KR20150126744A - 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량 운행중 카메라가 촬영한 노면 영상을 처리하여 선로를 검출하고, 그 선로의 기울기를 구하여 선로의 노후 여부를 판별하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템은, 철도차량 운행중에 레일(선로)이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하는 카메라와, 상기 카메라에서 촬영한 노면 영상을 처리하여 노이즈를 제거하고 선로를 검출하는 영상처리장치와, 상기 영상처리장치에서 검출한 선로의 형상 정보를 기하학적으로 해석하여 선로의 기울기를 구한 후, 선로 DB에 기저장된 선로의 기울기와 비교해서 얻은 선로의 기울기 변화값으로 선로의 불안정 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 경고 제어신호를 출력하는 TCMS, 및 상기 TCMS의 경고 제어신호에 의해 경고수단을 제어하여 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하도록 하는 통합제어기를 포함하여 구성된다.

Description

영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템 및 방법 {Safe driving system of the railway vehicle through video detection and method thereof}

본 발명은 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량 운행중 카메라가 촬영한 노면 영상을 처리하여 선로를 검출하고, 그 선로의 기울기를 구하여 선로의 노후 여부를 판별하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

철도는 지상의 운송수단 중 가장 많은 승객과 화물을 수송하는 운송수단으로서, 정해진 궤도를 정시 운행하는데 따른 정시성으로 인해 많은 나라에서 가장 효율적인 운송수단으로 활용되고 있다.

그런데 철도 시설물 안전 이상 발생에 따른 철도 사고 발생은 곧바로 대형 참사로 이어지게 된다.

이와 같은 이유로 인해, 종래에는 철도 시설물의 안전 이상 발생 여부를 모니터링하기 위하여 선로의 레일 손상, 레일 들림, 도상 자갈의 밀림 현상, 레일의 신축 유간(joint gap), 분기기의 상태 등을 점검하기 위한 장비들 및 궤도를 지지하는 지반이나 교량, 터널 등의 철도 구조물을 관측하기 위한 장비들을 탑재한 조사차량을 철도 현장에서 직접 운행하며 철도 시설물 안전 이상 발생 여부를 모니터링하고 있다.

그러나 철도의 시설물들은 방대한 지역에 걸쳐 시설되어 있기 때문에, 종래의 철도 시설물 안전 모니터링 방식을 이용한 철도 시설물 관리시에는 관리자가 방대한 지역에 걸쳐 시설된 철도 시설물의 안전 이상 발생 여부를 실시간으로 확인할 수 없으며, 또한 철도 시설물의 안전 이상 발생 여부를 확인하는 시점이 늦어지게 되므로, 철도 사고를 사전에 예방할 수 없다.

한편, TCMS(Train Control and Monitoring System)는 최신의 하드웨어 기술과 소프트웨어 기술을 이용한 중앙 집중식 차내 정보 제어(Centralized control of on-board information) 시스템으로 직렬 전송선을 차량에 있는 터미널과 연결시켜 차내 장치들을 제어 및 모니터링 하는 기기이다.

이러한 TCMS 기술은 발전을 거듭하여, 초기에 차량에 설치된 장치들의 상태나 고장을 현시하는 정도에서 현재는 승무원 지원 및 서비스 장치 제어 추진/제동, 신호장치와의 연계를 통한 무인 차량 기술까지 다양하게 진화되었다.

상기 TCMS의 목적은 승무원 운행을 지원하고 승객들에게 안전하고 편리한 서비스를 제공하며 장비의 유지 보수를 돕는 것으로, 앞으로의 TCMS는 현재보다 더욱 안전한 철도 운행에 초점이 맞춰지고 있다.

그러나 최근의 열차사고는 운전자의 부주의나 장비 취급 부주의 등 인적요인(Human error)이 큰 비중을 차지하고 있으며, 여전히 휴먼 에러에 의한 정차 및 탈선 사고가 빈번하게 발생하는 문제점이 있었다.

