JP6642882B2

JP6642882B2 - 構造物の位置変動計測装置

Info

Publication number: JP6642882B2
Application number: JP2015157922A
Authority: JP
Inventors: 卓夫長縄; 雄史大野; 土井　淳; 淳土井; 堀田　学; 学堀田; 芳彦宇佐見; 信二郎加藤; 慎也上野; 礼奈近藤; 貢司衣笠; 直人手塚
Original assignee: Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2035-08-10
Also published as: JP2017036979A

Description

本発明は、構造物の位置変動計測装置、構造物の変位を正確に且つ簡便に測定することができる構造物の位置変動計測装置に関するものである。

例えば、ビル等の建築物や鉄道軌道や道路を支える高架橋や橋台・橋脚や盛土などの構造物（以下、これらを「構造物」という）の基礎部に近接し、或いは構造物の下を横断して地下道や地下鉄などの工事を行う場合には、これ等の工事に伴って構造物に変位が発生すると構造物に亀裂が発生したり、傾きが発生する、さらに進むと事故につながることから、構造物の変位を常に監視する必要がある。また、地盤の沈下や***を測定することを目的として、変位センサや沈下計などの測定機器を構造物近くの地盤に設置して監視を行っている例もある（例えば特許文献１）。そして、地盤の変位が構造物の安全限界を超えるような場合には構造物の使用停止や構造物の支保を行うなどの対策を取るようにしている。

特開平１１−２４７１０８号公報

しかしながら、上記の変位センサや沈下計を用いて軌道や構造物の変位を監視する方法では、設置に手間を要し、結果的に計測費用が高くなることや、設置が容易なものでも精度が低いという課題が残されている。また、軌道の変位を監視する方法としては、鉄道軌道に反射型ターゲットを配置し、トータルステーションと呼ばれる計測機器により各ターゲットの位置測定を行った結果から、軌道変位を測定する方法がある。しかし、この方法の場合、すべてのターゲットに対して同時に計測を行うことは不可能であるため、時間あるいは気象変化の影響がすべてのターゲットの測定結果において同一とは言えないという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、構造物や軌道などの変位、或いは異常を安価な構成で、且つより正確に検出することのできる構造物の位置変動計測装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、構造物の位置変動計測装置において、構造物に配置した複数の撮影用のターゲットと、前記構造物に対して予め定められた位置に配置されて前記複数のターゲットが含まれる画像を撮影するための撮影手段と、前記撮影手段により撮影された画像を解析して構造物の変位計測を行う制御手段とを備え、前記制御手段は、前記撮影された画像のターゲット内の輝度値を重さに割り当て、そのターゲットの輝度についての重心位置を算出する輝度重心算出手段と、前記ターゲット内の輝度値を複数の領域別に積算し、領域別の輝度積算値を、基準となる輝度積算値と比較し、外乱光等の異常を検出する異常検出手段と、を具備し、さらに、前記異常検出手段は、どれ位輝度が上昇するかの変化量を予め記憶しておき、当該輝度上昇の変化量よる影響を差し引いて補正演算を行い、純粋な計測輝度積算値により異常検出を行う、ことを要旨とする。

本発明の構造物の位置変動計測装置においては、前記ターゲットは、発光体又は反射体であることが可能である。

この構成によれば、複数のターゲットを１枚の画像に収まるよう撮影手段で撮影し、瞬間的に得られた画像をもとに各ターゲットの座標演算を行う。

また、本発明では、ターゲット内の輝度値を複数の領域別に積算し、領域別の輝度積算値を、基準となる輝度積算値と比較することにより異常を検出する。

この構成によれば、複数のターゲットを１枚の画像に収まるよう撮影手段で撮影し、瞬間的に得られた画像をもとに各ターゲットの座標演算を行うため、ターゲット間の相対的な挙動には時間的な要素が含まれることがない。

また、本発明では、ターゲット内の輝度値を複数の領域別に積算し、領域別の輝度積算値を、基準となる輝度積算値と比較する異常検出手段を有するから、外乱光等の異常を検出することができ、計測結果がより一層正確になる。

