KR101027910B1 - 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법 - Google Patents

음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법 Download PDF

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Abstract

대차를 따라 자동으로 이송하면서 콘크리트 철도침목의 균열을 고속으로 정확하게 검사할 수 있는 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법이 제공된다. 철도침목 균열 검사 방법은, 대차에 탑재되어 이송하면서 철도침목의 균열을 검사하는 방법에 있어서, a) 균열을 측정할 철도침목의 영상을 획득하는 단계; b) 획득된 영상에 따라 대차를 이동시킴으로써 타격을 가할 위치를 정렬하는 단계; c) 타격부를 통해 정렬된 철도침목 위치에 타격을 가하여 진동을 발생시키는 단계; d) 타격에 의해 발생하는 타격 파형 및 철도침목의 진동에 따른 음향 파형을 획득하는 단계; e) 기설정된 파형과 획득된 타격 파형 및 음향 파형을 비교 분석하는 단계; f) 비교 분석 결과에 따라 철도침목에 균열이 발생하였는지 판단하는 단계; 및 g) 철도침목에 균열이 발생한 것으로 판단한 경우, 해당 부위를 정밀 측정하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법{AUTOMATIC INSPECTION METHOD FOR DETECTING CRACKS ON A TRAIN RAILWAY SLEEPER BY ACOUSTIC SIGNALS}
본 발명은 철도침목 균열 검사에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 대차를 따라 자동으로 이송하면서 콘크리트 철도침목의 균열을 검사하는 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법에 관한 것이다.
철도가 다른 교통수단과 특징적으로 다른 점은 일정한 선로 위를 열차가 주행한다는 점이며, 일반적으로 사람이나 화물 등을 운반하기 위한 열차는 지상 또는 지하에 설치되는 철로를 따라 이동되며, 가장 흔하게 접할 수 있는 철도 선로는 전철이나 지하철의 철로가 있다.
이러한 철도 선로는 연속 형성되는 레일과, 그 레일의 하부를 지지하고 있는 다수의 침목 및 이러한 침목을 지지하고 있는 자갈층 또는 콘크리트층으로 구성되며, 이때, 종래에는 침목은 고가의 오크목이나 저가의 소나무 등을 사용하였으나 가격대비 사용 수명이 상대적으로 짧아 근래에 들어서는 콘크리트재로 된 침목을 주로 사용하고 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 철도레일의 구조를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이고, 도 2는 철도레일 또는 철도침목 균열을 예시하는 도면이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 일반적인 철도레일은 견고한 노반(3)위에 도상(4)을 정해진 두께로 포설하고, 그 위에 침목(2)을 일정 간격으로 부설하여 침목(2)위에 두 줄의 철도레일(1)을 소정 간격으로 평행하게 체결한 것이다. 시공기면(노면의 표면) 이하의 노반과 함께 열차 하중을 직접 지지하는 중요한 역할을 하는 도상(4) 윗부분을 궤도라고 총칭한다.
이와 같이 궤도는 크게 철도레일(1), 체결구(미도시), 침목(2) 및 도상(4)으로 구성되는데, 철도레일(1)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 철도레일 하면은 침목(2)에 접촉하고, 철도레일 상면(1a)은 열차에 접촉하며, 열차를 직접 지지하면서 열차의 주행을 유도한다. 침목(2)은 철도레일(1)로부터 받은 하중을 도상(4)에 전달하고, 철도레일(1)의 위치를 유지한다. 도상(4)은 침목(2)으로부터 받은 하중을 노반(3)에 넓게 전달하고 침목(2)의 위치를 유지하며 탄성에 의한 충격력을 완화시킨다.
