JP3851342B2 - 道路又はレールのゆがみの非接触測定のための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求の範囲１の前文に開示されているような、道路又はレールのゆがみ（deflection) の非接触測定のための方法、及び請求の範囲６の前文に開示されているような、この測定を実施するための装置に関する。

荷重が掛かっている列車のレール及び道路の動きの測定は特有の重要性を有しており、これによりそれらの輸送力、条件、耐久性及び、一定の場合、表面及び基礎をなす構造の直接的欠陥を評価することが可能である。そのため、補修作業は最も適当な場所で始めることができる。

道路のゆがみを測定することは知られている。例えば、道路上に置かれたベンケルマンのビーム（Benkelmann's beam)と呼ばれているものの利用であり、重い荷重、例えば５−１５トンの車両などが測定ビームに接近して通過し、ゆがみが測定される。これは相対的に正確であるが、道路のゆがみを測定するためには大変遅い方法である。車両は、わずか最高５−１０ｋｍ／ｈであるが、測定ビームの動きにより道路の区分を断続的に測定することができる測定ビームのようなものを構成している。このような測定が行われるとき、安全性の問題を真剣に考慮する必要があり、このような遅い動きの車両は交通にとって大きな危険となる。それは測定が少ない交通量の期間に実行するため、しばしば先送りにされ、また警報信号その他を有した少なくとも一台の随伴車を用いるため、測定費用が相当増加することを意味する。

さらに、種々の方法が開発され、それにより道路の表面は重量などを掛けられて影響され、ゆがみらしき測定がなされる。これらの測定は大変遅く、測定結果が間をおいて得られ、即ち、道路表面の連続的測定がされない。

スウエーデン公報第４５７．８０７から、荷重、例えば５−１５トン、を有する車両が知られており、その上に道路表面までの距離を測定する少なくとも２つのレンジのファインダー、例えばレーザービーム測定装置、が備えられ、その１つは荷重を掛けられない道路表面までの距離（参照）を測定し、他方は道路表面が荷重を掛けられた車輪により影響された点に出来る限り接近して測定する。もし機器が適切に調整されているなら、このような車両は適当な速度で前方に駆動される。２つの距離測定の差は、角度誤差その他が訂正され、減じられ、そしてこの差はゆがみ、即ち、荷重による沈下を構成する。車両の車輪上で通常の荷重、即ち、５−１５トン、が掛かっている間、ゆがみは１−４ｍｍの水準であるので、このような差の測定がより大きな誤差に妨げられることは、当該技術分野の専門家にとって明らかであり、測定されるべき沈下は通常道路表面に見られる凸凹と同じ水準である。従って、この方法は道路の測定のためにうまくいくとは見られていない。他方、それは鉄道線路のゆがみの測定のために利用できる。

請求項１に開示されそして特徴づけられた手順により、例えば、請求項６に開示されそして特徴づけられた装置を用いる場合、通常の運転速度、例えば７０ｋｍ／ｈまたはそれ以上の使用に適した測定を行う可能性が得られる。本発明では、測定されるのは距離ではなく、連続的測定が道路またはレールの表面が測定車両の通過の間に後方に動く速度から行われる。そして、さらに、車両の通過後、即ち、荷重の掛からない状態に戻るその弾力的な動きの間、道路の表面またはレールの垂直速度の連続的測定を行うことが可能である。

この装置が重い自己推進車両に取り付けられたとき、輸送力及び基礎をなす構造の状態の記録及び分析をするためのデータを、適当な高速度で生成することが可能である。このデータはゆがみの速度を測定する１つまたはそれ以上のセンサを用いて電子的に集められる。センサはレーザ技術、レーダ技術又は他の速度測定機器に基づいており、それらは発射された放射と反射の間のドップラー周波数変化を測定することにより機能する。同時にここで、移動方向における車両の速度の測定と記録が行われる。
通常の駆動速度で測定することにより、交通を乱す危険は避けられ、測定車両の存在による事故の危険は取り除かれる。

