JP2014194366A - 軌道形状測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光の影響が少なく設置位置の自由度が高いスポット型変位計を使用して、昼間であっても太陽光の影響を少なくしてレールの形状を測定できる軸道形状測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】レール３Ｌの長手方向に対して直角な方向に移動可能であって、レール３Ｌの頭頂面からレール３Ｌの内軌側腹部側辺に渡ってレーザ光を照射するように、レール３Ｌに沿って走行中の車両に取り付けられたスポット型変位計２１を用いて、レール３Ｌの断面形状のプロファイルを取得する。スポット型変位計２１は、左右レール３Ｌの長手方向の前中後３箇所に搭載される。スポット型変位計２１から出力されるジグザグ状の測定経路に従った相対的出力を、角度、車両の走行速度及びスポット型変位計２１の移動速度に基づいて演算処理することによって、レール３Ｌの断面形状のプロファイルを作成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、車両の運行に関する周辺構造物である軌道（レール）の形状を測定する軌道形状測定方法及び装置に関する。

鉄道の安定輸送には車両の軌道、架線、電気供給用サードレール等のような車両の運行に関する周辺構造物である電車線路設備等の測定管理が必要である。電車線路設備のうち、主に軌道（レール）の形状を測定する場合は、特許文献１に記載のもののように、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、レールの形状を測定している。

特開２００９−２７６２７０号公報

レールの形状を定点において測定する場合、測定点１箇所につきレール上面とレール側面に変位計を設置する必要がある。また、この時に使用する変位計は、スポット型変位計、ライン型変位計のどちらでも構わない。スポット型変位計の場合は、レール上面用のスポット型変位計を水平方向に移動させ、レール側面用のスポット型変位計を垂直方向に移動させ、それぞれプロファイルし、レールの形状を測定している。一方、走行しながらのレールの形状を測定する場合は、測定点１箇所につき最低２台のライン型変位計を上面用と側面用に設置している。

スポット型変位計は、ライン型変位計と比較すると太陽光の影響が少なく測定範囲が大きいという特徴がある。従って、レールの形状を定点で測定する場合は、従来からスポット型変位計での測定も可能であったが、省力化を考えると走行しながらの測定が必要である。一方、走行しながらレールの形状を測定する場合は、従来ライン型変位計を使用していたが太陽光の影響や測定範囲による設置位置の制約がある。

本発明は、太陽光の影響が少なく設置位置の自由度が高いスポット型変位計を使用して、昼間であっても太陽光の影響を少なくしてレールの形状を測定することのできる軌道形状測定方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明に係る軌道形状測定方法の第１の特徴は、レールの長手方向に対して直角な方向に移動可能であって、前記レールの頭頂面から前記レールの内軌側腹部側辺に渡ってレーザ光を角度θで照射するように、前記レールに沿って走行中の車両に取り付けられたスポット型変位計を用いて、前記レールの断面形状のプロファイルを取得することにある。これは、スポット型変位計のレーザ光をレールに対して角度θで照射することによって、レール上面及び側面を連続的にスキャンすることができるようにした。このスキャンによるスポット型変位計からの出力は、レールの長手方向に対して直角な方向に沿った断面形状ではないので、この発明では、スポット型変位計からの出力を補正してレールの断面形状のプロファイルを取得している。

本発明に係る軌道形状測定方法の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載の軌道形状測定方法において、前記スポット型変位計が前記レールに沿って前記車両の左右前中後にそれぞれ設けられていることにある。これは、スポット型変位計を左右レールの長手方向に対してそれぞれ３箇所搭載することで左右高低、左右通り、軌間、水準、平面性を測定することが可能となる。なお、ジャイロ装置を別途設けることによって、より正確に測定することができる。

本発明に係る軌道形状測定方法の第３の特徴は、前記第１又は第２の特徴に記載の軌道形状測定方法において、前記レールに沿って走行中の前記車両に取り付けられたスポット型変位計から出力される前記レールに対してジグザグ状の測定経路に従った相対的出力を、前記角度θ、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度に基づいて演算処理することによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することにある。スポット型変位計は、レール上面及び側面を連続的にスキャンしているので、その測定経路はジグザグ状であり、スポット型変位計からはそのジグザグ状の測定経路に従った相対的な信号が出力される。この発明では、この相対的出力を、角度θ、車両の走行速度及びスポット型変位計の移動速度に基づいて補正することによって、レールの断面形状のプロファイルを作成している。

