CN101142462A - 用于检查铁路轨道的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于检查铁路轨道的系统和方法。所公开的系统包括激光器、照相机和处理器。激光器位于轨道附近。激光器发射光束越过铁路轨道，而照相机俘获其上具有发射的光束的铁路轨道的图像。处理器格式化图像以使它们可以被分析，从而确定铁路轨道的各种不同的可测量方面。所公开的系统可包括用于确定位置数据的GPS接收器或遥测装置。可以被公开的系统确定的可测量方面包括但不限于枕木之间的间隔、轨枕相对于铁轨的角度、轨枕表面上的裂缝和缺陷、遗失的扣件部件、未对齐的扣件部件、凹陷的连接板、凸起的道钉、铁轨磨损、铁轨的轨距、道碴相对于轨枕的高度、道碴石头的大小、以及铁轨中的断裂或分离。该系统包括用于确定铁路轨道的这些可测量方面的一种或多种算法。

Description

用于检查铁路轨道的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请是要求由John Nagle和Steven C.Orrell于2004年6月30日提出的、标题为“System and Method for Inspecting Railroad Track”的美国临时申请S/N60/584,769的优先权的非临时申请，该临时申请的全部内容通过引用而被结合于此。
技术领域
本发明通常涉及用于检查铁路轨道的系统和方法，具体涉及利用激光器、照相机和处理器检查铁路轨道的若干方面的系统和方法。
背景技术
铁路轨道通常构建于压实的碎石材料的基层上。砾石道碴层建立于这个石层顶上。枕木被铺设于这个道碴层上，并且两条平行钢轨利用扣件被固定到枕木上。使用中的大部分枕木由木头制成。在枕木的制造中使用了各种其他的材料，如混凝土、钢和合成物或循环物质。这些代用材料枕木占全部枕木的较小百分比。枕木维持铁轨的轨距或侧向间隔。枕木将来自列车的轴载重分配给枕木下面的道碴层并且对整个轨道结构的减震作用产生影响。随着时间的推移，环境因素可导致枕木劣化直至它们必须被更换。每年，在北美，铁路轨道的更换多达所有木制枕木的2％或以上。这构成了几百万条枕木。
为了管理枕木更换的后勤并且量化对于新枕木的需求，铁路轨道检查者试图在规律的基础上对枕木和扣件系统的状况进行分级。这种分级常常利用目视检查识别腐烂的、断裂的、分离的或磨损程度达到其使用寿命终点的枕木和扣件来完成。目视检查的过程是十分费时的。实际上，轨道检查通过检查者沿着轨道步行以此检查并记录枕木和/或扣件的状况来实施，枕木和/或扣件沿着轨道以大约每20英寸被间隔。一条特定的北美铁路轨道据说一组3个或4个人每天只能对大约5至7英里的轨道进行分级。
用于检查铁轨的装置在本领域中是已知的，并且用于分析和组织利用这样的装置获得的数据的软件在本领域中是已知的。例如，新泽西州的ZETA-TECH Associates公司的TieInspect是具有手提装置和软件的计算机化的枕木检查系统。手提装置由检查者在沿着轨道行走并勘查轨道时使用，并且其软件用来分析和组织利用该装置获得的数据。
除了枕木的分级，其他的轨道部件也必须进行周期性的磨损、劣化方面的检查。这些包括铁轨的行驶表面的磨损、防爬器和扣件的完整性、连接板的对齐、道碴的状况以及铁轨的轨距。如同枕木分级一样，检查铁轨的这些方面也可能是费时的。系统在用于检查铁轨的领域中是已知的。例如英国Omnicom Engineering的OmniSurveyor3D是用于勘查铁路基础设施的系统。同样地，明尼苏达州的ENSCO公司提供了利用激光器测量铁轨轨距的激光门测量系统。
本发明的目的在于克服或至少减小上面提出的一个或多个问题的影响。
发明内容
公开了一种用于检查铁路轨道的系统和方法。所公开的系统包括激光器、照相机和处理器。激光器位于轨道附近。激光器发射越过铁路轨道的光束，并且照相机俘获其上具有发射的光束的铁路轨道的图像。处理器格式化这些图像以使它们可以被分析从而确定铁路轨道的各个不同的可测量方面。所公开的系统可包括用于确定位置数据的GPS接收器或遥测装置。可被公开的系统确定的可测量方面包括但不限于：枕木之间的间隔、轨枕相对于铁轨的角度、轨枕表面的裂缝和缺陷、遗失的连接板、未对齐的连接板、凹陷的连接板、遗失的扣件、损坏的扣件、未对齐的扣件、磨损或损坏的绝缘子、铁轨磨损、铁轨轨距、道碴相对于轨枕的高度、道碴石头的大小、以及铁轨上的断裂或分离。该系统包括用于确定铁路轨道的这些可测量方面的一种或多种算法。
前面的概要不是用来总结本公开内容的主题的每个潜在的实施例或每一方面的。
附图说明
