JP2017524145A - 鉄道用線路又はスイッチのエレメントの上部プロファイルに関するデータを取得する方法 - Google Patents

Abstract

カート（２）上に配置され、少なくとも１つのレーザプロフィルメータ（１０）が設けられた測定モジュール（３）により、鉄道用線路又はスイッチ（３０）のエレメント（３１）の上部プロファイルに関するデータを取得する方法は、カート（２）が鉄道用線路（３０）に沿って前方に移動する間に一連のイメージを取得し、各イメージは、カート（２）の前方への移動方向（５）を横断する各平面に対応する上部プロファイルを示す点群（１５）を含む。上記方法では、各点群（１５）について、点群（１５）を近似する好ましくはスプライン関数である区分多項式関数を生成し、点群（１５）からなるオリジナルデータを区分多項式関数のパラメータからなる圧縮データへと変換する。

Description

本発明は、鉄道用線路又はスイッチのエレメントの上部プロファイルに関するデータを取得する方法に関する。

特に、本発明は、鉄道用線路又はスイッチの幾何学的及び／又は構造的なパラメータを測定するため、自己推進式の装置に使用することを意図したものである。

上記装置の周知の形式のものは、電子測定モジュールを備えたモータ駆動式のカートを有している。上記モジュールは、少なくとも１つのレーザプロフィルメータ装置と、メモリと、を有している。レーザプロフィルメータ装置は、カートが鉄道用線路に沿って前方に移動する間に線路の少なくとも１つのレールにおける上部のプロファイルのデジタルイメージを取得し、取得した全てのイメージはメモリに記録される。取得したイメージは、線路又は当該線路に沿った任意のスイッチの幾何学的及び構造的なパラメータ、例えば、線路の上部プロファイルの形状を正確に測定するために、外部のサーバに送られて処理される。

高レベルの正確性を有する測定値を得るために、デジタルイメージの形式で多量のデータを取得する必要がある。レーザプロフィルメータにより取得された各イメージは、一群又は一連の点を有し、これらの点は相対的に大きなメモリ容量を必要とするとともに、処理に際して多くのハードウエア資源を必要とする。

測定モジュールの記録容量が限られているため、データが頻繁に外部サーバにダウンロードされる。便宜上、サーバは遠隔地に配置され、データは、通常、携帯電話網のインタフェースである無線周波数インタフェースを介してダウンロードされるため、データの転送速度は相対的に遅い。換言すると、高レベルの正確性で測定値を得るためには、カートは、頻繁にかつ長時間の間停止して、測定モジュールからデータをダウンロードしなければならない。

さらに、点群は、環境因子の影響及び／又は環境因子を生じさせるレーザプロフィルメータの不完全な作動、並びにデータギャップ（すなわち、ある領域における低い点密度）により外乱をもたらすことがある。データギャップにより、測定したエレメントの実際の傾向を把握することができなくなり、イメージの重要な部分におけるデータの欠落によりイメージの処理が困難になる。また、外乱により、実際に存在しない傾向や重要でない傾向が強調されることがある。

本発明の目的は、鉄道用線路又はスイッチの上部プロファイルに関するデータを取得する方法を提供することであり、当該方法は、前述した欠点を克服することができるとともに、簡単かつ経済的に実行され得る。

本発明によれば、以下の特許請求の範囲に記載した、カート上に配置され、かつ少なくとも１つのプロフィルメータ装置が設けられた測定モジュールにより、鉄道用線路又はスイッチのエレメントの上部プロファイルに関するデータを取得する方法、並びに鉄道用線路又はトラックのエレメントの幾何学的及び／又は構造的なパラメータを測定するための自己推進式の装置が提供される。

以下に、非限定的な実施例を示す図面を参照して本発明について説明する。

本発明による方法を実行する電子測定モジュールを有するモータ駆動式カートを備えた自己推進式装置を示す図。 図１の装置により取得される鉄道線路の上部プロファイルの例示的なイメージを示す図。 本発明による方法により実行される図２のイメージの例示的な中間処理を示す図。 本発明による方法により実行される図３のイメージの例示的な処理を示す図。

