KR102041949B1 - 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템 - Google Patents

분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철로의 전 구간에 DTS를 연속적으로 부착하지 않고 일부는 불규칙적인 간격으로 부착하고, 나머지는 철로와 이격되어 연결되도록 함에도 철로의 전 구간에 대한 온도를 감시할 수 있으며, 또한 철로와 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감시함으로써, 철로와 주변간의 상관관계를 더욱 면밀하게 파악할 수 있도록 하여, 특히 철로를 유지 보수할 경우 분산온도광센서의 착탈이 간편하기 때문에 작업성이 뛰어난 실시간 철로 온도 감시 시스템에 관한 것이다.

Description

분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템{SYSTEM FOR MONITORING TEMPERATURE OF RAILWAY THROUGH DISTRIBUTED TEMPERATURE OPTICAL SENSOR}
본 발명은 분산온도광센서(DTS, Distributed Temperature Optical Sensor)를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템에 관한 것으로, 철로의 전 구간에 DTS를 연속적으로 부착하지 않고 일부는 불규칙적인 간격으로 부착하고, 나머지는 철로와 이격되어 연결되도록 함에도 철로의 전 구간에 대한 온도를 감시할 수 있으며, 또한 철로와 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감시함으로써, 철로와 주변간의 상관관계를 더욱 면밀하게 파악할 수 있도록 하여, 특히 철로를 유지 보수할 경우 분산온도광센서의 착탈이 간편하기 때문에 작업성이 뛰어난 실시간 철로 온도 감시 시스템에 관한 것이다.
기존의 철로 궤도는 궤도와 궤도 사이가 일정 간격으로 벌어져 있어, 일정 간격으로 단락되어 있다고 볼 수 있다. 예컨대 기존의 철로는 대게 25m 단위로 연결되어 있고, 연결 부위는 일정한 틈을 가지고 있어 온도 변화에 따른 뒤틀림 현상 등을 방지하고자 하였다. 반면에 온도 변화에 따라 궤도가 늘어나거나 줄어드는 경우 철로가 휘는 현상이 발생하기도 한다. 철로가 휘면 열차가 탈선하는 원인을 제공하기 때문에 이를 방지할 대책이 필요하다.
이러한 문제를 극복하고 철로의 고속화를 위해, 최근 철로는 철로 궤도의 이음새가 용접을 통하여 길게 연결되어 있다. 경부선 전구간이 최대 하나로 연결될 수도 있다. 다만, 다리 구간 등은 다리의 신축성으로 인해 연결 구간이 생기게 된다. 초 장대 레일의 신축을 최소화하기 위해 기존의 목재 대신 콘크리트 침목에 강하게 고정시켜 신축이 일어나는 것은 최소화하는 방법을 사용하고, 설치 시 최고 온도 60도와 최저 온도인 영하 20도의 중간 값인 20도에서 설치하여 온도 변화에 따른 신축에 대비하고 있다.
그러나 지구 온난화 등 기후 변화로 인해서 기온 차이가 점점 심해지고 있고, 특히 짧은 시간에 온도가 급격히 상승하는 경우 궤도의 휨으로 인해 탈선의 확률이 높아지고 있다. 더욱이 최근에는 기차가 점점 고속화되는 추세이어서 큰 사고로 이어질 가능성이 높아지고 있는 실정이다.
무엇보다 열차가 운행 도중에 제동장치의 공기압 이상으로 인해서 제동이 걸린 생태에서 운행을 지속함으로써, 철로와 객차의 바퀴가 과열되고, 이로 인해서 철로와 객차의 바퀴가 손상을 입는 경우가 빈번하게 발생하고 있으며, 이러한 상태가 지속되면 결국 대형 사고로 이어지게 된다.
이에 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 광 온도센서를 철로에 효과적으로 설치하여 철로의 전 구간 온도를 측정하는 방법에 대해 기술한다.
분산온도광센서(DTS)는 광파이버를 통해서 광범위한 영역에서 발생하는 특정 대상물체의 온도정보를 연속적으로 측정 및 수집하여 해당 물체의 상태를 모니터링(감시)하는 시스템에 사용될 수 있고, 이를 철로의 온도를 감시하는데 적용하면, 열차운행의 안전성 확보 및 사고 발생 시 즉각적인 조치로 피해를 최소화할 수 있다.
최근 반경 50Km 까지 측정이 가능하고 1-2미터 단위로 온도 측정이 가능한 기술이 개발되었기 때문에 철로에 부착할 경우 용이하게 전 구간 온도 측정이 가능하다. 예를 들어, 500Km 정도의 긴 구간에 5대 설치로 전 구간을 감시할 수 있다.
광센서로서 스트레인 센서 또는 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서가 있는데, 이는 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부환경 조건 변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 것으로, 이러한 FGB 스트레인 센서는 주로 구조물의 상태진단 등에 응용된다. 또한 FBG 센서는 DTS가 연속적으로 온도를 측정하는 것과 달리 포인터 센서이기 때문에 광범위한 철로구간을 측정하기 에는 부적합하다.
