JP2010230527A - 鉄道レール締結緩み検査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レール締結装置の型式が変化しても、正確に締結緩みなどを検出できる鉄道レール締結緩み検査装置、また、異常締結装置の位置を正しく特定できる鉄道レール締結緩み検査装置を提供する。
【解決手段】ラインセンサ１と複数のスポットレーザ投光器２が、スポットレーザ光のひとつはレール踏面で反射し、他のスポットレーザ光は少なくともひとつは締結ボルトまたは締結ナットの頂面で反射するように配置され、ラインセンサから入力された画像の光点の高さを算定し、ＩＤ情報記憶装置２１から入力した検査対象のＩＤ情報とレーザ光反射位置とに基づいて、締結ボルトまたは締結ナットの頂面の高さを算定して基準値と比較することにより締結ボルトまたは締結ナットの緩みおよび不存在を検出し、結果を表示装置２３に表示させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道におけるレール締結ボルトや締結ナットの緩み具合を自動的に検知する鉄道レール締結緩み検査装置と方法に関し、特に軌道確認車に搭載して高速走行しながら締結ボルトや締結ナットの緩みを検査することができる鉄道レール締結緩み検査装置と方法に関する。

鉄道におけるレール締結装置は、レール基部の両側から板バネの先端部で押さえ込んでレールを固定する。板バネは、中央部を締結ボルトで枕木上に圧着して押力を確保する。したがって、レール締結ボルトに緩みが生じると板バネの先端部がレール基部から浮き上がり、レールが横ずれを起こしたり、レールの高さを調整するレールパッドが外れたりするため、締結ボルトの緩みを定期的に検査する必要がある。
締結ボルトの緩み検査は、通常列車運行が少ない夜間に目視やハンマ打撃音の観察により行われるため、多数の熟練保守作業員が必要であり、また人力によるため見落とす可能性があった。

新幹線では、毎朝、各区に軌道確認車を走らせてレールや架線に異常がないことを確認してから、始発列車の運転をしている。
軌道確認車や営業車両に鉄道レール締結緩み検査装置を搭載して、ボルト緩みを自動監視できれば便利である。また、自動的な検査装置を用いて日頃からレールの状態を把握しておけば、予防保全にも役立つ。さらに、巡回作業には危険も伴うため、車両上から検査できることが望まれていた。

特許文献１には、このような目的に使用できるものとして、軌道確認車などの床下に配置され走行中にレール締結ボルトの緩み具合を自動検査する装置であって、締結ボルトの位置変動や車両の揺れがあっても検査が可能な鉄道レール締結緩み検査装置が開示されている。
図１８は、特許文献１に示された鉄道レール締結緩み検査装置のセンサ部の概略構成図である。また、図１９は、測定装置の回路を示すブロック図である。
特許文献１に開示された鉄道レール締結緩み検査装置は、図１８及び図１９に示すように、ラインセンサと複数のスポットレーザ投光器とレーザ点灯回路と画像入力回路と判定回路を備えた装置である。

ラインセンサは、図１８に示すように、レール踏面とレールを挟んだ１対の締結ボルトの頂面が視野に入るように配置され、複数のスポットレーザ投光器の光軸とラインセンサの検出軸とが一平面内に来るように配設される。スポットレーザ投光器のひとつは放射レーザ光をレール踏面で反射させ、他のスポットレーザ投光器は、車体の揺れや締結装置の型式の変化があっても、少なくとも1つは、測定時に締結ボルトの頂面でスポットレーザ光を反射させるような位置に配設される。

スポットレーザ投光器は、パルス発生器から供給されるパルスにより順次駆動され、少しずつずれた位置を照射する。ラインセンサは、同じパルスによりスポットレーザ光と同期して駆動されて、スポットレーザ光の反射位置を検出する。
頂面高さは、ラインセンサの映像中の反射位置とスポットレーザの照射方向に基づき、三角測量の原理を用いて反射面の高さを求めて得ることができる。

車両が上下動することによりラインセンサと反射面の距離が変化するが、レール踏面の高さを基準として反射面の高さを求めることにより、車両の上下動の影響を除去した絶対的な値を得ることができる。判定回路は、レーザ光反射位置に基づいて求めた締結ボルト頂面の高さとレール踏面の高さに基づいて締結ボルトの緩みを検出し、結果を提示するようになっている。

なお、頂面高さを測定の度に三角測量計算を行って求める代わりに、それぞれのスポットレーザ投光器毎に、頂面高さと反射点を捕らえるラインセンサの画素位置の関係を予め校正して対応表として記憶装置に格納して利用することにより、反射点を捕らえた画素の位置から直接にレール踏面およびボルト頂面の高さを得ることができる。締結装置ごとの判定結果は、可搬式の外部メモリに格納して、地上の解析室に搬入して詳しく解析できるようにする。

特許文献１に開示された鉄道レール締結緩み検査装置は、車載型で自動検出するので、これを軌道確認車や営業車両に搭載して検査を実施することにより、巡回作業の危険が減少すると共に、走行中に大量に収集した管理資料を使うことにより的確な予防保全が可能になる。

特開２００８−２２４６３１号公報

特許文献１により開示した鉄道レール締結緩み検査装置は、締結装置用のスポットレーザの反射光点のうち最高位置にあるものを締結ボルトの頂面とみなして、締結ボルトの緩みを判断していた。このため、バラストやケーブルなどを明確に区別することが困難で、これらノイズのため、ボルト頭部を特定することができない場合があった。

また、締結装置によっては、ナットで締め込んでレールを固定するものがあるが、締結ナットで締め込む締結装置では、最高位置の検出点がナットの嵌ったボルトの頂点になるので、検出された最高位置では緩みを判定することができなかった。

