JP5900018B2 - パンタグラフ測定方法及びパンタグラフ測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、画像処理によりパンタグラフを測定するパンタグラフ測定方法及びこの方法によるパンタグラフ測定装置に関する。
電気鉄道の設備としてトロリ線があるが、トロリ線はレール面より規定高さの範囲に敷設されなければならない。
従って、経年変化や車両の動的な因子に影響されず、トロリ線の高さが管理値内に収まっているか管理する必要がある。このときトロリ線の高さはパンタグラフの高さと等価なので、パンタグラフの高さを代用して管理している。パンタグラフとは、電気鉄道車両の屋根上に設置された集電装置の一つである。
従って、経年変化や車両の動的な因子に影響されず、トロリ線の高さが管理値内に収まっているか管理する必要がある。このときトロリ線の高さはパンタグラフの高さと等価なので、パンタグラフの高さを代用して管理している。パンタグラフとは、電気鉄道車両の屋根上に設置された集電装置の一つである。
また、運転中パンタグラフが大きな加速度で下方に振動すると、パンタグラフとトロリ線が離線し、このアークでトロリ線が局所摩耗する。従って、パンタグラフの加速度が小さくなるように管理する必要がある。
パンタグラフの測定手段として、検測車や車両限界測定車等と呼ばれる専用の測定車があり、営業運転の合間を縫って、一定周期毎に運用されている。これら測定車には、車体の傾きやレールの偏位等を測定するセンサが多数取り付けられており、そのセンサの一つとしてパンタグラフの測定センサがある（電気学会著「電車線路設備保全の近代化技術」）。
パンタグラフの測定手段として、検測車や車両限界測定車等と呼ばれる専用の測定車があり、営業運転の合間を縫って、一定周期毎に運用されている。これら測定車には、車体の傾きやレールの偏位等を測定するセンサが多数取り付けられており、そのセンサの一つとしてパンタグラフの測定センサがある（電気学会著「電車線路設備保全の近代化技術」）。
パンタグラフ測定方式には、レーザセンサ方式、光切断センサ方式、加速度センサ方式、画像処理方式があり、以下の特徴がある。
１）レーザセンサは、主にスキャン式が使用され、ミラーなどでレーザをパンタグラフに走査し、この反射波の位置差や照射したレーザ形状の変形により、パンタグラフまでの距離を測定するセンサである。
２）光切断センサは、縞を測定対象に投光し、パンタグラフ形状に応じて凹凸になった縞を受光して、パンタグラフまでの距離を測定するセンサである。
３）加速度センサは、ジャイロや圧電素子などによって加速度を出力するセンサで、パンタグラフに直接取り付け、パンタグラフの加速度を測定するセンサである。
４）画像処理方式にはモデルマッチングやパターンマッチングでパンタグラフを検出する方式がある。
１）レーザセンサは、主にスキャン式が使用され、ミラーなどでレーザをパンタグラフに走査し、この反射波の位置差や照射したレーザ形状の変形により、パンタグラフまでの距離を測定するセンサである。
２）光切断センサは、縞を測定対象に投光し、パンタグラフ形状に応じて凹凸になった縞を受光して、パンタグラフまでの距離を測定するセンサである。
３）加速度センサは、ジャイロや圧電素子などによって加速度を出力するセンサで、パンタグラフに直接取り付け、パンタグラフの加速度を測定するセンサである。
４）画像処理方式にはモデルマッチングやパターンマッチングでパンタグラフを検出する方式がある。
しかし、これら方式にも次のような問題がある。
1.レーザセンサの走査周期は、ミラーを回転させるモータの回転数限界と、ミラーの共振防止のため、相対的に走査周期が遅い。これによりレーザセンサは、パンタグラフの位置（低周波数成分）は測定できるが、加速度（高周波数成分）の測定には向いていない問題がある。
2.光切断センサは昼間測定できない。これにより熱膨張の激しい昼間に測定できない。
1.レーザセンサの走査周期は、ミラーを回転させるモータの回転数限界と、ミラーの共振防止のため、相対的に走査周期が遅い。これによりレーザセンサは、パンタグラフの位置（低周波数成分）は測定できるが、加速度（高周波数成分）の測定には向いていない問題がある。
