KR20180104801A - 열차 위치 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

열차 위치 측정 장치가 개시된다. 본 발명의 열차 위치 측정 장치는 열차의 가속도를 감지하는 가속도 센서; 열차에 설치되어 신호를 송출하는 송신부; 안테나를 통해 상기 송신부로부터 송출된 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 정보 및 상기 수신부에 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 열차의 위치를 측정하는 위치 측정부를 포함하고, 상기 수신부는 상기 위치 측정부에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 안테나의 방사 패턴을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

열차 위치 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING POSITION OF TRAIN}
본 발명은 열차 위치 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열차의 가속도 및 열차 진출입에 따른 전파신호세기를 조합하여 열차의 위치를 검출하는 열차 위치 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 열차는 대단위 운송 시스템으로 고도의 안전성이 최우선적으로 확보되어야 한다. 이에 열차와 승객의 안전을 확보하고 운행 효율을 높이며 운전 편의성을 향상시키기 위해 많은 장치들이 지속적으로 개발되고 있다.
특히, 열차 운행에 있어서 열차의 위치와 이동거리 측정 및 감시는 열차의 운행을 위해 필수적으로 이루어져야 한다.
열차의 위치 감지를 위한 것으로, 지상에 지상자인 RFID(Radio Frequency IDentification) 태그를 설치하고 이 RFID 태그를 열차에 설치된 RFID 리더를 이용해 RFID 태그의 위치를 인식하는 방식이 일반적으로 이용되고 있다.
최근 들어서는 승강장에 다수 개의 안테나를 설치하여 승강장에 진입하는 열차의 위치를 감지하는 기술이 제시되어 있다. 이러한 방식은 열차 진입시 그 위치를 상대적으로 정확하게 측정함으로써 열차 정위치 제어 등에 매우 효율적으로 이용될 수 있다.
그러나, 종래 방법은 전파 정보를 송수신하기 위한 안테나를 필요로 하는데, 이들 안테나가 승강장에 고정 설치되어 항상 일정한 방향으로 빔을 방출함으로써 그 방사 패턴이 항상 일정하게 되고, 그 결과 안테나의 효율성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 1135880호의 "GPS 및 IMU를 이용한 열차용 위치검측시스템 및 그 방법"에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 열차의 가속도 및 열차 진출입에 따른 전파신호세기를 조합하여 열차의 위치를 간단하고 정확하게 검출하는 열차 위치 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 목적은 열차의 위치에 따라 안테나의 빔 방향을 조절하여 효율적인 방사 패턴을 형성할 수 있도록 한 열차 위치 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 열차 위치 측정 장치는 열차의 가속도를 감지하는 가속도 센서; 열차에 설치되어 신호를 송출하는 송신부; 안테나를 통해 상기 송신부로부터 송출된 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 정보 및 상기 수신부에 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 열차의 위치를 측정하는 위치 측정부를 포함하고, 상기 수신부는 상기 위치 측정부에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 안테나의 방사 패턴을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 수신부는 상기 안테나의 빔을 반사시키는 반사판; 및 상기 위치 측정부에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 상기 반사판을 구동시켜 상기 안테나의 방사 패턴을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 안테나와 상기 반사판 각각은 복수 개가 구비되어 서로 독립적으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 반사판의 기울기를 조절하거나, 상기 반사판을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 안테나의 포트를 온 오프시키거나 또는 전력 세기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 위치 측정부는 상기 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 정보를 이용하여 열차의 제1 이동거리를 계산하는 제1 이동거리 계산부; 상기 송신부로부터 송출되어 상기 수신부에 수신된 신호 각각의 전파신호세기 정보를 검출하는 전파신호세기 정보 검출부; 상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 열차의 제2 이동거리를 계산하는 제2 이동거리 계산부; 상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 상기 제1 이동거리의 제1 가중치 및 상기 제2 이동거리의 제2 가중치를 각각 계산하는 가중치 검출부; 상기 제1 이동거리, 상기 제2 이동거리, 상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치를 이용하여 열차의 최종 이동거리를 계산하는 최종 이동거리 계산부; 및 상기 최종 이동거리 계산부에 의해 계산된 상기 최종 이동거리 및 기 저장된 노선 정보를 이용하여 열차의 위치를 검출하는 열차 위치 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제2 이동거리 계산부는 상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 검출된 전파신호세기 정보 중 순시 전파신호세기 벡터와 평균 전파신호세기 벡터를 이용하여 상기 제2 이동거리를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가중치 검출부는 상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 검출된 전파신호세기 정보 중 상기 송신부으로부터 전달된 신호 각각의 전파신호세기에 따라 상기 제1 가중치와 상기 제2 가중치 각각을 