专利名称：基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种铁路轮轨接触关系测量技术，具体是一种基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统与方法。
背景技术：
轮轨关系是轮轨交通特有的接触关系。机车车辆在运行过程中，车轮相对轨道的位置不断变化，所以轮轨关系是时变的、动态的。由于轮轨接触状态的特殊性和复杂性，利用常规手段(无论是准静态力学分析，还是动力学仿真分析)，都难于对运行中的轮轨接触状态进行观测，并对其做出精确和全面的分析和评估。理论和试验研究表明，轮轨接触的非线性对高速客车系统的稳定性影响极为敏感。这种非线性因素表现为蠕滑力的非线性变化，而其根源则是轮轨间的非线性几何接触， 它对列车的运行稳定性具有直接的影响。特别地，列车在高速运行状态下轮轨间的动态接触关系恶化，加剧了轮轨接触的异常状况，因此，高速运行情况下轮轨接触状态是影响安全运行的非常重要的问题之一。目前，国内外分析轮轨接触关系的常规方法，仍然是采用测力轮对的动态力学分析方法，即在车轮幅板上贴应变片，测量车轮幅板在轮轨力作用下的应变，得到轮轨作用力。西南交通大学陈建政等(轮轨接触点的在线连续测量，中国铁道科学，2007，v28, n5， P15-18)在常规测力轮对的基础上，通过增加I个电桥感应作用点位置的变化，对电桥的输出进行傅立叶级数分析，建立作用点位置与电桥输出的非线性方程组，得到作用点位置。日本金原等(连续测量轮轨接触位置装置的开发，国外铁道车辆，2006，v43, n3，p31_36)，在车轮辐板承受轴重负荷部位正上方，以及轴另一侧与其对称处，分别开出用于测试轴重的测试孔，在该孔沿辐板厚度方向的两端，贴上4片应变式传感器，构成能够测量孔两端测点的应变，并将两者的差值转换为输出信号的桥式电路，温度补偿后，就可以得到关于轮轨接触位置位移量的数据。由于采用测力轮对确定接触轮轨位置属于间接测量，影响因素很多， 测量结果的精度没有保证，准确性和可靠性有待进一步验证。近年来，国内外一些学者提出一些基于计算机视觉的方法来确定轮轨接触关系。 铁道部科学研究院铁建所赵国堂等(图像技术在脱轨研究中的初步应用，铁道建筑，1998， n8，p2-5)采用安置在钢轨内侧摄像设备直接监测轮轨接触区域，并进行初步分析其接触状态。西南交通大学肖杰灵等(轮轨接触几何状态检测装置，中国铁道科学，2008，v29, n4， P141-144)提出一种基于机器视觉技术、光电测试技术和图像处理技术研制轮轨接触几何状态可视化检测装置，安置于一股钢轨内、外两侧的高速摄像机同步获取某一段目标区域内车轮通过时的轮轨接触图像，再通过软件系统进行图像的校正和拼接，从而获得完整的轮轨接触关系图像。最后通过特征识别，获得较完整的轮轨接触关系。由于摄像设备的安装既要考虑良好的摄像角度，以保证捕捉到最佳的轮轨接触状态，又要防止与列车碰撞，因此安装存在一定难度，且监测效果欠佳。西安交通大学的陈建政等(轮轨接触点位置图像检测方法研究，电力机车与城轨车辆，2009，v32, nl，p34_36)采用图像检测的方法，在转向架构架处装置一个CXD摄像机，通过对轮轨图像进行预处理、边缘检测、形态学处理以及边缘链接得到轮轨边缘的轮廓，最终实现轮轨接触点位置的在线连续测。西南交通大学的张渝等(轮轨接触状态可视化检测装置研究及试验，光电工程，2009，v36，n9，p56-60)通过钢轨内外两侧安装的高速摄像机，同步采集列车高速通过特定测量区域时的轮轨接触图像， 再利用图像处理算法获得每个采样位置的轮轨外形轮廓，识别出轮轨异常接触状态，计算测量区域的轮轨接触轨迹。