JPWO2019026297A1 - 異常検知装置、異常検知システム、および異常検知方法 - Google Patents

異常検知装置、異常検知システム、および異常検知方法 Download PDF

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Abstract

【課題】軌道の異常を検知可能な異常検知装置異常検知装置を提供する。【解決手段】軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量が閾値を超えた時刻を示す閾値超過時刻、および閾値超過時刻における駆動系の軌道走行車両に対する位置を示す駆動系位置を取得する取得部と、軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について取得部により取得された複数の閾値超過時刻および閾値超過時刻における駆動系位置に相関性があるか否かを判定する判定部と、判定部による判定結果に基づいて出力を行う出力部と、を備え、出力部は、判定部により相関性があると判定された場合、軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力する。

Description

本発明は異常検知装置、異常検知システム、および異常検知方法に関し、例えば軌道を走行する軌道走行車両に適用して好適なものである。
軌道走行車両は、摩擦の少ない軌道を走行することから、輸送に必要なエネルギーが少なく、社会インフラの１つとなっている。一方、駆動系または軌道の異常が発生すると、同じ軌道上を走行する他の軌道走行車両にも影響が及ぶことから、異常を漏らさずに検知することが求められている。しかしながら、専用装置を用いた異常検知作業は、コストが掛かることから、軌道走行車両の営業運転と並行して異常を検知できる技術が開発されている。
例えば、左右の車輪をそれぞれ駆動する２つのモータの電流を観測し、電流値の差が閾値を超えた場合、駆動系に異常があると判断する技術が開示されている（特許文献１参照）。さらに、特許文献１に記載の技術では、軌道位置に基づいて直線時とカーブ時との電流閾値を変更することによって、カーブ時での内輪と外輪との速度差による電流値の差を許容し、カーブ時での異常誤検知を防止している。
特開２０１５−４２１０６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、異常検知の対象が軌道走行車両の駆動系のみであり、軌道の異常を検知できない。また、軌道が摩耗あるいは破断した場合において、モータの電流波形は、正常時とは異なるが、特許文献１に記載の技術では、これを駆動系の異常として誤検知する。このため、正常であるはずの駆動系に掛かる検査費用が無駄となる。また、駆動系の異常として誤検知して軌道の異常を見逃した場合には、軌道走行車両が脱線するおそれがある。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、軌道の異常を検知可能な異常検知装置、異常検知システム、および異常検知方法を提案しようとするものである。
かかる課題を解決するため本発明においては、軌道を走行する軌道走行車両に係る異常を検知する異常検知装置であって、前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量が閾値を超えた時刻を示す閾値超過時刻、および前記閾値超過時刻における前記駆動系の前記軌道走行車両に対する位置を示す駆動系位置を取得する取得部と、前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記取得部により取得された複数の閾値超過時刻および前記閾値超過時刻における駆動系位置に相関性があるか否かを判定する判定部と、前記判定部による判定結果に基づいて出力を行う出力部と、を備え、前記出力部は、前記判定部により相関性があると判定された場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力するようにした。
また本発明においては、軌道を走行する軌道走行車両であって、前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量が閾値を超えた時刻を示す閾値超過時刻、および前記閾値超過時刻における前記駆動系の前記軌道走行車両に対する位置を示す駆動系位置を取得する取得部と、前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記取得部により取得された複数の閾値超過時刻および前記閾値超過時刻における駆動系位置に相関性があるか否かを判定する判定部と、前記判定部による判定結果に基づいて出力を行う出力部と、を備え、前記出力部は、前記判定部により相関性があると判定された場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力するようにした。
また本発明においては、軌道を走行する軌道走行車両に係る異常を検知する異常検知装置が実行する異常検知方法であって、前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量が閾値を超えた時刻を示す閾値超過時刻、および前記閾値超過時刻における前記駆動系の前記軌道走行車両に対する位置を示す駆動系位置を取得する第１のステップと、前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記第１のステップで取得された複数の閾値超過時刻および前記閾値超過時刻における駆動系位置に相関性があるか否かを判定する第２のステップと、前記第２のステップでの判定結果に基づいて信号を出力する第３のステップと、を備え、前記第３のステップでは、前記第２のステップで相関性があると判定した場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力するようにした。
