KR20180101690A - 열차 이동정보 측정 장치 및 방법 - Google Patents

열차 이동정보 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

열차 이동정보 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 열차 이동정보 측정 장치는 열차와의 거리를 측정하는 거리 측정부; 및 상기 거리 측정부에 의해 측정된 거리를 샘플링하고, 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 각 샘플링 시점에서의 평균 가속도를 계산하며, 계산된 평균 가속도를 분석하여 열차의 가감속 상태를 추정한 후, 추정된 열차의 가감속 상태에 따라 열차의 가속도, 속도 및 거리 중 적어도 하나를 측정하는 이동정보 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열차 이동정보 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING MOVEMENT INFORMATION OF TRAIN}
본 발명은 열차 이동정보 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열차의 거리를 측정하고 측정된 거리를 이용하여 열차의 가속도와 속도 및 위치를 측정하는 열차 이동정보 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
열차는 차륜에 부착된 인코더 값을 받아 누적하여 자신의 위치를 계산하며 이의 차분 값으로 속도도 추정한다.
이러한 방법은 차륜 직경에 의한 오차와 슬립 등 여러 원인으로 오차가 발생할 수 있다. 이에 열차는 발리스의 위치정보 또는 정위치 정차 마커(PSM: Precision Stop Marker)의 위치정보를 이용하여 오차를 보정한다. 그러나, 상기한 방법도 발리스 및 PSM 측정 시의 오차가 존재할 수 있으며, 측정한 이후에도 여러 사유로 인해 지속적으로 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
한편, 역에 스크린도어의 설치가 보편화됨에 따라 열차가 지정된 위치에 정확히 정차하도록 하는 정위치 정차 제어의 중요성이 커지게 되었으며 이에 대한 제어기의 성능 검증을 위해서는 열차가 정차하는 과정에서의 열차 위치 및 속도를 정확히 측정하고 기록할 필요가 있었다.
이를 위해, 종래에는 위치 측정값의 평균을 취하여 노이즈를 제거하고 추가로 평균에서 일정 수치 이상 벗어나는 값을 특이치로 규정하고 이 특이치를 제거한 후 평균을 구하는 방법을 이용하거나, 또는 등속도로 움직이는 물체에 대하여 속도의 평균을 구하고 이에 벗어나는 특이치를 제거하는 방법을 이용하였다.
그러나, 위치의 평균을 구하고 특이치를 제거하는 방법은 열차와 같이 이동하는 물제에 대한 위치와 속도를 구하는데 적용할 수 없었다.
게다가, 속도의 평균을 구하고 특이치를 제거하는 방법은 열차 이동 중에 사용될 수 있으나 열차가 역에 정차하는 과정에서는 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1376516호(2014.03.14.)의 '철도차량의 속도측정방법'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 이동 중인 열차의 가속도와 속도 및 거리를 실시간으로 정확하게 측정하는 열차 이동정보 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 목적은 열차의 가속도와 속도 및 거리를 측정하는 과정에서 발생하는 노이즈를 제거하여 오차를 보정함으로써 그 정확도를 향상시킨 열차 이동정보 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 열차 이동정보 측정 장치는 열차와의 거리를 측정하는 거리 측정부; 및 상기 거리 측정부에 의해 측정된 거리를 샘플링하고, 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 각 샘플링 시점에서의 평균 가속도를 계산하며, 계산된 평균 가속도를 분석하여 열차의 가감속 상태를 추정한 후, 추정된 열차의 가감속 상태에 따라 열차의 가속도, 속도 및 거리 중 적어도 하나를 측정하는 이동정보 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 거리 측정부는 열차에 레이저를 투사하고 레이저가 열차에 반사되어 수신되는 시간을 분석하여 열차와의 거리를 측정하는 레이저 거리 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 측정부는 상기 거리 측정부에 의해 측정된 거리로부터 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 열차의 속도를 계산하는 속도 계산부; 상기 속도 계산부에 의해 계산된 속도를 이용하여 가속도를 계산하는 가속도 계산부; 상기 가속도 계산부에 의해 계산된 가속도를 이용하여 평균 가속도를 계산하는 평균 가속도 계산부; 상기 평균 가속도 계산부에 의해 계산된 평균 가속도를 이용하여 기 설정된 샘플 이전과 이후의 평균 가속도를 각각 계산하고, 계산된 이전 평균 가속도와 이후 평균 가속도의 차이값을 계산하는 평균 가속도 변화 계산부; 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값을 이용하여 열차의 가감속 상태를 추정하는 가감속 상태 추정부; 및 상기 가감속 상태 추정부에 