JP2019074428A - 鉄道における建築限界の測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】線路の軌間やカントなどを簡便かつ正確に測定して鉄道における建築限界を算出することができる鉄道における建築限界の測定装置及び測定方法を提供する。【解決手段】測定装置１は、線路上を走行する台車１０、台車１０に対し回転及び摺動可能な倣い装置２０、三次元形状測定装置３０及びその軌跡を取得する座標測定装置２、情報処理装置４０を含む。倣い装置２０は、１本のレール頭部の側面に接触する２個のガイドローラ２１１、ガイドローラ２１１を結ぶ線分の垂直二等分線上でレール頭部の側面に接触する２個のターゲットローラ２２２、ターゲットローラ２２２間の距離を測定する第１の距離センサ２３０、２本のレール頭部の上面までの距離を測定する第２の距離センサ２４０を含む。三次元形状測定装置３０は、横断勾配角度を測定する姿勢情報計測器３０１、基準器３０２を含む。情報処理装置４０は、これらの測定値に基づいて建築限界を算出する。【選択図】図３

Description

本発明は鉄道における建築限界の測定装置及び測定方法に関し、特に線路の軌間やカントなどを簡便かつ正確に測定して鉄道建築限界を算出する技術に関する。

従来、鉄道の線路（２本のレールを含む軌道）の周囲には建築限界と称される領域が設定され、建築限界内には建築物や構造物等を設けてはならないものとされている。同様に、車両限界と称される領域も設定され、線路上を走行する車両はこの車両限界を超えないよう設計される。そして、建築限界と車両限界との間に一定の余裕を設けることで、線路上を走行する車両と、建築物や構造物と、が干渉することがないよう考慮されている。

図１は、建築限界の一例を示す図である。線路の直線部においては、左右のレールの中心、すなわち軌間の中点から左右に一定の幅を有する領域が建築限界として設定される。曲線部においては、直線部における建築限界の外側に一定の拡大幅Ｗを付加した建築限界が設定される。カント（左右のレールの高さの差）を有する曲線部においては、曲線部における建築限界をカントに応じて補正した建築限界が設けられる。図１のハッチング部は、曲線又は傾斜による建築限界の拡大範囲を表す。なお、軌間とカントから求める勾配を横断勾配と称す。

図２は、曲線部における拡大幅Ｗの計算方法の一例を示す図である。線路の曲線部においては、直線部と比較して、車両の中央部分においては中央偏い量Ｗ１、車両の前後部分においては端偏い量Ｗ２だけ車両のはみ出し幅が拡大する。このはみ出し幅の大きさは、曲線部の半径Ｒに依存する。よって、現場では例えば式（１）のような計算式によって拡大幅Ｗを算出している。
Ｗ（ｍｍ）＝２３１００／Ｒ（ｍ） ・・（１）

すなわち、曲線部における建築限界は、直線部における建築限界と、曲線部の半径Ｒとに基づいて求めることができる。また、カント付きの曲線部における建築限界は、曲線部における建築限界と、カントとに応じて求めることができる。半径Ｒやカントは設計値で決まっているから、設計値通りに線路が敷設されていれば車両と建築物の干渉は発生しない。

しかしながら、敷設工事における誤差や、敷設後の車両の運行や周辺の工事などの影響により、レールの形状と設計値との間に差が生じることがある。したがって、例えば定期的に点検を行うなどして現実のレールの形状を測定し、測定値に基づいた建築限界を算出して、周囲の建築物や構造物と車両との干渉が発生しないかを検証することが必要である。

この点、特許文献１には、３つの車輪によりレール上を走行可能な架台に、架台の３次元位置を検出する基準位置検出手段、カントを検出する傾斜角検出手段、レール間の距離を検出する軌間検出手段を設けた計測装置が記載されている。

特開２００４−０６１２７８号公報

特許文献１記載の装置では、レール上を走行する車輪に連動するレール内接部材が設けられ、このレール内接部材の移動量を検出することで軌間を測定する。一般に、レールに対する架台の追従性を確保するためには、例えば車輪にテーパーを設けるなどして遊動性を持たせておく必要がある。しかしながら、特許文献１記載の装置において車輪に遊動性を持たせると、軌間の計測精度が低下し、正確な建築限界が得られない。軌間の計測基準となるレール内接部材が車輪に連動するためである。一方、軌間の計測精度を上げようとすると、今度はレールに対する架台の追従性が犠牲となる。このことは、例えば作業効率の低下、すなわち作業時間の増加などの問題を生じさせる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、線路の軌間やカントなどを簡便かつ正確に測定して鉄道建築限界を算出することができる鉄道建築限界の測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の鉄道における建築限界の測定装置は、２本のレールからなる線路上を走行する台車と、前記台車に対し回転及び摺動可能に取付けられた倣い装置と、前記倣い装置に取付けられた三次元形状測定装置と、前記三次元形状測定装置の座標を連続的かつ離散的に測定することにより軌跡を取得する座標測定装置と、情報処理装置と、を含む鉄道における建築限界の測定装置であって、前記倣い装置は、１本のレール頭部の側面に接触する２個のガイドローラを有するガイドアームと、前記ガイドローラを結ぶ線分の垂直二等分線上で、一方の前記レール頭部の側面に接触するターゲットローラと、他方のレール頭部の側面に接触するターゲットローラと、を有するターゲットアームと、前記ターゲットローラ間の距離に応じた測定値を出力する第１の距離センサと、前記倣い装置から２本のレール頭部の上面までの距離をそれぞれ測定する第２の距離センサと、を含み、前記三次元形状測定装置は、前記線路に対する前記倣い装置の横断勾配角度を測定する姿勢情報計測器と、前記座標測定装置による前記座標の測定目標である基準器と、を含み、前記情報処理装置は、前記第１の距離センサ、前記第２の距離センサ、前記姿勢情報計測器及び前記座標測定装置から取得された測定値のうち少なくともいずれか１つに基づいて建築限界を算出する。

