KR20110124054A - 철도차량 하중 측정장치 및 방법 - Google Patents

철도차량 하중 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량 하중측정장치에 관한 것으로, 철도차량의 속도 및 가속도를 측정하는 속도/가속도 측정유닛과, 철도차량의 현재 위치를 측정하는 위치 측정유닛과, 선로 상태를 수신하는 선로상태 수신유닛과, 철도차량의 추진력 및 제동력을 수신하는 추진/제동력 수신유닛과, 상기 유닛들로부터 인가되는 정보를 토대로 철도차량의 중량을 계산하는 연산유닛으로 구성되어, 철도차량나 선로 상에 직접 설치할 필요가 없어 내구성 문제를 해결할 수 있고, 유닛들 및 측정장치로부터 인가되는 정보를 토대로 철도차량의 중량을 측정하기 때문에 철도차량의 중량을 실시간으로 정확하게 측정할 수 있다.

Description

철도차량 하중 측정장치 및 방법{Load measuring system and method for train}
본 발명은 승객 및 화물 포함한 철도차량의 하중을 실시간으로 측정할 수 있는 철도차량의 하중 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도 분야의 신호제어설비 기술은 철도차량의 사고를 미연에 방지하고 안전한 운전을 가능하게 하며, 철도차량운용 효율을 높이기 위한 각종 신호 장치 및 제어 시스템으로 구성된다.
신호제어설비는 철도차량진로를 제어하는 궤도회로장치, 연동장치 선로전환기 장치, 철도차량집중제어장치와, 철도차량 간격을 제어하는 폐색장치, 철도차량자동 정지장치, 철도차량자동 제어장치, 철도차량자동 운전장치와, 운전보안 및 정보화 설비로 분류된다.
그리고, 철도차량의 중량을 측정하여 철도차량을 자동으로 제어할 때 철도차량의 속도를 안정적으로 제어하거나 역간 승객수를 추정하고 과적을 확인하는 등의 목적을 위해 철도차량의 중량을 실시간으로 측정하는 철도차량 중량측정장치가 구비된다.
현재 사용되고 있는 철도차량 중량측정장치는 철도차량에 직접 설치되는 응하중 밸브가 있다. 응하중 밸브에는 감지봉이 구비되어, 감지봉이 직선 이동되면서 철도차량의 하중을 기계적으로 감지하는 구조이다.
하지만, 이러한 응하중 밸브는 철도차량에 직접 설치해야되고, 내구성 문제를 발생시킬 수 있으며, 하중 상태에 따른 오차가 발생될 우려가 있다.
또한, 철도차량 중량측정장치는 철도차량이 지나가는 선로 상에 스트레인 게이지(strain gauge)를 설치하여 선로의 휨 정도를 스트레인 게이지가 측정하여 철도차량의 중량을 측정하는 장치가 사용되고 있다.
하지만, 스트레인 게이지를 사용할 경우 선로 상에 스트레인 게이지가 설치되므로 내구성 문제를 유발할 수 있고, 스트레인 게이지와 같은 센서는 휘어짐 이외에 온도 등 다양한 외부환경에 영향을 받기 때문에 정확한 철도차량 중량을 측정하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 철도차량에 장착된 각종 센서들 및 측정장치로부터 인가된 정보를 토대로 철도차량의 중량을 측정할 수 있는 철도차량 하중측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 철도차량이나 선로 상에 직접 설치할 필요가 없어 내구성 문제를 해결할 수 있는 철도차량 하중측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 철도차량에 설치되는 센서들 및 측정장치로부터 인가되는 정보를 토대로 철도차량의 중량을 측정하기 때문에 철도차량의 중량을 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 철도차량 하중측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일실시예로서, 철도차량 하중측정장치는 철도차량의 속도 및 가속도를 측정하는 속도/가속도 측정유닛과, 철도차량의 현재 위치를 측정하는 위치 측정유닛과, 선로 상태를 수신하는 선로상태 수신유닛과, 철도차량의 추진력 및 제동력을 수신하는 추진/제동력 수신유닛과, 상기 유닛들로부터 인가되는 정보를 토대로 철도차량의 중량을 계산하는 연산유닛을 포함한다.
