СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING RAILWAY WHEELS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе и способу контроля железнодорожных колес.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Железнодорожные колеса представляют собой колеса, используемые в транспортных средствах, которые движутся по рельсам. Такие транспортные средства используются, например, для перевозки материалов и людей.
Наиболее распространенным транспортным средством, использующим этот тип колес, является железнодорожный поезд, который состоит из нескольких вагонов, классифицированных в соответствии с тем, что в них перевозится. Если поезд перевозит пассажиров, он называется пассажирским поездом; при перевозке материалов он называется грузовым поездом.
Среди аспектов, которые изучаются и анализируются в железнодорожной системе, наиболее важными и представляющими интерес являются: сход поезда с рельсов; затраты на обслуживание; и эффективные логистические стратегии.
Сход поезда с рельсов, как правило, происходит из-за потери сцепления между железнодорожными колесами и рельсами, в результате чего поезд теряет контакт с этими элементами.
Потеря сцепления приводит к сходу поезда с рельсов, что приводит к авариям и серьезным разрушениям из-за больших размеров и большой массы поезда.
Что касается затрат на обслуживание, взаимодействие железнодорожных колес с рельсами играет важную роль не только в обслуживании поездов, но и расходе топлива, безопасности и качестве поездок для пассажирских поездов. Наконец, сход с рельсов потенциально влияет на логистические контракты, что может иметь финансовые последствия из-за потери груза или даже потери жизни в результате железнодорожных аварий.
Основными причинами схода поезда с рельсов являются: взаимодействие колес с рельсами, поврежденные рельсы, разрушения сварных швов, несовершенства геометрии рельсов, изменение ширины рельсовой колеи и поврежденные колеса.
Все факторы, изложенные после «взаимодействия колес с рельсами», также являются результатом того же явления. Другими словами, поврежденные рельсы, изменение ширины колеи, геометрия рельсов и разрушения сварных швов могут прямо или косвенно влиять на «взаимодействие колес с рельсами». В качестве одного примера поврежденный профиль железнодорожных колес может привести к несовершенствам геометрии рельсов и поверхностным дефектам, что, в свою очередь, приводит к чрезмерному износу колес.
В связи с этим разработка и использование системы и способа контроля железнодорожных колес, которые предотвращают аварии из-за плохого состояния колес или проблем взаимодействия колес с рельсами, представляют большой интерес и имеют особую важность.
В известном уровне техники такой контроль выполняется периодически, и эксплуатация поезда и его вагонов должна быть прекращена для проверки железнодорожных колес.
Такая проверка выполняется вручную одним или несколькими рабочими, которые идут вдоль поезда, проверяя колеса и определяя, какие из них слишком изношены и требуют замены.
Однако этот способ требует много времени и подвержен человеческим ошибкам, поскольку проверка выполняется рабочими вручную. Кроме того, поскольку проверки проводятся на периодической основе, имеется большая вероятность, что колесо подвергнется чрезмерному износу или деформации в течение периода между проверками.
Известный уровень техники также содержит некоторые документы, которые раскрывают контроль железнодорожных колес, и они описаны ниже.
Документ, содержащийся в известном уровне техники, представляет собой патент США № 8925873, в котором раскрыты устройство и способ измерения и проверки размеров, связанных с износом колес на рельсах. Это устройство состоит из быстродействующих камер, связанных с лазерными измерительными приборами, выполненными с возможностью построения модели колеса и последующей проверки размеров, например, угла атаки, смещения колес и других размеров, которые связанны с преждевременным износом этого элемента.
Применение устройства и способа в соответствии с патентом США № 8925873 позволяет проверять преждевременный износ колес и сокращать количество необходимых мероприятий по обслуживанию, предотвращая аварии, вызванные преждевременным износом этих элементов.
В патенте США № 8925873 устройство установлено с обеих сторон каждого рельса для выполнения частичного моделирования колеса или тележки (комбинация двух колес с осью) оборудования. Изображения, захватываемые камерой и лазерными датчиками, получаются во время прохождения поезда, и нет необходимости останавливать поезд для выполнения измерений.
Затем изображения, полученные камерами, подвергаются триангуляции с использованием лазеров для генерации точного изображения колеса и считывания его размеров.
