JP4312729B2 - レール継目板の締結ボルトの脱落検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、レール継目板の締結ボルトの脱落検出装置に関し、詳しくは、軌道検測車の走行状態において、レール継目板の締結ボルトの脱落を検出することができるようなレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置に関する。

鉄道用レールは、周囲の温度に応じて伸縮する。そのため、遊間部（継目）を設けてレールとレールとが連結される。その接続は、継目板によりレールの端部を表裏両側から挟んでボルトで継目板を固定することで行われる。
列車の乗りごこち、レールの損傷などを防止するために、継目が適当な間隔であるか否かが軌道検測車（以下検測車）あるいは点検車などにより定期的に点検され、その間隔が所定の基準幅の範囲にないときには継目間隔が調整される。
このような点検のために検測車に搭載され、レーザ光を継目板の位置に照射して継目板そのものを検出するレール継目板検出装置が公知である（特許文献１）。
また、レールを枕木に固定するボルトのボルト抜けを検出する技術としてレーザ変位計を用いたレール締結具の脱落の検知装置が公知である（特許文献２）。
特開２００１−２８０９１８号公報 特開平１１−１７２６０６号公報

遊間がある継目部分は、車輌の車輪が落ち込むので、その分、振動が発生し易く、継目板の締結ボルトが脱落することがみられる。通常、例えば、４本あるいは６本という複数のボルトで継目板を締結し、かつ、継目板がレールの端を表裏両側から狭持する構造でレール同士が結合されるので、１本ボルト抜けが発生してもただそれだけで大きな問題には至らないが、連結状態がゆるむことは確かであり、万が一の事故の問題と乗りこごちの点からボルトの抜けを検測車の走行状態において検出する装置の要請がある。
しかし、現在のところ、そのようなレール継目板の締結ボルトの脱落を検出する装置はない。
図１０は、レール同士を締結した状態でのレール継目板の断面説明図である。この図に示すように、継目板１を締結する締結ボルト２（以下ボルト２）が連結レール３，４の側面で継目板１を止めている。継目板１には水平方向に突き出したフランジ３ａが上部にあって、それがレール３，４の頭部３ｂ（レール３側で頭部を代表）の裏面と接触している。そのため、上からみたときにはボルト２の頭部２ａは、一部が隠れ、あるいはそのナット２ｂにおいてはその一部しか見えない。それによりボルト２の有無を上部から光学的に検出する場合には、その判別が難しく、検測車の走行状態においてボルト抜けを検出することはなかなか難しい。そのため、特許文献１や特許文献２のような技術がそのまま継目板のボルト抜け検出には適用できない。現在のところ、継目板のボルト抜け検出は、人手に頼っているのが実状である。なお、図中、２ｃはワッシャであり、３ｃはボルト差込み穴である。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決し、前記の要請に応えるものであり、検測車の走行状態において、レール継目板のボルトの脱落を検出することができるレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置を提供することにある。

このような目的を達成するためのこの発明のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置の特徴は、レールとレールとを連結するレール継目板の締結ボルト抜けを検出する検測車のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置において、
軌道検測車に設けられレール継目を検出する非接触型の継目検出器と、軌道検測車において継目検出器に対して軌道検測車の走行方向に対して後方に設けられレールの継目板の静止画を撮像するためのカメラと、レール継目板のフランジの影がレール継目板の締結ボルトの差込み穴に重なる角度でレール継目板を照射する照射光学系と、継目検出器の検出信号に応じてカメラがレール継目に対応する位置に来たタイミングでカメラのシャッタを切ってカメラから静止画を採取する制御装置とを備えていて、
静止画におけるフランジの影の画像からの連続において締結ボルトの差込み穴に相当する画像が静止画にあるか否かを検出するものである。

ところで、前記したように、従来技術として継目板そのものを検出するレール継目板検出装置が公知であるので、単純には、継目板を検出してその映像をカメラで撮像してボルト抜けを検出することが考えられる。しかし、単に継目板を検出して映像を走行中の検測車で撮像しても視野を広くしないと画像が得られないという問題が起こる。それは、検測車が上下左右に揺れ、かつ、カーブでは、外側に車輌がシフトするからである。視野の広い画像を画像部分として得て、その中から継目板の画像を探し出してボルト抜けを検出するとなると、画像処理として非常に処理ロードが大きくなる上に、検出についての信頼性も低いものとなる。
そこで、この発明は、前記のように継目板の継目部分そのものの位置を検出することで、できるだけ視野の狭い継目板を主体とした画像を得ることを考えた。
この発明にあっては、前記のように、継目検出器の検出信号に応じてカメラがレール継目に来たタイミングでシャッタを切ってカメラからの静止画を採取するようにしているので、視野を制限しても継目板の画像を静止画として確実に採取することができる。しかも、レール継目板のフランジの影がレール継目板の締結ボルトの差込み穴に重なる角度で照射光学系がレール継目板を照射するので、採取された視野の狭い静止画は、継目板を主体とした映像となり、ボルトの脱落があるときにレール継目板の位置にあるフランジの影の画像部分と締結ボルトの差込み穴の画像部分とが映し出される。しかも、この画像部分において、締結ボルトの差込み穴に相当する画像を静止画におけるフランジの影の画像から連続するものとして検出することができるので信頼性の高いボルト抜け検出ができる。
その結果、検測車の走行状態においてレール継目板のボルトの脱落を検出することが容易にできる。

