KR102036368B1 - 선로 검사 시스템 및 방법 - Google Patents

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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 선로 양측에 인접하게 배치되는 제1 및 제2 광 케이블들 및 상기 제1 및 제2 광 케이블들로 광 펄스 신호를 각각 전송하고, 상기 제1 및 제2 광 케이블을 각각 경유하는 동안 진동에 의해 발생하는 상기 광 펄스 신호에 대한 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호를 수신하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호 각각에 대한 제1 판별값 및 제2 판별값을 연산하고, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 임계 범위 내인지 여부에 따라 상기 진동의 발생 지점을 판단하며, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값 각각은, 상기 진동의 발생 위치로부터 상기 제1 및 상기 제2 광 케이블들까지의 직선 거리에 따라 가변되는 변수로 정의되는 것을 특징으로 하는 선로 검사 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

선로 검사 시스템 및 방법{Railroad test system and method thereof}
본 발명은 선로 검사 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 선로 내에서 발생하는 진동과 외부 노이즈를 구분함으로써 정확도가 향상된 선로 검사 시스템 및 방법에 관한 것이다.
열차 사고를 방지하기 위해 사전에 선로에 관한 여러 가지 이례 사항을 연구하는 기술이 개발되고 있다. 이러한 기술에는 레일 절손 검지 기술, 열차 위치 검지 기술, 외부 침입 검지 기술 등이 있다.
최근에는 DAS(Distributed Acoustic Sensing, 분산형 음파 감지) 시스템을 이용하여 상술한 기능을 구현하려는 연구가 진행되고 있다. DAS는 광케이블에 특정 주파수의 신호를 송수신하고, 진동에 의해 발생하는 신호 왜곡을 분석함으로써 진동의 발생 위치와 크기를 검지하는 기술이다.
선로 주위에서 발생하는 노이즈는 DAS 시스템의 검지 정확성을 저하시키는 원인이 된다. DAS 시스템에서 검지하는 음파의 크기는 음파 발생 지점(파원)과의 거리의 제곱에 반비례하므로, 선로가 아닌 광케이블 주변에서 발생하는 진동은 노이즈로 작용할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선로에서 발생하는 진동과 주변에서 발생하는 노이즈를 구분함으로써 정확도가 향상된 DAS를 이용한 선로 검사 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 선로 검사 시스템은, 선로 양측에 인접하게 배치되는 제1 및 제2 광 케이블들 및 상기 제1 및 제2 광 케이블들로 광 펄스 신호를 각각 전송하고, 상기 제1 및 제2 광 케이블을 각각 경유하는 동안 진동에 의해 발생하는 상기 광 펄스 신호에 대한 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호를 수신하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호 각각에 대한 제1 판별값 및 제2 판별값을 연산하고, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 임계값보다 작은지 여부에 따라 상기 진동의 발생 지점을 판단하며, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값 각각은, 상기 진동의 발생 위치로부터 상기 제1 및 상기 제2 광 케이블들까지의 직선 거리에 따라 가변되는 변수로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값 각각은, 상기 제1 및 상기 제2 광 케이블 전 영역에 대한 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 적분값에 대한 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 최대값의 비율인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임계값은,
Figure 112019024284486-pat00001
이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임계값은,
Figure 112019024284486-pat00002
이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리이고, d는 상기 제1 및 제2 광케이블 상에서 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호를 응답 신호로 갖는 산란 영역 P의 길이, N은 상기 제1 및 제2 광 케이블에 포함되는 전체 산란 영역들에서 상기 산란 영역 P를 제외한 나머지 산란 영역들의 개수의 1/2인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 상기 임계 범위 내이면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 내에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하고, 상기 제1 판별값 또는 상기 제2 판별값이 상기 임계 범위 내가 아니면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 외부에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 선로 검사 방법은, 선로 양측에 인접하게 배치되는 제1 및 제2 광 케이블들을 포함하는 선로 검사 시스템의 선로 검사 방법으로, 상기 제1 및 제2 광 케이블들로 광 펄스 신호를 각각 전송하는 단계, 상기 광 펄스 