KR101141357B1 - 궤도위치인식 및 위치보정시스템 - Google Patents

Abstract

철도 궤도상을 주행하는 각종 철도차량이 현재 주행 중인 궤도상의 위치를 인식하는 방법에 있어서, 침목 등 노반 위에 궤도위치정보, 위치보정정보 등의 궤도정보를 RFID TAG에 기억시켜 설치하고, 차량이 이를 통과하는 순간에 RFID지상장치로 읽어, 이를 차량속도센서에서 얻는 주행거리 정보와 결합시켜 보정된 위치정보를 얻는 시스템에 관한 발명이다.

Description

궤도위치인식 및 위치보정시스템{Recognition and Correction of Location on Rail Track }

본 발명은 철도궤도상을 운행하는 철도차량의 궤도위치인식과 위치틀림을 보정하는 시스템에 관한 것이다.

철도 궤도상을 주행하는 각종 철도차량에 있어서 현재 주행 중인 궤도상의 위치를 인식하는 방법은, 궤도 옆에 세워둔 절대위치를 적어둔 푯말인 킬로포스트의 위치정보를 수동으로 입력시키고 이후의 주행거리를 속도센서에서 얻는 차륜회전 정보를 이용하여 계산하여 반영하는 방식으로 하고 있으나, 차륜의 크기오차와 슬립 및 슬라이딩으로 인해 주행거리에 따라 실제위치와 상당한 위치오차를 보이게 된다. 이를 다시 보정해주는 위치보정수단이 마땅히 없기 때문에 차량에 탑승하여주행하면서 사람이 킬로포스트의 거리정보를 읽어서 이를 재설정해주는 방법을 사용하고 있으나 불편하며, 사람이 주행 중에 위치정보를 입력하고 리셋버튼을 눌러서 킬로포스트 위치를 재설정을 하는 과정에서 시간적 차이로 인해 상당한 오차를 수반하며, 또한 킬로포스트는 애초 궤도설계상의 위치로서 1km 거리마다 설치하고 기준점으로부터의 거리를 km로 표시하고 있으나, 실제 시공상의 오차, 이후의 궤도의 보수, 변경 등으로 인해 실제 주행하면서 측정해보면 킬로포스트간의 거리가 정확히 1km가 아니고 상당한 과부족의 오차를 가지고 있는 것이 확인되고 있다. 이런 원인으로 인하여 주행중인 차량에서 인식하고 있는 궤도상의 위치와 실제 궤도상의 거리위치가 상당한 오차를 가지고 있는 것이 현실이다. 이로 인해 특히 궤도의 틀림을 검측하는 검측차량에서 검측한 궤도틀림데이터의 검측위치가 실제 궤도위치와 불일치함으로 인한 정확도 문제가 항상 논란되어오고 있다. 본 발명은 이 문제를 해결하기 위한 방안에 관한 것이다.

레일 궤도상에 위치한 차량의 위치를 인식시키는 방법으로서, 궤도상의 위치정보푯말인 킬로포스트를 차량이 지나갈 때 사람이 보고 해당위치를 시스템에 입력하는 방법을 사용하고 있는데, 정지상태에서 입력할 경우 정확한 위치입력이 가능하지만 차를 킬로포스트 위치에 정확하게 정차시켜 입력해야하는 등 극히 불편하며, 차량이 주행 중에 킬로포스트 위치를 재설정을 하여 위치정보를 입력할 경우 시간적 오차로 인해 상당한 오차를 수반하게 된다. 이에 따라 궤도위치를 자동으로 인식하는 시스템의 고안이 필요하게 된다.

