CN109070915A - 用于检测列车的电导体系统中的缺陷的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开一种用于识别铁路附近的障碍物并且如果障碍物对列车构成威胁则向列车的操作者提供警报的方法和系统。该系统包括设置在列车前部处的面向行进方向的IR传感器。IR传感器接收列车前方铁轨的图像。该系统包括列车发动机的预先存储的振动曲线，用于消除发动机振动对接收图像精度的影响。基于铁轨和铁轨背景中的诸如铁路枕木及其下方的材料的基层之间的固有温度差异来检测接收到的帧中铁轨的存在。该系统可以检测列车的电导体系统中的缺陷。

Description

用于检测列车的电导体系统中的缺陷的系统和方法

背景技术

全世界的许多列车事故是由于铁路上或旁边存在以发动机驾驶员看不见或在不允许避免撞击障碍物的距离内可见的方式障碍物而发生的。避免与这种障碍物碰撞的能力取决于多种因素，例如包括环境和天气相关的可见度、铁轨轨道形式(弯曲、隧道等)和地形(阻挡视线的山丘和岩石等)相关的可见度、在意识到障碍物存在的时刻的列车速度和质量(总动能)、以及障碍物的幅值、位置和颜色(物体特定可见度)。每个这样的因素直接影响停止行驶列车以避免发生障碍物事故所需的距离和时间。有些直接影响全程距离，有些影响注意到物体和将物体定义为障碍物的能力。

在许多情况下，发动机驾驶员的典型决定时间、行驶列车的总质量以及列车的典型行进速度规定超过1-2千米的距离以检测障碍物、决定紧急制动和制动列车。这样的距离规定为了避免障碍物事故，发动机驾驶员需要能够从两公里距离或类似距离看到物体，并且能够决定被观察物体是否确实是必须避免的障碍物，然后能够操作制动装置-其都在制动距离已经耗尽之前。需要一种系统和方法，该系统和方法将协助和支持发动机驾驶员沿铁路捕获物体，评估其存在的危险性并且就是否需要制动列车做出操作决定-这一切都足够快以允许在列车撞到障碍物之前安全制动列车。

发明内容

公开一种根据本发明的一些实施方式的用于铁路障碍物识别的方法，该方法包括：从安装在列车发动机上的并且面向行进方向的IR传感器接收红外(IR)图像、获得振动曲线、基于振动曲线从IR图像过滤振动的影响、基于预先准备的规则和参数，决定IR图像是否包含障碍物的图像以及该障碍物是否对列车的行进构成威胁并且如果IR图像包含障碍物的图像则提供警报信号。

根据本发明的一些实施方式，该方法还包括基于铁轨与其背景之间的温差来检测IR图像中的铁轨。

根据又一些实施方式，在列车行进之前存储振动曲线。

根据又一些实施方式，该方法还包括动态研究列车发动机的振动曲线。

根据另外一些实施方式，该方法还包括在所检测的铁轨周围定义感兴趣区域并且检测感兴趣区域内的物体。

根据另外一些实施方式，该方法包括：估计接收到的IR帧中的移动物体的移动方向、考虑到列车在连续采集的IR图像之间经过的距离比较连续接收到的IR图像中的移动物体的位置以及将移动物体在连续IR图像之间移动的距离除以采集IR图像之间的时间段、以及基于移动物体的移动速度和方向来确定该移动物体是否对列车构成风险。

根据本发明的一些实施方式的用于铁路障碍物识别的方法还包括：从全球定位系统(GPS)单元获取位置数据、基于位置数据跟踪列车的进度以及当列车接近可见度有限的铁轨部分时提供信息。

该方法还包括将预先存储的列车前方的铁轨的一部分的图像与在列车行进期间获得的帧进行比较，以便验证铁轨和铁轨附近的变化，以及基于比较检测障碍物。

在根据本发明的一些实施方式的用于铁路障碍物识别的方法中，评估铁路状况还包括：通过在获得的铁路图像中观察铁轨的两个轨道之间的距离来检测轨道弯曲。

公开一种用于铁路障碍物识别的系统，该系统包括面向行进方向安装以捕获IR图像的红外(IR)传感器、被配置为执行任何前述权利要求的方法的步骤的处理和通信单元以及被配置为向用户呈现警报信号的发动机驾驶员操作单元。根据本发明的一些实施方式，该系统还包括稳定和瞄准基座以稳定和瞄准IR传感器。稳定和瞄准基座还可以包括基于预先存储的振动曲线的稳定控制回路。

用于铁路障碍物识别的系统还包括IR传感器在8-12微米范围内的波长工作。

附图说明

在说明书的结论部分中特别指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。然而，当结合附图阅读时，通过参考以下详细描述，可以最好地理解本发明的组织和操作方法以及其目的、特征和优点，其中：

