WO2016194375A1 - 橋梁異常検知装置 - Google Patents

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勝村　英則
加賀田　博司
秀則 奥村
恵大 小西
健一 栗林
大祐 和泉
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
東日本旅客鉄道株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a bridge abnormality detection device, a detection method, and a monitoring system that detect abnormality of a railway bridge.
  • railway bridges generally support superstructures such as bridge girders with at least four supports provided on the abutment. At the time of completion, each support is designed to support the superstructure evenly. However, since the support and the superstructure are not fixed, if ground subsidence occurs, the load applied to each support becomes uneven. Eventually, a gap is created between some of the bearings and the superstructure. If there is a gap between the bearing and the superstructure, the superstructure will rattle when the train passes and abnormal vibration will occur. Abnormal vibrations cause not only noise but also damage to the bridge.
  • the problem of the present disclosure is to be able to realize a bridge abnormality detection device that can monitor abnormal vibration occurring in a bridge without providing a battery or power supply wiring.
  • a first aspect of the bridge abnormality detection device of the present disclosure includes a pair of vibration sensors installed in a superstructure of a railway bridge supported by a plurality of supports corresponding to a pair of supports arranged in the width direction,
  • the vibration sensor is provided with a detection circuit that outputs an abnormal signal based on a difference between output signals of the pair of vibration sensors, and an output circuit that receives the abnormal signal and notifies the abnormality to the outside.
  • the driving power of the detection circuit is supplied from the vibration power generation element.
  • the detection circuit includes a first capacitive element and a second capacitive element that are charged by the output of the vibration sensor, and an arithmetic circuit that obtains a difference between the output signals.
  • the first capacitor element may store power for driving the arithmetic circuit, and the second capacitor element may generate a signal to be input to the arithmetic circuit.
  • a second aspect of the bridge anomaly detection device includes a pair of vibration sensors and a pair of vibrations installed on the upper structure of a railway bridge supported by a plurality of supports corresponding to the two supports arranged in the width direction.
  • a detection circuit that outputs an abnormal signal based on the difference between the output signals of the sensors and an output circuit that receives the abnormal signal and notifies the abnormality to the outside are installed in the upper structure of the railway bridge, and the driving power of the detection circuit is reduced.
  • the vibration sensor is a vibration power generation element that generates power in a frequency band of abnormal vibration caused by an abnormality of a railway bridge.
  • the vibration power generation element includes a first vibration system including a leaf spring integrated with the piezoelectric element, and a first mass member attached to the leaf spring, And a second mass member including the first mass system and an elastic member provided between the second mass member and the upper structure, and the first mass
  • the resonance frequency of the system and the resonance frequency of the second vibration system may be included in the frequency band of abnormal vibration.
  • the detection circuit stores the difference between the output signals with time, and outputs an abnormality signal when the change with time in the difference between the output signals exceeds a preset change rate. It is good also as a structure to output.
  • the detection circuit and the output circuit may be wirelessly connected.
  • the output circuit may be disposed at a position photographed by a camera mounted on a traveling train and may have a light emitting device that emits light based on an abnormality signal. Good.
  • the output circuit may have a wireless communication circuit.
  • a bridge anomaly monitoring system includes a bridge anomaly detection device that detects an anomaly occurring in a railway bridge, and a monitoring device that is mounted on a train traveling on the railway bridge and that monitors the bridge anomaly detection device. Is based on the difference between the output signals of a pair of vibration sensors and a pair of vibration sensors installed in the superstructure of a railway bridge supported by a plurality of supports corresponding to the pair of supports arranged in the width direction.
  • a detection circuit that outputs an abnormal signal and an output circuit that receives the abnormal signal and notifies the abnormality to the outside, and the vibration sensor is a vibration power generation element that generates power in a frequency band of abnormal vibration caused by an abnormality in the railway bridge. Yes, the driving power of the detection circuit is supplied from the vibration power generation element.
  • the output circuit can cause the light emitting element to emit light in the event of an abnormality
  • the monitoring apparatus can be a camera that is mounted on a train and checks whether the light emitting element emits light.
  • the difference between the outputs of a pair of vibration sensors installed corresponding to a pair of bearings arranged in the width direction on an upper structure of a railway bridge supported by a plurality of bearings is calculated.
  • the abnormality is determined according to the difference value.
  • the second aspect of the bridge anomaly detection method is the difference between the outputs of a pair of vibration sensors installed in the upper structure of a railway bridge supported by a plurality of supports corresponding to the pair of supports arranged in the width direction. A change with time is obtained, and an abnormality is determined according to the value of the change with time.
  • abnormal vibration generated in the bridge can be detected without providing a battery or a power supply wiring.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an installation example of a bridge abnormality detection device according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a graph showing the frequency distribution of vibrations that occur near normal bearings.
  • FIG. 2B is a graph showing a frequency distribution of vibrations generated near a bearing with a gap.
  • FIG. 2C is a difference obtained by subtracting the spectrum of FIG. 2A from the spectrum of FIG. 2B.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a vibration sensor used in the bridge abnormality detection apparatus.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a vibration sensor used in the bridge abnormality detection apparatus.
  • FIG. 5A is a graph showing an output example of a vibration sensor arranged near a normal bearing.
  • FIG. 5B is a graph showing an output example of a vibration sensor arranged in the vicinity of a bearing with a gap.