参考下面的具体实施例的详细描述并连同附图一起阅读时，将会更好地理解前面的概要、优选实施例以及本公开内容的主题的其他方面，其中：
图1示意性说明了所公开的检查系统的实施例。
图2说明了按照本公开内容的某些教导的、用于检查铁路轨道的系统的实施例的一部分。
图3说明了利用公开的检查系统获得的铁路轨道的一部分的示范帧。
图4A-4C说明了利用用于确定枕木之间间隔的公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。
图5说明了利用用于确定枕木相对于铁轨的角度的公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。
图6A-6C说明了利用用于确定铁轨中的断裂和分离的公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。
图7A-7B说明了利用用于确定铁轨磨损的公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。
图8说明了利用用于确定枕木中缺陷、铁轨的间隔、枕木的尺寸和道碴相对于枕木的高度的公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。
图9说明了利用用于确定凸起的道钉的公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。
图10说明了利用用于确定遗失的连接板的公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。
图11和12说明了利用公开的检查系统获得的图像数据的三维编绘。
虽然所公开的检查系统和相关的方法易于接受各种不同的修改和替换形式，但是其中的具体实施例已经在附图中通过举例来示出并且在这里进行了详细描述。附图和书面说明不是用来限制以任何方式公开的发明概念的范围的。相反，正如35 U.S.C.§112要求的，所提供的图形和书面说明是用来参考特定实施例向本领域的技术人员说明所公开的发明概念的。
具体实施方式
参见图1和2，说明了按照本公开内容的某些教导的、用于检查铁路轨道的系统30的实施例。在图1中，示意性说明了关于铁路轨道的公开的检查系统30。在图2中，以透视图的形式示意性说明了关于铁路轨道的公开的检查系统30的一部分。
最好如图1所示，公开的检查系统30包括光发生器(如激光器40)，用于接收自要被检查的区域反射的光的装置(如照相机50)和处理装置60。在图1所示的实际应用中，公开的检查系统30用来勘查铁路轨道的轨道道床。尽管所描述的公开的检查系统和相关的方法是用于检查铁路轨道的，但是根据本公开内容的利益，将会意识到，所公开的系统和方法可用于其中的表面或部件需要检查的其他区域和行业。例如，所公开的检查系统和方法可用来检查公路、电线、管道系统或其他网络或系统。
轨道道床包括枕木10、铁轨12、连接板14、道钉16和道碴18。简单地说，激光器40将激光束42投射到轨道道床。如图2所示，激光束42在轨道道床上产生投影线L，所述投影线沿表面等高线和轨道道床的部件而行。光接收器(照相机50)俘获投射到轨道道床上的激光42的线L的图像。照相机50发送俘获的图像到处理装置60用于如下面详细描述的处理和分析。
最好如图2所示，成对的激光器40和照相机50被置于轨道的铁轨12的每一个的上方。激光器40和照相机50可以组装到刚性框架32上，该框架可以安装到检查车辆(图中未示出)或沿着轨道移动的其他装置上，以便于将检查系统30维持在适当的位置上。为简化起见，图2只示出了框架32的一部分。然而，应当了解，其他已知的用于框架32的部件可能需要将激光器40和照相机50安装到检查车辆上。
通常，检查车辆可以是沿着铁路轨道行驶的任何适当的车辆。例如，本领域的一般惯例是为标准的公路车辆(如轻型货车)装备被安装到汽车车架的“公铁两用”齿轮。公铁两用齿轮通常包括一组尺寸过小的铁路标准车轮，其允许公路车辆沿着铁轨行驶。在一个实施例中，接下来，所公开的检查系统30的框架32可以安装到具有“公铁两用”齿轮的轻型货车的车床上。另一方面，检查车辆还可以是特别为沿铁路轨道工作而设计的道路维护(MoW)设备。另外，所公开的检查系统30可以安装到被车辆牵引的底盘上或者可以安装到火车头或运货车厢上。
最好如图2所示，激光器40投射具有预定角分布β的光束42。两个激光器40的角分布β基本上覆盖了轨道道床的整个表面。这样，激光器40产生基本上笔直并且基本上越过轨道道床的投影线L。每个激光器40优选地产生具有大约60度的角分布β的光束42并且覆盖几乎轨道道床的一半。优选地，激光器40投射光束42，所述光束42基本上垂直于轨道的表面。另一方面，可使用单个激光器，其被定位成以便于产生越过轨道道床的投影线L。
