2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S300 HTC 차상안테나시험을위한시험용취부대연구 HTC take the test on-board antenna unit for testing research 김진철 *, 이훈구 *, 이수주 *, 박강훈 *, 편선호 *, 김예지 * Jin-Cheol Kim *, Hoon-koo Lee *, Soo-Joo Lee *, Kang-Hun Park *, Seon-Ho Pyeon *, Ye-Ji Kim * Abstract Hybrid track circuits (Hybrid Track Circuit; HTC) The purpose of the research and development of ground train control information to on-board for a specific frequency band in order to transmit and receive eungdong the RFID (Radio Frequency Identification) transponders with built-in the basic function of the various on the basis of a more simple and miniaturized through the development of innovative products for the purpose of cost reduction underway. In this study, the ground apparatus for RFID tag (Tag) is installed on -board and on-board antenna and a recognition rate is high as in the development of on-board antennas, as well as different structural forms that considering the characteristics of a train of a common standard are being taken bag train to develop and test a simple and easy assembly and installation of the structure and development take bags from the environment, such as shock and vibration stood out to secure a fully functional installation of experimental measures taken to suggest the bag 초록하이브리드궤도회로 (Hybrid Track Circuit; HTC) 개발연구의목적은열차제어를위한지상의정보를차상에송수신하기위하여특정한주파수대역에응동하는 RFID(Radio Frequency Identification) 기능이내장된각종트랜스폰더의기본기능을바탕으로좀더단순하고소형화된제품을개발을통하여혁신적인비용절감을목적으로진행되고있다. 따라서본연구에서는지상장치 RFID 용태그 (Tag) 와차상에설치된차상안테나를설치함에있어인식률이높은차상안테나의개발은물론구조형태가각기다른열차들의특성을고려하여열차의공통표준이되는취부대를개발하여조립설치가간단하고테스트가용이한구조의취부대개발과충격및진동과같은외부환경으로부터견디어내고완벽한기능을확보할수있는실험용취부대설치방안을제시하고자한다. 주요어 : 하이브리드궤도회로, RFID, 차상안테나, 설치기준 1. 서론국내에서운행하고있는열차는고속차량 KTX 를비롯하여, 전기기관차 (8000 호, 8100~8200,8500 호 ), 간선형전기동차 (VVVF 형 ), EMU-180,150, 전기동차등다양한차량이동일한선로에운행되고있다. 그러나차량의형태나구조등이다르기때문에속도는물론감속도등이현저하게틀리며, 이러한이유로차상안테나는특정차량에제한된목적으로설치될수밖에없다. 따라서본연구과제에서는다양한종별의차량을대상으로 Simulation 시험이가능하도록가변성을확보할수있는취부대제작이필요하며, 본논문에서는국내에서사용되고있는차상안테나의종류와설치위치를파악하고개발중인 HTC 차상안테나의적절한설치방안에대하여서술하고자한다. 교신저자 : ( 주 ) 에이알텍기술연구소 (weblessyou@korea.com) * 에이알텍
2.1 철도차상안테나동향 2. 본론 2.1.1 차상안테나의종류열차에서사용하고있는안테나는대략 ATC 안테나, TWC 안테나, TRA 안테나로구분할수있으며, 안테나별재질과성능및각기다른형태를지니고있다. 일반적인안테나와레일과의거리최소거리는표 1 과같다. 그러나본연구과제에서는다양한열차특성을반영하여지상설비와최근접거리를 50mm 까지접근시험이가능하도록제작하였다. 표 1 속도별인식률 종류 기호 최근접거리 통신형태 비고 ATC안테나 A-01 103mm 단방향 ( 수신 ) TWC안테나 A-02 406mm 양방향 ( 송수신 ) TRA안테나 A-03 406mm 난방향 ( 수신 ) 2.1.2 차상안테나설치위치비교일반적인 ATP 시스템의차상안테나차량별설치는그림 1 과같이차량의하부에설치되며, 발리스설치기준에따르면 CAU( 차상안테나 ) 는열차의첫번째차축이후 12.5m 이내에설치되도록기준이되어있다. 이러한이유는모든종류의열차는신호기절연으로부터정지된지상정보를받을수있는공통된위치에있어야하기때문이다. 그러나그림 2 와같이하이브리드궤도회로검지기술은침목에설치된태그 (Tag) 의정보를인식하여열차위치를검지하는기술이므로차량의전부, 후두에설치하여검지하는것이특징이다. 철도청 그림. 1 차상안테나 (ATP) 설치위치 그림.2 HTC 차상안테나설치위치 2.2 차상안테나취부대개발 2.2.1 취부대중점개발목표본연구과제의중점목표는시험대상차량에쉽게취부가가능하고속도변화에따른테스트환경다변화추구, 높이와각도조절등을자유자재로변화시켜최적의테스트환경조건을만족하도록제공하는것을목표로개발하였다. 또한세부적인제작조건은현재운행중인열차및향후새로운열차의개발등을고려하고차량의크기및높이등의규격이상이하더라도차상안테나인리더기의원활한설치와차상안테나 (CAU) 의규격을고려하여리더기가부착되는취부대는 10mm 단위로높이조절이가능하도록제작하였으며리더기에서인식범위를취부대에서도추가적으로조절이가능하도록제작하였다.
