JP6302315B2 - 状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に用いられる状態監視装置に関する。

従来、例えば鉄道車両の走行時の安全性を担保するため、車体或いは走行装置にセンサを設置し、脱線や蛇行動といった走行状態の異常の有無や台車部品の劣化などを監視する装置が開発されている。例えば特許文献１に記載の脱線検出装置では、車体に加速度センサを設置し、加速度センサで検出される加速度の特定周波数帯の信号を抽出して所定時間毎に積分し、得られた積分値と所定時間前の積分値との差に基づいて車両の脱線を判定している。

特開２００２−２１１４００号公報

しかしながら、従来のような状態監視装置では、監視に用いるデータのノイズを考慮し、一の監視対象につき一の状態パラメータの監視が行われていた。そして、監視対象項目ごとに監視装置がユニット化されており、各演算を上位の制御装置で統括する形態が採られていた。このため、各演算が独自のアルゴリズムを有しており、演算間の接続のために各車両間を通す配線（引き通し線）を鉄道車両に配備する必要があった。このような形態では、状態監視装置の構成が複雑化し、車載スペースを圧迫するほか、配線の複雑化による故障・誤作動を招くことが考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成で精度良く鉄道車両の状態を監視できる状態監視装置を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る状態監視装置は、複数の車両が連結された鉄道車両に用いられる状態監視装置であって、鉄道車両の各車両に配置される演算ユニットを備え、演算ユニットは、車両の状態に関する状態パラメータを検出する状態パラメータ検出手段と、状態パラメータ検出手段によって検出された状態パラメータに基づいてマハラノビスの距離を算出し、マハラノビスの距離と閾値との比較によって車両の状態に異常があるか否かを判断する状態判断手段と、状態判断手段による判断結果を近距離無線通信によって隣接する車両の演算ユニットに送信する判断結果送信手段と、を備える。

この状態監視装置では、車両で検出された状態パラメータに基づいてマハラノビスの距離を算出し、マハラノビスの距離と閾値との比較によって車両の状態に異常があるか否かを判断する。そして、判断結果を近距離無線通信によって隣接する車両の演算ユニットに送信する。この状態監視装置では、状態パラメータ検出手段によって検出された状態パラメータを多変量解析することにより、多変量解析結果であるマハラノビスの距離のみが単一の変量として扱われる。このため、隣接する車両の演算ユニット間でやり取りされる情報量が軽減され、近距離無線通信による迅速な通信を実行できる。したがって、この状態監視装置では、演算間の接続のために各車両間を通す配線（引き通し線）を車両に配備する必要がなくなり、簡単な構成で精度良く鉄道車両の状態を監視できる。

また、判断結果送信手段による判断結果を中継する中継ユニットを更に備え、演算ユニットが車両の一方の妻部に配置され、中継ユニットが車両の他方の妻部に配置されていてもよい。この場合、隣接する車両の演算ユニット間での判断結果の通信を十分な信号強度で実施できる。

また、同一車両内での演算ユニットと中継ユニットとの間の判断結果の送信は、近距離無線通信によって行われてもよい。この場合、状態監視装置の構成を一層の簡単化が図られる。

また、同一車両内での演算ユニットと中継ユニットとの間の判断結果の送信は、有線通信によって行われてもよい。この場合、車両の長さが長い場合であっても、演算ユニットと中継ユニットとの間の判断結果の通信を十分な信号強度で実施できる。

また、状態パラメータ検出手段は、近距離無線通信によって状態判断手段に状態パラメータを送信してもよい。この場合、状態監視装置の構成の一層の簡単化が図られる。

また、状態パラメータ検出手段は、有線通信によって状態判断手段に状態パラメータを送信してもよい。この場合、状態パラメータ検出手段によって検出された状態パラメータにノイズが含まれることを抑制できる。

また、マハラノビスの距離の算出に用いる基準用の単位空間が鉄道車両毎及び路線毎に格納された単位空間データベースと、鉄道車両を示す鉄道車両ＩＤ及び鉄道車両が走行する路線を示す路線ＩＤを基地局から受信するＩＤ受信手段と、を更に備え、状態判断手段は、ＩＤ受信手段によって受信された鉄道車両ＩＤ及び路線ＩＤによって特定される基準用の単位空間を単位空間データベースから抽出してマハラノビスの距離を算出してもよい。この場合、鉄道車両の編成及び鉄道車両の走行路線が変更された場合でも、精度良く鉄道車両の状態を監視できる。

