JP6313688B2 - 枕木加工用データ作成システム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道のレールを支える枕木を交換する際に必要となるデータを作成する枕木加工用データ作成システムに関する。

枕木は、レールと当該レールが敷設される道床等の設置面との間に設置され、レールから作用する加重を道床側に分散し、支持している。

枕木には、木製のものや、コンクリートや発泡樹脂を用いて作製されたものがある。これらの枕木は、列車の通過に伴って道床やレールと摩擦を起こし、材質によって程度は異なるものの、少しずつではあるが、磨耗や劣化によって損傷や変形が発生するため、定期的に交換する必要がある。

隣接して設置された枕木の高さや個々の枕木の左右の高さは、レールの設置場所や曲がり方に合わせて変えられている。従って枕木を交換する際には、枕木とフランジの位置および高さを測定し、測定値に基づいて厚みを算出すると共に、厚みが調整された枕木を作製する必要がある。

従来、上述の測定は、作業員がノギスや巻尺等の複数の測定器を使用して行っていた。このため測定に多大の時間がかかり、また列車の運行中は測定を行うことができない等、多くの制約があるために、調整用データの作成方法について改善が求められていた。

一方、鉄道の車両にレーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置を搭載し、レール上を移動しながらレール周辺の三次元位置データを取得する装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−６９７００号公報

特許文献１に記載の三次元データ取得装置を用いれば、枕木とフランジの位置および高さを示すデータを、作業員に負担をかけることなく短時間で取得できるが、枕木の特性からデータを取得できない箇所が生じ、そのままでは枕木の加工に必要なデータを作成することができない。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて成されたもので、計測車両がレールの上を移動しながら、枕木を交換する際に必要となる枕木加工用データを作成できるデータ作成システム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にかかる枕木加工用データ作成システムは、鉄道橋上の軌道を構成する一対のフランジと一対のレールとの間に挿入される枕木の加工用データを作成する枕木加工用データ作成システムであって、
車両本体にレーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機、および慣性計測装置が搭載され、レール上を移動しながら、前記レーザスキャナを用いて軌道までの距離と方向を計測してレーザスキャンデータを取得し、かつ前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置を用いて前記車両本体の位置および姿勢に関するデータを取得する計測車両と、
前記レーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得されたデータに基づいて枕木加工用データを作成するデータ加工装置と、を備え、
前記レーザスキャナは、スキャナ部を回転させながらパルス状のレーザビームを対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を計測するもので、前記スキャナ部は、レーザビームの回転断面が鉛直方向を向くように配置され、
前記データ加工装置は、
前記レーザスキャナで取得したレーザスキャンデータを、前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得したデータに基づいて、地理座標系で表示された第１の三次元点群データに変換するデータ変換部と、
前記第１の三次元点群データに基づいて、少なくともそれぞれの枕木の厚みを算出して枕木加工用データを作成する枕木加工用データ作成部と、で構成され、
かつ前記レーザスキャナは、前記計測車両の進行方向と直交する方向の異なる２つの地点に設置されたスキャナ部を用いて、前記レールの同一地点における２つのレーザスキャンデータを取得し、
前記枕木加工用データ作成部は、前記２つのレーザスキャンデータのうち、一方のデータについてレールが死角となってフランジのデータが取得できない箇所については、他方のデータを用いて枕木加工用データを作成することを特徴とする。

ここで、前記レーザスキャナのスキャナ部はスライダに取り付けられ、当該スライダは、前記車両本体に固定されたガイド板上を、当該計測車両の進行方向と直交する方向に移動可能であることが好ましい。

もしくは、前記計測車両には、２台のレーザスキャナが搭載されており、それぞれのスキャナ部は、当該計測車両の進行方向と直交する方向に距離を隔てて設置されることが好ましい。

また前記枕木加工用データ作成部は、前記第１の三次元点群データから、レールと一定の距離を隔てた箇所の枕木およびフランジのデータを取り出し、当該データに基づいて前記枕木に識別用の番号を付与することが好ましい。

前記枕木加工用データには、更に、前記レールと前記フランジとの水平方向の間隔を表すデータおよび前記フランジの幅を表すデータが含まれることが好ましい。

また前記枕木加工用データ作成部は、前記第１の三次元点群データから、特定の枕木とその周辺の領域を含む第２の三次元点群データを切り出し、当該第２の三次元点群データから前記枕木加工用データを作成することが好ましい。

