特許 5940962 動揺測定器、及び動揺測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5940962

(24)【登録日】2016年5月27日

(45)【発行日】2016年6月29日

(54)【発明の名称】動揺測定器、及び動揺測定方法

(51)【国際特許分類】

   B60L 3/00 20060101AFI20160616BHJP

   B61F 5/24 20060101ALI20160616BHJP

【ＦＩ】

   B60L3/00 N

   B61F5/24 C

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-253101(P2012-253101)

(22)【出願日】2012年11月19日

(65)【公開番号】特開2014-103736(P2014-103736A)

(43)【公開日】2014年6月5日

【審査請求日】2015年2月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000173784

【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】504432079

【氏名又は名称】有限会社ワットシステム

(73)【特許権者】

【識別番号】599032349

【氏名又は名称】株式会社テス

(74)【代理人】

【識別番号】100124682

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100104710

【弁理士】

【氏名又は名称】竹腰 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100090479

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 一

(72)【発明者】

【氏名】芳賀 昭弘

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和男

(72)【発明者】

【氏名】田中 雄大

【審査官】 相羽 昌孝

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１７８２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１０６５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３０４１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２４８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 小林幹人，列車動揺の測定方法，新線路，日本，（株）鉄道現業社，１９９９年 ７月１５日，第５３巻，第２４−２６頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ １／００ − ３／１２

Ｂ６０Ｌ ７／００ −１３／００

Ｂ６０Ｌ １５／００ −１５／４２

Ｂ６１Ｆ ５／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道車両に設置され、厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の剛体の転倒をシミュレーションして前記鉄道車両の動揺を測定する動揺測定器であって、
加速度センサと、
前記剛体を模擬する予め定められた高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体について共通設定された一の低域通過帯に基づいて、前記加速度センサの検出信号を濾波するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタによって濾波された信号に基づいて、前記各仮想剛体それぞれの静的転倒条件を満たしたか否かを判定する判定手段と、
を備え、
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記仮想剛体の厚さに関わらず、当該仮想剛体の転倒に要する最小限の加速度である限界加速度を当該厚さ方向に加えた場合の転倒に至るまでの時間を一定と見なした当該時間に基づいて定められてなる、
動揺測定器。

【請求項2】

鉄道車両に設置され、厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の剛体の転倒をシミュレーションして前記鉄道車両の動揺を測定する動揺測定器であって、
加速度センサと、
前記剛体を模擬する予め定められた高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体について共通設定されたカットオフ周波数が２．０〜３．０Ｈｚのうちの一の周波数である一の低域通過帯に基づいて、前記加速度センサの検出信号を濾波するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタによって濾波された信号に基づいて、前記各仮想剛体それぞれの静的転倒条件を満たしたか否かを判定する判定手段と、
を備えた動揺測定器。

【請求項3】

前記ローパスフィルタはカットオフ周波数が２．５Ｈｚに設定されてなる、
請求項２に記載の動揺測定器。

【請求項4】

高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体のセットであって、複数種類のセットの中から一のセットを選択する選択手段を更に備え、
前記ローパスフィルタは、前記選択手段により選択されるセットに関わらず、共通のカットオフ周波数に設定されてなる、
請求項１〜３の何れか一項に記載の動揺測定器。

【請求項5】

厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の剛体の転倒をシミュレーションして鉄道車両の動揺を測定する加速度センサを備えた動揺測定器による動揺測定方法であって、
前記剛体を模擬する予め定められた高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体について共通設定された一の低域通過帯に基づいて、前記加速度センサの検出信号をローパスフィルタ処理するステップと、
前記ローパスフィルタ処理された信号に基づいて、前記各仮想剛体それぞれの静的転倒条件を満たしたか否かを判定する判定ステップと、
を含み、
前記ローパスフィルタ処理は、カットオフ周波数が、前記仮想剛体の厚さに関わらず、当該仮想剛体の転倒に要する最小限の加速度である限界加速度を当該厚さ方向に加えた場合の転倒に至るまでの時間を一定と見なした当該時間に基づいて定められた、
動揺測定方法。

【請求項6】

厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の剛体の転倒をシミュレーションして鉄道車両の動揺を測定する加速度センサを備えた動揺測定器による動揺測定方法であって、
前記剛体を模擬する予め定められた高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体について共通設定されたカットオフ周波数が２．０〜３．０Ｈｚのうちの一の周波数である一の低域通過帯に基づいて、前記加速度センサの検出信号をローパスフィルタ処理するステップと、
前記ローパスフィルタ処理された信号に基づいて、前記各仮想剛体それぞれの静的転倒条件を満たしたか否かを判定する判定ステップと、
を含む動揺測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両の動揺を測定する動揺測定器等に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両や自動車、船舶、航空機といった輸送機の動揺を測定することは、輸送機の乗り心地の把握や、安全運行の管理、車体・船体・機体の異常をいち早く察知するための手段として重要とされている。

【0003】

鉄道の分野においても様々な動揺測定器が提案されている。例えば、特許文献１には、鉄道車両の停止を判定するための車両動揺測定装置が記載されている。
また、特許文献２には、走行中の鉄道車両の３軸加速度を計測して車体の故障等に起因する異常揺動を正確に判定する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１０６５５４号公報

【特許文献2】特開２００６−３３５３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の動揺計測器は、加速度を継続的に計測・記録し、例えば計測データの時系列変化を示すグラフ表示や、各計測軸方向の最大加速度や平均加速度と言った統計値の算出・表示をするのが一般的である。しかし、計測された加速度がグラフ表示されたとしても、計測に習熟した者でもなければグラフを見ただけではそれがどのような意味を持っているかは正しく理解できない。例えば、急激な減速の加速度が計測されたとして、それが乗客にとってどの程度の「倒れる」感覚を与えるレベルなのか、と言った実際的で実用的な評価を下すことはできない。

