CN102549379A - 用于轨座磨损的倾斜校正系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的系统和方法。一种检查系统包括激光器、照相机以及被设置为确定沿轨道是否存在轨座磨损的处理器。该处理器采用一种基于数学的算法，该算法对该检查系统沿所述轨道移动时遇到的倾斜进行补偿。

Description

用于轨座磨损的倾斜校正系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请是2009年5月13日提交的、发明人为John Nagle、Steven C.Orrell、Christopher Villar和Charlie Aaron、题名为“SYSTEM AND METHOD FORINSPECTING SURFACES USING OPTICAL WAVELENGTH FILTERING”的美国申请S/N 12/465,473的部分继续申请，该美国申请S/N 12/465,473是2005年6月30日提交的、发明人为John Nagle、Christopher Villar和Steven Orrell、题名为“SYSTEM ANDMETHOD FOR INSPECTING RAILROAD TRACK”的美国申请S/N 11/172,618的部分继续申请，该美国申请S/N 11/172,618是要求2004年6月30日提交的、发明人为JohnNagle和Steven C.Orrell、题名也为“SYSTEM AND METHOD FOR INSPECTINGRAILROAD TRACK”的美国临时申请S/N 60/584,769的权益的非临时申请，通过引用将所述各个美国申请的全部内容并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于检查铁路表面的系统和方法，并且更具体地说，涉及用于经由倾斜校正算法的使用来确定轨座(rail seat)磨损的系统和方法。
背景技术
铁路通常构筑在由压实的碎石材料构成的基础层上。由砾石道碴构成的层置于该石层的顶部上。枕木铺设在该道碴层中以及该道碴层之上，并且利用扣件将两条平行钢轨附接至这些枕木。使用中的大多数枕木由木材制成。在制造枕木时，使用各种其它材料，诸如混凝土、钢铁以及复合或再生材料。
这些轨枕通常被设置在轨道道碴的顶部上。其余构造根据所使用的轨枕材料的类型而稍微不同。如果使用木质轨枕，则将垫板设置在轨枕的顶部上。接着将铁轨设置在垫板的顶部上。接着，通过使用穿过垫板中的孔传动的道钉或螺栓(bilts)将铁轨扣牢至轨枕。当使用混凝土轨枕时，将铁轨设置在轨枕的顶部上，并且具有防止钢与混凝土之间的直接接触的薄聚合物护垫。通常使用钢夹来将铁轨扣牢至轨枕。接着使用附加的轨道道碴来填充轨枕之间以及轨枕周围的空间，以有助于锚定。
正常的铁路交通造成轨枕与铁轨、以及铁轨与道钉、螺栓、螺丝钉或扣夹以及轨枕下面的表面之间的摩擦。特别值得关注的是铁轨与轨枕接合(seat against)的点处的摩擦。该点处的耗损(还已知为轨枕磨损)因为造成轨枕从铁轨松开而直接影响到轨枕的寿命。尽管在铁轨与混凝土轨枕之间使用了护垫，但是轨座磨损仍然是混凝土轨枕所具有的持续的问题。
当轨座耗损时，影响到扣件上的张力的量，使得达不到为将铁轨牢固地固定至轨枕所需的铁轨安装力。一旦发生这种情况，铁轨可能相对于轨枕滑动，这增加了磨损的速率。铁轨滑动还可以造成铁轨焊缝因应力(stress)或者因温度失准(temperaturemisalignment)而被撕开。针对轨座磨损的另一个要关注的是，增加了轨枕表面对环境状况的暴露，进一步加速了轨座磨损和轨枕劣化。针对轨座磨损的附加原因或起作用的因素可以包括制造缺陷、温度变化模式、铁路设置(诸如曲率、坡度和堤防)以及在铁轨与轨枕之间使用的护垫的状态。
已经通过直接人工测量或者通过使用安装在单独的铁路轨枕下面的电子装置进行测量来监测混凝土轨枕的耗损。所有先前的方法已经被证明为不可靠、危险、需要大量人力、需要大规模的设备安装，或者对铁路对于列车运行的可用性有重大影响。
鉴于上文，本发明致力于解决或者至少减小以上阐述的多个问题中的一个或更多个问题的影响，由此提供了一种能够预测铁轨轨道磨损的情况而不需要危险且不可靠的人工测量或者昂贵的电子测量装置的系统。
发明内容
公开了一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的示例性系统和方法。所公开的系统的实施方式包括一种检查系统，该检查系统包括激光器、照相机以及被设置为确定沿轨道是否存在轨座磨损的处理器。该处理器采用一种基于数学的算法，该算法对该检查系统沿轨道移动时遇到的倾斜进行补偿。
本发明的示例性方法包括以下步骤：沿所述轨道移动所述检查系统；接收与所述轨道相对应的图像数据；确定针对所述轨道的各个部分的所述轨座磨损的测量结果，其中，针对所述检查系统沿所述轨道移动时遇到的倾斜来调节所述测量结果。
通过将测量装置安装在横跨轨道的检查车上，对铁轨和轨枕的高度进行精确的测量，以及针对所遇到的任何预期的倾斜来调节测量结果，可以预测铁轨轨道磨损的情况，而不需要为不可靠且耗时的人工测量而危险地使铁轨升高或者在单独的轨枕下面高费用且耗费大量人力地安装电子测量装置。
前述摘要并不旨在概括本公开的主旨的每一个潜在实施方式或每一个方面。
附图说明
当结合附图阅读时，参照以下具体实施方式的详细描述，将最佳地理解本公开的主旨的前述摘要、优选实施方式以及其它方面，附图中：
图1示意性地例示了所公开的检查系统的实施方式。
图2例示了根据本公开的特定教导的用于检查铁路轨道的系统的实施方式的一部分。
图3例示了利用所公开的检查系统获取的一部分铁路轨道的示例帧。
图4A-4C例示了利用所公开的检查系统获取的、用于确定枕木之间的间距的铁路轨道的示例帧。
