(57)【要約】【課題】地理情報システムから得る地理データに代えて、独自に収集した線路沿いの各地点の建物の境界を示す可視領域に基づき、現状に即した正確なレールの温度予測を可能とする全天可視領域の連続測定方法を提供する。【解決手段】線路を走行する車両１０に搭載した少なくとも２台の車載カメラＣ１，Ｃ２の各座標を設定する座標設定工程と、車両１０上の少なくとも２台の車載カメラＣ１，Ｃ２により撮影した画像データから周辺物の方位角データ及び仰角データを得る周辺情報収集工程と、前記座標設定工程で設定されたカメラ座標と、前記周辺情報収集工程で収集された線路沿いの各地点の周辺物の方位角データ（数式に符号φで示す方位角）及び仰角データ（数式に符号ｈで示す仰角）とに基づき、当該周辺物の境界を示す可視領域を演算する可視領域演算工程と、を有することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールを走行する車両に搭載した少なくとも２台の車載カメラの各座標を設定する座標設定工程と、
車両上の少なくとも２台の車載カメラにより撮影した画像データから周辺物の方位角データ及び仰角データを得る周辺情報収集工程と、
前記座標設定工程で設定されたカメラ座標と、前記周辺情報収集工程で収集されたレール沿いの各地点の周辺物の方位角データ及び仰角データとに基づき、レールを中心とした当該周辺物の境界で表される可視領域を演算する可視領域演算工程と、を有することを特徴とする全天可視領域の連続測定方法。
【請求項２】
可視領域演算工程で得たレールを中心とした各地点の周辺物境界を示す可視領域データから全天可視領域を算出し、当該全天可視領域と太陽軌道図との重ね合わせから、太陽位置が全天可視領域と重なる時間帯を日向と判定しかつそれ以外を日陰と判定し、これらの判定結果からレール温度を予測するレール温度演算工程を、さらに有することを特徴とする請求項１に記載の全天可視領域の連続測定方法。
【請求項３】
前記レール温度演算工程では、レール敷設に関する素材、形状を含む軌道データも加味してレール温度を演算することを特徴とする請求項２に記載の全天可視領域の連続測定方法。
【請求項４】
前記車載カメラは、前記車両の前部と上縁部に２台がそれぞれ間隔をおいて設置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の全天可視領域の連続測定方法。
【請求項５】
前記車載カメラは前記車両上に直線をなさないように互いに間隔をおいて少なくとも３台が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の全天可視領域の連続測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、日射によるレールの過度な温度上昇の防止及び管理に適用することができる全天可視領域の連続測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
日射によるレールの過度な温度上昇を管理する技術として、例えば特許文献１に示される軌道の温度管理装置が知られている。
この温度管理装置は、列車が走行するレールの表面に設置した被覆材による被覆領域を、日射によりレールに受ける熱吸収量と、レールから放射される熱排出量との関係に基づき決定する分析手段を有している。
【０００３】
また、この温度管理装置の分析手段では、地理情報システム（ＧＩＳ：Geographic Information System）から得た地理データに基づいて、レールが敷設される実際の地理状況を検出し、その検出結果に基づき、太陽方位とレール長手方向との位置関係を求めている。
【０００４】
具体的には、この分析手段では、レール表面上の複数の被覆領域のそれぞれに設けられた被覆材毎に、日射によりレールに受ける熱吸収量及び該レールから放射される熱排出量の関係を求める測定工程と、測定工程で得たレールからの放射による熱排出量が、日射による吸熱量よりも大きいか否かの関係からいずれかの被覆領域を選択する分析工程と、分析工程の分析結果に基づいて選択された被覆領域に被覆材を設置する設置工程と、を有する。
そして、このような分析手段では、地理情報システムで求めた太陽方位とレール長手方向との位置関係に基づき、予め作成したデータベースから最適な白色塗料の被覆領域を選択し、その選択結果に応じて、レール表面への白色塗料の塗布作業指示を出力する。