이렇게 차상장치에 입력된 킬로포스트 위치에서의 궤도상의 절대위치정보에 더하여 상대거리를 더하여야 현재의 위치정보를 갖게 되는데, 이 상대거리는 차량이 궤도상을 주행하면 속도센서정보를 이용하여 주행거리를 계산할 수 있다. 그런데 차량이 다음의 킬로포스트에 이르면 차량의 위치인식정보가 킬로포스트에 적힌 위치정보와 일치해야하나, 실제에 있어서는 차륜직경의 측정오차 및 마모에 따른 직경변화의 영향, 차륜의 사행주행에 따르는 유효구름직경의 변동성, 차량의 가속 시에 일어나는 슬립과 감속 시에 일어나는 슬라이딩 등에 의한 주행거리의 계산오차가 존재하며, 궤도상에 주기적으로 설치한 킬로포스트에 적힌 위치정보의 당초의 오차 등으로 인해, 킬로포스트를 지날 때마다 차량이 인식하고 있는 위치정보가 해당 킬로포스트에 적힌 위치정보와 일치하지 않아 항상 과부족이 생기는 것이 현실이다. 이로 인해 정확한 궤도위치를 필요로 하는 철도차량에 있어서는 심각한 문제를 발생시키게 된다. 예를 들면 궤도 검측차의 경우 킬로포스트의 한 지점에서부터 측정을 진행하여 다음 킬로포스트에 이르면 측정거리가 1km에 모자라기도하고 혹은 남기도 하는 현상이 발생하여 그 데이터의 저장/처리에 곤란을 겪게 되는데, 현재 처리방식은 측정된 구간주행거리가 1km에 모자랄 경우 잔여궤도위치에 대한 검측치는 최종측정위치 점의 데이터를 중복하여 동일한 데이터로 채우고, 측정구간주행거리가 1km 이상으로 남을 경우 측정데이터를 저장할 공간이 없으므로 남는 거리에 대한 정보를 버리는 방법으로 처리하고 있다. 만약 동일한 구간을 검측 방향을 반대방향으로 측정하는 경우 중복처리되는 데이터와 남아 버리는 데이터의 내용이 전번과 달라서 같은 결과를 얻을 수 없는 문제가 발생하게 된다. 이런 불합리함으로 인해 궤도측정의 위치오차문제가 심각하게 대두되어 위치보정방법의 필요성이 대두되어 왔다.

요약하면, 레일 궤도에 인접하게 주기적으로 설치된 킬로포스트의 위치를 차량시스템에 인식시키는 수단을 사람이 수동으로 입력하는 대신에 차량이 궤도상을 주행할 시에 자동적으로 궤도의 위치 및 특성데이터를 인식하게 하는 궤도위치자동인식수단과, 킬로포스트 사이를 주행 시에 차량이 속도센서를 이용하여 거리를 인식한 주행거리와 킬로포스트에 적힌 거리간의 오차를 보정하는 궤도위치보정수단을 마련하고자 한다.

첫째, 궤도위치자동인식 수단에 관한 사항이다.

킬로포스트의 위치와 일치하는 궤도에 인접한 위치(예를 들면 침목 상부 등)에 RFID TAG를 설치하고, 이 TAG에 궤도의 위치정보, 궤도의 종류 등 각종 궤도특성정보를 기억시켜 두고, 그 상부를 통과하는 차량에 RFID수신안테나와 신호처리장치로 구성된 차상장치를 설치하면, 차량이 통과하는 순간에 RFID TAG가 트리거신호와 궤도특성정보를 송신하고 차상장치가 이를 수신하여 궤도위치와 궤도정보를 자동인식하는 방법이 가능하게 된다.

즉, 지상에 설치된 RFID TAG를 통과하는 순간에 차량에 탑재된 차상장치는 궤도상의 절대위치를 인식하게 되어 궤도위치인식의 재 설정점을 삼게 되며, 이어서 차량에 설치된 속도센서의 펄스신호를 이용하여 차륜의 회전수를 측정하여 차량의 이동거리를 계산하여 상기 절대위치에서 가감하면 항상 현시점에서의 궤도위치를 인식할 수 있게 된다.

둘째, 궤도위치보정수단에 관한 사항이다.

