JP2008505260A - 鉄道線路を検査するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

鉄道線路を検査するためのシステムおよび方法を開示する。システムは、レーザと、カメラと、プロセッサとを含む。レーザは、線路に近接して配置される。レーザは、鉄道線路を横断するように光線を放射し、光線が放射された鉄道線路の画像をカメラが記録する。プロセッサは、鉄道線路の様々な計測可能な状態を測定するために、画像を分析可能であるように設定する。システムは、ＧＰＳ受信機、または位置データを測定するための距離計測装置を含む。システムにより測定できる計測可能な状態は、枕木間の間隔、レールに対する枕木の角度、枕木の表面のひびや不具合、固定部品の不足、固定部品のずれ、タイプレートの沈下、くぎの突出、レールの磨耗、レールの軌間、枕木に対するバラスト高さ、バラスト石の大きさ、レールの破損または分離を含む。システムは、鉄道線路のこれらの計測可能な状態を測定するための１つ以上のアルゴリズムを含む。

Description

本出願は、「鉄道線路を検査するためのシステムおよび方法（Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ Ｒａｉｌｒｏａｄ Ｔｒａｃｋ）」と題されるＪｏｈｎ ＮａｇｌｅおよびＳｔｅｖｅｎ Ｃ．Ｏｒｒｅｌｌによる２００４年６月３０日付けの米国特許仮出願第Ｓ／Ｎ６０／５８４，７６９号明細書に基づき優先権主張される出願である。この仮出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に鉄道線路を検査するためのシステムおよび方法、より詳細には、レーザと、カメラと、プロセッサとを使用して鉄道線路の状態を検査するためのシステムおよび方法に関する。

鉄道は、通常、砕石が密集して敷き詰められた基層上に構築される。この石層の上に砂利バラストの層がある。このバラスト層内およびこの層上に枕木が置かれ、平行な２つの鋼製レールが固定具により枕木に取り付けられる。使用される枕木のほとんどは木製である。コンクリート、鋼、および複合材料や再利用物質等のその他の材料も枕木の製造に使用される。これらの代替材料による枕木が占める割合は比較的小さい。枕木は、レールの軌間またはレールの横間隔を維持する。枕木は、電車から枕木の下のバラスト層への軸重を分配し、線路構造全体の緩衝効果に貢献する。時間が経つと、環境要因によって枕木は劣化し、交換されなくてはならない。北米の鉄道では、年間２％以上の木製の枕木が交換される。これは、数百万個の枕木に相当する。

枕木の交換の物流管理および新しい枕木の必要性の数値化のために、鉄道検査官は、枕木および固定システムの状態を定期的に等級付することを試みている。この等級付けは、ほとんどの場合、腐食、損傷、割れ、または磨耗しており、利用に耐えない程度の枕木および固定具を識別するために、目視検査で行われる。目視検査の工程は、非常に時間がかかるものである。実際、線路の検査は、検査官が線路に沿って歩きながら、線路に沿って約２０インチ間隔で配置される枕木および／または固定具の状態を検査、記録することによって行われる。ある北米の鉄道の報告によれば、３人から４人よりなる作業班では一日あたり約５から７マイルの線路しか等級付けができないという。

レールを検査する装置は当技術分野において周知であり、またこのような装置により取得されたデータの分析および管理用のソフトウェアも周知である。たとえば、ニュージャージーのＺＥＴＡ−ＴＥＣＨ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．社によるＴｉｅＩｎｓｐｅｃｔは、手持ち式の装置およびソフトウェアを備えるコンピュータ制御による枕木検査システムである。この手持ち装置は、線路に沿って歩いて検査を行う際に検査官が使用し、ソフトウェアは、この装置により取得されるデータを分析および管理するために使用される。

枕木の等級付けに加えて、その他の線路構成要素に関しても定期的に磨耗および劣化の有無を検査しなくてはならない。これには、レールの走行面の磨耗、留め金および固定具の完全性、タイプレートの配置、バラストの状態およびレールの軌間が含まれる。枕木の等級付けに関しては、レールのこうした状態について検査をすることも時間がかかってしまう。当技術分野において、レールを検査するシステムは周知である。たとえば、英国のＯｍｎｉｃｏｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社のＯｍｎｉＳｕｒｖｅｙｏｒ３Ｄは、鉄道の設備を調査するためのシステムである。また、ミネソタのＥＮＳＣＯ，Ｉｎｃ社もレーザを使用してレールの軌間を計測するためのレーザ軌間計測システムを提供している。

本発明は、上述の１つ以上の問題を克服する、または少なくともこれらの問題の影響を低減することを目指している。

鉄道線路を検査するためのシステムおよび方法が開示される。開示されるシステムは、レーザと、カメラと、プロセッサとを含む。レーザは線路に近接して配置される。レーザは、鉄道線路を横断するように光線を放射し、光線が放射された鉄道線路の画像をカメラが記録する。プロセッサは、鉄道線路の計測可能な状態を測定するために画像を分析可能であるように設定する。開示されるシステムは、ＧＰＳ受信機または位置データを測定するための距離計測装置を含むことが可能である。開示されるシステムにより測定できる計測可能な状態は、枕木間の間隔、レールに対する枕木の角度、枕木の表面のひびや不具合、タイプレートの不足、タイプレートのずれ、タイプレートの沈下、固定部品の不足、固定部品の破損、固定部品のずれ、絶縁体の磨耗または破損、レールの磨耗、レールの軌間、枕木に対するバラスト高さ、バラスト石の大きさ、およびレールの割れまたは分離を含むが、これに限定されない。システムは、鉄道線路のこれらの計測可能な状態を測定するための１つ以上のアルゴリズムを含む。

