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1. KR1020100055886 - SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING TRAIN RIDE USING BIOLOGICAL SIGNALS, CAPABLE OF MEASURING THE RIDE STABILITY OF A TILTING TRAIN

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ KO ]
명 세 서
생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템{measuring system of train ride comfort using bioelectrical signals}
발명의 상세한 설명
   기 술 분 야
본 발명은 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 열차가 틸팅시에 인체에서 반응하는 다양한 종류의 생체신호를 측정하고 이를 분석함으로서 틸팅 열차의 승차감 평가를 위한 데이터로 활용할 수 있게 하는 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템에 관한 것이다.

   배 경 기 술
일반적으로 대중교통수단으로 이용되는 열차는 그 운행 속도 및 여객 수송의 품질에 대해 최종적으로 평가한다는 점을 감안할 때 승차감을 일정한 수준 이상 향상시키는 것이 필수적이다.
이때, 열차에 탑승하는 경우 느끼게 되는 승차감은 인간이 감정으로 느낄 수 있는 진동, 소음, 온도, 습도, 조도, 개인 공간, 좌석 질감, 천장 높이, 전망, 통풍 등과 같은 다양한 요소들이 복합적으로 결합되어 나타나지만, 이러한 제반 요소들을 모두 고려하여 정량적으로 열차의 승차감을 평가 하는 것은 사실상 불가능하다.
따라서, 열차의 승차감을 측정하기 위한 일반적인 방법으로 열차에서 측정된 진동가속도를 인간의 등가 감응량으로 정량화시켜 평가하는 방법을 사용하고 있다.
이때, 철도분야의 승차감 평가는 ISO, UIC, CEN 등의 규격에 규정되어 있으며, 이들은 통계적인 방법과 실효값으로 철도 차량의 승차감을 평가 하고 있고, 또한 이들 규격외에 유럽에서 오랜 기간 동안 사용해온 스펄링(Sperling)이 제안한 “승차감지수”가 철도 차량의 승차감 평가에 사용되어 왔다.
그러나 이상의 승차감 평가 방법들은 아직까지 곡선부 승차감을 제시한 규격은 전무(全無)한 상태일 뿐만 아니라 인체를 기준 모델로 한 방법이 아닌 열차내의 환경적인 요소들을 가지고 정량적으로 판단함으로 인해 열차의 운전자나 승객이 느끼게 되는 승차감과는 상당한 차이가 있으며, 따라서 열차의 승차감을 평가시에 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

   발명의 내용
      해결 하고자하는 과제
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 열차의 승차감 평가기술을 개발하기 위하여 인체공학적 모델링을 수행하고 이를 통하여 인체로 부터 얻을 수 있는 생체신호를 이용하여 틸팅 열차의 승차감을 평가할 수 있는 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 이와 같은 생체신호를 컴퓨터 시뮬레이션과 실험적 분석을 통해 승차감을 평가하여 그 평가 결과를 열차의 승차감 향상을 위해 적용할 수 있도록 하는 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

      과제 해결수단
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은;
열차에 탑승중인 측정대상자의 생체신호를 측정하는 생체신호측정수단과; 상기 생체신호측정수단으로부터 생체신호를 수집하여 승차감 평가를 위해 분석하는 데이터처리수단;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템을 제공한다.
이때, 상기 생체신호측정수단은; 상기 측정대상자의 생체신호를 측정하는 생체신호측정부와, 상기 생체신호측정부를 통해 측정된 아날로그 생체신호를 디지털 생체신호로 변환하는 A/D변환부와, 상기 디지털 생체신호를 상기 데이터처리수단로 송신하는 신호송신부와, 상기 생체신호측정부를 감시하며 상기 신호송신부로 디지털 생체신호의 송신을 제어하는 제1제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 생체신호측정부는 ECG(심전도)를 측정하기 위한 제1전극과, GSR(피부전기반응)을 측정하기 위한 제2전극과, EMG(근전도)를 측정하기 위한 제3전극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 데이터처리수단은; 상기 생체신호측정수단을 통해 송신되는 디지털 생체신호를 수신하는 신호수신부와, 상기 신호수신부를 통해 수신되는 디지털 생체신호와 상기 디지털 생체신호를 분석하는 분석프로그램이 저장되는 메모리부와, 열차의 승차감을 평가하기 위해 상기 신호수신부를 통해 수신되는 디지털 생체신호를 분석하는 제2제어부와, 상기 제2제어부를 통해 분석된 디지털 생체신호의 분석데이터를 디스플레이하는 디스플레이부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 디지털 생체신호를 분석하기 위한 조건 입력을 위해 키입력부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터처리수단은 PC 또는 노트북인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 생체신호측정수단은 상기 생체신호를 송신하는 신호송신부가 구비되고, 상기 데이터처리수단은 상기 신호송신부에서 전송되는 생체신호를 수신하는 신호수신부가 구비되되, 상기 신호송신부와 신호수신부는 원거리 무선통신이 가능한 송수신모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

