ES2333779T3 - Detector de deslizamiento de ruedas automatizados. - Google Patents

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Abstract

Un sistema de detección de deslizamiento de ruedas, que incluye: medios de captura de imágenes (3) para capturar una imagen de una rueda (16); y medios de procesamiento (9) para recibir dicha imagen capturada, identificar dicha rueda (16) y analizar la situación relativa de dicha rueda para determinar si dicha rueda gira total o parcialmente o no gira, caracterizado porque: dichos medios de procesamiento (9) están configurados para determinar si dicha rueda gira parcial o totalmente comparando el grado de giro con un giro esperado de dicha rueda (16).

Description

Detector de deslizamiento de ruedas automatizado.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema que puede detectar cuándo una o más ruedas de un tren no giran o giran parcialmente.
Antecedentes de la invención
Un problema conocido con los trenes, que puede conducir a resultados desastrosos, es que, en ocasiones, mientras el tren se desplaza, una o más ruedas del tren no giran o giran sólo parcialmente. Esto suele ocurrir cuando se aplica el freno. Cuando el tren se desplaza, la rueda que no gira o que resbala se desliza a lo largo del raíl, lo que, en circunstancias graves, puede conducir al descarrilamiento del tren.
Los frenos pueden ser aplicados debido a un error humano, por ejemplo, los frenos pueden ser dejados accidentalmente por el operador. Esto sucede más frecuentemente con los frenos de mano, en cuyo caso algunas ruedas pueden tener un freno aplicado y bloqueado, mientras que otras ruedas giran libremente. La falta de giro de las ruedas puede ser originada también por fallo mecánico, por ejemplo, fallo de los frenos neumáticos, o por pandeo del cojinete que impide que la rueda gire. En cualquier caso, los fallos afectarían a grupos de ruedas o coches individuales, y ha de hacerse observar que en trenes largos esto no afecta a la posibilidad de que el tren se desplace. La razón de la falta de giro o de falta de giro parcial puede ser variada, y lo que es importante es la detección de la falta de giro o la falta de giro parcial.
Si una rueda no gira, de suerte que la rueda se desliza sobre el raíl en lugar de rodar a lo largo del mismo, la rueda que resbala puede desarrollar un punto plano. La fricción entre la rueda que no gira y el raíl puede hacer que la rueda se recaliente. Esto, a su vez, puede hacer que la rueda se fracture y que pueda desprenderse una parte de la rueda. En tales casos, el eje de la rueda fracturada puede ser desalojado, dañado, o fracturado, conduciendo a descarrilamiento.
Un vehículo descarrilado puede dañar la infraestructura y el material rodante y suponer también un peligro para la seguridad de los trabajadores ferroviarios y el público. Las ruedas que no giran pueden plantear también otros problemas menos catastróficos. Por ejemplo, la cabeza del raíl puede ser dañada, o el equipo de frenado puede ser dañado si la falta de rotación o la rotación parcial hace que la rueda se aplane, lo que a su vez puede dañar las zapatas de los frenos.
Con el fin de protegerse contra la falta de giro o la falta de giro parcial de las ruedas del tren, actualmente es necesario que el examinador de trenes esté situado cerca del tren cuando éste se desplaza y que el examinador de trenes realice una comprobación visual de las ruedas.
Esto puede llamarse inspección de rodadura. Es vital que las ruedas que no giran sean detectadas durante el tiempo de inspección, ya que éste es el único momento en que pueden ser comprobadas. Sin embargo, este método no es satisfactorio, ya que un examinador de trenes a menudo no detecta una rueda que no gira. Esta solución es también propensa a error humano, sea por descuido, cansancio, mala visibilidad, aburrimiento o cualquiera otra razón.
Mair C y otros, "Practice and Potentail of Computer Vision for Railways" (Práctica y Potencial de Visión por Ordenador para Ferrocarriles) vigilancia de condiciones para transporte por ferrocarril seminario IEEE 10 de noviembre de 1998, páginas 10-1 a 10-3, mencionan un sistema de inspección de trenes que incluye detección de ruedas bloqueadas en relación con una aplicación de visión por ordenador.