本発明によれば、簡単な構成で精度良く鉄道車両の状態を監視できる。

本発明の一実施形態に係る状態監視装置の全体構成を示す概要図である。 演算及び中継ユニットの機能的な構成要素を示すブロック図である。 基準用の単位空間の生成に用いられる状態パラメータの信号の一例を示す図である。 判定用の信号空間の生成に用いられる状態パラメータの信号の一例を示す図である。 図４に示した状態パラメータから算出されたマハラノビスの距離を示す図である。 判定用の信号空間の生成に用いられる状態パラメータの信号の別の例を示す図である。 図６に示した状態パラメータから算出されたマハラノビスの距離を示す図である。 統括ユニットの機能的な構成要素を示すブロック図である。 比較例に係る状態監視装置の全体構成を示す概要図である。 本発明の変形例に係る状態監視装置の全体構成を示す概要図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る状態監視装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る状態監視装置の全体構成を示す概要図である。同図に示す状態監視装置１は、複数の車両Ｃが連結されてなる鉄道車両Ｔに適用され、脱線や蛇行動といった走行状態の異常の有無や台車部品の劣化などを監視することによって鉄道車両Ｔの走行時の安全性を担保する装置として構成されている。

状態監視装置１は、鉄道車両Ｔの各車両Ｃに配置される演算ユニット２と、各車両Ｃ，Ｃ間の演算ユニット２を中継する中継ユニット３と、これらの演算ユニット２及び中継ユニット３を統括する上位の統括ユニット４とを備えている。演算ユニット２は、主として車両Ｃの状態に異常が生じているか否かを判断する部分であり、中継ユニット３は、各演算ユニット２の判断結果を統括ユニット４に向けて中継する部分である。また、統括ユニット４は、各演算ユニット２から受信した判断結果の報知や記録を行う部分である。

演算ユニット２は、例えば車両Ｃの一方の妻部（車両Ｃの長手方向の端部を構成する妻構体によって構成される部分）に配置され、中継ユニット３は、例えば車両Ｃの他方の妻部に配置されている。一の車両Ｃの演算ユニット２と、隣接する車両Ｃの中継ユニット３とは、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの近距離無線通信によって互いに情報通信可能に接続されている。また、同一車両における演算ユニット２と、中継ユニット３とについても同様に、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの近距離無線通信によって互いに情報通信可能に接続されている。

統括ユニット４は、鉄道車両Ｔの先頭車両Ｃ及び後尾車両Ｃ（すなわち運転台５を備えた車両）にそれぞれ配置されている。統括ユニット４は、先頭車両Ｃ及び後尾車両Ｃに配置された中継ユニット３に対して、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの近距離無線通信によって互いに情報通信可能に接続されている。

図２は、演算ユニット２及び中継ユニット３の機能的な構成要素を示すブロック図である。同図に示すように、演算ユニット２は、例えば複数の状態パラメータ検出センサ（状態パラメータ検出手段）１１（１１Ａ〜１１Ｃ）と、状態判断部（状態判断手段）１２と、単位空間データベース１３と、通信部（判断結果送信手段）１４とを有している。

状態パラメータ検出センサ１１は、例えば加速度を状態パラメータとして検出する加速度検出センサである。状態パラメータ検出センサ１１Ａは、例えば車両Ｃの妻部に配置され、状態パラメータ検出センサ１１Ｂは、例えば車両Ｃの心皿の上方位置（車両Ｃの床上、床中、又は床下における台車の回転中心に対応する位置）に配置されている。また、状態パラメータ検出センサ１１Ｃは、例えば車両Ｃの床上、床中、又は床下の中心位置に配置されている。このような状態パラメータ検出センサ１１Ａ〜１１Ｃの配置は、車両Ｃにおける車輪とレールの接触状態の異常や、ダンパ・バネといった車両Ｃの台車部分の異常の総合的な監視に対応するものである。状態パラメータ検出センサ１１は、検出結果を示す信号を状態判断部１２に出力する。

なお、状態パラメータ検出センサ１１の他の設置場所としては、例えば台車枠や軸箱の近傍などが挙げられる。また、状態パラメータ検出センサ１１としては、上述した加速度検出センサのほか、空気ばねの内圧を検出する圧力検出センサ、軸箱の温度を検出する温度検出センサ、輪重や横圧を検出する歪みゲージなどを用いてもよい。

