JP7232171B2 - 軌道変位計測装置、軌道変位計測システム及び軌道変位計測方法 - Google Patents

Description

この開示は、軌道の変位を計測する技術に関する。

特許文献１は、車両に設けられた距離センサによって被測定レールまでの距離を測定すること、距離センサから出力される距離データに基づいて軌道変位を算出することが開示されている。また、特許文献１には、車両が被測定レールを走行する際、車両に揺動（揺れ）が発生すること、車両のうち距離センサの近くに加速度センサを設置し、加速度センサからの加速度データを二階積分することで、車両の変位量を求め、距離センサの計測データを、当該変位量分で補正して、揺動成分の影響を低減することが開示されている。

特開２０１４－２４０２６２号公報

軌道の変位を求める処理において、積分を行う処理が含まれていると、積分処理の際に演算値が発散してしまうことがある。これを回避するために、加速度データから低周波数成分をカットすることが考えられる。

しかしながら、この場合、大きい曲率半径を描く曲線軌道に対応する加速度成分もカットされてしまう。このため、当該曲線軌道に応じた曲線成分の影響を加味した軌道変位を測定することができなくなることがある。

そこで、本開示は、軌道の曲線がより反映された軌道変位を測定できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、軌道変位計測装置は、鉄道車両が走行する軌道の変位を計測する軌道変位計測装置であって、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号と、前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号とが入力される入力部と、前記動き検出信号に基づき積分演算を含む処理を行って前記軌道の第１変位を求め、前記回転運動検出信号に基づき前記軌道の第２変位を求め、前記第１変位と前記第２変位とに基づいて前記軌道の統合変位を求める処理部と、を備える。

上記課題を解決するため、軌道変位計測方法は、（ａ）軌道の変位に起因する鉄道車両の動きに応じた動き検出信号に基づいて積分演算を含む処理を行って前記軌道の第１変位を求めるステップと、（ｂ）前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号に基づいて前記鉄道車両の第２変位を求めるステップと、（ｃ）前記第１変位と前記第２変位とに基づいて前記軌道の統合変位を求めるステップと、を備える。

上記いずれの態様によっても、軌道の曲線がより反映された軌道変位を測定できる。

実施形態に係る軌道変位計測システムの全体構成を示す説明図である。 速度センサ、ジャイロセンサ及び軌道相対位置測定部を示すブロック図である。 軌道変位計測装置を示すブロック図である。 本システムにおけるデータの流れを示すデータフロー図である。 軌道変位計測装置における処理例を示すフローチャートである。 各変位の関係を概念的に示す説明図である。 比較結果を、表示部を通じて発報する例を示す説明図である。

以下、実施形態に係る軌道変位計測装置、軌道変位計測システム及び軌道変位計測方法について説明する。図１は軌道変位計測システム３０の全体構成を示す説明図である。

本システム３０の適用対象となる鉄道車両２０の一例について説明する。鉄道車両２０は軌道１６を走行する。軌道１６は、鉄道車両２０を経路に沿って導く路である。ここでは、軌道１６は、２つのレール１７、１７を含む。２つのレール１７、１７は、地上に枕木等を介して並行状態で敷設されていてもよい。軌道は、モノレールのように１本のレールが鉄道車両を案内するものであってもよい。軌道は、高架橋等によって地上よりも上方位置に設けられていてもよい。軌道は、地下に掘られたトンネル内に設けられていてもよい。

鉄道車両２０は、車体２２と台車２４とを備える。台車２４は、台車枠２５と、複数の車輪２６とを備える。複数の車輪２６は、台車枠２５の左右部位に車軸部を介して回転可能に支持されている。車軸部を支持する部分は軸箱と呼ばれることがある。なお、本実施形態において、鉄道車両２０の進行方向を前側、後退方向を後側ということがある。また、鉄道車両２０から進行方向を見た場合を基準として左右という場合がある。重力方向において重力が加わる側を下側、その反対側を上側という場合がある。左右の車輪２６は、それぞれ２つのレール１７によって案内されつつ当該レール１７上を走行する。台車２４が下方から車体２２を支持している。台車２４が軌道１６上を走行することで、車体２２を含む鉄道車両２０が軌道１６に沿って走行する。鉄道車両２０は、軌道１６を走行する車両であればよく、電車、貨物列車の機関車、貨車、旅客列車の機関車、客車のいずれであってもよい。貨車又は客車は、機関車によって牽引される付随車であってもよいし、自身が動力を有する動力車であってもよい。機関車は、電気機関車であってもよいし、ディーゼル機関車等の内燃機関車であってもよい。

軌道変位計測システムは、軌道１６の変位を計測するためのシステムである。計測対象となる軌道１６の変位は、例えば、軌道１６の上下変位及び左右変位の少なくとも一方である。軌道１６の状態を調べるための当該軌道１６の変位の計測は、検測と呼ばれることもある。

軌道変位計測システム３０は、速度センサ４１とジャイロセンサ４２と軌道相対位置測定部５０と、軌道変位計測装置６０とを備える。速度センサ４１とジャイロセンサ４２と軌道相対位置測定部５０とは、鉄道車両２０に設けられている。軌道変位計測装置６０は、管理基地１２に設けられている。管理基地１２は、鉄道車両２０とは異なる場所に設けられる。例えば、管理基地１２は、鉄道車両２０を監視するために地上に設けられた建築物である。速度センサ４１とジャイロセンサ４２と軌道相対位置測定部５０とは、通信網１３を介して、軌道変位計測装置６０における処理部に通信可能に接続されている。通信網１３は、有線式であっても無線式であってもよいしそれらの複合方式であってもよい。また、通信網１３は、公衆通信網であっても専用回線による通信網であってもよい。

