JP2019190858A - レーザー式長波長軌道検測器及びレーザー式長波長軌道検測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高低変位及び通り変位を容易に検測することができるレーザー式長波長軌道検測器及びレーザー式長波長軌道検測方法を提供する。【解決手段】レーザー式長波長軌道検測器１０は、レーザー光Ｌを照射するレーザー照射手段１１と、レーザー光Ｌを受光するターゲット１２と、このターゲット１２をレールＲに沿って移動させる移動手段１３と、ターゲット１２の移動に応じて、レーザー照射手段１１から照射されたレーザー光Ｌによりターゲット１２に映し出された輝点を連続的に記録する撮像手段１４と、ターゲット１２の移動距離を測定する距離測定手段１５と、撮像した画像と測定した移動距離とから高低変位及び通り変位を求める変位検出手段１６とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーを用いて長波長軌道の変位を測定するレーザー式長波長軌道検測器及びレーザー式長波長軌道検測方法に関するものである。

鉄道における軌道は列車の重量を支持し、列車走行の案内路という重要な役割を果たしている。最初は滑らかに敷設されていた軌道も、列車が繰り返して通過する中に次第に変形し、軌道変位が発生する。この軌道変位が大きくなると列車の乗り心地は悪化し、更にこれが著しく大きくなると脱線事故を起こす恐れも生じる。乗り心地の良好な状態に軌道を保守管理するには、軌道の状態を的確に把握し、軌道整備が不良な箇所は機を失することなく整備或は改良する必要がある。

軌道変位には、高低変位、通り変位、軌間変位、水準変位、及び、平面性変位がある。このうち、軌間変位、水準変位、及び、平面性変位は、ある断面における左右レールの相対的な位置関係であるので、測定は難しくない。これに対して、高低変位、及び、通り変位については、レールの長手方向の形状であり、その絶対的な形状を測定するのは大変困難である。しかし、一方で、列車を安全に走行させるためには、必ずしも軌道の絶対的な位置を知る必要はないため、高低変位、及び、通り変位については、通常は、長手方向にある間隔だけ離れた３点間の相対変位で測定する例えば１０ｍ弦正矢法が用いられている。例えば、人力で測る場合には、軌道上で１０ｍ離れた２点間に糸を張り、中央の５ｍポイントで軌道表面と糸の間隔を直尺等により読み取っている。また、１０ｍを超える超スパンの通り変位は、１０ｍ弦で測定した結果を倍長計算法という重み付け計算処理で推算するか、又は、長い糸を張って測定している。

特開２００９−２８１９２０号公報

しかしながら、倍長計算では、原理的に超スパンになるほど誤差が累積され、変曲点を持つようなうねり変形箇所では現実の軌道の状態との乖離が大きくなってしまうという問題があった。また、糸張の場合には、数十ｍの長い糸を張るのは糸の弛みや風による揺らぎなどで誤差が大きくなり、４０ｍ弦での測定は難しいという問題があった。ところが、列車が高速になるほど、より長周期の軌道変位が列車と共振するようになるため、新幹線等では、４０ｍ以上の長波長軌道変位を管理することが重要となっている。

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、長波長軌道変位を容易に検測することができるレーザー式長波長軌道検測器及びレーザー式長波長軌道検測方法を提供することを目的とする。

なお、特許文献１には、レーザーを用いて敷設されたレールの変位を測定するレール変位検出器が記載されている。しかし、このレール変位検出器は、軌間変位を検出するものであり、高低変位及び通り変位を検出するものではない。

本発明のレーザー式長波長軌道検測器は、軌道の高低変位及び通り変位を検測するものであって、レールに配設され、レーザー光を照射するレーザー照射手段と、レールに配設され、レーザー照射手段から照射されるレーザー光を受光するターゲットと、レーザー照射手段又はターゲットの一方をレールに沿って移動させる移動手段と、レーザー照射手段又はターゲットの移動に応じて、レーザー照射手段から照射されたレーザー光により前記ターゲットに映し出された輝点の画像を連続的に記録する撮像手段と、レーザー照射手段又はターゲットの移動距離を測定する距離測定手段と、撮像手段により撮像した輝点の画像と、距離測定手段により測定した移動距離とから、高低変位及び通り変位を求める変位検出手段とを備えたものである。

