JPS62261008A

JPS62261008A - トンネル内面性状検出装置

Info

Publication number: JPS62261008A
Application number: JP10432786A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shimazu; 島津　幸一
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1986-05-07
Filing date: 1986-05-07
Publication date: 1987-11-13
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: JPH0723850B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、導水路、道路、鉄道等に用いられるトンネ
ルの壁面に発生した凹凸、クラック（ひび割れ）および
クラック沿いのくい違い（段差）、摩耗等の欠陥を的確
に検出するトンネル内面性状検出装置に関するものであ
る。

（従来の技術〕水路トンネルの多くは建設後にすでに約５０年を経て老
朽化し、破壊などの事故が起きた場合は電力の供給支障
をおよぼし、公衆に与える彩管は大きい。また道路およ
び鉄道などのトンネルについても老朽化が進んでおり、
破壊などの事故が起きた場合は人命にかかわる危険性を
はらんでいる。

このような中で、トンネルの点検、調査の重要性はきわ
めて高い。

ところで、従来から一般に行なわれているトンネル壁面
の凹凸、クラック、くい違いおよび摩耗等の欠陥の検出
方法としては、数人の点検者がトンネル内に入り暗中で
電灯などの光を甲面にあてて巡視しながらスケッチする
あるいは写真躍影する等目視確認によるものが主体であ
った。

また、他の検出方法としては、例えば特開昭６０−４９
２６０号公報に示されるように、トンネルライニング内
面に超音波送受信センサを密着させて超音波を発信し、
ライニング外面からの反射波を受信するまでの伝播時間
を計測することにより、トンネルライニングの強度や寸
法を推定する方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点）しかしながら、前述の目視Ｔｌｌ認による方法は、点検
者の経験年数や主観の差等により人によってその判断が
異なり、また暗中での目視Ｔｉ１認であるため見落しが
多く、さらにトンネルが長い場合にあっては点検者を増
員する等多くの労力が必要となるという碌々の問題点が
あった。

また、前述の超音波による方法は、その主旨はうイニン
グの強度、寸法を推定するための方法であり、この方法
をトンネルの内面性状検出に適用するようにしても次の
ような問題点が光生すると考えられる。すなわち、この
超音波法では超音波送受信センサをライニング内面に密
着させる必要があるため、トンネル全域を計測するため
に該超音波送受信センサをトンネル円周方向に沿って回
動し、かつ前進しようとすると、計測に多大な時間を要
するという不都合がある。また、通常、トンネルの壁面
はコンクリートで形成されているが、コンクリート内で
の超音波伝搬特性は鉄鋼などに比べ非常に悪くなるため
、この超音波による方法をトンネルの性状検出に適用し
た場合、計測′ｖＸ度が悪くなり、さらに、この計測精
度は壁面の凹凸による前記センサの接触状態の変動によ
っても左右されるという問題点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

そこでこの発明では、車両の所定位置に配設され車両の
前後方向軸に垂直な方向に対してレーザビームを回転走
査するレーザ走査手段と、上記レーザビームのトンネル
壁面上における走査軌跡を撮像する泥像手段と、上記レ
ーザビームのトンネル壁面での散乱光を受光する受光手
段と、前記車両のトンネル長手方向に沿った移動位置を
検出する位置検出手段と、前記日像手段の出力と前記受
光手段の受光出力とを前記位置検出手段の検出出力とと
もに記録する記録手段とを車両に搭載し、前記記録手段
の記録内容に基づきトンネル壁面に形成された凹凸、ク
ラック、クラック沿いのくい違い等の欠陥を検出するよ
うにする。

〔作用〕

前記レーザ走査手段によってレーザビームをトンネル内
周面に沿って２次元的に走査するとともに該レーザ走査
手段を車両の進行に伴ってトンネル長手方向に移動する
ことによりトンネルの全壁面にレーザビームを照射する
とともに、該レーザど−ムのトンネル壁面での走査軌跡
および散乱光を夫々車両に搭載した前記撮像手段および
受光手段でヒ像および受光するようにする。この日像出
力と散乱光受光出力とを前記位置検出手段で検出した車
両のトンネル長手方向に沿った位置データとともに前記
記録手段に記録し、その後、該記録内容をデータ処理し
た後例えば２次元グラフ化して画像表示あるいは印字出
力するようにして、１〜ンネル全壁面についての陽像デ
ータおよび散乱光受光データを得る。前記受光手段の出
力はクラックが存在するところではシャドウ作用により
その受光出力が著しく低下するので、前記両会表示ある
いは印字出力された散乱光受光データを判別することに
より、トンネル壁面に発生したクラックをその大きさ１
位置および形状等まで詳しく検出することができる。ま
た、トンネル壁面に形成された凹凸、くい違い、摩耗等
の欠陥は前記呉像データを解析することにより検出する
ことができる。