일실시예로서, 철도차량 하중측정방법은 철도차량의 속도 및 가속도를 측정하는 단계와, 철도차량의 현재 위치를 측정하는 단계와, 선로 구배정보, 선로 커브정보 및 날씨정보로부터 현재 선로 상태를 수신하는 단계와, 철도차량의 추진력 및 제동력을 수신하는 단계와, 상기 철도차량의 속도 및 가속도, 현재 위치 및 선로상태 정보를 토대로 철도 차량의 하중을 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 철도차량 하중측정장치는 속도 및 가속도를 측정하는 속도/가속도 측정유닛과, 철도차량의 현재 위치를 측정하는 위치 측정유닛과, 선로 상태를 수신하는 선로상태 수신유닛과, 철도차량의 추진력 및 제동력을 수신하는 추진/제동력 수신유닛으로부터 인가되는 정보에 따라 연산장치에서 철도차량의 하중을 계산하기 때문에 철도차량이나 선로에 별도의 측정장치를 설치할 필요가 없고, 사용기간이 오래되더라도 내구성 문제가 없는 장점이 있다.
또한, 철도차량이 주행중일 때 실시간으로 차량의 하중을 계산할 수 있어 역간 하중 계산이 용이하고, 차량 하중을 정확하게 측정할 수 있으며 차량 하중 데이터를 지속적으로 보정하고 업데이트할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 하중측정장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량 하중측정방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 하중측정장치를 나타낸 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 철도차량 하중측정장치는 철도차량의 속도 및 가속도를 측정하는 속도/가속도 측정유닛(10)과, 철도차량의 현재 위치 측정하는 위치 측정유닛(20)과, 선로 상태 정보를 수신하는 선로 상태정보 수신유닛(30)과, 철도차량의 추진력 및 제동력을 수신하는 추진/제동력 수신유닛(40)과, 위의 유닛들로부터 인가되는 정보를 토대로 철도차량의 중량을 계산하는 연산유닛(50)을 포함한다.
속도/가속도 측정유닛(10)은 철도차량에 설치되어 있는 속도계(12) 및 가속도계(14)가 사용될 수 있으므로 별도로 설치할 필요가 없다. 속도계(12)에서 현재 철도차량의 속도를 측정하여 연산유닛(50)으로 전달하고, 가속도계(14)에서 현재 철도차량의 가속도를 측정하여 연산유닛(50)으로 전달한다.
위치 측정유닛(20)은 철도차량에 설치되며, 현재 철도차량의 위치정보를 실시간으로 연산유닛(50)에 전달한다.
이러한 위치 측정유닛(20)은 속도/가속도 측정유닛(10)의 속도계(12)로부터 수신된 속도정보를 이용하여 열차 위치를 계산할 수 있으며, 별도의 측정유닛을 이용하여 더욱 정밀한 위치측정도 가능하다.
그리고, 위치 측정유닛(20)은 속도/가속도 측정유닛(10)으로부터 수신된 속도정보를 이용하여 열차 위치를 계산할 경우, 속도/가속도 측정유닛(10)으로부터 수신된 정보를 처리하는 연산장치로만 구성될 수 있으며, 이 연산장치의 연산기능은 차상신호시스템 제어기의 연산장치에서 수행할 수 있다. 따라서, 위치 측정유닛(20)의 구성을 단순화할 수 있게 된다.
선로상태 수신유닛(30)은 선로 경사데이터 베이스(32)로부터 전달받은 현재 철도차량 위치의 선로 구배정보, 선로 커브데이터 베이스(32)로부터 전달받은 현재 철도차량 위치의 선로 커브정보 및 날씨정보센터(36)로부터 전달받은 현재 날씨 정보를 수신하여 선로 상태정보를 연산유닛(50)으로 인가한다.
선로상태 수신유닛(30)은 차상신호용 열차제어장치에 탑재된 기존의 수신유닛이 사용될 수 있고, 별도의 수신유닛이 구비될 수 있다.
추진/제동력 수신유닛(40)은 철도차량의 추진장치(42)로부터 인가되는 철도차량 추진력과 철도차량의 제동장치(44)로부터 인가되는 철도차량 제동력을 수신하여 연산유닛(50)으로 인가한다.
그리고, 주행저항모델(60)이 더 구비되는 데, 이 주행저항모델(60)은 철도차량의 중량 및 속도에 따른 주행 저항모델로서, 연산유닛(50)에서는 주행저항모델(60)에서 인가되는 정보를 토대로 철도차량의 하중을 계산한다.
