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1 2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A255 RF-CBTC 무인운전시스템기능구현에관한연구 A study on Function Realization of RF-CBTC Manless System 송재윤 *, 류승균 *, 오세화 *, 김경수 *, 이수호 * Jae Yoon Song *, Sung Kyun Ryou *, Sea Hwa Oh *, Kyoung Soo Kim *, Su Ho Lee * Abstract Introduce theoretical concept of RF-CBTC system and apply into the country that The Shinbundang Line (Gangnam~Jeongja) has been opened revenue service and operate successfully. Apply moving block system, there is no driver that remote control the train speed and location by radio communication. Also adopt drive less method of control doors open/close and acceleration/deceleration for emphasize the stability and accuracy system that Railway has a lots of interest in this system. In this paper introduces the RF-CBTC of Shinbundang Line driver less system overview, interface between each equipment and compare pros and cons of RF-CBTC with fixed block system. Also, adduce algorithm of test and trial run for normal functional realization to illuminating and adduce improvement to helps stable settlement of RF-CBTC into the country. Keywords : RF-CBTC, Shinbundang line, DX Line, Manless System 초록 RF-CBTC 시스템의이론적개념을국내에도입하고적용하여중량전철로는국내최초로신분당선 ( 강남 ~ 정자구간 ) 이성공적인개통을하고정상적인운행을하고있다. 이동폐색방식을적용하여기관사가탑승하지않고, 열차간무선통신을통해열차의속도, 운행위치등을원격으로제어하고, 열차의출입문개폐와가 감속을제어하는무인운전방식을채택함으로써안전성과정확성을강조한시스템으로철도분야에서는많은관심을갖고있다. 본논문에서는신분당선무인운전시스템구현을위한 RF-CBTC 시스템의전반적인흐름과각장비간의인터페이스를소개하고, RF-CBTC 시스템의장 단점을기존고정폐색시스템과비교분석하였다. 또한정상적인기능구현을위한시험및시운전의알고리즘을제시하여무인운전시스템의이해를돕고, 개선방안을제시함으로써국내 RF-CBTC 시스템의안정적인정착에도움이되고자한다. 주요어 : RF-CBTC, 신분당선, DX Line, 무인운전시스템 1. 서론신분당선강남 ~ 정자구간이무인운전을컨셉으로중량전철로는국내최초로개통하여정상운행을함에따라철도분야에서는 RF-CBTC 에대한높은관심을갖고있다. 지상과차량간연속적인양방향무선통신으로열차의위치를검지하고, 실시간으로열차간격을연산하여진로를제어하는방식이다. 교신저자 : 네오트랜스주식회사신호팀 (suho.lee@doosan.com) * 네오트랜스주식회사

현재 RF-CBTC System 은궤도회로를이용한고정폐색시스템 (FBS) 방식보다개량된양방향통신을이용한이동폐색방식을적용시켜운전시격단축으로인한높은선로이용률, 차상과지상장비간양방향통신에의한유연한열차운영, 지상설비의고밀도화로인한유지보수비용절감등을가능하게한첨단신호시스템이다.

2 현재 RF-CBTC System 은궤도회로를이용한고정폐색시스템 (FBS) 방식보다개량된양방향통신을이용한이동폐색방식을적용시켜운전시격단축으로인한높은선로이용률, 차상과지상장비간양방향통신에의한유연한열차운영, 지상설비의고밀도화로인한유지보수비용절감등을가능하게한첨단신호시스템이다. 이동폐색시스템은크게열차자동방호장치 (ATP), 열차자동운전장치 (ATO), 열차자동운행감시장치 (ATS) 로구성되어있다. ATO(Automatic Train Operation) 는속도조절, 사전설정된프로그램에의한정확한정차, 열차출입문통제및성능레벨규제등 Non Vital 기능들을수행한다. ATS(Automatic Train Supervision) 는시스템상태를감시하며, 열차운용지시를위한제어기능을제공하고, 트래픽흐름을유지하며, 열차지연으로인한영향을최소화하고, 중앙집중전송인터페이스를제공한다. ATP (Automatic Train Protection) 는열차의안전한보호및운용을책임진다. 본논문에서는 RF-CBTC 를기반으로한무인운전중량전철의시험및시운전의알고리즘을제안하고, 신분당선강남 ~ 정자구간무인운전의기능구현을위한현장설비, 소프트웨어, 장비간인터페이스등많은시험및시운전의이해를돕고, 개선방안을제시하여국내 RF- CBTC 시스템의안정적인정착에도움이되고자한다. 2. RF CBTC 시스템신분당선강남 ~ 정자구간 RF-CBTC(Radio Frequency Communication Base Train Control) 는그림 1과같이차상안테나와지상안테나간에는무선으로정보를송 수신하고이정보는신호설비들을통해서종합관제센터에현시한다. 반대로종합관제센터의제어명령은신호설비들을통하여지상안테나를통하여차상장치에전달된다. Fig. 1 시스템계통도 2.1 지상설비 VCC(Vehicle Control Center) 중앙제어장치중앙제어장치 VCC는현장설비들과연결되어안전과관련된운영을담당하는주요제어장치로 CBTC(Communication Base Train Control) 시스템을이용하여안전한열차운행이가능하도록

