(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
線路を走行する鉄道車両の形式が複数ある鉄道沿線に設置される鉄道の強風時運転規制用の風向風速計であって、
鉄道車両の形式毎の風向角別の転覆限界風速分布を求め、次いで前記形式毎の風向角別の転覆限界風速の最低値を結ぶような包絡線を求め、次いで前記包絡線が最低値となる風向角での値を基準として風向角別の転覆限界風速比率分布を求め、次いで前記風向角別の転覆限界風速比率分布の逆数を求めることで、車両走行への風による影響を数値化した風向別の換算係数を算出する換算係数算出手段と、
前記風向風速計によって観測された風速に、前記風向風速計によって観測された風向に対応する前記換算係数を乗じて評価風速を算出する評価風速算出手段と、を有することを特徴とする運転規制用の風向風速計。
【請求項２】
前記風向角別の換算係数は、
線路が単線であった場合、上り列車のみを考慮した風向角別の換算係数と下り列車のみを考慮した風向角別の換算係数を風向角別に比較し、それらのうち大きい方の換算係数によって規定されることを特徴とする請求項１に記載の運転規制用の風向風速計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の風向風速計の算出した評価風速に基づいて、鉄道の運行を規制することを特徴とする鉄道の運転規制システム。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道の運転規制システムであって、前記評価風速が第１の規制風速以上となった場合には鉄道の運行速度を所定の速度以下に規制し、さらに前記評価風速が前記第１の規制風速より大きい第２の規制風速以上となった場合には鉄道の運行を抑止することを特徴とする鉄道の運転規制システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、鉄道の強風時運転規制用の風向風速計、強風時運転規制方法および風向風速の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両が側方から強風を受けると、車両に風圧による抗力（横力）が生じる。風速が大きい場合、車両を転覆させようとする横力が大きくなり、ある限界風速以上の風速が吹いた場合、車両は転覆・脱線することがある。
【０００３】
このような事故を未然に防ぐために、鉄道の沿線には風速計が設置され風観測を行っている。このような風速計には、多くの場合、風杯型風速計と呼ばれる風速計が使われている。これは、垂直な回転軸周りに回動可能に取り付けられた半球型の風杯が複数取り付けられているタイプの風速計である。風杯の凹側の方が凸側よりも風による抵抗が大きいために、風が吹くと風杯が回転軸周りを回転し、その回転数によって風速が分かる。
【０００４】
風杯型風速計によって観測された風速が、所定の基準値以上となった場合に、車両の運行速度を低速に制限したり、車両の運行を抑止したりする運転規制を行って、強風による転覆・脱線事故を未然に防いでいる。
【０００５】
車両に働く横力は、車両に相対的な風向によって大きく異なることが知られている。したがって、より効率的に強風時の運転規制を行うためには、風速のみならず風向の観測も必要となる。実際に風向別に運転規制の基準値を変えて運転規制が行われている線区がある（非特許文献１）。この場合、風向と風速との両方を観測する必要があるため、このような箇所にはプロペラ型風向風速計あるいは超音波型風向風速計といった風向・風速の２要素を観測可能な測器が設置される。ところが、風向と風速との両方を観測しその観測値を利用するためには、風速情報を伝送するケーブルのみならず、風向情報を伝送するケーブルを敷設する必要が生じる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「ＪＲ北海道における強風対策の取り組み」、川村  力、ＲＲＲ、６７巻９号、ｐ．３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、風向風速計を新たに設置する場合あるいは風向別規制を新たに導入する場合には、既存の風速伝送用のケーブルに加えて風向伝送用のケーブルを敷設する必要があった。また、指令（列車の運行を管理する部署）へ伝送するデータの量も２倍になるため、データ量が増加し、データの品質管理の負担が増していた。
