최근 국내 협력 업체와 함께 국산 전동차를 제작하였다. 전동차에서 주 제어장치는 열차종합제어장치인 TCMS로서 시스템 성능, 편리한 유지 관리 그리고 서비스 관점의 유연성을 고려하면서 TCMS의 요구분석을 수행하였다. 이를 기반으로 새로운 내부 버스 구조와 RTOS로서 QNX를 적용하게 되었다. TCMS 기능을 서비스 장치와 제어/감시 기능으로 분리하여 열차의 성능 개선과 편리한 유지 보수 그리고 고객 요구를 만족하였다. TCMS는 하드웨어에 구현된 다양한 프로토콜을 통하여 열차에 장착된 제어 장치를 제어하고 관리한다. 시스템의 성능 검증과 안정성을 확인하기 위하여 EMC/EMI를 비롯한 다양한 시험을 KOLAS 인증 기관과 한국철도기술연구원에서 시행하였다. 현재 TCMS는 새로 개발된 열차에 장착되어서 시운전을 통하여 성능 검증을 수행하고 있다.
최근 국내 협력 업체와 함께 국산 전동차를 제작하였다. 전동차에서 주 제어장치는 열차종합제어장치인 TCMS로서 시스템 성능, 편리한 유지 관리 그리고 서비스 관점의 유연성을 고려하면서 TCMS의 요구분석을 수행하였다. 이를 기반으로 새로운 내부 버스 구조와 RTOS로서 QNX를 적용하게 되었다. TCMS 기능을 서비스 장치와 제어/감시 기능으로 분리하여 열차의 성능 개선과 편리한 유지 보수 그리고 고객 요구를 만족하였다. TCMS는 하드웨어에 구현된 다양한 프로토콜을 통하여 열차에 장착된 제어 장치를 제어하고 관리한다. 시스템의 성능 검증과 안정성을 확인하기 위하여 EMC/EMI를 비롯한 다양한 시험을 KOLAS 인증 기관과 한국철도기술연구원에서 시행하였다. 현재 TCMS는 새로 개발된 열차에 장착되어서 시운전을 통하여 성능 검증을 수행하고 있다.
Recently, we developed a new subway train with many cooperative companies. The main controller of the subway train is Control and Monitoring System (TCMS), so we conducted requirement analysis of TCMS considering system performance, easy maintenance and service oriented flexibility. Hence, we adopte...
Recently, we developed a new subway train with many cooperative companies. The main controller of the subway train is Control and Monitoring System (TCMS), so we conducted requirement analysis of TCMS considering system performance, easy maintenance and service oriented flexibility. Hence, we adopted new bus architecture and QNX as a Real-time Operating System (RTOS) and developed hardware systems. The functions of TCMS are employed into two computers, service computer and control/monitor computer, to increase on their performance and to yield easy maintenance and to satisfy customer needs. The TCMS controls and monitors control devices equipped in the train through various protocols which are implemented in hardware. In order to evaluate the performance of the system and to satisfy reliability, various experiments including EMC/ECI were performed. Now the TCMS is installed on the newly developed train and is under performance evaluation through test driving.
Recently, we developed a new subway train with many cooperative companies. The main controller of the subway train is Control and Monitoring System (TCMS), so we conducted requirement analysis of TCMS considering system performance, easy maintenance and service oriented flexibility. Hence, we adopted new bus architecture and QNX as a Real-time Operating System (RTOS) and developed hardware systems. The functions of TCMS are employed into two computers, service computer and control/monitor computer, to increase on their performance and to yield easy maintenance and to satisfy customer needs. The TCMS controls and monitors control devices equipped in the train through various protocols which are implemented in hardware. In order to evaluate the performance of the system and to satisfy reliability, various experiments including EMC/ECI were performed. Now the TCMS is installed on the newly developed train and is under performance evaluation through test driving.
