1. 서 론
철도의 신호시스템은 초기 안전이라는 명제로 출발하였으나 최근 사용자의 요구에 따라 안전은 물론이고 고속, 고밀도 운행을 위한 방향으로 시스템의 개발이 추진 및 실행되고 있다. 하지만 이제까지는 철도시스템의 최종적인 안전을 담당하는 신호시스템에 대해서는 사용실적과 안전성 입증이라는 측면에서 연구개발보다는 국외 시스템을 수입하여 설치, 운영하는데 더 많은 비용과 인력을 투입하였다. 하지만 이러한 현실에서 탈피하고자 축적된 기술을 바탕으로 한국 현실에 적합한 신호시스템의 개발이 1990년대 후반부터 시작되었으나 실용화의 단계에는 이르지 못하고 있는 실정이다. 특히, 다양한 현장시험을 위한 test-bed등의 여건미비 및 시험평가방안 등에 대한 어려움이 있었으나, 이를 극복하고 최근에는 무선통신을 이용한 도시철도용 열차제어시스템의 실용화를 위한 연구가 진행되고 있다[1,2].
하지만 열차제어시스템은 승객의 안전과 직접적인 연계로 인하여 국산화에 대한 열망은 있었지만 운영기관의 실용화 의지의 미비로 열차제어시스템을 안전을 종합적으로 구현하여 개발하는 연구기 진행되지 못하였다. 따라서, 열차제어시스템 개발에 따른 특성분석 및 성능평가 방안에 대한 연구도 미흡하여 국외에서 도입된 열차제어시스템의 국내 적용시 제시된 성적서나 시험항목에 의존하고 있어 국산화에 따른 성능평가에 대한 기술개발의 필요성이 대두되었다.
이제까지의 철도분야의 계측시스템 적용 및 구현은 대부분의 차량의 개발에 따른 차량의 성능 및 안전성 검증을 위한 방안으로 차량의 동특성, 추진력, 전기집전시스템 및 승차감 분석 등에 활용되었다. 구현된 계측시스템은 측정하고자하는 종류에 따라 다종의 센서를 취부하여 이를 취합하는 형태이며, 성능 및 안전성 평가항목의 계측, 저장, 모니터링 기능이 가능하여 성능평가 및 시험을 위하여 적용되었다. 또한 일부는 철도인프라에 대하여 열차주행에 따른 진동이나 충격 등을 모니터링하는 방안으로 계측시스템이 적용되고 있으며, 이러한 형태의 계측은 지속적으로 활발하게 진행 될 것이다[3-6].
본 연구에서는 한국형으로 개발되는 무선통신기반 열차제어시스템의 성능을 입증하기 위한 방안으로 전체 열차제어 시스템을 구성하는 각 하부시스템들 간의 정보흐름을 분석하여 각각의 하부시스템이 제 기능을 발휘하여 전체 열차제어시스템이 효율적으로 동작하는가를 평가하기 위한 방안으로 각 하부시스템간의 인터페이스 정보를 추출하여 계측하는 방안과 분석내용에 대하여 검토를 하고자 한다.
2. 본 론
2.1 무선통신기반 도시철도용 열차제어시스템
본 연구에서 다루는 도시철도용 무선통신기반 도시철도용 열차제어시스템은 기존의 도시철도 열차제어시스템의 기반이 되는 궤도회로에서 무선통신을 정보전송방식으로 이용함에 따라 궤도회로 설비 등의 현장설비의 저감으로 인한 유지보수의 저감화를 도모하고, 차상과 자상장치간의 양방향 정보전송에 의한 이동폐색구현으로 고밀도운행이 가능하여 선로용량의 확보 및 무인자동운전이 가능하여 철도경영 합리화에도 기여할 수 있는 최첨단 신호시스템이다[7].
