KR20210138283A - 레일절손 검지 시스템 및 이를 이용한 레일절손 검지방법 - Google Patents

Abstract

레일절손 검지 시스템 및 이를 이용한 레일절손 검지방법에서, 상기 레일절손 검지시스템은 측정위치 설정부, 신호 측정부, 데이터 처리부 및 판단부를 포함한다. 상기 측정위치 설정부는 기준지점을 포함한 서로 다른 복수의 측정위치들을 설정한다. 상기 신호 측정부는 열차가 상기 기준지점을 포함한 측정위치들을 통과하는 경우, 각각의 측정위치들에서의 진동 신호들을 측정한다. 상기 데이터 처리부는 상기 측정된 진동 신호들에 대하여 특정 주파수 대역에서의 최대값을 도출한다. 상기 판단부는 상기 도출된 최대값들을 바탕으로, 상기 측정위치들에서의 진동 신호의 변화량을 연산하여 상기 기준지점에서의 레일 절손의 여부를 판단한다.

Description

레일절손 검지 시스템 및 이를 이용한 레일절손 검지방법{RAIL FRACTURE DECISION SYSTEM AND METHOD FOR DECIDING RAIL FRACTURE USING THE SAME}

본 발명은 레일절손 검지 시스템 및 이를 이용한 레일절손 검지방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분산형 음파 검지(distributed acoustic sensing: DAS) 방법을 이용하여 열차의 접근에 따른 진동 신호를 바탕으로 레일절손의 여부를 검지하는 레일절손 검지 시스템 및 이를 이용한 레일절손 검지방법에 관한 것이다.

철도차량이 운행되는 레일의 결손을 검지하는 것은, 철도 차량의 안전사고를 예방하고 운행의 신뢰성을 향상시키기 위해 매우 중요하다.

이러한, 레일의 결손을 검지하는 방법의 경우, 철도차량의 운행에 따라 레일로부터 측정되는 전류 등의 전기적 신호를 이용하거나, 레일로부터 측정되는 진동 신호를 이용하는 방법이 가장 대표적이다.

예를 들어, 일본국 등록특허 제6297280호에서는 레일 파단 검지 장치로서, 레일 상에 복수의 진동센서들을 단순히 구비하여, 열차가 특정 위치에 위치하는 경우, 해당 위치 근처에서의 진동 센서의 센싱 결과를 바탕으로 해당 위치에서의 레일의 파단 여부를 검지하는 기술을 개시한다.

그러나, 이러한 진동센서를 이용한 레일 판단 검지 장치의 경우, 열차의 위치에 종속되어, 열차가 통과하는 위치마다 진동센서를 구비하여 각각의 진동센서의 개별 진동 측정 결과를 바탕으로 진동을 측정하는 것으로, 각 위치에서의 진동 측정 결과에 각 위치에서의 공사 등의 변수로 인한 다양한 진동 특성을 추가로 고려하여 레일 결손을 판단하여야 하므로, 실용적이지 못한 한계가 있다.

최근에는, 분산형 음파 검지(DAS) 방법을 이용하여 이러한 레일의 결손을 검지하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있는데, 이러한 DAS 방법의 경우, 광케이블 상에 특정 주파수의 신호를 송수신하여 진동에 의해 발생되는 신호의 왜곡을 분석함으로써 진동 발생의 위치와 크기를 검지하는 것을 특징으로 한다.

다만, 이러한 DAS 방법을 이용한 레일 판단의 검지에서는, 외부에서 유사한 진동이 유입되는 경우 판단의 오류가 발생할 수 있으며, 토목 공사 등으로 인해 구간별 진동 특성이 변경되는 경우에도 오류가 발생하거나 데이터베이스를 갱신하여야 하는 문제가 있다.

