JP2006258531A

JP2006258531A - レール断面測定方法及びそれに使用されるレール断面測定装置

Info

Publication number: JP2006258531A
Application number: JP2005074585A
Authority: JP
Inventors: Kosaku Shiono; 幸策塩野; Shigeru Minagami; 滋皆上; Moriyoshi Hoshino; 守良星野
Original assignee: MSJ SOKEN KK; Mitsui Bussan Transportation System Co Ltd; ACT Electronics Corp
Current assignee: MSJ SOKEN KK; Mitsui Bussan Transportation System Co Ltd; ACT Electronics Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】レールの脚下部を使用して断面測定する方法ではガードレールに隠れた箇所の測定が不可能であった。レール側面を使用して断面測定する方法では側面が車両走行で摩耗するため測定誤差が多い。レールの顎に油がツララのように垂れ下がるとそれが測定誤差の原因となり測定データの信頼性が低い。
【解決手段】
レールにレーザ光を照射してレールにレールの輪郭線を表示し、２台のＣＣＤカメラで輪郭線の左側と右側を撮影した２つの２次元の撮影画像を同一画面上に表示し、２つの撮影画像を３次元処理して撮影画像中のレール脚の任意の一箇所の脚測定点とレールの顎測定点をレール幅の中心線を挟んだ対称位置に合わせて又は基準レールの基準画像に合わせて画像合成し、その合成画像に基づいて断面測定する。
【選択図】図３

Description

本発明は鉄道レールの摩耗を計測するためのレール断面測定方法とその測定に使用されるレール断面測定装置に関するものである。

鉄道レールは列車の走行により摩耗する。レールの摩耗は列車の脱線事故、人命事故に繋がる危険があるため、摩耗の確認とその修復、交換作業は安全確保の面から必要不可欠である。

レールの摩耗確認方法としてレールの断面形状を測定する方法がある。通常は図１３に示すＲＷＧ４５Ｌ（ゲージコーナー４５度）、ＲＨＣＬ（高さ摩耗）、ＲＷＧＬ（ゲージロス）、ＡＲＥＡＬ（頭部の摩耗量）を計測し、その測定値と基準レール（摩耗のない新品レール）のデータとの差から摩耗を計測している。ＲＷＧ４５Ｌはレール幅の中心線Ｘ−Ｘ（図１３）とレールＡの両側の顎Ｂを結ぶ線との交点Ｏから４５度の角度の内軌右角と基準レールの当該箇所との寸法差、ＲＨＣＬはレール上面Ｄと基準レールの当該箇所との寸法差、ＲＷＧＬは基準レール上面Ｄから１６ｍｍ下がった箇所における基準レールの側面と摩耗レールの側面との寸法差である。

レールの摩耗（寸法）測定方法や測定装置は従来から各種開発されている（特許文献１〜３参照）。

特許第２８１３８２５号特開平６−１１３１５号特開平６−３４１８１９号

前記特許文献１〜３の測定方法や測定装置の夫々には長所もあるが、そのうち、レールの脚の湾曲下部（図１３のＰ点）を撮影し、その撮影画面に基づいて計測する測定方法では次のような難点がある。
図１１のように走行レールＡの内側に脱輪防止のためのガードレールＧが併設されている場合、走行用レールＡの下部がガードレールＧに隠れてしまい、走行レールＡの脚下端の測定点Ｐの測定ができない。ガードレールＧが設置されている箇所は通常はレールＡの曲線部であり最も摩耗の激しい箇所であるため、その部分の摩耗測定が最も要求される。その箇所の測定が出来ない前記想定方法は致命的な問題を抱えている。

従来の測定方法には、図１２のように走行レールＡの側面Ｃの傾斜を使い、側面Ｃの画像を顎位置Ｑと仮想直線Ｙ―Ｙの傾きによって回転させて断面測定する方法もある。その測定方法では走行レールＡの側面Ｃが上面Ｄから下方に裾広がりに傾斜しているため、その傾斜と摩耗との識別が難しく、それが測定データバラツキの一因となることがある。特に、振替えレールの場合は直線部分が少ないため誤差が増える。また、走行レールの内軌側鍔にはその摩耗減少のために油が塗布されている。駅構内等においては図１３のように前記油がツララＦのように顎Ｂから垂れ下がることがあり、その油が顎Ｂの下部と誤認識されて測定誤差の一因となることもある。