另外，激光器40优选地是具有4瓦特光输出并产生大约810nm红外波长的光的红外激光器。激光器40的相对较高的光输出有助于减小环境光的影响以使遮蔽是不必要的。用于公开的检查系统30的适当的激光器包括由Stocker Yale制造的Magnum激光器。上述的用于激光器40的参数对于检查铁路轨道的表面来说是最佳的。所公开的检查系统30的其他实际应用可利用可选数量的以及不同波长、光输出和角分布的光源。
最好如图2所示，照相机50被置于激光器40附近。最好如图1所示，相对于自激光器40投射的光束42以角度θ安装照相机50。在一个实施例中，照相机被定位呈大约60度的角度θ。当公开的检查系统30沿着轨道30被移动时，照相机50以较小的、有规律的增量俘获轨道道床的图像或帧。优选地，照相机50具有基本上高帧频的能力，如每秒大约5405帧。
由照相机50俘获的每一幅静止图像或帧接着经过滤光和处理以此分离出投射到轨道道床上的等高激光线L。照相机50备有带通滤光片52，所述的带通滤光片52仅允许激光器40的基本上优选的红外波长下的辐射能通过。因为激光器40的波长大约为810nm，照相机50的带通滤光片52可基本上消除所有的环境光以使照相机50获得来自激光器40的光的投影线L的基本上清晰的静止图像。
两个照相机50的每一个借助于传输线直接将图像数据发送到处理装置或计算机60。优选地，照相机50包括处理器54，处理器54能够将投影线L的俘获图像转换或格式化成被直接发送到处理装置或计算机60的空间轮廓。照相机50以这种方式处理或格式化俘获图像的能力可消除对昂贵的后信息处理机或高速帧接收器的需求。适合于公开的检查系统30的、具有这样的处理能力的照相机包括由IVP Integrated Vision Products公司制造的Ranger M50。
连同共同的部件一起，处理装置或计算机60包括微处理器、输入、输出和数据存储装置62。数据存储装置62可包括硬盘驱动器、非易失性存储介质、闪存、磁带、或CD-ROM。处理装置60还可包括为轨道检查者准备的输入/显示68以此输入并检查数据以及操作公开的检查系统30。处理装置60利用适当的软件程序来操作，所述适当的软件程序用于存储和分析利用公开的检查系统30获得的各种数据。例如，处理装置60可具有任何适当的图像处理软件，如Matrox MIL、Common VisionBlox、Labview、eVision、Halcon和IVPRanger。例如，处理装置60可具有本领域已知的、用于分析来自照相机50的图像数据的图像处理工具，如所关注区域(ROI)工具、过滤工具、模糊工具、寻边器、直方图工具、以及其他工具。
为了有效地处理利用公开的检查系统30获得的所有数据，优选实施例中的处理装置60包括具有快速处理器的计算机，比如能够以2.8GHz运行的Intel Pentium 4处理器。为了有效地存储利用公开的检查系统30获得的所有数据，存储装置62优选地包括两个大容量硬盘驱动器，所述的两个大容量硬盘驱动器被配置成可同时作为一个驱动器使用读/写机制，这也被称为独立磁盘冗余阵列(RAID)系统。处理装置60的快速处理器和存储装置62的双硬盘驱动器便于利用公开的检查系统30获得的数据的持续实时的存储。在优选实施例中，公开的检查系统30的功率可以通过来自直接脱离检查车辆的引擎运行的皮带传动发电机的110V交流电源来提供。
在光束42投射到轨道的不规则表面并以某一角度来察看的情况下，图2所示的投影线L沿表面的等高线和轨道道床的部件而行。图3示出了表示轨道道床的投影线L的示范图像或帧。图像数据或帧包括给定X-Y坐标的多个像素并且表示由照相机50俘获的轨道道床的等高线。由于滤波和本领域已知的其他图像处理技术，图像包括两个像素值，其中深色像素代表轨道道床的等高线。给定的图像数据的每一个像素给出了相同的Z坐标，其代表沿轨道长度的特定位置，在此图像数据被俘获。如此，多幅俘获图像产生轨道道床的三维扫描，其中每幅扫描图像具有表示轨道道床等高线的X-Y坐标并且具有代表沿铁轨长度的等高线的特定位置的Z坐标。
应当了解，图像被俘获的速度受限于扫描区域的宽度和高度、离散的静止图像之间的距离、静止图像的分辨率、照相机50的最大帧频、计算机60的处理速度、以及数据存储装置62的写入速度。对于公开的检查系统30的铁路应用来说，一个优选实例是大约0.1英寸的由照相机50俘获的静止图像或帧之间的间隔、大约30mph的优选的检查车辆速度、近似10英寸的优选的扫描区域高度、以及越过轨道道床宽度的大约10英尺的优选的扫描区域宽度。为了满足这些优选的参数，具有每秒大约5405帧的能力的照相机系统和具有大约8.3MPS的处理和记录能力的计算机系统是优选的。如图3所示，每一帧或图像可能需要大约1,536字节的存储量。在沿轨道长度以大约每0.1英寸俘获帧的情况下，一英里的轨道将俘获大约633,600帧并且它们将需要0.973GB的存储空间。
