KR102203412B1 - 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 선로 또는 철도의 안정성을 모니터링하는 방법 및 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 곡선 구간에서의 원심력에 의한 선로의 손상여부를 판단하는 기술에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 곡선 구간 선로의 안정성을 모니터링하는 방법에 있어서, 상기 곡선 구간 선로에 설치되는 제1센서를 통해 상기 곡선 구간 선로의 진동값을 측정하는 제1단계, 상기 곡선 구간 선로에 설치되는 제2센서를 통해 상기 곡선 구간 선로의 기울기값을 측정하는 제2단계, 상기 곡선 구간 선로를 지나는 열차의 속도값을 추출하는 제3단계, 상기 곡선 구간 선로를 지나는 열차의 질량값을 추출하는 제4단계, 상기 열차의 속도값, 질량값 및 상기 제1 및 제2센서가 설치되는 곡선 구간 선로의 곡률반지름값을 통해 상기 곡선 구간 선로에 가해지는 원심력값을 계산하는 제5단계, 상기 원심력값과 상기 기울기값의 비율값을 계산하는 제6단계 및 상기 비율값이 안정범위 내인 경우 제1단계로 돌아가 지속적으로 측정을 하고, 안정범위를 벗어나는 경우 경보를 하고 제1단계로 돌아가 지속적으로 측정을 하는 제7단계를 포함하는 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 방법을 일 실시 예로 제시한다.

Description

곡선 구간 선로 안정성 모니터링 방법 및 시스템{Method and System of monitoring stability of curve railroad}

개시된 내용은 선로 또는 철도의 안정성을 모니터링하는 방법 및 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 곡선 구간에서의 원심력에 의한 선로의 손상여부를 판단하는 기술에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

선로의 곡선 구간의 곡률반지름은 상기 선로를 지나는 열차의 무게 및 속도에 따라 결정한다. 안전을 위하여 일정 여유를 두어 선로의 곡률반지름을 결정하나, 반복된 사용, 하부 지반의 침하 등 다양한 이유로 선로가 손상된다. 이와 같이 선로에 이상이 발생하여 철도사고가 발생하면 대형 참사로 이어지게 되어 선로의 손상 등을 사전에 감지하는 것이 중요하다.

이와 같은 이유로, 종래에는 철도 시설물의 안전 이상 발생 여부를 모니터링하기 위하여 선로의 레일 손상, 레일 들림, 도상 자갈의 밀림 현상, 레일의 신축 유간(joint gap), 분기기의 상태 등을 점검하기 위한 장비들 및 궤도를 지지하는 지반이나 교량, 터널 등의 철도 구조물을 관측하기 위한 장비들을 탑재한 조사차량을 철도 현장에서 직접 운행하며 철도 시설물 안전 이상 발생 여부를 모니터링하고 있었다. 한국특허공보 제10-1540263호 또한, 라인 조명과 라인 스캔 카메라로 구성된 전차선 습동면 스캔 장치를 고속의 전기 철도 차량에 탑재하여 실시간 전차선로 영상을 획득하고, 습동면 영상처리부에서 이미지 프로세싱을 통해 전차선 습동면의 비정상적인 충격위치를 검사하여 그 결함정보를 전차선 유지보수 작업자에게 제공하는 기술을 게시하고 있다.

그러나 철도의 시설물들은 방대한 지역에 걸쳐 시설되어 있기 때문에, 종래의 철도 시설물 안전 모니터링 방식을 이용한 철도 시설물 관리시에는 관리자가 방대한 지역에 걸쳐 시설된 철도 시설물의 안전 이상 발생 여부를 실시간으로 확인할 수 없으며, 또한 철도 시설물의 안전 이상 발생 여부를 확인하는 시점이 늦어지게 되므로, 철도 사고를 사전에 예방할 수 없었고, 특히 곡선 구간에서는 선로에 가해지는 외력이 심해 상시적으로 모니터링을 할 필요가 있었다.

1. 한국특허공보 제10-1540263호

곡선 구간 선로의 상태를 상시적으로 감시하고, 외력에 의해 선로의 상태의 이상여부를 사전에 감지하는 모니터링 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.

또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.

개시된 내용은 곡선 구간 선로의 안정성을 모니터링하는 방법에 있어서, 상기 곡선 구간 선로에 설치되는 제1센서를 통해 상기 곡선 구간 선로의 진동값을 측정하는 제1단계, 상기 곡선 구간 선로에 설치되는 제2센서를 통해 상기 곡선 구간 선로의 기울기값을 측정하는 제2단계, 상기 곡선 구간 선로를 지나는 열차의 속도값을 추출하는 제3단계, 상기 곡선 구간 선로를 지나는 열차의 질량값을 추출하는 제4단계, 상기 열차의 속도값, 질량값 및 상기 제1 및 제2센서가 설치되는 곡선 구간 선로의 곡률반지름값을 통해 상기 곡선 구간 선로에 가해지는 원심력값을 계산하는 제5단계, 상기 원심력값과 상기 기울기값의 비율값을 계산하는 제6단계 및 상기 비율값이 안정범위 내인 경우 제1단계로 돌아가 지속적으로 측정을 하고, 안정범위를 벗어나는 경우 경보를 하고 제1단계로 돌아가 지속적으로 측정을 하는 제7단계를 포함하는 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 방법을 일 실시 예로 제시한다.

개시된 실시 예에 따르면, 상시적으로 곡선 구간 선로에 설치되어, 열차에 의한 선로 손상을 모니터링 할 수 있는 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.

