JP6269409B2 - 軌間計測装置、軌間計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、レールの軌間を計測する軌間計測装置に関するものである。

従来、鉄道レールの軌間を計測する装置として、目盛付きの基準部材を鉄道レールに直角にセットし、レールの内側面に目盛付きの基準部材を押し当てることで軌間を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２０８９４３号公報

鉄道レールの軌間測定はレールの各測定地点において測定を行うため、従来、測定作業には多大の時間と手間を要していた。
また、従来の軌間測定では、鉄道レール間の長さの値は得られるが測定箇所の位置座標は取得できなかった。このため、測定箇所を特定できずに軌間の再現性を得難いという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、軌間計測を効率的に、再現性良く、計測箇所の絶対座標と共に高精度に計測することができる軌間計測装置を提供することを目的とする。

この発明に係る軌間計測装置は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を構成する衛星から信号を受信する受信機と、レーザ光を左右にスキャンしながら、前記レーザ光をレールに向けて照射し、前記レールで反射して戻ってきたレーザ光を受信するレーザスキャナと、前記衛星からの信号に基づき取得した位置と、前記レーザスキャナに基づき取得した前記レーザスキャナから前記レールまでの距離と方位とを用いて前記レールの位置と傾きを算出し、前記レールの位置と傾きから、前記レールの軌間を計測する際に使用するレーザ点群を抽出し、抽出した前記レーザ点群から前記軌間を計測する演算部を備える。

本発明に係る軌間計測装置によれば、レールの軌間を精度良く、簡易に、連続的に計測することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る軌間計測装置３００の構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態１に係る軌間計測装置３００の構成を示す後面図である。 この発明の実施の形態１に係る軌間計測装置３００の構成を示すブロック図である。 （ａ）この発明の実施の形態１に係る軌間計測装置３００を用いて取得した鉄道レールの一方のレールの３次元のレーザ点群の一例である。（ｂ）レーザ点群と、一方のレールの断面とを重ね合わせて表示した図の一例である。 （ａ）この発明の実施の形態１に係る軌間計測装置３００を用いて取得した鉄道レールの他方のレールのレーザ点群の一例である。（ｂ）レーザ点群と、他方のレールの断面とを重ね合わせて表示した図の一例である。 この発明の実施の形態１に係る軌間計測装置３００を用いて軌間を計測する計測フロー図である。 この発明の実施の形態１に係るレールの各部名称を説明する図である。

実施の形態１．
以下、図を参照しながら本発明に係る軌間計測装置３００について説明する。

図１は実施の形態１に係る軌間計測装置３００の概略構成を説明する側面図である。図２は、同じく軌間計測装置３００の概略構成を説明する後面図である。
図１において、計測車両１は台車９上に設置される。台車９は車輪１０を有し、図示しない牽引車両により牽引されて、鉄道レール３０上を図の進行方向に移動する。
計測車両９の天井にはＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System。全地球航法衛星システム）アンテナ２と、ジャイロ５が設置されている。ジャイロ５は、ＦＯＧ（Fiber Optic Gyro）ともいう。計測車両９の後方にはレーザスキャナ３が設置されている。
また、車輪１０にはオドメトリ６が取り付けられている。計測車両９の内部にはＧＮＳＳアンテナ２やレーザスキャナ３で取得したデータを処理し、各種機器を制御する制御・処理演算部７と、各機器に電源を供給するバッテリ８が搭載されている。
ＧＮＳＳアンテナ２は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星（測位衛星ともいう）からの電波を受信する。ＧＮＳＳにはＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＧＡＬＩＬＥＯ、準天頂衛星システムなどがある。

計測車両９の進行方向後部側には、保持台４を介してレーザスキャナ３が設けられる。
レーザスキャナ３は、レーザレーダ、ＬＲＦ（レーザレンジファインダ）ともいい、レーザ光を左右方向にスキャンしなら出射すると共に、出射方向にある対象物で反射して戻ってきたレーザ光を受信する。そして、レーザ光を出射した「方位」と、レーザ光を出射してから受信するまでの時間により算出される「距離」を「距離方位点」として計測する。レーザスキャナ３により計測された複数の「距離方位点」は、例えば後述のレーザ点群１０１ａ、１０１ｂで表される点群として表示される。各々の点には対象物までの「距離」、「方位」の情報が関連付けされ、データ処理される。

