KR100538560B1 - 철도 승차감 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도 승차감 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도의 승차감을 평가하기 위한 승차감 측정기에 관한 것이다.

본 발명은 철도 승차감 측정 시스템에 있어서, 가속도계; GPS 수신기; Odometer; 상기 센서로부터 입력된 데이터를 이용하여 진동 가속도, 열차 속도, 위치를 파악하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 승차감 측정 시스템을 제공한다.

Description

철도 승차감 측정 시스템{Measurement System of Ride Comfort on Rail Road}

본 발명은 철도 승차감 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도의 승차감을 평가하기 위한 승차감 측정기에 관한 것이다.

일반적으로, 철도의 승차감은 일반적으로 운행중인 열차에 대해 차체바닥에서 측정된 진동가속도를 이용하여 평가를 하고 있으나, 철도는 국가마다 다른 특성의 철도차량과 선로조건을 갖고 있고 철도 이용승객의 체형을 갖고 있기 때문에 장시간(거리) 운행을 기본으로 하는 승차감 평가일지라도 전 세계적으로 사용할 수 있는 유일한 기준이 없이 사용국가나 사용자에 따라 그들에 맞는 여러 가지의 기준을 만들어 사용하고 있다.

일반적으로 많이 사용되는 승차감 평가방법으로는 통계적 방법에 의한 평가지수 이용하거나 실효(root mean square)값을 이용하는 방법과 'Sperling'에 의해 제안된 방법이 있다. UIC513R 및 ISO10056의 기준에서는 통계적 방법에 의한 평가지수를 사용하여 철도 승차감 평가를 수행하도록 하고 있으며, ISO2631-4에서는 통계적 방법에 의한 평가지수를 이용하거나 실효값을 바탕으로 하는 방법으로 철도 승차감 평가를 수행하도록 하고 있다.

그러나, 현재 사용되고 있는 승차감 측정기는 이 모든 방법에 대한 승차감 평가를 수행할 수 없기 때문에 현재의 승차감 측정기로 앞에서 언급한 모든 승차감 평가를 수행하기 위해서는 별도의 장치를 필요로 하게된다.

또한, 이들 승차감 측정기는 진동 가속도 데이터만으로 승차감을 평가할 뿐 열차의 속도나 이동거리 등을 파악할 수가 없다. 승차감은 단지 진동 가속도로 평가되지만, 진동 가속도의 크기는 열차의 속도나 궤도의 상태 등에 따라 많이 변화하기 때문에 열차의 속도와 이동위치를 알아야만 정확한 승차감의 해석 및 평가가 이루어질 수 있다.

그러나, 현재 사용되고 있는 승차감 측정기는 열차속도를 측정하기 위해 별도의 장치를 설치해야 하며, 열차의 이동위치는 철로 주변에 설치되어 있는 마일 포스트(Mile post)를 목측(눈)으로 측정하기 때문에 정확한 이동위치의 측정이 어려울 뿐만 아니라 비효율적이다.

종래 기술이 갖고 있는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 1개의 승차감측정기로써 다양한 승차감 평가를 할 수 있도록 함으로써 승차감 측정기의 기능을 한 단계 향상시키고, 또한 GPS를 이용하여 열차의 속도정보와 이동위치 정보를 줌으로써 보다 정확한 승차감을 평가할 수 있는 철도 승차감 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, FFT 보드, GPS, 컴퓨터, 가속도계, Odometer 등의 하드웨어와 소프트웨어로 구성되며, 하드웨어는 진동가속도, 열차속도, 위치 등의 정보인 아날로그(Analog) 신호를 직접 측정하고, 이 신호를 소프트웨어가 인식할 수 있도록 디지털(Digital) 신호로 변경시키게 한다.

또한, 이들 과정에서 작은 신호의 증폭, A/D중 발생되는 신호왜곡, FFT기능 등을 방지하는 기능이 내장되어 있다. 소프트웨어는 측정된 진동가속도를 이용하여 다양한 종류의 승차감 평가를 가능하도록 하였으며, 측정된 열차속도와 위치신호를 이용하여 열차속도와 이동위치에 따른 승차감 평가를 할 수 있도록 한다. 또한, 이 승차감 측정기를 이용하여 별도의 측정신호 및 저장할 수 있는 측정기로도 사용할 수 있도록 하였다.

