JP6755483B2 - 枕木加工用データ作成システム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道のレールを支える枕木を交換する際に必要となるデータを作成する枕木加工用データ作成システムに関する。

枕木は、レールと当該レールが敷設される道床等の設置面との間に設置され、レールから作用する加重を道床側に分散し、支持している。

枕木には、木製のものや、コンクリートや発泡樹脂を用いて作製されたものがある。これらの枕木は、列車の通過に伴って道床やレールと摩擦を起こし、材質によって程度は異なるものの、少しずつではあるが、磨耗や劣化によって損傷や変形が発生するため、定期的に交換する必要がある。

一方、鉄桁のフランジ上に設置された枕木の高さや個々の枕木の左右の高さは、レールの設置場所や曲がり方に合わせて変えられている。従って枕木を交換する際には、枕木とフランジの位置および高さを計測し、計測値に基づいて厚みを算出すると共に、厚みが調整された枕木を作製する必要がある。

本出願人は先に、レーザスキャナを搭載した計測車両を用い、レール上を移動させながら枕木にレーザビームを照射して、枕木加工用データを作成するデータ作成システムを提案した（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の枕木加工用データ作成システムによれば、レール上を移動する計測車両によって取得したレーザスキャンデータに基づいて、枕木を交換する際に必要となる枕木加工用データを自動でかつ簡単に作成できる。

一方、特許文献１に記載のデータ作成システムでは、設置された枕木が同一の形状であることを前提としているため、枕木の底面の形状については計測しなかったが、実際に使用される枕木は、底面に形成された凹部の位置や大きさが違うものが混在している。

特開2016-65845号公報

レーザスキャナを用いて枕木の下面の形状を計測するためには、枕木の側面に対してレーザを斜めから照射する必要がある。更に、レールによってレーザビームが遮られることを考慮すると、複数の位置からレーザビームを照射し、得られた点群データを組み合わせて枕木の形状を再現する必要がある。

複数の位置においてスキャンされた点群データを組み合わせる場合、レーザスキャナの位置と姿勢を示すデータが必要となる。その際に問題となるのは、レーザスキャナの位置と姿勢を特定するために用いるＧＮＳＳ受信機と慣性計測装置の計測誤差である。

レーザスキャナにより得られる点群データの計測誤差は１〜２ｍｍであるのに対して、ＧＮＳＳ受信機と慣性計測装置により得られる位置・姿勢データの計測誤差は１０ｃｍ程度である。従って、レーザスキャナで計測した点群データをそのまま組み合わせても、枕木の形状を特定するデータを作成することはできない。

このため現状では、レーザスキャナによって計測された三次元点群データをディスプレイに表示し、作業者が、複数の位置で計測した点群データから該当する部分を切り出して枕木の寸法を計測しているが、枕木の数が膨大であることから、作業に多大の時間を要し、かつ作業者の肉体的・精神的負担も大きい。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、複数の地点で計測した点群データを組み合わせて、枕木加工用のデータを自動的に作成できるデータ作成システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明に係る枕木加工用データ作成システムは、 鉄道橋上の軌道を構成する一対のフランジと一対のレールとの間に挿入される複数の枕木の加工用データを作成する枕木加工用データ作成システムであって、
車両本体にレーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機、および慣性計測装置が搭載され、レール上を移動しながら、前記レーザスキャナを用いて軌道までの距離と方向を計測してレーザスキャンデータを取得し、かつ前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置を用いて前記車両本体の位置および姿勢に関するデータを取得する計測車両と、
前記レーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得されたデータに基づいて枕木加工用データを作成するデータ加工装置と、を備え、
前記レーザスキャナは、スキャナ部を回転させながらパルス状のレーザビームを対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を計測するもので、前記スキャナ部は、レーザビームの回転断面が鉛直方向に対して所定の角度を保つように配置され、
前記データ加工装置は、
前記レーザスキャナで取得したレーザスキャンデータを、前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得したデータに基づいて、地理座標系で表示された三次元点群データに変換するデータ変換部と、
前記三次元点群データに基づいて、少なくともそれぞれの枕木の厚みを算出して枕木加工用データを作成するデータ作成部と、で構成され、
前記データ変換部は、前記計測車両の進行方向と直交する方向のうち、枕木の正面左側、正面右側および正面中央に対向する地点に設置されたスキャナ部を用いて計測された第１、第２および第３の三次元点群データを作成し、
前記データ作成部は、
前記第１、第２および第３の三次元点群データから、枕木の正面の壁に沿った平面の所定幅の点群データをそれぞれ抽出して、第１、第２および第３の二次元点群データを作成すると共に、
前記第１の二次元点群データに基づいて枕木の左辺の厚みを算出し、前記第２の二次元点群データに基づいて枕木の右辺の厚みを算出し、前記第３の二次元点群データに基づいて枕木の上辺の長さを算出することを特徴とする。

ここで、前記データ作成部は、前記第１の二次元点群データの上辺、下辺および左辺に沿って直線を引くと共に、それぞれの直線の位置と傾きを、直線から所定の範囲内にある点群データを用いて最小二乗法により補正し、当該補正された左辺の直線が、上辺および下辺の直線で挟まれる区間の距離を算出し、当該算出された値を左辺の厚みとすることが好ましい。

