KR20060090517A

KR20060090517A - 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경측정 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20060090517A
Application number: KR1020050011461A
Authority: KR
Inventors: 윤용기; 최규형
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2006-08-11

Abstract

본 발명은 광센서를 이용하여 이동체의 길이 및 이동체의 차륜경을 측정하여 차륜경 검수를 지원하고 이동체의 자동운전을 지원할 수 있도록 하는 광센서를 이용한 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 지상설비와 차상시스템으로 이루어지되, 지상설비는 선로를 따라 일정간격으로 설치되어 차상의 광송수신부의 송신부에서 발사되는 빛을 상기 광송수신부의 수신부로 반사하는 광반사판으로 이루어지고, 차상시스템은 지상에 설치되어 있는 광반사판에 광을 발사하고 반사된 빛을 검출하는 광송수신부, 열차가 주행하면 펄스신호를 생성하는 속도센서, 그리고 상기 광송수신부, 속도센서 및 차상시스템에서 전송된 신호를 가공하여 열차차륜경 값과 열차길이를 계산하는 연산부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이동체 길이, 열차길이, 이동체 차륜경, 정밀정차,

Description

고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 장치 및 그 방법{Device for measuring length and wheel diameter for track travel moving body and method thereof}

도 1은 본 발명의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 지상설비인 광반사판의 상세 설치상태도,

도 3은 본 발명에 따른 광반사판의 다른 설치상태예,

도 4는 본 발명에 따른 차상시스템의 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 연산부의 입력신호를 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 열차의 길이측정방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 -- 열차, 10 -- 지상설비,

11 -- 광반사판, 20 -- 차상시스템,

21 -- 광송수신부, 22 -- 속도센서,

23 -- 연산부, 24 -- 차상장치,

25 -- 설치대.

고정된 선로를 주행하는 대표적인 이동체인 열차는 자동운전 및 승강장에서의 정밀정차를 위해서 열차의 차륜경 및 열차의 길이 값을 정확히 측정하는 것이 매우 중요하다. 열차의 차륜경 측정의 경우 검수고에서 주간검사 및 월상검사 시 주기적으로 검수요원이 측정을 한다. 열차길이 측정의 경우 차량의 수량을 검수요원이 계산하여 미리 작성된 프로그램에 집어넣어 열차길이를 측정한다.

국내에서 운행중인 수많은 열차 중에 지하철 일부 노선에서 자동운전(ATO :Automatic Train Operation)을 하고 있고, 향후에 도입되어 운행될 지하철 및 경량전철 대부분도 자동운전을 채택할 것이다. 자동운전을 하기 위해서는 열차(이동체)의 가·감속 속도제어, 승강장 정밀정차제어 등 많은 기능을 열차에서 스스로 처리를 하여야 하는데, 이것을 하는데 있어 중요한 인자는 열차의 차륜경 및 열차 의 길이 값을 정확히 측정하는 것이다.

열차의 가속도 제어, 감속도 제어, 비상제동 및 곡선로 주행 등을 할 때 열차의 차륜과 주행로인 레일간 마찰에 의해서 열차의 차륜에 지속적으로 마모가 발생한다. 또한 차륜면 상태가 좋지않은 경우 레일의 파손을 방지하기 위해서 차륜을 삭정한다. 이처럼 주행중의 마찰 및 삭정작업을 거치면서 차륜의 크기는 계속적으로 변한다.

지하철의 경우는 승객수요에 맞추어 탄력적으로 맞추기 위해서 6량, 8량 및 10량 등으로 차량의 수량을 변경하여 열차를 편성한다. 고속철도 및 일반철도의 경우도 유사하다. 차량 수량이 변경되면 편성된 열차의 길이가 변경된다. 열차길이가 짧은 경우는 계산된 열차의 길이가 짧지만 열차길이가 길어지면 열차길이 오차가 커져 역사에 정차하는 경우 정확한 정차위치를 잡는 것이 어렵게 된다.

