SISTEMA Y PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN DEL ESPESOR DE FROTADORES DE PANTÓGRAFO.

Sistema y procedimiento de medición del espesor de frotadores de pantógrafo.

El sistema comprende:

medios de iluminación láser principal (17) que proyectan una línea láser horizontal (25) sobre la cara superior del frotador (8) según un plano (22) paralelo al frotador;

medios de iluminación láser auxiliares (18, 18') que iluminan oblicuamente al frotador (8) según dos planos transversales (23, 23') al mismo, proyectando dos líneas láser auxiliares (26, 26') sobre el frotador (8);

medios de captación de imágenes (20) que capturan imágenes del frotador (8) incluyendo las líneas láser auxiliares (26, 26') y la línea láser horizontal (25);

medios de procesamiento de datos (19) que analizan las imágenes para:

- detectar las líneas láser auxiliares (26, 26');

- detectar la línea láser horizontal (25);

- calcular una línea base (30') empleada como origen para las medidas del espesor;

- obtener el espesor del frotador a partir de la diferencia en coordenadas verticales entre la línea láser horizontal (25) y la línea base (30').

Sistema y procedimiento de medición del espesor de frotadores de pant69Jafo

Campo de la invención

La presente invención se engloba en el campo de las inspecciones de

5 frotadores de pantógrafos ferroviarios, donde dicha inspección se realiza en tiempo

real y automáticamente, mediante visión artificial, sin necesidad de detener el tren ni

subir personal al techo del mismo.

Antecedentes de la invención

1 O El pantógrafo consiste en un sistema articulado que sujeta un patín o frotador,

presionándolo contra la catenaria, bajo la que se desliza. Se sitúa en el techo de la

unidad tractora y es regulable en altura de forma automática, para poder alcanzar la

catenaria independientemente de la altura a la que se encuentre el hilo conductor

aéreo. Para evitar que el frotador se desgaste en un sólo punto, la trayectoria de la

15 catenaria se dispone en zigzag, de modo que va barriendo la mayor parte del frotador

provocando un desgaste más o menos uniforme en toda su superficie.

En la actualidad, la inspección de frotadores de pantógrafos ferroviarios se

realiza mediante inspección visual, para lo que es necesario elevar al personal de

taller hasta el techo del tren, asegurándose previamente de cortar la energía de la

20 catenaria electrificada. Para ello, debido a lo delicado de la operación, son necesarios

múltiples sistemas de seguridad. Esta inspección visual, además de los riesgos

inherentes al proceso, lleva un tiempo elevado, es propenso a fallos y no facilita el

disponer de información detallada del perfil para realizar un mantenimiento predictivo

fiable.

25 Además de la inspección manual, comúnmente utilizada, existen sistemas

automáticos en el mercado que realizan la inspección de frotadores de pantógrafos

ferroviarios.

Pancam es un sistema de inspección de pantógrafos basado en visión artificial,

desarrollado y comercializado por la empresa australiana HameyVision. Este sistema

30 utiliza dos cámaras y un entorno de iluminación controlada para obtener diversas

imágenes de los frotadores, que son posteriormente analizadas mediante algoritmos

de reconocimiento de patrones en busca de fracturas, zonas de excesivo desgaste y

otras patologías en el perfil de los mismos. El resultado del análisis se presenta al

operario en un ordenador mediante un interfaz web accesible por red local.

La empresa australiana MRX Technologies desarrolla y comercializa un

sistema similar llamado PCMS (Pantograph Carbon Monitoring System) basado en el

mismo principio que el anterior. La principal diferencia radica en que este último,

mediante un complejo sistema de múltiples cámaras, iluminadores y reflectores, es

capaz de proveer mayor precisión y resolución, así como ciertos datos adicionales,

5 como son los ángulos de inclinación de los frotadores.

El sistema APIS (Automated Pantograph lnspection System) , de la empresa

norteamericana Duostech, utiliza un principio similar. La principal diferencia radica en

la utilización de iluminación infrarroja y en el hecho de que el algoritmo utilizado, en

lugar de aplicar técnicas de reconocimiento de patrones, compara las imágenes

1 O tomadas con otras de referencia almacenadas en una base de datos local. De esta

manera, los defectos se detectan mediante comparaciones con imágenes de

pantógrafos en buen estado. La utilización de cámaras infrarrojas hace los sistemas de

visión artificial más robustos a cambios de iluminación local, aunque siguen siendo

muy vulnerables a la luz solar directa.

15 Los sistemas comentados requieren de complejas instalaciones en entornos de

iluminación controlados. Estas instalaciones constan de varias cámaras e iluminadores

situados todos ellos en diferentes puntos de la instalación ferroviaria (tanto en los

laterales del tren como en su parte superior, en el caso de Pancam) .

En los dos primeros casos, además, se requieren aparatosas pantallas que

20 sirvan de fondo neutro para las imágenes tomadas por las cámaras, que ocupan un

considerable espacio en la instalación, afectando no ya a la vía en la que se realizará

la medición, sino también a cualquier vía adyacente.

