KR101540263B1 - 전차선 습동면 모니터링 시스템 - Google Patents

전차선 습동면 모니터링 시스템 Download PDF

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이병곤
신영식
박종국
김정연
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한국철도공사
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    • B60MPOWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M1/00Power supply lines for contact with collector on vehicle
    • B60M1/12Trolley lines; Accessories therefor
    • B60M1/28Manufacturing or repairing trolley lines

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Abstract

본 발명은 라인 조명과 라인 스캔 카메라로 구성된 전차선 습동면 스캔장치를 이용하여 전차선 습동면의 충격위치를 분석하는 전차선 습동면 모니터링 시스템에 관한 것으로, 라인 형태로 구비되어 전차선 하면의 습동면을 영상 촬영하는 라인 스캔 카메라와, 상기 전차선 하면의 습동면으로 상기 라인 스캔 카메라와 동일한 광축의 라인 형태의 빛을 조사하는 라인 조명을 포함하는 습동면 스캔장치부 및 상기 습동면 스캔장치부를 통해 촬영된 습동면 영상을 수집하여 습동면의 충격위치 여부를 검사하는 습동면 영상처리부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 전차선 습동면 모니터링 시스템에 따르면, 라인 조명과 라인 스캔 카메라로 구성된 전차선 습동면 스캔 장치를 고속의 전기 철도 차량에 탑재하여 실시간 전차선로 영상을 획득하고, 습동면 영상처리부에서 이미지 프로세싱을 통해 전차선 습동면의 비정상적인 충격위치를 검사하여 그 결함정보를 전차선 유지보수 작업자에게 제공함으로써, 철도의 전차선 시설물의 안정성을 확보하여 전기 철도 차량의 안전한 운행을 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

