KR20230085521A - railway and train monitoring system - Google Patents

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KR20230085521A
KR20230085521A KR1020210173757A KR20210173757A KR20230085521A KR 20230085521 A KR20230085521 A KR 20230085521A KR 1020210173757 A KR1020210173757 A KR 1020210173757A KR 20210173757 A KR20210173757 A KR 20210173757A KR 20230085521 A KR20230085521 A KR 20230085521A
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vibration
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KR1020210173757A
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정효영
김영호
김희운
김명진
기송도
이헌수
이용하
이준행
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한국광기술원
한국철도공사
주식회사 에니트
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Abstract

본 발명은 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 펄스광을 출사하는 광원부와, 입력된 펄스광을 센싱단으로 출력하고, 역으로 진행되는 산란광을 검출단으로 출력하는 광써큘에이터와, 센싱단에 일단이 접속되어 선로에 포설된 센싱 광섬유와, 검출단으로부터 출력되는 광을 수신처리하는 광검출부와, 광검출부에서 출력되는 신호로부터 선로상에서의 차량의 위치 및 속도정보를 산출하는 신호처리부를 구비하고, 신호처리부는 광검출부로부터 출력되어 수집된 신호에 대해 전처리를 수행하여 감쇠를 복원하는 전처리모듈과, 전처리모듈을 거쳐 생성된 신호에 대해 이진화 데이터를 생성하는 이진화처리모듈과, 이진화데이터를 기반으로 가중치 기반 밀도를 계산하여 진동신호가 밀집한 지역을 철도 차량 후보 영역으로 검출하는 차량 후보영역 검출모듈과, 차량후보 영역에 대해 가우시안 필터를 적용하여 상기 문턱값 이상이 되는 영역으로부터 철도 차량 길이를 산출하는 차량길이 산출모듈과, 차량길이 산출모듈에서 산출된 차량길이 정보를 객체로 결정하고, 객체에 대한 속도를 포함한 속성정보를 산출하는 객체 동적 관리모듈을 구비한다.The present invention relates to a railway track and vehicle monitoring system, which includes a light source unit that emits pulsed light, an optical circulator that outputs input pulsed light to a sensing unit and outputs reversely scattered light to a detection unit, and sensing A sensing optical fiber, one end of which is connected to the line and installed on the line, an optical detector that receives and processes the light output from the detector, and a signal processor that calculates the position and speed information of the vehicle on the line from the signal output from the optical detector. The signal processing unit performs preprocessing on the collected signals output from the photodetector and restores the attenuation; A vehicle candidate area detection module that calculates a weight-based density based on the basis and detects an area where vibration signals are concentrated as a railway vehicle candidate area, and a Gaussian filter is applied to the vehicle candidate area to determine the length of the railway car from an area that is equal to or greater than the threshold value. A vehicle length calculation module for calculating and an object dynamic management module for determining the vehicle length information calculated in the vehicle length calculation module as an object and calculating attribute information including speed of the object.

Description

철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템{railway and train monitoring system}Railway track and vehicle monitoring system {railway and train monitoring system}

본 발명은 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 철도의 선로 상태 및 차량의 현재위치를 포함한 운행정보를 제공할 수 있도록 된 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a railroad track and vehicle monitoring system, and more particularly, to a railroad track and vehicle monitoring system capable of providing operation information including the state of a railroad track and the current location of a vehicle.

철도의 선로상을 운행하는 차량인 열차의 선로 상에서의 위치를 검지하기 위해서 종래에는 전기 회로 방식이 주로 사용되고 있다.In order to detect the position on the track of a train, which is a vehicle running on the track of a railroad, conventionally, an electric circuit method is mainly used.

이와 같은 전기 회로 방식은 열차 선로에 전기적인 회로를 구성하여 열차를 검지하는 방식으로서, 열차 선로를 따라 전기 설비를 연속적으로 설치해야 하므로, 설치 비용이 증가할 뿐만 아니라, 전기 설비의 유지보수 및 점검을 위한 추가 비용이 발생한다는 단점이 있다.This electrical circuit method is a method of detecting trains by configuring an electrical circuit on the train tracks, and since electrical facilities must be continuously installed along the train tracks, not only does the installation cost increase, but also maintenance and inspection of electrical facilities The disadvantage is that additional costs are incurred for

뿐만 아니라, 전기 회로 방식은 열차의 위치를 약 1km 정도의 범위 내에서만 확인할 수 있다는 기술적 한계가 있다.In addition, the electric circuit method has a technical limitation in that the position of the train can be confirmed only within a range of about 1 km.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 선로를 따라 설치된 광케이블로부터 발생되는 후방산란광을 이용하여 선로 상태 및 열차의 위치와 속도를 산출하는 장치가 국내 등록특허 제10-2124218호에 제안되어 있다.In order to improve these problems, a device for calculating the track condition and the position and speed of a train using backscattered light generated from an optical cable installed along the track is proposed in Korean Patent Registration No. 10-2124218.