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문제 정의
TCMS는 전동차의 운전 제어기능, 운전 지원기능, 차량 검사 기능을 목적으로 하는 정보관리시스템으로 궁극적으로 차량의 성능을 책임지고 있어서 매우 높은 신뢰도와 안전성을 필요로 한다. 따라서 개발된 시스템의 성능 및 환경 검사가 중요하며 이와 같은 목적으로 한국철도기술연구원에서의 구성품시험 및 환경시험 결과와 국제시험기관인정협력체 상호인정협정에 서명한 한국인정기구 (KOLAS)로부터 공인 받은 시험소에서의 진동 및 전자파 시험 등의 시험 결과를 4장에 소개하도록 한다. 본 연구 결과는 시스템적으로 독자 개발된 TCMS의 구성과 시험 결과를 소개하는 것으로 철도제어장치의 국산화 연구에 많은 도움을 줄 것으로 판단한다.
위 표 Table 1과 같이 각기 다른 외국산 제품의 사용으로 인해 부품수급의 어려움, 값 비싼 부품, 소프트웨어 프로그램 소스가 제공되지 않음에 따라 시스템 변경의 한계 등 유지보수 측면에서 비효율적인 부분이 많이 발생한다. 따라서, SMRT는 오랜 전동차 운영 경험과 자체 기술 축적으로 기존의 많은 문제점과 고객 서비스 개선을 위하여 독자적인 전동차를 개발하였으며 이에 대한 개선으로 TCMS 장치 국산화를 추진하게 되었다.
이러한 개발 방향은 Table 1에 나타낸 바와 같이 다양한 외국산 전동차를 오랜 기간 운용해 오면서 취득한 장단점을 분석함으로 이루어졌다. 또한 기존의 문제점과 함께 새로운 기술의 수용 그리고 최적으로 고객 서비스를 목적으로 하고 있다. 이와 같은 개발 방향은 향후 TCMS를 개발하고자 하는 연구자에게 중요한 시사점을 줄 수 있다.
본 논문에서는 SMRT가 자체 기술로 개발한 전동차용 국산 TCMS 개발 결과를 기술하였다. 새로운 전동차를 위하여 새로이 개발된 TCMS의 개발방향과 시스템의 구성 및 하드웨어를 소개하였으며 시험결과를 포함하였다.
제안 방법
따라서 MFB 보드와 마찬가지로 유지 보수와 기능 향상에 매우 적합한 구조를 가지고 있다. DIO 보드 역시 내부 버스인 CompactPCI를 통하여 타 보드와 통신을 수행하기 위하여 MFB와 동일한 버스 제어기를 FPGA로 구현하였다. 현재 구현된 디지털 입출력을 48 채널로서 하나의 섹션(Section)에 8 개의 입력 포트가 존재한다.
열차에서 사용하는 통신 링크는 열차 내와 열차 간의 통신 장치로 구분되는데 열차 간의 통신을 담당하는 열차 데이터 링크는 차량 컴퓨터인 CC를 전체적으로 멀티드롭 방식으로 구현되어 있으며 통신 코드 맨체스터 HDLC(Manchester HDLC) 방식을 사용하고 있다. 그리고 맨체스터 HDLC를 이용하여 전체 열차 편성에 SMRT-NET을 구현하였으며, 통신속도는 1.5Mbps 전송이 이루어 지도록 구성하였다. 또한 각 차량에는 다양한 부하 장치가 존재하며 기존의 장치와의 호환성을 고려하여야 한다.
