CN108974043A

CN108974043A - 铁路轨道勘测系统

Info

Publication number: CN108974043A
Application number: CN201810900537.1A
Authority: CN
Inventors: 萨米尔·辛格
Original assignee: Rail Vision Europe Ltd
Current assignee: Rail Vision Europe Ltd
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2018-12-11

Abstract

描述一种使用一系列成像传感器(如行扫描、区域扫描和热量)、激光传感器、地下成像传感器(X射线、太赫兹)、惯性传感器、照明阵列、处理器和存储器的具通用支撑结构在一个独立组件内的自动轨道检测系统。称为TrackVue的集成单元可安装在轨道车辆转向架或底盘上，且适合安装在客运火车、检查火车和其他类型车辆上。该系统可完全无人看管和自动运行，且能监控钢轨、钢轨接头、钢轨磨损、鱼尾板和连接轨道部件、焊缝、开关区域、轨道紧固件、轨枕、压载物、坡道、轨道间隙、信号的有用资产、电缆、和润滑器的质量。系统使用图像传感器输入使用完全自动图像分析来检测有缺陷或缺失的部件，并使用激光技术以计算轨道轮廓和轨道几何测量。

Description

铁路轨道勘测系统

发明背景

本发明涉及铁路轨道的勘测，更具体地说，不仅仅是用于基于检查的评估轨道健康的装置。

铁轨，也被称为“永久性的方式”，由铁轨、紧固件、轨枕(枕木)、道碴和下面的路基组成。根据所使用的钢轨类型、连接或连续焊接类型、使用带有道碴轨枕或平板轨道、所使用的紧固件类型、以及开关布局，可能会有各种各样的变化。许多相关的轨道有用的资产也安装在传统铁路上，例如信号装置、润滑、布线和/或开关操作等其它。随着时间的推移，轨道部件和有用的资产会因为列车运动造成的物理压力、天气条件变化导致材料受压或膨胀、雨水和环境条件、以及随着年份材料强度的降低而退化和遭受损坏。

铁路轨道检查程序的目的在于找出缺失和有缺陷的部件，以便能够进行以维修或更换为目的的有效的维修。如果轨道和相关有用的资产没有得到有效监测，那么存在完全失效或退化的风险，以致对铁路安全运行构成重大风险。

人类轨道检查员通常通过在铁路轨道上行走并记录轨道状况以用于后来指导轨道维修活动来进行视觉轨道检查工作。这种检查形式昂贵、不安全、速度慢，并且容易出现人为错误。随着铁路网络的增长再加上人工检查所需的时间，实际上难以在全网覆盖的情况下以所需检查频率进行手动跟踪检查。

过去两年来，铁路基础设施运营商越来越多地开始使用专门的“检查列车”开展轨道监测。这些列车专为半自动或全自动轨道检测设备的主机设备而设计。目前这种使用扫描设备的可用系统，包括照相机和/或激光扫描仪，用于监测轨道的各个部分。在检查列车上的系统的实施导致各种系统部件分布在系统的本地网络上，而传感设备通常安装在车辆外部上而数据存储和控制系统安装在车厢内部，例如，在合适的行李架内。

这样的系统的实施和维护是昂贵且耗时的。特别是，这种系统需要广泛的配置以适应指定的车辆，这增加了安装的复杂性和未来的维护负担。因此每个检查列车都需要定制，以便于其适合目的。整个分布式架构包括车内外的硬件组件、高功率消耗、和永久性设备固定装置，意味着检查列车已经随着时间开发出属于自己的铁路车辆子类型。

但是，运行检查列车的成本是繁重的。不仅由于上述的安装和维护成本，而且因为需要安排检查列车沿着繁忙的铁路线的行程。检查列车的运行可能会损害客运或货运车辆的铁路线路运力，特别是考虑到常规检查列车收集数据的速度相对较低。

由轨道扫描过程产生的数据可以传输到异地计算机网络，在那里可以进行分析。要求将数据集中并传送到中央处理单元进行处理，再加上对记录数据的详细处理，会导致检查本身与根据检查扣除任何所需行动之间的严重延误。进一步地，处理生成的大量扫描数据可能会有问题。

本发明的目的是提供一种铁路轨道勘测系统，其克服或基本上减轻了与现有技术相关的一个或多个上述缺点。可以认为本发明的另一个或替代目的是提供一种能够以更方便的方式提供有用的轨道检查结果的系统。

发明概要

根据本发明的一个方面，提供了一种铁路轨道检查系统，包括：多个轨道扫描传感器、位置确定系统和/或惯性数据测量传感器、用于存储由轨道扫描传感器记录的轨道扫描数据的数据存储器，及用于在所接收的基础上自动分析所述轨道扫描数据的扫描数据处理器，以根据在所述扫描数据中识别的一个或多个特征从预定的组件类型列表中检测扫描数据内的一个或多个轨道组件并且确定所述一个或多个轨道组件的状况，其中所述系统包括轨道扫描传感器、数据存储器和扫描数据处理器连接至其的通用支撑，通用支撑具有用于将所述系统附接到使用中的铁路车辆的外部的安装。

通用支撑可以允许系统作为一个单元附接到铁路车辆上，例如，作为单个固定装置或组件。通用支撑可以包括一个外壳，例如，用于内部系统元件的刚性外壳，使得系统可以以封闭模块的形式安装至铁路车辆。该系统可以以简单的方式安装到新的铁路车辆上或改装到现有车辆上，例如允许该系统用于客运车辆或货运车辆，以及检查列车和其他车辆类型。一个单独定制的支持/外壳结构允许内部系统针对扫描数据处理进行优化以便于轨道分析可以实时或接近实时地完成。该系统可以是便携式的，并且可以通过仅对支持的车辆的外部进行修改而从一辆车辆转移到另一辆车辆。

通用支撑和/或外壳可以包括用于系统的电源和/或数据连接器，即允许电力供应到系统和/或允许系统与铁路车辆和/或另一网络之间的数据通信。可以提供用于整个系统的通用电源和/或数据连接器。该系统可以包括数据发送器和/或接收器。

扫描传感器可以包括一个或多个图像捕获传感器。图像捕获传感器可以包括光传感器，例如，用于捕捉视觉图像，例如照相机。可以使用一个或多个行扫描传感器或区域扫描传感器，附加地或替代地，扫描传感器可以是激光扫描仪或热/红外图像捕获传感器中的任一个或两者。

该系统可以包括用于传输能量的活动源，例如，在可见光、X射线或太赫兹频谱中，在轨道上或穿过轨道，例如，包括一个或多个感兴趣的轨道对象。随着残余能量通过传感器检测到的对象反射或透射并转换成图像，轨道对象可以通过适当的成像传感器成像。图像可以显示感兴趣对象的内部结构。

刚性外壳可以包括壁结构，其成形以限定第一部分设置于在使用中的铁路轨道的铁轨上方的及与第一部分相邻的至少一个另外的部分，所述第一部分朝向使用中的铁轨并且相对于另外的部分是凹形的。

通用支撑和/或外壳可以包括布置在一个或多个传感器与使用中要扫描的轨道之间的视野中的一个或多个窗口。可以提供多个窗口部分并且可以以不同的角度方向排列，例如，至少一个窗口部分以与至少一个另外的窗口部分不同的角度方向布置。多个窗口部分可以以相对的角度布置，例如倾斜、取向。中间的窗口部分可以布置在相对的窗口部分之间。相对的窗口部分可以关于中心轴线或平面对称，例如，对应于使用中的轨道的中心轴线。

扫描处理器和/或数据存储器可以配置为可拆卸的处理单元或模块，其可以可拆卸地连接，例如，机械地和电气地连接到通用支撑和/或壳体以供使用。可拆卸的处理单元可以包括其中容纳扫描处理器和/或数据存储器的外壳。外壳可以包括用于与通用支撑上的相应的连接器连接的数据和/或电源连接器。可拆卸的处理单元可以包括电池和/或发射器/接收器电路。

扫描处理器可以构建，例如自动地来自一个或多个扫描传感器的多个扫描中的长度或轨道部分的图像。扫描处理器可以连接到来自单个传感器(例如，使用连续扫描)或多个传感器的多个图像。

扫描数据可以包括数字图像数据，例如包括像素强度值。扫描数据可以包括像素数据的矩阵。扫描数据可以包括视觉图像和/或热图像。

扫描数据处理器可以根据一个或多个像素属性，例如亮度或颜色，来识别图像内的像素群。像素群可用于确定有用的资产的边缘、颜色、纹理、形状和/或其他统计特性。像素群可以表示诸如轨道组件或其一部分之类的对象。

一个或多个扫描数据特征可以包括几何和/或颜色特征。轨道或其部件的一个或多个形状/几何特征，例如边缘或尺寸，可以从一个或多个图像捕获传感器来确定，例如，根据捕获的数据内的颜色和/或亮度/强度。另外地或替代地，可以从不同的扫描传感器，例如激光/距离传感器，来确定几何特征。轨道部件的轮廓可以使用激光传感器来确定，例如，铁轨的轮廓。

多个扫描传感器可以包括多个相同或不同类型的图像捕获传感器。不同的传感器类型可包括用于不同电磁辐射类型/波长的传感器。可选地，不同的扫描传感器类型可以包括不同的传感器维度或取向，例如区域扫描、行扫描、深度检测传感器、三维表面扫描/成像和/或传感器，其通过对象到其内部特征的成像(例如在X射线和太赫兹频谱中)来使用主动能量传输。

自动轨道组件分类和或状态评估可以通过多轨道视图分析进行有益地改进。所述系统可以在确定组件类型和/或状态时比较/对比一个或多个公共轨道组件的二维和三维扫描数据。

表面轮廓和深度测量传感器例如激光可以配以惯性数据测量传感器以构成轨道几何测量传感器系统。这样的系统分四步工作。第一，它生成轨道的三维轮廓并识别表面上的关键匹配点。第二，它根据惯性数据调整该轮廓，从而将转向架悬挂和其他车辆轨道动力学从进一步的分析中移除。第三，它将这个当前的轮廓数据与存储的一组理想轨道轮廓数据相对于独特的匹配点进行比较以确定当前轮廓相对于理想轮廓的三维姿态(三维变化和它们的旋转)。最后，使用一组简单的公式来计算轨道几何形状和轨道轮廓特征。几何特征包括轨超高(两个轨道之间的高度差)、螺旋(沿着其纵向轴线的轨道的螺旋量)、轨道的曲率(在固定长度弦上测量的直线偏差)、和仪表参数(两个运行轨道之间的距离)。另外，深度测量数据可用于测量导轨顶部和侧面部的导轨磨损。这提供了导轨顶部和侧面的磨损测量值。基于多个激光的3D深度测量传感器可用于模拟导轨的轮廓，并确定表面上的独特点以进行测量。来自惯性传感器例如诸如加速度计、陀螺仪、倾斜计和其他装置的数据用于消除车辆悬架、轨道车轮和转向架动力学和轨道变化的影响并跟踪变化，所有这些都

会影响与感兴趣对象的传感器的位置，例如轨道，其激光轮廓将被分析。测量可以触发以对应于列车速度以便于在行进方向上的均匀的采样间隔可以保持。例如，设备可以触发以保持200mm或更小的恒定采样间隔。

不同的传感器类型可以并行使用。例如，每个传感器的输出可以用于独立地检测/评估轨道组件，例如，根据传感器类型使用相同或不同类型的评估。扫描数据处理器可以接收不同的传感器输入并且可以组合使用它们来确定轨道组件类型和/或轨道组件状态。以这种方式的不同模式的组合可以提供更大的自动化轨道检查的确定性，例如，为了确认或拒绝这一发现，在其中将使用一种模式的发现与使用另一模式的相应发现进行比较。

该系统可以包括针对每个正在检查中的轨道的多个轨道扫描传感器。第一和第二传感器可以或不可以位于轨道的任一侧，例如，作为侧边传感器。至少一个传感器可以定位于，例如，正交或垂直地在每个轨道上方以提供轨道头的平面图。至少一个传感器可以从轴线横向偏移，例如，在轨道的任一侧或轨道的垂直轴/平面上。任何横向偏移的传感器通常是倾斜的角度，例如，相对于轨道的轴线/平面。

