JP4562420B2 - 軌道検測装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道軌道の真直度や平行度を測定する軌道検測装置およびその方法に関する。

鉄道軌道は、列車の荷重によって鉛直方向あるいは水平方向に変形することがあり、この変形（狂い）を確実に検出して、所定の規格内に抑制すべく軌道を保守することにより、列車の安全性や、快適な乗り心地を維持することが必要とされている。

図９は上記軌道の狂いを測定するための軌道検測方法の原理を示すもので、符号１は測定対象となるレール面（車輪と接する面）である。このレール面１上のａ点とｃ点との間が被測定区間とされていて、これらの間に糸２が張られている。そして、ａ点とｃ点との中間地点であるｂ点におけるレール面１と糸２との距離ｘを実測することにより、レール面１の狂い（高低狂い）を測定している。

この測定原理に基づき、レーザ光を用いて狂いを測定する技術として、特許文献１が知られている。
特開平５−２１３１９８号公報

しかしながら、図９の原理による狂いの測定は、レーザ光源と受光部との距離を正確に設定することや、多くの地点で繰り返し作業を行うことが必要とされるため、測定に多くの労力を要するという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みて提案されたもので、正確な軌道検測を行うことができ、しかも取り扱いの容易な検測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の軌道検測装置は、軌道の長さ方向に沿う複数の支持点で支持される第１フレームと、該第１フレームに搭載され、前記軌道の長さ方向に沿う光線を出射する光出射手段または軌道の長手方向に沿う光線を検出する光検出手段のいずれか一方と、前記第１フレームに対して、軌道を含む平面内で回動可能に軸を介して連結され、かつ第１フレームとの連結箇所の反対側の端部の一つの支持点で軌道に支持された第２フレームと、該第２フレーム上に、前記光出射手段または光検出手段のいずれか一方と所定の間隔をおいて搭載された前記光出射手段または光検出手段のいずれか他方と、からなり、前記光出射手段または光検出手段の一方は、前記第１フレームにおける第２フレームとの連結箇所と反対側の端部に設けられ、前記光出射手段または光検出手段の他方は前記第２フレームにおける第１フレームとの連結箇所と反対側の端部に設けられたことを特徴とする。
また本発明は、前記光検出手段はカメラであり、前記光出射手段は光線を反射する反射体であることを特徴とする。
また本発明は、前記反射体には前記軌道を構成するレールの踏面に対して垂直または平行な方向への目盛りが設けられたことを特徴とする。
また本発明は、前記光検出手段は、前記軌道を構成するレールの踏面に対して垂直または平行な方向へ並べられた複数の光検出素子であり、前記光出射手段は、直線状の光線を前記光検出手段に対して出射することを特徴とする。
また本発明は、前記光線は、前記軌道における複数の支持点を結ぶ線分と平行な光線であることを特徴とする。
また本発明は、前記レールと平行な他のレールに第３フレームを設け、該第３フレームと前記第１フレームとを前記レールの幅方向に相対移動可能に連結し、これら第１フレームと第３フレームとの相対移動を検出する変位光検出手段を設けたことを特徴とする。
また本発明は、前記第１〜第３フレームの少なくともいずれかの軌道長さ方向への移動量を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された所定の移動量毎に、前記光検 出手段に検出されたデータを記憶するデータ処理手段とをさらに設けたことを特徴とする。
また本発明は、軌道の長さ方向に沿う複数の支持点に支持させて第１フレームを設ける過程と、前記第１フレームに対して、軌道を含む平面内で回動可能にかつ前記第１端部との連結箇所と反対側の端部の一つの支持点で支持させて前記軌道上に第２フレームを設ける過程と、前記第１、第２のフレームのいずれか一方に設けられた光検出手段により、いずれか他方のフレームに前記光検出手段との間に所定の間隔をおいて設けられた光出射手段からの光線を検出する過程とからなることを特徴とする。
また本発明は、前記光検出手段の軌道長さ方向への移動を検出する過程と、前記光検出
手段の検出データを光検出手段の所定量の移動毎に記録する過程とをさらに有することを
特徴とする。
また本発明は、光検出手段の移動量は、前記光検出手段と光出射手段との間の距離の二
分の一であることを特徴とする。

