JP7264001B2

JP7264001B2 - 摩耗状態検出装置

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Publication number: JP7264001B2
Application number: JP2019179463A
Authority: JP
Inventors: 匠朗川畑; 大樹山本; 勇介渡部
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021056101A

Description

本発明は、架線の摩耗状態を検出する摩耗状態検出装置に関する。

一般に、電気鉄道車両へ電力を供給する架線は、車両が通過する度に集電装置と接触するため、電気鉄道車両の運用により架線は徐々に摩耗していき、最終的には破断してしまう。
そこで、架線には摩耗限界が設けられており、この摩耗限界を目安にして架線を交換することで電気鉄道車両の安定した運用が維持されている。

従来、架線の摩耗状態を測定する方法としては、架線の厚みを直接測定する方法と、架線の摩耗部の幅を測定してその幅からトロリ線の厚みを換算する方法とを挙げることができる。

従来技術の一例である特許文献１には、トロリ線の摩耗部の幅を正確に測定し、かつ、測定装置を小型化可能な摩耗状態計測装置が開示されている。
特許文献１に開示された摩耗状態計測装置は、ラインセンサを用いて摩耗部の幅を撮影したラインセンサ画像を作成してこれを入力画像として保存し、二値化処理を行うことによりトロリ線摩耗部分を強調し、ノイズ除去を行い、エッジ検出を行い、検出したエッジにより摩耗部の幅を測定する。
このように、正確に測定された摩耗部の幅に基づいて、トロリ線の厚みを特定することができる。

特開２００６－２４８４１１号公報

略円形の断面形状を有する架線においては、摩耗高さが架線の半径より小さい場合には摩耗高さの増加に従って摩耗部の幅が増加していく一方で、摩耗高さが架線の半径より大きい場合には摩耗高さの増加に従って摩耗部の幅が減少していく。
以下の説明においては、摩耗高さの増加に従って摩耗部の幅が増加していく状態を「通常摩耗状態」と呼び、摩耗高さの増加に従って摩耗部の幅が減少していく状態を「過剰摩耗状態」と呼ぶものとする。
ところで、従来の技術では、摩耗高さが、通常摩耗状態の摩耗限界を超えないことを前提としている。
そのため、過剰摩耗状態が生じてしまっていても、摩耗部の幅が同じ通常摩耗状態であるとして摩耗高さが求められ、結果として摩耗高さを小さく見積もってしまい、破断の危険が高い状態を見過ごしてしまう、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って、架線の摩耗高さを正確に特定可能な摩耗状態検出装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決して目的を達成する本発明は、検出対象である架線の下に配された、少なくとも１つのラインセンサからの画像であるラインセンサ画像を取得する画像取得部と、前記架線の距離データを取得する距離取得部と、前記ラインセンサ画像、前記距離データ及び前記ラインセンサ画像を取得したラインセンサのカメラパラメータから前記架線の摩耗面の中心座標及び摩耗幅を含む摩耗データを生成する摩耗検出部と、前記ラインセンサ画像、前記距離データ、前記カメラパラメータ及び前記摩耗データから前記架線の摩耗していない非摺動面の状態を検出し、非摺動面の状態に基づいて、前記架線の摩耗高さが前記架線の半径以上となる過剰摩耗状態であるか否かを判定し、前記架線が過剰摩耗状態であれば過剰摩耗フラグを生成する過剰摩耗判定部と、前記過剰摩耗フラグ及び前記摩耗データから、前記架線の残存直径を算出して残存直径データを生成する残存直径計算部と、を備える摩耗状態検出装置である。

上記構成の本発明において、前記ラインセンサ画像が、前記架線の直下で取得した画像であってもよい。

上記構成の本発明において、前記ラインセンサ画像が、前記架線を基準として枕木方向のいずれかの隔離された位置に配置された位置で取得した画像であってもよい。

上記構成の本発明において、前記ラインセンサ画像が、前記架線の直下で取得した画像と、前記架線を基準として枕木方向のいずれかの隔離された位置に配置された位置で取得した画像と、を含むことが好ましい。

