2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S087 ETCS-L2 차상속도감시시스템설계에대한연구 A Study on design of onboard speed supervising at ETCS-L2 system 전재훈 *, 정경장 *, 강덕원 *, 이종성 * JaeHun Jeon *, Gyung-Jang Jung *, Deok-Won Kang *, Jong-Seong Lee * Abstract Domestic train signaling system on main-line railway has adopted the ATP(ETCS Level 1) system from early 2000 and it has been operated until now. In cased of foreign railway, Already the ETCS Level 2 signaling system that has continuous control method is spreading to service in business railway. So, For technology domestication and foreign export, The developing project on core technology of train signaling system for next generation high speed rail(etcs-l2) is proceeding. This paper is described the study on design of optimized onboard speed supervising for continuous train control. And, This paper consider the ETCS development trend. Keywords : ETCS, Level 2, High Speed Rail, Next Generation, Core Technology 초록국내간선철도신호시스템은 2000 년초부터 ATP(ETCS Level 1) 시스템을도입하여영업운행중이다. 외국의경우이미무선통신을이용한열차를연속제어하는 ETCS Level 2 신호시스템적용및영업운행이확산되고있는추세이며국내에서도향후 Level 2 적용및국산화를위한 ETCS-L2 핵심기술개발을진행하고있다. 본논문에서는연속제어를위해최적화된차상속도감시시스템설계방안에대한연구를기술하고 ETCS 발전방향에대해고찰해본다. 주요어 : ETCS, Level 2, 고속철도, 차세대, 핵심기술 1. 서론 ETCS(European Train Control System) 차상신호시스템은간선, 고속형열차제어를위해운영되는국가에모두호환성을가질수있도록제정된표준화시스템이다. ETCS 시스템은간선형의일반, 화물열차와고속열차에공통적으로적용되며각열차별특성 ( 제동및중량 ) 이고려된ATP(Automatic Train Protection) 속도감시시스템생성이중요하다. 본논문에서는 ETCS ATP 시스템의열차종류별표준화된차상속도프로파일과속도감시시스템설계에대한연구를기술하였다. 교신저자 : 현대로템기술연구소신호팀 (jeonjaehun@hyundai-rotem.co.kr) * 현대로템기술연구소신호팀
2. ETCS-L2 시스템 2.1 시스템개요 ETCS LEVEL 2방식은궤도회로의열차검지시스템에의해안전거리를유동적으로산정하는방식이다. 이방식은열차와지상신호시스템의연속적인통신이이루어져야만가능하다. 차상과지상간의양방향무선통신으로운영되며지상으로부터제한속도 (Speed Limit) 가포함된이동권한정보를수신하여차상에서생성한동적속도프로파일에따라자동으로제어된다. 열차제어시스템은승객의안전을보장하는시스템이어야한다. 그리고, 영업운행을위해서 ETCS 신호시스템은안전하게운행되어야한다. 본발명에서고안한 ETCS 신호시스템의 ATP 속도프로파일시스템의기능구성은다음과같다. 첫째, RBC(Radio Block Center) 지상시스템으로부터제한속도값과이동권한을연속적으로수신한다. 둘째, 차상의 SDU(Speed Distance Unit) 장치로부터열차현재속도와열차위치정보를수신한다. 셋째, 속도제한값을세분화하여 MMI(Man Machine Interface) 에현시하고 ATP 방호한다. FFFIS JRU Downloading Tool ERTMS On-Board SDU FFFIS Radio JRU FIS TIU ATP MMI BTM Euro Balise FIS: Functional Interface Specification FFFIS FFFIS FFFIS: Form Fit Functional Interface Specification Control Centre IXL RBC ERTMS Trackside LEU 차상약어 TIU : Train Interface Unit MMI : Man Machine Interface JRU : Juridical Recoding Unit BTM : Balise Transmission Unit SDU : Speed Distance Unit 지상약어 RBC : Radio Block Center LEU : Man Machine Interface JRU : Juridical Recoding Unit BTM : Balise Transmission Unit LEU : Lineside Electronic Unit FIS GSM-R Fig. 1 ETCS-L2 속도감시시스템구성도 3. 차상속도감시시스템개요 3.1 ATP 속도감시시스템생성절차 ATP 속도프로파일은열차가변요소입력부와연산을위한프로파일생성부로구성된다. 열차입력부는제동장치기동시간과프로파일생성부의입력인자에반영된다. 프로파일생성부의계산절차는 Brake Model 을통해감속커브가생성되고, MRSP 를기준으로각속도제한값이정해진다. 속도감시는열차의현재속도가각