该系统可以包括第一组传感器和第二组传感器，每组传感器布置成扫描单轨道，其中通用支撑包括每组传感器安装到其上的通用的间隔件或横向支撑构件，例如，以间隔布置和/或朝向通用间隔件的相对末端。通用支撑件可以包括多个横梁。

任何的轨道扫描传感器或任何组合可以可调节地安装到通用支撑上，例如，以调整图像捕捉传感器的视野。传感器安装件可以是单独或共同可调节的。可以适应任何或任何组合的扫描传感器的横向移动。另外或可选地，可以使用角度调整和/或焦距调整。另外或可选地，可以使用透镜和/或孔径的调整来调整(例如扩大/减小)传感器视野。可为每个传感器或传感器类型提供角度或焦距调节机构，例如，单独地，多个传感器作为一个整体。可以为作为整体的系统或多个传感器一起提供横向运动机构。

轨道扫描传感器可以包括安装在相对于通用支撑结构的间隔位置处的至少两个轨道扫描传感器，并且相反地定向以便在使用中从相反的两面扫描公共铁路轨道部件。

通用支撑可以包括可调节的支撑结构，例如，以允许作为整体调整多个传感器和/或系统的位置。通用支撑可以允许相对于安装的位置调整。通用支撑可以包括可移动的部分，例如可移动的外壳/壳体，其可相对于安装件可变地定位。通用支撑可以允许用于多个扫描传感器的任何组合或全部的共同位置调整，例如，以适应轨道曲率等。

对于使用中的传感器的常用位置调整可以限于单个自由度，例如，相对于检查中的轨道的方向的横向调整，例如，以使得无论车辆速度和轨道曲率如何，传感器都保持在与轨道相同的相对位置上。常用位置调整可以用于跟随，即动态地在使用中的铁路轨道的方向，例如，通过保持与轨道的导轨的一个或两个对齐。

通用支撑可以包括至少一个导轨或滑道。用于一个或多个扫描传感器的外壳，例如一个通用外壳，可以安装至滑道。

该系统可以包括用于相对于安装件进行位置调节的促动器。促动器可以布置成用于线性/横向致动，例如，通过线性促动器或包括机构的转子用于将旋转/转矩输入转换成线性运动。促动器可以是电动的，例如机电促动器。当车辆运动时，促动器可以提供成像传感器的横向调整以保持与轨道相同的相对位置。

通用支撑可以可调节地安装以适应传感器和/或整个系统的高度调节。高度调节可以实现为在轨道和/或其中的导轨的上方达到预定高度。高度调节可以在传感器使用期间动态地实现或者可以在使用之前设置在预定高度。高度调整可以允许改变一个或多个扫描传感器的视野。可以使用高度调整来影响系统的不同操作模式，例如包括导轨检查或整个轨道检查。不同的高度可能适合不同的特定轨道组件类型的检查。

该系统可以包括控制器，例如，安装在通用支撑上和/或通用外壳内。控制器可以控制任何或任意组合：轨道扫描传感器；系统的电源管理，例如包括对一个或多个电池充电；系统的热管理；至/来自于系统的数据通信，例如包括警报；用于扫描传感器的轨道照明或其他照射。控制器功能地由一个或多个处理器来提供。扫描数据处理器可以执行一些或全部控制器功能或者可以提供单独的系统控制器。

轨道扫描的速率可以根据铁路车辆的行驶速度来控制。可以设定预定的扫描/图像捕获速率或每单位距离的扫描数据量。例如，可以设置沿轨道每毫米距离的像素捕获速率。可以使用根据车速的脉冲频率的脉冲信号来控制扫描速率。另外地或可选地，轨道扫描的速率可以根据用户要求和/或预定的轨道部分而改变，例如，根据不同的轨道扫描模式。

车轮或传动轴转速计可用于确定行驶距离/速度。可以使用激光多普勒装置。

该系统可以包括照射/光源。安装在通用支撑上的专用光源可以为本发明的目的提供定制照明，例如，布置为照亮对应于轨道扫描传感器的视野的铁路轨道的区域。线性光源阵列(例如，LED的线性阵列)可以延伸跨过通用支撑和/或轨道的宽度，以便在正被扫描的轨道区段上提供均匀的照明。或者，可以将光引导到每个铁路轨道的相对两侧上。

光源可以以不连续的方式操作，例如，脉冲式或间歇式。根据一个或多个传感器的扫描频率和/或车辆速度，光源可以是脉冲或不是脉冲的。

一个或多个扫描传感器可以包括滤波器，例如，光滤波器。滤波器可以适用于避免扫描数据内的不需要的波长以及例如可以针对系统的光源定制。系统的操作可以根据传感器接收的光的水平进行调节。该/每个扫描传感器的孔径或滤波器可以是可调节的，例如，根据环境光照水平。

该系统可以包括能量透射，这对于在电磁频谱的适当部分内操作以对目标区域成像的成像传感器是必需的。可以使用小于1mm波长辐射，例如X射线或太赫兹辐射。传输和能量特性可以配置为最大化图像对比度和能力以查看对象的内部结构。能量发射器可以与成像传感器同步，使得来自感兴趣对象的反射或透射能量由传感器成像，例如，线扫描或区域模式。

该系统可以包括位置确定装置/系统。由传感器记录的轨道扫描数据可以以来自位置确定系统的位置记录(例如，地理位置记录)进行记录。位置记录可以对应于传感器/车辆位置。在使用多个传感器的情况下，由多个传感器捕获的相应扫描数据可以用共同的位置记录来记录。

根据地理坐标系，位置记录可以包括多个分量(例如，纬度和经度)。位置记录可以附加地或可选地包括局部或相对坐标值，例如，相对于铁路轨道。位置记录可以包括一维位置记录分量或值，例如，根据沿铁路与基准点的距离。在任何实施例中，位置记录可以用时间记录(例如时间戳)来补充或替代。

位置确定系统可以包括车辆行驶距离传感器，例如转速计、和/或轨道位置传感器。可以补充使用GPS或其他地理位置系统或者使用GPS或其他地理位置系统代替。可以使用组合多个位置确定系统/传感器类型来增加轨道部件位置确定的准确度。轨道位置传感器可以包括用于识别已知/预定轨道位置指示的轨道特性的传感器，例如，固定的基准位置。一个或多个扫描传感器可以用于此目的或者用于近场无线通信发射机接收器的其他目的。例如，RFID传感器可用于检测在已知位置处安装在轨道上的RFID标签。可以使用已知标签位置的查找表来确定有用的资产和/或图像传感器位置。

惯性数据传感器可以包括加速度计、陀螺仪、倾角计和其他机电系统中的任何一个或其任何组合以产生在三维位置、速度、加速度和滚转、俯仰和航向的数据。惯性数据与车辆位置卫星信息以及转速数据结合在一起，提供更高的包括隧道在内的测量的定位精度。它可以进一步与基于激光的轨道和周围轨道的测量相结合，以实时提供轨道几何测量。

该系统可以包括热管理装置，例如，冷却和/或加热装置。可以使用风扇、珀耳帖空气冷却器或液体冷却系统。通用外壳可以包括一个或多个通风口以允许气流通过内部外壳。

该系统可以包括本地电源，例如电池。本地电源可以允许系统的至少一些或全部功能在隔离外部电源连接的情况下运行。例如，电池可以允许接收的扫描数据的处理，例如，以便在铁路车辆供电切断后完成扫描数据分析。本地电源可以通过车辆运动来充电，例如，振动和/或车轮运动。

扫描数据处理器可以包括多个处理器/芯片，其中至少一个处理器布置为在数据存储器中实时记录捕获的扫描/图像和关联的位置数据。所述处理器可以布置为核对来自多个传感器/源的图像/扫描和/或相关数据。

可以安排至少一个处理器来处理所捕获的数据以基本上实时地或以轻微的时间延迟，例如接近实时，来识别轨道部件。可以布置至少一个处理器以对由扫描传感器捕获的图像执行图像分析。扫描数据可以与其分析处理并行记录。中央控制器可以根据数据输入速率和/或处理速率来确定哪些进程同时执行。一旦收到相关数据，任何或任何处理器的组合都可以自动运行。

扫描数据存储可以包括利用位置和/或时间数据记录来索引扫描数据。扫描数据存储可以包括将扫描数据存储为平面(例如，二进制)像素数据格式、或者存储为具有常规格式的压缩图像，例如JPEG，例如带有位置标识符。对于平面文件格式，扫描数据文件头信息可以在稍后的处理阶段添加(例如，非实时或接近实时)。

可以布置至少一个扫描数据处理器来处理扫描的数据，以便分析在通用支撑结构上、在铁路车辆上、或在远程位置处的例如在扫描数据采集之后的轨道部件状态。该系统可以实时输出轨道部件标识、位置和/或状态，例如以使得在轨道部件在扫描传感器的视野内是可见的及由自动扫描数据分析系统进行的检测之间基本没有延迟或可以忽略的延迟。这允许操作员可以在车辆实时通过那些部件时观察轨道部件标识和/或状态。扫描处理器可以在图像捕获之后立即或者相对短的时间延迟地输出轨道部件状态，例如几乎是实时的。在本发明的任何实施例中，与车辆的行驶时间或速度相比，记录的扫描数据处理时间可以包括相对较短的时段或速度，例如行程时间/速度的一部分，例如，小于车辆行驶时间/速度的一半或四分之一，或者在正常车辆速度下比车辆行驶时间/速度小一个数量级或更多。在接近实时的情况下，当传感器能够查看轨道部件时、以及当在扫描数据处理器使用的数据库中其记录为其测量属性时，存在一个较短的延迟。基于硬件能力和扫描数据分析软件的复杂性，这种延迟可以变化。

数据存储器可以包括非易失性数据存储器，包括包含从传感器获得的原始扫描数据的数据库以及进一步的数据库，包含轨迹部件分类、轨迹测量值和/或记录有与其相对应的位置记录的状态数据。

数据存储器可以包括处理的扫描/图像数据存储器和缓冲器。处理的扫描数据存储器可以包括扫描图像文件和相关的轨道组件分类和/或状态数据。如本文所述的实时或即时数据处理可以以扫描数据采集的速率发生，例如，基本上避免使用缓冲器。处理的扫描/图像数据存储器可以包括对应于存储的图像的位置数据。

扫描数据处理器可以包括中央处理器以及现场可编程门阵列和图形卡中的任一个或两个。在不同处理器之间划分处理的能力有助于定义处理任务的层次结构。

扫描数据处理器可以包括传感器数据整理/管理模块和数据分析模块。可以提供更详细的数据审阅模块作为系统的一部分，但可以仅选择性地采用中央处理器。数据处理的模块化方法可以允许针对不同的轨道评估工作选择性地执行不同的组合任务。并非所有任务都需要执行系统的所有用途。例如，一些处理阶段可以优先并且总是执行(例如实时)，例如扫描数据索引，而一个或多个进一步的数据分析阶段可以可选地使用。

轨道部件的尺寸和/或形状测量可以与预定的形状轮廓匹配，例如，以便确定轨道部件的特性、测量它们、识别它们的缺陷、在预期的位置识别缺失的部件、或采用另一个传感器触发进一步的数据分析。可以使用一维、二维或三维形状模型构造和/或分析。形状轮廓可以使用它们的尺寸、形状和方向进一步评估。任何这样的参数可以与惯性数据结合使用以确定轨道方向、倾斜度、铁路转弯处外轨较内轨高处的程度、螺旋以及确定轨距和曲率参数。

可以根据记录的轨道扫描数据确定的轨道部件的一个或多个几何特征/轮廓和/或表面特性与一个或多个预定的部件特征之间的匹配程度来通过系统确定置信度得分、和/或分配至轨道部件的确定。已经发现形状匹配和颜色/纹理匹配的结合提高了部件识别和条件分析的确定性。

