JP4567533B2 - パンタグラフのすり板検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の走行に伴いその屋根上に取り付けられたパンタグラフのすり板が架線との摩擦などにより発生する損傷や磨耗の状況を検査するパンタグラフのすり板検査装置に関する。

従来、パンタグラフにおけるすり板の損傷状況や磨耗状況の検査は、作業者が車両基地に停車している車両の屋根上に上り、目視で行っていた。この作業は、高圧電気の流れる架線近くでの高所作業であり、高圧電源の切断など安全確保のための準備に手間がかかっていた。

最近は検査業務の安全性を高め、かつ省力化する手段として、撮像手段を用いてパンタグラフの画像を撮影し、画像処理を利用して自動的に行うことが提案されており、そのようなものを示すものとして特許文献1に開示のものがある。

特開平９−２６５５２４号公報

上記従来技術は、パンタグラフの画像を得るためにカメラを高圧電気の通る架線に近い高所に設置し、パンタグラフを撮像して得た画像データから画像処理を利用してパンタグラフのすり板の検査をするというものである。

画像処理において検査の省力化は達成できるが、カメラの設置作業は、安全確保のため高所作業櫓の設置や架線への高圧電源の切断および軌道閉鎖による車両進入阻止が必要である。

特に、カメラの調整作業は実際に車両を走行させパンタグラフを撮像して得た画像を見て行う必要があり、ピントを合わせるための撮像タイミングや所望の映像を得るための撮影角度などで再調整が必要であれば、電源切断や軌道閉鎖を行い、カメラの調整をして、電源投入や軌道閉鎖解除を行い、車両を走行させて撮像することを繰り返さねばならず、カメラの設置箇所と変電所などが離れていれば、連絡による確認も必要で、準備に手間が掛かる。

そこで、本発明の目的は、カメラの設置や調整を安全に行うことができ、しかも準備に手間が掛からないパンタグラフのすり板検査装置を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、簡単な構成であるにも係らず、正確にすり板の損傷や磨耗の状況を検査することができるパンタグラフのすり板検査装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、車両におけるパンタグラフを撮像手段で撮像して得た画像データについて画像処理を行いすり板が架線との摩擦などにより発生する損傷や磨耗の状況を検査するパンタグラフのすり板検査装置において、パンタグラフを映す凹面鏡を設け、凹面鏡に映ったパンタグラフの像を撮影する撮像手段を凹面鏡から離れた位置に設けたことにある。

本発明によれば、焦点距離の長い凹面鏡を用いることで、パンタグラフの撮像位置変化によらず、大きさ変化の少ないカメラ画像を得ることができる。凹面鏡は架線から離れた位置に設置することができ、凹面鏡に映ったパンタグラフの像を撮像する撮像手段も架線や軌道から離れた安全な位置に設置することができる。

凹面鏡およびカメラの設置作業や調整作業では車両の走行を確認していれば十分であり、再三にわたる電源切断や軌道閉鎖は不要で、設置作業や調整作業は簡略化され、大きな業務の省力化と作業環境の改善が実現される。

以下、図面に示した本発明の実施形態について説明する。

図１乃至図３は本発明の一実施形態であるパンタグラフのすり板検査装置の要部を示しており、図１は電車１を側面に見る方向から概略的に示した図であり、図２は図１のＡ−Ａ矢視方向に電車１の後方から前方を見た電車１の横断面を概略的に示した図であり、図３は図１の電車１を架線上から見て概略的に示した図である。

電車1は先頭からの二車両で図示を代表させており、二両目の車両はパンタグラフ２を備えている。

３ａ，３ｂは電車１が走行するレール（軌道）であり、パンタグラフ２は図１，図３においてレール３ａ，３ｂが延びた左右方向（電車１の走行方向）に直交する方向（レール３ａ，３ｂが並ぶ方向）に延びた長尺棒形状の舟を有している。舟における長尺部は電車の種類により900〜1800ｍｍの長さを持っている。舟は一例として電車１の走行方向において前舟７と後舟８に分かれており、各舟上にすり板が各々二列に設けられている。

４は、電車１にパンタグラフ２を介して電力を供給する架線である。なお、各図では、説明の都合上、架線４を支持する電柱などは省略し、また図３では先頭車両の図示を省略した。架線４は、パンタグラフ２におけるすり板との摩擦ですり板が平等に摩耗するように、レール３ａ，３ｂが並ぶ方向にジグザグに蛇行するように配設されるが、ここでは架線４の配設状況は問題ではないので、直線的に表示している。

