KR20130067870A - 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법 - Google Patents

전차선의 동적 변위를 검측하는 방법 Download PDF

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조용현
조철진
권삼영
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Abstract

본 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법은 전차선을 이용하여 운행하는 철도차량의 상단에 배치되어 상기 전차선과 팬터그래프를 촬영한 영상신호를 출력하는 단계, 영상신호를 제공받아 디지털 영상신호로 변환하여 팬터그래프의 위치를 검출하는 단계, 팬터그래프의 기울어진 면을 검출하는 단계, 미리 설정된 전차선에 대한 다중 임계치를 이용하여 전차선을 검출하여 배경과 전차선을 구분하는 단계, 검출된 전차선과 팬터그래프의 접촉지점인 교차점을 검출하는 단계, 검출된 교차점에서 팬터그래프의 길이를 이용한 비례식을 대입하여 단위를 변환하는 단계 및 변환된 단위를 통해 동적 변위를 획득하는 단계를 포함한다.

Description

전차선의 동적 변위를 검측하는 방법{Method Of Measuring A Dynamic Displacement Of Pantograph And Trolley Wire}
본 발명은 전차선의 동적 변위를 검출하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량 상단에 배치되는 카메라를 통해 팬터그래프와 전차선이 촬영된 영상신호를 제공받아 팬터그래프와 전차선로의 상호작용에 따른 접촉지점의 변화를 검출하여 전차선의 동적 높이 및 동편위를 측정할 수 있는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법에 관한 것이다.
일반철도와 달리 전기철도는 지상에 부설되어 있는 궤조 외에 전기차량에 전력을 공급할 수 있는 가공전선이 필요하다.　일반적으로 가공전선과 이를 받치고 있는 구조물을 총칭하여 전차선로라고 한다. 이러한 가선방식의 전차선로는 그 집전구조상으로 가공식과 제 3 궤조식으로 구분한다.
이때 가공식은 동선을 궤조 상부에 가설하여 그 밑에서 팬터그래프(PANTOGRAPH)에 의하여 집전하는 것이고, 제 3 궤조식은 가선이 없는 방식으로 지하철 등에서 제 3 의 급전 레일을 노면 위에 설치하고 집전편에 의하여 전력을 전기차량에 공급하는 것이다.
이러한 전차선로는 전기차량에 직접 접촉하는 전차선과 이를 지지하는 지지물, 급전선 및 귀선 등으로 구성된다. 전차선은 전기차량에 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, 내굴곡성으로 쉽게 구부러지지 않아야 하고, 열에 잘 견디고 잘 닳지 않아야 한다.
이와 같은 전차선은 전기차에 전력을 공급하기 위하여 고전압, 고전류가 흐르고 있고 전력공급을 위하여 전기차량의 팬터그래프가 전차선과의 기계적으로 접촉하여 차량에 전기를 공급하게 된다. 여기서 팬터그래프는 전차선에서 전기를 받아 차량으로 전기를 전달하는 역할을 담당하며, 전기차 운행 중 전차선과의 원만한 접촉을 유지하기 위하여 일정한 압력으로 전차선을 밀어준다. 이러한 일정한 압력을 공급하는 힘을 정적 압상력이라고 하며 이는 팬터그래프에 장착된 공압 또는 유압실린더 등에 의해 일반적으로 공급된다.
즉, 전기차의 팬터그래프는 집전을 위하여 전차선을 일정한 압력으로 전차선을 밀어주고 있다. 이와 같이 팬터그래프와 전차선은 서로 독립된 구조이지만 서로 접촉한 채로 이동함으로써 상호적으로 영향을 받는다.
따라서 장기적인 운행에 의한 전차선로 및 팬터그래프의 마모를 고르고 일정하게 하기 위하여 전차선의 위치를 인위적으로 좌우로 변화를 주면서 설치하여 집전장치의 내구성을 높여준다.
한편, 운행 상의 조건들로 인하여 전차선로와 팬터그래프는 상호작용이 발생하므로, 실제 서로 간의 접촉 지점은 설계상의 편위와 상이하게 되는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 철도차량 상단에 배치되는 카메라를 통해 팬터그래프 및 전차선이 촬영된 영상신호를 제공받아 팬터그래프와 전차선로의 상호작용에 따른 접촉지점의 변화를 검출하여 전차선의 동적 높이 및 동편위를 측정할 수 있는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법은 전차선을 이용하여 운행하는 철도차량의 상단에 배치되어 상기 전차선과 팬터그래프를 촬영한 영상신호를 출력하는 단계, 영상신호를 제공받아 디지털 영상신호로 변환하여 팬터그래프의 위치를 검출하는 단계, 팬터그래프의 기울어진 면을 검출하는 단계, 미리 설정된 전차선에 대한 다중 임계치를 이용하여 전차선을 검출하여 배경과 전차선을 구분하는 단계, 검출된 전차선과 팬터그래프의 접촉지점인 교차점을 검출하는 단계, 검출된 교차점에서 팬터그래프의 길이를 이용한 비례식을 대입하여 단위를 변환하는 단계 및 변환된 단위를 통해 동적 변위를 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 영상신호를 제공받아 디지털 영상신호로 변환하여 팬터그래프의 위치를 검출하는 단계는 디지털 영상신호에서 템플릿 매칭 기법을 활용하여 팬터그래프의 위치를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 팬터그래프의 기울어진 면을 검출하는 단계는 팬터그래프의 기울어진 면을 검출하여 템플릿 중심점의 위치 및 동적 변위의 기준을 