JP7393599B2 - 軌道検測装置 - Google Patents

Description

本発明は、軌道検測装置に関し、より詳細には軌道の狂い量の検測作業に係る労力と時間を大幅に低減することが可能な軌道検測装置に関する。

列車の軌道は、列車の走行、加速、減速あるいは急停止等に係る様々な荷重を日々受けている。荷重が軌道の弾性限界値を超える場合、軌道は左右方向又は上下方向に塑性変形を生じ始める。軌道の変形は、列車の走行を不安定にすると共に乗り心地を不快にし、最悪の場合、列車が脱線することが起こり得る。

従って、軌道を保守・管理する者は、軌道の変形を定量的にチェックする必要がある。上記軌道の変形は、軌道の狂い量として、具体的には（１）通り狂い：レール側面の長手方向のうねり（凹凸）をいい、一般的には長さ１０ｍの糸をレール側面に張り、その中央部におけるレールと糸との間の水平距離と基本寸法との差を通り狂い量としている。（２）高低狂い：レール頂面に沿った方向のうねり（凹凸）をいい、一般的には長さ１０ｍの糸をレール頂面に張りその中央部におけるレールと糸との間の垂直距離と基本寸法との差を高低狂い量としている。（３）軌間狂い：軌間寸法の基本寸法との間の差をいい、一般的には基本寸法との間の差を軌間狂い量としている。（４）水準狂い：軌間の基本寸法当たりの左右レールの高さの差をいい、一般的には基本寸法との間の差を水準狂い量としている。（５）平面性狂い：軌道の平面に対する狂い量をいい、一定間隔下の２点の水準狂いの代数差により表わし、基本寸法との間の差を平面性狂い量としている。

特に、上記通り狂いの水平距離、又は上記高低狂いの垂直距離は、１０ｍ弦正矢量によって検測され、検測は２人の作業員が１０ｍの糸の両端を手でレールにあて、もう１人の作業員が糸中央からレールまでの距離を定規で測定することにより行われている。

また、上記軌道狂い量を光学式測距装置（トータルステーション）によって自動的に計測する軌道検測装置も知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この軌道検測装置は、レール頭頂面を回動するローラーと、レール頭側面を回動するローラーとを備えた２つのＬ形構体が連結板材によって連結され、全体としてＴ形状を成す移動台車によって構成されている。軌道の検測には２つの移動台車が必要とされる。即ち、第１移動台車には、自動追尾機能を有するトータルステーションが与えられる一方、第２移動台車には、トータルステーションからの測距光を受光する２つのターゲットミラー（プリズム）と、連結部材の傾きを計測する２つの傾斜センサが与えられる。なお、第２移動台車の各プリズムは軌道上に位置するようにＬ形構体に取り付けられている。

検測は、作業員が第１移動台車と第２移動台車を交互に相対移動させることにより行われる。最初に第１移動台車のトータルステーションが第２移動台車のプリズムを視準しながら、第２移動台車は第１移動台車から離れて所定の位置に停止する。次に第２移動台車が停止した状態で、第１移動台車のトータルステーションが第２移動台車のもう一方のプリズムを視準しながら、第１移動台車が第２移動台車に近付いて所定の位置に停止する。このようにして取得されたターゲットミラーの３次元座標は、コンピュータに送信され、コンピュータによって軌道の３次元座標に変換され、その軌道の３次元座標に基づいて軌道の狂い量が算出されることとしている。

特開２０１６－２０５０５８号公報

上記特許文献１に記載の軌道検測装置は、総重量が６０ｋｇを超えるため、軌道への装着・脱着は容易ではない。そのため、検測作業を実施する際は線路を閉鎖する必要がある。

また、各レールに係合するＬ形構体を連結する連結部材はその長さが一定なので、標準軌、それより軌間の短い狭軌に対し個別に装置を準備する必要があった。

一方、従来の糸張りによる検測作業は、測定が簡単ではあるが、３人の作業員によって行われるため、糸張り具合（弛み）や人の目測による人的誤差が測定値に含まれるという問題がある。さらに作業員は糸に対し定規を直角に当てる必要があり、測定に際しある程度の技能・経験が要求されるという問題がある。また、測定に多くの時間が必要となり、作業性にも問題がある。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的は軌道への装着・脱着が容易であると共に、軌道の狂い量の検測作業に係る労力と時間を大幅に低減することが可能な軌道検測装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る軌道検測装置は、軌道の頭頂面に当接する第１ローラー（２２）並びに軌道の頭側面に当接する第２ローラー（２３）を回転自在に支持するＬ形構体（２１）から構成される移動台車（２０）と、前記Ｌ形構体（２１）に取り付けられるプリズム（３０）と、前記プリズム（３０）に測距光（１０ａ）を照射して軌道の座標を計測する測距装置（１０）と、前記測距装置（１０）から得られる軌道の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から成る全体座標群（Ｕ、Ｕ’）を基にして、軌道の狂い量を算出する演算装置（４０）とを備えた軌道検測装置であって、前記演算装置（４０）は、前記全体座標群（Ｕ、Ｕ’）に対し所定の区間距離（ｄ）および所定のピッチ（ｄ／２）で部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）を抽出し、前記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）について座標成分毎に校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）をそれぞれ求め、前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）に基づいて全ての前記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）の代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）をそれぞれ求め、前記代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を逐次連結した校正座標ライン（Ｌ２）を生成することを特徴とする。