图5例示了利用所公开的检查系统获取的、用于确定枕木相对于铁轨的角的铁路轨道的示例帧。
图6A-6C例示了利用所公开的检查系统获取的、用于确定铁轨中的断裂或脱离的铁路轨道的示例帧。
图7A-7B例示了利用所公开的检查系统获取的、用于确定铁轨的磨损的铁路轨道的示例帧。
图8例示了利用所公开的检查系统获取的、用于确定枕木缺陷、铁轨间距、枕木尺寸以及相对于枕木的道碴高度的铁路轨道的示例帧。
图9例示了利用所公开的检查系统获取的、用于确定凸起的道钉的铁路轨道的示例帧。
图10例示了利用所公开的检查系统获取的、用于确定缺失的垫板的铁路轨道的示例帧。
图11和图12例示了利用所公开的检查系统获取的三维编制的图像数据。
图13和图14例示了本发明的另选的示例性实施方式。
图15例示了根据本发明的照相机的示例性实施方式。
图16例示了根据本发明的示例性实施方式的绘制了太阳在特定波长处的太阳辐射能量的曲线图。
图17例示了根据本发明的示例性实施方式的倾斜的铁路轨道的外形(profile)图像。
图18是例示根据本发明的示例性实施方式的确定轨座磨损的方法的流程图。
虽然所公开的检查系统和关联方法容许各种修改和另选形式，但其具体实施方式已经通过附图中的示例示出，并且在此进行了详细描述。附图和书面描述并不旨在按任何方式来限制所公开的发明概念的范围。相反，提供这些附图和书面描述，以如35U.S.C.§112所要求的参照特定实施方式向本领域技术人员例示所公开的发明概念。
具体实施方式
参照图1和图2，例示了根据本公开的特定教导的用于检查铁路轨道的系统30的示例性实施方式。在图1中，相对于铁路轨道示意性地例示了所公开的检查系统30。在图2中，相对于铁路轨道按照立体图例示了所公开的检查系统30的一部分。
如图1中最佳地示出，该示例性公开的检查系统30包括：诸如激光器40的光发生器、诸如照相机50的用于接收从要检查的区域反射的光的装置以及处理装置60。在图1所示的实现中，所公开的检查系统30被用于测量铁路轨道的道床。尽管所公开的检查系统和关联方法被描述成用于检查铁路轨道，但是利用本公开的益处将理解，所公开的系统和方法可以用于表面或组件需要检查的其它领域和行业。例如，所公开的检查系统和方法可以用于检查道路、电气线路、管道或其它网络或系统。
道床包括枕木10、铁轨12、垫板14、道钉16以及道碴18。简言之，激光器40将激光的光束42投射在道床处。该光束42在道床上生成如图2所示的遵循该道床的表面和组件的轮廓的投射线L。光接收器(照相机50)拍摄投射在道床上的激光42的线L的图像。照相机50将所拍摄的图像发送至处理装置60，以进行如下更详细地描述的处理和分析。
如图2的示例性实施方式中最佳地示出，将成对的激光器40和照相机50定位在轨道的每一条铁轨12的上方。激光器40和照相机50可以被装配到刚性框架32上，该刚性框架32可以安装在检查车(未示出)或沿轨道移动的其它装置上，以将检查系统30保持在适当的位置。为简单起见，图2中仅示出了框架32的一部分。然而，应当明白，可能需要用于框架32的其它已知组件来将激光器40和照相机50安装在检查车上。
通常，检查车可以是用于沿铁路轨道行进的任何合适车辆。例如，本领域常见的实践是配备具有安装至车辆的框架的“高轨(hi-rail)”齿轮的诸如轻型运货车的普通公路车辆。高轨齿轮通常包括一组小尺寸的铁路车辆轮(stock wheel)，这些铁路车辆轮允许公路车辆沿铁轨行驶。在一个实施方式中，接着，所公开的检查系统30的框架32可以安装在具有“高轨”齿轮的轻型运货车的底盘中。另选的是，检查车可以是线路养护(MoW)设备，其被具体设计为用于沿铁路轨道工作。另外，所公开的检查系统30可以安装在由车辆拖行的机架上，或者可以安装在机车或货车上。
如图2中最佳地示出，激光器40投射具有预定角展度β的光束42。两个激光器40的角展度β大致覆盖道床的整个表面。按照这种方式，激光器40生成大致笔直并且大致在整个道床上延伸的投射线L。各个激光器40优选地生成具有大约60度的角展度的光束42，并且覆盖大约道床的一半。优选的是，激光器40投射大致垂直于轨道表面的光束42。另选的是，可以使用被定位为在整个道床上生成投射线L的单个激光器。
另外，激光器40优选地是具有4瓦特的光输出并且生成在大约810nm的红外波长处的光的红外激光器。激光器40的相对高的光输出有助于减小环境光的影响，以使得不需要进行屏蔽。用于所公开的检查系统30的合适的激光器包括Stocker Yale所制造的Magnum激光器。针对激光器40的上述参数被优选地用于检查铁路轨道的表面。然而，具有本公开的益处的本领域普通技术人员认识到本发明可以被用于检查各种其它表面。所公开的检查系统30的其它实现可以使用另选数量的光源以及不同的波长、光输出和角展度。
如图2中最佳地示出，照相机50被定位在激光器40附近。如图1中最佳地示出，按照相对于从激光器40投射的光束42成角θ安装照相机50。在一个实施方式中，按照大约60度的角θ定位这些照相机。随着所公开的检查系统30沿轨道移动，照相机50按照较小的规则增量拍摄道床的图像或帧。优选的是，照相机50能够有相当高的帧速率，如大约每秒钟5405帧。
接着对由照相机50拍摄的每一个静止图像或帧进行滤波和处理，以隔离投射在道床上的轮廓激光线L。照相机50装配有带通滤波器52，该带通滤波器52仅允许大致在激光器40的优选红外波长处的辐射能量通过。因为激光器40的波长是大约810nm，所以照相机50的带通滤波器52可以大致消除全部环境光，以使得照相机50获取来自激光器40的光的投射线L的相当清晰的静止图像。