3 운행중인모든열차및지상설비들과제어구간내에있는모든열차와실시간양방향통신을한다. VCC는이동폐색시스템에서진로연동, 열차간안전한이격과열차자동운행이확실하게이루어질수있도록하는역활을하며, 열차제어시스템의 ATP 및 ATO 기능을제공한다. VCC는폐쇄된궤도나장애발생선로전환기와같은장애물및최종위치확인된선행열차의후미에서부터안전제동거리를확인하여열차간최소안전거리를유지하도록한다 STC(Station Controller) 역제어장치연동역에설치되는연동장치로써선로변의 ATP/ATO 기능을수행하기위해 VCC와연계하여작동한다. STC는신호기, 선로전환기, 열차출입문및승강장스크린도어를제어하고, 역사제어장치인 LMC와인터페이스를제공한다 PDIU(Platform Door Interface Unit) 승강장스크린도어인터페이스장치비연동역에설치되는 PDIU는 ATS, VCC 및차상제어장치등을통해승강장출입문제어장치 (PSD) 를감시및제어하고, PSD로부터수신한 PSD상태정보를차상장치 (VOBC) 와 VCC로전송한다 ACE(Axel Counter Evaluation) 지정된블록내에열차가점유하고있는지의여부를감시하는장비로서현장설비인 EAK 전자장비로부터블록내의진입또는진출하는차축수의정보를받아열차점유상태를검지한다 DCS(Data Communication System) 데이터통신시스템각역의신호기계실에설치되는 DCS는 VCC 및 STC로부터수신받은열차제어정보를지상무선장치함으로인터페이스해주는역할을한다. DCS는보안장치 SD(Security Device) 를이용하여인증암호화를적용후모든송 수신되는메세지에보안기능을제공하며, 무선통신의완벽한보안을위하여내 외부네트워크간에는물리적보안장치 (SD) 를설치하고소프트웨어적으로도보안기능을추가하여완벽한무선네트워크보안을구축한다. 2.2 현장설비 신호기신호기는분기부의안전한열차운행의가부를지시하기위하여설치되는설비이며, 열차이동권한에따라정지및진행을표시한다 선로전환기하나의선로에서다른선로로분기하기위하여분기기점에설치된궤도설비의방향을전환

4 시키는장치이다 [1] Axel Counter 차축검지기차축검지기는분기부의안전을확보하기위해설치한시설물이며, 열차가그림 2와같이진행방향으로 1번차축검지기를통해서진입하면, EAK를통해서열차차축의정보를수신한 ACE는열차의진입여부를인식하고, 2번차축검지기를통과하여진출하면 ACE는진입한열차의차축을인식하고있는수와진출하는차축의수를연산한다 [2]. 위와같이동작원리는진입한차축의수와진출한차축의수가동일하면이상없음을판단하여미점유상태를현시하고, 동일하지않으면열차가블록내에점유또는이상이있다고판단하여이상정보를종합관제센터에현시한다. Fig. 2 Axel Counter 계통도및동작원리 트랜스폰더태그트랜스폰더태그는차상장치인 VOBC가열차의이동거리에대한위치판단을위해사용되는절대기준정보이며, 트랜스폰더태그는 25m간격으로설치되어각각고유의 ID를가지고있으며, 위치정보를열차에제공해줌으로써열차의위치를파악하게한다 CBTC AP 선로변에설치되는지상무선통신장치는차량에설치되는차상무선통신장치간의연속적인무선데이터통신을제공하는통신설비로열차이동과감시및제어를위한핵심설비이다. 2.3 관제설비 ATS(Automatic Train Supervision Center) 자동열차감시장치 ATS시스템은신호설비인 VCC, 차상제어장치 (VOBC) 등과인터페이스하여열차제어시스템의전반적인관리기능을하여열차의자동제어와감시기능을제공한다. 데이터통신장치와