그러나 DTS의 경우에 설치에 대한 문제점이 있다. 즉, DTS는 온도를 측정하기 위해 광케이블을 철로에 부착해야 하는데, 이러한 경우 철로 전 구간을 수 미터 단위로 온도 측정이 가능하지만, 철로 유지 보수 시 철로에 부착된 광케이블을 먼저 제거해야 하는 문제점이 있다. 철로에 광케이블을 전체적으로 부착할 경우 여유 공간이 없거나 작업자의 부주의로 단락 및 작업 시간이 길어질 수 있는 문제가 있다. 또한 철로 파손 시 및 유지 보수 시 기차 운행시간 때문에 작업 시간이 한정되어 이를 해결하는 수단이 필요하다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하고자 한다. DTS가 연속적인 구간을 측정 하는 것이 가능하지만, 철로의 경우에는 굳이 미터 단위로 측정할 필요는 없다.
따라서 본 발명에서는 철로 유지 보수에 큰 영향(어려움)을 주지 않도록 다음과 같은 발명에 대한 착상을 하였다. 즉, 본 발명은 철로의 전 구간에 DTS 센서를 연속적으로 부착하지 않고 일정 간격으로 부착함에도 철로의 온도를 전 구간 감시할 수 있고, 또한 철로와 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감시할 수 있어, 철로의 상태를 더욱 면밀하게 파악할 수 있도록 하며, 특히 철로를 유지 보수할 경우 DTS의 착탈이 간편하기 때문에 작업성이 뛰어난 실시간 철로 온도 감시 시스템을 제시하고자 한다.
다음으로 본 발명의 기술 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.
먼저 한국등록특허 제10-0174771호(1998.11.06.)는 철도차량 등의 운행관리에 적용되는 레일온도검지장치에 관한 것으로, 열차에 탑재되어 적외선화상온도센서로부터 적외선화상정보를 입력하여 GPS수신기 및/또는 자율항법장치로부터 위치정보를 입력해서 적외선화상정보에 동기한 위치정보를 적외선화상정보 및 경보정보와 함께 출력해서 무선전송하는 처리기와, 운전사령부등에 설치되어 처리기의 출력신호를 수신하고 레일온도분포를 리얼타임으로 표시하는 제어용콘솔을 구비함으로서, 소망의 레일구간의 온도분포를 연속적으로 광범위하게 단시간으로 측정하는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 선행기술은 열차에 탑재된 적외선화상온도센서로부터 적외선화상정보를 입력받아 철로의 온도를 측정하는 것으로, 본 발명의 DTS 광센서를 적용하여 철로의 온도를 측정하는 것과 그 적용하는 기본 기술이 상이하고, 이로 인해 수집하는 데이터도 상이하며, 수집한 정보를 처리하는 과정도 상이하다.
또한 한국등록특허 제10-0911617호(2009.08.03.)는 본 발명은 열화상 카메라를 이용한 열차 하부 기기의 온도 감지 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 열차 운행 중에 열차 하부 기기의 온도를 열화상 카메라를 이용하여 비접촉식으로 감지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
상기 선행기술은 열차의 하부에 기기의 온도를 열화상 카메라로 촬영하여 온도상태를 감시하는 것이므로, 이는 본 발명에서 제시하고 있는 일부 구간에 대해 분산온도광센서를 적용함에도 매우 효율적으로 철로의 전구간의 온도를 측정할 수 있으며, 또한 철로와 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감시할 수 있어 철로의 상태를 더욱 면밀하게 파악할 수 있도록 하며, 특히 철로를 유지 보수할 경우 DTS의 착탈이 간편하기 때문에 작업성이 뛰어난 것과 상이한 개념의 제시하고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 철로의 전 구간에 분산온도광센서를 연속적으로 부착하지 않고도 일부에 불규칙적인 간격으로 이격하여 부착함에도 철로의 온도를 전 구간에 걸쳐 감시할 수 있는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 철로에 광케이블을 부착할 때, 광케이블을 직접 철로에 부착하지 않아도 철로의 온도를 감지할 수 있도록, 히트파이프나 자석을 통해서 광케이블과 철로의 부착이 용이하도록 함으로써, 철로 유지보수를 위한 작업성이 개선되도록 하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 분산온도광센서를 사용하여도 분산온도광센서의 착탈이 간편하고 작업성이 뛰어나 철로의 유지보수가 편리한 실시간 철로 온도 감시 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 철로와 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감시할 수 있도록 하여 철로의 상태를 더욱 면밀하게 파악할 수 있도록 하는 분산온도광센서와 이를 이용한 철로의 온도 감시 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 철로 온도 감시를 위한 분산온도광센서는, 철로의 전 구간에 대해서 불규칙적인 간격으로 설치되어 철로의 온도를 감지하는 광센서 및 상기 광센서의 일부를 철로에 부착하여 고정하기 위한 고정부재를 포함하며, 상기 광센서가 철로에 부착되어 설치되는 부분과 상기 부착되어 설치되는 부분과 일정거리를 두고 이격되어 연결되는 부분으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 고정부재는, 상기 광센서의 일부를 철로에 부착함에 있어서, 철로의 온도가 광센서에 전달되도록 철로와 광센서 사이에 별도의 히트파이프를 더 포함하며, 상기 광센서는 상기 히트파이프 내에 매립되어 결합되거나, 상기 히트파이프 주위를 감싸도록 구성되어 결합되거나, 또는 상기 히트파이프의 일 측면에 부착되도록 결합되는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템은, 광센서로 철로의 전 구간에 대해서 불규칙적인 간격으로 설치되어 철로의 온도를 감지하는 분산온도광센서 및 상기 분산온도광센서로부터 감지된 온도에 대한 정보로부터 전 구간에 대한 온도를 추출하는 온도정보분석부를 포함하며, 상기 분산온도광센서는 광센서가 철로에 부착되어 설치되는 부분과 상기 부착되어 설치되는 부분과 일정거리를 두고 이격되어 연결되는 부분으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 분산온도광센서는, 광센서가 철로에 부착되는 부분은 철로의 온도분포를 측정하기 위한 것이고, 상기 철로에서 일정 거리를 두고 이격되어 연결되는 부분은 철로와 일정 거리에 있는 부분의 온도분포를 측정하는 것이므로, 양자 간의 온도 격차가 어느 정도인지 분석 가능하며, 상기 광센서를 철로에 부착할 때, 상기 철로와 접촉하는 부분에 히트파이프를 설치하여 온도의 측정감도를 증대시키는 것을 특징으로 한다.
