JP6060021B2 - 軌道検測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、軌道頭面の形状を測定する軌道検測方法及び装置に係り、特にレーザ変位計から測定を軌道に照射することによって軌道頭頂面の形状を測定する軌道検測方法及び装置に関する。

軌道検測装置は、列車運行の安全を確保するために、線路のゆがみ、枕木が沈下することによってレール面に発生した上下・左右方向のずれなどのレール変位を検査するものである。このような軌道検測装置としては、軌道検測車に配置されたレーザ変位計から測定光をレールに照射することによって、レールの位置を測定するものが特許文献１に記載されている。

特開２００９−２７６２７０号公報

特許文献１に記載の軌道検測装置は、第１及び第２の２次元センサがセンサ支持部材に取り付けられている。このセンサ支持部材は、さらに直線移動機構の移動台に取り付けられている。これによって、第１及び第２の２次元センサは、軌道（レール）頭面の角部を測定中心とする測定光をそれぞれにレールの両側からレールの頭面に向けて照射する。このとき、センサ支持部材を移動させることによって、レール頭面の角部を測定中心として所定の基準位置からの変位を示す２次元測定信号を両側の２次元センサから得ている。

このような軌道検測装置は、測定に用いている２次元センサの発光面及び受光面にガラス等が用いられている。検測作業時に、雨滴や粉塵などの汚れがガラス面に付着することがある。このような場合、２次元センサからの照射光または反射光が遮られ、検測誤差やデータ不良が発生し、レールの変位を正しく検測することができなくなる可能性があった。また、このような検測誤差やデータ不良が発生したことは、検測測定後に前回データとの比較処理などの検証を行なうことによって、初めて認識することができる。従って、検測誤差やデータ不良が発生した場合には、再測定を行なわなければならず、検測に多大の時間を要することとなっていた。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、２次元センサの発光面及び受光面となるガラス面の異物を検出することのできる軌道検測方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明に係る軌道検測方法の第１の特徴は、軌道頭面の両角部を測定中心とするような離間した位置に設けられた少なくとも２個の２次元センサ手段を用いて前記軌道のプロファイルデータを取得し、取得された前記プロファイルデータに基づいて、前記２次元センサの前面に設けられているガラス面の状態を検出することにある。
これは、２次元センサを用いて取得した軌道のプロファイルデータに基づいてガラス面の状態を検出するようにしたものである。すなわち、２次元センサ手段は、その前面に設けられたガラス板を介して発光及び受光を行なっている。従って、ガラス面に異物や汚れが付着していると、プロファイルデータの一部に欠落した部分又は抜けた部分が存在するようになる。また、ガラス面に水滴などの反射物が付着していると、プロファイルデータの一部に擬似データが発生するようになる。そこで、プロファイルデータの変化を逐次検出し、それに応じてガラス面の異常状態を検出するようにした。これによって、ガラス面の異常状態を検出した時点で、速やかに報知（通知）することができ、ガラス面をより速やかに清掃し、再測定を可能とすることができるようになる。

本発明に係る軌道検測方法の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載の軌道検測方法において、前記プロファイルデータに基づいて前記軌道頭面の高さを算出すると共に前記ガラス面の状態を検出することにある。これは、２次元センサを用いて取得した軌道のプロファイルデータに基づいて軌道頭面の高さを算出すると共にガラス面の状態を検出するようにしたものである。

本発明に係る軌道検測方法の第３の特徴は、前記第２の特徴に記載の軌道検測方法において、前記プロファイルデータの中の前記軌道頭面の高さを算出し、前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータに所定値よりも大きい個所が存在する場合には前記ガラス面に水滴が付着していると判断し、前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータに所定値よりも小さい個所が存在する場合には前記ガラス面に汚れ等の異物が付着していると判断することにある。これは、プロファイルデータの変化を逐次検出する際に、プロファイルデータに所定値よりも大きい個所、すなわち擬似データが存在する場合、又は所定値よりも小さい個所、すなわち欠落した部分若しくは抜けた部分が存在する場合に応じて、ガラス面の異常状態、すなわちガラス面に水滴又はガラス面に汚れ等の異物が付着していると判断するようにしたものである。