電車1の先頭部には、列車編成番号等の車両情報を発信する発信器５を設けてあり、地上側には列車編成番号等の車両情報を受信するための受信器６を設けてある。

地上設備として、先頭車両を検知する先頭車両検知センサや後尾車両の退出を検知する後尾車両検知センサを設置してあるが、図示は省略した。両車両検知センサはレーザ式の反射センサであり、誤検知を防止するために車両の比較的高い位置にレーザ光を照射するように設定してある。車両がセンサ高さ位置を通過すると、センサの照射光は車両側面で反射しその戻り光がセンサに入射することで、車両の通過状況から車両を確認する。

１０，２０は支柱であり、支柱１０の腕木１１にはパンタグラフ２を映す凹面鏡１２とパンタグラフ２の照明用ライト１３を設けてあり、支柱１０の地上近くには凹面鏡１２に映るパンタグラフ２の像を撮影するカメラ（撮像手段）１４を設けてある。カメラ１４は撮像を画像処理ができるように、ＣＣＤ素子またはＣＭＯＳ素子などの撮像素子を内蔵したデイジタルカメラを使用している。

支柱２０の腕木２１にはパンタグラフ２を検知するパンタグラフ検知センサ２２を設けてある。パンタグラフ検知センサ２２は、カメラ１４がパンタグラフ２に対する撮影開始タイミングを決めるもので、架線４の真下を通過するパンタグラフ２を真上から検知できる高さに設置してある。

支柱１０，２０，腕木１１，２１，凹面鏡１２，ライト１３，カメラ１４，パンタグラフ検知センサ２２などは、電車１の運行に支障がないように定められた建築限界と車両限界について、建築限界内で車両限界外に位置するように設置される。

具体的には図２，図３に示すように各部材の中心が、支柱１０はレール３ａ，３ｂが並ぶ幅方向での中心から外側へ距離Ｌ１だけ離れた位置に設置され、凹面鏡１２は支柱１０の腕木１１にレール３ａ，３ｂが並ぶ幅方向での中心から外側へ距離Ｌ２だけ離れた位置で、レール３ａ，３ｂの上面よりＨ１の高さに設置してある。

カメラ１４は、支柱１０にレール３ａ，３ｂの上面よりＨ２の高さで設置してある。このような設置状況において定まる凹面鏡１２における鏡面の中心とカメラ１４のレンズ中心の距離をＬｃとする。カメラ１４の光軸は凹面鏡１２における鏡面中心に向けてあり、距離Ｌｃは凹面鏡１２の焦点距離Ｆとしてある。

パンタグラフ２のすり板の厚みを測定する際、パンタグラフ２の真正面に凹面鏡１２を配置しその凹面鏡１２にパンタグラフ２のすり板が映るようにすると、カメラ１４の撮像素子上に投影されるすり板像の視角による形状変形が最小となり、後述する画像処理過程における校正手順を簡略化することができる。

しかし、真正面からでは、後舟が前舟の陰に隠れて撮影ができない。このため本実施形態では、凹面鏡１２をパンタグラフ２の斜め上方に設置してパンタグラフ２の前舟７と後舟８のすり板前縁部の画像を撮影することができるようにしている。

カメラ１４はパンタグラフ２がパンタグラフ検知センサ２２の真下を通過した際に凹面鏡１２に映ったパンタグラフ２の像を撮像するようにしてある。従って凹面鏡１２の水平方向の光軸中心は架線４の中央位置に向けてあり、垂直方向の光軸中心はカメラ１４がパンタグラフに映った像を撮影できるように、架線４とカメラ１４を結ぶ角度の1/2の方向に向けてある。

即ち、図３において、凹面鏡１２はレール３ａ，３ｂと平行な線に対しθ1の角度を光軸中心とし、図２において、凹面鏡１２における鏡面中心を通る垂直線からθ2の角度を光軸中心としている。

この配置により、凹面鏡１２に入射した光はその焦点位置に集光する凹面鏡１２の特性から、カメラ１４で得た像の歪みは小さく、後述するようにレール３ａ，３ｂが並ぶ幅方向での中心の垂直線上の位置を中心としたパンタグラフ２の像を正確に得ることができる。

床下機器が多い列車などでは、列車の走行を支援する地上機器をレール３ａ，３ｂの周辺に設置する際の建築限界は厳しいことが多いが、凹面鏡１２はパンタグラフ１を映し、カメラ１４はその光軸を凹面鏡１２の中心に向けてあれば良いので、凹面鏡１２やカメラ１４は架線４とレール３ａ，３ｂから離して設置することができ、厳しい建築限界にも十分対処することができる。

図３は電車１を真上から見た図で、前述したように本実施形態では、前舟７と後舟８を持つパンタグラフ２を対象としており、パンタグラフ２を前方から撮像する様子を示している。

