JP6575087B2 - トロリ線摩耗測定装置 - Google Patents

Description

本発明はトロリ線摩耗測定装置に関し、とくに鉄道分野および画像処理分野に関連して、電車の屋根上に設置した複数のカメラから画像処理により検出されたトロリ線（架線の中でも電車に直接給電を行う線）の摩耗面の三次元形状を求め、その値から傾斜摩耗や偏摩耗、架線の残存直径、残存断面積を求めるものである。なお傾斜摩耗とはトロリ線の摩耗面が水平ではなく傾いて摩耗すること、偏摩耗とはトロリ線の摩耗面が平面ではなく屈折した摩耗面になっていること、残存直径とはトロリ線の枕木方向断面において摩耗分を除いた直径のこと、残存断面積とはトロリ線の枕木方向断面において摩耗分を除いた面積のことである。

従来、パンタグラフの両端につけたマーカをカメラで撮影し、各マーカの高さを計測してパンタグラフの傾斜を求め、求めたパンタグラフの傾斜を用いてトロリ線摩耗幅を補正するようにした摩耗測定装置が公知となっている（例えば、下記特許文献１参照）。

また、レーザを使用してトロリ線の摩耗計測を行うトロリ線摩耗量測定方法において、レーザの反射光の強度差で、水平摩耗部と傾斜摩耗部を二値化し、それらの幅とあらかじめ用意した残存直径テーブルを利用して、水平摩耗部の残存直径と傾斜摩耗部の残存直径とを算出するようにしたもの（例えば、下記特許文献２参照）、二台のカメラでトロリ線を撮影し、撮影した画像中のトロリ線の軌跡の上側のエッジと下側のエッジとを抽出して得られるステレオ対応点を用いて、トロリ線の高さと偏位を計測するようにしたトロリ線検査装置（例えば、下記特許文献３参照）も知られている。

特許第５５３４０５８号公報 特許第５３８００００号公報 特許第５５４９４８８号公報

ここで、図９（ａ）に示すようにトロリ線６の摩耗面（以下、トロリ線摩耗面という）６ａが水平である場合と、図９（ｂ）に示すようにトロリ線摩耗面６ａが水平面に対して傾斜している場合とでは、トロリ線６の下方から測定した摩耗幅Ｗが同じであっても、実際の残存直径は異なる。そして、トロリ線摩耗面６ａが水平面に対して傾斜している場合、摩耗面の傾斜角度を正確に求めなければ、残存直径として、図９（ｂ）に示すように実際とは異なる残存直径Ｈ’が算出されるおそれがある。このように、トロリ線６の残存直径を正確に求めるためには摩耗面の傾斜角度を考慮する必要がある。

しかしながら、上述した特許文献１に記載された摩耗測定装置は、パンタグラフの傾きからトロリ線摩耗の傾きを推測することができるものの、トロリ線摩耗の傾きがパンタグラフの傾きと異なる場合も考えられ、あくまでトロリ線摩耗の傾斜情報は推測値でしかないという問題、及び、パンタグラフに高さ計測専用のマーカを取り付けるという煩雑な作業を伴うという問題があった。

また、上述した特許文献２に記載されたトロリ線摩耗量測定方法は、レーザ光を用いているが、レーザ光照射のためには大掛かりな装置が必要となるという問題があった。
また、上述した特許文献３に記載されたトロリ線検査装置は、ステレオカメラを用いてトロリ線を計測しているが、トロリ線の高さと偏位を計測することはできるもののトロリ線の摩耗の傾きや摩耗形状まで計測するものではなかった。

このようなことから本発明は、設置が容易で装置を大型化することなく且つ直接トロリ線の偏摩耗・傾斜摩耗を測定することを可能としたトロリ線摩耗測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係るトロリ線摩耗測定装置は、
パンタグラフに接触するトロリ線の下面を撮影する摩耗測定用カメラを車両の屋根上に設置し、前記摩耗測定用カメラで撮影された前記トロリ線の下面の画像を画像処理して、前記トロリ線の残存直径を求める画像処理部を備えたトロリ線摩耗測定装置において、
複数の前記摩耗測定用カメラを、それぞれ設置位置を把握した状態で枕木方向に沿って配置するとともに、
前記画像処理部に、
複数の前記摩耗測定用カメラからそれぞれ入力される前記トロリ線の下面の画像上にあるトロリ線摩耗面の端点を入力する架線摩耗端点入力部と、
前記画像上の前記トロリ線摩耗面の端点の座標から前記トロリ線の摩耗端点の三次元座標を算出する三角測量部と、
前記トロリ線の摩耗端点の三次元座標から前記トロリ線の下面の傾斜角度を算出する偏摩耗・傾斜摩耗算出部と
を設けたことを特徴とする。

