[发明专利]对铁轨偏移进行成像和测量的系统

说明书

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 Imaging and Measuring Rail Deflection(对铁轨偏移进行成像和测量的系统)”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、系统和方法。

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系统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系统，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。