  • FIG. 5C is a difference obtained by subtracting the spectrum of FIG. 5A from the spectrum of FIG. 5B.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of a detection circuit.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a bridge abnormality monitoring system.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a modification of the bridge abnormality detection device.
  • the bridge abnormality detection apparatus includes a pair of vibration sensors 151 (151A and 151B) installed in the upper structure 110 of the railway bridge, outputs of the vibration sensors 151A, and outputs of the vibration sensors 151B. And a detection circuit 181 that issues an abnormality according to the difference between the input values.
  • the superstructure 110 is supported by a support 121 disposed on the abutment 120.
  • the vibration sensors 151A and 151B are arranged corresponding to the two supports 121 (121A and 121B) arranged in the width direction, respectively. That is, the vibration sensor 151A is disposed at a position where the influence of the abnormal vibration caused by the abnormality of the support 121A is received more strongly than the vibration sensor 151B.
  • the vibration sensor 151B receives the influence of the abnormal vibration caused by the abnormality of the support 121B from the vibration sensor 151A. Is also placed in a position to receive strongly.
  • the vibration sensor 151A is disposed closer to the support 121A than the vibration sensor 151B, and the vibration sensor 151B is disposed closer to the support 121B than the vibration sensor 151A.
  • the vibration sensor 151A and the vibration sensor 151B are arranged symmetrically with respect to the symmetry axis of the support 121A and the support 121B. In this way, when the load is applied almost evenly to the support 121A and the support 121B and no abnormal vibration occurs, the vibration sensor 151A and the vibration sensor 151B can output substantially the same value.
  • the vibration sensor 151A and the vibration sensor 151B may not be arranged symmetrically with respect to the symmetry axis of the support 121A and the support 121B. Moreover, when determining the arrangement positions of the vibration sensor 151A and the vibration sensor 151B, the influence of the structure of the entire railway pier can be considered.
  • the vibration sensor 151 is a vibration power generation element that generates power in a frequency band of abnormal vibration caused by a railway bridge abnormality.
  • the abnormal vibration caused by the abnormality of the railway bridge here is vibration caused by the balance of the load applied to each support 121 from the upper structure 110 due to ground subsidence or the like, and rattling.
  • the frequency band of abnormal vibration varies depending on the structure of the pier, the weight and speed of the traveling train, etc., but is usually 200 Hz or less, often 150 Hz or less, and more typically 120 Hz or less.
  • FIG. 2A to FIG. 2C show the results of measuring the vibration when the train passes through the bridge. 2A shows the vibration near the normal bearing, FIG. 2B shows the vibration near the bearing with a gap, and FIG. 2C shows the difference obtained by subtracting the spectrum shown in FIG. 2A from the spectrum shown in FIG. 2B.
  • the speed of the train was about 70 km, and the vibration acceleration was measured by an acceleration sensor. For vibrations of 200 Hz or higher, which are normally generated by passing trains, there is no clear difference between the vibration acceleration near the bearing with a gap shown in FIG.
  • the vibration sensor 151 may have a structure as shown in FIG. Specifically, vibration power generation having a cantilever structure including a plate spring 162 having one end fixed to a fixing member 165 and a mass member 163 fixed to the other end, and a piezoelectric element 164 fixed to the plate spring 162. It can be set as an element. The mass and the like of the mass member 163 are adjusted so that the resonance frequency of the vibration system 161 having the mass member 163 and the leaf spring 162 is in the frequency band of abnormal vibration.
  • the piezoelectric element 164 provided on the leaf spring 162 is deformed according to the vibration of the upper structure 110, and a voltage corresponding to the magnitude of the deformation of the piezoelectric element 164 is generated.
  • the piezoelectric element 164 can include, for example, a piezoelectric layer 168 and an upper electrode 167 and a lower electrode 169 provided on both surfaces of the piezoelectric layer 168, respectively.
  • a voltage generated in the piezoelectric layer 168 can be taken out.
  • a load 180 is connected via a wiring 167 ⁇ / b> A connected to the upper electrode 167 and a wiring 169 ⁇ / b> A connected to the lower electrode 169.
  • the load 180 includes a resistor, a capacitor, a rectifier circuit, and the like.
  • the piezoelectric layer 168 can be a film made of, for example, a ceramic material or a single crystal material.
  • the piezoelectric layer 168 can be a film provided with compressive stress. As a result, the piezoelectric layer 168 can be greatly deformed.
  • 3 shows an example in which the piezoelectric element 164 is provided on both surfaces of the leaf spring 162, but it may be provided only on one surface of the leaf spring 162.
  • 3 shows an example in which the fixing member 165 is directly connected to the upper structure 110 of the bridge. However, if vibration can be transmitted from the upper structure 110 to the fixing member 165, the upper structure 110 and the fixing member 165 can be connected to each other. Other members may be interposed therebetween. In addition, a case or the like surrounding the vibration power generation element can be provided.
  • the vibration sensor 151 may be a vibration power generation element in which the fixing member 165 is fixed to the upper structure 110 via the mass member 172 and the elastic member 173.
  • the mass member 172 is a case for housing the vibration system 161.
  • the elastic member 173 may be formed of an elastic body such as rubber. If the vibration direction of the vibration system 171 including the mass member 172 and the elastic member 173 matches the vibration direction of the vibration system 161, other configurations can be employed.