【０００８】
本発明は、上記のような状況を鑑みてなされたものであり、風向と風速とを考慮しつつ、１つの出力で、鉄道の強風時運転規制を効率的に行うことを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、鉄道沿線に設置される鉄道の強風時運転規制用の風向風速計であって、鉄道車両の風向角別の転覆限界風速に基づいて車両走行への風による影響を数値化した風向別の換算係数を算出する換算係数算出手段と、前記風向風速計によって観測された風速に前記風向風速計によって観測された風向に対応する前記換算係数を乗じて評価風速を算出する評価風速算出手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
前記風向別の換算係数は、鉄道車両の風向角別の転覆限界風速分布を求め、前記転覆限界風速が最低となる風向角の転覆限界風速値を基準として風向角別の転覆限界風速比率分布を求め、前記風向角別の転覆限界風速比率分布の逆数を求めることで、前記風向別の換算係数を定められることとしてもよい。
【００１１】
また、前記鉄道車両の転覆限界風速は、線路を走行する鉄道車両の形式が複数あった場合、各形式における風向角別の転覆限界風速分布を求め、それらの最低値によって規定されることとしてもよい。
【００１２】
また、前記風向角別の換算係数は、線路が単線であった場合、上り列車のみを考慮した風向角別の換算係数と下り列車のみを考慮した風向角別の換算係数を風向角別に比較し、それらのうち大きい方の換算係数によって規定されることとしてもよい。
【００１３】
さらに、前記風向風速計の出力した評価風速に基づいて、鉄道の運行を規制する運転規制システムを実現できる。具体的には、前記評価風速が第１の規制風速以上となった場合には鉄道の運行速度を所定の速度以下に規制し、さらに前記評価風速が前記第１の規制風速より大きい第２の規制風速以上となった場合には鉄道の運行を抑止することとすればよい。
【００１４】
また、別の側面による本発明は、風向風速計を用いた鉄道の強風時運転規制方法であって、鉄道車両の風向角別の転覆限界風速に基づいて車両走行への風による影響を数値化した風向別の換算係数を算出する工程と、前記風向風速計によって観測された風速に、前記風向風速計によって観測された風向に対応する前記換算係数を乗じて評価風速を計算する工程と、前記評価風速が、予め定めたしきい値以上となった場合に鉄道の運行を規制することを特徴とする。
【００１５】
また、別の側面による本発明は、観測された風向風速の評価方法であって、鉄道車両の風向角別の転覆限界風速に基づいて車両走行への風による影響を数値化した風向別の換算係数を算出する工程と、前記風向風速計によって観測された風速に、前記風向風速計によって観測された風向に対応する前記換算係数を乗じて評価風速を計算する工程を有することを特徴とする。
【００１６】
さらに、別の側面による本発明は、観測された風向風速を評価するプログラムであって、鉄道車両の風向角別の転覆限界風速に基づいて車両走行への風による影響を数値化した風向別の換算係数を算出するステップと、前記風向風速計によって観測された風速に、前記風向風速計によって観測された風向に対応する前記換算係数を乗じて評価風速を計算するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る風向風速計によって、風向と風速とを考慮しつつ、１つの出力で鉄道の強風時運転規制を効率的に行うことのできる風向風速計を実現できる。また、本発明に係る方法で運転規制を行えば、従来の風速のみの運転規制方法と同程度の運行安全性を担保しつつ、風向と風速とを考慮した効率的な強風時運転規制を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】横風を受けた鉄道車両の挙動を説明するための図である。
【図２】走行中の鉄道車両に働く風を説明するための平面図である。
