JP2020144049A - パンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】架線の偏位変動に対応したパンタグラフの変位を簡素な構成で高精度に測定することを可能にするパンタグラフ変位測定装置を提供する。【解決手段】パンタグラフ１ａの端面に車幅方向に離間して取り付けられた複数のマーカ５と、車両１の屋根上に設けられて複数のマーカ５を撮影するエリアセンサカメラ２と、車両１の屋根上に設けられて架線７を撮影するラインセンサカメラ３と、エリアセンサカメラ２によって撮影した画像から各マーカ５が写っている縦方向のラインを各々抽出し、各ラインを複数並べてなるマーカ画像をそれぞれ作成し、マーカ画像に基づき各マーカ５の一ライン分の基準テンプレートを作成し、各基準テンプレートを使用して車両１の走行中にエリアセンサカメラ２によって撮影した入力画像とのパターンマッチングを行い、架線７の偏位位置に対応したパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を求める演算処理部６Ａとを備える構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、パンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法に関し、特に硬点計測用のマーカを取り付けたパンタグラフをラインセンサカメラで撮影した画像を用いてパターンマッチング処理によりトロリ線の硬点を計測するパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法に関する。

電気鉄道設備においては、検査項目の一つとしてトロリ線の硬点の計測が挙げられる。例えば、トロリ線はちょう架線にハンガで吊り下げられた状態になっている。このハンガが設置されている箇所や、その他、トロリ線の接続箇所や曲線引がある部分などは他の部分に比べトロリ線の重量が部分的に増加しており、「トロリ線の硬点」と呼ばれる。

このトロリ線の硬点を、車両の屋根上に設置されトロリ線に摺動する集電装置であるパンタグラフが通過するとき、トロリ線の重量によりパンタグラフが急激に下降する場合がある。このような場合、トロリ線がパンタグラフから離線し、アークと呼ばれる放電現象が発生する。このときトロリ線にはアークによって生じる熱によって局所的な摩耗が生じる。そのため、トロリ線の硬点においては、他の部分に比較して摩耗の進行が早まることが考えられる。

以上のことから、トロリ線の硬点を検出することは、電気鉄道設備を保守し、運用・管理する上で重要な事項となっている。

上述したように、トロリ線の硬点においてパンタグラフには鉛直方向に大きな加速度が生じる。したがって、トロリ線の硬点を検出するためにはトロリ線と変位が等価であるパンタグラフの鉛直方向の加速度を監視すればよい。パンタグラフの加速度は、パンタグラフの変位を測定し、これを二階微分することによって求めることができる。

従来、パンタグラフの変位測定方法として以下のようなものが知られている。
（１）レーザセンサ方式
この方式は、パンタグラフをミラー等によりレーザで走査し、反射波の位相差や反射したレーザの形状の変形などにより、パンタグラフの変位を測定する方式である。
（２）光切断方式
この方式は、パンタグラフに縞状の光を投光し、パンタグラフの形状に応じて凹凸になった縞を受光し、パンタグラフの変位を測定する方式である。
（３）画像処理方式
この方式は、車両の屋根上に設置したラインセンサカメラでパンタグラフを撮影し、撮影した画像に対して処理用コンピュータにおいてモデルマッチングやパターンマッチング等の処理を行い、パンタグラフの変位を測定する方式である（例えば、特許文献１，２参照）。

上記の方式のうち、画像処理方式は、ラインセンサカメラにより撮影したパンタグラフの画像の中から、予め用意しておいたパンタグラフのモデルとマッチングする画像上のピクセル位置を抽出し、ラインセンサカメラからパンタグラフまでの距離や撮影器具のレンズの焦点距離などに基づき、画像上のピクセル位置からパンタグラフの実際の高さを算出するものである。

この画像処理方式は、撮影したパンタグラフの画像の中から、予め取得したパンタグラフのモデルとマッチングするピクセル位置を検出したり、車両の屋根上に設置されたパンタグラフに白黒の縞模様のマーカを取り付け、ラインセンサカメラによって撮影した画像からパターンマッチングによってマーカ位置、すなわちパンタグラフの位置を検出したりしている。