TCMS는 전동차의 종합제어장치로서 열차의 안전 운행을 책임지고 있다. 따라서 2.1에 논의한 개발요구사항을 만족 하기 위하여 하드웨어 보드 PCB(Printed Circuit Board) 구성과 각 데이터 처리장치를 연결하는 내부 버스구조 또한 소프트웨어 실시간 운영체제에 대한 설계지침을 마련하여 개발을 진행하였다. 이와 같은 설계지침을 통하여 대규모 팀이 협동 작업을 할 때 효과적인 개발을 진행할 수 있으며, 향후 발생할 수 있는 유지보수의 문제와 본선 운전에 필요한 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한 각 차량에는 다양한 부하 장치가 존재하며 기존의 장치와의 호환성을 고려하여야 한다. 따라서, 열차 내의 통신인 로컬 데이터 링크는 TCMS에 연결되는 주변장치들을 위한 통신 방식으로 RS485 방식을 이용하여 하나의 CC 컴퓨터에 여러대의 다양한 주변 제어장치가 로컬 네트워크를 구성할 수 있도록 개발하였다.
또한 전자파 시험이 진행되었으며 EN 표준 시험규격에 의하여 TC, CC, DU에 대하여 전자파 관련 시험을 진행하였다. 시험 항목은 정전기 방전 내성시험, 전자파방사 내성시험, 전기적 빠른 과도현상 내성시험, 서지 내성시험, 전자파 전도 내성시험 및 과전압시험을 진행하여 철도제어장치의 안정성과 신뢰성에 개발의 목표를 두었다.
TC는 차량 편성 상 2대 편성되며 내부에 두 개의 컴퓨터(L1U1, L1U2)를 구현하여 이중계를 구현하고 있다. 본 구성을 통하여 열차의 안전을 도모하고 있으며, 차량 컴퓨터인 CC에서 차량에 장착된 주변 장치들의 상태를 감시하고 제어를 수행한다. 이와 같은 정보는 버스를 통하여 각 TC에 전달된다.
본 논문에서 목표로 하는 TCMS는 다양한 보드가 내부 버스를 통하여 통신을 하게 된다. 기본적으로는 랙에 CPU 보드와 통신 보드 그리고 입출력 보드가 설치된다.
새로 개발된 TCMS의 신뢰성과 안전성을 위하여 종합제어장치조합시험을 한국철도기술연구원에서 실시하였다. 조합시험에는 하부기기 통신 확인 시험, 인터페이스 입출력 확인 시험 등이 진행되었다.
본 논문에서는 SMRT가 자체 기술로 개발한 전동차용 국산 TCMS 개발 결과를 기술하였다. 새로운 전동차를 위하여 새로이 개발된 TCMS의 개발방향과 시스템의 구성 및 하드웨어를 소개하였으며 시험결과를 포함하였다. 전동차 운용회사가 자체 기술로 제작한 신형 전동차 개발의 이익은 여러 가지가 있다.
시험 항목은 저온시험과 고온시험, 고온고습시험, 온도 사이클링 시험이 진행되었으며, 시험규격으로는 KSC0220, KSC0221, KSC0225 및 KSC0227이 사용되었다. 시험 결과 모든 성능을 만족하였으며, 마지막으로 KOLAS 인증 기관에서 품질평가를 위한 진동시험과 전자파 시험이 진행되었다. 진동시험은 공진시험, 기능랜덤시험, 장기 수명시험 및 충격시험이 진행되었다.
또한 전자파 시험이 진행되었으며 EN 표준 시험규격에 의하여 TC, CC, DU에 대하여 전자파 관련 시험을 진행하였다. 시험 항목은 정전기 방전 내성시험, 전자파방사 내성시험, 전기적 빠른 과도현상 내성시험, 서지 내성시험, 전자파 전도 내성시험 및 과전압시험을 진행하여 철도제어장치의 안정성과 신뢰성에 개발의 목표를 두었다. Fig.
TCMS를 새롭게 개발함에 있어서 열차 안전운행의 중요성을 고려하여 다양한 논의를 진행한 결과 주요한 개발 방향을 도출하게 되었다. 이러한 개발 방향은 Table 1에 나타낸 바와 같이 다양한 외국산 전동차를 오랜 기간 운용해 오면서 취득한 장단점을 분석함으로 이루어졌다. 또한 기존의 문제점과 함께 새로운 기술의 수용 그리고 최적으로 고객 서비스를 목적으로 하고 있다.