本願発明のレール断面測定方法は、走行レール（図１３のＰ）がガードレールに隠れていても、走行レールの頭部が裾広がりに傾斜していても、油が走行レールの顎から垂れ下がっていても、精度の高い計測ができ、また、摩耗状態を目視できるようにしたものであり、そのため次のようにした。

本発明の請求項１のレール断面測定方法は、レールの上方からレールにレーザ光を照射してレール表面にその輪郭線を表示し、レールの幅方向左右の輪郭線を２台のＣＣＤカメラで撮影し、両カメラで撮影された左右の撮影画像を３次元処理してレールの断面形状に対応させ、左右の処理画像のレール脚に設定した脚測定点と、レール顎に設定した顎測定点の２点を同一画面上でレール幅の中心線を挟んだ対称位置に位置合わせしてレール断面形状の全体又は一部の合成画像を作成し、その合成画像に基づいてレール断面を測定する方法である。その測定データからレールの摩耗を測定することができる。請求項２のレール断面測定方法では脚測定点と顎測定点の２点を同一画面上で、基準レールの基準画像中の脚基準点と顎基準点に位置合わせしてレール断面形状の全体又は一部の合成画像を作成するようにした。

本発明の請求項３のレール断面測定方法では、前記レール断面測定方法において、左右いずれかの画像の顎測定点に異常があるときは、異常のある顎測定点は画像合成に使用せず、異常のある画像のレール上面を他方の画像のレール上面と又は基準画像のレール上面と位置合わせして画像合成するようにした。

本発明の請求項４のレール断面測定方法では、レーザ光の照射とＣＣＤカメラでの撮影をレールの軸方向に任意間隔ごとに行って、夫々の撮影箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像を作成し、その合成画像に基づいてレール断面を測定するようにした。請求項５のレール断面測定方法では夫々の撮影箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像を同一軸上に間隔をあけて一列に表示するようにした。

本発明の請求項６のレール断面測定方法では、測定により得られた測定項目別の計測値をキロ程ごとに数値又は／及びグラフで、画像と共に又は画像とは別に画面上に表示するようにしてある。請求項７のレール断面測定方法では、レールの各測定箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像、各測定箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像を同一軸上に間隔をあけて一列に表示した連続合成画像、合成画像を計測して得られた計測データの数値、グラフ、計測条件等の所望のものを同一画面に表示するようにした。請求項８のレール断面測定方法では、それらをプリントアウト又は／及び外部に伝送きるようにもしてある。

本発明の請求項９のレール断面測定装置は、前記レール断面測定方法に使用される測定装置であり、レールにレーザ光を照射して輪郭線を表示するレーザ光源、前記輪郭線をレールの左右から撮影するＣＣＤカメラ、ＣＣＤカメラでの撮影画像を３次元処理、画像合成、摩耗量の演算といった各種処理を行うコンピュータを備えたものとした。

本願の請求項１記載のレール断面測定方法は次のような効果がある。
１．撮影画像を３次元処理するため、ＣＣＤカメラでレール上の輪郭線を斜め位置から撮影しても、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸のいずれにおいても、レール断面をその正面直角方向から撮影した場合と同様の画像（レール本来の寸法に対応した画像）が得られるため、精度の高い測定ができる。
２．３次元処理した画像中のレールの脚測定点とレールの顎測定点を、レール幅の中心線Ｘ―Ｘを挟んで所定位置に位置合わせて合成するため、実際に測定したレールに忠実な合成画像が得られ、この合成画像に基づいて断面形状、摩耗量を計測するため精度の高い計測ができる。
３．脚測定点をガードレールがあってもＣＣＤカメラで撮影可能な位置に設定するので、ガードレールがあっても測定可能となる。
４．左右いずれかの画像の顎測定点に異常があるときは、異常のある顎測定点は画像合成に使用せず、異常のある画像のレール上面を他方の画像のレール上面と又は基準画像のレール上面と位置合わせして画像合成するので、油がレールの顎にツララのように垂れ下がっていても正確な測定ができる。
５．脚測定点も顎測定点も列車の走行によって摩耗しない箇所であるため、精度の高い画像合成ができ、レール断面の測定精度も高くなる。

