(57)【要約】  検査装置（８００）は、輪軸（１３ａ〜１３ｄ）のヨーイングを記述する運動方程式に、輪軸（１３ａ〜１３ｄ）のヨーイング方向における角変位と、フィルタにより求めた状態変数と、前後方向力の測定値とを代入して、通り狂い量を算出する。
2017164133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値のデータである計測データを取得するデータ取得手段と、
前記計測データと、状態方程式と、観測方程式と、を用いて、データ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、前記状態方程式で決定すべき変数である状態変数を決定するフィルタ演算手段と、
前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出手段と、を有し、
前記計測データは、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と、前後方向力の測定値と、を含み、
前記左右方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向である前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であり、
前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前記前後方向の力であって、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、当該輪軸が設けられる前記台車のヨーイング方向の角変位との差に応じて定まる力であり、
前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、
前記ヨーイング方向は、前記上下方向を回動軸とする回動方向であり、
前記状態方程式は、前記状態変数と、前記前後方向力と、変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記状態変数は、前記台車の左右方向の変位および速度と、前記台車のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記台車のローリング方向の角変位および角速度と、前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記鉄道車両に取り付けられている空気バネのローリング方向の角変位と、を含み、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度を含まず、
前記ローリング方向は、前記前後方向を回動軸とする回動方向であり、
前記変換変数は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と前記台車のヨーイング方向の角変位とを相互に変換する変数であり、
前記観測方程式は、観測変数と、前記変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記観測変数は、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度を含み、
前記フィルタ演算手段は、前記観測変数の測定値と、前記前後方向力の測定値および前記変換変数の実績値を代入した前記状態方程式と、前記変換変数の実績値を代入した前記観測方程式と、を用いて、前記観測変数の測定値と計算値との誤差または当該誤差の期待値が最小になるときの前記状態変数を決定し、
前記軌道状態導出手段は、前記フィルタ演算手段により決定された前記状態変数の一つである前記台車のヨーイング方向の角変位と、前記変換変数の実績値と、を用いて、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を導出し、導出した前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を用いて前記軌道の状態を反映する情報を導出し、
前記変換変数の実績値は、前記前後方向力の測定値を用いて導出されることを特徴とする検査システム。
【請求項２】
前記状態方程式は、前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車のローリング方向の運動を記述した運動方程式と、前記空気バネのローリング方向の運動を記述した運動方程式と、を用いて構成され、
前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位に代えて、前記変換変数を用いて記述された運動方程式であり、
前記台車のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度に代えて、前記前後方向力を用いて記述された運動方程式であり、
前記変換変数は、前記台車のヨーイング方向の角変位と前記輪軸のヨーイング方向の角変位との差で表されることを特徴とする請求項１に記載の検査システム。
【請求項３】
前記データ取得手段は、前記車体の左右方向の加速度の測定値を更に取得し、
前記観測変数は、前記車体の左右方向の加速度を更に含み、
前記状態変数は、前記車体の左右方向の変位および速度と、前記車体のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記車体のローリング方向の角変位および角速度と、前記鉄道車両に取り付けられるヨーダンパのヨーイング方向の角変位と、を更に有し、
前記フィルタ演算手段は、前記車体、前記台車、および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と計算値との差が最小になるときの前記状態変数を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の検査システム。
【請求項４】
前記状態方程式は、前記車体の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記車体のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式と、前記車体のローリング方向の運動を記述した運動方程式と、前記ヨーダンパのヨーイング方向の運動を記述した運動方程式と、を更に用いて構成されることを特徴とする請求項３に記載の検査システム。
【請求項５】
前記観測方程式は、前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式と、前記台車の左右方向の運動を記述した運動方程式と、を更に用いて構成され、
前記輪軸の左右方向の運動を記述した運動方程式は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位に代えて、前記変換変数を用いて記述された運動方程式であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の検査システム。
【請求項６】
前記観測方程式は、前記車体の左右方向の運動を記述した運動方程式を更に用いて構成されることを特徴とする請求項５に記載の検査システム。
【請求項７】
前記軌道状態導出手段は、前記フィルタ演算手段により決定された前記状態変数である前記台車の左右方向の変位および速度と、前記フィルタ演算手段により決定された前記状態変数である前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の前記推定値と、前記前後方向力の測定値と、前記輪軸のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式と、に基づいて、前記軌道の通り狂い量を、前記軌道の状態を反映する情報として導出し、
前記輪軸のヨーイング方向の運動を記述した運動方程式は、前記前後方向力および前記軌道の通り狂い量を変数として含むことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の検査システム。
【請求項８】
前記軌道状態導出手段は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、前記状態変数に含まれる前記輪軸の左右方向の速度と、に基づいて、前記輪軸に設けられた車輪と前記軌道との間における左右方向の応力である横圧を、前記軌道の状態を反映する情報として導出することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の検査システム。
【請求項９】
前記前後方向力は、１つの前記輪軸の前記左右方向の両側に取り付けられた２つの前記部材のそれぞれに生じる力の前記前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の検査システム。
【請求項１０】
前記部材は、前記軸箱を支持するリンク、または、前記軸箱を支持するリンクに取り付けられたゴムブッシュであることを特徴とする請求項９に記載の検査システム。
【請求項１１】
前記部材は、前記軸箱を支持する軸はり、または、前記軸箱を支持する軸はりに取り付けられたゴムブッシュであることを特徴とする請求項９に記載の検査システム。
【請求項１２】
前記部材は、前記軸箱を支持する板バネ、または、前記軸箱を支持する板バネに取り付けられたゴムブッシュであることを特徴とする請求項９に記載の検査システム。
【請求項１３】
前記フィルタは、カルマンフィルタであることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の検査システム。
【請求項１４】
前記データ取得手段により取得された前記計測データを送信する送信手段と、
前記送信手段により送信された前記計測データを受信する受信手段と、を更に有し、
前記フィルタ演算手段は、前記受信手段により受信された前記計測データと、前記状態方程式と、前記観測方程式と、を用いて、前記状態変数を決定することを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の検査システム。
【請求項１５】
車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値のデータである計測データを取得するデータ取得工程と、
前記計測データと、状態方程式と、観測方程式と、を用いて、データ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、前記状態方程式で決定すべき変数である状態変数を決定するフィルタ演算工程と、
前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出工程と、を有し、
前記計測データは、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と、前後方向力の測定値と、を含み、
前記左右方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向である前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であり、
前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前記前後方向の力であって、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、当該輪軸が設けられる前記台車のヨーイング方向の角変位との差に応じて定まる力であり、
前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、
前記ヨーイング方向は、前記上下方向を回動軸とする回動方向であり、
前記状態方程式は、前記状態変数と、前記前後方向力と、変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記状態変数は、前記台車の左右方向の変位および速度と、前記台車のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記台車のローリング方向の角変位および角速度と、前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記鉄道車両に取り付けられている空気バネのローリング方向の角変位と、を含み、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度を含まず、
前記ローリング方向は、前記前後方向を回動軸とする回動方向であり、
前記変換変数は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と前記台車のヨーイング方向の角変位とを相互に変換する変数であり、
前記観測方程式は、観測変数と、前記変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記観測変数は、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度を含み、
前記フィルタ演算工程は、前記観測変数の測定値と、前記前後方向力の測定値および前記変換変数の実績値を代入した前記状態方程式と、前記変換変数の実績値を代入した前記観測方程式と、を用いて、前記観測変数の測定値と計算値との誤差または当該誤差の期待値が最小になるときの前記状態変数を決定し、
前記軌道状態導出工程は、前記フィルタ演算工程により決定された前記状態変数の一つである前記台車のヨーイング方向の角変位と、前記変換変数の実績値と、を用いて、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を導出し、導出した前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を用いて前記軌道の状態を反映する情報を導出し、