El sistema APIS se basa en un principio totalmente diferente, al no proveer

medidas cuantitativas de las magnitudes a medir. Así, se limita a "marcar" pantógrafos

25 en posible mal estado, para que un operador pueda examinar en detalle las imágenes

tomadas de estos y, si procede, el equipo físico.

El desarrollo de estas tecnologías viene motivado por la necesidad de los

operadores ferroviarios de realizar el mantenimiento de los vehículos de la manera

más óptima posible.

30 Los pantógrafos deben revisarse periódicamente para garantizar la seguridad

de operación de los vehículos. En muchos casos, estas operaciones de mantenimiento

se realizan varias veces por semana para todas y cada una de las máquinas en

circulación.

Actualmente la mayoría de estas comprobaciones se realizan mediante

35

de inspeccionar los pantógrafos mientras el tren se encuentra en servicio; es decir, sin

necesidad de desviar el tren a una vía especial o inmovilizarlo en un taller de

mantenimiento. Para realizar esta inspección sin detener el tren la principal tecnología

empleada es la visión artificial.

5 Para representar una ventaja competitiva, los sistemas de inspección deben

presentar una fiabilidad elevada y no requerir a su vez de mantenimientos complejos y

costosos. Además, la precisión alcanzada debe cumplir con los requisitos

especificados en la norma técnica de mantenimiento de los trenes a inspeccionar,

realizándose la inspección a la velocidad de paso del tren. Por último, estos sistemas

1O deben poder integrarse fácilmente en vía, adecuándose a las infraestructuras

existentes en lo que a fijación, alimentación y comunicaciones se refiere; o bien deben

resolver estos aspectos de forma autónoma sin requerir infraestructuras adicionales.

El desarrollo de técnicas que permitan la obtención fiable y precisa de un gran

volumen de datos acerca de los componentes de la rodadura a inspeccionar puede

15 permitir la realización de mantenimiento predictivo a estos equipos, suponiendo así un

salto cualitativo importante para estas operaciones.

Referencias bibliográficas:

[1] S. Kumar, P.K. Tiwari, S.B. Chaudhur y , "An optical triangulation method for non-

20 contact profile measurement", IEEE lnternational Conference on Industrial Technology

(2006)

[2] D. C. Brown, "Ciose-range camera calibration", Photogrammetric Engineering 37

(1971) : 855-866.

[31 J. G. Fr y er and D. C. Brown, "Lens distortion for close-range photogrammetr y ",

25 Photogrammetric Engineering and Remete Sensing 52 (1986) : 51-58.

[4] W. Sun, J. R. Cooperstock, "An empirical evaluation offactors influencing camera

calibration accuracy using three publicly available techniques" (2006)

[5] Z. Zhang, "A flexible new technique for camera calibration", IEEE Transactions on

Pattern Analysis and Machine lntelligence 22 (2000) : 1330-1334.

30 [6] P. F. Sturm añd 5. J. Maybank, "On plane-based camera calibration: A general

algorithm, singularities, applications", IEEE Conference on Computer Vision and

Pattern Recognition, 1999.

[7] R. Brunelli, "Template Matching Techniques in Computer Vision: Theor y and

Practice", Wiley, ISBN 978-0-470-51706-2, 2009

35

Prentice-Hall, 1986

5 1 O 15 Descripción de la invención La presente invención permite la inspección en vía de componentes de elevado valor añadido para el sector ferroviario, sin necesidad de desviar los trenes a vías especiales o talleres de mantenimiento. Se utilizan técnicas de visión artificial para inspeccionar frotadores de pantógrafos. La presente invención se trata de un equipo que realiza una medición de espesor de la capa de grafito mediante triangulación con luz estructurada a medida que el tren pasa bajo los sensores (i.e. entrando a taller o a una estación) . Posteriormente se compone un modelo en 3D con la información obtenida y se analiza en busca de desgastes excesivos, grietas o impactos. El proceso de exploración tarda unos pocos segundos, estando los resultados en las bases de datos de la empresa de mantenimiento y/o disponibles para los operarios del taller antes incluso de que el tren llegue a detenerse. Los resultados se facilitan en forma de un informe completo, que incluye: ...

