KR102187386B1 - 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템에 관한 것으로, 이는 열차 선로에 접촉 설치되어, 열차 운행에 의해 발생되는 열차와 선로의 금속 마찰음을 집음하는 소리 집음부; 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 검출하는 소리 분석부; 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 기반으로 열차 종류, 열차 위치 및 이동 속도를 확인하고, 상기 확인 결과를 기반으로 열차 운행 상황을 유추하는 운행 상황 확인부; 및 상기 열차 운행 상황을 안내하는 안내 정보를 생성 및 출력하되, 상기 열차 운행 상황이 기 설정된 비정상 상태에 해당되면, 비정상 상태 발생을 통보하는 경보 정보를 즉각 생성 및 출력하는 운행 상황 안내부를 포함할 수 있다.

Description

소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템{System for monitoring train traffic information based on sound}

본 발명은 열차 운행 상황 모니터링 시스템에 관한 것으로, 특히 소리 기반으로 현재 운행되는 열차의 종류, 현재 위치, 이동 속도 등을 모두 파악할 수 있도록 하는 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템에 관한 것이다.

열차는 고도의 안전성이 최우선적으로 확보되어야 하는 대량 운송 교통 수단으로, 열차 운행 상황에 대한 정확한 모니터링 동작이 반드시 필요하다.

이에 열차의 현재 위치 및 속도를 기반으로 열차 운행 상황을 모니터링하기 위한 여러 가지 장치가 제안된 바 있다.

그러나 종래의 열차 운행 상황 모니터링 시스템은 국내공개특허 제10-2014-0090806호, 국내공개특허 제10-2012-0014095호와 같이 GPS 장치, 카메라 등과 같은 고가의 장비를 통해 열차의 현재 위치 및 속도를 파악하도록 하는 단점이 있었다.

국내공개특허 제10-2014-0090806호 국내공개특허 제10-2012-0014095호

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 소리 기반으로 열차의 다양한 운행 상황을 파악할 수 있도록 함으로써, 시스템 구현 비용이 최소화될 수 있도록 하는 새로운 방식의 열차 운행 상황 모니터링 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 열차 선로에 접촉 설치되어, 열차 운행에 의해 발생되는 열차와 선로의 금속 마찰음을 집음하는 적어도 하나의 소리 집음부; 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 검출하는 소리 분석부; 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 기반으로 열차 종류, 열차 위치 및 이동 속도를 확인하고, 상기 확인 결과를 기반으로 열차 운행 상황을 유추하는 운행 상황 확인부; 및 상기 열차 운행 상황을 안내하는 안내 정보를 생성 및 출력하되, 상기 열차 운행 상황이 기 설정된 비정상 상태에 해당되면, 비정상 상태 발생을 통보하는 경보 정보를 즉각 생성 및 출력하는 운행 상황 안내부를 포함하며, 상기 운행 상황 확인부는 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴이 비정상적이고 단발성으로 발생되는 경우에는 열차의 이상을 확인 및 통보하는 기능과, 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴이 비정상적이고 반복적으로 발생되는 경우에는 선로의 이상을 확인 및 통보함과 동시에, 비정상적인 소리가 반복적으로 발생되는 열차 위치를 기준으로 이상 발생 지점을 산출 및 통보하는 기능과, 다수의 금속 마찰음이 감지되면, 소리 분리 알고리즘을 이용하여 다수의 금속 마찰음을 분리한 후, 가장 큰 소리 크기를 발생하는 금속 마찰음에 대한 소리 분석 동작만을 수행하는 기능과, 열차 종류별로 사전 설정된 소리 발생 패턴을 기반으로 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 분석하여 열차 종류를 식별하는 기능과, 열차 종류별로 사전 정의된 금속 마찰음의 기준 주파수 및 도플러 편이값과 거리간 상관관계에 기반하여 금속 마찰음에 대응되는 열차 위치를 파악하거나, 열차 선로를 따라 소정 거리 이격 설치된 두 개의 소리 집음부를 통해 측정된 두개 금속 마찰음간 주파수 편차를 이용하여 열차 위치를 파악하는 기능과, 열차 위치를 추적 및 분석하여 열차 이동 속도를 파악하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템을 제공한다.

