(57)【要約】【課題】コンパクトに構成でき、軌道変位の計測を迅速に行える。【解決手段】実施形態の軌道検測装置は、被測定レールの複数箇所の測定点までの距離に対応する複数の距離データが入力されて軌道変位を算出する軌道検測装置である。記憶手段は、複数の前記測定タイミングにおける前記複数箇所の測定点に対応する前記距離データを測定履歴として記憶する。これにより、測定弦正矢算出手段は、被測定レールの延在方向に沿った複数箇所の測定点における同じ測定タイミングに対応する前記距離データに基づいて、測定弦正矢を算出し、弦正矢算出手段は、複数の測定タイミングに対応する測定弦正矢の算出結果に基づいて、所定の基準弦に対応するレール形状を算出する。【選択図】図１
2014240262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定レールの複数箇所の測定点までの距離に対応する複数の距離データが入力されて軌道変位を算出する軌道検測装置であって、
複数の前記測定タイミングにおける前記複数箇所の測定点に対応する前記距離データを測定履歴として記憶する記憶手段と、
前記被測定レールの延在方向に沿った複数箇所の前記測定点における同じ測定タイミングに対応する前記距離データに基づいて、測定弦正矢を算出する測定弦正矢算出手段と、
複数の前記測定タイミングに対応する前記測定弦正矢の算出結果に基づいて、所定の基準弦に対応するレール形状を算出する弦正矢算出手段と、
を備えた軌道検測装置。
【請求項２】
前記弦正矢算出手段は、前記測定弦正矢算出手段における算出結果に対して二階積分を行うことで、前記レール形状を算出する、
請求項１に記載の軌道検測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、軌道検測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道線路を構成する軌道は、レール、レールの間隔を一定に保つ枕木、レールおよび枕木を支え、走行する車両の重量を路盤に伝える道床等から構成されているが、列車運転等によりレールに軌道変位が発生する。
【０００３】
この変位としては、以下の５種類の変位が規定されている。
（１）通り変位（通り狂い）：レールの左右方向の変位
（２）高低変位（高低狂い）：レールの上下方向の変位
（３）軌間変位（軌間狂い）：左右のレールの間隔の変位
（４）水準変位（水準狂い）：左右のレールの高さの差
（５）平面性変位（平面性狂い）
【０００４】
これらの軌道変位（軌道狂い）の中で、特に高低変位（高低狂い）、通り変位（通り狂い）を計測するための技術として、レール上の３点に対して、両端（弦と呼ぶ）に対する端間の相対変位を狂いと定義する正矢法が一般的に知られている。
【０００５】
前述した正矢法に関して、基準弦の長さは、在来線の場合、通常１０ｍが規定で定めており、軌道検測車はレーザー距離センサ等を用いて基準弦を定義し、基準弦に対する狂い（正矢）を計測している。しかし、基準弦を１０ｍとする場合、車両のサイズが最低１０ｍ以上必要であるため、小回りが利かないという欠点があった。さらにより高速な車両のための基準弦は、２０ｍ、４０ｍ等とより長くなる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４１１８６１号公報
【特許文献２】特公平７−１１９５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術においては、基準弦の長さが長くなる傾向にあるため、軌道検測車両、ひいては、システム構成が大きくなってしまうという虞があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コンパクトに構成でき、軌道変位の計測を迅速に行うことが可能な軌道検測装置及び軌道検測車両を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の軌道検測装置は、被測定レールの複数箇所の測定点までの距離に対応する複数の距離データが入力されて軌道変位を算出する軌道検測装置である。
記憶手段は、複数の前記測定タイミングにおける前記複数箇所の測定点に対応する前記距離データを測定履歴として記憶する。
これにより、測定弦正矢算出手段は、被測定レールの延在方向に沿った複数箇所の測定点における同じ測定タイミングに対応する前記距離データに基づいて、測定弦正矢を算出し、弦正矢算出手段は、複数の測定タイミングに対応する測定弦正矢の算出結果に基づいて、所定の基準弦に対応するレール形状を算出する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態の軌道検測装置を搭載した軌道検測車両と、弦正矢法における基準弦と、の寸法関係説明図である。
【図２】図２は、第１実施形態の軌道検測車両の概要構成側面図である。
【図３】図３は、第１実施形態における演算部の概要機能構成ブロック図である。
【図４】図４は、第１実施形態の動作説明図である。
【図５】図５は、測定弦正矢算出手段３ａで算出した複数の測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）を、測定点ｘに対してプロットしたイメージ図である。
【図６】図６は、第２実施形態における演算部の概要機能構成ブロック図である。
【図７】図７は、第２実施形態の動作説明図である。
【図８】図８は、関数の回転の説明図である。
【図９】図９は、第３実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
【図１０】図１０は、第４実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
