KR102169170B1 - 열차의 속도 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기설정된 주기에 따라 열차 속도를 수집하는 단계, 현재 시점에서 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하는 단계 및 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도가 유효한 것으로 판단되면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 기초로 열차 운행을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하는 단계는, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 이전 시점에서 수집된 열차 속도의 동일 여부를 판단하는 단계 및 상기 동일 여부에 대한 판단 결과에 따라, 열차 속도의 변화에 관련된 값을 제1 임계값 또는 제2 임계값과 비교하여 상기 유효성을 판단하는 단계를 포함하는 열차 속도 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

열차의 속도 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for measuring train speed}
본 발명은 열차의 속도 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열차의 속도 측정 시 노이즈 값을 필터링하고 유효값만을 취할 수 있는 열차의 속도 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
열차 제어 시스템은 열차 간 간격을 제어하고 열차의 진로를 결정하는 시스템이다. 열차 간 간격을 알맞게 제어하기 위해서는 열차의 위치를 정확하게 추정하는 것이 중요하다. 특히 도시철도에서는 스크린 도어와의 간섭 방지를 위해 정위치 정차가 필수적이며, 이를 위해서는 정차 제어 알고리즘과 함께 정확한 위치 판단이 요구된다.
열차 내에 마련되는 자동 열차 운전 장치(Automatic Train Operation; 이하 ATO)는 차륜의 회전을 측정하는 타코미터를 통해 열차의 속도를 추정하고, 추정된 속도에 경과 시간을 곱하여 열차의 이동 거리를 판단한다. 그러나, 타코미터를 통해 열차의 이동 거리 및 그에 따른 열차의 위치를 추정하는 방법은 여러 가지 이유로 오차가 발생한다.
구체적으로, 타코미터에서 측정된 차륜 회전속도는 TCMS(Train Control and Monitoring System)를 거쳐 속도 정보로 변환된 후 ATO로 전달되는데, TCMS의 속도 정보 변환 프로세스와 ATO에 대한 통신 프로세스 간 동기화가 이루어지지 않으면 속도 정보가 매번 갱신되지 못하고 이전에 측정된 값으로 ATO에 전달될 수 있다. 또한, TCMS와 ATO 간 통신 오류가 발생하면, ATO에 속도 정보로써 잘못된 값이 전달될 수 있는데, 이러한 노이즈 값에 기초하여 열차 속도를 판단하면 열차 위치 추정의 오차는 더욱 커진다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이전 시점까지 수집된 열차 속도를 기초로 현재 시점에 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하고, 유효한 것으로 판단된 열차 속도에 기초하여 열차의 위치를 추정하는 열차 속도 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열차 속도 측정 방법은, 기설정된 주기에 따라 열차 속도를 수집하는 단계, 현재 시점에서 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하는 단계 및 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도가 유효한 것으로 판단되면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 기초로 열차 운행을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하는 단계는, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 이전 시점에서 수집된 열차 속도의 동일 여부를 판단하는 단계 및 상기 동일 여부에 대한 판단 결과에 따라, 열차 속도의 변화에 관련된 값을 제1 임계값 또는 제2 임계값과 비교하여 상기 유효성을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유효성을 판단하는 단계는, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 동일하면, 상기 이전 시점까지의 평균 가속도를 상기 제1 임계값과 비교하는 단계 및 상기 이전 시점까지의 평균 가속도가 상기 제1 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 임계값은, 상기 열차의 기설정된 최대 저크(jerk)를 기초로 설정될 수 있다.
또한, 상기 제1 임계값은, 상기 기설정된 최대 저크와 상기 기설정된 주기의 곱에 의해 결정되는 상기 이전 시점까지의 상기 열차의 가속도에 대한 최대 변화량, 상기 이전 시점까지 누적된 상기 열차 속도의 측정 시 발생할 수 있는 오차 및 임의로 설정되는 제1 마진에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 유효성을 판단하는 단계는, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 상이하면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도 사이의 차이값을 상기 제2 임계값과 비교하는 단계 및 상기 차이값이 상기 제2 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 임계값은, 상기 열차의 최대 가속도를 기초로 설정될 수 있다.