さらに、締結装置は型式により締結ボルトの締め込み高さが変化する場合があり、締結ボルトの位置や適度な締め具合と考えられる頂面の高さ範囲に相違があって、緩み状態の判定に過誤が生じることがあった。
また、路線中に型式の異なる締結装置が混在する場合には、型式ごとの境界位置を与える位置情報と別途車上で演算により得た位置とを比較して決めていたが、車上の演算情報は、空転や滑空、車輪摩耗の影響によって誤差が生じるため、型式境界位置を正確に特定することが難しい。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、レール締結装置の型式が変化しても、正確に締結ボルトや締結ナットの緩みや不存在を検出できる鉄道レール締結緩み検査装置及び方法を提供することである。
また、異常ボルトや異常ナットの位置を正しく特定できる鉄道レール締結緩み検査装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の鉄道レール締結緩み検査装置は、ラインセンサと複数のスポットレーザ投光器とレーザ点灯回路と画像入力手段と高さ算定手段と判定手段とＩＤ情報記憶手段とを備えた装置である。
ラインセンサは、レール踏面とレールに近接して設けられた締結ボルトまたは締結ナットの頂面が視野に入るように配置される。複数のスポットレーザ投光器は、ラインセンサの検出軸と一平面内に来るように配設され、スポットレーザ投光器のひとつはその放射レーザ光がレール踏面で反射するように配置され、他のスポットレーザ投光器は測定時に締結ボルトまたは締結ナットの頂面で放射レーザ光が少なくともひとつは反射するような位置に配置される。

画像入力手段は、レーザ点灯切り換えごとにラインセンサからレーザ光反射位置を示す画像を入力し、高さ算定手段は、入力された画像の光点の高さを算定し、判定手段は、ＩＤ情報記憶手段から入力した検査対象のＩＤ情報とレーザ光反射位置とに基づいて、締結ボルトまたは締結ナットの頂面の高さを算定して基準値または隣接するボルト高さの平均値と比較することにより締結ボルトまたは締結ナットの緩みおよび／または不存在を検出し、結果を表示装置に表示させる。

また、本発明の鉄道レール締結緩み検査装置は、搭載する車両の車輪の回転検出器から車両の移動距離に関するパルス信号を入力して逓倍または分周するパルス変成器をさらに備え、このパルス変成器から入力するパルス信号をレーザ点灯器とラインセンサ駆動をする画像入力手段に供給して、スポットレーザとラインセンサの動作を同期させる。

たとえば、締結ナットはボルトの周囲に狭い上面しか持たないので、締結ナットの上面位置を検出するためには、スポット密度を上げることが好ましい。そこで、ナットで締める型式の締結装置を対象とするときは、回転検出器からのパルスを逓倍させてスポット間隔を狭くすることにより、狭いナット上面を検出し易くすることができる。

ラインセンサが、レールを挟んで配設される１対の締結ボルトまたは締結ナットのそれぞれの頂面が視野に入るように配置され、また、複数のスポットレーザ投光器は、スポットレーザ投光器のひとつがその放射レーザ光がレール踏面で反射するように配置され、他のスポットレーザ投光器が測定時にレールを挟んで配設される１対の締結ボルトまたは締結ナットのそれぞれの頂面で放射レーザ光が少なくともひとつは反射するような位置に配置されるものであってもよい。

なお、必要に応じて、軌道確認車の走行速度を低下させることで、逓倍率の上限値が上がるため、より細かいスポット間隔で測定ができる。
また、本発明の鉄道レール締結緩み検査装置の判定手段は、地点検知器から入力した検出信号を用いて、内部で積算により推定される締結装置番号を修正することができる。

また、本発明の鉄道レール締結緩み検査方法は、レール踏面とレールを挟んだ１対の締結ボルトまたは締結ナットの頂面が視野に入るように配置されたラインセンサと、ラインセンサの検出軸と同一平面内に来るように配設された複数のスポットレーザ投光器であって、スポットレーザ投光器のひとつはその放射レーザ光がレール踏面で反射するように配置され、他のスポットレーザ投光器は測定時に１対の締結ボルトまたは締結ナットのそれぞれの頂面で放射レーザ光が少なくともひとつは反射するような位置に配置された、複数のスポットレーザ投光器と、を備える検査装置において、複数のスポットレーザ投光器を順次点灯するステップと、レーザ点灯切り換えごとにラインセンサからレーザ光反射位置を示す画像を入力するステップと、照射したスポットレーザ投光器とラインセンサにおけるレーザ光反射位置とに基づいて、入力された画像の光点の高さを算定するステップと、検査対象のＩＤ情報に基づいて与えられる基準値と算定された光点の高さを比較することにより締結ボルトまたは締結ナットの緩みおよび／または不存在を判定するステップと、結果を表示装置に表示させるステップと、を備える。

本発明の鉄道レール締結緩み検査装置は、軌道確認車や営業車等に搭載して、走行中に、締結装置の締結ボルトや締結ナットの欠落や緩みを判定する情報を収集することができる。判定手段は、収集した情報と締結装置のＩＤ情報とに基づいて、締結ボルトや締結ナットの欠落や緩みを評価判定することができる。判定結果は直ちに現場保全活動に反映させると共に、蓄積して予防保全に寄与させることができる。

また、本発明の鉄道レール締結緩み検査方法によれば、走行中に、締結装置の締結ボルトや締結ナットの欠落や緩みを判定することができる。
本発明の鉄道レール締結緩み検査装置及び方法は、従来装置と比較して信頼性が向上したので、車両に搭載して利用することにより、多数の熟練工を必要とし危険対策も必要な巡回作業を削減することができる。

