KR20140098375A - 열차간 거리 측정방법 및 그 철도차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열차간 거리 측정방법 및 그 철도차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선통신 기반 열차제어(RF-CBTC) 시스템과 같이 차량에서 태그 정보를 받아 열차 위치를 지상장치로 전송하는 방식을 이용하는 신호시스템에서 스테레오 비전과 레이저 포인터를 이용하여 선행 열차와의 거리를 측정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 열차간 거리 측정방법은, 좌우 두 카메라의 중앙에 있는 레이저 포인터에서 레이저 포인트를 쏘아서 맺힌 상을 좌우 카메라를 이용 시점을 일치시켜, 차상장치에서 레이저 포인터와 레이저 포인트가 맺힌 위치(표식점) 사이의 거리를 측정하는 제1단계와, 상기 차상장치에서 측정된 거리를 이용하여 좌우 카메라를 통한 삼각 측정 원리에 의해 선행 열차와의 거리를 측정하는 제2단계를 포함하여 구성된다.

Description

열차간 거리 측정방법 및 그 철도차량 {Measuring method of distance between the train and the rail vehicle}
본 발명은 열차간 거리 측정방법 및 그 철도차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선통신 기반 열차제어(RF-CBTC) 시스템과 같이 차량에서 태그 정보를 받아 열차 위치를 지상장치로 전송하는 방식을 이용하는 신호시스템에서 스테레오 비전과 레이저 포인터를 이용하여 선행 열차와의 거리를 측정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도시스템에서 열차위치는 열차에 설치되는 차상장치와 지상에 설치되는 지상장치에서 파악할 수 있다.
상기 차상장치는 열차에 장착된 타코미터로부터 차륜의 회전량을 측정하여 시작지점으로부터의 열차 이동거리와 속도를 파악하며, 이러한 이동거리와 속도정보는 열차의 추진 및 제동제어에 사용된다.
지상장치에서는 일정간격으로 선로에 설치된 궤도회로(track circuit)내 열차의 점유여부를 파악하여 열차의 위치를 파악하며, 이러한 열차 점유정보는 안전한 열차의 운행을 보장하기 위한 열차간격제어에 이용된다.
또한, 철도시스템에서 궤도회로를 사용한 ATS, ATC, ATP 및 연동장치를 구성하여 선행 열차-후속 열차간 간격제어 및 열차진로제어를 수행하는 과정에서 안전성을 확보하고 있다.
여기서 ATS(Automatic Train Stop)는 열차가 정지신호를 현시하고 있는 신호기에 접근할 때 운전자에게 경보를 울려주고 일정시간이 경과해도 확인동작이 행하여지지 않는 경우에는 비상제동이 작동하여 신호기 앞에서 정지토록 하는 자동열차정지장치이고, ATC(Automatic Train Control)는 신호현시에 따라 그 구간의 제한속도를 연속적으로 열차에 통보하여 열차속도가 제한속도를 넘으면 자동적으로 제동이 걸리고 제한속도 이하로 되면 자동적으로 제동이 풀리게 하는 자동열차제어장치이며, ATP(Automatic Train Protection)는 열차가 제어곡선을 초과하여 운행하는 경우 비상제동장치를 작동시켜 열차를 정지시키는 자동방호장치이다.
그런데, 현재 운영중인 ATS, ATC, ATP 및 연동장치는 대부분 궤도회로를 이용하고 있으며, 최근에 개발중인 무선통신 기반 열차제어(RF-CBTC(Radio Frequency - Communication Based Train Control) 시스템은 차상, 지상간 열차의 운행상태에 대한 정보를 양방향 무선통신을 이용하여 주고받음으로써 열차 자신의 속도에 따른 제동거리를 열차 스스로 판단하고 제동하여 열차운행의 안전을 확보하도록 하고 있다.
이러한 RF-CBTC 시스템에서 철도차량의 열차간 간격(거리) 측정 방식은 후속 열차가 독립적으로 선행 열차와의 거리를 측정하는 방식이 아니라, 상기 궤도회로나 도 1과 같이 논리 폐색(Logical Block) 단위로 운행 구간을 분할하고 태그(Tag)(2)를 이용하여 열차(1)의 점유여부 정보를 지상장치(20)에서 취합하여, 이 정보를 열차(1)에 설치된 차상장치(10)에 무선으로 송신함으로써 선행 열차와의 안전거리를 확보하는 방식이다.
미설명 부호 22는 AP와 무선 통신을 수행하는 노변신호시스템(Wayside Signal System)이다.
그런데 이와 같은 종래의 열차간 거리 측정방식은 지상장치(20)와의 통신 이상이 발생하는 비상시의 경우, 철도차량이 자체적으로 안전거리 내의 장애물이나 선행 열차의 유무를 파악할 수 없어 안전거리를 확보할 수 없고, 이에 따라 예측 불가능한 사고에 대하여 안전성을 확보할 수 없는 문제점이 있었다.
