2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A248 도시철도에서사물인터넷 (IoT) 의활용에관한연구 A Study on the Applications of Internet of Things (IoT) in Urban Railways 허성태 *, 최승호 * Seong Tae Heo *, Seung Ho Choi * Abstract Internet of Things (IoT) is the network of physical objects or things, which consists of the three elements of sensing, networking, and information processing. Also, the IoT can be considered as an extended concept of the intelligent communication over the Internet (M2M, Machine To Machine). In urban railways, as the early stage IoT services, the real-time monitoring system based on ubiquitous sensor network (USN) such as RF transportation card system and door control system have been applied to the various fields prior to the generalization of the term IoT. In this paper, we examine the IoT services applied to Seoul Metropolitan Rapid Transit Corporation and suggest improvement points. Keywords : IoT, M2M, USN, real-time monitoring system 초록사물인터넷 (IoT) 이란사물간의네트워크로서센싱, 네트워킹, 정보처리등의세가지요소로구성된다. 또한 IoT 는인터넷에서의사물간지능통신 (M2M,Machine To Machine) 의확장된개념이라고할수있다. 도시철도에서는 IoT 라는용어가일반화되기이전부터초기단계의 IoT 서비스로서 RF 교통카드시스템과출입문통제시스템등과같은 USN (Ubiquitous Sensor Network) 에기반한실시간모니터링시스템이다양한분야에서활용되고있다. 본논문에서는서울도시철도공사에적용된 IoT 서비스에대해살펴보고개선점을제시한다. 주요어 : 사물인터넷 (IoT), M2M, USN, 실시간모니터링시스템 1. 서론최근 IoT 기술의급속한발전은지하철운영에도많은변화를가져오고있다. 서울도시철도에서운영중인실시간모니터링시스템은 IP카메라와온도 / 소음 / 전압 / 전류 / 변위센서등전통적인센싱기술을통신, 빅데이터와결합시킨지하철운영에서의대표적인 IoT 적용사례라할수있다. 설비동작상태를실시간으로모니터링하고수집된데이터를데이터베이스에저장 분석하여예지분석을위한통계자료로활용한다. 실시간데이터는설정된기준값과의비교분석을실시하여장애를예측하고전조증상발생시해당부서등운영자에게통보하여예방정비및신속한장애조치를실시하여안전도향상및업무효율성을증대시킨다. 본논문에서는 IoT 초기단계의서비스인 USN에기반한서울도시철도실시간모니터링시스템에대하여살펴보고개선점을제시하고자한다. 교신저자 : 서울과학기술대학교전자 IT 미디어공학과 (shchoi@seoultech.ac.kr) * 서울도시철도공사
2. 도시철도실시간모니터링시스템 (USN) 2.1 설치배경서울도시철도는 5~8 호선의 157 역 162.2 km를운행하고있다. 사업장이서울은물론경기, 인 천등수도권일부까지넓게분산되어역사및터널내시설물의유지보수에많은인력을투입 하고있다. 또한역사및터널내장애발생시인력배치장소에서고장발생장소로이동하여 조치하여야하고, 심야짧은시간 (4 시간 ) 안에터널내설비의보수를마쳐야되기때문에이 에대한대책이필요하게되었다. 우리공사에서는역사및터널의최적화된설비운영및장애 예방을위하여 24 시간상시감시, 분석할수있는실시간모니터링시스템을전기, 기계, 신호, 통신, 궤도분야에설치하여예지분석및데이터에의한과학적점검을실시하게되었다. 2.2 시스템구성 5~8호선전역사주요기능실및 7호선청담대교구간에 Fig 1. 및 Table 1과같이데이터수집장치및소음 온도 전류 전압 변위센서와카메라를설치하였다. 본사감시센터에는전송된데이터를저장하기위한데이터베이스를설치하였으며, 분야별감시를위한 PC를설치하여센서데이터및카메라영상을실시간으로모니터링할수있도록하였다. Fig 1. 시스템계통도 Table 1 기능실별설치현황 구분 계 역사본선전기실변전실신호기계실통신기계실환기실배수펌프실청담대교 본사 데이터수집장치 809 158 52 81 153 327 32 6 IP 카메라 86 2 52 32 온도센서 811 158 52 81 153 327 32 8 소음센서 809 158 52 81 153 327 32 6 전류센서 782 666 116 전압센서 58 58 변위센서 30 30 감시장비 1 1