本実施の形態において、レーザスキャナ３は地面方向の真下の方向を向いて設置される。レーザスキャナ３は、レール３０の長手方向と略垂直をなす垂直面内をレーザ光でスキャンする。具体的には、図２に示すように、レーザスキャナ３は、レール３０ａ、３０ｂの長手方向と垂直をなす面で、地面を向いた真下方向（０度）に対し、左右９０度の範囲でレーザ光をスキャンする。左右９０度に限らず、全周囲をレーザ光でスキャンすることも可能である。
また、レーザスキャナ３は、レーザスキャナから放射したレーザ光２０が平行する２本のレール３０内側の面に照射するように、保持台４によって可能な限り地面に近い高さに設置される。ただし、レール間の地面上には各種の保守機器等も設置されているため、これら機器との衝突を避けられる高さとする。
このようにしてレーザスキャナ３は、左右のレール３０ａ、３０ｂを対象物としてレーザ光でスキャンし、左右のレール３０ａ、３０ｂを対象物とした「距離方位点」のデータを出力する。

グローバルな座標系でのＧＮＳＳアンテナ２のアンテナ位置（絶対位置）は全地球測位システムにより取得できる。計測車両１に取り付けたＧＮＳＳアンテナ２とレーザスキャナ３の相対位置関係を予め計測しておくことで、レーザスキャナ３で照射された左右のレール３０ａ、３０ｂ上の点の絶対位置を取得できる。絶対位置を取得した複数の点をつないでいくことで、左右のレール３０ａ、３０ｂの位置とその断面形状を取得できる。

図３は、実施の形態１に係る軌間計測装置３００の構成を示すブロック図である。
軌間計測装置３００は、ＧＮＳＳアンテナ２と、ＧＮＳＳ受信機２ａと、レーザスキャナ３と、ジャイロ５と、オドメータ６と、制御・処理演算部７と、レール形状データベース７ａと、バッテリー８からなる。

レール形状データベース７ａには、各種レールの断面形状のデータが格納されている。鉄道用レールには、例えば普通レールや、熱処理レールや、特殊レールなどの様々な種類があり、断面形状についても各々規格が定められている。
レール形状データベース７ａには、各種レールの断面形状のデータが番号付けされて格納されており、番号を指定することにより、所望のレールの断面形状のデータを抽出可能である。

バッテリー８は、制御・処理演算部７等の各機器に電源を供給する。なお、バッテリー８はディーゼル発電機でもよい。

次に、図３〜図７を用いて動作を説明する。
まず、ＧＮＳＳ受信機２ａは、ＧＮＳＳアンテナ２で受信した電波から観測情報を取得し、観測情報２０１を制御・処理演算部７に出力する。
ジャイロ５は計測車両１の三次元姿勢角２０２（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を制御・処理演算部７に出力する。
オドメータ６は、車輪１０の回転速度２０３を制御・処理演算部７に出力する。
制御・処理演算部７は、観測情報２０１と、三次元姿勢角２０２と、回転速度２０３を入力し、計測車両の位置を算出する。
レーザスキャナ３は、出射方向を走査しながらレーザ光を照射し、対象物で反射したレーザ光を観測して、対象物までの距離と方位からなる距離方位点２０４を出力する。
制御・処理演算部７は、観測情報２０１と、三次元姿勢角２０２と、回転速度２０３と、距離方位点２０４を入力し、レーザ光が照射された対象物の点の絶対位置を算出する。
なお、車両ＧＮＳＳアンテナ２の絶対位置座標を算出し、ＧＮＳＳアンテナ２と所定の相対位置関係にあるレーザスキャナにより対象物の絶対位置座標を算出する方法の詳細については、例えば特開２００９−７６０９６号公報等に記載があり、ここでは省略する。なお、レーザ点群は三次元点群ともいう。

図４（ａ）は、レーザスキャナ３により右側レール３０ａをスキャンしたレーザ点群１０１ａの一例である。
図４（ｂ）は図（ａ）で示したレーザ点群１０１ａと、右側レール３０ａの断面とを重ねて表示した図である。

図７はレール３０の横断面を示した図であり、レール断面の各部の名称を記載している。レール断面のうち、車輪が接する上部分のことをレール頭部３０−１と呼ぶ。レール頭部３０−１のうち、車輪と接触する上面のことをレール頭頂面３０−６と呼ぶ。
また、地面と接する下部分をレール底部３０−３、レール頭部３０−１とレール底部３０−３との間の柱部分をレール腹部３０−２と呼ぶこととする。
レール断面の左右方向は対称形であり、レール断面における左右対象軸を中心軸と呼ぶ。また、中心軸とレール頭頂面３０−６との交点をレール中心３０−５と呼ぶ。