図１は、この発明のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置を適用した一実施例の検測車のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置とその継目板画像撮像装置の説明図であり、図２は、レール継目検出器の説明図、図３は、レール継目検出器の検出回路とデータ処理装置の説明図、図４は、レール継目検出器の検出波形の説明図、図５は、継目検出処理の説明図、図６は、撮像された静止画を二値化した画像の一例を模式的に示した説明図、図７は、図６の二値化画像のＹ座標に対する明るさ特性の説明図、図８は、ボルト抜けを検出する処理画像に検出領域を設定する説明図、そして図９は、ボルト抜け穴検出の画像処理のフローチャートである。なお、図１０に対応する構成要素と同一のものは、各図において同一の符号で示す。
図１（ａ）において、１０は、レール継目板の締結ボルトの脱落検出装置５（以下締結ボルトの脱落検出装置５）を搭載する検測車であり、１０ａは、その台車、１０ｂは、車輪である。締結ボルトの脱落検出装置５は、レール継目検出器６と継目板画像撮像装置７、そしてデータ処理装置８とからなる。
レール継目検出器６は、図１（ａ），図２に示すように、電磁センサ１１とケース１２、そして検出回路２０とからなる。ケース１２に内蔵された電磁センサ１１は、相互に逆方向に巻かれ、一辺が隣接して配置された巻き形が三角形の２つの空芯コイル１１ａ、１１ｂからなる。これを内装するケース１２は、合成樹脂等の非磁性材料で構成され、空芯コイル１１ａ、１１ｂの中心Ｏａ，Ｏｂをずらせて樹脂充填された完全密閉状態で固定するものであって、図１（ａ）に示すように、検測車１０の台車１０ａからブラケット１３を介してレール３あるいはレール４の頭部表面から所定距離、例えば、３ｃｍ前後離れて、２本のうち片側のレールに対応して設置される。そして、図１（ａ）のレール３とレール４との間にある継目１ａを検出する。

図２に示すように空芯コイル１１ａ、１１ｂは、巻き方が相互に逆方向になっているので、検出信号も相互に逆位相になる。そのため、信号にノイズが乗っても相殺される。さらに、レール３，４の頭部３ｂの幅は、通常、６５ｍｍ程度であるが、図１に示すように、ケース１２により固定される電磁センサ１１の空芯コイル１１ａの中心Ｏａは、レールの頭部３ａの中心線Ｏに対応して配置され、空芯コイル１１ｂの中心Ｏｂは、レールの頭部３ａの中心線Ｏより１０ｍｍ程度外側にずれてレール３，４に対応するように配置されている。
空芯コイル１１ｂの中心Ｏｂを中心線Ｏから外側にずらせる理由は、レールにはカーブがあるので、このときに検測車１０が外側にシフトしたときに中心Ｏｂが必要以上に片方が内側にずれることで空芯コイル１１ａ、１１ｂが共に外れて電磁センサ１１の検出信号が得られなくなることを防止したものである。なお、検測車１０の外側へのずれは、車輪１０ｂのフランジで阻止され、大きくずれることはない。

図１（ｂ）に示すように、継目板画像撮像装置７は、継目板撮像カメラ７１と照明光学系７２とからなり、継目板撮像カメラ７１は、台車１０ａの下側に設置されて継目板１に対してθ＝２０°〜４０°程度の軌道面からの仰角としての角度θで斜め上方から継目板１の側面をレール３，４の内側から撮像する。照明光学系７２は、それよりも大きなφ＝５０°〜７０°程度の軌道面からの仰角として角度φで斜め上方でレール３，４の内側から継目板１の側面を照明する。これら継目板撮像カメラ７１と照明光学系７２は、検測車１０の台車１０ａに固定された筐体７３の内部に設置されている。
なお、レール３，４は、それぞれ２本が所定の軌道幅において敷設されているので、図１（ａ），図１（ｂ）に示されるように、継目板撮像カメラ７１が各レールに対して２台ずつ合計４台、照明光学系７２が各レールに対して３台で合計６台、筐体７３の内部に設置されている。
各継目板撮像カメラ７１は、例えば、１画面（１フレーム）６４０×４８０画素（ＶＧＡ）の静止画像を撮影画像として得るＣＣＤカメラであり、継目板１を視野に入れた静止画像を両側のそれぞれのレールに対応してそれぞれに生成する。
ここで、重要なことは、照明光学系７２の照射角φである。この照明角φは、継目板１のフランジ３ａの影がボルト２のボルト差込み穴３ｃ（図１０参照）に重なる角度になっている。これにより、例えば、フランジ３ａの影が継目板１のボルト部分にかかり、しかもボルトが抜けて穴となっていれば、フランジ３ａの影（図６の符号１５参照）に連続してボルト差込み穴３ｃがそのまま黒レベルとなって重なった画像部分（図６の符号１６参照）となる静止画を得ることができる。そこで、フランジ３ａの影の画像を基準にして撮像画像からボルト抜けの検出が可能になる。すなわち、継目板１のフランジ３ａの影の画像部分（図６の符号１５参照）と重なって黒の画素の塊（図６の符号１５と１６の画像参照）があった場合に継目板１のボルト抜け穴として検出することが可能になる。それにより、検測車１０が走行した状態で継目板１にボルト抜け穴３ｃがあるか否かを高い信頼性をもって判定することができる。