2.1.1 열차제어시스템 구성
전체 열차제어시스템의 구성은 그림 1과 같으며, 열차운행을 종합적으로 원격 감시 및 제어하는 역할을 하는 현재의 관제설비와 유사한 기능의 자동열차운행제어장치(ATS: Automatic Train Supervision), 열차의 간격을 제어하여 충돌, 추돌 사고를 방지하고 선로전환기를 전환하여 열차진행 방향과 진로를 제어하는 역할을 하는 자동열차보호장치 (ATP:Automatic Train Protection), 기관사의 역할을 하여 무인자동운전을 실현하고 승강장 스크린 도어(PSD) 및 열차 출입문 자동개폐, 출발, 정지, 가·감속 등의 자동운전을 수행하는 자동열차운전장치(ATO;Automatic Train Operation) 그리고 열차제어를 위한 데이터를 전송하는 무선데이터 전송장치와 선로변 장치로 구성된다[8].
그림 1무선통신기반 열차제어시스템 구성도 Fig. 1 Radio communication based train control system
2.1.2 시험선 구성
무선통신기반 열차제어시스템의 성능을 평가하기 위한 시험선로는 각 장치의 주요기능 확인이 가능하고, 기존설비의 개량범위가 적어 경제적인 대불선(전라남도 목포소재)의 일부구간을 개량 및 성능평가 인프라를 설치하여 시험선로를 구축하였다. 시험차량은 도시철도용으로 운행인중 열차를 무선통신기반 열차제어시스템 성능시험이 가능하도록 개조하여, 개발된 무선통신기반 열차제어장치를 탑재하여 시험운행 실시하고 있다.
2.2 계측시스템
2.2.1 개요
열차제어시스템 시험평가를 위한 계측시스템은 계측 항목 및 계측 대상 장치의 위치에 따라 그림 2와 같이 차상신호 계측시스템, 지상신호 계측시스템 및 종합 분석시스템으로 구성한다.
차상신호 계측시스템은 열차의 운행에 따른, 차상에서의 계측 대상들을 실시간으로 계측, 저장 및 모니터링 하는 기능을 가지며, 지상신호 계측시스템은 지상에서의 계측 대상들을 실시간으로 계측, 저장 및 모니터링을 수행한다. 종합 분석시스템은 차상 및 지상신호 계측시스템에 의해 계측된 정보를 오프라인(이동형 저장매체 등 이용)으로 수집하여 상세한 분석을 위해 적용한다[9]. 구현되는 계측시스템의 요구사항은 다음과 같다.
○ 하드웨어 설계 요구조건 - 차상 설치(차량 특성 및 환경)에 적합한 하드웨어 선정 - 확장성이 용이한 구조 - 외부 조건 및 운영 환경에 대한 내구성/신뢰도 고려 - 차량 전원 사용의 최소화를 고려 ○ 운영 프로그램 설계 요구조건 - 사용자 편의성을 고려 - 응용 프로그램의 모듈화 구성으로 확장성 용이 - 각종 검측 정보의 용이한 분석 - 수집한 정보의 효율적 저장 및 관리 ○ 케이블 및 장비 인터페이스 요구조건 - 차량간 인터페이스 고려 - 노이즈 및 서지에 대한 방호 대책
2.2.2 시스템 구성
계측시스템의 구성은 위에서 언급한 3가지의 설계요구조건을 기본으로 계측 항목 및 계측 위치에 따라 3가지로 하부장치로 구성하며, 철도용 계측시스템은 일반 계측장치와 달리 열악한 철도환경인 차량의 진동, 충격, 25KVA의 전차선 전압으로 인한 노이즈 등에 대하여 강건하여야 하며, 특히, 운행중인 열차제어시스템으로부터 정보를 추출하여야하는 이유로 인터페이스 부분에서의 오류 또는 노이즈 유입을 방지하기 위하여 Tap장치[9] 등을 적용하여 병렬형태로 계측접점을 구성하여 정보를 수집하는 구조로 하였다.
(1) 차상신호 계측시스템
차상신호 계측시스템은 차상에서의 분석 지원을 위한 시스템을 의미하며, 차상신호 분석장치, 정보처리장치, 센서/신호 계측장치, 전원분배장치 및 UPS로 구성한다.
