KR20090061705A - 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템에 관한 것으로서, 판토그라프와 전차선의 접촉력 및 가속도 정보를 계측하여 계측데이터로 변환하는 센서측정장치와, 상기 센서측정장치로부터 계측데이터를 전송받고 상기 판토그라프와 전차선 사이의 접촉력 및 충격가속도를 분석하는 데이터분석장치;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 전차선과 판토그라프의 접촉력과 충격가속도를 측정하고 이를 이용하여 평균 접촉력, 표준편차 등에 대한 통계처리 기능을 통해 이를 근거로 집전품질을 분석하고 기계적인 충격을 분석하여 전차선과 판토그라프가 최상의 집전 상태를 지속적이고 안정적으로 유지될 수 있게 하는 효과가 있다.
전차선, 판토그라프, 접촉력, 충격가속도
Description
도 1은 전차선과 판토그라프의 접촉력을 설명하기 위해 도시한 원리도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측을 위한 시스템 개념도이고,
도 3은 본 발명에 따른 센서부의 설치위치를 설명하기 위해 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측을 위한 시스템 구성도이고,
도 5는 본 발명에 따른 센서측정부의 상세 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 센서측정부의 설치 단면도이고,
도 7은 본 발명에 따른 제2광송수신부의 상세 구성도이고,
도 8은 본 발명에 따른 데이터수집장치부의 상세 구성도이고,
도 9은 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 데이터화면의 일예를 도시한 도면이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
1: 판토그라프 2: 전차선
3: 열차 100: 센서측정장치
110: 센서부 112: 스트레인 게이지
114: 가속도센서 120: 센서측정부
122: 시그널컨디셔너 124: A/D 컨버터
126: 데이터수집/계측제어 컴퓨터 130: 제1광송수신부
132: 제1광무선랜 140: 밧데리
160: 무선 리모콘 200: 데이터분석장치
210: 제2광송수신부 212: 제2광무선랜
214: 제1광변환장치 218: 제2광변환장치
220: 데이터수집장치부 222: 산업용컴퓨터
230: 전원공급부 240: 전원변환부
300: 모니터링 시스템
본 발명은 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 열차의 계측데이터를 분석하여 선로 조건 및 운전 패턴에 따 른 판토그라프의 집전 품질과 동적 특성을 주기적으로 모니터링하고 그 성능을 계량화하여 전차선과 판토그라프가 최상의 집전 상태를 지속적으로 유지될 수 있도록 하기 위해 전차선의 접촉력과 충격가속도를 측정하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 상업 운전되고 있는 열차 특히 고속열차는 전차선에서 받은 전기에너지를 동원력으로 이용하여 주행하기 때문에 열차에 설치된 판토그라프(pantograph)가 전차선과 접촉할 때 얼마나 안정적으로 전차선을 추종하면서 집전하는가에 따라 열차의 견인이나 제동 등의 주행 성능이 좌우된다.
이와 같은 전차선과 판토그라프의 접촉력은 열차가 정지해 있거나 주행하는 모든 경우에 전차선과 판토그라프의 집전판이 접촉하는 점에서 힘의 평형으로 이루어지며, 이러한 힘의 평형상태와 상하 방향의 접촉력은 도 1에 도시한 바와 같이, 판토그라프(1)의 주 스프링이 집전판을 밀어 올리는 힘인 정적압상력과 열차가 고속으로 주행할 때 나타나는 양력이 합해져 전차선과 접촉할 때 평형을 이룬 힘의 시간적 평균을 “평균접촉력”이라고 정의할 때, 각 힘 사이의 평형상태는 아래의 식(1)과 같다.
Fi = -Fc + Fa+ Fs -------------- 식(1)
이때, 상기 'Fc'는 접촉력(contact force, 전차선과 집전판의 접촉력)이고, 'Fi'는 관성력(inertia force, 판토그라프 상하운동의 관성력)이고, 'Fs'는 압상 력(spring force, 스프링에 의한 정적압상력)이며, 'Fa'는 양력(aerodynamic uplifting force, 전차선과 집전판의 양력)이다.