2.2.2 취부대개발시제품 태그와리더기개발에따른설비의특징에따라취부대또한리더기의특성을고려하여저속형열차와고속형열차두가지 Type으로제작하여현장테스트를통하여단점을보완하여제작하였다. 개발된리더기와태그는표의그림 3과같고, 취부대는그림 4와같다. 태그 (Passive 태그 ) 그림.3 HTC 태그와리더기 리더기 140 138 25 580 260 50 그림.4 HTC 취부대설치도 모터카 (60km/h) 이하차량장착도취부도면
2.3 HTC 차상안테나성능시험 2.3.1 저속차량시험조건시험은서울메트로신정차량기지에서 1차례, 잠실한강철교직선구간에서 5차례걸쳐저속에서시행하였다. 차량기지구내시험에서는응동시험및취부대단점, 기능개선을하였고, 2차시험모터카최대속도 60km/h에서높이조절을조정해인식률을향상시켰다. 표2 테스트조건 리더출력파워차량속도리더설치높이태그배열간격 20dB, 25dB, 30dB 10Km/h, 15Km/h, 20Km/h, 25Km/h, 60km/h 25Cm, 50Cm 60Cm, 120Cm 3m, 5m 2.3.2 시험결과 신정차량기지에서태그 100개를설치한후기지내제한최고속도 (10~25km/h) 에서테스트한결과 ( 속도 10km/h기준 1차 :95%, 2차 :99%, 3차 :100%) 속도변경과리더기높이조절및파워에따라인식률이변동되는현상이발생하였고, 리더기파워를높일경우일정높이에서는인식률이향상되는효과가있었으나, 인식범위가넓어져선로를벗어난부분까지인식하게되어타설비에영향을주는현상이발생하였다. 차상취부대에대해서는취부방법의간소화, 구조적안정감, 높이조절기능에의한시험영역의다변화, 진동에의한떨림등은발생하지않아만족한결과를도출하였다.
2.3.3 고속차량시험조건고속차량을이용한시험은저속운행시험과동일한조건상태에서시행하였으나, 속도가높아짐에따라인식률이급격하게줄어드는현상이발생하였다. 인식률은열차의속도와밀접한관계가있으나단순히인식률을높이기위하여리더기의파워를증가시킨다고해서인식률이높아지는것은아니란결과가나왔다. 따라서인식률을높이기위해리더기각도를조절하여안테나의방사각확산을크게할필요가있으며, 태그의인식면을확보하여인식률을높이도록하였다. Port 1 Port 2 표 4 차상안테나방사각조절
2.3.4 고속차량 시험용 취부대 개발 고속차량에서의 인식률을 높이기 위하여 다음과 같이 차상 취부대를 변경하였다. 저속시험용 취부대는 높이조절만 가능하였으나 고속차량 취부대는 방사각 조절이 가능한 기능을 추가하여 태그와의 응동면적을 넓게하여 순간 응동시간을 길게 확보하였다. 또한 향후 상용화에 대비하여 취부대의 안전성을 확보하기 위해 EN60529-3의 기준에 의거 충격과 진동시험을 국제공인시험 기간에 의뢰하여 안전성을 확보하였다. 차량 장착 틸팅 및각도조정 충격 및 진동 테스트 2.4 결론 현재 국내의 RFID의 기술을 이용한 열차제어 및 지상과 차상의 정보전송기술은 대부분 외국의 기술력이나 제품을 전적으로 수입하여 설치하고 있는 실정이다. 그러므로 하이브리드 궤도회로에서 목표하는 기술개발은 국내의 순수기술을 바탕으로 태그와 리더기를 개발하는 단계이므로 아직까지는 초보걸음 단계이다. 따라서 본 연구과제의 해결하고자 하는 취부대 개발 및 개선의 목적은 높이와 각도조절이 가능하여 기존 차량이나 향후 개발될 차량에서 모두 시험이 가능한 표준 차상안테나를 취부할 수 있는 기구를 제작하여 모든 차량에서 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 참고문헌 [1] 한국철도시설공단. 차상신호(ATP)시스템 구축사업 관련 기술검토서 [2] KRS. 한국철도표준규격, KRS SG 0059 08R, ATS지상장치, pp. 3-6.