两个照相机50中的每一个经由有线或无线传输线路将图像数据直接发送至处理装置或计算机60。优选的是，照相机50包括处理器54，该处理器54能够将投射线L的拍摄图像转换成或格式化成直接发送至处理装置或计算机60的尺寸(dimensional)外形。照相机50的按照这种方式处理或格式化所拍摄的图像的能力可以消除针对昂贵的后处理器或高速取帧器(frame grabber)的需要。具有这些处理能力的、用于所公开的检查系统30的合适照相机包括由IVP Integrated Vision Products公司制造的Ranger M50。
在其它普通组件当中，处理装置或计算机60包括微处理器、输入、输出以及数据存储装置62。该数据存储装置62可以包括硬盘驱动器、非易失性存储介质、闪速存储器、磁带或CD-ROM。该处理装置60还可以包括用于轨道检查器的输入/显示器68，以输入和查看数据以及操作所公开的检查系统30。处理装置60利用合适的软件程序进行操作，以存储和分析利用所公开的检查系统30获取的各种数据。例如，处理装置60可以具有任何合适的图像处理软件，如Matrox MIL、Common VisionBlox、Labview、eVision、Halcon以及IVP Ranger。例如，处理装置60可以具有本领域已知的用于分析来自照相机50的图像数据的图像处理工具，如关注区域(ROI：Regionof Interest)工具、滤波工具、特征分析工具、边缘探测器、直方图工具等。
为了有效处理利用所公开的检查系统30获取的所有数据，优选实施方式中的处理装置60包括具有快速处理器的计算机，如能够以2.8GHz运行的Intel Pentium 4处理器。为了有效存储利用所公开的检查系统30获取的所有数据，存储装置62优选地包括被设置成作为一个驱动器同时使用读取/写入机制这两者的两个大容量硬盘驱动器，存储装置62还被公知为独立磁盘冗余阵列(RAID)系统。处理装置60的快速处理器和存储装置62的双硬盘驱动器允许对利用所公开的检查系统30获取的数据的持续的实时存储。在优选实施方式中，用于所公开的检查系统30的电力可以由来自在检查车的发动机之外直接运行的皮带驱动发电机的110V的AC电源来提供。
随着光束42投射到轨道的不规则表面上并且按一角度观察，图2所示的投射线L遵循道床的表面和组件的轮廓。图3示出了示出道床的投射线L的示例图像或帧。该图像数据或帧包括给出X-Y坐标的多个像素，并且示出了由照相机50拍摄的道床的轮廓。由于本领域已知的滤波和其它图像处理技术，该图像包括两个像素值，其中，暗像素表示道床的轮廓。所给出的图像数据的每一个像素被赋予相同的Z坐标，该Z坐标表示沿轨道长度的、拍摄图像数据的特定位置。按照这种方式，多个拍摄图像生成道床的三维扫描，其中，该扫描的各个图像具有示出道床的轮廓的X-Y坐标，并且具有表示该轮廓的、沿铁轨长度的特定位置的Z坐标。
应当明白，拍摄图像的速度受限于所扫描区域的宽度和高度、离散静止图像之间的距离、静止图像的分辨率、照相机50的最大帧速率、计算机60的处理速度以及数据存储装置62的写入速度。针对所公开的检查系统30的铁路应用，一个优选示例是由照相机50拍摄的静止图像或帧之间的间隔为大约0.1英寸，检查车的优选速度为大约30mph，所扫描的区域的优选高度为大约10英寸，并且所扫描区域的在整个道床宽度上的优选宽度为大约10英尺。为了满足这些优选参数，能够具有大约每秒钟5405帧的照相机系统和能够以大约8.3MPS来进行处理和记录的计算机系统是优选的。如图3所示的各个帧或图像可能需要大约1536字节来存储。随着沿轨道长度按照大约每0.1英寸拍摄帧，针对一英里轨道，拍摄大约633,600帧，并且需要0.973千兆字节的存储空间。
在另一实施方式中并且如图1所示，所公开的检查系统30还可以包括全球定位系统(GPS)接收器64，以在检查铁路轨道时获取检查车的地理位置。GPS接收器64可以包括本领域已知的、用于获取地理位置的任何合适的GPS接收器。例如，GPS接收器64可以是安装在检查车上并利用合适的线缆连接和输入/输出接口连接至处理装置60的独立的商业可用单元。GPS接收器64可以利用差分或非差分GPS系统来获取地理位置。用于利用GPS接收器64来获取大致准确的位置和时间数据的技术是本领域公知的，并且不进一步进行讨论。这些地理位置被发送至处理装置60并且可以利用道床的图像数据来进行编译。
当记录了来自照相机50的图像数据时，还可以记录帧的地理位置。消除从GPS接收器64至计算机60的连续的地理位置数据流可以释放针对利用处理装置60拍摄图像数据可用的处理器时间。因此，GPS接收器64优选地将数据馈送至辅助模块65。辅助模块65将该数据打包并在查询时将该数据发送至处理装置或计算机60。除了获取地理位置数据以外，GPS接收器64可以获取时间数据。而且，利用GPS接收器64获取的位置和时间数据可以用来确定诸如检查车的速度的其它变量，这些变量可以用于在此公开的各种目的。由此，所公开的检查系统30可以使用来自GPS接收器64的数据，以触发照相机50沿铁轨按大约每0.1英寸拍摄道床的静止图像。
在另选的示例性实施方式中并且如图1所示，所公开的检查系统30可以包括距离装置66，以在检查铁轨时获取检查车的地理位置。该距离装置66可以是随着检查车沿铁轨移动而对车轮转动或局部转动进行计数的编码器，或者可以是检查车上的现有的里程表传感器。距离装置66可以向处理装置60提供位置数据。所公开的检查系统30可以利用距离装置66来触发照相机50沿铁轨按大约每0.1英寸拍摄道床的静止图像。
在另一示例性实施方式中，所公开的检查系统30可以按照或接近照相机50的最大帧速率来拍摄道床的静止图像，而无需通过GPS接收器64或距离装置66来触发。例如，照相机50和处理装置60可以在检查车沿轨道行进的同时按照或接近该最大帧速率来进行操作。所公开的检查系统30可以利用枕木10或垫板14的已知平均宽度来计算检查车的速度。所公开的系统接着可以删除任何额外帧，以减少数据存储，使得留存帧具有大约0.1英寸的间距。应当明白，0.1英寸的精确间距可能并不总是可以的，但是该间距是已知的并且可以处于0.05”与0.1”之间。在这个实施方式中，在针对给定轨枕(tie)的各个留存帧之间必须丢弃相同数量的帧，以使得帧间距保持均匀。例如，如果垫板已知为8英寸宽，并且针对特定垫板拍摄244个帧，则可以在各个留存帧之间丢弃两个帧。如果整组帧被编号为1到244，则这些留存帧是编号为1、4、7、10、...、241、244的帧。留存的82个帧将具有0.098英寸的计算间距。
