CN105026917A - 对铁轨偏移进行成像和测量的*** - Google Patents

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Abstract

公开了用于对结构例如铁路铁轨中的偏移进行成像和测量的设备、***和方法。一种示例性实施方式涉及视觉***，其具有高速、可见光成像摄像机和评估单元，该评估单元配置用于分析来自摄像机的图像以探测结构中的几何变化。在第二实施例中，使用附加的传感器识别在与测量***相同的参考系中的一个或多个车轮位置。在分析结构例如铁路轨道铁轨时，成像摄像机可被连接至移动的轨道车辆，并且配置用于在车辆沿轨道移动时产生铁轨的图像。

Description

对铁轨偏移进行成像和测量的***
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年12月4日提交的名称为“System for Imagingand Measuring Rail Deflection(对铁轨偏移进行成像和测量的***)”的美国临时申请61/733,287号的优先权，通过引用以其整体并入本文。
联邦政府资助的研究或开发
本发明是在名称为“Measurement of Vertical Track Deflection:Testing,Demonstration&Implementation(垂直轨道偏移的测量：测试、证实和执行)”的FRA资助FR-RRD-0026-11-01-00下在政府支持下进行的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本公开一般地涉及分析结构中的偏移。更具体而言，本公开涉及对结构例如铁路铁轨中的偏移进行成像和测量的设备、***和方法。
背景技术
客运和货运铁路交通的经济限制正在驱使铁路工业向更高速度车辆和更高车轴负荷发展。现代货运列车的重车轴负荷和高速度产生了高轨道应力，导致轨道状态更快劣化。结果，对更好地维护轨道的需求也在增长。因此需要快速和可靠的方法来识别需要维护的轨道并确定其优先次序，以最小化延迟、避免脱轨和减少维护费用。
铁路轨道的状态和性能取决于许多不同参数。可能影响轨道质量的一些因素是轨道模量、铁轨内部缺陷、轮廓、横向水平(cross-level)、轨距(gage)和轨距约束。监测这些参数的一个或多个可以通过识别产生不良车辆性能或脱轨可能性的轨道位置来提高列车安全操作。通过关注在其中维护至关重要的活动以及通过选择更有效的维护和修复方法，轨道监测也提供用于优化轨道维护活动的信息。
轨道模量是一个重要因素，其影响轨道性能和维护要求。轨道模量通常定义为铁轨偏移与铁轨底部和轨道地基之间的垂直接触压力之间的比例系数。在一些情况下，轨道模量可表示为每单位铁轨偏移的每单位铁轨长度的支撑力。轨道模量是代表铁轨下方所有轨道组件的影响的单一参数。这些组件包括路基、道渣、子道渣、枕木和枕木紧固件。铁轨以及支撑铁轨的轨道组件的垂直偏移特性都可能影响轨道模量。例如，诸如路基弹性模量、路基厚度、道渣层厚度和紧固件刚性等因素都可影响轨道模量。
轨道形状和结构完整性的变化在铁轨工业中提出了障碍：低轨道模量和轨道模量的大变化都是不期望的。低轨道模量可引起差异沉降(differential settlement)，维护需求随后增加。轨道模量的大变化，例如在桥梁和道口附近经常遇到的那些，也可能增加动态负荷。增加的动态负荷缩短了轨道组件的寿命，导致维护周期更短。在平交(即道路)道口处轨道模量变化的减小可带来更好的轨道性能和更少的轨道维护。也已经提出，具有高且均匀的模量的轨道会允许更高的列车速度并因此提高性能和收入。如垂直加速度指示的驾驶质量也强烈依赖于轨道模量。
