JP5221984B2 - 締結具の緩み検出システム及び緩み検出方法 - Google Patents
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例えば、鉄道用レールは枕木等の基台上に多数のボルト及びナット等の締結具を用いて固定されるが、固定した後で締結具に緩みが生じると、車両の走行振動を招くなど走行性能の低下や、レールや車両の車輪の磨耗を早めるなどの課題を生じることになる。
こうした締結具の緩みの検査は、このようなレール交換のみならず必要であるが、レール交換作業やその後の確認作業、また、その後の保守点検として必要な締結具の緩みの検査は、通常は車両を走行させない夜間に行われることがほとんどであるため、人手による確認や検査は、作業者の大きな負担になっている。特に、その確認や検査の対象になる締結具の量は莫大であり、確認や検査にかかる作業者の確保が困難であり、点検費用も嵩むためその抑制など、多くの課題を抱えている。
例えば、特許文献1には、ボルトの緩みを打撃により判定する技術として、打撃直後の音圧にかかる時系列信号の最大値を周波数帯域毎に抽出し、各最大値を予め設定された周波数帯域毎の振動基準値と比較して緩みを判定する技術が提案されている。
特許文献3には、レール上を走行する車両に装備した距離センサにより、締結ボルトを介してレールを締結しているレール押圧片上の異なった位置までの測定基準点からの距離を測定し、複数の測距センサが測定した各測距値間の差を演算して締結ボルトの締結状態を判別する技術が提案されている。
特許文献1の技術のように打撃音を測定して検出する場合、一つ一つの締結具について打撃していかなくてはならず、多数の締結具を高速で検出することが困難である。
特許文献2の技術のようにボルトに工夫して緩みを検出する場合、ボルトが高価になるため、多数のボルトをこのようなボルトにするには膨大な費用がかかる上、ボルトの強度確保の点で課題が残る。
特許文献4の技術では、画像データから、レールの間隔や継ぎ目の広さ、スラブ板の傷、パッドのずれ、締結機の板バネの損傷、ボルトのゆるみなどの検査項目に対応する検出データを抽出するが、この場合も、SN比が悪く、検出データの僅かな抽出誤差で締結具の緩み検出精度は大幅に低下してしまい、検出精度を十分に確保することは困難である。
特許文献6の技術では、ボルト頭部とボルト取付け部の鋼材とに一直線に結ぶ線を引き、その線のズレを検出するが、ボルトやボルト取付け部にしっかりとした直線を引くことは困難である。特に、緩みを検出する対象がナットの場合には、ナットの中央部にボルトのネジ部が突出しているため、ナットにしっかりとした直線を引くことは困難である。さらに、線がまっすぐか、曲がっているかという判断を画像処理で行なう処理は、通常時間のかかるものであるため、多数の締結具に対して高速で精度よく緩みを検出することは困難である。
また、本発明の締結具の緩み検出システム(請求項2)は、締結具(ボルト又はナット等)の締結後に該締結具の表面に所定方向に向けて配備された検出用マークと、前記検出用マークを含んだ前記締結具の外観を、予め設定され前記締結具の軸心線に対して傾斜した撮影方向から撮影する撮影装置と、前記撮影装置により撮影された画像中の前記検出用マークの情報に基づいて、前記締結具の緩みを判定する判定装置とをそなえ、前記締結具は、頭部を上方に向けて下方の埋め込みナットに締結されるボルトであって、前記検出用マークは、前記ボルト頭部の複数の平面からなる周面に配備されたドットマークであるとともに、前記判定装置は、前記撮影装置により撮影された画像中の前記ドットマークの数又は位置に基づいて、前記締結具の緩みを判定することを特徴としている。
前記走行車両に、前記締結具の位置に同期してトリガを発生するトリガ発生装置を備え、前記撮影装置は前記トリガ発生装置で発生したトリガ信号を受けたタイミングで前記撮影を実施することが好ましい(請求項4)。
前記撮影方向は、30〜60度の俯角であることが好ましい(請求項6)。