本発明にかかる枕木加工用データ作成システムによれば、レール上を移動する計測車両によって取得したレーザスキャンデータに基づいて、枕木を交換する際に必要となる枕木加工用データを自動でかつ簡単に作成できる。

鉄道橋上の軌道の構造物を示す平面図および正面図である。 図１の一部拡大平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる枕木加工用データ作成システムの基本的な構成を示すブロック図である。 実施の形態１に用いる計測車両の斜視図である。 レール上を移動する計測車両を上方から見た図である。 レール上を移動する計測車両を後方から見た図である。 枕木加工用データの作成手順を示すフローチャートである。 枕木加工用データの一例を示す図である。 実施の形態２に用いる計測車両の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態にかかる枕木加工用データ作成システムについて、図面を参照しながら説明する。

＜鉄道橋上の軌道の構造＞
本発明にかかる枕木加工用データ作成システムは、鉄道橋上の軌道に設置された枕木を取り換える際に必要なデータを作成するものである。従って、枕木加工用データ作成システムの構成について説明する前に、枕木を含む鉄道橋上の軌道の構造について説明する必要がある。

図１（ａ）は鉄道橋上の軌道の構造物を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の構造物をＸ−Ｘ線で切断した正面図である。また図２は、図１（ａ）の一部を拡大して示した図である。

枕木１１は、軌道を構成する一対のフランジ１２Ｌと１２Ｒを跨ぐように設置され、枕木１１の上には一対のレール１３Ｌ、１３Ｒが設置されている。図１（ｂ）に示すようにレール１３Ｌ、１３Ｒは、それぞれ締結具１５によって枕木１１に固定されている。以降、フランジ１２Ｌ、１２Ｒを総称してフランジ１２ともいう。同様に、レール１３Ｌ、１３Ｒを総称してレール１３ともいう。レール１３Ｌと１３Ｒの間の枕木１１上には歩道用の板材１４が設置されている。

なお、図１（ａ）および図２については、見易さを考慮して、それぞれの枕木１１に取り付けられたレールの締結具１５を省略している。また、鉄道橋の軌道の下には、図示した構造物以外に橋脚の梁等があるが、これらは本発明との関係が乏しいため、図では省略している。

枕木１１の厚みは、レール１３の勾配や曲率に応じて変わっている。例えば、レール１３がカーブした場所では、外側のレールが内側のレールよりも高くなるように、枕木１１の左右の厚みを変えている。従って枕木１１を取り替える際には、設置される場所に応じて枕木の左右の厚みを調節する必要があり、そのために枕木１１の左右の下部には段差部１１１が形成されている。枕木１１を製造する際に段差部１１１の厚みを変えることによって枕木の上面の高さを調節している。

枕木を取り替える際に、新たな枕木の左右の厚みを調節する必要があるが、そのためには、現在設置されている枕木の左右の厚みを計測する必要がある。本発明では、ノギス等を用いて枕木の厚みを直接計測することはせず、後述する計測車両を用いてフランジおよび枕木の高さを計測し、これらの計測データから枕木の左右の厚みを算出している。

また、図２に示すように、フランジ１２の上面には、リベットの頭部１２１が露出しており、若干であるが盛り上がっている。枕木１１の底面がリベット頭部１２１に接触すると座りが不安定になるため、枕木を取り替える際には、リベット頭部１２１が直接枕木１１の底面に接触しないように凹みを設ける必要がある。

凹みの形成方法として、枕木１１の底面のリベット頭部１２１に対応する箇所を座繰りするか、もしくは浅い溝を形成する方法がある。座繰りする方法は作業に手間がかかるため、本実施の形態では、枕木１１の底面のうちリベット頭部１２１の周辺に浅い溝１１２を形成している。

図１（ｂ）に基づいて、枕木１１の左右の厚みおよび溝１１２を形成する位置の算出方法について説明する。符号ＨＩＬおよびＨ２Ｌは、それぞれ左側のフランジ１２Ｌの上面の高さおよび枕木１１の上面の高さを示している。同様に、符号ＨＩＲおよびＨ２Ｒは、それぞれ右側のフランジ１２Ｒの上面の高さおよび枕木１１の上面の高さを示している。