上記構成では、全体座標群（Ｕ、Ｕ’）から抽出した部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）に対し上記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）を求めることにより、上記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）に含まれる測定誤差、ひいては上記全体座標群（Ｕ、Ｕ’）に含まれる測定誤差を最小化することができる。従って、上記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）から得られる代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を逐次連結することにより、計測対象である軌道について、始点からの距離（キロ程）とそのキロ程における軌道の座標を、校正座標ライン（Ｌ２）によって精度良く表すことができる。

本発明に係る軌道検測装置の第２の特徴は、前記演算装置（４０）は、前記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）を各成分座標群（Ｄｘｉ、Ｄｙｉ，Ｄｚｉ）にそれぞれ分解し、各成分座標群（Ｄｘｉ、Ｄｙｉ，Ｄｚｉ）について縦軸を座標値と横軸を区間距離（ｄ）とする２次元平面上において前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）をそれぞれ求め、前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）上の縦軸成分を前記代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）の座標成分とすることである。

上記構成では、各成分座標群（Ｄｘｉ、Ｄｙｉ，Ｄｚｉ）について上記２次元平面上において校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）をそれぞれ求めることによって、上記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）に含まれる測定誤差、ひいては上記全体座標群（Ｕ、Ｕ’）に含まれる測定誤差を最小化することができる。それに加え、校正直線上の点として、例えば縦軸の切片値を採用することにより、代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を算出する際の計算過程が単純化されることになる。

本発明に係る軌道検測装置の第３の特徴は、前記演算装置（４０）は最小二乗法により前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）を求めることである。

上記構成では、各成分座標群（Ｄｘｉ、Ｄｙｉ，Ｄｚｉ）についての校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）を容易に得ることが出来る。

本発明に係る軌道検測装置の第４の特徴は、前記演算装置（４０）は、前記校正座標ライン（Ｌ２）上の始点（Ｃ１）から基準距離の倍数に相当する基準点（Ｃｉ）を前記校正座標ライン（Ｌ２）上に設定することである。

上記構成では、始点（Ｃ１）からの軌道の長さ（距離）の基準（キロ程）を示す各基準点（Ｃｉ）に座標情報を付加することができる。これにより、基準距離又はその倍数の仮想弦長によって軌道の狂い量を測定することができる。

本発明に係る軌道検測装置の第５の特徴は、前記演算装置（４０）は、前記基準点（Ｃｉ）を中心点に持ち且つ前記基準距離を半径とする球面（Ｓｉ）と前記校正座標ライン（Ｌ２）との交点（Ｃ_ｉ＋１）を次の基準点に設定することである。

上記構成では、上記球面（Ｓｉ）と校正座標ライン（Ｌ２）との交点（Ｃ_ｉ＋１）によって、校正座標ライン（Ｌ２）上に始点（Ｃ１）から基準距離の倍数に相当する距離の基準点（Ｃｉ）を容易に設定することができる。

本発明に係る軌道検測装置の第６の特徴は、前記演算装置（４０）は、前記校正座標ライン（Ｌ２）上の前記基準点（Ｃｉ）から伸びた垂線（Ｈｉ）が他の軌道についての前記校正座標ライン（Ｌ２’）と交わる交点（Ｃｉ’）を、前記基準点（Ｃｉ）と対を成す対応点（Ｃｉ’）として設定することである。

上記構成では、基準点（Ｃｉ）と対応点（Ｃｉ’）に基づいて軌道の狂い量を簡便に算出することができる。

本発明に係る軌道検測装置の第７の特徴は、前記移動台車（２０）のＬ形構体（２１）は、前記軌道の頭頂面および頭側面に対向する各部位（２６、２７）にマグネットを内蔵していることである。

上記構成では、第１ローラー（２２）が横方向に変位しようとする場合、頭側面に対向する部位（２７）のマグネットによって制動される一方、第２ローラー（２３）が縦方向に変位しようとする場合、頭頂面に対向する部位（２６）のマグネットによって制動されることになる。このように、２つの部位（２６、２７）のマグネットは、移動台車（２０）の横揺れ又は縦揺れを制動するように作用する。従って、プリズム（３０）の座標値と軌道の座標値が１対１に対応することになる。

本発明に係る軌道検測装置の第８の特徴は、前記移動台車（２０）は傾斜センサを備えていることである。

上記構成では、軌道が傾いている場合であっても、プリズム（３０）の座標から軌道の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を正確に求めることができる。

本発明に係る軌道検測装置の第９の特徴は、前記測距装置（１０）は軌道外に据え付けられ且つ前記移動台車（２０）は片方の軌道を走行することである。

上記構成では、測距装置（１０）は軌道外に据え付けられるため、作業者が一人で容易に取り付け／取り外しできる程度に移動台車（２０）を軽量にすることができる。また、片レール毎に計測が行われるため、線路閉鎖なしで計測作業が可能となる。さらに、標準軌又は狭軌の何れに対しても計測作業が可能となる。