そして、画像上のパンタグラフの位置を検出した後、パンタグラフまでの距離やレンズの焦点距離などの関係から、画像上のピクセル位置を実際のパンタグラフ変位へと変換する。こうして求めたパンタグラフの変位を二階微分することで、加速度を算出している。また、特許文献２のように、ラインセンサカメラを用いることで空間分解能を上げ、精度を向上させることができる。この方式は、レーザセンサ方式や光切断方式に比べて装置が小型になるので、測定専用に製造された検測車だけでなく、営業車にも搭載できるという利点がある。

特開２０１０−２６６３４１号公報 特開２０１８−１４６５５３号公報 特開２０１０−１６９５０５号公報 特開２００６−２４８４１１号公報

ここで、ラインセンサカメラを用いた方式では、撮影できる箇所は１ライン分である。そのため一台のラインセンサカメラを用いて計測できるパンタグラフの偏位は任意の一点のみであり、架線の偏位変動に対応したパンタグラフの加速度を計測するためには、ラインセンサカメラを複数台設置し、パンタグラフの複数個所で変位を計算する必要がある。しかしながら、ラインセンサカメラを複数台設置する場合、装置の大型化やコストの上昇につながるという問題があった。

このようなことから本発明は、架線の偏位変動に対応したパンタグラフの変位を簡素な構成で高精度に測定することを可能としたパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、
鉄道車両のパンタグラフの端面に車幅方向に離間して取り付けられた複数のマーカと、
前記鉄道車両の屋根上に設置され前記複数のマーカを撮影するエリアセンサカメラと、
前記鉄道車両の屋根上に設置され架線の偏位を測定する架線偏位測定装置と、
前記鉄道車両の走行中に前記エリアセンサカメラによって撮影した入力画像に基づいて前記パンタグラフの高さ方向の変位を求めると共に、前記パンタグラフの高さ方向の変位と前記架線偏位測定装置を用いて取得した前記架線の偏位とを利用して前記パンタグラフの高さを求める画像処理装置と
を備え、
前記画像処理装置は、前記エリアセンサカメラによって撮影した画像から各前記マーカが写っている縦方向のラインを各々抽出し、各前記ラインを複数並べてなるマーカ画像をそれぞれ作成し、前記マーカ画像に基づき各前記マーカの一ライン分の基準テンプレートを作成し、各前記基準テンプレートを使用して前記入力画像とのパターンマッチングを行い、前記架線の偏位位置に対応した前記パンタグラフの高さ方向の変位を求める
ことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第２の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、第１の発明において、
前記架線偏位測定装置が、その光軸がほぼ直上を向くように、且つその走査線方向が前記鉄道車両の車幅方向に沿うように設置されたラインセンサカメラである
ことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第３の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、第１の発明において、
前記架線偏位測定装置が、レーザ光を前記鉄道車両の進行方向に平行な軸周りで放射線状に投光し、その反射光を受光することによって測定対象物までの距離及び角度を測定する測域センサである
ことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第４の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、第１の発明において、
前記架線偏位測定装置が、前記エリアセンサカメラであり、
前記画像処理装置が、前記入力画像を解析することにより前記架線の偏位を取得する
ことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第５の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、
鉄道車両の屋根上に設置されたエリアセンサカメラによって走行中の前記鉄道車両のパンタグラフを撮影し、前記エリアセンサカメラによって撮影した画像を画像処理装置により解析して前記パンタグラフの高さ方向の加速度を求め、トロリ線の硬点を検出するトロリ線硬点検出方法であって、
前記パンタグラフの前記エリアセンサカメラによって撮影される端面に、複数のマーカを車幅方向に離間して設置する第一の工程と、
前記エリアセンサカメラによって前記マーカを撮影する第二の工程と、
前記エリアセンサカメラによって撮影した画像から各前記マーカが写っている縦方向のラインを各々抽出し、各前記ラインを複数並べてなるマーカ画像をそれぞれ作成する第三の工程と、
前記マーカ画像に基づき各前記マーカの一ライン分の基準テンプレートを作成する第四の工程と、
前記鉄道車両の走行中に前記エリアセンサカメラによって前記マーカを撮影する第五の工程と、
各前記基準テンプレートを使用して前記第五の工程で取得した入力画像とのパターンマッチングを行い、前記パンタグラフの高さ方向の変位を求める第六の工程と、
前記鉄道車両の屋根上に設置された架線偏位測定装置を用いて架線の偏位を測定する第七の工程と、
前記パンタグラフの高さ方向の変位と前記架線の偏位とから前記架線の偏位位置に対応した前記パンタグラフの加速度を求める第八の工程と
を含むことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第６の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、第５の発明において、
前記架線偏位測定装置が、その光軸がほぼ直上を向くように、且つその走査線方向が前記鉄道車両の車幅方向に沿うように設置されたラインセンサカメラである
ことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第７の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、第５の発明において、
前記架線偏位測定装置が、レーザ光を前記鉄道車両の進行方向に平行な軸周りで放射線状に投光し、その反射光を受光することによって測定対象物までの距離及び角度を測定する測域センサである
ことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第８の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、第５の発明において、
前記架線偏位測定装置が、前記エリアセンサカメラであり、
前記画像処理装置が、前記入力画像を解析することにより前記架線の偏位を取得する
ことを特徴とする。

