스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템

스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템 {SYSTEM FOR CONTROLLING AUTOMATICALLY A TRAIN USING SMART SIGNAL}

본 발명은 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다른 복잡한 지상신호 및 차상신호 시스템의 설치없이도 열차의 전방을 촬상하는 카메라를 설치함으로써 열차 전방 레일의 장애물과 같은 이물체를 판단하여 열차를 비상제동할 수 있을 뿐만 아니라 전방을 주행하는 선행 열차와의 이격거리에 따라 열차의 주행속도를 자동으로 제어할 수 있는 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 열차는 일반 자동차에 비하여 많은 승객을 운송시킬 수 있을 뿐만 아니라 많은 화물을 실어나를 수 있기 때문에, 교통 및 물류에 있어서 뿐만 아니라 환경오염 문제에 있어서도 매우 중요한 운송수단으로 재차 조명받고 있는 상황이다. 또한, 최근에는 물류량이 많아지고 고속열차가 등장함에 따라서 열차 이용이 점차 증가하고 있는 추세이다.

이러한 열차는 전방의 동력차에 다수의 종동차를 연결하여 레일 위를 고속으로 운행하도록 되어 있기 때문에 사고 발생시 많은 인명피해와 물적 피해가 발생할 수 있기 때문에 열차 운행에 있어서 안전예방이 무엇보다도 중요하게 대두되고 있다.

이와 같이 열차는 한정된 선로를 이용하여 수많은 열차가 운행되고 있어 열차의 선로 사용이나 그에 따른 열차 운행 속도에 제한을 받아 왔다. 또한, 열차의 운행 특성상 정해진 선로를 따라서만 운행됨으로써 선행열차와 후행 열차간 운행을 조정하여 추돌사고 등을 방지할 필요성이 대두되고 있다.

이에 따라, 선행열차의 선로 점유상태를 판단하여 후행 열차의 운행속도를 제어하는 다양한 방안이 제시되고 있으며, 이러한 방안 중 ATS 시스템(자동 열차 정지 시스템 : Automatic Train Stop System) 및 ATP 시스템(자동 열차 보호 시스템 : Automatic Train Protect System)이 있다.

ATS 시스템은 열차가 운행하는 선로를 일정 구간으로 구분하고 해당 구간에서 제한속도로 감속운행되도록 하고 정해진 시간내에 감속이 되지 않는 경우 강제적으로 정지되도록 한 것으로서, 선행열차가 특정 선로구간을 점유하고 있는지 궤도점유 유닛에서 검지하고 점유되고 있는 구간을 기준으로 5현시 시스템의 경우 정지신호(R), 경계신호(YY) 주의신호(Y), 감속신호(YG) 및 진행신호(G)가 구간별로 현시되고, 3현시 시스템의 경우 정지신호(R), 주의신호(Y) 및 진행신호(G)가 구간별로 현시된다.

이때, 각 구간별의 현시신호는 구간별로 설치되는 ATS 지상자로부터 열차의 ATS 차상자로 전송되며 이는 공지된 기술로서 간단하게 설명하면, 선행열차에 의하여 특정구간(이하, '선행열차의 점유구간'이라 한다)의 궤도가 점유되면 각 구간별 ATS 지상자는 현시신호에 따른 공진주파수가 발진되며 이 ATS 지장자위로 ATS 차상자가 지나가면 주파수 인입현상에 의하여 ATS 지상자의 공진주파수를 감지하여 해당 공진주파수에 따라 제한속도로 감속하게 된다.

그러나 ATS 시스템에서는 ATS 지상자에서 선행열차와 후행열차간 이격거리, ATS 지상자의 설치위치 및 ATS 지상자간 이격거리에 대한 정보가 없어 단순히 해당구간을 진입하기전 정해진 제한속도로 감속한 후 진입하도록 하여 운행중인 열차가 선행열차와 충분히 제동거리 이상 이격되어 있어도 무조건 기계적으로 감속운전하도록 하여 한정된 선로를 비효율적으로 사용하게 되거나 열차가 비효율적으로 운행되는 문제가 있다.

한편, ATP 시스템은 선로의 구간별로 지상 발리스가 설치되며, 열차의 차상 안테나에서 지상 발리스로부터 선행열차와의 이격거리, 지상 발리스가 설치된 위치, 지상 발리스간 이격거리 등에 대한 정보를 수신함으로써 선행열차와의 이격거리를 파악할 수 있어 보다 효율적으로 한정된 선로를 이용하여 열차의 운행 효율을 증대시킬 수 있다.

그러나, 상기와 같이 한정된 선로를 효율적으로 사용하기 위한 ATS 시스템이나 ATP 시스템의 경우 선행 열차에 의하여 궤도점유가 된 경우 해당 신호를 후행 열차로 ATS 지상자를 통하여 전달하거나 지상 발리스를 통하여 전달하여 후행 열차의 운행을 제어하는데, 열차 선로에 이상 장애물이 있는 경우와 같은 비정상적인 상황에서는 이에 대처하지 못하는 문제점이 있다.

또한, ATS 지상자 및 지상 발리스는 상호 이격되어 설치되기 때문에 이들 사이에서의 열차 선로 정보(선행 열차가 이들 사이 어디에 있는지 등)는 취득하기 어렵다는 문제가 있다.