2.光切断センサは昼間測定できない。これにより熱膨張の激しい昼間に測定できない。
3.加速度センサでパンタグラフの加速度を測定する方法は、現在主に用いられている方法である。しかし、以下の対策が必要で、簡易な測定方法ではない。
（ア）パンタグラフにセンサを直接固定する必要がある。
（イ）センサ出力電圧を取り出すケーブルには、対ノイズ性を考慮する必要がある。
（ウ）センサ出力電圧を取り出すケーブルには、絶縁性を考慮する必要がある。
4.画像処理方式は、測定時間が長い場合や単位時間当たりのフレームレート数が多い場合、計算処理が膨大になる問題がある。また、トンネル坑口や陸橋下など背景の急激な変化によりパンタグラフを一時的に見失ってしまいデータ抜けが発生する恐れがある。
（ア）パンタグラフにセンサを直接固定する必要がある。
（イ）センサ出力電圧を取り出すケーブルには、対ノイズ性を考慮する必要がある。
（ウ）センサ出力電圧を取り出すケーブルには、絶縁性を考慮する必要がある。
4.画像処理方式は、測定時間が長い場合や単位時間当たりのフレームレート数が多い場合、計算処理が膨大になる問題がある。また、トンネル坑口や陸橋下など背景の急激な変化によりパンタグラフを一時的に見失ってしまいデータ抜けが発生する恐れがある。
これらに対して「画像処理によるパンタグラフ測定装置（特開２００８−０４３１２号）」（特許文献１）では上記課題を解決するために、パンタグラフに既知のマーカーを取り付けることで、黒マーカーが背景（空など）と白マーカーを切り分けるため、昼間でもそのパターンを探索することで測定が可能であり、また、トンネル坑口など突然背景が変化したとしても、白マーカーは投光器の光が反射するため、データが欠落することなく連続的に測定が可能となる。
しかし、この方式では、図８に示すように、鏡面光沢を持つ構造物がマーカーの上を通過するとき、カメラから撮影された画像には実物のマーカーと鏡面反射したマーカーの２つが写り、誤認識が起こる可能性がある。
しかし、この方式では、図８に示すように、鏡面光沢を持つ構造物がマーカーの上を通過するとき、カメラから撮影された画像には実物のマーカーと鏡面反射したマーカーの２つが写り、誤認識が起こる可能性がある。
パンタグラフ測定方式には、レーザセンサ方式、光切断センサ方式、加速度センサ方式、画像処理方式、特許文献１のラインセンサを用いた画像処理による測定方法があり、次の問題がある。
（１）レーザセンサの走査周期は、ミラーを回転させるモータの回転数限界と、ミラーの共振防止のため、相対的に走査周期が遅い。これによりレーザセンサは、パンタグラフの位置（低周波数成分）は測定できるが、加速度（高周波数成分）の測定には向いていない問題がある。
（１）レーザセンサの走査周期は、ミラーを回転させるモータの回転数限界と、ミラーの共振防止のため、相対的に走査周期が遅い。これによりレーザセンサは、パンタグラフの位置（低周波数成分）は測定できるが、加速度（高周波数成分）の測定には向いていない問題がある。
（２）光切断センサは昼間測定できない。これにより熱膨張の激しい昼間に測定できない。
（３）加速度センサでパンタグラフの加速度を測定する方法は、現在主に用いられている方法である。しかし、パンタグラフにセンサを直接固定する必要がある、センサ出力電圧を取り出すケーブルには、対ノイズ性を考慮する必要がある、センサ出力電圧を取り出すケーブルには、絶縁性を考慮する必要がある、などの対策が必要で、簡易な測定方法ではない。
（３）加速度センサでパンタグラフの加速度を測定する方法は、現在主に用いられている方法である。しかし、パンタグラフにセンサを直接固定する必要がある、センサ出力電圧を取り出すケーブルには、対ノイズ性を考慮する必要がある、センサ出力電圧を取り出すケーブルには、絶縁性を考慮する必要がある、などの対策が必要で、簡易な測定方法ではない。
（４）画像処理方式は、測定時間が長い場合や単位時間当たりのフレームレート数が多い場合、計算処理が膨大になる問題がある。
また、トンネル坑口や陸橋下など背景の急激な変化によりパンタグラフを一時的に見失ってしまいデータ抜けが発生する恐れがある。
