(57)【要約】【課題】鉄道車両の営業運転中においても、パンタグラフの高さとトロリ線の偏位を正確に測定することができるパンタグラフ状態測定方法及び装置を提供する。【解決手段】このパンタグラフ状態測定方法は、鉄道車両の屋根上に配置されているパンタグラフ１０の少なくとも一部を撮像することによって得られる撮像画面において、パンタグラフの舟体１と交差する第１のウインドウを設定し、第１のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより、舟体の位置を検出するステップ（ａ）と、撮像画面において、舟体が接するトロリ線２と交差しながら舟体の動きに追従して移動する第２のウインドウを設定し、第２のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより、トロリ線の位置を検出するステップ（ｂ）とを具備する。【選択図】  図１
2004286500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両のパンタグラフ状態測定方法であって、
鉄道車両の屋根上に配置されているパンタグラフの少なくとも一部を撮像することによって得られる撮像画面において、前記パンタグラフの舟体と交差する第１のウインドウを設定し、前記第１のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより、前記舟体の位置を検出するステップ（ａ）と、
前記撮像画面において、前記舟体が接するトロリ線と交差しながら前記舟体の動きに追従して移動する第２のウインドウを設定し、前記第２のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより、前記トロリ線の位置を検出するステップ（ｂ）と、
を具備するパンタグラフ状態測定方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）に先立って、前記パンタグラフの少なくとも一部を照明しながら撮像することによって得られる画像信号を入力するステップをさらに具備する請求項１記載のパンタグラフ状態測定方法。
【請求項３】
ステップ（ａ）及びステップ（ｂ）の各々が、それぞれのウインドウ内の平均明度に基づいて、２値化された画像信号における２つの値の内のいずれが目標物を表しているかを判定することを含む、請求項１又は２記載のパンタグラフ状態測定方法。
【請求項４】
ステップ（ａ）及びステップ（ｂ）の各々が、目標物の幅を測定することにより、ノイズ成分を抑圧して前記目標物の位置を検出することを含む、請求項１記載のパンタグラフ状態測定方法。
【請求項５】
ステップ（ａ）及びステップ（ｂ）の各々が、目標物の位置の微分値を監視することにより、ノイズ成分を抑圧して前記目標物の位置を検出することを含む、請求項１記載のパンタグラフ状態測定方法。
【請求項６】
鉄道車両のパンタグラフ状態測定装置であって、
鉄道車両の屋根上に配置されているパンタグラフの少なくとも一部を撮像することによって撮像画面を得るために用いられる撮像手段と、
前記撮像手段を用いて得られる撮像画面において、前記パンタグラフの舟体と交差する第１のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより前記舟体の位置を検出すると共に、前記舟体が接するトロリ線と交差しながら前記舟体の動きに追従して移動する第２のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより前記トロリ線の位置を検出する画像処理手段と、
を具備するパンタグラフ状態測定装置。
【請求項７】
前記パンタグラフの少なくとも一部を照明する照明手段をさらに具備する請求項６記載のパンタグラフ状態測定装置。
【請求項８】
前記画像処理手段が、それぞれのウインドウ内の平均明度に基づいて、２値化された画像信号における２つの値の内のいずれが目標物を表しているかを判定する、請求項６又は７記載のパンタグラフ状態測定装置。
【請求項９】
前記画像処理手段が、目標物の幅を測定することにより、ノイズ成分を抑圧して前記目標物の位置を検出する、請求項６記載のパンタグラフ状態測定装置。
【請求項１０】
