KR102265496B1 - 선로전환기의 밀착 감지 장치 - Google Patents

Abstract

본 기술은 선로전환기의 밀착 감지 장치가 개시된다. 본 기술의 구체적인 예에 따르면, 기본레일의 소정 위치에 설치된 카메라로부터 획득된 기본레일 및 텅레일 픽셀과 고정값을 가지는 기준 사물의 픽셀을 토대로 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격을 도출함에 따라. 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격의 정확도를 근본적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 기본레일과 텅레일 사이의 획득된 영상에 대한 구조적 유사도 연산을 통해 도출된 SSIM값으로 기본레일과 텅레일 간의 이물질 여부를 진단함에 따라 이물질로 인한 선로전환기의 밀착 장애를 미연에 감지할 수 있고 이에 열차 운행 및 인력을 효율화할 수 있다.

Description

선로전환기의 밀착 감지 장치{Tongue Rail Approach Detector}

본 발명은 선로전환기용 밀착 감지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선로전환기에 인접된 위치 설치된 카메라로부터 획득된 영상에 의거 기본레일과 텅레일 사이의 밀착 간격을 도출하여 선로전환기의 장애 여부를 진단할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.

열차의 진행 방향을 결정하는 것은 선로전환기로 정확하게 선로가 밀착되지 아니하면 열차가 탈선하는 등의 사고가 발생할 수 있다.

이에 선로전환기의 장애로 인한 열차 탈선 사고를 방지하기 위해 선로전환기의 밀착 검지 장치는 5mm이하 기본 레일과 텅 레일의 밀착여부(NS-AM의 경우 5mm이하)를 검지하는 장치이다.

일반적인 선로전환기의 밀착 검지 장치는 근접센서, 뽈배 등 기계적 또는 전기적으로 밀착을 검지하는 것으로 밀착의 유/무만 검지하며, 밀착 이 얼마만큼 떨어졌는지의 검출은 불가능하다.

또한, 근접센서형 밀착검지기는 여름철, 겨울철 레일의 장출 등으로 밀착 검지부에 유동이 생기면, 밀착 검지기에 장애가 많이 발생하여 신뢰성이 떨어지며, 밀착검지기 센서의 조정 범위를 조정하는데 장시간 소요되어 유지보수 효율성도 떨어진다.

이에 본 출원인은 선로전환기에 인접된 위치에 설치된 카메라로부터 획득된 영상에 대해 기본레일과 텅레일 사이의 밀착 간격을 mm단위로 정밀하게 측정하는 방안이 필요하다.

따라서 본 발명은 선로전환기에 인접된 위치에 설치된 카메라로부터 획득된 영상을 토대로 기본레일과 텅레일의 밀착 간격을 측정하여 보다 선로전환기의 장애 및 밀착 여부를 정확하게 판단할 수 있는 선로전환기의 밀착 감지 장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.

또한 본 발명은 선로전환기에 인접된 위치에 설치된 카메라로부터 획득된 영상에 대한 유사도 분석을 수행하고 수행된 유사도 분석을 통해 선로전환기의 이물질을 판단할 수 있는 선로전환기의 밀착 감지 장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 일 실시 예의 양태에 의거 선로전환기의 밀착 감지 장치는

기본레일과 텅레일 간의 밀착간격을 도출하는 선로전환기의 말착 감지 장치에 있어서,

기본레일의 소정 위치에 설치되어 기본레일, 텅레일, 및 기준 사물의 영상을 획득하는 적어도 하나의 카메라; 및

획득된 기본레일, 텅레일, 및 기준 사물 영상을 토대로 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격을 도출하는 제어장치를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

바람직하게 상기 제어장치는,

획득된 기본레일, 텅레일, 및 기준 사물 영상에 대해 전처리하는 전처리부;

전처리된 영상으로부터 각 기본레일 픽셀 및 텅레일 픽셀과 기준 사물 픽셀을 도출하는 특징점 도출부;