【図３】鉄道車両に働く空気力を測定するための風洞試験を説明するための平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る風向風速計および運転規制システムの構成を表す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る換算係数の設定を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る換算係数の設定を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る換算係数の設定を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る強風時運転規制方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、符号を付して本願発明を説明する。ただし、符号は参照のためであり、本願発明を実施形態に限定するものでない。
【００２０】
先ず、鉄道車両の転覆・脱線概要と転覆に至る限界の風速（転覆限界風速）の考え方について説明する。図１は、横風、つまり側方からの自然風を受けた鉄道車両の挙動について示したイメージ図である。鉄道車両に横風が作用すると、鉄道車両には風による横力（抗力）が生じる。図１（ａ）のように横風が弱いとき、鉄道車両は転覆することなく安全に走行できる。しかし、横風が強くなると、風上側の輪重、つまりレールが車輪から受ける垂直下方の力、が小さくなる。横風がさらに強くなり、ある風速に達すると図１（ｂ）のように、風上側の輪重がゼロになり鉄道車両が転覆・脱線する可能性が生じる。このような状態になる風速の最小値を転覆限界風速と呼んでいる。
【００２１】
次に、転覆限界風速の調べ方について説明する。転覆限界風速は、鉄道車両の形状、風向によって異なり、さらに車両の重量と走行速度によっても異なる。図２に鉄道車両に働く風の概念図を示す。鉄道車両１に進行方向から角度αで自然風が吹いている場合を考える。ここで、鉄道車両に相対的な風向のことを風向角と呼んでいる。鉄道車両１は、無風状態の中を走向しているときには相対的に走行速度と同じ大きさで反対向きの風を受けている。したがって、自然風の中を走行中の鉄道車両１には、走行に伴って生じる走行速度の逆ベクトルと自然風のベクトルとの合成風が車両に働く風として作用し、合成風と鉄道車両１とのなす風向角は図２の角度βとなる。
【００２２】
鉄道車両の転覆限界風速を調べる際には、先ず上述の車両に働く風に基づいて風洞試験を行って、風洞内に設置した鉄道車両の縮尺模型１０に働く横力等の空気力を調べる。図３はその様子を示すイメージ図である。気流内に設置した縮尺模型１０に内蔵した測定器によって、縮尺模型１０に働く空気力を測定する。このような測定を風洞内で縮尺模型１０の向きを変えながら行うことで、風向角ごと、つまり図２の角度βごとの空気力を測定する。その後、鉄道車両の力学モデルに基づいて、風向角ごとに、つまり図２の角度αごとに、転覆限界風速を算出する。この工程を鉄道車両の種別ごとに繰り返す。
【００２３】
なお、数値計算技術の向上に伴って、鉄道車両に働く空気力は、スーパーコンピュータを用いた数値シミュレーションによって調べてもよい。
【００２４】
［第１の実施形態］
次に、本発明に係る第１の実施形態としての運転規制システムについて説明する。
【００２５】
図４は、本実施形態に係る運転規制システムの構成を示した図である。運転規制システムは、風向風速計２と運転規制判定装置３により構成される。風向風速計２には、センサー２０、換算係数算出装置２７、評価風速算出装置２８を備えている。
【００２６】
先ず、風向風速計の構成について説明する。本実施形態では、プロペラ型風向風速計をセンサー２０に用いた例を説明する。水平に取り付けられた風向風速センサー２０が垂直軸に対して回動可能になっており、風向風速センサー２０の一端にプロペラ２１が、他端には翼２６が取り付けられている。風が吹くと、プロペラ２１が回転すると共に、プロペラ２１が風上を向くので、プロペラ２１の回転数で風速を測定し、風向風速センサー２０の向きで風向を測定することができる。
【００２７】