図６は、撮像された静止画を二値化した画像の一例を模式的に示した説明図であり、１４が継目板撮像カメラ７１で撮影したものの二値化画像の１画面分である。この画像１４において、継目板１のフランジ３ａの影の画像部分が１５であり、継目板１のボルト差込み穴の画像部分が１６である。レール３，４の頭部３ｂと継目板１の側面は、反射光が強いので、白レベル（データ“１”）となり、それ以外は黒レベル（データ“０”）となる二値化画像１４となる。１７ａは、明るい上側背景であり、１７ｂは、暗い下側側背景である。
１８は、継目板１のフランジ３ａの影の画像部分１５に現れるノイズとしての反射光のノイズ画像部分である。
この二値化画像１４において、ボルト差込み穴の画像部分１６は、所定の画素数の黒レベルの画素の集合となって現れてくるので、ここでは、これを画像処理により、フランジ３ａの影の画像部分１５を基準に検出する。
ところで、採取した画像１画面分の全体からボルト抜けを検出すると画像処理のロードが大きくなる上に、各種のノイズが画像に乗ってくるので、高い精度でボルト差込み穴の画像部分１６を検出しようとすると、そのノイズ除去処理に時間がかかる。その上に、ボルト差込み穴の画像部分１６の判定処理にも時間がかかる。そこで、ここではフランジ３ａの影の画像部分１５の位置を検出して、これを基準にしてこれからボルトの穴分に相当する範囲でボルト差込み穴の画像部分１６があるか否かを判定することでボルト抜け穴検出を高速に行う。この処理については後述する。

図３は、レール継目検出器の検出回路とデータ処理装置の説明図であって、検出回路２０は、逆方向に巻かれた空芯コイル１１ａ、１１ｂからの信号をそれぞれ受ける差動増幅器２１ａ，２１ｂと、空芯コイル１１ａ、１１ｂにバイアス電流を流すバイアス回路２２、差動増幅器２１ａ，２１ｂの信号を所定の距離パルスＰLに応じてＡ／Ｄ変換をするＡ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）２３ａ，２３ｂとからなり、Ａ／Ｄ２３ａ，２３ｂを介して検出信号をデジタル値に変換してデータ処理装置８に送出するものである。
なお、バイアス回路２２は、抵抗Ｒ1〜Ｒ4と定電圧電源回路２２ａとからなり、空芯コイル１１ａ、１１ｂにそれぞれバイアス電流を流す回路である。
レールの継目１ａの部分では、継目板１とレールとレールの間隙とに応じて空芯コイル１１ａ、１１ｂのインダクタンスが変化し、それに応じた電圧が空芯コイル１１ａ、１１ｂの端子に発生するので差動増幅器２１ａ，２１ｂにそれに応じた検出信号を得ることができる。
距離パルスＰLは、車輪１０ｂの回転に応じて発生するパルスであって、距離パルス発生回路２４により生成され、５．６ｍｍ走行に１個発生する５．６ｍｍ／Ｐの波長（周期）のパルス信号である。
データ処理装置８は、ＭＰＵ８１とメモリ８２、インタフェース８３、画像メモリ８４、そしてこれらを接続するバス８５等とを有し、距離パルスＰLと、これに対応してＡ／Ｄ変換された差動増幅器２１ａ，２１ｂの信号をインタフェース８３を介して測定データとして受けてこれらの差演算等をする。
なお、検出回路２０と距離パルス発生回路２４、そしてデータ処理装置８とは検測車１０に搭載されている。
また、レール１本に２台ずつ設けられた継目板撮像カメラ７１は、それぞれＡ／Ｄ２５ａ，２５ｂを介してデータ処理装置８に接続される。また、データ処理装置８からインタフェース８３を介して４台の継目板撮像カメラ７１のシャッタが操作され、各継目板撮像カメラ７１の静止画が８ビット２５６階調の静止画としてＡ／Ｄ変換されて４枚のそれぞれが画像メモリ８４の所定の領域にそれぞれに転送されて記憶される。
なお、各レールに対応する２枚のそれぞれの画像は、ボルト差込み穴以上の幅をもってＸ方向（幅方向）に重複する形で各１枚の画像が撮像される。