本発明のレーザー式長波長軌道検測方法は、軌道の高低変位及び通り変位を検測するものであって、レールに配設したレーザー照射手段からレーザー光を照射し、このレーザー光をレールに配設したターゲットで受光し、レーザー照射手段又はターゲットの一方をレールに沿って移動させながら、ターゲットに映し出されたレーザー光の輝点の画像を撮像手段により連続的に記録すると共に、レーザー照射手段又はターゲットの移動距離を距離測定手段により測定し、得られた画像と移動距離とから高低変位及び通り変位を求めるものである。

本発明によれば、レーザー光を使用するので、従来の糸張では不可能であった４０ｍ弦や８０ｍ弦等の長波長軌道の高低変位及び通り変位を容易に測定することができる。また、従来の糸張測定法では、弦の両端を持つ人が２名、変位を測定する人が１名の合計３名の作業員が必要であったのに対して、本発明によれば、作業員1名でターゲットを移動させて測定することができるので、作業効率を向上させることができる。更に、作業員には特別な技能が要求されず、簡単な機器の操作だけで測定できるので、短期間で作業員を養成することができ、誰でも簡単に測定することができる。

加えて、従来の糸張測定法では、糸張計測によるスポット的な数値を参照し、倍長計算等による誤差を、熟練作業者が軌道の状態を目視で確認し、勘と経験で補正を加えながら補修していたので、経験が乏しい作業者だけでは作業効率及び保線精度が低下してしまうという問題があったのに対して、本発明によれば、レーザー照射手段又はターゲットを移動させることにより、輝点の画像と移動距離とから変位を測定することができるので、熟練の勘や経験に頼ることなく、高精度で高効率な保線作業を行うことができる。

また、撮像手段により撮像した画像において輝点のＸ−Ｙ座標を求め、このＸ−Ｙ座標の変化と、距離測定手段により測定した移動距離とから、通り変化及び高低変化を連続データとして算出するようにすれば、より分かりやすく表示することができる。

更に、測定開始時における輝点のＸ−Ｙ座標を開始基準点、測定終了時における輝点のＸ−Ｙ座標を終了基準点とし、開始基準点と終了基準点とを直線の基準線で結び、この基準線から各測定ポイントにおける輝点のＸ−Ｙ座標がどれだけずれているかを算出するようにすれば、測定開始時及び測定終了時における輝点の位置がターゲットの中心からずれていても通り変位及び高低変位を求めることができる。よって、正確な位置合わせの手間がなく、容易かつ高い精度で測定することができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザー式長波長軌道検測器の構成を表す図である。 ターゲットに映し出されたレーザー光の輝点の跡の一例を表す図である。 図２に基づき、高低変位及び通り変位を算出する手順を説明する図である。 図１に示したレーザー式長波長軌道検測器を用いて得られた測定距離と通り変位及び高低変位との関係を示す特性図である。 本発明の変形例を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（一実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係るレーザー式長波長軌道検測器１０の構成を表すものであり、（Ａ）は横からみた構成を表し、（Ｂ）は上から見た構成を表し、（Ｃ）はレーザー照射手段１１の側から見たターゲット１２及び移動手段１３の構成を表している。このレーザー式長波長軌道検測器１０は、軌道の高低変位及び通り変位を検測するものであり、レーザー光Ｌを照射するレーザー照射手段１１と、このレーザー照射手段１１から照射されるレーザー光Ｌを受光するターゲット１２と、このターゲット１２をレールＲに沿って移動させる移動手段１３とを備えている。

