KR20220159723A - Measurement device and method of rail acoustic roughness using the laser scanning - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a device and method for measuring acoustic roughness of a rail through laser scanning, which can measure the acoustic roughness very quickly and safely for all sections in which a railway vehicle runs, predict and determine a level of noise and vibration generated inside a railway vehicle and along a track, and immediately analyze changes in abrasion of the rail. Moreover, the device and method of the present invention can prevent the risk of accidents which may occur when workers enter the track for measurement, reduce labor costs, effort and time required for the measurement, and contribute to planning of maintenance work such as rail polishing around residential areas sensitive to sound/vibration by acquiring the acoustic roughness of the rail.

Description

레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법 {Measurement device and method of rail acoustic roughness using the laser scanning}Apparatus and method for measuring rail acoustic roughness through laser scanning {Measurement device and method of rail acoustic roughness using the laser scanning}

본 발명은 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 철도 차량 및 궤도의 소음/진동 유지보수와 관련한 레일 길이방향의 표면 불규칙도(레일 음향 러프니스)를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring rail acoustic roughness through laser scanning, and more particularly, to measure surface irregularities (rail acoustic roughness) in the longitudinal direction of rails related to noise/vibration maintenance of railway vehicles and tracks. It relates to a measuring device and its method.

일반적으로 철도 차륜과 레일의 진동으로 인한 소음 진동의 발생은 차륜과 레일의 마모로 인한 표면 접촉점에서의 레일 길이방향 불규칙도로 인하여 발생하며, 이는 레일 음향 러프니스(rail acoustic roughness)라고 불린다. In general, the generation of noise and vibration due to the vibration of railway wheels and rails is caused by irregularities in the longitudinal direction of the rails at the surface contact point due to wear of the wheels and rails, which is called rail acoustic roughness.

그리고, 레일 음향 러프니스를 푸리에 변환하여 파장대별로 그 크기를 나타낸 것을 레일 음향 러프니스 스펙트럼이라고 한다. A rail acoustic roughness spectrum obtained by Fourier transforming the rail acoustic roughness and showing the magnitude thereof for each wavelength band is called a rail acoustic roughness spectrum.

이러한 레일 음향 러프니스가 큰 선로에서는 큰 소음 진동을 발생시키므로 이에 대한 측정을 통하여 레일 표면에 대한 연마 작업 등의 유지보수가 필요하다.Rails with large rail acoustic roughness generate large noise and vibration, so it is necessary to perform maintenance such as polishing the rail surface through measurement of this.

한편, 레일의 음향 러프니스(acoustic roughness)의 측정은 일반적으로 레일 표면을 접촉하는 센서를 이용하여 계측한다. On the other hand, measurement of the acoustic roughness (acoustic roughness) of the rail is generally measured using a sensor contacting the surface of the rail.

이때, 상기 센서는 변위 또는 가속도를 측정하며 레일 길이 방향으로 구르는 바퀴에 연결된 엔코더를 이용하여 얻은 레일 길이 방향의 좌표값에 대한 변동 값을 이용한다. 이러한 작업을 위해서 측정자는 레일 위에서 계측기를 설치하거나 궤도를 따라서 걸어가면서 끄는 트롤리(trolley) 형태의 장비를 활용하여야 하므로 선로의 일부 구간에 대해서만 레일 음향 러프니스를 측정할 수 있다. 만일 노선 전체에 대한 음향 러프니스의 계측을 위해서는 측정자는 노선 전체를 걸어서 이동하면서 측정하여야 하므로 매우 많은 시간과 노력이 소요되며, 영업 중인 노선에서는 차량 사고의 우려 때문에 위험 요인이 된다.At this time, the sensor measures displacement or acceleration and uses a variation value of a coordinate value in the longitudinal direction of the rail obtained by using an encoder connected to a wheel rolling in the longitudinal direction of the rail. For this task, the measurer must install a measuring instrument on the rail or use a trolley-type equipment that is pulled while walking along the track, so the rail acoustic roughness can be measured only for a part of the track. In order to measure the acoustic roughness of the entire route, the measurer must measure while walking along the entire route, so it takes a lot of time and effort, and it is a risk factor due to the concern of vehicle accidents on the route in operation.

이러한 노선 전체에 대한 레일 음향 러프니스 측정을 위해서 철도 차량의 하부에 음향 러프니스 측정 장치를 설치하는 방법을 고려할 수 있다. In order to measure the rail acoustic roughness of the entire route, a method of installing an acoustic roughness measuring device under the railway vehicle may be considered.

일 예로 마이크로폰 또는 가속도계를 이용하여 측정된 소음 및 진동 크기로부터 레일 음향 러프니스를 추정하는 방법이 있으나 휠-레일 소음원 이외의 다른 소음원에 의한 노이즈로 오차가 크게 발생하는 문제가 있다.As an example, there is a method of estimating rail acoustic roughness from noise and vibration measured using a microphone or accelerometer, but there is a problem in that a large error occurs due to noise caused by noise sources other than wheel-rail noise sources.

한편, 레이저 스캔을 이용한 비접촉 표면 검사 방법이 제품 생산 공정이나 검수 시에 이용되고 있다. 이 경우 레이저 스캔 센서는 특정 위치에 고정되고 정지하거나 움직이는 대상을 스캔하고 검사한다. On the other hand, a non-contact surface inspection method using laser scanning is used during product production process or inspection. In this case, the laser scan sensor is fixed in a specific position and scans and inspects a stationary or moving object.

또한, 철도 차량에 레이저 스캔 장치를 장착하여 궤도 구성품의 파손을 판단하기 위한 사례가 있으나, 레일 표면에 나는 큰 결함이나 슬리퍼, 체결구의 파손을 파악하기 위한 것이었다.In addition, there is a case for determining the damage of track components by installing a laser scan device on a railway vehicle, but it was to identify major defects on the surface of the rail or damage to slippers and fasteners.

이때, 레이저 스캔 장치를 주행하는 철도 차량에 설치하여 레일 표면의 고저(높낮이)를 단순히 측정을 하고자 한다면, 측정한 값에는 철도 차량의 진동에 의한 센서 높낮이가 변경되는 성분이 포함되므로 오차가 커지게 된다. At this time, if you simply want to measure the height (height) of the rail surface by installing the laser scan device on a running railroad car, the measured value includes a component that changes the height of the sensor due to the vibration of the railroad car, resulting in a large error. do.

특히, 레일 음향 러프니스의 측정을 위해서는 철도 차량의 진동에 의한 오차를 제거하여 레일 표면의 고저를 정밀하게 측정하여야 하는 문제가 있다.In particular, in order to measure the rail acoustic roughness, there is a problem in that the height of the rail surface must be accurately measured by removing the error caused by the vibration of the railway vehicle.

이러한 레일 음향 러프니스 측정과 관련된 선행기술로 공개특허 제10-2020-0129427호의 다중 변위센서를 이용한 레일 음향조도 측정장치, 등록특허 제10-1509469호의 레일 마모 측정 장치, 등록특허 제10-1026351호의 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템 및 그 방법, 등록특허 제10-1742981호의 철도레일 마모 측정장치 등이 제안된 바 있다.Prior art related to rail acoustic roughness measurement includes a rail acoustic roughness measuring device using multiple displacement sensors in Patent Publication No. 10-2020-0129427, a rail wear measuring device in Patent Registration No. 10-1509469, and a rail wear measuring device in Patent Registration No. 10-1026351. A railway wear measurement system and method using a wavelet, and a railway wear measurement device disclosed in Patent Registration No. 10-1742981 have been proposed.