除了轨道模量之外，轨道缺陷引起铁轨几何形状的变化也可能影响轨道性能。模量和几何形状之间的关系是复杂的。在一些情况下，几何形状变化的区域通常与模量变化区域相关，反之亦然。
最后，轨道偏移也是重要的。轨道偏移与施加的负荷相关，并且轨道模量(和刚度)也是重要因素。偏移被定义为施加的负荷与轨道刚度之比。更一般地，它可被定义为铁轨的单个点从未负荷到满负荷状态的垂直位移。
发明内容
本公开一般地涉及对结构例如铁路铁轨中的偏移进行成像和测量。用于对沿着铁路轨道的几何变化进行成像的示例性视觉***包括至少一个成像摄像机，其适用于连接到位于铁轨上的移动的轨道车辆。该成像摄像机配置用于在车辆沿铁轨移动过程中产生铁轨的形状(或形状的近似)的图像；以及包括图像处理器的评估单元配置用于分析来自成像摄像机的图像。
在描述的示例性方法中，各种实施方式包括测量***，其用于测定几何关系以识别轨道车辆车轮下方铁轨的形状。这些形状然后可用于得出关于偏移、模量、铁轨曲率、刚度和/或其他与轨道质量有关的参数的结论，以便更好地提供结构完整性的分析。
分析铁路轨道铁轨的几何形状的第一种示例性方法包括从连接至移动的轨道车辆的至少一个成像摄像机获得多个图像；探测在每个获得的图像中的铁轨的位置；识别和测量在每个图像中铁轨的位置或形状从铁轨的预期位置或形状的变化；以及测定在沿铁轨的多个不同位置处的垂直轨道偏移数据。这可包括使用结构化的光，例如线激光。
也提供第二种实施例，用于具有不同悬挂***或设备的不同类型轨道车辆。在这种类型的轨道车辆中，车轮(即车轴)具有在轨道车辆侧框架和车轮之间的悬挂***或设备(例如弹簧和/或阻尼器(damper))。这有时在客运轨道车辆或机车中可以看到。在该实施例中，单独的测量传感器用于识别车轮(和/或车轴)相对于侧框架或彼此的位置。然后，也可以测量相对于侧框架的铁轨位置，以给出对铁轨形状的理解。
虽然公开了多种实施方式，但是从下面的具体实施方式，其他实施方式对于本领域普通技术人员将变得明显，具体实施方式显示和描述本发明的说明性实施方式。因此，附图和具体实施方式在本质上应被视为说明性的而非限制性的。
附图说明
图1是用于对结构中的偏移进行成像和测量的***的某一实施方式的侧视图；
图2是用于对结构中的偏移进行成像和测量的说明性视觉***的透视图；
图3是另一透视图，显示用于对沿铁路铁轨的垂直偏移进行成像和测量的***的说明性实现方式；
图4是另一透视图，显示用于对沿铁路铁轨的垂直偏移进行成像和测量的***的另一说明性实现方式；
图5是示意图，显示相对参照平面的示例性激光线，其用于对铁轨的几何形状进行成像和测量；
图6是示意图，显示在轨道车辆上的视觉***的示例性实施方式，显示了侧框架；
图7是示意图，显示在轨道车辆上的视觉***的示例性实施方式，显示了侧框架参考系；
图8是示意图，显示侧框架参考系的进一步说明性实施例；
图9是示意图，显示根据一个实施方式的侧框架参考系的又一个说明性实施例；
图10是示意图，显示根据一个实施方式的侧框架参考系替代方式的又一个说明性实施例；
图11是示意图，显示侧框架参考系在空间中的示例性实施方式，其中没有轨道车辆；和
图12是示意图，显示侧框架参考系在空间中的示例性实施方式，其中没有轨道车辆。
虽然本文公开和考虑的各个实施方式可以进行各种修改和替代形式，但是具体实施方式通过在附图中的实施例显示并且在下面进行详细描述。然而，意图不是限制本公开为描述的具体实施方式。相反，各个实施方式意欲覆盖落入所附权利要求限定的这些实施方式的范围中的所有改型、等同型和替代型。
具体实施方式