특히, 최근에 활발히 연구·개발되고 있는 경량전철의 경우 철제차륜 이외에 고무차륜도 사용하고 있어 보다 복잡한 문제점을 갖고 있다. 고무차륜의 경우 공차상태 및 만차상태와 같이 승객의 하중에 따라 차륜경의 값이 계속적으로 변하는 특징을 갖고 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 주행중 마찰에 의해서 발생되는 마모, 검수 시 차륜삭정, 하중에 따라 변화하는 고무차륜경의 값 및 열차편 성 변경 시 열차길이 변화 등을 간단한 장치를 사용하여 열차에서 자동으로 검지하여 열차의 자동운전, 승강장에서의 정밀정차 및 검수고에서의 차륜경측정 및 열차길이 조정작업 생략 등의 성과를 달성할 수 있도록 된 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

지상설비와 차상시스템으로 이루어지되, 지상설비는 선로를 따라 일정간격으로 설치되어 차상의 광송수신부의 송신부에서 발사되는 빛을 상기 광송수신부의 수신부로 반사하는 광반사판으로 이루어지고, 차상시스템은 지상에 설치되어 있는 광반사판에 광을 발사하고 반사된 빛을 검출하는 광송수신부, 열차가 주행하면 펄스신호를 생성하는 속도센서, 그리고 상기 광송수신부, 속도센서 및 차상시스템에서 전송된 신호를 가공하여 열차차륜경 값과 열차길이를 계산하는 연산부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 방법은, 차상시스템에 속도센서가 차륜이 1회전할 때 생성하는 펄스 수와 열차의 진행방향을 따라 일정간격으로 다수 설치되어 수신된 빛을 반사하도록 된 광반사판간의 거리를 미리 저장하고, 선두차량에 설치된 광송수신부가 지상에 설치된 상기 광반사판을 통과하는 순간부터 후미차량에 설치된 광송수신부가 상기 광반사판을 통과하는 순간까지 속도센서에서 생성하는 펄스 수를 검출하여 차상시스템의 연산부로 전송하며, 상기 연산부에서는 상기 사전에 저장된 차륜이 1회전할 때 생성하는 펄스 수, 광반사판간의 거리, 광반사판의 반사신호 및 속도센서의 펄스 수를 이용하여 이동체의 차륜경 또는 길이를 측정하도록 함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 일실시예에 대한 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 구성도를 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 장치는 지상설비(10)와 차상시스템(20)으로 구성된다.

지상설비(10)는 후술되는 바와 같이 열차(1)에 설치되어 있는 차상시스템(20)의 광송수신부(21)에서 발사한 광을 반사시키는 광반사판(11)만으로 이루어져 있다. 광반사판(11)은 무전원방식으로 열차에서 날아온 빛을 반사하는 단순한 기능을 수행한다.

차상시스템(20)은 광송수신부(21), 속도센서(22) 및 연산부(23)로 구성된다. 광송수신부(21)는 지상에 설치되어 있는 광반사판(11)에 광을 쏘고, 반사된 빛을 검출하는 유전원방식으로 이루어지며, 선두차량에 설치되는 광송수신부(21A)와 후미차량에 설치되는 광송수신부(21B)로 이루어진다. 속도센서(22)는 열차가 주행하면 펄스신호를 생성하는 장치로서 생성된 신호를 연산부(23)로 전송하며, 광송수신부(21)와 마찬가지로 선두차량에 설치되는 속도센서(22A)와 후미차량에 설치되는 속도센서(22B)로 이루어진다. 상기 연산부(23)는 광송수신부(21), 속도센서(22) 및 차상장치(24)에서 전송된 신호를 가공하여 열차차륜경 값과 열차길이를 계산한다. 차상장치(24)는 열차에 탑재되어 있는 신호장치 또는 열차제어장치로서 연산부(23)에서 만들어 전송한 열차차륜경 및 열차길이값을 받아 열차의 가감속제어 및 역정밀정차 등의 기능을 수행한다. 특히, 열차의 길이를 측정하기 위해서 연산부(23)는 선두차량에 설치되어 있는 광송수신부(21) 및 후미에 설치되어 있는 광송수신부의 신호를 받는다.