の軸心線に対して傾斜した撮影方向から撮像装置によって撮影する撮影ステップと、撮影された画像中の前記検出用マークの情報に基づいて、前記締結具の緩みを判定する判定ステップとをそなえ、前記締結具は、上方に突設された埋め込みボルトに締結されるナットであって、前記検出用マーク配備ステップでは、前記検出用マークを前記ナットの上面に配備し、前記検出用マークは、前記ナットの上面に、互いに間隔を開けると共に前記撮影方向に対して所定の方向に向けて配備された複数のドットマークであって、前記判定ステップでは、前記撮影ステップで撮影された画像中の前記ドットマークの数又は位置に基づいて、前記締結具の緩みを判定することを特徴としている。
また、本発明の締結具の緩み検出方法(請求項8)は、締結具(ボルト又はナット等)の締結後に該締結具の表面に検出用マークを所定方向に向けて配備する検出用マーク配備ステップと、前記検出用マークを含んだ前記締結具の外観を、予め設定され前記締結具
の軸心線に対して傾斜した撮影方向から撮像装置によって撮影する撮影ステップと、撮影された画像中の前記検出用マークの情報に基づいて、前記締結具の緩みを判定する判定ステップとをそなえ、前記締結具は、頭部を上方に向けて下方の埋め込みナットに締結されるボルトであって、前記検出用マークは、前記ボルト頭部の複数の平面からなる周面に配備されたドットマークであるとともに、前記判定ステップでは、前記撮影ステップで撮影された画像中の前記ドットマークの数又は位置に基づいて、前記締結具の緩みを判定することを特徴としている。
前記走行車両に、前記締結具の位置に同期してトリガを発生するトリガ発生装置を備え、
前記撮影ステップでは、前記トリガ発生装置で発生したトリガ信号を受けたタイミングで前記撮影を実施することが好ましい(請求項10)。
前記撮影ステップでの前記撮影方向は、30〜60度の俯角であることが好ましい(請求項12)。
また、複数の締結具が列状に並んで配備される場合、締結具の列に沿って走行可能な走行車両に撮影装置を装備して、この撮影装置により走行車両を走行させながら列状に並んだ各締結具を次々に撮影していくことで、多数の締結具に対して効率よく各検出用マークの外観情報を得ることができ、締結具の緩みを効率よく判定することができる(請求項3,9)。
さらに、複数の締結具が鉄道のレールを固定するものであって、該レールに沿って列状に並んで配備されている場合、このレール上を走行する鉄道車両に、撮影方向を所定の俯角に向けて撮影装置を装備すれば、レールを固定する多数の締結具に対して効率よく各検出用マークの外観情報を得ることができ、締結具の緩みを効率よく判定することができる(請求項5,11)。
、検出用マークをボルト頭部の複数の平面からなる周面に配備したドットマークとすれば、斜め方向から外観すると、外観側から見えるボルト頭部周面のドットマークしか見えないため、ボルトが回転すると、ボルト頭部周面のドットマークの外観に変化が生じ、ボルトの緩みを判定することができる(請求項2,8)。特に、撮影装置により撮影された画像中のドットマークの数又は位置の変化から、ボルトの緩みを判定することができる。
[第1実施形態]
まず、図1〜図4を参照して本発明の第1実施形態について説明する。なお、図1は本発明の第1実施形態に係る締結具の検出用マークを示す締結具の斜視図であり、(a)は締結具が正常の状態を、(b),(c)は締結具が緩んだ状態をそれぞれ示している。図2は本発明の各実施形態に係る撮影角度を説明する側面図であり、図3は本発明の各実施形態に係るシステム構成図であり、図4は本発明の第1実施形態に係るフローチャートである。
まず、本実施形態に係る締結具の緩み検出システムの構成を説明する。図3に示すように、本システムは、鉄道のレールを固定する締結具の緩みを検出するためのもので、締結具としては、図1,図2,図4,図5に示すナット3又は図6に示すボルト2が、各レールの左右両側にレールに沿って一定間隔で列状に配備されている。ここでは、主にナット3を例に説明する。
一方、このナット3の外観を、図2に示すように、予め設定されナット3の軸心線3aに対して傾斜した撮影方向から撮影するカメラ(撮影装置)12が、図3に示すように、レール10上を走行する鉄道車両としての検査用車両11に装備されている。なお、検査用車両11には、カメラ12による撮影領域を照明するライト(照明装置)13が装備され、夜間など必要に応じて撮影領域を照明できるようになっている。
