(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行中の台車のピッチ角速度およびロール角速度を、台車枠に取り付けたセンサによって検出し、検出した台車ピッチ角速度または台車ピッチ角速度の積算値が予め設定した閾値よりも大きくなったこと、および検出した台車ロール角速度または台車ロール角速度の積算値が予め設定した閾値よりも大きくなったことを条件として、車輪のフランジがレールを乗り越えて起こる脱線の予兆と判断することを特徴とする脱線予兆の検知方法。
【請求項２】
走行中の台車のピッチ角速度およびロール角速度を、軸箱および台車枠に取り付けたセンサによって検出し、検出した台車ピッチ角速度または台車ピッチ角速度の積算値が予め設定した閾値よりも大きくなったこと、および検出した台車ロール角速度または台車ロール角速度の積算値が予め設定した閾値よりも大きくなったことを条件として、車輪のフランジがレールを乗り越えて起こる脱線の予兆と判断することを特徴とする脱線予兆の検知方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の脱線予兆の検知方法において、前記センサはそれぞれ複数個取り付けられ、これら複数個のセンサの検出値の最大値を採用することを特徴とする脱線予兆の検知方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の脱線予兆の検知方法において、前記台車ピッチ角速度の閾値及び台車ロール角速度の積算閾値を、走行速度をパラメータとして変化させることを特徴とする脱線予兆の検知方法。
【請求項５】
車両の脱線を再現する装置であって、この装置は車両が走行する一対のレール間に当該レールと直交する方向に移動可能とされた可動ユニットを備え、この可動ユニットは車両の走行方向に沿って複数個連接して設けられ、また各可動ユニットには走行する車両の一部と接触することで車両の動きに連動して前記レールと直交する方向に移動せしめるガイド面と、可動ユニットが前記レールに寄った状態で車輪のフランジ部が乗り上げる段差面を有していることを特徴とする脱線再現装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両が脱線する前に予め脱線予知を行い、未然に脱線を防止する脱線予兆の検知方法と脱線再現装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両が脱線したことを検知せずにそのまま走行すると大きな事故につながる。そこで脱線したことを検知する方法として、特許文献１〜４に開示される方法が提案されている。
特許文献１には、加速度信号を二重積分して上下方向の変位量を求め、且つ車両の走行速度を同時に検出し、実走行速度に対応する鉛直方向加速度にもとづいて脱線を検出する技術が開示されている。
特許文献２には、正常走行時の振動センサの出力を常時監視記録し、走行中の振動センサの出力を該記録と比較することにより脱線を検知する技術が開示されている。
特許文献３には、振動加速度の検出と同時に鉄道車両の走行速度を検出し、走行速度と共に変化する振動加速度を測定しその最大値を得て限界値とし、これを超える加速度を検出したとき脱線と判定する技術が開示されている。
特許文献４には、上下方向加速度センサの出力をフィルターによって所定の範囲に濾波し、この値と低速走行時の脱線検知基準値とを比較して、脱線を判定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−０３９７９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２７８７９５号公報
【特許文献３】ＷＯ  ２０００／０９３７９