本発明に係るパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法によれば、一台のエリアセンサカメラによって撮影した画像を利用して、架線の偏位変動に対応したパンタグラフの変位を簡素な構成で高精度に測定することができる。

本発明の実施例１に係るパンタグラフ変位測定装置の設置例を模式的に示す説明図である。 本発明の実施例１に係るパンタグラフ変位測定装置のマーカの設置例を模式的に示す説明図である。 本発明の実施例１に係るパンタグラフ変位測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係るパンタグラフ測定処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例１におけるエリアセンサカメラによる撮影領域を示す説明図である。 本発明の実施例１におけるマーカ画像の例を示す説明図である。 本発明の実施例１におけるテンプレート画像の例を示す説明図である。 本発明の実施例１において検出するマーカの位置を示す説明図である。 本発明の実施例１における三次スプライン補間を行った例を示す説明図である。 図３に示す加速度計算部により求めた架線偏位に対応したパンタグラフの高さ方向の加速度の例を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るパンタグラフ変位測定装置の設置例を模式的に示す説明図である。 本発明の実施例２に係るパンタグラフ変位測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係るパンタグラフ変位測定装置の設置例を模式的に示す説明図である。 本発明の実施例３に係るパンタグラフ変位測定装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係るパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法について説明する。

図１から図１０を用いて本発明の実施例１に係るパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法の詳細を説明する。

図１に示すように、本実施例においてパンタグラフ高さ測定装置は、鉄道車両（以下、単に「車両」という）１の屋根上に設置されるエリアセンサカメラ２、ラインセンサカメラ３および照明装置４と、パンタグラフ１ａに取り付けられるマーカ５と、車両１の内部に設置される処理用コンピュータ６とを備えて構成されている。

エリアセンサカメラ２は、車両１の屋根上であってパンタグラフ１ａとは車両１の前後方向に離間した位置に、パンタグラフ１ａを撮影するように設置されている。具体的には、エリアセンサカメラ２は、その光軸が斜め上方に向くように、且つその撮影領域にパンタグラフ１ａの全可動域が入るようにその向きを設定されている。このエリアセンサカメラ２によって取得した画像信号は処理用コンピュータ６に入力される。

ラインセンサカメラ３は、架線（トロリ線）７の偏位を計測するため、車両１の屋根上に架線７を撮影するように設置されている。すなわち、ラインセンサカメラ３は、その光軸がほぼ直上を向くように、且つその走査線方向が車両１の車幅方向に沿うようにその向きを設定されている。このラインセンサカメラ３によって取得した画像信号は処理用コンピュータ６に入力される。

照明装置４は、エリアセンサカメラ２によって撮影される領域、ラインセンサカメラ３によって撮影される領域に対してそれぞれ光を照射するものであり、本実施例において、エリアセンサカメラ２に対応して設けられる照明装置４は二台、ラインセンサカメラ３に対応して設けられる照明装置４は一台となっている。