신호기계실간통신은 2중계로구성된광케이블을이용하며, 운영관제센터내부인터페이스는 100Mbps이상의 LAN 및데이터통신체제가구축되어있다. ATS의주기능은실시간열차위치, 상태그리고현장설비상태를관제사에게알려주는것이다. 2.3.

5 신호기계실간통신은 2중계로구성된광케이블을이용하며, 운영관제센터내부인터페이스는 100Mbps이상의 LAN 및데이터통신체제가구축되어있다. ATS의주기능은실시간열차위치, 상태그리고현장설비상태를관제사에게알려주는것이다 TCMS Console 열차제어시스템의원격차량제어및상태표시장치로종합관제센터에설치되어본선운행중인차량들의주요운행상태및고장정보를표시하고, 차량의일부기능들을원격으로제어한다. 차량운행장애에대한응급조치를할수있도록종합관제센터에서차량 TCMS로일부제어정보를전송함으로써효과적인무인운전시스템을구현한다 차내화상정보전송장치차내화상정보전송장치는차상화상설비, 지상화상설비, 관제화상설비로구성되며, 그림 3과같이열차내부에 CCTV가설치되어객실의상황이담긴정보를실시간으로무선통신을통해종합관제센터에전달하여관제사및안전요원이신속한대처를할수있도록한다 [3]. Fig. 3 차내화상정보전송장치계통도 VOBC(Vehicle On-Board Controller) 차상신호장치차상제어장치는지상 ATP/ATO 기능을담당하는 VCC와연속적으로통신하고, ATP감시하에역행, 제동및열차 / 승강장출입문제어를담당한다. 하나의열차에 2중계의 VOBC를탑재하고, 만약 Active 상태인 VOBC가지상 VCC와이두절되면 Standby 모드로대기하고있는 VOBC로절체되어열차운행이가능하다. 3. 무인운전시스템기능구현을위한시험및시운전 RF-CBTC의시험및시운전은크게 2가지로나누며, 현장및기계실에설치된지상장치와차량내부에설치된차상장치에대한개별시험에서부터종합시험까지진행되며, 그림 4와같이단계별로시험및시운전을위한알고리즘을제안하고, 절차에맞게시험및시운전을시

6 행한다. 각장치의개별시험이완료되면장차간의인터페이스를통하여지상장치와차상장치가연계된종합시험이진행된다. 신분당선강남 ~ 정자구간의시운전은 1단계판교 ~ 정자구간시운전을시행후, 2단계강남 ~ 판교구간을시행하였으며, 구간시운전을마친후에전구간에대한기술시운전과종합시운전을시행하였다. Fig. 4 시험및시운전알고리즘 3.1 PICO(Post Installation Check Out Test) 현장설치시험지상장치의동작상태를확인하기위한기본시험인랙부품설치및결선, 취부상태, 절연시험, 전원인가시험이있다. 이시험을통해설치상태가적절하게이루어졌는지를확인할수있다. 차상장치는 Static( 정적 ) 시험과 Dynamic( 동적 ) 시험으로나뉘고, 정적시험은차상장치를설치하고기본적인케이블결선상태에대한확인시험이고, 동적시험은차량을운행하면서통신상태, 거리측정, 열차이동방향검증, 속도측정등에대한동작상태기능을검증하는시험이다. 또한, 시험후나타난문제점을해결하기위한 Trouble Shooting은모든단계에서거치는시험이며, 문제없이통과하면오류시험은진행하지않아도된다. 3.2 Guideway Correspondance Test 선로변설비현장일치시험 PICO시험기간에는열차를이용한시험은없으나, Guideway 시험부터모든시험항목은열차를이용한시험들이며, 이시험이진행되기위해서는타분야의궤도, 전차선등선행공정이반드시완료되고시험열차가운행할수있는조건이만족되어야정확한시험이진행될수있다. 열차를이용한선로변현장설비에대한위치검증시험은현장에설치된시설물은설치전설계도면을바탕으로현장설비를설치하고, 그설치도면과선로변설비인선로전환기, 신호기, 차축검지기, 사구간위치, 분기부차량접촉한계등에대해실제열차를이동시켰을때시설물의실제위치가 VCC가갖고있는 Guideway data와일치하는지에대한검증시험을한다. 만