また符号Ａ１は右側のフランジ１２Ｒの右端の水平位置、Ａ２は右側のフランジ１２Ｒの左端の水平位置、Ａ３は右側のレール１３Ｒの頭部の左端の水平位置、Ａ４は左側のフランジ１２Ｌの右端の水平位置、Ａ５は左側のフランジ１２Ｌの左端の水平位置を示している。

ここで、レール１３Ｒの頭部について説明すると、図２に示すように、レール１３Ｒは、幅の異なる頭部１３１と底部１３２で構成されているが、頭部１３１は底部１３２より幅が狭い。符号Ａ３は頭部１３１の左端の水平位置を示している。

本実施の形態では、後述する計測車両での計測値に基づいて高さＨ１Ｌ、Ｈ２Ｌ、ＨＩＲ、Ｈ２Ｒのデータを作成し、それらの高さデータから下記の式（１）（２）に基づいて枕木の左右の厚みデータＴ１、Ｔ２を算出している。
Ｔ１＝Ｈ２Ｌ−Ｈ１Ｌ ――（１）
Ｔ２＝Ｈ２Ｒ−Ｈ１Ｒ ――（２）

なお、上述の算出方法以外に、左右のレール１２Ｌ、１２Ｒの頭部の高さを計測し、その値からレールの高さと左右のフランジ１２Ｌ、１２Ｒの上面の高さを引くことによって枕木の左右の厚みＴ１、Ｔ２を求めるようにしてもよい。

一方、枕木の段差部１１１の底面にリベット頭部１２１を収容する溝１１２を形成する場合には、計測車両２での計測値に基づいて水平位置のデータＡ１〜Ａ５を取得し、それらの位置データから下記の式（３）〜式（６）に基づいて、溝の位置と幅を決定する際に必要となるデータＷ１〜Ｗ４を算出する。
Ｗ１＝｜Ａ１−Ａ３｜ ――（３）
Ｗ２＝｜Ａ１−Ａ２｜ ――（４）
Ｗ３＝｜Ａ１−Ａ５｜ ――（５）
Ｗ４＝｜Ａ４−Ａ５｜ ――（６）

ここで、Ｗ１は、右側のフランジ１２Ｒの右端と右側のレール１３Ｒの頭部の左端との間隔、Ｗ２は、右側のフランジ１２Ｒの幅、Ｗ３は右側のフランジ１２Ｒの右端と左側のフランジ１２Ｌの左端との間隔、Ｗ４は、左側のフランジ１２Ｌの幅を示すデータである。

図２に示すように、枕木１１の段差部１１１の底面に、リベット頭部１２１を取り囲むように溝１１２を形成するが、リベット頭部１２１の位置は、もともとバラツキがあるため、どの位置に溝１１２を形成するか、その都度決定する必要がある。

溝を形成する位置を決定する際に必要となるデータについて説明する。例えば枕木１１の右側の段差部１１１については、フランジ１２Ｒの左右の端部の位置データＡ１、Ａ２とレール１３Ｒの左端の位置データＡ３が必要となる。

現在設置されている枕木の長さと取り替えられる枕木の長さが同じとは限らない。その一方、レール１３Ｒと枕木１１との位置関係は常に変わらないため、ここでは、枕木の右端の位置データの代わりに、枕木の長さに影響されないレール１３Ｒの頭部の位置データＡ３を採用している。

上述したように、間隔および幅に関するデータＷ１〜Ｗ４の値がわかっていれば、枕木の段差部１１１に溝１１２を正確に形成することができる。枕木の製造工程において、段差部１１１の厚みがＴ１、Ｔ２の枕木を作製し、更に、上記式に従って算出した間隔と幅のデータＷ１〜Ｗ４に基づいて段差部１１１の底面に溝を形成して、取り替え用の枕木を完成する。

なお、枕木１１には木材、コンクリートまたは合成木材が用いられるが、鉄道橋上の軌道で用いる枕木の材料としては、耐振動性に優れた合成木材が好ましい。ここで、合成木材とは、ガラス長繊維を名が手方向に引き揃えて埋設した熱硬化性の樹脂発泡体であり、例えば、積水化学工業株式会社製、商品名「エスロンネオランバーＦＦＵ」等が使用可能である。