【0006】

本発明がなされた目的は、鉄道車両の動揺の程度を一目瞭然に識別可能とすることである。より具体的には、例えば「動力車操縦者運転免許」の実技試験等で使用されている「吉田式車両動揺測定器」を置き換え得る装置を実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

以上の課題を解決するための第１の発明は、鉄道車両に設置され、厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の剛体の転倒をシミュレーションして前記鉄道車両の動揺を測定する動揺測定器であって、
加速度センサ（例えば、図１の加速度センサ１１６、図１１の加速度計測部１３０）と、
前記剛体（例えば、図６の測定駒３４ａ，２４ｂ，・・・）を模擬する予め定められた高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体について共通設定された一の低域通過帯に基づいて、前記加速度センサの検出信号を濾波するローパスフィルタ（例えば、図１の制御基板１１０、ＣＰＵ１１２、図１１の演算部１４０、ローパスフィルタ部１４５、図１４のステップＳ６）と、
前記ローパスフィルタによって濾波された信号に基づいて、前記各仮想剛体それぞれの静的転倒条件を満たしたか否かを判定する判定手段（例えば、図１の制御基板１１０、ＣＰＵ１１２、図１１の演算部１４０、判定部１４７、図１４のステップＳ２２）と、を備えた動揺測定器である。

【0008】

また、別形態として、厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の剛体の転倒をシミュレーションして鉄道車両の動揺を測定する加速度センサを備えた動揺測定器による動揺測定方法であって、前記剛体を模擬する予め定められた高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体について共通設定された一の低域通過帯に基づいて、前記加速度センサの検出信号をローパスフィルタ処理するステップ（例えば、図１４のステップＳ６、Ｓ２２）と、
前記ローパスフィルタ処理された信号に基づいて、前記各仮想剛体それぞれの静的転倒条件を満たしたか否かを判定する判定ステップ（例えば、図１４のステップＳ２２）と、を含む動揺測定方法を構成することができる。

【0009】

第１の発明によれば、加速度センサで計測した値を、剛体を模擬する予め定められた高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体について共通設定された一の低域通過帯に基づいて帯域制限し、その結果に基づいて仮想剛体それぞれの静的転倒条件を満たしたか否かを判定することができる。つまり、動揺の程度を、何れの剛体が倒れたか否かという一目瞭然の形で識別可能とすることができる。

【0010】

ここで、模擬する剛体を「吉田式車両動揺測定器」の「測定駒」とすれば、「吉田式車両動揺測定器」をデジタル技術にて再現し置き換えを可能にする。「吉田式車両動揺測定器」は、鉄道の運転士資格（国家資格）である「動力車操縦者運転免許」の技能試験等において現在も使用されているが、製造販売が中止されたために将来的な維持管理に懸念がもたれ、代替品が切望されていたが、本発明によればこれに応える技術を提供できる。

【0011】

ローパスフィルタに関しては、第２の発明として、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記仮想剛体の厚さに関わらず、当該仮想剛体の転倒に要する最小限の加速度である限界加速度を当該厚さ方向に加えた場合の転倒に至るまでの時間を一定と見なした当該転倒到達時間に基づいて定められてなる、第１の発明の動揺測定器を構成できる。

【0012】

また、第３の発明として、前記ローパスフィルタはカットオフ周波数が２．０〜３．０Ｈｚのうちの一の周波数に設定されてなる、第１の発明の動揺測定器を構成できる。

【0013】

更に、第４の発明として、前記ローパスフィルタはカットオフ周波数が２．５Ｈｚに設定されてなる、第１〜第３の何れかの発明の動揺測定器を構成できる。

【0014】

また、第５の発明として、高さ及び幅が同一で厚さが異なる複数の仮想剛体のセットであって、複数種類のセットの中から一のセットを選択する選択手段（例えば、図１のタッチパネル１０２、操作入力キー１０４、図１１の操作入力部１２８、演算部１４０、仮想剛体選択部１４３、仮想剛体セットデータ１５４、図１４のステップＳ４）を更に備え、前記ローパスフィルタは、前記選択手段により選択されるセットに関わらず、共通のカットオフ周波数に設定されてなる、第１〜第４の何れかの発明の動揺測定器を構成できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】動揺測定器の構成例を示す図。

【図2】動揺測定における静的転倒モデルを説明するための図。

【図3】動揺測定における仮想剛体が静止状態から転倒開始状態へ遷移する時間Δｔを算出する過程を説明する図。

【図4】動揺測定におけるローパスフィルタのカットオフ周波数の設定原理を説明するための図。

【図5】タッチパネルでの動揺測定結果の表示例を示す図。

【図6】吉田式車両動揺測定器の斜視外観図。

【図7】吉田式車両動揺測定器の測定駒を模した各種仮想剛体における諸元と限界加速度Ａｘの関係を示す表。

【図8】各加速度を加えた場合に、各仮想剛体の重心Ｇが回転中心Ｏを通る鉛直線（線分ＯＣ）を通過するまでの時間Δｔを示す表。

【図9】各仮想剛体について、異なる加速度を加えた場合の当該加速度と時間Δｔとの関係を示すグラフ。

【図10】ＦＩＲ型のデジタルフィルタによる周波数利得の一例を示すグラフ。

【図11】動揺測定器の機能構成例を示す機能ブロック図。

【図12】仮想剛体セットデータのデータ構成例を示す図。

【図13】仮想剛体セットデータのデータ構成例を示す図。

【図14】動揺測定に係る処理の流れを説明するためのフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0016】