의해 추정된 열차의 가감속 상태에 따라 열차의 가속도, 속도 및 거리 중 적어도 하나를 계산하는 이동정보 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태, 증가속 또는 감감속 상태, 감가속 또는 증감속 상태, 및 기타 상태 중 어느 하나로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값의 절대값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값보다 작으면 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값 이상이고, 차이값의 분포가 볼록한 모양이면, 열차의 가감속 상태를 증가속 또는 감감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값의 음의 값 이하이고 차이값의 분포가 아래로 볼록한 모양이면 열차의 가감속 상태를 감가속 또는 증감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 평균 가속도가 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어나고, 열차의 가감속 상태가 증가속 상태와 감감속 상태, 감가속 상태 및 증감속 상태로 추정되지 않으면 열차의 가감속 상태를 기타 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 등가속 또는 등감속 상태로 추정되면, 평균 가속도를 현재 시점에서의 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어난 값을 제외하고, 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 증가속 또는 감감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 감가속 또는 증감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 기타 상태로 추정되면, 평균 가속도 범위를 벗어난 평균 가속도를 제외하여 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 열차 이동정보 측정 방법은 속도 계산부가 거리 측정부에 의해 측정된 거리로부터 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 열차의 속도를 계산하는 단계; 가속도 계산부가 상기 속도 계산부에 의해 계산된 속도를 이용하여 가속도를 계산하는 단계; 평균 가속도 계산부가 상기 가속도 계산부에 의해 계산된 가속도를 이용하여 평균 가속도를 계산하는 단계; 평균 가속도 변화 계산부가 상기 평균 가속도 계산부에 의해 계산된 평균 가속도를 이용하여 기 설정된 샘플 이전과 이후의 평균 가속도를 각각 계산하고, 계산된 이전 평균 가속도와 이후 평균 가속도의 차이값을 계산하는 단계; 가감속 상태 추정부가 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값을 이용하여 열차의 가감속 상태를 추정하는 단계; 및 이동정보 계산부가 상기 가감속 상태 추정부에 의해 추정된 열차의 가감속 상태에 따라 열차의 가속도, 속도 및 거리 중 적어도 하나를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태, 증가속 또는 감감속 상태, 감가속 또는 증감속 상태, 및 기타 상태 중 어느 하나로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값의 절대값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값보다 작으면 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값 이상이고, 차이값의 분포가 볼록한 모양이면, 열차의 가감속 상태를 증가속 또는 감감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값의 음의 값 이하이고 차이값의 분포가 아래로 볼록한 모양이면 열차의 가감속 상태를 감가속 또는 증감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 평균 가속도가 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어나고, 열차의 가감속 상태가 증가속 상태와 감감속 상태, 감가속 상태 및 증감속 상태로 추정되지 않으면 열차의 가감속 상태를 기타 상태로 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 등가속 또는 등감속 상태로 추정되면, 평균 가속도를 현재 시점에서의 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어난 값을 제외하고, 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 증가속 또는 감감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 감가속 또는 증감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 기타 상태로 분류되면, 평균 가속도 범위를 벗어난 평균 가속도를 제외하여 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열차 이동정보 측정 장치 및 방법은 이동 중인 열차의 가속도와 속도 및 위치를 실시간으로 정확하게 측정한다.
