JP6476059B2 - 摩耗量算出システム、スリット光照射装置、摩耗量算出プログラム - Google Patents

Description

本発明は、レールの摩耗量を測定する技術に関する。

鉄道用のレールは、このレール上を走行する車両と擦れ合うことなどにより、その路面や頭部が摩耗し、この摩耗量が大きくなることで、車両の正常な走行が阻害される可能性が高まる。このようなレールの摩耗に起因する走行の異常を防ぐため、摩耗したレールを正常なレールと交換する作業が従来から行われており、このレールの交換に先立って、レール摩耗量の測定が行われている。

レール摩耗量は、測定対象としてのレールの断面像と、正常なレール、すなわち摩耗が生じていない所望の形状を有するレールとの比較によって測定される。レールの断面像は、測定対象とするレールが線路に設置されているレールであるため、レールの表面形状が反映されたレール画像を撮像し、この撮像画像に座標変換等の画像処理を施すことによって得られる。また、レールの表面形状は、レール画像の撮像において、照射されたスリット光によりレール上に生じたスリット像を撮像することによって得られる。このような光学的測定手法は光切断法として知られている。

また、光切断法を用いたレールの測定技術として、レールに光を照射するスリット光源と、レールから散乱された光を受光するＣＣＤカメラとを有し、ＣＣＤカメラにより撮像した画像から、既知であるＣＣＤカメラとレール上のスリット像との位置関係に基づいてレールの断面形状を求め、この断面形状に関するデータとレールの形状に関して基準となるデータとの偏差を求めることによってレールの摩耗量を測定するレール断面摩耗測定装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平６−１１３１５号公報

上述したような光切断法を用いたレールの摩耗量を測定する装置としては、レール上を走行する車両に搭載された測定装置と、測定を行う作業者により持ち運び可能となっている携帯型の測定装置とが挙げられ、いずれの装置においても、レールの断面形状を求めるにあたって、カメラとレール上のスリット像との位置関係が既知である必要がある。すなわち、スリット光源とカメラとの位置関係は固定されている必要があることから、携帯型の測定装置は、スリット光源とカメラとを含むためにその重量が重くなり、作業者による装置の持ち運びやレールへの設置などのレールの摩耗の測定に係る作業が煩雑となっていた、という問題がある。

本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、レールの摩耗の測定をより容易にすることができる摩耗量算出システム、スリット光照射装置、摩耗量算出プログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本実施形態の摩耗量算出システムは、レールの上方からスリット光を照射するスリット光源と、前記レールの長手方向に直交する平面上において、所定の位置にある第１点と、該第１点と所定の軸方向に異なる位置にある第２点と、前記所定の軸方向に直交する軸方向に前記第１点と異なる位置にある第３点とを少なくとも有する２次元図形である参照図形を表示する表示部とを有するスリット光照射装置と、前記スリット光が前記レールに照射されることにより生じるスリット像と前記参照図形とを撮像するカメラと、該カメラにより撮像された撮像画像を取得する取得部と、該撮像画像から前記参照図形を抽出し、抽出した参照図形に基づいて前記撮像画像の台形歪みを補正する補正部と、該補正部により補正された撮像画像から前記スリット像を前記レールの輪郭である測定輪郭として抽出する抽出部と、予め記憶されたレールの輪郭である基準輪郭と前記測定輪郭との比較に基づいて前記レールの摩耗量を算出する算出部とを有する摩耗量算出装置とを備える。

また、本実施形態のスリット光照射装置は、レールの上方からスリット光を照射するスリット光源と、前記レールの長手方向に直交する平面上において、所定の位置にある第１点と、該第１点と所定の軸方向に異なる位置にある第２点と、前記所定の軸方向に直交する軸方向に前記第１点と異なる位置にある第３点とを少なくとも有する２次元図形である参照図形を表示する表示部とを備える。

