電気鉄道の設備としてトロリ線があるが� ��線路の交差する場所では、電車線も交差さ� ��る必要がある。この本線と異なって交差す� ��線を「渡り線」と呼ぶ。駅構内の本線及び� ��り線上に架設された電車線は、線路の分岐� ��所において相互に交差し、2条のカテナリ架 線が1個の交差金具で機械的に、またコネク� �により電気的に連結された特殊な架線構造� �形成する。トロリ線(本線及び渡り線)はレー ル面より規定高さの範囲、及び軌道中心から 左右に規定偏位の範囲に敷設されなければな らない。

 しかし、交差する両方のトロリ線の高低差� ��電車線の温度変化、パンタグラフの押上り� ��により変化すると、パンタグラフに対しト� ��リ線が車両限界内へ接近し、トロリ線とパ� ��タグラフなどを損傷させる(以下、巻き込み と呼ぶ)危険性がある。よってトロリ線の交� �付近は十分な管理が必要となる。
 トロリ線の敷設管理には主にパンタグラフ� ��利用し、その高さ及び接触点を見ることで� ��っている。

 パンタグラフの測定手段として、検測車� ��車両限界測定車等と呼ばれる専用の測定車� ��あり、営業運転の合間を縫って、一定周期� ��とに運用されている。これら測定車には、� ��体の傾きやレールの偏位等を測定するセン� ��が多数取り付けられており、そのセンサの� ��つとしてパンタグラフの測定センサがある� ��パンタグラフ測定方式には、レーザセンサ� ��式、画像処理方式等があり、以下の特徴が� ��る。

1)レーザセンサは、主にスキャン式が使用さ� ��、ミラーなどでレーザをパンタグラフに走� ��し、この反射波の位置差や照射したレーザ� ��状の変形により、パンタグラフまでの距離� ��測定するセンサである。
2)画像処理方式にはモデルマッチングやパタ� ��ンマッチングでパンタグラフを検出する
方式がある。
 しかし、これら方式はそれぞれパンタグラ� ��とトロリ線が接触していなければトロリ線� ��敷設状況を知ることができない。
 また、特許文献1では、パンタグラフと接触 していない物体に対してその重心を求め、3� �元的な位置を測定しているが、2つのカメラ� ��利用したステレオ計測にて行っている。

特開2006-250775「パンタグラフ周辺支障物� ��出装置」

特開2002-139305「パンタグラフ支障物検出� ��置」

 トロリ線(以下本線も含めて渡り線と呼ぶ )の敷設管理には主にパンタグラフを利用し� �その高さ及び接触点を見ることで行ってい� �。そのパンタグラフの測定方式にはレーザ� �ンサ方式、画像処理方式等があるが、いず� �もパンタグラフと渡り線が接触していない� �渡り線の3次元的な位置を測定することがで� ��ない。

 また、特許文献1では、パンタグラフと接触 していない物体に対してその重心を求め3次� �的な位置を測定しているが、ステレオ計測� �物体の距離などを認識しているため、カメ� �の台数が複数台必要となってくる。
 更に、特許文献2では、カメラ1台を用いて� �ンタグラフ近傍を撮影し、パンタグラフの� �さとトロリ線の偏位を測定することが記載� �れている。

 本発明は、渡り線の高さと偏位を、1台の カメラで画像処理によって簡便に測定するこ とができる渡り線測定装置を提供することを 目的とする。

 本発明によれば、渡り線測定装置は、渡� ��線を見上げるように車両の屋根に設置され� ��渡り線用ラインセンサと、パンタグラフ周� ��に向けて前記車両の屋根に設置されたパン� ��グラフ用ラインセンサと、前記渡り線を照� ��するように前記車両の屋根に設置された照� ��部材と、前記渡り線用ラインセンサ及び前� ��パンタグラフ用ラインセンサにより取得さ� ��た輝度信号を時系列に並ベてラインセンサ� ��像をそれぞれ作成し入力画像として保存す� ��ラインセンサ画像作成部と、前記ラインセ� ��サ画像作成部により作成された前記ライン� ��ンサ画像に対して判別分析二値化処理によ� ��渡り線部を強調した二値化ラインセンサ画� ��を作成する判別分析二値化処理部と、前記� ��別分析二値化処理部により判別分析二値化� ��理された該二値化ラインセンサ画像のノイ� ��を除去するノイズ除去部と、前記ノイズ除� ��部によりノイズの除去された前記二値化ラ� ��ンセンサ画像において前記渡り線部のエッ� ��を検出する渡り線部エッジ検出部と、前記� ��り線部エッジ検出部により検出された前記� ��り線部の前記エッジの間隔から前記渡り線� ��の画像上の幅を求めると共に、前記渡り線� ��ラインセンサのレンズ焦点距離、センサ画� ��数及び前記渡り線のサイズデータに基づく� ��像分解能から前記渡り線の高さを求める渡� ��線部高さ計算部と、前記渡り線部エッジ検� ��部により検出された前記渡り線部の前記エ� ��ジ中央の値を渡り線重心位置として求める� ��共に、該渡り線重心位置、前記渡り線用ラ� ��ンセンサ設置位置、レンズ焦点距離、セン� ��幅、センサ画素数及び前記渡り線部高さ計� ��部により求められた前記渡り線の高さに基� ��いて前記重心位置の中心からの偏位を求め� ��渡り線部偏位計算部と、前記ノイズ除去部� ��よりノイズの除去された前記二値化ライン� ��ンサ画像及びパンタグラフ設計データに基� ��いて前記パンタグラフの高さ及び位置を求� ��るパンタグラフ高さ及び位置計算部と、前� ��渡り線部高さ計算部により求められた前記� ��り線の高さ、前記渡り線部偏位計算部によ� ��求められた前記重心位置の中心からの偏位� ��前記パンタグラフ高さ及び位置計算部によ� ��求められた前記パンタグラフの高さ及び位� ��に基づいて、前記パンタグラフと前記渡り� ��との相対的位置関係を求めるパンタグラフ� ��り線相互位置計算部と、を備える。