일본국 등록특허 제6297280호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 분산형 음파 검지(distributed acoustic sensing: DAS) 방법을 이용하여 열차 운행 환경에 대한 영향을 최소화하고, 레일 절손이 체결부위 근처에서 발생한 경우에도 레일절손의 여부를 보다 효과적이고 정확하게 판단할 수 있는 레일절손 검지 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 레일절손 판단 시스템을 이용한 레일절손 검지방법에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레일절손 검지시스템은 측정위치 설정부, 신호 측정부, 데이터 처리부 및 판단부를 포함한다. 상기 측정위치 설정부는 기준지점을 포함한 서로 다른 복수의 측정위치들을 설정한다. 상기 신호 측정부는 열차가 상기 기준지점을 포함한 측정위치들을 통과하는 경우, 각각의 측정위치들에서의 진동 신호들을 측정한다. 상기 데이터 처리부는 상기 측정된 진동 신호들에 대하여 특정 주파수 대역에서의 최대값을 도출한다. 상기 판단부는 상기 도출된 최대값들을 바탕으로, 상기 측정위치들에서의 진동 신호의 변화량을 연산하여 상기 기준지점에서의 레일 절손의 여부를 판단한다.

일 실시예에서, 상기 복수의 측정위치들은, 상기 기준지점, 상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제1 측정위치, 상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제2 측정위치, 및 상기 제2 측정위치를 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제3 측정위치를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 거리는 열차의 속도에 따라 가변되며, 열차의 속도가 70km/h 미만인 경우 20m일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 데이터 처리부는, 상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역에서 최대값을 도출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 데이터 처리부는, 상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역의 상기 진동 신호들의 측정값의 합을 도출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 진동신호들은, 분산형 음파 검지(distributed acoustic sensing, DAS) 시스템을 이용하여 수신되는 데이터일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 판단부는, 상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가 기 설정된 기준값 이하인지의 여부를 바탕으로, 레일 절손을 판단하는 제1 판단부, 및 상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가, 상기 제2 측정위치와 상기 제3 측정위치 사이의 최대값의 차이와 상기 기준지점과 상기 제2 측정위치 사이의 최대값의 차이 중 큰 값의 2배 이하인지의 여부를 바탕으로, 레일 절손을 판단하는 제2 판단부를 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레일절손 검지방법에서, 기준지점을 포함한 서로 다른 복수의 측정위치들을 설정한다. 열차가 상기 기준지점을 포함한 측정위치들을 통과하는 경우, 각각의 측정위치들에서의 진동 신호들을 측정한다. 상기 측정된 진동 신호들에 대하여 특정 주파수 대역에서의 최대값을 도출한다. 상기 도출된 최대값들을 바탕으로, 상기 측정위치들에서의 진동 신호의 변화량을 연산하여 상기 기준지점에서의 레일 절손의 여부를 판단한다.

일 실시예에서, 상기 복수의 측정위치들은, 상기 기준지점, 상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제1 측정위치, 상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제2 측정위치, 및 상기 제2 측정위치를 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제3 측정위치를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 최대값을 도출하는 단계에서, 상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역에서 최대값을 도출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 최대값을 도출하는 단계에서, 상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역의 상기 진동 신호들의 측정값의 합을 도출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 레일 절손의 여부를 판단하는 단계는, 상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가 기 설정된 기준값의 이하인 경우, 상기 기준지점에서 레일은 미절손 상태인 것으로 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 레일 절손의 여부를 판단하는 단계는, 상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가 기 설정된 기준값을 초과하고, 상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가, 상기 제2 측정위치와 상기 제3 측정위치 사이의 최대값의 차이와 상기 기준지점과 상기 제2 측정위치 사이의 최대값의 차이 중 큰 값의 2배를 초과하는 경우, 상기 기준지점에서 레일은 절손 상태인 것으로 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 기 설정된 기준값은, 10

일 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 기준지점과 측정위치들 사이에서의 진동 증가량을 바탕으로 레일 절손 여부를 판단하는 것으로, 결국 기준지점과 측정위치들 사이에서의 상대적인 신호 변화를 바탕으로 하는 바, 종래 레일 주변에서 발생되는 진동이 존재하는 경우 신호 왜곡에 따라 레일 절손 검지의 오류나 데이터베이스의 갱신 등의 문제를 최소화할 수 있다.

특히, 국내의 철도규격과 DAS로 측정되는 데이터를 모두 고려하여, 유의미한 결과를 도출할 수 있도록 기준지점 및 측정위치들 사이의 간격을 20m로 최적화하여 결정할 수 있다.