【０００５】
また、前記特許文献１に関連する技術として、「ＧＩＳデータを使用した広域レール温度予測法」が記載された非特許文献１がある。
【０００６】
この非特許文献１は、ＧＩＳデータを用いた日射量解析値を適用し、建物等の影の影響を考慮可能としたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１９−７２１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】鉄道総研報告第３４巻第４号「ＧＩＳ データを使用した広域レール温度予測法」（２０２０年４月１日発行、発行所  公益財団法人鉄道総合技術研究所）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、特許文献１、非特許文献１に示される温度管理装置では、レール表面上のいずれの被覆領域に被覆材を設けるか否かの判断を、地理情報システム（ＧＩＳ）から得た地理データに基づき行うようにしている。
そして、上記温度管理装置では、レール温度を正確に予測するためには、開発等による地理条件の変化に対応して、常に最新の地理データを入手する必要がある。
【００１０】
しかしながら、地理情報システムから得られる地理データは、更新頻度が数年に１回程度であり、現状の変化に細かく対応しておらず、特に頻繁に開発が行われる都市部において、レール温度予測を困難にしていた。
また、山間部においては、地理データが整備されていない地域が存在すること、あるいは、都市部と同じく、開発による人為的な地形の変化、あるいは、自然災害等による地形の変化があり得るため、当該箇所におけるレール温度予測の精度の向上が望まれている。
【００１１】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、地理情報システム（ＧＩＳ）から得る地理データに代えて、独自に収集したレールを中心とした各地点の周辺物境界を示す可視領域に基づき、現状に即した正確なレールの温度予測を可能とする全天可視領域の連続測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る全天可視領域の連続測定方法では、レールを走行する車両に搭載した少なくとも２台の車載カメラの各座標を設定する座標設定工程と、車両上の少なくとも２台の車載カメラにより撮影した画像データから周辺物の方位角データ及び仰角データを得る周辺情報収集工程と、前記座標設定工程で設定されたカメラ座標と、前記周辺情報収集工程で収集されたレール沿いの各地点の周辺物の方位角データ及び仰角データとに基づき、レールを中心とした当該周辺物の境界で表される可視領域を演算する可視領域演算工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の全天可視領域の連続測定方法によれば、これまでの地理情報システム（ＧＩＳ）から得る地理データに代えて、独自に収集したレール沿いの各地点の建物の境界を示す可視領域に基づき、現状に即した正確なレールの温度予測を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る「全天可視領域の連続測定方法」が適用された軌道温度管理システムを示す概略図である。
【図２】車載カメラ及びレール上の原点座標を示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【図３】方位角及び仰角を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は観測地から見て天頂を中心とした場合における、全天を平面に投影した全天表示図である。
【図４】車載カメラ位置と周辺物の高さとの関係を示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＸＹ水平面で表される平面図である。
【図５】本発明で算出された全天可視領域を示す図である。
【図６】レール温度の算出に使用される太陽軌道図である。
【図７】車載カメラを３台使用した場合の説明図であって、（Ａ）は車載カメラの配置を示す図、（Ｂ）は車載カメラの位置関係を示す平面図である。