图1A和图1B示意性地描绘根据本发明的一些实施方式的配备有用于铁路障碍物识别和避免的系统的列车；

图2A是根据本发明的一些实施方式的用于铁路障碍物识别和避免的系统的示意性框图；

图2B是根据本发明的一些实施方式的处理和通信单元的示意性框图；

图3是描绘根据本发明的一些实施方式的SNR、POD和FAR的幅值之间的关系的示例性图表；

图4示意性地示出根据本发明的一些实施方式的作为扰动的函数的MW和LW波长范围中的IR波长的可转移性；

图5A是根据本发明的一些实施方式的由IR成像器拍摄的在阴影区域中呈现部分铁轨的可见度的图像；

图5B是根据本发明的一些实施方式的经过滤波器之后的图5A中所示铁轨的相同场景的图像；

图5C是示出根据本发明的一些实施方式的沿铁轨的两个不同点处的铁轨的温度变化以及铁轨与其背景之间的温度差异的图像；

图5D是呈现根据本发明的一些实施方式的位于铁轨之间的障碍物与铁轨之间的背景的温度差异的图像，铁轨在与成像器约0.5km的距离；

图5E是呈现根据本发明的一些实施方式的两个不同障碍物和铁轨相对背景的高可见度的图像；

图6是呈现根据本发明的一些实施方式的用于铁路障碍物识别和避免的系统的操作的示意性流程图；

图7是呈现根据本发明的一些实施方式的用于驾驶安全评估的方法的示意性流程图；

图8示意性地描述根据本发明的一些实施方式的配备有用于电导体缺陷识别的系统的列车；以及

图9是呈现根据本发明的一些实施方式的用于电导体缺陷检测的系统的操作的示意性流程图。

应当理解的是，为了说明的简单和清楚，附图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大。此外，在认为适当的情况下，可以在附图中重复参考数字以指示对应或类似的元件。

具体实施方式

在以下详细描述中，阐述许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程和组件，以免模糊本发明。

尽管本发明的一些实施方式在这方面不受限制，但是利用诸如例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等术语的讨论可以指代计算机、计算平台、计算系统、或其他电子计算设备的一个或多个操作和/或一个或多个过程，其在计算机的寄存器和/或存储器内将表示为物理(例如，电子)量的数据操纵和/或转换为在计算机的寄存器和/或存储器或可以存储执行操作和/或过程的指令的其他信息存储介质内的类似地表示为物理量的其他数据。

尽管本发明的一些实施方式在这方面不受限制，但是这里使用的术语“多个”和“多数个”可以包括例如“许多个”或“两个或更多个”。在整个说明书中可以使用术语“多个”或“多数个”来描述两个或更多个组件、设备、元件、单元、参数等。除非明确说明，否则本文描述的方法实施方式不限于特定顺序或序列。另外，一些所描述的方法实施方式或其元件可以在相同的时间点发生或执行。

根据本发明的一些实施方式，受益于铁路轨道具有热足迹的事实，该热足迹可以使用热成像装置相对容易地与其附近区分开。本发明的发明人已经认识到，列车铁轨由金属制成并且基于由混凝土或通常具有低导热率的其他一种或多种材料制成的铁路滑动器(railway slipper)。因此，由于铁轨的高导热性，金属铁轨倾向于沿着铁路非常长的部分保持相对相等的温度，而在铁轨附近的地面保持具有比铁轨温度均匀性更低水平的均匀性的附近温度。此外，由于列车铁轨和通常包含在地面中的材料之间的导热系数和热比热的差异，很明显，至少在两个参数中，沿着铁路的温度分区和温度水平与其附近的地面的温度分区和温度水平区分。

如发明人所测量的，在其背景处的铁轨和地面之间的典型温差为15-20度，而沿着它们的铁轨的温度变化沿1km显示小于2度的变化。这可以确保由IR传感器拍摄的图像帧内的铁轨的良好可检测性，并且为铁路障碍物识别和避免的热成像系统和方法建立具体基座。如在图5C中可以看到的(其在下文中详细描述)，例如，物体之间的差异是20个灰度级。在典型的探测器中，对于全部范围，单个灰度级通常表示13位的50mK度。图5C的图像由8位成像器拍摄，因此图5C中的每个灰度级是2^5*50mK＝1600mK＝1.6℃(为了简化讨论，忽略了伽马校正)。

现在参考图1A和图1B，其示意性地描述根据本发明的一些实施方式的配备有用于铁路障碍物识别和避免的系统100的列车10。列车10可以在其前端包括一个列车车头或发动机10A，并且可选地包括一个或多个铁路车辆10B。系统100可以安装在列车发动机10A上，并且可以包括处理和通信单元102、发动机驾驶员操作单元104、可选地通过摄像机瞄准基座106A定位的至少一个红外(IR)前视传感器106、以及可选地通信天线108。

如在图1A中的列车10的侧视图中示意性地描绘的那样，IR传感器106可以安装在发动机10A的前端(即在面向行进方向的列车发动机的末端)，为了更好的前视性能优选地在升高的位置处。IR传感器106可以具有竖直视场116，该竖直视场116具有开口视角α_v1和其中心光轴116A相对于地平线倾斜角度α_v2。

如在图1B中的列车10的顶部正视图中所见，IR传感器106可以具有水平视场117，该水平视场117具有开口视角β_h1，并且其中心轴117A通常沿着发动机10A的纵轴定向。可以结合IR传感器106的特定目标捕获性能来选择开口角度和向下倾斜的角度，使得感兴趣的区域(是中心直接在列车发动机10A之前的区域)距离发动机10A约2km，并且IR传感器106的纵向开口和横向开口将确保铁路的铁轨及其紧邻在铁轨的所有预期轨道变化处将保持在IR传感器106的视线内。

根据本发明的一些实施方式，如下面详细说明的，IR传感器106可以使用IR成像器来实现，无论是未冷却的还是低温冷却的，优选地在LWIR(具体而言，波长在8-12微米范围内)波长范围内，配备具有特定性能的透镜或光学透镜组。IR传感器106可以安装在传感器稳定和瞄准基座106A上。可以使用任何已知的手段和方法实现稳定和瞄准。动态稳定回路可以基于从已拍摄图像中测量/提取到的振动/不稳定性或者基于诸如加速度计的移动测量传感器来完成。IR传感器106可以进一步配备有适于物理地/化学地/机械地清洁传感器106的光学器件的外表面的装置106B。IR传感器106可以配备有通过任何已知装置(未示出)实现的一个或多个摇摄/倾斜/变焦(PTZ)控制装置。