また、請求項１に開示されそして特徴づけられた手順により、例えば、請求項６に開示されそして特徴づけられた装置の１つを用いる場合、例えば道路表面に対して正しい角度に完全に方向づけられていない放射から生ずる可能な測定誤差のために訂正がされる。これらの角度測定は、例えば、慣性リファレンスの形において、ドップラー周波数変化信号の測定と共に連続的に測定されそして蓄積され、例えばレーザ装置のような、ゆがみの測定のために放射を発する機器のサーボ制御のために用いることができる。

請求項２に開示されそして特徴づけられた手順により、例えば、請求項７に開示されそして特徴づけられた装置の１つを用いる場合、車輪の周囲に現れるゆがみの窪み全体を測定する適当な数のセンサが提供され、たとえば道路の剛性の連続的な計算を実行するための基礎として、これを連続的に測量調査することが可能である。

測定のすべては連続的にそして電子的に行われるので、広範囲なデータ材料が得られ、それが使用できる結果を提供する前に適当なやり方で無理なく処理される。これにより、既知の道路又は線路区分をカバーするデータバンクを設立し、新しい道路又は鉄道線路の建設においてこれら記憶された結果を用いることが可能である。
このような大量のデータの処理において、関連区分の保全基準に関する種々の情報を読み出すことが直接可能になる。例えば、測定されたデータの途切れは基礎的構造の変化を示しており、それは、例えば、コンクリート道路上では上下に動くコンクリート板に基づいている。

請求項３に開示されそして特徴づけられたように進めることも可能である。例えば、請求項８に開示されそして特徴づけられた装置を用いる場合、角度測定は測定車両が動いている道路又は軌道の湾曲に関連して行われるため、測定の間道路又はレール要素の平面における可能な傾斜度又は勾配及び他の偏差に考慮が払われる。

請求項４に開示されそして特徴づけられた手順により、例えば、請求項９に開示されそして特徴づけられた装置を用いる場合、連続位置測定が行われ、例えば、オドメータ又はＧＰＳ測定装置により、測定データと共に実際の測定位置に関する情報を連続的に記憶することが可能であり、後で個々の測定がどこで行われたかを常に決定することができる。

請求項５に開示されそして特徴づけられた手順により、例えば、請求項１０に開示されそして特徴づけられた装置を用いる場合、測定された区分の使用中の保全のための基準を形成する事ができるゆがみの測定及び記録のために完全なシステムが得られる。データはまた、道路区分及び鉄道線路の監視と保全のために一般的に知られた方法でデータバンクに移される。

図１（ａ）に道路区分が示されており、そのゆがみは、置き換えが可能な又は別の方法で調節可能な適当なトン数、例えば５トンの砂の荷重７で荷重を掛けられた車軸６上に少なくとも１つの駆動車輪４を有する本発明による自己推進車両で測定される。車両上には、図２と関連して後で論じられる電子的測定及び記録システムを有する機器が備えられている。

車両１上には、電磁ビームが道路２に対して向けられる少なくとも１つのレーザ装置８又は放射発生装置が備えられている。この例では、レーザ８が用いられることが示されており、そのレーザビーム９は垂直に道路２に対して向けられている。そして、ビームは道路に当たった点で、反射点１１がビームがすべての側に反射されるところから生じ、また装置８への反射を含んでおり、それはまた、反射した光の周波数の測定、及びここでは可能なドップラー周波数変化の測定のためのセンサを有している。これにより、車両が適当な速度で運転されたとき、瞬間のゆがみの速度の表情を得ることができる。

本発明による方法及び機器で、走行速度１５０ｋｍ／ｈまでゆがみの測定ができることが予測される。しかし、ほとんどの国で主要道路上で車両を走行するための最高速度は７０ｋｍ／ｈであり、主要道路で測定できる最高速度はこの速度に限定される。