또한, 이러한 ATS 시스템 및 ATP 시스템은, 열차 선로의 지상에 일정한 간격으로 지상자 또는 발리스를 설치하고, 이들 신호를 전달하는 신호체계를 구축하여야할 뿐만 아니라 열차의 차상에 이들과 신호전달을 받기 위한 차상장치를 구축하여야 함으로써 전체 시스템 구축비용 및 그 유지관리비용이 증가한다는 문제점이 있다.

또한, 이들 ATS 시스템이나 ATP 시스템의 경우 상호 병렬적으로 교환되어 운행할 수 없으며 ATS 시스템의 열차 또는 ATP 시스템의 열차만 해당 선로를 운행될 수 밖에 없다는 문제가 있다.

이와 같은 고정폐색방식이 폐색구간의 길이에 의해 열차간의 간격이 제한되는 점을 보완 또는 해결하기 위하여 궤도회로를 사용하지 않는 이동폐색방식이 제안되고 있다.

이동폐색 방식은 유도루프를 이용한 시스템과 무선통신을 이용한 시스템으로 구분되는데 후속열차가 선행열차의 위치 및 속도를 파악하고 자신의 목표속도에 비례하는 제동곡선을 산출하여 최소이격거리를 실시간으로 계산하여 운행하는 폐색방식이다.

그러나, 이러한 유도루프를 이용한 시스템의 경우 선로 가운데에 유도루프를 일정 간격(대략 25m) 간격으로 교차하여 전체 선로에 설치하고 열차가 유도루프를 지나갈 때 열차에 설치된 안테나를 통하여 지상과 차상간 통신을 하여 열차의 위치를 검지하여야 하는데 통신밴드의 저밀도로 인하여 많은 정보를 주고받을 수 없어 관제설비에 다양한 열차상태를 표시하는데 한계가 있고 전체 선로에 유도루프를 설치하여야 하므로 일부구간의 증폭장치가 필요하여 유도루프의 유지보수 비용이 증가하게 된다.

또한, 무선통신을 이용한 시스템의 경우 블록내의 열차위치를 검지하기 위한 유도루프와 같은 지상장치를 사용하지 않고 라디오를 사용하여 지상과 차상의 통신을 하며 열차의 위치는 지상에 일정한 간격으로 설치한 트랜스폰드를 사용하여 열차의 절대위치를 인식하는데 무선통신을 함으로써 통신의 혼선과 간섭 및 해킹에 노출될 우려가 있으며 무선통신의 안정성을 확보하는데 어려움이 따르게 될 뿐만 아니라 지상설비가 필요하므로 그에 대한 유지보수 비용이 증가하는 문제가 있다.

또한, 열차 선로 전방에 장애물이 있는지 판단하기 위하여 별도로 열차의 전방에 장애물 장치를 설치하였는데, 이는 일반적인 자동차의 범퍼와 같은 것으로서 장애물과 출돌하여야만 장애물을 인식하여 열차 주행 속도를 늦추거나 장애물을 선로 밖으로 튕겨져 나가도록 하는 것으로 장애물과의 충돌을 원천적으로 방지하지 못한다는 문제가 있다.

또한, 선로 관리인을 배치하여 장애물 유무를 육안으로 확인하고 있지만, 수동으로 관리하는데 한계가 있을 뿐만 아니라 선로 전체를 관리하는 것은 불가능하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 열차의 주행선로 전방에 장애물이 있는지를 사전에 파악할 수 있을 뿐만 아니라 동일한 시스템으로 열차 운행을 자동으로 제어할 수 있는 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 열차의 신호체계에 한정되지 않고 신규로 열차를 어느 신호체계가 구축된 선로에도 투입하여 운행할 수 있는 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템은, 열차의 전방을 촬상하는 카메라 모듈; 상기 카메라 모듈에 의하여 촬상된 영상을 분석하여 열차 전방의 이물체를 판단하고, 상기 이물체와의 이격거리를 실시간으로 산출하여, 산출된 이격거리에 따라 상기 열차 제동여부를 판단하는 제어부; 상기 제어부에 의하여 열차 제동이 필요한 것으로 판단되는 경우, 경고하는 경고부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 열차가 주행하는 레일 및 레일 침목의 형상을 판단하고, 레일 형상이 일련되게 연장되거나 규칙적인 레일 침목 패턴이 아닌 경우 이물체로 판단하는 것을 특징으로 한다.

이로써, 열차 전방을 촬상하도록 하고 촬상된 영상을 분석하여 열차의 전방 레일 또는 침목에 통상적인 패턴 즉, 일련되게 연장되어 이어지는 레일의 형상이나 일련되게 연장되어 이어지는 레일과 직교하게 설치되는 침목의 형상 패턴이 아닌 경우 이물체로 판단하는 것 뿐만 아니라 판단된 이물체와 열차간 이격거리를 산출할 수 있게 되어 현재 열차의 주행속도 및 이격거리를 비교하여 경고할 수 있게 됨으로써 열차 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 카메라 모듈은, 적외선 영상을 촬상하는 것이 바람직하다.

이로써, 주간 운행 뿐만 아니라 야간에도 열차 주행전방의 이물체를 판단할 수 있게 된다.

