[논문]베이지안 회귀 및 상관분석을 통한 지하철 진동발전 모델의 수정과 기전력 분석

조병완; 김영석; 이윤성; 김윤기

doi:10.7734/coseik.2013.26.2.139

베이지안 회귀 및 상관분석을 통한 지하철 진동발전 모델의 수정과 기전력 분석
A Fundamental Study on Analysis of Electromotive Force and Updating of Vibration Power Generating Model on Subway Through The Bayesian Regression and Correlation Analysis 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.26 no.2, 2013년, pp.139 - 146

조병완 (한양대학교 건설환경공학과) , 김영석 (한양대학교 건설환경공학과) , 이윤성 (한양대학교 건설환경공학과) , 김윤기 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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본 논문에서는 페러데이 법칙을 이용한 진동발전 장치를 지하철의 자갈도상과 콘크리트 도상의 분류에 따른 기전력 량을 분석 하였다. 지하철 2호선 서초~방배 구간의 자갈도상에서 콘크리트 도상 변경으로 동일한 전동차 운행속도로 동일 구간에서 차량운행에 의한 동특성을 분석하고 진동력발전 장치를 이용해 얻어질 수 있는 기전력 량을 분석하였다. 또한 페러데이의 법칙에 의한 유도 기전력 식에 의한 계산 기전력 량과 발전 장치에 의한 관측 기전력 량을 베이지안 회귀 분석 및 상관분석을 통하여 철도에 적용되는 모델에 대한 신뢰구간과 모델식을 각 도상별로 업데이팅하였다. 수정된 식을 이용한 기전력은 한 개의 진동발전 장치 당 콘크리트 도상에서 4mV, 자갈도상에서는 40mV의 전력을 얻을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is to update of vibration power generating model and to analyze electromotive force on subway. Analysis of electromotive force using power generation depending on classification of locations which are ballast bed and concrete bed. As the section between Seocho and Bangbae in the line 2 subway was changed from ballast bed to concrete bed, it could be analyzed at same condition, train, section. Induced electromotive force equation by Faraday's law was updated using Bayesian regression and correlation analysis with calculate value and experiment value. Using the updated model, it could get 40mV per one power generation in ballast bed, and it also could get 4mV per one power generation in concrete bed. If the updated model apply to subway or any train, it will be more effective to get electric power. In addition to that, it will be good to reduce greenhouse gas and to build a green traffic network.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

위 동향과 같이 진동에 관한 에너지 회수는 보통 압전 소자를 이용하고 있으나 본 논문에서는 철도 및 지하철에서 압전 소자가 아닌 전자기 유도 법칙을 이용한 진동력 발전장치를 이용하여 진동에너지에서 전기에너지 회수방안을 적용하고 효율성을 찾고자 한다.
8mV로 계측이 되었다. 이 결과 계산된 침하량 X에 대한 관측된 침하량 Y의 회귀를 수행할 수 있으며, 그 결과를 요약 제시하였다. 데이터로부터 표본 표준 편차는 자갈 도상에서 계산 기전력 5.

제안 방법

02g로 계측되었다. 계측된 가속도 응답을 매트랩을 이용하여 식 (3)을 적용시켜 거동에 따른 계산된 기전력 량을 구하였다.
따라서 본 연구에서는 기존연구와 달리, 도시, 사회, 환경, 철도 및 지하철에서 발생되는 진동을 저감하는 관점이 아닌 전기적 에너지로 회수하는 방법과 기존 연구들의 압전 소자가 아닌 유도 전기의 페러데이 법칙 및 렌츠의 법칙을 이용한 전자기 유도를 통해 철도 레일 구조체의 진동을 전기에너지로 변환시키는 진동력 발전 시스템을 자갈도상 및 콘크리트 도상의 침목에 설치하여 동특성 분석 및 관측 기전력 량의 신뢰성 검증을 위해 베이지안 회귀 및 상관도 분석을 실시하였다.
이상적으로 기전력에 영향을 미치는 독립변수 모두를 모델에 포함시킬 수 있으면 Random error가 없이 정확한 함수 관계가 성립할 수 있겠으나 현실적으로 불가능하다. 따라서 수직 가속도 응답에 대한 터널 내 지하철 운행으로 발생 기전력 량을 예상하고자, 계산 기전력 값을 하나의 독립변수로 가정하고, 소음 및 여러 변수를 포함한 계측 기전력 값과의 회귀 및 상관 분석을 하였다.
본 논문에서는 Table 2와 같은 특성을 가진 진동력 발전 장치 모델 Fig. 3을 이용하여 이론적 발전량과 모델의 발전량을 통하여 얻어진 데이터를 분석하였다.
본 논문은 페러데이 법칙을 이용하여 발전 장치모델을 철도에 적용하고, 베이지안 접근을 이용한 회귀 상관분석을 통하여 모델 자갈도상과 콘크리트 도상 별로 유도 기전력 모델을 수정하였다. 수정된 식을 이용하여 서초~방배구간의 전력량을 구하였다.
본 실험에서는 콘크리트 도상과 자갈 도상의 침목에서 가속도 응답 및 발전 장치 기전력을 각 22회 계측을 하였다. 지하철 2호선 서초~방배 구간의 평균시속 60km/h의 열차 운행시 측정을 하였다.
본 논문은 페러데이 법칙을 이용하여 발전 장치모델을 철도에 적용하고, 베이지안 접근을 이용한 회귀 상관분석을 통하여 모델 자갈도상과 콘크리트 도상 별로 유도 기전력 모델을 수정하였다. 수정된 식을 이용하여 서초~방배구간의 전력량을 구하였다. 소음 및 각종 변수로 인해 계산 기전력 값과 오차가 발생하였으나 회귀 분석을 통해 기전력을 예상할수 있게 모델식을 수정하였으며, 침목 내부에 설치를 하게 된다면 내구성 확보와 효율적인 전력 회수가 될 것으로 기대 된다.
차축과 궤도 노반 지반 중 가속도 응답이 큰 곳은 차축의 차륜과 궤도 부분의 레일, 침목, 도상이다. 이중 안전성 문제와 내구성, 효율성을 고려하여 보았을때 도상 위의 침목에 설치하여 실험을 진행하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 콘크리트 도상과 자갈 도상의 침목에서 가속도 응답 및 발전 장치 기전력을 각 22회 계측을 하였다. 지하철 2호선 서초~방배 구간의 평균시속 60km/h의 열차 운행시 측정을 하였다. 자갈 도상의 평균적 거동은 -0.