レール頭部３０−１はレール上を走行する列車の車輪と直接接触する箇所である。このため、レールとして使用するともにレール頭部３０−１の表面は摩耗して、レール頭部３０−１の形状は時間と共に変化していく。

一方、レール底部３０−３は、列車の車輪とは直接接触しないため、横断面の形状は維持される。
また、レール腹部３０−２は、同様に列車の車輪とは直接接触しないため、横断面の形状は維持される。

このように、レール頭部３０−１は車輪との摩耗により擦り減っていき、形状が変化していくが、レール腹部３０−２とレール底部３０−３については摩耗がなく、当初の断面形状から変化しない。
本実施の形態において、図７に示す通り、角度をもってレール腹部３０−２からレール底部３０−３へとつながる部分のことをレール屈曲部３０−４と呼ぶ。
レール屈曲部３０−４は車輪と接触することはないため、レール頭部のように摩耗により形状が変化しない。このため、レール形状データベース７ａに格納されるレールの断面形状と一致する形状が維持される。
また、レール頭頂は、車輪との摩擦で磨かれるので光沢があり、レーザ光が拡散されないため、反射光がレーザスキャナに戻らず、レーザ計測が困難な場合もある。
一方、レール頭部以外は、光沢がないので、安定したレーザ計測が可能である。

ここで、レールの軌間を計測する際のレール頭部３０−１の位置について説明する。
軌間を計測する際のレールの位置は、レール頭部３０−１の上面のレール頭頂面３０−６から所定の範囲内にある位置と一般に定められている。例えば、右側のレール３０ａのレール頭頂面３０−６から所定の範囲内の位置（例えばレール頭頂面から１４ｍｍ以内の位置）と、左側のレール３０ｂのレール頭頂面３０−６から所定の範囲内の位置（同じくレール頭頂面から１４ｍｍ以内の位置）との間で最小幅となる長さを軌間として計測する。

レールとして使用開始直後のレールの断面形状は、レール形状データベース７ａに格納された各々のレールの規格形状に一致する寸法であるが、先述の通り、レール頭部３０−１は車輪と接触するにつれて摩耗していくため、断面の形状も変化していく。
レール頭頂面３０−６自体も摩耗していくため、従来、レール頭頂面３０−６の判別が難しくなり、結果として軌間計測の基準位置となるレール頭頂面３０−６から所定範囲の位置を指定することが困難となっていた。

本実施の形態に係る軌間計測装置において、レーザスキャナ３により対象となるレールをスキャンして得られたレーザ点群は、レールの摩耗を反映した点群となる。
一方で、レール頭部３０−１とレール腹部３０−２の接続部分は、特にレーザ頭部３０−１の下方にレーザ光が照射されない部分が発生することにより、レール頭部３０−１とレール腹部３０−２の接続部分のレーザ点群の形状は、レールの断面形状通りにはならずに、レール頭頂部の光沢のため、レール頭頂部の点群が欠落し、また、レール頭部の影となった、レール腹部の上の方のデータが欠落した形状となる。

このため、取得したレーザ点群に基づき軌間計測の対象となるレール頭頂面を求め、求めたレール頭頂面から所定の範囲内にあるレーザ点群を正確に抽出することは難しく、このままでは精度良く軌間計測を行うことは困難である。

このように、レール３０ａ、３０ｂをレーザスキャナ３でスキャンしたレーザ点群１０１ａ、１０１ｂの中から軌間計測の範囲のレーザ点群を正しく特定することは困難であることが判明した。
そこで本願の出願人は、列車の通過によっても摩耗の生じないレール屈曲部３０−４に着目し、レール屈曲部３０−４に相当するレーザ点群を基準に軌間計測の対象となるレーザ点群を抽出することを考えた。

以下、レール屈曲部に着目した軌間計測の動作について、図を用いて説明する。図６は実施の形態１に係る軌間計測装置３００を用いて軌間を計測する計測フロー図である。軌間計測は、制御・処理演算部７で行う。

まず、軌間の計測者は、レール形状データベース７ａから、所望のレール形状モデルを抽出する（ステップＳ０１）。
先述の通り、鉄道レールには普通レールや特殊レールなど各種あり、各々寸法が規定されている。軌間の計測者は、装置のモニタ画面（図示せず）のレール番号を選択操作するなどして軌間計測を行う対象のレールの種類を選択する。
計測者によりレール番号が選択されると、制御・処理演算部７はレール番号に対応するレール形状モデルを、レール形状データベース７ａから抽出する。