7 약시험시불일치가발생하면실제시설물을이설하거나, Guideway data를수정하는방법으로조치한다. 하지만, Data를수정하면전체 Data에대한수정도같이이루어져야하기때문에많은시간이소요되고, 시설물을이설하게되면이설비용이발생하게되므로상황에맞는적절한방법을선택하는것이좋다. 3.3 SAT(Site Acceptance Tset) 현장인수시험 SAT시험은전체시스템에서개별장치에전원을인가하여장치의기능및정상동작을확인하고, 실제제어명령을통해출력이정상임을확인하고, 정확한제어가되는지확인하는시험이다. 아래의표 1에서는 SAT 시험항목을나타낸것으로시험전장비별로시험항목을선정하고시험을시행한다. Table 1 SAT 시험항목 신호설비시험내용시험항목수 STC DCS VCC ATS 차상장치 각종제어명령, 주변장치와의 Interface 시험으로기능확인 무선설비간보안성을강화시킨 Security Device( 보안장치 ), Hand off 시험으로네트워크의정확성및이중화검증 열차이동권한에대한전반적인시험, S/W 를단계적으로적용및설치하고, 열차제어에관련된명령어를검증 스케줄에의한열차운행, 종합관제센터의열차운행에관한선로전환기및열차제어, 진로설정시험 비상제동, 출입문제어및열차운행모드에대한동작검증시험 20 개 12 개 107 개 40 개 32 개 3.4 기술시운전영업운행차량성능검사증교부이후에선로에차량을투입하여무인시스템의성능및안전을확인하기위하여차량성능및무인운전관련시험을시행하는시운전이다. 3.5 영업시운전영업운영편성기준, 영업운행노선, 영업운행속도, 영업운전시격, 운영관련제도및절차등의영업환경하에서시행하는시운전으로열차운행시스템의안정, 열차운행종사자의업무숙달과제도및절차의보완을위하여실제영업운행과동일한조건에서 60일이상실시하는시운전이다. 3.6 S/W Build 관리신분당선강남 ~ 정자구간은시험및시운전을마친후에도 S/W Build를표 2와같이관리하여운행중에발생되는버그나오류사항에대하여도보완하여관리한다. Table 2 S/W Build Upgrade 내용 Build Ver. Upgrade 내용 VCC STC VOBC Build 1~3 기본기능구현선로전환기동작및 PSD 연동열차와인터페이스구현

Build 4~7 Build 8~9 Build 10~11 종합관제센터와인터페이스구현 무인운전시스템구현 ( 스케줄에의한자동열차 ) 정위치정차및정밀도수정 2 중계구현 2 중계및 Tag 와의통신구현 통신채널라인 2 중화구현 장애발생시즉각적인조치를위한 PSD 와의연동기능조건보완 기능미비사항보완 정위치정차및정밀도수정 4.