〔第１実施形態〕
コンピュータを利用して本発明を適用した動揺測定器を実現する実施形態について説明する。図１は、本実施形態における動揺測定器１００の構成例を示す図であって（１）正面図、（２）側面図である。動揺測定器１００は、軌道３に沿って走行する鉄道車両４に搭載され、走行中の動揺を測定する装置であって一種のコンピュータである。動揺測定器１００は、タッチパネル１０２と、操作入力キー１０４と、内蔵バッテリー１０６と、制御基板１１０とを備える。

【0017】

タッチパネル１０２は、表示デバイスとタッチ操作デバイスとを兼ねる入力デバイスである。また、操作入力情報や動揺の測定結果等を表示することができる。
操作入力キー１０４は、ボタンスイッチやダイヤル、レバーなどにより実現され、各種操作入力をすることができる。

【0018】

制御基板１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１２やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの各種マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＶＲＡＭやＲＡＭ，ＲＯＭ等の各種ＩＣメモリ１１４、加速度センサ１１６、外部装置との間でデータ通信を実現する通信モジュール１１８等を備える。その他、タッチパネル１０２の表示ドライバ回路、操作入力キー１０４やタッチパネル１０２等の入力デバイスからの信号を受信する回路、と言った所謂Ｉ／Ｆ回路（インターフェース回路）が搭載されている。これら制御基板１１０に搭載されている各要素は、それぞれバス回路などを介して電気的に接続され、データの読み書きや信号の送受信が可能に接続されている。

【0019】

加速度センサ１１６は、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の直交３軸の加速度を同時に計測できる公知のセンサである。本実施形態では、計測方向Ｘ軸が測定器の前後方向に沿い、Ｘ軸正方向が車両進行方向となるように配置される。尚、加速度センサ１１６は、必ずしも動揺測定器１００内に設けなくとも良い。例えば、別途ケーブルを介して測定器本体に接続する構成でも良い。

【0020】

［原理の説明］
図２〜図４は、本実施形態における動揺測定の原理を説明するための図である。尚、ここでは測定対象として車両の前後方向の測定をすることとしＸ軸方向の加速度を例に挙げて説明するが、車両左右方向の動揺の測定をする場合にはＹ軸方向の加速度について、上下方向の動揺の測定をする場合にはＺ軸方向の加速度について、同様に適用することで望む方向の動揺測定が実現できる。

【0021】

さて、従来の動揺計測装置は、車両走行中の加速度を計測・記録し、例えば計測データの時系列変化を示すグラフ表示や、各計測軸方向の最大加速度や平均加速度と言った統計値を算出して表示するのが一般的である。しかし、本実施形態の動揺測定器１００は、動揺の程度を一目瞭然に識別可能とすることができる。

【0022】

具体的には、図２に示すように、乗客６が急激な加速度を受けて揺動する現象を仮想剛体７の静的転倒モデルと見なす。動揺測定器１００は、加速度センサ１１６で検出される加速度をローパスフィルタに通す。そして、フィルタを通過した加速度の値と、当該仮想剛体が静的に転倒する限界加速度Ａｘとを比較することで動揺測定をする。

【0023】

先ず、前提条件を述べる。仮想剛体７は、重量Ｍ（ｇ）の中実直方体状であって、転倒力Ｆに沿った厚さＢ（ｍｍ）、高さＨ（ｍｍ）、幅Ｌ（非図示）の諸元を有するものとする。これに静的な転倒力Ｆが作用して、転倒力Ｆの作用方向の下端Ｏを中心に時計回り（図２の例では右方向）に傾き転倒すると仮定する。

【0024】

仮想剛体７を転倒させようとする転倒モーメントは式（１）となる。
Ｆ×Ｈ／２ ・・・・・・式（１）
対して、転倒に逆らうモーメントは式（２）となる。
Ｗ×Ｂ／２ ・・・・・・式（２）

【0025】

仮想剛体７が転倒する転倒条件は、（Ｆ×Ｈ／２）＞（Ｗ×Ｂ／２）と記述できる。
転倒力ＦをＸ軸方向の加速度Ａｘを用いて記述すれば（Ｆ＝Ｍ・Ａｘ）となる。また、仮想剛体７の重心Ｇに作用する荷重Ｗを重力加速度Ａｇを用いて記述すれば、（Ｗ＝Ｍ・Ａｇ）となる。よって、転倒条件は式（３）と整理することができる。
（Ｈ／２）×Ａｘ＞（Ｂ／２）×Ａｇ ・・・・・・式（３）
ここで、Ｘ軸方向の加速度Ａｘに着目すると式（４）が導かれる。本明細書では、これを仮想剛体７が静的転倒する「限界加速度」と呼び。Ｂ／Ｈを「転倒係数Ｋ」と呼ぶ。
Ａｘ＝Ａｇ・Ｂ／Ｈ ・・・・・・式（４）