また本発明においては、軌道を走行する軌道走行車両に係る異常を検知する異常検知装置であって、前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量、および前記特徴量が測定された前記軌道における位置を示す軌道位置を取得する取得部と、前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記取得部により取得された複数の物理量および前記物理量が取得された軌道位置に依存性があるか否かを判定し、前記複数の軌道位置のうち物理量が閾値を超える軌道位置の間隔が一定であるか否かを判定し、前記閾値を超える軌道位置の物理量が時間経過に伴って増加しているか否かをする判定部と、前記判定部による判定結果に基づいて出力を行う出力部と、を備え、前記出力部は、前記判定部により依存性があると判定され、一定でないと判定され、増加していると判定された場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力するようにした。
本発明によれば、軌道の異常を検知可能な異常検知装置、異常検知システム、および異常検知方法を実現することができる。
第１の実施の形態における異常検知システムの構成の一例を示す図である。 第１の実施の形態における軌道走行車両の構成の一例を示す図である。 第１の実施の形態におけるモータの電流波形を示す図である。 第１の実施の形態における異常検知装置が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。 第１の実施の形態における閾値超過時刻と駆動系位置との関係を示す図である。 第１の実施の形態における軌道異常および駆動系異常の模式図である。 第２の実施の形態における異常検知装置が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。 第２の実施の形態における継目および軌道異常の模式図である。 第２の実施の形態における継目における相関性の関係および軌道異常における相関性の関係を示す図である。 第３の実施の形態における異常検知装置が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。 第３の実施の形態における車輪異常、ギア異常、およびモータ異常の模式図である。 第３の実施の形態における車輪異常における閾値超過時刻と駆動系位置との関係、ギア異常における閾値超過時刻と駆動系位置との関係、およびモータ異常における閾値超過時刻と駆動系位置との関係を示す図である。 第４の実施の形態における異常検知装置が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。 第４の実施の形態における駆動系異常における特徴量と軌道位置との関係、および軌道異常・継目・ポインタにおける特徴量と軌道位置との関係を示す図である。 第４の実施の形態における軌道異常、継目、およびポインタの模式図である。 第４の実施の形態における軌道異常における特徴量と軌道位置との関係、およびポインタにおける特徴量と軌道位置との関係を示す図である。 第４の実施の形態における軌道異常、ポインタ、および継目がある場合の特徴量と軌道位置との関係を示す図である。
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
（１）第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態における異常検知システム１００の構成の一例を示す図である。異常検知システム１００は、軌道走行車両１などの複数の軌道走行車両、および複数の軌道走行車両と通信可能な上位システム２０を含んで構成される。なお、複数の軌道走行車両の各々の構成は、基本的に同じであるので、本実施の形態では、軌道走行車両１を例に挙げて説明する。かかる異常検知システム１００では、軌道２を走行する軌道走行車両１に係る異常（軌道走行車両１の異常、軌道２の異常など）が検知される。
軌道走行車両１は、車両１ａ〜１ｎから構成され、車輪３ａ〜３ｋを備え、例えば車両速度ｖで軌道２上を走行する。なお、本実施の形態では、軌道走行車両１の先端を基準とした場合の各車輪軸までの距離（相対的位置）を駆動系位置ｙａ〜ｙｋとして説明する。
上位システム２０は、軌道走行車両１の走行を制御するための指令（ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令、停止指令、縮退指令など）を生成して軌道走行車両１に送信したり（指令部の一例）、軌道走行車両１から送信されたデータを受信して記録したりする。上位システム２０の機能（指令部、後述の特定部など）は、ＣＰＵがメモリのプログラムを読み出して実行することにより実現されてもよいし、専用回路などのハードウェアにより実現されてもよいし、その他の方法により実現されてもよい。
なお、上位システム２０については、適宜の構成を採用することができる。例えば、上位システム２０の構成としては、軌道走行車両ごとにコンピュータが設けられ、更にこれら全てのコンピュータを管理するコンピュータが設けられてもよいし、その他の構成であってもよい。また、例えば、上位システム２０の一部の構成要素は、軌道走行車両１に設けられてもよいし、上位システム２０および軌道走行車両１とは別途に設けられていてもよい。
図２（Ａ）は、軌道走行車両１の１台分（車両１ａ）の構成の一例を示す図である。なお、軌道走行車両１の車両１ａ以外の他の車両１ｂ〜１ｎについては同様の構成であるので、図示およびその説明については省略する。
車両１ａは、車輪３ａ〜３ｄ、モータ４ａ〜４ｄ、インバータ５ａ〜５ｄ、ギア６ａ〜６ｄ、および異常検知装置８を含んで構成される。例えば、駆動源であるモータ４ａのトルクは、インバータ５ａによって制御され、ギア６ａを経由して車輪３ａへ伝えられる。なお、インバータ５ａは、主回路５ａ１と制御回路５ａ２とから構成される。
本実施の形態では、全ての車輪３ａ〜３ｄにモータ４ａ〜４ｄおよびインバータ５ａ〜５ｄが備わっている場合を例示しているが、少なくとも前後の２つの車輪にモータおよびインバータが備わっている場合には、軌道２の異常検知を実現可能である。以下では、車輪３ａ、モータ４ａ、およびギア６ａを駆動系７ａとして定義し、車輪３ｂ、モータ４ｂ、およびギア６ｂを駆動系７ｂとして定義し、軌道２および駆動系７ａ，７ｂを対象とした異常検知について主に説明する。なお、駆動系７ｃ〜７ｋ（図示省略）の異常検知についても同様に実施可能である。