本願の請求項２記載のレール断面測定方法は、３次元処理した画像の脚測定点と顎測定点の２点を、基準レールの基準画像の脚基準点と顎基準点に合わせて画像合成するので、次のような効果がある。
１．画像合成し易くなる。
２．基準画像とのずれ（断面形状の差）からレールの摩耗を画面上で確認することができる。

本願の請求項３記載のレール断面測定方法は、左右いずれかの画像の顎測定点に異常があるときは、異常のある顎測定点は画像合成に使用せず、異常のある画像のレール上面（摩耗がほとんどない）を他方の画像のレール上面と又は基準画像のレール上面と位置合わせして画像合成するので、レールの顎に油がツララのように垂れ下がっていることにより画像が異常になっても、その影響を受けることなくなく画像合成ができる。

本願の請求項４記載のレール断面測定方法は、前記レール断面測定方法において、レーザ光の照射とＣＣＤカメラでの撮影をレールの軸方向に任意間隔ごとに行って、夫々の撮影箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像を作成し、その合成画像に基づいてレール断面を測定するので、レールの軸方向の摩耗状況を把握することができる。

本願の請求項５記載のレール断面測定方法は、前記レール断面測定方法において、レーザ光の照射とＣＣＤカメラでの撮影をレールの軸方向に任意間隔ごとに行って、夫々の撮影箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像を同一軸上に間隔をあけて一列に表示して連続合成画像とするので、レールの軸方向（長手方向）のどの位置がどのように、どの程度摩耗しているかを画面上で目視することができ、非常に便利である。

本願の請求項６記載のレールの摩耗測定方法は、前記レール断面測定方法により得られた測定項目別の計測値を数値又は／及びグラフで画像と共に又は画像とは別に画面上にキロ程ごとに表示するので、レールの断面形状（摩耗状況）をレールの軸方向にキロ程ごとに確認することができる。

本願の請求項７記載のレールの摩耗測定方法は、左右のレール又はいずれか一方のレールの、各測定箇所の撮影画像、各測定箇所の合成画像、連続合成画像を計測して得られた計測データ、計測条件等の所望のものを同一画面に表示するので、レールの断面形状（摩耗状態）の把握に便利である。

本願の請求項８記載のレールの摩耗測定方法は、同一画面に表示される各測定箇所の撮影画像、各測定箇所の合成画像、連続合成画像、合成画像を計測して得られた計測データ、計測条件等の所望のものをプリントアウト又は／及び外部に伝送できるようにしたので、測定条件ならびに測定データの処理、加工、確認等に便利である。

本願の請求項９記載のレールの摩耗測定装置は、レーザ光源、ＣＣＤカメラ、コンピュータを備えているので、それを走行列車に搭載すれば、レールを走行しながら摩耗計測することができ、作業性も、作業効率も良く、労力や手間が少なくてすみ、コスト低減に資する。

（実施の形態１）
本願発明のレール断面測定方法の一実施を、図面を参照して以下に説明する。図１に示す実施例は次のようなレール断面測定方法である。

レール１の上方左右に配置したレーザスリット光源２からレール１にレーザ光を照射して、そのレーザ光によりレール１の上面３から脚４までに図２のようにレール１の輪郭線５を表示する。レーザスリット光源２はレール１の左側に２個、右側に２個使用し、それらをレール１の幅方向に離して配置し、左側２個のレーザスリット光源２からレール１の左側にレーザ光を照射し、右側２個のレーザスリット光源２からレール１の右側にレーザ光を照射する。この場合、レーザ光はガードレールによって遮断されないようにガードレールよりも高い位置から照射し、しかも、レール１の長手方向に対して垂直に照射する。また、左右夫々の２個のレーザスリット光源２からのレーザ光をレール１の顎６付近にオーバーラップして照射させて顎６の部分を強く照射する。