본 발명의 열차 이동정보 측정 장치 및 방법은 열차의 가속도와 속도 및 거리를 측정하는 과정에서 발생하는 노이즈를 제거하여 오차를 보정함으로써 그 정확도를 향상시킨다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행한 경우의 예시도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행하지 않은 경우의 예시도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 이동정보 측정부의 블럭 구성도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 증가속 또는 감감속시의 평균 가속도의 차이값의 분포를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 감가속 또는 증감속시의 평균 가속도의 차이값의 분포를 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 방법의 순서도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행한 경우의 예시도이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행하지 않은 경우의 예시도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행한 경우의 예시도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행하지 않은 경우의 예시도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 이동정보 측정부의 블럭 구성도이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 증가속 또는 감감속시의 평균 가속도의 차이값의 분포를 나타낸 도면이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 감가속 또는 증감속시의 평균 가속도의 차이값의 분포를 나타낸 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치는 거리 측정부(10) 및 이동정보 측정부(20)를 포함한다.
거리 측정부(10)는 열차(30)의 거리를 측정한다. 거리 측정부(10)로는 레이저 거리 센서가 채용될 수 있다.
레이저 거리 센서는 열차(30)에 레이저를 투사하여 레이저가 열차(30)에서 반사되어 수신되는 시간을 측정하고 측정된 시간을 이용하여 열차(30)의 거리를 측정한다.
거리 측정부(10)는 측정된 거리를 필터링하여 안개나 유리 등과 같이 열차(30) 사이에 존재하는 방해물에 의한 거리 오차를 제거한다.
거리 측정부(10)는 지형 지물 등을 고려하여 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행한 위치에 설치되거나, 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행하지 않게 설치될 수 있다.
즉, 도 2 에 도시된 바와 같이 거리 측정부(10)는 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행한 위치에 설치될 수 있으며, 이 경우 거리 측정부(10)에 의해 측정된 거리가 열차(30)의 거리가 된다.
반면에, 도 3 에 도시된 바와 같이 거리 측정부(10)는 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행하지 않은 위치에 설치될 수 있다. 이 경우, 거리 측정부(10)는 도 3 에 도시된 바와 같이 삼각함수를 이용하여 열차(30)의 거리를 측정할 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면,
Figure pat00001
이므로,
Figure pat00002
가 된다.
여기서, d는 레이저 거리 센서를 이용하여 측정된 열차(30)와의 거리이고, d'는 열차(30)로부터 열차 진행 방향으로의 직선거리이며, ds는 레이저 거리 센서로부터 열차 진행 방향과 직각을 이루는 수평 방향으로의 직선 거리이며, θ는 레이저 거리 센서의 측정방향과 레이저 거리 센서로부터 열차 진행 방향과 직각을 이루는 수평 방향이 이루는 각도이다.
이 경우, 열차(30)의 거리는 열차(30)로부터 열차 진행 방향으로의 직선 거리(d')가 이용된다.
이동정보 측정부(20)는 거리 측정부(10)에 의해 측정된 거리를 이용하여 열차(30)의 이동정보 예를 들어 열차(30)의 가속도와 속도 및 거리를 측정한다. 즉, 이동정보 측정부(20)는 거리 측정부(10)에 의해 측정된 거리를 샘플링하고, 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 각 샘플링 시점에서의 평균 가속도를 계산하며, 평균 가속도를 분석하여 열차(30)의 가감속 상태를 추정한 후, 추정된 열차(30)의 가감속 상태에 따라 열차(30)의 이동정보, 예를 들어 열차(30)의 가속도와 속도 및 거리를 다시 계산한다.
이 경우 이동정보 측정부(20)는 열차(30)의 정차과정이 목표 감속도에 의한 제동제어로 이루어지는 점, 즉 일정 시간 동안 감속도를 동일하게 유지한다는 점을 고려하여 열차(30)의 속도 또는 가속도 측정시 발생되는 노이즈를 제거한다.
더욱이, 이동정보 측정부(20)는 목표 감속도가 변하더라도 승차감을 위해 급격한 변화는 방지되어 있다는 점을 이용한다. 즉, 열차(30) 운행시 저크는 제한되므로, 이 저크로 인해 급격한 감속도 변화를 나타내는 값이 존재하면 이는 측정 시의 오차로 간주하고 제거한다.
도 4 를 참조하면, 이동정보 측정부(20)는 속도 계산부(21), 가속도 계산부(22), 평균 가속도 계산부(23), 평균 가속도 변화 계산부(24), 가감속 상태 추정부(25) 및 이동정보 계산부(26)를 포함한다.