異常検知装置８は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、パソコン等である。図２（Ｂ）に示す異常検知装置８の機能（取得部、判定部、出力部、調整部など）は、例えば、設計者が構成を設定できる集積回路により実現されてもよいし、ＣＰＵがメモリのプログラムを読み出して実行することにより実現されてもよいし、専用回路などのハードウェアにより実現されてもよいし、その他の方法により実現されてもよい。
例えば、異常検知装置８は、インバータ５ａ，５ｂと通信可能に接続され、インバータ５ａ，５ｂを介してモータ４ａ，４ｂまたはインバータ５ａ，５ｂに流れる電流等の物理量を取得し（取得部の一例）、取得した物理量に基づいて軌道２および駆動系７ａ，７ｂの異常を検知（判定）する（判定部の一例）。
また、例えば、異常検知装置８は、上位システム２０と通信可能に接続され、各種の情報を送受信（例えば、後述の軌道異常信号、駆動系異常信号等を送信したり、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令、停止指令、縮退指令等を受信したり）する（出力部の一例）。
異常検知に係る主な構成要素は、以上の通りである。次に、異常検知の問題点について説明する。
図３（Ａ）は、軌道２または駆動系７ａに異常が生じた場合のモータ４ａのＵ相電流ｉｕ−４ａの電流波形を示す図であり、図３（Ｂ）は、軌道２または駆動系７ｂに異常が生じた場合のモータ４ｂのＵ相電流ｉｕ−４ｂの電流波形を示す図である。
閾値±ｉｕＸは、軌道２および駆動系７ａ，７ｂが正常である場合にＵ相電流ｉｕ−４ａ，ｉｕ−４ｂが収まる範囲を示し、例えば、モータ４ａの定格電流値に基づいて設定できる。なお、軌道２の異常としては、摩耗、破断などがある。駆動系７ａの異常としては、車輪３ａの変形、車輪３ａの軸受の焼き付き、モータ４ａの回転軸変形、ギア６ａの歯の欠損などがある。
軌道２または駆動系７ａの異常は、どちらも最終的にはモータ４ａへの外乱トルクとなるが、モータ４ａのトルクとモータ４ａの電流が比例関係にあるので、電流波形として現れる。例えば、時刻ｔ１において軌道２または駆動系７ａの異常が発生すると、Ｕ相電流ｉｕ−４ａは、閾値ｉｕＸを超過する。これは、モータ４ｂのＵ相電流ｉｕ−４ｂについても同様である。
ここで問題となるのは、Ｕ相電流ｉｕ−４ａの観測によって異常を検知したとき、その原因を軌道２と駆動系７ａとの何れか一方に限定できないことである。このため、保守作業員は、軌道２と駆動系７ａとの両方を検査する必要があり、作業時間が増加してしまう。作業時間を減らすには、Ｕ相電流ｉｕ−４ａ，ｉｕ−４ｂの観測によって異常検知し、さらに異常原因を特定できる必要がある。
なお、上述の内容は、Ｕ相電流に限られるものではなく、Ｖ相電流、Ｗ相電流についても同様である。
異常検知の問題点は、以上の通りである。次に、異常検知を行う異常検知装置８の動作原理（異常検知方法の一例）ついて説明する。
図４は、異常検知装置８が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。図４（Ａ）に示すフローチャート８ａは、電流観測用のフローチャートであり、図４（Ｂ）に示すフローチャート８ｂは、異常検知用のフローチャートであり、それぞれ独立に繰り返し処理される。ただし、フローチャート８ａ，８ｂに示す処理内容は、異常検知装置８の実装例の一態様であり、図４の軌道異常・駆動系異常判別フローの直前、すなわちフロー（Ａ０）の段階において後述の閾値超過時刻および駆動系位置のデータがあれば、それ以前のフローについては任意である。
フローチャート８ａに示すように、異常検知装置８は、Ｕ相電流を観測する（ステップＳ１０）。続いて、異常検知装置８は、Ｕ相電流の特徴量が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ１２）。異常検知装置８は、超えていると判定した場合、そのときの時刻（以下、閾値超過時刻）および閾値超過の駆動系番号を記録し（ステップＳ１４）、超えていないと判定した場合、処理を終了する。駆動系番号は、駆動系７ａ〜７ｋを一意に識別可能な情報であり、駆動系番号には、駆動系位置が紐づけられている。
ここで、特徴量とは、物理量（例えば、Ｕ相電流）の最大値、物理量の実効値、物理量のバンドパスフィルタ値、物理量のフーリエ解析（例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform等）による特定周波数成分、物理量についての統計的手法によるデータ処理結果などであり、物理量の観測値を直接用いる場合に比べて異常検知の精度を高めることができる。
同様に異常検知の精度を高めるために、以下の観測対象を追加してもよい。また、その代わりにＵ相電流の観測を中止してもよい。
電気データ：モータ４ａ〜４ｋの三相交流電流、モータ４ａ〜４ｄの三相交流電圧、モータ４ａ〜４ｄのｄ軸電流、モータ４ａ〜４ｄのｑ軸電流、モータ４ａ〜４ｄのｄ軸電圧、モータ４ａ〜４ｄのｑ軸電圧
機械データ：駆動系７ａ〜７ｄの回転速度、駆動系７ａ〜７ｄのトルク、駆動系７ａ〜７ｄの振動、駆動系７ａ〜７ｄの騒音
制御ソフトウェア変数：ｄ軸電流指令偏差、ｑ軸電流指令偏差
上記のｄ軸電流指令偏差とは、例えば、制御回路５ａ２の制御ソフトウェア変数の１つであり、同じく制御ソフトウェア変数のｄ軸電流指令（上位システム２０から送信される指令値）とモータ４ａのｄ軸電流（実測値）との偏差である。ｑ軸電流指令偏差についても同様である。ｄ軸電流指令偏差、ｑ軸電流指令偏差などの制御指令と制御対象量との偏差を示す制御ソフトウェア変数は、正常状態ではゼロであり、異常状態に移行するときに増加するので、異常検知のための観測対象として適している。
また、フローチャート８ｂに示すように、異常検知装置８は、閾値超過時刻および駆動系番号のデータが十分であるか否か（所定数あるか否か）を判定する（ステップＳ２０）。異常検知装置８は、データが所定数あると判定した場合、ステップＳ２２に処理を移し、データが所定数ないと判定した場合、処理を終了する。なお、所定数とは、複数の閾値超過時刻および駆動系位置に相関性があるか否かを判定するために必要な数をいう。例えば、軌道走行車両１の車両速度ｖが既知とした場合は、この車両速度ｖに閾値超過時刻および駆動系位置が合っているか否かにより判定できるので、少なくとも２点のデータ（閾値超過時刻および駆動系位置が２セット）があると相関性の判定が可能となる。
