WO2020013178A1 - パンタグラフアーク監視システムおよび方法 - Google Patents

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WO2020013178A1
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processor
pantograph
data
electric vehicle
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パオレッティ ウンベルト
彩 大前
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present disclosure relates to a system and method for monitoring arc discharge between an overhead wire and a pantograph of an electric vehicle that receives power supply from the overhead wire.
  • An arc between the overhead wire and the pantograph of the electric vehicle occurs when the overhead wire and the pantograph are temporarily separated. This is due to, for example, vertical vibration or ice formed on the overhead wire. In high-speed railways, the problem is exacerbated by the high voltage. The arc can damage the pantograph due to its high temperature, and may also indicate a fault in the overhead line. Arc monitoring is therefore useful for both pantograph and overhead wire maintenance.
  • the overhead wire is usually designed so that the horizontal position of the overhead wire changes relative to the pantograph while the pantograph is moving. Therefore, the position where the arc is generated on the pantograph changes continuously. Since damage to the pantograph depends on the strength, aging, and frequency of the arc at the same location, it is important to monitor where the arc occurs in pantograph maintenance.
  • the geographical location of the arc within the infrastructure is important, and this matches to some extent the geographical location of the electric vehicle at the time of the arc occurrence.
  • overhead line maintenance can be further improved. This can be done, for example, by identifying the geographic location where the arc is likely to occur in the infrastructure. If this can be performed in real time, it is possible to more quickly identify a fault in the overhead line.
  • U.S. Patent Publication 2017 / 0131337A1 focuses on detecting arcing and does not require large amounts of data. Therefore, this technique could be used for overhead level overhead line maintenance. However, the document does not provide any information on specifying arc positions on a pantograph.
  • U.S. Pat. Nos. 4,198,599 and 9,013,170B2 describe using an antenna to locate lightning to the ground or to an aircraft.
  • This antenna is, for example, a shield loop antenna. Techniques for determining this type of lightning direction are well known.
  • Patent Documents 5 and 6 describe a method for determining the direction in which lightning comes.
  • this type of prior art is not always directly applicable to determining arc locations on electric vehicles. This is because these conventional techniques do not determine the direction of lightning in real time, whereas arc position identification on an electric vehicle sometimes needs to process the arc information in real time.
  • the present disclosure focuses on the above-described problems, and an object of the present disclosure is to provide a technique for specifying an arc position between an overhead wire and a pantograph mounted on an electric vehicle.
  • a system includes: a magnetic field detector for detecting a magnetic field generated by an arc; a magnetic field detector disposed in an electric vehicle, wherein the magnetic field detected by the detector is used to determine a horizontal position of the arc on a pantograph.
  • a processor for detecting a magnetic field generated by an arc; a magnetic field detector disposed in an electric vehicle, wherein the magnetic field detected by the detector is used to determine a horizontal position of the arc on a pantograph.
  • the present disclosure it is possible to monitor an arc position on a pantograph using only a small amount of data and only simple data processing. As a result, it is possible to transmit the arc information to the outside of the vehicle together with the information obtained by the other electric vehicles in almost real time, and process the arc information. This can improve infrastructure maintenance.
  • FIG. 3 is a schematic view of a general situation in which an arc occurs in the electric vehicle 105.
  • 1 is a schematic diagram illustrating a system configuration according to a first embodiment of the present disclosure. It is the schematic of the side of the electric vehicle 105 which runs on the rail 202.
  • FIG. 3 is a top view of the electric vehicle 105.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a shield loop antenna 401 arranged on an upper surface of a vehicle body roof 501.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of a first processor 107.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of a second processor 108.
  • FIG. 4 is a functional block diagram of a third processor 109.
  • 5 is a flowchart illustrating a procedure performed by a first processor 107.
  • 9 is a flowchart illustrating a procedure performed by a second processor.
  • 10 is a flowchart illustrating a procedure performed by a third processor 109.
  • 9 illustrates
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a general situation in which an arc occurs in the electric vehicle 105.
  • Electric power is drawn from the overhead wire 102 by a pantograph 103 attached to the upper surface of the vehicle body 201, and exits the electric vehicle 105 via the rail 202.
  • the pantograph 103 includes a slide plate 104.
  • the sliding plate 104 is for bringing the pantograph 103 and the overhead wire 102 into mechanical contact.
  • an arc discharge 101 is formed.
  • the slider 104 is damaged by mechanical stress and current heating. Therefore, maintenance is performed on the slide plate 104 periodically. Such damage can be predicted. On the other hand, depending on the strength, time length, and frequency of the arc, the ground plate 104 may be partially damaged, and in that case, the ground plate 104 needs to be replaced more than the number of times of the regular maintenance. Since the position of the overhead wire 102 on the slide plate 104 continuously changes while the electric vehicle 105 is running, and the occurrence of arc cannot be predicted, it is necessary to estimate the state of the slide plate 104. It is necessary to monitor the arc phenomenon. More specifically, it is necessary to monitor the position, intensity, and time length of the arc on the slide plate 104. More generally, it is necessary to monitor the aging of the arc.
  • the information transmission from the moving electric vehicle 105 is wireless, the transmission capability is limited, and the quality of the data transmitted for monitoring must be maintained at a low level.
  • the computational resources that can be mounted on the electric vehicle 105 are mainly limited by the cost of the vehicle. The present disclosure seeks to accurately identify arc locations even in such limited computing and networking capabilities.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a system configuration according to the first embodiment of the present disclosure.
