(57)【要約】【課題】実質的に所定の間隔毎に離散した等間隔信号及び前記所定の間隔から外れるよう離散した不等間隔信号が混在する信号群から等間隔信号を適切に検出する。【解決手段】所定の物理量が実質的に所定の間隔に離散した等間隔信号及び前記所定の間隔から外れるよう離散した不等間隔信号が混在する信号群から等間隔信号を抽出する等間隔信号の抽出方法を、信号群に含まれる各信号に対応する物理量を所定の間隔で除した値を整数部と小数部に分けて、整数部の値及び小数部の値を直交座標系にプロットし、直交座標系において近似直線推定処理によって求めた直線上及び直線に近接してプロットされた信号を等間隔信号であるとして抽出する構成とする。【選択図】図１
2012236506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の物理量が実質的に所定の間隔毎に離散した等間隔信号及び前記所定の間隔から外れるよう離散した不等間隔信号が混在する信号群から前記等間隔信号を抽出する等間隔信号の抽出方法であって、
前記信号群に含まれる各信号に対応する前記所定の物理量を前記所定の間隔で除した値を整数部と小数部に分けて、整数部の値及び小数部の値を各軸とした直交座標系にプロットし、
前記直交座標系において近似直線推定処理によって求めた直線上及び前記直線に近接してプロットされた信号を前記等間隔信号であるとして抽出すること
を特徴とする等間隔信号の抽出方法。
【請求項２】
前記近似直線推定処理がハフ変換であること
を特徴とする請求項１に記載の等間隔信号の抽出方法。
【請求項３】
前記等間隔信号は鉄道路線に沿って等距離間隔に配置された目標物を鉄道車両が通過時に生成されるものであり、
前記所定の物理量は、車両の走行速度検出値に基づいて求められる鉄道車両の推定走行距離であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の等間隔信号の抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、等間隔及び不等間隔の複数の信号から等間隔の信号を抽出する等間隔信号の抽出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両やその要素部品の開発や調査等において、走行中の車両の変位や加速度、応力などの物理量の測定を行なう試験方法が必要とされることがある。一般に、そのような物理量の解析、評価は、曲線、勾配などの線形や、橋梁、トンネル、分岐器、踏切、駅などの構造物との対応をとって行なわれる。そのような線形や構造物などの位置は、定められた起点からの線路延長であるキロ程（距離程）で管理されているため、試験走行においては、物理量と同時に、キロ程などの走行位置を示す情報を記録することが必要とされる。
【０００３】
列車の走行位置を得る簡単な方法として、車軸に取り付けられた速度発電機の発生パルスのカウント値と、予め設定した車輪径から走行距離を求める方法がある。
しかし、この方法は、車輪の摩耗などによって車輪径が設定値から変化したり、車輪が空転や滑走をすると誤差が生じるという問題がある。
【０００４】
そのため、一般に試験走行では、物理量と同時に、一定距離ごとに建植されているキロポスト（距離標）や、上述した構造物などの通過時期を表わすマーカーパルス信号を記録する。
【０００５】
この場合、各構造物に対応したパルス数を予め設定しておき、当該構造物の通過と同時にそのパルス数を入力する。入力する方法としては、人が目標物を目視して押しボタンなどにより入力する場合や、地上に敷設された反射板を検出して自動で入力する場合などがある。
【０００６】
このようなマーカーパルスから走行位置を算出する場合、例えばキロポストを示すマーカーパルスのみが確実に入力されれば、例えばマーカーパルスをカウントすることにより走行位置を特定することができる。しかし、キロポストが目視できないなどの理由でマーカーパルスが欠落することや、特に反射板を用いた方法ではノイズによって誤ったパルスが混入する場合がある。
