JP2008309680A - 軌道変位測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】軌道の静的変位を測定できるようにする。
【解決手段】静的変位を測定したい部位２Ｂに第１ターゲット３を掲示し、動的変位のみが発生し静的変位は発生しない部分に第２ターゲット５を掲示する。第１ターゲット３の実変位（動的変位＋静的変位）は第１カメラ装置４及び第１変位算出手段７によって求め、第２ターゲット５の変位（動的変位）は第２カメラ装置６及び第２変位算出手段８によって求める。そして、第３変位算出手段９によりそれらの差分を求めることにより、第１ターゲット３の部分２Ｂの静的変位のみが抽出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、軌道の変位を測定する軌道変位測定システムに関する。

従来、軌道の下を横断するような工事を非開削で行なって道路や水路等を構築することが行なわれている（例えば、ＨＥＰ工法やＪＥＳ工法）。このような工事を行なう場合には、軌道が隆起したり陥没したりしないようにすることが絶対不可欠であり、そのためには、軌道の高低変位をモニターしておいて隆起や陥没を未然に防止しなければならない。

ところで、軌道の変位を測定するシステムとしては、図４に示すものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。図示のシステムは、レール２００の側面に付されたマーク２０１をデジタルビデオカメラ２０２により撮影し、その画像をパソコン２０３で解析してレール２００の変位を測定するように構成されている（以下、従来例１とする）。

また、マトリックス式変位自動計測システム（ＨｙＰｏＳ：Ｈｙｐｅｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）と称されるシステムも実際に使用されている（例えば、非特許文献１参照。）。このシステムでは、変位を測定したい部位にターゲット（プリズム）を配置し、該ターゲットをトータルステーションで計測することにより、静的変位を検知出来るようになっている（以下、従来例２とする）。
特開２００４−２１２０７７号公報 （株）計測リサーチ、"ハイポス（ＨｙＰｏｓ）"、［平成１８年１２月１２日検索］、インターネット＜URL：http://www.krcnet.co.jp/technical/hypos/hypos02.htm ＞

しかしながら、上記従来例１の技術は、列車走行に伴う動的変位を測定するために開発されたものであるので、上述のような工事の際に使用すると、静的変位だけではなく、動的変位（例えば、工事の振動）までも検知してしまうという問題があった。

また、上記従来例２のシステムは静的変位を測定できるものの、高価であって、予算に余裕のある大規模な工事にしか使えないという問題があった。

本発明は、上述の問題を解消した軌道変位測定システムを提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、図１に例示するものであって、軌道（２）の変位を測定する軌道変位測定システム（１）において、
前記軌道（２）の変位測定部位（２Ｂ）に掲示された第１ターゲット（３）の画像を取得する第１カメラ装置（４）と、
前記軌道（２）以外の部分に掲示された第２ターゲット（５）の画像を取得する第２カメラ装置（６）と、
前記第１カメラ装置（４）からの画像に基づき前記第１ターゲット（３）の変位を算出する第１変位算出手段（７）と、
前記第２カメラ装置（６）からの画像に基づき前記第２ターゲット（５）の変位を算出する第２変位算出手段（８）と、
前記第１変位算出手段（７）の算出した変位と前記第２変位算出手段（８）の算出した変位との差分を算出することにより、前記変位測定部位（２Ｂ）に生じた変位を算出する第３変位算出手段（９）と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記第２カメラ装置（６）は、互いに離間する位置に掲示された６個以上の第２ターゲット（５）を含む画像を取得する装置であり、
前記第２変位算出手段（８）は、各第２ターゲット（５）の変位を算出する変位算出部（８０）と、動的変位が生じている第２ターゲット（５）を前記変位算出部（８０）の算出結果に基づき少なくとも６つ選択するターゲット選択部（８１）と、を有し、
前記第３変位算出手段（９）は、前記ターゲット選択部（８１）が選択した第２ターゲット（５）の変位に基づき、前記変位測定部位（２Ｂ）に生じた静的変位を算出することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記第１カメラ装置（４）は、前記変位測定部位（２Ｂ）に掲示された第１ターゲット（３）と、該第１ターゲット（３）から所定距離（Ｌ）だけ離れた前記軌道（２）上の部位（２Ａ，２Ｃ）に掲示された第３ターゲット（１０）とを含む画像を取得する装置であり、
前記第１変位算出手段（７）は、前記第１カメラ装置（４）からの画像に基づき前記第１ターゲット（３）の変位と前記第３ターゲット（１０）の変位とを算出する手段であり、
前記第３変位算出手段（９）は、前記第１乃至第３ターゲット（１０）の変位に基づき、前記第３ターゲット（１０）が掲示された部位（２Ａ，２Ｃ）の変位を基準とした前記変位測定部位（２Ｂ）の相対変位を算出する手段であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか1項に記載の発明において、前記第１カメラ装置（４）と前記第２カメラ装置（６）とは、相対変位が生じないように互いに固定されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記第２カメラ装置（６）は、互いに離間する位置に掲示された６個以上の第２ターゲット（５）を撮影できるように広角であることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明において、前記第２カメラ装置（６）は、３６０度の範囲の撮影が可能な全方位レンズを有することを特徴とする。

なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

請求項１，４，５及び６に係る発明において、前記第２ターゲットは、静的変位の影響を受けずに前記第１ターゲットと同様の動的変位を生ずる場所に掲示しておく。いま、軌道上の変位測定部位に静的変位と動的変位の両方が生じたとすると、第１変位算出手段は動的変位及び静的変位の両方（実変位）を算出するが、第２変位算出手段は動的変位のみを算出するだけであり、前記第３変位算出手段は前記変位測定部位に生じた静的変位のみを算出することができる。

本発明に係るシステムの測定精度（変位測定部位に生じた静的変位を適正に抽出できるかどうかに関する測定精度）は、第２ターゲットの掲示位置によってある程度は左右され、第２ターゲットを適正な位置に掲示できればノイズ（動的変位）を全く含まない静的変位を算出でき、第２ターゲットの掲示位置が不適切であればノイズ（動的変位）を含む静的変位が算出されることとなる。しかし、請求項２に記載のように、変位算出部やターゲット選択部を設けた構造のものでは、動的変位のみが生じている適正な第２ターゲットを選択できることとなるので、システムの測定精度を向上させることができる。

請求項３に係る発明によれば、第３ターゲットに対する第１ターゲットの相対変位を算出することができる。

以下、図１乃至図３に沿って、本発明を実施するための最良の形態について説明する。ここで、図１は、本発明に係る軌道変位測定システムの全体構成の一例を示す概略図であり、図２は、本発明に係る軌道変位測定システムの全体構成の他の例を示す概略図であり、図３は、両カメラの相対位置関係を求める様子を説明するための概略図である。

本発明に係る軌道変位測定システムは、軌道の変位を測定するものであって、好ましくは、工事等に起因する振動を含まない変位を測定するものである。本明細書においては、工事等に起因する振動を適宜“動的変位”と称することとし、該動的変位に比べて時間的な変化が少ない変位（例えば、軌道の隆起や陥没に繋がるような変位）を“静的変位”と称することとする。

本発明に係る軌道変位測定システムは、図１に符号１で例示するものであって、
・ 前記軌道２の変位測定部位（静的変位を測定する部位）２Ｂに掲示された第１ターゲット３の画像を取得する第１カメラ装置４と、
・ 前記軌道２以外の部分に掲示された第２ターゲット５の画像を取得する第２カメラ装置６と、
・ 前記第１カメラ装置４からの画像に基づき前記第１ターゲット３の変位（動的変位及び静的変位を含む変位。以下、適宜“実変位”と称する）を算出する第１変位算出手段７と、
・ 前記第２カメラ装置６からの画像に基づき前記第２ターゲット５の変位を算出する第２変位算出手段８と、
・ 前記第１変位算出手段７の算出した実変位と前記第２変位算出手段８の算出した変位との差分を算出することにより、前記変位測定部位２Ｂに生じた変位を算出する第３変位算出手段９と、
を備えている。