전차선 습동면 모니터링 시스템{Monitoring System for Sliding Surface of Electric Car Line}
본 발명은 전차선 습동면 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 라인 조명과 라인 스캔 카메라로 구성된 전차선 습동면 스캔장치를 이용하여 전차선 습동면의 충격위치를 분석하는 전차선 습동면 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전기 철도 차량은 다른 교통수단에 비하여 신속하고 정확하며 안정적인 장점으로 인해 많은 사람이 이용하고 있다.
전차선은 전기 철도 차량에 전기를 공급하기 위한 시설물이며, 전기 철도 차량의 팬터그래프는 전차선과의 접촉을 통해 전기를 안정적으로 공급받는다.
300km/h 전후의 고속으로 운행되는 전기 철도 차량의 팬터그래프와 전차선은 항상 접촉이 발생하므로 전기 철도 운행 횟수에 따라 전차선 마모가 발생한다.
이때, 팬터그래프 집전판과 전차선 습동면 접촉으로 인한 정상적인 전차선 마모의 경우는 전차선 마모량을 예측하여 전차선의 교체주기를 파악할 수 있으므로 문제가 되지 않는다.
그러나, 팬터그래프와 전차선간 접촉 불량으로 인해 발생하는 전기적인 아크와 기계적인 접촉 충격으로 인해 발생하는 비정상적인 전차선의 국부마모(국부적인 손상)는 전차선의 수명단축 및 단선 등의 문제점을 발생하며, 이러한 비정상적인 전차선의 국무마모의 발생위치를 예측하기 어렵고, 작업자가 육안으로 점검하기에 어려운 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1371531호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 라인 조명과 라인 스캔 카메라로 구성된 전차선 습동면 스캔 장치를 고속의 전기 철도 차량에 탑재하여 실시간 전차선로 영상을 획득하고, 습동면 영상처리부에서 이미지 프로세싱을 통해 전차선 습동면의 비정상적인 충격위치를 검사하여 그 결함정보를 전차선 유지보수 작업자에게 제공함으로써, 철도의 전차선 시설물의 안정성을 확보하여 전기 철도 차량의 안전한 운행을 가능하게 하는 전차선 습동면 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전차선 습동면 모니터링 시스템은 라인 형태로 구비되어 전차선 관심영역 하면의 전차선 습동면을 영상 촬영하는 라인 스캔 카메라와, 상기 전차선 관심영역 하면의 전차선 습동면으로 상기 라인 스캔 카메라와 동일한 광축의 라인 형태의 빛을 조사하는 라인 조명을 포함하는 습동면 스캔장치부 및 상기 습동면 스캔장치부를 통해 촬영된 전차선 습동면 영상을 수집하여 습동면의 충격위치 여부를 검사하는 습동면 영상처리부를 포함하여 구성된다.
상기 습동면 영상처리부는 철도 차량이 일정 간격으로 이동할 때마다 라인 스캔 카메라에 촬영 제어신호를 제공하는 펄스생성부; 라인 스캔 카메라를 통해 촬영된 영상을 수집하는 영상수집부 및 상기 영상수집부로 수집된 영상을 전달받아 습동면 상에 충격위치를 분석하고 결함을 크기별로 분류하는 처리제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 라인 조명은 근적외선 파장대의 빛을 조사할 수 있다.
상기 라인 스캔 카메라의 전단에는 근적외선 파장대의 광원만을 통과시키는 외부광원 차단필터가 구비될 수 있다.
상기 라인 스캔 카메라는 일차원 형태의 이미지 센서로 구성되며, 전차선 습동면을 길이방향으로 2mm의 일정 간격을 가지면서 수평 방향으로 영상을 촬영하여 파노라마 형태의 영상이 획득되도록 할 수 있다.
습동면을 수평 방향으로 촬영되어 검출된 습동면 라인 v는 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다
Figure 112015038535778-pat00001
.
습동면 라인에서의 충격위치
Figure 112015038535778-pat00002
는 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다
Figure 112015038535778-pat00003
.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 전차선 습동면 모니터링 시스템에 따르면, 라인 조명과 라인 스캔 카메라로 구성된 전차선 습동면 스캔 장치를 고속의 전기 철도 차량에 탑재하여 실시간 전차선로 영상을 획득하고, 습동면 영상처리부에서 이미지 프로세싱을 통해 전차선 습동면의 비정상적인 충격위치를 검사하여 그 결함정보를 전차선 유지보수 작업자에게 제공함으로써, 철도의 전차선 시설물의 안정성을 확보하여 전기 철도 차량의 안전한 운행을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전차선 습동면 모니터링 시스템을 도시한 예시도이며.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전차선 습동면 모니터링 시스템을 도시한 블록도이며.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 습동면 스캔장치부를 도시한 예시도이며,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 라인 조명을 도시한 예시도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전차선 습동면 모니터링 과정을 설명하기 위하여 도시한 플로우차트이며,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 아크 충격에 의한 전차선 습동면을 도시한 예시도이며,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기계적인 충격에 의한 전차선 습동면을 도시한 예시도이며,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전차선 습동면 모니터링 시스템을 통하여 획득된 전차선 습동면 영상을 도시한 예시도이며,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전차선 습동면 모니터링 시스템을 통하여 획득된 전차선 습동면 영상에서 충격위치를 검출하는 과정을 도시한 예시도이며,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전차선 습동면 모니터링 시스템을 통하여 획득된 전차선 습동면의 결함분석 보고서를 도시한 예시도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서는 철도 차량의 진행 방향을 '길이방향'이라 하고, 길이방향에 수직 하는 방향을 '수평방향'이라 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 전차선 습동면 모니터링 시스템은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 습동면 스캔장치부(100)와 습동면 영상처리부(200)를 포함하여 구성된다.
