JSCE 令和3年度土木学会全国大会第76回年次学術講演会

第VI部門

検査技術・診断(7)2021年9月10日(金) 11:10 〜 12:30 VI-5 (Room30)[VI-837] OCMによる路面のたわみ計測技術に関する検討
Study on a deflection measurement technique of the roadsurface utilizing Orientation Code Matching〇小泉 圭吾1、中西 典明2、福田 芳雄3、塚本 真也4、澁谷 啓5 （1.大阪大学大学院、2.復建調査設計、3.地球観測、4.東亜道路、5.神戸大学）〇Keigo Koizumi1, Noriaki Nakanishi2, Yoshio Fukuda3, Shinya Tsukamoto4, Satoru Shibuya5 （1.OsakaUniversity, 2.Fukken, 3.EarthWatch, 4.ToaRoad, 5.Kobe University）
キーワード：画像センシング、空洞調査、カメラ、たわみ計測
image sensing, cavity investigation, camera, deflection measurement
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道路管理者は路面陥没事故防止のため，レーダー探査による空洞調査を実施している．一方，空洞箇所が膨大であることから，補修作業が必要かどうかを簡便に評価するための手法が求められている．現在， FWDを用いた評価手法が提案されているが，道路を占用する必要があり，当手法のみで評価するには限界がある．そこで筆者らは道路端部にカメラを設置し，走行車の輪荷重から路面変位を検出することを最終目的とし，本研究ではカメラによる路面のたわみ計測の可能性とその手法を探ることを目的とした．その結果，カメラの選定にあたってはフレームレートを優先すること，三脚に防振材を組合せると精度よく計測できることがわかった．
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VI-837

令和3年度土木学会全国大会第76回年次学術講演会

OCM による路面のたわみ計測技術に関する検討
大阪大学
復建調査設計㈱地球観測㈱東亜道路工業㈱神戸大学

正会員 ○小泉 圭吾正会員
中西 典明
非会員
福田 芳雄
正会員
塚本 真也
正会員
澁谷 啓＿

１．はじめに道路管理者は路面陥没事故防止のため，レーダー探査による空洞調査を実施している．空洞箇所については，スコープによる詳細調査および補修作業が実施されるが，空洞箇所が膨大であることからそれら全てを修復することは困難であり，実際に補修作業が必要かどうかを簡便に評価するための手法が求められている．これに対し現在，FWDを用いた路面の健全度を評価する手法が提案されている 1)。この手法は，重錘を空洞上部に落下させた際の路面のたわみ量と空洞部の路面耐力の関係性を評価するものである．ただし，計測には道路を占用する必要があり，全ての路面下空洞の健全度を当手法のみで評価するには限界がある．
そこで本研究では OCM に着目してこの課題を解決することを考えた．OCM(Orientation Code Matching)とは，CCDカメラで連続撮影した複数枚の画像にある被写体（テンプレート画像）の動きを精度良く検出する画像処理法の 1 つであり，この手法を応用することで路面のたわみ量を推定できる可能性がある 2)．筆者らは道路端部，或いは歩道にカメラを設置し，走行中のトラック等の輪荷重から路面変位重錘を検出することを最終目的とし，本研究では最初の試みとしゴムバッファ
記録装置て OCM による路面のたわみ計測の可能性とその手法を探る
CCDカメラことを目的とした．
荷重センサ
300 450 600
２．実験概要D2000載荷板
D1500
FWD で発生させた路面のたわみに対し，FWD の計測結果
D750D900
D600
D450を基に OCM のたわみ検出性能を評価する．図-1 は FWD お
D300
D200
よび OCM による計測概要を示している．FWD は重錘を落下
D0
外挿外挿実測させることで発生する舗装表面のたわみ量を複数点で同時に
図-1 FWD および OCM によるたわみ計測概要
計測することでたわみ曲線を求めることができる．一方，
OCM では重錘を落下させた際の路面の連続画像を CCD カメ表-1 CCD カメラの仕様
ラで記録し，その結果を解析することで地点毎のたわみ量をカメラA
カメラB
USB3.0カメラ
FL3-U3-13E4M-C
BFS-U3-04S2
推定することになる．本研究では計測に有効な CCD カメラ
カラーモノクロモノクロを選定し，その計測結果を基に路面のたわみを計測する手法
最大解像度(pixel)
1280×1024
720×540
最速フレームレート(fps)60522について検討を行った。
寸法(mm)
29×29×30
29×29×30
レンズ
メガﾋﾟｸｾﾙﾊﾞﾘﾌｫｰｶﾙﾚﾝｽﾞ
TVR555MIR
３．カメラ選定
ここでは解像度とフレームレートの異なる二種類の CCDカメラを選定し，適用性に関する比較検証を行った．表-1 に
カメラ A，B それぞれの仕様を示す．比較的安価に入手でき焦点距離(mm)9-90mm

5-55mm

絞り範囲

F1.8-C

F1.4-C

作動距離(mm)

300

300

マウント

C

C

寸法(mm)

Φ45×93

Φ45.5×64

る CCD カメラの解像度とフレームレートにはトレードオフの関係があるため，解像度が高くフレームレートが遅い
カメラ A と，フレームレートは速いが解像度が低いカメラ B を選定して検証を行った．具体的には，カメラ A は60fps，カメラ B は 522fps でそれぞれ撮影を行い，OCM により路面のたわみ量を解析した．
図-2～4 は 10tf の衝撃荷重を与えた際の中心から 300，450，600(mm)の位置における FWD，カメラ A，カメラ Bによるたわみの計測結果を示している．いずれも画角を被写体にズームした条件で計測を行った．図-2 より，FWDの D300，D450，D600 におけるたわみ量はそれぞれ 880，728，601μm，周波数は 45Hz 程度であることがわかる．これに対し，図-3 のカメラ A では周波数 45Hz に対して 60fps（60 frames/sec）であることから明らかにデータが不足している．従ってこの条件下での解像度の優位性は確認できなかった．次に図-4 のカメラ B では周波数に対して 10倍程度の速度があるため必要最小限のデータは取得できている．ただし図-2 と図-4 を見比べると，重錘落下直後 5ms