现在参考图2A，其是根据本发明的一些实施方式的用于铁路障碍物识别和避免的系统100的示意性框图。系统100可以包括处理和通信单元102、发动机驾驶员操作单元104、至少一个红外(IR)前视传感器106和可选地通信天线108。处理和通信单元可以包括处理器102A和非暂时性存储装置102B。处理器102A可以适于执行存储在存储装置102B上的程序和命令，并且还可以适于在存储装置102B上存储和读取值和参数。处理器102A还可以适于控制驾驶员操作单元104，以向单元104提供数据，以在单元104处或附近激活警报信号，并与单元104进行操作通信，以及从单元104的用户接收命令和数据。IR传感器106可能与处理和通信单元102可操作地连接以提供IR图像。根据本发明的一些实施方式，系统100还可以包括天线108，以使得能够与外部单元进行数据链接，以与外部单元和系统交换与列车10的行进相关的数据和警报。

根据本发明的一些实施方式，驾驶员操作单元104可以适于使发动机驾驶员能够接收和查看表示发动机前方的视图的IR图像的动态流，其中热区分物体以强调的方式呈现。在可选择的操作模式之间进行选择，以激活/停用选项，诸如控制从IR传感器106接收的视野的图像流的记录，以从远程存储设备捕获参考轨道图像等，并在检测到障碍物时接收警报信号和/或指示。

系统100所必需的性能应该确保提前捕获和识别铁路上和/或靠近铁路井的确定附近的潜在障碍物，以便当检测到有障碍物的事故时，能够在列车10到达障碍物之前对其进行安全制动。对于以150Km/h的速度行进的列车10，即大约42m/s，制动距离约为1.6Km(约1英里)。典型的反应时间，包括决定耗费时间和操作耗费时间为10秒，需要额外400米的障碍物识别距离，从而将检测和识别距离设置为2Km。假设列车10持续减速，可以使用基本运动方程以便计算沿列车10的减速轨道的任何点处的距离/时间/瞬时速度。这样，对于上面给出的数字，恒定减速度a等于-1.65m/s，并且总制动时间t_B等于26s。本领域技术人员将理解，可以使用其他方程组以便解析沿其轨道的任何点处的运动参数，例如基于能量的方程组，其中可以计算任何时刻减速列车的动能以及制动轮可以通过产生的热量提供给铁轨和环境的最大能量耗散。

现在参考图2B，其是根据本发明的一些实施方式的处理和通信单元200的示意性框图。单元200对应于图2A的单元102。处理和通信单元200适于从诸如IR传感器106(图2A)的IR传感器接收IR图像210。假设与IR图像210的图像信号一起出现的至少一些噪声是重复的，并且因此是可预测的。可以将这样噪声记录并保存在预设噪声单元260中，或者可以在线采样。单元200还可以接收过去的噪声表示260。可以将IR图像信号210和过去的噪声信号260输入去卷积单元204，以接收具有更好的信噪比的去噪图像信号204A。可以通过在单元SUB 206中的减法将去噪图像信号204A与先前图像进行比较。根据本发明的一些实施方式，去噪图像信号204A可以馈送去噪图像或平均图像以存储在单元220中，单元220是非暂时性快速随机存取存储器(RAM)。

从图像204A减去先前图像，产生显示从先前图像到当前图像的变化的导数图像206A。减去的结果206A被馈送到决定单元DSCN 208。DCSN单元208适于分析减法的结果图像206A并基于预先准备的规则和参数来决定。这种预定义的规则和参数可以考虑各种论据。例如，正被成像和分析的位置的预先存储的图像可以使得能够验证在分析帧中的物体。在另一个示例中，可以考虑在拍摄分析图像时例如温度、云量等实际天气的影响，以提高灵敏度和感知度。可以从IR传感器拍摄的图像中提取相关的天气信息，或者经由无线链接从外部天气信息源接收相关的天气信息。基于Plank的分布，这些规则适用于提高IR传感器的温度测量或评估精度。根据一些实施方式，这些规则和参数可用于例如通过决定单元DSCN208自动识别列车前方的铁轨弯曲的点，使得它们的图像重合并且看起来像单线。在铁轨图像的这些部分处，为了识别看起来像潜在威胁的图像是否确实在构成威胁的距离内，需要评估该物体与铁轨的距离。由于在这种情况下可能无法直接提取铁轨之间的横向距离，因此可以基于对来自IR传感器的铁轨部分的距离的评估以及基于相关场景的连续图像使用诸如三角测量的已知方法计算可疑物体距IR传感器的距离的评估计算识别出的可疑物体与铁轨之间的距离，该相关场景经过一段时间后拍摄，确保列车已经行进足够长的距离，以便能够计算应该根据场景、地点和天气调整的物体距离，这些规则和参数可以根据Plank的分布来测量物体的温度，铁轨的预期曲率-算法应将检测算法从正面视图切换到铁轨上方的侧视图，无论分析的图像或图像的连续是否包含障碍物的图像以及无论该障碍物是否对火车的行进构成威胁。在检测到威胁障碍物的情况下，可以产生组合信号230A并提供给驾驶员操作单元，诸如单元104(图2A)。组合信号230A可以包括警报信号和障碍物指示覆盖视频，以指示从去卷积单元204接收的视频帧上的识别障碍物。

