JP6389783B2 - 渡り線相対位置管理装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のトロリー線が交差する位置等に設けられた渡り線装置における２本のトロリー線の相対位置を管理する渡り線相対位置管理装置及び方法に関する。

一般に、電気鉄道の集電方式として、鉄道車両が通るレールの上方に架空電車線路（以下、「架線」ともいう）を配設し、鉄道車両の屋根上に搭載されたパンタグラフ等の集電装置によって架線から集電を行う架空電車線方式が広く用いられている。架線の内で、パンタグラフと接触して鉄道車両に電力を供給する架線をトロリー線という。

線路が交差又は分岐する地点においては、架線も交差又は分岐させる必要がある。本線に対して交差又は分岐する線は、「渡り線」と呼ばれている。トロリー線の交差位置付近において、本線のトロリー線は、渡り線のトロリー線よりも下側に配設される。本線を走行する鉄道車両は、パンタグラフを本線のトロリー線に押し当てて接触させるので、交差する渡り線のトロリー線や付属金具もパンタグラフによって押し上げられる。

一方、渡り線を走行する鉄道車両のパンタグラフは、交差する本線のトロリー線に斜め方向から接触するので、両者の位置関係によっては、本線のトロリー線がパンタグラフのホーン（集電舟体の両端部）の下側に入り込む割り込み現象を起こし、パンタグラフや電車線金具を破損してしまう恐れがある。従って、トロリー線の交差位置付近においては、トロリー線の高さの十分な管理が必要となる。

関連する技術として、特許文献１には、渡り線用ラインセンサーと、パンタグラフ用ラインセンサーとを用いて、パンタグラフと渡り線との相対的位置関係を求める渡り線測定装置が開示されている。また、特許文献２には、架線の高度な保全のために、トロリー線以外の区分装置や支持物も含めた架線についても検測車等による非接触の３次元位置計測を可能とする架線位置計測装置が開示されている。

特許第５２４５４４５号公報（段落０００８、図１） 特開２０１４−１６９９３９公報（段落００１１、図１）

複数のトロリー線が交差する位置（ポイント付近）には、鉄道車両のパンタグラフが通過する際の２本のトロリー線相互の高低差を制限するために、交差金具が設けられている。交差金具を含む架線構造全体（トロリー線や吊架線等）は、「渡り線装置」と呼ばれている。また、渡り線装置においては、２本のトロリー線の高低差が所定の範囲内となるように定められている。

例えば、パンタグラフの幅が１８８０ｍｍである場合に、渡り線の軌道中心から本線が９００ｍｍ離れた位置において、渡り線のトロリー線が本線のトロリー線よりも所定の範囲内の高さだけ高くなるように保全管理されている。それにより、割り込み現象を防止すると共に、鉄道車両が本線を走行する際には、パンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動することがないようにしている。

従来は、専用のゲージ棒を用いた手作業による測定によって、上記の位置における２本のトロリー線の高低差が管理されていた。割り込み現象は、渡り線を走行する鉄道車両のパンタグラフのホーン先端と本線のトロリー線との位置関係によって生じるので、渡り線の軌道中心から本線が９００ｍｍ離れた位置における２本のトロリー線の高低差を管理することによって防止することができる。

しかしながら、本線を走行する鉄道車両のパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動する現象は、上記の位置以外においても起こり得る。鉄道車両が本線を高速で走行する際にパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動すると、パンタグラフに異常な衝撃が発生したり、渡り線のトロリー線に異常な摩耗が発生したりすることによる設備事故が発生する可能性がある。そのような設備事故が発生する可能性は、渡り線の軌道中心から本線が９００ｍｍ離れた位置のみにおける２本のトロリー線の高低差を管理する従来の管理手法によっては、十分に把握することができなかった。

そこで、本発明の１つの目的は、特定の位置のみならず、渡り線装置における２本のトロリー線の相対位置を連続的に測定して管理することにより、鉄道車両が渡り線を走行する際に本線のトロリー線がパンタグラフのホーンの下側に入り込む割り込み現象の可能性の有無を把握するのみならず、鉄道車両が本線を走行する際にパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動する可能性の有無を把握して、より高度な架線設備管理を実現することである。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る渡り線相対位置管理装置は、鉄道車両に設置され、鉄道車両の進行方向と略直交する平面内において架線を含む領域を測定して測定データを生成する測定手段と、測定手段によって生成される測定データを処理して、順次処理された測定データをメモリーに蓄積するデータ処理部と、メモリーに蓄積された測定データに基づいて、所定の条件を満たす架線を抽出する架線抽出部と、抽出された架線の座標に基づいて、架線の３次元位置を算出する架線位置算出部と、算出された架線の３次元位置に基づいて、第１のトロリー線を識別すると共に、第１のトロリー線と所定の関係にある第２のトロリー線が存在する場合に、第１及び第２のトロリー線の内のいずれが本線のトロリー線でいずれが渡り線のトロリー線であるかを判定し、少なくとも第２のトロリー線の位置に基づいて、本線のトロリー線と渡り線のトロリー線との相対位置を連続的に測定して管理すべき範囲として監視範囲を設定し、監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する制御部とを備える。