속도 계산부(21)는 거리 측정부(10)에 의해 측정된 거리로부터 샘플링된 복수 개의 거리를 획득하고, 획득한 거리를 이용하여 열차(30)의 속도를 계산한다.
즉, 속도 계산부(21)는 거리 측정부(10)로부터 샘플링된 복수 개의 거리를 획득한다. 샘플링된 거리가 샘플순으로 총 n개의 샘플이 있다고 하면, 각 샘플링된 거리는 d(1),d(2),...,d(N)라 한다.
이어, 속도 계산부(21)는
Figure pat00003
를 이용하여 이들 거리로부터 열차(30)의 속도를 계산한다.
여기서 ts는 샘플링 주기이다. 상기한 수학식에 따르면, 속도 계산부(21)는 N-1개의 속도를 얻을 수 있다. 계산된 속도는 v(1),v(2),...,v(N-1)와 같다.
가속도 계산부(22)는 속도 계산부(21)에 의해 계산된 속도를
Figure pat00004
에 적용하여 N-2개의 가속도를 계산한다.
평균 가속도 계산부(23)는 평균을 구하는 윈도우에서의 샘플 수를 M이라 하면,
Figure pat00005
을 이용하여 평균 가속도를 계산한다.
이 경우, 매 측정시점, 예를 들어 n시점에서의 전후간 대칭성을 얻기 위해 M은 홀수인 값으로 선정된다.
n시점에서의 평균 가속도가 계산됨에 따라, 평균 가속도 변화 계산부(24)는 이들 n시점에서의 평균 가속도 변화를 계산한다.
즉, 평균 가속도 변화 계산부(24)는 n시점에서의 이전 (M-1)/2개의 가속도 평균 aM -(n) 및 이후 (M-1)/2개의 가속도 평균 aM +(n)을 계산한다.
이 경우, 평균 가속도 변화 계산부(24)는 n시점에서의 이전 (M-1)/2개의 가속도 평균 aM -(n)을
Figure pat00006
을 이용하여 계산한다.
또한, 평균 가속도 변화 계산부(24)는 (M-1)/2개의 가속도 평균 aM +(n)을
Figure pat00007
을 이용하여 계산한다.
이어 평균 가속도 변화 계산부(24)는 상기한 바와 같이 계산된 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n)을 계산한다. 여기서, 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n)은 dM(n)= aM +(n) - aM -(n)으로 정의된다.
가감속 상태 추정부(25)는 상기한 평균 가속도 변화 계산부(24)에 의해 각 n시점에서 계산된 값, 즉 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n))을 이용하여 열차(30)의 가감속 상태를 추정한다.
열차(30)의 가감속 상태는 등가속 또는 등감속 상태, 증가속 또는 감감속 상태, 감가속 또는 증감속 상태, 및 기타 상태 중 어느 하나로 추정된다.
여기서, 등가속 상태는 열차(30)의 속도가 일정한 가속도로 증가하는 상태이고, 등감속 상태는 열차(30)의 속도가 일정한 가속도로 감소하는 상태이다. 증가속 상태는 열차(30)의 가속도가 증가하는 상태이고, 감감속 상태는 열차의 가속도가 감소되는 상태이다.
가감속 상태 추정부(25)는 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n))의 절대값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값보다 작은 경우, 즉
Figure pat00008
인 경우에는 열차(30)의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태로 추정한다. 등가속 또는 등감속 상태는 주어진 열차(30)의 노치에 적합하게 열차(30)가 일정한 가속도 또는 감속도로 이동하는 경우이다. 이 때 Td는 가감속 변화 판정 임계값으로써 시험을 통해 설정될 수 있다.
가감속 상태 추정부(25)는 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n))이 가감속 변화 판정 임계값 이상인 경우, 즉 dM(n)≥Td 이면 k=-Ns,-Ns + 1,...,Ns에 대하여 dM(n+k)≥Td인지 체크한다. 이 경우, 가감속 상태 추정부(25)는 dM(n+k)의 분포가 도 5 에 도시된 바와 같이 위로 볼록한 모양인지 체크하여 dM(n+k)의 분포가 위로 볼록한 모양이면 열차(30)의 가감속 상태를 증가속 또는 감감속 상태로 추정한다. 이 때 Ns는 가감속 변화가 일어날 때의 샘플 수를 의미하며 열차 시스템 및 측정 시스템에 따라 달라지며 시험을 통해 설정될 수 있다.