本発明の軌道検測装置によれば、軌道の狂い量の検測作業に係る労力と時間を大幅に低減すると共に、計測値に含まれる人的誤差を大幅に低減することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る軌道検測装置の構成を示す説明図である。 移動台車の斜視図である。 移動台車がレールに装着した状態を示す説明図である。 軌道検測装置によるデータ計測の手順を示すフロー図である。 軌道検測装置の基準座標系を示す説明図である。 レールの全体座標群についての直線近似の処理方法を示すフロー図である。 基準レール又は相対レールの各全体座標群を示す説明図である。 基準レール又は相対レールの各測定座標ラインを示す説明図である。 全体座標群から部分座標群を抽出するプロセスを示す説明図である。 部分座標群から代表座標を算出するプロセスを示す説明図である。 全体座標群から代表座標群を生成するプロセスを示す説明図である。 計測開始点から基準距離の倍数に位置する点を校正座標ライン上に設定するプロセスを示す説明図である。 校正座標ラインを基に軌道の狂い量を算出するプロセスを示す説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１から図３は、本発明の一実施形態に係る軌道検測装置１００を示す説明図である。なお、図１は軌道検測装置１００の構成を表し、図２は移動台車２０の斜視図を表し、図３は移動台車２０が軌道（以下「レール」という。）に装着した状態を表している。

この軌道検測装置１００は、片方のレール上に装着された移動台車２０を作業員が走行させる場合、レール外に据え付けられた測量機１０が移動台車２０上に固定されたプリズム３０を自動で追尾し、測量機１０とプリズム３０との間の距離・角度情報を取得し、取得した距離・角度情報からレール測点についての３次元座標（X,Y,Z）をリアルタイムで取得し、取得した３次元座標データから任意の弦長におけるレールの狂い量を検測するものである。従って、作業員が移動台車２０を片方のレールずつ両方のレールに渡って走行させることにより、５項目全てのレールの狂い量（軌間、高低、通り、水準、平面性）を検測することができる。また、移動台車２０はレールに対し容易に取り付け／取り外しができるように軽量に構成され、且つ走行中にレールから分離せずに密に当接するように構成されている。このように、軌道検測装置１００は、最小限の人数（マンパワー）でレールの狂い量（軌間、高低、通り、水準、平面性）を短時間で精度良く測定することができるように構成されている。

そのための構成として、プリズム３０の３次元座標を計測する測量機１０と、プリズム３０を支持しながら片方のレール上を走行する移動台車２０と、測量機１０のターゲットミラーとなるプリズム３０と、測量機１０によって取得されたプリズム３０の三次元座標データに基づいて軌道の狂い量を算出するコンピュータ４０とを具備して構成される。以下各構成について説明する。

測量機１０は、プリズム３０を捉えることができるレール外の任意の位置に精密三脚１１によって据え付けられる。測量機１０は自動的に基準座標系の設定を行う機能を有している。従って、作業員が測量機１０の電源を投入すると、測量機１０は自動整準を行い、計測可能状態になる。

また、測量機１０はプリズム３０を自動的に追尾して計測を行う自動追尾機能を有している。従って、作業員がコンピュータ４０に格納されている計測プログラムを起動させて、計測プログラムの表示画面上で計測開始のボタンを押すことにより、測量機１０はプリズム３０との間の距離・角度情報を自動的に計測する。

また、測量機１０はＷｉ－Ｆｉ（登録商標）またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信機能を備えている。従って、測量機１０によって計測された測量機１０とプリズム３０との間の距離・角度情報は、例えばＷｉ－Ｆｉ（登録商標）を介してコンピュータ４０にリアルタイムで送信されることになる。

コンピュータ４０に送信された測量機１０とプリズム３０との間の距離・角度情報は、レール測点に係る３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換される。変換された３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、所定のデータ処理が施され、レールの狂い量（軌間、高低、通り、水準、平面性）が測定されることになる。このデータ処理については図６から図１３を参照しながら後述する。

図２に示されるように、移動台車２０は、第１ローラー２２及び第２ローラー２３を支持しプリズム３０を固定するＬ形構体２１と、レール頭頂面に当接して回動する４個の第１ローラー２２と、レール頭側面に当接して回動する４個の第２ローラー２３と、作業員が本体を持ち運びするための取っ手２４と、作業員が移動台車２０を押して走行させるための押し棒２５とから構成される。

Ｌ形構体２１は、第１ローラー２２を回転自在に収容すると共にレールから分離せずに密に当接する為のマグネットを内蔵した水平板２６と、水平板２６に直交して取り付けられレールから分離せずに密に当接する為のマグネットを内蔵した垂直板２７とを有している。

第１ローラー２２は、軸が水平板２６の長手方向に直交する方向に設けられている。一方、第２ローラー２３は、軸が第１ローラー２２に対応する位置で水平板２６に直交して設けられている。第１ローラー２２は、例えばシリコンから作られたシリコン製ローラーを使用することができる。第２ローラー２３は、例えばウレタンから作られたウレタン製ローラーを使用することができる。要するにローラーは絶縁材で作られていれば良い。

図３に示されるように、水平板２６のマグネットが内蔵されている部位であってレールに対向する面には、水平板２６による線路間の短絡を防止するために、絶縁板２６ａが取り付けられている。なお、図２に示されるように、絶縁板２６ａは水平板２６のレールに対向しない面にも取り付けられている。これはマグネットの磁力がレールに対向しない他の側にも作用しないように（磁力線がレールに対向しない他の側に漏洩しないように）するためである。

