專利名稱：基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統與方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵路輪軌接觸關系測量技術，具體是一種基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統與方法。
背景技術：
輪軌關系是輪軌交通特有的接觸關系。機車車輛在運行過程中，車輪相對軌道的位置不斷變化，所以輪軌關系是時變的、動態的。由于輪軌接觸狀態的特殊性和復雜性，利用常規手段(無論是準靜態力學分析，還是動力學仿真分析)，都難于對運行中的輪軌接觸狀態進行觀測，并對其做出精確和全面的分析和評估。理論和試驗研究表明，輪軌接觸的非線性對高速客車系統的穩定性影響極為敏感。這種非線性因素表現為蠕滑力的非線性變化，而其根源則是輪軌間的非線性幾何接觸， 它對列車的運行穩定性具有直接的影響。特別地，列車在高速運行狀態下輪軌間的動態接觸關系惡化，加劇了輪軌接觸的異常狀況，因此，高速運行情況下輪軌接觸狀態是影響安全運行的非常重要的問題之一。目前，國內外分析輪軌接觸關系的常規方法，仍然是采用測力輪對的動態力學分析方法，即在車輪幅板上貼應變片，測量車輪幅板在輪軌力作用下的應變，得到輪軌作用力。西南交通大學陳建政等(輪軌接觸點的在線連續測量，中國鐵道科學，2007，v28, n5， P15-18)在常規測力輪對的基礎上，通過增加I個電橋感應作用點位置的變化，對電橋的輸出進行傅立葉級數分析，建立作用點位置與電橋輸出的非線性方程組，得到作用點位置。日本金原等(連續測量輪軌接觸位置裝置的開發，國外鐵道車輛，2006，v43, n3，p31_36)，在車輪輻板承受軸重負荷部位正上方，以及軸另一側與其對稱處，分別開出用于測試軸重的測試孔，在該孔沿輻板厚度方向的兩端，貼上4片應變式傳感器，構成能夠測量孔兩端測點的應變，并將兩者的差值轉換為輸出信號的橋式電路，溫度補償后，就可以得到關于輪軌接觸位置位移量的數據。由于采用測力輪對確定接觸輪軌位置屬于間接測量，影響因素很多， 測量結果的精度沒有保證，準確性和可靠性有待進一步驗證。近年來，國內外一些學者提出一些基于計算機視覺的方法來確定輪軌接觸關系。 鐵道部科學研究院鐵建所趙國堂等(圖像技術在脫軌研究中的初步應用，鐵道建筑，1998， n8，p2-5)采用安置在鋼軌內側攝像設備直接監測輪軌接觸區域，并進行初步分析其接觸狀態。西南交通大學肖杰靈等(輪軌接觸幾何狀態檢測裝置，中國鐵道科學，2008，v29, n4， P141-144)提出一種基于機器視覺技術、光電測試技術和圖像處理技術研制輪軌接觸幾何狀態可視化檢測裝置，安置于一股鋼軌內、外兩側的高速攝像機同步獲取某一段目標區域內車輪通過時的輪軌接觸圖像，再通過軟件系統進行圖像的校正和拼接，從而獲得完整的輪軌接觸關系圖像。最后通過特征識別，獲得較完整的輪軌接觸關系。由于攝像設備的安裝既要考慮良好的攝像角度，以保證捕捉到最佳的輪軌接觸狀態，又要防止與列車碰撞，因此安裝存在一定難度，且監測效果欠佳。西安交通大學的陳建政等(輪軌接觸點位置圖像檢測方法研究，電力機車與城軌車輛，2009，v32, nl，p34_36)采用圖像檢測的方法，在轉向架構架處裝置一個CXD攝像機，通過對輪軌圖像進行預處理、邊緣檢測、形態學處理以及邊緣鏈接得到輪軌邊緣的輪廓，最終實現輪軌接觸點位置的在線連續測。西南交通大學的張渝等(輪軌接觸狀態可視化檢測裝置研究及試驗，光電工程，2009，v36，n9，p56-60)通過鋼軌內外兩側安裝的高速攝像機，同步采集列車高速通過特定測量區域時的輪軌接觸圖像， 再利用圖像處理算法獲得每個采樣位置的輪軌外形輪廓，識別出輪軌異常接觸狀態，計算測量區域的輪軌接觸軌跡。西南交通大學的翟婉明等提出“一種鐵道機車車輛輪軌動態接觸的可視化仿真方法”(CN101051393)，先構建平衡位置處左右側車輪及鋼軌的截面模型， 利用車輛-軌道耦合動力學計算方法，計算出列車行駛時車輪垂向、橫向、搖頭、側滾、旋轉 5個自由度的位移，并將其疊加到左右側車輪；同時計算出左右側鋼軌垂向、橫向、扭轉3個自由度的位移和線路不平順所產生的鋼軌偏移，將該位移及偏移疊加到鋼軌接觸截面模型的平衡位置；最后進行裝配，將輪軌動態空間接觸關系進行二維可視化仿真再現。