또한, 상기 제어부는, 상기 경고부가 작동된 후에 열차가 제동되지 않는 경우, 자동으로 열차를 제동시키는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 열차 주행 전방에 이물체가 있다는 것을 경고한 후에 일정시간이 경과한 후에 열차를 제동하는 명령이 실행되지 않는 경우 자동으로 열차를 제동시킬 수 있어 2중으로 열차 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

또한, 전방의 이물체가 열차 선로에 떨어진 장애물이 아닌 전방을 주행하는 선행 열차인 경우도 이를 판단할 수 있게 되어 전방 선행열차와의 이격거리 및 현재 주행하는 열차의 속도, 전방 선행열차의 속도를 판단하여 전방 선행열차와의 안전거리를 조절할 수 있게 된다.

또한, 종래 열차 자동 정지 장치 (ATS: Automatic Train Stop), 열차 자동 보호 장치(ATP : Automatic Train Protection) 또는 열차 자동 운전 장치(ATO : Automatic Train Operation)와 같이 복잡한 지상 신호 시스템 및 차상 신호 시스템의 설치없이도 간단하게 전방을 촬상하는 카메라를 설치함으로써 열차를 자동으로 운행할 수 있게 된다.

또한, 지상의 선로에 대해 궤도회로, 루프회로 또는 지상 무선통신장치와 같은 복잡한 인프라 구축없이도 종래의 이동 폐색 방식과 같이 효과적인 선로운영을 할 수 있으며, 그 유지, 보수 및 관리비용을 대폭적으로 줄일 수 있게 된다.

또한, 보다 바람직하게는 구배구간 또는 곡선구간에서 열차 주행방향 전방을 촬상하도록 지상에 설치되는 적어도 하나 이상의 지상 카메라 모듈; 및 상기 지상 카메라 모듈로부터 촬상된 영상 데이터 및 설치 위치정보 데이터를 주행해 오는 열차로 전송하는 지상 송수신부;를 포함한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 지상 송수신부에서 전송되는 영상 데이터를 분석하여 이물체가 있는지 판단하고, 이물체가 있는 경우 상기 이물체와 지상 카메라간 이격거리를 판단한 후 이를 토대로 열차와 이물체간 이격거리를 판단하는 것이 바람직하다.

이로써, 열차가 주행하는 선로가 곡선구간이거나 구배구간인 경우 전방을 촬상하는 카메라가 포착하지 못하는 사각지대의 이물체인 경우에도 지상 카메라에서 촬상된 영상데이터를 열차에서 확보할 수 있게 되고, 열차에서는 열차와 지상 카메라간이격거리, 지상 카메라와 이물체간 이격거리를 판단하여 결과적으로 열차의 카메라에서 촬상된 영상을 분석하여 열차와 이물체간 이격거리를 판단하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있게 되어, 카메라가 촬상하지 못하는 사각지대가 있는 경우에도 안정적으로 이물체를 판단하여 열차의 주행속도를 적절하게 제어할 수 있게 된다.

또한, 상기 지상 카메라 모듈은, 후행하는 열차가 감지되는 경우 영상을 촬상하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지상 카메라 모듈은, 열차 주행방향의 후방을 촬상하여 후행 열차를 감지하는 것이 바람직하다.

또한, 이와 달리 상기 지상 카메라 모듈의 후방측 레일 상에 열차 주행시 발생되는 진동을 감지하는 진동감지부가 설치되어, 후행 열차를 감지하는 것도 무방하다.

또한, 이와 달리 상기 지상 송수신부에서 상기 열차의 송수신부로부터 신호가 감지되는 경우, 지상 카메라모듈이 작동되는 것도 무방하다.

이로써, 지상 카메라에서 24시간 동안 영상을 촬상하는 경우 이에 대한 영상 데이터 처리, 유지 및 관리에 시간 및 비용이 소요됨에 따라, 지상 카메라측으로 열차가 진입해 들어오는 경우에만 지상 카메라를 구동시켜 촬상하도록 함으로써 데이터 처리, 유지 및 관리를 용이하게 할 수 있게 된다.

한편, 보다 바람직하게는 상기 제어부는, 상기 카메라 모듈에서 촬상된 영상으로부터 마커가 확인되면, 마커와 열차와의 이격거리 및 현재 열차의 주행속도를 판단하여 열차를 역사의 정위치에 정차시키도록 열차를 제동제어한다.

이로써, 열차의 역사에서 열차를 정위치에 정차시키기 위한 복잡한 지상 신호 시스템 및 차상 신호 시스템의 설치없이도, 열차가 역사로 진입할 때 특별한 마커가 확인되면, 이물체와 열차와의 이격거리를 판단하는 것과 동일한 알고리즘으로 마커와 열차간 이격거리를 실시간으로 판단하고 현재 열차의 주행속도를 비교하여 열차를 용이하게 역사의 정위치에 정차시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 제어부는, 기존 철도신호 시스템의 지상장치로부터 열차 운행 신호를 수신하고, 상기 판단된 이물체와의 이격거리 및 제동여부를 비교판단하여, 더 신속하게 제동해야하는 신호에 따라 열차를 제동시키는 것이 바람직하다.

이로써, 카메라 영상을 이용하여 열차를 자동으로 운행할 수 있을 뿐만 아니라 기존 신호 체계 예를 들면, ATS, ATP 또는 ATO와 병행하여 작동시킴으로써 기존 신호체계 시스템의 오작동이 있는 경우 이중으로 안전장치를 마련해 놓을 수 있을 뿐만 아니라 기존 신호체계의 경우에는 지상자, 지상장치 또는 발리스가 설치된 위치에서만 선로의 지상정보를 수신할 수 밖에 없는 한계가 있는데 이를 보완하여 열차의 주행 선로 전구간에 걸쳐 선로의 지상정보를 취득할 수 있게 되어 보다 안정적인 열차 운행 시스템을 구축할 수 있게 된다.