1. Sistema de medición del espesor de frotadores de pantógrafo, donde el

sistema está configurado para realizar la medición del espesor del frotador estando el

5 tren en marcha, caracterizado por que el sistema comprende:

medios de iluminación láser principal (17) configurados para, ante el paso del

frotador (8}, iluminar la cara superior del frotador (8) según un plano (22) paralelo al

mismo para proyectar una línea láser horizontal (25) sobre dicha cara superior;

medios de iluminación láser auxiliares (18, 18') configurados para, ante el paso

1 O del frotador (8}, iluminar oblicuamente al frotador (8) según dos planos transversales

(23, 23') al mismo, para proyectar dos líneas láser auxiliares (26, 26') sobre el frotador

(8) ;

medios de captación de imágenes (20) configurados para, ante el paso del

frotador (8) , capturar al menos una imagen del frotador (8) que incluya las líneas láser

15 auxiliares (26, 26') y al menos la porción de línea láser horizontal (25) comprendida

entre dichas líneas láser auxiliares (26, 26') ;

medios de procesamiento de datos (19) encargados de analizar la al menos

una imagen tomada por los medios de captación de imágenes (20) para, en cada

imagen:

20 -detectar las líneas láser auxiliares (26, 26') ;

- detectar, tomando como referencia la posición de dichas líneas láser

auxiliares (26, 26') , la línea láser horizontal (25) ;

- calcular una línea base (30') empleada como origen para las medidas

del espesor del frotador;

25 -obtener el espesor del frotador a partir de la diferencia en coordenadas

verticales entre la línea láser horizontal (25) y la línea base (30') .

2. Sistema según la reivindicación 1, que comprende medios de detección de

presencia (15, 15') para detectar el paso del frotador (8) .

30

3. Sistema según la reivindicación 2, que comprende:

un armazón metálico (14) para soportar los medios de detección de presencia

(15, 15') , los medios de iluminación (17, 18, 18') y los medios de captación de imágenes

(20) ;

35 una columna metálica (21) que posiciona al armazón metálico (14) a una altura

adecuada sobre la catenaria (9) ;

una jaula metálica para proporcionar aislamiento electromagnético a los

elementos soportados por el armazón metálico (14) .

5 4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los

medios de captación de imágenes (20) comprenden una cámara con filtro óptico

sintonizado con la longitud de onda de los iluminadores láser.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la línea

1 O base (30') es la intersección del plano (22) de iluminación del láser principal (17) con la

cara inferior (13) de la pletina del frotador, y donde los medios de procesamiento de

datos (19) están configurados para calcular dicha línea base (30') a partir de las

posiciones de los puntos inferiores (33, 33') de las líneas láser auxiliares (16, 16') y en

función de la perspectiva de la imagen.

15

6. Procedimiento de medición del espesor de frotadores de pantógrafo,

realizándose la medición del espesor del frotador estando el tren en marcha,

caracterizado por que comprende:

iluminar, ante el paso del frotador (8) , la cara superior del frotador (8) según un

20 plano (22) paralelo al mismo para proyectar una línea láser horizontal (25) sobre dicha

cara superior;

iluminar, ante el paso del frotador (8) , oblicuamente al frotador (8) según dos

planos transversales (23, 23') al mismo, para proyectar dos líneas láser auxiliares

(26, 26') sobre el frotador (8) ;

25 capturar, ante el paso del frotador (8) , al menos una imagen del frotador (8) que

incluya las líneas láser auxiliares (26, 26') y al menos la porción de línea láser

horizontal (25) comprendida entre dichas líneas láser auxiliares (26, 26') ;

analizar la al menos una imagen tomada por los medios de captación de

imágenes (20) para, en cada imagen:

30 -detectar las líneas láser auxiliares (26, 26') ;

- detectar, tomando como referencia la posición de dichas líneas láser

auxiliares (26, 26') , la línea láser horizontal (25) ;

- calcular una línea base (30') empleada como origen para las medidas

del espesor del frotador (1 O) ;

7. Procedimiento según la reivindicación 6, que comprende detectar el paso del

frotador (8) .

5

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, donde la línea

base (30') es la intersección del plano (22) de iluminación del láser principal (17) con la

cara inferior (13) de la pletina del frotador, y donde el cálculo de dicha línea base (30')

se realiza a partir de las posiciones de los puntos inferiores (33, 33') de las líneas láser

1 O auxiliares (16, 16') y en función de la perspectiva de la imagen.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, que

comprende un proceso de corrección de las distorsiones de la imagen producidas por

la óptica.

15

1O. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que

comprende un proceso de corrección de la distorsión trapezoidal de la imagen

producida por la perspectiva de la disposición geométrica de los elementos del

sistema.

20

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 1O, que

comprende, para la detección de la línea láser horizontal (25) , recortar la imagen para

eliminar la catenaria (9) .

25 12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, que

comprende, para la detección de la línea láser horizontal (25) :

umbralizar la imagen, obteniendo una imagen en blanco y negro, de forma que

los píxeles cuyo valor supere la media de los de su entorno inmediato más un umbral

se saturan mientras que el resto se desaturan;

30 delimitar la imagen umbralizada a un área comprendida entre las líneas láser

auxiliares (26, 26') ;

eliminar, en la imagen delimitada, las líneas blancas que no ocupen

horizontalmente la anchura definida entre las líneas láser auxiliares (26, 26') ,

13. Procedimiento según la reivindicación 12, que comprende adelgazar la línea láser horizontal (25) mediante el cálculo del centro de gravedad de la curva de intensidades realizado sobre la imagen original sobre la que se aplica como máscara la imagen final con la línea láser horizontal (25) .