柔軟​な​設備​監視​システム​により、​鉄道​施設​の​可用性​を​向上

Noël Steentjes, Inspectation    

"CompactRIO​は、​鉄道​設備​の​監視​に​活用​できる​カスタマイズ​が​可能​な​COTS​の​プラットフォーム​を​提供​し​てく​れ​ま​した。​これ​によって​開発​期間​を​大幅​に​短縮​する​こと​が​でき、​開発​コスト​の​削減​も​図​れ​ま​した。" ​

- Noël Steentjes, Inspectation

課題:

鉄道​施設​において、​ダウン​タイム​を​最少​に​抑え​つつ​信頼​性​と​安全​性​を​確保​する​ため​に、​施設​内​の​各種​電気/​機械​設備​を​監視​する​システム​を​開発​し​て​配備​する。 ​

ソリューション:

NI CompactRIO​と​システム​開発​ソフトウェア​で​ある​NI LabVIEW​を​使用​し​て、​柔軟性​を​持ち​ながら​も​標準化​さ​れ​た​監視​システム​を​短期間​で​開発​する。​その​システム​は、​GPS​クロック​を​使用​し​て​チャンネル​の​同期​を​とる​こと​が​でき、​3G​の​通信​チャンネル​を​使用​し​て​サーバ​に​データ​を​転送​可能​な​もの​に​する。 ​

 

施設​の​信頼​性​を​高める​ために

鉄道​や​空港​の​事業​者、​電力​会社、​工業​系​の​企業​にとって、​施設​の​信頼​性​は​最大​の​関心事​の​1​つ​です。​当社(Inspectation社)​は、​定期​的​な​計測​を​ベース​と​する​設備​点検​だけ​で​なく、​故障​を​早期​に​検知​する​ため​に​設備​資産​(アセット)​を​長期​的​に​監視​する​必要性​に​注目​し​てい​ま​した。​そこで、​線路​や​リレー、​分岐​器、​踏み切り、​信号機​など​を​監視​する​ため​に​鉄道​施設​内​で​使用​する​独自​の​オンライン​状態​監視​システム​の​開発​に​着手​しま​した。​その​システム​の​名​は​FlexMonitoring​です。​同​システム​は、​堅牢​かつ​高度​な​自律​的​機能​を​備え、​数々​の​イベント​(事象)​が​発生​した​時刻​を​記録​する​ほか、​さまざま​な​種類​の​計測​を​行い​ます。

 

 

鉄道​施設​の​状態​の​監視

当社​が​FlexMonitoring​の​開発​を​始め​た​直後、​オランダ​の​鉄道​事業​者​で​ある​ProRail​社​が​当社​の​顧客​で​ある​VolkerRail​社​と​の​間​に、​広範​な​地域​を​対象​と​した​保守​契約​を​結び​ま​した。​この​契約​に​向け​て、​VolkerRail​社​は​鉄道​施設​の​可用性​の​高​さ、​言い換え​れ​ば​施設​の​アップ​タイム​(稼働​時間)​の​最少​値​を​保証​しな​け​れ​ば​なり​ま​せん​で​した。​同社​が​契約​より​も​長い​アップ​タイム​を​達成​した​場合​に​は​ボーナス​が​支給​さ​れ​ます​が、​逆に、​アップ​タイム​が​契約​した​値​を​下回​れ​ば​罰金​が​科​せ​ら​れ​ます。 要求​さ​れ​た​アップ​タイム​を​実現​する​方法​について​は​交渉​の​余地​が​ありま​した​が、​最も​重要​な​線路​や​ポイント、​踏み切り​に​オンライン​の​状態​監視​システム​を​設置​する​の​は​必須​で​した。

 

鉄道​網​において、​最も​故障​が​起​きやすい​設備​は​標識​です。​その​故障​原因​の​多く​は​照明​の​不具合​なので、​すべて​の​電球​を​LED​照明​に​置き換える​ことに​しま​した。​それ​以外​に、​特に​故障​が​発生​し​やすい​設備​として​は​次​の​3​つ​が​挙​げ​ら​れ​ます。

