KR101106935B1 - 전차선의 압상량 및 진동 검측장치 및 그 방법 - Google Patents

전차선의 압상량 및 진동 검측장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 팬터그래프 통과에 의한 전차선의 상하변위인 압상량과 진동을 검측하기 위한 장치에 있어서, 전차선의 변위를 측정하기 위하여 전차선 상에 설치되는 검측용 표지, 전차선을 지지하고 전류를 인가하기 위한 전주에 설치되어 상기 검측용 표지를 고속촬영함으로서 검측용 표지 변위 영상을 획득하는 고속카메라, 및 검측용 표지 촬영시 기울어진 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 픽셀 값을 보정하며, 전기차량의 통과 전후에 전차선의 진동을 고속카메라를 이용하여 취득된 촬영영상과 기준영상을 비교하여 상기 촬영영상의 픽셀 상하 변위값을 측정함으로서 실제 전차선의 상하 변동값을 검측하는 영상처리장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전차선의 압상량 및 진동 검측장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 전차선에 동작 전원이 필요없는 검측용 표지만을 설치하여 선로 외부에서 상기 검측용 표지의 변화를 이미지 정보를 획득하여 처리함으로써, 비접촉방식으로 안전하게 전차선의 압상량 및 진동 변화를 정확하게 검측할 수 있다는 장점이 있다.
전차선, 팬터그래프, 압상량, 전기차량

Description

전차선의 압상량 및 진동 검측장치 및 그 방법{Measuring Apparatus for uplift amount and oscillation of contact line and Method thereof}
본 발명은 전차선의 압상량 및 진동 검측장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전차선에 검측용 표지를 설치하고, 상기 검측용 표지의 움직임을 전주에 설치된 고속카메라를 이용하여 획득된 영상을 처리함으로써 전기차량 운행에 의한 전차선의 상하변위 및 진동을 측정할 수 있는 전차선의 압상량 및 진동 검측장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반철도와 달리 전기철도는 지상에 부설되어 있는 궤조 외에 전기차량에 전력을 공급할 수 있는 가공전선이 필요하다.　통상, 가공전선과 이를 받치고 있는 구조물을 총칭하여 전차선로라고 하는데, 가선방식으로 전차선로는 그 집전구조상으로 가공식과 제 3 궤조식으로 구분한다. 상기 가공식은 동선을 궤조 상부에 가설하여 그 밑에서 팬터그래프(PANTOGRAPH)에 의하여 집전하고, 상기 제 3 궤조식은 가선이 없는 방식으로 지하철 등에서 제 3 의 급전레일을 노면 위에 설치하고 집전편에 의하여 전력을 전기차량에 공급한다.
상기 전차선로는 전기차량에 직접 접촉하는 전차선과, 이를 지지하는 지지물, 급전선 및 귀선 등으로 구성된다. 전차선은 전기차량에 전력을 공급해주는 부분으로 고압전류가 항상 흐르고 있기 때문에 그 성능이 뛰어나야 한다. 그 구비조건으로는 전기의 전도율이 높아 양질의 전류가 흐를 수 있고, 기계적 강도가 높아 쉽게 훼손되지 않아야 하며, 내굴곡성으로 쉽게 구부러지지 않아야 하고, 열에 잘 견디고 잘 닳지 않아야 한다.
상기와 같이 전차선은 전기차에 전력을 공급하기 위하여 고전압, 고전류가 흐르고 있고 전력공급을 위하여 전기차량의 팬터그래프가 전차선과의 기계적으로 접촉하여 차량에 전기를 공급하게 된다. 이와 같이 팬터그래프는 전차선에서 전기를 받아 차량으로 전기를 전달하는 역할을 담당하며, 전기차 운행 중 전차선과의 원만한 접촉을 유지하기 위하여 일정한 압력으로 전차선을 밀어준다. 이러한 일정한 압력을 공급하는 힘을 정적 압상력이라고 하며 이는 팬터그래프에 장착된 공압 또는 유압실린더 등에 의해 일반적으로 공급된다.