일반적으로 곡선 구간 선로는 직선 구간 선로에 비하여 측면으로 힘이 더 작용하여 선로의 손상이 더 많이 발생할 수 있는데, 본 명세서에 개시된 발명에 의하면 열차에 의한 원심력 대비 선로의 안정여부를 상시적으로 판단할 수 있다.

본 실시 예들의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 방법의 흐름도.
도 2는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 센서부의 사용상태도.
도 3은 개시된 내용의 일 실시 예에 따라 측정된 선로의 진동 그래프.
도 4는 개시된 내용의 일 실시 예에 따라 선로의 기울기값를 측정하는 상태도.
도 5는 개시된 내용의 일 실시 예에 따라 열차의 속도값을 측정하는 개념도.
도 6은 개시된 내용의 일 실시 예에 따라 열차의 질량값을 측정하는 개념도.
도 7은 선로의 곡률반지름값을 설명하는 개념도.
도 8은 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 시스템의 구성도.
도 9는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 방법 및 시스템의 사용상태도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예들을 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 용어들을 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 개선된 곡선 구간 선로(R) 안정성 모니터링 방법의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 명세서에 개시된 발명의 일 실시 예로써, 곡선 구간 선로(R) 안정성 모니터링 방법은 상기 곡선 구간 선로(R)에 설치되는 제1센서를 통해 상기 곡선 구간 선로(R)의 진동값을 측정하는 제1단계(S100), 상기 곡선 구간 선로(R)에 설치되는 제2센서를 통해 상기 곡선 구간 선로(R)의 기울기값(40)을 측정하는 제2단계(S200), 상기 곡선 구간 선로(R)를 지나는 열차(30)의 속도값을 추출하는 제3단계(S300), 상기 곡선 구간 선로(R)를 지나는 열차(30)의 질량값을 추출하는 제4단계(S400), 상기 열차(30)의 속도값, 질량값 및 상기 제1 및 제2센서가 설치되는 곡선 구간 선로(R)의 곡률반지름값(42)을 통해 상기 곡선 구간 선로(R)에 가해지는 원심력값을 계산하는 제5단계(S500), 상기 원심력값과 상기 기울기값(40)의 비율값을 계산하는 제6단계(S600) 및 상기 비율값이 안정범위 내인 경우 제1단계(S100)로 돌아가 지속적으로 측정을 하고, 안정범위를 벗어나는 경우 경보를 하고 제1단계(S100)로 돌아가 지속적으로 측정을 하는 제7단계(S700)를 포함한다.

도 2를 참조하여 보다 상세하게 살펴보면, 제1단계(S100)는 곡선 구간 선로(R)에 설치되는 제1센서를 통해 상기 곡선 구간 선로(R)의 진동값을 측정한다. 상기 곡선 구간 선로(R)에 설치되는 제1센서는 진동값을 측정할 수 있는 센서로써 가속도센서(11)를 사용할 수 있다. 가속도센서(11)는 1축, 2축 및 3축으로 구분할 수 있으며, 상기 선로(R)의 상하방향의 진동을 측정하기 위하여 1축 가속도센서(11)를 사용할 수도 있다. 다만, 선로(R)의 진동은 한 방향으로만 발생하지 않으므로, 정확한 진동값을 추출하기 위해서는 3축 가속도센서(11)를 사용함이 바람직하다. 상기 제1센서는 가속도센서(11)를 사용하는 것이 바람직하나, 선로(R)의 진동을 측정할 수 있는 모든 센서를 포함할 수 있으며, 가속도센서(11)로 한정되지 않음은 자명하다.

상기 곡선 구간 선로(R)에 제1센서는 하나만 설치되거나 하나 이상 설치될 수 있다. 상기 제1센서를 하나만 설치하는 경우에는 상기 곡선 구간 선로(R) 중에 곡률반지름값(42)이 가장 큰 위치에 설치될 수 있다. 이는 후술하는 바와 같이 열차(30)에 의한 원심력을 가장 많이 받는 부위로써, 모니터링의 정확성을 높이기 위한 것이다. 상기 제1센서를 하나 이상 설치하는 경우에는 상기 선로(R)에 일정 간격으로 이격되어 설치될 수 있다. 이 경우에는 하나 이상의 제1센서에서 측정된 값을 병합하여 정확한 진동값을 측정할 수 있다.

상기 제1센서를 통해 측정된 선로(R)의 진동은 수치값으로 추출할 수도 있고, 도 3에 도시된 것처럼 진동의 진폭과 측정되는 시간의 관계를 그래프로 변환할 수 있다. 세로축은 선로(R)의 상하방향의 진동폭으로 지정하고, 가로축은 시간축으로 지정하여 진동값을 측정할 수 있다. 이를 통해 열차(30)가 상기 선로(R)를 지나가는 시간에 따라 선로(R)에 가해지는 상하방향의 외력을 분석할 수 있으며, 선로(R) 하부 지반의 침하 상태 등을 분석할 수도 있다.

제2단계(S200)는 상기 곡선 구간 선로(R)에 설치되는 제2센서를 통해 상기 곡선 구간 선로(R)의 기울기값(40)을 측정할 수 있다. 상기 제2센서는 선로(R)의 기울기를 측정할 수 있는 기울기센서(12)를 사용할 수 있으며, 회전각 및 기울기를 함께 측정할 수 있는 자이로 센서를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 나열한 센서로 한정되지 않으며, 선로(R)의 기울기를 측정할 수 있는 모든 센서를 포함할 수 있다. 상기 제2센서는 선로(R)의 측면에 설치될 수 있으며, 상술한 제1센서와 동일한 위치에 설치될 수 있다.