蜂窝接口单元246适于管理单元200的蜂窝通信，并且它可以被控制，从CPU单元240可以接收并且可以提供信号、命令和/或数据。

全球定位系统(GPS)单元242可以管理来自从GPS卫星接收的信号中提取的位置数据。位置数据242A可以被利用用于通过列车管理系统(未示出)跟踪列车的进度，通过接收相关附近的其他列车的位置的指示用于列车到列车的相对位置数据，以及用于当列车接近由于例如山坡上的弯曲而具有有限可见度的铁轨部分时提前通知发动机驾驶员。位置数据还可以用于同步当前铁轨上的过去行进的帧，其可以通过无线通信信道(例如蜂窝信道)与当前行进的帧一起接收，以便验证铁轨中及其附近的变化。

CPU单元240适于通过提供所需数据和/或控制命令，以及通过同步其他单元的操作来控制单元200的至少一些其他单元的操作。单元200的操作所需的软件程序、数据和参数可以存储在非暂时性存储单元244中，其可以是任何已知的读/写存储装置。存储在存储器244中的程序在被执行时可以使单元200执行本说明书中描述的操作和活动。

单元200是图2A的单元102的实施方式的示例。然而，单元102可以以其他方式体现。单元200可以作为在单独的单元上的整体或其一部分、或者作为系统或用户专用芯片的一部分、或者作为仅在现有平台上执行并控制现有单元的软件实现。单元200的所有电力消耗者可以由电源单元250供电。

根据本发明的一些实施方式，所需的表示为EF的有效视野需要覆盖铁轨和铁轨的外部边缘。考虑到铁轨之间的距离为1.5m，在2公里距离内1.5米的开口视角等于约1mRad。可以在市场上找到分辨率在256×256到1000×1000像素范围内，以及更高的IR成像器。假设对于感兴趣的障碍物的横向尺寸为0.5m，在2Km距离内，这种障碍物占据约0.25mRad，这规定了2个周期/mRad采样。符合奈奎斯特采样频率的要求决定采样频率f_N＝4个周期/mRad。根据用于识别成像器捕获的物体的约翰逊的标准，确保识别f_REC的采样频率等于：

f_REC＝f_N*6＝4*6＝24周期/mRad

因此，每个横向像素的视场(FOV)FOV_PIX等于：

FOV_PIX＝1/f_REC＝1/(24*10^-3)≈40uRad

对于在商业上可获得的IR传感器中具有20μm的横向尺寸的典型像素，聚焦长度f将是：

20*10^-6＝f*40*10^-6

f＝0.5m

为确保从2公里的距离识别横向0.5米的障碍物，需要0.5m的聚焦长度f。自然地确保较短距离的识别会带来较弱的约束。例如，在距离为500米处的障碍物将占据4倍像素数量，这意味着48个像素/目标符合约翰逊的标准，这转而允许使用256*256像素的IR成像器(256×256可能适合超过500米的距离)。只要诸如由传感器视线的不准确安装或动态产生的误差的成像误差不超过

e_loc/vib＝±40μRad*(256-48)/2＝104*40μRad＝4.16mRad，

它被认为是微不足道的；然而，更大的误差将需要更高的IR成像器分辨率，这将增加系统的成本。出于检测目的，仅聚焦可以是

0.5m/6＝0.0833m

在需要相对较短的聚焦长度的情况下，可以通过降低F#来提高灵敏度。

当系统的主要目标是障碍物检测时，聚焦长度可以减小到约150mm左右以便简化生产并减小尺寸。

用于物体检测的热系统通常具有F/2图，其支持每像素约100m开尔文的噪声等效温差(NETD)区分，其支持从长于2Km的距离检测障碍物。在感兴趣的障碍物是例如人的活体的情况下，人体的温度与他的图像周围的地面温度之间的温差可以在5°K和25°K之间变化。结果，信噪比(SNR)可以是50或更高。

根据本发明的一些实施方式，需要感兴趣障碍物的检测的概率(POD)的某些范围和错误警报率(FAR)的某些范围。

现在参考图3，其是描绘根据本发明的一些实施方式的SNR、POD和FAR的幅值之间的关系的示例性图表。SNR以无量纲数字表示并且在水平轴上呈现，并且POD以百分比表示并且沿着竖直轴呈现，对于给定的FAR，以无量纲数字表示。如在图3的图表中可以看到的，对于给定的FAR值，POD值与SNR值成正比，并且对于足够高的SNR值，例如，高于12.5，POD的值超过99，即使FAR等于10^-22，即具有足够高的SNR，FAR的值可能会被忽略。当单元200已经被调到在这个范围内提供警报信号时，虽然即使FAR值高于上面指定的值，系统100仍可能对发动机的驾驶员有帮助，因为它会引起他对警报的注意。当SNR等于10时，FAR的值非常低，并且当SNR高于10时，很明显FAR的值几乎为零。对于由传感器106捕获的单个帧，对于SNR等于10的POD值接近99.99％，并且当然如果捕获两个或更多个帧，则POD的值更接近100％。