참고문헌 1: 공개특허 제10-2020-0129427호Reference 1: Patent Publication No. 10-2020-0129427 참고문헌 2: 등록특허 제10-1509469호Reference 2: Registered Patent No. 10-1509469 참고문헌 3: 등록특허 제10-1026351호Reference 3: Registered Patent No. 10-1026351 참고문헌 4: 등록특허 제10-1742981호Reference 4: Registered Patent No. 10-1742981

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서 본 발명은 철도 차량 및 궤도의 소음/진동 유지보수와 관련한 레일 길이방향의 표면 불규칙도(레일 음향 러프니스, rail acoustic roughness)를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention is to solve these problems, and the present invention is a device capable of measuring surface irregularities (rail acoustic roughness) in the longitudinal direction of rails related to noise/vibration maintenance of railway vehicles and tracks. Its purpose is to provide a method and method.

특히, 본 발명은 다양한 선로 조건에서 철도 차량의 진동에 의한 센서 상대변위 오차를 보정하기 위해 레일을 레이저로 교차 스캔하여 레일 전 구간에 대한 매우 빠르고 안전한 측정을 할 수 있으며 철도 차량 내부 및 선로변에 발생하는 소음 및 진동을 저감하기 위한 효율적인 레일 유지보수 작업에 활용할 수 있도록 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In particular, the present invention cross-scans the rails with a laser to compensate for the relative displacement error of the sensor due to the vibration of the railway vehicle under various track conditions, so that very fast and safe measurements can be made for the entire section of the rail. Its purpose is to provide a rail acoustic roughness measuring device and method through laser scanning so that it can be used for efficient rail maintenance work to reduce generated noise and vibration.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은; The present invention to solve such a technical problem;

철도 차량 하부에 구비되되 철도 차량이 이동하는 레일 상측면에서 레일 두부와 레일 저부를 가로질러 수직방향으로 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수직방향 형상을 촬영하는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서와, 상기 레일 상부에서 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 길이 방향으로 평행하게 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수평방향 형상을 촬영하는 상부 길이방향 라인 레이저 센서와, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서의 수직방향 형상과 상부 길이방향 라인 레이저 센서의 수평방향 형상을 이용해 레일 음향 러프니스를 구하는 연산처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치를 제공한다. An upper side vertical line laser sensor provided under the railroad car and projecting a line laser in a vertical direction across the rail head and the rail bottom from the upper side of the rail on which the railroad vehicle moves and photographing the vertical shape of the rail; An upper longitudinal line laser sensor for projecting a line laser in parallel in the longitudinal direction along the center of the upper surface of the head of the rail from the top of the rail and photographing the horizontal shape of the rail, and the vertical shape of the upper side vertical line laser sensor Provided is a rail acoustic roughness measuring device through a laser scan, characterized in that it includes an arithmetic processing unit for obtaining rail acoustic roughness using a horizontal shape of an upper longitudinal line laser sensor.

이때, 상기 레일의 양 측면에서 레일의 수직방향 형상을 촬영하도록 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서는 레일의 상부 양 측면에 한쌍이 구비되는 것을 특징으로 한다.At this time, it is characterized in that a pair of the upper side vertical direction line laser sensors are provided on both sides of the upper side of the rail so as to photograph the vertical shape of the rail from both side surfaces of the rail.

그리고, 상기 연산처리부는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the calculation processing unit aligns the heights of the rail bottoms in the vertical direction of the rails to be the same to correct errors caused by sensor displacement, and horizontally aligns the rail bottoms so that both edges of the rails are the same, so that the sensors for the horizontal direction of the rails are aligned. It is characterized in that the displacement error is corrected.

아울러, 상기 연산처리부는 레일 음향 러프니스를 구하고자 하는 레일의 수평 위치에 대하여 각 연속되는 라인 형상이 만나는 지점의 좌표로부터 연속적인 데이터 그룹을 얻어 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 것을 특징으로 한다.In addition, the calculation processing unit obtains a continuous data group from the coordinates of the point where each continuous line shape meets the horizontal position of the rail to obtain the rail acoustic roughness, obtains the acoustic roughness for the longitudinal coordinates of the rail, or It is characterized in that the acoustic roughness spectrum is obtained through Fourier transform.

그리고, 상기 연산처리부는 레일의 체결부 또는 이음매 연결판을 지나면 레일 두부의 측면부를 투영한 값을 이용하여 수평 방향에 대한 보정을 하고, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용하여 수직 방향에 대한 보정을 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the calculation processing unit corrects the horizontal direction using the projected value of the side surface of the head of the rail when the rail fastening part or the joint connecting plate is passed, and the horizontal shape of the rail obtained through the upper longitudinal line laser sensor. It is characterized in that the correction for the vertical direction is performed using

또한, 본 발명은;In addition, the present invention;

철도 차량 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부와 레일 저부를 포함하는 레일의 수직방향 형상을 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 수평방향 형상을 연속으로 취득하는 제1단계; 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서에서 얻어진 레일의 수직방향 형상에서 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 제2단계; 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용해 수직 방향 보정을 하는 제3단계; 및 상기 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법도 제공한다. The vertical shape of the rail including the rail head and the rail bottom is continuously acquired from the upper side vertical line laser sensor provided at the lower part of the railway vehicle, and the horizontal shape along the upper center of the upper side of the rail head is obtained from the upper longitudinal line laser sensor. A first step of continuously acquiring; a second step of correcting a sensor displacement error in the horizontal direction of the rail by horizontally aligning both edges of the bottom of the rail to be the same in the vertical shape of the rail obtained from the upper side vertical line laser sensor; a third step of performing vertical direction correction using the horizontal shape of the rail obtained through the upper longitudinal line laser sensor; and a fourth step of obtaining the acoustic roughness of the longitudinal coordinates of the rail or obtaining the acoustic roughness spectrum through Fourier transform.

이때, 상기 제2단계는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 단계인 것을 특징으로 한다. At this time, the second step is to align the vertical direction of the rail so that the height of the rail bottom is the same to correct the error caused by the sensor displacement, and horizontally align the rail bottom so that both edges are the same, so that the horizontal direction of the rail It is characterized in that the step of correcting the sensor displacement error.

아울러, 상기 제3단계는 철도차량이 레일 체결부 또는 이음매 지점을 통과시 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 입력되는 레일의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 하고, 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 레일 저부를 이용한 수직 방향 보정을 하는 단계인 것을 특징으로 한다. In addition, the third step is to align the rail head points in the corresponding height shape using the horizontal direction shape data of the rail input from the upper longitudinal line laser sensor when the railroad vehicle passes through the rail fastening part or the joint point, thereby aligning the rail head points in the vertical direction. It is characterized in that it is a step of correcting and correcting the vertical direction using the rail bottom if it is not a rail fastening part or a joint point.

그리고, 상기 제4단계는 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 저장된 수직좌표 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하는 단계인 것을 특징으로 한다. In the fourth step, the running band width is calculated, and if the running band width is less than or equal to the set width, the vertical coordinate of the rail head surface at 1 position is stored within the running band width, and if the running band width is not less than or equal to the set width, the vertical coordinate of the rail head surface is stored at 3 positions within the running band width. It is characterized in that the step of obtaining the rail acoustic roughness spectrum by storing the vertical coordinates of the surface of the head of the rail and performing a Fourier transform when the accumulated distance of the stored vertical coordinate data exceeds 2 m.

본 발명에 따르면, 철도 차량이 운행하는 전 구간에 대한 매우 빠르고 안전한 측정을 할 수 있으며 철도 차량 내부 및 선로변에 발생하는 소음 및 진동 정도를 예측하고 판단하거나, 레일 마모의 변화 추이를 즉각적으로 분석할 수 있다. According to the present invention, it is possible to measure very quickly and safely for the entire section in which the railroad vehicle is running, predict and determine the level of noise and vibration occurring inside the railroad vehicle and along the track, or immediately analyze the trend of change in rail wear can do.