그런데, 상기 장치는 열차의 길이 정보를 제공하지 못하며, 선로의 길이가 길어질 수록 수신되는 산란광의 감쇠를 보상하여 측정 정밀도를 높일 수 있는 방안이 요구되고 있다.However, the apparatus cannot provide train length information, and there is a need for a method of increasing measurement accuracy by compensating for attenuation of received scattered light as the length of the track increases.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 선로를 운행하는 차량의 길이 정보를 산출하여 제공하며 수신되는 산란광의 감쇠를 보상하여 측정 정밀도를 높일 수 있는 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above requirements, and a railroad track and vehicle monitoring system capable of increasing measurement accuracy by calculating and providing length information of a vehicle running on a track and compensating for attenuation of received scattered light. Its purpose is to provide

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템은 펄스광을 출사하는 광원부와; 상기 광원부에서 출사되어 입력단을 통해 입력된 펄스광을 센싱단으로 출력하고, 센싱단에서 역으로 진행되는 산란광을 검출단으로 출력하는 광써큘에이터와; 상기 센싱단에 일단이 접속되어 모니터링 대상 철도의 선로 또는 선로 주변에 설치된 센싱 광섬유와; 상기 검출단으로부터 출력되는 광을 수신처리하는 광검출부와; 상기 광원부의 구동을 제어하고, 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 선로상에서의 차량의 위치 및 속도정보를 산출하는 신호처리부;를 구비하고, 상기 신호처리부는 상기 광검출부로부터 출력되어 수집된 신호에 대해 전처리를 수행하여 감쇠를 복원하는 전처리모듈과; 상기 전처리모듈을 거쳐 생성된 신호에 대해 잡음수준인 문턱값(Vnoise) 기준으로 이진화한 이진화 데이터를 생성하는 이진화처리모듈과; 상기 이진화처리모듈에서 생성된 이진화데이터를 기반으로 가중치 기반 밀도를 계산하여 진동신호가 밀집한 지역을 철도 차량 후보 영역으로 검출하는 차량 후보영역 검출모듈과; 상기 차량후보영역 검출모듈에서 결정된 차량후보 영역에 대해 가우시안 필터를 적용하여 상기 문턱값 이상이 되는 영역으로부터 철도 차량 길이를 산출하는 차량길이 산출모듈과; 상기 차량길이 산출모듈에서 산출된 차량길이 정보를 객체로 결정하고, 객체에 대한 속도를 포함한 속성정보를 산출하는 객체 동적 관리모듈;을 구비한다.In order to achieve the above object, a railway track and vehicle monitoring system according to the present invention includes a light source unit for emitting pulsed light; an optical circulator for outputting pulsed light emitted from the light source unit and inputted through an input terminal to a sensing terminal, and outputting scattered light traveling backward from the sensing terminal to a detection terminal; a sensing optical fiber, one end of which is connected to the sensing end, and installed on or around a track of a railway to be monitored; a photodetector for receiving and processing the light output from the detector; and a signal processing unit which controls the driving of the light source unit and calculates the position and speed information of the vehicle on the track from the signal output from the light detection unit, wherein the signal processing unit outputs the collected signal from the light detection unit. a pre-processing module for restoring attenuation by performing pre-processing; a binarization processing module for generating binarized data based on a threshold value (Vnoise), which is a noise level, for the signal generated through the preprocessing module; a vehicle candidate area detection module that calculates a weight-based density based on the binarization data generated by the binarization processing module and detects an area where vibration signals are concentrated as a railway vehicle candidate area; a vehicle length calculation module for calculating a railway vehicle length from an area equal to or greater than the threshold by applying a Gaussian filter to the vehicle candidate area determined by the vehicle candidate area detection module; and an object dynamic management module that determines the vehicle length information calculated by the vehicle length calculation module as an object and calculates attribute information including speed of the object.

본 발명에 따른 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템에 의하면, 선로를 운행하는 차량의 길이 정보를 산출하여 제공하며 수신되는 산란광의 감쇠를 보상하여 차량추적에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.According to the railway track and vehicle monitoring system according to the present invention, the length information of the vehicle operating on the track is calculated and provided, and the attenuation of the received scattered light is compensated for to increase the measurement accuracy for vehicle tracking.

도 1은 본 발명에 따른 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 센싱광섬유의 설치예를 나타내 보인 사시도이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센싱광섬유의 설치예를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 1의 신호처리부의 신호처리과정을 나타내 보인 플로우도이고,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템을 통해 측정된 철도 차량에 대한 추적 상태를 나타내 보인 그래프이다.
1 is a diagram showing a track and vehicle monitoring system of a railway according to the present invention;
2 is a perspective view showing an installation example of the sensing optical fiber of FIG. 1;
3 is a view showing an installation example of a sensing optical fiber according to another embodiment of the present invention;
4 is a flow diagram showing a signal processing process of the signal processing unit of FIG. 1;
5 and 6 are graphs showing tracking states of railroad vehicles measured through the track and vehicle monitoring system of the railroad according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, a railway track and vehicle monitoring system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템을 나타내 보인 도면이다.1 is a diagram showing a track and vehicle monitoring system of a railroad according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템(100)은 광원(110), 파형발생기(120), 광써큘레이터(130), 센싱광섬유(150), 광검출부(160), 신호처리부(180)를 구비한다.Referring to FIG. 1, a railway track and vehicle monitoring system 100 according to the present invention includes a light source 110, a waveform generator 120, an optical circulator 130, a sensing optical fiber 150, and an optical detector 160. , a signal processing unit 180 is provided.

광원(110)은 파형발생기(120)에서 출력되는 파형신호에 대응되는 펄스광을 출력한다.The light source 110 outputs pulsed light corresponding to the waveform signal output from the waveform generator 120 .

여기서, 광원(110) 및 파형발생기(120)는 광원부에 해당한다.Here, the light source 110 and the waveform generator 120 correspond to the light source unit.

