KR101583274B1 - 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치에 관한 것으로, 철도 차량의 운행에 따른 운행 조건을 이용하여 광학적 레일의 표면을 측정해 철도 레일의 마모도를 측정하는 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치에 있어서, 상기 철도 레일을 따라 레일의 길이방향에 대해 수직하게 라인광을 조사하여 철도 차량의 운행에 의해 연속적인 반사광을 간섭 무늬로 획득하기 위해 검출광을 조사하는 광원부, 상기 광원부에 의해 조사된 라인광이 철도 차량이 이동하면서 발생되는 연속적인 반사광으로 인해 생성되는 간섭 무늬를 획득하는 카메라 및 상기 카메라에서 획득되는 간섭 무늬를 간섭 알고리즘을 통해 분석하여 철도 레일 표면의 마모 정도(깊이 정도)를 수학적으로 모델링하는 연산모듈을 포함하는 제어부를 포함하고, 상기 카메라는 철도 차량의 운행 속도정보를 제공하는 차속정보 제공모듈을 통해 차속정보를 제공받아 상기 차속정보에 따라 펄스 제어를 통해 간섭 무늬를 획득하여 연속적으로 간섭 무늬를 결합하여 측정을 위한 최종 간섭 무늬를 연산하여 철도 레일의 마모 정보를 측정한다.

Description

간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치{Railway rails using the interference pattern of wear measurement device}

본 발명은 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 이동중인 철도 차량에서 연속적인 광을 조사하여 획득할 수 있는 간섭 무늬를 통해 레일의 마모 정도를 검출할 수 있는 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치에 관한 것이다.

최근 고속철도 분야의 관심이 급증으로 인해 한국은 2004년 고속철도 개통에 이어, 2008년 한국형 고속열차가 대중의 관심을 모으면서 전국을 완벽한 일일 생활권으로 선도하고 있다. 전반적인 기술의 발달과 함께 차량의 안전과 승차감 등이 강조되고 있는데, 300km/h 의 속도로 운행하는 특수성을 고려할 때, 고속열차의 궤도의 유지보수는 기존 열차와 다른 개념으로 관리되어야 한다.

고속철도의 검측장치는 여러 가지 다양한 기능의 조합인데, RPMS (Rail Profile Measurement System; 레일프로파일검측시스템), TGMS (Track Geometry Measurement System; 궤도검측시스템) 그리고 RCMS (Rail Corrugation Measurement System; 레일수평마모검측시스템) 등을 예로 들 수 있다. RPMS와 TGMS는 레일의 프로파일/마모와 궤도틀림을 각각 검측하게 되는데, 대부분 동일한 검측모듈로 구성된다.

철도 운행의 안정성 보장을 위해 열차의 과격한 차량 하중과 기상 작용 및 상대 운동에 의한 마모와 파손을 받는 레일이 유지 보수되어야 하지만 종래의 측정용 장치와 초음파 또는 레이저와 카메라를 이용한 측정 시스템은 기구적, 기능적 한계 및 측정 상태, 측정 환경에 영향을 받아 정밀한 측정이 어렵고 비용 대비 측정 효율이 낮은 문제점을 가지고 있었다.

종래의 레일 마모도 측정 장치로는 마모도 게이지와 같은 측정용 기구를 이용하는 방식과 초음파를 이용하는 방식, 레이저와 디지털 카메라를 이용한 방식 등이 있었다.

상기 측정용 기구를 이용하는 방식은 측정기 몸체 상부에 눈금이 매겨져 있는 측정자가 부착되어 있는 구조로 측정 단위가 mm 눈금으로 육안 측정시 개인 오차가 발생하여 정밀도가 낮고 측정 인력과 측정 시간이 과다 소요되며, 측정기가 레일에 수직으로 견고하게 거치되지 못하는 기구적 불안정성으로 인하여 측정값의 오차가 발생한다.

또한, 마모의 측정 위치가 일정하게 고정되어 있어 활용성이 저하되며 파일, 텅레일, 크로싱과 같이 레일의 모양이 각각 다르거나 70kg, 60kg, 50kgN, 50kgPS, 37kg 등과 같이 다양한 규격을 갖는 레일의 마모량을 측정할 경우 측정 기구의 구비에 대한 번거로움과 비용상의 문제점을 가지고 있었다.