상기와 같이 전기차의 팬터그래프는 집전을 위하여 전차선을 일정한 압력으로 전차선을 밀어주고 있다. 이와 같이 팬터그래프와 전차선은 서로 독립된 구조이지만 서로 접촉하여 이동함으로서 상호 영향을 받게 되므로 이를 해석하고 측정하여야 한다. 이러한 이유로 팬터그래프 통과시 전차선과의 접촉에 의하여 전차선의 상하변위가 나타나게 되며 이러한 전차선의 상하 범위의 최대값을 전차선의 최대 압상량이라고 한다.　
상기와 같이 팬터그래프 통과에 따른 전차선의 상하변위의 최대값 및 변화 추이는 집전성능을 평가하는 기술로 최대 압상량 값은 각 나라별로 시스템에 따라 기준을 달리하여 그 변화량을 제한하고 있다. 이러한 이유로 전차선의 압상량은 팬터그래프의 압상력과는 서로 다르며 팬터그래프에 의한 상하변위 값이므로 일반적인 전차선 높이 변화 혹은 팬터그래프가 없는 상태에서의 전차선의 높이 변화 측정과는 차이가 있다.
상기와 같이 전차선의 압상량은 전기차량의 팬터그래프와의 집전상태를 평가하는 중요기준이므로 다양한 검측 방법이 사용되고 있다. 그러나 전차선은 고전압, 고전류이고 팬터그래프 통과시에 진동, 비접촉에 의해 아크등이 발생할 수 있어 전차선 압상량 검측은 제한적이다. 또한 열차가 운행되는 짧은 시간에 검측을 하여야 하므로 응답속도가 빠르고 오차 작고 위치 변화에 유연한 시스템이 요구 된다.
그런데 이와 같은 전차선로의 변위를 측정하는 종래의 장치의 문제점으로는, 전기차량의 팬터그래프 통과 시 전차선로에 발생하는 동적 압상량 및 진동을 측정하여야 하지만, 현재에는 변위계와 가속도계를 전차선에 직접 부착하여 별도의 전송시스템을 이용하여 무선 혹은 광을 이용하여 그 신호를 수집하여 결과를 분석하도록 하고 있다.
그러나 상기 측정장치는 열차운행중 또는 가압중에는 센서를 부착할 수 없으므로 부착하고자 하는 전차선로에 차량의 진입을 차단하고 단전하여 센서를 부착하여야 하는 불편함과, 이를 측정부에 전송하기 위한 별도의 시스템을 구비하여야 함에 따른 구조적 복잡함이 있다.
또한, 상기 측정장치는 무선 또는 광학적 방법으로 데이터를 전송하여 이를 수신하여 분석하여야 하고, 센서로부터 얻어진 데이터를 전송하기 위한 시스템의 전원은 별도의 배터리를 이용하므로 배터리의 잔량 소진시에는 이를 교체하여야하며, 센서 부착 이외의 다른 지점의 측정을 위해서는 센서를 제거하고 상기의 모든 행위를 반복하여야 하는 불편함이 있다.