ここでは、速度センサ４１とジャイロセンサ４２と軌道相対位置測定部５０からの各出力は、端末装置５８に与えられる。端末装置５８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、記憶部等を備えるコンピュータによって構成されており、速度センサ４１とジャイロセンサ４２と軌道相対位置測定部５０からの出力に基づく測定データ５８ａを記憶部に記憶する。端末装置５８は、測定データ５８ａを、通信装置５９を介して軌道変位計測装置６０に送信する。軌道変位計測装置６０は、測定データ５８ａに基づいて演算を行って鉄道車両２０が走行する軌道１６の変位を計測する。測定データ５８ａは、リアルタイムで軌道変位計測装置６０に送信されてもよいし、所定時間又は所定走行距離毎に、軌道変位計測装置６０に送信されてもよい。

鉄道車両２０に設けられる速度センサ４１とジャイロセンサ４２と軌道相対位置測定部５０とについて説明する。図２は鉄道車両２０に設けられた速度センサ４１とジャイロセンサ４２と軌道相対位置測定部５０とを示すブロック図である。

ジャイロセンサ４２は、動き検出信号出力部及び回転運動検出信号出力部の一例である。ここで、動き検出信号出力部は、軌道１６の変位に起因する鉄道車両２０の動きに応じた動き検出信号を出力する。また、回転運動検出信号出力部は、鉄道車両２０の回転運動に応じた回転運動検出信号を出力する。

より具体的には、ジャイロセンサ４２は、鉄道車両２０の角速度を検出し、当該角速度に応じた信号を出力する。本実施形態では、ジャイロセンサ４２は、ヨーレートセンサ４２ａ、ロールレートセンサ４２ｂ及びピッチレートセンサ４２ｃを含む。ヨーレートセンサ４２ａは、上下方向に沿ったヨー軸周りにおける鉄道車両２０のヨー角速度を検出する。ロールレートセンサ４２ｂは、前後方向に沿ったロール軸周りにおける鉄道車両２０のロール角速度を検出する。ピッチレートセンサ４２ｃは、左右方向のピッチ軸周りにおける鉄道車両２０のピッチ角速度を検出する。ジャイロセンサ４２からは、ヨー軸周りの角速度を示すヨーレート検出信号、ロール軸周りの角速度を示すロールレート検出信号、ピッチ軸周りの角速度を示すピッチレート検出信号が出力される。各センサ４２ａ、４２ｂ、４０ｃは、ジャイロ効果を利用するもの、コリオリの力を利用するもの等、如何なる方式で角速度を検出するものであってもよい。

本実施形態では、ジャイロセンサ４２は、左右加速度センサ４２ｄ、上下加速度センサ４２ｅ及び前後加速度センサ４２ｆを含む。左右加速度センサ４２ｄは、鉄道車両２０の左右方向の加速度を検出する。上下加速度センサ４２ｅは、鉄道車両２０の上下方向の加速度を検出する。前後加速度センサ４２ｆは、鉄道車両２０の前後方向の加速度を検出する。ジャイロセンサ４２からは、左右方向の加速度を示す左右加速度検出信号、上下方向の加速度を示す上下加速度検出信号及び前後方向の加速度を示す前後加速度検出信号が出力される。加速度センサ４２ｄ、４２ｅ、４２ｆは、加速度による位置変化によって加速度を検出するもの等、如何なる方式で加速度を検出するものであってもよい。

軌道１６が左右に変位すると鉄道車両２０が左右に揺れ、軌道１６が上下に変位すると鉄道車両２０が上下に揺れる。一対のレール１７が左右で相対的に変位すると、鉄道車両２０がロール軸周りに回転する。このため、左右加速度検出信号、上下加速度検出信号及びロールレート検出信号は、軌道１６の変位に起因する鉄道車両２０の動きに応じた動き検出信号の一例である。また、ジャイロセンサ４２は、動き検出信号出力部の一例である。

また、ヨーレート及びピッチレートは、鉄道車両２０の回転運動に応じた回転運動検出信号の一例である。このため、ジャイロセンサ４２は、回転運動検出信号出力部の一例である。

上記各センサ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆが１つのジャイロセンサとしてユニット化されていることは必須ではなく、如何なる単位で分割されて鉄道車両２０に組込まれてもよい。また、各センサ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆのうちの一部（例えば、前後加速度センサ４２ｆ）は省略されてもよい。

速度センサ４１は、鉄道車両２０の速度を検出するセンサである。速度センサ４１は、鉄道車両２０に組込まれた速度発電機であってもよい。速度センサ４１が設けられる代りに、鉄道車両２０にＧＰＳ（Global Positioning System）受信部が設けられてもよい。この場合、当該ＧＰＳ受信部の出力信号に基づいて求められる位置情報から鉄道車両２０の速度が求められてもよい。

軌道相対位置測定部５０は、鉄道車両２０に対する軌道１６の相対位置を検出して、その相対位置に応じた軌道相対位置信号を出力する。本実施形態では、軌道相対位置測定部５０は、照射部５２、撮像カメラ５４及び軌道座標演算部５６を備える。

照射部５２と撮像カメラ５４とは、２つのレール１７のそれぞれに対応して設けられている。照射部５２は、レール１７の上部及び内側側面に対してスリット光を照射する。撮像カメラ５４は、レール１７の上部及び内側側面であって上記スリット光が照射された部分を撮像するように設けられている。