本公开描述对结构例如铁路铁轨中的偏移进行成像和测量的设备、***和方法。在一些实施方式中，例如，该设备、***和方法可用于探测铁轨的几何变化，这种几何变化可影响铁轨的垂直轨道模量和/或其他特性的计算。虽然各种实施方式在对铁路铁轨中的铁轨偏移进行成像和测量的情形中进行描述，但是本文所述的设备、***和方法可用于对其他类型的承受静态和/或动态负荷的结构中的偏移进行成像和测量。
本文描述两组示例性实施方式。第一组涉及安装在通常被称为三大件转向架(three piece truck)上的***。这些实施方式的说明性实施例显示在图1-5中。第二组示例性实施方式涉及用于在侧框架和车轴之间具有悬挂***或设备——并且因此具有显著相对运动——的转向架结构上的***。这些实施方式的说明性实施例显示在图6-12中。
第一示例性实施方式显示在图1中。图1是示意图，显示成像和偏移测量***10的某些组件，该***也被称为“垂直测量***”。如图1所示，在某些实施方式中，垂直测量***10可以被并入轨道车辆12。在该图中，***10实施方式被覆盖在轨道车辆的照片上，以给出合适的比例，如参照线A和B所示。测量***装置26示意地描绘在轨道车辆12上。另外，显示了轨道车辆的两个车轴14、16和车轮18、20，其中侧框架22附连至两个车轴14、16。也显示了偏移的铁轨24，其处于列车的重量下待测量。
图2显示成像和偏移测量***10的另一示例性实施方式。图2描绘安装至轨道车辆侧框架30的测量装置26。在该实施方式中，摄像机32和激光线34用于在离轨道车辆车轮38的距离(附图标记36所示)处测量偏移的铁轨24的高度。在该偏移的铁轨24上示意性地覆盖显示未偏移铁轨44的预期位置的线。这里通过举例示意性地描绘测量平面40，以显示测量轨道车辆12的高度的大致位置42。图2中显示的测量平面不是实际物理结构，而是作为例子包括，以便描述在何处以及如何进行测量，如本领域技术人员容易理解的那样。替代地，其他***可用于测量该测量***(即传感器头)和铁轨之间的距离，例如干涉法、基于声音的测量等等，如本领域公知的那样。
在该示例性实施方式中，测量装备安装架(这里显示为附图标记26)将摄像机32置于轨道车辆的操作卸货门46上方，该轨道车辆可以是例如底卸车。安装架位置允许底卸车在测量装置26被附连的同时继续操作(装货和卸货)，并在材料从卸货门46出来时保护装置26远离材料。如本领域技术人员清楚的，当存在独立的考虑时，对于其他车厢，其他安装架位置是可能的。
图3-4显示轨道车辆12上的测量***10的某些示例性实施方式的替代俯视图(图3)和仰视图(图4)视图。图3-4描绘侧框架22，车轮18、20，车轴14、16，摄像机32，线激光34和测量平面40。举例而言，在图3-4中，也描绘两个铁轨：一个是偏移的铁轨24，第二个是未偏移铁轨44的预期位置。在该实施方式中，未偏移铁轨44是基本完全直的，虽然其他实施方式可以是基本不太直的。图3-4描绘在某些实施方式中测量***如何能够在列车通过轨道时在不同位置测量与测量平面交叉的铁轨。
图5描绘从摄像机或测量设备的视点看到的铁轨的俯视图，并且显示与测量平面的形状相关的示例性实施方式，其将是在运动过程中通过测量摄像机(未示出)测量。再一次，测量平面被画出以描述从测量摄像机的角度“看”铁轨的方式，而不是实际结构。图5因此描绘测量摄像机将看到的通过的铁轨的假想视图。示例性激光线40A、40B被显示跨过铁轨。第一激光线40A被显示与偏移的铁轨相交，该偏移的铁轨由虚线41A和41AA限定。未偏移的线40B也显示在假想的由虚线41B和41BB限定的未偏移铁轨上。为了参照并且进一步举例，虚线代表在偏移41A、41AA和未偏移41B、41BB时铁轨的透视差别。在该示例性实施方式中，因此，偏移的铁轨会引起激光线相对地上移40A，如从测量摄像机的角度看到的。