연산유닛(50)은 위에서 설명한 유닛들 및 주행저항모델(60)로부터 인가받은 정보를 토대로 현재 철도차량의 하중을 추정하는 것으로, 차상신호장치용 제어기 등과 같이 철도 차량에 이미 설치된 연산유닛을 이용할 수 있고, 별도의 연산유닛이 사용될 수 있다.
연산유닛(50)에서의 철도차량 하중 계산은 아래의 식에 의해 이루어질 수 있다.
아래 식은 연산유닛에서 철도차량 하중을 계산할 때 사용할 수 있는 하나 방법이고, 사용하는 모델에 따라 바뀔 수 있다.
F: 철도차량의 추진력 또는 제동력
RR, RG, RC: 철도차량의 주행저항, 구배저항 및 곡선저항
V: 철도차량 속도, a: 철도차량의 가속도, m: 철도차량의 질량
W: 철도차량의 하중, k:곡선저항 계수
일반적으로 철도차량의 주행저항 모델은 속도와 하중에 관한 식 즉, 속도에 대한 이차식의 형태로 사용한다.
일예로,이차식 RR=(ro+r1V)W+r2v2 이 사용될 수 있다.
여기에서, 주행저항 모델의 계수 ro, r1, r2는 선로의 상태에 따라 바뀔 수 있다.
철도차량의 주행저항은 경사각 θ일 때, RG = mg sinθ와 같이 발생하고, 곡선저항은 선로 곡선반경이 ρ일 때, RG = k/ρ의 형태 등과 같이 근사적으로 사용할 수 있다.
다음과 같은 철도차량의 동역학방정식에서 ma = F- RR- RG- RC
ma + (ro+r1V)mg + mg sinθ = F-r2v2 - RC
따라서, 열차의 하중 W은 다음 식으로 구할 수 있다.
W = mg = (F-r2v2-k/ρ)g/ a + (ro + r1V + sin θ)g
이와 같이, 철도차량의 추진/제동력 F를 구하고, 열차의 속도 V 및 가속도 a를 구하며, 철도차량의 위치에 따른 구배정보 θ 및 곡선반경 정보 ρ를 수신하고 선로 상태에 따라 사전에 정의된 주행저항 모델 중 적절한 주행저항 모델 계수 ro, r1, r2 를 선택하면 철도 차량의 하중 W을 구할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 하중 측정방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 하중 계산에 필요한 철도차량의 정보를 수집한다.
즉, 철도차량의 속도 및 가속도를 측정한다.(S10) 속도계(14)로부터 철도차량의 속도를 측정값을 인가받고, 가속도계(12)로부터 철도차량의 가속도를 인가받는다.
그리고, 철도차량의 위치를 측정한다.(S20) 위치측정유닛(20)으로부터 철도차량의 현재 위치에 대한 정보를 인가받는다.
그리고, 철도 차량의 추진력 및 제동력을 수신받는다.(S30) 추진장치(42) 및 제동장치(44)로부터 추진력 정보 및 제동력 정보가 추진/제동력 수신유닛(40)으로 전달되면, 추진/제동력 수신유닛(40)은 그 신호를 연산장치(50)로 인가한다.
철도차량에 대한 정보 수집이 완료되면, 현재 위치에서 철도차량의 주행에 영향을 미치는 선로 상태정보를 수집한다.
즉, 선로상태 정보수신유닛(30)은 선로경사 데이터 베이스(32)로부터 선로 경사정보를 받고, 선로커브 데이터 베이스(34)로부터 선로커브 정보를 받고, 날씨정보 센터(36)로부터 날씨정보를 받아서, 그 정보를 연산장치(50)에 제공한다.(S40)
일예로, 철도차량이 주행할 때 여러 종류의 힘을 받게 되는데, 철도차량이 추진중일 때는 엔진 등에 의한 추진력을 받고, 제동중일 때에는 제동장치에 의한 제동력을 받게 된다. 그리고, 철도차량에는 속도에 따른 주행저항, 선로경사에 따른 구배저항, 곡선 선로를 주행할 때 곡선저항을 받게 된다. 그리고, 철도차량의 주행저항은 마찰력, 공기저항력 등 여러 종류의 저항력으로 구성될 수 있으며, 이 중 선로와의 마찰은 날씨 등의 조건에 따라 점착 특성이 변화될 수 있다.
