主要な研究開発成果(2021年度)

本誌は、公益財団法人 鉄道総合技術研究所における2020年度の主要な研究開発成果をまとめたものです。
本成果は、JR各社をはじめ、研究機関、大学、企業などの関係機関のご協力によって得られたものであり、厚く御礼申し上げます。

Ⅰ.安全性の向上

1. 近地地震のための早期地震警報手法

  • 地点毎の地震動増幅特性を反映したP波規定値超過地震警報手法を開発しました。
  • 事前に準備された地点毎のS波/P波振幅比に、観測されたP波を乗じることで主要動であるS波をリアルタイムで予測して、規定値を超過すると警報を発します。
  • 震源近傍において、最短1秒以下で警報を出力することが可能です。

  • 地点毎の地震動増幅特性を反映したP波規定値超過地震警報手法を開発しました。
  • 事前に準備された地点毎のS波/P波振幅比に、観測されたP波を乗じることで主要動であるS波をリアルタイムで予測して、規定値を超過すると警報を発します。
  • 震源近傍において、最短1秒以下で警報を出力することが可能です。

2. 損傷箇所を制御して復旧性を向上させる支承部の設計法

  • ストッパー埋込み部の耐力算定精度を向上し、地震により復旧が困難な箇所の損傷を抑制する支承部の設計法を提案しました。
  • 復旧が困難な損傷箇所の復旧作業に比べて工事費を8割削減できます。

  • ストッパー埋込み部の耐力算定精度を向上し、地震により復旧が困難な箇所の損傷を抑制する支承部の設計法を提案しました。
  • 復旧が困難な損傷箇所の復旧作業に比べて工事費を8割削減できます。

3. 中小規模地震を考慮した鉄道構造物の復旧性照査法

  • 大規模地震(L2地震動)に加えて中小規模地震も考慮した鉄道構造物の復旧性照査法を提案しました。
  • 地震後の復旧日数を照査指標とした新設構造物の設計や既設構造物の評価が可能となり、より復旧しやすい構造物を構築可能となります。

  • 大規模地震(L2地震動)に加えて中小規模地震も考慮した鉄道構造物の復旧性照査法を提案しました。
  • 地震後の復旧日数を照査指標とした新設構造物の設計や既設構造物の評価が可能となり、より復旧しやすい構造物を構築可能となります。

4. 確率論的リスク評価を用いた強風時の車両安全性評価手法

  • 走行中に変化する車両の転覆耐力と風外力をともに確率分布で表現し、転覆耐力を上回る風外力の発生確率で車両の安全性を評価する方法を提案しました。
  • 車両の転覆限界風速と風況の実態に即した強風規制値の設定に活用できます。

  • 走行中に変化する車両の転覆耐力と風外力をともに確率分布で表現し、転覆耐力を上回る風外力の発生確率で車両の安全性を評価する方法を提案しました。
  • 車両の転覆限界風速と風況の実態に即した強風規制値の設定に活用できます。

5. スラブ軌道てん充層の打音による隙間検査および劣化予測

  • 軌道スラブ・てん充層間の隙間を打音試験と機械学習の組み合せによって検出する 手法と、軌道スラブ1枚あたり5分で検査できる試験装置を開発しました。。
  • 凍害等によるてん充層の強度低下と軌道スラブ・てん充層間の隙間を熱伝導・構造 の連成解析で予測する手法を開発しました。

  • 軌道スラブ・てん充層間の隙間を打音試験と機械学習の組み合せによって検出する 手法と、軌道スラブ1枚あたり5分で検査できる試験装置を開発しました。。
  • 凍害等によるてん充層の強度低下と軌道スラブ・てん充層間の隙間を熱伝導・構造 の連成解析で予測する手法を開発しました。

6. 落雪対策の検討に用いる車両着落雪推定手法

  • 沿線の気象情報から台車部の着雪量と落雪位置をリアルタイムに推定できます。
  • 台車部フサギ板からの着雪伸長量を約3cmの誤差で推定するとともに落雪が多発する区間を誤差約2kmで推定できます。
  • 雪落とし作業の要否判断や落雪対策が必要な区間の検討に活用できます。

  • 沿線の気象情報から台車部の着雪量と落雪位置をリアルタイムに推定できます。
  • 台車部フサギ板からの着雪伸長量を約3cmの誤差で推定するとともに落雪が多発する区間を誤差約2kmで推定できます。
  • 雪落とし作業の要否判断や落雪対策が必要な区間の検討に活用できます。

7. 画像による検知・判断処理の安全用途への適用手法

  • カメラと画像処理部の故障等を自己診断する手法を開発しました。
  • 踏切道内の異常検知装置に適用し、0.1秒間隔で診断できることを確認しました。
  • 本手法により、画像による検知・判断処理を安全に関わる装置に実装できます。