また、第２の発明に係るトロリ線摩耗測定装置は、第１の発明に係るトロリ線摩耗測定装置において、
水平面に対する前記車両の傾斜角度を検出する車両傾斜角度検出器を備え、
前記偏摩耗・傾斜摩耗算出部が、前記トロリ線の摩耗端点の実座標と前記車両傾斜角度検出器によって検出された前記車両の傾斜角度とから前記トロリ線の下面の傾斜角度を算出する
ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の摩耗測定用カメラを用いてトロリ線の下面を撮像し、三角測量することで、レーザ光を用いるよりも比較的小型の装置でトロリ線の三次元情報を直接計測でき、且つ直接トロリ線の偏摩耗・傾斜摩耗を測定することが可能となる。

本発明の実施例に係るトロリ線摩耗測定装置の設置例を示す概略構成図である。 複数のカメラによってトロリ線の下面を撮像する例を示す説明図である。 本発明の実施例に係るトロリ線摩耗測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るトロリ線摩耗測定装置の画像処理部による処理の流れを示すフローチャートである。 トロリ線画像の一例を示す説明図である。 偏摩耗を生じたトロリ線の例を模式的に示す断面図である。 傾斜摩耗を生じたトロリ線の例を模式的に示す断面図である。 偏摩耗・傾斜摩耗を算出する際の座標系の定義を示す説明図である。 図９（ａ）は水平摩耗を生じたトロリ線を一つのカメラによって測定した場合のトロリ線の残存直径の算出結果の例を示す説明図、図９（ｂ）は傾斜摩耗を生じたトロリ線を一つのカメラによって測定した場合のトロリ線の残存直径の算出結果の例を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るトロリ線摩耗測定装置について説明する。
本発明では複数の摩耗測定用カメラを用いてトロリ線の下面を撮像し、三角測量することで、レーザ光を用いるよりも比較的小型の装置でトロリ線の三次元情報を直接計測できる構成としている。
これまでも三角測量をすることで架線の高さを計測する技術は存在したが、本発明は、架線摩耗の傾斜や偏摩耗（摩耗面が平面ではなく屈折した摩耗）を三角測量で計測できることに初めて着目したものである。

図１から図８を用いて本発明の一実施例に係るトロリ線摩耗測定装置の詳細を説明する。
図１に示すように、本実施例において検査車両（電車）１の屋根上には画像の入力手段として図示しないパンタグラフに接触するトロリ線６の下面を撮影する複数（図１に示す例では、ｎ台）の摩耗測定用カメラ２−１〜２−ｎおよび同様の方向（トロリ線６の下面）に光を照射する照明機器３が設置されている。また、検査車両１の車内にはジャイロセンサ等の車両傾斜角度検出器４、及び画像処理装置（画像処理部）５が設置されている。以下、摩耗測定用カメラ２−１〜２−ｎを総称して摩耗測定用カメラ２という。

各摩耗測定用カメラ２は、検査車両１の鉛直上方にあるトロリ線６を撮影可能なエリアカメラ、または、鉛直上向きで検査車両１の進行方向と直交する向きに画像素子が並びかつ複数のカメラの画像素子が同一直線状に存在するように設置されて各カメラの走査線がトロリ線６を横切るようになっているラインセンサカメラとする。そして、全ての摩耗測定用カメラ２はその撮影範囲に、図２に示すようなトロリ線の枕木方向の偏位領域を含むものとする。各摩耗測定用カメラ２により撮影されたトロリ線６の下面の画像信号は画像処理装置５に入力される。

なお、各摩耗測定用カメラ２の位置は既知であるものとし、また、各摩耗測定用カメラ２および照明機器３は、検査車両１に固定されて検査車両１の移動、動揺・傾きに伴って検査車両１と一体的に移動しながらそれぞれトロリ線６の撮像、トロリ線６に対する照明を行うものとする。

車両傾斜角度検出器４は、水平面に対する検査車両１の傾きを検出し、車体傾斜角度として画像処理装置５へ出力する。

画像処理装置５は、図３に示すように、架線摩耗端点入力部５ａと、三角測量部５ｂと、偏摩耗・傾斜摩耗算出部５ｃと、残存直径・残存断面積算出部５ｄと、記憶部５ｅとを備えて、図４に示すフローチャートに従い、摩耗測定用カメラ２から入力されたカメラ画像を用いて三角測量による三次元位置計測を行い偏摩耗・傾斜摩耗の有無および残存直径・残存断面積を求める。

