KR20100088945A

KR20100088945A - 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 이를 이용한 레일 변위량 자동 계측 시스템과 그 방법

Info

Publication number: KR20100088945A
Application number: KR1020090008100A
Authority: KR
Inventors: 노세룡; 권명회
Original assignee: 주식회사 로텍인스트루먼트
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-11
Also published as: KR101226280B1

Abstract

본 발명은 철로 주변에서의 천재지변과 토목 공사로 인한 지반 침하와 변형으로 인하여 발생할 수 있는 대형 철도 사고를 미연에 방지하고, 열차의 안전 운행을 위하여, 철도 레일 안전 상태를 상시 계측할 수가 있는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 이를 이용한 레일 변위량 자동 계측 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

본 발명은 한쌍의 레일에 양단부가 연결되며 길이 변화를 측정하는 길이 센서와 기울기 변화를 측정하는 각도 센서를 구비하고 레일의 변위에 따른 변위 측정신호를 발생하는 측정장치와, 각 센서의 변위 측정신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지털 변환부와, 상기 변환된 데이터를 저장하고 유/무선망으로 전송하는 데이터 처리부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

철도, 레일, 침목, 궤간, 길이 센서, 각도 센서, 지반 침하, 자동 측정

Description

철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 이를 이용한 레일 변위량 자동 계측 시스템과 그 방법{Apparatus for Measuring Rail Displacements according to Settlements of Rail Ground and Deformation of Structure, System and Method for Measuring Rail Displacements Automatically Using the Same}

본 발명은 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 철로 주변에서의 천재지변과 토목 공사로 인한 지반 침하와 변형으로 인하여 발생할 수 있는 대형 철도 사고를 미연에 방지하고, 열차의 안전 운행을 위하여 철도 레일의 안전 상태를 상시 계측할 수 있는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 이를 이용한 레일 변위량 자동 계측 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

일반적인 철도 선로는 거동변형이 없는 원지반 위에 흙을 성토하여 성토 지반을 만들고 성토 지반 위에 다수의 침목을 일정 간격으로 배치하고 그 위에 한쌍의 레일을 1480mm 간격(표준궤간)으로 설치하여 구성하고 있다.

철도 선로는 필요에 따라 매립지와 같은 연약 지반 위에 또는 인접하거나 산 의 하부에 위치한 절개지 옆 또는 산의 계곡에 직면하여 설치될 수 있고, 철도 선로 주변에는 하천 정비 또는 터널공사나 건물 신축을 위한 토목 공사가 발생될 수 있다.

그런데, 여름철에 장마 또는 폭우로 인하여 산사태가 또는 홍수가 발생하면서 절개지나 산의 계곡에 직면해 있는 철도 선로의 성토 지반은 지반 침하가 급격하게 발생할 수 있으며, 또한, 연약 지반에 인접해 있는 경우에도 서서히 지반침하가 발생할 수 있고, 철도 선로의 성토 지반에 인접하여 토목 공사가 발생한 경우에도 설계 미숙 또는 오차 등에 의해 지반침하가 발생할 수 있다.

또한, 터널이나 교량 위를 지나는 철도 레일의 경우에도 침목이 설치되는 구조물이 장기간의 사용으로 인하여 노후화되면서 서서히 지반침하가 발생할 수 있다.

따라서, 철로 지반 침하와 변형이 우려되는 연약 지반, 절개지, 계곡과 직면한 부분, 또는 구조물의 변형이 이루어질 수 있는 터널, 교량 위를 지나는 철도 레일은 그의 변위량을 측정하여 지반 침하와 변형으로 인하여 발생할 수 있는 대형 철도 사고를 미연에 방지하고, 열차의 안전 운행을 위하여 철도 레일의 안전 상태를 상시 계측하는 것이 필요하다. 예를 들어, 레일의 변위량이 표준 궤간 이탈범위(-4mm 또는 +7mm)를 초과하는 경우, 혹은 곡선선로 부분에서 내궤측 레일과 외궤측 레일의 고저차를 캔트(CANT)라고 하는데 최대 캔트(160mm)를 초과하는 경우에도 기차의 속도가 고속인 경우 탈선의 우려가 발생된다.

종래의 토목 현장에서 사용되는 철도 지반 침하량 측정 장치에는 공사적용 현장에 따라서 눈금 줄자, 경사계, 레이저 광파기, 광섬유 측정기 등이 사용되고 있다. 대부분의 계측기는 수동으로 한 지점만을 측정하거나, 연구 목적의 고가 장비(예를 들어, 레이저 광파기, 광섬유 측정기)를 사용한 일시적인 계측이므로, 현장 계측 예산 측면을 고려할 때 다수의 지점을 다수의 장비를 채용하여 상시적으로 측정하는 데 많은 제한 사항이 있었다.

종래의 대표적인 철도 레일 변위 측정 장치에 대한 구조와 설치 예를 설명하면 다음과 같다.

한국 실용신안등록 제20-0359014호에는 연약지반 및 철도 레일 받침목 침하변형 계측장치가 개시되어 있으며, 이를 도 1을 참고하여 설명하면 토목현장에서 원지반(10)에 흙을 성토하여 조성된 성토 지반(13) 위에 철도를 개설할 경우에는 철로 지반 침하가 우려되므로 간단하게 눈금자로 침하 눈금을 수동 목측하여 침하량을 측정하는 기술이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 철도 침목의 침하량을 측정하기 위하여, 천재지변 시에도 거동변형이 없는 원지반(10)에 기초말뚝(11)을 박고, 기초말뚝 상단에 눈금(12)을 표시하여, 성토에 의해 조성된 성토 지반(13)위에 설치된 레일(14)의 침목(15)이 침하하면, 침목(15)에 붙은 계측 플레이트(16)가 변형된 눈금(12)을 지시하므로 침하량을 계측할 수가 있다.

또한, 유사한 방법으로 기초말뚝(11) 대신에 경사계관을 박고 그 안에 경사센서를 넣어 지중 기울기를 측정하여 지반 안정을 계측하기도 한다.

상기 종래의 측정 장치는 눈금(12)을 목측하는 방법이므로, 항상 측정자가 현장에 있어야 하거나 수시로 점검하여야 하므로, 비효율적이고 상시 계측 및 원격 자동 계측이 불가능한 구조이다. 불시에 갑작스런 철로 침하로 인해 발생하는 사고에 대하여서는 대응력이 현저히 떨어진다. 또한 장치를 설치할 때 지반 천공 장비를 동원하여 원지반까지 지반을 천공하여 기초말뚝을 박아야 하는 큰 공사이므로 설치비용도 많이 들어가는 방법이다.

도 2는 특허 제10-0782319호에 제안된 레일 계측의 모니터링 장치의 또 다른 종래의 예이다.

이 방식은 침목(15)위의 한쪽 레일(14)의 측면에 광섬유센서(FBG)(22a)를 부착하여 레일의 변형률을 현장계측수단(22)을 통하여 측정하여, 현장 송수신부(23)에서 무선으로 원격지 송수신부(24)로 전달한 후, 원격지 모니터링서버부(25)에서 레일 축력으로 환산되어 분석하는 방법이다.

상기 종래의 레일 측정 장치는 고가의 광섬유센서(FBG)를 이용한 레일의 온도와 축력 데이터를 수집하는 연구 목적의 방법이므로, 직접적인 지반 침하에 의한 철도 레일 안전도 감시와는 다소 용도가 다른 점이 있다. 또한 고가의 고정밀 광섬유센서(FBG)를 계측하기 위하여 광섬유 온도 센서와 영상처리 기술에 의한 보상이 필요하므로 현실적으로 실지 현장에서는 구현하기가 어려운 기술이다.

