(57)【要約】【課題】道床肩幅および道床余盛り高さを、大掛かりな装置を用いることなく、一定の精度でしかも低コストで計測することができ、営業車両でも容易に実施することができる道床形状計測方法および道床形状計測装置を提供する。【解決手段】道床バラストの上面の凹部に埋められた枕木１０３上に敷設されたレール１０４上を走行する車両に少なくとも２台以上のビデオカメラ２１、２２を設置する。車両を走行させながら、道床肩部に枕木１０３に隣接して設けられた道床バラストの隆起部をビデオカメラ２１、２２により撮影し、これらのビデオカメラ２１、２２を用いた多眼視ステレオ法により、道床バラストの隆起部の形状を計測する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
道床バラストの上面の凹部に埋められた枕木上に敷設された軌道上を走行する車両に少なくとも２台以上の複数のビデオカメラを設置し、
上記車両を走行させながら、道床肩部に上記枕木に隣接して設けられた上記道床バラストの隆起部を上記複数のビデオカメラにより撮影し、上記複数のビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法により上記道床バラストの上記隆起部の形状を計測することを特徴とする道床形状計測方法。
【請求項２】
上記道床バラストの上記隆起部の肩幅および高さを計測することを特徴とする請求項１記載の道床形状計測方法。
【請求項３】
上記道床バラストの上記隆起部の形状を計測することにより得られる三次元座標値を上記ビデオカメラのカメラ座標系から道床座標系に変換することを特徴とする請求項１または２記載の道床形状計測方法。
【請求項４】
上記車両に上記車両の前方を撮影するビデオカメラを設置し、このビデオカメラにより撮影された映像から上記車両の左右方向の動揺を検出し、この検出結果に基づいて上記動揺による上記道床バラストの上記隆起部の形状の計測誤差を補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の道床形状計測方法。
【請求項５】
道床バラストの上面の凹部に埋められた枕木上に敷設された軌道上を走行する車両に設置される少なくとも２台以上の複数のビデオカメラを有し、
上記車両を走行させながら、道床肩部に上記枕木に隣接して設けられた上記道床バラストの隆起部を上記複数のビデオカメラにより撮影し、上記複数のビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法により上記道床バラストの上記隆起部の形状を計測することを特徴とする道床形状計測装置。
【請求項６】
道床バラストの上面の凹部に埋められた枕木上に敷設された軌道上を走行する車両に設置される少なくとも２台以上の複数のビデオカメラを有し、
上記車両を走行させながら、道床肩部に上記枕木に隣接して設けられた上記道床バラストの隆起部を上記複数のビデオカメラにより撮影し、上記複数のビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法により上記道床バラストの上記隆起部の形状を計測する道床形状計測装置を有することを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は道床形状計測方法、道床形状計測装置および車両に関し、例えば、営業車両を用いて道床肩部のバラスト形状の計測に適用して好適な道床形状計測方法および道床形状計測装置ならびにこの道床形状計測装置を有する車両に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道事業者にとってレール（軌道）の座屈は、列車の安全と性能に関わる重要な問題である。座屈を引き起こす主な原因はレールの高温化である。特に、夏期の快晴、晴天時にはレールの温度が著しく上昇し、レールの座屈が起きる危険性が高まる。即ち、温度上昇により、レール内部にレール長さ方向の圧縮の熱応力に基づく軸力が発生するため、枕木（マクラギ）ごとレールに直角な方向（この方向を横方向とする）に移動しようとする。この横方向の動きが座屈である。図１０に示すように、有道床軌道では、路盤１０１上に設置された道床バラスト１０２の上面に設けられた凹部に枕木１０３を埋め、その上にレール１０４を敷設する。道床バラスト１０２の上面の凹部に枕木１０３を埋めることにより、この枕木１０３の横方向の移動に対する抵抗力を持たせている。この抵抗力を道床横抵抗力と呼んでおり、座屈防止のための重要な手段となっている。