증감시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가중치 검출부는 상기 송신부으로부터 전달된 신호 각각의 전파신호세기가 증가할수록 상기 제2 가중치를 증가시키고, 상기 수신부에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보가 감소할수록 상기 제1 가중치를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 가중치 검출부는 열차에 설치된 상기 송신부의 총 개수, 및 상기 송신부 중에서 상기 수신부에서 수신된 신호를 송출하는 송신부의 개수를 토대로 상기 제1 가중치와 상기 제2 가중치 각각을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 최종 이동거리 계산부는 상기 제1 이동거리에 상기 제1 가중치를 곱한 값과 상기 제2 이동거리에 상기 제2 가중치를 곱한 값을 합산하여 상기 최종 이동거리를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 열차 위치 검출부는 상기 노선 정보를 토대로 열차의 출발역을 검출하고, 상기 출발역의 위치 정보에 상기 최종 이동거리를 반영하여 열차 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 열차 위치 측정 장치는 안테나; 상기 안테나의 빔을 반사시키는 반사판; 및 위치 측정부에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 상기 반사판을 구동시켜 상기 안테나로부터 방사된 빔의 방사 패턴을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 안테나와 상기 반사판 각각은 복수 개가 구비되어 서로 독립적으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 반사판의 기울기를 조절하거나, 상기 반사판을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 안테나의 포트를 온 오프시키거나 또는 전력 세기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열차 위치 측정 장치는 열차의 가속도 및 열차 진출입에 따른 전파신호세기 정보를 조합하여 열차의 위치를 간단하고 정확하게 검출한다.
또한, 본 발명의 열차 위치 측정 장치는 승강장의 안테나가 열차의 위치에 따라 방사패턴을 조절함으로써, 고정형에 비해 안테나를 좀 더 효율적으로 사용할 수 있도록 하고, 그 설치 대수도 감소시킨다.
게다가, 본 발명의 열차 위치 측정 장치는 안테나의 설치 대수를 감소시켜 안테나 유지 보수 비용을 감소시킨다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치 측정 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부의 설치 예시도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 안테나를 구비한 수신부의 예시도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 안테나를 구비한 수신부의 예시도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판이 고정된 상태에서의 안테나 방사 방향을 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판이 회전된 상태에서의 안테나 방사 방향을 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판이 회전된 상태에서의 안테나 방사 방향을 나타낸 도면이다.
도 8 은 안테나의 방사패턴을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정부의 블럭 구성도이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치별 가중치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치 측정 장치의 동작 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치 측정 장치를 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 위치 측정 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부의 설치 예시도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 안테나를 구비한 수신부의 예시도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 안테나를 구비한 수신부의 예시도이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판이 고정된 상태에서의 안테나 방사 방향을 나타낸 도면이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판이 회전된 상태에서의 안테나 방사 방향을 나타낸 도면이며, 도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판이 회전된 상태에서의 안테나 방사 방향을 나타낸 도면이며, 도 8 은 안테나의 방사패턴을 예시적으로 나타낸 도면이며, 도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정부의 블럭 구성도이며, 도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치별 가중치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치 측정 장치는 가속도 센서(11), 송신부(12), 수신부(21) 및 위치 측정부(22)를 포함한다.
가속도 센서(11)는 기 설정된 설정 주기마다 열차(10)의 가속도를 감지한다. 가속도 센서(11)는 열차(10)에 직접 설치될 수 있다.
송신부(12)는 열차(10)에 복수 개가 설치되어 수신부(21)에 신호를 송출한다. 송신부(12)는 전파신호세기 정보를 검출하기 위해 별도의 신호를 수신부(21)로 송출할 수 있으며, 이외에도 상기한 가속도 센서(11)에 의해 감지된 가속도 정보를 수신부(21)로 송출할 수도 있다.
송신부(12)는 열차(10)에 복수 개가 설치되는 바, 각 송신부(12)는 열차(10)의 각 차량에 구비될 수 있다. 이에 송신부(12) 각각은 서로 독립적으로 수신부(21)에 신호를 송출한다.
복수 개의 송신부(12)가 열차(10)의 차량 각각에 구비될 경우, 각 송신부(12)는 수신부(21)와의 거리가 서로 상이하게 되는 바, 수신부(21)에서는 각 송신부(12)의 전파신호세기가 서로 상이하게 될 수 있으며, 동일한 열차(10) 내의 송신부(12) 중 적어도 하나 이상으로부터 신호를 수신하지 못하는 경우도 발생될 수 있다.
