선로변 시설물 차상제어를 위한 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험

Communication Consecutive Test of Train Oriented Control System for Wayside Equipment Control

Abstract

To improve the efficiency and safety of railway systems, the train control system has been considerably evolved from the ground-equipment-based control system (e.g. track circuit, interlocking system, etc.) into the on-board-equipment-based control system. In addition, this train control system enables the rolling stock to intelligently control the trackside facilities by introducing the information and communication technologies (ICT). Accordingly, since the ICT-based train control system makes the railway system be simplified (i.e. the heavy ground-equipment can be removed), the efficient and cost-effective railway system can be realized. In this paper, we perform the feasibility test of the ICT-based train control system via a simulation. To this end, we have developed the prototypes of the on-board controller and wayside object control units which control the point and crossing gate and performed the integrated operation simulation in a testbed. In this paper, before the field test of the on-board-controller-based train control system, we perform the Consecutive operation test for prototypes of the on-board controller, wayside object control units and local control computer.

1. 서 론

국내 철도신호시스템은 사령실의 중앙통제를 바탕으로 궤도회로, 연동장치 등의 지상설비를 통한 선로변 신호기 현시 방식과 열차의 선로 점유에 따라서 허용속도를 차량에 제공 하는 자동열차정지(ATS: Automatic Train Stop) 방식을 사용해왔다. 그러나 ATS 방식은 폐색구간에서 신호현시 별 제한속도에 맞추어 단계별로 열차의 속도를 수동으로 제어하므로 열차 간격을 특정 거리 이하로 줄일 수 없고, 운영 환경에 따라 오동작이 많이 발생하는 단점이 있다. 또한 많은 종류의 지상설비들이 운용됨으로 인해 유지보수 인력과 비용에 대한 부담이 큰 실정이다. 이에 대한 대응책으로, 주요 노선(경부선, 호남선)을 중심으로 자동열차방호장치 (ATP: Automatic Train Protection) 방식으로 개량해 나가고 있다. 하지만 경부선과 같이 고밀도 및 고속 열차운행을 하는 주요 노선의 경우에는 ATP 시스템으로 개량하는 것이 적합할 수 있지만, 일일 운행 횟수가 적은 지선의 경우에는 주요 노선과 동일한 고가의 제어시스템을 운용할 경우 운영 효율성 측면에서 적합하지 못한 문제점이 있다.

따라서 해외의 사례에서도 볼 수 있듯이, 유럽 ERTMS (European Railway Traffic Management System) Regional 및 독일 FFB(Funk Fahr Betrieb) 프로젝트에서 저밀도 구간 운행을 위한 차상중심의 열차제어시스템을 개발하고 있 고, 실제 적용을 위한 현장시험 중에 있다. 따라서 국내에서 도 적자로 운영되고 있는 지선의 운영효율성과 신뢰성 향상 을 위해 차상중심 열차제어시스템의 개발이 요구된다[1-4]. 이에 따라 차상에서 직접 열차의 진로상에 있는 선로전환기, 건널목 차단기 등의 선로변 시설물을 제어하는 차상중심 열차제어시스템 개념을 도출하고, 시스템 운영에 필수적인 차상제어장치와 선로변제어장치의 시제품을 우선 개발하였다. 이전 연구 논문에서는 차상중심 열차제어시스템의 개념 및 설계 구현결과와 모형 열차/시험선을 통한 각 기능에 대한 검증, 현장과 유사하게 구축된 테스트베드를 활용한 차상 및 선로변 제어장치 시제품의 정상 운영과 비상 운영에 따른 성능 평가 결과, 대불시험선 인프라를 활용한 예비 현장시험 및 그 결과에 대해 기술하였다. 본 논문에서는 차상중심 열차제어시스템의 현장 적합성 시험에 앞서 무선통신을 이용 하는 시스템의 특성상 차상제어장치, 선로변제어장치 및 운 행관리컴퓨터 사이의 통신 및 지속적인 운영에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 각 장치들 사이의 통신 연속성 시험을 수행한 결과와 그에 따른 보완사항에 대해 논의하고 있다. 이러한 시스템의 보완을 통해 향후 현장 적합성 시험을 원활 하게 수행할 수 있을 것으로 예상된다.