  • the direction of vibration means that the direction of the main vibration is the same, and the phase of vibration is not ask
  • the main direction of vibration is the direction in which the displacement is greatest.
  • the direction coincides means that the direction deviation is within ⁇ 30 °, preferably ⁇ 20 °, more preferably within ⁇ 10 °.
  • the vibration sensor 151 it is possible to generate power corresponding to vibrations in a wide frequency range by using the vibration sensor 151 as a vibration power generation element that combines two vibration systems, and the generated power can be increased.
  • the resonance frequency of the vibration system 161 is 44.8 Hz and the resonance frequency of the vibration system 171 is 45 Hz
  • the generated power of 100 ⁇ W or more (generated power for vibration acceleration of 0.1 G) can be obtained in a frequency range of about 30 Hz to 60 Hz. can get.
  • the difference between the resonance frequency of the vibration system 161 and the resonance frequency of the vibration system 171 is preferably ⁇ 15% or less of the resonance frequency of the vibration system 171 and more preferably ⁇ 10% or less.
  • ⁇ 5% or less is more preferable.
  • FIG. 5A to 5C show the relationship between the vibration frequency distribution of the vibration sensor 151 capable of obtaining large generated power in the frequency range of about 30 Hz to 60 Hz and the generated voltage.
  • FIG. 5A shows a case where it is arranged near a normal bearing
  • FIG. 5B shows a case where it is arranged near a bearing where a gap is formed
  • FIG. 5C shows a difference obtained by subtracting the spectrum of FIG. 5A from the spectrum of FIG. It is.
  • the vibration sensor 151 arranged in the vicinity of the support with a gap has a higher power generation voltage between 30 Hz and 60 Hz than the vibration sensor 151 arranged in a normal support.
  • the generated voltage was obtained by connecting a 100 k ⁇ resistor as a load of the vibration sensor 151 and measuring the voltage at both ends.
  • the detection circuit 181 obtains, for example, a difference between the output of the vibration sensor 151A and the output of the vibration sensor 151B and compares it with a threshold value, and the charging circuit 183 that charges the output of the vibration sensor 151A and the output of the vibration sensor 151B. It can be set as the structure which has.
  • the charging circuit 183 includes, for example, a first capacitor element 185 and a second capacitor element 186 as shown in FIG.
  • the first capacitor 185 has a larger capacity than the second capacitor 186 and stores power for driving the arithmetic circuit 182.
  • the second capacitor 186 generates a signal to be input to the arithmetic circuit 182.
  • the capacitance of the second capacitor 186 can be approximately 1/1000 of that of the first capacitor 185. With such a configuration, a low power consumption microcomputer or the like can be driven.
  • the output of the first capacitor element 185 may be converted into a driving voltage for the arithmetic circuit 182 by the DC-DC converter 187 and used.
  • the output of the second capacitor 186 can be input to the arithmetic circuit 182 via the analog-digital converter 188.
  • the arithmetic circuit 182 receives an output from the vibration sensor 151A and an output from the vibration sensor 151B, and obtains a difference between the two inputs. Further, when the input difference exceeds a preset threshold, an abnormal signal is output.
  • the threshold value may be determined individually by performing preliminary measurement for each target bridge. It is also possible to set threshold values in multiple stages, judge abnormalities in multiple stages, and output abnormal signals having different levels. 6 shows only one vibration sensor 151, the output of the other vibration sensor 151 is also input to the arithmetic circuit 182 through the same configuration.
  • the abnormal signal output by the detection circuit 181 is converted by the output circuit 191 into an output that can be recognized from the outside of the bridge detection device.
  • the output circuit 191 can be configured to include a light emitting device such as a light emitting diode disposed beside the rail, for example.
  • a monitoring device 201 such as a camera mounted on the train can be installed, and a system for confirming whether or not the light emitting device is turned on when the train passes can be constructed.
  • the abnormality can be detected by running the train if the lighting is continued until at least the next train passes.
  • the captured image of the camera may be analyzed in real time, or may be recorded after being recorded. Moreover, you may change arbitrarily the lighting time of a light-emitting device with the operation
  • the position information may also be reflected in the camera or linked to the global positioning system (GPS) so that the position of the lit bridge abnormality detection device can be easily identified.
  • GPS global positioning system
  • the light-emitting device can also be arranged at a position where it can be easily visually recognized, not on the side of the rail. For example, in the case of an overpass or the like, the occurrence of an abnormality can be reported by installing a rotating lamp or the like under the abutment or the pier.
  • the output circuit 191 may be a wireless transmission circuit and the monitoring device 201 may be a receiver mounted on a train.
  • the transmission output of the output circuit 191 may be small because it is only necessary to receive a signal in the passing train.
  • the output circuit 191 may be configured to transmit not only the abnormality signal but also the ID number of the bridge abnormality detection device at the same time. Further, when sufficient power can be obtained and a high-power transmitter can be used, a system that directly transmits an abnormality to a monitoring center or the like can be provided. Moreover, it can also be set as the system which provides the relay station etc. which relay transmission from the surrounding bridge
  • the output of the output circuit 191 may be changed accordingly. For example, it is possible to change the color of the light emitting device to be turned on according to the level of the abnormal signal, or to blink the light emitting device at a different cycle.