前記変換変数の実績値は、前記前後方向力の測定値を用いて導出されることを特徴とする検査方法。
【請求項１６】
車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値のデータである計測データを取得するデータ取得工程と、
前記計測データと、状態方程式と、観測方程式と、を用いて、データ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、前記状態方程式で決定すべき変数である状態変数を決定するフィルタ演算工程と、
前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出工程と、を含む工程をコンピュータに実行させ、
前記計測データは、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と、前後方向力の測定値と、を含み、
前記左右方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向である前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であり、
前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前記前後方向の力であって、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、当該輪軸が設けられる前記台車のヨーイング方向の角変位との差に応じて定まる力であり、
前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、
前記ヨーイング方向は、前記上下方向を回動軸とする回動方向であり、
前記状態方程式は、前記状態変数と、前記前後方向力と、変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記状態変数は、前記台車の左右方向の変位および速度と、前記台車のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記台車のローリング方向の角変位および角速度と、前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記鉄道車両に取り付けられている空気バネのローリング方向の角変位と、を含み、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度を含まず、
前記ローリング方向は、前記前後方向を回動軸とする回動方向であり、
前記変換変数は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と前記台車のヨーイング方向の角変位とを相互に変換する変数であり、
前記観測方程式は、観測変数と、前記変換変数と、を用いて記述される方程式であり、
前記観測変数は、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度を含み、
前記フィルタ演算工程は、前記観測変数の測定値と、前記前後方向力の測定値および前記変換変数の実績値を代入した前記状態方程式と、前記変換変数の実績値を代入した前記観測方程式と、を用いて、前記観測変数の測定値と計算値との誤差または当該誤差の期待値が最小になるときの前記状態変数を決定し、
前記軌道状態導出工程は、前記フィルタ演算工程により決定された前記状態変数の一つである前記台車のヨーイング方向の角変位と、前記変換変数の実績値と、を用いて、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を導出し、導出した前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を用いて前記軌道の状態を反映する情報を導出し、
前記変換変数の実績値は、前記前後方向力の測定値を用いて導出されることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査システム、検査方法、およびプログラムに関し、特に、鉄道車両の軌道を検査するために用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
軌道上を鉄道車両が走行すると鉄道車両からの荷重により軌道の位置が変化する。このような軌道の変化が生じると、鉄道車両が異常な挙動を示す虞がある。そこで、従来から、鉄道車両を軌道上で走行させることにより、軌道の異常を検出することが行われている。
特許文献１には、３点測定法により、軌道狂い量を測定することが記載されている。また、特許文献２には、鉄道車両の振動のデータを観測データとしてカルマンフィルタ等のモデル規範型推定法に適用することにより鉄道車両の異常な挙動を検出することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５６−１９４０４号公報
【特許文献２】特開２００５−６７２７６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本機械学会編、「鉄道車両のダイナミクス  最新の台車テクノロジー」、株式会社電気車研究会、2003年1月、p.15-p.33
【非特許文献２】Ping Li et al.、「Estimation of railway vehicle suspension parameters for condition monitoring」、Control Engineering Practice 15 (2007) p.43-p.55
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、軌道不整を直接測定する手法である。このため、高価な測定装置が必要になる。また、特許文献２に記載の方法は、状態変数を選定していない。このため、軌道不整を高精度に予測することが容易ではない。【０００６】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、鉄道車両の軌道不整を大きなコストをかけることなく精度よく検知できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の検査システムは、車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値のデータである計測データを取得するデータ取得手段と、前記計測データと、状態方程式と、観測方程式と、を用いて、データ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、前記状態方程式で決定すべき変数である状態変数を決定するフィルタ演算手段と、前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出手段と、を有し、前記計測データは、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と、前後方向力の測定値と、を含み、前記左右方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向である前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であり、前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前記前後方向の力であって、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、当該輪軸が設けられる前記台車のヨーイング方向の角変位との差に応じて定まる力であり、前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、前記ヨーイング方向は、前記上下方向を回動軸とする回動方向であり、前記状態方程式は、前記状態変数と、前記前後方向力と、変換変数と、を用いて記述される方程式であり、前記状態変数は、前記台車の左右方向の変位および速度と、前記台車のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記台車のローリング方向の角変位および角速度と、前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記鉄道車両に取り付けられている空気バネのローリング方向の角変位と、を含み、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度を含まず、前記ローリング方向は、前記前後方向を回動軸とする回動方向であり、前記変換変数は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と前記台車のヨーイング方向の角変位とを相互に変換する変数であり、前記観測方程式は、観測変数と、前記変換変数と、を用いて記述される方程式であり、前記観測変数は、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度を含み、前記フィルタ演算手段は、前記観測変数の測定値と、前記前後方向力の測定値および前記変換変数の実績値を代入した前記状態方程式と、前記変換変数の実績値を代入した前記観測方程式と、を用いて、前記観測変数の測定値と計算値との誤差または当該誤差の期待値が最小になるときの前記状態変数を決定し、前記軌道状態導出手段は、前記フィルタ演算手段により決定された前記状態変数の一つである前記台車のヨーイング方向の角変位と、前記変換変数の実績値と、を用いて、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を導出し、導出した前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を用いて前記軌道の状態を反映する情報を導出し、前記変換変数の実績値は、前記前後方向力の測定値を用いて導出されることを特徴とする。【０００８】
本発明の検査方法は、車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値のデータである計測データを取得するデータ取得工程と、前記計測データと、状態方程式と、観測方程式と、を用いて、データ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、前記状態方程式で決定すべき変数である状態変数を決定するフィルタ演算工程と、前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出工程と、を有し、前記計測データは、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と、前後方向力の測定値と、を含み、前記左右方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向である前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であり、前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前記前後方向の力であって、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、当該輪軸が設けられる前記台車のヨーイング方向の角変位との差に応じて定まる力であり、前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、前記ヨーイング方向は、前記上下方向を回動軸とする回動方向であり、前記状態方程式は、前記状態変数と、前記前後方向力と、変換変数と、を用いて記述される方程式であり、前記状態変数は、前記台車の左右方向の変位および速度と、前記台車のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記台車のローリング方向の角変位および角速度と、前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記鉄道車両に取り付けられている空気バネのローリング方向の角変位と、を含み、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度を含まず、前記ローリング方向は、前記前後方向を回動軸とする回動方向であり、前記変換変数は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と前記台車のヨーイング方向の角変位とを相互に変換する変数であり、前記観測方程式は、観測変数と、前記変換変数と、を用いて記述される方程式であり、前記観測変数は、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度を含み、前記フィルタ演算工程は、前記観測変数の測定値と、前記前後方向力の測定値および前記変換変数の実績値を代入した前記状態方程式と、前記変換変数の実績値を代入した前記観測方程式と、を用いて、前記観測変数の測定値と計算値との誤差または当該誤差の期待値が最小になるときの前記状態変数を決定し、前記軌道状態導出工程は、前記フィルタ演算工程により決定された前記状態変数の一つである前記台車のヨーイング方向の角変位と、前記変換変数の実績値と、を用いて、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を導出し、導出した前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を用いて前記軌道の状態を反映する情報を導出し、前記変換変数の実績値は、前記前後方向力の測定値を用いて導出されることを特徴とする。【０００９】