이때, 침목(2)은 레일 길이 10m 당 보통 15본∼17본을 배치하는 바, 침목과 침목 간의 간격이 일정하게 유지되어야 하고, 그 높낮이(수평)도 일정하게 유지되어야 한다. 만일, 침목 간의 간격이 일정하지 않거나 높낮이가 틀리면, 열차의 하중이 균등하게 분포되지 않아서, 도 2에 도시된 바와 같이, 철도레일(1)이 휘거나 균열이 발생하거나 또는 침목(2)의 균열(5)이 발생하는데, 이에 따라 철도레일(1)이나 차륜의 마모가 일정하지 않게 되어 소음과 진동이 심해지게 된다. 또한, 그로 인해 레일(1) 또는 침목(2)이나 차륜의 보수비가 증가하고 열차의 노후화가 가속화되는 문제가 있고, 열차 주행시 승차감이 나빠진다는 문제점이 있다.
한편, 기차나 지하철 등의 운반체와 궤도 검사 및 레일고정부재 파손 검사, 선로의 적합성 여부의 평가는 오랜 경험을 갖고 있는 검진도공의 검사에 의존하고 있는 실정이다. 이처럼 지금까지는 사람이 직접 궤도 및 레일고정부재의 결함과 파손을 검사하기 때문에 시간, 인력의 낭비는 물론, 경제적인 낭비를 초래하고 있는 것이 현실이고, 무엇보다 사람이 하는 일이기 때문에 완전한 검측이 불가능하다는 문제점이 있었다.
특히, 날씨, 환경, 검진도공의 책임감에 따른 주관적인 요소가 검사에 직접적인 영향을 미치고 있을 뿐만 아니라, 여러 가지 상황 하에서 발생할 수 있는 검진도공의 안전상의 문제에 있어서도 매우 큰 부담으로 작용하고 있는 것이 현실이다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2004-84870호(출원일: 2004년 10월 22일)에는 "철도궤도 결함 자동 검측 및 관리 시스템, 자동 검측 및 관리 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는 바, 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 종래 기술에 따른 철도레일의 결함 자동검측 및 관리시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 철도레일의 결함 자동검측 및 관리시스템은, 초음파 검측부(10), 영상 검측부(20), 영상 처리부(30), 데이터베이스(40), 위치추적시스템(50), 마킹부(60) 및 디스플레이부(70) 및 보수관리부(80)를 포함하여 구성된다.
상기 초음파 검측부(10)는 철도궤도에 초음파를 발사하고, 반사되어 되돌아오는 초음파를 이용하여 철도궤도의 결함이나 파손 여부를 검사하기 위한 것으로서, 철도궤도의 불연속면 즉, 균열 및 파손 등의 발생여부를 확인한다. 구체적으로, 이와 같은 초음파 검측부(10)는 철도궤도로 초음파를 발사하고, 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 발생부(11)와, 상기 초음파 발생부(11)로 수신된 아날로그 형태의 반사파를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(12)와, 상기 디지털 신호를 정형화된 컴퓨터 프로토콜로 디지털 정보화시키는 디지털 정보화부(13)와, 상기 디지털 정보가 갖는 패턴의 특징을 추출하는 패턴특징 추출부(14)와, 상기 패턴특징 추출부(14)에서 추출된 패턴의 특징을 확인하여 철도궤도의 결함 및 파손 여부를 판정한 후, 그 결과 정보를 영상 검측부(20)로 출력하는 이상 유무 판정부(15)를 포함한다.
여기서, 상기 영상 검측부(20)는 상기 초음파 검측부(10)로부터 입력되는 데이터를 이용하여 레일 및 레일 고정부재의 위치를 촬영한 영상을 획득한 후, 영상 획득부와, 잡음제거부 및 영상 판독부를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 영상 획득부는 고속 촬영이 가능한 카메라로서, 상기 카메라는 시속 500Km 이상의 속도에서도 고해상도로 촬영한 가능하여 최근에 개통된 고속전철이 300Km/h 임을 감안하더라도 충분한 해상도로 촬영이 가능하다. 이때, 상기 카메라는 레일과, 상기 레일 양쪽에 설치되는 레일고정부재를 촬영하기 위해 적어도 1대에서 3대까지 설치할 수가 있다.