  • the output circuit 191 can be driven by a power source different from that of the detection circuit 181.
  • a circuit with high power consumption can be used by driving the output circuit 191 with a separate power source. Since the output circuit 191 can be disposed at a place away from the vibration sensor 151 and easy to perform maintenance and inspection, it may be battery-driven. Moreover, it can also arrange
  • the output circuit 191 and the detection circuit 181 may be wired or wirelessly connected.
  • the detection circuit 181 may store the difference between the two input signals over time, and output an abnormal signal when the change in the input signal difference over time exceeds a threshold value. Also, an abnormal signal having a different level may be output when the difference between the two input signals exceeds a threshold value and when the change with time exceeds the threshold value. Even when the determination is made based on the change over time, the threshold can be set in multiple stages, and the abnormality can be determined in multiple stages.
  • the detection circuit 181 may output a difference value between two input signals, and the output circuit 191 may store the difference between the input signals with time.
  • a power supply vibration power generation element 211 that obtains power for driving the detection circuit 181 may be provided separately from the vibration sensor 151.
  • the vibration power generating element 211 for power supply can have the same configuration as the vibration sensor 151.
  • it may be configured to generate power by vibration in a normal vibration region of the bridge. Even if a load is applied to the bearing 121 in a balanced manner, the railway bridge vibrates due to the passage of the train. Such vibration mainly occurs in the region of about 400 Hz to 800 Hz.
  • the power generation frequency range of the vibration power generating element 211 for power supply is set to such a frequency range, power can be stably supplied.
  • the power of the output circuit 191 can be supplied from the vibration power generating element 211 for power supply.
  • the vibration sensors 151 may be arranged on all the supports 121, or the vibration sensors 151 may be arranged on some of the supports 121.
  • a pier abnormality detection device may be provided for all sets of the supports 121 as monitoring targets. You may provide an pier abnormality detection apparatus in the group of a support.
  • the bridge abnormality detection device of the present disclosure can detect abnormal vibration generated in the bridge without providing a battery or power supply wiring, and is useful as a detection device for detecting an abnormality in a railway bridge.

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Abstract

