JP6770414B2 - 乗り心地測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車体動揺を測定することにより、当該車両の乗り心地を測定する乗り心地測定方法及び装置に関する。

鉄道車両においては、速度が速くなるほど車両の動揺（いわゆる揺れ）が大きくなり、乗り心地が悪化することが知られている。しかし、全ての車両で同じように乗り心地が悪化するのではなく、その悪化の程度には車両ごとに差（いわゆる個体差）があり、同じ速度で走行しても動揺が大きく、乗り心地が悪い車両もある。

鉄道車両の乗り心地を悪化させる原因としては、台車の組立て精度や台車部品の経年変化（車輪踏面の磨耗、ダンパー・ゴム部品の特性変化、すり板の磨耗など）により、各部品の特性が製造初期の状態から変化することがある。この変化により、高速走行時に台車の蛇行動等が発生して車体動揺を引き起し、車両の乗り心地を悪化させるのである。

乗り心地の悪化は乗客に不快感を与えるので、乗り心地が悪くなった車両は出来るだけ早く発見して対策を講じる必要があるが、これまでは乗り心地の測定に時間と手間がかかるため、乗客や乗務員からの指摘により発見されることが殆どであり、結果的に乗り心地の悪い車両が見逃されることが少なくなかった。

すなわち、これまでは鉄道車両の乗り心地は、鉄道車両に搭載される車両搭載型の乗り心地測定器により測定されていた。車両搭載型の乗り心地測定器は、３軸加速度センサを用いた動揺計の一種であり、測定対象とされた鉄道車両に搭載されて車両の走行中の左右方向・上下方向・前後方向の加速度を測定し、測定データを処理することにより、車両の乗り心地を測定する。その測定は非常に手間のかかる作業であるため、全ての車両の乗り心地を測定するようなことは到底不可能であり、それ故に乗客や乗務員から指摘を受けた車両のみに測定を実施して対策を講じていたため、乗り心地の悪い車両が見逃されることが少なくなかったのである。

また、指摘のあった車両にのみ測定を実施したとしても、その作業が時間と手間のかかるものであることに変わりはない。

なお、車両の乗り心地とは直接関係ないが、車両搭載型の動揺測定器自体、すなわち動揺計自体は、軌道の異常を検出するためにも用いられている（特許文献１）。また、車両の動揺を測定するという観点から、車両のホームとの接触の有無を調査することを目的として、ホームに設置したレーザー距離計により車両の最大横動き量を測定する技術は存在する（特許文献２）。

特許第３４２１１３９号公報 特開２０００−１６８５５２号公報

本発明の目的は、鉄道車両の乗り心地を簡単にかつ正確に測定できる乗り心地測定方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するためには、従来の車両搭載型の乗り心地測定器（動揺計）とは異なる新たな視点からの乗り心地測定システムの開発が必要であると考えて、車両側ではなく地上側の軌道近傍に固定的に設置した非接触型センサによる車両の乗り心地測定法を企画し、検討を繰り返した結果、地上側に設置したレーザー距離計等の非接触型変位計により車両の車体動揺を測定するならば、その測定データから車両の乗り心地を高精度に推定できることが判明した。

車両の乗り心地の評価基準を図８（ａ）（ｂ）に示す。これから分かるように、基本的には車両の左右方向及び上下方向の振動加速度が大きくなるほど乗り心地が悪化するが、その傾向は車両の振動周波数により変化し、実際の車両の動揺測定の結果から数Ｈｚの範囲に車両の車体動揺のピークが現れることが良く知られている。

地上側に設置した非接触型変位計により車体動揺を測定する場合、車体長さが２０ｍであると、車両速度が１００ｋｍ／ｈ（約３０ｍ／ｓ）のときは、１車両が約０．６７秒で測定点を通過するので、周波数が１．５Ｈｚ以上の車体動揺が測定可能となる。車両速度が７０ｋｍ／ｈ（約２０ｍ／ｓ）まで下がると、１車両が測定点を通過する時間が約１秒となるので、車両の乗り心地の測定に重要な周波数が１Ｈｚ以上の車体動揺の測定が可能となる。車両速度が更に下がると、測定可能範囲が低周波域へ更に広がるが、車両の乗り心地との関係性が薄まるばかりでなく、車体動揺そのものが発生し難くなる。