수신부(21)는 복수 개가 송신부(12) 각각으로부터 송출된 신호를 수신한다. 수신부(21)는 역사(20) 등 다양한 위치, 예를 들어 승강장 등에 설치될 수 있다.
수신부(21)를 통해 수신되는 신호의 전파신호세기는 열차(10)와의 거리에 따라 서로 다르게 검출될 수 있으며, 송신부(12)와 수신부(21) 간의 거리가 가까울수록 증가한다.
수신부(21)는 송신부(12)로부터 송출된 신호를 수신하기 위해 복수 개가 구비될 수 있다.
도 2 를 참조하면, 수신부(21)는 역사의 승강장에 복수 개가 구비될 수 있다. 각 수신부(21)의 설치 위치는 승강장에 한정되는 것은 아니며 열차(10)의 위치를 감지하기에 적합한 위치라면 모두 채용될 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면, 수신부(21)는 안테나(211), 반사판(212) 및 제어부(215)를 포함하며, 전파 환경 또는 방사 패턴 등에 따라 복수 개가 구비될 수 있다. 이들 수신부(21)는 각각 독립적으로 구동한다.
수신부(21)는 복수 개의 안테나(211)와 반사판(212)을 구비한다. 특히 반사판(212)은 열차(10)의 위치에 따라 각각 동작하여 안테나(211)의 빔 방향을 열차 방향으로 기울임으로써, 열차의 위치에 적합한 방사패턴을 형성한다.
여기서, 안테나(211)는 빔을 방사하며, 하나의 수신부(21) 내에서 서로 독립적으로 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 안테나(211)는 반사판(212)에 의해 빔 방향이 특정 방향으로 방향성을 가질 수 있게 된다.
반사판(212)은 유전체 또는 금속으로 형성되며, 각각은 안테나(211)를 구획지으며, 각 안테나(211)로부터 방사된 빔을 반사시킨다. 반사판(212)은 열차의 위치에 따라 각기 독립적으로 구동함으로써, 안테나(211)의 빔 방향이 특정 방향으로 방향성을 가질 수 있게 된다.
각 안테나(211)의 방사 패턴은 구조적인 조건에 의해 반사판(212)의 반대 방향으로 형성될 수 있다. 한편, 각 안테나(211)에 연결된 포트(213)의 온 오프 상태 또는 전력 세기에 따라 전파 세기도 조절될 수 있다.
이에, 전파는 반사판(212)의 물리적 움직임에 따라 역사 내 실시간 전파환경을 고려하여 효율적으로 전달될 수 있게 된다. 더욱이, 안테나(211)의 방사방향은 반사판(212)의 움직임에 의해 더욱 효과적으로 조절될 수 있다.
제어부(215)는 각 안테나(211)에 연결된 포트(213)의 세기 또는 전력 세기에 의해서 안테나(211)의 전파 세기를 제어한다. 이 경우, 제어부(215)는 반사판(212)의 물리적 움직임을 제어하여 전파를 효율적으로 전달할 수 있다. 즉, 제어부(215)는 위치 측정부(22)에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 반사판(212)을 제어하여 안테나(211)의 빔 방향을 기울임으로써, 열차의 위치에 적합한 방사 패턴을 형성한다.
이 경우, 각 제어부(215)는 반사판(212)을 열차(10)의 위치에 따라 각각 동작함으로써, 각각의 수신부(21)가 서로 상이한 방사 패턴을 형성할 수 있도록 한다.
이와 같이, 반사판(212)이 열차의 위치에 따라 실시간으로 움직여 안테나(211)의 방사패턴을 조절함으로써, 안테나(211)가 고정형에 비해 효율적으로 사용될 수 있으며, 그 설치 대수도 줄일 수 있다. 또한 설치 대수가 감소됨에 따라 안테나(211)에 대한 유지 보수 비용도 감소할 수 있다.
아울러, 열차 진입 방향으로 첫 번째에 위치하는 수신부(21)의 반사판(212)은 열차(10)의 진입을 즉각적으로 감지할 수 있도록 열차 진입 방향을 향해 고정 설치될 수 있다. 그러나, 반사판(212)은 수신부(21)가 열차 진입 방향의 첫 번째에 위치하더라도 회전형으로 설치될 수 있음은 당연하다.
이하 안테나(211)의 개수가 2개인 경우와 4개인 경우를 예시로 설명한다.
도 3 을 참조하면, 2개의 안테나(211)가 접지부(214)에 설치되고, 하나의 반사판(212)이 2개의 안테나(211)를 구획짓는다. 즉, 2개의 안테나(211)가 하나의 반사판(212)을 중심으로 양측에 각각 배치된다. 도 3 에서, 도면부호(213)은 포트이며, 도면부호(214)는 접지부(214)이다. 이하 도면에서는 포트(213)는 생략한다.