レーザー照射手段１１は、レールＲに固定して配設されており、例えば、レーザー発振器１１Ａと、このレーザー発振器１１ＡをレールＲに固定する固定部１１Ｂとを有している。レーザー発振器１１Ａは、例えば、一方のレールＲの上に配設されることが好ましく、レーザー発振器１１Ａの向きは、レーザー光Ｌの照射方向がレールＲの長さ方向となるようにすることが好ましい。

ターゲット１２は、例えば、レーザー光Ｌの少なくとも一部を透過可能な材料により構成されている。ターゲット１２の裏側（レーザー照射手段１１と反対側）からレーザー光Ｌの輝点を撮像できるようにするためである。ターゲット１２は例えば矩形状であり、一辺が１５０ｍｍから２５０ｍｍ程度の大きさとされることが好ましい。軌道の半径が３０００ｍｍ程度の場合まで測定できるようにするためである。ターゲット１２は、レーザー照射手段１１が固定された一方のレールＲの上に配置されることが好ましく、ターゲット１２の向きはレーザー光Ｌに対して垂直になるようにすることが好ましい。

移動手段１３は、例えば、台車により構成されており、レーザー照射手段１１が固定された一方のレールＲの上に配置される本体部１３Ａと、この本体部１３Ａと接合され、本体部１３Ａから他方のレールＲに向かって伸長されたバーフレーム部１３Ｂとを有している。本体部１３Ａには、例えば、ターゲット１２が載置され、一方のレールＲに対応して２個の車輪１３Ｃが配設されている。バーフレーム部１３Ｂには、例えば、他方のレールＲに対応して１個の車輪１３Ｄが配設されている。移動手段１３は、人力、例えば、作業者が押すことにより移動させるようにしてもよく、また、動力を利用して移動させるようにしてもよい。

レーザー式長波長軌道検測器１０は、また、ターゲット１２の移動に応じて、レーザー照射手段１１から照射されたレーザー光Ｌによりターゲット１２に映し出された輝点を連続的に記録する撮像手段１４と、ターゲット１２の移動距離を測定する距離測定手段１５とを備えている。

撮像手段１４は、例えば、ＣＣＤカメラにより構成されている。撮像手段１４は、例えば、移動手段１３、具体的には、本体部１３Ａに載置されている。撮像手段１４は、例えば、ターゲット１２を間に挟んでレーザー照射手段１１と反対側の位置において、レーザー照射手段１１から照射されたレーザー光Ｌの光軸上に配置されていることが好ましい。画像処理による補正を行わずに、容易にレーザー光Ｌの輝点のＸ−Ｙ座標を読み取ることができるからである。

距離測定手段１５は、例えば、ロータリーエンコーダにより構成することができ、移動手段１３に対して配設されている。

レーザー式長波長軌道検測器１０は、また、撮像手段１４により撮像した画像と、距離測定手段１５により測定した移動距離とから高低変位及び通り変位を求める変位検出手段１６を備え、更に、変位検出手段１６により得られた結果を表示する表示手段１７とを備えていることが好ましい。

変位検出手段１６は、例えば、コンピューターにより構成されており、移動手段１３に載置されている。変位検出手段１６は、例えば、撮像手段１４により撮像した画像においてレーザー光Ｌの輝点のＸ−Ｙ座標を求め、このＸ−Ｙ座標の変化と、距離測定手段１５により測定した移動距離とから、通り変化及び高低変化を連続データとして算出するように構成されている。例えば、横軸を移動距離、縦軸を通り変位又は高低変位としたグラフを作成する。

通り変位及び高低変位は、例えば、次のようにして求めることができる。図２は、撮像手段１４により撮像したターゲット１２に映し出されたレーザー光Ｌの輝点の跡の一例を表したものである。図２において、白丸はターゲット１２の移動を開始した測定開始時におけるレーザー光Ｌの輝点の位置、黒丸はターゲット１２の移動を停止した測定終了時におけるレーザー光Ｌの輝点の位置であり、白丸と黒丸を結ぶ線はターゲット１２が移動している間におけるレーザー光Ｌの輝点の移動跡である。