  • This system includes an antenna 106, a first processor 107, a second processor 108, and a third processor 109.
  • the first processor 107 and the second processor 108 can be mounted in the electric vehicle 105. That is, these processors are on a vehicle.
  • the third processor 109 can be arranged outside the electric vehicle 105.
  • the second processor 108 communicates with the third processor 109 to transmit data to be described later. Details of these processors will be described with reference to the following drawings.
  • FIG. 3 is a schematic side view of the electric vehicle 105 traveling on the rail 202.
  • Electric vehicle 105 draws electric power from overhead line 102 by pantograph 103 arranged on the upper surface of body 201.
  • An arc 101 is generated as a result of the overhead wire 102 and the pantograph 103 being temporarily separated.
  • An antenna 106 is mounted on the upper surface of the vehicle body 201 to detect the arc occurrence and the arc position on the pantograph 103.
  • the meaning of the antenna here should be interpreted in a broad sense, and a combination of a single antenna suitable for determining the angle direction at which the arc arrives is also included in the antenna here.
  • FIG. 4 is a top view of the electric vehicle 105.
  • the antenna 106 is desirably constituted by two shield loop antennas 401.
  • This type of antenna configuration has the advantage that it is simple to manufacture and difficult to react to electric fields.
  • the angle formed between the two antennas does not need to be 90 degrees as shown in the figure, and the angle resolution may be increased by optimization for each specific design depending on the distance from the pantograph 103 to the antenna.
  • the angular position 402 of the arc with respect to the center of the pantograph 103 can be identified. The detailed procedure for calculating the angle position ⁇ from the antenna 401 to the arc position will be described later.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of the shield loop antenna 401 arranged on the upper surface of the vehicle body roof 501. It is desirable that the first processor 107 is connected to the loop antenna 401 by a power supply cable 502 and a data cable 503 that penetrate the vehicle body roof 501 within a very short distance from the antenna 401.
  • the power supply cable 502 and the data cable 503 need not necessarily be separated, and may be integrated into a single cable to carry both power and data.
  • the first processor 107 may be placed under the roof by extending the connection to the antenna 401 and eliminating the need to place active components that require a power source on the body roof 501. You can also.
  • FIG. 6 is a functional block diagram of the first processor 107.
  • the signal from the shield loop antenna 401 is digitized by the AD converter 601.
  • the digital signal is processed by the main processor 602.
  • the main processor 602 uses the memory 604 in an auxiliary manner.
  • the horizontal position of the arc on the pantograph 103 is determined by the processing of the main processor 602.
  • Data processed for a single arcing event is transmitted by the communication interface 603 as soon as the arc occurs. This eliminates the need to store long-lived events unless it is necessary to buffer successive events.
  • the data calculated and transmitted by the first processor 107 includes: information 605 about the horizontal position of the arc on the pantograph; intensity data 606 describing the energy of the arc; describing the time at which the arc occurred. Occurrence time 607.
  • the intensity data 606 should be interpreted broadly as data relating to the energy propagated during arcing, and includes physical quantities such as voltage, current, charge, power, or energy, and may include time length and aging. it can. For example, it is a waveform in a time domain or a frequency domain of an antenna signal acquired on the antenna 401.
  • the occurrence time 607 can be described in any format as long as the time at which the arc occurs can be uniquely identified. For example, the occurrence time 607 can describe the year, month, day, hour, minute, second, etc. of the arc occurrence.
  • FIG. 7 is a functional block diagram of the second processor 108.
  • the communication interface 701 receives data from the first processor 107.
  • the main processor 702 processes the received data using the instructions in the memory 704, estimates the state of the pantograph 103, and estimates the geographic location of the arc within the infrastructure.
  • the main processor 702 stores the calculated data in the database 705.
  • the geographical position of the arc is calculated by considering the vehicle position information 707 at the time of the arc occurrence.
  • the vehicle position information 707 describes the geographical position of the electric vehicle 105 in the infrastructure when the arc occurs, and can be acquired from, for example, the infrastructure side.
  • the memory 704 and the database 705 do not necessarily need to be physically separated, and may be the same object.
  • the processing by the main processor 702 includes integrating continuous single events, removing insignificant events, modifying the intensity data 606, and applying correction coefficients to the intensity data 606 and the time data 607. , Etc., but is not limited to this.
  • Data processed for a single arc event is transmitted by the communication interface 703 immediately after processing by the main processor 702.
  • the data transmitted by the main processor 702 includes: information 708 on the arc position on the pantograph 103; intensity data 709; time of occurrence 710; information 711 on the geographical position of the arc in the infrastructure.
  • an input / output interface 706 for accessing data in the second processor 108 may be provided.
  • FIG. 8 is a functional block diagram of the third processor 109.
  • the communication interface 802 receives the vehicle data 801 from the second processors 108 of the plurality of electric vehicles 105 running on the infrastructure.
  • the main processor 803 stores the received data in the database 806 using the memory 805 in an auxiliary manner. Also in this case, the memory 805 and the database 806 do not need to be physically separated, and may be the same object.
  • the main processor 803 processes the received data to estimate the state of the overhead wire 102 and stores the calculation result in the database 806.
  • the data stored in the database 806 can be accessed via the input / output interface 804.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a procedure performed by the first processor 107. Hereinafter, each step of FIG. 9 will be described.
  • the first processor 107 calculates the norm of the antenna signal that changes over time.