【特許文献４】特開２００３−２６１０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜４に開示される方法は、いずれも脱線した後にそれを検知する方法であり、脱線を未然に防ぐものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため請求項１に係る脱線予兆の検知方法は、走行中の台車のピッチ角速度およびロール角速度を、台車枠に取り付けたセンサ（加速度センサまたは角速度センサ）によって検出し、検出した台車ピッチ角速度または台車ピッチ角速度の積算値が予め設定した閾値よりも大きくなったこと、および検出した台車ロール角速度または台車ロール角速度の積算値が予め設定した閾値よりも大きくなったことを条件として脱線予兆と判断するようにした。【０００６】
また請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明のセンサを軸箱および台車枠に取り付けた構成とした。
検知精度を高めるには、複数個のセンサを台車に取り付けることが好ましい．この場合には、安全を見越して複数個のセンサの検出値の最大値を採用する。また、前記台車ピッチ角速度の閾値及び台車ロール角速度の積算閾値を、走行速度をパラメータとして変化させることも可能である。
更に本発明に係る車両の脱線を再現する装置は、車両が走行する一対のレール間に当該レールと直交する方向に移動可能とされた可動ユニットを備え、この可動ユニットは車両の走行方向に沿って複数個連接して設けられ、また各可動ユニットには走行する車両の一部と接触することで車両の動きに連動して前記レールと直交する方向に移動せしめるガイド面と、可動ユニットが前記レールに寄った状態で車輪のフランジ部が乗り上げる段差面を有した構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低速走行においても脱線を未然に防ぐことができるので、車両の破損や線路の修理を行わなくてすむ。また、車両の運転制御においても、予め危険な状態を把握できるので、効率のよい運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る脱線予兆の検知方法を適用した実験車両の平面図
【図２】脱線を生じさせる実験区間の平面図
【図３】図２の側面図
【図４】実験に用いた可動ユニットの正面図
【図５】可動ユニットが移動した状態の図２と同様の平面図
【図６】（ａ）は実験車両の第１車軸の左側の軸箱に取り付けた加速度センサによって測定した加速度の時間変化をしめすグラフ（ｂ）は実験車両の第３車軸の左側の軸箱に取り付けた加速度センサによって測定した加速度の時間変化をしめすグラフ（ｃ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部に取り付けた角速度センサによって測定したロール角速度の時間変化をしめすグラフ（ｄ）は実験車両の第２ボギーフレームの後部に取り付けた角速度センサによって測定したロール角速度の時間変化をしめすグラフ（ｅ）は実験車両の車体の前部に取り付けた角速度センサによって測定したロール角速度の時間変化をしめすグラフ（ｆ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部に取り付けた角速度センサによって測定したピッチ角の時間変化を示すグラフ（ｇ）は実験車両の第２ボギーフレームの後部に取り付けた角速度センサによって測定したピッチ角の時間変化を示すグラフ（ｈ）は実験車両の車体に取り付けた角速度センサによって測定したピッチ角の時間変化を示すグラフ
【図７】アルゴリズムのフローチャート
【図８】（ａ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部のピッチ角速度の時間変化(ピークチェック)を示すグラフ（ｂ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部のロール角速度の時間変化を示すグラフ（ｂ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部のロール角速度の積算値(０．２秒)を示すグラフ（ｃ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部のロール角速度の積算値(０．５秒)を示すグラフ（ｄ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部のロール角速度の積算値(１．０秒)を示すグラフ