請求項２記載の鉄道における建築限界の測定装置においては、前記情報処理装置は、前記第１の距離センサの測定値に基づいて前記線路の軌間を算出し、前記軌間、２本の前記レール頭部の上面までの距離及び前記横断勾配角度に基づいて前記線路のカントを算出し、前記軌跡に基づいて前記線路の曲線半径を算出し、前記カント及び前記曲線半径に基づいて建築限界を算出する。

請求項３記載の鉄道における建築限界の測定装置においては、前記情報処理装置は、前記軌跡に含まれる複数の前記座標から、所定の間隔を有する複数の参照点を抽出し、前記参照点を順次接続してなる線分間の方向変位角θに基づいて前記曲線半径を算出する。

請求項４記載の鉄道における建築限界の測定装置においては、前記ガイドローラを前記レール頭部の側面に押付けるための第１のばねと、前記ターゲットローラを前記レール頭部の側面に押付けるための第２のばねと、を有する。

請求項５記載の鉄道における建築限界の測定装置においては、前記倣い装置は、前記ターゲットアーム及び前記ガイドアームを一体で摺動させる直交フレームと、前記ターゲットアーム及び前記ガイドアームを一体で回転させる可動フレームと、前記可動フレームとベースがピン及びキャスタで回転自在に接続されたベースフレームと、を有し、前記直交フレームと前記可動フレームは、スライダーで摺動可能に接続され、前記ターゲットアームと前記ガイドアームが一体で摺動かつ回転自在に係合される。

請求項６記載の鉄道における建築限界の測定装置においては、前記三次元形状計測装置は、周囲の物体までの距離を計測する３Ｄ計測器を含み、前記情報処理装置は、前記周囲の物体までの距離と前記建築限界との比較結果を出力する。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の鉄道における建築限界の測定装置。

請求項７記載の鉄道における建築限界の測定装置においては、前記情報処理装置は、前記軌跡に基づき、通り又は高低を算出する。
請求項１記載の鉄道における建築限界の測定装置。

請求項８記載の鉄道における建築限界の測定方法は、２本のレールからなる線路上を走行可能な台車に、１本のレール頭部の側面に接触する２個のガイドローラを有するガイドアームと、前記ガイドローラを結ぶ線分の垂直二等分線上で一方の前記レール頭部の側面に接触するターゲットローラと、他方のレール頭部の側面に接触するターゲットローラと、を有するターゲットアームと、前記ターゲットローラ間の距離に応じた測定値を出力する第１の距離センサと、前記倣い装置から２本の前記レール頭部の上面までの距離をそれぞれ測定する第２の距離センサと、を含む倣い装置を回転及び摺動可能に取付け、前記線路上を走行させるステップと、前記倣い装置に取付けられた三次元形状測定装置に含まれる姿勢情報計測器が、前記線路に対する前記台車又は前記倣い装置の横断勾配角度を測定するステップと、座標測定装置が、前記三次元形状測定装置に含まれる基準器の座標を連続的かつ離散的に測定することにより軌跡を取得するステップと、情報処理装置が、前記第１の距離センサ、前記第２のセンサ、前記姿勢情報計測器及び前記座標測定装置から取得された測定値のうち少なくともいずれか１つに基づいて建築限界を算出するステップと、を含む。

本発明により、線路の軌間やカント、曲線半径などを簡便かつ正確に測定して鉄道における建築限界を算出することができる、鉄道における建築限界の測定装置及び測定方法を提供することができる。

建築限界の一例を示す図である。 建築限界の算出方法の一例を示す図である。 測定装置１の構成を示す模式平面図である。 倣い装置２０の構成を示す斜視図である。 ベースフレーム２００及びサイドアーム２１０の構成を示す斜視図である。 ターゲットアーム２２０の構成を示す模式横断面図である。 測定装置１の構成を示す模式横断面図である。 曲線部の半径Ｒの計算方法を説明するための図である。 曲線部の半径Ｒの計算方法を説明するための図である。 軌道評価指標を説明するための図である。 軌道評価指標の算出方法を説明するための図である。 レール頭部を説明するためのレール断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態において、鉄道における建築限界測定システムとしての測定システム１は、鉄道における建築限界測定装置としての測定装置１と、座標測定装置２と、を含む。また本実施の形態において、鉄道における建築限界測定方法は、測定システム１又は測定装置１の動作手順として説明される。