ステップＳ２２では、異常検知装置８は、閾値超過時刻および駆動系番号のデータを読み込む。続いて、異常検知装置８は、閾値超過時刻と駆動系位置の相関性を調べ（ステップＳ２４）、相関性があると判定した場合、軌道２に異常（軌道異常）があることを示す軌道異常信号を出力し（ステップＳ２６）、相関性がないと判定した場合、駆動系７ａ〜７ｄに異常（駆動系異常）があることを示す駆動系異常信号を出力し（ステップＳ２８）、処理を終了する。
なお、出力とは、上位システム２０に信号を送信することであってもよいし、軌道走行車両１とは異なる他の軌道走行車両に信号を送信することであってもよいし、軌道走行車両１に設けられるディスプレイ、警告灯等（図示しない）に判定結果を示すことであってもよいし、その他の出力であってもいし、これらの組合せであってもよい。
図５は、閾値超過時刻ｔａ〜ｔｋと駆動系位置ｙａ〜ｙｋとの関係の例について示す。図５（Ａ）は、軌道異常における閾値超過時刻ｔａ〜ｔｋと駆動系位置ｙａ〜ｙｋとの関係の一例を示す図であり、図５（Ｂ）は、駆動系異常における閾値超過時刻ｔａ〜ｔｋと駆動系位置ｙａ〜ｙｋとの関係の一例を示す図である。以下では、閾値の超過に関するログを閾値超過ログと適宜称する。
例えば、図６（Ａ）に示す軌道異常９ａを車輪３ａ〜３ｋが車両速度ｖで通過するので、図５（Ａ）に示す点（ｔａ，ｙａ）〜（ｔｋ，ｙｋ）は、傾きｖの直線上に並ぶ。
一方、例えば、図６（Ｂ）に示す駆動系異常９ｂ１〜９ｂ４がある場合、傾きｖの直線上に並ぶというような規則性は見られず、閾値の超過は、ランダムな時刻で発生する。
すなわち、軌道異常９ａがある場合と駆動系異常９ｂ１〜９ｂ４がある場合との差は、閾値超過時刻と駆動系位置との相関性の有無となって現れる。そこで、フローチャート８ｂでは、異常検知装置８は、複数の閾値超過時刻および駆動系位置に相関性がある場合には、軌道異常信号を出力し、相関性がない場合には駆動系異常信号を出力する。
ここで、図５（Ａ）の点（ｔａ，ｙａ）〜（ｔｋ，ｙｋ）が傾きｖの直線上に並ぶのは、車両速度ｖが一定である場合に限られる。車両速度ｖの変化が無視できない場合、異常検知装置８は、例えば、車両加速度ｐの積分曲線上に点（ｔａ，ｙａ）〜（ｔｋ，ｙｋ）が重なるときには軌道異常信号を出力し、重ならないときには駆動系異常信号を出力する。
軌道異常９ａと駆動系異常９ｂ１〜９ｂ４との差が閾値超過時刻および駆動系位置の相関性の有無となって現れることは、図６（Ｂ）において一部の車輪（例えば、車輪３ａ）のみに異常が発生した場合でも同様である。また、軌道異常９ａと駆動系異常９ｂ１〜９ｂ４とが同時に発生している場合、相関性に従って軌道異常９ａに関するデータを先に抜き出し、残りのデータから駆動系異常９ｂ１〜９ｂ４の有無を判別することも可能である。
異常検知装置８の動作原理は、以上の通りである。かかる構成によれば、軌道異常と駆動系異常とを判別できるので、保守作業時間を短縮できるようになる。以下、異常検知装置８の有効性を高めるための手段について説明する。
例えば閾値超過時刻および駆動系位置の記録データ量を削減するために、以下を実施してもよい。
（ｉ）上位システム２０にデータセンタ（データサーバ等）を構築し、データセンタは、複数の軌道走行車両の記録データを集約する。データの集約後にデータ圧縮技術を適用することにより、例えば幾つかの軌道走行車両に共通する異常検知に係るデータを見つけて圧縮することにより、軌道走行車両ごとにデータ圧縮技術を適用する場合よりもデータ量を全体として削減できる。データセンタには、記録データの他、軌道異常信号および駆動系異常信号の出力ログを集約してもよい。なお、データセンタについては、建屋内に構築してもよく、特定の軌道走行車両に構築してもよい。
（ｉｉ）異常検知装置８が動作するのは、特定の時間帯または場所とする。例えば、始発電車または最終電車のみで異常検知装置８を動作させてもよいし、登坂、カーブなどの軌道２の摩耗が進行しやすい場所のみで異常検知装置８を動作させてもよい。
（ｉｉｉ）異常検知装置８は、特定の軌道走行車両のみに搭載してもよい。
（ｉｖ）異常検知装置８は、フローチャート８ａの演算周期を変更可能であり、特徴量が閾値を超えたあとの所定期間のみ演算周期を短くしてもよい。
また、例えば異常検知の精度を高めるために、上記（ｉ）のデータ集約後においては、上位システム２０は、複数の軌道走行車両の記録データを用いて軌道異常信号を出力してもよい。例えば、上位システム２０は、個々の軌道走行車両の記録データから得られた軌道異常の位置を互いに照合することによって、軌道異常の発生個所（異常個所）を高精度に推定（特定）できるようになる（特定部の一例）。
また、例えば異常誤検知を防止するために、異常検知装置８は、気温、湿度などの環境条件に関する環境データを測定し、測定結果に基づいて閾値を調整してもよい（調整部の一例）。例えば、低温時においては、軌道２が縮み、軌道２の継目やポインタなどの隙間が増大するので、軌道走行車両１がそれらを通過したときに閾値の超過が発生するおそれがある。その場合、異常検知装置８は、正常であるはずの継目やポインタを軌道異常９ａとして誤検知する。そこで、気温に応じて閾値が調整されることによって誤検知を防止できる。また、モータ４ａ〜４ｋが磁石モータである場合、温度によってトルク定数が変化し、同じトルクでの正常運転時においても電流値が変化する。ゆえに、この場合においても、異常検知装置８は、温度に対して閾値を調整することが望ましい。
また、例えばより安全な車両運行を実現するために、異常検知装置８は、軌道異常９ａを検知した場合には近隣（例えば、後方）の軌道走行車両、上位システム２０（例えば、鉄道運航管理システム）などに異常検知信号を送信してもよい。なお、鉄道運航管理システムは、上位システム２０に含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。また、上位システム２０は、駆動系異常９ｂ１〜９ｂ４を検知した場合には該当駆動系を停止または縮退運転させることが望ましい。当該駆動系を停止させた場合においても、当該軌道走行車両に正常な駆動系が残っている場合、上位システム２０は、正常な駆動系によって近傍の駅または整備場まで移動する指令を当該軌道走行車両に送信するようにしてもよい。