本発明のプログラムは、車体と台車と輪軸とを有する鉄道車両を軌道上で走行させることにより測定される測定値のデータである計測データを取得するデータ取得工程と、前記計測データと、状態方程式と、観測方程式と、を用いて、データ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、前記状態方程式で決定すべき変数である状態変数を決定するフィルタ演算工程と、前記軌道の状態を反映する情報を導出する軌道状態導出工程と、を含む工程をコンピュータに実行させ、前記計測データは、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度の測定値と、前後方向力の測定値と、を含み、前記左右方向は、前記鉄道車両の走行方向に沿う方向である前後方向と、前記軌道に対し垂直な方向である上下方向との双方に垂直な方向であり、前記前後方向力は、前記輪軸と、当該輪軸が設けられる前記台車との間に配置される部材に生じる前記前後方向の力であって、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と、当該輪軸が設けられる前記台車のヨーイング方向の角変位との差に応じて定まる力であり、前記部材は、軸箱を支持するための部材であり、前記ヨーイング方向は、前記上下方向を回動軸とする回動方向であり、前記状態方程式は、前記状態変数と、前記前後方向力と、変換変数と、を用いて記述される方程式であり、前記状態変数は、前記台車の左右方向の変位および速度と、前記台車のヨーイング方向の角変位および角速度と、前記台車のローリング方向の角変位および角速度と、前記輪軸の左右方向の変位および速度と、前記鉄道車両に取り付けられている空気バネのローリング方向の角変位と、を含み、前記輪軸のヨーイング方向の角変位および角速度を含まず、前記ローリング方向は、前記前後方向を回動軸とする回動方向であり、前記変換変数は、前記輪軸のヨーイング方向の角変位と前記台車のヨーイング方向の角変位とを相互に変換する変数であり、前記観測方程式は、観測変数と、前記変換変数と、を用いて記述される方程式であり、前記観測変数は、前記台車および前記輪軸の左右方向の加速度を含み、前記フィルタ演算工程は、前記観測変数の測定値と、前記前後方向力の測定値および前記変換変数の実績値を代入した前記状態方程式と、前記変換変数の実績値を代入した前記観測方程式と、を用いて、前記観測変数の測定値と計算値との誤差または当該誤差の期待値が最小になるときの前記状態変数を決定し、前記軌道状態導出工程は、前記フィルタ演算工程により決定された前記状態変数の一つである前記台車のヨーイング方向の角変位と、前記変換変数の実績値と、を用いて、前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を導出し、導出した前記輪軸のヨーイング方向の角変位の推定値を用いて前記軌道の状態を反映する情報を導出し、前記変換変数の実績値は、前記前後方向力の測定値を用いて導出されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、鉄道車両の概略の一例を示す図である。
【図２】図２は、鉄道車両の構成要素の主な運動の方向を概念的に示す図である。
【図３】図３は、通り狂い量の一例を示す図である。
【図４】図４は、通り狂い量と鉄道車両の構成要素の運動との相互の作用関係の一例を示す図である。
【図５】図５は、前後方向力を用いて、通り狂い量と鉄道車両の構成要素の運動との相互の作用関係の一例を示す図である。
【図６】図６は、輪軸のヨーイングに直接作用する構成要素の運動を決定するのに必要な作用関係の一例を示す図である。
【図７】図７は、通り狂い量を決定するのに必要な作用関係の一例を示す図である。
【図８】図８は、検査装置の機能的な構成の一例を示す図である。
【図９】図９は、検査装置のハードウェアの構成の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、検査装置における事前処理の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、検査装置における本処理の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、観測データの一例を示す図である。
【図１３】図１３は、通り狂い量の実測値と計算値の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、検査システムの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態を説明する。
図１は、鉄道車両の概略の一例を示す図である。尚、図１において、鉄道車両は、ｘ軸の正の方向に進むものとする（ｘ軸は、鉄道車両の走行方向に沿う軸である）。また、ｚ軸は、軌道１６（地面）に対し垂直方向（鉄道車両の高さ方向）であるものとする。ｙ軸は、鉄道車両の走行方向に対して垂直な水平方向（鉄道車両の走行方向と高さ方向との双方に垂直な方向）であるものとする。また、鉄道車両は、営業車両であるものとする。尚、図１および図３において、○の中に●が付されているものは、紙面の奥側から手前側に向かう方向を示す。図１では、この方向は、ｙ軸の正の方向である。図３では、この方向は、ｚ軸の正の方向である。
【００１２】
図１に示すように本実施形態では、鉄道車両は、車体１１と、台車１２ａ、１２ｂと、輪軸１３ａ〜１３ｄとを有する。このように本実施形態では、１つの車体１１に、２つの台車１２ａ、１２ｂと４組の輪軸１３ａ〜１３ｄとが備わる鉄道車両を例に挙げて説明する。輪軸１３ａ〜１３ｄは、車軸１５ａ〜１５ｄとその両端に設けられた車輪１４ａ〜１４ｄとを有する。本実施形態では、台車１２ａ、１２ｂが、ボルスタレス台車である場合を例に挙げて説明する。尚、図１では、表記の都合上、輪軸１３ａ〜１３ｄの一方の車輪１４ａ〜１４ｄのみを示すが、輪軸１３ａ〜１３ｄの他方にも車輪が設けられている（図１に示す例では、車輪は合計８個ある）。また、鉄道車両は、図１に示す構成要素以外の構成要素（後述する運動方程式で説明する構成要素等）を有するが、表記の都合上、図１では、当該構成要素の図示を省略する。例えば、台車１２ａ、１２ｂは、台車枠および枕バネなどを有する。また、各輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向の両側には、軸箱が配置される。また、台車枠と軸箱は、軸箱支持装置により相互に結合される。軸箱支持装置は、軸箱および台車枠との間に配置される装置（サスペンション）である。軸箱支持装置は、軌道１６から鉄道車両に伝わる振動を吸収する。また、軸箱支持装置は、軸箱が台車枠に対して前後方向および左右方向に移動することを抑制するように（好ましくは、当該移動が生じないように）軸箱の台車枠に対する位置を規制した状態で軸箱を支持する。軸箱支持装置は、各輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向の両側に配置される。尚、鉄道車両自体は公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００１３】
鉄道車両が軌道１６上を走行すると、車輪１４ａ〜１４ｄと軌道１６との間の作用力（クリープ力）が振動源となり、輪軸１３ａ〜１３ｄ、台車１２ａ、１２ｂ、車体１１に振動が順次伝搬する。図２は、鉄道車両の構成要素（輪軸１３ａ〜１３ｄ、台車１２ａ、１２ｂ、車体１１）の主な運動の方向を概念的に示す図である。図２に示すｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、それぞれ、図１に示したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対応する。
【００１４】
図２に示すように本実施形態では、輪軸１３ａ〜１３ｄ、台車１２ａ、１２ｂ、および車体１１が、ｘ軸を回動軸として回動する運動と、ｚ軸を回動軸として回動する運動と、ｙ軸に沿う方向の運動とを行う場合を例に挙げて説明する。以下の説明では、ｘ軸を回動軸として回動する運動を必要に応じてローリングと称し、ｘ軸を回動軸とする回動方向を必要に応じてローリング方向と称し、ｘ軸に沿う方向を必要に応じて前後方向と称する。尚、前後方向は、鉄道車両の走行方向である。本実施形態では、ｘ軸に沿う方向が鉄道車両の走行方向であるものとする。また、ｚ軸を回動軸として回動する運動を必要に応じてヨーイングと称し、ｚ軸を回動軸とする回動方向を必要に応じてヨーイング方向と称し、ｚ軸に沿う方向を必要に応じて上下方向と称する。尚、上下方向は、軌道１６に対し垂直な方向である。また、ｙ軸に沿う方向の運動を必要に応じて横振動と称し、ｙ軸に沿う方向を必要に応じて左右方向と称する。尚、左右方向は、前後方向（鉄道車両の走行方向）と上下方向（軌道１６に対し垂直な方向）との双方に垂直な方向である。尚、鉄道車両は、この他の運動も行うが、本実施形態では説明を簡単にするため、これらの運動については考慮しないものとする。しかしながら、これらの運動を考慮してもよい。
【００１５】
＜運動方程式＞
以上のことを前提として、鉄道車両の走行時における運動を記述する運動方程式の一例を説明する。本実施形態では、鉄道車両が２１自由度を有する場合を例に挙げて説明する。即ち、輪軸１３ａ〜１３ｄが、左右方向における運動（横振動）とヨーイング方向における運動（ヨーイング）とを行うものとする（２×４セット＝８自由度）。また、台車１２ａ、１２ｂが、左右方向における運動（横振動）とヨーイング方向における運動（ヨーイング）とローリング方向における運動（ローリング）とを行うものとする（３×２セット＝６自由度）。また、車体１１が、左右方向における運動（横振動）とヨーイング方向における運動（ヨーイング）とローリング方向における運動（ローリング）とを行うものとする（３×１セット＝３自由度）。また、台車１２ａ、１２ｂに対してそれぞれ設けられている空気バネ（枕バネ）が、ローリング方向における運動（ローリング）を行うものとする（１×２セット＝２自由度）。また、台車１２ａ、１２ｂに対してそれぞれ設けられているヨーダンパが、ヨーイング方向における運動（ヨーイング）を行うものとする（１×２セット＝２自由度）。
【００１６】
尚、自由度は、２１自由度に限定されない。自由度を大きくすれば計算精度は向上するが、計算負荷が高くなる。また、後述するカルマンフィルタの動作が安定しなくなる虞がある。これらの点を考慮して自由度を適宜決定することができる。また、以下の運動方程式は、それぞれの構成要素（車体１１、台車１２ａ、１２ｂ、輪軸１３ａ〜１３ｄ）のそれぞれの方向（左右方向、ヨーイング方向、ローリング方向）の動作を、例えば、非特許文献１、２の記載に基づいて表すことにより実現することができる。従って、ここでは、それぞれの運動方程式の概要を説明し、詳細な説明を省略する。
【００１７】
以下の各式において、添え字ｗは、輪軸１３ａ〜１３ｄを表す。添え字ｗ（のみ）が付されている変数は、輪軸１３ａ〜１３ｄで共通であることを表す。添え字ｗ１、ｗ２、ｗ３、ｗ４はそれぞれ、輪軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを表す。
添え字ｔ、Ｔは、台車１２ａ、１２ｂを表す。添え字ｔ、Ｔ（のみ）が付されている変数は、台車１２ａ、１２ｂで共通であることを表す。添え字ｔ１、ｔ２はそれぞれ、台車１２ａ、１２ｂを表す。
添え字ｂ、Ｂは、車体１１であることを表す。
【００１８】
添え字ｘは、前後方向またはローリング方向を表し、添え字ｙは、左右方向を表し、添え字ｚは、上下方向またはヨーイング方向を表す。
また、変数の上に付している「・・」、「・」はそれぞれ、２階時間微分、１階時間微分を表す。
尚、以下の運動方程式の説明に際し、必要に応じて、既出の変数の説明を省略する。
【００１９】
［輪軸の横振動］
輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式は、以下の（１）式〜（４）式で表される。
【００２０】
【数１】
2017164133.tif 000003
【００２１】
ｍｗは、輪軸１３ａ〜１３ｄの質量である。ｙｗ１・・（式において・・はｙｗ１の上に付される（以下、その他の変数についても同様））は、輪軸１３ａの左右方向における加速度である。ｆ２は、横クリープ係数である。ｖは、鉄道車両の走行速度である。ｙｗ１・（式において・はｙｗ１の上に付される（以下、その他の変数についても同様））は、輪軸１３ａの左右方向における速度である。Ｃｗｙは、軸箱と輪軸とをつなぐ軸箱支持装置の左右方向におけるダンピング定数である。ｙｔ１・は、台車１２ａの左右方向における速度である。ａは、台車１２ａ、１２ｂに設けられている輪軸１３ａ・１３ｂ、１３ｃ・１３ｄ間の前後方向における距離の１／２を表す（台車１２ａ、１２ｂに設けられている輪軸１３ａ・１３ｂ、１３ｃ・１３ｄ間の距離は２ａになる）。ψｔ１・は、台車１２ａのヨーイング方向における角速度である。ｈ１は、車軸の中心と台車１２ａの重心との上下方向における距離である。φｔ１・は、台車１２ａのローリング方向における角速度である。ψｗ１は、輪軸１３ａのヨーイング方向における回動量（角変位）である。Ｋｗｙは、軸箱支持装置の左右方向のバネ定数である。ｙｗ１は、輪軸１３ａの左右方向における変位である。ｙｔ１は、台車１２ａの左右方向における変位である。ψｔ１は、台車１２ａのヨーイング方向における回動量（角変位）である。φｔ１は、台車１２ａのローリング方向における回動量（角変位）である。尚、（２）式〜（４）式の各変数は、前述した添え字の意味に従って（１）式の変数を読み替えることにより表される。
