JP7402127B2

JP7402127B2 - 軌道の保守要否判断方法、保守要否判断装置および車両

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Publication number: JP7402127B2
Application number: JP2020113200A
Authority: JP
Inventors: 裕一牛尾; 祐一小出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: JP2022011823A

Description

本発明は、軌道の保守要否判断方法、保守要否判断装置および車両に関する。

鉄道の軌道の保守管理では、定期的に専用の軌道検測車両等を用いて軌道の変形（軌道不整）の波形データを取得し、当該波形データに含まれる著大値を検出して、その著大値と管理値（管理を行う上での目標値）の比較によって、軌道保守の実施要否を検討している。限られた保守リソースの中で軌道を管理するには、軌道に鉄道車両の乗り心地を低下させるような不整が生じていないかを確認し、乗り心地の低下が顕著な箇所を選定する必要がある。

特許文献１には、軌道不整データの著大値の変化速度のばらつきを、平均値と標準偏差として求め、新たに計測されたデータからベイズ推定を用いて将来の軌道不整を予測し、保守が必要な箇所を選定することが記載されている。特許文献２には、車両の振動加速度データのパワースペクトル密度（ＰｏｗｅｒＳｐｅｃｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ、ＰＳＤ）を用いて、乗り心地の感じ具合を考慮した上で軌道や車両の異常を検知することが記載されている。

特開２０１８－７６７２４号公報特開２０１９－１７７７８１号公報

人間の乗り心地の感じ具合は周波数によって異なるため、保守が必要な箇所を、この感じ方に基づき選定することが有効である。また、軌道不整は、車両の走行や保守状況によって変化するため、車両の走行区間で一様ではなく、ばらつきを有する。軌道の保守を計画する際に、車両の走行区間全体で、どの程度の大きさの軌道不整がどの程度の頻度で発生しているかを定量化し、その値を元に軌道の保守要否を決定することが有効である。

特許文献１は、軌道不整のばらつきを含めて、将来の軌道不整の変化を確率論的に予測するものである。軌道不整のばらつきを考慮して軌道の保守管理を行うものではあるが、周波数による乗り心地の感じ具合に基づく保守を行うことはできない。

また特許文献２は、車両の振動加速度データのＰＳＤを用いて、異常な箇所を検知するものであり、乗り心地の感じ具合に基づいて軌道の保守が必要な箇所を選定することができる。また、異常検知にはマハラノビズ距離を用いており、データのばらつきについても考慮している。しかし、車両の振動加速度データを用いているため、軌道不整だけでなく車両状態（車輪の摩耗や乗客数等）の影響も含まれたデータによる異常検知であり、軌道に起因する異常を切り分けられない。また、既存の軌道不整データと比較することができない。

そこで本発明の目的は、乗り心地の感じ具合に基づき、軌道不整のばらつきを考慮した上で、合理的に軌道の保守要否を判断する技術を提供することにある。

上記課題を解決するための代表的な本発明の軌道の保守要否判断方法の１つは、計測区間の波形データを小区間の波形データに分割するステップと、各小区間の波形データを周波数成分に分解したスペクトルを算出するステップと、周波数毎に周波数成分の分布を算出するステップと、周波数成分の分布からなるスペクトルがスペクトルの管理値を超える確率を算出するステップと、管理値を超える確率が確率の管理値を超える場合、軌道の保守が必要であると判断するステップと、を有する。

本発明によれば、人間の乗り心地の感じ具合を考慮できると共に、軌道不整のばらつきも踏まえて、合理的に軌道の保守要否を判断することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施例における処理フローを示すフローチャートである。軌道不整データの概要を示す図である。小区間のＰＳＤの算出方法を示す図である。ばらつきを考慮したＰＳＤの算出方法を示す図である。管理値を超える確率の算出方法を示す図である。第２の実施例における車両振動データを示す図である。第３の実施例における車両振動のＰＳＤを示す図である。第４の実施例における軌道検測装置と保守要否判断装置を備えた車両を示す図である。第５の実施例における保守要否判断装置を示す図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

