A Study on Slow Driving of Metropolitan Train for Disorder Condition of Platform Safety Gate using LTE-R and Beacon

LTE-R과 비콘을 활용한 승강장안전문 장애발생 시 열차 서행운전에 관한 연구

Abstract

The LTE-R system is a system consisting of a packet network that provides all IP-based services. Continuous failures related to the platform safety gate and subsequent safety accidents related to passengers and safety gate workers continue. The secondary damage caused by the failure of the platform safety door and the related human life damage have emerged as a major social issue.. By linking the beacon system to the Long Term Evoluton-Railway (LTE-R) network, an LTE-based railway wireless network currently in operation or being installed, it precisely locates trains and provides standardized fault alerts to train crews. When entering into the station, ultimately we will decelerate the train and reduce the accidents of metropolitabn railroad traffic by securing safe driving.

LTE-R 시스템은 All IP 기반의 서비스를 제공하는 Packet 망으로 구성되는 시스템으로, 승강장안전문과 관련된 지속적인 장애 발생과 이에 따른 승객 및 안전문작업자 관련 안전사고는 계속 발생하고 있으며, 이러한 승강장안전문의 장애 발생에 따른 2차 피해와 이와 관련된 인명피해는 사회적으로 큰 이슈로 떠오르고 있다. 현재 운용 중이거나 설지 중인 LTE기반 철도 무선망인 LTE-R(Long Term Evoluton-Railway) 망에 비콘 시스템을 연동하여 정교하게 열차의 위치를 파악하고, 이를 통하여 표준화된 관련 장애 경보를 열차 승무원에게 제공함으로써 장애 발생 역사에 진입 시 열차의 감속 운행을 실시하고 궁극적으로 안전운행 확보를 통해 도시철도교통 사상사고 감소를 도모한다.

Ⅰ. 서론

현재의 철도 통신방식은 주파수 공용 무선통신 시스템인 TRS(Trunked Radio System) 방식과 153㎒ 대역의 VHF 기반의 음성통화서비스가 주로 적용이 되고 있으며, 본 연구에서 활용하고자 하는 LTE-R(Long Term Evoluton-Railway)은 기존 통신망에서 볼 수 없는 고속 이동통신과 데이터통신, 그룹통화 등 철도통신에 필요한 기능을 정의한 철도기술연구원이 개발한 LTE 기반 철도 무선망이다^[1].

LTE-R은 700㎒ 대역, 상/하 각 10㎐ 대역폭을 활용하여 음성, 영상 등 다양한 부가서비스를 지원한다.

본 연구는 도시철도 승강장안전문에서 장애가 발생한 역사에 진입하는 열차의 승무원에게 관련 장애 경보를 사전에 인지시킴으로 현재의 VHF(Very High Frequency) 열차 무선 통화 중심의 프로세스에서 발생할 수 있는 휴먼에러를 효율적으로 감소시킬 수 있으며, 표준화되고 안정적인 시스템의 운용이 가능하다. 그리고 장애가 발생한 역사에 진입하는 열차에만 장애 경보를 전송함으로 한정된 백본망과 무선자원의 효율적 운용을 가능하게 하며, 이를 통한 안전운행 확보와 고객에 대한 향상된 서비스를 제공할 수 있게 될 것으로 기대된다.

Ⅱ. 본론

1. 현행 시스템

승강장안전문은 전동차 및 승객과 유기적으로 연결되어 운영되는 연동시스템으로 승강장안전문의 고장은 열차의 운행에 장애를 초래할 뿐만 아니라 승객의 사상사고로 이어질 수 있기 때문에 승강장 안전문은 고장을 최소화하여야 하고, 고장이 발생하여도 사고로 연결되지 않도록 보완책 마련이 필요하다^[2] .

승강장안전문에 장애가 발생 시, 이와 관련된 역무원, 관제사, 열차 승무원, 안전문 작업, 열차 승무원의 각 업무 내용은 과 그림 1과 같다.

그림 1. 승강장안전문 장애 조치에 따른 과정별 처리 내용

Fig. 1. Process for each process according to Platform Safety Door failure measures

이러한 경로를 통해 승강장안전문의 장애를 인지한 각 운용자는 신속한 장애복구 프로세스를 진행하며, 해당 역사의 역무원, 관제사, 안전문 작업자, 열차 승무원 등이 유기적인 업무협조를 통하여 열차 안전운행과 승객 및 작업자의 안전을 확보하게 된다.

