JP6958654B2 - 軌道地盤変位測定装置及びこれを用いた軌道地盤補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、軌道に沿って設けられたトロリーから受電して走行する車両の軌道地盤変位測定装置およびこれを用いた軌道地盤補修方法に関する。

鉄鋼プロセスにおいて、連続鋳造機で製造されたスラブを後の圧延工程に運搬するなどの目的で、線路軌道上を走る運搬台車などの車両が利用されている。運搬台車が走行する線路軌道の横には、運搬台車と同程度の高さとなるように、線路軌道に沿ってトロリー（給電線）が設けられている。運搬台車は、その側部に設けられたトロリーシュー（受電装置）を通じて、トロリーから受電して走行する。

しかし、線路軌道が屋外に存在して雨風に晒されたりすることによって、線路軌道の地盤が沈下して、運搬台車のトロリーシューとトロリーとの位置関係がずれて接触不良などが起きると、給電トラブルが生じ、運搬台車が走行できなくなることがある。よって、線路軌道の地盤の変位を常時監視・管理して、運搬台車のトロリーシューとトロリーとの位置関係のずれの発生を防ぐことが、操業上重要となる。

従来は、線路軌道の地盤の高さや変位の測定は、人手によりトータルステーションなどを用いて行われていた。しかし、線路軌道の全長にわたって、地盤の高さを高頻度に測量するには、膨大な労力と時間を要する。

特許文献１では、施工現場を移動する重機に地盤距離計（レーザー距離計）を設置して、重機から地盤上の測量点までの距離を測定し、地盤上の測量点の３次元座標を取得している。この測定方法を、線路軌道上を走る運搬台車に適用すると、運搬台車に設置されたレーザー距離計から軌道の地盤に向けてレーザーを照射し、地盤までの距離を測定することとなる。しかし、レーザーが照射される線路軌道の地盤上には、線路の枕木や誘導無線装置などが存在するため、これらが測定ノイズとなり、地盤の変位を正確に測定することができない。

また、特許文献２では、運搬台車の側部に設けられた、トロリーシューを支持するパンタグラフに、距離計を設置することで、地盤面からパンタグラフまでの高さを測定して、トロリーの架設高さを保持する方法が提案されている。しかし、この測定方法でも、地盤上に存在する線路の枕木や誘導無線装置などによって測定ノイズが発生し、正確な測定を行うことが困難である。

また、線路軌道の地盤上に存在する線路の枕木や誘導無線装置などによる測定ノイズの発生を避けるべく、地盤ではなく軌道のレールまでの距離を測定する方法も考えられる。しかし、この測定方法を、スラブの運搬台車に適用しようとすると、スラブを運搬するために比較的大きな寸法を有する運搬台車により、一定の長さにわたってレールが隠れてしまうので、線路軌道の各位置における地盤の変位を正確に測定することはやはり難しい。

特開２０１７−００３４４８号公報 特許第３７２４４４１号公報

上記課題を解決すべく、本発明は、車両が走行する軌道の地盤上に設けられた構造物による影響を受けずに、迅速かつ自動的に、軌道の地盤の変位を正確に測定できる、軌道地盤変位測定装置およびこれを用いた軌道地盤補修方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の特徴を有する。

［１］ 軌道横に設けられたトロリーからトロリーシューを通じて受電して走行する車両の軌道の地盤の変位を測定する軌道地盤変位測定装置であって、前記車両の側部に取り付けられ、前記車両と前記トロリーとの距離を複数の高さ方向の位置で測定する距離計と、前記距離計によって測定された前記距離の前記高さ方向の分布から前記トロリーの高さを取得し、前記トロリーの高さから前記地盤の変位を取得する算出部とを有することを特徴とする軌道地盤変位測定装置。

［２］ 前記算出部は、前記トロリーの高さを、前記車両に設定される基準点に対する相対高さとして取得するとともに、前記基準点に対する前記トロリーシューの相対高さと、前記基準点に対する前記トロリーの相対高さとの差により、前記地盤の変位を取得することを特徴とする［１］に記載の軌道地盤変位測定装置。

［３］ 前記距離計は、前記トロリーの高さを含む所定の高さ方向範囲および所定の軌道方向範囲である測定領域にわたって、前記距離を測定し、前記算出部は、前記測定領域内における前記距離の測定値の分布パターンを、前記トロリーの断面形状に基づいて予め設定される基準パターンと比較するパターンマッチングを行い、前記パターンマッチングの評価値の分布のピークが生じる高さを、前記トロリーの高さとして取得することを特徴とする［１］または［２］に記載の軌道地盤変位測定装置。

［４］ 前記算出部は、前記パターンマッチングの評価値の分布が単峰性となるとき、前記パターンマッチングの評価値の最大値が生じる高さを前記トロリーの高さとして取得することを特徴とする［３］に記載の軌道地盤変位測定装置。

［５］ 前記算出部は、前記測定領域内において前記パターンマッチングの評価値の分布が単峰性となるような軌道方向位置を、初期位置として設定し、前記初期位置において取得された前記トロリーの高さを含むとともに前記高さ方向範囲よりも狭い制限高さ方向範囲を設定し、前記初期位置に隣接する隣接位置における前記トロリーの高さの取得を、前記制限高さ方向範囲内に限定して行うことを特徴とする［４］に記載の軌道地盤変位測定装置。

［６］ 前記算出部は、前記隣接位置において前記制限高さ方向範囲内において前記距離の測定値の最小値が生じる高さを、この隣接位置における前記トロリーの高さとして取得することを特徴とする［５］に記載の軌道地盤変位測定装置。

