KR101458043B1 - 열차 운행 환경 측정 장치 - Google Patents

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KR101458043B1
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박영
이기원
나희승
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 열차와의 자력에 의해 인가되는 압력으로 전기 에너지를 발생시키는 자가발전모듈, 자가발전모듈에서 발생된 전기 에너지를 충전하는 충전모듈, 충전모듈에 충전된 전기 에너지를 이용하여 열차의 운행 환경을 측정하는 측정모듈 및 기 설정된 식별정보 및 측정모듈에서 측정된 운행 환경을 관제 서버로 전달하는 송신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열차 운행 환경 측정 장치{APPARATUS FOR SENSING DRIVING CIRCUMSTANCE OF TRAIN}
본 발명은 열차 운행 환경 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 하베스팅 기술을 통해 전기 에너지를 충전하고 이 전기 에너지를 이용하여 열차의 운행 환경을 측정하는 열차 운행 환경 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도는 많은 승객과 화물을 수송하는 것으로써, 정해진 궤도를 정시 운행하는 효율적인 운송수단으로 활용되고 있다.
그러나, 철도는 많은 승객과 화물을 수송하는 반면에, 열차가 레일을 이탈하는 등의 사고 발생시 대형 참사로 이어질 수 있다. 이에 따라, 사고를 유발하는 철도의 주변 환경, 기후, 레일 상태 등의 운행 환경은 지속적으로 감시 및 관리되어야 한다.
일 예로, 여름철 대기 온도가 높고 직사 광선이 비칠 경우, 레일의 온도가 상승하게 되고 이로 인해 레일이 휘어져 열차가 탈선할 수 있으므로, 레일의 온도를 수집할 필요가 있으며, 강풍 발생시 열차의 운행 속도를 조절하여야 하므로 풍속 등을 지속적으로 측정할 필요가 있다.
이에 따라, 종래에는 레일을 따라 관리자가 일일이 그 기후나 레일의 상태 등을 측정하거나, 기상청 등의 관련기관으로부터 기후 정보를 수집하고 있었다.
그러나, 이 경우 관리자가 직접 레일을 따라 이동하면서 레일의 상태를 측정하는 것은 많은 시간과 비용이 소모되었고, 운행 환경을 실시간으로 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
게다가, 운행 환경을 실시간으로 측정하기 위해 각종 센서모듈을 설치하였는데, 이를 위해서는 전원 공급을 위한 전원 케이블을 레일을 따라 추가로 설치하여야 하며, 이 경우 전원 케이블의 설치 및 유지 보수에 많은 비용이 소모되는 문제점이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허공개번호 10-2011-0061480호(2011.06.09)의 '전력선 통신 및 전용 통신망을 이용하는 전기 철도 관리 시스템'에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지 하베스팅 기술을 통해 전기 에너지를 충전하고 이 전기 에너지를 이용하여 열차의 운행 환경을 정확하게 측정하는 열차 운행 환경 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열차의 운행 환경을 측정하는 측정 모듈에 전기 에너지를 공급하는 자가발전모듈을 레일 주변에 이미 설치되어 있는 기존 시설물에 설치하여 기존 시설물에 대한 이용률을 높이고, 자가발전모듈의 유지 및 보수를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 열차 운행 환경 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열차의 운행 환경을 측정하는 측정 모듈에 전기 에너지를 공급하는 전원 케이블을 별도로 설치할 필요가 없어 전원 케이블의 설치 및 유지 보수에 필요한 비용을 절감하는 열차 운행 환경 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열차의 운행 환경을 정확하게 측정하여 열차 운행에 필요한 예보시스템에 활용될 수 있도록 하는 열차 운행 환경 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 열차 운행 환경 측정 장치는 열차와의 자력에 의해 인가되는 압력으로 전기 에너지를 발생시키는 자가발전모듈; 상기 자가발전모듈에서 발생된 전기 에너지를 충전하는 충전모듈; 상기 충전모듈에 충전된 전기 에너지를 이용하여 상기 열차의 운행 환경을 측정하는 측정모듈; 및 기 설정된 