상기 광센서는 상기 히트파이프 내에 설치되거나, 상기 히트파이프의 외곽을 감아서 설치되도록 하며, 철로와 접촉하는 부분에 대해서 타원형으로 적어도 한번 이상 감겨서 설치되고, 유지보수를 위한 공사를 필요로 하는 경우, 상기 접촉하는 부분을 철로에서 분리하여 안전하게 보관한 다음 공사를 계속할 수 있으며, 공사 후 다시 해당 광센서를 철로에 부착하여 원상태로 복귀하도록 하는 것을 특징으로 한다.
아울러 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 방법은, 철로에 부착하여 설치된 분산온도광센서로부터 상기 철로의 온도에 반응하여 후방산란된 광신호를 수신하는 단계 및 상기 분산온도광센서로부터 광신호를 수신하여 철로의 온도를 분석하는 단계를 포함하며, 상기 온도를 분석하는 단계는, 상기 분산온도광센서로부터 상기 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호를 토대로 철로의 온도를 해석하여, 철로의 온도에 대한 정보를 추출하는 것을 더 포함하며, 상기 분산온도광센서는 광센서가 철로에 부착되어 설치되는 부분과 상기 부착되어 설치되는 부분과 일정거리를 두고 이격되어 연결되는 부분으로 구성되어, 상기 광센서가 철로에 부착되는 부분은 철로의 온도분포를 측정하기 위한 것이고, 상기 철로에서 일정 거리를 두고 이격되어 연결되는 부분은 철로와 일정 거리에 있는 부분의 온도분포를 측정하는 것이므로, 양자 간의 온도 격차가 어느 정도인지 분석 가능한 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이 본 발명은 철로의 전 구간에 DTS를 연속적으로 부착하지 않고 일부에 불규칙적인 간격으로 이격되어 부착함에도 철로의 온도를 전 구간에 대해서 감시할 수 있고, 또한 철로와 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감시할 수 있어, 철로의 상태를 더욱 면밀하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 철로에 분산온도광센서를 부착할 때 히트파이프를 이용하여 철로의 열이 광센서에 효과적으로 전달되도록 할 수 있으며, 분산온도광센서의 착탈을 간편하게 하여 철로를 유지 보수할 경우 작업성이 뛰어난 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 철로의 온도 감시를 위한 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 철로에 설치하는 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 철로에 착탈하는 방법에 대한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서에 철로로부터 열전달을 효율적으로 수행하기 위한 방법을 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 철로의 온도 감시를 위한 철로 온도정보 중계장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철로 온도정보 중계장치로부터 철로의 온도정보를 수집하여 분석한 다음 철도의 상태를 감시하는 철도 운행상태 감시 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 철로 온도 감시를 수행하는 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 분산온도광센서를 통한 철로 온도 감시 시스템에 대한 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 철로의 온도 감시를 위한 개념을 나타낸 도면이다.
먼저 분산온도광센서는 분포형 온도센서로써, 측정 영역에 대하여 데드존이 없이 무전원으로 연속하여 신호 계측이 가능하며, 후방 산란(back scattering)을 측정하여 온도를 감지한다.
OTDR(Optical Time Domain Reflectometry) 기술을 사용하면, 레이저 다이오드로 레이저 펄스를 생성하여 송신하면, 광 펄스가 광케이블을 통해서 전송되고, 후방 산란된 광신호가 포토디텍터(photo detector)에서 감지된다. 포토디텍터에서 감지된 신호를 분석하여 온도의 변화를 감지한다. 또한 OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry) 기술을 사용하여 온도를 측정할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 철도 운행상태 감시 시스템(10)을 최상위 시스템으로 하여, 상기 철도 운행상태 감시 시스템(10)은 본 발명에 따른 철로 온도 감시 시스템(100)과 철도망을 운행관리하기 위한 복수의 다른 시스템들과 통합되어 있을 것이다. 여기서는 철도 운행상태 감시 시스템(10)과 이에 포함되는 철로 온도 감시 시스템(100) 및 온도감지를 위한 철로 온도정보 중계장치(200) 및 분산온도광센서에 대해서만 기술하도록 한다.