また、本実施形態の摩耗量算出プログラムは、スリット光がレールに照射されることにより生じるスリット像と、前記レールの長手方向に直交する平面上において、所定の位置にある第１点と、該第１点と所定の軸方向に異なる位置にある第２点と、前記所定の軸方向に直交する軸方向に前記第１点と異なる位置にある第３点とを少なくとも有する２次元図形である参照図形とがカメラにより撮像された撮像画像を取得し、取得した撮像画像から前記参照図形を抽出し、抽出した参照図形に基づいて前記撮像画像の台形歪みを補正し、補正した撮像画像から前記スリット像を前記レールの輪郭である測定輪郭として抽出し、予め記憶されたレールの輪郭である基準輪郭と前記測定輪郭との比較に基づいて前記レールの摩耗量を算出することをコンピュータに実行させる。

本発明の実施形態によれば、より容易にレールの摩耗を測定することができる。

本発明の摩耗量算出システムの全体構成を示す実施形態の概略斜視図である。 レールに設置されたスリット光照射装置の構成を示す正面図である。 スリット光照射装置の構成を示す右側面図である。 スリット光照射装置の構成を示す平面図である。 摩耗量算出装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 摩耗量算出装置の機能構成を示すブロック図である。 摩耗量算出装置の動作を示すフローチャートである。 ディスプレイに表示される摩耗量の算出結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

まず、本実施形態に係る摩耗量算出システムの全体構成について説明する。図１は、本発明の摩耗量算出システムの全体構成を示す実施形態の概略斜視図である。

図１に示すように、本実施形態に係る摩耗量算出システム１は、レール９に設置されるスリット光照射装置２と、レール９とスリット光照射装置２とを撮像した画像に基づいてレール９の摩耗量を測定する摩耗量算出装置３とを備える。摩耗量算出システム１の測定対象としてのレール９は、長手方向Ｌに延在する鉄道用のレールであり、最上部に形成された頭部９ａと、頭部９ａと比較して小さい幅に形成され、その上端が頭部９ａに接続される腹部９ｂと、頭部９ａの側面下端から腹部９ｂの上端にかけて所定の曲率半径を有する形状に形成された顎部９ｃと、腹部９ｂの下端に接続され、頭部９ａと比較して大きな幅に形成される底部９ｄとを有する。摩耗量算出システム１によれば、鉄道車両の車輪が当接するレール９の頭部９ａの摩耗量が測定される。

スリット光照射装置２は、レール９に設置された状態において、スリット光ＳＬをレール９の頭部９ａの上面及び側面に照射するとともに、発光により所定の形状を有する参照光Ｒを表示する。摩耗量算出装置３は、本実施形態においては少なくともディスプレイ３５とカメラ３６とを備えるタブレット型端末として構成され、スリット光照射装置２により照射されたスリット光により生じるレール９上のスリット像ＳＩと、スリット光照射装置２により表示された参照光とが収まる撮像範囲ＩＲの画像をカメラ３６により撮像し、撮像画像に基づいてレール９の摩耗量を算出し、算出した摩耗量を測定結果としてディスプレイ３５に表示する。

次に、スリット光照射装置の構成について説明する。図２は、レールに設置されたスリット光照射装置の構成を示す正面図である。図３は、スリット光照射装置の構成を示す右側面図である。図４は、スリット光照射装置の構成を示す平面図である。

図２〜図４に示すように、スリット光照射装置２は、本体２０と、表示部２１と、スリット光源２２と、支持部２３と、グリップ２４とを備える。本体２０は、支持部２３によってレール９の頭部９ａの上方に所定距離だけ離れた位置に支持され、表示部２１とスリット光源２２とが設けられる筐体である。表示部２１は、本体２０に設けられ、本体２０がレール９に設置された状態において、参照光として、レール９の長手方向に直交する平面上に所定の２次元形状を表示するように発光し、本実施形態においては、この所定の２次元形状に形成されたスリットと、このスリットをその照射光が通過するように本体２０内部に設けられたＬＥＤとから構成される。スリット光源２２は、本体２０に設けられ、レール９の長手方向及び上下方向に直交する左右方向から頭部９ａを挟むように配されたスリット光源２２ａとスリット光源２２ｂとを有する。支持部２３は、一端が本体２０に接続され、他端に係合部２３１と固定部２３２とを有し、係合部２３１及び固定部２３２によってレール９に対して上下方向における所定位置に所定の傾きで固定される。グリップ２４は支持部２３に設けられ、レール９の摩耗の測定を行う作業員がスリット光照射装置２を把持可能に構成された部材である。