이와 같은 철도차량의 각종 정보가 연산유닛(50)으로 전달되면, 연산유닛(50)에서는 주행저항 모델에서 현재 선로 환경에 적합한 철도차량의 주행저항 모델을 선택한다.
그리고, 연산유닛(50)은 위에서 설명한 정보들을 토대로 철도차량의 현재 하중을 계산한다.(S50)
그리고, 연산유닛(50)에서 계산된 역간별 철도차량의 하중에 따라 역간별로 탑승한 승객수를 계산한다.
그리고, 역간별 철도차량 하중 및 승객수는 데이터 베이스에 저장되고, 데이터 베이스에 저장된 정보를 토대로 현재 운행 여건에서의 역간별 기준 하중 및 승객수를 도출한다.(S60)
그리고, 데이터 베이스에 저장된 정보와 현재 역간별 철도차량 하중을 비교하여 보정한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 속도/가속도 측정유닛 12: 속도계
14: 가속도계 20: 위치측정유닛
30: 선로상태 수신유닛 32: 선로경사 데이터베이스
34: 선로커브 데이터베이스 36: 날씨 정보센터
40: 추진/제동력 수신유닛 42: 추진장치
44: 제동장치 50: 연산장치
60: 주행저항 모델

Claims (9)

  1. 철도차량의 속도 및 가속도를 측정하는 속도/가속도 측정유닛;
    철도차량의 현재 위치를 측정하는 위치 측정유닛;
    선로 상태를 수신하는 선로상태 수신유닛;
    철도차량의 추진력 및 제동력을 수신하는 추진/제동력 수신유닛; 그리고,
    상기 유닛들로부터 인가되는 정보를 토대로 철도차량의 중량을 계산하는 연산유닛을 포함하는 철도차량 하중 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 속도/가속도 측정유닛은 철도차량에 설치된 속도계와 가속도계가 사용되는 것을 특징으로 하는 철도차량 하중 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위치 측정유닛은 철도차량에 설치되어 차량의 현재 위치를 측정하는 위치 측정장치가 사용되는 것을 특징으로 하는 철도차량 하중 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위치 측정유닛은 속도/가속도 측정유닛으로부터 수신된 속도정보를 이용하여 열차 위치를 계산하는 연산장치가 사용되는 것을 특징으로 하는 철도차량 하중 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선로상태 감지유닛은 선로 경사 데이터 베이스에서 현재 차량 위치의 선로 경사정보를 인가받고, 선로커브 데이터 베이스에서 현재 차량위치의 선로 커브 정보를 인가받고, 날씨 정보를 인가받아 현 위치의 선로 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 철도차량 하중 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연산장치는 아래의 식에 의해 철도차량의 하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 철도차량 하중 측정장치.
    W = mg = (F-r2v2-k/ρ)g/ a + (ro + r1V + sin θ)g
    F: 철도차량의 추진력 또는 제동력,
    RR, RG, RC: 철도차량의 주행저항, 구배저항 및 곡선저항
    V: 철도차량 속도, a: 철도차량의 가속도, m: 철도차량의 질량
    W: 철도차량의 하중, ro, r1, r2 : 주행저항 모델 계수
    θ: 선로 경사각, ρ: 선로 곡선반경, k: 곡선저항 계수
  7. 철도차량의 속도 및 가속도를 측정하는 단계;
    철도차량의 현재 위치를 측정하는 단계;
    선로 구배정보, 선로 커브정보 및 날씨정보로부터 현재 선로 상태를 수신하는 단계;
    철도차량의 추진력 및 제동력을 수신하는 단계;
    상기 철도차량의 속도 및 가속도, 현재 위치 및 선로상태 정보를 토대로 철도 차량의 하중을 계산하는 단계를 포함하는 철도차량 하중 측정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 철도차량의 하중을 계산하는 단계에서 계산된 역간별 철도차량의 하중 및 상기 철도 차량 하중에 의해 계산된 역간별 승객수를 데이터 베이스에 저장하는 단계를 더 포함하는 철도차량 하중 측정방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 데이터 베이스에 저장된 정보를 토대로 역간별 기준 하중 및 승객수를 도출하고, 데이터 베이스에 저장된 정보와 현재 계산된 역간별 차량 하중을 비교하여 보정하는 단계를 더 포함하는 철도차량 하중 측정방법.


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