【0026】

次に、加速度センサ１１６で計測された計測値に適用されるローパスフィルタのカットオフ周波数の算出について説明する。
図３は、仮想剛体７が静止状態（時刻ｔ０）から転倒開始状態（時刻ｔ１）へ遷移する時間Δｔを算出する過程を説明する図である。仮想剛体７の重心Ｇに作用して回転中心Ｏを軸に転倒方向へ回転させようとする回転力Ｆ’、転倒に逆らう回転力Ｗ’は、転倒条件Ｆ’＞Ｗ’を満たすことで回転が継続する。よって、転倒させようとする差し引きの回転力は（Ｆ’−Ｗ’）と記述できる。よって、仮想剛体７の転倒を「重心Ｇが回転中心Ｏの鉛直線（線分ＯＣ）まで直線運動する現象」とみなせば、転倒開始状態（時刻ｔ１）における重心Ｇの速度Ｖは式（５）のように記述できる。
Ｖ＝１／２・（Ｆ’−Ｗ）／Ｍ・Δｔ ・・・・・・式（５）

【0027】

ここで、回転力Ｆ’の加速度の変化に着目すると、回転力Ｆ’の加速度（Ｆ’／Ｍ）は、静止状態（時刻ｔ０）にて（Ｆ’／Ｍ＝Ａｘ・cosφ）であるが、転倒開始状態（時刻ｔ１）では（Ｆ’ ／Ｍ＝Ａｘ）になる。よって、回転力Ｆ’の加速度（Ｆ’／Ｍ）は、「平均加速度Ｆ’／Ｍ＝１／２・Ａｘ・（cosφ＋１）」と置き換えることができる。
同様にして、転倒に逆らう回転力Ｗ’の加速度（Ｗ’／Ｍ）は、静止状態（時刻ｔ０）にてＷ’／Ｍ＝Ａｇ・sinφであるが、転倒開始状態（時刻ｔ１）ではＷ’／Ｍ＝０になる。よって、回転力Ｗ’の加速度（Ｗ’／Ｍ）は、「平均加速度Ｗ’／Ｍ＝１／２・Ａｇ・sinφ」と置き換えることができる。

【0028】

よって、先に求めた速度Ｖの式（５）は、式（６）と書き換え可能であり、更に整理すると式（７）が得られる。
Ｖ＝１／２・｛１／２・Ａｘ・（cosφ＋１）−１／２・Ａｇ・sinφ｝・Δｔ
・・・式（６）
Ｖ＝１／４・｛Ａｘ・（cosφ＋１）−Ａｇ・sinφ｝・Δｔ ・・・式（７）

【0029】

更に、幾何的関係から「速度Ｖ＝tanφ・ｒ／Δｔ」と記述できるので、数式（７）は式（８）に書き換え可能であり、更に整理すると式（９）を得ることができる。
Δｔ^２＝４ｒ・tanφ／｛Ａｘ・（cosφ＋１）−Ａｇ・sinφ｝ ・・式（８）
Δｔ＝２・√〔ｒ・tanφ／｛Ａｘ・（cosφ＋１）−Ａｇ・sinφ｝〕
・・・式（９）

【0030】

そして図４に示すように、式（９）及び式（４）から時間Δｔに着目すると、「仮想剛体７を転倒させようとする力Ｆの継続時間がΔｔ未満であれば、当該力Ｆを生むＸ軸方向の加速度の継続時間がたとえ限界加速度Ａｘを超えているとしても、仮想剛体７はロッキングはするが転倒には至らない」と言える。そして、この転倒に必要な時間Δｔは、仮想剛体７の諸元（厚さＢ、高さＨ）と定数Ａｇ（重力加速度）により決まることがわかる。

【0031】

ここで、仮想剛体７を転倒させようとする力Ｆ、つまりは回転力Ｆ’の加速度をある周波数の成分と見なせないかを考える。すると、静止状態（時刻ｔ０）にて（Ｆ’／Ｍ＝Ａｘ・cosφ）であるが、転倒開始状態（時刻ｔ１）では（Ｆ’／Ｍ＝Ａｘ）になる変化からすれば、転倒する時の速度を正弦波に例えると、時間Δｔが当該正弦波の４分の１周期に相当すると見なせるので、式（１０）のような周波数ｆを得ることができる。
ｆ＝１／Ｔ＝１／（４・Δｔ） ・・・・・・式（１０）

【0032】

よって、「仮想剛体７を転倒させようとする力Ｆの継続時間がΔｔ未満であれば、当該力Ｆを生むＸ軸方向の加速度の継続時間がたとえ限界加速度Ａｘを超えているとしても、仮想剛体７はロッキングはするが転倒には至らない」と前述したが、これは「周波数ｆ以上の帯域の加速度が作用しても、仮想剛体７はロッキングするが転倒に至らない」と換言できる。

【0033】

従って、本実施形態の動揺測定器１００は、加速度センサ１１６で計測されたＸ軸加速度Ｄｘを、式（１０）で得られる周波数ｆをカットオフ周波数とするローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３２を通過させて得られる値Ｄxpが、仮想剛体７の限界加速度Ａｘ以上であれば「仮想剛体は転倒する」と判定し、限界加速度Ａｘ未満であれば「仮想剛体は転倒しない」と判定する。尚、ローパスフィルタ１３２は、フィルタ回路によりハードウェアとして実現しても、ＣＰＵ１１２の演算処理によりソフトウェアとして実現しても良い。本実施形態では、後者を採用するものとして説明する。

【0034】

図５は、タッチパネル１０２での動揺測定結果の表示例を示す図である。本実施形態の動揺測定器１００は、図５（１）に示すように、測定開始時に初期状態として直立した仮想剛体７を表わす表示モデル８（８ａ，８ｂ，・・・）をタッチパネル１０２で画像表示する。この例では、表示モデル８は、直方体状とされ丁度真上から見ている状態で表現されている。そして、測定中に「仮想剛体が転倒」と判定された場合、動揺測定器１００は当該判定された仮想剛体７の表示モデル８（８ａ，８ｂ，・・・）が倒れるように表示制御する。