［実施例〕第１図は本発明の実施例におけるレーザビーム走査系１
を慨念的に示している。この走査系１において、電動器
２によって矢印方向に回動するミラーホルダ３に固着さ
れたミラー４にレーザ投光器５からレーザビームＬが入
射されると、該レーザビームしはミラー４によって入射
方向と％′ｒｉな方°向に反射され、その後、ミラーホ
ルダ３の窓部６を介してトンネル壁面８に入射され、ト
ンネル壁面８を円周方向に沿って走査する。このため、
レーザ投光器５からレーザビームＬがトンネル壁面の長
手方向に平行になるように照射されていれば、レーザビ
ームＬはミラー４に反射された後、トンネル壁面８に垂
直に入射することになる。また、前記トンネル壁面８に
略垂直に入射されたレーザビームしは、その後、該壁面
８に垂直に反射されるとともに散乱する。この走査系１
においては、フォトマルチプライヤ等から成る複数の受
、光センサ９−１．・・・９−ｎを具え、これら複数の
受光センサ９−１．・・・９−ｎによって前記壁面８で
散乱したレーザビームＬを受光ザるようにしている。ま
た、ミラー４で反射されたレーザビームは１回転中に１
回ずつハーフミラ−７に入射されるようになっており、
前記ハーフミラ−７で反射されたレーザビームはフォト
ダイオード等から成る受光センサ１０に入射される。し
たがって、受光センサ１０は、ミラーホルダ３の回動に
よりレーザビームＬが１回転走査される毎に、該ビーム
を検出する。この受光センサ１０は、レーザ回転走査の
始端検出に用いられている。また、この走査系１におい
ては、前記回動走査されるレーザビームのトンネル壁面
上での軌跡をｍｌ像するため、ＣＯＤイメージセンサな
どを使用した複数のテレビカメラ１１−Ｌ・・・１１−
ｎが設けられ、該複数のカメラ１ｉ−ｉ、・・・１１−
ｎによってトンネル型面８を全周にわたって撮像できる
ようにしている。

第２図は、上記電動器２、ミラーホルダ３、ミラー４、
レーザ投光器５、ハーフミラ−７および受光センサ１０
等で構成されるレーザビーム走査系１を運転席上方に設
けられたケーシング１２および１４内に収納した計測車
両を示してＪ３す、レーザビームしはケーシング１２に
形成された窓１３を介して放射され、その後トンネル壁
面で反射される。

この場合、この車両の上部に配設したケーシング１４の
前方左右に前記レーザビームのトンネル壁面での散乱光
を受光する２個の受光センサ９−Ｌ９−２を設けるとと
もに、該受光センサ９−１．９−２の各外側にレーザビ
ームの軌跡を日仏する２個のテレビカメラ１１−１．１
１−２を設け、さらに該車両のバンパーの左右に前記レ
ーザビームの軌跡を１＠像する２個のテレビカメラ１１
−３．１１−４を設けるようにした。すなわち、この場
合は２＠の受光センサ９−１．９−２によりトンネル壁
面でのレーザ敗乱光を受光し、４個のテレビカメラ１１
−１、・・・１１−４によってトンネル全周のレーザ軌
跡を撮像するようにした。

また、この車両には、トンネルの長手方向に泊った車両
位置を検出するために、左側後輪１５に、該車輪と連動
して走行距離に比例した数のパルス信号を出力する走行
距離計測用パルス発生器１６（第３図参照）が付設され
ている。