本発明に係る軌道形状測定方法の第４の特徴は、前記第３の特徴に記載の軌道形状測定方法において、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度から求まるスキャン角度に基づいて、前記相対的出力を前記レールの長手方向に対して直角に測定した場合と同等の出力に補正し、前記補正後の出力に基づいてレール頭頂面内軌側端部と上首部の変化点を抽出し、前記レール頭頂面内軌側端部と前記上首部との間の距離を前記角度θに基づいて間引くことによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することにある。これは、スポット型変位計からの相対的出力を、角度θ、車両の走行速度及びスポット型変位計の移動速度に基づいて補正してレールの断面形状のプロファイルを作成する処理を具体的にしたものである。

本発明に係る軌道形状測定装置の第１の特徴は、レールの長手方向に対して直角な方向に移動可能であって、前記レールの頭頂面から前記レールの内軌側腹部側辺に渡ってレーザ光を角度θで照射するように、前記レールに沿って走行中の車両に取り付けられたスポット型変位計と、前記スポット型変位計からの出力に基づいて前記レールの断面形状のプロファイルを取得する制御手段とを備えたことにある。これは、前記軌道形状測定方法の第１の特徴に対応した軌道形状測定装置の発明である。

本発明に係る軌道形状測定装置の第２の特徴は、前記第２の特徴に記載の軌道形状測定装置において、前記スポット型変位計が前記レールに沿って前記車両の左右前中後にそれぞれ設けられていることにある。これは、前記軌道形状測定方法の第２の特徴に対応した軌道形状測定装置の発明である。

本発明に係る軌道形状測定装置の第３の特徴は、前記第１又は第２の特徴に記載の軌道形状測定装置において、前記制御手段が、前記レールに沿って走行中の前記車両に取り付けられたスポット型変位計から出力される前記レールに対してジグザグ状の測定経路に従った相対的出力を、前記角度θ、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度に基づいて演算処理することによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することにある。これは、前記軌道形状測定方法の第３の特徴に対応した軌道形状測定装置の発明である。

本発明に係る軌道形状測定装置の第４の特徴は、前記第３の特徴に記載の軌道形状測定装置において、前記制御手段が、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度から求まるスキャン角度に基づいて、前記相対的出力を前記レールの長手方向に対して直角に測定した場合と同等の出力に補正し、前記補正後の出力に基づいてレール頭頂面内軌側端部と上首部の変化点を抽出し、前記レール頭頂面内軌側端部と前記上首部との間の距離を前記角度θに基づいて間引くことによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することにある。これは、前記軌道形状測定方法の第４の特徴に対応した軌道形状測定装置の発明である。

本発明によれば、太陽光の影響が少なく設置位置の自由度が高いスポット型変位計を使用して、昼間であっても太陽光の影響を少なくしてレールの形状を測定することができるという効果がある。

本発明の軌道形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る軌道形状測定装置を搭載した牽引台車全体の概略を上側から見て示す図である。 図２の軌道形状測定装置を搭載した牽引台車を紙面下側から見た側面図である。 図２の軌道形状測定装置を搭載した牽引台車を紙面右側から見た前方図である。 本発明に係る軌道形状測定装置のスポット型変位計とリニアガイドとの関係を示す図である。 本発明の軌道形状測定装置の速度補正の概要を示す図である。 本発明の軌道形状測定装置のスポット型変位計の設置条件を示す図である。 本発明の軌道形状測定装置のスポット型変位計の座標変換の様子を示す図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の軌道形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。軌道形状測定装置４は、リニアガイド１１〜１６、スポット型変位計２１〜２６、リニアガイド制御部１０１、変位計制御部１０２、Ａ／Ｄ変換部１０３、速度補正部１０４、データ位置決め部１０５、座標変換部１０６、プロファイル作成部１０７、演算部１０８、及び保存部１０９から構成される。