이러한 휴먼 에러에 의한 사고를 줄이기 위해 정보와 중점 연구기관을 중심으로 안전에 대한 선진 기술을 개발하는 등 적극적인 대응에 나서고 있다.

공개번호 10-2009-0056086(2009년06월03일) 등록번호 20-0420054(2006년06월21일) 공개번호 10-2006-0113574(2006년11월02일)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모든 철도 차량에 설치되어 있는 CCTV의 영상을 받은 후 영상 처리 기술을 이용해 선로와 장애물을 감지하고, 이를 자동 제어에 활용하여 운행중 발생하는 철도 사고를 줄일 수 있는 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템은 철도차량 운행중에 레일(선로)이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하는 카메라;

상기 카메라에서 촬영한 노면 영상을 처리하여 노이즈를 제거하고 선로를 검출하는 영상처리장치;

상기 영상처리장치에서 검출한 선로의 형상 정보를 기하학적으로 해석하여 선로의 기울기를 구한 후, 선로 DB에 기저장된 선로의 기울기와 비교해서 얻은 선로의 기울기 변화값으로 선로의 불안정 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 경고 제어신호를 출력하는 TCMS; 및

상기 TCMS의 경고 제어신호에 의해 경고수단을 제어하여 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하도록 하는 통합제어기;

를 포함하여 구성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행방법은,

(a) 철도차량이 운행하는 중에 철도차량에 기설치된 CCTV 카메라에서 레일(선로)이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하는 단계;

(b) 영상처리장치에서 상기 CCTV 카메라가 촬영한 영상을 허프 변환하는 과정을 거쳐 노이즈를 제거하고 선로를 검출하는 단계;

(c) TCMS에서 상기 영상처리장치가 검출한 선로의 형상 정보를 기하학적으로 해석하여 선로의 기울기를 연산하는 단계;

(d) 상기 TCMS에서 연산해서 얻은 선로의 기울기와, 선로 DB에 기저장된 선로의 기울기를 비교하여 선로의 기울기 변화값을 획득하는 단계;

(e) 상기 TCMS에서 선로의 기울기 변화값으로 선로의 불안정 여부를 판단하는 단계; 및

(f) 상기 선로가 불안정한 것으로 판단한 경우 선로 불안정에 대한 경고 제어신호를 통합제어기에 출력하여 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하도록 하는 단계;

를 포함하여 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행방법은,(a') 철도차량이 운행하는 중에 철도차량에 기설치된 CCTV 카메라에서 레일(선로)이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하는 단계;

(b') 영상처리장치에서 상기 CCTV 카메라가 촬영한 영상을 허프 변환하는 과정을 거쳐 노이즈를 제거하고 선로를 검출하는 단계;

(c') 상기 영상처리장치에서 검출된 선로 영상의 미분과 노이즈 정도를 분석하는 단계;

(d') 상기 영상처리장치에서 히스토그램 노이즈가 증가하는 현상을 이용하여 장애물의 검지 유무를 판단하는 단계; 및

(e') 상기 장애물이 검지된 것으로 판단한 경우 장애물 검지에 대한 제어신호를 통합제어기에 출력하여 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하도록 하는 단계;

를 포함하여 구성된다.

상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 모든 철도 차량에 설치되어 있는 CCTV의 영상을 받은 후 영상 처리 기술을 이용해 선로와 장애물을 감지하고, 이를 자동 제어에 활용하여 운행중 발생하는 철도 사고를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 안전 운행시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 안전 운행방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 철도차량 안전 운행방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차선 검출의 예시이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 허프 변환을 통해 검출한 직선을 보여준다.

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 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 안전 운행시스템의 구성도이다.

도 1에 도시되 바와 같이, TCMS(10), 통합제어기(CCU), 표시장치(DU), 영상처리장치(20), 카메라(30), 하위장치(40)인 방송장치(PA)를 포함하여 구성된다.

TCMS(10)는 철도차량에 설치된 각종 장치들로부터 철도차량의 상태정보와 고장정보를 수집하고, 차량 운행을 위한 각종 장치들을 제어하도록 제어신호를 출력한다.