상기 기본레일 픽셀과 텅레일 픽셀과의 차와 기준 사물 픽셀 차 및 기 정해진 기준 간격의 비로 밀착 간격을 도출하는 밀착간격 도출부; 및

도출된 밀착간격을 토대로 선로전환기의 고장 여부를 진단한 다음 진단 결과를 관리자에게 전달하는 진단부를 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 밀착간격 도출부는,

상기 기본레일 픽셀 P1과 텅레일 픽셀 P2과의 차와 기준 사물 픽셀 P3, P4 차 및 기 정해진 기준 간격의 비로 밀착 간격(x)에 대한 조건을 토대로 도출되며 조건에 대한 관계식은 다음 식 1을 만족할 수 있다.

[식 1]

P2-P1 : x = P3-P4: 기준 간격

바람직하게 상기 제어장치는,

카메라를 통해 수신된 영상과 이전 영상을 기준 영상으로 설정한 다음 설정된 기준 영상과 수신 영상을 토대로 구조적 유사도(SSIM : Structure Similarity Index) 기법을 수행하여 SSIM 값을 도출하는 이물질 검출부를 더 포함하고.

상기 진단부는,

도출된 SSIM 값을 토대로 이물질 존재 여부를 진단한 다음 진단 결과를 관리자에게 전달하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 진단부는,

도출된 SSIM 값이 기 정해진 소정 범위 내에 존재하지 아니하면 기본레일과 텅레일 사이 이물질 여부를 진단할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 기본레일의 소정 위치에 설치된 카메라로부터 획득된 기본레일 및 텅레일 픽셀과 고정값을 가지는 기준 사물의 픽셀을 토대로 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격을 도출함에 따라. 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격의 정확도를 근본적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 기본레일과 텅레일 사이의 획득된 영상에 대한 구조적 유사도 연산을 통해 도출된 SSIM값으로 기본레일과 텅레일 간의 이물질 여부를 진단함에 따라 이물질로 인한 선로전환기의 밀착 장애를 미연에 감지할 수 있고 이에 열차 운행 및 인력을 효율화할 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예의 선로전환기의 밀착 감지 장치의 구성도이다.
도 2는 일 실시예의 제어장치의 세부 구성도이다.
도 3은 일 실시예의 전처리된 영상을 보인 예시도이다.
도 4는 일 실시예의 장치의 SSIM 연산을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 일 실시예의 이물질에 따른 SSIM 값을 보인 예시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 선로전환기의 밀착 감지 장치의 동작 원리, 분석 및 설계 예를 상세하게 설명하고, 분석 및 설계 예에 기초하여 구현된 실험 결과에 의하여 일 실시 예의 동작, 유효성 및 특징을 확인한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 선로전환기의 밀착 감지 장치의 구성을 보인 도면으로서, 도 1을 참조하면, 일 실시 예의 선로전환기의 밀착 감지 장치는, 카메라(10) 및 제어장치(100)를 포함할 수 있다.

카메라(10)는 기본레일 P1, 텅레일 P2, 및 기준 사물 P3의 영상을 획득하도록 기본레일 P1의 소정 위치에 설치된다.

이러한 카메라(10)의 기본레일 P1, 텅레일 P2, 및 기준 사물 P3의 영상은 제어장치(100)로 전달된다. 여기서, 기준 사물 P3는 기 정해진 소정값을 기준 간격으로 설정하는 물체로서, 선로의 소정 위치에 설치된다. 이에 제어장치(100)는 기준 사물 P3의 소정 두께를 기준 간격으로 설정하고 기준 간격을 토대로 카메라(10)를 통해 획득된 기본레일 P1과 텅레일 P2과의 밀착 간격을 도출할 수 있다.

도 1에 도시된 제어장치(100)는 기본레일 P1과 텅레일 P2 간의 간격을 도출하기 위한 실시 예로 일 실시 예와 관련된 구성 요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성 요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.