另选的是，所公开的系统可以在任意两个拍摄帧之间进行内插，以在沿轨道的任何希望位置处生成新的第三帧。一些帧接着可以被丢弃，以实现所希望的精确帧间距。
在所公开的检查系统30完成铁路轨道的测量之后，执行图像数据的计算机分析。该计算机分析可以通过位于检查车中的处理装置或计算机60来执行。另选的是，该计算机分析可以通过具有本领域已知的图像处理软件的另一计算机系统来执行。该计算机分析搜索图像数据并且确定或检测沿轨道的出现缺陷或未保持铁路轨道的可容许公差的位置。针对特定实现，该计算机分析可以被定制或改变。可以提供缺陷或非容许公差的地理位置，以使得可以进行恰当的修理或者可以安排养护工作。
铁路轨道的多个可测量方面可以根据利用所公开的检查系统和关联方法获取的道床的图像数据来确定或检测。在以下示例中，讨论了多个这些可测量方面，并且公开了用于分析这些可测量方面的各种技术。应当清楚，铁路轨道的这些和其它可测量方面可以根据利用所公开的检查系统获取的道床的图像数据来确定或检测。另外，应当清楚，本领域已知的用于分析图像数据的其它技术可以用于所公开的检查系统和关联方法，并且可以检查除铁路组件以外的其它表面。因此，所公开的检查系统和关联方法并不旨在受限于铁路检查或在此描述的可测量方面和特定技术。
为清楚起见，图11和图12例示了利用所公开的检查系统和关联方法获取的图像数据的示例编译。图11具有按照立体图示出枕木、垫板以及铁轨的一部分的多个编译图像数据。图12具有示出更详细的立体图的多个编译图像数据。在图11-图12中可以看出，该编译图像数据形成道床区域的三维表示(X、Y和Z)。该表示具有大量细节，并且可以测量道床的组件的各个方面。在图11-图12中，例如，枕木10中的破裂或裂缝是可见的。而且，枕木10相对于道碴层18的高度是可见的。垫板14和铁轨12的取向和高度是可见的。这些和其它细节可以利用如以下更详细地描述的所公开的检查系统和关联方法来获取。
在一个示例中，枕木之间的间距可以根据所述多个图像数据来确定。参照图4A-图4C，例示了利用所公开的检查系统30获取的道床的示例帧，这些示例帧可以被用来确定枕木10之间的间距。图4A示出了具有处于沿轨道的位置Z1处的第一枕木10的轮廓的尾帧F1。该尾帧F1可以指定示出该枕木10的最后一帧。图4B示出了在尾帧F1之后一定时间并且在沿轨道的另一位置Z2处拍摄的中间帧F2。该中间帧F2因指定轨道的枕木之间的位置而缺少枕木。应当明白，多个这些中间帧将跟随图4A的尾帧F1。图4C示出了具有处于沿轨道的另一位置Z3处的另一枕木10′的尾帧F3。计算机分析可以通过例如首先对缺少枕木的这些中间帧F2的数量进行计数来确定枕木10与10′之间的间距。中间帧F2的数量接着可以乘以帧之间的已知间距(例如，0.1英寸)，以计算枕木10与10′之间的距离。按照这种方式，可以获取道床的枕木之间的基本准确的测量，而不需要轨道检查器以物理方式检查枕木。相反，使用形成道床的三维扫描的图像数据。
确定帧是否具有枕木可以通过本领域已知的成像技术来执行。例如并且如图4A-图4C所示，期望枕木10的轮廓在帧F1-F3的关注区域R中。计算机分析可以针对指示存在枕木的像素来搜索帧的关注区域R。这可以例如通过对关注区域R中的像素的值进行平均或求和来完成。因为枕木的轮廓由暗像素组成，所以具有枕木10的帧F1中的关注区域R具有比缺少枕木的中间帧F2中的区域R更大的平均值或和。
在另一个示例中，枕木相对于铁轨的角可以根据图像数据来确定。参照图5，例示了利用所公开的检查系统获取的铁路轨道的示例帧。铁轨12的端头的角取向可以用线L1来表示。该线L1可以例如通过本领域已知的最佳拟合或曲线拟合技术来估计。类似地，枕木10的角取向可以用线L2来表示。该线L2还可以例如通过本领域已知的最佳拟合或曲线拟合技术来估计。这些线L1和L2可以根据沿Z轴的在枕木10附近的多个帧来进行平均。计算机分析接着可以确定这些线L1-L2之间的角关系，以确定轨枕相对于铁轨的角。该状况指示磨损铁轨或针对木质枕木的板切割状况。
在另一个示例中，铁轨中的断裂可以根据图像数据来确定。参照图6A-图6C，例示了利用所公开的检查系统获取的铁路轨道的示例帧F1-F3，这些示例帧可以用来确定铁轨12的脱离。图6A示出了具有处于沿轨道的位置Z1处的第一铁轨12的端部的尾帧F1。该尾帧F1指定示出该铁轨12的最后一帧。图6B示出了在尾帧F1之后一定时间并且在沿轨道的另一位置Z2处拍摄的中间帧F2。该中间帧F2因表示轨道的铁轨之间的位置而缺少铁轨。应当明白，多个这些中间帧F2可以跟随图6A的尾帧F1。图6C示出了具有处于沿轨道的另一位置Z3处的另一铁轨12′的另一尾帧F3。计算机分析可以例如通过首先对缺少铁轨的中间帧F2的数量进行计数来确定铁轨12与12′之间的间距。中间帧F2的数量接着可以乘以帧之间的已知间距(例如，0.1英寸)来计算铁轨12与12′之间的距离。
确定帧是否具有铁轨12可以通过本领域已知的成像技术来执行。例如并且如图6A-6C所示，期望铁轨12的轮廓在帧F1-F3的关注区域R中。计算机分析可以针对指示存在铁轨轮廓的像素来搜索帧的关注区域R。例如，这可以通过对关注区域中的像素的值进行平均或求和来完成。因为铁轨的轮廓由暗像素组成，所以具有铁轨12的帧F1中的关注区域R具有比缺少枕木的帧F2中的区域R更大的平均值或和。