なお、トリガ発生装置18には、検査用車両11の下部にセンサ部を下方に向けてそなえられ、センサ部がナット3のほぼ直上に来ると反応してトリガ信号を発生するようになっている。つまり、レール10を固定するナット3は、詳細には、図12(a),(b)に示すように、ナット3の下方にワッシャ4に加えて板バネ20を介してレール10の基部をその上方から押さえて固定している。この板バネ20は、図12(b)に示すように、レール10の基部をはじめとした周辺の機器類よりも上方に位置すると共に、図12(a)に示すように、ワッシャ4よりもレール10の長手方向に長く延在する。
そこで、ここでは、トリガ信号に対する撮影の応答遅れを考慮して、ナット3よりも手前の板バネ20を検地した時点t1でナット3の撮影を行なうトリガ信号を発するようにしている。
また、カメラ12は左右の各レール10,10に対応し各レール10,10の直上に配置され、検査用車両11に対を成して備えられる。ナット3やボルト2といった鉄道のレールを固定する締結具は、各レール10の左右に備えられるが、ここでは、1つのカメラ12によって各レール10の左右にある締結具を同時に撮影するようになっている。もちろん、各レール10の左右にそれぞれカメラを設置してもよい。また、ライト13についても、各カメラ12毎に備えられることが好ましいが、検出対象の各締結具をいずれも照明することができれば1つだけでもよい。
このカメラ12による撮影方向は、検査用車両11の進行方向(レール10の方向)に対して30〜60度の俯角とすることが好ましく、45度付近の俯角とすることがより好ましい。この角度が大き過ぎれば、ナット3が回転してもドットマーク51,52がボルト2の裏側に隠れることがなく、この角度が小さ過ぎれば、ドットマーク51,52自体を画像認識しにくくなる。また、後述するように、締結具として、ナット3とボルト2´とが混在する場合にも、撮影方向を、30〜60度の俯角とすることが好ましく、45度付近の俯角とすることがより好ましい。
本発明の第1実施形態にかかる締結具の緩み検出システムは上述のように構成されているので、例えば、図4に示すような手順(方法)で、締結具としてのナット3の緩みを検出することができる。
図4には示さないが、ナット3の締結後にこのナット3の表面(上面)31に検出用マークとしてドットマーク51,52を塗布等により所定方向に向けて配備しておく(検出用マーク配備ステップ)。
さらに、判定処理部16で、ラベルの数(ラベリング個数)に基づいて、あるいは、ラベリングしたドットマーク対応箇所の画像領域中の位置からナット3の緩みを判定する。つまり、まず、撮影された画像中のラベルリング個数が塗布数(塗布時に撮影方向から見える数)と同じか否かを判定して(ステップS50)、同じでなければ、ナット3は回転しており緩みが発生しているものと判定する(ステップS60)。一方、画像中のラベルリング個数が塗布数と同じなら、ラベリング領域から把握されるドット位置が塗布時の位置から変化しているか否かを判定して(ステップS62)、変化していれば、ナット3は回転しており緩みが発生しているものと判定する(ステップS60)。また、変化していなければ、ナット3は回転しておらず緩みは発生していないものと判定する(ステップS70)。
もちろん、本実施形態のように、図4のステップS62の判定を加えることにより、ナット3の緩みを判定する精度を向上させることができる。
上述の実施形態では、ナット3の上面31に、2つのドットマーク51,52を等間隔で(180度だけ位相をずらせて)塗布しているが、ドットマークの数はこれに限定されるものではなく、例えば図5に示すように、ナット3の上面31に、3つのドットマーク51,52を等間隔で(120度だけ位相をずらせて)塗布しても、図5(a)から図5(b)に示すように、撮影されるドットマーク51〜53の数が変化するためナット3の緩みを判定することができる。
一方、このようなボルト頭部21の周面21aのドットマークをカメラで撮影する場合、このカメラ12による撮影方向として、検査用車両11の進行方向(レール10の方向)に対する俯角が大き過ぎると、周面21aを撮影し難く、この点では俯角が小さい方が周面21aを撮影し易い。
