CN114368411B - 一种列车脱轨安全的监测预警方法 - Google Patents

一种列车脱轨安全的监测预警方法 Download PDF

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CN114368411B CN202210284869.8A CN202210284869A CN114368411B CN 114368411 B CN114368411 B CN 114368411B CN 202210284869 A CN202210284869 A CN 202210284869A CN 114368411 B CN114368411 B CN 114368411B
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Abstract

本发明公开了一种列车脱轨安全的监测预警方法，其操作步骤包括：设备调节、图片处理、像素坐标系下的轮轨相对横向位移计算、基于像素坐标系下的轮轨相对横向位移数据计算世界坐标系下的轮轨相对横向位移、根据世界坐标系下的轮轨相对横向位移评定脱轨安全等级。其采用基于视觉行为的监测预警方法对轮轨接触区域的图片进行分析，更加直接，激光线定位准确，拍摄图片中轮轨接触轮廓清晰，减少了目标提取步骤，跟踪定位速度快，计算精确度高，提高了预警效率和准确性。

Description

一种列车脱轨安全的监测预警方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种列车脱轨安全的监测预警方法，可以对列车可能发生的脱轨安全及时预判并发出警报。
背景技术
轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。车辆安全可靠地运送旅客和货物才是轨道交通的最终目的。随着轨道交通朝着高速化发展，并且在全国各地大面积普及，列车脱轨事故明显增多。列车脱轨事故一旦发生，不仅会对车辆、线路等资源造成极大的经济损失，还会对乘客的生命安全产生巨大的威胁。因此，保障高速列车运行安全性，对国民经济与社会发展都有不容忽视的意义。
与此同时，随着轨道交通安全监测技术的飞跃式发展，针对脱轨事故精准监测的需求越来越迫切。导致脱轨事故发生的原因有很多，包括自然灾害、异物侵限、轨道状态不良、轮轨匹配效果差和运行速度过高等，以致于有限的试验无法穷尽随机的脱轨因素。因此及时对车轮爬轨趋势进行预警，科学指导列车运行就显得尤为重要。
据相关了解，当前市场上存在的列车脱轨安全监测装置，常存在数据分析的误差及数据采集的迟滞，其安全性及可靠性较差。针对客运高速化、货运重载化、车辆自动化的轨道交通发展方向，脱轨监测系统必须保证其监测诊断的准确性及时效性，甚至要具备预警能力。从产品推广考虑，以往有的防脱轨装置选择安装于线路上，这种安装方式增大了工作人员维护与检修的工作量，同时增加了产品成本，不利于推广研发。因此在轨道交通车辆上加装合适的脱轨监测系统，可以有效地降低成本；从防脱轨算法考虑，相比于传统的轮重减载率、脱轨系数等指标，轮轨接触关系(车轮抬升量及轮轨相对横向位移)是评价列车脱轨更为直观而准确的依据。本产品直接选择轮轨相对横向位移进行脱轨安全等级评估，减少了计算的复杂性，提高了监测的准确性与时效性；从数据采集的准确性考虑，应采用精确度较高的激光设备反馈轮轨接触状态。此类脱轨监测系统可以成为列车运行安全性监测的发展方向。
综上所述，如何提供一种具备准确监控及预警能力的脱轨监测系统，成为亟须解决的问题。
发明内容
为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种列车脱轨安全的监测预警方法，其采用基于视觉行为的监测预警方法对轮轨接触区域的图片进行分析，和传统的基于位移传感器和振动加速度等检测到的车轮横向位移的间接计算方法相比，是一种观察车轮运动状态的更直接的方法。处理原始图片所采用的图像处理算法中，激光线定位准确，拍摄图片中轮轨接触轮廓清晰，与传统图像处理相比，优势在于减少了目标提取步骤，跟踪定位速度快，计算精确度高，直接呈现轮轨型面边缘，获得车轮名义滚动圆实际位置和钢轨轨顶中心线位置，提高了预警效率。在对列车脱轨安全进行评估时，基于轮轨接触几何关系综合考虑轮轨相对横向位移，划分脱轨安全等级，提高了脱轨安全性评定的准确性。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种列车脱轨安全的监测预警方法，其步骤包括：
S1，设备调节：两部激光仪的投射光线分别定位到轮轨接触区域的车轮踏面和钢轨轨头上，摄像仪拍摄轮轨接触区域；
S2，图片处理：对拍摄到的轮轨接触区域的原始图片通过图像处理算法分析激光射线照射下的目标轮廓特征，获取车轮和钢轨接触廓形，从而提取出车轮名义滚动圆位置和钢轨轨顶中心线；
S3，像素坐标系下的轮轨相对横向位移计算：在拍摄视觉平面内，对比像素坐标系下不同时刻的实际车轮名义滚动圆位置横坐标与钢轨轨顶中心线横坐标的差值以及像素坐标系下理想轮轨接触状态时理想车轮名义滚动圆位置横坐标与钢轨轨顶中心线横坐标的差值，计算出像素坐标系下的轮轨相对横向位移；
S4：世界坐标系下的轮轨相对横向位移：通过摄像仪标定得到像素坐标系向世界坐标系的转换关系，从而可以得到图像像素点对应的实际距离，找到世界坐标系下车轮名义滚动圆位置坐标与钢轨轨顶中心线坐标，计算得到世界坐标系下的轮轨相对横向位移；
