[논문]하이브리드 궤도회로를 이용한 지하철 정위치정차에 대한 연구

정호형; 고양옥; 이창룡; 이기서

doi:10.13067/jkiecs.2013.8.3.471

하이브리드 궤도회로를 이용한 지하철 정위치정차에 대한 연구
Study on Precise Positioning using Hybrid Track Circuit system in Metro 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.8 no.3, 2013년, pp.471 - 477

정호형 (서울메트로 기술연구원) , 고양옥 (서울메트로 기술연구원) , 이창룡 (광운대학교 대학원) , 이기서 (광운대학교 로봇학부)

초록
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본 논문에서는 하이브리드 궤도회로를 이용한 정위치 정차시스템에 대한 가능성에 대해 연구하였다. 하이브리드 궤도회로는 UHF대역의 RFID시스템을 이용하고 실시간 운영체제를 기반으로 철도차상시스템과의 통신이 가능한 차세대 철도신호시스템의 한 부분이다. 본 논문에서 사용된 UHF대역 RFID 시스템은 원형편파의 태그와 리더 안테나가 사용되고 일체형 리더기는 송신출력 25dBm에서 우수한 인식회수를 얻었다. 현재 수동운행중인 지하철 차량에 이 시스템을 적용하여 정위치 정차를 하게 되면 기존 수동운전에서 기관사의 실수로 역을 지나거나 PSD(Platform Screen Door)와 열차출입문이 Mismatch 되는 현상을 방지할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have studied on the possibility of precise positioning using hybrid Track Circuit system. Hybrid Track Circuit uses RFID which replaces UHF. Hybrid Track Circuit is a part of next generation railroad signal system which is available to communicate with a railway on board system based on a realtime operating system. If applicate on a current hand operating subway, phenomenon caused by driver's mistake such as passing a stop without stopping or mismatch error between PSD and train door should be prevented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 국내기술로 개발되고 있는 가상이동폐색방식의 하이브리드 궤도회로를 이용한 시뮬레이션 환경을 구성하여 RFID안테나와 태그 기술을 이용하여 기존 지하철 정위치 정차 방안과 비교하여 분석하고자 한다[1-2].
본 논문은 하이브리드 궤도회로를 이용한 정위치정차 시스템의 가능성에 대하여 연구를 하였다. 시험 테스터 베드에서 RFID안테나는 원형편파 안테나와 원형편파 태그를 이용하였을 때 높은 인식횟수를 얻었다.

제안 방법

하이브리드 궤도회로 시스템은 철도신호시스템에서 궤도회로에 대응되는 부분으로서 궤도회로의 가장 기본적인 위치검지기능을 탑재하고 유도루프코일, 엑슬카운터, 발리스, 타코미터와 같이 가상블록을 소프트웨어적으로 구현하여 정위치 정차 기능과 같은 철도 신호시스템에서 이슈화가 되어 있는 부분을 해결할 수 있다. 이 시스템은 전방과 후미에 각각 900MHz의 특수 안테나를 설치하여 침목위의 Passive태그를 읽기, 쓰기 하여 시스템의 기능을 수행한다. 또한 기존의 ATO(Automatic Train Operation) / ATP(Automatic Train Protection)시스템과 연동이 되어 기존에 운행 중인 차량, 현재 개발하고 있는 차세대 전동차 시스템에도 설치가 가능하다[3].
기존 철도신호설비는 승강장의 선로에 하나의 궤도 회로로 설치되어 하나의 폐색구간을 구성하기 때문에, 승강장 진입 전에 지상자로부터 얻은 진입속도(60km/h)가 정차지점까지 계속 현시되어 기관사가 착오로 승강장을 지나쳐 운전하는 경우가 종종 발생하였다. 이를 해결하기 위하여 ATS(Automatic Train Stiop) 및 ATC(Automatic Train Control)시스템에서 열차운행 시 하나의 승강장 궤도회로에 대해 2 이상의 궤도회로를 형성하여 2 이상의 서로 다른 운전정보를 순차적으로 전송함으로써 열차의 과주를 방지하는 시스템을 제시하였다. 하지만 이 방법은 열차과주 방지에 효과는 있으나 정위치 정차에 대한 근본적인 해결방법은 아니다.

대상 데이터

리더의 최대 송신출력은 30dBm이다. 리더 안테나는 선형편파 안테나와 원형편파 안테나를 사용하였고 안테나의 이득은 6dBi이다. 특수태그는 선형태그와 원형태그 2종을 사용하여 테스트를 진행하였다.
리더는 송·수신 분리와 송·수신 일체형을 동시에 구현 가능한 U9-2000(kic systems사)을 사용하였다.
리더 안테나는 선형편파 안테나와 원형편파 안테나를 사용하였고 안테나의 이득은 6dBi이다. 특수태그는 선형태그와 원형태그 2종을 사용하여 테스트를 진행하였다.[17-18]]

이론/모형

안테나의 구조는 급전방법에 따라 분류를 한다. 안테나 급전방법은 직접급전 하는 방법과 간접급전방법으로 사용한다. 직접급전방법은 방사체에 바로 연결하여 신호를 인가하는 방법이고 간접급전방법은 전자계 커플링(coupling)으로 방사체에 신호를 전달한다.

