップＳ１：Ｙ）。

次いで、手ブレーキ状態判定部５２は、手ブレーキセンサ６７からの情報により手ブレーキ機構６０が緩解されているか否かを判定する（ステップＳ４）。手ブレーキ機構６０が緩解状態である場合には（ステップＳ４：Ｙ）、ステップＳ９に進む。手ブレーキ機構６０が不緩解状態である場合には（ステップＳ４：Ｎ）、無線通信機起動／スリープ制御部５１がブレーキ圧センサ７７で検出されたブレーキ圧が前記所定値を超えたか否かを判定する（ステップＳ５）。ブレーキ圧が前記所定値を超えていない場合には（ステップＳ５：Ｎ）、無線通信機起動／スリープ制御部５１は無線通信機３５をスリープ状態に維持し、ステップＳ９に進む。

ブレーキ圧が前記所定値を超えた場合には（ステップＳ５：Ｙ）、それが所定時間以上続いたか否かを判定する（ステップＳ６）。ブレーキ圧が前記所定値を超えた状態が前記所定時間以上続かない場合には（ステップＳ６：Ｎ）、無線通信機起動／スリープ制御部５１は無線通信機３５をスリープ状態に維持し、ステップＳ９に進む。ブレーキ圧が前記所定値を超えた状態が前記所定時間以上続いた場合には（ステップＳ６：Ｙ）、無線通信機起動／スリープ制御部５１が無線通信機３５を起動し、手ブレーキ状態判定部５２が無線通信機３５に不緩解信号を子機ＩＤと共にブロードキャスト送信させる（ステップＳ７）。

子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）が親機ユニット１２から不緩解信号の受信確認を受信してない場合には、再び不緩解信号を子機ＩＤと共にブロードキャスト送信するためにステップＳ１に戻る（ステップＳ８：Ｎ）。子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）が親機ユニット１２から不緩解信号の受信確認を受信した場合には、ステップＳ９に進む。

次いで、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）のセンサ制御部８１は、走行センサ３２からの情報により貨物列車１が走行中であるか否かを判定する（ステップＳ９）。貨物列車１が走行中でない場合には（ステップＳ９：Ｎ）、センサ制御部８１は、振動センサ３１をスリープ状態にして異常走行監視を行わずにステップＳ１に戻る。貨物列車１が走行中である場合には（ステップＳ９：Ｙ）、振動センサ３１を起動状態にして異常走行の発生を監視する（ステップＳ１０）。

以下、異常走行監視の例として脱線監視について詳述する。図８は、脱線発生時に貨車３Ａ（３Ｂ，３Ｃ）に生じる上下加速度を示す振動波形グラフの例である。脱線発生時の振動波形では、脱線発生から数秒ほど経過した時点では大きなピーク値を示すものの、脱線発生直後の初期段階ではピーク値が十分に大きくならない。そこで本実施形態では、時間的に複数段階に分けて脱線判定が行われる。具体的には、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）のプロセッサ３３において、第１異常走行判定部８２が初期段階の脱線判定を行い、第２異常走行判定部８３がその後の後続段階の脱線判定を行う。

子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の記憶器３４には、貨車３Ａ（３Ｂ，３Ｃ）の異常走行時に生じる振動センサ３１の検出信号の波形に相当する異常走行波形のうち初期部分の波形パターンである複数の初期波形パターンを予め記憶している。この複数の初期波形パターンは、事前の実験又はシミュレーションにより複数種類の脱線の振動波形パターンを取得して、それら振動波形パターンのうち脱線発生から所定の初期期間（例えば、１～４秒）の部分を抽出したものである。

第１異常走行判定部８２は、振動センサ３１から受信した検出信号の波形と、記憶器３４に予め記憶された複数の初期波形パターンの各々との間の波形プロファイルの合致度を演算し、その合致度が所定の合致基準を満たすと異常走行が発生したと判定する。この判定には、公知のパターンマッチング技術を用いることができる。例えば、振動センサ３１の検出信号の波形と、記憶器３４に記憶された各初期波形パターンとの間の相関値が前記合致度として演算され、当該相関値が所定の基準を満たすと互いの波形が近似（合致）していると判断するパターンマッチングが行われる。