그런데, 주행 중인 열차의 상하 진동과 전차선의 현 운동을 따라 접촉할 때 판토그라프가 상하 방향의 가속도 거동을 함으로써 생기는 관성력(Fi)은 정지 상태의 평형 높이를 중심으로 상하(+,-)방향으로 작용방향이 변화하는 교번 운동을 하므로 시간 평균값은 상쇄되어 ‘0’이 되므로 전차선과 판토그라프의 평균접촉력(Fc)은 아래의 식(2)와 같다.
Fc = Fa + Fs -------------- 식(2)
상기 식(2)를 통해 알수 있는 바와 같이 평균접촉력(Fc)은 주 스프링의 정적압상력(Fs)과 고속대역에서의 공기 양력(Fa)을 측정하면 그 합으로 구할 수 있게 된다.
이와 같은 집전 품질을 평가하는 대표적인 기준은 EN규격과 UIC Code가 있으며 고속철도 집전시스템에서 계측되는 평균접촉력에 대한 이러한 규격과 비교 검토에 의해 집전 품질을 평가하고 개선 방안을 모색한다면 열차 중 특히 고속열차의 속도 향상 및 안전성 확보 측면에서 큰 성과를 기대할 수 있게 된다.
한편, 판토그라프(1) 사고의 대부분은 이상이 발생한 전차선(2) 설비와의 충돌에 의한 것이므로 충돌이 발생했을 때 즉시 검지할 수 있다면 사고의 확대를 막아 피해를 최소한으로 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 점에 착안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 전차선과 판토그라프의 접촉력과 충격가속도를 측정하여 전차선과 판토그라프가 최상의 집전 상태를 지속적으로 유지될 수 있도록 하기 위한 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;
판토그라프와 전차선의 접촉력 및 가속도 정보를 계측하여 계측데이터로 변환하는 센서측정장치와; 상기 센서측정장치로부터 계측데이터를 전송받고 상기 판토그라프와 전차선 사이의 접촉력 및 충격가속도를 분석하는 데이터분석장치;로 구성되는 것을 그 기본 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서측정장치는, 상기 판토그라프와 전차선 사이의 접촉력 및 가속도 정보를 계측하는 센서부와, 상기 센서부에서 계측된 접촉력 및 가속도 정보를 디지털화하여 계측데이터로 변환하는 센서측정부와, 상기 센서측정부의 계측데이터를 광신호로변환하여 전송하는 제1광송수신부와, 전원을 공급하는 밧데리와, 상기 밧데리의 전원을 일정한 전압으로 변환하여 상기 센서측정부로 공급하는 DC-DC컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 데이터분석장치는, 상기 제1광송수신부로부터 전송된 계측데이 터를 수신받는 제2광송수신부와, 상기 제2광송수신부를 통해 수신된 계측데이터를 이용하여 평균접촉력을 분석하여 저장관리하는 데이터수집장치부와, 구동전원을 공급하는 전원공급부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서부는 판토그라프의 보우연결프레임 양단에 설치되어 접촉력을 계측하는 스트레인게이지와, 보우연결프레임과 1차스프링 간에 설치되어 가속도를 계측하는 가속도센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 센서측정부는; 상기 센서부에서 계측된 접촉력과 가속도 신호를 일정비율로 증폭하는 시그널컨디셔너와, 상기 시그널컨디셔너에서 중폭된 접촉력과 가속도 신호를 디지털형식의 계측데이터로 변환하는 A/D 컨버터와, 그 A/D 컨버터로부터 입력되는 계측데이터를 연산처리하는 데이터수집/계측제어 컴퓨터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1광송수신부는 상기 센서측정부의 계측데이터를 무선의 광신호로 변환하여 송수신하는 제1광무선랜으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 센서측정부 및 제1광송수신부의 전원공급을 온/오프시키기 위한 무선 리모콘이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2광송수신부는; 상기 제1광송수신부의 제1광무선랜으로부터 무선 광신호를 수신받는 제2광무선랜과, 그 제2광무선랜으로 수신된 무선 