아울러, 본 발명에 따르면 철도 차량에 측정 장치를 구비하여 작업자가 선로에 진입하여 계측하는데 따르는 사고 위험 등을 방지할 수 있으며 측정에 드는 인건비, 노력과 시간을 모두 저감할 수 있다.In addition, according to the present invention, by providing a measuring device in a railway vehicle, it is possible to prevent the risk of an accident caused by a worker entering a track and measuring, and it is possible to reduce labor costs, effort, and time required for measurement.

이에 더해 본 발명에 따라 레일 음향 러프니스를 취득하여 소음/진동에 민감한 주거지 주변에 대한 레일 연마 등의 유지보수 작업에 대한 계획 수립에 유용하게 활용할 수 있다. In addition, by acquiring the rail acoustic roughness according to the present invention, it can be usefully used for planning maintenance work, such as polishing rails around residential areas that are sensitive to noise/vibration.

또한, 본 발명에 따르면 레일 표면에 대한 매우 정밀한 측정이 가능해 러프니스 스펙트럼 이외에도 레일의 큰 파상마모 등의 마모 손상이나 레일 표면의 찰상, 균열 등도 자동적으로 계측되는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to measure the surface of the rail very precisely, so there is an effect of automatically measuring abrasion damage such as large corrugated wear of the rail, scratches, cracks, etc. of the rail surface in addition to the roughness spectrum.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 설치 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 배치 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 제어 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 배치 구조를 도시한 사시도 및 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치를 이용해 스캔되는 데이터의 보정 전후 2D 및 3D 데이터 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치의 스캔시 레일 체결구 및 이음매 연결판 부분을 지날 경우를 도시한 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치를 이용해 레일 길이방향 프로파일들을 이용하여 스캔되는 데이터의 보정 전후 3D 데이터 등의 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 레일 음향 러프니스 측정 흐름도이다.1 is an installation configuration diagram of an apparatus for measuring rail acoustic roughness through laser scanning according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing the arrangement structure of a rail acoustic roughness measuring device through laser scanning according to an embodiment of the present invention.
3 is a control block diagram of an apparatus for measuring rail acoustic roughness through laser scanning according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view and a side view illustrating a disposition structure of an apparatus for measuring rail acoustic roughness through laser scanning according to another embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing examples of 2D and 3D data before and after correction of data scanned using a device for measuring rail acoustic roughness through laser scanning according to another embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a case where a rail fastener and a joint connecting plate portion are passed through a scanning device for measuring rail acoustic roughness through laser scanning according to another embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing examples of 3D data before and after correction of data scanned using rail lengthwise profiles using a rail acoustic roughness measuring device through laser scanning according to another embodiment of the present invention.
8 is a flowchart of rail acoustic roughness measurement according to the present invention.

이하, 본 발명에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치 및 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다. Hereinafter, features of an apparatus and method for measuring rail acoustic roughness through laser scanning according to the present invention will be understood in detail with reference to the accompanying drawings.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to the usual or dictionary meaning, and the inventor appropriately uses the concept of the term in order to explain his/her invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, so at the time of this application, they can be replaced. It should be understood that there may be many equivalents and variations.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치는 다양한 선로 조건에서 철도 차량(1)의 진동에 의한 센서 상대 변위 오차를 보정하기 위해 2개 이상의 라인 레이저 센서를 철도 차량(1)의 하부에 교차 배치하여 레일 음향 러프니스를 측정할 수 있다. 1 to 4, the rail acoustic roughness measuring device through laser scanning according to the present invention uses two or more line lasers to correct sensor relative displacement errors caused by the vibration of the railway vehicle 1 under various track conditions. The rail acoustic roughness can be measured by intersecting the sensors on the lower part of the railroad car 1 .

이와 같은 본 발명의 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치(100)는 철도 차량(1) 하부에 구비되되 철도 차량(1)이 이동하는 레일(10) 상측면에서 레일 두부(rail head)(11)와 레일 저부(12)를 가로질러 수직방향으로 라인 레이저를 투영하고 상기 레일(10)의 수직방향 형상을 연속 촬영하는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)와, 상기 레일(10) 상부에서 레일 두부(11)의 상면 중앙부를 따라 길이 방향으로 평행하게 라인 레이저를 투영하고 상기 레일(10)의 수평방향 형상을 연속 촬영하는 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)와, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)의 수직방향 형상 데이터와 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)의 수평방향 형상 데이터를 이용해 레일 음향 러프니스를 구하는 연산처리부(130)를 포함한다.The rail acoustic roughness measuring device 100 through laser scanning of the present invention is provided below the railroad car 1, but the rail head (rail head) 11) and the upper side vertical line laser sensor 110 for projecting a line laser in a vertical direction across the rail bottom 12 and continuously photographing the vertical shape of the rail 10, and the upper part of the rail 10 An upper longitudinal line laser sensor 120 for projecting a line laser in parallel in the longitudinal direction along the central portion of the upper surface of the rail head 11 and continuously photographing the shape of the rail 10 in the horizontal direction, and the vertical direction of the upper side surface It includes a calculation processing unit 130 for calculating the rail acoustic roughness using the vertical shape data of the line laser sensor 110 and the horizontal shape data of the upper longitudinal line laser sensor 120 .

물론, 상기 연산처리부(130)는 상기 레일 음향 러프니스를 이용해 레일 음향 러프니스 스팩트럼도 구하여 디스플레이부(140)로 표시하거나 통신부(150)를 통해 외부 또는 철도 차량(1)의 데이터 수집장치(200)로 전송할 수 있도록 함이 바람직하다.Of course, the calculation processing unit 130 also obtains the rail acoustic roughness spectrum using the rail acoustic roughness and displays it on the display unit 140 or the data collection device 200 of the external or railway vehicle 1 through the communication unit 150. ) It is desirable to be able to transmit to.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the configuration of each part of the present invention will be described in detail.

우선 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 철도 차량(1)의 하부에 브라켓(101)을 매개로 설치되는 것으로, 레일(10)의 상측면에서 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 가로질러 수직하게 투영하도록 라인 레이저를 투영하며, 라인 레이저가 투영된 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영하는 카메라(또는 촬상소자)를 포함한다.First of all, the upper side vertical line laser sensor 110 is installed via a bracket 101 on the lower side of the railway vehicle 1, and the rail head 11 and the rail bottom 12 on the upper side of the rail 10. ), and includes a camera (or imaging device) that projects a line laser so as to vertically project across the line laser, and captures a vertical shape of the rail 10 on which the line laser is projected.

이때, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 가로질러 라인 레이저가 투영하도록 레일(10)의 상측면에 레일(10)의 길이 방향에 대해 수직하게 배치된다. At this time, the upper side vertical direction line laser sensor 110 is installed on the upper side of the rail 10 in the longitudinal direction of the rail 10 so that the line laser is projected across the rail head 11 and the rail bottom 12. are placed vertically

그리고, 레일 저부(12)는 레일 베이스(rail base)(12a)와 레일풋(rail foot)(12b)으로 이루어진다.And, the rail bottom 12 is composed of a rail base (rail base) (12a) and a rail foot (rail foot) (12b).