また、本発明の１つの観点に係る渡り線相対位置管理方法は、鉄道車両に設置され、鉄道車両の進行方向と略直交する平面内において架線を含む領域を測定して測定データを生成する測定手段を含む渡り線相対位置管理装置において用いられる渡り線相対位置管理方法であって、測定手段によって生成される測定データを処理して、順次処理された測定データをメモリーに蓄積するステップ（ａ）と、メモリーに蓄積された測定データに基づいて、所定の条件を満たす架線を抽出するステップ（ｂ）と、抽出された架線の座標に基づいて、架線の３次元位置を算出するステップ（ｃ）と、算出された架線の３次元位置に基づいて、第１のトロリー線を識別すると共に、第１のトロリー線と所定の関係にある第２のトロリー線が存在する場合に、第１及び第２のトロリー線の内のいずれが本線のトロリー線でいずれが渡り線のトロリー線であるかを判定するステップ（ｄ）と、少なくとも第２のトロリー線の位置に基づいて、本線のトロリー線と渡り線のトロリー線との相対位置を連続的に測定して管理すべき範囲として監視範囲を設定し、監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定するステップ（ｅ）とを備える。

本発明の１つの観点によれば、監視範囲内における渡り線のトロリー線と本線のトロリー線との相対位置を連続的に測定して管理することにより、鉄道車両が渡り線を走行する際に本線のトロリー線がパンタグラフのホーンの下側に入り込む割り込み現象の可能性の有無を把握するのみならず、鉄道車両が本線を走行する際にパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動する可能性の有無を把握することができる。

その結果、本線を高速で走行する鉄道車両のパンタグラフに異常な衝撃が発生したり、渡り線のトロリー線に異常な摩耗が発生したりすることによる設備事故の発生を未然に防止することが可能となる。さらに、電気検測車等による自動測定方法を用いることにより、従来の手作業による測定と比較して、作業の大幅な効率化や省力化を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る渡り線相対位置管理装置が設けられた鉄道車両を示す図である。 データ処理部による画像処理前後の画像を比較して示す模式図である。 ゾーベルフィルターの係数行列の例を示す図である。 架線の位置を算出する原理を説明するための図である。 パンタグラフと渡り線及び本線のトロリー線との位置関係を示す図である。 交差金具の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る渡り線相対位置管理方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る渡り線相対位置管理装置が設けられた鉄道車両を示す図である。渡り線相対位置管理装置は、鉄道車両１０に設置され、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面内において架線を含む領域を測定して測定データを生成する測定手段を含んでいる。測定手段としては、例えば、少なくとも１つのレーザー測域センサーが用いられ、さらに複数のラインカメラが用いられても良い。

以下においては、一例として、２つのレーザー測域センサー１１及び１２と、２つのラインカメラ１３及び１４とが用いられる場合について説明する。これらは、図１に示すように電気検測車等の鉄道車両１０の屋根上に配置されても良いし、あるいは、軌陸車若しくは保守用車の作業台に配置されても良い。また、渡り線相対位置管理装置は、照明装置１５と、変位センサー（又は、加速度センサー）１６とを含んでも良い。

さらに、渡り線相対位置管理装置は、関心領域設定部２１と、データ処理部２２と、処理メモリー２３と、架線抽出部２４と、架線位置算出部２５と、制御部２６と、格納部２７と、表示部２８とを含んでいる。これらは、図１に示すように鉄道車両１０内に配置されても良いし、あるいは、鉄道車両１０外に配置されても良い。後者の場合には、例えば、データ測定時において、レーザー測域センサー１１及び１２、ラインカメラ１３及び１４、及び、変位センサー１６から出力されるデータが、外付けハードディスク等の着脱可能な記録媒体に一旦記録される。また、データ測定後において、着脱可能な記録媒体に記録されたデータが、関心領域設定部２１、データ処理部２２、及び、架線位置算出部２５に供給される。

ここで、関心領域設定部２１と、データ処理部２２と、架線抽出部２４〜制御部２６との内の少なくとも１つを、ＣＰＵ（中央演算装置）を含むＰＣ（パーソナルコンピューター）と、ＣＰＵに各種の処理を行わせるためのソフトウェア（プログラム）とによって構成しても良い。ソフトウェアは、格納部２７の記録媒体に記録される。記録媒体としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、又は、ＵＳＢメモリー等の不揮発性メモリー等を用いることができる。

鉄道車両の上方には、鉄道車両の進行方向と略平行に、トロリー線や吊架線等の架線が配設されている。また、渡り線装置においては、本線のトロリー線の近くに渡り線のトロリー線が配設されている。渡り線のトロリー線は、渡り線装置において、本線のトロリー線よりも高い位置に配設されている。

図１に示すように、鉄道車両１０が渡り線を走行している場合には、鉄道車両１０の中心軸上方に渡り線のトロリー線が存在する。一方、鉄道車両が本線を走行している場合には、鉄道車両の中心軸上方に本線のトロリー線が存在することになる。以下においては、鉄道車両の中心軸上方に存在するトロリー線を第１のトロリー線と呼び、第１のトロリー線と所定の関係にあるトロリー線を第２のトロリー線と呼ぶ。