 

2. 차상중심 열차제어시스템의 개요

차상중심 열차제어시스템은 정보통신기술(ICT : Information ＆ Communication Technology)을 기반으로 하며, 다음의 그림 1과 같이 차상제어시스템, 선로변제어시스템, 운행관리 시스템의 3부분으로 구성된다. 첫째, 차상제어시스템은 열차 내부에 탑재되어 열차를 제어하는 차상제어장치(OBC : On Board Computer)와 운행관리시스템 및 선로변 제어장치 (WOCU: Wayside Object Control Unit)와 무선통신을 하기 위한 차상 무선통신 모듈로 구성된다. 이러한 차상제어장치는 차량에 부착된 트랜스폰더 검지기(TI : Transponder Interrogator/Antenna), 차량속도 및 진행방향을 알려주는 회전속도계(Tachometer) 등으로부터 정보를 받아 처리하고, 열차 운행에 관련된 정보를 운전자화면표시장치(DMI: Driver Machine Interface)에 표시한다. 둘째, 선로변제어시스템은 선로변 시설물(선로전환기, 건널목 차단기)과 그것을 제어하기 위한 선로변 제어장치, 차상제어장치에 시설물의 위치 정보를 제공하기 위해 선로변에 설치되는 트랜스폰더 태그(Transponder Tag) 그리고 차상제어장치와 무선통신을 하기 위한 지상 무선통신모듈로 구성된다. 셋째, 운행관리시스템은 열차등록 및 해제, 주행로 승인, 수동 주행로 지정, 스케줄 관리, 알람 수신 및 표시의 기능을 수행한다[1,5-7].

그림 1차상중심 열차제어시스템 구성도 Fig. 1 Configuration of the train oriented control system

 

3. 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험 환경

차상중심 열차제어시스템 각 세부장치들 간의 통신 신뢰성을 확인하기 위한 통신 연속성 시험은 다음의 그림 2와 같이 테스트베드를 활용한 시뮬레이션 환경에서 수행하였다. 통신 연속성 시험의 시험대상 장치는 차상제어장치, 선로전환기용 및 건널목차단기용 선로변제어장치이며 이를 위한 시험 지원장치로는 열차 시뮬레이션 장치 및 운행관리 시뮬레이션 장치로 구성하였다.

3.1 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험을 위한 구성

테스트베드를 활용한 통신 연속성 시험은 그림 3의 시험 환경 구성 및 그림 4의 물리적 구성과 같이 구성품들을 연결하여 수행하였다. 보다 상세하게는 차상제어장치를 중심으로 선로전환기제어용 및 건널목차단기제어용 선로변제어 장치간 인터페이스를 구현하여 선로전환기 및 건널목차단기 등의 선로변장치를 제어하고, 운행관리컴퓨터와의 인터페이스를 구현하여 열차 등록, 스케쥴 전송 등의 운행정보 전송을 수행한다. 또한, 이더넷 및 시리얼 통신으로 열차 시뮬레이터 장치와의 인터페이스를 구축하여 열차정보 입력 및 열차제어 정보 전송을 수행하도록 구성하였다.

그림 2테스트베드를 이용한 차상중심 열차제어시스템의 통 신 연속성 시험 환경 Fig. 2 Communication consecutive test environment of the train oriented control system using test-bed

그림 3통신 연속성 시험 환경 구성 Fig. 3 Configuration of communication consecutive test

그림 4통신 연속성 시험 환경 물리적 구성 Fig. 4 Physical configuration of communication consecutive test

3.2 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험을 위한 가상 시험 노선

차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험을 위해 차상제어장치와 선로변제어장치와의 인터페이스, 차상제어장치와 운행관리컴퓨터와의 인터페이스를 지속적으로 확인하여야 한다. 이를 위해 그림 5와 같이 선로전환기를 포함하는 노선과 건널목차단기를 포함하는 노선의 두 가지로 구분하여 가상 시험노선을 설정하였다.