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 광 케이블들로부터 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호가 수신되면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호 각각에 대한 제1 판별값 및 제2 판별값을 연산하는 단계 및 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 임계값보다 작은지 여부에 따라 진동의 발생 지점을 판단하는 단계를 포함하되, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값 각각은, 상기 진동의 발생 위치로부터 상기 제1 및 상기 제2 광 케이블들까지의 직선 거리에 따라 가변되는 변수로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값을 연산하는 단계는, 상기 제1 및 상기 제2 광 케이블 전 영역에 대한 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 적분값을 연산하는 단계, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 최대값을 판단하는 단계 및 상기 연산된 적분값에 대한 상기 최대값의 비율로 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임계값은,
Figure 112019024284486-pat00003
이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임계값은,
Figure 112019024284486-pat00004
이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리이고, d는 상기 제1 및 제2 광케이블 상에서 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호를 응답 신호로 갖는 산란 영역 P의 길이, N은 상기 제1 및 제2 광 케이블에 포함되는 전체 산란 영역들에서 상기 산란 영역 P를 제외한 나머지 산란 영역들의 개수의 1/2인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진동의 발생 지점을 판단하는 단계는, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 상기 임계 범위 내이면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 내에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하고, 상기 제1 판별값 또는 상기 제2 판별값이 상기 임계 범위 내가 아니면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 외부에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 선로 검사 시스템 및 방법은 외부 노이즈에 강인하고 정확도가 향상된 레일 절손 등과 같은 선로의 이례 사항을 검지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선로 검사 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 선로 검사 시스템의 검지 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 선로 검사 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 선로 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
본 명세서의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다," "포함할 수 있다." 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작, 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작, 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 선로 검사 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 선로 검사 시스템의 검지 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 선로 검사 시스템(10)은 선로(20) 주변에 매설되는 광 케이블(11), 및 광 케이블(11)로 광 펄스 신호를 송신하고, 광 케이블(11)을 경유한 광 펄스 신호, 즉 응답 신호를 수신하는 제어부(12)를 포함할 수 있다.
제어부(12)는 광 펄스 신호를 광 케이블(11)로 전송할 수 있다. 선로(20)에서 진동이나 음파가 발생하면, 광 케이블(11)에서 미세한 늘어남 또는 눌림이 발생할 수 있고, 이는 광 케이블(11)을 통해 전송되는 특정 광 펄스에 산란을 일으킬 수 있다. 제어부(12)는 응답 신호로부터 산란이 감지되면, 해당 광 펄스의 송신으로부터 해당 광 펄스에 대한 응답 신호의 수신까지 소요된 시간을 거리로 환산하여 산란 위치를 판단할 수 있다.
일반적으로 임의의 진동에 대하여 관측 지점에서 수신되는 수신 신호의 크기(세기)는 관측 지점과 파원(진동 발생 지점) 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 이러한 수신 신호의 크기를 수학식으로 나타내면 하기의 수학식 1과 같다.
Figure 112019024284486-pat00005
여기서, I는 수신 신호의 크기, R은 파원과 관측 지점 사이의 거리, P는 파원에서의 진동의 세기이다.
상기에 따르면, 선로 검사 시스템(10)의 관측 지점인 광 케이블(11)에 인접하여 진동이 발생하면, 진동의 발생 지점과 광 케이블(11) 사이의 거리가 가까우므로 수신 신호에서 감지되는 진동의 크기가 클 수 있다. 만약 진동의 발생 위치가 선로(20) 내가 아니라, 선로(20) 외부인 경우, 선로(20) 외부에서 발생한 진동은 노이즈로 작용할 수 있다.