中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所的李海浪等提出“一種監測輪軌接觸狀態的裝置及系統”(CN201347528)，該裝置包括攝像單元，用于采集列車的車輪與軌道接觸狀態的視頻信息；線路信息獲取單元，用于獲取列車的線路信息；線路信息包括線路名稱、和/或里程、和 /或行駛速度。處理單元，用于將采集的視頻信息與獲取的線路信息疊加。視頻信息傳輸單元，用于向視頻監視設備傳送疊加線路信息的視頻信息。但是上述的各種視覺方法僅能監測車輪或者鋼軌的運行狀況，并不能對輪軌接觸幾何關系參數進行精確的同步測量，更不能對輪軌接觸關系進行自適應分析，因此輪軌接觸關系的在線自動監測都是始終懸而未決的難題。
發明內容
本發明針對現有技術無法準確獲得輪軌接觸幾何關系參數的不足，提出一種適用于輪軌接觸幾何參數在線監測的系統及方法。本發明是通過以下技術方案實現的本發明的輪軌接觸關系在線監測系統主要由左探測器、右探測器和處理系統三個部分組成。左探測器和右探測器分別安裝在車廂底部，正對鋼軌的正上方位置，處理系統安裝在車載控制柜中。左探測器和右探測器分別監測左右兩對輪軌的接觸狀態，檢測信號送入處理系統，處理系統進行處理、識別、判斷、存儲和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數。本發明所述的探測器包括兩個線激光器和一個工業攝像機組成，其中的一個線激光器發出的線激光照射到鋼軌表面，并在鋼軌表面上形成一個鋼軌截面輪廓線；另一個線激光器發出的線激光照射到車輪側表面，并在車輪表面形成一個車輪截面輪廓線；工業攝像機直接獲取包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌與車輪監測區域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統進行處理，最終可得到所需的全部的輪軌接觸幾何關系參數。本發明采用上述系統的輪軌接觸關系在線監測方法如下當列車運行過程中，兩個線激光器同步發出線激光，分別照射到鋼軌表面和車輪表面，并分別在鋼軌表面和車輪表面形成兩條輪廓線。工業攝像機連續拍攝包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌與車輪監測區域的圖像，并將圖像實時傳送到后面的處理系統進行處理，最終可得到所需的全部的輪軌接觸幾何關系參數，從而實現輪軌接觸關系的在線監測。所述的線激光器采用半導體激光器構成，在半導體激光器前端安裝準直透鏡和線性光闌，將出射光整形成平行的線光源，分別頭像鋼軌表面和車輪表面。為了保證幾何參數的檢測精度，兩個激光器的激光束應該盡可能與車輪與鋼軌表面垂直。考慮到安裝的可行性，激光束與表面法線的夾角應控制在30度以內為佳。所述的工業攝像機采用普通數字工業攝像機，直接獲取包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌與車輪監測區域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統進行處理。所述的工業攝像機置于兩個線激光器之間，與兩個線激光器均應呈現一定的夾角，該夾角一般不小于30 度，以保證測量結果的精度。所述的處理系統由驅動控制器、視頻采集器、中心處理器、圖像存儲器等組成，在中心處理器的控制下，通過光源驅動與控制器打開線激光器，利用視頻采集器采集工業攝像機獲取的圖像，并能進行相應的處理和計算，最終得到監測結果并輸出，同時將圖像和監測結果進行存儲。本發明還涉及用于上述監測方法的輪軌接觸幾何參數確定方法，具體如下(I)對采集到的圖像進行預處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線；(2)對得到的兩條輪廓線分別進行樣條函數擬合計算(例如三次樣條函數擬合)， 分別獲得左右兩側的鋼軌表面輪廓曲線，以及車輪表面輪廓曲線，同時將兩個車輪輪廓曲線同步向上平移一小段距離。(3)計算車輪輪廓線與鋼軌輪廓線之間的垂向距離，找出左右兩側輪軌之間的最小垂向距離及其所在位置。