Однако указанный способ позволяет только измерение колес с помощью изображений, полученных устройством, но не позволяет сравнивать их с другими колесами в идеальном состоянии или с идеальной моделью колеса для определения фактического износа колеса.
Способ, описанный в американском документе, также не позволяет проверять размеры, не захваченные камерами или датчиками, например, поверхность колес, которая находится в контакте с рельсами, что делает невозможной проверку аномалий на этом участке колеса и проверку взаимодействия колеса с рельсом.
Кроме того, устройство не позволяют использовать только камеры, требуя применения лазерных датчиков для выполнения моделирования проверяемого колеса, что повышает стоимость устройства.
Другой документ известного уровня техники представляет собой заявку на патент США № 20140285658, в которой раскрыты способ и устройство измерения колес на рельсах без контакта с колесами. Устройство состоит из камер и лазерных датчиков, установленных вблизи рельса или эксплуатируемых оператором, выполненных с возможностью захвата изображений колеса. Устройство также может быть объединено с датчиком положения для большей точности при монтаже каждого изображения.
Устройство в соответствии с заявкой на патент США № 20140285658 позволяет захватывать колесо целиком или только интересующий участок. При захвате колеса целиком компьютерная система, выполненная с возможностью обработки изображений, полученных от камер и лазеров, создает трехмерную модель колеса.
В компьютерной системе, описанной в заявке на патент США № 20140285658, возможно выполнение нескольких типов измерения колеса, что позволяет проверять размеры большинства его компонентов. В дополнение, система также имеет возможность сравнения первой трехмерной модели с другими моделями, полученными тем же устройством, для проверки возможных аномалий и повреждений колес.
Однако такое устройство и способ не позволяют измерять поверхность железнодорожного колеса, измеряя только профиль колеса, предотвращая обнаружение повреждений на поверхности колеса, например, выступов, неровностей поверхности и других типов проблем. Так как он не позволяет измерять поверхность колеса, описанный способ также не позволяет проверять взаимодействие колеса с рельсом, что может привести к прямым затратам, например, авариям и косвенным затратам, например, чрезмерному расходу топлива и неудобству пассажиров.
Кроме того, способ, раскрытый в заявке на патент США № 20140285658, позволяет сравнивать только модели колес, измеренные устройством, с другими моделями колес, также полученными устройством, не позволяя вводить идеальную модель колеса для измерения фактического износа колеса.
Таким образом, можно сделать вывод, что ни метод периодического контроля железнодорожных колес, ни устройства и системы, раскрытые в известном уровне техники, не позволяют эффективно проверять поверхность колеса, тем самым предотвращая проверку взаимодействия колеса с рельсом.
Дополнительно, ни одно из устройств, систем и способов в известном уровне техники не позволяет измерять фактический износ поверхности и профиля колеса путем сравнения с идеальной моделью колеса.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на систему контроля железнодорожных колес, которая позволяет измерять и анализировать их профиль и поверхность.
Настоящее изобретение также направлено на способ измерения фактического износа, которому подверглось проверяемое железнодорожное колесо, путем сравнения с идеальной моделью железнодорожного колеса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - вид в перспективе предпочтительного варианта выполнения системы контроля в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 - блок-схема этапов, выполняемых при контроле железнодорожного колеса в предпочтительном варианте выполнения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 3 - блок-схема процесса калибровки стереокамеры;
Фиг. 4 - этапы процесса сегментации стереоизображения;
Фиг. 5 - блок-схема этапов, выполняемых при измерении профиля железнодорожного колеса;
Фиг. 6 - блок-схема этапов, выполняемых при анализе профиля железнодорожного колеса;
Фиг. 7 - пример радиальной дисторсии, обусловленной объективом традиционной камеры; и
Фиг. 8 - пример тангенциальной дисторсии, обусловленной объективом традиционной камеры.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение описывает систему и способ контроля железнодорожных колес 5. Такой контроль позволяет визуализировать и анализировать как профиль колеса 5, так и его поверхность 3.
В дополнение, контроль также позволяет анализировать весь профиль и поверхность 3 железнодорожных колес 5 путем сравнения с идеальной моделью колеса для измерения эффективного износа.