상기 이상 유무 판정부(15)는 철도궤도의 균열 및 파손 여부를 체크하여 균열 및 파손의 정도가 허용치 이상이 되었다고 판단되면 상기 영상 검측부(20)로 결함이 발생하였음을 알리는 제어신호를 출력한다.
이와 같이 구성된 초음파 검측부(10)에서 초음파를 발생하여 철도궤도의 표면 및 그 내부의 불연속부의 존재 여부를 확인하여 궤도의 결함 및 파손 여부를 분석한 후, 궤도의 결함 및 파손이 발생한 것으로 판단되면, 상기 영상 검측부(20)로부터 제어신호를 출력하여 상기 철도궤도의 영상 촬영을 통한 또 한 번의 판독이 이루어지도록 함으로써, 철도레일의 결함 및 파손 여부를 확인할 수가 있다.
그러나 종래 기술에 따른 철도레일의 결함 자동검측 및 관리시스템의 경우, 고속으로 주행하는 열차에 탑재되어 고속 촬영이 가능한 카메라를 사용하여 영상을 획득해야 하므로 철도침목의 균열 위치를 파악하기 어려울 뿐만 아니라 철도레일 내부의 결함 등을 초음파로 정확하게 검사하기 어렵다는 문제점이 있으며, 철도침목의 경우, 그 개수가 너무 많아서 이를 전수 검사하기는 불가능한 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 대차 상에 탑재되어 자동으로 이송되면서 철도침목의 균열을 고속으로 검사할 수 있는 철도침목 균열 검사 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 타격부에 의한 타격 파형 및 진동에 의한 음향 파형을 비교 분석함으로써, 철도침목의 균열을 정확하게 검사할 수 있는 철도침목 균열 검사 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 철도침목 균열 검사 방법은, 대차에 탑재되어 이송하면서 철도침목의 균열을 검사하는 방법에 있어서, a) 균열을 측정할 철도침목의 영상을 획득하는 단계; b) 상기 획득된 영상에 따라 대차를 이동시킴으로써 타격을 가할 위치를 정렬하는 단계; c) 타격부를 통해 상기 정렬된 철도침목 위치에 타격을 가하여 진동을 발생시키는 단계; d) 상기 타격에 의해 발생하는 타격 파형 및 상기 철도침목의 진동에 따른 음향 파형을 획득하는 단계; e) 기설정된 파형과 상기 획득된 타격 파형 및 음향 파형을 비교 분석하는 단계; f) 상기 비교 분석 결과에 따라 상기 철도침목에 균열이 발생하였는지 판단하는 단계; 및 g) 상기 철도침목에 균열이 발생한 것으로 판단한 경우, 해당 부위를 정밀 측정하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, h) 상기 철도침목에 균열이 발생하지 않은 것으로 판단한 경우, 다음 철도침목 위치로 상기 대차를 자동으로 이송시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 b) 단계의 타격 위치는 콘크리트 침목인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 f) 단계는 시간영역 해석, 주파수 영역 해석 또는 웨이브렛(Wavelet) 해석 결과에 따라 상기 철도침목의 균열 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 대차 상에 탑재되어 자동으로 이송되면서 철도침목의 균열을 고속으로 검사할 수 있다.
본 발명에 따르면, 타격부에 의한 타격 파형 및 진동에 의한 음향 파형을 비교 분석함으로써, 철도침목의 균열을 정확하게 검사할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 철도레일의 구조를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 2는 철도침목 균열을 예시하는 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 철도레일의 결함 자동검측 및 관리시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 균열 분석부의 세부 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 타격 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 측정되는 파형을 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 영상 획득 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 영상 화면을 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법의 동작흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 시간영역 해석 결과를 예시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 주파수영역 해석 결과를 예시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 Wavelet 해석 결과를 예시하는 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치의 실제사진이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치의 작동 실제사진이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예로서, 대차 상에 탑재되어 이송되면서 철도침목의 균열을 간단하고 정확하게 검사할 수 있는 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법이 제공된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치는, 대차(210) 상에 탑재되어 대차(210)를 따라 이송하면서 철도레일(300L, 300R) 인근에서 타격부인 해머(140)에 의해 철도침목(310)에 타격을 가하고, 철도침목(310)의 진동에 따른 음향을 측정함으로써 균열을 검사하게 된다.