図４（ａ）は、差動増幅器２１ａ，２１ｂのデジタル値をそれぞれグラフ化したデータ処理装置８における測定データであり、ＢLaが差動増幅器２１ａの測定データ、ＢLbが差動増幅器２１ｂの測定データである。長丸で示す部分がレール継目位置（継目１ａの位置）の検出信号であり、その前後で波形に凹凸の波があるのは、継目板１によるものである。なお、横軸は、距離パルスＰLによるサンプル数、縦軸は電圧［ｍＶ］である。ＢLbの波形が小さいのは、空芯コイル１１ｂがレール中心Ｏより１０ｍｍずれているからである。また、横軸の距離パルスＰLによるサンプル数は、検測車１０の走行距離に対応している。
そして、データ処理装置８において、これら測定データの差ＢLa−ＢLbの演算した結果が図４（ｂ）のグラフＢLa−ＢLbである。これにより、レール継目位置の検出信号ＤLは、大きな波形の検出信号として得ることができる。しかし、検測車１０は、上下左右に揺れて走行するので、それによる検出波形の変動も大きい。
そこで、さらに、これに所定のサンプル区間を設定して所定のサンプル数について１サンプルデータ毎に追加し、先頭の１サンプルデータを消去した移動平均を採ると、図５（ａ）のような特性グラフ（ＢLa−ＢLb）ｍを得ることができる。
ＤLがレール継目位置検出信号である。図５（ｂ）に示すように、これにスライスレベルＴH（閾値）を設定して検出信号ＤLを得ることで、図５（ｃ）に示すレール継目位置信号ＤPを得ることができる。
なお、距離パルスＰLからレール継目位置（継目１ａの位置）を所定の範囲で含むゲートを設定してレール継目位置信号ＤPを抽出するようにすれば、検測車の走行途中で発生する各種のノイズが除去され、レール継目位置（継目１ａの位置）を高精度に検出することができる。
以上の処理をするために、図３に示すように、データ処理装置８のメモリ８２には、測定データＢLa，ＢLbの差算出プログラム、移動平均値算出プログラム、閾値設定・レール継目位置検出プログラム等が格納され、ＭＰＵ８１によりこれらプログラムが順次実行される。

データ処理装置８は、レール継目検出器６の測定データからレール継目位置信号ＤPが検出されたときに、メモリ８２に設定されたソフトカウンタ領域において、距離パルス発生回路２４から受ける距離パルスＰLのカウントを開始して所定距離Ｄ（図１参照）走行分に相当するカウント値になったとき、すなわち、継目１ａ（図１（ａ）参照）を検出してから検測車１０が所定距離Ｄだけ走行したときにインタフェース８３を介して各継目板撮像カメラ７１のシャッタを切る制御信号を発生して、各継目板撮像カメラ７１により得られた１フレームの画像を採取して画像メモリ８４に各継目板撮像カメラ７１に対応して４枚の静止画として記憶する。各レール対応の１フレームの静止画２枚、合計４枚をそれぞれに所定の閾値で二値化してメモリ８２の作業領域８２ｈに取り込み、作業領域８２ｈに記憶された１フレームの各レールに対応する継目板１の撮像画像（原静止画像）からフランジ３ａの影という図６の画像部分１５を得て、それから基準線を決定して、二値化画像から基準線の位置を基準にして図６のボルト差込み穴の画像部分１６が存在すべき範囲にあるか否かを判定する。

メモリ８２には、前記のレール継目検出ための測定データＢLa，ＢLbの差算出プログラム、移動平均値算出プログラム、閾値設定・レール継目位置検出プログラム等とは別に、以上の処理を行うために、継目板画像採取プログラム８２ａと、二値化処理プログラム８２ｂと、影画像上の基準線検出プログラム８２ｃ、継目板ボルト穴画像正規化処理プログラム８２ｄ、黒画素カウント処理プログラム８２ｅ、継目板ボルト穴候補検出プログラム８２ｆ、継目板ボルト穴判定プログラム８２ｇ等が格納され、作業領域８２ｈが設けられている。
ＭＰＵ８１は、レール継目検出器６の測定データからレール継目位置信号ＤPを検出したときに、継目板画像採取プログラム８２ａをコールして実行する。プログラム８１ａは、これがＭＰＵ８１に実行されたときには、距離パルスＰLのカウントを開始して、そのカウント値がレール継目検出器６と継目板画像撮像装置７との間の距離Ｄに相当するものとなったときに、４台の継目板撮像カメラ７１のシャッタを切って、Ａ／Ｄ２５ａ、２５ｂを介して８ビット２５６階調の１フレームの静止画像を４枚、各レールに対応して２枚ずつ画像メモリ８４にデジタル値として採取する。そして、二値化処理プログラム８２ｂをコールする。