マーカ５は、パンタグラフ１ａのエリアセンサカメラ２側の端面に、図２に示すように車幅方向に離間して複数設置されている。マーカ５は、光を反射する素材と光を反射しない素材とで形成され、本実施例においては黒色の背景に高さの異なる二本の白線を離間して配置したものであり、これにより光を反射する素材からなる二本の白色部分と光を反射しない素材からなる三本の黒色部分とが交互に配された状態となっている。

処理用コンピュータ６は、エリアセンサカメラ２及びラインセンサカメラ３から入力された画像を解析してパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を検出するものであり、演算処理部６Ａとモニタ６Ｂとを有している。

演算処理部６Ａは、図３に示すようにデータ処理部６ａ、テンプレート設定部６ｂ、テンプレート拡大・収縮部６ｃ、パターンマッチング部６ｄ、パンタグラフ変位計算部６ｅ、架線変位計測部６ｆ、パンタグラフ変位補間部６ｇ、フィルタリング処理部６ｈ、及び加速度計算部６ｉを備えている。

データ処理部６ａは、図５に示すようにしてエリアセンサカメラ２によって予めパンタグラフ１ａ及びマーカ５を撮影した画像から、各マーカ５の位置に対応したライン（例えば、図５にドットを付して示すライン。なお、図５では説明のため各ラインに幅を持たせている）のみを抽出して、図６に示すようなマーカ画像９を作成する。図６に示すマーカ画像９は、１スキャン分の画像の各マーカ５に対応したラインを右回りに９０°回転させ、これを縦方向に一定数並べて作成しており、これにより、ラインセンサカメラで撮影したような画像が得られる。なお、図５中に示す８は、エリアセンサカメラ２によって撮影される領域（撮影領域）を示している。

また、データ処理部６ａは、パンタグラフ変位補間部６ｇで求めた架線偏位に対応したパンタグラフ変位を時系列的に並べる処理を行う。

テンプレート設定部６ｂは、各マーカ５について、図６に示すようなマーカ画像９から図７に示すような１ライン分（Ｌ）のマーカパタンをマッチング用の基準テンプレート１０として取得する。すなわち、基準テンプレート１０はマーカ画像９からマーカ部分を抽出して得られる白色領域と黒色領域とからなる一次元の輝度値データである。基準テンプレート１０はデータ処理部６ａを経てテンプレート拡大・収縮部６ｃへ送られる。

テンプレート拡大・収縮部６ｃは、車両１の走行中にエリアセンサカメラ２によって撮影した画像（以下、入力画像）を横方向に任意の数で分割し、各画素の分解能に基づいて各分割した区間ごとに基準テンプレート１０を拡大・収縮する。なお、各画素の分解能は、上記特許文献３におけるキャリブレーション方法等の既知の手法により求めるものとし、ここでの詳細な説明は省略する。

パターンマッチング部６ｄは、テンプレート拡大・収縮処理を行いながら、入力画像と各マーカ５に対応する基準テンプレート１０との類似度を計算することで各マーカ５の変位［ｐｉｘ］を検出する。入力画像と基準テンプレート１０との類似度計算には、正規化相互相関の一種であるＺＮＣＣを使用する。具体的には、１ピクセルごとにスキャンしながら、入力画像と基準テンプレート１０の類似度を算出し、その中で類似度が最大になった位置の座標［ｐｉｘ］を変位とする。パターンマッチング部６ｄによって得られたマーカ５の変位［ｐｉｘ］はデータ処理部６ａを経てパンタグラフ変位計算部６ｅへ送られる。