상기 초음파를 이용하는 방식은 초음파 펄스를 레일 내부에 발사하여 그 반사 에코에 의하여 레일에 대한 결함의 유무나 결함의 종류를 검출하고 열차에 탑재하여 주행 중에도 마모도를 측정할 수 있으나 정확한 마모도의 측정을 위해서는 보조 측정 장치를 사용하여야 하며 50kgN, 60kg 레일을 제외한 여타의 레일은 탐상이 불가능하다.

또한, 편마모가 심하거나 침체된 레일의 경우는 탐촉자가 레일 두부의 중심을 벗어나 진행하게 되므로 에러가 발생하고 중심부를 통과한다 하여도 반쪽 상태에서는 초음파 침투가 불량하여 정밀 탐상이 어렵고 급곡선 구간에서는 레일과 탐상차의 휠이 마찰되며 발생되는 소음의 주파수가 탐상차에서 사용하는 초음파의 주파수가 같은 경우가 있어 에러가 발생하게 된다.

상기 레이저와 디지털 카메라를 이용한 방식은 적외선 영역이 고출력 레이저와 1M픽셀 급의 고해상도의 디지털 카메라를 이용하여 레일에 조사된 레이저를 디지털 카메라로 초당 400프레임 이상의 속도로 고속 촬영하여 얻어진 영상으로부터 레이저 좌표를 획득함으로써 마모도를 측정할 수 있으나 장비의 가격이 매우 고가이며 실시간 측정이 불가능하고 빗물 등의 레일 위에 이물질이 있을 경우와 온도와 같은 측정 환경에 민감하게 반응하는 레이저의 특성으로 인하여 오차가 발생한다.

KR 10-0843659호 KR 10-1026351호 KR 10-0394493호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 철도 레일의 마모도를 측정할 때 복잡한 광학적 설계없이 운행중인 철도와 여기에 광학적으로 접목하여 간소한 시스템으로 철도 레일의 마모도를 측정할 수 있는 측정장치를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 철도 차량의 운행에 따른 운행 조건을 이용하여 광학적 레일의 표면을 측정해 철도 레일의 마모도를 측정하는 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치에 있어서, 상기 철도 레일을 따라 레일의 길이방향에 대해 수직하게 라인광을 조사하여 철도 차량의 운행에 의해 연속적인 반사광을 간섭 무늬로 획득하기 위해 검출광을 조사하는 광원부, 상기 광원부에 의해 조사된 라인광이 철도 차량이 이동하면서 발생되는 연속적인 반사광으로 인해 생성되는 간섭 무늬를 획득하는 카메라 및 상기 카메라에서 획득되는 간섭 무늬를 간섭 알고리즘을 통해 분석하여 철도 레일 표면의 마모 정도(깊이 정도)를 수학적으로 모델링하는 연산모듈을 포함하는 제어부를 포함하고, 상기 카메라는 철도 차량의 운행 속도정보를 제공하는 차속정보 제공모듈을 통해 차속정보를 제공받아 상기 차속정보에 따라 펄스 제어를 통해 간섭 무늬를 획득하여 연속적으로 간섭 무늬를 결합하여 측정을 위한 최종 간섭 무늬를 연산하여 철도 레일의 마모 정보를 측정한다.

또한, 상기 카메라는, 가시광카메라(CIS; CMOS Image Sensor)로 구성된다.

