JP6334991B2 - 構造物の表面検査システムおよび表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、インフラを構成する構造物の表面検査装置および表面検査方法に関する。

例えば、トンネルなどの社会インフラ構造物においては、老朽化等によって耐久性の低下が生じるため、定期的な検査及び補修作業の実施により維持管理を行うことが必要とされている。従来の検査方法としては、例えば、近接目視検査や打音検査などが知られているが、これらの検査方法は人手による作業であるため効率が悪く、検査には長い時間を必要とする。そのため、供用中の構造物において、検査対象の構造物が使用されていない時間帯に検査を行う場合には、限られた時間で検査する必要があるので検査頻度の低下が問題となり、また、一時的に供用を停止して検査を行う場合には、構造物の稼働率の低下が問題となる。

このような人手による従来の検査方法に対し、例えば、特許文献１（特開平０６−４２３００号公報）には、トンネル内を走行する車両上に設置されたトンネル壁面撮影用一次元センサカメラを用いてトンネル壁面に対して進行方向と直角方向のトンネル断面スキャンを行い、順次そのデータを蓄積することにより、トンネル壁面の展開画像を取得し、この画像を用いて自動診断を行うトンネル検査装置に関する技術が開示されている。

特開平０６−４２３００号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような問題点がある。

すなわち、車両のような移動体に搭載したカメラを用いて撮像を行う場合には、取得画像のブレを抑制するために露光時間を短くする必要がある。しかし、そのような短い露光時間で、例えば、亀裂などの不具合箇所（領域）とそれ以外の表面汚れなどの箇所（領域）とを判別するには高コントラストでの撮像が必要であるため、撮像速度（車両速度）を抑えなければならず、検査効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、構造物の表面検査をより高速に行うことができ、検査効率の向上を図ることができる構造物の表面検査システムおよび表面検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、応力に応じて発光する応力発光構造部を表面に設けた検査対象の構造物の表面に沿う方向に移動し、前記構造物の表面に圧力変化を発生させる圧力変化発生手段と、前記圧力変化発生手段と一体的に移動し、前記構造物の表面の圧力変化が生じている領域を撮像する撮像装置と、前記撮像装置により得られた前記構造物の画像に基づいて、前記構造物の表面の欠陥を検出する欠陥検出部とを備えたものとする。

本発明によれば、構造物の表面検査をより高速に行うことができ、検査効率の向上を図ることができる。

第１の実施の形態に係る表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、表面検査装置の進行方向側方から見た図である。 第１の実施の形態に係る表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、進行方向後方から見た図である。 第１の実施の形態に係る表面検査装置における各機能の詳細を示す機能ブロック図である。 ＴＤＩセンサの構造の一例を示す図である。 表面検査処理の処理内容を示すフローチャートである。 検査対象の構造物であるトンネルに対する表面検査処理の様子を示す断面図である。 応力発光構造部（応力発光材料含有層）を含む構造物の表面に亀裂（欠陥）がある場合の様子を示す断面図である。 応力発光構造部（応力発光材料含有層）を含む構造物の表面に亀裂（欠陥）がある場合の様子を示す図であり、構造物の表面側から見た図である。 図７における発光領域の様子を示す図である。 図８における発光領域の様子を示す図である。 構造物の表面に亀裂（欠陥）があり、応力発光構造部（応力発光材料含有層）にまで達してない場合の様子を示す断面図である。 構造物の表面に亀裂（欠陥）があり、応力発光構造部（応力発光材料含有層）にまで達してない場合の様子を示す図であり、構造物の表面側から見た図である。 図１１における発光領域の様子を示す図である。 図１２における発光領域の様子を示す図である。 撮像装置により取得された構造物の表面の画像の一例を示す図である。 画像処理装置の抽出部により抽出処理を施した画像の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図である 第２の実施の形態の表面検査装置における各機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る表面検査装置の移動体と空気圧の関係を示す図である。 第２の実施の形態の変形例に係る表面検査装置の全体構成を概略的に示す図である。 第２の実施の形態の変形例に係る表面検査装置の全体構成を概略的に示す図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は、本実施の形態の表面検査システムに係る表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、図１は表面検査装置の進行方向側方から見た図であり、図２は進行方向後方から見た図である。また、図３は、表面検査装置における各機能の詳細を示す機能ブロック図である。なお、本実施の形態では、表面検査装置による検査対象の構造物の一例として、トンネル１（以下、構造物１と称する）を示して説明する。