상기 운행 상황 확인부는 열차 위치별 적정 열차 이동 속도가 정의된 비정상 상태 판단 근거를 구비하고, 상기 비정상 상태 판단 근거에 따라 열차 현재 위치 및 열차 이동 속도를 분석하여 비정상 상태 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 열차 운행 상황 모니터링 시스템은 소리 기반으로 현재 운행되는 열차의 종류, 현재 위치, 이동 속도 등을 모두 파악할 수 있도록 하며, 이로부터 열차 도착, 출발, 비정상 운행 여부, 열차 또는 선로의 이상 발생 여부까지도 추가 파악 및 통보할 수 있도록 한다.

이에 본 발명은 시스템 구현 비용을 최소화하면서도, 신뢰성 있는 열차 운행 상황 모니터링 동작이 안정적으로 수행될 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소리 기반의 열차 운행 모니터링 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소리 기반의 열차 운행 모니터링 방법을 도시한 도면이다.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템을 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 시스템은 적어도 하나의 소리 집음부(10), 소리 분석부(20), 운행 상황 확인부(30), 운행 상황 안내부(40), 제어 패널(50), 및 통신 장치(60) 등을 포함한다.

각 소리 집음부(10)는 열차 선로에 접촉되거나, 열차 선로에 인접 설치되는 집음 센서를 구비하고, 이를 통해 열차 운행에 의해 발생되는 열차와 선로의 금속 마찰음을 집음하도록 한다.

이때의 소리 집음부(10)는 금속 마찰음을 증폭하고, 백색 잡음 필터링 동작을 수행함으로써, 소리 분석부(20)가 원거리 위치되는 열차에 의해 발생되는 금속 마찰음까지도 보다 신뢰성 있게 분석할 수 있도록 한다.

소리 분석부(20)는 소리 집음부(10)에 의해 집음된 금속 마찰음의 소리 스펙트럼을 분석하여, 피크치 발생 개수 및 피크치의 주파수 대역과 같은 소리 발생 패턴을 검출하도록 한다.

또한, 소리 감지 범위이내에 다수의 열차가 존재하고, 이에 의해 다수의 금속 마찰음이 감지되는 경우에는, 소리 분리 알고리즘 등을 이용하여 다수의 금속 마찰음을 분리한 후, 가장 큰 소리 크기를 발생하는 금속 마찰음에 대한 소리 분석 동작만을 수행하도록 한다. 즉, 다수의 열차 중에서 역사에서 가장 가까이 위치하는 열차에 대한 소리 분석 동작만을 수행할 수도 있도록 한다.

운행 상황 확인부(30)는 KTX, 새마을, 무궁화, 및 지하철 등과 같은 열차 종류 각각에 대응되는 소리 발생 패턴을 사전에 획득 및 저장하고, 이를 참고하여 현재 관측된 금속 마찰음의 소리 발생 패턴에 대응되는 열차 종류를 식별하도록 한다.

또한 운행 상황 확인부(30)는 도플러 효과를 이용하여 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 분석하여 열차 현재 위치와 열차 이동 속도까지 파악하고, 이에 더 나아가 열차 현재 위치 및 열차 이동 속도 변화 패턴을 기반으로 열차 도착 또는 열차 출발까지도 인식하도록 한다.

참고로, 도플러 효과는 소리 발생 주체가 관측자에게 다가 오거나 멀어짐에 따라 관측 주파수가 높아지거나 낮아지는 현상을 일컫는 것으로, 이하의 수학식1에서와 같은 관계식을 가진다. 이를 참고하면, 소리의 기준 주파수와 관측 주파수간 편차(도플러 편이값)는 관측자와 음파 발생 주체 사이의 거리에 비례하여 가변됨을 알 수 있다.

[수학식 1]

여기서 f'는 관측자의 관측 주파수, f는 파동의 실제 주파수,v는 파동의 매질 내에서의 속도, v_s는 매질에 대한 파원의 속도로 파원이 관측자 쪽의 방향으로 움직일 때 양수이다.

이에 운행 상황 확인부(30)는 열차 종류별로 금속 마찰음의 기준 주파수 및 도플러 편이값과 거리간 상관관계를 사전 획득 및 저장한다. 그리고 특정 열차가 식별되면, 해당 열차에 대응되는 금속 마찰음의 기준 주파수를 파악한 후 현재 관측된 주파수와 비교 분석하여 도플러 편이값을 검출하고, 이를 열차의 현재 위치 값으로 환산하도록 한다. 그리고 열차 위치를 추적 및 분석하여 열차 이동 속도 변화 패턴까지도 파악할 수 있도록 한다.

