轨道车辆的车轮相对于轨道的几何形状的轨旁测量的制作方法
【专利摘要】轮副、轨道和转向架硬件的几何形状异常能够导致轨道、车轮和转向架的相当严重的损坏。介绍了一种用于识别和量化几何形状异常的解决方案，所述的几何形状异常已知能够影响机车车辆的工作寿命或者在用于客运业务情况下的乘坐舒适性。所述解决方案包括一种光学系统，所述光学系统能够构造成用于在主干线速度下(例如大于100英里/小时)准确地执行测量。所述光学系统包括激光投线仪和成像摄像头，并且能够利用结构光三角测量法。
【专利说明】轨道车辆的车轮相对于轨道的几何形状的轨旁测量
[0001]现有申请的引用
[0002]本申请要求2012年5月24日提交的、申请号为61/688，910、发明名称为“Methodand Device for Wayside Measurement of Rail car Wheel to Rail Geometry，，、同时待决的美国临时申请的权益，因此通过全文引用将其并入。
【技术领域】
[0003]本公开主要涉及轨道运输领域，并且更特别地涉及确定轨道车辆的轮副和/或转向架的状态，从而能够指示轨道车辆的轮副和/或转向架的不安全状态。
【背景技术】
[0004]在铁路运输服务中，轨道名义上以相对于水平面的已知高度和已知倾斜度而平行铺设。轨道车辆的轮副成对地安装在被称作转向架(也称为转向盘)的悬置装置上。当轮副在轨道上居中且旋转轴线垂直于轨道的中心线时，实现对部件的最小磨损和最大的乘坐舒适性；相对于这样的对准和取向的任何偏离都会引发振动并导致磨损增加。
[0005]失准的一些基本测量值已经与部件寿命和乘坐舒适性的下降有关，这些测量值包括迎角(Α0Α)、循迹位置(TP)、偏移、轴间失准和旋转。一种主要的测量值Α0Α从测量的角度看被定义为包含轨道车辆车轮的轮辋面的平面和车轮在其上接合的轨道的切线之间的夹角。TP被定义为轮副的中心线偏离轨道对的中心线的横向位移。另外一些涉及Α0Α和TP的导出测量值被实现用于标识已经与部件寿命和乘坐舒适性的下降相关联的特定异常。上述测量值评估转向架上的两根轮轴之间以及轮轴和轨道之间的平移和旋转失准。最后，摆动(hunting)是描述轨道车辆在车轨上的周期性横向运动的术语，并且在极端情况下摆动会造成谐振，从而会导致车轮的轮缘撞击轨道。这种状态能够导致部件快速磨损和严重的乘坐舒适性方面的问题。严重的转向架的几何形状误差甚至能够导致脱轨，特别是在以高速运行时以及在转弯时，从而造成重大损失并且还可能造成人员伤亡。因此，准确和及时地测量转向架的对准误差能够导致维护成本下降，并且可以防止灾难性的脱轨。
[0006]通常，已经有两种技术被应用于测量涉及转向架的几何形状异常。在第一种方法中，应变片被安装至轨道以测量竖直和侧向的作用力。在该方法中，侧向作用力和竖直作用力的比值是轮副失准的指标。然而，这样的系统需要对车轨的基础设施进行昂贵且耗时的改造。例如，在车轨上安装应变片通常需要磨削轨道和安置混凝土轨枕以准确地支撑车轨区段，从而用于准确的应变测量。如果安装有应变片的轨道区段有所改变，那就会失去系统功能。
[0007]在第二种方法中，包括激光束和光学检测器的轨旁光学系统与车轮检测器相结合以用于利用光学三角测量法的原理来完成测量。在此情况下，使用点式激光位移测量装置，其每秒钟可以在经过的车轮的场侧轮辋面上测量10000个点。
[0008]可惜的是这种方法仅对新的状态良好的车轮才有良好效果。特别地，激光通常施加在轨道上方约一英寸的高度处。对于状态良好的车轮来说，其允许能够连续地测量约10英寸的一段轮辋面(或者是在每秒钟10000个点的测量速度和60英里/小时的车速下测量约110个点)。但是，随着车轮的磨损，轮辋面变得越来越窄，导致两个分离的、随着车轮继续磨损而变小的测量区域。对于可以报废的车轮的最差情形，在60英里/小时的车速下只能生成5个数据点。由于轮辋面的角部可能会被碎片、尘土、雪、冰等污染，因此可能导致不稳定的测量，特别是在车轮磨损较为严重的情况下，对这样的车轮来说，测量值所具有的用于允许消除异常值的冗余性较低。