本発明の一実施の形態に係る構造物の位置変動計測装置を示す概略構成図である。上記実施の形態において、撮影されたターゲットの一例を示す図である。上記実施の形態において、撮影されたターゲットの画像データを分析処理する制御ユニットのブロック図である。上記実施の形態において、制御ユニットで用いられるＣＰＵの構成を表すブロック図である。上記実施の形態において、計測動作の中の初期設定動作の処理内容を表すフローチャートである。上記実施の形態において、撮影で得られたターゲット画像の分析処理内容を表す図である。上記実施の形態において、上記ターゲット画像データの分析処理で得られた輝度分布を表すグラフ図である。上記実施の形態において、ターゲット画像から輝度積算値を求める演算方法を説明する図である。上記実施の形態において、実際の計測動作における処理内容を表すフローチャートである。上記実施の形態において、判定動作における処理内容を表すフローチャートである。

実施の形態１
次に、図１から図６を用いて本発明の実施の形態１の構成および動作を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る構造物の位置変動計測装置を示す概略構成図である。図１において、符号１は本発明の構造物の位置変動計測装置が適用される構造物の一例である鉄道の高架橋を表し、２はその高架橋１の支柱を表し、高架橋１の長手方向に複数本がほぼ等間隔に配列されている。３は測定基準となる基準マーカーであり、工事区間外の不動点に設置される。４は基準マーカー３を撮影するための撮影手段であるカメラであり、このカメラ４もまた上記基準マーカー３と同様、工事区間外の不動点に設置される。５は基準マーカー３とカメラ４との間の高架橋１の部分に設置された測定対象物である複数の測定マーカーであり、それぞれの支柱２に取り付けられている。測定マーカー５は支柱２に取り付けられるに際して、カメラ４の撮影範囲内に入るように設定される。カメラ４にはディジタルカメラが用いられ、このカメラ４により基準マーカー３及び測定マーカー５を撮影すると、図２に示されるようなターゲット画像６と呼ばれる画像データが得られる。

図２において、「ターゲット」は円形のリング線の内側を示す。このターゲット画像６を制御ユニットにより演算処理して解析し、基準マーカー３と測定マーカー５の相対変位を算出して鉛直方向の変位及び水平方向の変位を計測する。基準マーカー３及び測定マーカー５には、ＬＥＤなどから構成される自己発光タイプのものと、ミラー型の反射タイプのものとがあり、本発明においてはどちらのタイプのものを用いてもよい。また、本発明の別の態様では、基準マーカー３を使わずに、複数の測定マーカー５を設置したのみでも構造物の変位を計測することが可能である。

図３は制御ユニットのハードウェア構成を示すブロック図である。図３において、符号１０は本実施の形態において用いられる制御ユニットを示す。制御ユニット１０は、各種動作指示（コマンド等）が入力される入力手段としての操作部１１と、制御ユニット１０における各種動作状態が表示されるディスプレイとしての表示部１２と、制御ユニット１０の動作に必要な各種データが格納される記憶部１３と、通信ネットワーク１４に接続され制御ユニット１０と外部の通信手段との通信動作を行う通信部１５とを備えている。さらに、制御ユニット１０は、時間データを出力管理するタイマー１６と、カメラ４から送付された画像データ（測定データ）と記憶部１３に格納されたデータ（基準データ）とから、構造物に変位が生じているか否かを判定する判定部１８と、カメラ４によって撮影された画像データや処理結果得られた各種データを送信するための、送信データを作成する送信データ作成部１９と、この制御ユニット１０全体の動作をコントロールし、また制御動作に必要な演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）２０とを備えている。

操作部１１は、キーボード、マウス、或いはタッチキー方式のパネルから成り、キー操作等により各種測定動作の実行命令が入力される。表示部１２は液晶、ＣＲＴその他のディスプレイ装置から成り、制御ユニット１０における各種動作状況や取得された画像データ等を表示するために各種表示欄（ウィンドウ）が設けられている。また、表示部１２の画面は、操作部１１において選択された各操作に対応して、画面が切り替わるようになっている。