前記画像処理手段が、目標物の位置の微分値を監視することにより、ノイズ成分を抑圧して前記目標物の位置を検出する、請求項６記載のパンタグラフ状態測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の走行中にパンタグラフの高さとトロリ線の偏位を測定するのに適したパンタグラフ状態測定方法、及び、そのような方法を用いたパンタグラフ状態測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両における集電性能は、パンタグラフとトロリ線との接触状態によって評価されることが多い。一般的には、パンタグラフとトロリ線との接触力や、パンタグラフの離線が、評価の対象となる。しかしながら、それだけでは架線状態が分らないので、評価も不十分になってしまう。
【０００３】
一方、パンタグラフの高さを測定すれば、パンタグラフの運動状態を把握することが可能である。また、トロリ線の偏位を測定すれば、トロリ線の軌道が直線であるか曲線であるかを把握することが可能であり、さらに、電柱の位置やトロリ線のオーバーラップを把握することもできる。また、このような測定を行う装置は、営業車両に取付可能な簡易測定装置としても使用できることが見込まれる。
【０００４】
従来におけるトロリ線の設備診断においては、例えば、レーザ式トロリ線摩耗測定装置が用いられていた。レーザ式トロリ線摩耗測定装置は、単一波長のレーザ光線を回転ミラー（ポリゴンミラー）を介してトロリ線に照射することによりトロリ線を幅方向に走査し、その反射光を光電子倍増管に受光させて検出するものであり、トロリ線の摩耗のみならず、トロリ線の偏位を測定することも可能である。
【０００５】
しかしながら、このようなレーザ式トロリ線摩耗測定装置は、非常に大型であり、検測車のような専用車両の車内あるいは屋根上に搭載する必要があるので、営業車両に一時的に搭載することは不可能に近かった。
【０００６】
一方、下記の特許文献１には、営業運転のついでにパンタグラフの支障物を検出するパンタグラフ支障物検出方法が開示されている。このパンタグラフ支障物検出方法においては、車両の屋根にカメラを設置し、パンタグラフ近傍を撮影する。カメラの映像出力を画像処理して、パンタグラフの高さとトロリ線の偏位を測定する。このようにすれば、営業車両を運転する際にパンタグラフの高さとトロリ線の偏位を測定できるので、大変便利である。
【０００７】
さらに、下記の特許文献２には、パンタグラフの高さと加速度を画像処理によって簡便に測定することを目的としたパンタグラフ測定方式が開示されている。このパンタグラフ測定方式は、車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフ付近の映像を取得し、この映像から時空画像を取得し、この時空画像に対して平均化処理を繰り返して階層時空画像を求めて、該階層時空画像より前記パンタグラフの位置と加速度を測定することを特徴とする。
【０００８】
特許文献２に開示されているパンタグラフ測定方式によれば、平均化処理により、背景の山や建物等のノイズを低減することができる。しかしながら、依然として、次のような問題が存在している。
（１）背景が空から山へ変化した場合に、背景が、パンタグラフの舟体と同様の明度になることがあり、背景と舟体とを区別し難い。極端な場合には、パンタグラフが照明により浮き上がり、背景よりも明るくなることがある。
（２）トンネル内で天井に照明が当り、背景が、パンタグラフの舟体と同様の明度になることがある。
（３）昼間走行においては、背景に電柱や電線が写り込み、パンタグラフの舟体以外の物体を検出してしまう可能性がある。特に、電線は、平均化処理によっても除去し難い。