S5：评定脱轨安全等级：基于轮轨接触几何关系实时监测计算世界坐标系下的轮轨相对横向位移，评定车辆运行过程中的脱轨安全等级。
根据本发明所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其进一步的优选技术方案是：步骤S2中所述的图像处理算法是通过识别激光特征提取车轮型面轮廓边缘曲线和钢轨型面轮廓边缘曲线，并获得车轮踏面和钢轨型面相关尺寸参数，从而直接在图像中提取激光条纹线段和钢轨轨顶中心线。
根据本发明所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其进一步的优选技术方案是：在步骤S3中，通过不同时刻实际车轮名义滚动圆位置
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
的横坐标和钢轨轨顶中心线
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
的横坐标的差值得到实际轮轨相对横向位移的数值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
；理想轮轨接触状态下理想车轮名义滚动圆位置
Figure 771267DEST_PATH_IMAGE001
的横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 360511DEST_PATH_IMAGE002
的横坐标的差值得到理想轮轨相对横向位移的数值为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；设爬轨侧车轮名义滚动圆位置与钢轨轨顶中心线共线状态为理想轮轨接触状态，设爬轨侧车轮型面的轮缘最低点与钢轨轨顶中心线共线状态为脱轨临界条件：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为像素坐标系下实际车轮名义滚动圆位置
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
的横坐标值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为像素坐标系下钢轨轨顶中心线
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
的横坐标值。
根据本发明所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其进一步的优选技术方案是：步骤S4中，找到世界坐标系下的车轮名义滚动圆位置坐标
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
与钢轨轨顶中心线坐标
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
，设
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
为世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 842046DEST_PATH_IMAGE010
的横坐标值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
为世界坐标系下钢轨轨顶中心线
Figure 643780DEST_PATH_IMAGE011
的横坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 59150DEST_PATH_IMAGE010
横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 616033DEST_PATH_IMAGE011
横坐标的差值；在世界坐标系下，设爬轨侧车轮名义滚动圆位置与钢轨轨顶中心线共线状态为理想轮轨接触状态，设爬轨侧车轮型面轮缘最低点与钢轨轨顶中心线共线状态为脱轨临界条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
根据本发明所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其进一步的优选技术方案是：世界坐标系下的轮轨相对横向位移数值范围为-38mm～0mm范围内为安全值，-54mm～-38mm范围内为预警值，小于-54mm为脱轨状态。
根据本发明所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其进一步的优选技术方案是：步骤S1中摄像仪对车轮与钢轨接触区域映射的激光射线同时进行拍摄捕捉。
根据本发明所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其进一步的优选技术方案是：在步骤S1中，两个激光仪以钢轨轨顶中心线为基准对称设置，并从钢轨两侧照射，两台激光仪照射的区域分别为车轮踏面及对应一侧的钢轨轨头
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：