（実施の形態１）
次に、図３および図４を参照して、本発明の実施の形態１にかかる枕木加工用データ作成システムについて説明する。

＜枕木加工用データ作成システムの構成＞
図３は、本実施の形態にかかる枕木加工用データ作成システムの基本的な構成を示すブロック図である。枕木加工用データ作成システム１は、線路上を移動しながら必要なデータを収集する計測車両２と、計測車両２で収集されたデータに基づいて、枕木加工用データを作成するデータ加工装置２とで構成されている。

枕木加工用データ作成システム１について説明する前に、枕木加工用データを作成する際の基本的なステップを説明する。本発明では、以下の３段階のステップにより枕木加工用データを作成している。

最初に、計測車両２に搭載されたレーザスキャナ２１を用いて、走行しながら線路周辺の構造物までの距離と角度を計測してレーザスキャンデータＧ１を取得する（第１のステップ）。

次に、レーザスキャンデータＧ１を、計測車両２に搭載されたＧＮＳＳ受信機２２および慣性計測装置２３を用いて取得したデータに基づいて、地理座標系で表示された三次元点群データＧ２に変換する（第２のステップ）。

最後に、三次元点群データＧ２から、隣接するレールとフランジを含む個々の枕木のデータを切り出し、当該データに基づいて個々の枕木の厚みを算出し、枕木を識別するデータと合わせて枕木加工用データを作成する（第３のステップ）。

＜計測車両の構成と機能＞
次に、上記第１のステップを実現する計測車両２の構成と機能について説明する。

図３に示すように、計測車両２は、レーザスキャナ２１、ＧＮＳＳ受信機２２、慣性計測装置２３、レーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２５で構成されている。図示しないが、レーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２３は、磁気ディスク装置または不揮発性メモリを内蔵したデータロガーで構成されている。

図４に計測車両２の外観を示すが、計測車両２はレール１３上を走行するもので、車両本体２６の前後、左右の側面には車輪２６１が取り付けられている。また車両本体２６の左右上面には板状の一対の支柱２６が取り付けられ、その頂部には、計測車両２の進行方向と直交する方向に張り出したガイド板２７が取り付けられている。

ガイド板２７の上面には一対の溝２７１が長手方向に形成され、その溝に平板状のスライダ２８の下面に設けられた突起が挿入されている。スライダ２８は、ガイド板２７の溝２７１に沿って移動する。図示しないが、スライダ２８には、ガイド板２７の任意の位置で固定させるための冶具が取り付けられている。

スライダ２８の上面には支持板２９が取り付けられ、支持板２９の上部に慣性計測装置２３およびＧＮＳＳ受信機２２のアンテナ２２１が取り付けられている。また支持板２９の後方の下部にはレーザスキャナ２１のスキャナ部２１１が取り付けられている。

なお、レーザスキャナ２１の本体およびＧＮＳＳ受信機２２の本体、更にレーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２５は、車両本体２６の上部に設置された直方体状のシャーシ２０に収容されている。またスキャナ部２１１、ＧＮＳＳ受信機のアンテナ２２１および慣性計測装置２３とシャーシ２０の間はケーブルで接続されているが、図では煩雑さを避けるために省略している。

計測車両２は、通常、モータ付きの車両（図示せず）に牽引されてレール１３上を移動するが、作業者が牽引することによって移動させることもできる。支柱２６に取り付けられた棒２６３は、移動の際に作業者が把持するものであり、位置を上下方向に移動できるように構成されている。

次に、レーザスキャナ２１、ＧＮＳＳ受信機２２および慣性計測装置２３について説明する。レーザスキャナ２１は、支持板２９の先端に取り付けられた、３６０度連続回転式のスキャン部２１１から所定の時間間隔でパルス状のレーザビームＬＢを発射し、レーザビームＬＢがレーザ発射部分と対象物の間を往復する時間で計測点までの距離を計測する。また、スキャナ部２１１の取り付け角度と回転方向によって方向角を得ることができる。結果として、レーザが照射された各計測点の極座標で表された位置データを得ることができる。