(2) 지상신호 계측시스템
지상신호 계측시스템은 산업용 컴퓨터 1 set, 모니터 1개, 프린터 1개로 구성되어 정보 검측을 위해 일로역 및 대불역에 설치하여 Station LAN를 통하여 ATS와 EI간 정보 검측 한다. 또한, ATP-EI LAN를 통하여 차상 ATP/ATO와 지상 ATP간 정보 및 EI(Processor)와 Station I/O간 정보의 실시간 계측, 저장 및 실시간 모니터링한다.
(3) 종합 분석시스템
지상에서의 분석 지원을 위한 시스템으로 사무실에 설치하며, 산업용 컴퓨터 1 set, 모니터 2개, 프린터 1개, 운영자 콘솔탁으로 구성되며, 지상 및 차상에서 계측한 각종 신호 및 센서 정보를 분석하는 기능을 갖는다.
그림 2계측시스템 구성도 Fig. 2 Block diagram for instrumentation system
2.2.3 인터페이스 요구사항 분석
차상 및 지상신호 계측시스템과 관련하여 전체 열차제어 시스템의 개발사양서[10]를 분석하고, 각 하부시스템간의 인터페이스 내용을 도출하였다[11]. 도시철도용 무선통신기반 열차제어시스템을 구성하는 각 하부시스템으로는 ATP장치, ATO장치, ATS장치, EI(Electronic Interlocking)장치, 무선 통신장치 등이 존재하며, 각 기능사양서를 분석한 결과 계측 되어야 할 대상은 다음 표 1과 같이 차상신호장치의 제어에 관련되는 정보이다.
표 1계측대상 선정 Table 1 Selection of measurement targets
2.2.4 계측시스템 설치 방안
열차제어시스템이 지상과 차상에 설치되는 것과 같이 계측시스템의 설치도 유사하게 적용한다. 특히, 차상에서 설치되는 차상신호 계측시스템의 주설비는 차상신호설비의 설치 위치(Tc1, Tc2), 정보를 검측하는 위치와의 접근성, 장치의 운영의 효율성 및 시험자의 편의성을 고려하여 M car에 각각 설치하며, 지상신호 계측시스템은 대불시험선로의 일로역 관리동 및 대불역 기기실에 설치하며, 종합분석시스템은 사무실에 설치하여 운영한다.
(1) 차상신호 계측시스템
운행중에 계측이 행해짐에 따라 외부환경(전압강하 및 노이즈 발생 등)의 최소화를 위해, 계측대상 장치가 위치한 가장 가까운 거리에 설치하며 분산시스템으로 구성한다. 차상신호 계측시스템은 Tc1, Tc2 car에 설치되는 정보처리장치(TAP)와 M car에 설치되는 차상신호 분석장치 및 콘솔로 구성한다. 차상신호 계측시스템의 구성은 그림 3과 같다[12].
그림 3차상신호 계측시스템의 세부 구성 Fig. 3 Block diagram of on-board signal instrumentation system
주요 인터페이스 대상은 그림 3에서 보인 바와 같이 차상 ATP/ATO, Transponder, Tachometer, Proximity sensor, 차상 ATP/MMI 이며, 이들 장치와의 인터페이스 내용을 분석하기 위한 소프트웨어는 통신프로그램, 저장프로그램, 감시프로그램, 운영프로그램의 4가지 종류로 구성하였다.
그림 4는 Tc1과 Tc2에 있는 ATP/ATO 장치로부터 송수신 정보를 수신하여, 데이터를 저장하고 운영 프로그램으로 전송하는 UDP 데이터를 모니터링하는 화면으로 차상ATO 와 지상ATS간의 송수신데이터의 실시간모니터링이 가능한 HEX값으로, 송수신방향별로 표시된다.
(2) 지상신호 계측시스템
지상신호 계측시스템은 그림 5에서 보인 바와 같이 Station LAN 및 ATP-EI LAN에 접속하여 차상-지상장치간 및 지상-ATS 장치간의 입출력 데이터를 계측하기 위해 계측 대상 장치가 있는 일로역과 대불역에 설치하며 분산 시스템으로 구성한다. 지상신호 계측시스템은 지상신호 분석장치 및 콘솔로 구성된다[7]. 차상신호 계측시스템과 마찬가지로 4종의 프로그램으로 운영되도록 구성하였다.