図３乃至図６を用いて、本発明の実施の形態にかかる測定装置１の構成について説明する。図３の模式平面図に示すように、測定装置１は、台車１０、倣い装置２０、三次元形状計測装置３０（姿勢情報計測器３０１、３Ｄ計測器３０３）、情報処理装置４０を有する。

台車１０は、架台１０１と複数の車輪１０２とを有し、これらの車輪により線路上を走行することが可能である。例えば図３に示すように、台車１０は、４個の車輪１０２（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ）を有する汎用トロリーであってもよい。なお車輪１０２の数は、線路上を走行するのに十分な数であれば限定されない。車輪１０２にはレールと当接する面にテーパー（傾斜）がついており、レールの歪みや軌間の変動などに応じて当接点が移動することで、台車１０の線路に対する追従性を高める構造となっていることが好ましい。また倣い装置２０は、台車１０から着脱可能な構造となっている。これにより倣い装置２０は、台車１０の走行性能を有しつつ、運搬や線路上への設置が容易であり、装置全体の製造コストを抑えることができる。

＜倣い装置２０の機構＞
図４は、倣い装置２０全体の構造を示す斜視図である。倣い装置２０は、ベースフレーム２００、ガイドアーム２１０、ターゲットアーム２２０の３つの構成要素を備える。

図５は、倣い装置２０のうち、ベースフレーム２００及びガイドアーム２１０のみを抽出した斜視図である。

ガイドアーム２１０は、垂直アーム２１２（２１２ａ、２１２ｂ）と平行な軸を持つ２個のガイドローラ２１１（２１１ａ、２１１ｂ）を一定の間隔で保持し、２個のガイドローラ２１１を側方から同時に同じレールに接触させるための装置である。ガイドアーム２１０は、２個のガイドローラ２１１をレール頭部の側面５０２（図１２参照）の高さに合わせ保持するための垂直アーム２１２、２個のガイドローラ２１１すなわち２個の垂直アーム２１２を一定間隔に保ち連結保持するための水平アーム２１３、水平アーム２１３と平面的に直交し、当該直交方向に水平アーム２１３をベースフレーム２００に対し摺動させるための直交フレーム２１４を備える。直交フレーム２１４は、ベースフレーム２００に対し摺動するためのスライダー２０３を備えている。２個のガイドローラ２１１の間隔は、例えば台車１０の架台１０１の幅程度とすることができる。水平アーム２１３と垂直アーム２１２、及び直交フレーム２１４は、安定性と強度の確保および軽量化のため、いずれも枠型とすることが好ましいが、本発明はこれに限定されるものでなく、任意の形状を採用することができる。

ベースフレーム２００は、ガイドアーム２１０と、台車１０の架台１０１と、を回転及び摺動自在に接続するための装置である。ベースフレーム２００は、可動フレーム２０１とベース２０８を有する。ガイドアーム２１０は、直交フレーム２１４のスライダー２０３により可動フレーム２０１のスライドレール２０６上を摺動することができ、可動フレーム２０１はベース２０８に対し回転自在に連結するピン２０２及びキャスタ２０５を有する。なお、ガイドアーム２１０が可動フレーム上を摺動することができれば、スライダー２０３、スライドレール２０６の位置はこれに限定されず、この機能が得られる設計変更は本発明に含まれる。

ベース２０８は、架台１０１とクランプ等で仮固定されており、ベース２０８も含めた倣い装置２０は、架台１０１と着脱可能な構造となっている。ベース２０８は、ピン２０２を中心にキャスタ２０５が可動できる面があり、ベース２０８を除く倣い装置２０の重さでも変形が少ない材料であればよく、フレーム状に構成することもできる。

ピン２０２はベース２０８の面に対し垂直に取付けられる。可動フレーム２０１にはピン２０２を受ける軸受けが取付けられる。軸受けには、軸回りの摩擦を低減できるようベアリング等が使用されることが好ましい。また可動フレーム２０１にはキャスタ２０５が取付けられる。キャスタ２０５は、ベース２０８上に載置されることで可動フレーム２０１を支持する。キャスタ２０５は、ピン２０２を中心とした同心円の接線方向に移動可能である。あるいはキャスタ２０５は、ボールローラのような方向自在に移動可能なものであっても良い。これにより、可動フレーム２０１は、ベース２０８上に、ピン２０２を中心に回転自在に連結及び支持される。ピン２０２がベース２０８に固定される説明を行ったが、これに限定されるものではなく、例えばピン２０２が可動フレーム２０１に固定され、軸受けがベース２０８に取付けられるなど、この機能が得られる設計変更は本発明に含まれる。

可動フレーム２０１と直交フレーム２１４との間には、第１のばね２０７が取付けられる。直交フレーム２１４を含むガイドアーム２１０は、第１のばね２０７の力によりレールに押付けられ、２個のガイドローラ２１１でレールに接する。可動フレーム２０１と直交フレーム２１４により、ガイドアーム２１０はベース２０８に対し回転及び摺動自在に取付けられているため、台車１０の動きに関わらず、２個のガイドローラ２１１は第１のばね２０７の力で常にレールに接することが可能である。また、この構成により、直交フレーム２１４は常にレールの接線方向に対して平面的に直角に維持される。なおスライドレール２０６は、２個のガイドローラ２１１が常にレールに接することができるだけの可動域を有する。