가상 시험노선은 현장 적합성 시험을 진행할 대불선을 기반으로 제작하였다. 현장 적합성 시험은 일로∼대불 간 11.25 km의 대불선 구간 중에 영산대교 이후 일로역을 기점으로 9.6 km∼10.6 km (총 1 km)의 직선구간에서 수행될 예정이다. 개발된 차상중심 열차제어시스템을 이용하여 순차적으로 선로전환기와 건널목 차단기 제어 시험을 진행하기 위해서는 총 1.4 km 이상의 구간이 필요하다. 하지만 현장 적합성 시험을 위해 할당된 노선의 한정된 길이로 인해 선로전환기와 선로전환기용 선로변제어장치 및 건널목 차단기와 건널목 차단기용 선로변제어장치를 현장 예비시험시 동일한 지점에 설치하여 수행하였다. 따라서 시험노선은 선로전환기를 제어하는 노선과 건널목 차단기를 제어하는 노선 2가지의 가상 시험노선으로 분리하여 설정하였다[7].

그림 5통신 연속성 시험을 위한 가상 시험 노선 Fig. 5 Simulation test line of communication consecutive test

 

4. 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험 방법

3절의 차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험 환경에서도 언급되었지만 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험은 운행정보와 관련된 차상제어장치와 운행관리컴퓨터간 통신 연속성 시험, 선로변 시설물 제어를 위한 차상제어 장치와 선로전환기용 선로변제어장치간 및 건널목차단기용 선로변제어장치와의 통신 연속성 시험으로 구분하여 수행되었다.

4.1 차상제어장치와 운행관리컴퓨터간 통신 연속성 시험 방법

차상제어장치와 운행관리컴퓨터간 통신 연속성 시험절차 는 다음과 같다. ① 선로전환기 또는 건널목차단기 가상 시험 노선용 운행 관리컴퓨터를 실행한다. ② 차상제어장치를 정상적으로 기동시킨다. ③ 선로전환기 가상 시험 노선일 경우 차상제어장치 MMI에 기관사 ID로 “1”을 입력한다. ④ 건널목차단기 가상 시험 노선일 경우 차상제어장치 MMI에 기관사 ID로 “2”를 입력한다. ⑤ 차상제어장치 MMI에 열차번호 “1234”, 휠 직경을 “860”으로 입력한다. ⑥ 차상제어장치의 운전모드가 Non-ICT 모드인지 확인 한다. ⑦ 열차 시뮬레이터를 이용하여 모의열차를 전진으로 조작한다. ⑧ 차상제어장치가 ICT 구간 진입 예고 태그를 인식했을 때 운행관리컴퓨터와 통신을 개시하여 ICT 모드가 되는 지 확인한다. ⑨ 차상제어장치의 통신 연속성 시험 가능 영역은 ICT 영역 구간 내로 설정된다. ⑩ 통신 접속 상태를 일정 시간 지속시키며 로그 정보를 확인한다. ⑪ 차상제어장치와 운행관리컴퓨터간 통신 연속성 시험에서 확인할 사항은 다음의 표 1과 같다.

표 1차상제어장치와 운행관리컴퓨터간 통신 연속성 시험 확인 사항 Table 1 Check list of communication consecutive test between OBC and LCC

4.2 차상제어장치와 선로전환기용 선로변제어장치간 통신 연속성 시험 방법

차상제어장치와 선로전환기용 선로변제어장치간 통신 연속성 시험절차는 다음과 같다. ① 선로전환기 가상 시험 노선용 운행관리컴퓨터를 실행한다. ② 차상제어장치가 ICT 모드 상태에서 선로전환기 제어 진입 태그까지 열차 시뮬레이터를 이용하여 모의 열차를 이동시킨다. ③ 차상제어장치가 선로전환기 제어 진입 태그를 인식 후 선로변제어장치와 통신을 개시하는지 확인한다. ④ 차상제어장치와 선로변제어장치간의 통신 시험 가능 영역은 선로전환기 제어 진입 태그로부터 선로전환기 제어 진출 태그까지 설정된다. ⑤ 통신 접속 상태를 일정 시간 지속시키고 로그 정보를 확인한다. ⑥ 차상제어장치와 선로전환기용 선로변제어장치간 통신 연속성 시험에서 확인할 사항은 다음의 표 2와 같다.

