KR20190069410A - 철로 트랙의 레일의 부분적 또는 완전한 파괴를 검출하기 위한 철로 트랙 상태 모니터링 시스템 - Google Patents

철로 트랙의 레일의 부분적 또는 완전한 파괴를 검출하기 위한 철로 트랙 상태 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

트랙의 레일 상에 설치되고 서로로부터 미리 결정된 거리만큼 이격되는 복수의 센서들을 포함하는 철로 트랙 상태 모니터링 시스템. 센서들은 각각, 접근하는 열차에 의해 생성되고 레일에 의해 또는 레일을 지탱하는 지면에 의해 전파되는 음향 신호의 취득 및 기록을 위한 신호 취득 및 기록 수단을 갖는다. 센서들 근처에서 열차의 통과 시에 무선 전달에 의해 취득되고 기록된 신호의 통과하는 열차로의 전달을 위한 신호 전달 수단과, 통과하는 열차 차내에서 취득되고 기록된 신호의 전송된 신호들을 분석하기 위한 신호 분석 수단이 있다. 신호 분석 수단은 인접한 센서들로부터의 신호들을 프로세싱 유닛에서 비교하고 그것에 기초하여 레일 불연속을 나타내도록 적응될 수 있다.

Description

철로 트랙의 레일의 부분적 또는 완전한 파괴를 검출하기 위한 철로 트랙 상태 모니터링 시스템
본 발명은 철도 관계자 또는 철도 오퍼레이터들이 레일들에서의 잠재적 파손(break)들에 대해 레일 트랙들을 지속적으로 모니터링하는 것을 도울 수 있는, 철로 트랙의 레일의 부분적 또는 완전한 파괴(disruption)를 검출하기 위한 철로 트랙 모니터링 시스템에 관한 것이다.
철로 트랙들에 사용되는 레일 프로파일들에서의 파단(fracture)들의 연속적인 전개 또는 갑작스러운 발생은, 그것이, 가장 극단적인 경우들에서, 열차들 및 철도 차량들의 탈선을 야기할 수 있고, 그런고로 인적 손실과 재정적 손실 둘 다로 이어지므로, 심각한 문제로서 간주된다. 특히 겨울철과 극히 저온인 동안, 파손된 레일들이 더 자주 발생한다. 저온은 강철 프로파일들의 수축으로 이어지며, 이는, 가장 심한 경우들에서, 레일들의 완전한 파괴로 끝난다(예컨대, http://www.aftenposten.no/nyheter/iriks/Kulden-stopper-togene-8306239.html). 또한, http://www.tu.no/samferdsel/2016/01/17/pa-disse-togstrekningene-er-det-storst-fare-for-skinnebrudd?utm_source=newsletter-2016-01-18&utm_medium=email&utm_campaign=newsletter를 참조한다.
본 명세서에서 제안된 감시 절차는 반연속적(거의 실시간) 모드에서의 레일들의 부분적 또는 완전한 파괴(즉, 전체 프로파일을 통해 지나가고 그런고로 레일의 완전한 분리로 이어지는 더 큰 균열들(cracks))를 목표로 한다. 제안된 절차는 레일들에서 느리게 전개하고 있고 철도 안전에 심각한 위협을 나타내지 않는 작은 파단들(열창들(fissures), 헤어라인 균열들)을 식별하도록 의도되지 않는다. 철로 트랙들의 강철 프로파일들에서의 작은 파단들의 원인들은 예를 들어, 조작, 화학적 침식으로 인한 기계적 퇴화(마모)와 같이 다양할 수 있다. 그러나, 레일들의 완전한 분리('파손 레일' 효과로서 알려짐)는 이들 영향들의 장기적인 결과일 뿐만 아니라, 또한
- 온도 변동들(재료들의 열기계적 수축/팽창)
- 결함있는 용접 접합들(seams)/조인트들(joints)
- 훼손(vandalism), 사보타주,
- 다른 영향들(예컨대, 낙석, 사고)
에 의해 야기되는 갑작스런 효과일 수 있다.
본 명세서에서 제안된 절차는 현존 검사 절차들을 대신하지 않고 그것들을 더 보완하고 철도 교통의 추가적인 안전에 단순히 기여한다.
알려진 해결책들, 및 이들에 함께 하는 문제들.
Norsk Jernbaneverkets Teknisk Regelverk (JBV-TR; https://trv.jbv.no/wiki/Forside)에 따르면, 열창들 및 파단들의 존재에 관해 철로 트랙들을 검사하고 조사하는 절차들이 존재한다. JBV-TR에서 취할 수 있는 한에서, 다음의 두 가지 검사 유형들이 주로 실용적이다:
- 육안 검사(a),
- 초음파 제어(b).
육안 검사들(a)이 특정한 정확도 레벨만 제공할 수 있으며, 고도로 편향되며, 주관적이고, 전체 철로 네트워크에 대해 정기적으로 수행되었으면, 고도로 비효율적일 뿐 아니라 비용이 많이 들 것이므로, 더 자동화된 작동 모드에서 수행되는 더욱 기술적인 절차가 바람직할 수 있다. 그러나, 초음파 제어(b)에 기초한 현존 모니터링 절차들의 유효성 및 신뢰도에 대해 JBV-TR에서는 정보가 제공되지 않는다. 노르웨이의 Jernbaneverket(JBV)와의 개인 통신에 기초하여, 노르웨이의 철도 네트워크의 각각의 세그먼트는 초음파 트롤리(ultralydtralle)에 의해 평균하여 년간 한 번 (일부 세그먼트들은 더 자주, 다른 세그먼트들은 덜 자주) 검사된다.
그러나, 분명한 것은, 양 검사 방법들 중 어느 것도 연속 모드로 적용될 수 없으며, 그런고로 균열들 또는 파손된 세그먼트들을 그것들의 발생 직후에 식별할 기회를 줄인다는 사실이다. [Pers. Comm. with Frode Teigen (JBV): "viktig
Figure pct00001
f
Figure pct00002
beskjed umiddelbart skinnebrudd har skjedd".]