선로 검사 시스템(10)이 선로(20) 주변에 대한 외부 침입 검지용으로 사용될 경우, 이러한 노이즈의 영향은 문제되지 않을 수 있다. 그러나 선로 검사 시스템(10)이 레일 절손 검지 등과 같이 선로(20) 자체에 대한 이례 상황을 검지하기 위해 사용될 경우, 이러한 노이즈의 영향은 선로 검사 시스템(10)의 정확도를 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시 예에서는, 선로 검사 시스템(10)의 정확도를 향상시키기 위해 선로(20)의 양변에 매설된 두 개의 광 케이블들(11-1, 11-2)을 포함할 수 있다. 제어부(12)는 두 개의 광 케이블들(11-1, 11-2)로 광 펄스 신호를 송신하고, 광 케이블들(11-1, 11-2)을 경유하여 수신되는 산란 신호를 검지 및 비교하여, 산란 신호가 선로(20)의 내부 진동에 의한 것인지 아니면 외부 진동에 의한 것(노이즈)인지를 판별하도록 구성된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 선로 검사 시스템(10)의 선로 검사 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 선로 검사 방법을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 3은 지점 N에서 발생한 진동에 의해 제1 광 케이블(11-1) 전 영역에서 광 펄스 신호에 대한 산란이 발생하였을 때, 제1 광 케이블(11-1) 상의 임의의 지점 P(이하, 산란 지점 P)에 대한 산란 신호의 크기를 설명하기 위한 도면이다. 유사하게, 도 4 및 도 5는 지점 N에서 발생한 진동에 의해 제1 광 케이블(11-1) 전 영역에서 광 펄스 신호에 대한 산란이 발생하였을 때, 제1 광 케이블(11-1) 상의 임의의 영역 P(이하, 산란 영역 P)에 대한 산란 신호의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
진동 발생 지점 N이 선로(20) 내인지 또는 외부인지 여부에 따라, 산란 신호가 선로(20) 내의 이례 상황에 의한 것인지 아니면 외부 침입(예를 들어, 노이즈)에 의한 것인지 판단할 수 있다. 이하에서는, 광 케이블들(11-1, 11-2)을 통해 검출되는 산란 신호에 기초하여 진동 발생 지점 N이 선로(20) 내인지 또는 외부인지를 판단하는 방법을 설명한다.
먼저, 도 3에 도시된 것과 같이 지점 N에서 진동이 발생하는 상황을 가정한다. 진동 발생 지점 N으로부터, 인접한 제1 광 케이블(11-1)을 수직으로 연결한 지점 O를 정의한다. 지점 O, 지점 N 및 지점 P를 연결하는 평면을 가정할 때, 산란 지점 P와 지점 O 사이의 거리를 x로 정의하고, 지점 O와 지점 N 사이의 거리를 R로 정의한다.
여기서, 산란 지점 P에 대하여 산란 신호가 검출된 경우, 이러한 산란 신호는 지점 N에서 발생한 진동에 의하여 발생한 것일 수 있다. 산란 신호의 세기(크기)는 수학식 1을 참조할 때, 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00006
여기서, I는 산란 신호의 세기이고 P는 지점 N에서 진동의 세기이다.
수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 산란 신호의 세기는, 산란 지점 P와 진동 발생 지점 N의 상대적인 위치에 따라 상이할 수 있다. 즉, 산란 신호의 세기는 x가 0일 때, 즉, 산란 지점 P가 지점 O일 때, 최대값을 가질 수 있다. 따라서, 수학식 2에 x=0을 대입하면, 산란 신호의 최대 크기 Imax는 하기의 수학식 3과 같다.
Figure 112019024284486-pat00007
도 3에서 거리 x가 증가할수록, 산란 신호의 크기는 수학식 3에 따른 최대 크기로부터 점점 작아진다. 수학식 2를 참조하면, 거리 R이 상대적으로 클 때, 거리 x에 따른 진동의 크기 변화율은 상대적으로 작을 수 있다. 반면 거리 R이 상대적으로 작은 경우, 거리 x에 따른 진동의 크기 변화율은 상대적으로 클 수 있다.
본 발명에서는, 이러한 특성을 이용하여 진동 발생 지점 N이 광 케이블들(11-1, 11-2)로부터 원거리인지 여부를 판단한다. 즉, 본 발명에서는 거리 x에 따른 산란 신호의 적분값과 산란 신호의 최대값에 기초하여, 진동 발생 지점 N이 광 케이블들(11-1, 11-2)로부터 원거리인지 여부를 판단한다.
제1 광 케이블(11-1)의 전체 영역에서, 산란 신호의 세기를 제1 광 케이블(11-1)의 전체 영역에 대하여 적분하면, 다음의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00008
수학식 4를 참조하면, 제1 광 케이블(11-1) 전체 영역에 대한 산란 신호의 적분값은, 산란 지점 P에 대한 거리 x에 관계없이, 지점 N에서의 진동의 세기 P 및 지점 N으로부터 제1 광 케이블(11-1)까지의 직선 거리(R, 즉 지점 N으로부터 지점 O까지의 거리)에 의존하는 변수이다. 수학식 4에 따른 연산은, 후술되는 판별값 DA를 거리 x에 무관한 값으로 정의하기 이해 수행된다.