도 2는 본 발명에 따른 지상설비인 광반사판의 상세 설치상태도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 지상설비(10)는 단지 광반사판(11;11A,11B,11C,11D,11E)만으로 구성되는데, 여기에서는 5개만을 표기하였지만 높은 정밀도의 차륜경값을 필요로 하는 경우 설치수량에 대해서는 제한을 두지 않는다. 광반사판(11)을 설치하는 위치는 철제차륜의 경우 검수고 부근에 설치하는 것이 적합할 것이며, 고무차륜을 사용하는 경우 승객하중에 따라 차륜경이 변화하기 때문에 각 역사마다 설치하여 승객하중에 따른 차륜경의 크기를 측정하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

도 1에서 도시되어 있는 바와 같이, 열차(1)의 앞부분과 뒷부분에 도 2와 같이 광반사판(11;11A,11B,11C,11D,11E)을 배치한다. 열차(1)의 앞부분과 뒷부분에 설치되는 광반사판(11)의 수량은 모두 동일하다. 광반사판(11)을 설치하는 지상조건은 도 2와 같이 자갈도상위에 침목(12)과 레일(13)이 있는 경우, 콘크리트바닥위에 침목(12)과 레일(13)이 있는 경우, 침목(12)과 레일(13)은 사용하지 않고 콘크리트바닥만 있는 경우로 구분할 수 있다. 자갈도상의 경우는 침목(12)위에 설치하 고, 콘크리트바닥의 경우 침목 또는 바닥을 구분하지 않고 설치한다. 사전에 정의된 오차범위 안에 광반사판간 간격 L을 유지하도록 설치한다. 오차범위는 열차길이 및 정밀정차범위를 고려하여 알맞은 값을 선정한다.

도 3은 본 발명에 따른 광반사판의 다른 설치상태예를 나타낸다.

첨부도면에 도시된 바와 같이 광반사판(11)의 설치를 보다 간편하게 하기 위해서 양 레일(13) 사이에 설치대(25)를 사용하여 설치할 수 있다. 즉, 인접된 침목(12)들간 간격이 일정하지 않더라도 설치대(25)를 사용함으로써 광반사판(11)의 설치간격을 일정하게 유지시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 차상시스템의 구성도를 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 광송수신부(21), 속도센서(22), 연산부(23)로 구성된다. 이러한 차상시스템(20)은 열차의 선두차량 및 후미차량에 설치된다.

광송수신부(21)는 연산부(23)에서 전송된 신호에 맞추어 지상에 설치된 광반사판(11)에 신호를 송신하고 반사된 신호가 있으면 이를 받아 다시 연산부(23)로 전송한다.

연산부(23)는 도 5에 도시된 바와 같이 속도센서(22;TG1,TG2,TG3)의 출력신호(221, 222, 223)와 광송수신부(21)의 출력신호(212)를 받아 다음과 같이 연산하여 열차(1)의 차륜경을 측정할 수 있다. 열차(1)의 차륜경을 측정하기 전에 속도센서(22)의 사양에 의해서 다음의 값이 정의된다.

속도센서(22)가 1회전할 때 생성되는 펄스 수 : P_TG

P_TG[펄스 수 / 속도센서 1회전]

광송수신부(21)가 인접된 광반사판(11)간 거리 L[m]를 통과하면서 생성되는 신호(212)간에 만들어지는 속도센서(22)의 펄스 수 : P_L

P_L [펄스 수 / 길이 L[m]]

P_{TG /}P_L=[펄스 수(N_TG) / 속도센서 1회전] / [펄스 수(N _L) / 길이 L[m]]

= [펄스 수(N_TG) × 길이 L[m]] / [펄스 수(N_L) × 속도센서 1회전]

= α × L[m] / 속도센서 1회전

(여기서 α는 펄스 수(N_TG) / 펄스 수(N_L)이다)

위와 같이 속도센서(22) 사양과 계측값을 사용하여 간단하게 차륜이 1회전할 때 주행한 거리를 계산할 수 있다. 계산된 거리값을 이용하여 간단하게 열차의 차륜경을 구할 수 있다.