여기서, 반사판(212)이 고정형으로 설치될 경우, 제어부(215)는 각 안테나(211)에 연결된 포트(213)의 세기 또는 전력 세기를 제어하여 전파 세기를 조절할 수 있다.
반면에, 반사판(212)의 물리적 움직임이 가능한 경우, 제어부(215)는 각 안테나(211)에 연결된 포트(213)의 전력 세기 또는 안테나(211)의 온 오프를 제어하여 전파 세기를 조절할 수 있다.
더욱이, 제어부(215)는 위치 측정부(22)에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 반사판(212)을 제어한다. 예를 들어, 제어부(215)는 반사판(212)을 2개의 안테나(211) 중 어느 하나의 방향으로 기울이거나, 또는 시계 방향이나 반시계 방향으로 회전시킴으로써, 열차의 위치에 적합한 방사 패턴을 형성할 수 있다.
도 4 를 참조하면, 4개의 안테나(211)가 원판형의 접지부(214)에 설치된다. 4개의 안테나(211) 각각은 접지부(214)의 사분면에 각각 설치되고, 4개의 반사판(212)이 4개의 안테나(211)를 구획짓는다.
여기서, 반사판(212)은 고정형으로 설치될 수 있다. 이 경우, 각 안테나(211)는 도 5 에 도시된 바와 같이 반사판(212)의 반대방향으로 빔을 방사한다. 안테나(211) 각각에 의해 총 4분면으로 일정한 전파 세기로 방사된다.
이외에도, 제어부(215)는 각 안테나(211)에 연결된 포트(213)를 온 오프시키거나, 또는 안테나(211) 각각의 전력 세기를 조절하여 그 전파 세기를 조절함으로써, 안테나(211)의 전파 세기를 제어할 수 있다.
반면에, 반사판(212)의 물리적 움직임이 가능한 경우, 제어부(215)는 각 안테나(211)에 연결된 포트(213)의 전력 세기 또는 온 오프를 제어할 뿐만 아니라, 위치 측정부(22)에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 반사판(212)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(215)는 반사판(212)을 기울이거나, 또는 시계 방향이나 반시계 방향으로 회전시킴으로써, 열차의 위치에 적합한 방사 패턴을 형성할 수 있다.
예를 들어, 제어부(215)는 도 6 에 도시된 바와 같이 1사분면과 2사분면을 구획짓는 반사판(212)을 2사분면 방향으로 회전시켜 그 방사 패턴을 도 5 의 방사패턴과 상이한 새로운 방향으로 형성하였다. 이 경우 방사 방향은 1사분면에 위치한 안테나(211)와 2사분면에 위치한 안테나(211)에 의해 형성된다.
도 7 을 참조하면, 제어부(215)는 1사분면과 2사분면을 구획짓는 반사판(212)을 2사분면 방향으로 회전시키고 1사분면과 4사분면을 구획짓는 반사판(212)을 4사분면 방향으로 회전시켜 그 방사 패턴을 도 6 의 방사패턴과 상이한 새로운 방향으로 형성하였다. 이 경우, 방사 방향은 1사분면에 위치한 안테나(211)와 2사분면에 위치한 안테나(211) 및 4사분면에 위치한 안테나(211)에 의해 형성된다.
전술한 바와 같이 반사판(212)을 회전시켜 안테나(211)의 방사패턴을 조절함으로써 효율적인 전파 전달이 이루어지도록 한다.
도 8 을 참조하면, 반사판(212)으로 나눠진 4개의 안테나(211)중, x축 안테나(211)만 포트(213)를 온한 경우 안테나 빔이 x방향으로만 향하는 것을 확인할 수 있다.
반사판(212)이 없는 경우는 x축 방향 이외에 다른 방향으로도 빔이 상당히 넓게 분포하여 방향성이 있는 대상에 대해서 효율적인 전파 전달이 되지 않음을 알 수 있다.
위치 측정부(22)는 가속도 센서(11)에 의해 감지된 가속도 정보 및 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 열차(10)의 위치를 측정한다.
도 9 를 참조하면, 위치 측정부(22)는 제1 이동거리 계산부(221), 전파신호세기 정보 검출부(223), 제2 이동거리 계산부(224), 가중치 검출부(225), 최종 이동거리 계산부(228) 및 열차 위치 검출부(229)를 포함한다.
제1 이동거리 계산부(221)는 가속도 센서(11)에 의해 감지된 가속도 정보를 이용하여 제1 이동거리(Sa)를 계산한다. 제1 이동거리(Sa)는 가속도 정보를 이용하여 계산된 열차(10)의 이동거리이다.