図１（ｂ）は、荷重が掛けられた車両の車輪５により荷重を掛けられた鉄道レール上の対応する測定が示されている。そしてそこでは、上記したものに対応する方法でレールの近くでゆがみの速度を測定することにより、レールのゆがみが測定される。それはまた、可能な道床基層、枕木その他を含む。レールのゆがみの測定と同時に、枕木のゆがみを測定することも可能であり、それゆえ比較が可能であり、それにより枕木上へのレールの固定において、可能な欠陥や欠点を決めることができる。
図１（ａ）と（ｂ）は、ゆがみ速度を測定することにより本発明によりゆがみがどのように測定できるかを示す測定方法の原理を示したものである。

図３（ａ）は、例えば図１（ａ）に示されたような道路上の点で測定したゆがみの例を示している。曲線１３で示されたゆがみは０で始まり、車輪がこの地点を通過するときに最大値に達するまで増加し、車輪が走り過ぎたときに再び０に減少する。道路及び基礎となる構造の特性により、異なった波形が曲線１３として得られ、それゆえ、異なった程度の最大ゆがみが得られる。

図３（ｂ）は、同じ測定地点で、しかし本発明による方法に基づき測定された図３（ａ）に相当する速度測定を示したものである。速度は０で始まり最高速度まで増加し、その後ゆがみが最大となる場合（図３（ａ）において）で再び０に減少し、ここでゆがみ速度は０となる。その後、ゆがみ速度は曲線の反対極性で示されている反対方向に再び増加し、最大値（曲線１４の最小点）になり、そして再び０に減少する。

図３（ａ）に示されている測定は、既知の装置で行うことを試みたもので、それにより、曲線１３が記録される。一方、本発明による方法と装置では図３（ｂ）に示されているゆがみ速度１４を測定することが望まれ、同時にこれが連続的に行われ、即ち、地点（複数）は相対的に短い距離で得られ、曲線１４に対応する測定は区分に沿った各点で行われる。

図４は、各々レーザビーム２１及び道路からの反射を有した多くのレーザ２０がどのように共通の固定されたバー１９に取り付けられているか、そして荷重が掛かった車輪１８が矢印の方向に駆動され、それによりバー１９を同じ方向に動かすとき道路のゆがみ速度をどのように連続的に測定することができるかの例を示しており、これは車両に取り付けられている。最も外側のレーザは実質的にゆがみ領域の外側に位置しており、そのためそれらは測定基準として機能することがわかる。バー１９の長さは、１−２ｍの水準である。電子システムと関連した測定機器で、これは図２と関連して後で説明されるが、道路１７のゆがみの連続的測定を行うことができる。車両が停車しているとき、測定機器の制御のために用いることができる制止ゆがみがある。そこではゆがみ速度はすべてのレーザで０である。

図５は、図４に示された構成の別の実施形態である。この場合、バー２３は支持梁２４に移動可能に取り付けられており、そのためバー及びすべてのレーザ２０は、実質的にすべてのレーザ装置２０をゆがみのない道路１７の部分上を測定する位置に、移動方向前方、あるいは後方に動かすことができる。レーザ２０はこれにより互いに調整することができる。

図６は、一対の車輪１８が各側に取り付けられた車両の車軸２６を示しており、すべて上から垂直に見た図である。車両は車軸２６と同じ方向、即ち、進行方向を横切ってバー１９を備えている。このバー１９は好ましくは車軸２６の前方で、最大のゆがみ速度が予想される地点で測定がされるような距離に置かれる。これによって、いくつかのレーザ装置２０、例えば７つ、により車輪１８の周囲のゆがみの窪み２５の全体を測定することが可能であり、上記に論じたように、それは測定されたドップラー周波数変化の手段によりゆがみの速度を測定する。ゆがみの窪み２５、それは進行方向前方に広がるが、は３次元であり、道路の幅の部分に分配されて達成された測定結果で、道路の状況の分析ができる測定データが得られる。