열차 차륜경 R_{L1_TG1}[mm] = [α × L[m] / 2 × ??] × 1,000

이렇게 구한 차륜경은 속도센서(22)의 출력신호와 광송수신부(21)의 반사신호간 시간차에 의하여 에러가 발생되는데, 이렇게 발생되는 값을 다음의 표와 같이 보정한다.

도 2 및 도 5를 보면 속도센서(22)에서 3개의 속도펄스(TG1,TG2,TG3)가 생성되고, 지상에 광반사판(11)을 여러개 설치하면 이것에 맞추어 여러 개의 L을 만들 수 있기 때문에 정밀한 차륜경값을 측정할 수 있다. 추출할 수 있는 차륜경값을 정리하면 다음과 같다.

	L측정개소	TG1	TG2	TG3
1	11A-11B	1_1	2_1	3_1
2	11B-11C	1_2	2_2	3_2
3	11C-11D	1_3	2_3	3_3
4	11D-11E	1_4	2_4	3_4
-	-	-	-	-
N-1	·	1_N-1	2_N-1	3_N-1
N	M	1_N	2_N	3_N

위 표에서 보듯이 행렬 1_1에서 3_N까지 생성된 값을 해석하여 최적의 차륜경값을 구할 수 있다. 값을 구하는 방법은 단순한 평균값 법을 사용하거나 통계법을 이용한다. 철제차륜과 값이 행렬의 각 셀의 값이 균일한 경우는 평균값 법을 이용하는 것이 좋고, 고무차륜과 같이 주행속도 및 승객하중에 따라 변화하는 경우 통계법을 이용하여 차륜경값을 구하는 것이 좋다.

위와 같이 방법에 의하여 차륜경 값을 정의한다.

열차 차륜경 TR[mm]

이상과 같이 구해진 차륜경 크기 TR[mm]를 이용하여 열차의 길이를 계산한다.

도 6은 본 발명에 따른 열차의 길이측정방법을 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이 열차(1)가 지상에 설치되어 있는 광반사판(11)을 통과하면 연산부(23)는 광송수신부(21)에서 올라온 신호와 속도센서(22;TG1,TG2,TG3)의 펄스신호를 사용하여 열차길이를 계산한다. 예컨대, 속도센서(TG1)의 펄스신호를 기준으로 할 때, 선두차량에 설치되어 있는 광송수신부(21A)가 광반사판 N1을 통과하면 펄스 수를 0으로 한다. 열차가 진행하면 연산부(23)(선두차량의 연산부)는 광송수신부(21A)에서 올라온 신호에 맞추어 속도센서(TG1)의 펄스 수를 계속 연산하여 광반사판 N2, N3, N4, N5를 통과할 때의 펄스수(N2, N3, N4, N5; 광반사판과 해당 광반사판을 통과할 때의 펄스수와의 대응관계를 쉽게 하기 위하여 동일문자를 사용하여 표시함)를 구한다. 열차가 계속 주행을 하여 후미차량에 있는 광송수신부(21B)에서 지상에 설치된 광반사판 N1을 통과하면 검지한 신호를 선두차량에 있는 연산부(23)에 전송한다. 이 순간 연산부(23)는 L1을 구한다. 열차가 주행하여 후미의 광송수신부(21B)에서 계속하여 광반사판 통과신호를 전송하면 L2, L3, L4 및 L5를 구한다. 이미 지상에 설치되는 광반사판(N1~N5)의 위치 및 설치 수량이 미리 정의되어 있기 때문에 연산부(23)에서는 구한 펄스신호의 개수 값을 다음과 같이 배열한 후 열차길이를 계산한다.