제1 이동거리 계산부(221)는 제1 이동거리(Sa)를 다음의 수식을 이용하여 계산한다.
Sa= S0 + S1 + S2 … + Sn -1 + Sn 이고, Sn= a1 + a1 + a1 … + an-1 + 1/2an 이다.
Sn은 열차(10)가 출발한지 n초 후에 1초 동안 움직인 거리(설정주기는 1초)이며, an은 열차(10)가 출발한지 n초 후의 가속도 정보이다.
전파신호세기 정보 검출부(223)는 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보, 예를 들어 전파신호세기(Received Signal Strength;RSS), 순시 전파신호세기 벡터 및 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터)를 계산한다.
여기서 역사(20) 내 임의의 그리드 구조의 한 부분에서 얻어지는 N개의 접근점들로부터 발생된 전파들은 순시 전파신호세기 벡터 및 그리드 각 영역에서 측정한 실제 평균 전파신호세기 벡터를 저장한 핑거 프린트 벡터로 나타내어질 수 있다.
순시 전파신호세기 벡터는 xi={xi1,xi2,…,xij｜xik∈Rk}와 같이 표현되며, 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터)는 ri={ri1,ri2,…,rij｜rik∈Rk}와 같이 표현된다.
여기서, 평균 전파신호세기 벡터 ri의 구성 성분들은 그리드 각 구역에서 얻어지는 랜덤 신호 성분으로 구성되어 있으므로 평균 전파신호세기 벡터 ri는 랜덤 성분을 갖는 벡터로 정의할 수 있다. 이 때 평균 전파신호세기 벡터 ri의 구성 성분은 서로 독립적인 신호 원(signal source)에서 발생하였기 때문에 상호 독립적인(mutually independent) 랜덤 변수로 이해될 수 있다.
본 실시예에서는 평균 전파신호세기 벡터 ri의 구성 성분들이 표준편차 σ를 갖는 가우시안 랜덤 분포를 갖는다고 가정하였으며, 이 램덤 변수의 실제 평균, E[rij]는 상수 평균을 갖는다고 가정하였다.
이와 같은 가정은 IEEE 802.11 무선 네트워크상에서의 신호 강도 측정, 및 그 분포에 대한 실제적인 실험 결과를 기반으로 한다.
순시 전파신호세기 벡터 xi와 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터) ri 간의 기하학적 거리는 이들 두 벡터 간의 유사도(similarity)를 나타내는 척도이다.
순시 전파신호세기 벡터 xi와 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터) ri 간의 기하학적 거리가 짧을수록 유사도가 강하며, 핑거 프린트 데이터베이스에 저장된 좌표에 송신부(12)가 위치할 가능성이 크다는 것을 의미한다.
제2 이동거리 계산부(224)는 전파신호세기 정보 검출부(223)에 의해 검출된 전파신호세기 정보를 이용하여 열차(10)의 제2 이동거리(Sr)를 계산한다. 제2 이동거리(Sr)는 전파신호세기 벡터를 이용하여 계산된 열차(10)의 이동거리이며, 제2 이동거리(Sr)는 순시 전파신호세기 벡터 xi와 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터) ri 간의 기하학적 거리이다.
제2 이동거리 계산부(224)는 제2 이동거리(Sr), 즉 순시 전파신호세기 벡터 xi 와 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터) ri 간의 기하학적 거리를 아래의 식과 같이 유클리디안(Euclidean distance) 거리로 계산한다.
Figure pat00001
D는 유클리디안 거리이고, di는 순시 전파신호세기 벡터 xi와 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터) ri 간의 기하학적 거리이다.
가중치 검출부(225)는 전파신호세기 정보 검출부(223)에 의해 검출된 전파신호세기(RSS)에 따라, 제1 이동거리(Sa)의 제1 가중치(α) 및 제2 이동거리(Sr)의 제2 가중치(β)를 각각 계산한다. 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β)는 각각이 제1 이동거리(Sa) 및 제2 이동거리(Sr)에 각각 적용되어 최종 이동거리(S)의 정확도를 향상시킨다. 제1 가중치(α)는 제1 이동거리(Sa)에 반영되고 제2 가중치(β)는 제2 이동거리(Sr)에 반영된다.
즉, 열차(10)가 이동하게 되면 복수 개의 송신부(12)와 수신부(21)의 거리가 변경되어 전파신호세기(RSS)가 각각 변경되는 바, 복수 개의 송신부(12)와 수신부(21) 간의 거리에 따른 각각의 전파신호세기(RSS)에 따라 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β) 각각을 증감시킴으로써 열차(10)의 이동거리의 정확도를 향상시킨다.