本発明の１実施形態に係る鉄道レール締結緩み検査装置のセンサ部の概略構成図である。 本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置の構成を説明するブロック図である。 本実施形態の管理対象となる締結装置の一部断面側面図である。 本実施形態の管理対象となる締結装置の平面図である。 本実施形態における締結ボルトの近傍を検出したときの各光点位置の測定例を示す図面である。 本実施形態におけるスポットレーザ光反射面高さの測定原理を説明する略図である。 本実施形態の判定回路で実行するアルゴリズムのメインフローを説明するフロー図である。 本実施形態の判定回路で実行する締結装置異常判定アルゴリズムを説明するフロー図である。 本実施形態の判定回路で実行する装置番号と地上位置を照合するサブルーチンのアルゴリズムを説明するフロー図である。 本実施形態における投票の概念を説明する図表である。 本実施形態で使用する地点対照表の例を示す図表である。 本実施形態の管理対象となる、ナットで板バネを締め込む型式の締結装置の一部断面側面図である。 本実施形態の管理対象となる、タイプレートの上でナットにより板バネを締め込む型式の締結装置の平面図である。 本実施形態における締結ナットの近傍を検出したときの各光点位置の測定例を示す図面である。 本実施形態における締結ナットの緩み検査の状況を説明する図面である。 本実施形態における種別境界例を指示する表である。を従来例と比較して説明する説明図である。 従来の種別境界判定方法と本実施形態の種別境界判定方法で判定した結果を比較して示した説明図である。 従来例における鉄道レール締結緩み検査装置のセンサ部の概略構成図である。 従来例における鉄道レール締結緩み検査装置の回路構成を示すブロック図である。

本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置は、車両に搭載して鉄道軌道を走行する間に締結装置の締結ボルトあるいは締結ナットの緩みあるいは欠落を検出し、緩みなどのある締結ボルトあるいは締結ナットの位置と状態に係る情報を表示して、保全作業に活用できるようにするものである。

以下、図面を用い実施形態に基づいて本発明の鉄道レール締結緩み検査装置を詳細に説明する。
図１は、本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置のセンサ部分がレール締結ボルトに対向して緩み検査をしているところを表した概略構成図、図２は測定回路部分のブロック図である。

本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置は、図１に示すように、センサ部分がラインセンサ１とスポットレーザ投光器２で構成され、測定対象との間に保護ガラス３１を備えた保護筐体３に収納されている。保護ガラス３１は、内部と外気を遮断して、センサ部分に異物が侵入したり衝突したりすることを防ぎ、ヒータを付属して、内外の温度差でガラスに結露して不透明になることを防ぐ。

保護筐体３内のレール踏面４１の直上位置に配置された１個のラインセンサ１で全ての反射光点を観測するため、複数のスポットレーザ投光器２のそれぞれはラインセンサ１のセンサ軸を含む面内に配設される。また、スポットレーザ投光器２は、レーザ光線がラインセンサ１の視野内で反射するように斜め上方から照射する位置に設置される。

保護筐体３は、高速走行する図示しない軌道確認車の左右の床下にそれぞれ１式ずつレールに対向して配置され、ラインセンサ１の視野がレール踏面４１を中心としてレール４０の両側に配置される締結ボルトあるいは締結ナットの頂面４２を包含するように固定される。
レール４０は、たとえば図１に示すように、枕木４３の上に締結ボルトで圧着される板バネ４４の先端部で基部を押さえることにより固定されている。

なお、レール締結装置には色々な種類のものがあり、たとえば、図１に代表例として示し、図３に一部断面側面図を、また図４に平面図を示すような、締結ボルトで板バネ４４を締め込んで板バネの先端でレール４０の裾を押さえ込む型式がある。この型式では、締結緩みは締結ボルトの頂面４２の高さで判断することができる。

ラインセンサ１は、たとえば１０２４画素の光学セルを有する１次元ＣＣＤカメラで、たとえば３１ｋＨｚのパルスで駆動され、１パルス毎に１フレームの１次元映像を出力する。
スポットレーザ投光器２は、レール４０を挟んで対称に配置される２群に分かれ、たとえば、図１に示すように、レール踏面４１を照射するレール用投光器Ｌ１０：Ｌ２０と、締結ボルト頂面４２を照射するためのボルト用投光器Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３：Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３で構成される。

締結ボルトの緩みは、ボルト頂面４２の高さを測定することにより判定される。ボルト頂面４２の高さは、ターゲットとなるボルト頂面を捕らえたスポットレーザ投光器１からのレーザ光が頂面上で反射して形成する光点をラインセンサ１で検出した結果を用いて、三角測量の原理で算出することができる。

また、レール用投光器Ｌ１０：Ｌ２０は、レール締結ボルトの緩みを検知するときの基準高さとなるレール踏面４１までの距離を計測するために使用される。レール踏面４１の測定値を基準値としてレール締結ボルトの頂面４２高さを算定することにより、車両の上下動の影響を相殺して絶対的な高さを知ることができる。

図５は、横軸に車両の走行距離、縦軸に光点の高さを取った図により、締結ボルトの近傍を検出したときの各光点位置の測定例を示す図面である。スポットレーザ投光器Ｌ１１の光点は、板バネ４４の表面を検知している。スポットレーザ投光器Ｌ１３の光点は、見えないところから板バネ４４の表面を走査するようになり、次いで座金部で少し高くなり、さらにボルト頂面４２の平面に上がって最高地点を水平に移動し、その後再び座金部に落ち、さらに板バネ４４の表面を走査した後に、光点が見えないところに落ちる。また、スポットレーザ投光器Ｌ１２の光点は、ボルトの裏側を走査する間は陰になって、ラインセンサ１からは観察できない。