식별정보 및 상기 측정모듈에서 측정된 상기 운행 환경을 관제 서버로 전달하는 송신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 자가발전모듈은 상기 열차와 자력을 발생시키는 영구자석; 및 상기 영구자석과 상기 열차 사이의 자력에 의해 변형되어 전기 에너지를 발생시키는 압전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 압전체는 상기 영구자석의 압력 방향에 면접되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 자가발전모듈과의 자력이 증가되도록 상기 열차의 측면에 설치되는 자석부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 자석부는 N극과 S극이 교번하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 측정모듈은 공기 온도를 측정하는 기온 측정부, 습도를 측정하는 습도 측정부, 레일의 진동을 측정하는 진동 측정부, 풍속을 측정하는 풍속 측정부, 상기 레일의 온도를 측정하는 레일 온도 측정부 및 음량을 측정하는 음량 측정부 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 관제 서버는 상기 송신모듈로부터 상기 식별 정보 및 상기 운행 환경을 전달받아 상기 식별 정보를 통해 측정 위치를 추출하여 상기 측정 위치 및 상기 운행 환경을 예보시스템으로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 에너지 하베스팅 기술을 통해 전기 에너지를 충전하고 이 전기 에너지를 통해 열차의 운행 환경을 정확하게 측정한다.
본 발명은 열차의 운행 환경을 측정하는 측정 모듈에 전기 에너지를 공급하는 자가발전모듈을 레일 주변에 이미 설치되어 있는 기존 시설물에 설치하여 기존 시설물에 대한 이용률을 높이고, 자가발전모듈의 유지 및 보수를 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
본 발명은 열차의 운행 환경을 측정하는 측정 모듈에 전기 에너지를 공급하는 전원 케이블을 별도로 설치할 필요가 없어 전원 케이블의 설치 및 유지 보수에 필요한 비용을 절감한다.
본 발명은 열차의 운행 환경을 정확하게 측정하여 열차 운행에 필요한 예보시스템에 활용될 수 있도록 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치의 동작 개념을 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치의 블럭 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2 의 자가발전모듈의 구조를 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3 의 영구자석과 열차 사이의 자력에 의해 압전체에 인가되는 영구자석의 압력 방향을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정모듈의 블럭 구성도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차에 설치된 자석부의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치의 동작 개념을 도시한 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치는 운행 환경 측정기(10) 및 관제 서버(20)를 포함한다.
운행 환경 측정기(10)는 열차(T)의 레일(R)을 따라 복수 개가 설치되는데, 레일 주변에 기 설치되어 있는 기존 시설물에 설치된다.
기존 시설물에는 레일 주변의 지상에 있는 전주, 신호등, 방음벽 등 통상적으로 레일 주변에 설치되는 다양한 시설물이 모두 포함될 수 있다.
운행 환경 측정기(10) 각각에는 식별 정보가 설정된다. 이 식별 정보는 복수 개의 운행 환경 측정기(10) 각각을 식별하기 위해 정의된 정보이며, 각 식별 정보에는 해당 운행 환경 측정기(10) 각각의 측정 위치가 매칭된다.
운행 환경 측정기(10)는 레일(R)을 따라 운행하는 열차(T)가 접근하면 열차(T)와의 자력에 의해 발생되는 압력으로 전기 에너지를 발생시키고, 이 전기 에너지를 이용하여 식별 정보와 운행 환경을 측정한 후, 이 식별 정보, 운행 환경, 측정 시간을 통신망을 통해 관제 서버(20)로 전달한다.
여기서, 운행 환경 측정기(10)는 전기 에너지를 자가발전시키는데, 열차(T)는 통상적으로 금속으로 이루어져 자석에 접근하면 자력을 발생시킨다. 이에 운행 환경 측정기(10)는 금속체인 열차(T)와의 자력에 의해 압전체(112)가 변형되면서 전기 에너지를 발생시킨다.