Контроль может быть разделен на три фундаментальных этапа: измерение 17 профиля колеса 5; анализ 18 профиля колеса 5; и анализ 19 поверхности колеса 5.
Первый аспект относится к обеспечению измерений в отношении геометрии колеса 5. Что касается анализа 18 профиля колеса 5, на этом этапе его геометрия анализируется по всему его профилю, и этот профиль создается только с двумя измерениями (2D).
Анализ 19 поверхности колеса 5 включает в себя расширение этого процесса вдоль профиля колеса 5 (2D) на небольшую область поверхности 3 железнодорожных колес 5, что позволяет получить трехмерную (3D) модель колеса 5, которая подвергается анализу.
Это расширение 2D в 3D имеет важное значение, так как позволяет понимать взаимодействие колеса 5 с рельсом 4 и динамику колеса 5 при движении по железной дороге. Каждый из этих этапов контроля отдельно рассмотрен ниже.
Измерение (17) профиля колеса
Система контроля использует две синхронизированные стереокамеры, предпочтительно расположенные следующим образом: по одной с каждой стороны рельса 4, включая первую стереокамеру 8 и вторую стереокамеру 9 (см. Фиг. 1).
Каждая стереокамера 8 и 9 содержит два объектива, первая стереокамера 8 содержит первый левый объектив 6 и первый правый объектив 7, а вторая стереокамера 9 содержит второй левый объектив 6' и второй правый объектив 7'.
Это расположение используется для захвата стереоизображения как с внешней стороны 2, так и с внутренней стороны 1 железнодорожного колеса 5 (см. Фиг. 1). Таким образом, первая стереокамера 8 захватывает изображения с внутренней стороны 1 колеса 5, тогда как вторая стереокамера 9 захватывает изображения с внешней стороны 2 колеса 5.
Эти стереоизображения, наряду с каждым из параметров калибровки камер 8 и 9, позволяют выполнять 3D-реконструкцию обеих сторон 1 и 2 железнодорожного колеса 5.
Такая 3D-реконструкция возможна путем применения следующих этапов предварительной обработки: коррекция дисторсии изображения; выпрямление изображения; преобразование; и вычисление несоответствия изображения.
Коррекция дисторсии изображения заключается в использовании параметров 11 калибровки для каждой стереокамеры 8 и 9 (см. Фиг. 2) для компенсации дисторсий 20 и 21 объективов так, чтобы прямые линии в реальном мире были представлены как прямые линии на отображаемом изображении.
Выпрямление изображения обеспечивает, чтобы компонент изображения, обнаруженный на заданной строке стереоизображения, находился на той же строке отображаемого изображения.
Преобразование и вычисление несоответствия изображения заключается в преобразовании расстояния между соответствующими пиксельными точками на выпрямленных изображениях в метрическую глубину для вычисления трехмерного расстояния до левого объектива относительно объекта.
Система вычисляет карту несоответствий с использованием любого алгоритма сопоставления стереоблоков (BlockMatching) или полуглобального алгоритма сопоставления стереоблоков (Semi-Global Matching). Оба алгоритма направлены на определение соответствующих точек между стереоизображениями. Это определение выполняется путем сравнения значений интенсивности пикселей двух изображений, где наименьшая абсолютная разница выбирается путем определения точки сопоставления. Последним этапом, необходимым для 3D-реконструкции, является триангуляция. Этот способ объединяет карту несоответствий и расстояние между двумя объективами для оценки трехмерного положения измеряемого объекта относительного левого объектива стереокамеры.
Другими словами, поскольку расстояние между двумя объективами стереокамеры остается неизменным для любого захваченного объекта, значение, связанное с этим расстоянием, точно известно проявителю, и для определения расстояния между одним из объективов и захваченным объектом необходимо просто сравнить различия этих изображений, полученных двумя объективами, и учесть расстояние между двумя объективами при вычислении.
После применения этих этапов предварительной обработки для обоих стереоизображений внутренней стороны 1 и внешней стороны 2 железнодорожного колеса 5, система может выполнять трехмерную (3D) реконструкцию 13 и 13' каждой стороны 1 и 2, соответствующей железнодорожному колесу 5.