【0035】

倒れる方向は、画面における車両進行方向の設定に従う。本実施形態では、タッチパネル１０２の上方を車両進行方向「前」とする。従って、ローパスフィルタを通過したＸ軸方向加速度Ｄxpの値が「マイナス」のケース、つまり減速に伴って「仮想剛体が転倒」と判定された場合には、図５（２）のように、動揺測定器１００は画面上方向に向けて仮想剛体７の表示モデル８（この例では８ａ，８ｂ）が転倒したかのように表示制御する。また、直立状態と転倒状態との識別を容易にするために、転倒表示された表示モデル８の表示色を直立状態から別の設定（例えば、白から赤へ）変更する。逆に、ローパスフィルタを通過したＸ軸方向加速度の値Ｄxpが「プラス」のケース、つまり進行方向への加速に伴って「仮想剛体が転倒」と判定された場合には、動揺測定器１００は、図５（３）の表示モデル８（この例では８ａ）のように、画面下方向に向けて仮想剛体７が転倒したかのように表示制御する。

【0036】

尚、本実施形態では、表示モデル８の表示は３次元コンピュータグラフィックスにより実現されるが、直立状態の２次元画像を転倒状態の２次元画像に差し替える方式でも良い。更には、そうしたグラフィック表示の演算処理負荷をも低減したい場合には、単に直立／転倒を示すテキスト表示やランプ表示の切り替えで実現しても良い。

【0037】

従来の動揺計測器の計測結果は、計測データのグラフ表示や、最大加速度や平均加速度と言った数値の表示で行われてきた。故に、計測作業に慣れた者でなければ、その計測結果が感覚的にどの程度であるかは分かり難かった。
しかし、本実施形態の動揺測定器１００によれば、仮想剛体７に相当する表示モデル８の転倒というスタイルで結果を一目瞭然に出力できる。換言すれば、動揺測定器１００は、鉄道車両に設置され、厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の剛体の転倒をシミュレーションした「動揺測定」の結果を表示できる。本実施形態によれば誰でも直ぐに計測すなわち動揺測定の結果を理解することができるようになるので、例えば、図１に示したように、鉄道車両４に搭載し、運転手らが運転技量の確認のために使うといったことも可能になる。

【0038】

加えて、動揺測定器１００によれば、仮想剛体７の諸元を任意に設定することにより、知りたい動揺のレベルに達したか否かを設定できるメリットがある。

【0039】

また、本実施形態の動揺測定器１００を用いれば、図６に示すような、公知の「吉田式車両動揺測定器 ：型式ＨＡ，ＨＡ−Ｓ」の代用品を実現できる。
吉田式車両動揺測定器３０は、木製の本体３１の駒設置溝３２内に複数種類の直方体状の金属製の測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）を立て、図中白矢印が車両前方を向くように水平に鉄道車両に設置される。測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）は、それぞれ幅方向（転倒方向に直交する方向）及び高さ方向の長さと素材が同じであるが、厚さ方向（転倒方向）の長さが異なる剛体であり、それぞれ動揺に対する倒れ易さが異なる。車両走行中の測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）の様子を観察し、どの測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）が転倒したかにより動揺の程度を知ることができる。ちなみに、図６の例では、左端の測定駒３４ａから測定駒３４ｅまでが転倒している状態にある。当該測定器は、鉄道の運転士資格（国家資格）である「動力車操縦者運転免許」の技能試験において現在も使用されているが、製造販売が中止されており将来的な維持管理に懸念がもたれ、代替品が切望されている。

【0040】

本実施形態の動揺測定器１００では、吉田式車両動揺測定器３０の測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）の諸元を有する仮想剛体７を用意することで代用が可能である。吉田式車両動揺測定器３０の測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）は、特殊鋼の防錆加工した直方体形状を有しており、駒の厚さ違いで複数種類が存在する。具体的には、高さ５０ｍｍ及び幅２０ｍｍは共通で、厚さが１ｍｍピッチで６ｍｍ〜１３ｍｍの８種類と、厚さが１５ｍｍ、１７ｍｍ、１９ｍｍ、２１ｍｍの４種類との、合計１２種類が存在する。よって、これらの諸元を再現する仮想剛体７を同じように１２種類用意することで、吉田式車両動揺測定器３０を代用することが可能である。

【0041】

図７は、吉田式車両動揺測定器３０の測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）を模した各種仮想剛体における諸元と限界加速度Ａｘの関係を示す表である。限界加速度Ａｘは、前出の数式（４）により求められる。或いは、傾斜台に測定駒３４（３４ａ，３４ｂ，・・・）を立たせて徐々に傾斜角を増加させ、転倒を開始した傾斜角度から逆算して求めることもできる。

【0042】

図８は、各仮想剛体について、異なる加速度を加えた場合の、当該仮想剛体の重心Ｇが回転中心Ｏを通る鉛直線（線分ＯＣ）を通過するまでの時間Δｔを示す表である。時間Δｔは前出の数式（９）により求められる。図７に示した各仮想剛体の限界加速度Ａｘに最も近い加速度に対応する時間Δｔを、太字の四角で囲って示している。
また、図９は、各仮想剛体について、異なる加速度を加えた場合の当該加速度と時間Δｔとの関係を示すグラフであり、併せて、図７に示した限界加速度Ａｘを破線で示し、交点に白丸を付している。
これらの図に於いて注目すべきは、各仮想剛体について、それぞれの限界加速度Ａｘが作用した場合の時間Δｔの値である。仮想剛体「測定駒Ｂ６」〜「測定駒Ｂ１３」は厚さＢが異なるにもかかわらず、ほぼΔｔ＝０．１［ｓｅｃ］で一定となっている。よって、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆは２．５［Ｈｚ］に統一できると考えられる。