【図１１】図１１は、第５実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
【図１２】図１２は、第５実施形態における演算部の概要機能構成ブロック図である。
【図１３】図１３は、第６実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
【図１４】図１４は、第７実施形態の軌道検測車両（軌道検測装置）の概要構成図である。
【図１５】図１５は、軌間算出手段としての機能説明概略図である。
【図１６】図１６は、水準算出手段としての機能説明概略図である。
【図１７】図１７は、第１変形例の要部説明図である。
【図１８】図１８は、第２変形例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に実施形態について図面を参照して説明する。
まず、実施形態の軌道検測車両の大きさについて説明する。
図１は、実施形態の軌道検測装置を搭載した軌道検測車両と、弦正矢法における基準弦と、の寸法関係説明図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態の軌道検測車両１に設けられ、同一の被測定レールＲＷ、かつ、同一の測定対象変位に対応する３個の距離センサ２ａ〜２ｃ（図１の例では、高低変位検出用の距離センサ）のうちの距離センサ２ａの測定点Ｐ１と、距離センサ２ｃの測定点Ｐ３と、の離間距離は、基準弦ＢＳｒｅｆの長さＬｒｅｆよりも十分に短く（たとえば、Ｌ１＝Ｌｒｅｆ／１０）設定されている。
【００１２】
ここで、弦正矢法の一例として、基準弦ＢＳｒｅｆの長さＬｒｅｆ＝１０ｍの１０ｍ弦正矢法について説明する。
１０ｍ弦正矢法は、原理的には、１０ｍの長さの弦（糸：基準弦）をレールに沿って張り、この弦の中央位置（弦の両端からそれぞれ５ｍの位置）における弦とレールとの離間距離を通り変位あるいは高低変位として扱うものである。
【００１３】
したがって、軌道検測車両により１回の検測で通り変位あるいは高低変位を取得するために従来においては、１０ｍ以上の長さの軌道検測車両を用いて、検測を行うようにしていた。
【００１４】
ここで、基準弦の長さＢＳｒｅｆ＝１０ｍとするのは、在来線で一般的な速度である９０ｋｍ／ｈｒの場合に車両が揺れやすい周波数（１．０Ｈｚから１．５Ｈｚ）に相当する波長と、１０ｍ弦正矢法において測定倍率が大きい波長（＝実際の軌道変位量よりも振幅が大きく計測される波長）とがほぼ一致しているためである。したがって、在来線の高速線区や新幹線等の車両速度が速い路線においては、車両の運行速度に応じて、基準弦の長さＢＳｒｅｆ＝２０ｍや基準弦の長さＢＳｒｅｆ＝４０ｍとした２０ｍ弦正矢法あるいは４０ｍ弦正矢法が用いられる。
【００１５】
これらに対し、本実施形態の軌道検測車両１は、上述したように距離センサ２ａの測定点Ｐ１と、距離センサ２ｃの測定点Ｐ３と、の測定時基準弦ＢＳの長さに相当する離間距離Ｌ１は、例えば、１ｍとなり、従来の軌道検測車両と比較して非常に小型とすることが可能となっていることがわかる。
一方、本実施形態の軌道検測車両１で得られる軌道検測結果は、従来の軌道検測車両と同じ基準弦（の長さ）に対応するものであり、基準弦の長さが異なることによるデメリットはない。
【００１６】
次により詳細に説明する。
以下の説明においては、座標、左右、計測位置を以下のように定義するものとする。
Ｘ軸：軌道検測車両１の進行方向（鉄道に関しては、レール敷設方向）
Ｙ軸：軌道検測車両１の左右方向
Ｚ軸：軌道検測車両１の高さ方向
左（Ｌ）：軌道検測車両１の進行方向に対して左側のレール
右（Ｒ）：軌道検測車両１の進行方向に対して右側のレール
また、以下の説明においては、左右対称に複数の距離センサがそれぞれ配置されているものとする。
【００１７】
［１］第１実施形態
まず、第１実施形態について説明する。
本第１実施形態は、軌道検測車両１を被測定レールＲＷの高低変位（高低狂い）を測定し、被測定レールの実形状を再現する場合の実施形態である。
【００１８】
図２は、第１実施形態の軌道検測車両の概要構成側面図である。
軌道検測車両１は、大別すると、センサ部２、制御部３、記憶部４及び進行方向前後に配置された車輪５Ａを有する移動体（車両本体）５を備えている。
ここで、センサ部２、制御部３及び記憶部４は、軌道検測装置６を構成している。
【００１９】
センサ部２は、それぞれ左右の被測定レールＲＬ、ＲＲ（両者を区別しない場合、被測定レールＲＷという。以下同じ。）に対応する一対の距離センサ２ａ、一対の距離センサ２ｂ及び一対の距離センサ２ｃの合計３組の距離センサを備えている。
【００２０】
そして、３組の距離センサ２ａ、２ｂ、２ｃは、検出面が同一面上に位置するように、フレーム２Ｆに取り付けられている。すなわち、変位が全くない理想的なレールＲＷの検測を行った場合には、距離センサ２ａ、２ｂ、２ｃの全ての測定距離（レールＲＷ上面までの距離）が等しくなるように取り付けられている。
【００２１】
ここで、距離センサ２ａ、距離センサ２ｂ、距離センサ２ｃは、例えば光源を赤外線とするレーザー距離センサ、または光源を可視光とする可視光計等として構成されている。
このフレーム２Ｆは、剛性が高く、歪の少ないリジッドに形成されている。
ここで、一方のレールに対応する距離センサ２ａ、２ｂ、２ｃは、Ｘ軸方向に沿って一直線上に配置されている。そして、測定点Ｐ１と測定点Ｐ３との間のＸ軸方向の離間距離は、軌道検測車両１における測定用基準弦ＢＳの長さＬ１（≪基準弦ＢＳｒｅｆの長さＬｒｅｆ）に等しい。さらに、測定点Ｐ１と測定点Ｐ２との間のＸ軸方向の離間距離及び測定点Ｐ２と測定点Ｐ３との間のＸ軸方向の離間距離は、それぞれＬ（＝Ｌ１／２）とされている。
【００２２】