また、測定の都合により、キロポスト以外のマーカーパルスが入力されることも多いため、マーカーパルスから走行位置を算出するには、キロポストを示すマーカーパルスのみを抽出する必要がある。
【０００７】
キロポストのマーカーパルスは一定距離間隔で入力される信号であるため、例えば、バンドパスフィルターを用いて、キロポストの設置間隔に一致する周期の信号を抽出する方法が考えられる。しかし、バンドパスフィルターは、特定の周期の正弦波を抽出することはできるが、マーカーパルスのようなインパルス状の信号を抽出することはできない。
一定周期のパルスを抽出する方法として、非特許文献１では、特定のパルス間隔列に反応するニューラルネットワークを構成することで、周期パルスを抽出する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】蛭田昌紀、中山明芳、市瀬夏洋、岡部洋一、「パルスニューラルネットワークによる周期パルスの抽出メカニズム」、１９９６年電子情報通信学会総合大会講演論文集、ｐ．４６、１９９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、この方法は、ノイズなどの除去すべきパルスが、抽出したいパルスと同じ間隔で発生した場合に、そのパルスが抽出されてしまうといった問題がある。
また、一般に測定におけるサンプリングは一定時間間隔であるのに対し、上述のような方法をキロポストマーカーの抽出に適用するには、パルス信号を一定距離間隔でサンプリングする必要がある。
【００１０】
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、実質的に所定の間隔に離散した等間隔信号及び前記所定の間隔から外れるよう離散した不等間隔信号が混在する信号群から等間隔信号を適切に抽出する等間隔信号の抽出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するため、本発明の等間隔信号の抽出方法は、所定の物理量が実質的に所定の間隔毎に離散した等間隔信号及び前記所定の間隔から外れるよう離散した不等間隔信号が混在する信号群から前記等間隔信号を抽出する等間隔信号の抽出方法であって、前記信号群に含まれる各信号に対応する前記所定の物理量を前記所定の間隔で除した値を整数部と小数部に分けて、整数部の値及び小数部の値を各軸とした直交座標系にプロットし、前記直交座標系において近似直線推定処理によって求めた直線上及び前記直線に近接してプロットされた信号を前記等間隔信号であるとして抽出することを特徴とする。
本発明によれば、パルス間隔に誤差が生じた場合であっても、傾きやばらつきは生ずるものの各パルスのプロット位置は直線的に配列されることになるため、この直線を検出してその近傍の点を抽出することによって、適切に等間隔信号を抽出することができる。
【００１２】
本発明において、前記近似直線推定処理がハフ（Hough）変換である構成とすることができる。
ハフ変換は、直線の近傍の点が最も多くなる直線を推定する直線検出方法であり、これによれば、等間隔信号以外の外れ点の影響を低減しつつ直線的に並んだ等間隔信号のプロット位置近傍を通る直線を推定することができ、このような直線の近傍の点を抽出することによって、より適切に等間隔信号を抽出することができる。
【００１３】
本発明において、前記等間隔信号は鉄道路線に沿って等距離間隔に配置された目標物を鉄道車両が通過時に生成されるものであり、前記所定の物理量は、車両の走行速度検出値に基づいて求められる鉄道車両の推定走行距離である構成とすることができる。
これによれば、走行速度検出値に基づいて求められる鉄道車両の推定走行距離を適切に補正し、鉄道車両の走行位置を正確に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、実質的に所定の間隔に離散した等間隔信号及び前記所定の間隔から外れるよう離散した不等間隔信号が混在する信号群から等間隔信号を適切に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】鉄道車両の走行試験時の速度信号の時間履歴の一例を示すグラフである。