(4)如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離相等，則左右兩側輪對同步向下平移， 左右車輪同時與左右鋼軌相接觸，上述接觸點位置即為左右輪軌真正的接觸點，此時輪對的側滾角為零。(5)如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離不等，則輪對向下平移時兩點不同時與鋼軌相接觸，其中一側輪的一點接觸后輪對還要繞縱向軸旋轉一個角度后才能使得與另一側輪對接觸，這個旋轉角度即為輪對的側滾角。與現有技術相比，本發明的輪軌接觸關系在線監測技術采用結構光方法同步獲取鋼軌和車輪的空間位置，從而可以準確獲取輪軌接觸幾何參數，由此獲取輪軌接觸關系實際情況。該系統和方法具有精度高、速度快、非接觸、低功耗、小體積、穩定可靠的特點，能夠用于各種鐵路車輛的監測。
圖I輪軌接觸關系在線監測系統組成示意圖；圖2探測器組成與布局示意圖；圖3線激光器組成示意圖；圖4線激光器與工業攝像機按照布局示意圖；圖5處理系統組成示意圖；圖6采集到的圖像及預處理結果；圖7處理結果示意圖。圖中1_鋼軌，2-車輪，3-左探測器，4-車體，5-處理系統，6-右探測器，7-線激
6光器，8-工業攝像機，9-半導體激光器，10-準直透鏡，11-線性光闌。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例I圖I所示為本實施例的輪軌接觸關系在線監測系統組成示意圖。該輪軌接觸關系在線監測系統主要由左探測器3、右探測器6和處理系統5三個部分組成。左探測器3和右探測器6分別安裝在車體4底部，正對鋼軌I的正上方位置，處理系統5安裝在車載控制柜中。左探測器3和右探測器6分別監測左右兩對輪軌的接觸狀態，檢測信號送入處理系統 5，進行處理、識別、判斷、存儲和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數。如圖2所示為本實施例的探測器組成與布局示意圖。該探測器包括兩個線激光器 7和一個工業攝像機8組成，其中的一個線激光器7發出的線激光照射到鋼軌I表面，并在鋼軌I表面上形成一個鋼軌截面輪廓線；另一個線激光器7發出的線激光照射到車輪2側表面，并在車輪2表面形成一個車輪截面輪廓線；工業攝像機8直接獲取包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌I與車輪2監測區域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統5進行處理，最終可得到所需的全部的輪軌接觸幾何關系參數。如圖3所示為本實施例的線激光器組成示意圖。所述線激光器7采用半導體激光器9構成，具有體積小、功耗低、穩定可靠、壽命長等優異特點。在半導體激光器9前端安裝準直透鏡10和線性光闌11，將出射光整形成平行的線光源，分別投向鋼軌I表面和車輪2 表面。為了保證幾何參數的檢測精度，兩個激光器7的激光束應該盡可能與車輪2與鋼軌 I表面垂直。考慮到安裝的可行性，激光束與表面法線的夾角應控制在30度以內為佳。圖4為本實施例的線激光器與工業攝像機按照布局示意圖。所述的工業攝像機8 采用普通數字工業攝像機，直接獲取包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌I與車輪2監測區域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統5進行處理。所述的工業攝像機8置于兩個線激光器7之間，與兩個線激光器7均應呈現一定的夾角，該夾角一般不小于30度，以保證測量結果的精度。圖5為本實施例的處理系統組成示意圖。所述的處理系統5由驅動控制器、視頻采集器、中心處理器、圖像存儲器等組成。在中心處理器的控制下，通過驅動與控制器打開線激光器，利用視頻采集器采集工業攝像機8獲取的圖像，并能進行相應的處理和計算，最終得到監測結果并輸出，同時將圖像和監測結果進行存儲。實施例2本實施例提供一種采用實施例I系統進行的輪軌接觸關系在線監測方法，具體為當列車運行過程中，兩個線激光器同步發出線激光，分別照射到鋼軌表面和車輪表面， 并分別在鋼軌表面和車輪表面形成兩條輪廓線；工業攝像機連續拍攝包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌與車輪監測區域的圖像，并將圖像實時傳送到后面的處理系統進行處理，最終得到所需的全部的輪軌接觸幾何關系參數，從而實現輪軌接觸關系的在線監測。本實施例中，上述得到所需的全部的輪軌接觸幾何關系參數方法，具體如下