第１異常走行判定部８２は、振動センサ３１の検出信号の波形と、記憶器３４に記憶された各初期波形パターンとの間の合致度が所定の合致基準を満たす（例えば、合致度が所定の高閾値Ｔ₁以上である）ものがあれば、脱線が発生したと判定し（ステップＳ１１：Ｎ）、無線通信機３５をスリープ状態から起動状態にし、無線通信機３５に異常信号として脱線信号を子機ＩＤと共にブロードキャスト送信させる（ステップＳ１２）。このように、第１異常走行判定部８２によれば、脱線発生の初期段階で脱線を検知できるので、脱線検知速度を上げることができる。

振動センサ３１の検出信号の波形と、記憶器３４に記憶された各初期波形パターンとの間の合致度が高閾値Ｔ₁以上であると第１異常走行判定部８２により判定されない場合にも、第２異常走行判定部８３が、振動センサ３１の検出信号が所定の異常走行条件を満たすか否かを判定する。即ち、第１異常走行判定部８２と第２異常走行判定部８３との二段階で脱線判定するので、第１異常走行判定部８２が判別し切れない脱線状態を第２異常走行判定部８３により検知でき、脱線の検知精度が高くなる。

本実施形態では、第１異常走行判定部８２により前記合致度が高閾値Ｔ₁以上であると判定されなかった場合でも、前記合致度が中閾値Ｔ₂（Ｔ₂＜Ｔ₁）以上であると判定された場合には、第２異常走行判定部８３により脱線判定を行う。第２異常走行判定部８３の判定方法は種々考えられるが、その一例として第１異常走行判定部８２と同様にパターンマッチング技術が用いられる。

具体的には、記憶器３４は、貨車３Ａ（３Ｂ，３Ｃ）の異常走行時に生じる振動センサ３１の検出信号の波形に相当する異常走行波形のうち前記初期部分よりも後の波形パターンである複数の後続波形パターンを予め記憶している。この複数の後続波形パターンは、事前の実験又はシミュレーションにより複数種類の脱線の振動波形パターンを取得して、それら振動波形パターンのうち脱線発生から所定の初期期間（例えば、１～４秒）経過した後の部分を抽出したものである。

第２異常走行判定部８３は、振動センサ３１から受信した検出信号の波形と記憶器３４に記憶された各後続波形パターンとの合致度を演算し、その合致度が所定の合致基準を満たす（所定の閾値よりも高い）ものがあれば、脱線が発生したと判定する。このように、第２異常走行判定部８３においてもパターン判定を行うことで、単なる閾値判定に比べて検知精度を高めることができる。なお、第２異常走行判定部８３は、パターン判定の代わりに、振動センサ３１から受信した検出信号の値が所定の閾値を超えると脱線が発生したと判定する構成としてもよい。そうすれば、第２異常走行判定部８３の判定処理を速く行うことができる。

第１異常走行判定部８２及び第２異常走行判定部８３は、振動センサ３１の検出値が所定の判定開始閾値を下回るときは判定処理を行わない一方で、前記検出値が前記判定開始閾値を上回るときに判定処理を行う。こうすれば、第１異常走行判定部８２及び第２異常走行判定部８３は、異常発生が起こり得ないとき（即ち、振動センサ３１の検出値が判定開始閾値を下回るとき）は、判定処理を行わないので、子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の消費電力を削減できる。

また、前記判定開始閾値は、貨車３Ａ（３Ｂ，３Ｃ）の走行速度が増加するにつれて段階的又は連続的に増加するように設定される。こうすれば、走行速度が増加するにつれて増加する振動を監視する場合であっても、正常状態を誤って異常状態と判定する可能性を減らすことができる。