本発明に係る軌道検測装置の第１の特徴は、軌道頭面の両角部を測定中心とするような離間した位置に設けられた少なくとも２個の２次元センサ手段と、前記２次元センサ手段から出力される測定信号に基づいて前記軌道のプロファイルデータを取得するプロファイルデータ取得手段と、前記２次元センサ手段によって測定された前記プロファイルデータに基づいて、前記２次元センサ手段の前面に設けられているガラス面の状態を検出するガラス面状態検出手段とを備えたことにある。これは、前記第１の特徴に記載の軌道検測方法に対応した軌道検測装置の発明である。

本発明に係る軌道検測装置の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載の軌道検測装置において、前記プロファイルデータに基づいて前記軌道頭面の高さを算出する軌道高さ算出手段を備えたことにある。これは、前記第２の特徴に記載の軌道検測方法に対応した軌道検測装置の発明である。

本発明に係る軌道検測装置の第３の特徴は、前記第２の特徴に記載の軌道検測装置において、前記ガラス面状態検出手段が、前記軌道高さ算出手段によって算出された前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータが所定値よりも大きい個所が存在する場合には前記ガラス面に水滴が付着していると判断し、前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータが所定値よりも小さい個所が存在する場合には前記ガラス面に汚れ等の異物が付着していると判断することにある。これは、前記第３の特徴に記載の軌道検測方法に対応した軌道検測装置の発明である。

本発明によれば、２次元センサの発光面及び受光面となるガラス面の異物を容易に検出することができるという効果がある。

本発明を適用した実施の形態に係る軌道検測車に搭載された２次元センサとそのデータを処理する制御装置の構成を示すブロック図である。 ２次元センサにてサンプリングされるデータをプロファイルデータに変換したデータの並びを示す図である。 レール形状を２次元センサで測定した時のプロファイルデータであって、ガラス面に汚れや水滴が存在する場合の一例を示す図である。 図１のレール高さ算出・ガラス面汚れ判定部の実行する処理フローの前半部の一例を示す図である。 図１のレール高さ算出・ガラス面汚れ判定部の実行する処理フローの後半部の一例を示す図である。

図１は、本発明を適用した実施の形態に係る軌道検測車に搭載された２次元センサとそのデータを処理する制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、２次元センサ１ａ，１ｂは、レール進行方向から見た図である。図２は、２次元センサ１ａ，１ｂにてサンプリングされるデータをプロファイルデータに変換したデータの並びを示す図である。

図１において、２次元センサ１ａ，１ｂは、レール３の断面形状をサンプリングし、プロファイルデータを作るためのセンサである。２次元センサ１ａ，１ｂは、レール３の側面３ａもサンプリングするために水平方向に対して所定角度だけ傾けて設置してある。また、２次元センサ１ａ，１ｂは、防塵・防滴のために外装箱内に収納されている。２次元センサ１ａ，１ｂの光路上には、ガラス板２ａ，２ｂが設けられており、この外装箱は密閉構造となっている。２次元センサ１ａ，１ｂは、軌道であるレール３の頭面３ｂの両角部を測定中心とするような離間した位置に設けられている。なお、２次元センサ１ａ，１ｂ２個以上でもよい。なお、検査測定されるレール３は、枕木を介して地面上に敷設されている。

２次元センサ１ａ，１ｂは、検出した２次元測定信号をデータ入力ボード４に出力する。データ入力ボード４は、２次元センサ１ａ，１ｂから取り込んだ２次元測定信号を時系列なデータとして、データサンプリング部５に出力する。データサンプリング部５は、データ入力ボード４を介して時系列に取り込まれたデータをサンプリングしてプロファイルデータ取得部６に出力する。プロファイルデータ取得部６は、サンプリング開始位置を原点とした位置データに並べられプロファイルデータを取得する。また、プロファイルデータ取得部６は、スムージング処理を行い２次元センサ１ａ，１ｂに起因するノイズ成分を除去する。