또한, 상기 제2 임계값은, 상기 최대 가속도, 상기 열차 속도의 측정 시 발생할 수 있는 오차, 상기 기설정된 주기 및 임의로 설정되는 제2 마진에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치는, 기설정된 주기에 따라 열차 속도를 수신하여 수집하는 통신부 및 상기 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하고, 유효하다고 판단된 열차 속도를 이용하여 열차 운행을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 이전 시점에서 수집된 열차 속도의 동일 여부에 따라, 열차 속도의 변화에 관련된 값을 제1 임계값 또는 제2 임계값과 비교하여 상기 유효성을 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 동일하면, 상기 이전 시점까지의 평균 가속도를 상기 제1 임계값과 비교하고, 상기 이전 시점까지의 평균 가속도가 상기 제1 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하되, 상기 제1 임계값은, 열차의 기설정된 최대 저크를 기초로 결정될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 상이하면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도 사이의 차이값을 상기 제2 임계값과 비교하고, 상기 차이값이 상기 제2 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하되, 상기 제2 임계값은, 상기 열차의 최대 가속도를 기초로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 열차의 속도 측정 방법 및 장치는, ATO가 TCMS로부터 수집되는 열차 속도의 유효성을 판단하여, 노이즈를 제거하고 유효한 것으로 판단된 열차 속도만을 취함으로써 열차 속도 측정의 정확도를 높일 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 열차의 속도 측정 방법 및 장치는, 실시간으로 열차의 속도와 그에 기초한 이동 거리 및 현재 위치를 보다 정확하게 판단함으로써 열차 제어 및 정위치 정차 제어 성능을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치가 적용된 열차의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 열차 속도에 기초한 열차 이동 거리 추정 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 열차 속도 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
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.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 자동 열차 운전 장치(ATO: Automatic Train Operation)는 열차의 출발, 자동운전, 정위치 정차를 담당하는 장치로 열차 차량에 탑재되는 제어 장치이다. 정확한 운전과 제어를 위해서는 현재 열차의 위치를 정확하게 알아야 한다. 이를 위해 상기 ATO는 열차의 속도 정보를 수신하며, 상기 속도 정보는 보통 타코미터로 측정된 열차 차륜의 회전수와 차륜의 직경을 이용하여 계산한다.
이때, 타코미터에서 측정된 차륜 회전 정보가 ATO의 위치 계산 프로세서까지 도달하여 속도 정보를 나타내는 데에는 시간이 소요되며 열차의 종류에 따라서는 타코미터의 출력은 TCMS(Train Control and Monitoring System)를 거쳐 속도 정보로 변환된 후 ATO로 전달될 수 있다. 이러한 실시 예에서, TCMS 내부의 동기화 오류 또는 TCMS와 ATO간 통신 오류에 의해 ATO에 유효한 속도가 아닌 노이즈 값이 전달될 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시 예들은 ATO가, TCMS로부터 수신되는 속도들에 대하여 노이즈 값을 필터링하고 유효한 것으로 판단되는 값들만을 취할 수 있는 방법을 개시한다. 본 발명은 상기와 같이 TCMS로부터 수신되는 속도의 유효성을 판단함으로써, 속도 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이하에서는 위치 계산 프로세서의 대표적인 장치로써 ATO를 예로 들어 본 발명을 설명하나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 즉, ATO를 비롯하여 ATS, ATC, ATP 등 다양한 열차제어장치 또는 구성품을 위하여 본 발명이 적용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치가 적용된 열차의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 열차(1)는 고속 열차, 광역도시철도 열차, 자기부상열차 등 다양한 종류의 열차일 수 있다. 이하에서는 본 발명이 열차(1)에 적용되는 것으로 설명하나, 본 발명의 기술적 사상이 변경되지 않는 범위 내에서, 본 발명은 자동차, 이륜구동차량, 자동주행차량 등 다양한 종류의 이동 수단에 적용될 수 있다.
열차(1)는 자동 열차 운전 장치(Automatic Train Operation; 이하 ATO)(110) 및 열차 종합 관리 장치(Train Control and Monitoring System; 이하 TCMS)(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
ATO(110)는 부분적으로 또는 전체적으로 열차(1)의 운전을 자동으로 제어하기 위하여 열차(1) 내에 마련되는 구성 요소들의 제어를 수행한다. ATO(110)는 열차(1) 내의 다른 구성 요소들로부터 수집되는 다양한 정보를 이용하여 경로 설정, 열차 조절(train regulation) 등과 같은 신호 처리를 수행할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, ATO(110)는 열차 속도를 기초로 열차(1)의 이동 거리를 추정하고, 그에 따른 열차(1)의 현재 위치를 판단할 수 있다. ATO(110)는 TCMS(120)로부터 열차 속도를 수신할 수 있다. 또한, ATO(110)는 TRA(Trigger Receiver Assembly; 이하 TRA)(130)로부터 정위치 정차용 마커(Precision Stop Marker; 이하 PSM)(150)를 인식한 인식 정보를 수신할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 예에서, 정위치 정차용 마커는 발리스(Balise) 등과 같이 지상에 마련되는 다양한 지상 태그들로 대체될 수 있다.