【００２２】
［輪軸のヨーイング］
輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式は、以下の（５）式〜（８）式で表される。
【００２３】
【数２】
2017164133.tif 000004
【００２４】
Ｉｗｚは、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における慣性モーメントである。ψｗ１・・は、輪軸１３ａのヨーイング方向における角加速度である。ｆ１は、縦クリープ係数である。ｂは、輪軸１３ａ〜１３ｄに取り付けられている２つの車輪と軌道１６（レール）との接点の間の左右方向における距離である。ψｗ１・は、輪軸１３ａのヨーイング方向における角速度である。Ｃｗｘは、軸箱支持装置の前後方向のダンピング定数である。ｂ１は、軸箱支持装置の左右方向における間隔の１／２を表す（１つの輪軸に対して左右に設けられている２つの軸箱支持装置の左右方向における間隔は２ｂ１になる）。γは、踏面勾配である。ｒは、車輪１４ａ〜１４ｄの半径である。ｙＲ１は、輪軸１３ａの位置での通り狂い量である。ｓａは、車軸１５ａ〜１５ｄの中心から軸箱支持バネまでの前後方向におけるオフセット量である。ｙｔ１は、台車１２ａの左右方向における変位である。Ｋｗｘは、軸箱支持装置の前後方向のバネ定数である。尚、（６）式〜（８）式の各変数は、前述した添え字の意味に従って（５）式の変数を読み替えることにより表される。ただし、ｙＲ２、ｙＲ３、ｙＲ４はそれぞれ、輪軸１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの位置での通り狂い量である。ここで、通り狂いとは、日本工業規格（ＪＩＳ  Ｅ  １００１：２００１）に記載されているように、レールの長手方向の左右の変位である。通り狂い量は、その変位の量である。図３に、輪軸１３ａの位置での通り狂い量ｙＲ１の一例を示す。図３では、軌道１６が、直線軌道である場合を例に挙げて説明する。図３において、１６ａは、レールを示し、１６ｂは、枕木を示す。図３では、輪軸１３ａの車輪１４ａが位置３０１でレール１６ａと接触しているとする。輪軸１３ａの位置での通り狂い量ｙＲ１における「輪軸１３ａの位置」とは、輪軸１３ａの車輪１４ａとレール１６ａとの接触位置である。輪軸１３ａの位置での通り狂い量ｙＲ１は、輪軸１３ａの車輪１４ａとレール１６ａとの接触位置と、正規の状態であると仮定した場合のレール１６ａの位置と、の左右方向の距離である。輪軸１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの位置での通り狂い量ｙＲ２、ｙＲ３、ｙＲ４も、輪軸１３ａの位置での通り狂い量ｙＲ１と同様に定義される。
【００２５】
［台車の横振動］
台車１２ａ、１２ｂの横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式は、以下の（９）式、（１０）式で表される。
【００２６】
【数３】
2017164133.tif 000005
【００２７】
ｍＴは、台車１２ａ、１２ｂの質量である。ｙｔ１・・は、台車１２ａの左右方向における加速度である。ｃ´２は、左右動ダンパのダンピング定数である。ｈ４は、台車１２ａの重心と左右動ダンパとの上下方向における距離である。ｙｂ・は、車体１１の左右方向における速度である。Ｌは、台車１２ａ、１２ｂの中心間の前後方向における間隔の１／２を表す（台車１２ａ、１２ｂの中心間の前後方向における間隔は２Ｌになる）。ψｂ・は、車体１１のヨーイング方向における角速度である。ｈ５は、左右動ダンパと車体１１の重心との間の上下方向における距離である。φｂ・は、車体１１のローリング方向における角速度である。ｙｗ２・は、輪軸１３ｂの左右方向における速度である。ｋ´２は、空気バネ（枕バネ）の左右方向のバネ定数である。ｈ２は、台車１２ａ、１２ｂの重心と空気バネ（枕バネ）の中心との間の上下方向における距離である。ｙｂは、車体１１の左右方向における変位である。ψｂは、車体１１のヨーイング方向における回動量（角変位）である。ｈ３は、空気バネ（枕バネ）の中心と車体１１の重心との間の上下方向における距離である。φｂは、車体１１のローリング方向における回動量（角変位）である。尚、（１０）式の各変数は、前述した添え字の意味に従って（９）式の変数を読み替えることにより表される。
【００２８】
［台車のヨーイング］
台車１２ａ、１２ｂのヨーイングを記述する運動方程式は、以下の（１１）式、（１２）式で表される。
【００２９】
【数４】
2017164133.tif 000006
【００３０】
ＩＴｚは、台車１２ａ、１２ｂのヨーイング方向における慣性モーメントである。ψｔ１・・は、台車１２ａのヨーイング方向における角加速度である。ψｗ２・は、輪軸１３ｂのヨーイング方向における角速度である。ψｗ２は、輪軸１３ｂのヨーイング方向における回動量（角変位）である。ｙｗ２は、輪軸１３ｂの左右方向における変位である。ｋ´０は、ヨーダンパのゴムブッシュ剛性である。ｂ´０は、台車１２ａ、１２ｂに対し左右に配置された２つのヨーダンパの左右方向における間隔の１／２を表す（台車１２ａ、１２ｂに対し左右に配置された２つのヨーダンパの左右方向における間隔は２ｂ´０になる）。ψｙ１は、台車１２ａに配置されたヨーダンパのヨーイング方向における回動量（角変位）である。ｋ´´２は、空気バネ（枕バネ）の左右方向のバネ定数である。ｂ２は、台車１２ａ、１２ｂに対し左右に配置された２つの空気バネ（枕バネ）の左右方向における間隔の１／２を表す（台車１２ａ、１２ｂに対し左右に配置された２つの空気バネ（枕バネ）の左右方向における間隔は２ｂ２になる）。尚、（１２）式の各変数は、前述した添え字の意味に従って（１１）式の変数を読み替えることにより表される。
【００３１】
［台車のローリング］
台車１２ａ、１２ｂのローリングを記述する運動方程式は、以下の（１３）式、（１４）式で表される。
【００３２】
【数５】
2017164133.tif 000007
【００３３】
ＩＴｘは、台車１２ａ、１２ｂのローリング方向における慣性モーメントである。φｔ１・・は、台車１２ａのローリング方向における角加速度である。ｃ１は、軸ダンパの上下方向のダンピング定数である。ｂ´１は、台車１２ａ、１２ｂに対し左右に配置された２つの軸ダンパの左右方向における間隔の１／２を表す（台車１２ａ、１２ｂに対し左右に配置された２つの軸ダンパの左右方向における間隔は２ｂ´１になる）。ｃ２は、空気バネ（枕バネ）の上下方向のダンピング定数である。φａ１・は、台車１２ａに配置された空気バネ（枕バネ）のローリング方向における角速度である。ｋ１は、軸バネの上下方向のバネ定数である。λは、空気バネ（枕バネ）の本体の容積を補助空気室の容積で割った値である。ｋ２は、空気バネ（枕バネ）の上下方向のバネ定数である。φａ１は、台車１２ａに配置された空気バネ（枕バネ）のローリング方向における回動量（角変位）である。ｋ３は、空気バネ（枕バネ）の有効受圧面積の変化による等価剛性である。尚、（１４）式の各変数は、前述した添え字の意味に従って（１３）式の変数を読み替えることにより表される。ただし、φａ２は、台車１２ｂに配置された空気バネ（枕バネ）のローリング方向における回動量（角変位）である。
【００３４】
［車体の横振動］
車体１１の横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式は、以下の（１５）式で表される。
【００３５】
【数６】
2017164133.tif 000008
【００３６】
ｍＢは、台車１２ａ、１２ｂの質量である。ｙｂ・・は、車体１１の左右方向における加速度である。ｙｔ２・は、台車１２ｂの左右方向における速度である。φｔ２・は、台車１２ｂのローリング方向における角速度である。ｙｔ２は、台車１２ｂの左右方向における変位である。φｔ２は、台車１２ｂのローリング方向における回動量（角変位）である。
【００３７】
［車体のヨーイング］
車体１１のヨーイングを記述する運動方程式は、以下の（１６）式で表される。
【００３８】
【数７】
2017164133.tif 000009
【００３９】
ＩＢｚは、車体１１のヨーイング方向における慣性モーメントである。ψｂ・・は、車体１１のヨーイング方向における角加速度である。ｃ０は、ヨーダンパの前後方向のダンピング定数である。ψｙ１・は、台車１２ａに配置されたヨーダンパのヨーイング方向における角速度である。ψｙ２・は、台車１２ｂに配置されたヨーダンパのヨーイング方向における角速度である。ψｔ２は、台車１２ｂのヨーイング方向における回動量（角変位）である。
【００４０】
［車体のローリング］
車体１１のローリングを記述する運動方程式は、以下の（１７）式で表される。
【００４１】
【数８】
2017164133.tif 000010
【００４２】
ＩＢｘは、車体１１のローリング方向における慣性モーメントである。φｂ・・は、車体１１のローリング方向における角加速度である。
【００４３】
［ヨーダンパのヨーイング］
台車１２ａに配置されたヨーダンパ、台車１２ｂに配置されたヨーダンパのヨーイングを記述する運動方程式は、それぞれ以下の（１８）式、（１９）式で表される。
【００４４】
【数９】
2017164133.tif 000011
【００４５】
ψｙ２は、台車１２ｂに配置されたヨーダンパのヨーイング方向における回動量（角変位）である。
【００４６】
［空気バネ（枕バネ）のローリング］
台車１２ａに配置された空気バネ（枕バネ）、台車１２ｂに配置された空気バネ（枕バネ）のローリングを記述する運動方程式は、それぞれ以下の（２０）式、（２１）式で表される。
【００４７】
【数１０】
2017164133.tif 000012
【００４８】
φａ２・は、台車１２ｂに配置された空気バネ（枕バネ）のローリング方向における角速度である。
【００４９】
＜軌道の通り狂い量と鉄道車両の運動との関係＞
図４は、通り狂い量と鉄道車両の構成要素の運動との相互の作用関係の一例を示す図である。実線で描かれている矢線は、同一構成要素内の異なる運動間の作用関係を示す。実線以外の線種で描かれている矢線は異なる構成要素の運動間の作用関係を示す。各運動には、本実施形態で説明するその運動を記述する運動方程式の番号を添えている。例えば、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングは、（５）式〜（８）式で記述される。輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングは、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４、輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動、台車１２ａ、１２ｂの横振動、台車１２ａ、１２ｂのヨーイングから直接作用を受ける。台車１２ａ、１２ｂの横振動は、（９）式〜（１０）式で記述される。台車１２ａ、１２ｂの横振動は、輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動、台車１２ａ、１２ｂのローリング、車体１１の横振動、車体１１のヨーイング、台車１２ａ、１２ｂのヨーイング、車体１１のローリングから直接作用を受け、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングからは直接作用を受けない。
【００５０】
図４から分かるように、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４は輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングに直接的に作用する。この作用が、その他の構成要素の運動に作用が伝播する。通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４から直接的・間接的に作用を受ける構成要素の運動に関する運動方程式から状態方程式を作成する。また、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４に関連する運動の中から計測可能な状態変数を計測して観測方程式を設定する。そして、カルマンフィルタ等のデータ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を算出することが可能である。しかしながら、この方法では運動の自由度が大きいため、フィルタの動作が安定しなくなる虞がある。
【００５１】
そこで、発明者らは、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４の精度を向上させるためには、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４が直接作用する輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングと、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングに直接作用する因子（構成要素の運動を含む）とを精度良く算出することと、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式を用いて通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を算出することとを行えば良いと考えた。また、クリープ力は、前後方向の成分である縦クリープ力と左右方向の成分である横クリープ力とに分解される。発明者らは、縦クリープ力は、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４と高い相関を有するという知見を得た。縦クリープ力は、輪軸１３ａ〜１３ｂ（１３ｃ〜１３ｄ）と、当該輪軸１３ａ〜１３ｂ（１３ｃ〜１３ｄ）が設けられる台車１２ａ（１２ｂ）との間に配置される部材に生じる前後方向の力により測定される。この部材に生じる前後方向の力を、前後方向力と称することとする。以上のことから、発明者らは、前後方向力の測定値を用いて通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を算出する方法を想到するに至った。
