KR102534613B1 - 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법 - Google Patents

레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 철도 차량이 운행하는 전 구간에 대한 매우 빠르고 안전한 측정을 할 수 있으며 철도 차량 내부 및 선로변에 발생하는 소음 및 진동 정도를 예측하고 판단하거나, 레일 마모의 변화 추이를 즉각적으로 분석할 수 있을 뿐만 아니라 작업자가 선로에 진입하여 계측하는데 따르는 사고 위험 등을 방지할 수 있으며 측정에 드는 인건비, 노력과 시간을 모두 저감할 수 있고, 레일 음향 러프니스를 취득하여 소음/진동에 민감한 주거지 주변에 대한 레일 연마 등의 유지보수 작업에 대한 계획 수립에 유용하게 활용할 수 있는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법을 제공한다.

Description

레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법 {Measurement device and method of rail acoustic roughness using the laser scanning}
본 발명은 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 철도 차량 및 궤도의 소음/진동 유지보수와 관련한 레일 길이방향의 표면 불규칙도(레일 음향 러프니스)를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도 차륜과 레일의 진동으로 인한 소음 진동의 발생은 차륜과 레일의 마모로 인한 표면 접촉점에서의 레일 길이방향 불규칙도로 인하여 발생하며, 이는 레일 음향 러프니스(rail acoustic roughness)라고 불린다.
그리고, 레일 음향 러프니스를 푸리에 변환하여 파장대별로 그 크기를 나타낸 것을 레일 음향 러프니스 스펙트럼이라고 한다.
이러한 레일 음향 러프니스가 큰 선로에서는 큰 소음 진동을 발생시키므로 이에 대한 측정을 통하여 레일 표면에 대한 연마 작업 등의 유지보수가 필요하다.
한편, 레일의 음향 러프니스(acoustic roughness)의 측정은 일반적으로 레일 표면을 접촉하는 센서를 이용하여 계측한다.
이때, 상기 센서는 변위 또는 가속도를 측정하며 레일 길이 방향으로 구르는 바퀴에 연결된 엔코더를 이용하여 얻은 레일 길이 방향의 좌표값에 대한 변동 값을 이용한다. 이러한 작업을 위해서 측정자는 레일 위에서 계측기를 설치하거나 궤도를 따라서 걸어가면서 끄는 트롤리(trolley) 형태의 장비를 활용하여야 하므로 선로의 일부 구간에 대해서만 레일 음향 러프니스를 측정할 수 있다. 만일 노선 전체에 대한 음향 러프니스의 계측을 위해서는 측정자는 노선 전체를 걸어서 이동하면서 측정하여야 하므로 매우 많은 시간과 노력이 소요되며, 영업 중인 노선에서는 차량 사고의 우려 때문에 위험 요인이 된다.
이러한 노선 전체에 대한 레일 음향 러프니스 측정을 위해서 철도 차량의 하부에 음향 러프니스 측정 장치를 설치하는 방법을 고려할 수 있다.
일 예로 마이크로폰 또는 가속도계를 이용하여 측정된 소음 및 진동 크기로부터 레일 음향 러프니스를 추정하는 방법이 있으나 휠-레일 소음원 이외의 다른 소음원에 의한 노이즈로 오차가 크게 발생하는 문제가 있다.
한편, 레이저 스캔을 이용한 비접촉 표면 검사 방법이 제품 생산 공정이나 검수 시에 이용되고 있다. 이 경우 레이저 스캔 센서는 특정 위치에 고정되고 정지하거나 움직이는 대상을 스캔하고 검사한다.
또한, 철도 차량에 레이저 스캔 장치를 장착하여 궤도 구성품의 파손을 판단하기 위한 사례가 있으나, 레일 표면에 나는 큰 결함이나 슬리퍼, 체결구의 파손을 파악하기 위한 것이었다.
이때, 레이저 스캔 장치를 주행하는 철도 차량에 설치하여 레일 표면의 고저(높낮이)를 단순히 측정을 하고자 한다면, 측정한 값에는 철도 차량의 진동에 의한 센서 높낮이가 변경되는 성분이 포함되므로 오차가 커지게 된다.