После этого процесса следует этап записи точек в трехмерном облаке. Этот этап объединяет две 3D-реконструкции для получения одной трехмерной модели железнодорожного колеса 5, называемой наблюдаемой моделью, с использованием итеративного алгоритма ближайших точек (ICP) и внешних параметров калибровки двух стереокамер 8 и 9. ICP представляет собой алгоритм, используемый для записи облаков точек и направленный на преобразование, которое минимизирует разницу между двумя облаками точек, с помощью итеративного процесса. Во время его выполнения облако точек, называемое контрольным, остается неизменным, тогда как другое облако точек итеративно преобразуется до тех пор, пока не найдется ближайшая соответствующая точка контрольного облака.
Измерение 17 профиля колеса, основанное на использовании теоретической 2D-модели B железнодорожного колеса 5, направлено на измерение конкретных параметров геометрии колеса 5, например: ширины l гребня, высоты h гребня, угла θ наклона гребня, ширины L колеса (см. Фиг. 5).
Это становится возможным путем сравнения теоретической 2D-модели B железнодорожного колеса 5, называемой «реальной моделью», с профилем наблюдаемой 2D-модели, которая получена в трехмерной реконструкции железнодорожного колеса 5 с использованием стереокамер, называемой «наблюдаемой моделью».
Это сравнение основано на вычислении расстояния до функциональных точек, расположенных в фиксированных координатах вдоль этих двух профилей колеса.
За счет обеспечения теоретической 2D-модели B железнодорожного колеса 5, которая может быть получена от производителя колеса 5, этот подход может быть адаптирован к любому типу железнодорожного колеса 5.
Анализ (18) профиля колеса
В отличие от этапа измерения 17 профиля колеса 5, на котором измеряют конкретные признаки геометрии железнодорожного колеса 5, анализ 18 профиля колеса направлен на обеспечение четкого понимания того, как использовалось колесо 5 вдоль его профиля.
Для выполнения этого измерения все точки вдоль реальной модели сравниваются с их соответствующими точками в наблюдаемой модели. После этого сравнения вычисляется оценочный фактический износ колеса вдоль его профиля путем вычисления евклидова расстояния между каждой точкой в теоретической или реальной 2D-модели B и соответствующей точкой в наблюдаемой 2D-модели A. Евклидово расстояние представляет собой меру расхождения между двумя точками, чем больше эта мера, тем меньше подобие между точками. Таким образом, можно определить, насколько близки точки наблюдаемой модели к точкам теоретической модели.
Поскольку этот анализ выполняется вдоль профиля колеса, система контроля получает кривую 50 евклидова расстояния, обеспеченную реальной и наблюдаемой моделями.
С помощью этой кривой 50 можно оценивать фактический износ профиля железнодорожного колеса 5, см. Фиг. 6. Разрешение полученной кривой 50 зависит от разрешения наблюдаемой 2D-модели A, которое в основном зависит от объединенного разрешения двух стереокамер 8 и 9. То есть, чем лучше разрешение камер 8 и 9, тем точнее оценивается износ на профиле железнодорожного колеса 5.
Анализ (19) поверхности колеса
Дополнительный и фундаментальный признак системы контроля заключается в оценке износа участка 3 поверхности колеса 5, который соответствует области контакта с железной дорогой 4.
Такой участок 3 поверхности определяется указанной областью железнодорожного колеса 5, проявившейся в объединенном поле обзора двух стереокамер 8 и 9, то есть областью, которая не захвачена ими целиком.
В этом случае система вычисляет евклидово расстояние между точками, принадлежащими реальной модели, и точками наблюдаемой модели для области, определенной участком 3 поверхности колеса 5.
Этот способ 19 и способ анализа 18 профиля обеспечивают понимание взаимодействия колеса 5 с рельсом 4, тем самым позволяя более тщательный анализ колеса 5 с использованием некоторых параметров колеса 5, измеренных на первом этапе 17. Эта процедура имеет большое значение для предотвращения схода поезда с рельсов и снижения расхода топлива.
