KR20190050433A - 신호장치와 인식장치를 이용한 고속열차 위치 검출 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템은, 철도선로에 순차적으로 배치되어 개별적으로 특징적인 신호마크를 표현하는 신호장치와, 상기 신호장치를 구성하는 다수 개의 신호기와, 상기 철도선로를 따라 운행하는 고속열차에 구비되어 상기 각각의 신호장치에서 주사되는 신호마크를 인식하는 인식장치와, 상기 인식장치를 구성하는 다수 개의 인식기와, 상기 각각의 인식기에 의해 인식된 정보를 분석하여 고속열차의 위치정보를 산출하는 분석회로를 포함하여 이루어진다.
상기 신호장치는 배열구조가 각기 다른 다수의 열로 구성되고, 각 열은 다수 개의 상기 동일한 신호를 표현하는 신호기로 구성됨으로써 각 열의 신호로 각기 다른 형태의 신호마크를 주사한다. 상기 신호기는 발광장치와 자기장치 두 가지가 가능하며, 상기 신호장치를 인식하는 상기 인식장치를 구성하는 상기 인식기는 상기 신호장치가 발광장치로 구성된 경우 발광인식장치가 가능하고 상기 신호장치가 자기장치로 구성된 경우 자기인식장치가 가능하다.
이와 같은 본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템에 의하면 신호장치와 인식장치의 상호반응 특성상, 고속열차의 주행속도 및 기상여건 등과 상관없이 고속열차의 위치검출이 정밀하게 이루어지기 때문에 결과적으로 고속열차의 안전운행에 도움을 주는 이점이 있다.

Description

신호장치와 인식장치를 이용한 고속열차 위치 검출 시스템{Found of express train location}

본 발명은 고속으로 운행하는 고속열차의 위치를 정밀하게 검출할 수 있는 고속열차의 위치정보 검출시스템에 관한 것이다.

열차의 운행이 점점 늘어나면서 열차의 속도가 점차 빨라지고 다양한 기술 개발이 이뤄지고 있어 열차의 안정성 또한 매우 중요하다. 이를 위해 열차의 정밀한 위치 검출이 필요한 바이다.

열차의 위치를 측정하는 방법으로는 여러 가지가 있고 각 방법의 설명은 다음과 같다.

타코미터 기술은 열차 바퀴의 회전수를 측정하여 이동거리로 위치를 산출해준다. 이 기술은 열차의 급가속 급감속으로 인한 슬라이딩이나 공회전이 발생하면 오차가 많이 생겨 운전기장의 숙련된 운행이 요구되는 기술이다.

RFID 기술은 NFC기술과 유사한 방식으로 레일의 일정간격마다 정보를 전달해주는 수신기를 설치하여 열차가 지나갈 때 수신기를 인식하는 방식이다. 이 기술은 수신기의 전달 속도가 제한되어 있어 열차가 수신기의 전달 속도를 맞춰 지나가야만 위치정보를 받을 수 있다. 이렇게 수신에 시간이 필요하여 속도 300km/h이상의 고속열차에는 사용에 한계가 있다.

궤도회로를 이용한 방법은 레일에 전기신호를 주어 레일 위에 열차의 유무를 판단하여 열차의 위치를 파악하는 방식이다. 이 기술은 전기신호의 오류가 빈번하게 발생하여 열차의 위치파악보다는 차량의 선로이탈 여부를 확인하는 용도로 쓰이고 있다.

GPS기술은 GPS와 INS기술을 같이 이용하여 위치를 파악하는 방식으로 물체의 위치를 1초마다 GPS가 파악하고 1초 사이에 움직인 위치는 INS기술로 파악한다. INS기술은 자이로센서를 이용한 기술로 물체가 이동하는 방향을 기록하여 움직일 위치를 여러 경우의 수로 파악하는 기술이다. 경우의 수는 1초 뒤 다시 GPS의 정보로 보정되며 매우 정확도가 높은 기술이다. 그러나 비행기나 자동차등 여러 방향으로 움직이는 물체에 사용되기에는 적합하지만, 정해진 레일을 따라 이동하는 열차나 정해진 guideway를 따라 이동하는 물체에는 매우 비경제적이며, GPS신호에 장애물인 방음벽과 터널, 산지 등이 고속열차 선로 상에 많이 등장하여 매우 부적합하다.