한편 도 2는 제어장치(100)의 세부 구성을 보인 도면이고, 도 3은 도 2에 전처리된 영상을 나타낸 예시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면 제어장치(100)를 전처리부(110), 특징점 검출부(120), 밀착간격 도출부(130), 및 진단부(140) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

전처리부(100)는 카메라(10)를 통해 획득된 영상의 해상도를 켈리브레이션(Calibration)하여 영상의 왜곡을 제거할 수 있으며, 전처리된 영상은 특징점 검출부(130)로 전달된다.

이러한 카메라(10)를 통해 획득된 영상의 왜곡을 제거하여 해상도를 향상시키는 일련된 과정은 일반적인 영상 처리 과정과 동일 또는 유사하다.

이러한 전처리된 영상을 제공받은 특징점 검출부(120)는 Canny Edge Detector로 검출함으로써 각 기본레일과 텅레일 픽셀(P1, P2)과 기준 사물 픽셀(P3, P4)을 검출한다.

기본레일과 텅레일의 픽셀(P1, P2)과, 기준 사물의 픽셀(P3, P4)은 밀착간격 도출부(130)로 전달된다.

이에 밀착간격 도출부(130)는 고정값을 가지는 기준 사물의 픽셀(P3, P4)의 차와 기본레일과 텅레일의 픽셀(P1, P2) 간의 차의 비로 도출되며, 다음 조건 1을 만족하며 이러한 조건 1로부터 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격이 도출된다.

[조건 1]

P2-P1 : x = P3-P4: 기준 간격

기준 간격은 기 정해진 소정값이므로, 밀착간격 도출부(130)는 조건 1의 해로 말착 간격(x)를 도출할 수 있다. 이때 기본레일과 텅레일 사이의 밀착 간격(x)은 mm단위로 측정된다.

한편 진단부(140)는 기본레일과 텅레일 사이의 밀착 간격이 소정 범위 (3~4mm)인 경우 밀착이 완전하게 이루어지지 아니한 것으로 진단하고 진단 결과를 해당 선로를 보수하는 관리자에게 전달한다. 이에 선로전환기에 대한 장애 예방보수가 진행되어 밀착 불량 장애를 사전에 예방하게 된다.

그러나, 기본레일과 텅레일 사이의 밀착 간격이 철도 규정에 의거 기 정해진 소정값 5mm 이상 떨어졌을 경우는 진단부(140)는 밀착 고장으로 진단하고 진단 결과를 연동장치에 전달한다. 이에 선로전환기의 장애로 인한 탈선이 미연에 방지된다.

일 실시 예의 제어장치(100)는 이물질 검출부(150)를 더 포함할 수 있다. 이물질 검출부(150)는 카메라(10)를 통해 획득된 영상을 토대로 구조적 유사도(SSIM : Structure Similarity Index) 기법을 수행하여 SSIM 값을 도출하고, 도출된 SSIM 값은 진단부(140)로 전달된다.

도 4는 이물질 검출부(150)에 의거 수행되는 SSIM 연산을 수행하기 위한 전처리 과정을 설명하기 위한 개념도로서, 도 4를 참조하면, 이물질 검출부(150)는 카메라를 통해 수신된 영상 중 이전 영상을 기준 영상으로 설정하고, 설정된 기준 영상과 수신 영상 간의 SSIM 값을 도출한다.

이에 진단부(140)는 SSIM 값을 토대로 기본레일과 텅레일 사이의 이물질 여부를 진단할 수 있고, 이에 이물질 진단 시 관리자에게 진단 결과를 통지한다. 여기서, 진단부(140)는 도출된 SSIM 값이 기 정해진 임계값 (0.9) 이하이면 이물질 있다고 진단하고, 임계값을 초과하면 이물질이 없다고 진단한다. 상기 임계값은 다수의 실험을 통해 얻어진 결과값으로 최적의 이물질 진단 결과를 도출할 수 있다.