관제 서버(20)는 운행 환경 측정기(10) 각각으로부터 식별 정보, 운행 환경 및 측정 시간을 전달받으면, 이 식별 정보에 매칭되는 측정 위치를 추출하고, 측정 위치, 측정 시간 및 운행 환경을 저장한 후, 기후 등 열차 안전 운행 등에 필요한 정보를 예측 및 보고하는 예보 시스템(30)으로 전달한다.
한편, 통신망에는 CDMA(Code Division Multiple Access) 기반의 2세대, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 기반의 3세대, LTE(Long Term Evolution)/WiBro 기반의 4세대 또는 그 이상의 세대를 지원하는 무선 환경, 인터넷 등의 IP(Internet Protocol) 기반 통신 기술을 지원하는 유선 환경 및 와이파이와 같은 근거리 무선 통신 환경이 모두 포함된다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 레일 주변 환경 측정 장치의 블럭 구성도이고 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2 의 자가발전모듈의 구조를 도시한 도면이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3 의 영구자석과 열차 사이의 자력에 의해 압전체에 인가되는 영구자석의 압력 방향을 개념적으로 도시한 도면이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정모듈의 블럭 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치는 상기한 바와 같이 운행 환경 측정기(10) 및 관제 서버(20)를 포함하는데, 운행 환경 측정기(10)는 도 2 에 도시된 바와 같이 자가발전모듈(11), 충전모듈(12), 측정모듈(13) 및 송신모듈(14)을 포함한다.
자가발전모듈(11)은 열차(T)와의 자력에 의해 인가되는 압력으로 전기 에너지를 발생시키는 것으로써, 열차(T)와의 자력에 의해 열차 방향으로 인가되는 압력을 전기 에너지로 변환시킨다.
이러한 자가발전모듈(11)은 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 영구자석(111) 및 압전체(112)를 포함한다.
영구자석(111)은 열차(T)와의 자력에 의해 압전체(112)를 변형시킨다.
압전체(112)는 영구자석(111)의 일측면, 예를 들어 열차 방향에 면접되어 영구자석(111)과 열차(T) 사이에 발생되는 자력에 의해 변형되어 전기 에너지를 발생시킨다. 여기서, 압전체(112)가 변형되면서 전기 에너지를 발생시키는 것은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
즉, 영구자석(111)이 상기한 바와 같이 열차(T)와의 자력에 의해 열차(T) 방향으로 압전체(112)에 압력을 인가하고, 영구자석(111)의 압력에 의해 압전체(112)가 변형되면서 전기 에너지를 발생시킨다.
여기서, 영구자석(111)과 압전체(112)의 설치 구조는 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 범위는 영구자석(111)의 자력에 의해 압전체(112)가 변형될 수 있는 구조를 모두 포함한다.
충전모듈(12)은 자가발전모듈(11)에서 발생된 전기에너지를 충전한다. 여기서, 충전모듈(12)은 열차(T)가 근접하여 자가발전모듈(11)에서 전기에너지가 발생될 때마다 전기 에너지를 충전한다. 이러한 충전모듈(12)로는 단일 또는 복수 개의 배터리팩이 채용될 수 있다.
측정모듈(13)은 충전모듈(12)에 충전된 전기 에너지를 통해 주기 또는 비주기적으로 운행 환경을 측정하여 송신모듈(14)에 입력한다. 즉, 측정모듈(13)은 열차(T)가 통과할 때마다, 설정시간이 경과할 때마다 또는 하루 중 일정한 시각 마다 운행 환경을 측정하거나, 관제 서버(20)의 요청시에 운행 환경을 측정하여 송신모듈(14)에 입력한다.
여기서, 운행 환경으로는 기상상태 및 열차 운행시 발생되는 현상 등이 포함될 수 있다.