덧붙여서, 레일들에서의 전류 회로(strømkrets)가 차단되면 파손된 레일이 식별될 수 있다. 그러나, 이는, ERTMS(European Rail Traffic Management System)가 열차 제어 및 명령 시스템을 위한 전통적인 표준들을 대체하였을 때 더 이상 가능하지 않을 것이다(https://en.wikipedia.ora/wiki/European_Rail_Traffic_Management_System).
또한, 레일 네트워크의 더 중요한 세그먼트들에만 전류 회로들이 갖추어졌다/갖추어진다.
도 1은 "Elastic Wave Analysis for Broken rail detection"이란 명칭의 공개물에서 개시된 종래 기술의 레일 파손 검출 해결책을 예시하는데, 거기서 레일들 상에서 움직이는 열차에 의해 생성되고 열차로부터 레일 파손부(rail break)를 향해 전파되는 레일 상의 진동 또는 음향 신호와 레일 파손부로부터 열차를 향해 반사되는 신호는 열차와 레일 파손부 사이의 로케이션에 있는 센서에 의해 감지되며, 레일 파손부의 검출은 센서의 로케이션에서의 전체 신호의 증가된 진폭에 기초하여 이루어진다.
철도 균열들을 모니터링하거나 또는 체크하는 트랙 장착 센서들을 수반하는 다른 기술적 해결책들이 JP2015034452A, WO2013050244A1, 및 US2015285927A1에 개시되어 있다. 철도 균열들을 모니터링하거나 또는 체크하는 다른 기술적 해결책들이 US2015033864A1 및 US2014129154A1에 개시되어 있다.
현존 검사 수법들의 약점을 고려하여, 신규한 검사 시스템은 다음의 문제들:
- 아마도 자동화된 모드로 작동하는 (그런고로 비용 효율적인) 자율적 동작
- 스크리너(들)의 주관적 의견이 아니라 경험적 (즉, 도구/실험 결과들에 의한) 증거에 의존하는, 즉, 객관적 평가
- 분석 절차뿐 아니라 (기상 영향 등으로 인한) 물리적 구성요소들에 관한 견고성
- 심지어 시스템의 특정한 컴포넌트들(센서들, 분석 유닛들)이 오동작하고 있더라도 시스템의 기능이 보장되도록 하는 리던던시
- 시스템의 물리적 구성요소들 또는 그것의 동작 중 어느 것도 열차 교통 자체 또는 임의의 다른 현존 설치 추가 안정성에 임의의 부정적 영향을 미치지 않아야 할 것이며, 즉, 시스템은 추가적인 안전성만을 제공할 것이며, 심지어 시스템이 오동작하고 있는 경우들에서도, 철도 안정성에 연결된 위험들이 증가되지 않는, 즉, 비-침입성
중 적어도 하나를 해결하는 것을 목표로 한다.
본 발명은 첨부의 특허 청구항 1에 따른 철로 트랙의 레일의 부분적 또는 완전한 파괴를 검출하기 위한 철로 트랙 상태 모니터링 시스템을 제공한다.
첨부의 특허 청구항 1에 따른 철로 트랙 상태 모니터링 시스템의 실시예들의 특징들은 첨부의 특허 청구항 4 또는 5에서 상술된다.
본 명세서에서 개시되는 바와 같은 철도 감시 해결책은, 일반적 구성이,
레일들 및 열차들 양쪽 모두에는 레일 감시 시스템의 컴포넌트들이 갖추어지며, 센서 유닛들이 서로 동일 또는 가변적 거리로 유리하게 레일들에 부착되는 한편 수신기/프로세싱 유닛들이 단일 열차, 몇 대의 열차들, 또는 많은 열차들에 의해 운반되는, 계측 단계(intrumentation phase)라고도 지칭되는 제1 단계,
열차에 의해 생성되고 열차의 속도(Vtrain)보다 큰 파 전파 속도(Vwaves)로 레일들에서 이동하고 열차의 이동 방향에 위치된 임의의 센서가 들어오는 "파열(wave train)들"을 기록할 수 있으며, 두 개의 센서들 사이의 통상적으로 표준화된 강철 레일 프로파일의 전파 매질이 균일하며, 주변 조건들이 실질적으로 안정한 채로 유지되고, 연속적인 센서들에서 기록된 파열들이 (시간 지연에 무관하게) 고도로 상관되는 진동들 또는 음파들이 상정되고, 파손된 레일의 경우에, 파손된 레일 세그먼트 건너편에 위치된 그들 센서들에 의해 기록된 신호들이 상당히 상이하고 그런고로 파손된 세그먼트의 앞에 위치된 센서들에서 기록된 신호들과 비교할 때 상관되지 않을, 여기 및 기록 단계라고도 지칭되는 제2 단계, 및
수신기 유닛이 갖추어진 바로 그 통과 열차가 각각의 센서에서 기록된 신호를 픽업하고, 열차 상의 수신기/프로세싱 유닛이 연속적인 센서들로부터의 데이터를 비교하며/상관시키고, 두 개의 센서들 사이의 비상관된 신호들로서 이해될 수 있는 불일치들이 철도 당국의 운영 센터(TOCC)에 플래깅되고 보고되거나, 또는 경고되는, 데이터 수집, 데이터 프로세싱, 경고 단계라고도 지칭되는 제3 단계
를 포함한다.