これから分かるように、地上側に設置したレーザー距離計等の非接触型変位計により車体動揺を測定するならば、車両の乗り心地に大きな影響を与える周波数１Ｈｚ〜３Ｈｚの範囲の車体動揺の定量的測定、すなわち動揺振幅と動揺周波数の測定が可能となり、これらから動揺加速度が算出されることから、地上側の固定点を通過する全車両の乗り心地が簡単かつ正確に測定可能となるのである。

本発明の乗り心地測定方法は、かかる知見を基礎して開発されたものであり、鉄道軌道の近傍に固定的に設置された非接触式変位計により、当該軌道を走行する車両の車体外面までの距離を非接触で車長方向に連続的又は間欠的に測定するステップと、測定された車体外面までの距離の車長方向における変化から、１車両分の車長方向に直角な方向の車体動揺の種類及び大きさを検出するステップと、検出された車体動揺の種類及び大きさから、当該車両の乗り心地を推定するステップとを包含している。

また、本発明の乗り心地測定装置は、鉄道軌道の近傍に固定的に設置された非接触式変位計により、当該軌道を走行する車両の車体外面までの距離を非接触で車長方向に連続的又は間欠的に測定する測定系と、測定系により得られた車体外面までの距離データを処理して、当該距離の車長方向における変化から１車両分の車長方向に直角な方向の車体動揺の種類及び大きさを検出すると共に、検出された車体動揺の種類及び大きさから、当該車両の乗り心地を推定するデータ処理系とを具備している。

本発明の乗り心地測定方法及び装置において、車両の車体外面までの距離は、車両の車体側面までの距離であり、鉄道軌道の側方に設置された非接触式距離計により測定される。車両の車体外面までの距離は又、車両の車体上面までの距離であり、鉄道軌道の上方に配置された非接触式距離計により測定される。

車体動揺の種類は、左右方向の車体動揺、上下方向の車体動揺、ヨーイング、上芯ローリング、下芯ローリング、又はピッチングである。車両の車体側面までの距離の車長方向における変化から、左右方向の車体動揺における振幅及び周波数、ヨーイング角度、上芯ローリングと下芯ローリングとの識別及び各ローリング角度が検出され、車両の車体上面までの距離の車長方向における変化から、上下方向の車体動揺における振幅及び周波数、並びにピッチング角度が検出される。

本発明の乗り心地測定方法及び装置は、鉄道路線内の特定点を走行する車両の車体動揺を地上側から測定することにより、その車両の乗り心地を１車両ごとに正確に測定することができるので、その乗り心地の簡単で効率的かつ正確な測定が可能である。

本発明の第１実施形態に係る乗り心地測定方法に用いられる乗り心地測定装置の機械的構成を示す正面図である。 同乗り心地測定装置の電気的構成を示すブロック図である。 同乗り心地測定装置におけるデータ処理系の機能説明図である。 本発明の第２実施形態に係る乗り心地測定方法の説明図である。 同乗り心地測定方法におけるローリングモードの解析説明図である。 本発明の第３実施形態に係る乗り心地測定方法の説明図である。 本発明の第４実施形態に係る乗り心地測定方法の説明図である。 車両の乗り心地の評価基準を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

第１実施形態の乗り心地測定方法は、営業路線を走行する鉄道車両の乗り心地を地上側の特定点において測定するものであり、その測定装置は、営業路線の軌道近傍に設置された測定系と、測定系により得られたデータを処理するデータ処理系とを備えている。測定点は、車両１０の動揺の正確な測定のために、車両１０が比較的高速（例えば７０ｋｍ／ｈ以上）で走行する直線区間で、且つ分岐器等の外乱要因が少ない区間に設定される。