El documento US3110463 describe una vía férrea que tiene una sección de raíl flotante, que puede moverse longitudinalmente para detectar una rueda bloqueada de un tren.
Objeto de la invención
Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema mejorado para la detección de ruedas de un tren que no giran o ruedas que giran parcialmente, que no es propenso a errores humanos.
Sumario de la invención
Teniendo en consideración el anterior objeto, la presente invención proporciona en un aspecto un sistema de detección de deslizamiento de ruedas que incluye: medios de captura de imágenes para capturar una imagen de una rueda; y medios de procesamiento para recibir la imagen capturada, identificar la rueda y analizar la situación relativa de la rueda para determinar si la rueda gira; el grado de giro determinado por dichos medios de procesamiento es comparado con el giro esperado de dicha rueda para determinar si dicha rueda gira de manera parcial o total.
Preferiblemente, se incluirá una pluralidad de medios de captura de imágenes, y también se capturará una pluralidad de imágenes para permitir la comparación relativa entre cada una de las imágenes.
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En disposiciones preferidas, el sistema incluiría también medios disparadores para activar el sistema cuando se aproxima un vehículo, por ejemplo, interruptores y/o impulsos electrónicos generados por microprocesador, y también medios de iluminación para ayudar a capturar imágenes.
En otras disposiciones preferidas, los medios de captura de imágenes utilizan una técnica de obturador lento o de lapso de tiempo, y, por tanto, a partir de una sola imagen puede determinarse con ventaja el giro, el giro parcial o la falta de giro de la rueda.
El sistema también puede calcular el diámetro de la rueda para ayudar a determinar si tiene lugar giro parcial de la rueda.
Breve descripción de los dibujos
Resultará procedente describir con más detalle la invención haciendo referencia a los dibujos que se acompañan que ilustran posibles realizaciones de la invención. Son posibles otras realizaciones de la invención y, por consiguiente, no ha de entenderse que la particularidad de los dibujos que se acompañan rebase la generalidad de la descripción precedente de la invención.
La figura 1 muestra la disposición básica de la presente invención.
La figura 2 muestra una posible disposición de proceso de la presente invención.
La figura 3 muestra un ejemplo para determinar el giro de las ruedas.
Descripción detallada de la invención
El sistema de la presente invención ha sido adaptado para detectar la falta de giro o la falta de giro parcial de cualquiera de las ruedas de un tren en movimiento. Como el sistema está diseñado para ser automatizado, puede colocarse en cualquier punto de una vía. En la disposición preferida, el sistema puede incluir al menos unos medios de activación o disparador. Estos medios de activación pueden adoptar la forma de interruptores de proximidad, láseres, sensores ópticos o similares, adaptados para localizar el tren o las ruedas en movimiento. En una disposición sencilla, el disparador puede ser simplemente un interruptor colocado en la vía que es activado por el paso del tren. La activación del disparador comunica al sistema que se aproxima un tren y que debería comenzar la captura de imágenes.
La configuración usual de un tren es que las ruedas vengan en un grupo de ruedas, de tal manera que cada grupo consta de dos ruedas, conectadas con un eje permanentemente fijo. La mayoría de los grupos de ruedas están diseñados para asegurar que ambas ruedas giren al mismo tiempo y a la misma velocidad. Si una rueda de un lado del grupo de ruedas, es decir, un lado del tren, no gira, entonces la otra rueda del grupo de ruedas tampoco gira. Por consiguiente, sólo es necesario que el sistema de la presente invención sea colocado en un lado de la vía si el grupo de ruedas está diseñado con un eje fijo que no gira. Sin embargo, en algunas circunstancias, puede ser deseable colocar el sistema en ambos lados de la vía. Esto permitiría que el sistema comprobara los resultados de un lado frente a los del otro lado, o alternativamente permitiera incorporar redundancia en el caso de paradas o reparaciones. Esto también haría posible que el sistema comprobara las ruedas que no giran o las que giran parcialmente si el grupo de ruedas estuviera diseñado de tal manera que las ruedas del grupo de ruedas no giraran al mismo tiempo.
