KR20090070169A - 전차선로의 집전성능 평가시스템 - Google Patents

전차선로의 집전성능 평가시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속카메라를 이용한 전차선로의 집전성능 평가시스템에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 고속촬영으로 영상을 취득하는 고속 카메라, 상기 고속카메라의 광원으로 사용하여 측정지점의 전차선로에 조사하는 레이저, 상기 고속카메라의 촬영 데이터를 저장 및 출력함과 아울러 상기 취득영상을 분석하여 전차선로의 변위를 측정하는 영상처리장치를 포함하여 이루어져,
측정대상지점의 전차선로를 고속카메라로 촬영하고 전차선로의 압상량 및 진동을 상기 영상처리장치에서 레이저로 보이는 부분만을 분석하여 전차선의 상하 변동값을 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
팬터그래프, 집전장치, 고속카메라, 전차선로, 집전성능, 평가시스템

Description

전차선로의 집전성능 평가시스템{POWER EFFICIENCY EVALUATION SYSTEM OF OVERHEAD CONTACT LINES}
본 발명은 고속카메라를 이용하여 전차선로의 압상량을 측정할 수 있는 집전성능 평가시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기차량과 전차선로와의 집전성능 평가를 위해 측정하는 전차선로 압상량 및 진동을 고속카메라 또는 라인스캔 카메라를 이용하여 측정할 수 있는 전차선로의 집전성능 평가시스템에 관한 것이다.
일반철도와 달리 전기철도는 지상에 부설되어 있는 궤조 외에 전기차에 전력을 공급할 수 있는 가공전선(架空電線)이 필요하다. 통상, 가공전선과 이를 받치고 있는 구조물을 총칭하여 전차선로라고 하는데, 가선방식(架線方式)으로 전차선로는 그 집전구조상으로 가공식과 제 3 궤조식(軌條式)으로 구분한다. 상기 가공식은 동선을 궤조 상부에 가설하여 그 밑에서 팬터그래프(PANTOGRAPH)에 의하여 집전하고, 상기 제 3 궤조식은 가선이 없는 방식으로 지하철 등에서 제 3 의 급전레일을 노면 위에 설치하고 집전편(集電片)에 의하여 전력을 공급한다.
상기 전차선로는 전기차에 직접 접촉하는 전차선과, 이를 지지하는 지지물, 급전선 및 귀선(歸線) 등으로 구성된다. 전차선은 전기차에 전력을 공급해주는 부분으로 고압전류가 항상 흐르고 있기 때문에 그 성능이 뛰어나야 한다. 그 구비조건으로는 전기의 전도율이 높아 양질의 전류가 흐를 수 있고, 기계적 강도가 높아 쉽게 훼손되지 않아야 하며, 내굴곡성(耐屈曲性)으로 쉽게 구부러지지 않아야 하고, 열에 잘 견디고 잘 닳지 않아야 한다.
그런데 이와 같은 전차선로의 변위를 측정하는 종래의 장치의 문제점으로는, 전기차량의 팬터그래프 통과 시 전차선로에 발생하는 동적 압상량 및 진동을 측정하여야 하지만, 현재에는 변위계와 가속도계를 전차선에 직접 부착하여 별도의 전송시스템을 이용하여 무선 혹은 광을 이용하여 그 신호를 수집하여 결과를 분석하도록 하고 있다.
그러나 상기 측정장치는 열차운행중 또는 가압중에는 센서를 부착할 수 없으므로 부착하고자하는 전차선로에 차량의 진입을 차단하고 단전하여 센서를 부착하여야 하는 불편함과, 이를 측정부에 전송하기 위한 별도의 시스템을 구비하여야 함에 따른 구조적 복잡함이 있다.
또한, 상기 측정장치는 무선 또는 광학적 방법으로 데이터를 전송하여 이를 수신하여 분석하여야 하고, 센서로부터 얻어진 데이터를 전송하기 위한 시스템의 전원은 별도의 배터리를 이용하므로 배터리의 잔량 소진시에는 이를 교체하여야하며, 센서 부착 이외의 다른 지점의 측정을 위해서는 센서를 제거하고 상기의 모든 행위를 반복하여야 하는 불편함이 있다.