하지만 이러한 역무원, 관제사, 안전문 작업자, 열차 승무원 등이 주체가 된 현재의 장애처리 프로세스는 장애 상황의 인지, 상황전파, 장애처리 등 대부분의 과정에 있어 인력 위주의 시스템으로 운용되고 있으며 이 과정에서 많은 인적오류 발생위험을 안고 있다.

이러한 경로를 통해 인지된 승강장안전문의 장애를 인지한 각 운용자는 신속한 장애복구 프로세스를 진행한다.

그 2와 같은 프세스를 통하여 해당 역사의 역원, 관제사, 안전문 작업자, 열차 승무원 등이 유기적인 업무 협조를 통하여 장애를 복구하여 열차 안전운행과 승객 및 작업자의 안전을 확보하게 된다.

그림 2. 승강장안전문 장애처리 프로세스

Fig. 2. Platform Safety Door fault handling process

2. 승강장안전문의 장애처리 프로세스의 문제점

승강장안전문(PSD : Platform Screen Door)은 승강장과 선로부를 차단함으로써 열차의 진입 시 유입되는 열차풍과 유해요소를 차단하며, 승객의 승강장 추락 사고를 방지하는 등 승강장 내 냉난방비 절감과 같은 공조적인 효과도 얻을 수 있다^[3].

그러나 승강장안전문과 관련된 지속적인 장애 발생과 이에 따른 승객 및 안전문 작업자 관련 안전사고는 계속 발생하고 있으며, 이러한 승강장안전문의 장애 발생에 따른 2차 피해와 이와 관련된 인명피해는 사회적으로 큰 이슈로 떠오르고 있다.

승강장안전문의 장애처리 프로세스의 문제점을 정리해 보면 다음과 같다.

첫째, 열차운행에 따른 불규칙적인 진동 발생과 미세 먼지의 유입, 그리고 즉각적인 상시 유지보수의 제약 등으로 인하여 관련 장애가 지속적으로 발생할 수밖에 없다.

둘째, 실제적인 승강장안전문 장애 발생에 따른 업무 처리 과정은 대부분 열차 승무원, 관제사, 역무원, 안전문 작업자 등 관련 인력에 의한 확인 및 조치에 중점을 두고 있어 많은 부분에서 인적오류 발생의 위험 요소를 안고 있다.

셋째, 신규 장비 및 기술의 도입에 있어서 안전성, 효율성, 유지보수 용이성, 확장성, 경제성, 보안성 등의 검증 과정을 거친 다음에야 그 적용이 가능한 폐쇄성을 갖고 있기에 그 범위와 발전 속도는 다른 분야의 서비스 발전에 비해 제한적일 수밖에 없다.

이러한 문제점들은 현재 도시철도 운용기관들이 공통적으로 안고 있는 문제점으로 승강장안전문의 장애 발생 및 이의 처리 과정에서 안전사고 발생의 위험성이 상존하는 것이 현재의 상황이다.

Ⅲ. 실험 및 고찰

1. 개선된 시스템의 설계 및 고려사항

본 시스템의 설계는 크게 승무원용 휴대무선장치, 비콘 송신기 및 관리 서버, 승강장안전문 종합제어반 및 장애수집 서버, LTE-R eNB 및 코어 구간, 네트워크 구간으로 구성하였다.

운용자의 개입을 최소화한 시스템의 구현으로 인적오류 발생요소를 제거함으로써 승강장안전문의 장애 처리 과정에서 발생할 수 있는 안전문 작업자의 안전확보를 최우선으로 하고 있다.

본 시스템의 운용을 위해 일차적으로 휴대용 단말기는 전용 어플리케이션의 적용을 필요로 하며, 향후 PS-LTE (Public Safety-LTE)와의 연동 계획에 따라 3rd party 서비의 활용이 아닌 별도의 신뢰성과 안전성이 검증된 전용 어플리케이션의 적용이 요구된다.

각 역사의 비콘 송신기는 상선 방향, 하선 방향으로 구분되어 설치되며 관제센터의 비콘 서버는 이를 구분하여 관리하고, 이를 기반으로 상선 방향과 하선 방향을 나누어 승강장안전문 장애 관리 서버와의 연동하여 응용 프로그램을 제공한다.