철도레일(300L, 300R)은 콘크리트 침목(310)에 의해 지지되며, 타격 위치는 콘크리트 침목(310)으로 정렬된다. 즉, 영상 획득부(120), 예를 들면, CCD 카메라에 의해 철도레일(300L, 300R) 및 철도침목(310)의 영상을 획득하고, 비전 프로그램에 의해 영상을 확인한 후, 타격부(140)가 타격 위치, 예를 들면, 도면부호 A 및 B로 표시된 위치로 정렬될 수 있도록 대차(210)를 이송시킨다.
타격부인 해머(140)는 구동부(130)에 의해 타격 동작이 이루어지는데, 상기 대차(210) 상에 탑재된 PC(110)의 제어에 의해 구동부(130)의 동작이 제어된다.
또한, 상기 타격부(140)에는 피에조 센서가 탑재되어 상기 타격에 의해 획득되는 타격 파형을 획득하고, 음향 파형은 음향 획득부(150), 예를 들면, 마이크로폰(microphone)에 의해 획득된다.
상기 대차(210) 상에 탑재된 PC(110)는 균열 분석부가 내장되어 상기 타격 파형 및 음향 파형을 기설정된 신호처리 프로그램에 따라 비교 분석함으로써, 상기 철도레일(300L, 300R)에 균열이 발생하였는지 여부를 판단하게 되며, 구체적인 균열 분석 동작은 후술하기로 한다.
이후, 상기 대차(210)는 상기 철도침목(310)에 균열이 발생하지 않은 경우 다음 위치로 자동으로 이송된다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치(100)는 대차에 탑재되어 이송하면서 철도침목의 균열을 검사하는 장치로서, PC(110), 영상 획득부(120), 구동부(130), 타격부(140) 및 음향 획득부(150)를 포함하며, 여기서, PC(110)는 제어부(111), 디스플레이(112) 및 균열 분석부(113)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서 영상 획득부(120)는 CCD 카메라로 구현되며, 타격부(140)는 해머로 구현되고, 음향 획득부(150)는 마이크로폰에 의해 구현될 수 있다.
영상 획득부(120)는 상기 대차(210)의 소정 부위에 고정되어 균열을 측정할 철도침목(310)의 영상을 획득한다.
타격부(140)는 상기 획득된 영상에 따른 철도침목(310) 위치에 타격을 가하여 진동을 발생시킨다. 이때, 상기 타격부(140)의 타격 위치는 콘크리트 침목(310)이다. 또한, 상기 타격에 의해 발생하는 타격 파형은 상기 타격부(140)에 부착된 피에조 센서(Piezo Sensor)에 의해 획득된다. 여기서, 피에조 센서란 금속판 사이에 얇은 압전소자를 끼워 넣은 센서로서, 소리, 진동, 압력 등을 감지할 수 있는데, 이때, 압전소자는 압력을 가하면 전기를 발생시키고, 교류 전기를 가하면 진동하는 성질이 있다.
구동부(130)는 상기 타격부(140)가 상기 철도침목(310)에 타격을 가할 수 있도록 상기 타격부(140)를 구동하며, 예를 들면, DC 모터 또는 스테핑 모터에 의해 구현될 수 있다.
음향 획득부(150)는 상기 타격에 의해 발생하는 타격 파형 및 상기 철도침목(310)의 진동에 따른 음향 파형을 획득한다.
상기 PC(110) 내의 균열 분석부(113)는 기설정된 파형과 상기 획득된 타격 파형 및 음향 파형을 비교 분석하여, 상기 비교 분석 결과에 따라 상기 철도침목(310)에 균열이 발생하였는지 판단하게 된다.