가감속 상태 추정부(25)는 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n))이 가감속 변화 판정 임계값의 음의 값 이하인 경우, 즉 dM(n)≤-Td이면 k=-Ns,-Ns + 1,...,Ns에 대하여 dM(n+k)≤-Td인지 체크한다. 이 경우 dM(n+k)의 분포가 도 6 에 도시된 바와 같이 아래로 볼록한 모양인지 체크하여 dM(n+k)의 분포가 아래로 볼록한 모양이면 열차(30)의 가감속 상태를 감가속 또는 증감속 상태로 추정한다.
한편, 가감속 상태 추정부(25)는 가감소 상태 추정부에 의해 열차의 평균 가속도가 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어나고, 열차의 가감속 상태가 증가속 상태와 감감속 상태, 감가속 상태 및 증감속 상태로 추정되지 않으면 열차의 가감속 상태를 기타 상태로 추정한다.
이동정보 계산부(26)는 상기한 가감속 상태 추정부(25)의 추정 결과에 따라 열차(30)의 가속도, 속도 및 거리를 다시 계산한다.
즉, 가감속 상태 추정부(25)에 의해 열차(30)의 가감속 상태가 등가속 또는 등감속 상태인 것으로 추정되면, 이동정보 계산부(26)는 평균 가속도를 현재 시점에서의 가속도
Figure pat00009
으로 결정한다. 즉, 이동정보 계산부(26)는
Figure pat00010
으로 결정한다. 이 경우 이동정보 계산부(26)는 노이즈 등으로 인해 평균 가속도값이 변경된 경우에는 평균 가속도 aM(n)의 요소
Figure pat00011
중 기 설정된 평균 가속도 범위
Figure pat00012
을 벗어나는 특이값을 제외하고, 평균 가속도 계산부(23)가 평균 가속도를 다시 계산하며, 계산된 평균 가속도를 가속도
Figure pat00013
로 결정한다. 여기서
Figure pat00014
은 노이즈 필터링을 수행한 후의 유추된 가속도 값이다. 이어 이동정보 계산부(26)는 새롭게 계산된 가속도
Figure pat00015
을 이용하여 속도를
Figure pat00016
을 통해 계산하고, 거리를
Figure pat00017
을 통해 계산한다.
가감속 상태 추정부(25)에 의해 열차(30)가 증가속 또는 감감속 상태인 것으로 추정되면, 이동정보 계산부(26)는 현재 시점의 가속도를 그대로 사용한다. 즉, 이동정보 계산부(26)는
Figure pat00018
으로 결정한다. 이어 이동정보 계산부(26)는 가속도
Figure pat00019
을 이용하여 속도를
Figure pat00020
을 통해 계산하고, 거리를
Figure pat00021
을 통해 계산한다.
가감속 상태 추정부(25)에 의해 열차(30)가 감가속 또는 증감속 상태인 것으로 추정되면, 이동정보 계산부(26)는 현재 시점의 가속도를 그대로 사용한다. 즉, 이동정보 계산부(26)는
Figure pat00022
으로 결정한다. 이어 이동정보 계산부(26)는 가속도
Figure pat00023
을 이용하여 속도를
Figure pat00024
을 통해 계산하고, 거리를
Figure pat00025
을 통해 계산한다.
가감속 상태 추정부(25)에 의해 기타 상태인 것으로 추정되면, 이동정보 계산부(26)는 평균 가속도 aM(n)의 요소
Figure pat00026
중 기 설정된 평균 가속도 범위,
Figure pat00027
를 제외하고 평균 가속도 계산부(23)를 통해 평균 가속도를 다시 계산하며, 다시 계산된 평균 가속도를 가속도
Figure pat00028
로 결정한다. 여기서
Figure pat00029
은 노이즈 필터링을 수행한 후의 유추된 가속도 값이다. 이어 이동정보 계산부(26)는 새롭게 계산된 가속도
Figure pat00030
을 이용하여 속도를
Figure pat00031
을 통해 계산하고, 거리를
Figure pat00032
을 통해 계산한다.