図６は、スポットレーザ光反射面高さの測定原理を説明する略図である。
スポットレーザ投光器２の先端Ｌから放射されるスポットレーザは、物の表面に当たって反射する。スポットレーザの照射点Ｒで反射した光はラインセンサ１の光学中心Ｃを通過してＣＣＤセンサ５に捕捉され、反射光の入射角によって決まる位置にある光学セルＤに光が蓄積される。なお、スポットレーザ投光器２はＣＣＤセンサ５の光学軸の方向に配置されるものとする。図６では、ラインセンサＳの内部にあるＣＣＤセンサ５を物体の外側の対応位置に等価的に拡大した写像として表示した。

ラインセンサ１の光学中心Ｃとスポットレーザ投光器の先端位置Ｌの位置関係が固定しており、スポットレーザの照射方向が確定しているので、スポットレーザ反射位置Ｒのレーザスポットが投影されるＣＣＤセンサ５の光学セルＤの位置とスポットレーザが反射した物体表面と光学中心Ｃの距離Ｈの関係は一義的に決まる。
たとえば、図６に示したように、スポットレーザが枕木表面４５に当たっているときの反射位置Ｒが投影する光学セルＤに対して、光路中に締結ボルトが入って締結ボルト頂面４２にできた反射点Ｒ'の投影される光学セルＤ'はより外側に寄ることになる。

このように、反射点Ｒまでの高さ距離Ｈは、反射点Ｒを捕らえた光学セルＤの位置に対応するので、ラインセンサ１の出力から直ちに得ることができる。
反射点Ｒまでの距離Ｈと光学セルＤの位置の関係は、演算によって求めることができるが、スポットレーザ投光器２の設置位置やレーザ光投射方向によっても変化しまた複雑な演算が必要なので、各スポットレーザ投光器毎に実地に試験することによりキャリブレーションして決定しておいてもよい。また、スポットレーザ投光器ごとに、予め演算により距離と光点位置の関係を求めておくこともできる。

キャリブレーションや演算の結果は、スポットレーザ投光器毎に決まる光学セルの位置と反射面の高さの対応表の形で対応表記憶装置に格納され、測定結果から反射面までの距離を求めるときに利用される。
こうして反射点Ｒまでの距離Ｈを知ると、レール踏面４１までの距離との差Δｈ_Ｂを求めることにより反射点Ｒの絶対的な高さを算出することができる。

ただし、８個のスポットレーザ投光器２による反射光が一度にラインセンサ１に入射すると、反射光に対応する投光器を特定することが難しくなる。そこで、ラインセンサ１で１フレーム撮影する間に、レールを挟む左右の締結装置に対してそれぞれ１個のスポットレーザ投光器しか点灯しないようにシーケンスを組んで、反射光位置と投光器の対応が簡単にとれるようにしてある。
なお、レール踏面４１に照射するスポットレーザ投光器Ｌ１０：Ｌ２０は締結ボルト用スポットレーザ投光器２を１巡する間に１回ずつ点灯して、レール踏面４１までの距離を測定し、締結ボルト頂面４２の高さを算定するときの基準とする。

図２は、図１のセンサ部分の駆動をし、測定信号を収集して反射面の高さを算定し、締結ボルトの緩みを判定して出力する本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置の構成を説明するブロック図である。
本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置は、点灯回路１１、画像入力回路１２、パルス変成器１３、回転検出器１４、カウンタ１５、高さ算定回路１６、対応表記憶装置１７、外部記憶装置１８、地点検知器１９、判定回路２０、ＩＤ情報記憶装置２１、地点対照表記憶装置２２、表示装置２３を具備する。

パルス変成器１３は、駆動パルスを点灯回路１１と画像入力回路１２に同期的に供給する。駆動パルスは、車両の車輪に設けられた回転検出器１４により走行距離に対応して発生されるパルスをパルス変成器１３により逓倍または分周させて発生する。本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置を、たとえば１１０ｋｍ／ｈｒで走行する軌道確認車に搭載したときに、走行速度に対応して、駆動パルスの周波数を、たとえば３１ｋＨｚとすると、測定対象に対してほぼ１ｍｍ毎にラインセンサ１の出力走査を行うことができる。

点灯回路１１は、パルス変成器１３から供給される駆動パルスに従って、所定の点灯シーケンスで決められた順番で個々のスポットレーザ投光器２を駆動する。ラインセンサ１は、スポットレーザ光の反射点を包含する画像信号を生成し、フレームグラバとも呼ばれる画像入力回路１２に伝送する。画像入力回路１２は、ラインセンサ１から受信した画像信号を高さ算定回路１６に伝送する。高さ算定回路１６は、対応表記憶装置１７から読み出したセル位置反射面高さ対応表と入力された画像信号とに基づいて、光反射面高さを算定し、算定結果を外部記憶装置１８に格納する。

カウンタ１５は、車両に設けられた回転検出器１４から受信するパルス信号を積算して走行距離を算出し、画像信号を生成した位置までの距離として、検査対象の締結ボルトを特定する位置情報として利用する。算出された位置情報は、光反射面高さ情報と共に、外部記憶装置１８に格納される。

外部記憶装置１８で高さ情報と位置情報を格納した記録媒体は、地点検出器１９から供給される地点検知信号を共に格納する。地点検出器１９は、別途、車両に搭載され、線路脇にたとえば１ｋｍおきに設置されている地点検知板を走行中に検知して、正確な地上距離若しくは位置を認識する計器である。地点検知信号は、本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置に取り込んで、回転検出器１４を用いて得る位置情報の確認あるいは修正に用いることができる。