制御・処理演算部７は、レール形状データベース７ａから抽出したレール形状と、レールスキャン後のレーザ点群とで一致の相関をとる。
特に、レール屈曲部に関して、レール形状データベース７ａから抽出したレール形状と、レールスキャン後のレーザ点群とで一致の相関をとる。より具体的には、レール腹部３０−２の形状と、レール底部３０−３の形状と、レール腹部３０−２とレール底部３０−３の交点を用いて相関をとる。
図４の例では、レール屈曲部３０−４に関して、右側レール３０ａをスキャン後のレーザ点群１０１ａと、レール形状データベース７ａに格納された右側レール３０ａのレール形状との相関をとる（Ｓ０２）。
同じく、図５の例では、レール屈曲部３０−４に関して、左側レール３０ｂをスキャン後のレーザ点群１０１ｂと、レール形状データベース７ａに格納された左側レール３０ｂのレール形状との相関をとる（Ｓ０２）。

次に、制御・処理演算部７は、レール３０ａ、３０ｂをスキャンしたレーザ点群の中から、レール屈曲部３０−４に相当するレーザ点群を抽出する（Ｓ０３）。
図４の例では、レール屈曲部３０−４に相当するレーザ点群をレーザ点群１０１ａから抽出する（Ｓ０３）。図５の例では、レール屈曲部３０−４に相当するレーザ点群をレーザ点群１０１ｂから抽出する（Ｓ０３）。

次に、制御・処理演算部７は、Ｓ０３で抽出したレール屈曲部３０−４に相当するレーザ点群に付与されている各々のレーザ点の３次元位置座標と、レール形状データベース７ａから抽出したレール形状（規格図面）とから、レールの中心軸の傾きとレール中心３０−５の座標を算出する（Ｓ０４）。

次に、制御・処理演算部７は、Ｓ０４で取得したレールの中心軸の傾きとレール中心３０−５の座標を用いて、レーザ点群の中から軌間計測の範囲３０−７にあるレーザ点群を抽出する（Ｓ０５）。

同様にして他の１本のレールについても、制御・処理演算部７は、Ｓ０４で取得したレールの中心軸の傾きとレール中心３０−５の座標を用いて、レーザ点群の中から軌間計測の範囲３０−７にあるレーザ点群を抽出する（Ｓ０６）。
このようにして、制御・処理演算部７は、右側レール３０ａをレーザスキャナ３でスキャンすることで取得したレーザ点群の中から軌間計測の範囲３０−７にあるレーザ点群を抽出する。また、制御・処理演算部７は、左側レール３０ｂをレーザスキャナ３でスキャンすることで取得したレーザ点群の中から軌間計測の範囲３０−７にあるレーザ点群を抽出する（Ｓ０６）。

次に、制御・処理演算部７は、Ｓ０６で抽出した右側レール３０ａの軌間計測の範囲３０−７にあるレーザ点群と、左側レール３０ｂの軌間計測の範囲３０−７にあるレーザ点群を用いて、軌間を計測する。
例えば、Ｓ０６で抽出した左側レール３０ｂの軌間計測の範囲３０−７にあるレーザ点群の中から、Ｓ０６で抽出した右側レール３０ａの軌間計測の範囲３０−７にある所定のレーザ点から最短距離にあるレーザ点を抽出し、これらの左右レール３０ａ、３０ｂ上のレーザ点間の長さを算出することで、軌間が計測可能となる（Ｓ０７）。

制御・処理演算部７は、計測した軌間の計測値を計測車体の外に出力する。例えば無線により、本部に向けて軌間の計測値を送信する、あるいは、制御・処理演算部７は、計測した軌間の計測値を図示しない記憶媒体に記憶させる（Ｓ０８）。

以上のように、本実施の形態に係る軌間計測装置３００は、各種レールの断面形状のデータが格納されているレール形状データベース７ａとレーザスキャナ３を備え、レーザスキャナ３を用いて左右のレールをレーザ光でスキャンすることで取得したレーザ点群のデータと、レール形状データベース７ａに格納されたレールの断面形状とを、摩耗の生じないレール屈曲部３０−４の部分で一致するように相関をとることにより、精度良く、レール中心の座標と、レールの姿勢情報を取得できる。
このようにして取得したレール中心の座標とレールの姿勢情報を用いることで、レーザ点群の中から、軌間計測の範囲内にあるレーザ点群のみを抽出することが可能となる。
そして、軌間計測の範囲内にあるレーザ点群を用いることで、軌間計測を精度よく計測することができる。