次に、図7,図8及び図2,図3を参照して本発明の第2実施形態について説明する。なお、図7は本発明の第2実施形態に係る締結具の検出用マークを示す締結具の斜視図であり、(a)は締結具が正常の状態を、(b)は締結具が緩んだ状態をそれぞれ示している。図8は本発明の第2実施形態に係るフローチャートである。
つまり、本実施形態では、図7(a)に示すように、ナット3には、その上面31に、検出用マークとしての色分けマーク57,58が塗装等により配備されている。ここでは、例えば青色マーク57と赤色マーク58との2色の色分けマークがそなえられ、それぞれの色分けマーク57,58は、同一円周上に等間隔に並んで配置された複数のドットマークから構成されている。
判定処理部16では、各色を識別してラベリングした二色の色の比率を、例えば各色のドット数で比較してラベリング色の比率に変化があったら、ナット3が回転し緩みが生じたと判定するようになっている。
つまり、図8には示さないが、ナット3の締結後にこのナット3の表面(上面)31に検出用マークとして色分けマーク57,58を塗布等により所定方向に向けて配備しておく(検出用マーク配備ステップ)。
さらに、判定処理部16で、各色のラベルの数(ラベリング個数)に基づいて、ナット3の緩みを判定する。つまり、まず、撮影された画像中の各色のラベルリング個数の比率が塗布時の数(塗布時に撮影方向から見える数)と同じか否かを判定して(ステップS52)、同じでなければ、ナット3は回転しており緩みが発生しているものと判定する(ステップS60)。一方、画像中のラベルリング個数(又はラベルリング面積)の比率が塗布時の数と同じなら、ナット3は回転しておらず緩みは発生していないものと判定する(ステップS70)。
次に、図9,図10及び図2,図3を参照して本発明の第3実施形態について説明する。なお、図9は本発明の第3実施形態に係る締結具の検出用マークを示す締結具の斜視図であり、(a)は締結具が正常の状態を、(b)は締結具が緩んだ状態をそれぞれ示している。図10は本発明の第3実施形態に係るフローチャートである。
つまり、本実施形態では、図9(a)に示すように、ナット3には、その上面31に、検出用マークとしてのドットマーク59が部分的に連続に並んで塗装等により配備されている。ここでは、ナット3の上面31の半周(180度)分に、ドットマーク59が並べられている。
したがって、例えば、図10に示すような手順(方法)で、締結具としてのナット3の緩みを検出することができる。
そして、図10に示すように、トリガ発生装置18で発生したトリガ信号を受けたタイミングで、ドットマークを含んだナット3の外観を、カメラ12によって撮影する(ステップS10,撮影ステップ)。そして、画像処理部14で、撮影された画像中のナット3が存在する領域を抽出する前処理(ステップS20)を行ない、次いで、抽出したナット領域の2値化処理を行なう(ステップS30)。
さらに、判定処理部16で、ラベルの数(ラベリング個数)又はラベルの面積(ラベリング面積)に基づいて、ナット3の緩みを判定する。つまり、まず、撮影された画像中の各色のラベリング個数(或いは、ラベリング面積)が塗布時の数(塗布時に撮影方向から見える数或いは、面積)と同じか否かを判定して(ステップS54)、同じでなければ、ナット3は回転しており緩みが発生しているものと判定する(ステップS60)。一方、画像中のラベルリング個数(或いは、ラベリング面積)が塗布時の数と同じなら、ナット3は回転しておらず緩みは発生していないものと判定する(ステップS70)。
次に、図11のシステム構成図を参照して本発明の第4実施形態について説明する。
図11に示すように、トリガ発生装置18は省略され、カメラ12自身が、撮影領域の中央にナット3が来るように、撮影タイミングを調整するようになっている。このため、本実施形態では、カメラ12及びライト13は、その撮影方向及び照射方向を、後ろ向きにする必要はなく、検査用車両11から車両前方斜め下向きに向けて設置されている。
カメラ12自身による撮影タイミングの調整としては、検査用車両11の走行速度Vと、レール方向に並んだナット3間の距離d0から基準周期T0(=V/d0)を求め、この基準周期T0をデフォルト値としたタイミングで断続撮影を開始して、その撮影の結果から得られる画像中のナット3の位置に応じて、前回の撮影タイミングに対する今回の撮影タイミングまでの時間(撮影周期)Tを補正したタイミングで今回の撮影を行なうように設定されている。