検査対象とする範囲の路線を走行して測定値を収集し終えた後に、測定結果を記録した記録媒体を、解析装置の整った地上の解析室に運び、判定回路２０に読み込ませて締結装置の異常を検査する。このとき、個々の締結装置に係るＩＤ情報を収容したＩＤ情報記憶装置２１から、関係する締結装置のＩＤ情報を読み出して利用する。
なお、車上に判定回路２０を含む解析装置を搭載して、車上で検査を完了してもよいことは言うまでもない。

図７から図１０は、判定回路２０で実行するアルゴリズムを説明するフロー図である。図７はメインフローを示す。判定回路２０が実行するアルゴリズムは、締結装置の異常を判定するサブルーチン（Ｓ１）と、装置番号と地上位置を照合するサブルーチン（Ｓ２）で構成される。ここで判定する締結装置の異常は、締結ボルトの緩みと締結ボルトの欠落である。

図８は締結装置異常判定サブルーチン（Ｓ１）を示すフロー図である。
判定回路２０は、締結装置異常判定サブルーチンにおいて、測定対象である締結装置の装置番号に基づいてＩＤ情報記憶装置２１を検索して、対象の締結装置のＩＤ情報を読み出し、ＩＤ情報として登録されている事項から、締結装置の型式を調べる（Ｓ１１）。

光点の高さ情報を分配して累積する投票空間を形成し（Ｓ１２）、投票空間には、締結ボルト頂面の高さが分配される投票空間、板バネ４４の高さ位置を含む投票空間が設けられる。
高さ算定回路１６により算定された光点ごとの高さ情報に従い、対応する投票空間に分配して投票し、投票空間ごとに光点数を積算する（Ｓ１３）。

図１０は、投票の概念を説明する図である。図は、縦軸に投票空間で仕切った高さを示し、横軸に投票空間ごとに属する光点の数を示し、投票結果をヒストグラムで表す。板バネ表面４４に当たる高さにある投票空間には、多数の光点が存在するので、投票値が大きい。図では、予め良好と認められる範囲に、大きな投票数が見られ、ここに締結ボルトの頂面４２が存在することが分かる。なお、バラスト表面などからの反射があったり、ケーブルなどの外乱もあったりするが、外乱は光点数が大きくならないので、投票数とその投票空間位置から判断することができる。

なお、投票の過程で、締結装置の板バネ４４の高さに当たる投票空間に投票された光点が板バネ４４の高さを維持する間の移動距離を監視して、投票空間内の光点の距離幅が板バネ４４の幅を超えたか否かを判定する（Ｓ１４）。板バネ４４の幅を超えない間は、ステップＳ１３に戻って、検出された光点について投票を繰り返す。板バネ４４の幅を超えたときは、その締結装置における締結ボルトの部分は通り過ぎたことになるので、ステップＳ１５に進んで、緩みの判定を行う。

なお、板バネ４４の幅内にあることを判定して締結ボルトなどの測定領域とする代わりに、予め締結装置が含まれる領域に対応するゲート区間を設けておいて、そのゲート区間内における光点について投票空間に投票するようにしても良い。

締結ボルトの頂面４２は広さのある水平面であるので、締結ボルトの頂面４２の高さがボルトに緩みがないと見なされる許容範囲内の投票空間、およびその範囲より高い締結ボルトの頂面４２が存在しうる領域内の投票空間において、投票された光点数が、所定数より大きく、かつ上下の投票空間より多い極大票を集めた投票空間がある場合は、その投票空間に分配される高さを締結ボルトの頂面４２の高さであると判定することができる（Ｓ１５）。

なお、光点位置の高さについて上下限を決めたゲートを設けて、光点位置が検査処理に使わないものやノイズを初めから除外するようにしても良い。たとえば、レール底面から２０ｍｍの高さを下限とし、１２９ｍｍの高さを上限として、この範囲以外の光点を除外することにより、処理する情報が減少して、効率の良い演算ができる。
また、対象物品の特性を加味して物品を特定する場合は、確実で効率の良い判定をすることができる。たとえば、投票数が多い投票空間であっても、光点群の幅が長くて締結ボルトの頂面幅を超えているときは、対象とする物品ではないので、除外する。

なお、投票空間に属する光点数がごく僅かである場合は、実体ではなくノイズであると考えられるので、除外することが好ましい。また、締結ボルトの緩みに関係ない情報を除去して判定を容易にするため、板バネ４４の上面の位置と締結ボルト頂面４２が存在する可能性のある範囲内のみに投票空間を設定して、これら投票空間に分配できない光点を勘定に入れないようにしても良い。

こうして求めた締結ボルトの高さが許容範囲以内にあれば、締結ボルトは緩んでいないと判定することができる。許容範囲外であれば、締結ボルトは緩んでいることになる。また、締結ボルトの頂面４２が検出できなかった場合は、締結ボルトは欠落したと考えられる（Ｓ１６）。

良否の結果は、保全業務、保全計画など、必要なときにいつでも表示装置２３などに表示できるように、検査した締結ボルトの位置、型式、異常の程度など必要な情報をリスト化して記録しておくことが好ましい（Ｓ１７）。なお、締結ボルトの頂面４２が許容範囲内にある場合も、個々の高さ情報を記録して、データを集積することにより傾向を知って、予防保全に利用することができる。
最後に、次の測定対象に向けて、装置番号を歩進して（Ｓ１８）、締結装置異常判定ルーチン（Ｓ１）を終わる。