【図９】乗り上がり軌道の入力例を示す図
【図１０】乗り上がり軌道の入力例を示す図
【図１１】速度１０ｋｍ／ｈｒでの乗り上がりを開始してからの経過時間と、ピッチ角速度およびロール角速度積算値との関係を示すグラフ
【図１２】速度１５ｋｍ／ｈｒでの乗り上がりを開始してからの経過時間と、ピッチ角速度の閾値との関係を示すグラフ
【図１３】速度１５ｋｍ／ｈｒでの乗り上がりを開始してからの経過時間と、ロール角速度積算値の閾値との関係を示すグラフ
【図１４】本発明に係る脱線予兆の検知方法のフロー図
【図１５】列車モニタへの異常警報表示を行う例を示す図
【図１６】摩擦調整剤をレールと車輪の間に向けて散布する例を示す図
【図１７】ＭＰＵを用いてアクティブ操舵を行う例を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る脱線予兆の検知方法を適用した実験車両の平面図、図２は脱線を生じさせる実験区間の平面図、図３は実験区間の側面図、図４は実験に用いた可動ユニットの正面図、図５は可動ユニットが移動した状態の図２と同様の平面図である。
【００１０】
実験車両は１／１０の大きさのモデルを使用し、この実験車両では前後２台の台車１、１１で車体２０を支持している。前側の台車１は第１ボギーフレーム２に第１車軸３と第２車軸４を設け、後側の台車１１は第２ボギーフレーム１２に第３車軸１３と第４車軸１４を設けている。
【００１１】
そして、加速度センサ５は後述する可動ユニットに乗り上げる側の第１車軸３の左側の軸箱部分と第３車軸１３の左側部分に取り付け、角速度センサ６は第１ボギーフレーム２の前端部と第２ボギーフレーム１２の後端部と車体２０の前端部に取り付けている。尚、角速度センサ６はロールとピッチを具備している。
【００１２】
実験区間には約９ｍの直線線路を用いている。この直線線路のレール３０、３０間には、複数の可動ユニット３１を配置している。可動ユニット３１はブロック状をなしレール３０と直交するリニアスライド３２に移動可能に係合している。
【００１３】
また、可動ユニット３１の上面には図４にも示すように、複数の段差面が形成されている。段差面３１ａは最も低い面であり、この段差面３１ａ上に同じ高さの段差面３１ｂ，３１ｃが線路の幅方向に離間して形成され、一方の段差面３１ｃ上には最も高くなった段差面３１ｄが形成されている。
【００１４】
更に、前記段差面３１ａと段差面３１ｂ，３１ｃとの境界壁は車両の進行方向に沿って、互いに徐々に接近するように斜めに形成され、また前記段差面３１ｄは車両の進行方向に沿って徐々に連続して高くなるように、上流側(図において右側)の３個の可動ユニット３１については段差面３１ｄは徐々に高くなる傾斜面になっている。尚、段差面３１ｄの傾斜面の角度は決定した車輪上昇量に至るまでの車輪回転数に応じて変更することができるように、複数種類の可動ユニット３１を用意するのが好ましい。
【００１５】
また、この実験装置では車両を牽引する牽引装置４０を備えており、この牽引装置４０に前記可動ユニット３１をリニアスライド３２に沿って移動させるための小ローラ４１、４２と、剛性を高めるためのキャスター４３を取り付けている。
【００１６】
以上において、図２の状態から牽引装置４０によって車両を牽引する。すると、牽引装置４０に取り付けられた前方の小ローラ４１が最初の可動ユニット３１(図において最も右側)の段差面３１ａと段差面３１ｃとの境界壁に当接し、可動ユニット３１を一方のレール３０側に移動せしめる。この移動により前側の台車１の第１車軸３に取り付けた左側の車輪３ａのフランジが最初の可動ユニット３１の段差面３１ｄに乗り上げる。
【００１７】