まず、図２に示したレーザー光Ｌの輝点の跡に基づき、図３（Ａ）に示したように、ターゲット１２の移動を開始した測定開始時における輝点のＸ−Ｙ座標を開始基準点（白丸の位置）、ターゲット１２の移動を停止した測定終了時における輝点のＸ−Ｙ座標を終了基準点（黒丸の位置）とし、開始基準点と終了基準点とを直線の基準線Ｂで結ぶ。なお、輝点のＸ−Ｙ座標は、輝点の中心位置を割り出し、その中心位置のＸ−Ｙ座標を求める。次いで、ターゲット１２の移動を開始した位置から移動を終了した位置まで所定の間隔毎に測定ポイントを決め、基準線Ｂ上の各測定ポイントのＸ−Ｙ座標（図３（Ｂ）において×で示した位置）から各測定ポイントにおける輝点のＸ−Ｙ座標（図３（Ｂ）において◇で示した位置）がどれだけずれているかを算出する。

基準線Ｂ上の各測定ポイントのＸ−Ｙ座標は、ターゲット１２の移動を開始した位置から移動を終了した位置まで実際の距離と、基準線Ｂの長さとの比から求められる。各測定ポイントにおける輝点のＸ−Ｙ座標は、距離測定手段１５により測定した移動距離から測定ポイントを検出し、その時の輝点の位置から求める。図３（Ｂ）で説明すると、白丸の開始基準点から順番に、×で示した基準線Ｂ上の各測定ポイントのＸ−Ｙ座標から、△で示した各測定ポイントにおける輝点のＸ−Ｙ座標がずれた量が変位量となり、Ｘ方向のずれが通り変位、Ｙ方向のずれが高低変位である。

表示手段１７は、例えば、ディスプレイにより構成され、変位検出手段１６により算出された結果を表又はグラフ等で表示するようになっている。表示手段１７は、また、撮像手段１４により撮像している画像をリアルタイムで表示する機能を有すると共に、記録した画像を表示する機能も有していることが好ましい。

このレーザー式長波長軌道検測器１０は、長波長軌道検測において次のようにして用いられる。まず、測定開始位置の手前の位置に、レーザー発振器１１Ａが一方のレールＲの上となるようにレーザー照射手段１１を固定する。また、測定開始位置に、ターゲット１２が一方のレールＲの上となるように移動手段１３を配置する。次いで、レーザー発振器１１Ａからレーザー光Ｌの照射を開始し、ターゲット１２で受光し、ターゲット１２にレーザー光Ｌの輝点を映し出す。

続いて、移動手段１３によりターゲット１２を測定開始位置から測定終了位置までレールＲに沿って移動させながら、撮像手段１４によりターゲット１２に映し出されたレーザー光Ｌの輝点の画像を連続的に撮像し記録すると共に、距離測定手段１５によりターゲットの移動距離を測定する。次いで、変位検出手段１６により、撮像手段１４により撮像した輝点の画像と、距離測定手段１５により測定した移動距離とから、高低変位及び通り変位を求める。変位検出手段１６では、例えば、撮像手段１４により撮像した画像から輝点のＸ−Ｙ座標を求め、このＸ−Ｙ座標の変化と、距離測定手段１５により測定した移動距離とから、通り変化及び高低変化を連続データとして算出する。

具体的には、まず、図３（Ａ）に示したように、レーザー光Ｌの輝点の跡に基づき、ターゲット１２の移動を開始した測定開始時における輝点のＸ−Ｙ座標を開始基準点（白丸の位置）、ターゲット１２の移動を停止した測定終了時における輝点のＸ−Ｙ座標を終了基準点（黒丸の位置）とし、開始基準点と終了基準点とを直線の基準線Ｂで結ぶ。次いで、図３（Ｂ）に示したように、ターゲット１２の移動を開始した位置から移動を終了した位置まで所定の間隔毎に測定ポイントを決め、基準線Ｂ上の各測定ポイントのＸ−Ｙ座標（図３（Ｂ）において×で示した位置）から各測定ポイントにおける輝点のＸ−Ｙ座標（図３（Ｂ）において△で示した位置）がどれだけずれているかを算出する。Ｘ方向のずれを通り変位、Ｙ方向のずれを高低変位とし、横軸を移動距離、縦軸を通り変位又は高低変位としたグラフを作成する。このようにして変位検出手段１６で得られた結果を表示手段１７に表示する。