また前記データ作成部は、前記第２の二次元点群データの上辺、下辺および右辺に沿って直線を引くと共に、それぞれの直線の位置と傾きを、直線から所定の範囲内にある点群データを用いて最小二乗法により補正し、当該補正された右辺の直線が、上辺および下辺の直線で挟まれる区間の距離を算出し、当該算出された値を右辺の厚みとすることが好ましい。

前記データ作成部は、前記第３の二次元点群データの上辺に沿って直線を引くと共に、当該直線の位置と傾きを、直線から所定の範囲内にある点群データを用いて最小二乗法により補正し、当該補正された直線の長さが、予め用意した長さのうちいずれに近いか判定し、最も近いと判定した値を前記上辺の長さとすることが好ましい。

前記データ作成部は、前記第１、第２および第３の二次元点群データを作成する際、枕木の正面の壁に沿った平面のＺ軸方向をＹ軸とし、それと直交する方向をＸ軸とすることが好ましい。

前記レーザスキャナのスキャナ部はスライダに取り付けられ、当該スライダは、前記車両本体に固定されたガイド板上を、当該計測車両の進行方向およびそれと直交する方向に移動可能であることが好ましい。

前記計測車両には、３台のレーザスキャナが搭載されており、それぞれのスキャナ部は、当該計測車両の進行方向と直交する方向に距離を隔て、かつ水平面内の角度が異なる状態で設置されていることが好ましい。

更に、前記データ作成部は、前記第１、第２および第３の三次元点群データから、同一の枕木のデータをそれぞれ取り出し、当該データに識別用の番号を付与することが好ましい。

本発明に係る枕木加工用データ作成システムによれば、データ作成用のプログラムを用いて枕木加工用のデータの大半を自動的に作成できるため、データ作成に要する時間を大幅に削減でき、更には、データ作成に従事する作業者の肉体的・精神的負担を軽減できる。

鉄道橋上の軌道の構造物を示す平面図および正面図である。 図１の一部拡大側面図である。 本発明の実施の形態に係る枕木加工用データ作成システムの基本的な構成を示すブロック図である。 実施の形態に用いる計測車両の斜視図である。 レール上を移動する計測車両を上方から見た図である。 枕木加工用データの作成手順を示すフローチャートである。 計測対象となった枕木の形状を示す正面図である。 枕木の左辺の厚みを求める際の手順を説明する図である。 枕木の右辺の厚みを求める際の手順を説明する図である。 枕木の上辺の長さを求める際の手順を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態に係る枕木加工用データ作成システムについて、図面を参照しながら説明する。

＜鉄道橋上の軌道の構造＞
本発明に係る枕木加工用データ作成システムは、鉄道橋上の軌道に設置された枕木を取り換える際に必要なデータを作成するものである。従って、枕木加工用データ作成システムの構成について説明する前に、枕木を含む鉄道橋上の軌道の構造について説明する必要がある。

図１（ａ）は鉄道橋上の軌道の構造物を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の構造物をＸ−Ｘ線で切断した正面図である。また図２は、図１（ａ）のうちフランジ上に設置された枕木の一部を側面から見た図である。

枕木１１は、軌道を構成する一対のフランジ１２Ｌと１２Ｒを跨ぐように設置され、枕木１１の上には一対のレール１３Ｌ、１３Ｒが設置されている。図１（ｂ）に示すようにレール１３Ｌ、１３Ｒは、それぞれ締結具１４によって枕木１１に固定されている。

枕木１１は、受け台１５を介してフランジ１２Ｌ、１２Ｒに取り付けられている。図２に示すように、受け台１５はフランジ１２Ｌ、１２Ｒの上面に溶接されており、それぞれの枕木１１は、ボルトとナットを用いて受け台１４に固定されている。以降、フランジ１２Ｌ、１２Ｒを総称してフランジ１２ともいう。同様に、レール１３Ｌ、１３Ｒを総称してレール１３ともいう。

なお、図１（ａ）については、見易さを考慮して、それぞれの枕木１１に取り付けられたレールの締結具１４を省略している。また、鉄道橋の軌道の下には、図示した構造物以外に橋脚の梁等があるが、これらは本発明との関係が乏しいため、図では省略している。

枕木１１には木材、コンクリートまたは合成木材が用いられるが、鉄道橋上の軌道で用いる枕木の材料としては、耐振動性に優れた合成木材が好ましい。ここで、合成木材とは、ガラス長繊維を長手方向に引き揃えて埋設した熱硬化性の樹脂発泡体であり、例えば、積水化学工業株式会社製、商品名「エスロンネオランバーＦＦＵ」等が使用可能である。

枕木１１の厚みは、レール１３の勾配や曲率に応じて変わっている。例えば、レール１３がカーブした場所では、外側のレールが内側のレールよりも高くなるように、枕木１１の左右の厚みを変えている。

従って枕木１１を取り替える際には、設置される場所に応じて枕木の左右の厚みを調節する必要がある。本発明では、後述する計測車両を用いて枕木の形状を計測し、その計測データから枕木の左右の厚みを算出している。そして取り換え用の枕木１１を作製する際に、左右の厚みを変えることによって枕木の上面の高さを調節している。

具体的には、枕木１１と同じ長さと幅を有し、かつ厚みが枕木よりも若干薄い直方体状の原木を用意し、算出された左辺と右辺の厚みに応じて、底面に原木と同じ材料で作製された板状のパッキン１１０を貼り付けて取り替え用の枕木を作製している。