本発明によれば、架線の摩耗高さを正確に特定可能な摩耗状態検出装置を得ることができる、という効果を奏する。

図１（Ａ）は、実施形態１に係る摩耗状態検出装置が搭載される車両の概略構成を示す模式図であり、図１（Ｂ）は、摩耗用ラインセンサと、架線との位置関係を示す図である。図２（Ａ）は、摩耗した状態の架線の形状を示す図であって、摩耗高さが架線の半径より小さい場合の架線の断面外形と、下面側から撮像した架線の底面外形とを示す図であり、図２（Ｂ）は、摩耗した状態の架線の形状を示す図であって、摩耗高さが架線の半径以上である場合の架線の断面外形と、下面側から撮像した架線の底面外形とを示す図である。図３は、実施形態１に係る摩耗状態検出装置の構成を示すブロック図である。図４は、実施形態１に係る摩耗状態検出装置の動作を示すフローチャートである。図５は、実施形態１における過剰摩耗判定部の過剰摩耗判定の動作を示すフローチャート及びこれを補足する図である。図６（Ａ）は、実施形態１において、残存直径計算部において用いられる摩耗幅ｍ及び半径ｒと、計算される残存直径ｄと、の通常摩耗状態における関係を示す図であり、図６（Ｂ）は、実施形態１において、残存直径計算部において用いられる摩耗幅ｍ及び半径ｒと、計算される残存直径ｄと、の過剰摩耗状態における関係を示す図である。図７（Ａ）は、実施形態２に係る摩耗状態検出装置が搭載される車両の概略構成を示す模式図であり、図７（Ｂ）は、摩耗用ラインセンサと、非摺動面用ラインセンサと、架線との位置関係を示す図である。図８（Ａ）は、実施形態２に係る摩耗状態検出装置が備える非摺動面用ラインセンサによって取得した通常摩耗状態の架線の断面外形及び架線の撮像面外形を示す図であり、図８（Ｂ）は、実施形態２に係る摩耗状態検出装置が備える非摺動面用ラインセンサによって取得した過剰摩耗状態の架線の断面外形及び撮像面外形を示す図である。図９は、実施形態２に係る摩耗状態検出装置の構成を示すブロック図である。図１０は、実施形態２における過剰摩耗判定部の過剰摩耗判定方法を示すフローチャートである。図１１は、実施形態２において、摩耗高さが架線の半径と等しい場合の非摺動面用ラインセンサと、架線との位置関係を示す図である。図１２は、横軸を摩耗高さとし、縦軸を幅とし、摩耗面幅関数及び非摺動面幅関数を示す図である。図１３は、実施形態３における過剰摩耗判定部の過剰摩耗判定方法を示すフローチャートである。図１４（Ａ）は、実施形態３における実際の取得画像を示す図であり、図１４（Ｂ）は、実施形態３における非摺動面のある第１の理想テンプレート画像を示す図であり、図１４（Ｃ）は、実施形態３における非摺動面のない第２の理想テンプレート画像を示す図である。図１５は、実施形態４における通常摩耗状態における非摺動面用ラインセンサと、架線との位置関係を示す図である。図１６は、実施形態４における過剰摩耗状態における非摺動面用ラインセンサと、架線との位置関係を示す図である。図１７（Ａ）は、実施形態４における摩耗用ラインセンサの取得画像を示す図であり、図１７（Ｂ）は、実施形態４における計測した摩耗幅を持つ通常摩耗状態の断面外形を示す図であり、図１７（Ｃ）は、実施形態４における計測した摩耗幅を持つ過剰摩耗状態の断面外形を示す図であり、図１７（Ｄ）は、実施形態４における通常摩耗状態である第１の理想テンプレート画像を示す図であり、図１７（Ｅ）は、実施形態４における過剰摩耗状態である第２の理想テンプレート画像を示す図であり、図１７（Ｆ）は、実施形態４における非摺動面用ラインセンサの画像を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
ただし、本発明は、以下の実施形態の記載によって限定解釈されるものではない。

＜実施形態１＞
図１（Ａ）は、本実施形態に係る摩耗状態検出装置が搭載される車両１０の概略構成を示す模式図である。
図１（Ａ）には、第１のラインセンサである摩耗用ラインセンサ１１と、第２のラインセンサである距離用ラインセンサ１２と、照明１３と、パンタグラフ１４と、パンタグラフ上部位置１５と、検出対象である架線１６と、摩耗用ラインセンサ１１の走査方向１７と、距離用ラインセンサ１２の走査方向１８と、が示されている。
なお、照明１３は、第１のラインセンサである摩耗用ラインセンサ１１及び第２のラインセンサである距離用ラインセンサ１２による撮影面を照らすものであり、照明１３としては、白色光源を例示することができる。

図１（Ｂ）は、摩耗用ラインセンサ１１と、架線１６との位置関係を示す図である。
図１（Ｂ）に示すように、摩耗用ラインセンサ１１は、架線１６の直下に配置されている。
摩耗用ラインセンサ１１は、車両１０の屋根上に鉛直上向きに設置されており、架線１６の画像を直下から取得する。
摩耗用ラインセンサ１１の走査方向１７は、枕木方向と同じ方向とし、摩耗用ラインセンサ１１の走査線は、架線１６を横切る。
距離用ラインセンサ１２は、車両１０の屋根上に斜め上方向きに設置されており、架線１６の画像を斜め下方から取得する。
距離用ラインセンサ１２の走査方向１８は、車両１０の上下方向と同じ方向とし、距離用ラインセンサ１２の走査線は、パンタグラフ１４を横切る。
ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明においては、距離用ラインセンサ１２に代えて、エリアセンサ又はレーザ距離計が設けられて、車両１０の屋根から架線１６までの距離が計測される構成であってもよい。

架線１６は、初期状態では摩耗面１６０を有さない形状であるが、車両１０が通過する度に集電装置であるパンタグラフ１４と接触するため、車両１０の運用により架線１６は徐々に摩耗していき、最終的には破断してしまう。