허용치를초과할경우 I/O 를통해제동명령이체결되고기관사가현시할수있도록상태정보가 MMI 에현시된다. MMI 열차입력데이타 정적속도프로파일입력 MRSP 결정 ( 구간별최소값 ) 동적속도프로파일계산 속도감시 ( 열차속도와제한속도비교 ) 제동체결 ( 상용제동, 비상제동 ) Fig. 2 ATP 속도프로파일생성절차 4. 차상속도감시시스템구성 4.1 ATP 속도프로파일구성도속도프로파일전체구성도와설명은다음과같다. - 선로제한속도는입력된열차종류에따른정보를선택한다. - MRSP 는열차위치에따른해당구간의선로제한속도, 임시제한속도와열차최대속도, 축하중제한속도, ETCS 모드제한속도중에가장최소값을계산하여결정된다. - MRSP 는열차길이정보를반영한다. 열차종류 ( 일반열차, 고속열차 ) 열차길이 열차입력부 열차축하중 ETCS 모드제한속도값 열차최대속도 Brake Model 비상제동감속도 속도제한값비상제동제한값 상용제동감속도 상용제동제한값 타코메타 열차위치 / 속도 MRSP 구간 속도 경고제한값 MRSP 제한값허용제한값열차속도 > 속도제한값 열차제동체결명령 열차 I/O 지상장치 선로제한속도고속열차일반열차프로파일생성부 MRSP 입력요소임시제한속도선로제한속도열차최대속도축하중제한속도모드제한속도 감시명령 ( 열차 I/O) 비상제동상용제동추진장치 OFF 감시명령 (DMI) 정상상태허용초과상태경고상태제동체결상태 MMI 에상태명령전송 MMI Fig. 3 ATP 속도프로파일구성도
4.2 열차입력부구성열차입력부의구성은다음과같다. - 열차종류일반열차또는고속열차입력을한다. 각열차종류에따른선로제한속도를결정한다. - 열차길이열차길이는 MRSP 가결정된후 MRSP 제한속도값이높은값으로천이되는구간에대해열차후두부가증가지점에완전히진입하기전까지열차속도가제한속도를초과하지않도록 MRSP 의속도변곡점을열차진행방향으로열차길이만큼이동하는변수로사용된다. - 열차최대속도열차최대속도를입력한다. MRSP 값계산에반영된다.. - 열차축하중열차축하중은각구간별축하중제한속도를결정한다. - ETCS 모드제한속도값 ETCS 모드에대해정해진최대제한속도값을결정한다. 입력값에따라재설정되며기본값은아래표로나타내었다. 모드제한속도값 Shunting mode (permitted) speed limit Table 1 ETCS 모드제한속도값 Staff Responsible mode (permitted) speed limit On Sight mode (permitted) speed limit Unfitted mode (permitted) speed limit 30km/h 40km/h 30km/h 100km/h 기본값 5. 차상속도프로파일동작 5.1 ATP 속도프로파일결정알고리즘속도프로파일결정알고리즘은다음과같다. - 속도제한값은 MRSP 값을기준으로각속도제한값의설정치를더하여설정한다. - 감시명령은열차주행중동작하는 ATP 방호기능이다. 열차속도와각제한속도를비교하여초과시그에따른상태를설정하고열차 I/O 를 ON, OFF 시켜제동을체결한다.
속도감시시스템 MRSP 생성알고리즘 인프라제한속도 ( 열차종류 [ 고속, 일반 ]) 열차속도 > MRSP 속도감시알고리즘 최소값 임시제한속도 열차최대속도 MRSP 정보 추진장치 OFF 축하중제한속도 ETCS 모드제한속도 열차속도 > MRSP + 상용제동임계치 상용제동체결 열차길이 MRSP 정보 열차속도 > MRSP + 비상제동임계치 비상제동체결 Fig. 4 ATP 속도감시알고리즘 정상상태열차속도 <= MRSP 제한속도값 속도초과상태열차속도 > MRSP 제한속도값 경고상태열차속도 > 경고제한값 제동체결상태상용제동체결 : 열차속도 > 상용제동제한값비상제동체결 : 열차속도 > 비상제동제한값 5.2 ATP 속도감시세부알고리즘세부알고리즘은다음과같다. 1) 선로제한속도결정부일반, 고속열차에따라정해져있는선로제한속도를선택한다.
제한속도 선로제한속도 ( 고속열차 ) 선로제한속도 ( 기본 ) 선로제한속도 ( 일반열차 ) 거리 Fig. 5 선로제한속도결정 2) MRSP 결정부열차위치기준으로선로제한속도, 열차최대속도, 임시제한속도값중가장최소값으로정해진다. 축하중제한속도 제한속도 임시제한속도 ETCS 모드제한속도 열차최대속도 선로제한속도 MRSP 거리 Fig. 6 MRSP 결정 3) MRSP 에열차길이반영부열차후두부가증가지점에완전히진입하기전까지열차속도가제한속도를초과하지않도록 MRSP 의속도변곡점을열차진행방향으로열차길이만큼이동시킨값이최종 MRSP 가된다.