なお、このカメラ12自身による撮影タイミングの調整は、隣接するナット3間の距離が一様に連続していることを前提としている。ただし、隣接するナット3間の距離が一様でない場合でも、カメラ12の進行方向前後方向における撮影領域を、ナット3間の最大距離以上に設定すれば、カメラ12により必ずナット3を認識でき、上記の位置ズレ補正の効果をある程度得ることはできる。
本実施形態によれば、トリガ発生装置18を設けずに、マイクロコンピュータの機能要素として備えることができる撮影タイミング調整部19を設けるだけで、カメラ12自身による画像に基づいて撮影タイミングの調整を行なうことができ、ナット3の外観を、常に設定方向から撮影することが可能になり、ドットマークに関する判定を誤差なく適切に行ないやすくなり、緩み判定の精度を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
例えば、検出用マークとしてのドットマークを、図13(a)〜(f)に示すように配置してもよい。つまり、撮影方向から見て、左右何れかの片側(各例では何れも右側)に、ボルト2によってナット3の上面31が隠れる境界付近(破線参照)に、ドットマーク60を集中的に設ければ、ドットマーク60の総数を少なくしながらナット3の僅かな緩みも検出できるようになる。図13の場合、図13(a),(b)はナット3の上面31が隠れる境界付近(破線参照)により高密度にドットマーク60が設けられるので、ナット3の僅かな緩みもより高精度に検出できる。図13(d),(e)はナット3の上面31が隠れる境界付近(破線参照)に比較的低密度にドットマーク60が設けられるので、ナット3の緩み検出精度は低下するものの、ドットマーク60の総数をより少なくできる。図13(c),(f)はナット3の上面31が隠れる境界付近(破線参照)のドットマーク60の密度が中間的なもので、ナット3の緩み検出精度とドットマーク60の総数の低減とを両立させている。
1a 固定金具
2 ボルト
2´ 締結具としてのボルト
3 締結具としてのナット
3a ナット3の軸心線
10 レール
11 検査用車両
12 カメラ(撮影装置)
13 ライト(照明装置)
14 画像処理部
15 ラベリング処理部
16 判定処理部
17 判定装置
18 トリガ発生装置
19 撮影タイミング調整部
20 板バネ
31 ナット3の上面
51〜56,59,60 検出用マークとしてのドットマーク
57,58 検出用マークとしての色分けマーク
Claims (12)
- 締結具の締結後に該締結具の表面に所定方向に向けて配備された検出用マークと、
前記検出用マークを含んだ前記締結具の外観を、予め設定され前記締結具の軸心線に対して傾斜した撮影方向から撮影する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された画像中の前記検出用マークの情報に基づいて、前記締結具の緩みを判定する判定装置とをそなえ、
前記締結具は、上方に突設された埋め込みボルトに締結されるナットであって、
前記検出用マークは、前記ナットの上面に、互いに間隔を開けると共に前記撮影方向に対して所定の方向に向けて配備された複数のドットマークであるとともに、
前記判定装置は、前記撮影装置により撮影された画像中の前記ドットマークの数又は位置に基づいて、前記締結具の緩みを判定する
ことを特徴とする、締結具の緩み検出システム。 - 締結具の締結後に該締結具の表面に所定方向に向けて配備された検出用マークと、
前記検出用マークを含んだ前記締結具の外観を、予め設定され前記締結具の軸心線に対して傾斜した撮影方向から撮影する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された画像中の前記検出用マークの情報に基づいて、前記締結具の緩みを判定する判定装置とをそなえ、
前記締結具は、頭部を上方に向けて下方の埋め込みナットに締結されるボルトであって、
前記検出用マークは、前記ボルト頭部の複数の平面からなる周面に配備されたドットマークであるとともに、
前記判定装置は、前記撮影装置により撮影された画像中の前記ドットマークの数又は位置に基づいて、前記締結具の緩みを判定する