상기 습동면 스캔장치부(100)는 전기철도차량(950)의 차탑에 설치되는 것으로, 라인 조명(110), 라인 스캔 카메라(130) 및 외부 광원 차단필터(150)를 포함하여 구성된다.
상기 라인 스캔 카메라(130)는 일차원 라인 형태의 이미지 센서로 구성되며, 도 3에 도시한 바와 같이 전차선 관심영역(910) 하면의 전차선 습동면을 길이방향으로 약 2mm 정도의 일정 간격을 가지면서 수평 방향으로 영상을 연속 촬영하여 파노라마 형태의 영상이 획득되도록 한다.
상기 라인 조명(110)은 도 3에 도시한 바와 같이 상기 전차선 관심영역(910) 하면의 전차선 습동면으로 상기 라인 스캔 카메라(130)와 광축을 일치하여 빛을 조사하는 것으로, 도 4에 도시한 바와 같이 라인 형태로 출력되는 근적외선(Near Infra-red Rays) 파장대의 빛을 조사한다.
상기 외부 광원 차단필터(150)는 근적외선 파장대의 광원만을 통과시키는 것으로, 라인 스캔 카메라(130)의 전단에 구비되며, 전차선 습동면 영상 촬영시 라인 조명(110)으로 사용하는 근적외선 파장대에 광원만을 통과시켜 주변 광원의 영향을 최소화함으로써 선명한 영상을 촬영할 수 있다.
상기 습동면 영상처리부(200)는 전기철도차량(950)의 차상에 설치되는 것으로, 영상수집부(210), 펄스생성부(230) 및 처리제어부(250)를 포함하여 구성된다.
상기 펄스생성부(230)는 전기철도차량(950)의 차륜(300)에 부착된 타코메타(Tachometer)를 통하여 전기철도차량(950)의 이동 거리를 계산하며, 전기철도차량(950)이 2mm의 일정한 간격으로 이동할 때마다 라인 스캔 카메라(130)에 촬영 제어신호를 제공한다.
상기 영상수집부(210)는 프레임그래버(Frame grabber)가 될 수 있으며, 라인 스캔 카메라(130)를 통해 촬영된 전차선 관심영역(910)의 전차선 습동면 하면 영상을 수집한다.
상기 처리제어부(250)는 산업용 컴퓨터가 될 수 있으며, 상기 영상수집부(210)로 수집된 영상을 전달받아 이미지 프로세싱을 통해 전차선 습동면 상에 습동면 충격위치를 검사하여 분석하고 결함을 크기별로 분류하는 작업을 한다.
상술한 바와 같이 구성된 전차선 습동면 모니터링 시스템은 다음과 같이 동작한다.
먼저, 전기철도차량(950)이 이동하면서, 전차선 관심영역(910)의 하부를 길이방향으로 2mm의 일정간격으로 진행할 때마다 라인 스캔 카메라(130)를 통하여 수평방향으로 영상을 촬영하고, 촬영된 영상은 영상수집부(210)를 통하여 수집된다(S110).
참고로, 도 6은 아크 충격에 의한 전차선 관심영역(910)의 전차선 습동면을 나타낸 것이고, 도 7은 기계적인 충격에 의한 전차선 관심영역(910)의 전차선 습동면을 나타낸 것으로, 영상수집부(210)를 통하여 수집된 영상은 도 8에 도시한 바와 같이 상술한 충격에 의한 습동면 충격위치(915)가 포함된 전차선 습동면(911) 영상이 포함된다.
이어서, 영상수집부(210)를 통해 수집된 영상은 처리제어부(250)를 통하여 영상 처리되어, 전차선 관심영역(910) 하부의 전차선 습동면(911)을 추출한다(S120).
전차선 습동면(911) 추출은 전차선 관심영역(910) 하부의 전차선 습동면이 포함된 영상에서 전차선 습동면(911)과 배경영상을 분리하기 위한 과정으로 라인조명(110)의 영향으로 전차선 습동면(911)은 특정 임계치 이상에 균일한 밝기를 가진다.
따라서, 전차선 관심영역(910) 하부의 전차선 습동면이 포함된 영상에서 화소 밝기가 유사한 인접된 화소 영역들을 레이블링(Labeling)함으로써 전차선 습동면(911)을 추출할 수 있다.
전차선 습동면(911)에서 수평 방향으로 촬영되어 검출된 습동면 라인 v의 화소들의 밝기분포를 계산하는 과정은 수학식 1과 같다.
Figure 112015038535778-pat00004
(여기서, v1, ... , vm 은 각각 습동면의 수평방향 화소의 시작 위치와 끝 위치, x 및 y는 습동면 화소위치, H는 수평방향으로 스캔한 화소들의 밝기 분포이다).
이어서, 전차선 습동면(911)에서의 습동면 라인에서 습동면 충격위치(915)가 존재하면, 이를 분석한다(S130).
습동면 라인에서의 충격위치
Figure 112015038535778-pat00005
는 수학식 2를 통하여 산출할 수 있다.
Figure 112015038535778-pat00006
(여기서,
Figure 112015038535778-pat00007
는 x 방향 화소의 명암 밝기 변화량,
Figure 112015038535778-pat00008
는 y 방향 화소의 명암 밝기 변화량).
따라서, 도 9에 도시한 바와 같이, 영상에서 x방향과 y방향의 명암 밝기 변화량에 따른 수직과 수평방향에 경계선 검출로 충격위치를 검출할 수 있다.
이어서, 도 10에 도시한 바와 같이, 전차선 충격위치에 대한 결함정보를 분류한 후, 이에 대한 보고서를 생성하여 유지 보수 관리자 등에게 전달한다(S140).
결함정보의 분류는 전차선 충격위치의 화소 면적을 산출한 후, 화소 면적과 화소 분해능에 따른 크기별로 분류하여, 결함패턴의 크랙 방향 또는 면적 등으로 아크 충격에 의한 충격위치 인지 또는 기계적 충격에 의한 충격위치인지 분류할 수 있다.
상술한 바와 같이 전차선 습동면 모니터링 시스템에 따르면, 라인 조명과 라인 스캔 카메라로 구성된 전차선 습동면 스캔 장치를 고속의 전기 철도 차량에 탑재하여 실시간 전차선로 영상을 획득하고, 습동면 영상처리부에서 이미지 프로세싱을 통해 전차선 습동면의 비정상적인 충격위치를 검사하여 그 결함정보를 전차선 유지보수 작업자에게 제공함으로써, 철도의 전차선 시설물의 안정성을 확보하여 전기 철도 차량의 안전한 운행을 가능하게 할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 습동면 스캔장치부 110: 라인 조명
130: 라인 스캔 카메라 150: 외부광원 차단필터
200: 습동면 영상처리부 210: 영상수집부
230: 펄스생성부 250: 처리제어부
910: 전차선 911: 전차선 습동면
915: 습동면 충격위치