二値化処理プログラム８２ｂは、これがＭＰＵ８１により実行されたときには、画像メモリ８４に記憶されたそれぞれの１画面分の画像について所定の閾値で二値化して、図６に示す上側背景と下側背景を一部に含む二値化画像を４枚、メモリ８２の作業領域８２ｈに記憶する。
二値化処理の閾値は、レール３，４と直交する垂直方向をＹ方向としてレール３，４と平行なＸ方向を水平ラインとして、採取した各静止画像において、水平方向１ライン分６４０個の画素の明るさを積算し、この積算した明るさをその水平方向１ラインに対応するＹ方向の各１画素（Ｙ座標値）に対応して算出して作業領域８２ｈにそれをデータとして記憶し、次に、Ｙ方向において積算値の極小値のうち最初に現れる最小明るさレベルの極小値を求めてそれを６４０で割って１水平ラインの１画素分の平均的な最小極小値として極小値ＬPを算出する。そして、これより少し上の明るいレベル最小極小値ＬP＋αを閾値としてこれを基準に二値化し、二値化した画像データを生成する。
これにより、図６に示すような二値化画像１４が得られる。
すなわち、水平方向１ライン分６４０個の画素の明るさを積算した場合、最初の最小極小値ＬPは、図６のフランジ３ａの影の画像部分１５において水平１ラインの最も黒レベルが多い領域の水平１ライン、図６では、１５ｂとして示す位置の水平１ラインに当たる。そこで、これに対して最小極小値ＬP＋αを閾値とすれば、図６のフランジ３ａの影の画像部分１５の領域を黒レベルに落とすことができ、それ以外を白レベルにする図６の二値化画像１４を得ることができる。ただし、このとき、下側背景１７ｂも黒レベルとなる。 これを画像メモリ８４の４枚の静止画についてそれぞれ行い、二値化画像１４を４枚、作業領域８２ｈの所定の領域にそれぞれ記憶する。
なお、＋αは、影の画像部分１５（フランジ３ａの影の画像）を黒レベルに落とす値として選択される。

影画像上の基準線検出プログラム８２ｃは、これがＭＰＵ８１により実行されたときには、作業領域８２ｈから二値化画像を読出して、黒を“０”、白を“２５５”とした白レベルに重み付けをした重み付け処理をして、Ｙ方向の各１画素（各Ｙ座標）について６４０個（１水平ライン分）の画素の明るさを６４０個（１水平ライン分）分積算した明るさを算出して、さらに、６４０で割って、各１水平ラインの１画素当たりの明るさの平均値のデータを算出し、これをＹ方向の各画素対応の白レベルを重み付けした基準線検出のための重み付けデータ（基準線検出データ）として作業領域８２ｈに記憶する。この基準線検出データをグラフとして示したのが、図７である。すなわち、図７は、図６の二値化画像のＹ座標に対する明るさ特性の説明図であって、この図７において、最初の最小極小値となる明るさＡの位置が前記の極小値Ｌminの画素位置に対応している。
図６に示すように、フランジ３ａの影の画像部分（基準線帯）１５は、大枠としてみると白のレベルの帯と白のレベルの帯との間に黒レベルを主体とする帯となって現れている。そこで、図７のような明るさ特性のグラフとなる。なお、極小値Ｌminの画素位置が黒レベル“０”とならないのは、ノイズとしての反射領域１８が存在しているからである。 この基準線検出データにおいて、最大の明るさ２５５と最小の明るさ最小値Ａの１／３のところのレベルを二値化画像１４の明るさのスライスレベル（閾値）ＴHaとして次の式により算出する。
ＴHa＝（２５５−Ａ）／３＋Ａ
これが、図６におけるノイズ画像部分１８を削除したときのフランジ３ａの影の画像部分（基準線帯）１５に対応する画素位置になる。この処理によりノイズが除去され、フランジ３ａの影の画像部分１５の画素幅Ｒと画像部分（基準線帯）１５の上側の線を基準線１５ａとしてこの基準線のＹ座標の画素位置Ｓとが決定される。これら画素位置Ｓの座標と画素幅Ｒとを作業領域８２ｈに記憶して継目板ボルト穴画像正規化処理プログラム８２ｄをコールする。

継目板ボルト穴画像正規化処理プログラム８２ｄは、これがＭＰＵ８１により実行されたときには、基準画素幅Ｇを基準帯幅１５の画素幅Ｒで割って、画像の大きさを正規に戻す倍率ｎを算出して、二値化画像１４をｎ倍にして規格化した二値化画像を点線枠１９（図８参照）の範囲で切り出して二値化画像１４の正規化画像として作業領域８２ｈに記憶する。そして黒画素カウント処理プログラム８２ｅをコールする。
黒画素カウント処理プログラム８２ｅは、これがＭＰＵ８１により実行されたときには、作業領域８２ｈから正規化された二値化画像１４を読出して、初期値としてｉ＝０，ｊ＝０とし、Ｙ座標の画素位置Ｓを基準として座標（ｉ，Ｓ＋ｊ）において座標（０，Ｓ）からｊを＋１づつ更新してｊ＝Ｍまで、各座標における黒画素の数をカウントしてこのカウント値Ｃiをメモリ８２の作業領域８２ｈに座標（０，Ｓ）とともにこれと対応して記憶する。次にｉを＋１インクリメントして同様に算出したカウント値Ｃiを座標（ｉ，Ｓ）に記憶し、ｊ＝Ｎまで黒画素の数のカウントを繰り返す。
これは、図６の二値化画像１４を規格化した二値化画像において下側方向に黒画素の数をＹ座標Ｓの基準線上（上側基準線１５ａ）の各Ｘ座標に対応してカウントすることに当たる。そして、Ｘ座標値ｉがｉ＞Ｎになったときにカウント処理を終了する。
ただし、Ｍは、撮像した画像に大きさや視野の変動があるので、これを考慮して図８の点線枠１９の下側線１９ａを差込み穴の画像部分１６より下で継目板の下側背景１７ｂより上の位置になる値に設定される。また、Ｎは、差込み穴の検出範囲を超える値あるいはＸ方向の総画素数６４０である。