Подробная информация о трех основных раскрытых выше аспектах (измерение 17 профиля, анализ 18 профиля и анализ 19 поверхности) и полный процесс измерения и анализа геометрических характеристик профиля колес 5 раскрыты в блок-схеме, показанной на Фиг. 2, где описаны следующие этапы: получение 10 стереоизображения; коррекция 11 дисторсии изображения или калибровка стереокамер; сегментация 12 железнодорожного колеса; 3D-реконструкция 13 внутренней стороны 1 колеса; реконструкция 13' внешней стороны 2 колеса; фильтрация 14 3D-данных; объединение 15 3D-данных; преобразование 16 трехмерной модели; измерение 17 профиля железнодорожного колеса; анализ 18 профиля железнодорожного колеса; и анализ 19 поверхности железнодорожного колеса.
После описания трех основных аспектов, которые составляют систему контроля железнодорожных колес 5, далее следуют конфигурации и порядок выполнения каждого из этапов, которые составляют способ контроля железнодорожных колес 5.
Первый этап 10 заключается в получении стереоизображения железнодорожного колеса 5, предпочтительно с использованием двух стереокамер 8 и 9. Каждая стереокамера размещена с одной из сторон рельса 4, как показано на Фиг. 1. Камеры в настоящем изобретении называются первой стереокамерой 8 и второй стереокамерой 9 соответственно. Каждая камера содержит пару объективов, расположенных параллельно и имеющих альтернативные поля обзора, первая камера 8 содержит первый левый объектив 6 и первый правый объектив 7, а вторая камера 9 содержит второй левый объектив 6' и второй правый объектив 7'.
Альтернативно, могут быть использованы лазерные датчики или световые приборы, предназначенные для содействия получению изображений колес и встроенные в стереокамеры 8 и 9.
Частота кадров при получении стереоизображений может быть предварительно установлена так, чтобы гарантировать, что каждое колесо 5 принадлежит конкретному вагону, который попадает в поле обзора стереокамер 8 и 9. Таким образом, при движении поезда или вагона вблизи места установки камер 8 и 9 они захватывают 10 стереоизображение всех колес 5, которые содержит транспортное средство, позволяя отдельно анализировать каждое колесо 5.
Расстояние, геометрия и ориентация каждой стереокамеры 8 и 9 относительно рельса 4 должны быть определены в соответствии с техническими спецификациями камер 8 и 9, а также с условиями освещения и вибрацией, создаваемой движением транспортного средства по рельсу 4.
Второй этап 11 заключается в калибровке стереокамер 8 и 9 для компенсации дисторсий, возникающих на объективах 6, 6', 7 и 7' этих элементов. Имеются два разных типа дисторсии, которые возникают в большинстве камер: радиальная дисторсия 20 и тангенциальная дисторсия 21 (см. Фиг. 7 и 8). Обе дисторсии 20 и 21 обусловлены процессом изготовления и установки объектива.
Радиальная дисторсия 20 обусловлена тем, что производителю объективов всегда проще и дешевле изготавливать сферический объектив, чем идеальный параболический объектив. Эта особенность процесса изготовления объектива приводит к тому, что сферический объектив производит эту дисторсию 20 (см. Фиг. 7). На Фиг. 7 можно увидеть искаженное изображение 20 в плоскости 22 изображения, обусловленное помещением объектива 24 перед объектом 23.
Тангенциальная дисторсия 21 главным образом связана с тем, что очень сложно идеально выровнять объектив 24 камеры с датчиком 25 камеры, см. Фиг. 8, которая показывает объектив 24 камеры, смещенный относительно датчика 25 камеры, и искаженное изображение 26.
Для выполнения 2D или 3D измерения объекта эффект этих дисторсий 20 и 21 на захваченных стереоизображениях должен быть скорректирован. Эта коррекция выполняется с помощью процесса, называемого калибровкой 11 камеры. Этот процесс направлен на оценку двух типов параметров: внутренних параметров и внешних параметров.
Внутренние параметры относятся к направлению лучей, распространяемых 3D-объектом через оптический центр координат в плоскости изображения. Основными внутренними параметрами, оцениваемыми для каждого объектива, являются: фокусное расстояние, опорная точка, коэффициенты отклонения и радиальная 20 и тангенциальная 21 дисторсии.
Что касается внешних параметров, они включают в себя положение и ориентацию объективов каждой стереокамеры 8 и 9, которые образуют систему контроля. Фиг. 3 изображает блок-схему процесса калибровки, показывающую следующие этапы: получение 30 левого изображения; получение 30' правого изображения; монокулярная калибровка 31, выполняемая с использованием внутренних параметров; и стереокалибровка 32, выполняемая с использованием внешних параметров.