直交フレーム２１４には、ターゲットアーム２２０が取付けられる。つまり、ガイドアーム２１０とターゲットアーム２２０は、固定されている。ターゲットアーム２２０は、垂直アーム２２４（２２４ａ、２２４ｂ）に平行な軸を持つ２個のターゲットローラ２２２（２２２ａ、２２２ｂ）を一定の間隔で保持し、２個のターゲットローラ２２２を同時に対向するレール頭部（図１２参照）の内側面に接触させるための装置である。ターゲットアーム２２０は、２個のターゲットローラ２２２をレール頭部の側面５０２の高さに合わせ保持するための垂直アーム２２４、２個の垂直アーム２２４を一定間隔に保ち連結保持するための水平アーム２２５を備える。なお、ターゲットローラ２２２は、レール頭部になめらかに接するものであれば、ボールローラやソリ状の回転軸を有しないものでもよく、これに限定されない。

２個のターゲットローラ２２２は、線路の軌間を測定するため、２個のガイドローラ２１１を結ぶ線分の垂直二等分線上にあたる位置に保持される。図６に示すように、一対のターゲットローラ２２２は、一対のスライダー２２７（２２７ａ、２２７ｂ）及びスライドレール２２６（２２６ａ、２２６ｂ）により、一対の垂直アーム２２４に取付けられる。このためターゲットローラ２２２はそれぞれ独立に、上記垂直２等分線と平行な方向に、垂直アーム２２４に対して摺動する。

２個の垂直アーム２２４と２個のターゲットローラ２２２との間には、それぞれ第２のばね２２３（２２３ａ、２２３ｂ）が取付けられる。これにより２個のターゲットローラ２２２は、第２のばね２２３の力によりレール頭部の側面５０２に押付けられる。スライダー２２７及びスライドレール２２６により、ターゲットローラ２２２は垂直アーム２２４に対し摺動自在に取付けられているため、軌間が変化したとしても、２個のターゲットローラ２２２は第２のばね２２３の力で常にレール頭部の側面５０２に接することが可能である。なおスライドレール２２６は、２個のターゲットローラ２２２が常にレール頭部の側面５０２に接することができるだけの可動域を有する。

＜軌間の計測＞
一対の垂直アーム２２４にはそれぞれ、第１の距離センサ２３０（２３０ａ、２３０ｂ）が取付けられる。第１の距離センサ２３０は軌間計測のために、それぞれターゲットローラ２２２の所定の位置までの距離を常時計測する。第１の距離センサ２３０間の距離をＤ（固定値）、第１の距離センサ２３０の出力距離すなわち計測値をＤ_１、Ｄ_２とすると、軌間Ｄ_５は式（２）により求められる。
Ｄ_５＝Ｄ−（Ｄ_１＋Ｄ_２） ・・（２）

軌間の算出処理は、情報処理装置４０が実行する。情報処理装置４０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置、入出力インタフェースなどを備え、ＣＰＵ記憶装置に格納されたプログラムを読み出して実行し種々の機能を実現するコンピュータである。情報処理装置４０は、２個の第１の距離センサ２３０のほか、後述の第２の距離センサ２４０（２４０ａ、２４０ｂ）、三次元形状計測装置３０、座標測定装置２が出力する測定値を任意の入力インタフェースを介して受信し、これらの測定値を使用して、上記プログラムに従い軌間の算出を含む所定の処理を実行する。なお情報処理装置４０は、台車１０又は倣い装置２０上に設置されても良く、台車１０又は倣い装置２０から離れた任意の場所に設置されていても良い。この場合、情報処理装置４０は、第１の距離センサ２３０、第２の距離センサ２４０、三次元形状計測装置３０、座標測定装置２が出力する測定値を任意の有線又は無線通信手段を介して受信する。

＜カントの計測＞
図７に示すように、倣い装置２０に、三次元形状計測装置３０が設置される。典型的には、三次元形状計測装置３０は、枠型構造である直交フレーム２１４の枠内に固定される。三次元形状計測装置３０は、レール形状の計測に必要な姿勢情報を得るために、姿勢情報計測器３０１を備える。姿勢情報計測器３０１は、例えばジャイロセンサー又は傾斜計である。台車１０の走行中、三次元形状計測装置３０は、直交フレーム２１４を含むガイドアーム２１０と連動するから、三次元形状計測装置３０の姿勢情報計測器３０１は、平面的にみて常にレール接線方向にローリング軸を有する。このとき姿勢情報計測器３０１のローリング角に着目すれば、これはレールの横断面における架台１０１の横断勾配角度Φ_２にほかならない。

なお図７は、説明の便宜上、ターゲットローラ２２２等をレールから離れた位置に模式的に記載している。しかしながら実際のターゲットローラ２２２は、図６に示すようにレールに内接するように配置されている。