(실시예)

본 발명은 철도의 승차감 평가를 위해 고안되었으며, 차량에 장착된 가속도계, GPS 및 Odometer를 이용하여 측정된 가속도, 열차속도 및 열차위치 신호를 이용하여 다양한 승차감의 평가할 수 있으며, 별도의 측정신호의 측정 및 저장이 가능한 측정기로도 사용할 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1과 도 2는 승차감 측정기의 전체 구성도를 보여준다. 도 1은 승차감 측정기를 승차감 평가에 사용하는 경우를 나타낸 것이며, 도 2는 승차감 측정기를 별도의 신호 계측 및 저장에 사용한 경우를 나타낸 것이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 실시예들의 경우 모든 기본 구성은 동일하며, 단지 사용하는 센서와 사용 프로그램이 다르다.

도 1과 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 기본 구성은 컴퓨터, FFT 보드, 센서 등의 하드웨어와 하드웨어 제어, 측정된 신호의 평가 및 저장을 수행하는 소트프웨어로 구성된다.

FFT 보드에는 작은 신호의 증폭, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D converter 기능과 A/D시에 발생할 수 있는 신호왜곡 방지 기능 및 FFT기능을 내장하고 있다.

승차감 측정기를 승차감 평가에 사용하는 경우에는 도 1에서 보는 바와 같이 센서는 3축 seat형 가속도계, GPS 및 Odormeter 등이 사용된다. 3축 seat형 가속도계는 지정된 위치의 차체 바닥이나 시트에서 진동가속도를 측정하는 데 사용되며, GPS는 열차의 위치와 속도를 GPS 위성을 통해 측정할 수 있는 데, 터널, 고층건물이 많은 곳이나 산악지형에서 GPS 위성에서 신호를 받을 수 없는 경우에는 Odometer와 Gyro를 통해 열차의 속도와 위치신호를 받을 수 있도록 되어 있다.

GPS를 사용할 수 없는 경우를 대비하기 위해 별도의 Odomter를 연결하여 열차의 속도를 받을 수 있도록 하였다. 승차감 측정기를 별도의 신호측정 및 저장에 사용하는 경우에는 도 2에서 보는 바와 같이 가속도계, 경사계, Odomter 등 전압으로 신호를 줄 수 있는 모든 센서를 사용할 수 있도록 하였다.

진동은 소음과 같이 모든 주파수 대역에서 동일한 세기를 갖는 진동일지라도 그 것을 인식하는 인간은 주파수 대역에 따라 다른 강도(세기)로 인식하게 되기 때문에 철도차량의 승차감 평가에서는 측정된 물리적인 진동의 세기보다도 인간이 직접 느낄 수 있는 주파수에 따라 환산된 진동의 세기가 더 중요하다. 도 3은 수평방향 및 수직방향에 대한 ISO, UIC규격 및 Sperling 방법에서 제안한 주파수 보정곡선을 나타내고 있다. 예로 ISO규격을 사용한 수평방향에 대해 살펴보면, 측정된 진동의 동일한 강도인 경우에 인간은 1 Hz일 때가 10 Hz일 때에 비해 5배 크게 진동을 느끼게 된다.

도 4는 앞에서 설명한 승차감 평가방법에 대한 흐름도를 나타낸 것이다. 가속도계로 직접 측정된 가속도 신호를 저주파 필터를 통과시켜 샘플링 동안에 발생할 수 있는 신호왜곡에 따른 오차를 제거시킨 후에 디지털 신호로 변환시킨다. 디지털 신호로 변환된 1개 블록(5초 동안 측정 데이터)의 신호를 퓨리에 변환(FFT)을 통해 주파수영역으로 변환시킨 후에 해당 평가방법이 사용하는 주파수 범위(ISO2631: 0.5∼80Hz, Sperling method: 0.5∼30Hz, UIC513R: 0.4∼80Hz)에서 각 주파수에 대해 가속도의 파워를 구한다. 동일한 방법으로 계산된 연속적인 60개 블록의 가속도의 파워에 대한 평균을 계산한다. 60개 블록의 평균 가속도 파워에 대해 구하려는 평가방법에 따른 도면 3에 보여준 주파수 보정곡선에 따라 주파수 보정을 수행한 후에 평가방법에 따른 평가지수를 구한다. 여기서, 신호증폭, A/D 신호변환, 신호왜곡방지 및 FFT는 하드웨어인 FFT 보드에서 수행하며, 주파수 보정과 승차감 평가지수의 계산은 소프트웨어가 담당하게 된다.