광써큘레이터(130)는 광원(110)에서 출사되어 입력단(130a)을 통해 입력된 펄스광을 센싱단(130b)으로 출력하고, 센싱단(130b)에서 역으로 진행되는 산란광을 검출단(130c)으로 출력한다.The optical circulator 130 outputs the pulsed light emitted from the light source 110 and inputted through the input terminal 130a to the sensing terminal 130b, and transmits scattered light that proceeds inversely from the sensing terminal 130b to the detection terminal 130c. ) is output as

센싱광섬유(150)는 광써큘에이터(130)의 센싱단(130b)에 일단이 접속되어 모니터링 대상 철도의 선로(10)에 설치되어 있다. 센싱 광섬유(150)는 도 2에 도시된 바와 같이 'I'자 형태로 형성된 선로(10)의 네크부분에 연장방향을 따라 설치될 수 있다.The sensing optical fiber 150 has one end connected to the sensing end 130b of the optical circulator 130 and is installed on the track 10 of the railway to be monitored. As shown in FIG. 2 , the sensing optical fiber 150 may be installed along the extension direction in the neck portion of the line 10 formed in an 'I' shape.

또 다르게는 센싱광섬유(150)는 선로 주변에 선로(10)를 따라 설치될 수 있음은 물론이다.Alternatively, of course, the sensing optical fiber 150 may be installed along the line 10 around the line.

일 예로서, 도 3에 도시된 바와 같이 선로(10)가 지지되는 노반(15)과 나란하게 선로(10)를 따라 구축된 관로(50) 내의 통로를 따라 센싱광섬유(150)가 설치되는 방식 등 다양한 방식으로 설치될 수 있다.As an example, as shown in FIG. 3, the sensing optical fiber 150 is installed along a passage in the conduit 50 built along the track 10 parallel to the subgrade 15 on which the track 10 is supported. etc. can be installed in various ways.

광검출부(160)는 광써큘에이터(130)의 검출단(130c)으로부터 출력되는 광을 수신 처리한다. 광검출부(160)는 광써큘에이터(130)의 검출단(130c)으로부터 출력되는 산란광에 대해 레일레이 산란광에 해당하는 대역의 광을 필터링하는 필터(미도시)와, 필터에서 출력되는 광을 전기적 신호로 출력하는 광검출기로 구축될 수 있다.The light detector 160 receives and processes the light output from the detector 130c of the optical circulator 130 . The light detector 160 includes a filter (not shown) for filtering light in a band corresponding to Rayleigh scattered light with respect to the scattered light output from the detection terminal 130c of the optical circulator 130, and electrically converts the light output from the filter. It can be built as a photodetector that outputs as a signal.

신호처리부(180)는 펄스광이 생성되도록 광원부의 파형발생기(120)의 구동을 제어하고, 광검출부(160)에서 출력되는 신호로부터 선로(10)상에서의 차량의 위치 및 속도정보를 포함하는 객체의 속성정보를 산출하고, 산출된 속성정보를 출력부(190)를 통해 출력한다. 여기서, 출력부(190)는 속성정보를 표시하는 표시부 또는 수신대상 장치로 통신망을 통해 전송하는 통신인터페이스가 적용될 수 있다.The signal processing unit 180 controls the driving of the waveform generator 120 of the light source unit to generate pulsed light, and the object including the position and speed information of the vehicle on the line 10 from the signal output from the light detection unit 160 Attribute information of is calculated, and the calculated attribute information is output through the output unit 190. Here, the output unit 190 may be a display unit that displays attribute information or a communication interface that transmits data to a receiving device through a communication network.

한편, 신호처리부(180)는 전처리모듈(181), 이진화처리모듈(182), 차량 후보영역 검출모듈(183), 차량길이 산출모듈(184), 객체 동적 관리모듈(185)를 구비한다.Meanwhile, the signal processing unit 180 includes a preprocessing module 181, a binarization processing module 182, a vehicle candidate area detection module 183, a vehicle length calculation module 184, and an object dynamic management module 185.

전처리모듈(181)은 광검출부(160)로부터 출력되어 수집된 신호에 대해 전처리를 수행하여 감쇠를 복원한다. 전처리모듈(181)은 철도의 선로(10) 및 철도의 선로(10)를 통해 운행하는 차량 즉, 열차의 특성상 잡음이 강하고 장거리를 모니터링해야 하기 때문에, 거리 감쇠를 복원하여 전 구간에서 동일한 크기 수준으로 신호를 비교할 수 있는 전처리를 수행한다.The pre-processing module 181 restores the attenuation by performing pre-processing on the signals output from the photodetector 160 and collected. The pre-processing module 181 restores the distance attenuation to the same size level in all sections, since noise is strong and long distances must be monitored due to the nature of the railroad tracks 10 and vehicles running through the railroad tracks 10, that is, trains. Performs preprocessing to compare signals with .

전처리모듈(181)의 전처리 및 감쇠 복원과정을 이하에서 설명한다.The preprocessing and decay restoration process of the preprocessing module 181 will be described below.

먼저, 전처리모듈(181)은 센싱광섬유(150)에 발생되어 광검출부(160)로부터 시간경과에 따라 수집되는 레일레이 역산란 신호로부터 아래의 수학식1을 통해 진동신호를 생성한다.First, the pre-processing module 181 generates a vibration signal through Equation 1 below from the Rayleigh backscattering signal generated in the sensing optical fiber 150 and collected over time from the photodetector 160.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서,

Figure pat00002
는 레일레이 역산란 신호의 크기이고, zi는 미터단위를 적용하며 선로(10)의 i번째 거리지점이며 , tj는 j번째 시간이다.here,
Figure pat00002
is the magnitude of the Rayleigh backscattering signal, zi is the i-th distance point of the line 10 in meters, and tj is the j-th time.

또한,

Figure pat00003
는 진동신호로서
Figure pat00004
를 진동의 크기로 변환한 신호의 크기를 나타낸다. tk는 진동신호 기준시간이며 이동평균과 인접차를 계산하는 시간이고, k는 기준시간 색인이다. 또한, M은 이동평균 계수이고, 바람직하게는 5~20사이의 값을 사용한다.also,
Figure pat00003
is the vibration signal
Figure pat00004
represents the magnitude of the signal converted to the magnitude of vibration. t k is the reference time of the vibration signal, the time for calculating the moving average and the adjacent difference, and k is the reference time index. In addition, M is a moving average coefficient, and preferably uses a value between 5 and 20.

