KR20040004263A

KR20040004263A - Tdr 및 otdr을 이용한 장대레일의 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR20040004263A
Application number: KR1020030089234A
Authority: KR
Inventors: 최준성; 이규완; 이종세
Original assignee: 한국유지관리 주식회사
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2004-01-13

Abstract

본 발명은 TDR 또는 OTDR을 이용한 장대레일의 모니터링 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 장대레일의 모니터링을 위하여 복잡한 센서 등을 사용하지 않고, 통상적인 동선(동축케이블)이나 통신용으로 사용되고 있는 광섬유케이블을 센서로서 레일 또는 침목에 설치된 중간연결키[도 1과 도 2의 10과 11]에 부착하고, 펄스신호를 상기 케이블에 입사시키기 위한 TDR 또는 OTDR 시스템을 이용해서 레일에 발생된 변형이나 결함, 손상 등을 점검 및 측정할 수 있는 TDR 또는 OTDR 방식을 활용한 장대레일의 모니터링 시스템에 관한 것이다.

Description

TDR 및 OTDR을 이용한 장대레일의 모니터링 시스템{Monitoring system of continuous welded rail(CWR) using TDR(Time Domain Reflectometry) or OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)}

일반적으로 레일은 제작, 수송 및 취급상의 제한으로 인해 일정한 길이(20m, 25m)로 제조되고 궤도를 부설할 때 레일간을 볼트로 체결하기 때문에 이음부가 만들어진다. 이 레일이음부는 소음?진동의 발생과 궤도파괴 및 보수?보강의 증가 등 많은 문제점을 야기하기 때문에 레일을 용접하여 이음부를 제거한 장대레일이 널리 부설되고 있다. 특히 고속철도에서는열차의 고속운행에 따른 승차감을 유지하고 충격 등에 대한 안전성 확보 및 궤도의 유지보수비용 절감을 위해 전구간을 장대레일로 부설하는 것이 필수적이다.

신축이음 대신 레일 이음매를 서로 용접한 장대레일은 승차감 및 유지관리의 장점들로 인해 현대철도에서 많이 사용되고 있다. 그러나 신축이음을 없앤 장대레일을 부설하게 되면 온도변화에 따른 레일에 인장력 또는 압축력이 발생하게 되며, 이런 축력이 과다하게 되면 레일의 파단 또는 좌굴 등의 문제점이 발생하게 된다. 특히 온도에 의한 궤도의 좌굴은 도상 저항, 궤도 배치, 체결재의 강성, 궤도 곡률, 열차의 종류 및 축중, 초기결함 등 많은 인자에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

이같은 좌굴의 영향을 최소화하기 위하여 모든 체결구를 다 푼 후 여름, 겨울의 평균온도와 정확하게 맞는 온도에서 전 구간의 레일을 골고루 두들기는 과정을 거쳐 레일이 받는 응력을 풀어주거나, 여름철 열차속도를 줄이거나, 혹은 압축응력이 큰 부분을 절취 후 다시 용접하는 방법 등이 활용되고 있다. 그러나 이러한 방법 등은 비경제적일 뿐만 아니라 좌굴에 의한 열차탈선 등을 미연에 방지할 수 있는 근본적인 대안이 될 수 없는 문제점을 지니고 있다.

상기에서도 언급한 바와 같이 고속철도의 장대레일은 외부충격, 지반변형, 온도변화에 따르는 장대레일의 변형과 결함 및 손상 등으로 야기되는 탈선 혹은 현재의 상태를 평가하고자 하는 노력의 일환으로 장대레일의 계측 및 모니터링 시스템의 필요성은 매우 크게 증대되고 있는데, 특히 장대레일의 특성조건에 알맞은 센서 및 센싱기술이 핵심이라고 할 수 있다. 그러나 레일의 길이가 수백 km에 달한다는 점에서 한 곳의 변형과 결함 및 손상 등을 찾아내기란 쉽지 않으며, 변형과 결함 및 손상 등이 예상되는 지점에 수많은 센서들을 한꺼번에 설치한다는 것도 대단히 어렵다고 할 수 있다. 한편, 이같은 수고와 비용을 들였음에도 불구하고 예상지점 이외의 곳에서 변형이 발생했을 경우 열차의 탈선으로 인한 엄청난 피해는 불가피한 현상이 될 수 있다.

이같은 문제점들에 대해 열차의 탈선을 사전에 인지하여 이에 대한 대책을 수립하고, 탈선으로 인한 재해를 사전에 방지하기 위해서는 레일의 변형을 조기발견하는 것이 우선적일 것이다. 이를 위해 레일의 거동특성을 상시 모니터링 하는 동시에 실시간으로 그 정보를 전달, 처리할 수 있는 계측시스템의 자동화가 매우 필요하다.

기존 센서의 비효율성과 비경제성을 극복하고, 탈선을 미연에 방지하기 위해 전구간에 걸쳐 설치된 1개의 케이블만으로 모든 지점의 변형과 절단 및 손상 등을 파악할 수 있는 동시에 센서의 신호를 전달해주는 케이블로서의 역할도 수행할 수 있는 TDR(Time Domain Reflectometry) 또는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)을 활용한다면 장대레일의 상시 모니터링은 쉽게 달성될 수 있을 것이다.