図１〜図３において、検査対象の構造物１の表面には、応力に応じて発光する応力発光構造部２が設けられている。応力発光構造部２は、例えば、応力発光材料を含有して形成された応力発光材料含有層である。

表面検査装置１００は、車両などの移動体３と、移動体３の車輪に同期したエンコーダ２０からの情報から車両位置を検知する位置検知装置４と、検査対象の構造物１の表面に圧力変化を発生させる圧力変化発生手段である圧力変化発生装置５と、構造物１の表面を撮像する撮像装置６と、撮像装置６で取得した画像の処理などを行う画像処理装置７と、画像や検査結果等を表示する表示装置８と、検査条件や画像、検査結果などの各種情報を記憶する記憶装置９と、各種情報を入力する入力装置２１と、表面検査装置１００の全体の動作を制御する制御装置２２とを概略備えている。

位置検知装置４は、予め定められて記憶装置９などに記憶された検査スケジュールや設定内容と、エンコーダ２０からの情報から得られた車両位置とに基づいて、圧力変化発生装置５や撮像装置６に動作や停止の指示を送る。また、圧力変化発生装置５や撮像装置６への指示の送信に関連して、画像処理装置７や制御装置２２等にも位置情報を送信し、表面検査装置１００における画像や検査結果等の各種情報と検査対象である構造物１における位置と関連付けて記憶等の処理を行っている。

圧力変化発生装置５は、標準圧力変化発生器であり、構造物１の検査対象領域の表面近傍の空間に圧力の変化を生じさせることにより構造物１表面に応力変化を生じさせる。すなわち、圧力変化発生装置５は、構造物１の表面近傍に存在する空気などの気体を介して構造物１の表面に応力変化を生じさせるものであり、例えば、空気やガスにより空気圧を変動させる空気銃やガスガン、空気砲などの装置を用いる。圧力変化発生装置５により、構造物１の表面の応力発光構造部２に応力変化を生じさせると、応力発光構造部２は各部に生じる応力の大きさに応じて発光する。応力発光構造部２に働く応力は、構造物１における亀裂などの欠陥が存在する領域に集中し、その結果、周囲と比較してより強く発光する領域（すなわち、図４の発光領域１１等：後に詳述）となる。

撮像装置６は、構造物１の表面の圧力変化発生装置５によって応力変化が生じている領域を撮像するものであり、例えば、図４に示すようなＴＤＩ（Time Delayed Integration）センサなどの高速高感度センサを用いる。

図４は、ＴＤＩセンサの構造の一例を示す図である。

図４に示すように、ＴＤＩセンサは、検査対象表面の応力発光構造部２の発光領域１１の発光をレンズ１３を介して受光素子１４上に集光し、受光素子１４で光電変換した電荷を読み出す際に、隣接する受光素子に転送を実施する。このときに、ＴＤＩセンサ（撮像装置６）および移動体３の移動速度に受光素子１４の電荷転送のタイミングを合わせることで、転送回数分だけ電荷を蓄積することができ、露光時間を長くすることが可能である。これにより、移動体３上に設置した撮像装置６において高速かつ高感度撮像が可能となる。

圧力変化発生装置５と撮像装置６は、移動体３上に配置されており、表面検査処理（後述）の実施時には、移動体３の構造物１の表面に沿う方向（図１中右方向、および図２中紙面奥方向）への移動に伴って一体的に移動する。なお、本実施の形態では、上方に圧力変化を発生させて撮像する場合を例示しているが、構造物１の形状や検査予定位置に合わせて側方など上方以外の方向に圧力変化を発生させる。

画像処理装置７は、撮像装置６により得られた構造物１の画像に基づいて、構造物の表面の欠陥を検出する欠陥検出部を構成しており、撮像装置６により取得された画像に基づいて発光領域１１の画像を抽出する抽出部７ａと、抽出された発光領域１１の画像に基づいて欠陥の有無を判定する判定処理（すなわち、欠陥を検出する検出処理）を行う判定部７ｂとを有している。