記憶部１３は、例えば、ＨＤＤ（Hard disk drive）やフラッシュメモリ等により構成されるデータ格納部２１を始め、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２、及びＲＡＭ（Random Access Memory）２３等の記憶手段から構成される。データ格納部２１はＣＰＵ２０が各種処理を行うために必要な処理データ（ターゲットデータなど）、および処理実行により生成又は取得された各種データ（ターゲットの重心データ、変位データなど）を記憶する。データ格納部２１はまた、処理データが格納されるのみならず、個々の測定マーカー５についての設置場所データやカメラ４による撮影履歴情報などが格納され、データベースとしての機能も有している。ＲＯＭ２２は、ＣＰＵ２０が制御ユニット１０における計測処理動作を行うために使用する各種プログラム（ターゲットの重心演算プログラムなど）やアルゴリズム（ターゲットの重心演算式など）を記憶する。ＲＡＭ２３は、例えばＣＰＵ２０が処理実行中において随意に読み出し、書き込みされるプログラムや処理データ、および処理実行により生成又は取得された各種データを記憶する。上記ＣＰＵ２０が各種処理に使用するデータには、例えばタイマー１６からのクロックデータ、取得された画像データ、判定に必要な参照データ（基準値データ）等が含まれる。

タイマー１６は、基準クロック信号を生成する発振回路、基準クロック信号を分周する分周回路、分周された信号（計時信号）を計数して時刻データを得る時刻計数回路、時刻計数回路からのキャリー信号を計数して日付データ、週データ、月データ等のカレンダー情報を得る日付計数回路を有し、時刻や日付に関するデータをＣＰＵ２０に出力する。送信データ作成部１９は送信すべき情報を時系列で順序よく出力するために整列させるデータ整列手段等を有している。

ＣＰＵ２０は本制御ユニット１０における計測動作のための各種データ処理を実行するため、各種機能部を有する。図４は上記計測処理のためのＣＰＵ２０の機能ブロック図である。ＣＰＵ２０は、カメラ４により撮影された画像のターゲット画像６内の輝度値を基に、そのターゲット画像６の輝度についての重心位置を算出する輝度重心算出部２５と、ターゲット画像６内の輝度値を複数の領域別に積算する輝度値積算部２６と、領域別の輝度積算値を、基準となる輝度積算値と比較し、外乱光等の異常を検出する異常検出部２７と、上記各処理を実行させる演算部２８とを有する。

また、ＣＰＵ２０は本制御ユニット１０の各機能部の動作を制御するコントロール処理と各種データを加工する演算処理の両方を実行し得るが、演算処理部分の一部はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の専用回路から構成されてもよい。

かかる構成を有する制御ユニット１０について、計測処理動作を説明する。計測処理動作の一環として、先ず初期設定動作が行われる。図５は制御ユニット１０で行なわれる初期設定動作の流れを示すフローチャートである。制御ユニット１０において、ＣＰＵ２０は初期設定動作として、カメラ４を起動して計測装置設置時に基準マーカー３及び複数の測定マーカー５を同時撮影させる。図１に示された複数の測定マーカー５（４個ある）については、カメラ４に近い方の測定マーカーから５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとする。また、ＣＰＵ２０は上記撮影動作により得た画像を初期画像とし、初期画像から基準マーカー３及びそれぞれの測定マーカー５ａ〜５ｄごとに画像を切り出してそれぞれのマーカー３，５ａ〜５ｄの「基準画像」或いは基準ターゲット画像として記憶部１３に保存する（ステップＳ１）。ＣＰＵ２０はまた、初期画像内での重心座標（位置に相当：これを基準重心座標とする）を輝度重心算出部２５及び演算部２８の動作により算出して記憶部１３に保存する（ステップＳ２）。さらに、ＣＰＵ２０は初期画像内での輝度を輝度値積算部２６及び演算部２８の動作により所定の領域別に積算して輝度積算値（これを基準輝度積算値とする）を求め、記憶部１３に保存する（ステップＳ３）。また、カメラ４から各マーカー３，５ａ〜５ｄまでの距離（Ｌ１〜Ｌｎとする。ｎはマーカー３，５ａ〜５ｄの設置数）を実測し、演算用の初期値として記憶部１３に保存する（ステップＳ４）。