궤도에 인접하여 주기적으로 설치된 킬로포스트간의 거리가 실제 차량의 주행에 의한 측정거리와 대부분 일치하지 않으므로, 이를 보정하기 위한 보정방안으로서 거리보정정보를 설정해 두는 방법이 요점이다.

즉, 인접한 두 개의 킬로포스트에 명시된 궤도위치의 차이인 기준거리(통상 1KM)에 대한 실제 주행거리의 비율을 거리보정계수로 설정해두면, 이를 이용하여 주행거리를 보간법으로 보정하여 위치오차를 분산시키므로써 다음 킬로포스트에서의 위치의 불일치를 크게 줄일 수가 있다. 이를 <도 2>로 설명하면 다음과 같다.

즉, 킬로포스트간 실제 주행측정거리가 명목상의 기준거리인 1KM보다 짧아 990M로 측정되는 경우, 이 구간의 거리보정계수를 990/1,000 = 0.99로 정의해두면, 이 구간을 주행하면서 속도센서에서 얻어지는 주행거리에 이 보정계수를 나누면 기준거리로 증대되어 보간되므로 다음 킬로포스트에 이르게 되면 990M가 아닌 1,000M를 얻게 된다. 반대로 킬로포스트간 실제 주행측정거리가 기준거리인 1KM보다 긴 1,005M로 측정되는 경우, 이 구간의 거리보정계수를 1,005/1,000 = 1.005로 정의해두면, 이 구간을 주행하면서 속도센서에서 얻어지는 주행거리에 이 보정계수를 나누면 기준거리로 축소되어 보간되므로 다음 킬로포스트에 이르게 되면 1,005M가 아닌 1,000M를 얻게 되는 것이다.

상기에서 보정정보를 정의하는데 있어서 기준거리와 실측주행거리의 비율인 보정계수 대신에 두 거리값의 차이값을 저장해두는 방법도 동일한 고안으로 이용될 수 있으며, 그 개념이 <도 3>에 나타내었다. 즉, 기준거리가 1KM(=1,000M)인데 대해 실측주행거리가 990M인 경우 그 거리차이값 -10M를 보정거리로 저장해두면, 거리보정 시에 이 보정거리(-10M)를 전체구간거리(990M)에 보간법으로 분산하여 가감하면 동일한 계산을 수행할 수 있다. 예를 들어 기준거리 1,000M구간의 실제측정거리 990M인 구간에서, 현재 해당구간의 실 주행거리가 200M 상태에서 현재 구간 내의 주행거리보정량을 계산하려면,

현재 주행거리보정량 =보정거리 X 현재구간 내 실 주행거리/구간 측정거리

= -10 X 200 / 990 = -2.02 M가 되고,

구간 내 보정된 주행거리는 200 - (- 2.02) = 202.02 M가 되는 것이다.

이 보정정보는 여러 번의 주행시험결과로 얻어지며, 이 값을 이용하는 방법은 두 가지로 고안되었다. 첫 번째는 킬로포스트의 위치에 설치해두는 RFID TAG에 이 정보를 저장해두고, 차량이 이 위치를 통과할 때 절대위치와 함께 이 보정정보를 자동적으로 인식하게 하여, 절대위치정보에 더하여 속도센서정보를 이용하여 주행거리를 계산할 때 이 보정정보를 반영하여 주행거리를 계산하여 기준위치로 보정한 절대위치를 인식하는 방법으로, 이는 실시간으로 위치를 인식할 때 적합하다. 두 번째 방법은 각 구간에서의 거리보정정보를 차상장치, 데이터처리장치 또는 지상컴퓨터에 저장해두고서, 추후 궤도측정데이터의 측정위치보정 시에 주행거리에 반영하여 보간하는 방법으로서, 후처리 방식으로 활용하는 방법이다.