뿐만 아니라, 종래의 측정장치는 지지를 위해 전차선로의 가동브래킷 등에 지지하나 센서길이의 한계가 있어, 지지물 사이의 중간부에는 측정에 어려움이 있다.
또한, 화상을 이용한 방법은 전차선에 별도의 마커를 부착하여 마커의 변화를 측정하므로 마커를 붙여야 하는 어려움이 있고, 야간 측정이나 흐린 날의 측정을 위해서는 별도의 조명을 사용하여야 불편함이 있다.
특히, 상기 측정 장치 또는 방법들은 화상카메라가 어디서든 편리하게 이용할 수 있는 장점이 없었으며, 야간에 따로 전기가 들어오지 않은 상태에서 센서 혹은 마커 등을 설치하여야하므로 측정위치를 변화시켜가며 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
전차선로의 변위측정을 위해 고속카메라와 레이저를 측정지점의 선로 외부나 전기차량의 지붕 위에 설치하고, 전기차량의 팬터그래프가 측정지점을 통과할 때 전차선로의 이미지를 다수 획득하되, 레이저가 전차선로의 방향의 수직으로 비추게 한 후 고속카메라의 영상은 명암을 조절하여 레이저 영상만 취득하도록 하면, 상기 전차선의 두께는 이미 알고 있으므로 그와 변위량을 비교하여 화상 속의 스케일(교정값)로서 이용함으로써 화상의 재생과 변위량으로의 변환 처리가 가능하도록 된 전차선로의 집전성능 평가시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 전차선로의 집전성능 평가시스템은, 고속촬영으로 영상을 취득하는 고속 카메라, 상기 고속카메라의 광원으로 사용하여 측정지점의 전차선로에 조사하는 레이저, 상기 고속카메라의 촬영 데이터를 저장 및 출력함과 아울러 상기 취득영상을 분석하여 전차선로의 변위를 측정하는 영상처리장치를 포함하여 이루어져 있다.
상기 레이저는 라인탑입 광선을 조사하도록 이루어진 것임을 특징으로 한다.
상기 영상처리장치는 취득된 영상에서 레이저에 의한 명암을 검출하여 전차선로의 상하 변동값을 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전차선로의 집전성능 평가시스템은, 전차선로의 변위를 측정하기 위해 전차선로에 설치되는 표지; 상기 표지를 고속촬영하여 영 상을 취득하는 고속 카메라; 상기 고속카메라의 촬영 데이터를 저장 및 출력함과 아울러 상기 취득영상에서 표지의 위치 변화를 분석하여 전차선로의 변위를 측정하는 영상처리장치를 포함하여 이루어져 있다.
상기 표지에서 전차선로의 변위분석 대상이 되는 영역은 흰색영역과 흑색을 하나이상 포함함을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전기차량이 운행되는 전차선로 밖에서 측정이 가능하고, 이동이 간편하여 측정하고자하는 어느 위치에서나 측정이 가능하며, 별도의 유지보수가 필요없이 팬터그래프의 통과시 전차선로에 발생하는 동적 압상 량 및 진동측정이 가능한 전차선로의 집전성능 평가시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 전차선로의 집전성능 평가시스템은 전기차량의 지붕에 설치하여 팬터그래프의 통과시 전차선로에 발생하는 동적 압상 량 및 진동측정이 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전차선로의 집전성능 평가시스템의 개략적 구성도를 나타낸다. 즉, 본 발명은 전기차량(10)의 팬터그래프(15)와 전차선로(50)와의 집전성능의 측정을 위해 전차선로(50)의 압상량 및 진동을 고속카메 라(30)와 레이저(40)를 이용하여 측정할 수 있도록 한 것이다.
상기 고속카메라(30)는 열차의 팬터그래프(15)가 전차선로(50)상의 측정지점(A로 표시된 영역)을 통과하기 전후의 전차선로(50)의 영상을 취득하는 수단으로서, 경우에 따라서는 라인스캔 카메라를 이용할 수 있다.
레이저(40)는 고속카메라(30)의 광원으로 사용하는 것으로, 레이저(40)에서 조사된 광이 전차선로(50)를 비추고, 후술되는 바와 같이 레이저 광에 의한 명암을 분석하여 전차선로(50)의 변위를 측정할 수 있도록 된 것이다.