根据本发明的一些实施方式的用于铁路障碍物识别和避免的系统，例如系统100，可以在至少两个不同的波长范围内操作。第一波长范围，也称为中波长红外(MWIR)，为3-8μm，以及第二范围，也称为长波长红外(LWIR)，为8-15μm。系统在这些范围的每一个中的操作涉及其自身的优点和缺点。当需要检测红外(IR)导弹羽流时，在MWIR范围内操作具有优势。如本文所用，IR导弹羽流可以指来自导弹尾气的IR辐射发射。另外，MWIR范围在良好的大气条件下具有更好的可转移性，例如在具有低水平空气湍流的环境中。当在具有高水平空气湍流的环境中操作时，在LWIR范围内操作具有实质性优势。当IR能量的波长在LWIR范围内时，IR范围内的波的可转移性要高得多。可以使用参数Cn2来评估湍流对成像器性能的影响，参数Cn2指示感兴趣物体与成像器之间的介质的折射因子的变化水平。该单元具有物理维度[m^-23]，并且数值越高，折射数字的变化越大，而结果成像器的性能越低。

现在参考图4，其示意性地呈现根据本发明的一些实施方式的作为湍流的函数的MW和LW波长范围中的IR波长的可转移性。MW和LW波长中的IR波长的可转移性作为沿着水平轴呈现的湍流Cn2的函数，在被观察物体与物体和成像器之间的介质中，沿着垂直轴呈现。如图4所见，MWIR在低湍流水平的可转移性Cn2高于LWIR在低湍流水平的可转移性Cn2。然而，湍流对MWIR的影响远远高于湍流对LWIR的影响，并且在感兴趣的区域，2km的范围和高水平的湍流中，LWIR的可转移性更好。

在低可见度条件下操作时，在IR光谱的LW范围内操作根据本发明的一些实施方式的诸如系统100的系统的优点也适用。可以通过瑞丽衍射方程来评估成像系统的可转移性

其中元素(l/λ)⁴对恶劣天气条件下的可转移性最重要，其中长波长的使用证明高转移性。

根据本发明的一些实施方式，用于铁路障碍物识别和避免的系统，诸如系统100，可以自动地聚焦在图像帧中的铁路铁轨的图像上。预计铁轨的图像在帧中具有高水平的区分，主要由于其温度与图像帧中其背景的温度之间的差异。铁路铁轨由通常为钢铁的金属制成，其传热系数与其上放置铁轨的地面的传热系数不同。铁的传热系数为50W/m²·k(瓦特/平方米开尔文)，而包括岩石、土壤和气穴的地面的等效热传导低于1W/m²·k。与一天中所有时段以及所有天气变化范围的铁轨的背景的温度相比，这种差异确保铁轨表面温度的显着差异。

根据本发明的一些实施方式的系统需要能够通过可能被污染或具有低可见度的具有折射变化等的介质，从距离2km或更远识别约0.5m宽的障碍物。此外，由于IR传感器安装在高速行进的列车发动机上，因此IR传感器遭受复杂的振动组。这种复杂的振动组包括特定发动机的特定振动、源自铁轨上行进的振动等。从列车发动机对IR传感器引起的振动可能对所捕获的图像产生两种不同类型的负面影响。第一负面影响是所捕获图像的振动，而第二负面影响是涂抹图像。

第一负面影响的结果是这样的图像，其中每个物体在帧中在几个不同的位置出现若干次，在纵向和/或横向方向上相对于彼此移位未知量。第二负面影响的结果是帧中物体模糊，这减小图像的清晰度。处理第一负面影响更难，因为很难自动确定哪些像素代表物体，因此消除在帧中记录图像物体的确切位置的可能性，并且随后通过减法来清除负面影响。第二负面影响更容易处理，因为可以通过及时平滑涂抹物体来提取物体以接收真实物体。

根据本发明的一些实施方式，可以记录、分析和研究特定列车发动机的振动的特定性质，例如通过存储用于特定发动机、和/或用于各种特定行进曲线的发动机和/或用于沿铁路的特定部分行进的发动机的振动曲线。这样的振动数据可以被存储并且可以准备好供诸如系统100的系统使用。根据本发明的替代或另外的实施方式，可以动态地研究和分析特定发动机的振动的特定性质，以便用于锐化障碍物IR图像。

根据本发明的另外的实施方式，通过依赖于只要至少一个铁路铁轨在成像器的视线(LOS)中的假设，可以进一步提高所捕获的IR图像以克服振动的负面影响，如上所述，由于其可区分的热特征，依赖于在图像帧中定位铁轨的容易性，可以更容易地提取振动的影响。为了提高所拍摄的IR图像，可以使用维纳滤波器。维纳滤波器的频率响应可以表示为：

其中：

S_ηη(w₁，w₂)是从具有均匀色散的帧中的位置获得的噪声谱，以及

S_μμ(w1，w2)是原始物体图像的光谱。

根据本发明的一些实施方式，可以存储沿铁路轨道拍摄的图像以供以后使用。一种这样的使用可以用作参考图像。系统100可以获取预先存储的图像，该预先存储的图像对应于由诸如传感器106的IR传感器观察的当前的铁路的部分，如例如关于图2B所描述的。可以基于例如从GPS输入单元242接收的连续位置信息来提取预先存储的图像。预存储图像，假设它们具有更高质量，可以用于例如通过减法比较。附加地或替代地，可以从通过诸如蜂窝网络的通信链路获取的远程存储装置接收预先存储的参考轨道图像。