ステップＳ２における輝度重心の演算は次のようにして行う。図６及び図７は輝度重心の演算方法を説明する図である。この方法では１つのターゲット画像６（測定マーカー５ａのターゲット画像で代表させる）について先ず、図６に示されるようにターゲット画像６内を複数のピクセル３０に区分けする。図６の例では測定マーカー５ａ内の位置をＸ方向を水平方向、Ｙ方向を垂直方向とするＸ−Ｙ直交座標平面で表しており、Ｘ−Ｙ直交座標平面の左上に原点（Ｘ，Ｙ＝０）を設定している。図６の例において、ピクセル３０の数は直径方向に１０個設定されているが、これは説明のために例示した個数であり、実際の装置ではもっと多くの数（４０００〜５０００個）になる。次に各ピクセル３０についてそれぞれの輝度を計測により求める。図６に示された測定マーカー５ａでは、ターゲット画像６の周辺部分では輝度値は２０〜４０であり、中心部分では輝度値が８０〜９９となっている。図７は上記輝度値の分布状態をグラフで示す輝度分布図である。輝度重心算出部２５は、上記輝度値を重さに割り当て、そのターゲット画像６の輝度についての重心位置を次の式により算出する。
重心位置のＸ座標位置：Ｘ_G
Ｘ_G＝（ｍ₁ｘ₁＋ｍ₂ｘ₂＋・・・＋ｍ_nｘ_n）／（ｍ₁＋ｍ₂＋・・・ｍ_n＋）
重心位置のＹ座標位置：Ｙ_G
Ｙ_G＝（ｍ₁ｙ₁＋ｍ₂ｙ₂＋・・・＋ｍ_nｙ_n）／（ｍ₁＋ｍ₂＋・・・ｍ_n＋）
ここで、
Ｘ（及びｘ）：水平方向座標
Ｙ（及びｙ）：垂直方向座標
ｍ：輝度値
である。

他方、ステップＳ３における輝度積算値を求める演算は次のようにして行う。図８は本実施の形態においてターゲット画像から輝度積算値を求める演算方法を説明する図である。図８においては各ピクセル３０を複数個、集合させて領域１７を形成する。図８の例では、各ピクセル３０を４個集合させて１つの領域１７としており、ターゲット画像６の中心部に位置する領域（中心領域１７ａとする）もあれば、周辺部に位置する領域（周辺領域１７ｂとする）もあり、中心部と周辺部の中間に位置する領域（中間領域１７ｃとする）もある。そして、図８のターゲット画像６においてはターゲットの内側に１３個の領域１７が形成されている。これらの領域１７について、輝度の一番高い領域（通常は中心領域１７ａ）の輝度を１００％（パーセント）とし、その１００％の輝度に対する輝度の割合をその他の領域について決定する。こうすると、周辺領域１７ｂについての輝度は３０％であり、中間領域１７ｃについての輝度は７０％というように設定される。但し、上記３０％、７０％の値は測定結果によるもので、測定時点の輝度によっては別の値になる（例えば２６％、６５％のような）場合もある。輝度値積算部２６は、そのターゲット画像６について各領域１７の輝度を積算する。図８の例では領域１７は全部で１３個あり、そのうち１００％の輝度の領域は１個、７０％の輝度の領域は８個、３０％の輝度の領域は４個ある。そして、上記１３個の領域１７のそれぞれについて、初期設定時には輝度値積算部２６及び演算部２８の動作により基準輝度積算値が求められる。他方において、計測時には１回目の計測時の輝度、２回目の計測時の輝度、・・・が計測され、これらの輝度を輝度値積算部２６及び演算部２８の動作により領域１７毎に積算して積算値（これを計測輝度積算値とする）が得られる。

上述の事例では中心領域１７ａが１００％、中間領域１７ｃが等しく７０％、周辺領域１７ｂも等しく３０％、というように、中心から周辺に行くにしたがってどの方向へも等しく輝度が変化（低下）しているが、実際には、１日における太陽の運行、夜間の車のヘッドライトによる照射などの状況が発生することがあり得るため、実際に測定を繰り返す場面では、それぞれの場面（状況）によって相違が生じる。