상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제1 실시예에서는, 트랙의 레일의 가속도를 감지하는 센서 유닛들을 포함하며, 센서 유닛들은 서로에 대해 이격된 레일에 부착된다. 유리하게는, 센서 유닛들은 트랙을 따라 등거리로 이격된다. 이격된 센서 유닛들의 센서 간 거리는 트랙의 규칙성에 영향을 미치는 요인들에 의존하여, 주어진 레일을 따라 또는 설치물마다 가변할 수 있다. 이러한 요인들은, 예컨대, 곡선들, 설치물들, 교량들, 및 스위치들/분기기들(turnouts)일 수 있다. 전형적인 철도 트랙의 레일 쌍의 레일들 둘 다에는 센서 유닛들이 유리하게 갖추어진다. 각각의 센서 유닛은 유리하게 지리적으로 태깅되어, 잠재적으로 파손된 세그먼트가 쉽게 국부화되는 것을 허용한다.
센서 유닛들을 포함하는 상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제1 실시예의 유리한 실시예에서, 센서 유닛들은 열차 바퀴들과의 간섭이 일어나지 않을 수 있도록 레일 프로파일의 외부 저부(outside foot)에 강제 끼워맞춤으로 결부된다. 센서 유닛의 레일들에의 파스닝은 접착제 또는 에폭시 수지에 의해 행해질 수 있다.
센서 유닛들을 포함하는 상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제1 실시예의 유리한 실시예에서, 센서 유닛은,
들어오는 열차에 의해 생성되고 레일 상에서 전파되는 레일의 시간 의존적 가속도 또는 진동을 감지하도록 그리고 감지된 가속도 또는 진동 신호를 출력하도록 적응되는 가속도 또는 진동 센서와, 가속도 또는 진동 센서에 의해 제공되는 감지된 가속도 또는 진동 신호의 기록을 하게 하도록 적응되는 신호 기록 수단을 포함하는 센서, 및
미리 결정된 특성 신호 패턴에 대응하는 신호 세그먼트를 식별하기 위한 기록의 감지된 가속도 또는 진동 신호를 프로세싱하도록 적응되는 프로세서 수단을 포함하는 제1 프로세서, 및
제1 신호 데이터가 신호 세그먼트 중 식별된 것을 나타내는, 감지된 데이터를 데이터 파일에 저장하기 위한 제1 데이터 메모리, 및
상기 제1 신호 데이터의 저장된 것을 원격으로 위치된 대응하는 제2 무선 데이터 통신 수단에 무선으로 전달하도록 적응되는 제1 무선 데이터 통신 수단을 포함하는 송신기, 및
상기 센서, 제1 프로세서, 제1 메모리, 및 송신기에의 연속 전력 공급을 위한 배터리
중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유리한 실시예에서, 가속도 또는 진동 센서는 잡음 제한 감지 모드로 센서를 동작시키기 위해서 가속도 또는 진동 센서의 이득 또는 민감도를 제어하도록 배열된 센서 이득 제어 회로 수단을 포함한다. 잡음 제한 감지 모드에서, 이동중인 열차로부터의 가속도 또는 진동이 센서 유닛의 위치에서 레일에 존재하지 않을 시간들에, 센서로부터 출력되는 감지된 가속도 또는 진동 신호의 레벨은 잡음으로 인한 것이고, 센서의 가속도 또는 진동 신호 출력의 전체 동적 범위의 작은 분율 내에서, 바람직하게는 30% 내에서, 더 바람직하게는 15% 내에서, 더욱 더 바람직하게는 5% 내에서 유지된다. 센서 이득 제어 회로 수단은 하나의 실시예에서 센서 이득 또는 민감도의 동적 제어를 제공하도록 적응되는 한편, 다른 실시예에서, 고정된 레벨 또는 조정 가능한 레벨 중 어느 하나인 미리 결정된 레벨로 센서 이득 또는 민감도를 유지하도록 적응된다.
열차 상의 수신기 및 프로세서 유닛을 포함하는 상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제1 실시예의 유리한 실시예에서, 수신기 및 프로세서 유닛은,
열차의 로케이션을 결정하도록 적응되는 로케이터,
센서 유닛의 제1 무선 데이터 통신 수단으로부터 상기 제1 신호 데이터의 상기 저장된 것을 무선으로 수신하도록 적응되는 적어도 하나의 제2 무선 데이터 통신 수단,
열차의 결정된 로케이션과 각각의 센서 유닛으로부터의 상기 제1 신호 데이터의 수신된 것을 연관시키도록 적응되는 결합기,
복수의 센서 유닛들 중 각각의 센서 유닛들로부터 수신된 상기 제1 신호 데이터의 복수의 것들과 열차의 상기 결정된 로케이션들 중 연관된 로케이션들을 저장하도록 적응되는 제2 메모리, 및
제2 메모리로부터 취출하고 상기 제1 신호 데이터의 복수의 것들을 프로세싱하도록 그리고 적어도 두 개의 상기 센서 유닛의 로케이션들 사이의 로케이션에서 레일 파손의 표시자를 도출하도록 적응되는 제2 프로세서
중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
지진 센서 유닛들을 포함하는 상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제1 실시예의 유리한 실시예에서는, 센서 유닛들이 트랙들을 끼고 걷는 사람들로부터 너무 많은 관심을 끌고 (그리하여 망쳐지거나 또는 훼손되는) 것을 피하고 기계적 영향(돌 등)에 의해 손상되는 개방 표면을 제공하는 것을 피하기 위해서 가능한 한 작게 설계된다는 것이 구상된다.
상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제2 실시예에서는, 또는 상기의 제1 실시예의 추가의 실시예에서는, 열차에 의해 운반되는 하나 이상의 수신기 유닛들을 포함하는데, 하나 이상의 수신기 유닛(들)은 하나 이상의 센서 유닛들로부터 데이터를 수신하며, 데이터 프로세싱을 행하고, 스테이터스/경고 메시지들을 열차 동작 제어 센터(TOCC)로 포워딩하도록 적응된다.