열차(1)가 선로를 따라 이동하면, 상기 열차(1) 내에 마련된 상기 TRA(130)는 특정 PSM(150)가 근접함에 따라 해당 PSM(150)을 검출하여, 열차(1)의 정확한 현재 위치를 판단할 수 있다. 즉, 상기 TRA(130)는 지상에 설치된 PSM(150)을 인식하여 ATO(110)에 인식 여부를 전달하는 역할을 수행한다. 이는 타코미터(140)를 통해 추정한 열차 위치 정보의 오차를 보정하는데 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 열차(1)에 ATC 등이 별도로 마련되는 경우, ATO(110)는 판단된 열차 위치 및 ATC로부터 수신되는 열차(1)의 제한 속도 정보를 기초로, 열차(1)를 추진하거나 제동하기 위한 제어 명령을 TCMS(120), 전동기, 및/또는 제동기 제어 장치 등에 전달할 수도 있다. 다양한 실시 예에서, ATO(110)는 제어부, 주 제어부, 제1, 제어부, 프로세서 등으로 지칭될 수 있다.
TCMS(120)는 열차(1) 내에 마련되는 다양한 기기들을 실시간으로 모니터링하고 그와 관련된 정보를 수집하여 ATO(110) 및 ATC(미도시) 등에 전달할 수 있다. 일 예로, TCMS(120)는 열차(1) 내에 마련되는 전자 기기들, 예를 들어, 팬터그래프, VVVF, 보조전원장치, 차단기, 공기압축기, 축전지, 제동 장치 등을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있다. 또한, 일 예로, TCMS(120)는 열차(1) 내에 마련되는 서비스 기기들, 예를 들어, 출입문, 실내 형광등, 방송 장치, 냉난방 기기, 행선 표시기, 비상 통화 장치, 화재 감지기 등을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, TCMS(120)는 열차(1)에 마련되는 타코미터(140)로부터 차륜의 회전량을 수신하고, 이를 열차 속도로 변환하여 ATO(110)로 전달할 수 있다. 다양한 실시 예에서, TCMS(120)는 외부로부터 열차 속도를 수신하거나 별도의 속도 측정 센서 등을 통하여 열차 속도를 측정할 수도 있다. TCMS(120)가 외부와 통신할 수 없는 경우, 구현에 따라 ATC(미도시)에 의해 수신된 열차 속도가 ATO(110)로 전달될 수도 있다. 다양한 실시 예에서, TCMS(120)는 제어부, 부 제어부, 제2 제어부, 프로세서, 속도 측정부, 속도 감지부, 속도 판단부 등으로 지칭될 수 있다.
ATO(110)는 TCMS(120)로부터 수신되는 열차 속도를 기초로 열차(1)의 이동 거리 및 현재 위치를 판단할 수 있다. 구체적으로, ATO(110)는 하기의 수학식 1 및 도 2에 도시된 바에 따라 TCMS(120)로부터 주기적으로 수집되는 열차 속도를 기초로 열차의 이동 거리를 계산할 수 있다.
Figure 112018117376806-pat00001
여기서, d(k)는 이전 시점 k-1과 현재 시점 k 사이에서 열차(1)의 이동 거리, vm 은 현재 시점 k에서 TCMS(120)로부터 수신된 열차 속도, t(k)는 현재 시점 k에서의 시간, t(k-1)은 이전 시점 k-1에서의 시간이다. 여기서 ATO(110)는 TCMS(120)로부터 수신된 열차 속도 vm을 이전 시점 k-1과 현재 시점 k 사이의 평균 속도로 간주한다. 또한, 이전 시점 k-1과 현재 시점 k 사이의 간격은 기설정된 열차 속도 수집 주기 Ts에 의해 결정될 수 있다.
상기에서는, ATO(110)와 TCMS(120)가 별개의 구성 요소인 것으로 설명하였으나, 다양한 실시 예에서, 두 구성 요소들은 하나의 통합된 구성 요소로써 구현될 수 있고, 하나의 구성 요소가 다른 하나의 구성 요소에 포함되어 구성될 수 있다. 예를 들어, ATO(110)가 속도 측정 센서를 포함하도록 구성될 수 있고, 이 경우, TCMS(120)에 의해 수행되는 동작을 ATO(110)가 수행하도록 구현될 수도 있다.