이 경우, 측정되는 진동 신호는 DAS 시스템을 이용하여 수신되는 것으로, 선로변에 기 매설된 광케이블을 통해 특정 위치, 측정 시간에서 발생하는 음파 신호를 용이하게 검지할 수 있으므로, 사용성과 편의성이 높다.

특히, 각 지점에서의 진동 신호들에 대하여 50~130Hz 대역에서의 최대값 또는 진동 신호들의 측정값의 합을 바탕으로 레일 절손 검지를 판단함으로써, 50Hz 이하에서 레일절손으로 인하여 차륜과 레일의 마찰과 충격이 주로 전파되는 대역을 회피하면서 보다 정확한 레일 절손을 검지할 수 있다.

또한, 단순히 하나의 판단기준으로만 레일 절손을 검지하지 않고, 4개의 측정위치들 사이에서의 상대적인 진동 신호의 증가를 바탕으로 복수의 판단기준으로 레일 절손을 검지함으로써, 보다 정확하고 높은 신뢰성을 가지는 레일 절손 검지가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레일절손 검지시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 레일절손 검지시스템을 이용한 신호 측정 상태를 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1의 레일절손 검지시스템에서 신호 측정 위치의 이격에 따른 측정위치와 절손지점의 거리의 예를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 1의 레일절손 검지시스템을 이용한 레일절손 검지방법을 도시한 흐름도이다.
도 5a 및 도 5b는 장대레일 구간에서의 거리와 굴절률 사이의 관계의 예를 도시한 그래프들이다.
도 6a 및 도 6b는 레일 이음매 구간에서의 거리와 굴절률 사이의 관계의 예를 도시한 그래프들이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레일절손 검지시스템을 도시한 블록도이다. 도 2는 도 1의 레일절손 검지시스템을 이용한 신호 측정 상태를 도시한 그래프이다. 도 3은 도 1의 레일절손 검지시스템에서 신호 측정 위치의 이격에 따른 측정위치와 절손지점의 거리의 예를 도시한 모식도이다. 도 4는 도 1의 레일절손 검지시스템을 이용한 레일절손 검지방법을 도시한 흐름도이다.

우선, 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 레일 절손 검지시스템(10)은 측정위치 설정부(100), 신호 측정부(200), 데이터 처리부(300) 및 판단부(400)를 포함하며, 상기 판단부(400)는 제1 및 제2 판단부들(410, 420)을 포함한다.

한편, 이하에서는, 도 1 내지 도 4를 동시에 참조하여, 본 실시예에 의한 레일절손 검지시스템(10) 및 이를 이용한 레일 절손 검지방법에 대하여 동시에 설명한다.

우선, 도 1 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 레일 절손 검지방법에서는, 상기 측정위치 설정부(100)는 기준지점(R)을 포함한 총 4개의 서로 다른 측정위치들(-2A, -A, R, A)을 설정한다(단계 S10).

이 경우, 상기 서로 다른 측정위치들은, 도 2에 도시된 바와 같이, 레일의 절손 여부가 판단되는 기준지점(R)을 포함하여, 총 4개의 서로 다른 측정위치들(-2A, -A, R, A)이다.

상기 기준지점(R)도 상기 측정위치들에 포함되는 것으로, 결국 상기 측정위치들은 상기 기준지점, 및 서로 다른 3개의 측정위치들을 포함하여, 총 4개의 측정위치들로 정의될 수 있다.

상기 기준지점(R)은 곧, 해당 지점에서 레일의 절손 여부를 판단하는 위치인 것이며, 상기 기준지점(R)에서의 레일 절손을 판단하기 위해서는 인접한 상기 3개의 서로 다른 측정위치들을 정의할 필요가 있다.

이 경우, 제1 측정위치(A)는 상기 기준지점(R)을 기준으로, 도 2에 화살표로 도시된 열차 진행방향과 동일한 방향으로 제1 거리만큼 이격된 위치로 정의될 수 있다.