  • カメラと画像処理部の故障等を自己診断する手法を開発しました。
  • 踏切道内の異常検知装置に適用し、0.1秒間隔で診断できることを確認しました。
  • 本手法により、画像による検知・判断処理を安全に関わる装置に実装できます。

8. 運転士の覚醒レベル低下防止支援システム

  • 運転士の覚醒レベルを画像で検知し、警報を提示するシステムを開発しました。
  • マスク着用時でも、80%以上の精度で覚醒レベルを推定できます。
  • 提案した警報提示法により、覚醒レベルが低下した人の9割が「目が覚めた」と 回答しました。

  • 運転士の覚醒レベルを画像で検知し、警報を提示するシステムを開発しました。
  • マスク着用時でも、80%以上の精度で覚醒レベルを推定できます。
  • 提案した警報提示法により、覚醒レベルが低下した人の9割が「目が覚めた」と 回答しました。

9. 台車枠溶接内部のきずを容易に検出できるフェーズドアレイ超音波探傷法

  • 溶接内部のきずを容易に検出できる、フェーズドアレイ法による台車枠の超音波探傷法とその探傷手順を策定しました。
  • きず信号とノイズの弁別が容易で、傾いたきずや塗膜上からの探傷にも有効です。
  • 従来の超音波探傷法に対し、同等以上のきず検出感度を有しています。

  • 溶接内部のきずを容易に検出できる、フェーズドアレイ法による台車枠の超音波探傷法とその探傷手順を策定しました。
  • きず信号とノイズの弁別が容易で、傾いたきずや塗膜上からの探傷にも有効です。
  • 従来の超音波探傷法に対し、同等以上のきず検出感度を有しています。

10. 低温性能とメンテナンス性に優れた新幹線車軸軸受油

  • 新幹線網の極寒地域への拡大に対応し、ー40℃以下でも流動性を有し、かつ経年による赤色化を抑制した新幹線電車用の車軸軸受用潤滑油を開発しました。
  • 実物の車軸軸受を用いた80万km走行相当の台上試験で、良好な耐久性を確認しました。

  • 新幹線網の極寒地域への拡大に対応し、ー40℃以下でも流動性を有し、かつ経年による赤色化を抑制した新幹線電車用の車軸軸受用潤滑油を開発しました。
  • 実物の車軸軸受を用いた80万km走行相当の台上試験で、良好な耐久性を確認しました。

11. 衝突事故時の乗客被害を軽減する腰掛座面

  • 衝突事故時の乗客被害を軽減する転換クロスシート用腰掛座面を開発しました。
  • 腰掛座面には、座り心地も考慮した緩衝構造を組込み、この座面のみで緩衝効果が得られるため、現行品に対し大きな設計変更が必要ありません。
  • 踏切事故を想定した際、乗客の下肢傷害度を従来座面より60%低減できます。

  • 衝突事故時の乗客被害を軽減する転換クロスシート用腰掛座面を開発しました。
  • 腰掛座面には、座り心地も考慮した緩衝構造を組込み、この座面のみで緩衝効果が得られるため、現行品に対し大きな設計変更が必要ありません。
  • 踏切事故を想定した際、乗客の下肢傷害度を従来座面より60%低減できます。

Ⅱ.低コスト化

12. 列車前方画像を用いた木まくらぎの劣化度判定システム

  • 市販のビデオカメラで撮影した列車前方画像から、ディープラーニングを用いた機械学習により木まくらぎの劣化度を判定する低コストなシステムを開発しました。
  • 4段階に分類した木まくらぎの劣化度を90%以上の精度で自動判定できます。
  • ビューアにより画像上に判定結果を表示し不良箇所を可視化できます。

  • 市販のビデオカメラで撮影した列車前方画像から、ディープラーニングを用いた機械学習により木まくらぎの劣化度を判定する低コストなシステムを開発しました。
  • 4段階に分類した木まくらぎの劣化度を90%以上の精度で自動判定できます。
  • ビューアにより画像上に判定結果を表示し不良箇所を可視化できます。

13. 汎用通信技術を用いた無線式列車制御システムの構築手法

  • 5Gなどの汎用通信技術を列車制御システムに適用するための設計手順と、情報セキュリティ機能を保安装置に実装する方法を提案しました。
  • システムを構成する地上設備の総数を最大で約50%削減でき、設備設計や保守に関する業務の省力化が期待できます。

  • 5Gなどの汎用通信技術を列車制御システムに適用するための設計手順と、情報セキュリティ機能を保安装置に実装する方法を提案しました。
  • システムを構成する地上設備の総数を最大で約50%削減でき、設備設計や保守に関する業務の省力化が期待できます。