上述の概要は、本開示の可能な実施形態全てまたは主題の全ての態様を要約したものではない。

上述の概要、好ましい実施形態および本開示の主題のその他の態様は、以下に記載される特定の実施形態の詳細な説明を添付の図面と共に参照することにより明らかにされる。

開示される検査システムおよび関連の方法は、様々な変更および代替形態を取ることが可能であり、図面および明細書において詳細に説明される特定の実施形態は例示的なものである。図面および説明は、いかなる形であれ開示される発明の概念の範囲を限定するものではない。図面および説明は、開示される発明の概念を、米国特許法第１１２条に定められるとおり、特定の実施形態に基づき当業者に説明するためのものである。

図１および図２では、本開示の特定の教示に係る鉄道線路検査用のシステム３０の実施形態が示されている。図１では、開示される検査システム３０が、鉄道線路と関連して概略的に示されている。図２では、開示される検査システム３０の一部が鉄道線路と関連して、斜視図として示されている。

図１に最もよく示されるように、開示される検査システム３０は、レーザ４０のような光発生器と、検査対象領域から反射される光を受けるカメラ５０のような装置と、処理装置６０とを含む。図１に示される実施形態では、開示される検査システム３０は鉄道線路の道床を調査するために使用される。開示される検査システムおよび関連の方法は、鉄道線路の検査における使用に関して説明されるが、開示されるシステムおよび方法は、表面または構成要素の検査を必要とするその他の領域および産業分野において利用可能であることが本開示の効果として理解され得る。たとえば、開示される検査システムおよび方法は道路、送電線、配管またはその他のネットワークまたはシステムの検査に使用可能である。

道床は、枕木１０と、レール１２と、タイプレート１４と、くぎ１６と、バラスト１８とを含む。簡潔に述べると、レーザ４０がレーザ光の光線４２を道床に投射する。光線４２は、図２に示されるように、道床の表面および構成要素の輪郭に沿う投影線Ｌを道床上に投射する。受光器、すなわちカメラ５０は、道床に投射されるレーザ光４２の線Ｌの画像を記録する。カメラ５０は記録した画像を、以下でより詳細に説明するように処理および分析するために処理装置６０へ送る。

図２に最もよく示されるように、レーザ４０とカメラ５０の組が線路の各レール１２の各々上方に配置される。レーザ４０およびカメラ５０は、固定の枠組３２に組合せられることが可能である。この枠組は、検査システム３０を適切な位置に維持するために、検査車両（図示せず）または線路に沿って移動するその他の装置に取り付けられることが可能である。簡潔にするために、図２では枠組３２の一部のみが示される。しかし、レーザ４０およびカメラ５０を検査車両に取り付けるためには、枠組３２のその他の公知の構成要素も必要であることは自明であろう。

通常、検査車両は線路に沿って移動するいかなる車両であってもよい。たとえば、当技術分野では、車両のフレームに「ハイレール」ギアが取り付けられる通常のピックアップトラックのような高速走行車両を配備することが一般的である。ハイレールギアは通常、１組の小型の鉄道車輪を含み、これにより高速走行車両がレールに沿って走行可能になる。一実施形態では、開示される検査システム３０の枠組３２は、「ハイレール」ギアを有するピックアップトラックの底部に取り付け可能である。これに代わり、検査車両は、鉄道線路に沿って作動するように特別に設計される保線装置（ＭｏＷ）であることも可能である。さらに、開示される検査システム３０は、車両により牽引される車台に取り付けられる、または機関車または貨物車両に取り付けられることが可能である。

図２に最もよく示されるように、レーザ４０は、所定の角度広がりβを有する光線４２を投射する。２つのレーザ４０の角度広がりβは、実質的に道床の表面全体を覆う。こうして、レーザ４０は、実質的に一直線であり、実質的に道床を横断するように延伸する投影線Ｌを作る。好ましくは各レーザ４０は、約６０°の角度広がりβを有し、道床のおよそ半分を覆う光線４２を発する。好ましくはレーザ４０は、光線４２を実質的に線路の表面に対して垂直に投射する。または、投影線Ｌを道床を横断するように作るように配置される単一レーザを使用することも可能である。

さらに、レーザ４０は好ましくは光出力が４ワットであり、赤外線の波長が約８１０ｎｍの光を発する赤外線レーザである。レーザ４０の比較的高い光出力により周辺光の影響が低減され、遮蔽が不要になる。開示される検査システム３０に適したレーザは、Ｓｔｏｃｋｅｒ Ｙａｌｅ社により製造されるＭａｇｎｕｍレーザを含む。レーザ４０の上述のパラメータは、鉄道線路の表面を検査するために好ましい。開示される検査システム３０のその他の実施形態では、これ以外の多数の光源、また異なる波長、光出力、角度広がりを使用することが可能である。