【０００３】
適切な道床横抵抗力を得るためには、図１１に示す道床肩部分の道床バラスト１０２に設けられる隆起部（以下、必要に応じて「道床余盛り」または「余盛り」という。）のバラスト量、即ち図１１に示す道床肩幅および道床余盛り高さを、必要な道床横抵抗力が得られるよう維持管理する。例えば、線路のカーブ区間や高速で列車が通過する区間では大きな道床横抵抗力が必要であるので、道床肩幅および道床余盛り高さを大きくする。
【０００４】
従来、道床肩幅および道床余盛り高さを計測する方法として次の（１）、（２）の方法がある。
（１）道床横抵抗力を直接測定する方法
レール１０４の座屈防止のためには、道床横抵抗力を直接計測するのが最も有効であるが、そのために、枕木１０３とレール１０４とを固定しているボルト（図示せず）をはずし、ジャッキなどでレール１０４に圧力を加えて、その圧力と枕木１０３の移動量とから道床横抵抗力を求める。
【０００５】
この方法は、線路のある特定のポイントの道床横抵抗力を知りたい場合には効果的な方法であるが、人手と時間を要するために、長距離にわたる道床横抵抗力の測定には適していないばかりでなく、列車の運行が頻繁な営業線での測定には適していない。
【０００６】
（２）道床横抵抗力を間接的に推定する方法
道床横抵抗力と道床形状（道床肩幅および道床余盛り高さ）との間には一定の相関関係がある。従って、道床形状を計測することによって、間接的に道床横抵抗力を推定することができる。
【０００７】
従来、道床形状計測は、治具とメジャーを使って人間が手作業で計測するか、レーザーを用いて機械的に計測するのが一般的である。このうち手作業による計測は工事などを行った際にスポット的に行うものであり、長距離にわたる営業線全体の日常メンテナンスとして実施するのは困難である。
【０００８】
レーザーによる計測方式には、飛行時間（Time of Flight；ＴＯＦ）方式および光切断方式がある。前者はレーザーパルスの反射時間から対象物までの距離を計測する方式であり、面状の対象物を計測するためにはスポット光をミラーでスキャンする。後者は大出力のレーザー光をライン状に広げて対象物に照射し、それをカメラで撮影する方式である。いずれの方式も道床を面的に計測することができるので長距離の営業線全体を計測するのに適しており、計測精度も優れているが、レーザー発振器とそのスキャニング装置が高価で大型となること、レーザー光を発射するため搭載できる車両は試験車や計測車など限定された車両となり、一般の営業車両への搭載は難しいことなどの欠点がある。
【０００９】
また、レーザー方式で得られる画像はレーザー光源から対象物までの距離情報を持った特殊な画像（距離画像と呼ばれる）であるため、人間がその画像から道床形状を再確認しようとしても困難である。さらに、道床形状の維持管理は、図１１に示す通り、枕木１０３の端を原点とした道床肩幅および道床余盛り高さを管理することによって行われるが、レーザー方式では枕木１０３および道床バラスト１０２の一体としての形状データが得られるのみで、枕木１０３の端を検出することができないので、道床肩幅や道床余盛り高さといった管理データとの対応付けが困難である。
【００１０】
一方、軌道道床のバラスト状態の検査を効率化することを目的として、道床肩部のバラスト状態検査装置が提案されている（特許文献１参照。）。このバラスト状態検査装置では、レーザスポットを道床の両肩部にそれぞれ照射し、その反射光をそれぞれＴＶカメラで撮像することにより道床肩部のバラスト状態を検査するとされている。しかしながら、このバラスト状態検査装置は、装置が大掛かりになり、検査コストが高くつくことや、軌道検測車を用いなければならず営業車両での使用は困難であるなどの点で難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−２９４４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、道床肩幅および道床余盛り高さを、大掛かりな装置を用いることなく、一定の精度でしかも低コストで計測することができ、営業車両でも容易に実施することができる道床形状計測方法および道床形状計測装置を提供することである。