【図８】図７（Ｂ）の車載カメラの位置関係をさらに詳細に示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る「全天可視領域の連続測定方法」を利用した軌道温度管理システム１００について、図１〜図８を参照して説明する。
この軌道温度管理システム１００は、図１に示すように、全天可視領域（以下、可視領域Ｂという）（図５参照）を算出する全天可視領域演算手段１と、太陽軌道図２０（図６参照）を供給する太陽軌道図供給手段２と、これら全天可視領域演算手段１及び太陽軌道図供給手段２から供給されたデータに基づき軌道となるレールＲの温度分析をする分析手段３と、を有する。
【００１６】
全天可視領域演算手段１は、座標設定部１１と、周辺情報収集部１２及び可視領域演算部１３を有するものであって、いずれもコンピュータが所定のプログラムにしたがって動作することによって実行される機能の一部をブロック図で表現したものである。
なお、全天可視領域演算手段１を構成する座標設定部１１、周辺情報収集部１２及び可視領域演算部１３は、本発明に係る「全天可視領域の連続測定方法」の具体的工程となる座標設定工程、周辺情報収集工程、及び可視領域演算工程をそれぞれ実行する構成要素である。
【００１７】
座標設定部１１は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、レールＲの基端部を原点Ｏ（０，０，０）とした三次元のｘｙｚ座標系において、レールＲを走行する車両１０に搭載した少なくとも２台の車載カメラＣ１，Ｃ２の座標を設定するために設けられている。
周辺情報収集部１２は、車両１０上の少なくとも２台の車載カメラＣ１，Ｃ２により撮影した画像データから周辺物Ａの方位角データ（符号φで示す方位角）及び仰角データ（符号ｈで示す仰角）を得るために設けられている。
【００１８】
なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）には車載カメラＣ１，Ｃ２の位置が示されている。
車載カメラＣ１は車両１０の前面縁部（左縁部）に設置されたものであって、座標Ｃ１（ｘ１, ｙ１, ｚ１）で示されている。
車載カメラＣ２は、車両１０の上面縁部（右縁部）に設置されたものであって、座標Ｃ２（ｘ２, ｙ２, ｚ２）で示されている。
また、これら車載カメラＣ１，Ｃ２の座標は、図２（Ａ）（Ｂ）で示されるレールＲの基端部に位置する原点座標Ｏ（０，０，０）を基準に示されている。
【００１９】
また、２台の車載カメラＣ１，Ｃ２により撮影した画像データからは、車載カメラＣ１，Ｃ２を基準とした、周辺物Ａの境界を示す方位角データ（符号φ１，φ２で示す）及び仰角データ（符号ｈ１，ｈ２で示す）を測定することができる。
なお、ここで示す方位角φ（符号φ１，φ２で示す）は車載カメラ座標Ｃ１，Ｃ２から周辺物Ａの水平面内における角度であり、仰角ｈ（符号ｈ１，ｈ２で示す）は車載カメラ座標Ｃ１，Ｃ２から周辺物Ａの垂直面内における角度を意味している。
また、周辺物Ａとは、家屋／ビル／タワー／塀などの人口構造物の他、山／森／丘陵などの自然構造物も含むものであり、その高さを図３（Ａ）（Ｂ）で示すように符号Ｈで示している。
そして、車載カメラＣ１，Ｃ２を基準とした周辺物Ａの境界座標Ｍは、２台の車載カメラＣ１，Ｃ２により測定した方位角データ及び仰角データを用いて、それぞれ（φ１, ｈ１）、（φ２, ｈ２）で示すことができる。
【００２０】
その後、全天可視領域演算手段１の可視領域演算部１３では、座標設定工程で設定された車載カメラＣ１，Ｃ２の座標Ｃ１（ｘ１, ｙ１, ｚ１）、Ｃ２（ｘ２, ｙ２, ｚ２）を基準とした周辺物Ａの境界座標Ｍ（φ１, ｈ１）、（φ２, ｈ２）に基づき、レールＲの基端部を原点座標Ｏ（０，０，０）とした当該周辺物Ａの境界座標Ｍ（φＲ, ｈＲ）を演算により求める。
なお、周辺部Ａの境界座標Ｍは、全天内の可視領域Ｂ（図５参照）の範囲を定めるために求められるものであって、レールＲ沿いに位置する車載カメラＣ１，Ｃ２の撮影ポイント毎に、当該可視領域Ｂの範囲が計算される。
【００２１】
次に、以下に示す数式を用いて、可視領域演算部１３にて実行される、レールＲの基端部を原点座標Ｏ（０，０，０）とした周辺物Ａの境界座標Ｍの演算手法について説明する。