철도 운행상태 감시 시스템(10)에서 철도의 운행상태에 대한 정보는 위성, 유무선, 방송신호 등을 통해서 열차나 철도를 유지 보수하는 회사 혹은 부서에 제공한다. 또한 이러한 정보의 제공은 열차에 고정적으로 설치되어 있는 장치는 물론이고, 열차를 운행하는 기관사의 휴대단말이나 역무원이나 유지보수 인원들이 소지하고 다니는 휴대단말에 전송된다. 이러한 정보는 각 유무선 단말에 앱의 형태로 제공되는 소프트웨어 상에서 가공되어 디스플레이 되는 것이 바람직하다.
철로 온도 감시 시스템(100)은 다시 복수의 철로 온도 감지 신호 중계 장치(200)로부터 각 철로에 설치된 분산온도광센서로부터 수집된 온도 감지 신호를 철로 온도 감지 신호 중계 장치로부터 제공받아 분석하고, 분석결과를 철도 상을 운행하는 복수의 열차와 철도를 유지 보수하는 회사나 부서에 제공함으로써 안전하게 철도를 관리하고 또한 철로의 수명을 연장하여 유지비용을 절감하도록 하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서(distributed temperature (optical) sensor)를 기반으로 철도 운행상태의 감시를 위해서, 본 발명은 먼저 분산온도광센서를 매우 효율적이며 독특하게 구성하고, 이를 제안하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 철로에 설치하는 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분산온도광센서는 기존의 분산온도광센서가 철로를 따라 평행하게 부착하여 전체 철로의 구간에 대해서 설치하고 측정하는 방식을 채택한 것에 비해서 본 발명은 간헐적으로 구성하여 철로의 유지 보수에 대한 편의성을 높이는 구조를 창안하게 되었다.
기존의 방식에 따르면 철로를 유지 보수할 경우 분산온도광센서를 철로에서 철거한 다음 다시 설치하는 불편함이 있었다. 또한, 분산온도광센서를 철로에 설치할 때 분산온도광센서가 손상될 우려가 있고, 이로 인해서 작업성이 매우 낮아지는 문제가 있었다.
따라서 본 발명에서는 분산온도광센서가 철로에 부착되는 부분을 짧게 하고, 곡선 철로의 경우에는 촘촘하게 설치하고 직선 철로의 경우는 센서 간 설치 간격을 길게 하는 것이 바람직하다. 물론 이는 반드시 이렇게 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라 철로의 감시에 대한 중요성이 높거나 철로가 이어져 있는 부분에 대해서는 센서 간의 간격을 좁게 할 수 있다. 즉, 거의 고온이 발생할 우려가 없는 구간에 대해서는 철로와 접촉하는 부분을 줄여서 전체적인 설치비용과 유지 보수를 간편하게 할 수 있다.
아울러 단위 센서의 폭을 좁게 하거나 넓게 할 수도 있는데, 이 경우도 각 센서에서 수집할 온도정보의 중요성이나 정확도에 따라 가변적으로 설계하여 구성할 수 있다. 그러나 단위 센서를 넓은 영역에 걸쳐서 설치하는 경우 유지 보수에 대한 자유도가 떨어진다. 교량이나 터널의 경우는 철로의 온도를 측정할 필요성이 높은 곳이므로, 촘촘하게 설치하거나 파이프와 같은 분산온도광센서를 보호할 부가적인 수단이 더 필요할 수 있다.
아울러 철로와 광선로 간의 간격을 일정부분 이격하여 설치하는 것이 본 발명에서 창안한 독특한 구조인데, 광선로를 철로에 전체적으로 부착하지 않고, 철로의 온도를 측정하여야 할 필요가 있는 부분만 광선로를 철로에 부착하고, 나머지 부분은 철로와 일정 간격을 두고 철로 변에 설치하여 작업성이 좋아지게 할 수 있다. 작업성 이외에도 유지 보수에 있어서도 매우 유리한 구조이다. 예컨대 열차가 운행 중에도 분산온도광센서의 일부 구간에 대한 유지 보수가 가능한 장점이 있다.
분산온도광센서를 철로에 적용함에 있어서, 가장 어려운 부분이 광센서를 어떻게 철로에 착탈할 것인가 하는 문제이다.
도 2의 (b)는 (a)와 달리 히트파이프를 철로에 부착하고, 히트파이프에 DTS를 접속하여 설치함으로써, 작업성을 더 뛰어나게 할 수 있고, 또한 철로와 간격을 두고 설치한 결과, 보다 효과적으로 DTS를 운용할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 철로에 착탈하는 방법에 대한 구성도이다. 철로에 광센서를 부착하는 것과 부착된 광센서를 철로로부터 분리하는 것이 용이하여야 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광센서를 철로에 부착하고, 그 주변을 자석으로 감싸도록 하면, 광센서가 철로에 용이하게 고정될 수 있다. 또한 접착제를 사용하여 부착할 수도 있으나, 이 경우 접착 후 다시 분리하는 것이 어려울 수 있다. 또한 광센서를 철로에 부착할 때 그 부착할 위치를 결정하는 것도 매우 중요하다. 따라서 본 발명은 철로의 레일에서 열차의 바퀴와 접촉되지 않도록 철로의 하부에 설치하되, 열차가 고속으로 운행하면서 분산온도광센서의 결착 상태에 영향을 줘서 예기치 않게 분리되는 일이 발생하지 않도록 하여야 한다.