また、特許文献１では、図８に示すように、白黒が等幅のマーカー５をパンタグラフ４に取り付けているため、鏡面光沢を持つ構造物６がマーカー５の上を通過するとき、カメラから撮影された画像には実物のマーカー５と構造物６で鏡面反射したマーカー６１の２つが写り、誤認識が起こる可能性がある。
また、トンネル坑口や陸橋下など背景の急激な変化によりパンタグラフを一時的に見失ってしまいデータ抜けが発生する恐れがある。
また、特許文献１では、図８に示すように、白黒が等幅のマーカー５をパンタグラフ４に取り付けているため、鏡面光沢を持つ構造物６がマーカー５の上を通過するとき、カメラから撮影された画像には実物のマーカー５と構造物６で鏡面反射したマーカー６１の２つが写り、誤認識が起こる可能性がある。
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る画像処理によるパンタグラフ測定方法は、車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフに設置されたマーカーの映像を取得し、取得された映像から時空画像を生成する手順と、前記時空画像を高さに応じた探索パターンと照合させることでマーカーを探索する手順と、前記探索パターンと一致又は一定以上近似した箇所をパンタグラフ位置として記録する手順と、記録されたパンタグラフ位置から高さと加速度を測定する手順とからなる画像処理によるパンタグラフ測定方法において、前記マーカーは、光を反射しにくい第１領域と光を反射しやすい第２領域とを交互に配置してなる縞模様であり、かつ、前記第２領域は少なくとも二つ以上で縞幅がそれぞれ異なること、前記探索パターンは、前記マーカーの縞模様に対応していることを特徴とする。
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る画像処理によるパンタグラフ測定装置は、パンタグラフに設置されたマーカーの映像を取得する、車両の屋根上に設置したラインセンサと、前記ラインセンサで取得した映像から時空画像を生成し、前記時空画像を高さに応じた探索パターンと照合させることでマーカーを探索し、前記探索パターンと一致又は一定以上近似した箇所をパンタグラフ位置として記録し、記録されたパンタグラフの位置から高さと加速度を測定する画像処理部とを備えたパンタグラフ測定装置において、前記マーカーは、光を反射しにくい第１領域と光を反射しやすい第２領域とを交互に配置してなる縞模様であり、かつ、前記第２領域は少なくとも二つ以上で縞幅がそれぞれ異ること、前記探索パターンは、前記マーカーの縞模様に対応していることを特徴とする。
(i)非接触の方法であるため高速走行でも運用が可能である。
(ii)装置の構造上、ポイント、エアーセクション、アンカーといった既存構造物から離れた位置にセンサが設置されているため、既存構造物との衝突を考慮する必要が無い。
(ii)装置の構造上、ポイント、エアーセクション、アンカーといった既存構造物から離れた位置にセンサが設置されているため、既存構造物との衝突を考慮する必要が無い。
(iii)特別な照明を使用する必要が無い。
(iv)レーザ光を使用する方法に比べて人体への影響を考慮する必要が無く、取り扱いが簡単である。
(v)レーザ光を使用する方法に比べて光源と受光装置間で精密な位置あわせを行う煩わしさが無い。
(iv)レーザ光を使用する方法に比べて人体への影響を考慮する必要が無く、取り扱いが簡単である。
(v)レーザ光を使用する方法に比べて光源と受光装置間で精密な位置あわせを行う煩わしさが無い。
(vi)パンタグラフに取り付けたマーカーを撮像し、パターンマッチングすることで昼間でも撮像可能である。
(vii)トンネル坑口など、背景の輝度が急に変化する場合においても連続的にデータを取得することができる。
(viii)鏡面光沢を持つ構造物がマーカーの上を通過し鏡面反射が起こっても、誤認識せず連続的にデータを取得することができる。
(vii)トンネル坑口など、背景の輝度が急に変化する場合においても連続的にデータを取得することができる。
(viii)鏡面光沢を持つ構造物がマーカーの上を通過し鏡面反射が起こっても、誤認識せず連続的にデータを取得することができる。