判定回路２０は、次に、装置番号と地上位置を照合するサブルーチン（Ｓ２）を実行する。
図９は、装置番号と地上位置を照合するサブルーチン（Ｓ２）の内容である。判定回路２０は、記録媒体に記録された信号を監視していて、地点検知信号が含まれているか否かを判定し（Ｓ２１）、地点検知信号がない場合はそのままメインフローに戻る。一方、地点検知信号があった場合は、地点対照表記憶装置２２から地点対照表を読み出して、地点対照表上の地点検知位置における締結装置番号と、検査装置が認識している検査対象の締結装置番号とが一致しているか確認する（Ｓ２２）。

図１１は、地点対照表の例を示す表である。地点対照表は、地点検知板のキロ程と締結装置番号を対比して記録したものである。記録された光点測定データの距離情報にずれがあるときは、地点検知板に基づいて修正することができる。なお、次の締結装置について締結装置異常判定ルーチン（Ｓ１）を実行するときは、新しい装置番号にしたがってＩＤ情報を読み出し、修正後の装置型式に従った投票空間設定を行うことができる。

図９に戻り、ステップＳ２２において、地点対照表上の地点検知位置における正しい締結装置番号と、検査装置が認識している検査対象の締結装置番号とが一致している場合は、サブルーチンを終了して元のルーチンに戻る。一方、両者に偏差がある場合は、検査装置が認識している次に検査する締結装置の装置番号を地点対照表に基づいて修正する（Ｓ２３）。

判定回路２０は、次に、誤差についてレポートを作成して記録し（Ｓ２４）、サブルーチンを終了する。なお、誤差があったときに、判定回路２０において、過去のデータにさかのぼって修正するようにすることもできる。
保全作業員は、緩みの生じたボルトの位置情報を得て早期に増し締めなどの措置をとることにより予防保全をすることができる。また、個々の締結ボルトの緩み量変化傾向に基づいて、保全計画を策定することもできる。

なお、レール締結装置には色々な種類のものがあり、一つの路線にも各種のレール締結装置が混同して使用される。上記実施形態の説明では、図１に代表例として示し、図３に一部断面側面図を、また図４に平面図を示した、締結ボルトで板バネ４４を締め込む型式の締結装置を対象とした。しかし、締結装置としては、図１２や図１３に示すような型式の締結装置もよく使われる。

図１２は、ナットで板バネを締め込む型式の締結装置の一部断面側面図である。図１２に示す締結装置では、板バネ４４を立て込みのボルト４７にはめたナット４６で締め込んでレール４０を固定する。
このような型式の締結装置では、締結緩みの原因となる締結ナット４６は最上端ではなく、ボルトの途中に存在する。したがって、締結ナット４６自体の位置を測定しなければ緩みを検出することができない。

図１４は、締結ナットの近傍における光点位置の測定例を示す図面である。
スポットレーザ投光器Ｌ１１の光点は、車両が前進するにつれて、見えないところから板バネ４４の表面に上がって表面上を走査し、板バネ４４がきれるとまた見えない地面に戻る。
なお、スポットレーザ投光器Ｌ１２の光点は、車両が前進するにつれて、見えないところから板バネ４４の表面に上がって、次いで座金部で少し高くなり、また板バネ４４表面に戻って、板バネ４４がきれると地面に戻っている。

一方、スポットレーザ投光器Ｌ１３の光点は、初め地面上にあってラインセンサ１の視野から外れているが、締結ナット４６の肩に当たってラインセンサ１に捕らえられ、ボルト４７の丸い頭部を走査して、再び締結ナット４６の肩を照らしてから、地上に戻る。
このように、締結ナット４６の上面は、ボルト４７の側面に小さな段として表れる。段が狭い上、スポットレーザ光２の反射をラインセンサ１で検出するときには、ボルト４７の部分はスポットレーザ光にとって陰となるので、わずかにボルト４７の側部に表れる締結ナット４６の肩部しか検出することができない。

このように、締結ナット４６の上面を示す情報がノイズ情報より少ない条件下でも、先に説明した投票法を使えば、正確に締結ナット４６を検出して上面の高さを知ることができる。

また、投票空間は、光点の投票結果に基づいて反射面の高さを評価するのであれば、必要な高さ精度にしたがって、これら範囲の内外に亘って、たとえば１ｍｍなど適当な高さ幅で仕切った複数の投票空間として形成することができる。
締結ナットの緩み判定のみを目的とするのであれば、正常範囲と警戒領域を合わせた良品領域と、異常領域、およびその他の領域の３つの投票空間で済ませることもできる。
こうして決めた投票空間に、ラインセンサ１で光点の高さを測定した結果を投票する。

図１５は、締結ナット４６の緩み検査の状況を説明する図面である。図１５の右図は光点高さと投票空間の関係を説明する図で、左図は投票結果を説明するヒストグラムである。ここでは投票空間を１ｍｍ刻みで設定している。
ナット上面が存在すべき範囲内に存在する光点が締結ナット４６の上面で反射した光点であり、投票数が極大になる投票空間の高さが締結ナット４６の上面の高さであることが分かる。締結ナット４６の高さは１ｍｍ刻みで判定することができる。

また、締結ナット４６上面が存在するはずがない高さ範囲に観察される光点は、検査に関係のない部位や物品の反射面で、検査にとってはノイズに過ぎない。これら検査に無関係な光点は、緩み検査においては無視することができる。光点があっても無視できる領域には投票空間を設けず、その高さ範囲に属する光点については計数しないようにすると、緩み判定演算の簡便化が可能である。

こうした投票法によって締結ナットの上面位置を検出する場合は、個々の光点について締結ナットからの反射光位置かどうかを判定する手間と誤認の危険を排除して、簡便にして確度の高い高さ推定を行い、ナットの緩み判定を行うことができる。