レーザー測域センサー１１及び１２は、鉄道車両１０の進行方向（Ｚ軸方向）及び高さ方向（Ｙ軸方向）と略直交する枕木方向（Ｘ軸方向）に延びる第１の直線上に第１の間隔で配置されている。レーザー測域センサー１１は、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面（図１におけるＸＹ平面）における第１の範囲内の投射角度にレーザー光線を投射して、第１のトロリー線等の架線を含む領域を走査する。また、レーザー測域センサー１２は、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面における第２の範囲内の投射角度にレーザー光線を投射して、第１のトロリー線等の架線を含む領域を走査する。

それにより、レーザー測域センサー１１及び１２の各々は、第１のトロリー線等の架線を含む領域を測定して、架線が存在する方向を表す角度データ、及び、架線までの距離を表す距離データを生成する。図１に示すように、第２のトロリー線が第１のトロリー線の近くに位置する場合には、第２のトロリー線の位置も測定される。

例えば、レーザー測域センサー１１及び１２の各々は、レーザーダイオードを用いてパルス状のレーザー光線を生成し、回転ミラー（ポリゴンミラー等）を介して周囲の空間にレーザー光線を投射することにより、架線を幅方向に走査する。また、レーザー測域センサー１１及び１２の各々は、フォトダイオード等を用いて架線からの反射光を検出する。

レーザー測域センサー１１及び１２の各々から投射されるレーザー光線の投射方向は、角度エンコーダーを用いて、一定の角度ステップで変更される。架線が存在する方向は、反射光が検出された時の角度エンコーダーの出力信号に基づいて求められ、架線が存在する方向を表す角度データが生成される。また、架線までの距離は、パルス状のレーザー光線を投射してから反射光を検出するまでの時間に基づいて求められ、架線までの距離を表す距離データが生成される。

このように、２つのレーザー測域センサー１１及び１２を用いる場合には、複数のトロリー線が一方のレーザー測域センサーから見て重なって配設されている場合においても、それらのトロリー線を分離して測定することが可能である。ただし、レーザー測域センサー１１及び１２による測定結果は、一般に、測定距離が１ｍである場合に１０ｍｍ程度の誤差を含んでいる。従って、ラインカメラ１３及び１４を用いてトロリー線の正確な位置を計測しても良い。

ラインカメラ１３及び１４は、第１の直線と略平行な第２の直線上に、第２の間隔で配置されている。第２の直線は、第１の直線と同一でも良い。ラインカメラ１３及び１４は、第１のトロリー線等の架線を含む領域を撮像して、１次元の画像を表す第１の画像データ及び第２の画像データをそれぞれ生成する。図１に示すように、第２のトロリー線が第１のトロリー線の近くに位置する場合には、第２のトロリー線も撮像される。

照明装置１５は、第１及び第２の直線に略平行な第３の直線に沿って設置されている。第３の直線は、第１又は第２の直線と同一でも良い。照明装置１５は、夜間等において、ラインカメラ１３及び１４が撮像する空間を照明する。夜間、又は、地下区間やトンネル区間において、照明装置１５を用いてトロリー線を照明する場合には、トロリー線が背景よりも明るく照らし出されるので、トロリー線が撮像された画素において画像データの輝度値が大きくなる。

一方、昼間において、晴天の場合には、トロリー線が背景よりも暗く写し出されるので、トロリー線が撮像された画素において画像データの輝度値が小さくなる。従って、画像データの輝度値に基づいて、トロリー線を抽出することが可能となる。

例えば、ラインカメラ１３及び１４の各々は、第２の直線に沿って配置された複数の画素を有するラインセンサーと、ラインセンサーの前面に取り付けられ、周囲の空間からの光をラインセンサーの複数の画素に集光するレンズとを含んでいる。このレンズは、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面（図１におけるＸＹ平面）内における撮像角度を、ラインセンサーにおける画素の位置に１：１で対応させることができる。従って、ラインセンサーにおける画素の位置から、ラインカメラ１３又は１４におけるトロリー線の撮像角度を求めることが可能となる。

関心領域設定部２１は、レーザー測域センサー１１及び１２の各々によって生成される角度データ及び距離データに基づいて、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面内において、測定された架線の位置を含む関心領域を設定する。複数の架線が測定されたときには、関心領域設定部２１は、それらの架線の位置を含む複数の関心領域を設定しても良い。図１に示すように、第２のトロリー線が第１のトロリー線の近くに位置する場合には、第１のトロリー線の位置を含む関心領域、及び、第２のトロリー線の位置を含む関心領域も設定される。

また、関心領域設定部２１は、１次元の画像における関心領域の位置情報を算出する。例えば、関心領域設定部２１は、レーザー測域センサー１１によって生成される角度データ及び距離データに基づいて、ラインカメラ１３から関心領域を見たときの第１の角度範囲を、関心領域の位置情報として算出する。また、関心領域設定部２１は、レーザー測域センサー１２によって生成される角度データ及び距離データに基づいて、ラインカメラ１４から関心領域を見たときの第２の角度範囲を、関心領域の位置情報として算出する。

ここで、関心領域設定部２１は、レーザー測域センサー１１又は１２によって生成される角度データ及び距離データによって表される架線の位置及び太さと、レーザー測域センサー１１又は１２の測定誤差とを考慮して、関心領域を設定しても良い。例えば、レーザー測域センサーから１ｍ離れた位置に半径６ｍｍの架線が測定され、レーザー測域センサーから１ｍ離れた位置における測定誤差が１０ｍｍである場合には、角度データ及び距離データによって表される架線の中心位置から半径１６ｍｍ内の領域が関心領域として設定される。さらに、関心領域設定部２１は、その値に、余裕係数（例えば、１．２〜１．５）を掛けて関心領域を設定しても良い。