表示部２１により表示される２次元形状は、摩耗量算出装置３により撮像された画像に生じる台形歪みを補正する際に用いられる参照図形であり、本実施形態において長方形に構成される。なお、この参照図形は、所定の第１点、この点から左右方向に異なる位置に配された第２点、第１点及び第２点に対して少なくとも上下方向に異なる位置に配された第３点からなる３点を有するものであれば良いが、このような点を増やすこと、参照図形が各点を結ぶ直線を有すること、この直線が上下方向または左右方向に平行すること、といった条件を満たすことによって、参照図形として、摩耗量の算出精度をより向上させるものとなる。よって、表示部２１により参照光として表示される長方形は、スリット光照射装置２がレール９に設置された状態において、その上下辺が左右方向に平行し、その左右辺が上下方向に平行するように形成される。また、本実施形態において参照図形を参照光として表示されるものとしたが、発光することなく、本体２０に描画されるものであっても良い。

スリット光源２２は、レール９の上方から頭部９ａへ、レール９の長手方向に直交するスリット光を照射する。ここで、スリット光源２２ａ、２２ｂは、それぞれ、上下方向に対して所定角度だけ傾斜してスリット光を照射し、これによって、頭部９ａの一方の側面から上面を経由して他方の側面にかけて、レール９の長手方向に直交する細線状のスリット像が生じる。このスリット像によれば、頭部９ａの形状を呈する恰もレールを切断したかのような光切断像が得られる。

表示部２１による参照光、スリット光源２２によるスリット光は、いずれも撮像画像のピクセルの色を表現するＲＧＢのいずれか一色であり、参照光とスリット光は互いに異なる色となっている。本実施形態において、参照光を青（Ｂ）とし、スリット光を赤（Ｒ）とするが、例えば、参照光を緑（Ｇ）とし、スリット光を青としても良い。また、参照光、スリット光の色を作業者により選択可能としても良い。このように参照光及びスリット光の色を互いに異なる原色とすることによって、後述する摩耗量算出装置３による摩耗量の算出に係る処理が容易となる。

係合部２３１及び固定部２３２は、いずれもレール９に着脱可能に接合する磁石により構成され、スリット光照射装置２の設置時において、係合部２３１は顎部９ｃに吸着し、固定部２３２は腹部９ｂに接合する。また、係合部２３１は、図３に示すように、レール９の長手方向において互いに位置が異なる係合部２３１ａと係合部２３１ｂとを有し、これらはレール９に接合する面が顎部９ｃに対して略相補形に形成される。このような係合部２３１及び固定部２３２によれば、顎部９ｃには車両の車輪が接しないため、レール９の頭部９ａに対して、支持部２３により支持される本体２０の位置及び傾きが確定され、したがって、スリット光照射装置２の設置時において、本体２０に設けられる表示部２１及びスリット光源２２と頭部９ａとの位置関係が常に一定に保たれる。

次に、摩擦量算出装置の構成について説明する。図５は、摩耗量算出装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図６は、摩耗量算出装置の機能構成を示すブロック図である。

摩耗量算出装置３は、本実施形態においてはタブレット型端末装置であり、ハードウェアとして、図５に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１、ＲＡＭ３２、記憶装置３３、入力部３４、ディスプレイ３５、カメラ３６を備える。

ＣＰＵ３１は、ＲＡＭ３２と協働して、後述する各種機能を実行する。記憶装置３３は、不揮発性のメモリであり、測定の基準とする輪郭形状を示す基準輪郭を記憶する。ここで、この基準輪郭は、摩耗が生じていないレールの頭部の輪郭を示すデータである。入力部３４は位置情報を取得するタッチパッドであり、ディスプレイ３５は液晶ディスプレイのような静止画または動画を表示可能な表示装置であり、本実施の形態においては、入力部３４とディスプレイ３５とが協働したタッチパネルが用いられるものとする。カメラ３６は、画像センサとレンズにより構成される撮像装置とする。