En disposiciones preferidas, el sistema puede dirigirse al análisis de una sola imagen tomada por una sola cámara usando una técnica de lapso de tiempo o de obturador lento, mediante la cual el obturador de la cámara se abriera durante un período prolongado de tiempo de manera que la trayectoria del indicador o componente fuera visible en la única imagen. La trayectoria de la característica, indicador o componente se verá en forma de una sola línea recta si la rueda no gira. En el caso de una imagen de lapso de tiempo, la cámara comienza a tomar la imagen tan pronto como los medios disparadores son activados. El obturador de la cámara permanece abierto hasta que la rueda recorre una distancia suficiente para hacer posible que la cámara capture la trayectoria del indicador previsto en la rueda en una sola imagen. La longitud de la trayectoria en la imagen tiene que ser mayor que la longitud del objeto que es seguido, siendo el objeto el indicador, componente o característica previstos en la rueda. El obturador de la cámara se cierra luego y puede comenzar a tomar una imagen de la siguiente rueda. La imagen de la rueda anterior es analizada después usando nitidez del contorno u otras técnicas para determinar si la trayectoria indica una rueda que no gira (es decir, si la trayectoria es una línea relativamente recta en el plano horizontal).
Alternativamente, el sistema incluye una pluralidad de medios de captura de imágenes tal como una cámara digital. Estas cámaras están diseñadas para capturar imágenes de las ruedas de los trenes y pueden estar equipadas con mecanismos automáticos de control de iris, si se requieren, para controlar la calidad de las imágenes, dependiendo de las condiciones de alumbrado. Idealmente, la cámara deberá estar calibrada para conseguir mediciones de alta exactitud. Las imágenes capturadas por las cámaras serán pasadas luego a la unidad de procesamiento para análisis.
Dependiendo de la situación del sistema, puede ser preferible incluir un sistema de alumbrado. Idealmente, este sistema de alumbrado sería activado también al mismo tiempo que un tren que llegara activara un disparador, o al mismo tiempo que la imagen fuera tomada por la cámara. El número y situación requeridos de las luces puede depender de la luz natural del ambiente, y, en una disposición preferida, la unidad de procesamiento determinará el alumbrado requerido basándose en la luz actual del ambiente y luego iluminará el número necesario de luces.
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La unidad de procesamiento recibe las imágenes capturadas desde las cámaras y determina si las ruedas giran. La cámara toma una imagen de cada rueda de manera precisa usando disparadores activados por sensor o activados por microprocesador. Se toma una pluralidad de imágenes consecutivas de la misma rueda. Las imágenes son tomadas por una o más cámaras. El procesamiento de imágenes de vídeo establece el centro de la rueda detectando los bordes de la rueda y estableciendo la dimensión de la rueda. Este paso es importante ya que proporciona la referencia mediante la cual es detectado el giro, la falta de giro, o el giro parcial de la rueda. El algoritmo de procesamiento de imágenes de vídeo elige una característica o indicador particular visible o electrónicamente codificado en cada rueda como referencia para establecer giro. La característica o indicador están programados en el algoritmo de procesamiento de imágenes. El algoritmo de procesamiento de imágenes compara la situación de la característica o indicador en imágenes consecutivas de la misma rueda. El sistema puede determinar entonces el giro de una rueda calculando el ángulo de giro de la rueda. En una configuración básica, el sistema simplemente puede determinar si ha habido cualquier movimiento de la rueda, contrario a la determinación del ángulo de giro. Sin embargo, en tal disposición el sistema no podría determinar si estaba presente giro parcial o giro total.
La pluralidad de cámaras puede ser usada para tomar una pluralidad de imágenes de cada rueda cuando el tren pase. En una disposición alternativa, en algunas circunstancias puede resultar posible usar una sola cámara para capturar imágenes consecutivas de la rueda de tal manera que todavía podría mostrar cualquier movimiento relativo de la
rueda.
El sistema puede analizar las imágenes capturadas usando software de procesamiento de imágenes tal como MATLAB pata determinar si una rueda gira hallando la situación de una característica o un indicador fijos visuales o electrónicos en la rueda y calculando luego el ángulo de giro de la rueda siguiendo la trayectoria de desplazamiento de esta característica o indicador. El sistema puede estar adaptado para analizar un componente distintivo en la rueda, tal como un tornillo, o puede estar adaptado para localizar y seguir una característica o indicador especialmente aplicados añadidos a la rueda. La característica o indicador podrían ser de cualquier tamaño, configuración, color o diseño, y pueden ser también mecánicos o electrónicos. Lo que se requiere es que el componente, característica, o indicador, ya sean como una parte de la rueda o sean añadidos a la rueda, puedan ser detectados y seguidos por el sistema.