また、異常走行監視の例として、脱線以外の異常走行も監視するものとしてもよい。記憶器３４は、異常走行の種類に関連付けた複数の異常波形パターンを予め記憶する。これら異常波形パターンと異常走行の種類（例えば、車輪の脱線、車輪のフラット、軌道の異常、台車の動力伝達機構の回転異常等）との関連付けは、事前に実験又はシミュレーションにより得られたデータに基づいて行われる。

異常走行判定部８２，８３は、振動センサ３１の検出信号の波形と記憶器３４に記憶された各異常波形パターンとの合致度を演算し、その合致度が所定の合致基準を満たすものがあれば、その合致基準を満たした異常波形パターンに対応する異常走行が発生したと判定する。このように、異常走行の種類と関連付けて波形パターンを記憶器３４に記憶させておくことで、異常走行の発生のみならず異常走行の種類も特定することができる。なお、脱線以外の異常走行の発生の判定では、脱線判定のように初期波形パターンと後続波形パターンとの二段階に分けてパターンマッチングを実施してもよいし、初期波形と後続波形とに分けずに一段階でパターンマッチングを実施してもよい。

図９は、図２に示す親機ユニット１２の処理を説明するフローチャートである。図９のシーケンスは、運行路線上の各駅の発車前に実施される。以下、図９の流れに沿って適宜図１及び２を参照しながら説明する。まず、親機ユニット１２は、発車しようとする現在駅が、運行路線上の最初の出発駅であるか又は出発駅と終着駅との間の中間駅であるかを判定する（ステップＳ２１）。親機ユニット１２は、現在駅が出発駅又は中間駅ではない（即ち、終着駅である）と判定すると（ステップＳ２１：Ｎ）、当該シーケンスを終了する。現在駅が出発駅又は中間駅であると判定されると（ステップＳ２１：Ｙ）、親機ユニット１２は指令所１４に貨物列車１の編成情報（連結位置及び車両番号）を送信するように要求する（ステップＳ２２）。

次いで、親機ユニット１２は、サーバ１１にＩＤ対応関係情報（車両ＩＤ及び車両番号）を送信するように要求する（ステップＳ２３）。編成情報及びＩＤ対応関係情報を受信した親機ユニット１２は、前述した編成情報に関するＩＤ対応関係表Ｘを作成する（ステップＳ２４）。次いで、親機ユニット１２は、発車準備完了が入力されたか否かを判定する（ステップＳ２５）。運転士等から発車準備完了が入力されると（ステップＳ２５：Ｙ）、制御弁７３が動かされて個別ブレーキ管７６のブレーキ圧が上昇し、ブレーキ系統７０の動作確認が行われる（ステップＳ２６）。

このとき、機関車無線通信部２５が子機ユニット１３Ａ～Ｃの全てからブレーキ緩解信号を受信した場合には（ステップＳ２７：Ｎ）、演算部２４が状態出力部２６に出発ＯＫである旨を出力させる。他方、機関車無線通信部２５が手ブレーキ不緩解信号を受信した場合には（ステップＳ２７：Ｙ）、そのブレーキ不緩解信号の子機ＩＤをＩＤ編成認識部２３の対応関係表Ｘと照合する（ステップＳ２８）。機関車無線通信部２５が受信した不緩解信号の子機ＩＤがＩＤ編成認識部２３の対応関係表Ｘの子機ＩＤと一致しない場合には（ステップＳ２８：Ｎ）、演算部２４は、自己の貨物列車１ではブレーキ不緩解が発生していないと判断し、状態出力部２６に出発ＯＫである旨を出力させる。なお、ステップＳ２７において、機関車無線通信部２５が子機ユニット１３Ａ～Ｃの全てから手ブレーキ不緩解信号を受信しなかった場合に演算部２４が状態出力部２６に出発ＯＫである旨を出力してもよい。