そして、移動体５が移動（走行）中の、距離センサ２ａ、距離センサ２ｂ、距離センサ２ｃの投光部と被測定レールＲＷの上面の測定点までの距離Ｚ１〜Ｚ３を計測し、距離Ｚ１〜Ｚ３のそれぞれに対応する距離データＤＺ１〜ＤＺ３を記憶部４に出力して記憶させる。
【００２３】
記憶部４は電源供給が遮断されても記憶内容を保持可能なメモリを採用しても良い。例えば、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュＲＯＭあるいはハードディスクなどである。
移動体５は、フレーム２Ｆ及び車輪５Ａが取り付けられた場合に、振動等がなければ、常に被測定レールＲＬ、ＲＲとフレーム２Ｆとの距離が一定となる様に走行可能に構成されている。
【００２４】
この場合において、移動体５の振動がフレーム２Ｆに直接影響を与えないように、フレーム２Ｆの中央部を移動体５にリジッドに固定する。さらに、フレーム２Ｆの両端は、移動体５とフレーム２Ｆの間に、フレーム２Ｆの剛性に合ったゴム板等の緩衝材７を挟みこみ、ねじ止めする。このような取り付け方にすることで、移動体５の振動の影響を低減できるとともに、フレーム２Ｆが歪む方向への応力を逃がすことができるようになっている。
【００２５】
図３は、第１実施形態における演算部の概要機能構成ブロック図である。
制御部３は、いわゆるマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないＭＰＵ、各種データを不揮発的に記憶するＲＯＭ、各種データを一時的に記憶し、ＭＰＵのワーキングエリアとして機能するＲＡＭ等を備えている。
【００２６】
そして、本第１実施形態において、制御部３は、測定弦ＢＳを用いて測定弦正矢を算出する測定弦正矢算出手段３ａと、算出した測定弦正矢に基づいて被測定レールＲＷの実形状を再現する軌道実形状再現手段３ｂと、して機能する。
【００２７】
制御部３における処理について、詳細に説明する。
図４は、第１実施形態の動作説明図である。
まず、測定弦正矢算出手段３ａとして機能する制御部３について説明する。
測定弦正矢算出手段３ａは、距離センサ２ａで計測した測定点Ｐ１の距離データＤＺ１（＝距離Ｚ１）、距離センサ２ｂで計測した計測点Ｐ２の距離データＤＺ２（＝距離Ｚ２）及び距離センサ２ｃで計測した測定点Ｐ３の距離データＤＺ３（＝距離Ｚ３）を用いて測定弦正矢ＭＭＳを算出する。
ここで、算出に用いる距離データＤＺ１〜ＤＺ３は、記憶部４に記憶、保存されている。
【００２８】
ここで、図４（ｂ）に示すように、測定点Ｐ１と測定点Ｐ３とを結ぶ線分Ｐ１−Ｐ３と距離センサ２ｂと測定点Ｐ２とを結ぶ線分の延長線の交点をＰ４とする。
一方、距離センサ間が等間隔Ｌで設置されていることから、線分Ｐ１−Ｐ３を測定弦ＢＳＭとした場合の測定弦正矢ＭＭＳは、線分Ｐ２−Ｐ４となる。測定弦正矢ＭＭＳの値をｍと定義した場合、幾何学的な関係から以下の式（１）で表すことができる。
【００２９】
【数１】
2014240262.tif 000003
【００３０】
移動体５が被測定レールＲＷ上を走行している間、一定間隔で距離センサ２ａ、距離センサ２ｂ、距離センサ２ｃが距離データＤＺ１、ＤＺ２、ＤＺ３を出力する。
【００３１】
これにより、測定弦正矢算出手段３ａとして機能する制御部３は、測定弦正矢ＭＭＳを算出し、算出結果を順次記憶部４に出力して記憶させ、測定履歴とする。なお、距離データＤＺ１、ＤＺ２、ＤＺ３を生成するための計測は、軌道検測車両１に取り付けられた、図示しないロータリーエンコーダ等の、軌道検測車両１の走行距離に応じてパルスを発生する手段（装置あるいは回路）が出力するトリガ信号に同期して行われる。
【００３２】
次に軌道実形状再現手段３ｂとして機能する制御部３について説明する。
測定弦正矢算出手段３ａで算出した測定弦正矢ＭＭＳを式（２）のように変形する。ここでＬは距離センサ間（例えば、距離センサ２ａと距離センサ２ｂとの間）の距離である。
【００３３】
【数２】
2014240262.tif 000004
【００３４】
一方、関数ｆ（ｘ）の二階微分は以下の式（３）で求めることができる。
【００３５】
【数３】
2014240262.tif 000005
【００３６】
距離センサ間の距離Ｌ（例えば、１ｍ）は、基準弦ＢＳｒｅｆの長さＬｒｅｆ（例えば、１０ｍ）に対して十分に小さいため、２ｍ／Ｌ２を被測定レールＲＷの測定点ｘに対する関数ｆ（ｘ）の空間上の二階微分と見なすことができる。
従って、軌道検測車両１が走行しながら算出する測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）を空間二階積分し、被測定レールＲＷの測定点ｘに対する関数ｆ（ｘ）を算出することで被測定レールＲＷの形状を再現することができる。
具体的な処理としては、測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）の間隔を、基準弦ＢＳｒｅｆに対して十分小さいΔｘとし、以下の式（４）、式（５）により、被測定レールＲＷの実形状を表す関数ｆ（ｘ）を算出する。
【００３７】
【数４】
2014240262.tif 000006
【００３８】
本実施形態では、軌道検測車両１が走行している間に算出した測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）を、順次二階積分していくことで被測定レールＲＷの実形状を再現している。
【００３９】
ところで、本第１実施形態においては、測定した測定弦正矢ＭＭＳに異常値があった場合（例えば、被測定レールＲＷのつなぎ目で軌道検測車両１が大きく振動するなど）、被測定レールＲＷの実形状の再現に影響がでてしまう虞がある場合であっても、異常値を取り除いて被測定レールＲＷの形状を再現することが可能となっている。
【００４０】
次に異常値を取り除いて被測定レールＲＷの形状を再現する処理について、より詳細に説明する。