［７］ ［１］〜［６］のいずれかに記載の軌道地盤変位測定装置によって測定された軌道の地盤の変位が予め定めた閾値を超える場合の前記車両の走行位置の地盤を補修して、前記走行位置における前記変位が前記閾値以内となるようにすることを特徴とする軌道地盤補修方法。

本発明の軌道地盤変位測定装置によれば、車両の軌道の地盤上に存在する構造物による影響を受けることなく、迅速かつ自動的に、車両の下部の軌道の地盤の変位を正確に測定することができる。

特に、トロリーとトロリーシューは、給電のため常時接触させる必要があるので、これらの間すなわち距離計の測定領域内には、障害物は存在しない。よって、距離計による距離の測定値には、障害物に起因する測定ノイズが発生せず、地盤の変位を正確に測定することが可能になる。

さらに、距離計によって測定された水平距離の測定値の分布パターンを、トロリーの断面形状に基づいて設定される基準パターンと比較するパターンマッチングを用いて、トロリーの高さを判定することにより、太陽光や室内照明などの外乱に起因する測定ノイズの影響を排除して、地盤の変位をさらに正確に測定することができる。

また、本発明の軌道地盤補修方法によれば、軌道地盤変位測定装置によって測定された地盤の変位が予め定めた閾値を超えるような車両の走行位置を特定し、この走行位置の地盤を補修することで、車両のトロリーシューとトロリーとの接触不良などによる給電トラブルを簡単かつ確実に防止でき、安定的に車両の走行を行える。

本発明の軌道地盤変位測定装置の概略を示す模式図である。 地盤３の変位Ｄが発生した状況における、本発明の軌道地盤変位測定装置の要部を示す拡大図である。 本発明の軌道地盤変位測定装置によるトロリーの高さの取得方法を示す図であって、（ａ）は距離計の測定値を示し、（ｂ）はある軌道方向位置における測定値の分布パターンを示し、（ｃ）は測定値の分布パターンに対してパターンマッチングを行った評価値の分布を示す。 本発明の軌道地盤変位測定装置によるトロリーの高さの取得方法の詳細を示す図であって、（ａ）は距離計による測定値および制限高さ方向範囲を示し、（ｂ）は制限高さ方向範囲と測定値の分布パターンの関係を示す。 本発明の軌道地盤変位測定装置による処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の軌道地盤変位測定装置によって測定された地盤の変位の例を示すグラフである。 本発明の軌道地盤補修方法による軌道地盤の補修位置の例を示す図である。 本発明の軌道地盤補修方法により補修された軌道地盤の変位の例を示す図である。

以下、本発明の軌道地盤変位測定装置および軌道地盤補修方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本実施の形態の軌道地盤変位測定装置および軌道地盤補修方法は、例えば、製鉄所の連続鋳造設備と圧延設備の間においてスラブを運搬する運搬台車が走行する線路軌道に適用されるものであり、この線路軌道は、屋内と屋外にまたがって設けられている。

図１に示すように、線路軌道（軌道）２の横には、運搬台車（車両）１と同程度の高さとなるように、線路軌道２に沿ってトロリー４が設けられている。運搬台車１は、その側部に設けられたトロリーシュー１１を通じて、トロリー４から受電することで、エネルギーを得て走行する。

本実施の形態の軌道地盤変位測定装置２０は、運搬台車１の側部に取り付けられ、運搬台車１とトロリー４との距離を複数の高さ方向の位置で測定する２次元レーザー距離計（距離計）２１と、２次元レーザー距離計２１によって測定された距離の前記高さ方向の分布からトロリー４の高さを取得し、このトロリー４の高さから線路軌道２の地盤３の変位Ｄを求めるコンピュータ（算出部）２２とを有し、この地盤３の変位Ｄを求めるために用いられる。そして、本実施の形態の軌道地盤補修方法は、軌道地盤変位測定装置２０によって常時測定される線路軌道２の地盤３の変位Ｄが、予め定められた閾値を超えるとき、この閾値を超える変位Ｄが発生した軌道位置を特定し、この走行位置の地盤３を補修するものである。これにより、線路軌道２の地盤３の変位Ｄの発生によって、運搬台車１のトロリーシュー１１とトロリー４との位置関係がずれて、トロリーシュー１１とトロリー４との接触不良などによる給電トラブルが発生するのを未然に防ぎ、運搬台車１を常時確実に走行させ、操業の安定性を確保するものである。

スラブを運搬する運搬台車１において、三相交流電源が用いられる場合は、高さ方向に三対のトロリー４、トロリーシュー１１が設けられることになるが、図１および後述する図２では、簡略化のため一対のみ図示している。

２次元レーザー距離計２１は、運搬台車１の側部に取り付けられ、トロリー４の高さを含む所定の高さ方向範囲および所定の軌道方向範囲である測定領域Ｍにわたり、運搬台車１の側方からトロリー４に向けてラインレーザーを照射し、測定対象からのレーザー反射光を受光することによって、測定対象までの距離を測定するものであり、具体的には、２次元レーザー距離計２１から、トロリー４またはトロリー４の背後に存在する障害物までの水平距離を測定する。この水平距離の測定値から、トロリー４の側面の形状や高さに関する情報が得られる。

本実施の形態では、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍは、高さ方向（地盤３の変位Ｄの発生方向）２００ｍｍ×軌道方向２０００ｍｍであり、この測定領域Ｍ内における高さ方向、軌道方向の分解能はそれぞれ、０．２ｍｍ、２ｍｍであり、合計１０００×１０００画素である。これら画素の各々について、レーザー距離計２１からの測定対象までの水平距離が測定される。

コンピュータ２２は、汎用パーソナルコンピュータやマイクロコンピュータなどにより構成され、２次元レーザー距離計２１によって得られた距離の測定値を、後述のとおり処理する。