西南交通大学的翟婉明等提出“一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法”(CN101051393)，先构建平衡位置处左右侧车轮及钢轨的截面模型， 利用车辆-轨道耦合动力学计算方法，计算出列车行驶时车轮垂向、横向、摇头、侧滚、旋转 5个自由度的位移，并将其叠加到左右侧车轮；同时计算出左右侧钢轨垂向、横向、扭转3个自由度的位移和线路不平顺所产生的钢轨偏移，将该位移及偏移叠加到钢轨接触截面模型的平衡位置；最后进行装配，将轮轨动态空间接触关系进行二维可视化仿真再现。中国铁道科学研究院基础设施检测研究所的李海浪等提出“一种监测轮轨接触状态的装置及系统”(CN201347528)，该装置包括摄像单元，用于采集列车的车轮与轨道接触状态的视频信息；线路信息获取单元，用于获取列车的线路信息；线路信息包括线路名称、和/或里程、和 /或行驶速度。处理单元，用于将采集的视频信息与获取的线路信息叠加。视频信息传输单元，用于向视频监视设备传送叠加线路信息的视频信息。但是上述的各种视觉方法仅能监测车轮或者钢轨的运行状况，并不能对轮轨接触几何关系参数进行精确的同步测量，更不能对轮轨接触关系进行自适应分析，因此轮轨接触关系的在线自动监测都是始终悬而未决的难题。

发明内容
本发明针对现有技术无法准确获得轮轨接触几何关系参数的不足，提出一种适用于轮轨接触几何参数在线监测的系统及方法。本发明是通过以下技术方案实现的本发明的轮轨接触关系在线监测系统主要由左探测器、右探测器和处理系统三个部分组成。左探测器和右探测器分别安装在车厢底部，正对钢轨的正上方位置，处理系统安装在车载控制柜中。左探测器和右探测器分别监测左右两对轮轨的接触状态，检测信号送入处理系统，处理系统进行处理、识别、判断、存储和输出，最终得出所需的接触几何参数。本发明所述的探测器包括两个线激光器和一个工业摄像机组成，其中的一个线激光器发出的线激光照射到钢轨表面，并在钢轨表面上形成一个钢轨截面轮廓线；另一个线激光器发出的线激光照射到车轮侧表面，并在车轮表面形成一个车轮截面轮廓线；工业摄像机直接获取包含上述两条轮廓线在内的钢轨与车轮监测区域的图像，并将图像传送到后面的处理系统进行处理，最终可得到所需的全部的轮轨接触几何关系参数。本发明采用上述系统的轮轨接触关系在线监测方法如下当列车运行过程中，两个线激光器同步发出线激光，分别照射到钢轨表面和车轮表面，并分别在钢轨表面和车轮表面形成两条轮廓线。工业摄像机连续拍摄包含上述两条轮廓线在内的钢轨与车轮监测区域的图像，并将图像实时传送到后面的处理系统进行处理，最终可得到所需的全部的轮轨接触几何关系参数，从而实现轮轨接触关系的在线监测。所述的线激光器采用半导体激光器构成，在半导体激光器前端安装准直透镜和线性光阑，将出射光整形成平行的线光源，分别头像钢轨表面和车轮表面。为了保证几何参数的检测精度，两个激光器的激光束应该尽可能与车轮与钢轨表面垂直。考虑到安装的可行性，激光束与表面法线的夹角应控制在30度以内为佳。所述的工业摄像机采用普通数字工业摄像机，直接获取包含上述两条轮廓线在内的钢轨与车轮监测区域的图像，并将图像传送到后面的处理系统进行处理。所述的工业摄像机置于两个线激光器之间，与两个线激光器均应呈现一定的夹角，该夹角一般不小于30 度，以保证测量结果的精度。所述的处理系统由驱动控制器、视频采集器、中心处理器、图像存储器等组成，在中心处理器的控制下，通过光源驱动与控制器打开线激光器，利用视频采集器采集工业摄像机获取的图像，并能进行相应的处理和计算，最终得到监测结果并输出，同时将图像和监测结果进行存储。本发明还涉及用于上述监测方法的轮轨接触几何参数确定方法，具体如下(I)对采集到的图像进行预处理，包括滤波后边缘提取，获得钢轨和车轮的截面轮廓线；(2)对得到的两条轮廓线分别进行样条函数拟合计算(例如三次样条函数拟合)， 分别获得左右两侧的钢轨表面轮廓曲线，以及车轮表面轮廓曲线，同时将两个车轮轮廓曲线同步向上平移一小段距离。(3)计算车轮轮廓线与钢轨轮廓线之间的垂向距离，找出左右两侧轮轨之间的最小垂向距离及其所在位置。