또한, 제2 측정위치(-A)는 상기 기준지점(R)을 기준으로, 도 2의 상기 열차 진행방향에 반대인 방향으로 제1 거리만큼 이격된 위치로 정의될 수 있으며, 제3 측정위치(-2A)는 상기 제2 측정위치(-A)를 기준으로, 도 2의 상기 열차 진행방향에 반대인 방향으로 제1 거리만큼 이격된 위치로 정의될 수 있다.

이에 따라, 상기 제3 측정위치(-2A)는 상기 기준지점(R)을 기준으로 제1 거리의 2배만큼 이격되며, 상기 제1 측정위치(A)를 기준으로는 제1 거리의 3배 만큼 이격되도록 정의된다.

한편, 상기 제1 거리는, 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 20m로 정의될 수 있다.

이와 같이, 상기 제1 거리를 20m로 설정한 이유에 대하여 도 3을 동시에 참조하여 설명하면 다음과 같다.

즉, 임의의 진동에 대하여 측정 지점에서 수신되는 신호의 크기는 측정지점과 진동 발생지점 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 것으로 알려져 있는데(J. Kim, "Rail break detection technology to replace additional functions of track circuit", in Proc. 2019, the Korean Society for Railway Fall Conf, Jeju, Korea, November 14), 이에 따라, 특정 지점을 열차가 지나갈 때 분산형 음파 검지(distributed acoustic sensing: DAS)를 통해 수신되는 신호의 크기는 하기 식 (1)과 같이 표현된다.

식 (1)

이 경우, I는 수신되는 진동의 크기이고, P는 진동발생 지점의 진동의 세기이고, x는 광케이블 상의 분석 지점(진동 수신 지점)과 광케이블 상 진동이 발생한 최단 지점과의 거리이며, R은 광케이블과 진동발생 지점과의 최단거리(수직거리)이다.

즉, 도 3에서 진동발생 지점(S, T)과 실제 측정 지점, 광케이블과 노선과의 거리에 대한 예가 도시되고 있다.

이 때, 만약 광케이블과 가장 가까운 레일에 절손이 발생하였다면(S 지점, R=5m), 이로 인해 증가된 진동은 x=0m인 지점에서 가장 크게 수신(최대 수신값)되며, x=5m일 때 수신값은 최대 수신값의 1/2이고, x=10m일 때 수신값은 최대 수신값의 1/5가 된다.

이와 달리, 만약 광케이블과 가장 먼 레일에 절손이 발생하였다면(T 지점), 상기 식 (1)에서 R이 증가하므로 수신값이 최대 수신값에 대하여 특정 비율 이하로 감소하게 되는데 이 때 필요한 x도 증가하게 된다.

나아가, 국내의 철도규격 상 복선의 2개의 선로의 중심 간격은 4m이고, 궤간(두 레일 사이의 간격)은 1.435m이므로, 광케이블이 도 3에서와 같이 매설되는 경우 R의 최대값은 10.435m가 된다. 따라서, x=20m일 때 최대 수신 값의 약 1/5가 되며, 상기 DAS를 통한 데이터 검지시, 데이터가 유의미하게 크기 변화를 검지할 수 있게 된다.

이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 제1 거리를, 20m로 설정할 수 있다.

다만, 상기 제1 거리를 20m로 설정한 경우, 열차속도가 72km/h(=20m/s) 미만인 경우에만 적용이 가능하며, 열차의 속도가 증가하는 경우 상기 제1 거리 역시 증가하도록 설정되어야 한다.

예를 들어, 상기 열차의 속도가 72km/h 내지 90km/h라면 상기 제1 거리는 25m일 수 있고, 상기 열차의 속도가 90km/h 내지 108km/h라면 상기 제1 거리는 30m일 수 있다.

이상과 같이, 상기 측정위치 설정부(100)는, 상기 기준지점을 포함한 서로 다른 복수의 측정위치들을 설정하며, 각 측적위치들 사이의 제1 거리도 설정하게 된다. 이 경우, 상기 측정위치 설정부(100)는 열차의 속도를 고려하여 상기 제1 거리를 변경할 수 있다.

이 후, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 신호 측정부(200)는 열차가 기준지점(R)을 포함한 상기 총 4개의 측정위치들(-2A, -A, R, A)을 통과하는 경우 각각의 측정위치들에서의 진동 신호를 측정한다(단계 S20).

