KR101658717B1 - 팬터그래프 측정 방식 및 팬터그래프 측정 장치 - Google Patents

Abstract

팬터그래프 (40) 에 설치된 마커 (50) 의 영상을 취득하고, 취득된 영상으로부터 시공 화상을 생성하는 순서 (S1) 과, 시공 화상을 높이에 따른 탐색 패턴과 조합시킴으로써 마커 (50) 를 탐색하는 순서 (S2) 로 이루어지는 화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 방식에 있어서, 마커 (50) 는, 광을 잘 반사시키지 않는 제 1 영역 (51) 과 광을 잘 반사시키는 제 2 영역 (52) 을 교대로 배치하여 이루어지는 줄무늬 모양이고, 또한 제 2 영역 (52) 은 적어도 2 개 이상에서 줄무늬 폭이 각각 상이한 것, 탐색 패턴은 마커의 줄무늬 모양에 대응하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

팬터그래프 측정 방식 및 팬터그래프 측정 장치{PANTOGRAPH MEASUREMENT METHOD, AND PANTOGRAPH MEASUREMENT DEVICE}

본 발명은 화상 처리에 의해 팬터그래프를 측정하는 팬터그래프 측정 방식 및 이 방식에 의한 팬터그래프 측정 장치에 관한 것이다.

전기 철도의 설비로서 트롤리선이 있는데, 트롤리선은 레일면으로부터 규정 높이의 범위에 부설되어야 한다.

따라서, 시간 경과에 따른 변화나 차량의 동적 인자에 영향받지 않고, 트롤리선의 높이가 관리값 내에 들어가 있는지 관리할 필요가 있다. 이 때 트롤리선의 높이는 팬터그래프의 높이와 등가이므로, 팬터그래프의 높이를 대용하여 관리하고 있다. 팬터그래프란 전기 철도 차량의 지붕 상에 설치된 집전 장치 중 하나이다.

또, 운전 중 팬터그래프가 큰 가속도로 하방으로 진동하면, 팬터그래프와 트롤리선이 이선 (離線) 되고, 이 아크에 의해 트롤리선이 국소 마모된다. 따라서, 팬터그래프의 가속도가 작아지도록 관리할 필요가 있다.

팬터그래프의 측정 수단으로서, 검측차나 차량 한계 측정차 등으로 불리는 전용의 측정차가 있으며, 영업 운전 사이사이에 일정 주기마다 운용되고 있다. 이들 측정차에는 차체의 기울기나 레일의 편위 등을 측정하는 센서가 다수 장착되어 있고, 그 센서의 하나로서 팬터그래프의 측정 센서가 있다 (전기 학회 저술 「전차 선로 설비 보전의 근대화 기술」).

팬터그래프 측정 방식에는 레이저 센서 방식, 광 절단 센서 방식, 가속도 센서 방식, 화상 처리 방식이 있으며, 이하의 특징이 있다.

1) 레이저 센서는 주로 스캔식이 사용되며, 미러 등으로 레이저를 팬터그래프에 주사하고, 이 반사파의 위치차나 조사한 레이저 형상의 변형에 의해, 팬터그래프까지의 거리를 측정하는 센서이다.

2) 광 절단 센서는, 줄무늬를 측정 대상에 투광하고, 팬터그래프 형상에 따라 요철이 된 줄무늬를 수광하여, 팬터그래프까지의 거리를 측정하는 센서이다.

3) 가속도 센서는, 자이로나 압전 소자 등에 의해 가속도를 출력하는 센서로, 팬터그래프에 직접 장착하여, 팬터그래프의 가속도를 측정하는 센서이다.

4) 화상 처리 방식에는 모델 매칭이나 패턴 매칭으로 팬터그래프를 검출하는 방식이 있다.

그러나, 이들 방식에도 다음과 같은 문제가 있다.

1. 레이저 센서의 주사 주기는, 미러를 회전시키는 모터의 회전수 한계와, 미러의 공진을 방지하기 위해 상대적으로 주사 주기가 느리다. 이로 인해, 레이저 센서는, 팬터그래프의 위치 (저주파수 성분) 는 측정할 수 있지만, 가속도 (고주파수 성분) 의 측정에는 적합하지 않다는 문제가 있다.