本実施の形態では、コンピュータ２２は運搬台車１に搭載されるが、これに代えて、例えば運搬台車１外部の陸上にコンピュータ２２を設置する構成とすることも可能である。２次元レーザー距離計２１によって得られた距離の測定値は、無線または有線によってコンピュータ２２に送信され、後述のとおり処理される。

図２は、運搬台車１の線路軌道２の地盤３が沈下して、地盤３の変位Ｄが発生した状況における、運搬台車１のトロリーシュー１１とトロリー４との接触部および２次元レーザー距離計２１の近傍を示す、拡大図である。

線路軌道２が敷設された当初の状態では、運搬台車１のトロリーシュー１１の高さがトロリー４の高さと一致するように設計されている。しかし、運搬台車１およびこれに積載されるスラブの重量により、線路軌道２の地盤３が沈下し、地盤３に変位Ｄが発生することがある。地盤３が沈下した場合は、線路軌道２も同様に沈下して、運搬台車１全体が下がるため、トロリーシュー１１の高さも下がる。よって、運搬台車１のトロリーシュー１１の高さは、トロリー４の高さよりも低くなる。この運搬台車１のトロリーシュー１１の高さとトロリー４の高さとの間に生じるずれの大きさが、地盤３の変位Ｄに相当する。

図２に示すように、運搬台車１の側部の、２次元レーザー距離計２１が取り付けられる箇所は、トロリー４の高さを測定する際の基準点１０とされる。コンピュータ２２は、トロリー４の高さを、この基準点１０に対する相対高さＨとして取得する。一方、基準点１０に対するトロリーシュー１１の相対高さＬは、トロリーシュー１１が運搬台車１に固定されているので、一定値である。コンピュータ２２は、トロリー４とトロリーシュー１１の各々の上記基準点１０に対する相対高さＨ、Ｌの差（Ｈ−Ｌ）により、地盤３の変位Ｄ＝Ｈ−Ｌを取得する。

なお、図２では、２次元レーザー距離計２１が、トロリーシュー１１よりもＬだけ低い高さに取り付けられた場合が示されているが、２次元レーザー距離計２１が、トロリーシュー１１と同じ高さに取り付けられるように設計すれば、Ｌ＝０となり、地盤変位ＤはＤ＝Ｈとして簡単に取得できる。

線路軌道２の地盤３の変位Ｄが大きい場合は、上記基準点１０に対するトロリー４の相対高さＨが測定領域Ｍ内で大きく変動することとなるため、トロリー４が常に測定領域Ｍ内に収まるように、トロリーシュー１１と同じ高さに２次元レーザー距離計２１を設置し、トロリー４をレーザーの照射点と同じ高さとすることが好ましい。

２次元レーザー距離計２１およびコンピュータ２２による、トロリー４の高さの取得方法を、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して具体的に説明する。

２次元レーザー距離計２１は、測定領域Ｍ、すなわち高さ方向（地盤３の変位Ｄの発生方向）２００ｍｍ、軌道方向２０００ｍｍにわたり、１０００×１０００画素の各々について、２次元レーザー距離計２１からトロリー４までの水平距離を測定する。

図３（ａ）は、２次元レーザー距離計２１によって測定領域Ｍ全体について測定された、２次元レーザー距離計２１からトロリー４までの水平距離の測定値を、グレースケールで示したものであり、水平距離の測定値が小さいほど淡色、大きい程濃色で示している。

図３（ａ）では、上述のとおり、２次元レーザー距離計２１をトロリーシュー１１と同じ高さに取り付けることで、２次元レーザー距離計２１の基準点１０に対するトロリーシュー１１の相対高さＬが０となる場合を前提にして、縦軸の地盤変位方向高さの値を示している。すなわち、図３（ａ）の縦軸の地盤変位方向高さは、２次元レーザー距離計２１の基準点１０に対するトロリー４の相対高さＨを示しており、Ｈ＝０のとき２次元レーザー距離計２１の基準点１０とトロリー４は同じ高さにある。

具体的には、２次元レーザー距離計２１の高さ方向の測定領域１０００画素の中心である５００画素位置を、基準点１０とし、この基準点１０からトロリー４の鉛直方向断面（以下、「断面」という）の中心までの高さＨが、地盤３の変位Ｄと等しい値になるようにしている。

トロリー４が存在する高さにおいては、水平距離の測定値は、２次元レーザー距離計２１からトロリー４の側面までの水平距離に対応する。また、トロリー４が存在しない高さにおいては、２次元レーザー距離計２１は、トロリー４よりも遠方の障害物までの水平距離を測定することとなるため、水平距離の測定値は、大きな値をとることとなる。

図３（ａ）では、高さが約−１０ｍｍ〜約＋１０ｍｍの位置に淡色の帯状域３１が表れているが、これは、この高さにトロリー４が存在して、水平距離の測定値が小さくなるためである。このように、２次元レーザー距離計２１の水平方向の測定値が小さくなる高さから、トロリー４の高さを特定することが出来る。

トロリー４の高さの基準は、各設備によって異なるが、本実施の形態では、図３（ａ）の帯状域３１の幅の中央点を、トロリー４の高さとする。図３（ａ）の軌道方向各位置において、トロリー４の高さを取得することで、軌道方向各位置における地盤３の変位Ｄも取得できる。

ただし、本実施の形態では、線路軌道２が屋内と屋外にまたがって設けられるとともに、距離計として２次元レーザー距離計２１を用いるため、屋外の強い太陽光や室内の強い照明などの外乱によって、測定ノイズが発生することがある。図３（ａ）では、軌道方向位置が０〜約１１００ｍｍの範囲では、高さが約＋４０ｍｍ〜＋６０ｍｍの位置にも淡色の帯状域３２が表れており、水平距離の測定値が小さくなっているが、これは、この軌道方向位置の範囲で外乱が存在することにより、測定ノイズが発生したものである。