図３に戻って、同様に垂直板２７のマグネットが内蔵されている部位であってレールに対向する面には、垂直板２７による線路間の短絡を防止するために、絶縁板２７ａが取り付けられている。また、垂直板２７のレールに対向しない面にも絶縁板２７ａは取り付けられている。更に垂直板２７とレールとの隙間が小さくなるように、垂直板２７と絶縁板２７ａとの間にはスペーサ２７ｂが取り付けられている。

第１ローラー２２は、水平板２６に内蔵されているマグネットの磁力によって垂直方向（縦方向）に対する変動を抑制されるのと同時に、垂直板２７に内蔵されているマグネットの磁力線によって水平方向（横方向）に対する変動を抑制されることになる。同様に、第２ローラー２３は、垂直板２７に内蔵されているマグネットの磁力線によって水平方向（横方向）に対する変動を抑制されるのと同時に、水平板２６に内蔵されているマグネットの磁力によって垂直方向（縦方向）に対する変動を抑制されることになる。

従って、移動台車２０がレール上を走行している間、第１ローラー２２はレール頭頂面に密に当接し、第２ローラー２３はレール頭側面に密に当接した状態となる。その結果、プリズム３０の３次元座標とレール測点の３次元座標が１対１に対応することになる。なお、本実施形態におけるレール測点は、レール頭頂面における接線Ｔ１とレール頭側面における接線Ｔ２との交点に設定されている。

図２に戻って水平板２６の長手方向の側面には、プリズム３０を固定する為のつまみ２８が設けられている。つまみ２８の足部（雄ねじ部）には雄ねじ部が形成されており、つまみ２８を時計方向に回転させることにより、つまみ２８の足部（雄ねじ部）がプリズム３０の足部（雌ねじ部）にねじ結合してプリズム３０が水平板２６上に固定されることになる。

他方、水平板２６の短辺方向の側面には、押し棒２５が係合する球面凸部２６ｂが両側面に設けられている。なお、押し棒２５の下端２５ａは、球面凸部２６ｂに嵌合する球面凹部（図示せず）が形成されている。

プリズム３０としては、例えば３６０°プリズムを使用することができる。

コンピュータ４０は、測量機１０から送信される距離・角度情報を受信し、レール測点に係る３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出し、その３次元座標を基に所定の演算処理を実行する。この演算処理については図６から図１３を参照しながら後述する。コンピュータ４０は、好ましくはタブレット又はノートパソコン等の携帯型情報端末である。以下に、測量機１０によって測定されたレールの３次元座標データに対するデータ処理について説明する。

図４は、軌道検測装置１００によるデータ計測の手順を示すフロー図である。

先ず、ステップＳ０では、測量機１０を据え付ける。据え付ける場所としては、移動台車２０上に取り付けられたプリズム４０を視準することができるレール外の場所であればどこでも良い。

ステップＳ１では、移動台車２０を基準レールに取り付ける。作業員が第１ローラー２２をレール頭頂面に置くことにより、水平板２６に内蔵されたマグネットの磁力によって、第１ローラー２２はレール頭頂面に当接する。一方、垂直板２７に内蔵されたマグネットの磁力によって、第２ローラー２３はレール頭側面に当接する。なお、説明の都合上、検査対象である２つのレールの内の何れか一方を「基準レール」とし、他方を「相対レール」としている。「基準レール」とは、始点からの距離（長さ）を示す基準点（垂線の始点）が設定されたレールを意味している。「相対レール」とは、基準レールの基準点に対応する点であって、基準点から伸びた垂線が交わる交点が設定されたレールを意味している。計測は基準レールから開始し、次に相対レールについて開始することにする。

次に、ステップＳ２では、測量機１０及びコンピュータ４０を起動する。作業員が測量機１０の電源を投入することにより、測量機１０は自動整準を行い、計測可能状態になる。また、作業員がコンピュータ４０の電源を投入することにより、コンピュータ４０のオペレーティングシステム（ＯＳ）が起動する。作業員は計測プログラムを立ち上げる。

次に、ステップＳ３では、計測プログラムのサーチ開始ボタンと計測開始ボタンを押す。作業員がサーチ開始ボタンを押すことにより、測量機１０が自動追尾を開始する。作業員が計測開始ボタンを押すことにより、測量機１０は移動台車２０上に搭載されたプリズム３０を自動追尾して、測量機１０とプリズム３０との間の距離・角度データを計測し始める。

次に、ステップＳ４では、移動台車２０を基準レールに沿って移動させる。作業員が基準レールに沿って移動させることにより、測量機１０が基準レールの所定区間についての距離・角度データを取得する。なお、取得した距離・角度データはコンピュータ４０上で３次元座標に変換される。

次に、ステップＳ５では、計測プログラムの計測停止ボタンを押す。作業員が計測停止ボタンを押すことにより、基準レールについての距離・角度データの取得を停止する。

次に、ステップＳ６では、移動台車２０を相対レールに移し変える。作業員は移動台車２０を基準レールから相対レールに移し変える。移動台車２０は重量が約１ｋｇであり、更に取っ手２４を備えるため、容易にレール間を相互に移し変えることができる。