  • the norm can be calculated as the square root of the sum of squares of the signal strength received by the antenna 401. That is, when a signal received by one antenna 401 x1, signals the other is received in the antenna 401 and x2, are (
  • step S2 the first processor 107 compares the norm (calculated in step S1) level with the threshold. If the norm level is above the threshold, the first processor 107 stores the received waveform over the period when the norm is above the threshold. This period represents the time length of a single arc event. If an oscillation phenomenon occurs, a plurality of events may be integrated into a single arc event in the subsequent post-processing.
  • the first processor 107 calculates the angular position of the arc on the pantograph 103 for each single arc event. Since the angular position changes with time, it depends on the time.
  • the arc position specification of the pantograph using the antenna is different from the technology of specifying the position of the noise source as in Patent Documents 5 and 6. This is because the size of the slider 104 is relatively small with respect to the distance from the antenna. For example, when the 80 cm slider 104 is at a distance of 3 m from the antenna, the arc position will be specified only within an angular interval of about 15 degrees. By using this fact to normalize the antenna signal with respect to the reference value, the spatial resolution can be increased.
  • the reference value is, for example, an antenna signal when the arc generation source is known. For example, it is an antenna signal when the arc source is the center of the pantograph 103.
  • step S4 the first processor 107 determines one arc position for each event. This is performed based on the statistical evaluation of the antenna signal and the angular position, and the size of the pantograph 103 and the distance from the antenna to the pantograph 103.
  • step S5 the first processor 107 calculates the intensity data 606 for a single arc event.
  • the intensity data 606 are as described above. That is, the intensity data 606 can be described in consideration of the amplitude of the antenna signal, the time length of the arc event, or the change over time of the antenna signal.
  • step S6 the first processor 107 transmits the arc position 605, intensity data 606, and occurrence time 607 estimated for each event to the second processor 108.
  • the second processor 108 does not necessarily need to be placed near the antenna, and thus the distance from the antenna to the second processor 108 may be longer than the distance from the antenna to the first processor 107.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a procedure performed by the second processor 108. Hereinafter, each step of FIG. 10 will be described.
  • the second processor 108 may integrate a continuous arc event into a single arc event as needed. For example, when a continuous arc event occurs within a very short time.
  • the second processor 108 may also apply correction factors and other processing techniques to the intensity data 606 and time data 607, thereby improving the definition and accuracy of the arc event.
  • step S8 the second processor 108 estimates the geographical position of a single arc event in the infrastructure based on the arc time and the vehicle position information 707.
  • the second processor 108 stores the arc event data in the database 705.
  • the arc event data includes the time of each arc, the intensity data, the position on the pantograph, and the geographical position within the infrastructure.
  • step S10 the second processor 108 transmits data relating to each arc event to the third processor 109 disposed outside the electric vehicle 105.
  • the second processor 108 estimates the state of the pantograph 103 using data on a plurality of arc events. In other words, the second processor 108 estimates the damage caused on the pantograph 103 by the plurality of arcs. This damage can generally be estimated, for example, from the energy imparted to the pantograph 103 by the arc.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a procedure performed by the third processor 109. Hereinafter, each step of FIG. 11 will be described.
  • step S12 the third processor 109 stores the arc event data from the plurality of electric vehicles 105 in the database 806.
  • the third processor 109 estimates the state of the overhead wire 102 based on data from the plurality of electric vehicles 105 and data from a plurality of arc events. For example, if multiple arc events occur on the same geographic location for multiple electric vehicles 105, the overhead line 102 may be broken at that geographic location.
  • the system according to the first embodiment estimates the angular position of the arc on the pantograph 103 using the magnetic field detected by the antenna 401. This estimation is performed in substantially real time by the first processor 107, and the first processor 107 is arranged on the electric vehicle 105 and near the antenna 401. Therefore, the electric vehicle 105 does not need to implement a high-performance processor or a high-speed network channel to estimate the arc position. This is because the first processor 107 does not use large-volume data as in a high-resolution camera, and thus does not need to process and transmit such large-volume data.
  • the system according to the first embodiment estimates the state of the pantograph 103 based on a plurality of arc events on the same electric vehicle 105. This estimation can be performed by the second processor 108 on the electric vehicle 105. This is because the data describing each arc event is not as large as the camera image, and thus the electric vehicle 105 does not need to implement a high-performance processor for the second processor 108.
  • the system according to the first embodiment estimates the state of the overhead wire 102 based on arc event data collected from the plurality of electric vehicles 105. Since stress on the overhead line 102 is usually predictable, maintenance of the infrastructure is usually performed periodically. According to the first embodiment, maintenance efficiency is improved. This is because, in addition to the regular maintenance, damage to the overhead wire 102 caused by the irregular arc event can be estimated.
  • FIG. 12 shows the configuration of the first processor in the second embodiment.
  • the first processor 107 receives power from the energy harvesting unit 1201 and communicates with the second processor 108 via a wireless connection.
  • cable connections 502 and 503 that pass through the body roof 501 are not required.
  • the energy harvesting unit 1201 any type of unit that acquires electric energy from the environment can be used.
  • the energy harvesting unit 1201 may be arranged near the first processor 107, or may be arranged at a distance from the first processor 107 and connected to the first processor 107 by, for example, a power cable.
