KR102261779B1 - 열차의 대차불안정 상태 감지시스템 및 감지방법 - Google Patents

열차의 대차불안정 상태 감지시스템 및 감지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은, 열차의 대차에 구비된 적어도 하나의 진동가속도계를 이용하여 진동가속도에 관한 아날로그 신호를 측정하는 측정부; 측정된 상기 아날로그 신호 중 적어도 일부를 필터링하는 필터부; 필터링된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부; 기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는 분석부; 및 분석된 상기 디지털 신호를 상기 열차에 구비된 제어부(TPU, Trailer Processing Unit)로 송신하는 통신부;를 포함하는 열차의 대차불안정 상태 감지시스템 및 감지방법을 제공한다.

Description

열차의 대차불안정 상태 감지시스템 및 감지방법{A SYSTEM AND A METHOD FOR DETECTING A BOGIE HUNTING AND SAFETY CONDITION OF A TRAIN}
본 발명은 열차의 대차불안정 상태 감지시스템 및 감지방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 신호의 측정, 변환, 분석, 제공을 포함하는 일련의 과정이 신속하게 이루어지도록 함과 동시에 이러한 과정에서 불가피하게 발생하는 오차율을 줄임으로써 정확성, 신뢰성을 확보할 수 있는 열차의 대차불안정 상태 감지시스템 및 감지방법에 관한 것이다.
열차를 운행하는데 있어서 속도와 안전은 중요한 요소이다. TSI(technical specifications for interoperability) 규격 및 철도안전법에도 명시되어 있듯이 운전사는 주행장치의 불안정 정보를 인지할 수 있어야 하고, 우리나라의 경우에 고속열차가 주행장치의 불안정 정보를 인지하면 고속선로에서 270km/h 속도 제한을 받게 되며 지속적 발생 시 더 낮은 속도로 감속 운행 하게 된다. 이는 주행장치에 문제가 발생할 경우 차량 파손 및 탈선으로 인한 인명 피해를 예방, 최소화하기 위함이다. 하지만 주행장치의 불안정 상태를 인지하는 기기의 오감지 및 다른 이유로 대차불안정이 감지된다면 정상 상황인데도 불구하고 차량은 감속 운행을 하게 된다.
열차는 쾌적하고 안정적인 주행이 무엇보다 중요하며 이는 차량의 특성 해석과 이를 근간으로 하는 정확한 설계, 및 정밀한 제작에 의해 구현될 수 있다. 이러한 설계 및 제작에도 불구하고 열차가 주행하는 선로의 상태, 차량의 차륜, 댐퍼, 서스펜션, 열차의 사행주행 운동으로 인한 열차의 횡방향 진동 등은 열차의 안전 운행에 악영향을 미치는 요소로 작용한다.
열차에서는 열차의 대차에 발생하는 횡진동을 감지하여 일정 속도 이상에서 횡진동이 허용치 이상으로 발생하게 되면 열차의 속도를 규정 속도 이하로 줄여서 운행하도록 하고 있다. 이러한 대차불안정 감지방법은 열차의 대차에 발생되는 횡진동을 감지할 수는 있으나 진동이 발생한 위치에 대한 정보는 제공하지 않으므로 동일한 지점에서 여러가지 이유로 인해 진동이 계속 발생하더라도 정확한 위치를 찾아 원인을 발견하기 어려운 문제가 있다.
또한, 열차의 운행 시 열차의 진동에 따른 대차불안정으로 인해 열차의 속도를 감속하여 운행하게 되면 이 영향이 후속 열차의 운행에도 미치므로 진동의 원인을 근본적으로 해결하도록 유효한 정보를 제공할 필요가 있다. 특히, 진동에너지를 검출하기 위해 가속도센서를 사용하며 차량의 진동에 의해 발생하는 진동에너지가 큰 경우 운행하는 차량의 안전에 영향을 미치므로 이 신호를 검출하여 안정적으로 제어부(TPU, Trailer Processing Unit)로 전달하여 대차불안정을 판단하도록 할 필요가 있다.
