E-DF-A-1-028(수정).hwp

Transcription

1 ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 62, No. 12, pp. 1777~1783, 통신기반열차제어시스템성능평가용계측시스템구현및적용 Implementation & Application of Instrumentation System on Performance Evaluation for Korea-Radio Train Control System 이재호 이강미 * 박평식 ** (Jae-Ho Lee Kang-Mi Lee Pyoung-Sik Park) Abstract - This study aims to implement an instrumentation system measuring and analysing real-time data of information flow between respective subunits composing train control system as the performance evaluation method for wireless communication based urban railway train control system under development for a Korean model. It analyses system functional requirements regarding subsystems composing wireless communication based train control system and test items for functions presented in each specification and examines data and measurement point for measuring according to test items in order to implement an instrumentation system. And, it clearly defines requirements of an instrumentation system to avoid malfunction or error in operation of train control system. It reviews data processing method and display method for effective analysis of data flow between respective subunits with measured data, designs and makes an instrumentation system. Ultimately, it applies to a performance test of train control system and makes sure an instrumentation system in normal working order. Key Words : CBTC, Performance evaluation, Instrumentation system, Field test, Method of analysis 1. 서론철도의신호시스템은초기안전이라는명제로출발하였으나최근사용자의요구에따라안전은물론이고고속, 고밀도운행을위한방향으로시스템의개발이추진및실행되고있다. 하지만이제까지는철도시스템의최종적인안전을담당하는신호시스템에대해서는사용실적과안전성입증이라는측면에서연구개발보다는국외시스템을수입하여설치, 운영하는데더많은비용과인력을투입하였다. 하지만이러한현실에서탈피하고자축적된기술을바탕으로한국현실에적합한신호시스템의개발이 1990년대후반부터시작되었으나실용화의단계에는이르지못하고있는실정이다. 특히, 다양한현장시험을위한 test-bed 등의여건미비및시험평가방안등에대한어려움이있었으나, 이를극복하고최근에는무선통신을이용한도시철도용열차제어시스템의실용화를위한연구가진행되고있다 [1,2]. 하지만열차제어시스템은승객의안전과직접적인연계로인하여국산화에대한열망은있었지만운영기관의실용화의지의미비로열차제어시스템을안전을종합적으로구현하여개발하는연구기진행되지못하였다. 따라서, 열차제어시스템개발에따른특성분석및성능평가방안에대한연구도미흡하여국외에서도입된열차제어시스템의국내적용시제시된성적서나시험항목에의존하고있어국산화에따 * Korea Railroad Research Institute ** TechVille. Co., Ltd Corresponding Author : Metropolitan Transportation Research Center, Korea Railroad Research Institute, Korea prolee@krri.re.kr Received : May 28, 2013; Accepted : November 18, 2013 른성능평가에대한기술개발의필요성이대두되었다. 