次に、ステップＳ７では、計測プログラムの計測開始ボタンを押す。これはステップＳ３と同じである。なお、測量機１０がプリズム３０をロストしてしまった場合は、自動でサーチを開始する。

次に、ステップＳ８では、移動台車２０を相対レールに沿って逆方向に移動させる。作業員が相対レールに沿って逆方向に移動させることにより、測量機１０が相対レールの所定区間についての距離・角度データを取得する。

ステップＳ９では、計測プログラムの計測停止ボタンを押す。作業員が計測停止ボタンを押すことにより、相対レールについての距離・角度データの取得を停止する。

上記ステップＳ０からＳ９に示される通り、測量機１０によって取得された距離・角度データについては、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）を介してコンピュータ４０に送信され、コンピュータ４０上で３次元座標に変換される。変換された３次元座標はコンピュータ４０の記憶装置に保存される。なお、極座標から３次元座標への変換については、図５を参照しながら後述する。

図５に示されるように、測量機１０は中心点（「器械点」とも言われ、計測座標系の原点に相当する点。）ＩＰを有し、計測結果として測量機１０からプリズム３０までの直線距離Ｓ、直線距離Ｓの水平面への水平距離ＨＤとＮ軸との成す水平角度θ、及び直線距離Ｓ（測距光１０ａの照射方向）とＨ軸との成す鉛直角度φを取得する。この場合、中心点ＩＰに対するプリズム３０の相対座標（Ｎ,Ｅ,Ｈ）は、以下の通り一意的に算出される。
式１：Ｎ＝ＨＤ×ｃｏｓθ＝Ｓ×ｃｏｓ（φ－π/２）×ｃｏｓθ＝Ｓ×ｓｉｎφ×ｃｏｓθ
式２：Ｅ＝ＨＤ×ｓｉｎθ＝Ｓ×ｃｏｓ（φ－π/２）×ｓｉｎθ＝Ｓ×ｓｉｎφ×ｓｉｎθ
式３：Ｈ＝Ｓ×ｓｉｎ（φ－π/２）＝Ｓ×ｃｏｓφ
なお、測量機１０の計測座標系は、北方向（以下「Ｎ軸」という。）を水平面（接地面）における一の基準軸とし、東方向（以下「Ｅ軸」という。）を水平面における他の基準軸とし、測量機１０の中心点ＩＰを通る鉛直方向（以下「Ｈ軸」という。）を高さ方向の基準軸としている。従って、ＮＥＨの３軸直交座標系に対し、平行移動又は回転等の操作を施すことにより、所望のＸＹＺの３軸直交座標系を設定することができる。

保存された全ての全体座標群（３次元座標の集合）は、所定のデータ処理方法によって直線近似される。以下に、レールの全体座標群についての直線近似の処理方法について説明する。

図６は、レールの全体座標群についての直線近似の処理方法を示すフロー図である。

先ず、ステップＳ０’では、基準レール及び相対レールの全体座標群Ｕ,Ｕ’を取得する。図７に示されるように、コンピュータ４０は、ステップＳ４又はＳ８で取得された基準レール又は相対レールの３次元座標を時系列順に記憶装置から読み出して基準レール又は相対レールについての全体座標群Ｕ,Ｕ’を生成する。図７に示される黒丸（●）は、基準レール又は相対レールの各３次元座標を表している。

次に、ステップＳ１’では、基準レール及び相対レールの全体座標群Ｕ,Ｕ’から測定座標ラインＬ１,Ｌ１’を生成する。図８に示されるように、コンピュータ４０は、取得した３次元座標を時系列順に結んだ測定座標ラインＬ１,Ｌ１’を生成する。コンピュータ４０は、３次元座標間の距離を算出し、その距離の合計をキロ程情報として３次元座標情報に付加する。

次に、ステップＳ２’では、キロ程情報が付与された全体座標群Ｕ,Ｕ’から所定の第ｉ部分座標群Ｄｉ,Ｄｉ’を所定のピッチで抽出する。図９に示されるように、第ｉ部分座標群Ｄｉ（ｉ＝１、２、・・・）とは、基準レールの全体座標群Ｕの内で、始点Ａｉ（ｍ）（ｉ＝１、２、・・・）から所定のキロ程ｄ（ｍ）、例えば０.５ｍのキロ程（ｍ）内に存在する３次元座標の集合体を意味している。また、全体座標群Ｕから第ｉ部分座標群Ｄｉを分割するピッチとは、第ｉ部分座標群Ｄｉの先頭のキロ程Ａｉと、第（ｉ＋１）部分座標群Ｄ_ｉ＋１の先頭のキロ程Ａ_ｉ＋１との差（＝Ａ_ｉ＋１－Ａｉ）を意味し、本実施形態では例えば区間距離ｄの１／２（＝０.２５ｍ）としている。

また、ここで言う「キロ程（ｍ）」とは、３次元座標を逐次連結して得られた測定座標ラインＬ１の始点（Ａ２）からの距離を意味している。なお、上記のことは相対レールに対してもそのまま当てはまる。