第３図は、この実施例の電気回路をブロック図で示すも
のであり、以下、同図を参照してこの実施例の作用を説
明する。

まず、トンネル壁面に形成された凹凸、くい違い、摩耗
（水路トンネル）等の欠陥の検出について説明する。

計測紡作が開始されると、コントローラ２３より電動ｎ
２ヘマスタ一クロツク信号が入力され、これによりＴｓ
　９ｊＪ　１１２が定速運転される。

電１１０１！２によってミラーホルダ３が回転されると
、レーザビームＬがトンネル壁面８に対して回転走査さ
れる。受光センサ１０は該レーザビームＬが１回転走査
される毎にレーザビームＬを受光し、その受光出力を回
転始端位置信号として同期回路１７および信号処理回路
２４に加える。同期回路１７は入力された所定の周波数
をもつ回転始端位置信号を周波数６０Ｈｚの信号に分周
し、その分周出力を信号処理回路１８に同期１８号とし
て出力する。上記レーザビームの走査によってトンネル
壁面上に該ビームの走査軌跡が形成されると、トンル全
周の走査軌跡は前記複数のテレビカメラ１１−Ｌ・・・
１１−ｎによって夫々該当範囲の軌跡に分割して撮像さ
れる。

今、たとえば車両が１０Ｋｍ／ｈで走行しているとする
と、第４図に示す如＜１／６０秒間における車両の走行
距離は約４．６ｃｍとなる。ここで、各テレビカメラの
読出し周波数を６０Ｈｚとすると、車両Ｍ４．６ｃｍ走
行する間において、レーザビームは所定回数（例えば２
８８０回）走査されるのでこの読出し周期の間における
該カメラへの画像の崗き込み回数は４８回（２８８０／
６０）となり、この結果、各カメラのは像面には４８本
のビーム走査軌跡が近接して複数条画かれることになる
。この場合は、テレビカメラからの画像データ読出し時
においてＴＶレートで上記複数条の画像の平均値が読出
される。

このようにして、複数のテレビカメラ１１−１、・・・
１１−ｎから読出した各Ｖａ像データは信号処理回路１
８に加えられ、ここで合成処理等が施されることにより
トンネル内面全周の顕像データが形成されたのちＶＴＲ
（ビデオテープレコーダ）１９に記録される。なお、カ
メラの銀像面は一時記・ｌ＠分が可能であり、上記の読
出しは１フイールド前に銀像面に書き込まれた画像デー
タに対して行なわれる。また、上記の読出し処理は同期
回路１７からの同期信号に同期して行なわれる。

また、車両の走行に伴ない、距離計測用パルス光生器１
６からは車両の走行距離に比例した数のパルス信号が出
力され、補正回路２０に入力される。補正回路２０では
、車両の傾斜ヤスリツブ等に基因した誤差補正のための
入力パルスの間引き・追加等の処理を行ない、１１両゛
が１　ｍｔｎ走行する１Ｊｊに１個のパルスを出力し、
この１パルス／　ｒｎｍのパルス信号をＰＣＭ（パルス
コードモジュレーション）回路２１へ出力する。ＰＣ〜
１回路２１は入力された１パルス／麗のパルス信号をｇ
ＩＦｌシかつコード化する。したがって、ＰＣＭ回路２
１からは車両の走行距離データが出力され、該走行距離
データはＶＴＲ１９へ入力される。

しかしてＶＴＲ１９には走行量始点からの距離データが
順次釦象データとともに記録される。またマイク２２か
らの音声データも同時に記録さゼることが可能であり、
ビデオトラックに画像データ、音声トランクに走行距離
データおよび音声データが記録される。

以上のようにして、ＶＴＲ１９に記録された日像データ
はその後オフライン処理により専用の画像メモリ（図示
せず）に格納され、その後適宜の信号処理が施された後
例えば画像表示あるいは印字出力される。点検者は該表
示あるいは印字結果に基づきトンネル壁面に形成された
凹凸、クラック沿いのくい違い（段差）、摩耗（水路ト
ンネル）等の欠陥を検出するようにする。

つぎに、クラックの計測について説明する。第５図（ａ
）または（ｂ）に示すように、レーザ光が照射された路
面にひび割れが存在していない場合には、前記受光器９
に所定先位の散乱光が入射されるが、同図（Ｃ）に示す
如く路面上にひび８１」れＣＲが存在している場合には
、いわゆるシャドウ作用により受光器９に対する入射光
量が若しく低下する。なお、第５図（ａ）は壁面が平滑
な場合、第５図（ｂ）は壁面が粗い場合を示している。