上記初期設定動作が終了した後、変位計測動作に移行する。図９は制御ユニット１０で行われる計測動作の流れを示すフローチャートである。この計測動作においてＣＰＵ２０は、タイマー１６からのクロック信号により測定時刻になると計測動作として、カメラ４を所定時間間隔（例えば、１分間隔）で起動して基準マーカー３及び複数の測定マーカー５を同時撮影させる。この撮影は上述の初期画像の撮影と同じ状態で行なわれる。またＣＰＵ２０は、上記撮影動作により得た画像を計測画像とし、計測画像から基準マーカー３及びそれぞれの測定マーカー５ａ〜５ｄごとに画像を切り出してそれぞれのマーカー３，５ａ〜５ｄの計測用ターゲット画像として記憶部１３に保存する（ステップＳ５）。ＣＰＵ２０はまた、計測画像内での重心座標（位置）を輝度重心算出部２５及び演算部２８の動作により算出して記憶部１３に保存する（ステップＳ６）。輝度重心算出動作については上述した通りである。さらに、ＣＰＵ２０は初期画像内での輝度を輝度値積算部２６及び演算部２８の動作により所定の領域別に積算して輝度積算値を求め、記憶部１３に保存する（ステップＳ７）。輝度積算値の算出動作についても上述した通りである。また、この変位計測動作においては、カメラ４による基準マーカー３及び複数の測定マーカー５の撮影が所定時間間隔（例えば、１分間隔）毎に行われるから、それぞれのマーカー３，５について１分ごとに１回目、２回目、・・・というように計測用ターゲット画像、計測画像内での重心座標、及び輝度積算値のデータが大量に得られ、これらのデータは記憶部１３に保存される。

上記したステップＳ５〜ステップＳ７の動作が終了した後、ＣＰＵ２０は判定動作に移行する。図１０は制御ユニット１０で行われる判定動作の流れを示すフローチャートである。この判定動作は上記１回目、２回目、・・・の計測動作ごとに行われ、この判定動作では、先ず記憶部１３に保存された基準データが存在する。判定部１８は、ＣＰＵ２０からのコマンドに基づいて記憶部１３から初期画像内での基準マーカー３の重心座標と、初期画像内での測定マーカー５ａの重心座標とを読み出し（ステップＳ１１）、両方の差（これを基準座標差とする）を求める。次に判定部１８は、ＣＰＵ２０からのコマンドに基づいて記憶部１３から１回目の計測画像内での基準マーカー３の重心座標と、１回目の計測画像内での測定マーカー５ａの重心座標とを読み出し、両方の差（これを計測座標差とする）を求める（ステップＳ１２）。そして、上記基準座標差と計測座標差が一致するか又は所定の閾値（例えば、０．５ミリメートル）より小さいか否かを判定し（ステップＳ１３）、小さい場合は構造物に変位は生じていないと判定する（ステップＳ１４）一方、所定の閾値より大きい場合は構造物に変位が生じていると判定する（ステップＳ１５）。測定マーカー５ａについての判定動作が終了すると、その後は測定マーカー５ｂ、５ｃ、５ｄについて、同様の方法で判定動作が行われる。

次にＣＰＵ２０では、演算部２８が記憶部１３から、各測定マーカー５ａ〜５ｄについて、初期画像から得られた基準となる輝度積算値（これは上記した基準輝度積算値である）を読み出して異常検出部２７へ送付する（ステップＳ１６）一方で、１回目の計測動作で輝度値積算部２６により計測画像から得られた各測定マーカー５ａ〜５ｄについての輝度積算値（これは上記した計測輝度積算値である）を異常検出部２７へ送付する（ステップＳ１７）と、異常検出部２７は基準輝度積算値と計測輝度積算値を比較して異常があるか否かを検出し（ステップＳ１８）、異常がある場合は異常検出する（ステップＳ１９）一方、異常がない場合は異常なしを検出する（ステップＳ２０）。これにより、例えば測定マーカー５ａ〜５ｄのうちのいずれかに夕日等の外部光が当たるとか、何らかの遮蔽物が塞いだというような、装置の故障以外の障害が発生したことを検出して、測定上の不具合を取り除くことができる。例えば、上述の外部光として夕日が当たる場合を考えると、この夕日は太陽が低く傾いて来てターゲットに当たるため、ターゲットにおいては全体面積の右半分に太陽光が照射するなどの現象が生じる。すると、図８のターゲット画像６において右半分の輝度が増大し、時間の経過により計測輝度積算値が変化する。異常検出部２７はこの変化した計測輝度積算値を基準輝度積算値と比較して異常があることを検出する。また、異常検出部２７に上記夕日による影響（どれ位輝度が上昇するかの変化量）を予め記憶させておけば、異常検出部２７はその夕日による影響を差し引いて演算処理（補正演算）を行い、純粋な計測輝度積算値により異常検出を行う。