図３（ｂ）は、図３（ａ）において測定ノイズが含まれる軌道方向位置１０００ｍｍ（図３（ａ）の点線参照）において、高さ方向−５０〜５０ｍｍにわたって分布する１０００画素の水平距離の測定値の分布パターン（プロファイル）を示したものである。図３（ｂ）中、３１ａは２次元レーザー距離計２１からトロリー４までの水平距離、３２ａは太陽光や照明などの外乱によって生じた測定ノイズである。図３（ｂ）では、トロリー４の高さではなく測定ノイズ部分で、水平距離の測定値が最小となっている。

次に、コンピュータ２２で、２次元レーザー距離計２１によって測定された水平距離の測定値から、トロリー４の高さを取得し、このトロリー４の高さから地盤３の変位Ｄを取得する手法について、図３（ｃ）を参照して説明する。

図３（ｂ）に示すように、２次元レーザー距離計２１による水平距離の測定値は、トロリー４の上端と下端の高さで急激に変化するため、この二つの変化点の中央の高さ（トロリー４の上端の高さと下端高さの中央の高さ）を、トロリー４の高さとして取得することも考えられる。しかし、変化点を検出すべく、２次元レーザー距離計２１による水平距離の測定値の分布パターン（プロファイル）を高さ方向に微分すると、トロリー４が強い鏡面性を有するため、上記変化点付近でデータ欠損が生じ、微分値が得られない場合がある。そこで、本実施の形態では、下記のとおりパターンマッチングを用いて、トロリー４の高さを判定している。

つまり、コンピュータ２２が地盤３の変位Ｄを算出するにあたって、パターンマッチングを用いて、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内でトロリー４の高さを判定する。パターンマッチングとは、データ中に、特定のパターンが出現するかどうか、またどこに出現するかを特定する手法であり、これを用いてデータ中の文字や図形などを検索することができる。具体的なパターンマッチングの計算方法としては、例えばＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」（登録商標）および拡張パッケージ「Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｏｏｌｂｏｘ」の「ｎｏｒｍｘｃｏｒｒ２関数（正規化された２次元相互相関）」（［ｏｎｌｉｎｅ］、［２０１９年２月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://jp.mathworks.com/help/images/ref/normxcorr2.html＞）を使用できる。

本実施の形態の軌道地盤変位測定装置２０では、パターンマッチングの評価基準となる基準パターンを、トロリー４の断面形状に基づいて設定する。本実施の形態では、トロリー４の断面形状として一次元の断面情報を用いて、基準パターンを設定するが、これに代えて、例えば、所定の軌道方向範囲内におけるトロリー４の断面形状に基づいて基準パターンを設定しても良い。

コンピュータ２２は、測定領域Ｍ内の各軌道方向位置における水平距離の測定値の分布パターンを２次元レーザー距離計２１から取得し、基準パターンに対するこの水平距離の分布パターンの相関係数を算出して、パターンマッチングの度合いを示す評価値とする。この評価値を、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内の各高さ位置について計算する。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）と同じ軌道方向位置１０００ｍｍ（図３（ａ）の点線参照）において、高さ方向−４０〜６０ｍｍにわたって分布する５００画素の水平距離の測定値の分布パターンについて、上記パターンマッチングを行った評価値の分布を示したものである。

コンピュータ２２は、このパターンマッチングの評価値のピークが生じる高さを、トロリー４の高さとして取得し、このトロリー４の高さから軌道２の地盤３の変位Ｄを取得する。

図３（ｃ）のパターンマッチング評価値の曲線においては、３１ｂはトロリー４の高さで生じる評価値のピーク、３２ｂは測定ノイズに起因して生じる評価値のピークであり、パターンマッチングの評価値の分布のピークが二つ表れている。

トロリー４の断面形状が複雑であれば、これに対応する基準パターンも複雑になる。よって、２次元レーザー距離計２１による水平距離の測定値に測定ノイズが含まれている場合においても、測定ノイズと基準パターンの相関係数は小さく、パターンマッチングの評価値の分布は、ピークが一つとみなせる単峰性となり、トロリー４の高さでパターンマッチングの評価値が最大となる。

そして、パターンマッチングの評価値の分布が単峰性であれば、測定ノイズが発生していないか、あるいは測定ノイズが発生していてもトロリー４の高さを誤判定する恐れが無いため、コンピュータ２２はパターンマッチングの評価値の最大値が生じる高さをトロリー４の高さとして取得する。

しかし、トロリー４の断面形状が複雑でない場合、図３（ｃ）のように、トロリー４の高さで生じる評価値と、測定ノイズに起因して生じる評価値の区別ができない。特に、図３（ｃ）のように、トロリー４の高さではなく測定ノイズ部分で、パターンマッチングの評価値の最大値が生じる場合には、この最大値が生じる高さをトロリー４の高さとして取得すると、トロリー４の高さの誤判定が発生してしまう。

ここで、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍにおいて、トロリー４の高さの判定に影響を及ぼす太陽光や屋内照明に起因する測定ノイズは、トロリー４と異なる高さに発生することを、発明者らは発見した。