  1. 分岐​器: 車両​を​線路​の​分岐​区間​に​導く​ため​の​設備。​ポイント​や​スイッチ​として​も​知​られる。​リレー​や​電気​モータ​で​構成​さ​れ​て​おり、​それ​によって​右/​左​に​線路​が​動​い​て​切り替え​が​実施​さ​れる
  2. 信号機、​列車​検知​システム:​一般​的​な​閉塞​信号​方式​によって​線路​を​複数​の​区間​に​分割​する。​そのうえで、​自動​制御​装置​により、​1​ブロック​に​存在​する​列車​は​常に​1​台​に​なる​よう​に​制御​を​行う
  3. 踏み切り:​道路​の​通行​を​止める​自動​遮断​機。​リレー​や​電気​モータ、​標識​など​で​構成​さ​れる

 

これらの​設備​では、​分岐​器​に​置​か​れ​た​石​や、​リレー/​電気​モータ​の​老朽​化、​秋冬​に​線路​上​に​生じる​導電​物質​といった​要因​によって​問題​が​発生​し​ます。​施設​の​状態​は、​さまざま​な​測定​や​長期​にわたる​監視​によって​知る​こと​が​でき​ます。​その傾向を自動的に解析すれば、​実際​に​故障​が​発生​する​前​に​異常​を​検出​する​こと​が​でき、​考え​られる​根本​的​な​原因​を​保守​部門​に​報告​する​こと​が​可能​に​なり​ます。​それ​により、​修理​の​ため​に​生じる​ダウン​タイム​を​削減​する​こと​が​でき​ます。

 

 

オンライン​監視​システム​に対する​要求

200​台​以上​の​監視​ユニット​を​設置​する​にあたり、​当社​は​重要​な​要件​として​以下​の​事柄​を​ピックアップ​しま​した。

  • 堅牢​性。​鉄道​施設​は、​長距離​に​及ぶ​ワイヤ​や、​リレー​の​切り替え、​高​電圧、​モータ​の​オン/​オフ​切り替え​といった​もの​が​共存​する​厳しい​EMC(電磁​両立​性)​環境​に​ある
  • 短期間​で​の​導入。​監視​システム​は​1​年​以内​に​導入​し​て​運用​する​必要​が​あった
  • 電流、​温度、​デジタル​レベル​など​に​対応​する​多様​な​センサ​を​備え、​2 kS/​秒​~​30 kS/​秒​の​異なる​レート​で​センサ​から​の​信号​を​計測​する​機能
  • センサ​から​得​た​データ​を​オンライン​で​バッファリング​する​機能​と​オンライン​で​データ​を​整理​する​機能。​主要​な​パラメータ​を​決定​する​必要​も​ある
  • GPS(Global Positioning System)​を​利用​した​システム​同期。​センサはサブステーション内に分散して設置され、​個別​の​記録​用​ユニット​に​接続​さ​れる​が、​相互​に​関連​を​持つ​場合​も​ある
  • 1​つ​の​ソフトウェア​スタック​によって、​すべてのユニットに対してリモートで更新を行ったり、​独立​し​て​構成​(コン​フ​ィ​ギ​ュ​レ​ー​ション)​を​行える​よう​にし​たり​する
  • 携帯​電話​の​ネットワーク​を​介​し​て​中央​の​データベース​に​データ​を​転送​する​ため​の​3G​接続
  • システム​の​状態​監視

サーバ​では、​すべて​の​データ​を​データベース​に​保存​し​ます。​すべて​の​ユニット​と​チャンネル​の​構成​も​サーバ​で​管理​し​ます。​なぜなら、​監視​ユニット​の​更新​と​構成​は​リモート​で​行う​必要​が​ある​から​です。​また、​データ​の​一部​は、​エンド​ユーザ​に​システム​へ​の​主​インタフェース​を​提供​する​別​の​サーバ​から​も​利用​できる​よう​にし​ます。​この​サーバ​上​では、​イベント​の​データ​を​基​にし​て​故障​パターン​を​検出​した​り、​故障​に関する​傾向​を​表示​した​り、​監視​部門​に対して​SMS/​テキスト​メッセージ​による​アラーム/​警告​を​送信​した​り​する​ため​に、​常に​問い合わせ​(ク​エリ)​を​実行​し​ます。