因此通过将线激光定位在其视野中，当其经过轨道时，测量摄像机可以估计铁轨偏移的程度。这可以实时地并且从移动的轨道车辆进行，使用类似于下述文献中描述的方法：美国专利7,920,984、7,403,296、7,755,774、7,942,058和7,937,246以及美国公布申请2009/0056454、2011/0098942、2012/0132005、2009/0070064、2011/0166827和2012/0300060，通过引用以其全部内容将它们并入本文。
知道了铁轨在测量平面的位置，可以得到几个铁轨参数。例如，该转向架结构确保车轮/铁轨接触点相对于测量***是固定的。知道了两个车轮/铁轨接触点和测量点处的铁轨位置可得出对各个弦线(chord)和铁轨质量参数的估计，如在上面提到的专利、出版物和论文中描述的。
同样，在某些实施方式中，当轨道车辆经过时，可以利用另外的传感器进行其他测量，以给出关于铁轨形状的进一步信息。举例而言，可在离车轮/铁轨接触点3英尺处进行测量，在离5英尺处进行第二测量，等等。作为第二实施例，通过在侧框架的相对侧安装第二传感器头，可以从侧框架的两侧进行测量。
第二示例性实施方式显示在图6中。在这个和类似的实施方式中，垂直测量***可以被并入具有替代转向架结构的轨道车辆50。这里，转向架结构的特征是在侧框架54和车轮轴56、58之间的悬挂***或设备52，例如弹簧和/或阻尼器。在图6-12中，这示意地显示为弹簧60、62，虽然其他构造是可能的。在某些实施方式中可能的是车轮/铁轨接触点A(图6中用附图标记64标记)和B(图6中用附图标记68标记)相对于侧框架54的位置通常是不知道的，这是因为不知道侧框架的偏移。
举例而言，在图6中显示三个点。前两个点限定车轮/铁轨接触点A(64)和B(68)。更具体而言，第一个车轮(在车轴56上)在接触点A(64)接触铁轨，而第二个车轮(在车轴58上)在接触点B(68)接触铁轨。第三点是测量点C(70)，其可以用传感器***72测量。可包括附加的点，其可以是附加的车轮/铁轨接触点(类似于A(64)和B(68)，如果轨道车辆有多个车轴)，或者更多个沿铁轨的测量点(类似于C(70)，其可在近处或远处延伸)。本实施例中提供的测量***72测量这些点之间的相对位置，在该示例性实施方式中它们是点A(64)、B(68)和C(70)。在本实施例中，它表示在附连于侧框架54的共同参考系74中，在图6标记为单位矢量Xsf和Ysf。在某些示例性实施方式中，采用非牛顿参考系，与全局参考系例如由X全 局和Y全局限定的全局参考系(其也描绘在图6中)对比。提及的任何点可用于限定参考系，这假定某些距离是已知的，其他是未知的，并且从每个参考点运行计算，而无论选择的具体实施方式如何。
图7描绘示例性实施方式，其中接触点A(64)位于侧框架参考系74A中，由矢量V A给出(这里显示为参考箭头D)。一般地，可能难以知道A(64)相对于侧框架参考系的位置，这是因为由于悬挂设备60、62从而车轮61相对于侧框架54移动。如本领域技术人员理解的那样，可实现各种传感器以进行这些测量。在某些实施方式中，悬挂设备限制车轮相对于侧框架54的垂直运动。在这种实施方式中，可应用传感器来测量弹簧60相比于弹簧60的已知位移的垂直位移，从而允许估计车轮位置以及相对于侧框架参考系74A的车轮/铁轨接触点A(64)。如在图7中描绘，位置V A是固定的不变矢量V A,ref(这里显示为参考箭头E)和测量的弹簧位移S A(这里显示为参考箭头F)之和。可以用各种传感器测量弹簧位移S A，例如LVDT传感器、超声传感器、激光型传感器、弹簧势能计传感器和各种其他传感器，如本领域技术人员知道的。