(4)如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离相等，则左右两侧轮对同步向下平移， 左右车轮同时与左右钢轨相接触，上述接触点位置即为左右轮轨真正的接触点，此时轮对的侧滚角为零。(5)如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离不等，则轮对向下平移时两点不同时与钢轨相接触，其中一侧轮的一点接触后轮对还要绕纵向轴旋转一个角度后才能使得与另一侧轮对接触，这个旋转角度即为轮对的侧滚角。与现有技术相比，本发明的轮轨接触关系在线监测技术采用结构光方法同步获取钢轨和车轮的空间位置，从而可以准确获取轮轨接触几何参数，由此获取轮轨接触关系实际情况。该系统和方法具有精度高、速度快、非接触、低功耗、小体积、稳定可靠的特点，能够用于各种铁路车辆的监测。


图I轮轨接触关系在线监测系统组成示意图；图2探测器组成与布局示意图；图3线激光器组成示意图；图4线激光器与工业摄像机按照布局示意图；图5处理系统组成示意图；图6采集到的图像及预处理结果；图7处理结果示意图。图中1_钢轨，2-车轮，3-左探测器，4-车体，5-处理系统，6-右探测器，7-线激
6光器，8-工业摄像机，9-半导体激光器，10-准直透镜，11-线性光阑。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例I图I所示为本实施例的轮轨接触关系在线监测系统组成示意图。该轮轨接触关系在线监测系统主要由左探测器3、右探测器6和处理系统5三个部分组成。左探测器3和右探测器6分别安装在车体4底部，正对钢轨I的正上方位置，处理系统5安装在车载控制柜中。左探测器3和右探测器6分别监测左右两对轮轨的接触状态，检测信号送入处理系统 5，进行处理、识别、判断、存储和输出，最终得出所需的接触几何参数。如图2所示为本实施例的探测器组成与布局示意图。该探测器包括两个线激光器 7和一个工业摄像机8组成，其中的一个线激光器7发出的线激光照射到钢轨I表面，并在钢轨I表面上形成一个钢轨截面轮廓线；另一个线激光器7发出的线激光照射到车轮2侧表面，并在车轮2表面形成一个车轮截面轮廓线；工业摄像机8直接获取包含上述两条轮廓线在内的钢轨I与车轮2监测区域的图像，并将图像传送到后面的处理系统5进行处理，最终可得到所需的全部的轮轨接触几何关系参数。如图3所示为本实施例的线激光器组成示意图。所述线激光器7采用半导体激光器9构成，具有体积小、功耗低、稳定可靠、寿命长等优异特点。在半导体激光器9前端安装准直透镜10和线性光阑11，将出射光整形成平行的线光源，分别投向钢轨I表面和车轮2 表面。为了保证几何参数的检测精度，两个激光器7的激光束应该尽可能与车轮2与钢轨 I表面垂直。考虑到安装的可行性，激光束与表面法线的夹角应控制在30度以内为佳。图4为本实施例的线激光器与工业摄像机按照布局示意图。所述的工业摄像机8 采用普通数字工业摄像机，直接获取包含上述两条轮廓线在内的钢轨I与车轮2监测区域的图像，并将图像传送到后面的处理系统5进行处理。所述的工业摄像机8置于两个线激光器7之间，与两个线激光器7均应呈现一定的夹角，该夹角一般不小于30度，以保证测量结果的精度。图5为本实施例的处理系统组成示意图。所述的处理系统5由驱动控制器、视频采集器、中心处理器、图像存储器等组成。在中心处理器的控制下，通过驱动与控制器打开线激光器，利用视频采集器采集工业摄像机8获取的图像，并能进行相应的处理和计算，最终得到监测结果并输出，同时将图像和监测结果进行存储。实施例2本实施例提供一种采用实施例I系统进行的轮轨接触关系在线监测方法，具体为当列车运行过程中，两个线激光器同步发出线激光，分别照射到钢轨表面和车轮表面， 并分别在钢轨表面和车轮表面形成两条轮廓线；工业摄像机连续拍摄包含上述两条轮廓线在内的钢轨与车轮监测区域的图像，并将图像实时传送到后面的处理系统进行处理，最终得到所需的全部的轮轨接触几何关系参数，从而实现轮轨接触关系的在线监测。本实施例中，上述得到所需的全部的轮轨接触几何关系参数方法，具体如下