パンタグラフ変位計算部６ｅは、パターンマッチング処理で求めた各マーカ５の変位［ｐｉｘ］が大まかな変位であるので、各マーカ５のより正確な変位を求めるべく、検出されたマーカ５の範囲内で図８に示すようにマーカ５の二本ある白線のうち、下側の白線の下端Ｐをエッジ検出により求め、サブピクセル推定を行ってマーカ５の変位［ｐｉｘ］を検出する。このようにして検出したマーカ５の変位［ｐｉｘ］を実際の変位［ｍｍ］に変換し、予め測定しておいたマーカ５の下側の白線の下端からパンタグラフ１ａの上面までの距離を考慮し、実際のパンタグラフ１ａの高さ方向の変位（以下、パンタグラフ変位）［ｍｍ］を算出する。なお、マーカ５の変位［ｐｉｘ］を実際の変位［ｍｍ］に変換する手法としては、マーカ５の変位［ｐｉｘ］に上記特許文献３におけるキャリブレーション方法により求めたキャリブレーション係数を乗じることで求めるなど、既知の手法を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。パンタグラフ変位計算部６ｅによって得られたパンタグラフ変位［ｍｍ］はデータ処理部６ａを経て架線変位計測部６ｆへ送られる。

架線偏位計測部６ｆは、ラインセンサカメラ３によって撮影した画像に基づき架線７の偏位位置（以下、架線偏位）［ｍｍ］を計測する。ラインセンサカメラ３によって撮影した画像に基づき架線偏位を求める手法としては、例えば上記特許文献４に開示されているトロリ線摩耗部のエッジ検出等の既知の手法を利用するものとし、ここでの詳細な説明は省略する。架線変位計測部６ｆによって得られた架線偏位［ｍｍ］はデータ処理部６ａを経てパンタグラフ変位補間部６ｇへ送られる。

パンタグラフ変位補間部６ｇは、架線偏位計測部６ｆで求めた架線偏位［ｍｍ］から、複数のマーカ５のうちどのマーカ５の間に架線７が存在するかを判定し、架線７の近傍にあるマーカ５の変位［ｍｍ］を用いてスプライン補間を行うことで、架線偏位［ｍｍ］に対応したパンタグラフ変位［ｍｍ］を求める。具体的には、図９に示すように、各マーカ５の変位位置（図９に黒丸で示す座標）を入力として、下式（１）に示す三次スプライン補間式により任意の架線偏位ｘのときのパンタグラフ変位ｆ（ｘ）［ｍｍ］を求める。なお、下式（１）において、ａ，ｂ，ｃおよびｄはスプライン補間の区分多項式の係数である。
ｆ（ｘ）＝ａ（ｘ−ｘ_i）³＋ｂ（ｘ−ｘ_i）²＋ｃ（ｘ−ｘ_i）＋ｄ
（ただし、ｉ＝０，１，２，３，…，Ｎ−１（Ｎはマーカ５の数））…（１）
パンタグラフ変位補間部６ｇによって得られた架線変位に対応したパンタグラフ変位［ｍｍ］は、データ処理部６ａを経てフィルタリング処理部６ｈへ送られる。

フィルタリング処理部６ｈは、パンタグラフ変位補間部６ｇで求めた架線偏位［ｍｍ］に対応したパンタグラフ変位［ｍｍ］をデータ処理部６ａにおいて時系列的に並べたものに対して平滑化処理を行う。フィルタリング処理部６ｈによって得られた平滑化後のパンタグラフ変位［ｍｍ］は、データ処理部６ａを経て加速度計算部６ｉへ送られる。

加速度計算部６ｉは、フィルタリング処理部６ｈで求めた平滑化後のパンタグラフ変位［ｍｍ］に対して二階微分を行い、図１０に示すような架線偏位［ｍｍ］に対応したパンタグラフ１ａの高さ方向の加速度［ｍｍ／ｓ²］を算出する。なお、本実施例では、硬点の検出基準として加速度［ｍｍ／ｓ²］を２０Ｇとしている（パンタグラフ１ａの高さ方向の加速度が２０Ｇ以上となる位置を硬点として検出している）。加速度計算部６ｉによって得られた加速度［ｍｍ／ｓ²］はデータ処理部６ａを経てモニタ５Ｂに出力・表示される。

次に図４を用いて処理用コンピュータ６によるトロリ線の硬点の検出方法について簡単に説明する。

図４に示すように、処理用コンピュータ６では、まず、エリアセンサカメラ２によって予め撮影した画像からデータ処理部６ａにより各マーカ５の位置に対応したマーカ画像９を作成し（ステップＳ１）、テンプレート設定部６ｂによりマーカ画像９から基準テンプレート１０を取得する（ステップＳ２）。ステップＳ１からステップＳ２の処理はそれぞれのマーカ５毎に行う。