상기 PC(110) 내의 디스플레이(112)는 작업자가 눈으로 확인하면서 타격 위치를 정렬할 수 있도록 상기 영상 획득부에서 획득된 영상을 표시한다.
상기 PC(110) 내의 제어부(111)는 상기 획득된 영상이 디스플레이(112)에 표시될 수 있도록 제어하고, 또한, 상기 구동부(130)의 구동을 제어하며, 상기 대차(210)를 이송시키는 대차 이송부(220)의 구동을 제어하게 된다.
본 발명에 따른 철도침목 균열 검사 장치(100)는 가속도계 균열감지 센서(도시되지 않음)를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 균열 분석부(113)에 의해 상기 철도침목(310)에 균열이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 가속도계 균열감지 센서는 상기 철도침목(310)의 균열을 정밀 측정할 수 있다.
이후, 상기 대차(210)는 상기 획득된 영상에 따라 타격 위치를 정렬하기 위해 이송되며, 또한, 상기 대차(210)는 상기 철도침목(310)에 균열이 발생하지 않은 경우, 대차 이송부(220)에 의해 다음 위치로 자동으로 이송된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 균열 분석부의 세부 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 균열 분석부(113)는 증폭기(113-1), A/D 변환기(113-2), 비교 분석부(113-3) 및 신호처리 프로그램(113-4)을 포함한다.
증폭기(113-1)는 상기 타격부에서 획득되는 타격 파형(Impact) 및 상기 철도침목 진동에 의해 획득되는 음향 파형(Mic)을 증폭시키며, A/D 변환기(113-2)는 상기 증폭된 타격 파형 및 상기 음향 파형을 디지털 신호로 변환한다.
비교 분석부(113-3)는 신호처리 프로그램(113-4)에 따라 상기 디지털 신호로 변환된 타격 파형 및 음향 파형을 기설정된 정상 상태의 파형과 비교하여 균열 여부를 판단하게 된다. 이때, 상기 비교 분석부(113-3)는, 시간영역 해석, 주파수 영역 해석 또는 웨이브렛(Wavelet) 해석 결과에 따라 상기 철도침목의 균열 발생 여부를 판단할 수 있다.
여기서, 웨이브렛(Wavelet)에 대해 그 개념을 설명하면 다음과 같다.
신호를 분석하는 가장 일반적인 기법인 퓨리에 변환(Fourier Transform: FT)은 시간의 함수로 나타난 값을 주파수의 함수로 바꾸어주는 기술이다. 즉, 시간에 따라 변화하는 신호를 주파수가 다른 여러 개의 사인파가 중첩된 것으로 보고 각각의 사인파의 크기를 구하는 방법이다. 이러한 퓨리에 변환 방법은 주파수가 다른 여러 개의 사인파가 섞이는 전기신호를 분석하는데 특히 유용하며, 신호 중에서 원하지 않는 주파수의 신호만 제거해서 노이즈를 줄이는데 사용된다.
웨이브렛(Wavelet)은 보다 발전된 형태의 퓨리에 변환(FT)이라고 할 수 있다. 퓨리에 변환(FT)이 무한히 반복되는 사인파를 기본파형으로 이용하여 주파수만을 변화시키며 상관 관계를 밝히는 것에 비해, Wavelet은 한 파장의 파형을 기본 파형으로 하여 그 크기와 위치를 변화시켜가면서 상관 관계를 밝히는 기술이다. 여기서, 크기를 변화시키는 것은 FT의 주파수 변화와 같은 개념이라고 볼 수 있지만, 위치를 변화시키는 것은 Wavelet만의 독특한 방법이라고 할 수 있다.