図５は、測定弦正矢算出手段で算出した複数の測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）を、測定点ｘに対してプロットしたイメージ図である。
【００４１】
ここで、測定点ｘの周期は、測定弦正矢算出手段３ａで測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）を算出する周期ｓｔの整数倍に設定されており、算出した全ての測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）は、少なくとも異常値を取り除いて被測定レールＲＷの形状を再現する処理が完了するまでは、保持されているものとする。
【００４２】
軌道実形状再現手段３ｂとして機能する制御部３においては、積分間隔Δｘを定義して、二階積分する。
図５においては、５個の測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（１），ｍ（２），ｍ（３），ｍ（４），ｍ（５）が積分に用いられる測定弦正矢ＭＭＳの値ｍである。
【００４３】
ここで、図５中、測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（４）のように、標準的なレールの狂いに対して、明らかに大きい値（測点に異物がある、つなぎ目を計測する等）、すなわち、異常値が積分に使用されてしまうと、被測定レールＲＷの形状の再現結果が、実際の被測定レールＲＷの形状と大きく異なる可能性が生じる。
【００４４】
そこで、本第１実施形態では、得られた測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）の中に、通常想定される測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）の変動範囲ＶＡＬを超えて変動した異常値を検知した場合、図５（ｂ）に示すように、元の測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（４）を破棄し、隣接する正常値（図５の例では、直前値ｍｐ）を新たな測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（４）として定義し直し、積分区間も併せて変更して積分している。
【００４５】
すなわち、ｍ（３）と新たなｍ（４）の積分区間＝Δｘ’とし、新たなｍ（４）とｍ（５）の積分区間＝２Δｘ−Δｘ’と変更している。
このように、異常値を破棄し、積分区間も変更することにより、異常値を含めず正確に被測定レールＲＷの実形状を再現することができる。
【００４６】
この場合において、積分による離散誤差については注意が必要である。すなわち、測定弦正矢は離散値となるため、積分区間が長くなれば離散誤差が蓄積し、軌道実形状の復元結果に影響を与えることとなる。従って、離散誤差の影響を低減するために、離散誤差の蓄積による結果のずれが、被測定レールＲＷの形状再現の精度を超えない区間を積分区間に設定する必要がある。
【００４７】
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、測定弦ＢＳの長さを短くすることができるため、軌道検測装置のサイズ、ひいては、軌道検測車両を小型化することができる。
また、被測定レールＲＷの形状を円弧、正弦といった形状に仮定をすることなく、センサ部２の計測方向に対する実形状を再現することができる。
【００４８】
また、測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）に異常値が含まれる場合であっても、確実に測定弦正矢ＭＭＳの値ｍ（ｎ）の異常値を取り除いて被測定レールＲＷの実形状を復元することができる。
【００４９】
以上の説明においては、軌道実形状の復元は本装置の設置方向を変更するだけで、水平方向、高さ方向といったあらゆる方向の復元に対応することができる。
また、以上の説明においては、鉄道用のレールの場合を例として説明したが、本装置が対象とする被計測対象は鉄道レールに限定されず、道路の路面状況調査、ジェットコースターのレール検査など、計測区間の形状把握が必要なあらゆる対象に対して適用可能である。
【００５０】
［２］第２実施形態
次に第２実施形態について説明する。
上記第１実施形態は、軌道検測車両１を被測定レールＲＷの高低変位（高低狂い）を測定し、被測定レールの実形状を再現する場合の実施形態であったが、本第２実施形態は、軌道検測車両１を被測定レールの高低変位（高低狂い）を測定し、基準弦に対応する弦正矢を算出する場合の実施形態である。
【００５１】
図６は、第２実施形態における演算部の概要機能構成ブロック図である。
図６において、図３と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
本第２実施形態においても、制御部３は、いわゆるマイクロコンピュータとして構成されている。そして本第２実施形態の制御部３は、測定弦ＢＳを用いて測定弦正矢を算出する測定弦正矢算出手段３ａと、算出した測定弦正矢に基づいて被測定レールＲＷの実形状を再現する軌道実形状再現手段３ｂと、基準弦ＢＳｒｅｆを用いて弦正矢を算出する弦正矢算出手段３ｃと、して機能する。
【００５２】
ここで、測定弦正矢算出手段３ａ及び軌道実形状再現手段３ｂは、第１実施形態と同様に動作するので、以下の説明においては、主として弦正矢算出手段３ｃの動作に関して説明する。
【００５３】
第１実施形態で述べた通り、軌道実形状再現手段３ｂの再現結果によれば、被測定レールＲＷの実形状は測定点ｘの関数ｆ（ｘ）として表現することができる。
図７は、第２実施形態の動作説明図である。