성능/효과

모든 회전 속도에서 리더 송신출력이 증가함에 따라 인식횟수가 증가하였고 25dBm에서 최대값을 나타내었다. 또한 테스트 진행 시, 25dBm 이상의 리더 송신출력에서는 리더안테나에서 발생된 신호가 태그에 직접 인가되지 않고 벽이나 구조체 등의 테스트 환경부분에 반사되어 신호가 감지되는 난반사 현상이 발생하였다.
이것은 원형편파 태그가 태그를 회전시키는 테스트 환경에서 선형편파를 가지는 리더 안테나와의 편파 불일치에 따른 편파손실이 적기 때문으로 생각된다. 모든 회전 속도에서 리더 송신출력이 증가함에 따라 인식횟수가 증가하였고 25dBm에서 최대값을 나타내었다. 또한 테스트 진행 시, 25dBm 이상의 리더 송신출력에서는 리더안테나에서 발생된 신호가 태그에 직접 인가되지 않고 벽이나 구조체 등의 테스트 환경부분에 반사되어 신호가 감지되는 난반사 현상이 발생하였다.
본 논문은 하이브리드 궤도회로를 이용한 정위치정차 시스템의 가능성에 대하여 연구를 하였다. 시험 테스터 베드에서 RFID안테나는 원형편파 안테나와 원형편파 태그를 이용하였을 때 높은 인식횟수를 얻었다. 기존 열차는 60km/h의 속도로 200m구간을 4개의 Marker Coil로 정위치 정차를 하였지만 실험실 테스트에 의하면 60km/h의 속도로 200m구간을 일정한 속도로 달려도 25dBm에서 80개의 태그를 최소 57회에서 203회까지 인식이 가능하다.
그림 8과 그림 9에 원형편파 안테나를 리더 안테나로 사용하여 선형편파 태그 및 원형편파 태그의 인식 성능을 테스트한 결과를 나타내었다. 테스트 결과 원형편파 태그의 인식횟수가 높게 나타났다. 이것은 원형편파 태그가 태그를 회전시키는 테스트 환경에서 선형편파를 가지는 리더 안테나와의 편파 불일치에 따른 편파손실이 적기 때문으로 생각된다.

후속연구

따라서 이 시스템을 사용하면 지상에서 더욱 정밀한 위치정보를 얻어 올수 있다. 그러나 실제 철도 환경에서는 복잡한 차량환경에 의한 난반사 간섭이 예상되기 때문에 향후 실제 환경에서의 테스트가 필요하다.
난 반사 간섭은 차량하부의 금속성분으로 인해 발생하는 간섭을 말한다[8][9][10][11][12]. 이런 간섭을 제거할 수 있는 방법을 태그 안테나 구조적인 부분과 안테나의 편파 기술을 통해 해결할 수 있는 방법을 연구하여야 한다. 철도 환경에서의 사용 가능한 태그 안테나 구조는 간접구조형태의 안테나를 사용하여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내철도 궤도회로방식과 열차제어방식의 문제점은 무엇인가?	철도운영의 핵심인 열차속도 향상과 안전거리확보를 위하여 궤도회로는 절대적으로 필요한 설비이다. 하지만 국내철도 궤도회로방식과 열차제어방식은 운영기관마다 다양한 설비를 구성하고 있으며, 과다한 설비로 인하여 유지보수 포인트가 많고 시스템 이해와 보수자 노력이 수명주기 동안 요구되어 시스템 관리에 어려움을 호소하고 있다. 또한 안전성 확보라는 명목하에 도시철도를 운영하는 기관에서는 전량 해외 시스템에 의존하기도 한다.
	국내 교류전철화구간에서 많이 사용하는 회로는 무엇인가?	이러한 결과로 해외기술에 종속되어 시스템 추가 또는 예비품 구매 시 고가의 예산이 필요하기도 하다. 국내에서는 교류전철화구간에서는 임펄스궤도회로, 도시철도에서는 AF(Audio Frequency)궤도회로를 많이 사용하고 있으며, 고속철도에서는 UM(Universal Module)71궤도회로를 사용하고 있다. 위와 같은 궤도회로는 고정폐색(Fixed Block)방식으로 사용되고 있다.
	기존 철도신호설비에서 기관사의 착오로 승강장을 지나치는 문제를 해결하기 위해 어떤 시스템이 제시되었는가?	기존 철도신호설비는 승강장의 선로에 하나의 궤도 회로로 설치되어 하나의 폐색구간을 구성하기 때문에, 승강장 진입 전에 지상자로부터 얻은 진입속도(60km/h)가 정차지점까지 계속 현시되어 기관사가 착오로 승강장을 지나쳐 운전하는 경우가 종종 발생하였다. 이를 해결하기 위하여 ATS(Automatic Train Stiop) 및 ATC(Automatic Train Control)시스템에서 열차운행 시 하나의 승강장 궤도회로에 대해 2 이상의 궤도회로를 형성하여 2 이상의 서로 다른 운전정보를 순차적으로 전송함으로써 열차의 과주를 방지하는 시스템을 제시하였다. 하지만 이 방법은 열차과주 방지에 효과는 있으나 정위치 정차에 대한 근본적인 해결방법은 아니다.

참고문헌 (20)

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윤학선, 이기서, 양동인, 오세화, 정호형, 류승균, "무선 Mesh를 이용한 열차제어시스템 데이터 전송 기술개발에 관한 연구", 한국전자통신학회논문지, 7권, 1호, pp. 149-156, 2012.

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오세화, 양동인, 정호형, 이창룡, 이기서, "무인운전을 위한 도시철도 종합관제센터에 대한 연구", 한국철도학회 학술발표대회논문집, pp. 824-832, 2012.

저자의 다른 논문 :

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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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