図２には、電子システムの異なった部分間の関係を示すブロック図が示されている。全体のシステムは自己推進車両、例えば約１０トンの車軸荷重を持った重く荷重された車両に取り付けられている。取り換え可能な車両に荷重を設けることにより、車軸荷重を変更することは可能である。
機器は連続的に回路３３により正確な位置座標を記録し、同時に測定の瞬間における車両の速度が測定される。機器３３はオドメータ又は一般に知られたＧＰＳ位置測定装置を有することができる。

道路湾曲測定ブロック３４（軌道(Trajectory)）は、例えば、ファイバ・オプティック・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）、加速時計、及び例えばLITEF 社の適当なソフトウエアを有したコンピュータより成る、ＩＮＳ（登録商標）（Initial Navigation System)により測定の間レーザセンサの動きを連続的に測定する。このシステムは３方向のすべての動きを測定する。従って、測定の間レーザセンサの正確な位置及び道路の湾曲を連続的に計算することが可能である。このような測定システムは一般に知られている。

回路３６は，レーザ角度及び車軸の荷重の連続的測定に用いられる。レーザセンサはレーザビームが広がる方向への正しい角度における速度を測定する。もし測定される基床が一方向より多い方向に動くなら、それが測定することが望まれる方向の正しい角度においてできるだけ接近してレーザビームが保持されることが重要である。

そうでないと、他の方向における表面の動きは測定の一因となり、これにより測定の不正確さを引き起こす。実際、他の方向への動きが測定の一因となることは避けられない。レーザがゆがみが測定されるべき表面に対して正しい角度でない場合に生ずる不正確な測定のため、訂正をするための２つの利用できる方法がある。角度偏差を測定し、かついかに角度偏差が測定の結果に影響を与えるかの知識に基づいてコンピュータに測定結果を訂正させるか、又は角度偏差が最小又はゼロであることを確実にするサーボシステムを制御するために角度偏差の測定を用いるか、どちらかが可能である。実際、両訂正方法を同時に用いることも可能である。もし測定の条件が最適化されれば、進行の速度から生ずる測定に対する付加量、及びおそらく他の望まない測定付加量を分離することは可能である。測定結果に基づき、サーボ制御システム３５はレーザが道路又はレールの表面にできる限り垂直に立つことを確実にすることができる。

システムはレーザーの垂直に対する角度を連続的に監視し、測定に基づきセンサが垂直位置に一定に保持されることを確実にするサーボシステムを制御する測定ユニットよりなる。この測定ユニットは前側及び後ろ側車軸で車両のシャーシに適当に備えられ、各車輪の車軸までの距離だけでなく道路又は線路要素までの距離を測定する。これは実際の車軸荷重の計算を同時に行うことを可能にする。

ユニットの中心に、操作パネル３２からの命令に応答して測定の全体行程を制御する調整コンピュータ（coordinating computer)３１が設けられている。
もし機器がレーザ技術に基づいているなら、例えばDantec 55X型レーザドップラー振動計のいくつかのレーザセンサ２０又はその改良されたもの用いることができる。この測定器具はレール又は道路が下側に動く速度を測定する。下側へのひずみの速度及びレール又は道路が真っ直ぐになる速度の両者を測定することが可能である。測定はこのように弾性及び可塑性の両者に関する情報を提供する。さらに、枕木上の線路の固定物は測定結果の断続的変動を起こし、これらの変動は適当なデータ処理によって補償できる。

レーザセンサからの出力信号は、例えばDantec社の57N10 バーストスペクトル分析器である信号処理回路において処理される。この処理の結果は、さらに調整コンピュータに送られ、それは同時に軌道測定ユニット３４及び位置測定ユニット３３からの信号を受ける。コンピュータはこのように測定がされた場所における表面の速度、及びレーザセンサの位置に関するデータをコンパイルする。データは後の処理及び追加の回路３８における解釈のために連続的に蓄積される。