Третий этап 12 заключается в сегментации железнодорожного колеса, этот этап предназначен для содействия и упрощения четвертого этапа, на котором реконструируют 13 и 13' трехмерные модели железнодорожного колеса.
При вычислении сегментации могут быть использованы пиксели, принадлежащие сфотографированному железнодорожному колесу 5. Процесс деления пикселей изображения на составные области или объекты называется сегментацией. Имеется несколько методов сегментации изображения, принятый в настоящем изобретении метод сегментации основан на преобразованном расстоянии.
Результаты, полученные с использованием этого метода, раскрыты на Фиг. 4. Фиг. 4A показывает входное изображение, Фиг. 4B показывает сбалансированные углы, Фиг. 4C показывает сегментацию на основе преобразованного расстояния, и Фиг. 4D показывает окончательно сегментированное колесо 5.
Для 3D-реконструкции участка железнодорожного колеса 5, создаваемой любой из стереокамер 8 и 9, только пиксели в пунктирном прямоугольнике на поверхности колеса 5 (показано на Фиг. 4D) рассматриваются алгоритмом 3D-реконструкции.
Четвертый этап 13 и 13' блок-схемы, показанной на Фиг. 2, заключается в реконструкции трехмерной модели колеса 5, проверяемого системой контроля. Реконструкция трехмерной модели выполняется с использованием процесса триангуляции.
Этот процесс основан на использовании соответствующих точек, которые определены на изображениях, полученных как левыми объективами 6 и 6', так и правыми объективами 7 и 7' стереокамер 8 и 9 соответственно. То есть для элемента, находящегося в сегментированной области на левом изображении, должен быть определен соответствующий пиксель в сегментированной области на правом изображении. Эта процедура называется сопоставлением ресурса.
Поскольку каждый пиксель расположен с заданными координатами x и y, получают координаты x элемента на левом и правом изображениях, и разница между этими двумя пикселями, называемая несоответствием, используется для вычисления трехмерного местоположения пикселя относительно левого объектива 6 с помощью процесса триангуляции. Это процесс повторяется для каждого пикселя, находящегося в сегментированной области железнодорожного колеса 5, тем самым обеспечивая полную реконструкцию.
Этапы 1 и 2, то есть получение 10 изображений и калибровка 11 стереокамер, выполняются для каждой стереокамеры 8 и 9, как показано в блок-схеме на Фиг. 2. В связи с этим каждая стереокамера 8 и 9 создает частичную реконструкцию железнодорожного колеса 5.
Первая стереокамера 8 реконструирует внутреннюю сторону 1 колеса, тогда как реконструкция внешней стороны 2 колеса создается второй стереокамерой 9. Эти две трехмерные реконструкции 13 и 13' могут содержать разреженные группы точек (шум), которые должны быть удалены перед применением алгоритма объединения 3D-данных, который рассмотрен на шестом этапе, для получения полной реконструкции поверхности 3 железнодорожного колеса 5. Эта процедура удаления шума описана ниже в отношении пятого этапа.
Пятый этап 14 заключается в удалении искаженных трехмерных точек, другими словами, удалении шума или фильтрации 3D-данных, что обеспечивает большую точность реконструированной 3D-модели.
На этом этапе, с учетом трехмерных реконструкций 13 и 13' каждой стороны 1 и 2 железнодорожного колеса 5, разреженные и искаженные точки удаляются с помощью теоретической трехмерной модели поверхности 3 железнодорожного колеса 5.
Расстояние от каждой трехмерной точки до поверхности 3 железнодорожного колеса 5 используется для классификации точки 3D-реконструкции как потенциально принадлежащей поверхности 3 колеса 5, то есть только точки на приемлемых расстояниях рассматриваются для реконструкции трехмерной модели колеса 5.
В этом процессе также выполняется статистический анализ для получения точной формы для процесса 14 фильтрации 3D-данных. Подходы к выполнению этого статистического анализа включают в себя: линейную регрессию, 2D и 3D коррекцию кривой или группирование. Преимуществом этого этапа 14 является 3D-реконструкция без зашумляющих 3D-точек, что позволяет легко измерять характеристики колеса 5 на следующих этапах.