광신호를 광데이터로 변환하는 제1광변환장치와, 그 제1광변환장치의 광데이터가 전송되는 광케이블과, 그 광케이블을 통해 전송된 광데이터를 전기신호로 변환하여 상기 데이터수집장치부로 출력하는 제2광변환장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 데이터수집장치부는 모니터링 시스템으로부터 열차속도 데이터, 영상 데이터, GPS 시간 데이터를 전송받는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터수집장치부는; 상기 계측데이터로 평균접촉력 및 표준편차를 분석하고 평균접촉력 및 표준편차에 대한 통계처리를 수행하여 검측데이터를 생성하는 산업용컴퓨터와, 조건을 입력하기 위한 키보드/마우스와, 검측데이터를 디스플레이하는 모니터와, 전원의 공급을 위한 UPS로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이때, 도 1은 전차선과 판토그라프의 접촉력을 설명하기 위해 도시한 원리도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측을 위한 시스템 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 센서부의 설치위치를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측을 위한 시스템 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 센서측정부의 상세 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 센서측정부의 설치 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 제2광송수신부의 상세 구성도이고, 도 8은 본 발명에 따른 데이터수집장치부의 상세 구성도이고, 도 9은 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 데이터화면의 일예를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4에 의하면, 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템은 판토그라프(1)와 전차선(2)의 접촉력 및 가속도를 계측하여 디지털 형식의 계측데이터로 변환하는 센서측정장치(100)와, 상기 센서측정장치(100)를 통해 전송된 계측데이터를 이용하여 판토그라프(1)와 전차선(2) 사이의 접촉력 및 충격가속도를 분석하는 데이터분석장치(200)로 구성된다.
이때, 열차는 우수한 집전시스템이 필수적인 바, 안정적으로 전차선을 추종하면서 얼마나 잘 집전하는지에 따라 열차의 주행성능, 즉 견인 성능과 제동 성능이 좌우되며, 특히 고속으로 운행되면서 2조의 집전시스템 중 1조만 전차선과 접촉하며 동력을 공급하는 고속(高速) 열차의 집전장치는 더 높은 신뢰도와 추종성이 요구되므로 전차선(2)과 판토그라프(1)간의 접촉력과 가속도를 계측하여 열차(3)의 판토그라프(1) 집전 품질과 동적 특성을 주기적으로 모니터링(monitoring)하고 그 성능을 계량화함으로써 지속적인 유지보수 및 개선 노력이 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 센서측정장치(100)와 데이터분석장치(200)를 이용하여 전차선(2)과 판토그라프(1)간의 접촉력과 충격가속도를 분석하게 된다.
이때, 상기 센서측정장치(100)는 열차(3)의 PC1 차량 차탑에 설치되며, 상기 데이터분석장치(200)는 열차의 TMC 차량 내부에 설치되어 고속주행중인 열차(3)의 판토그라프(1)와 전차선(2)과의 집선 성능을 분석하게 된다.
한편, 상기 데이터분석장치(200)는 특정 측정위치에서의 전차선(2) 추종성을 확인할 수 있도록 하기 위해 기존의 모니터링 시스템(300)과 GPS, 차륜 정보와 연동되며, 그 측정된 테이터를 옮겨 분석함도 가능하다.
이때, 상기 모니터링 시스템(300)은 속도거리측정기로부터 전송받은 속도 및 거리코드 정보와 GPS수신기를 통해 전송받은 동일 시간 코드 정보 등을 수신하게 된다.
이하, 좀 더 구체적으로 각각의 구성들을 상세히 설명한다.