2. 광 절단 센서는 낮에 측정할 수 없다. 이로써, 열 팽창이 격렬한 낮에 측정할 수 없다.

3. 가속도 센서로 팬터그래프의 가속도를 측정하는 방법은, 현재 주로 이용되고 있는 방법이다. 그러나, 이하의 대책이 필요하여, 간이한 측정 방법은 아니다.

(가) 팬터그래프에 센서를 직접 고정시킬 필요가 있다.

(나) 센서 출력 전압을 취출하는 케이블에는, 대(對)노이즈성을 고려할 필요가 있다.

(다) 센서 출력 전압을 취출하는 케이블에는, 절연성을 고려할 필요가 있다.

4. 화상 처리 방식은, 측정 시간이 긴 경우나 단위 시간당 프레임 레이트수가 많은 경우, 계산 처리가 방대해지는 문제가 있다. 또, 터널 갱구나 육교 아래 등 배경의 급격한 변화에 의해 팬터그래프를 일시적으로 놓쳐 버려 데이터 누락이 발생할 우려가 있다.

이것들에 대해 「화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 장치 (일본 공개특허공보 2008-104312호)」(특허문헌 1) 에서는, 상기 과제를 해결하기 위해, 팬터그래프에 이미 알려진 마커를 장착함으로써, 흑색 마커가 배경 (하늘 등) 과 백색 마커를 나누기 때문에, 낮이라도 그 패턴을 탐색함으로써 측정이 가능하고, 또 터널 갱구 등 갑자기 배경이 변화했다고 하더라도, 백색 마커는 투광기의 광이 반사되기 때문에, 데이터가 결락되지 않고 연속적으로 측정이 가능해진다.

그러나, 이 방식에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 경면 광택을 갖는 구조물이 마커 위를 통과할 때, 카메라로부터 촬영된 화상에는 실물의 마커와 경면 반사된 마커의 2 개가 비쳐 잘못 인식할 가능성이 있다.

일본 공개특허공보 2008-104312호

팬터그래프 측정 방식에는 레이저 센서 방식, 광 절단 센서 방식, 가속도 센서 방식, 화상 처리 방식, 특허문헌 1 의 라인 센서를 사용한 화상 처리에 의한 측정 방법이 있으며, 다음의 문제가 있다.

(1) 레이저 센서의 주사 주기는, 미러를 회전시키는 모터의 회전수 한계와, 미러의 공진을 방지하기 위해 상대적으로 주사 주기가 느리다. 이로 인해, 레이저 센서는, 팬터그래프의 위치 (저주파수 성분) 는 측정할 수 있지만, 가속도 (고주파수 성분) 의 측정에는 적합하지 않다는 문제가 있다.

(2) 광 절단 센서는 낮에 측정할 수 없다. 이로써, 열 팽창이 격렬한 낮에 측정할 수 없다.

(3) 가속도 센서로 팬터그래프의 가속도를 측정하는 방법은, 현재 주로 이용되고 있는 방법이다. 그러나, 팬터그래프에 센서를 직접 고정시킬 필요가 있고, 센서 출력 전압을 취출하는 케이블에는, 대노이즈성을 고려할 필요가 있으며, 센서 출력 전압을 취출하는 케이블에는 절연성을 고려할 필요가 있는 등의 대책이 필요하여, 간이한 측정 방법은 아니다.

(4) 화상 처리 방식은, 측정 시간이 긴 경우나 단위 시간당 프레임 레이트 수가 많은 경우, 계산 처리가 방대해지는 문제가 있다.

또, 터널 갱구나 육교 아래 등 배경의 급격한 변화에 의해 팬터그래프를 일시적으로 놓쳐 버려 데이터 누락이 발생할 우려가 있다.