そこで、図７に示すように、被測定レールＲＷの任意の測定点Ｐ１１（Ｘ座標＝ｘ１）、測定点Ｐ１３（Ｘ座標＝ｘ２）を選んだ場合、被測定レールＲＷの測定点ｘに対する関数ｆ（ｘ）を用いると、測定点Ｐ１１、Ｐ１３のＸＹ座標はそれぞれ、Ｐ１１＝（ｘ１，ｆ（ｘ１））、Ｐ１３＝（ｘ２，ｆ（ｘ２））となる。
【００５４】
線分Ｐ１１−Ｐ１３を測定弦ＢＳ１とし、端間の任意の測定点Ｐ１２＝（ｘ３，ｆ（ｘ３））における変位ＭＭＳ１１（図７では線分Ｐ１２−Ｐ１４の長さ）を算出する場合、計算の都合上、測定弦（あるいは基準測定弦）の両端位置（測定点Ｐ１１、Ｐ１３）における高さを零とすることが適切である。
【００５５】
このため、本第２実施形態では、測定点Ｐ１１、Ｐ１３のＹ座標ｆ（ｘ１）、ｆ（ｘ２）が双方とも零となるように関数ｆ（ｘ）を回転する。
図８は、関数の回転の説明図である。
すなわち、図８に示すように、測定点Ｐ１１を原点とした時に、測定点Ｐ１３を複素数で表現したＰ１３＝ｘｆ＋ｉｙｆを、測定点Ｐ１１、Ｐ１３間の距離ｒ、偏角θを用いた極座標系で表現すると以下の式（６）〜式（８）として表せる。
【００５６】
【数５】
2014240262.tif 000007
【００５７】
また、ｘｆ、ｙｆを直交座標系で表現すると以下の式（９）、式（１０）で表せる。
【００５８】
【数６】
2014240262.tif 000008
【００５９】
これらの式からｃｏｓθ、ｓｉｎθは以下の式（１１）、式（１２）として表せる。
【００６０】
【数７】
2014240262.tif 000009
【００６１】
以上の結果から求められたｅｉθを被測定レールＲＷの測定点ｘに対する関数ｆ（ｘ）に乗じる。つまり、偏角θだけ回転させることで式（１３）に示すように、測定点Ｐ１２における変位ＭＭＳ１１を求めることができる。
【００６２】
【数８】
2014240262.tif 000010
【００６３】
以上、説明した方法を用いれば任意の２点間を測定弦ＢＳ１とした場合の端間の狂いを算出することができる。話を正矢に限定すれば、測定弦ＢＳ１に対する正矢の定義は、「両端を糸で固定した際の中央の距離」のため、線分Ｐ１１−Ｐ１３を基準弦ＢＳｒｅｆとし、上式のｆ（ｘＧ）を以下の式（１４）に示す様に変形すれば弦正矢ｍ’として求めることができる。
【００６４】
【数９】
2014240262.tif 000011
【００６５】
なお、変位ＭＭＳ１１の算出方法はこれまでに説明してきた方法だけではなく、他の方法を用いてもよい。例えば、測定点Ｐ１２を通る接線ベクトルと線分Ｐ１１−Ｐ１３が直交する測定点Ｐ１４を求め線分Ｐ１２−Ｐ１４の長さを直接算出する等の方法も可能である。
【００６６】
以上の説明のように、本第２実施形態によれば、被測定レールＲＷ上の任意の２点間（図７では、測定点Ｐ１１−測定点Ｐ１３間）を弦ＢＳ１とした場合の被測定レールＲＷの測定点の位置に対応する測定弦ＢＳ１との最短距離である変位ＭＭＳ１１（正矢）を算出することができる。
【００６７】
本第２実施形態においても、対象とする被計測対象は鉄道レールに限定されず、道路の路面状況調査、ジェットコースターのレール検査など、計測区間の形状把握が必要なあらゆる対象に対して適用可能である。
【００６８】
［３］第３実施形態
次に第３実施形態について説明する。
本第３実施形態は、測定対象の変位が高低変位である場合の実施形態である。
図９は、第３実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
図９（ａ）は、軌道検測車両１の平面図、図９（ｂ）は、軌道検測車両１の進行方向に対し後方から見た背面図である。なお、理解の容易のため、図９（ｂ）においては、一部構成を省略して記載している。
【００６９】
第３実施形態における移動体５は、左レールＬＲ、右レールＲＲが敷設された、いわゆる鉄道軌道のような軌道を走行する車両である。
移動体５には、左レールＬＲまでの高低方向の距離を計測するためのセンサ部２ＬＶ及び右レールＲＲまでの高低方向の距離を計測するためのセンサ部２ＲＶが設けられている。
【００７０】
センサ部２ＬＶ及びセンサ部２ＲＶは、それぞれ３個の距離センサ２ａ、２ｂ、２ｃを備えており、センサ部２ＬＶ及びセンサ部２ＲＶにおいて、対応する距離センサ（たとえば、距離センサ２ａ）は、移動体５の中心を通り、Ｘ軸に平行な直線ＬＮに対して線対称な位置に設けられている。
【００７１】
そして、被測定レールＲＷ（軌道）上を移動体５が走行しながらセンサ部２ＬＶで左レールＬＲ１の高低方向の距離データ、センサ部２ＲＶで右レールＲＲ１の高低方向の距離データを計測する。さらに、第２実施形態と同様の構成を用いて、左レールＲＬ１、右レールＲＲ１の高低方向の軌道形状を復元し、高低変位（高低狂い）を算出することとなる。
そして、軌道実形状復元結果から基準弦ＢＳｒｅｆに対する高低変位を算出する。
【００７２】
以上の説明のように、本第３実施形態によれば、コンパクトな構成で、左右レールＬＲ１、ＲＲ１の高低方向の実形状を復元でき、実形状再現結果から基準弦に対する高低変位（高低狂い）を判定することができる。
【００７３】
［４］第４実施形態
次に第４実施形態について説明する。
本第４実施形態は、測定対象の変位が通り変位である場合の実施形態である。
【００７４】
第４実施形態における移動体５は、左レールＬＲ、右レールＲＲが敷設された、いわゆる鉄道軌道のような軌道を走行する車両である。
図１０は、第４実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
図１０（ａ）は、軌道検測車両１の平面図、図１０（ｂ）は、軌道検測車両１の進行方向に対し後方から見た背面図である。なお、理解の容易のため、図１０（ｂ）においても、図９（ｂ）と同様に、一部構成を省略して記載している。
