[논문]안전성 고도화를 위한 융합-가변형 전차선 검측시스템의 구조

김지윤; 김정평; 김우생

doi:10.5573/ieie.2015.52.9.147

안전성 고도화를 위한 융합-가변형 전차선 검측시스템의 구조
Structure of Integrated Adaptive Catenary Inspection System for Improved Safety 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.52 no.9, 2015년, pp.147 - 152

김지윤 (한국철도대학) , 김정평 (한국교통대학교) , 김우생 (광운대학교)

초록
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지금까지의 전차선 검측 시스템은 검측차량을 이용하여 검사구간을 주행 한 후 결과를 산출하였다. 이것은 아열대기후로의 변화에 인한 자연 환경의 급변과 450Km/h급 고속철도 차량의 등장으로 변화가 요구된다. 이에 고속 주행환경과 노반정보를 반영하는 융합 가변형 전차선 검측시스템의 구조를 연구하였다. 기존의 시스템은 전차선에 한정하여 마모의 정도를 판단하였다. 이에 비해 본 논문에서는 검지를 위하여 참조하는 정보를 검측대상의 영상정보에 추가하여 음향정보를 융합하였고, 지형정보에 따라 검지빈도와 정밀도를 가변적으로 적용함으로써 시설물 검측에 대한 기본적인 모델을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Almost all existing inspection methods for catenary system have relied on dedicated track inspection cars. Two factors make it necessary to modify the conventional method: First, the climate has become increasingly similar to that of a subtropical area. In addition, high speed trains have been developed that can run as fast as 450Km/h. This paper presents a visual catenary inspection system structure that incorporates roadbed information for high-speed running environments. Conventional catenary inspection systems determined the degree of wearing only for the trolley wire. The facility inspection system presented in this paper on the other hand utilizes visual and sound data of inspection targets and adjusts inspection frequency and sensitivity depending on the geographic data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재까지의 검측시스템은 고속카메라를 통한 이미지를 입력으로 하여 통상 초당 100cut의 이미지 처리를 목표로 설정한 후 검지대상으로 전차선의 마모정도나 레일의 마모 정도를 검지하는 기술로 채택하였다. 그러나 해당 방식은 고가의 검측차량을 사용하는 것을 전제로 설계되어 앞에서 언급한 열차의 속도증가로 인한 노선 용량감소와 안전의식 증가로 인한 상시검지의 필요성에 적극적으로 대응하지 못하는 단점이 있으므로 본고에서는 상시검지를 위한 최적의 영상 및 음향 검지시스템의 구조를 제안하였다.
기존의 영상처리를 이용한 전차선 검측시스템에서는 검측 대상구간의 동영상을 입력으로 하여 단위시간 당 프레임의 수를 초당 30프레임으로 정하여 각 프레임에 대한 영상 안에서 전차선의 마모 정도를 측정하였는데 융합구조 시스템에서는 기존의 영상정보에 음향 데이터를 추가 적용하여 음향 정보의 변이에 따른 가중치를 부여하도록 한다. 음향정보는 전차선과 카테너리가 접촉하면서 발생하는 음향 데이터를 잡음제거를 거쳐 정상음향과 비정상음향으로 분류하고 이를 영상정보와 융합하여 융합인식부에서 처리함으로써 기존의 화상검측 시스템의 검지 효율에 대한 향상을 목적으로 한다.
영상의 처리 과정 중에 각각의 단계는 전처리과정, 최종영상 획득과정, 의사결정과정으로 나누는데 이 과정이 입력된 순차적인 프레임영상을 대상으로 이루어진다. 이때 순차적인 영상 프레임에 지형인식부에서 지정한 세부요소를 지정하여 각 요소별로 각각 다른 정밀도를 부여하여 화상처리와 지형처리를 복합 하게하여 노반의 형태에 따라 다른 정밀도를 수행하게 함으로써 기존의 침식팽창기법을 이용한 전차선 검측 시스템^[1] 및 기타 전차선 영상을 이용한 검측시스템이 가지는 하드웨어 지향적인 획일적인 검측 효율을 개선하고자 한다.
이것은 검측대상을 검측 하는 방법론의 일원화에 따른 검측 품질의 고급화라는 장점과 동시에 검측 기법의 고급화에 따른 비용의 과대가 따른다. 이에 본 연구에서는 통상의 품질을 가진 검측 장비로부터 발생되어지는 영상, 음향 자료를 처리할 수 있도록 하는 구조를 제안하였다.