공개번호 10-2009-0043413(공개일자 2009년05월06일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스테레오 비전과 레이저 포인터를 이용하여 선행 열차와의 거리를 측정함으로써, 좀더 안정적이고 효율적인 철도차량의 운행과 선행 열차와의 충돌을 피할 수 있는 열차간 거리 측정방법 및 그 철도차량을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 제공하는 목적은 종래 태그를 이용하는 방식에 스테레오 비전과 레이저 포인터를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 추가하여, 좀더 정확한 차량의 위치를 알 수 있고 지상장치와의 통신 이상이 발생하는 비상시의 경우에도 선행 열차와의 안전거리를 확보할 수 있으며, 전방 장애물의 감지로 예측 불가능한 사고에 대하여 안전성을 확보할 수 있는 열차간 거리 측정방법 및 그 철도차량을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열차간 거리 측정방법은, 좌우 두 카메라의 중앙에 있는 레이저 포인터에서 레이저 포인트를 쏘아서 맺힌 상을 좌우 카메라를 이용 시점을 일치시켜, 차상장치에서 레이저 포인터와 레이저 포인트가 맺힌 위치(표식점) 사이의 거리를 측정하는 제1단계;
상기 차상장치에서 측정된 거리를 이용하여 좌우 카메라를 통한 삼각 측정 원리에 의해 선행 열차와의 거리를 측정하는 제2단계를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 스테레오 카메라와 레이저 포인터를 이용하여 거리를 측정하는 방식에 궤도상에 소정간격으로 설치된 태그를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 더 추가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계에서 측정된 거리를 이용하여 좌우 카메라를 통한 삼각 측정 원리에 의해 장애물과의 거리를 더 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 철도차량은 상술한 방식에 의해 거리를 측정하는 차상장치를 포함하여 구성된다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 스테레오 비전과 레이저 포인터를 이용하여 선행 열차와의 거리를 측정함으로써, 좀더 안정적이고 효율적인 철도차량의 운행과 선행 열차와의 충돌을 피할 수 있다.
또한, 종래 태그를 이용하는 방식에 스테레오 비전과 레이저 포인터를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 추가하여, 좀더 정확한 차량의 위치를 알 수 있고 지상제어장치와의 통신 이상이 발생하는 비상시의 경우에도 선행 열차와의 안전거리를 확보할 수 있으며, 전방 장애물의 감지로 예측 불가능한 사고에 대하여 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래 열차간 거리 측정 방식을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 거리측정 원리를 설명하기 위한 레이저 포인터와 스테레오 카메라의 기하학 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 스테레오 카메라의 3차원 기하학 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열차간 거리 측정 방식을 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 차상장치의 개략적인 블록도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 거리측정 원리를 설명하기 위한 레이저 포인터와 스테레오 카메라의 기하학 도면이다.
스테레오 카메라(30a,30b)를 이용한 거리 측정에서 특징점이 추출되지 않으면 거리 측정이 어려운 문제점이 있으나, 본 발명에서와 같이 레이저 포인터(40)를 표식점으로 한 거리 측정의 경우 특징점에 큰 영향을 받지 않고도 정확한 거리 정보를 얻을 수 있다.
즉, 두 카메라(30a,30b)의 영상 좌표에서의 시점 일치를 시켰을 때 엔코더(Encoder)값에 의한 양안 각도(vergence)만 알고 있으면 거리 정보를 얻을 수 있다.
이를 좀더 상세히 설명하면, 거리 정보를 구하기 위해서 두 카메라(30a,30b)의 중앙에서 레이저 포인터(40)를 쏘아서 맺힌 상을 좌우 카메라(30a,30b)를 이용 시점을 일치시킬 경우 도 2와 같은 형태가 된다.
도 2에서 레이저 포인터(40)와 레이저 포인트가 맺힌 위치(표식점)(L) 사이의 거리(DL)는 양안 각도(
Figure pat00001
)를 알고 있으면, 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
Figure pat00002
여기서 B는 좌안 렌즈(32a)와 우안 렌즈(32b) 사이의 간격이다.
미설명 부호 34a는 좌안 이미지센서이고, 34b는 우안 이미지센서로서, 상기 좌안 렌즈(32a)와 우안 렌즈(32b)는 표식점으로부터 동일한 평면에서 빛을 받아들인다.
또한, 상기 좌안 이미지센서(34a)와 우안 이미지센서(34b)는 상기 좌안 렌즈(32a)와 우안 렌즈(32b)의 아래에 각각 위치하며, 하나의 기판상에 소정의 간격을 두고 각 렌즈(32a,32b)와 수평하게 배치되어, 좌안 렌즈(32a)와 좌안 이미지센서(34a) 사이의 거리, 우안 렌즈(32b)와 우안 이미지센서(34b) 사이의 거리는 같다.
도 3은 도 2에 나타낸 스테레오 카메라의 3차원 기하학 도면이다.
상기 수학식 2에서 얻어진 거리 정보를 이용하여 삼각 측정 원리에 의해 임의의 위치 P까지의 거리를 측정할 수 있다.