이제까지의철도분야의계측시스템적용및구현은대부분의차량의개발에따른차량의성능및안전성검증을위한방안으로차량의동특성, 추진력, 전기집전시스템및승차감분석등에활용되었다. 구현된계측시스템은측정하고자하는종류에따라다종의센서를취부하여이를취합하는형태이며, 성능및안전성평가항목의계측, 저장, 모니터링기능이가능하여성능평가및시험을위하여적용되었다. 또한일부는철도인프라에대하여열차주행에따른진동이나충격등을모니터링하는방안으로계측시스템이적용되고있으며, 이러한형태의계측은지속적으로활발하게진행될것이다 [3-6]. 본연구에서는한국형으로개발되는무선통신기반열차제어시스템의성능을입증하기위한방안으로전체열차제어시스템을구성하는각하부시스템들간의정보흐름을분석하여각각의하부시스템이제기능을발휘하여전체열차제어시스템이효율적으로동작하는가를평가하기위한방안으로각하부시스템간의인터페이스정보를추출하여계측하는방안과분석내용에대하여검토를하고자한다. 2. 본론 2.1 무선통신기반도시철도용열차제어시스템본연구에서다루는도시철도용무선통신기반도시철도용열차제어시스템은기존의도시철도열차제어시스템의기반이되는궤도회로에서무선통신을정보전송방식으로이용함에따라궤도회로설비등의현장설비의저감으로인한유지보수의저감화를도모하고, 차상과자상장치간의양방향정보전송에의한이동폐색구현으로고밀도운행이가능하여 통신기반열차제어시스템성능평가용계측시스템구현및적용 1777

2 전기학회논문지 62 권 12 호 2013 년 12 월 선로용량의확보및무인자동운전이가능하여철도경영합리화에도기여할수있는최첨단신호시스템이다 [7] 열차제어시스템구성전체열차제어시스템의구성은그림 1과같으며, 열차운행을종합적으로원격감시및제어하는역할을하는현재의관제설비와유사한기능의자동열차운행제어장치 (ATS: Automatic Train Supervision), 열차의간격을제어하여충돌, 추돌사고를방지하고선로전환기를전환하여열차진행방향과진로를제어하는역할을하는자동열차보호장치 (ATP:Automatic Train Protection), 기관사의역할을하여무인자동운전을실현하고승강장스크린도어 (PSD) 및열차출입문자동개폐, 출발, 정지, 가 감속등의자동운전을수행하는자동열차운전장치 (ATO;Automatic Train Operation) 그리고열차제어를위한데이터를전송하는무선데이터전송장치와선로변장치로구성된다 [8]. 개량범위가적어경제적인대불선 ( 전라남도목포소재 ) 의일부구간을개량및성능평가인프라를설치하여시험선로를구축하였다. 시험차량은도시철도용으로운행인중열차를무선통신기반열차제어시스템성능시험이가능하도록개조하여, 개발된무선통신기반열차제어장치를탑재하여시험운행실시하고있다. 2.2 계측시스템 개요열차제어시스템시험평가를위한계측시스템은계측항목및계측대상장치의위치에따라그림 2와같이차상신호계측시스템, 지상신호계측시스템및종합분석시스템으로구성한다. 차상신호계측시스템은열차의운행에따른, 차상에서의계측대상들을실시간으로계측, 저장및모니터링하는기능을가지며, 지상신호계측시스템은지상에서의계측대상들을실시간으로계측, 저장및모니터링을수행한다. 종합분석시스템은차상및지상신호계측시스템에의해계측된정보를오프라인 ( 이동형저장매체등이용 ) 으로수집하여상세한분석을위해적용한다 [9]. 구현되는계측시스템의요구사항은다음과같다. 하드웨어설계요구조건 - 차상설치 ( 차량특성및환경 ) 에적합한하드웨어선정 - 확장성이용이한구조 - 외부조건및운영환경에대한내구성 / 신뢰도고려 - 차량전원사용의최소화를고려 운영프로그램설계요구조건 - 사용자편의성을고려 - 응용프로그램의모듈화구성으로확장성용이 - 각종검측정보의용이한분석 - 수집한정보의효율적저장및관리 케이블및장비인터페이스요구조건 - 차량간인터페이스고려 - 노이즈및서지에대한방호대책 시스템구성계측시스템의구성은위에서언급한 3가지의설계요구조건을기본으로계측항목및계측위치에따라 3가지로하부장치로구성하며, 철도용계측시스템은일반계측장치와달리열악한철도환경인차량의진동, 충격, 25KVA의전차선전압으로인한노이즈등에대하여강건하여야하며, 특히, 운행중인열차제어시스템으로부터정보를추출하여야하는이유로인터페이스부분에서의오류또는노이즈유입을방지하기위하여 Tap장치 [9] 등을적용하여병렬형태로계측접점을구성하여정보를수집하는구조로하였다. 그림 1 무선통신기반열차제어시스템구성도 1 Radio communication based train control system 시험선구성무선통신기반열차제어시스템의성능을평가하기위한시험선로는각장치의주요기능확인이가능하고, 기존설비의 (1) 차상신호계측시스템차상신호계측시스템은차상에서의분석지원을위한시스템을의미하며, 차상신호분석장치, 정보처리장치, 센서 / 신호계측장치, 전원분배장치및 로구성한다. (2) 지상신호계측시스템지상신호계측시스템은 1 set, 모니터 1개, 1778