한편, 이동정보 계산부(26)는 가감속 상태 추정부(25)에 의해 추정된 결과에 따라 열차(30)의 이동정보, 즉 가속도, 속도 및 거리를 계산한 후에는 이들 이동정보를 저장하고, 특히 이 이동정보를 엑셀이나 CSV(Comma-Separated Values) 파일 등으로 저장할 수 있다.
또한 이동정보 계산부(26)는 이동정보를 USB(Universal Serial Bus) 또는 이더넷을 통해 외부의 호스트 PC(Personal Computer)(미도시)로 제공하거나, 별도의 외부 메모리(미도시)에 저장할 수 있다.
게다가, 이동정보 계산부(26)는 이동정보를 IVDC(Internal Vehicle Data Communication) 인터페이스 모듈(미도시), Current Loop 인터페이스 모듈(미도시) 및 디지털 I/O 인터페이스 모듈(미도시)을 통해 열차(30) 내 각종 제어기(미도시), 통신 장치(미도시) 예를 들어, TCMS(Train Control and Monitoring System), ATC(Auto TrainControl) 및 TWC(Train WAyside Communication) 등으로 전달할 수도 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 방법을 도 7 을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 방법의 순서도이다.
도 7 을 참조하면, 먼저 거리 측정부(10)가 열차(30)와의 거리를 측정한다(S10).
이어 이동정보 측정부(20)의 속도 계산부(21)는 거리 측정부(10)에 의해 측정된 거리로부터 샘플링된 복수 개의 거리를 획득하고, 획득한 거리를 이용하여 열차(30)의 속도를 계산한다(S20). 이 경우 속도 계산부(21)는 거리 측정부(10)로부터 샘플링된 거리를 획득하고, 이들을 샘플순으로 나열할 경우 총 n개의 샘플이 있다고 하면,
Figure pat00033
를 이용하여 열차(30)의 속도를 계산한다(S20).
이 경우, 속도 계산부(21)는 N-1개의 속도를 얻을 수 있으며, 계산된 속도는 v(1),v(2),...,v(N-1)와 같다.
가속도 계산부(22)는 속도 계산부(21)에 의해 계산된 속도를
Figure pat00034
에 적용하여 N-2개의 가속도를 계산한다(S30).
다음으로, 평균 가속도 계산부(23)는 평균을 구하는 윈도우에서의 샘플 수를 M이라 하면,
Figure pat00035
을 이용하여 평균 가속도를 계산한다(S40).
n시점에서의 평균 가속도가 계산됨에 따라, 평균 가속도 변화 계산부(24)는 n시점에서의 이전 (M-1)/2개의 가속도 평균 aM -(n) 및 이후 (M-1)/2개의 가속도 평균 aM +(n)을 계산하고, 계산된 두 평균 가속도(aM+(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n)을 계산한다(S50). 여기서, 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n)은 dM(n)= aM +(n) - aM -(n)으로 정의된다.
이어, 가감속 상태 추정부(25)는 상기한 평균 가속도 변화 계산부(24)에 의해 각 n시점에서 계산된 값, 즉 두 평균 가속도(aM +(n) 및 aM -(n))의 차이값 dM(n))을 이용하여 열차(30)의 가감속 상태를 추정한다(S60).
이어, 이동정보 계산부(26)는 상기한 가감속 상태 추정부(25)의 추정 결과에 따라 열차(30)의 가속도, 속도 및 거리를 다시 계산한다(S70~S100).
먼저, 가감속 상태 추정부(25)에 의해 열차(30)의 가감속 상태가 등가속 또는 등감속 상태인 것으로 추정되면, 이동정보 계산부(26)는 평균 가속도를 현재 시점에서의 가속도
Figure pat00036
으로 사용하고(S70), 새롭게 계산된 가속도
Figure pat00037
을 이용하여 속도를
Figure pat00038
을 통해 계산하고, 거리를
Figure pat00039
을 통해 계산한다(S100). 이 경우, 이동정보 계산부(26)는 노이즈 등으로 인해 평균 가속도값이 변경된 경우에는 평균 가속도 aM(n)의 요소
Figure pat00040
중
Figure pat00041
을 벗어나는 값을 제외하고 평균 가속도를 다시 산출하며, 산출된 평균 가속도를 가속도
Figure pat00042
으로 결정한다.