도 5는 프로그램 메뉴의 구성도를 나타낸 것이다. Menu는 기본메뉴와 보조메뉴로 분류되며, 기본메뉴는 File, measurement, Analysis, Result1, Result2 및 Help 메뉴 등으로 구성되어 있다. 기본메뉴는 각각 보조메뉴를 갖고 있으며, 기본메뉴를 선택함에 따라 도 5에서 보는 바와 같이 그에 해당하는 보조메뉴가 나타나 원하는 보조메뉴를 선택할 수 있도록 되어 있다. 기본메뉴의 기본적이 기능은 다음과 같다.

- File Menu: 결과 File의 입출력 기능, File을 외부로 출력하기 위한 기능

- Measurement Menu: 3개의 평가방법 중에 1개를 선택하여 승차감의 측정 및 평가 수행(열차속도 및 이동위치 정보 포함). 또한, 별도의 모듈인 DAQ(신호측정 및 저장)를 사용하여 최대 8채널까지 신호의 측정이 가능. 열차속도 및 위치

- Analysis Menu: Measurement Menu에서 측정된 데이터를 사용하여 승차감을 3개의 평가방법으로 평가(열차속도 및 이동위치 정보 포함).

- Result1, Result2 Menu: 측정된 전체의 승차감 결과를 시간, 속도 및 거리에 대하여 분석이 가능하도록 함.

- Help Menu: 승차감에 대한 일반적인 사항이 기술되어 있음.

본 발명은 GPS나 별도의 Odometer 등의 센서에서 측정된 정보로부터 열차의 속도와 이동위치 정보를 계산하여 승차감 평가에 사용하고 있으며, 이들 정보가 필요 없는 경우에는 센서를 사용하지 않도록 할 수 있다.

본 발명은 1개의 승차감 측정기로써 다양한 승차감 평가 방법을 쉽고 효율적으로 평가 할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 신호계측 및 저장장치로도 사용할 수 있도록 설계되었다. 열차의 속도와 이동위치 정보를 승차감 평가에 직접 활용하기 때문에 정확한 승차감 평가가 가능할 뿐만 아니라 선로의 이상상태까지도 분석할 수가 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 측정시스템 전체 구성도(승차감 평가).

도 2는 측정시스템 전체 구성도(별도의 신호측정 및 저장).

도 3은 는 주파수 보정곡선.

도 4는 승차감 평가 흐름도.

도 5는 프로그램 구성도이다.

Claims (1)

1. 철도 승차감 측정 시스템에 있어서,

   열차에 설치되어 열차의 진동 가속도를 측정하는 복수개의 3축 가속도계;

   열차에 설치되어 열차의 속도와 위치를 측정하는 오도미터(Odometer);

   열차에 설치되어 GPS 위성을 통해 열차의 속도와 위치 신호를 수신하는 GPS 수신기;

   상기 가속도계에서 측정되는 물리적 측정치(진동 가속도)를 전기적 신호로 변환하고 이 변환된 전기적 신호를 증폭시키며, 측정된 진동 가속도를 저주파 필터링하여 디지털 신호로 변환함과 동시에 하드웨어적으로 퓨리에 변환(FFT)하여 주파수 영역으로 신호변환하는 FFT 보드; 및

   주파수 영역으로 변환된 신호를 소정 개수의 블록으로 구분하며, 각 블록 신호에서 일정한 주파수 범위의 각 주파수에 대해 진동 가속도의 파워를 구한 후 전체 블록의 평균 진동 가속도 파워를 계산하고, 사용자의 평가 방법 입력에 따라 해당 평가 방법의 주파수 보정 곡선에 따라 주파수 보정을 수행한 후 해당 평가 방법의 평가지수를 구하고, 상기 GPS 수신기 및 오도미터를 통해 측정된 열차의 속도와 위치를 이용하여 최종 승차감을 평가하는 컴퓨터

   를 포함하는 철도 승차감 측정 시스템.