먼저 상기 센서측정장치(100)는 판토그라프(1)와 전차선(2) 사이의 접촉력 및 가속도 정보를 계측하는 센서부(110)와, 상기 센서부(110)에서 계측된 접촉력 및 가속도 정보를 디지털화하여 계측데이터로 연산하는 센서측정부(120)와, 그 계측데이터를 광신호로 전송하는 제1광송수신부(130)와 일정전원을 공급하는 밧데리(140)와, 상기 밧데리(140)의 전원을 일정한 전압으로 변환하여 상기 센서측정부(120) 및 제1광송수신부(130)의 광무선랜(132)으로 공급하는 DC-DC컨버터(150)와, 차탑의 센서측정부(120) 및 제1광송수신부(130)의 전원공급을 온/오프(On/Off)시키기 위한 무선 리모콘(160)으로 이루어진다.
이때, 상기 무선 리모콘(160)은 지상에서 사용할 수 있으며, 이를 통해 접촉력과 가속도 신호를 계측하기 위해서는 계측 시작전에 무선 리모콘(160)을 이용하여 전원이 센서측정부(120)에 공급되도록 전원 스위치(미도시됨)를 온(On)시키게 되면, 센서측정부(120)는 자동 부팅되어 계측을 시작하게 된다. 한편, 계측이 끝나면 센서측정부(120)를 셧다운(Shutdown)시키는 경우에는 무선 리모콘(160)을 이용하여 전원을 오프(Off)시키게 된다. 무선 리모콘(160)의 전원 스위치가 오프(Off)되면 센서측정부(120)는 자동 셧다운된다.
한편, 상기 밧데리(140)는 적어도 9시간 이상 운용될 수 있는 용량을 가지며, 밧데리(140)는 센서측정부(120)에 통합된 형태로 제작하고, 밧데리(140)의 충전을 위해 충전장치를 별도로 더 구비함이 바람직하다. 또한, 밧데리(140)는 휴대용으로 탈부착이 가능한 구조이며, 부착한 후 열차의 이동시 진동에 견디도록 구성함이 바람직하다.
상기 센서부(110)는 보우연결프레임(1a) 양단에 설치되어 접촉력을 계측하는 스트레인 게이지(Strain Gauge)(112)와, 가속도를 계측하기 위한 가속도센서(114)로 구성되는데, 상기 가속도센서(114)는 보우연결프레임(1a)에 1차 충격을 측정하는 제1가속도측정센서(114a)가 설치되고, 상기 제1가속도센서(114a)가 설치되는 보우연결프레임(1a)의 하부의 평행판에 제2가속도센서(114b)가 설치되며, 상기 제2가속도센서(114b)가 설치되는 평행판 하부의 상승암부에 제3가속도센서(114c)가 설치되어, 이 가속도센서(114)들로부터 측정되는 가속도를 각각 또는 평균하여 정확한 충격가속도를 측정하게 된다.
좀 더 구체적으로는 상기 보우연결프레임(1a)의 중앙으로부터 양단부로 각각 9Cm 지점에 4개의 스트레인 게이지(112)를 순간접착제인 시아노아크릴레이트(CYANOACRYLATE)로 부착하고, 노이즈에 영향을 받지 않도록 자기융착 테이프로 주변을 감싸고, 알루미늄 테이프로 실드처리하게 된다.
그리고, 상기 가속도센서(114)는 시아노아크릴레이트(CYANOACRYLATE)로 1차로 부착하고, 2차로 우레탄 접착제를 이용하여 가속도센서(114) 주변에 발라 고정한다.
이때, 상기 스트레인게이지(112)는 방수 및 절연 그리고 스트레인게이지(114)의 변형률에 영향을 미치지 않게 하기 위하여, 폴리우레탄(POLYURETHANE)코팅제를 발라주고, 2차로 알루미늄 테이프로 마감처리를 해줌으로써 실드(Shield) 효과를 내며, 상기 가속도 센서(114) 역시 상기 스트레인게이지(112)와 같이 폴리우레탄 코팅제 및 알루미늄 테이프로 마감처리한다.