以下、本発明について図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。
（１）基本的な考え方
本実施例は、パンタグラフの高さと加速度を、画像処理によって簡便に測定することを目的とする。
その構成は、例えば、図１に示すように、車両１０の屋根上に、ラインセンサ２０と照明器具３０を設置し、照明器具３０で照らしながら、パンタグラフ４０の舟体に取り付けたマーカー５０の映像をラインセンサ２０で取得するものである。
本実施例は、パンタグラフの高さと加速度を、画像処理によって簡便に測定することを目的とする。
その構成は、例えば、図１に示すように、車両１０の屋根上に、ラインセンサ２０と照明器具３０を設置し、照明器具３０で照らしながら、パンタグラフ４０の舟体に取り付けたマーカー５０の映像をラインセンサ２０で取得するものである。
ここで、ラインセンサ２０は、図中矢印で示すラインセンサ撮像面が、パンタグラフ４０とマーカー５０を上下方向に垂直に切断する方向に設置し、パンタグラフ４０がどの高さに変動したとしてもマーカー５０を必ず撮像できるようにする。
マーカー５０は、図２に拡大して示すように、光を反射しにくい色や材質の第１領域５１（以後、黒マーカーという）をベースに、光を反射しやすい色や材質の第２領域５２（以後、白マーカーという）を重ねた縞模様である。ここで、白マーカー５２は２本以上とし、それぞれ幅が異なる形状とする。また、黒マーカー５１は３本以上とし、幅は等しいものとする。
照明器具３０としては通常のものを使用する。
マーカー５０は、図２に拡大して示すように、光を反射しにくい色や材質の第１領域５１（以後、黒マーカーという）をベースに、光を反射しやすい色や材質の第２領域５２（以後、白マーカーという）を重ねた縞模様である。ここで、白マーカー５２は２本以上とし、それぞれ幅が異なる形状とする。また、黒マーカー５１は３本以上とし、幅は等しいものとする。
照明器具３０としては通常のものを使用する。
さらに、ラインセンサ２０により取得された画像は、画像処理部６０で画像処理し、画像処理の結果、計測したパンタグラフ４０の高さと加速度が記録装置７０に記録される。
画像処理部６０における画像処理方法は図３に示すフローチャートに従い、次のように、時空画像生成（ステップＳ１）、パターンマッチング（ステップＳ２）、パンタグラフ位置補間（ステップＳ３）、処理終了判定（ステップＳ４）、高さ・加速度出力（ステップＳ５）の順で処理される。
画像処理部６０における画像処理方法は図３に示すフローチャートに従い、次のように、時空画像生成（ステップＳ１）、パターンマッチング（ステップＳ２）、パンタグラフ位置補間（ステップＳ３）、処理終了判定（ステップＳ４）、高さ・加速度出力（ステップＳ５）の順で処理される。
＜時空画像生成＞
まず、ラインセンサ２０により単位時間毎（フレームレート毎）にパンタグラフ４０に取り付けたマーカー５０の映像を取得し、図４に示すように、ラインセンサ２０の出力、つまり、ラインセンサ撮像面の高さ方向を縦軸とし、時間を横軸とする時空画像を生成する。
図４に示す時空画像は、マーカー５０の形状通り、光の反射が少ない黒色の帯と光の反射が大きい白色の帯とで構成される縞模様が連続して撮像されている。つまり、二つの白領域と三つの黒領域よりなる縞模様が撮像されている。
また、パンタグラフ付近を高速で横切る電車線設備などパンタグラフの背景がノイズＮとして現れている。
まず、ラインセンサ２０により単位時間毎（フレームレート毎）にパンタグラフ４０に取り付けたマーカー５０の映像を取得し、図４に示すように、ラインセンサ２０の出力、つまり、ラインセンサ撮像面の高さ方向を縦軸とし、時間を横軸とする時空画像を生成する。
図４に示す時空画像は、マーカー５０の形状通り、光の反射が少ない黒色の帯と光の反射が大きい白色の帯とで構成される縞模様が連続して撮像されている。つまり、二つの白領域と三つの黒領域よりなる縞模様が撮像されている。
また、パンタグラフ付近を高速で横切る電車線設備などパンタグラフの背景がノイズＮとして現れている。
＜パターンマッチング＞