특히 본 발명에서는 각 구간별로 선로의 기울기 정보를 선로 DB(12)에 저장하고, 영상처리장치(20)에서 검출한 선로의 형상 정보를 기하학적으로 해석하여 선로의 기울기를 구한 후, 기저장된 기울기와 비교하여 구간별 기울기 변화값을 측정하며, 이 선로의 기울기 변화값을 통해 차량의 틸팅(tilting) 변화를 추출하여 선로의 노화 및 차량의 문제점을 파악한다.

또한, 상기 TCMS(10)는 영상처리장치(10)에서 히스토그램 노이즈를 통해 장애물을 검지하는 경우 경고 제어신호를 통합제어기(CCU)에 출력한다.

여기서 상기 선로 DB(12)에 저장된 선로의 기울기 정보는 매 운행시마다 카메라(30)가 촬영한 영상으로부터 영상처리장치(20)에서 선로를 검출하고, TCMS(10)에서 구한 선로의 기울기를 누적하여 얻은 정보이다.

상기 선로 DB(12)는 열차가 운행하는 전체 노선의 곡선로 정보를 포함하는 데이터베이스로서, 곡선 시작 및 종료 위치 좌표, 곡선반경, 곡선길이, 기울기(Cant), 완화곡선(Transition curve) 정보를 포함한다.

여기에서, 완화곡선 정보는 곡선로에 진입하기 전의 완화곡선의 길이, 시작 및 종료 위치, 곡선로에서 빠져나온 후의 완화곡선의 길이, 시작 및 종료 위치를 포함한다.

통합제어기(CCU)는 상기 TCMS(10)에 연결되어 TCMS(10)의 제어신호에 의해 하부장치(40)인 제동장치(ECU), 인버터(VVVF), 좌우 도어제어유닛(DCU), 보조전원장치(APU), 방송장치(PA)와 표시장치(DU) 등을 제어한다.

여기서 방송장치(PA)와 표시장치(DU)는 승객뿐만 아니라 승무원을 위한 장치도 포함되는 것으로, 승무원용 방송장치나 승무원용 표시장치는 운전실이나 차장실에 설치되어 장애물 검지시나 선로의 기울기 변화값이 심한 경우 통합제어기(CCU)의 제어에 의해 경고음을 출력하거나, 경고메시지를 디스플레이하는 등의 방식으로 승무원에게 이를 알린다.

카메라(30)는 철도차량에 설치되어 주행 중에 레일이 설치된 노면을 실시간으로 촬영한다.

여기서 카메라는 모든 철도차량에 기설치된 CCTV 카메라인 것이 바람직하다.

영상처리장치(20)는 상기 카메라(30)에서 촬영한 노면 영상 정보를 받아 다양한 처리 과정을 거쳐 노이즈를 제거하여 선로를 검출하고 장애물을 검지한다.

이때 상기 영상 정보로부터 선로를 검출하고 장애물을 검지하는 알고리즘으로는 허프 변환을 이용하는 방법, 히스토그램을 이용하는 방법, 스네이크(snake) 알고리즘을 이용하는 방법, 모폴로지(morphology)를 이용하는 방법 등이 있다.

본 발명에서는 이중 허프 변환을 이용하여 선로를 검출하고, 장애물 정보가 영상에서 발견되었을 때 히스토그램 노이즈가 증가하는 현상을 이용하여 장애물을 검지한다.

여기서 허프 변환(Hough transfrom)은 영상에서 (x,y) 좌표공간의 픽셀들은 (r,θ) 매개변수 공간에서 곡선의 형태로 나타내고, 또한 (x,y) 좌표공간에서 같은 직선상에 존재하는 픽셀들의 경우 (r,θ) 매개변수 공간에서 교점을 가지게 되는 특징을 이용하여 영상의 특징 픽셀들을 (x,y) 좌표공간에서 (r,θ) 매개변수 공간으로 사상(mapping)시킨 후, 보정 과정을 통해 교점을 찾아 직선 성분을 추출한다.

