(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の外部に設置され、車両の移動によって生じる圧力場での圧力分布を推定する圧力分布推定装置であって、
車両通過位置の周辺に設置される複数の圧力センサと、
該圧力センサからの信号に基づいて、車体からの距離が異なる平行な複数の断面が含まれた前記車体周辺の所定断面における圧力分布を推定する圧力分布推定手段とを備え、
前記圧力分布推定手段は、前記複数の断面において推定した圧力分布に基づき、前記車体表面における圧力分布を推定することを特徴とする圧力分布推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力分布推定装置において、
前記圧力センサは、前記所定断面内に設置されていること
を特徴とする圧力分布推定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧力分布推定装置において、
前記所定断面は、前記車両の移動方向に平行であること
を特徴とする圧力分布推定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の圧力分布推定装置において、
前記圧力センサは、前記所定断面内に、前記車両の移動方向に対し垂直な方向に並べて、設置されており、
前記圧力分布推定手段は、前記所定断面内に並べられた圧力センサからのデータを時系列に取得し、当該時系列データに基づいて、当該所定断面における圧力分布を推定すること
を特徴とする圧力分布推定装置。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の圧力分布推定装置において、
前記圧力分布推定手段は、前記複数の断面において推定した圧力分布に基づき、前記車体周辺の空間における圧力分布を推定すること
を特徴とする圧力分布推定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の圧力分布推定装置において、
前記所定断面は、車両通過位置の片側に想定されるものであること
を特徴とする圧力分布推定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の圧力分布推定装置において、
さらに、前記圧力分布推定手段によって推定された圧力分布を可視化する可視化手段を備えていること
を特徴とする圧力分布推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の移動によって生じる圧力場での圧力分布を推定する圧力分布推定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
列車が高速で走行すると、車体周りの空気は圧縮・膨張するため、正・負の圧力場が形成されることが知られている。この圧力場は、トンネル内壁や防音壁などの構造物に大きな荷重をかける。また、建物の窓ががたつく等、沿線環境に影響を与える可能性がある。したがって、列車の車体周りの絶対圧力を極力小さくすることが必要であり、そのための車体形状の開発が課題となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
車体周辺の圧力分布を推定するために従来は、コンピュータを用いたシミュレーションを行うことがあった。ただし、コンピュータによるシミュレーションでは、圧力値を実際に計測するわけではないため、当然ながら、計算誤差が比較的大きくなってしまう。また、車体表面における圧力分布を推定するために従来は、開発中の車体表面に穴を開け、小型の圧力センサをこの穴に取り付けて計測していた。しかし、その場合にはテスト車両毎に圧力センサを取り付ける作業が発生し、取付作業が手間であり、また、取付作業に時間を要することになる。
【０００４】
本発明は、車体周辺の所定断面における圧力分布を精度よく推定することを第１の目的とし、また、車体表面にセンサを取り付けることなく、車体表面における圧力分布を推定することを第２の目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上述した目的を達成するためになされた本発明の圧力分布推定装置は、車両の外部に設置され、車両の移動によって生じる圧力場での圧力分布を推定する。
具体的には、複数の圧力センサを車両通過位置の周辺に設置しておき、これら圧力センサからのデータに基づいて、圧力分布推定手段が、車体周辺の所定断面における圧力分布を推定する。
【０００６】
所定断面とは、車体周辺の空間の切断面であり、車体からの距離が異なる平行な複数の断面が所定断面に含まれるようにし、圧力分布推定手段は、複数の断面において推定した圧力分布に基づき、車両表面における圧力分布を推定するようにすればよい。少なくとも２枚の平行な断面での圧力分布が分かれば、流体力学の湧き出し分布法を用いて車体表面の圧力分布を推定できる。これによって、車体表面にセンサを取り付けることなく、車体表面における圧力分布を推定することができる。すなわち、第２の目的が達成される。
また、ここでいう車両の一例が列車であるが、列車には、非接触走行を行うリニアも含まれるものとする。また、車両であるから、列車に限定されず、自動車なども含まれる。