도 4를 참조하여 설명하면, 상기 제2센서는 지면으로부터 수직으로 설치되는 선로(R)의 측면에 설치되어 상기 선로(R)의 기울기값(40)을 측정한다. 기울기값(40)은 상기 선로(R)의 기울기를 수치적으로 표현한 값을 의미하며, 임의의 각도를 기준으로 얼마만큼 변화하는지를 측정하는 것이다. 예를 들면, 정상상태의 선로(R)는 지면과 90도이고, 상기 90도를 기준으로 삼는다면, 선로(R)가 지면과 100도 또는 80도가 되는 경우에는 상기 기준기울기와 현재기울기의 차이값인 10도를 상기 선로(R)의 기울기값(40)으로 측정할 수 있다. 이는 단순히 예시로써, 선로(R)의 기울기값(40)을 수치적으로 표현할 수 있는 모든 방법을 포함할 수 있다. 상기 제2센서는 상기 제1센서와 하나의 하우징에 함께 내재되어 선로(R)에 설치될 수도 있다. 상기 기울기값(40)을 측정하는 시점은 상시적으로 측정할 수도 있고, 열차(30)가 선로(R)를 지나가는 시점에 측정할 수도 있다. 후술하는 바와 같이 원심력과 선로(R)의 기울기값(40)을 비교하는 과정이 있어, 열차(30)가 지나는 시점을 기준으로 측정하는 것이 바람직할 것이다.

제3단계(S300)는 상기 곡선 구간 선로(R)를 지나는 열차(30)의 속도값을 추출할 수 있다. 후술하는 원심력값을 계산하기 위한 변수로써, 상기 제1센서 및 제2센서가 설치된 곡선 구간을 지나는 열차(30)의 속도값을 추출한다. 상기 열차(30)와 통신을 통하여 열차(30)의 속도값을 직접 전송받을 수 있고, 또는 선로(R)에 별도의 속도측정기 또는 속도측정 센서를 마련하여 선로(R)를 지나는 열차(30)의 속도를 측정할 수도 있다. 다만, 이런 경우 부수적인 구성요소가 더 필요하여 경제적이지 못할 수 있다. 이에 따라, 상술한 제1센서에 의해 측정된 진동값을 통해 속도값을 추출할 수 있다.

도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하여 설명하면, 상기 제1단계(S100)에서 측정된 상기 진동값에서 상기 열차(30)의 차륜(31)에 의해 발생되는 최대진폭(41) 간의 시간차이값과 상기 열차(30)의 차륜간의 길이값(L)을 계산하여 상기 열차(30)의 속도값을 추출할 수 있다. 상기 진동값을 분석해보면, 도 5(a)를 보면 열차(30)의 차륜(31)이 선로(R)와 맞닿는 순간에 최대진폭(41)이 발생한다. 도 5(b) 그래프에서 첫번째 최대진폭(41)이 발생하는 시간을 t0으로 두고, 두번째 최대진폭(41)이 발생하는 시간을 t1로 두면 최대진폭(41) 간의 시간차이값은 t1과 t0의 차로 계산될 수 있다.

상기 시간차이값을 구하고, 열차(30)의 차륜간의 길이값(L)을 계산하면 열차(30)의 현재 속도를 구할 수 있다.

도 5(a)에 도시된 상기 차륜간의 길이값(L)은 열차(30)의 제원에 따라 사전에 입력받을 수 있다. 상기 선로(R)를 지나는 열차(30)의 종류는 한정되어 있으므로, 사전에 입력받아 지나가는 열차(30)에 따라 차륜간의 길이값(L)을 대입하여 계산할 수 있다. 예를 들어, 상기 차륜간의 길이값(L)이 1.4m(미터)이고, 시간차이값이 0.02s(초)로 측정된 경우에는 상기 열차(30)의 속도는 70m/s로 계산될 수 있으며, 이를 시속으로 변환하면 252km/h가 된다. 상술한 단위들에 한정되지 않고 속도를 계산할 수 있는 모든 단위를 포함할 수 있다.

제4단계(S400)는 상기 곡선 구간 선로(R)를 지나는 열차(30)의 질량값을 추출할 수 있다. 후술하는 원심력값을 계산하기 위한 변수로써, 열차(30)의 현재 질량값을 추출한다. 열차(30)의 현재 질량값을 추출하는 방법으로 선로(R)에 무게측정장치를 별도로 마련하여 선로(R)를 지나가는 열차(30)의 무게를 측정할 수 있으나, 이는 별도의 구성을 포함하는 것으로써 경제적으로 바람직하지 못하다. 따라서, 일반적인 열차(30)의 질량값을 임의로 설정하여 대입하거나, 상기 열차(30)의 현재 질량값을 계산하는 방법으로써, 상기 열차(30)의 기본질량값에 열차(30)의 탑승인원만큼의 추가질량값을 더하여 현재 열차(30)의 질량값을 추출할 수 있다. 총 10량 내지 20량으로 구성된 열차(30)의 총 질량을 상기 질량값으로 추출할 수도 있으나, 원심력값을 추출하는 선로(R)는 한정된 범위이므로, 열차(30)의 최소단위인 1량 당 질량을 상기 질량값으로 추출하는 것이 보다 정확하다. 1량을 기준으로 예를 들어보면, 상기 열차(30)의 1량의 기본질량값과 열차(30)의 탑승인원수를 사전에 입력받아 1량의 기본질량값 약 40톤과 열차(30)의 1인 평균 질량인 65kg과 탑승인원수를 곱한 추가질량값을 합하여 현재 열차(30)의 질량값을 계산할 수 있다. 상기 기본질량값과 1인 평균 질량으로 계산된 추가질량값은 설정에 의해 변경할 수 있으며, 상기 수치로 한정되지 않는다.