軌道座標演算部５６は、ＣＰＵ等のプロセッサ、記憶部等を備えるコンピュータによって構成されている。プロセッサは、予め格納されたプログラムに従って処理を行うことで、上記撮像カメラ５４からの画像データに基づいてレール１７の上部及び内側面の座標を演算する。すなわち、上記レール１７の表面に照射されたスリット光の反射光が撮像カメラ５４で撮像され、撮像された画像データが軌道座標演算部５６に与えられる。軌道座標演算部５６は、画像データ中におけるスリット光の位置に基づき光切断法によりレール１７の表面座標、例えば、頭部の上面座標、頭部の内側側面座標等を求める。レール１７の位置は、例えば、鉄道車両２０を基準とし、鉄道車両２０の上下方向及び左右方向に平行な座標平面における座標として表現される。撮像カメラ５４の撮像データが管理基地１２の軌道変位計測装置６０に送信され、当該軌道変位計測装置においてレール１７の座標を求める処理が実行されてもよい。

軌道相対位置測定部５０としては、上記構成の他、レーザーセンサ、超音波センサ等、各種距離センサが用いられてもよい。

上記速度センサ４１、ジャイロセンサ４２及び軌道相対位置測定部５０は、鉄道車両２０において如何なる位置に設けられてもよい。例えば、ジャイロセンサ４２及び軌道相対位置測定部５０は、車体２２に設けられてもよいし、台車２４に設けられてもよい。ジャイロセンサ４２及び撮像カメラ５４は、鉄道車両２０における共通する部分、例えば、車体２２及び台車２４のうちのいずれかの共通する部分に設けられてもよい。この場合、ジャイロセンサ４２及び撮像カメラ５４が軌道１６に対して同じように動くため、ジャイロセンサ４２の出力に基づいて、撮像カメラ５４の姿勢をより正確に求めることができる。また、ジャイロセンサ４２が台車２４、特に軸箱に設けられれば、ジャイロセンサ４２が車体２２に設けられた場合と比較して、軌道１６の変位をリニアに反映した信号が出力される。

軌道変位計測装置６０について説明する。図３は軌道変位計測装置６０を示すブロック図である。軌道変位計測装置６０は、演算処理装置６２、記憶部６３及びＲＡＭ（Random access memory）等を備えるコンピュータによって構成されている。演算処理装置６２は、ＣＰＵ等のプロセッサにより構成される。記憶部６３は、ＨＤＤ（hard disk drive）、ＳＳＤ（Solid-state drive）等の不揮発性記憶装置によって構成されている。記憶部６３には、測定データ６３ａ、統合変位データ６３ｂ、基準データ６３ｃ、判定結果データ６３ｄ、変位演算プログラム６４等が格納されている。

測定データ６３ａは、鉄道車両２０における速度センサ４１、ジャイロセンサ４２、軌道相対位置測定部５０から送られた測定データである。測定データ６３ａは、例えば、２つのレール１７のそれぞれに対して、所定の基準位置からの距離と、各測定データとを対応付けたデータとして保存される。以下の説明において、単に軌道１６の変位という場合、レール１７のそれぞれの変位を意味することがある。統合変位データ６３ｂは、例えば、本軌道変位計測装置６０によって演算された統合変位を、所定の基準位置からの距離に対応付けたデータとして保存される。基準データ６３ｃは、例えば、測定された軌道１６の統合変位が正常か否かを判定するためのデータであり、例えば、所定の基準位置からの距離に、正常値又は正常範囲を対応付けたデータとして保存される。判定結果データ６３ｄは、例えば、統合変位が正常か否かを判定した結果データであり、所定の基準位置に対する位置又は範囲が正常か否かを特定するデータとして保存される。

変位演算プログラム６４は、統合変位を求めるためのプログラムであり、演算処理装置６２が変位演算プログラム６４に記述された処理を実行する。これにより、軌道変位計測装置６０は、処理部として軌道１６の統合変位を求める。変位演算プログラム６４は、例えば、処理モジュールとして、第１変位演算部６４ａ、第２変位演算部６４ｂ、統合変位演算部６４ｃ、ハイパスフィルタ６４ｄ及びローパスフィルタ６４ｅを備える。第１変位演算部６４ａは、動き検出信号に基づき積分演算を含む処理を行って軌道１６の第１変位を求めるモジュールである。第２変位演算部６４ｂは、回転運動検出信号に基づき軌道１６の第２変位を求めるモジュールである。統合変位演算部６４ｃは、第１変位と第２変位とに基づいて軌道１６の統合変位を求めるモジュールである。ハイパスフィルタ６４ｄは、動き検出信号の低周波数成分を減衰させる低周波数成分減衰部の一例である。ローパスフィルタ６４ｅは、回転運動検出信号の高周波数成分を減衰させる高周波数成分減衰部の一例である。

なお、軌道変位計測装置６０は管理基地１２に設けられる必要は無く、他の場所、例えば、鉄道車両２０に設けられてもよい。軌道変位計測装置６０の各処理は、複数のコンピュータによって分散されて実行されてもよい。この場合において、複数のコンピュータは、いずれの場所に設けられてもよい。