リニアガイド制御部１０１は、リニアガイド１１〜１６を制御する。スポット型変位計２１〜２６は、内軌側上方からリニアガイド１１〜１６に所定角度θだけ傾斜した斜めに設置され、地表面に対して平行移動しながら走行レール３Ｒ，３Ｌの測定を行う。変位計制御部１０２は、スポット型変位計２１〜２６のデータ取得タイミングを制御する。Ａ／Ｄ変換部１０３は、スポット型変位計２１〜２６からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。速度補正部１０４は、リニアガイド１１〜１６の移動速度と走行速度の関係によって、ジグザグに測定する影響を取り除くため、距離パルス発生器６から得られる速度信号を使用して補正を行う。データ位置決め部１０５は、速度補正部１０４にて補正されたデジタル信号を基準位置にて整列する。すなわち、データ位置決め部１０５は、走行レール３Ｒ，３Ｌの摩耗等の影響の少ない内軌側上首部を基準位置としてデータの位置決めを行う。内軌側上首部測定時は、スポット型変位計２１〜２６からの変位量が急激に変化するため、閾値を設けることによって上首部の場所を特定することができる。

座標変換部１０６は、スポット型変位計２１〜２６によって測定される相対座標系を直交座標系に変換する。すなわち、座標変換部１０６は、スポット型変位計２１〜２６がリニアガイド１１〜１６に所定角度θだけ傾斜した斜めに設置してあるので、その出力であるスポット型変位計２１〜２６から見た相対座標系出力を、レール頭頂面端部と上首部を基準に直交座標系に変換する。プロファイル作成部１０７は、座標変換部１０６で処理したデータからレール断面形状のプロファイルを作成する。演算部１０８は、摩耗、左右高低、左右通り、軌間、水準、平面性の各演算を行う。保存部１０９は、上述の各種データを保存する記憶装置で構成される。

図２は、本発明に係る軌道形状測定装置を搭載した牽引台車全体の概略を上側から見て示す図である。図３は、図２の軌道形状測定装置を搭載した牽引台車を紙面下側から見た側面図である。図４は、図２の軌道形状測定装置を搭載した牽引台車を紙面右側から見た前方図である。図２では、牽引台車１０を点線で示し、下側の構成を図示してある。

牽引台車１０は、平行する２本の走行レール３Ｌ，３Ｒ上を２つの車軸８１，８２の両端に設けられた４つの車輪７１Ｒ，７１Ｌ，７２Ｒ，７２Ｌを介して走行するように構成されている。牽引台車１０には、摩耗、左右高低、左右通り、軌間、水準、平面性の各演算を行う軌道形状測定装置４と、牽引台車１０の傾きを測定するジャイロ装置５とが搭載されている。距離パルス発生器６は、車軸８２に端部に設けられ、牽引台車１０の移動距離に応じたパルスを発生し、それを軌道形状測定装置４に出力する。

牽引台車１０の２本のフレーム枠２３Ｒ，２３Ｌ間には、３本の梁９１〜９３が設けられている。各梁９１〜９３の両側には、梁９１〜９３の長手方向に沿ってリニアガイド１１〜１６がそれぞれ設けられている。さらに、各リニアガイド１１〜１６には、スポット型変位計２１〜２６が設置されている。すなわち、牽引台車１０は、左右高低、左右通りを算出するためにスポット型変位計２１〜２６を牽引台車１０の左右前中後のそれぞれ６箇所に配置している。

図５は、本発明に係る軌道形状測定装置のスポット型変位計とリニアガイドとの関係を示す図である。スポット型変位計２１は、水平方向に配設されたリニアガイド１１に対して、所定の角度θとなるように斜めに設置されている。スポット型変位計２１は、走行レール３Ｌの内軌側に設置してあり、斜め上方から走行レール３Ｌを測定する。スポット型変位計２１は、リニアガイド１１によって、スポット型変位計２１，２１ａ，２１ｂのように順次左方向に並行移動されるので、レール３Ｌの頭頂面からレール頭頂面外軌側端面から内軌側端面、内軌頭部側面、上首部、腹部側辺と連続的に測定することができる。