在另一个示例中，铁轨的磨损可以根据图像数据来确定。参照图7A-图7B，例示了利用所公开的检查系统获取的铁路轨道的示例帧F1-F2，并且这些示例帧可以用来确定铁轨12的磨损。计算机分析可以例如通过确定铁轨12的轮廓与一帧中的基准点之间的距离是否小于先前帧中的相同距离来确定铁轨12是否磨损。图7A示出了具有处于沿轨道的位置Z1处的铁轨12的帧F1。铁轨12的轮廓位于关注区域R内，并且处于沿帧F1的Y轴的水平L处。铁轨12的轮廓在基准水平L2以上可测量距离LD处，该基准水平L2可以是垫板的高度。如具有本公开的益处的本领域普通技术人员所应当清楚的，例如，基准L2可以位于诸如垫板14、道钉16或枕木10的多个基准点处。图7B示出了处于沿轨道的另一位置Z2处的另一帧F2。在位置Z2处，铁轨12的轮廓与水平L2之间的距离LD比在位置Z1处更小。由此，帧F2可以指示沿轨道的位置Z2处的铁轨12磨损。如具有本公开的益处的本领域普通技术人员所应当清楚的，还可以通过对在不同时间但在沿道床的同一位置处拍摄的帧进行比较来确定铁轨磨损。
在另一个示例中，枕木10中的缺陷可以根据图像数据来确定。如图8所示，示出了利用所公开的检查系统获取的铁路轨道的示例帧。示出了枕木10中的缺陷D和D′。计算机分析可以例如通过确定枕木的轮廓的部分D是否位于关注区域R之外或者该轮廓的部分D′是否不在该区域R内来检测枕木10是否具有缺陷。如所已知的，枕木中的缺陷可以包括轨枕中的破裂、裂开或断裂。计算机分析可以利用这种缺陷附近的多个图像数据来确定该缺陷的宽度和长度。例如并且如图11-图12所示，所述多个图像数据可以用来估计枕木边缘中示出的破裂的宽度W和长度L。在一些情况下，计算机分析可以例如在该缺陷的取向允许来自激光器的光投射在该缺陷内并且被照相机拍摄到时确定该缺陷的深度。在一个实施方式中，激光器与照相机之间的角可以相对较小，使得投射到凹入的缺陷中的光仍然可以由定位为几乎平行于激光光束的照相机来拍摄。
在另一个示例中，铁轨的间距或轨距或枕木的长度可以根据图像数据来确定。在图8中，本领域已知的边缘检测技术可以用来寻找帧中的铁轨轮廓12的边缘，并且可以计算这些边缘之间的距离W1来估计铁轨12的间距。类似地，本领域已知的边缘检测技术可以用来寻找帧中的枕木轮廓10的边缘，并且可以计算这些边缘之间的距离W1来估计枕木10的宽度W2。
在另一个示例中，道碴18相对于枕木10的高度可以根据图像数据来确定。在图8中，直线拟合技术可以确定道碴18的水平和枕木10的水平，并且这些水平之间的差异可以估计道碴18相对于枕木10的高度HB。在另一个示例中，铁路轨道的扫描可以用来确定道碴18中的石头的尺寸。这可以通过分析具有道碴18的关注区域并利用道碴18的轮廓的曲率估计道碴石头的尺寸来完成。
在另一个示例中，凸起的道钉可以根据图像数据来检测。参照图9，例示了利用所公开的检查系统获取的铁路轨道的示例帧。为了确定是否存在凸起的道钉，可以分析关注区域R来确定该区域R内是否出现了表示凸起的道钉16的轮廓的一部分。
在其它示例中，缺失的垫板、未对准的垫板或者下沉的垫板可以根据图像数据来检测。参照图10，例示了利用所公开的检查系统获取的铁路轨道的示例帧。缺失的垫板或下沉的垫板可以例如通过分析关注区域R并且确定该区域R内是否出现或者没有出现表示垫板的轮廓的一部分来检测。例如，未对准的垫板可以通过对垫板的该部分轮廓进行直线拟合并且对该直线的取向与枕木的取向进行比较来确定。
针对图13，现在对检查系统30的另选的示例性实施方式进行描述。在该实施方式中，检查系统30可以按照与关于先前的实施方式描述的相同的方式来构造和操作。然而，在该实施方式中，本发明被设置为允许更有效的白天操作。检查系统30利用安装在要检查的表面上方的三个直线生成激光器40。中心激光器40安装在框架32的中心，并且扫描其角展度β内的表面区域，而外侧两个激光器40扫描它们的角展度β内的所检查表面的外部周界。如果例如正在检查铁路轨道，则中心激光器40可以扫描整个9英尺轨枕，而外侧激光器将扫描这些铁轨。
在该示例性实施方式中，两个外侧激光器40各自按大约10度的角γ相对于中心激光器向外倾斜。两个外侧激光器40在该实施方式中倾斜，以便允许检查系统30安装在道床中，例如，同时仍能够扫描铁路道床的9英尺的轨枕。通过向外倾斜激光器40，本发明实现了检查轨枕所需的扫描宽度，同时仍在铁道限制内以物理方式进行拟合。然而，因为本发明还可以用来检查其它表面，所以两个外侧激光器40可以根据该应用的实际需求而无论如何都不倾斜。
进一步参照图13的示例性实施方式，激光器40是7瓦特的激光器，各自具有45度的角展度β。然而，如具有本公开的益处的本领域技术人员所明白的，角展度β可以根据激光器40与所检查表面之间的距离而更大或更小。由激光器40投射到所检查的表面上的激光线L(即，激光束L)的强度是投射到该表面上的激光线L的每英寸宽度至少0.15瓦特。在最优选的实施方式中，该强度是投射到该表面上的激光线L的每英寸宽度0.18瓦特。所利用的激光器40的数量可以多于或少于三个，只要所利用的数量可以提供每英寸激光线L必需的瓦特即可。因此，具有本公开的益处的本领域普通技术人员认识到，存在可以提供该最小瓦特的各种激光器组合。
进一步参照图13的示例性实施方式，组合使用三个激光器40提供了更高的光强度，由此生成特定波长处的光线，该光线比该相同波长处的太阳辐射更强烈。在该示例性实施方式中，激光器40各自是如本领域中所理解的808nm+/-2nm波长的激光器。激光波长的这种选择对应于由穿透地球大气的太阳光造成的太阳光谱中的大约808nm处的骤降，如图16的曲线图所示。这里，在海平面示出范围从大约400nm至超过2400nm的太阳光谱，该太阳光谱包括UV、可见波长以及红外波长。在大约808nm处，在太阳的太阳能量中存在尖锐的骤降。由此，本发明中采用的808nm激光器因为它们在大约808nm处的波长比同一波长处的太阳辐射更强烈而被特别选择，由此允许经由照相机50在太阳光中检测这些激光器的辐射光。根据本发明，具有本公开的益处的本领域普通技术人员认识到，可以采用其它激光波长来利用太阳辐射中的其它骤降。