キーワード 画像センシング，空洞調査，カメラ，たわみ計測
連絡先〒565-0871 大阪府吹田市山田丘 2-1 大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻 TEL:06-6879-7346

JSCE 令和3年度土木学会全国大会第76回年次学術講演会© Japan Society of Civil Engineers- VI-837 -VI-837

令和3年度土木学会全国大会第76回年次学術講演会

たわみ量 (μm)

2000
1500
1000
5000-500 05

たわみ量 (μm)

2000
1500
1000
5000-500 0-1000-1500

5として，市販の三脚に防振材

選定候補

1015

防振材

H鋼-0.5

参考文献：1)塚本 真也,澁谷(d) ミニ三脚0.12

たわみ量 (μm)

510152530354045450mm

600mm

800

600
400

2000-2002030405060-400D300Time (ms)OCM_LP35Hz
OCM_LP45Hz

図-5OCM_LP55Hz

LPF による補正
三脚＋吸収材_5t-7a-g-1

0.130.14

防振材

0.15

0.16

0.170.00.28

FWD

0.50.50.00.00.21

0.32

0.33

FWD(b) 三脚+防振材

0.5

0.2

0.31

ミニ三脚＋吸収材_5t-4c-g-1

ミニ三脚_5t-7c-1

礎 工 ,pp.40-42, 2019.12. 2)

0.19

0.3

-1.0

(a) 三脚

0.18

0.29

OCM

-1.0

1.0search

20

図-4 カメラ B によるたわみ計測

1.0

using robust object

600mm

Time (ms)
300mm

1.0

monitoring dynamic response

45-0.5H鋼＋吸収材_5t-1b-g-1

0.0
0.07

0.08

0.090.1

0.11-0.5

OCM

400-500 0-1000

OCM
ミニ三脚(e) ミニ三脚＋防振材

-1.0

35500

危険度評価方法の開発. 基for301000

面のたわみ測定による陥没

sensor2515000.5(c) H鋼＋防振材

displacement

20

2000

0.5(b) 三脚＋防振材

-0.5

45

図-3 カメラ A によるたわみ計測

1.0

計測できることがわかった．

0.17

40D600450mm

三脚_5t-1a-1

0.00.1635

三脚(a) 三脚のみ

Fukuda, Y.et al.:Vision-based

30

Time (ms)1.0を組合せた条件が精度よく

啓,梅田 準,白 濟民,道路表

25D450300mmする必要がある，②LPF 処理によって載荷板からの振動の影響を除去
表-2 カメラ取付架台の候補

20

図-2 FWD によるたわみ計測結果

メラの選定にあたっては解像度よりもフレームレートを優先して選定がある，③カメラの取付架台

15D300

OCM を用いたたわみ量の計測手法について検討を行った結果，①カできるが条件設定には課題

10Time (ms)

たわみ量 (μm)

付近までの立ち上りは概ね一致しているが，その後の波の速度と振幅に違いがみられる．この要因は載荷板の振動がカメラ三脚を介してカメラに伝わったことによるものであると推察される．次節ではこの問題を解決するためにソフト面，ハード面での対策を検討した．
４．LPF による高周波成分の除去
ソフト面での対策として，LPF を用いてノイズ除去を試みた．ここでは処理後の波形が FWD の波長と一致するように試行錯誤的にカットオフ周波数を決定することとした．図-5 は 300mm 地点における解析結果を示している．このグラフより，カットオフ周波数 45Hz で FWD の計測結果と整合性が確認された．地点 450，600mm においても同様の結果となったことから LPF 処理が三脚に伝わった振動源を除去する手法として有効であることがわかった．一方，カットオフ周波数の決め方には明確な根拠が無いため，これについては引続き検討が必要である．
５．カメラ取付架台の改良
ハード面での対策として，カメラ取付架台である三脚を改良することで，載荷版の振動がカメラに伝わらない方策を検討した．ここでは安価に改良できることを前提に，表-2 に示す 5 つの候補を挙げ，この中から最適な取付架台を選定することとした．(a)は一般に用いられているカメラ三脚，(b)はこの三脚に防振材を組合せた条件，(c)は H 鋼と防振材の組合せ，(d)は小型カメラ用のミニ三脚，(e)はミニ三脚に防振材を組合せた条件である．(b)，(c)，(e)はいずれも振動を吸収することを目的に設定し，(a)と(d)はその比較のためである．図-6 は 5tf の衝撃荷重を与えた際の中心から 300mm 地点の FWD と各取付架台における計測結果を示したグラフである．カメラの位置は中心から 3m の地点である．この結果より，FWD の計測結果と最もよく整合しているのは三脚＋防振材の組合せであった．H 鋼やミニ三脚においてもたわみ量である最大振幅は概ね整合しているものの，波形が乱れていることから載荷版からの振動が十分に吸収されていないものと推察される．
６．まとめOCM

FWDFWD-1.0(c) H 鋼+防振材

0.12

0.15

0.16

0.17

0.18

0.19-0.5

OCM

FWD-1.0(d) ミニ三脚(e) ミニ三脚+防振材

図-6 カメラ取付架台の選定結果

algorithm. IEEE SENSORS Journal, Vol.13. No.12 pp. 4725-4732. 2013.
謝辞：本研究の一部は（公財）昭瀝記念財団の研究助成によって行われた．ここに記して深甚の謝意を表する．

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