이에 따라, 수신부(21)에서는 각 송신부(12)의 전파신호세기(RSS)가 서로 상이하게 될 수 있으며, 동일한 열차(10) 내의 송신부(12) 중 적어도 하나 이상으로부터 신호를 수신하지 못하는 경우도 발생될 수 있는 바, 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β)는 각 송신부(12)로부터 송출된 신호 각각의 전파신호세기(RSS)에 따라 제1 이동거리(Sa) 및 제2 이동거리(Sr)에 반영된다.
예를 들면, 가중치 검출부(225)는 각 송신부(12)로부터 송출된 신호 각각의 전파신호세기(RSS)에 따라 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β)를 실시간으로 검출한다.
도 10 을 참조하면, 열차(10)가 역사_1에서 출발하여 역사_2에 도착하는 과정에서, 송신부(x1,x2,x3)(12)과 수신부(21) 간에 거리가 증가할수록 수신부(21)의 수신된 전파신호세기(RSS)가 감소하므로 아래 표 1과 같은 성향을 보인다. 여기서, 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β)의 신뢰도는 모델링을 통하여 도출될 수 있다. 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β)의 합은 1이다.
전파신호세기(RSS)에 따른 가중치
차량
위치		 전파신호세기(RSS) 가중치 가중치 합
x1 x2 x3 제1 가중치(α) 제2 가중치(β) α+β
P0 90 100 90 0 1 1
P1 80 70 60 0.5 0.5 1
P2 60 10 0 0.4 0.6 1
P3 0 0 0 1 0 1
P4 0 10 30 0.4 0.6 1
P5 60 70 80 0.5 0.5 1
P6 90 100 90 0 1 1
표 1 을 참조하면, 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β)는 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기(RSS)에 따라 각각 증감되는데, 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기(RSS)가 증가할수록 제2 가중치(β)가 증가되고, 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기(RSS)가 감소할수록 제1 가중치(α)가 증가된다.
또한, 열차(10)가 P3와 같이 통신 불가능 구간에 있을 경우에는 신호 수신이 불가능하므로 제1 가중치(α)만 적용될 수 있고, 열차(10)가 P0 또는 P6와 같이 역사(20)에 있을 경우에는 전파신호세기(RSS)가 매우 강하므로 제2 가중치(β)만이 적용될 수 있다.
한편, 가중치 검출부(225)는 제1 가중치(α)와 제2 가중치(β) 각각을 열차(10)에 설치된 송신부(12)의 총 개수, 및 송신부(12) 중 수신부(21)에서 수신된 신호를 송출하는 송신부(12)의 개수를 토대로 계산한다.
즉, 제1 가중치(α)는 α=1-k(m/t)로 계산되고, 제2 가중치(β)는 β=k(m/t)로 계산된다. k는 모델링을 통한 파라미터 값이고, t는 차량에 설치된 송신부(12)의 총 개수이며, m은 수신부(21)에서 수신된 신호를 송출하는 송신부(12)의 개수이다.
최종 이동거리 계산부(228)는 제1 이동거리(Sa), 제2 이동거리(Sr), 제1 가중치(α) 및 제2 가중치(β)를 이용하여 열차(10)의 최종 이동거리(S)를 계산한다.
즉, 최종 이동거리 계산부(228)는 아래의 식과 같이, 제1 이동거리(Sa)에 제1 가중치(α)를 곱한 값과 제2 이동거리(Sr)에 제2 가중치(β)를 곱한 값을 합산하여 최종 이동거리(S)를 계산한다.
S=αSa + βSr, (α+β=1)
열차 위치 검출부(229)는 상기한 바와 같이 검출된 열차(10)의 최종 이동거리(S) 및 기 저장된 노선 정보를 이용하여 열차(10)의 위치를 최종적으로 검출한다. 노선 정보에는 송신부(12)의 MAC address, 역사 정보(역사 ID), 노선 길이 등이 포함되는 바, 열차 위치 검출부(229)는 이 노선 정보를 이용하여 현재 열차(10)가 운행중인 노선 및 접근역사를 인식할 수 있으며, 이 경우 출발역에 상기한 최종 이동거리(S)를 적용하여 열차(10)의 위치를 정확하게 검출한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치 측정 방법을 도 11 을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차 위치 측정 장치의 동작 순서도이다.
도 11 을 참조하면, 먼저 가속도 센서(11)가 기 설정된 설정 주기마다 열차(10)의 가속도를 검출한다(S10).