- 거리 센서를 이용한 열차 위치 검지 시스템(출원번호: 10-2013-0132120) - 초고속 자기부상열차의 실시간 상대위치 및 절대위치 검지 장치(출원번호: 10-2013-0136833) - 열차번호 추적과 열차진로제어를 위한 열차번호 확인시스템 및 그 방법(출원번호: 10-20009-0031287) - 철도차량의 실시간 위치추적 시스템 및 그 운용방법(출원번호: 10-2008-0132566)

(논문) '400Km/h 급 열차 위치 검지를 위한 태그-프로그래머 초기 설계에 관한 연구' (주병호, 박완수, 김성태, 지정근 유경제어(주)) (논문) '열차위치검지시스템 성능평가 인프라 구축 방안'(박성수, 김성진, 이재호, 유일선, 김혜윤, 권민정 2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집) (논문) '위치검지 센서를 활용한 열차 위치검지 시스템의 기초 결과'(김성진, 박성수, 이재호, 권민정, 김혜윤 2014년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집) (논문) '철도교통 적용을 위한 고속 고정밀 위치검지 기술 연구'(이재호, 박성수, 김혜윤 2013년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집)

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 200km/h 이상의 모든 고속열차의 정밀하고 안정된 위치 검출이 가능한 시스템의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템은, 철도선로에 순차적으로 배치되어 개별적으로 특징적인 신호를 주사하는 신호장치와, 상기 신호장치를 구성하는 다수 개의 신호기와, 상기 철도선로를 따라 운행하는 고속열차 하단부에 구비되어 상기 각각의 신호장치를 인식하는 인식장치와, 상기 인식장치를 구성하는 다수 개의 인식기와, 상기 인식기에 인식된 정보를 분석하여 상기 고속열차의 위치를 산출하는 분석회로를 포함하여 이루어진다.

상기 신호장치는 배열구조가 각기 다른 다수의 열로 구성되고, 각 열은 다수 개의 상기 동일한 신호를 표현하는 신호기로 구성됨으로써 각기 다른 형태의 신호마크를 주사하는 것을 특징으로 한다. 상기 신호기는 발광장치와 자기장치 두 가지가 가능하며, 상기 발광장치의 경우는 빛의 유무의 2진법으로 각기 다른 다양한 신호마크를 표현하는 것을 특징으로 하고, 상기 자기장치는 N극, S극, 무극의 3진법으로 각기 다른 다양한 신호마크를 표현하는 것을 특징으로 한다.

상기 인식장치는 상기 신호장치의 신호마크를 인식하여 인식한 정보를 분석회로로 전송하는 것을 특징으로 하며 상기 인식장치를 구성하는 인식기는 상기 발광장치로 구성된 신호장치를 인식하는 발광인식장치와 상기 자기장치로 구성된 신호장치를 인식하는 자기인식장치 두 가지가 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출 시스템에 의하면 신호장치와 인식장치의 상호반응 특성상, 고속열차의 주행속도 및 기상여건 등과 상관없이 고속열차의 위치검출이 정밀하게 이루어지기 때문에 고속열차의 안전한 주행에 있어 이점이 있다.

도 1: 본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템의 구성을 나타낸 개념도
도 2: 본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템에 있어서, 발광장치의 구성을 나타낸 도면
도 3a, 3b: 본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템에 있어서, 발광장치에 의하여 인식장치가 작동하는 과정을 나타낸 도면
도 4: 본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템에 있어서, 인식장치의 구성을 나타낸 도면

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도 1 부터 도 4 까지 참조로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 고속열차의 위치정보 검출시스템은, 도 1에 나타난 것과 같이 철도선로(R)에 순차적으로 배치되어 개별적으로 특징적인 신호마크를 주사하는 신호장치(10)와, 상기 철도선로(R)를 따라 운행하는 고속열차(T)에 구비되어 상기 각각의 신호장치(10)에서 주사되는 신호마크와 반응하는 인식기(21)로 구성된 인식장치(20)와, 상기 고속열차(T)에 구비되어 상기 인식장치(20)에서 반응한 상기 인식기(21)를 분석하여 상기 고속열차(T)의 위치를 산출하는 분석회로를 포함하여 이루어진다.