또한, 상기 측정장치는, 상기 철도 차량의 현재 운행 위치를 검출하기 위한 위치검출모듈을 더 포함하고, 상기 위치검출모듈을 통해 차량의 운행 위치와 해당 위치에서 검출되는 철도 레일의 마모 정보를 매칭하여 분석되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측정장치는, 상기 위치검출모듈에서 검출되는 운행 차량의 위치정보와, 상기 측정장치에서 검출되는 해당 위치의 철도 레일 마모정도를 매칭하여 위치정보와 마모정보를 구간별로 저장한 후 전체 구간별 마모값과 해당 구간별 마모값을 함께 수집하여 저장하는 저장부를 더 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 운행중에 철도 차량의 운행 정보를 접목하여 철도 레일에 조사되는 측정광에 별도의 격자없이 라인광을 조사하여 연속적으로 획득되는 간섭 무늬(모아레 무늬)를 통해 차량 마모 정도를 검출할 수 있는 이점을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 설치 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 전체 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일 마모도 검출을 위한 상태도,
도 4는 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일 마모 측정장치의 간섭 무늬 발생 원리를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 레일 측정 상태를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 측정 순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치는, 철도 차량의 운행에 따른 운행 조건을 이용하여 광학적 레일의 표면을 측정해 철도 레일의 마모도를 측정하는 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치에 있어서, 상기 철도 레일을 따라 레일의 길이방향에 대해 수직하게 라인광을 조사하여 철도 차량의 운행에 의해 연속적인 반사광을 간섭 무늬로 획득하기 위해 검출광을 조사하는 광원부, 상기 광원부에 의해 조사된 라인광이 철도 차량이 이동하면서 발생되는 연속적인 반사광으로 인해 생성되는 간섭 무늬를 획득하는 카메라 및 상기 카메라에서 획득되는 간섭 무늬를 간섭 알고리즘을 통해 분석하여 철도 레일 표면의 마모 정도(깊이 정도)를 수학적으로 모델링하는 연산모듈을 포함하는 제어부를 포함하고, 상기 카메라는 철도 차량의 운행 속도정보를 제공하는 차속정보 제공모듈을 통해 차속정보를 제공받아 상기 차속정보에 따라 펄스 제어를 통해 간섭 무늬를 획득하여 연속적으로 간섭 무늬를 결합하여 측정을 위한 최종 간섭 무늬를 연산하여 철도 레일의 마모 정보를 측정한다.

본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치는, 철도 차량의 운행 중에서 연속적으로 조사하는 하나의 라인 측정광과 여기서 알 수 있는 차속정보를 반영하여 간섭 무늬 즉, 모아레 무늬를 차량 운행 중에 획득하여 마모 정도를 검출할 수 있는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 설치 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 개략적인 구성도이다. 본 발명에 따른 철도 레일의 마모 측정장치는 철도 레일을 따라 라인광을 조사하는 광원부(100)와 상기 광원부에서 조사되는 광에 의해 반사광을 획득하는 카메라(110)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 카메에서 획득한 간섭 영상을 연산하는 연산모듈(140), 이동 중인 철도 차량에 위치 정보를 검출하여 해당 위치에 레일 위치를 확인하기 위한 위치검출모듈(130), 검출된 정보를 저장하는 저장부(150) 및 상기 연산모듈, 위치검출모듈, 저장부를 제어하는 제어부(120)를 포함하여 구성된다.

도 3은 본 발명에 따른 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치의 레일 측정 상태를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 레일 마모도 측정 장치는 레일 표면을 광학적으로 조사하여 간섭 무늬를 획득하기 위해서는 일반적으로 격자(grid)가 적용되는데, 본 발명에서는 철도 차량의 운행으로 인해 연속적인 간섭 무늬를 획득할 수 있기 때문에 하나의 라인광을 조사하고, 차량 속도 정보를 통해 간섭 무늬를 획득하는 카메라의 획득 신호를 펄스 제어하여 획득함으로써 조절이 가능하다.

철도 레일의 결함은 여러 가지 요인에 의해 발생하며 그 종류도 다양한데, 본 발명에서는 레일 두부의 단면마모, 편마모, 그리고 직마모를 검측하는 RPMS를 연구 대상으로 설정하였다. 여기서 말하는 레일단면마모는 레일과 전동차 차륜이 맞닿는 부분을 말하며, 이는 결국 레일 두부의 상부표면과 측면 그리고 모서리 부분의 미세마모 검측을 말한다. 아래의 표 1는 레일마모 검측에 필요한 항목별 설계 목표치이다. 300km/h로 주행하면서 25cm 간격으로 검측을 수행하기 위해서 라인레이저와 2048 x 1088 배열의 초고속 카메라를 적용하고, 0.2mm 이내의 정밀도를 만족해야 한다.

아래 <표 1>은 레일 마모 측정을 실험하기 위한 조건을 나타내고 있다.