该系统可以包括多个轨道部件检测器，例如，不同类型的分类器。一个分类器可以包括或不包括基于规则的分类器，例如，采用统计和/或语义规则用于部件匹配。一个有用的资产分类器可以包含或不包含模板分类器，例如，使用一种或多种基于相关性的匹配方法，例如神经网络或遗传算法，来匹配部件形状/表面特性。一个部件分类器可以包括或不包括特征匹配工具，例如，通过其像素群在统计上与部件属性/特征在预定的部件识别表中匹配。

模板匹配可用于轨道部件检测/识别。预定的部件类型的列表可以包括预定部件模板的列表。预定模板可以包括一个或多个几何特征和/或一个或多个表面属性特征。几何模板特征可以包括曲率、边缘和/或尺寸特征。表面属性特征可以包括颜色、亮度/强度、和/或表面均匀性/变化。

用于由传感器和图像处理器捕获的图像的位置确定系统，所述图像处理器包括有用的资产分类器，用于检测一个或多个捕获的图像中的有用的资产并且通过从预定的有用的资产类型列表中根据所捕获的图像中的一个或多个特征将有用的资产类型分配至所检测的有用的资产来将所检测的有用的资产分类，及有用的资产状态分析器，用于识别有用的资产状态特征并将所识别的状态特征与预定的有用的资产特征进行比较以便评估其中的偏差。有用的资产分析器可以进一步评估深度测量、表面轮廓和/或惯性数据以识别有用的资产在空间中的三维位置，并使用该信息来确定轨道异常。

扫描数据处理器可以用作新颖/异常检测器提供服务。如果处理器识别检测到的部件/特征并不符合用于分配预定的轨道部件类型的标准，有用的资产分类器可以记录新颖对象检测的实例。扫描数据处理器可以记录以下任何或任何组合：其中无法识别的对象是可识别的扫描/图像；未识别对象的位置；处理的扫描数据(如表面属性和/或轮廓)为未识别的对象。此日志稍后可以进行分析以创建新的部件类型或将现有的部件类型分配给该对象。

可以提供警报模块，其可以接收扫描数据处理的输出并确定是否满足一个或多个警报条件。警报标准可以基于部件类型/状态和/或新颖/异常检测来设置。可以在警报输出之前执行语义知识比较，例如，以避免误报，至少对于某些部件类型。

扫描数据处理器可以附带有负责图像或激光数据压缩的附加硬件。在某些情况下，传感器模块可以具有用于数据压缩或执行有限分析组的内置模块。

扫描数据处理器可以执行轨道部件变化分析。扫描数据处理器可将当前扫描数据与相同位置处的先前数据或先前确定的部件状态特征进行比较，例如，几何或表面特征。可以监视轨道部件方向、形状、边缘和/或颜色的变化。系统可以即刻(即，在部件的两次连续传递之间)和/或在延长的时间段例如几天、几周、几个月、几年，记录轨道部件的变化/劣化。根据数据存储能力，可以记录一个或多个状态特征以与稍后确定的状态特征进行比较。简单的有用的资产状态特征值的比较可以避免重新处理先前记录的图像数据的需要。以前记录的部件状态特征可以存储在扫描数据存储器中或另一个车载数据存储器中，用于实时或接近实时地进行比较。

显示轨道异常和测量的轨道评估结果可以在无人操作模式下传输到远程位置，例如，使用蜂窝网络。与车载天线结合的蜂窝发射器路由器可以连接到系统用于传输实况数据。在没有卫星覆盖的情况下，数据可以缓冲以进行传输直到传输数据成为可能。远程位置可由数据网络服务器组成，其存储接收到的信息并通过实时或接近实时地使用网络门户将分析传递给最终用户。

根据本发明的第二方面，提供了一种对应于使用第一方面的系统的铁路轨道检测方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种数据载体，用于根据上述方面的系统或方法的操作轨道扫描数据处理器的可读代码。

以上关于本发明的第一方面限定的任何可选特征可以应用于任何另外的方面。

附图说明

以下仅通过参考附图的实例来更详细地描述本发明的可行的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的一个实例的通过安装的铁路轨道检测系统的剖面示意图；

图2示出了根据本发明的实例的用于将轨道检测系统安装到列车上的安装系统的三维视图；

图3表示根据本发明的一个实例的系统作为集成单元安装的客运列车的一个实例；

图4示出根据本发明的系统的实例的可移动处理单元(RPU)的实例；

图5示出了在使用中根据本发明的实例的系统的不同部件之间的数据流的示意性布置；

图6示出了一部分铁路轨道的三维视图，包括可以通过本发明的使用检测轨道特征的实例；

图7示出了包括本发明的使用的实例中检测的接头或开关的铁路轨道的一部分的三维视图；

图8示出通过根据本发明的轨道侧边和周围轨道的系统拍摄的数字图像的实例；

图9示出了通过根据本发明的轨头、紧固件和板区域的系统从上方获取的数字图像的实例；

图10示出了另一种图像类型的实例，即根据本发明的实例的由系统捕获的铁路车辆车轮与轨道之间的界面区域的激光衍生图像。

发明详述

下面描述的本发明的实例涉及安装的系统的使用用于勘测铁路轨道，在此称为“TrackVue”系统。扫描、处理和记录铁路轨道的视觉和/或几何特征所需的所有设备都具有通用支撑结构，以便允许系统可以安装在客运列车和/或货运列车以及，而不是安装在专用检查车辆上。这种单独安装的单元或安装非常适合于现有火车的改造，并且可以提供简单的安装和操作。与现有技术中使用的系统相比，根据本发明的实例的系统可以提供所谓的“即插即用”功能。

首先转到图1，系统10包括多个轨道扫描传感器，在该示例中包括多个成像传感器12。成像传感器能够记录可见范围内的电磁辐射，即可见光，以显示轨道对象的外表面，但是可以附加地或可选地涵盖X射线或太赫兹频谱中的红外波长或波长以显示轨道对象的内部结构。用于可见光谱成像的主动光源或能量投影和/或传输装置，在13中示意性示出，可能需要X射线和太赫兹成像。在本发明的一些示例中，也可以适用热成像。可见和热辐射波长两者都可以由普通的传感器一次检测到并随后过滤以分离可见光和热/红外图像。可替换地，不同的单个传感器可以安装在具有物理过滤器的一个或多个成像传感器单元12，以控制由每个传感器检测的辐射的波长。在任何一个示例中，可以记录独立的热/红外(IR)和可见光图像。在其他示例中，附加地或可选地使用近红外传感器/滤波器是可能的。

放置的成像传感器的数量和配置可以定制以覆盖整个铁路轨道，如将在下面进一步详细讨论的那样，或者根据需要的仅仅特定部分。每个成像传感器的关键特性包括以下任何或任意组合：无论是彩色还是单色；水平和垂直图像分辨率；以赫兹为单位的扫描频率；图像采集设备的接口类型包括GIGE、CAMLINK、USB等；传感器类型和尺寸；以及，任何内置智能来执行分析，数据压缩或动态调整其成像参数以迎合环境变化。可以选择传感器以适应在主线乘运、货运、地铁、地下或专用检测列车以及轨道适应车辆(例如，高速轨道)和基于推车的平台上成像的环境，使得它们的成像传感器可以根据特定应用的需要覆盖整个勘测和检查领域。

在该实例中的每个成像传感器12包括透镜14和滤波器16。透镜12可以具有固定的或可变的焦距并且限定了图像捕获所需的视野。可以提供适当的截止滤波器16以限制在使用中传感器暴露的电磁波长的范围。这可以减少来自特定波长的外部光干涉。

在图1所示的示例中，为了说明示出了三个成像传感器12。中央成像传感器12A通常定位在导轨18上以在使用中检查，并且两个侧面成像传感器12B和12C定位在其任一侧上。中央传感器12A提供上面的视图，即是使用中的导轨18的平面图，而侧翼12B和12C传感器相对于其倾斜的角度并且提供导轨的每一侧的轨道的其余部分的视图。传感器12之间的角度偏移基本处于共同/垂直平面中。传感器12B和12C的角度偏移可以与传感器12A的对齐轴线偏离大约45°，尽管偏移可以凭借透镜14根据根据视野进行调整，并且因此可以覆盖更宽或更窄的倾斜角度偏移。对于实际的实施，传感器的数量和位置可以变化以覆盖需要检查的轨道的整个宽度，只要系统安装不违反所需的轨道和车辆间隙。

传感器12的视野可以重叠以确保完全覆盖。就这一点而言，应该理解，图1的设置是用于扫描包括在该轨道的任一侧上的侧面铁路轨道的单个导轨18，并且为相邻导轨提供另外的进一步补充的传感器。为了简明起见仅描述了一组传感器，并且假定用于相邻导轨的另一组传感器将与与图1相关的描述的传感器匹配。不同的视野共同覆盖铁路轨道的从每个轨枕的一端到另一端的整个宽度。因此对轨道任一侧上的轨道区域进行成像，例如，可选地轨枕末端，而不仅仅是导轨本身。

在图1的例子中，成像传感器12是行扫描传感器形式的数字扫描仪/相机。可在可见光谱内和/或外操作的行扫描成像传感器12，因此具有跨过使用中的铁路轨道横向布置的狭窄/线性视野，即，相对于轨道的方向或其纵轴。以这种方式扫描一系列窄行允许建立线的集合并连接起来形成图像。在一次线性扫描中的像素数量由成像传感器分辨率决定。在本发明的其他示例中，应该理解，除了上述行扫描传感器之外或者代替上述行扫描传感器，可以使用区域成像传感器。

合适的成像传感器12可以是彩色或单色(灰度)。

成像传感器的视野包括直接位于系统10下方的轨道，即在系统安装的铁路车辆下方。因此该系统具有轨道的俯视图。然而，内部成像和激光传感器可以定位为自顶向下或一定角度以覆盖某些轨道有用的资产的侧面，例如导轨和顶部轨道表面。如果需要，可以通过改变透镜位置14和/或其安装位置来修改每个传感器的视野。所记录的轨道图像因此是从场景中的各种轨道部件反射的光的数字表示，具有根据所使用的成像传感器的分辨率的像素密度。

对于热成像传感器，其可以包括合适的热相机或热电堆阵列，记录表示感测到的热量的数字图像。记录的温度值转换成描绘场景中温度变化的图像表示，例如，可以在视觉显示器上输出给用户，并且适用于自动图像分析。因此，热传感器和可见光传感器中的每一个的输出是一系列图像/帧，每个图像/帧包括覆盖感兴趣区域的像素阵列，每个像素具有相关联的颜色、亮度和/或热能(温度)值。

对于X射线或太赫兹成像传感器，可以与能量传输源耦合，通过轨道有用的资产表示所吸收、反射、传输的能量的量的数字图像可以构建为行扫描过程或区域图像。这样的图像能够显示目标物体的内部结构，例如包括导轨和轨枕的内部裂纹、空隙和材料状况。

TrackVue系统允许调整成像传感器操作参数，例如，动态地或通过应用的软件控制，例如孔径、曝光和增益设置来响应由其内部传感器检测到的光的量，从而允许记录更好质量的图像以补偿成像区域上的任何照明变化。该系统允许通过使用合适的控制器根据光照水平的环境变化基本实时地调节传感器操作，这将在下面进一步详细描述。

TrackVue系统10包括用于照亮正在扫描的轨道的区域的专用光源。这可以通过在成像传感器12视野中的轨道区域的连续照射来实现，或者仅在图像捕获时通过脉冲/闪光光源来实现。图1示出了适用于该目的的高强度LED灯22的位置。灯可以分成点亮导轨的顶部和轨道、导轨区域的侧边的模块。灯集成在整个系统装配的外壳20内，以便它们相对于所述外壳20安装并且通过下述的系统供电。光源可以作为一个或多个单独的灯条提供，例如，对应于从行扫描传感器捕获的图像。灯可以选择特定的波长，也可以是纯白色，以提高数字图像中成像对象的质量。