또한 본 발명에서는 자석을 이용하는 경우 이외에도, 철로에 광센서를 부착함에 있어서 히트파이프(heat pipe)를 이용하는 방법을 제시하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서에 철로로부터 열전달을 효율적으로 수행하기 위한 방법을 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분산온도광센서는 히트파이프를 이용하여 철로와 히트파이프가 서로 결착되도록 한 다음, 상기 히트파이프에 광센서를 삽입하거나, 히트파이프에 광센서를 감거나, 히트파이프의 일부에 광센서를 설치하고 다시 히트파이프를 철로에 부착하는 방법을 제시한다.
먼저, 광센서를 히프파이프에 삽입하는 경우, 히트파이프를 철로에 잘 부착될 수 있도록 납작하게 하거나 철로의 형상을 이용하여 견고하게 부착될 수 있도록 구성한 다음, 광센서를 히트파이프에 넣고, 히트파이프를 진공으로 만들어 설치할 수 있다.
또한 히트파이프에 광센서를 감아서 열전달이 잘 되도록 한 다음, 히트파이프를 철로의 일부분에 접착할 수 있다. 이 경우 철로에 부착되는 부분이 히트파이프이므로 철로로부터 히트파이프를 이용하여 열전달을 받고, 이로부터 다시 광센서에 열전달이 되도록 하여 철로의 온도를 측정할 수 있다.
이어서 히트파이프의 일 측면에 광센서를 부착하여 철로로부터 1차적으로 히트파이프에 열이 전달되고, 2차적으로 히트파이프의 열이 광센서에 전달되도록 한다.
상기 열거한 방식에서 중요하게 다루어야 할 부분이 바로 광센서를 철로의 레일에 직접적으로 잘 부착하기 어렵다는 것인데, 이는 기존의 철로에 어떤 구조물을 부착하기 어렵고, 또한 철로에 어떤 구조물을 부착하려고 하면 먼저 안전이 담보되어야 한다.
따라서 철로의 열을 외부로 전달하도록 하면서 부착하기에 적합한 구조물을 만들고, 상기 구조물을 자석이나 히트파이프로 구성하여, 광센서를 철로에 직접 부착하는 것이 아니라 간접적으로 부착하거나 직접적으로 접촉되도록 하여도 상기 구조물의 도움을 받아 부착된 상태를 유지하도록 할 수 있도록 하는 것이 본 발명의 기술적 사상 중 하나이다.
따라서 히트파이프를 철로에 부착하고 이를 상당부분 철로 주변으로 확장한 다음 분산온도광센서를 철로가 아닌 상기 히트파이프에 부착하여 철로의 온도를 감시할 수 있다. 이러한 구조는 철로에 온도를 측정하기에 알맞도록 구성된 구조물을 부착하고, 해당 구조물을 통해서 철로의 온도를 측정하는 것으로, 철로에 직접 광센서를 부착하는 것에 비해서 작업성이나 유지 보수에 대한 편의성이 더 높아 매우 효율적인 방법이다.
이어서, 분산온도광센서에서 측정된 온도정보를 가공하여 수집하고, 상기 수집한 온도정보를 이용하여 전체 철로에 대한 온도분포를 분석하며, 분석한 온도정보를 이용하여 철로의 유지 보수와 철로의 상태를 감시하는 방법에 대해서 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 철로의 온도 감시를 위한 철로 온도정보 중계장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 철로 온도정보 중계장치(200)는 광신호를 생성하여 광섬유에 주사하는 광신호 발생부(210), 상기 주사한 광신호에 대해서 후방 산란 광신호를 수신하는 광신호 수신부(220), 수신한 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환부(230), 전기신호를 해석하는 신호해석부(240) 및 해석한 신호로부터 온도정보를 추출하는 온도정보추출부(250)로 구성된다. 그밖에 온도정보를 유무선 네트워크를 통해서 철로 온도정보 감시 시스템으로 전송하기 위한 통신모듈, 철로 온도정보 중계장치(200)를 제어하는 제어부, 온도정보나 제어정보를 저장하는 저장부에 대해서는 그 설명을 생략한다.
먼저 광신호발생부(210)는 분산온도광센서로 광신호를 주입하기 위해 광신호를 발생시키는 역할을 한다. 그리고 상기 주입한 광신호에 대한 후방산란 광신호를 수신하기 위한 광신호수신부(220)를 구비한다.
광케이블에 대단히 좁은 레이저를 입사하면 대부분의 레이저는 직진하고 극히 일부분이 산란된다. 이러한 산란파는 Rayleigh, Raman, Brillouin scattering 등이 있다. 특히 Raman, Brillouin scattering의 경우 광케이블에 입사된 레이저의 파장과는 달리 입사파보다 크고 작은 두 개의 파장으로 반사되는 산란파로 온도변화에 민감하게 반응한다. 즉, 광케이블 그 자체가 온도를 감지하기 위한 센서이다.
특히 Raman 산란은 광케이블 주위의 온도와 유관하게 반응하며, 온도변화에 따라 그 진폭이 민감하게 반응하므로, 산란 세기(intensity)를 분석함으로써 온도의 변화를 측정할 수 있다. 또한 Brillouin 산란은 Raman 산란과 마찬가지로 입사된 파장과 다른 두 개의 파장으로 산란되나 그 파장의 변화는 Raman 산란에 비해 대단히 작다.