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１３９３０５号公報  （第１頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−２７９４０９号公報  （第１頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、鉄道車両の営業運転中においても、パンタグラフの高さとトロリ線の偏位を正確に測定することができるパンタグラフ状態測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係るパンタグラフ状態測定方法は、鉄道車両の屋根上に配置されているパンタグラフの少なくとも一部を撮像することによって得られる撮像画面において、パンタグラフの舟体と交差する第１のウインドウを設定し、第１のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより、舟体の位置を検出するステップ（ａ）と、撮像画面において、舟体が接するトロリ線と交差しながら舟体の動きに追従して移動する第２のウインドウを設定し、第２のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより、トロリ線の位置を検出するステップ（ｂ）とを具備する。
【００１３】
また、本発明に係るパンタグラフ状態測定装置は、鉄道車両の屋根上に配置されているパンタグラフの少なくとも一部を撮像することによって撮像画面を得るために用いられる撮像手段と、撮像手段を用いて得られる撮像画面において、パンタグラフの舟体と交差する第１のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより舟体の位置を検出すると共に、舟体が接するトロリ線と交差しながら舟体の動きに追従して移動する第２のウインドウ中における明度レベルを２値化することによりトロリ線の位置を検出する画像処理手段とを具備する。
【００１４】
以上のように構成した本発明によれば、鉄道車両の営業運転中においても、鉄道車両の屋根上に配置されているパンタグラフの少なくとも一部を撮像することによって得られる撮像画面において、舟体と交差する第１のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより舟体の位置を検出すると共に、トロリ線と交差しながら舟体の動きに追従して移動する第２のウインドウ中における明度レベルを２値化することによりトロリ線の位置を検出することにより、パンタグラフの高さとトロリ線の偏位を正確に測定することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基いて本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係るパンタグラフ状態測定装置を搭載した鉄道車両を示す図である。図１に示すように、この鉄道車両には、屋根上に配置されているパンタグラフ１０の少なくとも一部を撮像することによって撮像画面を得るために用いられるカメラ２０と、カメラ２０から出力される画像信号が供給される画像処理装置３０と、画像処理装置３０によって処理された画像信号を記録する記録装置４０と、画像処理装置３０によって処理された画像信号に基づいて撮像画面を表示するモニタ５０と、照明用のライト６０と、ライト６０を制御する照明制御装置７０とが搭載されている。
【００１６】
パンタグラフ１０の先端に設けられている舟体１は、配設されているトロリ線２に沿って摺動することにより、鉄道車両に電力を供給する。その集電性能を評価するために、本実施形態においては、カメラ２０がパンタグラフ１０の少なくとも一部を撮像することによって得られた撮像画面において、少なくともパンタグラフ１０の舟体１の高さとトロリ線２の偏位を検出する。
【００１７】
画像処理装置３０は、パンタグラフ１０の舟体１の高さを検出するために画像処理を行う高さ処理部３１と、高さ処理部３１における検出結果を利用してトロリ線２の偏位を検出するために画像処理を行う偏位処理部３２と、カメラ２０によって得られた画像信号に対して、高さ処理部３１において得られた画像信号と偏位処理部３２において得られた画像信号とを合成する画像合成部３３とを含んでいる。
【００１８】
次に、本発明の一実施形態に係るパンタグラフ状態測定装置の動作について説明する。
図２は、モニタに表示される画面の例を示す図であり、（ａ）は、昼間における画面を示しており、（ｂ）は、夜間における画面を示している。モニタは、パンタグラフ１０の画像と、画像処理装置３０の動作状況とを確認するために使用される。
【００１９】