図１（ｂ）を参照し、取り換え用の枕木を作製する際に必要となるデータについて説明する。まず枕木１１の長手方向の長さＬ１が必要である。現在、使用されている枕木の長さは、２４００ｍｍ、２６００ｍｍ、２８００ｍｍまたは３０００ｍｍのいずれかであるため、計測により、これらの長さのいずれに近いかが分かれば、長さＬ１を特定することができる。

次に、枕木の左辺と右辺の厚みＴ１、Ｔ２が必要である。上述したように、枕木の左右の厚みは、左辺と右辺の厚みの計測値に基づき、原木に、不足する厚みの板状のパッキン１１０を貼り付けることにより調節される。

枕木１１の底面には凹状や凸状の段差部１１１が形成されている場合が多く、また段差部１１１の位置や幅は枕木によって異なっている。図１（ｂ）に示すように、枕木１１の中央に段差部１１１が形成されている場合、左辺および右辺から段差部１１１が形成されている位置までの距離Ｌ２およびＬ３を求めれば、取り替え用の枕木を作製するために必要なデータ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｔ１、Ｔ２）が全て分かる。

なお、段差部１１１の厚みは原木の厚みと同一となり、設置されている枕木の厚みと異なる場合があるが、枕木としての機能に影響しないため、問題となることはない。また上述の説明では、枕木の厚みを調節する際に、板状のパッキンを底面に貼り付けるとしたが、原木の底面を削ることによって厚みを調節してもよい。

＜枕木加工用データ作成システムの構成＞
次に、図３および図４を参照して、本発明の実施の形態に係る枕木加工用データ作成システムについて説明する。

図３は、本実施の形態に係る枕木加工用データ作成システムの基本的な構成を示すブロック図である。枕木加工用データ作成システム１は、線路上を移動しながら必要なデータを収集する計測車両２と、計測車両２で収集されたデータに基づいて、枕木加工用データを作成するデータ加工装置３とで構成されている。

枕木加工用データ作成システム１について説明する前に、枕木加工用データを作成する際の基本的なステップを説明する。本発明では、以下の３段階のステップにより枕木加工用データを作成している。

最初に、計測車両２に搭載されたレーザスキャナ２１を用いて、レール１３上を走行しながら線路周辺の構造物までの距離と角度を計測して、レーザスキャンデータＧ１を取得する（第１のステップ）。

次に、レーザスキャンデータＧ１を、計測車両２に搭載されたＧＮＳＳ受信機２２および慣性計測装置２３を用いて取得したデータに基づいて、地理座標系で表示された三次元点群データＧ２に変換する（第２のステップ）。

最後に、三次元点群データＧ２から、隣接するレールとフランジを含む個々の枕木のデータを切り出し、当該データに基づいて枕木の長さと厚みを算出し、枕木を識別するデータと合わせて枕木加工用データを作成する（第３のステップ）。

本発明では、レーザスキャナ２１によって得られる三次元点群データに基づいて枕木加工用データを作成する際に、枕木の特性を活用している。

前述したように、取り替え用の枕木は、幅および長さが定まった直方体状の原木の底面に、板状のパッキンを貼り付けて作製する。枕木の上辺の長さは決まっているため、枕木の左辺および右辺の厚みがわかれば、底面を除く枕木の断面形状を再現できる。本発明では、３つの地点で計測した三次元点群データを用いて、枕木の上辺の長さと、左辺および右辺の厚みを求めている。以下に、その概要を説明する。

枕木の正面左側（または正面右側）を斜めにレーザスキャンして得られる三次元点群データのうち枕木の正面の壁に沿った平面の所定幅（例えば±３ｃｍ、計６ｃｍ）の点群データを抽出し、枕木の正面の壁に沿った平面のＺ軸方向をＹ軸とし、それと直交する方向をＸ軸とする第１（または第２）の二次元点群データを作成する。

上述の第１（または第２）の二次元点群データを用い、枕木の上辺、下辺および左辺（または右辺）に沿って直線を引くと共に、それぞれの直線の位置を最小二乗法により補正する。そして補正された左辺（または右辺）の直線が、上辺および下辺の直線で挟まれる区間の距離を算出し、左辺（または右辺）の厚みとする。

一方、枕木を正面中央からレーザスキャンすることにより得られる三次元点群データから、上述と同様の方法によって第３の二次元点群データを作成する。その第３の二次元点群データを用いて枕木の上辺の長さを特定する。

前述したように、枕木は、２４００ｍｍ、２６００ｍｍ、２８００ｍｍ、または３００００ｍｍのいずれかの長さの原木を用いているため、直線の長さが、これらのいずれに近いかを判定することによって枕木の長さを特定することができる。

特定された長さの枕木の上辺の直線の左右の端に、算出された長さ（厚み）の左辺と右辺の直線を、上辺と直交する状態で付加することにより、枕木の断面形状を示す四角形のデータが得られる。

レーザスキャナのスキャナ部２１１を枕木１１の中央に対向するように設置し、レーザビームの回転断面が枕木と平行になる状態でスキャンした場合、枕木の上辺に関する十分な密度の点群データを得ることができるが、枕木の左辺および右辺に関する十分な密度の点群データを得ることができない。

一方、スキャナ部２１１を枕木１１の正面左側に対向するように設置し、レーザビームの回転断面を枕木に対して傾けてスキャンした場合、枕木の左辺に関する十分な密度の点群データを得ることができるが、枕木の右辺に関する十分な密度の点群データを得ることはできない。

