KR101723015B1 - 스마트 제동 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 제동 모니터링 시스템에 관한 것으로; 철도차량의 제동디스크 표면 온도 및 영상을 비접촉식으로 측정하는 고속 적외선 카메라와; 상기 고속 적외선 카메라에서 측정된 온도신호 및 영상신호가 입력되면 이미지 프로세싱(image prossing)을 통하여 제동디스크내 온도 분포, 핫스팟 위치, 크랙의 발생 여부 및 위치를 검지하는 검지분석부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 철도차량의 운행 중에 핫스팟(Hot spot) 및 크랙(Crack) 등의 결함을 검지할 수 있고, 결함이 검지되면 해당 제동디스크에 작용하는 제동압을 완해하여 사고를 미연에 방지하고 크랙으로 진행되기 전에 디스크를 보호하여 부품의 수명을 늘리는 효과도 있다.

Description

스마트 제동 모니터링 시스템 {Monitoring system for brake device}

본 발명은 스마트 제동 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 실시간으로 철도차량의 제동디스크의 과온 및 크랙 등을 검지하여 사고를 예방하고 신속한 유지보수를 가능하게 한 스마트 제동 모니터링 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 고속열차는 300km/h 이상으로 주행하고 통상 300 ~ 500 톤(ton)의 질량을 가지기 때문에 제동 체결 시 디스크에서 발생하는 열로 인하여 도 1에서와 같이 디스크의 크랙 등이 발생하고 이는 차량의 안전에 심각한 영향을 미친다.

이러한 크랙은 디스크 재료의 열팽창에 의하여 주로 발생하는 데 특히 제동디스크 내 온도도 불균일한 지점인 핫 스팟(Hot spot)이 발생하였을 때 열팽창의 불균일로 인하여 심하게 발생한다.

특히, 400km/h 이상의 속도에서 비상제동을 체결할 때 디스크 한 개당 소모하는 열에너지는 무려 53MJ로서 이 때 디스크에서 발생하는 온도는 800℃ 가까이 되어 그림 2와 같이 디스크가 붉게 달아오르게 된다.

따라서, 열차 운행 후에는 주기적으로 디스크의 표면을 육안으로 검사하고, 심한 손상의 발견 시 디스크를 교체하는 과정 등 별도의 유지보수 활동을 수행하여야 한다.

이와 관련한 선행기술로서 특허공고 특1996-0015703호, 공개특허 제10-2009-0006319호, 등록특허 제10-0665765호 등이 제안된 바 있다. 이들 종래기술들을 살펴보면 실시간 감시의 경우 자동차는 운행 중 디스크에 크랙이 발생하면 실시간으로 감시하여 운전자에게 알려주는 기능도 존재하고, 열차는 차축주변의 온도를 감시하여 운전자에게 알려주는 기능을 제공한다.

그런데, 이와 같은 종래 기술들은 열차에 한정시 차축 주변에서 온도를 측정하여 차륜 디스크와 같은 시스템에선 디스크의 온도를 모니터링 할 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 특허공고 특1996-0015703호는 도 3과 같이 단순 감지 기능과 운전자에게 알려주는 경고기능만 있어서, 운전자가 인지하지 못할 경우 대형사고로 이어질 수 있는 치명적인 단점이 있다.

따라서, 제동디스크 상에서 문제가 발생하였을 때 해당 디스크의 제동을 자동으로 완해 시켜 주는 기능이 없는 감시시스템은 그 신뢰성에 문제가 있다.

또한, 자동차 디스크에 적용된 기술인 공개특허 제10-2009-0006319호는 도 4와 같이 홀 센서를 이용하여 크랙을 감지하고 운전자에게 알려주는 기능만 있고 역시 자동 완해 기능은 적용되어 있지 않다.

즉, 열차의 안전운행에 있어서 제일 중요한 것은 예방조치로서 크랙의 원인이 되는 Hot spot을 감지하고 미리 제동을 완해 시켜주는 것이 중요하며, 이미 발생한 크랙도 역시 감지할 수 있어야 한다.