画像処理装置３０を用いることにより、図２に示すように、パンタグラフ１０の舟体１を撮像することによって得られる撮像画面において、舟体１と交差するウインドウＷ１と、舟体１が接するトロリ線２と交差するウインドウＷ２とを設定することができる。
【００２０】
昼夜の判断は、それぞれのウインドウ内の平均明度に基づいて行われる。少なくとも夜間においては、ライト６０によってパンタグラフ１０の舟体１が照明される。これによって、パンタグラフ１０の舟体１、及び、舟体１の近傍のトロリ線２が明るく照らし出される。
【００２１】
ここで、パンタグラフの高さの検出方法について説明する。
高さ処理部３１は、ウインドウＷ１中における明度レベルを２値化することにより、舟体１の高さを検出する。
【００２２】
図２の（ａ）に示す昼間においては、舟体１が背景よりも暗いので、明度が白から黒に変化するＹ座標Ｙ１と、明度が黒から白に変化するＹ座標Ｙ２とが検出される。一方、図２の（ｂ）に示す夜間においては、舟体１が背景よりも明るいので、明度が黒から白に変化するＹ座標Ｙ１と、明度が白から黒に変化するＹ座標Ｙ２とが検出される。
【００２３】
ここで、頂部のＹ座標Ｙ２が、舟体１の高さとして認識され、２つのＹ座標の差（Ｙ１−Ｙ２）が、舟体１の幅として認識される。高さ処理部３１は、このようにして測定された舟体１の幅（Ｙ１−Ｙ２）が所定の範囲外となった場合には、ノイズが検出されたものと判断して、検出された舟体１の高さを修正する。
【００２４】
また、パンタグラフ１０は、１Ｈｚを中心に、早くても３Ｈｚの周波数で連続的に運動するので、高さ処理部３１は、舟体１の位置の微分値（ｄＹ／ｄｔ）を監視することにより、舟体１の位置の微分値が所定の範囲外となった場合には、ノイズが検出されたものと判断して、検出された舟体１の高さを修正する。これらの修正においては、例えば、検出された舟体１の高さが、それ以前における舟体１の位置の微分値から求めた舟体１の高さによって置き換えられる。
【００２５】
上記のような検出方法によれば、背景が空から山へ変化して舟体１と同様の明度となった場合においても、ウインドウＷ１内の平均明度が暗くなると夜と判断して検出対象を切り換えるので、舟体１が照明により浮き上がって背景より明るくなったとしても舟体１を検出することが可能である。
【００２６】
また、トンネル内で天井に照明が当り、パンタグラフ１０の舟体１と同様の明度になった場合においても、舟体１の幅や位置の微分値を監視することにより、ノイズの除去が容易となる。昼間走行において背景に電柱や電線が写り込んだ場合においても、同様の対策により、ノイズの除去が容易となる。
【００２７】
このようにして、ノイズ成分を抑圧しながら舟体１の高さを検出することができる。最終的な測定結果は、偏位処理部３２や記録装置４０に出力され、記録装置４０に記録される。また、高さ処理部３１において得られたウインドウＷ１等の画像信号は、画像合成部３３に出力される。
【００２８】
次に、トロリ線の偏位の検出方法について説明する。
偏位処理部３２は、高さ処理部３１において検出された舟体１の高さに基づいて、撮像画面において、トロリ線２と交差するウインドウＷ２を、舟体１の動きに追従して上下に移動させ、舟体１よりも僅かに手前（画面上では上方）の部分に設定する。
【００２９】
このようにする理由は、以下の通りである。ライト６０によりトロリ線２を照明しても、照明光がトロリ線２の摺動面でほぼ正反射して摺動面が見えなくなるのに対し、舟体１の近傍、特に僅かに手前のトロリ線２には、舟体１によって反射された照明光が当って、摺動面が光るからである。この光る部分は、舟体１の近傍に限られ、この部分が測定対象として最も適している。
【００３０】
偏位処理部３２は、ウインドウＷ２中における明度レベルを２値化することにより、トロリ線２の偏位を検出する。
【００３１】
図２の（ａ）に示す昼間においては、トロリ線２が背景よりも暗いので、明度が白から黒に変化するＸ座標Ｘ１と、明度が黒から白に変化するＸ座標Ｘ２とが検出される。一方、図２の（ｂ）に示す夜間においては、トロリ線２が背景よりも明るいので、明度が黒から白に変化するＸ座標Ｘ１と、明度が白から黒に変化するＸ座標Ｘ２とが検出される。
【００３２】
ここで、２つのＸ座標の平均値（Ｘ１＋Ｘ２）／２が、トロリ線２の偏位として認識され、２つのＸ座標の差（Ｘ１−Ｘ２）が、トロリ線２の幅として認識される。
【００３３】