이 경우, 상기 신호 측정부(200)는, 앞서 설명한 바와 같이, 분산형 음파 검지(distributed acoustic sensing: DAS)를 이용하여 진동 신호를 측정하는 것으로, 열차가 각각의 측정위치들을 지나는 경우의 진동 신호를, 각각의 측정위치들로 연결되는 광 케이블을 통해 측정하게 된다.

이상과 같이, 상기 신호 측정부(200)에서, 열차의 통과시에 상기 제1 내지 제3 측정위치들과 기준지점에서의 진동 신호를 측정하는 경우, 일반적으로, 레일이 미절손 상태라면 열차가 측정위치에 접근하면서 측정되는 해당 주파수 대역의 진동의 크기는 증가하게 되며, 기준지점 근처에서 레일 절손이 발생한 경우라면 열차가 상기 기준지점을 지날 때까지는 기본 진동만 측정되다 상기 기준지점을 지나 측정위치를 지나는 경우 측정값은 급속하게 증가할 것이다.

이러한, 일반적인 각 측정위치들에서의 진동 신호의 경향을 바탕으로, 본 실시예에서 구체적으로 레일 결손의 여부를 검지하는 방법은 하기와 같다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 신호 측정부(200)에서, 기준지점(R)과 제1 내지 제3 측정위치들(-2A, -A, A)에서의 진동 신호를 측정한 결과에 대하여, 상기 데이터 처리부(300)는 특정 주파수 대역에서 최대값을 도출한다(단계 S30).

이 경우, 최대값이 도출되는 특정 주파수 대역은, 예를 들어, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역일 수 있다.

0Hz 내지 50Hz의 주파수 대역은, 열차의 운행시, 지반에서 발생하는 진동의 주파수 대역에 해당되므로, 상기 주파수 대역에서는 측정되는 진동 신호가 유사한 값을 나타낸다. 이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역에서의 최대값을 도출한다.

이상과 같이, 상기 데이터 처리부(300)는, 상기 기준지점(R), 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들(-2A, -A, A)에서 각각 측정된 진동신호들에 대하여, 상기 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역에서의 최대값을 각각 도출한다.

이와 달리, 도시하지는 않았으나, 상기 데이터 처리부(300)는 상기 기준지점(R), 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들(-2A, -A, A)에서 각각 측정된 진동신호들에 대하여, 상기 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역에서의 상기 측정된 진동 신호들의 총합을 각각 도출할 수도 있다.

이와 같이, 상기 주파수 대역에서의 측정된 진동신호들의 총합을 이용하는 경우, 결국 상기 주파수 대역에서의 총 에너지를 의미하는 것이므로, 보다 정확한 판단의 기준으로 사용될 수 있다.

그리하여, 상기 최대값을 대신하여 상기 총합을 후술되는 레일 절손여부의 판단에 사용할 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의상, 상기 최대값을 판단에 사용하는 것에 대하여만 설명하며, 이하의 레일 절손여부의 판단의 기준으로 사용되는 최대값은 상기 측정된 진동신호들의 총합으로 대체될 수 있다.

한편, 일반적으로 DAS를 통해 제공되는 진동신호는, 굴절률을 바탕으로 진동을 측정하는 장치의 경우

단위로 진동신호가 표현되며, 전압 준위를 바탕으로 진동을 측정하는 장치의 경우 mV 단위로 진동신호가 표현된다.

이하에서는, 굴절률을 바탕으로 진동을 측정하는 장치로 가정하여

단위로 진동신호가 표현되는 것을 가정하여 설명하지만, 전압 준위를 바탕으로 진동하는 측정장치에도 단위 표시 방법만 다를 뿐, 동일하게 적용된다.

이 후, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 판단부(410)는 상기 제1 측정위치(A)에 대하여 도출된 최대값과, 상기 기준지점(R)에 대하여 도출된 최대값의 차이를 연산하여, 상기 차이가 기 설정된 기준값의 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S40).

이 경우, 상기 기 설정된 기준값은, 예를 들어, 10

일 수 있다.