3 Trans. KIEE. Vol. 62, No. 12, DEC, 2013 프린터 1개로구성되어정보검측을위해일로역및대불역에설치하여 Station LAN를통하여 ATS와 EI간정보검측한다. 또한, ATP-EI LAN를통하여차상 ATP/ATO와지상 ATP간정보및 EI(Processor) 와 Station I/O간정보의실시간계측, 저장및실시간모니터링한다. (3) 종합분석시스템지상에서의분석지원을위한시스템으로사무실에설치하며, 1 set, 모니터 2개, 프린터 1개, 운영자콘솔탁으로구성되며, 지상및차상에서계측한각종신호및센서정보를분석하는기능을갖는다. 되어야할대상은다음표 1과같이차상신호장치의제어에관련되는정보이다 계측시스템설치방안열차제어시스템이지상과차상에설치되는것과같이계측시스템의설치도유사하게적용한다. 특히, 차상에서설치되는차상신호계측시스템의주설비는차상신호설비의설치위치 (Tc1, Tc2), 정보를검측하는위치와의접근성, 장치의운영의효율성및시험자의편의성을고려하여 M car에각각설치하며, 지상신호계측시스템은대불시험선로의일로역관리동및대불역기기실에설치하며, 종합분석시스템은사무실에설치하여운영한다. (1) 차상신호계측시스템운행중에계측이행해짐에따라외부환경 ( 전압강하및노이즈발생등 ) 의최소화를위해, 계측대상장치가위치한가장가까운거리에설치하며분산시스템으로구성한다. 차상신호계측시스템은 Tc1, Tc2 car에설치되는정보처리장치 (TAP) 와 M car에설치되는차상신호분석장치및콘솔로구성한다. 차상신호계측시스템의구성은그림 3과같다 [12]. 기존설비신규설비 Radio I/F Radio I/F TAP1 cable : 1ch calble : 1ch TAP3 TAP2 cable : 1ch 분전반 calble : 1ch TAP4 MMI CAN : 1ch CAN : 1ch MMI ATP RS485 : 1ch Tag Reader SWITCH HUB DAQ 모니터 (24 ) 모니터 (24 ) RS485 : 1ch Tag Reader ATP ATO 프린터 차량전원 ATO [ 차상신호분석장치 ] [ 콘솔 ] 그림 2 계측시스템구성도 표 2 Block diagram for instrumentation system 인터페이스요구사항분석 차상및지상신호계측시스템과관련하여전체열차제어시스템의개발사양서 [10] 를분석하고, 각하부시스템간의인터페이스내용을도출하였다 [11]. 도시철도용무선통신기반열차제어시스템을구성하는각하부시스템으로는 ATP장치, ATO장치, ATS장치, EI(Electronic Interlocking) 장치, 무선통신장치등이존재하며, 각기능사양서를분석한결과계측 계측대상신호출력채널신호장치수형태 Transponder Tag Reader 1*2 RS-232 Tachometer Tacho-m eter 4*2 구형파 Proximity sensor ATP-MMI 1 계측대상선정 Table 1 Selection of measurement targets Prox. sensor ATP- MMI 1*2 Voltage 1*2 RS-485 설치위치및출력값수량 -12V, +12V 0, 24V 0, 24V 0, +5V Tc1 : 1set, Tc2 : 1set Tc1 : 2set, Tc2 : 2set Tc1 : 1set, Tc2 : 1set Tc1 : 1set, Tc2 : 1set Proximity Sensor Tachometer Proximity Sensor Tachometer Tc1 Car M Car Tc2 Car 그림 3 차상신호계측시스템의세부구성 3 Block diagram of on-board signal instrumentation system 주요인터페이스대상은그림 3에서보인바와같이차상 ATP/ATO, Transponder, Tachometer, Proximity sensor, 차상 ATP/MMI 이며, 이들장치와의인터페이스내용을분석하기위한소프트웨어는통신프로그램, 저장프로그램, 감시프로그램, 운영프로그램의 4가지종류로구성하였다. 그림 4는 Tc1과 Tc2에있는 ATP/ATO 장치로부터송수신정보를수신하여, 데이터를저장하고운영프로그램으로전송하는 UDP 데이터를모니터링하는화면으로차상ATO 와지상ATS간의송수신데이터의실시간모니터링이가능한 HEX값으로, 송수신방향별로표시된다. (2) 지상신호계측시스템지상신호계측시스템은그림 5에서보인바와같이 Station LAN 및 ATP-EI LAN에접속하여차상-지상장치간및지상-ATS 장치간의입출력데이터를계측하기위해계측대상장치가있는일로역과대불역에설치하며분산 통신기반열차제어시스템성능평가용계측시스템구현및적용 1779