[0009]这种方法的另一个明显的限制源于测量点是沿着运动对象成时间序列的事实。由于存在多种车轮的对准在完整的一转当中将有所改变的车轮运动模式，因此这种测量方法可能会由于车轮取向随时间的变化而被干扰或者至少是表现为不太准确。
[0010]在第二种方法的一种变型中，接近度传感器例如电感式传感器附连至轨道以测量由经过的车轮生成的信号的时长和相对定时。通过使用两个传感器(每一条轨道上一个传感器)，即可测量迎角和其他的转向架性能参数。这种方法对车轮在检测点处的直径、速度和表面状态敏感。特别地，接近度传感器已知对所有这些条件都有响应变化，并且任何响应变化都可能会导致目标参数的测量不准确。
【发明内容】
[0011]本文中介绍的本发明利用一种轨旁光学系统以能够解决现有技术中的一种或多种限制和潜在误差来源的方式来完成转向架对准的测量。
[0012]实施例能够获取(与经过一段时间相比)同时完成测量所需的全部数据以消除在一段延长的时间段内完成测量时可能出现的、与轮副的横向运动和/或角运动相关联的误差。
[0013]实施例能够在获取的数据中提供用于轨道切线的坐标，降低在安装时和在运行期间对周期性的劳动密集式对准和校正过程的需求。
[0014]实施例能够在车轮的扩展部分上获取足够的数据以便对车轮上可能由于正常使用而存在的个别的表面异常不敏感。
[0015]实施例能够降低可能由于列车高速经过而激起的尘土 /雪的影响。
[0016]实施例能够通过使用在任何条件下都归类为对眼睛安全的激光功率水平来防止铁路维护人员或可能处于运行本发明的路径中的其他人员的眼睛意外受伤。
[0017]本发明的第一方面提供了一种评估轨道车辆的轮副以用于轨道对准的系统，所述系统包括:多个结构光测量装置，构造成用于在车轮沿轨道行进时测量在轨道车辆轮副上的相对车轮的特征集合，结构光测量装置包括:激光投线仪的集合，构造成用于利用光片照射车轮的轮辋表面的一部分和轨道的轨头表面的一部分，所述光片具有基本竖直的且正交于轨道的取向；以及高速摄像头，构造成用于获取由车轮和轨道散射的激光的图像数据；用于自动确定何时使用多个结构光测量装置中的至少一个来获取图像数据并自动启用多个结构光测量装置中的至少一个的装置；以及计算机系统，构造成用于通过执行一种方法来处理图像数据，所述方法包括:形成轮辋表面和轨头表面上的多个图像数据点的笛卡尔坐标；并且将笛卡尔坐标转化为多个车轮对准测量值，其中多个车轮对准测量值包括迎角和循迹位置。
[0018]本发明的第二方面提供了一种评估轨道车辆的轮副以用于轨道对准的方法，所述方法包括:投射基本竖直的且相对于多条轨道正交的多条激光线，其中投射构造成使得在轮副沿多条轨道行进时，多条激光线中的每一条照射轨道车辆轮副中的路轨车轮的轮辋表面的一部分以及多条轨道中的对应轨道的一部分，并且其中至少两条激光线照射轨道车辆轮副中的多个路轨车轮中的每一个路轨车轮的轮辋表面的至少两个不同部分；在投射期间获取用于多个路轨车轮的图像数据；将图像数据处理成以下结果中的至少一种:降低图像数据中的噪声或者从图像数据中去除异常的点；对于多个路轨车轮中的每一个:利用经过处理的图像数据导出与被激光线照射的至少两个不同部分相对应的多个图像数据点的三维空间坐标；针对所述三维空间坐标拟合一平面；比较拟合平面与对应轨道的平面的对准；确定拟合平面的对准是否落在用于车轮与轨道对准的可接受的变化参数以内；并且确定是否基于针对轮副的多个车轮中的每一个车轮的车轮对准而给出了轮副对准状态集合中的任何一种。
[0019]本发明的第三方面提供了一种系统，包括:定位在一对轨道的位置附近的成像部件，其中所述成像部件包括多个结构光测量装置，所述结构光测量装置构造成用于在车轮沿这一对轨道行进时同时获取用于轨道车辆轮副上的相对车轮的图像数据，结构光测量装置包括:激光投线仪的集合，构造成用于利用光片照射车轮的轮辋表面的至少两个不同部分和轨道的轨头表面的对应的至少两个不同部分，所述光片具有基本竖直的且正交于轨道的取向；摄像头，构造成用于获取由车轮和轨道从车轮的轮辋表面的至少两个不同部分和轨道的轨头表面的对应的至少两个不同部分散射的激光的图像数据；以及计算机系统，构造成用于通过执行一种方法来处理图像数据，所述方法包括:对于相对的车轮中的每一个:根据图像数据导出与被激光线照射的至少两个不同部分相对应的多个图像数据点的三维空间坐标；针对所述三维空间坐标拟合一平面；并且计算用于轨道车辆轮副的多个车轮对准测量值，车轮对准测量值包括迎角和循迹位置。