또한, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 레일(10)에 라인 레이저를 투영한 상태에서 카메라를 통하여 촬영하여 삼각법에 따라서 2D 라인 형상(높낮이가 반영)의 레일(10) 수직방향 형상을 얻게 된다. In addition, the upper side vertical line laser sensor 110 takes a picture through a camera in a state where a line laser is projected onto the rail 10, and according to the trigonometry, the vertical direction shape of the rail 10 in a 2D line shape (reflecting height and lower) will get

이러한 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 통해 철도 차량(1)의 진행속도가 비교적 일정할 경우 특정 시간 간격에 대해 연속적인 레일(10)의 라인 형상을 얻을 수 있고 이들을 연결하여 진행 방향에 대한 레일 면(top of rail level)의 연속적인 형상, 즉 3D 표면 형상을 얻을 수 있다. Through this upper side vertical line laser sensor 110, when the traveling speed of the railway vehicle 1 is relatively constant, it is possible to obtain a continuous line shape of the rail 10 for a specific time interval and connect them to the traveling direction. It is possible to obtain a continuous shape of the top of rail level, that is, a 3D surface shape.

이때, 레일 면은 철도 차량(1)의 차륜이 접촉하여 주행하는 면으로 마모에 의하여 높이가 달라질 뿐만 아니라 형상도 달라지게 되는데 레일 면과 센서에 대한 상대 변위의 변화만을 이용할 경우 철도 차량(1)의 진동 등에 의한 센서 변위에 따른 오차를 수반하게 된다. 이러한 상황은 변위 또는 가속도 센서 트롤리 형태의 장비로 음향 러프니스를 계측할 때에도 동일하게 발생한다. 이에 가속도 센서를 표면에 접촉된 상태로 하여 트롤리 본체의 진동 영향을 최소화하는 등의 추가적인 방법을 이용하지만, 본 발명에서처럼 빠르게 주행하는 철도 차량(1)에서는 충격과 마모 등의 이유로 레일 면과 접촉하는 접촉식 센서를 이용하기가 어렵다.At this time, the rail surface is the surface on which the wheels of the railway vehicle 1 contact and travel, and not only the height changes due to wear, but also the shape changes. It is accompanied by an error according to the sensor displacement due to the vibration of the sensor. The same situation occurs when measuring acoustic roughness with a displacement or acceleration sensor trolley type of equipment. Therefore, an additional method such as minimizing the vibration effect of the trolley body by placing the acceleration sensor in contact with the surface is used, but as in the present invention, in the fast-running railway vehicle 1, contact with the rail surface due to shock and wear It is difficult to use contact sensors.

따라서, 본 발명에서는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 철도 차량(1)의 하부에 설치시 라인 레이저를 레일 두부(11) 뿐만 아니라 레일 저부(12)를 모두 포함할 수 있도록 레일(10) 길이 방향과 직각으로 경사진 상부 방향으로부터 투영하여 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 함께 2D 라인 형상을 시간에 따라서 연속적으로 취득한다.Therefore, in the present invention, when the upper side vertical line laser sensor 110 is installed on the lower part of the railway vehicle 1, the line laser can cover both the rail head 11 and the rail bottom 12 so that the rail 10 ) The 2D line shape of the rail head 11 and the rail bottom 12 is continuously acquired over time by projecting from an upper direction inclined at right angles to the longitudinal direction.

이러한 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 레일(10)의 상부 일측면에서만 라인 레이저가 투영된 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영하도록 철도 차량의 하부에 하나만 구비하거나, 도 4에 도시된 바와 같이 한쌍의 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 레일(10)의 상부 양 측면에 구비하여 레일의 양 측면에서 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영할 수 있다. The upper-side vertical line laser sensor 110 is provided only on the lower part of the railway vehicle to capture the vertical shape of the rail 10 in which the line laser is projected only on one side of the upper side of the rail 10, or as shown in FIG. As described above, a pair of upper side vertical line laser sensors 110 are provided on both sides of the upper side of the rail 10 so that the vertical shape of the rail 10 can be captured from both sides of the rail.

이때, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)는 하나만 구비하는 경우에도 최종적인 레일 음향 러프니스를 구할 수 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 레일(10)의 양 측면에 구비하여 레일(10)의 수직방향 형상을 촬영하여 활용하면 최종적인 레일 음향 러프니스의 정확도를 더욱 높일 수 있다.At this time, the final rail sound roughness can be obtained even when only one upper side vertical line laser sensor 110 is provided, but as shown in FIG. 4, two upper side vertical line laser sensors 110 are used. The accuracy of the final rail sound roughness can be further increased by providing the rails 10 on both sides and taking pictures of the rails 10 in the vertical direction.

다음으로 상기 연산처리부(130)에서는 상기 차륜(1a)과 접촉되어 마모되는 곳은 레일 두부(11)의 레일 면이므로 레일 저부(12)는 마모되지 않는 특성을 이용하여 레일 저부(12)의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 도 5에서와 같이 보정한다. Next, in the calculation processing unit 130, the rail surface of the rail head 11 is worn in contact with the wheel 1a. By arranging to be the same, errors due to sensor displacement are corrected as shown in FIG. 5 .

또한, 레일 저부(12)의 양 측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 추가로 보정한다. In addition, the sensor displacement error in the horizontal direction of the rail 10 is further corrected by horizontally aligning both edges of the rail bottom 12 to be the same.

이때, 레일 두부(11)의 측면들은 차륜(1a)과 접촉되지 않는 부분들이 있으므로 이들 면들이 동일하게 겹치도록 수평 방향에 대한 보정을 추가할 수 있다. At this time, since there are parts of the side surfaces of the rail head 11 that are not in contact with the wheel 1a, correction for the horizontal direction can be added so that these surfaces overlap equally.

또한, 철도 차량(1)의 진동에 의한 센서 변위에는 수평 및 수직 방향의 병진 변위 이외에도 회전 변위도 있는데, 레일(10)의 길이 방향을 축으로 하는 회전 변위와 레일(10)의 수평방향을 축으로 하는 회전변위는 레일 저부 및 레일 두부 측면부를 겹치도록 수직 및 수평 정렬하는 과정에서 자연적으로 보정된다. In addition, there is rotational displacement in addition to translational displacement in horizontal and vertical directions in the sensor displacement due to vibration of the railway vehicle 1, and rotational displacement with the longitudinal direction of the rail 10 as an axis and horizontal displacement with the axis The rotational displacement made by , is naturally corrected in the process of vertically and horizontally aligning the rail bottom and rail head side to overlap.

그리고, 상기 연산처리부(130)는 레일 수직 방향을 축으로 하는 회전 변위가 발생하면 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로 측정된 레일(10)의 수직방향 형상에서 레일 두부(11) 또는 레일 저부(12)의 폭이 1/cosθ 만큼 변동되는 사항을 이용하여 회전 변위가 발생한 정도를 보정한다. Further, the calculation processing unit 130, when a rotational displacement with respect to the vertical direction of the rail as an axis occurs, the rail head 11 or the rail in the vertical direction shape of the rail 10 measured by the upper side vertical line laser sensor 110. The degree of rotational displacement is corrected by using the fact that the width of the bottom part 12 fluctuates by 1/cosθ.

여기서, θ는 해당 회전 변위로서 각도이다.Here, θ is an angle as the corresponding rotational displacement.

이후 상기 연산처리부(130)는 레일 음향 러프니스를 구하고자 하는 레일(10)의 수평 위치에 대하여 각 연속되는 라인 형상이 만나는 지점의 좌표로부터 연속적인 데이터 그룹을 얻을 수 있고, 이로부터 레일(10)의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구할 수 있다.Then, the calculation processing unit 130 can obtain a continuous data group from the coordinates of the points where each continuous line shape meets with respect to the horizontal position of the rail 10 for which the rail acoustic roughness is to be obtained, and from this, the rail 10 ) can be obtained for the longitudinal coordinates or the acoustic roughness spectrum can be obtained through Fourier transformation.

