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영빈 구
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1 2013 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2013A179 고속철도전기검측모듈기술개발 Development of Electric Detection Module for High-Speed Railroad 이병곤, 이시빈 *, 권성일 *, 한승훈 * Byeong Gon Lee, See Bin Lee *, Sung IL Kwon *, Seung Hun Han * Abstract In order for stability and efficient maintenance of rail facilities, electric inspection car(roger- 1000K) and ktx-36 where the inspection equipment is installed are being operated. However, the key equipment for high-speed rail maintenance was not domestic productionalization. Also it is difficult to obtain inspection data because of different operating speeds and vehicle characteristics. For this reason the inspection system on wire wear (sliding surface), facilities deformation (TSI), detection of the return current unbalance and the temperature sensor of axle heat detection device (HBD) needs to be developed. In this research, we aimed at the research development of high-speed rail electric detection module, a comprehensive information display inspection and management of inspection data. Keywords : High-speed railway, Electrical equipment, Inspection system, Image processing 초록국내에서는 2004 년고속철도개통및철도시설물의효과적인유지보수와안정성확보를위하여이탈리아 (MerMec) 에서종합검측차 (ROGER-1000K) 도입과영업차량인 KTX-36 호에검측장비를설치운용하고있다. 그러나고속철도유지보수를위한핵심장비는국산화되지못했으며고속으로운행되는 KTX 와상이한운행속도및차량특성으로정확한검측자료확보에많은어려움이따른다. 이런이유로해외철도선진국에서운용하고있는전차선마모 ( 습동면 ), 시설물변형, 귀선전류불평형검측및차축발열검지장치의온도센서검증을위한검측모듈개발은반드시필요하다. 본논문에서는고속철도전기검측모듈과종합적인검측정보표시및검측데이터관리를위한종합처리장치에대하여고찰한다. 주요어 : 고속철도, 전기설비, 검측시스템, 영상처리 1. 서론국내전기철도는 2004년경부고속철도개통을시작으로기존선의고속화에따른전철화및간선철도의신규노선확장등으로비약적인발전을하고있으며, 또한호남고속철도건설및수도권주민에대한편의증대를위하여고속철도 ( 수서-평택 ) 건설이추진되고있다. 이러한추세에따라급증하고있는철도시설물의효과적인유지보수와안정성확보를통한고속열차의최적화된운행조건을제공하기위하여이탈리아 (MerMec 社 ) 에서종합검측차 (ROGER-1000K) 를도입하여전차선로및궤도회로등을검측하고있으며, KTX-36호에차량, 교신저자 : 한국철도공사기술연구처 (yeun0714@korail.com) * 한국철도공사기술연구처

2 전기, 궤도검측장비등을설치하여운용하고있다. 그러나철도시설물유지보수를위한검측장비는대부분외자부품으로국산화는미흡한실정이며, 고속으로운행되는 KTX와상이한운행속도및차량특성으로정확한검측자료확보에많은어려움이있다. 최근철도시설물유지보수의세계적인기술개발추세는자동화및 IT기술의적용으로비접촉식검측장비대부분이레이저및 2D, 3D 방식의영상처리기술을사용하고있다. 본논문에서는해외선진국에서진행하고있는전차선마모 ( 습동면 ), 시설물변형 (TSI: Transversal Structure Inspection), 귀선전류불평형검측및차축발열검지장치 (HBD: Hot Box Detector) 의온도센서검증을위한고속철도전기검측모듈과종합적인검측정보표시및검측데이터관리를위한종합처리장치대하여고찰한다. 2. 국외검측시스템기술동향 2.1 전차선분야 MerMec 社는전세계에많은검측시스템을제공하고있으며, 한국철도공사에서운용하고있는종합검측차 (ROGER-1000K), 전철시험차 ( 검측장비 ) 및서울메트로에서운용하는종합검측차 (ROGER-600) 등검측장비대부분이 MerMec 社에서도입되었다. 전차선검측시스템은 0~360km/h로운행하면서동시에 8개전차선을 20mm 단위까지검측이가능하며, 200km/h 속도에서는 10mm 단위까지검측이가능하다. 또한초당 5천개의검측데이터를 50~100μs에변환하고있으며, 전차선마모검측정확도는신선에서 ±0.2mm, 운용선에서 ±0.4mm까지가능하다. 검측항목은전차선편위, 높이, 마모, 팬터그래프접촉력, 전철주검측, 아크검출, 전기파라미터검측, 전차선스캔등을검측한다. 전차선로영상결함검측시스템은광학기술을기반으로고해상도카메라로시설물을측정하고향상된알고리즘을적용하여시설물진단분석을수행한다. 전차선로횡방향결함검측시스템 (TSI) 은전철주검지시스템 (Pole detection) 이곡선당김금구를인식하는시점에고해상도카메라를통한가동브래킷촬영이미지를실시간저장한후, 이미지프로세싱을통해전차선로시설물변형및손상등을검사하고유지보수자에의해평가를받는다. 전차선로종방향결함검측시스템 (LSI: Longitudinal Structure Inspection) 은고해상도라인스캔카메라와레이저를이용하여전차선로, 드롭퍼, 균압선, 절연체등의결함을검측한다. 2.2 신호통신분야국외의철도선진국은대부분전용종합검측차를운용하여지상설비에대한실시간검측및종합적인검측데이터운영을위한자동화진단기능을수행하고있다. 프랑스는 320km/h 속도에서궤도, 전차선, 신호및통신시스템을점검하기위하여종합검측차 (IRIS-320) 를운용하고있으며, 신호의정확한검측은유지보수운영의효율성향상에도움을주어예방유지보수를주목적으로한다. 또한정상, 긴급또는위험과같이분류한검측자료는 80Tb 용량을 20년간보관이가능한국가서버에저장하기위해 GPRS(General Packet Radio Service) 를이용하여전송된다. 종합검측차 (IRIS-320) 검측시스템에서하드웨어는측정센서에연결된 6