그런데, 퓨리에 변환(FT)의 경우, 무한히 반복되는 사인파가 기본파형이므로 주파수의 함수로 바꾸었을 때, 시간 정보가 사라진다는 단점이 있다. 즉, 어떤 주파수의 성분이 많은지 알 수 있지만 그 성분이 시간적으로 어떤 위치에서 많이 나타나는지 알 수 없다. 하지만, Wavelet은 한 파장의 파형을 크기와 함께 위치도 변화시키므로 주파수 정보와 함께 시간의 정보도 알 수 있다는 장점이 있다. 하나의 신호를 퓨리에 변환(FT)으로 분석하면 주파수 축과 값(amplitude)축의 2차원 그래프로 나타내지만, Wavelet으로 분석하면 크기(scale)축과 위치(translation)축 그리고 값(amplitude)축의 3차원 그래프로 나타낼 수 있다.
이러한 Wavelet은 신호의 분석을 통한 잡음 제거나 신호 압축에 주로 사용된다. 예를 들면, 심장의 박동이나 뇌파와 같이 사인파형과 전혀 다른 파형이거나 국부적인 신호의 위치가 분석에 중요한 영향을 미치는 신호의 분석에도 사용되며, 날씨 분석, 음성이나 영상의 압축 등의 폭 넓은 분야에 사용된다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 타격 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 타격부인 해머(140)는 스테핑 모터로 구현되는 구동부(130)에 의해 동작하게 되며, 철도침목(310)과의 높이(h) 및 각도(θ)가 조절됨으로써, 타격을 가하는 힘이 조절된다. 이때, 전술한 바와 같이, 타격부인 해머(140)는 피에조 센서가 부착되어, 타격 파형을 획득할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 측정되는 파형을 예시하는 도면이다.
도 8의 a)는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서, 철도침목(310)에 타격이 가해지면, 피에조 센서에 의해 측정되는 타격 파형을 나타내고, 예를 들면, 시간(t)에 따른 힘(F)으로 주어질 수 있다. 또한, 도 8의 b)는 철도침목(310)에 타격이 가해진 후 철도침목(310)의 진동에 의해 발생되는 음향으로서, 마이크로폰에 의해 획득되는 음향 파형을 나타내며, 예를 들면 감쇄 사인파(Damped Sine Wave)일 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 영상 획득 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서 영상 화면을 예시하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 장치에서, 영상 획득부(120)는 CCD 카메라로서, 상기 대차(210)의 소정 부위에 지지대(121)에 의해 고정되어 균열을 측정할 철도침목(310)의 영상을 획득한다. 이때, CCD 카메라에 의해 촬영되는 영역은 촬영각도(θ2)에 의해 정해지며, 콘크리트 철도침목(310)을 촬영하게 된다.
영상 획득부(120)에 의해 촬영된 영상은 디스플레이(112)에 도 10에 도시된 바와 같이 표시되며, 표시화면(400)은 레일(410), 침목(420) 및 타격 부위(430)를 나타내며, 원하는 정확한 타격 위치가 되도록 상기 대차(210)를 이송시키게 된다. 이때, 대차(210)는 대차 이송부(220)에 의해 구동되는 바퀴(230)에 의해 이송될 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법의 동작흐름도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법은, 먼저, CCD 카메라를 사용하여 균열을 측정할 철도침목의 영상을 획득한다(S110).
다음으로, 상기 획득된 영상에 따라 대차를 이동시킴으로써 타격을 가할 위치를 정렬한다(S120).
다음으로, 타격부를 통해 상기 정렬된 철도침목 위치에 타격을 가하여 진동을 발생시키고(S130), 상기 타격에 의해 발생하는 타격 파형 및 상기 철도침목의 진동에 따른 음향 파형을 획득한다(S140).
다음으로, 기설정된 파형과 상기 획득된 타격 파형 및 음향 파형을 비교 분석하고(S150), 상기 비교 분석 결과에 따라 상기 철도침목에 균열이 발생하였는지 판단한다(S160). 이때, 시간영역 해석, 주파수 영역 해석 또는 웨이브렛(Wavelet) 해석 결과에 따라 상기 철도침목의 균열 발생 여부를 판단할 수 있다.