【図２】鉄道車両の走行試験時に入力されるマーカーパルス信号の履歴の一例を示すグラフである。
【図３】図１の速度信号を積分して求められる累積距離を示すグラフである。
【図４】図２のマーカーパルス信号から抽出された信号の分布を示すグラフである。
【図５】図４に示す抽出パルスを累積距離上にプロットしたグラフである。
【図６】実施形態の等間隔信号の抽出方法を用いて算出された距離程の一例を示すグラフである。
【図７】実施形態において、直交座標系にプロットしたパルス、並びに、ハフ変換及び最小二乗法によって求めた近似直線の一例を示すグラフである。
【図８】図７に示すハフ変換によって求めた近似直線を用いて抽出したキロポストマーカパルスの分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した等間隔信号の抽出方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
実施形態の等間隔信号の抽出方法は、鉄道車両の走行試験において、例えば１ｋｍ間隔に設置されたキロポスト通過時、及び、その他の構造物等通過時に生成されるパルス信号ｕ（ｔ）から、キロポスト通過時の等距離間隔パルスを抽出するものである。
先ず、実施形態の等間隔信号の抽出方法を実行するのに先立って、鉄道車両を実際に走行させながら、上述したパルス信号を記録する。このとき、鉄道車両の走行速度履歴も併せて記録する。鉄道車両の走行速度検出手法として、例えば輪軸の回転速度に応じた速度信号ｖ（ｔ）を出力する車速発電機を用いることができる。
【００１７】
次に、速度信号のオフセット誤差を除去する。具体的には速度信号ｖ（ｔ）があらかじめ設定した閾値以下の場合には、鉄道車両が停止中であるものとみなして、その停止中の速度データのメディアン（中間）値を、速度データ全体から差し引いて、これを速度信号ｖ（ｔ）として再定義する。なお、速度信号の記録前に予めオフセット誤差を除去していれば、この手順は不要である。
【００１８】
次に、上述した速度信号ｖ（ｔ）を積分することにより、出発（記録開始）地点からの累積距離ｘ（ｔ）を算出する。
本実施形態の等間隔信号の抽出方法は、この累積距離ｘ（ｔ）を用いて、上述したパルス信号ｕ（ｔ）の中から等距離間隔パルスを抽出するものである。この抽出手法については、後に詳しく説明する。
抽出したパルスが立ち上がる時の累積距離をｘｉ＝{ｘ１＋ｘ２＋・・・＋ｘｎ}とする。
【００１９】
次に、抽出した各パルス間の所定の距離と、累積距離との比から、補正係数αｉを求める。パルス間の所定の距離は、パルス間隔λの整数倍となるように丸めることで算出する。
このとき、最初のパルスｘ１より前、及び、最後のパルスｘｎより後の補正係数は、各パルス間の補正係数のメディアン値を用いる。
ここで、平均値を使うことも可能であるが、特定のパルス間において、比較的大きな空転や滑走が発生した場合の影響を受けないようにするためには、上述したようにメディアン値を用いることが好ましい。
【００２０】
αｉ（ｉ＝１，２，・・，ｎ−１）は、以下の式１により表される。
【数１】
2012236506.tif 000003
また、α０，αｎは、以下の式２により表される。
α０＝αｎ＝ｍｅｄｉａｎαｉ  （ｉ＝１，２，・・，ｎ−１）  ・・（式２）
【００２１】
そして、式３、式４のように、各パルス間ごとの距離に、それぞれ上述した補正係数αｉを乗じ、それを補正累積距離ｘ’（ｔ）とする。
ｘ’ｉ＋１＝ｘ’ｉ＋αｉ・（ｘｉ＋１−ｘｉ），  （ｉ＝１，２，・・，ｎ−１）・・（式３）
【数２】
2012236506.tif 000004
【００２２】
次に、補正累積距離ｘ’（ｔ）を、当該路線の起点からの位置（距離程）ｄ（ｔ）に変換する。
先ず、検出したいずれかの等距離間隔パルスの距離程を求める。例えば、出発地点の距離程ｄｓｔａｒｔから、最初のパルスの距離程ｄ１を、以下の式５を用いて推定する。