続いて、車両１の走行中にエリアセンサカメラ２によって撮影した入力画像に対し、テンプレート拡大・収縮部６ｃにより基準テンプレート１０の拡大・収縮を行い（ステップＳ３）、パターンマッチング部６ｄによりマーカ変位［ｐｉｘ］を検出し（ステップＳ４）、パンタグラフ変位計算部６ｅによりパンタグラフ変位［ｍｍ］を求める（ステップＳ５）。ステップＳ３からステップＳ５の処理はそれぞれのマーカ５毎に入力画像の各ラインに対して行う

その後、架線偏位計測部６ｆにより架線偏位［ｍｍ］を計測し（ステップＳ６）、パンタグラフ変位補間部６ｇにより架線偏位［ｍｍ］に対応するパンタグラフ変位［ｍｍ］を求め（ステップＳ７）、フィルタリング処理部６ｈによりデータ処理部６ａで時系列的に並べられた架線偏位［ｍｍ］に対応したパンタグラフ変位［ｍｍ］に対する平滑化を行い（ステップＳ８）、加速度計算部６ｉにより架線偏位［ｍｍ］に対応したパンタグラフ変位［ｍｍ］の高さ方向の加速度［ｍｍ／ｓ²］を求める（ステップＳ９）。

このようにして、パンタグラフ１ａの高さ方向の加速度が２０Ｇ以上となる位置を硬点として検出する。

このように構成される本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、エリアセンサカメラ２およびラインセンサカメラ３によって撮影した画像を解析することにより非接触にパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を測定することができるため、保守車両を用いた夜間等の停電時間帯の運用だけでなく、通常の営業車両に適用してパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を測定することが可能となり、利便性が向上する。
また、パンタグラフ１ａの車幅方向における複数個所について、高さ方向の変位を一台のエリアセンサカメラ２を用いて計測することができるため、コストを抑制することができる。
また、エリアセンサカメラ２によるパンタグラフ１ａの車幅方向における複数個所の変位計測に加え、ラインセンサカメラ３により取得した画像に基づいて架線７の偏位を計測することで、架線７の偏位変動に対応したより高精度な硬点の検出が可能となるという効果も得られる。

図１１から図１２を用いて本発明の実施例２に係るパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法について説明する。図１１及び図１２に示すように、本実施例は、実施例１におけるラインセンサカメラ３に代えて測域センサ１１を用いるものであり、上述した実施例１に比較して架線偏位計測部６ｆにおける処理が異なるものである。その他の構成は実施例１において説明したものと概ね同様であり、以下、同様の作用を奏する部分には同一の符合を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。

測域センサ１１はレーザ光を車両１の進行方向に平行な軸周りで放射線状に投光し、その反射光を受光することによって測定対象物までの距離［ｍｍ］と角度［ｄｅｇ］を測定するものである。

また、本実施例において架線偏位計測部６ｆは、測域センサ１１によって取得した点群データ（距離［ｍｍ］および角度［ｄｅｇ］）から、時系列的な連続性に基づいて架線７以外の構造物に対応する点群データを除去するとともに、架線７に対応する点群データを車両１の進行方向に直交する座標（ｘ［ｍｍ］，ｙ［ｍｍ］）に変換したデータを作成する。

具体的には、測域センサ１１によって取得したスキャンデータに対し、直前に取得したスキャンデータにおいて空間的に近傍にある点群データを同一の物体として認識し、予め設定する「同一の物体であると判定される時刻の長さ」に基づいて架線７か、ノイズや他の構造物かを判断する。また架線７を吊っている吊架線などは、架線７と同一の偏位位置で高さが異なるだけなので、このような特徴を有する点群データを除外する。
なお、レーザデータが距離ｄ［ｍｍ］、角度θ［ｄｅｇ］で得られた場合、架線の座標（ｘ，ｙ）は（ｄｃｏｓθ，ｄｓｉｎθ）として得られる。