8 Build 4~7 Build 8~9 Build 10~11 종합관제센터와인터페이스구현 무인운전시스템구현 ( 스케줄에의한자동열차 ) 정위치정차및정밀도수정 2 중계구현 2 중계및 Tag 와의통신구현 통신채널라인 2 중화구현 장애발생시즉각적인조치를위한 PSD 와의연동기능조건보완 기능미비사항보완 정위치정차및정밀도수정 4. 무선통신의방법 실시간양방향통신의이동폐색시스템을적용한 RF-CBTC 시스템은종합관제센터와신호기계실간의광백본망을통해연결되고, 선로변무선통신장치는차상무선통신장치와 2.4GHz대역의무선통신을이용하여열차와양방향인터페이스를한다. Fig. 5 열차의무선통신그림 5와같이열차는운행중에지상안테나에서송출되는신호의세기가센신호를열차의차상안테나가통신을잡고송, 수신을하다가인근지상안테나의주파수도동시에 scan을한다. 송 수신을하는주파수통신의가장좋은값이 scan되면기존에잡고있던주파수를버리고 Hand off를시행하여열차가진행한다 [3]. 5. 열차의위치검지열차의위치검지시스템은열차의가속력 (Acceleration) 과차축에설치된타코미터가계산하는차바퀴회전수를기본으로하고, 궤도를따라설치된태그로부터위치정보를수신하여주기적으로갱신한다. 특정 ID를갖는트랜스폰더태그는 25m마다선로변에설치되어열차의절대위치정보를제공하고, 차상제어장치는수신한태그 ID와타코미터에서계산된이동거리를비교하여 6.25m마다열차의현재위치를확인하여 Display한다. 6. 시스템인터페이스 6.1 분당선연계운전신분당선강남 ~ 정자구간에서는차량유지보수를위해한국철도공사분당차량기지를이용한다. 분당선차량기지를이용하기위해서는신분당선정자역과분당선미금역사이에설치되는연결구간을통해분당선으로진입하고, 분당선 ATC시스템과인터페이스를구축하여연계운전이가능하도록한다.

9 Fig. 6 연결선구간개용도및동작원리 분당차량기지입고시그림 6과같이열차가자동 (AUTO) 모드또는수동 (ATPM) 모드로신분당선정자역에서출발하여 11R 신호기앞에정지하고, 기관사가 ATC운행모드로절체후, 분당선관제센터와무선으로협의후, 11R 신호기가진로현시되면분당선차량기지로출고한다 신분당선으로출고시그림 6과같이차량기지를 ATC모드로출발한열차가 16L 신호기진로현시에따라연결선으로진입하여 17R신호기앞에정지한다. 기관사가 CBTC구간운행모드인 AUTO모드로절체하고, 14R신호기까지진행한후, Entry Check를시행하고, 14R신호기진로현시에따라신분당선정자역으로열차가진입한다. 6.2 열차및 PSD와인터페이스승강장에정위치정차한열차의정보를차상장치가지상으로전송하고, 이에대한열림 / 닫힘정보를차량과 PSD에전달하는과정은그림 7과같다. Fig. 7 열차와 PSD 간인터페이스계통도

10 7. 결론 본논문에서는국내최초로중량전철무인운전시스템을구축한 RF-CBTC 시스템을소개하고, 무인운전시스템기능구현을위한시험및시운전에대한알고리즘을제안하여시험및시운전을계획된기간내에완료할수있었다. 무인운전시스템에서선로변시설물의설치위치는중요한데이터정보이며, 소프트웨어 Guidway( 선로변 ) 데이터정보와설치위치가상이한경우완벽한 RF-CBTC 무인운전시스템구현이어려워서시설물위치를변경또는 S/W의보완및수정이필요하다. 또한신분당선강남 ~ 정자구간에서는 S/W를 Build로관리하여단계별로오류사항에대한 Upgrade로안정적인무인운전시스템을구축하였으며, 상당기간정위치정차관련 ASC(Auto Speed Control) 시험을시행하여정위치정차의기준을충족시켰고, 무인운전기능구현이가능할수있었다. 향후에는무인운전기능구현과이동폐색에대한기준이필요하고, 많은연구가필요하며, RF-CBTC 시스템을포함하여이동폐색에관한규정및체제개선에도움이되기를바란다. 참고문헌 [1] Kim Young Tae(2003) Railroad Signalling Control System, Tech Media, pp. 70 [2] FAHEEM AHMED(2009) System Disign Description,Thales Canada System disign team. [3] Lee Su Ho(2012) A Study on the Optimization of the Video Information Transmossion System in Subway Environments using Wireless Local Area network, Marster's Degree Thesis, Seoul National University of Science and Technology

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Microsoft Word - KSR2016A108 2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A108 한국형무선통신기반열차제어시스템인터페이스구성연구 A Study on the interface for Korean Radio-based Train Control System 박주훈 *, 홍상아 *, 장선영 *, 김희식 ** Ju Hun Park *, Sang-A Hong *, Sun Young Jang