상기된 종래 기술 외에도 광파기와 레이저 센서를 이용하여 레일 직선도를 본다거나 스트레인 게이지(Strain Gauge)를 레일에 부착하여 변형률을 측정한다거나, 경사계로 지중 경사를 측정하는 방법 등이 있으나, 모든 방법이 지반을 천공하여 침하 측정 말뚝이나 경사 측정관을 설치하거나, 고가의 장비를 이용한 일시적인 한 지점의 계측 방법이므로, 상시적으로 지반 침하에 따른 레일의 안전도를 측정하지 못하는 공통적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 측정 장치와 측정 방법의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 철로 주변에서의 천재지변과 토목 공사로 인한 철로 지반 침하와 변형으로 인하여 발생할 수 있는 대형 철도 사고를 미연에 방지하고, 열차의 안전 운행을 위하여 철도 레일의 안전 상태를 상시 계측할 수 있는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 지반을 천공하거나 측정관을 매설하거나 측정 말뚝을 지반에 박는 대형 공사를 하지 않고, 피측정물인 레일 양단에 간편하게 감지 센서를 설치함으로써 철도 지반 침하를 측정할 수 있는 설치가 간단한 저가격의, 레일 변위량 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 침하가 일어나는 레일에서 일정 간격으로 다수의 측정점의 측정치를 조합함으로써 철도 레일 측면의 입체적 변형량 분석이 가능한 다측점 레일 변위량 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 철도의 레일 전체가 침하하는 경우에는, 레일과 나란한 방향으로 침목 중앙 혹은 침목 가장자리 위에 일정거리 간격의 다수의 측정점을 측정하여, 침목의 일정 간격의 다수의 측정점의 계측 데이터를 조합함으로써 철도 선로 중앙의 입체적 변형량 분석이 가능한 다측점 레일 변위량 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다수의 지점별의 레일 궤간 거리와 침하 각도량을 측정하여 철로 지반의 거동 상태를 감시할 수 있고, 또한 자동 계측으로 각각의 다수의 측정점의 변위량을 측정하여, 측정 부위별로 입체적 분석이 가능한 다측점 레일 변위량 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다수 측정 장치에 측정 케이블을 연결할 수 있는 다채널 측정 모듈과 데이터 수집이 가능한 데이터 로거를 연결하고 무선 모뎀을 사용하여 인터넷망에 접속함에 의해, 원격으로 상시 자동 계측이 가능하고 다수의 현장 관련자에게 신속하게 계측 정보를 유무선 인터넷망으로 제공할 수 있는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 한 지점에 한 측정 장치만 설치할 경우에는 측정 장치, 데이터 로거, 무선모뎀을 통합하여 저렴한 비용으로 한 채널 집중감시가 가능하고 실시간(REAL TIME) 계측도 가능하여 열차 운행 중 일어날 수 있는 다양한 변위량도 분석 가능한 레일 변위량 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 따르면 본 발명은 부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 레일 변위량 측정 장치에 있어서, 일측에 상기 제 1레일에 고정되는 측정 고정단을 구비하고 일정 길이로 연장된 고정로드와, 일측이 상기 제2레일에 고정되는 측정 이동단을 구비하고 일정 길이로 연장된 이동로드와, 상기 고정로드에 고정 설치되어 상기 제2레일의 변위에 연동하여 이동로드가 이동하는 길이 변위량을 전기적 측정신호로 검출하기 위한 길이 센서와, 상기 이동로드에 부착되어 상기 제2레일의 기울기 값을 측정하는 경사 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치를 제공한다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 레일 변위량 측정 장치에 있어서, 일측에 상기 제1레일에 고정되는 측정 고정단을 구비하고 일정 길이로 연장된 고정로드와, 일측이 상기 제2레일에 고정되는 측정 이동단을 구비하고 일정 길이로 연장된 이동로드와, 상기 고정로드에 고정 설치되어 상기 제2레일의 변위에 연동하여 이동로드가 변위될 때 길이 변위량을 전기적 측정신호로 검출하기 위한 길이 센서와, 상기 길이 센서의 측방향 변위를 억제하며 침목 위에 고정되는 장치 지지대와, 상기 장치 지지대에 설치되어 상기 제2레일의 변위에 연동하여 침목이 기울어질 때 기울기 값을 측정하는 경사 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치를 제공한다.

이 경우, 상기 길이 센서는 진동현 방식 센서(VIBRATING WIRE TYPE), 전기 저항식 센서, 비접촉 방식 센서(LVDT), 스트레인 게이지 센서, 광 센서, 및 레이저 센서 중 어느 하나의 센서를 사용할 수 있고, 상기 경사 센서는 진동현 방식 센서(VIBRATING WIRE TYPE), 전기 저항식 센서, EL(ELECTRO LEVEL) 센서, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 센서, 가속도계센서 중 어느 하나의 센서를 사용할 수 있다.

또한, 상기 길이 센서는 전기 저항식 센서이고, 상기 전기 저항식 센서는 이동로드의 타단부와 탄성적으로 접촉하는 변위감지부를 구비하는 것이 바람직하다.

더욱이, 본 발명은 상기 제1 및 제2 레일에 부착되는 측정 고정단과 측정 이동단은 영구자석을 각각 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 길이 센서는 센서 케이스와, 상기 센서 케이스의 일측에 고정로드의 타단이 고정 결합되는 제1캡과, 상기 센서 케이스의 타측에 결합되며 관통구멍이 구비되어 이동로드의 타단이 삽입되어 이동 가능하게 지지되는 제2캡과, 상기 센서 케이스의 내부 공간에 원주방향으로 탄성적으로 지지되며 상기 이동로드의 길이 변위량에 대응하는 전기적 측정신호를 발생하는 길이 센서 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 제2캡의 내측에 설치되어 이동로드의 타단이 길이방향을 따라 이동할 때 원활하게 이동할 수 있게 지지하는 리니어 베어링을 더 포함하는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 길이 센서 모듈은 상기 이동로드의 타단과 탄성적으로 접촉되어 길이방향으로 신장되거나 수축되는 변위감지부를 구비한다.

본 발명은 상기 길이 센서 및 경사 센서로부터 측정된 길이 변위량과 기울기 값에 대한 전기적 측정신호를 디지털 신호로 변환하는 적어도 하나의 다채널 측정 모듈과, 상기 다채널 측정모듈로부터 시리얼 데이터 통신에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 로거를 더 포함한다.

또한, 상기 데이터 로거에 수신된 계측 데이터는 인터넷망에 접속된 시스템 서버로 전송되며, 상기 시스템 서버는 수신된 계측 데이터를 신호처리하여 제2레일의 길이 변위량과 침하량을 구하며, 미리 설정된 표준 기준값과 비교하여 이를 벗어나는 경우 경보신호를 발생한다.