プロファイルデータ補正部７は、２次元センサ１ａ、１ｂのセンサ取り付け角度の補正とスケール変換を行うために回転行列演算を行い、図２に示すような一つの合成されたプロファイルデータとして処理を行う。このプロファイルデータは、高さデータＹ（ｎ）である。レール高さ算出・ガラス面汚れ判定部８は、プロファイルデータの連続性と値を判断に使用し、レール頭面３ｂの形状取得状態によってガラス板２ａ，２ｂのガラス面の汚れを判定する。また、レール高さ算出・ガラス面汚れ判定部８は、レール頭面３ｂの高さを求める。軌道変位演算部９は、レール高さを用いた軌道演算を行い軌道検測装置の測定値を作成する。

図２に示すプロファイルデータは、距離パルス等の一定間隔のタイミングでサンプリングを行うことによって構成される。１回のサンプリングで、プロファイルデータが１つ作成されるようになっている。このプロファイルデータは、高さデータが一定間隔で並んでおり、そのデータ数が幅となる。Ｙ軸方向が高さ、Ｘ軸方向がデータ数を示し、全体的にレールの断面形状を示すこととなる。

図３は、レール形状を２次元センサで測定した時のプロファイルデータであって、ガラス面に汚れや水滴が存在する場合の一例を示す図である。図３（Ａ）は、２次元センサ１ａ、１ｂのガラス板２ａ，２ｂのガラス面が正常な状態のプロファイルデータの一例を示す。図３（Ａ）のプロファイルデータは、レール頭面３ｂに対応した部分が閾値Ｙｔを超えて、その高さデータが幅方向に沿って連続して並んだレール頭面３ｂを示す。図３（Ｂ）のプロファイルデータは、異常と判定されるものを示す。

図３（Ｂ）のプロファイルデータは、レール頭面部分が閾値Ｙｔを超える部分が断続して表れている。これは、２次元センサ１ａ、１ｂのガラス板２ａ，２ｂのガラス面に汚れや異物が存在し、それによって投光時又は受光時の光量が減少している。それが図３（Ｂ）に示すような、プロファイルデータの高さデータの欠落した部分又は抜けた部分３２，３３，３４として表れている。このようにプロファイルデータに、高さデータの欠落した部分又は抜けた部分３２，３３，３４が発生した場合、それは、２次元センサ１ａ、１ｂのガラス板２ａ，２ｂのガラス面に汚れや異物が付着していると考えられる。

図３（Ｃ）のプロファイルデータは、高さデータの大部分が閾値Ｙｔ以下に存在して並んでおり、完全に投光時又は受光時の光量が遮られているか、センサ自体が故障等でデータを取得できない状態にあると考えられる。図３（Ｄ）のプロファイルデータは、閾値Ｙｔ以上のデータが並んでいるが連続している高さデータの差が大きい箇所が発生している。これは、２次元センサ１ａ、１ｂのガラス板２ａ，２ｂのガラス面に水滴などの反射物で付着しており、その影響によって擬似データ３５，３６が発生していると考えられる。

図４及び図５は、図１のレール高さ算出・ガラス面汚れ判定部の実行する処理フローの一例を示す図である。図４は、処理フローの前半部を示し、図５は処理フローの後半部を示す。図４に示すレール高さ算出・ガラス面汚れ判定部の処理フローの中では、レール頭面を検出し、その高さを求めている。この処理フローによって求められたものがレール変位高さＲｈとなる。この処理フローでは、プロファイルデータに基づいて、同時にガラス面汚れが図３（Ａ）〜図３（Ｄ）のいずれの状態にあるのかを判定する。

まず、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４では、各変数レジスタの初期化を行う。すなわち、ステップＳ１０１では、判定レジスタに数値の「３」を設定する。判定レジスタは、プロファイルデータが図３のいずれの状態にあるのかを示すものであり、数値「０」は図３（Ａ）の状態にあることを、数値［１」は図３（Ｂ）の状態にあることを、数値「２」は図３（Ｄ）の状態にあることを、数値「３」は、図３（Ｃ）の状態にあることをそれぞれ示す。ステップＳ１０２ではカウンタレジスタを、ステップＳ１０３では高さレジスタＨを、ステップＳ１０４では最大高さレジスタＨｍを、それぞれ「０」にリセットする。