以上のように、本実施の形態によれば、記録データ量の削減、異常検知の精度の向上、異常誤検知の防止、より安全な車両運行を行うことができる。
（２）第２の実施の形態
図７は、第２の実施の形態における異常検知装置８が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。ただし、第１の実施の形態と同等の点については、図示およびその説明を適宜に省略する。本実施の形態では、図４に示す（Ａ１）、（Ａ２）から後の処理を図７に示すフローチャートの処理に置き換えることによって、異常検知装置８は、軌道異常と継目とを判別できるようになる。その動作原理を以下で説明する。
図８（Ａ）は、継目１０を示す模式図であり、図８（Ｂ）は、軌道異常９ａを示す模式図である。継目１０は、軌道２の異常ではないが、継目１０によっても閾値超過が発生する可能性があるので、継目１０と軌道異常９ａとを判別する構成を採用することが好ましい。
継目１０と軌道異常９ａとの差は、それらの位置間隔であり、継目１０の位置間隔は、一定であるが、軌道異常９ａの位置間隔は、ランダムとなる。このため、図９（Ａ）に示すように、継目１０がある場合では、閾値超過時間ｔａ１〜ｔｋ１と駆動系位置ｙａ〜ｙｋの相関性α１が観測された後、相関性α２〜α４が一定の閾値超過周期ΔＴで観測される。一方、軌道異常９ａがある場合には、図９（Ｂ）に示すように、相関性β１が観測された後、相関性β２、β３がランダムな閾値超過周期ΔＴ１、ΔＴ２で観測される。
そこで、図７のフローチャート（軌道異常・継目判別フロー）に示すように、異常検知装置８は、閾値超過時刻および駆動系位置の相関性の周期性の有無を判定する（ステップＳ３０）。例えば、異常検知装置８は、継目１０の間隔が既知である場合、少なくとも２つ以上の相関性に基づいて周期性の有無を判定し、継目１０の間隔が不明である場合、少なくとも３つ以上の相関性に基づいて周期性の有無を判定する。異常検知装置８は、周期性があると判定した場合、軌道２の継目１０を示す継目検知信号を出力し（ステップＳ３２）、周期性がないと判定した場合、軌道異常信号を出力し（ステップＳ３４）、処理を終了する。なお、ステップＳ２８では、異常検知装置８は、第１の実施の形態と同様に、駆動系異常信号を出力する。
本実施の形態における異常検知装置８の動作原理は、以上の通りである。かかる構成によれば、第１の実施の形態の効果に加え、継目による軌道異常の誤検知を防止し、保守費用を削減できるようになる。
（３）第３の実施の形態
図１０は、第３の実施の形態における異常検知装置８が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。ただし、第１の実施の形態と同等の点については、図示およびその説明を適宜に省略する。本実施の形態では、図４に示す（Ａ１）、（Ａ２）から後の処理を図１０に示すフローチャートの処理に置き換えることによって、異常検知装置８は、駆動系７ａ〜７ｄにおける異常箇所を特定できるようになる。その動作原理を以下で説明する。
ここで、駆動系７ａ〜７ｋの異常は、車輪３ａ〜３ｋ、ギア６ａ〜６ｋ、モータ４ａ〜４ｋの異常に分類される。ただし、複数の異常が同時に発生する場合もある。以下では、駆動系７ａに車輪異常９ｂ１（図６の同記号と同じ意味）が発生し、駆動系７ｂにギア異常９ｃが発生し、駆動系７ｄにモータ異常９ｄが発生した場合を例に挙げて説明する。図１１（Ａ）は、車輪異常９ｂ１を示し、図１１（Ｂ）は、ギア異常９ｃを示し、図１１（Ｃ）は、モータ異常９ｄを示す図である。図１１（Ｂ）のギア異常としては、車輪側のギア異常９ｃ'も考えられるが、これが発生した場合の結果については図１１（Ａ）の車輪異常９ｂ１と同様であるので、説明を省略する。
図１２は、車輪異常９ｂ１、ギア異常９ｃ、モータ異常９ｄに係る閾値超過ログを示す図である。車両速度ｖが一定であるとする場合、各異常原因がモータ４ａ〜４ｄに与える影響は周期的となり、図１２に示すように異常個所（異常原因）ごとに異なる周期Ｔ１〜Ｔ３で閾値超過が観測される。
閾値超過周期Ｔ１〜Ｔ３については、以下のように導出される。
（閾値超過周期Ｔ１）
図１２に示す閾値超過周期Ｔ１は、車輪３ａの回転周期と等しいことから、車輪半径をrとすると、下記のように表される。
Ｔ１＝２πｒ／ｖ・・・（式１）
（閾値超過周期Ｔ２）
図１２に示す閾値超過周期Ｔ２は、モータ側のギア６ｂの回転周期と等しいことから、ギア比をηとすると、下記のように表される。
Ｔ２＝２πｒ／ηｖ・・・（式２）
（閾値超過周期Ｔ３）
図１２に示す閾値超過周期Ｔ３は、モータ４ｄの電気的回転周期と等しいことから、モータ４ｄの極対数をＰｍとすると、下記のように表される。
Ｔ３＝２πｒ／ηＰｍｖ・・・（式３）
（式１）〜（式３）に示されように、異常原因ごとに閾値超過周期Ｔ１〜Ｔ３は異なる。そこで、図１０のフローチャート（駆動系異常判別フロー）に示すように、閾値超過周期Ｔ１〜Ｔ３に応じて異常原因を特定し、車輪３ａ〜３ｄに異常があることを示す車輪異常信号、ギア６ａ〜６ｄに異常があることを示すギア異常信号、モータ４ａ〜４ｄに異常があることを示すモータ異常信号の何れか、複数、または全てを出力する。
より具体的には、異常検知装置８は、駆動系異常信号を出力すると（ステップＳ２８）、閾値超過周期が車輪円周／車両速度となるか否かを判定し（ステップＳ４０）、なると判定した場合、ステップＳ４２に処理を移し、ならないと判定した場合、ステップＳ４４に処理を移す。ステップＳ４２では、異常検知装置８は、車輪・車軸側ギア異常信号（車輪異常信号）を出力し、ステップＳ４４に処理を移す。
ステップＳ４４では、異常検知装置８は、閾値超過周期が車輪円周／車両速度／ギア比となるか否かを判定し、なると判定した場合、ステップＳ４６に処理を移し、ならないと判定した場合、ステップＳ４８に処理を移す。ステップＳ４６では、異常検知装置８は、モータ側ギア異常信号（ギア異常信号）を出力し、ステップＳ４８に処理を移す。
ステップＳ４８では、異常検知装置８は、閾値超過周期が車輪円周／車両速度／ギア比／極対数となるか否かを判定し、なると判定した場合、ステップＳ５０に処理を移し、ならないと判定した場合、処理を終了する。ステップＳ５０では、異常検知装置８は、モータ異常信号を出力し、処理を終了する。