다음은 진동신호

Figure pat00005
의 크기(파워)를 일정시간 누적하여 평균(Vzi)을 아래의 수학식 2에 의해 계산한다.The vibration signal is
Figure pat00005
The magnitude (power) of is accumulated over a certain period of time, and the average (Vzi) is calculated by Equation 2 below.

Figure pat00006
Figure pat00006

V(zi)는 센싱광섬유(150)의 감쇠계수에 의해 zi에 지수비례적으로 감소하는 특성을 갖는다.V(zi) has a characteristic of decreasing exponentially to zi by the attenuation coefficient of the sensing optical fiber 150.

다음으로, 두 지점인

Figure pat00007
지점에서의 평균파워크기
Figure pat00008
,
Figure pat00009
계산한다. 여기서 zst는 센싱광섬유(150)의 시작 거리지점이고, zen은 센싱광섬유(150)의 끝 거리지점이다. 또한
Figure pat00010
,
Figure pat00011
는 각각 zst, zen 지점의 거리-시간평균 진동크기로서, zst, zen 주변영역에서 시간평균 진동신호 V(zi)가 갖는 거리평균 크기이고 아래의 수학식3으로 표현된다. Next, the two points
Figure pat00007
Average power at point
Figure pat00008
,
Figure pat00009
Calculate. Here, z st is a starting distance point of the sensing optical fiber 150, and z en is an end distance point of the sensing optical fiber 150. also
Figure pat00010
,
Figure pat00011
is the distance-time average vibration magnitude of z st and z en points, respectively, and is the distance average magnitude of the time average vibration signal V(zi) in the area around z st and z en , and is expressed by Equation 3 below.

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서, A는 평균을 구하는 거리지점의 개수로서, 거리평균을 구하는 관찰영역의 폭이며 일 예로서, 20~100m 범위로 설정한다. Here, A is the number of distance points for which an average is to be obtained, and is the width of an observation area for which a distance average is to be obtained.

다음으로 추정 감쇠계수(α)를 구하고, 이로부터 감쇠복원 곡선을 적용한다.Next, an estimated damping coefficient (α) is obtained, and a damping recovery curve is applied therefrom.

Figure pat00014
Figure pat00014

감쇠복원 곡선

Figure pat00015
Damping Restoration Curve
Figure pat00015

이후, 감쇠복원을 수행한 진동신호를 아래의 수학식 5에 의해 산출한다.Thereafter, the vibration signal subjected to damping restoration is calculated by Equation 5 below.

Figure pat00016
Figure pat00016

여기서,

Figure pat00017
는 감쇠복원 거리별 시간평균 진동신호 이며, 거리별 시간평균 진동신호 V(zi)에 감쇠곡선
Figure pat00018
를 곱하여 생성하며, 감쇠복원된 거리별 시간평균 진동의 크기에 해당한다. here,
Figure pat00017
is the time-averaged vibration signal for each distance of attenuation restoration, and the decay curve for the time-average vibration signal V(zi) for each distance
Figure pat00018
It is generated by multiplying , and corresponds to the magnitude of the time-averaged vibration for each distance that has been restored.

이진화처리모듈(182)은 전처리모듈(181)을 거쳐 감쇠복원되게 생성된 신호에 대해 잡음수준인 문턱값(Vnoise) 기준으로 이진화한 이진화 데이터를 생성한다.The binarization processing module 182 generates binarized data based on a threshold value (Vnoise), which is a noise level, for the signal generated to be attenuated and restored through the preprocessing module 181.

이진화처리모듈(182)은 아래의 수학식 6에 의해 감쇠복원된 진동신호인

Figure pat00019
를 잡음수준인 문턱값 Vnoise 기준으로 이진화 처리한다.The binarization processing module 182 is a vibration signal damped and restored by Equation 6 below.
Figure pat00019
is binarized based on the threshold value V noise , which is the noise level.

Figure pat00020
Figure pat00020

여기서, Bo(zi)는 시간영역 진동유무 이진화 신호 이고, 거리별 진동여부를 이진화하여 0 또는 1 값을 갖는다. 즉, 1은 zi지점에 진동신호가 존재한다는 의미이고, 0은 진동신호가 없다는 의미이다.Here, Bo(zi) is a binarized signal for presence/absence of vibration in the time domain, and has a value of 0 or 1 by binarizing the presence/absence of vibration for each distance. That is, 1 means that a vibration signal exists at the point zi, and 0 means that there is no vibration signal.

또한, Vnoise는 진동여부를 판단하기 위해 적용되는 거리별 시간평균 진동크기 문턱값이고, 바람직하게는 센싱광섬유(150) 끝지점 이후 신호가 존재하지 않는 지역의 평균값으로 정하는 것이 바람직하다. In addition, V noise is a time-average vibration amplitude threshold value for each distance applied to determine whether vibration occurs, and is preferably set as an average value of a region where no signal exists after the end point of the sensing optical fiber 150.

또 다르게는 이진화처리모듈(182)은 진동신호

Figure pat00021
를 주파수 변환한 후 특징값을 추출하고 기계학습을 통해 이진화결과를 도출하도록 구축될 수 있다.Alternatively, the binarization processing module 182 is a vibration signal
Figure pat00021
It can be built to extract feature values after frequency transforming and derive binarization results through machine learning.