2.2.1 데이터수집장치분야별기능실에설치되는센싱데이터를수집하고전송하기위하여설치되는장치로 데이터수집과전송모뎀으로구성된장치이다. 온도센서, 소음센서가내장되었으며 2 가닥의 전화선, 인터폰선, 기존통신선을이용하여이더넷데이터와일반전화신호를동시에전송 하는장치이다. 2.2.2 IP카메라전기 변전실및배수펌프실에기능실상황을실시간감시하기위하여 IP 네트워크카메라를설치하였으며, 데이터수집장치를설치하여고속의카메라영상전송이가능토록하였다. 고성능의상 / 하, 좌 / 우 360도회전하는카메라를설치하여 Fig 2. 와같이램프상태및계기의숫자까지읽을수있도록하였다. (a) 전기실 ( 정류기용차단기반 ) (b) 배수펌프실 (MCC반) Fig 2. 카메라영상 2.2.3 온도센서전기능실데이터수집장치에내장형으로설치되어있는온도센서는기능실온도를측정하여서버에전송한다. 급격한온도변화및설정값이외의온도검출시실시간그래프에경보표시등변화추이를표시하며, 데이터베이스에누적된데이터를비교, 분석하여온도변화에대한적절한현장점검을지시한다. Table 2는상, 하한단계별경보설정값및데이터저장간격을, Fig 3. 은온도변화추이분석을통해역사환기가동그래프를보여주고있다. Table 2 온도경보관리기준 기능실명 센서명경보지연시간 전기실 온도 60 60-5 0 5 35 40 45 변전실 온도 60 60-5 0 5 35 40 45 신호기계실 온도 120 60-30 -25-20 29 35 39 통신기계실 온도 900 60-10 -9-8 33 37 40 환기실 온도 60 60-100 -90-80 30 20000 21000 배수펌프실 온도 60 60-100 -90-80 50 20000 21000
Fig 3. 온도그래프 2.2.4 소음센서각기능실에설치되어있는소음센서는데이터수집장치에내장형으로소음을측정하여서버에전송한다. DB서버에누적된소음데이터는주파수분석을통하여장애전조증상을예측하여장애예방을위한데이터로활용한다. 소음그래프이상신호발생시경보를울리며, 감시자가현장소음을청취하여상황파악및적절한현장점검을지시한다. Table 3은상, 하한단계별경보설정값을 Fig 4. 는실시간소음및통계분석그래프를보여주고있다. Table 3 소음경보관리기준 기능실명센서명경보지연시간 전기실 소음 120 10-10 -9-8 80 90 100 변전실 소음 120 10-10 -9-8 91 101 111 신호기계실 소음 120 10-10 -9-8 60 85 90 통신기계실 소음 60 10-10 -9-8 92 96 100 환기실 소음 0 10-10 -9-8 70 20000 21000 배수펌프실 소음 60 10-10 -9-8 117.57 20000 21000 Fig 4. 소음그래프 2.2.5 전류센서기계분야환기실및배수펌프실 MCC반에설치한전류센서는 AC교류용과전류보호계전기로서 CT 및개폐기와연동하여모터를보호하는기능을하며, 변류기에서과전류 Peak치를검출한다음전자회로의작동에의해내장된직류 RELAY를작동시킨다. 전류센서출력접점을
이용한현장시퀀스에본선환기또는배수펌프동력을자동차단하고, 부하전류특성검지, 3Φ유도전동기코일소손장애를예방한다. 전류경보관리기준은역사별급, 배기및펌프용량에따라다르게설정되며 Table 4는 5호선화곡역터널내배기실의각상 (R,S,T) 별상, 하한단계별전류경보설정값을 Fig 5. 는 MCC반에설치된전류센서를보여주고있다. Table 4 전류경보관리기준 역사기능실명센서명 경보지연시간 화곡 시본배기실 R 상전류 60 10-10 -9-8 66.53 20000 21000 화곡 시본배기실 S 상전류 60 10-10 -9-8 68.9 20000 21000 화곡 시본배기실 T 상전류 60 10-10 -9-8 67.58 20000 21000 화곡 시본배기실영상전류 60 10-10 -9-8 0.02 20000 21000 화곡 시본배기실평균전류 60 10-10 -9-8 69.43 20000 21000 Fig 5. 전류센서 2.2.6 전압센서분기구간열차유무상태검지를위해설치된 PF(Power Frequence) 궤도회로는경보회로가구성되어있지않아장애사전인지에어려움이있었다. 