한편, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)만 적용하는 경우 도 6에서와 같이 주기적인 간격으로 레일(10)을 체결하고 있는 체결부(레일 클립 등)(20) 또는 이음매 연결판(30) 부분을 지날 때에 문제가 될 수 있는 것으로서, 레일 클립 및 지지 볼트, 또는 이음매 연결판 등으로 인해 레일 저부(12)에 라인 레이저가 투사되기 어렵다. On the other hand, when only the upper-side vertical line laser sensor 110 is applied, as shown in FIG. ) part, it is difficult to project the line laser to the rail bottom 12 due to the rail clip, the support bolt, or the joint connecting plate.

따라서, 철도 차량(1)의 하부에는 레일(10)의 상측에 레일(10)의 길이 방향으로 평행하게 하나의 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)를 더 구비한다. Accordingly, an upper longitudinal line laser sensor 120 is further provided in parallel with the longitudinal direction of the rail 10 on the upper side of the rail 10 at the lower portion of the railway vehicle 1 .

상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)는 철도 차량(1)의 하부에 설치시 레일(10)의 상부에서 레일(10) 길이 방향으로 수평하게 라인 레이저를 투영하고 해당 레일(10)의 수평방향 형상을 촬영할 수 있도록 설치되는 것으로, 레일(10)의 레일 두부(11)의 중앙 부근을 따라 레일(10)의 길이 방향으로 수평하게 라인 레이저를 투영하며, 라인 레이저가 투영된 레일(10)의 수평방향 형상을 촬영하는 카메라를 포함한다.When the upper longitudinal line laser sensor 120 is installed in the lower part of the railway vehicle 1, the line laser is projected horizontally in the longitudinal direction of the rail 10 from the upper part of the rail 10, and the horizontal direction of the corresponding rail 10 It is installed so that the shape can be photographed, and a line laser is projected horizontally in the longitudinal direction of the rail 10 along the vicinity of the center of the rail head 11 of the rail 10, and the line laser is projected on the rail 10 It includes a camera that takes pictures of shapes in the horizontal direction.

그리고, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)에서 투영된 라인 레이저는 해당 센서의 카메라를 통하여 촬영하여 삼각법에 따라서 2D 라인 형상의 레일(10)의 수평방향 형상을 얻게 된다. In addition, the line laser projected from the upper longitudinal line laser sensor 120 is photographed through the camera of the corresponding sensor, and the horizontal direction shape of the rail 10 in the shape of a 2D line is obtained according to trigonometry.

이와 같이 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)를 통해 얻어진 2D 라인 형상은 길이 방향의 레일 높낮이 형상을 포함하므로 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)를 통해 수직 방향으로 투영되어 얻어진 일련의 레일 단면 형상들의 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 도 7에서와 같이 수직 방향 보정을 할 수 있다. Since the 2D line shape obtained through the upper longitudinal line laser sensor 120 includes the height of the rail in the longitudinal direction, a series of rail cross-sectional shapes obtained by projecting in the vertical direction through the upper side vertical line laser sensor 110 Vertical direction correction can be performed as shown in FIG. 7 by aligning the rail head points of the rails in a corresponding height shape.

특히, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)에서 레일 두부(11)의 중앙 부근을 따라 라인 레이저를 투영하여 취득하는 데이터 샘플링 속도를 라인 레이저만큼 고속이 되도록 하여 레일(10)의 길이 방향 높낮이 형상을 빠르게 업데이트해 나가면 수직 보정의 정확도를 더욱 높일 수 있다. In particular, the data sampling rate obtained by projecting a line laser from the upper longitudinal line laser sensor 120 along the center of the rail head 11 is set to be as high as the line laser, so that the height of the rail 10 in the longitudinal direction The accuracy of the vertical correction can be further improved by updating quickly.

또한, 업데이트된 형상의 중첩된 정도를 비교하여 레일(10)의 길이 방향으로 평행한 선을 따라서 길이방향 좌표값을 얻을 수 있다. 이는 철도 차량(1)의 진행 변위 또는 속도와 관련이 있으며, 음향 러프니스 스펙트럼을 구할 때 레일(10)의 길이 방향 좌표에 대한 푸리에 변환시 이용된다. In addition, by comparing the degree of overlapping of the updated shapes, a longitudinal coordinate value may be obtained along a line parallel to the longitudinal direction of the rail 10 . This is related to the traveling displacement or speed of the railroad car 1, and is used in Fourier transformation of the coordinates in the longitudinal direction of the rail 10 when obtaining the acoustic roughness spectrum.

이때, 철도 차량(1)의 진행 변위는 철도 차량(1)의 차륜 회전을 감지하는 엔코더 또는 GPS 수신기 등을 통하여도 얻을 수 있다. 센서 변위 오차에 대한 보정 이후의 일련의 레일 두부(11) 표면 프로파일들에서 레일 길이 방향으로 평행한 선을 따라서 높낮이 좌표를 구하면 레일 음향 러프니스를 구할 수 있다. At this time, the traveling displacement of the railroad car 1 can also be obtained through an encoder or a GPS receiver that detects wheel rotation of the railroad car 1. Rail acoustic roughness can be obtained by obtaining height coordinates along a line parallel to the rail length direction from a series of rail head 11 surface profiles after correction for sensor displacement error.

이에 상기 연산처리부(130)는 레일(10)의 체결부(20) 또는 이음매 연결판(30) 등을 지날 때는 레일 두부(11)의 측면부를 투영한 값을 이용하여 수평 방향에 대한 보정을 하고, 레일 길이 방향으로 투영하여 얻어진 2D 라인 형상을 이용하여 수직 방향에 대한 보정을 한다. 이러한 방식은 레일(10)의 체결부(20)를 지나지 않는 때에도 가능한 것으로 레일 저부(12)를 이용한 수직 방향 보정과 함께 더욱 오차를 줄이거나 측정 신뢰도를 확인하는 데 활용할 수 있다.Therefore, the calculation processing unit 130 corrects the horizontal direction by using the projected value of the side surface of the rail head 11 when passing the fastening part 20 of the rail 10 or the joint connecting plate 30, and , Correction for the vertical direction is performed using the 2D line shape obtained by projecting in the rail length direction. This method is possible even when it does not pass through the fastening part 20 of the rail 10, and can be used to further reduce errors or verify measurement reliability together with vertical direction correction using the rail bottom 12.

한편, 본 발명은 라인 레이저 센서(110,120)를 이용하고 수평 및 수직 방향 위치 보정을 통하여 레일 표면 높낮이 형상을 얻게 되면 레일 두부(11)의 길이 방향 여러 선들에 대한 높낮이 데이터를 구할 수 있다. 레일 음향 러프니스 측정법과 관련한 규격에 따르면 레일 두부(11) 표면에 철도 차량(1)의 차륜(1a)이 지날 때 발생하는 러닝 밴드(running band) 폭에 따라서 1개 또는 3개의 선들에 대한 음향 러프니스 스펙트럼을 구해서 평균값을 선택하도록 하고 있다. On the other hand, in the present invention, if the height shape of the rail surface is obtained by using the line laser sensors 110 and 120 and correcting the position in the horizontal and vertical directions, height data for several lines in the longitudinal direction of the head of the rail 11 can be obtained. According to the standards related to the rail acoustic roughness measurement method, the sound for one or three lines according to the width of the running band generated when the wheel 1a of the railway vehicle 1 passes on the surface of the rail head 11 The roughness spectrum is obtained and the average value is selected.

여기서, 러닝 밴드는 레일 두부(11)의 폭 중에 차륜 접촉점이 많이 지나가서 마모가 주로 발생하는 부위를 말한다. Here, the running band refers to a part where a lot of wheel contact points pass through the width of the rail head 11 and wear occurs mainly.