한편, 상기 고속카메라(30)에 접속되는 영상처리장치(20)는 고속카메라(30)에서 촬영한 이미지데이터를 저장하고 출력하는 시스템으로서, 특히 취득된 이미지데이터를 분석하여 전차선로(50)의 변위량을 측정할 수 있도록 된 장치이다.
또한, 본 발명은 측정지점(A)의 전차선로(50)를 통과하는 전기차량(10)의 팬터그래프(15)와 해당 전차선로(50)와의 집전성능을 위해 상기 고속카메라(30)로 촬영하여 전차선로(50)의 압상량 및 진동을 상기 영상처리장치(20)에서 분석하여 전차선로의 변위량을 그래프로 표현할 수도 있도록 된 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 측정지점(A)의 전차선로 확대도로써, 특히 전차선로의 변위를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 전차선로와 조가선로에 대한 레이저의 조사방향을 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명에 따른 전차선로의 변위측정결과를 예시적으로 도시한 그래프를 나타낸다.
도시된 예는 전차선로(50)의 측정지점(A)을 촬영하여 영상을 취득하는 수단인 고속카메라(30)와, 변위측정을 위한 레이저 광(42)을 조사하는 레이저(40), 취 득한 영상을 저장하고 분석하는 신호처리수단인 영상처리장치(20)를 구비하여 전기차량(10)이 운행되는 선로 외각에서 안정적으로 팬터그래프(15)의 압상량을 측정할 수 있는 구조를 설명하고 있으나, 상기 고속카메라(30)와, 레이저(40), 영상처리장치(20) 등을 전기차량의 지붕과 전기차량내에 설치하여 팬터그래프(15)의 압상량을 측정하도록 구성할 수도 있는 것이다.
즉, 본 발명은 팬터그래프(15)와 전차선로(50) 사이의 동적 상호작용에 의해 발생하는 전차선로(50)의 상하거동인 압상량을 측정하기 위해 고속카메라(30)와 레이저(40)를 선로 인근 또는 전기차량에 설치하여 측정할 수 있도록 된 것이다. 또한, 전기철도에서 전차선로(50)의 압상량 및 진동을 고속카메라(30)와 레이저(40)를 이용하여 비접촉식 방법으로 안전하게 측정할 수 있도록 된 것이다.
본 발명에 따른 전차선로 집전성능 평가시스템의 검측방법으로는, 측정하고자 하는 위치(A)의 전차선로(50)의 선로변에 고속카메라(30), 레이저(40) 및 데이터 저장 및 출력시스템으로서 영상처리장치(20)를 설치하여, 전기차량(10)의 팬터그래프(15)가 측정위치(A)를 통과할 때에 영상을 취득하고 저장한다.
상기 팬터그래프(15)의 압상량을 측정하고자 할 경우에는, 전차선로(50)에 레이저 광(42)을 고정시키고, 상기 팬터그래프(15) 상승 후 고정된 팬터그래프(15)에 초점을 맞추고(팬터그래프 두께를 알고 있는 헤드 또는 지지부 등 모두 가능), 위 변화를 측정하면 된다. 상기 팬터그래프(15)의 경우에 램프를 이용할 경우 초점거리에 일정 크기로 마크를 하여 에지를 측정하도록 한다.
본 발명 전차선로 집전 평가시스템의 검측원리에서 고속카메라(30)는 예컨대 초당 500 개 또는 그 이상의 영상을 취득하는 CMOS, CCD 타입의 카메라를 이용함이 바람직하며, 보다 명확한 취득을 위해 광학렌즈를 부착할 수 있다.
여기서, 일반 카메라를 이용할 경우에는 측정은 가능하나 샘플링수가 떨어지므로 정밀도가 낮아지게 된다.
상기 레이저(40)는 고속카메라(30)의 광원으로 사용하며, 보다 바람직하기로는 라인 타입의 레이저를 사용하여 전차선로(50)의 방향과 수직하게 주사한다.