더욱이, 상기 데이터 로거로부터 다채널 측정모듈마다 부여된 식별번호와 다수의 레일 변위량 측정 장치의 길이 센서와 경사 센서마다 부여된 채널번호를 이용하여 다채널 측정모듈과 지정된 다채널 측정모듈에 병렬 접속된 레일 변위량 측정 장치를 순차적으로 지정할 때, 상기 다채널 측정모듈은 식별번호와 채널번호를 수신하여 자신의 식별번호가 지정된 경우 이에 병렬 접속된 레일 변위량 측정 장치 각각의 지정된 채널을 순차적으로 연결하여 길이 센서와 경사 센서로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 데이터로 변환한 후, 디지털 변환된 디지털 계측 데이터를 시리얼 통신 방식으로 전송한다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 본 발명은 부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템에 있어서, 상기 제1 및 제2 레일 사이에 각각 서로 간격을 두고 양단부가 연결되어 제2레일의 변위가 발생할 때 길이 변위량 및 기울기 값에 대응하는 전기적인 측정신호를 발생하는 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치와, 상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 계측 데이터로 변환하는 적어도 하나의 다채널 측정모듈과, 상기 다채널 측정모듈로부터 시리얼 데이터 통신에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 메모리에 저장하고 무선 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 무선 통신으로 전송하는 데이터 로거와, 상기 데이터 로거로부터 전송된 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하고 계측 데이터로부터 길이 변위량과 기울기 값을 구한 후 이로부터 변화된 측정거리와 침하량을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값과 비교함에 의해 계측 데이터를 분석하는 시스템 서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템을 제공한다.

본 발명의 제4특징에 따르면, 본 발명은 다수의 침목 위에 설치된 제1레일과 제2레일을 구비하는 철도 레일의 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템에 있어서, 상기 침목과 침목 사이에 각각 양단부가 연결되어 침목의 변위가 발생할 때 길이 변위량 및 기울기 값에 대응하는 전기적인 측정신호를 발생하는 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치와, 상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 계측 데이터로 변환하는 적어도 하나의 다채널 측정모듈과, 상기 다채널 측정모듈로부터 시리얼 데이터 통신에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 메모리에 저장하고 무선 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 무선 통신으로 전송하는 데이터 로거와, 상기 데이터 로거로부터 전송된 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하고 계측 계측 데이터로부터 침목 사이의 길이 변위량과 기울기 값을 구한 후 이로부터 변화된 측정거리와 침하량을 구하며, 이를 미리 설정된 침목 사이의 표준 거리와 기울기 값과 비교하여 침하된 침목을 판단하는 시스템 서버 를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템을 제공한다.

제3특징에 따른 시스템 서버는 계측 데이터를 분석하여 레일 측면 침하를 측정하며, 제4특징에 따른 시스템 서버는 계측 데이터를 분석하여 레일 중앙부 침하를 측정한다.

이 경우, 상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치는 각각 일측에 어느 하나의 제1침목에 고정되며 일정 길이로 연장된 고정로드와, 일측이 인접된 제2침목에 고정되며 일정 길이로 연장된 이동로드와, 상기 고정로드에 고정 설치되며 상기 제1 또는 제2 침목의 변위에 연동하여 고정로드 또는 이동로드가 변위될 때 길이 변위량에 대응하는 전기적 측정신호로 검출하기 위한 길이 센서와, 상기 이동로드에 부착되어 상기 제1 또는 제2 침목의 변위에 연동하여 기울기 값을 측정하는 경사 센서를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제5특징에 따르면, 본 발명은 부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 다측점 레일 변위량 측정 방법에 있어서, 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치 각각을 서로 간격을 두고 상기 제1 및 제2 레일 사이에 양단부를 연결 설치하는 단계와, 상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치 중 적어도 하나와 연결된 제2레일의 변위가 발생할 때 변위량에 대응하는 전기적인 측정신호를 발생하는 단계와, 상기 단위 레일 변위량 측정 장치로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 계측 데이터로 변환하는 단계와, 시리얼 데이터 통신에 의해 상기 디지털 계측 데이터를 수신하여 메모리에 저장하고 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 디지털 통신방법으로 전송하는 단계와, 상기 전송된 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하고 계측 데이터로부터 변위량을 구한 후 이로부터 변화된 측정거리와 침하량을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 다측점 레일 변위량 측정 방법을 제공한다.

상기 변위량은 길이 변위량, 기울기 값, 길이 변위량 및 기울기 값 중 어느 하나일 수 있다.

상기 다채널 측정모듈과 데이터 로거 사이의 시리얼 데이터 통신은 통신 케이블 1회선으로 송수신이 가능한 멀티 드롭(Multi Drop) 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 한쌍의 레일에 양단부가 연결되며 길이 변화를 측정하는 길이 센서와 기울기 변화를 측정하는 경사 센서를 구비하고 레일의 변위에 따른 변위 측정신호를 발생하는 측정장치와, 각 센서의 변위 측정신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지털 변환부와, 상기 변환된 계측 데이터를 저장하고 유/무선망으로 전송하는 데이터 처리부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 자동 계측 시스템을 제공한다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 철로 지반을 천공하거나, 측정관을 매설하거나, 측정 말뚝을 지반에 박는 대형 공사를 하지 않고, 피측정물인 레일 양단에 간편하게 감지 센서를 설치함으로써, 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량을 측정하여 철도 지반 침하를 측정할 수가 있어 철도 레일 안전 상태를 상시 계측할 수 있고, 설치가 간단한 저가격의 레일 변위량 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 다수의 지점별의 레일 궤간 거리와 침하 각도량을 측정하여 철로 지반의 거동 상태를 감시할 수 있고, 또한 자동 계측으로 각각의 다수의 측정점의 변형량을 측정하여, 측정 부위별로 입체적으로 분석할 수가 있다.

더욱이, 본 발명의 다측점 측정 방법은 고가의 고정밀도의 장비를 사용하지 않더라도 구간별 다수의 측정데이터를 이용하여 지반 침하량으로 변환이 가능하므로 침하 예상 지역을 보다 더 입체적으로 프로파일을 할 수 있다.

본 발명에서는 다수 측정 장치에 측정 케이블을 연결할 수 있는 다채널 측정 모듈과 데이터 수집이 가능한 데이터 로거를 연결하여 측정 데이터를 무선 CDMA 모뎀을 통하여 인터넷망에 접속함에 의해, 상시 자동 계측이 가능하고 다수의 현장 관련자에게 신속하게 계측 정보를 유무선 인터넷망으로 제공함으로써, 대형 철도 사고를 미연에 방지할 수가 있다.

또한, 본 발명에서는 한 지점에 한 측정 장치만 설치할 경우에는 측정 장치, 데이터 로거, 무선모뎀을 통합하여 저렴한 비용으로 한 채널 집중감시가 가능하며 실시간(REAL TIME) 계측도 가능하여 열차 운행 중 일어날 수 있는 다양한 변위량도 분석 가능하다.

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더 욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 3은 본 발명에 따른 레일 변위량 자동 계측 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.

일반적으로, 철로는 도 3과 같이 원지반(10) 위에 흙을 성토하여 성토 지반(13)을 만들고 성토 지반(13) 위에 설치된 다수의 침목(15) 위에 한 쌍의 레일(14a,14b)을 고정시켜 구성된다.

그런데, 성토 지반(13)이 연약 지반이든지, 선로에 인접하여 토목 공사를 하는 현장이 있거나, 성토 지반(13)의 하부로 또 하나의 철도 혹은 도로가 교차하여 지나가거나, 또는 인접된 산의 계곡으로부터 성토 지반(13)을 관통 또는 인접한 배수로가 설치되어 있다면, 토목공사 중 또는 여름철 폭우 시에 지반 침하 예상지역(28)으로부터 지반 침하가 발생하여 침목(15)의 일측이 침하되어 레일(14b)이 기울고 레일(14b)의 변형이 발생하게 되고, 그 결과 변형이 가지 않은 레일(14a)과의 궤간이 멀어져서 기차 탈선사고가 발생하게 된다.