특히, 레일 음향 러프니스의 측정을 위해서는 철도 차량의 진동에 의한 오차를 제거하여 레일 표면의 고저를 정밀하게 측정하여야 하는 문제가 있다.
이러한 레일 음향 러프니스 측정과 관련된 선행기술로 공개특허 제10-2020-0129427호의 다중 변위센서를 이용한 레일 음향조도 측정장치, 등록특허 제10-1509469호의 레일 마모 측정 장치, 등록특허 제10-1026351호의 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템 및 그 방법, 등록특허 제10-1742981호의 철도레일 마모 측정장치 등이 제안된 바 있다.
참고문헌 1: 공개특허 제10-2020-0129427호 참고문헌 2: 등록특허 제10-1509469호 참고문헌 3: 등록특허 제10-1026351호 참고문헌 4: 등록특허 제10-1742981호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서 본 발명은 철도 차량 및 궤도의 소음/진동 유지보수와 관련한 레일 길이방향의 표면 불규칙도(레일 음향 러프니스, rail acoustic roughness)를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 다양한 선로 조건에서 철도 차량의 진동에 의한 센서 상대변위 오차를 보정하기 위해 레일을 레이저로 교차 스캔하여 레일 전 구간에 대한 매우 빠르고 안전한 측정을 할 수 있으며 철도 차량 내부 및 선로변에 발생하는 소음 및 진동을 저감하기 위한 효율적인 레일 유지보수 작업에 활용할 수 있도록 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
철도 차량 하부에 구비되되 철도 차량이 이동하는 레일 상측면에서 레일 두부와 레일 저부를 가로질러 수직방향으로 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수직방향 형상을 촬영하는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서와, 상기 레일 상부에서 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 길이 방향으로 평행하게 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수평방향 형상을 촬영하는 상부 길이방향 라인 레이저 센서와, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서의 수직방향 형상과 상부 길이방향 라인 레이저 센서의 수평방향 형상을 이용해 레일 음향 러프니스를 구하는 연산처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치를 제공한다.
이때, 상기 레일의 양 측면에서 레일의 수직방향 형상을 촬영하도록 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서는 레일의 상부 양 측면에 한쌍이 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 연산처리부는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 연산처리부는 레일 음향 러프니스를 구하고자 하는 레일의 수평 위치에 대하여 각 연속되는 라인 형상이 만나는 지점의 좌표로부터 연속적인 데이터 그룹을 얻어 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 연산처리부는 레일의 체결부 또는 이음매 연결판을 지나면 레일 두부의 측면부를 투영한 값을 이용하여 수평 방향에 대한 보정을 하고, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용하여 수직 방향에 대한 보정을 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
철도 차량 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부와 레일 저부를 포함하는 레일의 수직방향 형상을 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 수평방향 형상을 연속으로 취득하는 제1단계; 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서에서 얻어진 레일의 수직방향 형상에서 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 제2단계; 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용해 수직 방향 보정을 하는 제3단계; 및 상기 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법도 제공한다.
이때, 상기 제2단계는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 단계인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제3단계는 철도차량이 레일 체결부 또는 이음매 지점을 통과시 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 입력되는 레일의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 하고, 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 레일 저부를 이용한 수직 방향 보정을 하는 단계인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제4단계는 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 저장된 수직좌표 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하는 단계인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도 차량이 운행하는 전 구간에 대한 매우 빠르고 안전한 측정을 할 수 있으며 철도 차량 내부 및 선로변에 발생하는 소음 및 진동 정도를 예측하고 판단하거나, 레일 마모의 변화 추이를 즉각적으로 분석할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면 철도 차량에 측정 장치를 구비하여 작업자가 선로에 진입하여 계측하는데 따르는 사고 위험 등을 방지할 수 있으며 측정에 드는 인건비, 노력과 시간을 모두 저감할 수 있다.