3 개의보조서버와데이터전송속도 4Mbps의광케이블 20km의근거리통신망 (LAN) 으로연결된 12개의워크스테이션으로구성되어있다. 이탈리아종합검측차 (ROGER-600) 은이탈리아국영철도망 (RFI: Rete Ferroviaria Italian) 에의해인수되어 Caronte로명명되었으며, MerMec 社의신호장치 (SCMT/SSC BL3 Onboard subsystem) 및측정시스템 (Eurobalise, 궤도회로및 GSM- R을위한차상진단장치 ) 을탑재하고있다. 3. 전기검측모듈국산화개발 3.1 전차선검측모듈전기검측모듈국산화개발은 월부터국가R&D사업으로 고속철도차상전기검측시스템자동화진단기술 에대한연구개발이진행되고있으며, 개발항목은전차선의경우높이및편위, 아크, 접촉력, 시설물변형 (LSI), 열화상검측장치와신호분야의경우연속정보, 불연속정보, 보상콘덴서이상유무, ETCS 발리스및검측정보를통합하여유지보수자에게제공하는종합처리장치를개발하고있다. 그러나기존시행하고있는국가R&D사업에서는전차선마모 ( 습동면 ), 시설물변형 (TSI), 귀선전류불평형검측및차축발열검지장치 (HBD) 의온도센서검증을위한검측모듈개발은포함되어있지않다. 따라서종합검측차의통합적인완성을위하여기존국가R&D사업에서제외된검측모듈개발을추진하게되었다 전차선마모검측모듈전차선마모검측모듈은고속검측차상부에설치하여비접촉식방식으로전차선프로파일단면적을측정및분석하여전차선마모량검측을위한시스템으로, 전차선마모검측차상장치와전차선마모수집장치로구성된다. 고해상도카메라와라인레이저를이용하여 3차원프로파일방식으로전차선단면적을정밀하게측정하며, 전차선트래킹장치를이용하여 350km/h 이상에서 25cm간격으로전차선을고속측정한다. Fig.1은전차선마모검측모듈의구성과전차선마모의측정항목을나타낸다. Fig. 1 Contact wire wear

3.1.2 전차선습동면검측모듈전차선의마모는팬터그래프와습동에의해접촉면에서전기적인또는기계적인마모가발생하며정상적인마모는문제가되지않지만비정상적인국부마모는전차선의수명단축및단선등의문제점을발생시킨다. 전차선습동면검측모듈은전차선의습동면상태 ( 국부마모및패임 ) 를검측하여전차선의교체주기를파악하기위한시스템이다. 3.1.3 횡방향전차선로시설물검측모듈 (TSI) 횡방향전차선로시설물검측모듈 (TSI) 은전차선로가동브래킷구성요소의파손및위치변화, 각도변화등의결함을검사하는시스템이며, Fig.