먼저, 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 레일 변위량 자동 계측 시스템은 각각 한쌍의 레일(14a,14b) 사이에 양단부가 연결되며 길이센서(43)와 경사센서(47)를 구비하고 상기 레일(14b)의 변위에 대응하여 길이 변위량과 기울기 값에 대한 전기적인 아날로그 측정신호를 발생하는 적어도 하나의 단위 레일 변위량 측정 장치(31)와, 상기 단위 레일 변위량 측정 장치(31)의 각 센서(43,47)에 의해 측정된 길이 변위량과 기울기 값에 대한 아날로그 측정신호를 디지털 데이터로 변환하는 적어도 하나의 다채널 측정모듈(32)과, 상기 다채널 측정모듈(32)로부터 시리얼 데 이터 통신(RS-485)에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 메모리에 저장하고 무선 모뎀(34)을 통하여 계측 데이터를 CDMA 통신으로 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(35a)로 전송하는 데이터 로거(33)와, 수신된 계측 데이터를 저장하고 계측 데이터로부터 길이 변위량과 기울기 값을 구한 후 이로부터 변화된 측정거리(L_T)와 침하량(D)을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값과 비교함에 의해 계측 데이터를 분석하여, 다수의 계측 관련자(즉, 현장 담당자) 및 관리책임자가 인터넷망(35)에 접속된 관리자 컴퓨터(36)를 통하여 분석된 데이터를 확인할 수 있도록 계측 데이터를 제공하는 시스템 서버(35a)를 포함한다.

지진, 홍수와 같은 천재지변, 철로에 인접한 토목 공사 또는 장시간에 걸친 구조물(교각 또는 터널)의 피로현상으로 인하여 철도 지반 침하 및 구조물 변형(지하터널 혹은 교량 위에 설치된 철로의 침목인 경우)으로 인하여 레일(14b)의 변위가 발생하는 경우, 상기 단위 레일 변위량 측정 장치(31)는 일정한 거리를 두고 궤간 사이에 설치되어, 레일(14a,14b)의 궤간과 침목(15)의 침하를 길이센서(43)와 경사센서(47)가 감지한 길이 변위량(a)과 기울기 값(θ)에 대한 전기 측정신호를 2채널 신호선인 측정케이블(29)을 이용하여 다채널 측정 모듈(32)에 전송한다.

상기 다채널 측정모듈(32)은 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31)로부터 연장된 측정케이블(29)에 병렬 접속방식(Multiplex)으로 연결되어 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 신호로 변환한다(도 7a 참조).

상기 데이터 로거(33)는 멀티 드롭 방식으로 다채널 측정모듈(32)을 통하여 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31)를 순차적으로 지정함에 의해 각각의 단위 레일 변위량 측정 장치(31)로부터 측정신호를 받아서, 시리얼 데이터 통신(RS-485)에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장한다.

상기 데이터 로거(33)는 그 후, 데이터 처리를 하여 무선 모뎀(34)에 RS-232C 시리얼 데이터 통신에 의해 전송하며, 무선 모뎀(34)은 수신된 계측 데이터를 예를 들어, CDMA 통신으로 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(35a)로 보낸다.

이 경우, 상기 데이터 로거(33)는 그 후, 데이터 처리를 하여 무선 모뎀(34) 대신에 유선 모뎀을 사용하여 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(35a)로 계측 데이터를 전송하는 것도 가능하다.

그 후, 시스템 서버(35a)는 도 7a 및 도 7b를 참고하여 후술하는 바와 같이 수신된 계측 데이터를 저장하고 계측 데이터로부터 길이 변위량과 기울기 값을 구하고 이에 기초하여 변화된 측정거리(L_T)와 침하량(D)을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값(예를 들어, 표준궤간 거리, 최대 켄트값 등)과 비교함에 의해 계측 데이터에 대한 분석이 이루어진다. 시스템 서버(35a)는 분석된 데이터에 기초하여 측정값이 표준 기준값을 벗어나는 경우 자동으로 감독관 휴대용 단말기(37) 등에 경보 메시지로서 문자(SMS 통신방식) 전송이 이루어진다.

또한, 다수의 계측 관련자, 즉 현장 담당자, 관리책임자는 인터넷망(35)에 접속된 관리자 컴퓨터(36)를 통하여 분석된 데이터를 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 원격지로부터 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량을 측정하여 철도 지반 침하를 측정할 수가 있어 철도 레일 안전 상태를 상시 자동 계측할 수 있다.

이하에 도 4를 참고하여 본 발명의 제1실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치를 설명한다.

도 4는 길이 센서와 경사 센서가 분리 설치된 본 발명의 제1실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치를 나타내는 개략 구성도로서, 제1실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치(31)는 일측에 한쌍의 레일(14a,14b) 중에 부동의 레일(14a)에 고정되는 측정 고정단(40)을 구비하고 소정 길이로 연장된 고정로드(42)와, 일측이 상기 한쌍의 레일(14a,14b) 중 지반 침하로 변위될 가능성이 높은 레일(14b)에 고정되는 측정 이동단(45)을 구비하고 소정 길이로 연장된 이동로드(46)와, 상기 고정로드(42)의 타단에 고정 설치되고 변위감지부(63)의 선단부가 이동로드(46)의 타단부에 탄성적으로 접촉하여 침목(15)의 일측이 침하됨에 따라 레일(14b)의 침하 또는 측면으로의 이동에 기인하여 레일(14b)의 변위가 발생하는 경우 이동로드(46)가 이동하는 것을 전기적 신호로 검출하기 위한 길이 센서(43)와, 상기 이동로드(46)에 부착되어 기울기를 측정하는 경사 센서(47)를 포함한다.

상기 고정로드(42)의 일단인 측정 고정단(40)은 지반 변화가 없는 침하에 부동인 레일(14a)에 직접 용접 혹은 접착제 사용방식으로 고정시키거나 또는 고정홀(41a)에 고정볼트를 체결하여 고정되고, 고정로드(42)의 타단은 길이센서(43)의 센서 케이스(44)에 고정되어 있다.

또한, 상기 이동로드(46)의 일단인 측정 이동단(45)은 지반 침하에 따라 변 위가 예상되는 레일(14a)에 직접 용접 혹은 접착제 사용방식으로 고정시키거나 또는 고정홀(41b)에 고정볼트를 체결하여 고정되고, 이동로드(46)의 타단은 길이 센서(43)의 센서 케이스(44)에 슬라이딩 가능하게 삽입되어 있으며, 변위감지부(63)의 선단부와 탄성적으로 접촉된 상태를 이룬다.

상기 길이 센서(43)는 현장 여건에 따라 진동현 방식 센서(VIBRATING WIRE TYPE), 전기 저항식 센서, 비접촉 방식 센서(LVDT), 스트레인 게이지 센서, 광 센서, 및 레이저 센서 중 어느 하나의 센서를 사용할 수 있고, 상기 경사 센서(47)는 진동현 방식 센서(VIBRATING WIRE TYPE), 전기 저항식 센서, EL(ELECTRO LEVEL) 센서, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 센서, 및 가속도계센서 중 어느 하나의 센서를 사용할 수 있다.