そこで、測定ノイズによるトロリー４の高さの誤判定を防ぐため、図４（ａ）に示すように、まず最初に、コンピュータ２２は、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内の軌道方向位置０〜２０００ｍｍのうち、パターンマッチングの評価値の分布が単峰性となるようないずれかの軌道方向位置を特定し、これを初期位置Ｐ０として設定するとともに、この初期位置Ｐ０において取得されたトロリー４の高さを、初期トロリー高さＨ０として設定する。もし、測定領域Ｍ内の軌道方向位置１〜２０００ｍｍにおいて、パターンマッチングの評価値の分布が単峰性となるような軌道方向位置を特定できない場合には、運搬台車１を線路軌道２に沿って移動させることで測定領域Ｍ全体を変更し、変更後の測定領域Ｍ内の軌道方向位置０〜２０００ｍｍのうちいずれかの軌道方向位置で、パターンマッチングの評価値の分布が単峰性となるような軌道方向位置を特定する。そして、初期トロリー高さＨ０を含み、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍよりも狭い制限高さ方向範囲Ｓを設定する。

本実施の形態では、制限高さ方向範囲Ｓの大きさを、トロリー４の断面の上下方向の幅（２０ｍｍ）よりも少し大きい３０ｍｍとした。制限高さ方向範囲Ｓの大きさは、これに限られるものでなく、トロリー４と異なる高さに発生する測定ノイズを、制限高さ方向範囲Ｓ外に排除できる大きさであれば良い。

次いで、図４（ｂ）に示すように、コンピュータ２２は、初期位置Ｐ０に隣接する隣接位置Ｐ１におけるトロリー４の高さを取得する。隣接位置Ｐ１は、初期位置Ｐ０から、トロリー４の高さの測定間隔だけ軌道方向に移動した位置である。なお、トロリー４の高さの測定間隔は、予め設定しておく。本実施の形態では、トロリー４の高さの測定を、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内で、全ピクセルについて行うが、測定領域Ｍ内の軌道方向位置０〜２０００ｍｍに存在する画素数は１０００であるから、測定間隔は２ｍｍとなる。したがって、隣接位置Ｐ１は、初期位置Ｐ０の画素に隣接する画素の位置、すなわち初期位置Ｐ０から軌道方向に２ｍｍ移動した位置である。この隣接位置Ｐ１における水平距離の測定値についてもパターンマッチングを行い、このパターンマッチングの評価値の、制限高さ方向範囲Ｓ内における最大値が生じる高さを、この隣接位置Ｐ１におけるトロリー４の高さとして取得しても良いが、計算負荷が大きい。そこで、これに代えて、隣接位置Ｐ１ではパターンマッチングを省略し、制限高さ方向範囲Ｓ内において水平距離の測定値の最小値を特定し、この最小値に対する水平距離の測定値の変化率が所定値以内となる地盤変位方向高さの範囲を取得し、この地盤変位方向高さの範囲の最大値と最小値の中央値を、トロリー４の高さとして取得することで、計算負荷を大幅に軽減できる。上記変化率は、例えば、水平距離の測定値の最小値の１０％に設定することができる。あるいは、水平距離の測定値が最小値となる地盤変位方向高さをそのままトロリー４の高さとして取得してもよい。

このように、隣接位置Ｐ１におけるトロリー４の高さの取得を、測定領域Ｍの高さ方向範囲よりも狭い制限高さ方向範囲Ｓに限定して行うことで、測定ノイズが制限高さ方向範囲Ｓの外に排除され、測定ノイズの影響を受けることなくトロリー４の高さを正しく取得できる。

さらに、図４（ａ）に示すように、コンピュータ２２は、隣接位置Ｐ１にさらに隣接する隣接位置Ｐ２におけるトロリー４の高さＨ２を取得する。このとき、先の隣接位置Ｐ１において取得されたトロリー４の高さＨ１を用いて初期トロリー高さをＨ０からＨ１に変更し、変更後の初期トロリー高さＨ１を基準として制限高さ方向範囲Ｓを再設定した上で、隣接位置Ｐ２におけるトロリー４の高さＨ２の取得を、修正後の制限高さ方向範囲Ｓに限定して行う。

図４（ｂ）では、隣接位置Ｐ１における水平距離の測定値を実線で、隣接位置Ｐ２における水平距離の測定値を破線で、それぞれ示している。図４（ｂ）に示すように、隣接位置Ｐ２では測定ノイズが発生しているが、この測定ノイズは、制限高さ方向範囲Ｓの外に排除されている。

この処理を繰り返すことにより、初期位置Ｐ０以外の軌道方向位置において、測定ノイズの有無に関わらず、トロリー４の高さＨを正しく取得できる。

２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍの、軌道方向２０００ｍｍの範囲内におけるパターンマッチングの処理順序については、２次元レーザー距離計２１により水平距離の測定値が得られる度に、単純に軌道方向位置０ｍｍから順に処理を行っても良い。ただし、運搬台車１が走行する線路軌道２の水平方向の位置は不変であるので、線路軌道２において測定ノイズが発生しにくい水平方向の位置を予め調べて特定しておき、このような軌道方向位置を初期位置Ｐ０としてパターンマッチングを開始すると良い。このようにすれば、初期位置Ｐ０におけるパターンマッチングの評価値の分布を確実に単峰性とすることができ、算出部２２による処理を大幅に簡略化でき、軌道地盤変位測定装置２０のコスト低減を図ることができる。

上に説明した、軌道地盤変位測定装置２０による線路軌道２の地盤３の変位Ｄの測定処理の流れを、図５のフローチャートを参照して改めて説明すると、次のようになる。

まず、ステップＳ１において、軌道地盤変位測定装置２０は、運搬台車１が線路軌道２のいずれかの位置にある状態で、地盤３の変位Ｄの測定処理を開始する。

次いで、ステップＳ２において、２次元レーザー距離計２１は、測定領域Ｍ、すなわち高さ方向（地盤３の変位Ｄの発生方向）２００ｍｍ、軌道方向２０００ｍｍにわたり、１０００×１０００画素の各々について、２次元レーザー距離計２１からトロリー４までの水平距離を測定する。

次いで、ステップＳ３において、コンピュータ２２は、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍの、軌道方向２０００ｍｍの範囲内において、いずれかの軌道方向位置を選択する。