光源的输出通常足以在没有环境光/自然光的情况下为操作提供所需的照明。传感器孔径、曝光和/或增益参数可以用于基本去除对传感器读数的环境影响。在一个实施例中，已经发现某些轨道特征上的定向可见光可能是需要的以确定有用的资产身份及其状况。在一些传感器在不可见光谱中操作的示例中，额外的能量传输源可能是必须的以生成X射线或太赫兹波束以反弹或传输通过可由成像传感器检测的感兴趣的目标。

除了数字成像传感器12之外，图1的示例还包括一个或多个激光装置24，用于获得用于勘测铁路轨道的传感器数据的另一源。在这个例子中，为每个导轨18提供两个激光装置24。每个激光装置24可以从导轨18的中心轴线横向偏移，并且可以相对于竖直方向倾斜成角度以便成像到导轨18的侧面及轨头的一部分。

合适的激光扫描系统可以包括其自身上的激光发射装置24、或具有其自身的成像/扫描传感器组件的激光装置24。激光传感器数据采集/处理部件可以与激光器装置24自身内的专用传感器集成在一个单独的专用单元中，或者可以包括在轨道成像传感器12内，如图1所示。在任何示例中，激光发射装置24(即激光头)通常与整个系统壳体20一起安装并且包含在整个系统壳体20内并由其供电。

线性/束激光器可用于轨道部件的几何评估。可以使用各种激光束图案，包括点、线和网格。激光装置可具有内置处理器或外部处理器，可用于确定三维表面轮廓，其可进一步与惯性数据组合以确定各种轨道有用的资产的三维位置和/或在扫描区域内的两个点之间的三维距离。

每个激光装置24在感兴趣的物体上发射窄的激光束用于表面拓扑测量。因此，激光形成照射区域，即线性路径或穿过导轨和相邻轨道部件的区域，其反射由相应的传感器检测以解释反射表面的相应几何形状。因此，根据实施的激光系统，可以扫描轨道和任何相邻轨道部件的线性部分或更宽的区域。

激光束模式的长度、宽度和方向可以修改以适应特定的应用。优化激光的功率以产生光束图案，其在落在轨道上的位置、与其紧邻的周围区域之间显示足够的对比度。

用于激光束成像的成像传感器可以配置为在视野内对光束位置生成的坐标数据，例如，包括水平(x)，垂直(y)和深度(z)的二进制数据，和/或生成显示激光束相对于其周围的二维灰度图像，该图像为被测对象的识别提供参考。灰度图像需要进一步处理以对图像内的激光束上的每个点生成深度数据，并对背景图像进行补充处理以理解被激光束覆盖的有用的资产的识别。

与设备24一起使用的专用激光成像传感器可以高帧率使用区域扫描成像并且能够与激光一起脉冲。作为选项的脉冲可以设置在包括在组件内的或者在系统的另一个控制单元中的控制电路中，如下面所述。脉冲可能有助于减少激光发射、降低整体功率消耗并保持比恒定发射的激光具有更低温度的可能性。

基于以上描述，应该理解，铁路轨道的扫描可以适应以下任何或任何的组合：可见光(照相机)、x射线或太赫兹成像照相机和能量发射器源、深度(例如激光)和/或热扫描传感器、任何可以输出在勘测系统中使用的表面或地下图像或表面轮廓/坐标数据。尽管在本文中描述的示例包括完整的成像传感器，它意图用于本发明的示例，各个传感器或传感器类型将可选择性地操作，使得不是所有传感器都需要始终可操作。一个或多个传感器可以仅在选定的时间触发操作，或者仅用于某些类型的有用的资产检查，而可以总是使用一个或多个其他传感器。设计该系统使得激光光源、LED光源和能量发射器不会影响其他传感器所读取的读数。

在图1中，还示出了安装在通用外壳20内的用于轨道勘测系统的操作的图像处理和辅助设备的示例。整个系统大致分为三个单独的隔室/模块，它们作为单个单元用于安装在火车上。它们是：(a)装有传感器、照明和其他辅助部件的TrackVue附件的主壳体20；(b)可移动处理单元(RPU)30，机械和电连接到/在其内主壳体20以用于和组成数据处理、存储和控制硬件；(c)与主壳体20集成在一起的电池28，以除使用通过铁路车辆供电的电力外还允许系统运行。

主壳体20限定中空外壳，任何前述扫描设备12A、12B、12C、24和任何相关联的照明22可以安装到该中空外壳。在壳体20中设置有相应的开口/窗口，以允许轨道部件在壳体20的外部成像。如果需要，用于主壳体壳体内的扫描设备的内部安装件可以是可调节的，以允许改变成像传感器的观察角度。机动/电动的角度调节机构可以集成到相机/传感器安装件。这可以补充或代替在关于图2以下进一步详细讨论的传感器致动设备。

通常将每个扫描传感器和/或激光器装置24放置在保护传感器免受外部环境影响的透明窗口26的后面。窗口26安装在通用外壳20的壁上。窗口可以使用钢化玻璃或其他合适的透明材料。

在这个示例中，壳体外壳20的形状使得它提供了与导轨18足够的间隙，同时还为每个扫描传感器提供了所需的视野。因此，如图1所示的可以使用用于壳体20的轮廓形式，其中所述壳体壁(例如，在传感器12A的附近)的中央部分相对于邻近的壁部分在其每个侧面上凹入。因此，壳体在其下侧提供中央倒置的沟，其与使用中的导轨18对齐，例如，在其两侧具有两个“凸起”或向下突出的壳体部分。从而，外壳20中提供的窗口可包括不同角度方向的窗口部分，以适应不同扫描传感器的不同视角和/或窗口所处的外壳壁的方向。在另一个实施例中，可以使用包含所有所需设备的没有凹陷轮廓的单个立方体外壳。

图1的示例示出了包含扫描单个导轨和周围轨道部件所需的所有传感器的单个外壳20。可以理解的是，整个系统包括两个导轨同时扫描的两组扫描设备/传感器。从而，该系统可以包括用于每组设备的两个或更多个外壳或壳体结构，其可以作为通用安装结构提供给铁路车辆。或者，该系统可以包括跨越两个导轨的单个外壳。图1中所示的辅助设备可以容纳在单个外壳中，或者根据需要在多个外壳之间分开以共享安装至车辆的通用支撑。

主壳体20具有用于将壳体固定到铁路车辆上的安装件32。在该示例中，壳体从铁路车辆的下侧向下依靠，并且因此壳体20的上壁34具有从其上依靠的安装支架36。

主壳体20以及RPU 30的内部的冷却对于消除由成像传感器、激光、LED灯以及任何计算设备产生的热量而言是重要的操作考虑因素。TrackVue外壳20的外部通过使用中的列车的运动而被空气冷却，并且任何热源的传导冷却可以通过将热源热耦合到外壳20的外壁来适应。取决于外壳20的设计，该系统可以包括一个或多个热管理系统/装置58，其可以包括由液体储存器、泵和液体块组成的液体冷却系统，其可以安装在需要冷却的部件上。风扇、通风口散热片或类似物可以附加地或可选地设置在壳体20上，例如，在图1中的位置38处。任何这种冷却装置可以在铁路车辆的运动期间通过增加暴露于通过的气流的表面区域和/或引导气流进入/在壳体20上促进流向壳体20外部的空气的热损失。除了冷却功能之外，热管理系统35还可以包括加热器，当壳体温度降至冰点以下并且低于系统部件的最小操作温度时，加热器可以由控制电路42启动。加热器会加热储存流体并循环加热的液体以提高冷冻条件下的部件温度。以这种方式，通用热管理系统可以用来确保系统可以在热和冷的条件下运行。

一个或多个冷却风扇40可设置在主壳体20和RPU 30中的任一个内以促进对流冷却。如果需要，在空气冷却不足以将内部温度保持在期望水平的情况下，主壳体或RPU 30中的一个或两个可以设置有液体冷却系统。

主壳体还包括监控触发/脉冲信号、电源、TrackVue系统10内的设备和任何环境读数的控制/管理电路42。管理电路42负责设备的操作状态/健康并且可以输出控制信号以调节它们的使用，从而确保设备操作维持在期望的限度内。该电路负责管理许多任务，包括：

a)通过车载温度和湿度传感器来监测和调节TrackVue的内部温度和湿度。如果这些参数超过了所需的阈值，控制电路可以关闭TrackVue的电源或其中的单个设备的电源。在这样的事件中，如图3所示，警报通过列车信息管理系统发送到列车46内的监控控制台的显示器44和/或任何其他相关通信/监控设备。

b)监测电池电量并为其充电。这适用于RPU 30内部的主电池28和/或电池48。电池故障或电量不足的任何警报可通过本文所述的警报来报告。

c)修改输入电压电源供应以适应成像传感器和激光设备的需要，并根据需要重新分配。

d)监测和修改/改进输入触发/脉冲信号的信号质量，用于控制视觉、热量和/或激光扫描数据采集的速率。

e)允许和禁止摄像机和激光设备的操作，以便这些设备仅在车辆运动时才使用。

f)通过壳体20本身上的LCD显示器50，向最终用户提供有关各种TrackVue部件健康状况的信息，在列车驾驶室内的监视控制台显示器44(图3)和/或另一远程控制台。该运行数据不是轨道监测数据，而是涉及系统10的健康，并可用于了解操作问题、计划维护等。

g)脉冲LED灯或激光器，以减少功率或减少其使用产生的热量。

在本发明的各种实施例中，主壳体20包括位置确定装置或模块54。这可以包括标准GPS或其它差分GPS装置，其记录车辆的经度和纬度位置，例如，以设定的频率。

在本发明的各种实施例中，主壳体20可以包括操作控制装置，例如以下任何、任何组合、或全部：

-供电单元56，将输入电流(例如24VDC)转换为适合于系统的电源，例如，包括摄像机和激光器(例如12VDC或5VDC)；

-冷却/加热装置58，用于调节壳体中的温度，例如，冷却使用中的产生热量的电部件，和/或通过循环加温液体加热壳体内部到最小操作温度，在冷冻条件下单位温度下降到最低温度阈值以下的情况；

-除湿单元60，其能够吸收单元内部的空气中的水分。

主壳体具有用于数据信号与铁路车辆通信和/或TrackVue系统10的供能的电/数据连接器。可以提供外部连接的最小数目以简化系统的安装，并且可以包括用于系统10的作为整体的一个电源连接器和一个外部数据连接器端口。然而，该系统的实际实施可以包括以下任何、任何组合或全部：

-一个或多个连接器62，例如内部和/或盲插连接器，允许RPU 30与主壳体20配合。连接器62允许数据和电力传输。

-外部数据连接器64，用于提供来自车轮编码器的触发信号或其他合适的车辆速度输入信号；

-外部电源连接器66，用于从来自于车辆的主电源以TrackVue接受的适当电压供电；

-用于从外部设备的位置数据或其他数据输入的可选连接器68，例如，列车上的RFID扫描器或第三方定位检测系统；

-用于通过有线连接进行高速数据传输的连接器70，例如至火车数据总线。这可用于需要将大量实时数据传输到车载外部存储器的情况。最终用户可能需要执行更详细的离线数据分析或查看从轨道收集的所有图像。

-通过蜂窝数据路由器的无线连接(发送装置)84，其使用天线在实时或接近实时地将数据发送至远程位置，以允许最终用户通过门户网站接收关于轨道状况和系统性能的信息。

在目前的格式下，由于容量有限，该系统允许使用电池电源进行短期勘测，并使用车辆或主电源的电力为其充电。随着电池技术的不断发展，预计未来可以使用电池进行更长时间的勘测。当前的设计允许电池28在现场容易地从其自己的隔室中交换，并用充电的电池替换以执行记录。电池充电和容量状态可以显示在LCD显示器50上，并且也可以传送给操作员控制台44(图3)。

扫描数据处理设备72-78、相关联的软件模块79和数据存储器80容纳在单独的RPU30壳体内。RPU30包含用于数据采集和处理的所有计算设备。RPU 30包括可以独立处理图像数据的自给单元，其配备有相关的输入图像数据流。由于这个原因，RPU设置在其自己的专用壳体内，作为来自主壳体20的模块是可移除的/可替换的。