또한, 상기 제어부는, 상기 열차의 주행속도에 따라 상기 카메라 모듈의 촬상범위를 조절하는 것이 바람직하다.

이로써, 열차의 주행속도가 빠른 경우에는 제동거리가 늘어나게 됨으로 그에 따라 전방의 장애물이나 선행열차를 더 멀리서 미리 감지할 필요가 있으므로 카메라 모듈의 전방 촬상범위를 증가시키고, 열차의 주행속도가 느린 경우에는 제동거리가 짧아지게 됨으로 그에 따라 전방의 장애물이나 선행열차를 좀더 여유있고 자세하게 감지할 수 있도록 전방 촬상범위를 축소시킬 수 있게 되어 열차의 주행속도에 따라 전방 감시를 효과적으로 할 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템에 의하면, 열차 전방을 촬상하도록 하고 촬상된 영상을 분석하여 열차의 전방 레일 또는 침목에 통상적인 패턴 즉, 일련되게 연장되어 이어지는 레일의 형상이나 일련되게 연장되어 이어지는 레일과 직교하게 설치되는 침목의 형상 패턴이 아닌 경우 이물체로 판단하는 것 뿐만 아니라 판단된 이물체와 열차간 이격거리를 산출할 수 있게 되어 현재 열차의 주행속도 및 이격거리를 비교하여 경고할 수 있게 됨으로써 열차 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

또한, 주간 운행 뿐만 아니라 야간에도 열차 주행전방의 이물체를 판단할 수 있게 된다.

또한, 상기한 바와 같이 열차 주행 전방에 이물체가 있다는 것을 경고한 후에 일정시간이 경과한 후에 열차를 제동하는 명령이 실행되지 않는 경우 자동으로 열차를 제동시킬 수 있어 이중으로 열차 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

또한, 전방의 이물체가 열차 선로에 떨어진 장애물이 아닌 전방을 주행하는 선행 열차인 경우도 이를 판단할 수 있게 되어 전방 선행열차와의 이격거리 및 현재 주행하는 열차의 속도, 전방 선행열차의 속도를 판단하여 전방 선행열차와의 안전거리를 조절할 수 있게 된다. 이로써, 종래 열차 자동 정지 장치 (ATS: Automatic Train Stop), 열차 자동 보호 장치(ATP : Automatic Train Protection) 또는 열차 자동 운전 장치(ATO : Automatic Train Operation)와 같이 복잡한 지상 신호 시스템 및 차상 신호 시스템의 설치없이도 간단하게 전방을 촬상하는 카메라를 설치함으로써 열차를 자동으로 운행할 수 있게 된다.

또한, 열차가 주행하는 선로가 곡선구간이거나 구배구간인 경우 전방을 촬상하는 카메라가 포착하지 못하는 사각지대의 이물체인 경우에도 지상 카메라에서 촬상된 영상데이터를 열차에서 확보할 수 있게 되고, 열차에서는 열차와 지상 카메라간이격거리, 지상 카메라와 이물체간 이격거리를 판단하여 결과적으로 열차의 카메라에서 촬상된 영상을 분석하여 열차와 이물체간 이격거리를 판단하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있게 되어, 카메라가 촬상하지 못하는 사각지대가 있는 경우에도 안정적으로 이물체를 판단하여 열차의 주행속도를 적절하게 제어할 수 있게 된다.

또한, 지상 카메라에서 24시간 동안 영상을 촬상하는 경우 이에 대한 영상 데이터 처리, 유지 및 관리에 시간 및 비용이 소요됨에 따라, 지상 카메라측으로 열차가 진입해 들어오는 경우에만 지상 카메라를 구동시켜 촬상하도록 함으로써 데이터 처리, 유지 및 관리를 용이하게 할 수 있게 된다.

또한, 열차의 역사에서 열차를 정위치에 정차시키기 위한 복잡한 지상 신호 시스템 및 차상 신호 시스템의 설치없이도, 열차가 역사로 진입할 때 특별한 마커가 확인되면, 이물체와 열차와의 이격거리를 판단하는 것과 동일한 알고리즘으로 마커와 열차간 이격거리를 실시간으로 판단하고 현재 열차의 주행속도를 비교하여 열차를 용이하게 역사의 정위치에 정차시킬 수 있게 된다.

또한, 카메라 영상을 이용하여 열차를 자동으로 운행할 수 있을 뿐만 아니라 기존 신호 체계 예를 들면, ATS, ATP 또는 ATO와 병행하여 작동시킴으로써 기존 신호체계 시스템의 오작동이 있는 경우 이중으로 안전장치를 마련해 놓을 수 있을 뿐만 아니라 기존 신호체계의 경우에는 지상자, 지상장치 또는 발리스가 설치된 위치에서만 선로의 지상정보를 수신할 수 밖에 없는 한계가 있는데 이를 보완하여 열차의 주행 선로 전구간에 걸쳐 선로의 지상정보를 취득할 수 있게 되어 보다 안정적인 열차 운행 시스템을 구축할 수 있게 된다.