【００５２】
また、１つの輪軸における左右の車輪のうち一方の車輪における縦クリープ力と他方の車輪における縦クリープ力との同相の成分は、ブレーキ力や駆動力に対応する成分である。従って、鉄道車両が加減速を行っているときにも通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を算出するために、縦クリープ力の逆相成分に対応するように前後方向力を定めるのが好ましい。縦クリープ力の逆相成分とは、１つの輪軸における左右の車輪のうち一方の車輪における縦クリープ力と他方の車輪における縦クリープ力との相互に逆位相となる成分である。即ち、縦クリープ力の逆相成分とは、縦クリープ力の、車軸をねじる方向の成分である。この場合、前後方向力は、１つの輪軸の左右方向の両側に取り付けられた２つの部材に生じる力の前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分となる。
【００５３】
以下に、縦クリープ力の逆相成分に対応するように前後方向力を定める場合の前後方向力の具体例について説明する。
軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、軸箱支持装置は、リンクを備えており、軸箱と台車枠とがリンクにより連結されている。このリンクの両端にはゴムブッシュが取り付けられる。この場合、前後方向力は、１つの輪軸の左右方向の端にそれぞれ１つずつ取り付けられる２つのリンクのそれぞれが受ける荷重の前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分になる。また、リンクの配置および構成により、リンクは、前後方向、左右方向、前後方向の荷重のうち主に前後方向の荷重を受ける。従って、例えば、各リンクに歪ゲージを１つ取り付ければよい。この歪みゲージの測定値を用いて、当該リンクが受ける荷重の前後方向の成分を導出することにより、前後方向力の測定値を得る。また、このようにすることに替えて、リンクに取り付けられたゴムブッシュの前後方向の変位を変位計で測定してもよい。この場合、測定した変位と当該ゴムブッシュのバネ定数との積を、前後方向力の測定値とする。軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、前述した、軸箱を支持するための部材は、リンクまたはゴムブッシュになる。
【００５４】
尚、リンクに取り付けられる歪ゲージにより測定される荷重には、前後方向の成分だでけなく、左右方向の成分および上下方向の成分のうち少なくとも何れか一方の成分が含まれる場合がある。しかしながら、このような場合であっても、軸箱支持装置の構造上、リンクが受ける左右方向の成分の荷重および上下方向の成分の荷重は、前後方向の成分の荷重に比べて十分に小さい。従って、各リンクに歪ゲージを１つ取り付けるだけで、実用上要求される精度を有する前後方向力の測定値を得ることができる。このように、計測された前後方向力には、前後方向の成分以外の成分が含まれることがあり、上下方向および左右方向の歪みがキャンセルされるように３つ以上の歪みゲージを各リンクに取り付けてもよい。このようにすれば、前後方向力の測定値の精度を向上させることができる。
【００５５】
軸箱支持装置が、軸はり式の軸箱支持装置である場合、軸箱支持装置は、軸はりを備えており、軸箱と台車枠とが、軸はりにより連結されている。軸はりは、軸箱と一体に構成されていてもよい。この軸はりの台車枠側の端にはゴムブッシュが取り付けられる。この場合、前後方向力は、１つの輪軸の左右方向の端にそれぞれ１つずつ取り付けられる２つの軸はりのそれぞれが受ける荷重の前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分になる。また、軸はりの配置構成により、軸はりは、前後方向、左右方向、上下方向の荷重のうち前後方向の荷重に加えて、左右方向の荷重も受けやすい。従って、例えば、左右方向の歪みがキャンセルされるように２つ以上の歪ゲージを各軸はりに取り付ける。これらの歪ゲージの測定値を用いて、軸はりが受ける荷重の前後方向の成分を導出することにより、前後方向力の測定値を得る。また、このようにすることに替えて、軸はりに取り付けられたゴムブッシュの前後方向の変位を変位計で測定してもよい。この場合、測定した変位と当該ゴムブッシュのバネ定数との積を、前後方向力の測定値とする。軸箱支持装置が、軸はり式の軸箱支持装置である場合、前述した、軸箱を支持するための部材は、軸はりまたはゴムブッシュになる。
【００５６】
尚、軸はりに取り付けられる歪ゲージにより測定される荷重には、前後方向および左右方向の成分だでけなく、上下方向の成分が含まれる場合がある。しかしながら、このような場合であっても、軸箱支持装置の構造上、軸はりが受ける上下方向の成分の荷重は、前後方向の成分の荷重および左右方向の成分の荷重に比べて十分に小さい。従って、軸はりが受ける上下方向の成分の荷重をキャンセルするように歪みゲージを取り付けなくても、実用上要求される精度を有する前後方向力の測定値を得ることができる。このように、計測された前後方向力には、前後方向の成分以外の成分が含まれることがあり、左右方向の歪みに加えて上下方向の歪みもキャンセルされるように３つ以上の歪みゲージを各軸はりに取り付けてもよい。このようにすれば、前後方向力の測定値の精度を向上させることができる。
【００５７】
軸箱支持装置が、板バネ式の軸箱支持装置である場合、軸箱支持装置は、板バネを備えており、軸箱と台車枠とが、板バネにより連結されている。この板バネの端にはゴムブッシュが取り付けられる。この場合、前後方向力は、１つの輪軸の左右方向の端にそれぞれ１つずつ取り付けられる２つの板バネのそれぞれが受ける荷重の前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分になる。また、板バネの配置構成により、板バネは、前後方向、左右方向、上下方向の荷重のうち前後方向の荷重に加えて、左右方向の荷重及び上下方向の荷重も受けやすい。従って、例えば、左右方向および上下方向の歪みがキャンセルされるように３つ以上の歪ゲージを各板バネに取り付ける。これらの歪ゲージの測定値を用いて、板バネが受ける荷重の前後方向の成分を導出することにより、前後方向力の測定値を得る。また、このようにすることに替えて、板バネに取り付けられたゴムブッシュの前後方向の変位を変位計で測定してもよい。この場合、測定した変位と当該ゴムブッシュのバネ定数との積を、前後方向力の測定値とする。軸箱支持装置が、板バネ式の軸箱支持装置である場合、前述した、軸箱を支持するための部材は、板バネまたはゴムブッシュになる。
【００５８】
尚、前述した変位計としては、公知のレーザ変位計や渦電流式の変位計を用いることができる。
また、ここでは、軸箱支持装置の方式が、モノリンク式、軸はり式、および板バネ式である場合を例に挙げて、前後方向力を説明した。しかしながら、軸箱支持装置の方式は、モノリンク式、軸はり式、および板バネ式に限定されない。軸箱支持装置の方式に合わせて、モノリンク式、軸はり式、および板バネ式と同様に、前後方向力を定めることができる。
また、以下では、説明を簡単にするために、１つの輪軸について１つの前後方向力の測定値が得られる場合を例に挙げて説明する。即ち、図１に示す鉄道車両は、４つの輪軸１３ａ〜１３ｄを有する。従って、４つの前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値が得られる。
【００５９】
図５は、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４を用いて、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４と鉄道車両の構成要素の運動との相互の作用関係の一例を示す図である。前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の算出式、変換変数ｅ１〜ｅ４の算出式、変換変数ｅ１〜ｅ４を用いたときの輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動を記述する運動方程式、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４を用いたときの輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式の具体例については後述する（それぞれ（４０）式〜（４３）式、（２６）式〜（２９）式、（３４）式〜（３７）式、（５１）式〜（５４）式を参照）。
【００６０】
図６は、図５の作用関係から、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングに直接作用する構成要素の運動を決定するのに必要な作用関係を取り出して示す図である。輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングが排除された分だけ運動の自由度が減る。また、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の分だけ、カルマンフィルタ等のデータ同化を行うフィルタで用いる測定値が増える。従って、カルマンフィルタ等のデータ同化を行うフィルタを用いた演算を行うことにより算出される運動の情報の精度は向上する。
【００６１】
一方、図７は、図５の作用関係から、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を決定するのに必要な作用関係を取り出して示す図である。変換変数ｅ１〜ｅ４と台車１２ａ、１２ｂのヨーイングの情報とが既知である。従って、変換変数ｅ１〜ｅ４の算出式（後述する例では（２６）式〜（２９）式）を用いることにより、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングの情報が算出される。このときの変換変数ｅ１〜ｅ４は前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値から直接導出される。また、台車１２ａ、１２ｂのヨーイングの情報は図６の作用関係を用いて算出される。従って、変換変数ｅ１〜ｅ４と台車１２ａ、１２ｂのヨーイングの情報とから算出される輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングの情報の精度は、図４の作用関係を用いて算出した場合と比べて向上する。さらに、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングの情報と、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４と、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングに直接作用する構成要素の運動（輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動と台車１２ａ、１２ｂの横振動）の情報とが既知である。従って、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式（後述する例では（５１）式〜（５４）式）を用いることにより、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４が算出される。このときの輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングの情報の精度は、先にも述べたように図４の作用関係を用いて算出した場合と比べて向上する。また、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４は測定値である。また、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングに直接作用する構成要素の運動の情報は、図６の作用関係を用いて算出されるため、その精度は向上する。従って、以上のようにして算出された通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４の精度は向上する。
以下に説明する検査装置８００は、以上の知見のようにして通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４の精度を向上させる手法の一例を具現化する装置である。
【００６２】
＜検査装置８００＞
図８は、検査装置８００の機能的な構成の一例を示す図である。図９は、検査装置８００のハードウェアの構成の一例を示す図である。図１０は、検査装置８００における事前処理の一例を示す図である。図１１は、検査装置８００における本処理の一例を示す図である。本実施形態では、図１に示すように、検査装置８００が、鉄道車両に搭載される場合を例に挙げて示す。
【００６３】
図８において、検査装置８００は、その機能として、状態方程式記憶部８０１、観測方程式記憶部８０２、データ取得部８０３、フィルタ演算部８０４、軌道状態算出部８０５、および出力部８０６を有する。