이를 위해 먼저,

Figure pat00022
를 주파수 변환한 거리별 진동 주파수 신호인 For this, first
Figure pat00022
is a frequency-converted vibration frequency signal for each distance.

Figure pat00023
라고 할 때 주파수영역 특징값
Figure pat00024
)을 산출한다.
Figure pat00023
When the frequency domain feature value
Figure pat00024
) is calculated.

Figure pat00025
,
Figure pat00026
Figure pat00025
,
Figure pat00026

여기서,

Figure pat00027
는 주파수영역 특징값이다.here,
Figure pat00027
Is a frequency domain feature value.

진동신호상의 정상신호의 통계적 독립성을 최대화하는 특징값은 Principle Component Analysis, Independent Component Analysis, T-distributed Stochastic Neighbor Embedding 등으로 추출 가능하다.The feature value maximizing the statistical independence of the normal signal on the vibration signal can be extracted through Principle Component Analysis, Independent Component Analysis, T-distributed Stochastic Neighbor Embedding, etc.

또한, 진동신호를 구분하는 기계학습 모델로서

Figure pat00028
의 구분선을 기준으로 진동신호와 정상신호를 분류하고, Support Vector Machine, 클러스터링 K-Mean Clustering으로 이진화 결과인 B1(zi)를 아래와 계산하도록 구축될 수 있다. 여기서,
Figure pat00029
는 주파수영역 진동 구분선으로 주파수영역에서 진동여부를 판단하기 위해 적용된 것이다. 또한, B1(zi)는 주파수영역 진동유무 이진화 신호다.In addition, as a machine learning model for distinguishing vibration signals,
Figure pat00028
It can be constructed to classify vibration signals and normal signals based on the dividing line of , and calculate B1 (zi), the result of binarization with Support Vector Machine and clustering K-Mean Clustering, as follows. here,
Figure pat00029
is a frequency domain vibration division line, which is applied to determine whether vibration occurs in the frequency domain. Also, B1(zi) is a binarization signal with/without vibration in the frequency domain.

Figure pat00030
Figure pat00030

여기서, Bfinal(zi)는 최종 진동유무 이진화 신호로서, Bo(zi)과 B1(zi)를 조합하여 최종 진동여부를 판단하는 진동유무 이진화 신호다.Here, B final (zi) is a final vibration presence/absence binarization signal, which is a vibration presence/absence binarization signal for determining final vibration by combining Bo(zi) and B1(zi).

차량 후보영역 검출모듈(183)은 이진화처리모듈(182)에서 생성된 이진화데이터를 기반으로 가중치 기반 밀도를 계산하여 진동신호가 밀집한 지역을 철도 차량 후보 영역으로 검출한다.The vehicle candidate area detection module 183 calculates a weight-based density based on the binarization data generated by the binarization processing module 182 to detect an area where vibration signals are concentrated as a railway vehicle candidate area.

차량 후보영역 검출모듈(183)은 일정 길이 내에 진동이벤트의 밀집도를 거리별 가중치를 고려하여 아래의 수학식 8에 의해 계산한다. The vehicle candidate area detection module 183 calculates the density of vibration events within a certain length by Equation 8 below in consideration of weights for each distance.

Figure pat00031
Figure pat00031

여기서, D(zi)는 zi지점의 진동밀도 신호로서 진동유무 이진화 신호의 밀도를 나타낸다. 또한, J는 가중치 적용 길이이다. 가중치 적용 길이는 철도 차량의 길이 100~400m를 포함할 수 있도록 정한다. 일 예로서, 철도 차량의 길이에 대해 100m 기준으로하는 경우 다음과 같은 조건을 만족하도록 정한다. Here, D(zi) is the vibration density signal at point zi and represents the density of the binarized signal with and without vibration. Also, J is the weight application length. The weighted length is determined to include the length of 100 to 400m of the railroad car. As an example, if the length of a railway vehicle is based on 100 m, the following conditions are determined to be satisfied.

wj는 j=0일 때 1이고 j가 0에서 멀어지면서 값이 작아지는 형태를 갖도록 설정된 가우시안이고, 아래의 수학식 9로 표현될 수 있다.wj is 1 when j = 0 and is a Gaussian set to have a form in which the value decreases as j moves away from 0, and can be expressed by Equation 9 below.

Figure pat00032
Figure pat00032

여기서, σ는 표준편차다. σ는 J/3로 정한다. Here, σ is the standard deviation. σ is set to J/3.

한편, 산출된 이진화신호 밀도(D(zi))를 후보영역 범위

Figure pat00033
내에서 합산하여 기설정한 철도 차량 후보영역 문턱값(Dth)보다 크면 해당 영역은 철도차량이 존재하는 영역으로 산정한다.On the other hand, the calculated binarization signal density (D(zi)) is used as the candidate region range.
Figure pat00033
If it is greater than the threshold value (Dth) of the predetermined railway vehicle candidate area by summing up within the range, the corresponding area is calculated as an area where a railway vehicle exists.

Figure pat00034
Figure pat00034

Figure pat00035
Figure pat00035

철도차량의 후보영역은 W폭 안에 D(zi) 진동밀도 신호의 합계가 Dth 큰 경우로 결정한다. W은 일 예로서, 1000m로 Dth는 200으로 설정한다. The candidate region of the railway vehicle is determined when the sum of D(zi) vibration density signals within the W width is greater than Dth. As an example, W is set to 1000 m and Dth is set to 200.

zmax는 최대진동밀도위치이다. 철도차량의 후보영역내에서 D(zi) 진동밀도 신호가 가장 큰 지점이다. z max is the position of maximum vibration density. This is the point where the D(zi) vibration density signal is the largest within the candidate region of the railway vehicle.

