KR20200111673A - 철도 차량 및 트랙 섹션을 측정하는 방법 - Google Patents

철도 차량 및 트랙 섹션을 측정하는 방법 Download PDF

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KR20200111673A
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베른드 메츠거
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플라세 & 토이러, 엑스포트 본 바흔바우마쉬넨, 게젤샤프트 엠. 베. 하.
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Abstract

본 발명은 철도 차량 및 트랙 섹션을 측정하는 방법에 관한 것으로, 철도 차량(2)은 온-트랙 하부 차대들(4) 상에 지지되는 한편 트랙(1)의 레일(7) 상에서 이동 가능한 차량 프레임(12)을 가지며, 상기 철도 차량은 트랙 코스를 기록하기 위한 제 1 관성 측정 시스템(9)을 구비한 제 1 측정 플랫폼(5)을 포함한다. 또한 철도 차량(2)에는, 제 2 관성 측정 시스템(15) 및 트랙 섹션(18)의 표면 포인트들(P)을 기록하기 위한 적어도 하나의 센서 장치(17)를 포함하는 제 2 측정 플랫폼(14)이 배치된다. 제 2 측정 플랫폼(14) 및 제 2 관성 측정 시스템(15)에 의해, 3차원 공간에서의 센서 장치(17)의 이동이 간단한 방식으로 기록된다.

Description

철도 차량 및 트랙 섹션을 측정하는 방법
본 발명은 온-트랙 하부 차대들(on-track undercarriage) 상에 지지되는 한편 트랙의 레일 상에서 이동 가능한 차량 프레임을 갖는 철도 차량에 관한 것으로, 상기 철도 차량은 트랙 코스를 기록하기 위한 제 1 관성 측정 시스템을 구비한 제 1 측정 플랫폼을 포함한다. 본 발명은 또한, 철도 차량에 의해 트랙 섹션을 측정하는 방법에 관한 것이다.
트랙을 안정적이고 영구적인 방법으로 유지 보수하기 위해서는 정기적인 점검이 필요하다. 이 과정에서, 트랙 섹션에 대한 현재의 트랙 지오메트리(track geometry)를 기록하도록 구성된 트랙 측정 차량이 사용되며, 수집된 측정 데이터를 기반으로 유지 보수 조치가 계획되고 수행된다. 측정 장치에는 트랙 자체와 더불어 트랙 주변을 기록하는 다양한 센서들이 제공되는데, 예컨대 트랙 측정 차량에 배치된 카메라 시스템에 의해 측정이 수행된다.
최근의 트랙 측정 차량은 이른바 관성 측정 시스템(Inertial Measurement Unit, IMU)을 사용하여 트랙 코스나 또는 상대적인 트랙의 위치를 결정한다. 이러한 관성 측정 시스템은 독일 무역 저널(Eisenbahningenieur 제52호, 2001년 9월, 6~9 페이지)에 설명되어 있다. 또한, 독일 특허 번호 DE 10 2008 062 143 B3 에는 트랙의 위치를 기록하기 위한 관성 측정의 원리가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 대한 문제점을 개선한 철도 차량 및 트랙 섹션을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 독립 청구항들에 개시된 특징들에 의해 달성되며, 본 발명에 따른 추가의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들로부터 명백해진다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 제 2 관성 측정 시스템 및 트랙 섹션의 표면 포인트들을 기록하기 위한 적어도 하나의 센서 장치를 포함하는 제 2 측정 플랫폼이 철도 차량 상에 배치된다. 제 2 측정 플랫폼 및 제 2 관성 측정 시스템에 의해, 3차원 공간에서의 센서 장치의 운동이 간단한 방식으로 기록된다. 이러한 방식으로, 센서 장치에 의해 기록된 측정 데이터가 공간적으로 정확하게 할당될 수 있도록 구성된다.
바람직하게는, 컴퓨터가 철도 차량에 직접 배치되어 관성 측정 시스템 및 센서 장치의 측정 데이터가 공급되며, 표면 포인트들의 좌표를 제 2 측정 플랫폼의 센서 장치와 함께 이동된 좌표 시스템으로부터 제 1 측정 플랫폼의 트랙 코스를 따른 좌표 시스템으로 변환하도록 구성된다. 결과적으로, 센서 장치에 의해 기록된 표면 포인트들은 트랙 코스를 기준으로 하게 된다. 따라서, 트랙 코스에 대해 기록된 물체의 위치를 곧바로 인식하는 것이 가능하도록 구성된다.