따라서, 본 발명의 측정 방식을 통하여 자동적으로 여러 선들에 대한 값을 한번에 얻을 수 있는 장점도 있다. 즉, 기존 접촉식 센서를 이용한 트롤리 형식의 측정 방법에서는 필요한 데이터 선들 수 만큼 추가로 동일 선로를 반복 측정하여야 하는 단점을 해결할 수 있다. Therefore, there is also an advantage of automatically obtaining values for several lines at once through the measurement method of the present invention. That is, in the trolley-type measurement method using the existing contact sensor, it is possible to solve the disadvantage of repeatedly measuring the same line additionally as many times as the required number of data lines.

이러한 본 발명의 보정 방식은 철도 차량(1)에 탑재된 센서의 진동 영향을 보정할 수 있을 뿐만 아니라 철도 차량(1)이 지남에 따른 궤도의 진동에 의해 레일(10) 진동으로 발생하는 오차도 자동적으로 제거된다. 다만, 궤도 틀림(레일 몸체가 전체적으로 틀어져 있는 상태, 주로 2m 파장 이상 대역)에 의한 효과가 고려되지 않지만 이러한 긴 궤도 틀림 효과는 장파장 대역이므로 소음의 영향을 검토하기 위한 중파장 및 단파장 대역(0.5 ~ 1m 파장 이하)의 음향 러프니스 측정에는 영향이 적다. The correction method of the present invention can not only correct the vibration effect of the sensor mounted on the railway vehicle 1, but also reduce the error caused by the vibration of the rail 10 due to the vibration of the track as the railway vehicle 1 passes. automatically removed However, although the effect of track misalignment (a state in which the rail body is generally distorted, mainly in the 2m wavelength band or more) is not considered, this long track misalignment effect is in the long wavelength band, so the medium and short wavelength bands (0.5 ~ 1m wavelength or less) has little effect on acoustic roughness measurements.

본 발명에 적용하는 라인 레이저 센서(110,120)에서 레일(10)의 길이 방향으로 투영하는 라인 레이저의 투영 길이는 0.5 ~ 1m 내외로 하여 이들 파장대를 모두 커버할 수 있으며, 라인 레이저의 측정 해상도는 0.1 마이크로미터(1/10,000,000 m) 내외가 가능하여 충분한 정확도를 얻을 수 있다. 이러한 정도의 라인 레이저 센서의 샘플링 주파수는 현재의 상용 센서들에서 10kHz의 고속 촬영이 가능하므로, 레일(10)의 길이 방향으로 1mm의 해상도로 음향 러프니스 스펙트럼을 구한다고 할 때 철도 차량의 속도는 약 36km/h 이하로 주행 가능하고 3mm의 해상도일 경우 약 108km/h 이하로 주행할 수 있다. In the line laser sensors 110 and 120 applied to the present invention, the projection length of the line laser projected in the longitudinal direction of the rail 10 is within 0.5 to 1 m to cover all of these wavelength bands, and the measurement resolution of the line laser is 0.1 m. Micrometer (1/10,000,000 m) is possible, so sufficient accuracy can be obtained. Since the sampling frequency of the line laser sensor of this level enables high-speed shooting of 10 kHz in current commercial sensors, when the acoustic roughness spectrum is obtained with a resolution of 1 mm in the length direction of the rail 10, the speed of the railway vehicle is It can drive at less than about 36 km/h and can travel at less than about 108 km/h in the case of 3mm resolution.

물론, 더욱 고속 촬영이 가능한 센서를 적용시 레일 길이 방향으로 더욱 정밀한 측정이 가능하다.Of course, when a sensor capable of higher speed shooting is applied, more precise measurement in the rail length direction is possible.

그리고, 본 발명에서는 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)과 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로 라인 레이저 센서를 이용하는 것만을 설명하였으나, 레이저 프로파일 센서는 물론 비접촉식의 다른 형태의 센서들, 예를 들면 스팟 측 정 센서(일 점 측정을 여러번 수행), 스냅샷 센서(2D 이미지처럼 일정 넓이의 프로파일을 한번에 측정) 등을 이용할 수도 있으며, 이러한 다양한 센서를 이용하더라도 보정 알고리즘을 동일하게 적용할 수 있다. In the present invention, only the use of the line laser sensor as the upper side vertical line laser sensor 110 and the upper longitudinal line laser sensor 120 has been described, but the laser profile sensor as well as other types of non-contact sensors, For example, spot measurement sensors (measuring one point several times) or snapshot sensors (measuring a profile of a certain area like a 2D image at once) can be used. can

또한, 본 발명의 측정 장치는 한 쪽 레일에 대한 측정을 할 수 있는 구성만 도시되어 있으나, 철도 차량 하부의 반대편에도 동일한 구성으로 설치할 경우 양측 레일 모두를 한 번에 측정할 수 있다. In addition, although the measuring device of the present invention is shown in a configuration capable of measuring only one rail, both rails can be measured at once when installed in the same configuration on the opposite side of the lower part of the railway vehicle.

그리고, 본 발명의 측정 장치는 철도 차량 하부에 설치할 수 있을 뿐만 아니라 트롤리 방식이나 궤도 위를 지나는 이동체 등에도 설치할 수 있다. 예를 들면 궤도 위를 저상 비행할 수 있는 드론 등에도 가능하다.In addition, the measuring device of the present invention can be installed not only on the lower part of a railway vehicle, but also on a trolley type or moving object passing on a track. For example, it is possible for drones that can fly low on orbit.

이하 도 8을 참고로 본 발명에 따른 레일 음향 러프니스 측정 과정을 설명한다.Hereinafter, a rail acoustic roughness measurement process according to the present invention will be described with reference to FIG. 8 .

우선 철도 차량(1)을 이동시키면 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로부터 레일(10)의 수직방향 형상 데이터를 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 2D 라인 형상의 레일(10)의 수평방향 형상 데이터를 연속으로 취득한다. First, when the railroad car 1 is moved, vertical shape data of the rail 10 is continuously acquired from the upper side vertical line laser sensor 110 provided at the bottom, and 2D data is obtained from the upper longitudinal line laser sensor 120. Horizontal direction shape data of the linear rail 10 is continuously acquired.

그리고, 이러한 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110) 및 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)에서 취득되는 레일(10)의 수직방향 및 수평방향 형상 데이터는 연산처리부(130)로 입력된다.(S1) 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로부터 입력되는 레일(10)의 수직방향 형상 데이터는 2D 라인 형상으로 연속적인 라인 형상을 얻을 수 있고 이들을 연결하여 진행 방향에 대한 레일 면(top of rail level)의 연속적인 형상, 즉 3D 표면 형상의 수직방향 형상 데이터를 생성할 수 있다.(S2)Then, the vertical and horizontal direction shape data of the rail 10 obtained from the upper side vertical line laser sensor 110 and the upper longitudinal line laser sensor 120 are input to the calculation processing unit 130 (S1 ) The vertical direction shape data of the rail 10 input from the upper side vertical line laser sensor 110 can obtain a continuous line shape in a 2D line shape, and by connecting them, the rail surface (top of rail) for the traveling direction level), that is, vertical direction shape data of a 3D surface shape can be generated. (S2)

상기 단계(S2)를 수행한 후 차륜과 접촉되어 마모되는 곳은 레일 두부의 레일 면이므로 레일 저부(12)는 마모되지 않는 특성을 이용하여 레일 저부(12)의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정한다. After performing the step (S2), since the part that is worn in contact with the wheel is the rail surface of the head of the rail, the rail bottom 12 is aligned so that the height of the rail bottom 12 is the same using the characteristic of not being worn, so that the sensor displacement Correct the error caused by

또한, 레일 저부(12)의 양 측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 추가로 보정한다. 이때, 레일 두부의 측면들은 차륜과 접촉되지 않는 부분들이 있으므로 이들 면들이 동일하게 겹치도록 수평 방향에 대한 보정을 추가할 수 있다.(S3) In addition, the sensor displacement error in the horizontal direction of the rail 10 is further corrected by horizontally aligning both edges of the rail bottom 12 to be the same. At this time, since there are parts of the side surfaces of the head of the rail that are not in contact with the wheel, correction for the horizontal direction can be added so that these surfaces overlap equally. (S3)

상기 단계(S3)를 수행한 후 레일 체결부 또는 이음매 지점 인지를 비교(S4)하여, 레일 체결부 또는 이음매 지점이면 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 입력되는 레일(10)의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 한다. After performing the step (S3), whether it is a rail fastening part or a joint point is compared (S4), and if it is a rail fastening part or a joint point, the horizontal direction of the rail 10 input from the upper longitudinal line laser sensor 120 Vertical direction correction is performed by aligning the rail head points with the corresponding height shape using the shape data.