継目板ボルト穴候補検出プログラム８２ｆは、これがＭＰＵ８１により実行されたときには、作業領域８２ｈから規格化された二値化画像１４を読出してこの二値化画像においてＸ座標の方向において連続して複数個の座標（ｉ，Ｓ＋ｊ）があってかつそれらがのカウント値Ｃｉ（＝黒画素の数）が差込み穴に相当する画素数の範囲にあるか否を判定して穴判定候補か否かを検出する。
すなわち、図８（ａ）に示すように、ｉをＸ方向の＋１づつ更新してカウント値Ｃｉの値Ｐがｎ＜Ｐ＜ｎ＋ｐときでこれが例えば５画素以上Ｘ方向に連続しているときに穴判定候補と判定する。検出された穴候補の座標（ｉ，Ｓ＋ｊ）の座標値は、それぞれ作業領域８２ｈに穴候補座標として記憶されていく。
なお、ｎ，ｐは、それぞれ採取した二値化画像により統計的な処理で決定される。穴候補であるので、これらｎ，ｐは、穴であるらしいという確からしさとして選択される数値であればよい。
継目板ボルト穴判定プログラム８２ｇは、穴候補として記憶されたＸ方向で連続した複数個の座標（ｉ，Ｓ＋ｊ）において、図８（ｂ）に示すように、穴候補として記憶された座標（ｉ，Ｓ＋ｊ）のＸ座標の原点側（図面左側）の境界点からＸ座標において前後に±２０画素（総計４０画素）の座標データ（ｉ，Ｓ＋ｊ）を選択して下側基準線１５ｃを基準として輪郭線１６ａを抽出し、基準線１５ｃから下の画像について画素中心Ｏを算出して、その中心Ｏを通る黒画素の幅Ｗと中心Ｏから外側までの黒画素幅Ｈとを算出して、これが所定の範囲Ｗa＜＝Ｗ＜＝Ｗb，Ｈa＜＝Ｈ＜＝Ｈbに入っているか否かを判定する。 なお、Ｗa，Ｗb，Ｈa，Ｈbは、実際の各測定結果の回帰値として決定された画素数であり、例えば、Ｗa＝１０，Ｗb＝１５，Ｈa＝４，Ｈb＝８である。

図９は、前記の各処理プログラムをＭＰＵ８１が実行して行うボルト抜け穴検出の画像処理の全体的なフローチャートである。
ここでは、レール継目検出処理とボルト抜け穴検出処理とがタスク処理としてそれぞれパラレルに実行される。さらに、ボルト抜け穴検出処理は、各レールについて同時にタスク処理でパラレルに２枚の二値化静止画像を処理してそれぞれに検出処理がなされる。 まず、図面左側のレール継目検出処理から説明する。
レール継目検出処理は、レール継目検出器６からの検出信号を読込んで（ステップ１０１）、測定データＢLa，ＢLbの差算出処理をし（ステップ１０２）、そして移動平均値（ＢLa−ＢLb）ｍの移動平均算出処理をし（ステップ１０３）、閾値設定・レール継目位置コールして閾値ＴHを設定して、（ＢLa−ＢLb）ｍ＞ＴHかにより、レール継目があるか否かを判定をする（ステップ１０４）。
ステップ１０４の判定結果がＹＥＳのときには、前記の検出信号ＤLの検出位置は、距離パルスＰLによるサンプル数に応じて算出された検測車１０の走行距離に対応して継目位置の測定データとして外部記憶装置（図示せず）等に記憶される（ステップ１０５）。そして、ボルト抜け穴検出処理プログラムをコールしてボルト抜け穴検出処理を起動する（ステップ１０６）。次に処理が終了か否かの判定に入り（ステップ１０７）、ＮＯのときにはステップ１０１へ戻り、処理終了にならない限り、ステップ１０１〜ステップ１０７までの処理を循環して実行する。
なお、以上のうち、ステップ１０５の処理とステップ１０６の処理は、逆になり、ステップ１０６がステップ１０５より手前にあってもよい。

そして、ステップ１０４でレール継目１ａが検出されると、ステップ１０６において、ボルト抜け穴検出処理プログラムがコールされて、図面右側のボルト抜け穴検出処理に入る。
ボルト抜け穴検出処理では、カウンタをセットして距離パルスＰLのカウントを開始し（ステップ２０１）、距離パルスＰLのカウント値が所定値Ｋになったか否か判定して（ステップ２０２）、ＮＯのときにはステップ２０１へと戻り、次の距離パルスＰLを待って距離パルスＰLをカウントする。このループで検測車１０が図１に示すレール継目検出器６と継目板画像撮像装置７との距離Ｄだけ走行したかを所定値Ｋにより判定する。
距離パルスＰLの数が所定値Ｋになったときには判定ステップ２０２で、ＹＥＳとなり、検測車１０が距離Ｄだけ走行したことが検出されて、継目板画像採取プログラム８２ａをＭＰＵ８１がコールして実行する。そこで、４台の継目板撮像カメラ７１のシャッタを切って継目の４枚の画像を画像メモリ８４に記憶して、４枚の４画面の画像を採取し（ステップ２０３）、次にＭＰＵ８１が二値化処理プログラム８２ｂをコールして実行して、４枚の静止画像に対して最小極小値ＬP＋αを閾値に二値化処理をして、図６に示す二値化画像１４を４枚、作業領域８２ｈにそれぞれ記憶する（ステップ２０４）。なお、このステップ２０４からは、前記したように各レール対応に２枚の静止画に対してパラレルの検出処理が行われる。以下、そのうち１枚の静止画についての処理を説明する。他のものも同時に同様な処理が行われている。