図１において、参照符号１は、符号３０で示す鉄道用線路及び／又はスイッチ（以下、簡略化のため線路という）の幾何学的及び／又は構造的なパラメータを測定するための自己推進式の装置を全体的に示している。

装置１は、使用時に線路３０に係合するカート２と、使用時にカート２が線路３０に沿って移動する際に、線路３０の少なくとも１つの幾何学的及び／又は構造的なパラメータを測定するようにカート２に取り付けられた測定モジュール３と、を有する。カート２は、モータ駆動式であることが好ましいが、これに限定されない。

カート２は、Ｈ字形をなしており、互いに平行をなす２つの車輪セット４を有している。車輪セット４は、実質的に水平方向に延びる方向５に延在した細長い形状を有しており、線路３０の各レール３１にそれぞれ係合している。２つの車輪セット４は、支持フレーム６によって互いに連結されている。この支持フレーム６は、実質的に水平方向に延びかつ方向５を横断する方向７に延在した細長い形状を有している。これらの車輪セット４は、レール３１を横断した（特にレール３１と直交する）方向７においてレール３１と係合している。

カート２は、互いに平行をなす２つの保護緩衝材８を有している。各々の保護緩衝材８は、方向７に延びており、運転上の安全性を確保するように２つの車輪セット４の自由端部に接続されている。

測定モジュール３は、実質的に平行六面体をなすとともにフレーム６上に取り付けられた外側シェル９と、各車輪セット４にそれぞれ対応するようにシェル９内に配置され、各レール３１の上部のデジタルイメージを取得する２つのレーザプロフィルメータ１０と、を有する。

各々のレーザプロフィルメータ１０は、シェル９の底部に形成された図示せぬ各開口部を通して投影するレーザ源１１と、各レール３１に指向されるように方向５を横断するレーザカーテン１２と、例えばビデオカメラからなるイメージ取得装置１３と、を有している。イメージ取得装置１３は、レーザカーテン１２が横断する平面に対して傾斜した光軸１４を有するとともに、レーザカーテン１２により各レール３１の上面に生じる光の輪郭のイメージを取得するように、シェル９の底部に形成された開口部を枠内に入れるように方向づけられている。図１の実施例では、レーザカーテン１２は、方向５に直交している。

装置１に係る図示せぬ他の実施例では、レーザカーテン１２ではなく、光軸１４が方向５に直交する。

図２は、一方のレーザプロフィルメータ１０により取得されたデジタルイメージ（ポジ）の例を示している。このイメージは、平面上に分布した複数の点として取得された光の輪郭を記録したものであり、光の輪郭は、異なるグレーの濃淡で表した異なる輝度値により特徴づけられたイメージ領域の各々のピクセルを有する。

図３は、図２のデジタルイメージと同様のデジタルイメージを処理する例を示している。この処理は、周知の形式のプロファイル再構築アルゴリズムを用いて実行される。このアルゴリズムは、デジタルイメージのピクセルを、対応する点群（ポイントクラウド）に変換するものであって、当該点群は、平面上に分布され、この平面上でデカルト座標の複数対の値によって特徴づけられる。図３において符号１５で示す点群は、取得された光の輪郭を表している。このような点群は、カート２の前方への移動方向と一致した方向５を横断する各平面に対応したレール３１の上部プロファイルを示している。

ここで再び図１を参照すると、２つのレーザプロフィルメータ１０は、シェル９、したがって支持フレーム６に固定されており、光軸１４は、方向７を横断するとともに方向５と平行をなす平面に対して平行をなしている。

測定モジュール３は、さらに、一つ又は複数の電子基盤の形態をなしてシェル９内に配置された処理・制御ユニット１６を有する。この処理・制御ユニット１６は、線路３０の特定の幾何学的パラメータを測定するため、２つのレーザプロフィルメータ１０により取得されたイメージを処理する。

制限された処理・制御ユニット１６の計算処理能力等、種々の理由により測定モジュール３上で処理することができなかったイメージの後処理を可能にするため、点群（デジタルイメージ）からなるオリジナルデータが圧縮されて、測定モジュール３のメモリ１７に記録される。したがって、処理・制御ユニット１６は、以下の手法によりオリジナルデータを圧縮データに変換するように構成されている。特に、処理・制御ユニット１６にソフトウエアがインストールされており、このソフトウエアは、処理・制御ユニット１６のプロセッサにロードされたときに、以下のデータ圧縮手法を実行するように設計されている。