즉, 허프 변환은 물체의 형태가 직선이나 곡선의 식으로 표현될 수 있을 경우, 물체의 윤곽선을 직선이나 곡선의 식을 구성하는 매개변수(Parameter) 공간상으로 변환시키는 연산으로서, 임의의 영상으로부터 특정한 모양 또는 윤곽을 추출해낸다.

도 4와 도 5는 이와 같은 과정을 거쳐 검출한 차선과 직선을 보여준다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 안전 운행방법의 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 선로 DB(12)에 구간별 기울기 정보가 저장되어 있는 상태에서, 열차가 운행하는 중에 열차에 기설치된 CCTV 카메라(30)에서 레일이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하여(S202) 영상처리장치(20)에 출력한다.

상기 영상처리장치(20)는 CCTV 카메라(30)에서 촬영한 영상을 허프 변환하는 과정을 거쳐 노이즈를 제거하고 선로를 검출하여(S204) TCMS(10)에 전송하거나 또는 표시장치(DU)에 검출한 선로 영상을 출력한다.

상기 TCMS(10)는 영상처리장치(20)에서 검출한 선로의 형상 정보를 기하학적으로 해석하여 선로의 기울기를 연산한다(S206).

TCMS(10)는 연산해서 얻은 선로의 기울기와, 선로 DB(12)에 기저장된 선로의 기울기를 비교하여 기울기 변화값을 획득한다(S208).

계속하여 TCMS(10)는 선로의 기울기 변화값을 통하여 차량의 틸팅 변화값을 추출한다(S210).

즉, 선로의 기울기가 변화된 값만큼 선로에 지지되는 차량의 틸팅도 변화하는 현상을 이용해 선로의 기울기 변화값을 통하여 차량의 틸팅 변화값을 추출한다.

또한, 상기 TCMS(10)는 선로의 기울기 변화값과 차량의 탈팅 변화값을 바탕으로 선로의 노화 및 차량의 문제점을 파악한다(S212).

예를 들어 선로의 기울기 변화값이 기준 기울기 변화값보다 큰 경우 선로가 불안정한 것으로 판단한다.

특정 구간의 선로가 불안정하거나 차량의 문제점이 파악된 경우, 해당 구간을 평소보다 저속으로 운행하거나 해당 차량의 문제된 부품을 교체 또는 수리할 수 있도록 제어신호를 통합제어기(CCU)에 출력하여 방송장치(PA)나 표시장치(DU)를 통해 승무원에게 알릴 수 있도록 한다(S214).

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 철도차량 안전 운행방법의 순서도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 열차가 운행하는 중에 열차에 기설치된 CCTV 카메라에서 레일이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하여(S302) 영상처리장치(20)에 출력한다.

상기 영상처리장치(20)는 CCTV 카메라에서 촬영한 영상을 허프 변환하는 과정을 거쳐 노이즈를 제거하고 선로를 검출하여(S304) TCMS(10)에 전송하거나 또는 표시장치(DU)에 검출한 선로 영상을 출력한다.

영상처리장치(20)는 검출된 선로 영상의 미분과 노이즈 정도를 분석하여 선로 정보 이외에 장애물 정보가 영상에서 발견되는지 확인한다(S306).

계속하여 영상처리장치(20)는 히스토그램 노이즈가 많이 증가하는 현상을 보이는 경우 장애물이 검지된 것으로 판단하고(S308) 이 사실을 TCMS(10)에 전송한다.

상기 TCMS(10)는 선로에서의 장애물 검지에 따른 경고 제어신호를 통합제어기(CCU)에 출력하고, 통합제어기(CCU)는 방송장치와 표시장치를 제어하여 경고음을 내거나 경고메시지를 디스플레이하는 등의 방식으로 운전자에게 장애물 검지 사실을 알린다(S310).

이에 의해 운전자가 잠시 한눈을 팔거나 다른 곳을 보고 있는 동안에도 카메라를 통한 자동 장애물 검지가 가능하여 안전성을 향상시킬 수 있다.

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.