【００７５】
本第４実施形態において、移動体５には、左レールＬＲの通り方向の距離を計測するためのセンサ部２ＬＨ及び右レールＲＲの通り方向の距離を計測するためのセンサ部２ＲＨが設けられている。
センサ部２ＬＨ及びセンサ部２ＲＨは、それぞれ３個の距離センサ２ｄ、２ｅ、２ｆを備えており、センサ部２ＬＨ及びセンサ部２ＲＨにおいて、対応する距離センサ（たとえば、距離センサ２ｄ）は、移動体５の中心を通り、Ｘ軸に平行な直線ＬＮに対して線対称な位置に設けられている。
【００７６】
被測定レールＲＷ上を移動体５が走行しながらセンサ部２ＬＨで左レールＬＲの通り方向の距離データ、センサ部２ＲＨで右レールの高低方向の距離データを計測する。
さらに、第２実施形態と同様の構成を用いて、左レールＬＲ、右レールＲＲの通り方向の軌道形状を復元し、通り変位（通り狂い）を算出することとなる。
そして、軌道実形状復元結果から基準弦ＢＳｒｅｆに対する通り変位を算出する。
【００７７】
以上の説明のように、本第４実施形態によれば、コンパクトな構成で、左右レールＬＲ、ＲＲの通り方向の実形状を復元でき、実形状再現結果から基準弦に対する通り変位（通り狂い）を判定することができる。
【００７８】
［５］第５実施形態
次に第５実施形態について説明する。
図１１は、第５実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
図１２は、第５実施形態における演算部の概要機能構成ブロック図である。
本第５実施形態は、測定対象の変位が通り変位であるとともに、移動体５の揺動（揺れ）を補正してより正確に通り変位を算出する場合の実施形態である。
【００７９】
第５実施形態における移動体５は、左レールＬＲ、右レールＲＲが敷設された、いわゆる鉄道軌道のような軌道を走行する車両である。
本第５実施形態の軌道検測車両１は、第４実施形態の軌道検測車両１と比較して、センサ部２ＬＨに、加速度センサ２Ｌａ、加速度センサ２Ｌｂ及び加速度センサ２Ｌｃを設け、センサ部２ＲＨに加速度センサ２Ｒａ、加速度センサ２Ｒｂ及び加速度センサ２Ｒｃを設け、さらに制御部３に揺動補正手段３ｄの機能を設けた点が異なっている。
【００８０】
次に第５実施形態の動作を説明するが、左レールＬＲ側のセンサ部２ＬＨと、右レールＲＲ側のセンサ部２ＲＨと、は同様の動作であるため、以下の説明においては、主としてセンサ部２ＬＨについて説明する。
【００８１】
ところで、移動体５が被測定レールＲＷ上を走行する際、走行速度が大きくなるにつれて移動体５には左右方向に揺動（揺れ）が発生する。
ここで、センサ部２ＬＨの距離センサ２ｄ、距離センサ２ｅ、距離センサ２ｆは、リジッドなフレーム２Ｆに設置されるため、フレーム２Ｆが歪まない、あるいは、ひずみが無視出来るほど小さいと仮定すれば、移動体５の振動によるフレーム２Ｆの変位成分は、フレーム２Ｆ全体が同方向に変位するとみなすことができ、測定弦正矢算出手段３ａにおいて実行される演算式（数式）において振動成分を打ち消すことができる。
【００８２】
しかし、揺動の様に、軌道検測車両１の車体の前方と後方が互いに反対方向に動くような動作をする場合、測定弦正矢算出手段３ａにおいて実行される演算式では、打ち消すことができず計測誤差となる。
そこで、本第５実施形態においては、センサ部２ＬＨの距離センサ２ｄ、距離センサ２ｅ、距離センサ２ｆの設置位置近傍に、それぞれ加速度センサ２Ｌａ、加速度センサ２Ｌｂ、加速度センサ２Ｌｃをそれぞれ設置し、移動体５の左右方向の加速度データを距離センサデータと同期させて計測し、記憶部４に記憶、保存する。
【００８３】
この場合において、記憶部４に保存される、加速度センサ２Ｌａの加速度データをａ１、加速度センサ２Ｌｂの加速度データをａ２、加速度センサ２Ｌｃの加速度データをａ３とする。
【００８４】
これにより、揺動補正手段３ｄとして機能する制御部３は、記憶部４に記憶された加速度データａ１、加速度データａ２及び加速度データａ３をそれぞれ二階積分し、左右の変位量を求め、距離センサ２ａ、距離センサ２ｂ及び距離センサ２ｃの計測データを、揺動補正手段３ｄとして算出した変位量分を補正して測定弦正矢算出手段３ａとして機能する制御部３に出力する。
これらの結果、本第５実施形態によれば、距離データに含まれる揺動成分の影響を低減でき、軌道検測車両１を高速走行させた場合でも計測精度を向上させることができる。
【００８５】
［６］第６実施形態
本第６実施形態は、第３実施形態及び第５実施形態を組み合わせて、一台の軌道検測車両１として構成した場合の実施形態である。
図１３は、第６実施形態における軌道検測車両の概要構成説明図である。
【００８６】
本第６実施形態において、移動体５には、左レールＬＲまでの高低方向の距離を計測するためのセンサ部２ＬＶと、右レールＲＲまでの高低方向の距離を計測するためのセンサ部２ＲＶと、左レールＬＲの通り方向の距離を計測するためのセンサ部２ＬＨと、右レールＲＲの通り方向の距離を計測するためのセンサ部２ＲＨと、センサ部２ＬＨに設けられた加速度センサ２Ｌａ、加速度センサ２Ｌｂ及び加速度センサ２Ｌｃと、センサ部２ＲＨに設けられた加速度センサ２Ｒａ、加速度センサ２Ｒｂ及び加速度センサ２Ｒｃと、が設けられるとともに、制御部３に揺動補正手段３ｄの機能を設けている。
【００８７】
上記構成によれば、コンパクトな構成で、左右レールの高低方向、および通り方向の軌道復元および狂い判定をすることができる。
【００８８】
［７］第７実施形態
次に、第７実施形態について説明する。
本第７実施形態が第６実施形態と異なる点は、移動体５のレール左右方向（Ｙ方向）の傾きを計測する傾斜センサ１５と、センサ部２ＬＨ、センサ部２ＲＨで計測した、通り方向の距離データから左右レールの軌間を算出する軌間算出手段１６と、軌間算出手段１６で算出した左右レールの軌間と、傾斜センサ１５の傾きデータから、左右レールの水準狂いを算出する水準算出手段１７と、水準算出手段１７で算出した水準結果から、左右レールの平面性を算出する平面性算出手段１８と、を備え、これらの構成により、水準変位を検出する構成とした点である。