まず、図１を用いて第１の実施例における処理フロー１００の概要を説明する。

図１において、１は軌道の検測により測定した軌道不整データであり、ステップ１０１では、軌道不整データ１を、細かな小区間に分割する。

ステップ１０２では、各小区間のＰＳＤを算出する。

ステップ１０３では、各小区間のＰＳＤから、ＰＳＤの頻度分布を算出し、ばらつきを考慮したＰＳＤ４を求める。

ステップ１０４では、ばらつきを考慮したＰＳＤ４とＰＳＤの管理値５を元に、管理値を超える確率７を算出する。

ステップ１０５では、管理値を超える確率７が、確率の管理値８を超えるか判定し、超える場合はステップ１０６に進み、超えない場合はステップ１０７に進む。

ステップ１０６では、軌道の保守が必要と判断する。

ステップ１０７では、軌道の保守は不要と判断する。
以下に、本フローの各処理の詳細について述べる。

次に、図２は軌道不整データ１の概要を示す図である。軌道不整データ１は、車両４０２が走行する軌道２０１において、保守要否を判定する区間にて軌道検測車等によって計測する。図２に軌道不整データの計測区間２０２を例示する。軌道不整データ１は、不整の計測位置とその位置での軌道の変形量の関係からなる波形データである。図２に、横軸に位置ｌ、縦軸に変形量ｄをとって、軌道不整データ１の波形を例示する。

次に、図３は小区間のＰＳＤ２を算出する方法を示す図である。軌道不整データ１を小区間２０３に細分化し、各小区間の軌道不整データ１をフーリエ変換し、小区間のＰＳＤ２を算出する。ここで、小区間のＰＳＤ２は、横軸が空間周波数Ｆ［１／ｍ］、縦軸が空間領域におけるＰＳＤＧ［ｍ^３］となる。人間の乗り心地の感じ具合は周波数ｆ［Ｈｚ］によって異なるため、これに合わせて小区間のＰＳＤ２を変換する。空間周波数Ｆは、車両の走行速度ｖを用いて、ｆ＝ｖＦにより周波数ｆに変換する。空間領域のＰＳＤＧは、周波数領域でのＰＳＤｇ［ｍ^２／Ｈｚ］に、ｇ＝Ｇ／ｖにより変換する。図３に、横軸に周波数ｆ、縦軸に周波数領域でのＰＳＤ、奥行方向に位置ｌをとって、小区間のＰＳＤ２を例示する。

次に、図４はＰＳＤの頻度分布３およびばらつきを考慮したＰＳＤ４の算出方法を示す図である。図３の小区間のＰＳＤ２の、ある周波数ｆｎでの小区間のＰＳＤ２と計測位置の関係から、ＰＳＤの値の発生頻度を求め、ＰＳＤの頻度分布３を求める。図４（ａ）に、横軸に位置ｌ、縦軸にＰＳＤをとって、ある周波数ｆｎでの小区間のＰＳＤ２と計測位置の関係を例示する。図４（ａ）は、図３に、奥行方向に位置ｌ、縦軸にＰＳＤをとって例示された、ある周波数ｆｎでの小区間のＰＳＤ２と計測位置の関係を再度示したものである。図４（ｂ）に、横軸に頻度ｏ、縦軸にＰＳＤをとって、ＰＳＤの頻度分布３を例示する。このＰＳＤの頻度分布３を小区間のＰＳＤ２の各周波数で算出し、各周波数でプロットすることで、ばらつきを考慮したＰＳＤ４を求める。図４（ｃ）に、横軸に周波数ｆ、縦軸にＰＳＤをとって、ばらつきを考慮したＰＳＤ４を例示する。

次に、図５は管理値を超える確率７を算出する方法を示す図である。管理値を超える確率７は、ばらつきを考慮したＰＳＤ４において、ＰＳＤの管理値５を超える部分の体積を求めることで算出する。ここで、ＰＳＤの管理値５は人間の乗り心地の感じ具合に合わせて、周波数に依存したものを設定する。図５（ａ）に、横軸に周波数ｆ、縦軸にＰＳＤをとって、ばらつきを考慮したＰＳＤ４がＰＳＤの管理値５を超える部分を黒の塗りつぶしにより例示する。