【0043】

図１０は、カットオフ周波数を２．５［Ｈｚ］前後に設定したＦＩＲ型のデジタルフィルタによる周波数利得の一例を示すグラフである。同図に示すように、フィルタの特性上、通過エッジ周波数（２．５［Ｈｚ］）〜遮断エッジ周波数（４．８［Ｈｚ］）間の遷移域が存在するため、ある周波数を境に明確に通過／除去される周波数成分が分けられるものではない。よって、仮想剛体「測定駒Ｂ６」〜「測定駒Ｂ１３」それぞれの時間Δｔが厳密には異なるが、フィルタの特性を考慮すると、カットオフ周波数ｆを２．５［Ｈｚ］に統一して問題無いと考えられる。よって、本実施形態の動揺測定器１００で「吉田式車両動揺測定器」を再現しようとした場合、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆを２．５［Ｈｚ］に設定するのが一つの例となる。但し、遷移域の幅を考慮して、カットオフ周波数を２．０〜３．０［Ｈｚ］のうちの一の周波数に設定するとしてもよい。以降では、動揺測定器１００で「吉田式車両動揺測定器」を再現することを前提として説明をつづけることとする。

【0044】

尚、動揺測定器１００にて従来のような計測データのグラフ表示や最大加速度や平均加速度と言った数値の表示を排除するものではなく、表示モデル８による表示とともに従来のような表示を行っても良いが、以降では従来のような表示に関して説明は省略する。

【0045】

［機能ブロックの説明］
図１１は、動揺測定器１００の機能構成例を示す機能ブロック図である。動揺測定器１００は、操作入力部１２８と、加速度計測部１３０と、演算部１４０と、記憶部１５０と、通信Ｉ／Ｆ（Interface）１８０と、画像表示部１８２と、を有し、これらはバス１９０によりデータ送受可能に接続されている。動揺測定器１００は、一種のコンピュータシステムとも言える。

【0046】

操作入力部１２８は、スイッチ、レバー、ダイヤル、キーボード、タッチパネル、マウス、トラックパッドなどの入力デバイスにより実現され、ユーザによる各種操作入力を受け付けて入力信号を出力する。例えば、測定開始前に使用する仮想剛体７の選択操作、測定開始及び終了操作などの入力に使用される。図１のタッチパネル１０２や、操作入力キー１０４がこれに該当する。

【0047】

加速度計測部１３０は、測定したい動揺方向の加速度を計測して、計測値のデジタル信号を出力する。例えば、公知の加速度センサ、Ａ／Ｄ変換器、インターフェースＩＣなどにより実現できる。図１の加速度センサ１１６がこれに含まれる。

【0048】

演算部１４０は、ＣＰＵやＤＳＰなどの各種マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣなどにより実現され、測定プログラム１５２を読み出して実行することで動揺測定のための各種演算処理を行う。図１の制御基板１１０、ＣＰＵ１１２がこれに該当する。そして、本実施形態の演算部１４０は、データログ管理部１４１と、仮想剛体選択部１４３と、ローパスフィルタ部１４５と、判定部１４７と、測定結果出力制御部１４９とを有する。

【0049】

データログ管理部１４１は、加速度計測部１３０から出力された加速度値（本実施形態では、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸それぞれの加速度値Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚ）に関する時系列の生データ（フィルタ処理されていない値）を記憶管理する制御を行う。データは、記憶部１５０にデータログ１７０として格納される。

【0050】

仮想剛体選択部１４３は、測定開始前に使用する仮想剛体をユーザに選択させるための制御を行う。本実施形態では、複数の仮想剛体７の中から用途に応じて予め選抜・組み合わせした仮想剛体の組み合わせ（セット）を仮想剛体セットデータ１５４として定義している。仮想剛体選択部１４３は、例えば、計測開始前に仮想剛体セットデータ１５４を一覧表示して、当該一覧から使用するセットをユーザに選択させる制御をする。選択された情報は使用セット名１５６となる。

【0051】

ローパスフィルタ部１４５は、指定されたカットオフ周波数を基準とする低域通過帯の加速度の検出信号を濾波するローパスフィルタ効果を演算処理により実現する。例えば、公知のデジタルフィルタソフトウェアにより実現できる。尚、ローパスフィルタ部１４５は、図１１中に一点鎖線で囲まれている部位のように、加速度計測部１３０の次段に設けるハードウェアとして実現されるローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３２の回路に置換することができる。

【0052】

判定部１４７は、厚さ方向を測定方向に向けて直立状態に設置した直方体状の仮想剛体の転倒をシミュレーションし、転倒する／しないを判定する。すなわち、各仮想剛体が転倒するか否かにより、動揺の程度を測定（検定）する。

【0053】

測定結果出力制御部１４９は、動揺測定の結果すなわち各仮想剛体に係る動揺検定の結果の出力制御を行う。本実施形態では、表示モデル８（図５参照）を用いた３次元コンピュータグラフィックスで表現するので、３次元コンピュータグラフィックスの生成に関する処理や、画像表示部１８２の駆動制御を行うことができる。尚、３次元コンピュータグラフィックスの表示制御については、公知技術を適宜利用できるのでここでの説明は省略する。また、測定結果出力制御部１４９が、適宜仮想剛体別の転倒／未転倒の結果データの生成や、当該結果データを通信Ｉ／Ｆ１８０を介して外部装置に送信する制御を行うとしても良い。