パンタグラフ検知センサ２２を設置した支柱２０と凹面鏡１２，ライト１３，カメラ１４などを設置した支柱１０の間隔はＬ３で、これはパンタグラフ２と凹面鏡１２との撮影距離Ｌ４だけ間隔をあけるためであるが、パンタグラフ検知センサ２２を凹面鏡１２などと同じ支柱１０から支柱腕を伸ばし、その支柱腕上に設置する構成としても良い。

ライト１３は、省エネのため撮像タイミングに合せて発光するストロボを用いているが、撮像中は常時点灯してあっても良い。凹面鏡１２は、その焦点距離Ｆがパンタグラフ２の撮影距離Ｌ４よりも長いものを用いている。

この実施形態ではパンタグラフ２の前舟７と後舟８の前縁部（すり板が設けられている部分）をカメラ視野の中心に入れて撮影するため、パンタグラフ２を正面前方で斜め上方から凹面鏡１２に映し、凹面鏡１２の中心高さをパンタグラフ２の高さより少し高い位置に設置してある。

凹面鏡１２の形状と大きさは、写し取るカメラ視野の大きさに関連して設定するが、カメラ１４の撮像素子形状が角型であることから角型の凹面鏡を用い、パンタグラフ２の全体像がカメラ視野内に収まるように、凹面鏡１２の鏡高さを設定してある。

凹面鏡１２の水平方向の鏡幅は、レール３ａ，３ｂが延びる方向に対する水平面での凹面鏡１２の設置角θ1に関係して設定する。この設置角θ1を大きくすれば、パンタグラフ２の全体が収まる凹面鏡１２の視野を小さくすることができ、凹面鏡１２の小型化ができる。

パンタグラフ２は長尺棒形状であり、設置角θ1を大きくすると、パンタグラフ２の長手方向の寸法が縮小するが、すり板の厚み方向の寸法は変化しない。ただし、設置角θ1を大きくしすぎると、パンタグラフ２が凹面鏡１２の視野に対して、両端縁部の遠近差が大きくなるため遠近差による画像歪みが増大し、この画像歪みの補正のために後述する画像処理手順が複雑化する。

凹面鏡１２の設置に制約がない場合、円形の凹面鏡を用いることもできる。凹面鏡１２は撮像カメラ１４における撮像素子に対しカメラ視野を有効に収めるために撮像素子と相似形となったものが好ましい。

次に図４に従い、凹面鏡１２に映るパンタグラフ２の像をカメラ１４で撮像することについて、カメラ１４の撮像素子１４ａに映る被写体（パンタグラフ２の前舟７と後舟８）の撮影倍率Ｍに基づいて説明する。

図４において、被写体であるパンタグラフ２は凹面鏡１２から距離Ａ（図３では撮影距離Ｌ４）の位置にあり、凹面鏡１２と撮影区間の関係から被写体（パンタグラフ）２ は凹面鏡１２の焦点距離Ｆ内にある（Ｆ＞Ｌ４＝Ａ）。

凹面鏡１２で作られる被写体２の像Ｘと凹面鏡１２間との距離Ｂは、光学系の公式から数1の関係式があり、数２より求められる。また、そのときの像倍率Ｍ１は数３より求められる。

１／Ａ＋１／Ｂ＝１／Ｆ …数１
Ｂ＝ＡＦ／（Ａ−Ｆ） …数２
Ｍ１＝Ｂ／Ａ＝Ｆ／（Ａ−Ｆ） …数３
被写体２が凹面鏡１２の焦点距離Ｆ内にある条件Ｆ＞Ａを数２に代入すると、数２から被写体２の像Ｘと凹面鏡１２間との距離Ｂは負数となり、被写体２の像Ｘは虚像となる。即ち、凹面鏡１２の裏側の位置に虚像ができる。

また、被写体２が凹面鏡１２の焦点距離Ｆ内にある条件Ｆ＞Ａを数３に代入し像倍率Ｍ１の絶対値を計算すると、｜Ｍ１｜＞1になり凹面鏡１２でできる虚像Ｘは被写体２よりも大きくなる性質がある。

次いで、凹面鏡１２に映った虚像Ｘを被写体としてカメラ１４で撮影する場合、被写体Ｘとカメラ１４のレンズ間の距離aとカメラ１４のレンズから撮像素子１４ａまでの距離bは、光学系の公式より数４の関係式がある。ここで、ｆはカメラ１４におけるレンズの焦点距離で、そのときの像倍率Ｍ２は数５より求められる。

１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ …数４
Ｍ２＝ｂ／ａ＝ｆ／（ａ−ｆ） …数５
カメラ１４を凹面鏡１２の焦点距離Ｆのところに設置する場合、カメラ１４のレンズから虚像Ｘまでの距離aは数６で表示される（被写体は虚像Ｘであるため負数である距離Ｂの前に負符号が付けられ正数に直して扱われる）。