상기의 감시 해결책의 제2 실시예의 유리한 실시예에서, 또는 상기의 제1 실시예의 추가의 실시예에서, 해결책은 열차에 의해 운반되고 있는 하나 이상의 수신기 유닛들을 포함하는데, 하나 이상의 수신기 유닛들은,
예컨대, 데이터 파일의 핸드 오버를 행하는데 이용 가능한 수 초의 기간에 걸쳐 통과하면서 각각의 센서로부터 데이터를 픽업할 블루투스 유형 디바이스와 같은 강력한 무선 데이터 송신 디바이스, 및
데이터 파일을 언패킹하는 것, 그 데이터와 이전/후속 센서들로부터의 데이터를 비교하는 것/상관시키는 것, 상관 계수를 식별하는 것, 스테이터스 메시지를 열차 동작 제어 센터(TOCC)로 전송하는 것, 예컨대, 열차의 GSM 시스템을 사용하는 것, 또는 일단 열차가 주요 기차역에 도달하였으면 데이터베이스에서의 지오태깅된 정보가 TOCC를 통해 핸들링되도록 유리하게 적응되는 지오태깅된 정보를 데이터베이스에 저장하는 것 중 적어도 하나를 위한 수단을 포함하는, 예컨대, 마이크로칩 유형 프로세서에 의해 구현된 바와 같은 프로세싱 유닛
중 적어도 하나를 유리하게 포함할 수 있다.
상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제2 실시예의 추가의 실시예에서, 또는 상기의 제1 실시예의 추가의 실시예에서, 해결책의 신속성으로 파손된 레일을 식별하며, 그런고로 안정성 레벨은, 수신기 유닛들을 운반하는 열차들의 양과 얼마나 자주 이들 열차들이 특정한 레일 트랙을 통과하는지에 의해 결정되도록 적응됨으로써, 그것들 자체가 생성한, 센서 유닛들에서 감지되는 진동 또는 이동 신호들을 픽업하는 것이 가능하게 된다.
지진 센서 유닛들을 포함하는 상기의 감시 해결책의 일반적 구성의 제1 실시예의 유리한 실시예에서, 센서들의 하위그룹들로부터의 신호들은 국부 트랙에서 수집되며, 국부 트랙에서부터 열차로 전달되는데, 그 신호들은 센서 개별 전달과는 상이할 것이다. 센서들의 하위그룹들로부터 수집된 신호들은 국부 트랙 유닛에 비교되며, 국부 트랙 유닛에서부터 그 신호들은 열차로 전달되어, 트랙의 레벨에서의 프로세싱을 허용하는 것으로 예상된다. 센서 신호들은 통과하는 열차에 의해 포워딩된 후 중앙의 커맨드 유닛에서 분석되어, 프로세싱이 열차에서와는 다른 시설에서 행해지는 것을 허용한다는 것이 추가로 예상된다.
다음에서는, 본 발명이 예에 의해 그리고 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것인데, 도면들 중
도 2는 설치물을 추적하는 전형적인 레일 센서의 세부사항들을 예시하는 개략도이다. 좌측의 스케치는 하나의 레일 프로파일의 단면(A-A)을 예시하는 한편 우측의 스케치는 레일 트랙의 측면도를 나타낸다.
도 3은 센서 간 거리(520)가 가변할 수 있는 트랙의 섹션을 따르는 전형적인 레일 센서 설치물의 세부사항들을 도시한다.
도 4는 이동하는 열차에 의해, 통상적으로 열차의 바퀴들에 의해 생성되며, 레일들을 통과하고 열차가 각각의 센서들을 통과하기 전에 센서들에 의해 시간의 함수로서 감지되는 음향/지진 파들을 예시하는 개략도이다. 이동하는 열차와 주어진 라인의 센서들 사이에서 통상적으로 레일 프로파일 자체일 수 있는 파 전파 매질이 변하지 않고 실질적으로 차단되지 않는 경우, 이들 센서들의 각각이 시간 경과에 따라 고도로 유사한 시그너쳐를 갖는 신호를 감지할 것이다. 파손된 레일 세그먼트 건너편에 위치된 센서들은 들어오는 열차의 고도로 교란된 신호를 감지할 것인데 이동하는 열차와 센서 사이의 파 전파 매질이 다소 방해되기 때문이다.
도 5는 이동중인 열차 차내 수신 및 프로세싱 유닛과 열차가 센서에 근접함에 따라 트랙 레일 센서들로부터의 신호들의 연속적 수신을 예시하는 개략도이며,
도 6a는 들어오는 열차에 의해 생성되고 레일에 직접 부착된 지진 센서에 의해 감지되는 신호의 기록을 예시한다. 본 예에서, 신호 대 시간 다이어그램이 다양한 진폭 레벨들로 각각의 센서에 도달하는 다양한 파열들을 분명히 나타낸다.
도 6b, 도 6c 및 도 6d는 도 6a에서의 세 개의 마킹된 윈도우들의 상세한 선도들을 나타낸다.
도 6b는 매우 독특하고 균질인 파형 대 시간으로 감지되는 첫 번째 파열들 중 하나를 도시한다. 도 6c는 더 높고 더욱 안정한 진폭 레벨에 도달하기까지 선형적으로 증가하고 있는 감지된 신호의 상승 단계를 도시한다.
도 6d는 열차가 기록 센서를 오랫동안 통과한 후의, 랜덤 잡음을 기본적으로 나타내고 제1 열차 유발 진동들이 하나의 센서에 도착하기 전에 또한 관찰되는, 감지된 신호를 예시한다.