更に、車両が牽引されると、小ローラ４１が２番目の可動ユニット３１の段差面３１ａと段差面３１ｃとの境界壁に当接し、当該可動ユニット３１を一方のレール３０側に移動せしめ、前記同様、第１車軸３に取り付けた左側の車輪３ａのフランジが２番目の可動ユニット３１の段差面３１ｄに乗り上げる。
【００１８】
一方、車輪３ａのフランジが通過した段差面３１ｄを有する可動ユニット３１については、後続する小ローラ４２が可動ユニット３１の段差面３１ａと段差面３１ｂとの境界壁に当接し、当該可動ユニット３１を元の位置まで戻し、次の車輪の通過に備える。この状態を図５で示している。
【００１９】
以上の如くして、車軸に取り付けた一方の車輪が障害物（可動ユニット）に乗り上げ、フランジ走行することで一方の車輪が持ち上がり、台車は傾斜して最終的には脱線に至る。
【００２０】
上記の実験車両を用いて計測した５６ＣＨのデータから８ＣＨのデータを抽出して行った具体例の結果を図６（ａ）〜（ｈ）に示す。実験条件は、脱線する車輪を第１車軸の左側車輪とし、当該車輪の上昇量を３ｍｍ、速度を０．９ｍ、上昇量が３ｍｍになるまでの車輪の回転数を３回転とした。
図６（ａ）は実験車両の第１車軸の左側の軸箱に取り付けた上下方向の加速度センサによって測定した加速度の時間変化を示すグラフ、（ｂ）は実験車両の第３車軸の左側の軸箱に取り付けた上下方向の加速度センサによって測定した加速度の時間変化を示すグラフ、（ｃ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部に取り付けた角速度センサによって測定したロール角速度の時間変化を示すグラフ、（ｄ）は実験車両の第２ボギーフレームの後部に取り付けた角速度センサによって測定したロール角速度の時間変化を示すグラフ、（ｅ）は実験車両の車体の前部に取り付けた角速度センサによって測定したロール角速度の時間変化を示すグラフ、（ｆ）は実験車両の第１ボギーフレームの前部に取り付けた角速度センサによって測定したピッチ角の時間変化を示すグラフ、（ｇ）は実験車両の第２ボギーフレームの後部に取り付けた角速度センサによって測定したピッチ角の時間変化を示すグラフ、（ｈ）は実験車両の車体に取り付けた角速度センサによって測定したピッチ角の時間変化を示すグラフである。
図６（ａ）からは、前側の台車の第１車軸の左側の車輪が脱線する時点で、垂直方向の加速度が大きく増加することが分かる。また（ｂ）に示すように、第３車軸の左側の車輪が通過する際には既に可動ユニットは元の位置に戻っているので垂直方向の加速度は小さくレールの継ぎ目に起因する加速度変化が検出される。（ｃ）からは、第１車軸の左側の車輪が脱線する時点で第１ボギーフレームのロール角速度が大きくなることが分かる。（ｄ）からは、ロール角速度は大きくならず、レールの継ぎ目に起因する角速度変化が検出されることが分かる。また（ｅ）に示すように乗り上がりとレールの継ぎ目の影響が車体では判定しにくくなることが分かる。（ｆ）からは、第１車軸の左側の車輪が脱線する時点で第１ボギーフレームのピッチ角速度が大きくなることが分かる。（ｇ）からは、ピッチ角速度は大きくならず、レールの継ぎ目に起因する角速度変化が検出されることが分かる。（ｈ）からは、乗り上がりとレールの継ぎ目の影響が車体では判定しにくくなることが分かる。
尚、図６（ａ）〜（ｈ）において、円で囲った部分はレールの継ぎ目を通過する際に検出された加速度及び角速度であり、アルゴリズムを構築する際にはノイズとして処理して誤検知を防止する。また本発明ではロール角とピッチ角の両方をファクターとしているので、カーブ走行時のカントの影響を排除できる。
上記の脱線再現装置はいろいろな脱線条件を再現することが可能であり、本発明にあっては４つのパラメータを組み合わせることで２４の実験条件を設定した。４つのパラメータとしては、実験走行速度、脱線させる車輪、車輪の上昇量、目的とする上昇量までの車輪の回転数とした。そして実験走行速度としては０．９ｍ／ｓ（実際の車両では１０ｋｍ／ｈに相当）と１．３ｍ／ｓ（実際の車両では１５ｋｍ／ｈに相当）を選定し、脱線させる車輪は第１車軸と第３車軸の左側車輪うちどちらかとし、車輪の上昇量としては３ｍｍと１０ｍｍとし、目的とする上昇量までの車輪の回転数として半回転、１回転および３回転とした。