なお、ＣＰＵ２０は、ステップＳ２０までの計測動作で全ての判定、検出が終了した場合は、今回の計測動作が１回目、２回目、・・・の計測動作のうち、最後の計測動作であるか否かを判定し（ステップＳ２１）、最後の計測動作である場合は一連の判定動作を終了する一方、最後の計測動作でない場合はステップＳ１１の処理に戻り、１回目の計測動作から次の２回目の計測動作における判定、検出が行われる。

実施の形態２
上の説明で、本発明の別の態様では、基準マーカー３を使わずに、複数の測定マーカー５を設置したのみでも構造物の変位を計測することが可能であることを説明した。実施の形態２では基準マーカー３を使わない構造物の位置変動計測装置について説明する。この場合は基準マーカー３を使わないから、測定マーカー５について、基準データである基準画像、基準重心座標、及び基準輝度積算値を求め、これらのデータを記憶部１３に保存する。

また、計測動作においても、計測データである計測画像、計測重心座標、及び計測輝度積算値を求め、これらのデータを記憶部１３に保存する。また、計測動作においては、１回目の計測動作において得られた計測重心座標、及び計測輝度積算値を記憶部１３に保存された基準重心座標、及び基準輝度積算値と比較し、変位の有り、又は無しを判定し、また、異常の有り、又は無しを判定する。これにより基準マーカーを使わないででも構造物の変位を計測することが可能であるから、システム構成をより一層簡易にすることができる。

本発明による構造物の位置変動計測装置によれば、複数のターゲットを１枚の画像に収まるよう撮影手段で撮影し、瞬間的に得られた画像をもとに各ターゲットの座標演算を行い、また、ターゲット内の輝度値を複数の領域別に積算し、領域別の輝度積算値を、基準となる輝度積算値と比較して異常を検出するから有用である。

１鉄道高架橋
２支柱
３基準マーカー
４カメラ
５測定マーカー
６ターゲット画像
１０制御ユニット
１１操作部
１２表示部
１３記憶部
１４通信ネットワーク
１５通信部
１６タイマー
１８判定部
１９送信データ作成部
２０ＣＰＵ
２５輝度重心算出部
２６輝度値積算部
２７異常検出部
２８演算部

Claims

構造物に配置した複数の撮影用の測定マーカーと、
前記構造物に対して予め定められた位置に配置されて前記複数の測定マーカーが含まれる画像を撮影するための撮影手段と、
前記撮影手段により撮影された画像を解析して構造物の変位計測を行う制御手段とを備え、前記制御手段は、
前記撮影された測定マーカーの画像から得られたターゲット画像のターゲット内の輝度値を重さに割り当て、そのターゲット画像の輝度についての重心位置を算出する輝度重心算出手段と、
前記ターゲット画像内の輝度値を複数の領域別に積算し、領域別の輝度積算値を、基準となる輝度積算値と比較し、外乱光等の異常を検出する異常検出手段と、を具備し、さらに、
前記異常検出手段は、どれ位輝度が上昇するかの変化量を予め記憶しておき、当該輝度上昇の変化量よる影響を差し引いて補正演算を行い、純粋な計測輝度積算値により異常検出を行う、
ことを特徴とする構造物の位置変動計測装置。
前記測定マーカーとは別に測定範囲以外に測定基準となる基準マーカーを配置し、前記測定マーカーと同時に撮影し、測定マーカーの画像から得られた測定ターゲット画像と基準マーカーの画像から得られた基準ターゲット画像との相対位置を算出する判定手段を有することを特徴とする請求項１に記載の構造物の位置変動計測装置。
前記ターゲットは、発光体又は反射体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の位置変動計測装置。