スキャナ部２１１によってレーザビームＬＢを回転させながら計測車両２がレール上を走行すると、レーザビームＬＢが螺旋状の軌跡を辿りながら走行方向に移動し、構造物までの距離と方向を示すデータが連続して得られる。このようにして得られた計測点までの距離と方向を示すデータの集まりであるレーザスキャンデータＧ１は、計測時刻と共に、レーザスキャンデータ記憶部２４に記憶される。

ＧＮＳＳ受信機２２は、複数の人工衛星のそれぞれから発信された測位信号の搬送波を観測し、この搬送波の観測情報に基づいて、ＧＮＳＳ受信機２２のアンテナ２２１の位置を、三次元座標で表された位置情報として取得する。

慣性計測装置（通常、“Inertial Measurement Unit”と呼ばれる）２３は、運動を司る３軸の角度（または角速度）と加速度を計測する装置である。慣性計測装置２３は、基本的に、３軸のジャイロと３方向の加速度計によって三次元の角速度と加速度を求める。

ＧＮＳＳ受信機２２で取得された位置情報のデータと慣性計測装置２３で計測された角度（または角速度）と加速度のデータは、計測時刻と共に計測データ記憶部２５に記憶される。

＜レーザビームの走査方向とスキャナ部の設置位置＞
次に、図５および図６を参照して、レーザスキャナ２１によるレーザビームＬＢの走査方向とスキャナ部２１１の設置位置について説明する。図５は、レール１３上を移動する計測車両２を上方から見た図、図６は同計測車両２を移動方向（図中、矢印で示す）の後方から見た図である。なお、図では、説明に使用しないアンテナ２２１および慣性計測装置２３を省略している。

本発明では、計測対象である枕木の構造的な特性を考慮してスキャナ部２１１の設置位置を定めている。具体的には、図５に太い破線で示したように、レーザビームＬＢの回転断面Ｓが鉛直方向を向くようにスキャナ部２１１を設置している。

一般に、レーザスキャナを用いて構造物の三次元位置データを取得する場合、スキャナ部は位置データの特異性を持たないように鉛直方向および水平方向に角度をつけて取り付けている（例えば、特開２０１３−１１３７０２号公報参照）。

一方、枕木加工用データの作成においては、各枕木１１の上面の高さデータと枕木１１が載置されたフランジ１２の上面の高さデータが必要となる。枕木１１は長手方向がフランジ１２と直交するように設置され、かつ複数の枕木１１がほぼ等間隔になるように設置されている。

このような構造物に対して、レーザビームＬＢの回転断面Ｓを鉛直方向および水平方向に対して傾けている場合、枕木１１が死角となって、その下に位置するフランジ１２の上面の高さデータを計測できなくなる。

これに対し、図５に示すようにレーザビームＬＢの回転断面Ｓが鉛直方向を向いている場合、フランジ１２の上面の高さデータを取得するときに、枕木１によってフランジ１２上に影が生じず、枕木１１の真下に位置するフランジ１２の高さデータを計測することができる。

更に本発明では、図６に実線および２点鎖線で示したように、スキャナ部２１１を計測車両２の進行方向と直交する方向に移動させて、異なる２つの地点に設置し、それぞれの位置において取得した２つのレーザスキャンデータを用いて２つの三次元点群データを作成している。

スキャナ部２１１を計測車両の進行方向と直交する方向の任意の位置に設置してレーザビームＬＢを回転走査した場合、レール１３が影となってその下に位置するフランジ１２の高さデータを計測できなくなる。例えば、図６に示すように、スキャナ部を一方のフランジ１２Ｒの上方の位置Ａに配置した場合、他方のフランジ１２Ｌの上面の大半の部分がレール１３Ｌの影（図中、灰色で示す）となり、枕木加工用のデータを作成する際に必要となるフランジ１２Ｌの上面のデータの大半が欠落して、枕木１１の左側の厚みデータを算出できなくなる。

本発明では、上述の問題点を解決するために、スキャナ部２１１を計測車両２の進行方向と直交する方向に移動して、図６に２点鎖線で示す位置Ｂに設置し、その地点でレーザビームＬＢを回転走査してレール１３の同一位置において２つのレーザスキャンデータを取得している。

そして、一方のレーザスキャンデータのうちレール１３が妨げとなってフランジ１２の上面のデータを計測できない箇所については、他方のレーザスキャンデータを用いて枕木加工用データを作成している。