【００２１】
脱線に至る判定アルゴリズムは、上記の実験から得られた５６ＣＨのデータを分析した。走行速度（Ｖ）をパラメータにして積算時間△ｔ（Ｖ）、台車ピッチ角速度の閾値θＣＲ（Ｖ）、台車ロール角速度の積算時間△ｔ（Ｖ）に積算した閾値φＣＲ（Ｖ）を変化させる。  図７に示すように、予め、△ｔ（Ｖ）、θＣＲ（Ｖ）、φＣＲ（Ｖ）を車両の計算機に入力し、走行速度（Ｖ）、台車ピッチ角速度θ（ｔ）、台車ロール角速度φ（ｔ）をリアルタイムで測定し、θＣＲ（Ｖ）よりも台車ピッチ角速度θ（ｔ）が大きくなったこと、および積算時間△ｔ（Ｖ）に積算した閾値φＣＲ（Ｖ）よりも台車ロール角速度φ（ｔ）の積算値が大きくなったことの２つの条件が満たされるようにする。
【００２２】
前記閾値は、検知漏れや誤検知を考慮して、乗り上がり後に、物理量の最低値できめる。このようにして決定した閾値と脱線の関係を検証した結果を図８に示す。ここで実験条件は第１車軸の左側の車輪の上昇量を１０ｍｍ、車両速度を０．９ｍ／ｓ、車輪上昇量が１０ｍｍに至るまでの車輪の回転を１回転とした。
【００２３】
図８（ａ）から、測定開始から７秒後にピッチ角速度が閾値を超え、７．３秒後に車輪上昇量が１０ｍｍになり、この時点で脱線することが想定され、積算時間が０．２秒、０．５秒、１．０秒を設定した場合、０．２秒では誤検知がなく、脱線予兆を早期に検知することができる。  
【００２４】
次に、シミュレーションソフトを用いた実車両の乗り上がり脱線シミュレーション結果について述べる。
アルゴリズムの有効性検討のために使用する車両モデルとしては一般的な通勤電車とし、一車両モデルにて検討を行った。車両モデルは表１に示される構成であり、３次元モデルとして構築されている。車両各要素の質量・慣性モーメントは表２に示す値を用いている。これらを繋ぐ一次ばね及び二次ばねは、X（車両前後方向）、Y（車両横方向）、Z（車両垂直方向）それぞれの軸方向に復元力を作用させる線形ばねとダンパによって構成されている。また、センサ取り付け位置である台車枠から予兆検知アルゴリズムに用いる物理量を計測した。
【００２５】
【表１】
0005468016.tif 000002
【００２６】
【表２】
0005468016.tif 000003
【００２７】
脱線模擬シミュレーションを行う際、シミュレーションソフトには図９、図１０に示す乗り上がり軌道を入力し、左一軸目の車輪踏面を４０ｍｍ乗り上がらせることとした。図９、図１０では横軸に４軸目のスタート地点からのレールの位置をとり、縦軸には上部のグラフでは左一軸目の車輪踏面だけが通るレールの鉛直方向変位を取った。
【００２８】
車両の脱線は車両の走行速度と乗り上がり速さに依存する。そこで車両乗り上がりシミュレーションのために以下の（表３）に示す２つの走行条件を設定した。
【００２９】
【表３】
0005468016.tif 000004
【００３０】
表３の走行条件のうち走行速度１０（ｋｍ／ｈ）、輪軸３（ｒｅｖ）（条件１）の乗り上がりシミュレーション結果を代表して示す。
図１１のグラフでは、横軸に左一軸目の車輪が乗り上がりを開始してから経過した時間を示しており、縦軸には上から順に、前台車枠のロール角速度、ピッチ角速度、ロール角速度積算値を示している。ここで、ロール角速度の積算時間は０．２（ｓ）として計算している。
図１１の条件は緩やかな脱線状態を模擬したものであるが、乗り上がり開始からそれぞれの物理量について影響が現われていることが確認できる。
【００３１】
アルゴリズムの閾値設定を行うために、走行速度１０（ｋｍ／ｈ）、輪軸３（ｒｅｖ）（条件１）に対して速度のみが向上している走行速度１５（ｋｍ／ｈ）、輪軸３（ｒｅｖ）でのシミュレーションも行った。
シミュレーションの結果からは、速度が上がったことにより乗り上がり後の台車枠のロール角速度とピッチ角速度の値が増加していた。また、上下狂いの影響による台車枠のピッチ角速度とロール角速度の値はあまり変化していないことが確認できた。