すなわち、図４に示すように画像処理装置５では、まず、摩耗測定用カメラ２からトロリ線の下面を撮像した画像を入力する（ステップＳ１）。入力された画像は、トロリ線画像（図５参照）７として記憶部５ｅに保存される。

続いて、架線摩耗端点入力部５ａにより、各カメラ２から得られたトロリ線画像７上にあるトロリ線や摩耗部の端点の画像上の位置をそれぞれ端点データとして入力する（ステップＳ２）。

ここで、図６に示すようにトロリ線６の摩耗面が断面でみて直線でなく屈折している場合は、図５に示すように、トロリ線画像７の枕木方向に沿ったライン上には、トロリ線の端点ｐ１、ｐ５、摩耗端点ｐ２、ｐ３、屈折した摩耗面の端点ｐ４の五つの端点が存在することになる。換言すると、トロリ線画像７上に摩耗面の端点が三点あった場合は、図６に示すようにトロリ線６に断面でみて三つの端点Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と二つのトロリ線摩耗面６ａ₁，６ａ₂が存在することになる。よって、トロリ線画像７上の摩耗端点ｐ２，ｐ３に対応する三次元座標（実座標）Ｐ２，Ｐ３が分かればトロリ線摩耗面６ａ₁の傾きを求めることができ、トロリ線画像７上の摩耗端点ｐ３と屈折した摩耗面の端点ｐ４に対応する三次元座標Ｐ３，Ｐ４が分かればトロリ線摩耗面６ａ₂の傾きを求めることができる。

また、図７に示すようにトロリ線６の摩耗面が断面でみて屈折しておらず直線である場合は、図５に示す端点ｐ３が存在せず、端点ｐ１，ｐ２，ｐ４，ｐ５のみトロリ線画像７上に存在することになる。すなわち、摩耗面の端点が二点のみの場合は、トロリ線画像７上の摩耗端点ｐ２，ｐ４に対応する三次元座標Ｐ２，Ｐ４が分かれば、トロリ線摩耗面６ａの傾きを求めることができる。
なお、図５、図６、図７に示す６ｂは、トロリ線６が摩耗していない非摩耗領域である。

ここで、トロリ線画像７上の端点ｐ１〜ｐ５の入力は、トロリ線画像７を画像処理することによりシステムが自動で設定する、またはユーザがＧＵＩ上で設定する等により付与するものとする。
入力された各端点のデータは、端点データとして記憶部５ｅに保存される。

ステップＳ２に続いては、架線摩耗端点入力部５ａにより入力した各端点データが三角測量部５ｂヘ送られ、三角測量部５ｂにおいてカメラの内部・外部パラメータを用いた三角測量によりトロリ線６の摩耗面の各端点の三次元座標（図６に示す例では端点Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４、図７に示す例では端点Ｐ２，Ｐ４）が算出される（ステップＳ３）。
なお、内部パラメータとは摩耗測定用カメラ２の焦点距離、主点座標、レンズ歪み係数の総称、外部パラメータとは摩耗測定用カメラ２間の姿勢の関係を表す回転行列、摩耗測定用カメラ２間の位置の関係を表す並進ベクトルの総称である。これらのパラメータを用いて各端点の三次元座標を求める。

端点の三次元座標は、既知の手法（例えば、上記特許文献３の［００５１］〜［００５３］と同じ手法等）を用いて求めるものとし、ここでの詳細な説明は省略する。
算出された端点の三次元座標は記憶部５ｅに保存される。

ステップＳ３に続いては、三角測量部５ｂにより算出した端点の三次元座標が偏摩耗・傾斜摩耗算出部５ｃへ送られ、偏摩耗・傾斜摩耗算出部５ｃにおいてトロリ線の偏摩耗・傾斜摩耗が算出される（ステップＳ４）。
具体的には、下式(1)を用いてトロリ線摩耗面６ａ（又は６ａ₁，６ａ₂）の傾斜や偏摩耗の状態を求める。

ここで、Tsurfaceは摩耗面の傾斜角度、pointは端点の座標であり、各端点におけるｘｙ座標の値をpoint_b.yのように表す（この場合、b点のy座標という意味になる）。また、ｘ軸は枕木方向のトロリ線６の偏位を表し、ｙ軸はカメラ光軸方向でありトロリ線６の高さを表す。Tcarは検査車両１の傾き（車両傾斜角度検出器４によって検出した車体傾斜角度）であり、この傾きTcarを考慮することで世界座標系（図８に示すＸＹ座標系）におけるトロリ線摩耗面６ａ（又は６ａ₁，６ａ₂）の傾きを求めることができる。なお、検査車両１の傾きTcarを考慮しなければ摩耗測定用カメラ２の基準座標系（図８に示すｘｙ座標系）に対するトロリ線摩耗面６ａ（又は６ａ₁，６ａ₂）の傾きを求めることができる。
算出されたトロリ線摩耗面６ａ（又は６ａ₁，６ａ₂）の傾斜や偏摩耗の状態は、偏摩耗・傾斜摩耗として記憶部５ｅに保存される。