[0020]本发明的其他方面提供了方法、系统、程序产品以及使用和生成每一项包括和/或实施部分或全部本文所述动作的内容的方法。本发明说明性的各个方面设计用于解决本文所述的一个或多个问题和/或未讨论的一个或多个其他的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]根据以下结合示出了本发明各个方面的附图对本发明各个方面的详细说明即可更加轻易地理解本公开的各种特征。
[0022]图1示出了车轮相对于轨道的几何形状，其中示出了迎角。
[0023]图2示出了根据实施例的照射和图像拍摄部件。
[0024]图3示出了在路轨设定中使用的实施例的一部分。
[0025]图4a_4c示出了根据实施例在单次经过中拍摄的多张图像。
[0026]图5示出了通过根据实施例的轮副来拍摄摆动行为的过程。
[0027]图6示出了根据实施例的系统中的部件。
[0028]图7示出了在路轨设定操作中的实施例的示意图。
[0029]图8示出了图解实施例操作的流程图。
[0030]要注意的是附图不一定是按比例绘制。附图仅用于示出本发明的典型方面，并且因此不应被认为是限制了本发明的保护范围。在附图中，相同的附图标记在各附图之间表示同样的元件。
【具体实施方式】
[0031]如上所述，本发明的各个方面提供了一种用于识别和量化几何形状异常的解决方案，所述的几何形状异常已知能够影响机车车辆的工作寿命或者在用于客运业务情况下的乘坐舒适性。所述解决方案包括一种光学系统，所述光学系统能够构造成用于在主干线速度下(例如大于100英里/小时)准确地执行测量。所述光学系统包括激光投线仪和成像摄像头，并且能够利用结构光三角测量法。除非另有说明，否则如本文中所用的术语“设定”是指一种或多种(也就是至少一种)设定，且短语“任何解决方案”是指任何当前已知或今后研发的解决方案。
[0032]转至附图，图1示出了车轮相对于轨道的几何形状，其中示出了迎角。在图1中，车轮20附连至轮轴22。车轮20所具有的关键部件包括踏面24、轮缘26、场侧28和轨距侧30。车轮20通过其踏面24在轨道32上行进。轨道包括轨头或轨顶34和轨底36。轨头34和轨底36通过在图1中不可见的“轨腰”段连接。
[0033]在任何情况下，车轮20和轨道32的集合设计成使得在正常运行期间，车轮20的旋转轴线38 (名义上是轮轴22的中心线)在名义上垂直于轨道32的中心线40。保持这种几何形状使得部件之间的磨损和运行阻力最小化。由于轮轴22和车轮20是刚性连接(这与很多其他的车辆例如客运车辆不同)，因此车轮20在轮轴22的任何一端都不能独立转动，任何失准都会至少造成一定的阻力而不是转动车轮。足够的失准角能够造成轮缘26和轨头34之间的直接摩擦。
[0034]因此，在正常操作中，场侧28和/或轨距侧30名义上将平行地面对轨道32的中心线40，如直线42所示。如果出现失准，那么车轮20的场侧28和轨距侧30将如直线44所示偏离该名义位置，形成角度46。该角度46被称作迎角或Α0Α。理想情况下，Α0Α 46为零。业内人士指出需要以最大0.2度且优选小于0.2度的精度检测出Α0Α 46的改变，并且Α0Α 46决不能超过3度。
[0035]图2示出了根据实施例的照射和图像拍摄部件。部件包括结构光测量系统70，其中可以包括两个结构光成像单元72。结构光成像单元72自身可以包括高速成像单元(摄像头)74和激光投线仪76。应该理解这仅仅是说明性的。就此而言，结构光测量系统70可以使用不同数量的成像单元72、不同设计的成像单元72和/或类似装置。例如，成像单元72可以包括一个以上的激光投线仪76以在摄像头74的视野内例如从不同的角度投射多条光线。摄像头74可以是能够以足够的帧率和灵敏度操作从而获取所需图像的任意摄像头。例如，一种用于摄像头74的可接受选择是由Allied Vis1n Technologies公司提供的Stingray F-033型，其能够以366帧/秒的帧率对650X60像素的目标区域进行操作。但是，应该理解这仅是说明性的。激光投线仪76可以是多家厂商的以足够的强度充分地生成锐线的产品中的任何一种。
