KR101527079B1 - 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치 및 이를 이용한 접촉력 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치에 관한 것으로, 전기철도 전차선과 팬터그래프간에 접촉력 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전차선과 팬터그래프 사이에 작용하는 접촉력을 에어리어메라를 이용하여 비 접촉식 방식으로 측정하여 전차선로의 집전품질 측정하는 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치 및 이를 이용한 접촉력 측정방법에 관한 것이다.

Description

에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치 및 이를 이용한 접촉력 측정방법{Area Catenary contact force measurement device with camera and measurement method}

본 발명은 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치 및 이를 이용한 접촉력 측정방법에 관한 것으로, 전기철도 전차선과 팬터그래프간에 접촉력 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전차선과 팬터그래프 사이에 작용하는 접촉력을 에어리어 카메라를 이용하여 비 접촉식 방식으로 측정하여 전차선로의 집전품질 측정하는 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치 및 이를 이용한 접촉력 측정방법에 관한 것이다.

전기철도차량은 집전시스템인 팬터그래프(pantograph)를 사용하는데, 이러한 팬터그래프는 전차선과 직접 접촉하여 전력을 공급받기 때문에 안정된 집전능력을 확보해야 한다.

또한 전차선과 팬터그래프 접촉시 발생하는 힘을 접촉력이라 하는데, 이러한 접촉력은 팬터그래프와 전차선간 집전능력을 평가하는 수단이다.

차량이 고속으로 주행하면 팬터그래프 집전판.전차선 간의 접촉력이 변동하여 이선이 발생하기 쉽다. 이선은 집전판.전차선의 마모를 증가시키고, 전파 잡음이나 소음 레벨을 높게 한다.

또한, 현저한 경우에는 차량에 양질인 충분한 전력을 공급할 수 없게 된다.그래서 차량의 최고 속도에서 이선율을 어떤 한도 이하로 제한할 필요가 있다.

이선율의 한도는 집전판 재질이나 집전 전류에 따라 다르기 때문에 일괄적으로 정해질 수 없지만, 지금까지의 사용 실적에 의하여 교류에서 5%, 직류에서 1%이하가 바람직하다. 이선은 가선과 팬터그래프의 상호작용에 의하여 생기기 때문에 팬터그래프는 해당 선로 구간의 전차선을 고려하여 충분한 추종 성능을 가질 필요가 있다.

즉, 전기철도차량에서 팬터그래프와 전차선간 접촉력(힘) 변화가 작을수록 집전성능이 안정적이라고 볼 수 있으나, 접촉력 변화가 클수록 팬터그래프와 전차선간 진동 및 충격이 크게 발생하여 팬터그래프와 전차선이 이선되고 전기적인 아크가 발생한다. 이러한 전기적 아크는 팬터그래프 집전판 손상과 전차선 마모의 원인이 된다. 따라서 전차선과 팬터그래프간 안정된 집전능력을 확보하기 위한 검측기술이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 발명된 것으로 다음과 같은 목적을 갖는다.

본 발명은 전기철도 전차선과 팬터그래프간에 접촉력 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전차선과 팬터그래프 사이에 작용하는 접촉력을 에어리어 카메라를 이용하여 비 접촉식 방식으로 측정하여 전차선로의 집전품질 측정하는 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치 및 이를 이용한 접촉력 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같은 구성을 가진 실시 예에 의하여 구현된다.

본 발명은 팬터그래프 집전판에 마킹을 위한 레이저와 레이저 마킹의 변위량을 고속촬영하기 위한 Area 카메라, 태양광원 차단을 위한 태양광필터로 구성된 팬터그래프 영상취득장치와;

Area 카메라에서 이미지를 수집받기 위한 프레임그래버와 촬영된 영상에서 레이저 마크의 움직임을 분석하여 팬터그래프와 전차선간에 접촉력 계측 및 모니터링을 위한 산업용PC로 구성된 접촉력 영상분석장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 구성에 의하여 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 전기철도 전차선과 팬터그래프간에 접촉력 측정하는데 있어, 비접촉식 방식을 적용함으로써 접촉력 측정을 위한 팬터그래프에 변형이 필요없고, 일반 상용열차에서도 범용적으로 사용가능하다는 이점이 있다.

둘째, 에어리어 카메라를 이용한 측정방식으로 25,000V 고압환경과 전기적으로 절연되므로 안정적인 시스템 구축이 가능하며 별도의 전기적 절연장치를 구성할 필요가 없다는 이점이 있다.

셋째, 레이저마크를 적용함으로써, 기존 접촉식 접촉력 측정방식에 비해 시스템 설치 및 셋팅을 간소화할 수 있다는 이점이 있다.

도 1 ~ 도 5는 본 발명을 설명하기 위한 도면.

출원인은 이하에서 첨부도면을 참조하여 앞서 본 실시 예들의 구성을 상세하게 설명한다.

본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략한다.]

본 발명의 시스템 구성은 팬터그래프 영상취득장치와 접촉력 영상분석장치로 구성된다.

팬터그래프 영상취득장치 고속열차 차탑에 설치 운용되며, 고속열차 운행시 팬터그래프와 전차선간 집전거동 영상을 고속 촬영한다.