図２（Ａ）は、摩耗した状態の架線１６の形状を示す図であって、摩耗高さが架線１６の半径より小さい場合の架線１６の断面外形と、下面側から撮像した架線１６の底面外形とを示す図である。
図２（Ｂ）は、摩耗した状態の架線１６の形状を示す図であって、摩耗高さが架線１６の半径以上である場合の架線１６の断面外形と、下面側から撮像した架線１６の底面外形とを示す図である。

図２（Ａ）に示す底面外形には、パンタグラフ１４によって摩耗した摩耗面１６０及びパンタグラフ１４によって摩耗していない非摺動面１６１が示されている。
他方で、図２（Ｂ）に示す底面外形には、パンタグラフ１４によって摩耗した摩耗面１６０は示されているものの、パンタグラフ１４によって摩耗していない非摺動面は示されていない。

本明細書において、図２（Ａ）に示すように架線１６の摩耗高さがその半径より小さい状態を「通常摩耗状態」と呼び、図２（Ｂ）に示すように架線１６の摩耗高さがその半径以上である状態を「過剰摩耗状態」と呼ぶものとする。
図２（Ｂ）に示す過剰摩耗状態の架線１６を更に使用すると、最終的には架線１６は断線してしまう。

上述した従来技術の一例である、画像処理によるトロリ線摩耗測定装置は、画像処理により通常摩耗状態の架線１６を撮像して摩耗幅を算出し、この摩耗幅に基づいて残存直径を算出することを可能としている。
しかしながら、図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを比較すると、一方は通常摩耗状態であり、他方は過剰摩耗状態であり、これらの摩耗高さは互いに相違するにもかかわらず、摩耗幅が等しいものとなっている。
また、過剰摩耗状態が進行するほど摩耗幅は小さくなることから、通常摩耗状態として算出された残存直径は大きくなる。
このように、限界摩耗を超えないことを前提とした従来技術によって過剰摩耗状態が生じた架線１６の残存直径を算出すると、破断の危険が高い状態を見過ごしてしまう問題があった。

図３は、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００の構成を示すブロック図である。
図３に示す摩耗状態検出装置１００は、画像取得部１０１と、距離取得部１０２と、摩耗検出部１０３と、過剰摩耗判定部１０４と、残存直径計算部１０５と、記憶部１０６と、を備える。

画像取得部１０１は、摩耗用ラインセンサ１１からのラインセンサ画像を入力とし、これを記憶部１０６に出力するインターフェースである。

距離取得部１０２は、距離用ラインセンサ１２からのラインセンサ画像を入力とし、距離データを記憶部１０６に出力する。
距離取得部１０２は、摩耗用ラインセンサ１１から架線１６までの距離については、距離用ラインセンサ１２からのラインセンサ画像により、パンタグラフ上部位置１５の距離を測定して、パンタグラフ上部位置１５の距離を摩耗用ラインセンサ１１から架線１６までの距離として距離データを出力する。

摩耗検出部１０３は、ラインセンサ画像、距離データ及びカメラパラメータを入力とし、摩耗データを記憶部１０６に出力する。
摩耗検出部１０３は、ラインセンサ画像に二値化処理を行い、ノイズ除去を行い、エッジ検出を行い、検出したエッジにより摩耗部の幅を測定して摩耗データを生成する。
摩耗データには、摩耗面の中心座標及び摩耗幅が含まれる。

過剰摩耗判定部１０４は、ラインセンサ画像、距離データ、カメラパラメータ及び摩耗データを入力とし、過剰摩耗フラグを記憶部１０６に出力する。
ここで、カメラパラメータは、摩耗用ラインセンサ１１のパラメータである。

残存直径計算部１０５は、過剰摩耗フラグ及び摩耗データを入力とし、残存直径データを記憶部１０６に出力する。

記憶部１０６は、画像取得部１０１、距離取得部１０２、摩耗検出部１０３、過剰摩耗判定部１０４及び残存直径計算部１０５から出力されたデータを記憶する。

距離取得部１０２、摩耗検出部１０３、過剰摩耗判定部１０４及び残存直径計算部１０５は、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）及びＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサにより実現することができる。
また、記憶部１０６は、半導体メモリ及び磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。

次に、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００の動作を説明する。
図４は、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００の動作を示すフローチャートである。
まず、処理を開始すると、距離取得部１０２が距離データを取得し（Ｓ１）、画像取得部１０１がラインセンサ画像を取得し（Ｓ２）、摩耗検出部１０３が摩耗検出処理を行い（Ｓ３）、過剰摩耗判定部１０４が当該画像取得時の摩耗状態が通常摩耗状態であるか、又は過剰摩耗状態であるかを判定し（Ｓ４）、残存直径計算部１０５が残存直径を計算する（Ｓ５）。
そして、全画像についてＳ２～Ｓ５の処理を行った後に処理を終了する。