上記構成によれば、軌道の上下方向への狂いにより、主フレームと補助フレームとが相対的に変位し、この結果、光出射手段から出射された光線の光検出手段による検出の情況が変化し、以てレールの垂直方向の狂いを検出することができる。
また、光検出手段としてカメラを用いることにより、軌道の狂いに応じて、反射体で反射した光線の方向が変化し、この変化がカメラの画面上の異なる位置に撮影される。
また、反射体に設けられた目盛りのいずれがカメラの画面上に撮影されるかにより、レールの狂い量を直接的に測定することができる。
また、光検出手段として、光検出素子を上下に並べたものを採用すれば、光出射手段からの光線をいずれの光検出素子が検出するかにより、軌道の狂い量を直接的に測定することができる。
また、平行な二つのレールの平行度が変化することにより、主フレームと第２フレームとが相対的に移動し、この移動量によって軌道の水平方向への狂い（軌道の平行度の狂い）を測定することができる。
また、光検出手段の検出データを軌道の長さ方向に所定間隔毎に記憶しておき、これを演算することにより、光検出手段と光出射手段との間の距離を超えた長さにわたる軌道の狂いを演算することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。なお、図中従来技術と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
図１は本発明の基本的な測定原理を示すものである。図示のように、ａ点とｃ点との間でレール（の踏面）が下に凸に湾曲している場合、最大の狂いとしての距離ｘは、ａ点とｃ点間の中間地点ｂ点に生じ、この場合、ａ点とｂ点とを結ぶ直線とｃ点との距離ｘ’は、幾何学的に、
ｘ：ｘ’＝ａｂ間距離：ａｃ間距離
という関係となる。なお、この関係は、図１がレール１を平面視した状態であると仮定した場合にも成立する。すなわち、通り狂い（水平面内での軌道１の狂い）の測定値についても同様の関係が成立する。

そこで、図２に示すように、レール１の踏面に直線状の主フレーム３を設け、この主フレーム３に光検出手段としてのカメラ４を設け、このカメラ４に検出される画像の中心５を検出することとする。この結果、レール１の高低の狂いによる光線５の傾きにより、光出射手段としてのターゲット６に対して所定のずれを生じる。したがって、軌道１の狂いの多少により、カメラ４に撮影されるターゲット６の位置がずれたり、著しい場合にはカメラ４の撮影範囲から外れることとなる。カメラ４に検出されるターゲット６の画像のずれに基づく狂いは、前述の高低（鉛直方向）の狂いのみならず、通り（水平方向）の狂いの両方について、図１および図２に示すような幾何学的な関係に基づいて算出することができる。

以下、図３を参照して、より具体的な測定装置の構成を説明する。
主フレーム３は、車輪１０によってレール１上の２点で支持されている。主フレーム３の一端には、水平な軸１１を中心として回動自在に補助フレーム１２の一端が連結され、さらに、補助フレーム１２の他端は、車輪１０によってレール１上に支持されている。なお主フレーム３と補助フレーム１２との間には、さらに垂直な軸（図示略）が介在している。したがって、主フレーム３と補助フレーム１２は、水平な軸回りと垂直な軸回りとの二つの自由度を持って相対回転可能に連結されている。また、補助フレーム１２の他端には、前記ターゲット６としての反射体が設けられている。尚ターゲット６は、カメラ４に検出される光線の発生源たり得るものであれば良く、反射体のみならず、自身が発光する光源であってもよい。また、カメラまたはターゲットに偏光手段を設けることによって測定光の直進性を担保することが望ましい。

前記一方のレール１に対して平行に設けられた他方のレール１には、従動フレーム１３が設けられている。この従動フレーム１３は、車輪１０によって前記他方のレール１上に移動自在に設けられるもので、前記主フレーム３に直交する連結部材１４を介して連結されている。

前記連結部材１４は、例えばスライド移動可能に重ね合わされ、且つ、ばね等の弾性力を利用して伸長方向へ付勢された二つの部材から構成されている。すなわち、主フレーム３に一方の部材を、従動フレーム１３に他方の部材を固定しておけば、主フレーム３と従動フレーム１３との相対移動（一対のレール１の平行度の狂い等に起因する）によって前記連結部材１４が伸縮し、この伸縮量を軌間測定装置１５によって検出することができるようになっている。すなわち、この軌間測定装置１５は、連結部材１４の伸縮量に基づいて軌間狂いを測定する機能を有している。