[0036]图3示出了本发明实施例的系统视图。系统包括部件100，该部件100包括两个结构光测量系统70，这两个结构光测量系统70例如通过夹持支撑件102或通过路轨配件领域的普通技术人员已知的其他装置而固定至轨道32。由轮轴22连接的两个车轮20被示出为在部件100上经过，在轨道的轨顶或轨头34上行驶。两个车轮20在轮轴22上的这种组合被称作轮副。在车轮200到达适当的位置时，激光线发生器76(图2)能够以名义上垂直于轨道32和对应车轮20的轨距侧30的角度投射竖直的光片104。摄像头74(图2)拍摄车轮20中落在摄像头74的视野76以内的区段的图像。视野106能够被选择为使得竖直的激光线104在视野106内可见。在一个实施例中，激光线104沿车轮20的运动方向的间隔例如约为16英寸以得到用于典型车轮直径的理想成像条件。激光线发生器76可以使用功率水平适用于成像条件的可见光和/或近红外光。在很多应用中，约100mW的功率水平将是合适的。
[0037]结构光测量系统70必须在正确的时间操作以获取车轮20的有效图像。为了实现这一点，标准车轮开关108可以在能够检测车轮20通过并触发结构光测量系统70以获取图像这样的位置处附连至轨道32。尽管并未示出，但是应该理解另一个车轮开关108可以安置为更加远离部件100以作为“唤醒”触发器。这就允许结构光测量系统70在附近没有列车时有效地断电，由此显著地节约能量。
[0038]在实施例的基本结构中，通过摄像头74同时拍摄图像是由车轮开关108触发。由于图像是同时获取，并且摄像头74和激光器76之间的几何形状已知，因此车轮20的速度和加速度不是必须的并且也不会影响测量值。在通过摄像头74成像时根据激光线104入射到车轮20上的点阵获取完整的三维测量值的方法是用于三维结构光测量的方法，例如在美国专利US5636026和US6768551中介绍的方法，因此通过引用将这两篇专利文献并入。
[0039]因此，通过在轨道32的两侧针对车轮20的轨距侧30确定的三维平面，即可评估这些平面与由轨道32表示的名义上平行的平面的对准，并且能够准确地测量任何失准(迎角)。
[0040]在一个实施例中，在车轮20经过时，每一个摄像头74可以拍摄多张图像。如果车轮20以100英里/小时(1760英寸/秒)的速度经过部件100，并且摄像头74能够每秒钟拍摄366张图像，那么准确按时触发的摄像头74就能允许拍摄到至少三张车轮20的可用图像。图4a-4c示出了这三张图像。通过以上数据，显而易见的是在每一张个体图像之间的时间间隔中，车轮的运动都将小于5英寸。图4a示出了初次拍摄时的车轮20，图4b示出了在第二次拍摄图像时的车轮20，图4c示出了在第三次拍摄图像时的车轮20。如果我们假设摄像头74的高分辨率光轴为竖直取向且具有刚好涵盖投射光纤104的竖直视野106 (图3)，则将获得约100像素/英寸的比例系数。对于在图4a-4c所示的状态下拍摄的每一张图像，轨道32上至少有150个像素可见，并且在轮辋面30上的任何位置都有100到350个像素可见。利用图像中的特征例如轮辋缺口 130，所述方法保持对车轮20的速度或加速度不敏感。覆盖轮辋面30和轨道32上的约16英寸直线距离的多张图像提供了对于成像表面的局部缺陷或污染的高度不敏感性。另外，多张图像提供了一种检测车轮外观的其他变化的方法。例如，如果车轮20自身扭曲，那么明显地在Α0Α 46(图1)方面会有清楚且可检测的改变；而在常见的Α0Α 46的情况下(两个车轮20和一个轮轴22构成的轮副设定为略微偏离其名义上的平行安装)，Α0Α 46通常保持不变。
[0041]来自业内人士的用于Α0Α的示范性要求测量范围是±3°。实际数据表明Α0Α 46在98%的时间内小于±1.72°且在95%的时间内小于0.57°。示范性的要求测量分辨率是0.2°。该信息将确定要求的摄像头分辨率(以像素为单位)以实现期望的测量分辨率。结构角(摄像头74的视线和激光器76的瞄准线之间的角度)必须足以允许准确地进行测量。在一个实施例中，该角度可以约为30°，不过也可以为了特定的效果而使用其他的角度。由于测量通常都是在开放的户外环境中进行，因此可以在摄像头74上使用合适的滤波器例如激光线带通滤波器以最小化漫射的环境光对测量的影响。激光器的功率可以选择为在轨道32和车轮20上提供充足的照射以在车轮20和轨道32的表面的全部工作状态下在摄像头检测器上生成可用图像。