図５は、本実施形態における過剰摩耗判定部１０４の過剰摩耗判定の動作を示すフローチャート及びこれを補足する図である。
まず、処理を開始すると、過剰摩耗判定部１０４は、摩耗データを取得する（Ｓ１１）。
ここで、摩耗データに含まれる摩耗面の中心座標は、摩耗検出部１０３で検出した左右のエッジから等距離にある中心のピクセルの座標である。
次に、過剰摩耗判定部１０４は、距離データ及び架線の半径値からその距離における半径値のｘ倍以上の範囲値を算出して設定し（Ｓ１２）、この設定した範囲値内で微分エッジによりエッジ検出を行う（Ｓ１３）。
なお、ここでは、半径値の１．５倍の範囲内でエッジ検出を行う場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、エッジ検出を容易に行うことが可能であればよく、半径値の０．５倍以上であればよい。
次に、過剰摩耗判定部１０４は、検出したエッジから左右の非摺動面データを算出する（Ｓ１４）。
次に、過剰摩耗判定部１０４は、左右の非摺動面データのいずれにも非摺動面が存在しない場合を過剰摩耗状態とし、いずれか一方又は双方に非摺動面が存在する場合を通常摩耗状態とし、過剰摩耗状態である場合には過剰摩耗フラグを生成する（Ｓ１５）。

図６（Ａ）は、本実施形態において、残存直径計算部１０５において用いられる摩耗幅ｍ及び半径ｒと、計算される残存直径ｄと、の通常摩耗状態における関係を示す図である。
残存直径計算部１０５は、過剰摩耗フラグがない場合には現在の摩耗状態が通常摩耗状態であるとして、下記の式（１）を用いて摩耗幅ｍ及び半径ｒから残存直径ｄを計算する。

図６（Ｂ）は、本実施形態において、残存直径計算部１０５において用いられる摩耗幅ｍ及び半径ｒと、計算される残存直径ｄと、の過剰摩耗状態における関係を示す図である。
残存直径計算部１０５は、過剰摩耗フラグがある場合には現在の摩耗状態が過剰摩耗状態であるとして、下記の式（２）を用いて摩耗幅ｍ及び半径ｒから残存直径ｄを計算する。

以上説明したように、本実施形態によれば、パンタグラフによって摩耗していない非摺動面が直下から撮像可能であるか否かによって架線の摩耗高さが架線の半径以上であるか否かを判定することが可能である。
従って、本実施形態によれば、架線が通常摩耗状態であるか、又は過剰摩耗状態であるかを判定することができ、架線の摩耗高さを正確に特定可能な摩耗状態検出装置を得ることができる。

＜実施形態２＞
実施形態１では、架線の直下で撮像したラインセンサ画像によって非摺動面の有無を判定する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
本実施形態では、実施形態１の構成に対して、非摺動面用ラインセンサが追加され、これを用いて実施形態１とは異なる過剰摩耗判定を行う構成について説明する。
本実施形態の構成によれば、外乱の影響による検出エラーが生じにくく、過剰摩耗状態の判定精度を向上させることができる。

図７（Ａ）は、本実施形態に係る摩耗状態検出装置が搭載される車両の概略構成を示す模式図である。
図７（Ａ）には、図１（Ａ）に示す構成に対して、第３のラインセンサである非摺動面用ラインセンサ１９が追加された構成であり、その他の構成は図１（Ａ）に示す構成と同じである。
非摺動面用ラインセンサ１９は、車両１０の屋根上に斜め上方向きに設置されており、架線１６の画像を斜め下方から取得する。

図７（Ｂ）は、摩耗用ラインセンサ１１と、非摺動面用ラインセンサ１９と、架線１６との位置関係を示す図である。
摩耗用ラインセンサ１１は、図１（Ｂ）と同様に架線１６の直下である車両１０の中心に配置されている。
非摺動面用ラインセンサ１９は、車両１０の中心に配置された摩耗用ラインセンサ１１から枕木方向のいずれかの隔離された位置に配置されている。

図８（Ａ）は、本実施形態に係る摩耗状態検出装置が備える非摺動面用ラインセンサ１９によって取得した通常摩耗状態の架線の断面外形及び架線の撮像面外形を示す図である。
図８（Ｂ）は、本実施形態に係る摩耗状態検出装置が備える非摺動面用ラインセンサ１９によって取得した過剰摩耗状態の架線の断面外形及び撮像面外形を示す図である。

図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、非摺動面用ラインセンサ１９を用いることにより、非摺動面の撮像が容易になり、過剰摩耗状態においても非摺動面が撮像される。
しかしながら、通常摩耗状態における非摺動面の幅は、過剰摩耗状態における非摺動面の幅とは相違し、通常摩耗状態における非摺動面の幅の方が、過剰摩耗状態における非摺動面の幅よりも広い。

図９は、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００ａの構成を示すブロック図である。
図９に示す摩耗状態検出装置１００ａは、画像取得部１０１ａと、距離取得部１０２と、摩耗検出部１０３と、過剰摩耗判定部１０４ａと、残存直径計算部１０５と、記憶部１０６ａと、を備える。
図９に示す摩耗状態検出装置１００ａは、画像取得部１０１に代えて画像取得部１０１ａを備え、過剰摩耗判定部１０４に代えて過剰摩耗判定部１０４ａを備え、記憶部１０６に代えて記憶部１０６ａを備える点が図３に示す摩耗状態検出装置１００と異なり、その他の構成は同じである。

