KR102119035B1 - 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법 - Google Patents

등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법이 제공된다. 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치는 주행 중인 열차에서 레일을 포함하는 선로를 향해 선형 가시광선을 방출하는 광선 방출부와, 선형 가시광선이 방출되는 선로를 촬영하여 선로 영상을 출력하는 촬영부와, 주행 중인 열차의 위치 정보를 제공하는 GPS부와, 촬영부로부터 입력되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 굴곡으로부터 궤도 상면의 표고를 산출하는 신호 처리부와, 산출된 궤도 상면의 표고와 GPS부에서 제공되는 위치 정보를 철도 궤도 높이 관제 센터로 전송하는 통신 인터페이스부를 포함한다.

Description

등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법{Measurement method and apparatus for accumulated plastic settlements of tracked by equiangular linear visible light emitter}
본 발명은 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 주행 중인 열차에서 레일의 침하량에 따른 표고를 자동으로 산출하여 궤도의 누적 소성 침하를 측정하도록 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
열차 통과 시 궤도 노반에서 발생하는 침하는 탄성 침하와 소성 침하로 구분할 수 있다. 궤도 노반에서 발생한 탄성 침하는 열차가 통과한 후 원래의 위치로 회복되지만, 소성 침하는 회복되지 않고 영구적으로 누적된다.
열차가 1회 통과했을 때 궤도 노반에 누적되는 소성 침하량은 아주 미소하지만 열차가 궤도 노반을 반복 통과함에 따라 미소한 소성 침하가 동일한 위치에 영구적으로 누적되어 큰 변위로 발달하고, 종국에는 열차의 주행성과 안정성에 문제를 야기할 수 있다.
자갈 궤도의 경우, 누적 소성 침하를 예측하기 위하여 제한된 조건의 실험 또는 현장에서 얻은 하중 통과 횟수 별 침하량 계측결과를 바탕으로 경험식을 제안하고 있다. 그러나 철로를 운행하는 열차 종류 및 속도, 궤도 구조, 노반 조건 등의 다양한 변수가 존재하여 경험식을 통해 현장의 누적소성 침하를 예측하기는 사실상 불가능하다. 궤도 검측차를 이용하는 경우, 고속철로는 월 1회씩, 일반철도는 분기에 1회씩 궤도의 선형 상태를 검측하고 불량개소에 대해 인력점검을 실시하여 유지보수를 하고 있으나, 제한된 장비와 인력으로 인해 지속적인 모니터링은 어려운 상황이다.
또한, 콘크리트 궤도의 경우, 주로 토공구간에서 누적 소성 침하가 발생하며 건설 및 유지보수 단계에서 침하가 의심되는 구간에 설치된 원지반 및 지표 침하계 등의 계측장치를 이용하여 누적 소성 침하를 계측관리하고 있다. 그러나, 설치한 계측장치를 이용한 측정은 인력에 의해 진행되므로 위험 발생 지점에 대한 즉각적인 대응이 어려우며 위험에 노출된 상태로 열차가 운행될 수 있다.
이와 같이, 열차가 통과할 때마다 궤도 노반에 누적되는 소성 침하는 장기적으로 레일의 뒤틀림을 유발하며, 유지보수 조치가 없을 경우 열차의 주행안전성, 승차감 및 사용성에 영향을 주어 탈선과 같은 사고로 이어질 수 있다. 따라서, 점진적으로 발생하는 궤도 노반의 소성 침하를 관리하기 위해서는 다양한 측점에서 지속적으로 침하를 관측해야하지만, 인력에 의한 관측 장비의 운용 및 계측으로 인하여 최소의 측점과 측정 주기를 선정하여 측정하고 있으므로 측정 정확도에 한계가 있고, 위험 발생 지역에 대한 즉각적인 대처가 어렵다.
국내 등록특허 제10-0720156호
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 자갈 및 콘크리트 궤도를 운행 중인 열차에서 일정한 각도로 방사한 선형 가시광선을 영상 촬영하여 레일의 소성 침하량을 측정할 수 있는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법을 제시하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 검측을 위한 별도의 특수열차나 인력에 의한 레일의 변위 계측이 아닌, 운행 중인 일반열차에서 레일의 변위를 자동으로 인지할 수 있는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법을 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치는, 주행 중인 열차에서 레일을 포함하는 선로를 향해 선형 가시광선을 방출하는 광선 방출부; 상기 선형 가시광선이 방출되는 선로를 촬영하여 선로 영상을 출력하는 촬영부; 주행 중인 열차의 위치 정보를 제공하는 GPS(Global Positioning System)부; 상기 촬영부로부터 입력되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 굴곡으로부터 궤도 상면의 표고를 산출하는 신호 처리부; 상기 산출되는 궤도 상면의 표고를 저장하는 저장부; 및 상기 저장된 궤도 상면의 표고와 상기 GPS부(120)에서 제공되는 위치 정보를 철도 궤도 높이 관제 센터로 전송하는 통신 인터페이스부;를 포함한다.
