JP7039415B2 - 軌道支持状態推定方法、そのプログラム及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、軌きょうの道床上における支持状態を推定するための方法、そのプログラム及びシステムに関し、特に、車上での測定データのみで軌道の支持状態を推定する方法、そのプログラム及びシステムに関する。

一対のレールに沿って複数のまくらぎを所定間隔で格子状に組み上げて与えられる軌きょうは、路盤上の砕石や砂利等からなるバラストを敷き詰めた道床によってその荷重を分散させて支持されている。そして、レール上を鉄道車両が走行すると、該車両を支持する反力としての荷重はレールからまくらぎへと伝達し、更に、バラスト層から路盤へと分散されていく。

このようなバラスト軌道において、鉄道車両からの荷重がレールを含む軌きょうに負荷されるたびに、その下側にあるバラストは個々に移動し、又、破砕されて沈下していく。一方、軌きょうはレールの弾性復元力によって元の高さ位置を維持しようとするため、バラストの沈下表面との間に空間が生じてしまう。このバラスト層の上面とまくらぎの下面との間の非接触の状態を、いわゆる「浮きまくらぎ」と称している。

例えば、特許文献１には、バラスト軌道の品質管理方法として、測定される軌道支持剛性の分布からバラツキの大きい箇所を不良箇所として特定して上記したような「浮きまくらぎ」を検出する方法が開示されている。軌道支持剛性の測定方法としては、載荷板上に重錘を自由落下させて衝撃荷重を加える小型ＦＷＤ（Falling Weight Deflectometer）装置を用いて測定するとしている。

また、特許文献２には、列車荷重より小さな試験荷重をレールに載荷するＦＷＤにおいて、載荷点の載荷荷重及びレールの変位を測定し、測定結果と推定式とに基づいて列車荷重が載荷されたときのレールの変位を推定し、列車通過時の軌道支持剛性を推定する方法を開示している。

更に、特許文献３では、線路脇に設けられて、軌道付近の磁界を検出し且つ該磁界を表すデータを生成するセンサによって軌道付近の磁界の変化を識別し、上記した「浮きまくらぎ」について、まくらぎが過度に上下動する軌道支持状態として検出する軌道変化測定システムを開示している。

特開２０１４－２３４６９３号公報 特開２０１８－６６１４６号公報 特表２００９－５０４５０１号公報

ＦＷＤを用いた軌道支持剛性の測定では、人手による煩雑な作業が必要となり、特に、長い測定区間では作業性が悪くなる。また、線路脇などの地上にセンサを設ける方法も、コスト面や測定区間を限定してしまうなどの障害がある。そこで鉄道車両の車上で軌道支持状態を測定できる方法が求められた。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、軌道検測機構を与えられた車両の如きを用いて車上での測定データのみで軌道の支持状態の推定を与える方法、そのプログラム及びシステムを提供することにある。

本発明者らは、従来のようなＦＷＤを使用せず、軌道検測車等の軌道検測機構を与えられた車両の如きを用いて、レールに沿って下向きに荷重を付与した状態で上下方向の動的変位を測定する。この動的変位のデータを所定のフィルタ処理を行って、浮きまくらぎを含む軌道の支持状態の推定をすることに想到した。

詳細には、本発明による方法は、一対のレールに沿ってまくらぎを所定間隔で与えた軌きょうの道床上における支持状態推定方法であって、軌道検測機構を与えられた車両を走行させて測定される高低変位データから、前記道床上に設置された前記軌きょうのたわみに対応する第１の復元波形と、前記車両の走行時の前記レールの上面の近似形状に対応する第２の復元波形と、を第１の波長帯域とこれよりも短波長側にさらに広い第２の波長帯域とのそれぞれ異なる波長帯域でフィルタ処理して抽出し、これらを比較して前記軌きょうの前記道床上における支持状態を推定することを特徴とする。

また、本発明によるプログラムは、一対のレールに沿ってまくらぎを所定間隔で与えた軌きょうの道床上における支持状態を推定する動作をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、軌道検測機構を与えられた車両を走行させて測定される高低変位データの入力を受け付ける入力ステップと、前記車両の走行時の前記レールの上面の近似形状に対応する第１の復元波形と、前記道床上に設置された前記軌きょうのたわみに対応する第２の復元波形と、をそれぞれ短長の異なる波長帯域でフィルタ処理して前記高低変位データから抽出する抽出ステップと、前記第１の復元波形と前記第２の復元波形とを比較して前記軌きょうの前記道床上における支持状態を推定する推定ステップと、を含むことを特徴とする。