データ処理部２２は、ラインカメラ１３及び１４によってそれぞれ生成される第１及び第２の画像データの各々に対して、関心領域設定部２１によって設定された関心領域外の画像をマスキングする画像処理を施す。例えば、データ処理部２２は、関心領域外の画像を表す画像データの値を「０」又は「１」に置き換えても良いし、関心領域の画像のみを切り出しても良い。

関心領域設定部２１が、第１及び第２の画像データの各々について複数の関心領域を設定した場合には、データ処理部２２は、それらの関心領域から順次選択された１つの関心領域外の画像をマスキングする画像処理を施しても良い。それにより、複数の関心領域に対応する複数の画像を表す第１の画像データ、及び、複数の関心領域に対応する複数の画像を表す第２の画像データが得られる。

例えば、関心領域設定部２１が、関心領域の位置情報として、ラインカメラ１３から関心領域を見たときの第１の角度範囲を算出した場合には、データ処理部２２は、第１の画像データに対して、ラインカメラ１３から関心領域を見たときの第１の角度範囲外の画像をマスキングする画像処理を施す。

同様に、関心領域設定部２１が、関心領域の位置情報として、ラインカメラ１４から関心領域を見たときの第２の角度範囲を算出した場合には、データ処理部２２は、第２の画像データに対して、ラインカメラ１４から関心領域を見たときの第２の角度範囲外の画像をマスキングする画像処理を施す。

鉄道車両１０が走行している際に、ラインカメラ１３及び１４が、トロリー線等の架線を含む領域を順次撮像して第１及び第２の画像データをそれぞれ生成し、データ処理部２２が、生成された第１及び第２の画像データに画像処理を順次施す。データ処理部２２は、画像処理が順次施された第１及び第２の画像データを処理メモリー２３に蓄積する。

第１の画像データを所定のライン数分（例えば、１０００ライン分）結合することによって、１フレームの２次元画像が生成される。また、第２の画像データを所定のライン数分（例えば、１０００ライン分）結合することによって、１フレームの２次元画像が生成される。それにより、２次元の画像を各々が表す第１及び第２の画像データが得られる。

関心領域設定部２１が第１及び第２の画像データの各々について複数の関心領域を設定し、データ処理部２２がそれらの関心領域から順次選択された１つの関心領域外の画像をマスキングする画像処理を施した場合には、複数の関心領域に対応する複数の２次元画像を各々が表す第１及び第２の画像データが得られることになる。

図２は、データ処理部による画像処理前後の画像を比較して示す模式図である。図２（Ａ）は、画像処理前の画像を示しており、図２（Ｂ）は、画像処理後の画像を示している。図２においては、１つのラインカメラによって所定の期間に亘って撮像された１フレームの２次元画像が示されている。

図２において、縦軸は、ラインカメラから見た架線の角度θを表しており、横軸は、鉄道車両が一定速度で走行する場合に時間軸に対応するＺ軸である。画像データを処理メモリー等に取り込む時間間隔は、鉄道車両の走行速度に応じて制御しても良い。あるいは、画像データを一定の時間間隔で処理メモリー等に取り込むと共に、鉄道車両の走行速度を処理メモリー等に記録しておき、後で時間軸をＺ軸に変換しても良い。

図２（Ａ）に示すように、画像処理前の画像においては、３本の架線を構成する３本の線条Ｌ１〜Ｌ３が映り込んでいる。一方、図２（Ｂ）に示すように、画像処理後の画像においては、関心領域の画像を切り出すことにより、計測対象外の線条Ｌ２及びＬ３がマスキングされて、計測対象の線条Ｌ１のみが映し出されている。

再び図１を参照すると、架線抽出部２４は、処理メモリー２３に蓄積されて２次元の画像を表す第１及び第２の画像データの各々に対して架線抽出処理を施す。例えば、架線抽出部２４は、処理メモリー２３に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像から、輝度値や角度等に関する所定の条件を満たす領域を検出することにより、架線を抽出する。

架線抽出処理は、架線のエッジ検出や、架線のパターンマッチング等によって行うことができる。以下においては、架線のエッジを検出する場合について説明する。架線抽出部２４は、処理メモリー２３に蓄積されて２次元の画像を表す第１及び第２の画像データの各々に対してエッジ検出処理を施し、検出された複数のエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出する。エッジ検出処理は、例えば、ゾーベル（Ｓｏｂｅｌ）フィルターを用いたコンボリューション（畳み込み）操作により、エッジの強度と方向を求めることによって行われる。

図３は、ゾーベルフィルターの係数行列（オペレーター）の例を示す図である。ゾーベルフィルターは、空間１次微分を計算して輪郭を検出するために用いられるフィルターである。架線抽出部２４は、ある注目画素を中心とした上下左右の９つの画素の値に対して、図３（Ａ）に示すような水平エッジ検出用の係数行列を乗算し、乗算結果を合計することにより、水平エッジ検出値Ｉｘを得る。