ラインセンサ２０で撮影されるマーカー５０は、パンタグラフ４０が高い位置となる程、ラインセンサ２０との距離が離れ、小さい画像として撮影される。そのため、マーカー５０の大きさとラインセンサ２０の向きを考慮に入れると、時空画像上の位置方向によって写るマーカー５０の大きさがほぼ確定する。
そこで、図５に示すように、マーカーの模様と高さに応じた探索パターンを生成する。即ち、探索パターンは、幅の異なる２本の白マーカー５２に対応して高い輝度を有する大小二つの山型をなすものであり、画像上の位置が高くなるほど、低くしたものである。
ラインセンサ２０で撮影されるマーカー５０は、パンタグラフ４０が高い位置となる程、ラインセンサ２０との距離が離れ、小さい画像として撮影される。そのため、マーカー５０の大きさとラインセンサ２０の向きを考慮に入れると、時空画像上の位置方向によって写るマーカー５０の大きさがほぼ確定する。
そこで、図５に示すように、マーカーの模様と高さに応じた探索パターンを生成する。即ち、探索パターンは、幅の異なる２本の白マーカー５２に対応して高い輝度を有する大小二つの山型をなすものであり、画像上の位置が高くなるほど、低くしたものである。
そして、図６に示すように、単位時間毎に時空画像において走査線ａを上方から下向きに走査させ探索パターンと一致する箇所を探索する。つまり、時空画像を高さに応じた探索パターンと照合（パターンマッチング）するのであり、一致して箇所をパンタグラフ位置として記録し、また、一致しないときでも、一定以上近似したパターンであれば、走査線ａについて最も近似した箇所から順位を付けてパンタグラフ位置として複数記録する。
つまり、図６に示すように、第１候補ｂ１、第２候補ｂ２のように複数記録する。また、近似した箇所が存在しない場合は保留する。
つまり、図６に示すように、第１候補ｂ１、第２候補ｂ２のように複数記録する。また、近似した箇所が存在しない場合は保留する。
＜パンタグラフ位置補間＞
パターンマッチングにおいて、図７に示すように保留されたパンタグラフ位置（保留部分）ｃ１や連結していないパンタグラフ位置（不連結部分）ｃ２は、前後の点から位置を補完する。
補間の方法は、単純には保留部分又は不連結部分における間隙を埋めるように直線的に補完する方法があるが、その他の方法により補完してもよい。
パターンマッチングにおいて、図７に示すように保留されたパンタグラフ位置（保留部分）ｃ１や連結していないパンタグラフ位置（不連結部分）ｃ２は、前後の点から位置を補完する。
補間の方法は、単純には保留部分又は不連結部分における間隙を埋めるように直線的に補完する方法があるが、その他の方法により補完してもよい。
＜処理終了判定＞
全ての時空画像について、上述したようにパターンマッチング（Ｓ２）、パンタグラフ位置補間（Ｓ３）の処理を繰り返し、探索パターンと一致又は一定以上近似する箇所をパンタグラフ位置として記録装置７０に記録する。
＜高さ出力＞
記録装置７０に記録されたパンタグラフ位置を、高さとして出力する。
＜加速度出力＞
記録装置７０に記録されたパンタグラフ位置で、下に凸の変極点の極値を求め、所定の値以上の極値を加速度として出力する。
全ての時空画像について、上述したようにパターンマッチング（Ｓ２）、パンタグラフ位置補間（Ｓ３）の処理を繰り返し、探索パターンと一致又は一定以上近似する箇所をパンタグラフ位置として記録装置７０に記録する。
＜高さ出力＞
記録装置７０に記録されたパンタグラフ位置を、高さとして出力する。
＜加速度出力＞
記録装置７０に記録されたパンタグラフ位置で、下に凸の変極点の極値を求め、所定の値以上の極値を加速度として出力する。
本実施例は、画像処理によりパンタグラフ高さと加速度を測定するものであり、非接触の方法であるため高速な運用が可能である。
また装置の構造上、ポイント、エアーセクション、アンカーといった既存構造物から離れた位置にセンサが設置されているため、既存構造物との衝突を考慮する必要がなく、基本的に全ての区間においてラインセンサ画像の撮像が可能である。
また、特別な照明を使用する必要がなく、レーザ光を使用するような人体への影響を考慮するような取り扱いへの難しさがない。光源と受光装置間での精密な位置合わせを行う煩わしさがない。
