2017 Fiscal Year Research-status Report
走行列車から軌道の力学状態を推定する手法の理論的検討
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17K06529
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
阿部 和久 新潟大学, 自然科学系, 教授 (40175899)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | レール軸力推定 / 慣性正矢法 / 軌道検測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
左右レールとまくらぎとの連成を考慮した軌道モデルを対象に，レール軸力推定式を軌道のつり合い条件式のFourier変換から導出した．この式は，二つの時刻において測定された通り変位に関するスペクトル比が，その時の軸力を係数に含む波数の4次関数で与えられることを示すものである．また，軌道モデルにより数値実験を行い，本手法によって理論上軸力推定可能であることを確認した．
次に，通り変位測定データのノイズ除去について，ベイズ推定法に基づくものを幾つか検討した．その結果，粒子法による推定法が最適であるとの結論を得た．具体的には，連続する二つの通り変位測定時刻における軸力と道床横剛性を未知量として，これらに様々な値を設定した場合の上述の4次関数と，ノイズを含む通り変位データに関するスペクトル比との適合度を評価して，未知量の事後確率分布を求め，その期待値より推定を行った．
数値実験を通して，軌道管理上要求される精度を確保し得る通り変位やノイズレベルおよび粒子数について調べた．その結果，比較的大きな通り変位を有する軌道であれば，現在の測定精度下でも軸力推定可能であることがわかった．なお，現在は10m弦正矢と呼ばれる量を測っている．このスペクトルは波長5m以下の通り変位成分を破棄しているが，当該成分がノイズの影響を受けにくく，10m弦正矢ではなく通り変位自体の測定が望ましいことがわかった．
また，上述の手法により軸力と道床横剛性とが推定された場合を前提として，通り変位データから弾性たわみ成分を除去した初期通り変位を求める手法を，ベイズ推定法に基づき構成した．また，一旦初期通り変位が得られれば，軌道のつり合い方程式より道床横抵抗力分布が評価可能であることもわかった．数値実験を通し，提案法により適切に推定可能であることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画のとおり，レール軸力および，軌道の初期通り変位とバラストからまくらぎに作用する道床横抵抗力分布とを対象とした推定法の定式化を終えた．なお，測定データに含まれるノイズへの対処法について，当初は変分ベイズ因子分析と呼ばれる手法が有力と考えていた．しかし，定式化も含め検討した結果，同じベイズ推定法の一つである粒子法が最適であるとの結論に至った．ただし，当該法の下で，軌道管理上要求される精度を確保し得る通り変位やノイズレベルなどを明らかにすることができ，当初の目的を達成できた．
以上より，H29年度についてはおおむね当初計画どおり順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本軸力推定法では，レールを簡易な数理モデルで表現して理論式を導出している．また，道床横抵抗力については連続線形バネによるモデル化を前提としている．これらの仮定の下で得られた軸力推定式の実軌道に対する適用性について，数値解析を通して検証する．具体的には，精緻なはりモデルによりレールを定式化し，バラスト道床の非弾性特性を考慮した離散まくらぎ支持モデルを採用する．このより精緻な軌道モデルに基づく数値実験を通し，各種の近似が軸力推定精度等に及ぼす影響について調べ，その重要度を見極める．
また，研究協力者である鉄道事業者の協力を得て，軌道通り変位測定区間を対象に，レール軸力の相対変動をひずみ測定法により連続測定する．さらに，まくらぎの引き抜き試験を実施して，道床横抵抗力を測る．
道床横抵抗力の推定には，まず軌道の通り変位を求める必要がある．当初は，現行の軌道変位検測装置で取得されている10m弦正矢データから通り変位を復元することを想定して，その精度について検討する計画であった．しかし，H29年度の研究を通し，軸力推定には10m弦正矢データではなく，通り変位自体を直接測定するのが望ましいとの結論に至った．そこで，通り変位の直接測定を前提として，レール軸力の推定と同様に，測定ノイズや軌道のモデル化が道床横抵抗力分布の評価精度に及ぼす影響について，精緻な軌道モデルに基づく数値実験との比較を通して明らかにする．
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| Causes of Carryover |
当初は学会誌等への投稿を想定していたが，平成29年度の研究成果をまとめてから投稿するのが適切と判断し，次年度へ見送った．また，資料収集のための学会参加を想定していたが，これらに要する費用が想定より安価に済んだことなどが主な理由である．ただし，次年度に生じた使用額は比較的小額であり，概ね当初計画どおり使用できたと考えている．
なお，平成30年度は当該額を含め計画に沿った使用に努める．
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