橋梁異常検知装置は、複数の支承１２１によって支えられた鉄道橋梁の上部構造１１０に、幅方向に配置された一対の支承１２１に対応して設置された一対の振動センサ１５１と、一対の振動センサ１５１の出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路１８１と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを備えている。振動センサ１５１は、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、検出回路１８１の駆動電力は、振動発電素子から供給される。

Description

橋梁異常検知装置
　本開示は、鉄道橋梁の異常を検知する橋梁異常検知装置、検知方法及び監視システムに関する。
　鉄道橋梁は、一般に橋台の上に設けられた少なくとも４つの支承により橋桁等の上部構造を支持している。竣工時には、各支承が均等に上部構造を支えるように設計されているが、支承と上部構造との間は固定されていないため、地盤沈下等が生じると各支承に加わる荷重が不均等になり、やがて一部の支承と上部構造との間に隙間が生じる。支承と上部構造との間に隙間が生じると、列車通過時に上部構造にがたつきが生じ、異常振動が発生する。異常振動は騒音の原因となるだけでなく、橋梁の損壊の原因ともなる。
　しかし、定期的に巡回して橋梁の異常を調査することは、多大な労力を要する。このため、センサ等を用いて橋梁の異常を検知し、監視することも検討されている（例えば特許文献１を参照。）。
特開平７－１２８１８２号公報
　しかしながら、支承の近くにセンサを設置して監視をしようとすると、以下のような問題が生じる。支承は容易に近づくことができない箇所に設けられていることが多い。このため、支承近くに設置したセンサの電池交換は容易ではなく、定期的に電池交換を行うことにすると、人力による監視とほぼ同様の工数が必要となる。一方、センサに電力供給を行う配線を設ける場合には、膨大なコストが必要となる。
　本開示の課題は、橋梁に発生する異常振動を電池又は電源配線を設けることなく監視可能な橋梁異常検知装置を実現できるようにすることである。
　本開示の橋梁異常検知装置の第１の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサと、一対の振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを備え、振動センサは、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、検出回路の駆動電力は、振動発電素子から供給される。
　橋梁異常検知装置の第１の態様において、検出回路は、振動センサの出力により充電される第１の容量素子及び第２の容量素子と、出力信号の差を求める演算回路とを有し、第１の容量素子は、演算回路を駆動する電力を蓄積し、第２の容量素子は、演算回路に入力する信号を生成する構成としてもよい。
　橋梁異常検知装置の第２の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された２つの支承に対応して設置された一対の振動センサと、一対の振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを備え、鉄道橋梁の上部構造に設置され、検出回路の駆動電力を供給する、電力供給用振動発電素子と備え、振動センサは、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子である。
　橋梁異常検知装置の第１及び第２の態様において、振動発電素子は、圧電素子と一体となった板バネと、板バネに取り付けられた第１の質量部材とを含む第１の振動系、及び第１の振動系が取り付けられた第２の質量部材と、第２の質量部材と上部構造との間に設けられた弾性部材とを含む第２の振動系を有し、第１の振動系の共振周波数及び第２の振動系の共振周波数は、異常振動の周波数帯域に含まれている構成としてもよい。
　橋梁異常検知装置の第１及び第２の態様において、検出回路は、出力信号の差を経時的に記憶し、出力信号の差の経時変化があらかじめ設定した変化率を超えた場合に異常信号を出力する構成としてもよい。
　橋梁異常検知装置の第１及び第２の態様において、検出回路と、出力回路とは、無線接続されていてもよい。
　橋梁異常検知装置の第１及び第２の態様において、出力回路は、走行する列車に搭載されたカメラにより撮影される位置に配置され、異常信号に基づいて発光する発光装置を有していてもよい。
　橋梁異常検知装置の第１及び第２の態様において、出力回路は、無線通信回路を有していてもよい。
　橋梁異常監視システムの一態様は、鉄道橋梁に発生した異常を検知する橋梁異常検知装置と、鉄道橋梁を走行する列車に搭載され橋梁異常検知装置を監視する監視装置とを備え、橋梁異常検知装置は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承にそれぞれ対応して設置された一対の振動センサと、一対の振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを有し、振動センサは、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、検出回路の駆動電力は、振動発電素子から供給される。
　橋梁異常監視システムの一態様において、出力回路は、異常時に発光素子を発光させ、監視装置は、列車に搭載され、発光素子の発光の有無を確認するカメラとすることができる。
　橋梁異常検知方法の第１の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分を求め、差分の値に応じて異常を判断する。
　橋梁異常検知方法の第２の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分の経時変化を求め、経時変化の値に応じて異常を判断する。
　本開示の橋梁異常検知装置によれば、橋梁に発生する異常振動を電池又は電源配線を設けることなく検知できる。
図１は一実施形態に係る橋梁異常検知装置の設置例を示す図である。 図２Ａは正常な支承付近に生じる振動の周波数分布を示すグラフである。 図２Ｂは隙間のある支承付近に生じる振動の周波数分布を示すグラフである。 図２Ｃは図２Ｂのスペクトルから図２Ａのスペクトルを引いた差分である。 図３は橋梁異常検知装置に用いる振動センサの一例を示す図である。 図４は橋梁異常検知装置に用いる振動センサの一例を示す図である。 図５Ａは正常な支承付近に配置した振動センサの出力例を示すグラフである。 図５Ｂは隙間のある支承付近に配置した振動センサの出力例を示すグラフである。 図５Ｃは図５Ｂのスペクトルから図５Ａのスペクトルを引いた差分である。 図６は検出回路の一例を示すブロック図である。 図７は橋梁異常監視システムの一例を示す図である。 図８は橋梁異常検知装置の変形例を示すブロック図である。