또, 특허문헌 1 에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 흑백이 등폭인 마커 (5) 를 팬터그래프 (4) 에 장착하고 있기 때문에, 경면 광택을 갖는 구조물 (6) 이 마커 (5) 위를 통과할 때, 카메라로부터 촬영된 화상에는 실물의 마커 (5) 와 구조물 (6) 에 의해 경면 반사된 마커 (61) 의 2 개가 비쳐 잘못 인식할 가능성이 있다.

상기 과제를 해결하는 본 발명의 청구항 1 에 관련된 화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 방식은, 차량의 지붕 상에 설치한 라인 센서로부터 팬터그래프에 설치된 마커의 영상을 취득하고, 취득된 영상으로부터 시공 화상을 생성하는 순서와, 상기 시공 화상을 높이에 따른 탐색 패턴과 조합 (照合) 시킴으로써 마커를 탐색하는 순서와, 상기 탐색 패턴과 일치 또는 일정 이상 근사한 지점을 팬터그래프 위치로서 기록하는 순서와, 기록된 팬터그래프 위치로부터 높이와 가속도를 측정하는 순서로 이루어지는 화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 방식에 있어서, 상기 마커는, 광을 잘 반사시키지 않는 제 1 영역과 광을 잘 반사시키는 제 2 영역을 교대로 배치하여 이루어지는 줄무늬 모양이고, 또한 상기 제 2 영역은 적어도 2 개 이상에서 줄무늬 폭이 각각 상이한 것, 상기 탐색 패턴은, 상기 마커의 줄무늬 모양에 대응하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 본 발명의 청구항 2 에 관련된 화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 장치는, 팬터그래프에 설치된 마커의 영상을 취득하는, 차량의 지붕 상에 설치한 라인 센서와, 상기 라인 센서로 취득한 영상으로부터 시공 화상을 생성하고, 상기 시공 화상을 높이에 따른 탐색 패턴과 조합시킴으로써 마커를 탐색하고, 상기 탐색 패턴과 일치 또는 일정 이상 근사한 지점을 팬터그래프 위치로서 기록하고, 기록된 팬터그래프의 위치로부터 높이와 가속도를 측정하는 화상 처리부를 구비한 팬터그래프 측정 장치에 있어서, 상기 마커는, 광을 잘 반사시키지 않는 제 1 영역과 광을 잘 반사시키는 제 2 영역을 교대로 배치하여 이루어지는 줄무늬 모양이고, 또한 상기 제 2 영역은 적어도 2 개 이상에서 줄무늬 폭이 각각 상이한 것, 상기 탐색 패턴은, 상기 마커의 줄무늬 모양에 대응하고 있는 것을 특징으로 한다.

(ⅰ) 비접촉 방식이기 때문에 고속 주행에서도 운용이 가능하다.

(ⅱ) 장치의 구조상, 포인트, 에어 섹션, 앵커와 같은 기존 구조물로부터 떨어진 위치에 센서가 설치되어 있기 때문에, 기존 구조물과의 충돌을 고려할 필요가 없다.

(ⅲ) 특별한 조명을 사용할 필요가 없다.

(ⅳ) 레이저광을 사용하는 방법에 비해 인체에 대한 영향을 고려할 필요가 없고, 취급이 간단하다.

(ⅴ) 레이저광을 사용하는 방법에 비해 광원과 수광 장치 사이에서 정밀한 위치 맞춤을 실시하는 번거로움이 없다.

(ⅵ) 팬터그래프에 장착한 마커를 촬상하고, 패턴 매칭함으로써 낮이라도 촬상 가능하다.

(ⅶ) 터널 갱구 등, 배경의 휘도가 갑자기 변화하는 경우에 있어서도 연속적으로 데이터를 취득할 수 있다.

(ⅷ) 경면 광택을 갖는 구조물이 마커 위를 통과하여 경면 반사가 일어나도, 잘못 인식하지 않고 연속적으로 데이터를 취득할 수 있다.