다양한 실시 예에서, 열차(1)는 전술한 자동 열차 제어 장치(Automatic Train Control; 이하, ATC)(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다. ATC(미도시)는 ATO(110)와 함께 동작하여 열차(1)가 주어진 속도 이하로 운행되도록 하고, 또한 그에 따라 선행 열차와의 간격이 유지되도록 한다. 구체적으로, ATC(미도시)는 기저장되었거나 유무선 통신을 통하여 외부로부터 수신되는 열차(1)의 제한 속도 정보를 ATO(110)로 전달하여, ATO(110)가 열차(1)의 추진 또는 제동을 제어하게 할 수 있다. 필요한 경우, ATC(미도시)는 TCMS(120)와 데이터를 송수신하여 열차 운행을 제어할 수 있다.
상기와 같은 실시 예에서, TCMS(120)는 매 주기(매 시점)마다 새롭게 측정되는 열차 속도를 ATO(110)에 주기적으로 전송하여야 한다. 그러나 타코미터(140)가 TCMS(120)로 데이터를 전송하는 프로세서, TCMS(120)가 타코미터(140)로부터 수신된 데이터를 기초로 열차 속도를 생성(계산)하는 프로세스, TCMS(120)가 생성(변환)된 열차 속도를 ATO(110)로 전송하는 프로세스 간 동기화가 올바르게 이루어져 있지 않은 경우에, TCMS(120)는 현재 주기에 새롭게 측정된 열차 속도가 아닌 이전 주기에 측정된 열차 속도를 ATO(110)로 전송할 수 있다. 이 경우, ATO(110)에서 열차 속도 및 열차 위치 추정에 오류가 발생할 수 있다.
또한, 상기와 같은 실시 예에서, ATO(110)와 TCMS(120) 간 통신 장애 또는 통신 오류 등으로 인해 ATO(110)로 노이즈 값이 열차 속도로써 수신될 수 있다. 상술한 바와 같이 ATO(110)는 열차 속도를 이용하여 열차(1)의 이동 거리를 계산하므로, 반복적으로 수집되는 노이즈 값을 이용하여 열차 위치를 판단하게 되면, 수학식 1에 의해 추정된 열차(1)의 이동 거리에 오차가 누적된다. 본 발명에서는 상기한 문제를 방지하기 위하여, ATO(110)가 TCMS(120)로부터 전달되는 열차 속도의 유효성을 판단하고 노이즈 값을 필터링하여, 유효한 것으로 판단된 열차 속도를 기초로 열차 이동 거리를 정확하게 판단할 수 있도록 하는 방법을 제공한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따라 지연 시간을 판단하는 방법들을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 열차 속도 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치는 먼저 현재 시점 t(k)에서의 열차 속도 vm을 수신할 수 있다(301). 일 실시 예에서, 열차 속도 측정 장치는 TCMS(120)와 같이 열차 내에 마련되는 다른 장치로부터 열차 속도를 수신할 수 있다.
이때, 열차 속도 측정 장치는 기설정된 주기에 따라 열차 속도를 수신할 수 있다. 구체적으로, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점 t(k-1)에서의 열차 속도 vm-1이 수신된 이후에 기설정된 주기가 경과된 후 현재 시점 t(k)에서의 열차 속도 vm을 수신할 수 있다.
이후에, 열차 속도 측정 장치는 현재 시점 t(k)에 대하여 수신된 열차 속도 vm의 유효성 여부를 판단할 수 있다. 즉, 열차 속도 측정 장치는 수신된 열차 속도 vm이 TCMS(120)에서 올바르게 생성된 값이 아닌 통신 상에서 발생하는 노이즈 값에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 열차 속도 측정 장치는 현재 시점 t(k)에 대하여 수신된 열차 속도 vm이, 이전 시점 t(k-1)에 수신된 열차 속도 vm-1과 동일한지 여부를 판단할 수 있다(302).
현재 시점의 열차 속도 vm이 이전 시점의 열차 속도 vm-1과 동일하면, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점까지의 평균 가속도 αmean(k-1)을 이용하여, 현재 시점의 열차 속도 vm에 대한 유효성을 판단할 수 있다.
구체적으로, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점 t(k-1)까지 누적적으로 수집된 열차 속도들 v0, ..., vm-1로부터 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)을 판단할 수 있다. 여기서, 최초 시점의 열차 속도 v0는, 예를 들어 열차 운행이 시작되고 기설정된 기간(예를 들어, 상술한 기설정된 주기)이 경과한 이후에 최초로 수집된 열차 속도일 수 있다. 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)는 다음의 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112018117376806-pat00002
상기의 수학식 2에서 각 시간들의 차이는 상술한 기설정된 주기에 대응할 수 있다.