도 7은 상부 그래프(도 7a)가 전체 신호를 디스플레이하고, 하부 그래프(도 7b)가 확장된 시간 스케일에서 신호의 선택된 부분을 디스플레이하는, 본 발명의 일 실시예에서 채용되는 센서에 의해 감지된 신호의 예시적인 도면을 제공한다. 신호의 선택된 부분은 신호가 잡음 레벨부터, 과도 신호 부분을 통과하여, 정상상태 신호(stationary signal) 레벨까지 상승하는 시간 프레임을 포함하는 상부 그래프(도 7a에 B로서 마킹됨)에 도시된 직사각형을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 채용되는 다섯 개 각각의 센서들에 의해, 센서들 사이의 임의의 지점에서 불연속을 갖지 않는 온전한 레일에서 감지될 때 나타나는 바와 같은 다섯 개의 시간 시프트된 신호들과, 다섯 개의 예시된 신호들 중 각각에 대한, 센서 신호 상관들을 위해 선택된 신호 윈도우들을 나타내는 직사각형들의 예시적인 도면을 제공한다.
도 9는 도 8에 예시된 다섯 개의 시간 시프트된 신호들의 선택된 윈도우들에서의 신호들에 대한 본 발명에 따른 센서 신호 상관들의 예시적인 도면을 제공한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 채용되는 다섯 개 각각의 센서들에 의해, 센서들 사이의 (즉, 센서(S3)와 센서(S4) 사이의) 하나의 지점에서 하나의 불연속을 갖는 레일에서 감지될 때 나타나는 바와 같은 다섯 개의 시간 시프트된 신호들과, 다섯 개의 예시된 신호들의 각각에 대한, 센서 신호 상관들을 위해 선택된 신호 윈도우들을 나타내는 직사각형들의 예시적인 도면을 제공한다.
도 11은 도 10에 예시된 다섯 개의 시간 시프트된 신호들의 선택된 윈도우들에서의 신호들에 대한 본 발명에 따른 센서 신호 상관들의 예시적인 도면을 제공한다.
도 12는 레일 센서들로부터의 신호들의 상관으로부터 초래되는 상이한 상호 상관 계수들에 의해 정의되는 액션에 대한 임계값들에 기초한 액션의 절차의 예시적인 흐름도 도면을 제공한다.
이하에서, 가속도 또는 진동 센서에 의해 검출된 가속도 또는 진동 신호를 기록하는 것을 트리거하는 방법이 설명되는데, 그 방법은 데이터의 기록이 트리거될 때를 제어하기 위한 신호 검출 알고리즘으로서 본 명세서에서 또한 지칭된다.
일단 레일에서의 열차 유발 가속도들 또는 진동들이 센서 유닛에 도달하고 가속도 또는 진동 센서에 의해 감지되면, 유용한 신호의 특성으로 간주되는 감지된 신호의 부분이, 바람직하게는 데이터 저장소에서의 개별 데이터 파일에 저장되는 감지된 신호를 나타내는 데이터에 의해 기록된다. 개별 데이터 파일에 저장되는 감지된 신호를 나타내는 데이터는 이웃하는 센서 유닛들로부터의 데이터와의 상관을 위한 기초를 나중에 확립한다. 신호 데이터 기록 트리거라고도 본 명세서에서 지칭되는 기록을 개시하기 위한 결정은 하기의 a) 내지 e) 중 하나 이상에 기초하여 이루어진다:
a) 이동하는 짧은 시간 윈도우 내에서의 측정된 신호 대 잡음 비(SNR)를 사용하는 것:
이동하는 시간 윈도우에서의 모든 데이터 지점들의 평균 진폭 레벨은 지속적으로 모니터링된다. 열차 유발 파형들이 센서에 도착하지 않은 시간들에, 센서 유닛의 가속도 또는 진동 센서로부터 출력되는 감지된 신호는 잡음 신호로 간주된다. 잡음 신호 검출기가 잡음 신호의 평균 진폭 레벨을 결정하고 저장한다. 열차 유발 파형들이 센서에 도착함에 따라, 감지된 가속도들 또는 진동들의 평균 진폭 레벨은, 도 7에 예시된 바와 같이, 증가하고 잡음 레벨 위로 상승한다. 신호 대 잡음 비가 감지된 가속도들 또는 진동들의 평균 진폭 레벨 대 잡음 신호의 평균 진폭 레벨의 비율로서 계산된다. 특정한 신호 대 잡음 비가 임계값으로서 설정되고, 감지된 신호의 기록은 설정된 신호 대 잡음 비 임계값이 열차 유발 진동들에 의해 초과되자마자 개시될(트리거될) 것이다. 사용되는 시간 윈도우는 각각의 센서 유닛들에 가까운 섭동들(perturbations)(예컨대, 트래픽 또는 다른 주변 잡음에 의해 유발됨)에 의해 트리거되는 잘못된 기록들을 피하기 위하여 너무 짧지는 않다.
신호 대 잡음 비를 사용하는 트리거 임계값은 잡음 레벨에 기초한 고정된 임계 값으로서 설정될, 즉, 트리거 임계값(SNR) = 3 x 잡음 레벨일 수 있다.
b) 단기 평균/장기 평균(STA/LTA) 트리거:
각각 단기 평균(STA) 및 장기 평균(LTA)이라 불리는 짧은 시간 윈도우 및 긴 시간 윈도우에서 감지되는 모든 데이터 지점들의 평균 진폭들은, 모니터링되고 서로 비교되며; 일단 열차 유발 파열들이 센서 유닛에 도착하면, STA는 갑작스런 증가를 경험할 반면 LTA는 미소한 방식으로만 영향을 받을 것이며; STA와 LTA 사이의 편차(STA/LTA 비율의 갑작스런 증가)는 감지된 신호의 기록을 트리거하는데 사용된다.