本发明的发明人，其一些实施方式是本申请的主题，已经执行实验以从通过IR传感器在白天时间期间和在黑暗时间拍摄的图像与在相同时间由普通相机拍摄的相同铁轨和物体的图像比较铁路铁轨和位于铁轨旁边的物体的检测。在黑暗时间，普通相机拍摄的图像中的铁轨完全不可见，但在相同时间由IR相机拍摄的图像中清晰可见。此外，实验发现，即使在光照时间期间，通过普通相机拍摄的铁轨在穿过阴影区域时也完全不可见，但通过IR传感器观察时足够可见。已经认识到，即使在阴影区域中通过的铁轨的温度低于暴露于阳光的铁轨的温度，由于铁轨的高传热图形，一些热量从暴露在阳光下的部分转移，并且结果阴影区域铁轨的温度降低于其周围地面的温度，并因此其在IR帧中保持区分。

现在参考图5A至5E，其是根据本发明的一些实施方式的拍摄和处理的列车发动机前方的场景图像。

图5A是根据本发明的一些实施方式的由位于列车发动机前方的IR成像器拍摄的图像，其在白色框502内看到的阴影区域中呈现铁轨500的一部分的可见度。可以看出，位于框502内部(阴影区域)的铁路500的部分在IR图像中是可区分的，即使当它们对于人眼是不可区分时。

图5B是根据本发明的一些实施方式的在经过滤波器之后的铁轨500的图5A中所示的相同场景的图像。在图5B的示例中，一阶导数滤波器，也称为一阶微分滤波器，被应用于边缘检测。这里，在白色框504内的图像的阴影区域中的铁轨500也是在阴影区域的图案中很好地可区分的。

图5C是示出根据本发明的一些实施方式的铁轨500在沿铁轨的两个不同点处的温度变化以及铁轨与其背景之间的温度差异的图像。位置512和516是铁轨500上彼此距离约1km的点。通过灰度级差(即20级)提取点512和516之间的温度差，计算的差值在1km上约为1.6℃。在点514处测量的灰度级是0，其与铁轨的表示区别大约230级-这是巨大的差异。因此，很明显，与铁轨及其背景之间的温度差异相比，沿着铁轨的温度变化可以忽略不计。

图5D是根据本发明的一些实施方式的由位于列车发动机前方的IR成像器拍摄的图像，其呈现位于铁轨500之间的障碍物522，铁轨500之间的背景524和距离成像器约0.5km的铁轨526之间的温度差异。与图5C中的温度分析类似，此处背景524的温度也与障碍物522的温度相差约246个灰度级(其接近80mK*246～20℃)，并且也与距离约0.5km处的铁轨526的温度相差约220个灰度级(其接近17.5℃)。这再次举例说明铁轨500和障碍物522的IR成像器的可见度。

图5E是根据本发明的一些实施方式的由位于列车发动机前方的IR成像器拍摄的图像，其呈现障碍物530和532以及铁轨500相对于背景的高可见度。

现在参考图6，其是根据本发明的一些实施方式的呈现用于铁路障碍物识别和避免的系统的操作的示意流程图。可以连续地(或间歇地)从诸如IR成像器106(图1和图2A)的IR成像器接收例如LWIR图像的IR图像(框602)。

可以过滤IR图像流以移除或部分消除振动噪声(框604)。

可以将振动噪声减少的IR图像与预先存储的图像或与相同行进的先前图像或与平均的先前图像进行比较(框606)。

基于铁轨与其背景之间的温度差异在图像帧中检测铁轨(框608)。

在所检测的铁轨周围定义感兴趣区域，并且检测感兴趣区域内的物体(框610)。

评估检测到的物体的潜在风险和/或检测潜在的危险运动。将检测到的物体和潜在的危险运动与各自先前存储的知识进行比较，这些知识可以通过无线通信或从机载存储装置接收(框612)。应该注意，不仅可以检测静止物体而且可以检测移动物体。在检测到移动物体的情况下，可以通过比较连续图像中的移动物体的位置和尺寸来估计移动的速度和方向。例如，考虑到列车在这些连续帧之间经过的距离，并且将距离除以帧的捕获之间的时间段，可以通过评估物体在连续帧之间移动的距离来估计移动物体的速度。通过评估运动的速度和方向，可以得出结论，该移动物体是否对列车构成风险。

例如，如果检测到汽车，并且基于对运动方向的分析，确定汽车正在与列车平行行驶，则可以得出结论，汽车不构成风险。然而，如果对汽车运动方向的分析显示汽车正在接近轨道，并且对运动速度的分析显示汽车可能越过轨道，则可以得出结论，汽车对于列车存在风险。

当检测到潜在的碰撞风险时，可以发出警报信号并将其呈现给列车发动机驾驶员，并且可能将警报信号和相应的数据无线地发送到中央管理设施(框614)。

现在参考图7，其是根据本发明的一些实施方式的呈现用于驾驶安全评估的方法的示意流程图。可以附加地或替代地对在图6中描述以及上文中描述的用于铁路障碍物识别和避免的系统的操作的框606至614执行用于驾驶安全性评估的方法。

在框710中，获得发动机的速度。可以基于从IR成像器接收的IR图像来计算速度。例如，可以通过评估发动机在连续图像之间经过的距离并将该距离除以帧的捕获之间的时间段来计算速度。可以通过在连续图像之间执行配准来评估发动机在连续图像之间经过的距离。例如，位于感兴趣区域的物体或特殊标志可以位于IR图像中，并且可以通过比较连续帧中定位的物体的位置和尺寸来评估发动机在连续图像之间经过的距离。附加地或替代地，发动机的速度可以直接从发动机的速度表，从例如通过GPS单元242从GPS卫星接收的信号中提取的位置数据获得，或者可以以任何其他可应用的方式获得速度。