항 목	성 능
측정 속도	300km/h 이상
샘플링 속도	340회 이상/초
시속 300km시 샘플링 간격	245mm 이하
1회 검측 데이터의 평균치	1000 points 이상
시스템 해상도	0.1mm 이하
단면측정 정밀도	0.2mm 이내
편마모 정밀도	0.2mm 이내
직마모 정밀도	0.2mm 이내
측정 환경	주/야간, 직사광선, 강우, 강설
습도	5 % ∼ 95 %
카메라	2048 x 1088 Pixels
전원	220V/ 60Hz

레일단면마모검측기술은 비접촉의 광학검측 방식으로서, 라인 레이저광원(400 ~ 800nm)을 레일에 투사하고 반사되는 광을 맞은 편에서 고해상도의 2차원 가시광카메라(CIS; CMOS Image Sensor)로 수광하여 영상으로 구현한 다음, 레이저빔과 카메라를 삼각축으로 하는 광학삼각기술을 적용하여 레일의 프로파일과 마모정도를 연산 후 저장한다. 여기서 라인레이저(투광기)와 고속카메라(수광기)로 측정장치(Machine Vision System)에서 테스트 레일의 프로파일을 구하고 있다.

먼저 투광된 레이저 광은 레일 표면에서 반사되고 맞은 편에 설치된 카메라(2048 x 1088 Array)에서 라인 형상의 패턴을 받아들이는데, 이 패턴들은 차량이 진행하면서 계속 반복적으로 배열되어 레일 두부의 입체 프로파일을 구현한다. 또한 차륜과 레일이 접하는 단면(답면) 마모의 검측을 위해 다음과 같이 절차를 거치게 된다.

구현에 사용된 시스템은 StrongArm 계열의 SA1110 MCU, 16Mb flash Rom, 32Mb SDRAM, PCMCIAI,II, Touch Screen 등으로 구성되어 있다. 작성된 애플리케이션 프로그램을 ARM용으로 컴파일 후 파일시스템 이미지를 작성하고 작성된 이미지와 수정된 커널 이미지를 시스템에 적재한다. 시스템의 동작은 호스트에서 클라이언트 시스템 간에는 무선으로 연결이 되며 호스트 시스템에서 동적으로 클라이언트 시스템에게 IP주소를 할당하는 방법과 터치스크린을 이용하여 할당하는 방법이 있으며, 직접적으로 LCD를 통하여 IP 주소 할당 사항 등을 모니터링 할 수 있다.

레일단면 마모 검측기술은 비접촉의 광학검측 방식으로서, 라인 레이저광원(400 ~ 800nm)을 레일에 투사하고 반사되는 광을 맞은 편에서 고해상도의 2차원 가시광 카메라(CIS; CMOS Image Sensor)로 수광하여 영상으로 구현한 다음, 레이져빔과 카메라를 삼각축으로 하는 광학삼각기술을 적용하여 레일의 프로파일과 마모정도를 연산 후 저장한다.

아래 그림 1에서는 라인레이저(투광기)와 고속카메라(수광기)로 구성된 시험실의 머신비젼 장치(Machine Vision System)에서 테스트 레일의 프로파일을 구하고 있다. 먼저 투광된 레이저 광은 레일 표면에서 반사되고 맞은 편에 설치된 카메라(2048 x 1088 Array)에서 라인 형상의 패턴을 받아 들이는데, 이 패턴들은 차량이 진행하면서 계속 반복적으로 배열되어 레일 두부의 입체 프로파일을 구현한다. 또한 차륜과 레일이 접하는 단면(답면) 마모의 검측을 위해 다음과 같이 절차를 거치게 된다.

본 발명에 따른 철도 레일의 표면 검출의 원리는 일반적으로 간섭 무늬 즉, 모아레 무늬를 획득하여 철도 레일의 표면을 획득할 수 있는 것으로, 모아레 무늬를 이용한 3차원 형상 측정 방법에는 그림자식 모아레(shadow moire)와 영사식 모아레(projection moire) 두가지 방식으로 구분된다. 그림자식 모아레(shadow moire)는 렌즈를 사용하지 않고 피사체의 표면에 나타나는 격자 무늬의 그림자로부터 생생된 모아레 무늬를 이용하여 피사체의 형상을 측정하는 방식이고, 영사식 모아레(projection moire)는 피사체에 백색광 내지는 단색광 프로젝터를 이용해서 격자패턴을 주사하고 물체의 형상에 따라서 변형되어진 격자 이미지를 주사를 한 격자와 동일한 피치를 가지는 기준격자에 겹침으로써 모아레 무늬를 얻는 방법이다.

그림자식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 설비가 간단한 장점이 있지만 격자의 그림자를 이용해야 하기 때문에 격자와 피사체를 충분히 근접시킬 수 있는 경우에만 적용할 수 있는 단점이 있고, 영사식 모아레는 격자의 크기에 의해서 대상 물체의 크기가 제한 받지 않고, 작은 높이 차를 갖는 미세한 물체의 측정시 물체 가까이 위치시켜야 하는 제한이 없기 때문에 선호되고 있다.