La detección satisfactoria de que las ruedas no giran o giran parcialmente depende de la identificación del centro de la rueda, lo que puede deducirse analizando la imagen. El centro de la rueda puede deducirse mediante algoritmos de detección de borde que hallan los bordes externos de la rueda o de cualquier otro componente redondo de la rueda, tal como un capuchón extremo, o hallando el grupo de pernos con capuchón extremo de manera que cada perno esté situado a igual distancia del centro de la rueda. En ciertas circunstancias pueden usarse otras características o componentes de la rueda para establecer la situación del centro de la rueda. Además, han de identificarse los indicadores o características permanentes. Se toman al menos dos imágenes de cada rueda, ya que se requieren al menos dos imágenes para detección. La primera imagen mostrará la situación del centro de la rueda y los indicadores, o cualesquiera otras características distintivas, previstos en la rueda. La segunda imagen mostrará entonces la situación del centro de la rueda y los indicadores. Si la rueda está girando, la situación de los indicadores en las imágenes primera y segunda será diferente.
Por ejemplo, si consideramos un ejemplo en que se usan pernos con capuchón extremo, que son características distintivas en la rueda como se muestra en la figura 3, podemos comprobar la rotación. Los pernos con capuchón extremo 18 están fijados al eje 19 y son visibles desde cualquier lado del tren. Los pernos 18 están fijados en una disposición circular alrededor del centro 20 de la rueda 16 usualmente con una separación de 120º en el caso de 3 pernos con capuchón extremo. La cámara toma dos imágenes A, B en un período conocido de tiempo. La primera imagen A se usa para localizar el centro 20 de la rueda 16 y la situación inicial de los pernos con capuchón extremo 18. La segunda imagen B se usa para hallar la situación del centro 20 de la rueda 16 y los pernos 18 después de un período conocido de tiempo. En este ejemplo, la segunda imagen B se toma en el momento en que los pernos 18 se desplazan menos de 120º, de manera que un perno no queda encima de otro perno en una segunda imagen. Cada perno puede ser identificado por su característica peculiar, tal como su forma y tamaño. Sin embargo, no hay necesidad de identificar cada perno si el recorrido es de menos de 120º, ya que esto quiere decir que un perno no está encima de ningún otro perno en la imagen subsiguiente. Comparando la situación de los pernos en las imágenes primera y segunda, puede establecerse el ángulo de giro de los pernos en este ejemplo. Este ángulo de giro se compara con el ángulo de giro esperado, suponiendo que se puede de determinar el radio R de la rueda. El radio se determina hallando el centro de cada rueda y poniéndolo en relación con la parte superior del raíl. El ángulo de giro esperado puede determinarse usando la siguiente ecuación:
Ángulo de giro de rueda = (D/R) x (360/2x\Pi)
En que
D = Distancia recorrida por la rueda
R = Radio (de la rueda)
\Pi = 3,14159 (constante matemática).
El ángulo real de giro puede compararse con el ángulo de giro esperado. Si el ángulo real es menor que el ángulo esperado, entonces la rueda no está girando o está girando sólo parcialmente.
En la disposición preferida, el sistema usa el radio de la rueda para calcular el giro anticipado de los componentes, características o indicadores fijos y compararlo con el giro real. De este modo, el sistema puede detectar giro parcial. Aunque el giro parcial puede no ser un problema importante en función de la seguridad del tren, tiene repercusiones en términos de costes de mantenimiento y sustitución de componentes tales como pastillas de freno. El giro parcial también puede dañar las ruedas.