図６に示すように、ターゲットアーム２２０には、一対の第２の距離センサ２４０が取付けられる。第２の距離センサ２４０は、例えばレーザ距離計である。第２の距離センサ２４０は、それぞれレール頭部の上面５０１までの距離を常時計測する。このとき第２の距離センサ２４０はターゲットローラ２２２と同一方向に摺動するため、常にレール頭部の内側から一定の離隔を保った位置でレール頭部の上面５０１までの距離を計測できる。第２の距離センサ２４０ａの出力距離すなわち測定値をＤ_３、第２の距離センサ２４０ａの測定値をＤ_４、軌間をＤ_５とすると、カントＣは式（３）により算出できる。またカントの算出処理は、情報処理装置４０が実行する。なお図７のΦ_１は線路の横断勾配を示し、姿勢情報計測器３０１で求めた架台１０１の横断勾配角度Φ_２とは必ずしも一致しない。
Ｃ=Ｄ_５×ｓｉｎ（Φ_２）＋Ｄ_３−Ｄ_４ ・・（３）

＜曲線半径及び建築限界の算出＞
三次元形状計測装置３０は、線路の線形を得るために、基準器３０２を備える。基準器３０２は、例えばターゲットプリズム又は衛星測位アンテナである。台車１０の走行中、三次元形状計測装置３０は、直交フレーム２１４を含むガイドアーム２１０と連動するから、基準器３０２は線路の線形に倣う軌跡をたどることになる。

基準器３０２の軌跡は、座標測定装置２により取得できる。座標測定装置２は、自動追尾機能付きの３次元座標測定装置（例えばトータルステーション）であり、測定装置１の移動時における基準器３０２の座標を連続的かつ離散的に、すなわち例えば一定時間毎又は一定距離毎に取得する。あるいは、座標測定装置２は衛星測位装置であっても良い。衛星測位装置は、複数の衛星から送信される測位信号を受信及び解析することにより、測定装置１の移動時における基準器３０２の座標を連続的かつ離散的に測定する。このような衛星測位装置（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）としては、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＧＬＯＮＡＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）、Ｇａｌｉｌｅｏ、ＱＺＳＳ（Ｑｕａｓｉ−Ｚｅｎｉｔｈ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）等がある。なお、座標測定装置２と基準器３０２の関係は、それぞれ対応したものであればよい。例えば、座標測定装置２がトータルステーションであれば、基準器３０２はターゲットプリズムであり、座標測定装置２が衛星測位装置であれば、基準器３０２は衛星測位アンテナである。

図８及び図９を用いて、曲線半径の算出処理と、曲線半径を用いた建築限界の算出処理について説明する。
ステップ１：情報処理装置４０は、取得された軌跡データに基づき、参照点を新たに生成する。参照点は、軌跡データから抽出された、測定間隔よりも長い一定のスパンを隔して連続する点列である。スパンとしては、典型的には車両の長さに近い値（２０ｍなど）を用いることができる。すなわち、軌跡データから任意の複数の点を一定スパン（２０ｍなど）おきに抽出したものが参照点である。図８では、参照点を白抜きの点、軌跡データを黒点で示している。

ステップ２：情報処理装置４０は、参照点Ｐをつないだ線分Ｌを仮定する。図８に示すように、本実施の形態では参照点Ｐ_ｎ−１とＰ_ｎとをつないだ線分をＬ_ｎとする（ｎは自然数）。すなわち、参照点Ｐ_０とＰ_１とをつないだ線分をＬ_１、Ｐ_１とＰ_２とをつないだ線分をＬ_２、・・、Ｐ_５とＰ_６とをつないだ線分をＬ_６とする。

ステップ３：情報処理装置４０は、方向変位角θを順次計算する。方向変位角θとは、隣接する線分Ｌがなす角である。図８に示すように、本実施の形態では線分Ｌ_ｎとＬ_ｎ＋１とがなす角をθ_ｎとする（ｎは自然数）。すなわち、線分Ｌ_１とＬ_２とがなす角をθ_１、Ｌ_２とＬ_３とがなす角をθ_２、・・、Ｌ_５とＬ_６とがなす角をθ_５とする。

ステップ４：情報処理装置４０は、θ_ｎとしきい値とを順次比較する。θ_ｎ≦しきい値であれば、θ_ｎの前後の区間、すなわちＰ_ｎ−１からＰ_ｎ＋１までの区間の線形は直線とみなす。一方、しきい値＜θ_ｎであれば、θ_ｎの先の区間、すなわちＰ_ｎからＰ_ｎ＋１までの区間の線形は曲線（単曲線又は緩和曲線）とみなす。例えば図８では、θ_１及びθ_２がしきい値以下であったとすると、Ｐ_０からＰ_３までの区間は直線とみなされる。また、θ_３、θ_４、θ_５がいずれもしきい値を超えていたとすると、Ｐ_３からＰ_６までの区間は曲線とみなされる。