前記輪郭線５の左側（約左半分）と右側（約右半分）の夫々を、レール１の斜め上方左右に配置してある左右２台のＣＣＤカメラ７（図１）で同時に撮影する。この場合、測定範囲を設定（マスク設定）し、撮影画像を保存する（図３ａ）。

左右２台のＣＣＤカメラ７で撮影された２つの撮影画像（図３ａ）を３次元処理してコンピュータの同一画面に表示する（図３ｂ）。ＣＣＤカメラ７で撮影された画像はレール１の斜め上方から撮影されているためレール１の断面形状を正面から撮影したものとはＺ軸（レール断面の高さ方向）の寸法が異なる。３次元処理はこの寸法ずれを補正して正規の断面画像の寸法に合せるための処理である。この３次元処理は例えば次のようにして行うことができる。
フィルタ処理（スムージング等）
スリット画像の閾値判定
スリット座標位置取得（サブピクセル）
２次元画像の３次元座標変換

図１０にレールとレーザ光源及びＣＣＤカメラの配置関係を示す。図１０において、θ、Ｚ、ｂ、Ｌ、Ｃ、Ｙは夫々以下のとおりである。
θ：レーザ光源とＣＣＤカメラの中心とのなす角
Ｚ：ａ点の求める高さ
ｂ：レーザ光源とＣＣＤカメラの中心線が交差する点からカメラまでの長さ
Ｌ：レーザ光源とＣＣＤカメラの中心線が交差する点からレーザ光源までの長さ
Ｃ：レンズ中心からＣＣＤまでの長さ
Ｙ：ＣＣＤの結像の長さ
本発明における３次元処理は前記Ｚを求めることであり、図１０より次式で求めることができる。

ＹはＣＣＤ上の画素のトレースで求めることができ、Ｃ、ｂ、θは既知である為Ｚを求めることができる。又、レーザ光が当たっているＸ方向各点（画素点）のＺを同様に求め、画像を描出することができる。

次に、コンピュータの画面上に表示された３次元処理済みの左右の画像を合成して合成画像（図３ｃ）とする。この場合、左右の３次元データの回転、移動して画像を水平、垂直にし、顎位置検索し、画像を上下、左右に位置調整して顎測定点Ｍ（図４）とレール脚４（図１）の任意の一箇所の脚測定点８を、レール１の両側の顎測定点９とを図３（ｃ）のようにレール幅の中心線Ｘ−Ｘに対して所定間隔離れた対象位置に位置合わせて（セットして）合成画像１０（図３ｃ）を作成する。

前記合成画像１０は図３（ｄ）のように基準レールの合成基準画像１１と重ね合わせて合成することもできる。この場合、図４（ａ）のように、コンピュータの同一画面上で、左右の画像の脚測定点８、顎測定点９を、基準画像の脚測定点Ｎ、顎測定点Ｍに合わせて図３（ｄ）の合成画像１１を作成する。この場合、図３（ｄ）の合成画像１０と合成基準画像１１を色違いにして両者を比較し易くするのがよい。

レールの内軌側顎位置は油その他で汚れていることが多い。特に、図１３のように油カスが顎にツララのように垂れ下がっていることがある。この場合、顎測定点９を合成基準とすると合成画像は図４（ｂ）のように油カスが垂れ下がっている右画像が左画像よりも一段上に上がってしまう。このため測定誤差が生じたり、測定データに異常値が発生したりする。この誤差や異常値を軽減する為に、本発明では図４（ｂ）のように油が外軌側の顎測定点９より下に垂れ下がっている場合は、その顎測定点９は無視し、外軌側の顎測定点９を内軌側の測定点９として扱って画像合成する。より詳細には、外軌側と内軌側のいずれか一方の顎測定点９に異常があるときは、異常のある顎測定点９は画像合成に使用せず、図４（ｃ）のように異常のある画像のレール上面を他方の画像のレール上面と又は基準画像のレール上面と位置合わせして（油の垂れ下がりのない外軌側の顎測定点９を内軌側の測定点９として扱って）画像合成する。