参照图14和图15，现在对本发明的照相机50的示例性的另选实施方式进行描述。如先前所讨论的，照相机50被安装至框架32并且经由有线或无线传输线路向处理装置或计算机60发送所检查的表面(在该示例中为铁路轨道)的图像数据。然而，在该示例性实施方式中，照相机50各自包括具有透镜72的外壳70。外壳70内是电荷耦合器件74(或CCD)，该CCD 74是使得能够通过由时钟信号控制的连续阶段来发送模拟信号的模拟移位寄存器。如本领域所明白的，CCD 74可以被用作存储器的形式或者用于延迟模拟信号的样本。然而，在该另选例中，同样可以采用如本领域所理解的CMOS传感器来拍摄图像。具有本公开的益处的本领域普通技术人员认识到，存在可以用于本发明的各种照相机。
如图15所示，CCD 74被设置在光学带通滤波器76附近。在该示例性实施方式中，带通滤波器76被选择成通过激光器40的波长-2nm和+1nm的频带，而针对照相机50的从300nm至1100nm的响应范围的其余波长过滤至少OD4，排除如具有本公开的益处的本领域普通技术人员所明白的、存在于带通区域附近的斜坡上升和斜坡下降区域。因此，带通滤波器76通过利用808nm激光器来通过大约806nm-810nm的波长，而滤除其余的太阳辐射。因为在该波长下在太阳辐射中存在骤降，所以在太阳光下可容易地检测到由激光器40生成的光线。
为了减小与以一角通过滤波器的光相关联的蓝移，带通滤波器76安装在透镜72与CCD 74之间。通常，当光以极端角通过滤波器时，为了在许多不同的角获得相同波长的光，必须具有宽频带的滤波器。如果滤波器被设置在透镜的外部上，则光将以极端角进入。然而，通过在透镜后面移动滤波器，该光更加平行并且蓝移效应显著降低。蓝移中的这种降低导致更加严格的滤波器带通，这对于尽可能多地滤除太阳辐射是必需的。因此，带通滤波器76被安装在透镜72之后。
间隔器78位于带通滤波器76的与CCD 74相对的另一侧上。间隔器76包括允许从透镜72收集图像数据的开口80。在该实施方式中，带通滤波器76尽可能多地筛除非激光器生成的光，由此实现日间检查。而且，该实施方式因通过滤波器76的光而导致焦距的略微增长。该现象通过经由使用位于透镜72与照相机外壳70之间的间隔器78来稍微远离透镜72安装CCD 74来被补偿。间隔器78改变透镜72相对于CCD 74的取向。间隔器78可以是例如精密填隙垫圈。然而，在该另选例中，间隔器78在采用具有足够宽的聚焦范围的照相机透镜的实施方式中不是必需的。因此，具有本公开的益处的本领域普通技术人员认识到，存在可以用于本发明的各种间隔器，并且可以通过透镜选择来否定针对间隔器78的需要。
根据本发明的又一示例性实施方式，可以按照高级别的准确度来预测轨座磨损。该实施方式利用前述的图像数据和针对车辆倾斜而调节的算法的应用。检查系统30沿轨道移动时可能遇到弯道或轨道中的弯曲部，这导致检查系统30在移动通过该弯道时发生悬垂偏斜。这种偏斜导致铁路轨道本身在照相机50的视场中向左侧或向右侧倾斜。将所得到的测量数据用于应当以物理方式检查铁轨磨损的轨枕的目标。然而，在识别要针对轨座磨损进行检查的轨枕时，必须考虑该偏斜或倾斜，如下所述。
参照图17所示的外形图像来更清楚地描述这种倾斜现象。尽管该图像是前述的三维图像，但是为简单起见，这里将其例示为外形。在该示例性实施方式中，左侧铁轨和右侧铁轨12被例示为设置在混凝土轨枕10的顶部上。线L3表示水平地面。尽管未示出，但是可以想象到轨道的这个部分处于弯道内，并且本发明的检查系统沿该轨道移动，导致由线L4表示的轨枕10的角倾斜。同样地，轨道稍微向左倾斜。为了确定是否存在轨座磨损，根据前述方法，必须对各个铁轨进行高度测量。然而，在该示例中，右侧铁轨12的高度显得高于左侧铁轨12，导致歪斜的数据测量。因此，在针对本发明的重要的经验研究和数学研究期间，确定了0.12的标准倾斜校正因子。该倾斜校正因子被并入到本发明的算法中，以便针对因车辆悬垂、铁轨高度设置标准以及与轨座磨损无关的其它因素中的变化而造成的倾斜进行调节。
进一步参照图17的示例性实施方式和图18的示例性流程图，现在对用于本发明的倾斜校正算法进行描述。基于前述的从照相机50接收到的三维图像数据，在步骤100，对各条铁轨的轨底高度(左侧(HLrail)和右侧(HRrail))以及各个轨枕的高度(左侧(HLtie)和右侧(HRtie))进行测量。轨底高度和轨枕高度是铁轨和轨枕相对于表示三维图像的顶部的线L5的高度。一旦已经拍摄到这些三维图像，则基于HLrail、HRrail、HLtie和HRtie的垂直像素计数来确定轨底高度和轨枕高度，接着基于0-255的测量指标来进行归一化。在操作中，穿过照相机镜头的、由轨道结构反射的激光被投射到照相机的CCD上，如前所述。在示例性实施方式中，各个CCD的尺寸为256个像素乘1536个像素。在该示例性实施方式中，大致并排设置了两个照相机。因此，所组合的两个照相机的总视场具有256个像素乘3072个像素的视场，因此为0-255的指标。具有本公开的益处的本领域普通技术人员认识到，存在各种方法来确定所述高度。
此后，在步骤102，检查系统30基于铁轨12和轨枕10的未校正的高度测量结果HLrail、HRrail、HLtie、HRtie的像素值来记录该各个高度。接着，在步骤104，检查系统30的处理器基于下式导出倾斜校正因子(TC)：
TC＝(HLrail-HRrail)(.12)
此后，在步骤106，基于下式确定针对右侧轨底和左侧轨底的实际Δ(即，两点之间的距离/差)：
ΔleftRail＝(HLrail-HLtie)-TC
ΔrightRail＝(HRrail-HRtie)+TC
该结果是轨底高度与针对右侧铁轨和左侧铁轨这两者的轨枕升高之间的实际Δ。要注意的是，前式考虑了轨道的向左或向右的偏斜或倾斜。