逆に、スキャナ部２１１を枕木１１の正面右側に対向するように設置し、レーザビームの回転断面を枕木に対して傾けてスキャンした場合、枕木の右辺に関する十分な密度の点群データを得ることができるが、枕木の左辺に関する十分な密度の点群データを得ることはできない。

そこで本発明では、枕木に対してスキャナ部２１１を３つの地点に設置し、枕木の左辺の厚みについては、枕木の正面左側に対向するスキャナ部により得られた点群データを用いて算出し、枕木の右辺の厚みについては、正面右側に対向するスキャナ部により得られた点群データを用いて算出し、上辺の長さについては、正面中央に対向するスキャナ部により得られた点群データを用いて算出する。

このようにして得られた左辺および右辺の厚みならびに上辺の長さのデータを用いることにより、正確な寸法の枕木を再現できる。

なお、レールや移動止め板等の障害物によって、枕木の底面に形成された段差部１１１に関する十分な点群データを得られない場合があるため、現状では、計測した三次元点群データから、枕木の加工に必要な全てのデータを作成することは難しい。

＜計測車両の構成と機能＞
次に、上記第１のステップを実現する計測車両２の構成と機能について説明する。

図３に示すように、計測車両２は、レーザスキャナ２１、ＧＮＳＳ受信機２２、慣性計測装置２３、レーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２５で構成されている。図示しないが、レーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２５は、磁気ディスク装置または不揮発性メモリを内蔵したデータロガーで構成されている。

図４に計測車両２の外観を示す。計測車両２はレール１３上を走行するもので、車両本体２６の左右の側面には車輪２６１が取り付けられている。また車両本体２６の上面には四角形状のフレーム２６２が取り付けられ、その頂部には、計測車両２の進行方向およびそれと直交する方向に張り出したガイド板２７が取り付けられている。計測車両２は、シャーシ２６３に内蔵されたモータによって車輪２６１を回転させることによりレール１３上を移動する。

ガイド板２７の上面には、レール１３と平行および直交する二方向に移動可能なスライダ２８が取り付けられており、その上に慣性計測装置２３およびＧＮＳＳ受信機のアンテナ２２１を支持する支持台２９が取り付けられている。

支持台２９は、回転テーブル２９１、傾斜テーブル２９２および旋回テーブル２９３で構成され、旋回テーブル２９３の下部には、レーザスキャナ２１のスキャナ部２１１が取り付けられている。

回転テーブル２９１の回転角度、傾斜テーブル２９２の傾斜角度および旋回テーブル２９３の旋回角度を制御することによって、スキャナ部２１１から放射されるレーザビームＬＢの回転断面の向きと傾きを変えることができる。

なお、レーザスキャナ２１の本体およびＧＮＳＳ受信機２２の本体、更にレーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２５は、車両本体２６の上部に設置された直方体状のシャーシ２６３に収容されている。またスキャナ部２１１、ＧＮＳＳ受信機のアンテナ２２１および慣性計測装置２３とシャーシ２６３の間はケーブルで接続されているが、図では煩雑さを避けるために省略している。

次に、レーザスキャナ２１、ＧＮＳＳ受信機２２および慣性計測装置２３について説明する。レーザスキャナ２１は、旋回テーブル２９３の下方に取り付けられた、３６０度連続回転式のスキャナ部２１１から所定の時間間隔でパルス状のレーザビームＬＢを発射し、レーザビームＬＢがレーザ発射部分と対象物の間を往復する時間で計測点までの距離を計測する。また、スキャナ部２１１の取り付け角度と回転方向によって方向角を得ることができる。結果として、レーザが照射された各計測点の極座標で表された位置データを得ることができる。

スキャナ部２１１によってレーザビームＬＢを回転させながら計測車両２がレール上を走行すると、レーザビームＬＢが螺旋状の軌跡を辿りながら走行方向に移動し、構造物までの距離と方向を示すデータが連続して得られる。このようにして得られた計測点までの距離と方向を示すデータの集まりであるレーザスキャンデータＧ１は、計測時刻と共に、レーザスキャンデータ記憶部２４に記憶される。

ＧＮＳＳ受信機２２は、複数の人工衛星のそれぞれから発信された測位信号の搬送波を観測し、この搬送波の観測情報に基づいて、ＧＮＳＳ受信機２２のアンテナ２２１の位置を、三次元座標で表された位置情報として取得する。

慣性計測装置（通常、“Inertial Measurement Unit”と呼ばれる）２３は、運動を司る３軸の角度（または角速度）と加速度を計測する装置である。慣性計測装置２３は、基本的に、３軸のジャイロと３方向の加速度計によって三次元の角速度と加速度を求める。

ＧＮＳＳ受信機２２で取得された位置情報のデータと、慣性計測装置２３で計測された角度（または角速度）と加速度のデータは、計測時刻と共に計測データ記憶部２５に記憶される。

＜レーザビームの走査方向とスキャナ部の設置位置＞
次に、図５を参照して、レーザスキャナ２１によるレーザビームＬＢの走査方向とスキャナ部２１１の設置位置について説明する。図５は、レール１３上を移動する計測車両２を上方から見た図である。なお、図では、ガイド板２７、スライダ２８、支持台２９およびスキャナ部２１１だけを標示し、他の部材は省略している。

本実施の形態では、計測対象である枕木の構造的な特性を考慮してスキャナ部２１１の設置位置を定めている。具体的には、図５に太い破線の楕円で示したように、レーザビームＬＢの回転断面が鉛直方向に対して２０度傾いた状態でスキャナ部２１１を設置している。