즉, 상기 제1 판단부(410)에서는, 상기 기준지점(R)에서 상기 제1 측정위치(A)로 열차가 진행하면서 증가되는 진동량을 상기 기준값과 비교하는 것이며, 상기 진동량의 증가가 상기 기준값 이하인 경우라면, 상기 기준지점(R)에서는 레일은 미절손 상태인 것으로 판단하게 된다(단계 S60).

이는, 상기 기준지점(R)과 제1 측정위치(A)를 차례로 통과하는 열차의 경우, 상기 기준지점(R)과 상기 제1 측정위치(A)를 통과하면서, 정상적인 상태라면 일정한 비율로 진동이 증가하게 되는 것이므로, 이러한 일정한 비율로 진동이 증가하는 것을 전제로 한 상기 기준값보다 작은 경우라면, 레일의 절손은 발생하지 않은 것으로 판단하는 것이 타당하기 때문이다.

한편, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 측정위치(A)에 대하여 도출된 최대값과, 상기 기준지점(R)에 대하여 도출된 최대값의 차이가 상기 기준값(10

)을 초과하는 경우라면(단계 S40), 상기 제2 판단부(420)에서는, 추가적으로 레일 절손 여부에 대한 판단 기준을 적용한다.

즉, 상기 제2 판단부(420)에서는, 상기 제1 측정위치(A)에 대하여 도출된 최대값과 상기 기준지점(R)에 대하여 도출된 최대값의 차이가, 상기 제2 측정위치(-A)에 대하여 도출된 최대값과 상기 제3 측정위치(-2A)에 대하여 도출된 최대값의 차이와 상기 기준지점(R)에 대하여 도출된 최대값과 상기 제2 측정위치(-A)에 대하여 도출된 최대값의 차이 중 큰 값의 2배 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S50).

이는 곧, 상기 기준지점(R)에서의 상기 제1 측정위치(A)로 열차가 진행하면서 증가되는 진동량을, 상기 제3 측정위치(-2A)에서 상기 제2 측정위치(-A)로 열차가 진행하면서 증가되는 진동량과 상기 제2 측정위치(-A)에서 상기 기준지점(R)으로 열차가 진행하면서 증가되는 진동량 중 큰 값의 두 배를 비교하는 것이다.

이상과 같이, 상기 기준지점(R)으로부터 상기 제1 측정위치(A)로 열차가 진행하면서 증가되는 진동량이, 상기 제3 측정위치(-2A)로부터 상기 기준지점(R)을 진행하면서 증가되는 진동량보다 크다는 것은, 결국 상기 기준지점(R)을 기준으로 절손 등이 발생함에 따라, 분석지점으로 진동이 전달되지 않다가, 상기 기준지점(R)을 통과한 이후 갑자기 증가한 큰 진동이 전달되기 때문이다.

그리하여, 상기 제2 판단부(420)에서, 상기 제1 측정위치(A)와 상기 기준지점(R) 사이의 최대값의 차이가, 상기 제2 측정위치(-A)와 상기 제3 측정위치(-2A) 사이의 최대값의 차이와 상기 기준지점(R)과 상기 제2 측정위치(-A) 사이의 최대값의 차이 중 큰 값의 2배 이하라고 판단되면(단계 S50), 여전히 상기 기준지점(R)에서는 상기 레일은 미절손 상태라고 판단된다(단계 S60).

그러나, 상기 제1 측정위치(A)와 상기 기준지점(R) 사이의 최대값의 차이가, 상기 제2 측정위치(-A)와 상기 제3 측정위치(-2A) 사이의 최대값의 차이와 상기 기준지점(R)과 상기 제2 측정위치(-A) 사이의 최대값의 차이 중 큰 값의 2배를 초과하는 것으로 판단되면(단계 S50), 상기 기준지점(R)에서는 상기 레일은 절손 상태라고 판단된다(단계 S70).

이상과 같이, 레일 절손 상태의 판단은, 상기 설명한 2가지 기준을 모두 충족시키는 경우에 예외적으로 판단하게 되며, 이에 따라, 레일 절손 상태에 대한 보다 정확하고 신뢰성 높은 판단이 가능하게 된다.