이와 같은 센서부(110)의 스트레인 게이지(112) 및 가속도센서(114)에서 센싱되는 접촉력과 가속도 정보는 센서측정부(120)에서 디지탈 형식의 계측데이터로 변환된다.
한편, 상기 센서부(110)에서 계측되는 접촉력과 가속도 정보는 아날로그(analog) 신호이며, 레벨(level)이 미약하므로 데이터를 분석하기 쉽지 않다.
따라서, 상기 센서측정부(120)는 도 5에 도시한 바와 같이 상기 센서부(110)에서 계측된 접촉력과 가속도 신호를 일정비율로 증폭한 하이(High) 레벨의 신호로 변환하는 시그널컨디셔너(122)와, 그 시그널컨디셔너(122)에서 증폭된 접촉력과 가속도 신호를 디지털형식의 계측데이터로 변환하는 A/D 컨버터(124)와, 그 A/D 컨버터(124)를 거친 디지털데이터를 연산처리하는 데이터수집/계측제어 컴퓨터(126)로 구성된다.
이때, 상기 데이터수집/계측제어 컴퓨터(126)는 센서부(110)로부터 계측되는 데이터를 수집하고 계측하기 위하여 시그널컨디셔너(122) 및 A/D 컨버터(124)를 제어하고, 계측된 데이터를 데이터분석장치(200)로 전송하기 위하여 제1광송수신부(130)를 제어한다.
한편, 상기 센서측정부(120)에서 디지털데이터로 변환된 접촉력 및 가속도에 대한 계측데이터는 제1광송수신부(130)를 통해 송신된다.
이때, 상기 센서측정장치(100)의 제1광송수신부(130)는 데이터분석장치(200)와의 데이터 송수신을 위하여 광통신을 하게 되는데, 이와 같은 제1광송수신부(130)는 계측데이터를 무선의 광신호로 변환하여 송수신하는 제1광무선랜(132)으로 구성된다.
한편, 상기 차탑과 차상간의 통신경로 절연에 대한 안전성은 운행중 발생될 수 있는 전기적인 영향을 충분히 고려하여 검증된 시스템으로 선정하여야 한다.
따라서, 상기 제1광송수신부(130)를 통해 송신되는 정보를 수신하는 데이터분석장치(200)는 상기 센서측정장치(100)와 25KV의 고전압 환경에서 운용되는 데이터 계측의 전기적인 졀연을 위해 광케이블을 사용한다.
그리고, 상기 차상에 설치되는 데이터분석장치(200)는 상기 제1광송수신부(130)로부터 전송된 계측데이터를 수신받는 제2광송수신부(210)와, 상기 제2광송수신부(210)를 통해 수신된 계측데이터를 수집하는 데이터수집장치부(220)와 전원을 공급하는 전원공급부(230)와, 상기 제1광송수신부(210)에 구동을 위한 직류 전압을 공급하는 전원변환부(240)로 구성된다.
이와 같은 데이터분석장치(200)의 제2광송수신부(210)는 도 7에 도시한 바와 같이 제1광송수신부(130)의 제1광무선랜(132)으로부터 무선 광신호를 수신받는 제2 광무선랜(212)과, 그 제2광무선랜(212)으로 수신된 무선 광신호를 광데이터로 변환하는 제1광변환장치(214)와, 그 광데이터가 전송되는 광케이블(216)과, 그 광케이블(216)을 통해 전송된 광데이터를 전기신호로 변환하는 제2광변환장치(218)로 구성된다.
이때, 상기 센서측정장치(100)에 설치되어 있는 제1광송수신부(130)의 광무선랜(132)과 일정거리 이격되어 마주보는 곳에 제2광송수신부(210)의 제2광무선랜(212)을 설치함으로써 절연시키게 된다.