前述したように、車載カメラＣ１，Ｃ２の座標Ｃ１（ｘ１, ｙ１, ｚ１）、Ｃ２（ｘ２, ｙ２, ｚ２）、及び車載カメラＣ１，Ｃ２を基準とした周辺物Ａの境界座標Ｍ（φ１, ｈ１）、（φ２, ｈ２）は既知のパラメータである。
これらを用いた、レールＲの基端部を原点Ｏ（０，０，０）とした周辺物Ａの境界座標Ｍ（φＲ, ｈＲ）は以下のように算出される。
【００２２】
まず、車載カメラＣ１，Ｃ２の水平面内における相対距離「ｘ１’，ｙ１’」は、図４で示すような位置関係より、以下の数式１、数式２で表わすことができる。
また、以下に示す符号Ｄ１，Ｄ２，及びＤＲは、車載カメラＣ１，Ｃ２及びレールＲの原点Ｏから周辺物Ａの境界座標Ｍまでの直線距離をそれぞれ示している。
また、車載カメラ座標Ｃ１，Ｃ２及び原点座標Ｏと、周辺物Ａの境界座標Ｍとの間の距離は、ｘ成分について「Ｘ１，Ｘ２，ＸＲ」で示されており、ｙ成分について「Ｙ１，Ｙ２，ＹＲ」で示されている。
【数１】
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【数２】
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【００２３】
上記数式１及び数式２を、車載カメラＣ１から周辺物Ａの境界座標Ｍまでの直線距離を示す「Ｄ１」について整理することで、以下の数式３を得ることができる。
【数３】
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【００２４】
また、車載カメラ座標Ｃ１，Ｃ２及び原点座標Ｏを基準とした周辺物Ａの境界座標Ｍの遮蔽高さは、図４内に「Ｈ１，Ｈ２，ＨＲ」で示され、これらの中で、車載カメラ座標Ｃ１の遮蔽高さ寸法（Ｈ１）は、以下の数式４で表すことができる。
【数４】
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【００２５】
さらに、レールＲの原点座標Ｏ、及び周辺物Ａの境界座標Ｍの位置関係を示す「XR，YR，DR，HR」は、図４に示される位置関係に基づき、以下の数式５〜数式８のように表すことができる。
【数５】
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【数６】
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【数７】
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【数８】
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【００２６】
最終的に可視領域演算部１３では、数式３〜数式８を整理することで、レールＲの原点座標Ｏを中心とした、周辺物Ａの境界座標Ｍの方位角（φＲ）及び仰角（ｈＲ）を、以下の数式９及び数式１０で表すことができる。
同様に、車載カメラ座標Ｃ１と、周辺物Ａの境界座標Ｍとの間の直線距離（Ｄ１）は、方位角（φ１，φ２）を用いて以下の数式１０のように表現される。
【数９】
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【数１０】
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【数１１】
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【００２７】
そして、上記可視領域演算部１３では、上記数式により得た、レールＲの原点座標Ｏを中心とした、周辺物Ａの境界座標Ｍの方位角（φＲ）及び仰角（ｈＲ）に基づき、レールＲに沿う各地点において、図５に示すような可視領域Ｂを作成することができる。
その後、図１に示される分析手段３では、全天可視領域演算手段１の可視領域演算部１３で得られた可視領域Ｂを、直接、図６に示される太陽軌道図２０にオーバーレイして、直達日射を推定する。
【００２８】
具体的には、分析手段３内のレール温度演算部３Ａでは、レールＲに沿う各地点にて、図５に示される可視領域Ｂと、図６に示される太陽軌道図２０とを時間毎に重ね合わせることで、日向となるエリア／日陰となるエリアを時間毎に判定することができ、その判定結果に基づき、当該レールＲの温度を予測することができる。