광섬유센서 케이블에 의한 온도 측정의 근본원리는 연속적으로 후방 산란되는 신호를 대상으로 하기 때문에 입사되는 레이저 파의 duration time이 최소 측정 간격으로 간주된다. 예를 들면, 만약 10km 광케이블이 설치되어 온도를 측정할 경우 20,000 지점에서의 온도 값을 동시에 얻을 수 있다. 이는 바로 20,000개의 온도센서를 0.5m 간격으로 분포시켜 온도를 측정하는 것과 대등하다. 이러한 광섬유센서 케이블을 이용한 온도측정방법을 DTS(Distributed Temperature Sensing)라 한다.
상기 광신호의 송신과 수신을 위해서 송수신을 스위칭하는 광신호 스위칭 기능을 구비할 필요가 있다.
이어서, 수신한 후방 산란 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하는 광전변환부(230)가 구비된다. 광전변환을 위한 기술은 이미 공지된 기술을 사용하기 때문에 구체적인 설명은 생략한다.
상기 신호해석부(220)는 광전 변환된 신호의 패턴으로부터 온도신호의 패턴을 해석하여 추출한다. 이때 상기 광전 변환된 신호는 광신호 발생부(210)에서 생성한 광신호의 생성 조건과 광신호를 측정한 정보를 바탕으로 수신한 광신호를 해석하는 것이다.
광케이블센서에 의한 온도측정은 Raman 후방 산란파를 측정하여 분석한 경우, 온도측정 분해능은 측정 거리, 측정 시간, 측정점 간격(spatial resolution) 선정에 따라 달라진다.
이어서 온도정보추출부(250)는 상기 해석한 신호와 조건을 바탕으로 온도정보를 추출한다. DTS에 의한 온도 측정시 측정점 간격이 1m일 경우, 측정거리 및 측정 시간에 따른 온도 분해능은 광케이블의 길이가 길어질수록 분해능이 떨어지고 측정시간이 길어질수록 그만큼 분해능이 좋아진다.
예를 들면 케이블 길이가 20km 일 때 측정시간이 1분이면 분해능은 약 1.13℃이며, 측정시간이 10분이면 분해능은 약 0.35℃가 된다. 통상적으로 온도 측정시간은 약 10분으로 설정하지만 분해능을 높일 필요가 있는 경우에는 측정시간이 길어진다. 예를 들어, 측정시간이 60분이면 약 30km 케이블 길이(최대 측정거리)에 대해 약 0.45℃의 분해능을 유지할 수 있다.
추출된 온도정보는 유무선 네트워크를 통해서 철로 온도정보 감시 시스템(300)으로 전달된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철로 온도정보 중계장치로부터 철로의 온도정보를 수집하여 분석한 다음 철도의 상태를 감시하는 철도 운행상태 감시 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 철로 온도정보 중계장치(200)는 온도정보를 추출하여 철도 온도감시 시스템(300)으로 전달한다. 철도 온도 감시 시스템(300)은 이러한 온도정보를 수집하여 분석한 다음 그 결과를 철도 운행상태 감시 시스템(10)으로 전송한다.
여기서 온도정보 수집부(310)는 복잡한 철도망에 설치된 분산온도광센서로부터 온도정보 중계장치를 거쳐 수집한다. 즉, 모든 철도망에서 수집되는 정보를 구분하여 정리하고 저장할 필요가 있다. 이러한 기능을 온도정보 수집부(310)에서 수행하게 된다.
이렇게 수집된 온도정보는 각 철도망에 대해서 각 구간별로 각 시간별로 그 변화추세를 저장하고 관리한다.
온도정보 분석부(320)는 수집한 온도정보를 철도의 구간과 시간별로 구분하여 그 변화 정도를 분석하게 된다. 갑작스런 변화가 감지되면 그 변화량을 보고 미리 예측하여 해당 구간에 비상상태를 전달하고 사전 조치를 취하도록 한다.
예를 들어 온도의 변화가 갑자기 비정상적으로 상승하면 이로부터 가까운 시간에 생길 비상사태를 미리 예측하고 사전 경보를 하거나 유지 보수를 가능하게 한다. 이렇게 통보된 비상사태에 대한 정보는 기관사나 관련 유지 보수 기관의 단말로 신속하게 통보된다.
한편, 이러한 온도의 상승과 상태의 변화에 대해서 각 구간을 운행하는 열차를 대상으로 정보를 전달하여 운행에 참고하도록 하거나, 운행에 필요한 지침을 전달하도록 한다.
열차트래킹부(330)는 온도정보를 분석한 결과를 이용하여 비정상적인 온도의 상승이 감지되면, 해당 정보를 그 철로 구간을 운행하고 있는 열차에 직접적으로 전달할 수 있으며, 동시에 관리기관이나 관리인의 단말로 전송할 수 있다. 이를 위해서 특정 구간에 대해서 특정 시간에 지나는 열차에게 긴급 상황을 통지하고, 긴급 상황에 대처하도록 한다.