図２に最もよく示されるように、カメラ５０はレーザ４０に近接して配置される。図１に最もよく示されるように、カメラ５０は、レーザ４０から投射される光線４２に対して角度θで取り付けられる。一実施形態では、カメラは約６０°の角度θで配置されている。開示される検査システム３０は線路に沿って移動するため、カメラ５０は、規則的に僅かなインクリメントにて道床の画像またはフレームを記録する。好ましくはカメラ５０では、たとえば１秒あたり５４０５フレームというように、実質的に高いフレーム率が実現可能である。

カメラ５０により記録される各静止画像またはフレームは、その後フィルタリングされ、道床に投影されるレーザ線Ｌの輪郭を取り出すように処理される。カメラ５０には、実質的にレーザ４０の好ましい赤外線波長でのみ放射エネルギーを通過させるバンドパスフィルタ５２が備えられる。レーザ４０の波長は約８１０ｎｍであるため、カメラ５０のバンドパスフィルタ５２は実質的に全ての周辺光を除去可能であり、これによりカメラ５０は実質的に、レーザ４０からの光の投影線Ｌの鮮明な静止画像を取得する。

２つのカメラ５０はいずれも、画像データを処理装置またはコンピュータ６０へ伝送路を通して直接送る。好ましくはカメラ５０は、投影線Ｌの記録された画像を、処理装置またはコンピュータ６０へ直接送られる寸法分析データに変換またはフォーマットすることが可能である、プロセッサ５４を含む。このように、記録された画像がカメラ５０によって処理またはフォーマット可能であることにより、費用がかさむポストプロセッサまたは高速フレーム取り込み器が不要になる。こうした処理機能を備える、開示される検査システム３０に適したカメラは、ＩＶＰ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｖｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．社により製造されるＲａｎｇｅｒＭ５０を含む。

その他の共通部品の中で、処理装置またはコンピュータ６０は、マイクロプロセッサ、入力部、出力部およびデータ記憶装置６２を含む。データ記憶装置６２は、ハードドライブ、不揮発性記憶媒体、フラッシュメモリ、テープまたはＣＤ−ＲＯＭを含むことが可能である。処理装置６０はさらに、線路検査官によりデータの入力および見直しを行い、開示される検査システム３０を操作することが可能である入力部／ディスプレイ６８を含むことが可能である。処理装置６０は、開示される検査システム３０により取得された各種データを記憶および分析するための適切なソフトウェアプログラムで作動する。たとえば、処理装置６０は、Ｍａｔｒｏｘ ＭＩＬ、Ｃｏｍｍｏｎ ＶｉｓｉｏｎＢｌｏｘ、Ｌａｂｖｉｅｗ、ｅＶｉｓｉｏｎ、ＨａｌｃｏｎおよびＩＶＰ Ｒａｎｇｅｒのような、任意の適切な画像処理ソフトウェアを有することが可能である。たとえば、処理装置６０は、カメラ５０からの画像データを分析するために、当技術分野において周知である画像処理ツール、たとえば関心領域（ＲＯＩ）ツール、フィルタリングツール、ブロブツール、エッジファインダ、ヒストグラムツール等を有することが可能である。

開示される検査システム３０により取得されるデータ全てを効果的に処理するために、好ましい実施形態における処理装置６０は、たとえば２．８ＧＨｚで作動可能であるＩｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）４プロセッサのような高速プロセッサを有するコンピュータを含む。開示される検査システム３０により取得されるデータ全てを効果的に記憶するためには、記憶装置６２は好ましくは、１つのドライブとして同時に読み込み／書き込み機構を使用するよう構成される２つの大容量ハードドライブを含む。これは、レイド（ＲＡＩＤ）システムとしても知られている。処理装置６０の高速プロセッサおよび記憶装置６２のデュアルハードドライブは、開示される検査システム３０により取得されるデータの持続的なリアルタイムの記録を可能にする。好ましい実施形態では、開示される検査システム３０用の電力は、検査車両のエンジンから直接作動されるベルト駆動式発電機からの１１０Ｖ交流電力により提供される。

凹凸のある線路表面に投影される光線４２により、斜めに観察すると、図２に示される投影線Ｌは道床の表面および構成要素の輪郭に沿っている。道床の投影線Ｌを示す画像またはフレームの例が図３に示される。画像データまたはフレームは、Ｘ−Ｙ座標が決定され、カメラ５０により記録された道床の輪郭を示す複数のピクセルを有する。当技術分野において周知のフィルタリングおよび他の画像処理技術により、画像は２つのピクセル値を含み、ここでは濃いピクセルは道床の輪郭を表す。所定の画像データの各ピクセルには同じＺ座標が割り当てられる。これは、線路の長さにおいて画像データが記録された特定の位置を表している。こうして、複数の記録された画像が、道床の三次元スキャンを生成し、スキャンの各画像は道床の輪郭を示すＸ−Ｙ座標、およびレールの長さに沿った輪郭の特定の位置を表すＺ座標を有する。