上述したように、本発明では、枕木１１の構造的な特性を考慮して、スキャナ部２１１の設置位置と方向を定めることにより、枕木加工用のデータを確実に取得できるようにしている。

なお、スキャナ部２１１の設置位置を変えて２つのレーザスキャンデータを取得する場合、図６に実線で示した位置にスキャナ部２１１を配置した状態で、図５に矢印で示す方向に計測車両２を移動させ、その後、図６に２点鎖線で示す位置にスキャナ部２１１を配置した状態で、反対方向に移動させれば、効率的にデータを取得できる。

＜データ作成装置の構成と機能＞
次に、上述の第２のステップと第３のステップを実現するデータ作成装置３の構成と機能について説明する。図３に示すように、データ作成装置３は、位置・姿勢算出部３１、データ変換部３３および枕木加工用データ作成部３５を備えている。またデータ作成装置３は作成されたデータを記憶する位置・姿勢データ記憶部３２、三次元点群データ記憶部３４および枕木加工用データ記憶部３６を備えている。

図示しないが、データ作成装置３のブロックのうち位置・姿勢算出部３１、データ修正部３３および枕木加工用データ作成部３５の各機能は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ディスプレイ、キーボード、マウス、磁気ディスク装置を備えたコンピュータを用いて実現される。コンピュータの構成および機能については広く知られているため、ここでは説明を省略する。

次に、データ作成装置３における処理について説明する。最初に、レーザスキャナ２１で計測されたレーザスキャンデータＧ１を、直交する３軸で表される地理座標系の三次元点群データＧ２に変換する手順（第２のステップ）を説明する。

計測車両２のレーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２５に格納された計測データは、通信ボード（図示せず）を介して、もしくはメモリーカード等を用いて計測車両２の磁気ディスク装置（図示せず）から読み出され、データ作成装置３のデータ修正部３３および位置・姿勢算出部３１にそれぞれ転送される。

位置・姿勢算出部３１は、各計測時刻における計測車両２の位置および姿勢角を特定の座標系（本実施の形態では地理座標系）で算出する。具体的には、位置・姿勢算出部３１は、計測データ記憶部２５から、ＧＮＳＳ受信機２２で取得した計測車両２の緯度、経度および高さのデータ、ならびに慣性計測装置２３で計測した角度（または角速度）および角加速度のデータを読み出し、これらのデータに基づいて、各時刻における計測車両２の位置および姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を算出する。

地理座標系は世界測地系でも任意座標のいずれでもよく、例えば、最初に観測した、任意の位置の構造物のレーザ照射点を（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）としてもよい。算出された計測車両２の位置および姿勢のデータは、位置・姿勢データ記憶部３２に記憶される。

データ変換部３３は、読み出したデータに基づいて各時刻における構造物のレーザスキャンデータＧ１を、地理座標系の三次元点群データＧ２に変換する。極座標で表されたレーザスキャンデータＧ１を、計測車両２の位置および姿勢のデータに基づいて、地理座標系で表された三次元点群データＧ２に変換する演算式は、例えば特開２００９−２０４６１５号公報に記載されているように広く知られているため、ここでは説明を省略する。データ変換部３３で作成された地理座標系の三次元点群データＧ２は、三次元点群データ記憶部３４に記憶される。

次に、図７のフローチャートを参照して、地理座標系に変換された三次元点群データＧ２に基づいて枕木加工用データＧ３を作成する手順（第３のステップ）を説明する。

第３のステップでは、三次元点群データＧ２から図１に２点鎖線で囲った領域Ｒのデータを枕木毎に切り出し、切り出した三次元点群データに基づいて枕木加工用データを作成する。なお、以後の処理は、データ作成装置を構成する磁気ディスク装置に格納されたデータ作成用プログラムを読み出してＣＰＵで実行することにより実現される。

最初に、枕木加工用データ作成部３５は、三次元点群データ記憶部３４に格納された三次元点群データＧ２を読み出し、個々の枕木の位置を特定すると共に、特定した各枕木に識別用の番号を付与する（ステップＳ１）。

具体的には、三次元点群データＧ２から、レール１３Ｌから一定距離離れた箇所の枕木１１とフランジ１２のデータを取り出す。取り出したデータは、枕木の上面を頂点とし、フランジの上面を底とする櫛歯状のデータとなる。この櫛歯状のデータの凸部は枕木に対応しているため、図１に示すように、それぞれの凸部に識別用の番号を付与する。