ａ＝−Ｂ＋Ｆ …数６
凹面鏡１２の焦点距離Ｆとカメラ１４の焦点距離ｆの関係をＦ＞ｆと設定し、数５を用いてカメラ１４の像倍率Ｍ２を計算すると、Ｍ２＜１になり、カメラ１４では、逆に凹面鏡１２の虚像Ｘを小さく撮像する。

被写体２が凹面鏡１２を介して最終的にカメラ１４の撮像素子１４ａに撮影されるときの総合倍率ＭはＭ１×Ｍ２で求められので、数１乃至数６の関係式より総合倍率Ｍを求めると、数７が得られる。

Ｍ＝−ｆ／｛Ｆ＋（Ａ／Ｆ−１）×ｆ｝ …数７
数７において、被写体２が移動する位置範囲０＜Ａ＜Ｆに対する総合倍率Ｍの変化を計算する。

被写体２が凹面鏡１２に最も接近した場合（Ａ≒０）の総合倍率Ｍ０は数８で近似できる。

Ｍ０≒−ｆ／｛Ｆ−ｆ｝ …数８
一方、被写体２ が凹面鏡１２から最も離れた場合（Ａ≒Ｆ）の総合倍率ＭＦは数９で近似できる。

ＭＦ≒−ｆ／Ｆ …数９
この結果、被写体（パンタグラフ）２の走行移動に伴う総合倍率Ｍは、Ｍ０〜ＭＦの間で変化する。

数８および数９の総合倍率Ｍ０，ＭＦに着目すると、凹面鏡１２の焦点距離Ｆとカメラ１４におけるレンズの焦点距離ｆが同程度の値であれば、Ｍ０〜ＭＦは1〜無限大までの範囲で変化する。

一方、凹面鏡１２の焦点距離Ｆがカメラ１４のレンズの焦点距離ｆより１０〜１００倍以上大きい場合には、Ｍ０〜ＭＦの変化は１〜１０％程度と小さくなる。

上記したように凹面鏡１２の焦点距離Ｆはパンタグラフ２までの撮影距離Ｌ４（＝Ａ）より大きいものを用いており、凹面鏡１２の焦点距離Ｆは３０００〜５０００ｍｍ程度が好適である。

一方、カメラ１４におけるレンズの焦点距離ｆは撮像素子１４ａの大きさとカメラ視野との関連で最適値が決まるが、通常２５ｍｍ程度のものが標準レンズとして使いやすい。これらを組合せると焦点距離比Ｆ／ｆは１００倍程度となり、被写体２の撮像位置変動に伴うカメラ１４の撮像素子１４ａ上の総合倍率変化は１％程度と小さくなる。

従って、凹面鏡１２とカメラ１４を組み合すことにより撮影区間におけるパンタグラフ２の位置によらず、ほぼ一定な撮影倍率となる撮影条件を得ることができる。

前記した従来技術のように、被写体にカメラを直接向けて希望とする大きさの像を得るには、被写体が遠方にあるときは望遠レンズを装着したカメラとし、また近くにあるときは広角レンズを装着したカメラと云うように、被写体とカメラの撮影距離に応じてカメラかレンズを交換する必要がある。

さらにパンタグラフ２のような長尺棒形状の被写体を撮像するには、カメラ視野を大きく設定する必要があり、広角レンズを装着したカメラを使用する場合、カメラをパンタグラフ２や架線４の近くに設置する制約がある。

また、被写体との撮影距離を大きくとれる望遠レンズを装着したカメラを使用する場合、カメラ視野が狭いため、パンタグラフ２のごとく長尺棒形状の被写体を漏れなく全体像を撮影するには複数台のカメラを並列に設置する必要がある。さらに、被写体であるパンタグラフ２を直接見通せる位置に望遠レンズを装着したカメラを設置する制約がある。

本実施形態によれば、被写体２の位置に係らず像の大きさ変化の小さいカメラ画像が得られる。従って、被写体２は移動するものであり、パンタグラフ検知センサ２２のパンタグラフ検知のタイミングに対しカメラ１４での撮像タイミングにずれがあっても、総合倍率変化が小さいことから、撮影位置変動の影響を小さく押さえられる利点を備えている。

また、焦点距離の長い凹面鏡１２を用いることで、被写体であるパンタグラフ２からの撮影距離を大きくとれるため、パンタグラフ２や架線４から離れた安全な位置に凹面鏡１２を設置することができ、作業の安全を確保することができる。