가감속 상태 추정부(25)에 의해 열차(30)의 가감속 상태가 증가속 또는 감감속 상태이거나, 감가속 또는 증감속 상태인 것으로 추정되면, 이동정보 계산부(26)는 현재 시점의 가속도를 그대로 사용하고(S80) 가속도
Figure pat00043
을 이용하여 속도를
Figure pat00044
을 통해 계산하고, 거리를
Figure pat00045
을 통해 계산한다(S100).
반면에, 가감속 상태 추정부(25)에 의해 기타 상태인 것으로 추정되면, 이동정보 계산부(26)는 평균 가속도 aM(n)의 요소
Figure pat00046
중 평균 가속도 범위
Figure pat00047
를 벗어나는 특이값을 제외하고 다시 평균 가속도를 산출하며, 산출된 평균 가속도를 가속도
Figure pat00048
로 결정하고(S90), 새롭게 계산된 가속도
Figure pat00049
을 이용하여 속도를
Figure pat00050
을 통해 계산하고, 거리를
Figure pat00051
을 통해 계산한다(S100).
한편, 거리 측정부(10)는 열차(30)에 설치될 수 있다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부(10)와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행한 경우의 예시도이고, 도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치의 거리 측정부(10)와 열차 조준점이 열차 진행 방향과 평행하지 않은 경우의 예시도이다
도 8 과 도 9 를 참조하면, 거리 측정부(10)는 열차(30) 내부에 설치될 수 있으며, 정차지점 마크 등 선로 혹은 플랫폼의 특정 지점에 레이저를 조준하여 거리 및 속도를 측정할 수도 있다.
이 경우에도 거리 측정 방향, 열차 진행 방향, 열차 진행 방향의 연장선과 조준지점과의 거리의 관계를 이용하여 정차 지점에서의 열차 위치를 도출할 수 있다. 즉, 도 9를 참조하면
Figure pat00052
이므로
Figure pat00053
가 된다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치는 이동 중인 열차(30)의 위치와 속도를 실시간으로 정확하게 측정한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 이동정보 측정 장치 및 방법은 열차(30)의 거리와 속도 측정 과정에서 발생하는 노이즈를 제거하고 오차를 보정하여 열차(30)의 위치와 속도의 정확도를 향상시킨다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 거리 측정부
20: 이동정보 측정부
21: 속도 계산부
22: 가속도 계산부
23: 평균 가속도 계산부
24: 평균 가속도 변화 계산부
25: 가감속 상태 추정부
26: 이동정보 계산부

Claims (24)

  1. 열차와의 거리를 측정하는 거리 측정부; 및
    상기 거리 측정부에 의해 측정된 거리를 샘플링하고, 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 각 샘플링 시점에서의 평균 가속도를 계산하며, 계산된 평균 가속도를 분석하여 열차의 가감속 상태를 추정한 후, 추정된 열차의 가감속 상태에 따라 열차의 가속도, 속도 및 거리 중 적어도 하나를 측정하는 이동정보 측정부를 포함하는 열차 이동정보 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 거리 측정부는 열차에 레이저를 투사하고 레이저가 열차에 반사되어 수신되는 시간을 분석하여 열차와의 거리를 측정하는 레이저 거리 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이동정보 측정부는
    상기 거리 측정부에 의해 측정된 거리로부터 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 열차의 속도를 계산하는 속도 계산부;
    상기 속도 계산부에 의해 계산된 속도를 이용하여 가속도를 계산하는 가속도 계산부;
    상기 가속도 계산부에 의해 계산된 가속도를 이용하여 평균 가속도를 계산하는 평균 가속도 계산부;
    상기 평균 가속도 계산부에 의해 계산된 평균 가속도를 이용하여 기 설정된 샘플 이전과 이후의 평균 가속도를 각각 계산하고, 계산된 이전 평균 가속도와 이후 평균 가속도의 차이값을 계산하는 평균 가속도 변화 계산부;
    상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값을 이용하여 열차의 가감속 상태를 추정하는 가감속 상태 추정부; 및
    상기 가감속 상태 추정부에 의해 추정된 열차의 가감속 상태에 따라 열차의 가속도, 속도 및 거리 중 적어도 하나를 계산하는 이동정보 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태, 증가속 또는 감감속 상태, 감가속 또는 증감속 상태, 및 기타 상태 중 어느 하나로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값의 절대값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값보다 작으면 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값 이상이고, 차이값의 분포가 볼록한 모양이면, 열차의 가감속 상태를 증가속 또는 감감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값의 음의 값 이하이고 차이값의 분포가 아래로 볼록한 