プロペラ２１の単位時間当たりの回転数は、センサー２０の胴体にあるロータリエンコーダ２２で測定する。プロペラ２１は風速に応じた角速度で回転するので、プロペラ２１の回転数をロータリエンコーダ２２測定すれば風速が分かる。Ｆ−Ｖコンバータ２４は、ロータリエンコーダ２２が出力するパルス数を電圧に変換して、風速に応じた所定の電圧を出力する。また、風速計の根元にある垂直回転軸周りには、ポテンショメータ２３が取り付けられている。ポテンショメータ２３はプロペラ２１の向いている方向に応じて電気抵抗が変わるようになっている。よって、ポテンショメータ２３による抵抗値を測定すれば風向が分かる。Ｒ−Ｖコンバータ２５は、ポテンショメータ２３の抵抗値を電圧に変換して、風向に応じた所定の電圧を出力する。
【００２８】
評価風速算出装置２８は、センサー２０が観測した風向（ＷＤｏｂｓ）と風速（ＷＳｏｂｓ）、および換算係数２６に基づいて、評価風速（ＷＳｅｓｔ）を算出する装置である。換算係数算出装置２７は、評価風速算出装置２８から受け取ったＷＤｏｂｓを換算係数２６に入力し、換算係数２６が返す換算係数（Ｃｏｅｆ）を受け取って、評価風速算出装置２８に送るように構成されている。換算係数２６は、風向（ＷＤ）の入力に対してＷＤに応じた風速の換算係数（Ｃｏｅｆ）を返すようになっている。ここで、換算係数２６は、数式としてもよいし、風向に応じた換算係数２６のテーブルとしてもよい。
【００２９】
ここで、換算係数２６の設定方法について説明する。
図５（ａ）は、ある車両形状の車両（Ａ系とする）の転覆限界風速を風向角ごとに示した図である。転覆限界風速が最も小さくなる、風向角６０°を１．０とした場合、図５（Ａ）の例では、風向角１２０°で１．５となる。ここで、風向角が極端に浅い場合、風向角が０°や１８０°に近い場合には風洞試験が難しいことおよび転覆限界風速は極めて大きくなることを理由として、風向角１０°以下と風向角１７０°以上では転覆限界風速を求めていない。ある線区を走行する鉄道車両がある車種、Ａ系、しか走行しないのであれば、Ａ系の転覆限界風速を基準に換算係数を設定することができる。例えば、換算係数は転覆限界風速が最低となる風向角６０°を１．０とした転覆限界風速の比率の分布を求め、この逆数の分布を換算係数と設定する（図５（ｂ））。求められた換算係数は、車両走行への風による影響を数値化したものと言える。
【００３０】
次に、評価風速算出装置２８の動作を説明する。
評価風速算出装置２８は、センサー２０が観測したＷＤｏｂｓとＷＳｏｂｓとに基づいて評価風速ＷＳｅｓｔを算出する。具体的に説明する。センサー２０から風向風速の観測値、ＷＤｏｂｓとＷＳｏｂｓが評価風速算出装置２８に出力される。評価風速算出装置２８はＷＤｏｂｓの入力をそのまま、換算係数算出装置２７に出力する。換算係数算出装置２７は、ＷＤｏｂｓが入力されると、換算係数２６にＷＤｏｂｓを入力することで換算係数Ｃｏｅｆを算出する。換算係数２６は、入力された風向に対応する換算係数Ｃｏｅｆを、換算係数算出装置２７に返す。換算係数算出装置２７は、評価風速算出装置２８に換算係数Ｃｏｅｆを返す。
【００３１】
評価風速算出装置２８は、式（１）により評価風速ＷＳｅｓｔを算出する。
ＷＳｅｓｔ＝ＷＳｏｂｓ×Ｃｏｅｆ（ＷＤｏｂｓ）      （１）
評価風速算出装置２８は、算出したＷＳｅｓｔを出力する。
【００３２】
次に、運転規制判定装置３の動作を説明する。
本実施形態に係る風向風速計を鉄道の強風時運転規制に用いる場合、運転規制判定装置３が、風向風速計が出力する評価風速ＷＳｅｓｔに基づいて運転規制の種別を判定する。具体的には、評価風速が第１の規制風速である所定の徐行風速以上となった場合には鉄道の運行速度を所定の速度以下にする徐行規制の発令が必要であると判定する。また、評価風速が第２の規制風速である所定の抑止風速以上となった場合には鉄道の運転を取りやめる、運転抑止の発令が必要であると判定する。
【００３３】
ここで鉄道車両は低速で走行した場合には転覆限界風速が大きくなるので、徐行速度は通常の最高速度よりも低い速度になっており、徐行規制を行うことで安全性が確保される。また、抑止風速は徐行風速より大きい風速である。鉄道車両は停止している場合には転覆限界風速が徐行する場合の転覆限界風速より大きくなるので、運転を取りやめることでさらに安全性が確保される。
【００３４】
次に、本実施形態に係る風向風速計による効果を説明する。
先ず、本実施形態に係る風向風速計を用いることで、本実施形態に係る風向風速計によって、鉄道車両への風の影響を風向別に考慮した評価風速を出力する風向風速計を実現することができる。
【００３５】