관련하여, 한국등록특허 제10-0993015호 및 10-1049038호는 고속열차에서 발생하는 낮은 주파수의 진동을 감지하는 가속도센서와, 상기 가속도센서에서 발생되는 전압신호를 주파수신호로 변환하여 출력하는 신호검출부, 상기 신호검출부로부터 전달되는 주파수신호를 증폭하여 차량제어부에 전달하는 신호전송부를 포함하는 대차불안정 감지센서를 개시한다.
다만, 이 경우 센서에 의해 제공된 최초의 신호가 전압의 형태를 가지며, 이러한 전압을 주파수로 변환하고, 변환된 주파수를 증폭시키기 위한 별도의 장치 내지 모듈을 필요로 하므로, 최초의 신호가 이러한 장치 내지 모듈을 통과하면서 임의로 감쇠되어 대차불안정 감지에 대한 오차율이 높아지는 문제가 있다. 또한, 최초의 신호, 변환 및 증폭된 신호 등이 모두 아날로그 방식으로 전송되므로 신호의 처리 및 전송에 대한 속도 및 효율이 저하되는 문제가 있다.
구체적으로, 철도용품 공사규격서-고속차량 대차불안정 감지센서(KRCS B355 04)에 따르면, 변환 주파수의 허용 범위는 0.8G에 대해 54kHz±0.4kHz(허용 오차)이고, -0.8G에 대해 46kHz±0.4kHz(허용 오차)이다(0G의 주파수는 50kHz임). 이는 전압-주파수 변환 시 신호 송신에 대한 오차이고, 동일한 변환시스템을 고려할 때, 주파수-전압 변환 시 신호 수신에 대한 허용 오차 또한 ±0.4kHz이므로, 신호의 송신 및 수신에 수반되는 허용 오차율은 전체적으로 약 20%(=0.8kHz/4kHz*100)에 이른다.
한편, 한국등록특허 제10-0921547호, 제10-1259088호, 제10-1250228호, 한국공개특허 제10-2011-0130073호 등은 차량의 대차에 설치된 가속도계에 의해 제공된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 처리, 전달하는 시스템을 개시하나, 상기 가속도계에 의해 제공된 아날로그 신호가 노이즈를 포함한 상태로 디지털 신호 변환을 위한 장치 내지 모듈에 입력되므로, 신호 변환 시 부하가 증가하여 시스템의 전체적인 정확성, 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다. 특히, 한국등록특허 제10-1250228호는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 다음, 변환된 디지털 신호를 필터링하는 신호처리부를 개시하나, 노이즈 필터링이 변환 후 이루어지므로 상기와 같은 문제를 해결하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 대차불안정에 관한 신호를 측정, 변환, 분석, 전달하는 일련의 과정에서 발생하는 오차율을 감소시켜 정확성, 신뢰성을 확보할 수 있고, 이러한 과정의 처리에 소요되는 시간을 현저히 단축시킬 수 있는 열차의 대차불안정 상태 감지시스템 및 감지방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 열차의 대차에 구비된 적어도 하나의 진동가속도계를 이용하여 진동가속도에 관한 아날로그 신호를 측정하는 측정부; 측정된 상기 아날로그 신호 중 적어도 일부를 필터링하는 필터부; 필터링된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부; 기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는 분석부; 및 분석된 상기 디지털 신호를 상기 열차에 구비된 제어부(TPU, Trailer Processing Unit)로 송신하는 통신부;를 포함하는 열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 진동가속도계는 상기 대차의 횡방향 진동가속도, 종방향 진동가속도 및 상하방향 진동가속도 중 적어도 하나에 관한 아날로그 신호를 측정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 측정부는 상기 대차의 기계적 변형에 관한 아날로그 신호를 측정하는 변형계(strain gauge)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 필터부는 상기 아날로그 신호 중 기설정된 주파수 이하의 신호를 통과시키는 적어도 하나의 저역 필터(LPF, Low Pass Filter)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 변환부에서 하기 식으로 표시되는 오차율은 10% 이하일 수 있다.