(I)對工業攝像機8采集到的圖像進行預處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線(見圖6);(2)對得到的兩條輪廓線分別進行樣條函數擬合計算(例如三次樣條函數擬合)， 分別獲得左右兩側的鋼軌I表面輪廓曲線RJy)和Rk(y)，以及車輪2表面輪廓曲線Wjy) 和Wk(y)，同時將兩個車輪輪廓曲線l(y)同步向上平移一小段距離。(3)計算車輪輪廓線Rjy)和RK(y)與鋼軌輪廓線Wlj(y)和評力)之間的垂向距離，找出左右兩側輪軌之間的最小垂向距離Δ Zljllin = min [Wlj (Y)-RJy)]和Δ Zftllin = min [ffE (y) -Re (y)]及其所在位置 yMn 和 yKmin。(4)如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離相等，即Δ Zlmin = AZftllin，則左右兩側輪對同步向下平移，左右車輪同時與左右鋼軌相接觸，yLminyEmin即為左右輪軌真正的接觸點，此時輪對的側滾角為零。(5)如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離不等，即Λ ZLmin幸Δ ZEmin(A yG > O), 則輪對向下平移時兩點不同時與鋼軌相接觸，其中一側輪的一點接觸后輪對還要繞縱向軸旋轉一個角度后才能使得與另一側輪對接觸，這個旋轉角度即為輪對的側滾角。本實施例的處理結果如圖7所示。通過以上實施例可知，本發明基于結構光原理工作，可同步確定鋼軌與車輪的空間位置信息，由此求解輪軌接觸幾何關系參數，具有精度高、速度快、非接觸、可連續在線監測、自動適應鐵路路況不好、防護能力強等突出優點。本發明的輪軌接觸關系測量方法能夠用于各種鐵路線路。盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征在于所述系統主要由左探測器、右探測器和處理系統三個部分組成，左探測器和右探測器分別安裝在車廂底部， 正對鋼軌的正上方位置，處理系統安裝在車載控制柜中；左探測器和右探測器分別監測左右兩對輪軌的接觸狀態，檢測信號送入處理系統，處理系統進行處理、識別、判斷、存儲和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數。
2.根據權利要求I所述的基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征是 所述的左右探測器均包括兩個線激光器和一個工業攝像機組成，其中的一個線激光器發出的線激光照射到鋼軌表面，并在鋼軌表面上形成一個鋼軌截面輪廓線；另一個線激光器發出的線激光照射到車輪側表面，并在車輪表面形成一個車輪截面輪廓線；工業攝像機直接獲取包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌與車輪監測區域的圖像，將圖像傳送到后面的處理系統進行處理。
3.根據權利要求2所述的基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征是 所述兩個激光器的激光束與表面法線的夾角控制在30度以內。
4.根據權利要求3所述的基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征是 所述的兩個激光器的激光束分別與車輪和鋼軌表面垂直。
5.根據權利要求2所述的基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征是 所述的工業攝像機置于兩個線激光器之間，與兩個線激光器均應呈現一定的夾角，該夾角不小于30度，以保證測量結果的精度。
6.根據權利要求1-5任一項所述的基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征是所述的處理系統由驅動控制器、視頻采集器、中心處理器、圖像存儲器組成，在中心處理器的控制下，通過光源驅動與控制器打開線激光器，利用視頻采集器采集工業攝像機獲取的圖像，并能進行處理和計算，最終得到監測結果并輸出，同時將圖像和監測結果進行存儲。