제안 방법

또한 기존 검측 시스템이 고가의 하드웨어 지향적인 점을 개선하는 방향으로 시스템구조를 설계하였다. 그리고 자연환경이 급변하고 국가적인 안전 인식이 고도화 되는 추세에서 기존의 검측 시스템을 유연한 설계로 바꿀 수 있는 방향에 대하여 화상인식 및 지형정보 반영의 융합성을 가지며 이의 처리에 가변성을 가지는 구조의 검측 시스템의 구조를 제시하였다. 본 논문에서 제시한 융합․가변형 전차선 검측 시스템의 구조를 기본으로 하는 구체적인 구현 및 현장 적용 실험과 그에 따른 보정 등에 향후 연구가 이루어질 것으로 기대한다.
그 뒤 인식된 전차선로 영상에 또 다른 직선이 검출 될 수 있으므로 해당 직선의 길이와 넓이를 이용하여 식(2)와 같이 특징 값을 추출하고 프레임별로 나오는 직선 중 해당 직선 값을 갖는 직선에 대해서만 전차선로로 인식한다. 그리고 해당 선의 점검구역을 설정하고 구간의 점검 점 중 일정 두께 이하로 떨어지는 레벨의 전차선로에 대해 이상선로로 분류한다. 또한, 곡선 및 언덕 등 특이지형으로 판단되는 해발, 꺾임, 교량 입/출구, 터널 입/출구의 구간에 가중치를 가산하여 더 많은 프레임을 검사하는 방법으로 이전의 연구^[1]보다 더 유연한 결과 값을 산출한다.
융합․가변형 검측시스템은 국가적인 안전의식 고도화에 초점을 맞추었다. 또한 기존 검측 시스템이 고가의 하드웨어 지향적인 점을 개선하는 방향으로 시스템구조를 설계하였다. 그리고 자연환경이 급변하고 국가적인 안전 인식이 고도화 되는 추세에서 기존의 검측 시스템을 유연한 설계로 바꿀 수 있는 방향에 대하여 화상인식 및 지형정보 반영의 융합성을 가지며 이의 처리에 가변성을 가지는 구조의 검측 시스템의 구조를 제시하였다.
음향을 인식하기 위하여 통상의 CCD카메라에 일체형으로 내장된 MIC장비로부터 음향을 수집한다. 수집된 음향정보는 노이즈 필터링 처리과정을 통하여 잡음을 제거한 후 생성된 음향, 음압 등을 분석하여 ‘정상’, ‘이상’을 판단한다.
이에 환경변화에 능동적인 대응과 다양한 검측방법론의 적용을 통하여 검측시스템의 발전을 도모하기 위하여 시설물 촬영 영상과 마찰 음향을 검측 원시정보로 하고 지리정보의 가변 적용을 통하여 검측 효율을 높일 수 있는 구조의 융합·가변형 검측시스템구조를 설계하였다.
이후 초기영상 중에서 순수한 전차선로의 영역을 설정 다음 캐니 엣지 디텍터^[7]을 이용하여 전차선로 영역에 존재하는 전차선의 엣지를 검출하고 허프 변환을 통해 식(1)과 같이 직선^[8]을 구한 뒤 이 결과물의 직선을 전차선로로 인식한다.
입력정보로는 영상정보, 음향정보 , 지형정보를 가지고 다음의 순서로 처리하여 전차선의 이상에 대한 검측을 한다. 1 단계에서는 입력 전차선 영상에 대한 이미지 처리한다.

이론/모형

다음 단계로 Dilation(팽창)과 Erosion(침식)[4] 알고리즘을 사용하여 최종구분 영상을 생성한다.