비콘은 사물인터넷 및 위치기반 O2O 서비스에 적용되고 있으며 NFC와 같이 4~5c㎝로 근접할 필요도 없으며 GPS보다 정확한 위치 인식이 가능하다는 장점으로 모바일 기기와 연동하여 여러 장소에서 사용자의 위치에 따른 다양한 서비스를 제공하는 것이 가능하다^[4].

전체 역사의 승강장안전문 장애를 관리하는 장애관리 서버는 그림 3과 같이 비콘 서버와 연동되며 장애가 확인된 역사의 정보를 비콘 서버로 통보하며 이를 수신한 비콘 서버는 해당 역사의 장애 경보 서비스를 활성화하여 LTE-R 망과 해당 기지국을 통하여 장애 Event를 전송한다.

그림 3. 승강장안전문 장애관리 시스템 구성도

Fig. 3. Platform Safety Door Fault Management System

관제센터의 LTE-R 코어 망은 센터 내 장치를 포함하는 어플리케이션 서버 및 비콘 서버와 연동되어 비콘 송신기의 신호를 감지한 휴대용 단말기의 정보를 비콘 서버로 전송하고 비콘 서버에서 제공하는 서비스를 해당 휴대용 단말기에 제공하는 기능을 수행한다.

본 시스템은 이러한 차상 시스템, 비콘 송신기 및 서버, 장애관리 서버, LTE-R 코어, IP MPLS(Multi Protocol Label Switching) 전송망이 유기적으로 동작하는 시스템으로 기존에 운용 중 이거가 구축 중인 장애 관리 서버와 IP MPLS 전송망에 역사의 비콘 송신기를 관리하는 비콘 서버를 추가하는 형식을 취하며 전체적인 구성은 그림 4와 같다.

그림 4. 시스템 전체 구성도

Fig. 4. Beacon System Diagram

2. 개선된 시스템의 제안

먼저 열차의 기관사와 차장은 승차 시 반드시 LTE-R 휴대용 단말기를 휴대하여야 하며, 승무원은 사용자 등록 과정에서 운행하는 열차번호와 함께 상선, 하선을 구분하여 등록하게 되며, 이에 따라 해당 운행 방향에 대한 경보만 수신하게 된다.

상선 방향 모든 역사의 승강장안전문에서 장애가 없는 경우 안전문 관리 서버는 그 내용을 비콘 서버로 전송하며, 상선 비콘 서버의 모든 관련 서비스는 모두 “OFF”로 설정된다.

이때 열차가 A, B, C, D, E 각 역사에 진입하여 휴대용 단말기가 해당 역사의 비콘의 신호를 인식하고, 비콘의 ID과 휴대용 단말기의 ID를 전송망을 통하여서버에 제공하며, 관련된 서비스를 요청하여도 해당 비콘이 속한 역사의 장애발생 프로그램은 전송되지 않기 때문에 휴대용 단말기는 경보가 제공되지 않는다.

이후 역사 B의 상선운행 방향 승강장안전문에서 장애가 발생하는 경우 역사 B의 종합제어반은 장애 내역을 관제센터의 안전문 관리 서버로 전송하게 된다. 이를 수신한 안전문 관리 서버는 역사 B의 상선 방향 승강장안 전문에서 장애가 발생함을 인지하고, 상선 비콘 서버로 관련 장애 내역을 전송하며 이를 수신한 상선 비콘 서버는 역사 B와 연동된 서비스를 “ON”으로 활성화 시켜 장애가 조치 완료 시까지 상태를 유지한다.

승강장안전문에 장애가 발생하지 않은 역사의 경우 연동된 ID의 비콘 신호가 수신되어도 관련 경보는 전송되지 않으나 역사 B의 상선 승강장안전문의 장애 발생으로 비콘 서버의 해당 장애 발생경보 서비스가 활성화된 조건에서 이와 연동된 ID의 비콘 신호가 수신된 경우, 해당 DB에 저장된 장애 경보를 해당 단말기로 전송하게 된다.

이때 비콘의 ID와 함께 휴대 단말기의 고유 ID도 함께 전송되며, LTE-R의 HSS(Home Subscriber Server) 에서 해당 단말기가 접속 중인 DU(Digital Unit)와 RRU(Remote Radio Unit)를 확인하여 승강장안전문 관련 경보의 전송 시 해당 DU만을 통해 해당 장애 경보를 전송함으로 전송 채널과 무선자원의 낭비를 막을 수 있다.