さらに、本発明によるシステムは、上記した軌道支持状態推定プログラムを有することを特徴とする。

上記した発明によれば、軌道検測機構を与えられた車両により走行中に車上で測定されたデータのみで軌道の支持状態の推定を与え得るのである。

本発明による実施例における軌道の評価システムのブロック図である。 バラスト軌道の側面図である。 軌道の支持状態推定方法のフロー図である。 軌道の支持状態推定方法で実際に得られた各種波形を示すグラフである。 軌道の支持状態推定方法の変形例によるフロー図である。 軌道の支持状態推定方法の変形例においてまくらぎの浮き量を推定する動作の一例を示すグラフである。 浮き量においてＦＥＭ解析と本発明とによる結果の比較の一例を示すグラフである。

以下、本発明の代表的な一例による軌道の支持状態推定方法、その方法を実施させるプログラム及びシステムの具体的な実施態様について、図１～図５を用いて説明する。ここでは、代表例として、バラスト軌道の支持状態に関する実施例を述べるが、対象となる軌道は、一般的な、軌きょうをバラストで支持した軌道に限定されず、モルタルや樹脂材等でバラストを硬化させた軌道や、コンクリート道床上にゴム板のような弾性体を介して軌きょうを支持した軌道であっても同様に用い得る。

図１に示すように、バラスト軌道の評価システム６０は、軌道検測車６２及びこれに搭載された演算処理を行うコンピュータ７４からなるが、軌道検測車６２で計測したデータを別の場所に配置したコンピュータ７４で演算処理するシステムであってもよい。軌道検測車６２は、路盤１０上に積層されたバラスト層２０の上面に複数のまくらぎ３０を介して載置された一対のレール４０の上面を走行する。なお、実際のバラスト層には、まくらぎ３０の下面よりも高い位置まで積層されたバラスト部分もあるが、ここではバラスト層２０をまくらぎ３０を支持する層として考えるため、まくらぎ３０の下面に当接する面をバラスト層２０の上面とする。そして、バラスト軌道５０は、路盤１０と、その上に砕石や砂利等の多数のバラスト２２を敷き詰めて形成されたバラスト層２０と、バラスト層２０の上面に載置された複数のまくらぎ３０と、まくらぎ３０に固定されたレール４０を含み、まくらぎ３０及びレール４０による軌きょうをバラスト層２０による道床（バラスト道床）及び路盤１０で支持している。

レール４０の上面を走行する軌道検測車６２は、複数の台車６４と、台車６４に取り付けられた複数の車輪６６とを含み、計測ユニット７０を与えられている。計測ユニット７０は、レールの上面の高さ位置を非接触で計測する変位センサ７２と、変位センサ７２で計測された高さ位置のデータを受信するとともに、当該データを用いて演算処理を行うコンピュータ７４と、変位センサ７２及びコンピュータ７４を電気的に接続する信号線７６と、で構成される。

変位センサ７２は、高さ位置を計測し、移動方向に沿ったレール上面４０ａの高低変位である生波形を得ることができるように備えられる。例えば、偏心矢法を用いるのであれば、変位センサ７２はレール４０の延びる方向に不等間隔で離間させるようにして３つ以上備えられることになるが、公知技術故、詳述しない。変位センサ７２は、レーザセンサや渦電流センサ等の対象物との間の距離を測定できる非接触センサであり、レーザ距離センサである場合、レール上面４０ａに対向するように取り付けられ、センシング面７２ａからレーザビームをレール上面４０ａに向けて投光し、その反射光を受光して、投光から受光までの時間に基づいてレール上面４０ａとの間の距離（高さ位置）を計測するものである。

コンピュータ７４は、後述するバラスト軌道の支持状態推定方法を実施するためのプログラムを内蔵しており、変位センサ７２からの高低変位データの生波形を受信するとともに、上記プログラムに基づいて演算処理を実行する。また、プログラムは、コンピュータ７４が読み取り可能な記録媒体に記録して複製や持ち運びが可能とされてもよい。