이때, 레일(10)의 수평방향 형상 데이터는 2D 라인 형상으로 길이 방향의 레일 높낮이 형상을 포함하므로 수직 방향으로 투영되어 얻어진 일련의 레일 단면 형상들의 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 할 수있다.(S5)At this time, since the horizontal shape data of the rail 10 includes the rail height shape in the longitudinal direction in the form of a 2D line, vertical direction correction is performed by aligning the rail head points of a series of rail cross-sectional shapes obtained by projecting in the vertical direction to the corresponding height shape can.(S5)

상기 단계(S5)에서 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 더욱 오차를 줄이거나 측정 신뢰도를 확인하는데 활용할 수 있도록 레일 저부(12)를 이용한 수직 방향 보정을 수행한다.(S6)In the step S5, if it is not a rail fastening part or a joint point, vertical direction correction is performed using the rail bottom 12 so that it can be used to further reduce the error or to check the reliability of the measurement. (S6)

상기 단계(S5 또는 S6)를 수행한 후, 레일 두부(11) 표면에 철도 차량(1)의 차륜(1a)이 지날 때 나는 러닝 밴드(running band) 폭을 계산(S7)하고 설정폭(예를 들어 20mm) 이하인지 여부를 비교한다.(S8)After performing the above step (S5 or S6), the width of the running band generated when the wheel 1a of the railway vehicle 1 passes on the surface of the rail head 11 is calculated (S7), and the set width (eg For example, 20 mm) or less is compared. (S8)

상기 단계(S8)에서 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고(S9), 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장한다.(S10)In the step (S8), the running band width is calculated, and if it is less than the set width, the vertical coordinate of the rail head surface at 1 position is stored within the running band width (S9), and if the running band width is not less than the set width, 3 within the running band width Stores the vertical coordinates of the surface of the head of the rail at the position (S10)

상기 단계(S9 또는 S10)를 수행한 후 저장된 데이터 누적거리가 2m를 초과하는지 여부를 비교(S11)하며, 저장된 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행(S12)하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하고(S13), 누적거리가 2m를 초과하지 않으면 단계(S1)로 분기한다.After performing the above step (S9 or S10), it is compared (S11) whether the stored data accumulation distance exceeds 2m, and if the stored data accumulation distance exceeds 2m, Fourier transform is performed (S12) to stack the rail acoustic roughness. The drum is obtained (S13), and if the cumulative distance does not exceed 2 m, it branches to step S1.

그리고, 상기 단계(S12)를 수행시에는 단계(S1)를 통해 얻어진 수평방향 형상 데이터의 중첩길이를 이용해 레일의 길이방향 이동거리를 계산(S14)하여 적용한다.And, when the above step S12 is performed, the longitudinal movement distance of the rail is calculated (S14) and applied using the overlap length of the horizontal shape data obtained through the step S1.

위에서 설명한 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법을 정리하면,Summarizing the rail acoustic roughness measurement method through laser scanning described above,

철도 차량 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)로부터 레일 두부(11)와 레일 저부(12)를 포함하는 레일(10)의 수직방향 형상을 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 레일 두부(11)의 상면 중앙부를 따라 수평방향 형상을 연속으로 취득하는 제1단계와, 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서(110)에서 얻어진 레일(10)의 수직방향 형상에서 레일 저부(12)의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 제2단계와 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)를 통해 얻어진 레일(10)의 수평방향 형상을 이용해 수직 방향 보정을 하는 제3단계 및 상기 레일(10)의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 제4단계를 포함하여 구성된다.The vertical shape of the rail 10 including the rail head 11 and the rail bottom 12 is continuously acquired from the upper side vertical line laser sensor 110 provided at the lower part of the railway vehicle, and the upper longitudinal line laser The first step of continuously acquiring the horizontal shape from the sensor 120 along the center of the upper surface of the rail head 11, and the vertical shape of the rail 10 obtained from the upper side vertical line laser sensor 110 The rail 10 obtained through the second step of correcting the sensor displacement error in the horizontal direction of the rail 10 by horizontally aligning both edges of the rail bottom 12 to be the same and the upper longitudinal line laser sensor 120 A third step of performing vertical direction correction using the horizontal shape of , and a fourth step of obtaining acoustic roughness for the longitudinal coordinates of the rail 10 or obtaining an acoustic roughness spectrum through Fourier transformation. .

여기서, 상기 제2단계는 상기 레일(10)의 수직방향 형상의 레일 저부(12)의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부(12)의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일(10)의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 단계로 구성된다.Here, the second step is to align the rail bottom 12 of the vertical direction of the rail 10 to have the same height, to correct the error due to sensor displacement, and to make both edges of the rail bottom 12 the same. It consists of a step of horizontally aligning and correcting a sensor displacement error in the horizontal direction of the rail 10 .

그리고, 상기 제3단계는 철도차량이 레일 체결부 또는 이음매 지점을 통과시 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서(120)로부터 입력되는 레일의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부(11) 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 하고, 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 레일 저부(12)를 이용한 수직 방향 보정을 하는 단계로 구성된다.And, in the third step, when the railway vehicle passes through the rail fastening part or the joint point, the height of the rail head 11 points is adjusted by utilizing the horizontal shape data of the rail input from the upper longitudinal line laser sensor 120. It consists of a step of aligning the shape to perform vertical direction correction, and performing vertical direction correction using the rail bottom 12 if it is not a rail fastening part or a joint point.

또한, 상기 제4단계는 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부(11) 표면의 수직좌표를 저장하고, 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부(11) 표면의 수직좌표를 저장하고, 저장된 수직좌표 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하는 단계로 구성된다. In addition, the fourth step calculates the running band width and stores the vertical coordinate of the surface of the rail head 11 at one position within the running band width if it is less than the set width, and if the running band width is not less than the set width, within the running band width The vertical coordinates of the surface of the rail head 11 at 3 positions are stored, and when the accumulated distance of the stored vertical coordinate data exceeds 2 m, Fourier transform is performed to obtain the rail acoustic roughness spectrum.