  • the second processor 108 transmits the arc event data to the third processor 109. If the third processor 109 is not present in the system, or if the second processor 108 has difficulty transmitting the arc event data, the arc event data may be temporarily stored in the database 705. The arc event data in the database 705 is acquired by the central computer or the like after the electric vehicle 105 stops. In this case, steps S10, S12, and S13 related to the third processor 109 can be omitted.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment.
  • the arc position is identified on the electric vehicle 105.
  • the present disclosure can be applied to any type of electric vehicle as long as the overhead wire that supplies power to the vehicle and the slider that receives power from the overhead wire are related.
  • the antenna 401 detects the magnetic field generated by the arc 101.
  • the present disclosure is not limited to such a configuration, and any type of magnetic field detector can be employed as long as the angular position ⁇ (t) can be calculated.
  • the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be partially or entirely realized by hardware, for example, by designing an integrated circuit.
  • the above-described configurations, functions, and the like may be implemented by software by a processor interpreting and executing a program that implements each function.
  • Information such as a program, a table, and a file for realizing each function can be stored in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.

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Abstract

本開示の目的は、架線と電動車が搭載しているパンタグラフとの間のアーク位置を特定する技術を提供することである。本開示に係るシステムは:アークによって生成された磁場を検出する磁場検出器;電動車内に配置され、前記検出器が検出した前記磁場を用いてパンタグラフ上のアークの水平位置を判定する、第1プロセッサ;を備える(図2参照)。

Description

パンタグラフアーク監視システムおよび方法
 本開示は、架線と、その架線から電力供給を受ける電動車のパンタグラフとの間におけるアーク放電の監視システムおよび監視方法に関する。
 架線と電動車のパンタグラフとの間のアークは、架線とパンタグラフとの間が一時的に離れたとき生じる。これは例えば垂直方向の振動や、架線上に形成された氷などによるものである。高速鉄道においては、高電圧によりその課題はより深刻となる。アークはその高温によりパンタグラフに対してダメージを与える可能性があり、さらに架線の障害を示唆している場合もある。したがってアーク監視は、パンタグラフと架線の双方のメンテナンスにとって有用である。
 架線は通常、パンタグラフが移動している間は架線の水平位置がパンタグラフに対して相対的に変化するように設計されている。そのため、パンタグラフ上でアークが発生する位置は連続的に変化する。パンタグラフに対するダメージは、同じ位置におけるアークの強度、経時変化、および回数に依拠するので、パンタグラフのメンテナンスにおいてはアークが起こる位置を監視することが重要である。
 架線メンテナンスにおいては、インフラ内におけるアークの地理的位置が重要であり、これはアーク発生時点における電動車の地理的位置とある程度合致している。複数の電動車からアークについての情報を収集することにより、架線メンテナンスをさらに改善することができる。これは例えば、インフラ内においてアークが発生しそうな地理的位置を特定することにより、実施できる。これをリアルタイムで実施できれば、架線の障害をより早く特定することができる。
 パンタグラフ内のアーク位置を特定する既存の特許出願がいくつか存在する。例えば米国特許公開2017/0024880A1と2016/0311342A1は、カメラやステレオカメラを利用し、EP2551143B1は赤外線カメラを利用する。しかし悪天候により、カメラ感度に対して悪影響が及ぶことが予測される(特に光学カメラ)。さらにカメラが生成する大量のデータは、電動車外の他デバイスに対して容易に送信することはできない。電動車が搭載している送信能力が限られているからである。したがってこれら先行技術においては、電動車上で処理をしなければならず、これは多大な処理能力を必要とする。あるいはこれら先行技術において電動車上でデータ記憶装置を搭載する必要があり、これは分析処理を遅延させてしまう。