また、架線抽出部２４は、ある注目画素を中心とした上下左右の９つの画素の値に対して、図３（Ｂ）に示すような垂直エッジ検出用の係数行列を乗算し、乗算結果を合計することにより、垂直エッジ検出値Ｉｙを得る。エッジの強度Ｉ及び角度αは、次式を用いて求められる。
Ｉ＝（Ｉｘ^２＋Ｉｙ^２）^１／２
α＝ｔａｎ^−１（Ｉｙ／Ｉｘ）

架線抽出部２４は、エッジ検出処理によって検出された複数のエッジの内から、強度Ｉが閾値以上で、角度αが所定の範囲内にあるエッジを架線のエッジとして抽出し、エッジの位置を表すエッジ座標を求める。エッジの一部が欠けている場合に、架線抽出部２４は、欠けている部分をその前後のエッジの延長線で補ってエッジ座標を求めても良い。

実際には、架線がある太さを有しているので、１つの架線について２つのエッジが抽出されるが、架線の座標として、それらのエッジの内の一方の座標を用いても良いし、それらのエッジの平均座標を求めても良い。架線の座標は、例えば、各々のＺ座標について、ラインカメラ１３から見た架線の角度θ_１と、ラインカメラ１４から見た架線の角度θ_２とを含んでいる。

また、架線抽出部２４は、架線の座標を架線位置算出部２５に出力する。架線位置算出部２５は、第１及び第２の画像データによって表される２種類の画像から架線抽出部２４によって抽出された架線の座標に基づいて、鉄道車両１０に対する架線の３次元位置を算出する。

図４は、架線の位置を算出する原理を説明するための図である。図４には、ＸＹ平面において、ラインカメラ１３及び１４と、架線の位置Ｐ（ｘ，ｙ）とが示されている。架線位置算出部２５は、ラインカメラ１３から見た架線の角度θ_１、及び、ラインカメラ１４から見た架線の角度θ_２に基づいて、鉄道車両１０に対する架線の位置Ｐ（ｘ，ｙ）を求める。

図４に示すように、ラインカメラ１３とラインカメラ１４との間の距離をｄ（既知）とし、ラインカメラ１３と架線との間の距離をｒ_１、ラインカメラ１４と架線との間の距離をｒ_２とすると、次式が成立する。
ｒ_１ｓｉｎθ_１＋ｒ_２ｓｉｎθ_２＝ｄ
ｒ_１ｃｏｓθ_１＝ｒ_２ｃｏｓθ_２
これらの式より、距離ｒ_１を求めることができる。
ｒ_１＝ｄ／｛ｓｉｎθ_１＋（ｃｏｓθ_１／ｃｏｓθ_２）ｓｉｎθ_２｝
従って、ｘ及びｙは、以下のようにして算出される。
ｘ＝ｒ_１ｓｉｎθ_１＋ｘ_０
ｙ＝ｒ_１ｃｏｓθ_１＋ｙ_０

さらに、図１に示す架線位置算出部２５は、鉄道車両１０が走行している軌道（レール）の中心と、鉄道車両１０の基準位置（例えば、ＸＹ座標の原点）との位置関係に基づいて、軌道の中心に対する架線の２次元位置を算出する。架線位置算出部２５は、以上のような計算を、複数のＺ座標について順次行うことにより、軌道の中心を基準として、軌道に沿って延在する架線の３次元位置を算出する。２つのレーザー測域センサー１１及び１２を用いる場合には、架線の位置を算出する際の計算精度を向上させることができる。

あるいは、ラインカメラを用いない場合には、データ処理部２２は、レーザー測域センサー１１又は１２によって生成される角度データ及び距離データを処理して、順次処理された角度データ及び距離データを処理メモリー２３に蓄積する。例えば、架線抽出部２４は、処理メモリー２３に蓄積された測定データによって表される角度や距離等に基づいて、角度や距離等に関する所定の条件を満たす領域を検出することにより架線を抽出する。

このように、データ処理部２２は、レーザー測域センサー又はラインカメラ等の測定手段によって生成される測定データ（角度データ及び距離データ、又は、画像データ）を処理して、順次処理された測定データを処理メモリー２３に蓄積する。架線抽出部２４は、処理メモリー２３に蓄積された測定データに基づいて、所定の条件を満たす架線を抽出する。架線位置算出部２５は、架線抽出部２４によって抽出された架線の座標に基づいて、鉄道車両１０に対する架線の３次元位置を算出する。

変位センサー１６は、鉄道車両１０のローリングや上下動等による変位を観測して、軌道に対する鉄道車両１０の変位を表す変位データを出力する。架線位置算出部２５は、変位センサー１６から出力される変位データに基づいて、架線の位置の座標を補正しても良い。変位センサーの替りに加速度センサーを用いる場合には、架線位置算出部２５は、加速度センサーから出力される加速度データに基づいて変位を求め、架線の位置の座標を補正しても良い。

制御部２６は、架線位置算出部２５によって算出された架線の３次元位置に基づいて、第１のトロリー線を識別する。例えば、複数の関心領域において複数の架線が抽出された場合に、制御部２６は、鉄道車両１０が走行している軌道の中心を基準として、Ｘ軸方向において軌道の中心付近に位置し、かつ、Ｙ軸方向において軌道から所定の範囲内の高さを有する架線が、第１のトロリー線であると判定する。