在这个示例中，RPU30包括计算机主板72、高速处理器74、现场可编程门阵列(FPGA)或帧抓取器76、图形卡78以及非易失性数据存储器80，例如，包括一个或多个数据盘，在其上提供一个或多个用于处理所捕获的视觉、热、激光、位置和/或惯性传感器数据的软件模块。因此，尽管软件模块在图1中显示为单独的实体，那些相关的处理器指令可以存储，例如，作为可执行代码，在系统内的任何合适的存储器设备上。数据存储器80通常还存储轨道扫描传感器数据本身、位置数据和/或任何处理的轨道检查(即有用的资产分类、缺陷和/或状态)数据。

提供用于RPU30的内部电池48以确保，作为最低限度，如果该单元与主壳体电池或外部电源断开连接，则内部处理部件能够从容地关闭。理想情况下，内部电池48也将允许继续数据处理，即即使与外部电源断开，图像处理工作也已开始。内部电池也可以在关闭之前给通信模块供电以传输任何相关消息/数据。电池可以为整个系统供电一段时间。随着电池技术的改进，检测可能完全在电池电源下进行。

RPU30具有其自己的通信模块82，通常包括常规的有线或无线收发器。该模块可允许车辆操作员以有人参与的操作模式进行通信，或者以其他方式在无人模式下向操作指挥中心(OCC)进行通信。这种通信模块可以附加地或可选地设置在RPU外部的主壳体20中。在这两种情况下，与分析或警报相关的数据也可以由本单元发送到列车信息管理系统(TIMS)。另外，主壳体20中的3G/4G无线数据连接装置84允许对TrackVue的外部访问。它也可以可能把放置装置84用于主壳体20外部的无线数据传输，或者在铁路车辆上，如果提高数据传输，特别是如果装置84和列车上的其天线之间的缆线的成都市场的并且衰减传输信号强度。无线连接也可用于远程访问以执行诊断、软件更新、和单元维修。

通信模块82可以用作警报传输单元，用于将由于控制电路42或由RPU30内的处理设备检测到的不好的轨道或设备状态的任何警报发送到远程位置，或者使用无线或有线连接。警报可涉及系统10自身的状况或正在勘测的轨道。

为了允许自给自足的操作，RPU30还可以包括用于冷却单元的风扇40，用于吸收内部隔室中的不需要的湿气的热管理装置58和/或除湿装置60中的任何一个。RPU 30可以是使用来自系统38的盲插液体连接器的冷却/加热的液体。

RPU使用盲插连接器62以连接到TrackVue主体的主壳体20。这允许RPU按照操作员的要求从TrackVue分离，并且可以带回到办公室环境进行数据处理，如下所述。RPU本身形成一个完全密封的户外使用部件。RPU可以具有手柄(未示出)以帮助移除。与RPU30相关的状态信息或来自控制电路的消息可以直接显示在触摸屏显示器50上，当检查系统时，其对于操作人员是可视的。

图2示出了用于TrackVue10的安装系统的示例，其中一对壳体外壳20安装到通用支撑结构84。在某些实施例中，单个壳体外壳可以安装到车辆。可以使用图2的支撑结构84来代替关于图1的上面所述的固定安装件32。支撑结构84相对于使用的导轨86横向延伸，以便于相关的传感器可以保持相对于每个导轨中。支撑结构84包括安装元件88，例如，以便将安装框架结构限定为整体的系统10，其与使用中的列车相连。可以使用常规的紧固件(例如螺栓)在框架和/或元件88上限定多个安装点，可以附接到车辆(未示出)上的相应安装点。

元件88采用细长梁的形式以便为安装结构以及通用支撑件提供强度，以确保每个导轨86的扫描传感器之间的正确间隔。在该示例中，安装件包括面板元件89，其具有在壳体20前面的前面的唇或壁部分90。

图2还示出了上面讨论的用于TrackVue系统10的操作的数据连接器64、70和电源连接器66。

包括在壳体20中的扫描传感器的视野取决于在车辆上的壳体20的安装位置、壳体20内的传感器的位置和方向、以及其透镜的特性。

当车辆移动时，由于车辆在轨道上的弯曲和横向移动，参考轨道上的固定位置，例如导轨的位置，传感器的视野可以改变。传感器视野的变化量也取决于它与车轮组的距离。如果轨道曲率不会导致感兴趣的导轨部件显著地离开视场，则扫描数据分析软件79(图1)将能够进行精确的检测和测量。但是，对于更高的轨道曲率，传感器视野可能会忽视感兴趣的有用的资产。减轻这种情况的一个选择是将每个壳体20尽可能靠近车轮安装，例如，在转向架上或者靠近它。在不可能的情况下，以及高轨道曲率成为问题时，提供用于改变传感器的视野的系统是有利的。就这一点而言，每个传感器可以独立启动的以将相关的轨道部件保持在视野内，例如，通过启动透镜或观察孔来扩大/缩小视野或者使用机电促动器来调整扫描传感器的方向。另外地或可替换地，传感器的视野可以如下所讨论的那样集体调整。促动器为测量提供了额外的好处。它们不仅增加了传感器分析的准确性，还允许测量车轮摆动运动(车轮在运行期间向导轨中心的左侧和右侧移动的量)，可以阈值化以确定异常运动。与轨道位置的异常运动的相关性可以更好地理解轨道车轮交互、较差的轨道布局以及可能导致车轮和轨道受损的原因。

在该示例中，安装系统84整体包括用于TrackVue系统10的驱动单元92。驱动单元92在本文中称为如图2所示的“TrackGlide”单元。安装系统84包括一个或多个滑道94，壳体20通过其支撑，例如，暂停、使用中。壳体20可以包括用于安装在每个滑道94上以允许沿滑道低摩擦运动的轴承结构95。滑道94相对于轨道86横向延伸，例如，与安装元件88对齐并且允许壳体20以约束的线性方式启动作为移动平台，以便相对于导轨86保持正确定位。

启动单元92包括附接到支撑件98的一个或多个线性促动器96，支撑件98可以包括线性支撑件。借助于编码器100，使用合适的电动驱动器(例如步进电机)来实现受控致动。启动单元具有用于为该单元和数据连接器104供电的电连接器102以用于接收来自外部源的操作命令如TrackVue系统10，例如以控制整个TrackGlide单元92的移动距离和方向。

在使用中，通过控制单元42(图1)在软件56的指导下产生控制运动的电信号，其使用一个或多个扫描传感器(例如激光传感器输入和/或数字图像输入)以决定轨道上的关键参考特征/点的位置，例如导轨的边缘。控制单元42使用参考特征的位置来估计车辆相对于轨道的横向移动，其必须通过沿相反方向移动TrackGlide单元92(图2)来补偿。在TrackGlide系统的其他示例中，一个或多个惯性传感器可以用作控制单元42的输入。

因此，TrackVue外壳20可以使用TrackGlide单元92实时地、侧向、垂直于运行导轨86的方向移动，例如，与任何检测的横向车辆运动相同，但方向相反。这确保了TrackVue扫描传感器始终处于与轨道相同的相对位置，以保持基本上相同的轨道视野。在其他示例中，可以使用包括安装元件88和/或面板89的安装结构84，但没有TrackGlide单元92以限定静态支撑结构。

在本发明的其它示例中，静态支撑结构和/或外壳可以用于将整个系统安装到铁路车辆上，但是启动单元/系统可以启动相关传感器，例如，以及相对于其的任何相关照明。在这样的实施例中，可能不需要启动整个壳体，并且壳体内的其他内部部件可以保持固定，同时传感器移动至对应于其下方的相对轨道位置。启动系统可以安装在外壳内。单个促动器可以启动所有的成像传感器或仅启动一些传感器，例如使用多个促动器来独立或一致地移动不同组的传感器。

因此，根据本发明的各方面，提供了一种静态或刚性安装的壳体，并且轨道扫描传感器安装到壳体内的启动支撑件。传感器可以相对于壳体中的窗口移动。促动器和/或合适的线性轨道或滑道可以安装在壳体内。

RPU30处理基于图像或基于激光的数据以确定导轨的位置，并且当车辆以高速移动时，通过向其提供关于所需运动的方向和量的数据，命令线性促动器跟随导轨位置。

已经发现，可以使用系统10相对于轨道的高度的调整来实现不同的检查模式，例如，其中系统可以降低以提供密切的轨道检查或升起以提供整个轨道及其他部件的更广泛视野。优选通过在安装系统84内提供合适的垂直启动机构来对系统整体执行传感器的升高/降低。

图3示出了使用本文所述的任何安装选项将TrackVue系统10安装到其上的客运列车46的示例。TrackVue系统10通常安装在轨道车辆的下侧上，例如在轨道车辆转向架106上或其附近，或者在轨道车辆的间隔转向架106之间。

由车辆传递给其原生状态的TrackVue的电源可能不是24VDC，并且因此如图3所示的电源转换器110(通常为直流到直流功率转换器)设置在车辆上的系统的合理距离内，如果需要的话，还可通过电源连接器66(图1)在24VDC或期望的电压水平下提供不间断电源。

列车46上的车载速度传感器的输出由TrackVue系统10以下面描述的方式使用。在该示例中，使用车轮转速计112来将行驶速度与车轮旋转速率相关，尽管可以同样使用激光多普勒测速装置。信号输出优选为根据车轮的转速以脉冲频率提供的脉冲信号。通常每个车轮提供多个脉冲。可以使用其他合适的车辆速度指示器，只要它们以合适的分辨率提供精确且基本上瞬时的输出用作轨道扫描传感器的触发信号。

列车46可以包括位置确定系统，例如，结合惯性测量系统54，其可以利用TrackVue系统10与当前位置通信，例如，除了或者以外壳20内的位置确定系统代替之外。列车位置确定系统可以包括常规的二维定位系统，例如，用于确定纬度和经度的GPS系统或类似系统等。在其他示例中，位置确定系统可以从一个或多个已知轨道位置开始的沿着轨道的距离测量来确定位置。位置确定系统可以包括车辆行驶距离传感器，例如转速计112，和/或轨道位置传感器。这可以用作GPS定位系统的补充或替代。可以使用多个位置确定系统/传感器类型的组合来增加有用的资产位置确定的准确性。来自转速计和GPS的数据可以组合以确定轨道曲率。

使用用于确定轨道上的与固定的基准点(即轨道位置传感器)的行进距离的系统有利于精确勘测轨道特征的位置。轨道位置传感器可以包括用于识别指示已知/预定轨道位置的轨道特性的传感器，例如，固定的基准位置。上述类型的扫描传感器12、24(图1)可以用于此目的，或者可以使用如图3所示的相邻的无线通信发射器/接收器。安装在列车上的或作为通用安装系统10的一部分的RFID扫描器可用于检测安装在已知位置处的轨道上的RFID标签。可以使用已知标签位置的查找表来确定有用的资产和/或图像传感器位置。

TrackVue系统在执行轨道勘测时的操作如下所述。壳体20的密封特性和专用光源22(图1)允许TrackVue系统在白天/夜晚以及不同天气条件下的任何时间使用以用于轨道检查。

RPU 30允许两种形式的数据处理。首先，实时数据分析使用与FPGA 76和/或图形卡78耦合的高速处理器74的组合来处理由激光成像装置产生的图像/像素数据和/或数字/点数据。在这样的分析中，记录的成像结果是即时的，并且在缓冲区中没有数据的增长队列进行处理。选择FPGA和处理器来处理输入数据的预期量和速度(例如，不需要使用缓冲器)。其次，使用用于高速处理器74和/或图形卡78的软件库进行近实时数据分析是可能的。在这些情况下，分析是快速的，但可能不是实时的并且未处理的传感器数据的缓冲区可能随着时间推移累积而取决于正在进行的分析类型。通过将RPU30连接到车辆46上的主TrackVue主体20，或者通过将其分离并随后将其连接到其在单独位置处的对接站，例如后台，如下所述，可以在所有数据采集完成之后继续接近实时分析。此外，RPU30或外壳20的数据连接可用于以适合于后续处理的格式卸载记录的图像数据。