測定系は、図１に示すように、鉄道車両１０が走行する軌道２０の側方に設置された第１の非接触式変位計３０と、前記軌道２０の上方に設置された第２の非接触式変位計４０とを備えている。第１の非接触式変位計３０は、内側に向けて配置されたレーザー変位計であり、その正面側、すなわち内側を通過する車両１０の車体側面、特に窓より下の下部側面までの距離を非接触により連続的又は間欠的に測定する。

第２の非接触式変位計４０は、下側に向けて配置されたレーザー式変位計であり、その正面側、すなわち下側を通過する車両１０の車体上面、特にその上面上に突出する凸部との干渉を可及的に回避できる車体側部上面までの距離を非接触により連続的又は間欠的に測定する。

第１の非接触式変位計３０及び第２の非接触式変位計４０は、いずれも、各正面側を通過する車両１０との直接的な干渉を回避できるだけでなく、車両１０の外側に設定された車両限界１１の更に外側に設定された建築限界１２の外側に配置される必要があり、ここでは、第１の非接触式変位計３０は軌道２０の側方に立設された架線柱２１に取付けられており、第２の非接触式変位計４０は架線柱２１に架設された水平なビーム２２に取付けられている。

データ処理系は、図２に示すように、第１の非接触式変位計３０及び第２の非接触式変位計４０が測定した距離の信号を、前記特定点に、第１の非接触式変位計３０及び第２の非接触式変位計４０と共に設置された車両ＩＤ読み取り器５０からの信号と共に、１編成単位でファイルに記憶・保存する記録部６０（コントローラ）と、記録部６０に保存された信号データを処理する解析部７０と、解析部７０での解析結果を監視部署に送る伝送部８０とを備えている。

ここで、車両ＩＤ読み取り器５０は、通過する車両１０に搭載された編成番号が記載のＩＤタグの情報を読み取る地上設備であり、読み取った車両ＩＤのデータを記録部６０に送る。解析部７０はパーソナルコンピュータにて構成されており、記録部６０に記録された距離データを解析ソフトにより処理して、車両１０ごとに車体の動揺振幅及び動揺周波数を算出し、車両１０のＩＤデータと対応させて、車両１０ごとの乗り心地を評価・判定する。

以下に前記解析部７０が実行するデータ処理の手順を、第１の非接触式変位計３０が測定する車両１０の側面までの距離データについて、図３により説明する。

第１の非接触式変位計３０から出力される信号は、前述したように、車両１０の車体側面の窓より下の部分（下部側面）までの距離データを表し、デジタル信号である。その距離信号は、車両１０の左右方向の動揺を表す基本成分Ａと、これに重畳する様々なノイズ成分Ｂが合体した波形となるが、図３では、便宜上、基本成分の波形とノイズ成分の波形を分けて表示してある。

なお、ノイズ成分としては、細かな振動成分（ビビリ成分）の他、車両１０と車両１０の間でステップ的に増大する車間成分Ｂ１、車両１０のドア部に対応するドア成分Ｂ２などがある。ドアは車両１０の車体側面から少し窪んでおり、ドアの部分が通過する間、距離信号が少しではあるがステップ的に増大する。

データ処理手順については、第１ステップとして、第１の非接触式変位計３０から出力される距離データの信号（アナログ信号）を信号処理のためにデジタル信号に変換する。第２ステップとして、ノイズ成分のうち車間成分Ｂ１の特徴を利用して、距離データを車両１０ごとに分離する。第３ステップとして、フィルター処理により、細かな振動成分（ビビリ成分）を除去する。第４ステップとして、直線補間処理により、ドア成分Ｂ２を除去する。

かくして、第１の非接触式変位計３０から出力される距離データは、車両１０ごとの動揺成分だけに変換される。そして、第５ステップとして、データ解析により、車両１０ごとの基本成分Ａの周波数（左右方向の動揺周波数ω）及び振幅（左右方向の動揺振幅ｄ）を求め、それぞれのレベル判定を行う。