도 1(a) 는 기본적인 사고 방식에 의한 팬터그래프 측정 장치의 개략도, 도 1(b) 는 동 도면 (a) 중에서 파선으로 둘러싼 부분 H 의 확대도이다.
도 2 는 기본적인 사고 방식에 의한 마커 모양의 예를 나타내는 설명도이다.
도 3 은 기본적인 사고 방식에 의한 팬터그래프 측정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 4 는 시공 화상예를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 탐색 패턴의 생성예를 나타내는 설명도이다.
도 6 은 팬터그래프의 주사를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 팬터그래프의 위치의 보간을 나타내는 그래프이다.
도 8(a) 는 종래 기술에 관련된 경면 광택이 있는 구조물 및 팬터그래프에 형성된 마커를 나타내는 설명도, 도 8(b) 는 동 도면 (a) 중에서 파선으로 둘러싼 부분 B 의 확대도이다.
도 9(a) 는 본 발명에 관련된 경면 광택이 있는 구조물 및 팬터그래프에 형성된 마커를 나타내는 설명도, 도 9(b) 는 동 도면 (a) 중에서 파선으로 둘러싼 부분 C 의 확대도이다.

이하, 본 발명에 대하여 도면에 나타내는 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.

실시예 1

(1) 기본적인 사고 방식

본 실시예는, 팬터그래프의 높이와 가속도를 화상 처리에 의해 간편하게 측정하는 것을 목적으로 한다.

그 구성은, 예를 들어, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 차량 (10) 의 지붕 상에 라인 센서 (20) 와 조명 기구 (30) 를 설치하고, 조명 기구 (30) 로 비추면서 팬터그래프 (40) 의 주체 (舟體) 에 장착한 마커 (50) 의 영상을 라인 센서 (20) 로 취득하는 것이다.

여기에서, 라인 센서 (20) 는, 도면 중 화살표로 나타내는 라인 센서 촬상면이, 팬터그래프 (40) 와 마커 (50) 를 상하 방향으로 수직으로 절단하는 방향에 설치하여, 팬터그래프 (40) 가 어느 높이로 변동되었다고 해도 마커 (50) 를 반드시 촬상할 수 있도록 한다.

마커 (50) 는, 도 2 에 확대하여 나타내는 바와 같이, 광을 잘 반사시키지 않는 색이나 재질의 제 1 영역 (51) (이후, 흑색 마커라고 한다) 을 베이스로, 광을 잘 반사시키는 색이나 재질의 제 2 영역 (52) (이후, 백색 마커라고 한다) 을 중첩시킨 줄무늬 모양이다. 여기에서, 백색 마커 (52) 는 2 개 이상으로 하고, 각각 폭이 상이한 형상으로 한다. 또, 흑색 마커 (51) 는 3 개 이상으로 하고, 폭은 동등한 것으로 한다.

조명 기구 (30) 로는 통상의 것을 사용한다.

또한, 라인 센서 (20) 에 의해 취득된 화상은, 화상 처리부 (60) 에서 화상 처리하고, 화상 처리의 결과, 계측한 팬터그래프 (40) 의 높이와 가속도가 기록 장치 (70) 에 기록된다.

화상 처리부 (60) 에 있어서의 화상 처리 방식은, 도 3 에 나타내는 플로우 차트에 따라, 다음과 같이 시공 화상 생성 (단계 S1), 패턴 매칭 (단계 S2), 팬터그래프 위치 보간 (단계 S3), 처리 종료 판정 (단계 S4), 높이ㆍ가속도 출력 (단계 S5) 의 순서로 처리된다.

＜시공 화상 생성＞

먼저, 라인 센서 (20) 에 의해 단위 시간마다 (프레임 레이트마다) 팬터그래프 (40) 에 장착한 마커 (50) 의 영상을 취득하여, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 라인 센서 (20) 의 출력, 요컨대, 라인 센서 촬상면의 높이 방향을 세로축으로 하고, 시간을 가로축으로 하는 시공 화상을 생성한다.

도 4 에 나타내는 시공 화상은, 마커 (50) 의 형상대로, 광의 반사가 적은 흑색의 띠와 광의 반사가 큰 백색의 띠로 구성되는 줄무늬 모양이 연속해서 촬상되어 있다. 요컨대, 2 개의 백색 영역과 3 개의 흑색 영역으로 이루어지는 줄무늬 모양이 촬상되어 있다.