この軌道変位計測装置６０には、通信装置６８及び表示部６９が接続されている。通信装置６８は、通信網１３を介して端末装置５８と通信を行う装置である。通信装置６８を介して、上記速度センサ４１、ジャイロセンサ４２及び軌道相対位置測定部５０からの信号が入力される。通信装置６８は、動き検出信号と回転運動検出信号とが入力される入力部の一例である。また、通信装置６８は、鉄道車両２０に対する軌道１６の相対位置に応じた軌道相対位置信号が入力される入力部の一例でもある。さらに、通信装置６８は、回転運動検出信号として、鉄道車両２０の角速度に応じた角速度信号が入力される入力部の一例でもある。入力部は、速度センサ４１及びジャイロセンサ４２の少なくとも一方の検出信号が直接的に入力される入力回路であってもよい。

表示部６９は、例えば、液晶表示装置である。表示部６９は、固定箇所に設置される表示装置であってもよいし、持運び可能な表示装置であってもよい。表示部６９は、スマートフォン、タブレット端末装置であってもよい。軌道変位計測装置６０から送られるデータに基づく画像が、表示部６９に表示される。

軌道変位計測装置６０における処理例について、軌道１６の左右変位を求める処理を中心に説明する。図４は本システムにおけるデータの流れを示すデータフロー図である。以下の説明において、軌道１６の幅方向の統合変位は、軌道１６の延在方向において、第１波長範囲の第１変位と、第１波長範囲よりも大きい第２波長範囲の第２変位とが合さって表現されると考えることとする。第２波長範囲に属する波長は第１波長範囲に属する波長よりも大きいため、例えば、第２波長範囲の第２変位は、線路設計上表現される軌道１６のカーブ（例えば、曲率半径１００ｍ以上のカーブ）によって生じる変位であってもよい。第１波長範囲は、第２波長よりも小さいため、例えば、第１波長範囲の第１変位は、レール１７の変形（例えば，曲率半径１００ｍ未満、特に、数十ｍ程度）によって生じる変位であってもよい。カーブを描く軌道１６に対する変位の管理は、正矢によって管理されることがあり、以下の説明では、第２変位は曲線正矢と称される場合がある。また、第１変位は軌道１６が線路設計上カーブを描くか否かに関係なく測定される変位として、単に通り変位と称される場合がある。通り変位に曲線正矢を統合した統合変位を、曲線正矢を含む通り変位と称する場合がある。

同図に示すように、軌道相対位置測定部５０によって軌道１６の座標が求められる。ジャイロセンサ４２によって左右加速度、上下加速度、前後加速度、ヨーレート、ロールレート、ピッチレートが求められる。速度センサ４１によって速度が求められる。これらの各データは、鉄道車両２０から基地局側の軌道変位計測装置６０に与えられる。

左右加速度、上下加速度及びロールレートがハイパスフィルタ処理及び積分処理に供されることによって、撮像カメラ５４の姿勢が演算される。軌道１６の座標及び撮像カメラ５４の姿勢が通り変位演算処理に供されることによって、通り変位が演算される。通り変位は、例えば、軌道１６の側面（例えば、レール１７の内側側面）の変位（座標）によって表されてもよい。

また、ヨーレート及び速度がローパスフィルタ処理及び曲線正矢演算処理に供されることによって、曲線正矢が求められる。この曲線正矢と上記通り変位とが統合されることによって、曲線正矢を含む通り変位が求められる。

図５は軌道変位計測装置６０における処理例を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、左右加速度、上下加速度及びロールレートに対してハイパスフィルタ処理がなされる。例えば、上記ハイパスフィルタ６４ｄによって左右加速度データ列、上下加速度データ列及びロールレートデータ列に対してハイパスデジタルフィルタ処理を行う。これにより、左右加速度データ列、上下加速度データ列及びロールレートデータ列のうち高周波数成分が抽出され、低周波数成分が減衰される。本ステップＳ１が省略され、ジャイロセンサ４２から出力される左右加速度、上下加速度及びロールレートの各アナログ信号がアナログハイパスフィルタ回路に入力されてもよい。

次ステップＳ２において、左右加速度、上下加速度及びロールレートを積分演算して撮像カメラ５４の姿勢を求める。すなわち、ジャイロセンサ４２及び撮像カメラ５４は、共通する鉄道車両２０に設けられているため、ジャイロセンサ４２からの左右加速度、上下加速度及びロールレートは、撮像カメラ５４の左右加速度、上下加速度及びロールレートを示している。このため、例えば、左右加速度データ列及び上下加速度データ列のそれぞれに対して、数値積分を２回演算することで、撮像カメラ５４の左右及び上下の位置（座標）が演算される。また、例えば、ロールレートデータ列を数値積分することで、鉄道車両２０の上下方向及び左右方向に平行な座標平面における撮像カメラ５４の傾きが演算される。なお、撮像カメラ５４の左右及び上下の位置（座標）及び傾きは、例えば、停止中の鉄道車両２０の撮像カメラ５４の姿勢を基準として表される。

ステップＳ２の演算に供される左右加速度、上下加速度及びロールレートは、低周波数成分が低減されたデータである。このため、ステップＳ２において積分演算を行っても、結果値が発散することが抑制されている。

次ステップＳ３において、軌道相対位置測定部５０によって測定された相対位置と、ステップＳ２によって求められた撮像カメラ５４の姿勢に基づいて、通り変位が求められる。すなわち、軌道相対位置測定部５０によって測定された相対位置は、鉄道車両２０に対する軌道１６の座標である。そこで、相対位置を示す座標に対して、ステップＳ２で求められた撮像カメラ５４の左右位置、上下位置及び傾きに応じた分、逆方向に移動及び回転させるように、座標移動変換処理及び座標回転変換処理を行う。これにより、鉄道車両２０の姿勢の影響が排除された、軌道１６の通り変位（第１変位）が演算される。