다음으로, 상기 철도침목에 균열이 발생한 것으로 판단한 경우, 해당 부위를 정밀 측정하고(S170), 아니면, 상기 철도침목에 균열이 발생하지 않은 것으로 판단한 경우, 다음 위치로 상기 대차를 자동으로 이송시키게 된다.
여기서, 해당 부위의 정밀 측정은 가속도 방식으로 측정될 수 있으며, 정상인 경우는 정상적인 철도침목이 상부의 충격 하중을 받으면 상하방향의 특정 주파수로 인장 압축 진동을 하지만, 대형 균열이 있는 경우, 철도침목이 상부의 충격하중을 받으면 균열에 의해 저주파수 영역에서 구조적인 진동이 발생하게 된다. 즉, 균열이 있는 경우, 정상파(standing wave)에 비하여 균열에 의한 저주파수가 크게 나타나므로 가속도나 마이크로폰의 신호를 주파수 분석함으로써, 균열의 유무를 판단할 수 있고, 같은 메커니즘으로 미세 균열을 판단할 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 시간영역 해석 결과를 예시하는 도면이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 주파수영역 해석 결과를 예시하는 도면이며, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 Wavelet 해석 결과를 예시하는 도면으로서, 각각 양품/불량품의 특성을 비교하여 양품/불량품을 판정하는 것을 예시하고 있다.
도 12의 a) 내지 c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 시간영역 해석 결과는, 불량품인 경우, 상대적으로 파형의 길이가 길고, 진폭이 큰 것을 알 수 있다. 여기서, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 전압을 나타낸다.
도 13의 a) 내지 c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 주파수영역 해석 결과는, 불량품인 경우, 상대적으로 1㎑~10㎑ 대역의 레벨이 큰 것을 알 수 있다. 여기서, 가로축은 주파수를 나타내고 세로축은 스펙트럴 덴서티(spectral density)를 나타낸다.
도 14의 a) 내지 c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철도침목 균열 검사 방법에서 Wavelet 해석 결과는, 불량품인 경우, 상대적으로 타원 부분의 이미지가 뚜렷하지 않은 것을 알 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 실제 본 발명의 실시예 따른 철도침목 균열 검사 장치(100)의 시제품 사진이다.
위에서 살펴본 것과 같이 상기 철도침목 균열 검사 장치(100)는 대차에 탑재되어 이송하면서 철도침목의 균열을 검사하는 장치로서, PC(110), 영상 획득부(120), 구동부(130), 타격부(140) 및 음향 획득부(150)를 포함하며, 여기서, PC(110)는 제어부(111), 디스플레이(112) 및 균열 분석부(113)를 포함할 수 있음을 살펴본 바와 같다.
이에 위에서 살펴본 도 15b에 의하면 철도침목 균열 검사 장치(100)의 상기 타격부(140)는 임팩트 햄머(①,Impact Hammer)로 구현되고 있음을 알 수 있으며,
상기 본 발명의 대차(210)에는 상기 임팩트 햄머를 예컨대 상하로 타격할 수 있도록 모터의 회전력을 전달하는 캠의 작동을 위한 캠 구동모터(③)가 임팩트 햄머의 연결단부에 더 설치될 수 있음을 알 수 있다.