이때, 상기 제1광무선랜(132)과 제2광무선랜(212)의 투광부 및 수광부는 서로 마주보도록 각도를 조정하여 설치함은 당연하다.
한편, 상기 제2광무선랜(212)으로 수신된 무선 광신호는 제1광변환장치(214)를 통해 광데이터로 변환되어 광케이블(216)을 거쳐 제2광변환장치(218)를 통해 전기적인 계측데이터로 변환된다.
이때, 모든 장비 및 기기는 교류 25KV 고압의 직접적인 영향을 받는 환경에서도 안전하고 작동에 이상이 없고 노이즈 유입이 없도록 하기 위해 유도전압 및 EMI(전자기유도)에 대한 방호가 되어 있는 신뢰성 있는 시스템을 구축함이 바람직하다.
한편, 상기 데이터수집장치부(220)는 계측데이터와 연동되는 열차속도 데이터, 영상 데이터, GPS 시간 데이터를 기존 모니터링 시스템(300)과 공유하게 된다.
따라서, 차상의 데이터분석장치(200)는 센서측정장치(100)로부터 수신한 계 측데이터에 열차속도 데이터, 영상 데이터, GPS 시간 데이터를 연동시켜 저장하여 측정 조건 및 환경에 따라 평균접촉력 및 표준편차에 대한 통계처리를 하고, 집전품질을 분석하게 되며, 세분화 또는 통합적인 분석이 가능토록 한다.
이를 위해 상기 데이터수집장치부(220)는 상기 기존의 모니터링 시스템(300)과 동일한 시간 코드, 동일한 속도 코드, 동일한 거리정보, 동일한 모니터링 영상정보를 공유하기 위하여 하드웨어 및 소프트웨어적인 연계가 이루어져야 한다.
이와 같은 데이터수집장치부(220)는 센서측정장치(100)에서 전송받은 계측데이터를 이용하여 차상에서 수집, 제어, 분석하기 위하여 차상 내부에 설치되며 별도의 랙에 수용하여야 하며, 기존 RFID를 함께 통합 설치한다.
따라서, 상기 데이터수집장치부(220)는 도 8에 도시한 바와 같이 센서 감지시간 단위로 계측데이터를 저장하고 이를 이용하여 평균접촉력 및 표준편차를 분석하고 평균접촉력 및 표준편차에 대한 통계처리를 수행하여 검측데이터를 생성하는 산업용컴퓨터(222)와, 키보드/마우스(224), 그리고 모니터(226)가 구비되며 안정적인 전원의 공급을 위한 UPS(228)가 구비되어 검측데이터는 모니터(226)를 통하여 실시간(real time)으로 확인할 수 잇게 되며, 검측데이터의 저장은 센서의 감지시간 단위로 저장 및 분석된다.
이때, 상기 검측 데이터는 시스템 운용중에도 모니터(226)를 통해 실시간으로 확인이 가능하도록 디스플레이하고, 계측 데이터의 저장은 데이터가 계측된 시간단위(예를들면, 0.67ms간격)로 저장한다.
이와 같은 계측정보를 이용하여 평균 접촉력, 최대 접촉력, 최소 접촉력 및 기계적인 충격을 분석하게 된다.
이때, 고속 철도 집전시스템에서 전차선에 대한 판토그라프의 집전품질을 평가하는 기준은 유럽의 EN규격과 UIC code 가 있으며 평가 방법으로 2가지 방법이 제시되어 있는바, 접촉력 측정이 어려운 경우 아크를 측정하는 방법과 실제 접촉력을 측정하여 측정 접촉력의 평균 접촉력과 표준편차의 3배의 차를 구하여 평가하는 방법이 있으나, 본 발명에서는 실제 접촉력을 계측하는 방법으로 전차선에 대한 판토그라프의 집전품질을 평가할 수 있도록 접촉력을 계측하고, 이를 토대로 평균 접촉력, 표준편차 등에 대한 통계처리 기능을 통해 이를 근거로 집전품질을 분석하게 된다. 따라서, 센서부(110)의 계측 데이터를 이용하여 접촉력을 구하고, 이에 대한 평균 접촉력, 최대 접촉력, 최소 접촉력을 산업용컴퓨터(222)에서 연산처리하여 기계적인 충격을 분석한다.