【0054】

記憶部１５０は、動揺測定に必要な諸機能を実現するためのプログラムや各種データ等を記憶する。また、演算部１４０の作業領域として用いられ、演算部１４０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。また、加速度計測部１３０で計測された加速度データを時系列に記憶することができる。こうした機能は、例えばＲＡＭやＲＯＭなどのＩＣメモリ、ハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなどの光学ディスク、着脱自在なメモリカードのリーダーライタなどによって実現される。

【0055】

本実施形態の記憶部１５０は、測定プログラム１５２と、複数の仮想剛体セットデータ１５４と、使用セット名１５６と、表示モデル制御データ１５８と、データログ１７０とを記憶する。その他、測定に必要な各種データを適宜記憶することができる。

【0056】

測定プログラム１５２は、演算部１４０が読み出して実行することにより、データログ管理部１４１、仮想剛体選択部１４３、ローパスフィルタ部１４５、判定部１４７、測定結果出力制御部１４９としての機能を実現させるためのプログラムである。なお、これらの一部をハードウェア回路として実現する構成の場合には、当該プログラム部分は適宜省略される。

【0057】

仮想剛体セットデータ１５４は、測定に使用可能な仮想剛体７の設定データを格納する。本実施形態では、図１２及び図１３に示すように、複数の仮想剛体７を組み合わせて予め用途別のセットを用意しておく。一つのセットは、セット名１５４ａと測定方向１５４ｂにより識別され、セットに含まれる仮想剛体種類１５４ｃと対応づけて、諸元１５４ｄ、適用されるカットオフ周波数１５４ｅ、限界加速度１５４ｆ、表示モデルデータ１５４ｇを格納する。

【0058】

セット名１５４ａは、動揺測定の用途を端的に示す。図１２及び図１３の例では、「吉田式車両動揺測定器」を再現することを前提としているので、「一般車両用」「鉱山軌道用」の２種類が用意されている。勿論、高い乗り心地が要求される「高速鉄道用」などその他のセットデータを適宜設けることができる。

【0059】

測定方向１５４ｂは、測定される加速度の方向が定義されている。車両進行方向の加速減速に伴う動揺を測定する場合は、これまで説明したように「Ｘ軸方向」とされる。これとは別に、左右方向の動揺の測定を目的とするセットでは「Ｙ軸方向」が設定される。上下方向の動揺の測定を目的とするセットでは「Ｚ軸方向」が設定される。動揺測定は、この測定方向１５４ｂで設定されている方向の加速度成分に基づいて行われる。

【0060】

諸元１５４ｄは、対応する仮想剛体７の諸元、本実施形態では転倒させる力すなわち加速度が作用する方向の厚さＢと、高さＨを定義する。

【0061】

カットオフ周波数１５４ｅは、測定方向１５４ｂで設定された加速度成分に適用されるローパスフィルタによるゲイン低下を開始する周波数を定義する。図１２及び図１３の例では、「一般車両用」「鉱山軌道用」の二つセットでは、何れの仮想剛体にも共通して２．５［Ｈｚ］が設定されているが個別の値を設定する構成も可能である。同様に、諸元（例えば高さＨ）が異なる仮想剛体を組み合わせたセットであったとしても、フィルタの特性等を踏まえて、仮想剛体７が静止状態から転倒開始までの時間Δｔの差意が、諸元違いでも実用上問題とならないと見なせるならば、共通して同一のカットオフ周波数を設定しても良い。図１２及び図１３の例では、高さ及び幅が同一の仮想剛体のセットであるため、共通して同一のカットオフ周波数が設定されている。

【0062】

限界加速度１５４ｆは、対応する仮想剛体７の限界加速度Ａｘの値である。図２の数式（４）により予め求めるとしても良いし、仮想剛体７が何らかの実物を模擬するのであれば当該実物を用いた実測値を設定するとしても良い。実測値の測定は、例えば模擬する実物を傾斜台に立て、傾斜台の傾斜角度を徐々に増加させて、転倒開始角度から逆算するとしても良い。

【0063】

表示モデルデータ１５４ｇは、対応する仮想剛体７の動揺測定結果の表示出力に使用するデータである。本実施形態では、３次元コンピュータグラフィックスにより表現するので表示用のモデルデータ（オブジェクトデータ、テクスチャデータなど）が格納されている。ここでは「吉田式車両動揺測定器」を再現することを前提としているので、表示用モデルのデザインは、「吉田式車両動揺測定器」の測定駒を模した直方体を成しているがこれに限らない。

【0064】

図１１に戻って、記憶部１５０は使用セット名１５６を記憶する。
測定開始前には、複数の仮想剛体セットデータ１５４の内、何れを使用するかがユーザにより選択される。選択されたセット名が使用セット名１５６として記憶される。

【0065】

表示モデル制御データ１５８は、選択された仮想剛体セットに含まれる仮想剛体別に用意され、表示制御に必要なデータを格納する。例えば、仮想剛体種類１５８ａと対応付けて、表示モデルの姿勢制御データ１５８ｂや、表示色設定データ１５８ｃを格納することができる。

【0066】

通信Ｉ／Ｆ１８０は、動揺測定器１００外の装置とのデータ通信を実現する。いわゆるインターフェースＩＣ、通信端子、無線装置、等を適宜流用可能である。例えば、データログ１７０や、動揺測定の結果のデータ等を、動揺測定器１００外へ出力することができる。図１の通信モジュール１１８がこれに該当する。