次に、ＭＰＵ８１が影画像上の基準線検出プログラム８２ｃをコールして実行して、明るさに重み付けをしたＹ方向各画素対応の基準線検出データを生成して（ステップ２０５）、最大の明るさ２５５と最小の明るさ最小値Ａの１／３のところのレベルを二値化画像１４の明るさのスライスレベル（閾値）ＴHaとしてフランジ３ａの影の画像部分（基準線帯）１５のＹ方向の画素幅Ｒと基準線のＹ座標の画素位置Ｓとを検出する（ステップ２０６）。そして、次にＭＰＵ８１が継目板ボルト穴画像正規化処理プログラム８２ｄを実行して画素幅Ｒに従って倍率を算出して二値化画像１４を正規化し（ステップ２０７）、次にＭＰＵ８１が黒画素カウント処理プログラム８２ｅを実行して、この正規化した二値化画像についてＸ座標をインクリメントしながら黒画素カウント処理をし、次に継目板ボルト穴候補検出プログラム８２ｆを実行して穴候補の検出をする（ステップ２０８）。次にＭＰＵ８１が継目板ボルト穴判定プログラム８２ｇを実行して穴候補に対してＸ座標の原点側（図面左側）の境界からＸ座標にして４０画素分の映像を選択して輪郭線を抽出する（ステップ２０９）。そして、輪郭線に基づいて穴候補の画素中心Ｏを算出して、その中心Ｏを通る黒画素の幅Ｗとその側までの黒画素幅Ｈとを算出して（ステップ２１０）、これが所定の範囲Ｗa＜＝Ｗ＜＝Ｗb，Ｈa＜＝Ｈ＜＝Ｈbに入っているか否かを判定する（ステップ２１１）。これにより穴候補がボルト差込み穴か否かを判定して所定の範囲のときには穴候補がボルト差込み穴かとする。
この判定でＮＯのときには画素位置ＳをＳ＝Ｓ＋ｐにより前記の検出された穴候補の座標ｐ分にＸ座標を更新して（ステップ２１２）、Ｓ＞＝Ｎかを判定して継目板１のＸ座標の検査範囲の最大画素位置ＮあるいはＮ＝６４０を超えたか否かを判定し（ステップ２１３）、ＮＯのときにはステップ２０７に戻る。

ステップ２１１の判定でＹＥＳとなったときには、ボルト差込み穴検出として、ステップ１０５で記憶された検出信号ＤLの検出位置の測定データにボルト差込み穴検出のフラグとして加えられて、現在の走行位置とともに外部記憶装置等に記録して（ステップ２１４）、次の検索開始の座標位置としてステップ２１２へと戻り、Ｘ座標の位置を更新して前記ステップ２１３の判定に入る。
ステップ２１３の判定でＹＥＳのときには、ボルト抜け穴検出処理は終了するが、レール継目検出処理が終了しない限り、ステップ１０４でレール継目が検出されるとボルト抜け穴検出処理が再び開始される。
このようにして、継目板１のボルト抜け穴検出が行われ、外部記憶装置にそのデータが記憶される。なお、継目板１は、検測開始地点から番号付けされて管理されてもよい。
ところで、この実施例では、上側の線を基準線としてそのＹ座標の画素位置Ｓとしているが、画素位置Ｓを画像部分（基準線帯）１５の下側としてここを基準線としてもよいことはもちろんである。

以上説明してきたが、実施例では、１レールについてカメラ２台を用いているが、これは、継目板１の長さが長い場合の例であって、短い場合にはカメラは１台であってもよい。さらに長い場合には、３台設けてもよい。いずれの場合もカメラ１台の視野は大きくしないで済む。また、複数台のカメラで採取した画像は、レール対応に各１枚の静止画に合成されて、これに対してボルト抜け穴の検出処理が行われてもよい。
また、実施例では、レール継目検出器として隣接して配置され相互に逆方向に巻かれた第１、第２の空芯コイルを利用した電磁センサを用いているが、レール継目検出器は、非接触型であれば、レーザ式変位センサや他の光学的なセンサを用いることができることはもちろんである。なお、実施例における電磁センサの空芯コイルの形状は一例であって、円形の空芯コイルであってもよいことはもちろんである。また、必ずしも、プログラム処理によりレール継目（継目１ａ）を検出する必要はない。
さらに、実施例では、ケース１２は、樹脂充填の密閉形のものとしているが、これは、一部が開放されたケースであってもよい。