【００１３】
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた道床形状計測装置を有する車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、この発明は、
道床バラストの上面の凹部に埋められた枕木上に敷設された軌道上を走行する車両に少なくとも２台以上の複数のビデオカメラを設置し、
上記車両を走行させながら、道床肩部に上記枕木に隣接して設けられた上記道床バラストの隆起部を上記複数のビデオカメラにより撮影し、上記複数のビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法により上記道床バラストの上記隆起部の形状を計測することを特徴とする道床形状計測方法である。
【００１５】
また、この発明は、
道床バラストの上面の凹部に埋められた枕木上に敷設された軌道上を走行する車両に設置される少なくとも２台以上の複数のビデオカメラを有し、
上記車両を走行させながら、道床肩部に上記枕木に隣接して設けられた上記道床バラストの隆起部を上記複数のビデオカメラにより撮影し、上記複数のビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法により上記道床バラストの上記隆起部の形状を計測することを特徴とする道床形状計測装置である。
【００１６】
また、この発明は、
道床バラストの上面の凹部に埋められた枕木上に敷設された軌道上を走行する車両に設置される少なくとも２台以上の複数のビデオカメラを有し、
上記車両を走行させながら、道床肩部に上記枕木に隣接して設けられた上記道床バラストの隆起部を上記複数のビデオカメラにより撮影し、上記複数のビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法により上記道床バラストの上記隆起部の形状を計測する道床形状計測装置を有することを特徴とする車両である。
【００１７】
典型的には、道床バラストの隆起部、即ち道床余盛りの形状を計測することにより、道床肩幅および道床余盛り高さを計測する。好適には、道床余盛りの形状を計測することにより得られる三次元座標値をビデオカメラのカメラ座標系から道床座標系に変換する。また、この座標変換の計算において、車両の、線路方向の周りの回転により発生する左右方向の動揺による計算誤差の低減を図るために、好適には、車両に車両の前方を撮影するビデオカメラを設置し、このビデオカメラにより撮影された映像から車両の左右方向の動揺を検出し、この検出結果に基づいてその動揺による道床バラストの余盛りの形状の計測誤差を補正する。
【００１８】
道床形状計測装置を搭載する車両は、検測車であっても、営業車両であってもよい。また、道床形状計測装置は、計測を行うときに車両に搭載しても、常時車両に搭載してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、車両を走行させながら、道床バラストの隆起部、すなわち道床余盛りを複数のビデオカメラにより撮影し、これらのビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法により余盛りの形状を計測することにより、道床肩幅および道床余盛り高さを、大掛かりな装置を用いることなく、一定の精度でしかも低コストで簡単に計測することができる。また、この道床形状計測方法および道床形状計測装置は営業車両を用いても容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の第１の実施の形態による道床形状計測装置を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態による道床形状計測装置のビデオカメラ部を示す側面図および正面図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態による道床形状計測装置を用いて道床形状計測を行う方法を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態による道床形状計測装置におけるカメラ座標系から道床座標系への座標変換を説明するための略線図である。