ステップＳ１０５では、プロファイルデータの０番目のデータから最後のデータに対して、ステップＳ１２１までの各ステップの処理を繰り返し実行する。ステップＳ１０６では、プロファイルデータのｉ番目の高さＹ（ｉ）が閾値Ｙｔを超えているか否かを判定し、越えている（ｙｅｓ）場合は次のステップＳ１０７に進み、越えていない（ｎｏ）場合は、接続端子Ｃを介してステップＳ１２１にジャンプする。この閾値Ｙｔは、レール３の側面３ａの下端付近に設定されるので、高さＹ（ｉ）が閾値Ｙｔを超えた時点で、レール３が２次元センサ１ａ、１ｂの検出範囲にあると判断できる。また、高さＹ（ｉ）が閾値Ｙｔを超えた時点で、図３（Ａ），図３（Ｂ）又は図３（Ｄ）のいずれの状態にあるのかを判定することができるようになる。なお、高さＹ（ｉ）が閾値Ｙｔをずっと超えなかった場合は、ガラス面が汚れ高さデータが無いか、又はセンサ故障でデータ出力が無い場合、すなわち図３（Ｃ）の状態にあることを意味するので、判定レジスタの値はデフォルト値「３」のままとなる。

ステップＳ１０７では、高さＹ（ｉ）が高さレジスタＨに所定値Ａを加算した値（Ｈ＋Ａ）よりも大きいか否かの判定を行い、大きい（ｙｅｓ）場合はステップＳ１１６に進み、それ以下（ｎｏ）の場合は、次のステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、高さＹ（ｉ）が高さレジスタＨから所定値Ａを減算した値（Ｈ−Ａ）よりも小さいか否かの判定を行い、小さい（ｙｅｓ）場合はステップＳ１１８に進み、それ以上（ｎｏ）の場合は、次のステップＳ１０９に進む。すなわち、ステップＳ１０７，Ｓ１０８では、高さＹ（ｉ）が高さＨの±所定値Ａの範囲に入っているか否かの判定を行なっている。ここで所定値Ａは、隣り合う高さデータの差を示し、レール頭面がほぼ水平であることを考慮して、約２［ｍｍ］に設定される。なお、この値は一例であり、これ以外の値でもよい。

ステップＳ１０９では、ステップＳ１０６でｙｅｓ、ステップＳ１０７及びステップＳ１０８で共にｎｏと判定された、すなわち、プロファイルデータの高さＹ（ｉ）が高さＨの±所定値Ａの範囲内に入っており、ほぼ一定の値で連続している箇所が存在していると判定されたので、カウンタレジスタを「＋１」だけインクリメント処理する。従って、このカウンタレジスタの値は、プロファイルデータの高さＹ（ｉ）が高さＨ付近で連続して並んでいる場合に増加するようになっている。ステップＳ１１０では、高さＹ（ｉ）の値が高さレジスタＨに格納されている値よりも大きいか否かの判定を行い、大きい（ｙｅｓ）場合は次のステップＳ１１２に進み、それ以下（ｎｏ）の場合は、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１では、高さＹ（ｉ）の値が高さレジスタＨに格納されている値よりも大きいと判定されたので、高さレジスタＨの値を現在の高さＹ（ｉ）に置き換える。ステップＳ１１２では、カウンタレジスタの値が所定値Ｂよりも大きいか否かの判定を行い、大きい（ｙｅｓ）場合は次のステップＳ１１３に進み、所定値Ｂ以下（ｎｏ）の場合は、ステップＳ１２０に進む。ここで、カウンタレジスタの値が所定値Ｂよりも大きいと判定されたということは、プロファイルデータの高さＹ（ｉ）が一定の値で連続している箇所が存在し、レール頭面３ｂが検出され、その高さＨをほぼ取得することができたことを意味する。なお、所定値Ｂはプロファイルデータ上の幅となりレール頭面を捉えたと判定する値とする。プロファイルデータ上の幅が「１０００」とした場合、所定値Ｂの値はその約５分の１の「２００」とする。