이때, 판토그라프(1)의 접촉력은 전차선과 집전장치간 이선 특성 및 집전품질(평균접촉력과 표준편차의 3배에 대한 차이가 0보다 크면 집전품질이 양호하다고 판단)을 기준으로 판단한다.
판토그라프(1) 사고시 전차선 설비와의 충돌을 검지하는 방안으로는 판토그라프(1)에 가속도계를 설치하여 감지하는 것이 고려되어 지고 있지만, 판토그라프(1)의 손상 정도와 충격 가속도, 혹은 센서 부착 위치와 가속도의 관계는 부정확하므로 전차선 이상 상태와 판토그라프(1)의 각 부분이 받는 가속도와의 관계를 정량적으로 명확히 하여 기계적인 충격을 검지하기 위하여 집전판 하부와 중앙스프링박스 상부에 가속도 센서를 부착한다. 따라서 이상이 발생한 전차선이나 전차선 설 비와의 충돌시 충격가속도는 지속시간이 0.0012초 정도이고 정상 상태에 대해 집전판에서 20~120배, 중앙스프링박스에서 5~50배정도가 되므로 집전판과 중앙스프링박스의 가속도 계측에 의해 이상 여부를 판단한다.
이때, 도 9의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 충돌시 중앙스프링박스의 가속도가 통상시에 비해 200 이상 커지고 있음을 확인할 수 있게 된다.
한편, 이와 같은 분석은 시간별, 구간별, 지역별 등 다양한 분석 단위별로 데이터베이스를 구축하고 해당 분석단위별로 데이터를 저장관리함이 바람직하며, 사용자의 원하는 검색조건에 따라 모든 계측 데이터가 필터링되어 조건에 맞는 데이터만 표시하도록 구성함도 바람직하다.
이하, 도 1 내지 도 9을 참고로 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템의 검측과정을 설명한다.
차탑의 판토그라프(1)에 설치되는 스트레인게이지(112) 및 가속도센서(114)로부터 계측된 접촉력 및 가속도 정보가 감지되면 이는 센서측정부(120)로 입력된다.
상기 센서측정부(120)는 접촉력 및 가속도 정보를 시그널컨디셔너(122)에서 증폭시키고 이를 A/D 컨버터(124)를 거치면서 디지털형식의 계측데이터로 변환한다.
이와 같은 계측데이터는 데이터수집/계측제어 컴퓨터(126)에서 연산처리되어 제1광송수신부(130)를 통해 전송하게 된다.
상기 제1광송수신부(130)를 통해 송신된 계측데이터는 데이터분석장치(200)의 제2광송수신부(210)로 수신된다. 즉, 제2광송수신부(210)의 제2광무선랜(212)으로 무선 광신호가 수신되고 이는 광데이터로 변환하는 제1광변환장치(214)를 거치면서 광데이터로 광케이블(216)을 통해 전송되어 제2광변환장치(218)를 거쳐 데이터수집장치부(220)로 수신된다.
이때, 상기 데이터수집장치부(220)는 상기 센서측정장치(100)를 통해 수신된 접촉력 및 가속도 계측데이터와 기존의 모니터링 시스템(300)이 속도거리측정기(310)로부터 모니터링한 속도 및 거리코드 정보와 GPS(312)를 통해 모니터링한 동일 시간 코드 정보 등을 수신하게 된다.
이와 같이 수집된 정보는 전차선과 판토그라프(1)의 평균 접촉력, 최대 접촉력, 최소 접촉력 및 기계적인 충격 등을 분석하여 모니터(226)로 디스플레이하게 된다.