【0067】

画像表示部１８２は、例えば、フラットパネルディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、などの画像表示デバイス及びそのドライバ回路により実現できる。図１のタッチパネル１０２がこれに該当する。

【0068】

図１４は、本実施形態における動揺測定に係る処理の流れを説明するためのフローチャートであって、演算部１４０が測定プログラム１５２を読み出して実行することにより実現できる。尚、前提として、動揺測定器１００は加速度センサ１１６の計測Ｘ軸方向が、車両の前後方向に合わせて設置される。より望ましくは、動揺測定器１００は水平に、すなわち計測Ｚ軸方向が鉛直方向を向くように設置されているものとする。

【0069】

演算部１４０は先ず、使用する仮想剛体の選択入力処理を行う（ステップＳ４）。具体的には、例えばタッチパネル１０２に仮想剛体セットデータ１５４のセット名１５４ａを選択可能に一覧表示制御し、ユーザによる選択操作（例えば、セット名のタッチ操作）を受け付ける。

【0070】

次に、演算部１４０は、ローパスフィルタの設定を行う（ステップＳ６）。選択された仮想剛体セットデータ１５４のカットオフ周波数１５４ｅを設定する。以降、加速度計測部１３０から出力される加速度データの内、測定方向１５４ｂに定義されている方向の加速度成分は、設定されたカットオフ周波数に基づいてローパスフィルタ処理される。

【0071】

次に、演算部１４０は、測定結果を画像表示するための表示モデル８（図５参照）のグラフィック表示を開始する（ステップＳ８）。

【0072】

そして、測定開始の操作入力が行われたならば、動揺測定が開始される。
すなわち、演算部１４０がデータログ１７０の蓄積的な記憶制御を開始し（ステップＳ１２）、今回の測定に使用される仮想剛体別にループＡの処理を実行する（ステップＳ２０〜Ｓ２６）。

【0073】

ループＡでは、ローパスフィルタを通過した加速度値Ｄxp（図４参照）が、処理対象としている仮想剛体の限界加速度１５４ｆ（図１２〜図１３参照）以上であれば（ステップＳ２２のＹＥＳ）、当該処理対象の仮想剛体は「転倒する」と判定され、対応する表示モデルを転倒させるように表示制御する（ステップＳ２４）。図５の例で言うと、ローパスフィルタから出力される加速度値が「マイナス」すなわち減速である場合には、画面上方向（画面における車両前方）へ表示モデル８を転倒させ、転倒前と異なる表示色に変更する。もし、ローパスフィルタから出力された加速度値が「プラス」すなわち増速である場合には、画面下方向（画面における車両後方）へ表示モデル８を転倒させ、転倒前と異なる表示色に変更する。そして、ループＡを終了する（ステップＳ２６）。
もし、ローパスフィルタから出力される加速度値が、処理対象としている仮想剛体の限界加速度１５４ｆ未満であれば（ステップＳ２２のＮＯ）、当該処理対象の仮想剛体は「転倒しない」と判定され、対応する表示モデルの転倒表示は行わずにループＡを終了する（ステップＳ２６）。

【0074】

ループＡは、所定の測定終了操作が検出されるまで所定のサンプリング周期で繰り返され（ステップＳ３０のＮＯ）、測定終了操作が検出されると（ステップＳ３０のＹＥＳ）、一連の処理を終了する。

【0075】

以上、本実施形態によれば、動揺測定の結果を、一目瞭然に識別可能とすることができる。そして、仮想剛体を適当に設定することで「動力車操縦者運転免許」の実技試験等で使用されている「吉田式車両動揺測定器」をデジタル機器として再現し、置き換えることができる。

【0076】

尚、本実施形態では、主に車両前後方向の加速度（Ｘ軸方向加速度Ｄｘ）に基づいて測定する例を示したが、前述のように仮想剛体セットデータ１５４の測定方向１５４ｂの設定によっては、車両左右方向の加速度（Ｙ軸方向加速度Ｄｙ）に基づいて測定したり、上下方向の加速度（Ｚ軸方向加速度Ｄｚ）に基づいて測定することもできる。その場合、表示モデル８による測定結果の表示は、タッチパネル１０２における車両の前後・左右・上下の設定に応じて、適宜転倒表示する方向を測定方向１５４ｂの設定に合わせるものとする。

【符号の説明】

【0077】

３…軌道、４…鉄道車両、６…乗客、７…仮想剛体、８…表示モデル、３０…吉田式車両動揺測定器、３１…本体、３２…駒設置溝、３４…測定駒、１００…動揺測定器、１０２…タッチパネル、１０４…操作入力キー、１０６…内蔵バッテリー、１１０…制御基板、１１２…ＣＰＵ、１１４…ＩＣメモリ、１１６…加速度センサ、１１８…通信モジュール、１２８…操作入力部、１３０…加速度計測部、１３２…ローパスフィルタ、１４０…演算部、１４１…データログ管理部、１４２…仮想剛体選択部、１４３…仮想剛体選択部、１４５…ローパスフィルタ部、１４７…判定部、１４９…測定結果出力制御部、１５０…記憶部、１５２…測定プログラム、１５４…仮想剛体セットデータ、１５４ａ…セット名、１５４ｂ…測定方向、１５４ｃ…仮想剛体種類、１５４ｄ…諸元、１５４ｅ…カットオフ周波数、１５４ｆ…限界加速度、１５４ｇ…表示モデルデータ、１５６…使用セット名、１５８…表示モデル制御データ、１５８ａ…仮想剛体種類、１５８ｂ…姿勢制御データ、１５８ｃ…表示色設定データ、１７０…データログ、１８２…画像表示部、１９０…バス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図6】