在框720中，基于从IR成像器接收的IR图像的分析来评估铁路状况。可以通过观察铁轨的两个轨道之间的距离来检测铁轨轨道弯曲。如果铁轨轨道是直的，没有弯曲，则在图5E中标记为D1的平行轨道之间的距离应该以已知的图案逐渐减小，直到轨道收敛于无限远。如果轨道之间的距离减小超过预期速率，例如，如图5E中的位置D2所见，可以假设存在弯曲。弯曲的锐度或弯曲半径可以通过轨道之间的距离减小的速度来估计。还可以通过观察IR图像上的位置来估计距弯曲的距离，其中轨道之间的距离开始减小超过预期速率。可以基于在框710中导出的弯曲与发动机速度的距离来估计到弯曲的时间。

在框730中，确定发动机的速度是否适合于铁路状况。例如，当接近弯曲处时，发动机应该减速到一定的速度。如框740所示，如果发动机接近弯曲处的速度高于特定速度，则可以向发动机驾驶员给出通知。可以例如通过驾驶员操作单元104向驾驶员发出通知。例如，可以警告驾驶员前方有弯曲并且他应该使列车减速。附加地或替代地，可以根据需要将通知发送到中央管理设施(未示出)，例如，通过蜂窝接口单元246。

由用于铁路障碍物识别和避免的系统100收集的数据可以由系统100保存，以供以后使用和分析。数据可以包括与关于诸如弯曲、障碍物的存在等铁路状况的信息匹配的列车的速度、以及一些或所有IR图像。在正常行程中以及用于事故调查，可以在线或离线分析驾驶员的质量和安全性。数据可以保存在存储装置102B中，和/或数据可以被发送并上传到中央管理设施(未示出)，例如，通过蜂窝接口单元246。发送要保存在中央管理设施中的数据可以减少存储装置102B中所需的存储容量。

根据本发明的一些实施方式，用于铁路障碍物识别和避免的系统100可用于维护列车的导电系统，例如架空线或导电铁轨。如本文所使用的，架空线可以指用于将电能传输到列车的一根电线或多根电线。架空线也可以指架空线设备(OLE或OHLE)、架空接触系统(OCS)、架空设备(OHE)、架空布线(OHW)、悬链线或滑接馈线。如本文所使用的，第三铁轨或导电铁轨可以指放置在铁轨旁边或铁轨之间，并且用于用电力为列车提供动力的导体。

电动列车通常包括与其相邻的导电系统，包括用于馈送电动列车的架空线电缆，例如通常位于铁轨上方的一根电线或多根电线。一些电动列车由放置在铁轨旁边或铁轨之间的导线供电。由于导体的电阻率，流过架空线电缆或导电铁轨的电流在电缆或导体上散发热量。当某一点上的电接触缺陷(例如，弯曲、疲劳等)时，导体的有效横截面可能减小，并且由此在该点处的电阻率可能增加。因此，在该点处的散热可能更高，并因此可通过IR传感器区分。IR传感器还可以能够检测架空线电缆或导电铁轨中的不连续性，诸如电缆等上的废物。因此，本发明的一些实施方式可以用于检测表达的不规则性，例如，通过导体温度的突然变化，以便监测电导体系统。

现在参考图8，其示意性地描述根据本发明的一些实施方式的配备有用于电导体缺陷识别的系统800的列车10。列车10和系统800可大致类似于图1A和1B中描述的列车10和系统100，并且可以再次描述类似的组件和特征。列车10可以包括用于监测例如架空线电缆802或导电铁轨的电导体系统的IR传感器806。传感器806的视角β可以被设置为覆盖架空线电缆802的在列车10之前的位置，即在视角β内具有架空电缆802的图像，从而可以监测其完整性或损坏和违规行为。架空线电缆802可以包括一根电线或多根电线、电连接以及暴露于IR传感器806的向列车提供电力的任何其他部分。根据一些实施方式，列车10可包括具有足够宽的FOV以用于监测铁轨以及架空线电缆802的单个传感器106或806。在一些实施方式中，列车10可包括多于一个传感器，例如，用于监测铁轨的IR传感器106以及用于监测架空线电缆的IR传感器806。IR传感器806的技术特征可以类似于IR传感器106的技术特征；然而，这不是强制性的，传感器806可以与传感器106不同，例如，每个传感器可以使用相同或不同的波长范围。另外，本文所公开的类似技术可以用于稳定和瞄准IR传感器806，并且用于过滤振动，或者用于本文公开的与IR传感器106有关的任何其他功能。例如，传感器806可以过滤由于其可区分的热特征而容易将架空线电缆802(或导电铁轨)的电缆定位在图像帧中的振动中继，类似于如本文所公开的定位铁轨的中继。附加地或替代地，如果使用两个传感器，则针对一个IR传感器导出的单个滤波器也可以用于第二IR传感器。如果列车10由导电铁轨供电，则IR传感器806或IR传感器106都可以瞄准导电铁轨并检测如本文所公开的缺陷。虽然呈现为安装在发动机上并且面向行进方向，但这不是强制性的，传感器可以安装在使得能够可视化电导体系统的任何适当的位置。

现在参考图9，其是根据本发明的一些实施方式的呈现用于电导体缺陷检测的系统的操作的示意流程图。用于电导体缺陷检测的系统可以包括例如图8中描绘的系统800，或任何其他合适的铁路电导体缺陷检测系统。