行扫描传感器以期望的分辨率捕捉轨道上的行，并且TrackVue系统通过将行连接在一起来建立轨道或其部分的图像。行进方向上每毫米的成像分辨率是预设值，例如每像素0.5mm，其可以是用户根据需要指定/更改的。对于成像传感器来实现这一点，它必须足以适应相关的列车速度。垂直于行进方向的成像分辨率基于透镜视野。例如，如果图像宽度为1000毫米并且2048像素代表它，则相当于0.48像素/毫米。

整个轨道图像数据可以构建为从行扫描输出的单个图像。然而，通常将聚合图像数据分成较小的图像，例如，其中每个分区的大小基于预定数量的行扫描、覆盖的距离和/或图像文件大小来决定。在这个例子中，行扫描计数保持，并且每2048或4096行扫描定义单个图像。图像的像素宽度由成像传感器能力确定，并且可以超过1000个像素，例如通常2048个像素或4096个像素，尽管不同的分辨率可以用于不同的要求。

对于任何以上传感器类型的任何组合或全部，可以控制捕获的图像频率(线、面积或体积)，以便相对于沿铁路行进的距离恒定。因此，在一段轨道上的频率或分辨率可能是固定的。为了实现这一点，捕获或扫描的图像的频率是基于车速控制。在本示例中，这通过使用如图3所示的车轮转速计112来实现，以提供数据捕获规则输入，但是在其他示例中，可以使用任何其他常规车辆速度传感器或里程表来实现相似的控制方案。

对于预定的行程距离，例如如同通过转速表上的预定数量或部分的车轮转速所感测到的，脉冲信号输出到相关图像捕获装置以启动图像捕获的实例，例如，作为帧/区域、行或区域扫描。因此，如果列车加速，相关的传感器将更快地扫描，并且如果列车减速，则扫描速率相应地降低。多个成像传感器的操作，包括数码相机和/或激光传感器，可以同步以使得它们各自同时触发它们的数据采样。在共同时间/位置的不同传感器的原始数据可以在索引数据存储记录中交叉参考。

车轮转速计112(图3)为每个车轮旋转向TrackVue连接器/接口64(图1)提供固定数量的脉冲信号，从而提供总行程距离和车轮转速的数据。脉冲信号的数量根据每转的固定值指定。车轮转速计112脉冲输出率选择为以期望的分辨率水平以给定的最大车辆速度工作，例如，以使得最大扫描速率在扫描传感器12的上限内。TrackVue结构独立于转速计或速度传感器的选择，并且可以在接口64处接收任何合适的脉冲或其他频率控制信号。例如，固定在轮子上或便携式版本上的两个车轮转速计使用激光多普勒转盘工作，因为它们以合适的格式提供触发，例如晶体管-晶体管逻辑或低电压差分信号格式。

图5显示了从传感器12、24输出到最终用户的显示在最终用户装置44(图3)的警报/报告工具的整个数据流程(包括控制信号和轨道检查输出的流程)的细节，包括扫描/图像数据处理阶段来分析轨道部件。相似的附图标记用于描绘上面关于图1至图3描述的相似特征。根据本发明的示例，任何、任何组合或全部过程阶段可以自动化。模块化软件79(图1)和/或硬件72-78的使用允许将数据处理分割成多个任务或“级别”，其优点是一个或多个级别可以优先化或与一个或多个更高级别分开处理。

传递到车载TrackVue的主扫描数据处理器74的图像12和/或激光器24传感器记录数据，包括一个或多个高速处理器。如果不需要实时压缩，例如至JPEG格式，则传感器数据输出可以直接连接到主处理器74。如果需要实时压缩，数据从成像传感器流向一个或多个FPGA或图像采集卡76，其会压缩并减少数据量以保留最大可能的图像质量以便进一步检查。在某些情况下，相机可能会自己压缩图像数据。FPGA 76还充当用于实时扫描数据分析的硬件，并且与主处理器74一起工作以加载合适的图像分析软件79用于分析扫描数据。FPGA 76上的输入连接的数量可能受到限制，因此如果需要连接几个成像传感器，则可以采用多于一个的FPGA板。

主图像处理器74还可以使用图形卡78阵列来使用实时或接近实时的数据分析来处理图像数据，或者简单地将其存储在存储器中用于稍后分析。原始数据从传感器传递到系统内存用于并行存储以发送进行处理。图形卡的使用允许主处理器将图像分析的负载分散到多个并行内核上，从而显著减少处理图像数据的时间。用于激光图像采集的数据以与图像数据完全相同的方式进行处理，除非激光设备24(图1)具有内部数据处理能力，在这种情况下，来自其的数据通过绕过FPGA 76和/或图形卡78直接传递给主处理器74。

整个处理系统使用多个软件模块。主处理器74决定必须使用哪个软件算法用于来自数据存储器内可用算法池的哪个传感器数据。软件算法的实现对于不同的硬件是不同的，例如，无论它们是否需要在图形卡或FPGA上执行。软件模块或例程是自包含的软件工具，其可以包含图像帧(通常以数据格式作为数字矩阵)或激光数据(作为一维、二维或三维数字矩阵)，并应用一系列算法操作来处理输入数据所代表的内容，或者在这些数据中进行测量。

第一个软件工具用于图像和激光传感器数据采集，并控制采集数据的过程，包括来自传感器的数据流，压缩，发送它用于分析，用位置记录它(及可选择时间戳)和存储在物理硬盘80上作为扫描数据库80B。

除了将其呈现用于分析到适当的处理硬件之外，还需要将所有原始数据存储到物理存储器80A。对于高速数据采集，实时存储JPEG图像可能非常耗时并因此像素数据将存储在平面文件结构中，其通过对其添加标题信息在稍后将其转换为JPEG数据。压缩格式的激光扫描数据也存储在非易失性数据存储器80中。以数据目录形式的存储位置可以由系统操作员直接指定。系统在数据存储器80中维护数据库记录80B，其针对收集的每个原始数据图像存储，其位置包括GPS纬度和经度坐标和/或铁路线参考位置。在RFID位置数据可用的情况下，除了其他位置数据之外或者替代其他位置数据，这将存储。

第二个软件工具用于图像和激光传感器数据分析，并负责实时或接近实时地对采集到的数据执行大量处理程序/算法。如果没有选择车载数据分析选项，则在收集数据时不执行数据分析。在这种情况下的所有数据分析都是在后台环境中离线执行的。对于这样的情况，FPGA可以用一个更简单的图像采集卡来代替，它只能采集数据但不能处理。

由于数据分析的第一阶段识别图像中感兴趣的内容，例如识别可指示其内容的一个或多个数据特征。在二维图像的情况下，数字矩阵表示用于图像内的每个位置/像素的图像记录，或者表示该像素的亮度的单个值，或者表示红色、绿色和蓝色通道颜色值的三个数字用于该像素。

一个或多个算术运算用于聚集彼此相邻的相似性质的像素，例如，根据图像分割过程。因此，根据亮度/颜色以及与相同/相似属性的其他像素的接近度，通过将像素分配给集群，从而将图像分解为一系列集群。对于每个识别的集群，应用确定集群的一个或多个属性的一系列进一步的操作，从而定义集群的特征，其可以指示在图像中捕获的有用的资产的对应特征。在此阶段，评估的集群属性可以包括集群边缘、颜色、纹理、形状、像素强度和/或一个或多个其他统计属性中的任何一个或任何组合。

一般的假设是，考虑到它们的视觉相似性，所有像素聚集在一起代表相同的对象/部件。该过程保持轨道的哪些像素(图像内的强度值和坐标位置)属于哪个集群。像素在给定时间只能属于一个集群。

所识别的每个集群的属性通过分类器(例如，基于它已经识别的内容来分类或识别图像数据中的对象的身份的软件工具)进行使用。因此，使用每个像素群的分类来对由簇表示的轨道部件进行分类。特征分析和跟踪组部件分类可以由单独的模块执行。

在分析过程中，使用了基于统计学和机器学习原理的一系列人工智能算法、结合限定有用的资产在图像不同部分的概率的轨迹布局的语义知识。关于轨迹布局的语义知识或领域知识的整合有助于软件自动消除分析中的错误检测，并对感兴趣的对象(轨道组件或缺陷)提供更好的识别率。

分类过程/模块将每个簇的属性与已知对象(例如铁路或轨枕)的属性相匹配。这个过程称为基于特征的匹配。在一些情况下，已知对象的图像模板可以直接与像素群匹配或相关。这个过程称为模板匹配。无论哪种形式的匹配(基于特征或基于模板)，如果匹配级别大于预设阈值，则将群集标记为与匹配的对象相同。

不匹配的集群分配为背景的一部分。

匹配的属性/特征的数量取决于已知对象的复杂性，并且直接影响分析算法的复杂性和匹配的时间。一旦扫描的轨道部件/对象标记，系统将数据库记录80B存储在数据存储器80中，包括以下的任何一个或任何组合：发现的对象的图像序列号；物体在轨道上成像的时间戳和/或位置记录；对象标签；图像内的对象属性(例如，任何或任何信息组合：图像内的质心坐标、水平和垂直维度、关注点或边界像素的坐标、颜色、边缘和/或纹理和/或形状数据)，对象相对于轨道中心或轨道(场侧或轨道侧)的位置及其深度剖面。可以存储关于检测到的有用的资产是否具有任何缺陷、这些缺陷的性质、相应的测量以及它们是表面还是表面下的指示的进一步信息。

基于利用已知轨道部件实现的匹配度，系统允许在数据存储器80中的相关数据库中记录置信度分数或分级，例如，在80B。在成像的部件和预定的部件的特征或模板之间的的相似性的数值评估馈送表示为到以定义的比例的值的置信度分数，例如，在0和100之间，其中0表示没有置信度，100表示最高可能的置信度。置信度估计是直接基于图像中像素群的属性与已知对象的属性之间的匹配水平，并且考虑对象的可见性(例如，围绕已识别对象的过量压载物估算提供了对象可见度的测量)。

图像分析过程遵循分层方法。首先，识别包括导轨顶部201、导轨侧202、轨脚203、压载压载物204、轨枕205、平板轨道206、板232、开关217和第三条/带电轨道41的关键参考有用的装置(参见图6和7)。

第二阶段处理来自感兴趣的更小图像区域的像素数据，包括在第一阶段中识别的参考对象所覆盖的图像区域及其周围。这旨在进一步识别更小的感兴趣对象(例如尖刺或紧固件)，然后将其如以前样标记。

在第三阶段，然后分析每个参考对象和其他对象的缺陷。状况/缺陷分析可以包括一个或多个专用软件模块。一般来说，该工具将比较所识别对象的聚集图像数据与预定(即名义上的或先前记录的)对象模型。模型和/或采取比较的精确细节可能会在不同的轨道部件类型之间而有所不同。在某些方面，这类似于上述的特征/模板匹配过程，除了部件类型是已知的，成像对象和预定模型之间的差异可以提取和/或量化以提供轨道部件的状态量。

可以在预定和扫描的部件的几何属性之间进行比较，例如诸如部件取向，例如，角度方向或相对位置，或一个或多个部件尺寸。可以在预定和测量的部件的表面特性(纹理、颜色)之间附加地或可选地进行比较，例如，包括表面的连续性/不连续性。

可以根据本发明分析对象的几何和/或表面状况，用于检测：(a)部件的磨损；(b)部件损坏；(c)部件或其部分的方向改变，指示损坏；(d)如果先前的信息可用于在给定的轨道部分上预期有哪些部件；则缺少部件；和(e)由于其上的雪、泥土、树叶或沙子而阻挡的部件。成像传感器可以基于它们的视觉外观、颜色变化、可以表示裂缝的边缘的存在、对象边界方向的变化等的部件状况。另外或可选地，对于根据本发明的检查系统去识别轨道部件的表面的品牌或产品识别特征。因此，系统可以自动评估部件的构成、年龄和/或产品ID。系统可以通过在部件表面书写上进行光学字符识别或通过检测提供与部件相关的元数据的唯一标记来识别该信息。