等間隔距離パルスの距離程がλの整数倍であるとして、推定距離程を丸めることによって、ｄｓｔａｒｔの誤差が許容できる。ここで、γは進行方向を示しており、起点から遠ざかるときはγ＝１、起点に近づくときはγ＝−１である。
ｄ１＝λ・ｒｏｕｎｄ［（ｄｓｔａｒｔ＋γ・ｘ’１）／λ］・・・（式５）
【００２３】
そして、以下の式６に示すように、上述したｄ１を用いて補正累積距離ｘ’（ｔ）をシフトし、全体の距離程ｄ（ｔ）を求める。その際に、進行方向γをかける。
ｄ（ｔ）＝γ［ｘ’（ｔ）−ｘ’１］＋ｄ１・・・（式６）
【００２４】
以下、本実施形態の等間隔信号の抽出方法を用いた計算例について説明する。
図１は、鉄道車両の走行試験時の速度信号ｖ（ｔ）の時間履歴の一例を示すグラフである。
【００２５】
図２は、この走行試験時に入力されるマーカーパルス信号ｕ（ｔ）の履歴を示すグラフである。
このマーカーパルス信号には、距離程１ｋｍ毎に等間隔に設置されたキロポスト通過時に入力される信号（等間隔信号）、及び、その他の目標通過時に入力される信号（不等間隔信号）が含まれている。
【００２６】
図３は、図１に示す速度信号を積分して求められる累積距離ｘ（ｔ）を示すグラフである。ただし、この累積距離には、車速発電機が設けられた輪軸の車輪の磨耗や、空転、滑走等の影響により、実際の走行距離に対して誤差が生じている場合がある。
【００２７】
図４は、図２のマーカーパルス信号から抽出されたキロポストマーカパルスを示すグラフである。
このキロポストマーカパルスの抽出方法については、後に詳しく説明する。
図５は、図４に示す抽出されたキロポストマーカパルスを累積距離上にプロットしたグラフである。
図５に示すように、累積距離は誤差を含むため、抽出されたキロポストマーカパルスの間隔は正確に１ｋｍになっていない。
図６は、上述した式１乃至式６を用いて算出された距離程ｄ（ｔ）の一例を示すグラフである。
図６に示すように、抽出されたキロポストマーカパルスは、距離程１ｋｍ毎に端数なく配列されていることがわかる。
【００２８】
以下、本実施形態における等間隔信号（等間隔パルス）の抽出方法について、詳細に説明する。
なお、この等間隔信号の抽出方法は、鉄道車両の走行位置検出に限らず、他の用途にも適用可能なものである。ここでは、一般化した記述によって方法を説明し、後にキロポストマーカパルス検出へ適用した応用例を示す。
【００２９】
先ず、検出したいパルスが等間隔となる物理量をｘとする。ここで、ｘは、例えば距離や時間である。閾値処理等により、パルス信号ｕ（ｘ）の中のパルスを検出し、各パルスの立ち上がり時のｘを並べた数列ｘｋ＝｛ｘ１，ｘ２，・・・，ｘｍ｝を用意する。
検出したいパルス間隔をλとして、式７のようにｘｋをλで除して正規化し、それをＸｋ＝｛Ｘ１，Ｘ２，・・・，Ｘｍ｝とする。
Ｘｋ＝ｘｋ／λ  ・・・（式７）
【００３０】
そして、そのＸｋを、式８のように整数部ｐｋと小数部ｑｋとに分ける。
Ｘｋ＝ｐｋ＋ｑｋ・・・（式８）
仮にｕ（ｘ）が完全なλ間隔のパルス信号であれば、Ｘｋは１ずつ増える等差数列になるので、その小数部ｑｋは一定の値をとることになる。これを、横軸ｐ、縦軸ｑのｐ−ｑ平面の１点としてプロットすると、横軸ｐと平行な直線となる。もし、これにλ間隔以外のパルスが加われば、このパルスはその直線から離れた点として表される。
【００３１】
そこで、ｐ−ｑ平面で直線を構成する点を抽出することによって、等間隔パルスを抽出することが可能となる。実際は、パルス間隔に少なからず誤差があるので、その直線は傾きやばらつきを持つことが想定される。その誤差に対応するため、本実施形態においては、近似直線を求めてそれの近傍の点を抽出している。
【００３２】
ここで、近似直線を求める一般的な方法として、最小二乗法がある。最小二乗法による近似直線の推定は、直線と各点との差（残差）の二乗和が最小となるような直線を算出するものである。全ての点が等間隔パルスである場合には、全ての点が直線的に並ぶため、最小二乗法はそれらの点の近傍を通る直線を推定するが、等間隔パルス以外の外れ点が含まれる場合、最小二乗法ではその外れ点を含めた残差の二乗和を最小にするため、直線的に並んだ等間隔パルスから外れた近似直線が推定される問題がある。