画像が記録される速度は、スキャンされる領域の幅および高さ、個別の静止画像間の距離、静止画像の解像度、カメラ５０の最大フレーム率、コンピュータ６０の処理速度およびデータ記憶装置６２の書き込み速度により制限されることは自明であろう。開示される検査システム３０を鉄道に利用する際の好ましい一実施例では、カメラ５０により記録される静止画像またはフレーム間の間隔は約０．１インチ、検査車両の好ましい速度は時速約３０マイル、スキャン領域の好ましい高さは約１０インチ、スキャン領域の好ましい幅は、道床の幅を横切る約１０フィートである。これらの好ましいパラメータを満たすために、１秒あたりのフレーム数が５４０５であることが可能であるカメラシステム、および約８．３ＭＰＳで処理および記録が可能であるコンピュータシステムが望ましい。図３に示されるような各フレームまたは画像には、約１，５３６バイトの記憶容量が必要となる。線路の全長に沿って約０．１インチごとにフレームが記録される場合には、１マイルの線路用に約６３３，６００個のフレームが記録され、これには０．９７３ギガバイトの記憶容量を要する。

別の実施形態では、図１に示されるように、開示される検査システム３０は、鉄道線路を検査する際に検査車両の地理的位置を把握するために、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機６４をさらに含むことが可能である。ＧＰＳ受信機６４は、地理的位置を把握するための当技術分野において周知の任意の適切なＧＰＳ受信機であればよい。たとえばＧＰＳ受信機６４は、検査車両に取り付けられ、適切なケーブル接続および入出力インタフェースにより処理装置６０に接続される、独立式の市販の装置であることが可能である。ＧＰＳ受信機６４は、差動または非差動ＧＰＳシステムを使用して地理的位置を把握可能である。ＧＰＳ受信機６４を用いて実質的に正確な位置および時間データを取得する技術は、当技術分野において広く知られており、ここではこれ以上説明しない。地理的位置は、処理装置６０に送られ、道床の画像データとコンパイルされることが可能である。

カメラ５０からの画像データが記録されると、フレームの地理的位置も記録可能である。ＧＰＳ受信機６４からコンピュータ６０への地理的位置データの連続的な流れを除去することにより、処理装置６０で画像データを記録するための時間がプロセッサにおいて利用可能になる。したがって、ＧＰＳ受信機６４は好ましくは、データを補助モジュール６５に供給する。この補助モジュール６５は、このデータをまとめて、問い合わせが行われると処理装置またはコンピュータ６０に送信する。地理的位置データを取得するほかに、ＧＰＳ受信機６４は時間データを取得することが可能である。さらに、ＧＰＳ受信機６４により取得された位置および時間データは、ここで開示される様々な目的のために使用できる、たとえば検査車両の速度のようなその他の変数を測定するために使用可能である。したがって、開示される検査システム３０は、レールに沿って約０．１インチ毎に道床の静止画像をカメラ５０に記録させるために、ＧＰＳ受信機６４からのデータを使用することが可能である。

別の実施形態では、図１に示されるように、開示される検査システム３０は、レールを検査する際に検査車両の地理的位置を把握するための距離計測装置６６を含むことが可能である。距離計測装置６６は、検査車両がレールに沿って移動する際の車輪の回転数または部分的な回転数を計測するエンコーダ、または検査車両に既存の走行距離センサであることが可能である。距離計測装置６６は、位置データを処理装置６０に提供可能である。開示される検査システム３０は、距離計測装置６６を使用して、レールに沿って約０．１インチ毎に道床の静止画像をカメラ５０に記録させることが可能である。

別の実施形態では、開示される検査システム３０は、ＧＰＳ受信機６４または距離計測装置６６によりトリガされることなく、カメラ５０の最大フレーム率で、またはほぼ最大のフレーム率で、道床の静止画像を記録することが可能である。たとえば、カメラ５０および処理装置６０は、検査車両が線路に沿って移動する際に、最大フレーム率またはほぼ最大のフレーム率で作動可能である。開示される検査システム３０は、枕木１０またはタイプレート１４の既知の平均的な幅を用いて、検査車両の速度を計算可能である。すると、開示されるシステムは、データ記憶を低減させるために余分なフレームを削除可能であり、これにより保持されるフレームはおよそ０．１インチの間隔を有することになる。正確に０．１インチの間隔はいつも可能であるとは限らないが、間隔は０．０５’’から０．１’’の間であることが可能であることが理解されよう。本実施形態では、フレームの間隔を均一に保つために、所定の枕木に関して保持される各フレーム間において、同じ数のフレームが廃棄されなくてはならない。たとえば、タイプレートの幅が８インチであり、２４４フレームが特定のタイプレートに関して記録されている場合は、保持されるフレームとフレームの間で２つのフレームが廃棄されることが可能である。フレームのセット全体に１から２４４の番号が付けられるとすると、保持されるフレームは、１、４、７、１０、．．．２４１、２４４である。保持される８２のフレームの間隔を算出すると０．０９８インチになる。

または、開示されるシステムでは、線路に沿った所望の位置で新たな第３のフレームを作成するために、記録された２つの任意のフレーム間で補間を行うことも可能である。一部のフレームは、所望のフレーム間隔を正確に達成するために廃棄されることが可能である。