그림 4차상계측 모니터링(UDP 데이터) Fig. 4 Monitoring for on-board measurement(UDP data)
그림 5지상신호 계측시스템의 세부 구성 Fig. 5 Block diagram of wayside signal instrumentation system
2.2.5 계측데이터 분석
계측시스템에서 계측할 수 있는 데이터의 종류는 차상계측 데이터와 지상계측 데이터이며, 차상계측 데이터는 차량 운행에 필요한 차상의 각종 신호설비와 장치로부터 수신한 데이터, 지상계측 데이터는 지상의 네트워크로부터 수신한 지상신호설비의 송수신 데이터이다. 이들 데이터를 분석함으로써 다음과 같은 사항을 확인할 수 있다.
○ 열차제어시스템에서 하나의 데이터가 여러 인터페이스 구간을 거쳐 최종 목적지까지 전달될 때, 각 신호설비 간 송수신 데이터를 검증할 수 있다. ○ 열차제어시스템의 성능 및 기능시험 시, 객관적으로 데이터를 검증할 수 있다. ○ 다중편성운행에 대해, 열차운행 관련 데이터를 확인함으로써, 관련 신호설비들(ATS, 전자연동장치, 지상 ATP 및 차상 ATP/ATO)의 다중편성운행 성능을 확인할 수 있다.
그림 6은 지상인 ATS, EI 및 ATP장치에서 계측한 정보를 계측시스템에서 처리하는 프로세스를 보여주고 있다.
그림 6지상신호 계측시스템 프로그램 구성 운영흐름도 Fig. 6 Operation program flow diagram of wayside signal instrumentation system
2.3 계측시스템 제작 및 현장시험
2.3.1 계측데이터 하드웨어 제작
열차제어시스템 시험평가를 위한 계측시스템의 하드웨어 구성은 신호분석장치와 운영자가 조작하는 콘솔로 구성되며, 차상 및 지상 신호분석장치의 구성은 유사한다. 차상신호 분석장치는 그림 7에서 보인 바와 같이 산업용 컴퓨터, 스위치 허브, 센서/신호계측기(DAQ, DI/DO board 등), 전원장치 및 19인치 랙으로 구성하였으며, 지상신호 분석장치는 간략하게 산업용 컴퓨터와 19인치 표준랙으로 구성하였다.
그림 7차상신호 계측시스템 랙 구성 Fig. 7 Rack configuration of on-board instrumentation
2.3.2 계측시스템 구축
열차제어시스템 시험평가를 위한 제작된 계측시스템을 실제 현장에 설치하여 운영하기 위하여 지상설비의 데이터를 계측하기 위한 지상신호 계측시스템은 현장신호기계실에, 차량에서 동작하는 차상신호설비의 데이터를 계측하기 위한 차상신호 계측시스템은 대불시험선 시험차량의 M Car에 설치하였다.
차상의 M Car에 설치하기 위해서는 그림 8과 같이 통신 전원케이블을 통하여 각 검측지점과 연계되도록 구성하였다. 그림 9는 차상에 설치되어 운영하고 있는 차상신호 계측시스템을 보여주고 있다.
그림 8시험차량(M Car) 통신 및 전원케이블 배선도 Fig. 8 Wiring diagram for the test vehicle(M car)
그림 9차상신호 계측시스템 설치 사진 Fig. 9 Installation picture for on-board signal instrumentation system
2.3.2 계측시스템 시험 및 분석
도시철도용 무선통신기반 열차제어시스템 성능평가를 위해 시험차량에 차상계측시스템을 설치하여 차상신호 설비가 송수신하는 데이터를 계측한다.
차상계측 데이터의 종류는 다음과 같다.