상기 열차(30)의 질량값을 추출하는 다른 방법으로는, 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 것처럼 상기 제1단계(S100)에서 측정된 상기 진동값에서 진폭의 변화량을 통해 상기 열차(30)의 질량값을 추출할 수도 있다. 일반적으로 열차(30)가 선로(R)를 지나가면 진동이 발생하고, 열차(30)의 질량에 따라 진동의 폭은 변화한다. 선로(R)는 상시적으로 상하 약 2mm 정도의 진동이 발생하는데, 열차(30)가 지나갈 때는 약 20~35mm 정도의 폭으로 상하진동이 발생한다. 이는 열차(30)의 무게에 따라 달라지는 수치로써, 열차(30)의 기본질량값에 따른 진동폭을 기준으로, 진동폭의 변화량과 열차(30) 질량의 관계식을 수립하여 열차(30)의 현재 질량값을 추출할 수 있다. 예를 들어, 도 6(a)에 도시된 것처럼 열차(30)의 1량의 기본질량값 약 40톤에 대해서는 상기 선로(R)의 상하 진동폭이 약 28mm이고, 추가질량값 1톤이 추가될 때마다 선로(R)의 상하 진동폭이 약 1mm씩 증가하는 경우, 도 6(b)에 측정된 선로(R)의 상하 진동폭이 약 30mm인 경우 상기 열차(30)의 현재 질량값을 약 42톤으로 추정 및 추출할 수 있다. 상기 진동폭은 한 주기를 기준으로 추출할 수 있으나, 이는 다소 부정확할 수 있다. 따라서, 일정주기의 진동을 모두 추출한 후 평균값을 계산하여 상기 진동폭을 추출할 수 있다. 바람직하게는 센서부(10)가 설치된 곡선 구간 선로(R)를 지나는 열차(30)가 모두 지나간 후에 모든 주기를 포함한 평균값을 기초로 계산하는 것이 보다 정확할 것이다.

제5단계(S500)는 상기 열차(30)의 속도값, 질량값 및 상기 제1 및 제2센서가 설치되는 곡선 구간 선로(R)의 곡률반지름값(42)을 통해 상기 곡선 구간 선로(R)에 가해지는 원심력값을 계산할 수 있다. 원심력값을 구하는 공식은 아래와 같다.

상기 곡률반지름값(42)이란, 도 7에 도시된 것처럼 곡선 구간 선로(R) 중 센서부(10)가 부착되는 지점을 지나는 곡선과 같은 정도로 휘어지는 가상의 원의 반지름을 의미한다.

상기 열차(30)의 속도값, 질량값은 상기 제3, 4단계에서 추출한 값을 사용하고, 상기 제1 및 제2센서가 설치되는 곡선 구간 선로(R)의 곡률반지름값(42)은 설치되는 장소의 설계도에 따라 미리 입력/설정할 수 있다. 선로(R)는 주행하는 열차(30)의 속도에 따라 고속선, 1급선, 2급선, 3급선, 4급선으로 구분되는데, 각 분류에 따라 권장되는 곡선 반경이 정해져 있다.

상술한 바와 같이, 선로(R)의 설계는 사전에 계획되어 있으며, 선로(R)의 곡선반경 즉, 곡률반지름값(42)은 항상 정해져 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명의 일 실시 예로써, 센서가 설치되는 선로(R)의 곡률반지름값(42)은 이미 정해져 있고, 어렵지 않게 알아낼 수 있다.

예를 들어, 열차(30)의 질량값이 40톤 즉, 40000kg이고, 속도값은 250km/h를 변환하여 69.4m/s, 곡률반지름값(42)은 5000m인 경우의 원심력값은 약 38.53kN으로 계산될 수 있다. 상술한 값들의 단위는 편의에 따라 변화될 수 있으며, 상술한 단위에 한정되지 않는다.

제6단계(S600)는 상기 원심력값과 상기 기울기값(40)의 비율값을 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 목적은 곡선 구간 선로(R)에 가해지는 원심력에 비해 과도하게 기울어지는 것을 모니터링하기 위한 것으로써, 기준값을 만들기 위하여 상기 원심력값과 상기 기울기값(40)의 비율값을 계산할 수 있다. 열차(30)의 질량에 따라 선로(R)의 기울기는 변화될 수 있으므로, 기울기값(40)만으로 안정성을 판단하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 열차(30)의 질량에 따른 원심력과 선로(R)의 기울기와의 관계식을 수립하여 안정성 판단 기준값을 정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 원심력값은 kN단위를 기준으로, 기울기값(40)은 도 단위를 기준으로 비율값을 계산할 수 있고, 원심력값이 40kN이고, 기울기값(40)이 5도인 경우, 상기 비율값은 8 또는 1/8 이 될 수 있다.

제7단계(S700)는 상기 비율값이 안정범위 내인 경우 제1단계(S100)로 돌아가 지속적으로 측정을 하고, 안정범위를 벗어나는 경우 경보를 하고 제1단계(S100)로 돌아가 지속적으로 측정을 할 수 있다. 상기 비율값을 기준으로 선로(R)의 안정상태를 판단하는 것으로써, 상기 비율값이 사전에 설정된 안정범위를 벗어나는 경우 관리자에게 보수 등 조치를 취할 수 있도록 경보를 할 수 있다. 경보는 관리자가 사용하는 휴대용 단말기, 데스크탑 등으로 메세지를 송신하거나, LED 또는 스피커 등 사람의 오감을 통해 전달할 수 있는 모든 요소로 경보할 수 있다. 상기 안정범위는 정상상태에서의 비율값을 기준으로 오차범위를 설정하는 것이다. 현실적으로 원심력 대비 선로(R)의 기울기가 언제나 정확한 수치를 나타내기는 어려우므로 정상상태로 볼 수 있는 안정범위를 두어 오판을 방지할 수 있다. 예를 들어 정상상태의 비율값이 8인 경우, 상하 범위 10%로 7.2 ~ 8.8 까지를 안정범위로 설정할 수 있고, 상기 비율값을 안정범위와 비교하여 안정범위 내인 경우에는 안정상태로 판단하고, 안정범위를 벗어나는 경우에는 경보를 한 후 다시 제1단계(S100)로 돌아가 지속적으로 모니터링할 수 있다.