이 경우, 전기 저항식 센서가 구조가 간단하고 비용이 저렴하여 바람직하다.

또한, 온도 센서를 보조적으로 사용하면 사계절 노출된 선로의 측정 오차를 보정할 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치(31)는 천재지변 등으로 인하여 철도 지반 침하 및 구조물 변형(지하터널 및 교량 위에 설치된 침목인 경우)에 의해 침목(15)의 일측이 침하하여 레일(14b)에 변위가 발생하는 경우, 변형된 레일(41b)에 부착된 측정 이동단(45)과 이동로드(46)가 같이 변위가 발생하므로, 길이 센서(43)의 변위감지부(63)가 신장 또는 수축이 발생하여 길이 변위량을 감지하고, 이동로드(46)에 붙어있는 경사 센서(47)는 기울기 변위를 감지하게 된다.

상기한 길이 센서(43)의 보다 구체적인 구조는 이하에 설명되는 제2실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치의 설명에서 이루어질 것이다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 길이 센서와 경사 센서가 하나의 장소에 설치된 본 발명의 제2실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치를 나타내는 정면도, 평면도, 및 설치 상태도이다.

도 5a 내지 도 5c를 참고하면, 제2실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치(30)에서 길이 센서(43)의 구조는 제1실시예와 동일한 것을 사용한다. 단지, 제1실시예에서는 측정 고정단 및 측정 이동단(40,45)이 직접 용접이나 고정볼트로 레일(14a,14b)에 고정되므로 영구적인 계측이 요구되는 경우에 적합하지만, 일시적인 계측인 경우는 영구 고정이 어려우므로 착탈식으로 손쉽게 설치 및 분해가 가능한 것이 바람직하다.

이를 위해 제2실시예에서는 도 5a 및 도 5b와 같이 측정 고정단 및 측정 이동단(40,45)이 레일(14a,14b)에 착탈식으로 부착이 가능하도록 양단부의 요홈에 영구자석(50a,50b)을 매입시킴에 의해 레일에 쉽게 착탈이 가능하도록 하였고, 측정 고정단 및 이동단(40,45)은 레일 양단 상호간에 고압이 흘러서 레일(14a,14b)에 연결된 레일 변위량 측정 장치(30)의 길이 센서(43) 및 경사 센서(47)에 손상을 입히지 않도록 부도체 재질(PLASTIC)로 하였다.

또한, 제2실시예에서는 열차 운행 중 진동이나 충격에 의하여 레일 변위량 측정 장치(30)가 움직이는 것을 방지하기 위하여, 도 5a 및 도 5c와 같이 상측에 길이 센서 지지용 삽입구멍(51a)이 형성되고, 그의 하측에 경사 센서(47)가 매입되 어 있으며, 하측 양단부에는 침목(15)에 고정하는데 사용되는 한쌍의 플랜지부(41d)가 연장 형성되고 한쌍의 플랜지부(41d)에는 접착제로 고착하거나 고정볼트가 체결 가능한 고정홀(41c)이 형성된 장치 지지대(51)를 채용하고 있다.

한편, 길이 센서(43)는 도 5b에 도시된 바와 같이, 원통형 센서 케이스(44)에 길이 센서 모듈(430)이 내장되어 있으며, 상기 센서 케이스(44)의 양측에는 제1 및 제2 캡(60,61)이 결합되어 내부에 공간을 형성한다. 제1캡(60)에는 고정로드(42)의 타단이 고정 결합되어 있고, 제2캡(61)에는 관통구멍이 구비되어 이동로드(46)의 타단이 삽입되어 이동 가능하게 지지된다. 또한, 제2캡(61)의 내측에는 이동로드(46)의 타단이 길이방향을 따라 이동할 때 원활하게 이동할 수 있도록 리니어 베어링(62)이 배치되어 있다.

더욱이, 센서 케이스(44)의 내부 공간에 배치되는 길이 센서 모듈(430)은 각각 양측으로 적어도 한쌍의 지지돌기(64)가 연장 형성되어 선단부가 센서 케이스(44)의 내주면에 형성된 요홈(66)에 삽입되어 있고, 지지돌기(64)의 외주에는 탄성스프링(65)이 결합되어 있어 길이 센서 모듈(430)을 탄성적으로 지지하고 있다. 길이 센서 모듈(430)을 센서 케이스(44)의 내부에 탄성적으로 지지하는 구조는 기차가 지나갈 때 센서 케이스(44)에 전달되는 진동으로 인하여 센서가 파손되는 것을 막을 수 있는 역할을 한다.

상기 길이 센서 모듈(430)의 타단부에는 변위감지부(63)가 돌출되어 있으며, 변위감지부(63)의 선단 돌기부와 길이 센서 모듈(430)의 타단부 사이에는 탄성 스프링(67)이 결합되어 있어, 변위감지부(63)의 선단부는 이동로드(46)의 타단과 탄 성적으로 접촉되어 있다. 상기 길이 센서 모듈(430)은 변위감지부(63)가 길이방향으로 신장되거나 수축되는 길이 변위에 대응하여 전기적인 측정신호를 발생한다.

한편, 제2실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치(30)에서는 장치 지지대(51)의 삽입구멍(51a)에 길이 센서(43)의 센서 케이스(44)를 끼워 고정하고, 하부의 한쌍의 플랜지부(41d)는 침목(15)에 고정볼트를 사용하여 고정시킨다.

장치 지지대(51)는 도 6a 및 도 6b와 같이, 하부에 요홈이 형성되고, 요홈 내부에 경사 센서(47)가 삽입되어 있으며, 이탈을 방지하도록 커버(53)가 고정볼트(54)에 의해 고정되어 있다. 또한, 장치 지지대(51)의 중간부분에는 경사 센서(47)로부터 인출되는 측정케이블이 통과할 수 있도록 요홈과 연통하는 통로(52)가 형성되어 있다.

또한, 경사 센서(47)는 장치 지지대(51) 내부에 안전하게 내장되어 있으며 침목(15)의 일측에 변위가 발생할 때 기울기를 측정하여 레일의 기울기 측정신호를 발생한다.

상기와 같이, 제2실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치(30)에서는 길이 센서(43)의 양단부에 구비된 영구자석(50a,50b)을 이용하여 레일에 쉽게 착탈 가능하게 설치될 수 있어 설치 및 분리가 용이하게 이루어질 수 있고, 장치 지지대(51)를 사용하여 길이 센서(43)를 지지하고 경사 센서(47)를 안전하게 수납함에 의해 내구성이 증가하며 안정된 길이 변위량 및 기울기 값에 대한 측정신호를 얻을 수 있게 된다.

이하에 상기한 단위 레일 변위량 측정 장치(30,31)를 이용한 철도지반의 측 면 침하량을 측정하는 방법에 대하여 설명한다.

도 7a는 본 발명의 철도지반 측면 침하량을 측정하기 위한 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템을 나타내는 개략 구성도, 도 7b는 본 발명의 철도 침하량 환산 원리를 설명하기 위한 상관도이다.

도 7a를 참고하면, 연약지반 혹은 토목 공사로 인한 침하예상지역(28)이 레일(14b)의 우측에 위치한다고 가정을 하면, 침하예상지역(28)을 중심으로 일정한 설치 간격(L)으로 레일(14a, 14b) 궤간에 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)를 설치한다.