이후에, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)가 기설정된 임계값 α(제1 임계값)보다 작은지(또는 작거나 같은지) 여부를 판단할 수 있다(303).
열차(1)가 실질적으로 정속 주행을 하였다고 판단될 정도로 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)가 충분히 작으면, 이전 시점의 열차 속도 vm-1과 동일한 현재 시점의 열차 속도 vm은 유효한 값으로 판정될 수 있다. 반대로, 열차(1)가 정속 주행을 하지 아니하였다고 판단될 정도로 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)가 큰 경우, 이전 시점의 열차 속도 vm-1과 동일한 현재 시점의 열차 속도 vm은 유효하지 않은 값으로 판정될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)가 기설정된 임계값 α를 초과하는지 여부에 따라 현재 시점의 열차 속도 vm의 유효성을 판단한다.
여기서 임계값 α는 열차(1)가 정속 주행을 하고 있는지 또는 가속 주행을 하고 있는지 여부를 구분할 수 있는 기준이 되는 값으로, 열차(1)의 최대 순간 가속도 변화량(jerk, 이하 저크)에 기초하여 결정될 수 있다. 일 실시 예에서, 임계값 α는 다음의 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112018117376806-pat00003
여기서, jmax는 열차(1)에 대하여 기설정된 최대 저크값, ts는 열차 속도에 대한 샘플링 주기(즉, 열차 속도의 수집 주기), Na는 평균 가속도 판단 시에 적용되는 모수(즉, 이전 시점까지 수집된 열차 속도의 개수), ea는 가속도(또는 열차 속도) 측정 시 발생할 수 있는 오차, M1은 마진이다. 수학식 3을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
jmax는 열차(1)에 대하여 기설정된 최대 저크를 의미한다. 저크가 클 경우, 열차(1)의 승차감이 나빠지고 승객에게 피로감을 줄 수 있기 때문에, 상술한 바와 같이 열차(1)의 저크는 일정한 값 이하로 제한된다. 전동차 성능 규격에 따를 때, 최대 저크는 0.8m/s3으로 설정되나 이로써 제한되지 않으며, 본 발명에서 최대 저크는 0.8m/s3보다 작거나 같은 임의의 값으로 설정될 수 있다.
ts가 샘플링 주기를 나타내므로,
Figure 112018117376806-pat00004
는 샘플링 주기 동안의 최대 가속도 변화량을 의미한다. 본 발명에서는 평균 가속도를 이용하여 열차 속도의 유효성을 판단하며, 평균 가속도는 이전 시점까지 수집된 열차 속도들에 대하여 시간상으로 중간 시점에 대응된다. 여기서, Na는 평균 가속도 판단 시에 적용되는 모수를 의미하므로, 이전 시점까지 수집된 열차 속도들에 대한 중간 시점은
Figure 112018117376806-pat00005
이다. 한 샘플링 주기 ts동안 최대 가속도 변화량은
Figure 112018117376806-pat00006
이므로, 중간 시점부터 이전 시점까지 평균 가속도의 최대 변화량은
Figure 112018117376806-pat00007
이 된다. 결과적으로, 수학식 3의 첫 번째 항은, 이전 시점까지 열차(1)의 가속도에 대한 최대 변화량을 의미한다.
매 주기마다 측정되는 가속도에 대하여 발생할 수 있는 오차가 ea인 경우, Na개의 열차 속도로부터 판단되는 가속도 평균의 오차는
Figure 112018117376806-pat00008
이다. 여기서, 오차는 각각의 가속도에 대하여 정규 분포를 따른다고 가정하였으며, 일 실시 예에서, 오차가 균등 분포를 따를 경우, 측정된 열차 속도의 개수와 무관하게 가속도 평균의 오차는 ea일 수 있다. 결과적으로, 수학식 3의 두 번째 항은, 측정 오차에 의해 발생할 수 있는 열차(1)의 가속도에 대한 추가 변화량을 의미한다.
M1은 추가 마진으로써, 본 발명에 따른 열차 속도 측정 시에 너무 많은 열차 속도가 유효하지 않은 것으로 판단되는 것을 방지하기 위해 임의의 값으로 설정될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에서, 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)가 기설정된 임계값 α보다 작으면(또는 작거나 같으면), 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm이 유효한 것으로 판단한다(304). 반대로, 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)가 기설정된 임계값 α보다 크거나 같으면(또는 크면), 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm이 유효하지 않은 것으로 판단한다(305).
본 발명의 다양한 실시 예에서, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점까지의 평균 가속도 amean(k-1)의 절대값에 기초하여 열차 속도의 유효성을 판단할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 임계값 α는 평균 가속도의 절대값에 대응하여 설정될 수 있다.