次いで、ステップＳ４において、コンピュータ２２は、２次元レーザー距離計２１の、上記軌道方向位置の各画素における、水平距離の測定値の分布パターン（プロファイル）を取得する。

次いで、ステップＳ５において、コンピュータ２２は、ステップＳ４で取得された測定値の分布パターンを、トロリー４の断面形状に基づいて予め設定された基準パターンと比較し、両者の相関係数を算出して、パターンマッチングの度合いを示す評価値の分布を取得する。

次いで、ステップＳ６において、コンピュータ２２は、ステップＳ５で取得されたパターンマッチングの評価値の分布が単峰性であるか否かを判定する。ステップＳ６で単峰性でない（Ｎｏ）と判定された場合は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、前のステップで選択された軌道方向位置を、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍの、軌道方向２０００ｍｍの範囲内において変更するか、または運搬台車１を線路軌道２に沿って移動させることで測定領域Ｍ全体を変更し、ステップＳ３に戻る。そして再び、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。

ステップＳ６で、パターンマッチングの評価値の分布が単峰性である（Ｙｅｓ）と判定された場合は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、コンピュータ２２は、ステップＳ６でパターンマッチングの評価値の分布が単峰性であると判定された軌道方向位置を、初期位置Ｐ０として設定する（図４（ａ）参照）。

次いで、ステップＳ９では、コンピュータ２２は、ステップＳ６で単峰性であると判定された、パターンマッチングの評価値の最大値が生じる高さを、この初期位置Ｐ０におけるトロリー４の高さＨ０として取得する（図４（ａ）参照）。

ステップＳ１０では、コンピュータ２２は、ステップＳ９で取得されたトロリー４の高さにＨ０に基づいて、初期位置Ｐ０における地盤３の変位Ｄを取得する。本実施の形態では、上述のとおり、２次元レーザー距離計２１をトロリーシュー１１と同じ高さに取り付けており、２次元レーザー距離計２１の画素の中心である基準点１０に対するトロリー４の相対高さＨが地盤３の変位Ｄと等しい値になるので、初期位置Ｐ０における地盤３の変位Ｄは、Ｄ＝Ｈ０と算出される。

ステップＳ１１では、コンピュータ２２は、初期位置Ｐ０から、トロリー４の高さの測定間隔だけ軌道方向に移動した隣接位置Ｐ１を設定する。本実施の形態では、上述のとおり、２次元レーザー距離計２１の初期位置Ｐ０の画素に隣接する画素の位置が、隣接位置Ｐ１となる。

ステップＳ１２では、コンピュータ２２は、初期位置Ｐ０において取得されたトロリー４の高さＨ０を初期トロリー高さとし、この初期トロリー高さＨ０を基準として初期トロリー高さＨ０を含むとともに、測定領域Ｍの高さ方向範囲よりも狭い制限高さ方向範囲Ｓを設定する（図４（ａ）参照）。

ステップＳ１３では、コンピュータ２２は、２次元レーザー距離計２１の、上記隣接位置Ｐ１の各画素における、水平距離の測定値の分布パターンを取得する。

ステップＳ１４では、コンピュータ２２は、上記制限高さ方向範囲Ｓ内において、隣接位置Ｐ１の水平距離の測定値の最小値が生じる高さの中央値（図４（ａ）、図４（ｂ）参照）を、隣接位置Ｐ１におけるトロリー４の高さＨ１（図４（ｂ）中では「Ｈ」として示す）として取得する。

ステップＳ１５は、コンピュータ２２は、ステップＳ１４で取得されたトロリー４の高さＨ１（Ｈ）に基づいて、隣接位置Ｐ１における地盤３の変位Ｄを取得する。

ステップＳ１６では、コンピュータ２２は、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内の全軌道方向位置で、地盤３の変位Ｄの取得が終了しているか否かを判定する。ステップＳ１６で、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内の全軌道方向位置での地盤３の変位Ｄの取得が終了していない（Ｎｏ）と判定された場合は、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、コンピュータ２２は、隣接位置Ｐ１から、トロリー４の高さの測定間隔だけ軌道方向にさらに移動した位置を、新たな隣接位置Ｐ２として再設定する。本実施の形態では、上述のとおり、２次元レーザー距離計２１の、再設定前の隣接位置Ｐ１の画素に隣接する画素の位置が、再設定後の隣接位置Ｐ２となる。

ステップＳ１８では、コンピュータ２２は、再設定前の隣接位置Ｐ１において取得されたトロリー４の高さＨ１を基準として、このトロリー４の高さＨ１を含むように、制限高さ方向範囲Ｓを再設定する（図４（ａ）参照）。そして、ステップＳ１３に戻り、再びステップＳ１３以降の処理を繰り返す。

ステップＳ１６で、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内の全軌道方向位置での地盤３の変位Ｄの取得が終了している（Ｙｅｓ）と判定された場合は、ステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、コンピュータ２２は、線路軌道２のうち、地盤３の変位Ｄの測定対象とする部分の全長にわたって、地盤３の変位Ｄの取得が終了しているか否かを判定する。ステップＳ１９で、線路軌道２のうち、地盤３の変位Ｄの測定対象とする部分の全長にわたって、地盤３の変位Ｄの取得が終了していない（Ｎｏ）と判定された場合は、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、コンピュータ２２は、運搬台車１を線路軌道２に沿って、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍの軌道方向２０００ｍｍよりも小さい距離だけ走行させて、２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ全体を移動する。ステップＳ２０における測定領域Ｍの移動距離は、測定領域Ｍの軌道方向の幅（本実施の形態では２０００ｍｍ）よりもわずかに小さい大きさにすると、測定領域Ｍの移動回数が少なくなり、測定効率上好ましい。