【００３３】
これを解決するために、本実施形態においては、画像から直線を検出する手法として用いられるハフ（Hough）変換を用いて近似直線を算出している。
ハフ変換は、直線の近傍の点が最も多くなる直線を推定するもので、一般にノイズや直線の途切れに強い特徴がある。
等間隔パルス以外の外れ点が多く含まれていても、それらは直線的に並ばないので、推定される直線は、最小二乗法と異なり外れ点の影響を受けにくく、直線的に並んだ等間隔パルス近傍を通る直線を推定できる。
その直線の直近の点を抽出することで、適切に等間隔パルスを抽出できる。
【００３４】
具体的には、求めた近似直線に近い点を選び出すために、まず近似直線上に乗る模範数列Ｘ＊ｊを用意する。近似直線方程式は、横軸が整数でなければならないので、式９のように表すことができる。
ｑ＊ｊ＝A・ｊ＋B，  ｊ＝・・・，−１，０，１，２，・・・    ・・（式９）
【００３５】
式８のように、横軸と縦軸の加算がもとの数列であるので、模範数列は式１０のように表すことができる。
Ｘ＊ｊ＝ｊ＋ｑ＊ｊ  ・・・（式１０）
【００３６】
式１０に式９を代入すると、模範数列は式１１で求めることができる。
Ｘ＊ｊ＝（Ａ＋１）・ｊ＋Ｂ  ・・・（式１１）
【００３７】
そして、模範数列Ｘ＊ｊ＝｛・・・，Ｘ＊０，Ｘ＊１，・・・｝の各要素に対して直近のＸｋを抽出していく。ただし、Ｘ＊ｊと直近のＸｋとの差が予め設定した許容範囲の外であればそれは抽出しない。
抽出したものをｘｉ＝｛ｘ１，ｘ２，・・・，ｘｎ｝とする。
最後に、抽出したＸｉに、式１２の通りパルス間隔λを乗じてもとの物理量に戻す。
ｘｉ＝λ・Ｘｉ  ・・・（式１２）
【００３８】
以下、計算例として、パルス間隔λ＝１［ｋｍ］間隔のキロポストマーカを抽出した結果を示す。
図７は、ｐ−ｑ平面上にプロットされたＸｋ、ハフ変換により求めた近似直線、及び、抽出したパルスＸｉの一例を示すグラフである。なお、参考のため、最小二乗法によって求めた近似直線も記載している。
図８は、図７の近似直線を用いて抽出されたキロポストマーカパルスを示すグラフである。
【００３９】
図７に示すように、最小二乗法では、キロポストマーカ以外の外れ点を含めて残差の二乗和を最小化しようとするため、等間隔のキロポストマーカの並びに対して、得られる直線のずれが大きいことがわかる。
これに対し、ハフ変換においては、キロポストマーカの直線的な並びに沿って近似直線を算出することが可能であり、図８に示すように、適切に等間隔のキロポストマーカを抽出し、鉄道車両の走行位置を正確に検出することが可能となる。
【００４０】
（他の実施形態）
なお、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
上述した実施形態では、速度信号を積分して累積距離を算出しているが、これに限らず、例えば車軸の回転に応じて速度発電機が出力する回転パルスの発生数をカウントして累積距離を算出してもよい。
また、本発明の等間隔信号の抽出方法は、実施形態のような鉄道車両の走行位置検出に限らず、他の用途にも適用することが可能である。例えば、高速道路等の道路の距離標を用いて自動車等の位置検出を行なうこともできる。
また、等間隔で離散する物理量は走行距離に限らず、例えば時間やその他の物理量であってもよい。
【図１】
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【図２】
2012236506.tif 000006
【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】
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【図８】
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