 米国特許公開2017/0131337A1は、アーク発生を検出することにフォーカスしており、大量のデータを必要としない。したがってこの技術は、インフラレベルの架線メンテナンスのために用いることができる可能性がある。しかし同文献は、パンタグラフ上のアーク位置特定について何らの情報も提供していない。
 米国特許4,198,599と9,013,170B2は、アンテナを用いて地表に対するまたは航空機に対する雷の位置を特定することについて記載している。このアンテナは例えばシールドループアンテナである。このタイプの雷方向を判定する技術は、よく知られている。
米国特許公開2017/0024880A1 米国特許公開2016/0311342A1 欧州特許EP2551143B1 米国特許公開2017/0131337A1 米国特許4,198,599 米国特許9,013,170B2
 カメラを用いてアーク位置を特定する従来技術は、アーク位置を正確に識別することができる。これは、カメラが撮影する画像がアークについて大量の情報を含んでいるからである。他方で、電動車外のコンピュータに対して撮影データを送信する必要があるのが通常である。これは通常の電動車上の計算リソースが限られているからである。そうすると電動車は、電動車と車外コンピュータとの間の高速通信チャネルを実装する必要がある。これは電動車のコストを増加させる。
 特許文献5と6は、雷がやって来る方向を判定する方法を記載している。しかしこのタイプの従来技術は、電動車上のアーク位置を特定することに対して直接適用することは必ずしもできない。これら従来技術は雷方向をリアルタイムで判定していないのに対して、電動車上のアーク位置特定はそのアーク情報をリアルタイム処理する必要がある場合があるからである。
 本開示は、上記のような課題にフォーカスしたものであり、本開示の目的は、架線と電動車が搭載しているパンタグラフとの間のアーク位置を特定する技術を提供することである。
 本開示に係るシステムは:アークによって生成された磁場を検出する磁場検出器;電動車内に配置され、前記検出器が検出した前記磁場を用いてパンタグラフ上のアークの水平位置を判定する、第1プロセッサ;を備える。
 本開示によれば、少量のデータを用いて、簡易なデータ処理のみによって、パンタグラフ上のアーク位置を監視することができる。その結果、他の電動車が取得した情報とともに、ほぼリアルタイムでアーク情報を車外へ送信し処理することができる。これによりインフラメンテナンスを改善することができる。
電動車105においてアークが発生する一般的状況の概略図である。 本開示の実施形態1に係るシステム構成を示す概略図である。 レール202上を走行する電動車105の側面の概略図である。 電動車105の上面図である。 車体屋根501の上面に配置されたシールドループアンテナ401の概略断面図である。 第1プロセッサ107の機能ブロック図である。 第2プロセッサ108の機能ブロック図である。 第3プロセッサ109の機能ブロック図である。 第1プロセッサ107が実施する手順を示すフローチャートである。 第2プロセッサ108が実施する手順を示すフローチャートである。 第3プロセッサ109が実施する手順を示すフローチャートである。 実施形態2における第1プロセッサの構成である。
<実施の形態1>
 図1は、電動車105においてアークが発生する一般的状況の概略図である。電力は、車体201の上面に取り付けられたパンタグラフ103によって架線102から引き出され、レール202を介して電動車105の外に出る。パンタグラフ103は、すり板104を備える。すり板104は、パンタグラフ103と架線102を機械的に接触させるためのものである。架線102と、パンタグラフ103の上面のすり板104との間が離れると、アーク放電101が形成される。
 すり板104は、機械的ストレスと電流加熱によってダメージを受ける。よってすり板104に対して定期的にメンテナンスが実施される。そのようなダメージは予測できるからである。他方で、アークの強度、時間長、および回数に応じて、すり板104は部分的にダメージを受ける場合があり、その場合は定期メンテナンスの回数よりも多くすり板104を交換する必要が生じる。すり板104上の架線102の位置は、電動車105が走行している間は連続的に変化し続け、かつアーク発生は予測することができないので、すり板104の状態を推定するためには、アーク現象を監視する必要がある。より具体的には、アークのすり板104上における位置、強度、時間長を監視する必要がある。より一般的には、アークの経時変化を監視する必要がある。
 さらに、インフラ内の同じ地理的位置において多くのアークが発生する場合、それは架線102の障害を示唆している可能性がある。架線のそのような障害に対して対処するためには、インフラ内を走行する全ての電動車105について、インフラに対するアークの地理的位置も監視する必要がある。
 移動している電動車105からの情報送信は無線によるので、その送信能力は限られており、監視のために送信するデータ品質を低レベルに維持しなければならない。また電動車105上に搭載することができる計算リソースは、主に車両のコストによって制限されている。本開示は、そのような制限された計算能力およびネットワーク能力においても、アーク位置を正確に識別することを図る。
 図2は、本開示の実施形態1に係るシステム構成を示す概略図である。本システムは、アンテナ106、第1プロセッサ107、第2プロセッサ108、および第3プロセッサ109を備える。第1プロセッサ107と第2プロセッサ108は、電動車105内に搭載することができる。すなわちこれらプロセッサは車上のものである。第3プロセッサ109は、電動車105外に配置することができる。第2プロセッサ108は第3プロセッサ109と通信して、後述するデータを送信する。これらプロセッサの詳細は、以下の図面を用いて説明する。
 図3は、レール202上を走行する電動車105の側面の概略図である。電動車105は、車体201の上面に配置されたパンタグラフ103により、電力を架線102から引き出す。架線102とパンタグラフ103が一時的に離れる結果としてアーク101が発生する。
 アーク発生とパンタグラフ103上におけるアーク位置を検出するため、アンテナ106が車体201の上面に取り付けられている。ここでいうアンテナの意味は広義に解釈すべきであり、アークが到着する角度方向を判定するのに適した単一アンテナの組み合わせもここでいうアンテナに含まれる。