도 5a 및 도 5b는 장대레일 구간에서의 거리와 굴절률 사이의 관계의 예를 도시한 그래프들이다. 이 경우, 도 5a는 동일한 구간에서 상행 구간에 대한 거리와 굴절률 사이의 그래프이며, 도 5b는 하행 구간에 대한 거리와 굴절률 사이의 그래프이다.

즉, 도 5a 및 도 5b에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 기준지점(R)과 제1 내지 제3 측정위치들(-2A, -A, A)을 각각 제1 거리(20m) 간격으로 설정하여, 각 위치에서의 진동 신호를 측정하고, 이를 바탕으로 진동의 증가량에 대한 그래프를 도시한 것이다.

상기 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 장대레일 구간, 즉 레일의 절손이 없이 상대적으로 길게 연장된 정상 레일 구간에서는, 열차의 통과에 따라 진동은 점진적으로 증가하지만 그 크기는 크지 않으며, 경우에 따라 진동이 감소하는 경향도 나타냄을 확인할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 레일 이음매 구간에서의 거리와 굴절률 사이의 관계의 예를 도시한 그래프들이다. 이 경우, 도 6a는 동일한 구간에서 상행 구간에 대한 거리와 굴절률 사이의 그래프이며, 도 6b는 하행 구간에 대한 거리와 굴절률 사이의 그래프이다.

즉, 도 6a 및 도 6b에서도, 앞서 설명한 바와 같이, 기준지점(R)과 제1 내지 제3 측정위치들(-2A, -A, A)을 각각 제1 거리(20m) 간격으로 설정하여, 각 위치에서의 진동 신호를 측정하고, 이를 바탕으로 진동의 증가량에 대한 그래프를 도시한 것이다.

상기 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 레일 이음매 구간, 즉 중간에 레일 절손이 존재하는 비정상 레일 구간에서는, 열차의 통과에 따라 절손 여부를 판단하는 기준지점을 통과한 이후 급격하게 진동이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 진동의 급격한 증가를 바탕으로, 상기 제1 판단부(410) 및 상기 제2 판단부(420)에서는 레일 절손의 발생을 판단할 수 있게 된다.

이상과 같이, 열차가 절손된 부분이 존재하는 경우, 해당 절손 부위를 통과하여 지나감에 따라 절손 부위 이후의 지점에서의 측정된 진동의 변화는 정상 레일에서의 진동 변화와는 다르며, 이를 이용하여, 세부적인 판단기준을 바탕으로 상기 제1 및 제2 판단부들(410, 420)에서 레일의 절손 여부를 검지할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 기준지점과 측정위치들 사이에서의 진동 증가량을 바탕으로 레일 절손 여부를 판단하는 것으로, 결국 기준지점과 측정위치들 사이에서의 상대적인 신호 변화를 바탕으로 하는 바, 종래 레일 주변에서 발생되는 진동이 존재하는 경우 신호 왜곡에 따라 레일 절손 검지의 오류나 데이터베이스의 갱신 등의 문제를 최소화할 수 있다.

특히, 국내의 철도규격과 DAS로 측정되는 데이터를 모두 고려하여, 유의미한 결과를 도출할 수 있도록 기준지점 및 측정위치들 사이의 간격을 20m로 최적화하여 결정할 수 있다.

이 경우, 측정되는 진동 신호는 DAS 시스템을 이용하여 수신되는 것으로, 선로변에 기 매설된 광케이블을 통해 특정 위치, 측정 시간에서 발생하는 음파 신호를 용이하게 검지할 수 있으므로, 사용성과 편의성이 높다.

특히, 각 지점에서의 진동 신호들에 대하여 50~130Hz 대역에서의 최대값 또는 진동 신호들의 측정값의 합을 바탕으로 레일 절손 검지를 판단함으로써, 50Hz 이하에서 레일절손으로 인하여 차륜과 레일의 마찰과 충격이 주로 전파되는 대역을 회피하면서 보다 정확한 레일 절손을 검지할 수 있다.