이에 더해 본 발명에 따라 레일 음향 러프니스를 취득하여 소음/진동에 민감한 주거지 주변에 대한 레일 연마 등의 유지보수 작업에 대한 계획 수립에 유용하게 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 레일 표면에 대한 매우 정밀한 측정이 가능해 러프니스 스펙트럼 이외에도 레일의 큰 파상마모 등의 마모 손상이나 레일 표면의 찰상, 균열 등도 자동적으로 계측되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 설치 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 배치 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 제어 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 배치 구조를 도시한 사시도 및 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치를 이용해 스캔되는 데이터의 보정 전후 2D 및 3D 데이터 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 스캔시 레일 체결구 및 이음매 연결판 부분을 지날 경우를 도시한 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치를 이용해 레일 길이방향 프로파일들을 이용하여 스캔되는 데이터의 보정 전후 3D 데이터 등의 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 레일 음향 러프니스 측정 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치는 다양한 선로 조건에서 철도 차량(1)의 진동에 의한 센서 상대 변위 오차를 보정하기 위해 2개 이상의 라인 레이저 센서를 철도 차량(1)의 하부에 교차 배치하여 레일 음향 러프니스를 측정할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치(100)는 철도 차량(1) 하부에 구비되되 철도 차량(1)이 이동하는 레일(10) 상측면에서 레일 두부(rail head)(11)와 레일 저부(12)를 가로질러 수직방향으로 라인 레이저를 투영하고 상기 레일(10)의 수직방향 형상을 연속 촬영하는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)와, 상기 레일(10) 상부에서 레일 두부(11)의 상면 중앙부를 따라 길이 방향으로 평행하게 라인 레이저를 투영하고 상기 레일(10)의 수평방향 형상을 연속 촬영하는 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)와, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)의 수직방향 형상 데이터와 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)의 수평방향 형상 데이터를 이용해 레일 음향 러프니스를 구하는 연산처리부(130)를 포함한다.
물론, 상기 연산처리부(130)는 상기 레일 음향 러프니스를 이용해 레일 음향 러프니스 스팩트럼도 구하여 디스플레이부(140)로 표시하거나 통신부(150)를 통해 외부 또는 철도 차량(1)의 데이터 수집장치(200)로 전송할 수 있도록 함이 바람직하다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
우선 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 철도 차량(1)의 하부에 브라켓(101)을 매개로 설치되는 것으로, 레일(10)의 상측면에서 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 가로질러 수직하게 투영하도록 라인 레이저를 투영하며, 라인 레이저가 투영된 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영하는 카메라(또는 촬상소자)를 포함한다.
이때, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 가로질러 라인 레이저가 투영하도록 레일(10)의 상측면에 레일(10)의 길이 방향에 대해 수직하게 배치된다.
그리고, 레일 저부(12)는 레일 베이스(rail base)(12a)와 레일풋(rail foot)(12b)으로 이루어진다.
또한, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 레일(10)에 라인 레이저를 투영한 상태에서 카메라를 통하여 촬영하여 삼각법에 따라서 2D 라인 형상(높낮이가 반영)의 레일(10) 수직방향 형상을 얻게 된다.
이러한 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 통해 철도 차량(1)의 진행속도가 비교적 일정할 경우 특정 시간 간격에 대해 연속적인 레일(10)의 라인 형상을 얻을 수 있고 이들을 연결하여 진행 방향에 대한 레일 면(top of rail level)의 연속적인 형상, 즉 3D 표면 형상을 얻을 수 있다.
이때, 레일 면은 철도 차량(1)의 차륜이 접촉하여 주행하는 면으로 마모에 의하여 높이가 달라질 뿐만 아니라 형상도 달라지게 되는데 레일 면과 센서에 대한 상대 변위의 변화만을 이용할 경우 철도 차량(1)의 진동 등에 의한 센서 변위에 따른 오차를 수반하게 된다. 이러한 상황은 변위 또는 가속도 센서 트롤리 형태의 장비로 음향 러프니스를 계측할 때에도 동일하게 발생한다. 이에 가속도 센서를 표면에 접촉된 상태로 하여 트롤리 본체의 진동 영향을 최소화하는 등의 추가적인 방법을 이용하지만, 본 발명에서처럼 빠르게 주행하는 철도 차량(1)에서는 충격과 마모 등의 이유로 레일 면과 접촉하는 접촉식 센서를 이용하기가 어렵다.
따라서, 본 발명에서는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 철도 차량(1)의 하부에 설치시 라인 레이저를 레일 두부(11) 뿐만 아니라 레일 저부(12)를 모두 포함할 수 있도록 레일(10) 길이 방향과 직각으로 경사진 상부 방향으로부터 투영하여 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 함께 2D 라인 형상을 시간에 따라서 연속적으로 취득한다.