另一个实施例并且如图1所示，公开的检查系统30还可包括全球定位系统(GPS)接收器64，用于在检查铁路轨道时获取检查车辆的地理位置。GPS接收器64可包括本领域已知的用于获取地理位置的任何适当的GPS接收器。例如，GPS接收器64可以是被安装到检查车辆上并利用适当的电缆联接和输入/输出接口被连接到处理装置60的独立的、市场上可买到的单元。GPS接收器64可利用不同的或相同的GPS系统来获取地理位置。利用GPS接收器64获取基本上精确的位置和时间数据的技术是本领域公知的并且不再作进一步的讨论。地理位置被发送到处理装置60并且可与轨道道床的图像数据一起编绘。
当来自照相机50的图像数据被记录时，帧的地理位置同样可以被记录。消除自GPS接收器64至计算机60的连续的地理位置数据流可释放利用处理装置60俘获图像数据的所用的处理器时间。因此，GPS接收器64优选地将数据送至辅助模块65。辅助模块65将该数据打包并且在被询问时将其发送到处理装置或计算机60。除了获取地理位置数据外，GPS接收器64还可获取时间数据。此外，利用GPS接收器64获取的位置和时间数据可用来确定其他变量，如检查车辆的速度，其可用于这里所公开的各种用途。因此，所公开的检查系统30可利用来自GPS接收器64的数据触发照相机50以此沿铁轨以大约每0.1英寸俘获轨道道床的静止图像。
在备选的实施例中并且如图1所示，所公开的检查系统30可包括遥测装置66，用于在检查铁轨时获取检查车辆的地理位置。遥测装置66可以是检查车辆沿铁轨移动时计算车轮旋转或局部旋转的编码器或者可以是检查车辆上现有的里程表传感器。遥测装置66可以为处理装置60提供位置数据。利用遥测装置66，所公开的检查系统30可触发照相机50以此沿铁轨以大约每0.1英寸俘获轨道道床的静止图像。
在另一个实施例中，在没有被GPS接收器64或遥测装置66触发的情形下，所公开的检查系统30可以或接近于照相机50的最大帧频俘获轨道道床的静止图像。例如，照相机50和处理装置60可以或接近于最大帧频工作同时检查车辆沿轨道行驶。利用已知的枕木10或连接板14的平均宽度，所公开的检查系统30可计算检查车辆的速度。所公开的系统可接着删除任何多余的帧以此减少数据存储以使保留的帧将具有接近0.1英寸的间隔。应当了解，0.1英寸的精确间隔并不总是可能的，但是该间隔将是已知的并且可能介于0.05”和0.1”之间。在这个实施例中，在给定轨枕上每个保留帧之间必须丢弃相同数目的帧以使帧间隔保持相同。例如，如果连接板已知是8英寸宽并且对于特定连接板来说有244帧被俘获，则在每个保留的帧之间可以丢弃两帧。如果整组帧从1至244编号，则保留的帧的编号为：1、4、7、10、...241、244。所保留的82帧将具有0.098英寸的计算间隔。
另一方面，所公开的系统可在任何两个俘获的帧之间进行插值以此沿着轨道在任何期望的位置上产生新的第三帧。接下来，某些帧可以丢弃以此取得想要的精确的帧间隔。
在所公开的检查系统30完成铁路轨道勘查之后，可实施图像数据的计算机分析。计算机分析可以通过位于检查车辆上的处理装置或计算机60来进行。另一方面，计算机分析可以通过具有本领域已知的图像处理软件的另一个计算机系统来进行。计算机分析搜寻图像数据并确定或探测沿轨道的其中有缺陷出现或其中铁路轨道的容许公差未被维持的位置。对于特定的实际应用，可以定制或改变计算机分析。可以提供存在缺陷或未允许公差的地理位置以使可以进行适当的修理或者可以安排维护工作。
铁路轨道的许多可测量方面可以根据利用公开的检查系统和相关的方法获得的轨道道床的图像数据来确定或探测。在下面的实例中，讨论了许多这种可测量的方面并且公开了用于分析可测量方面的各种技术。将会意识到，铁路轨道的这些和其他可测量方面可以根据利用公开的检查系统获得的轨道道床的图像数据来确定或探测。另外，还将意识到，本领域已知的用于分析图像数据的其他技术可以与公开的检查系统和相关的方法一起使用。因此，所公开的检查系统和相关的方法不打算受限于这里所描述的可测量方面和特定技术。
为清楚起见，图11和12说明了利用公开的检查系统和相关的方法获得的图像数据的示范编绘。图11具有以透视图的形式表示枕木、连接板和铁轨的一部分的多个已编绘的图像数据。图12具有表示更详细透视图的多个已编绘的图像数据。正如图11-12可以看到的，已编绘的图像数据形成轨道道床区域的三维表示(X、Y和Z)。这个表示具有基本的细节并且可以测量轨道道床的若干部件的各个方面。在图11-12中，例如，枕木10中的裂缝或分离是可见的。枕木10相对于道碴层18的高度也是可见的。连接板14和铁轨12的取向和高度是可见的。这些和其他的细节可以利用下面将详细描述的所公开的检查系统和相关的方法来获得。