ステップＳ２及びＳ３によって、上記相対位置に対して、動き検出信号に基づく積分演算を含む処理を行って、第１変位として通り変位が求められる。

次ステップＳ４において、ヨーレートに対してローパスフィルタ処理がなされる。例えば、上記ローパスフィルタ６４ｅによってヨーレートデータ列に対してローパスデジタルフィルタ処理を行う。これにより、ヨーレートデータ列のうち低周波数成分が抽出され、高周波数成分が減衰される。本ステップＳ４が省略され、ジャイロセンサ４２から出力されるヨーレートアナログ信号がアナログローパスフィルタ回路に入力されてもよい。

本ステップＳ４によって、ステップＳ１において減衰された周波数成分に対応する信号成分が抽出される。つまり、上記通り変位を求める処理では、ステップＳ２において積分演算を行う際に発散を避けるため、ステップＳ１においてハイパスフィルタ処理を行う。本ステップＳ４によって、ステップＳ１において減衰された周波数成分を補うための周波数成分が抽出される。ステップＳ１におけるカットオフ周波数としては、例えば、ステップＳ２における積分演算が発散を回避するのに適した値が選定される。ステップＳ４におけるカットオフ周波数としては、例えば、ステップＳ１において減衰された周波数成分を補うのに適した値が選定される。ステップＳ１におけるカットオフ周波数と、ステップＳ４におけるカットオフ周波数とは、例えば、０．１～１Ｈｚの範囲で設定されてもよい。ステップＳ１におけるカットオフ周波数と、ステップＳ４におけるカットオフ周波数とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。これらのカットオフ周波数は、フィルタ特性、設計上の軌道１６の最小半径、鉄道車両２０の速度（通常運行速度等）等を考慮して選定される。

次ステップＳ５において、回転運動検出信号に基づき軌道１６の第２変位として曲線正矢を求める。ここでは、鉄道車両２０の速度と、鉄道車両２０のヨーレートとに基づき、曲線正矢を求める。曲線正矢の算出方法を説明する。

ヨーレートをω、車両速度をｖ、軌道１６の曲率半径をＲ、曲線正矢をＶとすると、下記円運動の式（１）が成立する。

ｖ＝Ｒω・・・（１）
軌道１６の曲率をｋとすると、曲率ｋは下記式（２）で表される。

ｋ＝１／Ｒ・・・（２）
式（１）及び式（２）から下記式（３）が得られる。

ｋ＝ω／ｖ・・・（３）
また、曲率半径Ｒを描く軌道１６における曲線正矢Ｖの幾何学的関係から、曲線正矢Ｖは下記式（４）で求められる。なお、ｓは弦長である。

Ｖ＝ｓ^２／（８Ｒ）・・・（４）
式（２）を式（４）に代入すると、式（５）となる。

Ｖ＝ｋｓ^２／８・・・（５）
弦長ｓは、軌道１６の曲線正矢Ｖを評価する際の基準測定長であるから、任意に設定される一定値としてもよい。例えば、曲線正矢Ｖを測定するための弦長ｓは、１０ｍに設定されてもよい。弦長ｓが１０ｍであるとして、式（５）に式（３）を代入すると、式（６）が得られ、ヨーレートωと速度ｖとから曲線正矢Ｖを求めることができる。

Ｖ＝ｋ×１０^２／８＝１２．５×ｋ＝１２．５ω／ｖ・・・（６）
よって、ステップＳ５において、ジャイロセンサ４２からのヨーレートωと速度センサ４１からの速度ｖとに基づいて曲線正矢Ｖを求めることができる。

次ステップＳ６において、通り変位と曲線正矢とに基づいて軌道１６の統合変位として曲線正矢を含む通り変位を求める。ここでは、通り変位と曲線正矢とを加算することで、曲線正矢を含む通り変位を求めることができる。かかる統合変位を示す値は、軌道１６の実際の変位度合を示すことになるため、軌道１６の実際の状況を感覚的に把握するためのデータとして利用され得る。特に、曲線正矢は、既存の評価方法において、軌道１６の変位を把握する基準として用いられることがあるため、その基準を利用して軌道１６の状態を把握することができる。なお、統合変位は、軌道１６の変位を評価する評価値として求められればよい。このため、統合変位が、第１変位と第２変位との和として求められることは必須ではない。例えば、第１変位と第２変位とが減算されたり、積算されたりして、統合変位が求められてもよい。

求められた軌道１６の統合変位は、軌道１６の位置に対応付けた統合変位データ６３ｂとして記憶部６３に記憶される。軌道１６の位置は、例えば、所定の基準位置に対する距離（例えばキロ程）によって規定されてもよい。

図６は通り変位と曲線正矢と曲線正矢を含む通り変位との関係を概念的に示す説明図である。同図に示すように、各軌道１６の変位を示すデータは、所定の基準位置に対する距離と変位とを対応付けたデータである。ステップＳ１からＳ３では、ハイパスフィルタ処理がなされているため、小さい波長成分に対応する通り変位が演算される。また、ステップＳ５及びＳ６ではローパスフィルタ処理がなされているため、大きい波長成分に対応する曲線正矢が演算される。そして、ステップＳ７において、通り変位と曲線正矢とを加算することで、通り変位の振幅と曲線正矢の振幅との両方が反映された曲線正矢を含む通り変位が求められる。