したがって第６図（ａ）を前記受光センサ１０より出力
される回転始端位置信号とすると、上記型面にひび割れ
が存在する場合、同第６図（ｂ）に示す如く、レーザ走
査ビームがひび割れ部分を通過する時点で受光器９の出
力が低下し、この出力の低下を示す信号の位置はひび割
れの壁面円周方向についての位置に対応している。なお
、レーザビームＬの壁面散乱光を検出する前記受光器っ
け最適なシャドウ作用が得られる位置に配設されている
。

第３図において、レーザビームＬが走査されると、車両
上方に設けられた複数個の受光ぜンサ９−１．９−２．
・・・９−ｎではトンネルを面からの散乱光を大々受光
し、その時系列の受光出力を信号処理回路２４に並列入
力する。信号処理回路２４は、前記受光センサ１０から
入力される回転始端位置信号に基づき、前記複数の受光
センサ９−１、・・・９−ｎから入力される複数のレー
ザ散乱光量データを加算することにより該複数の光重デ
ータの合成！Ｉ８Ｐ！を行ない、該加算出力をＶｌ−Ｒ
２５へ入力する。

このＶＴＲ２５には、該レーザ散乱光Ｄデータの他に、
前記ＰＣλ・１回路２１からの走行距離データ、マイク
２２からの音声ｆ−りおよび補正回路２０からのサンプ
リングパルス信号が入力されている。補正回路２ｏにお
いては、前述した１パルス／闇のパルス信号をＰＣＭ回
路２１に出力する以外に、前記パルス発生器１６から入
力されたパルス信号に基づき、トンネル＠断方向の全周
長に対するデータサンプリングピッチ（例えば１　ｍｔ
ｎピッチ）に対応した多数個の等間隔パルス列から成る
パルス信号（第６図（Ｃ）参照）を形成し、このパルス
信号をＶＴＲ２５へ入力する。このパルス信号は、信号
処理回路２４から出力される散乱光データのサンプリン
グ間隔を示す信号として用いられ、該パルス信号の周波
数に対応するＦｆｆ間間隔で散乱光データがサンプリン
グされる。

しかして、ＶＴＲ２５には、そのビデオトラックに信号
処理回路２４から入力された散乱光データが補正回路２
０から入力されたサンプリング間隔パルス信号に従って
記録されるとともに、その音声トラックには、ＰＣＭ回
路２１から入力された走行距離データおよびマイク２２
からの音声データが予め決められた所定のフォーマット
にしたかって記録されることになる。

上述の説明はトンネル長手方向に対して１　ｒａｍピッ
チで横断方向全周のクラック検出を行うものであるが、
所望とする計測およびサンプリングピッチ、例えばトン
ネル長手方向に０．５ａｍピッチ（１パルス／　０　、
５ｍｍの信号）および横断方向０．５ｍｍのサンプリン
グピッチなどでの計測も補正回路２０に設けられた出力
信号切換は能によって可能である。

なお、上述した一連の動作はコントローラ２３によって
制御されるものである。

以上のようにして、ＶＴＲ２５に記録されたトンネル壁
面のクラックを示す散乱光データは走行距離データとと
もに、オフライン処理によって専用の画像メモリへ格納
される。

例えば、ＶＴＲ２５に記録されたクラック検出用の散乱
光データおよび走行距離データは読出回路２６によって
読出され、壽込制罪回路２７に入力される。この書込制
御回路２７では、前記散乱光データおよび走行距離デー
タを画像メモリ２８に格納する際のアドレス制御を行な
うもので、かかるデータは画像メモリ２８に対し第７図
に示すＢ様で格納される。同図においてＸ方向がトンネ
ル進行方向、Ｙ方向が横断方向に対応し、２方向がＸ、
Ｙアドレスで示される壁面の散乱光データである。なお
、Ｘ方向アドレスは車両の走行距離を示し、Ｙ方向アド
レスはレーザ光の走査距離すなわちトンネル壁面の円周
距離を示す。この画像メモリ２８に格納されたデータは
、画像処理回路２９により同図に示す閾値ＬＳにより２
値化され閾値１ｓ以下のデータをクラックデータとし、
このタラツクデータに基づきクランク位置が判定される
。尚、この第７図に示す例では、ハツチングを付した部
分がクラックに対応する。