画像取得部１０１ａは、摩耗用ラインセンサ１１からのラインセンサ画像である第１のラインセンサ画像（図９に示すラインセンサ画像１）のみならず、非摺動面用ラインセンサ１９からのラインセンサ画像である第２のラインセンサ画像も入力とする点が画像取得部１０１と異なる。

過剰摩耗判定部１０４ａは、非摺動面用ラインセンサ１９からのラインセンサ画像である第２のラインセンサ画像（図９に示すラインセンサ画像２）、距離データ、非摺動面用ラインセンサ１９のカメラパラメータである第２のカメラパラメータ及び摩耗データを入力とし、過剰摩耗フラグを記憶部１０６ａに出力する。

記憶部１０６ａは、図３に示す記憶部１０６に記憶されるデータに加えて、非摺動面用ラインセンサ１９からのラインセンサ画像である第２のラインセンサ画像、非摺動面用ラインセンサ１９のカメラパラメータである第２のカメラパラメータ、及び距離データも記憶する。

図１０は、本実施形態における過剰摩耗判定部１０４ａの過剰摩耗判定方法を示すフローチャートである。
まず、処理を開始すると、過剰摩耗判定部１０４ａは、距離取得部１０２で取得した距離データを非摺動面用ラインセンサ１９用の距離に変換する距離変換処理を行う（Ｓ２１）。
次に、過剰摩耗判定部１０４ａは、非摺動面用ラインセンサ１９からのラインセンサ画像である第２のラインセンサ画像を用いて摩耗検出部１０３と同様に摩耗検出処理を行うことで、非摺動面用ラインセンサ１９の摩耗データを生成する（Ｓ２２）。
次に、過剰摩耗判定部１０４ａは、非摺動面用ラインセンサ１９からのラインセンサ画像である第２のラインセンサ画像を用いて実施形態１の過剰摩耗判定部１０４と同様に非摺動面検出処理を行い（Ｓ２３）、非摺動面があるか否かの判定を行う（Ｓ２４）。
非摺動面がない場合（Ｓ２４：Ｎ）には、過剰摩耗であると判定し、処理を終了する。
非摺動面がある場合（Ｓ２４：Ｙ）には、以下に説明するしきい値判定処理を行う（Ｓ２５）。
Ｓ２５のしきい値判定処理では、通常摩耗状態と過剰摩耗状態の境界である摩耗高さが架線の半径と等しい場合の摩耗幅および非摺動面幅を用いて定めたしきい値と、第２のラインセンサ画像を用いて摩耗検出処理および非摺動面検出処理を行って取得した摩耗幅および非摺動面幅から求めた評価値とを比較して摩耗状態を判定する。

図１１は、本実施形態において、摩耗高さが架線の半径と等しい場合の非摺動面用ラインセンサ１９と、架線１６との位置関係を示す図である。
ここで、以下のパラメータ（１）～（６）は、既知又は算出済みである。
（１）カメラ中心Ｏ（０，０）
（２）架線中心Ｃ（ｘ，ｙ）
（３）カメラ角度θ_{ｃａｍｅｒａ}
（４）架線半径ｒ
（５）焦点距離ｆ
（６）カメラ素子面の中心（画像中心）Ｃｕ
そして、これらの他に、以下のパラメータ（７）～（１７）を用いる。
（７）カメラ素子面の中心から架線中心までの角度θ_ＯＨＬ
（８）カメラ素子面の中心から非摺動面端の角度θ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}
（９）カメラ中心から架線中心までの距離Ｌ
（１０）架線上の摩耗左端Ｐ_Ｌ
（１１）架線上の摩耗右端Ｐ_Ｒ
（１２）架線上の非摺動面端Ｐ_Ｔ
（１３）カメラ素子上の摩耗左端Ｕ_Ｌ
（１４）カメラ素子上の摩耗右端Ｕ_Ｒ
（１５）カメラ素子上の非摺動面端Ｕ_Ｔ
（１６）カメラ素子上の摩耗幅Ｕ_ｗｅａｒ
（１７）カメラ素子上の非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}
（１８）世界座標系Ｘ－Ｙ
（１９）世界座標系をＹ軸が非摺動面端に接するように回転させた座標系Ｘｎ－Ｙｎ
（２０）カメラ座標系Ｘｃ－Ｙｃ

まず、カメラ素子上の摩耗幅Ｕ_ｗｅａｒの算出について以下に説明する。
架線上の摩耗左端Ｐ_Ｌは、下記の式（３）で表され、架線上の摩耗左端Ｐ_Ｒは、下記の式（４）で表される。

カメラ素子上の摩耗左端Ｕ_Ｌは、下記の式（５）で表され、カメラ素子上の摩耗右端Ｕ_Ｒは、下記の式（６）で表される。

カメラ素子上の摩耗幅Ｕ_ｗｅａｒは、下記の式（７）で表される。

次に、カメラ素子上の非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}の算出について以下に説明する。
カメラ中心を原点とした世界座標系において、Ｘ軸と原点から架線中心までの線分がなす角度θ_ＯＨＬは、下記の式（８）で表される。