다만, 열차 종류별로 금속 마찰음의 기준 주파수를 사전 정의할 수 없는 경우, 열차 선로를 따라 소정 거리 이격 설치된 두 개의 소리 집음부(10)를 구비하고, 이들을 통해 관측되는 두개 금속 마찰음간의 주파수 편차를 통해 열차의 현재 위치 값으로 산출할 수도 있도록 한다.

더하여, 운행 상황 확인부(30)는 열차 위치별 적정 열차 이동 속도가 정의된 비정상 상태 판단 근거를 구비하고, 이에 따라 열차 현재 위치 및 열차 이동 속도를 분석하여 비정상 상태 발생 여부를 판단 및 통보하기도 한다.

운행 상황 안내부(40)는 열차 종류와 열차 운행 상황을 안내하는 안내 정보를 생성 및 출력하도록 한다. 또한, 열차 운행 상황이 기 설정된 비정상 상태에 해당되면, 비정상 상태 발생을 통보하는 경보 정보를 즉각 생성 및 출력하도록 한다.

이때, 안내 정보는 관제실, 열차 운전실, 및 역사내 열차 운행 정보 안내 장치 등에 설치된 모니터, 스피커 등을 통해 사용자 안내되도록 한다. 또한, 필요한 경우에는 상이한 모니터링 시스템 또는 중앙 관제 시스템에 의해 획득된 정보들과 함께 또는 편집되어 사용자 안내될 수도 있도록 한다. 반면, 경보 정보는 역사에 설치된 별도의 경보 장치를 통해, 사용자에게 최우선적으로 안내되도록 한다.

제어 패널(50)은 키패드, 마우스, USB, 통신 모듈 등을 구비하고, 이를 통해 열차 운행 상황 모니터링 동작에 필요한 각종 정보 또는 제어값을 사용자로부터 수동 입력받아, 관련 구성 요소에 전달하는 제공하는 역할을 한다.

통신 장치(60)는 관제실, 열차 운전실, 역사내 열차 운행 정보 안내 장치, 역사내 경보 장치와 유선 또는 무선으로 통신하며, 운행 상황 안내부(40)를 통해 생성된 안내 정보 및 경보 정보를 전송하거나, 각종 정보 또는 제어값을 수신하여 관련 구성 요소에 전달하도록 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소리 기반의 열차 운행 모니터링 방법을 도시한 도면이다.

먼저, 열차 운행에 의해 열차 바퀴가 선로에 접촉함에 의해 발생되는 금속 마찰음을 관측하고(S1), 관측된 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 기반으로 열차 종류를 식별하도록 한다(S2).

그리고 해당 열차 종류에 대응되는 금속 마찰음의 기준 주파수를 파악한 후 관측 주파수와의 편차, 즉 도플러 편이값을 획득하도록 한다. 그리고 사전 등록된 도플러 편이값과 열차 위치간 상관관계를 기반으로, 현재 획득된 도플러 편이값에 대응되는 열차 위치를 파악하도록 한다. 또한, 열차 위치를 추적 및 분석하여 열차 이동 속도 변화 패턴까지도 파악하도록 한다(S3).

이에 단계 S3의 파악 결과, 열차가 역사 진입하며 이동 속도가 점차 감소되다 멈춤 상태가 되면(S4), 단계 S2를 통해 식별된 열차가 역사에 정상 도착하였음을 통보하는 안내 정보를 생성 및 출력하도록 한다(S5).

반면, 단계 S3의 파악 결과, 열차가 역사로부터 벗어나며 멈춤 상태였다가 이동 속도가 점차 증가되면(S6), 단계 S2를 통해 식별된 열차가 역사를 출발하였음을 통보하는 안내 정보를 생성 및 출력하도록 한다(S7).

더하여, 본 발명에서는 앞서 설명된 바와 같이, 도 3에서와 같이 열차 위치 및 이동 속도를 기반으로 열차의 비정상적 운행 여부를 확인한 후 경보 발생 동작도 수행할 수 있도록 한다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 단계 S3을 통해 열차가 비정상적 속도로 역사에 진입함이 확인되면(S8), 이를 통보하기 위한 경보를 즉각 발생하도록 한다(S9).

또한, 단계 S3을 통해 열차가 역사에 규정 시간 이상 머무르게 된다면, 즉, 열차 정차 시간이 비정상적이면(S10), 열차 이상 운전을 통보하는 경보를 즉각 발생하도록 한다(S11).