또한, 열차의 주행속도가 빠른 경우에는 제동거리가 늘어나게 됨으로 그에 따라 전방의 장애물이나 선행열차를 더 멀리서 미리 감지할 필요가 있으므로 카메라 모듈의 전방 촬상범위를 증가시키고, 열차의 주행속도가 느린 경우에는 제동거리가 짧아지게 됨으로 그에 따라 전방의 장애물이나 선행열차를 좀더 여유있고 자세하게 감지할 수 있도록 전방 촬상범위를 축소시킬 수 있게 되어 열차의 주행속도에 따라 전방 감시를 효과적으로 할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도,
도 2a 내지 도 3b는 열차 전방 장애물을 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 열차 전방의 다른 열차와의 이격거리를 판단하여 열차의 주행을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 곡선구간에서 열차의 주행을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 구배구간에서 열차의 주행을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 역사의 정위치에 열차를 정지시키기 위한 방법을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템에 대하여 설명한다.

아울러, 종래 ATS, APT, 고정폐색방식, 이동폐색방식과 대비하여 이들의 신호 인프라를 사용하지 않는 본 발명의 카메라 영상을 이용한 방식을 스마트 신호라 정의한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어시스템의 개략적인 블록도, 도 2a 내지 도 3은 열차의 주행속도를 제어하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템(100), 카메라 모듈(120), 제어부(110), 경고부(130) 및 제동부(140)를 포함한다.

카메라 모듈(120)은, 열차의 주행전방을 촬상하도록 열차의 전면에 설치되어 열차의 주행 전방을 촬상하도록 하여, 열차 전방의 감지된 이물체와 열차간 이격거리를 산출하도록 하여 현재 주행중인 열차의 속도와 비교하여 제동거리를 판단하여 현재 열차를 감속시킬 것인지 정지시킬 필요가 있는지 판단할 수 있게 된다.

한편, 보다 바람직하게는 어두운 밤이나 날씨가 흐린 경우에도 필요한 영상을 확보할 수 있도록 카메라 모듈(120)은 적외선 카메라를 사용하며, 이러한 적외선 카메라는 별도로 구축하는 것도 무방하다. 즉, 광센서가 마련되어 충분한 광이 입력되는 경우에는 일반 카메라를 구동시키고 광센서에서 충분한 광이 검지되지 않는 경우 즉, 밤이나 어두운 경우 적외선 카메라가 구동되도록 하는 것이 바람직하다.

제어부(110)는, 카메라 모듈(120)로부터 촬상된 영상에서 이물체의 이미지를 추출하고, 일반적으로 이물체가 없는 경우 선로 레일 및 선로 레일에 직교하는 침목 형상이 규칙적으로 패턴을 형성하게 되는데 이러한 패턴이 깨지는 경우 이물체로 판단하고 이물체의 영상내에서의 위치를 판단하여 해당 영상 위치에서의 실제 이물체 위치데이터를 연산한다.

즉, 카메라 모듈(120)의 촬상범위가 특정되므로, 촬상된 영상에서의 위치 데이터(열차를 기준점으로 하여)를 판단할 수 있으며 이물체가 위치하는 영상내의 위치 데이터를 판단하여 최종적으로 열차와의 이격거리를 산출하게 된다.

이때, 이물체의 이미지 추출시는 한 쌍으로 상호 이격되어 일련되는 패턴을 가지는 레일 이미지를 추출하고 추출된 레일 이미지 사이에 위치하는 침목 패턴을 추출하고 그 외부의 이미지는 무시하는 것이 바람직하다.

이를 보다 자세하게 설명하면, 카메라 모듈(120)로부터 촬상된 영상을 실시간으로 입력받고, 영상으로부터 모든 선들을 추출한다. 이후, 레일 및 침목의 방향과 관계를 고려하여 추출된 선들을 정리하여 레일 및 침목의 이미지를 생성한다. 예를 들어, 레일은 영상의 하부에서 상부로 갈수록 좁아지며, 상부 중앙영역, 좌측 상부 영역, 우측 상부 영역을 향해 연장되는 방향성을 가진다. 그리고, 침목은 직선형태로 형성되며 레일에 대해 직교하는 방향으로 배치된다. 따라서, 레일 및 침목의 방향성과 관계를 이용하여 선들을 단순화함으로써 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 촬영된 영상을 이미지화한다.

이후, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 일련된 패턴을 가지는 레일 이미지가 연장되지 않거나 규칙적인 레일 침목 패턴이 추출되지 않는 경우 연장되지 않는 지점 또는 규칙적인 침목 패턴이 추출되지 않는 위치에 이물체가 있는 것으로 판단하고, 이물체의 위치 즉, 열차와의 이격거리를 산출한다.

이격거리 산출은 침목은 규칙적으로 상호 이격되게 설치되므로 직선 형태로 추출되는 침목의 갯수를 카운팅하고, 카운팅된 침목의 갯수, 침목의 폭, 규칙적인 침목간 이격거리를 곱하여 열차와 이물체간 이격거리를 산출한다.

이때, 카메라 모듈의 설치 위치 및 촬영각에 따라 열차와 가까운 침목은 촬상되지 않을 수 있기 때문에, 카메라 모듈의 설치 위치 및 촬영각(틸팅각)에 따라 촬상되지 않는 침목의 기준 갯수를 미리 입력하여 상기 카운팅된 침목의 갯수에 더하여 열차와 이물체간 이격거리를 판단하는 것이 바람직하다.