또한, 단순히 하나의 판단기준으로만 레일 절손을 검지하지 않고, 4개의 측정위치들 사이에서의 상대적인 진동 신호의 증가를 바탕으로 복수의 판단기준으로 레일 절손을 검지함으로써, 보다 정확하고 높은 신뢰성을 가지는 레일 절손 검지가 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 레일절손 검지 시스템 100 : 측정위치 설정부
200 : 신호측정부 300 : 데이터 처리부
410 : 제1 판단부 420 : 제2 판단부

Claims (14)

1. 기준지점을 포함한 서로 다른 복수의 측정위치들을 설정하는 측정위치 설정부;
   열차가 상기 기준지점을 포함한 측정위치들을 통과하는 경우, 각각의 측정위치들에서의 진동 신호들을 측정하는 신호 측정부;
   상기 측정된 진동 신호들에 대하여 특정 주파수 대역에서의 최대값을 도출하는 데이터 처리부; 및
   상기 도출된 최대값들을 바탕으로, 상기 측정위치들에서의 진동 신호의 변화량을 연산하여 상기 기준지점에서의 레일 절손의 여부를 판단하는 판단부를 포함하는 레일절손 검지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측정위치들은,
   상기 기준지점;
   상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제1 측정위치;
   상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제2 측정위치; 및
   상기 제2 측정위치를 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제3 측정위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 거리는 열차의 속도에 따라 가변되며, 열차의 속도가 70km/h 미만인 경우 20m 인 것을 특징으로 하는 레일절손 검지 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 데이터 처리부는,
   상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역에서 최대값을 도출하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지 시스템.
5. 제2항에 있어서, 상기 데이터 처리부는,
   상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역의 상기 진동 신호들의 측정값의 합을 도출하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지 시스템.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 진동신호들은,
   분산형 음파 검지(distributed acoustic sensing, DAS) 시스템을 이용하여 수신되는 데이터인 것을 특징으로 하는 레일절손 검지 시스템.
7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 판단부는,
   상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가 기 설정된 기준값 이하인지의 여부를 바탕으로, 레일 절손을 판단하는 제1 판단부; 및
   상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가, 상기 제2 측정위치와 상기 제3 측정위치 사이의 최대값의 차이와 상기 기준지점과 상기 제2 측정위치 사이의 최대값의 차이 중 큰 값의 2배 이하인지의 여부를 바탕으로, 레일 절손을 판단하는 제2 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지 시스템.
8. 기준지점을 포함한 서로 다른 복수의 측정위치들을 설정하는 단계;
   열차가 상기 기준지점을 포함한 측정위치들을 통과하는 경우, 각각의 측정위치들에서의 진동 신호들을 측정하는 단계;
   상기 측정된 진동 신호들에 대하여 특정 주파수 대역에서의 최대값을 도출하는 단계;
   상기 도출된 최대값들을 바탕으로, 상기 측정위치들에서의 진동 신호의 변화량을 연산하여 상기 기준지점에서의 레일 절손의 여부를 판단하는 단계를 포함하는 레일절손 검지방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 측정위치들은,
   상기 기준지점;
   상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제1 측정위치;
   상기 기준지점을 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제2 측정위치; 및
   상기 제2 측정위치를 기준으로 열차가 진행하는 방향의 반대방향을 따라 제1 거리만큼 이격된 제3 측정위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 최대값을 도출하는 단계에서,
    상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역에서 최대값을 도출하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 최대값을 도출하는 단계에서,
    상기 기준지점 및 상기 제1 내지 제3 측정위치들 각각에서 측정된 상기 진동 신호들에서, 50Hz 내지 130Hz의 주파수 대역의 상기 진동 신호들의 측정값의 합을 도출하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 레일 절손의 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가 기 설정된 기준값의 이하인 경우, 상기 기준지점에서 레일은 미절손 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지방법.
13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 레일 절손의 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가 기 설정된 기준값을 초과하고,
    상기 제1 측정위치와 상기 기준지점 사이의 최대값의 차이가, 상기 제2 측정위치와 상기 제3 측정위치 사이의 최대값의 차이와 상기 기준지점과 상기 제2 측정위치 사이의 최대값의 차이 중 큰 값의 2배를 초과하는 경우,
    상기 기준지점에서 레일은 절손 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 레일절손 검지방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 기 설정된 기준값은, 10

    

    인 것을 특징으로 하는 레일절손 검지방법.

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