各々の点群は、例えば、図３において符号１８で示した異常ピークや外乱を除去するためフィルタにかけられる。しかし、データのフィルタリングは、任意選択的なステップであり、レーザプロフィルメータ１０が高品質イメージをもたらす場合には実行しなくてもよい。

各々の点群について、区分多項式関数、特に「スプライン」として知られている関数、が生成され、当該関数は、区分多項式関数のパラメータからなる圧縮データへとオリジナルデータを変換するように点群を近似する。各点群は２次元であり、すなわち、平面上に示され、したがって、対応する区分多項式関数は２次元である。

通常の区分多項式関数の理論によれば、スプラインは、Ｂ−スプライン多項式関数又は基底の数Ｎの線形結合として定義され、最大次数Ｄを有し、いわゆるノットパラメータの数Ｋ（Ｎ＋Ｄ＋１に等しい）によってパラメータ化される。換言すると、上記圧縮データを構成するスプラインのパラメータは、ノットとして知られている節点の数Ｋと、多項式の基底の最大次数Ｄと、制御点の数Ｎと、を含み、数Ｎは、通常の方法で節点の関数及びスプラインを定義する線形結合の係数で定めることができる。

最大次数Ｄは、予め定められ、値２及び３からなる群から選択される。スプラインを定める３より大きい最大次数Ｄでは、非常に長い処理時間が必要となる。２より小さい最大次数Ｄでは（スプラインは単に破線である）、結果生じるスプライン（単に破線）は、オリジナルデータに適用可能ではない。したがって、最大次数Ｄは、データ取得を開始する前に既にメモリ１７に記録されている。

ある最大次数Ｄが与えられると、圧縮データについての所望とする圧縮率及び点群の点の数の関数として数Ｎが定められる。実際には、イメージの平面における点群の点の数がＰである場合、圧縮率は、以下の比によって得られる。
２・Ｐ／（３・Ｎ＋Ｄ＋１）

数Ｐをイメージ毎の点の数の平均として考えると、数Ｎが実際に圧縮率の関数として予め定められる。この場合、数Ｎは、データ取得を開始する前に既にメモリ１７に記録されている。

スプラインを生成するステップは、第１に節点の生成を含み、節点は、互いに一様に離間するように、最小と最大との間、例えば０と１との間の値を有するように生成される。

本発明の他の実施例によると、節点は、互いに非一様に離間するように、特に、点群の点の間の距離に比例して生成される。このような節点間の非一様な間隔は、点群に適用される、いわゆるコードレングス法を用いて得られる。

節点が得られると、点群を近似するスプラインの特徴づけを完了する制御点が、いわゆる最小二乗（ＯＬＳ）法を用いて定められる。特に、点群を近似するスプラインは、点群の各点の間の距離の二乗の和及び実際の関数を表す曲線を最小限にするものである。

より詳細には、制御点の生成は、節点に基づいた多項式基底を生成することと、点群の平面（点群を含むイメージの平面）の２つの座標の各々について、上記点群に最小二乗法を適用することによりスプラインを定義づける線形結合の各係数系列を定めることと、通常の数学的関係に基づいた２つの係数系列を用いて最終的に制御点を生成することと、を含む。

圧縮データを得るために、前述した節点及び制御点の生成手法は、通常、後処理手法として、すなわち、所望とする一連のイメージを取得した後に実行される。しかし、イメージを取得するときに連続するイメージの小さなセット（パケット）に対する前述の圧縮手法を実質的にリアルタイムで実行することを許容する方法が周知である。

本発明の他の実施例によると、制御点は、節点及び点群から直接的に、すなわち、多項式基底を生成することなく、いわゆるバリエーション・ディミニッシング・アプロキシメーション（variation diminishing approximation：ＶＤＡ）法を用いて定められる。この他の実施例の圧縮手法では、最小二乗法を用いた手法ほど変換性能は高くなく、スプラインを示す曲線はより離れて点群を追従するが、実行速度が２倍又は３倍となることが保証される。