1.本发明采用基于视觉行为的监测预警方法对轮轨接触区域的图片进行分析，和传统的基于位移传感器和振动加速度等检测到的车轮横向位移的间接计算方法相比，是一种观察车轮运动状态的更直接的方法。
2.处理原始图片所采用的图像处理算法中，激光线定位准确，拍摄图片中轮轨接触轮廓清晰，与传统图像处理相比，优势在于减少了目标提取步骤，跟踪定位速度快，计算精确度高，直接呈现轮轨型面边缘，获得车轮名义滚动圆实际位置和钢轨轨顶中心线位置，提高了预警效率。
3.在对列车脱轨安全进行评估时，基于轮轨接触几何关系综合考虑轮轨相对横向位移，划分脱轨安全等级，提高了脱轨安全性评定的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明一种列车脱轨安全的监测预警装置的结构示意图。
图2是本发明一种列车脱轨安全的监测预警装置的安装结构示意图。
图3是图2的正视图。
图4是本发明一种列车脱轨安全的监测预警装置的拍摄正面示意图。
图5是本发明一种列车脱轨安全的监测预警装置的拍摄侧面示意图。
图6是本发明一种列车脱轨安全的监测预警方法的计算流程图。
图7是本发明一种列车脱轨安全的监测预警方法轮轨型面尺寸图。
图8是本发明一种列车脱轨安全的监测预警方法的脱轨临界时刻的轮轨位置示意图。
图9是本发明一种列车脱轨安全的监测预警方法的理想轮轨接触状态的轮轨位置示意图。
图中标记分别为：1.构架、2.摄像仪、3.激光仪、4.固定支架、5.横梁、6.安装座、7.车轮、8.钢轨。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。
实施例：
如图1-5所示，一种列车脱轨安全的监测预警装置，其包括固定支架4、激光仪3、摄像仪2，固定支架4位于车轮7前进方向的一侧附近，固定支架4上内装有两部激光仪3，激光投射角度分别定位到车轮7与钢轨8接触型面，在固定支架4下部设置拉杆，在拉杆上安装摄像仪2，摄像仪2拍摄角度对准轮轨接触区域。
所述固定支架4通过安装座6安装在转向架的构架1横梁5上，在固定支架4和安装座6之间适应性设置连接杆和连接结构，保证安装的稳定性。
所述激光仪3、摄像仪2活动安装在固定支架4或拉杆上，使其能够实现一定程度上的转动，对于其照射或拍摄的位置进行一定的调整，此处的活动安装可以是可转动的安装，也可以是可调节的固定安装，只要保证可调整、调整完成后维持调整后的状态不变即可。
两个激光仪3以钢轨8轨顶中心线为基准对称设置，并从钢轨8两侧照射，两台激光仪３照射的区域分别为车轮踏面及对应一侧的钢轨轨头。
一种列车脱轨安全的监测预警方法，其步骤包括：
S1，设备调节：两部激光仪3的投射光线分别定位到轮轨接触区域的车轮踏面和钢轨轨头上，摄像仪2拍摄轮轨接触区域，两个激光仪3以钢轨8轨顶中心线并列对称设置，并从钢轨8两侧照射，两个激光仪3照射其对应侧轮轨接触区域的车轮踏面及钢轨轨头，摄像仪2对车轮7与钢轨8接触区域映射的激光射线同时进行拍摄捕捉，即摄像仪拍摄的画面中必须同时包含车轮7和钢轨8上的两条激光射线；
S2，图片处理：对拍摄到的轮轨接触区域的原始图片通过图像处理算法分析激光射线照射下的目标轮廓特征，获取车轮7和钢轨8接触廓形，从而找出车轮名义滚动圆坐标和钢轨8轨顶中心线；
S3，像素坐标系下的轮轨相对横向位移计算：在拍摄视觉平面内，对比像素坐标系下不同时刻的实际车轮名义滚动圆位置横坐标与钢轨轨顶中心线横坐标的差值以及像素坐标系下理想轮轨接触状态时理想车轮名义滚动圆位置横坐标与钢轨轨顶中心线横坐标的差值，计算出像素坐标系下的轮轨相对横向位移；
S4：世界坐标系下的轮轨相对横向位移：通过摄像仪标定得到像素坐标系向世界坐标系的转换关系，从而可以得到图像像素点对应的实际距离，找到世界坐标系下车轮名义滚动圆位置坐标与钢轨轨顶中心线坐标，计算得到世界坐标系下的轮轨相对横向位移；
S5：评定脱轨安全等级：基于轮轨接触几何关系实时监测计算世界坐标系下的轮轨相对横向位移，评定车辆运行过程中的脱轨安全等级。
步骤S2中所述的图像处理算法是通过识别激光特征提取车轮型面轮廓边缘曲线和钢轨型面轮廓边缘曲线，并获得车轮踏面和钢轨型面相关尺寸参数，从而直接在图像中提取激光条纹线段和钢轨轨顶中心线。
图7是本发明的脱轨临界条件时的详细的标注数据的图，由此图中本实施例的单个型号钢轨可以推导得出适用于其他型号的钢轨的通用公式，图7中，车轮名义滚动圆位置，也为踏面基准点位置，距离轮背70mm；轮缘高度27mm，即轮缘顶点相对于踏面基准点的高度；车轮名义滚动圆位置到轮缘顶点的距离为54mm，即文中负值区域的危险接触区与脱轨区的分界值；轮缘与踏面之间有一段过渡圆弧，作轮缘顶部以上15mm处的水平线，水平线与过渡圆弧相交点到名义滚动圆的距离为38mm，即文中负值区域的安全接触区与危险接触区的分界值；名义滚动圆位置到轮背倒角起点的距离57mm，即文中正值区域的安全接触区与危险接触区的分界值。其次考虑轮背处倒角对危险接触区尺寸影响，正值区域的危险接触区与脱轨区分界值取60mm。上述数值作为运算的具体数值以及本型号钢轨的轮对脱轨安全等级评估数据依据。
如图8图9所示，在步骤S3中，首先是在像素坐标系下，通过不同时刻实际车轮名义滚动圆位置
Figure 758433DEST_PATH_IMAGE007
横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 895016DEST_PATH_IMAGE009