모양이면 열차의 가감속 상태를 감가속 또는 증감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 평균 가속도가 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어나고, 열차의 가감속 상태가 증가속 상태와 감감속 상태, 감가속 상태 및 증감속 상태로 추정되지 않으면 열차의 가감속 상태를 기타 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 등가속 또는 등감속 상태로 추정되면, 평균 가속도를 현재 시점에서의 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어난 값을 제외하고, 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 증가속 또는 감감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  12. 제 4 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 감가속 또는 증감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  13. 제 4 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 기타 상태로 추정되면, 평균 가속도 범위를 벗어난 평균 가속도를 제외하여 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 장치.
  14. 속도 계산부가 거리 측정부에 의해 측정된 거리로부터 샘플링된 복수 개의 거리를 이용하여 열차의 속도를 계산하는 단계;
    가속도 계산부가 상기 속도 계산부에 의해 계산된 속도를 이용하여 가속도를 계산하는 단계;
    평균 가속도 계산부가 상기 가속도 계산부에 의해 계산된 가속도를 이용하여 평균 가속도를 계산하는 단계;
    평균 가속도 변화 계산부가 상기 평균 가속도 계산부에 의해 계산된 평균 가속도를 이용하여 기 설정된 샘플 이전과 이후의 평균 가속도를 각각 계산하고, 계산된 이전 평균 가속도와 이후 평균 가속도의 차이값을 계산하는 단계;
    가감속 상태 추정부가 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값을 이용하여 열차의 가감속 상태를 추정하는 단계; 및
    이동정보 계산부가 상기 가감속 상태 추정부에 의해 추정된 열차의 가감속 상태에 따라 열차의 가속도, 속도 및 거리 중 적어도 하나를 계산하는 단계를 포함하는 열차 이동정보 측정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태, 증가속 또는 감감속 상태, 감가속 또는 증감속 상태, 및 기타 상태 중 어느 하나로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값의 절대값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값보다 작으면 열차의 가감속 상태를 등가속 또는 등감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값 이상이고, 차이값의 분포가 볼록한 모양이면, 열차의 가감속 상태를 증가속 또는 감감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 상기 평균 가속도 변화 계산부에 의해 계산된 차이값이 기 설정된 가감속 변화 판정 임계값의 음의 값 이하이고 차이값의 분포가 아래로 볼록한 모양이면 열차의 가감속 상태를 감가속 또는 증감속 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 가감속 상태 추정부는 열차의 평균 가속도가 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어나고, 열차의 가감속 상태가 증가속 상태와 감감속 상태, 감가속 상태 및 증감속 상태로 추정되지 않으면 열차의 가감속 상태를 기타 상태로 추정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 등가속 또는 등감속 상태로 추정되면, 평균 가속도를 현재 시점에서의 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 기 설정된 평균 가속도 범위를 벗어난 값을 제외하고, 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  22. 제 15 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 증가속 또는 감감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  23. 제 15 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 감가속 또는 증감속 상태로 추정되면, 현재 시점의 가속도를 열차의 가속도로 결정하고, 결정된 가속도를 이용하여 속도 및 거리를 다시 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
  24. 제 15 항에 있어서, 상기 이동정보 계산부는 상기 가감속 상태 추정부에 의해 열차의 가감속 상태가 기타 상태로 분류되면, 평균 가속도 범위를 벗어난 평균 가속도를 제외하여 상기 평균 가속도 계산부에 의해 다시 계산된 평균 가속도를 열차의 가속도로 결정하는 것을 특징으로 하는 열차 이동정보 측정 방법.
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