枕木加工用データの作成においては、各枕木１１の上辺および下辺の高さデータと左辺および右辺の位置データが必要となる。一方、枕木１１は長手方向がレールと直交するように設置され、かつ多数の枕木１１がほぼ等間隔に設置されている。このような構造物に対し、レーザビームＬＢを用いて枕木１１の下辺の高さデータを得るためには、レーザビームＬＢの回転断面を鉛直方向に対して傾ける必要がある。

しかし、レーザビームＬＢの回転断面の傾斜角度が大きすぎると、手前の枕木が邪魔になってレーザビームＬＢが枕木の下辺まで届かない。以上の点を考慮し、本実施の形態では、レーザビームＬＢの回転断面を鉛直方向に対して２０度傾けている。

更に、本実施の形態では、図５に２点鎖線で示したように、スキャナ部２１１をレール１３と直交する方向に移動させると共に、枕木１１に対して傾け、３つの位置（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）において水平方向の角度を変えた状態（０°、±４５°）でスキャナ部２１１を動作させて、３つの三次元点群データを得ている。

スキャナ部２１１を計測車両２の進行方向と直交する方向の任意の位置に設置してレーザビームＬＢを回転走査した場合、レール１３が影となってその下に位置する枕木１１の上辺と下辺のデータを計測できなくなる。

本実施の形態では、上述の問題点を解決するために、スキャナ部２１１を計測車両２の進行方向と直交する方向（白抜きの矢印で示す）に移動させ、その地点でレーザビームＬＢを回転走査してレール１３の同一位置において３つのレーザスキャンデータを取得している。そして、レール１３が邪魔になって枕木１１の上辺および下辺のデータを取得できない箇所については、他の地点で計測したレーザスキャンデータを用いて枕木加工用データを作成している。

更に、枕木１１の長手方向の壁面には、一定の間隔を隔てて移動止め板（図示せず）が取り付けられており、移動止め板が取り付けられた場所では、枕木の下辺の点群データを取得することができない。

そのような事態を考慮し、図５に示すように、スライダ２８を操作して、支持台２９をガイド板２７の反対側に移動させ、更に、回転テーブル２９１を回転させて（図４参照）、スキャナ部２１１を計測車両２の移動方向（太い矢印）と同じ方向に向け、移動止め板が取り付けられた面とは反対側の壁面の下辺の点群データを取得できるようにしている。

このように、本実施の形態では、枕木１１の構造的な特性を考慮して、スキャナ部２１１の設置位置と方向を定めることにより、枕木加工用のデータを確実に取得できるようにしている。

＜データ作成装置の構成と機能＞
次に、上述の第２のステップと第３のステップを実現するデータ作成装置３の構成と機能について説明する。図３に示すように、データ作成装置３は、位置・姿勢算出部３１、データ変換部３３および枕木加工用データ作成部３５を備えている。またデータ作成装置３は作成されたデータを記憶する位置・姿勢データ記憶部３２、三次元点群データ記憶部３４および枕木加工用データ記憶部３６を備えている。

図示しないが、データ作成装置３のブロックのうち位置・姿勢算出部３１、データ変換部３３および枕木加工用データ作成部３５の各機能は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ディスプレイ、キーボード、マウス、磁気ディスク装置を備えたコンピュータを用いて実現される。コンピュータの構成および機能については広く知られているため、ここでは説明を省略する。

次に、データ作成装置３における処理について説明する。最初に、レーザスキャナ２１で計測されたレーザスキャンデータＧ１を、直交する３軸で表される地理座標系の三次元点群データＧ２に変換する手順（第２のステップ）を説明する。

計測車両２のレーザスキャンデータ記憶部２４および計測データ記憶部２５に格納された計測データは、通信ボード（図示せず）を介して、もしくはメモリーカード等を用いて計測車両２の磁気ディスク装置（図示せず）から読み出され、データ作成装置３のデータ変換部３３および位置・姿勢算出部３１にそれぞれ転送される。

位置・姿勢算出部３１は、各計測時刻における計測車両２の位置および姿勢角を特定の座標系（本実施の形態では地理座標系）で算出する。具体的には、位置・姿勢算出部３１は、計測データ記憶部２５から、ＧＮＳＳ受信機２２で取得した計測車両２の緯度、経度および高さのデータ、ならびに慣性計測装置２３で計測した角度（または角速度）および角加速度のデータを読み出し、これらのデータに基づいて、各時刻における計測車両２の位置および姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を算出する。

地理座標系は世界測地系でも任意座標のいずれでもよく、例えば、最初に観測した、任意の位置の構造物のレーザ照射点を（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）としてもよい。算出された計測車両２の位置および姿勢のデータは、位置・姿勢データ記憶部３２に記憶される。

データ変換部３３は、読み出したデータに基づいて各時刻における構造物のレーザスキャンデータＧ１を、地理座標系の三次元点群データＧ２に変換する。極座標で表されたレーザスキャンデータＧ１を、計測車両２の位置および姿勢のデータに基づいて、地理座標系で表された三次元点群データＧ２に変換する演算式は、例えば特開２００９−２０４６１５号公報に記載されているように広く知られているため、ここでは説明を省略する。データ変換部３３で作成された地理座標系の三次元点群データＧ２は、三次元点群データ記憶部３４に記憶される。

