KR101048804B1 - 레일 누적 통과 톤수 실측 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레일 누적 통과 톤수 실측 장치에 관한 것으로서, 이는 기존의 열차 레일 교체주기를 이에 가해지는 하중을 추정하여 산출함에 따라 레일의 효율적인 사용이 이루어지지 않는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 열차 윤하중을 측정하기 위해 침목과 레일 사이에 배치되어 외부로부터 전원을 공급받는 하나 이상의 광섬유 레일패드 센서와; 상기 광섬유 레일패드 센서로부터 감지된 신호를 전기신호로 변환하는 신호변환부와; 상기 신호변환부를 통해 전기신호로 변환된 데이터를 일시적으로 저장하는 데이터수집부와; 상기 데이터수집부에 저장된 데이터를 순차적으로 유무선을 통해 외부에 실시간 전송하는 데이터통신부와; 상기 데이터통신부를 통해 수신된 데이터를 열차의 하중값으로 변환하여 지속적으로 누적 및 산출함과 동시에 레일교체주기를 디스플레이하는 데이터분석부;로 구성되는 것을 특징으로 하여, 레일의 정확한 교체주기를 파악할 수 있어 이의 유지관리를 용이하게 함과 동시에 비용 절감효과를 도모할 수 있다.

레일, 열차, 하중, 누적, 침목

Description

레일 누적 통과 톤수 실측 장치{APPARATUS FOR MEASURING IN REAL TIME WEIGHT OF ACCUMULATED PASSAGE ON RAIL}

본 발명은 레일 누적 통과 톤수 실측 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열차 레일에 가해지는 하중을 지속적으로 측정하여 이 데이터를 누적 관리함으로써 철도선로 정비규정에 따른 레일의 정확한 교체주기를 파악하도록 하는 레일 누적 통과 톤수 실측 장치에 관한 것이다.

열차궤도시설 유지관리에 있어서 레일누적 통과톤수는 레일의 적절한 교체시기를 결정하는 중요한 기준으로, 최근에는 궤도의 안전도 향상 및 레일 유지관리 기술의 발전에 의해 레일의 품질이 향상되었고, 그에 따라 일부 철도운영기관에서는 레일수명연장이 가능하다고 판단하여 누적통과톤수에 의한 레일교체기준을 상향조정하였다. 이에 따라 정확한 레일누적통과톤수 산정 및 관리의 중요성이 더욱 커지게 되었다.

그런데 지하철과 같이 시간대에 따라 승객에 의한 중량이 크게 변동되는 경우에는 열차의 무게 및 운행실적을 기초로 레일통과톤수를 산정할 경우 실제 레일통과톤수와 많은 차이를 보일 수 있는 한편으로, 기계화 및 전자화 된 시스템이 구성되지 않은 상태에서 혼잡구간과 비 혼잡구간을 구별하여 구간별로 열차통과 톤수를 정확히 산정해 내는데 한계가 있으며, 현재 각 호선별로 평균적인 값을 추정하여 누적통과톤수를 산정하여 관리하고 있으나 구간별 특성이 제대로 고려되지 않아 부정확한 실정이다. 이러한 레일누적통과톤수 산정의 부정확은 레일 교체시기를 정확히 예측하지 못하게 되어 적기에 레일을 교체하는 것이 어렵게 되고, 실제보다 과다하게 통과 톤수가 산정 될 경우 불필요하게 레일을 교체하게 되어 예산 및 자원의 낭비를 초래하게 된다. 기존 누적통과톤수는 열차운행실적 및 영업실적을 기초로 하여 계산되고 있기 때문에, 기계화되고 전자화된 시스템이 없는 상태에서 다양한 전동차 제원 및 구간별 혼잡도를 구별관리 할 수 없고 대략적인 값을 추정 산정하여 호선별로 일률적으로 관리될 수밖에 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열차 운행 시 레일에 가해지는 하중을 지속적으로 측정하여 누적산출함에 따라 레일의 정확한 교체주기를 관리할 수 있고 이를 통해 철도레일의 유지관리 비용 절감과 열차의 주행 안정성을 확보할 수 있는 레일 누적 통과 톤수 실측 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 열차 윤하중을 측정하기 위해 침목과 레일 사이에 배치되어 외부로부터 전원을 공급받는 하나 이상의 광섬유 레일패드 센서와; 상기 광섬유 레일패드 센서로부터 감지된 신호를 전기신호로 변환하는 신호변환부와; 상기 신호변환부를 통해 전기신호로 변환된 데이터를 일시적으로 저장하는 데이터수집부와; 상기 데이터수집부에 저장된 데이터를 순차적으로 유무선을 통해 외부에 실시간 전송하는 데이터통신부와; 상기 데이터통신부를 통해 수신된 데이터를 열차의 하중값으로 변환하여 지속적으로 누적 및 산출함과 동시에 레일교체주기를 디스플레이하는 데이터분석부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 데이터분석부는 열차의 속도와 윤하중을 비교하여 광섬유 레일패드 센서의 측정 오차를 보정하는 속도계수 보정부와, 광섬유 레일패드 센서에서 측정되는 신호를 미리 정해진 하중값으로 환산하여 디스플레이하는 통과톤수 산출부와, 상기 통과톤수 산출부의 하중값을 누적 및 산출하여 레일 교체주기를 디스플레이하는 레일수명 산출부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 레일 누적 통과 톤수 실측 장치는 광섬유 레일패드 센서에 의해 레일에 가해지는 광신호를 신호변환부에서 전기신호로 변환한 다음에 데이터분석부가 이 변환값을 실시간으로 수신하여 하중값으로 누적 및 산출하도록 함으로써 레일의 교체주기를 정확히 관리할 수 있음에 따라 이의 유지관리 비용을 절감할 수 있음과 아울러 열차의 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 레일 누적 통과 톤수 실측 장치를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 레일 누적 통과 톤수 실측 장치를 도시한 블록도이다.