他方、機関車無線通信部２５が受信した不緩解信号の子機ＩＤがＩＤ編成認識部２３の対応関係表Ｘの子機ＩＤと一致する場合には（ステップＳ２８：Ｙ）、演算部２４は、その不緩解信号を送信した子機ユニット１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）に受信確認信号を送信する（ステップＳ２９）。そして、演算部２４は、自己の貨物列車１でブレーキ不緩解が発生したと判定して且つどの連結位置の貨車でブレーキ不緩解が発生したかを特定し、その情報を指令所１４に送信して手ブレーキの緩解動作を指示する。

１貨物列車（編成列車）
２機関車（主車両）
３Ａ～Ｃ貨車（副車両）
１０車両情報通信システム
１１サーバ
１２親機ユニット
１３Ａ～Ｃ子機ユニット（監視ユニット／異常走行検知装置）
１５動作確認端末機
２１編成情報受信部（編成情報受信器）
２２ＩＤ対応関係受信部（ＩＤ対応関係受信器）
２３ＩＤ編成認識部（ＩＤ編成認識器）
３１振動センサ（車両状態センサ／物理量センサ）
３２走行センサ
３３プロセッサ
３４記憶器
３５無線通信機
３６電源回路
３７動作確認スイッチ
３８ケース
４１磁石（磁力発生源）
４２受信機
４４出力器
６０手ブレーキ機構
６７手ブレーキセンサ
７７ブレーキ圧センサ
８２第１異常走行判定部（第１異常走行判定器）
８３第２異常走行判定部（第１異常走行判定部）
Ｂ電池

Claims

車両に搭載された振動センサの検出信号に基づいて異常走行の発生を検知する装置であって、
前記車両の異常走行時に生じる前記検出信号の波形に相当する異常走行波形のうち初期部分の波形パターンである少なくとも１つの初期波形パターンを予め記憶した記憶器と、
前記振動センサから受信した検出信号の波形と前記初期波形パターンとの間の合致度を演算し、その合致度が所定の合致基準を満たすと異常走行が発生したと判定する第１異常走行判定器と、
前記第１異常走行判定器により前記異常走行が発生したと判定されない場合に、前記振動センサから受信した前記検出信号が所定の異常走行条件を満たすか否かを判定する第２異常走行判定器と、を備える、鉄道車両の異常走行検知装置。
前記記憶器は、前記異常走行波形のうち前記初期部分より後の波形パターンである少なくとも１つの後続波形パターンを更に予め記憶しており、
前記第２異常走行判定器は、前記振動センサから受信した前記検出信号の波形と前記後続波形パターンとの合致度を演算し、その合致度が所定の合致基準を満たすと前記異常走行が発生したと判定する、請求項１に記載の鉄道車両の異常走行検知装置。
前記少なくとも１つの後続波形パターンは、前記異常走行の種類に関連付けて前記記憶器に記憶された複数の後続波形パターンを含み、
前記第２異常走行判定器は、前記合致度が前記合致基準を満たすと判定した後続波形パターンに対応する前記異常走行の種類を特定する、請求項２に記載の鉄道車両の異常走行検知装置。
前記第２異常走行判定器は、前記振動センサから受信した前記検出信号の値が所定の閾値を超えると前記異常走行が発生したと判定する、請求項１に記載の鉄道車両の異常走行検知装置。
前記少なくとも１つの初期波形パターンは、前記異常走行の種類に夫々関連付けて前記記憶器に記憶された複数の初期波形パターンを含み、
前記第１異常走行判定器は、前記合致度が前記合致基準を満たすと判定した初期波形パターンに対応する前記異常走行の種類を特定する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鉄道車両の異常走行検知装置。
前記第１及び第２異常走行判定器は、前記振動センサの検出値が所定の判定開始閾値を下回るときは判定処理を行わない一方で、前記検出値が前記判定開始閾値を上回るときに前記判定処理を行い、前記判定開始閾値は、前記車両の走行速度が増加するにつれて増加するように設定される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鉄道車両の異常走行検知装置。