抽出部７ａは、撮像装置６により得られた画像に、例えば、輝度の二値化処理のような画像処理を施すことによって、画像から、明るく撮像された発光領域１１のみを抽出する。なお、発光領域１１のみを抽出する画像処理については、同様の効果が得られる別の処理を用いても良く、例えば、境界抽出処理を用いても構わない。また、発光領域１１のみを抽出する処理の前や後に、平滑化処理のようなノイズ除去処理を必要に応じて追加しても構わない。

また、抽出部７ａでは、抽出した発光領域１１の画像から、発光領域１１の検査範囲における位置や大きさなどの発光領域情報データを算出する処理（サイジング処理）を行う。なお、発光領域１１には、欠陥が存在すると推定されるので、発光領域情報データは、検査範囲における欠陥位置や大きさ（長さ、幅）などの欠陥情報データと言い換えることもできる。

判定部７ｂは、抽出部７ａで抽出された画像や発光領域情報データ（欠陥情報データ）に基づいて、欠陥の有無、或いは、欠陥が許容範囲であるかどうかを判定する。判定部７ｂでは、予め設定した検査目的や検査基準に応じて、例えば、欠陥（すなわち、発光領域１１）の大きさ（長さ、幅）を予め定めた基準の値を超えるか否かによって欠陥の有無、或いは、欠陥が許容範囲であるかどうか（つまり、検査の合否）を判定する。

画像処理装置７で得られた、処理前後の画像や発光領域情報データ（欠陥情報データ）、判定結果などの情報は、表示装置８に送られて表示されるとともに、記憶装置９に送られて記憶される。

制御装置２２は、表面検査装置１００の全体の動作を制御するとともに、入力装置２１から入力される設定値や動作に関する指示、記憶装置９に予め記憶されたプログラム等に基づいて各構成の動作を制御し、表面検査処理などの処理を実施する。

図５は、本実施の形態における表面検査処理の処理内容を示すフローチャートである。

図５において、オペレータからの表面検査処理の開始が入力装置２１等を介して指示されると、制御装置２２は、移動体３の検査方向への移動を開始する。（ステップＳ１００）。位置検知装置４によって検出される移動体３の位置が構造物１における検査対象の領域に達すると、圧力変化発生装置５の動作による構造物１に圧力変化を発生させ（ステップＳ１１０）、圧力変化発生装置５によって圧力変化が生じている領域を撮像装置６により撮像する（ステップＳ１２０）。続いて、撮像装置６により得られた画像に対して、画像処理装置７の抽出部７ａで発光領域情報データ（欠陥情報データ）の算出処理を行い（ステップＳ１３０）、発光領域情報データ（欠陥情報データ）に基づいて、画像処理装置７の判定部７ｂで欠陥の検出処理を行う（ステップＳ１４０）。検出処理の結果は、表示装置８に送られて表示されるとともに、記憶装置９に送られて記憶される（ステップＳ１５０）。ここで、表面検査処理の実施が予定されていた構造物１における領域のうち、未実施の領域があるかどうかを判定し（ステップＳ１６０）、判定結果がＹＥＳの場合には、判定結果がＮＯになるまでステップＳ１１０〜Ｓ１５０の処理を繰り返す。また、ステップＳ１６０での判定結果がＮＯの場合には、移動体３や各構成の動作を停止し（ステップＳ１７０）、処理を終了する。

ここで、表面検査処理における構造物の圧力変化と発光領域との関係について図６〜図１６を参照しつつ詳細に説明する。

図６は、検査対象の構造物であるトンネルに対する表面検査処理の様子を示す断面図である。

図６に示すように、移動体３に搭載した圧力変化発生装置５の動作によってトンネル（構造物１）の内壁に、大気圧を基準として増加する方向に圧力変化が発生した場合、例えば、トンネル覆工のような筒状構造物の内壁においては膨張する力が作用し、検査対象である構造物１の内壁表面には引張応力が発生する。

図７及び図８は、応力発光構造部（応力発光材料含有層）２を含む構造物１の表面に亀裂（欠陥）がある場合の様子を示す図であり、図７は断面図、図８は表面側から見た図である。また、図９及び図１０は、図７及び図８における発光領域の様子を示す図である。