さらに、凹面鏡１２に映った被写体であるパンタグラフ２の像をカメラ１４で撮像するので、設備の構成は簡単であり、カメラ１４は凹面鏡１２を見通せる位置に設置すればよく、パンタグラフ２を直接見通す位置にカメラを設置するという従来技術における制約は解消される。

このため、カメラ１４を架線４やレール３ａ，３ｂから離れ、しかも地上から低い位置に設置することができ、設置作業が楽であるばかりか安全で、電車１の走行に注意さえすれば架線４への電力供給を止めたり電車の運行を止めたりすることなく、撮像タイミングや所望の映像を得るための撮影角度などの再調整を容易に行うことができる。

凹面鏡１２の像倍率Ｍ１は被写体２が凹面鏡１２に近づくにつれて小さくなるが、カメラ１４の像倍率Ｍ２は大きなものとなり、補完しあうので、カメラ１４で捉える像の大きさは被写体２の位置が変わっても、変化の度合いは小さく、被写体２の位置変化に係らずカメラ１４でほぼ同じ大きさの像を撮影することができる。

従って、後述する画像処理において画像データの取り扱いが楽で、複雑な画像処理を必要としないので、画像処理に時間が掛からない。

被写体であるパンタグラフ２の位置変化に係らずカメラ１４でほぼ同じ大きさの像を撮影することができるので、電車１の進行に合わせて近い距離において複数枚の撮像を得ることにより、電車１が振動し鮮明な画像を得られなかったような場合の予備画像を用意することもできる。

図５は、パンタグラフのすり板検査装置３０における電気系の概略構成を示すブロック図である。

３１は制御装置で、制御装置３１は列車編成番号等の車両情報を受信するための受信器６，パンタグラフ２を均一に照明するためのライト１３，凹面鏡１２を介してパンタグラフ２を撮影するカメラ１４，撮影開始タイミングを決定するためのパンタグラフ検知センサ２２，図１乃至図３では図示を省略した電車１の進入と退出を検知する車両検知センサ３２，３３，および画像処理装置３４と接続されており、双方向に制御信号や画像データを伝送するようになっている。制御装置３１や画像処理装置３４での処理状況はモニタ画面３５で表示している。

制御装置３１は、すり板検査装置３０の動作プログラムを格納したＲＯＭ，ＲＯＭの動作プログラムに従って各種の処理や演算を行うＣＰＵ，上記各部材から送られてくる諸データやＣＰＵでの演算結果のデータなどを一時的に記憶するＲＡＭ，ＲＡＭに一時的に記憶した各データを保存する記憶装置などから構成されている。

画像処理装置３４では、カメラ１４で撮像された画像情報に基づいて、パンタグラフ２の前舟７と後舟８に設けられているすり板の摩耗量を求め、異常摩耗を起こしたすり板を検出すると、警報を発してすり板交換を促すと共に、摩耗状態からすり板の交換時期を予測し、監視者に報知する機能を備えている。

画像処理装置３４は、画像処理の動作プログラムを格納したＲＯＭ，ＲＯＭの動作プログラムに従って各種の処理や演算を行うＣＰＵ，制御装置３１を通して上記各部材から送られてくる諸データやＣＰＵでの演算結果のデータなどを一時的に記憶するＲＡＭ，ＲＡＭに一時的に記憶した各データを保存する記憶装置などから構成されている。

次に、パンタグラフのすり板検査装置３０における全体の動作を説明する。

先ず、車両検知センサ（進入側）３２が計測位置に電車1の進入を検知すると、その検知信号に基づいて、列車編成番号等の車両情報を受信するための受信器６とパンタグラフ検知センサ２２が起動され、パンタグラフ２の有無の検出を開始する。同時にカメラ１４，ライト１３が起動され、撮影可能状態になる。

この状態で、受信器６で受信した列車編成番号等の列車情報は、制御装置３１の記憶装置に記憶しておく。

パンタグラフ検知センサ２２がパンタグラフ２を検知すると、カメラ１４は予め設定した待ち時間を経て撮影を開始する。但し、車両検知センサ（退出側）３３が電車1の退出を検出するまでは、各センサ等は起動状態を保持している。

カメラ１４では予め電車１の編成に合わせて設定されたパンタグラフ数を撮影（撮像）するまで撮影を続け、制御装置３１の要求に応じて各画像データを転送する。

なお、パンタグラフ数の設定などは図示していないキーボードから制御装置３１の記憶装置に格納してあり、車両検知センサ（進入側）３２が電車1の進入を検知した際の起動時に制御装置３１がＲＯＭの動作プログラムに従ってＣＰＵが設定値を読み出して、カメラ１４に設定されたパンタグラフ数を撮影（撮像）するように指示している。