상기의 실시예에서는 촬상된 영상으로부터 침목의 갯수를 카운팅하여 열차와 이물체간 이격거리를 산출하는 것에 대하여 도시하고 설명하였으나, 이와 달리 통상적으로 카메라를 사용하여 피사체간 이격거리를 산출하는 방법을 사용하여도 무방하다. 예를 들어, 스테레오 카메라를 이용하여 피사체(이물체)간 이격거리를 판단하거나 촛점 방식을 이용하여 이물체간 이격거리를 판단할 수 있으며, 이러한 경우에도 본 특허의 권리범위에 속함은 자명하다할 것이다.

제어부(110)는 이물체가 식별되는 경우 현재 열차의 주행속도에 따른 제동거리를 판단하고 식별된 이물체와의 이격거리와 제동거리를 비교하여, 즉 충분한 제동거리를 확보할 수 있는지를 판단하여 열차를 감속 또는 제동할 필요가 있는지 판단한다.

이때, 열차의 감속 또는 제동이 필요한 것으로 판단하는 경우 경고부(130)를 통하여 음성 또는 경고음을 출력하도록 하여 기관사가 필요한 조치를 취하도록 하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는, 제어부(110)는 상기와 같이 감속 또는 제동이 필요한 것으로 판단하여 경고부(130)를 통하여 경고를 한 후, 소정 시간이 지난 후에 제동부(140)로부터 제동에 대한 입력신호가 입력되지 않는 경우, 자동으로 제동부(140)를 구동시켜 열차를 감속 또는 제동시키도록 제어한다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 주행중인 열차의 선로 전방에 이물체 즉 장애물이 감지되는 경우 장애물과의 이격거리 및 현재 주행중인 열차의 주행속도에 따라 제동거리를 산출하여, 그에 따라 열차를 감속 또는 제동될 수 있도록 함으로써 별도의 복잡한 기구적인 장치없이도 장애물에 대한 안전사고를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 도 4에 도시된 바와 같이 이물체가 선행하는 열차인 경우 선행하는 열차와의 이격거리를 판단하여 감속 또는 제동할 수 있도록 함으로써 복잡한 지상장치 및 차상장치를 설치하지 않아도 간단하게 선행열차와의 이격거리에 따라 열차의 증속, 감속 또는 제동될 수 있도록 함으로써 한정된 열차 선로를 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

또한, 기존 ATS 시스템 또는 ATP 시스템이 설치된 선로에 운행되도록 투입되는 열차가 해당 시스템이 구축되지 않은 열차라 하여도 어느 선로 또는 어느 라인이라도 투입되어 열차 운행을 할 수 있게 되어, 기존 낡은 인프라가 구축된 경우에도 효과적인 열차 배치, 열차 운행을 할 수 있게 된다.

한편, 보다 바람직하게는 열차의 주행속도가 빠른 경우에는 그 만큼 제동거리가 길어질 수 밖에 없어 이물체와의 이격거리가 멀어도 열차의 주행속도를 감속하도록 제동할 필요가 있으며, 열차의 주행속도가 느린 경우에는 그 만큼 제동거리가 짧으므로 이물체와의 이격거리가 가까운 경우 주행속도를 감속하도록 제동할 필요가 있으므로, 열차의 주행속도에 따라 카메라 모듈(120)의 전방 촬상범위를 비례하여 증감한다.

이러한 구성에 의하여, 열차의 주행속도가 느린 경우에는 카메라 모듈(120)의 전방 촬상범위가 짧으므로 좀 더 자세하게 전방을 감시하면서 열차 운행을 할 수 있으며, 열차의 주행속도가 빠른 경우에는 카메라 모듈(120)의 전방 촬상범위가 길어지므로 좀 더 먼 이물체를 감지하여 보다 신속하게 열차의 주행속도를 감속할 수 있도록 제어할 수 있게 된다.

따라서, 카메라 모듈(120)의 전방 촬상범위가 고정된 경우에는 열차의 주행속도에 추종하지 못하고 최대 촬상범위로 고정 세팅할 수 밖에 없는 데, 이러한 경우 열차가 정지상태에서 출발하는 경우 열차와 가까운 이물질을 감지하지 못하는 경우가 발생하거나 저속 주행시 가까운 전방을 정밀하게 감지하지 못하는 경우가 발생한다.

보다 바람직하게는 열차의 주행속도에 따라 카메라 모듈(120)의 촬상각도를 제어할 수 있도록 틸팅부가 포함되어, 열차의 주행속도가 빠른 경우 카메라 모듈(120)의 원거리를 촬상하도록 틸팅되고 주행속도가 느린 경우 카메라 모듈(120)이 근거리를 촬상하도록 틸팅되게 된다.

이때, 열차의 주행속도에 따른 카메라 모듈(120)의 전방 촬상범위 및 틸팅각도를 제어부(110)가 인지하고 그에 맞게 영상을 분석하여 이물체와의 이격거리를 연산한다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이 선로가 곡선구간인 경우 및 도 6에 도시된 바와 같이 선로가 구배구간인 경우 카메라 모듈에 의하여 열차 선로를 촬상하는 것이 한계가 있으므로, 곡선구간 또는 구배구간에서 열차의 진행방향을 촬상하도록 하는 지상 카메라 모듈(160)이 설치된다.