【０００７】
例えば請求項２に示すように、圧力センサを所定断面内に設置しておけば、各圧力センサによって、断面におけるセンサ配置地点の圧力値が実測される。したがって、これらの圧力値から補間を行って、当該断面における圧力分布を推定することができる。
【０００８】
本発明によれば、圧力センサによる実測値から圧力分布を推定するため、コンピュータによるシミュレーションと比べて、車体周辺の所定断面における圧力分布を精度よく推定することができる。すなわち、第１の目的が達成される。
ところで、上述した所定断面は、請求項３に示すように、車両の移動方向に平行なものとすることが考えられる。このときは請求項４に示すように、所定断面内に、車両の移動方向に対し垂直な方向に並べて、圧力センサを設置することが考えられる。そして、圧力分布推定手段が、所定断面内に並べられた圧力センサからのデータを時系列に取得し、当該時系列データに基づいて、当該所定断面における圧力分布を推定する。
【０００９】
例えば車体側方の垂直な断面を想定する場合、その断面内に鉛直方向に並べて圧力センサを設置しておく。車両の速度を一定とすれば、所定時間間隔毎に圧力センサから得られる時系列データは、車両が移動するために、その断面内に２次元的に配置された圧力センサから得られるデータに相当する。このようにすれば、圧力センサの設置数を大幅に減少させることができる。
【００１１】
さらに言えば、従来のように車体表面にセンサを取り付ける場合には、当然ながら、センサの取り付け箇所における圧力分布しか測定できないことになる。これに対して、本発明では、車両外部から車体表面の圧力分布を推定するため、圧力センサの配置によって、パンタグラフ、車両連結部、車両後方部、車両床下部など、車体表面の任意部分の圧力分布を推定することができる。
【００１２】
なお、流体力学の湧き出し分布法を用いる前提の下、請求項５に示すように、圧力分布推定手段は、複数の断面において推定した圧力分布に基づき、車体周辺の空間における圧力分布を推定する構成としてもよい。
ところで、車体形状は左右対称であるのが一般的であるため、請求項６に示すように、所定断面は、車両通過位置の片側に想定されるものとすれば十分である。さらに、圧力分布推定手段によって推定された圧力分布を可視化する可視化手段を備える構成とすれば、圧力分布を瞬時に把握できて便利である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照して説明する。
［第１実施例］
図１は、実施例の圧力分布推定装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１４】
圧力分布推定装置は、複数の圧力センサ１０と、コンピュータ２０と、車輪センサ３０とを備えている。そして、コンピュータ２０は、Ａ／Ｄ変換器２１、情報処理部２２、入力装置２３、出力装置２４とを有している。
圧力センサ１０は空気の圧縮・膨張による圧力場の圧力を測定可能なセンサであり、この圧力センサ１０には、空気の流れによる測定誤差が少ないセンサを用いることが望ましい。このような圧力センサ１０は、図２に示すように、計１２個用意されており、列車５０の車体５１の通過位置の側方１ｍ及び２．３ｍの地点に６つずつ配置されている。これら２つの地点の６つの圧力センサ１０は、それぞれ１．２ｍ間隔で鉛直方向に並べられている。この圧力センサ１０が「圧力センサ」に相当する。
【００１５】
車輪センサ３０は、列車５０が基準位置を通過した時を特定するためのセンサであり、車輪の通過を検知するものである。このような車輪センサ３０は、例えば光センサ等を用いて実現することが考えられる。
圧力センサ１０及び車輪センサ３０からの信号は、コンピュータ２０のＡ／Ｄ変換器２１に入力されるようになっている。
【００１６】
コンピュータ２０には、Ａ／Ｄ変換器２１により、圧力センサ１０からの信号及び、車輪センサ３０からの信号がディジタルデータとして取得される。そして、Ａ／Ｄ変換器２１に接続された情報処理部２２が、これらのデータに基づき、車体５１周辺の圧力分布を推定する。したがって、情報処理部２２が「圧力分布推定手段」に相当し、これは周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えるコンピュータシステムとして実現される。情報処理部２２には、入力装置２３及び出力装置２４が接続されている。入力装置２３は、ユーザからの情報を入力するためのキーボードやマウスとして具現化される。また、出力装置２４は、ディスプレイ装置やプリンタ装置として具現化され、情報処理部２２によって推定された圧力分布を可視化して出力する。したがって、この出力装置２４が「可視化手段」に相当する。
【００１７】
次に、本実施例の圧力分布推定装置の動作を説明する。ここでは、コンピュータ２０の情報処理部２２にて実行される圧力分布推定処理の流れを説明する。
図３に、圧力分布推定処理のフローチャートを示した。この圧力分布推定処理は、コンピュータ２０の入力装置２３を介して測定開始の指示が入力されると繰り返し実行される。
【００１８】