　本実施形態の橋梁異常検知装置は、図１に示すように鉄道橋梁の上部構造１１０に設置された一対の振動センサ１５１（１５１Ａ、１５１Ｂ）と、振動センサ１５１Ａの出力と振動センサ１５１Ｂの出力とが入力され、入力された値の差に応じて異常を発報する検出回路１８１とを有している。
　上部構造１１０は、橋台１２０の上に配置された支承１２１により支持されている。振動センサ１５１Ａ、１５１Ｂは、それぞれ幅方向に配置された２つの支承１２１（１２１Ａ、１２１Ｂ）に対応して配置されている。つまり、振動センサ１５１Ａは、支承１２１Ａの異常により生じる異常振動の影響を振動センサ１５１Ｂよりも強く受ける位置に配置され、振動センサ１５１Ｂは、支承１２１Ｂの異常により生じる異常振動の影響を振動センサ１５１Ａよりも強く受ける位置に配置されている。
　具体的には、振動センサ１５１Ａは、振動センサ１５１Ｂよりも支承１２１Ａに近い位置に配置され、振動センサ１５１Ｂは、振動センサ１５１Ａよりも支承１２１Ｂに近い位置に配置されている。また、支承１２１Ａと支承１２１Ｂとの対称軸に対し、振動センサ１５１Ａと振動センサ１５１Ｂとが対称に配置されることが好ましい。このようにすれば、支承１２１Ａと支承１２１Ｂとにほぼ均等に荷重が加わり、異常振動が発生していない場合には、振動センサ１５１Ａと振動センサ１５１Ｂとがほぼ同じ値を出力するようにできる。但し、出力の補正等を行えば、振動センサ１５１Ａと振動センサ１５１Ｂとが、支承１２１Ａと支承１２１Ｂとの対称軸に対して対称に配置されていなくてもよい。また、振動センサ１５１Ａと振動センサ１５１Ｂとの配置位置を決める際には、鉄道橋脚全体の構造の影響等を考慮することができる。
　振動センサ１５１は、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子である。ここでいう鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動とは、地盤沈下等により、上部構造１１０から各支承１２１に加わる荷重のバランスがくずれ、がたつきが発生することに起因する振動である。
　異常振動の周波数帯域は、橋脚の構造、走行する列車の重量及び速度等により変化するが、通常は２００Ｈｚ以下であり、多くの場合１５０Ｈｚ以下であり、より典型的には１２０Ｈｚ以下である。図２Ａ～図２Ｃは、橋梁を列車が通過する際の振動を測定した結果を示している。図２Ａは正常な支承付近の振動を示し、図２Ｂは隙間のある支承付近の振動を示し、図２Ｃは図２Ｂに示すスペクトルから図２Ａに示すスペクトルを引いた差分を示している。列車の時速は約７０ｋｍであり、振動加速度は加速度センサにより測定した。列車の通過により通常発生する２００Ｈｚ以上の振動においては、図２Ｂに示す隙間のある支承付近の振動加速度と、図２Ａに示す正常な支承付近の振動加速度に明確な差は確認できず、図２Ｃに示す差分の値はランダムに正負に振れている。一方、２００Ｈｚ以下の振動においては、図２Ｃに示すよう差分の値が正の側に偏っており、隙間のある支承付近において、正常な支承付近よりも大きな振動が生じている。
　振動センサ１５１は、例えば図３に示すような構造のものを用いることができる。具体的に、一端が固定部材１６５に固定され、他端に質量部材１６３が固定された板バネ１６２と、板バネ１６２に固定された圧電素子１６４とを有する、片持ち梁構造を有する振動発電素子とすることができる。質量部材１６３及び板バネ１６２とを有する振動系１６１の共振周波数が異常振動の周波数帯域となるように質量部材１６３の質量等を調整する。固定部材１６５を上部構造１１０に固定すると、上部構造１１０の振動に応じて板バネ１６２に設けられた圧電素子１６４が変形し、圧電素子１６４の変形の大きさに応じた電圧が発生する。
　圧電素子１６４は、例えば圧電体層１６８と、圧電体層１６８の両面にそれぞれ設けられた上部電極１６７及び下部電極１６９を有する構成とすることができる。上部電極１６７及び下部電極１６９に配線を接続することにより、圧電体層１６８において発生した電圧を取り出すことができる。図３においては、上部電極１６７に接続された配線１６７Ａと下部電極１６９に接続された配線１６９Ａとを介して、負荷１８０が接続されている。負荷１８０は、抵抗、コンデンサ及び整流回路などを含む。圧電体層１６８は、例えばセラミクス材料又は単結晶材料等からなる膜とすることができる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等からなる膜とすることができる。圧電体層１６８は、圧縮応力を付与した膜とすることができる。これにより、圧電体層１６８を大きく変形させることが可能となる。
　図３においては、圧電素子１６４が板バネ１６２の両面に設けられている例を示しているが、板バネ１６２の片面にだけ設けることもできる。図３において、固定部材１６５が橋梁の上部構造１１０に直接接続されている例を示しているが、上部構造１１０から固定部材１６５に振動を伝えることができれば、上部構造１１０と固定部材１６５との間に他の部材が介在していてもよい。また、振動発電素子を囲むケース等を設けることができる。
　また、振動センサ１５１を図４に示すように、固定部材１６５が、質量部材１７２及び弾性部材１７３を介して上部構造１１０に固定された振動発電素子とすることもできる。図４においては質量部材１７２が振動系１６１を収容するケースとなっている。弾性部材１７３は、例えばゴム等の弾性体により形成すればよい。質量部材１７２と弾性部材１７３とを有する振動系１７１の振動方向と、振動系１６１の振動方向とが一致するようにできれば、他の構成とすることもできる。なお、振動方向が一致しているとは、主たる振動の方向が一致していることをいい、振動の位相は問わない。主たる振動の方向とは、変位が最も大きくなる方向をいう。方向が一致しているとは、方向のずれが±３０°、好ましくは±２０°、より好ましくは±１０°以内であることをいう。
　振動センサ１５１を２つの振動系を組み合わせた振動発電素子とすることにより広い周波数範囲の振動に対応して発電することが可能となり、発電電力も大きくすることができる。例えば、振動系１６１の共振周波数を４４．８Ｈｚとし、振動系１７１の共振周波数を４５Ｈｚとすれば、３０Ｈｚ～６０Ｈｚ程度の周波数範囲において１００μＷ以上（振動加速度０．１Ｇに対する発電電力）の発電電力が得られる。広い周波数範囲において大きな発電電力を得る観点から、振動系１６１の共振周波数と振動系１７１の共振周波数との差は、振動系１７１の共振周波数の±１５％以下が好ましく、±１０％以下がより好ましく、±５％以下がさらに好ましい。