즉 도 1의 측정지점(A)을 확대하여 나타낸 도 2에 도시된 바와 같이 고속 카메라(30)는 레이저(40)에 비친 전차선로(50)를 기준점 (0, 0)로 하기 위해 포커스를 위치하고, 전기차량(10)의 팬터그래프(15)가 기준점을 통과하기 전후로 영상을 측정하며, 시간은 고속카메라(30)의 데이터 취득 시간 (메모리용량)에 따라 조절할 수 있다.
전기차량(10)의 통과 전후에 전차선로(50)의 진동을 영상으로 측정하여 측정된 영상을 기준점을 중심으로 상/하 변동, 즉 픽셀의 증감 값을 측정한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 영상처리장치(20)에서는 변화된 픽셀을 실제 측정값으로 변화시키기 위해 전차선로(50)의 두께를 기준으로 하여 두께 픽셀 값과 실제 전차선로의 두께를 비율로 하여 계산한다. 그러므로, 위 전차선로 두께의 비율 값을 대입하여 전차선로(50)의 상/하 변동 값을 실제 치수로 계산한다.
즉, 고속카메라(30)로 측정한 후 잔차선 변위로 변화(레이저로 보이는 부분만)는 고속카메라(30)의 영상화면에서 도 4에 도시된 화살표 부분의 픽셀수를 계산, 실제 두께를 대입하여 픽셀의 실제거리 측정후 변위 측정이 가능하다.
이와 같이 본 발명은 전차선로(50)와 팬터그래프(15) 사이에 발생하는 아크를 고속카메라(30)를 이용하여 측정하여 전차선로(50)에 따른 아크 발생여부의 확인이 가능하다.
한편, 광원은 할로겐 램프와 같은 가시광선 대역의 광원을 이용할 수 있고, 레이저/램프 광원의 범위에 따라 동시에 두 개 이상의 전차선 변위 측정 가능하며, 전차선로의 교차구간 및 가동브라켓 지지부의 변위 값도 측정가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
첨부도면에 도시된 바와 같이, 전차선로(50)에는 전차선로(50)의 변위를 측정하기 위한 표지(60 또는 70)를 설치하고, 고속카메라(30)를 이용하여 표지(60 또는 70)를 고속촬영한 후 영상처리장치(20)로 전송하면, 영상처리장치(20)에서는 표지(60 또는 70)의 변화량을 분석함으로써 팬터그래프(15)에 의해 변동되는 전차선로(50)의 압상량을 측정할 수 있도록 된 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 표지(60 또는 70)는 전차선로(50)에 고정하기 위한 클램프(61 또는 71)와 전차선로(50)의 압상량을 분석하기 위한 변위분석대상영역(62 또는 72)으로 나뉘어진다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 변위분석대상영역(62)에는 흰색영역과 흑색영역을 구비하고 있다. 이는 낮에 촬영하는 경우에는 흑색영역을 촬영한 이미지가 분석에 유리하며, 밤에 촬영하는 경우에는 흰색영역을 촬영한 이미지가 빛을 반사하여 분석에 유리하기 때문이다.
도 6의 (a)에서는 변위분석대상영역(62)이 L자 형으로 형성되는 한편 도 6의 (b)에서는 변위분석대상영역(72)이 원판형으로 형성되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 변동위치를 측정하기 용이한 형상이라면 임의의 형상으로 형성하여도 가능한 것이다.
이상에서 기술한 바와 같이 고속카메라를 이용한 집전성능 평가시스템은 전기차량이 운행되는 선로 밖에서 측정이 가능하고, 이동이 간편하여 측정하고자하는 어느 위치에서나 측정이 가능하며 별도의 유지보수가 필요없어 팬터그래프 통과 시 전차선로에 발생하는 동적 압상량 및 진동측정이 가능하다. 또한 이와 같은 측정은 전기차량 위에서도 가능하다.
본 발명은 고속카메라를 이용한 전차선로 압상 량 및 진동 측정함으로, 응용분야로서 고속카메라를 이용한 전차선로의 팬터그래프 사이의 아크 측정, 아크 발생 유지 시간 측정 및 아크 발생 범위 영상 측정할 수 있다.