番号を付与する方法として、図１に示すように、予めレール１３の任意の箇所に反射シール１６を張っておき、反射シール１６からのレーザスキャンデータを検出した位置の枕木１１を先頭として番号を付与すれば、枕木との番号の照合を簡単に行うことができる。

次に、枕木加工用データ作成部３５は、１番目の番号を付与した枕木について、図１に示すように、枕木の周辺を含む三次元点群データを切り出す（ステップＳ２）。引き続き枕木加工用データ作成部３５は、切り出した三次元点群データから前述の式（１）〜式（６）を用いて枕木の左右の厚みデータＴ１、Ｔ２、ならびに間隔および幅を示すデータＷ１〜Ｗ４を算出する（ステップＳ３）。

なお、厚みデータＴ１、Ｔ２を算出する際のデータとしてフランジの上面の高さデータＨ１ＬおよびＨ１Ｒを用いるが、前述したように、フランジ１２の上面のリベット頭部１２１が露出した箇所は、周囲よりも若干高くなっている。従って、フランジ１２の高さデータＨ１ＬおよびＨ１Ｒについては、測定値のうち最低の値を用いることが好ましい。

同様に、厚みデータＴ１、Ｔ２を算出する際のデータとして枕木の上面の高さデータＨ２ＬおよびＨ２Ｒを用いるが、枕木の上面が、若干ではあるが、丸みを帯びている場合がある。従って、枕木１１の上面の高さデータＨ２ＬおよびＨ２Ｒについては、測定値のうち最高の値を用いることが好ましい。

枕木加工用データ作成部３５は、番号が付与された順に枕木のデータを切り出してステップＳ２およびＳ３の処理を繰り返し（ステップＳ４においてＮｏ）、算出された枕木の左右の厚みデータＴ１、Ｔ２、ならびに溝の位置および幅を決定するのに必要なデータＷ１〜Ｗ４を、枕木の番号毎に列記した表を作成する（ステップＳ５）。作成された表のデータは、枕木加工用データ記憶部３６に格納される。

レーザスキャナ２１により取得したレーザスキャンデータの計測誤差は１〜２ｍｍであるのに対して、ＧＮＳＳ受信機２２および慣性計測装置２３により取得した位置および姿勢のデータの誤差は１０ｃｍ程度である。従って、三次元点群データの誤差は１０ｃｍ程度になるが、上述したように枕木を含む周辺領域のデータを切り出せば、領域内のデータの誤差は１〜２ｍｍであるため、高い精度で枕木加工用データを作成できる。

図８に、このようにして作成した枕木加工用データの表を示す。表には、取り替え用枕木の加工に必要な全てのデータが含まれており、作業者はこの表に基づいて、指定された厚みの段差部１１１を有する枕木を作製し、更に段差部１１１の底面の所定の位置に所定の幅の溝１１２を形成した後、現場に搬送して枕木の取り替えを行う。

取り替え用の枕木を作製する際に、図８に示す表のデータをそのまま用いる必要はない。例えば、新たな枕木について、既存の枕木と異なるピッチで設置する場合、表のデータに基づいて補完データを作成し、その値を新たに設置する枕木の加工用データとしてもよい。

（実施の形態２）
図９に、本実施の形態で使用する計測車両２ａを示す。図中、図３に示した計測車両２と同一機能を有する部材には同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態１では、レーザスキャナ２１のスキャナ部２１１を、スライダ２８を用いて計測車両２の進行方向と直交する方向に移動させることにより、レーザビームＬＢの照射位置を変え、２箇所においてレースキャンデータを取得していた。

しかし、この方法を採用した場合、スキャナ部２１１の取り付け位置を変えた状態で、計測車両２を移動させる必要があるため、計測に時間がかかり、また計測の都度、スキャナ部２１１の位置を調整する必要があるため、作業に手間がかかる。

本実施の形態では、上述の問題を解決するため、レーザスキャナ２１を２台用意し、図８に示すように、それぞれのスキャナ部２１１ａ、２１１ｂを計測車両２の進行方向に対して直交する方向に距離を隔てて配置している。