【図５】道床肩付近のバラスト状態を示す図面代用写真である。
【図６】この発明の第１の実施の形態による道床形状計測装置におけるカメラ座標系から道床座標系への座標変換を説明するための略線図である。
【図７】道床肩付近のバラスト状態を示す図面代用写真である。
【図８】カントを説明するための略線図である。
【図９】この発明の第２の実施の形態による道床形状計測装置における動揺補正を説明するための略線図である。
【図１０】道床軌道を示す略線図である。
【図１１】道床肩幅および道床余盛り高さを説明するための略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」という）について説明する。
〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態による道床形状計測装置および道床形状計測方法について説明する。
【００２２】
図１はこの道床形状計測装置を示す。図１に示すように、この道床形状計測装置は、制御ボックス１０、ビデオカメラ部２０および制御ボックス１０とビデオカメラ部２０とを接続する複合ケーブル３０から構成されている。
【００２３】
制御ボックス１０には、計算ユニット１１、ＧＰＳ受信機１２および電池１３が内蔵されている。計算ユニット１１とＧＰＳ受信機１２との間はＵＳＢケーブル１４により接続されている。電池１３は、計算ユニット１１およびＧＰＳ受信機１２にそれぞれケーブル１５ａ、１５ｂを介して電源を供給する。電池１３としては、例えば、ＤＣ１２Ｖのものが用いられるが、これに限定されるものではない。制御ボックス１０には、計算ユニット１１を起動する起動用電源のオン／オフを行うメイン電源スイッチ１６が、ケーブル１５ｃを介して接続されている。この起動用電源はビデオカメラ部２０の電源と連動する。制御ボックス１０の表面には、システムモニタ用の小型モニタ１７が設けられている。この小型モニタ１７はケーブル１５ｄを介して計算ユニット１１と接続されている。この小型モニタ１７は、ビデオカメラ部２０により撮影される画像や計算結果の断面形状などを表示したり、道床余盛り高さが閾値を下回る場合の警告表示を行ったりするのに使用される。計算ユニット１１には、ＵＳＢケーブル１８を介して、計測の開始や終了を行う外部ボタン１９が接続されている。外部ボタン１９としては、ＵＳＢ接続の小型ゲームパッドなどを用いることができるが、これに限定されるものではない。なお、制御ボックス１０の表面に計算ユニット１１のＵＳＢポートを露出させ、このＵＳＢポートを用いて計測後のデータの抜き取りを行うこともできる。
【００２４】
ビデオカメラ部２０の詳細を図２ＡおよびＢに示す。ここで、図２Ａはビデオカメラ部２０の側面図、図２Ｂはビデオカメラ部２０の正面図である。図２ＡおよびＢに示すように、ビデオカメラ部２０は二眼視ステレオ用の２台のビデオカメラ２１、２２を有する。ビデオカメラ２１、２２は、ステレオ法により形状計測が可能な適当な距離Ｌ（例えば、２５０ｍｍ）離して固定されている。ビデオカメラ２１、２２はそれぞれレンズ２１ａ、２２ａを有する。ビデオカメラ２１、２２の間には汎用ＵＳＢカメラ２３が設けられている。汎用ＵＳＢカメラ２３は列車正面の映像を撮影するためのものである。汎用ＵＳＢカメラ２３の上部には、ＧＰＳ受信機１２用のＧＰＳアンテナ２４が設けられている（図１参照）。ＧＰＳアンテナ２４は、ＧＰＳアンテナケーブル２５を介してＧＰＳ受信機１２と接続されている。ビデオカメラ部２０の内部中央には３軸加速度センサ２６が設けられている。なお、３軸加速度計２６の代わりに傾斜計を用いてもよい。ビデオカメラ部２０の前面には、列車の先頭車両の運転室ガラス窓への固定が容易なように吸盤２７〜２９が設けられている。ビデオカメラ部２０の下部にはチルト角調整用スリット３１が設けられている。また、ビデオカメラ部２０の上部にはパン角調整用スリット３２が設けられている。複合ケーブル３０は、例えば、ビデオカメラ２１、２２および汎用ＵＳＢカメラ２３の信号伝送用のＵＳＢケーブルを３本、これらのビデオカメラ２１、２２および汎用ＵＳＢカメラ２３の電源（例えば、ＤＣ５Ｖ）供給用のケーブルを１本含む。
【００２５】
この道床形状計測装置の使用方法、即ち道床形状計測方法について説明する。
まず、以下の（１）〜（９）の順序で道床肩部を撮影する。
【００２６】