설정하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 전차선에 대한 다중 임계치는 디지털 영상신호 중 변환된 이전 디지털 영상신호를 통해 전차선의 명도, 높이, 너비, 면적, 각도를 설정하고, 설정된 전차선의 명도, 높이, 너비, 면적, 각도를 기준으로 다중 임계치(thresholding)를 설정하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 단위를 변환하는 단계는 디지털 영상신호에서 획득한 영상 픽셀의 개수를 실상의 팬터그래프의 길이 비율에 적용하여 mm 단위 변위로 변환하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 교차점은 이진화 영상을 이용하여 전차선과 팬터그래프의 접촉지점을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법은 철도차량 상단에 배치되는 카메라를 통해 팬터그래프 및 전차선이 촬영된 영상신호를 제공받아 팬터그래프와 전차선로의 상호작용에 따른 접촉지점의 변화를 검출하여 전차선의 동적 높이 및 동편위를 장소 또는 차종에 관계없이 효율적으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법은 철도차량 상단에 배치되는 카메라를 통해 팬터그래프 및 전차선이 촬영된 영상신호를 제공받아 팬터그래프와 전차선로의 상호작용에 따른 접촉지점의 변화를 효율적으로 검출함으로써, 전차선의 동적 높이 및 동편위의 오차범위를 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법은 철도차량 운행에 영향을 전혀 미치지 않으면서 카메라의 설치만으로 이미지 정보를 획득하고 처리하므로, 비접촉방식으로 안전할 뿐만 아니라 유지보수를 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 시스템의 구성도.
도 2는 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법에 대한 순서도.
도 3은 발명의 일실시 예에 따른 팬터그래프와 전차선의 접촉 지점을 나타내는 이진화 영상.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 팬터그래프와 전차선을 촬영하는 카메라를 설명하기 위한 도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 전차선의 동적 변위를 검측하는 시스템의 구성도이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따른 전차선(140)의 동적 변위를 검측하는 시스템(100)은 카메라(120), 조명(160), 전차선(140), 팬터그래프(130) 및 시스템제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
카메라(120)는 전차선(140)을 이용하여 운행하는 철도차량(110)의 상단에 배치된다. 이러한 카메라(120)는 철도차량(110)의 상단에 배치되되, 철도차량(110)이 운행하는 동안 전차선(140)과 팬터그래프(130)를 중심으로 촬영되도록 배치된다. 이와 같이 배치된 카메라(120)는 계속해서 촬영하여 촬영된 영상신호를 시스템제어부(150)에 제공할 수 있다. 이때, 영상신호를 변환하여 디지털신호를 변환할 때 영상신호의 선명함이 정확도에 막대한 영향을 미치기 때문에 야간 운행 또는 고속 운행 등 운행 조건들에 따라 광학 렌즈와 조리개 값 셔터속도 저장 프레임율 등의 조건들을 상황에 맞게 조절하는 것이 바람직하다.
조명(160)은 철도차량(110)이 야간 운행을 하거나 터널을 통과하는 경우, 날이 어두운 경우 등등에 턴 온되어 카메라(120)가 전차선(140)과 팬터그래프(130)를 선명하게 촬영될 수 있도록 보조할 수 있다. 이러한 조명(160)은 밝기 센서를 포함할 수 있으며, 밝기 센서를 통해 어두움을 스스로 감지하여 조명(160)을 턴 온되거나 턴 오프할 수 있다.
시스템제어부(150)는 카메라(120)로부터 영상신호를 제공받아 디지털 영상신호로 변환하고 변환된 디지털 영상신호에서 팬터그래프(130)의 위치를 검출하고, 전차선(140)을 검출하는 등의 동작을 통해 전차선(140)의 동적변위를 효율적으로 감지할 수 있다. 전차선(140)의 동적 변위를 검측하는 방법에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 시스템제어부(150)는 유선 또는 무선을 통해 카메라(120)로부터 영상신호를 제공받으며, 제공받은 영상신호를 실시간으로 모니터링하는 동시에 저장할 수 있다.
또한, 시스템제어부(150)는 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 게다가, 동영상 형식으로 영상 데이터를 입력으로 받았을 경우에 장소의 제약 없이 동적 변위를 검측하는 것이 가능할 수 있다.
전차선(140)와 팬터그래프(130)에 대한 자세한 설명은 발명의 배경이 되는 기술에서 이미 충분히 설명하였으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 발명의 일실시 예에 따른 전차선(140)의 동적 변위를 검측하는 방법에 대한 순서도이고, 도 3은 발명의 일실시 예에 따른 팬터그래프와 전차선의 접촉 지점을 나타내는 이진화 영상이다.