실험 결과는 시험 동안 및 시험 후까지 의도된 대로 작동을 계속하는 A 등급을 받았다. 이외 모든 전자파관련 시험에 대하여 EN 시험 규격에 의거하여 시험을 진행하였으며 모두 A 등급을 받아 신뢰성을 확보하였다.
새로 개발된 TCMS의 신뢰성과 안전성을 위하여 종합제어장치조합시험을 한국철도기술연구원에서 실시하였다. 조합시험에는 하부기기 통신 확인 시험, 인터페이스 입출력 확인 시험 등이 진행되었다. Fig.
시험 결과 모든 성능을 만족하였으며, 마지막으로 KOLAS 인증 기관에서 품질평가를 위한 진동시험과 전자파 시험이 진행되었다. 진동시험은 공진시험, 기능랜덤시험, 장기 수명시험 및 충격시험이 진행되었다. 각각의 시험 조건과 시험장비는 본 논문에서 상세기술은 제외하였다.
통신 보드는 새로운 TCMS를 개발함에 따라 기능별 분담과 향후 유지 보수를 위하여 다양한 기능을 포함하는 MFB(Multi Function Board)를 개발하었다. 따라서 단순히 Table 2에 포함된 통신만을 담당하는 것이 아니라 아나로그 입출력을 담당할 수 있는 다중 기능의 보드로 개발되었다.
대상 데이터
Table 3은 새로 개발되는 TCMS의 주 컴퓨터 보드로서 기존의 장치에 비하여 매우 강력한 기능을 가지고 산업체에서 많이 사용되어지는 보드를 선정하였다. 또한 앞으로 사용할 통신 방식과 RTOS 지원 등을 종합적으로 검토하여 선정되었다.
본 개발에서 사용된 CPU 보드는 Fig. 1과 같으며 384MHz의 동작 주파수를 가진 PowerPC를 기본으로 한다. 메모리는 프로그램 보존과 데이터 보존 그리고 부트 프로그램을 위한 메모리가 모두 존재한다.
종합제어장치는 일반적으로 운전실에 위치하여 편성 차량에서 필요한 정보를 받아서 운전실 표시 장치로 표시하고 또한 운행기록이 저장됨으로써 차량의 유지보수 및 검수 목적으로 활용된다. 본 연구에서 개발된 TCMS는 Fig.1과 같이 주 컴퓨터(TC: Train computer), 차량 컴퓨터(CC: Car computer)와 표시장치(DU: Display unit)으로 구성된다. DU와 TC는각 운전실에 위치하게 되며, CC는 각 편성차량에 배치하여 데이터를 진단하여 통신 선로를 통하여 TC와 통신하게 된다.
이론/모형
구성품의 동작 시험과 함께 환경시험이 또한 철도기술연구원에서 진행되었다. 시험 항목은 저온시험과 고온시험, 고온고습시험, 온도 사이클링 시험이 진행되었으며, 시험규격으로는 KSC0220, KSC0221, KSC0225 및 KSC0227이 사용되었다. 시험 결과 모든 성능을 만족하였으며, 마지막으로 KOLAS 인증 기관에서 품질평가를 위한 진동시험과 전자파 시험이 진행되었다.
6에 전자파방사 내성 시험의 사진을 나타내었다. 전자파 방사 내성시험은 EN50121-3-2 규격에 의하여 전자파 무반사실에서 진행되었다. 규격에 의한 간단한 시험 조건을 Table 7에 소개하였다.
성능/효과
TCMS를 새롭게 개발함에 있어서 열차 안전운행의 중요성을 고려하여 다양한 논의를 진행한 결과 주요한 개발 방향을 도출하게 되었다. 이러한 개발 방향은 Table 1에 나타낸 바와 같이 다양한 외국산 전동차를 오랜 기간 운용해 오면서 취득한 장단점을 분석함으로 이루어졌다.