接着，在步骤108，基于下式来确定针对右侧轨底和左侧轨底的轨座磨损值(“RAS”)：
RSALrail＝(32/54)-(ΔlefrRail/50)
RSARrail＝(32/54)-(ΔrightRail/50)
该“32/54”是轨底与轨枕升高之间的期望Δ，表示没有轨座磨损。“50”表示每英寸50个像素的高度方面的收集率(rate of collection)。本领域普通技术人员认识到，50个像素/英寸的收集率可以基于照相机的几何形状和激光器设置来改变。
此后，在步骤110，按照适于进一步分析的形式输出RSA值。在步骤112，接着分析下一帧图像，并且再次开始该算法。该RSA数据提供了对轨座磨损的准确测量，并且实现了对需要监测或校正动作的潜在安全危险和耗损点的有效、准确的识别，以确保轨道安全。
一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的示例性系统包括：至少一个光发生器，该至少一个光发生器被定位在所述铁路轨道附近，所述光发生器被设置为在整个所述铁路轨道上投射光束；至少一个照相机，该至少一个照相机被定位在所述铁路轨道附近，以用于接收从所述铁路轨道反射的光的至少一部分，并用于生成表示所述铁路轨道的至少一部分的外形的至少一个图像；以及至少一个处理器，该至少一个处理器被设置为执行以下步骤：分析所述至少一个图像；以及确定沿所述铁路轨道是否存在轨座磨损，其中，在确定是否存在轨座磨损时，所述至少一个处理器对所述铁路轨道的倾斜进行补偿。
在其它示例性实施方式中，所述处理器通过以下步骤来对所述铁路轨道的所述倾斜进行补偿：确定左侧轨底的高度、右侧轨底的高度、左侧枕木的高度和右侧枕木的高度；确定倾斜校正因子；确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的实际差量(delta)；以及确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的轨座磨损值。在又一示例性实施方式中，所述确定所述高度的步骤还包括以下步骤：确定针对所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度中的每一个的垂直像素计数；以及基于测量指标来使所述垂直像素计数归一化。
在其它示例性实施方式中，所述确定所述倾斜校正因子的步骤基于所述左侧轨底的高度和所述右侧轨底的高度以及标准倾斜校正因子来实现。在又一示例性实施方式中，所述确定所述实际差量的步骤基于所述倾斜校正因子来实现。而且，其它实施方式使得所述确定所述轨座磨损值的步骤基于所述实际差量来实现。
本发明的示例性方法提供了一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的方法，该方法包括以下步骤：确定左侧轨底的高度、右侧轨底的高度、左侧枕木的高度和右侧枕木的高度；记录所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度；确定倾斜校正因子；确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的实际差量；以及确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的轨座磨损值。另一示例性方法提供了一种方法，所述确定高度的步骤还包括以下步骤：确定针对所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度中的每一个的垂直像素计数；以及基于测量指标来使所述垂直像素计数归一化。
进一步的示例性方法提供了多个方法，其中，所述确定所述倾斜校正因子的步骤基于所述左侧轨底的高度和所述右侧轨底的高度以及标准倾斜校正因子来实现。在其它示例中，所述确定所述实际差量的步骤基于所述倾斜校正因子来实现。在其它示例中，所述确定所述轨座磨损的步骤基于针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的所述实际差量来实现。
在本发明的又一示例性方法中，提供了一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的方法，该方法包括以下步骤：沿所述轨道移动检查系统；接收与所述轨道的至少一部分相对应的图像数据；确定针对所述轨道的所述部分的所述轨座磨损的测量结果，其中，针对所述检查系统沿所述轨道移动时遇到的倾斜来调节所述测量结果；以及基于所调节的测量结果来确定是否存在轨座磨损。在另一示例性方法中，所述确定所述轨座磨损的测量结果的步骤还包括以下步骤：确定左侧轨底的高度、右侧轨底的高度、左侧枕木的高度和右侧枕木的高度；确定倾斜校正因子；确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的实际差量；以及确定轨座磨损值。
在其它示例性方法中，所述确定所述高度的步骤还包括以下步骤：确定针对所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度中的每一个的垂直像素计数；以及基于测量指标来使所述垂直像素计数归一化。在另一示例性方法中，所述确定所述倾斜校正因子的步骤基于所述左侧轨底的高度和所述右侧轨底的高度以及标准倾斜校正因子来实现。在又一方法中，所述确定所述实际差量的步骤基于所述倾斜校正因子来实现。在另一方法中，所述确定所述轨座磨损值的步骤基于所述实际差量来实现。
尽管已经示出并描述了各种实施方式，但是本发明并不因而受限，应当理解，本发明包括如本领域技术人员所清楚的所有这些修改和变型。因此，除了根据所附权利要求及其等同物以外，不对本发明进行限制。

Claims (17)