도 2 및 3을 살펴보면, 발명의 일실시 예에 따른 전차선(140)의 동적 변위를 검측하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 전차선(140)을 이용하여 운행하는 철도차량(110)의 상단에 배치되어 전차선(140)과 팬터그래프(130)를 촬영한 영상신호를 출력하는 단계이다(S100). 즉, 카메라(120)는 전차선(140)과 팬터그래프(130)를 중심적으로 촬영하되, 야간 운행 또는 고속 운행 등 운행 조건들에 따라 광학 렌즈와 조리개 값 셔터속도 저장 프레임율 등의 조건들을 상황에 맞게 조절하여 영상신호의 선명함을 개선할 수 있다.
영상신호를 제공받아 디지털 영상신호로 변환하여 팬터그래프(130)의 위치를 검출하는 단계이다(S110). 이때, 팬터그래프(130)의 위치를 검출하기 위해 디지털 영상신호에서 템플릿 매칭 기법을 활용하여 팬터그래프(130)의 위치를 검출할 수 있다. 여기서 템플릿 매칭 기법은 디지털 영상신호 내에서 특정한 패턴의 위치, 즉, 관심영역을 찾는 것이다. 이때, 관심 영역은 전차선(140)의 위치를 찾는 기준이 되는 팬터그래프(130)가 될 수 있다.
팬터그래프(130)의 기울어진 면을 검출하는 단계이다(S120). 이때 팬터그래프(130)의 기울어진 면을 검출하여 템플릿 중심점의 위치 및 동적 변위의 기준을 설정할 수 있다. 이와같이, 팬터그래프(130)의 운동이 발생한 경우에도 정확하게 동편위를 검측하기 위하여 집전판 수평면이 기울어진 각도 및 중심점을 구하는 것이 바람직하다. 여기서 팬터그래프(130)의 각도와 중심점은 검출된 팬터그래프(130)의 이진화와 직선을 검출하는 영상처리 알고리즘인 허프변환(Hough Transform) 등 다양한 기법들로 구할 수 있다.
미리 설정된 전차선(140)에 대한 다중 임계치를 이용하여 전차선(140)을 검출하여 배경과 전차선(140)을 구분하는 단계이다(S130). 여기서 전차선(140)에 대한 다중 임계치는 디지털 영상신호 중 변환된 이전 디지털 영상신호를 통해 전차선(140)의 명도, 높이, 너비, 면적, 각도를 설정하고, 설정된 전차선(140)의 명도, 높이, 너비, 면적, 각도를 기준으로 다중 임계치(thresholding)를 설정할 수 있다. 이에 따라, 전차선(140)에 대한 다중 임계치를 미리 설정한 후 디지털 영상신호를 통해 전차선(140)을 검출할 수 있다.
즉, 전차선(140)을 용이하게 검출함으로써, 전차선(140)과 배경과 효율적으로 구분할 수 있다.
검출된 전차선(140)과 팬터그래프(130)의 접촉지점인 교차점을 검출하는 단계이다(S140). 여기서 교차점은 이진화 영상을 이용하여 전차선(140)과 팬터그래프(130)의 접촉지점을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
즉, 팬터그래프(130)는 공압을 이용하여 공중에 매달려있는 전차선(140)에 밀착하게 되므로, 이진화 영상을 통해 팬터그래프(130)의 수평면과 전차선(140)이 교차하는 지점을 찾는다면 실제 접촉지점과 유사한 데이터를 얻을 수 있다. 이때, 진동에 의한 팬터그래프(130)와 전차선(140) 사이에 간격이 발생할 수 있으나, 이는 매우 미약하기 때문에 근사화를 해도 오차범위 내에 포함될 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 디지털 영상신호에서 전차선(140)과 팬터그래프(130)를 검출하고 이들의 교차점이 실제 접촉위치라고 간주할 수 있다.
여기서 다중 임계치를 활용한 이진화는 불필요한 부분은 대부분 제거되며 영상의 획득 조건 및 장소 등에 따라 유연하게 파라미터들을 조절할 수 있다.
검출된 교차점에서 팬터그래프(130)의 길이를 이용한 비례식을 대입하여 단위를 변환하는 단계이다(S150). 여기서 단위를 변환하는 단계는 디지털 영상신호에서 획득한 영상 픽셀의 개수를 실상의 팬터그래프(130)의 길이 비율에 적용하여 mm 단위 변위로 변환하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 영상 픽셀의 개수를 팬터그래프(130)의 길이 비율에 적용하여 mm 단위 변위로 변환함으로써, 더욱 정확하게 값을 측정할 수 있다.
변환된 단위를 통해 동적 변위를 획득하는 단계이다(S160). 변환된 단위를 이용하여 동적 변위를 용이하게 획득함으로써, 오차범위를 현저하게 줄일 수 있다. 따라서 정확한 동적 변위를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 팬터그래프와 전차선을 촬영하는 카메라를 설명하기 위한 도이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 팬터그래프(130)와 전차선(140)의 접촉 위치를 촬영하기 위하여 철도차량(110) 상단에 카메라(120)가 설치되되, 팬터그래프(130)와 전차선(140)의 접촉 위치를 향해 일정한 각도로 기울어져 설치될 수 있다.
일정한 각도로 기울어져 팬터그래프(130)와 전차선(140)의 접촉 위치를 촬영하기 때문에 카메라(120)의 렌즈에 맺어지는 상하고 실제 상의 크기는 차이가 생기게 된다.
이러한 경우에는 전차선(140)의 상하 변위를 구하는데 오차가 크게 발생하기 때문에 보정하여 오차를 줄이는 것이 바람직하다.
이와 같이, 오차를 보정하기 위한 방법은 다음 [수학식 1]을 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
따라서, [수학식 1]에 의하여 철도차량(110)에 설치된 검측용 표지의 각도 변화에 따른 카메라(120) 촬영시에 화소의 변화를 보상하여 실제 측정환경에 맞도록 화소(픽셀)값을 보상할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 철도차량 120: 카메라
130: 팬터그래프 140: 전차선
150: 시스템제어부 160: 조명