在一个实例中，枕木之间的间隔可以根据多个图像数据来确定。参见图4A-4C，说明了利用公开的检查系统30获得的轨道道床的示范帧，它们可用来确定枕木10之间的间隔。图4A示出了具有沿着轨道的位置Z1处的第一枕木10的等高线的结束帧F1。这个结束帧F1可以标明表示该枕木10的最后一帧。图4B示出了在结束帧F1之后的某个时刻并且是在沿着轨道的另一个位置Z2上俘获的中间帧F2。这个中间帧F2中缺少枕木，因为它标明了轨道枕木之间的位置。可以了解，多个这样的中间帧将跟随图4A的结束帧F1。图4C示出了具有位于沿着轨道的另一个位置Z3的另一个枕木10’的结束帧F3。计算机分析可以通过比如首先计算缺少枕木的这种中间帧F2的数目来确定枕木10和10’之间的间隔。这个中间帧F2的数目可接着乘以帧之间的已知间隔(如0.1英寸)以此计算枕木10和10’之间的距离。这样，在无需轨道检查者亲身检查枕木的情况下可以取得轨道道床的枕木之间基本精确的测量。相反，使用了形成轨道道床的三维扫描的图像数据。
确定帧是否具有枕木可以通过本领域已知的成像技术来进行。例如并且如图4A-4C所示，枕木10的等高线预计在帧F1-F3的所关注的R区域内。计算机分析可以针对表示枕木存在的像素来搜索帧的所关注的R区域。例如，可通过对所关注的R区域内的像素值求平均或求和来实现这个过程。因为枕木的等高线由深色像素组成，具有枕木10的帧F1中所关注的R区域将具有比缺少枕木的中间帧F2中R区域更大的平均或总和。
在另一个实例中，枕木相对于铁轨的角度可以根据图像数据来确定。参见图5，说明了利用公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。铁轨12的头的角取向可以用线段L1表示。线段L1可以通过本领域已知的最佳拟合或曲线拟合技术来估计。同样地，枕木10的角取向可以用线段L2来表示。线段L2也可以通过比如本领域已知的最佳拟合或曲线拟合技术来估计。这些线段L1和L2可以由枕木10附近沿着Z轴的若干帧来平均。计算机分析可接着确定这些线段L1-L2之间的角度关系以此确定轨枕相对于铁轨的角度。这种状况可表示磨损的铁轨或木制枕木上的板型(plate cut)状况。
在另一个实例中，铁轨上的断裂可以根据图像数据来确定。参见图6A-6C，说明了利用公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧F1-F3，其可用来确定铁轨12的分离。图6A示出了具有位于沿着铁轨的位置Z1处的第一铁轨12的一端的结束帧F1。这个结束帧F1标明了表示该铁轨12的最后一帧。图6B示出了在结束帧F1之后的某个时刻并且是在沿着轨道的另一个位置Z2上俘获的中间帧F2。这个中间帧F2缺少铁轨，因为它表示轨道的铁轨之间的位置。可以了解，多个这样的中间帧F2可跟随图6A的结束帧F1。图6C示出了具有位于沿着轨道的另一个位置Z3的另一个铁轨12’的结束帧F3。计算机分析可以通过比如首先计算缺少铁轨的这种中间帧F2的数目来确定铁轨12和12’之间的间隔。这个中间帧F2的数目可接着乘以帧之间的已知间隔(如0.1英寸)以此计算铁轨12和12’之间的距离。
确定帧是否具有铁轨12可以通过本领域已知的成像技术来进行。例如并且如图6A-6C所示，铁轨12的等高线预计在帧F1-F3的所关注的R区域内。计算机分析可以针对表示铁轨等高线存在的像素来搜索帧的所关注的R区域。例如，可通过对所关注的R区域内的像素值求平均或求和来实现这个过程。因为铁轨的等高线由深色像素组成，具有铁轨12的帧F1中所关注的R区域将具有比缺少枕木的帧F2中的R区域更大的平均或总和。
在另一个实例中，铁轨的磨损可以根据图像数据来确定。参见图7A-7B，说明了利用公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧F1-F2，其可用来确定铁轨12的磨损。计算机分析可以例如通过确定铁轨12的等高线和帧中的参考点之间的距离是否小于前一帧中的同一距离来确定铁轨12是否有磨损。图7A示出了具有位于沿着轨道的位置Z1处的铁轨12的帧F1。铁轨12的等高线位于所关注的R区域内以及沿着帧F1的Y轴的层L处。铁轨12的等高线比可能是连接板高度的基准层L2高出了可测量距离LD。正如对本领域的普通技术人员来说本公开内容的好处将是显而易见的，基准层L2可能位于许多基准点上，如连接板14、道钉16、或枕木10。图7B示出了沿着轨道的位置Z2处的另一个帧F2。在位置Z2处，铁轨12的等高线和层L2之间的距离LD小于位置Z1处的这个距离。因此，帧F2可指出沿着轨道的位置Z2处的铁轨12的磨损。正如对本领域的普通技术人员来说本公开内容的好处将是显而易见的，铁轨磨损还可能通过比较在不同时间但是沿轨道道床的相同位置上获取的帧来确定。