ことを特徴とする、締結具の緩み検出システム。 - 前記締結具は、複数のものが列状に並んで配備され、
前記撮影装置は、前記締結具の列に沿って走行可能な走行車両に装備されて、該走行車両の走行に伴って前記列状に並んだ前記各締結具を次々に撮影する
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の締結具の緩み検出システム。 - 前記走行車両に、前記締結具の位置に同期してトリガを発生するトリガ発生装置を備え、
前記撮影装置は前記トリガ発生装置で発生したトリガ信号を受けたタイミングで前記撮影を実施する
ことを特徴とする、請求項3記載の締結具の緩み検出システム。 - 複数の前記締結具は、鉄道のレールを固定するものであって、該レールに沿って列状に並んで配備され、
前記走行車両は、前記レール上を走行する鉄道車両であって、
前記撮影装置は、前記撮影方向を所定の俯角に向けて前記走行車両に装備されている
ことを特徴とする、請求項3又は4記載の締結具の緩み検出システム。 - 前記撮影方向は、30〜60度の俯角である
ことを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載の締結具の緩み検出システム。 - 締結具の締結後に該締結具の表面に検出用マークを所定方向に向けて配備する検出用マーク配備ステップと、
前記検出用マークを含んだ前記締結具の外観を、予め設定され前記締結具の軸心線に対して傾斜した撮影方向から撮像装置によって撮影する撮影ステップと、
撮影された画像中の前記検出用マークの情報に基づいて、前記締結具の緩みを判定する判定ステップとをそなえ、
前記締結具は、上方に突設された埋め込みボルトに締結されるナットであって、
前記検出用マーク配備ステップでは、前記検出用マークを前記ナットの上面に配備し、
前記検出用マークは、前記ナットの上面に、互いに間隔を開けると共に前記撮影方向に対して所定の方向に向けて配備された複数のドットマークであって、
前記判定ステップでは、前記撮影ステップで撮影された画像中の前記ドットマークの数又は位置に基づいて、前記締結具の緩みを判定する
ことを特徴とする、締結具の緩み検出方法。 - 締結具の締結後に該締結具の表面に検出用マークを所定方向に向けて配備する検出用マーク配備ステップと、
前記検出用マークを含んだ前記締結具の外観を、予め設定され前記締結具の軸心線に対して傾斜した撮影方向から撮像装置によって撮影する撮影ステップと、
撮影された画像中の前記検出用マークの情報に基づいて、前記締結具の緩みを判定する判定ステップとをそなえ、
前記締結具は、頭部を上方に向けて下方の埋め込みナットに締結されるボルトであって、
前記検出用マークは、前記ボルト頭部の複数の平面からなる周面に配備されたドットマークであるとともに、
前記判定ステップでは、前記撮影ステップで撮影された画像中の前記ドットマークの数又は位置に基づいて、前記締結具の緩みを判定する
ことを特徴とする、締結具の緩み検出方法。 - 前記締結具は、複数のものが列状に並んで配備されると共に、前記撮像装置は、前記締結具の列に沿って走行可能な走行車両に装備され、
前記撮影ステップでは、該走行車両の走行に伴って前記列状に並んだ前記各締結具を次々に撮影する
ことを特徴とする、請求項7又は8記載の締結具の緩み検出方法。 - 前記走行車両に、前記締結具の位置に同期してトリガを発生するトリガ発生装置を備え、
前記撮影ステップでは、前記トリガ発生装置で発生したトリガ信号を受けたタイミングで前記撮影を実施する
ことを特徴とする、請求項9記載の締結具の緩み検出方法。 - 複数の前記締結具は、鉄道のレールを固定するものであって、該レールに沿って列状に並んで配備され、前記走行車両は、前記レール上を走行する鉄道車両であって、
前記撮影ステップでは、前記撮像装置の前記撮影方向を所定の俯角に向けて前記列状に並んだ前記各締結具を次々に撮影する
ことを特徴とする、請求項9又は10記載の締結具の緩み検出方法。 - 前記撮影ステップでの前記撮影方向は、30〜60度の俯角である
ことを特徴とする、請求項7〜11の何れか1項に記載の締結具の緩み検出方法。
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