RFID TAG를 통과할때 궤도상의 절대위치를 자동인식하므로써 킬로포스트를 사람이 보고 수동으로 차량시스템에 위치를 인식시키던 종래의 방법에 비해 아주 정확한 위치에 정확한 시간에 위치인식을 하게 되어 오차를 크게 줄일 수 있게 되었다. 또한, 킬로포스트간의 위치차이인 기준거리와 실제 측정거리의 오차로 인한 문제를 거리보정계수로 설정하여 보간법으로 처리하는 방법을 사용함으로써 위치오차를 해당 구간의 전 영역에 걸쳐 분산 보간하여, 킬로포스트 위치에서의 위치불일치 문제를 해결할 수 있게 되었다.

도 1은 RFID를 이용한 궤도위치 인식시스템의 시스템 개념도이다.
도 2는 킬로포스트간의 실제측정거리와 기준거리와의 비율을 거리보정계수로 정의하고 이를 이용하여 주행거리를 보정하여 위치보정하는 개념도이다.
도 3은 킬로포스트간의 실제측정거리와 기준거리와의 차이를 거리차이값으로 정의하고 이를 이용하여 주행거리를 보정하여 위치보정하는 개념도이다.

상기한 본 발명을 실시하기 위한 시스템의 구성 및 설치도로서 <도 1>에 일 실시 예를 나타내고 있으며, 거리보정계수를 이용한 위치보정의 계산 개념을 <도 2> 및 <도 3>에 나타내었다.

<도 1>에 대하여 설명하면, 궤도상을 주행하는 철도차량(1)의 차상에 RFID READER와 RFID PROCESSOR로 구성된 RFID차상장치(4)를 설치하고, 침목 등 노반(2)에 RFID TAG(3)을 설치하되 그 내부의 기억장치에 궤도상의 절대위치좌표(궤도위치정보) 등의 궤도정보를 기억시켜두고, 차륜 또는 차륜과 연계하여 회전운동하는 부재의 회전속도를 감지하여 차량의 속도를 검측하는 차량속도센서(5)를 설치하고, 차상에 데이터처리장치(6)를 설치하였다. 철도차량이 궤도 위를 주행하여 RFID TAG(3)를 통과할 때 RFID차상장치(4)가 RFID TAG에서 보내오는 궤도위치정보 등의 궤도정보를 수신받아 TAG설치 위치의 궤도상의 절대위치를 인식하여 데이터처리장치(6)로 보내고, 이후로부터는 차량속도센서(5)에서 감지한 주행거리정보를 데이터처리장치(6)로 보내어 이 둘을 합하여 주행중인 현 위치에서의 궤도위치를 인식하게 된다.

<도 2> 및 <도 3>에서는 거리보정정보를 이용한 위치보정의 계산 개념을 나타내고 있다. 궤도에 인접하여 주기적으로 설치되어 있는 킬로포스트 간의 거리는 기준거리는 통상 1KM이지만, 실제의 경우 시공과정에서의 시공오차와 시공 후의 보수, 변경으로 인한 오차 등으로 인하여 실제 구간거리가 1km가 아닌 경우가 많다. 또한, 철도차량이 1km를 달리더라도 속도센서에서 감지하는 pulse에 의한 거리 계산결과는 앞에서 언급한 여러 원인에 의해 달리 나타나는 경우가 대부분이다. 따라서 한 개의 킬로포스트를 통과할 때 절대좌표를 설정한 후에 주행거리를 더하여 좌표를 계산해나가면 다음 킬로포스트에 도달하면 주행거리가 1km에 남거나 모자라는 현상이 발생하므로 위치좌표가 모자라거나 중첩되는 문제가 발생하게 된다. 이로 인해 궤도틀림측정 등의 데이터를 저장하고 처리하는데 문제가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해서 기준거리에 남거나 모자라는 거리를 해당구간의 전 영역에 걸쳐서 위치를 압축하거나 늘이는 보간법을 적용하여 기준거리로 우겨 맞추는 계수가 필요하게 된다. 기준거리와 실제주행에 의한 측정거리의 차이에 대한 정보를 여러 번의 측정에 의해 구하여 구간 거리보정정보로 정해두면, 이 정보를 이용하여 해당구간의 위치보정에 사용할 수 있다.