まず最初のステップ（以下、ステップを単に記号Ｓで示す。）１００において、列車５０が基準位置を通過したか否かを判断する。この判断は、上述した車輪センサ３０からの入力データに基づいて行う。ここで基準位置を通過したと判断した場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）、Ｓ１１０へ移行する。一方、基準位置を通過していないうちは（Ｓ１００：ＮＯ）、以降の処理を実行せず、本圧力分布推定処理を終了する。
【００１９】
Ｓ１１０では、所定時間ｔ経過毎に予め決められた回数だけ、圧力センサ１０からＡ／Ｄ変換器２１を介して入力される圧力データを記憶する。
ここまでの過程を図４を参照して具体的に説明する。図４には、車体５１の通過位置側方の１ｍの地点に配置された６つの圧力センサ１０を示している。なお、ここでは１ｍの地点に配置された６つの圧力センサ１０を例にして説明するが、２．３ｍの地点に配置された圧力センサ１０についても同様である。
【００２０】
列車５０は、速度Ｖで軌道上を走行しているものとする。このとき、圧力分布推定処理では、最前部の車輪５２が記号Ｐで示す基準位置に来たことを判断し（図３中のＳ１００）、所定時間ｔ毎に決められた回数だけ圧力データを記憶する（Ｓ１１０）。図４に示すように、６つの圧力センサ１０と列車５０との相対的な位置関係は、列車５０の走行によって、所定時間ｔの間に距離Ｖｔずつ変化する。図４では、列車５０を基準として、圧力センサ１０が列車５０側に近づいていく様子を示した。圧力センサ１０は、列車５０との関係において最初は記号Ａで示す位置にあり、この位置関係で圧力データが得られる。所定時間ｔ経過後には、圧力センサ１０は列車５０との関係において記号Ｂで示す位置にあり、この位置関係で圧力データが得られる。さらに所定時間ｔが経過すると、圧力センサ１０は列車５０との関係において記号Ｃで示す位置にあり、この位置関係で圧力データが得られる。このようにして圧力データを決められた回数だけ繰り返し記憶していけば、列車５０の車体５１の側方１ｍに想定される断面内の圧力データが時系列データとして記憶されることになる。以下、車体５１の側方１ｍに想定される断面を「第１の測定断面」といい、車体５１の側方２．３ｍに想定される断面を「第２の測定断面」という。
【００２１】
なお、ここでいう所定時間ｔと記憶回数は、列車５０の速度Ｖとの関係から適宜決定すればよい。この所定時間ｔや記憶回数は、例えば入力装置２３を介して任意に設定できる構成としておくことが考えられる。また、記号Ｐで示した基準位置は、圧力センサ１０の設置位置との関係を考慮して決定することができる。
【００２２】
ここで図３のフローチャートの説明に戻る。
続くＳ１２０では、測定断面の圧力分布を推定する。ここでは、第１の測定断面及び、第２の測定断面の圧力分布を推定する。上述したように、第１及び第２の測定断面内の圧力データが時系列データとして記憶されるため（Ｓ１１０）、これらの実測値を基に補間計算を行うことによって、それぞれの測定断面における圧力分布を推定する。
【００２３】
次のＳ１３０では、車体５１表面の圧力分布を推定する。車体５１表面の圧力分布は、上述した第１及び第２の測定断面の圧力分布を用いて推定される。
これについて図５の説明図を参照して解説する。図５には、列車５０と第１及び第２の測定断面とを模式的に示した。
【００２４】
まず、各測定断面の圧力分布から正圧・負圧が最大・最小になる位置と値とを取得する。第１及び第２の測定断面における最大正圧位置、記号ａ１及びａ２で示した位置から、車体５１表面の最大正圧となる位置（記号ａで示した）を直線で推定する。また、第１及び第２の測定断面における最小負圧位置、記号ｂ１及びｂ２で示した位置から、車体５１表面の最小負圧となる位置（記号ｂで示した）を直線で推定する。車体５１表面の最大正圧値や最小負圧値は、流体力学の湧き出し分布法を用いて計算すればよい。そして、車体５１の表面圧力が最大正圧・最小負圧の２点にのみ依存していると仮定し、距離減衰特性などを考慮して、任意位置における圧力値を算出することにより、車体５１表面における圧力分布を推定する。
【００２５】
続くＳ１４０では、車体５１周辺の圧力分布を推定する。この場合も、第１及び第２の測定断面における圧力分布を用い、流体力学の湧き出し分布法を用いて計算すればよい。
そして次のＳ１５０では、可視化出力を行う。この出力は、ディスプレイ装置やプリンタ装置として具現化される出力装置２４に対して行われる。例えばコンターマップ（等高線地図）として出力することが考えられる。
【００２６】
例えば第１の測定断面におけるコンターマップを、図６に例示した。実線で示す等高線は正圧を示しており、記号ａで示す等高線の内側が最大正圧となっている。一方、破線で示す等高線は負圧を示しており、記号ｂで示す等高線の内側が最小負圧となっている。
【００２７】
次に、本実施例における圧力分布推定装置の発揮する効果を説明する。
本実施例では、圧力センサ１０による実測値から圧力分布を推定するため、コンピュータによるシミュレーションによる圧力分布の推定と比べて、車体周辺の測定断面における圧力分布を精度よく推定することができる。
【００２８】