도 2에 나타난 것과 같이 상기 각각의 신호장치(10)는 설치된 위치에 따라 각기 다른 형태의 신호마크를 주사하도록 5열로 구성되어 배열구조가 각기 다른 여러 가지의 신호마크를 표현한다. 상기 신호장치(10)는 2열에서 15열로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 5열에서 12열, 더 바람직하게는 10열이다. 상기 신호장치(10)의 각 열의 간격은 0.5cm에서 5cm로 이루어지며, 간격이 좁아 혼선이 생길 경우는 각 열 사이에 가림막을 설치한다. 상기 가림막은 상기 인식장치의 높이보다 0.5cm에서 2cm 낮게 설치하고, 재질은 빛 투과가 불가능한 아크릴, 포맥스 이런 것이 가능하다. 상기 신호장치(10)의 설치 길이는 고속열차의 속도 단위를 m/s로 환산하였을 때 나오는 값을 1/100 한 수치로, 바람직하게는 상기 수치에 가까운 m 단위의 정수로 이루어질 수 있다. 해당 수치는 당업자에 따라 자유롭게 본 발명의 특징을 유지하는 범위 내에서 변형될 수 있다. 상기 신호장치(10)를 구성하는 신호기(11)는 다수 개로, 예를 들면, n개로 구성되어있고, 바람직하게는 5cm에서 10cm 간격으로 더 바람직하게는 5cm로 간격으로 설치하여 상기 신호장치(10)를 구성한다. 상기 신호장치(10)에서 각 열의 상기 각각의 신호기(11)는 동일한 신호를 표시한다.

상기 신호기(11)는 발광장치와 자기장치 두 가지 종류가 가능하며, 상기 발광장치는 LED, 발광다이오드, 형광등 이런 것이 가능하고, 상기 자기장치는 자석이 가능하다.

상기 신호장치(10)가 발광장치로 구성된 경우, 빛의 유무로 2진법으로 다양한 신호마크 표현이 가능하고, 자기장치로 구성된 경우, N극, S극, 무극으로 3진법으로 다양한 신호마크 표현이 가능하다.

도 4에 나타난 것과 같이 상기 인식장치(20)는 상기 고속열차(T)의 하단부에 설치되어 상기 인식기(21) 5개로 구성되어있다. 상기 인식장치(20)는 상기 신호장치에 설치된 열의 개수만큼의 인식기(21)로 구성되어 이루어진다. 상기 각각의 인식기(21)는 상기 각 열의 신호장치(10) 간격에 맞게 설치된다.

상기 인식기는 발광인식장치와 자기인식장치 두 가지 종류가 가능하며, 상기 발광인식장치는 상기 신호기가 발광장치일 경우, 조도센서, 포토센서 이런 것이 가능하고, 상기 자기인식장치는 상기 신호기가 자기장치일 경우, 솔레노이드, 홀센서 이런 것이 가능하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 고속열차(T)의 위치정보 검출시스템의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 고속열차(T)가 철도선로(R)를 주행함에 따라 신호장치(10)가 배치된 지점을 통과게 되면, 고속열차(T)에 구비된 인식장치(20)의 인식기(21)가 신호장치(10)로부터 주사되는 신호마크를 인식한다.

여기서 상기 신호장치(10)의 신호마크는 다수개의 직선 라인이 조합된 일종의 바코드와 같은 형태로 이루어지게 된다. (도 3a, 3b 참조)

고속열차(T)에 구비된 분석회로에서는 인식장치(20)에 의해 인식된 신호마크의 형태를 분석하여 해당 고속열차(T)의 위치정보를 파악하게 되고, 이러한 고속열차(T)의 위치정보를 고속열차(T)의 운행을 지휘하는 통제본부로 전달하게 됨으로써 통제본부에서는 해당 고속열차(T)의 위치를 지속적으로 파악하게 된다.

상기 신호장치(10)는 고속열차(T)의 속도를 고려한 길이를 산정하여 철도선로(R)에 설치되어 있기 때문에 고속열차(T)의 운행속도가 아무리 빠르더라도 인식장치(20)의 인식은 정확하게 이루어진다.

본 발명의 구현예는 다음과 같다.

본 발명의 구현을 위해 상기 고속열차(T)를 미니카로, 철도선로(R)를 미니카 트랙으로 대체하였다.

상기 미니카 트랙에는 발광다이오드 4개씩 3열로 3군데 일정간격을 띄워 신호장치를 설치하였다. 상기 신호장치의 각 열의 간격은 1cm로 하였고, 각 열의 발광다이오드 간격은 1.5cm로 하였다. 상기 각각의 신호장치는 개별적인 신호마크를 표현하기 위해 첫 번째 신호장치는 왼쪽 열만 빛이 나타나고, 두 번째 신호장치는 가운데 열만 빛이 나타나고, 세 번째 장치는 오른쪽만 빛이 나타나게 하였다. 상기 모든 신호장치는 건전지를 이용한 회로로 구성하여 신호마크를 구현하였다.