状態判断部１２は、車両Ｃの状態に異常があるか否かを判断する部分である。状態判断部１２は、状態パラメータ検出センサ１１によって検出された状態パラメータに基づいてマハラノビスの距離を算出し、マハラノビスの距離と閾値との比較によって車両Ｃの状態に異常があるか否かを判断する。

状態判断部１２は、鉄道車両Ｔの走行開始前に統括ユニット４から送信される鉄道車両ＩＤ及び路線ＩＤを通信部１４から受け取り、これらの鉄道車両ＩＤ及び路線ＩＤに基づいて単位空間データベース１３を参照する。鉄道車両ＩＤは、状態監視装置１が配備される鉄道車両Ｔを特定する情報であり、例えば先頭車両Ｃ側の統括ユニット４の管理ナンバーなどが宛がわれる。路線ＩＤは、状態監視装置１が配備される鉄道車両Ｔが走行する路線を特定する情報であり、例えば路線中の主要駅或いは路線が属する電車区に割り振られたナンバーなどが宛がわれる。

単位空間データベース１３には、例えばｍ個の鉄道車両ＩＤと基準用の単位空間とが路線ＩＤ毎及び時刻毎に予め格納されている。基準用の単位空間は、鉄道車両Ｔが正常な状態で走行した場合の状態パラメータ検出センサ１１からの信号（例えば図３参照）を予め取得しておくことで、当該信号に含まれるｎ個の測定値（ｘ_１〜ｘ_ｎ）によって構成される。これらの測定値に基づくＭＴ（Ｍａｈａｌａｎｏｂｉｓ−Ｔａｇｕｃｈｉ）システムの単位空間が基準用の単位空間となる。

状態判断部１２は、鉄道車両Ｔの走行時に状態パラメータ検出センサ１１から検出結果を示す信号を受け取ると、鉄道車両ＩＤ及び路線ＩＤに基づいて単位空間データベース１３から基準用の単位空間を抽出する。そして、信号に含まれるｎ個の測定値（Ｙ_１〜Ｙ_ｎ）に基づき判定用の信号空間を生成し、判定用の信号空間と抽出した基準用の単位空間とを用いてマハラノビスの距離を算出する。状態判断部１２は、算出されたマハラノビスの距離と閾値との比較によって車両Ｃの状態に異常があるか否かを判断する。

図４は、判定用の信号空間の生成に用いられる状態パラメータの信号の一例を示す図である。同図に示す信号は、鉄道車両が正常な状態で走行した場合に状態パラメータ検出センサ１１で検出された信号である。この場合、図５に示すように、算出されるマハラノビスの距離は、平均値で１程度となっており、全時間帯にわたってピークも検出されない。

一方、図６は、判定用の信号空間の生成に用いられる状態パラメータの信号の他の例を示す図である。同図に示す信号は、鉄道車両が１０ｋｍ／時以下の低速で脱線した場合に状態パラメータ検出センサ１１で検出された信号である。この場合、図７に示すように、算出されるマハラノビスの距離は、ピーク値で６００程度となっており、脱線が生じた時刻を中心に複数のピークが検出される。したがって、例えばマハラノビスの距離の閾値を４程度に設定しておくことで、車両Ｃの状態に異常があるか否かを好適に判断できる。状態判断部１２は、判断結果を通信部１４に出力する。

なお、基準用の単位空間の生成及び判定用の信号空間の生成に、車両ＩＤ、路線ＩＤ、及び時刻の値をそれぞれ含めたｍ行×（ｎ＋３）列の行列を用いてもよい。ＭＴシステムの特徴として、列ごとの相違が相関行列の値として顕著に表れるため、車両ＩＤ、路線ＩＤ、及び時刻の値を含めることで、データ入力の誤り等を防止することが可能となる。

通信部１４は、図２に示すように、隣接する中継ユニット３との間で情報の送受信を行う部分である。通信部１４は、隣接する統括ユニット４側の中継ユニット３から車両ＩＤ及び路線ＩＤを受信した場合には、これらの車両ＩＤ及び路線ＩＤを状態判断部１２に出力する。通信部１４は、状態判断部１２から判断結果を受け取った場合には、当該判断結果を隣接する統括ユニット４側の中継ユニット３に判断結果を送信する。さらに、通信部１４は、隣接する中継ユニット３から他の演算ユニット２における判断結果を受信した場合には、当該判断結果を隣接する統括ユニット４側の中継ユニット３に送信する。