図６は、本発明の軌道形状測定装置の速度補正の概要を示す図である。図６（Ａ）は、牽引台車１０の走行時にリニアガイド１１によって移動するスポット型変位計２１の測定箇所の一例を示す図である。スポット型変位計２１は、リニアガイド１１の移動速度Ｖ３と牽引台車１０の走行速度Ｖ２との関係に応じて、レール３Ｌを図６（Ａ）に示すようなジグザグ状の経路に従って測定することとなる。従って、このジグザグ状の経路を図６（Ｂ）に示すようなレール３Ｌの長手方向に対して直角にスポット型変位計２１が移動するように速度補正を行う必要がある。図６（Ｃ）及び（Ｄ）は、速度補正部１０４が実行する速度補正の概要を示す図である。

図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示すジグザク状の測定経路の一部である最下段のリニアガイド１１によって移動するスポット型変位計２１の移動経路６１を抜き出して示したものである。この移動経路６１に沿ってスポット型変位計２１は、リニアガイド移動速度Ｖ１で実際に移動することとなる。リニアガイド移動速度Ｖ１は、牽引台車１０の移動速度（測定装置走行速度）Ｖ２と、リニアガイド１１に沿って移動するスポット型変位計２１の移動速度Ｖ３を合成したものである。リニアガイド移動速度Ｖ１がレール長手方向と直角な線（移動速度Ｖ３）に対する角度αをスキャン角度とする。このスキャン角度αは、ａｒｃｓｉｎ（Ｖ２／Ｖ１）で求めることができる。

図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）の各経路をそれぞれの移動距離として示したものである。スキャン距離Ｌ１は、リニアガイド移動速度Ｖ１に対応したものであり、実際のスポット型変位計２１がスキャンした距離である。従って、このスキャン距離Ｌ１と先に求めたスキャン角度αに基づいてレール長手方向と直角にスキャンした場合の距離Ｌ３を求める。すなわち、距離Ｌ３は、Ｌ３＝Ｌ１ｃｏｓαで求められるので、これによってスキャン距離Ｌ１のデータ数を距離Ｌ３と同数となるように間引き処理を行う。このようにして求めた距離Ｌ３に対応するデータは、レール３の長手方向に対して直角に測定した場合と同等の出力結果となる。

図７は、本発明の軌道形状測定装置のスポット型変位計の設置条件を示す図である。図７に示すように、スポット型変位計２１の投光線２１１と、リニアガイド１１の進行方向に対する垂直線１１１とが互いに所定の角度θとなるように設置されている。図８は、本発明の軌道形状測定装置のスポット型変位計の座標変換の様子を示す図である。この座標変換は、図６の速度補正後に実施する。図８（Ａ）は、スポット型変位計２１の相対出力を示す図である。スポット型変位計２１は、図７に示すように所定の角度θをつけて設置してあるため、スポット型変位計２１からの相対出力は、所定の角度θだけ傾斜した位置から測定した相対的な出力となる。従って、図７（Ａ）の相対出力を、図８（Ｂ）に示すようなスポット型変位計２１の直交座標系のプロファイルに変換する必要がある。

図８（Ａ）に示すように、スポット型変位計２１の相対的出力は、レール頭頂面内軌側端部４１付近と、上首部４２付近とで大きく変化することが分かっている。そこで、このスポット型変位計２１の相対的出力の大幅な変化に基づいて、レール頭頂面内軌側端部４１と上首部４２の変化点を抽出する。レール頭頂面内軌側端部４１と上首部４２との間の距離Ｌ３の相対的出力は、上述のスポット型変位計２１が取付角度θだけ回転して出力されている関係で、この間の距離Ｌ３のデータのみを取付角度θに基づいて間引く処理を行う。すなわち、レール頭頂面内軌側端部４１と上首部４２との距離Ｌ３の場合、この距離Ｌ３にｃｏｓθを乗じることによって、Ｌ４＝Ｌ３×ｃｏｓθとなり、データ数がＬ４になるように間引き処理が行われる。これによって、図６（Ａ）のレール頭頂面内軌側端部４１と上首部４２との間の相対的出力の距離Ｌ３を、図６（Ｂ）に示すような直交座標系の距離Ｌ４に変換することができる。これによってレール断面形状のプロファイルを作成することができる。