 さらに、本発明によれば、渡り線測定装� ��は、前記照明部材としてナトリウムランプ� ��使用すると共に、前記渡り線用ラインセン� ��には、前記ナトリウムランプの発する光の� ��長のみを透過するバンドパスフィルタを装� ��した。

 本発明の基本的な考え方の効果を列記する� ��以下の通りである。
(1)1台のカメラで渡り線の3次元的位置を求め� ��ことが出来る。
(2)非接触の方式であるため高速走行の運用が 可能であり、短期間で長い距離の区間を測定 することができる。

(3)装置の構造上、ポイント、エアーセクショ ン、アンカーといった既存構造物から離れた 位置にセンサが設置されているため、既存構 造物との衝突を考慮する必要が無く、既存構 造物が存在する場所にても連続的に測定を行 うことができる。
(4)判別分析二値化法により渡り線の偏位等に よる撮像輝度の強弱に関係なく測定を行うこ とができる。

(5)基本的に全ての区間においてラインセンサ 画像の撮像が可能であり、測定区間での渡り 線及び近傍にある地上の既存構造物の画像デ ータを取得することができる。
(6)レーザ光を使用する方法に比べて人体への 影響を考慮する必要が無く、取り扱いが簡単 である。

(7)渡り線からの反射光を正反射で受ける必要 が無いため、光源と受光装置間で精密な位置 あわせを行う煩わしさが無い。
(8)測定区間のラインセンサ画像が録画されて いるため、渡り線として問題があった部分に ついては、その部分の画像を見ることで問題 の確認を行うことか可能である。
(9)渡り線が交差する位置が規定位置内に収ま っているかどうかを知ることができ、パンタ グラフの巻き込み監視を行うことができる。

 更に、前記照明手段部材としてナトリウ� ��ランプを使用すると共に、前記渡り線用ラ� ��ンセンサには、前記ナトリウムランプの発� ��る光の波長のみを透過するバンドパスフィ� ��タを装着したことにより、外灯や太陽光な� ��の外乱光を除去でき良好な画像を得ること� ��よって精度の向上効果がある。

(1)基本的な考え方
 本発明では、画像の入力手段としてライン� ��ンサを用い、照明には通常の白色照明を使� ��し、ラインセンサを検査車両の屋根上に鉛� ��上向きを見上げるように設置し、ラインセ� ��サの走査線が検査車両の進行方向と垂直に� ��るように設置して走査線が渡り線を横切る� ��うにする(図1参照)。ラインセンサより得ら� ��る走査線の輝度信号を時系列に並ベライン� ��ンサ画像(平面の画像)を作成し、入力画像� �して保存する。
 画像処理により照明で浮かび上がった渡り� ��の幅を次の手順により求める。

(1.1)二値化処理による渡り線部の強調
 渡り線と背景部分と切り分けるように閾値� ��決める必要があるが、閾値を固定値で決め� ��場合、撮像時の環境によっては、渡り線部� ��外が強調・抽出され、または渡り線自身が� ��出されないといった問題が発生する。
 ここで渡り線の偏位や渡り線からの反射光� ��強さの違いに対応するために判別分析二値� ��法を用いる。判別分析二値化法とは画像に� ��じて閾値を決定する方式であり、各画像に� ��けるヒストグラムにおいて「ある程度の範� ��の輝度値で集合する画素数の塊」(以下クラ スと呼ぶ)があり、二値化した時背景とパタ� �ン領域に関するクラス内分散とクラス間分� �の分散比が最大になるように、いかなる画� �においても比較的良好な閾値を決定する。
 この方式を用い、渡り線部分が白、背景部� ��が黒となるように2値化ラインセンサ画像を 構成する(図2参照)。