즉, 본 발명에서는, 산란 지점 P와 진동 발생 지점 N 사이의 상대적인 위치와 무관하게, 본 발명에 따른 판별값 DA에 기초하여, 진동 발생 지점 N이 선로(20) 내부인지 아니면 외부인지를 판단할 수 있게 하기 위해, 수학식 4에 따른 연산을 수행한다.
또한, 본 발명에서는 지점 N에서 진동의 세기와 무관하게, 판별값 DA에 기초하여 진동 발생 지점 N이 선로(20) 내부인지 아니면 외부인지를 판단할 수 있게 하기 위해, 수학식 4에 정의된 적분값 대비 수학식 3에 정의된 산란 신호의 최대 크기 Imax를 제1 광 케이블(11-1)에 대한 판별값으로 이용할 수 있다.
그에 따라, 제1 광 케이블(11-1)에 대한 판별값 DA를 다음의 수학식 5와 같이 나타내 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00009
수학식 5를 참조하면, 판별값 DA는 진동 발생 지점 N과 선로(20) 사이의 거리 R에만 의존하는 변수로 정의된다. 즉, 본 발명에서는 측정된 산란 신호로부터 획득되는 최대값과 적분값을 이용하여 진동 발생 지점 N과 제1 광 케이블(11-1) 사이의 거리 R에 의해 결정되는 판별값 DA를 연산하고, 판별값 DA에 기초하여 진동 발생 지점 N이 선로(20) 내인지 아니면 외부인지를 판단할 수 있게 된다..
상기와 같은 수학식은 제2 광 케이블(11-2)에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 수학식 2 내지 수학식 5에 의해, 제2 광 케이블(11-2)에 대한 판별값 DB가 정의될 수 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 제1 광 케이블(11-1)과 제2 광 케이블(11-2)의 이격 거리가 Δ로 정의될 때, 제어부(12)는 판별값들 DA, DB가, 이격 거리 Δ에 따른 임계 범위 내인지 여부에 기초하여, 진동의 발생 지점을 판단할 수 있다. 여기서, 제1 광 케이블(11-1)과 제2 광 케이블(11-2)의 이격 거리 Δ는, 선로(20) 양변 사이의 이격 거리에 실질적으로 대응될 수 있다.
구체적으로, 판별값들 DA, DB가 다음 수학식 6의 조건을 만족하면, 진동 발생 지점 N은 두 광 케이블(11-1, 11-2) 사이인 것으로 판단될 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00010
즉, 판별값들 DA, DB가 수학식 6의 조건을 만족할 때, 산란 신호의 원인이 된 진동은 선로(20) 내에서 발생한 이례 상황에 의한 것으로 판단될 수 있다.
반면, 판별값들 DA, DB가 수학식 6의 조건을 만족하지 않을 때, 즉, 다음의 수학식 7의 조건을 만족할 때, 진동 발생 지점 N은 두 광 케이블(11-1, 11-2) 사이가 아닌 것으로 판단될 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00011
즉. 판별값들 DA, DB가 수학식 7의 조건을 만족할 때, 산란 신호의 원인이 된 진동은 선로(20) 외에서 발생한 것으로 판단될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 제어부(12)는 상기와 같이 산란 신호가 선로(20) 내에서 발생한 이례 상황에 의한 것인지, 아니면 선로(20) 외부에서 발생한 진동에 의한 것인지 판단하고, 선로 검사 시스템(10)의 용도에 따라(즉, 외부 침입 검지용인지 아니면 레일 절손 검지용인지 여부에 따라) 산란 신호에 대한 처리를 수행할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 제어부(12)는 임계 범위에 대하여 기설정된 마진값 M을 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시 예에서, 수학식 6에 따른 조건은, 마진값 M을 적용하여 다음의 수학식 8과 같이 변형될 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00012
그러면 신호 측정 오차에 의한 선로 검사 시스템의 정확도 저하가 방지될 수 있다.
도 3의 실시 예에서는, 산란 신호가 광 케이블들(11-1, 11-2) 전 영역에서 연속적으로 검지되는 경우를 도시하였다. 그러나 실제 선로 검사 시스템(10)에서 제어부(12)는 광 케이블들(11-1, 11-2)로부터 산란 신호를 샘플링하여 수신하기 때문에, 산란 신호는 광 케이블들(11-1, 11-2) 상의 영역들에 대한 이산화된 데이터로 나타난다. 즉, 제어부(12)에서 수신되는 산란 신호는, 도 3에 도시된 것처럼 지점 P에 대한 데이터이기 보다는, 도 4 및 도 5 도시된 것처럼 영역 P에 대한 데이터일 수 있다.