 삭제

      효 과
본 발명에 따르면 열차의 승차감 평가기술을 개발하기 위하여 인체공학적 모델링을 수행하고 이를 통하여 인체로부터 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도) 등과 같은 생체신호를 검출하여 컴퓨터 시뮬레이션과 실험적 분석을 통해 보다 정확하게 열차의 승차감을 평가할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이와 같은 인체의 생체신호를 이용하여 틸팅 열차의 승차감을 평가하게 됨에 따라 열차의 승차감 향상을 위한 신뢰성을 가지는 자료로 활용할 수 있는 효과도 있다.

   발명의 실시를 위한 구체적인 내용
이하, 본 발명에 따른 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이때, 도 1은 본 발명에 따른 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 ECG의 평균 RR간격표이고, 도 3은 본 발명에 따른 ECG의 평균 RR간격을 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 GSR의 이벤트 갯수 및 총 면적표이고, 도 5는 본 발명에 따른 GSR의 이벤트 갯수 및 총 면적을 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 EMG의 Zero Crossing 갯수 및 크기표이고, 도 7은 본 발명에 따른 EMG의 Zero Crossing 갯수 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따른 EMG의 크기 그래프이다.

먼저, 도 1에 의하면 본 발명에 따른 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템은 측정대상자를 통하여 생체신호를 측정 후 틸팅열차의 상황과 관련하여 연관성을 알아본 후 생체 파라미터를 통하여 승차감을 평가한다.
이와 같은 본 발명에 따른 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 시스템은 측정대상자의 생체신호를 측정하는 생체신호측정수단(100)과, 상기 생체신호측정수단으로 부터 생체신호를 수집하여 승차감 평가를 위한 데이터로 변환하는 데이터처리수단(200)으로 구성된다.
상기 생체신호측정수단(100)은 측정대상자의 생체신호를 측정하는 생체신호측정부(110)와, 상기 생체신호측정부(110)를 통해 측정된 아날로그 생체신호를 디지털 생체신호로 변환하는 A/D변환부(120)와, 상기 디지털 생체신호를 상기 데이터처리수단(200)로 송신하는 신호송신부(130)와, 상기 생체신호측정부(110)를 감시하며 상기 신호송신부(130)로 디지털 생체신호의 송신을 제어하는 제1제어부(140)로 구성된다.
한편, 상기 데이터처리수단(200)은 상기 생체신호측정수단(100)의 신호송신부(130)를 통해 송신되는 디지털 생체신호를 수신하는 신호수신부(210)와, 상기 신호수신부(210)를 통해 수신되는 디지털 생체신호와 상기 디지털 생체신호를 분석하는 분석프로그램이 저장되는 메모리부(220)와, 열차의 승차감을 평가하기 위해 상기 신호수신부(210)를 통해 수신되는 디지털 생체신호를 분석하는 제2제어부(230)와, 상기 제2제어부(230)를 통해 분석된 디지털 생체신호의 분석데이터를 디스플레이하는 디스플레이부(240)와, 상기 디지털 생체신호를 분석하기 위한 조건 입력을 위한 키입력부(250)로 구성된다.
이때, 상기 데이터처리수단(200)은 PC 또는 노트북 등이 사용될 수 있음은 당연하다.
그리고, 상기 신호송신부(130)와 신호수신부(210)는 원거리 무선통신이 가능한 공지(公知)의 송수신모듈로 구성되어 열차의 내부에는 생체신호측정수단(100)을 설치 운영하고, 원격지의 관제센터에는 데이터처리수단(200)을 설치 운영함이 바람직하다.