상기 신호 처리부는, 상기 선로 영상으로부터 관심영역을 설정하고, 설정된 관심영역에 대해 인공지능 이미지 학습을 실시하여 주행 중 촬영된 선형 가시광선이 조사된 선로 영상으로부터 궤도 상면의 표고를 자동으로 산출한다.
주행 중인 열차의 고도를 측정하는 고도계;를 더 포함하고, 상기 신호 처리부는, 상기 선로 영상에 포함된 선형 가시광선의 실제 좌표와 사전에 설정된 선형 가시광선의 기준 좌표를 비교하여 좌표 변화 및 측정된 고도에 따른 궤도 상면의 표고를 산출하며, 상기 기준 좌표는, 선로를 촬영한 기준 사진에서 궤도 상면에 표기된 선형 가시광선 굴곡의 좌표를 수치화하여 생성된 좌표이다.
상기 신호 처리부는, 상기 선로 영상으로부터 관심영역을 설정한 후 관심영역에 포함된 선형 가시광선의 실제 좌표를 생성하고, 상기 생성된 실제 좌표와 사전에 설정된 기준 좌표를 비교하여 서로 동일한 경우, 다음의 식을 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출한다.
Figure 112019126278381-pat00001
여기서,
Figure 112019126278381-pat00002
는 레일 상면의 표고, i는 선로 영상을 촬영한 시점, j는 1인 경우 좌측 레일, 2인 경우 우측 레일, H는 레일 상면에서 상기 광선 방출부, 촬영부 및 GPS부 중 적어도 하나가 설치된 위치까지의 연직 거리이다.
상기 신호 처리부는, 상기 생성된 실제 좌표와 사전에 설정된 기준 좌표를 비교하여 서로 다른 경우, 다음의 식을 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출한다.
Figure 112019126278381-pat00003
여기서,
Figure 112019126278381-pat00004
는 레일의 침하량,
Figure 112019126278381-pat00005
는 레일이
Figure 112019126278381-pat00006
만큼 침하할 경우 선로 영상에서 레일 면에 표기되는 선형 가시광선의 수직좌표변화량,
Figure 112019126278381-pat00007
는 사전에 구해진
Figure 112019126278381-pat00008
와
Figure 112019126278381-pat00009
의 관계를 정의한 계수이다.
상기 철도 궤도 높이 관제 센터는, 상기 주행 중인 열차 및 상기 주행 중인 열차의 전/후속 열차들 중 적어도 하나에 구비된 신호 처리부로부터 산출되는 궤도 노반의 표고를 주행 순서에 따라 순차적으로 데이터베이스에 저장하고, n번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고와 1번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고의 차이로부터 n회 통과 시 레일의 누적 소성 침하량을 산출하여 유지보수 여부를 판단한다.
상기 기준 사진은, 상기 광선 방출부, 촬영부 및 GPS부 중 적어도 하나가 설치된 위치에서 수직으로 연결된 좌우 레일 상면의 표고와 상기 적어도 하나가 설치된 위치에서 촬영된 선로 영상 내 가시광선의 굴곡이 표기된 좌우 레일 상면의 표고가 같은 경우, 상기 적어도 하나가 설치된 위치에서 촬영된 선로 영상이다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법을 위해 열차의 위치 정보와 고도 정보를 제공하는 전자장치는, (A) 상기 전자장치가, 주행 중인 열차에서 레일을 포함하는 선로를 향해 선형 가시광선을 방출하는 단계; (B) 상기 전자장치가, 선형 가시광선이 방출되는 선로를 촬영하여 선로 영상을 출력하는 단계; (C) 상기 전자장치가, 상기 (B) 단계로부터 입력되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 굴곡으로부터 궤도 상면의 표고를 산출하여 저장하는 단계; (D) 상기 전자장치가, 저장된 궤도 상면의 표고와 GPS에 의해 제공되는 상기 위치 정보를 철도 궤도 높이 관제 센터로 전송하는 단계;를 포함한다.
상기 (C) 단계는, 상기 선로 영상으로부터 관심영역을 설정하고, 설정된 관심영역에 대해 인공지능 이미지 학습을 실시하여 주행 중 촬영된 선형 가시광선이 조사된 선로 영상으로부터 궤도 상면의 표고를 자동으로 산출한다.
상기 (C) 단계는, 상기 선로 영상에 포함된 선형 가시광선의 실제 좌표와 사전에 설정된 선형 가시광선의 기준 좌표를 비교하여 좌표 변화 및 측정된 고도에 따른 궤도 상면의 표고를 산출하며, 상기 기준 좌표는, 선로를 촬영한 기준 사진에서 궤도 상면에 표기된 선형 가시광선 굴곡의 좌표를 수치화하여 생성된 좌표이다.