なお、図１では、軌道検測車６２として２台車方式の軌道検測車を例示したが、例えば、営業車両に小型の計測ユニット７０を搭載して、通常の営業運行中に測定を行うようにしてもよい。つまり、軌道検測車６２に限定されず、レール４０に沿って下向きに車両相当の比較的大きな荷重を付与してレール４０をバラスト層２０に押し付けて高低変位の計測を得られれば、各種車両を用い得るのである。

次に、バラスト軌道の支持状態推定方法について、図２～図４を用いて説明する。

図２（ａ）に示すように、バラスト軌道５０において、バラスト層２０の沈下が生じていない場合では、複数のまくらぎ３０の下面はそれぞれバラスト層２０の上面と接触し、バラスト層２０によって支持されている。

これに対して、図２（ｂ）に示すように、個々のバラスト２２は、車両の走行などによってまくらぎ３０からの力を繰り返し受けるなどして互いに移動（変位）し、バラスト層２０の上面を沈下させていく。このとき、複数のまくらぎ３０とレール４０とは、通常、締結装置（図示せず）により固定されてレール４０の弾性復元力によって元の位置（高さ）に戻ろうとするため、まくらぎ３０及びレール４０の自重による下方への撓みがあるとしても、まくらぎ３０の下面とバラスト層２０の上面との間に空隙Ｇを生じる、いわゆる「浮きまくらぎ」の状態となることがある。

図２（ｃ）に示すように、このような浮きまくらぎの状態で車両等が走行すると、レール４０の上面４０ａを走行する車輪６６から車両の重量に相当する下向きの荷重Ｆを受けるため、レール４０は空隙Ｇに相当する分だけ撓む（弾性変形する）ことができる。このとき、荷重Ｆによるたわみ量を空隙Ｇよりも大とする場合には、個々のまくらぎ３０の下面はバラスト層２０の上面と接触して反力Ｒを負荷される。

なお、このような浮きまくらぎの状態では、車両の走行に伴ってレール４０を撓ませてバラスト２２にまくらぎ３０を衝突させるなどして、バラスト２２を破砕させ、バラスト軌道の支持状態をさらに悪化させてしまうことがある。そのため、バラスト軌道の支持状態において、特に、浮きまくらぎ位置を推定することは重要である。

次に、このような浮きまくらぎを含めたバラスト軌道の支持状態を評価システム６０によって推定する方法の代表的な一例について、図３に沿って図４を併せて参照しつつ説明する。

図３に示すように、コンピュータ７４は、軌道検測車６２（バラスト軌道の評価システム６０を含む）を走行させながらレール４０に沿って下向きの荷重を付与することによってレール上面４０ａの動的な高低変位を得て、これに基づいてレール上面の高低変位データの生波形ＷＲ（図４（ａ）参照）を得る（入力ステップ：Ｓ１）。ここで、レール上面の高低変位は、上記したように変位センサ７２で計測された高さ位置から、例えば、２次差分法によって求められる。また、２次差分法としては、正矢法や偏心矢法を用い得る。

このとき、高低変位は、軌道上の所定の計測開始位置から軌道検測車６２が走行した走行距離と関連付けて取得される。レール４０には走行する軌道検測車６２の重量が負荷されるため、得られた生波形ＷＲは、バラスト層２０に対するまくらぎ３０の隙間に応じてレール４０がたわんだ状態（図２（ｃ）参照）で、レール４０の上面位置が軌道検測車６２から受ける振動やレール４０自体の歪み、あるいはレール４０の継ぎ目による変動等の様々な変動因子を含んだ波形となる。

続いて、計測ユニット７０のコンピュータ７４は、生波形ＷＲに対して所定の波長範囲におけるフィルタ処理を行い、第１の波長帯域による第１の復元波形Ｗ１（図４（ｂ）参照）を抽出する。また、この第１の波長帯域よりも短波長側に広い第２の波長帯域による第２の復元波形Ｗ２（図４（ｃ）参照）を抽出する（抽出ステップ：ステップＳ２）。

このとき、フィルタ処理する波長範囲の一例として、第１の波長帯域の範囲を１０～５０ｍ、これよりも短波長側に広い第２の波長帯域の範囲を３～５０ｍとする場合が例示できる。なお、上記した第１の波長帯域の範囲及び第２の波長帯域の範囲は、軌きょうの剛性やまくらぎ重量、あるいは測定に適用される軌道検測機構の構成等を勘案することにより、適宜変更し得る。