【００６４】
図９において、検査装置８００は、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、通信回路９０４、信号処理回路９０５、画像処理回路９０６、Ｉ／Ｆ回路９０７、ユーザインターフェース９０８、ディスプレイ９０９、およびバス９１０を有する。
【００６５】
ＣＰＵ９０１は、検査装置８００の全体を統括制御する。ＣＰＵ９０１は、主記憶装置９０２をワークエリアとして用いて、補助記憶装置９０３に記憶されているプログラムを実行する。主記憶装置９０２は、データを一時的に格納する。補助記憶装置９０３は、ＣＰＵ９０１によって実行されるプログラムの他、各種のデータを記憶する。補助記憶装置９０３は、後述する状態方程式および観測方程式を記憶する。状態方程式記憶部８０１および観測方程式記憶部８０２は、例えば、ＣＰＵ９０１および補助記憶装置９０３を用いることにより実現される。
【００６６】
通信回路９０４は、検査装置８００の外部との通信を行うための回路である。通信回路９０４は、例えば、前後方向力の測定値や、車体１１、台車１２ａ、１２ｂ、および輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向における加速度の測定値の情報を受信する。通信回路９０４は、検査装置８００の外部と無線通信を行っても有線通信を行ってもよい。通信回路９０４は、無線通信を行う場合、鉄道車両に設けられるアンテナに接続される。
【００６７】
信号処理回路９０５は、通信回路９０４で受信された信号や、ＣＰＵ９０１による制御に従って入力した信号に対し、各種の信号処理を行う。データ取得部８０３は、例えば、ＣＰＵ９０１、通信回路９０４、および信号処理回路９０５を用いることにより実現される。また、フィルタ演算部８０４および軌道状態算出部８０５は、例えば、ＣＰＵ９０１および信号処理回路９０５を用いることにより実現される。
【００６８】
画像処理回路９０６は、ＣＰＵ９０１による制御に従って入力した信号に対し、各種の画像処理を行う。この画像処理が行われた信号は、ディスプレイ９０９に出力される。
ユーザインターフェース９０８は、オペレータが検査装置８００に対して指示を行う部分である。ユーザインターフェース９０８は、例えば、ボタン、スイッチ、およびダイヤル等を有する。また、ユーザインターフェース９０８は、ディスプレイ９０９を用いたグラフィカルユーザインターフェースを有していてもよい。
【００６９】
ディスプレイ９０９は、画像処理回路９０６から出力された信号に基づく画像を表示する。Ｉ／Ｆ回路９０７は、Ｉ／Ｆ回路９０７に接続される装置との間でデータのやり取りを行う。図９では、Ｉ／Ｆ回路９０７に接続される装置として、ユーザインターフェース９０８およびディスプレイ９０９を示す。しかしながら、Ｉ／Ｆ回路９０７に接続される装置は、これらに限定されない。例えば、可搬型の記憶媒体がＩ／Ｆ回路９０７に接続されてもよい。また、ユーザインターフェース９０８の少なくとも一部およびディスプレイ９０９は、検査装置８００の外部にあってもよい。
出力部８０６は、例えば、通信回路９０４および信号処理回路９０５と、画像処理回路９０６、Ｉ／Ｆ回路９０７、およびディスプレイ９０９との少なくとも何れか一方を用いることにより実現される。
【００７０】
尚、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、信号処理回路９０５、画像処理回路９０６、およびＩ／Ｆ回路９０７は、バス９１０に接続される。これらの構成要素間の通信は、バス９１０を介して行われる。また、検査装置８００のハードウェアは、後述する検査装置８００の機能を実現することができれば、図９に示すものに限定されない。
【００７１】
［状態方程式記憶部８０１、Ｓ１００１］
状態方程式記憶部８０１は、状態方程式を記憶する。本実施形態では、前述した運動方程式のうち、（５）式〜（８）式の輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式を状態方程式に含めない。（５）式〜（８）式には、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４が含まれる。（５）式〜（８）式を状態方程式に含めて、後述するカルマンフィルタによるフィルタリングを行う場合には、軌道１６のモデルが必要になる。通り狂いは物理法則に則って記述できるものではない。従って、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４の時間微分が例えばホワイトノイズとなるように、軌道１６のモデルを作成する必要がある。そうすると、軌道１６のモデルの不確かさが、後述するカルマンフィルタによるフィルタリングの結果に影響を与える虞がある。また、状態方程式を少なくし、状態変数を減らすことにより、後述するカルマンフィルタの動作を安定させることができる。
【００７２】
以上の知見の下、本実施形態では、（５）式〜（８）式の輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式を状態方程式に含めずに、以下のようにして状態方程式を構成する。
まず、（９）式、（１０）式の台車１２ａ、１２ｂの横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式と、（１３）式、（１４）式の台車１２ａ、１２ｂのローリングを記述する運動方程式と、（１５）式の車体１１の横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式と、（１６）式の車体１１のヨーイングを記述する運動方程式と、（１７）式の車体１１のローリングを記述する運動方程式と、（１８）式、（１９）式の台車１２ａに配置されたヨーダンパ、台車１２ｂに配置されたヨーダンパのヨーイングを記述する運動方程式と、（２０）式、（２１）式の台車１２ａに配置された空気バネ（枕バネ）、台車１２ｂに配置された空気バネ（枕バネ）のローリングを記述する運動方程式については、これらをそのまま用いて状態方程式を構成する。
【００７３】
一方、（１）式〜（４）式の輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式と、（１１）式、（１２）式の台車１２ａ、１２ｂのヨーイングを記述する運動方程式には、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψｗ１〜ψｗ４や角速度ψｗ１・〜ψｗ４・が含まれる。前述したように本実施形態では、（５）式〜（８）式の輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式を状態方程式に含めない。そこで本実施形態では、以下のようにして（１）式〜（４）式および（１１）式、（１２）式からこれらの変数を消去したものを用いて状態方程式を構成する。
【００７４】
まず、輪軸１３ａ〜１３ｄにおける前後方向力Ｔ１〜Ｔ４は、以下の（２２）式〜（２５）式で表される。このように、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４は、輪軸のヨーイング方向の角変位ψｗ１〜ψｗ４と、当該輪軸が設けられる台車のヨーイング方向の角変位ψｔ１〜ψｔ２との差に応じて定まる。
【００７５】
【数１１】
2017164133.tif 000013
【００７６】
以下の（２６）式〜（２９）式のように、変換変数ｅ１〜ｅ４を定義する。このように、変換変数ｅ１〜ｅ４は、台車のヨーイング方向の角変位ψｔ１〜ψｔ２と輪軸のヨーイング方向の角変位ψｗ１〜ψｗ４との差で定義される。変換変数ｅ１〜ｅ４は、台車のヨーイング方向の角変位ψｔ１〜ψｔ２と輪軸のヨーイング方向の角変位ψｗ１〜ψｗ４とを相互に変換するための変数である。
【００７７】
【数１２】
2017164133.tif 000014
【００７８】
（２６）式〜（２９）式を式変形すると、以下の（３０）式〜（３３）式が得られる。
【００７９】
【数１３】
2017164133.tif 000015
【００８０】
（３０）式〜（３３）式を、（１）式〜（４）式の輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式に代入すると、以下の（３４）式〜（３７）式が得られる。
【００８１】
【数１４】
2017164133.tif 000016
【００８２】
このように、（１）式〜（４）式の輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式を、変換変数ｅ１〜ｅ４を用いて表現することで、当該運動方程式に含まれていた輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψｗ１〜ψｗ４を消去することができる。
【００８３】
（２２）式〜（２５）式を、（１１）式、（１２）式の台車１２ａ、１２ｂのヨーイングを記述する運動方程式に代入すると、以下の（３８）式、（３９）式が得られる。
【００８４】
【数１５】
2017164133.tif 000017
【００８５】
このように、（１１）式、（１２）式の台車１２ａ、１２ｂのヨーイングを記述する運動方程式を、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４を用いて表現することで、当該運動方程式に含まれていた輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における角変位ψｗ１〜ψｗ４および角速度ψｗ１・〜ψｗ４・を消去できる。
【００８６】
また、（２６）式〜（２９）式を、（２２）式〜（２５）式に代入すると、以下の（４０）式〜（４３）式が得られる。
【００８７】
【数１６】
2017164133.tif 000018
【００８８】
以上のように本実施形態では、（３４）式〜（３７）式のようにして輪軸１３ａ〜１３ｄの横振動（左右方向における運動）を記述する運動方程式を表すと共に、（３８）式、（３９）式のようにして台車１２ａ、１２ｂのヨーイングを記述する運動方程式を表し、これらを用いて状態方程式を構成する。また、（４０）式〜（４３）式は、常微分方程式であり、その解である変換変数ｅ１〜ｅ４の実績値は、輪軸１３ａ〜１３ｄにおける前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値を用いることにより求めることができる。
【００８９】
このようにして求めた変換変数ｅ１〜ｅ４の実績値を、（３４）式〜（３７）式に与える。また、輪軸１３ａ〜１３ｄにおける前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値を（３８）式、（３９）式に与える。
【００９０】
本実施形態では、以下の（４４）式に示す変数を状態変数とし、（９）式、（１０）式、（１３）式〜（２１）式、（３４）式〜（３９）式の運動方程式を用いて状態方程式を構成する。
【００９１】
【数１７】
2017164133.tif 000019
【００９２】
状態方程式記憶部８０１は、例えば、以上のようにして構成される状態方程式を、オペレータによるユーザインターフェース９０８の操作に基づいて入力し、記憶する。
【００９３】
［観測方程式記憶部８０２、Ｓ１００２］
観測方程式記憶部８０２は、観測方程式を記憶する。本実施形態では、車体１１の左右方向における加速度、台車１２ａ、１２ｂの左右方向における加速度、および輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向における加速度を観測変数とする。この観測変数は、後述するカルマンフィルタによるフィルタリングの観測変数である。本実施形態では、（３４）式〜（３７）式、（９）式、（１０）式、および（１５）式の横振動を記述する運動方程式を用いて観測方程式を構成する。観測方程式記憶部８０２は、例えば、このようにして構成される観測方程式を、オペレータによるユーザインターフェース９０８の操作に基づいて入力し、記憶する。
【００９４】
以上のようにして、状態方程式および観測方程式が検査装置８００に記憶された後に、データ取得部８０３、フィルタ演算部８０４、軌道状態算出部８０５、および出力部８０６が起動する。即ち、図３のフローチャートによる事前処理が終了した後に、図４のフローチャートによる本処理が開始する。
【００９５】
［データ取得部８０３、Ｓ１１０１］
データ取得部８０３は、計測データを取得する。
本実施形態では、データ取得部８０３は、計測データとして、車体１１の左右方向における加速度の測定値、台車１２ａ、１２ｂの左右方向における加速度の測定値、および輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向における加速度の測定値を取得する。各加速度は、例えば、車体１１、台車１２ａ、１２ｂ、および輪軸１３ａ〜１３ｄにそれぞれ取り付けられた歪ゲージと、当該歪ゲージの測定値を用いて加速度を演算する演算装置とを用いることにより測定される。尚、加速度の測定は、公知の技術で実現することができるので、その詳細な説明を省略する。
【００９６】
また、データ取得部８０３は、計測データとして、前後方向力の測定値を取得する。前後方向力の測定の方法は、前述した通りである。
データ取得部８０３は、例えば、前述した演算装置との通信を行うことにより、計測データを取得することができる。
【００９７】
［フィルタ演算部８０４、Ｓ１１０２］