역사 B에서 정차하여 역사 C로 진입하는 상선 방향 진행 열차의 휴대용 단말기에는 역사 C의 상선 승강장 안전문 장애 발생에 관한 경보가 송출되어 역사 C 도착 이전에 승무원이 이를 인식하여 감속 운행 등 안전에 관한 조치를 사전에 취할 수 있다. 이후 승강장 안전문의 장애가 조치 되면 장애관리 서버는 관련 데이터를 비콘 서버로 다시 전송하고 비콘 서버의 활성화 되었던 역사 B의 장애 경보전송 관련 프로그램은 “OFF”로 비활성화 되어 비콘 단말기에서 서버로 서비스 요청이 와도 해당 서비스는 제공되지 않는다.

이러한 개선된 시나리오를 통해 그림 5와 같이 기존의 인력 중심으로 운용되던 시스템에서 벗어나 비콘에 의한 운용자의 관여 없는 관련 경보의 제공으로 기존 시스템이 갖고 있는 휴먼에러의 발생 요소를 사전에 효과적으로 차단할 수 있다.

그림 5. 개선된 시스템 시나리오

Fig. 5. Improved System Scenario

3. 개선사항

일반적으로 DU는 2~3개 역사마다 설치가 되며, 정확한 열차의 위치와 열차번호의 파악을 위하여 2개 정도의 RRU가 커버리지를 구성하며 신호 분야의 궤도정보도 함께 활용하고 있다. 이 경우 비콘 시스템의 구축 없이 승강장안전문 관련 장애 경보를 열차 승무원에게 제공할 수 있으나 신호 장애 시 정확한 열차의 위치 파악 한계를 갖는다.

열차 승무원은 장애 발생역사 이전 역사에 도착하여 발차 시점에서 진입할 역사의 장애 현황을 수신받는 것이 휴먼에러 발생을 줄일 있는 최상의 조건이나 이 경우 장애 발생역사 진입 직전에 장애 경보를 인지하거나 장애 발생 이전 역사에 진입 시 장애 경보를 인지하여 열차 급제동 등의 문제를 발생시킨다.

본 연구에서는 기존에 운영 중인 승강장안전문 장애관리 서버에 비곤 서비스와 LTE-R과의 연동을 구현하였다.

비콘 기반의 IoT 서비스를 추가하여 정확한 장애의 인지와 장애 상황전파에서 발생할 수 있는 시간 지연에 따른 추가 피해를 방지하며, 전체적인 장애처리 프로세스 관점에서도 열차무선 통화가 중심인 승무원에 대한 관련 경보의 전달 루트에 휴대용 단말기를 통한 경보의 발생을 추가함으로써 안정된 감속운행 및 안전운행을 수행하여 이와 관련된 휴먼에러의 발생요소를 차단할 수 있다.

본 시스템의 개선사항은 표 1과 같다.

표 1. 개선사항의 제시

Table 1. Presenting Improvements

Ⅳ. 결론

본 연구는 LTE-R과 비콘의 연동을 통해 열차 서행운전 관련 경보를 열차 승무원에게 전송함으로써 이와 관련된 운영자의 개입 및 작용의 배제를 통해 휴먼에러 발생 가능성을 사전에 차단할 수 있음을 확인하였다. 더불어 실시간적인 열차의 위치 파악에 있어 신호분야 궤도 정보에 대한 의존성을 낮추어 궤도정보 장애 시에도 안정적인 서비스를 지원하며 비콘 단말을 이용한 정교한 위치 측위를 통하여 경보전송에 있어 시간적, 위치적으로 규칙을 갖는 차별화된 서비스를 제공할 수 있고 한정된 백본망과 무선자원의 효율적 운용을 지원하며 향후 이를 기반으로 다양한 위치 기반 서비스의 제공이 가능하다. 열차의 승무원이 진입하는 역사의 승강장안전문 장애 발생과 안전문 작업자의 작업 사항을 관제사와의 VHF 열차 무선 통화 없이도 인지하고 예측할 수 있어 역사 진입시 사전에 감속 운전을 수행함으로써 이에 따른 여객 및 직무 관련 사상사고를 획기적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

더불어 향후 비콘 기반의 실내 네비게이션 망의 구축을 통하여 신호정보 없이 단독으로 정교한 열차 위치의 파악이 가능해지며 이를 기반으로 영업종료 후 터널 내에서의 특수차량 운행에 따른 선로 작업자의 안전을 확보할 수 있다.