또한, 상기 데이터수집장치부(220)는 사용자가 키보드/마우스(224)를 이용하여 조건을 설정하여 특정시간별 또는 조건별 분석 정보를 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 전차선과 판토그라프의 접촉력과 충격가속도를 측정하고 이를 이용하여 평균 접촉력, 표준편차 등에 대한 통계처리 기능을 통해 이를 근거로 집전품질을 분석하여 기계적인 충격을 분석하여 전차선과 판토그라프가 최상의 집전 상태를 지속적이고 안정적으로 유지될 수 있게 하는 효과가 있다.
Claims (10)
- 판토그라프와 전차선의 접촉력 및 가속도 정보를 계측하여 계측데이터로 변환하는 센서측정장치와;상기 센서측정장치로부터 계측데이터를 전송받고 상기 판토그라프와 전차선 사이의 접촉력 및 충격가속도를 분석하는 데이터분석장치;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 센서측정장치는, 상기 판토그라프와 전차선 사이의 접촉력 및 가속도 정보를 계측하는 센서부와, 상기 센서부에서 계측된 접촉력 및 가속도 정보를 디지털화하여 계측데이터로 변환하는 센서측정부와, 상기 센서측정부의 계측데이터를 광신호로변환하여 전송하는 제1광송수신부와, 전원을 공급하는 밧데리와, 상기 밧데리의 전원을 일정한 전압으로 변환하여 상기 센서측정부로 공급하는 DC-DC컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 데이터분석장치는, 상기 제1광송수신부로부터 전송된 계측데이터를 수 신받는 제2광송수신부와, 상기 제2광송수신부를 통해 수신된 계측데이터를 이용하여 평균접촉력을 분석하여 저장관리하는 데이터수집장치부와, 구동전원을 공급하는 전원공급부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 3항에 있어서,상기 센서부는 판토그라프의 보우연결프레임 양단에 설치되어 접촉력을 계측하는 스트레인게이지와, 보우연결프레임과 1차스프링 간에 설치되어 가속도를 계측하는 가속도센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 3항에 있어서,상기 센서측정부는; 상기 센서부에서 계측된 접촉력과 가속도 신호를 일정비율로 증폭하는 시그널컨디셔너와, 상기 시그널컨디셔너에서 중폭된 접촉력과 가속도 신호를 디지털형식의 계측데이터로 변환하는 A/D 컨버터와, 그 A/D 컨버터로부터 입력되는 계측데이터를 연산처리하는 데이터수집/계측제어 컴퓨터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 3항에 있어서,상기 제1광송수신부는 상기 센서측정부의 계측데이터를 무선의 광신호로 변환하여 송수신하는 제1광무선랜으로 구성되는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 3항에 있어서,상기 센서측정부 및 제1광송수신부의 전원공급을 온/오프시키기 위한 무선 리모콘이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 3항에 있어서,상기 제2광송수신부는; 상기 제1광송수신부의 제1광무선랜으로부터 무선 광신호를 수신받는 제2광무선랜과, 그 제2광무선랜으로 수신된 무선 광신호를 광데이터로 변환하는 제1광변환장치와, 그 제1광변환장치의 광데이터가 전송되는 광케이블과, 그 광케이블을 통해 전송된 광데이터를 전기신호로 변환하여 상기 데이터수집장치부로 출력하는 제2광변환장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 3항에 있어서,상기 데이터수집장치부는 모니터링 시스템으로부터 열차속도 데이터, 영상 데이터, GPS 시간 데이터를 전송받는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
- 제 3항에 있어서,상기 데이터수집장치부는; 상기 계측데이터로 평균접촉력 및 표준편차를 분석하고 평균접촉력 및 표준편차에 대한 통계처리를 수행하여 검측데이터를 생성하는 산업용컴퓨터와, 조건을 입력하기 위한 키보드/마우스와, 검측데이터를 디스플레이하는 모니터와, 전원의 공급을 위한 UPS로 구성되는 것을 특징으로 하는 전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템.
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