(1.2)二値化ラインセンサ画像のノイズ除去
 ラインセンサ画像から二値化処理により二� ��化ラインセンサ画像を構成した場合、その� ��までは渡り線部の傷や背景部分の状態によ� ��細かな点々状のノイズが含まれる問題があ� ��。
 そこで、二値化処理の膨張、収縮処理を行� ��これらのノイズを除去する。

(1.3)渡り線部のエッジ検出
 ノイズ、既存構造物を除去した二値化ライ� ��センサ画像上において白で表されている渡� ��線部の両側のエッジを検出する。これらの� ��ッジ点は、あるラインについて左から探索� ��た場合、背景の黒から渡り線部分の白へ変� ��する点がトロリ線部左側のエッジ点として� ��またトロリ線部分の白から背景の黒へ変化� ��る点を渡り線部右側のエッジ点として検出� ��ることができる。
 この処理を画像の上から下ヘライン毎に行� ��ことで1枚の二値化ラインセンサ画像に関す る渡り線部分のエッジを検出する(図3参照)。

(1.4)渡り線高さの計算
 二値化ラインセンサ画像から検出した渡り� ��部分の両側のエッジデータを用いて、ライ� ��センサの一つの走査ライン上にある両側の� ��ッジ点間距離を渡り線部分の画像上の幅と� ��て計算する。
 また、敷設されている渡り線のサイズは予� ��知られているので、この情報を外部から入� ��し、レンズ焦点距離、センサ幅、センサ画� ��数から1画素[pix]に対する実寸法[mm]の度合い である画像分解能[mm/pix]を計算し、ラインセ� ��サから渡り線までの高さを求める。
 また、レールからラインセンサまでの高さ� ��予め判っているので、それを加えることで� ��ールから渡り線までの高さを求める。

(1.5)渡り線偏位の計算
 二値化ラインセンサ画像から検出した渡り� ��部分の両側エッジデータの真中の値を渡り� ��重心位置とする(図4参照)。
 この画像上の重心位置[pix]とラインセンサ� �設置位置、レンズ焦点距離、センサ幅、セ� �サ画素数、また(1.4)で求めた渡り線の高さか らその重心位置が中心からどの程度偏位して いるかを求める。
 こうして求めたエッジデータ、渡り線部、� ��算に用いたラインセンサ画像や対応するラ� ��ン番号を指し示すデータ等を記録しておく� ��

 本発明においては、パンタグラフと接触し� ��いない渡り線の「高さと偏位」(以後3次元� �位置と呼ぶ)を1台のカメラで非接触に求める ことができ、また高速走行の運用が可能であ り、短期で長い距離の区間を測定することが できる。
 また、装置の構造上、ポイント、エアーセ� ��ション、アンカーといった既存構造物から� ��れた位置にセンサが設置されているため、� ��存構造物との衝突を考慮する必要がなく、� ��本的に全ての区間においてラインセンサ画� ��の撮像が可能であり、測定区間での渡り線� ��よび近傍にある地上の既存構造物の画像デ� ��タを取得することができる。
 また、レーザ光を使用するような人体への� ��響を考慮するような取り扱いへの難しさが� ��い。

 光源と受光装置間での精密な位置合わせを� ��う煩わしさかない。
 さらにどのような撮像環境においても、自� ��的に比較的良好な閾値を算出することが可� ��になり、閾値を定数で決めていた場合に起� ��る輝度の低さによるトロリ線が抽出されな� ��現象が改善され、また、データとしてライ� ��センサ画像が残っているため、渡り線とし� ��問題があった部分については、その部分の� ��像を、見ることで問題の確認を行うことが� ��能である。

(2)ナトリウムランプとバンドパスフィルタの 使用
 通常の白色照明の代わりにナトリウムラン� ��を使用して渡り線を照明する方法である。
また、ラインセンサのカメラレンズにナトリ ウムランプ光の発する波長のみを通すバンド パスフィルタを設置する。
 これにより、渡り線から反射してくるナト� ��ウムランプ光のみを捉え、外灯や太陽光を� ��む外乱光を除去でき良好な画像を得ること� ��よって精度の向上効果がある。

(3)渡り線とパンタグラフとの相対位置の測定
 渡り線の敷設状況確認をするうえで重要な� ��目となるのが、パンタグラフの巻き込みで� ��る。パンタグラフのホーン部分に渡り線が� ��触して交差するのだが、巻き込みが発生し� ��いように、渡り線はある規定値内で敷設さ� ��ている必要がある。
 そこで、渡り線の3次元的位置とは別に、パ ンタグラフ向けてラインセンサ等を設置し(� �7参照)、パンタグラフの高さを計測する。計 測されたパンタグラフの高さと、パンタグラ フの設計図面からパンタグラフの3次元的位� �を推定することができる。
 更に、パンタグラフの3次元的推定位置と渡 り線の3次元的位置の相対位置を知ることに� �って、パンタグラフと渡り線が交差する位� �が規定位置内であるか監視する点に特徴が� �る。