このように、本実施形態に係る風向風速計を用いて鉄道の強風時運転規制を行えば、風向風速計の出力が１つであるにもかかわらず、風速のみならず風向も考慮した鉄道の強風時運転規制を行うことができる。具体的には、転覆限界風速が大きい風向角から強風が吹いた場合には、実質的に運転規制の発令される風速が大きくなるので、運転規制の発令される回数が減るが、鉄道車両が転覆・脱線に至る危険性が高くなることはない。よって、鉄道の強風時運転規制が効率的に行うことができる。また、風向と風速の両方に基づいて運転規制を行おうとする場合、風に関する情報を伝送するケーブルが２本必要であり、情報量も多くなるのに対して、本実施形態に係る風向風速計を用いた強風時運転規制の場合、評価風速の情報を伝送するケーブルが１本だけでよいので、設備が簡素化される。さらに、伝送する情報量も少なくてすむため、回線の負担が小さくり、さらにデータの品質管理の負担も小さくすることができる。
【００３６】
従って、風向・風速の２つの要素で運転規制を行う場合と同程度の安全性を確保しつつ伝送する情報量が少なくて済み、風速のみを用いた運転規制に比べて必要な安全性を確保しつつより効率的に運転規制を行うことができるという効果を奏することができる。
【００３７】
第１の実施形態では、風速測定をロータリエンコーダで行うこととしたが、発電式あるいはパルス式の風速測定としてもよい。また、プロペラ型風向風速計を例に説明したが、風向風速のセンサーはプロペラ型風向風速計に限定されない。例えば、センサーは超音波風向風速計でもよい。あるいはほぼ同位置に設置した風杯型風速計と矢羽型風向計とで風速と風向をそれぞれ測定することとしてもよい。
【００３８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態としての運転規制システムについて説明する。本実施形態は、ある線区を走行する車両の種類が複数であった場合の実施形態である。
【００３９】
運転規制システムの構成は、第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。第１の実施形態との違いは、換算係数２６の設定方法である。例えば、ある線区をＡ系、Ｂ系、Ｃ系の３車種が走行する場合を考える。３車種それぞれの風向角ごとの転覆限界風速が、図６（ａ）のように分布していたとする。図６（ａ）では、風向角が３０°以下ではＢ系の転覆限界風速が最も小さく、風向角が３０°から９０°ではＡ係が、風向角９０°から１６０°ではＢ系が、風向角１６０°以上ではＣ系が、それぞれ最も転覆限界風速が小さくなっている。この場合、換算係数は次のように設定することができる。先ず、転覆限界風速の最低値を結ぶような包絡線を求める（図６（ｂ）の太破線）。次に、包絡線の最低値を１．０としたときの包絡線の比の分布を求める（図６（ｂ））。図６（ｂ）の例では、風向角１０°で１．８、１２０°で１．２、１７０°で２．０となっている。最後に、この比率の逆数を換算係数２６として設定する（図６（ｃ））。
【００４０】
本実施形態の効果について説明する。
本実施形態のように換算係数２６を設定すれば、第１の実施形態で示した効果に加えて、次の効果を奏することができる。つまり、走行する車両の車種が複数であったとしても、安全性を低下させることなく、適切な換算係数２６を設定することができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態としての運転規制システムについて説明する。本実施形態は、単線で同じ線路を上り列車と下り列車が別方向に進む場合の実施形態である。
【００４２】
運転規制システムの構成は、第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。第１の実施形態との違いは、換算係数２６の設定方法である。本実施形態の場合、換算係数を次のように設定する。上り線のみを考慮して換算係数を設定したところ図７（ａ）のようになったとする。一方、下り線のみを考慮して換算係数を設定したならば、図７（ａ）の左右対称な関数になるはずである。したがって、上り線のみを考慮した関数の０°を下り線のみを考慮した場合の１８０°に、上り線のみを考慮した関数の１８０°を下り線のみを考慮した場合の０°に重なるようにして同じグラフ上に表すと、図７（ｂ）の破線のようになる。最後に、それぞれの数値の大きい方を採用して、換算係数を図７（ｂ）の太実線のように設定する。