なお、締結ナット４６の上面に、確実にラインセンサ１の視野に入るようなスポット光を照射するためには、スポット光の距離間隔を小さくすることが効果がある。このため、車輪の回転に連動する回転検出器１４からのパルスをパルス変成器１３で逓倍して、スポットレーザ投光器２の点灯回路１１とラインセンサ１の入出力を制御する画像入力回路１２の駆動パルスの周波数を高くすることができる。なお、信号処理や情報処理のための処理時間を確保する必要があるときは、車両スピードを低下させ、処理周期を確保した上で駆動パルスを逓倍することで、スポット光の距離間隔を小さくすることができる。車両の低速化と駆動パルスの高周波数化の両方を適用しても良いことは言うまでもない。

また、逆に、締結ボルトの頂面を検出するときは、頂面面積が広いため過剰な数の光点が検出され、情報処理演算が複雑になる場合がある。このような場合には、駆動パルスの低周波数化をしたりして、負荷を低減させ、情報処理装置に他の情報処理を行う余裕を持たせたり、車両走行速度を上げたりすることができる。

良く用いられる別の型式の締結装置として、図１３の平面図に示すような、ナット４９で固定したタイプレート４８の上に固定されたボルト４７にはめられた締結ナット４６により板バネ４４を締め込んでレール４０を固定する型式がある。この型式では、締結ナット４９の高さを測定することにより締結緩みを検出することになるが、レールを挟んだ締結ナット４９が、進行方向にずれた位置に配置されているので、ナット緩み検出のためのスポットレーザ光２とラインセンサ１の作動は、レールを挟んで別々に行われることになる。ただし、左右の締結ナット４９について、検査の手順に大きな相違はない。

また、さらに、上の代表的な型式には、それぞれ変形した別の型式が多数あり、型式によって、締結ボルトや締結ナットの適正な高さも異なる。
したがって、締結ボルトあるいは締結ナットの緩みを確実に検出するためには、検査対象がどの型式なのかを知った上で、型式に適合する方法にしたがって、的確にこれらの高さを測定し、その高さが許容される範囲にあるかを判断して、緩みなどの判定を行う必要がある。

このため、本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置は、個々の締結装置についてその位置と型式を規定するＩＤ情報を格納するＩＤ情報記憶装置を備えて、必要に応じてＩＤ情報を読み出して、型式を特定し、計測対象が締結ボルトと締結ナットのいずれかを決定して、これに対応して、測定方法と緩み判定用の閾値を決定する。

本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置を搭載した車両で、各種の締結装置が混合して使われている路線を走行して締結装置の緩みを検査する場合には、締結装置の型式によって、緩み具合の判定基準が異なるので、検査対象とする締結装置の型式を正確に特定し、その型式に対応する判定基準を対照表などから取得してから検査する必要がある。

一般には、複数の締結装置を混在して利用する場合においても、同型の締結装置は続けて配置されるので、種別境界が存在する。路線上の各締結装置は、ＩＤ情報として、自己の装置番号、自己の型式などの情報を持っている。したがって、ＩＤ情報を参照しながら検査すれば、個々の締結装置ごとに装置型式を特定して、正確な管理範囲が与えられるので、的確な良否検査をすることができるはずである。

しかし、従来は車上の回転検出器１４によって測定した走行距離に基づいて、検査対象の締結装置を特定していた。したがって、回転検出器１４の誤差の影響を受けることになる。回転検出器は、車輪の空転・滑空、摩耗による車輪径の変化などを原因とする誤差と、算出キロ程と管理キロ程の誤差などの入れ混じった誤差を含み、この誤差を解消することは難しい。

本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置は、締結ボルトまたは締結ナットを検査するごとに、装置番号を歩進して、装置番号によってＩＤ情報にアクセスするので、正確な検査を行うことができる。
キロ程算定上の誤差は、定常的に発生している各種誤差の蓄積によるものが大きいが、締結装置の装置番号に基づいて装置を特定する方法によれば、誤差の蓄積を回避して誤差を吸収できるからである。

図１６は種別境界を指示する表の例を示すものである。また、図１７は、上図に従来の種別境界判定方法、下図に本実施形態における種別境界判定方法で判定した結果を示した説明図である。
図１６の表には、５１０．０００ｍの位置から５２０．０００ｍの位置に、装置番号９８０から１０００まで種別ａの締結装置が配置され、５２０．０００ｍの位置から５３０．０００ｍの位置に、装置番号１００１から１０２０まで種別ｂの締結装置が配置されていて、両者の間の種別境界が５２０．０００ｍの位置で、装置番号１０００と１００１の間になる例が示されている。

図１７（a）に示すように、従来は、車載の回転検出器１４によって算定した走行距離に基づいて、距離程から締結装置の個体を判定していたため、車上算定距離程に狂いが生じると、図中一点鎖線で示す位置に種別境界があるにもかかわらず、鉄道レール締結緩み検査装置は、たとえば図中点線で示した位置を５２０．０００ｍ位置と誤認して、ここまでは種別ａであって、ここで初めて種別ｂに切り替わると判断する場合がある。すると、図では、２個の締結装置について異なる型式のものと誤解したため、ボルト位置不良であると判定を誤る結果となる。

これに対して、本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置は、図１７（ｂ）に示すように、締結装置を検査する度に装置番号を歩進して、装置番号に基づいて管理するので、締結装置を見落とすようなことがない限り、現地の締結装置と検査装置が検査対象とする締結装置の間に誤差が無く、正しい種別境界で適切に検査対象締結装置の型式切換ができる。
また、地点検知板を活用することにより、万一装置番号に過誤が生じても、たとえば１ｋｍごとに正確な装置番号に引き戻すことができる。