図７及び図８に示すように、構造物１の表面に亀裂１０がある場合に、圧力変化発生装置５による圧力変化が発生すると、構造物１には引張応力が作用し、応力発光構造部２は、構造物１の変形に追従して変形する。このとき、応力発光構造部２の応力分布は、亀裂１０の変位が発生する亀裂面に沿って一様に集中する。したがって、図９及び図１０に示すように、亀裂面に沿って応力発光構造部２に境界発光領域１１１が発生する。特に、開口形状が鋭角になる亀裂１０の端部にはより強い応力集中が生じ、境界発光領域１１１より強く発光する端部発光領域１１２が発生する。つまり、構造物１に発生した亀裂１０に沿って応力発光構造部２が発光する。

図１１は及び図１２は、構造物１の表面に亀裂（欠陥）があり、応力発光構造部（応力発光材料含有層）２にまで達してない場合の様子を示す図であり、図１１は断面図、図１２は表面側から見た図である。また、図１３及び図１４は、図１１及び図１２における発光領域の様子を示す図である。

図１１及び図１２に示すように、構造物１の表面に亀裂１０がある場合に、圧力変化発生装置５による圧力変化が発生すると、構造物１には引張応力が作用するが、応力発光構造部２は、構造物１の変形に追従しない。このとき、応力発光構造部２の亀裂１０を覆う部分には、亀裂１０の変形に伴い引張応力が作用する。したがって、図１３及び図１４に示すように、亀裂１０に沿って応力発光構造部２に境界発光領域１１１が発生する。つまり、構造物１に発生した亀裂１０に沿って応力発光構造部２が発光する。

なお、トンネル等の構造物１における亀裂１０の実際の開口幅は、サブμｍ〜数μｍ程度であり、撮像装置６の解像度に比べて微小であることが考えられるため、亀裂１０が応力発光構造部２に達しているか達していないかによらず、発光領域１１（境界発光領域１１１、端部発光領域１１２、表面発光領域１１３）は亀裂１０に沿った一本線として観測される。

図１５は、撮像装置６により取得された構造物１の表面の画像の一例を示す図であり、図１６は画像処理装置７の抽出部７ａにより抽出処理を施した画像の一例を示す図である。

図１５に示すように、撮像装置６により取得された撮像画像１５では、亀裂１０の存在する部分の発光領域１１が明るく撮像される。また、構造物１の表面模様領域１６、及び表面付着物１７なども、亀裂１０による発光領域１１に対して比較的暗くではあるが撮像される。

このような撮像画像１５に対し、画像処理装置７の抽出部７ａにより抽出処理（例えば、輝度の二値化処理）を実施すると、図１６に示すように、撮像画像１５において明るく撮像される亀裂１０の部分の発光領域１１のみが抽出される。

以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。

従来技術としては、例えば、トンネル内を走行する車両上に設置されたトンネル壁面撮影用一次元センサカメラを用いてトンネル壁面に対して進行方向と直角方向のトンネル断面スキャンを行い、順次そのデータを蓄積することにより、トンネル壁面の展開画像を取得し、この画像を用いて自動診断を行うトンネル検査装置に関する技術が知られている。しかしながら、上記従来技術には次のような問題点があった。すなわち、車両のような移動体に搭載したカメラを用いて撮像を行う場合には、取得画像のブレを抑制するために露光時間を短くする必要がある。しかし、そのような短い露光時間で、例えば、亀裂などの不具合箇所（領域）とそれ以外の表面汚れなどの箇所（領域）とを判別するには高コントラストでの撮像が必要であるため、撮像速度（車両速度）を抑えなければならず、検査効率が低下してしまうという問題があった。

これに対して、本実施の形態においては、応力に応じて発光する応力発光構造部２を表面に設けた検査対象の構造物１の表面に沿う方向に移動し、構造物１の表面に圧力変化を発生させる圧力変化発生装置５と、圧力変化発生装置５と一体的に移動し、構造物１の表面の圧力変化が生じている領域を撮像する撮像装置６と、撮像装置６により得られた構造物１の画像に基づいて、構造物１の表面の欠陥を検出する画像処理装置７とを備えたので、構造物１の表面検査をより高速に行うことができ、検査効率の向上を図ることができる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１７及び図１８を参照しつつ説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における圧力変化発生装置を移動体の構造に置き換えた場合の実施の形態である。