<식>
오차율(%) = │{(아날로그 신호)-(디지털 신호)}/(디지털 신호)│ * 100
일 실시예에 있어서, 상기 분석부는 GPS 모듈을 더 포함할 수 있고, 상기 분석부는 상기 GPS 모듈에 의해 제공된 상기 열차의 위치정보에 기반하여 상기 열차가 위치한 선로에서의 변환된 상기 디지털 신호를 분석할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분석부는 상기 측정부, 상기 필터부, 상기 변환부 및 상기 분석부 중 적어도 하나로부터 제공된 데이터 중 적어도 일부를 입력값으로 하여 학습된 인공신경망을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 통신부 및 상기 제어부는 유선으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열차의 대차불안정 상태 감지시스템은 신호 증폭기, 전압-주파수 변환기 및 주파수-전압 변환기 중 적어도 하나를 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 이용하는 열차의 대차불안정 상태 감지방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 열차의 대차불안정 상태 감지시스템은, 열차의 대차에 구비된 적어도 하나의 진동가속도계를 이용하여 진동가속도에 관한 아날로그 신호를 측정하는 측정부; 측정된 상기 아날로그 신호 중 적어도 일부를 필터링하는 필터부; 필터링된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부; 기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는 분석부; 및 분석된 상기 디지털 신호를 상기 열차에 구비된 제어부(TPU, Trailer Processing Unit)로 송신하는 통신부;를 포함함으로써, 대차불안정 상태에 관한 신호를 측정, 변환, 분석, 전달하는 일련의 과정에서 발생하는 오차율을 감소시켜 정확성, 신뢰성을 확보할 수 있고, 이러한 과정의 처리에 소요되는 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 속열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석부를 나타낸다.
도 3은 종래의 열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 나타낸다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 나타낸다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 열차의 대차불안정 상태 감지시스템은, 열차의 대차에 구비된 적어도 하나의 진동가속도계를 이용하여 진동가속도에 관한 아날로그 신호를 측정하는 측정부(100); 측정된 상기 아날로그 신호 중 적어도 일부를 필터링하는 필터부(200); 필터링된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부(300); 기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는 분석부(400); 및 분석된 상기 디지털 신호를 상기 열차에 구비된 제어부(TPU, Trailer Processing Unit)로 송신하는 통신부(500);를 포함할 수 있다.
상기 측정부(100)는 열차의 대차 중 적어도 일부, 예를 들어, 대차 그 자체 또는 열차의 대차시스템을 구성하여 대차불안정 상태를 감지하기 위한 데이터 소스인 진동 등을 유발하는 기어박스, 트랙션모터와 같은 하위 구성에 직접 설치된 적어도 하나의 진동가속도계를 포함할 수 있고, 상기 진동가속도계는 상기 대차의 진동가속도에 관한 아날로그 신호, 즉, 주파수 신호를 직접 측정하여 획득할 수 있다.
상기 진동가속도계는 상기 대차의 횡방향 진동가속도, 종방향 진동가속도 및 상하방향 진동가속도 중 적어도 하나에 관한 아날로그 신호를 측정할 수 있다. 바람직하게는, 상기 진동가속도계는 상기 대차의 횡방향 진동가속도를 측정하되, 필요에 따라, 종방향 진동가속도 및 상하방향 진동가속도 중 적어도 하나를 추가로 측정할 수 있다.
상기 진동가속도계가 상기 대차의 횡방향 진동가속도, 종방향 진동가속도 및 상하방향 진동가속도 중 2 이상에 관한 아날로그 신호를 측정하도록 설계된 경우, 상기 진동가속도계는 상기 대차의 횡방향 진동가속도, 종방향 진동가속도 및 상하방향 진동가속도 중 2 이상에 관한 아날로그 신호를 측정하는 2 이상의 서브 모듈을 포함하는 단일의 장치로 구비될 수 있고, 필요에 따라, 각각의 아날로그 신호를 측정하는 단일의 서브 모듈을 포함하는 단일의 장치가 독립적으로 구비될 수도 있다.
상기 측정부(100)는 상기 대차의 기계적 변형에 관한 아날로그 신호를 측정하는 변형계(strain gauge)를 더 포함할 수 있다. 상기 진동가속도계는 열차, 바람직하게는, 고속열차의 운행에 따른 대차불안정 상태를 감지하기 위한 데이터 소스를 제공할 수 있는 반면에, 열차의 정차 시 및/또는 운행 시 상기 대차의 물리적, 기계적 상태에 따른 대차불안정 상태를 감지하기 위한 데이터 소스를 제공할 수 없는 점에서 한계가 있다.