制御装置３１ではカメラ１４から画像データが転送されてくると、パンタグラフ２の画像データとして編集し、車両編成番号，パンタグラフ番号，測定日時等のデータと共に画像処理装置３４に転送し、画像処理装置３４は一旦画像処理装置３４内の記憶装置に格納して、公知の技術で順次各画像データについて所望の画像処理を遂行して、パンタグラフ２のカメラ画像とすり板厚みの計測結果をモニタ画面３５に表示する。

以下、図６に従って、画像処理装置３４で行う画像処理の大まかな手順について説明する。

図６（a）は、画像処理装置３４の記憶装置に格納してある画像データについてモニタ画面３５に表示した1枚のカメラ画像５０を示しており、図中にはパンタグラフ２の前舟７と後舟８上に設けられたすり板７ｂと８ｂとが映っている。カメラ画像５０の上辺から下辺にかけて中央部においてやや斜めに映っている架線４は、分かり易くするために図示を省略した。

以下、前舟７と後舟８で画像処理を行いすり板の摩耗を判定することについて説明する。なお、後舟８の画像処理は前舟７の画像処理と大略同一につき、その説明は省略する。

図６（a）において、７ａは前舟７の舟板であり、７ｂはすり板、７ｃはすり板７ｂの上エッジ線である。凹面鏡１２はパンタグラフ２をやや上方の前方から映すので、パンタグラフ２の前舟７と後舟８が架線４と摩擦する上側の面が映り込む。

ライト１３の照明光は上面においてほぼ全反射で電車１の後方の方向に反射してしまう結果、上面は暗く映る。従ってカメラ１４は側面部を明瞭に写した撮像になり、上エッジ線７ｃの位置および舟板７ａとすり板７ｂの接合境界線７ｄの位置は明白になっている。なお、図ではすり板７ｂ，８ｂの側面部にハッチングをつけて、それらの側面部の箇所が分かるようにした。

図６（b）〜（d）は、画像処理により図６（ａ）に示したカメラ画像５０からパンタグラフ２における前舟７の画像の一部分を切り出して表示したカメラ画像５０における部分画像５１である。

図６（ｂ）において、上エッジ線７ｃの部分が架線４と摺動して磨耗する。すり板７ｂの厚みは、上エッジ線７ｃと接合境界線７ｄの間隔を画像処理により正しく計測することで得られる。

まず、表示されたカメラ画像５０から部分画像５１となる前舟７の適宜な領域を切り出す（抽出する）。そのために、表示された画像領域を指定したグレイ値（輝度値）の閾値範囲により、閾値以上のグレイ値を持つ領域の抽出を行う。この閾値範囲の設定は、表示画像全体の平均グレイ値と標準偏差を求め、その値に基づいて行っている。なお、この抽出においては、一部に輝いた部分がある場合はその部分によって値が振られるために、輝いている部分はあるグレイ値に置き直している。

上記抽出領域には前舟７のみが存在すればよいが、前舟７以外の屋根上機器が存在する場合が多い。そのため、横方向に長い矩形構造要素を用いて、抽出したグレイ領域の膨張，収縮処理を繰り返し行うことで前舟７の領域と屋根上機器の領域とを分離する。分離された領域から、面積、位置等の形状特徴量に基づき前舟７の領域を選択する。

選択された領域を囲む最小の矩形位置を求め、それを画像全体に対する前舟７とする。

次に、抽出された領域内の横方向に長い線分を抽出し、図６（ｂ）に示すように傾きがあれば、図６（ｃ）に示すように大まかに回転させ略水平位置にする。この処理は下記のようにして行う。

まず、先に選択された領域を前舟７の領域として、この領域内の横方向に長い線分の抽出を行う。横方向の線分抽出は、横方向線分を強調するため、横方向に大きなフィルタを用いて平滑化処理を行う。これにより領域内の横方向線分を抽出する。抽出するための閾値は、領域内の画像の平均グレイ値と標準偏差を求めて、その値に基づいて設定する。

上記処理によって、複数個の線分が抽出される場合があり、その場合は長さ，位置と言った特性に基づき一つの線分を選択する。次に、選択した線分の傾きのある画像を回転することで大まかに水平にする。

図６（ｃ）の大まかに回転させた部分画像５１において、基準となる正確な位置を求めるために、前舟７の特徴的な部位を検出する。本実施形態では、舟板７ａの端部を検出する方法とした。

先ず、検索領域を平滑化して画像を滑らかにする。滑らかにした画像から横方向に長い線分を抽出する。抽出のための閾値は、検索領域内の画像の平均グレイ値と標準偏差を求め、その値に基づいて設定している。抽出される線分は複数個ある場合があり、この時は、長さと位置と言った特性に基づき舟板７ａとすり板７ｂの接合部７ｄの線分を抽出する。