이러한 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 레일(10)의 상부 일측면에서만 라인 레이저가 투영된 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영하도록 철도 차량의 하부에 하나만 구비하거나, 도 4에 도시된 바와 같이 한쌍의 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 레일(10)의 상부 양 측면에 구비하여 레일의 양 측면에서 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영할 수 있다.
이때, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 하나만 구비하는 경우에도 최종적인 레일 음향 러프니스를 구할 수 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 레일(10)의 양 측면에 구비하여 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영하여 활용하면 최종적인 레일 음향 러프니스의 정확도를 더욱 높일 수 있다.
다음으로 상기 연산처리부(130)에서는 상기 차륜(1a)과 접촉되어 마모되는 곳은 레일 두부(11)의 레일 면이므로 레일 저부(12)는 마모되지 않는 특성을 이용하여 레일 저부(12)의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 도 5에서와 같이 보정한다.
또한, 레일 저부(12)의 양 측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 추가로 보정한다.
이때, 레일 두부(11)의 측면들은 차륜(1a)과 접촉되지 않는 부분들이 있으므로 이들 면들이 동일하게 겹치도록 수평 방향에 대한 보정을 추가할 수 있다.
또한, 철도 차량(1)의 진동에 의한 센서 변위에는 수평 및 수직 방향의 병진 변위 이외에도 회전 변위도 있는데, 레일(10)의 길이 방향을 축으로 하는 회전 변위와 레일(10)의 수평방향을 축으로 하는 회전변위는 레일 저부 및 레일 두부 측면부를 겹치도록 수직 및 수평 정렬하는 과정에서 자연적으로 보정된다.
그리고, 상기 연산처리부(130)는 레일 수직 방향을 축으로 하는 회전 변위가 발생하면 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로 측정된 레일(10)의 수직방향 형상에서 레일 두부(11) 또는 레일 저부(12)의 폭이 1/cosθ 만큼 변동되는 사항을 이용하여 회전 변위가 발생한 정도를 보정한다.
여기서, θ는 해당 회전 변위로서 각도이다.
이후 상기 연산처리부(130)는 레일 음향 러프니스를 구하고자 하는 레일(10)의 수평 위치에 대하여 각 연속되는 라인 형상이 만나는 지점의 좌표로부터 연속적인 데이터 그룹을 얻을 수 있고, 이로부터 레일(10)의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구할 수 있다.
한편, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)만 적용하는 경우 도 6에서와 같이 주기적인 간격으로 레일(10)을 체결하고 있는 체결부(레일 클립 등)(20) 또는 이음매 연결판(30) 부분을 지날 때에 문제가 될 수 있는 것으로서, 레일 클립 및 지지 볼트, 또는 이음매 연결판 등으로 인해 레일 저부(12)에 라인 레이저가 투사되기 어렵다.
따라서, 철도 차량(1)의 하부에는 레일(10)의 상측에 레일(10)의 길이 방향으로 평행하게 하나의 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)를 더 구비한다.
상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)는 철도 차량(1)의 하부에 설치시 레일(10)의 상부에서 레일(10) 길이 방향으로 수평하게 라인 레이저를 투영하고 해당 레일(10)의 수평방향 형상을 촬영할 수 있도록 설치되는 것으로, 레일(10)의 레일 두부(11)의 중앙 부근을 따라 레일(10)의 길이 방향으로 수평하게 라인 레이저를 투영하며, 라인 레이저가 투영된 레일(10)의 수평방향 형상을 촬영하는 카메라를 포함한다.
그리고, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)에서 투영된 라인 레이저는 해당 센서의 카메라를 통하여 촬영하여 삼각법에 따라서 2D 라인 형상의 레일(10)의 수평방향 형상을 얻게 된다.
이와 같이 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)를 통해 얻어진 2D 라인 형상은 길이 방향의 레일 높낮이 형상을 포함하므로 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 통해 수직 방향으로 투영되어 얻어진 일련의 레일 단면 형상들의 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 도 7에서와 같이 수직 방향 보정을 할 수 있다.