차량 길이 산출모듈(184)은 차량후보영역 검출모듈(183)에서 결정된 차량후보 영역에 대해 가우시안 필터를 적용하여 문턱값 이상이 되는 영역으로부터 철도 차량 길이를 산출한다.The vehicle length calculation module 184 applies a Gaussian filter to the vehicle candidate region determined by the vehicle candidate region detection module 183, and calculates the railroad car length from a region equal to or greater than a threshold value.

차량 길이 산출모듈(184)은 철도차량의

Figure pat00036
후보영역내에서 최대값이 있는 위치를 검출한다. The vehicle length calculation module 184 is
Figure pat00036
The position with the maximum value in the candidate region is detected.

Figure pat00037
Figure pat00037

여기서, zmax는 최대진동밀도위치로서, 철도 차량의 후보영역내에서 D(zi) 진동밀도 신호가 가장 큰 지점이다. Here, z max is the position of the maximum vibration density, and is the point where the D(zi) vibration density signal is the largest in the candidate region of the railway vehicle.

다음은 zmax를 기준으로 양쪽으로 나눠서 기차의 왼쪽 오른쪽 끝지점

Figure pat00038
을 D(zi)값을 기준으로 계산하고, D(zi)가 설정된 일정 값인 C 이상이 되는 영역을 기차의 길이내라고 산정하고,
Figure pat00039
인 가장자리 값을 끝지점으로 계산한다.Next, it is divided into both sides based on zmax, and the left and right end points of the train
Figure pat00038
is calculated based on the value of D (zi), and the area where D (zi) is greater than or equal to C, which is a set constant value, is calculated as within the length of the train,
Figure pat00039
Calculate the edge value as the end point.

여기서, C는 철도차량 길이 검출 문턱값이고, D(zmax)값의 5~40%로 설정한다. Here, C is the railroad car length detection threshold value, and is set to 5 to 40% of the D (z max ) value.

Figure pat00040
Figure pat00040

Figure pat00041
Figure pat00041

여기서, L은 철도차량 길이 검출 범위로 적용되는 값이고, 통상적인 철도 차량의 길이를 충분히 포함할 수 있는 값으로 설정한다. 일 예로서 L은 300~500m 사이 값을 적용한다. Here, L is a value applied as a range for detecting the length of a railroad car, and is set to a value that can sufficiently include the length of a typical railroad car. As an example, L applies a value between 300 and 500 m.

또한, 이전 단계에서 검출한

Figure pat00042
은 잡음에 의해 일시적으로 검출된 정보일 수 있기 때문에, 일정시간 관찰하여 철도차량의 이동형태로 추정되는 길이 정보를 제외한 잡음신호를 제거하는 것이 바람직하다. Also, detected in the previous step
Figure pat00042
Since may be information temporarily detected by noise, it is desirable to observe for a certain period of time and remove the noise signal except for the length information estimated by the moving shape of the railroad car.

객체 동적 관리부(185)는 차량길이 산출모듈(184)에서 산출된 차량길이 정보를 객체로 결정하고, 객체에 대한 현재 위치, 속도를 포함한 속성정보를 산출한다.The object dynamic management unit 185 determines the vehicle length information calculated by the vehicle length calculation module 184 as an object, and calculates attribute information including the current location and speed of the object.

객체 동적 관리부(185)는 일정 시간이상 철도 차량의 길이가 검출되면 새로운 철도 차량 객체를 생성하고, 추적 필터를 이용하여 철도 차량 객체의 왼쪽 끝위치, 오른쪽 끝위치, 속도, 가속도를 산출하고, 위치를 추적한다. 추적필터는 칼만필터(Kalman Filter), 파티클 필터(Particle Filter), 분산점 칼만필터(Unscented Kalman filter) 등이 적용될 수 있다.The object dynamic management unit 185 creates a new railroad car object when the length of the railroad car is detected over a certain period of time, and calculates the left end position, right end position, speed, and acceleration of the railroad car object using a tracking filter, to track As the tracking filter, a Kalman filter, a particle filter, an unscented Kalman filter, and the like may be applied.

또한, 객체 동적 관리부(185)는 철도차량 객체가 일정시간 이상 관측되지 않을 시 객체를 소멸처리하고, 추적을 종료한다.In addition, the object dynamic management unit 185 destroys the object and ends the tracking when the railroad car object is not observed for a certain period of time or longer.

이러한 신호처리부(180)는 도 4에 도시된 바와 같이 광검출부(160)로부터 후방 산란신호를 수집하고(단계 210), 수집된 신호에 대해 전처리 및 감쇠를 복권한다(단계 220). 이후 센싱광섬유(150)의 거리별 진동유무에 대한 이진화데이터를 생생성하고(단계 230), 이로부터 철도차량 후보영역을 검출하며(단계 240), 선정된 철도차량 후보영역으로부터 철도차량길이를 검출한다(단계 250). 이후 철도차량길이가 확정된 철도차량을 객체로 등록하는 객체 생성과정을 거친후, 생성된 객체에 대한 추적정보를 생성 및 갱신한다(단계 260).As shown in FIG. 4, the signal processing unit 180 collects backscattered signals from the photodetector 160 (step 210), and restores pre-processing and attenuation to the collected signals (step 220). Thereafter, binarized data on the presence or absence of vibration for each distance of the sensing optical fiber 150 is generated (step 230), and a railroad car candidate area is detected therefrom (step 240), and a railway car length is detected from the selected railway car candidate area. (step 250). Thereafter, after going through an object creation process of registering the railroad car whose length is determined as an object, tracking information for the created object is created and updated (step 260).