4 전기학회논문지 62 권 12 호 2013 년 12 월 그림 4 차상계측모니터링 (UDP 데이터 ) 4 Monitoring for on-board measurement(udp data) 시스템으로구성한다. 지상신호계측시스템은지상신호분석장치및콘솔로구성된다 [7]. 차상신호계측시스템과마찬가지로 4종의프로그램으로운영되도록구성하였다. 일로역대불역범례기존설비모니터 (24 ) 신규설비프린터 [ 일로역콘솔 ] Station LAN Station LAN ATS ATS 지상 ATP 지상 ATP EI EI 무선통신중계서버무선통신중계서버 PSD PSD ATP-EI LAN 그림 5 지상신호계측시스템의세부구성 5 Block diagram of wayside signal instrumentation system 계측데이터분석계측시스템에서계측할수있는데이터의종류는차상계측데이터와지상계측데이터이며, 차상계측데이터는차량운행에필요한차상의각종신호설비와장치로부터수신한데이터, 지상계측데이터는지상의네트워크로부터수신한지상신호설비의송수신데이터이다. 이들데이터를분석함으로써다음과같은사항을확인할수있다. 열차제어시스템에서하나의데이터가여러인터페이스구간을거쳐최종목적지까지전달될때, 각신호설비간송수신데이터를검증할수있다. 열차제어시스템의성능및기능시험시, 객관적으로데이터를검증할수있다. 다중편성운행에대해, 열차운행관련데이터를확인함으로써, 관련신호설비들 (ATS, 전자연동장치, 지상 ATP 및차상 ATP/ATO) 의다중편성운행성능을확인할수있다. 그림 6은지상인 ATS, EI 및 ATP장치에서계측한정보를계측시스템에서처리하는프로세스를보여주고있다. 그림 6 지상신호계측시스템프로그램구성운영흐름도 6 Operation program flow diagram of wayside signal instrumentation system 2.3 계측시스템제작및현장시험 계측데이터하드웨어제작 열차제어시스템시험평가를위한계측시스템의하드웨어구성은신호분석장치와운영자가조작하는콘솔로구성되며, 차상및지상신호분석장치의구성은유사한다. 차상신호분석장치는그림 7에서보인바와같이, 스위치허브, 센서 / 신호계측기 (DAQ, DI/DO board 등 ), 전원장치및 19인치랙으로구성하였으며, 지상신호분석장치는간략하게와 19인치표준랙으로구성하였다. 분전반 BLANK HUB 전원분배장치 LAN 인입구 DAQ UNIT 프린터 UNIT 그림 7 차상신호계측시스템랙구성 3U 4U 7U 7U 2U 28U 1400mm = 44.5mm 7 Rack configuration of on-board instrumentation 계측시스템구축 열차제어시스템시험평가를위한제작된계측시스템을실제현장에설치하여운영하기위하여지상설비의데이터를계측하기위한지상신호계측시스템은현장신호기계실에, 차량에서동작하는차상신호설비의데이터를계측하기위한 1780

5 Trans. KIEE. Vol. 62, No. 12, DEC, 2013 차상신호계측시스템은대불시험선시험차량의 M Car에설치하였다. 차상의 M Car에설치하기위해서는그림 8과같이통신전원케이블을통하여각검측지점과연계되도록구성하였다. 그림 9는차상에설치되어운영하고있는차상신호계측시스템을보여주고있다. 차량전원 (AC220V) DC/DC Power Supply (DC12V) TAP 장치 2.5SQ 3C 2SQ 3C HUB 전원분배장치 DAQ 모니터 1 모니터 2 프린터 멀티콘센트 범례 외부통신배선 외부전원배선 내부통신배선 내부전원배선 SC: Shield Cable 신호기계실에지상계측시스템을설치하여지상신호설비가송수신하는지상계측데이터의종류는 UDP 데이터로 ATS-EI, ATS- 지상ATP, 지상ATP- 차상ATP, 차상ATO- PSD, 지상ATP-EI 그리고 ATS- 차상ATO간통신데이터이다. 