また従動フレーム１３には水準測定装置（水準器）１６が搭載されていて、その傾きを測定することができるようになっている。尚、図３において、主フレーム３の左側の車輪１０とレール１との接点が原理図におけるａ点、主フレームの右側の車輪１０とレール１との接点がｂ点、補助フレーム１２の車輪１０とレール１との接点がｃ点に相当し、ａ〜ｂ、ｂ〜ｃの距離がそれぞれ等しく（図示の場合１．２５ｍ）に設定されている。またａ点に相当する車輪１０には移動検出装置としてのエンコーダ１７が設けられており、このエンコーダ１７を車輪１０と連動して回転させることにより、レール１に沿う測定装置の位置（移動量）を測定することができるようになっている。

次いで、図４により上記装置から得られたデータを処理する装置について説明する。
前記カメラ４、軌間測定装置１５、水準測定装置１６、エンコーダ１７の検出信号は、画像処理装置２０に入力されて処理される。また画像処理装置２０には、バッテリー２１から電源が供給されて、測定現場において、格別な電源がなくとも作業を行うことができるようになっている。

前記画像処理装置２０は、前記カメラ４、軌間測定装置１５、水準測定装置１６の検出信号を処理、記録するとともに、必要な演算や、グラフィック処理をするものである。尚、エンコーダ１７をクロックとして前記各データを処理し、レール１の長さ方向に沿う各地点における諸データを同期させても良い。また画像処理装置２０によって処理されたデータは、パソコン２２に取り込まれ必要に応じて画面上に表示されるようになっている。また、パソコン２２に取り込まれたデータは、携帯用の情報処理機器であるＰＤＡ等２３にも供給され、必用に応じて取り出すことができるようになっている。

尚、前記主フレーム３および従動フレーム１３の車輪１０は、図５に示すようにフランジ部を有し、このフランジ部がマグネット２４によってレール１の側面に吸着状態とされ、これにより、軌間方向への基準位置の変動が防止されるようになっている。すなわち、車輪１０のフランジ部をレール１とマグネット２４との間に挟持することにより、主フレーム３をレール１に対して幅方向に正確に位置決めすることができるとともに、レール１の長さ方向に対しても固定して、レール１の傾斜や風の影響による装置の移動を防止することができる。また、フランジ部をレール１の側面に接触させることにより、レール１の通り（水平方向）の狂いの大きさに対して、上下方向の狂いの場合と同様に、主フレーム３と補助フレーム１２とを通りの狂いに応じて所定の角度に配置することができる。

次いで、上記装置を用いた軌道測定の手順について説明する。
図３に示すように、まず、主フレーム３、補助フレーム１２、第２フレーム１３を所定の測定地点のレール１上に配置し、前述のマグネット２４等によってレール１上の所定位置に固定する。次いで、カメラ４によってターゲット６を撮影すると、図６に示すように、カメラ４のファインダ内に設けた目盛りと重なってターゲット６が撮影される。尚、この実施形態では、主フレーム３と補助フレーム１２とが水平に配置された場合に、カメラ４の画像の中心とターゲット６の中心（あるいは所定の基準となる指標）とが一致して、図６に示すカメラ４の画像に重畳した目盛りのゼロの位置にターゲット６が重なるように設定されている。

したがって、ｂ地点（主フレーム３の右端の車輪１０）が低い場合には、ゼロ点上方の目盛り（マイナスの目盛り）に重なってターゲット６が撮影され、また、高い場合には、ゼロ点下方の目盛り（＋の目盛り）に重なってターゲット６が撮影される。したがって、その目盛りから直接的に、あるいは、光学的な倍率を考慮した係数によって修正することにより、ターゲット６の高さｘ’を演算することができる。そして、このターゲット６の高さと、ａ〜ｃ間距離およびａ〜ｂ間距離との幾何学的関係により、ｂ点の変位量ｘを演算することができる。

上記高さｘ’の測定値（ターゲット６の画像データ）から変位量（狂い）ｘを演算する処理は、カメラ４から得られた画像データを画像処理装置２０に取り込み、この画像処理装置２０によって画像処理して、ターゲット６の高さのデータを得、これを演算することにより行われる。尚、カメラ４の画像から目視で目盛りを読み取り、読み取られたターゲット６の高さｘ’を画像処理装置２０に直接入力するようにしてもよい。

尚、ターゲット６の高さのデータを得る手段として、ターゲット６自体に上下の目盛りを付しておき、カメラ４の画像中に表示された基準線（例えばファインダの中心線）とターゲット６のいずれの目盛りとが重なるかによってターゲット６の高さを測定するようにしてもよい。
また、前記カメラ４に代えて、図７に示すように、光学信号を電気信号に変換する素子４ａを上下に並べてなるアレイを用い、いずれの素子がターゲット６からの反射光を検知するかによってターゲット６の高さを検出するようにしてもよい。
また、前記画像処理装置２０には、軌間測定装置１５、水準測定装置１６のデータも供給されていて、前記変位量ｘとともに処理され、必要に応じて表示されるようになっている。