また、脚測定点８が１ポイント（１箇所）では、レールのカーブの部分で走行車両が左右に振られ、それに伴って走行車両に搭載されている測定装置も左右に振られると、ＣＣＤカメラの視界がガードレールに遮られてＣＣＤカメラで脚測定点を撮影できない場合がある。これを防ぐ為に本発明では脚測定点８に幅を持たせるようにした。例えば、脚測定点８を顎からの距離６５ｍｍ±１０ｍｍとして、顎から５５ｍｍ〜７５ｍｍまでの撮影画像を処理できるようにした。

合成後に、合成画像におけるＲＷＧ４５Ｌ（ゲージコーナー４５度）、ＲＨＣＬ（高さ摩耗）、ＲＷＧＬ（ゲージロス）、ＡＲＥＡＬ（頭部の摩耗量）を、基準レールを予め計測して得てある基準値（基準データ）と比較して計測する。計測はコンピュータの演算処理機能により行い、計測データはコンピュータのメモリーに保存する。

前記ＣＣＤカメラ７には汎用のデジタルカメラとか、本件測定方法のために開発した専用のＣＣＤカメラ等を使用することができる。前記３次元処理も汎用の３次元処理ソフトとか、本件測定方法のために開発した専用の３次元処理ソフト等を使用することができる。

前記したレーザ光の照射とＣＣＤカメラ７での撮影は、レーザ光源２とＣＣＤカメラ７とをレール１の軸方向（長手方向）に沿って移動させて、レールの軸方向任意間隔ごとに撮影を行い、夫々の測定箇所ごとの左右２つの画像を前記のように３次元処理して画像合成し、夫々の合成画像に基づいて夫々の測定箇所のレール寸法を計測して、キロ程ごとに計測することができる。この場合、左右のレールのキロ程ごとの合成画像を図５（ａ）（ｂ）のように前後方向の同一軸上に間隔をあけて一列に表示して連続合成画像１２を画面上に表示し、レールの長手方向の摩耗状況を画面上で確認できるようにしてある。更には、計測条件、前記キロ程ごとの計測データを図６のように計測項目別に数値と画像でコンピュータ画面上に表示して、キロ程ごとの摩耗状況を数値でも画像でも確認できるようにしてある。この表示は数値だけでも画像だけでもよい。この場合、図７のように図６の数値に変えてグラフにすることもできる。

図３（ａ）〜（ｄ）、図４（ａ）〜（ｃ）のレール画像及び合成過程の画像、図５（ａ）（ｂ）のレールの軸方向各測定箇所の連続合成画像、図６〜図９の合成画像における計測条件、計測データ等の任意のものは、プリントアウトしたり、外部のデータ処理装置に伝送したりすることができるようにしてある。

本発明の測定装置は前記レーザ光源２、ＣＣＤカメラ６をフレームに装備して、レーザ光源２とＣＣＤカメラ６相互の間隔や相対角度、レールに対する角度等を固定として、走行列車の床下に設置し易くしておくと便利である。計測処理、データ処理するコンピュータ（測定データ処理部）は車内に設置して、列車がレール上を走行することにより自動的にレール断面形状を測定することができるようにしてある。

本発明のレールの断面測定方法におけるレールとレーザ光源とＣＣＤカメラの配置を示す説明図。本発明のレールの断面測定方法において、レールに照射されたレーザ光の輪郭線を示す斜視図。（ａ）〜（ｄ）は本発明のレールの断面測定方法において、３次元処理した撮影画像をレール幅中心線Ｘ―Ｘの左右に配置して合成画像を作る場合の説明図。（ａ）〜（ｃ）は本発明のレールの断面測定方法において、３次元処理した撮影画像を基準画像と位置合わせして合成画像を作る場合の説明図。（ａ）、（ｂ）は本発明のレールの断面測定方法において、左右のレールの軸方向多数の測定ポイントの合成画像をレールの軸方向に間隔をあけて表示した説明図。本発明のレールの断面測定方法における測定結果表示画面の一例を示すもので、測定値を数値表示した説明図。本発明のレールの断面測定方法における測定結果表示画面の一例を示すもので、測定データをグラフ表示した説明図。図７の画面中の表部分の拡大図。図８の画面中のグラフ部分の拡大図。本発明のレールの断面測定方法において、レールとレーザ光源とＣＣＤカメラの配置と、３次元処理の原理を示す説明図。従来のレールの断面測定方法の一例を示す説明図。従来のレールの断面測定方法の他例を示す説明図。レールの断面測定方法の説明図。