 

監視​システム​の​実装

監視​ユニット​の​開発​にあたって、​当社​は​ハードウェア​として​は​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​(NI)のCompactRIOを​採用​し、​システム​設計​ソフトウェア​で​あるLabVIEWを​監視​システム​の​基盤​に​する​ことに​決め​ま​した。​他社​の​データ​ロガー​や​監視​システム​も​検討​しま​した​が、​大半​は​高い​サンプル​レート​に​対応​し​てい​ま​せん​で​した。​最大​1 kS/​秒​の​サンプル​レート​を​実現​する​もの​も​ありま​した​が、​3G​の​UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)​網​を​介​し​て​後で​データ​を​転送​する​ため​に​十分​な​バッファ​容量​を​持​って​い​ない​こと​が​わか​り​ま​した。​当社​が​開発​する​システム​では、​場合​によって​は​5 kS/​秒​~​30 kS/​秒​で​サンプリング​を​行う​必要​が​あり​ます。​これ​を​実現​可能​な​ソリューション​は、​産業​用​の​PC​を​除​け​ば​CompactRIO​だけ​で​した。​CompactRIO​は​小型​かつ​堅牢​で、​多く​の​I/​O​信号​を​統合​でき​ます。​また、​CompactRIO​対応​の​3G​モジュール​で​ある​SEA​と組み合わせれば、​GPS​を​利用​した​同期​機能​と​UMTS​に​対応​した​通信​機能​を​搭載​する​こと​が​でき​ます。

 

当社​は、​広帯域​の​I/​O​モジュール​と​サブ​ステーション​内​の​厳しい​EMC​環境​に​対応​する​もの​として、​NI​の​ア​ライアン​ス​パートナー​で​あるINCAA Computer社に、​I/​O​へ​の​入力​保護​回路​と​ウォッチドッグ​を​備える​インタフェース​ボード​の​開発​を​依頼​しま​した。​また、​システム​の​同期​を​実現​する​とともに、​携帯​電話​網​を​介​した​データ​の​転送​と​リモート​で​の​更新​を​行う​際​の​通信​を​実現​する​ため​に、​NI​の​C​シリーズ​モジュール​の​ほかに​SEA GPS/​GPRS(General Packet Radio Service)​モジュール​も​採用​しま​した。

 

CompactRIO​を​ベース​と​する​すべて​の​ユニット​に​は​市販​の​ソフトウェア​を​使用​しま​した。​設置​した​すべて​の​システム​は​同じ​ソフトウェア​を​共有​し​てい​ます。​各​チャンネル​は、​設置​場所​ごと​に、​センサ​の​種類​や​特性、​測定​手順​に​応​じ​て​リモート​で​構成​さ​れ​ます。​すべて​の​測定​は​イベント​駆動​型​で​行​われ​ます。​デジタル​レベル​の​変化​や​電圧​の​変化​など​の​イベント​が​発生​すると​記録​が​始まり​ます。​そして、​各​データ​に​は​GPS​を​ベース​と​する​クロック​を​使用​し​て​時刻​を​記録​し​ます。​各​チャンネル​で​行​われる​測定​の​手順​は、​ハードウェア​の​特性​に​応​じ​て​定義​しま​した。​一部​の​イベント​について​は、​対応​する​データ​を​ダウン​サンプリング​した​うえ​で​伝送​し​ます​が、​ユーザ​は、​イベント​の​詳細​を​把握​する​ため​に​信号​の​形状​を​表示​する​こと​が​でき​ます。

 