ＰＳＤの管理値５を超える部分の体積は、ＰＳＤの頻度分布３において、ＰＳＤの管理値を超えるＰＳＤの頻度７－１を求め、これをばらつきを考慮したＰＳＤ４の各周波数において算出、足し合わせることで求める。図５（ｂ）に、横軸に頻度ｏ、縦軸にＰＳＤをとって、ＰＳＤの管理値を超えるＰＳＤの頻度７－１を黒の塗りつぶしにより例示する。ここで、足し合わせた頻度を全頻度に対する割合とした確率にするため、ばらつきを考慮したＰＳＤ４の全体積で除す。ばらつきを考慮したＰＳＤ４の全体積は、ＰＳＤの管理値５をゼロと置いて、前述と同じように求める。

以上により求めた管理値を超える確率７と、確率の管理値８を比較し、確率の管理値８を超える場合は軌道保守の実施要と判断し、超えない場合は不要と判断する。

以上のフローによる第１の実施例による効果について述べる。まず軌道不整データ１をＰＳＤという周波数領域の情報に変換することで、周波数によって異なる人間の乗り心地の感じ具合を考慮して、軌道の保守要否の判定が可能となる。また、軌道不整データ１を小区間に分割し、小区間のＰＳＤ２から管理値を超える確率７を求めることで、軌道不整のばらつきによる不整量の大小の発生頻度を考慮した上で、保守要否を判定することが可能となる。

本実施例では、軌道不整データ１をＰＳＤに変換したが、周波数成分に分解したその他のスペクトルを用いても構わない。例えば、軌道不整データ１をＰＳＤに変換する過程において得られるフーリエスペクトルを用いても構わない。また、ばらつきを考慮したＰＳＤ４の算出には、ＰＳＤの頻度分布３を用いたが、ＰＳＤの頻度分布３の代わりに、この頻度分布に対応する確率密度関数を用いても構わない。この場合、管理値を超える確率７の算出に積分を用いても構わない。

次に、図６を用いて、第２の実施例を説明する。第１の実施例において既に示された構成と同一の符号を付与された、同一の機能を有する部分については説明を省略する。

第１の実施例では、軌道不整データ１を用いたが、第２の実施例では、車両の振動データ１－１を用いる点が主な変更点である。図６に車両振動データの計測区間２０２を例示する。車両振動データ１－１は、振動の計測時刻とその時刻での車両の振動量の関係からなる波形データである。図６に、横軸に時間ｔ、縦軸に振動量ｖａをとって、車両振動データ１－１の波形を例示する。人間の乗り心地は車両の振動によって決まり、軌道不整データ１の代わりに車両の振動データ１－１を用いることで、より人間の乗り心地に即した保守管理を行うことができる。車両振動データ１－１は軌道不整データ１と異なり、時間波形であるため、フーリエ変換により周波数領域でのＰＳＤが算出される。上記以外は、第１の実施例と同じ処理フロー１００により、保守要否を判定する。

第２の実施例では、車両の振動を直接評価することができる。

次に、図７を用いて、第３の実施例を説明する。第１の実施例において既に示された構成と同一の符号を付与された、同一の機能を有する部分については説明を省略する。

第１の実施例では、ばらつきを考慮したＰＳＤ４を用いて管理値を超える確率７を求めたが、第３の実施例では、車両振動のＰＳＤ４－１を用いる点が主な変更点である。車両振動のＰＳＤ４－１の算出方法を図７に示す。車両振動のＰＳＤ４－１は車両の伝達関数３００とばらつきを考慮したＰＳＤ４を乗じることで算出する。具体的には、ばらつきを考慮したＰＳＤ４の各周波数のＰＳＤ値に、車両の伝達関数３００の各周波数の応答倍率を乗じることで算出する。図７（ａ）に、横軸に周波数ｆ、縦軸にＰＳＤをとって、ばらつきを考慮したＰＳＤ４を例示し、図７（ｂ）に、横軸に周波数ｆ、縦軸に応答倍率ｒをとって、車両の伝達関数３００を例示し、図７（ｃ）に、横軸に周波数ｆ、縦軸にＰＳＤをとって、車両振動のＰＳＤ４－１を例示する。車両の伝達関数３００は、例えば車両モデルによる解析や実車両の試験により求めることが考えられる。

求めた車両振動のＰＳＤ４－１と車両振動のＰＳＤに対応した管理値５－１から、管理値を超える確率７を算出する。図７（ｃ）に、横軸に周波数ｆ、縦軸にＰＳＤをとって、車両振動のＰＳＤ４－１が車両振動のＰＳＤに対応した管理値５－１を超える部分を黒の塗りつぶしにより例示する。上記以外は、第１の実施例と同じ処理フロー１００により、保守要否を判定する。車両振動のＰＳＤ４－１を用いることで、より人間の乗り心地に即した保守管理を行うことができる。