추가의 실시예에서, 평가 장치(evaluation device)가 철도 차량에 배치되며, 평가 장치는 제 1 측정 플랫폼의 좌표 시스템 내 표면 포인트들의 좌표를 트랙 섹션의 규정된 공간 형상(clearance profile)과 비교하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 측정 플랫폼은 온-트랙 하부 차대들 중 하나에 배치된다. 이에 따라 제 1 관성 측정 시스템에 의해 트랙 코스를 간단하게 기록할 수 있도록 구성된다.
이때, 제 1 측정 플랫폼은 온-트랙 하부 차대의 휠 차축 상에 배치되는 측정 프레임을 포함하고, 상기 프레임에는 제 1 관성 측정 시스템(9)이 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 3차원 공간에서 제 1 관성 측정 시스템의 운동은 온-트랙 하부 차대의 상대적인 탄성 운동에 의해 영향을 받지 않고 유지되며, 트랙의 종방향 경사가 직접 기록되도록 구성된다.
온-트랙 하부 차대의 횡단 운동 또는 진자 운동의 영향을 보상하기 위해서는, 트랙의 레일에 대해 측정 프레임의 위치를 결정하기 위한 적어도 2개의 위치 측정 장치가 측정 프레임 상에 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 트랙 코스를 결정시 제 1 관성 측정 시스템에 의해 레일에 대한 측정 프레임의 정확한 위치가 연속적으로 기록되고 산정된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 2 측정 플랫폼은 철도 차량의 전방 측면에 배치된다. 이러한 방식으로, 철도 차량의 넓은 주변 영역이 단지 몇 개의 센서에 의해 기록 가능하도록 구성된다.
또한, 센서 장치는 표면 포인트들을 포인트 클라우드(point cloud)로 기록하기 위한 레이저 스캐너를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 센서에 의해, 트랙 표면 및 그 주변에 대한 고해상도의 정밀한 기록이 구현될 수 있다. 확장식 또는 보충 회전 및 라인 스캐너에 의해 측정 데이터의 정밀도와 품질을 향상시킬 수 있다.
전술한 철도 차량에 의해 트랙 섹션을 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 트랙 코스, 특히 제 1 측정 플랫폼의 좌표 시스템의 운동 코스를 제 1 관성 측정 시스템에 의해 기록하는 단계; 센서 장치의 운동 코스, 특히 제 2 측정 플랫폼의 좌표 시스템의 운동 코스를 제 2 관성 측정 시스템에 의해 기록하는 단계; 및 트랙 섹션의 표면 포인트들을 센서 장치에 의해 기록하는 단계를 포함한다
추가의 실시예에서, 표면 포인트들의 좌표는 제 2 측정 플랫폼의 센서 장치와 함께 이동된 좌표 시스템으로부터 제 1 측정 플랫폼의 트랙 코스를 따른 좌표 시스템으로 변환된다. 이러한 작업은 철도 차량에 배치된 컴퓨터를 통해 온라인으로 수행되거나 또는 중앙 원격 제어 시스템에서 오프라인으로 수행된다.
추가의 바람직한 실시예에서, 제 1 측정 플랫폼의 좌표 시스템의 표면 포인트들의 좌표는 트랙 섹션의 공간 형상과 비교된다. 이러한 방식으로 공간 형상에 대한 위반 내역이 자동으로 인식되도록 구성된다.
이때, 표면 포인트의 공간 형상에 대한 위반 내역이 출력 장치에 표시되는 것이 바람직하다. 이러한 작업은 위험한 상황을 방지하기 위해 철도 차량 또는 중앙 시스템에서 직접 수행된다.
본 발명에 따라 종래 기술에 대한 문제점을 개선한 철도 차량 및 트랙 섹션을 측정하는 방법이 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 트랙 상에 배치된 철도 차량을 도시한다.
도 2는 좌표 변환에 대한 예시이다.
도 3은 곡선 구간에 진입시의 기록 상황을 도시한다.
도 4는 좌표가 변환된 도 3에 따른 기록 상황을 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 명확한 설명을 위해 트랙(1)의 변형(휘어짐)이 크게 과장되어 도시되어 있다. 철도 차량(2)은 측정 방향(3)으로 트랙(1)을 따라 이동하고 있다. 제 1 측정 플랫폼(5)은 전방의 온-트랙 하부 차대(4)에 배치된다. 바람직하게는, 제 1 측정 플랫폼(5)은 대차(bogie)로 설계된 온-트랙 하부 차대(4)의 차축(axle)에 고정되는 측정 프레임(6)을 포함한다. 또한, 트랙(1)의 각각의 레일(7)에 대해 2개의 위치 측정 장치(8)가 제 1 측정 플랫폼(5) 상에 장착됨으로써, 레일(7)에 대한 제 1 측정 플랫폼(5)의 상대적인 운동을 기록하도록 구성된다. 각각의 위치 측정 장치(8)는 예컨대, 레일(7) 쪽으로 겨냥된 레이저 및 레이저 투사를 기록하기 위한 카메라를 포함한다.