송신부(12)는 가속도 센서(11)에 의해 감지된 가속도 정보를 수신부(21)로 송출한다. 송신부(12)는 상기한 바와 같이 열차(10)에 복수 개가 설치되는 바, 각각이 열차(10)의 각 차량에 구비될 수 있다. 이에 송신부(12) 각각은 서로 독립적으로 수신부(21)로 신호를 송출한다.
수신부(21)는 송신부(12) 각각으로부터 송출된 신호를 수신한다.
수신부(21)에 송신부(12) 각각으로부터 송출된 신호가 수신되면, 제1 이동거리 계산부(221)는 가속도 센서(11)에 의해 감지된 가속도 정보를 이용하여 제1 이동거리(Sa)를 계산한다(S20).
한편, 수신부(21)를 통해 수신되는 신호의 전파신호세기(RSS)는 열차(10)와의 거리에 따라 서로 다르게 검출될 수 있으며, 송신부(12)와 수신부(21) 간의 거리가 가까울수록 증가한다.
전파신호세기 정보 검출부(223)는 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보, 예를 들어 전파신호세기(RSS), 순시 전파신호세기 벡터 및 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터)를 검출한다(S30).
이어 제2 이동거리 계산부(224)는 순시 전파신호세기 벡터 xi 와 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터) ri 를 이용하여 제2 이동거리(Sr), 즉 순시 전파신호세기 벡터 xi 와 평균 전파신호세기 벡터(핑거 프린트 벡터) ri 간의 기하학적 거리를 계산한다(S40).
한편, 가중치 검출부(225)는 열차(10)에 설치된 송신부(12)의 총 개수 및 송신부(12) 중에서 수신부(21)에서 수신된 신호를 송출하는 송신부(12)의 개수를 토대로 제1 이동거리(Sa)의 제1 가중치(α) 및 제2 이동거리(Sr)의 제2 가중치(β)를 각각 계산한다(S50).
이어, 최종 이동거리 계산부(228)는 제1 이동거리(Sa), 제2 이동거리(Sr), 제1 가중치(α) 및 제2 가중치(β)를 이용하여 열차(10)의 최종 이동거리(S)를 계산한다. 즉, 최종 이동거리 계산부(228)는 제1 이동거리(Sa)에 제1 가중치(α)를 곱한 값과 제2 이동거리(Sr)에 제2 가중치(β)를 곱한 값을 합산하여 최종 이동거리(S)를 계산한다(S60). 이 경우, 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기(RSS)가 증가할수록 제2 가중치(β)가 증가되고, 수신부(21)에 의해 수신된 신호의 전파신호세기(RSS)가 감소할수록 제1 가중치(α)가 증가되며, 열차(10)가 통신 불가능 구간에 있을 경우에는 제1 가중치(α)만 적용될 수 있고, 열차(10)가 역사(20)에 있을 경우에는 전파신호세기(RSS)가 매우 강하므로 제2 가중치(β)만이 적용될 수 있다.
이어 열차 위치 검출부(229)는 노선 정보, 예를 들어 송신부(12)의 MAC address, 역사 정보(역사 ID), 노선 길이 등을 이용하여 현재 열차(10)가 운행중인 노선 및 접근역사를 인식하고, 이 노선 정보와 상기한 최종 이동거리(S)를 이용하여 열차(10)의 위치를 검출한다. 예를 들어 열차 위치 검출부(229)는 출발역에 상기한 최종 이동거리(S)를 적용하여 열차(10)의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.
이와 같이, 열차 위치가 검출됨에 따라, 제어부(215)는 제어부(215)는 측정된 열차(10)의 위치에 따라 반사판(212)을 제어하여 안테나(211)의 빔 방향을 기울임으로써, 열차(10)의 위치에 적합한 방사 패턴을 형성한다(S80).
또한, 제어부(215)는 각 안테나(211)에 연결된 포트(213)의 세기 또는 온/오프 정도에 의해서 안테나(211)의 주요 전파 방향을 제어한다.
이러한 과정은 열차의 위치가 측정될 때마다 수행하며, 각 수신부(21)가 독립적으로 동작함으로써, 각 수신부(21)의 안테나(211)가 서로 다른 방사 패턴을 형성하게 된다.
이와 같이 본 발명의 열차 위치 측정 장치는 열차(10)의 가속도 및 열차 진출입에 따른 전파신호세기 정보를 조합하여 열차의 위치를 간단하고 정확하게 검출한다.
또한, 본 발명의 열차 위치 측정 장치는 승강장의 안테나가 열차의 위치에 따라 방사패턴을 조절함으로써, 고정형에 비해 안테나를 좀 더 효율적으로 사용할 수 있도록 하고, 그 설치 대수도 감소시킨다.