결국, 이상의 절차를 반복하면 철도 차량이 다니는 전체 노선에 대한 2m 마다의 레일 음향러프니스 스펙트럼을 모두 구할 수 있다.After all, by repeating the above procedure, all rail acoustic roughness spectra of every 2 m for the entire route along which the railroad vehicle travels can be obtained.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art can make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. The protection scope of should be interpreted by the claims below, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

1: 철도 차량 1a: 차륜
10: 레일 11: 레일 두부
12: 레일 저부 20: 체결부
30: 연결판 100: 레일 음향 러프니스 측정 장치
110: 상측면 수직방향 라인 레이저 센서
120: 상부 길이방향 라인 레이저 센서
130: 연산처리부 140: 디스플레이부
150: 통신부 200: 데이터 수집장치1: railway vehicle 1a: wheel
10: rail 11: rail head
12: rail bottom 20: fastening part
30: connecting plate 100: rail acoustic roughness measuring device
110: upper side vertical line laser sensor
120: upper longitudinal line laser sensor
130: calculation processing unit 140: display unit
150: communication unit 200: data collection device

Claims (9)

철도 차량 하부에 구비되되 철도 차량이 이동하는 레일 상측면에서 레일 두부와 레일 저부를 가로질러 수직방향으로 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수직방향 형상을 촬영하는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서와, 상기 레일 상부에서 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 길이 방향으로 평행하게 라인 레이저를 투영하고 상기 레일의 수평방향 형상을 촬영하는 상부 길이방향 라인 레이저 센서와 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서의 수직방향 형상과 상부 길이방향 라인 레이저 센서의 수평방향 형상을 이용해 레일 음향 러프니스를 구하는 연산처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
An upper side vertical line laser sensor provided under the railroad car and projecting a line laser in a vertical direction across the rail head and the rail bottom from the upper side of the rail on which the railroad vehicle moves and photographing the vertical shape of the rail; A line laser is projected from the top of the rail in parallel in the longitudinal direction along the center of the upper surface of the head of the rail, and the vertical shape and upper portion of the upper longitudinal line laser sensor and the upper side vertical line laser sensor for photographing the horizontal shape of the rail An apparatus for measuring rail acoustic roughness through laser scanning, comprising an arithmetic processing unit for obtaining rail acoustic roughness using a horizontal shape of a longitudinal line laser sensor.
 제 1항에 있어서,
레일의 양 측면에서 레일의 수직방향 형상을 촬영하도록 상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서는 레일의 상부 양 측면에 한쌍이 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
According to claim 1,
The rail acoustic roughness measuring device through laser scanning, characterized in that a pair of upper side vertical line laser sensors are provided on both sides of the upper side of the rail so as to photograph the vertical shape of the rail on both sides of the rail.
 제 1항에 있어서,
상기 연산처리부는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
According to claim 1,
The calculation processing unit aligns the rail bottoms of the rails in the vertical direction to have the same height, corrects errors due to sensor displacement, and horizontally aligns both edges of the rail bottoms to be the same, so that the sensor displacement errors in the horizontal direction of the rails are corrected. Rail acoustic roughness measuring device through laser scanning, characterized in that for calibrating.
 제 1항에 있어서,
상기 연산처리부는 레일 음향 러프니스를 구하고자 하는 레일의 수평 위치에 대하여 각 연속되는 라인 형상이 만나는 지점의 좌표로부터 연속적인 데이터 그룹을 얻어 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
According to claim 1,
The calculation processing unit obtains a continuous data group from the coordinates of the points where each successive line shape meets the horizontal position of the rail to obtain the rail acoustic roughness, and obtains the acoustic roughness for the longitudinal coordinates of the rail, or Fourier transform A rail acoustic roughness measuring device through laser scanning, characterized in that for obtaining an acoustic roughness spectrum through.
 제 1항에 있어서,
상기 연산처리부는 레일의 체결부 또는 이음매 연결판을 지나면 레일 두부의 측면부를 투영한 값을 이용하여 수평 방향에 대한 보정을 하고, 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용하여 수직 방향에 대한 보정을 하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 장치.
According to claim 1,
The calculation processing unit corrects the horizontal direction by using the projected value of the side surface of the head of the rail after passing through the fastening part of the rail or the joint connecting plate, and uses the horizontal shape of the rail obtained through the upper longitudinal line laser sensor. Rail acoustic roughness measuring device through laser scanning, characterized in that for correction for the vertical direction by doing.
 철도 차량 하부에 구비되는 상측면 수직방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부와 레일 저부를 포함하는 레일의 수직방향 형상을 연속으로 취득하고, 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 레일 두부의 상면 중앙부를 따라 수평방향 형상을 연속으로 취득하는 제1단계;
상기 상측면 수직방향 라인 레이저 센서에서 얻어진 레일의 수직방향 형상에서 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 제2단계;
상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서를 통해 얻어진 레일의 수평방향 형상을 이용해 수직 방향 보정을 하는 제3단계; 및
상기 레일의 길이 방향 좌표에 대한 음향 러프니스를 구하거나 푸리에 변환을 통하여 음향 러프니스 스펙트럼을 구하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법.
The vertical shape of the rail including the rail head and the rail bottom is continuously acquired from the upper side vertical line laser sensor provided at the lower part of the railway vehicle, and the horizontal shape along the upper center of the upper side of the rail head is obtained from the upper longitudinal line laser sensor. A first step of continuously acquiring;
a second step of correcting a sensor displacement error in the horizontal direction of the rail by horizontally aligning both edges of the bottom of the rail to be the same in the vertical shape of the rail obtained from the upper side vertical line laser sensor;
a third step of performing vertical direction correction using the horizontal shape of the rail obtained through the upper longitudinal line laser sensor; and
and a fourth step of obtaining acoustic roughness for the longitudinal coordinates of the rail or obtaining an acoustic roughness spectrum through Fourier transform.
 제 6항에 있어서,
상기 제2단계는 상기 레일의 수직방향 형상의 레일 저부의 높이가 동일하도록 정렬하여 센서 변위에 의한 오차를 보정하고, 상기 레일 저부의 양측 모서리가 동일하도록 수평 정렬하여 레일의 수평 방향에 대한 센서 변위 오차를 보정하는 단계인 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법.
According to claim 6,
In the second step, errors due to sensor displacement are corrected by aligning the rail bottoms of the vertical direction of the rails to have the same height, and horizontally aligning the rail bottoms so that both edges of the rails are the same, so that the sensor displacement in the horizontal direction of the rails is corrected. Rail acoustic roughness measurement method through laser scanning, characterized in that the step of correcting the error.
 제 6항에 있어서,
상기 제3단계는 철도차량이 레일 체결부 또는 이음매 지점을 통과시 상기 상부 길이방향 라인 레이저 센서로부터 입력되는 레일의 수평방향 형상 데이터를 활용하여 레일 두부 지점들을 해당 높낮이 형상으로 정렬하여 수직 방향 보정을 하고, 레일 체결부 또는 이음매 지점이 아니면 레일 저부를 이용한 수직 방향 보정을 하는 단계인 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법.
According to claim 6,
In the third step, when the railway vehicle passes through the rail fastening part or the joint point, vertical direction correction is performed by aligning the rail head points in the corresponding height shape using the horizontal direction shape data of the rail input from the upper longitudinal line laser sensor. And, if it is not a rail fastening part or a joint point, vertical direction correction using the rail bottom.
 제 6항에 있어서,
상기 제4단계는 러닝 밴드 폭을 계산하여 설정폭 이하이면 러닝 밴드 폭 내에 1위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 러닝 밴드 폭이 설정폭 이하가 아니면 러닝 밴드 폭 내에 3위치의 레일 두부 표면의 수직좌표를 저장하고, 저장된 수직좌표 데이터 누적거리가 2m를 초과하면 푸리에변환을 수행하여 레일 음향러프니스 스택트럼을 구하는 단계인 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 통한 레일 음향 러프니스 측정 방법.
According to claim 6,
The fourth step calculates the running band width and stores the vertical coordinates of the surface of the rail head at 1 position within the running band width if it is less than the set width, and if the running band width is not less than the set width, the rail head at 3 positions within the running band width Storing the vertical coordinates of the surface, and performing Fourier transformation when the accumulated distance of the stored vertical coordinate data exceeds 2 m to obtain a rail acoustic roughness spectrum.
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