다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)는 각각 2채널(CH)을 갖는 측정 케이블(29a-29c)을 통하여 다채널 측정모듈(32a)에 병렬로 연결되어 있으며, 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)로부터의 아날로그 측정신호는 다채널 측정모듈(32a)에서 각각 아날로그/디지털(A/D) 변환이 이루어진다.

상기 단위 레일 변위량 측정 장치(31)는 예를 들어, 1m 간격으로 설치되며, 지반 침하예상지역(28)이 50m 거리로 예상되는 경우 50개의 단위 레일 변위량 측정 장치(31)가 설치된다. 다채널 측정모듈(32a,32b)은 각각 예를 들어, 20개의 채널(CH)을 선택적으로 연결할 수 있고, 입력된 아날로그 측정신호를 디지털 데이터로 변환하는 기능을 가지고 있다. 따라서, 50m 거리의 지반 침하예상지역(28)에는 다수의 다채널 측정모듈(32a,32b)이 사용된다.

다수의 다채널 측정모듈(32a,32b)에는 각각 식별번호(ID No)가 부여되고, 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)의 길이 센서(43a-43c)와 경사 센 서(47a-47c)에는 각각 채널번호(CH No)가 부여되어 있다.

데이터 로거(33)는 다채널 측정모듈(32a,32b)마다 부여된 식별번호(ID No)와 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)의 길이 센서(43a-43c)와 경사 센서(47a-47c)마다 부여된 채널번호(CH No)를 이용하여 특정 다채널 측정모듈(32a)과 지정된 다채널 측정모듈(32a)에 병렬 접속된 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)를 순차적으로 지정할 수 있다.

데이터 로거(33)가 식별번호(ID No)와 채널번호(CH No)를 이용하여 다채널 측정모듈(32a)을 통하여 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)에 대한 데이터 전송을 순차적으로 지정할 때 다채널 측정모듈(32a)은 식별번호(ID No)와 채널번호(CH No)를 수신하여 자신의 식별번호(ID No)가 지정된 경우 이에 병렬 접속된 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c) 각각의 지정된 채널을 순차적으로 연결하여 길이 센서(43a-43c)와 경사 센서(47a-47c)로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 데이터로 변환한 후, A/D 변환된 디지털 계측 데이터를 시리얼 통신 방식(RS-485)으로 전송을 하며, 데이터 로거(33)는 디지털 계측 데이터를 시리얼로 전송받아 저장한다.

또한, 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)에 2채널 측정 모듈(32)을 각각 내장할 경우, 각각의 측정 모듈(32)과 상기 데이터 로거(33) 사이에는 디지털 통신방법, 즉 멀티드롭(Multidrop) 방식, 예를 들어, 1라인 버스를 이용한 RS-485 방식으로 데이터를 수집하는 것이 가능하며, 이 시스템에서는 다수의 측정 케이블을 사용하지 않아 시스템 구성이 간단하게 이루어질 수 있다.

그 후 데이터 로거(33)는 인접된 무선모뎀(34)에 시리얼 통신 방식(RS-232C)으로 디지털 계측 데이터를 전송하여, 무선모뎀(34)을 통하여 무선으로 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(35a)에 예를 들어, CDMA 통신방식으로 전송함에 의해 시스템 서버(35a)에 저장이 이루어지도록 한다.

더욱이, 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)에 A/D 변환 기능을 갖는 측정 모듈(32)을 각각 내장함과 동시에 무선모뎀(34)을 하나의 인쇄회로기판(PCB)에 집적하는 것이 가능하다. 이 경우는 단위 레일 변위량 측정 장치(31a,31b,31c)마다 무선모뎀(34)을 통하여 무선으로 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(35a)에 CDMA 통신방식으로 전송할 수 있다.

도 7a와 같이 다측점 레일 변위량 측정인 경우, 침하예상지역(28)의 반대에 있는 레일(14a)을 기준으로 침하예상지역(28)에 있는 레일(14b)은 서서히 변위가 발생하기 시작하여, 침하예상지역(28)에 가장 인접하여 설치된 측정 장치(31b)는 장기간 상시 반복된 계측으로 서서히 침하에 의한 표준 궤간 이탈범위(-4mm 또는 +7mm)를 초과하는 레일 변위를 감지하여 측정신호를 전송하면 시스템 서버(35a)에는 계측 데이터의 저장이 이루어지게 된다. 이에 따라 시스템 서버(35a)는 분석 프로그램에 의해 레일의 길이 변위량이 미리 설정된 표준 기준값, 예를 들어, 표준 궤간 이탈범위(-4mm 또는 +7mm)의 하한값 또는 상한값을 벗어나는 지를 판단하여 만약 표준 기준 범위를 벗어나는 경우 자동으로 감독관 휴대용 단말기(37) 등에 경보 메시지로서 문자(SMS 통신 방식)로 전송이 이루어지게 된다.

상기한 다측점 레일 변위량 측정인 경우 측정 장치(31a-31c) 사이의 설치 간 격(L)을 좁게 하고, 측정 장치(31a-31c)를 많이 설치할수록 분해능(RESOLUTION)이 높은 분석 프로파일 데이터를 얻을 수가 있게 된다.

도 7b를 참고하여 본 발명의 철도 침하량 환산 원리를 설명한다.

만약 철도 지반 침하나 변형이 없다면, 기준거리(L_R)는 본 발명의 측정 장치가 설치된 궤간 혹은 침목의 설치 간격으로 철도 종류와 여건에 따라 다를 수는 있지만, 일반적으로 표준궤간(1435mm), 보통침목 간격(240mm)과 레일 고저차(160mm)는 일정하게 유지될 것이다. 철로의 변형이 발생하여 본 발명의 길이 센서(43)와 경사 센서(47)가 변위량을 감지했다면, 기준거리(L_R)에 길이 변위량(a)의 합(SUM)인 변화된 측정 거리(L_T)를 알 수가 있다.

또한, 경사센서(47)에 의해 측정된 기울기 값(θ)과 변화된 측정 거리(L_T)를 이용하면, 침하된 거리, 즉 침하량(D)으로 환산될 수 있다. 즉, 침하량(D)은 D = L_T ㅧ Sin θ으로 얻어진다. 이 경우, 변화된 측정 거리(L_T)는 기준거리(L_R)가 변동되면서 침하가 발생하거나 또는 기준거리(L_R)의 변동없이 침하가 발생될 수 있다.

상기 측정거리(L_T)와 침하량(D)을 미리 설정된 표준 기준값과 비교하면, 그 오차 정도를 알 수가 있어서 수치별로 안전에 대응할 수가 있고, 레일 탈선 등의 사고 예방 판단 자료로 활용할 수가 있다. 상기 계산에 의한 안전 기준치 이외에도 수집된 계측 데이터를 이용하여, 토목 관련 이론에 의해 산출된 다양한 엔지니어링 수치로 환산되어 추가적으로 안전 기준치로 적용할 수도 있다.

더욱이, 시스템 서버(35a)에서 다수의 측정 장치(31a-31c)로부터 수집된 상기 계측 데이터를 종합 분석하면 입체적으로 도식화할 수가 있어 침하예상지역(30)의 위험 지점을 정확하게 판단할 수 있는 예측 데이터를 제공할 수가 있고, 체계적 방재 시스템을 구축할 수가 있다.

이하에 도 8a 및 도 8b를 참고하여 본 발명에 따른 철도지반 중앙 침하량을 측정하기 위한 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템을 설명한다.