7.根據權利要求6所述的基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征是 所述處理系統對采集到的圖像先進行預處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線；再對得到的兩條輪廓線分別進行樣條函數擬合計算，分別獲得左右兩側的鋼軌表面輪廓曲線，以及車輪表面輪廓曲線，同時將兩個車輪輪廓曲線同步向上平移一小段距離；然后計算車輪輪廓線與鋼軌輪廓線之間的垂向距離，找出左右兩側輪軌之間的最小垂向距離及其所在位置。
8.根據權利要求5所述的基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統，其特征是 如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離相等，則左右兩側輪對同步向下平移，左右車輪同時與左右鋼軌相接觸，上述接觸點位置即為左右輪軌真正的接觸點，此時輪對的側滾角為零；如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離不等，則輪對向下平移時兩點不同時與鋼軌相接觸，其中一側輪的一點接觸后輪對還要繞縱向軸旋轉一個角度后才能使得與另一側輪對接觸，這個旋轉角度即為輪對的側滾角。
9.一種采用權利要求1-8所述系統的鐵路輪軌接觸關系在線監測方法，其特征是當列車運行過程中，兩個線激光器同步發出線激光，分別照射到鋼軌表面和車輪表面，并分別在鋼軌表面和車輪表面形成兩條輪廓線；工業攝像機連續拍攝包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌與車輪監測區域的圖像，并將圖像實時傳送到后面的處理系統進行處理，最終得到所需的全部的輪軌接觸幾何關系參數，從而實現輪軌接觸關系的在線監測。
10.一種用于權利要求9所述方法的輪軌接觸幾何關系參數的確定方法，其特征是由以下步驟構成(1)對采集到的圖像進行預處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線.(2)對得到的兩條輪廓線分別進行樣條函數擬合計算，分別獲得左右兩側的鋼軌表面輪廓曲線，以及車輪表面輪廓曲線，同時將兩個車輪輪廓曲線同步向上平移一小段距離；(3)計算車輪輪廓線與鋼軌輪廓線之間的垂向距離，找出左右兩側輪軌之間的最小垂向距離及其所在位置；(4)如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離相等，則左右兩側輪對同步向下平移，左右車輪同時與左右鋼軌相接觸，上述接觸點位置即為左右輪軌真正的接觸點，此時輪對的側滾角為零；(5)如果左右兩側輪軌之間的最小垂向距離不等，則輪對向下平移時兩點不同時與鋼軌相接觸，其中一側輪的一點接觸后輪對還要繞縱向軸旋轉一個角度后才能使得與另一側輪對接觸，這個旋轉角度即為輪對的側滾角。
全文摘要
本發明公開一種基于結構光的鐵路輪軌接觸關系在線監測系統與方法，所述系統包括左探測器、右探測器和處理系統。左右探測器均包括兩個線激光器和一個工業攝像機組成，其中一個線激光器發出的線激光照射到鋼軌表面，并在鋼軌表面上形成一個鋼軌截面輪廓線；另一個線激光器發出的線激光照射到車輪側表面，并在車輪表面形成一個車輪截面輪廓線；工業攝像機直接獲取包含上述兩條輪廓線在內的鋼軌與車輪監測區域的圖像，將圖像傳送到后面的處理系統進行處理，進行處理、識別、判斷、存儲和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數。本發明采用結構光方法同步獲取鋼軌和車輪的空間位置，從而可以準確獲取輪軌接觸幾何參數，由此獲取輪軌接觸關系實際情況。
文檔編號G01M17/10GK102607439SQ20121003688
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者劉偉文, 吳芳, 楊金峰, 王夢雪, 趙輝, 陶衛, 雷華明 申請人:上海交通大學