また、制御部２６は、複数の関心領域において複数の架線が抽出された場合に、架線位置算出部２５によって算出された架線の３次元位置に基づいて、第１のトロリー線と所定の関係にある第２のトロリー線が存在するか否かを判定する。例えば、制御部２６は、鉄道車両１０が走行している軌道に対してＹ軸方向において所定の範囲内の高さを有し、第１のトロリー線と平面視で交差する架線が、第２のトロリー線であると判定する。

さらに、制御部２６は、第２のトロリー線が存在すると判定した場合に、第１及び第２のトロリー線の内のいずれが本線のトロリー線でいずれが渡り線のトロリー線であるかを判定する。例えば、制御部２６は、第１及び第２のトロリー線の内で、交差位置において高い方のトロリー線が渡り線のトロリー線であり、交差位置において低い方のトロリー線が本線のトロリー線であると判定する。あるいは、走行線路及び地点の情報に対応して、第２のトロリー線が本線であるか渡り線であるかに関する情報を予めデータベースに格納しておき、制御部２６が、その情報を参照して判定を行うようにしても良い。

図５は、パンタグラフと渡り線及び本線のトロリー線との位置関係を示す図である。図５においては、鉄道車両が渡り線を矢印の方向に向けて走行する場合が示されている。図５（Ａ）は、パンタグラフ及び２本のトロリー線を鉄道車両の上方から見た平面図であり、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）は、図５（Ａ）に示す各位置におけるパンタグラフ及び２本のトロリー線を鉄道車両の前方から見た正面断面図である。

図５に示すように、パンタグラフの集電舟体の中央部上側には、トロリー線と主に接触して集電を行う摺り板が設けられている。また、集電舟体の両端部には、トロリー線が集電舟体の下側に入り込まないようにするために斜め下方に向けられたホーンが設けられている。

図５（Ａ）に示すように、渡り線のトロリー線と本線のトロリー線とは、位置Ｐにおいて平面視で交差している。位置Ｐにおいては、鉄道車両のパンタグラフが通過する際の２本のトロリー線相互の高低差を制限するために、本線のトロリー線に交差金具（垂直移動止金具）が取り付けられている。また、本線のトロリー線と渡り線のトロリー線とを電気的に接続する接続金具が設けられている。

図６は、交差金具の例を示す図である。図６（Ａ）は、交差金具の側面図であり、図６（Ｂ）は、交差金具の正面図である。渡り線のトロリー線は、本線のトロリー線と交差金具との間に配設される。従って、図５（Ａ）に示す位置Ｐ付近においては、渡り線のトロリー線が、本線のトロリー線よりも上側に位置している。

なお、渡り線装置において、渡り線のトロリー線と本線のトロリー線とが平面視で交差しない場合もある。そのような場合には、渡り線のトロリー線が、本線のトロリー線に近付いてから、また離れて行く。従って、トロリー線に交差金具は取り付けられないが、本線のトロリー線と渡り線のトロリー線とを電気的に接続する接続金具は設けられる。

図５（Ｂ）に示す位置においては、パンタグラフの摺り板が渡り線のトロリー線に接触しており、本線のトロリー線は、パンタグラフから離れた位置にある。図５（Ｃ）に示す位置においては、パンタグラフの摺り板が渡り線のトロリー線に接触すると共に、パンタグラフのホーンが渡り線のトロリー線に接触している。図５（Ｄ）に示す位置においては、パンタグラフの摺り板が本線のトロリー線に接触しており、渡り線のトロリー線は、本線のトロリー線の上方に位置している。

ここで、図５（Ｃ）に示す位置においては、渡り線を走行する鉄道車両のパンタグラフが、交差する本線のトロリー線に斜めから接触するので、両者の位置関係によっては、本線のトロリー線がパンタグラフのホーンの下側に入り込む割り込み現象を起こし、パンタグラフや電車線金具を破損してしまう恐れがある。

これを回避するために、例えば、パンタグラフの幅が１８８０ｍｍである場合に、渡り線の軌道中心から本線が９００ｍｍ離れた位置Ｑ（図５（Ａ））において、渡り線のトロリー線が本線のトロリー線よりも所定の範囲内の高さだけ高くなるように保全管理されている。所定の範囲は、在来線の場合に０ｍｍ〜３０ｍｍであり、新幹線の場合に４０ｍｍ〜７０ｍｍである。

従来は、専用のゲージ棒を用いた手作業による測定によって、位置Ｑにおける２本のトロリー線の高低差が管理されていた。割り込み現象は、渡り線を走行する鉄道車両のパンタグラフのホーン先端と本線のトロリー線との位置関係によって生じるので、渡り線の軌道中心から本線が９００ｍｍ離れた位置Ｑにおける２本のトロリー線の高低差を管理することによって防止することができる。

しかしながら、本線を走行する鉄道車両のパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動する現象は、位置Ｑ以外においても起こり得る。鉄道車両が本線を高速で走行する際にパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動すると、パンタグラフに異常な衝撃が発生したり、渡り線のトロリー線に異常な摩耗が発生したりすることによる設備事故が発生する可能性がある。そのような設備事故の可能性は、渡り線の軌道中心から本線が９００ｍｍ離れた位置Ｑのみにおける２本のトロリー線の高低差を管理する従来の管理手法によっては、完全には把握することができない。