ここで、第１ターゲット３としては、画面上で位置を特定できる形状のもの（いわゆる“ターゲットマーク”と称されるもの）を用いると良い。この第１ターゲット３を掲示する方法としては、
・ シート状のものを貼付する方法や、
・ 塗料で描く方法
等を挙げることができる。この第１ターゲット３は、軌道の隆起や陥没を監視したい部分（レールの側面）に掲示すると良い。

他方の第２ターゲット５も、第１ターゲット３と同様で、画面上で位置を特定できる形状のもの（いわゆる“ターゲットマーク”と称されるもの）を用いると良い。この第２ターゲット５を掲示する場所は、前記第１ターゲット３とは異なり、隆起や陥没（静的変位）の影響を受けない地盤の上であって、しかも、第１ターゲット３と同程度の動的変位を受ける部分である必要がある。

いま、上述の変位測定部位２Ｂに静的変位と動的変位の両方が生じたとすると、第１変位算出手段７は動的変位及び静的変位の両方（実変位）を算出するが、第２変位算出手段８は動的変位のみを算出するだけであり、前記第３変位算出手段９は前記変位測定部位２Ｂに生じた静的変位のみを算出することができる。したがって、この第３変位算出手段９の算出結果をモニターしておけば、軌道２の隆起や陥没を未然に防止することができる。

ところで、上述の第２ターゲット５は、静的変位をせずに動的変位のみするものが６個あれば足りるが、全てのターゲット５を適正位置（静的変位の影響を受けず、しかも、第１ターゲット３と同程度の動的変位を受ける部分）に掲示できるとは限らない。そこで、以下のようにすると良い。

すなわち、適正位置と予想される部分に第２ターゲット５を６個以上（好ましくは１０個以上）互いに離間した状態で配置しておき、前記第２カメラ装置６によりそれらの第２ターゲット５を含む画像を取得するようにする。そして、前記第２変位算出手段８は、各第２ターゲット５の変位を算出する変位算出部８０と、動的変位のみが生じていて静的変位は生じていない第２ターゲット５を前記変位算出部８０の算出結果に基づき少なくとも６つ選択するターゲット選択部８１と、により構成する。そして、前記第３変位算出手段９は、前記ターゲット選択部８１が選択した第２ターゲット５の変位に基づき、前記変位測定部位２Ｂに生じた静的変位を算出するようにすると良い。

このように構成することの効果について説明する。本システムの測定精度（変位測定部位２Ｂに生じた静的変位を適正に抽出できるかどうかに関する測定精度）は、第２ターゲット５の掲示位置によってある程度は左右され、第２ターゲット５を適正な位置に掲示できればノイズ（動的変位）を全く含まない静的変位を算出でき、第２ターゲット５の掲示位置が不適切であればノイズ（動的変位）を含む静的変位が算出されることとなる。しかし、上述のように変位算出部８０やターゲット選択部８１を設けた構造のものでは、動的変位のみが生じている適正な第２ターゲット５を選択できることとなるので、システムの測定精度を向上させることができる。

一方、前記軌道２には、前記第１ターゲット３から所定距離Ｌ（例えば、５ｍ）だけ離れた部位（好ましくは、前記第１ターゲット３の両側２Ａ，２Ｃ）に第３ターゲット１０を掲示しておき、前記第１カメラ装置４によって、前記第１ターゲット３及び前記第３ターゲット１０を含む画像を取得するようにすると良い。そして、前記第１変位算出手段７は、前記第１カメラ装置４からの画像に基づき前記第１ターゲット３の実変位と前記第３ターゲット１０の実変位とを算出し、前記第３変位算出手段９は、前記第１乃至第３ターゲット３，５，１０の変位に基づき、前記第３ターゲット１０が掲示された部位２Ａ，２Ｃの変位を基準とした前記変位測定部位２Ｂの相対変位（静的変位）を算出するようにすると良い。