<도 2> 는 보정정보로서 기준거리에 대한 실제측정거리의 비율인 보정계수로 정의하고, 실제주행거리 값을 이 보정계수로 나눔으로써 기준거리에 대응시키는 방법으로 위치보정을 하는 개념을 보여주고 있다.

< 도 3> 은 보정정보로서 기준거리에 대한 실제측정거리의 차이를 보정거리로 정의하고, 현재 구간주행거리 값에 이 보정거리와 실제측정거리에 대비한 현재의 주행거리 값의 비율을 곱한 값을 차감함으로써 기준거리에 대응시키는 방법으로 위치보정을 하는 개념을 보여주고 있다.

<도 1>에서
1 : 철도차량
2 : 침목 등 노반
3 : RFID TAG
4 : RFID 차상장치
5 : 차량속도센서
6 : 데이터처리장치

Claims (3)

1. 차륜 또는 차륜과 연계하여 회전운동하는 부재의 회전속도를 감지하여 차량의 속도를 검측하는 차량속도센서(5)와, 침목 또는 노반(2)에 설치되며 궤도정보를 내장하고 있는 RFID TAG(3)와, 철도차량에 탑재하여 이 TAG를 가까이 지나갈 때 무선으로 TAG의 내장정보를 받아들이는 RFID READER와 PROCESSOR로 구성된 RFID차상장치(4)와, 이들 수집된 자료로부터 실시간으로 철도차량의 궤도상의 위치를 계산하는 데이터처리장치(6)로 구성한 궤도위치인식시스템에 있어서;
   궤도위치가 킬로포스트에서 끊어지거나 중첩됨이 없이 연속위치로 표시되게 하기 위하여, 두 킬로포스트 간의 실제거리와 기준거리(두 킬로포스트에 표시된 절대위치들의 차이, 즉 명분상 거리)와의 차이를 해당 구간의 전 영역에 걸쳐 보간법으로 보정하는 구체적인 방법으로서,
   두 킬로포스트 사이구간(해당구간이라 칭함)의 기준거리에 대비한 실제거리의 비율인 거리보정계수 또는 기준거리와 실제거리의 차이값인 보정거리를 '보정정보'라 칭할 때, 해당구간의 시작지점의 킬로포스트의 위치에 설치한 RFID TAG(시작지점RFID TAG라 칭함)내부에 상기 '보정정보'를 절대위치정보 등과 함께 기억시켜두고, 동 '시작지점RFID TAG'를 통과하는 차량의 RFID차상장치(4)가 절대위치정보와 함께 동 '보정정보'를 자동으로 인식하게 하여, 절대위치정보에 속도센서신호로 계산한 구간주행거리(시작지점RFID TAG로부터 현재위치까지의 주행거리)를 더하여 현재의 위치정보를 계산할 때, 동 '보정정보'를 반영한 구간주행거리를 보간법으로 계산함으로써, 보정된 궤도위치정보를 실시간으로 계산하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 궤도위치인식 및 위치보정시스템
   
2. 청구항 1에 있어서, 시작지점RFID TAG에는 동'보정정보' 대신에 TAG의 고유번호를 저장해 두고, 차상장치 또는 데이터처리장치에 TAG고유번호별 동'보정정보'를 저장.관리하고, 동 '시작지점RFID TAG'를 통과하는 차량의 RFID차상장치(4)가 절대위치정보와 TAG고유번호를 자동인식하면 데이터처리장치에서 저장해둔 동'보정정보'를 찾아,이를 반영한 구간주행거리를 보간법으로 계산함으로써, 보정된 궤도위치정보를 실시간으로 계산하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 궤도위치인식 및 위치보정시스템
   
3. 청구항 1에 있어서, 동'보정정보'를 데이터처리장치 또는 지상컴퓨터에 저장해두고서, 추후 궤도측정데이터의 측정위치보정 시에 이를 반영하여 후처리 방식으로 보간하는 것을 특징으로 하는 궤도위치인식 및 위치보정시스템
   

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