ステップＳ２１では、コンピュータ２２は、ステップＳ１７と同様の方法により、隣接位置Ｐ（Ｎ−１）から、トロリー４の高さの測定間隔だけ軌道方向にさらに移動した位置を、新たな隣接位置ＰＮとして再設定する（ここで、Ｎは自然数）。このステップＳ２１の処理は、移動後の測定領域Ｍの各画素の位置と、移動前の測定領域Ｍの各画素の位置とを、ステップＳ２０における測定領域Ｍの移動距離、すなわち運搬台車１の走行距離を用いて対応付けることにより行う。本実施の形態では、移動前の測定領域Ｍに存在する、再設定前の隣接位置Ｐ（Ｎ−１）の画素と同じ軌道方向位置にある、移動後の測定領域Ｍの画素を特定する。そして、移動後の測定領域Ｍにおいて、上記のとおり特定された画素に隣接する画素の位置が、再設定後の隣接位置ＰＮとなる。

ステップＳ２２では、コンピュータ２２は、ステップＳ１８と同様の方法により、再設定前の隣接位置Ｐ（Ｎ−１）において取得されたトロリー４の高さＨ（Ｎ−１）を基準として、このトロリー４の高さＨ（Ｎ−１）を含むように、制限高さ方向範囲Ｓを再設定する（図４（ａ）参照）。そして、ステップＳ１３に戻り、再びステップＳ１３以降の処理を繰り返す。

ステップＳ１９で、線路軌道２のうち、地盤３の変位Ｄの測定対象とする部分の全長にわたって、地盤３の変位Ｄの取得が終了している（Ｙｅｓ）と判定された場合は、ステップＳ２３に進み、軌道地盤変位測定装置２０による線路軌道２の地盤３の変位Ｄの測定処理を終了する。

図６は、本実施の形態の軌道地盤変位測定装置２０によって、図３（ａ）に示す測定領域Ｍでの水平距離の測定値に基づいて取得した、線路軌道２の軌道方向各位置における地盤３の変位Ｄを示すグラフである。図３（ａ）に示されるとおり、屋外の太陽光や室内照明などの強い外乱による測定ノイズが２次元レーザー距離計２１による測定値に含まれていても、図６のように安定して地盤変位を測定することができる。

そして、本実施の形態の軌道地盤補修方法は、軌道地盤変位測定装置２０によって上記のとおり測定された線路軌道２の地盤３の変位Ｄが予め定めた閾値を超えるような、運搬台車１の走行位置の地盤３を補修して、この走行位置における上記変位Ｄが前記閾値以内となるようにする。この軌道地盤補修方法について、以下に具体的に説明する。

まず、軌道地盤変位測定装置２０により、線路軌道２の地盤３の変位Ｄを、線路軌道２の各軌道方向位置で測定する。図７に、軌道地盤変位測定装置２０により測定された、地盤３の変位Ｄの例を示す。図７では、地盤３の変位Ｄの測定値を、測定開始からの経過時間である測定時刻との関係として示している。図７では、線路軌道２の軌道長２０００ｍｍの区間毎に算出された、地盤３の変位Ｄの平均値をプロットして示している。

各測定時刻は、運搬台車１の走行位置、すなわち線路軌道２の軌道方向位置と対応する。すなわち、地盤３の変位Ｄの各測定値について、線路軌道２の軌道方向位置を、測定時間と運搬台車１の速度とから算出できる。

図７に示す、地盤３の変位Ｄの測定値の例では、線路軌道２のほとんどの軌道方向位置では、地盤３の変位Ｄの測定値は０ｍｍに近く、地盤３の変位Ｄはほとんど生じていない一方で、地盤３の変位Ｄの測定値が大きい領域Ａも生じている。この領域Ａでは、線路軌道２が、雨風に晒される屋外に設けられており、この領域Ａを重量の大きな運搬台車１が繰り返し走行すると、線路軌道２の地盤３が沈下して変位Ｄが大きく生じやすいものと考えられる。

本実施の形態の軌道地盤補修方法では、上述のとおり、地盤３の変位Ｄが、予め定めた閾値以内となるように、地盤３を補修する。この閾値は、例えば、運搬台車１のトロリーシュー１１の鉛直方向長さを基準として設定できる。すなわち、トロリーシュー１１の鉛直方向の中央からトロリーシュー１１の上端まで、およびトロリーシュー１１の鉛直方向の中央からトロリーシュー１１の下端の長さを基準として、上記閾値を設定し、線路軌道２の地盤３の変位Ｄがこの閾値以内となるように地盤３を補修する。これにより、トロリー４の高さが、運搬台車１のトロリーシュー１１の上端よりも高くなったり、下端よりも低くなったりして、運搬台車１への給電トラブルが生じることを防止できる。

本実施の形態では、運搬台車１のトロリーシュー１１の鉛直方向の中央から上端、下端までの長さが９０ｍｍ（鉛直方向の全長が１８０ｍｍ）であることを基準として、余裕を見て９０ｍｍの１／３の３０ｍｍを地盤３の変位Ｄの閾値として設定し、運搬台車１への給電トラブルを確実に防止するようにしている。

図７に示す、地盤３の変位Ｄの測定値の例では、地盤３の変位Ｄが、閾値３０ｍｍを超える軌道方向位置が、上記領域Ａ中の地点１〜３の３箇所で発生している。これら地点１〜３の各々について、突き固めにより地盤３を補修したときの、補修前後の地盤３の変位Ｄを比較して、図８に示す。線路軌道２の地盤３の変位Ｄが、閾値３０ｍｍを超える地点１〜３において、突き固めにより地盤３を補修することで、これら地点１〜３における地盤３の変位Ｄを、補修前よりも小さくできている。