Claims (7)

  1. 라인 형태로 구비되어 전차선 관심영역 하면의 전차선 습동면을 영상 촬영하는 라인 스캔 카메라와, 상기 전차선 관심영역 하면의 전차선 습동면으로 상기 라인 스캔 카메라와 동일한 광축의 라인 형태의 빛을 조사하는 라인 조명을 포함하는 습동면 스캔장치부; 및
    상기 습동면 스캔장치부를 통해 촬영된 전차선 습동면 영상을 수집하여 전차선 습동면의 충격위치 여부를 검사하는 습동면 영상처리부
    를 포함하여 구성되며,
    상기 라인 스캔 카메라는 일차원 형태의 이미지 센서로 구성되며, 전차선 습동면을 길이방향으로 2mm의 일정 간격을 가지면서 수평 방향으로 영상을 촬영하여 파노라마 형태의 영상이 획득되도록 하는 것을 특징으로 한 전차선 습동면 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 습동면 영상처리부는
    철도 차량이 일정 간격으로 이동할 때마다 라인 스캔 카메라에 촬영 제어신호를 제공하는 펄스생성부;
    라인 스캔 카메라를 통해 촬영된 영상을 수집하는 영상수집부; 및
    상기 영상수집부로 수집된 영상을 전달받아 전차선 습동면 상에 충격위치를 분석하고 결함을 크기별로 분류하는 처리제어부
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한 전차선 습동면 모니터링 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 라인 조명은 근적외선 파장대의 빛을 조사하는 것을 특징으로 한 전차선 습동면 모니터링 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 라인 스캔 카메라의 전단에는 근적외선 파장대의 광원만을 통과시키는 외부광원 차단필터가 구비된 것을 특징으로 한 전차선 습동면 모니터링 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 전차선 습동면을 수평 방향으로 촬영되어 검출된 습동면 라인 v는 하기의 수학식으로 나타내는 것을 특징으로 한 전차선 습동면 모니터링 시스템
    Figure 112015038535778-pat00009

    (여기서, v1, ... , vm 은 각각 습동면의 수평방향 화소의 시작 위치와 끝 위치, x 및 y는 습동면 화소위치, H는 수평방향으로 스캔한 화소들의 밝기 분포이다).
  7. 청구항 6에 있어서, 습동면 라인에서의 충격위치
    Figure 112015038535778-pat00010
    는 하기의 수학식으로 나타내는 것을 특징으로 한 전차선 습동면 모니터링 시스템
    Figure 112015038535778-pat00011

    (여기서,
    Figure 112015038535778-pat00012
    는 x 방향 화소의 명암 밝기 변화량,
    Figure 112015038535778-pat00013
    는 y 방향 화소의 명암 밝기 변화량).
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