图8描绘一个示例性实施方式，其中接触点B(68)位于侧框架参考系74B中，由矢量V B(这里显示为参考箭头H)给出。一般地，可能难以知道B(68)相对于侧框架参考系74B的位置，这是因为由于悬挂设备60、62从而车轮63相对于侧框架54移动。如关于图7讨论，可实现各种传感器以进行这些测量。在图8描绘的实施方式中，位置V B是固定的不变矢量V B,ref(这里显示为参考箭头G)和测量的弹簧位移S B(这里显示为参考箭头I)之和。再一次，可以用各种传感器测量弹簧位移S A，例如LVDT传感器、超声传感器、激光型传感器、弹簧势能计传感器和各种其他传感器。
图9描绘一个示例性实施方式，其中测量点C(70)位于侧框架参考系74C中，由矢量Vc(这里显示为参考箭头J)给出。再一次，如上讨论，可能难以知道测量点C(70)相对于侧框架参考系74C的位置，这是因为由于悬挂设备和铁轨运动从而C(70)相对于侧框架移动。可实现各种传感器以进行这种测量，例如上面讨论的传感器，或者在本文提及的前面应用中使用的***，或者其他传感器，以测量Sc(这里显示为参考箭头K)。如这里显示，位置V C是固定的不变矢量Vc,ref(这里显示为参考箭头L)和测量的弹簧位移Sc之和。
图10-12描绘在图7-9中中讨论的所有三个实施方式的位置V A、V B、Vc，这些位置在该示例性侧框架参考系74中给出。如本领域技术人员会理解的那样，多个其他点和其他参考系是可能的。举例而言，在某些实施方式中，使用的参考系的原点源于接触点A(64)或接触点B(68)。虽然在这些实施方式中这会导致已经识别的箭头的不同组合，但不偏离本公开的精神和教导。
如果知道这些点即A(64)、B(68)和C(70)的位置，可以进行对铁轨质量的各种估计。举例而言，可以估计轨道车辆重量下的铁轨曲率，并且将其与铁轨应力相关联。也可以用这些测量值来估计其它质量指标，如在并入的参考文献中公开的那样。同样，可以包括更多个点，例如附加的车轮/铁轨接触点和/或其他测量点，如图10-12中明显可见的。
图12中描绘了一个示例性实施方式。在该实施方式中，可以被计算的一个轨道参数是相对位移，由铁轨质量的参数给出，该参数称为“Yrel”并且在名称为“Vertical Track Modulus Trending(垂直轨道模量趋势确定)”的在审美国申请13/046,064中定义，通过引用以其整体并入本文。
如本领域技术人员会清楚的，可以使用另外的技术来相对于真实世界中的真实测量校准摄像机图像和测量。举例而言，可以将已知的物体置于沿偏移的铁轨的视野中，以及使用其他技术例如GPS或勘测***或尺子测量铁轨的形状。另外，可以将轨道车辆移动到非常硬的轨道部分上，例如板式轨道或维修站(car shop)中混凝土上的轨道，并且可使用相对直的铁轨的形状建立校准。
某些实施方式可进一步包括采用使用成像***获得的测量沿着铁轨的每个位置测定垂直轨道偏移。根据一种实现方式，测量的垂直轨道偏移可用于进一步测定与沿轨道的每个测量点相关的轨道模量，其可被用于测定轨道的部分是否需要维护。在某些实施方式中，这些测量也可用于测定是否可能已存在可能需要立即维护的铁轨的任何改变。成像***也可用于测量轨道结构的质量，并且可用于识别其他问题，例如破坏的枕木或在连接处丢失的螺栓，并且用于探测轨道上外来物质的存在，例如天然残渣或者遗留下来会损坏轨道的工具。
在某些实施方式中，垂直轨道偏移的测量也可与轨道几何形状和/或轨道质量的其他测量结合，产生轨道质量的新度量标准。可以进行的其他测量包括轨距、倾斜、中弦线支距(mid-chord offset)、端弦线支距(end-cord offset)、铁轨纵向应力的测量、轨距约束的测量、车辆轨道相互作用的测量或其他基于加速度的测量。