図１７は、本実施の形態に係る表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、図１８は、本実施の形態の表面検査装置における各機能の詳細を示す機能ブロック図である。また、図１９は表面検査装置の移動体と空気圧の関係を示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１７及び図１８において、表面検査装置１００Ａは、高速移動する車両などの移動体３Ａと、移動体３Ａの車輪に同期したエンコーダ２０からの情報から車両位置を検知する位置検知装置４と、構造物１の表面を撮像する撮像装置６と、撮像装置６で取得した画像の処理などを行う画像処理装置７と、画像や検査結果等を表示する表示装置８と、検査条件や画像、検査結果などの各種情報を記憶する記憶装置９と、各種情報を入力する入力装置２１と、表面検査装置１００Ａの全体の動作を制御する制御装置２２とを概略備えている。

図１９に示すように、高速移動する移動体３Ａの進行方向の前方には圧力波が生じるため、圧力は大気圧Ｐ０より増加する。これにより、トンネル覆工のような筒状構造物の内壁においては膨張する力が作用し、構造物１に対して圧力変化を生じさせることができる。具体的には、例えば、新幹線のような高速移動体がトンネルに突入する場合において、新幹線を移動体３Ａ、トンネル壁面を検査対象である構造物１と考えると、新幹線がトンネル内を通過する際に、進行方向に空気を押す力によってトンネル内の圧力が上昇し、第１の実施の形態で示した圧力変化発生装置５による圧力変動と同様の機能を得ることができる。すなわち、本実施の形態の移動体３Ａは、検査対象の構造物１の表面に圧力変化を発生させる圧力変化発生手段として機能する。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

＜第２の実施の形態の変形例＞
第２の実施の形態においては、以下のような変形例が考えられる。

すなわち、第２の実施の形態では、圧力変化は移動体３Ａの前方にて発生するため、移動体３Ａが接近する前（通過する前）に構造物１の亀裂１０部分の発光が始まる。そのため、撮像装置６により、より高い効率で発光を検出するには、例えば、図２０に示すように、撮像装置６の視野を進行方向前方に向けて構成することが考えられる。

また、図２１に示すように、構造物１の表面の応力発光構造部２の表面に、さらに、蓄光材料含有層１９を新たに備えた構成とすることにより、より高い効率で発光を検出することができる。

さらに、応力発光構造部２に含まれる応力発光材料を残光時間の長いものとした構成や、応力発光構造部２に蓄光材料を含ませた構成とした場合にも、より高い効率で発光を検出することができる。

１ 構造物
２ 応力発光構造部（応力発光材料含有層）
３，３Ａ 移動体
４ 位置検知装置
５ 圧力変化発生装置
６ 撮像装置
７ 画像処理装置
７ａ 抽出部
７ｂ 判定部
８ 表示装置
９ 記憶装置
１０ 亀裂
１１１ 境界発光領域
１１２ 端部発光領域
１１３ 表面発光領域
１１ 発光領域
１２ ＴＤＩセンサ
１３ レンズ
１４ 受光素子
１５ 撮像画像
１６ 表面模様領域
１７ 表面付着物
１８ 抽出処理画像
１９ 蓄光材料含有層
２０ エンコーダ
２１ 入力装置
２２ 制御装置
１００，１００Ａ 表面検査装置

Claims (2)

1. 検査対象の構造物の表面に設けられ、応力に応じて発光する応力発光構造部と、
   前記構造物の表面に沿う方向に移動し、前記構造物の表面の前記応力発光構造部に圧力変化を発生させる圧力変化発生手段と、
   前記圧力変化発生手段と一体的に移動し、前記構造物の表面の前記応力発光構造部の圧力変化が生じている領域を撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置により得られた前記応力発光構造部の画像に基づいて、前記構造物の表面の欠陥を検出する欠陥検出部とを備え、
   前記撮像装置は、ＴＤＩセンサであることを特徴とする構造物の表面検査システム。
2. 検査対象の構造物の表面に、応力に応じて発光する応力発光構造部を配置する手順と、
   前記構造物の表面の前記応力発光構造部に圧力変化を発生させる手順と、
   前記構造物の表面の前記応力発光構造部の圧力変化が生じている領域を前記構造物の表面に沿う方向に移動させる手順と、
   前記応力発光構造部の表面の圧力変化が生じている、前記構造物の表面に沿う方向に移動している領域を該領域の移動に伴って移動するＴＤＩセンサで撮像する手順と、
   前記応力発光構造部の表面の撮像により得られた画像に基づいて、前記構造物の表面の欠陥を検出する手順と
   を有することを特徴とする構造物の表面検査方法。

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