본 발명에 따른 레일 누적 통과 톤수 실측 장치는 기본적으로 열차 윤하중을 측정하기 위해 침목과 레일 사이에 배치되어 외부로부터 전원을 공급받는 하나 이상의 광섬유 레일패드 센서와, 광섬유 레일패드 센서의 광신호를 전기신호로 변환하는 신호변환부와, 신호변환부의 전기신호를 저장하는 데이터수집부와, 데이터수집부의 데이터를 유무선을 통해 외부에 실시간 전송하는 데이터통신부와, 데이터통신부를 통해 수신된 데이터에 따라 열차의 하중을 누적 및 산출하고 레일교체주기를 디스플레이하는 데이터분석부로 구성된다.

도 2는 광섬유센서를 사용한 본 발명의 광섬유 레일패드 센서를 나타낸 내부구조도 및 외형사진이고, 도 3은 본 발명에 사용된 마이크로벤딩 광섬유센서의 기본원리를 도시한 도면이다.

상기 광섬유 레일패드 센서는 레일에 가해지는 열차의 하중을 측정하기 위한 것으로 본 발명의 광섬유 레일패드 센서로는 특히 광섬유센서의 한 종류인 마이크로벤딩(Microbending) 센서가 사용된다. 이러한 마이크로벤딩 센서는 기존의 전자소자 대신에 빛을 이용하여 측정하므로 전자기 잡음이 발생하지 않고, 우수한 민감도와 분해능을 가지고 있으며, 크기가 작고 유연해서 측정하고자 하는 대상물에 쉽게 부착하거나 삽입이 가능할 뿐 아니라, 벤딩을 측정할 때 전송되는 빛의 에너지량을 측정함으로써 온도나 스트레인의 영향을 받지 않는 장점이 있다. 또한 정밀도가 높고 환경요인의 영향이 거의 없으며 시공성과 경제성이 우수하다. 이러한 광섬유 레일패드 센서는 열차가 통과함에 따라 레일에 가해지는 윤하중에 의해 광섬유가 압착되어 이를 통과하는 광의 세기 변화를 측정하는 구조를 갖는다. 도 3에서와 같이 레일 아래 배치되는 광섬유 레일패드 센서 하측으로는 패드의 압착정도를 보다 명확하게 파악하도록 요철형태를 갖는 격자패널이 포함될 수 있다.

상기 신호변환부는 광섬유 레일패드 센서에서 출력되는 신호가 광 신호임에 따라 이를 전기신호로 변환하기 위한 일종의 광검출기이다.

상기 데이터수집부는 신호변환부를 통해 전기신호로 변환된 데이터를 저장하 기 위한 것으로, 광섬유 레일패드 센서의 지속적인 신호를 장기간 효율적으로 처리하기 위해, 데이터를 강제 삭제 이전까지 누적하여 저장하는 메모리칩보다는 일시적으로 데이터를 저장할 수 있는 플래시 메모리가 이의 기능을 수행하도록 사용되는 것이 바람직한 한편으로, 변환된 전기신호 데이터를 데이터통신부를 통해 데이터분석부까지 전송하기 이전에 순차적으로 저장함으로써 데이터의 손실을 방지함과 동시에 통상적으로 운행되는 열차의 량수, 예로써 10량에 대한 데이터 전송이 올바르게 이루어지고 있는지 또한 확인할 수 있도록 한다.

상기 데이터통신부는 데이터수집부에 저장된 데이터를 순차적으로 컴퓨터와 같은 외부단말기, 철도운영기관 궤도시설물관리시스템 등에 실시간 전송하기 위한 것으로 이러한 데이터 전송방식은 종래의 다양한 유무선 통신방식에 따라 이루어질 수 있다.

상기 데이터분석부는 데이터통신부로부터 전송되는 데이터를 수신하여 분석하기 위한 수신부로 상기와 같은 외부단말기나 철도운영기관 궤도시설물관리시스템에 포함된 단말기 등이 이에 해당될 수 있는데, 이와 같은 데이터분석부에서는 측정된 전기신호를 미리 정해진 열차 하중값으로 산출하여 지속적으로 누적할 수 있음에 따라 1일, 1월, 1년 단위 등으로 레일에 가해지는 하중을 확인하여 레일의 정확한 교체주기를 분석할 수 있다. 이러한 데이터분석부의 구성에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 열차의 속도와 윤하중을 비교하여 광섬유 레일패드 센서의 측정 오 차를 보정하는 속도계수 보정부와, 광섬유 레일패드 센서에서 측정되는 신호를 미리 정해진 하중값으로 산출하여 디스플레이하는 통과톤수 산출부와, 통과톤수 산출부의 하중값을 누적 및 산출하여 레일 교체주기를 디스플레이하는 레일수명 산출부로 이루어진다.