접촉력 영상분석장치는 고속열차 차상에 설치 운용되며, 상기 접촉력 영상측정장치에서 촬영한 집전거동 영상을 실시간 수집하여 팬터그래프의 접촉력을 계측한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 비접촉식 팬터그래프 접촉력 측정시스템을 도시한 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템 구성은 팬터그래프 영상취득장치와 접촉력 영상분석장치로 구성한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 팬터그래프 영상취득장치는 고속열차 차탑에 설치 운용되며, 고속열차 운행시 팬터그래프와 전차선간 집전거동 영상을 고속 촬영한다.

접촉력 영상분석장치는 고속열차 차상에 설치 운용되며, 상기 팬터그래프 영상취득장치에서 촬영한 집전거동 영상을 실시간 수집하여 팬터그래프의 접촉력을 계측한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 팬터그래프 영상취득장치의 구성은 팬터그래프 집전판에 마킹을 위한 레이저와 레이저 마킹의 변위량을 고속촬영하기 위한 에어리어(Area) 카메라, 태양광원 차단을 위한 태양광필터로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 접촉력 영상분석장치는 에어리어 카메라에서 이미지를 수집받기 위한 프레임그래버와 촬영된 영상에서 레이저 마크의 움직임을 분석하여 팬터그래프와 전차선간에 접촉력 계측 및 모니터링을 위한 산업용PC로 구성된다.

도 2는 본 발명에 따라 팬터그래프 집전판 상에 레이저 마킹을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따라 팬터그래프상에 레이저 마킹을 에어리어 카메라가 촬영하고, 팬터그래프에 마킹된 레이저 마크의 변위량을 측정하는 것을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 에어리어 카메라는 라인센서카메라에 비해 저렴하게 시스템 구축이 가능하며, 또한 시스템 설치가 간단하다. 또한 에어리어 카메라의 파셔스캔 기능을 통해 레이저가 마킹된 영역만을 선택적으로 촬영할 수 있어 팬터그래프 접촉력을 고속으로 측정할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 비접촉식으로 획득한 영상에서 접촉력을 계산하는 과정을 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, [습동판 영상취득 단계] 에어리어 카메라를 통해 팬터그래프 습동판 영상을 취득한다.

[영상이진화 단계] 습동판 영상에서 팬터그래프 상에 마킹된 레이저 마크와 주위 배경영역을 분리하고 레이저 마크를 인식하기 위한 단계이다.

[마커변위량 측정 단계] 팬터그래프 움직임에 따라 이동되는 레이저 마크의 중심픽셀을 추출하고 추출된 중심픽셀의 위치를 추출한다.

레이저마크의 변위량은 시간변화에 따른 레이저마커가 이동한 거리이다.

[접촉력 계산 단계]

접촉력은 팬터그래프 접촉력(N), 팬터그래프 상에 부착된 스프링 상수(N/m), 레이저마크 변위량(mm), 스프링 반력(N), 팬터그래프 압상력, 팬터그래프 집전판 질량(kg), d2y/dt2는 순간가속도 및 양력(N)을 이용하여 계산될 수 있다.

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스프링상수는 열차가 정지한 상태에서 팬터그래프에 일정 하중(무게추)을 가할 때 발생되는 힘(N=하중kg*9.8)을 계산하고, 이때 타겟의 변위량을 계측하여 구한다. ( k = N / y)양력은 열차의 주행속도로부터 팬터그래프에 작용하는 양력을 계산한다.

도 5는 본 발명에 따라 팬터그래프에 부착된 레이저 마크의 변위량을 측정을 도시한 도면이다. (레이저 마크의 위치변화를 통해 팬터그래프 움직임을 파악할 수 있다.)

열차 정지상태(힘의 평형상태)에서 접촉력은 팬터그래프 좌/우 스프링 압상력의 합과 같으며, 열차 주행상태에서 팬터그래프에 작용하는 접촉력은 팬터그래프 좌우스프링 압상력과 집전판 주위의 공기유동에 의한 양력, 그리고 집전판 가속도 운동(관성력)의 합과 같다.

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상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (2)

1. 팬터그래프 집전판에 마킹을 위한 레이저와, 팬터그래프 상에 조사된 레이저 마킹 영역만을 선택적으로 고속촬영하기 위한 에어리어 카메라, 태양광원 차단을 위한 태양광필터로 구성된 팬터그래프 영상취득장치와;
   에어리어 카메라에서 이미지를 수집받기 위한 프레임그래버와 촬영된 영상에서 레이저 마크의 변위량을 분석하여 팬터그래프와 전차선간에 접촉력 계측 및 모니터링을 위한 산업용PC로 구성된 접촉력 영상분석장치를 포함하며
   영상취득장치는 열차 상부에 구비되며, 에어리어 카메라에서 실시간으로 촬영된 레이저 마크 정보는 영상분석장치로 제공되어 접촉력을 측정하는 것을 특징으로 하는 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정장치.
   
2. 에어리어 카메라를 통해 팬터그래프 습동판 영상을 취득하는 단계;
   습동판 영상에서 팬터그래프 상에 마킹된 레이저 마크와 주위 배경영역을 분리하고 레이저 마크를 인식하는 단계;
   팬터그래프 움직임에 따라 이동되는 레이저 마크의 중심픽셀을 추출하고 추출된 중심픽셀의 위치를 추출하는 단계; 및
   시간 변화에 따른 레이저 마크의 이동거리인 레이저 마크의 변위량을 계산하여 팬터그래프와 전차선의 접촉력을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어리어 카메라를 이용한 전차선로 접촉력 측정방법.

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