中継ユニット３は、図２に示すように、機能的な構成要素として、例えば通信部２１を有している。通信部２１は、隣接する統括ユニット４側の演算ユニット２から車両ＩＤ及び路線ＩＤを受信した場合には、これらの車両ＩＤ及び路線ＩＤを反対側の演算ユニット２に送信する。また、通信部２１は、隣接する演算ユニット２から判断結果を受信した場合には、当該判断結果を隣接する統括ユニット４側の演算ユニット２に送信する。

図８は、統括ユニット４の機能的な構成要素を示すブロック図である。同図に示すように、統括ユニット４は、例えば通信部３１と、報知部３２と、判断結果格納部３３とを有している。

通信部３１は、隣接する中継ユニット３との間で情報の送受信を行う部分であり、例えば判断結果受信部３４と、ＩＤ受信部（ＩＤ受信手段）３５とを含んでいる。判断結果受信部３４は、隣接する中継ユニット３から受け取った判断結果を報知部３２と判断結果格納部３３とにそれぞれ出力する。また、ＩＤ受信部３５は、鉄道車両ＩＤと路線ＩＤとを基地局から受信し、中継ユニット３を介して各演算ユニット２にそれぞれ送信する。鉄道車両ＩＤと路線ＩＤとを送信する基地局は、例えば駅構内や各電車区内に設定されている。

報知部３２は、通信部３１から受け取った判断結果を報知する部分である。報知部３２は、例えばディスプレイを備え、鉄道車両Ｔの走行時に車両Ｃ毎の判断結果を表示する。また、報知部３２は、車両Ｃの状態に異常がある旨の判断結果を受け取った場合には、スピーカによって警告音を出力する。

判断結果格納部３３は、判断結果を格納する部分である。判断結果格納部３３には、例えば通信部３１が判断結果を受け取った時刻と判断結果とが関連付けられて格納される。

続いて、上述した構成を有する状態監視装置１の作用効果について説明する。

従来の状態監視装置では、一の監視対象につき一の状態パラメータの監視が行われており、監視対象項目ごとに監視装置がユニット化されており、各演算を上位の制御装置で統括する形態が採られていた。このため、各演算が独自のアルゴリズムを有しており、例えば図９に示す状態監視装置１００のように、各車両Ｃに配備される演算ユニット１０２，１０２の接続及び演算ユニット１０２と統括ユニット１０４との接続のために各車両Ｃ，Ｃ間を通す引き通し線１０５を鉄道車両Ｔに配備する必要があった。このような形態では、状態監視装置１００の構成が複雑化し、車載スペースを圧迫するほか、配線の複雑化による故障・誤作動を招くことが考えられる。

これに対し、本実施形態に係る状態監視装置１では、車両Ｃで検出された状態パラメータに基づいてマハラノビスの距離を算出し、マハラノビスの距離と閾値との比較によって車両Ｃの状態に異常があるか否かを判断する。そして、判断結果を近距離無線通信によって隣接する車両Ｃの演算ユニット２に送信する。この状態監視装置１では、状態パラメータ検出センサ１１によって検出された状態パラメータを多変量解析することにより、多変量解析結果であるマハラノビスの距離のみが単一の変量として扱われる。このため、隣接する車両Ｃの演算ユニット２，２間でやり取りされる情報量が軽減され、近距離無線通信による迅速な通信を実行できる。したがって、この状態監視装置１では、演算ユニット２，２間の接続のために各車両Ｃ，Ｃ間を通す引き通し線を鉄道車両Ｔに配備する必要がなくなり、簡単な構成で精度良く鉄道車両Ｔの状態を監視できる。

また、状態監視装置１では、演算ユニット２から送信された判断結果を中継する中継ユニット３を更に備え、演算ユニット２が車両Ｃの一方の妻部に配置され、中継ユニット３が車両Ｃの他方の妻部に配置されている。これにより、隣接する車両Ｃの演算ユニット２，２間での判断結果の通信を十分な信号強度で実施できる。

また、状態監視装置１では、同一車両Ｃ内での演算ユニット２と中継ユニット３との間の判断結果の送信、及び状態パラメータ検出センサ１１から状態判断部１２への状態パラメータの送信が近距離無線通信によって行われている。これにより、状態監視装置１の構成の一層の簡単化が図られる。