ここで、角度θ_ＯＨＬとカメラ角度（世界座標系においてＸ軸と原点から画素面の中心までの線分がなす角度）θ_{ｃａｍｅｒａ}との角度差Δθは下記の式（９）で定義される。

また、カメラ中心から架線中心までの距離Ｌは、下記の式（１０）で表される。

また、世界座標系において原点からカメラ素子面の中心までの線分と原点から非摺動面端までの線分がなす角度θ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}は、下記の式（１１）で定義される。

ここで、世界座標系をＹ軸が非摺動面端に接するように回転させた座標系においては、架線上の非摺動面端Ｐ_Ｔは、下記の式（１２）で表される。

そして、カメラ素子上の非摺動面端Ｕ_Ｔは、下記の式（１３）で表される。

以上より、カメラ素子上の非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}は、下記の式（１４）で表される。

しきい値は上記の非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}の値と摩耗幅Ｕ_ｗｅａｒとの組合せ、又は非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}のみを用いることができる。
図１２は、横軸を摩耗高さとし、縦軸を幅とし、摩耗面幅関数及び非摺動面幅関数を示す図である。
非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}のみを用いる場合にはしきい値判定を行うに留まるが、非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}も用いる場合には、双方の理論値を摩耗高さの関数として表現して計測値との誤差を最小にする摩耗高さを選択して摩耗状態を決定することも可能である。
そして、過剰摩耗判定部１０４ａは、過剰摩耗状態であると判定した場合には過剰摩耗フラグを生成する。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、実施形態１の構成と比して、外乱の影響による検出エラーが生じにくく、過剰摩耗状態の判定精度を向上させることができる。

＜実施形態３＞
実施形態１では、パンタグラフによって摩耗していない非摺動面が直下から撮像可能であるか否かによって架線の摩耗高さがその半径以上であるか否かを判定する摩耗状態検出装置について説明し、実施形態２では、非摺動面を撮像しやすくして過剰摩耗状態の判定精度を向上させることが可能な摩耗状態検出装置について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本実施形態では、テンプレート画像を用いて過剰摩耗判定を行う構成について説明する。
本実施形態の構成によれば、実施形態２の効果に加えて、非摺動面幅を算出することなく過剰摩耗状態を検出することができる。

本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００ｂは、図９に示す摩耗状態検出装置１００ａの過剰摩耗判定部１０４ａに代えて過剰摩耗判定部１０４ｂを備える点のみが異なり、その他の構成は同じであるため、図示は省略する。
また、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００ｂが搭載される車両の概略構成は、図１（Ａ）に示されるものと同じであるため、図示は省略する。
また、本実施形態における、摩耗用ラインセンサ１１と、架線１６との位置関係は、図１（Ｂ）に示されるものである。

図１３は、本実施形態における過剰摩耗判定部１０４ｂの過剰摩耗判定方法を示すフローチャートである。
処理を開始して、摩耗検出処理（Ｓ２２）を行うところまでは図１０と同じであるため、その説明を援用する。
摩耗検出処理（Ｓ２２）後、通常摩耗状態及び過剰摩耗状態の各々について、以下に説明するようにテンプレート画像作成処理を行う（Ｓ３１）。
通常摩耗状態の場合には非摺動面が画像に含まれる。
非摺動面幅は、既知である架線半径から摩耗検出処理により予め算出した摩耗幅の１／２を減じた値となる。
そのため、摩耗検出処理により算出した摩耗幅と上記のように求めた非摺動面幅の値とを使用して、摺動面と非摺動面、背景を含む第１の理想テンプレート画像を作成する。
一方、過剰摩耗状態の場合には非摺動面が画像に含まれない。
そのため摩耗検出処理により算出した摩耗幅を使用して、摺動面と背景を含む第２の理想テンプレート画像を作成する。

次に、過剰摩耗判定部１０４ｂは、作成された第１の理想テンプレート画像及び第２の理想テンプレート画像と、実際の画像とを比較する比較処理を行う（Ｓ３２）。
なお、実際の画像には、第１のラインセンサ画像を用いる。
そのため、過剰摩耗判定部１０４ｂには、第１のラインセンサ画像も入力される。
ここで、画像を比較する類似度指標としては、各画素値の差分二乗和であるＳＳＤ（Sum of Squared Difference）を用いてもよいし、各画素値の差分絶対値和であるＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）を用いてもよい。
又は、正規化相互相関であるＮＣＣ（Normalized Cross Correlation）を用いてもよいし、零平均正規化相互相関であるＺＮＣＣ（Zero means Normalized Cross Correlation）を用いてもよい。