　図５Ａ～図５Ｃには、３０Ｈｚ～６０Ｈｚ程度の周波数領域において大きな発電電力が得られる振動センサ１５１の振動周波数の分布と、発電電圧との関係を示している。図５Ａは、正常な支承付近に配置した場合であり、図５Ｂは、隙間ができている支承付近に配置した場合であり、図５Ｃは、図５Ｂのスペクトルから図５Ａのスペクトルを引いた差分である。図５Ｃに示すように、隙間ができた支承付近に配置した振動センサ１５１は、３０Ｈｚ～６０Ｈｚの間で、正常な支承に配置した振動センサ１５１よりも発電電圧が高くなっている。なお、発電電圧は、振動センサ１５１の負荷として１００ｋΩの抵抗器を接続し、その両端の電圧を測定することにより求めた。
　検出回路１８１は、例えば振動センサ１５１Ａの出力と振動センサ１５１Ｂの出力との差を求め、閾値と比較する演算回路１８２と、振動センサ１５１Ａの出力と振動センサ１５１Ｂの出力とを充電する充電回路１８３とを有する構成とすることができる。充電回路１８３は、例えば図６に示すように第１の容量素子１８５と第２の容量素子１８６とを含む。第１の容量素子１８５は、第２の容量素子１８６よりも容量が大きく、演算回路１８２を駆動する電力を蓄積する。第２の容量素子１８６は、演算回路１８２に入力する信号を生成する。第２の容量素子１８６の容量は、第１の容量素子１８５の１／１０００程度とすることができる。このような構成により、低消費電力のマイクロコンピュータ等を駆動することができる。
　第１の容量素子１８５の出力は、ＤＣ－ＤＣ変換器１８７により演算回路１８２の駆動電圧に変換して用いればよい。第２の容量素子１８６の出力はアナログ－デジタル変換器１８８を介して演算回路１８２に入力することができる。
　演算回路１８２には、振動センサ１５１Ａからの出力と振動センサ１５１Ｂからの出力とが入力され、２つの入力の差を求める。さらに、入力の差があらかじめ設定した閾値を超える場合には、異常信号を出力する。閾値は、対象とする橋梁ごとに予備測定を行い、個別に決定すればよい。多段階に閾値を設定して、異常を多段階に判断し、レベルが異なる異常信号を出力するようにすることもできる。なお、図６には、一方の振動センサ１５１のみを記載しているが、他方の振動センサ１５１の出力も同様の構成を経て演算回路１８２に入力される。
　検出回路１８１により出力された異常信号は、出力回路１９１により、橋梁検知装置の外部から認識できる形の出力に変換される。出力回路１９１は、例えば、レール横に配置した発光ダイオード等の発光装置を有する構成とすることができる。この場合、図７に示すように列車に搭載したカメラ等の監視装置２０１を設置し、列車が通過する際に発光装置の点灯の有無を確認するシステムを構築することができる。一旦異常を検知して点灯すると、少なくとも次の列車が通過するまで点灯を続けるようにすれば、列車走行させることにより異常を検出することができる。カメラの撮影画像はリアルタイムに解析するようにしても、一旦記録してから解析するようにしてもよい。また発光装置の点灯時間は、撮影列車の運行状況等によって任意に変更してもよい。
　点灯している橋梁異常検知装置の位置が容易に特定できるように、位置情報もカメラに写り込むようにしたり、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）と連動するようにしたりしてもよい。レール横ではなく、容易に視認できる位置に発光装置を配置することもできる。例えば、跨道橋等の場合には、橋台又は橋脚の下部に回転灯等を設置することにより、異常の発生を発報することができる。
　出力回路１９１が無線送信回路であり、監視装置２０１が列車に搭載する受信機であるシステムとすることもできる。通過する列車において信号を受信できればよいため、出力回路１９１の送信出力は小さくてよい。出力回路１９１は、異常信号だけでなく、橋梁異常検知装置のＩＤ番号等を同時に送信する構成としてもよい。また、十分な電力が得られ、大出力の送信機を用いることができる場合には、監視センター等に異常を直接送信するようなシステムとすることもできる。また、周辺の橋梁異常検知装置からの送信を中継する中継局等を設けるシステムとすることもできる。これにより、橋梁異常検知装置は、橋梁に発生する異常振動を遠隔監視することができる。
　検出回路１８１がレベルの異なる多段階の異常信号を出力する場合には、それに応じて出力回路１９１の出力を変化させてもよい。例えば、異常信号のレベルに応じて点灯させる発光装置の色を変えたり、周期を変えて点滅させたりすることができる。
　出力回路１９１は検出回路１８１と別の電源により駆動される構成とすることができる。出力回路１９１を別電源により駆動することにより、消費電力が大きい回路を用いることができる。出力回路１９１は振動センサ１５１と離れた、保守点検が容易な場所に配置することができるため、電池駆動であってもよい。また、既に電源配線が敷設されている場所に配置することもできる。但し、十分な電力が得られる場合又は出力回路１９１の消費電力が十分に小さい場合には、出力回路１９１も振動センサ１５１から得られる電力により駆動する構成とすることもできる。
　出力回路１９１と検出回路１８１とを離れた位置に配置する場合、出力回路１９１と検出回路１８１との間は有線接続としても、無線接続としてもよい。
　検出回路１８１は、２つの入力信号の差を経時的に記憶し、入力信号の差の経時変化が閾値を超えた場合に、異常信号を出力する構成とすることもできる。また、２つの入力信号の差が閾値を超えた場合と、経時変化が閾値を超えた場合とでレベルが異なる異常信号を出力する構成とすることもできる。経時変化により判断する場合にも、多段階に閾値を設定して、異常を多段階に判断することができる。
　検出回路１８１が２つの入力信号の差の値を出力するようにして、出力回路１９１において入力信号の差を経時的に記憶させるような構成とすることもできる。
　本実施形態においては、振動センサ１５１の出力により検出回路１８１を駆動する例を示した。しかし、図８に示すように、検出回路１８１を駆動する電力を得る、電力供給用振動発電素子２１１を、振動センサ１５１とは別に設けることもできる。電力供給用振動発電素子２１１は、振動センサ１５１と同じ構成とすることができる。また、振動センサ１５１と異なり、橋梁の正常な振動領域の振動により発電する構成とすることもできる。鉄道用橋梁は、支承１２１にバランスよく加重が加わっていても、列車の通過により振動する。このような振動は主に４００Ｈｚ～８００Ｈｚ程度の領域において発生する。電力供給用振動発電素子２１１の発電周波数領域をこのような周波数範囲とすれば、安定して電力供給をすることができる。十分な電力が得られる場合には出力回路１９１の電力も電力供給用振動発電素子２１１から供給する構成とすることができる。