신호기계실에전압센서를설치하여 PF 궤도회로의수신전압을상시체크, 이상전압수신시사전예방점검을실시하고, 고장발생시신속한인지를통한관련부서통보및신속한조치가가능하게되었다. PF 궤도회로장애발생시에는열차신호및속도코드현시가불가하고선로전환기의전환이불가하다. 전압경보관리기준은분기부별로하한단계별설정값이다르게설정되며 Table 5 는 8 호선모란역분기부의상, 하한단계별전압설정값을 Fig 6. 은신호기계실에설치된전압센서를 Fig 7. 은 PF 궤도회를보여주고있다. Table 5 전압경보관리기준 역사기능실명센서명위치 경보지연시간 모란신호기계실전압 104 120 5 1.6 3.2 4.8 20 25 30 모란신호기계실전압 105 120 5 1.6 3.5 5.3 20 25 30
Fig 6. 전압센서 Fig 7. PF궤도회로 2.2.7 변위센서한강을횡단하는청담대교는급격한온도변화에노출되어있으며, 궤도신축에의한열차탈선시대형사고가우려된다. 청담대교에설치된변위센서는레일및거더신축이음매모니터링시스템으로서개소별신축이음매에대한시간대별실시간측정값을표시하여측정값추이, 스트로크와온도의상관관계를분석한다. 레일신축이음매스트로크와교량거더의이동량을비교하여레일과교량의움직임을상호연관성분석으로장애원인을파악하고장애발생에신속히대처할수있다. Table 6에서와같이데이터는상, 하한단계별경보설정값초과시 1시간간격으로서버에저장하며, 설치위치는 Fig 8. 과같이레일부는신축이음매장치궤간외측에, 거더부는 Fig 9. 와같이도상상면및교량상면에부착하였다 Table 6 변위경보관리기준 역사명센서명위치 경보지연시간 청담대교 변위 21K992 상좌 (S11) 60 3600-60 -59.9-54.9 54.9 59.9 60 청담대교 변위 21K992 상우 (S12) 60 3600-60 -59.9-54.9 54.9 59.9 60 청담대교 변위 21K992 하좌 (S23) 60 3600-60 -59.9-54.9 54.9 59.9 60 청담대교 변위 21K992 하우 (S24) 60 3600-60 -59.9-54.9 54.9 59.9 60 Fig 8 설치위치 ( 레일부 ) Fig 9 설치위치 ( 거더부 )
2.3 시스템운영 Fig. 10은실시간모니터링시스템의실제운영화면이며, 기능실의측정온도및소음을실시간으로보여주며, 특정시간동안의온도, 소음그래프및전조증상유무를나타내고있는화면이다. Fig 10. 기능실온도 / 소음실시간모니터링 Fig. 11 은 5 호선신정역의환기설비운용상황을실시간으로보여주는화면으로설치위치는 물론가동상태, 센서에대한이상유무를입체적으로보여주고있다. Fig 11. 역사환기설비실시간모니터링 Fig. 12 는통계자료로센서별로경보발생건수를나타내는화면으로모든센서는고유 번호를부여하여관리하고있으며, 이는예지분석을위한자료로활용하고있다. Fig 12. USN 센서경보분석
2.4 고찰현재운용중인시스템은스마트폰과같은모바일기기에서의접근을허용하지않고있다. 모니터링장치가설치되어있는사무실에서설비운영자에의한감시및경보에대한사후조치, 통계분석, 장애전조증상분석등의업무가이루어지고있다. 서론에서도언급했듯이 IoT 초기단계의서비스를제공하고있는것이다. 서비스를고도화하고활용도를높이기위해서는운영자의개입을최소화하고이동환경에서도시스템접근이용이해야한다. 언제, 어디서나, 이동중에도직원이개인스마트폰등모바일기기를통해서알람경보발생시시스템에서자동으로전송된해당정보를확인하고모니터링할수있어야하며, 필요시원격제어도가능하도록시스템보완이필요하다. 제 3 장결론 본논문에서는 5~ 호선역사및터널내시설물의효율적인유지관리를위하여서울도시철도에서설치 운영중인실시간모니터링시스템 (USN) 을통해서센싱기술, 통신, 빅데이터가결합된 IoT 기술이지하철운영에도활용되고있음을확인하였다. 물론아직까지는온도, 소음, 전압, 전류등전통적인센싱기술에운영자의간섭요인이많이남아있으나급속도로발전하는 IoT기술과모바일기기등을적극활용한다면물품관리, 설비이력관리등시설물관리는물론열차운행관리, 직원건강 (Health) 관리등지하철운영전반에광범위하게 IoT기술이적용될것으로기대한다. 참고문헌 [1] 이은혜 (2013) 클라우드와빅데이터를이용한헬스케어서비스플랫폼디자인, 석사학위, 홍익대학교 [2] 허진 (2014) 사물인터넷 (IoT) 융합비즈니스촉진전략에대한연구, 석사학위, 한성대학교 [3] 윤재관 (2011) 도시철도실시간모니터링시스템적용사례, 한국철도학회학술대회발표논문집, 737~747페이지 [4] 서울도시철도공사 (2010) 실시간모니터링시스템기술세미나