また、摩耗量算出装置３は、機能として、取得部３０１、補正部３０２、抽出部３０３、算出部３０４、提示部３０５を備える。取得部３０１は、カメラ３６により撮像された撮像画像を取得する。補正部３０２は、撮像画像上にある参照光に基づいて、撮像画像の台形歪みを補正する。抽出部３０３は、補正部３０２より補正された撮像画像からスリット像を抽出して頭部９ａの輪郭を測定輪郭として生成する。算出部３０４は、測定輪郭と記憶装置３３に格納された基準輪郭とに基づいてレール９の摩耗量を算出する。提示部３０５は、算出部３０４により算出された摩耗量をディスプレイ３５に表示することによって、レール９の摩耗量の測定結果を作業者に提示する。

次に、摩耗量算出装置の動作について説明する。図７は、摩耗量算出装置の動作を示すフローチャートである。図８は、ディスプレイに表示される摩耗量の算出結果を示す図である。なお、図７に示すフローチャートにおいては、スリット像と参照光とが収まる撮像範囲が、予めカメラにより撮像されているものとする。

図７に示すように、まず、取得部３０１は、カメラ３６により撮像された撮像画像を取得する（Ｓ１０１）。ここで、撮像画像は、各ピクセルの色がＲＧＢ値によって表現されるデータとする。また、撮像画像には、レール９の頭部９ａの上面及び側面に生じたスリット光が撮像されていることが望ましく、したがって、撮像画像は、カメラ３６の撮像方向がレール９に対して上下方向及び左右方向に所定の傾きを有して撮像されたものとする。

撮像画像の取得後、補正部３０２は、撮像画像から参照光を抽出する（Ｓ１０２）。ここで補正部３０２は、参照光に割り当てられた原色である青色となっているピクセルの領域を選別して、２値化によってこの領域と他の領域とを分離する。その後、補正部３０２は、抽出された参照光による形状が、参照図形と同様になるように、取得部３０１により取得された画像を補正する（Ｓ１０３）。ここで、参照図形と同様になる、とは、抽出された参照光による形状において、各辺の傾斜、及び上下辺と左右辺との比率が長手方向から見た参照図形のものと一致することを示す。

次に、抽出部３０３は、補正部３０２により補正された撮像画像からスリット像を抽出する（Ｓ１０４）。ここで抽出部３０３は、スリット光に割り当てられた原色である赤色となっているピクセルの領域を選別して、２値化によってこの領域と他の領域とを分離する。その後、抽出部３０３は、撮像画像から抽出したスリット像を細線化することによってレール９の頭部９ａの輪郭を測定輪郭として生成する（Ｓ１０５）。ここで抽出部３０３は、２値化によって分離されたスリット光の領域の中心線のみが残るように、スリット光の領域を狭める処理を行う。

次に、算出部３０４は、基準輪郭との比較のため、測定輪郭を正規化する（Ｓ１０６）。ここで算出部３０４は、補正部３０２により補正された撮像画像における参照光の位置とスリット像との位置関係に基づいて測定輪郭を正規化する。その後、算出部３０４は、正規化された測定輪郭と基準輪郭との比較によって、レール９の頭部９ａの摩耗量を算出する（Ｓ１０７）。ここで算出部３０４は、測定輪郭上に設定された複数個所について、測定輪郭との比較を行う。

次に、提示部３０５は、算出部３０４により算出された摩耗量の数値と輪郭を、図８に示すように、ディスプレイ３５に表示することによって、測定結果を作業者に提示する（Ｓ１０８）。なお、図８においては、レール９の頭部９ａの側方の一方の摩耗量が表示されていないが、左右方向における逆方向に傾けた状態で再度撮像した撮像画像に基づいて算出された摩耗量を重ね合わせることによって、レール９の頭部９ａの全形状を表示することも可能となる。