1.一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的系统，该系统包括：
至少一个光发生器，该至少一个光发生器被定位在所述铁路轨道附近，所述光发生器被设置为在整个所述铁路轨道上投射光束；
至少一个照相机，该至少一个照相机被定位在所述铁路轨道附近，以用于接收从所述铁路轨道反射的光的至少一部分，并用于生成表示所述铁路轨道的至少一部分的外形的至少一个图像；以及
至少一个处理器，该至少一个处理器被设置为执行以下步骤：
分析所述至少一个图像；以及
确定沿所述铁路轨道是否存在轨座磨损，其中，在确定是否存在轨座磨损时，所述至少一个处理器对所述铁路轨道的倾斜进行补偿。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器通过以下步骤来对所述铁路轨道的所述倾斜进行补偿：
确定左侧轨底的高度、右侧轨底的高度、左侧枕木的高度和右侧枕木的高度；
确定倾斜校正因子；
确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的实际差量；以及
确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的轨座磨损值。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述确定所述高度的步骤还包括以下步骤：
确定针对所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度中的每一个的垂直像素计数；以及
基于测量指标来使所述垂直像素计数归一化。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述确定所述倾斜校正因子的步骤基于所述左侧轨底的高度和所述右侧轨底的高度以及标准倾斜校正因子来实现。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述确定所述实际差量的步骤基于所述倾斜校正因子来实现。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述确定所述轨座磨损值的步骤基于所述实际差量来实现。
7.一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的方法，该方法包括以下步骤：
(a)确定左侧轨底的高度、右侧轨底的高度、左侧枕木的高度和右侧枕木的高度；
(b)记录所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度；
(c)确定倾斜校正因子；
(d)确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的实际差量；以及
(e)确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的轨座磨损值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(a)还包括以下步骤：
确定针对所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度中的每一个的垂直像素计数；以及
基于测量指标来使所述垂直像素计数归一化。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述步骤(c)基于所述左侧轨底的高度和所述右侧轨底的高度以及标准倾斜校正因子来实现。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(d)基于所述倾斜校正因子来实现。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(e)基于针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的所述实际差量来实现。
12.一种用于确定铁路轨道的轨座磨损的方法，该方法包括以下步骤：
(a)沿所述轨道移动检查系统；
(b)接收与所述轨道的至少一部分相对应的图像数据；
(c)确定针对所述轨道的所述部分的所述轨座磨损的测量结果，其中，针对所述检查系统沿所述轨道移动时遇到的倾斜来调节所述测量结果；以及
(d)基于所调节的测量结果来确定是否存在轨座磨损。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤(c)还包括以下步骤：
确定左侧轨底的高度、右侧轨底的高度、左侧枕木的高度和右侧枕木的高度；
确定倾斜校正因子；
确定针对所述右侧轨底和所述左侧轨底的实际差量；以及
确定轨座磨损值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述确定所述高度的步骤还包括以下步骤：
确定针对所述左侧轨底的高度、所述右侧轨底的高度、所述左侧枕木的高度和所述右侧枕木的高度中的每一个的垂直像素计数；以及
基于测量指标来使所述垂直像素计数归一化。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述确定所述倾斜校正因子的步骤基于所述左侧轨底的高度和所述右侧轨底的高度以及标准倾斜校正因子来实现。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述确定所述实际差量的步骤基于所述倾斜校正因子来实现。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述确定所述轨座磨损值的步骤基于所述实际差量来实现。
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