한편, 상기 생체신호측정수단(100)은 측정대상자의 생체신호를 측정하게 되는데, 이와 같은 인체에서 측정가능하며 열차승차감을 측정하는 인자로 사용할 수 있는 생체신호는 ECG(심전도: Electrocardiogram), GSR(피부전기반응: Galvanic Skin Resistance), EMG(근전도: Electromyogram) 등이 있다.
먼저, 상기 ECG(심전도: Electrocardiogram)는 심장 혹은 심근(心筋: 심장을 구성하고 있는 근육조직)의 수축에 따라 발생하는 미세한 전기적 변화를 곡선으로 기록한 것으로 인체의 심장 박동수는 신경계로부터의 교감, 및 부교감의 길항작용을 바탕으로 조절되며 따라서 ECG상의 RR간격을 측정하는 것은 승차감에 있어서 인체의 흥분 상태를 알 수 있는 중요한 요인이 된다.
다음으로, 상기 GSR(피부전기반응: Galvanic Skin Resistance)은 활동적인 GSR에 대한 측정된 저항을 갖고 신체를 통과 시키는 것과 수동적인 GSR에 대해 몸 자체에서 측정된 신체에 의해 생성시키는 것 2가지가 있으며, GSR을 통한 인체의 각성 정도는 일정 구간의 이벤트수와 면적(peak까지의 삼각형의 면적)의 합을 통하여 각성 정도를 판별할 수 있는 중요한 요인이 된다.
또한, 상기 EMG(근전도: Electromyogram)는 표면 근전도로, 한근육을 구성하는 많은 운동단위(Motor Unit)들의 활동전위(MUAPs)들을 합한 결과이다. 상기 EMG를 이용하여 근육의 피로도를 측정하기 위해서는 일반적으로 진폭이 증대되며, 주기가 연장된다. 이 경우 주파수적 측면에서 본다면 기존의 정상상태 보다 저주파성이 증가하게 된다. 이는 시계열적 측면에서 zero crossing 횟수와 평균 신호 크기를 통하여 분석할 수 있다.
이와 같은 생체신호인 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도)는 생체신호측정수단(100)의 생체신호측정부(110)를 통해 측정되는데, 이를 위해 상기 생체신호측정부(110)는 ECG(심전도)를 측정하기 위한 제1전극(112)과, GSR(피부전기반응)을 측정하기 위한 제2전극(114)과, EMG(근전도)를 측정하기 위한 제3전극(116)으로 이루어져, 피부에 흐르는 미세전류 형태로 측정된다.
이때, 제1전극(112) 내지 제3전극(116)을 함께 구비하지 않는 경우에는 하나의 전극만을 적당한 형태로 변형하여 측정대상자의 인체에 부착한 후 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도)를 순차적으로 측정함도 가능하다.

그리고, 본 발명은 열차의 내부에 탑승중인 측정대상자의 생체신호인 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도)를 생체신호측정수단을 통해 측정하는 제1단계, 상기 생체신호측정수단에서 측정된 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도) 데이터를 전송받고 시간에 따라 분석하여 인체 신경계의 변화 정도와 각성 정도 및 근피로도 평가를 위해 분석하는 제2단계, 상기 분석된 데이터를 디스플레이하는 제3단계로 구성되어 생체신호를 이용하여 열차 승차감을 측정하게 된다.