そこで、図１に示す制御部２６は、少なくとも第２のトロリー線の位置に基づいて監視範囲を設定して、監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する。所定の範囲は、在来線の場合に、０ｍｍよりも大きく３０ｍｍ以下の範囲としても良く、新幹線の場合に、４０ｍｍ以上かつ７０ｍｍ以下の範囲としても良い。

このように、監視範囲内における渡り線のトロリー線と本線のトロリー線との相対位置を連続的に測定して管理することにより、鉄道車両が渡り線を走行する際に本線のトロリー線がパンタグラフのホーンの下側に入り込む割り込み現象の可能性の有無を把握するのみならず、鉄道車両が本線を走行する際にパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動する可能性の有無を把握することができる。

その結果、本線を高速で走行する鉄道車両のパンタグラフに異常な衝撃が発生したり、渡り線のトロリー線に異常な摩耗が発生したりすることによる設備事故の発生を未然に防止することが可能となる。さらに、電気検測車等による自動測定方法を用いることにより、従来の手作業による測定と比較して、作業の大幅な効率化や省力化を実現することができる。

例えば、制御部２６は、鉄道車両が走行している軌道において、軌道と直角に測って軌道の中心から平面視で所定の距離以内に第２のトロリー線が位置する範囲を監視範囲として設定する。なお、「平面視」とは、軌道中心及びトロリー線をＸＺ平面に投影して見ることであり、軌道中心及びトロリー線のＸ座標及びＺ座標に基づいて距離が算出される。その後、制御部２６は、監視範囲内において軌道と略直交する複数の面内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する。

ここで、所定の距離は、パンタグラフの幅の半分以上であることが望ましく、パンタグラフの幅が１８８０ｍｍである場合に、所定の距離を９００ｍｍ〜１２００ｍｍ（パンタグラフの幅の約１／２〜約２／３）としても良い。それにより、鉄道車両が渡り線を走行する際に本線のトロリー線がパンタグラフのホーンの下側に入り込む割り込み現象を防止することができる。また、鉄道車両が本線を走行する際にパンタグラフが渡り線のトロリー線を摺動する現象が発生する可能性を把握することができる。

また、電気検測車等の鉄道車両が渡り線を走行しているときに、本線を走行する鉄道車両のための安全管理を行うことも可能である。その場合には、本線の軌道中心の位置を計測することを省略して、Ｘ座標及びＺ座標について本線の軌道中心の位置が本線のトロリー線の位置で近似される。同様に、電気検測車等の鉄道車両が本線を走行しているときに、渡り線を走行する鉄道車両のための安全管理を行うことも可能である。その場合には、渡り線の軌道中心の位置を計測することができないので、Ｘ座標及びＺ座標について渡り線の軌道中心の位置が渡り線のトロリー線の位置で近似される。

例えば、制御部２６は、第２のトロリー線において、第２のトロリー線と直角に測って第２のトロリー線から平面視で所定の距離以内に第１のトロリー線が位置する範囲を監視範囲として設定する。その後、制御部２６は、監視範囲内において第２のトロリー線と略直交する複数の面内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する。

以上において、渡り線装置が設置された位置を表す渡り線位置情報を格納部２７に予め格納しておき、制御部２６が、格納部２７に格納されている渡り線位置情報に基づいて安全管理を行っても良い。例えば、制御部２６は、渡り線位置情報によって表される渡り線装置の設置位置から所定の距離以内の領域において第２のトロリー線が存在するか否かを判定し、第２のトロリー線が存在する場合に監視範囲を設定する。

制御部２６は、監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲外であると判定した場合に、画像又は音声によって警告を発するように表示部２８を制御する。例えば、制御部２６は、監視範囲内において軌道と略直交するいずれかの面内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲外である場合に、警告を発するように表示部２８を制御する。あるいは、制御部２６は、監視範囲内において第２のトロリー線と略直交するいずれかの面内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲外である場合に、警告を発するように表示部２８を制御する。

次に、本実施形態に係る渡り線相対位置管理装置において用いられる渡り線相対位置管理方法について、図１及び図７を参照しながら説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る渡り線相対位置管理方法を示すフローチャートである。なお、互いに独立な処理については、それらを並列に行っても良い。

図７に示すステップＳ１において、関心領域設定部２１が、レーザー測域センサー１１及び１２の各々によって生成される角度データ及び距離データに基づいて、測定された架線の位置を含む関心領域を設定する。

ステップＳ２において、データ処理部２２が、ラインカメラ１３及び１４によってそれぞれ生成される第１及び第２の画像データの各々に対して、関心領域外の画像をマスキングする画像処理を施し、順次処理された第１及び第２の画像データを処理メモリー２３に蓄積する。

ステップＳ３において、架線抽出部２４が、処理メモリー２３に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像から所定の条件を満たす架線を抽出する。

ステップＳ４において、架線位置算出部２５が、処理メモリー２３に蓄積された第１及び第２の画像データによって表される２種類の画像から架線抽出部２４によって抽出された架線の座標に基づいて、架線の３次元位置を算出する。

ステップＳ５において、制御部２６が、架線位置算出部２５によって算出された架線の３次元位置に基づいて、第１のトロリー線を識別すると共に、第１のトロリー線と所定の関係にある第２のトロリー線が存在する場合に、第１及び第２のトロリー線の内のいずれが本線のトロリー線でいずれが渡り線のトロリー線であるかを判定する。