특히, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)에서 레일 두부(11)의 중앙 부근을 따라 라인 레이저를 투영하여 취득하는 데이터 샘플링 속도를 라인 레이저만큼 고속이 되도록 하여 레일(10)의 길이 방향 높낮이 형상을 빠르게 업데이트해 나가면 수직 보정의 정확도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 업데이트된 형상의 중첩된 정도를 비교하여 레일(10)의 길이 방향으로 평행한 선을 따라서 길이방향 좌표값을 얻을 수 있다. 이는 철도 차량(1)의 진행 변위 또는 속도와 관련이 있으며, 음향 러프니스 스펙트럼을 구할 때 레일(10)의 길이 방향 좌표에 대한 푸리에 변환시 이용된다.
이때, 철도 차량(1)의 진행 변위는 철도 차량(1)의 차륜 회전을 감지하는 엔코더 또는 GPS 수신기 등을 통하여도 얻을 수 있다. 센서 변위 오차에 대한 보정 이후의 일련의 레일 두부(11) 표면 프로파일들에서 레일 길이 방향으로 평행한 선을 따라서 높낮이 좌표를 구하면 레일 음향 러프니스를 구할 수 있다.
이에 상기 연산처리부(130)는 레일(10)의 체결부(20) 또는 이음매 연결판(30) 등을 지날 때는 레일 두부(11)의 측면부를 투영한 값을 이용하여 수평 방향에 대한 보정을 하고, 레일 길이 방향으로 투영하여 얻어진 2D 라인 형상을 이용하여 수직 방향에 대한 보정을 한다. 이러한 방식은 레일(10)의 체결부(20)를 지나지 않는 때에도 가능한 것으로 레일 저부(12)를 이용한 수직 방향 보정과 함께 더욱 오차를 줄이거나 측정 신뢰도를 확인하는 데 활용할 수 있다.
한편, 본 발명은 라인 레이저 센서(110,120)를 이용하고 수평 및 수직 방향 위치 보정을 통하여 레일 표면 높낮이 형상을 얻게 되면 레일 두부(11)의 길이 방향 여러 선들에 대한 높낮이 데이터를 구할 수 있다. 레일 음향 러프니스 측정법과 관련한 규격에 따르면 레일 두부(11) 표면에 철도 차량(1)의 차륜(1a)이 지날 때 발생하는 러닝 밴드(running band) 폭에 따라서 1개 또는 3개의 선들에 대한 음향 러프니스 스펙트럼을 구해서 평균값을 선택하도록 하고 있다.
여기서, 러닝 밴드는 레일 두부(11)의 폭 중에 차륜 접촉점이 많이 지나가서 마모가 주로 발생하는 부위를 말한다.
따라서, 본 발명의 측정 방식을 통하여 자동적으로 여러 선들에 대한 값을 한번에 얻을 수 있는 장점도 있다. 즉, 기존 접촉식 센서를 이용한 트롤리 형식의 측정 방법에서는 필요한 데이터 선들 수 만큼 추가로 동일 선로를 반복 측정하여야 하는 단점을 해결할 수 있다.
이러한 본 발명의 보정 방식은 철도 차량(1)에 탑재된 센서의 진동 영향을 보정할 수 있을 뿐만 아니라 철도 차량(1)이 지남에 따른 궤도의 진동에 의해 레일(10) 진동으로 발생하는 오차도 자동적으로 제거된다. 다만, 궤도 틀림(레일 몸체가 전체적으로 틀어져 있는 상태, 주로 2m 파장 이상 대역)에 의한 효과가 고려되지 않지만 이러한 긴 궤도 틀림 효과는 장파장 대역이므로 소음의 영향을 검토하기 위한 중파장 및 단파장 대역(0.5 ~ 1m 파장 이하)의 음향 러프니스 측정에는 영향이 적다.