이하에는 첨부된 도면을 참조하여 곡선 구간 선로(R)의 안정성을 모니터링하는 시스템에 관하여 설명한다.

도 8에 도시된 것처럼 본 명세서에 개시된 발명의 일 실시 예로써, 곡선 구간 선로(R) 안정성 모니터링 시스템은 곡선 구간 선로(R)에 설치되어 상기 선로(R)의 물리값을 측정하는 센서부(10) 및 상기 센서부(10)가 측정한 상기 선로(R)의 물리값을 분석하는 본체부(20)를 포함하되, 상기 본체부(20)는, 상기 센서부(10)에서 측정한 상기 선로(R)의 물리값에서 진동값을 추출하는 진동분석부(21), 상기 센서부(10)에서 측정한 상기 선로(R)의 물리값에서 상기 선로(R)의 기울기값(40)을 추출하는 기울기분석부(22), 상기 선로(R)를 지나는 열차(30)의 속도값을 추출하는 속도분석부(23), 상기 선로(R)를 지나는 열차(30)의 질량값을 추출하는 질량분석부(24), 상기 열차(30)의 속도값, 질량값 및 상기 센서부(10)가 설치되는 곡선 구간 선로(R)의 곡률반지름값(42)을 통해 상기 선로(R)에 가해지는 원심력값을 계산하는 원심력분석부(25), 상기 선로(R)의 기울기값(40)과 상기 선로(R)에 가해지는 원심력값을 비교하여 안정상태 또는 불안정상태를 판단하는 안정성분석부(26) 및 상기 안정성분석부(26)에서 불안정상태로 판단되면 경보메세지를 출력하는 경보알람부(27)를 포함한다.

보다 상세하게 살펴보면, 도 2에 도시된 것처럼 상기 센서부(10)는 곡선 구간 선로(R)에 설치되어 선로(R)의 물리값을 측정한다. 상기 물리값은 상하방향의 진동값과 선로(R)의 기울기값(40)을 포함할 수 있다. 상기 센서부(10)는 진동값을 측정할 수 있는 진동센서로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 가속도센서(11)로 구성될 수 있다. 상하방향만을 측정하는 경우에는 1축 가속도센서(11)로 충분하나, 진동의 정확성을 향상시키기 위하여 다방향에서의 진동을 측정할 수 있는 3축 가속도센서(11)를 사용할 수도 있다.

또한, 상기 선로(R)의 기울기값(40)을 측정하기 위한 기울기센서(12)를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 자이로센서로 구성될 수 있다. 선로(R)의 기울기는 한방향으로만 기울어지므로, 1축 자이로센서로 구성될 수 있으나, 기울기값(40)을 정확하게 측정할 수 있도록 3축 자이로센서로 구성될 수도 있다.

상기 센서부(10)는 곡선 구간 선로(R)에 하나만 설치되거나 하나 이상 설치될 수 있다. 하나만 설치되는 경우에는 상기 곡선 구간 선로(R) 중에 곡률반지름이 가장 큰 위치에 설치될 수 있다. 이는 후술하는 바와 같이 열차(30)에 의한 원심력을 가장 많이 받는 부위로써, 모니터링의 정확성을 높이기 위한 것이다.

상기 본체부(20)는 진동분석부(21), 기울기분석부(22), 속도분석부(23), 질량분석부(24), 원심력분석부(25), 안정성분석부(26) 및 경보알람부(27)를 포함하여 상기 센서부(10)가 측정한 상기 선로(R)의 물리값을 분석 및 모니터링 한다.

상기 진동분석부(21)는 상기 센서부(10)에서 측정한 상기 선로(R)의 물리값에서 진동값을 추출한다. 선로(R)에 설치된 센서에 따라 상하, 좌우 등의 진동을 추출할 수 있으며, 후술하는 열차(30)의 속도값을 추출하기 위하여 상하방향의 진동을 정밀하게 추출 및 분석하는 것이 바람직하다. 센서에 의하여 측정된 진동값은 아날로그 신호이므로, ADC 즉, 아날로그 디지털 컨버팅을 통해 수치로 변환할 수 있다. 이는 추후 디스플레이장치를 통해 수치적으로 표현할 수도 있으며, 도 3에 도시된 것처럼 가로축은 시간, 세로축은 진동의 세기로 이루어진 그래프 형식으로도 표현할 수도 있다. 시간에 따른 진동의 세기를 분석하여 후술하는 바와 같이 열차(30)의 속도값을 계산할 수 있다.