본 발명에 따르면, 기존의 궤도의 누적 소성 변위는 한정된 인력과 계측 장비로 인하여 최소의 측점과 측정 주기로 관리되고 있어 위험 발생 지역에 대한 즉각적인 대처가 어려운 반면, 본 발명에서 선형 가시광선 방출부, 영상촬영장치, 고도계, GPS, 자세교정부로 구성된 계측 장치를 이용하여 주행 중인 일반 열차에서 궤도 노반의 침하량 또는 레일의 누적 소성 침하를 자동으로 실시간으로 산출할 수 있으며, 레일의 소성 침하로 인해 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있어, 실시간 레일 유지관리 체계에 활용될 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치를 도시한 블록도,
도 2는 레일 및 궤도 표면에 방사된 선형 가시광선을 포함한 선로 영상과 관심영역을 설명하기 위한 도면,
도 3은 AI 이미지 학습 모델을 설명하기 위한 도면,
도 4a는 실제 촬영된 선로 영상과 레일 침하량 관계 설정을 위한 기준 사진의 설정 조건을 설명하기 위한 도면,
도 4b는 선로 영상 내 선형 가시광선의 수직좌표변화량(
Figure 112019126278381-pat00010
)을 설명하기 위한 도면,
도 5는 하나 이상의 열차가 동일한 선로를 통과한 후 레일의 누적 소성 변위를 취득한 결과를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 어떤 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템이 프로그램 또는 소프트웨어로 이루어진 구성요소를 포함한다고 언급되는 경우, 명시적인 언급이 없더라도, 그 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템은 그 프로그램 또는 소프트웨어가 실행 또는 동작하는데 필요한 하드웨어(예를 들면, 메모리, CPU 등)나 다른 프로그램 또는 소프트웨어(예를 들면 운영체제나 하드웨어를 구동하는데 필요한 드라이버 등)를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 어떤 엘리먼트(또는 구성요소)가 구현됨에 있어서 특별한 언급이 없다면, 그 엘리먼트(또는 구성요소)는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 소프트웨어 및 하드웨어 어떤 형태로도 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다.
어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 1에 도시된 각각의 구성은 기능 및 논리적으로 분리될 수도 있음을 나타내는 것이며, 반드시 각각의 구성이 별도의 물리적 장치로 구분되거나 별도의 코드로 작성됨을 의미하는 것은 아님을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치(100)를 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 궤도의 누적 소성 침하 추정 장치(100)는 자갈 또는 콘크리트 궤도를 운행 중인 열차에서 일정한 각도로 방사한 선형 가시광선을 영상 촬영하여 레일의 소성 침하량을 측정할 수 있도록 하는 영상 기반 실시간 레일 표고 측정 장치로서, 레일 또는 궤도를 촬영하기 위해 주행 방향을 기준으로 열차의 앞부분 또는 뒷부분에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 궤도는 레일, 침목 및 도상을 합하여 부르는 용어이고, 레일은 열차의 힘을 직접적으로 지지하는 부분, 침목은 차량과 레일의 힘을 지지하는 부분이고, 도상은 자갈 또는 콘크리트로 되어 있으면 레일과 침목의 힘을 흡수 및 지지하는 부분을 의미한다. 또한, 노반은 궤도 전체를 지지하는 부분(예를 들어, 땅)이고, 선로는 궤도와 선로를 합하여 부르는 용어이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치(100)는 고도계(110), GPS(Global Positioning System)부(120), 광선 방출부(130), 촬영부(140), 신호 처리부(150), 저장부(160), 통신 인터페이스부(170) 및 자세 보정부(180)를 포함할 수 있다. 고도계(110), GPS부(120), 광선 방출부(130), 촬영부(140), 신호 처리부(150), 저장부(160), 통신 인터페이스부(170) 및 자세 보정부(180)는 데이터/제어신호 등의 송수신을 위해 버스(190)를 통해 연결된다.
고도계(110)는 주행 중인 열차의 고도 또는 장치(100)의 고도를 측정하여 신호 처리부(150)에게 출력할 수 있다.
GPS부(120)는 주행 중인 열차의 위치 정보를 신호 처리부(150)에게 출력한다.
광선 방출부(130)는 주행 중인 열차에서 레일을 포함하는 선로를 향해 선형 가시광선을 주기적으로 또는 지속적으로 방출할 수 있다. 선형 가시광선은 예를 들어 라인 레이저일 수 있다.
촬영부(140)는 선형 가시광선이 방출되는 선로를 촬영하여 선로 영상을 신호 처리부(150)에게 출력할 수 있다.
신호 처리부(150)는 촬영부(140)로부터 입력되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 굴곡으로부터 궤도 상면의 표고를 산출할 수 있다.
이를 위하여, 신호 처리부(150)는 먼저 선로 영상으로부터 관심영역을 설정하고, 레일 침하량을 구한 후 고도와 레일 침하량을 이용하여 궤도 상면의 표고를 산출할 수 있다.
도 2는 레일 및 궤도 표면에 방사된 선형 가시광선을 포함한 선로 영상과 관심영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 장치(100)의 광선 방출부(130)가 라인 레이저를 방출하면, 궤도 상면에 선형 가시광선(A-A')이 표시되는 선로 영상이 신호 처리부(150)로 입력된다. 신호 처리부(150)는 궤도 표면에 형성된 선형 가시광선을 인지할 수 있도록 선로 영상의 프레임 내에서 정해진 위치에 해당하는 영역을 관심영역으로 설정할 수 있다.