또한, 크랙 및 Hot Spot이 발생한 디스크의 정보 및 디스크 내에서의 결함정보를 운행 중에 저장할 수 있는 기능이 있다면 유지보수 시 해당 디스크만을 정비하여 유지보수 시간을 크게 절약할 수 있으나 현재의 기술은 그러한 시스템으로 되어있지 않아 유지보수 시간 증대 및 운영효율성 측면에서 문제가 있다.

참고문헌 1: 특허공고 특1996-0015703호 참고문헌 2: 공개특허 제10-2009-0006319호 참고문헌 3: 등록특허 제10-0665765호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 철도차량의 사고를 예방하고 신속한 유지보수를 가능하도록 실시간으로 철도차량의 디스크 과온 및 크랙 등을 검지하는 스마트 제동 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

아울러, 본 발명은 철도차량의 디스크 과온 및 크랙 검지시 제동디스크에 작용하는 제동압을 완해시키는 스마트 제동 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

철도차량의 제동디스크 표면 온도 및 영상을 비접촉식으로 측정하는 고속 적외선 카메라와; 상기 고속 적외선 카메라에서 측정된 온도신호 및 영상신호가 입력되면 이미지 프로세싱(image prossing)을 통하여 제동디스크내 온도 분포, 핫스팟 위치, 크랙의 발생 여부 및 위치를 검지하는 검지분석부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 제동 모니터링 시스템을 제공한다.

이때, 상기 검지분석부에서 핫스팟 또는 크랙 발생으로 판단되면, 온도 분포와 핫스팟 또는 크랙 발생 위치를 포함하는 고장정보를 생성하여 TDCS로 전송하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 검지분석부는 상기 고장정보를 온도, 결함 종류 및 정도에 따라 분류하여 생성하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 검지분석부는 유선 또는 무선 통신을 수행하는 통신부를 통해 상기 고장정보를 TDCS에 실시간으로 전송하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 TDCS는 대차별로 설치되는 복수의 검지분석부를 통해 모니터링 정보를 수신하여 운전자 화면으로 현시하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 TDCS는 검지분석부로부터 수신한 고장정보를 데이터저장부에 기록하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 TDCS는 상기 검지분석부로부터 고장정보가 수신되면 제동디스크에 작용하는 제동압을 완해시키도록 제동제어유닛에 지령신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 TDCS는 원격지의 관제센터로 고장정보를 전송하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고속 적외선 카메라는 라인 스캔(line scan) 기능이 구비되며, 상기 검지분석부는 차축별로 취부된 타코미터를 통하여 차축의 회전정보를 입력받고, 상기 고속 적외선 카메라에서 획득한 영상신호를 이미지 프로세싱을 통하여 이미지를 취득하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 고속 적외선 카메라는 상기 제동디스크의 온도 측정을 위하여 분광기(spectrometer) 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 철도차량의 운행 중에 핫스팟(Hot spot) 및 크랙(Crack) 등의 결함을 검지할 수 있고, 결함이 검지되면 해당 제동디스크에 작용하는 제동압을 완해하여 사고를 미연에 방지하고 크랙으로 진행되기 전에 디스크를 보호하여 부품의 수명을 늘릴 수도 있다.

또한, 본 발명에 따르면 철도차량의 운행 후에는 결함이 발생한 해당 디스크만 검사하고 교체하여 신속한 정비 및 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

특히, 본 발명은 제동디스크 내 핫스팟 및 크랙 발생 위치를 정확하게 모니터링하여 검수자에게 제공할 수 있어 보다 정밀한 유지보수를 수행할 수 있도록 하는 효과도 있다.