또한 열차 트래킹부(330)는 상기 철도의 전 구간에 대한 철로 온도를 측정 및 분석하여 각 열차가 운행하고 있는 위치정보, 시간정보 등을 확인한 다음, 전자지도나 열차 노선도에 접목하여 열차의 실제 위치와 철로의 상태를 매칭하여 추적한다.
상기 추적한 위치와 시간에 해당 열차의 표시를 출력하고, 상기 분석한 각 열차의 상태정보를 텍스트 메시지나 영상으로 출력한다. 이렇게 하여 열차의 운행 상태를 실시간으로 감시할 수 있고, 이로부터 열차나 선로의 고장을 미리 예측하여 대응할 수 있다.
본 발명은 분산온도광센서를 통한 열차의 재동이상, 고장, 철로의 고장여부 등을 포함한 상태를 추가로 검출한다. 이를 위해서, 철로나 철로의 주변에 분산온도광센서를 설치하고, 철로에 레이저 펄스를 입사하여 후방 산란파를 감시하여 분석함으로써, 철로의 상태를 실시간으로 감시할 수 있다.
이어서 본 발명에서 제시하고 있는 분산온도광센서를 통한 철로 온도 감시 시스템의 동작을 설명하고자 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산온도광센서를 통한 철로 온도 감시를 수행하는 방법의 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 먼저 철로 온도정보 중계장치(200)에서 각 철로에 설치된 분산온도광센서를 통해서 레이저 신호 발생하고, 이를 입사한다(S110). 상기 입사한 레이저 신호에 대해서 후방 산란파를 수신하고 이를 포토디텍터로 감지한다(S120).
상기 감지한 후방 산란파를 분석하여 철로의 온도정보를 추출하고, 철로 온도 감시 시스템에서 이를 수집하고 분석한다(S130).
다음으로 상기 분석한 결과로 철로의 온도 변화가 감지되고, 이상이 발생한 것인지 실시간으로 체크한다(S140). 상기 체크한 결과 이상이 발생하지 않았으면, S110 S130을 통해서 지속적으로 온도를 측정하고 측정된 정보를 수집하며, 분석한다.
만약 철로의 온도에 이상이 발생하면, 우선 해당 철로를 운행하는 열차정보를 검색하고 해당 열차에 철로의 온도정보를 송신하다(150). 상기 온도정보를 보고 열차를 운행하는 기관사가 열차 운행을 정지하거나 서행하거나 조치를 취하게 된다.
또한 해당 철로에 대한 유지보수를 담당하는 회사나 부서 및 관련자에게 철로의 온도정보를 송신하여 신속하게 비상사태에 대처하도록 한다(S160).
S110 내지 S160의 과정을 지속적으로 수행함으로써, 철도의 운행상태를 지속적으로 감시하고, 온도에 이상이 발생한 경우 신속하게 조치를 취함으로써, 철로의 수명을 연장하고, 사고를 미연에 방지할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 철로의 전 구간에 DTS를 연속적으로 부착하지 않고 일부에 불규칙적인 간격으로 이격되어 부착함에도 철로의 온도를 전 구간에 대해서 감시할 수 있고, 또한 철로와 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감시할 수 있어, 철로의 상태를 더욱 면밀하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 철로에 분산온도광센서를 부착할 때 히트파이프를 이용하여 철로의 열이 광센서에 효과적으로 전달되도록 할 수 있으며, 분산온도광센서의 착탈을 간편하게 하여 철로를 유지 보수할 경우 작업성이 뛰어난 장점이 있다.
여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 철도 운행상태 감시 시스템 100 : 철도 온도감시 시스템
200 : 철로 온도정보 중계장치 210 : 광신호 발생부
220 : 광신호 수신부 230 : 광전변환부
240 : 신호해석부 250 : 온도정보추출부
220 : 신호해석부 230 : 음향정보추출부
310 : 온도정보수집부 320 : 온도정보분석부
330 : 열차트래킹부 340 : 정보출력부

Claims (12)

  1. 실시간 철로 온도 감시를 위한 분산온도광센서에 있어서,
    철로의 전 구간에 대해서 불규칙적인 간격으로 설치되어 상기 철로의 온도를 감지하는 광센서; 및
    상기 광센서의 일부를 상기 철로에 직접 부착하는 것이 아니라, 상기 철로의 온도가 상기 광센서에 전달되도록 상기 철로와 상기 광센서 사이에 별도의 구조물을 포함하는 고정부재;를 포함하며,
    상기 광센서가 상기 구조물을 통해서 상기 철로에 간접적으로 부착되어 설치되는 부분, 및 상기 간접적으로 부착되어 설치되는 부분과 일정거리를 두고 이격되어 연결되는 부분으로 구성되며,
    상기 광센서가 상기 구조물을 통해서 상기 철로에 간접적으로 부착되는 부분은 상기 철로의 온도분포를 측정하기 위한 것이고, 상기 철로에서 일정 거리를 두고 이격되어 연결되는 부분은 상기 철로와 일정 거리에 있는 부분의 온도분포를 측정하는 것이므로, 양자 간의 온도 격차가 어느 정도인지 분석함으로써, 상기 철로와 상기 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감지하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구조물은 온도의 측정감도를 증대시키는 히트파이프를 포함하며,
    상기 광센서는 상기 히트파이프의 일부 내에 매립되어 결합되거나, 상기 히트파이프의 일부 주위를 감싸도록 구성되어 결합되거나, 또는 상기 히트파이프의 일부에 대한 일 측면에 부착되도록 결합되는 것 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서.