이러한 실시 예에서, 진동 발생 지점 N은 도 4에 도시된 것과 같이 산란 영역 P 내에 존재하거나, 도 5에 도시된 것과 같이 산란 영역 P의 가장자리에 존재할 수 있다. 한편 도 4에서는 진동 발생 지점 N이 산란 영역 P의 중심에 존재하고, 도 5에서는 진동 발생 지점 N이 산란 영역 P의 가장 자리에 존재하는 예가 도시되지만, 진동 발생 지점 N은 산란 영역 P 내의 임의의 위치에 존재할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이 진동 발생 지점 N이 산란 영역 P의 중심에 존재하거나 가장 자리에 존재하는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명한다. 그러나 이하에서 설명되는 본 발명의 기술적 사상은 진동 발생 지점 N이 산란 영역 P의 다양한 다른 지점에 위치하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 도 4의 경우를 설명한다. 도 4의 실시 예에서, 상기한 수학식 4에 기초하여, 제1 광 케이블(11-1)의 산란 영역 P에서 산란 신호에 대한 적분값을 나타내면, 수학식 9와 같다.
Figure 112019024284486-pat00013
여기서, d는 선로 검사 시스템(10)에서 응답 신호가 이산화된 형태를 가짐에 따라, 동일한 응답 신호를 갖는 광 케이블 영역의 길이로, 광 펄스 신호의 주파수에 따라 결정될 수 있다.
산란 영역 P에 인접한 영역 P-1 또는 영역 P+1에서 수신되는 산란 신호의 세기에 대한 적분값은, 수학식 9와 유사하게 다음의 수학식 10으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00014
산란 영역 P의 좌측에 배치되는 N개의 영역들 및 산란 영역 P의 우측에 배치되는 N개의 영역들에 대한 적분값을 모두 더하면, 다음의 수학식 11과 같다.
Figure 112019024284486-pat00015
수학식 11을 참조하면, 수학식 11에서 N은 제1 광 케이블(11-1)에 포함되는 전체 산란 영역들의 개수 중 산란 영역 P를 제외한 나머지들의 절반 값에 대응될 수 있다.
수학식 5에서와 같이 수학식 11에 정의된 값 대비 수학식 9에 정의된 산란 신호의 최대 크기를 제1 광 케이블(11-1)에 대한 판별값 DA로 정의하면, 판별값 DA는 다음의 수학식 12로 나타낼 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00016
수학식 12는 제2 광 케이블(11-2)에 대한 판별값 DB에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다.
다음으로, 도 5의 경우를 설명한다. 도 5의 실시 예에서, 상기한 수학식 9와 유사하게 제1 광 케이블(11-1)의 산란 영역 P에서 산란 신호에 대한 적분값은 수학식 13으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00017
도 4의 경우와 다르게, 도 5의 실시 예에서는 산란 영역 P에 인접한 영역 P-1에 대한 산란 신호의 세기와 영역 P+1에 대한 산란 신호의 세기에 대한 적분값은 상이하다. 즉, 영역 P-1에 대한 산란 신호의 세기는 상기의 수학식 13과 동일하고, 영역 P+1에서 수신되는 산란 신호의 세기는 하기의 수학식 14로 나타내어 진다.
Figure 112019024284486-pat00018
그러므로, 산란 영역 P의 좌측에 배치되는 N개의 영역들 및 산란 영역 P의 우측에 배치되는 N개의 영역들에 대한 적분값을 모두 더하면, 다음의 수학식 15와 같다.
Figure 112019024284486-pat00019
수학식 15에 정의된 값 대비 수학식 13에 정의된 산란 신호의 최대 크기를 제1 광 케이블(11-1)에 대한 판별값 DA로 정의하면, 판별값 DA는 다음의 수학식 16으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00020
마찬가지로, 수학식 16은 제2 광 케이블(11-2)에 대한 판별값 DB에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다.