ステップＳ６において、制御部２６が、少なくとも第２のトロリー線の位置に基づいて監視範囲を設定して、監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する。

監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲外である場合には、処理がステップＳ７に移行する。ステップＳ７において、制御部２６が、画像又は音声によって警告を発するように表示部２８を制御する。一方、監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内である場合には、次のフレームの画像データの処理が行われる。

以上の実施形態においては、２つのレーザー測域センサーと２つのラインカメラとを用いる場合について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、少なくとも１つのレーザー測域センサーを用いれば良い。また、３つ以上のレーザー測域センサー又は３つ以上のラインカメラを用いても良い。

また、レーザー測域センサーに限らず、ＴＯＦ（time of flight）カメラ等の３次元計測が可能な装置を用いても良いし（本願においては、レーザー測域センサーやＴＯＦカメラ等を総称して「３次元計測装置」という）、ラインカメラの替りにエリアカメラ等を用いても良い。このように、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。

本発明は、複数のトロリー線が交差する位置等に設けられた渡り線装置における２本のトロリー線の相対位置を管理する渡り線相対位置管理装置において利用することが可能である。

１０…鉄道車両、１１、１２…レーザー測域センサー、１３、１４…ラインカメラ、１５…照明装置、１６…変位センサー、２１…関心領域設定部、２２…データ処理部、２３…処理メモリー、２４…架線抽出部、２５…架線位置算出部、２６…制御部、２７…格納部、２８…表示部、Ｌ１〜Ｌ３…線条

Claims (7)

1. 鉄道車両に設置され、鉄道車両の進行方向と略直交する平面内において架線を含む領域を測定して測定データを生成する測定手段と、
   前記測定手段によって生成される測定データを処理して、順次処理された測定データをメモリーに蓄積するデータ処理部と、
   前記メモリーに蓄積された測定データに基づいて、所定の条件を満たす架線を抽出する架線抽出部と、
   抽出された架線の座標に基づいて、架線の３次元位置を算出する架線位置算出部と、
   算出された架線の３次元位置に基づいて、第１のトロリー線を識別すると共に、第１のトロリー線と所定の関係にある第２のトロリー線が存在する場合に、第１及び第２のトロリー線の内のいずれが本線のトロリー線でいずれが渡り線のトロリー線であるかを判定し、少なくとも第２のトロリー線の位置に基づいて、本線のトロリー線と渡り線のトロリー線との相対位置を連続的に測定して管理すべき範囲として監視範囲を設定し、前記監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する制御部と、
   を備える渡り線相対位置管理装置。
2. 前記制御部が、前記鉄道車両が走行している軌道に対して所定の範囲内の高さを有し、第１のトロリー線と平面視で交差する架線が、第２のトロリー線であると判定する、請求項１記載の渡り線相対位置管理装置。
3. 前記制御部が、第１及び第２のトロリー線の内で、交差位置において高い方のトロリー線が渡り線のトロリー線であり、交差位置において低い方のトロリー線が本線のトロリー線であると判定する、請求項２記載の渡り線相対位置管理装置。
4. 前記制御部が、前記鉄道車両が走行している軌道において、軌道と直角に測って軌道の中心から平面視で所定の距離以内に第２のトロリー線が位置する範囲を監視範囲として設定して、監視範囲内において軌道と略直交する複数の面内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する、請求項１〜３のいずれか１項記載の渡り線相対位置管理装置。
5. 前記制御部が、第２のトロリー線において、第２のトロリー線と直角に測って第２のトロリー線から平面視で所定の距離以内に第１のトロリー線が位置する範囲を監視範囲として設定して、監視範囲内において第２のトロリー線と略直交する複数の面内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定する、請求項１〜３のいずれか１項記載の渡り線相対位置管理装置。
6. 前記制御部が、監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲外であると判定した場合に、画像又は音声によって警告を発するように表示部を制御する、請求項１〜５のいずれか１項記載の渡り線相対位置管理装置。
7. 鉄道車両に設置され、鉄道車両の進行方向と略直交する平面内において架線を含む領域を測定して測定データを生成する測定手段を含む渡り線相対位置管理装置において用いられる渡り線相対位置管理方法であって、
   前記測定手段によって生成される測定データを処理して、順次処理された測定データをメモリーに蓄積するステップ（ａ）と、
   前記メモリーに蓄積された測定データに基づいて、所定の条件を満たす架線を抽出するステップ（ｂ）と、
   抽出された架線の座標に基づいて、架線の３次元位置を算出するステップ（ｃ）と、
   算出された架線の３次元位置に基づいて、第１のトロリー線を識別すると共に、第１のトロリー線と所定の関係にある第２のトロリー線が存在する場合に、第１及び第２のトロリー線の内のいずれが本線のトロリー線でいずれが渡り線のトロリー線であるかを判定するステップ（ｄ）と、
   少なくとも第２のトロリー線の位置に基づいて、本線のトロリー線と渡り線のトロリー線との相対位置を連続的に測定して管理すべき範囲として監視範囲を設定し、前記監視範囲内における渡り線のトロリー線の高さと本線のトロリー線の高さとの差が所定の範囲内であるか否かを判定するステップ（ｅ）と、
   を備える渡り線相対位置管理方法。