図１４（Ａ）は、本実施形態における実際の取得画像を示す図であり、図１４（Ｂ）は、本実施形態における非摺動面のある第１の理想テンプレート画像を示す図であり、図１４（Ｃ）は、本実施形態における非摺動面のない第２の理想テンプレート画像を示す図である。
過剰摩耗判定部１０４ｂは、実際の画像と通常摩耗状態である第１のテンプレート画像との類似度を求めて第１の類似度とし、実際の画像と過剰摩耗状態である第２のテンプレート画像との類似度を求めて第２の類似度とする。
そして、過剰摩耗判定部１０４ｂは、第１の類似度が第２の類似度よりも高ければ、架線は通常摩耗状態であると判定し、第２の類似度が第１の類似度よりも高ければ架線は過剰摩耗状態であると判定する。
過剰摩耗判定部１０４ｂは、過剰摩耗状態であると判定した場合には、過剰摩耗フラグを生成して出力し、その他の構成及び動作は実施形態２と同様である。

＜実施形態４＞
実施形態３では、テンプレート画像を用いて過剰摩耗判定を行う構成について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本実施形態では、テンプレート画像を用いて過剰摩耗判定を行う別の構成について説明する。
本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００ｃは、図９に示す摩耗状態検出装置１００ａの過剰摩耗判定部１０４ａに代えて過剰摩耗判定部１０４ｃを備える点のみが異なり、その他の構成は同じであるため、図示は省略する。

また、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００ｃが搭載される車両の概略構成は、図７（Ａ）に示されるものと同じであるため、図示は省略する。
また、本実施形態における、摩耗用ラインセンサ１１と、非摺動面用ラインセンサ１９と、架線１６との位置関係は、図７（Ｂ）に示されるものである。
また、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００ｃが備える非摺動面用ラインセンサ１９によって取得した通常摩耗状態の架線の断面外形及び架線の撮像面外形は、図８（Ａ）に示されるものである。
また、本実施形態に係る摩耗状態検出装置１００ｃが備える非摺動面用ラインセンサ１９によって取得した過剰摩耗状態の架線の断面外形及び撮像面外形は、図８（Ｂ）に示されるものである。
また、本実施形態に係る過剰摩耗判定方法のフローは、テンプレート画像生成処理Ｓ３１に代えて後述するテンプレート画像生成処理Ｓ３１ａを備え、比較処理Ｓ３２に代えて後述する比較処理Ｓ３２ａを備える点のみが異なり、その他は図１３と同じであるため、図示は省略する。

図１５は、本実施形態における通常摩耗状態における非摺動面用ラインセンサ１９と、架線１６との位置関係を示す図である。
ここで、テンプレート画像の作成に用いる、通常摩耗状態における架線上の摩耗左端Ｐ_Ｌ及び架線上の摩耗右端Ｐ_Ｒは、図１５を参照して、下記の式（１５），（１６）により算出される。

なお、カメラ素子上の摩耗幅Ｕ_ｗｅａｒは、実施形態２の式（７）により算出される。
カメラ素子上の摩耗左端Ｕ_Ｌ及びカメラ素子上の摩耗右端Ｕ_Ｒは、式（１５），（１６）により算出した値を用いて、実施形態２の式（５），（６）により算出される。

図１６は、本実施形態における過剰摩耗状態における非摺動面用ラインセンサ１９と、架線１６との位置関係を示す図である。
テンプレート画像の作成に用いる、過剰摩耗状態における架線上の摩耗左端Ｐ_Ｌ及び架線上の摩耗右端Ｐ_Ｒは、図１６を参照して、下記の式（１７），（１８）により算出される。

なお、カメラ素子上の非摺動面幅Ｕ_{ｎｏｎ－ｗｅａｒ}は、実施形態２の式（１４）により算出される。
カメラ素子上の摩耗左端Ｕ_Ｌ及びカメラ素子上の非摺動面端Ｕ_Ｔは、式（１７）及び（１８）により算出した値を用いて、実施形態２の式（８）から（１３）により算出される。
このようにして算出された値を用いて、架線が通常摩耗状態であるとした第１の理想テンプレート画像と、架線が過剰摩耗状態であるとした第２の理想テンプレート画像と、が作成される。

次に、過剰摩耗判定部１０４ｃは、作成された第１の理想テンプレート画像及び第２の理想テンプレート画像と、実際の画像とを比較する比較処理を行う（Ｓ３２ａ）。
なお、実際の画像には、第２のラインセンサ画像を用いる。
そのため、過剰摩耗判定部１０４ｃには、第２のラインセンサ画像も入力される。
ここで、画像を比較する類似度指標としては、実施形態３と同様であるため、説明を省略する。

図１７（Ａ）は、本実施形態における摩耗用ラインセンサの取得画像を示す図であり、図１７（Ｂ）は、本実施形態における計測した摩耗幅を持つ通常摩耗状態の断面外形を示す図であり、図１７（Ｃ）は、本実施形態における計測した摩耗幅を持つ過剰摩耗状態の断面外形を示す図であり、図１７（Ｄ）は、本実施形態における通常摩耗状態である第１の理想テンプレート画像を示す図であり、図１７（Ｅ）は、本実施形態における過剰摩耗状態である第２の理想テンプレート画像を示す図であり、図１７（Ｆ）は、本実施形態における非摺動面用ラインセンサの画像を示す図である。