이론/모형

철도에서 발생되는 열차의 하중 및 진동은 횡침목과 침목하부의 자갈도상 또는 콘크리트 슬래브 도상으로 전달되어 감쇠 된다. 열차의 이동하중으로 인해 발생되는 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 축전을 하고 사용할 수 있도록 페러데이 법칙을 이용한 상하 진동형 발전장치를 적용하였다.

성능/효과

지하철 2호선 서초~방배 구간은 기존 자갈 도상에서 콘크리트 도상으로 변경하였다. 따라서 평균운행 시속 60km/h의 동일 구간에서 두 종류 도상 간의 비교가 가능하였다. 하지만 전동차가 동일 구간이지만 신호에 따른 속도 변화와 승객 여부 및 교행운행에 따른 변수는 무시하였다.
식 (3)에서 보듯이 진동발전 장치 특성 및 독립변수 가속도 응답에 따라 기전력 값의 크기가 비례하지만, 계측 시 터널 안의 소음 및 변수로 인해 계산 기전력 값과 오차가 있다. 이상적으로 기전력에 영향을 미치는 독립변수 모두를 모델에 포함시킬 수 있으면 Random error가 없이 정확한 함수 관계가 성립할 수 있겠으나 현실적으로 불가능하다. 따라서 수직 가속도 응답에 대한 터널 내 지하철 운행으로 발생 기전력 량을 예상하고자, 계산 기전력 값을 하나의 독립변수로 가정하고, 소음 및 여러 변수를 포함한 계측 기전력 값과의 회귀 및 상관 분석을 하였다.
지하철 2호선 서초~방배 구간의 평균시속 60km/h의 열차 운행시 측정을 하였다. 자갈 도상의 평균적 거동은 -0.3g~0.2g, 콘크리트 도상의 평균적 거동은 -0.04g~0.02g로 계측되었다. 계측된 가속도 응답을 매트랩을 이용하여 식 (3)을 적용시켜 거동에 따른 계산된 기전력 량을 구하였다.

후속연구

수정된 식을 이용하여 서초~방배구간의 전력량을 구하였다. 소음 및 각종 변수로 인해 계산 기전력 값과 오차가 발생하였으나 회귀 분석을 통해 기전력을 예상할수 있게 모델식을 수정하였으며, 침목 내부에 설치를 하게 된다면 내구성 확보와 효율적인 전력 회수가 될 것으로 기대 된다. 진동력 발전 장치는 자속 밀도 및 코일 횟수와 비례하고 열차 운행속도에 따라 가속도 응답이 커지므로 향후 고속철도 적용 및 효과적인 발전장치 모델개발과 효율적인 축전에 관한 지속적인 연구가 필요하다.
소음 및 각종 변수로 인해 계산 기전력 값과 오차가 발생하였으나 회귀 분석을 통해 기전력을 예상할수 있게 모델식을 수정하였으며, 침목 내부에 설치를 하게 된다면 내구성 확보와 효율적인 전력 회수가 될 것으로 기대 된다. 진동력 발전 장치는 자속 밀도 및 코일 횟수와 비례하고 열차 운행속도에 따라 가속도 응답이 커지므로 향후 고속철도 적용 및 효과적인 발전장치 모델개발과 효율적인 축전에 관한 지속적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자기 유도의 기본 원리는 무엇인가?	전자기 유도의 기본 원리는 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐른 현상을 이용하는 것이다. 즉, 코일 속에 자속을 변화시켜 코일 속을 지나가는 자기력선에 변화를 주면 코일에 전기가 발생된다.
	압전소자를 이용한 에너지 회수기술을 실제 적용한 사례는 어떤 것들이 있는가?	압전소자를 이용한 에너지 회수기술은 효율과 발전량이 큰폭으로 향상되면서 실제적용한 사례도 있다. 일본 철도회사인 JR은 승객이 지하철 개찰구를 통과할 때 일으키는 진동을 이용하루 6000W 생산하였으며, 일본 도쿄도 아다치구 고시키사쿠라 대교(2007) 교량에서 발생하는 진동을 활용하여 압전소자를 통해 경관 조명으로 사용하고 있다. 또한 이스라엘 Innowatech에서는 압전 소자를 이용하여 도로 포장체에 매설 하여 차량이 지나갈 때 가해지는 압력으로 수력화 시스템을 작동시켜 발전하고 있다.
	온실가스는 어떤 분야에서 발생하는가?	우리나라는 기후변화행동 연구소 자료 2012년 기준 이산화탄소 배출량이 7억3천900만 Ton으로 세계 7위이며 증가율으로는 세계 3위이다. 대부분의 온실가스는 산업 분야에서 발생하지만, 교통 및 수송부분에서도 약 24%를 차지하는 것으로 나타나고 있다. 따라서 최근 국내외의 연구 동향을 살펴보면 교통 및 수송부분의 온실가스 감축 방안으로 교통시설을 이용한 신재생에너지 및 에너지 회수기술 분야에 많은 관심이 집중되고 있다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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