14. 車両モニタデータを活用したセンサ増設不要の自動異常検知

  • 車両モニタ装置のデータとニューラルネットワークを用いた機械学習により、セン サーの増設なしに、走行中の機器の異常を自動的に検知する手法を提案しました。
  • 営業車で発生した実際の故障を早期に検知できることを確認しました。

  • 車両モニタ装置のデータとニューラルネットワークを用いた機械学習により、セン サーの増設なしに、走行中の機器の異常を自動的に検知する手法を提案しました。
  • 営業車で発生した実際の故障を早期に検知できることを確認しました。

15. 土砂混入したバラスト軌道の健全度評価指標および対策工法

  • 土砂が混入した道床バラストの健全度評価指標を提案しました。
  • 経年劣化だけでなく大規模降雨で土砂が混入した道床バラストにも適用できます。
  • 土砂が混入したバラスト道床の沈下を抑制する低強度安定処理工法を開発しまし た。道床交換と比較して施工コストを90%削減できます。

  • 土砂が混入した道床バラストの健全度評価指標を提案しました。
  • 経年劣化だけでなく大規模降雨で土砂が混入した道床バラストにも適用できます。
  • 土砂が混入したバラスト道床の沈下を抑制する低強度安定処理工法を開発しまし た。道床交換と比較して施工コストを90%削減できます。

16. 構造物境界部の保守頻度を低減する標準縦まくらぎの適用方法

  • 構造物境界部における縦まくらぎの敷設方法と標準構造を提案し、縦まくらぎが高低変位の抑制に有効であることを営業線への試験敷設で実証しました。
  • 横まくらぎに比べて高低変位の進行が1/5程度に低減され、年間3~4回の軌道整備が不要となることを確認しました。

  • 構造物境界部における縦まくらぎの敷設方法と標準構造を提案し、縦まくらぎが高低変位の抑制に有効であることを営業線への試験敷設で実証しました。
  • 横まくらぎに比べて高低変位の進行が1/5程度に低減され、年間3~4回の軌道整備が不要となることを確認しました。

17. レール継目における衝撃が鋼橋の疲労に及ぼす影響評価手法

  • 車輪がレール継目を通過する際の衝撃で生じる部材の高周波振動が、鋼橋の疲労 き裂の発生に大きく寄与することを明らかにしました。
  • 高周波振動を考慮した累積疲労を評価する解析手法を構築しました。
  • 累積する疲労が大きい部位を抽出でき、検査や補強を効率化できます。

  • 車輪がレール継目を通過する際の衝撃で生じる部材の高周波振動が、鋼橋の疲労 き裂の発生に大きく寄与することを明らかにしました。
  • 高周波振動を考慮した累積疲労を評価する解析手法を構築しました。
  • 累積する疲労が大きい部位を抽出でき、検査や補強を効率化できます。

Ⅲ.環境との調和

18. 長大緩衝工に対応した効率的な開口部調整方法

  • 緩衝工に連続的に設置された窓の面積を一様に調整する効率的な開口部調整方法を提案しました。
  • 開口部の位置を調整する従来手法に比べて80%減の試行回数で、従来手法とほぼ同等の微気圧波低減効果が得られます。

  • 緩衝工に連続的に設置された窓の面積を一様に調整する効率的な開口部調整方法を提案しました。
  • 開口部の位置を調整する従来手法に比べて80%減の試行回数で、従来手法とほぼ同等の微気圧波低減効果が得られます。

19. 騒音低減対策のための高解像度音源探査手法

  • 独自設計の新たな二次元スパイラルアレイ装置と移動音源に対応した最新の信号処理法の導入により、車両まわりの音源分布の空間解像度を約9倍向上しました。
  • 車輪スケール程度の空間分解能で音源分布を可視化できるため、台車部やパンタグラフ等の音源の詳細な把握や騒音低減対策効果の検証に活用できます。

  • 独自設計の新たな二次元スパイラルアレイ装置と移動音源に対応した最新の信号処理法の導入により、車両まわりの音源分布の空間解像度を約9倍向上しました。
  • 車輪スケール程度の空間分解能で音源分布を可視化できるため、台車部やパンタグラフ等の音源の詳細な把握や騒音低減対策効果の検証に活用できます。

Ⅳ.利便性の向上

20. 貨物輸送を対象にした災害対策の投資効果の評価手法

  • 災害による不通発生期間の貨物輸送量と事業者が負担するコストを評価指標として、 災害対策の投資効果を定量的に評価できる手法を開発しました。
  • 災害対策の立案や重点的に対策を実施すべき箇所の抽出等に活用できます。

  • 災害による不通発生期間の貨物輸送量と事業者が負担するコストを評価指標として、 災害対策の投資効果を定量的に評価できる手法を開発しました。
  • 災害対策の立案や重点的に対策を実施すべき箇所の抽出等に活用できます。