　本実施形態において、２つの振動センサ１５１が対になっている例を示した。しかし、橋梁の構造等によっては、３つ以上の振動センサ１５１が対になっている構成とすることもできる。例えば、３つの振動センサ１５１が対になっている場合、中央の振動センサ１５１の出力と、両側方の振動センサ１５１の出力との差分を求める構成とすることができる。
　幅方向に３つ以上の支承１２１が配置されている鉄道橋梁の場合、全ての支承１２１に振動センサ１５１を配置してもよく、一部の支承１２１に振動センサ１５１を配置してもよい。橋台の間に橋脚を有し、長さ方向に複数組の支承１２１が配置されている鉄道橋梁の場合、全ての支承１２１の組を監視対象として橋脚異常検知装置を設けてもよく、特定の支承の組に橋脚異常検知装置を設けてもよい。
　本開示の橋梁異常検知装置は、橋梁に発生する異常振動を電池又は電源配線を設けることなく検知でき、鉄道橋梁の異常を検知する検知装置等として有用である。
１１０　　　上部構造
１２０　　　橋台
１２１　　　支承
１２１Ａ　　支承
１２１Ｂ　　支承
１５１　　　振動センサ
１５１Ａ　　振動センサ
１５１Ｂ　　振動センサ
１６１　　　振動系
１６２　　　板バネ
１６３　　　質量部材
１６４　　　圧電素子
１６５　　　固定部材
１６７　　　上部電極
１６７Ａ　　配線
１６８　　　圧電体層
１６９　　　下部電極
１６９Ａ　　配線
１７１　　　振動系
１７２　　　質量部材
１７３　　　弾性部材
１８０　　　負荷
１８１　　　検出回路
１８２　　　演算回路
１８３　　　充電回路
１８５　　　第１の容量素子
１８６　　　第２の容量素子
１８７　　　ＤＣ－ＤＣ変換器
１８８　　　アナログ－デジタル変換器
１９１　　　出力回路
２０１　　　監視装置
２１１　　　電力供給用振動発電素子

Claims (12)

  1. 　複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサと、
    　一対の前記振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、
    　前記異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路と、を備え、
    　前記振動センサは、前記鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、
    　前記検出回路の駆動電力は、前記振動発電素子から供給される、橋梁異常検知装置。
  2. 　前記検出回路は、振動センサの出力により充電される第１の容量素子及び第２の容量素子と、前記出力信号の差を求める演算回路とを有し、
    　前記第１の容量素子は、前記演算回路を駆動する電力を蓄積し、
    　前記第２の容量素子は、前記演算回路に入力する信号を生成する、請求項１に記載の橋梁異常検知装置。
  3. 　複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された２つの支承に対応して設置された一対の振動センサと、
    　一対の前記振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、
    　前記異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路と、
    　前記鉄道橋梁の上部構造に設置され、前記検出回路の駆動電力を供給する、電力供給用振動発電素子と、を備え、
    　前記振動センサは、前記鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子である、橋梁異常検知装置。
  4. 　前記振動発電素子は、圧電素子と一体となった板バネと、前記板バネに取り付けられた第１の質量部材とを含む第１の振動系、及び前記第１の振動系が取り付けられた第２の質量部材と、前記第２の質量部材と前記上部構造との間に設けられた弾性部材とを含む第２の振動系を有し、
    　前記第１の振動系の共振周波数及び前記第２の振動系の共振周波数は、前記異常振動の周波数帯域に含まれる、請求項１～３のいずれか１項に記載の橋梁異常検知装置。
  5. 　前記検出回路は、前記出力信号の差を経時的に記憶し、前記出力信号の差の経時変化があらかじめ設定した変化率を超えた場合に異常信号を出力する、請求項１～４のいずれか１項に記載の橋梁異常検知装置。
  6. 　前記検出回路と、前記出力回路とは、無線接続されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の橋梁異常検知装置。
  7. 　前記出力回路は、走行する列車に搭載されたカメラにより撮影される位置に配置され、前記異常信号に基づいて発光する発光装置を有している、請求項１～６のいずれか１項に記載の橋梁異常検知装置。
  8. 　前記出力回路は、無線通信回路を有している、請求項１～６のいずれか１項に記載の橋梁異常検知装置。
  9. 　鉄道橋梁に発生した異常を検知する橋梁異常検知装置と、
    　前記鉄道橋梁を走行する列車に搭載され前記橋梁異常検知装置を監視する監視装置と、を備え、
    　前記橋梁異常検知装置は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承にそれぞれ対応して設置された一対の振動センサと、一対の前記振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、前記異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを有し、
    　前記振動センサは、前記鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、
    　前記検出回路の駆動電力は、前記振動発電素子から供給される、橋梁異常監視システム。
  10. 　前記出力回路は、異常時に発光装置を発光させ、
    　前記監視装置は、前記列車に搭載され、前記発光装置の発光の有無を確認するカメラである請求項９に記載の橋梁異常監視システム。
  11. 　複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分を求め、前記差分の値に応じて異常を判断する、橋梁異常検知方法。
  12. 　複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分の経時変化を求め、前記経時変化の値に応じて異常を判断する、橋梁異常検知方法。
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