도 4에 도시된 경우에서의 수학식 12의 판별값들 DA, DB와, 도 5에 도시된 경우에서의 수학식 16의 판별값들 DA, DB를 비교하면, 임의의 R 값에 대하여 수학식 16의 판별값들 DA, DB가 상대적으로 더 작은 값을 가짐을 알 수 있다. 노이즈 판별에 있어서 보다 높은 정확도를 확보하기 위해, 본 발명에서는 더 작은 값을 갖는 수학식 16에 따른 판별값들 DA, DB을 최종적인 판별값들로 사용한다.
도 5에 도시된 것과 같이, 제1 광 케이블(11-1)과 제2 광 케이블(11-2)의 이격 거리가 Δ로 정의될 때, 제어부(12)는 판별값들 DA, DB가, 이격 거리 Δ에 따른 임계 범위 내인지 여부에 기초하여, 산란 신호의 원인이 된 진동의 발생 지점을 판단할 수 있다.
구체적으로, 판별값들 DA, DB가 다음 수학식 17의 조건을 만족하면, 진동 발생 지점 N은 두 광 케이블(11-1, 11-2) 사이인 것으로 판단될 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00021
즉, 판별값들 DA, DB가 수학식 17의 조건을 만족할 때, 산란 신호는 선로(20) 내에서 발생한 이례 상황에 의한 것으로 판단될 수 있다.
반면, 판별값들 DA, DB가 수학식 17의 조건을 만족하지 않을 때, 진동 발생 지점 N은 두 광 케이블(11-1, 11-2) 사이가 아닌 것으로 판단될 수 있다. 즉. 판별값들 DA, DB가 수학식 17의 조건을 만족하지 않을 때, 산란 신호는 선로(20) 외에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단될 수 있다.
상술한 바와 마찬가지로, 본 발명의 다양한 실시 예에서, 제어부(12)는 임계 범위에 대하여 기설정된 마진값 M을 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시 예에서, 수학식 17에 따른 조건은, 마진값 M을 적용하여 다음의 수학식 18과 같이 변형될 수 있다.
Figure 112019024284486-pat00022
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 선로 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 선로 검사 시스템(10)의 제어부(12)는 선로 양변에 각각 설치된 두 개의 광 케이블들(11-1, 11-2)로 광 펄스 신호를 송신할 수 있다(601). 또한, 제어부(12)는 광 케이블들(11-1, 11-2)을 각각 경유하여 수신되는, 광 펄스들에 대한 제1 응답 신호들 및 제2 응답 신호들을 수신할 수 있다(602).
제어부(12)는 제1 응답 신호들 및 제2 응답 신호들로부터 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호를 추출할 수 있다(603). 만약, 제1 응답 신호들 및 제2 응답 신호들로부터 산란 신호가 검출되지 않으면, 제어부(12)는 선로(20)에 대한 이례 상황이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다(604).
제어부(12)는 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호에 대한 판별값 DA 및 DB를 연산할 수 있다(605). 구체적으로, 제어부(12)는 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호 각각으로부터 최대값을 획득할 수 있다. 또한, 제어부(12)는 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호에 대하여 수학식 4 또는 수학식 15에서 정의한 것과 같은 광 케이블 전 영역에 대한 적분값을 연산할 수 있다. 제어부(12)는 최대값에 대한 적분값의 비율을 연산하여 판별값 DA 및 DB를 결정할 수 있다.
제어부(12)는 기결정된 선로(20) 사이의 거리 Δ에 기초하여, 수학식 6, 8 또는 수학식 17, 18에 정의된 것과 같은 임계 범위를 결정할 수 있다(606). 다양한 실시 예에서, 이러한 임계 범위는 선로(20) 사이의 거리 Δ에 따라 미리 결정되어 저장될 수 있다.
제어부(12)는 판별값 DA 및 DB가 결정된 임계 범위 내에 포함되는지 여부를 판단할 수 있다(607). 즉, 제어부(12)는 DA 및 DB가 수학식 6 또는 수학식 17에 따른 조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다.
판별값 DA 및 DB가 임계 범위 내에 포함되면, 제어부(12)는 산란 신호가 선로(20) 내에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단할 수 있다(608). 반대로, 판별값 DA 및 DB가 임계 범위 내에 포함되지 않으면, 제어부(12)는 산란 신호가 선로(20) 외부에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단할 수 있다(609).