すなわち、左右方向の動揺周波数ωが、車両１０の乗り心地に大きな影響を与える１〜３Ｈｚの範囲内か否かを判定すると共に、左右方向の動揺振幅ｄ及び動揺周波数ωが、乗り心地を評価する上で許容範囲内か否かを判定する。

具体的には、左右方向の車両動揺が単純振動で、動揺振幅ｄが片振幅で５ｍｍ、動揺周波数ωが２Ｈｚであると仮定すると、左右方向の動揺加速度は下式により０．７９ｍ／ｓ² となる。
動揺加速度（ｍ／ｓ² ）＝片振幅（ｍ）×〔２π×周波数（Ｈｚ）〕²
＝０．００５（ｍ）×〔２π×２８ Ｈｚ）〕²
＝０．７９

そして、動揺周波数が２Ｈｚで動揺加速度が０．７９ｍ／ｓ² である場合は、図８（ｂ）のグラフ（左右加速度）によると、乗り心地は概ね「悪い（乗り心地係数２〜３）」となる。

ちなみに、左右方向の動揺振幅ｄ（片振幅）は、車両１０の車体側面までの距離ｐの最大値をｐ１、最小値をｐ２とすると、下式により求められる。
ｄ＝（ｐ１−ｐ２）／２

かくして、営業路線内の特定点に設置されて、その正面側を通過する車両１０の車体側面までの距離を測定する第１の非接触式変位計３０により、車両１０ごとの左右方向の車体動揺が定量的に測定され、乗り心地の観点から左右方向の車体動揺が許容範囲内か否かが自動判定される。

同様にして、営業路線内の特定点に設置された第２の非接触式変位計４０により、車両１０ごとの上下方向の車体動揺が定量的に測定され、乗り心地の観点から上下方向の車体動揺が許容範囲内か否かが自動判定される。

伝送部８０は、解析部７０での乗り心地の判定が許容範囲を超えた場合に、予め登録されたアドレスに警報を送信する。そうすることにより、乗り心地異常の車両の発生状況を瞬時に通報することが可能となる。

次に、第２実施形態の乗り心地測定方法を図４及び図５により説明する。

前述した第１実施形態の乗り心地測定方法においては、営業路線の軌道近傍の特定点に設置されて、その正面側を通過する車両１０の側面までの距離を測定する第１の非接触式変位計３０により、車両１０ごとの左右方向の車体動揺が測定されるが、その非接触式変位計３０が一つであるために、車両１０のローリング及びヨーイングまでは検出することはできない。

しかるに、第２実施形態の乗り心地測定方法においては、図４に示すように、その第１の非接触式変位計３０が上下方向で複数位置、ここでは上下の２位置ａ，ｂに配置される。ａ，ｂ間の距離をＬ１、下側のａ位置で測定された左右方向の動揺振幅をｄ１、上側のｂ位置で測定された左右方向の動揺振幅をｄ２とすると、下式によりローリング角度θが検出される。
θ＝ｔａｎ^-1〔（ｄ１−ｄ２）／Ｌ１〕

また、図５に示すように、下側のａ位置での左右方向の動揺振幅ｄ１と、上側のｂ位置での左右方向の動揺振幅ｄ２の大小関係から、ローリングモードが検出される。下側の動揺振幅ｄ１より上側の動揺振幅ｄ２が大（ｄ１＜ｄ２）であると、下芯ローリングであり、下側の動揺振幅ｄ１が上側の動揺振幅ｄ２より大（ｄ１＞ｄ２）であると、上芯ローリングである。

また、図６に示す第３実施形態の乗り心地測定方法においては、営業路線の軌道近傍の特定点に設置されて、その正面側を通過する車両１０の車体側面までの距離を測定する第１の非接触式変位計３０が、車両１０の進行方向で複数位置、ここでは進行方向の２位置ｃ，ｄに配置されている。そして、ｃ，ｄ間の距離をＬ２、前側のｃ位置で測定された左右方向の動揺振幅をｄ３、後側のｄ位置で測定された左右方向の動揺振幅をｄ４とすると、下式によりヨーイング角度δが検出される。
δ＝ｔａｎ^-1〔（ｄ３−ｄ４）／Ｌ２〕