Шестой этап 15 заключается в объединении трехмерных точек, полученных на предыдущих этапах. После обеспечения двух множеств 3D-точек, представляющих трехмерные реконструкции 13 и 13' каждой стороны 1, 2 железнодорожного колеса 5 без зашумляющих точек, применяется метод объединения 15 3D-данных.
Для выполнения объединения 15 3D-данных способ использует алгоритм объединения трехмерных данных. Этот алгоритм учитывает калибровочную информацию 11 с этапа 2, полученную путем вычисления внешних параметров между левым объективом 6 первой камеры 8 и правым объективом 7' второй камеры 9.
Эти параметры включают в себя относительное перемещение и ориентацию между этими двумя объективами 6 и 7'. Затем 3D-точки подвергаются строгому преобразованию, которое позволяет системе объединять облака 3D-точек, полученные второй камерой 9, с облаками 3D-точек, полученными левым объективом 6 первой камеры 8.
Объединение позволяет системе перепроецировать эти облака 3D-точек в трехмерную систему координат. Это выполняется с помощью итеративного алгоритма ближайших точек (ICP, рассмотренного в пункте «Измерение профиля колеса»).
На этом этапе, обе реконструкции 13 и 13' объединяются в одно представление, так что получается трехмерная модель железнодорожного колеса 5. Эта уникальная трехмерная модель железнодорожного колеса 5, называемая наблюдаемой 3D-моделью, далее используется для анализа оценочного износа колеса и профиля колеса, как описано в отношении следующих этапов.
Седьмой этап 16 заключается в преобразовании трехмерной модели, полученной на шестом этапе, в наблюдаемую 2D-модель A. Для получения наблюдаемой 2D-модели A для анализа профиля колеса проецируемые 3D-координаты (X, Y, Z) связываются с координатами, полученными на основе теоретической 2D-модели B.
Эта привязка выполняется путем наложения теоретической 2D-модели B и наблюдаемой 3D-модели (модели, реконструированной на шестом этапе) для выравнивания обеих моделей и путем дальнейшего выполнения привязки данных для 3D-точек, которые являются наиболее близкими к точкам теоретической 2D-модели B.
Таким образом, на седьмом этапе может быть составлен профиль наблюдаемой модели, что приводит к получению наблюдаемой 2D-модели A.
Восьмой этап 17 заключается в измерении профиля железнодорожного колеса 5, при котором принимают в качестве входных данных теоретическую 2D-модель B нового железнодорожного колеса 5 и наблюдаемую 2D-модель A, полученную на седьмом этапе.
Фиг. 5 показывает компоненты и процедуры, представленные на этом этапе, а именно наблюдаемую 2D-модель A, теоретическую 2D-модель B, множество точек C траектории, вычисление D нормальных векторов, привязку E данных и оценку F характеристик колеса.
Множество точек C траектории определяет характерные точки, которые облегчают измерение параметров геометрии профиля колеса, например, высоты h гребня, ширины l гребня, угла θ наклона гребня, ширины L колеса и других интересующих размеров. Местоположение этих точек траектории вдоль профиля колеса стандартизировано, и координата каждой точки определена на основе местоположения наивысшей точки гребня P железнодорожного колеса 5.
Вычисление D нормальных векторов заключается в вычислении внутреннего нормального вектора контрольных точек, расположенных вдоль профиля наблюдаемой 2D-модели A. Вычисление выполняется с учетом двух последовательных точек вдоль профиля колеса и путем нахождения уравнения прямой, которая соединяет эти две точки. Затем наклон этого уравнения инвертируется и используется для определения нормального вектора. Кривая, показанная в левой части вычисления D нормальных векторов на Фиг. 5, иллюстрирует результат этой операции.
Привязка E данных заключается в сравнении точек (точечной траектории) наблюдаемой 2D-модели A с соответствующими точками вдоль теоретической 2D-модели B, тем самым выравнивая две 2D-модели, как показано ниже в отношении привязки E данных на Фиг. 5.