한편, 현재 시점의 열차 속도 vm이 이전 시점의 열차 속도 vm-1과 동일하지 않으면, 열차 속도 판단 장치는 이전 시점의 열차 속도 vm-1과 현재 시점의 열차 속도 vm의 차이를 기초로, 현재 시점의 열차 속도 vm에 대한 유효성을 판단할 수 있다.
구체적으로, 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이를 판단한다.
이후에, 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이가 기설정된 임계값 β(제2 임계값)보다 작은지(또는 작거나 같은지) 여부를 판단한다(306).
이전 시점의 열차 속도 vm-1과 현재 시점의 열차 속도 vm가 상이한 경우, 일반적으로 현재 시점의 열차 속도 vm는 동기화 문제 없이 현재 시점 t(k)에서 유효하게 수집된 것으로 판단될 수 있다. 그러나, 이러한 열차 속도 vm는 통신 노이즈에 의해 발생하였거나, 통신 노이즈를 포함한 값일 수 있으므로, 열차 속도 측정 장치는 이러한 열차 속도 vm의 유효성을 검토해야 할 필요가 있다.
통신 노이즈에 의한 값은 통상적으로 발생 가능한 범위의 열차 속도 vm보다 현저하게 큰 값을 가지므로, 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm가 열차(1)의 주행 상태를 고려할 때, 발생 가능한 범위 내의 값을 가지는지 여부에 따라 유효성을 판단할 수 있다.
상기에 따라, 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이가 기설정된 임계값 β보다 작은지(또는 작거나 같은지) 여부에 따라 현재 시점의 열차 속도 vm의 유효성을 판단한다.
여기서, 임계값 β는 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이가 열차(1)의 주행 상태에 기초하여 발생 가능한 범위 내에서의 속도 변화인지 여부를 구분할 수 있는 기준이 되는 값으로, 열차(1)의 최대 가속도(감속도)에 기초하여 결정될 수 있다. 일 실시 예에서, 임계값 β는 다음의 수학식 4에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112018117376806-pat00009
여기서, amax는 열차(1)의 최대 가속도(감속도)이고, ts는 열차 속도에 대한 샘플링 주기(즉, 열차 속도의 수집 주기), ea는 가속도 측정 시 발생할 수 있는 오차, M2는 마진이다.
상기와 같은 본 발명에서, 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이가 기설정된 임계값 β보다 작으면(또는 작거나 같으면), 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm이 유효한 것으로 판단한다(304). 반대로, 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이가 기설정된 임계값 β보다 크거나 같으면(또는 크면), 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm이 유효하지 않은 것으로 판단한다(305).
본 발명의 다양한 실시 예에서, 열차 속도 측정 장치는 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이의 절대값에 기초하여 열차 속도의 유효성을 판단할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 임계값 β는 현재 시점의 열차 속도 vm과 이전 시점의 열차 속도 vm-1의 차이의 절대값에 대응하여 설정될 수 있으며, 구체적으로, amax는 열차(1)의 최대 가속도(감속도)에 대한 절대값일 수 있다.
추가적인 실시 예에서, 현재 시점의 열차 속도 vm 가 유효하다고 판단되면, 열차 속도 측정 장치는 해당 현재 시점의 열차 속도 vm를 기초로 열차(1)의 이동 거리 및 현재 위치 등 필요한 정보를 판단할 수 있다.
반면, 현재 시점의 열차 속도 vm가 유효하지 않다고 판단되면, 열차 속도 측정 장치는 수집된 현재 시점의 열차 속도 vm를 파기할 수 있다. 이 경우, 일 실시 예에서, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점의 열차 속도 vm-1와 동일한 값을 현재 시점의 열차 속도 vm로 간주하여, 열차(1)의 이동 거리 및 현재 위치 등 필요한 정보를 판단할 수 있다.
또는, 일 실시 예에서, 열차 속도 측정 장치는 기설정된 수학식, 알고리즘 또는 데이터 테이블 등을 통해 이전 시점 t(k-1) 유효하게 수집된 열차 속도들로부터 현재 시점 t(k)의 열차 속도 vm를 연산하고, 연산된 열차 속도 vm를 이용하여 열차(1)의 이동 거리 및 현재 위치 등 필요한 정보를 판단할 수 있다.