이에 대해, 상기 변형계는 외력 등으로 인한 물체의 변형을 측정하는 장치를 말하며, 일반적으로, 물체에 부착하여 사용한다. 상기 변형계는 상기 대차의 기계적인 미세한 변형을 전기 신호로 검출하는 센서일 수 있다. 상기 변형계를 상기 대차의 표면에 부착하면, 그 표면에 발생하는 미세한 변형을 측정할 수 있고, 그 크기로부터 상기 대차의 강도, 안전성, 즉, 대차불안정 상태를 감지하는데 중요한 응력을 알 수 있다.
상기 측정부(100)가 상기 진동가속도계 및 상기 변형계를 모두 포함하는 경우, 열차의 운행에 따른 대차불안정 상태 및 열차의 정차 시 및/또는 운행 시 상기 대차의 물리적, 기계적 상태에 따른 대차불안정 상태를 정확하고 신속하게 감지하기 위한 데이터 소스를 적절히 얻을 수 있다.
상기 필터부(200)는 측정된 상기 아날로그 신호 중 적어도 일부를 필터링할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "필터링"은 상기 측정부(100)에서 얻은 아날로그 신호 중 변환, 분석 등이 불필요하거나 무의미한 영역에 해당하는 것, 소위, 노이즈(noise)를 제거하는 일련의 과정을 의미한다.
도 1을 참고하면, 상기 측정부(100)에서 얻은 상기 대차의 진동가속도에 관한 상기 아날로그 신호는 임의의 파장, 주기, 진폭을 가지는 연속 파동의 형태를 가질 수 있다. 상기 필터부(200)는 상기 아날로그 신호 중 기설정된 주파수(fc) 이하의 신호를 통과시키되, 이를 초과하는 신호 중 적어도 일부를 노이즈로 처리하여 감쇠, 제거하는 적어도 하나의 저역 필터(LPF, Low Pass Filter)를 포함할 수 있다.
종래의 대차불안정 감지시스템의 경우, 대차에 설치된 가속도계에 의해 제공된 아날로그 신호가 노이즈를 그대로 포함한 상태로 디지털 신호 변환을 위한 장치 내지 모듈에 입력되므로, 신호 변환 시 부하가 증가하여 시스템의 전체적인 정확성, 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.
이에 대해, 상기 필터부(200)에 포함된 하나 이상의 저역 필터는 상기 측정부(100) 및 상기 변환부(300)의 사이에 구비되어 상기 측정부(100)에서 얻은 아날로그 신호 중 기설정된 주파수(fc)를 초과하는 부분을 노이즈로 처리하여 감쇠, 제거하여 유효 아날로그 신호를 통과, 잔류시킬 수 있다. 상기 변환부(300)는 이러한 유효 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환시키므로, 상기 필터부(200)는 상기 변환부(300)에서 신호의 변환에 수반되는 부하를 국부적으로 경감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 유효 아날로그 신호로부터 변환된 상기 디지털 신호가 후단의 분석부(400), 통신부(500)로 제공되어 처리, 분석, 전달되므로, 상기 감지시스템에 인가되는 전체적인 부하 또한 효과적으로 경감시킬 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 변환부(300)는 필터링된 상기 아날로그 신호의 연속 파동 형태를 불연속적인 2 이상의 펄스 형태로 분할된 디지털 신호로 변환하여 후단의 상기 분석부(400)에서의 신호 처리, 연산, 분석 등이 보다 정확하고 신속하게 이루어지도록 할 수 있다.
상기 분석부(400)는 기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석부를 나타낸다. 도 2를 참고하면, 상기 분석부(400)는 디지털 신호 처리부(410)를 포함할 수 있고, 필요에 따라, GPS 모듈(420), 인공신경망(430) 및 데이터베이스(440) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리부(410)기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하여 열차의 대차불안정 상태를 감지, 판별하여 결과값을 출력하여 후단의 상기 통신부(500)에 전달할 수 있고, 상기 통신부는 상기 결과값에 상응하는 알람, 경고, 신호 등을 제어부에 송신하여 열차에 현시되도록 할 수 있다.