  4. 광센서로 철로의 전 구간에 대해서 불규칙적인 간격으로 설치되어 상기 철로의 온도를 감지하는 분산온도광센서; 및
    상기 분산온도광센서로부터 감지된 온도에 대한 정보로부터 상기 철로의 전 구간에 대한 온도를 추출하는 철로온도감시부;를 포함하며,
    상기 분산온도광센서는,
    상기 광센서의 일부를 상기 철로에 직접 부착하는 것이 아니라, 상기 철로의 온도가 상기 광센서에 전달되도록 상기 철로와 상기 광센서 사이에 별도의 구조물을 포함하는 고정부재를 포함하며,
    상기 광센서가 상기 구조물을 통해서 상기 철로에 간접적으로 부착되어 설치되는 부분, 및 상기 간접적으로 부착되어 설치되는 부분과 일정거리를 두고 이격되어 연결되는 부분으로 구성되며,
    상기 광센서가 상기 구조물을 통해서 상기 철로에 간접적으로 부착되는 부분은 상기 철로의 온도분포를 측정하기 위한 것이고, 상기 철로에서 일정 거리를 두고 이격되어 연결되는 부분은 상기 철로와 일정 거리에 있는 부분의 온도분포를 측정하는 것이므로, 양자 간의 온도 격차가 어느 정도인지 분석함으로써, 상기 철로와 상기 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감지하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 분산온도광센서에서,
    상기 광센서가 상기 철로에 간접적으로 부착되는 부분은 상기 철로의 온도분포를 측정하기 위한 것이고, 상기 철로에서 일정 거리를 두고 이격되어 연결되는 부분은 상기 철로와 일정 거리에 있는 부분의 온도분포를 측정하는 것이므로, 양자 간의 온도 격차가 어느 정도인지 분석 가능한 것을 특징으로 하는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 구조물은 온도의 측정감도를 증대시키는 히트파이프를 포함하며,
    상기 광센서는 상기 히트파이프의 일부에 대한 내부에 매립되어 결합되거나, 상기 히트파이프의 일부에 대한 주위를 감싸도록 구성되어 결합되거나, 또는 상기 히트파이프의 일부에 대한 일 측면에 부착되도록 결합되는 것 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 광센서는 상기 철로와 접촉하는 구조물의 일부분에 대해서 타원형으로 적어도 한번 이상 감겨서 설치되고, 유지보수를 위한 공사를 필요로 하는 경우, 상기 접촉하는 구조물의 일부분을 철로에서 분리하여 안전하게 보관한 다음 상기 공사를 계속할 수 있으며, 상기 공사 후 다시 해당 광센서를 상기 구조물에 부착하여 원상태로 복귀하도록 하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 시스템.
  9. 철로의 전 구간에 대해서 불규칙적인 간격으로 광센서를 설치하여 상기 철로의 온도를 감지하는 분산온도광센서로부터 상기 철로의 온도에 반응하여 후방산란된 광신호를 수신하는 단계; 및
    상기 분산온도광센서로부터 광신호를 수신하여 철로의 온도를 분석하는 단계;를 포함하며,
    상기 분산온도광센서는,
    상기 광센서의 일부를 상기 철로에 직접 부착하는 것이 아니라, 상기 철로의 온도가 상기 광센서에 전달되도록 상기 철로와 상기 광센서 사이에 별도의 구조물을 포함하는 고정부재를 포함하며,
    상기 광센서가 상기 구조물을 통해서 상기 철로에 간접적으로 부착되어 설치되는 부분과 상기 간접적으로 부착되어 설치되는 부분과 일정거리를 두고 이격되어 연결되는 부분으로 구성되며,
    상기 광센서가 상기 구조물을 통해서 상기 철로에 간접적으로 부착되는 부분은 상기 철로의 온도분포를 측정하기 위한 것이고, 상기 철로에서 일정 거리를 두고 이격되어 연결되는 부분은 상기 철로와 일정 거리에 있는 부분의 온도분포를 측정하는 것이므로, 양자 간의 온도 격차가 어느 정도인지 분석함으로써, 상기 철로와 상기 철로 주변의 온도 차이를 동시에 감지하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 온도를 분석하는 단계는,
    상기 분산온도광센서로부터 상기 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호를 토대로 상기 철로의 상기 온도를 해석하여, 상기 철로의 상기 온도에 대한 정보를 추출하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 구조물은 온도의 측정감도를 증대시키는 히트파이프를 포함하며,
    상기 광센서는 상기 히트파이프의 일부에 대한 내부에 설치되거나, 상기 히트파이프의 일부에 대한 외곽을 감아서 설치되도록 하며, 상기 철로와 접촉하는 부분에 대해서 상기 구조물에 타원형으로 적어도 한번 이상 감겨서 설치되고, 유지보수를 위한 공사를 필요로 하는 경우, 상기 접촉하는 부분을 상기 철로에서 분리하여 안전하게 보관한 다음 공사를 계속할 수 있으며, 상기 공사 후 다시 해당 광센서를 철로에 부착하여 원상태로 복귀하도록 하는 것을 특징으로 하는 분산온도광센서를 통한 실시간 철로 온도 감시 방법.
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