また、情報処理装置４０は、曲線部が連続する場合、それら連続する曲線部が単曲線であるか緩和曲線であるかを判定することができる。この判定は以下の判定式（４）により実施できる。
θ_ｎ＝θ_ｎ−１ → 単曲線
θ_ｎ＜θ_ｎ−１ 又は θ_ｎ＞θ_ｎ−１ → 緩和曲線 ・・（４）
ここで情報処理装置４０は、θ_ｎとθ_ｎ−１との差分が所定のしきい値（ステップ４におけるしきい値と区別するため、以下「第２のしきい値」と称する）以下である場合は、θ_ｎ＝θ_ｎ−１であると判定できる。

また情報処理装置４０は、ここで曲線とみなされた区間について、曲線半径Ｒを算出する処理を行う。図９を用いて、曲線部の曲線半径Ｒの計算方法を具体的に説明する。いま参照点がＡ、Ｂ、Ｃの順で取得されており、ＢＣ間が曲線部と判定されたものとする。また、区間ＢＣとその前の区間ＡＢとの方向変位角がθであったものとする。このとき、線分ＢＣの垂直二等分線上に中心Ｏが存在するものとすると、曲線部ＢＣの曲線半径Ｒは以下の式（５）により算出できる。
Ｒ＝Ｌ２／２ｓｉｎ（θ／２） ・・（５）

ステップ５：情報処理装置４０は、ステップ４において曲線とみなされた区間と、その１つ手前の区間において、細分化参照点を設定する。例えば図８において、Ｐ_３からＰ_６までの区間が曲線部と判定されたものとすると、情報処理装置４０は、Ｐ_２からＰ_６までの区間に細分化参照点を設定する。細分化参照点とは、ステップ１で参照点を設定した際よりも短いスパンで設定される新たな参照点である。例えばステップ１において２０ｍ間隔で参照点を設定したならば、ステップ５では１ｍ間隔で細分化参照点を設定する。

続いて情報処理装置４０は、１つの細分化参照点と、そこから２０ｍ離れた他の細分化参照点と、の間をつなぐ線分を順次仮定していく。ここで２０ｍとはあくまで例示であり、ステップ１で参照点の設定の際に用いたスパンでこれを代替できる。図８の例では、Ｐ_２からＰ_３側に１ｍ離れた細分化参照点Ｐ_２１と、Ｐ_３からＰ_４側に１ｍ離れた細分化参照点Ｐ_３１と、の間に線分Ｌ_３１をまず仮定する。続けて同様に、Ｐ_２１からＰ_３側に１ｍ離れた細分化参照点Ｐ_２２と、Ｐ_３１からＰ_４側に１ｍ離れた細分化参照点Ｐ_３２との間の線分Ｌ_３２、Ｐ_２２からＰ_３側に１ｍ離れた細分化参照点Ｐ_２３と、Ｐ_３２からＰ_４側に１ｍ離れた細分化参照点Ｐ_３３との間の線分Ｌ_３３、・・を順次仮定する。

次いで情報処理装置４０は、ステップ３と同様に、これらの線分のなす方向変位角θを順次計算する。図８の例では、Ｌ_３１とＬ_３２とがなすθ、Ｌ_３２とＬ_３３とがなすθ、・・を順次計算する。またステップ４と同様に、θとしきい値とを順次比較して、各区間の線形を判定する。図８の例では、Ｐ_２１とＰ_３１との間の区間、Ｐ_２２とＰ_３２との間の区間、Ｐ_２３とＰ_３３との間の区間の線形が順次判定される。
ここで、情報処理装置４０は、曲線部が連続する場合、それら連続する曲線部が単曲線であるか緩和曲線であるかを式（４）により判定することができる。また情報処理装置４０は、式（５）により曲線部の半径Ｒを算出する処理を行うことができる。

このステップ５の処理により、情報処理装置４０は、変曲点、すなわち直線と曲線との境界点を精密に特定することができる。また、曲線部が連続する場合においては、単曲線と緩和曲線との境界を精密に特定することもできる。なお、ステップ５の処理は本発明の必須の要素ではなく、要求される精度などに応じて適宜省略することも可能である。また、ステップ５の処理を実行する場合は、ステップ４においては単曲線であるか緩和曲線であるかの判定処理、及び半径Ｒの算出処理を省略して差し支えない。

ステップ１乃至ステップ５の処理により、情報処理装置４０は、線路の各区間の線形と、曲線部の半径Ｒを特定することができた。したがって、情報処理装置４０は以下の手順により各区間の建築限界を算出することができる。
直線部：情報処理装置４０は、軌跡データを中心として、左右に一定の幅を有する領域を建築限界として算出する。ここで一定の幅については、情報処理装置４０が予め保持しておくことが可能である。
曲線部：情報処理装置４０は、直線部における建築限界の外側に一定の拡大幅Ｗを付加して建築限界を算出する。拡大幅Ｗは、ステップ４又はステップ５で算出した曲線部の半径Ｒを用いて、例えば式（１）などの公知の手法により算出できる。
カントつき曲線部：曲線部における建築限界をカントに応じて補正して建築限界を算出する。この補正方法については公知であるのでここでは詳細な説明を省略する。