영사식 모아레법(projection moire)은 측정 방법에 이용되는 3차원 형상 측정 장치의 구성도로, 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법을 설명하면, 광원으로부터 조사된 광이 격자를 통과하면서 형상된 이미지를 제 1결상 렌즈에 의해 피사체에 결상시키고, 상기 격자가 투영된 피사체의 영상을 얻는다. 여기서 3차원 형상 추출을 위해 격자 패턴을 수평으로 이동시킴으로써 변위된 투영 격자를 얻는다. 이와 같은 측정 장치에서는 격자에 빛을 조사하여 피사체에 격자 무늬를 투영시킨 후 피사체로부터 변형되어 반사되는 빛을 결상 렌즈를 통해 카메라에 결상시켜 피사체의 형상에 따라 변형된 격자 무늬를 획득한다. 이후에 기준 격자와 변형된 격자를 논리 연산을 이용하는 방식(논리 모아레 방식) 또는 기준 격자와 변형된 격자를 중첩시킨 뒤 저주파 통과 필터(Low pass filter)를 이용하여 모아레 무늬만을 분리해내는 방식(저주파 통과 방법)을 통해 3차원 형상을 측정한다.

이외에도 단일격자식 모아레법 등이 있으나 이처럼 다양한 모아레 무늬측정법은 공지의 기술에 해당하기 때문에 구체적인 내용은 생략하기로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 라인광을 응용하여 철도에 설치된 마모 검출 장치를 통해 운행 과정에서 하나의 라인광을 연속적으로 조사하여 획득할 수 있는 간섭 무늬를 분석하여 레일의 마모를 분석할 수 있기 때문에 결과적으로 철도 레일의 마모 상태를 철도 운행중에 실시간으로 체크하여 운행 안전성에 크게 기여할 수 있으며, 더불어 위치정보 시스템을 구성하여 보다 정확한 검출 시스템을 구성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 광원부
110 : 카메라
120 : 제어부
130 : 위치검출모듈
140 : 연산모듈
150 : 차속정보 제공모듈
160 : 저장부
200 : 레일

Claims (4)

1. 철도 차량의 운행에 따른 운행 조건을 이용하여 광학적 레일의 표면을 측정해 철도 레일의 마모도를 측정하는 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치에 있어서,
   상기 철도 레일을 따라 레일의 길이방향에 대해 수직하게 라인광을 조사하여 철도 차량의 운행에 의해 연속적인 반사광을 간섭 무늬로 획득하기 위해 검출광을 조사하는 광원부;
   상기 광원부에 의해 조사된 라인광이 철도 차량이 이동하면서 발생되는 연속적인 반사광으로 인해 생성되는 간섭 무늬를 획득하는 카메라; 및
   상기 카메라에서 획득되는 간섭 무늬를 간섭 알고리즘을 통해 분석하여 철도 레일 표면의 마모 정도(깊이 정도)를 수학적으로 모델링하는 연산모듈을 포함하는 제어부;를 포함하고,
   상기 카메라는 철도 차량의 운행 속도정보를 제공하는 차속정보 제공모듈을 통해 차속정보를 제공받아 상기 차속정보에 따라 펄스 제어를 통해 간섭 무늬를 획득하여 연속적으로 간섭 무늬를 결합하여 측정을 위한 최종 간섭 무늬를 연산하여 철도 레일의 마모 정보를 측정하고,
   상기 측정장치는,
   상기 철도 차량의 현재 운행 위치를 검출하기 위한 위치검출모듈을 더 포함하고, 상기 위치검출모듈을 통해 차량의 운행 위치와 해당 위치에서 검출되는 철도 레일의 마모 정보를 매칭하여 분석되도록 제어하며,
   상기 위치검출모듈에서 검출되는 운행 차량의 위치정보와, 상기 측정장치에서 검출되는 해당 위치의 철도 레일 마모정도를 매칭하여 위치정보와 마모정보를 구간별로 저장한 후 전체 구간별 마모값과 해당 구간별 마모값을 함께 수집하여 저장하는 저장부를 더 포함하여 구성되는 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 카메라는,
   가시광카메라(CIS; CMOS Image Sensor)로 구성되는 간섭 무늬를 이용한 철도 레일의 마모 측정장치.
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