本実施形態の鉄道レール締結緩み検査装置によると、締結ボルトの高さを正確に評価できるので、緩みを検知して保全を的確に実施させることができる。さらに、締結ナットでレールを固定する場合にも、締結緩みを確実に検出することができる。また、車載の回転検出器を用いて締結装置の設置位置を決定する場合に、空転や滑走などで誤差を生じることがあっても、地点検出器を利用することにより、適宜絶対的な位置に補正することができる。

本発明の鉄道レール締結緩み検査装置によれば、鉄道軌道における締結緩みを車上から簡単に監視し、異常位置を正確に指定して保全作業者に知らせることができるので、鉄道軌道の保安保全に対して大きく寄与する。

１ ラインセンサ
２ スポットレーザ投光器
３ 保護筐体
５ ＣＣＤセンサ
１１ 点灯回路
１２ 画像入力回路
１３ パルス変成器
１４ 回転検出器
１５ カウンタ
１６ 高さ算定回路
１７ 対応表記憶装置
１８ 外部記憶装置
１９ 地点検知器
２０ 判定回路
２１ ＩＤ情報記憶装置
２２ 地点対照表記憶装置
２３ 表示装置
３１ 保護ガラス
４０ レール
４１ レール踏面
４２ 頂面
４３ 枕木
４４ 板バネ
４５ 枕木表面
４６ 締結ナット
４７ ボルト
４８ タイプレート
４９ ナット

Claims (7)

1. レール踏面とレールを挟んだ１対の締結ボルトまたは締結ナットの頂面が視野に入るように配置されたラインセンサと、
   ラインセンサの検出軸と同一平面内に来るように配設された複数のスポットレーザ投光器であって、該スポットレーザ投光器のひとつはその放射レーザ光がレール踏面で反射するように配置され、他の前記スポットレーザ投光器は測定時に１対の締結ボルトまたは締結ナットのそれぞれの頂面で放射レーザ光が少なくともひとつは反射するような位置に配置された、複数のスポットレーザ投光器と、
   前記複数のスポットレーザ投光器の点灯を制御するレーザ点灯器と、
   レーザ点灯切り換えごとにラインセンサからレーザ光反射位置を示す画像を入力する画像入力手段と、
   入力された画像の光点の高さを算定する高さ算定手段と、
   検査対象の位置と型式を含むＩＤ情報を格納するＩＤ情報記憶手段と、
   該ＩＤ情報記憶手段から入力した検査対象のＩＤ情報と前記レーザ光反射位置とに基づいて、前記締結ボルトまたは前記締結ナットの頂面の高さを算定して基準値と比較することにより締結ボルトまたは締結ナットの緩みおよび／または不存在を検出し、結果を表示装置に表示させる判定手段と、
   を備える鉄道レール締結緩み検査装置。
2. 該鉄道レール締結緩み検査装置を搭載する車両の車輪の回転検出器から該車両の移動距離に関するパルス信号を入力して逓増または逓減するパルス変成器をさらに備え、
   該パルス変成器から出力するパルス信号を前記レーザ点灯器と前記ラインセンサを駆動する前記画像入力手段に供給して、前記スポットレーザと前記ラインセンサの動作を同期させる、請求項１記載の鉄道レール締結緩み検査装置。
3. 前記ＩＤ情報記憶手段は、締結装置番号をさらに格納し、前記判定手段は、地点検知器から入力した検出信号を用いて、内部で積算により推定される締結装置番号を修正する、請求項１または２記載の鉄道レール締結緩み検査装置。
4. さらに、前記レーザ光反射位置を示す画像におけるレーザ光反射位置と光点の高さの関係を表す対応情報を格納した対応情報記憶手段を備え、前記高さ算定手段は、該対応情報記憶手段に格納された前記対応情報に基づいて、前記入力された画像の光点の高さを算定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄道レール締結緩み検査装置。
5. 前記判定手段は、検査対象について正常時に光点が存在すべき高さ区分を設定し、該検査対象に関して算定された高さ測定値にしたがって光点を分配して、該高さ区分に含まれる光点が所定数より少ないときに、前記締結緩みもしくは締結ボルトまたはナットの不存在と判定する、請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄道レール締結緩み検査装置。
6. 前記判定手段は、検査対象について光点が存在すべき高さ区分を設定し、該検査対象に関して算定された高さ測定値にしたがって光点を分配して、該高さ区分に含まれる光点が所定数より多くかつ極大数である高さ区分があるときに、該高さ区分の高さを前記締結ボルトまたはナットの頂面高さであると判定する、請求項１から５のいずれか１項に記載の鉄道レール締結緩み検査装置。
7. レール踏面とレールを挟んだ１対の締結ボルトまたは締結ナットの頂面が視野に入るように配置されたラインセンサと、
   ラインセンサの検出軸と同一平面内に来るように配設された複数のスポットレーザ投光器であって、該スポットレーザ投光器のひとつはその放射レーザ光がレール踏面で反射するように配置され、他の前記スポットレーザ投光器は測定時に１対の締結ボルトまたは締結ナットのそれぞれの頂面で放射レーザ光が少なくともひとつは反射するような位置に配置された、複数のスポットレーザ投光器と、を備える検査装置において、
   前記複数のスポットレーザ投光器を順次点灯するステップと、
   レーザ点灯切り換えごとにラインセンサからレーザ光反射位置を示す画像を入力するステップと、
   照射したスポットレーザ投光器とラインセンサにおけるレーザ光反射位置とに基づいて、入力された画像の光点の高さを算定するステップと、
   検査対象のＩＤ情報に基づいて与えられる基準値と算定された光点の高さを比較することにより締結ボルトまたは締結ナットの緩みおよび／または不存在を判定するステップと、
   結果を表示装置に表示させるステップと、
   を備える鉄道レール締結緩み検査方法。

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