도 8a는 본 발명의 철도지반 중앙 침하량을 측정하기 위한 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템을 나타내는 개략 구성도, 도 8b는 본 발명의 제1실시예를 이용하여 철도지반 중앙 침하량 측정을 위한 설치도이다.

도 8a 및 도 8b와 같이, 연약지반 혹은 토목 공사로 인한 침하예상지역(28)이 레일(14a,14b)의 중앙에 위치한다고 가정을 하면, 침하예상지역(28)을 중심으로 일정한 설치 간격(L)으로 레일(14a,14b)의 중앙 사이 혹은 레일(14a,14b)의 양쪽 가장자리에, 다수의 침목(15a,15b,15c) 사이에, 각각 길이 센서(43a,43b)와 경사센서(47a,47b)를 포함하는 다수의 레일 변위 측정 장치(31a,31b)를 설치한다.

이 경우, 침하예상지역(28)의 레일 침목(15b)이 침하되어 양측 레일(14a,14b) 모두가 서서히 변위가 발생하기 시작하여, 침하예상지역에 설치된 측정 장치(31a,31b)는 장기간 상시 반복된 계측으로 서서히 침목(15b)이 침하하는 것을 검출하게 된다.

즉, 침목(15b)의 양측에 위치한 측정 장치(31a,31b)로부터 계측된 측정신호는 침목(15a)과 침목(15b) 사이 및 침목(15b)과 침목(15c) 사이의 변형된 길이와 기울기 값(θ)에 기초하여 각각 변화된 측정 거리(L_T)와 침하량(D)이 얻어지게 된다. 이에 따라 시스템 서버(35a)는 측정 장치(31a,31b)와 인접된 침목 사이에 설치된 다른 측정 장치로부터 구한 변화된 측정 거리(L_T)와 침하량(D)을 각각 표준 기준값과 비교함에 의해 침목(15b)의 침하를 판단하고, 그 결과 선로 지반 안전 기준을 초과하는 레일 변위를 감지한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 레일 변위량 측정 장치 및 이를 이용한 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템은 철도 선로의 안정성을 종합적으로 입체적 분석하고 경보할 수 있는 자동 계측 시스템을 구성한다.

상기한 바람직한 실시예에서는 무선 모뎀(34)을 이용하여 메인 컴퓨터인 시스템 서버(35a)에 계측된 측정 데이터를 전송하는 것을 예시하였으나, 유선 모뎀을 이용하는 것도 가능하다.

또한, 레일의 변위량을 측정하고자 하는 측정점이 1-3의 소수인 경우 통상적으로 20개 이상의 채널을 갖는 고가의 다채널 측정모듈(32)을 사용하는 대신에 측정 장치, 데이터 로거 및 무선 모뎀을 통합하여 단일 PCB에 집적함에 의해 소형화함에 의해 저렴한 비용으로 한 채널 집중감시가 가능하며, 실시간(REAL TIME) 계측도 가능하여 열차 운행 중 일어날 수 있는 다양한 변위량도 분석 가능하다.

더욱이, 상기한 본 발명에서는 한 지점의 한 측정 장치(31a-31c)에 길이 센서(43a-43c)와 경사센서(47a-47c)가 동시에 설치된 것을 예시하였으나, 길이 센서(43a-43c)와 경사센서(47a-47c) 중 어느 하나의 센서만을 설치하는 것도 가능하 다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 철로 지반 침하와 변형이 우려되는 연약 지반, 절개지, 터널, 교량 위를 지나는 철도 레일 안전 상태를 상시 계측할 수 있는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치 및 이를 이용한 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템에 관한 것으로, 철도 레일 뿐 만아니라, 도로 및 사면 공사 매립지, 연약 지반 및 댐의 성토 공사에서 설치된 토목 구조물에 대한 침하 및 거동 상태를 감시할 수 있는 각 지점별 구조물 변형량 측정 장치에 적용 가능하다.

도 1은 종래의 침하 변형 계측 장치를 나타내는 구성도,

도 2는 종래의 레일 계측의 모니터링 장치를 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 레일 변위량 자동 계측 시스템을 나타내는 개략 구성도,

도 4는 길이 센서와 경사 센서가 분리 설치된 본 발명의 제1실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치를 나타내는 구성도,

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 길이 센서와 경사 센서가 하나의 장소에 설치된 본 발명의 제2실시예에 따른 레일 변위량 측정 장치를 나타내는 정면도, 평면도, 및 설치 상태도,

도 6a 및 도 6b는 각각 장치 지지대에 대한 길이방향 단면도 및 측면도,

도 7a는 본 발명의 철도지반 측면 침하량을 측정하기 위한 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템을 나타내는 개략 구성도,

도 7b는 본 발명의 철도 침하량 환산 원리를 설명하기 위한 상관도,

도 8a는 본 발명의 철도지반 중앙 침하량을 측정하기 위한 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템을 나타내는 개략 구성도,

도 8b는 본 발명의 제1실시예를 이용하여 철도지반 중앙 침하량 측정을 위한 설치도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 ; 원지반 11 ; 기초 말뚝

12 ; 눈금 13 ; 성토 지반

14,14a,14b ; 레일 15 ; 침목

21 ; 광섬유센서 22 ; 현장 계측 수단

23 ; 현장 송수신부 24 ; 원격지 송수신부

25 ; 원격지 모니터링 서버부 28 ; 침하예상지역

29 ; 측정케이블 30,31,31a-31c ; 측정 장치

32 ; 다채널 측정 모듈 33 ; 데이터 로거

34 ; 무선 모뎀 35 ; 인터넷망

35a ; 시스템 서버

36 ; 관리자 컴퓨터 37 ; 이동 단말기

40 ; 측정 고정단 41a,41b,41c ; 고정 홀

42 ; 고정 로드 43,43a-43c ; 길이 센서

44 ; 센서 케이스 45 ; 측정 이동단

46 ; 이동 로드 47,47a-47c ; 경사 센서

50a,50b ; 영구 자석 51 ; 장치 지지대

52 ; 통로 53 ; 커버

54,56 ; 고정볼트 60,61 ; 제1 및 제2 캡

62 ; 리니어 베어링 63 ; 변위감지부

64 ; 지지돌기 65 ; 탄성 스프링

66 ; 요홈 430 ; 길이 센서 모듈

Claims

부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 레일 변위량 측정 장치에 있어서,

일측에 상기 제1레일에 고정되는 측정 고정단을 구비하고 일정 길이로 연장된 고정로드와,

일측이 상기 제2레일에 고정되는 측정 이동단을 구비하고 일정 길이로 연장된 이동로드와,

상기 고정로드에 고정 설치되어 상기 제2레일의 변위에 연동하여 이동로드가 변위될 때 길이 변위량을 전기적 측정신호로 검출하기 위한 길이 센서와,

상기 이동로드에 부착되어 상기 제2레일의 변위에 연동하여 이동로드가 기울어질 때 기울기 값을 측정하는 경사 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치.
부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 레일 변위량 측정 장치에 있어서,

일측에 상기 제1레일에 고정되는 측정 고정단을 구비하고 일정 길이로 연장된 고정로드와,

일측이 상기 제2레일에 고정되는 측정 이동단을 구비하고 일정 길이로 연장된 이동로드와,

상기 고정로드에 고정 설치되어 상기 제2레일의 변위에 연동하여 이동로드가 변위될 때 길이 변위량을 전기적 측정신호로 검출하기 위한 길이 센서와,

상기 길이 센서의 측방향 변위를 억제하며 침목 위에 고정되는 장치 지지대와,

상기 장치 지지대에 설치되어 상기 제2레일의 변위에 연동하여 침목이 기울어질 때 기울기 값을 측정하는 경사 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 길이 센서는 전기 저항식 센서이고, 상기 전기 저항식 센서는 이동로드의 타단부와 탄성적으로 접촉하는 변위감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레일에 부착되는 측정 고정단과 측정 이동단은 영구자석을 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 길이 센서는