なお、このレーザー式長波長軌道検測器１０を用いて、実際のレールＲの長波長軌道検測を行った。図４にその結果を示す。図４は、測定距離と通り変位及び高低変位との関係を示すものである。測定距離は１２０ｍとし、測定は２回行った。図４では、２回の測定結果を重ねて示している。図４を見ればわかるように、２本の線は略重なっている。すなわち、このレーザー式長波長軌道検測器１０を用いれば、容易に高い精度で変位を検測できることが分かった。

このように本実施の形態によれば、レーザー光Ｌを使用するので、従来の糸張では不可能であった４０ｍ弦や８０ｍ弦等の長波長軌道の高低変位及び通り変位を容易に測定することができる。また、従来の糸張測定法では、弦の両端を持つ人が２名、変位を測定する人が１名の合計３名の作業員が必要であったのに対して、本実施の形態によれば、作業員1名でターゲット１２を移動させて測定することができるので、作業効率を向上させることができる。更に、作業員には特別な技能が要求されず、簡単な機器の操作だけで測定できるので、短期間で作業員を養成することができ、誰でも簡単に測定することができる。

加えて、従来の糸張測定法では、糸張計測によるスポット的な数値を参照し、倍長計算等による誤差を、熟練作業者が軌道の状態を目視で確認し、勘と経験で補正を加えながら補修していたので、経験が乏しい作業者だけでは作業効率及び保線精度が低下してしまうという問題があったのに対して、本実施の形態によれば、ターゲット１２を移動させることにより、輝点の画像と移動距離とから変位を測定することができるので、熟練の勘や経験に頼ることなく、高精度で高効率な保線作業を行うことができる。

また、撮像手段１４により撮像した画像において輝点のＸ−Ｙ座標を求め、このＸ−Ｙ座標の変化と、距離測定手段１５により測定した移動距離とから、通り変化及び高低変化を連続データとして算出するようにすれば、より分かりやすく表示することができる。

更に、測定開始時における輝点のＸ−Ｙ座標を開始基準点、測定終了時における輝点のＸ−Ｙ座標を終了基準点とし、開始基準点と終了基準点とを直線の基準線で結び、この基準線から各測定ポイントにおける輝点のＸ−Ｙ座標がどれだけずれているかを算出するようにすれば、測定開始時及び測定終了時における輝点の位置がターゲット１２の中心からずれていても通り変位及び高低変位を求めることができる。よって、正確な位置合わせの手間がなく、容易かつ高い精度で測定することができる。

（変形例１）
上記実施の形態では、撮像手段１４をターゲット１２に対してレーザー照射手段１１と反対側に配設する場合について説明したが、例えば、図５に示したように、ターゲット１２に対してレーザー照射手段１１と同じ側に配設するようにしてもよい。この場合、撮像手段１４は、レーザー光Ｌを遮断しないようにレーザー光Ｌの光軸に対して斜め方向に配設し、変位検出手段１６において画像を補正して用いるようにすることが好ましい。

（変形例２）
上記実施の形態では、レーザー照射手段１１をレールＲに固定し、ターゲット１２を移動手段１３に載置してレールＲに沿って移動させる場合について説明したが、ターゲット１２をレールＲに固定し、レーザー照射手段１１、具体的にはレーザー発信器１１Ａを移動手段１３に載置して、レーザー照射手段１１をレールＲに沿って移動させるようにしてもよい。この場合、撮像手段１４は移動手段１３に載置せず、ターゲット１２に映し出された輝点の画像を撮像できる位置に配設される。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、各構成要素について具体的に説明したが、全ての構成要素を備えていなくてもよく、また、他の構造を有するように構成してもよい。