관심영역이 설정되면, 신호 처리부(150)는 선형 가시광선의 좌표 변화를 이용하는 제1방식 또는 AI(Artificial Intelligence) 이미지 학습 방식을 이용하는 제2방식 중 하나를 이용하여 궤도 상면의 표고를 산출할 수 있다.
제1방식은 선로 영상에 포함된 선형 가시광선의 좌표와 사전에 설정된 선형 가시광선의 기준 좌표를 비교하여 좌표 변화 및 측정된 고도에 따른 좌우 궤도 상면의 표고를 산출하는 방식이다. 제2방식은 선로 영상으로부터 설정된 관심영역에 대해 인공지능 이미지 학습을 실시하여 주행 중 촬영된 선형 가시광선이 조사된 선로 영상으로부터 좌우 궤도 상면의 표고를 자동으로 산출하는 방식이다.
특히, 신호 처리부(150)는 제1방식 또는 제2방식을 이용하여 궤도 상면 중 레일에 해당하는 부분, 즉, 레일 상면의 표고를 산출할 수 있다. 이는, 좌우 레일 상면에 조사된 선형 가시광선의 경우, 관심영역의 궤도에 형성된 선형 가시광선의 굴곡 중에서 촬영 위치에 따라 굴곡의 변화가 거의 없고 일정한 형태를 유지하므로 보다 정확히 궤도 표고를 산출하는 데 사용될 수 있기 때문이다. 이하에서는 궤도 상면 중 레일 상면의 표고를 산출하는 동작에 대해 설명한다.
먼저, 제1방식을 이용하여 레일 상면의 표고를 산출하는 동작에 대해 설명한다.
신호 처리부(150)는 도 2와 같이 설정된 관심영역에서 레일 상면에 표기된 선형 가시광선의 좌표(이하, '실제 좌표'라 한다)를 생성한다. 신호 처리부(150)는 관심영역 내에서 선형 가시광선의 실제 좌표와 사전에 설정된 선형 가시광선의 기준 좌표를 비교하여 좌표 변화 및 측정된 고도에 따른 레일 상면의 표고를 산출할 수 있다.
비교 결과, 선로 영상 내 선형 가시광선의 실제 좌표와 기준 사진 내 선형 가시광선의 기준 좌표가 동일하면, 신호 처리부(150)는 [수학식 1]을 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출할 수 있다.
Figure 112019126278381-pat00011
여기서,
Figure 112019126278381-pat00012
는 레일 상면의 표고, i는 선로 영상을 촬영한 시점으로서 i=1, 2, 3, …, n은 각각 1번째, 2번째, …, n번째 취득된 데이터를 의미한다. j는 선로 영상의 취득 지점으로서, 값이 1인 경우 좌측 레일, 2인 경우 우측 레일에서 얻은 결과임을 의미한다. H는 레일 상면으로부터 광선 방출부(130), 촬영부(140) 및 GPS부(120) 중 적어도 하나가 설치된 위치까지의 연직 거리로서, 사전에 정해진 값일 수 있다.
또한, 비교 결과, 선로 영상 내 선형 가시광선의 실제 좌표와 기준 사진 내 선형 가시광선의 기준 좌표가 다르면, 신호 처리부(150)는 [수학식 2]를 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출할 수 있다.
Figure 112019126278381-pat00013
여기서,
Figure 112019126278381-pat00014
는 레일의 침하량,
Figure 112019126278381-pat00015
는 레일이
Figure 112019126278381-pat00016
만큼 침하할 경우 선로 영상에서 레일 면에 표기되는 선형 가시광선의 수직좌표변화량이다. 또한,
Figure 112019126278381-pat00017
는 레일 침하량(
Figure 112019126278381-pat00018
)과 영상에서 레일 면에 표기된 선형 가시광선의 수직좌표변화량(
Figure 112019126278381-pat00019
)이 선형관계에 놓인다고 가정하고, 두 변화량 사이의 관계를 정의한 계수이다. 즉,
Figure 112019126278381-pat00020
는 사전에 구해진
Figure 112019126278381-pat00021
와
Figure 112019126278381-pat00022
의 관계를 정의한 관계식으로서 고정값을 가질 수 있다.
신호 처리부(150)는 선형 가시광선의 실제 좌표와 기준 좌표가 다른 경우, 레일 상면에 표기된 선형 가시광선 굴곡이
Figure 112019126278381-pat00023
만큼 변할 때, 계수
Figure 112019126278381-pat00024
를 이용하여 기준 위치의 레일 침하량(
Figure 112019126278381-pat00025
)을 산출하고, [수학식 2]를 이용하여 주행 중 열차의 위치에 따른 레일 상면의 표고(
Figure 112019126278381-pat00026
)를 실시간으로 산출할 수 있다.