본 발명에 적용하는 라인 레이저 센서(110,120)에서 레일(10)의 길이 방향으로 투영하는 라인 레이저의 투영 길이는 0.5 ~ 1m 내외로 하여 이들 파장대를 모두 커버할 수 있으며, 라인 레이저의 측정 해상도는 0.1 마이크로미터(1/10,000,000 m) 내외가 가능하여 충분한 정확도를 얻을 수 있다. 이러한 정도의 라인 레이저 센서의 샘플링 주파수는 현재의 상용 센서들에서 10kHz의 고속 촬영이 가능하므로, 레일(10)의 길이 방향으로 1mm의 해상도로 음향 러프니스 스펙트럼을 구한다고 할 때 철도 차량의 속도는 약 36km/h 이하로 주행 가능하고 3mm의 해상도일 경우 약 108km/h 이하로 주행할 수 있다.
물론, 더욱 고속 촬영이 가능한 센서를 적용시 레일 길이 방향으로 더욱 정밀한 측정이 가능하다.
그리고, 본 발명에서는 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)과 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로 라인 레이저 센서를 이용하는 것만을 설명하였으나, 레이저 프로파일 센서는 물론 비접촉식의 다른 형태의 센서들, 예를 들면 스팟 측 정 센서(일 점 측정을 여러번 수행), 스냅샷 센서(2D 이미지처럼 일정 넓이의 프로파일을 한번에 측정) 등을 이용할 수도 있으며, 이러한 다양한 센서를 이용하더라도 보정 알고리즘을 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 측정 장치는 한 쪽 레일에 대한 측정을 할 수 있는 구성만 도시되어 있으나, 철도 차량 하부의 반대편에도 동일한 구성으로 설치할 경우 양측 레일 모두를 한 번에 측정할 수 있다.
그리고, 본 발명의 측정 장치는 철도 차량 하부에 설치할 수 있을 뿐만 아니라 트롤리 방식이나 궤도 위를 지나는 이동체 등에도 설치할 수 있다. 예를 들면 궤도 위를 저상 비행할 수 있는 드론 등에도 가능하다.
이하 도 8을 참고로 본 발명에 따른 레일 음향 러프니스 측정 과정을 설명한다.
우선 철도 차량(1)을 이동시키면 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로부터 레일(10)의 수직방향 형상 데이터를 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 2D 라인 형상의 레일(10)의 수평방향 형상 데이터를 연속으로 취득한다.
그리고, 이러한 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110) 및 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)에서 취득되는 레일(10)의 수직방향 및 수평방향 형상 데이터는 연산처리부(130)로 입력된다.(S1) 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로부터 입력되는 레일(10)의 수직방향 형상 데이터는 2D 라인 형상으로 연속적인 라인 형상을 얻을 수 있고 이들을 연결하여 진행 방향에 대한 레일 면(top of rail level)의 연속적인 형상, 즉 3D 표면 형상의 수직방향 형상 데이터를 생성할 수 있다.(S2)
상기 단계(S2)를 수행한 후 차륜과 접촉되어 마모되는 곳은 레일 두부의 레일 면이므로 레일 저부(12)는 마모되지 않는 특성을 이용하여 레일 저부(12)의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정한다.
또한, 레일 저부(12)의 양 측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 추가로 보정한다. 이때, 레일 두부의 측면들은 차륜과 접촉되지 않는 부분들이 있으므로 이들 면들이 동일하게 겹치도록 수평 방향에 대한 보정을 추가할 수 있다.(S3)
상기 단계(S3)를 수행한 후 레일 체결부 또는 이음매 지점 인지를 비교(S4)하여, 레일 체결부 또는 이음매 지점이면 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 입력되는 레일(10)의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 한다.
이때, 레일(10)의 수평방향 형상 데이터는 2D 라인 형상으로 길이 방향의 레일 높낮이 형상을 포함하므로 수직 방향으로 투영되어 얻어진 일련의 레일 단면 형상들의 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 할 수있다.(S5)
상기 단계(S5)에서 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 더욱 오차를 줄이거나 측정 신뢰도를 확인하는데 활용할 수 있도록 레일 저부(12)를 이용한 수직 방향 보정을 수행한다.(S6)
상기 단계(S5 또는 S6)를 수행한 후, 레일 두부(11) 표면에 철도 차량(1)의 차륜(1a)이 지날 때 나는 러닝 밴드(running band) 폭을 계산(S7)하고 설정폭(예를 들어 20mm) 이하인지 여부를 비교한다.(S8)
상기 단계(S8)에서 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고(S9), 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장한다.(S10)
상기 단계(S9 또는 S10)를 수행한 후 저장된 데이터 누적거리가 2m를 초과하는지 여부를 비교(S11)하며, 저장된 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행(S12)하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하고(S13), 누적거리가 2m를 초과하지 않으면 단계(S1)로 분기한다.