なお、ステップＳ２６では、異常検知装置８は、第１の実施の形態と同様に軌道異常信号を出力する。
図１０に示すフローチャートでは、各異常の有無が順々に全て判定されるので、ある駆動系に複数の異常がある場合にも適用可能である。また、１種類の異常が複数ある場合、例えば車輪３ａが２か所以上変形した場合においても十分な長さの閾値超過ログがある場合、機械学習などのデータ処理技術によって変形箇所の数を特定することも可能である。
本実施の形態における異常検知装置８の動作原理は、以上の通りである。かかる構成によれば、第１の実施の形態の効果に加え、駆動系の異常箇所を特定できるので、必要な保守部品のみを手配することで保守部品の在庫を削減できるようになる。
（４）第４の実施の形態
図１３は、第４の実施の形態における異常検知装置８が実行する処理に係るフローチャートを示す図である。図１３（Ａ）に示すフローチャート８ｃは、電流観測用のフローチャートであり、図１３（Ｂ）に示すフローチャート８ｄは、異常検知用のフローチャートであり、それぞれ独立に繰り返し処理される。本実施の形態では、フローチャート８ｃ，８ｄに示す処理を実行することによって、異常検知装置８は、軌道異常、駆動系異常、継目およびポインタの各々を判別する。その動作原理を以下で説明する。
ステップＳ６０では、異常検知装置８は、第１の実施の形態と同様に電流を観測する。続いて、異常検知装置８は、電流の特徴量および軌道位置を記録し（ステップＳ６２）、処理を終了する。本実施の形態の特徴は、電流の特徴量および軌道位置を記録することであり、以下ではこれを特徴量ログと称する。軌道位置とは、軌道２上の位置（絶対的位置）を表すものである。軌道位置については、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）によって計測可能である。また、軌道位置については、例えば車両速度ｖの積分値から推定することも可能である。また、その他の方法により、異常検知装置８が軌道位置を取得することも可能である。軌道位置の原点については任意であるが、例えば始発駅の停止位置目標を原点に設定することができる。
また、ステップＳ７０では、異常検知装置８は、特徴量および軌道位置のデータの数が軌道異常、駆動系異常、継目およびポインタの判別に十分であるか否かを判定する。異常検知装置８は、十分であると判定した場合、ステップＳ７２に処理を移し、十分でないと判定した場合、処理を終了する。
ステップＳ７２では、異常検知装置８は、特徴量および軌道位置のデータを読み込む。続いて、異常検知装置８は、読み込んだ全てのデータの特徴量が「０」付近であるか否かを判定し（ステップＳ７４）、全てのデータの特徴量が「０」付近であると判定した場合、処理を終了し、全てのデータの何れかの特徴量が「０」付近でないと判定した場合、ステップＳ７６に処理を移す。
ステップＳ７６では、異常検知装置８は、軌道位置に対する特徴量の依存性を判定し、依存性があると判定した場合、ステップＳ７８に処理を移し、依存性がないと判定した場合、駆動系異常信号を出力し（ステップＳ８８）、処理を終了する。図１４（Ａ）に示すように、駆動系７ａ〜７ｋに異常がある場合には軌道位置ｘに関係なく、正規化された特徴量ｓが閾値「１」を超える。他方、軌道異常、継目、またはポインタがある場合には、これらが軌道位置ｘに依存する現象であることから特徴量ｓは、特定の軌道位置ｘｊ，ｘｋに限り、閾値「１」を超える。
ステップＳ７８〜ステップＳ８６の処理では、異常検知装置８は、図１５（Ａ）に示す軌道異常９ａ、図１５（Ｂ）に示す継目１０、図１５（Ｃ）に示すポインタ１１について判別する。図１５（Ａ）に示す軌道異常９ａ、図１５（Ｂ）に示す継目１０は、図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示すものと同じであり、継目１０の位置間隔は、一定であることから、図７に示すフローチャートの処理によって判別できる（第２の実施形態を参照）。つまり、ステップＳ７８においても同様に、異常検知装置８は、特徴量が閾値を超過する軌道位置（以下、閾値超過位置）の間隔が一定であるか否かを判定し、一定であると判定した場合、継目検知信号を出力し（ステップＳ８０）、処理を終了する。他方、一定でないと判定した場合、図１５（Ｃ）に示すポインタ１１については、軌道異常９ａと同様にその位置間隔が一定でないため、異常検知装置８は、この時点では、位置間隔のみではポインタ１１と軌道異常９ａとを判別することはできない。
そこで、図１６に示すように、ポインタ１１と軌道異常９ａの特徴量ｓの経時変化に基づいて、それらを判別する。図１６（Ａ）に示すように、軌道異常９ａが軌道位置ｘｊで進行する場合、軌道位置ｘｊでの特徴量ｓは、時刻ｔの経過（ｔ０→ｔ１→ｔ２→ｔ３）に従って増加する。一方、図１６（Ｂ）に示すように、ポインタ１１が軌道位置ｘｋにある場合、ポインタ１１は、軌道２の設置時から存在するものであるから、軌道位置ｘｋでの特徴量ｓは、時刻ｔに依存しない。
このため、ステップＳ８２では、異常検知装置８は、特徴量が時間経過に伴って増加しているか否かを判定し、増加していると判定した場合、軌道異常信号を出力し（ステップＳ８４）、増加していないと判定した場合、軌道２のポインタ１１を示すポインタ検知信号を出力し（ステップＳ８６）、処理を終了する。かかる処理により、異常検知装置８は、ポインタ１１と軌道異常９ａとを判別する。なお、異常検知装置８は、時間経過を見るために、過去に記録したデータを読み出してもよいし、上位システム２０から過去のデータを取得してもよい。
また、図１５（Ｄ）に示す軌道異常９ａ、継目１０、ポインタ１１が存在する場合の閾値超過ログを図１７に示す。このときの異常検知装置８の動作は、以下の通りである。
（継目判定）
図１７に示す軌道位置ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４には、継目１０があり、閾値超過位置の間隔Δｘが一定であることから、継目検知信号が出力される。
（軌道異常判定）
図１７に示すｘｊには、軌道異常９ａがあり、閾値超過位置の間隔が一定でないこと、かつ特徴量が時間経過に伴って増加していることから、軌道異常信号が出力される。
（ポインタ判定）