[0042]本发明的实施例能够使用图像处理方法例如中值滤波和总体取均值的方法来降低由于列车高速通过而可能产生的飞雪或扬尘的影响。例如来自Spectrum Infrared的标准轨道加热器可以在一年中的某些时间、在某些气候区域被用于融化可能存在的达到轨道32顶部的冰雪。来自摄像头检测器的原始数据可以通过现有技术例如美国专利US5636026、US6768551和US5193120中教导的方法进行处理以在像面坐标中生成多个形心。形心可以再次利用例如美国专利US5193120教导的方法而被转化为相对于轨道固定的笛卡尔坐标系〈X，y，z>中的点。
[0043]可以从所有图像的〈X，y，z>坐标中获得名义上位于竖直平面内的点集，由投射到车轮的轮辋表面30上的激光线104显影而得到这些图像。标准的统计分析能够被用于识别出可能由于车轮表面上的异常例如弯折、凹痕、缺口、污垢等而产生的任何异常点。可以利用已知的数学方法将其余的点拟合为一平面。相同的处理可以应用于摄像头检测器上的、由投射到轨道32上的激光线而得到的图像点。轮辋面的平面围绕相对于轨头所在平面的竖直轴线的旋转角就是所需要的迎角(Α0Α)。利用在轮副的两个车轮20上获取的测量值与两个系统70的已知几何形状相结合即可完成以下的测量。前两个测量值的完整集合可以包括用于成对轮副的前缘(L)和后缘(T)的测量值，这些测量值随后可以被用于一个或多个另外的测量值:
[0044].迎角(Α0Α):轮轴22相对于车轨32的取向，可以用毫弧为单位进行测量；
[0045].循迹位置(TP):轮副相对于车轨中心线40(图1)的位置，可以用毫米为单位进行测量；
[0046].轴间失准:转向架的两根轮轴22彼此的相对取向，可以定义为Α0Α^Α0Ατ ；
[0047].循迹误差(TE):转向架轮轴的循迹位置的差值，可以定义为ΤΡ^ΤΡτ ；
[0048].转向架旋转:转向架的转向能力评估，可以定义为(A0AfA0AT)/2 ；
[0049].偏移:轮轴相对于轨道中心线40的偏移，可以定义为0?\+ΤΡτ)/2 ;以及
[0050].轮对内侧距:轮副的相对车轮20上的轮辋面30之间的距离。
[0051]所有上述的测量值都可以用单个部件100获得。
[0052]摆动是可能需要的另一种测量/评估。摆动是转向架的横向不稳定性，测量为在一段预定义距离上的峰值轮轴位移并且可以用毫米表示。摆动的测量需要有沿着轨道32定位且以固定距离例如十英尺分开的多个例如三个部件100。摆动的幅值和波长可以根据每一个车轮20经过部件100时对每一个车轮20的ΤΡ测量值而计算得出(例如通过针对ΤΡ数据拟合正弦曲线而得出)。为了避免混淆，部件100可以沿着轨道32设置成使得在摆动动作的单个周期内出现至少三个测量值。
[0053]如本文所述的摆动是轮副在轨道32上的从一侧到另一侧的缓慢运动。图5示出了两个车轮20和一个轮轴22构成的单个轮副150经过三个部件100时的多个视图。在图5中，该轮副150在“摆动”且部件100能够间隔开约十英尺。在轮副150沿轨道32行进时，轮副150在轨道32上连续地向一侧(在图5的参照系中是上侧)横向运动，正如通过直线152、154和156更加清楚地示出的那样。这些直线152、154和156对应于在一个车轮20沿轨道32行进且经过每一个部件100时该车轮20的轨距侧面30的位置。轮副150的运动通过轮缘26来约束，以使轮副150随后反向偏移，直至在轮副150的另一侧被车轮20的轮缘26阻挡为止。这些振动就是“摆动”并且通常在十英尺或更大的距离上进行。
[0054]因此，本发明的实施例能够通过评估轮副150在多个间隔开的测量点上从一侧到另一侧运动的距离来检测和测量摆动。
[0055]为此，关于部件100的讨论已经将部件100图示为包括成像部件70 (图2)和坚固的壳体。然而，在实际应用中，系统可以包括另外的装置以操作和执行本文所述的动作。图6示出了这方面的一种构思。部件100被图示为包括坚固的壳体170、数据采集单元172、电源和控制模块174以及通信模块176。