また、前述した第１の実施形態の乗り心地測定方法においては、営業路線の軌道近傍の定点に設置されて、その下側を通過する車両１０の上面までの距離を測定する第２の非接触式変位計４０により、車両１０ごとの上下方向の車体動揺は測定されるが、非接触式変位計４０が一つであるために、車両１０のピッチングまでは検出することができない。

しかるに、図７に示す第４の実施形態の乗り心地測定方法においては、営業路線の特定点に設置された第２の非接触式変位計４０が、車両１０の進行方向で複数位置、ここでは前後の２位置ｅ，ｆに配置されている。そして、ｅ，ｆ間の距離をＬ３、前側のｅ位置で測定された上下方向の動揺振幅をｄ５、後側のｄ位置で測定された上下方向の動揺振幅をｄ６とすると、下式によりピッチング角度φが検出される。
φ＝ｔａｎ^-1〔（ｄ５−ｄ６）／Ｌ３〕

このように、本発明の乗り心地測定方法及び装置によると、営業路線の特定点を通過する全ての車両１０の左右方向の車体動揺、上下方向の車体動揺、ヨーイング、上芯ローリング、下芯ローリング、及びピッチングが地上側から測定され、全ての車両１０の乗り心地が高能率かつ高精度に測定される。

１０ 車両
２０ 軌道
２１ 架線柱
２２ ビーム
３０ 第１の非接触式変位計
４０ 第２の非接触式変位計
５０ 車両ＩＤ読み取り器
６０ 記録部（コントローラ）
７０ 解析部
８０ 伝送部

Claims (7)

1. 鉄道軌道の近傍に固定的に設置された非接触式変位計により、当該軌道を走行する車両の車体外面までの距離を非接触で車長方向に連続的又は間欠的に測定するステップと、
   測定された車体外面までの距離の車長方向における変化から、１車両分の車長方向に直角な方向の車体動揺の種類及び大きさを検出するステップと、
   検出された車体動揺の種類及び大きさから、当該車両の乗り心地を推定するステップとを含む乗り心地測定方法。
2. 請求項１に記載の乗り心地測定方法において、車両の車体外面までの距離は、車両の車体側面までの距離であり、鉄道軌道の側方に設置された非接触式距離計により測定する乗り心地測定方法。
3. 請求項２に記載の乗り心地測定方法において、車両の車体側面までの距離の車長方向における変化から、左右方向の車体動揺における振幅及び周波数、ヨーイング角度、上芯ローリング角度、下芯ローリング角度を検出する乗り心地測定方法。
4. 請求項１に記載の乗り心地測定方法において、車両の車体外面までの距離は、車両の車体上面までの距離であり、鉄道軌道の上方に配置された非接触式距離計により測定する乗り心地測定方法。
5. 請求項４に記載の乗り心地測定方法において、車両の車体上面までの距離の車長方向における変化から、上下方向の車体動揺における振幅及び周波数、ピッチング角度を検出する乗り心地測定方法。
6. 鉄道軌道の近傍に固定的に設置された非接触式変位計により、当該軌道を走行する車両の車体外面までの距離を非接触で車長方向に連続的又は間欠的に測定する測定系と、
   測定系により得られた車体外面までの距離データを処理して、当該距離の車長方向における変化から１車両分の車長方向に直角な方向の車体動揺の種類及び大きさを検出すると共に、検出された車体動揺の種類及び大きさから、当該車両の乗り心地を推定するデータ処理系とを具備する乗り心地測定装置。
7. 請求項６に記載の乗り心地測定装置において、データ処理系は、推定された乗り心地が許容範囲内にあるか否かを自動判定し、その乗り心地が許容範囲を超えたときは、予め登録されたアドレスに警報を送信する乗り心地測定装置。

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