開示される検査システム３０が、鉄道線路の調査を完了すると、画像データのコンピュータ解析が行われる。コンピュータ解析は、検査車両内に配置される処理装置またはコンピュータ６０により実行可能である。または、コンピュータ解析は、当技術分野において周知の画像処理ソフトウェアを有する別のコンピュータシステムによって行うことも可能である。コンピュータ解析では、画像データを検索し、線路の不具合が発生している箇所、または許容誤差の範囲を逸脱する箇所を確認または検知する。特定の実施方法では、コンピュータ解析をカスタマイズまたは変更することが可能である。不具合または許容できない誤差が生じている地理的位置を提供することにより、適切な修理を行うか、または保守作業を計画することができる。

開示される検査システムおよびこれに関連する方法により取得される道床の画像データから、鉄道線路の多数の測定可能な状態が確認または検知可能である。以下の実施例では、多数のこうした測定可能な状態について説明し、この測定可能な状態を分析するための各種技術が開示される。鉄道線路におけるこれらの測定可能な状態またはその他の状態が、開示される検査システムにより取得される道床の画像データから確認または検知され得ることは理解されるであろう。さらに、画像データを分析するための技術分野において周知のその他の技術が、開示される検査システムおよび関連する方法と共に使用可能であることも理解されるであろう。したがって、開示される検査システムおよび関連の方法は、ここで説明される測定可能な状態および特定の技術に限定されるものではない。

明確にするために、図１１および図１２は、開示される検査システムおよび関連の方法により取得される画像データの作成例を示す。図１１は、複数の作成された画像データを有し、枕木の一部と、タイプレートと、レールとを斜視図で示す。図１２は、複数の作成された画像データを有し、より詳細な斜視図を示している。図１１から図１２で示されるように、作成された画像データは、道床の領域を三次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で示す。この表示は極めて詳細であり、道床の構成要素の様々な状態が測定可能である。図１１から１２においては、例えば、枕木１０のひびや割れを見ることができる。また、バラスト層１８に対する枕木１０の高さも見ることができる。タイプレート１４およびレール１２の向きおよび高さも見える。こうした詳細やその他の詳細が、以下でさらに詳しく述べるように、開示される検査システムおよび関連の方法により把握可能である。

一実施例では、枕木間の間隔が、複数の画像データから確認可能である。図４Ａから図４Ｃを参照すると、開示される検査システム３０により取得される道床のフレーム例が示されており、これを用いて枕木１０の間の間隔を確認することが可能である。図４Ａは、線路に沿った位置Ｚ１にある第１の枕木１０の輪郭を有するエンドフレームＦ１を示す。このエンドフレームＦ１は、この枕木１０を示す最後のフレームとして指定可能である。図４Ｂは、線路に沿った別の位置Ｚ２で、エンドフレームＦ１の後のある時点で記録された中間フレームＦ２を示す。この中間フレームＦ２には枕木がない。これは、線路の枕木の間の位置であるためである。図４ＡのエンドフレームＦ１の後にこのような中間フレームが複数続くことは自明であろう。図４Ｃは、線路に沿った別の位置Ｚ３にある別の枕木１０’を有するエンドフレームＦ３を示す。たとえば、コンピュータ解析により、枕木がない中間フレームＦ２の数をまず数えることにより、枕木１０と１０’の間の間隔を確認することが可能である。この中間フレームＦ２の数に、既知であるフレーム間の間隔（たとえば０．１インチ）を乗算することにより、枕木１０と１０’との間の距離を計算することができる。こうして、道床の枕木間の実質的に正確な計測が、線路検査官が物理的に枕木を検査することなく、道床の三次元スキャンを形成する画像データを用いることによって実施可能である。

フレームにおける枕木の有無の確認は、当技術分野において周知の画像技術によって可能である。たとえば、図４Ａから図４Ｃに示されるように、枕木１０の輪郭は、フレームＦ１からＦ３の関心領域Ｒ内にあることが想定される。コンピュータ解析により、フレームの関心領域Ｒで枕木の存在を表すピクセルの有無を検索することが可能である。これはたとえば、関心領域Ｒのピクセル値を平均または合計することにより行うことができる。枕木の輪郭は、濃いピクセルからなるため、枕木１０を有するフレームＦ１内の関心領域Ｒは、枕木がない中間フレームＦ２内の領域Ｒより平均または合計の値が大きい。

別の実施例では、レールに対する枕木の角度が画像データより確認可能である。図５を参照すると、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレーム例が示されている。レール１２の頭部の角度方向を線Ｌ１で表すことが可能である。線Ｌ１は、たとえば当技術分野において周知の最適適合、または曲線適合法により推定可能である。同様に、枕木１０の角度方向も線Ｌ２で表されることが可能である。線Ｌ２もまた、たとえば当技術分野において周知の最適適合、または曲線適合法により推定可能である。線Ｌ１およびＬ２は、枕木１０の付近のＺ軸に沿った複数のフレームから平均化されることが可能である。コンピュータ解析により、レールに対する枕木の角度を確認するために、線Ｌ１とＬ２の角度関係を確認可能である。この状況によって、レールの磨耗または木製の枕木上のプレートの切断部の状況が示されることとなる。