기술종속에서 벗어난다는 뜻은 운영의 효율화와 기능의 개선 그리고 유지보수의 용이성 등 이루 표현할 수 없을 정도로 장점이 많다. 둘째, 독립적 기술 자립으로 새로운 기술을 수용한 서비스가 가능하다는 점이다. 하루가 다르게 발전하는 IT 기술의 적용, 다양화된 승객서비스 등을 제공하기 위해서는 시스템 변경이 필요한데 기존의 시스템으로는 원제작자와의 협의 과정 그리고 국내 환경과의 불일치 등 여러 가지 어려운 점이 있었다.
또한 Compact PCI 인터페이스가 지원되고 있으며, GPIO 및 디버그 인터페이스가 제공된다. 따라서 다양한 정보 처리와 실시간 제어 기능이 요구되는 TCMS의 주 제어기로는 적절한 것으로 본 과제에서 사용되었다.
이와 같은 개발 방향은 향후 TCMS를 개발하고자 하는 연구자에게 중요한 시사점을 줄 수 있다. 본 논문에서 이러한 관점에서 개발 요구 사항의 정리를 매우 중요하게 다루고 있으며, 요구 분석을 통하여 개발 방향을 설정할 수 있었으며, 실패를 줄일 수 있었다. 본 개발에서 논의된 TCMS의 개발 요구 사항을 아래에 정리하였다.
서비스장치 제어컴퓨터인 CSC(Customer service computer), 통합설정기인 PIASC(Passenger information & announcement system controller), 운전실 공조제어기인 HTC(HVAC train controller)과 스크린도어 제어 장치인 PSDRD(Platform screen door-radio frequency)는 기존에 개발된 장치와의 호환을 위하여 Table 2와 같이 19.2Kbps로 구현되었으며 통신주기는 서비스에 적합하게 구현되었다.
또한 모든 입출력 장치도 동일하게 실험을 진행하였으며, 본 논문에는 게재하지 않도록 한다. 이와 같은 결과를 통하여 새로 개발된 TCMS가 안정적으로 새로운 전동차에 적용할 수 있음을 검증하였다.
후속연구
따라서 개발된 시스템의 성능 및 환경 검사가 중요하며 이와 같은 목적으로 한국철도기술연구원에서의 구성품시험 및 환경시험 결과와 국제시험기관인정협력체 상호인정협정에 서명한 한국인정기구 (KOLAS)로부터 공인 받은 시험소에서의 진동 및 전자파 시험 등의 시험 결과를 4장에 소개하도록 한다. 본 연구 결과는 시스템적으로 독자 개발된 TCMS의 구성과 시험 결과를 소개하는 것으로 철도제어장치의 국산화 연구에 많은 도움을 줄 것으로 판단한다.
이에 비하여 독립적 TCMS의 확보로 인하여 부품을 준비하고 유지 보수에 용이한 구조 그리고 공용 TCMS의 사용으로 인하여 경영 합리화에 기여할 수 있다. 본 연구개발의 결과는 전동차 운영사 입장에서 볼 때 자체 기술자립과 함께 경영 합리화 그리고 고객 서비스 향상에 크게 기여할 것으로 보인다.
1에 논의한 개발요구사항을 만족 하기 위하여 하드웨어 보드 PCB(Printed Circuit Board) 구성과 각 데이터 처리장치를 연결하는 내부 버스구조 또한 소프트웨어 실시간 운영체제에 대한 설계지침을 마련하여 개발을 진행하였다. 이와 같은 설계지침을 통하여 대규모 팀이 협동 작업을 할 때 효과적인 개발을 진행할 수 있으며, 향후 발생할 수 있는 유지보수의 문제와 본선 운전에 필요한 신뢰성을 확보할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TCMS란?