도 1은 일반적인 디스크 크랙 발생 상태를 촬영한 사진이다.
도 2는 일반적인 디스크의 온도 상승 상태를 촬영한 사진이다.
도 3은 종래 디스크의 온도 검지 예를 도시한 도면이다.
도 4는 종래 디스크의 크랙 검지 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스마트 제동 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 스마트 제동 모니터링 시스템의 다른 실시 예에 따른 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 스마트 제동 모니터링 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 스마트 제동 모니터링 시스템은 철도차량의 제동디스크(1)에 발생한 핫 스팟(Hot spot) 및 크랙을 고속 적외선(High speed IR) 카메라(100)를 이용하여 비접촉방식으로 온도 및 영상을 측정하여 제동디스크(1)의 정확한 온도 분포 및 핫스팟(Hot Spot)(1a) 위치와 크랙(crack)(1b)의 발생 여부 및 위치를 실시간으로 검지하여 철도차량의 TDCS(또는 TCMS)(200)와 연동되어 핫스팟(1a)과 크랙(1b) 발생시 온도 분포 및 핫스팟(1a) 위치와 크랙(1b)의 발생 여부 및 위치 등의 고장정보를 기록하고 관제센터(300)로 통보하여 신속한 고장처리가 이루어지도록 한다.

이때, 상기 TDCS(Train Diagnostic & Control System)(200)는 열차진단제어장치를 의미하고, 상기 TCMS(Train Control and Monitoring System)은 열차 종합 관리장치를 의미하는 것으로, 이하에서는 TDCS(200)를 기준으로 설명하지만 TCMS에서도 동일한 기능을 수행할 수 있다.

한편, 철도차량의 제동장치의 구조를 살펴보면 철도차량의 대차에는 차륜이 차축에 일체로 결합되는 윤축이 회전이 자유롭게 설치되며, 이와 같은 윤축에는 제동디스크(1)가 장착되며, 상기 제동디스크(1)의 일측에는 상기 제동디스크(1)에 접촉가능하게 제동패드(2)가 설치된다.

물론, 상기 제동패드(2)는 캘리퍼(3)에 장착된 상태로서 제동제어유닛(BCU)(4)의 제어에 따라 제동디스크(1)에 접촉되며 제동기능을 수행한다.

이 경우 상기 제동패드(2)의 작동을 위해 차량공압을 통한 공기제동이 수행되며, 필요에 따라 전기제동 또는 유압제동 등의 형태로 제동제어유닛(BCU)(4)이 운영될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 스마트 제동 모니터링 시스템은 철도차량의 제동디스크(1) 표면 온도 및 영상을 비접촉식으로 측정하는 고속 적외선(High speed IR) 카메라(100)와, 상기 고속 적외선 카메라(100)에서 측정된 온도신호 및 영상신호가 입력되면 이미지 프로세싱(image prossing)을 통하여 제동디스크(1)내 온도 분포, 핫스팟(1a) 위치, 크랙(1b)의 발생 여부 및 위치를 검지하는 검지분석부(110)로 구성된다.

이때, 상기 검지분석부(110)에서 핫스팟(1a) 또는 크랙(1b) 발생으로 판단되면, 온도 분포와 핫스팟 또는 크랙 발생 위치를 포함하는 고장정보를 TDCS(또는 TCMS)(200)로 전송하여 저장 관리한다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 고속 적외선 카메라(100)는 철도차량의 제동디스크(1) 주변에 설치하여 비접촉방식으로 제동디스크(1) 표면의 온도 및 영상을 측정한다.

그리고, 상기 검지분석부(110)는 상기 고속 적외선 카메라(100)를 통해 측정되는 영상신호 및 온도신호를 수신하며, 이미지 프로세싱을 통하여 정확한 온도 분포, 핫스팟(1a) 및 크랙(1b)의 발생여부 및 제동디스크(1) 내 발생위치를 실시간으로 검지하며, 그에 따라 제동디스크(1)내 핫스팟(1a) 또는 크랙(1b)의 발생으로 판단되면 해당 제동디스크(1)의 온도 분포와 핫스팟 또는 크랙 발생 위치 등을 포함하는 고장정보를 생성한다.

이와 같은 검지분석부(110)는 영상신호 및 온도신호 분석을 위한 프로그램이 저장되는 내장메모리를 구비하는 마이컴으로 구성되거나 또는 마이크로프로세서와 별도 메모리 등으로 이루어지는 회로기판으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 검지분석부(110)는 온도, 핫스팟(1a) 및 크랙(1b) 등의 결함 종류 및 정도 등에 따라 분류하여 고장정보를 생성하여 체계적인 고장정보의 관리가 이루어질 수 있도록 한다. 물론 이와 같이 분류한 고장정보를 TDCS(200)로 전송한다.