【００４３】
本実施形態の効果について説明する。
本実施形態のように換算係数２６を設定すれば、第１の実施形態で示した効果に加えて、次の効果を奏することができる。つまり、単線で同じ線路を上り列車と下り列車が別方向に進む場合であったとしても、安全性を低下させることなく、適切な換算係数２６を設定することができる。
【００４４】
［第４の実施形態］
本発明に係る第４の実施形態について説明する。本実施形態は、風向・風速の２つの観測値はなく１つの要素のみで、風向・風速の両方を考慮したものと同等の、鉄道の強風時運転規制を行う方法である。
【００４５】
本実施形態に係る運転規制方法のフローチャートを図８に示す。本実施形態に係る運転規制方法では、プロペラ型風向風速計あるいは超音波風速計といった風向・風速の２要素を観測可能な測器が用いられる。あるいはほぼ同位置に設置した風杯型風速計と矢羽型風向計とで風速と風向をそれぞれ測定することとしてもよい。
【００４６】
処理がスタートすると（１０１）、風向風速計による風向の観測値（ＷＤｏｂｓ）と風速の観測値（ＷＳｏｂｓ）が入力される（１０２）。次に、風向ごとに設定された換算係数Ｃｏｅｆを換算係数（１０４）から呼び出す（１０３）。ここで、換算係数Ｃｏｅｆの設定方法は、上述の第１の実施形態、第２の実施形態または第３の実施形態と同じであるので、説明は省略する。次に、風向の観測値ＷＤｏｂｓ、風速の観測値ＷＳｏｂｓおよび換算係数Ｃｏｅｆに基づいて、評価風速ＷＳｅｓｔを算出する（１０５）。算出式は、第１の実施形態で説明した（１）式と同じものを用いることができる。
【００４７】
次に、算出された評価風速ＷＳｅｓｔに基づいて運転規制の発令要否を判断する。図８の１０６では、評価風速が所定の徐行風速以上か否かを判断する。また、評価風速が所定の徐行速度以上であった場合には（１０６でＹｅｓ）、１０７では、評価風速が所定の抑止風速以上か否かを判断する。ここで、抑止風速は徐行風速より大きい風速である。
【００４８】
評価風速が、徐行風速以上・抑止風速未満である場合には（１０７でＮｏ）、徐行規制を発令する（１０９）。徐行速度は、通常の最高速度よりも低い速度である。鉄道車両は低速で走行した場合には転覆限界風速が大きくなるので、徐行することで安全性が確保される。一方、評価風速が、抑止風速以上である場合には（１０７でＹｅｓ）、運転抑止を発令する（１０８）。鉄道車両は停止している場合には転覆限界風速がさらに大きくなるので、運転を取りやめることでさらに安全性が確保される。
【００４９】
次に、本実施形態に係る風向風速計による効果を説明する。
このように、本実施形態の方法で鉄道の強風時運転規制を行えば、評価風速という１つの指標で、風速のみならず風向も考慮した鉄道の強風時運転規制を行うことができる。具体的には、転覆限界風速が大きい風向角から強風が吹いた場合には、実質的に運転規制の発令される風速が大きくなるので、運転規制の発令される回数が減るが、鉄道車両が転覆・脱線に至る危険性が高くなることはない。よって、鉄道の強風時運転規制が効率的に行うことができる。
【符号の説明】
【００５０】
１                   鉄道車両
２                   風向風速計
３                   運転規制判定装置
１０                縮尺模型
２０                センサー
２１                プロペラ
２２                ロータリエンコーダ
２３                ポテンショメータ
２４                F-Vコンバータ
２５                R-Vコンバータ
２６                換算係数
２７                換算係数算出装置
２８                評価風速算出装置
【図１】
0005830402.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005830402.tif 000008
【図８】
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