在另一个实例中，枕木10中的缺陷可以根据图像数据来确定。如图8所示，示出了利用公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。示出了枕木10中的缺陷D和D’。计算机分析可以通过比如确定枕木等高线的若干部分D是否位于所关注的R区域的外部或者确定等高线的若干部分D’在区域R内是否缺少来探测枕木10是否具有缺陷。正如所知的，枕木中的缺陷可包括裂缝、分离或轨枕中的断裂。利用比如缺陷附近的多个图像数据，计算机分析可确定缺陷的宽度和长度。例如以及正如在图11-12中看到的，多个图像数据可用来估计枕木边缘所示的裂缝的宽度W和长度L。在某些情形下，比如，当缺陷取向允许来自激光器的光投射进缺陷中并且通过照相机来俘获时，计算机分析可确定缺陷的深度。在一个实施例中，激光器和照相机之间的角度可能较小以使投射进隐藏的缺陷中的光仍然可以被几乎平行于激光束定位的照相机所俘获。
在另一个实例中，铁轨的间隔或轨距或枕木长度可以根据图像数据来确定。在图8中，本领域已知的边缘探测技术可用来在帧中发现铁轨等高线12的边缘，并且可计算边缘之间的距离W1以此估计铁轨12的间隔。同样地，本领域已知的边缘探测技术可用来发现帧中枕木等高线10的边缘，并且可计算边缘之间的距离W1以此估计枕木10的宽度W2。
在另一个实例中，道碴层18相对于枕木10的高度可以根据图像数据来估计。在图8中，线拟合技术可确定道碴层18和枕木层10，并且这些层之间的差异可估计道碴18相对于枕木10的高度HB。在另一个实例中，铁路轨道的扫描可用来确定道碴18中石头的大小。这可以通过分析具有道碴18的所关注的区域并利用道碴18的等高线的曲率估计道碴石头的大小来进行。
在另一个实施例中，凸起的道钉可以根据图像数据来确定。参见图9，说明了利用公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。为了确定是否存在有凸起的道钉，可分析所关注的R区域以此确定表示凸起的道钉16的等高线的一部分是否出现在区域R内。
在其他实例中，遗失的连接板、未对齐的连接板或凹陷的连接板可以根据图像数据来探测。参见图10，说明了利用公开的检查系统获得的铁路轨道的示范帧。遗失或凹陷的连接板可以通过比如分析所关注的R区域并且确定表示连接板的等高线的一部分是否出现在区域R内来探测。未对齐的连接板可以通过比如线拟合连接板等高线的部分并且比较线的取向和枕木的取向来确定。
前面对优选的以及其他的实施例的描述不是用来限制或约束由申请人所构想的本发明概念的范围或适用性的。作为公开这里所包含的本发明概念的交换，本申请人要求所附权利要求提供的所有专利权利。因此，本申请人的意图是，所公开的检查系统和相关的方法包括所有修改和变更，最大程度上这些修改和变更在下面的权利要求或其中的等同物的范围内。

Claims (67)

1.一种用于检查包括铁路轨道的铁路轨道道床的系统，所述系统被安装在沿着所述铁路轨道移动的车辆上，所述系统包含：
至少一个光发生器，位于所述铁路轨道附近，用于将光束投射越过所述铁路轨道道床；
至少一个光学接收器，位于所述铁路轨道附近，用于接收从所述铁路轨道道床反射的至少一部分光并且生成表示所述铁路轨道道床的至少一部分的轮廓的多幅图像；以及
至少一个处理器，用于分析所述多幅图像并且确定所述铁路轨道道床的所述部分的一个或多个物理特征。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述光发生器是激光器。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述激光器发射红外光束。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个光发生器基本上位于所述铁路轨道上方并且发射基本上垂直于所述铁路轨道的光束。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述激光器发射角扩张的光束。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个光学接收器包含数字照相机。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述光学装置包含带通滤光片，所述带通滤光片基本上只允许在所述多幅图像中俘获光束的波长。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器包含数据存储装置，用于存储所述多幅图像。