본 발명은 비전시스템 사업 분야에서 최근 다양하게 연구되고 있는 자율 주행 차량 시스템의 아이디어를 철도 사업에 적용하여, 차선 대신 철도의 선로를 인지하여 이를 기반으로 곡선 구간에서 철도차량의 틸팅각 측정을 통한 안전성 증대, 선로 이외의 장애물 감지 등의 방안으로 활용할 수 있다.

10: TCMS 20: 영상처리장치
30: 카메라 40: 하부장치
CCU: 통합제어기 DU: 표시장치

Claims (7)

1. 철도차량 운행중에 레일(선로)이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하는 카메라;
   상기 카메라에서 촬영한 노면 영상을 처리하여 노이즈를 제거하고 선로를 검출하는 영상처리장치;
   상기 영상처리장치에서 검출한 선로의 형상 정보를 기하학적으로 해석하여 선로의 기울기를 구한 후, 선로 DB에 기저장된 선로의 기울기와 비교해서 얻은 선로의 기울기 변화값으로 선로의 불안정 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 경고 제어신호를 출력하는 TCMS; 및
   상기 TCMS의 경고 제어신호에 의해 경고수단을 제어하여 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하도록 하는 통합제어기;
   를 포함하는 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 영상처리장치는 검출한 선로 영상의 미분과 노이즈 정도를 분석하여 히스토그램 노이즈가 증가하는 현상을 이용해 장애물을 검지하고,
   상기 TCMS는 영상처리장치에서 장애물을 검지하는 경우 경고 제어신호를 통합제어기에 출력하는 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 선로 DB에 기저장된 선로의 기울기 정보는 매 운행시마다 카메라가 촬영한 영상으로부터 영상처리장치에서 선로를 검출하고, TCMS에서 구한 선로의 기울기를 누적하여 얻은 정보인 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 카메라는 철도차량에 기설치된 CCTV 카메라인 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 영상처리장치는 허프 변환(Hough Transform)을 통해 노면 영상으로부터 선로를 검출하는 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행시스템.
6. (a) 철도차량이 운행하는 중에 철도차량에 기설치된 CCTV 카메라에서 레일(선로)이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하는 단계;
   (b) 영상처리장치에서 상기 CCTV 카메라가 촬영한 영상을 허프 변환하는 과정을 거쳐 노이즈를 제거하고 선로를 검출하는 단계;
   (c) TCMS에서 상기 영상처리장치가 검출한 선로의 형상 정보를 기하학적으로 해석하여 선로의 기울기를 연산하는 단계;
   (d) 상기 TCMS에서 연산해서 얻은 선로의 기울기와, 선로 DB에 기저장된 선로의 기울기를 비교하여 선로의 기울기 변화값을 획득하는 단계;
   (e) 상기 TCMS에서 선로의 기울기 변화값으로 선로의 불안정 여부를 판단하는 단계; 및
   (f) 상기 선로가 불안정한 것으로 판단한 경우 선로 불안정에 대한 경고 제어신호를 통합제어기에 출력하여 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하도록 하는 단계;
   를 포함하는 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행방법.
7. (a') 철도차량이 운행하는 중에 철도차량에 기설치된 CCTV 카메라에서 레일(선로)이 설치된 노면을 실시간으로 촬영하는 단계;
   (b') 영상처리장치에서 상기 CCTV 카메라가 촬영한 영상을 허프 변환하는 과정을 거쳐 노이즈를 제거하고 선로를 검출하는 단계;
   (c') 상기 영상처리장치에서 검출된 선로 영상의 미분과 노이즈 정도를 분석하는 단계;
   (d') 상기 영상처리장치에서 히스토그램 노이즈가 증가하는 현상을 이용하여 장애물의 검지 유무를 판단하는 단계; 및
   (e') 상기 장애물이 검지된 것으로 판단한 경우 장애물 검지에 대한 제어신호를 통합제어기에 출력하여 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하도록 하는 단계;
   를 포함하는 영상 감지를 통한 철도차량 안전 운행방법.

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