STA/LTA 비율을 사용하는 트리거 임계값은, 하기와 같이 설정될 수 있다:
트리거 임계값(STA/LTA) > 1.2 x (STA/LTA)잡음; 즉, 잡음에 대한 이전의 (STA/LTA)의 20% 증가.
c) 과도 신호의 첨도(Kurtosis):
열차 유발 파열의 도착 시에 꾸준히 증가하는 감지된 과도 신호의 포락선의 모양(꼬리모양)과 그것에 의한 감지된 과도 신호의 증가하는 진폭들은 식별되고 감지된 신호의 기록을 트리거하도록 적용된다.
d) 과도/정상상태 신호의 자기상관:
각각의 센서에서 감지된 단일 추적(trace) 데이터는 끊임없이 자기 상관된다(즉, 상이한 시점들에서 자신과 상호 상관된다). 센서 유닛에 도착하는 랜덤 잡음 및 비 열차 유발 파열들의 경우, 최대 자기상관 계수(autocorr = 1)는 영의 지연에서만 발생하고, 그렇지 않으면 영이다. 일단 열차 유발 파열들이 센서 유닛에 도착하면, 진폭들을 꾸준히 증가시킴으로써 특징화되는 신호의 과도 부분 동안(도 7a 참조), 자기상관 스파이크들의 수를 증가시키는 것이 영의 지연으로부터 멀리 떨어져서 일어날 것이다. 그 신호가 정상상태가 될 때, (다소의) 상수 진폭들의 자기상관 스파이크들은 (정상상태의 감지된 신호의 우세한 기간에 의존하여) 주기적으로 출현할 것이다.
e) 고정된 임계값보다 더 낮은 정상상태 신호의 진폭 변동들:
특정한 시간 윈도우 내에서의 연속적인 데이터 지점들의 평균 최대 진폭들은 모니터링되고 서로 비교되며; 일단 열차 유발 파열들이 센서 유닛에 도착하면, (도 7과 비교되는) 감지된 신호의 정상상태 부분의 최대 진폭들(피크들)의 변동은 최소가 되며, 이는 감지된 신호의 기록을 트리거할 것이다.
감지된 신호의 정상상태 부분의 진폭 변동들을 사용한 트리거는 본 발명의 일 실시예에서, 하기와 같이 설정될 수 있다:
트리거 임계값(정상상태 부분의 진폭 변동들) < 0.05 x 감지된 신호의 평균 진폭; 즉, 감지된 신호의 평균 진폭들의 5%보다 더 작은 변동.
도 7은 멀리서 접근하는 열차에 의해 유발되는 첫 번째 파열의 도착을 나타내는, 센서 유닛에 의해 감지된 시간 신호를 예시한다. 랜덤 지진 잡음이 열차 유발 신호 전 및 후에 관찰될 수 있다.
센서 엘리먼트의 일 예가 본 발명의 일 실시예에 적용 가능한 것으로 간주되었을 때, 명목상 0~200Hz 대역폭을 갖는 각각의 ±2g 및 ±6g 측정 범위들에서 각각 DC 응답 및 2축 및 3축 출력 옵션들을 제공하는 실리콘 MEMS 유형인, TE 커넥티비티 엘티디.(TE Connectivity Ltd.) 계열사의 일원인 메저먼트 스페셜티즈 아이앤씨.(Measurement Specialties Inc.) 제의 모델 4020 2축 구성 가속도계 및 모델 4030 3축 구성 가속도계가 참조된다. 모델 4020의 경우, 민감도는 1000 mV/g이고 통과대역 전체의 잔류 잡음은 600 마이크로볼트 RMS이다. 모델 4030의 경우, 민감도는 333 mV/g이고 통과대역 전체의 잔류 잡음은 240 마이크로볼트 RMS이다. 따라서, 모델 4020 2축 구성 또는 모델 4030 3축 구성 가속도계를 채용하는 본 발명에 따른 센서가 약 35 dB의 유용한 동적 신호 범위를 가질 수 있으며, 이는 본 발명의 구현에 적합한 것으로 간주된다.
이하에서는 두 개의 연속적인 센서들 사이의 레일 트랙의 섹션의 온전성(sanity) 체크가 설명된다.
트랙을 따라 분포되는 수 N의 센서들을 가지면, n과 m은 정수이며, n은 임의의 값을 취할 수 있고, m은 0과는 상이한 임의의 값을 취할 수 있는, 제1 센서(s n )에서 그리고 제2 센서(s n +m )에서 감지된 신호들 사이의 상관 계수 매트릭스는, 하기와 같이 정의되며:
Figure pct00003
여기서,
Figure pct00004
과
Figure pct00005
은 각각의 센서 쌍들에서의 신호들의 표준 편차들이고
Figure pct00006
은 그것들의 공분산이다. 상관 계수는 간격 [-1 1]에서 정의된다.
도 8은 센서들의 방향으로 이동함으로써 센서들을 향해 이동하는 열차를 흉내내는 비정지상태 소스에 의해 생성되는 신호의 기록을 예시한다. 신호의 파 전파 속도는 6,000 m/s로 설정되는 한편 센서 간 거리(520)는 1 km로 설정된다.
도 9는 다섯 개 센서들 모두의 상관 윈도우들 사이의 상관 행렬을 도시한다. 상관 윈도우는 신호들의 정상상태 부분들(st.s.)에 위치된다. 상관 행렬은 4 km의 센서 간 거리들을 갖는 센서들에서 기록된 신호들 사이에서 조차도 높은 상호 상관 계수들을 보여준다.
도 10은 파손된 세그먼트가 센서 #3(s3)과 센서 #4(s3+1) 사이에 있는 여덟 개의 센서들에서의 합성 신호의 기록들을 예시한다. 전파 매질에서의 파손으로 인해, 도입된 신호에 의해 생성된 파들은 (파손부의 폭에 의존하여) 단절 지점(breach point) 너머로 전파하지 못하고, 각각 단절 지점 전 및 후에 위치된 센서들(s3 및 s3+1) 사이의 상호 상관 계수들은, 도 11에 예시되는 대응하는 상호 상관 행렬에서 나타낸 바와 같이 갑자기 하강한다.