過剰摩耗判定部１０４ｃは、実際の非摺動面用ラインセンサの画像と通常摩耗状態である第１の理想テンプレート画像との類似度を求めて第１の類似度とし、実際の非摺動面用ラインセンサの画像と過剰摩耗状態である第２の理想テンプレート画像との類似度を求めて第２の類似度とする。
そして、過剰摩耗判定部１０４ｃは、第１の類似度が第２の類似度よりも高ければ、架線は通常摩耗状態であると判定し、第２の類似度が第１の類似度よりも高ければ架線は過剰摩耗状態であると判定する。
過剰摩耗判定部１０４ｃは、過剰摩耗状態であると判定した場合には、過剰摩耗フラグを生成して出力し、その他の構成及び動作は実施形態２と同様である。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、実施形態１の構成と比して、外乱の影響による検出エラーが生じにくいのみならず、非摺動面幅を算出することなく過剰摩耗状態を検出することができる。

＜実施形態５＞
本実施形態では、実施形態１～４に対して、摩耗用ラインセンサ１１又は非摺動面用ラインセンサ１９と同様の構成である更なるラインセンサを設けた構成について説明する。

摩耗用ラインセンサ１１と同様の構成のラインセンサは、摩耗用ラインセンサ１１よりも車両１０の前後いずれかの位置に配置することができる。
非摺動面用ラインセンサ１９と同様の構成のラインセンサは、架線１６を基準として非摺動面用ラインセンサ１９とは枕木方向の逆の位置に配置することができる。
そして、架線１６の直下で取得された画像と架線１６から枕木方向のいずれかの隔離された位置から取得された画像とを用いてもよいし、架線１６から枕木方向の双方の隔離された位置から取得された画像を用いてもよい。

このように、更なるラインセンサを設けて、複数のラインセンサにより取得したデータによる判定結果が一致する場合、すなわち複数のラインセンサに基づいて過剰摩耗であると判定された場合に過剰摩耗フラグを出力する構成とすることで、すなわち、複数のラインセンサに基づいた判定結果をＡＮＤ条件により評価することで、過検出が多い環境下における検出精度を向上させることができる。
なお、ここで、過検出とは、通常摩耗状態を過剰摩耗状態であると判定してしまう誤検出をいう。

又は、このように、更なるラインセンサを設けて、複数のラインセンサのいずれかに基づいて過剰摩耗であると判定された場合に過剰摩耗フラグを出力する構成とすることで、すなわち、複数のラインセンサに基づいた判定結果をＯＲ条件により評価することで、未検出が多い環境下における検出精度を向上させることができる。
なお、ここで、未検出とは、過剰摩耗状態を通常摩耗状態であると判定してしまう誤検出をいう。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、上述した構成に対して、構成要素の付加、削除又は転換を行った様々な変形例も含むものとする。

１０車両
１１摩耗用ラインセンサ
１２距離用ラインセンサ
１３照明
１４パンタグラフ
１５パンタグラフ上部位置
１６架線
１７第１のラインセンサ１１の走査方向
１８第２のラインセンサ１２の走査方向
１９非摺動面用ラインセンサ
１００，１００ａ，１００ｂ摩耗状態検出装置
１０１，１０１ａ画像取得部
１０２距離取得部
１０３摩耗検出部
１０４，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ過剰摩耗判定部
１０５残存直径計算部
１０６，１０６ａ記憶部
１６０摩耗面
１６１非摺動面

Claims

検出対象である架線の下に配された、少なくとも１つのラインセンサからの画像であるラインセンサ画像を取得する画像取得部と、
前記架線の距離データを取得する距離取得部と、
前記ラインセンサ画像、前記距離データ及び前記ラインセンサ画像を取得したラインセンサのカメラパラメータから前記架線の摩耗面の中心座標及び摩耗幅を含む摩耗データを生成する摩耗検出部と、
前記ラインセンサ画像、前記距離データ、前記カメラパラメータ及び前記摩耗データから前記架線の摩耗していない非摺動面の状態を検出し、非摺動面の状態に基づいて、前記架線の摩耗高さが前記架線の半径以上となる過剰摩耗状態であるか否かを判定し、前記架線が過剰摩耗状態であれば過剰摩耗フラグを生成する過剰摩耗判定部と、
前記過剰摩耗フラグ及び前記摩耗データから、前記架線の残存直径を算出して残存直径データを生成する残存直径計算部と、を備える摩耗状態検出装置。
前記ラインセンサ画像が、前記架線の直下で取得した画像である請求項１に記載の摩耗状態検出装置。
前記ラインセンサ画像が、前記架線を基準として枕木方向のいずれかの隔離された位置に配置された位置で取得した画像である請求項１に記載の摩耗状態検出装置。
前記ラインセンサ画像が、前記架線の直下で取得した画像と、前記架線を基準として枕木方向のいずれかの隔離された位置に配置された位置で取得した画像と、を含む請求項１に記載の摩耗状態検出装置。