画像９８哩回路２９ては、画像メモリに格納したデータ
に対し、画像の強調、スケーリング等の所定の信号処理
を加えた後、該データをプリンタ３ｏへ出力しハードコ
ピー化する、あるいはＣＲＴ３１上へ画面表示する、あ
るいは磁気テープ３２上へ磁気記録する。

かかる実施例装置を水路トンネルあるいは道路トンネル
に適用した外観構成を第８図に示し、また鉄道トンネル
に適用した場合を第９図に示した。

なお、レーザビームをトンネル壁面に向って回動走査す
る・ための構成は上記実施例に示したものに限らず、例
えば他にポリゴンミラー等を用いて同等の商能を達成す
るようにしてもよい。

また、装置をさらにコンパクトするようにすれば、下水
道管、電線のどう道、パイプライン等の内壁面のクラッ
ク検出にも本光明を適用することができる。

（発明の効果〕以上説明したようにこの発明によれば、レーザ走査手段
によってレーザビームをトンネル内周面に沿って２次元
的に走査するとともに該レーザ走査手段を車両の進行に
伴ってトンネル長手方向に移動することによりトンネル
の全壁面にレーザビームを照射し、該レーザビームのト
ンネル壁面での走査軌跡を囮像手段で１１するとともに
同レーザビームのトンネル壁面での散乱光を車両に搭我
した受光手段で受光し、この銀像出力および散乱光受光
出力を車両のトンネル長手方向に沿った位置検出データ
とともに記録手段に記録し該記録データに基づきトンネ
ル壁面の凹凸、くい違い、摩耗およびクラック等の欠陥
を検出するようにしているので、効率よくかつ正確に欠
陥部分を検出することができ、また検出に要する費用お
よび労力を大幅に低減することができる。さらに、デー
タは記録手段に記録するようにしているのでコンピュー
タ等によるデータ処理、解析が容易となり、処理の高速
化および高精度化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るトンネル内面性状検出装置の光学
系の構成例を概念的に示した側面図、第２図は本発明の
トンネル内面性状検出装置を搭載した計測車両を示す斜
視図、第３図は本発明に係るトンネル内面性状検出装置
の電気回路を示したブロック図、第４図はテレビカメラ
の撮像の態様を示した斜視図、第５図はトンネル壁面上
におけるレーザビームの反ｅＡ　態ｆａｔを示した図、
７ｔ５６図は路面にひび割れが存在している場合の光セ
ンサの出力波形等を示した波形図、第７図はクラックに
ついてのデータを画像メモリに記憶さｔた態杼を示す慨
念図、第８図は本発明を水路あるいは道路トンネルに適
用した外観を示す斜視図、絹９図は本発明を鉄道トンネ
ルに適用した外観を示す斜視図である。１・・・レーザビーム走査系、２・・・電動ぼ、３・・
・ミラーホルダ、４・・・ミラー、５・・・レーザ投光
器、６゜１２・・・窓、７・・・ハーフミラ−１８・・
・トンネル壁面、９．１０・・・受光センサ、１１、・
・・テレビカメラ、１２．１４・・・ケーシング、１６
・・・距離計測用パルス発生器、１７・・・同期回路、
１８．２４・・・信号処理回路、１９．２５・・・ＶＴ
Ｒ，２０・・・補正回路、２１・・・ＰＣＭ回路、２２
・・・マイク、２３・・・コントローラ、２６・・・読
出回路、２７・・・書込制御回路、２８・・・画像メモ
リ、２９・・・画像処理回路、３０・・・プリンタ、３
１・・・ＣＲＴ、２８・・・磁気テープ。第１図第２図第３図第４図（ａ）　　　　　（ｂ）　　　　　（Ｃ）第５図（Ｃ）−−−−ゴ聞■■肌−−−−−−訓此−−−−一
第６図

Claims

【特許請求の範囲】車両の所定位置に配設され車両の前後方向軸に垂直な方
向に対してレーザビームを回転走査するレーザ走査手段
と、上記レーザビームのトンネル壁面上における走査軌跡を
撮像する撮像手段と、上記レーザビームのトンネル壁面での散乱光を受光する
受光手段と、前記車両のトンネル長手方向に沿った移動位置を検出す
る位置検出手段と、前記撮像手段の出力と前記受光手段の受光出力とを前記
位置検出手段の検出出力とともに記録する記録手段とを
車両に搭載してなるトンネル内面性状検出装置。