（１）図３に示すように、レール１０４上を走行する車両５０の運転席前方窓ガラスに、道床形状計測装置のビデオカメラ部２０を吸盤２７〜２９で固定する。
（２）メイン電源スイッチ１６をオンにし、小型モニタ１７で道床形状計測装置の起動を確認する。
（３）小型モニタ１７に表示されるメニューから「撮影」を選択する。
（４）計測対象の余盛り部分が正しく視野に入るようにビデオカメラ部２０をパン、チルトさせて調整を行う（小型モニタ１７でライブ画像を確認する）。
（５）小型モニタ１７に表示される計測ボタンを押し、計測を開始する
（６）計算ユニット１１には以下の映像および信号情報が入力されて記録される。
・ＧＰＳ受信機１２からの緯度経度情報
・ビデオカメラ２１、２２により撮影された道床肩部分の映像
・汎用ＵＳＢカメラ２３からの列車正面映像
・３軸加速度センサ２６からの加速度データ
（７）計算ユニット１１では、どの地点の道床形状を計測しているか分かるように、ＧＰＳ受信機１２からの緯度経度情報から算出したキロ程と、計測後にカメラ座標系から道床座標系への座標変換（図４参照）が可能になるように３軸加速度センサ２６からの加速度データとビデオカメラ２１、２２により撮影された映像、汎用ＵＳＢカメラ２３により撮影された映像との対応付けを行う。
（８）計測ボタンを押し、撮影を終了する。
（９）メイン電源スイッチ１６をオフにする。
【００２７】
撮影が終了したら、道床形状計測装置を取り外して事務所に持ち帰り、以下の（１）〜（９）の順序で、道床余盛り形状の計算を実施する。
（１）メイン電源スイッチ１６をオンにし、小型モニタ１７で道床形状計測装置の起動を確認する。
（２）小型モニタ１７に表示されるメニューから「形状計算」を選択
（３）撮影開始時の画面からレール方向を指定（道床肩付近のバラスト状態を示す図５の矢印で示す方向）する。このレール方向が道床座標系におけるＹ軸の方向となる（図４、図６参照）。図５において四角で囲われた部分は形状計算を実施する領域である。
（４）平坦地で列車が停止している状態から得られた３軸加速度センサ２６からの３軸方向の加速度から重力軸方向を計算し、平坦地におけるカメラ画像上での地平面に対する姿勢、即ち、道床座標系のＺ軸を求める（図４、図６参照）。
（５）図７において四角で囲われた部分の左下隅に示すように、画像処理により枕木端の中心を抽出する。これが道床座標系の原点であり、上記で求めたＹ軸、Ｚ軸およびＹ−Ｚ平面と直交するＸ軸が道床座標系の各軸となる。
（６）ビデオカメラ２１、２２の映像に対して二眼視ステレオ法を適用して道床余盛りの三次元形状計算を実施し、カメラ座標系での三次元座標値を求める。具体的には、カメラ座標系の三次元座標値を（５）で求めた枕木端の中心を原点とする道床座標系に座標変換する。座標変換後、Ｙ＝０のＸ−Ｚ平面が道床余盛り断面であり、Ｚ＝０となるＸの値が道床肩幅であり、Ｚの最大値が道床余盛り高さとして得られる。
（７）上記で求めた道床肩幅、道床余盛り高さをあらかじめ与えられた閾値と比較して、閾値に達しない場合は警報を画面あるいはファイルに出力する。
（８）上記（５）から（７）までを必要とする枕木毎に、レール１０４の全線にわたり繰り返し計算を行う。
（９）警報が表示された場合には、オペレータは本装置が計測した道床肩幅および道床余盛り高さの数字情報を確認することができると同時に、図７のような実際の撮影画像を見ることができるので、より正確な判断を下すことができる。
【００２８】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、道床バラスト１０２の上面の凹部に埋められた枕木１０３上に敷設されたレール１０４上を走行する車両５０に、２台のビデオカメラ２１、２２を有するビデオカメラ部２０を備えた道床形状計測装置を設置し、レール１０４上を車両５０を走行させながら、道床肩部に枕木１０３に隣接して設けられた道床バラスト１０２の余盛りをビデオカメラ２１、２２により撮影し、これらのビデオカメラ２１、２２を用いた二眼視ステレオ法により余盛り形状を計測するようにしている。このため、道床肩幅および道床余盛り高さを、大掛かりな装置を用いることなく、一定の精度でしかも低コストで簡単に計測することができる。また、この道床形状計測方法および道床形状計測装置は営業車両を用いて容易に使用することができる。また、ビデオカメラ２１、２２により得られる可視画像を用いているため、計測結果を人間が見て確認したい場合には、該当の映像を見ることにより、計測結果の確認を容易に行うことができる。例えば、道床肩付近で土木工事中であったり、線路脇にコンクリート製の構造物があったり、何らかの機材や資材がおいてあったりすると大きく異なる形状計測となり、人間の再確認が必要となるが、この第１の実施の形態によれば、このような場合にも容易に対処することができる。