軌道変位計測装置６０は、変位演算プログラムに従い、統合変位データ６３ｂを基準データ６３ｃと比較し、比較結果を、発報部としての表示部６９を通じて発報する処理を行ってもよい。例えば、図７に示すように、統合変位データ６３ｂが軌道１６の位置（距離）に統合変位を対応付けたデータとして記憶され、基準データ６３ｃが軌道１６の位置（距離）に基準変位を対応付けたデータとして記憶される。離散化された距離毎に、統合変位と基準変位とを比較する。統合変位が基準変位を基準とする条件を満たさない場合に、当該距離における統合変位が不適合であり、当該条件を満たす場合に統合変位が適合であると判定してもよい。例えば、条件は、統合変位が基準変位に対して±所定値の範囲内であることであってもよい。基準変位が数値の範囲で規定されており、条件が、統合変位が当該基準範囲内であることであってもよい。比較結果は、例えば、軌道１６の位置（距離）に適合か不適合かを対応付けた判定結果データ６３ｄとして記憶されてもよい。

表示部６９による比較結果の表示としては、軌道１６における不適合箇所を特定可能な表示であってもよい。例えば、軌道１６及び駅名１４等が表示された路線図８０において、不適合箇所が矢印８２等で示された画像が表示部６９に表示されてもよい。不適合箇所の表示は、その他、軌道１６における不適合箇所の色を他の箇所の色とは変えること、軌道１６のキロ程と適合、不適合を対応付けたリストを表示することによってなされてもよい。発報部は、音声を発する発音体、印刷媒体を出力する印刷装置等であってもよい。

このように構成された軌道変位計測装置６０、軌道変位計測システム３０及び軌道変位計測方法によると、動き検出信号（ここでは、左右加速度信号、上下加速度信号、ロールレート信号）に基づいて積分演算を含む処理を行って軌道１６の第１変位（通り変位）を求める。また、回転運動検出信号（ここではヨーレート信号）に基づいて軌道１６の第２変位（曲線正矢）を求める。このため、積分演算を含む処理によって求めるのに適した変位と、積分演算を含む処理よりとは異なる処理によって求めるのに適している変位とを別々の処理によって求めることができる。そして、別々に求められた第１変位と第２変位とを等誤合うして統合変位（曲線正矢を含む通り変位）を求めることができる。これにより、軌道１６の大小の曲線がより正確に反映された軌道変位を測定できる。

また、軌道相対位置測定部５０によって求められる鉄道車両２０に対する軌道１６の相対位置に対して、動き検出信号（ここでは、左右加速度信号、上下加速度信号、ロールレート信号）に基づく積分演算を含む処理を行って、第１変位（通り変位）を求めるため、軌道の変位に起因する鉄道車両２０の動きの影響をなるべく排除して、軌道１６の第１変位（通り変位）を求めることができる。

また、ハイパスフィルタ６４ｄによって、動き検出信号（ここでは、左右加速度信号、上下加速度信号、ロールレート信号）の低周波数成分を減衰させているため、上記積分演算を行う際、演算結果が発散することが抑制される。

また、第１変位（通り変位）には、主にハイパスフィルタ６４ｄによって減衰され難い高周波数成分に応じた変位が反映される。そこで、ローパスフィルタ６４ｅによって、回転運動検出信号（ここではヨーレート信号）の高周波数成分を減衰させる。これにより、第２変位には、ローパスフィルタ６４ｅによって減衰され難い低周波数成分に応じた変位が反映される。これらの第１変位と第２変位とを統合して統合変位を求めることで、軌道１６の大小の曲線がより正確に反映された軌道変位を測定できる。

また、鉄道車両２０の速度と鉄道車両２０の角速度（ここではヨーレート）とに基づいて、積分演算を行わなくても、第２変位を求めることができる。

このような統合変位は、撮像カメラ５４、ジャイロセンサ４２等の出力に基づいて求められる。このため、軌道検測車等の専用車両ではない鉄道車両２０によっても、低コストで軌道１６の変位を測定することができる。

また、軌道１６の統合変位を統合変位データ６３ｂとして記憶部６３に記憶することで、軌道１６の変位の計測結果を、軌道１６の位置に対応付けたデータとして保存することができる。

また、統合変位データ６３ｂを基準データ６３ｃと比較し、比較結果を発報部としての表示部６９を通じて発報することで、軌道１６の変位を容易に知ることができ、その結果にメンテナンスを容易に行うことができる。

軌道変位計測装置６０が管理基地１２に設けられているため、管理基地１２にて、軌道１６の変位を監視できる。

本実施形態では、主に軌道１６の左右方向の変位を測定する場合が説明されたが、軌道１６の高さ方向の変位についても同様に求められる。例えば、第１変位、即ち、幅方向の通変位に対応する高低変位については、上記実施形態と同様の処理によって求めることができる。また、第２変位、即ち、高さ方向の曲線正矢については、上記ヨーレートに基づく演算を、ピッチレートに基づく演算とすることで、求めることができる。そして、統合変位、即ち、高さ方向の曲線正矢を含む高さ変位については、それらの高低変位と高さ方向の曲線正矢とに基づいて、上記と同様に求めることができる。

本実施形態では、軌道変位計測装置６０が管理基地１２に設けられる例が説明されたが、軌道変位計測装置６０は、鉄道車両２０に組込まれてもよい。

なお、上記実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組合わせることができる。

上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

本開示は、下記各態様を含む。

第１の態様は、鉄道車両が走行する軌道の変位を計測する軌道変位計測装置であって、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号と、前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号とが入力される入力部と、前記動き検出信号に基づき積分演算を含む処理を行って前記軌道の第１変位を求め、前記回転運動検出信号に基づき前記軌道の第２変位を求め、前記第１変位と前記第２変位とに基づいて前記軌道の統合変位を求める処理部と、を備える。