次に、ステップＳ３’では、第ｉ部分座標群Ｄｉの代表座標Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を算出する。図１０に示されるように、第ｉ部分座標群Ｄｉの代表座標Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）は、第ｉ部分座標群Ｄｉに含まれる座標を、座標成分毎の部分座標群Ｄｘｉ,Ｄｙｉ,Ｄｚｉにそれぞれ分割し、各部分座標群について回帰直線をそれぞれ算出する。なお、回帰直線は、縦軸を座標値と横軸をキロ程（ｍ）とする２次元平面上において最小二乗法によって算出することができる。

そして、第ｉ部分Ｘ座標群Ｄｘｉについての回帰直線Ｌｘｉと縦軸との交点であるＸ切片値を第ｉ部分座標群ＤｉのＸ座標Ｘｉとする。同様に、第ｉ部分Ｙ座標群Ｄｙｉについての回帰直線Ｌｙｉと縦軸との交点であるＹ切片値を第ｉ部分座標群ＤｉのＹ座標Ｙｉとする。同様に、第ｉ部分Ｚ座標群Ｄｚｉについての回帰直線Ｌｚｉと縦軸との交点であるＺ切片値を第ｉ部分座標群ＤｉのＺ座標Ｚｉとする。

そして、全ての第ｉ部分座標群Ｄｉ（ｉ＝１、２、・・・）について代表座標Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（ｉ＝１、２、・・・）を算出することにより、基準レールについての新たな座標群が生成されることになる。なお、上記のことは相対レールに対してもそのまま当てはまる。

以上をまとめると、図１１（ａ）に示されるように、測量機１０の自動追尾モードがオンの状態で、作業者が移動台車２０を基準レール上に沿って移動させることによって、基準レールの３次元座標から構成される全体座標群Ｕが得られる。

図１１（ｂ）に示されるように、コンピュータ４０は３次元座標を時系列順に結ぶことによって、３次元座標間の距離を算出する。コンピュータ４０はその距離の合計をキロ程情報として３次元座標情報に付加する。さらに、コンピュータ４０は、基準レールの全体座標群Ｕから第ｉ部分座標群Ｄｉ（ｉ＝１、２、・・・）を、計測開始点から０.５ｍの区間距離かつ０.２５ｍのピッチで抽出する。

図１１（ｃ）に示されるように、コンピュータ４０は、抽出した第ｉ部分座標群Ｄｉについて座標成分毎の座標群Ｄｘｉ,Ｄｙｉ,Ｄｚｉにそれぞれ分解し、分解したＸ座標群Ｄｘｉ、Ｙ座標群Ｄｙｉ、Ｚ座標群Ｄｚｉについて最小二乗法によって回帰直線Ｌｘｉ,Ｌｙｉ,Ｌｚｉをそれぞれ算出する。コンピュータ４０は、各回帰直線Ｌｘｉ,Ｌｙｉ,Ｌｚｉと縦軸との交点である各切片値を算出することにより、第ｉ部分座標群Ｄｉの代表座標Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を算出する。なお、黒丸（●）は基準レールの３次元座標を表し、白丸（○）は第ｉ部分座標群Ｄｉの代表座標Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を表している。コンピュータ４０は、全ての第ｉ部分座標群Ｄｉ（ｉ＝１、２、・・・）について代表座標Ｐ１、Ｐ２、・・・を算出する。

図１１（ｄ）に示されるように、コンピュータ４０は、基準レールの全体座標群Ｕを消去することにより代表座標Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・から成る基準レールについての代表座標群Ｖを生成する。コンピュータ４０は、上記プロセスと全く同一のプロセスを実施することによって、相対レールの全体座標群Ｕ’から代表座標群Ｖ’を生成する。

再び図６に戻って、ステップＳ４’では、校正座標ラインＬ２を生成する。図１２（ａ）に示されるように、コンピュータ４０は、全ての第ｉ部分座標群Ｄｉ（ｉ＝１、２、・・・）の代表座標Ｐ１、Ｐ２、・・・を順に結んで基準レールについての校正座標ラインＬ２を生成する。

次に、ステップＳ５’では、計測開始点から所定距離の倍数に位置する校正座標ラインＬ２上の点を求める。図１２（ａ）に示されるように、コンピュータ４０は、校正座標ラインＬ２上の最初の点Ｐ１を中心としてＰ１から次のＰ２に到る距離を半径とした球と校正座標ラインＬ２との交点に相当する点Ｃ１を最初の中心として、半径１ｍの球面Ｓ１を生成する。次に、コンピュータ４０は、球面Ｓ１と校正座標ラインＬ２との交点Ｃ２を中心として、半径１ｍの球面Ｓ２を生成する。次に、コンピュータ４０は、球面Ｓ２と校正座標ラインＬ２との交点Ｃ３を中心として、半径１ｍの球面Ｓ３を生成する。次に、コンピュータ４０は、球面Ｓ３と校正座標ラインＬ２との交点Ｃ４を中心として半径１ｍの球面Ｓ４を生成する。以下、同様にしてコンピュータは校正座標ラインＬ２上に球面Ｓi（ｉ＝５、６、・・・）を生成する。図上の黒丸（●）は、半径１ｍの球面Ｓｉと校正座標ラインＬ２との交点Ｃｉを表している。図上の白丸（○）は第ｉ部分座標群Ｄｉの代表座標Ｐｉを表している。なお、最後の点は「最後の球の中心点」から最後の点に到るまでの距離を半径とした球と校正座標ラインＬ２の交点として求められる。