次に、抽出された線分（基準線）７ｄの傾きを求め、その傾きが完全になくなるように部分画像５１を精密に回転処理する。そして、回転させた画像において、舟板７ａとすり板７ｂの接合面７ｄの線分を囲む最小の矩形の位置を計算により求め、その位置を最終的に舟板７ａとすり板７ｂとの接合部７ｄの線分の位置とする。

図６（ｄ）において、基準となる舟板７ａとすり板７ｂの接合部７ｄの位置が決まると、次にすり板７ｂの上エッジ線７ｃの検出処理を実行する。

前舟７に設けてあるすり板７ｂの表面は、架線４との接触により傷や汚れが多い部分である。そのため細かな輝度差が多く発生しており、単純にエッジ検出を行うと多くのエッジがあるように認識してしまう。そこで、エッジ検出領域５２を定めてこの微小領域内で輝度値を低いところから高いところまで順次振り、輝度変化の大きい点を検出してそこを境界とする２値化処理をして白と黒の領域に分ける。すり板７ｂの上面が黒領域にすり板７ｂの側面を白領域とし、黒い領域の最下点を上エッジ線７ｃの位置とする。この処理をすり板７ｂの長手方向（図の左右水平方向）に渡り逐一を行い、全ての上エッジ線７ｃの位置を求める。

そして、求めた最下点を結ぶ線分を最終的にすり板７ｂの上エッジ線７ｃとした。このようにして求めた上エッジ線７ｃと（舟板７ａとすり板７ｂの）接合部７ｄの線分との間をすり板７ｂの厚みｈとして抽出する。

以上のように、画像処理によりすり板各部の厚みｈを求めて、予め設定した摩耗量以上の摩耗を検出するとすり板の交換時期であると判定し、そのことを監視者に報知すると同時に、制御装置３１や画像処理装置３４の記憶装置に格納しておき、摩耗量等のデータと一緒に画像処理前のカメラ画像をモニタ画面３５に表示して監視者が摩耗の状態を確認出来るようにしている。

以上説明したように、本発明車両のパンタグラフのすり板検査装置によれば、架線４とレール３ａ，３ｂから離れた安全な場所でカメラの設置および調整作業ができるので準備に手間が掛からない。

図７は、さらに他の実施形態なるパンタグラフのすり板検査装置を示しており、図７において、図１乃至図３に示したものと同一物には同一符号を付けている。

前述したように、電車の種類によりパンタグラフ２は前舟と後舟に分かれ、それぞれの舟上にすり板が二列設けられたものがある。図1の実施形態では、進行する電車1におけるパンタグラフ２の前側から凹面鏡１２にパンタグラフ２の像が映るように設置しているが、前舟７や後舟８のすり板の後縁部は陰に隠れてその画像を撮影することができない。

図７の実施形態では、凹面鏡１２，ライト１３，カメラ１４などを電車１に対する位置関係が電車１の進行方向に対して図1の実施形態とは丁度逆の配置となるようにして支柱１０に設けて、遠ざかっていくパンタグラフ２の像が凹面鏡１２に映るように構成しているので、凹面鏡１２に映る前舟７と後舟８におけるすり板の後縁部側の像をカメラ１４で撮影することができる。

図１の実施形態との相違点は、パンタグラフ検知センサ２２に代えて支柱１０の前方に支柱４０を設置し、この支柱４０に電車１の進入と退出を検知する車両検知センサ３２，３３を設け、車両検知センサ（進入側）３２の電車検知で図５に示した電気系が動作を開始するようにしていることにある。画像処理の手法は図１乃至図３に示した実施形態と同様であるので、説明は省略する。

電車１がレール３ａ，３ｂ上を等速で走行すれば、支柱１０と支柱４０の距離は動かないので、車両検知センサ（進入側）３２が電車１を検知してから凹面鏡１２に映る前舟７と後舟８におけるすり板の後縁部側の像をカメラ１４で撮影するタイミングは容易に制御装置３１において求められ、電車１の速度に応じた最適なタイミングで撮像を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、前側からはパンタグラフ２のすり板が隠される場合に、裏側からのパンタグラフ２の撮像が可能となり、一回の列車走行において漏れなくパンタグラフ２のすり板検査が可能となる。