図１７に示すｘｋには、ポインタ１１があり、閾値超過位置の間隔が一定でないこと、かつ特徴量が時間経過に伴って増加していないことから、ポインタ検知信号が出力される。
以上の継目判定、軌道異常判定、およびポインタ判定を順次に行うことで、異常検知装置８は、軌道異常９ａ、継目１０、ポインタ１１が混在する場合においても、それらに合致した異常信号または検知信号を出力できる。
また、異常検知装置８は、軌道位置の記録と照合（軌道位置を参照）することによって軌道異常９ａの発生位置を特定することも可能である。
また、継目１０およびポインタ１１も経時変化によって摩耗し、異常状態となることが考えられる。この場合には、図１７において、異常状態ごとに閾値を変更する、異常状態ごとに観測量および特徴量の定義を変更する、などの手段によって継目１０およびポインタ１１の異常も検知可能である。
本実施の形態における異常検知装置８の動作原理は、以上の通りである。かかる構成によれば、軌道異常、駆動系異常、継目およびポインタの各々を判別できるので、保守作業時間を短縮できるようになる。また、かかる構成によれば、第３の実施の形態と同様に、保守部品の在庫を削減できるようになる。
（５）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明を異常検知システム１００に適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々の異常検知装置、異常検知システムなどに広く適用することができる。
また上述の実施の形態においては、異常検知装置８が異常検知する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、他の装置が異常検知するようにしてもよい。例えば、図４のフローチャート８ｂに示す処理、図７のフローチャートに示す処理、図１０のフローチャートに示す処理、図１３のフローチャート８ｄに示す処理を上位システム２０が実行するようにしてもよい。
上述の実施の形態に示した構成については、本発明の要旨を変更しない範囲において、適宜に組み合わせたり、変更したりすることができる。
１……軌道走行車両、１ａ〜１ｎ……車両、２……軌道、３ａ〜３ｋ……車輪、４ａ〜４ｋ……モータ、５ａ〜５ｋ……インバータ、５ａ１……主回路、５ａ２……制御回路、６ａ〜６ｋ……ギア、７ａ〜７ｋ……駆動系、８……異常検知装置、９ａ〜９ｋ……車輪異常、１０……継目、１１……ポインタ、２０……上位システム、１００……異常検知システム

Claims (18)

  1. 軌道を走行する軌道走行車両に係る異常を検知する異常検知装置であって、
    前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量が閾値を超えた時刻を示す閾値超過時刻、および前記閾値超過時刻における前記駆動系の前記軌道走行車両に対する位置を示す駆動系位置を取得する取得部と、
    前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記取得部により取得された複数の閾値超過時刻および前記閾値超過時刻における駆動系位置に相関性があるか否かを判定する判定部と、
    前記判定部による判定結果に基づいて出力を行う出力部と、
    を備え、
    前記出力部は、前記判定部により相関性があると判定された場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  2. 請求項１に記載の異常検知装置において、
    前記出力部は、前記判定部により相関性がないと判定された場合、前記複数の駆動系に異常があることを示す駆動系異常信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  3. 請求項２に記載の異常検知装置において、
    前記出力部は、前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量、前記取得部により取得された閾値超過時刻および前記閾値超過時刻における駆動系位置、前記出力部により出力される軌道異常信号、前記出力部により出力される駆動系異常信号の少なくとも１つをデータセンタに送信する
    こと特徴とする異常検知装置。
  4. 請求項１に記載の異常検知装置において、
    前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量は、前記物理量の最大値、前記物理量の実効値、前記物理量のバンドパスフィルタ値、前記物理量のフーリエ解析による特定周波数成分、前記物理量についての統計的手法によるデータ処理結果の何れかである
    ことを特徴とする異常検知装置。
  5. 請求項１に記載の異常検知装置において、
    前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量は、
    前記駆動系の駆動源であるモータの三相交流電流、前記モータの三相交流電圧、前記モータのｄ軸電流、前記モータのｑ軸電流、前記モータのｄ軸電圧、前記モータのｑ軸電圧、
    前記駆動系の回転速度、前記駆動系のトルク、前記駆動系の振動、前記駆動系の騒音、
    前記モータと接続されたインバータの制御ソフトウェア変数の何れかである
    ことを特徴とする異常検知装置。
  6. 請求項１に記載の異常検知装置において、
    前記軌道走行車両に設けられた駆動系の環境条件に関する環境データに基づいて前記閾値を調整する調整部を更に備える
    ことを特徴とする異常検知装置。
  7. 請求項１に記載の異常検知装置において、
    前記出力部は、前記軌道異常信号を他の軌道走行車両または鉄道運航管理システムに送信する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  8. 請求項１に記載の異常検知装置において、
    前記判定部は、前記相関性の周期性の有無を判定し、
    前記出力部は、前記判定部により前記相関性の周期性があると判定された場合、前記軌道の継目を示す継目検知信号を出力し、前記判定部により前記相関性の周期性がないと判定された場合、前記軌道異常信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  9. 請求項２に記載の異常検知装置において、