제어부(12)는 상기와 같은 진동 발생 결과에 대응하여, 선로(20) 내에서 진동이 발생한 것에 대한 이벤트 알림을 사용자 또는 관리자 등에게 알림할 수 있다. 또는, 제어부(12)는 선로(20) 외부에서 발생한 진동을 노이즈로 처리하거나, 외부 침입에 대한 알림을 사용자 또는 관리자 등에게 알림할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그리고 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 본 발명의 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 선로 검사 시스템
11: 광 케이블
12: 제어부
20: 선로

Claims (10)

  1. 선로 양측에 인접하게 배치되는 제1 및 제2 광 케이블들; 및
    상기 제1 및 제2 광 케이블들로 광 펄스 신호를 각각 전송하고, 상기 제1 및 제2 광 케이블을 각각 경유하는 동안 진동에 의해 발생하는 상기 광 펄스 신호에 대한 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호를 수신하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호 각각에 대한 제1 판별값 및 제2 판별값을 연산하고, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 임계값보다 작은지 여부에 따라 상기 진동의 발생 지점을 판단하며,
    상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값 각각은,
    상기 진동의 발생 위치로부터 상기 제1 및 상기 제2 광 케이블들까지의 직선 거리에 따라 가변되는 변수로 정의되는 것을 특징으로 하는 선로 검사 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값 각각은,
    상기 제1 및 상기 제2 광 케이블 전 영역에 대한 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 적분값에 대한 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 최대값의 비율인 것을 특징으로 하는 선로 검사 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 임계값은,
    Figure 112019024284486-pat00023
    이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 선로 검사 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 임계값은,
    Figure 112019024284486-pat00024
    이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리이고, d는 상기 제1 및 제2 광케이블 상에서 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호를 응답 신호로 갖는 산란 영역 P의 길이, N은 상기 제1 및 제2 광 케이블에 포함되는 전체 산란 영역들에서 상기 산란 영역 P를 제외한 나머지 산란 영역들의 개수의 1/2인 것을 특징으로 하는 선로 검사 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 상기 임계값 내이면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 내에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하고, 상기 제1 판별값 또는 상기 제2 판별값이 상기 임계값 내가 아니면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 외부에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 선로 검사 시스템.
  6. 선로 양측에 인접하게 배치되는 제1 및 제2 광 케이블들을 포함하는 선로 검사 시스템의 선로 검사 방법으로,
    상기 제1 및 제2 광 케이블들로 광 펄스 신호를 각각 전송하는 단계;
    상기 광 펄스 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 광 케이블들로부터 제1 산란 신호 및 제2 산란 신호가 수신되면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호 각각에 대한 제1 판별값 및 제2 판별값을 연산하는 단계; 및
    상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 임계값보다 작은지 여부에 따라 진동의 발생 지점을 판단하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값 각각은,
    상기 진동의 발생 위치로부터 상기 제1 및 상기 제2 광 케이블들까지의 직선 거리에 따라 가변되는 변수로 정의되는 것을 특징으로 하는 선로 검사 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값을 연산하는 단계는,
    상기 제1 및 상기 제2 광 케이블 전 영역에 대한 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 적분값을 연산하는 단계;
    상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호의 최대값을 판단하는 단계; 및
    상기 연산된 적분값에 대한 상기 최대값의 비율로 상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선로 검사 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 임계값은,
    Figure 112019024284486-pat00025
    이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 선로 검사 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 임계값은,
    Figure 112019024284486-pat00026
    이며, 여기서 Δ는 상기 제1 및 제2 광 케이블 사이의 거리이고, d는 상기 제1 및 제2 광케이블 상에서 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호를 응답 신호로 갖는 산란 영역 P의 길이, N은 상기 제1 및 제2 광 케이블에 포함되는 전체 산란 영역들에서 상기 산란 영역 P를 제외한 나머지 산란 영역들의 개수의 1/2인 것을 특징으로 하는 선로 검사 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 진동의 발생 지점을 판단하는 단계는,
    상기 제1 판별값 및 상기 제2 판별값이 상기 임계값 내이면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 내에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하고, 상기 제1 판별값 또는 상기 제2 판별값이 상기 임계값 내가 아니면, 상기 제1 산란 신호 및 상기 제2 산란 신호가 상기 선로 외부에서 발생한 진동에 의한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선로 검사 방법.
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