【００８９】
本第７実施形態に係る各種装置の構成のうち、第１実施形態乃至第６実施形態で説明した部分と同一部分の詳細な説明については援用するものとする。
【００９０】
図１４は、第７実施形態の軌道検測車両（軌道検測装置）の概要構成図である。
図１４（ａ）は、軌道検測車両の平面図であり、図１４（ｂ）は、軌道検測車両の背面図（進行方向後方から見た図）である。なお、図１４（ｂ）においては、理解の容易のため、一部構成を省略している。
【００９１】
ここで、制御部３は、軌間算出手段１６、水準算出手段１７及び平面性算出手段１８として機能している。
記憶部１９は、電源供給が遮断されても記憶内容を保持可能なメモリを採用しても良い。例えばＥＥＰＲＯＭやフラッシュＲＯＭあるいはハードディスクなどである。第１の実施例から第６の実施例で説明した構成要素は同様の動作をする。
以下、軌間算出手段１６、水準算出手段１７、平面性算出手段１８として機能する制御部３の動作を主として説明する。
【００９２】
まず、軌間算出手段１６に関して説明する。軌間の定義は、「左右レール頭頂部（日本ではレールの上面から１４ｍｍ以内）の内側の間隔（最短距離）」であるため、センサ部２ＬＨとセンサ部２ＲＨの距離データの結果及びセンサ部２ＬＨとセンサ部２ＲＨとの離間距離を用いて軌間ＧＡを算出する。
センサ部２は３組の距離センサを備えるが、軌間ＧＡ算出の際は、センサ部２ＬＨ、センサ部２ＲＨの進行方向に対して中央部に設置した距離センサデータをそれぞれ使用する。
【００９３】
図１５は、軌間算出手段としての機能説明概略図である。
左レールＬＲとの左右方向の距離を計測する距離センサ２ｂＬＨで計測した距離データをＹＬ、右レールＲＲとの左右方向の距離を計測する距離センサ２ｂＲＨで計測した距離データをＹＲ、距離センサ２ｂＬＨ、距離センサ２ｂＲＨのレーザー投光部間距離をＹｃｏｎｓｔとすると、軌間ＧＡは以下の式で算出することができる。
【００９４】
【数１０】
2014240262.tif 000012
【００９５】
ここで、αは、被測定レールＲＷを構成している左レールＬＲ及び右レールＲＲ間とレーザー投光部のなす角度を表す。建築限界上、距離センサ２ｂＬＨおよび距離センサ２ｂＲＨをレール側面の測定点の真横に設置することが難しい状況がある。
【００９６】
したがって、真横に設置することが難しい場合には、角度αでＹＬ、ＹＲを補正し、水平にセンサを設置した場合には、角度αを０として算出すればよい。前述した方法で算出した軌間ＧＡの結果は記憶部１９に記憶、保存される。
【００９７】
次に水準算出手段１７の機能について、説明する。水準は、「左右レールの高さの差」と定義される。
【００９８】
図１６は、水準算出手段としての機能説明概略図である。
水準算出手段１７は、傾斜センサ１５で計測する移動体５の左右方向の傾きをβとすると、水準ＬＶは、三角比を用いて、以下の式（１６）で算出する。
【００９９】
【数１１】
2014240262.tif 000013
【０１００】
そして、水準算出手段１７で算出した水準ＬＶの結果は記憶部１９に保存される。
【０１０１】
次に平面性算出手段１８に関して説明する。
平面性は、「定められた区間における水準の差」と定義されている。
【０１０２】
ＪＲ在来線では２軸貨車の固定軸距４．６ｍを考慮して５ｍ、新幹線では車体／台車間は空気ばねによってねじれに対する追従性が高いので、台車の固定軸距を考慮して２．５ｍ離れた水準の差を平面性狂いと定義している。
そして、移動体５が走行する間に、水準ＬＶの算出結果が記憶部１９に順次保存されるため、平面性は、定義した距離に従って記憶部１９から水準結果を読み出し、差をとって算出すればよい。前述した方法で算出した平面性の結果は記憶部１９に保存される。
【０１０３】
以上の説明で得られた各狂いの結果をそれぞれの判定基準と比較して、軌道の健全性を判定する。
【０１０４】
［８］実施形態の変形例
［８．１］第１変形例
以上の各実施形態においては、軌道変位を非接触で検出する場合について説明したが、本第１変形例は、軌間変位を一部接触状態で検出する場合の例である。
【０１０５】
図１７は、第１変形例の要部説明図である。
第１変形例の軌道検測車両１Ａは、左レールＬＲの内側面に当接し回動するローラ２１を有し、フレーム５ｄの下面に設けられた可動ユニット２２Ｌと、右レールＲＲの内側面に当接し回動するローラ２１を有し、移動体５の下面に設けられた可動ユニット２２Ｒと、所定の基準位置から左レールＬＲの内側面までの距離を可動ユニット２２Ｌを介して間接的に測定するとともに、移動体５の下面に設けられた測定ユニット２３Ｌと、所定の基準位置から右レールＲＲの内側面までの距離を可動ユニット２２Ｌを介して間接的に測定するとともに、移動体５の下面に設けられた測定ユニット２３Ｒと、を備えている。
【０１０６】
可動ユニット２２Ｌは、ローラ２１と、ローラ２１を回動可能に支持する回動軸が突設された測定プレート２４と、測定プレート２４を軌道検測車両１Ａの幅方向（図１７では、Ｙ軸方向）にのみ可動可能とするとともに、付勢部材２５により測定プレート２４を介してローラ２１を左レールＬＲの内側面に当接させるべく付勢する付勢ユニット２６と、を備えている。
【０１０７】
同様に、可動ユニット２２Ｒは、ローラ２１と、ローラ２１を回動可能に支持する回動軸が突設された測定プレート２４と、測定プレート２４を軌道検測車両１Ａの幅方向（図１７では、Ｙ軸方向）にのみ可動可能とするとともに、付勢部材２５により測定プレート２４を介してローラ２１を右レールＲＲの内側面に当接させるべく付勢する付勢ユニット２６と、を備えている。