그리고, 상기 검지분석부(110)는 유선 또는 무선 통신을 수행하는 통신부(120)를 통해 철도차량의 TDCS(200)와 연동 운영되어, 생성된 고장정보를 TDCS(200)에 실시간으로 전송된다.

이 경우 상기 TDCS(200)는 대차별로 설치되는 복수의 검지분석부(110)를 통해 모니터링 정보를 수신할 수 있다. 이에 따라 핫스팟(1a) 및 크랙(1b)이 검지된 제동디스크(1)의 검지분석부(110)로부터 생성된 고장정보를 유선 또는 무선 방식으로 연결되는 통신부(120)를 통하여 TDCS(200)로 수신받으며, 철도차량의 운전자는 상기 운전자 화면(210)인 모니터를 통해 현시되는 고장정보를 확인하고 철도차량의 감속여부 등을 결정할 수 있다.

그리고, 상기 TDCS(200)는 검지분석부(110)로부터 수신한 고장정보를 데이터저장부(220)에 기록한다.

이 경우 문제가 발생한 제동디스크(1)의 정보와 해당 제동디스크(1) 내 핫스팟(1a) 또는 크랙(1b) 등의 결함 위치 등을 포함하는 고장정보만 기록되어 추후 해당 제동디스크(1)만 유지보수를 할 수 있도록 하여 효율적인 운영할 수 있도록 함이 바람직하다.

한편, 운행중인 철도차량의 제동디스크(1)의 문제 발생으로 인해 TDCS(200)에 고장정보가 수신되면, 상기 TDCS(200)는 운전자의 취급없이도 제동제어유닛(4)에 즉시 지령신호를 출력하여 해당 제동디스크(1)에 작용하는 제동압을 완해시켜서 해당 제동디스크(1)의 결함이 진행되는 것을 억제시키고 철도차량의 운행안전을 확보하고 여타 부품의 수명을 연장시킬 수 있다.

아울러 상기 TDCS(200)는 원격지의 관제센터(300)로 고장정보를 전송하여 제동디스크(1)의 고장이 발생하였음을 알려 관제센터(300)가 현재 주행중이며 고장이 발생한 철도차량의 선행 및 후행차량이 충분한 안전거리를 확보할 수 있도록 선행 및 후행차량의 운전을 감시 및 제어하도록 한다.

이하, 도 6을 참고로 본 발명의 다른 실시 예에 따른 스마트 제동 모니터링 시스템을 설명한다.

철도 제동디스크(1)에 발생하는 온도분포를 정확하게 측정하는 것은 핫스팟(1a)을 찾아내고 한계온도 이상일 때 해당 제동디스크(1)를 보호하는 기능을 동작하기 위해 필수적이다.

또한, 고속으로 회전하는 제동디스크(1)의 이미지를 보다 정확하게 측정하기 위해서는 고속 적외선 카메라(100)는 라인스캔 기능을 추가하는 응용이 가능하다.

이 경우 고속 적외선 카메라(100)의 라인스캔 기능을 동작시키기 위해서는 이동하는 물체의 속도를 정확하게 알 필요가 있다. 대부분의 고속 철도차량은 각 차축별로 타코미터(5)를 이용한 속도센서가 취부되어 있다.

따라서, 타코미터(5)를 통하여 차축의 회전정보를 측정하고, 이와 같이 측정된 차축의 회전정보가 검지분석부(110)로 입력되면 회전정보를 참조하여 검지분석부(110)에서 고속 적외선 카메라(100)는 라인 스캔(Line scan) 기능을 이용하여 획득한 영상신호를 이미지 프로세싱을 통하여 선명한 이미지의 취득이 가능해진다.