このように構成される本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法によれば、エリアセンサカメラ２および測域センサ１１によって撮影した画像を解析することにより非接触にパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を測定することができるため、保守車両を用いた夜間等の停電時間帯の運用だけでなく、通常の営業車両に適用してパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を測定することが可能となり、利便性が向上する。
また、実施例１と同様に、パンタグラフ１ａの車幅方向における複数個所について、高さ方向の変位を一台のエリアセンサカメラ２を用いて計測することができるため、コストを抑制することができる。
また、エリアセンサカメラ２によるパンタグラフ１ａの車幅方向における複数個所の変位計測に加え、測域センサ１１により取得したスキャンデータに基づいて架線７の偏位を計測することで、架線７の偏位変動に対応したより高精度な硬点の検出が可能となるという効果も得られる。

図１３から図１４を用いて本発明の実施例３に係るパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法について説明する。

本実施例は、実施例１に比較してラインセンサカメラ３およびこのラインセンサカメラ３の近傍に設置されていた照明装置４を廃止したものであり、上述した実施例１に比較して架線偏位計測部６ｆにおける処理が異なるものである。その他の構成は実施例１において説明したものと概ね同様であり、以下、同様の作用を奏する部分には同一の符合を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。

本実施例では、架線偏位の計測についても硬点の検出と同様にエリアセンサカメラ２を利用して行う。すなわち、各マーカ５と架線７とは鉛直方向の位置が一定範囲内にあるので、各マーカ５の変位の検出と同様に架線検出用のテンプレート画像を予め用意しておき、入力画像に対し、それぞれのマーカ変位［ｐｉｘ］の計測後に各マーカ５の位置から一定範囲内において架線検出用のテンプレート画像を用いたパターンマッチング処理を行うことで架線偏位を検出する。

なお、架線７は常にマーカ５と同じ偏位にあるわけではない（常にマーカ５の位置から一定の範囲内にあるわけではない）ため、本実施例では、あるマーカ５の位置の一定範囲内に架線７が写った時刻の架線７の偏位とその後に他のマーカ５の位置の一定範囲内に架線７が写った時刻の架線７の偏位とに基づいて直線補間を行うことで、架線７を検出できなかった時刻の架線偏位を補間するものとする。

ここで、マーカ５の位置から一定範囲内とは、各マーカ５の上方のパンタグラフ１ａの摺り板上部の位置であって、架線５を撮像可能な範囲である。また、テンプレート画像は実際に架線７が写っている画像である。

このように構成される本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、エリアセンサカメラ２によって撮影した画像を解析することにより非接触にパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を測定することができるため、保守車両を用いた夜間等の停電時間帯の運用だけでなく、通常の営業車両に適用してパンタグラフ１ａの高さ方向の変位を測定することが可能となり、利便性が向上する。
また、実施例１と同様に、パンタグラフ１ａの車幅方向における複数個所について、高さ方向の変位を一台のエリアセンサカメラ２を用いて計測することができるため、コストを抑制することができる。
また、エリアセンサカメラ２によるパンタグラフ１ａの車幅方向における複数個所の変位計測に加え、エリアセンサカメラ２により撮影した画像から架線７の偏位を求めることで、架線７の偏位変動に対応したより高精度な硬点の検出が可能となるという効果も得られる。

１…車両、１ａ…パンタグラフ、２…エリアセンサカメラ、３…ラインセンサカメラ、４…照明装置、５…マーカ、６…処理用コンピュータ、６Ａ…演算処理部、６Ｂ…モニタ、６ａ…データ処理部、６ｂ…テンプレート設定部、６ｃ…テンプレート拡大・収縮部、６ｄ…パターンマッチング部、６ｅ…パンタグラフ変位計算部、６ｆ…架線偏位計測部、６ｇ…パンタグラフ変位補間部、６ｈ…フィルタリング処理部、６ｉ…加速度計算部、７…架線、８…エリアセンサカメラの撮影範囲、９…マーカ画像、１０…基準テンプレート、１１…測域センサ

Claims (8)