상기 미니카 하단에는 아두이노의 조도센서를 이용하여 상기 신호장치의 각 열의 간격에 맞게 3개 설치하였다. 상기 미니카 상단에는 각각의 조도센서가 반응하는 조합을 표현할 색깔이 각기 다른 3개의 발광다이오드를 설치하였다.

상기 미니카 상단의 각기 다른 색깔의 발광다이오드는 첫 번째 신호장치의 신호마크에서는 빨간색이 점멸되게, 두 번째 신호장치의 신호마크에서는 노란색이 점멸되게, 세 번째 신호장치의 신호마크에서는 초록색이 점멸되게 아두이노 기판에 매크로를 입력하였다.

이와 같이 구성된 구현예에 따른 위치정보 검출시스템의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 미니카가 미니카트랙을 주행함에 따라 신호장치가 배치된 지점을 통과게 되면, 미니카에 구비된 인식장치인 조도센서가 신호장치로부터 주사되는 신호마크를 인식한다.

상기 조도센서가 인식한 조합을 아두이노 기판에 저장된 매크로를 통해 분석하여 해당 신호장치의 위치정보를 상기 미니카 상단의 각기 다른 색깔의 발광다이오드로 표현한다. 표현된 색깔과 신호장치가 일치하는지 확인한다.

이와 같이 작동하는 구현예에 따른 위치정보 검출시스템의 결과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

미니카가 각각의 신호장치를 통과할 때마다 순간적으로 미니카 상단의 각기 다른 색깔의 발광다이오드가 해당 신호장치에 맞는 색깔을 점멸하면서 미니카가 신호장치에 위치하였다는 정보를 확인할 수 있었다.

미니카가 15km/h의 속도로 주행하면서 조도센서가 신호마크를 인식하는데 신호장치의 길이 4.5cm가 바람직한 길이로 산정되어, 이러한 비율을 고속열차(T)에도 반영한다면 인식장치가 신호마크를 인식할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면 신호장치(10)의 개별적인 신호마크를 인식장치(20)가 인식하는 구성의 특징상 고속열차(T)와 같은 속도가 빠른 고속열차(T)의 경우에도 위치의 검출이 정밀하게 이루어지게 된다.

본 발명은 정해진 선로를 따라 이동하는 열차의 위치를 검출하는 시스템으로 응용을 하면 guideway를 따라 이동하는 모노레일, 캡슐을 이용한 하이퍼루프 이동기술 등의 운송수단에는 모두 적용할 수 있다.

10 : 신호장치 11 : 신호기
20 : 인식장치 21 : 인식기

Claims (7)

1. 철도선로에 순차적으로 배치되어 개별적으로 특징적인 신호마크를 주사하는 신호장치와,
   상기 신호장치를 구성하는 다수 개의 신호기와,
   상기 철도선로를 따라 운행하는 고속열차 하단부에 구비되어 상기 각각의 신호장치를 인식하는 인식장치와,
   상기 인식장치를 구성하는 다수 개의 인식기와,
   상기 인식기에 인식된 정보를 분석하여 상기 고속열차의 위치를 산출하는 분석회로
   를 포함하는 고속철도 위치정보 검출 시스템.
2. 제1항에 있어서
   상기 신호장치는 배열구조가 각기 다른 다수의 열로 구성되고, 각 열은 다수 개의 상기 동일한 신호를 표현하는 신호기로 구성됨으로써 각기 다른 형태의 신호마크를 주사하는 것
   을 특징으로 하는 고속열차의 위치검출시스템.
3. 제 2항에 있어서
   상기 신호기는 빛의 유무의 2진법으로 각기 다른 다양한 신호마크를 표현하는 발광장치인 것
   을 특징으로 하는 고속열차의 위치검출시스템.
4. 제 2항에 있어서
   상기 신호기는 N극, S극, 무극의 3진법으로 각기 다른 다양한 신호마크를 표현하는 자기장치인 것
   을 특징으로 하는 고속열차의 위치검출시스템
5. 제 1항에 있어서
   상기 인식장치는 다수개의 인식기로 구성됨으로써 상기 신호장치의 신호마크를 인식하여 인식한 정보를 분석회로로 전송하는 것
   을 특징으로 하는 고속열차의 위치검출시스템.
6. 제 5항에 있어서
   상기 인식기는 상기 발광장치로 구성된 신호장치를 인식하는 발광인식장치인 것
   을 특징으로 하는 고속열차의 위치검출시스템
7. 제 5항에 있어서
   상기 인식기는 상기 자기장치로 구성된 신호장치를 인식하는 자기인식장치인 것
   을 특징으로 하는 고속열차의 위치검출시스템

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