상기 속도계수 보정부는 열차의 속도별로 광섬유 레일패드 센서에서의 응답 특성이 다를 수 있으므로 이에 대한 보상으로 속도에 대한 계수를 구하여 하중 산출에 이 계수를 적용하기 위한 것이다. 보다 구체적으로는 미리 설정해 놓은 하중(이하 '기준값'이라 함)을 기준으로 열차 운행에 따른 통과 톤수를 분석하여 산출하여 이 기준이 되는 값을 토대로 열차의 속도 변화에 따른 보정값, 즉 속도계수를 하중 누적 산출에 적용하여 최종적으로 누적통과톤수를 산정한다. 상기 속도계수 보정부는 열차가 레일을 통과할 때 광섬유 레일패드 센서로부터 발생되는 응답이 속도에 따라 일정하게 변화를 하는 것을 감지하고, 열차의 바퀴와 바퀴 사이의 거리나 설치된 센서와 센서의 거리는 정해진 값이기 때문에 레일패드 센서의 응답만으로도 속도 검출이 가능하게 된다. 상기와 같은 원리를 토대로, 기준값을 통하여 얻어지는 실제 열차의 응답은 정적인 응답과 비교 검토한 응답이므로 동적인 응답과 비교 검토가 필요하다. 비교검토를 위해서는 열차의 운행에 따른 응답과 동일한 기준값을 기준으로 비교함으로써 속도에 대한 보정작업을 수행할 수 있다. 상기 열차의 운행에 따른 응답의 하중 값을 속도에 대한 하중값과 비교 검토한 후 이렇게 검출된 속도를 기준으로 위에서 언급하였던 미리 설정해 놓은 기준값과 속도에 따 른 변화값을 비교하여 보정방정식을 산정한다. 산정된 보정방정식은 실제 설치 구간에 열차의 운행속도에 따른 통과톤수 산정시 적용된다.

상기 통과톤수 산출부는 속도계수 보정부를 통해 정밀하게 보정된 열차 하중에 대한 전기신호 데이터를 미리 설정된 환산비율, 예로써 하중이 상이한 여러 열차의 기준값을 통해 얻어진 환산 방정식에 따라 전기신호 데이터를 하중값으로 산출하여 디스플레이 하게 된다.

상기 레일수명 산출부는 통과톤수 산출부의 하중값을 지속적으로 누적 및 산출한 결과와 이를 기초로 하여 계산된 레일 교체주기를 디스플레이하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 레일 누적 통과 톤수 실측 장치를 도시한 블록도.

도 2는 광섬유센서를 사용한 본 발명의 광섬유 레일패드 센서를 나타낸 내부구조도 및 외형사진.

도 3은 본 발명에 사용된 마이크로벤딩 광섬유 레일패드 센서의 기본원리를 도시한 도면.

Claims (4)

1. 열차 윤하중을 측정하기 위해 침목과 레일 사이에 배치되어 외부로부터 전원을 공급받는 하나 이상의 광섬유 레일패드 센서와;

   상기 광섬유 레일패드 센서로부터 감지된 신호를 전기신호로 변환하는 신호변환부와;

   상기 신호변환부를 통해 전기신호로 변환된 데이터를 일시적으로 저장하는 데이터수집부와;

   상기 데이터수집부에 저장된 데이터를 순차적으로 유무선을 통해 외부에 실시간 전송하는 데이터통신부와;

   상기 데이터통신부를 통해 수신된 데이터를 열차의 하중값으로 변환하여 지속적으로 누적 및 산출함과 동시에 레일교체주기를 디스플레이하는 데이터분석부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 누적 통과 톤수 실측 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 데이터분석부는 열차의 속도와 윤하중을 비교하여 광섬유 레일패드 센서의 측정 오차를 보정하는 속도계수 보정부와, 광섬유 레일패드 센서에서 측정되는 신호를 미리 정해진 하중값으로 환산하여 디스플레이하는 통과톤수 산출부와, 상기 통과톤수 산출부의 하중값을 누적 및 산출하여 레일 교체주기를 디스플레이하는 레일수명 산출부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일 누적 통과 톤수 실측 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 속도계수 보정부는 열차 속도별로 변화하는 광섬유 레일패드 센서의 데이터에 대해 도출된 속도계수를 통해 광섬유 레일패드 센서의 측정 데이터를 보정하는 것을 특징으로 하는 레일 누적 통과 톤수 실측 장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 통과톤수 산출부는 속도계수 보정부를 통해 보정된 열차 하중에 대한 전기신호 데이터를 미리 설정된 환산비율에 따라 하중값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 레일 누적 통과 톤수 실측 장치.

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