이러한 지상 카메라 모듈(160)은 상기 열차에 설치되는 카메라 모듈(120)과 같이 전방을 촬상하도록 촬상범위를 특정하고, 야간에도 이물체를 식별할 수 있도록 적외선 카메라 기능을 가지는 것이 바람직하다.

촬상된 영상 데이터를 지상 카메라 모듈(160)측으로 진입하는 열차로 전송한다.

이때, 지상 카메라 모듈(160)에서 촬상된 영상 데이터를 후행하는 열차로 전송하기 위하여 지상 송수신부(170)가 구비된다.

후행하는 열차는 지상 송수신부(170)로부터 전송되는 영상데이터를 상기의 카메라 모듈(120)에서 촬상된 영상을 분석하는 것과 동일하게 이물체가 있는 것을 판단한다. 이물체가 판단되는 경우 영상에서 이물체가 어디에 위치하는지 판단하여 지상 카메라 모듈(160) 및 이물체가 이격거리를 산출한다.

즉, 카메라 모듈(120)에서 촬상된 영상에서 이물체와 열차와의 이격거리를 판단하고, 지상 카메라 모듈(160)에서 촬상된 영상에서 이물체와 지상 카메라 모듈(160)과의 이격거리를 판단한다.

이후, 제어부(110)는 열차와 지상 카메라 모듈(160)간 이격거리 및 지상 카메라 모듈(160)과 이물체간 이격거리를 연산하여 최종적으로 열차와 이물체간 이격거리를 산출하게 된다. 이를 위해, 상기 지상 송수신부(170)에서는 지상 카메라 모듈(160)이 설치된 위치 데이터를 촬상된 영상 데이터와 같이 후행하는 열차로 전송한다.

즉, 제어부(110)는 지상 송수신부(170)에서 전송되는 지상 카메라 모듈(160)의 설치 위치 데이터 및 현재 열차의 위치 데이터를 GPS 모듈(180)로부터 판단하여 열차와 지상 카메라 모듈(160)간 이격거리를 판단하고, 지상 카메라 모듈(160)로부터 전송되는 영상 데이터를 분석하여 지상 카메라 모듈(160)과 이물체간 이격거리를 판단하여 최종적으로 열차와 이물체간 이격거리를 판단한다.

이후, 열차와 이물체가 이격거리 및 현재 주행중인 열차의 주행속도에 따라 제동거리를 산출하여, 감속 또는 제동 제어가 필요한지를 판단하고, 감속 또는 제동 제어가 필요한 경우 상기와 마찬가지로 경고부(130)를 통하여 경고 메시지를 알리고, 경고 메시지를 알린 후 소정 시간이 경과후에도 제동부(140)에 대한 입력신호가 없는 경우 자동으로 열차를 감속 또는 제동 제어를 한다.

이로써, 곡선구간 및 구배구간에서 열차의 카메라 모듈(120)에서 촬상되지 못하는 경우에도 이물체를 사전에 파악하여 열차의 감속 또는 제동 제어를 할 수 있게 된다.

이때, 곡선구간 및 구배구간에는 그 회전반경 또는 구배 기울기에 따라 지상 카메라 모듈을 하나 이상 설치하는 것도 무방하다.

한편, 상기에서 지상 카메라 모듈(160)에서 촬상된 영상을 열차로 전송하고, 제어부(110)에서 이를 분석하여 이물체간 이격거리를 분석하는 것에 대하여 도시하고 설명하였으나, 이와 달리 지상 카메라 모듈(160)에서 촬상된 영상을 분석하여 이물체간 이격거리를 산출하여 열차로 전송하는 것도 무방하다.

또한, 열차 카메라 모듈(120)은 실시간으로 촬상하여야 하나 지상 카메라 모듈(160)의 경우 후행하는 열차가 감지되는 경우에만 촬상하도록 함으로써 지상 카메라 모듈(160)의 유지보수를 용이하게 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 지상 카메라 모듈(160)은 전방 및 후방을 촬상하도록 한 쌍으로 설치하고, 후방 카메라에서 촬상된 영상으로부터 후행 열차가 분석되는 경우 전방 카메라를 구동시켜 전방을 촬상하도록 한다.

이와 달리, 지상 카메라 모듈(160)이 설치된 위치로부터 후방측 레일 위에 열차 주행시 발생되는 진동을 감지하는 진동 감지부(S)를 설치하고, 진동 감지부(S)로부터 소정 크기 이상의 진동이 감지되는 경우 후행 열차가 있는 것으로 판단하여 지상 카메라 모듈(160)을 구동시켜 전방을 촬상하도록 하는 것도 무방하다.

한편, 이와 달리 후행하는 열차의 차상 송수신부(150)로부터 송신되는 신호를 지상 송수신부(170)에서 수신되는 경우 지상 카메라 모듈(160)을 구동시켜 전방을 촬상하도록 하는 것도 무방하다.

이로써, 지상 카메라 모듈(170)은 후행하는 열차가 없는 경우에는 전방을 촬상하지 않고 대기 모드의 상태에서, 후행하는 열차가 감지되는 경우에만 전방을 촬상할 수 있도록 함으로써 지상 카메라 모듈(160)의 작동수명을 실질적으로 연장시킬 수 있으며 그 유지 또는 관리에 따른 비용 및 시간을 단축할 수 있게 된다.