게다가, 본 발명의 열차 위치 측정 장치는 안테나(212)의 설치 대수를 감소시켜 안테나 유지 보수 비용을 감소시킨다.
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: 열차 11: 가속도 센서
12: 송신부 20: 역사
21: 수신부 211: 안테나
212: 반사판 213: 포트
214: 접지부 215: 제어부
22: 위치 측정부 221: 제1 이동거리 계산부
223: 전파신호세기 정보 검출부 224: 제2 이동거리 계산부
225: 가중치 검출부 228: 최종 이동거리 계산부
229: 열차 위치 검출부 22: 위치 측정부
221: 제1 이동거리 계산부 223: 전파신호세기 정보 검출부
224: 제2 이동거리 계산부 225: 가중치 검출부
228: 최종 이동거리 계산부 229: 열차 위치 검출부

Claims (16)

  1. 열차의 가속도를 감지하는 가속도 센서;
    열차에 설치되어 신호를 송출하는 송신부;
    안테나를 통해 상기 송신부로부터 송출된 신호를 수신하는 수신부; 및
    상기 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 정보 및 상기 수신부에 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 열차의 위치를 측정하는 위치 측정부를 포함하고,
    상기 수신부는 상기 위치 측정부에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 안테나의 방사 패턴을 조절하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수신부는
    상기 안테나의 빔을 반사시키는 반사판; 및
    상기 위치 측정부에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 상기 반사판을 구동시켜 상기 안테나의 방사 패턴을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 안테나와 상기 반사판 각각은 복수 개가 구비되어 서로 독립적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 반사판의 기울기를 조절하거나, 상기 반사판을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 안테나의 포트를 온 오프시키거나 또는 전력 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 위치 측정부는
    상기 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 정보를 이용하여 열차의 제1 이동거리를 계산하는 제1 이동거리 계산부;
    상기 송신부로부터 송출되어 상기 수신부에 수신된 신호 각각의 전파신호세기 정보를 검출하는 전파신호세기 정보 검출부;
    상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 열차의 제2 이동거리를 계산하는 제2 이동거리 계산부;
    상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보를 이용하여 상기 제1 이동거리의 제1 가중치 및 상기 제2 이동거리의 제2 가중치를 각각 계산하는 가중치 검출부;
    상기 제1 이동거리, 상기 제2 이동거리, 상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치를 이용하여 열차의 최종 이동거리를 계산하는 최종 이동거리 계산부; 및
    상기 최종 이동거리 계산부에 의해 계산된 상기 최종 이동거리 및 기 저장된 노선 정보를 이용하여 열차의 위치를 검출하는 열차 위치 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 이동거리 계산부는
    상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 검출된 전파신호세기 정보 중 순시 전파신호세기 벡터와 평균 전파신호세기 벡터를 이용하여 상기 제2 이동거리를 검출하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 가중치 검출부는
    상기 전파신호세기 정보 검출부에 의해 검출된 전파신호세기 정보 중 상기 송신부으로부터 전달된 신호 각각의 전파신호세기에 따라 상기 제1 가중치와 상기 제2 가중치 각각을 증감시키는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 가중치 검출부는
    상기 송신부으로부터 전달된 신호 각각의 전파신호세기가 증가할수록 상기 제2 가중치를 증가시키고, 상기 수신부에 의해 수신된 신호의 전파신호세기 정보가 감소할수록 상기 제1 가중치를 증가시키는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 가중치 검출부는
    열차에 설치된 상기 송신부의 총 개수, 및 상기 송신부 중에서 상기 수신부에서 수신된 신호를 송출하는 송신부의 개수를 토대로 상기 제1 가중치와 상기 제2 가중치 각각을 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 최종 이동거리 계산부는
    상기 제1 이동거리에 상기 제1 가중치를 곱한 값과 상기 제2 이동거리에 상기 제2 가중치를 곱한 값을 합산하여 상기 최종 이동거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 열차 위치 검출부는
    상기 노선 정보를 토대로 열차의 출발역을 검출하고, 상기 출발역의 위치 정보에 상기 최종 이동거리를 반영하여 열차 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  13. 안테나;
    상기 안테나의 빔을 반사시키는 반사판; 및
    위치 측정부에 의해 측정된 열차의 위치에 따라 상기 반사판을 구동시켜 상기 안테나로부터 방사된 빔의 방사 패턴을 조절하는 제어부를 포함하는 열차 위치 측정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 안테나와 상기 반사판 각각은 복수 개가 구비되어 서로 독립적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 반사판의 기울기를 조절하거나, 상기 반사판을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 안테나의 포트를 온 오프시키거나 또는 전력 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.
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