표 2차상제어장치와 선로전환기용 선로변제어장치간 통 신 연속성 시험 확인 사항 Table 2 Check list of communication consecutive test between OBC and switch WOCU

4.3 차상제어장치와 건널목차단기용 선로변제어장치간 통신 연속성 시험 방법

차상제어장치와 건널목차단기용 선로변제어장치간 통신 연속성 시험절차는 다음과 같다. ① 건널목차단기 가상 시험 노선용 운행관리컴퓨터를 실행한다. ② 차상제어장치가 ICT 모드 상태에서 건널목차단기 제어 진입 태그까지 열차 시뮬레이터를 이용하여 모의 열차를 이동시킨다. ③ 차상제어장치가 건널목차단기 제어 진입 태그를 인식 후 선로변제어장치와 통신을 개시하는지 확인한다. ④ 차상제어장치와 선로변제어장치간의 통신 시험 가능 영역은 건널목차단기 제어 진입 태그로부터 건널목차 단기 제어 진출 태그까지 설정된다. ⑤ 통신 접속 상태를 일정 시간 지속시키고 로그 정보를 확인한다. ⑥ 차상제어장치와 선로전환기용 선로변제어장치간 통신 연속성 시험에서 확인할 사항은 다음의 표 3과 같다.

표 3차상제어장치와 건널목차단기용 선로변제어장치간 통신 연속성 시험 확인 사항 Table 3 Check list of communication consecutive test between OBC and level crossing WOCU

 

5. 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험 결과 및 보완

본 절에서는 앞의 4절에서 설명된 시험 방법에 따라 차상 중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험을 수행한 결과에 대해 기술하고 있으며, 이러한 시험 결과는 결함 심각도의 분류 기준으로 일반적으로 사용되고 있는 국제 소프트웨어 테스팅 자격증 협회(ISTQB : International Software Testing Qualifications Board)에서 제시한 표 4와 같은 결함 심각도에 따라 구분하였다. 표 4와 같이 결함 심각도는 치명적 결함, 주요결함, 일반결함, 사소한 결함, 개선사항의 총 5가지로 분류할 수 있다. 차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험을 통해 주요결함 1건, 일반결함 1건 및 사소한 결함 1건 등 총 3가지의 결함 사항이 발견되었고, 2가지의 개선사항이 요구되어졌다[8].

주요결함 1건은 ICT 모드의 차상제어장치와 운행관리컴퓨터 그리고 선로변제어장치간 통신 접속 상태에서 통신 연속성 시험 시작 후 약 48시간 경과 시점에서 의도하지 않게 Non-ICT 모드로 전환되어 통신 단절이 발생하는 것이었다. 일반결함 1건은 통신 연속성 시험 시작 후 약 44시간 경과 시점에서 차상제어장치와 운영관리컴퓨터 사이의 네트워크 통신 메시지의 Sequence Number Error 누적에 의한 통신 단절이 발생하는 것이었다. 사소한 결함 1건은 통신 연속성 시험 시작 후 약 8시간 경과 시점에서 차상제어장치와 운영 관리컴퓨터, 선로변제어장치간 Retry 초과로 인한 통신 단절이 발생하는 것이었다. 개선사항으로는 첫째, 차상제어장 치의 최초 기동시 DMI 초기 화면에 ‘REC 통신 상태 이상’ 관련된 이상 표시의 수정이 요구되는 것, 둘째, 현장 시험시 차상제어장치의 재기동 없이 반복적인 주행 기능의 추가가 필요하다는 것이다.