센서 케이스와,

상기 센서 케이스의 일측에 고정로드의 타단이 고정 결합되는 제1캡과,

상기 센서 케이스의 타측에 결합되며 관통구멍이 구비되어 이동로드의 타단 이 삽입되어 이동 가능하게 지지되는 제2캡과,

상기 센서 케이스의 내부 공간에 원주방향으로 탄성적으로 지지되며 상기 이동로드가 변위될 때 길이 변위량을 전기적 측정신호로 검출하는 길이 센서 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 길이 센서 및 경사 센서로부터 측정된 전기적 측정신호를 디지털 계측 데이터로 변환하는 적어도 하나의 다채널 측정모듈과,

상기 다채널 측정모듈로부터 시리얼 데이터 통신에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 로거를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 측정 장치.
제6항에 있어서, 상기 데이터 로거에 수신된 계측 데이터는 인터넷망에 접속된 시스템 서버로 전송되며, 상기 시스템 서버는 수신된 계측 데이터를 데이터 처리하여 제2레일의 길이 변위량과 침하량을 구하며, 미리 설정된 표준 기준값과 비교하여 이를 벗어나는 경우 경보신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 측정 장치.
제6항에 있어서, 상기 데이터 로거로부터 다채널 측정모듈마다 부여된 식별번호와 다수의 레일 변위량 측정 장치의 길이 센서와 경사 센서마다 부여된 채널번 호를 이용하여 다채널 측정모듈과 지정된 다채널 측정모듈에 병렬 접속된 레일 변위량 측정 장치를 순차적으로 지정할 때, 상기 다채널 측정모듈은 식별번호와 채널번호를 수신하여 자신의 식별번호가 지정된 경우 이에 병렬 접속된 레일 변위량 측정 장치 각각의 지정된 채널을 순차적으로 연결하여 길이 센서와 경사 센서로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 데이터로 변환한 후, 디지털 변환된 디지털 계측 데이터를 시리얼 통신 방식으로 전송하는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 측정 장치.
부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템에 있어서,

상기 제1 및 제2 레일 사이에 각각 서로 간격을 두고 양단부가 연결되어 제2레일의 변위가 발생할 때 길이 변위량 및 기울기 값에 대응하는 전기적인 측정신호를 발생하는 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치와,

상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 계측 데이터로 변환하는 적어도 하나의 다채널 측정모듈과,

상기 다채널 측정모듈로부터 시리얼 데이터 통신에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 메모리에 저장하고 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 디지털 통신방법으로 전송하는 데이터 로거와,

상기 데이터 로거로부터 전송된 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하고 계 측 데이터로부터 길이 변위량과 기울기 값을 구한 후 이로부터 변화된 측정거리와 침하량을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값과 비교함에 의해 계측 데이터를 분석하는 시스템 서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템.
다수의 침목 위에 설치된 제1레일과 제2레일을 구비하는 철도 레일의 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템에 있어서,

상기 침목과 침목 사이에 각각 양단부가 연결되어 침목의 변위가 발생할 때 길이 변위량 및 기울기 값에 대응하는 전기적인 측정신호를 발생하는 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치와,

상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 계측 데이터로 변환하는 적어도 하나의 다채널 측정모듈과,

상기 다채널 측정모듈로부터 시리얼 데이터 통신에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 메모리에 저장하고 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 디지털 통신방법으로 전송하는 데이터 로거와,

상기 데이터 로거로부터 전송된 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하고 계측 데이터로부터 침목 사이의 길이 변위량과 기울기 값을 구한 후 이로부터 변화된 측정거리와 침하량을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값과 비교하여 침하된 침목을 판단하는 시스템 서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템.
제9항에 있어서, 상기 시스템 서버는 계측 데이터를 분석하여 레일 측면 침하를 측정하는 것을 특징으로 하는 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템.
제10항에 있어서, 상기 시스템 서버는 계측 데이터를 분석하여 레일 중앙부 침하를 측정하는 것을 특징으로 하는 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템.
제10항에 있어서, 상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치는 각각

일측에 어느 하나의 제1침목에 고정되며 일정 길이로 연장된 고정로드와,

일측이 인접된 제2침목에 고정되며 일정 길이로 연장된 이동로드와,

상기 고정로드에 고정 설치되며 상기 제1 또는 제2 침목의 변위에 연동하여 고정로드 또는 이동로드의 변위가 발생할 때 길이 변위량에 대응하는 전기적 측정신호를 검출하기 위한 길이 센서와,

상기 이동로드에 부착되어 상기 제1 또는 제2 침목의 변위가 발생할 때 기울기 값에 대응하는 전기적 측정신호를 검출하기 위한 경사 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 다채널 측정모듈과 데이터 로거는 시리얼 통신 선로에 연결되어 멀티 드롭 방식으로 측정신호가 수집되는 것을 특징으로 하는 다측점 레일 변위량 자동 계측 시스템.
부동의 제1레일과 지반 침하 또는 변형 가능성이 있는 예상지역을 인접하여 통과하는 제2레일을 구비하는 철도 레일의 다측점 레일 변위량 측정 방법에 있어서,

다수의 단위 레일 변위량 측정 장치 각각을 서로 간격을 두고 상기 제1 및 제2 레일 사이에 양단부를 연결 설치하는 단계와,

상기 다수의 단위 레일 변위량 측정 장치 중 적어도 하나와 연결된 제2레일의 변위가 발생할 때 변위량에 대응하는 전기적인 측정신호를 발생하는 단계와,

상기 단위 레일 변위량 측정 장치로부터 측정된 아날로그 측정신호를 디지털 계측 데이터로 변환하는 단계와,

시리얼 데이터 통신에 의해 상기 디지털 계측 데이터를 수신하여 메모리에 저장하고 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 디지털 통신방법으로 전송하는 단계와,

상기 전송된 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장하고 계측 데이터로부터 변위량을 구한 후 이로부터 변화된 측정거리와 침하량을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 다측점 레일 변위량 측정 방법.
제15항에 있어서, 상기 변위량은 길이 변위량, 기울기 값, 및 길이 변위량과 기울기 값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 다측점 레일 변위량 측정 방법.
제15항에 있어서, 상기 다채널 측정모듈과 데이터 로거 사이의 시리얼 데이터 통신은 1회선의 통신 케이블을 이용한 멀티 드롭(Multi Drop) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다측점 레일 변위량 측정 방법.
한쌍의 레일에 양단부가 연결되며 길이 변화를 측정하는 길이 센서와 기울기 변화를 측정하는 경사 센서를 구비하고 레일의 변위에 따른 변위 측정신호를 발생하는 측정 장치와,

각 센서의 변위 측정신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지털 변환부와,

상기 변환된 데이터를 저장하고 유/무선망으로 전송하는 데이터 처리부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 자동 계측 시스템.
제18항에 있어서, 상기 측정 장치와, 디지털 변환부 및 데이터 처리부는 하나의 인쇄회로기판(PCB)에 집적되는 것을 특징으로 하는 레일 변위량 자동 계측 시스템.