(I)对工业摄像机8采集到的图像进行预处理，包括滤波后边缘提取，获得钢轨和车轮的截面轮廓线(见图6);(2)对得到的两条轮廓线分别进行样条函数拟合计算(例如三次样条函数拟合)， 分别获得左右两侧的钢轨I表面轮廓曲线RJy)和Rk(y)，以及车轮2表面轮廓曲线Wjy) 和Wk(y)，同时将两个车轮轮廓曲线l(y)同步向上平移一小段距离。(3)计算车轮轮廓线Rjy)和RK(y)与钢轨轮廓线Wlj(y)和评力)之间的垂向距离，找出左右两侧轮轨之间的最小垂向距离Δ Zljllin = min [Wlj (Y)-RJy)]和Δ Zftllin = min [ffE (y) -Re (y)]及其所在位置 yMn 和 yKmin。(4)如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离相等，即Δ Zlmin = AZftllin，则左右两侧轮对同步向下平移，左右车轮同时与左右钢轨相接触，yLminyEmin即为左右轮轨真正的接触点，此时轮对的侧滚角为零。(5)如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离不等，即Λ ZLmin幸Δ ZEmin(A yG > O), 则轮对向下平移时两点不同时与钢轨相接触，其中一侧轮的一点接触后轮对还要绕纵向轴旋转一个角度后才能使得与另一侧轮对接触，这个旋转角度即为轮对的侧滚角。本实施例的处理结果如图7所示。通过以上实施例可知，本发明基于结构光原理工作，可同步确定钢轨与车轮的空间位置信息，由此求解轮轨接触几何关系参数，具有精度高、速度快、非接触、可连续在线监测、自动适应铁路路况不好、防护能力强等突出优点。本发明的轮轨接触关系测量方法能够用于各种铁路线路。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征在于所述系统主要由左探测器、右探测器和处理系统三个部分组成，左探测器和右探测器分别安装在车厢底部， 正对钢轨的正上方位置，处理系统安装在车载控制柜中；左探测器和右探测器分别监测左右两对轮轨的接触状态，检测信号送入处理系统，处理系统进行处理、识别、判断、存储和输出，最终得出所需的接触几何参数。
2.根据权利要求I所述的基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征是 所述的左右探测器均包括两个线激光器和一个工业摄像机组成，其中的一个线激光器发出的线激光照射到钢轨表面，并在钢轨表面上形成一个钢轨截面轮廓线；另一个线激光器发出的线激光照射到车轮侧表面，并在车轮表面形成一个车轮截面轮廓线；工业摄像机直接获取包含上述两条轮廓线在内的钢轨与车轮监测区域的图像，将图像传送到后面的处理系统进行处理。
3.根据权利要求2所述的基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征是 所述两个激光器的激光束与表面法线的夹角控制在30度以内。
4.根据权利要求3所述的基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征是 所述的两个激光器的激光束分别与车轮和钢轨表面垂直。
5.根据权利要求2所述的基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征是 所述的工业摄像机置于两个线激光器之间，与两个线激光器均应呈现一定的夹角，该夹角不小于30度，以保证测量结果的精度。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征是所述的处理系统由驱动控制器、视频采集器、中心处理器、图像存储器组成，在中心处理器的控制下，通过光源驱动与控制器打开线激光器，利用视频采集器采集工业摄像机获取的图像，并能进行处理和计算，最终得到监测结果并输出，同时将图像和监测结果进行存储。