本脱線予兆検知システムにおけるピッチ角速度ピーク値とロール角速度積算値の閾値は走行速度走行速度１０（ｋｍ／ｈ）、輪軸３（ｒｅｖ）（条件１）の結果（図１１）を元に誤検知をせず且つ予兆検知可能な適切な範囲に設定する。
その結果設定された閾値を表４に示す。これらの値は、車両条件、走行条件などによって調整する。
【００３２】
【表４】
0005468016.tif 000005
【００３３】
設定された閾値による脱線予兆検知アルゴリズムを、乗り上がり走行シミュレーションの条件中最も走行速度が速くかつ乗り上がり速度が速い走行速度１５（ｋｍ／ｈ）、輪軸１（ｒｅｖ）に適用した。その適用結果が図１２と図１３である。
これらの図を確認すると３０ｍｍ乗り上がり完了までの０．６５秒に対して、乗り上がり開始から０．０５秒後（全体の時間に対して７．７％）で予兆検知している。このことから、予兆検知にシビアな条件でも、乗り上がり完了（脱線模擬状態）より非常に早い段階で検知できていることが確認できる。
【００３４】
表５はすべての走行条件について３０ｍｍ乗り上がり完了時間、乗り上がり開始からの検知時間、乗り上がり完了に対する検知時間の割合を示したものである。この表からすべての条件で誤検知や検知漏れがなく、乗り上がり完了に対する検知時間の割合が１０％未満で脱線の予兆を検知することが可能であるという結果が得られた。
【００３５】
【表５】
0005468016.tif 000006
【００３６】
実スケール車両の脱線を模擬するシミュレーションを行った結果、走行速度及び脱線までの輪軸回転数を変化させた４つの条件をすべてにおいて脱線が起こるまでの１０％未満の時間で脱線予兆検知することが可能であった。このことから実スケール車両に対しての脱線予兆検知システムの有効性が確認された。
【００３７】
また脱線予兆の検知は、図１４に示すように、加速度・角速度を常にモニタリングしておき、加速度または角速度が判定アルゴリズムの閾値を越えたと判断した場合には、緊急ブレーキを作動し、図１５に示すごとく、列車モニタへの異常警報表示を行い、加速度または角速度が判定アルゴリズムの閾値を下回ったと判断した場合には、急ブレーキの解除処理とその旨の表示を行う。
【００３８】
また、脱線予兆を早期に検知したならば、その後の処置として、前記した乗務員に警告して自動的にブレーキをかける他に、図１６に示すように、摩擦調整剤をレールと車輪の間に向けて散布したり、図１７に示すようにＭＰＵを用いてアクティブ操舵を行うなどが考えられる。
【符号の説明】
【００３９】
１，１１…台車、２…第１ボギーフレーム、３…第１車軸、３ａ…車輪、４…第２車軸、１２…第２ボギーフレーム、１３…第３車軸、１４…第４車軸、５…加速度センサ、６…角速度センサ、２０…車体、３０…レール、３１…可動ユニット、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…段差面、３２…リニアスライド、４０…牽引装置、４１，４２…小ローラ、４３…キャスター。
【図１】
0005468016.tif 000007
【図２】
0005468016.tif 000008
【図３】
0005468016.tif 000009
【図４】
0005468016.tif 000010
【図５】
0005468016.tif 000011
【図６】
0005468016.tif 000012
【図７】
0005468016.tif 000013
【図８】
0005468016.tif 000014
【図９】
0005468016.tif 000015
【図１０】
0005468016.tif 000016
【図１１】
0005468016.tif 000017
【図１２】
0005468016.tif 000018
【図１３】
0005468016.tif 000019
【図１４】
0005468016.tif 000020
【図１５】
0005468016.tif 000021
【図１６】
0005468016.tif 000022
【図１７】
0005468016.tif 000023