시뮬레이션 결과

우선 기준 사물과 기본레일, 텅레일이 수평면상에 있어야 하는 제약 조건 하에서 밀착간격 검출부(130)는 기본레일과 텅레일 사이 5mm(철도공사 신호제어설비 유지보수 세칙 NS-AM형 선로전환기는 5mm가 넘지 않아야 한다.)로 108회 측정한 결과 최대 오차가 ±0.56mm로 정밀한 측정이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 데모환경은 조도의 변화 및 여름철 우기를 가정하여 아침 09:00~20:00까지 시간별로 측정, 비는 물을 뿌려서 상황을 연출하여 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 도시된 바와 같다.

[표 1]

도 5는 기본레일과 텅레일 사이에 이물질을 유입시켜 구조적 유사도 기법을 수행하여 도출된 SSIM 값을 보인 화면 예시도로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시 예는 기본레일과 텅레일 사이에 유입된 이물질(스프링 코일, 볼트, 자갈등)로부터 구조적 유사도 연산을 139회 수행하여 도출된 SSIM 값을 확인할 수 있으며 이에 진단부(140)는 도출된 SSIM 값이 0.9이하 이므로 이물질이 존재한다고 진단한다.

이에 일 실시 예는 기본레일의 소정 위치에 설치된 카메라로부터 획득된 기본레일 및 텅레일 픽셀과 고정값을 가지는 기준 사물의 픽셀을 토대로 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격을 도출함에 따라. 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격의 정확도를 근본적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 기본레일과 텅레일 사이의 획득된 영상에 대한 구조적 유사도 연산을 통해 도출된 SSIM값으로 기본레일과 텅레일 간의 이물질 여부를 진단함에 따라 이물질로 인한 선로전환기의 밀착 장애를 미연에 감지할 수 있고 이에 열차 운행 및 인력을 효율화할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 기본레일과 텅레일 간의 밀착간격을 도출하는 선로전환기의 말착 감지 장치에 있어서,
   기본레일의 소정 위치에 설치되어 기본레일, 텅레일, 및 기준 사물의 영상을 획득하는 적어도 하나의 카메라; 및
   획득된 기본레일, 텅레일, 및 기준 사물 영상을 토대로 기본레일과 텅레일 간의 밀착 간격을 도출하는 제어장치를 포함하고,
   상기 제어장치는,
   기준 사물 P3의 소정 두께를 기준 간격으로 설정하고 기준 간격을 토대로 카메라를 통해 획득된 기본레일 P1과 텅레일 P2과의 밀착 간격을 도출하되, 상기 밀착 간격은, 카메라(10)를 통해 획득된 고정값을 가지는 기준 사물의 픽셀(P3, P4)의 차와 기본레일과 텅레일의 픽셀(P1, P2) 간의 차의 비로 도출되는 것을 특징으로 하는 선로전환기의 밀착 감지 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는,
   획득된 기본레일, 텅레일, 및 기준 사물 영상에 대해 전처리하는 전처리부;
   전처리된 영상으로부터 각 기본레일 픽셀 및 텅레일 픽셀과 기준 사물 픽셀을 도출하는 특징점 도출부;
   상기 기본레일 픽셀과 텅레일 픽셀과의 차와 기준 사물 픽셀 차 및 기 정해진 기준 간격의 비로 밀착 간격을 도출하는 밀착간격 도출부; 및
   도출된 밀착간격을 토대로 선로전환기의 고장 여부를 진단한 다음 진단 결과를 관리자에게 전달하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선로전환기의 밀착 감지 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 밀착간격 도출부는,
   상기 기본레일 픽셀 P1과 텅레일 픽셀 P2과의 차와 기준 사물 픽셀 P3, P4 차 및 기 정해진 기준 간격의 비로 밀착 간격(x)에 대한 조건을 토대로 도출되며 조건에 대한 관계식은 다음 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 선로전환기의 밀착 감지 장치.
   [식 1]
   P2-P1 : x = P3-P4: 기준 간격
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