ここで、フィルタ処理後の第１の復元波形Ｗ１には、長尺の梁として模擬されるレール４０の上下方向のたわみによる高低変位等が含まれる。一方、第２の復元波形Ｗ２には、まくらぎ３０がバラスト層２０に接触支持された状態で、台車６４を介して車輪６６からレール４０に伝わる軌道検測車６２の振動等による高低変位等が含まれる。これにより、第１の復元波形Ｗ１には軌道検測車６２が走行中のレール４０自体のたわみ形状が模擬され、第２の復元波形Ｗ２にはバラスト層２０の表面形状が模擬され得ることとなる。

そこで、図４（ｄ）に示すように、フィルタ処理された第１の復元波形Ｗ１と第２の復元波形Ｗ２を重ね合わせると、２つの波形の高低変位に正方向あるいは負方向の差異が生じる。このとき、上述のとおり、第１の復元波形Ｗ１はレール４０の上下方向のたわみが模擬されたものであるため、この第１の復元波形Ｗ１に対して第２の復元波形Ｗ２が正方向に差異を生じている領域Ａ１は、バラスト層２０がまくらぎ３０に接触している、すなわち、まくらぎ３０がバラスト層２０に支持された状態であると判別することができる。

一方、第１の復元波形Ｗ１に対して第２の復元波形Ｗ２が負方向に差異を生じている領域Ａ２（図４（ｄ）において斜線で示した領域）では、バラスト層２０がまくらぎ３０に対して離間している、すなわち、まくらぎ３０とバラスト層２０との間に所定の隙間Ｇが形成されていると判別することができる。したがって、図４（ｄ）に示すように、復元波形ＷＲから抽出された第１の復元波形Ｗ１と第２の復元波形Ｗ２とを比較して、まくらぎ３０及びレール４０による軌きょうのバラスト層２０によるバラスト道床上における支持状態を推定する（推定ステップ：Ｓ３）ことで、例えば、横軸の走行距離における位置Ｐ１～Ｐ８において「浮きまくらぎ」の状態が生じているものと判別できるのである。

以上のように、上記したバラスト軌道の支持状態推定方法によれば、軌道検測車を走行させるなどして下向きの荷重を付与しながら得られる上下方向の高低変位データの生波形を取得するだけで、軌道検測車６２が走行した距離内の所定位置毎における「浮きまくらぎ」状態を検出してバラスト軌道の支持状態を推定できるため、従来のようにまくらぎ毎の支持力の測定や、複雑な定義式による追加的な演算を行う必要がないのである。

次に、上記したバラスト軌道の支持状態推定方法の変形例について、図５～図７を併せて参照しつつ説明する。

図５に示すように、本発明によるバラスト軌道の支持状態推定方法の変形例においては、浮きまくらぎ状態を検出した場合に、図３で示したステップＳ１～Ｓ３に続いて、上記した第１の復元波形と第２の復元波形との差分から、その浮きまくらぎ状態が発生した位置におけるまくらぎ３０とバラスト層２０との間の隙間Ｇを推定する（浮き量演算ステップ：Ｓ４）。

すなわち、図６に示すように、ステップＳ３で第１の復元波形Ｗ１と第２の復元波形Ｗ２とを重ね合わせた後、ステップＳ４では、まず第１の復元波形Ｗ１と第２の復元波形Ｗ２との差分を演算する。ここで、図６においては、走行距離をキロ程に変換し、上述のとおり「浮きまくらぎ」状態となっている領域Ａ２における差分Ｄのみを示している。

ここで差分Ｄは、第１の復元波形Ｗ１に対する第２の復元波形Ｗ２の差異の絶対値を示すことから、この差分Ｄが大きい方がよりまくらぎ３０の浮き量（隙間Ｇ）が大きいと推定される。そこで例えば、予め実際の軌道上でまくらぎ３０の浮き量を測定して、その実測値と上記差分Ｄとの対応関係の対比テーブルを作成しておく、あるいは差分Ｄと実測値との関係から差分Ｄと浮き量Ｇとの関係式を定義しておくことにより、軌道検測車６２が走行した距離（又は、キロ程）の所定位置におけるまくらぎ３０の浮き量Ｇを推定することが可能となる。