제 1 측정 플랫폼(5)에서, 관성 기준 시스템(xi, yi, zi)에 대해 제 1 공간 곡선(10)을 기록하는 제 1 관성 측정 시스템(9)이 설치된다. 제 1 공간 곡선(10)은 공지된 거리에서 트랙 축선(11)에 대해 평행하게 연장되며, 트랙 축선은 두 레일(8)의 내부 에지들 사이에서 대칭으로 연장된다. 이에 따라 상대적인 트랙 코스가 결정된다. 운반된 제 1 측정 플랫폼(5)의 좌표 시스템(xg, yg, zg)은 제 1 공간 곡선(10)을 따라 이동한다. 선택적으로, 공간 곡선의 기록은 위치 측정 장치(8)에 의해 트랙(1)의 각 레일(7)마다 발생한다.
철도 차량(2)의 전방 측면(13)에는, 차량 프레임(12)에 견고하게 연결된 제 2 측정 플랫폼(14)이 배치된다. 제 2 측정 플랫폼(14)에는 제 2 공간 곡선(16)을 기록하기 위한 제 2 관성 측정 시스템(15)이 고정되어 있다. 운반된 제 2 측정 플랫폼(14)의 좌표 시스템(xs, ys, zs)은 제 2 공간 곡선(16)을 따라 이동한다.
각 관성 측정 시스템(9, 15) 별로 3개의 가속도계 및 3개의 회전 속도 센서가 직교 배치되어 조립된다. 위치 통합에 의해, 관성 기준 시스템(xi, yi, zi)에 대한 상대 위치는 연관된 이동-좌표 시스템(xg, yg, zg 또는 xs, ys, zs)에 존재하는 각각의 관성 측정 시스템(9, 15)에서 측정된 회전 속도로부터 결정된다.
제 2 측정 플랫폼(14)은 검사될 트랙 섹션(18)의 표면 포인트들(P)을 기록하도록 구성된 센서 장치(17)의 운반기(carrier)로서 기능한다. 이때, 예컨대 트랙 플랫폼(19), 마스트(20), 신호 장치(21) 및 전차 선로(catenary, 22)와 같은 다양한 물체가 트랙(1) 옆의 트랙 섹션(18)을 따라 배치된다. 우선, 표면 포인트들(P)을 기록함으로써 제 2 측정 플랫폼(14)의 좌표 시스템(xs, ys, zs)에 대한 이들 물체들(19 내지 22)의 위치가 결정될 수 있도록 구성된다.
센서 장치(17)는 다수의 레이저 스캐너, 예컨대 2개의 2D 회전 스캐너(23) 및 2개의 2D 팬 스캐너(24)를 포함한다. 따라서, 철도 차량(2)의 공지된 이동 속도에 의해, 3차원 포인트 클라우드 형상의 측정이 수행된다. 스캐너(23, 24)의 스캐닝 속도 및 이동 속도를 조정함으로써 그 해상도를 변화시킬 수 있다. 포인트 클라우드의 개별 표면 포인트들(P)에 대한 좌표는 제 2 측정 플랫폼(14)의 좌표 시스템(xs, ys, zs)을 참조하여 컴퓨터(25)에 저장된다.
또한, 컴퓨터(25)는 표면 포인트들(P)의 좌표를 제 2 측정 플랫폼(14)의 센서 장치(17)와 함께 이동된 좌표 시스템(xs, ys, zs)으로부터 제 1 측정 플랫폼의 트랙 코스를 따른 좌표 시스템(xg, yg, zg)으로 변환하도록 설정된다. 이때, 관성 측정 시스템들(9, 15)과 공지된 이동 속도 사이의 거리(A)가 산정됨으로써, 두 관성 측정 시스템(9, 15)의 측정 값들을 동기화하도록 구성된다.