さらに、架線４の影になりパンタグラフ２のすり板が撮像できない場合も裏側からのパンタグラフ２の撮像が可能となる。

図８は、さらに他の実施形態なるパンタグラフのすり板検査装置を示しており、図８において、図７に示したものと同一物には同一符号を付けている。

支柱１０を２本とし、支柱１０Ａには前舟７に対する凹面鏡１２Ａとライト１３Ａを設置し、支柱１０Ｂには後舟８に対する凹面鏡１２Ｂとライト１３Ｂを設置し、両支柱１０Ａ，１０Ｂを繋ぐ梁５０上に各凹面鏡１２Ａ，１２Ｂにそれぞれ映るパンタグラフ２の前舟側からの像と後舟側からの像を撮像するカメラ１４を設けている。

図８の実施形態では、パンタグラフ２を前舟側と後舟側からそれぞれ撮像する構成となっている。電車１の進行に従い、凹面鏡１２Ａに前舟側からパンタグラフ２が映る時点と凹面鏡１２Ｂに後舟側からパンタグラフ２が映る時点がずれるので、1台のカメラ１４を共用できる。
なお、カメラ１４は前舟７撮像用と後舟８撮像用を分けて設置してもよい。

この実施形態によれば、パンタグラフ２を撮像する機会が倍増し、カメラ１４での撮像に不鮮明な画像があっても、1個のパンタグラフ２について前側か後側のいずれかの撮像を用いることにより、すり板の摩耗状況を判定することができる。

さらに、カメラ１４での撮像が鮮明であれば、前舟７のすり板と後舟８のすり板の摩耗状況を個別に判定することができる。

本発明パンタグラフのすり板検査装置の一実施形態の要部を示し、電車を側面に見る方向から概略的に示した図である。 図１のＡ−Ａ矢視方向に電車の後方から前方を見た電車の横断面を概略的に示した図である。 図１に示したパンタグラフのすり板検査装置の要部を示し、電車を架線上から見て概略的に示した図である。 図1に示したパンタグラフのすり板検査装置の光学系を説明する図である。 図1に示したパンタグラフのすり板検査装置の電気系を示すブロック図である。 図1に示したパンタグラフのすり板検査装置による画像処理について説明する図である。 本発明パンタグラフのすり板検査装置の他の実施形態の要部を示し、電車を側面に見る方向から概略的に示した図である。 本発明パンタグラフのすり板検査装置のさらに他の実施形態の要部を示し、電車を側面に見る方向から概略的に示した図である。

符号の説明

１…電車（車両）
２…パンタグラフ
３ａ，３ｂ…レール
４…架線
５…発信器
６…受信器
７…パンタグラフの前舟
８…パンタグラフの後舟
１０，２０…支柱
１２…凹面鏡
１３…ライト
１４…カメラ（撮像手段）
２２…パンタグラフ検知センサ

Claims (9)

1. 車両におけるパンタグラフを撮像手段で撮像して得た画像データについて画像処理を行い、パンタグラフのすり板が架線との摩擦などにより発生する損傷や磨耗の状況を検査するパンタグラフのすり板検査装置において、
   パンタグラフを映す凹面鏡を設け、凹面鏡に映ったパンタグラフの像を撮影する撮像手段をレールの幅方向における車両限界の外側に設けたことを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
2. 上記請求項１のパンタグラフのすり板検査装置において、前記撮像手段は、地上から低い位置であって前記凹面鏡を見通せる位置に設けられたことを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
3. 上記請求項１又は請求項２のパンタグラフのすり板検査装置において、前記撮像手段は、前記レールの幅方向における車両限界の外側に設けられた支柱に設置され、前記凹面鏡は、前記支柱の腕木に設置されたことを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
4. 上記請求項１ないし請求項３のいずれかのパンタグラフのすり板検査装置において、凹面鏡は架線から離れた位置に設置してあることを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
5. 上記請求項１ないし請求項４のいずれかのパンタグラフのすり板検査装置において、凹面鏡は車両におけるパンタグラフの前方もしくは後方からパンタグラフを映すものであることを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
6. 上記請求項１ないし請求項５のいずれかのパンタグラフのすり板検査装置において、撮像手段はパンタグラフが凹面鏡の焦点距離内にある時点で凹面鏡に映ったパンタグラフの像を撮像するようになされていることを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
7. 上記請求項１ないし請求項６のいずれかのパンタグラフのすり板検査装置において、さらに車両の進入を検出する検知手段もしくはパンタグラフを検出する検知手段を設け、該検知手段の出力に従って撮像手段が凹面鏡に映るパンタグラフの像を撮像するようになされていることを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
8. 上記請求項１ないし請求項７のいずれかのパンタグラフのすり板検査装置において、該凹面鏡は、その焦点距離が、該撮像手段における焦点距離よりも長いものであることを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。
9. 請求項８のパンタグラフのすり板検査装置において、該凹面鏡の焦点距離は、該撮像手段における焦点距離のほぼ１００倍の長さを有するものであるとを特徴とするパンタグラフのすり板検査装置。

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