別の実施例では、レールの破損が画像データから確認可能である。図６Ａから図６Ｃを参照すると、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレーム例Ｆ１からＦ３が示される。これを用いてレール１２の分離を確認することが可能である。図６Ａは、線路に沿った位置Ｚ１にある第１レール１２の端部を有するエンドフレームＦ１を示す。このエンドフレームＦ１は、このレール１２を示す最後のフレームとして指定される。図６Ｂは、線路に沿った別の位置Ｚ２で、エンドフレームＦ１の後のある時点で記録された中間フレームＦ２を示す。この中間フレームＦ２にはレールがない。これは、線路のレール間の位置を表すためである。図６ＡのエンドフレームＦ１の後にこのような中間フレームＦ２が複数続くことは自明であろう。図６Ｃは、線路に沿った別の位置Ｚ３にある別のレール１２’を有する別のエンドフレームＦ３を示す。たとえばコンピュータ解析により、レールがない中間フレームＦ２の数をまず数えることにより、レール１２と１２’の間の間隔を確認することが可能である。この中間フレームＦ２の数に、既知のフレーム間の間隔（たとえば０．１インチ）を乗算することにより、レール１２と１２’の間の距離を計算することができる。

フレームにおけるレール１２の有無の確認は、当技術分野において周知の画像技術によって可能である。たとえば、図６Ａから図６Ｃに示されるように、レール１２の輪郭は、フレームＦ１からＦ３の関心領域Ｒ内にあることが想定される。コンピュータ解析により、フレームの関心領域Ｒでレール輪郭の存在を表すピクセルの有無を検索することが可能である。これはたとえば、関心領域内のピクセル値を平均または合計することにより行うことができる。レールの輪郭は濃いピクセルからなるため、レール１２を有するフレームＦ１内の関心領域Ｒは、枕木がないフレームＦ２の領域Ｒより平均または合計の値が大きい。

別の実施例では、レールの磨耗が画像データから確認可能である。図７Ａから図７Ｂを参照すると、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレーム例Ｆ１からＦ２が示される。これを用いてレール１２の磨耗を確認することが可能である。コンピュータ解析により、レール１２の磨耗の有無を確認可能である。これはたとえば、レール１２の輪郭とフレーム内の基準点との間の距離が、先のフレームの同距離に比較して小さいか否かを確認することにより行うことができる。図７Ａは、線路に沿った位置Ｚ１にあるレール１２を有するフレームＦ１を示す。レール１２の輪郭は、フレームＦ１の関心領域Ｒ内、Ｙ軸に沿った高さＬにある。レール１２の輪郭は基準高さＬ２の上方にある。Ｌ２はタイプレートの高さであることが可能であり、測定可能な距離ＬＤである。本開示により利益を得る当業者には明らかであるように、基準Ｌ２は、たとえばタイプレート１４、くぎ１６または枕木１０のような多数の基準点に配置されることができる。図７Ｂは、線路に沿った別の位置Ｚ２にある別のフレームＦ２を示す。位置Ｚ２では、レール１２の輪郭と高さＬ２との間の距離ＬＤは位置Ｚ１の時より小さくなっている。これにより、フレームＦ２は、線路に沿った位置Ｚ２におけるレール１２の磨耗を示す。本開示により利益を得る当業者であれば明らかであるように、レールの磨耗は、道床に沿って同じ位置で異なる時期に取得されたフレームを比較することによっても確認可能である。

別の実施例では、枕木１０の不具合が画像データから確認可能である。図８には、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレーム例が示される。枕木１０の不具合ＤおよびＤ’が示される。コンピュータ解析により、枕木１０の不具合の有無を確認可能である。これはたとえば、枕木の輪郭の部分Ｄが関心領域Ｒ外にあるか、または輪郭の部分Ｄ’は領域Ｒ内にはないかを確認することにより可能である。公知のように、枕木の不具合には、ひび、割れ、または破損が含まれる。こうした不具合の付近の複数の画像データを使用して、不具合の幅および長さをコンピュータ解析により確認可能である。たとえば図１１から図１２に示されるように、複数の画像データを用いて、枕木の縁部に示されるひびの幅Ｗおよび長さＬを推定することが可能である。場合によっては、たとえば、不具合の方向が、レーザからの光が不具合に投射されてカメラにより記録可能であるような場合は、コンピュータ解析により不具合の深さを確認することができる。一実施形態では、深さのある不具合に投射される光が、レーザ光線とほぼ平行に配置されるカメラにより捉えることができるように、レーザとカメラとの間の角度が比較的小さくなっている。

別の実施例では、レールの間隔または軌間、または枕木の長さが、画像データから確認可能である。図８では、当技術分野において周知の縁部検出技術を用いて、フレーム内のレール輪郭１２の縁部を検出することができ、レール１２の間隔を推定するために縁部間の距離Ｗ１を計算することが可能である。同様に、当技術分野において周知の縁部検出技術を用いて、フレーム内の枕木の輪郭１０の縁部を検出することができ、また枕木１０の幅Ｗ２を推定するために縁部間の距離Ｗ１を計算することが可能である。

別の実施例では、枕木１０に対するバラスト１８の高さが、画像データから確認可能である。図８では、線適合技術によりバラスト１８の高さおよび枕木１０の高さを確認し、これらの高さの差により、枕木１０に対するバラスト１８の高さＨ_Ｂを推定することが可能である。別の実施例では、バラスト１８の石の大きさを確認するために鉄道線路のスキャンを使用することが可能である。これは、バラスト１８を有する関心領域を分析し、バラスト１８の輪郭における曲線を用いてバラスト石の大きさを推定することによって行われる。