なお、上述のように第３ターゲット（図２の符号１０Ａ，１０Ｂ参照）を第１ターゲット（符号３参照）の両側にそれぞれ掲示する場合には、第１カメラ装置４Ａ，４Ｂ及び第２カメラ装置６Ａ，６Ｂをそれぞれ２台ずつ配置し、一方の第１カメラ装置４Ａでは一の第３ターゲット１０Ａと第１ターゲット３とを撮影し、他方の第１カメラ装置４Ｂでは他の第３ターゲット１０Ｂと第１ターゲット３とを撮影すると良い。このとき、第２カメラ装置６Ａ，６Ｂでは第２ターゲット５を撮影すると良い。また、第１ターゲット３の近傍の両側であってそれぞれのカメラ装置４Ａ，４Ｂにて撮影される部分に合成用ターゲット１１Ａ，１１Ｂを掲示しておいて、その合成用ターゲット１１Ａ，１１Ｂを用いてデータの合成を行なうようにすると良い。このようにした場合には、ターゲット間の離間距離Ｌが大きくても、また、カメラ装置４Ａ，４Ｂの画角が小さくても変位の測定をすることができる。

ところで、図１に示す第１ターゲット３は１つだけであるが、もちろんこれに限られるものではなく、静的変位を測定したい区間に複数配置しても良い。その場合、第１ターゲット３にも第３ターゲット１０にもなり得るターゲットを所定距離Ｌ毎に掲示しておいて、
・ ｉ番目のターゲットの静的変位は、（ｉ−１）番目のターゲットと（ｉ＋１）番目のターゲットとを基準にして求め、
・ （ｉ＋１）番目のターゲットの静的変位は、ｉ番目のターゲットと（ｉ＋２）番目のターゲットとを基準にして求め、
・ （ｉ＋２）番目のターゲットの静的変位は、（ｉ＋１）番目のターゲットと（ｉ＋３）番目のターゲットとを基準にして求め、
………
というようにしても良い。

また、図２についても同様であって、第１ターゲット３を複数配置しても良い。その場合、第１ターゲット３にも第３ターゲット１０Ａ，１０Ｂにもなり得るターゲットを所定距離Ｌ毎に掲示しておいて、
・ ｉ番目のターゲットの静的変位は、（ｉ−１）番目のターゲットと（ｉ＋１）番目のターゲットとを基準にして求め、
・ （ｉ＋１）番目のターゲットの静的変位は、ｉ番目のターゲットと（ｉ＋２）番目のターゲットとを基準にして求め、
・ （ｉ＋２）番目のターゲットの静的変位は、（ｉ＋１）番目のターゲットと（ｉ＋３）番目のターゲットとを基準にして求め、
………
というようにしても良い。その際、各ターゲットの近傍両側には合成用ターゲット１１Ａ，１１Ｂをそれぞれ掲示しておいて、それらのターゲット１１Ａ，１１Ｂを用いて各データの合成を行なうと良い。