예를 들어, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점 t(k-1)의 열차 속도 vm-1과 이전 시점 t(k-2)의 열차 속도 vm-2 사이의 평균값에 기초하여 현재 시점의 열차 속도 vm으로 결정할 수 있다. 또는, 열차 속도 측정 장치는 이전 시점 t(k-1)의 가속도 a(k-1)를 이전 시점의 열차 속도 vm-1에 반영하여 현재 시점의 열차 속도 vm를 결정할 수 있다.
하기의 표 1은 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 측정된 열차 속도에 기초하여 열차 이동 거리를 추정한 결과의 일 예를 나타낸다. 표 1의 예에서, jmax=0.4, ts=0.05, Na=8, ea=0.1, M1=0.1로 설정되었으며, 그에 따라 임계값 α는 수학식 3에 의해 0.1925로 설정되었다. 또한, 표 1의 예에서, amax=1.0m/s2, M2=0.1로 설정되었으며, 그에 따라 임계값 β는 수학식 4에 의해 0.155로 설정되었다.
순번 수집 시간 열차 속도 이동거리 유효성 판단 결과 유효성 판단 결과에 따라 보정된 열차 속도 보정된 이동거리
1 06:24.7 2.01 0.09975 유효 2 0.0995
2 06:24.7 1.98 0.099 유효 1.98 0.09875
3 06:24.8 1.98 0.0985 무효 1.97 0.09825
4 06:24.8 1.96 0.097 유효 1.96 0.097
5 06:24.9 1.92 0.0955 유효 1.92 0.0955
6 06:24.9 1.9 0.0945 유효 1.9 0.0945
7 06:25.0 1.88 0.0935 유효 1.88 0.0935
8 06:25.0 1.86 0.09225 유효 1.86 0.09225
9 06:25.1 1.83 0.09125 유효 1.83 0.09125
10 06:25.1 1.82 0.0895 유효 1.82 0.0895
11 06:25.2 1.76 0.088 유효 1.76 0.0875
12 06:25.2 1.76 0.088 무효 1.74 0.08675
13 06:25.3 1.76 0.087 무효 1.73 0.08625
14 06:25.3 1.72 0.0845 유효 1.72 0.0845
15 06:25.4 1.66 1.123 유효 1.66 0.08275
16 06:25.4 43.26 1.1215 무효 1.65 0.08125
17 06:25.5 1.6 0.08 유효 1.6 0.07925
18 06:25.5 1.6 0.07875 무효 1.57 0.078
19 06:25.6 1.55 0.0775 유효 1.55 0.07675
20 06:25.6 1.55 0.076 무효 1.52 0.07525
21 06:25.7 1.49 0.0735 유효 1.49 0.0735
22 06:25.7 1.45 0.073 유효 1.45 0.073
23 06:25.8 1.47 0.0735 유효 1.47 0.073
24 06:25.8 1.47 0.0725 무효 1.45 0.072
25 06:25.9 1.43 0.0715 유효 1.43 0.07125
26 06:25.9 1.43 0.0715 무효 1.42 0.0705
27 06:26.0 1.43 0.07 무효 1.4 0.06925
28 06:26.0 1.37 0.067 유효 1.37 0.067
29 06:26.1 1.31 0.06475 유효 1.31 0.06475
30 06:26.1 1.28 0.06325 유효 1.28 0.06325
31 06:26.2 1.25 0.0625 유효 1.25 0.06175
32 06:26.2 1.25 0.061 무효 1.22 0.06025
33 06:26.3 1.19 0.0595 유효 1.19 0.05875
34 06:26.3 1.19 0.05825 무효 1.16 0.0575
35 06:26.4 1.14 0.057 유효 1.14 0.0565
36 06:26.4 1.14 0.056 무효 1.12 0.0555
37 06:26.5 1.1 0.05475 유효 1.1 0.05475
38 06:26.5 1.09 0.05325 유효 1.09 0.05325
39 06:26.6 1.04 0.052 유효 1.04 0.0515
40 06:26.6 1.04 0.05075 무효 1.02 0.05025
41 06:26.7 0.99 　 유효 0.99 　
　 합계 　 5.1205 　 　 3.02575
표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 열차 속도 측정 방법은, 비정상적으로 생성되는 열차 속도를 노이즈로 인지하고 이를 필터링함으로써, 열차(1)의 실시간 이동 거리 및 위치 정보를 보다 정확하게 판단할 수 있게 한다.
도 4는 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 열차 속도 측정 장치(10)는 상술한 열차(1)에 적용되는 ATO(110) 일 수 있다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이로써 한정되지 않으며, 열차 속도 측정 장치(10)는 고속 열차, 광역도시철도 열차, 자기부상열차 등 다양한 종류의 열차에 마련되는 임의의 제어 장치, 프로세서 또는 구성 요소일 수 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 열차 속도 측정 장치(10)는 통신부(11) 및 제어부(12)를 포함하여 구성될 수 있다.