도1은 TDR 또는 OTDR을 레일에 직접 부착시킨 장대레일 모니터링 시스템의 구성도

도2는 침목에 고정된 중간연결키와 TDR 또는 OTDR을 이용한 장대레일 모니터링 시스템의 구성도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 동축케이블 또는 광섬유케이블(TDR 또는 OTDR 케이블)

11 : 중간연결키

12 : 신호처리부

13 : 침목

14 : (장대)레일

TDR은 원격감지식 전기계측기술로 원래 전기송전선이나, 전화선, 광케이블이 파손된 경우 그 위치를 파악하기 위해 개발된 전기파형 분석기술이다. TDR은 전기신호를 발생하는 장치, 전기신호를 전달하고 환경의 변화를 감지하는 전달매체, 반사신호를 측정하여 분석하는 장치로 구성된다. 일반적으로 전기신호 발생장치와 반사신호 측정장치는 케이블시험기에 내장되어 있으며 케이블시험기에서 발생된 전기신호가 전달매체를 따라 전달되면서 전달매체 자체의 형상변화나 전달매체 주변의 물리적, 전기적 변화가 있는 경우 신호가 반사되어 케이블시험기로 전달된다. 전기신호를 전달하는 매체는 동축케이블(coaxial cable)을 일반적으로 사용하며 TDR신호는 동축케이블의 인장, 전단, 꺾임 등의 변형을 감지할 수 있다. TDR은 기존의 계측방식에 비해 시스템의 설치가 쉽고모뎀이나 무선통신으로 데이터의 수집이 가능하므로 원거리에서 레일의 변화를 파악할 수 있으며, 레일 변형의 발생위치를 즉시 알 수 있다. 다시 말해서, 전달신호와 반사신호의 시간차를 알면 케이블의 변형위치를 결정할 수 있으며 반사신호의 발생시간 및 반사계수의 부호, 길이, 크기는 변형의 위치, 종류, 손상정도를 결정한다.

OTDR은 펄스광을 광섬유 내부에 입사시키고 외부자극으로 인하여 광섬유에 인장 또는 굽힘이 발생되면 그 정도에 따라 광손실이 증가하며, 균열 등으로 인하여 광섬유가 절단될 경우에는 그 절단면에서 반사광이 나타난다. 후방 산란되어 되돌아온 빛의 광섬유 길이에 따른 광손실을 측정하여 외부 물리량 변화(변형률, 압력 등)를 관측할 수 있으며, 절단면에서의반사광을 이용하여 절단지점을 측정하여 균열발생 위치를 추정할 수 있다. 광손실 증가량으로부터 변형률을 얻기 위해서는 실 구조물의 광케이블 설치조건에 의하여 도출된 변형률과 광손실 증가와의 상관관계를 나타내는 데이터를 사전 입수하여 광감시기의 기억장치에 저장해 두었다가 광감시기의 중앙 처리부가 이를 근거로 하여 변형률을 검출하여야 한다.

광섬유를 고속의 통신선로로 사용하는 통신시스템에서는 광섬유의 감쇠량이 통신시스템의 질을 결정하는 중요한 요소가 된다. Core와 cladding의 직경, 굴절율, NA(numerical aperture), cutoff wavelength 등과 같은 광섬유의 파라미터들은 광섬유를 제조하고 설치하는 과정 이후로는 거의 변하지 않는다. 하지만 광섬유의 감쇠량은 습도, 온도, 물리적인 스트레스같은 환경영향에 의해서 변하는 경향이 있다.

OTDR로는 후방 산란광과 반사광을 측정한다. 이 방법은 간접적으로 광섬유의 감쇠를 측정할 수 있으며, 측정되는 광섬유의 길이에 따른 감쇠, 결점, splice, bend, connector에 의한 감쇠량을 측정할 수 있어서 감쇠의 발생위치에 대한 정보도 동시에 얻을 수 있다. 이러한 정보들을 통해서 결점을 만들어 내는 종류와 위치, 광섬유 특성의 균질성 그리고 광섬유의 길이 등을 측정할 수 있게 된다.

본 발명은 최소 1개의 동선이나 광섬유케이블로 사용이 가능하여 설치 및 취급이 용이하고, 보다 정밀하게 장기간 동안 사용할 수 있으므로 내구성과 경제성 측면에서 뛰어난 효과가 있을 뿐만 아니라 장대레일의 탈선방지 효과가 매우 크다고 할 수 있다

Claims

TDR 또는 OTDR을 (장대)레일에 직접 부착하고 외부충격, 지반변형, 온도변화에 따르는 장대레일의 변형, 결함, 손상 등을 모니터링하는 시스템
일반적으로 TDR 및 OTDR은 인장 또는 휨에 비하여 전단변형에 대하여 민감하게 반응한다. 침목에 중간연결키를 설치하고 TDR 및 OTDR을 설치[도 2 참조]하여, 좌굴 등에 의하여 레일에 변형이 발생되면 이는 TDR 및 OTDR의 꺽임에 의한 전단변형을 야기하게 되어 TDR 및 OTDR을 레일에 직접 부착한 경우보다 더욱 민감하게 장대레일의 변형, 결함, 손상 등을 모니터링 할 수 있다. 이와같이 TDR 및 OTDR을 중간연결키와 함께 설치하여 장대레일의 변형, 결함, 손상 등을 모니터링하는 시스템