次に、図６のフローチャートを参照して、地理座標系に変換された三次元点群データＧ２に基づいて枕木加工用データＧ３を作成する手順（第３のステップ）を説明する。

第３のステップでは、三次元点群データＧ２から図１に２点鎖線で囲った領域Ｒのデータを枕木毎に切り出し、切り出した三次元点群データに基づいて枕木加工用データを作成する。なお、以後の処理は、データ作成装置を構成する磁気ディスク装置に格納されたデータ作成用プログラムを読み出してＣＰＵで実行することにより実現される。

最初に、枕木加工用データ作成部（以降、単に「データ作成部」という）３５は、三次元点群データ記憶部３４に格納された三次元点群データＧ２を読み出し、個々の枕木の位置を特定すると共に、特定した各枕木に識別用の番号を付与する（ステップＳ１）。

具体的には、三次元点群データＧ２から枕木１１のデータを取り出す。取り出したデータは、枕木の上面を頂点とし、フランジの上面を底とする櫛歯状のデータとなる。この櫛歯状のデータの凸部は枕木に対応しているため、図１に示すように、それぞれの凸部に識別用の番号を付与する。

番号を付与する方法として、図１に示すように、予めレール１３の任意の箇所に反射シール１６を貼っておき、反射シール１６からのレーザスキャンデータを検出した位置の枕木１１を先頭として番号を付与すれば、枕木との番号の照合を簡単に行うことができる。

前述したように、三次元点群データ記憶部３４には、個々の枕木について３つの地点（図５のＰ１、Ｐ２、Ｐ３）でレーザスキャンした三次元点群データが格納されている。枕木の設置間隔が５０ｃｍ程度であるのに対してＧＮＳＳ受信機２２で取得したスキャナ部の位置データの誤差は１０ｃｍ程度であるため、三次元点群データＧ２の位置データによって、３つの地点でスキャンした点群データを関連付け、それぞれの点群データＧ２に同一の枕木の番号を付与して区別する。

次に、データ作成部３５は、１番目の番号を付与した枕木について、図１に示すように、枕木の周辺を含む三次元点群データを切り出す（ステップＳ２）。引き続きデータ作成部３５は、切り出した三次元点群データから後述の手順により枕木の左辺と右辺の厚みＴ１、Ｔ２、ならびに枕木の長さＬ１のデータをそれぞれ算出する（ステップＳ３）。

データ作成部３５は、番号が付与された順に枕木のデータを切り出してステップＳ２およびＳ３の処理を繰り返し（ステップＳ４においてＮｏ）、算出された枕木の左辺と右辺の厚みデータＴ１、Ｔ２、ならびに枕木の長さデータＬ１を、枕木の番号毎に列記した表を作成する（ステップＳ５）。作成された表のデータは、枕木加工用データ記憶部３６に格納される。

次に、図７〜図１０を参照して、ステップＳ２で切り出した三次元点群データから枕木の左辺と右辺の厚みＴ１，Ｔ２ならびに枕木の長さＬ１を求める手順を説明する。図７に、本実施の形態で計測した枕木の形状を示す。

最初に、図８を参照して、枕木の左辺の厚みＴ１を求める方法について説明する。図５のＰ２の位置、すなわち枕木の正面左側に設置され、かつレーザビームの回転断面が枕木の正面から左に４５度傾いているスキャナ部２１１を用いて得られた三次元点群データＧ２から枕木の正面の壁に沿った平面の所定幅（本実施の形態では±３ｃｍ）の点群データを抽出する。

次に、抽出した三次元点群データを、枕木の正面の壁に沿った平面のＺ軸方向をＹ軸とし、それと直交する方向をＸ軸とする二次元点群データに変換する。図８（ａ）にこのようにして変換された二次元点群データを示す。

図中の符号は、フランジ１２Ｌ、レール１３Ｌ、１３Ｒおよび受け台１５のそれぞれの位置を示す。また符号１６は、レール間に取り付けられた脱線防止用ガードの外形を示す。図７には表示されていないが、レール１３Ｌと１３Ｒの間には、一定間隔で脱線防止ガード１６が設けられている。

次に、図８（ｂ）に示すように、作成された二次元点群データのうち枕木の上辺に沿うように直線Ｓ１を引く。直線の引き方としては、Ｙ座標の点群データの数を一定間隔毎（例えば１ｍｍ毎）に数え、その数が閾値を超える、もしくは閾値以下となる点の座標値を見つけ、その座標値において水平方向に直線を引く。直線Ｓ１の左右の端は、直線に沿った点群データのＸ座標の最小値と最大値によって決定する。

次に、図８（ｃ）に示すように、直線Ｓ１から所定の距離内（例えば１ｃｍ以内）にある点群データ（枠Ａ１内の点群データ）を用い、最小二乗法により直線Ｓの位置と角度を補正する。なお、最小二乗法による位置と角度の補正方法については、一般に広く知られているため、ここでは説明を省略する。

枕木の左辺および下辺についても、上辺と同様の方法により、辺に沿って直線Ｓ２およびＳ３を引き、更に最小二乗法により直線の位置と角度を補正する（図８（ｄ）（ｅ）参照）。なお、下辺の直線を求める場合に使用する二次元点群データは、受け台１５より外側（左側）の点群データを用いる。

最後に、図８（ｆ）に示すように、このようにして補正した上辺、左辺および下辺の直線（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の座標から、左辺の直線Ｓ２が、上辺および下辺の直線Ｓ１、Ｓ３と交わる点間の距離を算出し、算出した値を左辺の厚みＴ１とする。