또, 팬터그래프 부근을 고속으로 가로지르는 전차선 설비 등 팬터그래프의 배경이 노이즈 (N) 로서 나타나 있다.

＜패턴 매칭＞

라인 센서 (20) 에 의해 촬영되는 마커 (50) 는, 팬터그래프 (40) 가 높은 위치가 될수록 라인 센서 (20) 와의 거리가 멀어져 작은 화상으로서 촬영된다. 그 때문에, 마커 (50) 의 크기와 라인 센서 (20) 의 방향을 고려하면, 시공 화상 상의 위치 방향에 의해 비치는 마커 (50) 의 크기가 거의 확정된다.

그래서, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 마커의 모양과 높이에 따른 탐색 패턴을 생성한다. 즉, 탐색 패턴은, 폭이 상이한 2 개의 백색 마커 (52) 에 대응하여 높은 휘도를 갖는 대소 2 개의 산형을 이루는 것으로, 화상 상의 위치가 높아질수록 낮게 한 것이다.

그리고, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 단위 시간마다 시공 화상에 있어서 주사선 (a) 을 상방으로부터 하향으로 주사시켜 탐색 패턴과 일치하는 지점을 탐색한다. 요컨대, 시공 화상을 높이에 따른 탐색 패턴과 조합 (패턴 매칭) 시키는 것으로, 일치하여 지점을 팬터그래프 위치로서 기록하고, 또 일치하지 않을 때라도, 일정 이상 근사한 패턴이면, 주사선 (a) 에 대하여 가장 근사한 지점에서부터 순위를 매겨 팬터그래프 위치로서 복수 기록한다.

요컨대, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 제 1 후보 (b1), 제 2 후보 (b2) 와 같이 복수 기록한다. 또, 근사한 지점이 존재하지 않는 경우에는 보류한다.

＜팬터그래프 위치 보간＞

패턴 매칭에 있어서, 도 7 에 나타내는 바와 같이 보류된 팬터그래프 위치 (보류 부분) (c1) 나 연결되어 있지 않은 팬터그래프 위치 (불연결 부분) (c2) 는, 전후의 점으로부터 위치를 보완한다.

보간의 방법은, 단순하게는 보류 부분 또는 불연결 부분에 있어서의 간극을 메우도록 직선적으로 보완하는 방법이 있지만, 그 밖의 방법에 의해 보완해도 된다.

＜처리 종료 판정＞

모든 시공 화상에 대하여, 상기 서술한 바와 같이 패턴 매칭 (S2), 팬터그래프 위치 보간 (S3) 의 처리를 반복하여, 탐색 패턴과 일치 또는 일정 이상 근사하는 지점을 팬터그래프 위치로서 기록 장치 (70) 에 기록한다.

＜높이 출력＞

기록 장치 (70) 에 기록된 팬터그래프 위치를 높이로서 출력한다.

＜가속도 출력＞

기록 장치 (70) 에 기록된 팬터그래프 위치에서, 아래로 볼록한 변극점의 극값을 구하고, 소정 값 이상의 극값을 가속도로서 출력한다.

본 실시예는, 화상 처리에 의해 팬터그래프 높이와 가속도를 측정하는 것으로, 비접촉 방식이기 때문에 고속의 운용이 가능하다.

또, 장치의 구조상, 포인트, 에어 섹션, 앵커와 같은 기존 구조물로부터 떨어진 위치에 센서가 설치되어 있기 때문에, 기존 구조물과의 충돌을 고려할 필요가 없어, 기본적으로 모든 구간에 있어서 라인 센서 화상의 촬상이 가능하다.

또, 특별한 조명을 사용할 필요가 없고, 레이저광을 사용하는 것과 같은 인체에 대한 영향을 고려하는 취급에 대한 어려움이 없다. 광원과 수광 장치 사이에서의 정밀한 위치 맞춤을 실시할 번거로움이 없다.