상기 알고리즘은 상기 진동가속도계에 의해 측정된 아날로그 신호에 기반하여 변환된 디지털 신호의 진폭의 임계값을 기준으로 한 대소(大小) 관계, 상기 디지털 신호의 주기성 내지 규칙성의 임계값을 기준으로 한 대소(大小) 관계, 상기 디지털 신호의 파장의 임계값을 기준으로 한 대소(大小) 관계 등에 기반하여 설계될 수 있으나, 상기 알고리즘을 설계하기 위한 기준이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참고하면, 상기 분석부(400)는 GPS 모듈(420)을 더 포함할 수 있고, 상기 분석부(400)는 상기 GPS 모듈(420)에 의해 제공된 상기 열차의 위치정보에 기반하여 상기 열차가 위치한 선로에서의 변환된 상기 디지털 신호를 분석할 수 있다.
상기 GPS 모듈(420)에 의해 제공된 상기 열차의 위치정보는 상기 측정부(100), 상기 필터부(200) 및 상기 변환부(300)를 거쳐 상기 측정부에 입력된 상기 디지털 신호와 상호 연동, 연계될 수 있고, 이에 따라, 상기 분석부(440)는 열차가 특정 구간을 운행, 통과할 때 발생하는 진동가속도값과 그에 따른 대차불안정 발생 여부를 실시간으로 감지, 분석할 수 있다.
또한, 상기와 같이 위치정보 및 진동가속도값을 연계하여 감지, 분석된 결과값은 상기 분석부(400)의 상기 데이터베이스(440)에 저장될 수 있고, 저장된 결과값은 상기 인공신경망(430) 등에 의해 학습되어 추후 열차가 해당 구간을 운행, 통과할 때 대차불안정 발생 가능성을 모사, 예측하여 필요한 알람, 경고, 신호 등을 제어부에 송신할 수 함으로써 운전사 등이 대차불안정에 따른 위험에 사전적으로 대응하도록 유도할 수 있다.
도 3은 종래의 열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 나타낸다. 도 3을 참고하면, 종래의 열차의 대차불안정 상태 감시시스템 내지 감지센서는 대차에 설치된 센서 등을 통해 가속도 및/또는 진동가속도에 관한 전압 신호를 획득하는 측정부(10), 상기 전압 신호를 연산증폭 및/또는 차동증폭 방식으로 증폭시키는 신호 증폭기(11), 증폭된 상기 전압 신호 중 기설정된 대역에 해당하는 값을 필터링하는 필터부(20) 및 필터링된 상기 전압 신호를 주파수 신호로 변환하는 전압-주파수 변환기(V/F 변환기, 30a)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감지시스템 내지 감지센서와 통신하는 제어부(TPU)는 상기 주파수 신호를 전압 신호로 재변환하는 주파수-전압 변환기(F/V 변환기, 30b) 및 재변환된 상기 전압 신호를 분석, 처리하여 횡진동과 같은 대차불안정 상태를 감지하는 분석부(40)를 포함할 수 있다.
철도용품 공사규격서-고속차량 대차불안정 감지센서(KRCS B355 04)에 따르면, 변환 주파수의 허용 범위는 0.8G에 대해 54kHz±0.4kHz(허용 오차)이고, -0.8G에 대해 46kHz±0.4kHz(허용 오차)이다(0G의 주파수는 50kHz임). 이는 종래의 고속열차의 대차불안정 감지시스템에서 전압-주파수 변환 시 신호 송신에 대한 오차이고, 동일한 감지시스템을 고려할 때, 주파수-전압 재변환 시 신호 수신에 대한 허용 오차 또한 ±0.4kHz이므로, 신호의 송신 및 수신에 수반되는 허용 오차율은 전체적으로 약 20%(=0.8kHz/4kHz*100)에 이른다.