符号の説明

１レール
２レーザ光源
３レールの上面
４レールの脚
５レーザ光による輪郭線
６顎
７ＣＣＤカメラ
８レールの脚測定点
９レールの顎測定点
１０合成画像
１１基準画像
１２連続合成画像
Ｘ−Ｘレール幅の中心線

Claims

レールの上方からレールにレーザ光を照射してレール表面にその輪郭線を表示し、レールの幅方向左右の輪郭線を２台のＣＣＤカメラで撮影し、両カメラで撮影された左右の撮影画像を３次元処理してレールの断面形状に対応させ、左右の処理画像のレール脚に設定した脚測定点と、レール顎に設定した顎測定点の２点を同一画面上でレール幅の中心線を挟んだ対称位置に位置合わせしてレール断面形状の全体又は一部の合成画像を作成し、その合成画像に基づいてレール断面を測定することを特徴とするレール断面測定方法。
請求項１記載のレール断面測定方法において、脚測定点と顎測定点の２点を同一画面上で基準レールの基準画像中の脚基準点と顎基準点に位置合わせしてレール断面形状の全体又は一部の合成画像を作成し、その合成画像に基づいてレール断面を測定することを特徴とするレール断面測定方法。
請求項１又は請求項２記載のレール断面測定方法において、左右いずれかの画像の顎測定点に異常があるときは、異常のある顎測定点は画像合成に使用せず、異常のある画像のレール上面を他方の画像のレール上面と又は基準画像のレール上面と位置合わせして画像合成することを特徴とするレール断面測定方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のレール断面測定方法において、レーザ光の照射とＣＣＤカメラでの撮影をレールの軸方向に任意間隔ごとに行って、夫々の撮影箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像を作成し、その合成画像に基づいてレール断面を測定することを特徴とするレール断面測定方法。
請求項４記載のレール断面測定方法において、レーザ光の照射とＣＣＤカメラでの撮影をレールの軸方向に任意間隔ごとに行って、夫々の撮影箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像を同一軸上に間隔をあけて一列に表示することを特徴とするレール断面測定方法。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のレール断面測定方法により得られた測定項目別の計測値を数値又は／及びグラフで、画像と共に又は画像とは別に画面上にキロ程ごとに表示することを特徴とするレール断面測定方法。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のレール断面測定方法において、レールの各測定箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像、各測定箇所のレール断面形状の全体又は一部の合成画像が同一軸上に間隔をあけて一列に表示された連続合成画像、合成画像を計測して得られた計測データの数値、グラフ、計測条件等の所望のものを同一画面に表示することを特徴とするレール断面測定方法。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のレール断面測定方法において、画面上に表示される左右のレール又はいずれか一方のレールの各測定箇所の撮影画像、各測定箇所の合成画像、同一軸上に間隔をあけて一列に表示された連続合成画像、合成画像を計測して得られた計測データの数値、グラフ、計測条件等の所望のものをプリントアウト又は／及び伝送できるようにしたことを特徴とするレール断面測定方法。
請求項１乃至請求項８のレール断面測定方法に使用される測定装置であり、レールにレーザ光を照射して輪郭線を表示するレーザ光源、前記輪郭線をレール左右から撮影するＣＣＤカメラ、ＣＣＤカメラでの撮影画像を３次元処理、画像合成、摩耗量の演算といった各種処理を行うコンピュータを備えたことを特徴とするレール断面測定装置。