横坐标的差值得到实际轮轨相对横向位移的数值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。理想轮轨接触状态下理想车轮名义滚动圆位置
Figure 173682DEST_PATH_IMAGE007
的横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 101799DEST_PATH_IMAGE009
的横坐标的差值得到理想轮轨相对横向位移的数值为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。在像素坐标系下，设爬轨侧车轮名义滚动圆位置与钢轨轨顶中心线共线状态为理想轮轨接触状态，设爬轨侧车轮型面的轮缘最低点与钢轨轨顶中心线共线状态为脱轨临界条件：
Figure 528232DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 937348DEST_PATH_IMAGE006
为像素坐标系下实际车轮名义滚动圆位置
Figure 398416DEST_PATH_IMAGE007
的横坐标值，
Figure 562682DEST_PATH_IMAGE008
为像素坐标系下钢轨轨顶中心线
Figure 741990DEST_PATH_IMAGE009
的横坐标值。
通过摄像仪标定得到像素坐标系向世界坐标系的转换关系，从而可以得到图像像素点对应的实际距离，找到世界坐标系下的车轮名义滚动圆位置
Figure DEST_PATH_IMAGE018
与钢轨轨顶中心线
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，设
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 301934DEST_PATH_IMAGE018
横坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为世界坐标系下钢轨轨顶中心线
Figure 555192DEST_PATH_IMAGE019
的横坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
是在世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 765725DEST_PATH_IMAGE018
横坐标和钢轨轨顶中心线
Figure 229067DEST_PATH_IMAGE019
横坐标的差值，即世界坐标系下的轮轨相对横向位移。在世界坐标系下，设爬轨侧车轮名义滚动圆位置与钢轨轨顶中心线共线状态为理想轮轨接触状态，设爬轨侧车轮型面轮缘最低点与钢轨轨顶中心线共线状态为脱轨临界条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
基于轮轨接触几何关系综合考虑世界坐标系下的轮轨相对横向位移，由轮轨接触关系如图7所示，对其中一侧轮轨，
Figure 917669DEST_PATH_IMAGE014
在-54mm～-38mm为危险接触区，
Figure 150067DEST_PATH_IMAGE014
在-38mm～57mm为安全接触区，
Figure 856467DEST_PATH_IMAGE014
在57mm～60mm为危险接触区，
Figure 479209DEST_PATH_IMAGE014
＜-54mm或
Figure 299398DEST_PATH_IMAGE014
＞60mm为脱轨区（下文中将正值范围称作正值区域，负值范围称为负值区域）。由于负值区域的安全接触区[-38mm,0mm]的长度范围小于正值区域对应的安全接触区[0mm,57mm]的长度范围，而负值区域的危险接触区[-54mm,-38mm]的长度范围大于正值区域对应的危险接触区[57mm,60mmm]的长度范围，且负值区域的脱轨区临界值-54mm的绝对值小于正值区域的脱轨区临界值60mm的绝对值，即负值区域的轮轨接触安全性较正值区域安全性低，负值区域轮轨接触更容易达到脱轨临界值。为保证左右两侧轮轨相对横向位移均不得大于临界脱轨位移，故轮对脱轨安全等级以负值区域进行划分。根据计算结果，世界坐标系下轮轨相对横向位移
Figure 589565DEST_PATH_IMAGE014
数值范围为-38mm～0mm范围内为安全值，-54mm～-38mm范围内为预警值，小于-54mm为脱轨状态。
如图1-5所示的本发明所构建的拍摄示意图、装置应用图和装置模型图，图6所示的为计算流程图，现通过在工程中的实际应用，将本方法的具体步骤进行展示：
Figure 469796DEST_PATH_IMAGE009
为像素坐标系下的钢轨8轨顶中心线坐标（同时也是理想轮轨接触状态下车轮名义滚动圆位置坐标），
Figure 642152DEST_PATH_IMAGE007
为像素坐标系下不同时刻实际车轮名义滚动圆位置的坐标。首先通过摄像仪2对高速运动下的轮轨接触区域进行拍摄，捕捉到两部激光仪3定位到轮轨接触区域的车轮踏面和钢轨轨头上的激光射线，从而区分目标画面和背景画面，再通过图像处理算法获取车轮7型面轮廓边缘曲线和钢轨8型面轮廓边缘曲线，从而进一步寻找不同时刻下的实际车轮名义滚动圆位置