実際には、図３に示すように、トロリ線２の他に吊架線（又は補助吊架線）３が検出される。これらが画面の中央よりも左側に存在するときには、トロリ線２は吊架線３よりも左側となり、これらが画面の中央よりも右側に存在するときには、トロリ線２は吊架線３よりも右側となる。一方、これらが画面の中央のある位置Ａに存在するときには、トロリ線２と吊架線３とが重なって吊架線３が見えなくなる。その位置Ａの座標を記録しておくことにより、複数の線が位置Ａよりも左側に存在するときには、左側の線をトロリ線２として認識し、複数の線が位置Ａよりも右側に存在するときには、右側の線をトロリ線２として認識するようにしている。
【００３４】
また、背景には、他の電線や電柱も入ってくる。複数の線が検出された場合には、遠方の電線よりもトロリ線２の方が太いので、これらの線について測定された線幅（Ｘ１−Ｘ２）が太い方の線をトロリ線２として認識する。
【００３５】
さらに、トロリ線２は基本的に連続物であるため、偏位処理部３２は、トロリ線２の位置の微分値（ｄＸ／ｄｔ）を監視する。偏位処理部３２は、トロリ線２の位置の微分値が所定の範囲外となった場合には、ノイズが検出されたものと判断して、検出されたトロリ線２の偏位を、例えば、それ以前におけるトロリ線２の位置の微分値から求めたトロリ線２の偏位によって置き換える。
【００３６】
なお、複数のトロリ線がオーバーラップする場合には、それまでのトロリ線が消えて、新たなトロリ線が現れる。そのような場合には、次のような処理を行う。トロリ線が左側にあるときにはウインドウＷ２の右半分を、トロリ線が右側にあるときにはウインドウＷ２の左半分を常時監視する。それまでのトロリ線が消える直前に、反対側に別のトロリ線が現れて来る筈なので、それを新たなトロリ線として認識する。
【００３７】
上記のような検出方法によれば、背景が空から山へ変化してトロリ線２と同様の明度となった場合においても、ウインドウＷ２内の平均明度が暗くなると夜と判断して検出方法を切り換えるので、トロリ線２が照明により浮き上がって背景より明るくなったとしてもトロリ線２を検出することが可能である。
【００３８】
また、トンネル内で天井に照明が当り、トロリ線２と同様の明度になった場合においても、トロリ線２の幅や位置の微分値を監視することにより、ノイズの除去が容易となる。昼間走行において背景に電柱や電線が写り込んだ場合においても、同様の対策により、ノイズの除去が容易となる。
【００３９】
このようにして、ノイズ成分を抑圧しながらトロリ線２の偏位を検出することができる。最終的な測定結果は、記録装置４０に出力されて記録される。また、偏位処理部３２において得られたウインドウＷ２等の画像信号は、画像合成部３３に出力される。画像合成部３３は、カメラ２０によって得られた画像信号が表す撮像画面に対して、高さ処理部３１において得られたウインドウＷ１や偏位処理部３２において得られたウインドウＷ２等の画像を合成する処理を行う。
【００４０】
次に、パンタグラフの高さの具体的な算出方法について説明する。
図４は、カメラとパンタグラフの舟体との位置関係を示す図である。図４において、カメラは、水平面に対して角度θ０だけ上側を向いている。垂直面内において、舟体は、カメラの光軸中心よりも高さｈだけ上側に位置している。カメラ画像平面においては、舟体が、カメラ画像平面の中心よりも距離ｄだけ上側に位置しているように見える。以下においては、カメラの光軸をｘ軸とし、このｘ軸と直交するように上方に向けてｙ軸をとる。
【００４１】
図５は、基準状態におけるカメラとパンタグラフの舟体との位置関係を示す図である。図５に示すように、垂直面内において、舟体は、カメラの光軸中心よりも高さｈ０だけ上側に位置するように設定されている。カメラ画像平面においては、舟体が、カメラ画像平面の中心よりも距離ｄ０だけ上側に位置するように見える。
【００４２】
ここで、カメラの位置と舟体とを結ぶ直線は、次式（１）のように表すことができる。ただし、θ＝（９０°−θ０）である。
【数１】
2004286500.tif 000003
式（１）において、ｘ＝０のときにｙ＝ｄ０であるために、ａ＝ｄ０が求まる。従って、、カメラの位置と舟体とを結ぶ直線は、次式（２）のように表される。
【数２】
2004286500.tif 000004
【００４３】