그리고, 상기 단계(S12)를 수행시에는 단계(S1)를 통해 얻어진 수평방향 형상 데이터의 중첩길이를 이용해 레일의 길이방향 이동거리를 계산(S14)하여 적용한다.
위에서 설명한 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법을 정리하면,
철도 차량 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로부터 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 포함하는 레일(10)의 수직방향 형상을 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 레일 두부(11)의 상면 중앙부를 따라 수평방향 형상을 연속으로 취득하는 제1단계와, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)에서 얻어진 레일(10)의 수직방향 형상에서 레일 저부(12)의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 제2단계와 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)를 통해 얻어진 레일(10)의 수평방향 형상을 이용해 수직 방향 보정을 하는 제3단계 및 상기 레일(10)의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 제4단계를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제2단계는 상기 레일(10)의 수직방향 형상의 레일 저부(12)의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부(12)의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 단계로 구성된다.
그리고, 상기 제3단계는 철도차량이 레일 체결부 또는 이음매 지점을 통과시 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 입력되는 레일의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부(11) 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 하고, 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 레일 저부(12)를 이용한 수직 방향 보정을 하는 단계로 구성된다.
또한, 상기 제4단계는 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부(11) 표면의 수직좌표를 저장하고, 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부(11) 표면의 수직좌표를 저장하고, 저장된 수직좌표 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하는 단계로 구성된다.
결국, 이상의 절차를 반복하면 철도 차량이 다니는 전체 노선에 대한 2m 마다의 레일 음향러프니스 스펙트럼을 모두 구할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 철도 차량 1a: 차륜
10: 레일 11: 레일 두부
12: 레일 저부 20: 체결부
30: 연결판 100: 레일 음향 러프니스 측정 장치
110: 상측면 수직방향 라인 레이저 센서
120: 상부 길이방향 라인 레이저 센서
130: 연산처리부 140: 디스플레이부
150: 통신부 200: 데이터 수집장치

Claims (9)

  1. 철도 차량 하부에 구비되되 철도 차량이 이동하는 레일 상측면에서 레일 두부와 레일 저부를 가로질러 수직방향으로 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수직방향 형상을 촬영하는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서와, 상기 레일 상부에서 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 길이 방향으로 평행하게 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수평방향 형상을 촬영하는 상부 길이방향 라인 레이저 센서와 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서의 수직방향 형상과 상부 길이방향 라인 레이저 센서의 수평방향 형상을 이용해 레일 음향 러프니스를 구하는 연산처리부를 포함하여 이루어지고,
    상기 연산처리부는 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 저장된 수직좌표 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    레일의 양 측면에서 레일의 수직방향 형상을 촬영하도록 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서는 레일의 상부 양 측면에 한쌍이 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연산처리부는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연산처리부는 레일 음향 러프니스를 구하고자 하는 레일의 수평 위치에 대하여 각 연속되는 라인 형상이 만나는 지점의 좌표로부터 연속적인 데이터 그룹을 얻어 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연산처리부는 레일의 체결부 또는 이음매 연결판을 지나면 레일 두부의 측면부를 투영한 값을 이용하여 수평 방향에 대한 보정을 하고, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용하여 수직 방향에 대한 보정을 하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
  6. 철도 차량 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부와 레일 저부를 포함하는 레일의 수직방향 형상을 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 수평방향 형상을 연속으로 취득하는 제1단계;
    상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서에서 얻어진 레일의 수직방향 형상에서 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 제2단계;
    상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용해 수직 방향 보정을 하는 제3단계; 및
    상기 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 제4단계;를 포함하며,
    상기 제4단계는 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 저장된 수직좌표 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하는 단계인 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2단계는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 단계인 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제3단계는 철도차량이 레일 체결부 또는 이음매 지점을 통과시 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 입력되는 레일의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 하고, 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 레일 저부를 이용한 수직 방향 보정을 하는 단계인 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법.
  9. 삭제
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