팬터그래프 (40) 에 장착한 마커 (50) 의 모양은 이미 알려진 것으로, 흑색 마커 (51) 가 배경 (하늘 등) 과 백색 마커 (52) 를 나누기 때문에, 낮이라도 그 패턴을 탐색함으로써 측정이 가능하다.

또, 특허문헌 1 에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 흑백이 등폭인 마커 (5) 를 팬터그래프 (4) 에 장착하고 있기 때문에, 경면 광택을 갖는 구조물 (6) 이 마커 (5) 위를 통과할 때, 카메라로부터 촬영된 화상에는 실물의 마커 (5) 와 구조물 (6) 에 의해 경면 반사된 마커 (61) 의 2 개가 비쳐 잘못 인식할 가능성이 있다.

본 실시예에서는, 도 9 와 같이, 상이한 줄무늬 폭의 2 개 이상의 백색 마커 (52) 를 포함하는 마커 (50) 를 팬터그래프 (40) 에 설치했기 때문에, 경면 광택을 갖는 구조물 (6) 에 의해 경면 반사된 마커 (비친 마커) (62) 에서는 모양이 상하 반대로 다르게 비치기 때문에, 예를 들어, 도 5 에 나타내는 탐색 패턴을 사용하면, 잘못 인식하지 않고, 연속적으로 데이터를 취득하는 것이 가능하다.

산업상 이용가능성

본 발명은 팬터그래프의 위치나 가속도를 연속적으로 취득할 수 있는 팬터그래프 측정 방식 및 이 방식에 의한 팬터그래프 측정 장치로서 널리 산업상 이용 가능한 것이다.

10 : 차량
20 : 라인 센서
30 : 조명 기구
40 : 팬터그래프
50 : 마커
51 : 흑색 마커
52 : 백색 마커
60 : 화상 처리부
70 : 기록 장치

Claims (2)

1. 차량의 지붕 상에 설치한 라인 센서로부터 팬터그래프에 설치된 마커의 영상을 취득하고, 취득된 영상으로부터 시공 화상을 생성하는 단계와,
   상기 시공 화상을 높이에 따른 탐색 패턴과 조합시킴으로써 마커를 탐색하는 단계와,
   상기 탐색 패턴과 일치 또는 일정 이상 근사한 지점을 팬터그래프 위치로서 기록하는 단계와,
   기록된 팬터그래프 위치로부터 높이와 가속도를 측정하는 단계로 이루어지는 화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 방식에 있어서,
   상기 마커는, 광을 잘 반사시키지 않는 제 1 영역과 광을 잘 반사시키는 제 2 영역을 교대로 배치하여 이루어지는 줄무늬 모양이고, 또한 상기 제 2 영역은 적어도 2 개 이상에서 줄무늬 폭이 각각 상이한 것,
   상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 서로 평행한 것,
   상기 탐색 패턴은, 상기 마커의 줄무늬 모양에 대응하고 있는 것을 특징으로 하는 화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 방식.
2. 팬터그래프에 설치된 마커의 영상을 취득하는, 차량의 지붕 상에 설치한 라인 센서와,
   상기 라인 센서로 취득한 영상으로부터 시공 화상을 생성하고, 상기 시공 화상을 높이에 따른 탐색 패턴과 조합시킴으로써 마커를 탐색하고, 상기 탐색 패턴과 일치 또는 일정 이상 근사한 지점을 팬터그래프 위치로서 기록하고, 기록된 팬터그래프의 위치로부터 높이와 가속도를 측정하는 화상 처리부를 구비한 팬터그래프 측정 장치에 있어서,
   상기 마커는, 광을 잘 반사시키지 않는 제 1 영역과 광을 잘 반사시키는 제 2 영역을 교대로 배치하여 이루어지는 줄무늬 모양이고, 또한 상기 제 2 영역은 적어도 2 개 이상에서 줄무늬 폭이 각각 상이한 것,
   상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 서로 평행한 것,
   상기 탐색 패턴은, 상기 마커의 줄무늬 모양에 대응하고 있는 것을 특징으로 하는 화상 처리에 의한 팬터그래프 측정 장치.

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