다음으로, 제2방식을 이용하여 궤도 상면의 표고를 산출하는 동작에 대해 설명한다.
신호 처리부(150)는 도 3과 같이 설정된 관심영역을 AI 이미지 학습 모델에 입력하여 주행 중 촬영된 선형 가시광선이 조사된 궤도 이미지로부터 궤도 상면의 표고를 자동으로 산출할 수 있다.
자세히 설명하면, 신호 처리부(150)는 신호 처리부(150)에 탑재된 AI 이미지 학습 모델을 실행한 후 선형 가시광선을 포함하는 관심영역을 AI 이미지 학습 모델에 입력하여 학습시키며, 학습 결과 관심영역에 포함된 레일의 침하량(
Figure 112019126278381-pat00027
)을 자동 산출한다.
그리고, 신호 처리부(150)는 고도계(110)에서 측정된 고도와, 레일 상면에서 장치(100)가 설치된 위치까지의 연직 거리(H)와, AI 이미지 학습에 의해 자동 산출된 레일 침하량(
Figure 112019126278381-pat00028
)을 이용하여 궤도 상면의 표고를 자동 산출할 수 있다. 즉, 신호 처리부(150)는
Figure 112019126278381-pat00029
를 이용하여 별도로 레일 침하량을 산출하지 않고, [수학식 1] 및 [수학식 2]에 AI 학습에 의해 산출된 레일 침하량(
Figure 112019126278381-pat00030
)을 적용하여 레일 상면의 표고를 자동 산출할 수 있다.
신호 처리부(150)는 제1방식 또는 제2방식에 의해, [수학식 1]과 [수학식 2]를 이용하여 산출된 좌우 레일 상면의 표고를 [수학식 3]의 형태로 저장부(160)에 저장할 수 있다.
Figure 112019126278381-pat00031
[수학식 3]은 신호 처리부(150)가 좌우 레일 상면의 표고를 저장하는 방식을 보여주는 것으로서, 레일의 위치와 표고가 측정된 시점(순차)에 따라 매트릭스 형태로 저장한다.
또한, 하나 이상의 열차가 선로를 주행하는 동안 좌우 레일 상면의 표고가 산출될 때, 최초로 산출된 좌우 레일 상면의 표고( V )는 레퍼런스 매트릭스로서 철도 궤도 높이 관제 센터(200)에 저장될 수 있다.
신호 처리부(150)는 [수학식 3]과 같이 저장된 좌우 레일 상면의 표고( V )와 GPS부(120)에서 입력되는 위치 정보를 동기화할 수 있다. 즉, 신호 처리부(150)는 좌우 레일 상면의 표고( V ) 산출에 사용된 선로 영상들이 취득된 지점의 위치 정보와 표고( V )를 동기화한다. 따라서, v11과 v12에 동일한 위치 정보가 동기화되고, v21과 v22에 동일한 위치 정보가 동기화될 수 있다.
저장부(160)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 저장부(160)에는 예를 들어, 장치(100)가 제공하는 동작, 기능 등을 구현 및/또는 제공하기 위하여, 구성요소들(110~180)에 관계된 명령 또는 데이터, 하나 이상의 프로그램 및/또는 소프트웨어, 운영체제 등이 저장될 수 있다.
예를 들어, 장치(100)가 제1방식으로 레일 상면의 표고를 산출하는 경우, 저장부(160)에 저장되는 프로그램은 선로 영상으로부터 관심영역을 설정하고, 설정된 관심영역 중 레일의 상면에 위치하는 선형 가시광선의 좌표를 이용하여 레일의 표고를 산출하는 자동 표고 산출 프로그램을 포함할 수 있다.
또한, 장치(100)가 제2방식으로 레일 상면의 표고를 산출하는 경우, 저장부(160)에는 AI 이미지 학습 모델이 저장될 수 있다. AI 이미지 학습 모델은, 사전에 선로를 촬영하여 획득되는 다수의 선형 가시광선 이미지 셋(set)의 레일 상면의 변위를 기준 사진과 비교하여 레이블링한 후 기계학습시켜 생성되는 모델이다. AI 이미지 학습 모델은 신호 처리부(150)에 탑재되어 촬영된 선로 영상에서 레일에 해당하는 부분의 표고를 자동 산출할 수 있다.
또한, 저장부(160)에는 사전에 설정된 기준 사진과, 기준 사진 내 선형 가시광선의 기준 좌표가 더 저장되며, 신호 처리부(150)에서 산출되는 궤도 상면의 표고( V )가 매트릭스 형태로 저장될 수 있다.
통신 인터페이스부(170)는 저장부(160)에 저장된 궤도 상면의 표고와 GPS부(120)에서 제공되는 동기화된 위치 정보를 철도 궤도 높이 관제 센터(200)로 전송할 수 있다.