이에 대해, 도 1을 다시 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열차의 대차불안정 상태 감지시스템은 열차의 대차에 구비된 적어도 하나의 진동가속도계를 이용하여 진동가속도에 관한 아날로그 신호를 측정하는 측정부(100); 측정된 상기 아날로그 신호 중 적어도 일부를 필터링하는 필터부(200); 필터링된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부(300); 기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는 분석부(400); 및 분석된 상기 디지털 신호를 상기 열차에 구비된 제어부(TPU, Trailer Processing Unit)로 송신하는 통신부(500)를 포함하되, 종래의 대차불안정 감지시스템에 필수적으로 구비되는 신호 증폭기(11), 전압-주파수 변환기(30a) 및 주파수-전압 변환기(30b) 중 적어도 하나를 포함하지 않을 수 있고, 바람직하게는, 신호 증폭기(11), 전압-주파수 변환기(30a) 및 주파수-전압 변환기(30b)를 모두 포함하지 않을 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열차의 대차불안정 상태 감지시스템은 측정 후 필터링된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 다음, 분석, 송신하는 과정을 포함할 뿐, 그 외 신호를 증폭하거나, 전압-주파수 및/또는 주파수-전압을 상호 변환하는 과정이 생략되므로, 신호의 송신 및 수신에 수반되는 허용 오차율을 약 10% 이하, 바람직하게는, 약 5% 이하로 낮출 수 있다.
예를 들어, 상기 변환부(300)에서 하기 식 1로 표시되는 오차율은 10% 이하, 바람직하게는, 5% 이하일 수 있고, 이에 따라, 열차의 대차불안정 상태를 정확하고 신속하게 감지, 분석하여 관련 정보를 상기 제어부에 제공할 수 있다.
<식 1>
오차율(%) = │{(아날로그 신호)-(디지털 신호)}/(디지털 신호)│ * 100
또한, 상기 측정부(100)에서 얻은 아날로그 신호가 필터링된 다음 디지털 신호로 변환, 분석되어 상기 통신부(500)를 통해 상기 제어부로 송신되기 까지 하기 식 2로 표시되는 오차율은 10% 이하, 바람직하게는, 5% 이하일 수 있고, 이에 따라, 열차의 대차불안정 상태를 정확하고 신속하게 감지, 분석하여 관련 정보를 상기 제어부에 제공할 수 있다.
<식 2>
오차율(%) = │{(아날로그 신호)-(변환 및 분석된 디지털 신호)}/(변환 및 분석된 디지털 신호)│* 100
상기 분석부(400)는 상기 측정부(100), 상기 필터부(200), 상기 변환부(300) 및 상기 분석부(400) 중 적어도 하나로부터 제공된 데이터 중 적어도 일부를 입력값으로 하여 학습된 인공신경망을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석할 수 있다.
도 2를 참고하면, 상기 분석부(400)는 데이터베이스(440)를 더 포함할 수 있고, 상기 데이터베이스(440)는 상기 측정부(100), 상기 필터부(200), 상기 변환부(300) 및 상기 분석부(400) 중 적어도 하나로부터 필요한 데이터를 수집할 수 있고, 수집된 데이터 중 적어도 일부는 상기 분석부(400)에 구비된 인공신경망(430)에 대한 입력값으로 제공될 수 있다.
인공신경망은 인간의 뇌의 학습 방법을 모방한 수학적 모델이다. 대뇌의 신경망과 같이 뉴런으로의 입력 신호와 뉴런으로부터의 출력 신호를 각각의 입/출력 노드로 표현하고 시냅스의 결합 세기에 의해 노드 간 연결강도가 결정된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 나타낸다. 도 2 및 도 4를 참고하면, 상기 인공신경망(430)에서는 다층 퍼셉트론(multilayer perceptron)이 적용되며, 이 경우, 상기 인공신경망(430)은 입력 데이터를 수용하는 입력층(input layer), 출력 데이터를 만드는 출력층(output layer) 그리고 이들 사이에 위치한 하나 이상의 은닉층(hidden layer)을 포함하며, 각 층은 하나 이상의 노드(node)를 포함할 수 있다.
은닉층의 각 노드들은 입력층과 출력층의 노드들과 가중치(weight)라 불리는 양(wij, w' ij)으로 상호 연결되어 있다. 은닉층과 출력층의 각 노드들은 이전 단계의 노드들로부터 입력값을 받은 뒤 이를 연산하여 출력값을 만드는데, 이 때, 활성화 함수(activation function)라 불리는 함수(f1, f2)를 적용한다.
상기 인공신경망(430)을 실제 데이터 처리에 적용하기 위해서는 다양한 입력값과 이에 대응하는 출력값을 함께 묶어 놓은 샘플, 즉, 훈련 집합을 이용하여 상기 인공신경망(430)을 학습시키는 과정이 필요하다. 구체적으로, 주어진 입력에 대한 상기 인공신경망(430)의 예측값과 실제값의 차이가 최소가 되도록 역전파(back propagation) 알고리즘을 사용하여 각 연결점에 대한 가중치를 최적화하는 것이다.