Si se detectara que una rueda no girara o girara parcialmente, el sistema avisaría al operador a este efecto. El aviso puede ser enviado por radio o cualquiera otro tipo disponible de transmisión al conductor del tren o a cualquiera otra persona responsable. El medio preferido para avisar al conductor del tren consiste en el envío de un mensaje de aviso por radio, ya que éste es el más inmediato. Como alternativa, o concurrentemente, puede enviarse también un mensaje de aviso al control del tren. Se considera que este aviso será enviado también por radio o LAN, aunque puede utilizarse cualquiera otro método de comunicación. Dependiendo de las disposiciones con que se cuente en el lugar, el mensaje de aviso puede ser enviado también por cualesquiera medios de comunicación a un ordenador, teléfono o a cualquiera otra persona receptora o dispositivo.
El sistema puede ser configurado usando una combinación de hardware y software como se muestra en las figuras 1 y 2. Uno o más medios de disparo 5, 6 pueden estar situados junto a la vía 1, junto con cámaras 3 y luces 4. Los datos provenientes de estos dispositivos pueden ser transferidos a una unidad de procesamiento o principal 7 que puede estar situada junto a la vía 1 o en un lugar alejado de la vía. La unidad principal 7 estaría configurada para vigilar los dispositivos de disparo 5, 6 situados junto a la vía 1. Cuando los medios de disparo 5, 6 sean activados, es enviada una señal a la unidad principal 7 que entonces activa el alumbrado 4, si es necesario, y prepara las cámaras 3 para capturar las imágenes.
Los datos procedentes de las cámaras 3 serán pasados luego a la unidad principal 7 junto con cualesquiera referencias procedentes de los dispositivos de disparo 5, 6 o cualesquiera otros dispositivos que puedan usarse para poner en relación las imágenes. De manera similar, las imágenes capturadas son analizadas y comparadas para determinar si la rueda está girando.
Si el sistema detecta que la rueda está girando, entonces se considera la siguiente rueda o eje. Si el sistema determina que la rueda no está girando, o en algunas circunstancias sólo gira parcialmente, entonces puede hacerse sonar una alarma o dar la alerta.
Idealmente, cuando se detecta que una rueda no gira o gira parcialmente, el sistema identificará qué rueda no gira o gira parcialmente y enviará esta información a las personas receptoras deseadas. El sistema comprobaría también la siguiente rueda.
El software que controla el sistema puede estar instalado en la unidad principal 7. La unidad principal 7 puede incluir una unidad de procesamiento central, un procesador de señales digitales, tarjetas de captura de vídeo, software de control de disparador, y software de procesamiento de imágenes.
Al tener lugar el arranque o el siguiente procesamiento de una rueda anterior, la unidad principal 7 reajusta las variables del sistema y espera a que el disparador sea activado 8. Si el disparador 5, 6 es activado, se envía una señal a la unidad principal 7, la unidad principal 7 activa entonces la unidad de procesamiento 9 y, cuando resulte necesario, conecta el alumbrado 4 y los medios de captura de datos 2, 3.
El sistema captura entonces 10 los datos de video con referencia a los disparadores. La unidad principal 7 analiza entonces 11 estos datos comparándolos con los resultados esperados para determinar si la rueda está girando 12. Si la rueda está girando, entonces el sistema considera el siguiente eje 13 y repite el proceso de capturar la imagen 10 y analizar los datos 11. Si la rueda no gira o gira parcialmente, entonces se transmite 14 una alarma antes de que el sistema considere luego la siguiente rueda 15. Una vez que todas las ruedas han sido analizadas, el sistema puede entonces hacer un nuevo ajuste y esperar otro disparador.
La presente invención describe un sistema automatizado de detección de deslizamiento de ruedas. Este sistema incluye hardware y software informáticos que pueden ser instalados en cualquier lugar cerca de la vía, y usa estimación por imágenes para detectar si una rueda está girando.
Tan pronto como se detecta que una rueda no gira o que gira parcialmente, el sistema da preferiblemente un aviso (audible y/o visual) y puede enviar un mensaje de aviso a una persona receptora (por ejemplo, al conductor de tren o al controlador de tren). Este mensaje puede ser enviado por cualesquiera medios convenientes (tales como radio, SMS, Internet). El sistema identifica idealmente la situación de la rueda que se desliza por la referencia al eje o al vehículo. El tren puede ser detenido entonces, y el operador ferroviario puede ejecutar la acción apropiada.