可对讨论的示例性实施方式进行各种修改和添加而不偏离本公开的范围。例如，虽然上面描述的实施方式提及具体特征，但是本发明的范围也包括具有特征的不同组合的实施方式和不包括所有描述特征的实施方式。因此，各个实施方式的范围意欲包括所有落在权利要求范围中的这些替代方式、修改方式和变化方式以及它们的所有等同方式。

Claims (13)

1.一种用于对铁路轨道铁轨中的变化进行成像的***，所述***包括：
a.至少一个传感装置，其适于连接至配置为位于所述铁轨上的可移动的轨道车辆，所述传感装置具有探测区域，该探测区域沿着基本平行于所述铁轨的纵轴的视线并且配置用于在车辆沿所述铁轨移动过程中产生所述铁轨的连续纵向形状的读数；和
b.评估单元，其包括处理器，该处理器配置用于分析来自所述传感装置的所述读数以及沿着所述铁轨的长度探测铁轨的一个或多个几何变化。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述传感装置连接至所述轨道车辆的侧框架并且相对于车轮与所述铁轨的接触点是基本上刚性的。
3.根据权利要求1所述的***，进一步包括：
a.位置识别器，其配置用于获得对应于所述轨道车辆的全局位置的全局位置数据；和
b.记录单元，其配置用于存储来自所述评估单元和所述位置识别器的数据。
4.根据权利要求1所述的***，进一步包括收发器，其配置用于在所述评估单元和远程设备之间传输数据。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述评估单元配置用于测量沿着所述铁轨的垂直偏移。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述评估单元进一步配置用于至少部分基于测量的垂直偏移测定所述铁轨的垂直轨道模量。
7.根据权利要求5所述的***，进一步包括电子设备，其配置用于确定多个垂直偏移测量在一段时间上的趋势以及至少部分基于所述垂直偏移测量预测与轨道相关的未来轨道性能。
8.根据权利要求1所述的***，其中所述传感装置配置用于对所述铁轨进行立体成像。
9.一种用于对结构的变化进行成像的视觉***，所述结构受到轨道车辆的负荷，所述***包括：
a.在所述轨道车辆上的固定位置安装至少一个传感装置，所述传感装置配置用于在一段时间上相对于多个固定和变化的点产生结构的精确位置的多个读数；
b.用处理器评估所述读数，该处理器配置用于分析来自所述传感装置的所述读数以及测量所述结构在所述固定和变化的点处的垂直偏移以及建立在该段时间上的垂直偏移测量；和
c.预测所述结构的未来性能。
10.一种分析铁路轨道铁轨的几何形状的方法，所述方法包括：
a.提供至少一个传感装置，其适于相对于所述铁轨移动，所述传感装置配置用于在一段时间上相对于固定点产生铁轨的精确位置的多个读数；
b.用处理器评估所述读数，该处理器配置用于分析来自所述传感装置的所述读数以及测量铁轨在所述固定和变化的点处的垂直偏移以及建立在该段时间上的垂直偏移测量；和
c.预测所述结构的未来性能。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述参考系由轨道车辆的侧框架建立。
12.根据权利要求10所述的方法，其中识别和测量铁轨的位置或形状从预期位置或形状的变化包括从预期值评估参考点之间的距离偏差。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述传感装置配置用于对所述铁轨进行立体成像。
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