別の実施例では、くぎの突出が画像データから確認可能である。図９を参照すると、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレーム例が示されている。くぎの突出の有無を確認するために、関心領域Ｒ内に突出したくぎ１６を表す輪郭の部分が生じているかを確認すべく、領域Ｒを分析することが可能である。

別の実施例では、タイプレートの不足、タイプレートのずれ、またはタイプレートの沈下が、画像データから検出可能である。図１０を参照すると、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレーム例が示されている。たとえば、関心領域Ｒを分析し、タイプレートを表す輪郭部分が領域Ｒ内に生じるか否かを確認することにより、タイプレートの不足または沈下を確認することができる。タイプレートのずれは、たとえば、タイプレートの輪郭部分の線適合と、枕木の輪郭との線方向の比較により確認可能である。

上記の好ましい実施形態またその他の実施形態の説明は、出願人による発明の概念の範囲または適用性を限定するものではない。ここで説明される発明概念を開示することと引き換えに、出願人は添付の特許請求の範囲により保護される全ての特許権を望むものである。したがって、開示される検査システムおよび関連の方法は、その全ての変更および変形例を、以下の特許請求の範囲またはこれに相当する最大限の範囲において含む。

開示される検査システムの実施形態の概略図である。 本開示の特定の教示に係る鉄道線路検査システムの実施形態の一部を示す図である。 開示される検査システムにより取得される鉄道線路の一部を示すフレームの例を示す。 枕木間の間隔を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 枕木間の間隔を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 枕木間の間隔を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 レールに対する枕木の角度を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 レールの割れまたは分離を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 レールの割れまたは分離を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 レールの割れまたは分離を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 レールの磨耗を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 レールの磨耗を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 枕木の不具合、レールの間隔、枕木の大きさおよび枕木に対するバラスト高さを確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 くぎの突出を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 タイプレートの不足を確認するために、開示される検査システムにより取得される鉄道線路のフレームの例を示す。 開示される検査システムにより取得される画像データから作成される三次元画像である。 開示される検査システムにより取得される画像データから作成される三次元画像である。

Claims (67)