그리고, 제동디스크(1)의 고장정보의 산출시 중요한 것은 핫스팟(1a)의 정확한 온도이다. 일반적인 적외선 카메라를 통한 열화상은 필터를 통하여 적외선(IR) 신호만 걸러내어 이미지를 표시하고 들어오는 광자의 양으로 온도를 계산한다. 그런데 이러한 방법은 방사율이 높은 흑체에선 어느 정도 감도를 확보할 수 있으나 금속과 같이 방사율이 낮은 경우엔 감도가 낮을 수밖에 없다. 제동디스크(1)는 금속소재로서 낮은 방사율 값을 가지고 있다.

따라서, 정확한 온도 측정을 위하여 분광기(spectrometer) 기능을 사용함이 바람직하다. 모든 물체는 '빈의 변위법칙'에 의하여 특정온도에서 특정파장의 빛을 가장 강하게 내므로 분광기(spectrometer)를 이용하여 카메라로 들어오는 빛의 스펙트럼을 분석하면 온도를 정확하게 계측할 수 있다.

그래서, 상기 고속 적외선 카메라(1)는 라인 스캔(line scan) 기능 및 분광기(spectrometer) 기능을 구비한 것을 사용함으로써 영상신호를 이미지 프로세싱을 통하여 선명한 이미지 획득 및 정확한 온도를 계측할 수 있다.

아울러, 검지분석부(110)는 상기 라인 스캔(line scan) 기능 및 분광기(spectrometer) 기능을 구비한 고속 적외선 카메라(100)를 통해 측정된 온도값과 정밀 측정된 크랙의 정도 등을 통하여 메모리(112)에 기록된 데이터베이스를 이용하여, 크랙의 정도를 평가하고, 이에 따라 고장의 정도 경고장, 중고장 등의 현시도 실시간으로 가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 제동디스크 1a: 핫스팟
1b: 크랙 2: 제동패드
3: 캘리퍼 4: 제동제어유닛(BCU)
5: 타코미터 100: 고속 적외선 카메라
110: 검지분석부 112: 메모리
120: 통신부 200: TDCS
210: 운전자 화면 220: 데이터저장부
300: 관제센터

Claims (10)

1. 철도차량의 제동디스크 표면 온도 및 영상을 비접촉식으로 측정하는 고속 적외선 카메라와;
   상기 고속 적외선 카메라에서 측정된 온도신호 및 영상신호가 입력되면 이미지 프로세싱(image prossing)을 통하여 제동디스크내 온도 분포, 핫스팟 위치, 크랙의 발생 여부 및 위치를 검지하여 핫스팟 또는 크랙 발생 여부를 판단하고, 핫스팟 또는 크랙이 발생된 제동디스크의 온도 분포와 핫스팟 또는 크랙 발생 위치를 포함하는 고장정보를 온도, 결함 종류 및 정도에 따라 분류하여 생성하는 검지분석부; 및
   유선 또는 무선 통신을 통해 상기 고장정보를 TDCS에 실시간으로 전송하는 통신부를 포함하여 구성되되,
   상기 TDCS는 상기 통신부로부터 고장정보가 수신되면 제동디스크에 작용하는 제동압을 완해시키도록 제동제어유닛에 지령신호를 출력하고, 원격지의 관제센터로 고장정보를 전송하며,
   상기 고속 적외선 카메라는 라인 스캔(line scan) 기능이 구비되고, 상기 검지분석부는 차축별로 취부된 타코미터를 통하여 입력되는 차축의 회전정보를 참조하여 상기 고속 적외선 카메라의 라인 스캔 기능을 통해 획득한 영상신호를 이미지 프로세싱하여 제동디스크의 이미지를 취득하며,
   상기 고속 적외선 카메라는 분광기 기능을 구비하여 제동디스크의 온도를 정확하게 검출할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 스마트 제동 모니터링 시스템.
   
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3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 TDCS는 대차별로 설치되는 복수의 검지분석부로부터 생성된 고장정보를 통신부를 통해 수신하여 운전자 화면으로 현시하는 것을 특징으로 하는 스마트 제동 모니터링 시스템.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 TDCS는 통신부로부터 수신한 고장정보를 데이터저장부에 기록하는 것을 특징으로 하는 스마트 제동 모니터링 시스템.
   
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