第３の実施例では、軌道の不整に起因する車両の振動を評価することができきる。

次に、図８を用いて、第４の実施例を説明する。第１の実施例において既に示された構成と同一の符号を付与された、同一の機能を有する部分については説明を省略する。

第４の実施例では、軌道検測装置４００および保守要否判断装置４０１を有する鉄道車両４０２－１を用いる。軌道検測装置４００は鉄道車両４０２－１が軌道２０１を走行する際に、軌道不整データ１を計測するものである。保守要否判断装置４０１は、計測した軌道不整データ１を用いて、第１の実施例の処理フロー１００に基づき、軌道の保守管理要否を判定するものである。本実施例により、鉄道車両４０２－１を走行させるだけで、軌道の保守管理要否を簡便に把握することが可能となる。保守要否判断装置４０１は、第３の実施例の処理フローを用いても構わない。また、軌道検測装置４００に代えて振動計測装置を用いる場合には、保守要否判断装置４０１は、第２の実施例の処理フローを用いる。

第４の実施例では、車両を走行させるだけで軌道の保守管理要否を判断できる。

次に、図９を用いて、第５の実施例を説明する。第１の実施例ないし第４の実施例のいずれかにおいて既に示された構成と同一の符号を付与された、同一の機能を有する部分については説明を省略する。

実施例５は、計測した軌道不整データ１または車両振動データ１－１を用いて、第１の実施例ないし第３の実施例のいずれかの処理フローに基づき、軌道の保守管理要否を判定する保守要否判断装置４０１である。保守要否判断装置４０１は、第４の実施例のように車上に設置されてもよいし、地上に設置されてもよいし、持ち運びのできるものでもよい。

保守要否判断装置４０１は、計測区間２０２の波形データを入力可能な波形データ入力部５０１と、計測区間２０２の波形データから軌道の保守要否を判断する保守要否判断部５０２と、判断結果を出力可能な判断結果出力部５０３とを有する。波形データは、軌道不整の波形データ１でもよいし、車両振動の波形データ１－１でもよい。

保守要否判断部５０２は、計測区間２０２の波形データを小区間２０３の波形データに分割する分割部５０４と、各小区間２０３の波形データを周波数成分に分解したスペクトルを算出する第１の算出部５０５と、周波数毎に周波数成分の分布を算出する第２の算出部５０６と、周波数成分の分布からなるスペクトルがスペクトルの管理値を超える確率を算出する第３の算出部５０７と、管理値を超える確率が確率の管理値を超える場合、軌道の保守が必要であると判断する判断部５０８とを有する。スペクトルは、ＰＳＤでもよいし、フーリエスペクトルでもよい。分布は、頻度分布でもよいし、頻度分布に対応する確率密度関数でもよい。

保守要否判断装置４０１は、スペクトルの管理値を入力可能なスペクトルの管理値入力部５０９を有してもよいし、確率の管理値を入力可能な確率の管理値入力部５１０を有してもよいし、判断結果を記録可能な判断結果記録部５１１を有してもよい。判断結果出力部５０３は、判断結果を表示可能な判断結果表示部でもよい。

第５の実施例は、第１の実施例ないし第３の実施例のいずれかと同じ効果を奏する。

なお、本発明は、エレベータの軌道など、軌道一般の保守要否判断にも適用できる。また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…軌道不整データ、１－１…車両振動データ、２…小区間のＰＳＤ、３…ＰＳＤの頻度分布、４…ばらつきを考慮したＰＳＤ、４－１…車両振動のＰＳＤ、５…ＰＳＤの管理値、５－１…車両振動のＰＳＤに対応した管理値、７…Ａ：管理値を超える確率、８…Ｂ：確率の管理値、１００…処理フロー、１０１…小区間に分割、１０２…小区間のＰＳＤの算出、１０３…ＰＳＤの頻度分布算出、１０４…管理値を超える確率算出、１０５…Ａ＞Ｂ、１０６…軌道保守の実施要、１０７…軌道保守の実施不要、２０１…軌道、２０２…計測区間、２０３…小区間、３００…車両の伝達関数、４００…軌道検測装置、４０１…保守要否判断装置、４０２…鉄道車両、４０２－１…軌道検測装置と保守要否判断装置を有した鉄道車両、５０１…波形データ入力部、５０２…保守要否判断部、５０３…判断結果出力部、５０４…分割部、５０５…第１の算出部、５０６…第２の算出部、５０７…第３の算出部、５０８…判断部、５０９…スペクトルの管理値入力部、５１０…確率の管理値入力部、５１１…判断結果記録部