式（２）によって表される直線がｘ軸と交わる点（カメラ位置）のｘ座標は、ｙ＝０とおくことにより、次のように求められる。
【数３】
2004286500.tif 000005
なお、カメラの角度θ０と、基準状態における舟体の高さｈ０及びカメラ画像平面における距離ｄ０は、予め求めて記録しておく。
【００４４】
図６は、走行状態におけるカメラとパンタグラフの舟体との位置関係を示す図である。図６を参照しながら、カメラ画像平面において舟体がカメラ画像平面の中心よりも距離ｄだけ上側に位置するときに、垂直面内におけるカメラの光軸中心からの舟体の高さｈを求める。
【００４５】
カメラの位置と舟体とを結ぶ直線は、次式（４）のように表すことができる。
【数４】
2004286500.tif 000006
式（４）において、ｘ＝０のときにｙ＝ｄであるために、ｂ＝ｄが求まる。従って、カメラの位置と舟体とを結ぶ直線は、次式（５）のように表される。
【数５】
2004286500.tif 000007
【００４６】
次に、式（５）によって表される直線と、直線ｙ＝ｘ・ｔａｎθとの交点を求める。
【数６】
2004286500.tif 000008
さらに展開すると、以下のようになる。
【数７】
2004286500.tif 000009
【００４７】
舟体のｘ座標は、ｘ＝ｈ・ｃｏｓθであるので、ｈ＝ｘ／ｃｏｓθという関係がある。これに式（６）を代入すると、垂直面内におけるカメラの光軸中心からの舟体の高さｈが、次のように求められる。
【数８】
2004286500.tif 000010
【００４８】
図７は、本実施形態に係るパンタグラフ状態測定装置を用いて実際に鉄道車両の走行中に測定を行った結果を示す図である。図７において、横軸には時間をとっている。図７の（ａ）は、パンタグラフの高さを測定した結果を示し、図７の（ｂ）は、トロリ線の偏位を測定した結果を示し、図７の（ｃ）は、鉄道車両の速度を示し、図７の（ｄ）は、電柱を検出した結果を示している。このように、概ね良好な結果が得られている。ただし、トンネル内においては、ノイズが上昇する傾向が見られた。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明によれば、鉄道車両の営業運転中においても、撮像手段を用いて得られる撮像画面において、舟体と交差する第１のウインドウ中における明度レベルを２値化することにより舟体の位置を検出すると共に、トロリ線と交差しながら舟体の動きに追従して移動する第２のウインドウ中における明度レベルを２値化することによりトロリ線の位置を検出することにより、パンタグラフの高さとトロリ線の偏位を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るパンタグラフ状態測定装置を搭載した鉄道車両を示す図である。
【図２】モニタに表示される画面の例を示す図であり、（ａ）は、昼間における画面を示しており、（ｂ）は、夜間における画面を示している。
【図３】トロリ線と吊架線との位置関係を示す図である。
【図４】カメラとパンタグラフの舟体との位置関係を示す図である。
【図５】基準状態におけるカメラとパンタグラフの舟体との位置関係を示す図である。
【図６】走行状態におけるカメラとパンタグラフの舟体との位置関係を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るパンタグラフ状態測定装置を用いて実際に鉄道車両の走行中に測定を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
１  舟体
２  トロリ線
３  吊架線
１０  パンタグラフ
２０  カメラ
３０  画像処理装置
３１  高さ処理部
３２  偏位処理部
３３  画像合成部
４０  記録装置
５０  モニタ
６０  ライト
７０  照明制御装置
【図１】
2004286500.tif 000011
【図２】
2004286500.tif 000012
【図３】
2004286500.tif 000013
【図４】
2004286500.tif 000014
【図５】
2004286500.tif 000015
【図６】
2004286500.tif 000016
【図７】
2004286500.tif 000017