 図4は、電動車105の上面図である。アンテナ106は、2つのシールドループアンテナ401によって構成されることが望ましい。このタイプのアンテナ構成は、製造が簡易であり、電場に対して反応しにくいことが利点である。2つのアンテナ間で形成する角度は、図示するように90度である必要はなく、パンタグラフ103からアンテナまでの距離に依拠した具体的な設計ごとに最適化して角度解像度を増やしてもよい。2つのループアンテナ401により、パンタグラフ103の中心に対するアークの角度位置402を識別することができる。アンテナ401からアーク位置までの角度位置αを算出する詳細手順については後述する。
 図5は、車体屋根501の上面に配置されたシールドループアンテナ401の概略断面図である。第1プロセッサ107は、アンテナ401に対してごく近い距離内において、車体屋根501を貫通する電力供給ケーブル502とデータケーブル503によって、ループアンテナ401と接続されていることが望ましい。電力供給ケーブル502とデータケーブル503は、必ずしも分離されている必要はなく、単一のケーブルに統合して電力とデータをともに搬送してもよい。別構成において、第1プロセッサ107は、アンテナ401に対する接続を延伸するとともに、車体屋根501上に電力源を必要とするアクティブ部品を配置する必要がないようにすることにより、屋根下に配置することもできる。
 図6は、第1プロセッサ107の機能ブロック図である。シールドループアンテナ401からの信号は、AD変換器601によってデジタル化される。デジタル信号はメインプロセッサ602によって処理される。メインプロセッサ602はメモリ604を補助的に用いる。メインプロセッサ602の処理により、パンタグラフ103上のアークの水平位置が判定される。単一のアーク発生イベントについて処理されたデータは、アークが発生するとすぐに、通信インターフェース603によって送信される。これにより、連続的イベントをバッファする必要がある場合を除き、長期間にわたるイベントを格納する必要がなくなる。
 具体的には、第1プロセッサ107が計算し送信するデータは以下を含む:パンタグラフ上のアークの水平位置についての情報605;アークのエネルギーを記述する強度データ606;アークが発生した時刻を記述する発生時刻607。強度データ606は、アーク発生中に伝搬されるエネルギーに関するデータとして広義に解釈すべきであり、電圧、電流、電荷、電力、またはエネルギーなどの物理量を含むとともに、時間長や経時変化を含むことができる。例えばアンテナ401上で取得されるアンテナ信号の時間ドメインまたは周波数ドメインにおける波形である。発生時刻607は、アークが発生した時刻を一意に識別することができるのであれば、任意のフォーマットで記述することができる。例えば発生時刻607は、アーク発生の年、月、日、時、分、秒などを記述することができる。
 図7は、第2プロセッサ108の機能ブロック図である。通信インターフェース701は、第1プロセッサ107からデータを受信する。メインプロセッサ702は、メモリ704内の命令を用いて受信データを処理し、パンタグラフ103の状態を推定するとともに、インフラ内におけるアークの地理的位置を推定する。メインプロセッサ702は、計算したデータをデータベース705に保存する。アークの地理的位置は、アーク発生時点における車位置情報707を考慮することにより計算される。車位置情報707は、アークが発生したときにおけるインフラ内の電動車105の地理的位置を記述しており、例えばインフラ側から取得することができる。
 メモリ704とデータベース705は、必ずしも物理的に分離している必要はなく、同一の物体であってもよい。メインプロセッサ702による処理としては、連続する単一イベントを統合すること、重要でないイベントを除去すること、強度データ606を修正すること、強度データ606と時刻データ607に対して補正係数を適用すること、などが含まれるが、これに限られない。単一のアークイベントについて処理したデータは、メインプロセッサ702が処理した後すぐに、通信インターフェース703によって送信される。
 具体的には、メインプロセッサ702が送信するデータは以下を含む:パンタグラフ103上のアーク位置についての情報708;強度データ709;発生時刻710;インフラ内におけるアークの地理的位置に関する情報711。必ずしも必須ではないが、第2プロセッサ108内のデータにアクセスするための入出力インターフェース706を備えることもできる。
 図8は、第3プロセッサ109の機能ブロック図である。通信インターフェース802は、インフラ上を走行する複数の電動車105の第2プロセッサ108から、車データ801を受信する。メインプロセッサ803は、メモリ805を補助的に使用して、受信データをデータベース806に保存する。この場合もメモリ805とデータベース806は物理的に分離している必要はなく、同一の物体であってもよい。またメインプロセッサ803は、受信データを処理して架線102の状態を推定し、計算結果をデータベース806に保存する。データベース806が格納しているデータは、入出力インターフェース804を介してアクセスすることができる。
 図9は、第1プロセッサ107が実施する手順を示すフローチャートである。以下図9の各ステップについて説明する。
 ステップS1において第1プロセッサ107は、経時変化するアンテナ信号のノルムを計算する。例えばノルムは、アンテナ401が受信した信号強度の2乗和の平方根として算出することができる。すなわち、アンテナ401の一方が受信した信号をx1、アンテナ401の他方が受信した信号をx2とすると、(|x1|+|x2|1/2である。
 ステップS2において第1プロセッサ107は、ノルム(ステップS1で算出したもの)レベルと閾値を比較する。ノルムレベルが閾値を超えている場合、第1プロセッサ107は、ノルムが閾値を超えている期間にわたって受信波形を保存する。この期間は単一のアークイベントの時間長を表している。発振現象が現れている場合、以後の事後処理において、複数のイベントを単一のアークイベントに統合してもよい。
 ステップS3において第1プロセッサ107は、単一のアークイベントそれぞれについて、パンタグラフ103上のアークの角度位置を計算する。角度位置は経時変化するので時刻に依拠する。例えば2つの直交するシールドループアンテナの場合、経時変化するラジアン単位の角度位置α(t)は、以下の式(1)によって計算することができる:
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 x1(t)とx2(t)は、磁場を表すアンテナ信号である;θは、パンタグラフ103に対するアンテナ401の向きに依拠する固定角度である(図4参照)。例えばアンテナ401が図4のように向いている場合、θ=π/4である。使用するアンテナによっては、角度位置α(t)を計算するために、より複雑な手順を用いることもできる。