可以连续地(或间歇地)从诸如(图8的)IR成像器806或(图1A和1B的)IR成像器106的IR成像器接收例如LWIR图像的IR图像(框902)。可以过滤IR图像流以去除或部分消除振动噪声(框904)。可以检测列车的例如架空线电缆或导电铁轨的导电系统中的缺陷(框906)。例如，与例如架空线电缆或导电铁轨的电导体系统的附近区域相关的升温区域可以被检测为潜在缺陷的区域。例如，可以检测温度差高于阈值的区域并被识别为可能缺陷的区域。另外，系统可以识别绝对温度高于预定阈值的电导体系统中的缺陷区域或点。另外，系统可以分析沿着电导体系统的热分布，以找到典型的可能缺陷的图案。当检测到潜在缺陷时，可以发出警报信号并将其呈现给列车发动机驾驶员，并且可能将警报信号和相应数据无线地发送到中央管理设施(框908)。

虽然本文已经说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、改变、和等同物。因此，应该理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (23)

1.一种用于铁路障碍物识别的方法，所述方法包括：

从安装在列车的发动机上的至少一个IR传感器接收红外(IR)图像，所述至少一个IR传感器面向行进方向；

获得振动曲线；

基于所述振动曲线，从所述IR图像过滤振动的影响；

基于预先准备的规则和参数，决定所述IR图像是否包含障碍物的图像以及障碍物是否对所述列车的行进构成威胁；以及

如果所述IR图像包含障碍物和在架空电缆中检测到的不规则物的至少一者的图像，则提供警报信号。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

基于铁轨与所述铁轨的背景之间的温差来检测所述IR图像中的所述铁轨。

3.根据权利要求2所述的方法，包括：

基于所述IR图像中的所述铁轨的图案和位置来提取所述振动曲线。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，预先存储所述振动曲线。

5.根据权利要求1所述的方法，包括：

动态研究列车发动机的振动曲线。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，包括：

在所检测的铁轨周围定义感兴趣区域；以及

检测所述感兴趣区域内的物体。

7.根据前述任一项权利要求所述的方法，包括：

估计所接收到的IR帧中移动物体的移动方向；

考虑到所述列车在连续IR图像的采集之间已经经过的距离，比较所述连续IR图像中所述移动物体的位置；

通过评估所述移动物体在所述连续IR图像之间已经移动的距离并且将所述移动物体在所述连续IR图像之间已经移动的所述距离除以所述连续IR图像的所述采集之间的时间段，估计所述移动物体的速度；以及

基于所述移动物体的移动的所述速度和所述方向来确定所述移动物体是否对所述列车构成风险。

8.根据前述任一项权利要求所述的方法，包括：

从全球定位系统(GPS)单元获取位置数据；

基于所述位置数据跟踪所述列车的进度；以及

当所述列车接近可见度有限的铁轨部分时提供信息。

9.根据前述任一项权利要求所述的方法，包括：

将预先存储的所述列车前方的所述铁轨的一部分的图像与在所述列车的行进期间获得的帧进行比较，以便验证所述铁轨和所述铁轨附近的变化；以及

基于所述比较检测障碍物。

10.根据权利要求2-9中任一项所述的方法，包括：

获取所述列车的速度；

基于所述IR图像的分析，评估铁路状况；以及

确定所述发动机的速度是否适合所述铁路状况。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，估计所述铁路状况包括：

通过在所述铁路的所述IR图像中观察所述铁轨的两个轨道之间的距离来检测轨道弯曲。

12.一种用于铁路有关的障碍物识别的系统，所述系统包括：

面向行进方向安装以捕获IR图像的至少一个红外(IR)传感器；

处理和通信单元，被配置为执行以下方法：

从安装在列车的发动机上的所述至少一个IR传感器接收红外(IR)图像，所述至少一个IR传感器面向行进方向；

获得振动曲线；

基于所述振动曲线从所述IR图像过滤振动的影响；

基于预先准备的规则和参数，决定所述IR图像是否包含铁路区域处的障碍物以及架空电缆上的不规则物的至少一者的图像，以及该障碍物是否对所述列车的行进构成威胁；以及

如果所述IR图像包含障碍物或在架空电缆中的不规则物的图像，则提供警报信号；以及

引擎驾驶员操作单元，被配置为向用户呈现警报信号。

13.根据利要求12所述的系统，还包括稳定和瞄准基座，以稳定和瞄准所述至少一个IR传感器。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述稳定和瞄准基座包括基于预先存储的振动曲线的稳定控制回路。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的系统，包括适于清洁所述至少一个IR传感器的光学器件的外表面的装置。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的系统，其中，所述至少一个IR传感器具有8至12微米范围的波长。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的系统，其中，所述至少一个IR传感器的采样频率为至少24个周期/mRad，并且所述至少一个IR传感器的聚焦长度至少为0.5m。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的系统，其中，所述至少一个IR传感器包括平移/倾斜/变焦(PTZ)控制装置。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的系统，包括通信天线，以实现与外部单元的数据链路，用于交换数据和警报信号。

20.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，基于预先准备的规则和参数，决定所述IR图像是否包含障碍物的图像包括：测量所述障碍物的温度。

21.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，还包括：

基于所述IR图像检测电导体系统中的缺陷。

22.根据权利要求12至19中任一项所述的系统，其中，所述处理和通信单元还被配置为执行以下方法：

基于所述IR图像检测电导体系统中的缺陷。

23.一种用于检测列车的电导体系统中的缺陷的方法，所述方法包括：

从安装在列车上的至少一个IR传感器接收红外(IR)图像，所述至少一个IR传感器瞄准所述列车的所述电导体系统；

获得振动曲线；

基于所述振动曲线从所述IR图像过滤振动的影响；以及

基于所述IR图像检测所述电导体系统中的缺陷。