軌道の高低変位及び通り変位を検測する際に用いることができる。

１０…レーザー式長波長軌道検測器、１１…レーザー照射手段、１１Ａ…レーザー発振器、１１Ｂ…固定部、１２…ターゲット、１３…移動手段、１３Ａ…本体部、１３Ｂ…バーフレーム部、１３Ｃ，１３Ｄ…車輪、１４…撮像手段、１５…距離測定手段、１６…変位検出手段、１７…表示手段、Ｌ…レーザー光、Ｒ…レール、Ｂ…基準線

Claims (6)

1. 軌道の高低変位及び通り変位を検測するレーザー式長波長軌道検測器であって、
   レールに配設され、レーザー光を照射するレーザー照射手段と、
   レールに配設され、前記レーザー照射手段から照射されるレーザー光を受光するターゲットと、
   前記レーザー照射手段又は前記ターゲットの一方をレールに沿って移動させる移動手段と、
   前記レーザー照射手段又は前記ターゲットの移動に応じて、前記レーザー照射手段から照射されたレーザー光により前記ターゲットに映し出された輝点の画像を連続的に記録する撮像手段と、
   前記レーザー照射手段又は前記ターゲットの移動距離を測定する距離測定手段と、
   前記撮像手段により撮像した輝点の画像と、前記距離測定手段により測定した移動距離とから、高低変位及び通り変位を求める変位検出手段と
   を備えたことを特徴とするレーザー式長波長軌道検測器。
2. 前記変位検出手段は、前記撮像手段により撮像した画像において前記輝点のＸ−Ｙ座標を求め、このＸ−Ｙ座標の変化と、前記距離測定手段により測定した移動距離とから、通り変化及び高低変化を連続データとして算出する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザー式長波長軌道検測器。
3. 前記変位検出手段は、前記ターゲットの移動を開始した測定開始時における前記輝点のＸ−Ｙ座標を開始基準点、前記ターゲットの移動を停止した測定終了時における前記輝点のＸ−Ｙ座標を終了基準点とし、開始基準点と終了基準点とを直線の基準線で結び、この基準線から各測定ポイントにおける前記輝点のＸ−Ｙ座標がどれだけずれているかを算出することにより、通り変位及び高低変位を求める
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザー式長波長軌道検測器。
4. 軌道の高低変位及び通り変位を検測するレーザー式長波長軌道検測方法であって、
   レールに配設したレーザー照射手段からレーザー光を照射し、このレーザー光をレールに配設したターゲットで受光し、前記レーザー照射手段又は前記ターゲットの一方をレールに沿って移動させながら、前記ターゲットに映し出された前記レーザー光の輝点の画像を撮像手段により連続的に記録すると共に、前記レーザー照射手段又は前記ターゲットの移動距離を距離測定手段により測定し、得られた画像と移動距離とから高低変位及び通り変位を求める
   ことを特徴とするレーザー式長波長軌道検測方法。
5. 高低変位及び通り変位を求める際には、前記撮像手段により撮像した画像から前記輝点のＸ−Ｙ座標を求め、このＸ−Ｙ座標の変化と、前記距離測定手段により測定した移動距離とから、通り変化及び高低変化を連続データとして算出する
   ことを特徴とする請求項４記載のレーザー式長波長軌道検測方法。
6. 高低変位及び通り変位を求める際には、前記撮像手段により撮像した画像から求めた前記輝点のＸ−Ｙ座標について、前記ターゲットの移動を開始した測定開始時における前記輝点のＸ−Ｙ座標を開始基準点、前記ターゲットの移動を停止した測定終了時における前記輝点のＸ−Ｙ座標を終了基準点とし、開始基準点と終了基準点とを直線の基準線で結び、この基準線から各測定ポイントにおける前記輝点のＸ−Ｙ座標がどれだけずれているかを算出して通り変位及び高低変位を求める
   ことを特徴とする請求項５記載のレーザー式長波長軌道検測方法。

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