Claims (6)

  1. 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법에 있어서,
    전차선을 이용하여 운행하는 철도차량의 상단에 배치되어 상기 전차선과 팬터그래프를 촬영한 영상신호를 출력하는 단계;
    상기 영상신호를 제공받아 디지털 영상신호로 변환하여 상기 팬터그래프의 위치를 검출하는 단계;
    상기 팬터그래프의 기울어진 면을 검출하는 단계;
    미리 설정된 상기 전차선에 대한 다중 임계치를 이용하여 상기 전차선을 검출하여 배경과 상기 전차선을 구분하는 단계;
    검출된 상기 전차선과 상기 팬터그래프의 접촉지점인 교차점을 검출하는 단계;
    검출된 상기 교차점에서 상기 팬터그래프의 길이를 이용한 비례식을 대입하여 단위를 변환하는 단계: 및
    변환된 단위를 통해 동적 변위를 획득하는 단계;
    를 포함하는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상신호를 제공받아 디지털 영상신호로 변환하여 상기 팬터그래프의 위치를 검출하는 단계는 상기 디지털 영상신호에서 템플릿 매칭 기법을 활용하여 상기 팬터그래프의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 팬터그래프의 기울어진 면을 검출하는 단계는 상기 팬터그래프의 기울어진 면을 검출하여 상기 템플릿 중심점의 위치 및 동적 변위의 기준을 설정하는 것을 특징으로 하는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전차선에 대한 다중 임계치는 상기 디지털 영상신호 중 이전에 촬영되어 변환된 이전 디지털 영상신호를 통해 상기 전차선의 명도, 높이, 너비, 면적, 각도를 설정하고, 설정된 상기 전차선의 명도, 높이, 너비, 면적, 각도를 기준으로 상기 다중 임계치(thresholding)를 설정하는 것을 특징으로 하는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위를 변환하는 단계는 상기 디지털 영상신호에서 획득한 영상 픽셀의 개수를 실상의 상기 팬터그래프의 길이 비율에 적용하여 mm 단위 변위로 변환하는 것을 특징으로 하는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차점은 이진화 영상을 이용하여 상기 전차선과 상기 팬터그래프의 접촉지점을 검출하는 것을 특징으로 하는 전차선의 동적 변위를 검측하는 방법.



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