なお、このような可視領域Ｂと太陽軌道図２０との重ね合わせ、及びレールＲの温度予測に関する技術には、例えば、ＧＩＳ データを使用した広域レール温度予測法（鉄道総研報告第３４巻第４号（２０２０年４月１日発行、発行所  公益財団法人鉄道総合技術研究所））が用いられる。
また、図６に示される太陽軌道図２０は、例えば、ＥＳＲＩジャパン株式会社から提供される、天空の各方向から発生する直達日射量についてのデータを、期間／時期に対応して可視化したものである。
【００２９】
以上詳細に説明した本実施形態に係る「全天可視領域の連続測定方法」を利用した軌道温度管理システム１００によれば、可視領域演算部１３において、座標設定部１１で設定された車載カメラＣ１，Ｃ２の座標と、周辺情報収集部１２で収集されたレール沿いの各地点の周辺物Ａの方位角データ（符号φ１，φ２で示す）及び仰角データ（符号ｈ１，ｈ２で示す）とに基づき、レールＲの原点座標Ｏを中心とした、当該周辺物Ａの境界座標Ｍ（φＲ, ｈＲ）で表される可視領域Ｂを演算することができる。
【００３０】
そして、上記軌道温度管理システム１００では、可視領域演算部１３で得た、レールＲの原点座標Ｏを中心とした、周辺物Ａの境界座標Ｍ（φＲ, ｈＲ）で表される可視領域データから全天可視領域Ｂ（図５参照）を算出し、当該全天可視領域Ｂと太陽軌道図２０との重ね合わせから、太陽位置が全天可視領域Ｂと重なる時間帯を日向、それ以外を日陰と判定することができる。
すなわち、上記軌道温度管理システム１００では、これらの日向／日陰を示す判定結果から、レール位置に車載カメラＣ１，Ｃ２を設置しなくても（又は直接、レール温度を計測しなくとも）、当該レール温度を予測することができる。
その結果、上記軌道温度管理システム１００では、これまでの地理情報システム（ＧＩＳ）から得る地理データに代えて、独自に収集したレールＲを中心とした各地点の周辺物Ａの境界座標Ｍ（φＲ, ｈＲ）で表される可視領域Ｂに基づき、現状に即した正確なレール温度予測を可能とする。
【００３１】
（変形例１）
上記実施形態では、車両１０に搭載した２台の車載カメラＣ１，Ｃ２により周辺物Ａの撮影を実施したが、これに限定されず、図７（Ａ）に符号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３で示される３台の車載カメラにより周辺物Ａを撮影しても良い。
これら３台の車載カメラＣ１〜Ｃ３を用いた場合、例えば、図７（Ａ）に符号Ｃ１´〜Ｃ３´で示すように、一直線上に並ぶ又は一直線に近い配置となった場合に、演算される周辺物Ａの境界座標Ｍ（φＲ, ｈＲ）に誤差が生じ、正確な境界座標Ｍ（φＲ, ｈＲ）を検出することができない。
【００３２】
このため、これら車載カメラＣ１〜Ｃ３は、例えば、図７（Ｂ）に示されるように、車載カメラＣ１を中心として９０°の角度をなすように車載カメラＣ２，Ｃ３を配置することが好ましい。
これに加えて、車載カメラＣ１を中心とする車載カメラＣ２及びＣ３は、撮影したい周辺物Ａの場所に応じて、図８に符号ＭＡ，ＭＢに示す範囲に配置して、車載カメラＣ１〜Ｃ３間の間隔を一定値以上とするようにしても良い。
【００３３】
（変形例２）
上記実施形態では、全天可視領域Ｂと太陽軌道図２０との重ね合わせから、太陽位置が全天可視領域Ｂと重なる時間帯を日向、それ以外を日陰と判定しているが、これに加えてレール敷設に関する軌道データ（素材、形状など）も加味して、その後のレール温度演算を行うようにしても良い。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、日射によるレールの過度な温度上昇を防止及び管理することに適用できる全天可視領域の連続測定方法に関する。
【符号の説明】
【００３６】
１  全天可視領域演算手段
２  太陽軌道図供給手段
３  分析手段
３Ａ  レール温度演算部
１０  車両
１１  座標設定部
１２  周辺情報収集部
１３  可視領域演算部
２０  太陽軌道図
１００  軌道温度管理システム
Ａ  周辺物
Ｂ  可視領域
Ｃ１  車載カメラ
Ｃ２  車載カメラ
Ｃ３  車載カメラ
Ｍ  境界座標
Ｏ  原点座標
Ｒ  レール
【図１】
2022001721.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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