複数​の​ウォッチドッグ​機構​によって、​CompactRIO​ベース​の​システム​の​状態​を​記録​し​ます。​記録​さ​れる​データ​に​は、​通信​信号​や​GPS​信号​の​強度、​メモリ​の​使用​状況、​キャビネット​の​温度​の​情報​が​含​まれ​ます。​システム​は​フェイルセーフ​機能​を​備え​て​おり、​望​ま​しく​ない​エラー​が​発生​した​場合​に​は、​通信​モデム​または​CompactRIO​ベース​の​ユニット​の​うち​いずれ​か​を​完全​に​リセット​し​ます。

 

 

 

サーバ​側​では、​LabVIEW​ベース​の​アプリケーション​が​データ​を​受信​し、​それら​を​SQL​対応​の​データベース​に​保存​し​ます。​この​アプリケーション​では​CompactRIO​ベース​の​ユニット​の​更新​や​状態​の​監視​が​行​え​ます。​また、​ユーザ​が​詳細​な​解析​を​行える​よう​に、​未処理​データ​を​送信​する​こと​も​可能​です。

 

第​2​の​サーバ​は​データ​を​受信​し、​ウェブサービス​によって​それら​を​ユーザ​向け​に​表示​し​ます。​この​サーバ​は、​データ​の​演算​を​実行​する​演算​ツール​や、​アラーム​機能​付き​の​イベント​ハンドラ​ツール​など​を​搭載​し​てい​ます。​これらの​ツール​は​常に​問い合わせ​を​実行​し、​監視​部門​に​警告/​警報​を​通知​する​ため​に​必要​な​信号​を​24​時間​体制​で​監視​し​ます。​監視​部門​と​保守​部門​に​は、​SMS/​テキスト​メッセージ​や​メール​で​通知​を​行う​こと​も​でき​ます。

 

まとめ

FlexMonitoring​は​すでに​稼働​中​です。​当社​は​複雑​な​監視​システム​を​1​年​以内​に​開発​し​200​台​以上​を​全国​に​配備​でき​た​ことに​満足​し​てい​ます。​当社​が​CompactRIO​と​LabVIEW​を​選択​した​理由​として​は、​必要​な​すべて​の​センサ​の​種類​と​信号​処理​の​アルゴリズム​に​対応​できる​柔軟性​を​備え​て​いる​こと、​短期間​で​システム​開発​が​可能​な​こと、​当社​が​LabVIEW​に​精通​し​てい​た​こと​が​挙​げ​ら​れ​ます。

 

当社​は​現在、​水路​を​はじめ​と​する​鉄道​施設​以外​の​アプリケーション​分野​に、​開発​した​システム​を​適用​でき​ない​か​どうか​検討​し​てい​ます。​また、​開発​した​システム​に、​PLC​と​の​接続​機能​や​画像​の​集録​機能​など、​ほか​の​機能​も​含​め​よう​として​い​ます。

 

著者​情報:

Noël Steentjes
Inspectation
​Netherlands
info@inspectation.com

​ ​図​1. 鉄道​施設​では、​信頼​性​が​高​く​安全/​確実​な​輸送​を​保証​する​ため​に、​数多く​の​設備​を​監視​しな​け​れ​ば​なら​ない。​(出典: Wikipedia) ​
​ ​図​2. 金属​の​筐​体​に​CompactRIO​を​収容​する​にあたって​は、​INCAA Computer​社​が​プリント​回路​基板​として​提供​し​て​いる​EMC​対応​の​I/​O​保護​回路​を​利用​した。​この​場合、​I/​O​の​接続​部​は​上部​に​設け​られる。 ​
​ ​図​3. CompactRIO​を​収容​した​監視​ユニット ​
​ ​図​4. リレー​の​キャビネット​に​監視​ユニット​を​設置​し​て​いる​様子 ​
​ ​図​5. リレー​の​キャビネット​に​設置​さ​れ​た​監視​ユニット ​
​ ​図​6. システム​の​アーキテクチャ ​