그림 10은대불시험선에설치된차상신호계측시스템이동작하는상태를타코미터와근접센서및트랜스폰더의상태로보여주고있다. 그림에서타코미터는운행시간별속도를펄스와속도값으로보여주며, 트랜스폰더는리더는태그를통과한시간과 ID를나타내고있다. HDMI Cable DVI Cable USB Cable TAP 장치 HUB 전원분배장치 DAQ 모니터 1 모니터 2 프린터 멀티콘센트 그림 8 시험차량 (M Car) 통신및전원케이블배선도 8 Wiring diagram for the test vehicle(m car) 그림 10 차상신호계측시스템데이터모니터링 ( 센서데이터 ) 10 Data monitoring at on-board signal instrumentation system(sensor data) 그림 9 차상신호계측시스템설치사진 9 Installation picture for on-board signal instrumentation system 계측시스템시험및분석도시철도용무선통신기반열차제어시스템성능평가를위해시험차량에차상계측시스템을설치하여차상신호설비가송수신하는데이터를계측한다. 차상계측데이터의종류는다음과같다. TACHOMETER 데이터 : TC1, TC2에서발행하는 Tachometer Pulse 데이터, TRANSPONDER 데이터 : TC1, TC2에서발행하는 Tag Reader 데이터, ATP/ MMI(CAN 통신 ) 데이터 : TC1, TC2에서발행하는 MMI 데이터, UDP 데이터 : ATS-차상ATO, 차상ATP-지상ATP, 차상ATO-PSD간통신데이터 위에서보인바와같이도시철도용무선통신기반열차제어시스템성능평가를위하여구축된차상계측시스템이열차운행에다른 Data 수집을정상적인수행함을확인할수있었다. 계측된데이터는파일로저장되어분석절차에의해후처리과정을통하여분석되어지며, 최종적으로는분석된결과가보고서형식으로저장및출력가능하도록하였다. 그림 11,12는데이터분석절차에따른데이터분석과정의일례를보여주고있다. 향후에는지속적인운영을통한수집된데이터를분석하여정확도를향상시켜서, 수집된계측데이터를후처리하여로그파일로변형하고, 종합분석계측시스템을통하여프로토콜및데이터확인을통하여성능평가에적용할예정이다. 그림 11 분석조건설정화면예 11 Example for analysis condition setting screen 통신기반열차제어시스템성능평가용계측시스템구현및적용 1781

6 전기학회논문지 62 권 12 호 2013 년 12 월 References 그림 12 지상신호계측데이터 (UDP) 분석예 12 Example for wayside signal measured data analysis 3. 결론열차제어시스템의성능을확인하고시스템에대한평가를수행하기위해서는열차제어시스템을구성하는각하부시스템간의데이터흐름을계측하여분석하는것이가장효과적이고객관적인방법이다. 본연구는국내기술로개발중인도시철도용무선통신기반열차제어시스템의효율적인성능평가및검증을위한계측시스템을제안하였다. 계측시스템의구현에있어서는열악한철도환경을고려한하드웨어선정및노이즈의유입방지등에대한요구사항을명확히하였으며, 특히, 일부는시험차량에설치되어운영됨에따라데이터수집의편의성과운영의효율성을고려하여설계및제작하였다. 제작된계측시스템을신호기계실과시험차량에설치하여운영한결과정상적인동작을수행함을확인하였으며, 현재지속적인운영으로대불선시험현장에서예비시험에활용하여시험시발생하는다양한문제 ( 데이터누락, 통신두절, 취급오류등 ) 들에대해확인및효율적인대처가가능하다. 또한, 시험선에서시험되는하부장치의제작사가상이하여장치간의상호운영성시험에서각장치간의인터페이스문제등을명확하게확인할수있게하는등활용도가증가하고있다. 향후지속적인운영을통한데이터수집으로수집데이터의정확도, 분석방법의효율성과정밀도를향상시켜본장치의최종목적인열차제어시스템성능평가에적용하여새롭게개발되는한국형무선통신기반열차제어시스템의실용화에기여할것이다. Acknowledgments This work was supported by a grant from Future Urban Railroad Technology Development Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korea government. [1] Rumsey A. F. & Hubbsy, Implementing communication based train control at New York City Transit, Proc. of Seminar on Train Protection-The way