なお、球面Ｓｉの半径については、例えば、糸張り法において使用される弦長の１／２を採用することができる。従って、弦長が２ｍの場合は、球面の半径としては１ｍを採用することができる。また、球面Ｓｉの中心Ｃｉについては、校正座標ラインＬ２と１つ前の球面Ｓ_ｉ－１との交点として規定することができる。

従って、交点Ｃｉ（ｉ＝１、２、・・・）は、校正座標ラインＬ２上の点であり、交点Ｃｉと交点Ｃ_ｉ＋１とを結んだ線分の長さは、１ｍに等しくなる。

再び図６に戻って、ステップＳ６’では、距離基準ラインＬ３を生成する。図１２（ｂ）に示されるように、交点Ｃ２は、始点Ｃ１から１ｍの距離に位置する校正座標ラインＬ２上の点である。同様に、交点Ｃ３は、始点Ｃ１から１ｍの２倍の距離に位置する校正座標ラインＬ２上の点である。同様に、交点Ｃ４は、始点Ｃ１から１ｍの３倍の距離に位置する校正座標ラインＬ２上の点である。このように、交点Ｃｉ（ｉ＝１、２、・・・）は、始点Ｃ１からの軌道の長さ（距離）の基準（キロ程）を示す基準点となる。従って、コンピュータ４０は、交点Ｃｉ（ｉ＝１、２、・・・）を順に連結することにより、距離基準ラインＬ３を生成する。また、コンピュータ４０は、交点Ｃｉ（ｉ＝１、２、・・・）に座標情報と共にキロ程情報を付加する。なお、以降においてこれら交点Ｃｉ（ｉ＝１、２、・・・）を距離基準点と呼ぶことにする。

ステップＳ７’では、軌間・水準・通り・高低を求める。図１３（ａ）に示されるように、コンピュータ４０は、基準レールの校正座標ラインＬ２の距離基準点Ｃｉ（ｉ＝１、２、・・・）から相対レールの校正座標ラインＬ２’へ垂線Ｈｉ（ｉ＝１、２、・・・）を伸ばして、垂線Ｈｉと校正座標ラインＬ２’との交点Ｃｉ’（ｉ＝１、２、・・・）を求める。

コンピュータ４０は、Ｃｉ－Ｃｉ’の軌間として、距離基準点Ｃｉの座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）と交点Ｃｉ’の座標（ｘｉ’，ｙｉ’，ｚｉ’）を基にして、下記式１によって点間距離を算出する。
（式１）：Ｃｉ－Ｃｉ’の軌間＝[（ｘｉ－ｘｉ’）^２＋（ｙｉ－ｙｉ’）^２＋（ｚｉ－ｚｉ’）^２]^０.５

また、コンピュータ４０は、Ｃｉ－Ｃｉ’の水準として、下記式２によってＺ座標の差分を算出する。
（式２）：Ｃｉ－Ｃｉ’の水準＝ｚｉ－ｚｉ

また、図１３（ｂ）に示されるように、０ｍの距離基準点Ｃ１と２ｍの距離基準点Ｃ３とを結んだ線分は仮想２ｍ弦と見なすことができる。従って、コンピュータ４０は、１ｍの距離基準点Ｃ２から仮想２ｍ弦に下ろした垂線の足Ｆの座標（ｘ４，ｙ４，ｚ４）を求める。図１３（ｃ）に示されるように、コンピュータ４０は、距離基準点Ｃ２における高低として、下記式３によってＺ座標の差分を算出する。
（式３）：距離基準点Ｃ２における高低＝ｚ２ーｚ４

また、コンピュータ４０は、距離基準点Ｃ２における通りとして、「垂線Ｈの長さ」と「距離基準点Ｃ２における高低」を用いて下記式４によって算出する。
（式４）：距離基準点Ｃ２における通り＝[（垂線Ｈの長さ）^２ー（距離基準点Ｃ２における高低）^２]^０.５

以上の通り、本発明の一実施形態に係る軌道検測装置１００によれば、校正座標ラインＬ２,Ｌ２’によってレールの距離基準点Ｃｉ,Ｃｉ’における座標情報を得ることができ、距離基準ラインＬ３によって始点Ｃ１から各距離基準点Ｃｉに到る距離（長さ）の基準となるレールのキロ程情報を得ることができる。

更に、校正座標ラインＬ２,Ｌ２’は、コンピュータ４０が基準レール又は相対レールの全体座標群Ｕ,Ｕ’から所定の区間距離（＝ｄ）及び所定のピッチ（＝ｄ／２）で部分座標群Ｄｉ,Ｄｉ’を抽出し、部分座標群Ｄｉ,Ｄｉ’を座標成分毎にそれぞれ分解し、分解したＸ座標群Ｄｘｉ、Ｙ座標群Ｄｙｉ、Ｚ座標群Ｄｚｉについて最小二乗法によって回帰直線Ｌｘｉ,Ｌｙｉ,Ｌｚｉをそれぞれ算出することによって生成される。これにより、距離基準点Ｃｉ,Ｃｉ’における精度の高い座標情報とキロ程情報を得ることができると共に、これらの情報を利用することにより、レールの狂い量を少ない負荷で且つ精度良く算出することが可能となる。