예시적인 좌표 변환이 도 2에 도시되어 있다. 제 2 측정 플랫폼(14)의 좌표 시스템(xs, ys, zs)은 제 1 측정 플랫폼(5)의 좌표 시스템(xs, ys, zs)으로 이동되며, 이때 관성 기준 시스템(xi, yi, zi)이 공통의 기준으로 제공된다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 예시적인 표면 포인트(P)에 대한 프로세스가 추가로 설명된다. 도 3의 평면도에서 철도 차량(2)은 트랙 섹션(18)의 곡선 입구에 위치한다. 전진 주행하는 동안, 2D 회전 스캐너(23)는 트랙(1) 및 나란히 위치한 물체들(19 내지 22)을 나선형으로 스캔한 다음, 프로세스에서 기록된 표면 포인트들(P)을 트랙 주변의 형상에 대응시킨다. 2D 팬 스캐너(24)로 기록된 표면 포인트들(P)에 의해 포인트 클라우드가 보충된다. 이때, 2D 팬 스캐너(24)는 2D 회전 스캐너(23)의 시야가 방해받는 영역을 조준한다.
곡선의 횡단 동안, 2개의 관성 측정 시스템(9, 15)은 상이한 공간 곡선(10, 16)을 기록한다. 특히, 전방 온-트랙 하부 차대(4)의 전방에 위치한 차량의 일부에서 발생한 스윙은 상당한 편차를 야기한다. 도 4에서, 2개의 공간 곡선(10, 16)은 위에서 볼때 서로 겹쳐져 있으며, 이때 2개의 이동-좌표 시스템(xg, yg, zg 또는 xs, ys, zs)의 원점(0g, 0s)은 공지된 거리(A) 및 이동 속도에 의해 동기화된다.
각각의 기록된 표면 포인트(P)에 대해, 제 2 측정 플랫폼(14)의 좌표 시스템(xs, ys, zs)의 좌표(xp s, yp s)는 제 1 측정 플랫폼(5)의 좌표 시스템(xg, yg, zg)의 좌표(xp g, yp g)로 변환될 수 있다. 각각의 표면 포인트(P)의 변환된 좌표(xp g, yp g)는 트랙 코스 또는 트랙 축선(11)에 대한 위치를 나타낸다.
좌표 변환의 결과는 특히, 클리어런스 게이지(clearance gauge)의 제어에 사용된다. 이때, 트랙 주위의 형상 데이터는 평가 장치에 의해 트랙 축선(11)에 대해 산정된다. 각각의 제어 위치에서 이들 표면 포인트들(P)은, 제 1 측정 플랫폼(5)의 이동-좌표 시스템(xg, yg, zg)의 x 좌표(트랙의 종방향)가 0과 같다는 점을 고려한다. 이들 표면 포인트들(P)의 y 좌표 및 z 좌표는 관찰될 공간 형상(clearance profile)의 한계 값과 비교된다. 이 동안, 표준화된 공간 형상도 트랙 축선(11)을 참조하기 때문에, 제 1 측정 플랫폼(5)의 좌표 시스템(xg, yg, zg)의 영점(0g)을 트랙 축선(11)으로 시프트(shift)시키는 것이 바람직하다.
표면 포인트(P)가 규정된 공간 형상 내에 있는 경우, 공간 형상에 대한 위반 내역이 존재한다. 대응하는 y 좌표 또는 z 좌표는 규정된 공간 형상의 한계 값보다 작다. 충돌 위험을 피하기 위해, 공간 형상에 대한 위반 내역이 제어 센터에 표시되는데, 철도 차량(2)의 출력 장치(26)에서 바로 디스플레이되는 것이 바람직하다. 이때, 컴퓨터(25)는 바람직하게는 표면 포인트들(P)의 좌표를 공간 형상의 한계 값과 온라인으로 비교하기 위한 평가 장치로서 설계된다.
특히, 공간 형상의 위반시 공간 형상을 위반하는 물체(19 내지 22)의 위치 데이터를 제어된 트랙 섹션(18)의 킬로미터 표시에 링크시키는 출력 데이터가 생성된다. 이러한 방식으로, 트랙 네트워크에서 임의의 사고 다발 지점(trouble spot)이 구체적으로 배치됨으로써 적절한 대책을 강구하도록 구성된다. 이때, 경로 측정 장치(27) 또는 GNSS 수신기가 철도 차량(2) 상에 배치된다. 또한, 철도 차량(2) 상에 배치된 고정 포인트 측정 장치는 트랙(1)의 옆에 위치한 고정 포인트들에 대한 절대 위치를 결정하는데 유용하다.