21. 通勤列車内日射環境の温熱快適性評価手法

  • 通勤列車内の日射を含む温熱環境に対する快適性評価手法を提案しました。
  • 車内日射環境を模擬した被験者実験を実施し、提案手法による予測は実際の体感をよく再現していることを確認しました。

  • 通勤列車内の日射を含む温熱環境に対する快適性評価手法を提案しました。
  • 車内日射環境を模擬した被験者実験を実施し、提案手法による予測は実際の体感をよく再現していることを確認しました。

Ⅴ.基礎研究

22. 地震動の深層学習による早期地震検知手法

  • 地震動の深層学習による早期地震検知手法を開発しました。
  • 地震動とノイズの識別率を現行の約90%から約99%へ向上させるとともに、 震央距離やマグニチュードなどの全ての地震諸元の推定精度を向上できます。
  • リアルタイムでの推定処理が可能であることを確認しました。

  • 地震動の深層学習による早期地震検知手法を開発しました。
  • 地震動とノイズの識別率を現行の約90%から約99%へ向上させるとともに、 震央距離やマグニチュードなどの全ての地震諸元の推定精度を向上できます。
  • リアルタイムでの推定処理が可能であることを確認しました。

23. 高速パンタグラフ試験装置を用いた集電系HILS

  • 高速パンタグラフ試験装置を用いて、架線振動や走行によるしゅう動、架線偏位、環境温度、湿度、通電による影響を考慮した集電系HILSを開発しました。
  • 集電系HILSにより、パンタグラフの総合的な性能評価を定置で実施することができ、より高性能なパンタグラフをより効率的に低コストで開発可能となります。

  • 高速パンタグラフ試験装置を用いて、架線振動や走行によるしゅう動、架線偏位、環境温度、湿度、通電による影響を考慮した集電系HILSを開発しました。
  • 集電系HILSにより、パンタグラフの総合的な性能評価を定置で実施することができ、より高性能なパンタグラフをより効率的に低コストで開発可能となります。

24. 新幹線のパンタグラフ停止位置近傍におけるトロリ線摩耗率増加機構

  • 新幹線駅構内での調査により、トロリ線摩耗率の速度依存性を明らかにしました。
  • 低速域では摩擦係数が増大し、デラミネーション摩耗と呼ばれる剥離状の摩耗が促進されることが高摩耗率の原因であることを明らかにしました。
  • グリース塗布により、低速区間のトロリ線摩耗を低減できることを確認しました。

  • 新幹線駅構内での調査により、トロリ線摩耗率の速度依存性を明らかにしました。
  • 低速域では摩擦係数が増大し、デラミネーション摩耗と呼ばれる剥離状の摩耗が促進されることが高摩耗率の原因であることを明らかにしました。
  • グリース塗布により、低速区間のトロリ線摩耗を低減できることを確認しました。

25. ヒューマンエラー分析のためのテキスト分析コード

  • 事故やヒヤリハット等のリスク情報に記述された作業特徴や心理要因、エラー行動を分析するためのテキスト分析用のアルゴリズム(コード)を作成しました。
  • 約4000件のエラー行動に関わる記述データについて、人が分類するには数か月かかるのに対し、本コードでは全体の95%を数秒で行うことができます。

  • 事故やヒヤリハット等のリスク情報に記述された作業特徴や心理要因、エラー行動を分析するためのテキスト分析用のアルゴリズム(コード)を作成しました。
  • 約4000件のエラー行動に関わる記述データについて、人が分類するには数か月かかるのに対し、本コードでは全体の95%を数秒で行うことができます。

26. 鉄道騒音の解明・予測のための音波伝播の可視化手法

  • 空気中を伝播する音波をレーザーの偏光で可視化する計測手法を構築し、防音壁を回折する音波や移動音源によるドップラー効果を可視化しました。
  • 音波の可視化結果を基に特定の断面の音圧分布を推定する手法を開発しました。
  • 鉄道騒音の現象解明や沿線騒音予測手法の精度向上に活用できます。

  • 空気中を伝播する音波をレーザーの偏光で可視化する計測手法を構築し、防音壁を回折する音波や移動音源によるドップラー効果を可視化しました。
  • 音波の可視化結果を基に特定の断面の音圧分布を推定する手法を開発しました。
  • 鉄道騒音の現象解明や沿線騒音予測手法の精度向上に活用できます。

·I.2、I.3の各件名は、国土交通省の鉄道技術開発費補助金を受けて実施しました。
·I.5の件名は、国立大学法人東北大学と国立大学法人山梨大学との共同研究により実施しました。
·I.7の件名は、株式会社京三製作所との共同研究により実施しました。
·I.10の件名は、ENEOS株式会社との共同研究により実施しました。
·II.15の件名は、学校法人早稲田大学との共同研究により実施しました。
·V.26の件名は、学校法人早稲田大学と国立大学法人京都大学との共同研究により実施しました。

主要な研究開発成果