일반적으로 TCMS(Train Control and Monitoring System)는 전동차의 운전 제어기능, 운전 지원기능, 차량 검사 기능을 목적으로 하는 정보관리 시스템으로 궁극적으로 차량의 성능을 책임지고 있어서 매우 높은 신뢰도와 안전성을 필요로 한다. TCMS는 전체 전동차의 운행 정보와 주요기기의 동작 상태를 감시하고 실시간으로 운전실에 있는 표시장치를 통하여 전동차의 운행정보 및 주요기기의 동작 상태를 기관사에게 제공한다[2].
TCMS의 차량 컴퓨터는 어떤 역할을 하는가?
TCMS는 운전실에 배치된 주 컴퓨터와 각 편성 차량에 설치되는 차량 컴퓨터로 구분되며, 운전실에는 표시 장치가 별도로 배치된다. 차상에 배치된 차량 컴퓨터는 차량의 주요한 부속 시스템들이 정확한 동작을 하는가를 연속적으로 감시하며, 이상 발생시 고장 현시, 고장 데이타 기록, 고장 데이타를 수집하여 운전실에 있는 주 컴퓨터로 데이터 전송을 실시한다. 이와 같이 종합정보시스템은 전체 차량의 안전을 담당하고 있어서 최신 제어기술과 통신기술을 이용하여 안전하고 신뢰성 있는 지하철 운행을 담당하고 있으며, 또한 유지 보수를 위하여 검사시 고장 해석을 용이하게 하는 종합 제어장치이다.
TCMS의 기능은?
일반적으로 TCMS(Train Control and Monitoring System)는 전동차의 운전 제어기능, 운전 지원기능, 차량 검사 기능을 목적으로 하는 정보관리 시스템으로 궁극적으로 차량의 성능을 책임지고 있어서 매우 높은 신뢰도와 안전성을 필요로 한다. TCMS는 전체 전동차의 운행 정보와 주요기기의 동작 상태를 감시하고 실시간으로 운전실에 있는 표시장치를 통하여 전동차의 운행정보 및 주요기기의 동작 상태를 기관사에게 제공한다[2].
참고문헌 (11)
J.H. Lee (2011) Outlook of Train Control and Technology Development, Journal of the Korean Society for Railway, 14(2), pp. 6-15.
S.H. Han, T.K. Ahn, S.G. Lee, K.W. Lee, K.H. Choi (2000) Reliability software design techniques of the Train Control and Monitoring(TCMS) for the Standard type K-EMU, Journal of the Korean Society for Railway, 3(3), pp. 147-153.
D.H. Kim, S.J. Seo, J.S. Han, C.H. Kim (2008) The Study about TCMS Wireless Depot Analytical Equipment Development and Test Results at SeoulMetro Line2, 2008 Annual Conference of the Korean Society for Railway, pp. 351-360.
J.S. Lee, H. Kim, J.S. Han, C.H. Kim (2010) Application and Example Analysis of Dual DU(Display Unit) of TCMS for rolling stock, 2010 Annual Conference of the Korean Society for Railway, pp. 234-240.
E.K. Lee, S.J. Cho (2002) Development of TCMS for the Light Rail Transit, 2002 Annual Conference of the Korean Society for Railway, pp. 528-533.
L.T. Kang, J.S. Lee, K.S. Kim, G.S. Park (2000) A Study for Running Test Result of Train Automatic Driving Control by ATC/ATO.TWC System, 2000 Annual Conference of the Korean Society for Railway, pp. 578-585.
CompactPCI standard, http://www.picmg.org
B.W. Choi (2001) Introduction to RTOS, SamsunAdvanced Technology Training Institue.
B.W. Choi, K.C. Koh. J.I. Moon, K.Y. Lim (2003) Experiment of Embedded Linux and Its Applications, Hongreung Science Pub.
Martin Timmerman (2009) RTOS state of the art, Dedicated Systems, 9.
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