Claims

計測区間の波形データを入力可能な波形データ入力部と、
前記計測区間の波形データから軌道の保守要否を判断する保守要否判断部と、
判断結果を出力可能な判断結果出力部と、
を有する保守要否判断装置における軌道の保守要否判断方法であって、
前記計測区間の波形データを小区間の波形データに分割するステップと、
各小区間の波形データを周波数成分に分解したスペクトルを算出するステップと、
周波数毎に前記周波数成分の分布を算出するステップと、
前記周波数成分の分布からなるスペクトルがスペクトルの管理値を超える確率を算出するステップと、
前記管理値を超える確率が確率の管理値を超える場合、軌道の保守が必要であると判断するステップと、
を有する軌道の保守要否判断方法。
請求項１に記載の軌道の保守要否判断方法であって、
前記波形データは、軌道不整の波形データである、
軌道の保守要否判断方法。
請求項２に記載の軌道の保守要否判断方法であって、
前記周波数成分の分布からなるスペクトルは、軌道不整の周波数成分の分布からなるスペクトルに車両の伝達関数を乗じることで求めた、車両振動の周波数成分の分布からなるスペクトルである、
軌道の保守要否判断方法。
請求項１に記載の軌道の保守要否判断方法であって、
前記波形データは、車両振動の波形データである、
軌道の保守要否判断方法。
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の軌道の保守要否判断方法であって、
前記周波数成分の分布は周波数成分の頻度分布である、
軌道の保守要否判断方法。
請求項５に記載の軌道の保守要否判断方法であって、
前記周波数成分の分布からなるスペクトルがスペクトルの管理値を超える確率は、前記周波数成分の頻度分布からなるスペクトルの内、前記スペクトルの管理値を超える頻度が、全体の頻度に占める割合として算出される、
軌道の保守要否判断方法。
計測区間の波形データを入力可能な波形データ入力部と、
前記計測区間の波形データから軌道の保守要否を判断する保守要否判断部と、
判断結果を出力可能な判断結果出力部と、
を有する保守要否判断装置であって、
前記保守要否判断部は、
前記計測区間の波形データを小区間の波形データに分割する分割部と、
各小区間の波形データを周波数成分に分解したスペクトルを算出する第１の算出部と、
周波数毎に前記周波数成分の分布を算出する第２の算出部と、
前記周波数成分の分布からなるスペクトルがスペクトルの管理値を超える確率を算出する第３の算出部と、
前記管理値を超える確率が確率の管理値を超える場合、軌道の保守が必要であると判断する判断部と、
を有する保守要否判断装置。
請求項７に記載の保守要否判断装置であって、
前記波形データは、軌道不整の波形データである、
保守要否判断装置。
請求項８に記載の保守要否判断装置であって、
前記周波数成分の分布からなるスペクトルは、軌道不整の周波数成分の分布からなるスペクトルに車両の伝達関数を乗じることで求めた、車両振動の周波数成分の分布からなるスペクトルである、
保守要否判断装置。
請求項７に記載の保守要否判断装置であって、
前記波形データは、車両振動の波形データである、
保守要否判断装置。
請求項７ないし請求項１０のいずれか一項に記載の保守要否判断装置であって、
前記周波数成分の分布は周波数成分の頻度分布である、
保守要否判断装置。
請求項１１に記載の保守要否判断装置であって、
前記周波数成分の分布からなるスペクトルがスペクトルの管理値を超える確率は、前記周波数成分の頻度分布からなるスペクトルの内、前記スペクトルの管理値を超える頻度が、全体の頻度に占める割合として算出される、
保守要否判断装置。
計測区間の波形データを計測する波形データ計測装置と、
請求項７ないし請求項１２のいずれか一項に記載の保守要否判断装置と、
を有する車両。