즉, 임의의 위치 P까지의 거리를 DP라고 하면, 도 3에서
Figure pat00003
는 수학식 2와 같고,
Figure pat00004
는 수학식 3과 같다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서 수학식 2를 수학식 3에 대입하여 DP로 정리하면 수학식 4와 같이 된다.
Figure pat00007
그리고
Figure pat00008
,
Figure pat00009
이므로 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure pat00010
또한,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
이고,
Figure pat00013
로 나타낼 수 있으므로, 임의의 위치 P까지의 거리 DP를 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
이므로, 이를 정리하면 결국 수학식 7에 의해 DP를 구할 수 있다.
Figure pat00016
여기서 f는 나란히 배열되는 두 렌즈(32a,32b)와 두 이미지센서(34a,34b) 사이의 거리로서 같고, Dl는 표식점의 상이 맺힌 좌안 이미지센서에서의 위치점과 임의의 위치에 있는 대상물(본원발명에서는 선행열차 또는 장애물)맺힌 좌안 이미지센서의 위치점 사이의 거리이며, Dr는 표식점의 상이 맺힌 우안 이미지센서에서의 위치점과 임의의 위치에 있는 대상물(본원발명에서는 선행열차 또는 장애물)의 상이 맺힌 우안 이미지센서의 위치점 사이의 거리이다.
이와 같이 스테레오 비전과 레이저 포인터를 표식점으로 한 거리 측정 방식은 절대 위치를 보정하는 용도와 전방 장애물의 검지한 필요한 모든 시스템에 적용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열차간 거리 측정 방식을 나타내는 개략도이고 도 5는 도 4에 나타낸 차상장치의 개략적인 블록도이다.
상술한 바와 같이 레이저 포인터와 스테레오 비전(카메라)를 이용하여 선행 열차 또는 장애물과의 거리를 측정하여, 지상장치(20)와 통신장애가 발생한 경우에도 안전하게 운전거리를 확보할 수 있다.
상기 차상장치(10)에는 예를 들어 ATP(11), TCMS(13), ATS(12) 및 운전자표시장치(MMI)(14)를 구비할 수 있다.
ATP(11)는 열차가 제어곡선을 초과하여 운행하는 경우 비상제동장치를 작동시켜 열차를 정지시킨다.
ATS(12)는 열차가 안전거리를 확보하지 못하는 경우 운전자에게 경보를 울려주고 일정시간이 경과해도 확인동작이 행하여지지 않는 경우에는 비상제동장치를 작동한다.
TCMS(Train Control and Monitoring System)(13)는 열차종합제어장치로서 TC(Train Computer)와 CC(Car Computer)로 구성되며, 예를 들어 열차 1개 편성에 TC 2대, CC 8대가 장착되어 운전중의 각종 지시와 명령을 수행하며 열차의 고장감시 역행 제동제어를 실행한다.
운전자표시장치(14)는 운전자에게 속도정보, 지상정보 및 운전정보 등을 제공한다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
1: 열차 2: 태그
10: 차상장치 20: 지상장치
30a,30b: 카메라 40: 레이저 포인터

Claims (7)

  1. 좌우 두 카메라의 중앙에 있는 레이저 포인터에서 레이저 포인트를 쏘아서 맺힌 상을 좌우 카메라를 이용 시점을 일치시켜, 차상장치에서 레이저 포인터와 레이저 포인트가 맺힌 위치(표식점) 사이의 거리를 측정하는 제1단계;
    상기 차상장치에서 측정된 거리를 이용하여 좌우 카메라를 통한 삼각 측정 원리에 의해 선행 열차와의 거리를 측정하는 제2단계를 포함하는 열차간 거리 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테레오 카메라와 레이저 포인터를 이용하여 거리를 측정하는 방식에 궤도상에 소정간격으로 설치된 태그를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 더 추가하는 것을 특징으로 하는 열차간 거리 측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서 측정된 거리를 이용하여 좌우 카메라를 통한 삼각 측정 원리에 의해 장애물과의 거리를 더 측정하는 것을 특징으로 하는 열차간 거리 측정방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 장애물과의 거리는
    Figure pat00017
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 열차간 거리 측정방법.
    여기서 DL은 레이저 포인터와 표식점 사이의 거리, b는 좌우 렌즈 사이의 거리, f는 좌우 카메라의 렌즈와 이미지센서 사이의 거리, Dl과 Dr는 상이 맺힌 좌우 이미지센서에서의 표식점 위치와 장애물 위치 사이의 거리이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선행 열차와의 거리(DP)는
    Figure pat00018
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 열차간 거리 측정방법.
    여기서 DL는 레이저 포인터와 표식점 사이의 거리, b는 좌우 렌즈 사이의 거리, f는 좌우 카메라의 렌즈와 이미지센서 사이의 거리, Dl과 Dr는 상이 맺힌 좌우 이미지센서에서의 표식점 위치와 선행 열차 위치 사이의 거리이다.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의해 거리를 측정하는 차상장치를 포함하는 철도차량.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차상장치는 무선통신 기반 열차제어(RF-CBTC) 시스템을 적용하는 것을 특징으로 하는 철도차량.
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