（ａ）は、本発明による道路のゆがみの測定を示した図である。 （ｂ）は、本発明による鉄道レールのゆがみの測定を示した図である。 本発明による測定機器のブロック図を示した図である。 （ａ）は、荷重が掛かった車輪が通過したとき道路区分上の地点でのゆがみの測定を図式的に示した図である。 （ｂ）は、荷重が掛かった車輪が通過したとき道路区分上の地点でのゆがみの速度の測定を図式的に示した図である。 共通の固定された測定ビームに係るいくつかのレーザセンサの取り付けを側面から見た例を示した図である。 共通のしかし移動させることができる測定ビームに係るいくつかのレーザセンサの取り付けを側面から見た第２の例を示した図である。 図４における共通の固定された測定ビームが、駆動車輪のすべてから生じるゆがみの測定のために移動方向を横切って配列された場合の、上から見た測定構成の第３の例を示した図である。

符号の説明

１ 車両
２ 道路
３ レール
４ 駆動車輪
５ 車輪
６ 車軸
７ 荷重
８ レーザ装置
９ レーザビーム
１０ 測定機器
１１ 反射点
１７ 道路
１８ 車輪
１９ バー
２０ レーザ
２１ レーザービーム

Claims (12)

1. 荷重を掛けられた駆動車輪を有する移動車両により荷重を掛けられる道路又はレールの移動方向の速度を測定し、ゆがみを非接触で測定するための方法であって、
   車両が移動している間、道路又は鉄道レールに向け送信された少なくとも一つのビームからの反射におけるドップラー周波数変化を検出するセンサを用いて道路又はレールの垂直速度を測定することにより、ゆがみの速度が連続的に測定され、前記ビームは、レーザ技術、レーダ技術、及び超音波技術からなるグループから選択された１つを用いて得られ、その後ゆがみが計算され、
   選択され、決められた方向に前記ビームの角度が連続的に決定され、及び
   前記ビームはサーボ制御システムにより道路又はレールの表面にできる限り垂直に立つことを確実にされる、
   ことを特徴とする方法。
2. 同時に、荷重を掛けられた車輪の複数の位置又はその周囲における垂直方向の速度測定を行うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. カバーされている部分の道路の経路に対して、前記ビームの角度が連続的に決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 荷重を掛けられた車輪の位置も連続的に測定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. すべての測定結果は、ゆがみ又は基層の剛性を含む基層の特性を表すデータの連続的計算及び記録ため、あるいは後にデータ処理を目的とする記憶のために、記憶装置を有したデータ処理装置に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 少なくとも１つの車輪に影響を与える荷重を有する車両を用いる道路又は鉄道レールのゆがみの非接触測定のための装置であって、移動方向の速度が測定され、さらに
   ａ）前記装置と、道路、鉄道、又は鉄道の基層に向けられた反射点との間の相対的移動のドップラー周波数変化を生ずるレーザ放射、レーダ波、及び超音波信号からなるグループから選択された波の送信のための少なくとも１つの装置、
   ｂ）発射された放射の反射におけるドップラー周波数変化を検出するために配列された少なくとも一つのセンサ、及び
   ｃ）ゆがみの速度の計算のために検出されたドップラー周波数変化の連続的記録のための電子回路、
   ｄ）選択され、決められた方向に前記放射の角度を測定するための手段、及び
   ｅ）前記ビームが道路又はレールの表面にできる限り垂直に立つことを確実にするサーボ制御システム、
   を有することを特徴とする装置。
7. 共通バー又はビーム上に備えられた複数の機器／センサを有することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 測定される部分の道路の経路に対して、前記放射の角度を測定するための手段をさらに有することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
9. 荷重を掛けられた車輪の位置の連続的測定のための手段をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
10. 測定されたゆがみ又は基層の剛性を含む道路若しくは列車のレールの特性を表すデータの連続的計算及び記録のため、又は後にデータ処理を目的とする記憶のため、記憶装置を備えたデータ処理装置を有した、請求項６に記載の装置。
11. 前記ゆがみの速度は電磁ビームを用いて測定される、請求項１に記載の方法。
12. 前記装置は電磁波を送る、請求項６に記載の装置。

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