현재 일본에서는 매일 500~600만 명의 사람들이 전차를 이용하고 있으며 전차는 매우 중요한 교통기관이 되었다. 전차의 고장이나 사고가 우리 사회에 직간접적으로 미치는 영향은 매우 크기 때문에 전차 및 선로의 고장으로 인한 운행 혼란을 막기 위해 각 철도회사에서는 나날이 일일 보수 및 점검을 실시하고 있다. 이 보수 및 점검에는 다양한 기술들이 사용되고 있으며, 이로 인해 광범위한 철도망이 안전하게 유지되고 있다. 이번 회에서는 이 보수를 위한 기술로서 전차에 전기를 공급하기 위한 ‘가선을 감시하는 시스템’에 대해 알아본다.
번역·정리 김대근 기자
팬터그래프와 트롤리선
전차는 비행기 및 가솔린차, 선박과는 달리 열기관 없이 차량 상부의 송전선(트롤리선)에서 전력을 수전하여 주행한다. 수전한 전력은 주행 시의 동력으로는 물론이거니와 차내의 공조, 조명 등에도 사용되고 있다. 이것은 보통 통근 및 통학 시 이용하는 전차에서나 고속으로 주행하는 신칸센(新幹線)에서나 모두 같다. 전차는 철도회사의 변전소에서 전력을 트롤리선에 흐르게 하고, 전차가 전력을 팬터그래프에서 수전해 차상에서 소비하며, 레일에 귀전(歸電)하는 일종의 전기회로를 형성하고 있다.([그림 1] 참조) 즉, 트롤리선의 단선은 전기회로의 단선을 의미하며 전차의 운행 정지를 일으킨다. 전차는 고속으로 주행하기 때문에 상하로 자주 흔들리게 된다. 앞서 말한 대로 전차는 [그림 2]와 같이 팬터그래프를 통해 트롤리선에서 전력을 수전하기 때문에, 팬터그래프가 트롤리선으로부터 떨어지지 않도록 팬터그래프를 트롤리선으로 밀어 올릴 필요가 있다. 그 때문에 팬터그래프와 트롤리선의 접촉부에는 마찰이 생기고, 주행을 거듭할수록 점점 닳게 된다. 이로 인해 트롤리선이 단선될 우려가 발생하여 철도회사에서는 마모에 대해 세심한 주의를 기울기고 있으며, 대책 마련에 힘쓰고 있다. 예를 들면 트롤리선의 설치 방법이 있는데 트롤리선과 팬터그래프가 동일한 장소에서 계속적으로 접촉하게 되면 팬터그래프의 마모가 빠르게 진행되기 때문에 트롤리선을 지그재그 모양으로 설치해 항상 같은 장소에서 접촉이 되지 않도록 하고 있다.([그림 3] 참조) 그러나 이러한 대책에도 날마다 몇 백 개의 전차가 주행을 하고 있기 때문에 마모가 발생할 수밖에 없다.
가선 검측 시스템
트롤리선의 마모 및 단선을 방지하기 위해 철도회사의 보수원들은 지속적으로 트롤리선의 보수·점검을 실시하고 있다. 보수·점검 시 중요한 것이 트롤리선의 마모잔량(잔존직경)을 파악하는 것이다.([그림 4] 참조) 이하에 마모계측의 2가지 방법에 대해 소개한다.
레이저에 의한 계측
트롤리선의 마모량을 계측하는 일반적인 방법으로서 레이저를 이용한 방법이 도입되고 있다. 이것은 전기 궤도종합시험차라고 불리는 측정 전용차의 상부에 설치된 기기에서 트롤리선에 레이저를 방사해 그 반사에 의해 마모량(마모폭)을 측정하는 것이다. 이 측정 결과를 바탕으로 마모가 진행되고 있는 장소를 선별하여 그 장소에 보수원이 직접 찾아가 마이크로 미터 등의 측정기를 통해 트롤리선의 잔존직경을 정확하게 측정한다. 이 측정방법은 마모의 측정방법으로서 확립되었지만, 레이저만의 관측에 의존하고 있기 때문에 실제로 마모가 진행되고 있는 것인지, 노이즈에 의한 오차인 것인지 판별하기가 어려워 보수원이 직접 현장에 찾아가 눈으로 확인할 필요가 있으며, 가선 감시를 위한 측정 차량을 도입하고 유지해야 한다는 단점이 존재한다.
화상처리에 의한 새로운 시스템
화상처리에 의한 가선 검측 시스템의 개요도를 [그림 5]에 나타냈다. 이 시스템은 CCD 카메라(Charge-Coupled Device 카메라) 2대, 라인센서 카메라, 투광기, 광섬유, 데이터 수집용 PC, 해석용 PC로 구성되어 있으며, 그 외관을 [그림 6]에 나타냈다. 먼저 전차의 지붕에 설치된 3대의 카메라로 가선과 팬터그래프를 촬영해 그 영상 데이터를 광섬유를 통해 차장실에 설치되어 있는 데이터 수집용 PC까지 전송한다. 운행 검측이 끝나는 대로 외부에 있는 해석용 PC를 이용해 영상 데이터를 해석한다. 그 후 해석 결과(가선의 상태)가 요주의 장소의 일람 및 차트 형식으로 표시된다. 이 정보들은 CCD 카메라로 촬영된 화상에 링크되어 있으며, 그래프상에서 이상 개소가 있는 경우 그 장소를 지정함으로써 화상으로부터 이상 개소를 직접 확인할 수 있다.([그림 7] 참조)
라인센서 카메라와 CCD 카메라를 병용하는 이점
라인센서 카메라는 수광소자가 일렬로 배열된 카메라로 고해상도의 1차원 화상을 취득할 수 있다. CCD 카메라에 비해 좁은 부분의 화상을 촬영하기 때문에 데이터양이 적게 나간다. 또 샘플링 주파수가 높다는 특징도 있기 때문에 고정밀도의 측정이 가능하다. CCD 카메라는 화상범위가 넓기 때문에 트롤리선의 가로 방향의 편위(偏位), 지장물 검지, 이상 개소의 화상 확인에 이용되고 있다. 또 2대의 카메라를 사용하여 물체의 거리 및 길이를 계측할 수 있다. 이와 같이 화상처리를 통한 가선 검측 시스템에서는 라인센서 카메라와 CCD 카메라가 적절하게 구분 사용되어 이들을 동기화시킴으로써 다양한 검측을 실시하고 있다.