자세 보정부(180)는 주행 중인 열차 진동에 의한 영향을 보정할 수 있다. 예를 들어, 자세 보정부(180)는 광선 방출부(130)와 촬영부(140)를 짐벌에 탑재하여 열차 진동으로부터 일정한 수평 촬영 및 방사 각도를 지니도록 기계적 장치를 추가할 수 있다. 또는, 자세 보정부(180)는 열차의 진동을 억제할 수 있도록 촬영부(140)의 주변을 댐퍼 시스템을 이용하여 보호할 수 있다.
또는, 자세 보정부(180)는 산술적 알고리즘을 이용하여 좌우 레일 상면의 표고( V )를 보정하거나, 촬영부(140)에 의해 촬영되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 위치를 보정할 수 있다.
한편, 신호 처리부(150)에서 사용하는 기준 사진과 기준 좌표를 사전에 설정하는 동작은 도 4a와 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 4a는 실제 촬영된 선로 영상과 레일 침하량 관계 설정을 위한 기준 사진의 설정 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 기준 사진은, 사전에 선로를 촬영한 다수의 선로 영상들 중 하나에서 결정될 수 있다. 즉, 다수의 선로 영상들 중, 광선 방출부(130), 촬영부(140) 및 GPS부(120) 중 적어도 하나가 설치된 위치에서 수직으로 연결된 좌우 레일 상면의 표고와, 적어도 하나가 설치된 위치에서 촬영된 선로 영상 내 가시광선의 굴곡이 표기된 좌우 레일 상면의 표고가 같은 경우, 표고가 서로 같은 선로 영상이 기준 사진으로 사용될 수 있다.
기준 사진이 정해지면, 기준 사진 내 선형 가시광선 굴곡의 좌표를 수치화하여 상술한 기준 좌표가 생성된다. 기준 사진의 결정 및 기준 좌표의 생성은 관리자 컴퓨터와 같은 별도의 전자장치에서 사전에 수행될 수 있다.
도 4b는 선로 영상 내 선형 가시광선의 수직좌표변화량(
Figure 112019126278381-pat00032
)을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b를 참조하면, 레일이
Figure 112019126278381-pat00033
만큼 침하할 경우, 촬영된 선로 영상에서 레일 상면에 표기된 선형 가시광선 좌표는
Figure 112019126278381-pat00034
만큼 수직 이동한다. 따라서, 전자장치는 레일의 침하량(
Figure 112019126278381-pat00035
)과 영상에서 레일 면에 표기된 선형 가시광선의 수직좌표변화량(
Figure 112019126278381-pat00036
)이 선형관계에 놓인다고 가정하고 상술한 계수
Figure 112019126278381-pat00037
를 사전에 정의할 수 있으며, 이로써 촬영된 선로 영상으로부터 레일의 침하량을 자동 산출할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 철도 궤도 높이 관제 센터(200)는 장치(100)로부터 수신되는 레일 상면의 표고( V )를 동기화된 위치 정보를 참조하여 위치 별로 저장할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 철도 궤도 높이 관제 센터(200)는 센터 통신부(210), 센터 메모리(220), 센터 처리부(230) 및 데이터베이스(240)를 포함할 수 있다.
센터 통신부(210)는 주행 중인 열차에 장착된 장치(100)로부터 레일 상면의 표고( V )와 동기화된 위치 정보를 수신한다.
센터 메모리(220)에는 레일의 누적 소성 침하량을 산출하고, 궤도의 유지보수 시행 여부를 결정하기 위한 프로그램과, 사전에 산출된 레퍼런스 매트릭스가 저장될 수 있다.
센터 처리부(230)는 주행 중인 열차 및 주행 중인 열차의 전/후속 열차들 중 적어도 하나에 구비된 장치(100)로부터 산출 및 수신되는 궤도 노반의 표고, 예를 들어, 레일 상면의 표고( V )를 주행 순서에 따라 순차적으로 데이터베이스(240)에 저장하고, 필요한 경우, 위치 정보를 참조하여 위치 별로 재배열하여 저장할 수 있다.
또한, 센터 처리부(230)는 n번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고와 1번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고(즉, 레퍼런스 매트릭스)의 차이로부터 n회 통과 시 발생한 레일의 누적 소성 침하량을 산출하여 유지보수 여부를 판단할 수 있다.
도 5는 하나 이상의 열차가 동일한 선로를 통과한 후 레일의 누적 소성 변위를 취득한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 하나 이상의 열차가 동일 선로를 n회 운행한 경우, 센터 처리부(230)는 동일 선로를 n번째 통과했을 때 산출된 레일 상면의 표고( V )와 동일 선로를 처음 통과했을 때 산출된 레일 상면의 표고(즉, 레퍼런스 매트릭스)의 차이를 위치 별(GPS 위치)로 산출하여 n회 통과 시 레일의 누적 소성 침하량을 산출할 수 있다.