[0056]数据采集单元172可以包括计算装置，该计算装置仅构造成用于收集原始数据并将原始数据提交给通信模块176以用于传输至如本文所述的另一个计算机系统以供分析。但是，数据采集单元172也可以包括硬件上的数据处理能力并且可以装有用于对现场数据实时地执行本文中所述的部分或全部分析的软件。在一个实施例中，这样的硬件可以是聚焦图像处理系统例如Gumstix Overa?线缆、基于PC-104主板的计算机或任意其他的适合于该应用且本领域技术人员已知的硬件解决方案。如上所述，原始数据也可以被发送至任意合适类型的、能够执行本文所述的部分或全部的处理和/或分析的远程处理系统。
[0057]电源和控制模块147向部件100中的所有其他装置分配电力，并且还能够被设计用于控制部件100的整体操作。例如，来自车轮开关108(图3)的信号可以由电源和控制模块147寄存并促使部件100中的其他装置通电和/或触发进行数据收集。
[0058]通信模块176能够从部件100传输数据，并且可以通过有线或无线的通信方法来做到这一点。数据传输可以包括由感测单元70收集的原始数据、由数据采集单元72就地执行的部分或完整分析的结果等。通信可以是双向的以允许对部件100的直接控制、评估、升级或测试。
[0059]物理通道178也被示出为连接至管道180。这些管道180可以承载空气(例如用于温度控制、避免污染等)、线缆、液压管线和/或其他需要的部件以允许操作部件100。例如，线缆可以穿过这样的管道180和通道178以向店员和控制模块174供电、提供用于通信模块176的有线连接等。
[0060]图7示出了操作设定的实施例。在该实施例中，部件100被示出为由两个防护斜坡200保护，这两个防护斜坡200被设计用于承受合理水平的冲击并且引导部件100上方的牵引设备而不允许其冲击部件100的侧部。图示出包括通风管202以允许在加热或冷却操作期间通风，并且还可以包括用于将可能积聚在部件100下方的水排出的管路。
[0061]另外，示出了防护箱204。防护箱204可以包含数据处理设备(例如一个或多个计算装置)、电源、控制系统和/或有助于部件100操作的其他系统，从而有助于维护和校准、有助于由部件100利用收集的(并且可以是经过分析的)数据(例如引发动作)。列车206将经过部件100并对其车轮的对准进行评估。车轮开关108能够触发该基于图像的评估动作并进行计时。其他的车轮开关108可以沿两个方向继续向下沿车轨32设置以允许部件100中的装置能够在经过一段时间没有新的车辆出现时进入省电的“休眠”模式之后被“唤醒”。
[0062]部件100中的通信模块176 (图6)可以通过例如经由管道180的有线连接而与防护箱204中的计算机系统通信。但是，应该理解也可以使用无线通信连接208。
[0063]图8示出了根据实施例的概念性操作流程图，该实施例可以通过部件100、防护箱204等当中的一个或多个计算装置来实现。首先，系统能够以“休眠”模式开始，其中很多的装置部分或完全断电。在步骤230，远程传感器检测列车(或其他构成部分)的接近，并且作为响应，在步骤232，系统通电并做好准备。作为对步骤234中触发传感器检测到车轮处于正确位置的响应，系统将在步骤236获取轮副图像。在步骤238，可以通过滤波、取均值或其他方式来准备这些图像以确保图像具有足够的用于进行分析的品质，正如本文所述的那样。在步骤240评估图像。在步骤242，可以基于评估来做出关于轮副是否处于可接受状态的判断。如果图像表明存在一处或多处超出目标状态的预定极限以外的异常(例如摆动、迎角等)，那么在步骤244即可生成针对这些异常的警报。在任何情况下，在步骤246可以记录轮副数据，并且流程可以返回到步骤234以等待触发车轮传感器。
[0064]如果在步骤234未检测到触发车轮传感器，那么在步骤248可以评估经过的时间以确定该时间是否已超过用于系统的“休眠”时间的阈值。如果尚未超过，那么流程返回至步骤234以等待触发传感器。如果已经超过休眠时间的阈值，那么在步骤250系统检查确认是否检测到尚未进行评估的抵达车辆/车轮。如果已经检测到这样的抵达车辆/车轮，那么流程返回至步骤234以继续等待触发传感器。如果没有检测到其余的抵达信号，那么在步骤252，系统进入休眠，并且流程返回至步骤230，其中非常低功耗的传感器评估装置监测远程传感器是否启用。