또한, 열차가 역사에 정차할 때 플랫폼의 정위치에 정차할 필요가 있는데, 종래에는 이를 위해 별도의 지상장치 및 차상장치를 설치하여야 하는데 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 카메라 모듈(120)에서 촬상된 영상으로부터 역사의 지상에 설치되는 마커(marker)가 확인되는 경우 해당 마커와 열차와의 이격거리를 동일한 원리에 의하여 판단하고, 열차의 주행속도와 마커와의 이격거리를 비교하여 열차를 서서히 감속시켜 정위치에 열차가 정차할 수 있도록 한다.

이와 같이, 종래에는 열차 선로의 신호체계(ATS 또는 ATP 등)에 따라 해당 신호 시스템 및 인프라를 구축하고도, 별도의 장애물 판단장치를 설치하고, 별도의 역사 정위치 정차 시스템을 구축하여야 하는 불편함이 있으나, 하나의 시스템 즉, 카메라 영상을 이용하여 열차와 이물체간 이격거리를 판단함으로써 장애물 판단, 선행 열차와의 상호관계를 고려한 열차 운행 제어 및 역사 정위치 정차를 유도할 수 있게 되어, 전체 시스템의 설치나 구축에 따른 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라 종래의 복잡하고 많은 지상장치 및 차상장치를 유지 및 관리하는 시간 및 비용을 획기적으로 줄일 수 있으며 시스템의 운용면에서도 획기적으로 간편화할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 기존 신호체계 인프라와 병행하여 즉, ATS 시스템 또는 ATP 시스템과 병행하여 카메라 영상을 이용하여 열차를 운행 속도를 제어하는 것도 가능하다.

즉, ATS 시스템의 경우 ATS 신호 또는 ATP 신호에 의한 열차의 주행속도와 카메라 영상으로부터의 주행속도에 대한 감속 또는 제동에 대한 판단이 나오는 경우, 두개의 신호 중 더 신속하게 주행속도를 제한하여야 하는 신호에 추종하여 열차를 감속 또는 제동 제어할 수 있도록 한다.

예를 든다면, ATS 신호에서 열차의 진행신호(G)가 수신되는 경우에도 카메라 영상으로부터 이물체가 판단되고, 이물체와 열차간 이격거리가 열차 주행속도에 따른 제동거리와 비교판단하여 제동 또는 감속이 필요한 경우 ATS 신호의 진행신호(G)를 무시하고 제동 또는 감속제어 한다.

이로써, 보다 안정적으로 열차 운행을 제어할 수 있게 되어 보다 효율적으로 한정된 열차 선로를 활용할 수 있게 되며, 열차 운행을 안정성을 획기적으로 증대시킬 수 있게 된다.

이하, 도 8을 참조하여 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스마트 시그널을 이용한 열차 제어 시스템의 작동에 대하여 설명한다.

카메라 모듈(120)에서 열차의 전방을 촬상하고(S110), 촬상된 영상을 제어부(110)에서 분석하여 이물체 즉, 장애물이 있는지 판단한다(S115, S120). 제어부(110)에서 장애물이 있는 것으로 판단하는 경우 열차와 장애물간 이격거리를 판단하고(S125), 현재 열차의 주행속도를 산출하여 제동거리를 판단하여 열차의 주행속도를 감속할 필요가 있는지 제동이 필요한지를 판단한다(S125, S130).

S130 단계에서 제동 또는 감속이 필요한 경우 제어부(110)는 경고부(130)를 통하여 전방에 장애물이 있으므로 감속 또는 제동이 필요한 것을 알리며(S135), S135 단계에서 경고를 한 후 소정 시간 경과후에 제동부(140)에서 제동신호가 검지되지 않은 경우(S140), 제어부(110)는 열차를 자동으로 감속 또는 제동 제어를 하게 된다(S150).

한편, S110 단계에서 카메라 모듈(120)로 열차 주행 전방을 촬상하면서 지상에 설치되는 진동감지센서(S)에서 소정 크기 이상의 진동이 감지되는 경우, 지상 카메라 모듈(160)의 후방 카메라에서 후행 열차가 분석되는 경우 또는 열차의 차상 송수신부(150)로부터 지상 송수신부로(170)로 열차 신호가 검지되는 경우, 지상 카메라 모듈(160)이 전방을 촬상하고 촬상된 데이터를 열차 차상 송수신부(150)로 전송한다.

제어부(110)는 열차의 카메라 모듈(120) 및 지상 카메라 모듈(160)의 영상 데이터를 분석하여 장애물 또는 선행 열차를 판단하고, 장애물 또는 선행 열차가 있는 것으로 분석되는 경우 실시간으로 장애물 또는 선행 열차와의 이격거리를 판단하고, 열차의 주행속도로부터 제동거리를 판단하여 감속 또는 제동이 필요한지를 판단하여 이후 절차를 진행한다.

이후, 역사로 진입하는 경우 카메라 모듈(120)로부터 역사의 지상에 설치되는 마커(marker)가 감지되는 경우 상기 장애물 또는 선행 열차와의 이격거리를 판단하는 것과 동일하게 열차와 마커(marker)간 이격거리, 현재 열차의 주행속도 및 제동거리를 판단하여 열차를 정위치로 정차시키기 위하여 열차를 감속 또는 제동 제어한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 자동 열차 제어 시스템 110 : 제어부
120 : 카메라 모듈 130 : 경고부
140 : 제동부 150 : 차상 송수신부
160 : 지상 카메라 모듈 170 : 지상 송수신부
180 : GPS 모듈 S : 진동 감지부