나아가, 상기 임팩트 햄머의 일정한 타격 위치 및 타격세기를 조정하기 위한 임팩트 햄머 정위치 센서(⑥)가 0000에 장착되도록 하여, 결국 대차(210) 상에 탑재된 PC(110)의 제어에 의해 임팩트 햄머의 동작을 제어함으로써 타격하고자 하는 침목의 위치를 제어할 수 있도록 할 수 있으며,
또한 상기 응향 획득부(150)는 마이크로 폰(②, Micro Phone)로 구현되고 있음을 알 수 있으며,
또한, 앞서 살펴본 대차(210)의 대차 이송부(220)로써 기구 구동 Mortor(④)가 앞서 살펴본 바퀴(230) 축에 연결되고 있음을 알 수 있으며,
또한, 침목을 감지하기 위한 침목감지 Sensor(⑤)가 대차하부에 장착되어 예컨대 전방의 침목의 존재여부를 감지하여 대차(210) 상에 탑재된 PC(110)의 제어에 의해 구동부(130)의 동작을 제어함으로써 타격하고자 하는 침목의 위치를 제어할 수 있도록 할 수 있으며,
또한, 앞서 살펴본 대차(210)의 대차 이송부(220)로써 기구 구동 Mortor(④)가 앞서 살펴본 바퀴(230) 축에 연결되고 있음을 알 수 있으며,
또한 전방 센서(⑦) 및 후방 센서(⑧)가 대차(210)의 전면부 및 후면부 일면에 부착되어 대차(210) 상에 탑재된 PC(110)의 제어에 의해 대차 이송부(220)에 의한 대차의 이동 방향을 감지할 수 있도록 할 수 있으며,
상기 침목감지 Sensor(⑤), 임팩트 햄머 정위치 센서(⑥), 전방 센서(⑦) 및 후방 센서(⑧)와 캠 구동모터(③), 기구 구동 Mortor(④)를 제어하기 위한 제어부(⑨)가 대차(210) 내부에 형성되어 있어 동작하도록 함을 알 수 있으며,
상기 대차(210)를 이동시키기는 등 필요한 전력을 얻기 위한 배터리(⑩)가 대차 내부에 장착되도록 함을 알 수 있다.
이에, 도 16a 및 도 16b와 같이 대차(210)가 초기위치로 세팅되고,
침목감지 Sensor(⑤)에 의하여 침목을 감지하면 대차가 정지하고,
임팩트 햄머가 침목을 타격하고, 음향신호를 측정하고,
임팩트 햄머 정위치 센서(⑥)에 의하여 임팩트 햄머가 정위로 신속하게 복귀할 수 있도록 함을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 철도침목 균열 검사 장치
110: PC 120: 영상 획득부
130: 구동부 140: 타격부
150: 음향 획득부 210: 대차
220: 대차 이송부 230: 이송 바퀴
300: 철도레일 310: 콘크리트 철도침목
111: 제어부 112: 디스플레이
113: 균열 분석부 113-1: 증폭기
113-2: A/D 변환기 113-3: 비교 분석부
113-4: 신호처리 프로그램

Claims (4)

  1. 대차에 탑재되어 이송하면서 철도침목의 균열을 검사하는 방법에 있어서,
    a) 균열을 측정할 철도침목의 영상을 획득하는 단계;
    b) 상기 획득된 영상에 따라 대차를 이동시킴으로써 타격을 가할 위치를 정렬하는 단계;
    c) 타격부를 통해 상기 정렬된 철도침목 위치에 타격을 가하여 진동을 발생시키는 단계;
    d) 상기 타격에 의해 발생하는 타격 파형 및 상기 철도침목의 진동에 따른 음향 파형을 획득하는 단계;
    e) 기설정된 파형과 상기 획득된 타격 파형 및 음향 파형을 비교 분석하는 단계;
    f) 상기 비교 분석 결과에 따라 상기 철도침목에 균열이 발생하였는지 판단하는 단계; 및
    g) 상기 철도침목에 균열이 발생한 것으로 판단한 경우, 해당 부위를 정밀 측정하는 단계;를 포함하는 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    h) 상기 철도침목에 균열이 발생하지 않은 것으로 판단한 경우, 다음 철도침목 위치로 상기 대차를 자동으로 이송시키는 단계를 추가로 포함하는 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 타격 위치는 콘크리트 침목인 것을 특징으로 하는 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 f) 단계는 시간영역 해석, 주파수 영역 해석 또는 웨이브렛(Wavelet) 해석 결과에 따라 상기 철도침목의 균열 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 음향신호를 이용한 철도 침목 자동화 검사 방법.
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