Figure 452DEST_PATH_IMAGE007
和钢轨8轨顶中心线
Figure 410705DEST_PATH_IMAGE009
。
如图1-5所示的本发明所构建的拍摄示意图、装置应用图和装置模型图，图6所示的为计算流程图，现通过在工程中的实际应用，将本方法的具体步骤进行展示：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为钢轨8轨顶中心线坐标（同时也是理想轮轨接触状态下车轮名义滚动圆位置坐标），
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为车轮名义滚动圆实际坐标。首先通过摄像仪2对高速运动下的轮轨接触区域进行拍摄，捕捉到两部激光仪3定位到轮轨接触区域的车轮踏面和钢轨轨头上的激光射线，从而区分目标画面和背景画面，再通过图像处理算法获取车轮7型面轮廓边缘曲线和钢轨8型面轮廓边缘曲线，从而进一步寻找车轮名义滚动圆实际坐标B2和钢轨8轨顶中心线B1之间的距离。
如图7所示，像素坐标系下通过不同时刻实际车轮名义滚动圆位置
Figure 86273DEST_PATH_IMAGE001
的横坐标和钢轨轨顶中心线
Figure 745924DEST_PATH_IMAGE002
的横坐标差值得到轮轨相对横向位移的数值
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。理想轮轨接触状态下车轮名义滚动圆位置
Figure 580019DEST_PATH_IMAGE001
横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 375937DEST_PATH_IMAGE002
横坐标的差值表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
。由摄像仪标定得到像素坐标系向世界坐标系的转换关系，从而可以得到图像像素点对应的实际距离，找到世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 270074DEST_PATH_IMAGE010
与钢轨轨顶中心线
Figure 417022DEST_PATH_IMAGE011
，设
Figure 379774DEST_PATH_IMAGE012
为世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 499040DEST_PATH_IMAGE010
横坐标值，
Figure 360817DEST_PATH_IMAGE013
为世界坐标系下钢轨轨顶中心线
Figure 198323DEST_PATH_IMAGE011
横坐标值，理想轮轨接触状态下车轮名义滚动圆位置
Figure 702116DEST_PATH_IMAGE010
横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 738206DEST_PATH_IMAGE011
横坐标的差值表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
,脱轨临界条件下车轮名义滚动圆位置
Figure 708567DEST_PATH_IMAGE010
横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 830107DEST_PATH_IMAGE011
横坐标的差值表示为
Figure 140521DEST_PATH_IMAGE014
=-54mm。在世界坐标系下，设爬轨侧实际车轮名义滚动圆位置与钢轨轨顶中心线共线状态为理想轮轨接触状态，设爬轨侧车轮型面轮缘最低点与钢轨轨顶中心线共线状态为脱轨临界条件。根据
Figure DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 640903DEST_PATH_IMAGE014
评定脱轨安全系数级。轮对脱轨安全等级评估表如表1所示。
表1 轮对脱轨安全等级评估表
安全等级
Figure DEST_PATH_IMAGE030
数值范围/mm
安全 -38～0
预警 -54～-38
脱轨 ＜-54
术语解释：摄像仪标定得到像素坐标系向世界坐标系的转换关系的原理是通过小孔成像模型，来解算几个坐标系之间的关系，包括相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系和世界坐标系之间的运算，步骤为：世界坐标系与相机坐标系转换-相机坐标系与图像坐标系之间的转换-图像坐标系和像素坐标系之间的转换-像素坐标系与世界坐标系转换，其属于现有技术，相关文献网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/377837645；摄像机标定是为了获得摄像机的内参与外参，是像素坐标系和世界坐标系转换中要应用的基础参数，张正友标定法因精度较高、便于操作，被广泛应用于计算机视觉领域，属于现有技术，相关参考文献：GB/T 7714李涛涛,何宇.最小二乘法在张正友标定法中的应用[J].信息与电脑，2015(12):99-100.