성능/효과

이상의 사례를 보면 전차선 검측시스템은 고주파수정보의 이용, 광학 센싱 정보의 이용, 영상 정보의 이용 등의 구조를 가진다. 이것은 검측대상을 검측 하는 방법론의 일원화에 따른 검측 품질의 고급화라는 장점과 동시에 검측 기법의 고급화에 따른 비용의 과대가 따른다.
이러한 기술은 견고한 하드웨어 지향적인 시스템이기 때문에 우리나라의 변화되는 기후현실에 대한 대응이 상대적으로 낮다. 이의 극복을 위하여 본 시스템에서는 기존의 전차선 검측 시스템의 입력정보가 전차선에 대한 화상정보이었던 것에 추가 하여 전차선에서 발생하는 음향정보를 융합하여 처리하는 특징을 가진다.

후속연구

그리고 자연환경이 급변하고 국가적인 안전 인식이 고도화 되는 추세에서 기존의 검측 시스템을 유연한 설계로 바꿀 수 있는 방향에 대하여 화상인식 및 지형정보 반영의 융합성을 가지며 이의 처리에 가변성을 가지는 구조의 검측 시스템의 구조를 제시하였다. 본 논문에서 제시한 융합․가변형 전차선 검측 시스템의 구조를 기본으로 하는 구체적인 구현 및 현장 적용 실험과 그에 따른 보정 등에 향후 연구가 이루어질 것으로 기대한다.
이에 과거의 통상적인 안전성 검사에 관한 기준을 보다 엄격하게 적용한 연구가 이루어져야 할 시점이다. 이를 위하여 철도분야의 전차선 검측시스템에 대하여 두 종류의 검지형태를 제시하는데, ‘실시간처리’와 ‘상시검지’의 필요성이 그것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 철도분야의 검측시스템은 어떻게 운영되고 있는가?	특히 철도분야의 기반시설에 해당하는 전기 및 시설분야에 실시되고 있는 검측시스템은 안전성의 고도화를 향한 집중적인 연구개발이 필요한 실정이다. 현재 시행되고 있는 검측시스템은 고속카메라와 레이저검지장치를 장착한 검측차량을 이용해 이루어지고 있다. 이러한 방법은 하드웨어 지향적인 구조이므로 외부 환경 변화에 기민한 대응이 힘들뿐 아니라 고비용구조를 가진다.
	철도분야의 검측 시스템 중 상시검지란 무엇을 의미하는가?	‘실시간처리’는 급변하는 기후변화로 인한 안전에 대한 의식이 높아짐에 따라 언제 발생될지 모르는 사고에 대한 철저한 대비적인 이유로 필요한 요소이고, ‘상시검지’는 폭우 같은 이상기후 때문에 토사 유출로 인하여 열차의 운행이 중단 되는 등의 철도 주변 환경의 변화요소를 전차선 검측시스템이 흡수할 수 있어야 한다는 것이다.
	기존의 화철도분야의 검측을 위하여 기존의 화상검지나 레이저검지가 아닌 새로운 검지 시스템이 개발되어야 하는 이유는 무엇인가?	기존의 검측차량을 이용한 검지방법은 화상검지나 레이저검지를 활용한 기술이었다. 이러한 기술은 견고한 하드웨어 지향적인 시스템이기 때문에 우리나라의 변화되는 기후현실에 대한 대응이 상대적으로 낮다. 이의 극복을 위하여 본 시스템에서는 기존의 전차선 검측 시스템의 입력정보가 전차선에 대한 화상정보이었던 것에 추가 하여 전차선에서 발생하는 음향정보를 융합하여 처리하는 특징을 가진다.

참고문헌 (10)

JiYoon Kim (2006) Dilation and Erosion Technique using a Inspection of the Catenary System Design, 9(6), pp. 701-704
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상세보기
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상세보기
Ahn Young-Hoon, Hyun Chung-il (2006) "The measurement and evaluation of catenary system by using electric rolling stock on Honam", Spring Conference of The Korean Society for Raileay, 2006 , pp.767-771.
Yim Geum-Kwang, Yoon Yong-Han (2004) "A Suggestion for Improvement of Tension Balancer in Trolly Wire System", Autumn Conference of The Korean Society for Raileay 2004, pp.1328-1333.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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