연속하여 위치된 센서 유닛들(s n , s n + m ...)에서 기록되고 각각의 센서 유닛들을 통과하면서 열차에 의해 픽업되는 개별 데이터 파일들에 유리하게 저장되는 감지된 신호들은, 바람직하게는 본 명세서에서 설명되는 상호 상관 알고리즘을 사용하여, 서로에 대해 상호 상관될 것이다.
두 개의 센서 유닛들(s n , s n +m ) 사이의 레일 트랙의 온전성 체크는 두 개의 센서 유닛들(s n 및 s n +m )에서의 감지된 신호들 사이의 상호 상관 계수에 기초할 것이다. 상호 상관 계수가 본 발명의 일 실시예에서 Corr(s n , s n +m ) = 0.99로 준비될 것이 제안되는 특정한 임계값보다 더 낮은 경우, 잠재적 파손 레일에 대한 센서 유닛들(s n 및 s n+m ) 사이의 레일 트랙의 각각의 섹션을 나타내는 경고 메시지가 TOCC로 전송된다.
센서 유닛들(s n , s n +m ) 사이의 레일 트랙의 온전성 체크는 서로 직접적으로 이웃하지 않는 센서 유닛들, 즉, 센서 유닛들(s n -1 및 s n +m ), 센서 유닛들(s n 및 s n +m+1 ), 센서 유닛들(s n+m 및 s n +m+2 ) 등의 감지된 신호들을 상호 상관함으로써 검증/확정될 수 있다.
센서 유닛들(s n , s n +m ) 사이의 레일 트랙의 온전성 체크는 연속적인 열차들에 의해 생성되고 바로 그 동일 센서 유닛들(s n , s n +m )에서 감지된 신호들을 상호 상관함으로써 검증/확정될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 의해 커버되는 상이한 구현예들 모두가 예시될 것이다.
통계 용어를 사용하면, 레일 센서들로부터의 신호들의 상관에서 초래되는 상호 상관 계수들은 다음과 같이 유리하게 구별되며:
1) "정확한" 상관(상관 값 = 1),
2) "강한" 상관(상관 값 > 0.8 및 < 1),
3) "중간" 상관(상관 값 = 0.5 ~ 0.8의 범위 내),
4) "약한" 상관(상관 값 < 0.5 및 >0), 그리고
5) "무" 상관(상관 값 = 0),
다만 액션을 위한 이들 임계값들에 대한 값들은 참조마다 얼마간의 변화를 보여줄 수 있다.
이제 해결책 1로서 지칭되는 제1 예에서, 액션을 위한 임계값들은 다음과 같이 유리하게 적용된다:
a) "정확한" 및 "강한" 상관 => 경고 메시지가 전송되지 않으며
b) "중간" 상관 => 플래그("경고")를 설정하고, 경고 메시지가 전송되기 전에 이웃하는 센서들(예컨대, 센서들(sn 및 sn +2))로 이중-체크를 수행하며
c) "약한" 및 "무" 상관 => 경고 메시지가 전송된다.
이제 해결책 2라고 지칭되는 제2 예에서, 본 발명에 따른 장치 또는 방법에 포함되는 경고 메시지 트리거 로직이 도 12에 설명되는 절차의 적어도 일부를 구현하고 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 철로 레일 상태 모니터링 시스템을 위한 전자적 레일 모니터링 센서 유닛이 제안되는데, 레일 센서는,
레일에서의 음향 에너지를 감지하도록 적응되는 지진 센서 수단,
레일에 부착된 센서 유닛과 레일에 음향적으로 커플링된 지진 센서 수단을 유지하는 커플링 수단,
클록을 가지고 지진 센서 수단과 통신하고, 지진 센서 수단에 의해 감지된 음향 에너지를 시간의 함수로서 표현하는 신호 데이터의 기록을 하도록 적응되는 신호 데이터 기록 수단,
신호 데이터 기록 수단과 통신하고, 다른 제2 무선 데이터 통신 수단으로의 신호 데이터의 기록의 전달을 하기 위해 열차 차내에 위치된 다른 단거리 무선 데이터 통신 수단에의 무선 데이터 링크를 확립하도록 적응되는 단거리 무선 데이터 통신 수단,
지진 센서 수단, 신호 데이터 기록 수단, 및 제1 무선 데이터 통신 수단과 통신하고, 지진 센서 수단에 의해 감지된 음향 에너지로부터, 레일 상의 이동중인 원거리 열차의 음향 에너지 시그너쳐를 식별하고, 그것에 응답하여, 신호 데이터 기록 수단을 활성화시켜 신호 데이터의 기록을 하게 하고 제1 무선 데이터 통신 수단을 활성화시켜 통신 범위 내일 때 제2 무선 데이터 통신 수단에의 무선 데이터 링크를 확립하게 하고 제2 무선 데이터 통신 수단으로의 신호 데이터의 기록의 전달을 하게 하도록 적응되는 제어기 수단
을 포함한다.