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소리 기반의 열차 운행 모니터링 방법을 도시한 도면으로, 이는 열차의 금속 마찰음을 통해 열차 또는 선로의 이상 여부를 탐지하는 경우에 관한 것이다.

*참고로, 열차 바퀴 또는 선로에 이상이 있다면, 열차 바퀴와 선로 간에 비정상적이 접촉이 발생하게 되고, 이에 따라 금속 파열음과 같은 비정상적 소리가 발생하게 된다. 또한 열차 바퀴에 이상이 있는 경우에는, 비정상적 소리가 단발성으로 발생하게 되나, 선로에 이상이 있는 경우에는 열차가 진입 또는 출발시마다 반복적으로 발생하게 된다. 이에 본 발명은 이러한 소리 발생 특성을 이용하여 열차에 이상이 있는지, 또는 선로에 이상이 있는지를 간단히 식별할 수 있도록 한다.

먼저, 사전 설정된 이상 주파수 검출 기준을 기반으로 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 분석하여 비정상적인 소리가 발생되는지 확인하도록 한다(S11).

단계 S11의 확인 결과, 비정상적인 소리 발생이 확인되면, 해당 소리의 발생이 단발성인지 확인 후(S12), 비정상적인 소리 발생 시점을 기준으로 이상 상태의 열차를 유추 및 통보하도록 한다(S13).

반면, 비정상적인 소리가 열차 통과시마다 반복적으로 발생되면(S14), 선로 이상 발생을 확인 및 통보하도록 한다(S14).

또한, 비정상적인 소리가 반복적으로 발생되는 열차 위치를 기준으로 이상 발생 지점을 산출한 후, 이를 사용자에게 안내할 수도 있도록 한다(S15).

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

1. 열차 선로에 인접 설치되는 집음 센서를 구비하고, 상기 집음 센서를 통해 열차 운행에 의해 발생되는 열차와 선로의 금속 마찰음을 집음하는 적어도 하나의 소리 집음부;
   상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 검출하는 소리 분석부;
   상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 기반으로 열차 종류, 열차 위치 및 이동 속도를 확인하고, 상기 확인 결과를 기반으로 열차 운행 상황을 유추하는 운행 상황 확인부; 및
   상기 열차 운행 상황을 안내하는 안내 정보를 생성 및 출력하되, 상기 열차 운행 상황이 기 설정된 비정상 상태에 해당되면, 비정상 상태 발생을 통보하는 경보 정보를 즉각 생성 및 출력하는 운행 상황 안내부를 포함하며,
   상기 운행 상황 확인부는
   상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴이 비정상적이고 단발성으로 발생되는 경우에는 열차의 이상을 확인 및 통보하고, 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴이 비정상적이고 반복적으로 발생되는 경우에는 선로의 이상을 확인 및 통보하되, 선로 이상 확인시에는 비정상적인 소리가 반복적으로 발생되는 열차 위치를 기준으로 이상 발생 지점을 추가 산출 및 통보하는 기능과,
   다수의 금속 마찰음이 감지되면, 소리 분리 알고리즘을 이용하여 다수의 금속 마찰음을 분리한 후, 가장 큰 소리 크기를 발생하는 금속 마찰음에 대한 소리 분석 동작만을 수행하는 기능과,
   열차 종류별로 사전 설정된 소리 발생 패턴을 기반으로 상기 금속 마찰음의 소리 발생 패턴을 분석하여 열차 종류를 식별하는 기능과,
   열차 종류별로 사전 정의된 금속 마찰음의 기준 주파수 및 도플러 편이값과 거리간 상관관계에 기반하여 금속 마찰음에 대응되는 열차 위치를 파악하거나, 열차 선로를 따라 소정 거리 이격 설치된 두 개의 소리 집음부를 통해 측정된 두개 금속 마찰음간 주파수 편차를 이용하여 열차 위치를 파악하는 기능과,
   열차 위치를 추적 및 분석하여 열차 이동 속도를 파악하는 기능과,
   열차가 비정상적 속도로 역사에 진입하거나 열차 정차 시간이 비정상적이면, 경보를 즉각 발생 및 통보하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템.
2. 제1 항에 있어서, 상기 운행 상황 확인부는
   열차 위치별 적정 열차 이동 속도가 정의된 비정상 상태 판단 근거를 구비하고, 상기 비정상 상태 판단 근거에 따라 열차 현재 위치 및 열차 이동 속도를 분석하여 비정상 상태 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 소리 기반의 열차 운행 상황 모니터링 시스템.

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