상기 기울기분석부(22)는 상기 센서부(10)에서 측정한 상기 선로(R)의 물리값에서 기울기값(40)을 추출한다. 도 4에 도시된 것처럼 안정상태에서의 선로(R)의 기울기를 기준점으로 두고 각도의 변화량을 기울기값(40)으로 추출할 수 있다. 곡선 구간의 선로(R)는 각 곡률반지름에 따라 캔트를 달리하고 있으므로, 지면으로부터 수직인 방향이 항상 안정상태를 의미하는 것은 아니다. 따라서 본 발명이 적용되는 선로(R)에 따라 안정상태의 기준점을 설정하고 해당 기준점으로부터 각도의 변화량을 기울기값(40)으로 추출하는 것이 바람직하다. 기울기값(40) 또한, 센서에 의해 측정되는 것은 아날로그 신호이므로 ADC를 통해 디지털값으로 변환할 수 있다.

상기 속도분석부(23)는 상기 선로(R)를 지나는 열차(30)의 속도값을 추출할 수 있다. 후술하는 원심력값을 계산하기 위한 변수로써, 상기 열차(30)와 통신을 통하여 열차(30)의 속도값을 직접 전송받을 수 있고, 또는 선로(R)에 별도의 속도측정기 또는 속도측정센서를 마련하여 선로(R)를 지나는 열차(30)의 속도를 측정할 수도 있다. 또는, 도 5(a), 도 5(b)에 도시된 것처럼 상기 진동분석부(21)에서 추출한 진동값에서 상기 열차(30)의 차륜(31)에 의해 발생되는 최대진폭(41) 간의 시간차이값과 상기 열차(30)의 차륜간의 길이값(L)을 계산하여 상기 열차(30)의 속도값을 추출할 수 있다. 상기 진동값을 분석해보면, 열차(30)의 차륜(31)이 선로(R)와 맞닿는 순간에 최대진폭(41)이 발생한다. 그래프로 설명을 하면 첫번째 최대진폭(41)이 발생하는 시간을 t0으로 두고, 두번째 최대진폭(41)이 발생하는 시간을 t1로 두면 최대진폭(41) 간의 시간차이값은 t1과 t0의 차로 계산될 수 있다.

상술한 수학식 1을 살펴보면 아래와 같고,

상기 시간차이값을 구한 후, 열차(30)의 차륜간의 길이값(L)을 계산하면 열차(30)의 현재 속도값을 구할 수 있다.

상기 차륜간의 길이값(L)은 열차(30)의 제원에 따라 사전에 입력받을 수 있다. 상기 선로(R)를 지나는 열차(30)의 종류는 한정되어 있으므로, 사전에 입력받아 지나가는 열차(30)에 따라 차륜간의 길이값(L)을 대입하여 계산할 수 있다. 예를 들어, 상기 차륜간의 길이값(L)이 1.4m(미터)이고, 시간차이값이 0.02s(초)로 측정된 경우에는 상기 열차(30)의 속도는 70m/s로 계산될 수 있으며, 이를 시속으로 변환하면 252km/h가 된다.

상기 질량분석부(24)는 상기 선로(R)를 지나는 열차(30)의 질량값을 추출한다. 후술하는 원심력값을 계산하기 위한 변수로써, 선로(R)에 별도의 무게측정장치를 마련하여 선로(R)를 지나가는 열차(30)의 무게를 측정할 수 있으나, 이는 경제적으로 바람직하지 못하다. 따라서, 일반적인 열차(30)의 질량값을 임의로 설정하여 대입하거나, 상기 열차(30)의 현재 질량값을 계산하는 방법으로써, 상기 열차(30)의 기본질량값에 열차(30)의 탑승인원만큼의 추가질량값을 더하여 현재 열차(30)의 질량값을 추출할 수 있다. 총 10량 내지 20량으로 구성된 열차(30)의 총 질량을 상기 질량값으로 추출할 수도 있으나, 원심력 값을 추출하는 선로(R)는 한정된 범위이므로, 열차(30)의 최소단위인 1량 당 질량을 상기 질량값으로 추출하는 것이 보다 정확하다. 1량을 기준으로 예를 들어보면, 상기 열차(30)의 1량의 기본질량값과 열차(30)의 탑승인원수를 사전에 입력받아 1량의 기본질량값 약 40톤과 열차(30)의 1인 평균 질량인 65kg과 탑승인원수를 곱한 추가질량값을 합하여 현재 열차(30)의 질량값을 계산할 수 있다. 상기 기본질량값과 1인 평균 질량으로 계산된 추가질량값은 설정에 의해 변경할 수 있으며, 상기 수치로 한정되지 않는다.

상기 열차(30)의 질량값을 추출하는 다른 방법으로는, 도 6에 도시된 것처럼 상기 진동값에서 진폭의 변화량을 통해 상기 열차(30)의 질량값을 추출할 수도 있다. 일반적으로 열차(30)가 선로(R)를 지나가면 진동이 발생하고, 열차(30)의 질량에 따라 진동의 폭은 변화한다. 선로(R)는 상시적으로 상하 약 2mm 정도의 진동이 발생하는데, 열차(30)가 지나갈 때는 약 20~35mm 정도의 폭으로 상하진동이 발생한다. 이는 열차(30)의 무게에 따라 달라지는 수치로써, 열차(30)의 기본질량값에 따른 진동폭을 기준으로, 진동폭의 변화량과 열차(30) 질량의 관계식을 수립하여 열차(30)의 현재 질량값을 추출할 수 있다. 예를 들어, 도 6(a)에 도시된 것처럼 열차(30)의 1량의 기본질량값 약 40톤에 대해서는 상기 선로(R)의 상하 진동폭이 약 28mm이고, 추가질량값 1통이 추가될 때마다 선로(R)의 상하 진동폭이 약 1mm씩 증가하는 경우, 도 6(b)에 측정된 선로(R)의 상하 진동폭이 약 30mm인 경우 상기 열차(30)의 현재 질량값을 약 42톤으로 추정 및 추출할 수 있다. 상기 진동폭은 한 주기를 기준으로 추출할 수 있으나, 이는 다소 부정확할 수 있다. 따라서, 일정주기의 진동을 모두 추출한 후 평균값을 계산하여 상기 진동폭을 추출할 수 있다. 바람직하게는 센서부(10)가 설치된 곡선 구간 선로(R)를 지나는 열차(30)가 모두 지나간 후에 모든 주기를 포함한 평균값을 기초로 계산하는 것이 보다 정확할 것이다. 상술한 관계식은 예로써, 이에 한정되지 않으며, 추후 빅데이터 분석을 통해 정밀한 관계식을 수립할 수 있고 그를 통해 정확한 질량값을 추출할 수 있다.