한편, 본 모니터링 시스템(100)을 실제 철도에 적용하여 측정한 결과가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.Meanwhile, results obtained by applying the present monitoring system 100 to an actual railway are shown in FIGS. 5 and 6 .

실증 실험을 위해 본 모니터링 시스템(100)을 오송역 내 통신실에 설치하고 선로변 관로 내 매설되어 있는 약 46km 가량의 통신선을 센싱광섬유로 적용하여 연결하였다. 오송-공주 구간 노선은 KTX, SRT 등 고속선이 운행 중인 노선이다. 도 5 및 도 6에서 가로축은 오송역으로부터 거리를 나타내고, 세로축은 관측 시간을 나타낸다.For demonstration experiments, this monitoring system 100 was installed in a communication room in Osong Station, and about 46 km of communication lines buried in pipelines along the tracks were connected by applying sensing optical fibers. The Osong-Gongju section route is operated by high-speed lines such as KTX and SRT. 5 and 6, the horizontal axis represents the distance from Osong Station, and the vertical axis represents the observation time.

도 5 및 도 6에서 점(dot)으로 마킹된 부분은 진동크기 기반으로 철도 차량의 위치를 감지했을때 결과이고, 실선으로 표기된 라인은 본 모니터링 시스템(100)에 의해 산출되어 구한 철도 차량 추적라인이다.In FIGS. 5 and 6, the parts marked with dots are the results when the position of the railroad car is detected based on the vibration level, and the line marked with a solid line is the railroad car tracking line calculated and obtained by the present monitoring system 100. am.

도 5 및 도 6을 통해 확인할 수 있는 바와 같이 진동크기 기반으로 매핑된 점들만으로는 터널, 교량 처럼 진동이 퍼지는 구간 또는 잡음의 영향으로 철도 차량의 위치를 적절히 식별하지 못하는 한계가 있다. 또한 선로변 자동차의 움직임 등 외부 진동 요인으로 마킹된 점들이 발생할 수 있고 이를 철도 차량으로 오검출하는 경우가 다수 존재할 수 있다. As can be seen in FIGS. 5 and 6, only points mapped based on the magnitude of vibration have a limit in that the location of the railway vehicle cannot be properly identified due to noise or sections where vibration spreads, such as tunnels and bridges. In addition, marked points may occur due to external vibration factors such as movement of a vehicle along a track, and there may be many cases in which they are erroneously detected as railroad vehicles.

이에 반해 도 5 및 도 6에서 본 모니터링 시스템(100)에 의해 산출되어 실선으로 매핑된 철도 차량 추적라인은 잡음의 영향을 배제하고 차량의 위치를 보다 정교하게 식별 및 추적 가능하다는 것을 보여준다. On the other hand, the railroad vehicle tracking line calculated by the monitoring system 100 and mapped as a solid line in FIGS. 5 and 6 shows that it is possible to more precisely identify and track the location of the vehicle while excluding the influence of noise.

이와 같이 본 모니터링 시스템(100)은 광검출부(160)를 통해 수신된 신호에 대해 앞서 설명된 바와 같은 결정과정을 거쳐 철도 차량에 대해 객체로 등록한 이후 수신시간과 위치에 대해 매핑한 추적라인이 거리가 멀어지는 방향으로 차량이 이동되는 상태일 때나 거리가 가까워지는 방향으로 차량이 이동될 때 모두 객체를 정밀하게 추적할 수 있음을 알 수 있다.In this way, the present monitoring system 100 registers the railway vehicle as an object through the determination process as described above for the signal received through the photodetector 160, and then the tracking line mapped for the reception time and location is the distance It can be seen that the object can be precisely tracked both when the vehicle is moving in a direction in which the distance is moving away and when the vehicle is moving in a direction in which the distance is getting closer.

이상에서 설명된 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템에 의하면, 선로를 운행하는 차량의 길이 정보를 산출하여 제공하며 수신되는 산란광의 감쇠를 보상하여 차량 추적에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.According to the railroad track and vehicle monitoring system described above, the length information of the vehicle running on the track is calculated and provided, and the attenuation of received scattered light is compensated for to increase measurement accuracy for vehicle tracking.

110: 광원 120: 파형발생기
130: 광써큘레이터 150: 센싱광섬유
160: 광검출부 180: 신호처리부
110: light source 120: waveform generator
130: optical circulator 150: sensing optical fiber
160: light detection unit 180: signal processing unit

Claims (6)