뿐만 아니라, 상기 측정장치는 지지를 위해 전차선로의 가동브래킷 등에 지지하나 센서길이의 한계가 있어, 지지물 사이의 중간부에는 측정에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전차선에 검측용 표지를 설치하고, 상기 검측용 표지의 움직임을 전주에 설치된 고속카메라를 이용하여 획득된 영상을 처리함으로써 전기차량 운행에 의한 전차선의 상하변위 및 진동을 측정할 수 있는 전차선의 압상량 및 진동 검측장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 전차선의 압상량 및 진동 검측장치는 팬터그래프 통과에 의한 전차선의 상하변위인 압상량과 진동을 검측하기 위한 장치에 있어서, 전차선의 변위를 측정하기 위하여 전차선 상에 설치되는 검측용 표지, 전차선을 지지하고 전류를 인가하기 위한 전주에 설치되어 상기 검측용 표지를 고속촬영함으로서 검측용 표지 변위 영상을 획득하는 고속카메라, 및 검측용 표지 촬영시 기울어진 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 픽셀 값을 보정하며, 전기차량의 통과 전후에 전차선의 진동을 고속카메라를 이용하여 취득된 촬영영상과 기준영상을 비교하여 상기 촬영영상의 픽셀 상하 변위값을 측정함으로서 실제 전차선의 상하 변동값을 검측하는 영상처리장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 검측용 표지는 흰색 및 검은색으로 교차된 영역으로 이루어져 전차선의 변위분석의 대상이 되는 식별판, 및 상기 식별판을 전차선에 고정시키기 위한 고정수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 구현하기 위한 본 발명의 전차선의 압상량 및 진동 검측방법은 촬영된 검측용 표지의 이미지 처리를 위한 기준영상을 설정하는 단계; 상기 기준영상에 대한 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 픽셀 값을 보정하는 단계; 전기차량 통과 전.후에 검측용 표지에 대한 촬영영상을 획득하는 단계; 상기 검측용 표지에 대한 촬영영상에 대하여 상기 기준영상과 비교하여 픽셀의 상.하 변동값을 측정하는 단계; 및 측정된 상기 픽셀의 상.하 변동값을 실제 전차선의 두께에 따른 픽셀값의 비율을 이용하여 실제 전차선의 상.하 변동값을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 기준영상에 대한 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 픽셀 값을 보정하는 단계는
수식
Figure 112009053969319-pat00001
에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측장치 및 그 방법에 의하면, 전 차선에 동작 전원이 필요없는 검측용 표지만을 설치하여 선로 외부에서 상기 검측용 표지의 변화를 이미지 정보를 획득하여 처리함으로써, 비접촉방식으로 안전하게 전차선의 압상량 및 진동 변화를 정확하게 검측할 수 있다는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측장치를 나타내는 개략도이다. 본 발명은 팬터그래프 통과에 의한 전차선의 상하변위인 압상량과 진동을 검측하기 위한 장치에 있어서, 전차선 상에 설치되는 검측용 표지(100), 상기 검측용 표지를 촬영하는 고속카메라(200), 및 검측용 표지 촬영시 기울어진 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 픽셀 값을 보정하며, 실제 전차선의 상하 변동값을 검측하는 영상처리장치(300)를 포함한다.
상기 고속카메라(200)는 전기차량(10)의 팬터그래프(20)가 전차선(400)상에 검측용 표지(100)가 설치되어 있는 지점을 지나갈 경우 상기 검측용 표지의 상,하 변위영상을 취득하는 수단이다. 또한 고속카메라(30)는 예컨대 초당 500개 또는 그 이상의 영상을 취득하는 CMOS, CCD 타입의 카메라를 이용함이 바람직하며, 보다 명확한 변위영상취득을 위해 광학렌즈를 부착할 수 있다.
상기 검측용 표지(100)는 전차선(20) 압상량 및 진동을 측정하고자 하는 영역에 설치되며, 전차선(20)의 상,하 변위를 정확히 분석하기 위한 식별판 및 상기 식별판을 전차선(20)에 고정시키기 위한 고정수단으로 구성된다.
상기 영상처리장치(300)는 상기 고속카메라(200)로부터 상기 검측용 표지(100)를 촬영한 영상을 입력받아, 검측용 표지 촬영시 기울어진 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 픽셀 값을 보정하며, 전기차량의 통과 전후에 전차선의 진동을 고속카메라를 이용하여 취득된 촬영영상으로부터 기준영상과 대비하여 기준중심으로 픽셀의 상하 변위값을 측정하여 실제 전차선의 상하 변동값을 검측하는 기능을 한다.
도 2는 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측장치의 고속카메라를 설치하는 모습을 나타내는 개략도이다. 지상으로부터 높이 5M이상에 위치하는 전차선(400)상에 설치되어 있는 검측용 표지(100)를 촬영함에 있어, 고속카메라(200)를 지지대나 삼각대를 이용하여 전차선로 변에 설치할 수 있다.