1. 鉄道線路に沿って移動する車両に取り付けられる、鉄道線路を含む、鉄道線路の道床を検査するためのシステムであって、
   鉄道線路に近接して配置され、鉄道線路の道床を横断するように光線を投射する、少なくとも１つの光発生器と、
   鉄道線路に近接して配置され、鉄道線路の道床から反射される光の少なくとも一部を受け、鉄道線路の道床の少なくとも一部の形を表す複数の画像を生成する、少なくとも１つの受光器と、
   複数の画像を分析し、鉄道線路の道床の前記部分の１つ以上の物理的特性を確認する、少なくとも１つのプロセッサと、
   を備える、システム。
2. 光発生器がレーザである、請求項１に記載のシステム。
3. レーザが赤外線ビームを放射する、請求項２に記載のシステム。
4. 少なくとも１つの光発生器が、実質的に鉄道線路の上方に配置されており、鉄道線路に対して実質的に垂直に光線を放射する、請求項１に記載のシステム。
5. レーザが、角度広がりを有する光線を放射する、請求項２に記載のシステム。
6. 少なくとも１つの受光器がデジタルカメラを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 実質的に、複数の画像に記録されるべき光線の波長のみ透過させるバンドパスフィルタを光学装置が備える、請求項１に記載のシステム。
8. 少なくとも１つのプロセッサが、複数の画像を記憶するためのデータ記憶装置を備える、請求項１に記載のシステム。
9. プロセッサによる分析のために、地理的位置データを提供するＧＰＳ受信機またはエンコーダをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
10. 鉄道線路に近接して配置され、プロセッサによる分析のために、鉄道線路の温度を提供する温度センサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
11. 複数の画像のそれぞれが、Ｘ−Ｙ座標が決定される複数のピクセルを備える、請求項１に記載のシステム。
12. 複数の画像のそれぞれが、鉄道線路の全長に沿った画像の位置を表すＺ座標を備える、請求項１に記載のシステム。
13. 鉄道線路の道床の枕木間の距離を確認するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
14. 鉄道線路の道床の特定の構成要素を認識するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
15. 鉄道線路の道床の枕木の不具合を確認するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
16. 鉄道線路の道床の固定部品の不足、ずれ、損傷または不具合を検出するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
17. 鉄道線路の道床のタイプレートのずれまたは沈下を検出するアルゴリズムをプロセッサが含む。請求項１に記載のシステム。
18. 鉄道線路のレールの磨耗を確認するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
19. 鉄道線路のレールの間隔を確認するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
20. 鉄道線路の道床の枕木に対するバラストの高さを確認するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
21. 鉄道線路の道床のバラスト石の大きさを確認するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
22. 鉄道線路の区分間の隙間の大きさを確認するアルゴリズムをプロセッサが含む、請求項１に記載のシステム。
23. 枕木と、レールと、関連する固定器具と、バラストとを含む、鉄道線路の道床の検査方法であって、
    ａ）鉄道線路の道床を横切る線を照明するステップと、
    ｂ）鉄道線路の道床から反射する光の少なくとも一部を受けるステップと、
    ｃ）鉄道線路の道床の少なくとも一部の輪郭を表す複数の画像を生成するステップと、
    ｄ）複数の画像を分析し、鉄道線路の前記部分の１つ以上の物理的特徴を確認するステップと、
    を備える、方法。
24. レーザが、鉄道線路の道床を横切る線を照明する、請求項２３に記載の方法。
25. レーザが、赤外光線を放射する、請求項２４に記載の方法。
26. 鉄道線路の道床のスパンを横切る線が、鉄道線路の道床のレールに対して実質的に垂直である、請求項２３に記載の方法。
27. レーザが、角度広がりを有する線を放射する、請求項２４に記載の方法。
28. 鉄道線路の道床の一部から反射される光の少なくとも一部をデジタルカメラが受ける、請求項２３に記載の方法。
29. 鉄道線路の道床の一部から反射された光の一部を、バンドパスフィルタによりフィルタリングするステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
30. 複数の画像を記憶するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
31. ＧＰＳ受信機またはエンコーダにより地理的位置データを提供するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
32. 鉄道線路の道床のレールの温度を取得するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
33. 複数の画像が、Ｘ−Ｙ座標が決定される複数のピクセルを備える、請求項２３に記載の方法。
34. 複数の画像が、鉄道線路の道床のレールの長さに沿った画像の位置を表すＺ座標をさらに備える、請求項３３に記載の方法。
35. 鉄道線路の道床の枕木間の距離を確認するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
36. 鉄道線路の道床の特定の構成部品を認識するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
37. 鉄道線路の道床の枕木の不具合を確認するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
38. 鉄道線路の道床の固定器具の不足、ずれ、破損または不具合を検知するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
39. 鉄道線路の道床のタイプレートのずれまたは沈下を検出するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
40. 鉄道線路の道床のレールの磨耗を確認するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
41. 鉄道線路の道床のレールの間隔を確認するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
42. 鉄道線路の道床の枕木に対するバラストの高さを確認するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
43. 鉄道線路の道床のバラスト石の大きさを確認するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
44. 鉄道線路の道床のレールの区分間の隙間の大きさを確認するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
45. 枕木と、レールと、関連の固定器具と、バラストとを有する、鉄道線路の道床の検査方法であって、
    ａ）レールに沿って移動するステップと、
    ｂ）鉄道線路の道床のスパンを横切る、収束された光線を投射するステップと、
    ｃ）レールに沿って移動する際に、鉄道線路の道床の一部を横切るように投射される収束された光線の複数の画像を記録するステップと、
    ｄ）鉄道線路の道床の部分の１つ以上の状態を、複数の画像を処理することにより確認するステップと、
    を備える、方法。
46. レーザが、収束された光線を鉄道線路の道床のスパンを横切るように投射する、請求項４５に記載の方法。
47. レーザが赤外光線を放射する、請求項４６に記載の方法。
48. レーザが、実質的にレールの上方に配置されており、レールに対して実質的に垂直に、収束された光線を放射する、請求項４６に記載の方法。
49. 角度広がりを有する収束された光線をレーザが放射する、請求項４６に記載の方法。
50. 複数の画像をデジタルカメラが記録する、請求項４５に記載の方法。
51. 投射された光線をバンドパスフィルタによりフィルタリングするステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
52. 複数の画像をデータ記憶装置に記憶させるステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
53. ＧＰＳ受信機またはエンコーダから地理的位置データを取得するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
54. レールの温度を取得するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
55. 複数の画像が、Ｘ−Ｙ座標が決定される複数のピクセルをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
56. 複数の画像が、レールの長さに沿った画像の位置を表すＺ座標をさらに備える、請求項５５に記載の方法。
57. 鉄道線路の道床の枕木間の距離を確認するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
58. 鉄道線路の道床の特定の構成部品を認識するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
59. 鉄道線路の道床の枕木の不具合を確認するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
60. 固定器具の不足、ずれ、破損または不具合を検出するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
61. 鉄道線路の道床のタイプレートのずれまたは沈下を検出するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
62. レールの磨耗を確認するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
63. レールの間隔を確認するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
64. 鉄道線路の道床の枕木に対するバラストの高さを確認するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
65. 鉄道線路の道床のバラスト石の大きさを確認するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
66. レールの区分間の隙間の大きさを確認するステップをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
67. 線路に沿って移動する車両に取り付けられる、レールを含む鉄道線路の道床を検査するシステムであって、
    道床に近接して配置され、道床全体を横切るように光線を投射する、少なくとも１つの光発生器と、
    鉄道線路の道床に近接して配置され、鉄道線路の道床から反射される光の少なくとも一部を受けることにより鉄道線路の道床の画像の少なくとも一部を記録し、鉄道線路の道床の記録された画像の輪郭線を生成するプロセッサを含む、少なくとも１つの受光器と、
    輪郭線を分析し、鉄道線路の道床の前記部分の１つ以上の物理的特性を確認するための、少なくとも１つのプロセッサと、
    を備える、システム。

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