El sistema de detección de deslizamiento de ruedas puede ser totalmente automático y permitir que cada rueda que pase sea comprobada. Como resultado, las ruedas que no giren y puedan causar un accidente son marcadas tan pronto como han pasado el detector de deslizamiento de ruedas y se da un aviso a una persona receptora adecuada. Debido a la característica de automatización del sistema, puede instalarse en cualquier lugar a lo largo de la vía. La automatización hace también que sea más fiable y compatible que emplear un examinador humano de trenes.
Aunque el sistema de la presente invención se ha resumido y explicado, las personas versadas en la técnica apreciarán que muchas realizaciones y aplicaciones ampliamente variables caen dentro de la enseñanza y alcance de la presente invención, y que los ejemplos presentados aquí son a título de ilustración solamente y no deberán interpretarse como limitativos del alcance de esta invención.

Claims (17)

1. Un sistema de detección de deslizamiento de ruedas, que incluye:
medios de captura de imágenes (3) para capturar una imagen de una rueda (16); y
medios de procesamiento (9) para recibir dicha imagen capturada, identificar dicha rueda (16) y analizar la situación relativa de dicha rueda para determinar si dicha rueda gira total o parcialmente o no gira,
caracterizado porque:
dichos medios de procesamiento (9) están configurados para determinar si dicha rueda gira parcial o totalmente comparando el grado de giro con un giro esperado de dicha rueda (16).
2. Un sistema según la reivindicación 1, en el que se incluye una pluralidad de medios de captura de imágenes (3).
3. Un sistema según la reivindicación 1 ó 2, en el que dichos medios de captura de imágenes (3) capturan una pluralidad de imágenes para permitir una comparación relativa entre cada una de dichas imágenes.
4. Un sistema según la reivindicación 3, en el que la comparación es realizada entre imágenes capturadas consecutivas.
5. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye además medios de disparo (5, 6) para activar dichos medios de captura de imágenes.
6. Un sistema según la reivindicación 5, en el que dichos medios de disparo (5, 6) son un interruptor o un impulso electrónico generado por un microprocesador.
7. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye además al menos unos medios de disparo adicionales para proporcionar al menos un punto de referencia para dichos medios de procesamiento.
8. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada uno de dichos medios de captura de imágenes (3) es una cámara.
9. Un sistema según la reivindicación 8, en el que dicha cámara (3) incluye mecanismos automáticos de control de iris adaptados para ajustarse a condiciones de alumbrado variables.
10. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye además medios de alumbrado (4) para iluminar dicha rueda.
11. Un sistema según la reivindicación 10, que incluye además medios de control de alumbrado para ajustar la iluminación proporcionada por dichos medios de alumbrado (4) dependiendo de las condiciones ambientales.
12. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que para determinar si dicha rueda (16) gira, dichos medios de procesamiento identifican un componente (8), característica o indicador fijos en dicha rueda, y analiza el movimiento de dicho componente o característica fijos para determinar si dicha rueda gira.
13. Un sistema según la reivindicación 12, en el que al menos dos imágenes son capturadas por dichos medios de captura de imágenes, y dichos medios de procesamiento (9) comparan la situación relativa de dicho componente, indicador o característica en cada una de dichas imágenes para determinar si existe giro.
14. Un sistema según la reivindicación 1, en el que el ángulo de giro esperado es determinado por (D/R) x(360/2xi), en que D es igual a la distancia recorrida por dicha rueda, R es igual al radio de dicha rueda e i es una constante matemática.
15. Un sistema según la reivindicación 1, en el que los medios de captura de imágenes (3) usan una técnica de obturador lento o de lapso de tiempo.
16. Un sistema según la reivindicación 15, en el que para determinar si dicha rueda gira, dichos medios de procesamiento identifican un componente (18), característica o indicador fijos en dicha rueda, y analizan el movimiento de dicho componente o característica fijos para determinar si dicha rueda gira.
17. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que, si dichos medios de procesamiento (9) determinan que dicha rueda no gira o gira parcialmente, se envía un mensaje de alerta o aviso a al menos una persona receptora predeterminada.
ES02737651T 2001-05-28 2002-05-28 Detector de deslizamiento de ruedas automatizados. Expired - Lifetime ES2333779T3 (es)

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DE (1) DE60233900D1 (es)
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