    前記判定部は、前記閾値を超過する周期に基づいて、前記軌道走行車両に設けられた駆動系に含まれる車輪の異常であるか否か、前記駆動系に含まれるギアの異常であるか否か、前記駆動系に含まれるモータの異常であるか否かを判定し、
    前記出力部は、前記判定部により前記車輪の異常であると判定された場合、前記車輪に異常があることを示す車輪異常信号を出力し、前記判定部により前記ギアの異常であると判定された場合、前記ギアに異常があることを示すギア異常信号を出力し、前記判定部により前記モータの異常であると判定された場合、前記モータに異常があることを示すモータ異常信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  10. 請求項９に記載の異常検知装置において、
    前記判定部は、前記周期と下記（式１）の周期Ｔ１とに基づいて前記車輪の異常であるか否かを判定し、前記周期と下記（式２）の周期Ｔ２とに基づいて前記ギアの異常であるか否かを判定し、前記周期と下記（式３）の周期Ｔ３とに基づいて前記モータの異常であるか否かを判定する
    ことを特徴とする異常検知装置。
    Ｔ１＝２πｒ／ｖ・・・（式１）
    Ｔ２＝２πｒ／ηｖ・・・（式２）
    Ｔ３＝２πｒ／ηＰｍｖ・・・（式３）
  11. 請求項３に記載の異常検知装置を複数の軌道走行車両の各々に対応して備える異常検知システムであって、
    前記異常検知装置の各々から送信された軌道異常信号に基づいて前記軌道の異常個所を特定する特定部を備える
    ことを特徴とする異常検知システム。
  12. 請求項３に記載の異常検知装置を備える異常検知システムであって、
    前記異常検知装置から送信された情報に基づいて前記軌道走行車両に対して指令を行う指令部を備え、
    前記指令部は、前記異常検知装置から送信された前記駆動系異常信号に基づいて、前記軌道走行車両に対して、前記駆動系異常信号に係る駆動系を停止または縮退運転させるための指令を行う
    ことを特徴とする異常検知システム。
  13. 軌道を走行する軌道走行車両であって、
    前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量が閾値を超えた時刻を示す閾値超過時刻、および前記閾値超過時刻における前記駆動系の前記軌道走行車両に対する位置を示す駆動系位置を取得する取得部と、
    前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記取得部により取得された複数の閾値超過時刻および前記閾値超過時刻における駆動系位置に相関性があるか否かを判定する判定部と、
    前記判定部による判定結果に基づいて出力を行う出力部と、
    を備え、
    前記出力部は、前記判定部により相関性があると判定された場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力する
    ことを特徴とする軌道走行車両。
  14. 軌道を走行する軌道走行車両に係る異常を検知する異常検知装置が実行する異常検知方法であって、
    前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量が閾値を超えた時刻を示す閾値超過時刻、および前記閾値超過時刻における前記駆動系の前記軌道走行車両に対する位置を示す駆動系位置を取得する第１のステップと、
    前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記第１のステップで取得された複数の閾値超過時刻および前記閾値超過時刻における駆動系位置に相関性があるか否かを判定する第２のステップと、
    前記第２のステップでの判定結果に基づいて信号を出力する第３のステップと、
    を備え、
    前記第３のステップでは、前記第２のステップで相関性があると判定した場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知方法。
  15. 軌道を走行する軌道走行車両に係る異常を検知する異常検知装置であって、
    前記軌道走行車両に設けられた駆動系の物理量の特徴量、および前記特徴量が測定された前記軌道における位置を示す軌道位置を取得する取得部と、
    前記軌道走行車両に設けられた複数の駆動系について前記取得部により取得された複数の物理量および前記物理量が取得された軌道位置に依存性があるか否かを判定し、前記複数の軌道位置のうち物理量が閾値を超える軌道位置の間隔が一定であるか否かを判定し、前記閾値を超える軌道位置の物理量が時間経過に伴って増加しているか否かをする判定部と、
    前記判定部による判定結果に基づいて出力を行う出力部と、
    を備え、
    前記出力部は、前記判定部により依存性があると判定され、一定でないと判定され、増加していると判定された場合、前記軌道に異常があることを示す軌道異常信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  16. 請求項１５に記載の異常検知装置において、
    前記出力部は、前記判定部により依存性がないと判定された場合、前記複数の駆動系に異常があることを示す駆動系異常信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  17. 請求項１５に記載の異常検知装置において、
    前記出力部は、前記判定部により依存性があると判定され、一定であると判定された場合、前記軌道の継目を示す継目検知信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
  18. 請求項１５に記載の異常検知装置において、
    前記出力部は、前記判定部により依存性があると判定され、一定でないと判定され、増加していないと判定された場合、前記軌道に設けられたポインタを示すポインタ検知信号を出力する
    ことを特徴とする異常検知装置。
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