이에 측정모듈(13)에는 도 5 에 도시된 바와 같이, 레일(R) 주변의 공기 온도를 측정하는 기온 측정부(131), 레일 주변의 습도를 측정하는 습도 측정부(132), 열차 운행시 발생되는 레일(R)의 진동을 측정하는 진동 측정부(133), 열차 운행 또는 비운행시 풍속을 측정하는 풍속 측정부(134), 레일(R)의 온도를 측정하는 레일 온도 측정부(135) 및 열차 운행에 따라 발생되는 음량을 측정하는 음량 측정부(136) 중 어느 하나 이상이 포함될 수 있다.
참고로, 본 실시예에서는 운행 환경으로 공기 온도, 습도, 진동, 풍속, 레일 온도 및 음량을 예시로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 열차 운행 및 레일 관리 등에 필요한 운행 환경이 모두 포함될 수 있다.
송신모듈(14)은 측정모듈(13)에서 측정된 운행 환경, 측정모듈(13)에서 운행 환경이 측정된 측정 시간 및 운행 환경 측정기(10)의 식별 정보를 충전모듈(12)에 충전된 전기 에너지를 이용하여 통신망을 통해 관제 서버(20)로 전달한다. 즉, 송신모듈(14)은 측정모듈(13)에서 운행 환경이 측정되면 식별정보를 추출하고, 이 식별 정보와 함께 운행 환경 및 측정 시간을 관제 서버(20)로 전달한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치의 동작 과정을 도 6 을 참조하여 설명한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 운행 환경 측정 장치의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 6 을 참조하면, 먼저 자가발전모듈(11)이 열차(T) 근접시마다 전기 에너지를 발생시키고, 충전모듈(12)이 자가발전모듈(11)에서 발생된 전기 에너지를 충전한다(S10).
이후 측정모듈(13)은 충전모듈(12)에 충전된 전기 에너지를 이용하여 운행 환경을 감지한다(S20).
참고로, 본 실시예에서는 충전모듈(12)에 전기 에너지가 충전된 후, 곧바로 측정모듈(13)이 운행 환경을 측정하는 것을 예시로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 열차 통과시, 측정모듈(13)의 측정 주기나 측정 시간, 관제 서버(20)의 요청 등 주기 또는 비주기적으로 다양한 시각에 운행 환경을 측정하는 것도 모두 포함한다.
한편, 상기한 바와 같이 측정모듈(13)에 의해 운행 환경이 측정되면, 송신모듈(14)은 운행 환경 측정기(10)의 식별정보를 추출한다(S30).
이후, 송신모듈(14)은 이 식별정보와, 운행 환경 및 측정 시간을 관제 서버(20)로 전달한다(S40).
관제 서버(20)는 송신모듈(14)로부터 식별정보, 운행 환경 및 측정 시간을 전달받고, 식별정보와 매칭되는 측정 위치를 추출하여(S50) 저장한 후, 이 측정 위치, 운행 환경 및 측정 시간을 예보 시스템(30)으로 전달한다(S60).
이에 따라, 예보 시스템(30)은 측정 위치, 운행 환경 및 측정 시간을 토대로 열차 운행을 위한 각종 예보 정보를 생성하여 관제 서버(20)에 전달하고, 관제 서버(20)는 이 예보 정보에 따라 열차 운행을 제어한다.
한편, 상기한 실시예에서는 열차(T)가 금속으로 제조되어 영구자석(111)이 그 자력으로 압전체(112)를 변형시키는 것을 예시로 설명하였다. 이 경우 열차(T)와 영구자석(111) 간의 자력이 증가할수록 압전체(112)의 변형량이 증가되어 더욱 많은 전기 에너지를 얻을 수 있다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차에 설치된 자석부의 일 예를 도시한 도면이다.
자석부(113)는 상기한 바와 같이 영구자석(111)과 열차(T) 간의 자력을 증가시키기 위해 열차(T)의 측면에 설치되며, 영구자석(111)과의 자력을 증가시킴으로써, 압전체(112)의 변형량을 증가시킬 수 있고, 이를 통해 더욱 많은 전기 에너지를 얻을 수 있도록 한다.