4 3.1.2 전차선습동면검측모듈전차선의마모는팬터그래프와습동에의해접촉면에서전기적인또는기계적인마모가발생하며정상적인마모는문제가되지않지만비정상적인국부마모는전차선의수명단축및단선등의문제점을발생시킨다. 전차선습동면검측모듈은전차선의습동면상태 ( 국부마모및패임 ) 를검측하여전차선의교체주기를파악하기위한시스템이다 횡방향전차선로시설물검측모듈 (TSI) 횡방향전차선로시설물검측모듈 (TSI) 은전차선로가동브래킷구성요소의파손및위치변화, 각도변화등의결함을검사하는시스템이며, Fig.2는가동브래킷검측장치와시설물이미지수집장치의구성을나타낸다. 가동브래킷검측장치는가동브래킷 ( 상부파이프, 주파이프, 수평파이프, 수평파이프의지지파이프, 곡선당김금구지지파이프 ) 의이미지를획득하기위한전 / 후방카메라와상시전차선로시설물에광원을제공하기위한전 / 후방조명으로구성된다. 또한실시간획득한시설물이미지를차상에설치된시설물이미지수집장치에전송한다. 검측이완료되면수집된시설물이미지는정밀한결함분석을위해시설물변형분석서버가검사를수행하게된다. Fig. 2 Transversal Structure Inspection 전철주인식레이더모듈전철주인식레이더모듈은종합검측차가고속주행중에전차선로가동브래킷을실시간인식하여횡방향전차선로시설물검측모듈 (TSI) 의영상취득신호 ( 트리거신호 ) 를제어한다. 3.2 신호검측모듈신호분야검측의통합적인완성을위하여귀선전류검측, 차축발열검지장치 (HBD) 온도센서검증을위한차상장치, 그리고종합적인검측정보의표시및관리를하기위한종합처리

5 장치의개발이필요하다. 귀선전류는전차선으로공급된전류가차량을통하여변전소로귀환하는전류이며, 선로설비의주요장애는물론 EMI, EMC, 선로작업요원의생명및선로기기설비의동작에치명적인고장을유발할수있는핵심요소이다. 특히귀선전류는고속철도열차제어시스템인 ATC에의해지상에서차상으로열차운행관련정보를제공하는궤도회로에가장큰영향을주는주요인자로, 열차제어시스템대부분의장애와밀접한관계를가진다. 따라서귀선전류불평형검측은궤도회로의보호, 선로작업원의인명보호를위하여반드시필요하다. 고속철도지상에설치되는차축발열검지장치 (HBD) 는차축온도검지센서, 제어랙등으로구성되어설치지점을통과하는열차의모든차축의온도를모니터링하여비정상적인차축을인지하며, 차축온도에따라단순경보, 위험경보및기술적경보가발생되어 CTC 관제센터및차상설비로관련경보를전송한다. 그러므로차상에별도의검증용장치를구축하여차축발열검지장치 (HBD) 의차축온도검지센서에대한객관적인검증및지속적인성능을점검하는것은열차의안전운행을보장할수있는핵심적인요소이다. Fig.3과같이종합처리장치는귀선전류불평형검측및차축발열검지장치 (HBD) 의온도센서검증과관련된각종정보를표시하고관리하기위한기능을구현한다. Fig. 3 Signal detection system

6 4. 결론 본논문은급증하고있는철도시설물의효과적인유지보수와안정성을확보하기위하여 350km/h 이상의속도에서검측이가능한전차선마모 ( 습동면 ), 시설물변형 (TSI), 귀선전류불평형검측및차축발열검지장치 (HBD) 의온도센서검증을위한고속철도전기검측모듈을국산화하고, 자동화및실시간검측데이터를활용한고속모니터링시스템구현으로새로운유지보수체계의개념을설명하고있다. 또한고가의수입장비를대체하고해외의존도감소를통하여지속적인경쟁력을확보할수있으며, 향후고속종합검측차에탑재하여종합검측차 (ROGER-1000K) 및 KTX-36호를대체운용할수있는전용고속종합검측차를확보함으로써획기적인유지보수체계의전환이기대된다. 후기 This research was supported by a grant(13rtrp-b ) from Future Urban Railway Development Program funded by Minister of Land, Transport and Maritime Affairs of Korean government. 참고문헌 [1] Yu.V. Chugui(2008) Optical Remote Dimensional Inspection of Live Contact Wire in Train s Electro- Supply Network, MEASUREMENT SCIENCE REVIEW, Volume 8, Section 3, No. 2, 2008 [2] Galiulin, Rav. M., Galiulin, Rish. M. et al (2002). Optoelectronic computer aided systems for inspection of gas-turbine engine complex objects. In Proceedings of SPIE 4900: Seventh International Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life, 9-13 September 2002 (pp ). Washington, USA: SPIE. [3] Skotheim, O., Couweleers, F. (2004). Structured light projection for accurate 3D shape determination. In: Proceedings of the 12th International Conference on Experimental Mechanics, August 29 September Bari, Italy: McGraw-Hill, CD-ROM. [4] Jeong-Yeon Kim (2011) Catenary Measurement System for Real-Time Automated Diagnosis, Journal of the Korean Society for Railway, pp

Microsoft Word - KSR2014A286

Microsoft Word - KSR2014A286 2014 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2014A286 위치검지센서를활용한열차위치검지시스템의기초결과 Preliminary Results of Train Positioning Detection System using Localization Sensors 김성진 *, 박성수 *, 이재호 *, 권민정 *, 김혜윤 ** Seong Jin Kim *, Sungsoo