Для заданной точки вдоль наблюдаемой 2D-модели A эта процедура вычисляет перпендикулярное расстояние относительно пересечения двух ближайших нормальных векторов, сравнивая это расстояние, полученное в наблюдаемой 2D-модели A и в теоретической 2D-модели B, для проверки, какое перпендикулярное расстояние меньше.
Этот процесс E привязки данных повторяется для каждой точки вдоль наблюдаемой 2D модели A для привязки данных ко всем точкам вдоль профиля колеса 5.
Оценка F характеристик колеса заключается в использовании соответствующих точек, полученных на основе привязки E данных, для создания нового профиля 40, который показывает новый угол θ' гребня, новую высоту h' гребня, новую ширину L' колеса, новую ширину l' гребня и все характеристики железнодорожного колеса 5, подлежащие измерению.
Девятый этап 18 заключается в анализе 2D-профиля железнодорожного колеса 5 с использованием параметров, измеренных на восьмом этапе 17, для содействия анализу. В дополнение, девятый этап 18 подобен восьмому этапу 17. Единственными двумя различиями являются множество точек C' траектории и оценка F' характеристик колеса, см. Фиг. 6.
Множество точек C' траектории теперь определяется для всех точек, указанных в теоретической 2D-модели B, так что возможен анализ каждой точки вдоль профиля колеса 5.
Что касается оценки F' характеристик колеса, ее результатом является кривая 50, которая показывает фактический износ профиля колеса 5. Анализ 18 профиля колеса 5 позволяет определять, где изношено колесо по сравнению с новым железнодорожным колесом 5 на основе профиля колеса.
В дополнение, эта оценка позволяет понимать взаимодействие колеса 5 с рельсом 4, что, в свою очередь, позволяет разрабатывать новые профили колес, рельсы и множество параметров поезда, например, скорость и ускорение, что может быть использовано не только для увеличения срока службы железнодорожного колеса 5, но и для снижения затрат, связанных с расходом топлива.
Десятый и последний этап 19 заключается в анализе поверхности 3 железнодорожного колеса 5. В дополнение к оценке износа колеса 5 вдоль его профиля система также может анализировать 19 поверхность в 3D. Для выполнения этого анализа 19 система учитывает наблюдаемую модель, полученную на шестом этапе 15, и некоторые характеристики, измеренные на седьмом этапе 17.
Для выполнения анализа 19 поверхности могут быть применены два разных подхода, которые рассмотрены ниже.
Первый подход заключается в разделении наблюдаемой 3D-модели, полученной на шестом этапе 15, на несколько фрагментов и применении модуля анализа 2D-профиля железнодорожного колеса 5, как описано в отношении седьмого этапа 16.
Второй подход заключается в выполнении сопоставления пар трехмерных точек между точками наблюдаемой 3D-модели и теоретической 3D-модели. Эта теоретическая 3D-модель может представлять собой поверхность вращения теоретической 2D-модели B, которая в общем может быть получена путем выравнивания теоретической 2D-модели B с наблюдаемой 3D-моделью и вращением ее относительно центра железнодорожного колеса 5.
После выравнивания этих двух 3D-моделей пары точек, связанных в 3D на основе наблюдаемой модели, могут быть связаны с точками теоретической 3D-модели, с использованием алгоритма ближайших соседей.
Параметр, используемый для измерения расстояния между двумя точками, может представлять собой евклидово расстояние или расстояние Махаланобиса. В первом случае не учитывается неопределенность положения 3D-точки, что делает второй подход более надежным для зашумленных данных.
Таким образом, можно анализировать 19 поверхность железнодорожного колеса 5 и проверять, имеет ли она повреждения, выступы или неровности. Этот анализ 19 предотвращает возможные аварии из-за износа поверхности 3 колеса 5, а также обеспечивает более глубокое понимание взаимодействия колеса 5 с рельсом 4.
После описания системы и способа в их предпочтительных и альтернативных вариантах выполнения можно сделать вывод, что изобретение решает свои задачи с помощью системы контроля железнодорожных колес 5, выполненной с возможностью измерения фактического износа, возникающего во всех частях колеса 5.
В дополнение, способ контроля железнодорожных колес 5 позволяет сравнивать теоретическую модель нового железнодорожного колеса 5 с наблюдаемой моделью проверяемого колеса 5, тем самым позволяя проверять его фактический износ.