このように従来、鉄道レールの軌間測定は鉄道レールの各測定地点において測定を行うため、軌間の測定作業には多大の時間と手間を要するという課題があったが、本実施の形態に係る軌間計測装置によれば、レール上を計測車両９が走行するだけでよく、計測時間を短縮することができる。
また、レールが摩耗することにより、従来、レール頭頂面から軌間計測の範囲にある位置を特定することが難しく、軌間計測の再現性が得難いという課題があったが、摩耗の生じないレール屈曲部を用いることで軌間計測の再現性を得ることができる。
また、従来、軌間計測を行った箇所の位置座標が取得できないため軌間計測の再現性が得難いという課題があったが、本実施の形態に係るレーザ点群には位置座標が付与されているため、軌間計測を行った箇所の位置座標を記録に残すことができ、軌間計測の再現性を得ることができる。

１ 計測車両、２ ＧＮＳＳアンテナ、２ａ ＧＮＳＳ受信機、３ レーザスキャナ、４ 保持台、５ ジャイロ、６ オドメータ、７ 制御・処理演算部、７ａ レール形状データベース、８ バッテリー、９ 台車、１０ 車輪、１０ａ 右側車輪、１０ｂ 左側車輪、１１ 車軸、２０ レーザ光、３０ レール、３０−１ レール頭部、３０−２ レール腹部、３０−３ レール底部、３０−４ レール屈曲部、３０−５ レール中心、３０−６ レール頭頂面、３０−７ 軌間計測の範囲（レール頭頂から所定の長さ以内の範囲）、３０ａ 右側レール、３０ｂ 左側レール、７０ レール形状、１０１ａ 右側レールをスキャン後のレーザ点群、１０１ｂ 左側レールをスキャン後のレーザ点群、２０１ 観測情報、２０２ 三次元姿勢角、２０３ 回転速度、２０４ 距離方位点、３００ 軌間計測装置。

Claims (5)

1. ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を構成する衛星から信号を受信する受信機と、
   レーザ光を左右にスキャンしながら、前記レーザ光をレールに向けて照射し、前記レールで反射して戻ってきたレーザ光を受信するレーザスキャナと、
   前記衛星からの信号に基づき取得した位置と、前記レーザスキャナに基づき取得した前記レーザスキャナから前記レールまでの距離と方位とを用いて前記レールの位置と傾きを算出し、前記レールの位置と傾きから、前記レールの軌間を計測する際に使用するレーザ点群を抽出し、抽出した前記レーザ点群から前記軌間を計測する演算部と、
   を備えることを特徴とする軌間計測装置。
2. 前記レーザスキャナは、前記レールの上部にあたるレール頭部と、前記レールの底部にあたるレール底部と、前記レール頭部と前記レール底部との間のレール腹部に向けてレーザ光を照射し、
   前記演算部は、前記レール腹部と前記底部の形状に基づき、前記軌間を計測する際に使用するレーザ点群を抽出することを特徴とする請求項１記載の軌間計測装置。
3. レールの断面形状のデータが格納されたレール形状データベースを備え、
   前記演算部は、前記レールの断面形状のうち前記レール腹部と前記レール底部の部分の断面形状と、前記レーザ点群とを比較して、前記レール腹部と前記レール底部の部分に該当するレーザ点群を抽出し、
   抽出したレーザ点群に関連付けされた位置データに基づいて前記レールの位置と傾きを算出し、前記レールの位置と傾きと、前記レールの断面形状のデータから、前記軌間を計測する際に使用するレーザ点群を抽出することを特徴とする請求項２記載の軌間計測装置。
4. 前記演算部は、前記レールの位置と傾きから、前記レールのレール中心を算出し、前記レール中心と前記レールの傾きから、軌間計測の範囲にあるレーザ点群を抽出することを特徴とする請求項３記載の軌間計測装置。
5. ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を構成する衛星から信号を受信して位置を算出する工程と、
   レーザスキャナによりレーザ光をスキャンしながらレールに向けて照射し、前記レールで反射して戻ってきたレーザ光を受信して、前記レールまでの距離と方位を算出し、前記レールまでの距離と方位を用いて前記レールの位置と傾きを算出する工程と、
   前記レールの位置と傾きから、前記レールの軌間を計測する際に使用するレーザ点群を抽出し、抽出した前記レーザ点群から前記軌間を計測する工程と、
   からなることを特徴とする軌間計測方法。

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