그러나 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에서는 고속카메라(200) 촬영각도를 유지하고, 설치 및 조작이 용이하도록 전차선을 지지하고 인류하기 위한 전주(210)에 고속카메라를 거취할 수 있는 지지수단(220)을 이용하여 고속카메라를 설치한다. 여기서 상기 지지수단(200)은 기둥형태에 고정할 수 있는 두개의 바를 연결하는 체결구를 포함하여 형성될 수 있음은 당업자에 자명한 사항이므로 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 검측용 표지를 나타내는 구성도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 검측용 표지(100)는 흰색 및 검은색으로 교차된 영역으로 이루어져 전차선의 변위분석의 대상이 되는 식별판(110), 및 상기 식별판(110)을 전차선에 고정시키기 위한 고정수단(120)을 포함한다.
상기 식별판(110)의 흰색 및 검은색 영역은 낮에 촬영하는 경우에는 흑색영역을 촬영한 이미지가 분석에 유리하며, 밤에 촬영하는 경우에는 흰색영역을 촬영한 이미지가 빛을 반사하여 분석에 유리하다. 상기 식별판(110)은 네모 또는 원형의 형태에 한정하는 것은 아니며, 전차선의 변위를 측정하기에 용이한 임의의 형상도 가능함은 당연하다.
전차선은 팬터그래프와 기계적으로 접촉되어 집전하게 되므로 전차선 상부의 표지 설치에 어려움이 있으므로 검측용 표지설치는 팬터그래프에 접촉되지 않도록 전차선 상부에 설치하여야 하고 전차선의 진동 등에도 위치가 변하지 않아야 한다.
본 발명의 일실시예로 상기 고정수단(120)은 팬터그래프가 전차선의 하부를 습동할 수 있고, 드로퍼와 곡선당김금구에 접속될 수 있도록 전차선 길이 방향으로 두개의 홈을 갖는 집게(122)와 상기 집게(122)가 전차선에 고정되도록 힘을 가하는 조절몸치(121)로 구성된다. 상기 고정수단(120)은 검측용 표지를 전차선 상부에 고정하기 위하여 일반적으로 물체를 고정시키기 위한 클램프를 사용할 수 있음은 당연하다.
도 4는 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측장치의 검측용 표지설치 모습을 나타내는 개략도이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 전차선 상부에 설치한 검측용 표지와 고속카메라와는 일정한 거리가 있고, 고속카메라는 설치 장소에 따라 촬영각도가 달라지게 되며, 또한 전차선 자체의 비틀림에 의하여 고속카메라의 촬영각도에서 바라본 검측용 표지의 식별판(110a,110b)은 원래 형상 대비 기울어져 있는 형상(타원형, 도 5참조)으로 촬영된다. 따라서 상기와 같이 전차선에 설치된 검측용 표지의 각도 변화는 고속카메라 촬영시에 화소(픽셀)의 변화를 발생시킴으로 이를 보상하기 위한 방법이 요구된다.
도 5는 고속카메라에 촬영된 검측용 표지의 식별판(110a)의 기울어진 형상을 확대하여 보여주는 것으로, 여기서 Nv는 검측용 표지의 세로방향 길이, Nh는 검측용 표지의 가로방향 길이를 나타낸다.
도 6은 검측용 표지의 화소(픽셀)변형에 따른 보정방법을 보여주는 도면이다.
여기서 α는 고속카메라 촬영각도, β는 α에 수직으로 놓여진 검측용 표지의 각도(90-α), D는 검측용 표지의 지름, n은 검측용 표지의 높이를 나타내는 화소의 갯수, Nv는 검측용 표지의 세로방향 길이를 나타낸다.
먼저 상기 고속카메라 촬영각도(α)와 α에 수직으로 놓여진 검측용 표지의 각도(β)는 다음 수식1과 같은 관계가 있다.
[수식1]
Figure 112009053969319-pat00002
또한 여기서 검측용 표지의 지름(D), 검측용 표지의 높이를 나타내는 화소의 수(n), 검측용 표지의 세로방향 길이(Nv)는 다음 수식2와 같은 관계에 의하여 압상량을 구할 수 있다.
[수식2]
Figure 112009053969319-pat00003
따라서 상기 수식2에 의하여 전차선에 설치된 검측용 표지의 각도 변화에 따른 고속카메라 촬영시에 화소의 변화를 보상하여 실제 측정환경에 맞도록 화소(픽 셀)값을 보상할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측방법을 나타내는 순서도이다.