1. 鉄道車両のパンタグラフの端面に車幅方向に離間して取り付けられた複数のマーカと、
   前記鉄道車両の屋根上に設置され前記複数のマーカを撮影するエリアセンサカメラと、
   前記鉄道車両の屋根上に設置され架線の偏位を測定する架線偏位測定装置と、
   前記鉄道車両の走行中に前記エリアセンサカメラによって撮影した入力画像に基づいて前記パンタグラフの高さ方向の変位を求めると共に、前記パンタグラフの高さ方向の変位と前記架線偏位測定装置を用いて取得した前記架線の偏位とを利用して前記パンタグラフの高さを求める画像処理装置と
   を備え、
   前記画像処理装置は、前記エリアセンサカメラによって撮影した画像から各前記マーカが写っている縦方向のラインを各々抽出し、各前記ラインを複数並べてなるマーカ画像をそれぞれ作成し、前記マーカ画像に基づき各前記マーカの一ライン分の基準テンプレートを作成し、各前記基準テンプレートを使用して前記入力画像とのパターンマッチングを行い、前記架線の偏位位置に対応した前記パンタグラフの高さ方向の変位を求める
   ことを特徴とするパンタグラフ変位測定装置。
2. 前記架線偏位測定装置が、その光軸がほぼ直上を向くように、且つその走査線方向が前記鉄道車両の車幅方向に沿うように設置されたラインセンサカメラである
   ことを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ変位測定装置。
3. 前記架線偏位測定装置が、レーザ光を前記鉄道車両の進行方向に平行な軸周りで放射線状に投光し、その反射光を受光することによって測定対象物までの距離及び角度を測定する測域センサである
   ことを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ変位測定装置。
4. 前記架線偏位測定装置が、前記エリアセンサカメラであり、
   前記画像処理装置が、前記入力画像を解析することにより前記架線の偏位を取得する
   ことを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ変位測定装置。
5. 鉄道車両の屋根上に設置されたエリアセンサカメラによって走行中の前記鉄道車両のパンタグラフを撮影し、前記エリアセンサカメラによって撮影した画像を画像処理装置により解析して前記パンタグラフの高さ方向の加速度を求め、トロリ線の硬点を検出するトロリ線硬点検出方法であって、
   前記パンタグラフの前記エリアセンサカメラによって撮影される端面に、複数のマーカを車幅方向に離間して設置する第一の工程と、
   前記エリアセンサカメラによって前記マーカを撮影する第二の工程と、
   前記エリアセンサカメラによって撮影した画像から各前記マーカが写っている縦方向のラインを各々抽出し、各前記ラインを複数並べてなるマーカ画像をそれぞれ作成する第三の工程と、
   前記マーカ画像に基づき各前記マーカの一ライン分の基準テンプレートを作成する第四の工程と、
   前記鉄道車両の走行中に前記エリアセンサカメラによって前記マーカを撮影する第五の工程と、
   各前記基準テンプレートを使用して前記第五の工程で取得した入力画像とのパターンマッチングを行い、前記パンタグラフの高さ方向の変位を求める第六の工程と、
   前記鉄道車両の屋根上に設置された架線偏位測定装置を用いて架線の偏位を測定する第七の工程と、
   前記パンタグラフの高さ方向の変位と前記架線の偏位とから前記架線の偏位位置に対応した前記パンタグラフの加速度を求める第八の工程と
   を含むことを特徴とするトロリ線硬点検出方法。
6. 前記架線偏位測定装置が、その光軸がほぼ直上を向くように、且つその走査線方向が前記鉄道車両の車幅方向に沿うように設置されたラインセンサカメラである
   ことを特徴とする請求項５記載のトロリ線硬点検出方法。
7. 前記架線偏位測定装置が、レーザ光を前記鉄道車両の進行方向に平行な軸周りで放射線状に投光し、その反射光を受光することによって測定対象物までの距離及び角度を測定する測域センサである
   ことを特徴とする請求項５記載のトロリ線硬点検出方法。
8. 前記架線偏位測定装置が、前記エリアセンサカメラであり、
   前記画像処理装置が、前記入力画像を解析することにより前記架線の偏位を取得する
   ことを特徴とする請求項５記載のトロリ線硬点検出方法。