具体的には、一対の支持板２６２の上部に、図３のガイド板２７の代わりに長尺状の支持板２７ｃを取り付け、その両端に支持板２９ａ、２９ｂを介してスキャナ部２１１ａ、２１１ｂを取り付けている。なお、２台のレーザスキャナ２１の本体部はシャーシ２０内に収容されている。

図９に示す構成を採用した場合、レーザスキャナを２台用意しなければならないため費用がかさむが、１回の走行で必要なレーザスキャンデータを取得できるため、作業時間を大幅に短縮できる。

１ 枕木加工用データ作成システム
２ 計測車両
３ データ作成装置
１１ 枕木
１２Ｌ、１２Ｒ フランジ
１３Ｌ、１３Ｒ レール
１４ 板材
１５ 締結具
２０ シャーシ
２１ レーザスキャナ
２２ ＧＮＳＳ受信機
２３ 慣性計測装置
２４ レーザスキャンデータ記憶部
２５ 計測データ記憶部
２６ 車両本体
２７ ガイド板
２８ スライダ
２９、２７ｃ 支持板
３１ 位置・姿勢算出部
３２ 位置・姿勢データ記憶部
３３ データ変換部
３４ 三次元点群データ記憶部
３５ 枕木加工用データ作成部
３６ 枕木加工用データ記憶部
１１１ 段差部
１１２ 溝
１２１ リベット頭部
１３１ レール頭部
１３２ レール底部
２１１ スキャン部
２２１ アンテナ
ＬＢ レーザビーム
Ｓ 回転断面

Claims (6)

1. 鉄道橋上の軌道を構成する一対のフランジと一対のレールとの間に挿入される枕木の加工用データを作成する枕木加工用データ作成システムであって、
   車両本体にレーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機、および慣性計測装置が搭載され、レール上を移動しながら、前記レーザスキャナを用いて軌道までの距離と方向を計測してレーザスキャンデータを取得し、かつ前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置を用いて前記車両本体の位置および姿勢に関するデータを取得する計測車両と、
   前記レーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得されたデータに基づいて枕木加工用データを作成するデータ加工装置と、を備え、
   前記レーザスキャナは、スキャナ部を回転させながらパルス状のレーザビームを対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を計測するもので、前記スキャナ部は、レーザビームの回転断面が鉛直方向を向くように配置され、
   前記データ加工装置は、
   前記レーザスキャナで取得したレーザスキャンデータを、前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得したデータに基づいて、地理座標系で表示された第１の三次元点群データに変換するデータ変換部と、
   前記第１の三次元点群データに基づいて、少なくともそれぞれの枕木の厚みを算出して枕木加工用データを作成する枕木加工用データ作成部と、で構成され、
   かつ前記レーザスキャナは、前記計測車両の進行方向と直交する方向の異なる２つの地点に設置されたスキャナ部を用いて、前記レールの同一地点における２つのレーザスキャンデータを取得し、
   前記枕木加工用データ作成部は、前記２つのレーザスキャンデータのうち、一方のデータについてレールが死角となってフランジのデータが取得できない箇所については、他方のデータを用いて枕木加工用データを作成することを特徴とする枕木加工用データ作成システム。
2. 前記レーザスキャナのスキャナ部はスライダに取り付けられ、当該スライダは、前記車両本体に固定されたガイド板上を、当該計測車両の進行方向と直交する方向に移動可能である、請求項１に記載の枕木加工用データ作成システム。
3. 前記計測車両には、２台のレーザスキャナが搭載されており、それぞれのスキャナ部は、当該計測車両の進行方向と直交する方向に距離を隔てて設置されている、請求項１に記載の枕木加工用データ作成システム。
4. 前記枕木加工用データ作成部は、前記第１の三次元点群データから、レールと一定の距離を隔てた箇所の枕木およびフランジのデータを取り出し、当該データに基づいて前記枕木に識別用の番号を付与する、請求項１ないし３のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。
5. 前記枕木加工用データには、更に、前記レールと前記フランジとの水平方向の間隔を表すデータおよび前記フランジの幅を表すデータが含まれる、請求項１ないし４のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。
6. 前記枕木加工用データ作成部は、前記第１の三次元点群データから、特定の枕木とその周辺の領域を含む第２の三次元点群データを切り出し、当該第２の三次元点群データから前記枕木加工用データを作成する、請求項１ないし５のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。