ところで、前記第１カメラ装置４，４Ａ，４Ｂ及び前記第２カメラ装置６，６Ａ，６Ｂとしては、
・ いわゆるウェブカメラ（パソコンのＵＳＢポートに接続されて使用されるカメラ）や、
・ サーバー内蔵型のネットワークカメラや、
・ ネットワーク対応のデジタルカメラ
等を挙げることができる。上述のウェブカメラはパソコンを介してネットワークに接続されることとなるが、上述のネットワークカメラやデジタルカメラはパソコンを介さずに直接ネットワークに接続することが可能である。本発明に係るシステムは、ウェブカメラやネットワークカメラやデジタルカメラで構成されているため、トータルステーションを用いたものに比べて安価にできる。なお、前記第１カメラ装置４，４Ａ，４Ｂには望遠レンズを用いることもできるが、第２カメラ装置６，６Ａ，６Ｂは、互いに離間するように広範囲に分散配置されている６個以上の第２ターゲット５を撮影する必要があるので、広角でなければならない。したがって、この第２カメラ装置には、カメラ光軸の周りの３６０度の範囲の撮影が可能な全方位レンズ（例えば、立山マシン株式会社製の“ＰＡＬＮＯＮレンズ（登録商標）”）を使用しても良い。上述のウェブカメラやネットワークカメラやデジタルカメラには、数百万画素程度のものを用いると良い。なお、ウェブカメラやネットワークカメラを使用する場合には動画像を取得すれば良く、デジタルカメラを使用する場合には静止画像を取得すれば良い。なお、当然のことながら、静的変位の解析に用いる両カメラ装置の画像は、撮影タイミングが同じものでなければならず、例えば、両方のカメラ装置にデジタルカメラを使用する場合には、シャッタータイミングを同期させる必要がある。

ところで、上述の軌道変位測定システムでは、前記第１カメラ装置４及び前記第２カメラ装置６の両方で撮影した画像から変位を求めなければならないので、両カメラ装置４，６の相対位置関係が変動したりしないように、両カメラ装置４，６を互いに固定しておく必要がある。具体的には、両カメラ装置４，６を共通のブラケットやハウジング等に堅固に固定しておけば良い。また、これらのカメラ装置４，６は、屋外に配置できるように耐候性や耐水性に富む構造である必要がある。カメラのハウジングとしては、米国ビデオラーム社製の“ＦｕｓｉｏｎＤｏｍｅ（登録商標）”や“ＳｕｐｅｒＤｏｍｅ（登録商標）”を用いると良い。また、広角と望遠の２つのカメラがユニット化されたものも製品として販売されているので（例えば、ドイツのモボティックス社製の“Ｍ１０Ｄ−Ｓｅｃｕｒｅ”）、それを使用しても良い。

ところで、前記各カメラ装置４，６から前記第１及び第２変位算出手段７，８へのデータの転送は、無線で行なうと良い。そのためには、各カメラ装置４，６や各変位算出手段７，８に無線ＬＡＮアクセスポイント（例えば、バッファロー社製のＷＬＡ２−Ｇ５４Ｃ）をそれぞれ接続しておき、アクセスポイント間のデータ送信を無線で行なうようにすると良い。なお、必要に応じて外部アンテナを付けて、データ送信をするようにしても良い。また、可能ならば有線でデータ転送を行なうようにしても良い。

ところで、上述の軌道変位測定システムでは、前記第１カメラ装置４及び前記第２カメラ装置６の両方で撮影した画像から変位を求めなければならないので、該第１カメラ装置４と該第２カメラ装置６との相対位置関係を求めておく必要がある。以下、その方法について説明する。

各カメラ装置４，６が撮影できるエリアに、それぞれ６個の不動点（計１２個）を掲示する（図３の符号５０Ａ，５０Ｂ，…，５１Ａ，５１Ｂ，…）。これらの不動点５０Ａ，…，５１Ａ，…は、同一座標系で位置が確定されている必要がある。いま、不動点の実座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、不動点の画像座標を（ｘ，ｙ）とすると、下式が成立する。

いま、不動点は上述のように６個与えられているので、最小二乗法により１１個のパラメータＡ_１，Ｂ_１，Ｃ_１，Ｄ_１，Ａ_２，Ｂ_２，Ｃ_２，Ｄ_２，Ａ_３，Ｂ_３，Ｃ_３を求めることができる。

次に、１１個のパラメータにおける主点位置（ｘ_０，ｙ_０）を用いて、下式より写真座標を求める。

この写真座標を用いて下式の観測方程式を立て、最小二乗法で１１個のパラメータＡ_１，Ｂ_１，Ｃ_１，Ｄ_１，Ａ_２，Ｂ_２，Ｃ_２，Ｄ_２，Ａ_３，Ｂ_３，Ｃ_３と、Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｐ_１，Ｐ_２を求める。