左辺の厚みＴ１の求め方として、最小二乗法により補正された直線Ｓ２の上端と下端の座標から、直線Ｓ２の距離を算出することも可能であるが、点群データの密度によっては誤差が生じる場合がある。これに対し、直線Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の交点を用いた場合、点群データの密度に関係なく交点間の距離を算出できるため、高い精度で厚みＴ１を求めることができる。

次に、図９を参照して、枕木の右辺の厚みＴ２の求め方を説明する。図９（ａ）に示す二次元点群データは、図５のＰ３の位置にあるスキャナ部２１１を用いて得られた三次元点群データから、図８（ａ）で示した方法と同様の方法で作成したデータである。

図８（ｂ）および（ｃ）を用いて説明した方法と同様の方法により、図９（ａ）の二次元点群データの上辺、右辺および下辺に沿って直線（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を引き、更に、最小二乗法により直線の位置と傾きを補正する。図９（ｂ）に、二次元点群データに直線Ｓ４、Ｓ５およびＳ６、枠Ａ４、Ａ５およびＡ６を記入した状態を示す。

更に、図８（ｆ）を用いて説明した方法と同様の方法により、右辺の直線Ｓ５が上辺および下辺の直線Ｓ４、Ｓ６と交わる点間の距離を算出し、算出した値を右辺の厚みＴ２とする。図９（ｃ）に、図８（ｆ）の左辺の厚みＴ１を右辺の厚みＴ２に置き換えた図面を示す。

次に、図１０を参照して、上辺の長さＬ１の求め方を説明する。図１０（ａ）に示す二次元点群データは、図５のＰ１の位置にあるスキャナ部２１１を用いて得られた三次元点群データから、図８（ａ）に示した方法と同様の方法で作成した点群データである。

上辺に沿った直線Ｓ７の引き方は、図８（ｂ）で示した直線の引き方とは異なっている。図１０（ａ）に示すように、レーザビームＬＢが枕木１１の長手方向と平行にスキャンされるため、点群データは上辺と平行な線となり、Ｙ軸方向の密度が小さい。Ｙ座標の点群データの数を所定の間隔（例えば１ｍｍ）で数えると、図１０（ａ）の右側に示すように、上辺に対応する座標の点群データの数が最大となるので、このＹ座標においてＸ軸に平行に直線を引く。図１０（ｂ）に、上辺に沿って引かれた直線Ｓ７を示す。

次に、図８で説明したのと同様の方法で、直線Ｓ７に隣接した枠Ａ７を設け、この枠内の点群データを用いて、最小二乗法により直線Ｓ７の位置と傾きを補正する。補正された直線Ｓ７の両端の座標値から直線Ｓ７の長さを算出する。

上辺の長さＬ１の求め方は、左辺や右辺の長さの求め方と異なる。前述したように、枕木に使用される原木の長さは、２４００ｍｍ、２６００ｍｍ、２８００ｍｍまたは３０００ｍｍのいずれかであり、これ以外の長さの原木が使用されることはない。

直線Ｓ７の位置と傾きを補正するまでの手順は、左辺や右辺における厚みの求め方と同じであるが、補正された直線Ｓ７の長さは、上述した４種類の長さのいずれかに近いはずであるため、算出された直線Ｓの長さに最も近い値を、上辺の長さとする。図１０（ｃ）に示すように、算出した直線の長さは２６０２ｍｍであり、この値に最も近い値は２６００ｍｍであるため、上辺の長さＬ１は２６００ｍｍとなる。

最後に、このようにして算出もしくは特定した上辺の長さＬ１、左辺および右辺の厚みＴ１およびＴ２を用いることにより、下辺を除く枕木の断面形状を再現できる。具体的には、図１０（ｄ）に示すように、長さ２６００ｍｍの上辺の直線Ｓ７の左端に、直線Ｓ７と直交する状態で、算出した左辺の厚みＴ１の直線Ｓ２を引き、同様に、直線Ｓ７の右端に、直線Ｓ７と直交する状態で、算出した右辺の厚みＴ２の直線Ｓ５を引く。更に、直線Ｓ２の下端と直線Ｓ５の下端を直線で結ぶと、枕木の断面形状が再現される。

前述したように、下辺については、スキャナ部２１１の設置位置によって、レールや移動止め板等が影となって三次元点群データを取得できない場合があるため、左辺や右辺における厚みの求め方をそのまま適用することはできない。

しかし、スキャナ部２１１の位置や姿勢によっては、段差部１１１の位置を示す三次元点群データを取得できる場合がある。この場合には、左辺の厚みＴ１を求めた場合と同様の方法で、段差部１１１の位置を示す値Ｌ２およびＬ３を求めれば、底面を含めた枕木の断面形状を再現でき、枕木の作製に必要な全てのデータＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｔ１およびＴ２を取得できる。

以上説明したように、本発明に係るデータ作成システムを用いれば、データ作成用プログラムを用いて、枕木の加工に必要な左辺および右辺の厚み、ならびに上辺の長さを自動的に算出できるため、枕木加工用のデータ作成に要する時間を大幅に削減できる。また、それに伴い、データ作成に作業者の手を煩わす割合が減るため、作業者の肉体的・精神的負担を軽減できる。