フィルタ演算部８０４は、観測方程式を観測方程式記憶部８０２により記憶された観測方程式とし、状態方程式を状態方程式記憶部８０１により記憶された状態方程式として、カルマンフィルタにより、データ取得部８０３で取得された計測データを用いて、（４４）式に示す状態変数を決定する。前述したように本実施形態では、計測データには、車体１１の左右方向における加速度の測定値、台車１２ａ、１２ｂの左右方向における加速度の測定値、輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向における加速度の測定値、および輪軸１３ａ〜１３ｄにおける前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値が含まれる。
【００９８】
カルマンフィルタは、データ同化を行う手法の一つである。即ち、カルマンフィルタは、観測できる変数（観測変数）の測定値と計算値との差異が小さく（最小に）なるように、未観測の変数（状態変数）の値を決定する手法の一例である。フィルタ演算部８０４は、観測変数の測定値と計算値との差異が小さく（最小に）なるカルマンゲインを求め、そのときの未観測の変数（状態変数）の値を求める。カルマンフィルタにおいては、以下の（４５）式の観測方程式と、以下の（４６）式の状態方程式を用いる。
Ｙ＝ＨＸ＋Ｖ  ・・・（４５）
Ｘ・＝ΦＸ＋Ｗ  ・・・（４６）
（４５）式において、Ｙは、観測変数の測定値を格納するベクトルである。Ｈは、観測モデルである。Ｘは、状態変数を格納するベクトルである。Ｖは、観測ノイズである。Ｘ・は、Ｘの時間微分を示す。Φは、線形モデルである。Ｗは、システムノイズである。尚、カルマンフィルタ自体は、公知の技術で実現できるので、その詳細な説明を省略する。
【００９９】
［軌道状態算出部８０５、Ｓ１１０３］
（５）式〜（８）式の輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式に、（２２）式〜（２５）式を代入すると、以下の（４７）式〜（５０）式が得られる。
【０１００】
【数１８】
2017164133.tif 000020
【０１０１】
軌道状態算出部８０５は、（３０）式〜（３３）式より、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψｗ１〜ψｗ４の推定値を算出する。そして、軌道状態算出部８０５は、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψｗ１〜ψｗ４の推定値と、フィルタ演算部８０４で求められた（４８）式に示す状態変数と、輪軸１３ａ〜１３ｄにおける前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値とを、（４７）式〜（５０）式に与えることにより、輪軸１３ａ〜１３ｄの位置での通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を算出する。ここで使用される状態変数は、台車１２ａ〜１２ｂの左右方向の変位ｙｔ１〜ｙｔ２、台車１２ａ〜１２ｂの左右方向の速度ｙｔ１・〜ｙｔ２・、輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向の変位ｙｗ１〜ｙｗ4、および輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向の速度ｙｗ１・〜ｙｗ４・である。
【０１０２】
そして、軌道状態算出部８０５は、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４から、最終的な通り狂い量ｙＲを算出する。例えば、軌道状態算出部８０５は、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４のうち、最大値と最小値を除く２つの値の算術平均値を通り狂い量ｙＲとして算出する。このとき、軌道状態算出部８０５は、輪軸１３ａ〜１３ｄの位置での通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４のそれぞれについて移動平均をとり（即ち、ローパスフィルタを通し）、当該移動平均をとった輪軸１３ａ〜１３ｄの位置での通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４から、最終的な通り狂い量ｙＲを算出してもよい。
【０１０３】
［出力部８０６、Ｓ１１０４］
出力部８０６は、軌道状態算出部８０５により算出された通り狂い量ｙＲの情報を出力する。このとき出力部８０６は、通り狂い量ｙＲが、予め設定された値よりも大きい場合には、軌道１６が異常であることを示す情報を出力してもよい。出力の形態としては、例えば、コンピュータディスプレイへの表示、外部装置への送信、およびの内部または外部の記憶媒体への記憶の少なくとも何れか１つを採用することができる。
【０１０４】
＜実施例＞
次に、実施例を説明する。本実施例では、図１に示したような、１つの車体１１に、２つの台車１２ａ、１２ｂおよび４組の輪軸１３ａ〜１３ｄが備わる鉄道車両を２７０ｋｍ／ｈで走行させたケースの数値シミュレーションを実施した。また、本実施例では、軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置であるものとする。尚、本実施例では、前後方向力をモノリンク力と称する。そして、この数値シミュレーションで算出されたデータを用いて、本実施形態で説明した手法により通り狂い量を計算した。このとき、数値シミュレーションに用いたモデルは８６自由度を有するものとした。従って、数値シミュレーションに用いたモデルには、通り狂い量を計算するために用いた２１自由度モデルでは想定していない運動が追加される。このようにすることによって、本実施例では、実際の鉄道車両を走行させたときに相当する状態方程式のシステムノイズが得られているものとする。一方、実際の鉄道車両を走行させたときの観測方程式の観測ノイズは計測精度に依存する。本実施例の観測データには観測ノイズが含まれていない。このため、本実施例は、理想的な計測精度が得られたことを想定したケースとなる。
【０１０５】
図１２は、数値シミュレーションにより得られた観測データ（の一部）を示す図である。図１２において、第１輪軸は、輪軸１３ａを指す。前台車は、台車１２ａを指す。横振動加速度は、左右方向の加速度を指す。
図１３は、通り狂い量の実測値１３０１と計算値１３０２の一例を示す図である。実測値１３０１は、数値シミュレーションを実施する際に設定した通り狂い量である。図１３に示すように、通り狂い量の実測値１３０１と計算値１３０２は、実用上、許容されるレベルで一致する。従って、本実施形態の手法を用いることにより、通り狂い量を精度よく計算できることが分かる。
【０１０６】
一方、モノリンク力を使用しないで、（５）式〜（８）式の輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式を状態方程式に含め、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４の時間微分をホワイトノイズとして扱い、カルマンフィルタによるフィルタリングを行った。その結果、計算が不安定となり、推定結果が得られなかった。
【０１０７】
＜まとめ＞
以上のように本実施形態では、検査装置８００は、車体１１、台車１２ａ、１２ｂ、および輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向における加速度の測定値と、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値と、変換変数ｅ１〜ｅ４の実績値と、をカルマンフィルタに与えて、状態変数（ｙｗ１・〜ｙｗ４・、ｙｗ１〜ｙｗ４、ｙｔ１・〜ｙｔ２・、ｙｔ１〜ｙｔ２、ψｔ１・〜ψｔ２・、ψｔ１〜ψｔ２、φｔ１・〜φｔ２・、φｔ１〜φｔ２、ｙｂ・、ｙｂ、ψｂ・、ψｂ、φｂ・、φｂ、ψｙ１、ψｙ２、φａ１、φａ２）を導出する。次に、検査装置８００は、前記状態変数に含まれる台車１２ａ、１２ｂのヨーイング方向における回動量（角変位）ψｔ１〜ψｔ２と、変換変数ｅ１〜ｅ４の実績値と、を用いて、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψｗ１〜ψｗ４を導出する。次に、検査装置８００は、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式に、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψｗ１〜ψｗ４と、前記状態変数と、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の測定値と、を代入して、輪軸１３ａ〜１３ｄの位置での通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を算出する。そして、検査装置８００は、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４から、最終的な通り狂い量ｙＲを算出する。従って、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式として、通り狂い量ｙＲ１〜ｙＲ４を変数として含む運動方程式を用いて状態方程式を構成する必要がなくなる。これにより、軌道１６のモデルを作成する必要がなくなると共に状態変数の数を減らすことができる。本実施形態では、モデルの自由度を２１自由度から１７自由度に減らすことができると共に、状態変数の数を３８から３０に減らすことができる。また、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４の分だけ、カルマンフィルタで用いる測定値が増える。
【０１０８】
一方、実施例で説明したように、前後方向力Ｔ１〜Ｔ４を使用しないで、（５）式〜（８）式の輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式を状態方程式に含めると、計算が不安定となり、推定結果が得られない場合がある。即ち、特許文献２に記載の技術のように状態変数を選定しないと、計算が不安定となり、推定結果が得られない場合がある。また、仮に推定結果が得られたとしても、本実施形態の方法の方が、状態変数を選定しない方法に比べ、軌道１６の不整の検知精度が高くなる。本実施形態では、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイングを記述する運動方程式を状態方程式に含めないことと、前後方向力の測定値を用いることとを実現しているからである。
【０１０９】
また、本実施形態では、センサとして歪ゲージを用いることができるので、特別なセンサを必要としない。従って、軌道１６の異常（軌道不整）を大きなコストをかけることなく精度よく検知することができる。また、特別なセンサを用いる必要がないので、営業車両に歪ゲージを取り付け、営業車に検査装置８００を搭載することにより、営業車両の走行中に、軌道１６の不整をリアルタイムで検知することができる。従って、検測車を走行させなくても、軌道１６の不整を検知することができる。ただし、検測車に歪ゲージを取り付け、検測車に検査装置８００を搭載してもよい。
【０１１０】
＜変形例＞
本実施形態では、カルマンフィルタを用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、観測変数の測定値と計算値との誤差が最小または当該誤差の期待値が最小になるように状態変数を導出するフィルタ（即ち、データ同化を行うフィルタ）を用いていれば、必ずしもカルマンフィルタを用いる必要はない。例えば、粒子フィルタを用いてもよい。尚、観測変数の測定値と計算値との誤差としては、例えば、観測変数の測定値と計算値との二乗誤差が挙げられる。
【０１１１】
また、本実施形態では、通り狂い量を導出する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、軌道１６の状態を反映する情報として、軌道不整（軌道１６の外観上の不良）を反映する情報を導出していれば、必ずしも通り狂い量を導出する必要はない。例えば、通り狂い量に加えてまたは代えて以下の（５１）式〜（５４）式の計算を行うことにより、鉄道車両が直線軌道を走行しているときに生じる横圧（車輪とレールとの間における左右方向の応力）を導出してもよい。ただし、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はそれぞれ、車輪１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにおける横圧である。ｆ３はスピンクリープ係数を表す。
【０１１２】
【数１９】
2017164133.tif 000021
【０１１３】
また、本実施形態では、車体１１の状態を表す状態変数を含める場合を例に挙げて説明した。しかしながら、車体１１は、車輪１４ａ〜１４ｄと軌道１６との間の作用力（クリープ力）による振動の伝搬が最後に伝わる部分である。従って、例えば、車体１１においてその伝搬による影響が小さいと判断される場合には、車体１１の状態を表す状態変数を含めなくてもよい。このようにする場合、（１）式〜（２１）式の運動方程式のうち、（１５）式〜（１７）式の車体１１の横振動、ヨーイング、ローリングを記述する運動方程式と、（１８）式、（１９）式の台車１２ａに配置されたヨーダンパ、台車１２ｂに配置されたヨーダンパのヨーイングを記述する運動方程式は不要になる。また、（１）式〜（２１）式の運動方程式において、車体に関する状態量（添え字ｂを含む状態量）と、車体に関する状態量（添え字ｂを含む状態量）を含む｛｝内の値（例えば（２１）式の左辺第３項の｛φａ２−φｂ｝）を０（ゼロ）にする。
【０１１４】