求めた値は近似値なので、再度、主点位置（ｘ_０，ｙ_０）を計算し、観測方程式により１６個のパラメータを解き直す。そして、最終計算を行なった１６個のパラメータにより、１６個の標定要素を解く。

なお、レンズ収差を考慮するため、下式を用いる。

以上の計算を各カメラ装置４，６について行なうと、標定要素は同じなので、不動点を設けた座標系における第１カメラ装置４の位置、及び該座標系における第２カメラ装置６の位置がそれぞれ求まり、それらから、両カメラ４，６の相対位置関係が分る。その作業は、変位を測定する現場で行なう必要は無い。所定の設備が整った工場で事前に行なっておくと良い。

図１は、本発明に係る軌道変位測定システムの全体構成の一例を示す概略図である。 図２は、本発明に係る軌道変位測定システムの全体構成の他の例を示す概略図である。 図３は、両カメラの相対位置関係を求める様子を説明するための概略図である。 図４は、軌道の変位を測定する従来のシステムを説明するための概略図である。

符号の説明

１ 軌道変位測定システム
２ 軌道
２Ｂ 変位測定部位
３ 第１ターゲット
４，４Ａ，４Ｂ 第１カメラ装置
５ 第２ターゲット
６，６Ａ，６Ｂ 第２カメラ装置
７ 第１変位算出手段
８ 第２変位算出手段
９ 第３変位算出手段
１０ 第３ターゲット
８０ 変位算出部
８１ ターゲット選択部

Claims (6)

1. 軌道の変位を測定する軌道変位測定システムにおいて、
   前記軌道の変位測定部位に掲示された第１ターゲットの画像を取得する第１カメラ装置と、
   前記軌道以外の部分に掲示された第２ターゲットの画像を取得する第２カメラ装置と、
   前記第１カメラ装置からの画像に基づき前記第１ターゲットの変位を算出する第１変位算出手段と、
   前記第２カメラ装置からの画像に基づき前記第２ターゲットの変位を算出する第２変位算出手段と、
   前記第１変位算出手段の算出した変位と前記第２変位算出手段の算出した変位との差分を算出することにより、前記変位測定部位に生じた変位を算出する第３変位算出手段と、
   を備えたことを特徴とする軌道変位測定システム。
2. 前記第２カメラ装置は、互いに離間する位置に掲示された６個以上の第２ターゲットを含む画像を取得する装置であり、
   前記第２変位算出手段は、各第２ターゲットの変位を算出する変位算出部と、動的変位が生じている第２ターゲットを前記変位算出部の算出結果に基づき少なくとも６つ選択するターゲット選択部と、を有し、
   前記第３変位算出手段は、前記ターゲット選択部が選択した第２ターゲットの変位に基づき、前記変位測定部位に生じた静的変位を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の軌道変位測定システム。
3. 前記第１カメラ装置は、前記変位測定部位に掲示された第１ターゲットと、該第１ターゲットから所定距離だけ離れた前記軌道上の部位に掲示された第３ターゲットとを含む画像を取得する装置であり、
   前記第１変位算出手段は、前記第１カメラ装置からの画像に基づき前記第１ターゲットの変位と前記第３ターゲットの変位とを算出する手段であり、
   前記第３変位算出手段は、前記第１乃至第３ターゲットの変位に基づき、前記第３ターゲットが掲示された部位の変位を基準とした前記変位測定部位の相対変位を算出する手段である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の軌道変位測定システム。
4. 前記第１カメラ装置と前記第２カメラ装置とは、相対変位が生じないように互いに固定されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軌道変位測定システム。
5. 前記第２カメラ装置は、互いに離間する位置に掲示された６個以上の第２ターゲットを撮影できるように広角である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の軌道変位測定システム。
6. 前記第２カメラ装置は、３６０度の範囲の撮影が可能な全方位レンズを有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の軌道変位測定システム。

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