상기 원심력분석부(25)는 상기 열차(30)의 속도값, 질량값 및 상기 센서부(10)가 설치되는 곡선 구간 선로(R)의 곡률반지름값(42)을 통해 상기 선로(R)에 가해지는 원심력값을 계산할 수 있다. 원심력값을 구하는 공식은 아래와 같다.

상기 곡률반지름값(42)이란, 도 7에 도시된 것처럼 곡선 구간 선로(R) 중 센서부(10)가 부착되는 지점을 지나는 곡선과 같은 정도로 휘어지는 가상의 원의 반지름을 의미한다.

상기 열차(30)의 속도값, 질량값은 상기 속도분석부(23) 및 질량분석부(24)에서 추출한 값을 사용하고, 상기 센서부(10)가 설치되는 곡선 구간 선로(R)의 곡률반지름값(42)은 설치되는 장소의 설계도에 따라 미리 입력/설정할 수 있다. 선로(R)는 주행하는 열차(30)의 속도에 따라 고속선, 1급선, 2급선, 3급선, 4급선으로 구분되는데, 각 분류에 따라 권장되는 곡선 반경이 정해져 있다.

상술한 바와 같이, 선로(R)의 설계는 사전에 계획되어 있으며, 선로(R)의 곡선반경 즉, 곡률반지름값(42)은 항상 정해져 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명의 일 실시 예로써, 센서부(10)가 설치되는 선로(R)의 곡률반지름값(42)은 이미 정해져 있고, 어렵지 않게 알아낼 수 있다.

예를 들어, 열차(30)의 질량값이 40톤 즉, 40000kg이고, 속도값은 250km/h를 변환하여 69.4m/s, 곡률반지름값(42)은 5000m인 경우의 원심력값은 약 38.53kN으로 계산될 수 있다. 상술한 값들의 단위는 편의에 따라 변화될 수 있으며, 상술한 단위에 한정되지 않는다.

상기 안정성분석부(26)는 상기 선로(R)의 기울기값(40)과 상기 선로(R)에 가해지는 원심력값을 비교하여 안정상태 또는 불안정상태를 판단할 수 있다. 선로(R)에 가해지는 원심력에 비해 상기 선로(R)가 과도하게 기울어지면, 안정상태를 벗어나는 것으로써, 상호 비교하여 선로(R)의 안정여부를 판단할 수 있다. 일 실시 예로써, 상기 선로(R)의 기울기값(40)과 상기 선로(R)에 가해지는 원심력값을 비교하기 위한 기준으로써 비율값을 계산할 수 있다. 열차(30)의 질량에 따라 선로(R)의 기울기는 변화될 수 있으므로, 기울기값(40)만으로 안정성을 판단하는 것은 바람직하지 않고, 선로(R)의 기울기와 선로(R)에 가해지는 원심력값의 비율값을 계산하여 안정성을 판단하는 것이 바람직하다. 예를 들어 설명하면, 원심력값은 kN단위를 기준으로, 기울기값(40)은 도 단위를 기준으로 비율값을 계산할 수 있고, 원심력값이 40kN이고, 기울기값(40)이 5도인 경우, 상기 비율값은 8 또는 1/8이 될 수 있다. 또한, 정상상태에서의 비율값을 기준으로 안정범위를 설정하고, 상기 비율값과 안정범위를 비교하여, 안정상태 또는 불안정상태를 판단할 수 있다. 상기 안정범위는 정상상태의 비율값을 기준으로 임의의 오차범위까지 포함하도록 설정할 수 있다. 현실적으로 원심력 대비 선로(R)의 기울기가 언제나 정확한 수치를 나타내기는 어려우므로 정상상태로 볼 수 있는 안정범위를 두어 오판을 방지할 수 있다. 예를 들어, 정상상태의 비율값이 8인 경우, 상하 범위 10%로 7.2 ~ 8.8 까지를 안정범위로 설정할 수 있고, 상기 비율값을 안정범위와 비교하여 안정범위 내인 경우에는 안정상태로 판단하고, 안정범위를 벗어나는 경우에는 불안정상태로 판단할 수 있다.

상기 경보알람부(27)에서는 상기 안정성분석부(26)에서 불안정상태로 판단되면 경보메세지를 출력할 수 있다. 불안정상태로 판단되는 경우에는 관리자가 해당 선로(R)를 점검 또는 보수하는 등 후속조치가 필요한 것이므로, 관리자가 조치를 취할 수 있도록 경보메세지를 출력하는 것이다. 상기 경보메세지는 관리자가 사용하는 휴대용 단말기, 데스크탑 등으로 메세지를 송신하거나, LED 또는 스피커 등 사람의 오감을 통해 전달할 수 있는 모든 요소로 경보할 수 있다.

도 9는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 곡선 구간 선로(R) 안정성 모니터링 방법 및 시스템의 사용상태도로써, 전체 선로(R)의 곡선 구간마다 상기 센서부(10)를 설치하고, 각 센서부(10)가 본체부(20)와 연결되어 곡선 구간 선로(R)의 통합적인 모니터링이 가능하도록 실시할 수 있다.