통신부(11)는 외부와 유/무선 데이터 통신을 수행한다. 본 발명의 다양한 실시 예에서, 통신부(11)는 TCMS(120)와 같이 열차(1) 내부에 마련되는 다른 장치 또는 열차(1) 외부에 마련되는 외부 장치들과 데이터 통신을 주고 받을 수 있다.
통신부(11)는 제어부(12)로부터 전달되는 데이터를 처리하여 외부 장치로 전송하거나, 외부로부터 수신되는 데이터를 처리하여 제어부(12)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 통신부(11)는 적어도 하나의 안테나, 필터, 디지털-아날로그 컨버터 등을 포함할 수 있다.
제어부(12)는 본 발명에 따른 열차 속도 측정 방법을 수행하기 위하여, 열차 속도 측정 장치(10)를 구성하는 구성 요소들을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(12)는 통신부(11)를 통하여 기설정된 주기에 따라 열차 속도를 수집하고, 수집된 열차 속도의 유효성을 판단할 수 있다. 제어부(12)는 유효한 것으로 판단된 열차 속도를 이용하여, 열차(1)의 이동 거리나 현재 위치 등 필요한 정보를 판단할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 제어부(12)는 판단된 정보를 통신부(11)를 통하여 외부의 다른 제어 장치 등으로 전송하거나, 메모리(미도시) 등에 저장할 수 있다. 또는, 제어부(12)는 판단된 정보를 열차(1) 등에 마련되는 별도의 표시 장치(미도시) 등에 출력하여 운전사 등에게 알려줄 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.
1: 열차
110: ATO
120: TCMS
130: TRA
140: 타코미터
150: PSM
10: 열차 속도 측정 장치

Claims (10)

  1. 열차의 속도 측정 방법으로,
    기설정된 주기에 따라 열차 속도를 수집하는 단계;
    현재 시점에서 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하는 단계; 및
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도가 유효한 것으로 판단되면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 기초로 열차 운행을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하는 단계는,
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 이전 시점에서 수집된 열차 속도의 동일 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 동일 여부에 대한 판단 결과에 따라, 열차 속도의 변화에 관련된 값을 제1 임계값 또는 제2 임계값과 비교하여 상기 유효성을 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 동일하면, 상기 유효성을 판단하는 단계는,
    상기 이전 시점까지의 평균 가속도를 상기 제1 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 이전 시점까지의 평균 가속도가 상기 제1 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하며,
    상기 제1 임계값은, 상기 열차의 기설정된 최대 저크와 상기 기설정된 주기의 곱에 의해 결정되는 상기 이전 시점까지의 상기 열차의 가속도에 대한 최대 변화량, 상기 이전 시점까지 누적된 상기 열차 속도의 측정 시 발생할 수 있는 오차 및 임의로 설정되는 제1 마진에 기초하여 결정되며,
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 상이하면, 상기 유효성을 판단하는 단계는,
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도 사이의 차이값을 상기 제2 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 차이값이 상기 제2 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하며,
    상기 제2 임계값은, 상기 열차의 최대 가속도, 상기 열차 속도의 측정 시 발생할 수 있는 오차, 상기 기설정된 주기 및 임의로 설정되는 제2 마진에 기초하여 결정되는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 기설정된 주기에 따라 열차 속도를 수신하여 수집하는 통신부; 및
    상기 수집된 열차 속도의 유효성을 판단하고, 유효하다고 판단된 열차 속도를 이용하여 열차 운행을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는, 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 이전 시점에서 수집된 열차 속도의 동일 여부에 따라, 열차 속도의 변화에 관련된 값을 제1 임계값 또는 제2 임계값과 비교하여 상기 유효성을 판단하며,
    상기 제어부는,
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 동일하면, 상기 이전 시점까지의 평균 가속도를 상기 제1 임계값과 비교하고, 상기 이전 시점까지의 평균 가속도가 상기 제1 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하되, 상기 제1 임계값은, 열차의 기설정된 최대 저크를 기초로 결정되고,
    상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도가 상이하면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도와 상기 이전 시점에서 수집된 열차 속도 사이의 차이값을 상기 제2 임계값과 비교하고, 상기 차이값이 상기 제2 임계값보다 작으면, 상기 현재 시점에서 수집된 열차 속도를 유효한 것으로 판단하되, 상기 제2 임계값은, 상기 열차의 최대 가속도를 기초로 설정되는 열차 속도 측정 장치.
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