ステップＳ１１４では、現在の高さレジスタＨに格納されている値が最大高さレジスタＨｍの格納値よりも大きいか否かの判定を行い、大きい（ｙｅｓ）場合は次のステップＳ１１５に進み、それ以下（ｎｏ）の場合は、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１１５では、最大高さレジスタＨｍの格納値を現在の高さレジスタＨに格納されている値に置き換える。これによって最大高さレジスタＨｍには、高さＨの±所定値Ａの範囲内における最大値が格納される。

ステップＳ１０６及びステップＳ１０７で共にｙｅｓと判定されたということは、プロファイルデータの高さＹ（ｉ）が高さＨ＋Ａよりも大きいことを意味する。従って、ステップＳ１１６では、カウンタレジスタの値が所定値Ｂよりも大きいか否かの判定を行い、大きい（ｙｅｓ）場合は次のステップＳ１１７に進み、所定値Ｂ以下（ｎｏ）の場合はステップＳ１２０に進む。ステップＳ１１７では、レール頭面３ｂがほぼ検出された段階で、高さＹ（ｉ）が高さＨ＋Ａよりも大きい、すなわち図３（Ｄ）に示すような擬似データ３５，３６が発生したと判断されるので、判定レジスタに「２」を格納し、接続端子Ｃを介してステップＳ１２１に進む。

ステップＳ１１８では、カウンタレジスタの値が所定値Ｂよりも大きいか否かの判定を行い、大きい（ｙｅｓ）場合は次のステップＳ１１９に進み、所定値Ｂ以下（ｎｏ）の場合はステップＳ１２０に進む。ステップＳ１１９では、レール頭面３ｂがほぼ検出された段階で、高さＹ（ｉ）が高さＨ−Ａよりも十分に小さい、すなわち図３（Ｂ）に示すような高さデータの欠落した部分又は抜けた部分３２，３３，３４が発生したと判断されるので、判定レジスタに「１」を格納し、接続端子Ｃを介して、ステップＳ１２１に進む。ステップＳ１２０では、ステップＳ１０５にリターンし、上述の処理を全プロファイルデータに対して行う。

ステップＳ１２１，ステップＳ１２２及びステップＳ１２３では、判定レジスタが「０」，「１」，「２」のいずれがあるかの判定を行なう。判定レジスタが「０」の場合はステップＳ１２４に進み、判定レジスタが「１」の場合はステップＳ１２５に進み、判定レジスタが「２」の場合はステップＳ１２６に進む。ステップＳ１２４では、判定レジスタが「０」なので、レール頭面３ｂが正常に検出できたことを意味し、センサ値は正常であるとの表示を行なう。これによってセンサが正常であり、且つ高さ検出が正常に行なわれていることを、ユーザは認識することができる。

ステップＳ１２５では、判定レジスタが「１」なので、レール頭面３ｂが検出できたが、図３（Ｂ）に示すような高さデータに不連続な箇所が発生しており、ガラス面に汚れによる影響や投光受光の異常が出始めていると判断でき、センサ値の異常が表示される。この表示によって、ユーザはガラス面に汚れ等の異物が付着していることを速やかに知ることができ、ガラス面の清掃等を迅速に行なうことができる。ステップＳ１２６では、判定レジスタが「２」なので、レール頭面３ｂが検出できたが、所定値Ａよりも大きく変化した図３（Ｄ）に示すような擬似データ３５，３６が発生しており、ガラス面に水滴等が付着していると判断でき、センサ値の異常が表示される。この表示によって、ユーザはガラス面に水滴等が付着していることを速やかに知ることができ、ガラス面の清掃等を迅速に行なうことができる。