また、測量機１０はプリズム３０を視準することができるレール外の任意の位置に据え付けられ、プリズム３０が取り付けられた移動台車２０は片方のレールずつ走行される。これにより、線路閉鎖なしで計測作業が可能となる共に、標準軌又は狭軌の何れに対しても計測作業が可能となる。また、移動台車２０は主にプリズム３０をレールに沿って移動させる為のものであるため、作業者が一人で容易に取り付け／取り外しできる程度に軽量にすることができる。その結果、レールの狂い量の検測作業に係る労力と時間を大幅に低減すると共に、計測値に含まれる人的誤差を大幅に低減することが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明の実施形態は上記だけに限定されない。すなわち、本発明の技術的範囲内において種々の修正・改良を追加することが可能である。例えば、部分座標群Ｄｉ,Ｄｉ’の代表座標として、各回帰直線Ｌｘｉ,Ｌｙｉ,Ｌｚｉと縦軸との交点である各切片値を採用しているが、各回帰直線Ｌｘｉ,Ｌｙｉ,Ｌｚｉ上のその他の点を採用しても良い。

１０ 測量機
１１ 精密三脚
２０ 移動台車
２１ Ｌ形構体
２２ 第１ローラー
２３ 第２ローラー
２３ａ 軸
２４ 取っ手
２５ 押し棒
２６ 水平板
２６ａ 絶縁板
２６ｂ 球面凸部
２７ 垂直板
２７ａ 絶縁板
２８ つまみ
３０ プリズム
４０ コンピュータ
１００ 軌道検測装置

Claims (9)

1. 軌道の頭頂面に当接する第１ローラー（２２）並びに軌道の頭側面に当接する第２ローラー（２３）を回転自在に支持するＬ形構体（２１）から構成される移動台車（２０）と、
   前記Ｌ形構体（２１）に取り付けられるプリズム（３０）と、
   前記プリズム（３０）に測距光（１０ａ）を照射して軌道の座標を計測する測距装置（１０）と、
   前記測距装置（１０）から得られる軌道の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から成る全体座標群（Ｕ、Ｕ’）を基にして、軌道の狂い量を算出する演算装置（４０）とを備えた軌道検測装置であって、
   前記演算装置（４０）は、前記全体座標群（Ｕ、Ｕ’）に対し所定の区間距離（ｄ）および所定のピッチ（ｄ／２）で部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）を抽出し、
   前記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）について座標成分毎に校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）をそれぞれ求め、
   前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）に基づいて全ての前記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）の代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）をそれぞれ求め、
   前記代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を逐次連結した校正座標ライン（Ｌ２）を生成する
   ことを特徴とする軌道検測装置。
2. 請求項１に記載の軌道検測装置において、
   前記演算装置（４０）は、前記部分座標群（Ｄｉ、Ｄｉ’）を各成分座標群（Ｄｘｉ、Ｄｙｉ，Ｄｚｉ）にそれぞれ分解し、
   各成分座標群（Ｄｘｉ、Ｄｙｉ，Ｄｚｉ）について縦軸を座標値と横軸を区間距離（ｄ）とする２次元平面上において前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）をそれぞれ求め、
   前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）上の縦軸成分を前記代表座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）の座標成分とする
   ことを特徴とする軌道検測装置。
3. 請求項１又は２に記載の軌道検測装置において、
   前記演算装置（４０）は最小二乗法により前記校正直線（Ｌｘｉ、Ｌｙｉ、Ｌｚｉ）を求める
   ことを特徴とする軌道検測装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の軌道検測装置において、
   前記演算装置（４０）は、前記校正座標ライン（Ｌ２）上の始点（Ｃ１）から基準距離の倍数に相当する基準点（Ｃｉ）を前記校正座標ライン（Ｌ２）上に設定する
   ことを特徴とする軌道検測装置。
5. 請求項４に記載の軌道検測装置において、
   前記演算装置（４０）は、前記基準点（Ｃｉ）を中心点に持ち且つ前記基準距離を半径とする球面（Ｓｉ）と前記校正座標ライン（Ｌ２）との交点（Ｃ_ｉ＋１）を次の基準点に設定する
   ことを特徴とする軌道検測装置。
6. 請求項４又は５に記載の軌道検測装置において、
   前記演算装置（４０）は、前記校正座標ライン（Ｌ２）上の前記基準点（Ｃｉ）から伸びた垂線（Ｈｉ）が他の軌道についての前記校正座標ライン（Ｌ２’）と交わる交点（Ｃｉ’）を、前記基準点（Ｃｉ）と対を成す対応点（Ｃｉ’）として設定する
   ことを特徴とする軌道検測装置。
7. 請求項１に記載の軌道検測装置において、
   前記移動台車（２０）のＬ形構体（２１）は、前記軌道の頭頂面および頭側面に対向する各部位（２６、２７）にマグネットを内蔵している
   ことを特徴とする軌道検測装置。
8. 請求項１又は７に記載の軌道検測装置において、
   前記移動台車（２０）は傾斜センサを備えている
   ことを特徴とする軌道検測装置。
9. 請求項１、７及び８の何れか１項に記載の軌道検測装置において、
   前記測距装置（１０）は軌道外に据え付けられ且つ前記移動台車（２０）は片方の軌道を移動する
   ことを特徴とする軌道検測装置。