그리고, 센터 처리부(230)는 산출된 레일의 누적 소성 침하량이 사전에 설정된 유지보수 기준을 초과하면 유지보수 여부를 결정한다. 따라서, 센터 처리부(230)는 레일을 통과하는 열차에 부착된 장치(100)로부터 레일 표고( V )가 산출될 때마다 레일의 누적 소성 침하량을 산출하여 유지보수 시행 여부를 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6의 동작을 수행하는 전자장치는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 장치(100)일 수 있으며, 도 1 내지 도 4a를 참조하여 자세히 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 전자장치는 주행 중인 열차에서 레일을 포함하는 선로를 향해 선형 가시광선을 방출한다(S610).
전자장치(100)는 선형 가시광선이 방출되는 선로를 촬영하여 선로 영상을 출력한다(S620).
전자장치(100)는 S620단계로부터 입력되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 굴곡으로부터 궤도 상면의 표고를 산출하여 저장한다(S630). S630단계에서, 전자장치는 선형 가시광선의 좌표 변화를 이용하는 제1방식 또는 AI 이미지 학습 방식을 이용하는 제2방식 중 하나를 이용하여 궤도 상면(또는 레일 상면)의 표고를 산출할 수 있다. 또한, 전자장치는 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 참조하여 설명한 방식으로 표고를 산출하여 저장할 수 있다.
전자장치(100)는 S630단계에서 저장된 궤도 상면의 표고( V )와 GPS에 의해 제공되는 위치 정보를 철도 궤도 높이 관제 센터(200)로 전송한다(S640).
S640단계로부터 궤도 상면, 예를 들어, 레일 상면의 표고( V )와 위치정보를 수신한 철도 궤도 높이 관제 센터(200)는 철도 궤도 높이 관제 센터는, 주행 중인 열차 및 상기 주행 중인 열차의 전/후속 열차들 중 적어도 하나에 구비된 신호 처리부로부터 산출되는 궤도 노반의 표고를 주행 순서에 따라 순차적으로 데이터베이스에 저장하고, n번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고와 1번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고의 차이로부터 n회 통과 시 레일의 누적 소성 침하량을 산출하여 유지보수 여부를 판단할 수 있다.
100: 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 110: 고도계
120: GPS부 130: 광선 방출부
140: 촬영부 150: 신호 처리부
160: 저장부 170: 통신 인터페이스부
180: 자세 보정부 200: 철도 높이 관제 센터

Claims (13)

  1. 주행 중인 열차에서 레일을 포함하는 선로를 향해 선형 가시광선을 방출하는 광선 방출부;
    상기 선형 가시광선이 방출되는 선로를 촬영하여 선로 영상을 출력하는 촬영부;
    주행 중인 열차의 위치 정보를 제공하는 GPS(Global Positioning System)부;
    주행 중인 열차의 고도를 측정하는 고도계;
    상기 촬영부로부터 입력되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 굴곡으로부터 궤도 상면의 표고를 산출하는 신호 처리부;
    상기 산출되는 궤도 상면의 표고를 저장하는 저장부; 및
    상기 저장된 궤도 상면의 표고와 상기 GPS부에서 제공되는 위치 정보를 철도 궤도 높이 관제 센터로 전송하는 통신 인터페이스부;를 포함하고,
    상기 신호 처리부는,
    상기 선로 영상에 포함된 선형 가시광선의 실제 좌표와 사전에 설정된 선형 가시광선의 기준 좌표를 비교하여 좌표 변화 및 측정된 고도에 따른 궤도 상면의 표고를 산출하며,
    상기 기준 좌표는, 선로를 촬영한 기준 사진에서 궤도 상면에 표기된 선형 가시광선 굴곡의 좌표를 수치화하여 생성된 좌표인 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 선로 영상으로부터 관심영역을 설정하고, 설정된 관심영역에 대해 인공지능 이미지 학습을 실시하여 주행 중 촬영된 선형 가시광선이 조사된 선로 영상으로부터 궤도 상면의 표고를 자동으로 산출하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 선로 영상으로부터 관심영역을 설정한 후 관심영역에 포함된 선형 가시광선의 실제 좌표를 생성하고, 상기 생성된 실제 좌표와 사전에 설정된 기준 좌표를 비교하여 서로 동일한 경우, 다음의 식을 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치:
    Figure 112020041820618-pat00038

    여기서,
    Figure 112020041820618-pat00039
    는 레일 상면의 표고, i는 선로 영상을 촬영한 시점, j는 1인 경우 좌측 레일, 2인 경우 우측 레일, H는 레일 상면에서 상기 광선 방출부, 촬영부 및 GPS부 중 적어도 하나가 설치된 위치까지의 연직 거리임.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 생성된 실제 좌표와 사전에 설정된 기준 좌표를 비교하여 서로 다른 경우, 다음의 식을 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치:
    Figure 112019126278381-pat00040

    여기서,
    Figure 112019126278381-pat00041
    는 레일의 침하량,
    Figure 112019126278381-pat00042
    는 레일이
    Figure 112019126278381-pat00043
    만큼 침하할 경우 선로 영상에서 레일 면에 표기되는 선형 가시광선의 수직좌표변화량,
    Figure 112019126278381-pat00044
    는 사전에 구해진
    Figure 112019126278381-pat00045
    와
    Figure 112019126278381-pat00046
    의 관계를 정의한 계수임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 철도 궤도 높이 관제 센터는,
    상기 주행 중인 열차 및 상기 주행 중인 열차의 전/후속 열차들 중 적어도 하나에 구비된 신호 처리부로부터 산출되는 궤도 노반의 표고를 주행 순서에 따라 순차적으로 데이터베이스에 저장하고,
    n번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고와 1번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고의 차이로부터 n회 통과 시 레일의 누적 소성 침하량을 산출하여 유지보수 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기준 사진은,
    상기 광선 방출부, 촬영부 및 GPS부 중 적어도 하나가 설치된 위치에서 수직으로 연결된 좌우 레일 상면의 표고와 상기 적어도 하나가 설치된 위치에서 촬영된 선로 영상 내 가시광선의 굴곡이 표기된 좌우 레일 상면의 표고가 같은 경우, 상기 적어도 하나가 설치된 위치에서 촬영된 선로 영상인 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치.