	N 펄스값	L펄스값	L-N	열차길이(TL)
1	N1	L1	L1-N1	TL1
2	N2	L2	L2-N2	TL2
3	N3	L3	L3-N3	TL3
4	N4	L4	L4-N4	TL4
5	N5	L5	L5-N5	TL5
·	·	·	·	·
N	Nn	Ln	Ln-Nn	TLn

열차길이값에 대한 높은 정밀도를 요구하면, 차륜경을 구하는 것과 같이 속도센서신호 TG1, TG2 및 TG3를 사용하여 구한다.

L1-N1에 대한 값은 계측을 통하여 구하는 값이고, 속도센서 1회전당 펄스 수는 사양에 의해서 이미 정의되어 있으므로 선두차량의 광송수신부(21A)와 후미차량의 광송수신부(21B)간 관계된 값을 구할 수 있다.

β = (L1-N1) / 속도센서 1회전당 펄스 수

열차길이 T1 = β × 2 × π × P_TG [mm]

그런데 도 4와 같이 열차 선두차량의 선두부와 광송수신부(21A)간에 길이 R이 있으므로 이 값을 더해야 한다. 동일한 값이 후미차량에도 적용된다.

열차길이 TL = T1 + 2 × R

지상에 설치되어 있는 광반사판의 수량에 따라 생성되는 열차의 길이 TL1, TL2,…,Tn의 값을 평균하면 열차의 길이를 구할 수 있다.

열차길이 TL_AVG = TL1, TL2,…,TLn의 평균값

이와 같이 하여 열차의 길이를 구할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 이동체의 차륜경의 종류(철제 및 고무)에 무관하게 차륜경의 값을 자동으로 간편하게 구할 수 있어 이동체의 속도제어 및 정밀정차의 성능을 높일 수 있고, 이동체의 차륜경의 마모값을 필요에 따라 언제든지 측정할 수 있어 차륜검수 및 차륜교체 등 검수지원을 할 수 있으며, 열차편성변경에 따라 발생되는 열차길이변화를 자동으로 검지할 수 있는 장점이 있다.

Claims

지상설비와 차상시스템으로 이루어지되, 지상설비는 선로를 따라 일정간격으로 설치되어 차상의 광송수신부의 송신부에서 발사되는 빛을 상기 광송수신부의 수신부로 반사하는 광반사판으로 이루어지고, 차상시스템은 지상에 설치되어 있는 광반사판에 광을 발사하고 반사된 빛을 검출하도록 선두차량과 후미차량의 선단에 설치하는 광송수신부, 열차가 주행하면 펄스신호를 생성하는 속도센서, 그리고 상기 광송수신부, 속도센서 및 차상시스템에서 전송된 신호를 가공하여 열차차륜경 값과 열차길이를 계산하는 연산부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 광반사판은 레일사이에 레일의 길이방향으로 길게 설치되는 설치대에 설치된 것을 특징으로 하는 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광반사판은 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 장치.
차상시스템에 속도센서가 차륜이 1회전할 때 생성하는 펄스 수와 열차의 진행방향을 따라 일정간격으로 다수 설치되어 수신된 빛을 반사하도록 된 광반사판간의 거리를 미리 저장하고, 선두차량에 설치된 광송수신부가 지상에 설치된 상기 광반사판을 통과하는 순간부터 후미차량에 설치된 광송수신부가 상기 광반사판을 통과하는 순간까지 속도센서에서 생성하는 펄스 수를 검출하여 차상시스템의 연산부로 전송하며, 상기 연산부에서는 상기 사전에 저장된 차륜이 1회전할 때 생성하는 펄스 수, 광반사판간의 거리, 광반사판의 반사신호 및 속도센서의 펄스 수를 이용하여 이동체의 차륜경 또는 길이를 측정하도록 함을 특징으로 하는 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 방법.
제4항에 있어서, 상기 이동체의 차륜경 또는 길이 측정시 다수의 속도센서가 다수의 광반사판을 통과하면서 발생하는 펄스 수를 평균값 법 또는 통계법을 이용하여 측정하도록 함을 특징으로 하는 고정선로를 주행하는 이동체 길이 및 이동체의 차륜경 측정 방법.