제한속도 MRSP 열차길이 거리 Fig. 7 MRSP 에열차길이반영 MRSP 전체구간에대해현재구간과다음구간을비교하여다음구간의제한속도값이작은경우, 현재구간에서열차후두부가통과하기까지제한속도를유지하기위해 MRSP 구간길이정보를갱신하다. 구간 MRSP( 제한속도값 ) > 다음 MRSP 구간 ( 제한속도값 ) 예 다음구간검색 열차길이반영현재구간길이 + 열차길이 -> 현재구간길이 ( 변경 ) 다음구간길이? 열차길이 -> 다음구간길이 ( 변경 ) Fig. 8 열차길이반영알고리즘 4) 제한속도구간결정부제한속도는아래의 5단계로결정된다.
속도 MRSP 제한속도 허용속도제한값 경고제한값 상용제동제한값 비상제동제한값 열차속도 거리 Fig. 9 ETCS 속도제한구간 허용속도제한값 MRSP + 허용속도임계치값 경고제한값 MRSP + 경고속도임계치값 상용제동제한값 MRSP + 상용제동임계치값 * 상용제동제한속도수식 ATP 는전방의 MRSP가더낮은속도로떨어지는구간에대하여는사전감속을위한상용제동프로파일을계산한다. - V_FSB = sqrt{2xdfsbx{d_dtgtonextlimitedspeed-(v_fsb X td)} + V_STATIC(1)+2)²} ㆍV_FSB : 상용제동제한속도ㆍD_DTGtoNextLimitedSpeed: MRSP 다음구간까지의거리ㆍDFSB : 감속도 (0.97m/s²) ㆍtd : 지연시간ㆍV_STATIC(1) : MRSP 다음구간제한속도 비상제동제한값 MRSP + 비상제동임계치값 * 비상제동제한속도수식 ATP 는전방의 MRSP가더낮은속도로떨어지는구간에대하여는사전감속을위한비상제동프로파일을계산한다. - V_EB = sqrt{2xdebx{d_dtgtonextlimitedspeed-(v_eb X td)} + (V_STATIC(1)+4)²} ㆍV_EB : 비상제동제한속도ㆍD_DTGtoNextLimitedSpeed: MRSP 다음구간까지의거리ㆍDEB : 감속도 (1.25m/s²) ㆍtd : 지연시간ㆍV_STATIC(1) : MRSP 다음구간제한속도
5) 제한속도감시부열차속도가제한속도를초과하는지감시하여 ATP 방호한다. 허용속도감시초과시허용속도초과라는메시지를 MMI 에현시하여기관사가인지하도록한다. 경고초과시추진장치가 OFF 된다. MMI 경고를통해기관사가속도를줄여서제한값내에수렴시킬수있도록한다. 상용제동속도초과시상용제동이체결된다. 체결상태로전이되며 MMI 에현시된다. 속도를줄여제한속도이내로수렴시상용제동이해제된다. 비상제동속도초과시비상제동이체결된다. 체결상태로전이되며 MMI 에현시된다. 6. 결론본논문에서는 ETCS 신호시스템방식에서 ATP 속도프로파일설계및검증절차에대한동작방식및세부기능을제시하였다. ETCS ATP 속도프로파일을구축함으로써주요장점은다음과같다. 첫째, MMI 의열차가변정보를모두만족하는표준화된 ATP 속도프로파일을설계하였다. 둘째, MRSP로부터최적화된 ATP 속도프로파일을생성하는방법론을설계하였다. ETCS 방식은비용과성능측면에서점차중요성이높아져가고있다. 본논문의 ATP 속도프로파일설계가안전성과운전효율성을위해필수적인열차제어시스템의표준화에도움이되었으면한다. 감사의글이논문은국토해양부에서지원한 "400km/h급고속철도인프라시범적용기술개발 " 사업의일환으로수행되었습니다.
참고문헌 [1] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 1 Introduction, REF SUBSET- 026-1, ISSUE 3.3.0 [2] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 2 Basic System Description, REF SUBSET-026-2, ISSUE 3.3.0 [3] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 3 Principles, REF SUBSET-026-3, ISSUE 3.3.0 [4] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 4 Modes and Transitions, REF SUBSET-026-4, ISSUE 3.3.0 [5] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 5 Procedures, REF SUBSET-026-5, ISSUE 3.3.0 [6] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 6 Management of older System Versions, REF SUBSET-026-6, ISSUE 3.3.0 [7] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 7 ERTMS/ETCS language, REF SUBSET-026-7, ISSUE 3.3.0 [8] ERTMS/ETCS (2012) System Requirements Specification Chapter 8 Messages, REF SUBSET-026-8, ISSUE 3.3.0 [9] ERTMS/ETCS (2012) Release Notes to Baseline 3 annex A documents, REF ERA_ERTMS_040047, ISSUE 1.1