ＶＤＡ法を用いた圧縮手法は、後処理又はリアルタイムで実行することができる。

図４は、図３の点群１５を近似するスプラインを表す曲線１９を単に例として示している。

各スプラインの最大次数Ｄ、節点及び制御点は、各点群に関するオリジナルデータの圧縮から得られる圧縮データを共に構成している。全ての取得されたイメージの圧縮データは、メモリ１７に記録され、これにより、各オリジナルデータである場合の使用容量と比べて、使用するメモリ容量が非常に小さくなる。

圧縮データにより使用される容量がより小さいため、無線周波数インタフェースを介してデータをより迅速にリモートサーバに送ることができる。データを送るため、測定モジュール３は、無線トランシーバ２０を有している。

特定の実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲は、例えば、各列にフィラーピンが設けられた形式の一つ又は複数の機械的なプロフィルメータの使用など、当業者に自明である全ての変更、修正又は簡略化が含まれることを理解されたい。

Claims (14)

1. カート（２）上に配置され、かつ少なくとも１つのプロフィルメータ装置（１０）を備えた測定モジュール（３）により、鉄道用線路又はスイッチ（３０）のエレメント（３１）の上部プロファイルに関するデータを取得する方法であって、
   上記カート（２）が上記鉄道用線路又はスイッチ（３０）に沿って前方に移動する間に上記プロフィルメータ装置（１０）により、一連の点群（１５）を取得するステップと、
   各々の点群（１５）について区分多項式関数をそれぞれ生成するステップと、
   を含み、
   各点群（１５）は、上記カート（２）の前方への移動方向（５）を横断する各平面に対応する上記上部プロファイルを示し、
   上記区分多項式関数は、好ましくはスプライン関数であり、上記点群（１５）からなるオリジナルデータを上記区分多項式関数のパラメータからなる圧縮データへと変換するように上記点群（１５）を近似する、ことを特徴とする方法。
2. 上記区分多項式関数は最小二乗法を用いて生成される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記区分多項式関数はＶＤＡ法を用いて生成される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 上記パラメータは、上記区分多項式関数の多項式基底の最大次数（Ｄ）を含み、
   上記最大次数（Ｄ）は、予め定められ、値２及び３からなる群から選択される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 上記パラメータは、上記区分多項式関数の制御点を含み、
   上記制御点の数（Ｎ）は、上記圧縮データに望ましい圧縮率の関数として予め定められる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 上記パラメータは、上記区分多項式関数の制御点及び節点を含み、
   上記区分多項式関数を生成するステップは、
   上記節点を生成することと、
   上記節点及び上記点群（１５）に基づいて前記制御点を生成することと、
   を含む、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 上記節点は、互いに一様に離間するように生成される、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 上記節点は、上記点群（１５）の点間の距離と比例して互いに離間するように生成される、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 上記制御点は、上記点群（１５）に適用される最小二乗法を用いて生成される、ことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
10. 上記区分多項式関数は、多項式基底の線形結合であり、
    上記節点に基づいて上記制御点を生成することは、
    上記節点に基づいて上記多項式基底を生成することと、
    上記点群（１５）に最小二乗法を適用することにより、上記点群（１５）の平面の各座標について上記線形結合の各一連の係数を定めることと、
    上記一連の係数に基づいて上記制御点を生成することと、
    を含む、ことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
11. 上記制御点は、ＶＤＡ法を用いて直接的に生成される、ことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
12. 上記プロフィルメータ装置は、レーザプロフィルメータ（１０）であり、
    上記レーザプロフィルメータは、各々のデジタルイメージが上記点群（１５）のうち１つの点群を含むように、上記エレメント（３１）の上部の一連のデジタルイメージを取得する、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 上記エレメントは、上記鉄道用線路又はスイッチ（３０）のレール（３１）からなる、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 鉄道用線路又はスイッチ（３０）のエレメント（３１）の幾何学的及び／又は構造的なパラメータを測定するための自己推進式の装置であって、
    上記装置（１）は、カート（２）と、当該カート（２）上に配置された測定モジュール（３）と、を有し、
    上記測定モジュール（３）は、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法を実行するように構成された、制御・処理手段（１６）及び少なくとも１つのプロフィルメータ装置（１０）を有する、ことを特徴とする自己推進式装置。

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