本実施の形態の軌道地盤変位測定装置２０によれば、運搬台車１の線路軌道２の地盤３上に存在する構造物による影響を受けることなく、迅速かつ自動的に、運搬台車１の下部の線路軌道２の地盤３の変位Ｄを正確に測定することができる。

特に、トロリー４とトロリーシュー１１は、給電のため常時接触させる必要があるので、これらの間すなわち２次元レーザー距離計２１の測定領域Ｍ内には、障害物は存在しない。よって、２次元レーザー距離計２１による距離の測定値には、障害物に起因する測定ノイズが発生せず、地盤３の変位Ｄを正確に測定することが可能になる。

また、本実施の形態の軌道地盤変位測定装置２０では、２次元レーザー距離計２１によって測定された水平距離の測定値の分布パターンを、トロリー４の断面形状に基づいて設定される基準パターンと比較するパターンマッチングの評価値が単峰性である場合に、この評価値の分布のピークが生じる高さを、トロリー４の高さとして取得するので、太陽光や室内照明などの外乱に起因する測定ノイズの影響を排除して、これらの外乱の影響を受けずに、地盤の変位をさらに正確に測定することができる。

また、本発明の軌道地盤変位測定装置および軌道地盤補修方法は、製鉄所におけるスラブの運搬台車１に限らず、軌道に沿って設けられたトロリーから受電して走行するあらゆる車両の軌道の地盤の変位を測定して補修するために適用可能である。

また、本発明の軌道地盤補修方法によれば、軌道地盤変位測定装置によって測定された地盤の変位が、予め定めた閾値を超えるような、車両の走行位置を特定し、この走行位置の地盤を補修することで、車両のトロリーシューとトロリーとの接触不良などによる給電トラブルを簡単かつ確実に防止でき、安定的に車両の走行を行える。

なお、上記実施の形態では、距離計として２次元レーザー距離計２１を用いたが、距離計はこれに限られるものではなく、レーザー距離計以外の光学式距離計や超音波距離計を用いることも可能であるし、また２次元距離計に代えて、２台のカメラなどを用いたステレオ手法を用いることも可能である。また、上記実施の形態では、地盤３の変位Ｄの閾値を、運搬台車１のトロリーシュー１１の鉛直方向の中央から上端、下端までの長さを基準として、３０ｍｍ以内に設定したが、閾値の設定方法はこれに限られるものではない。

１ 車両（運搬台車）
２ 軌道
３ 地盤
４ トロリー
１０ 基準点
１１ トロリーシュー
２０ 軌道地盤変位測定装置
２１ ２次元レーザー距離計（距離計）
２２ コンピュータ（算出部）
３１ （トロリーの高さで生じる）帯状域
３２ （測定ノイズに起因する）帯状域
Ｄ （地盤の）変位
Ｈ（Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２） トロリーの（相対）高さ
Ｌ トロリーシューの相対高さ
Ｍ 測定領域
Ｓ 制限高さ方向範囲
Ｐ０ 初期位置
Ｐ１、Ｐ２ 隣接位置

Claims (7)

1. 軌道横に設けられたトロリーからトロリーシューを通じて受電して走行する車両の軌道の地盤の変位を測定する軌道地盤変位測定装置であって、
   前記車両の側部に取り付けられ、前記車両と前記トロリーとの距離を複数の高さ方向の位置で測定する距離計と、
   前記距離計によって測定された前記距離の前記高さ方向の分布から前記トロリーの高さを取得し、前記トロリーの高さから前記地盤の変位を取得する算出部と
   を有することを特徴とする軌道地盤変位測定装置。
2. 前記算出部は、前記トロリーの高さを、前記車両に設定される基準点に対する相対高さとして取得するとともに、前記基準点に対する前記トロリーシューの相対高さと、前記基準点に対する前記トロリーの相対高さとの差により、前記地盤の変位を取得すること
   を特徴とする請求項１に記載の軌道地盤変位測定装置。
3. 前記距離計は、前記トロリーの高さを含む所定の高さ方向範囲および所定の軌道方向範囲である測定領域にわたって、前記距離を測定し、
   前記算出部は、前記測定領域内における前記距離の測定値の分布パターンを、前記トロリーの断面形状に基づいて予め設定される基準パターンと比較するパターンマッチングを行い、前記パターンマッチングの評価値の分布のピークが生じる高さを、前記トロリーの高さとして取得すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の軌道地盤変位測定装置。
4. 前記算出部は、前記パターンマッチングの評価値の分布が単峰性となるとき、前記パターンマッチングの評価値の最大値が生じる高さを前記トロリーの高さとして取得することを特徴とする請求項３に記載の軌道地盤変位測定装置。
5. 前記算出部は、前記測定領域内において前記パターンマッチングの評価値の分布が単峰性となるような軌道方向位置を、初期位置として設定し、
   前記初期位置において取得された前記トロリーの高さを含むとともに前記高さ方向範囲よりも狭い制限高さ方向範囲を設定し、
   前記初期位置に隣接する隣接位置における前記トロリーの高さの取得を、前記制限高さ方向範囲内に限定して行うこと
   を特徴とする請求項４に記載の軌道地盤変位測定装置。
6. 前記算出部は、前記隣接位置において前記制限高さ方向範囲内において前記距離の測定値の最小値が生じる高さを、前記隣接位置における前記トロリーの高さとして取得すること
   を特徴とする請求項５に記載の軌道地盤変位測定装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の軌道地盤変位測定装置によって測定された軌道の地盤の変位が予め定めた閾値を超える場合の前記車両の走行位置の地盤を補修して、前記走行位置における前記変位が前記閾値以内となるようにすることを特徴とする軌道地盤補修方法。

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