【０１０８】
また、測定ユニット２３Ｌ及び測定ユニット２３Ｒは、同一構成を有しており、図示しない非接触型の距離センサを備えている。そして、測定ユニット２３Ｌは、可動ユニット２２Ｌの測定プレート２４までの距離Ｌ２１を測定し、測定ユニット２３Ｒは、可動ユニット２２Ｌの測定プレート２４までの距離Ｌ２２を測定する。
【０１０９】
ここで、測定ユニット２３Ｌ及び測定ユニット２３Ｒのそれぞれの測定時の基準位置間の距離Ｌ２３は固定であるので、測定された距離Ｌ２１及び距離２２を距離Ｌ２３に加算することで軌間変位を測定することが可能となっている。
【０１１０】
［８．２］第２変形例
以上の各実施形態において、軌道検測車両１の車輪５Ａは、車軸が固定とされていたが、本第２変形例は、車軸が回動可能なように回動機構を設けたものである。
図１８は、第２変形例の説明図である。
図１８（ａ）は、軌道検測車両１Ｂを下面側から見た場合の概略説明図である。
【０１１１】
図１８（ｂ）は、車輪５Ａを透視した場合の回動機構の概略説明図である。
図１８に示すように、前後の車輪５Ａは、前後の車軸５Ｂにそれぞれ回転可能に支持されている。前後の車軸５Ｂは、回動軸５Ｃを介してベース５Ｅに回動可能に支持されている。
【０１１２】
この結果、軌道検測車両１Ｂの走行時に、進行方向に応じて車軸５Ｂが被測定レールＲＷに沿って回動することで、滑らかにカーブを走行することができる。
この結果、軌道検測車両１Ｂの移動がスムーズになり、振動などによる騒音の発生を抑制できるとともに、振動などに起因する測定誤差を低減することが可能となる。
【０１１３】
［８．３］第３変形例
以上の説明においては、軌道検測車両は、牽引などにより移動させる場合を前提としていたが、自走機構及び制動機構を設けることにより、軌道検測車両単独で軌道検測処理をおこなうことができる。
【０１１４】
［８．４］第４変形例
本実施形態の軌道検測装置で実行される制御プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。
【０１１５】
また、本実施形態の軌道検測装置で実行される制御ログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の軌道検測装置で実行される制御プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
また、本実施形態の軌道検測装置の制御プログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
【０１１６】
［９］実施形態の効果
以上の説明のように、上記各実施形態によれば、鉄道軌道の点検基準である、通り変位、高低変位、軌間変位、水準変位及び平面性変位の５項目の点検の少なくともいずれかに適用でき、かつ、軌道検測装置をコンパクトに構成できるので、小型軽量の軌道検測車両を構成でき、簡便性を向上でき、手動点検に対して、大幅な点検時間短縮も見込むことができる。
【０１１７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。
【符号の説明】
【０１１８】
１、１Ａ、１Ｂ    軌道検測車両
２      センサ部
２ＬＨ  センサ部
２ＬＶ  センサ部
２Ｌａ〜２Ｌｃ  加速度センサ
２ＲＨ  センサ部
２ＲＶ  センサ部
２Ｒａ〜２Ｒｃ  加速度センサ
２ａ〜２ｃ    距離センサ
２ｂＬＨ、２ｂＲＨ  距離センサ
２Ｆ    フレーム
２ｄ〜２ｆ    距離センサ
３      制御部
３ａ    測定弦正矢算出手段
３ｂ    軌道実形状再現手段
３ｃ    弦正矢算出手段
３ｄ    揺動補正手段
４      記憶部
５      移動体
５Ａ    車輪
５Ｂ    車軸
５Ｃ    回動軸
５Ｅ    ベース
５ｄ    フレーム
６      軌道検測装置
７      緩衝材
１５    傾斜センサ
１６    軌間算出手段
１７    水準算出手段
１８    平面性算出手段
１９    記憶部
２１    ローラ
２２Ｌ  可動ユニット
２２Ｒ  可動ユニット
２３Ｌ  測定ユニット
２３Ｒ  測定ユニット
２４    測定プレート
２５    付勢部材
２６    付勢ユニット
ＢＳ１  測定弦
ＤＺ１  距離データ
ＤＺ２  距離データ
ＤＺ３  距離データ
ＬＲ、ＬＲ１  左レール
Ｌ２２    距離
ＲＲ、ＲＲ１  右レール
ＳＳ１  距離センサ
ＳＳ３  距離センサ
ＭＭＳ１１  変位
ＢＳ    測定弦
ＢＳＭ  測定弦
ＢＳｒｅｆ  基準弦
ＧＡ    軌間
ＲＷ    被測定レール
【図１】
2014240262.tif 000014
【図２】
2014240262.tif 000015
【図３】
2014240262.tif 000016
【図４】
2014240262.tif 000017
【図５】
2014240262.tif 000018
【図６】
2014240262.tif 000019
【図７】
2014240262.tif 000020
【図８】
2014240262.tif 000021
【図９】
2014240262.tif 000022
【図１０】
2014240262.tif 000023
【図１１】
2014240262.tif 000024
【図１２】
2014240262.tif 000025
【図１３】
2014240262.tif 000026
【図１４】
2014240262.tif 000027
【図１５】
2014240262.tif 000028
【図１６】
2014240262.tif 000029
【図１７】
2014240262.tif 000030
【図１８】
2014240262.tif 000031