 アーク発生源を探索する角度間隔が狭い点において、アンテナを用いたパンタグラフのアーク位置特定は、特許文献5と6のようなノイズ発生源の位置を特定する技術とは異なる。これは、アンテナからの距離に対してすり板104のサイズが比較的小さいことによる。例えば80cmすり板104がアンテナから3mの距離にあるとき、アーク位置は約15度の角度間隔内においてのみ特定されることになる。この事実を用いて、アンテナ信号を基準値に対して正規化することにより、空間解像度を増やすことができる。基準値は例えば、アーク発生源が既知である場合におけるアンテナ信号である。例えばアーク発生源がパンタグラフ103の中心である場合のアンテナ信号である。
 ステップS4において第1プロセッサ107は、各イベントについて1つのアーク位置を判定する。これは、アンテナ信号と角度位置の統計的評価、およびパンタグラフ103のサイズとアンテナからパンタグラフ103までの距離に基づき、実施される。
 ステップS5において第1プロセッサ107は、単一のアークイベントにつき強度データ606を算出する。強度データ606の例は上述の通りである。すなわち強度データ606は、アンテナ信号の振幅、アークイベントの時間長、またはアンテナ信号の経時変化を考慮して記述することができる。
 ステップS6において第1プロセッサ107は、第2プロセッサ108に対して、各イベントについて推定したアーク位置605、強度データ606、発生時刻607を送信する。第2プロセッサ108は必ずしもアンテナ近傍に配置する必要はなく、よってアンテナから第2プロセッサ108までの距離はアンテナから第1プロセッサ107までの距離よりも長い場合がある。
 図10は、第2プロセッサ108が実施する手順を示すフローチャートである。以下図10の各ステップについて説明する。
 ステップS7において第2プロセッサ108は、必要に応じて、連続するアークイベントを単一のアークイベントへ統合してもよい。例えば連続するアークイベントがごく短い時間内に発生した場合である。第2プロセッサ108はまた、強度データ606と時刻データ607に対して補正係数その他処理技術を適用し、これによりアークイベントの定義と精度を向上させてもよい。
 ステップS8において第2プロセッサ108は、アーク時刻と車位置情報707に基づき、インフラ内の単一のアークイベントの地理的位置を推定する。
 ステップS9において第2プロセッサ108は、アークイベントデータをデータベース705に保存する。アークイベントデータは、各アークの時刻、強度データ、パンタグラフ上の位置、およびインフラ内における地理的位置を含む。
 ステップS10において第2プロセッサ108は、電動車105の車外に配置されている第3プロセッサ109に対して、各アークイベントに関するデータを送信する。
 ステップS11において第2プロセッサ108は、複数のアークイベントについてのデータを用いて、パンタグラフ103の状態を推定する。換言すると第2プロセッサ108は、複数のアークによってパンタグラフ103上に生じたダメージを推定する。このダメージは一般に、例えばパンタグラフ103に対してアークによって与えられたエネルギーから推定することができる。
 図11は、第3プロセッサ109が実施する手順を示すフローチャートである。以下図11の各ステップについて説明する。
 ステップS12において第3プロセッサ109は、複数の電動車105からのアークイベントデータを、データベース806に保存する。ステップS13において第3プロセッサ109は、複数の電動車105からのデータと複数のアークイベントからのデータに基づき、架線102の状態を推定する。例えば複数の電動車105について同じ地理的位置上で複数のアークイベントが発生した場合、架線102はその地理的位置において破損している可能性がある。
<実施の形態1:まとめ>
 本実施形態1に係るシステムは、アンテナ401によって検出した磁場を用いて、パンタグラフ103上のアークの角度位置を推定する。この推定は第1プロセッサ107によってほぼリアルタイムで実施され、第1プロセッサ107は電動車105上かつアンテナ401の近傍に配置されている。したがって電動車105は、アーク位置を推定するために高性能なプロセッサや高速ネットワークチャネルを実装する必要はない。第1プロセッサ107は高解像度カメラのような大容量データを用いることはなく、よってそのような大容量データを処理・送信する必要がないからである。
 本実施形態1に係るシステムは、同一の電動車105上における複数のアークイベントに基づき、パンタグラフ103の状態を推定する。この推定は、電動車105上の第2プロセッサ108によって実施することができる。各アークイベントを記述しているデータはカメラ画像ほど大サイズではなく、よって電動車105は第2プロセッサ108のために高性能なプロセッサを実装する必要がないからである。
 本実施形態1に係るシステムは、複数の電動車105から収集したアークイベントデータに基づき、架線102の状態を推定する。架線102に対するストレスは予測できるのが通常であるので、インフラのメンテナンスは通常、定期的に実施される。本実施形態1によれば、メンテナンス効率が改善される。定期メンテナンスに加えて、不規則なアークイベントに起因する架線102に対するダメージを推定できるからである。
<実施の形態2>
 本開示の実施形態2においては、システムの具体的構成例について説明する。その具体的詳細部分以外の構成は実施形態1と同じであり、よって再説明はしない。
 図12は、実施形態2における第1プロセッサの構成である。図12の構成において、第1プロセッサ107はエナジーハーベスティングユニット1201から電力を受け取り、無線接続により第2プロセッサ108と通信する。このように、車体屋根501を通過するケーブル接続502や503は必要ない。エナジーハーベスティングユニット1201としては、環境から電気エネルギーを取得する任意タイプのユニットを用いることができる。エナジーハーベスティングユニット1201は第1プロセッサ107の近傍に配置してもよいし、あるいは第1プロセッサ107から離れて配置して例えば電力ケーブルにより第1プロセッサ107と接続してもよい。
 実施形態1において、第2プロセッサ108はアークイベントデータを第3プロセッサ109に対して送信することを想定している。第3プロセッサ109がシステム内に存在せず、あるいは第2プロセッサ108がアークイベントデータを送信するのが困難である場合は、アークイベントデータをデータベース705内に一時的に格納してもよい。データベース705内のアークイベントデータは、電動車105が停止した後に、中央コンピュータなどによって取得される。この場合、第3プロセッサ109に関連するステップS10、S12、S13は省略することができる。