＜周辺の計測対象物と建築限界との比較＞
三次元形状計測装置３０は、周辺の計測対象物（例えば建築物や構造物）までの距離を測定する３Ｄ計測器３０３を備える。３Ｄ測定器３０３は、例えばレーザ断面計測器である。３Ｄ計測器３０３は、一定時間毎にレーザ距離計を回転させて、周囲の計測対象物の形状を連続的に計測する。台車１０の走行中、三次元形状計測装置３０は、直交フレーム２１４を含むガイドアーム２１０と連動するから、３Ｄ計測器３０３は、平面的に見て常にレール接線方向と直角を成す面内でレーザを回転することができ、線路と周囲の計測対象物との最短距離を取得することが可能である。

情報処理装置４０は、３Ｄ計測器３０３による周囲の計測対象物（例えば建築物や構造物）の計測結果を取得する。計測結果は、例えば線路上の特定の位置において、レールの接線に直交する面内に存在する、周囲の計測対象物までの距離データである。また情報処理装置４０は、線路上の当該位置における建築限界の計算結果を取得する。そして情報処理装置４０は、この距離データと、建築限界の計算結果とを比較し、周囲の計測対象物が建築限界を超えているか否かを判定する。情報処理装置４０は、必要に応じ判定結果を記憶し、又は任意の方法で外部に出力する。

＜軌道評価指標の算出＞
情報処理装置４０は、軌間、水準、通り、高低などの軌道評価指標を算出することもできる。軌道評価指標とは、線路の検査項目であって、線路が設計値通りに敷設されているか否かを評価するための指標である。図１０及び図１１を用いて、これらの軌道評価指標について説明する。図１０に示すように、軌間とは２本のレールの間の間隔をいう。水準とは、２本のレールの間の高低差をいう。高低とは、レール頭部の上面の鉛直方向のズレをいう。通りとは、レール頭部の側面の特定部分における進行方向に直角な方向のズレをいう。

このうち軌間については、上述の軌間の算出処理により直接算出することが可能である。また水準についても、上述のカントの算出処理により算出可能である。これらに加え、情報処理装置４０は以下の手順により、通り、高低などを算出することが可能である。
通りの算出：情報処理装置４０は、図１１に示すように、ＸＹ座標平面（水平面）上で２つの参照点を結び、すなわち弦を引き、弦の垂直２等分線と軌跡データまでの距離を算出する。この距離を「通り」として出力する。あるいは、通りを所定の基準値と比較し、通りが基準値以上である場合にその旨を出力することとしても良い。
高低の算出：情報処理装置４０は、図１１に示すように、２つの参照点を含みＺ軸に平行な平面（垂直面）上で上記２つの参照点を結び、すなわち弦を引き、弦の垂直２等分線と軌跡データまでの距離を算出する。この距離を「高低」として出力する。あるいは、高低を所定の基準値と比較し、高低が基準値以上である場合にその旨を出力することとしても良い。

従来、通りや高低の値は、レールの２点間に糸を張り、糸の中点とレールとの距離を定規等で計測することで取得していた。この作業は多大な時間と手間を要する一方、目測に頼らざるをえないため精度に限界があった。しかしながら、本実施の形態によれば、測定装置１をレール上に設置して走行させることで、容易かつ正確に上述の軌道評価指標を算出することが可能である。

本実施の形態によれば、測定装置１は、線路に対する追従性を高めた台車１０と、台車１０に対し回転及び摺動可能に載置された倣い装置２０とを有する。測定装置１の台車１０は従来の測定装置よりもスムーズに線路上を移動できるから、線路の計測業務にかかる時間を短縮することができる。一方、倣い装置２０は台車１０とは独立に運動してレールの形状を正確にトレースするので、正確な軌間、カント、線形及び建築限界を算出できる。これにより、建築限界の測定業務を容易かつ正確に実施することが可能となる。

倣い装置２０は、台車１０から着脱することが可能な構造であれば、材料は金属に限定されない。各種計測を行うことから、剛性が高く、変形が少ない構造や材料であることが望ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。例えば、上述の実施の形態で示した各種センサ、計測器、スライダー、スライドレール、ばね等の種類、個数、配置等はあくまで一例にすぎず、これらの構成要素と同等の技術的意義を有する他の構成を採用することが可能である。

１ 測定装置
１０ 台車
１０１ 架台
１０２（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ） 車輪
２０ 倣い装置
２００ ベースフレーム
２０１ 可動フレーム
２０２ ピン
２０３ スライダー
２０５ キャスタ
２０６ スライドレール
２０７ 第１のばね
２０８ ベース
２１０ ガイドアーム
２１１（２１１ａ、２１１ｂ） ガイドローラ
２１２（２１２ａ、２１２ｂ） 垂直アーム
２１３ 水平アーム
２１４ 直交フレーム
２２０ ターゲットアーム
２２２（２２２ａ、２２２ｂ） ターゲットローラ
２２３（２２３ａ、２２３ｂ） 第２のばね
２２４（２２４ａ、２２４ｂ） 垂直アーム
２２５ 水平アーム
２２６（２２６ａ、２２６ｂ） スライドレール
２２７（２２７ａ、２２７ｂ） スライダー
２３０（２３０ａ、２３０ｂ） 第１の距離センサ
２４０（２４０ａ、２４０ｂ） 第２の距離センサ
３０ 三次元形状計測装置
３０１ 姿勢情報計測器（ジャイロ、傾斜計）
３０２ 基準器（ターゲットプリズム、衛星測位アンテナ）
３０３ ３Ｄ計測器
４０ 情報処理装置
２ 座標測定装置（トータルステーション、衛星測位装置）
５０ レール
５０１ レール頭部の上面
５０２ レール頭部の側面