9.如权利要求1所述的系统，还包含GPS接收器或编码器，用于为所述处理器的分析提供地理位置数据。
10.如权利要求1所述的系统，还包含位于所述铁路轨道附近的温度传感器，用于为所述处理器的分析提供所述铁路轨道的温度。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述多幅图像的每一幅包含给定X-Y坐标的多个像素。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述多幅图像的每一幅包含表示沿着铁路轨道长度的图像位置的Z坐标。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于确定所述铁路轨道道床的枕木之间距离的算法。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于识别所述铁路轨道道床的特定部件的算法。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于确定所述铁路轨道道床的枕木中的缺陷的算法。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于探测所述铁路轨道道床的遗失、未对齐、损坏或有缺陷的扣件部件的算法。
17.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于探测所述铁路轨道道床的未对齐或凹陷的连接板的算法。
18.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于确定所述铁路轨道道床的铁轨磨损的算法。
19.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于确定所述铁路轨道道床的铁轨间隔的算法。
20.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于确定道碴相对于所述铁路轨道道床的枕木的高度的算法。
21.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于确定所述铁路轨道道床的道碴石头的大小的算法。
22.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括用于确定所述铁路轨道道床的若干部分之间空隙大小的算法。
23.一种用于检查铁路轨道道床的方法，所述铁路轨道道床包括枕木、铁轨、相关的紧固硬件和道碴，所述方法包含下列步骤：
a)照亮越过铁路轨道道床的跨距的线；
b)接收从所述铁路轨道道床反射的至少一部分光；
c)生成表示所述铁路轨道道床的至少一部分的轮廓的多幅图像；以及
d)分析所述多幅图像并且确定所述铁路轨道的所述部分的一个或多个物理特征。
24.如权利要求23所述的方法，其中激光器照亮越过所述铁路轨道道床的跨距的线。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述激光器发射红外光束。
26.如权利要求23所述的方法，其中越过所述铁路轨道道床的跨距的线基本上垂直于所述铁路轨道的铁轨。
27.如权利要求24所述的方法，其中所述激光器发射角度扩张的光线。
28.如权利要求23所述的方法，其中数字照相机接收从所述铁路轨道道床的一部分反射的所述至少一部分光。
29.如权利要求23所述的方法，还包含用带通滤光片对从所述铁路轨道道床的一部分反射的所述至少一部分光进行滤光的步骤。
30.如权利要求23所述的方法，还包含存储所述多幅图像的步骤。
31.如权利要求23所述的方法，还包含提供来自GPS接收器或解码器的地理位置数据的步骤。
32.如权利要求23所述的方法，还包含获得所述铁路轨道道床的铁轨的温度的步骤。
33.如权利要求23所述的方法，其中所述多幅图像包含给定X-Y坐标的多个像素。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述多幅图像还包含表示沿着所述铁路轨道道床的铁轨长度的所述图像的位置的Z坐标。
35.如权利要求23所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的枕木之间距离的步骤。