図１（ａ）は、この発明のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置を適用した一実施例の検測車のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置の説明図、図１（ｂ）は、と継目板画像撮像装置の説明図である。 図２は、レール継目検出器の説明図である。 図３は、レール継目検出器の検出回路とデータ処理装置の説明図である。 図４は、レール継目検出器の検出波形の説明図である。 図５は、継目検出処理の説明図である。 図６は、撮像された静止画を二値化した画像の一例を模式的に示した説明図である。 図７は、図６の二値化画像のＹ座標に対する明るさ特性の説明図である。 図８は、ボルト抜けを検出する処理画像の説明図である。 図９は、ボルト抜け穴検出の画像処理のフローチャートである。 図１０は、レール同士を締結した状態でのレール継目板の断面説明図である。

符号の説明

１…継目板、１ａ…継目、２…ボルト、
２ａ…ボルトの頭部、２ｂ…ナット、
３，４…レール、３ａ…フランジ、３ｂ…レールの頭部、
３ｃ…ボルト差込み穴、
５…レール継目板の締結ボルトの脱落検出装置、
６…レール継目検出器、７…継目板画像撮像装置、
８…データ処理装置、１０…検測車、
１１…電磁センサ、
１１ａ，１１ｂ…空芯コイル、
１２…ケース、１３…ブラケット、
２０…検出回路、２１ａ，２１ｂ…差動増幅器、
２２ａ…定電圧電源回路、
２３ａ，２３ｂ，２５ａ，２５ｂ…Ａ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）、
２４…距離パルス発生回路、
７１…継目板撮像カメラ、７２…照明光学系、
８１…ＭＰＵ、８２…メモリ、
８２ａ…継目板画像採取プログラム、
８２ｂ…二値化処理プログラムｒ
８２ｃ…影画像上の基準線検出プログラム、
８２ｄ…継目板ボルト穴画像正規化処理プログラム、
８２ｅ…黒画素カウント処理プログラム、
８２ｆ…継目板ボルト穴候補検出プログラム、
８２ｇ…継目板ボルト穴判定プログラム、
８２ｈ…作業領域、
８３…インタフェース、８４…画像メモリ、８５…バス。

Claims (5)

1. レールとレールとを連結するレール継目板の締結ボルト抜けを検出する軌道検測車のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置において、
   前記軌道検測車に設けられ前記レール継目を検出する非接触型の継目検出器と、
   前記軌道検測車において前記継目検出器に対して前記軌道検測車の走行方向に対して後方に設けられ前記レールの継目板の静止画を撮像するためのカメラと、
   前記レール継目板のフランジの影が前記レール継目板の前記締結ボルトの差込み穴に重なる角度で前記レール継目板を照射する照射光学系と、
   前記継目検出器の検出信号に応じて前記カメラが前記レール継目に対応する位置に来たタイミングで前記カメラのシャッタを切って前記カメラから前記静止画を採取する制御装置とを備え、
   前記静止画における前記フランジの影の画像からの連続において前記締結ボルトの差込み穴に相当する画像が前記静止画にあるか否かを検出するレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置。
2. 前記照明光学系は、前記軌道検測車に搭載され、軌道面からの仰角として５０°〜７０°のうちの選択された角度で前記レールの内側から前記フランジの影を作る光りを前記継目板に照射するものであり、前記フランジの影の画像の上側または下側の画像ラインを基準としてそこからの画素数をカウントすることにより前記締結ボルトの差込み穴に相当する画像があるか否かを検出する請求項１記載のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置。
3. 前記静止画は、前記レールと直交する垂直方向をＹ方向とし、前記レールと平行な水平方向をＸ方向として、前記Ｘ方向の１ライン分の画素の明るさを積算した明るさをＹ方向の各１画素に対応して算出して、前記Ｙ方向において積算値の極小値のうち最初に現れる最小極小値を求めてこの最小極小値を前記水平方向１ライン分の画素の数で割った値を基準にして算出された所定の閾値で前記静止画が二値化処理され、この二値化された画像において前記締結ボルトの差込み穴に相当する画像が検出される請求項２記載のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置。
4. 前記継目検出器は、前記レールの頭部の上部に対応して前記軌道検測車に設けられ隣接して配置され相互に逆方向に巻かれた第１、第２の空芯コイルと、
   これら第１、第２の空芯コイルを収納したケースと、
   前記第１、第２の空芯コイルにバイアス電流を流してこれら空芯コイルのインダクタンスの変化に対応する第１、第２の検出信号を得る検出回路とを備え、
   前記第１の検出信号と第２の検出信号のレベルの差に基づいて前記継目検出器の検出信号を得る請求項３記載のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置。
5. 前記ケースは密閉形のものであり、前記第１、第２の空芯コイルは、巻き形が三角形状の空芯コイルであって、それぞれの１辺が隣接して配置され、前記第１、第２の空芯コイルの１つの中心が前記レールの頭部の中心より外側にずれているものであって、前記継目検出器の検出信号は、前記第１の検出信号と第２の検出信号のレベルの差の移動平均値に基づいて決定される請求項４記載のレール継目板の締結ボルトの脱落検出装置。

Images