  8. 주행 중인 열차의 위치 정보와 고도 정보를 제공하는 전자장치에 있어서,
    (A) 상기 전자장치가, 주행 중인 열차에서 레일을 포함하는 선로를 향해 선형 가시광선을 방출하는 단계;
    (B) 상기 전자장치가, 선형 가시광선이 방출되는 선로를 촬영하여 선로 영상을 출력하는 단계;
    (C) 상기 전자장치가, 상기 (B) 단계로부터 입력되는 선로 영상 내 선형 가시광선의 굴곡으로부터 궤도 상면의 표고를 산출하여 저장하는 단계; 및
    (D) 상기 전자장치가, 저장된 궤도 상면의 표고와 GPS에 의해 제공되는 상기 위치 정보를 철도 궤도 높이 관제 센터로 전송하는 단계;를 포함하고,
    상기 (C) 단계는,
    상기 선로 영상에 포함된 선형 가시광선의 실제 좌표와 사전에 설정된 선형 가시광선의 기준 좌표를 비교하여 좌표 변화 및 측정된 고도에 따른 궤도 상면의 표고를 산출하며,
    상기 기준 좌표는, 선로를 촬영한 기준 사진에서 궤도 상면에 표기된 선형 가시광선 굴곡의 좌표를 수치화하여 생성된 좌표인 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법.
  9. 제8에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    상기 선로 영상으로부터 관심영역을 설정하고, 설정된 관심영역에 대해 인공지능 이미지 학습을 실시하여 주행 중 촬영된 선형 가시광선이 조사된 선로 영상으로부터 궤도 상면의 표고를 자동으로 산출하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    상기 선로 영상으로부터 관심영역을 설정한 후 관심영역에 포함된 선형 가시광선의 실제 좌표를 생성하고, 상기 생성된 실제 좌표와 사전에 설정된 기준 좌표를 비교하여 서로 동일한 경우, 다음의 식을 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법:
    Figure 112020041820618-pat00047

    여기서,
    Figure 112020041820618-pat00048
    는 레일 상면의 표고, i는 선로 영상을 촬영한 시점, j는 1인 경우 좌측 레일, 2인 경우 우측 레일, H는 레일 상면에서 상기 선형 가시광선을 방출하는 광선 방출부, 촬영부 및 GPS부 중 적어도 하나가 설치된 위치까지의 연직 거리임.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    상기 생성된 실제 좌표와 사전에 설정된 기준 좌표를 비교하여 서로 다른 경우, 다음의 식을 이용하여 궤도 중 레일 상면의 표고를 산출하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법:
    Figure 112019126278381-pat00049

    여기서,
    Figure 112019126278381-pat00050
    는 레일의 침하량,
    Figure 112019126278381-pat00051
    는 레일이
    Figure 112019126278381-pat00052
    만큼 침하할 경우 선로 영상에서 레일 면에 표기되는 선형 가시광선의 수직좌표변화량,
    Figure 112019126278381-pat00053
    는 사전에 구해진
    Figure 112019126278381-pat00054
    와
    Figure 112019126278381-pat00055
    의 관계를 정의한 계수임.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 철도 궤도 높이 관제 센터는,
    상기 주행 중인 열차 및 상기 주행 중인 열차의 전/후속 열차들 중 적어도 하나에 구비된 신호 처리부로부터 산출되는 궤도 노반의 표고를 주행 순서에 따라 순차적으로 데이터베이스에 저장하고,
    n번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고와 1번째 열차의 주행 시 산출 및 저장된 궤도 노반의 표고의 차이로부터 n회 통과 시 레일의 누적 소성 침하량을 산출하여 유지보수 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 방법.
KR1020190161461A 2019-12-06 2019-12-06 등각도 선형 가시광선을 이용한 궤도의 누적 소성 침하 측정 장치 및 방법 KR102119035B1 (ko)

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JP2001073316A (ja) * 1999-09-02 2001-03-21 Sgs:Kk 沈下測定方法、及び沈下測定装置
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