이하, 도 1 내지 도 7을 참고로 본 발명에 따른 생체신호를 이용한 열차 승차감 측정 과정을 상세히 설명한다.
이때, 생체신호측정수단(100)은 열차의 내부에 설치되며, 상기 생체신호측정수단(100)을 통해 측정되는 생체신호는 원격지의 관제센터에 구비되는 데이터처리수단(200)으로 전송되어 처리된다.
한편, 생체신호측정수단(100)을 통한 생체신호의 측정은 시간에 따른 경향성 파악을 통해 이루어지며, 측정된 생체신호인 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도) 데이터는, 예를 들어 데이터처리수단(200)에서 모두 분(min)단위로 분할하고, 시간(hour)단위로 통합하여 하루 9시간의 데이터를 분석하며 수일간의 측정기간의 데이터를 이용하여 각 생체 파라미터의 시간에 따른 경향 분석이 이루어진다.
즉, 제1 내지 제3전극(110,114,116)을 이용하여 아날로그 형태의 생체신호인 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도) 데이터를 측정하게 된다.
이와 같이 측정되는 생체신호는 A/D컨버터부(120)를 거치면서 디지털 형태의 생체신호로 변환되어 제1제어부(140)의 제어에 의해 신호송신부(130)를 거쳐 송신되어 데이터처리수단(200)으로 수신된다.
한편, 상기 데이터처리수단(200)은 신호수신부(210)를 통해 디지털 형태의 생체신호인 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도) 데이터를 입력받아 분석프로그램으로 분석을 하게 된다.
그리고, 이와 같이 분석된 데이터는 디스플레이부(240)를 통해 표시되어 관제센터에서 상태를 확인할 수 있게 된다.

이때, 상기 ECG(심전도)의 경우에는 RR간격을 통해서 본 인체 신경계의 변화는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 RR간격이 증가하다가 감소하는 추세를 보인다. 이때, 보통의 건강한 사람이 700 ~ 800ms의 RR간격을 보이는 것을 감안할 경우, 승차 후 3.5 ~ 4.5시간이 될 때까지 안정성을 찾아는 경향을 보인다.
한편, 측정대상자 인체 모델의 경우 승차 후 3.5 ~ 4.5 시간이 지나게 되면 RR간격이 줄어들어 인체 자체는 교감신경의 영향을 더 크게 받고 있음을 확인할 수 있다.
한편, GSR(피부전기반응)의 경우에는 수동적인 GSR의 의미만을 고려 하였으며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 이벤트의 갯수와 이벤트의 측정면적은 승차 후 8 ~ 9시간 정도부터는 아주 민감한 반응을 보이는 것으로 나타난다.
즉, 이벤트의 갯수도 50배 이상 증가함은 물론, 이벤트의 측정 면적은 1500배 정도로 증가한다.
따라서, 상기 측정대상자 인체 모델의 경우에는 GSR(피부전기반응)의 수치를 통해서 본 각성도는 8 ~ 9시간이 지난 후부터 급속히 증가하며 예민해지는 경향성을 가지고 있다.
또한, EMG(근전도)의 경우에는 하지 근육 근피로도를 평가할 수 있게 되는데, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 저주파성 파악을 위한 Zero Crossing의 개수와 신호의 크기를 측정하였으며 승차 시간이 길어질수록 Zero Crossing의 개수가 줄어 드는 경향을 보인다.
또한, 평균 크기는 증가하여 제시된 이론의 결과 대로 근피로도가 증가하는 경향을 보였으며 Zero Crossing의 개수는 선형적 감소 추이를 보이는 반면 크기의 측면에서 볼 때 각성도가 증가하는 시점인 8 ~ 9시간에 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 열차가 운행중에 탑승중인 측정대상자의 인체로 부터 ECG(심전도), GSR(피부전기반응), EMG(근전도) 등과 같은 생체신호를 검출하고 이를 이용하여 인체 신경계의 변화 정도와 각성 정도 및 근피로도 등을 측정함으로서, 현재 열차의 승차감 등을 종합적으로 판단할 수 있는 자료로 활용할 수 있게 된다.
특히, 이와 같은 생체신호를 이용함으로서, 기존의 통계적이면서도 획일화된 승차감 측정방법의 한계를 극복하기 위해 실험적인 분석을 통해 열차의 특성에 따른 더욱 정확한 분석이 이루어짐에 따라 추후 열차의 승차감 향상을 위한 신뢰성을 가지는 자료로 활용할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.