본 발명의 추가 장점은, 레일 내부 에지의 표면 포인트들(P)도 또한 센서 장치(17)에 의해 기록된다는 점이다. 따라서, 상술한 좌표 변환에 의해 트랙 코스를 결정할 수 있도록 구성된다. 이는 측정 실행 후와 같이 오프라인에서도 발생하며, 이에 의해 제 1 측정 플랫폼(5)에 의해 기록된 트랙 코스의 정밀도를 확인하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 트랙 코스를 결정하기 위한 확장 시스템을 포함한다.

Claims (12)

  1. 온-트랙 하부 차대들(4) 상에 지지되는 한편 트랙(1)의 레일(7) 상에서 이동 가능한 차량 프레임(12)을 갖는 철도 차량(2)에 있어서,
    상기 철도 차량은 트랙 코스를 기록하기 위한 제 1 관성 측정 시스템(9)을 구비한 제 1 측정 플랫폼(5)을 포함하고,
    제 2 관성 측정 시스템(15) 및 트랙 섹션(18)의 표면 포인트들(P)을 기록하기 위한 적어도 하나의 센서 장치(17)를 포함하는 제 2 측정 플랫폼(14)이 철도 차량(2) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    컴퓨터(25)가 철도 차량(2)에 직접 배치됨으로써 관성 측정 시스템들(9, 15) 및 센서 장치(17)의 측정 데이터가 공급되며, 이에 의해 표면 포인트들(P)의 좌표를 제 2 측정 플랫폼(14)의 센서 장치(17)와 함께 이동된 좌표 시스템(xs, ys, zs)으로부터 제 1 측정 플랫폼(5)의 트랙 코스를 따른 좌표 시스템(xg, yg, zg)으로 변환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  3. 제2항에 있어서,
    평가 장치가 철도 차량(2)에 배치되며, 평가 장치에 의해 제 1 측정 플랫폼(5)의 좌표 시스템(xg, yg, zg) 내 표면 포인트들(P)의 좌표를 트랙 섹션(18)의 규정된 공간 형상(clearance profile)과 비교하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 측정 플랫폼(5)은 온-트랙 하부 차대들(4) 중 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  5. 제4항에 있어서,
    제 1 측정 플랫폼(5)은 온-트랙 하부 차대(4)의 휠 차축 상에 배치되는 측정 프레임(6)을 포함하고, 상기 프레임에는 제 1 관성 측정 시스템(9)이 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  6. 제5항에 있어서,
    트랙(1)의 레일(7)에 대해 측정 프레임(6)의 위치를 결정하기 위한 적어도 2개의 위치 측정 장치(8)가 측정 프레임(6) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 측정 플랫폼(14)은 철도 차량(2)의 전방 측면(13)에 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서 장치(17)는 표면 포인트들(P)을 포인트 클라우드(point cloud)로 기록하기 위한 레이저 스캐너(23, 24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 철도 차량(2)에 의해 트랙 섹션(18)을 측정하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    트랙 코스, 특히 제 1 측정 플랫폼(5)의 좌표 시스템(xg, yg, zg)의 운동 코스를 제 1 관성 측정 시스템(9)에 의해 기록하는 단계; 센서 장치(17)의 운동 코스, 특히 제 2 측정 플랫폼(14)의 좌표 시스템(xs, ys, zs)의 운동 코스를 제 2 관성 측정 시스템(15)에 의해 기록하는 단계; 및 트랙 섹션(17)의 표면 포인트들(P)을 센서 장치(17)에 의해 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량에 의해 트랙 섹션을 측정하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    표면 포인트들(P)의 좌표는 제 2 측정 플랫폼(14)의 센서 장치(17)와 함께 이동된 좌표 시스템(xs, ys, zs)으로부터 제 1 측정 플랫폼(5)의 트랙 코스를 따른 좌표 시스템(xg, yg, zg)으로 변환되는 것을 특징으로 하는 철도 차량에 의해 트랙 섹션을 측정하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제 1 측정 플랫폼(5)의 좌표 시스템(xg, yg, zg)의 표면 포인트들(P)의 좌표는 트랙 섹션(17)의 공간 형상과 비교되는 것을 특징으로 하는 철도 차량에 의해 트랙 섹션을 측정하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    표면 포인트(P)의 공간 형상에 대한 위반 내역이 출력 장치(26)에 표시되는 것을 특징으로 하는 철도 차량에 의해 트랙 섹션을 측정하는 방법.
KR1020207017095A 2018-02-02 2019-01-02 철도 차량 및 트랙 섹션을 측정하는 방법 KR20200111673A (ko)

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