36.如权利要求23所述的方法，还包含识别所述铁路轨道道床的特定部件的步骤。
37.如权利要求23所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的枕木中缺陷的步骤。
38.如权利要求23所述的方法，还包含探测所述铁路轨道道床的遗失、未对齐、损坏或有缺陷的扣件硬件的步骤。
39.如权利要求23所述的方法，还包含探测所述铁路轨道道床的未对齐或凹陷的连接板的步骤。
40.如权利要求23所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的铁轨磨损的步骤。
41.如权利要求23所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的铁轨间隔的步骤。
42.如权利要求23所述的方法，还包含确定道碴相对于所述铁路轨道道床的枕木的高度的步骤。
43.如权利要求23所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的道碴石头的大小的步骤。
44.如权利要求23所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的铁轨的若干部分之间空隙大小的步骤。
45.一种用于检查铁路轨道道床的方法，所述铁路轨道道床包括枕木、铁轨、相关的紧固硬件和道碴，所述方法包含下列步骤：
a)沿着所述铁轨行驶；
b)将聚焦的光束投射越过所述铁路轨道道床的跨距；
c)在沿着所述铁轨行驶的同时俘获越过所述铁路轨道道床的一部分投射的所述聚焦的光束的多幅图像；以及
d)通过处理所述多幅图像来确定所述铁路轨道道床的所述部分的一个或多个方面。
46.如权利要求45所述的方法，其中激光器将聚焦的光束投射越过所述铁路轨道道床的跨距。
47.如权利要求46所述的方法，其中所述激光器发射红外光束。
48.如权利要求46所述的方法，其中所述激光器基本上位于所述铁轨上方并且发射基本上垂直于所述铁轨的聚焦光束。
49.如权利要求46所述的方法，其中所述激光器发射角度扩张的聚焦光束。
50.如权利要求45所述的方法，其中数字照相机俘获所述多幅图像。
51.如权利要求45所述的方法，还包含利用带通滤光片对所述投射的光束进行滤光的步骤。
52.如权利要求45所述的方法，还包含在数据存储装置上存储所述多幅图像的步骤。
53.如权利要求45所述的方法，还包含获取来自GPS接收器或解码器的地理位置数据的步骤。
54.如权利要求45所述的方法，还包含获得所述铁轨的温度的步骤。
55.如权利要求45所述的方法，其中所述多幅图像还包含给定X-Y坐标的多个像素。
56.如权利要求55所述的方法，其中所述多幅图像还包含表示沿着所述铁轨长度的所述图像的位置的Z坐标。
57.如权利要求45所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的枕木之间距离的步骤。
58.如权利要求45所述的方法，还包含识别所述铁路轨道道床的特定部件的步骤。
59.如权利要求45所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的枕木中缺陷的步骤。
60.如权利要求45所述的方法，还包含探测所述铁路轨道道床的遗失、未对齐、损坏或有缺陷的扣件硬件的步骤。
61.如权利要求45所述的方法，还包含探测所述铁路轨道道床的未对齐或凹陷的连接板的步骤。
62.如权利要求45所述的方法，还包含确定所述铁轨磨损的步骤。
63.如权利要求45所述的方法，还包含确定所述铁轨的间隔的步骤。
64.如权利要求45所述的方法，还包含确定道碴相对于所述铁路轨道道床的枕木的高度的步骤。
65.如权利要求45所述的方法，还包含确定所述铁路轨道道床的道碴石头的大小的步骤。
66.如权利要求45所述的方法，还包含确定所述铁轨的若干部分之间空隙大小的步骤。
67.一种用于检查包括铁轨的铁路轨道道床的系统，所述系统被安装在沿着所述轨道移动的车辆上，所述系统包含：
至少一个光发生器，位于所述铁路道床附近，用于将光束投射越过整个轨道道床；
至少一个光学接收器，位于所述铁路轨道道床附近，用于通过接收从所述铁路轨道道床反射的至少一部分光来俘获所述铁路轨道道床的图像的至少一部分，其中所述光学接收器包括处理器，所述处理器用来生成所述铁路轨道道床的俘获图像的空间轮廓；以及
至少一个处理器，用于分析所述空间轮廓并且确定所述铁路轨道道床的所述部分的一个或多个物理特征。
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