7.根据权利要求6所述的基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征是 所述处理系统对采集到的图像先进行预处理，包括滤波后边缘提取，获得钢轨和车轮的截面轮廓线；再对得到的两条轮廓线分别进行样条函数拟合计算，分别获得左右两侧的钢轨表面轮廓曲线，以及车轮表面轮廓曲线，同时将两个车轮轮廓曲线同步向上平移一小段距离；然后计算车轮轮廓线与钢轨轮廓线之间的垂向距离，找出左右两侧轮轨之间的最小垂向距离及其所在位置。
8.根据权利要求5所述的基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统，其特征是 如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离相等，则左右两侧轮对同步向下平移，左右车轮同时与左右钢轨相接触，上述接触点位置即为左右轮轨真正的接触点，此时轮对的侧滚角为零；如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离不等，则轮对向下平移时两点不同时与钢轨相接触，其中一侧轮的一点接触后轮对还要绕纵向轴旋转一个角度后才能使得与另一侧轮对接触，这个旋转角度即为轮对的侧滚角。
9.一种采用权利要求1-8所述系统的铁路轮轨接触关系在线监测方法，其特征是当列车运行过程中，两个线激光器同步发出线激光，分别照射到钢轨表面和车轮表面，并分别在钢轨表面和车轮表面形成两条轮廓线；工业摄像机连续拍摄包含上述两条轮廓线在内的钢轨与车轮监测区域的图像，并将图像实时传送到后面的处理系统进行处理，最终得到所需的全部的轮轨接触几何关系参数，从而实现轮轨接触关系的在线监测。
10.一种用于权利要求9所述方法的轮轨接触几何关系参数的确定方法，其特征是由以下步骤构成(1)对采集到的图像进行预处理，包括滤波后边缘提取，获得钢轨和车轮的截面轮廓线.(2)对得到的两条轮廓线分别进行样条函数拟合计算，分别获得左右两侧的钢轨表面轮廓曲线，以及车轮表面轮廓曲线，同时将两个车轮轮廓曲线同步向上平移一小段距离；(3)计算车轮轮廓线与钢轨轮廓线之间的垂向距离，找出左右两侧轮轨之间的最小垂向距离及其所在位置；(4)如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离相等，则左右两侧轮对同步向下平移，左右车轮同时与左右钢轨相接触，上述接触点位置即为左右轮轨真正的接触点，此时轮对的侧滚角为零；(5)如果左右两侧轮轨之间的最小垂向距离不等，则轮对向下平移时两点不同时与钢轨相接触，其中一侧轮的一点接触后轮对还要绕纵向轴旋转一个角度后才能使得与另一侧轮对接触，这个旋转角度即为轮对的侧滚角。
全文摘要
本发明公开一种基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统与方法，所述系统包括左探测器、右探测器和处理系统。左右探测器均包括两个线激光器和一个工业摄像机组成，其中一个线激光器发出的线激光照射到钢轨表面，并在钢轨表面上形成一个钢轨截面轮廓线；另一个线激光器发出的线激光照射到车轮侧表面，并在车轮表面形成一个车轮截面轮廓线；工业摄像机直接获取包含上述两条轮廓线在内的钢轨与车轮监测区域的图像，将图像传送到后面的处理系统进行处理，进行处理、识别、判断、存储和输出，最终得出所需的接触几何参数。本发明采用结构光方法同步获取钢轨和车轮的空间位置，从而可以准确获取轮轨接触几何参数，由此获取轮轨接触关系实际情况。
文档编号G01M17/10GK102607439SQ20121003688
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者刘伟文, 吴芳, 杨金峰, 王梦雪, 赵辉, 陶卫, 雷华明 申请人:上海交通大学