また、本実施形態では、台車１２ａ、１２ｂがボルスタレス台車である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、台車１２ａ、１２ｂは、ボルスタレス台車に限定されない。また、曲線軌道等において鉄道車両が遠心力を受ける場合には、この遠心力が含まれるように運動方程式が書き換えられる。この他、鉄道車両の構成要素、鉄道車両が受ける力、および鉄道車両の運動の方向等に応じて、運動方程式は、適宜書き換えられる。即ち、運動方程式は、本実施形態で例示したものに限定されない。
【０１１５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。
第１の実施形態では、鉄道車両に搭載した検査装置８００が通り狂い量ｙＲを算出する場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、検査装置８００の一部の機能が実装されたデータ処理装置が、指令所に配置される。このデータ処理装置は、鉄道車両から送信される計測データを受信し、受信した計測データを用いて通り狂い量ｙＲを算出する。このように、本実施形態では、第１の実施形態の検査装置８００が有する機能を、鉄道車両と指令所とで分担して実行する。本実施形態と第１の実施形態とは、このことによる構成および処理が主として異なる。従って、本実施形態の説明において、第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図１３に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
【０１１６】
図１４は、検査システムの構成の一例を示す図である。図１４において、検査システムは、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂと、データ処理装置１４２０とを有する。図１４には、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂおよびデータ処理装置１４２０の機能的な構成の一例も示す。尚、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂおよびデータ処理装置１４２０のハードウェアは、例えば、図９に示すもので実現することができる。従って、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂおよびデータ処理装置１４２０のハードウェアの構成の詳細な説明を省略する。
【０１１７】
鉄道車両のそれぞれには、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂが１つずつ搭載される。データ処理装置１４２０は、指令所に配置される。指令所は、例えば、複数の鉄道車両の運行を集中管理する。
【０１１８】
＜データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂ＞
データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂは、同じもので実現することができる。データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂは、データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂと、データ送信部１４１２ａ、１４１２ｂとを有する。
【０１１９】
［データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂ］
データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂは、データ取得部８０３と同じ機能を有する。即ち、データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂは、計測データを取得する。本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂは、計測データとして、車体１１の左右方向における加速度の測定値、台車１２ａ、１２ｂの左右方向における加速度の測定値、輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向における加速度の測定値、および前後方向力の測定値を取得する。これらの測定値を得るための歪ゲージおよび演算装置は、第１の実施形態で説明したものと同じである。
【０１２０】
［データ送信部１４１２ａ、１４１２ｂ］
データ送信部１４１２ａ、１４１２ｂは、データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂで取得された計測データを、データ処理装置１４２０に送信する。本実施形態では、データ送信部１４１２ａ、１４１２ｂは、データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂで取得された計測データを、無線通信により、データ処理装置１４２０に送信する。このとき、データ送信部１４１２ａ、１４１２ｂは、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂが搭載されている鉄道車両の識別番号を、データ取得部１４１１ａ、１４１１ｂで取得された計測データに付加する。このようにデータ送信部１４１２ａ、１４１２ｂは、鉄道車両の識別番号が付加された計測データを送信する。
【０１２１】
＜データ処理装置１４２０＞
［データ受信部１４２１］
データ受信部１４２１は、データ送信部１４１２ａ、１４１２ｂにより送信された計測データを受信する。この計測データには、当該計測データの送信元である鉄道車両の識別番号が付加されている。
【０１２２】
［データ記憶部１４２２］
データ記憶部１４２２は、データ受信部１４２１で受信された計測データを記憶する。データ記憶部１４２２は、鉄道車両の識別番号ごとに計測データを記憶する。データ記憶部１４２２は、鉄道車両の現在の運行状況と、計測データの受信時刻とに基づいて、当該計測データの受信時刻における鉄道車両の位置を特定し、特定した位置の情報と当該計測データとを相互に関連付けて記憶する。尚、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂが、鉄道車両の現在の位置の情報を収集し、取集した情報を計測データに含めてもよい。
【０１２３】
［データ読み出し部１４２３］
データ読み出し部１４２３は、データ記憶部１４２２により記憶された計測データを読み出す。データ読み出し部１４２３は、データ記憶部１４２２により記憶された計測データのうち、オペレータにより指定された計測データを読み出すことができる。また、データ読み出し部１４２３は、予め定められたタイミングで、予め定められた条件に合致する計測データを読み出すこともできる。本実施形態では、データ読み出し部１４２３により読み出される計測データは、例えば、鉄道車両の識別番号および位置の少なくとも何れか１つに基づいて決定される。
【０１２４】
状態方程式記憶部８０１、観測方程式記憶部８０２、フィルタ演算部８０４、軌道状態算出部８０５、および出力部８０６は、第１の実施形態と説明したものと同じである。従って、ここでは、これらの詳細な説明を省略する。尚、フィルタ演算部８０４は、データ取得部８０３で取得された計測データに代えてデータ読み出し部１４２３で読み出された計測データを用いて、（４４）式に示す状態変数を決定する。
【０１２５】
＜まとめ＞
以上のように本実施形態では、鉄道車両に搭載されたデータ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂは、計測データを収集してデータ処理装置１４２０に送信する。指令所に配置されたデータ処理装置１４２０は、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂから受信した計測データを記憶し、記憶した計測データを用いて、通り狂い量ｙＲを算出する。従って、第１の実施形態で説明した効果に加え、例えば、以下の効果を奏する。即ち、データ処理装置１４２０は、計測データを任意のタイミングで読み出すことにより、任意のタイミングで通り狂い量ｙＲを算出することができる。また、データ処理装置１４２０は、同じ位置における通り狂い量ｙＲの時系列的な変化を出力することができる。また、データ処理装置１４２０は、複数の路線における通り狂い量ｙＲを路線ごとに出力することができる。
【０１２６】
＜変形例＞
本実施形態では、データ収集装置１４１０ａ、１４１０ｂからデータ処理装置１４２０に計測データを直接送信する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、クラウドコンピューティングを利用して検査システムを構築してもよい。その他、本実施形態においても、第１の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
【０１２７】
また、第１の実施形態および第２の実施形態では、状態方程式記憶部８０１、観測方程式記憶部８０２、フィルタ演算部８０４、軌道状態算出部８０５、および出力部８０６が１つの装置に含まれる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。状態方程式記憶部８０１、観測方程式記憶部８０２、フィルタ演算部８０４、軌道状態算出部８０５、および出力部８０６の機能を複数の装置で実現してもよい。この場合、これら複数の装置を用いて検査システムが構成される。
【０１２８】
（その他の実施形態）
以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
【０１２９】
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、例えば、鉄道車両の軌道を検査することに利用することができる。
【図１】
2017164133.tif 000022
【図２】
2017164133.tif 000023
【図３】
2017164133.tif 000024
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2017164133.tif 000029
【図９】
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【図１０】
2017164133.tif 000031
【図１１】
2017164133.tif 000032
【図１２】
2017164133.tif 000033
【図１３】
2017164133.tif 000034
【図１４】
2017164133.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月3日(2018.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
以下に、縦クリープ力の逆相成分に対応するように前後方向力を定める場合の前後方向力の具体例について説明する。
軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、軸箱支持装置は、リンクを備えており、軸箱と台車枠とがリンクにより連結されている。このリンクの両端にはゴムブッシュが取り付けられる。この場合、前後方向力は、１つの輪軸の左右方向の端にそれぞれ１つずつ取り付けられる２つのリンクのそれぞれが受ける荷重の前後方向の成分のうち、相互に逆位相となる成分になる。また、リンクの配置および構成により、リンクは、前後方向、左右方向、上下方向の荷重のうち主に前後方向の荷重を受ける。従って、例えば、各リンクに歪ゲージを１つ取り付ければよい。この歪みゲージの測定値を用いて、当該リンクが受ける荷重の前後方向の成分を導出することにより、前後方向力の測定値を得る。また、このようにすることに替えて、リンクに取り付けられたゴムブッシュの前後方向の変位を変位計で測定してもよい。この場合、測定した変位と当該ゴムブッシュのバネ定数との積を、前後方向力の測定値とする。軸箱支持装置が、モノリンク式の軸箱支持装置である場合、前述した、軸箱を支持するための部材は、リンクまたはゴムブッシュになる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０１】
軌道状態算出部８０５は、（３０）式〜（３３）式より、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψw1〜ψw4の推定値を算出する。そして、軌道状態算出部８０５は、輪軸１３ａ〜１３ｄのヨーイング方向における回動量（角変位）ψw1〜ψw4の推定値と、フィルタ演算部８０４で求められた（４４）式に示す状態変数と、輪軸１３ａ〜１３ｄにおける前後方向力Ｔ1〜Ｔ4の測定値とを、（４７）式〜（５０）式に与えることにより、輪軸１３ａ〜１３ｄの位置での通り狂い量ｙR1〜ｙR4を算出する。ここで使用される状態変数は、台車１２ａ〜１２ｂの左右方向の変位ｙt1〜ｙt2、台車１２ａ〜１２ｂの左右方向の速度ｙt1・〜ｙt2・、輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向の変位ｙw1〜ｙw4、および輪軸１３ａ〜１３ｄの左右方向の速度ｙw1・〜ｙw4・である。
【国際調査報告】
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2017164133.tif 000037
2017164133.tif 000038
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