図７は、本発明による方法として所定の区間の浮き量Ｇを算出した一例に対して、同じ区間について、第１の復元波形Ｗ１についてＦＥＭ解析で演算し第２の復元波形Ｗ２と比較して浮き量を算出した場合の比較のグラフである。つまり、図４（ｂ）に示すようなバラスト層２０の表面性状を模擬した第１の復元波形Ｗ２を取得する一方で、レール４０の長手方向且つ鉛直方向に二次元断面モデルを設定し、鉄道車両の重量を模擬した下向き荷重を与えたときのたわみ量をＦＥＭ解析により浮き量の実測値を模擬的に演算することができる。

図７に示すように、両者には強い相関関係があることがわかる。すなわち、本発明の１つの実施例としてのバラスト軌道の支持状態推定方法によれば、複雑で時間がかかり且つ演算装置への負荷も高いＦＥＭ解析と同程度の「浮き量」の推定精度を得られることが判る。

なお、図６に示すように、第１の復元波形Ｗ１と第２の復元波形Ｗ２との差分Ｄに対して所定の閾値Ｔｈを定めておき、差分Ｄがこの閾値Ｔｈを超えたか否かにより、「浮きまくらぎ」状態の程度を把握してもよい。これにより、例えば、次回の測定までの間にさらに「浮きまくらぎ」状態が進行する可能性がある軌道上の位置を予め予測し、優先的に補修する位置として特定することも可能となる。

以上のように、上記したバラスト軌道の支持状態推定方法の変形例によれば、従来のようにまくらぎ毎の測定やＦＥＭ解析等の負荷の高い追加的な演算を行う必要がなく、車上で得られるデータだけから精度の高い浮き量の推定が可能となる。つまり、例えば、軌道の座屈安定性について検討するための情報を簡易な測定のみで行うことが出来るのである。

以上、本発明による代表的な実施例及びこれに伴う変形例について述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１０ 路盤
２０ バラスト層
２２ バラスト
３０ まくらぎ
４０ レール
５０ バラスト軌道
６０ 評価システム
６２ 軌道検測車
６４ 台車
６６ 車輪
７０ 計測ユニット
７２ 変位センサ
７４ コンピュータ

Claims (7)

1. 一対のレールに沿ってまくらぎを所定間隔で与えた軌きょうの道床上における支持状態推定方法であって、
   軌道検測機構を与えられた車両を走行させて測定される高低変位データから、前記道床上に設置されて自重を支持されている前記軌きょうのたわみに対応する第１の復元波形と、前記道床の上面の形状に対応する第２の復元波形と、を第１の波長帯域とこれよりも短波長側にさらに広い第２の波長帯域とのそれぞれ異なる波長帯域でフィルタ処理して抽出し、これらを比較して前記軌きょうの前記道床上における支持状態を推定することを特徴とする軌道支持状態推定方法。
2. 前記軌きょうはバラストを介して支持され、浮きまくらぎ状態にある前記まくらぎの位置を推定することを特徴とする請求項１記載の軌道支持状態推定方法。
3. 前記第１の復元波形と前記第２の復元波形との差分から、前記まくらぎの浮き量を推定することを特徴とする請求項２記載の軌道支持状態推定方法。
4. 一対のレールに沿ってまくらぎを所定間隔で与えた軌きょうの道床上における支持状態を推定する動作をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   軌道検測機構を与えられた車両を走行させて測定される高低変位データの入力を受け付ける入力ステップと、
   前記道床上に設置されて自重を支持されている前記軌きょうのたわみに対応する第１の復元波形と、前記道床の上面の形状に対応する第２の復元波形と、を第１の波長帯域とこれよりも短波長側にさらに広い第２の波長帯域とのそれぞれ異なる波長帯域でフィルタ処理して前記高低変位データから抽出する抽出ステップと、
   前記第１の復元波形と前記第２の復元波形とを比較して前記軌きょうの前記道床上における支持状態を推定する推定ステップと、を含むことを特徴とする軌道支持状態推定プログラム。
5. 前記推定ステップは、前記軌きょうはバラストを介して支持され、浮きまくらぎ状態にある前記まくらぎの位置を推定する動作を含むことを特徴とする請求項４記載の軌道支持状態推定プログラム。
6. 前記推定ステップは、前記第１の復元波形と前記第２の復元波形との差分から、前記まくらぎの浮き量を推定する動作をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の軌道支持状態推定プログラム。
7. 請求項４～６のうちの１つに記載の軌道支持状態推定プログラムに基づいて演算処理をするコンピュータとこれを搭載した前記車両とからなることを特徴とする軌道支持状態推定システム。

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