また、状態監視装置１では、基地局から受信した鉄道車両ＩＤ及び路線ＩＤによって特定される基準用の単位空間を単位空間データベース１３から抽出してマハラノビスの距離を算出している。これにより、鉄道車両Ｔの編成及び鉄道車両Ｔの走行路線が変更された場合でも、精度良く鉄道車両Ｔの状態を監視できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、演算ユニット２，２間に中継ユニット３を配置しているが、近距離無線通信の通信強度が十分に確保される環境下では、中継ユニット３を配置しなくてもよい。また、例えば状態パラメータ検出センサ１１を多数配置する場合には、状態パラメータ検出センサ１１の一部と、状態判断部１２と、単位空間データベース１３とを中継ユニット３にも配置し、車両Ｃの状態に異常があるか否かの判断に関する処理を演算ユニット２と中継ユニット３とで分担させるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、同一車両Ｃでの演算ユニット２と中継ユニット３との間の通信を近距離無線通信によって行っているが、例えば図１０に示す状態監視装置４１のように、同一車両Ｃでの演算ユニット２と中継ユニット３との間の通信を有線通信によって行ってもよい。この場合、車両Ｃの長さが長い場合であっても、演算ユニット２と中継ユニット３との間の判断結果の通信を十分な信号強度で実施できる。この場合でも、車両Ｃ，Ｃ間を跨ぐ配線は存在しないので、状態監視装置４１の構成が複雑化することを回避できる。

また、上述した実施形態では、状態パラメータ検出センサ１１から状態判断部１２への状態パラメータの送信が近距離無線通信によって行われているが、状態パラメータ検出センサ１１から状態判断部１２への状態パラメータの送信を有線通信によって行ってもよい。この場合、状態パラメータ検出センサ１１によって検出された状態パラメータにノイズが含まれることを抑制できる。したがって、通信環境に依らずに精度良く鉄道車両Ｔの状態を監視できる。

１，４１…状態監視装置、２…演算ユニット、３…中継ユニット、１１（１１Ａ〜１１Ｃ）…状態パラメータ検出センサ（状態パラメータ検出手段）、１２…状態判断部（状態判断手段）、１３…単位空間データベース、１４…通信部（判断結果送信手段）、３５…ＩＤ受信部（ＩＤ受信手段）、Ｃ…車両、Ｔ…鉄道車両。

Claims (6)

1. 複数の車両が連結された鉄道車両に用いられる状態監視装置であって、
   前記鉄道車両の各車両に配置される演算ユニットを備え、
   前記演算ユニットは、
   前記車両の状態に関する状態パラメータを検出する状態パラメータ検出手段と、
   前記状態パラメータ検出手段によって検出された前記状態パラメータに基づいてマハラノビスの距離を算出し、前記マハラノビスの距離と閾値との比較によって前記車両の状態に異常があるか否かを判断する状態判断手段と、
   前記状態判断手段による判断結果を近距離無線通信によって隣接する車両の演算ユニットに送信する判断結果送信手段と、
   前記マハラノビスの距離の算出に用いる基準用の単位空間が鉄道車両毎及び路線毎に格納された単位空間データベースと、
   前記鉄道車両を示す鉄道車両ＩＤ及び前記鉄道車両が走行する路線を示す路線ＩＤを基地局から受信するＩＤ受信手段と、を備え、
   前記状態判断手段は、前記ＩＤ受信手段によって受信された前記鉄道車両ＩＤ及び前記路線ＩＤによって特定される基準用の単位空間を前記単位空間データベースから抽出して前記マハラノビスの距離を算出する状態監視装置。
2. 前記判断結果送信手段による前記判断結果を中継する中継ユニットを更に備え、
   前記演算ユニットが前記車両の一方の妻部に配置され、前記中継ユニットが前記車両の他方の妻部に配置されている請求項１記載の状態監視装置。
3. 同一車両内での前記演算ユニットと前記中継ユニットとの間の前記判断結果の送信は、前記近距離無線通信によって行われる請求項２記載の状態監視装置。
4. 同一車両内での前記演算ユニットと前記中継ユニットとの間の前記判断結果の送信は、有線通信によって行われる請求項２記載の状態監視装置。
5. 前記状態パラメータ検出手段は、近距離無線通信によって前記状態判断手段に前記状態パラメータを送信する請求項１〜４のいずれか一項記載の状態監視装置。
6. 前記状態パラメータ検出手段は、有線通信によって前記状態判断手段に前記状態パラメータを送信する請求項１〜４のいずれか一項記載の状態監視装置。

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