なお、スポット型変位計を左右レール各３箇所及びジャイロ装置を搭載することで左右高低、左右通り、軌間、水準、平面性を測定することが可能となる。

３Ｒ，３Ｌ…走行レール
１０…牽引台車
１０１…リニアガイド制御部
１０２…変位計制御部
１０３…Ａ／Ｄ変換部
１０４…速度補正部
１０５…データ位置決め部
１０６…座標変換部
１０７…プロファイル作成部
１０８…演算部
１０９…保存部
１１〜１６…リニアガイド
１１１…垂直線
２１〜２６…スポット型変位計
２３Ｒ，２３Ｌ…フレーム枠
４…軌道形状測定装置
４１…レール頭頂面内軌側端部
４２…上首部
５…ジャイロ装置
６…距離パルス発生器
７１Ｒ，７１Ｌ，７２Ｒ，７２Ｌ…車輪
８１，８２…車軸
９１〜９３…梁

Claims (8)

1. レールの長手方向に対して直角な方向に移動可能であって、前記レールの頭頂面から前記レールの内軌側腹部側辺に渡ってレーザ光を角度θで照射するように、前記レールに沿って走行中の車両に取り付けられたスポット型変位計を用いて、前記レールの断面形状のプロファイルを取得することを特徴とする軌道形状測定方法。
2. 請求項１に記載の軌道形状測定方法において、前記スポット型変位計が前記レールに沿って前記車両の左右前中後にそれぞれ設けられていることを特徴とする軌道形状測定方法。
3. 請求項１又は２に記載の軌道形状測定方法において、前記レールに沿って走行中の前記車両に取り付けられたスポット型変位計から出力される前記レールに対してジグザグ状の測定経路に従った相対的出力を、前記角度θ、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度に基づいて演算処理することによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することを特徴とする軌道形状測定方法。
4. 請求項３に記載の軌道形状測定方法において、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度から求まるスキャン角度に基づいて、前記相対的出力を前記レールの長手方向に対して直角に測定した場合と同等の出力に補正し、
   前記補正後の出力に基づいてレール頭頂面内軌側端部と上首部の変化点を抽出し、前記レール頭頂面内軌側端部と前記上首部との間の距離を前記角度θに基づいて間引くことによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することを特徴とする軌道形状測定方法。
5. レールの長手方向に対して直角な方向に移動可能であって、前記レールの頭頂面から前記レールの内軌側腹部側辺に渡ってレーザ光を角度θで照射するように、前記レールに沿って走行中の車両に取り付けられたスポット型変位計と、
   前記スポット型変位計からの出力に基づいて前記レールの断面形状のプロファイルを取得する制御手段と
   を備えたことを特徴とする軌道形状測定装置。
6. 請求項５に記載の軌道形状測定装置において、前記スポット型変位計が前記レールに沿って前記車両の左右前中後にそれぞれ設けられていることを特徴とする軌道形状測定装置。
7. 請求項５又は６に記載の軌道形状測定装置において、前記制御手段が、前記レールに沿って走行中の前記車両に取り付けられたスポット型変位計から出力される前記レールに対してジグザグ状の測定経路に従った相対的出力を、前記角度θ、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度に基づいて演算処理することによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することを特徴とする軌道形状測定装置。
8. 請求項７に記載の軌道形状測定装置において、前記制御手段が、前記車両の走行速度及び前記スポット型変位計の移動速度から求まるスキャン角度に基づいて、前記相対的出力を前記レールの長手方向に対して直角に測定した場合と同等の出力に補正し、
   前記補正後の出力に基づいてレール頭頂面内軌側端部と上首部の変化点を抽出し、前記レール頭頂面内軌側端部と前記上首部との間の距離を前記角度θに基づいて間引くことによって、前記レールの断面形状のプロファイルを作成することを特徴とする軌道形状測定装置。

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