상기의 제1 양태에 따른 전자적 레일 모니터링 센서 유닛의 일 실시예가 또한 제안되는데, 그 실시예에서는 클록이 실시간 클록이고, 신호 데이터 기록 수단은 지진 센서 수단에 의해 감지된 음향 에너지를 나타내는 신호 데이터의 기록을 실시간의 함수로서 하도록 적응된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 철로 레일 상태 모니터링 시스템을 위한 전자적 레일 모니터링 신호 데이터 수신기 및 프로세싱 배열체가 제안되며, 그 수신기 및 프로세싱 배열체는 이동중인 열차 차내에 설치되고 동작하도록 적응되고,
레일에서의 음향 에너지를 나타내는 신호 데이터의 복수의 기록들을 시간의 함수로서 저장하도록 적응되는 데이터 저장 수단,
데이터 저장 수단과 통신하고, 레일에 부착되고 커플링되는 레일 모니터링 센서 유닛의 다른 단거리 무선 데이터 통신 수단의 무선 통신 범위 내에 있을 때, 다른 단거리 무선 데이터 통신 수단으로부터의 신호 데이터의 기록의 전달물을 수신하기 위한 무선 데이터 링크를 확립하도록 그리고 각각의 레일 모니터링 센서 유닛을 로케이팅하기 위한 정보와 함께, 데이터 저장 수단에서의 저장을 위해 기록 데이터의 수신된 전달물을 포워딩하도록 적응되는 단거리 무선 데이터 통신 수단, 및
레일에서의 음향 에너지를 나타내는 신호 데이터의 복수의 기록들을 레일 모니터링 센서 유닛의 각각의 것들에서 시간의 함수로서 수신하도록, 신호 데이터의 기록의 전달물의 각각의 수신 직후, 그 신호 데이터를 분석하여, 각각의 센서 유닛으로부터 원거리의 레일 상에서 이동중인 열차에 의해 생성되고 그 각각의 센서 유닛으로 전파되지만 인접하여 위치된 센서 유닛으로는 전파되지 않는 음향 에너지를 나타내는 신호 데이터를 결정하도록, 그리고 전파 불일치(propagation discrepancy)의 표시를 레일 불연속의 표시로서 출력하도록 적응되는 데이터 프로세싱 수단
을 포함한다.
클록을 포함하고, 데이터 프로세싱 수단이 분석을 위한 파라미터로서 시간을 사용하여 신호 데이터의 기록의 수신된 전달물을 분석하도록 적응되는, 상기의 제2 양태에 따른 전자적 레일 모니터링 신호 데이터 수신기 및 프로세싱 배열체의 일 실시예가 또한 제안된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 레일 파손과 같은 레일 불연속의 표시를 제공하는 전자 철로 레일 상태 모니터링 시스템이 제안되는데, 레일에 이격된 관계로 부착되는 제1 양태에 따른 복수의 전자적 레일 모니터링 센서 유닛과, 철도 상에서 동작하도록 배정되는 열차 차내에서 동작하도록 설치된 상기의 제2 양태에 따른 적어도 하나의 전자적 레일 모니터링 신호 데이터 수신기 및 프로세싱 배열체를 포함한다.
이점들
본 발명은 철로 트랙들이 표준화된 컴포넌트들과 표준화된 설치 수단으로 일반적으로 이루어진다는 사실에서 상이한 철도들에서의 애플리케이션에 쉽게 적용된다. 이는 통상적으로 프리캐스트 철근콘크리트 침목들/횡침목들(crossties)인 표준화된 침목들/횡침목들에 의해 지지되는 표준화된 강철 프로파일들인 레일들에 특히 적용된다. 본 발명에 관련하여, 전체 레일 침목 시스템은 합리적인 길이의 시간 기간에 걸쳐, 예컨대, 강성도 또는 질량 변화의 측면에서, 상당한 변화를 겪지 않는 안정한 시스템으로서 간주될 수 있다.

Claims (5)

  1. 철로 트랙의 레일의 부분적 또는 완전한 파괴를 검출하기 위한 철로 트랙 상태 모니터링 시스템으로서,
    상기 트랙의 레일 상에 설치되고 서로로부터 미리 결정된 거리만큼 이격된 복수의 센서들
    을 포함하고, 상기 센서들은 각각, 접근하는 열차에 의해 생성되고 상기 레일에 의해 또는 상기 레일을 지탱하는 지면에 의해 전파되는 음향 신호의 취득 및 기록을 위한 신호 취득 및 기록 수단, 센서들 근처에서 상기 열차의 통과 시에 무선 전달에 의해 취득되고 기록된 신호의 통과하는 열차로의 전달을 위한 신호 전달 수단, 상기 통과하는 열차 차내(on-board the passing train)에서 상기 취득되고 기록된 신호의 전달된 신호들을 분석하기 위한 신호 분석 수단, 및 제1 센서(sn) 및 인접한 제2 센서(sn +m)로부터의 신호들을 상호 상관시키고 상기 철로 트랙의 레일의 상기 부분적 또는 완전한 파괴를 검출하도록 적응된 수단을 갖는, 철로 트랙 상태 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 설치된 센서들은 상기 데이터를 수집하는 상기 접근하는 열차에 의해 수동적으로 생성된 음향 시뮬레이션에 의해 시뮬레이션되도록 적응되는, 레일 상태 모니터링 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 설치된 센서들은 상기 신호가 미리 정의된 잡음 레벨을 초과할 시에 주어진 프로그래밍된 시간 기간에 대한 신호를 기록하기 위한 수단을 포함하는, 레일 상태 모니터링 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 신호 취득 및 기록 수단은 상기 신호의 시작을 식별하고 상기 신호의 시작을 기록하도록 적응되고, 상기 신호 분석 수단은 레일 불연속을 나타내는 레일 파손 정보를 도출하기 위해 상기 신호의 기록된 시작을 분석하도록 적응되는, 레일 상태 모니터링 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상관 값 = 1에 대한 "정확한" 상관,
    b) 상관 값 > 0.8에 대한 "강한" 상관,
    c) 상관 값 = 0.5 - 0.8에 대한 "중간" 상관,
    d) 상관 값 < 0.5에 대한 "약한" 상관, 및
    e) 상관 값 = 0에 대한 "무" 상관
    으로 획득되는 상호 상관 계수들을 구별하도록 적응된 수단을 포함하고,
    상기 구별된 상호 상관 계수들에 응답하는 그리고 "정확한" 또는 "강한" 상관에 응답하여 경고 메시지를 전송하지 않도록, 경고 메시지가 "중간" 상관에 응답하여 전송되기 전에 이웃하는 센서들(예컨대, 센서들(sn 및 sn +2))로 이중-체크를 수행하도록, 그리고 "약한" 또는 "무" 상관에 응답하여 경고 메시지를 전송하도록 적응된 수단을 포함하는, 레일 상태 모니터링 시스템.
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