개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 않는다.

R : 선로
L : 차륜간의 길이값
10 : 센서부
11 : 가속도센서
12 : 기울기센서
20 : 본체부
21 : 진동분석부
22 : 기울기분석부
23 : 속도분석부
24 : 질량분석부
25 : 원심력분석부
26 : 안정성분석부
27 : 경보알람부
30 : 열차
31 : 차륜
40 : 기울기값
41 : 최대진폭
42 : 곡률반지름값

Claims (9)

1. 곡선 구간 선로의 안정성을 모니터링하는 방법에 있어서,
   상기 곡선 구간 선로에 설치되는 제1센서를 통해 상기 곡선 구간 선로의 진동값을 측정하는 제1단계;
   상기 곡선 구간 선로에 설치되는 제2센서를 통해 상기 곡선 구간 선로의 기울기값을 측정하는 제2단계;
   상기 곡선 구간 선로를 지나는 열차의 속도값을 추출하는 제3단계;
   상기 곡선 구간 선로를 지나는 열차의 질량값을 추출하는 제4단계;
   상기 열차의 속도값, 질량값 및 상기 제1 및 제2센서가 설치되는 곡선 구간 선로의 곡률반지름값을 통해 상기 곡선 구간 선로에 가해지는 원심력값을 계산하는 제5단계;
   상기 원심력값과 상기 기울기값의 비율값을 계산하는 제6단계; 및
   상기 비율값이 안정범위 내인 경우 제1단계로 돌아가 지속적으로 측정을 하고, 안정범위를 벗어나는 경우 경보를 하고 제1단계로 돌아가 지속적으로 측정을 하는 제7단계;
   를 포함하며,
   
   상기 제3단계는 상기 제1단계에서 측정된 상기 진동값에서 상기 열차의 차륜에 의해 발생되는 최대진폭 간의 시간차이값과 상기 열차의 차륜간의 길이값을 계산하여 상기 열차의 속도값을 추출하고,
   상기 열차의 속도값을 추출하는 데 있어, 첫번째 최대진폭이 발생하는 시간을 t0으로 설정하고, 두번째 최대진폭이 발생하는 시간을 t1로 설정하며, 다음 수학식 1에 따라,
   [수학식 1]
   

   

   
   상기 시간차이값을 구하고,
   다음 수학식 2에 따라 열차의 차륜간의 길이값을 이용하여 열차의 현재 속도를 구하며,
   [수학식 2]
   

   

   
   
   상기 제4단계에서 상기 열차의 질량값은 상기 제1단계에서 측정된 상기 진동값에서 진폭의 변화량을 통해 추출하며, 상기 진동값에서 진폭의 변화량은 센서가 설치된 곡선 구간 선로를 열차가 지나가는데 걸린 모든 주기들에서의 평균값을 기초로 계산하는 것을 특징으로 하는 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 곡선 구간 선로에 설치되어 상기 선로의 물리값을 측정하는 센서부; 및
   상기 센서부가 측정한 상기 선로의 물리값을 분석하는 본체부; 를 포함하되,
   상기 본체부는,
   상기 센서부에서 측정한 상기 선로의 물리값에서 진동값을 추출하는 진동분석부;
   상기 센서부에서 측정한 상기 선로의 물리값에서 상기 선로의 기울기값을 추출하는 기울기분석부;
   상기 선로를 지나는 열차의 속도값을 추출하는 속도분석부;
   상기 선로를 지나는 열차의 질량값을 추출하는 질량분석부;
   상기 열차의 속도값, 질량값 및 상기 센서부가 설치되는 곡선 구간 선로의 곡률반지름값을 통해 상기 선로에 가해지는 원심력값을 계산하는 원심력분석부;
   상기 선로의 기울기값과 상기 선로에 가해지는 원심력값을 비교하여 안정상태 또는 불안정상태를 판단하는 안정성분석부; 및
   상기 안정성분석부에서 불안정상태로 판단되면 경보메세지를 출력하는 경보알람부;
   를 포함하며,
   
   상기 안정성분석부는 상기 선로의 기울기값과 상기 선로에 가해지는 원심력값의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 안정범위 내인 경우 안정상태로 판단하고, 상기 비율값이 안정범위를 벗어나는 경우 불안정상태로 판단하며,
   
   상기 속도분석부는 상기 진동분석부에서 추출된 진동값에서 상기 열차의 차륜에 의해 발생되는 최대진폭 간의 시간차이값과 상기 열차의 차륜간의 길이값을 계산하여 상기 열차의 속도값을 추출하며,
   상기 열차의 속도값을 추출하는 데 있어, 첫번째 최대진폭이 발생하는 시간을 t0으로 설정하고, 두번째 최대진폭이 발생하는 시간을 t1로 설정하며, 다음 수학식 1에 따라,
   [수학식 1]
   

   

   
   상기 시간차이값을 구하고,
   다음 수학식 2에 따라 열차의 차륜간의 길이값을 이용하여 열차의 현재 속도를 구하며,
   [수학식 2]
   

   

   
   
   상기 질량분석부는 상기 진동분석부에서 추출된 진동값에서 진폭의 변화량을 통해 상기 열차의 질량값을 추출하며, 상기 진동값에서 진폭의 변화량은 센서가 설치된 곡선 구간 선로를 열차가 지나가는데 걸린 모든 주기들에서의 평균값을 기초로 계산하는 것을 특징으로 하는 곡선 구간 선로 안정성 모니터링 시스템.
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