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种列车脱轨安全的监测预警方法，其特征在于，其步骤包括：
S1，设备调节：两部激光仪的投射光线分别定位到轮轨接触区域的车轮踏面和钢轨轨头上，摄像仪拍摄轮轨接触区域；
S2，图片处理：对拍摄到的轮轨接触区域的原始图片通过图像处理算法分析激光射线照射下的目标轮廓特征，获取车轮和钢轨接触廓形，从而提取出车轮名义滚动圆位置和钢轨轨顶中心线；
S3，像素坐标系下的轮轨相对横向位移计算：在拍摄视觉平面内，对比像素坐标系下不同时刻的实际车轮名义滚动圆位置横坐标与钢轨轨顶中心线横坐标的差值以及像素坐标系下理想轮轨接触状态时理想车轮名义滚动圆位置横坐标与钢轨轨顶中心线横坐标的差值，计算出像素坐标系下的轮轨相对横向位移；
S4：世界坐标系下的轮轨相对横向位移：通过摄像仪标定得到像素坐标系向世界坐标系的转换关系，从而可以得到图像像素点对应的实际距离，找到世界坐标系下车轮名义滚动圆位置坐标与钢轨轨顶中心线坐标，计算得到世界坐标系下的轮轨相对横向位移；
S5：评定脱轨安全等级：基于轮轨接触几何关系实时监测计算世界坐标系下的轮轨相对横向位移，评定车辆运行过程中的脱轨安全等级。
2.根据权利要求1所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其特征在于，步骤S2中所述的图像处理算法是通过识别激光特征提取车轮型面轮廓边缘曲线和钢轨型面轮廓边缘曲线，并获得车轮踏面和钢轨型面相关尺寸参数，从而直接在图像中提取激光条纹线段和钢轨轨顶中心线。
3.根据权利要求1所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其特征在于，在步骤S3中，通过不同时刻实际车轮名义滚动圆位置
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的横坐标和钢轨轨顶中心线
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的横坐标的差值得到实际轮轨相对横向位移的数值
Figure DEST_PATH_IMAGE003
； 理想轮轨接触状态下理想车轮名义滚动圆位置
Figure 189343DEST_PATH_IMAGE001
的横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 312675DEST_PATH_IMAGE002
的横坐标的差值得到理想轮轨相对横向位移的数值为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；设爬轨侧车轮名义滚动圆位置与钢轨轨顶中心线共线状态为理想轮轨接触状态，设爬轨侧车轮型面的轮缘最低点与钢轨轨顶中心线共线状态为脱轨临界条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为像素坐标系下实际车轮名义滚动圆位置
Figure 374303DEST_PATH_IMAGE001
的横坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为像素坐标系下钢轨轨顶中心线
Figure 379299DEST_PATH_IMAGE002
的横坐标值。
4.根据权利要求1所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其特征在于，步骤S4中，找到世界坐标系下的车轮名义滚动圆位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE008
与钢轨轨顶中心线坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，设
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 472633DEST_PATH_IMAGE008
的横坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为世界坐标系下钢轨轨顶中心线
Figure 967199DEST_PATH_IMAGE009
的横坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为世界坐标系下车轮名义滚动圆位置
Figure 844019DEST_PATH_IMAGE008
横坐标与钢轨轨顶中心线
Figure 980603DEST_PATH_IMAGE009
横坐标的差值；在世界坐标系下，设爬轨侧车轮名义滚动圆位置与钢轨轨顶中心线共线状态为理想轮轨接触状态，设爬轨侧车轮型面轮缘最低点与钢轨轨顶中心线共线状态为脱轨临界条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
5.根据权利要求1或4所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其特征在于，世界坐标系下的轮轨相对横向位移数值范围为-38mm～0mm范围内为安全值，-54mm～-38mm范围内为预警值，小于-54mm为脱轨状态。
6.根据权利要求1所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其特征在于，步骤S1中摄像仪对车轮与钢轨接触区域映射的激光射线同时进行拍摄捕捉。
7.根据权利要求1所述的一种列车脱轨安全的监测预警方法，其特征在于，在步骤S1中，两个激光仪以钢轨轨顶中心线为基准对称设置，并从钢轨两侧照射，两台激光仪照射的区域分别为车轮踏面及对应一侧的钢轨轨头。
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