○ TACHOMETER 데이터: TC1, TC2에서 발행하는 Tachometer Pulse 데이터, ○ TRANSPONDER 데이터: TC1, TC2에서 발행하는 Tag Reader 데이터, ○ ATP/ MMI(CAN 통신) 데이터: TC1, TC2에서 발행하는 MMI 데이터, ○ UDP 데이터: ATS-차상ATO, 차상ATP-지상ATP, 차상ATO-PSD간 통신 데이터
신호기계실에 지상계측시스템을 설치하여 지상신호 설비가 송수신하는 지상계측 데이터의 종류는 UDP 데이터로 ATS-EI, ATS-지상ATP, 지상ATP-차상ATP, 차상ATOPSD, 지상ATP-EI 그리고 ATS-차상ATO간 통신 데이터이다.
그림 10은 대불시험선에 설치된 차상신호 계측시스템이 동작하는 상태를 타코미터와 근접센서 및 트랜스폰더의 상태로 보여주고 있다. 그림에서 타코미터는 운행시간별 속도를 펄스와 속도값으로 보여주며, 트랜스폰더는 리더는 태그를 통과한 시간과 ID를 나타내고 있다.
그림 10차상신호 계측시스템 데이터 모니터링(센서 데이터) Fig. 10 Data monitoring at on-board signal instrumentation system(sensor data)
위에서 보인 바와 같이 도시철도용 무선통신기반 열차제어시스템 성능평가를 위하여 구축된 차상계측시스템이 열차 운행에 다른 Data 수집을 정상적인 수행함을 확인할 수 있었다. 계측된 데이터는 파일로 저장되어 분석절차에 의해 후처리과정을 통하여 분석되어지며, 최종적으로는 분석된 결과가 보고서 형식으로 저장 및 출력 가능하도록 하였다. 그림 11,12는 데이터 분석 절차에 따른 데이터 분석 과정의 일례를 보여주고 있다.
향후에는 지속적인 운영을 통한 수집된 데이터를 분석하여 정확도를 향상시켜서, 수집된 계측데이터를 후처리하여 로그파일로 변형하고, 종합분석계측시스템을 통하여 프로토콜 및 데이터 확인을 통하여 성능평가에 적용할 예정이다.
그림 11분석조건 설정 화면 예 Fig. 11 Example for analysis condition setting screen
그림 12지상신호 계측데이터(UDP) 분석 예 Fig. 12 Example for wayside signal measured data analysis
3. 결 론
열차제어시스템의 성능을 확인하고 시스템에 대한 평가를 수행하기 위해서는 열차제어시스템을 구성하는 각 하부시스템간의 데이터 흐름을 계측하여 분석하는 것이 가장 효과적이고 객관적인 방법이다.
본 연구는 국내 기술로 개발 중인 도시철도용 무선통신기반 열차제어시스템의 효율적인 성능평가 및 검증을 위한 계측시스템을 제안하였다. 계측시스템의 구현에 있어서는 열악한 철도환경을 고려한 하드웨어 선정 및 노이즈의 유입방지 등에 대한 요구사항을 명확히 하였으며, 특히, 일부는 시험차량에 설치되어 운영됨에 따라 데이터 수집의 편의성과 운영의 효율성을 고려하여 설계 및 제작하였다.
제작된 계측시스템을 신호기계실과 시험차량에 설치하여 운영한 결과 정상적인 동작을 수행함을 확인하였으며, 현재 지속적인 운영으로 대불선 시험현장에서 예비시험에 활용하여 시험시 발생하는 다양한 문제(데이터 누락, 통신두절, 취급오류 등)들에 대해 확인 및 효율적인 대처가 가능하다. 또한, 시험선에서 시험되는 하부장치의 제작사가 상이하여 장치간의 상호운영성 시험에서 각 장치간의 인터페이스 문제 등을 명확하게 확인할 수 있게 하는 등 활용도가 증가하고 있다.
향후 지속적인 운영을 통한 데이터 수집으로 수집데이터의 정확도, 분석방법의 효율성과 정밀도를 향상시켜 본 장치의 최종 목적인 열차제어시스템 성능평가에 적용하여 새롭게 개발되는 한국형 무선통신기반 열차제어시스템의 실용화에 기여할 것이다.
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