학습을 마친 상기 인공신경망(430)은 문제해결에 필요한 규칙이나 지식을 별도로 제공하지 않아도 자율적으로 규칙을 수립을 통해 임의 입력값에 대해서도 타당성있는 출력값을 도출함으로써, 속열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 최적화하는데 유용한 수단으로 이용될 수 있다.
상기 인공신경망(430)에 대한 입력값은 훈련 집합(training set) 또는 훈련 데이터(training data)라고 하며, 상기 측정부(100), 상기 필터부(200), 상기 변환부(300) 및 상기 분석부(400) 중 적어도 하나로부터 제공된 데이터 중 적어도 일부가 훈련 집합으로 선별, 적용될 수 있다. 이러한 선별, 적용에 특별한 기준이 있는 것은 아니지만, 상기 데이터, 즉, 기수행된 일련의 과정 중 정확성, 신뢰성이 우수하고 시스템에 대해 가해지는 부하가 상대적으로 적은 과정에 관한 데이터가 포함되도록 훈련 집합을 구성함으로써 열차의 대차불안정 상태 감지시스템을 더 정확하고 신속하게 구동, 업데이트, 예측, 모사, 최적화할 수 있다.
상기 통신부 및 상기 제어부는 유선 및/또는 무선으로 연결될 수 있다. 상기 통신부는 유선 및/또는 무선 네트워크를 통해 상기 제어부와 통신할 수 있다. 이를 위해 상기 통신부는 유선 및/또는 무선 통신 방식을 지원할 수 있다. 상기 무선 통신 방식으로는 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), 무선 유에스비(Wireless USB), 울트라 와이드 밴드(Ultra Wide Band, UWB), 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZIGBEE), 무선 주파수 통신(Radio Frequency, RF) 및 적외선 통신(Infrared Data Association, IrDA) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 열차의 대차에 구비된 적어도 하나의 진동가속도계를 이용하여 진동가속도에 관한 아날로그 신호를 측정하는 측정부;
    측정된 상기 아날로그 신호 중 적어도 일부를 필터링하는 필터부;
    필터링된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부;
    기설정된 알고리즘을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는 분석부; 및
    분석된 상기 디지털 신호를 상기 열차에 구비된 제어부(TPU, Trailer Processing Unit)로 송신하는 통신부;를 포함하고,
    상기 변환부에서 하기 식으로 표시되는 오차율은 10% 이하인,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템:
    <식>
    오차율(%) = │{(아날로그 신호)-(디지털 신호)}/(디지털 신호)│ * 100.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동가속도계는 상기 대차의 횡방향 진동가속도, 종방향 진동가속도 및 상하방향 진동가속도 중 적어도 하나에 관한 아날로그 신호를 측정하는,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 대차의 기계적 변형에 관한 아날로그 신호를 측정하는 변형계(strain gauge)를 더 포함하는,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 상기 아날로그 신호 중 기설정된 주파수 이하의 신호를 통과시키는 적어도 하나의 저역 필터(LPF, Low Pass Filter)를 포함하는,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분석부는 GPS 모듈을 더 포함하고,
    상기 분석부는 상기 GPS 모듈에 의해 제공된 상기 열차의 위치정보에 기반하여 상기 열차가 위치한 선로에서의 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분석부는 상기 측정부, 상기 필터부, 상기 변환부 및 상기 분석부 중 적어도 하나로부터 제공된 데이터 중 적어도 일부를 입력값으로 하여 학습된 인공신경망을 이용하여 변환된 상기 디지털 신호를 분석하는,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 통신부 및 상기 제어부는 유선, 무선, 또는 이들의 조합으로 연결된,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열차의 대차불안정 상태 감지시스템은 상기 측정부 내지 상기 분석부 사이에 신호 증폭기, 전압-주파수 변환기 및 주파수-전압 변환기 중 적어도 하나를 포함하지 않는,
    열차의 대차불안정 상태 감지시스템.
  10. 제1항 내지 제4항, 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 대차불안정 상태 감지시스템을 이용하는,
    열차의 대차불안정 상태 감지방법.
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