Claims (8)

1. ２本のレールからなる線路上を走行する台車と、
   前記台車に対し回転及び摺動可能に取付けられた倣い装置と、
   前記倣い装置に取付けられた三次元形状測定装置と、
   前記三次元形状測定装置の座標を連続的かつ離散的に測定することにより軌跡を取得する座標測定装置と、
   情報処理装置と、を含む鉄道における建築限界の測定装置であって、
   前記倣い装置は、
   １本のレール頭部の側面に接触する２個のガイドローラを有するガイドアームと、
   前記ガイドローラを結ぶ線分の垂直二等分線上で、一方の前記レール頭部の側面に接触するターゲットローラと、他方のレール頭部の側面に接触するターゲットローラと、を有するターゲットアームと、
   前記ターゲットローラ間の距離に応じた測定値を出力する第１の距離センサと、
   前記倣い装置から２本のレール頭部の上面までの距離をそれぞれ測定する第２の距離センサと、を含み、
   前記三次元形状測定装置は、
   前記線路に対する前記倣い装置の横断勾配角度を測定する姿勢情報計測器と、
   前記座標測定装置による前記座標の測定目標である基準器と、を含み、
   前記情報処理装置は、
   前記第１の距離センサ、前記第２の距離センサ、前記姿勢情報計測器及び前記座標測定装置から取得された測定値のうち少なくともいずれか１つに基づいて建築限界を算出する
   鉄道における建築限界の測定装置。
2. 前記情報処理装置は、
   前記第１の距離センサの測定値に基づいて前記線路の軌間を算出し、
   前記軌間、２本の前記レール頭部の上面までの距離及び前記横断勾配角度に基づいて前記線路のカントを算出し、
   前記軌跡に基づいて前記線路の曲線半径を算出し、
   前記カント及び前記曲線半径に基づいて建築限界を算出する
   請求項１記載の鉄道における建築限界の測定装置。
3. 前記情報処理装置は、
   前記軌跡に含まれる複数の前記座標から、所定の間隔を有する複数の参照点を抽出し、
   前記参照点を順次接続してなる線分間の方向変位角θに基づいて前記曲線半径を算出する
   請求項２記載の鉄道における建築限界の測定装置。
4. 前記ガイドローラを前記レール頭部の側面に押付けるための第１のばねと、
   前記ターゲットローラを前記レール頭部の側面に押付けるための第２のばねと、を有する
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の建築限界の測定装置。
5. 前記倣い装置は、前記ターゲットアーム及び前記ガイドアームを一体で摺動させる直交フレームと、前記ターゲットアーム及び前記ガイドアームを一体で回転させる可動フレームと、前記可動フレームとベースがピン及びキャスタで回転自在に接続されたベースフレームと、を有し、
   前記直交フレームと前記可動フレームは、スライダーで摺動可能に接続され、
   前記ターゲットアームと前記ガイドアームが一体で摺動かつ回転自在に係合される
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の建築限界の測定装置。
6. 前記三次元形状計測装置は、周囲の物体までの距離を計測する３Ｄ計測器を含み、
   前記情報処理装置は、前記周囲の物体までの距離と前記建築限界との比較結果を出力する
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の鉄道における建築限界の測定装置。
7. 前記情報処理装置は、前記軌跡に基づき、通り又は高低を算出する
   請求項１記載の鉄道における建築限界の測定装置。
8. ２本のレールからなる線路上を走行可能な台車に、１本のレール頭部の側面に接触する２個のガイドローラを有するガイドアームと、前記ガイドローラを結ぶ線分の垂直二等分線上で一方の前記レール頭部の側面に接触するターゲットローラと、他方のレール頭部の側面に接触するターゲットローラと、を有するターゲットアームと、前記ターゲットローラ間の距離に応じた測定値を出力する第１の距離センサと、前記倣い装置から２本の前記レール頭部の上面までの距離をそれぞれ測定する第２の距離センサと、を含む倣い装置を回転及び摺動可能に取付け、前記線路上を走行させるステップと、
   前記倣い装置に取付けられた三次元形状測定装置に含まれる姿勢情報計測器が、前記線路に対する前記台車又は前記倣い装置の横断勾配角度を測定するステップと、
   座標測定装置が、前記三次元形状測定装置に含まれる基準器の座標を連続的かつ離散的に測定することにより軌跡を取得するステップと、
   情報処理装置が、前記第１の距離センサ、前記第２のセンサ、前記姿勢情報計測器及び前記座標測定装置から取得された測定値のうち少なくともいずれか１つに基づいて建築限界を算出するステップと、を含む
   鉄道における建築限界の測定方法。

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