표 4결함 심각도 Table 4 Defect severity

5.1 차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험에 따른 개선사항

앞서 언급했듯이 통신 연속성 시험에 따른 개선사항은 2가지가 도출되었다. 첫째는 차상제어장치의 최초 기동시 DMI 초기 화면에 ‘REC 통신 상태 이상’ 관련된 이상 표시의 수정이 요구되는 것이다. 차상제어장치는 내부의 CPU 모듈과 REC 모듈이 통신 연결이 되어있지 않으면 이상 상태가 표 시되도록 설계되었다. 하지만 최초 기동시 CPU 모듈과 REC 모듈이 통신 연결을 시도하기도 전에 이상 상태가 표시되는 개선사항이 발생하였다. 따라서 통신 접속 변수의 초기값을 변경하여 CPU 모듈과 REC 모듈 통신 접속이 완료된 후에 단절되었을 시 DMI에 표시하도록 변경하였다. 둘째는 현장 시험시 차상제어장치의 재기동 없이 반복적인 열차 주행이 가능하도록 기능을 추가하는 것이 요구되었다. 현재는 현장 시험시 열차가 시험노선을 한번 주행하면 시험 초기지점으로 회차할 때 차상제어장치의 전원을 끄고, 시험을 시작할 때 전원을 켜서 운행하도록 설정되어있다. 하지만 이는 반복적인 열차운행을 통해 기능을 확인하는 현장 시험의 특성상 시험을 수행하는데 있어서 번거로움이 있을 것으로 예상된다. 따라서 열차 주행도중 또는 종료 후 차상제어장치를 ISO 모드로 전환하면 재시작이 가능하도록 변경하였다.

5.2 차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험 결함사항

표 5에서는 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성 시험에서 발생한 주요 결함 1건인 ICT 모드의 차상제어장치와 운행관리컴퓨터 그리고 선로변제어장치간 통신 접속 상태에서 불규칙적인 시간에 Non-ICT모드로 전환되어 통신 단절 상태가 되는 현상에 대한 증상, 원인 및 조치사항을 보여주고 있다. 표 6에서는 일반 결함 사항인 차상제어장치가 운행관리컴퓨터와의 Sequence Number Error 누적에 의한 통신 단절에 대한 증상, 원인 및 조치사항을 보여주고 있다. 표 7은 사소한 결함 사항인 차상제어장치, 운행관리컴퓨터와 선로변제어장치간 Retry 초과로 인한 통신 단절에 대한 증상, 원인 및 조치사항을 보여주고 있다. 표 8에서는 세 가지의 결함사항 및 그에 대한 조치사항을 요약하였다.

표 5차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험 결함사항에 대한 조치사항 1 Table 5 Supplementation 1 as per communication consecutive test result

표 6차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험 결함사항에 대한 조치사항 2 Table 6 Supplementation 2 as per communication consecutive test result

표 7차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험 결함사항에 대한 조치사항 3 Table 7 Supplementation 3 as per communication consecutive test result

표 8차상중심 열차제어시스템 통신 연속성 시험 결함사항에 대한 조치사항 요약표 Table 8 Brief of supplementation as per communication consecutive test result

 

4. 결 론

차상중심 열차제어시스템은 무선통신을 활용하여 차상에서 직접 열차 진로상의 선로변 설비들을 제어하는 차세대 열차제어시스템이다. 따라서 통신 연속성에 대한 시험은 무선통신을 기반으로 하는 차상중심 열차제어시스템의 신뢰성 향상을 위해 필수적이다. 본 논문에서는 차상제어장치와 운행관리컴퓨터간 통신 연속성, 차상제어장치와 선로전환기용 선로변제어장치간 통신 연속성 및 차상제어장치와 건널목차 단기용 선로변제어장치간 통신 연속성에 대한 3가지의 시험을 수행하여 개발된 차상중심 열차제어시스템의 통신 연속성을 평가하였다. 이번 시험을 통해 발견된 결함사항은 총 3가지로 첫째, ICT 모드의 차상제어장치와 운행관리컴퓨터 그리고 선로변제어장치간 통신 접속 상태에서 불규칙적인 시간에 Non-ICT 모드로 전환되어 통신 단절 상태가 되는 것, 둘째, 차상제어장치가 운행관리컴퓨터와의 Sequence Number Error 누적에 의한 통신 단절, 셋째, 차상제어장치와 운행관리컴퓨터, 선로변제어장치간 Retry 초과로 인한 통신 단절이다. 개선사항으로는 첫째, 차상제어장치의 최초 기동시 DMI 초기 화면에 ‘REC 통신 상태 이상’ 관련된 이상 표시의 수정이 요구되는 것, 둘째, 현장 시험시 차상제어 장치의 재기동 없이 반복적인 주행 기능의 추가가 필요하다는 것이다. 본 시험을 통해 도출된 결함사항 3건과 개선사항 2건을 보완하여 120시간 동안 통신 연속성을 확인해본 결과 이상 없이 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있었다.