上記処理により、任意の地点ａ〜ｃ間における狂いを測定することができるが、ａ〜ｂ（ａ〜ｃ）の距離を超える長さ（例えば１０ｍ）の区間における狂いは、図８に示すような方法によって測定することができる。
すなわち、Ｓ0をａとし、Ｓ2をｃ点として、ｂ点に相当するＳ1の狂いを測定し、次いで、Ｓ1をａ点とし、Ｓ3をｃ点として、ｂ点に相当するＳ2の狂いを測定し……、という測定を繰り返し、Ｓ1〜Ｓ7の各点の狂いを測定すれば良い。すなわち、ある地点Ｓnをｂ点とし、一つ前のＳn-1をａ点、一つ先のＳn+1をｃ点として、ａとｂとの間のの距離毎に繰り返し測定を行うことにより、Ｓ1〜Ｓ7の各点の狂いを得、各点の幾何学的関係に基づいて、
Ｘ＝Ｓ1＋２Ｓ2＋３Ｓ3＋４Ｓ4＋３Ｓ5＋２Ｓ6＋Ｓ7
の演算を行うことにより、例えば１０ｍといった基準長さ当たりの高低狂いの絶対値Ｘを演算することができる。

なお、上記演算は、エンコーダ１７から得られる位置データに基づいて、各点の高低狂いを位置データに関連付けて測定し、予め画像処理装置２０、あるいはパソコン２２に設定された演算式に代入することにより、容易に行うことができる。
なお、必要とされる測定区間の長さＬ（例えば１０ｍ）に応じて、ａ〜ｂ間距離、あるいはｂ〜ｃ間距離（光検出手段と光出射手段の相対距離）が前記Ｌの２ｎ分の１（ｎは自然数）の長さとなるように、前記主フレーム、副フレーム、および、これらの車輪間の距離を設定することが望ましい。
さらに、前記カメラ４を９０度回転させることにより（あるいは目盛り部分を鉛直方向から水平方向へ取り替え）、同様の手順によって通り方向（水平方向）への狂いを測定することができる。また、カメラ４に水平方向、鉛直方向の二つの目盛りを設けて、高低および通りの両方の狂いをカメラ４の画像中で同時に測定できるようにしてもよい。この場合も、各点で測定された通り狂いを上記高さ狂いの場合と同様に幾何学的関係に基づいて計算することにより、所定区間内における狂いの大きさを算出することができる。

次いで、図１０、１１により、本発明の他の実施形態について説明する。
この実施形態では、車輪１０が主フレーム３および補助フレーム１２に対して外側へ傾斜させて設けられている。すなわち、車輪１０は、レール１と直交しない方向へ向かう軸を中心に回転自在に設けられている。また主フレーム３には、レール１の内側面に接する二つのガイド輪３０が鉛直な軸を中心として回転自在に設けられており、これらのガイド輪３０がレール１の側面に接することにより、主フレーム３が２点で支持されるようになっている。また、補助フレーム１２には、一つのガイド輪３０が設けられており、このガイド輪３０がレール１の側面に接することにより、軌道の通り狂い（水平方向への狂い）によって、補助フレーム１２が主フレーム３に対して所定角度に向けられるようになっている。すなわち、車輪１０が外側へ向けられているため、ガイド輪３０がレール１の通り狂いに応じて変位し、この変位が主フレーム３上のカメラ（図示略）によって、補助フレーム１２上のターゲット（図示略）の画像の水平方向へのずれが検出され、このずれ量に基づいて上下狂いと同様に通りの狂いを測定することができる。
[変形実施形態]

一実施形態では主フレーム３と補助フレーム１２とを連結し、レール１上における搬送性を高めるようにしたが、これらを連結することなく、別体の構成とし、カメラ４とターゲット６とを実測値に基づいて所定の距離に設定するようにしてもよい。また補助フレーム１２は、ターゲット６をカメラ４に対して一定の距離に維持できるものであれば、連結ワイヤのような張力によって連結するものであってもよい。