また装置の構造上、ポイント、エアーセクション、アンカーといった既存構造物から離れた位置にセンサが設置されているため、既存構造物との衝突を考慮する必要がなく、基本的に全ての区間においてラインセンサ画像の撮像が可能である。
また、特別な照明を使用する必要がなく、レーザ光を使用するような人体への影響を考慮するような取り扱いへの難しさがない。光源と受光装置間での精密な位置合わせを行う煩わしさがない。
パンタグラフ４０に取り付けたマーカー５０の模様は既知であり、黒マーカー５１が背景（空など）と白マーカー５２を切り分けるため、昼間でもそのパターンを探索することで測定が可能である。
また、特許文献１では、図８に示すように、白黒が等幅のマーカー５をパンタグラフ４に取り付けているため、鏡面光沢を持つ構造物６がマーカー５の上を通過するとき、カメラから撮影された画像には実物のマーカー５と構造物６で鏡面反射したマーカー６１の２つが写り、誤認識が起こる可能性がある。
また、特許文献１では、図８に示すように、白黒が等幅のマーカー５をパンタグラフ４に取り付けているため、鏡面光沢を持つ構造物６がマーカー５の上を通過するとき、カメラから撮影された画像には実物のマーカー５と構造物６で鏡面反射したマーカー６１の２つが写り、誤認識が起こる可能性がある。
本実施例では、図９のように、異なる縞幅の２本以上の白マーカー５２を含むマーカー５０をパンタグラフ４０に設置したので、鏡面光沢を持つ構造物６で鏡面反射したマーカー（映り込んだマーカ）６２では模様が上下逆に異なって写るため、例えば、図５に示す探索パターンを使用すれば、誤認識は起こらず、連続的にデータを取得することが可能である。
本発明は、パンタグラフの位置や加速度を連続的に取得できるパンタグラフ測定方法及びこの方法によるパンタグラフ測定装置として広く産業上利用可能なものである。
１０ 車両
２０ ラインセンサ
３０ 照明器具
４０ パンタグラフ
５０ マーカー
５１ 黒マーカー
５２ 白マーカー
６０ 画像処理部
７０ 記録装置
２０ ラインセンサ
３０ 照明器具
４０ パンタグラフ
５０ マーカー
５１ 黒マーカー
５２ 白マーカー
６０ 画像処理部
７０ 記録装置
Claims (2)
- 車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフに設置されたマーカーの映像を取得し、取得された映像から時空画像を生成する手順と、
前記時空画像を高さに応じた探索パターンと照合させることでマーカーを探索する手順と、
前記探索パターンと一致又は一定以上近似した箇所をパンタグラフ位置として記録する手順と、
記録されたパンタグラフ位置から高さと加速度を測定する手順とからなる画像処理によるパンタグラフ測定方法において、
前記マーカーは、光を反射しにくい第１領域と光を反射しやすい第２領域とを交互に配置してなる縞模様であり、かつ、前記第２領域は少なくとも二つ以上で縞幅がそれぞれ異なること、
前記探索パターンは、前記マーカーの縞模様に対応していることを特徴とする画像処理によるパンタグラフ測定方法。 - パンタグラフに設置されたマーカーの映像を取得する、車両の屋根上に設置したラインセンサと、
前記ラインセンサで取得した映像から時空画像を生成し、前記時空画像を高さに応じた探索パターンと照合させることでマーカーを探索し、前記探索パターンと一致又は一定以上近似した箇所をパンタグラフ位置として記録し、記録されたパンタグラフの位置から高さと加速度を測定する画像処理部とを備えたパンタグラフ測定装置において、
前記マーカーは、光を反射しにくい第１領域と光を反射しやすい第２領域とを交互に配置してなる縞模様であり、かつ、前記第２領域は少なくとも二つ以上で縞幅がそれぞれ異ること、
前記探索パターンは、前記マーカーの縞模様に対応していることを特徴とする画像処理によるパンタグラフ測定装置。
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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