また、本実施例では、車体５１の側方１ｍ及び２．３ｍの距離に平行な２つの測定断面を想定し、流体力学の湧き出し分布法を用いて、車体５１表面の圧力分布を推定するようにした（図５参照）。これによって、車体５１の表面にセンサを取り付けることなく、車体５１表面における圧力分布を推定することができる。そして、本実施例のような手法によれば、流体力学の湧き出し分布法を用いることで、車体５１表面だけでなく、車体５１周辺の圧力分布が推定できる点でも有利である。
【００２９】
そして本実施例では、測定断面を列車５０の進行方向に平行なものとし、車体５１の側方に鉛直方向に圧力センサ１０を配置するようにした（図２参照）。そして、列車５０が基準位置まで来た時点から所定時間ｔ毎に、圧力センサ１０からの圧力データを記憶し（図３中のＳ１００，Ｓ１１０）、測定断面における圧力データを時系列データとして取得する（図４参照）。そのため、圧力センサ１０は、第１の測定断面及び第２の測定断面内にそれぞれ６つだけ配置され、計１２個となっている。このように、車体５１表面に圧力センサを取り付ける従来技術と比較して、圧力センサ１０の設置数を大幅に削減できる。
【００３０】
さらにまた、本実施例では、推定した圧力分布をコンターマップとしてディスプレイ装置あるいはプリンタ装置などの出力装置２４へ出力できる構成とした。これによって、ユーザは総括的にまた瞬時に、圧力分布がどのようになっているのかを知ることができ便利である。
［第２実施例］
上記実施例では、図２に示すように、車体５１の通過位置側方の１ｍ、２．３ｍの地点に圧力センサ１０を配置するようにし、第１及び第２の測定断面を想定し、これら測定断面における圧力分布を推定し、車体５１表面や車体５１周辺の圧力分布を推定していた。
【００３１】
これに対して、本実施例では、圧力センサ１０をさらに１２個追加して計２４個とした。具体的には、図７に示すように、６つの圧力センサ１０を車体５１の側方３．６ｍの地点に鉛直方向に配置した。記号Ａで示す如くである。また、車体５１の上方及び下方に、それぞれ３つの圧力センサ１０を、列車５０の移動方向に垂直な方向に並べて配置した。記号Ｂ，Ｃで示す如くである。
【００３２】
この場合、記号Ａで示す６つの圧力センサ１０によって、車体５１側方の新たな断面内の時系列データが得られることになる。この断面を、第３の測定断面という。また、記号Ｂで示す３つの圧力センサ１０によって車体５１上方の断面内の時系列データが得られ、記号Ｃで示す３つの圧力センサ１０によって車体５１下方の断面内の時系列データが得られる。すなわち、車両の上方及び下方にも測定断面が想定される。
【００３３】
そして、側方に位置する第１〜３の測定断面における圧力分布、上方及び下方の測定断面における圧力分布を推定して、各測定断面の圧力分布に基づき車体５１表面の圧力分布及び車体５１周辺の圧力分布を推定すれば、さらに、実際の圧力分布に近い推定が可能になる。第１及び第２の測定断面だけから車体５１表面の圧力分布を推定する場合に比べ、第３の測定断面を用いることによって、最大正圧や最小負圧の位置や値のズレを適切に補正できるからである。また、側方だけでなく上方や下方に測定断面を用意すれば、３次元的に車体５１周辺の圧力場を把握することができるからである。
【００３４】
３次元的に車体５１周辺の圧力場を把握できることから、可視化出力を行う場合に、図８に示すような水平方向のマップを作成することもできる。図８は列車５０の先頭部の持つ圧力場の指向特性を示す水平方向のマップであり、実線で示す等高線が正圧を示し、破線で示す等高線が負圧を示している。
［その他］
以上、本発明は上記実施例に何等限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得る。
【００３５】
例えば上記実施例では、６つの圧力センサ１０を鉛直方向に並べて配置しているが、理論的には３つの圧力センサ１０によって、測定断面の圧力分布を推定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の圧力分布推定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施例の圧力センサの配置を示す説明図である。
【図３】圧力分布推定処理を示すフローチャートである。
【図４】時系列に記憶される圧力データの意味を示す説明図である。
【図５】車体表面の圧力分布の推定計算を模式的に示す説明図である。
【図６】測定断面における圧力分布の可視化を例示する説明図である。
【図７】第２実施例の圧力センサの配置を示す説明図である。
【図８】車体周辺における圧力分布の可視化を例示する説明図である。
【符号の説明】
１０…圧力センサ
２０…コンピュータ
２１…Ａ／Ｄ変換器
２２…情報処理部
２３…入力装置
２４…出力装置
３０…車輪センサ
５０…列車
５１…車体
５２…車輪
【図１】
0003967903.tif 000002
【図２】
0003967903.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003967903.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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