먼저 전차선상에 설치되어 있는 검측용 표지를 촬영하여 변위량을 측정하기 위한 기준영상을 설정한다. 즉 고속카메라와 검측용 표지사이의 촬영각도(α), 상기 촬영각도(α)에 수직으로 놓여진 검측용 표지의 각도(β) 및 검측용 표지의 길이(Nv,Nh)에 따른 기준영상을 설정한다(S10). 상기 기준영상은 이후 전차선의 변위를 측정하기 위한 검측용 표지에 대한 촬영영상과 비교하는 영상이므로 되도록 선명한 영상을 얻어야 한다.
다음으로 상기 기준영상으로부터 검측된 고속카메라와 검측용 표지사이의 촬영각도(α), 상기 촬영각도(α)에 수직으로 놓여진 검측용 표지의 각도(β) 및 검측용 표지의 길이(Nv,Nh)를 기준으로 고속카메라 촬영시에 변화된 화소의 변화를 보상하기 위하여 상기 수식 2에 따라 압상량에 대한 보상값을 결정한다(S20).
다음으로 전기차량 통과 전후에 팬터그래프에 의한 전차선의 압상량 및 진동검측을 위한 촬영영상을 획득한다(S30). 보상값을 계산한 후 입력되는 상기 촬영영상은 프레임 단위로 처리되어, 농담정규화(NGC) 매칭을 이용하여 상기 기준영상과 가장 매칭이 잘 되는 부분의 영상 좌표를 구한다.
다음으로 상기 촬영영상에 대한 영상좌표와 상기 기준영상과 비교하여 상기 촬영영상에 대한 영상좌표(화소)의 상하 변동값을 측정한다(S40).
다음으로 상기 영상좌표(화소)의 상하 변동값을 실제 측정값으로 변화시키기 위해 실제 전차선로의 두께에 따른 두께 화소 값과의 두께 비율을 계산하고, 측정된 상기 영상좌표(화소)의 상하 변동값에 상기 두께 비율을 연산하여 실제 전차선의 상하 변동값을 측정한다(S50).
따라서 전차선에 동작 전원이 필요없는 검측용 표지만을 설치하여 선로 외부에서 상기 검측용 표지의 변화를 이미지 정보를 획득하여 처리함으로써, 비접촉방식으로 안전하게 전차선의 압상량 및 진동 변화를 정확하게 검측할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하 는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측장치의 고속카메라를 설치하는 모습을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 검측용 표지를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측장치의 검측용 표지설치 모습을 나타내는 개략도이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 전차선의 압상량 및 진동 검측방법을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10:전기차량 20:팬터그래프
100:검측용 표지 110:식별판
120:고정수단 121:조절몸치
122:집게 200:고속카메라
210:전주 220:지지수단
300:영상처리장치 400:전차선

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  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 촬영된 검측용 표지의 이미지 처리를 위한 기준영상을 설정하는 단계;
    상기 기준영상에 대한 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 화소 값을 보정하는 단계;
    전기차량 통과 전.후에 검측용 표지에 대한 촬영영상을 획득하는 단계;
    상기 검측용 표지에 대한 촬영영상에 대하여 상기 기준영상과 비교하여 화소의 상.하 변동값을 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 화소의 상.하 변동값을 실제 전차선의 두께에 따른 화소값의 비율을 이용하여 실제 전차선의 상.하 변동값을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전차선의 압상량 및 진동 검측방법에 있어서,
    상기 기준영상에 대한 카메라 촬영각에 의한 검측용 표지의 변형에 따른 화소 값을 보정하는 단계는
    수식
    Figure 112011068200125-pat00004
    에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전차선의 압상량 및 진동 검측방법.
    (여기서 α는 고속카메라 촬영각도, β는 α에 수직으로 놓여진 검측용 표지의 각도(90-α), D는 검측용 표지의 지름, n은 검측용 표지의 높이를 나타내는 화소의 갯수, Nv는 검측용 표지의 세로방향 길이를 나타낸다.)
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