ステップＳ４に続いては、偏摩耗・傾斜摩耗算出部５ｃにより算出したトロリ線６の偏摩耗・傾斜摩耗が残存直径・残存断面積算出部５ｄへ送られ、残存直径・残存断面積算出部５ｄにおいてトロリ線６の残存直径・残存断面積が算出される（ステップＳ５）。なお、トロリ線６の残存直径・残存断面積の算出は、既知の手法を用いるものとし、ここでの詳細な説明は省略する。算出された残存直径・残存断面積は、記憶部５ｅに保存される。

ステップＳ５に続いては、摩耗測定用カメラ２による撮像が終了したか否かを判定し（ステップＳ６）、撮像が終了していなければ（ＮＯ）、上述したステップＳ１の処理に戻り、撮像が終了していれば（ＹＥＳ）、トロリ線の摩耗測定を終了する。

このように構成される本実施例に係るトロリ線摩耗測定装置によれば、検査車両１の屋根上に位置関係の分かっている複数の摩耗測定用カメラ２を設け、これら複数の摩耗測定用カメラ２によって撮像したトロリ線画像７上のトロリ線６の摩耗端点の座標から、三角測量によってトロリ線画像７上のトロリ線６の摩耗端点に対応する三次元座標を算出するようにしたことにより、設置が容易で比較的小型の装置を用いてトロリ線６を直接測定し、カメラによる架線監視において非常に重要であるトロリ線６の摩耗幅の計測を行うことが可能となる。

本発明は、パンタグラフに接触するトロリ線の下面を撮影する摩耗測定用カメラを車両の屋根上に設置し、摩耗測定用カメラで撮影されたトロリ線の下面の画像を画像処理して、トロリ線の残存直径を求める画像処理部を備えたトロリ線摩耗測定装置に適用して好適なものである。

１ 検査車両
２，２−１〜２−ｎ 摩耗測定用カメラ
３ 照明機器
４ 車両傾斜角度検出器
５ 画像処理装置
５ａ 架線摩耗端点入力部
５ｂ 三角測量部
５ｃ 偏摩耗・傾斜摩耗算出部
５ｄ 残存直径・残存断面積算出部
５ｅ 記憶部
６ トロリ線
６ａ，６ａ₁，６ａ₂ 摩耗面
６ｂ 非摩耗領域
７ トロリ線画像
Ｐ１，Ｐ５ トロリ線端点
Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ トロリ線摩耗部端点
ｐ１，ｐ５ トロリ線画像上のトロリ線端点
ｐ２，ｐ３，ｐ４ トロリ線画像上のトロリ線摩耗部端点

Claims (2)

1. パンタグラフに接触するトロリ線の下面を撮影する摩耗測定用カメラを車両の屋根上に設置し、前記摩耗測定用カメラで撮影された前記トロリ線の下面の画像を画像処理して、前記トロリ線の残存直径を求める画像処理部を備えたトロリ線摩耗測定装置において、
   複数の前記摩耗測定用カメラを、それぞれ設置位置を把握した状態で枕木方向に沿って配置するとともに、
   前記画像処理部に、
   複数の前記摩耗測定用カメラからそれぞれ入力される前記トロリ線の下面の画像上にあるトロリ線摩耗面の端点を入力する架線摩耗端点入力部と、
   前記画像上の前記トロリ線摩耗面の端点の座標から前記トロリ線の摩耗端点の三次元座標を算出する三角測量部と、
   前記トロリ線の摩耗端点の三次元座標から前記トロリ線の下面の二つの傾斜角度を算出する偏摩耗・傾斜摩耗算出部と
   を設けたことを特徴とするトロリ線摩耗測定装置。
2. 水平面に対する前記車両の傾斜角度を検出する車両傾斜角度検出器を備え、
   前記偏摩耗・傾斜摩耗算出部が、前記トロリ線の摩耗端点の実座標と前記車両傾斜角度検出器によって検出された前記車両の傾斜角度とから前記トロリ線の下面の傾斜角度を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載のトロリ線摩耗測定装置。