상기와 같은 측정시 열차가 통과할 때의 진동이나 바람에 의한 영상의 흔들림을 방지하기 위해서는, 고속카메라를 충분히 고정할 것, 표적이 팬터그래프에 그늘이 되지 않는 앵글로 할 것, 그리고 카메라의 배율은 변위량에 적당한 것으로 할 것 등에 주의해야 한다.
본 발명에서 고속카메라를 사용하는 것은 팬터그래프가 전차선 통과시 팬터그래프의 압상에 의해 일어난 변위로 일정 시간동안에 공진이 일어나므로 공진 측정을 위해 일정시간의 고속카메라를 이용하여 측정하고, 이상의 방법으로 저장이후 변환처리하여 이를 수치화하기 위함이다.
본 발명의 전차선로의 집전성능 평가시스템은 본 발명이 속하는 기술을 응용 한 사업분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지의 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전차선로의 집전성능 평가시스템의 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 측정지점(A)의 전차선로 확대도로써, 특히 전차선로의 변위를 설명하기 위한 도면,
도 3은 전차선로와 조가선로에 대한 레이저의 조사방향을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 전차선로의 변위측정결과를 예시적으로 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전차선로의 집전성능 평가시스템의 개략도,
도 6은 도 5에 사용되는 표지의 상세구성도를 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 전기차량 15 : 팬터그래프
20 : 영상처리장치 30 : 고속카메라
40 : 레이저 50 : 전차선로
55 : 조가선로 60,70 : 표지
61,71 : 클램프 62,72 : 변위분석대상영역

Claims (8)

  1. 고속촬영으로 영상을 취득하는 고속 카메라, 상기 고속카메라의 광원으로 사용하여 측정지점의 전차선로에 조사하는 레이저, 상기 고속카메라의 촬영 데이터를 저장 및 출력함과 아울러 상기 취득영상을 분석하여 전차선로의 변위를 측정하는 영상처리장치를 포함하여 이루어져,
    측정대상지점의 전차선로를 고속카메라로 촬영하고 전차선로의 압상량 및 진동을 상기 영상처리장치에서 레이저로 보이는 부분만을 분석하여 전차선의 상하 변동값을 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전차선로의 집전성능 평가시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속 카메라는 레이저에 비친 전차선로에 초점을 맞추어 측정대상지점의 기준점을 설정하고, 전기차량의 팬터그래프가 측정대상지점을 통과하기 전후로 영상을 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전차선로의 집전성능 평가시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고속카메라는 초당 500 개의 영상을 취득하는 CMOS, CCD 타입의 카메라인 것을 특징으로 하는 전차선로의 집전성능 평가시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 고속카메라에는 명확한 영상 취득을 위한 광학렌즈 를 부착한 것을 특징으로 하는 전차선로의 집전성능 평가시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상처리장치에서는 전기차량의 통과 전후에 전차선로의 진동을 고속카메라를 이용하여 영상으로 측정하고, 측정된 영상으로부터 기준점을 중심으로 픽셀의 상하 변위값을 측정하여 전차선로의 상하 변동값을 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전차선로의 집전성능 평가시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 영상처리장치에서는 변화된 픽셀을 실제 측정값으로 변화시키기 위해 전차선로의 두께를 기준으로 하여 두께 픽셀 값과 실제 전차선로의 두께를 비율로 하여 계산하고, 전차선로 두께의 비율 값을 대입하여 전차선로의 상/하 변동 값을 실제 치수로 산출하도록 한 것을 특징으로 하는 전차선로의 집전성능 평가시스템.
  7. 전차선로의 변위를 측정하기 위해 전차선로에 설치되는 표지; 상기 표지를 고속촬영하여 영상을 취득하는 고속 카메라; 상기 고속카메라의 촬영 데이터를 저장 및 출력함과 아울러 상기 취득영상에서 표지의 위치 변화를 분석하여 전차선로의 변위를 측정하는 영상처리장치를 포함하여 이루어진 전차선로의 집전성능 평가시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 표지는 전차선로의 변위분석 대상이 되는 영역과 전차선로에 고정하기 위한 클램프로 구성되고, 상기 변위분석 대상이 되는 영역은 흰색영역과 흑색을 하나이상 포함함을 특징으로 하는 전차선로의 집전성능 평가시스템.
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