<本発明の変形例について>
 本発明は、前述した実施形態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、上記した実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。
 以上の実施形態において、アーク位置は電動車105上で識別される。自動車に対して電力を供給する架線と、その架線から電力を受け取るすり板とが関連する限りにおいて、本開示は任意タイプの電動車に対して適用することができる。
 以上の実施形態において、アンテナ401はアーク101が生成した磁場を検出する。本開示はそのような構成に限られるものではなく、角度位置α(t)を計算することができるのであれば任意タイプの磁場検出器を採用することができる。
 上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
101:アーク
102:架線
103:パンタグラフ
104:すり板
105:電動車
106:アンテナ
107:第1プロセッサ
108:第2プロセッサ
109:第3プロセッサ

Claims (11)

  1.  架線と電動車のパンタグラフとの間のアークを監視するシステムであって、前記パンタグラフは前記架線から前記電動車のための電流を収集し、前記システムは、
     前記アークによって生成される磁場の変化を検出する磁場検出器、
     前記パンタグラフ上における前記アークの水平位置を判定し、前記水平位置、前記アークの発生時刻、および前記アークの強度を記述する第1データを出力する、第1プロセッサ、
     を備え、
     前記磁場検出器は前記パンタグラフの近傍に配置されており、
     前記第1プロセッサは前記電動車内に配置されている
     ことを特徴とするシステム。
  2.  前記システムはさらに、
     前記水平位置、前記発生時刻、および前記強度を格納する第1データベース、
     前記第1プロセッサから前記第1データを受信し、前記受信した前記第1データを前記第1データベースに保存し、前記第1データを処理して前記パンタグラフの状態を推定する、第2プロセッサ、
     を備え、
     前記第2プロセッサは前記電動車内に配置されており、
     前記第2プロセッサは、前記第1プロセッサから複数の前記第1データを取得して複数の前記アークの発生イベントについての情報を収集し、前記複数の前記アークの発生イベントにしたがって前記パンタグラフの状態を推定する
     ことを特徴とする請求項1記載のシステム。
  3.  前記第2プロセッサは、前記アークが発生したとき前記電動車が走行しているインフラ内における前記電動車の第1地理的位置を記述した情報を受信し、
     前記第2プロセッサは、前記第1地理的位置にしたがって、前記インフラ内における前記アークの第2地理的位置を判定し、前記アークの前記第2地理的位置を記述した第2データを送信する
     ことを特徴とする請求項2記載のシステム。
  4.  前記システムはさらに、
     前記アークの前記第2地理的位置を格納する第2データベース、
     前記第2プロセッサから前記第2データを受信し、前記受信した前記第2データを前記第2データベースに格納し、前記第2データを処理して前記架線の状態を推定する、第3プロセッサ、
     を備え、
     前記第3プロセッサは前記電動車外に配置されており、
     前記第3プロセッサは、前記インフラを走行している複数の前記電動車から前記第2データを受信し、前記複数の電動車から受信した前記第2データを前記第2データベースに格納し、
     前記第3プロセッサは、前記第2データベースが格納している複数の前記第2データにしたがって、前記架線の状態を推定する
     ことを特徴とする請求項3記載のシステム。
  5.  前記磁場検出器は、2つのシールドループアンテナによって構成されている
     ことを特徴とする請求項1記載のシステム。
  6.  前記第1プロセッサは、前記パンタグラフに対する前記シールドループアンテナの傾き、前記アークが発生したとき第1の前記シールドループアンテナが受信した第1アンテナ信号、および前記アークが発生したとき第2の前記シールドループアンテナが受信した第2アンテナ信号を用いて、前記シールドループアンテナから前記アークに対する角度位置を判定することにより、前記水平位置を判定する
     ことを特徴とする請求項5記載のシステム。
  7.  前記第1プロセッサは、前記シールドループアンテナが前記パンタグラフ上の既知の位置から磁場を受信したとき前記シールドループアンテナが取得した基準値に対して、前記第1アンテナ信号と前記第2アンテナ信号を正規化し、
     前記第1プロセッサは、前記正規化したアンテナ信号を用いて、前記角度位置を判定する
     ことを特徴とする請求項6記載のシステム。
  8.  前記アークの強度は、前記アークから前記パンタグラフに対して与えられるエネルギーを表し、
     前記第2プロセッサは、前記アークの強度が表すエネルギーにしたがって、前記パンタグラフに対するダメージを推定する
     ことを特徴とする請求項2記載のシステム。
  9.  前記第1プロセッサは、1以上のケーブルにより、電力を受信するとともに他デバイスと通信する
     ことを特徴とする請求項1記載のシステム。
  10.  前記第1プロセッサは、前記第1プロセッサの近傍に配置されたエナジーハーベスティングユニットによって電力を受け取り、他デバイスと無線通信する
     ことを特徴とする請求項1記載のシステム。
  11.  架線と電動車のパンタグラフとの間のアークを監視する方法であって、前記パンタグラフは前記架線から前記電動車のための電流を収集し、前記方法は、
     前記パンタグラフの近傍に配置されている磁場検出器により、前記アークによって生成される磁場の変化を検出するステップ、
     前記電動車内に配置されている第1プロセッサにより、前記パンタグラフ上における前記アークの水平位置を判定し、前記水平位置、前記アークの発生時刻、および前記アークの強度を記述する第1データを出力する、ステップ、
     を有することを特徴とする方法。
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