一実施形態では主フレーム３を車輪１０によって支持するようにしたが、図２に示すように、レール１の上面の２点で支持される剛体棒状の構成としてもよい。
一実施形態では主フレームに光検出手段としてのカメラを設け、補助フレームに光出射手段としての反射体を設けたが、逆の配置としてもよい。
一実施形態では光検出手段としてのカメラを設けたが、光を検出することのできる他の手段を用いてもよい。
一実施形態では光出射手段として反射体を設けたが、光源、特に直進性の良好なレーザ光源を設けるようにしてもよい。
一実施形態ではａ〜ｂの距離とｂ〜ｃの距離とを一対一の比率としたが、他の比率としても良いのはもちろんである。

本発明の測定原理の説明図。 本発明の測定原理のより具体的な説明図。 一実施形態の側面図。 一実施形態の制御部のブロック図。 一実施形態の正面図。 一実施形態におけるカメラ画像の説明図。 光検出手段の変形例の正面図。 基準長さにおける狂い算出の原理図。 従来の測定原理の説明図。 他の実施形態の平面図。 他の実施形態の斜視図。

符号の説明

１ レール ３ 主フレーム
４ カメラ ５ 画像の中心
６ ターゲット １０ 車輪
１２ 補助フレーム １３ 従動フレーム
１４ 連結部材 １５ 軌間測定装置
１６ 水準測定装置 １７ エンコーダ
２０ 画像処理装置 ２２ パソコン

Claims (10)

1. 軌道の長さ方向に沿う複数の支持点で支持される第１フレームと、
   該第１フレームに搭載され、前記軌道の長さ方向に沿う光線を出射する光出射手段または軌道の長手方向に沿う光線を検出する光検出手段のいずれか一方と、
   前記第１フレームに対して、軌道を含む平面内で回動可能に軸を介して連結され、かつ第１フレームとの連結箇所の反対側の端部の一つの支持点で軌道に支持された第２フレームと、
   該第２フレーム上に、前記光出射手段または光検出手段のいずれか一方と所定の間隔をおいて搭載された前記光出射手段または光検出手段のいずれか他方と、からなり、
   前記光出射手段または光検出手段の一方は、前記第１フレームにおける第２フレームとの連結箇所と反対側の端部に設けられ、前記光出射手段または光検出手段の他方は前記第２フレームにおける第１フレームとの連結箇所と反対側の端部に設けられたことを特徴とする軌道検測装置。
2. 前記光検出手段はカメラであり、前記光出射手段は光線を反射する反射体であることを特徴とする請求項１に記載の軌道検測装置。
3. 前記反射体には前記軌道を構成するレールの踏面に対して垂直または平行な方向への目盛りが設けられたことを特徴とする請求項２に記載の軌道検測装置。
4. 前記光検出手段は、前記軌道を構成するレールの踏面に対して垂直または平行な方向へ並べられた複数の光検出素子であり、前記光出射手段は、直線状の光線を前記光検出手段に対して出射することを特徴とする請求項１に記載の軌道検測装置。
5. 前記光線は、前記軌道における複数の支持点を結ぶ線分と平行な光線であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の軌道検測装置。
6. 前記レールと平行な他のレールに第３フレームを設け、該第３フレームと前記第１フレームとを前記レールの幅方向に相対移動可能に連結し、これら第１フレームと第３フレームとの相対移動を検出する変位光検出手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の軌道検測装置。
7. 前記第１〜第３フレームの少なくともいずれかの軌道長さ方向への移動量を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された所定の移動量毎に、前記光検出手段に検出されたデータを記憶するデータ処理手段とをさらに設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の軌道検測装置。
8. 軌道の長さ方向に沿う複数の支持点に支持させて第１フレームを設ける過程と、前記第１フレームに対して、軌道を含む平面内で回動可能にかつ前記第１端部との連結箇所と反対側の端部の一つの支持点に支持させて前記軌道上に第２フレームを設ける過程と、前記第１、第２のフレームのいずれか一方に設けられた光検出手段により、いずれか他方のフレームに前記光検出手段との間に所定の間隔をおいて設けられた光出射手段からの光線を検出する過程とからなることを特徴とする軌道検測方法。
9. 前記光検出手段の軌道長さ方向への移動を検出する過程と、前記光検出手段の検出データを光検出手段の所定量の移動毎に記録する過程とをさらに有することを特徴とする請求項８に記載の軌道検測方法。
10. 光検出手段の移動量は、前記光検出手段と光出射手段との間の距離の二分の一であることを特徴とする請求項９に記載の軌道検測方法。

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