검측항목(마모, 변위 등)
화상처리를 통한 가선 검측 시스템에 있어서 검측 가능한 항목은 다음과 같다.
(1) 트롤리선의 마모 검측
마모 검측에서는 트롤리선의 마모 폭(접동(摺動)폭)을 검측하여 마모의 상태를 확인하고 있다. 마모의 상태는 라인센서 카메라의 화상에서 해석된다. 먼저 마모 폭을 측정하기 위해 라인센서 카메라의 화상을 이치화(二値化) 처리하여 마모 폭의 윤곽만을 추출한다. 다음으로 노이즈를 제거하면 [그림 8]과 같은 화상을 얻을 수 있다. 이 화상에서 마모폭을 검측하고 폭이 일정한 값을 넘어가고 있는지의 여부를 진단한다.
(2) 트롤리선 변위
트롤리선의 변위란 팬터그래프의 중심을 기준으로 팬터그래프와 가선의 접촉점이 좌우로 얼마나 벗어나 있는가를 나타낸다. [그림 9]는 트롤리선 변위의 계측 프로세스이다. 사전에 CCD 카메라에 비춰지는 화상을 표준 패턴으로 하여 실제 CCD 카메라의 검측 화상과 표준 패턴을 비교해 팬터그래프를 인식한다. 다음에 인식된 팬터그래프에 대해 수직의 선분을 트롤리선의 후보로 여러 개 추출하여 이들 중에서 팬터그래프와 동일한 길이에서 교차하는 선분의 쌍을 2대의 CCD 카메라 화상을 통해 해석하여 트롤리선으로 결정한다. 또한 이 선분의 쌍에서 구한 트롤리선의 가설 위치가 적절한지 점검하여 드물게 발생하는 선분의 쌍에서의 오대응을 배제하고 있다. 마지막으로 좌우의 화상 중에서 트롤리선과 팬터그래프와의 교점 좌표로부터 삼각측량법을 통해 접촉점의 3차원 위치(X, Y, Z)를 계산한다. 이 프로세스를 통해 화상 중에 비친 복수의 가선에서 팬터그래프에 접촉하는 트롤리선만을 판별하여 접촉점 위치를 계측할 수 있게 되었다. [그림 10]은 직선로와 곡선로에서의 트롤리선 변위를 나타낸 그림이다. 앞서 말한 바와 같이 트롤리선 변위는 늘 변동하기 때문에 직선구간에서의 계측치는 그림과 같은 형태가 된다. 또 [그림 10]의 (b)의 화살표 구간은 선로의 곡선구간이며, 곡선로에서의 가선의 설치 방법으로부터 그림과 같이 한쪽으로 치우친 모양이 된다.
(3) 접촉력
[그림 11]에 접촉력 측정의 개요도를 [그림 12]에 스프링의 반동력 그림을 나타냈다. 접촉력 측정 시에는 라인센서 카메라를 [그림 11]과 같이 설치하여 팬터그래프를 촬영한다. 팬터그래프와 트롤리선의 접촉력은 아래의 식으로 스프링의 반동력, 관성력, 공기력을 도출하여 그 값을 모두 합산해 구한다.
스프링의 반동력=스프링 계수×스프링의 신축량
관성력=등가질량×주체의 가속도
공기력=양력계수×(주행속도)²
스프링의 신축량과 주체의 가속도는 라인센서 카메라를 통해 얻은 정보로부터 산출한다. 스프링의 신축량은 팬터그래프 주체의 높이를 통해, 스프링의 가속도는 스프링의 신축량을 2차 미분하여 구한다. 접촉력이 강한 곳에서는 마모의 진행이 빠르고, 반대로 너무 약한 곳에서는 팬터그래프와 가선이 떨어져 아크의 발생으로 인해 팬터그래프가 융해돼버린다. 따라서 가선 검측 시 접촉력을 측정·평가하여 문제가 있는 곳을 조기에 발견하는 것이 중요하다고 하겠다.
(4) 지장물 검지
2대의 CCD 카메라를 통해 팬터그래프에 접근하는 지장물을 검지한다. 태풍 시 부러진 나뭇가지나 가선을 잇는 금속구의 낙하 등 지장물이 규정의 범위 안에 들어왔을 때 검지한다.
화상처리 시스템의 장점
이 시스템의 가장 큰 장점은 이상 개소의 화상을 직접 볼 수 있다는 점이다. 따라서 현장에 직접 가지 않아도 화상으로부터 이상 개소의 확인이 가능해 작업의 효율화를 도모할 수 있다. 또 장치가 소형이기 때문에 영업차량에 탑재 가능하며, 검측 전용 차량을 필요로 하지 않기 때문에 철도의 운행 시간표를 신경 쓰지 않고 검측 작업을 실시할 수 있다.
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