더욱이, 자석부(113)는 N극의 자석부(113)와 S극의 자석부(113)가 교번되게 설치되어 영구자석(111)의 극성에 따라 인력과 척력이 교번되게 작용된다. 이에 따라, 압전체(112)는 자석부(113)의 극성에 따라 교번되게 작용하는 인력과 척력에 의해 변형량이 더욱 증가하게 된다. 그 결과, 압전체(112)는 더욱 많은 전기 에너지를 발생시키게 된다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 에너지 하베스팅 기술을 통해 전기 에너지를 충전하고 이 전기 에너지를 통해 열차(T)의 운행 환경을 정확하게 측정한다. 이 경우, 본 발명에서는 열차(T)의 운행 환경을 측정하는 측정모듈(13)에 전기 에너지를 공급하는 자가발전모듈(11)을 레일 주변에 이미 설치되어 있는 기존 시설물에 설치하여 기존 시설물에 대한 이용률을 높이고, 자가발전모듈(11)의 유지 및 보수를 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 열차(T)의 운행 환경을 측정하는 측정모듈(13)에 전기 에너지를 공급하는 전원 케이블을 별도로 설치할 필요가 없어 전원 케이블의 설치 및 유지 보수에 필요한 비용을 절감하고, 본 발명은 터널 구간 등 운행 구간에 상관없이 열차(T)의 운행 환경을 정확하게 측정한다.
게다가, 본 발명은 열차(T)의 운행 환경을 정확하게 측정하여 열차 운행에 필요한 예보시스템(30)에 활용될 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 운행 환경 측정기 11: 자가발전모듈
111: 영구자석 112: 압전체
113: 자석부 12: 충전모듈
13: 측정모듈 131: 기온 측정부
132: 습도 측정부 133: 진동 측정부
134: 풍속 측정부 135: 레일 온도 측정부
136: 음량 측정부 14: 송신모듈
20: 관제 서버 30: 예보 시스템
R: 레일 T: 열차

Claims (7)

  1. 열차와의 자력에 의해 인가되는 압력으로 전기 에너지를 발생시키는 자가발전모듈;
    상기 자가발전모듈에서 발생된 전기 에너지를 충전하는 충전모듈;
    상기 충전모듈에 충전된 전기 에너지를 이용하여 상기 열차의 운행 환경을 측정하는 측정모듈; 및
    기 설정된 식별정보 및 상기 측정모듈에서 측정된 상기 운행 환경을 관제 서버로 전달하는 송신모듈을 포함하고,
    상기 자가발전모듈은 상기 열차와 자력을 발생시키는 영구자석; 및 상기 영구자석과 상기 열차 사이의 자력에 의해 변형되어 전기 에너지를 발생시키는 압전체를 포함하며,
    상기 압전체는 상기 영구자석의 압력 방향에 면접되며,
    상기 자가발전모듈과의 자력이 증가되도록 상기 열차의 측면에 설치되는 자석부를 더 포함하되,
    상기 자석부는 N극과 S극이 교번하여 설치되는 것을 특징으로 하는 열차 운행 환경 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 측정모듈은
    공기 온도를 측정하는 기온 측정부, 습도를 측정하는 습도 측정부, 레일의 진동을 측정하는 진동 측정부, 풍속을 측정하는 풍속 측정부, 상기 레일의 온도를 측정하는 레일 온도 측정부 및 음량을 측정하는 음량 측정부 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 운행 환경 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 관제 서버는 상기 송신모듈로부터 상기 식별 정보 및 상기 운행 환경을 전달받아 상기 식별 정보를 통해 측정 위치를 추출하여 상기 측정 위치 및 상기 운행 환경을 예보시스템으로 전달하는 것을 특징으로 하는 열차 운행 환경 측정 장치.
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