在基本级别上，系统可以报告存在或不存在部件缺陷。一旦检测到，还可以确定已知的识别的缺陷类型的进一步特征，例如：缺陷分类(缺陷类型、名称)；缺陷严重程度(等级值)；缺陷属性(尺寸、形状、颜色、方向等)；和/或缺陷变化(测量显示随时间变化的特性)。一个简单的例子可能是一个裂缝，其长度和宽度可以随着时间的推移随着裂缝传播而在重复扫描中追踪。类似的技术可适用于随时间推移的部件的移动或翘曲，但还可同样适用于与之前的扫描结果或已知的缺陷类型进行比较的瞬时缺陷。

参照图6和7，识别的缺陷可以通过差劲的导轨车轮交互(导轨磨损221、占用和车轮燃烧223、开关缺陷218、跑带偏差222)、导轨部上的过大的应力造成的断裂或部件脱落(轨角开裂220、轨道裂缝224、鱼尾板裂缝225、轨枕205上的断裂233和裂纹235、异常的轨道接口间隙207、鱼尾板211上的螺栓缺失、紧固件212丢失、导轨不连续/断裂219、缺少道钉227、凸起的道钉228、缺少锚定件230、基板232横向或垂直移动、在带电导轨41b上的缺陷)、温度变化(异常接口间隙膨胀208)、和运行轨道或带电轨道41的位置的移动(电气化导轨位置参考运行导轨测量41a)。缺陷尺寸和严重程度数据存储在存储器80中。存储器80还存储在导轨轨道有用的资产(图像对象)上的信息和在合适的交叉引用数据库结构的缺陷(图像对象内的异常)。例如，如图5所示，80B的分析结果和80A的传感器数据存储本身都有单独的条目。这是可以使用通用的数据库或单独的、交叉引用数据库内的单独的表来实现以存储图像数据位置在磁盘、识别的有用的资产和具有它们的属性的缺陷、以及时间和位置信息。

一组域特定的规则可适用于缺陷识别以排除误报。这可以应用为在缺陷80B的数据库表上的后处理，或者扫描分析软件79可以应用该知识当识别有用的资产作为上述处理的一部分时。

在使用数字成像传感器的情况下，某些轨道部件或缺陷的特性可以通过采用轨道床的激光扫描分析的它们的识别来确认。激光扫描数据分析也可以独立使用以识别轨道部件、特征和/或缺陷，例如，使用数字图像或当数码相机不可用时不易察觉的部件。激光扫描提供了宝贵的深度信息，可以表示部件上的某些缺陷。一个部件的深度剖面的突然变化对于一些部件可能是正常的，而在其他情况下可能是异常的。例如，压载物/轨枕的深度剖面的变化可以是相当正常的，然而，人们并不认为在轨道上的相同物应该标记为缺陷。

首先，测量激光扫描表面轮廓中的曲率变化的位置/点，其表示对象的边缘。使用一组规则用于来测量两个连续的高曲率点之间的距离和评估身份。例如，长度接近80毫米的凸起部分表示导轨头部，如果另一个这样的区段可以在与轨道的轨距相等的距离处识别。因此，在本发明的不同方面，无论是使用激光还是相机成像，有用的资产之间的接近度/距离或轨道特征可以用以将轨道部件分类为预定类型。基于深度的表面轮廓的评估允许有用的资产的检测和识别、及其三维测量或其缺陷的测量。附加的惯性数据集成到分析中，以提供三维空间中轨道对象的更精确表示，从中可以测量数据、各种轨道几何特征，如轨距、扭曲和铁路转弯处外轨较内轨高处的程度。

激光和图像分析过程共享几个常见部件。每个系统的采样率可以使用来自共享的车轮编码器112(图3)的数据通过车速来控制。控制单元42(图1)确保正确的触发器和适当的功率传送到成像和激光器部件以进行操作。这些系统还接收由相同的外部时间传感器和位置传感器提供的时间和位置信息。数据采集和处理设备如FPGA、图形卡、处理器、磁盘存储器等的共享水平取决于TrackVue系统10选择的设计和构造。

用于图像和激光数据采集和分析的模块化软件架构提供了进一步交互的可能性。在一种情况下，行扫描和激光数据分析完全独立是可能的。在另一种情况下，行扫描数据分析信息可用于触发激光测量，反之亦然。在另一种情况下，来自激光和行扫描数据(来自可见光谱或不可见光谱)的数据分析可以结合起来，以更好地理解有用的资产及其状况。例如，行扫描图像中的板214(图6)的检测可以检测板，其随后可以触发板232移动(例如横向和/或竖直)的基于激光的测量。在另一使用场景中，激光和行扫描测量可以与一组测量结果相关联，以确认或怀疑对象(例如图6中的紧固件212或板214)的存在。另外或可选地，激光和行扫描分析可以交叉参考以向激光测量提供附加背景/含义。线扫描分析可以提供对象标识的详细信息，其位于投射激光束下以便于测量可以标记并且有意义。

一个或多个激光数据处理软件模块形成整个图像分析软件79(图1)的一部分，并负责对象识别和测量。TrackVue10使用激光技术通过评估二维灰度图像内的激光光束图案(线条、斑点或网格)的大小、方向和曲率来进行多项这样的检测。参考图6中的示例，该技术可以用于确定(a)铁轨顶部201和铁轨侧部202上的导轨磨损221；(b)鱼尾板211上缺少螺栓；(c)缺少紧固件212；(d)导轨底部上的焊接213；(e)在轨枕205上方的板深度移动232；(f)导轨头部缺陷的深度，例如填塞间隙207、蹲下和车轮燃烧223；(g)开关缺陷218(图7)；(h)相对于带电导轨41a位置的运行导轨的位置；(i)在带电导轨中的测量裂口和异常41b；(j)带电导轨41b的不可接受的磨损。

使用上述技术，除了上述特征之外，还可以识别和评估多种轨道部件、子部件和缺陷，包括：导轨磨痕237、焊接213、焊接夹具226、过量的压载物236、信号有用的资产238、磁体239、电缆240、轮齿234、存在或缺失诸如钉215的紧固件、以及锚定件216。对于预期相对于一个或多个其他部件的预定间隔或取向的任何轨道部件或子部件，本文描述的处理步骤可以用于确定测量的部件的歪斜、未对准或变形的量。

图10示出了在导轨、板和周围区域上的激光线图案的位置，以作为说明性实施例的如图6的激光束图案(在这种情况下的线)如何投射穿过运行导轨特征/部件来进行深度测量。在区段B(在轨枕105上方)和C(在平板232上方)的束的方向的相对差异可以提供垂直板移动的细节。在区段D(轨道底部103上方)的光束直线度的变化可以提供关于紧固件212和焊接213的存在的数据。区段D(导轨底部103)和E(导轨头部101)之间的相应的光束曲率可以提供关于轨道磨损221。在区段F(轨枕105)中的光束直线度可以提供关于光束是在轨枕205(例如光滑表面)上还是在压载物区204(例如不规则表面)上的数据。沿导轨本身轴向投影的激光束的方向，所示为区段GH，可用于确定导轨斜坡并识别诸如浸渍或间隔导轨部分间隙207的缺陷。

投射到铁路车轮上的可选激光束A可以提供用于测量轮缘与轨道边缘之间的距离的进一步信息。这可以提供额外的或替代的轨道车轮互动的分析。

可以使用一维或二维数据分析，或通过首先构建三维表面然后应用三维数据分析算法来确定部件的几何形状并且进一步基于尺寸和来自于这样的轮廓的形状测量评估它们的身份，来通过激光单元分析生成的扫描。这些轮廓受噪声影响，而且通常没有与成像传感器相关的信息，例如颜色和/或亮度/纹理，用于单独分析激光数据的部件识别软件取得了有限的成功。已发现有用的资产识别和状态评估算法通过将激光传感器数据分析与成像传感器数据分析尽可能地结合起来来实现更好的有用的资产识别准确性。

热成像传感器也可用于识别和/或检测轨道相关有用的资产或组件中的缺陷。可以使用电磁波谱的热/红外或近红外波段中的数字图像来获得热图像。可以以上述用于可视的图像和/或激光扫描的任何方式来触发热图像的获得。热图像的处理可能不太严格并且可以简单地用于识别热源的存在或不存在，例如，作为高于环境温度的高温区域。另外地或替代地，热图像可以以类似于可视像素图像数据的方式处理，以便识别像素群和部件的关联特征。可以独立使用热图像来评估部件的存在/状态或结合相机和/或激光扫描数据来提高部件可以分析的确定性。在一个示例中，缺少预期的热特征可以用于指示缺陷，诸如断开的电缆或连接，其可能或可能不会在其他扫描数据源中识别。

X射线和太赫兹成像允许检测某些轨道部件内的内部缺陷。X射线可用于检测内部导轨缺陷，而太赫兹成像可用于检测内部枕木(绑带)缺陷。基于轨道的瑕疵可以包含内部裂缝或气隙，而基于轨枕的瑕疵可以包含内部腐烂、气隙、过量水和断裂。这些图像将利用有用的资产状态分析进行分析，以确定轨道和枕木(绑带)以及传感器视野内的其他部件的内部状况。

使用上述技术进行部件分类，该系统也可以用作新颖/异常检测器。如果使用不符合任何预定有用的资产模型/类型(例如，不符合最低阈值置信度)的可用传感器数据来检测异物，或者在先前的勘测中不存在的异物，则相关处理器72-78和/或图1的软件模块79可以输出到未分类的对象的发现。其中存在异常的可视图像和/或激光扫描数据可以记录，并且警报输出标识异常的存在，例如，包括它的位置。手动输入可能需要识别有用的资产类型，如果需要在检查后更新记录。

在上面描述的任何示例中，将认识到，数据存储器80可以包含已知轨道部件类型的数据库，例如，包括相关部件表面/颜色特征、几何值范围、边缘特征和/或其他特征例如温度或表面纹理的集合。当识别部件时，捕获的扫描数据可以与任何这样的预定特征或相关数值进行比较。已知部件的预定特征值的集合可以表示部件类型的计算模型。

虽然上述系统是根据车载处理步骤进行描述的，但实时图像数据记录允许随后分析捕获的数据用于轨道有用的资产识别和状态评估。图4示出了用户控制台或系统，通过该用户控制台或系统可以在数据捕获之后的较晚时间(离线处理)分析由RPU30存储的成像数据。在缺陷和系统状态数据对于车载操作员变得可见的同时，其也可以由蜂窝路由器84发送到远程目的地，通过该远程目的地可以使用网络入口访问它。通过这种方式，远程终端用户可以近乎或接近实时地查看数据分析。对于进一步的离线后处理，如果需要作为选项，RPU30可以在后台办公环境中分离和使用。它需要在这样的环境内的对接站116来接收用于继续数据分析操作的电源。

对接站116通过合适的电源连接器118从主电源获取电力，并通过使用合适的电源转换器将其转换为可由RPU30使用的电力。通过使用引导销120来辅助正确的对接，引导销120与站116中的对应的对接结构121对准以用于可靠的机械和电连接。也可以使用其他机电连接器。在RPU30的电源/数据连接器62通过对接站116中对应的连接器119接收。为了使RPU和对接站116保持冷却以用于任何离线数据分析或检查中涉及的延长的操作周期，使用空气/常规的在对接站116中的冷却单元，可以使用冷却传导或液体冷却。为了使用在RPU内的数据用于审查和报告，或用于下载或上传文件，对接站可以连接到计算机124，其可以访问通过它使用标准的数据连接访问RPU，例如USB或以太网/RJ45连接器123。RPU可以连接到本地网络用于通过相关网络连接进行远程访问。对接站116还可以具有电源转换器126，以将传统的主要AC电源转换成DC电源以向RPU30供电。