펄스광을 출사하는 광원부와;
상기 광원부에서 출사되어 입력단을 통해 입력된 펄스광을 센싱단으로 출력하고, 센싱단에서 역으로 진행되는 산란광을 검출단으로 출력하는 광써큘에이터와;
상기 센싱단에 일단이 접속되어 모니터링 대상 철도의 선로 또는 선로 주변에 설치된 센싱 광섬유와;
상기 검출단으로부터 출력되는 광을 수신처리하는 광검출부와;
상기 광원부의 구동을 제어하고, 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 선로상에서의 차량의 위치 및 속도정보를 산출하는 신호처리부;를 구비하고,
상기 신호처리부는
상기 광검출부로부터 출력되어 수집된 신호에 대해 전처리를 수행하여 감쇠를 복원하는 전처리모듈과;
상기 전처리모듈을 거쳐 생성된 신호에 대해 잡음수준인 문턱값(Vnoise) 기준으로 이진화한 이진화 데이터를 생성하는 이진화처리모듈과;
상기 이진화처리모듈에서 생성된 이진화데이터를 기반으로 가중치 기반 밀도를 계산하여 진동신호가 밀집한 지역을 철도 차량 후보 영역으로 검출하는 차량 후보영역 검출모듈과;
상기 차량후보영역 검출모듈에서 결정된 차량후보 영역에 대해 가우시안 필터를 적용하여 상기 문턱값 이상이 되는 영역으로부터 철도 차량 길이를 산출하는 차량길이 산출모듈과;
상기 차량길이 산출모듈에서 산출된 차량길이 정보를 객체로 결정하고, 객체에 대한 속도를 포함한 속성정보를 산출하는 객체 동적 관리모듈;을 구비하는 것을 특징으로 하는 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템.
a light source unit that emits pulsed light;
an optical circulator for outputting pulsed light emitted from the light source unit and inputted through an input terminal to a sensing terminal, and outputting scattered light traveling backward from the sensing terminal to a detection terminal;
a sensing optical fiber, one end of which is connected to the sensing end and installed on or around a track of a railway to be monitored;
a photodetector for receiving and processing the light output from the detector;
A signal processing unit for controlling driving of the light source unit and calculating vehicle position and speed information on the track from a signal output from the light detection unit;
The signal processing unit
a pre-processing module for restoring attenuation by performing pre-processing on the signals output and collected from the photodetector;
a binarization processing module for generating binarized data based on a threshold value (Vnoise), which is a noise level, for the signal generated through the preprocessing module;
a vehicle candidate area detection module that calculates a weight-based density based on the binarization data generated by the binarization processing module and detects an area where vibration signals are concentrated as a railway vehicle candidate area;
a vehicle length calculation module for calculating a railway vehicle length from an area equal to or greater than the threshold by applying a Gaussian filter to the vehicle candidate area determined by the vehicle candidate area detection module;
An object dynamic management module that determines the vehicle length information calculated by the vehicle length calculation module as an object and calculates attribute information including speed for the object; railway track and vehicle monitoring system characterized in that it is provided.
제1항에 있어서, 상기 전처리모듈은
Figure pat00043
에 의해 감쇠복원된 신호를 생성하고,
Figure pat00044
는 감쇠복원 거리별 시간평균 진동신호이고,
Figure pat00045
이고, N은 평균 파워를 구하는 누적시간이며, V(zi)는 거리별 시간평균 진동신호에 해당하며,
Figure pat00046
이고,
Figure pat00047
이며,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
는 상기 센싱광섬유의 시작 거리지점(zst)과 상기 센싱광섬유의 끝 거리지점(zen)의 거리-시간평균 진동크기이며,
Figure pat00050
,
Figure pat00051
의 조건을 만족하고, A는 평균을 구하는 거리지점의 개수인 것을 특징으로 하는 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템.
The method of claim 1, wherein the preprocessing module
Figure pat00043
Generates a signal attenuated by
Figure pat00044
Is the time-averaged vibration signal for each damping restoration distance,
Figure pat00045
where N is the accumulated time for obtaining the average power, V(zi) corresponds to the time average vibration signal for each distance,
Figure pat00046
ego,
Figure pat00047
is,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
is the distance-time average vibration amplitude between the starting distance point (z st ) of the sensing optical fiber and the end distance point (z en ) of the sensing optical fiber,
Figure pat00050
,
Figure pat00051
A railway track and vehicle monitoring system, characterized in that the condition of A is satisfied, and A is the number of distance points to obtain an average.
제2항에 있어서, 상기 이진화 처리모듈은
감쇠복원된 진동신호인
Figure pat00052
과 비교되는 문턱값(Vnoise)은 센싱광섬유(150) 끝지점 이후 신호가 존재하지 않는 지역의 평균값을 적용하는 것을 특징으로 하는 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템.
The method of claim 2, wherein the binarization processing module
The damped restored vibration signal
Figure pat00052
The threshold value (Vnoise) compared to is applied to the average value of the area where the signal does not exist after the end point of the sensing optical fiber 150. Railway track and vehicle monitoring system.
제2항에 있어서, 상기 이진화 처리모듈은
진동신호에 대해 주파수 영역으로 변환하여 특징값을 산출하고, 산출된 특징값을 기계학습모델을 통해 분류하여 이진화신호를 생성하도록 된 것을 특징으로 하는 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템.
The method of claim 2, wherein the binarization processing module
A railway track and vehicle monitoring system, characterized in that the vibration signal is converted into a frequency domain to calculate a feature value, and the calculated feature value is classified through a machine learning model to generate a binary signal.
제1항에 있어서, 상기 차량 후보영역 검출모듈은
상기 이진화처리모듈에 의해 산출된 이진화데이터로부터 진동유무 이진화 신호 밀도를 산출하고, 산출된 이진화신호 밀도가 후보영역 범위내에서 설정한 철도 차량 후보영역 문턱값(Dth)보다 크면 해당 영역은 철도차량이 존재하는 차량후보영역으로 산정하도록 된 것을 특징으로 하는 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템.
The method of claim 1, wherein the vehicle candidate area detection module
If the binarization signal density of the presence or absence of vibration is calculated from the binarization data calculated by the binarization processing module, and the calculated binarization signal density is greater than the threshold value (Dth) of the railway vehicle candidate area set within the range of the candidate area, the corresponding area is a railway vehicle. A railway track and vehicle monitoring system characterized in that it is calculated as an existing vehicle candidate area.
제5항에 있어서, 상기 차량 길이 산출모듈은 상기 차량후보영역 검출모듈에서 결정된 차량후보 영역에 대해 가우시안 필터를 적용하여 문턱값 이상이 되는 영역으로부터 철도 차량 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는 철도의 선로 및 차량 모니터링 시스템.
6. The railway track according to claim 5 , wherein the vehicle length calculation module calculates the length of the rolling stock from a region that is equal to or greater than a threshold value by applying a Gaussian filter to the candidate vehicle region determined by the vehicle candidate region detection module. and vehicle monitoring systems.
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