以上説明したように、参照光として参照図形を表示する表示部を備えることによって、スリット光照射装置にスリット像との位置関係が確定した、即ち、スリット光源との位置関係が固定されたカメラを備える必要がない。また、これによれば、例えばタブレット型端末装置のような汎用的な機器に備えられたカメラやＣＰＵをレールの摩耗量の測定に利用することができ、測定に掛かるコストを低減することができる。

本実施形態において、摩耗量算出プログラムは上述した摩耗量算出装置の内部に予めインストールされているものとして記載したが、本発明における摩耗量算出プログラムは記憶媒体に記憶されたものも含まれる。ここで記憶媒体とは、磁気テープ、磁気ディスク（ハードディスクドライブ等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤディスク等）、光磁気ディスク（ＭＯ等）、フラッシュメモリ等、摩耗量算出装置に対し脱着可能な媒体や、さらにネットワークを介することで伝送可能な媒体等、上述した摩耗量算出装置におけるコンピュータで読み取りや実行が可能な全ての媒体をいう。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 摩耗量算出システム
２ スリット光照射装置
３ 摩耗量算出装置
９ レール
９ｂ 腹部
９ｃ 顎部
２０ 本体
２１ 表示部
２２ スリット光源
２３ 支持部
３６ カメラ
２３１ 係合部
２３２ 固定部
３０１ 取得部
３０２ 補正部
３０３ 抽出部
３０４ 算出部

Claims (8)

1. レールの上方からスリット光を照射するスリット光源と、前記レールの長手方向に直交する平面上において、所定の位置にある第１点と、該第１点と所定の軸方向に異なる位置にある第２点と、前記所定の軸方向に直交する軸方向に前記第１点と異なる位置にある第３点とを少なくとも有する２次元図形である参照図形を表示する表示部と、前記スリット光源と前記表示部とが設けられる本体と、該本体を前記レールに対して所定の位置に支持する支持部とを有し、該支持部が、前記レールの顎部の形状と相補形に形成されて前記顎部に係合する係合部と、前記レールの腹部に前記支持部を固定する固定部とを含むスリット光照射装置と、
   前記スリット光が前記レールに照射されることにより生じるスリット像と前記参照図形とを撮像するカメラと、該カメラにより撮像された撮像画像を取得する取得部と、該撮像画像から前記参照図形を抽出し、抽出した参照図形に基づいて前記撮像画像の台形歪みを補正する補正部と、該補正部により補正された撮像画像から前記スリット像を前記レールの輪郭である測定輪郭として抽出する抽出部と、予め記憶されたレールの輪郭である基準輪郭と前記測定輪郭との比較に基づいて前記レールの摩耗量を算出する算出部とを有する摩耗量算出装置と
   を備える摩耗量算出システム。
2. レールの上方からスリット光を照射するスリット光源と、
   前記レールの長手方向に直交する平面上において、所定の位置にある第１点と、該第１点と所定の軸方向に異なる位置にある第２点と、前記所定の軸方向に直交する軸方向に前記第１点と異なる位置にある第３点とを少なくとも有する２次元図形である参照図形を表示する表示部と、
   前記スリット光源と前記表示部とが設けられる本体と、
   前記本体を前記レールに対して所定の位置に支持する支持部とを備え、
   前記支持部は、前記レールの顎部の形状と相補形に形成されて前記顎部に係合する係合部と、前記レールの腹部に前記支持部を固定する固定部とを有することを特徴とするスリット光照射装置。
3. 前記参照図形において、前記第１点と前記第２点とが直線により接続され、前記第１点と前記第３点とが直線に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のスリット光照射装置。
4. 前記参照図形は、長方形であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のスリット光照射装置。
5. 前記表示部は、前記参照図形を発光により表示することを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載のスリット光照射装置。
6. 前記参照図形は、前記スリット光とは異なる色により表示されることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載のスリット光照射装置。
7. 前記スリット光及び前記参照図形は、それぞれ、ＲＧＢのうちいずれか１色により表示されることを特徴とする請求項６に記載のスリット光照射装置。
8. 前記固定部は、強磁性体であることを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載のスリット光照射装置。

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