【００２９】
また、この第１の実施の形態によれば、次のような利点も得ることができる。即ち、図８に示すように、レール１０４のカーブ区間では、通過する列車に向心力を与えるため、道床全体をある角度傾けている。この傾きθをカントという。カントのある区間では道床座標系のＺ軸もカントθだけ傾ける必要がある。これに対し、この第１の実施の形態では、車両５０に取り付けたビデオカメラ２１、２２は車両５０と一緒にカント相当の角度分傾くために自動的にＺ軸も傾くことになることから、特にカント対策は不要である。
【００３０】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態による道床形状計測装置および道床形状計測方法について説明する。
【００３１】
上述のように、カントは、道床そのものが傾いている場合には、自動的に傾いたＺ軸を使って道床座標系に変換することにより特に対策は不要であるが、車両の動揺（ローリング、即ちＹ軸の周りの回転による左右方向の動揺）は、道床は傾いていないが、ビデオカメラ２１、２２は傾いていてＺ軸も傾いた状態であり、計算誤差の大きな要因となり得る。
【００３２】
そこで、第２の実施の形態においては、車両５０のローリングによる計算誤差の低減を図るために、汎用ＵＳＢカメラ２３から得られる列車正面映像の回転から、ローリング角を算出してそれを補正角とすることにより上記の誤差発生を回避する。なお、カントによる傾きとローリングによる傾きとは周波数が互いに大きく異なるので、両者の識別は容易である。
【００３３】
第２の実施の形態による道床形状計測装置の具体的な構成例を図９に示す。図９に示すように、汎用ＵＳＢカメラ２３から得られる列車の前方映像からの列車動揺補正値計算を行い、列車動揺補正後の余盛り座標系の三次元形状座標値より道床肩幅および道床余盛り高さを算出する。
【００３４】
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点に加えて、車両５０のローリングによる計算誤差の低減を図ることができるので、道床肩幅および道床余盛り高さを、より高い精度で計測することができるという利点を得ることができる。
【００３５】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００３６】
例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、構造、構成、形状などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状などを用いてもよい。
【００３７】
具体的には、第１の実施の形態においては、２台のビデオカメラ２１、２２を用いた二眼視ステレオ法を用いているが、３台以上のビデオカメラを用いた多眼視ステレオ法を用いてもよい。また、第１の実施の形態においては、ＧＰＳ受信機１２からの緯度経度情報を基にキロ程を算出する方法を用いたが、他の方法、例えば車両の車輪の回転パルスから移動距離を積算する方法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０…制御ボックス、１１…計算ユニット、１２…ＧＰＳ受信機、１３…電池、１６…メイン電源スイッチ、１７…小型モニタ、２０…ビデオカメラ部、２１、２２…ビデオカメラ、２３…汎用ＵＳＢカメラ、２４…ＧＰＳアンテナ、２６…３軸加速度センサ、２７〜２９…吸盤、５０…車両、１０１…路盤、１０２…道床バラスト、１０３…枕木、１０４…レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図５】
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【図７】
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