この軌道変位計測装置によると、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号によって、積分演算を含む処理によって、第１変位を求めることができる。積分処理を含む処理よりも別の処理によって求めることが適している変位については、前記回転運動検出信号に基づき前記軌道の第２変位として求めることができる。そして、第１変位と第２変位とに基づいて統合変位を求めることができる。これにより、軌道の曲線がより正確に反映された軌道変位を測定できる。

第２の態様は、第１の態様に係る軌道変位計測装置であって、前記入力部に、前記鉄道車両に対する前記軌道の相対位置に応じた軌道相対位置信号が入力され、前記処理部は、前記軌道相対位置信号に基づく前記鉄道車両に対する前記軌道の相対位置に対して、前記動き検出信号に基づく前記積分演算を含む処理を行って、前記第１変位を求める。これにより、軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きの影響をなるべく排除して、軌道の第１変位を求めることができる。

第３の態様は、第１又は第２の態様に係る軌道変位計測装置であって、前記動き検出信号の低周波数成分を減衰させる低周波数成分減衰部をさらに備える。この場合、前記動き検出信号に基づく積分演算を行う際、演算結果が発散することが抑制される。

第４の態様は、第３の態様に係る軌道変位計測装置であって、前記回転運動検出信号の高周波数成分を減衰させる高周波数成分減衰部をさらに備える。第１変位には、主に低周波数成分減衰部によって減衰されない高周波数成分に応じた変位が反映される。第２変位には、主に高周波数成分減衰部によって減衰されない低周波数成分に応じた変位が反映される。これらの第１変位と第２変位とを統合して統合変位を求めることで、軌道の曲線がより反映された軌道変位を測定できる。

第５の態様は、第１から第４のいずれか１つの態様に係る軌道変位計測装置であって、前記回転運動検出信号として前記鉄道車両の角速度に応じた角速度信号が入力され、前記処理部は、前記鉄道車両の速度と、前記角速度信号に基づく前記鉄道車両の角速度とに基づき、前記第２変位を求める。この場合、前記鉄道車両の速度と角速度とに基づき、前記第２変位を求めることができる。

第６の態様は、第１から第５のいずれか１つの態様に係る軌道変位計測装置であって、前記処理部により求められた前記軌道の統合変位を、前記軌道の位置に対応付けた統合変位データを記憶する記憶部をさらに備える。これにより、軌道の計測結果を軌道の位置に対応付けて保存することができる。

第７の態様は、第１から第６のいずれか１つの態様に係る軌道変位計測装置であって、前記統合変位を基準値と比較し、比較結果を発報する発報部をさらに備える。これにより、統合変位を基準値と比較した結果を容易に知らせることができる。

第８の態様に係る軌道変位計測システムは、第１から第７のいずれか１つの態様に係る軌道変位計測装置と、前記鉄道車両に設けられ、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号を出力する動き検出信号出力部と、前記鉄道車両に設けられ、前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号を出力する回転運動検出信号出力部と、を備える。これにより、鉄道車両に設けられた動き検出信号出力部と回転運動検出信号出力部とに基づいて軌道変位を求めることができる。

第９の態様は、第８の態様に係る軌道変位計測システムであって、前記処理部が管理基地に設けられており、前記動き検出信号出力部と前記回転運動検出信号出力部とが通信網を介して前記処理部に通信可能に接続されている。これにより、管理基地にて、軌道の変位を監視できる。

第１０の態様に係る軌道変位計測方法は、（ａ）軌道の変位に起因する鉄道車両の動きに応じた動き検出信号に基づいて積分演算を含む処理を行って前記軌道の第１変位を求めるステップと、（ｂ）前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号に基づいて前記鉄道車両の第２変位を求めるステップと、（ｃ）前記第１変位と前記第２変位とに基づいて前記軌道の統合変位を求めるステップと、を備える。

この方法によると、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号に基づいて積分演算を含む処理によって第１変位を求めることができる。積分処理を含む処理よりも別の処理によって求めることが適している変位については、鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号に基づいて軌道の第２変位として求めることができる。そして、第１変位と第２変位とに基づいて統合変位を求めることができる。これにより、軌道の曲線がより反映された軌道変位を測定できる。

第１１の態様は、第１０の態様に係る軌道変位計測方法であって、前記ステップ（ａ）において、前記鉄道車両に対する前記軌道の相対位置を求め、前記軌道の前記相対位置に対して、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号に基づいて前記積分演算を含む前記処理を行って、前記第１変位を求める。この場合、軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きの影響をなるべく排除して、軌道の第１変位を求めることができる。

第１２の態様は、第１０又は第１１の態様に係る軌道変位計測方法であって、（ｄ）前記ステップ（ａ）よりも前に前記動き検出信号の低周波数成分を減衰させるステップをさらに備える。前記動き検出信号に基づく積分演算を行う際、演算結果が発散することが抑制される。

第１３の態様は、第１２の態様に係る軌道変位計測方法であって、（ｅ）前記ステップ（ｂ）よりも前に前記回転運動検出信号の高周波数成分を減衰させるステップをさらに備える。第１変位には、主に低周波数成分減衰部によって減衰されない高周波数成分に応じた変位が反映される。第２変位には、主に高周波数成分減衰部によって減衰されない低周波数成分に応じた変位が反映される。これらの第１変位と第２変位とを統合して統合変位を求めることで、軌道の曲線がより正確に反映された軌道変位を測定できる。