总结以上描述，TrackVue可以使用表面和/或子表面数据分析和轨道几何测量为铁路轨道部件的检测和状况评估提供紧凑且集成的解决方案，由此所有传感器和处理设备可以包装在单独的坚固组件中。该解决方案设计用于轻松连接各种车辆，尤其是客运和检查列车，与传统的使用独立舱内和舱外设备的轨道勘测和检查系统相比，它更加紧凑。TrackVue专为低功耗设计，其通过减少使用的电子元件数量、改进系统设计以及选择低功耗但高性能部件，是客运列车上使用的关键因素。与现有检查系统相比，TrackVue操作的外部依赖性显著降低，并且使用与操作员控制台44(图3)的无线通信。由于摄像机和激光设备之间的所有连接、处理设备和数据存储都位于TrackVue外壳的内部，因此总体设计显著减少了布线/安装负担。

根据传感器和计算硬件的选择，系统可以从1-5米/英里的低速直至高速列车的速度运行，例如，每小时220英里。在任何这样的速度下，轨道和相关部件的分析可以在行进方向上以相对小的增量进行，例如10cm或更小的增量。

TrackVue可以在“有人值守”和“无人值守”模式下工作。在“有人值守”模式下，操作员通过控制台应用程序来启动系统来开始轨道勘测和检查过程，在启动之前，如果需要，控制台应用程序允许操作员更改任何设置，否则应用默认设置。当勘测轨道时，任何警报通过桌面应用程序反馈给操作员在其控制台44(图3)上，桌面应用程序提供关于勘测轨道的图像和/或统计数据的实时显示。对于实时图像和激光数据分析，检测到的任何有用的资产都会呈现给操作员，并且可以叠加在地图上或其他屏幕上的可视轨迹表示中。在近乎实时扫描数据分析的情况下，维护等待处理的图像/激光数据池并记录在数据库中。可以为所有轨道部件和/或收集的数据使用一个或多个位置传感器(例如GPS、行参考、RFID)显示车辆的位置。使用本文中描述的勘测系统可以生成一维、两维或三维计划的勘测路线，其中标记了所识别的部件/缺陷的轨道和相对位置。

在系统外壳与安装在车辆内部的供操作员检查和/或使用的控制台44之间建立至少一个无线或有线连接。这可以将关于原始数据、轨道部件、它们的状况、测量和系统状态的信息实时传输给可以在控制台44上显示的操作员。

报告工具允许生成一系列有用的资产勘测报告和图表。报告和图形的格式针对最终用户进行了优化。在操作员控制台上显示与TrackVue性能或故障相关的任何问题以进行更正。在车辆运行结束时，控制台还显示数据分析的当前状态。如果选择实时分析，则所有分析在当前运行结束时完成。在实时分析的情况下，控制台显示等待处理的数据量。在这个阶段，操作员可以选择继续分析，或停止分析。任何未完成的分析都可以在下次启动TrackVue时执行，或者通过移除RPU并将其连接到电源，例如，后台办公环境内的对接站，用于完成所有剩余的数据分析。在这种情况下，RPU可以替代后台环境中的数据分析。一旦数据分析完成，可通过复制轨道图像和结果数据库，或通过简单地移除可拆卸磁盘，从USB连接下载结果。

可以通过最终用户在后台环境中使用一个单独的离线桌面软件以执行多种任务，包括：(i)检查检测到的轨道部件及其状况，在可用的情况下使用导轨路线图或其他GIS地图，并应用工具用于消除任何错误的检测；(ii)生成勘测报告用于维持详细轨道部件及其状况；(iii)比较以前多次运行的分析以查看轨道状况的变化；(iv)针对已识别的轨道部件生成风险评估报告；(v)生成轨道标签计划；(vi)生成一份报告，详细说明轨道上的新特征，例如多余的沙、泥或雪、或不寻常的物体；(vii)打印或导出到便携式设备的各种缺陷数据、报告和任何其他统计资料；(ix)设备维修或更换的短期或长期战略规划的维护计划；(x)计划任何轨道更新；(xi)将分析导出到集中的工程数据管理系统，其包含更广泛的轨道状况信息；(xii)将分析导出到任何网络门户或外部数据库；(xiii)将分析导出到可供轨道工程师用于轨道行走的便携式设备；(xiv)将自动数据分析报告与相关的轨道维护或轨道运行记录进行比较以审核其质量；和(xv)检查与激光扫描数据集成的成像传感器数据分析。如果需要，本发明的其他实施方式中的任何所述任务可由车载TrackVue系统执行。

在使用车载铁路车辆时，在“无人值守模式”下，系统从外部电源接收电力时自动启动。一旦来自车轮的转速计或其他合适的信号输入的数据确认车辆正在运动，触发数据采集传感器和照明单元以开始操作。如果车辆停止的时间大于预设的阈值，则传感器停止记录。该系统不需要控制台来显示数据采集或缺陷分析。相反，结果直接传输到列车信息管理系统(TIMS)，或通过电子邮件/无线通信传输到外部操作控制中心(OCC)。对此类通信采取的任何进一步行动均由TIMS或CCC负责。如果在无人值守的系统上采用“接近实时”的数据分析方法，只要主电源或电池电源可用，它就会编程为继续数据处理，并在需要时为将来运行缓冲数据分析。

该系统可用于各种任务，包括轨道部件识别和定位、轨道状况监测、变化和退化检测、轨道风险评估、生成包含嵌入在该地图中的有用的资产、/缺陷的轨道地图，新的和威胁性对象的检测、以及轨道/导轨属性例如曲率的测量。因此，本发明允许绘制具有可用的位置的数据分析结果以产生地理信息系统(GIS)地图用于打印或导出。通过定期重复分析，可以确定部件条件的变化和相关的风险水平。

因此，该系统可用于生成关于轨道区段的风险报告，其将包含有关轨道缺陷识别、位置和/或风险严重性的信息。包含通过使用本发明获得的信息的报告可以由系统输出并且用于规划轨道检查、维护、修理/更新、移除和/或替换的任何或任何的组合。

Claims

1.一种铁路轨道检查系统，包括：

多个轨道扫描传感器，包括用于轨道缺陷和有用的资产检测的一个或多个二维和三维的可视成像传感器；

数据存储器，用于存储由轨道扫描传感器记录的轨道扫描数据，以及

扫描数据处理器，用于基于其接收自动分析所述轨道扫描数据，以根据在所述扫描数据中识别的一个或多个特征从预定的部件类型列表中检测扫描数据内的一个或多个轨道部件，

其中，所述系统包括通用支撑结构，轨道扫描传感器、数据存储器和扫描数据处理器连接到其上，通用支撑结构具有用于将系统附接到使用中的铁路车辆的安装件。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通用支撑结构包括刚性外壳，其中轨道扫描传感器、数据存储器和扫描数据处理器作为单个模块或组件容纳在其中，并且其中安装件设置为附接到铁路车辆的外部。

3.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述扫描数据处理器和数据存储器设置在壳体中作为可拆卸处理单元，其通过一个或多个连接器可释放地机械和电耦合到所述通用支撑结构。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述可拆卸处理单元包括密封单元，其内部空间与刚性外壳的内部隔离，当与刚性外壳连接时。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其中，所述刚性外壳包括单个外部壳体和单个组件，其包括用于数据存储和扫描数据处理器的子外壳，使得轨道扫描传感器安装到与子外壳分开的通用支撑结构，例如在另一个分外壳中。

6.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述通用支撑结构包括用于将系统连接至铁路车辆的公共电力供应装置和设置为至少为数据处理器和传感器供电的电池，以便于轨道扫描数据的存储和/或分析在系统没有外部电源期间可以通过系统来执行。

7.根据前述任一权利要求所述的系统，其中轨道扫描传感器可调整地安装在相对于安装件的通用支撑结构上，并且所述系统包括促动器和控制器，用于动态调整当车辆处于运动中时图像捕获传感器的视野，其中控制器设置为基于相对于视野的扫描数据中的一个或多个识别的特征或轨道部件的位置或缺失来自动调整传感器的视野。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述促动器在内部或外部安装到通用支撑结构的普通促动器，并且设置成多个轨道扫描传感器中的一些或全部相对于支撑结构安装件一致地平移，其中所述启动包括线性启动和/或所述支撑结构包括一个或多个滑道，设置为将所述轨道扫描传感器的运动一致地约束到单个自由度。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述促动器和轨道扫描传感器安装在布置成静态和/或刚性附接到铁路车辆的外壳内，所述轨道扫描传感器可相对于其外壳在其内部启动。

10.根据任一前述权利要求所述的系统，其中所述可视成像传感器可视成像系统的一部分，包括至少一个数字图像捕获传感器和相机，并且所述几何测量传感器系统包括至少一个深度检测传感器和至少一个惯性传感器，其中深度检测传感器捕获一个或多个轨道部件的三维表面数据，并且扫描数据处理器自动识别与三维表面数据和来自数字图像捕获传感器的图像中的相同的一个或多个轨道部件相对应的特征。

11.根据前述任一权利要求所述的系统，包括一个或多个惯性传感器，其中所述扫描数据处理器接收惯性传感器和几何捕捉传感器的输出以便确定在空间中的轨道部件的三维位置。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述几何捕捉传感器系统包括与所述惯性传感器输出结合使用以对轨道磨损进行测量的激光扫描仪，以及包括轨道超高、扭曲、曲率和估计的轨道几何测量。

13.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述一个或多个轨道扫描传感器设置为执行轨道部件的地下成像，以用于通过扫描数据处理器评估铁路轨道内部结构。

14.根据权利要求13所述的系统，包括用于以不可见的电磁波谱波长照射轨道的至少一部分的能量源，使得通过轨道的传输和/或来自轨道的反射可以使用一个或多个轨道扫描传感器来成像以提供对象内部结构的图像，其中不可见电磁辐射包括太赫兹或x射线辐射。

15.根据前述任一权利要求所述的系统，设置为测量和记录导轨和/或其他轨道部件的缺陷的三维特性，包括缺陷深度轮廓和/或最大深度。

16.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述系统以无人操作模式操作，并且轨道数据扫描采集、停止轨道扫描数据采集、轨道扫描数据记录和系统处理中的每一个自动响应于铁路车辆的一个或多个感测操作参数，设置为执行轨道扫描数据分析的一个或多个处理器和系统进一步包括无线发射器，以将所述数据处理的结果从所述车辆发送到远程操作控制中心。

17.根据前述任一权利要求所述的系统，包括用于在轨道上或与轨道相邻处识别一个或多个识别标签的近场射频识别(RFID)读取器，所述系统使用所述RFID传感器输出通过扫描数据处理器进行检测的轨道部件的位置索引。

18.根据前述任一权利要求所述的系统，其中设置轨道扫描数据处理器以在车辆载荷条件下确定来自接收的轨道扫描传感器的轨道轨距值，所述轨道轨距值与未加载轨道的轨道轨距测量值进行比较以确定加载和未加载轨道状况之间的轨距差异，处理器输出轨距强度测量的指示。

19.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述扫描数据处理器几何结构在沿着行进方向针对常规客运、货运铁路或高速车辆以超过车辆行驶的正常速度的预定义内部处在轨道导轨中改变和/或磨损。

20.根据前述任一权利要求所述的系统，其能够以300kmh或更高的速度在高速铁路上检查，由此以这些速度实时采集和处理所有传感器数据。

21.根据前述任一权利要求所述的系统，使用激光或照相机传感器来实时检测导轨的准确位置并且控制促动器的运动以当车辆运动时保持传感器相对于导轨的相同的相对位置，从而提高传感器分析准确性和测量与导轨和车轮损伤相关的异常车轮摆动运动。

22.一种铁路轨道检查方法，包括：

提供多个轨道扫描传感器、数据存储器和扫描数据处理器附接到的通用支撑结构，所述通用支撑结构具有附接到使用中的轨道车辆的安装件；

操作多个轨道扫描传感器，所述轨道扫描传感器包括一个或多个可视成像传感器和用于三维表面轮廓测量的一个或多个轨道几何测量传感器系统；

将轨迹扫描传感器记录的轨迹扫描数据存储在数据存储器中，其中，

扫描数据处理器在接收其时执行对所述轨迹扫描数据的自动分析，以根据在所述扫描数据中识别的一个或多个特征从预定的部件类型列表中检测扫描数据内的一个或多个轨道部件。