[0065]应该理解本说明书并不是穷举性的，并且实施例可以包括任意和全部的对于本领域技术人员来说显而易见的变型、增补方案和派生方案等。
[0066]在此介绍的本发明并不局限于本文所述实施例的特定形式，而是可以例举为多种不同的形式。以下是其他实施例的一些示例。
[0067]一个实施例可以涉及在不同的部件而不是在单一的部件100中安装两个成像系统70。在此情况下，每一个部件可以位于车轨的外侧以使车轮的场侧而不是车轮的轨距侧成像。本实施例可以将部件中的装置基本上安置在列车206上的牵引设备的冲击范围之外并且能够使安装和维护更加简单。例如，在安装、更换或维护工作期间可以无需妨碍交通。在此情况下，可能需要使用超强聚焦和/或更高功率的激光器76，并且会将摄像头74暴露给更多的环境光(如果摄像头在轨道车辆的下方则不会存在这样的环境光)。人可能会暴露在激光器76下也可能是一个问题，不过激光器76的安装高度以及激光器76将仅在有轨道车辆(例如列车206的一部分)经过时才会操作(并且因此应该不会有人存在)的事实可以缓解这些问题。
[0068]以上给出对本发明各种实施例的介绍是为了进行解释和说明。不应将其理解为穷举或者将本发明限制为公开的具体形式，并且固有地可以存在多种进一步的变型和修改。对于本领域技术人员显而易见的、在本文所述构思或实际加工产品中体现出来的所有的这些变型和修改都应该理解成被包含在本发明所公开的保护范围内。
【权利要求】
1.一种评估轨道车辆的轮副以用于轨道对准的系统，所述系统包括: 多个结构光测量装置，构造成用于在车轮沿轨道行进时测量在轨道车辆轮副上的相对车轮的特征集合，结构光测量装置包括: 激光投线仪的集合，构造成用于利用光片照射车轮的轮辋表面的一部分和轨道的轨头表面的一部分，所述光片具有基本竖直的且正交于轨道的取向；以及高速摄像头，构造成用于获取由车轮和轨道散射的激光的图像数据； 用于自动确定何时使用所述多个结构光测量装置中的至少一个来获取图像数据并自动启用所述多个结构光测量装置中的至少一个的装置；以及 计算机系统，构造成用于通过执行一种方法来处理图像数据，所述方法包括: 形成轮辋表面和轨头表面上的多个图像数据点的笛卡尔坐标；并且将笛卡尔坐标转化为多个车轮对准测量值，其中所述多个车轮对准测量值包括迎角和循迹位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中用于自动确定的所述装置包括标准车轮开关。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括安装在一对轨道之间的防护罩，其中所述多个结构光测量装置安装在所述防护罩中。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述计算机系统安装在所述防护罩中。
5.根据权利要求3所述的系统，还包括安装在所述防护罩中的电源和控制模块，其中所述电源和控制模块构造成用于在列车之间管理所述多个结构光测量装置和所述计算机系统的断电和通电。
6.根据权利要求3所述的系统，还包括安装在所述防护罩中的通信系统，其中所述通信系统构造成用于提供图像数据或者图像数据的处理结果中的至少一种以供外部计算机系统使用。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述通信系统利用有线连接或光纤连接与所述外部计算机系统通信。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述通信系统利用无线连接与所述外部计算机系统通信。