ステップＳ１２７では、レール頭面３ｂが全く検出できず、高さデータが一定数連続する箇所が見つからない状態と判断され、センサ値異常且つ高さ検出不可と表示される。この表示によって、ユーザはセンサや検出処理回路系の異常を速やかに知ることができ、迅速な再測定を実行することができるようになる。この場合は、レール変位高さは検出されなかったことになる。ステップＳ１２８では、最大高さレジスタＨｍの値がレール変位高さＲｈとして格納される。なお、この実施の形態では、ステップＳ１２５，ステップＳ１２６の処理の後に、このステップＳ１２８の処理を実行し、それまで測定されたレール変位高さＲｈを最大高さレジステＨｍに格納するようにしているが、このステップＳ１２８の処理を実行しないようにしてもよい。

上述の実施の形態では、ステップＳ１１７で判定レジスタに「２」を格納した場合、ステップＳ１１８で判定レジスタに「１」を格納した場合に、ステップＳ１２１にジャンプし、プロファイルデータの最後まで処理を行なわないようにしているが、プロファイルデータの全てに判定レジスタを対応付けて、どの個所で「１」又は「２」と判定されたかを認識することができるようにデータ処理してもよい。また、検測するレールの高さが事前に分かっている場合は、ステップＳ１０６におけるプロファイルデータのｉ番目の高さＹ（ｉ）が閾値Ｙｔを超えているか否かの判定を省略し、レールの高さを変数として予め設定しておき、このレール高さに対して所定値Ａを設定するようにしてもよい。上述の実施の形態では、判定レジスタに「１」又は「２」を格納する場合について説明したが、このような「１」又は「２」の判定を行なわずに、ガラス面に何らかの異常が発生したことを示すだけでもよい。

１ａ，１ｂ…次元センサ
２ａ，２ｂ…ガラス板
３…レール
３２，３３，３４…欠落した部分又は抜けた部分
３５…擬似データ
３ａ…側面
３ｂ…レール頭面
４…データ入力ボード
５…データサンプリング部
６…プロファイルデータ取得部
７…プロファイルデータ補正部
８…レール高さ算出・ガラス面状態判定部
９…軌道変位演算部

Claims (4)

1. 軌道頭面の両角部を測定中心とするような離間した位置に設けられた少なくとも２個の２次元センサ手段を用いて前記軌道のプロファイルデータを取得し、取得された前記プロファイルデータに基づいて、前記軌道頭面の高さを算出すると共に前記２次元センサの前面に設けられているガラス面の状態を検出する軌道検測方法であって、前記プロファイルデータの中の前記軌道頭面の高さを算出し、前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータが所定値の範囲外となった場合には前記ガラス面に異常があると判断することを特徴とする軌道検測方法。
2. 請求項１に記載の軌道検測方法において、前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータに所定値よりも大きい個所が存在する場合には前記ガラス面に水滴が付着していると判断し、前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータに所定値よりも小さい個所が存在する場合には前記ガラス面に汚れ等の異物が付着していると判断することを特徴とする軌道検測方法。
3. 軌道頭面の両角部を測定中心とするような離間した位置に設けられた少なくとも２個の２次元センサ手段と、
   前記２次元センサ手段から出力される測定信号に基づいて前記軌道のプロファイルデータを取得するプロファイルデータ取得手段と、
   前記２次元センサ手段によって測定された前記プロファイルデータに基づいて、前記２次元センサ手段の前面に設けられているガラス面の状態を検出するガラス面状態検出手段と、
   前記プロファイルデータに基づいて前記軌道頭面の高さを算出する軌道高さ算出手段とを備え、
   前記ガラス面状態検出手段は、前記軌道高さ算出手段によって算出された前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータが所定値の範囲外となった場合には前記ガラス面に異常があると判断することを特徴とする軌道検測装置。
4. 請求項３に記載の軌道検測装置において、前記ガラス面状態検出手段は、前記軌道高さ算出手段によって算出された前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータに所定値よりも大きい個所が存在する場合には前記ガラス面に水滴が付着していると判断し、前記軌道頭面の高さに対して前記プロファイルデータに所定値よりも小さい個所が存在する場合には前記ガラス面に汚れ等の異物が付着していると判断することを特徴とする軌道検測装置。

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