なお、本実施の形態では、１台のスキャナ部の位置を変えることにより３つの地点における三次元点群データを取得したが、計測車両に３台のレーザスキャナを搭載し、それぞれのスキャナ部を同時に動作させるようにすれば、レーザスキャンデータの取得に要する時間を大幅に削減できる。現状では、レーザスキャナが高価であるため、コスト面で問題があるが、レーザスキャンの価格が低下すれば、採用する価値は十分にある。

１ 枕木加工用データ作成システム
２ 計測車両
３ データ作成装置
１１ 枕木
１２Ｌ、１２Ｒ フランジ
１３Ｌ、１３Ｒ レール
１４ 締結具
１５ 受け台
２１ レーザスキャナ
２２ ＧＮＳＳ受信機
２３ 慣性計測装置
２４ レーザスキャンデータ記憶部
２５ 計測データ記憶部
２６ 車両本体
２７ ガイド板
２８ スライダ
２９ 支持台
３１ 位置・姿勢算出部
３２ 位置・姿勢データ記憶部
３３ データ変換部
３４ 三次元点群データ記憶部
３５ データ作成部
３６ 枕木加工用データ記憶部
１１１ 段差部
２１１ スキャナ部
２２１ アンテナ
２９１ 回転テーブル
２９２ 傾斜テーブル
２９３ 旋回テーブル
ＬＢ レーザビーム

Claims (8)

1. 鉄道橋上の軌道を構成する一対のフランジと一対のレールとの間に挿入される複数の枕木の加工用データを作成する枕木加工用データ作成システムであって、
   車両本体にレーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機、および慣性計測装置が搭載され、レール上を移動しながら、前記レーザスキャナを用いて軌道までの距離と方向を計測してレーザスキャンデータを取得し、かつ前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置を用いて前記車両本体の位置および姿勢に関するデータを取得する計測車両と、
   前記レーザスキャナ、ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得されたデータに基づいて枕木加工用データを作成するデータ加工装置と、を備え、
   前記レーザスキャナは、スキャナ部を回転させながらパルス状のレーザビームを対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を計測するもので、前記スキャナ部は、レーザビームの回転断面が鉛直方向に対して所定の角度を保つように配置され、
   前記データ加工装置は、
   前記レーザスキャナで取得したレーザスキャンデータを、前記ＧＮＳＳ受信機および慣性計測装置で取得したデータに基づいて、地理座標系で表示された三次元点群データに変換するデータ変換部と、
   前記三次元点群データに基づいて、少なくともそれぞれの枕木の厚みを算出して枕木加工用データを作成するデータ作成部と、で構成され、
   前記データ変換部は、前記計測車両の進行方向と直交する方向のうち、枕木の正面左側、正面右側および正面中央に対向する地点に設置されたスキャナ部を用いて計測された第１、第２および第３の三次元点群データを作成し、
   前記データ作成部は、
   前記第１、第２および第３の三次元点群データから、枕木の正面の壁に沿った平面の所定幅の点群データをそれぞれ抽出して、第１、第２および第３の二次元点群データを作成すると共に、
   前記第１の二次元点群データに基づいて枕木の左辺の厚みを算出し、前記第２の二次元点群データに基づいて枕木の右辺の厚みを算出し、前記第３の二次元点群データに基づいて枕木の上辺の長さを算出することを特徴とする枕木加工用データ作成システム。
2. 前記データ作成部は、
   前記第１の二次元点群データの上辺、下辺および左辺に沿って直線を引くと共に、それぞれの直線の位置と傾きを、直線から所定の範囲内にある点群データを用いて最小二乗法により補正し、
   当該補正された左辺の直線が、上辺および下辺の直線で挟まれる区間の距離を算出し、当該算出された値を左辺の厚みとする、請求項１に記載の枕木加工用データ作成システム。
3. 前記データ作成部は、
   前記第２の二次元点群データの上辺、下辺および右辺に沿って直線を引くと共に、それぞれの直線の位置と傾きを、直線から所定の範囲内にある点群データを用いて最小二乗法により補正し、
   当該補正された右辺の直線が、上辺および下辺の直線で挟まれる区間の距離を算出し、当該算出された値を右辺の厚みとする、請求項１に記載の枕木加工用データ作成システム。
4. 前記データ作成部は、
   前記第３の二次元点群データの上辺に沿って直線を引くと共に、当該直線の位置と傾きを、直線から所定の範囲内にある点群データを用いて最小二乗法により補正し、
   当該補正された直線の長さが、予め用意した長さのうちいずれに近いか判定し、最も近いと判定した値を前記上辺の長さとする、請求項１ないし３のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。
5. 前記データ作成部は、前記第１、第２および第３の二次元点群データを作成する際、枕木の正面の壁に沿った平面のＺ軸方向をＹ軸とし、それと直交する方向をＸ軸とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。
6. 前記レーザスキャナのスキャナ部はスライダに取り付けられ、当該スライダは、前記車両本体に固定されたガイド板上を、当該計測車両の進行方向およびそれと直交する方向に移動可能である、請求項１ないし５のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。
7. 前記計測車両には、３台のレーザスキャナが搭載されており、それぞれのスキャナ部は、当該計測車両の進行方向と直交する方向に距離を隔て、かつ水平面内の角度が異なる状態で設置されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。
8. 前記データ作成部は、前記第１、第２および第３の三次元点群データから、同一の枕木のデータをそれぞれ取り出し、当該データに識別用の番号を付与する、請求項１ないし４のいずれかに記載の枕木加工用データ作成システム。

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