9.一种评估轨道车辆的轮副以用于轨道对准的方法，所述方法包括: 投射基本竖直的且相对于多条轨道正交的多条激光线，其中所述投射构造成使得在轮副沿多条轨道行进时，多条激光线中的每一条照射轨道车辆轮副中的路轨车轮的轮辋表面的一部分以及所述多条轨道中的对应轨道的一部分，并且其中至少两条激光线照射轨道车辆轮副中的多个路轨车轮中的每一个路轨车轮的轮辋表面的至少两个不同部分； 在投射期间获取用于所述多个路轨车轮的图像数据； 将图像数据处理成以下结果中的至少一种:降低图像数据中的噪声或者从图像数据中去除异常的点； 对于所述多个路轨车轮中的每一个: 利用经过处理的图像数据导出与被激光线照射的所述至少两个不同部分相对应的多个图像数据点的三维空间坐标； 针对所述三维空间坐标拟合一平面； 比较拟合平面与对应轨道的平面的对准；然后 确定拟合平面的对准是否落在用于车轮与轨道对准的可接受的变化参数以内；并且确定是否基于针对轮副的多个车轮中的每一个车轮的车轮对准而给出了轮副对准状态集合中的任何一种。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述激光线投射到所述轮副的多个车轮的轨距侧上。
11.根据权利要求9所述的方法，其中获取图像数据包括在投射期间拍摄所述多个车轮中的每一个车轮的至少三张图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述处理包括比较所述至少三张图像以根据考虑的因素去除异常值并确定由于路轨车轮的失准或变形中的至少一种而导致的任何变化。
13.根据权利要求9所述的方法，其中利用多个不同的激光投线仪和摄像头针对轨道车辆的轮副多次地执行所述投射和获取。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括基于多次获取的图像数据确定轮副是否摆动。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述激光线投射到所述轮副的多个车轮的场侧上。
16.—种系统，包括: 定位在一对轨道的位置附近的成像部件，其中所述成像部件包括多个结构光测量装置，所述多个结构光测量装置构造成用于在车轮沿这一对轨道行进时同时地获取用于轨道车辆轮副上的相对车轮的图像数据，结构光测量装置包括: 激光投线仪的集合，构造成用于利用光片照射车轮的轮辋表面的至少两个不同部分和轨道的轨头表面的对应的至少两个不同部分，所述光片具有基本竖直的且正交于轨道的取向；以及 摄像头，构造成用于获取由车轮和轨道从车轮的轮辋表面的至少两个不同部分和轨道的轨头表面的对应的至少两个不同部分散射的激光的图像数据；以及 计算机系统，构造成用于通过执行一种方法来处理图像数据，所述方法包括: 对于相对的车轮中的每一个: 根据图像数据导出与被激光线照射的至少两个不同部分相对应的多个图像数据点的三维空间坐标；然后 针对所述三维空间坐标拟合一平面；并且 计算用于轨道车辆轮副的多个车轮对准测量值，所述车轮对准测量值包括迎角和循迹位置。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述轨道车辆轮副是转向架的一对轨道车辆轮副中的一个，并且其中所述方法还包括利用针对转向架的这一对轨道车辆轮副中的每一个的多个车轮对准测量值来计算至少一个转向架对准测量值。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述至少一个转向架对准测量值包括轴间失准、循迹误差、转向架旋转或偏移中的至少一种。
19.根据权利要求16所述的系统，还包括沿着这一对轨道与所述成像部件间隔开的多个附加成像部件，其中所述多个附加成像部件中的每一个都被构造成用于在车轮沿这一对轨道行进时同时地获取用于轨道车辆轮副上的相对车轮的图像数据，并且其中所述计算机系统针对所述多个附加成像部件中的每一个处理图像数据。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述方法还包括基于来自所述成像部件和所述多个附加成像部件中的每一个的经过处理的图像数据来评估轮副的摆动情况。
【文档编号】G01B11/275GK104364607SQ201380026984
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2012年5月24日
【发明者】R·W·伽玛彻, Z·F·米安, J·C·马拉尼 申请人:国际电子机械公司