Forward, Institution of Mechanical Engineers, 2003 [2] Bin Ning, Intelligent Railway System in the 21 st Century, Computer in Railways VII, WIT Press, pp , Sep. Comprail [3] Y. S. Kim, K. H. Moon, K. W. Lee, C. H. Bae, Y. S. Byun, J. K. Mok, Integrated Measurement System for the Bi-Modal Tram Vehicle, Proc. of KSPE Autumn Conference, pp , [4] J. S. Hong, G. D. Kim, E. J. Joung, H. M. Lee, W. Sung, Establish Measurement System for AUTS (Advanced Urban Transit System), Proc. of KSPE Spring Conference, pp , [5] Seog-Won Kim, Young-Jae Han, Sang-soo Kim, Young-Guk Kim, Hun-Mo Koo, A Study on Overall Measurement System Development of Tilting Train Express, Journal of the Korean Society for Railway, Vol.6, No.9, pp , [6] Seogwon Kim, Youngguk Kim, Youngjae Han, Chankyoung Park, Jinhwan Kim, Kwangsun Baik, Development of a Measurement System Development for On-Line Testing of High Speed Railway, Journal of the Korean Society for Railway, Vol.5, No.3, pp.49-52, [7] Yong-Ki Yoon, Yong-Kyu Kim, Ducko Shin, Train Control System using Radio Communication, Railway Journal Vol.7, No.5, pp.22-28, [8] [9] NetOptics, Installation Guide for 10/100/1000 Copper Port Aggregator, [10] Korea Rail Network Authority, The establishment and analysis of CBTC standard system for urban railway performance evaluation system, 2 nd Annual report, [11] KRRI Report, Specification on Communication Based Train Control System for Urban Railway, [12] Yong-soo Song, Jae-Ho, Lee, Tae-Kyun Ko, Yong-Kyu Kim, A Study on Test Evaluation and Items for Communication Based Train Control, IEEK Summer Conference, [13] Jae-Ho Lee, Kang-Mi Lee, Youg-Soo Song, Eun-Kyung Chae, A Study of Measurement Method on the Data Floe between Signal Devices, KIEE Summer Conference, pp ,

7 Trans. KIEE. Vol. 62, No. 12, DEC, 2013 저자소개 이재호 ( 李在浩 ) 1987년광운대학교전자공학과졸업, 2005년고려대학교메카트로닉스학과졸업 ( 박사 ), 1995년 현재한국철도기술연구원광역도시교통연구본부책임연구원 Tel : prolee@krri.re.kr 이강미 ( 李江美 ) 2005년충북대학교전자공학과졸업 ( 석사 ), 2005년 현재, 한국철도기술연구원시험인증안전센터선임연구원 Tel : kmlee246@krri.re.kr 박평식 ( 朴平植 ) 1996년 03월 10일생, 1992년광운대학교전자계산학과졸업, 2006년 6월 현재 테크빌연구소기술이사 Tel : ptoungsik.park@techville,biz 통신기반열차제어시스템성능평가용계측시스템구현및적용 1783