第１４の態様は、第１０から第１３のいずれか１つの態様に係る軌道変位計測方法であって、前記ステップ（ｂ）において、前記鉄道車両の速度と、前記鉄道車両の角速度とに基づき、前記第２変位を求める。これにより、前記鉄道車両の速度と角速度とに基づき、前記第２変位を求めることができる。

第１５の態様は、第１０から第１４のいずれか１つの態様に係る軌道変位計測方法であって、（ｆ）前記統合変位を基準値と比較し、比較結果を発報するステップをさらに備える。これにより、統合変位を基準値と比較した結果を容易に知ることができる。

１２ 管理基地
１６ 軌道
１７ レール
２０ 鉄道車両
３０ 軌道変位計測システム
４１ 速度センサ
４２ ジャイロセンサ
４２ａ ヨーレートセンサ
４２ｂ ロールレートセンサ
４２ｃ ピッチレートセンサ
４２ｄ 左右加速度センサ
４２ｅ 上下加速度センサ
５０ 軌道相対位置測定部
５８ａ 測定データ
６０ 軌道変位計測装置
６２ 演算処理装置
６３ 記憶部
６３ａ 測定データ
６３ｂ 統合変位データ
６３ｃ 基準データ
６３ｄ 判定結果データ
６４ 変位演算プログラム
６４ａ 第１変位演算部
６４ｂ 第２変位演算部
６４ｃ 統合変位演算部
６４ｄ ハイパスフィルタ
６４ｅ ローパスフィルタ
６９ 表示部
８０ 路線図
８２ 矢印

Claims (13)

1. 鉄道車両が走行する軌道の変位を計測する軌道変位計測装置であって、
   前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号と、前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号とが入力される入力部と、
   前記動き検出信号に基づき積分演算を含む処理を行って前記軌道の第１変位を求め、前記回転運動検出信号に基づき前記軌道の第２変位を求め、前記第１変位と前記第２変位とに基づいて前記軌道の統合変位を求める処理部と、
   を備え、
   前記回転運動検出信号として前記鉄道車両の角速度に応じた角速度信号が入力され、
   前記処理部は、前記鉄道車両の速度と、前記角速度信号に基づく前記鉄道車両の角速度とに基づき、前記第２変位を求める、軌道変位計測装置。
2. 請求項１に記載の軌道変位計測装置であって、
   前記入力部に、前記鉄道車両に対する前記軌道の相対位置に応じた軌道相対位置信号が入力され、
   前記処理部は、前記軌道相対位置信号に基づく前記鉄道車両に対する前記軌道の相対位置に対して、前記動き検出信号に基づく前記積分演算を含む処理を行って、前記第１変位を求める、軌道変位計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の軌道変位計測装置であって、
   前記動き検出信号の低周波数成分を減衰させる低周波数成分減衰部をさらに備える、軌道変位計測装置。
4. 請求項３に記載の軌道変位計測装置であって、
   前記回転運動検出信号の高周波数成分を減衰させる高周波数成分減衰部をさらに備える、軌道変位計測装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の軌道変位計測装置であって、
   前記処理部により求められた前記軌道の統合変位を、前記軌道の位置に対応付けた統合変位データを記憶する記憶部をさらに備える軌道変位計測装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の軌道変位計測装置であって、
   前記統合変位を基準値と比較し、比較結果を発報する発報部をさらに備える軌道変位計測装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の軌道変位計測装置と、
   前記鉄道車両に設けられ、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号を出力する動き検出信号出力部と、
   前記鉄道車両に設けられ、前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号を出力する回転運動検出信号出力部と、
   を備える軌道変位計測システム。
8. 請求項７に記載の軌道変位計測システムであって、
   前記処理部が管理基地に設けられており、
   前記動き検出信号出力部と前記回転運動検出信号出力部とが通信網を介して前記処理部に通信可能に接続されている、軌道変位計測システム。
9. （ａ）軌道の変位に起因する鉄道車両の動きに応じた動き検出信号に基づいて積分演算を含む処理を行って前記軌道の第１変位を求めるステップと、
   （ｂ）前記鉄道車両の回転運動に応じた回転運動検出信号に基づいて前記軌道の第２変位を求めるステップと、
   （ｃ）前記第１変位と前記第２変位とに基づいて前記軌道の統合変位を求めるステップと、
   を備え、
   前記ステップ（ｂ）において、前記鉄道車両の速度と、前記鉄道車両の角速度とに基づき、前記第２変位を求める、軌道変位計測方法。
10. 請求項９に記載の軌道変位計測方法であって、
    前記ステップ（ａ）において、前記鉄道車両に対する前記軌道の相対位置を求め、前記軌道の前記相対位置に対して、前記軌道の変位に起因する前記鉄道車両の動きに応じた動き検出信号に基づいて前記積分演算を含む前記処理を行って、前記第１変位を求める、軌道変位計測方法。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の軌道変位計測方法であって、
    （ｄ）前記ステップ（ａ）よりも前に前記動き検出信号の低周波数成分を減衰させるステップをさらに備える、軌道変位計測方法。
12. 請求項１１に記載の軌道変位計測方法であって、
    （ｅ）前記ステップ（ｂ）よりも前に前記回転運動検出信号の高周波数成分を減衰させるステップをさらに備える、軌道変位計測方法。
13. 請求項９から請求項１２のいずれか１つに記載の軌道変位計測方法であって、
    （ｆ）前記統合変位を基準値と比較し、比較結果を発報するステップをさらに備える、軌道変位計測方法。

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