최근 철도 열차제어시스템은 최첨단 기술로 인한 무선통신기반 개발의 수요와 이에 따른 환경의 다변화, 설계 정보의 복잡성, 시스템 설계에 대한 추적성 등 여러 요인으로 인해 모델기반 설계와 안전에 대한 쟁점도 증가하고 있다. 이에 따라 기존의 열차제어시스템에서 다루는 지상 설비 설계에 대한 모델기반 설계와 단계별 안전 활동 강화의 필요성 역시 강조되고 있다. 이를 해결하기 위해서 본 논문에서는 먼저 열차제어시스템에 대한 효과적인 개발을 위하여 모델기반 설계를 수행하였고 이는 SysML(System Modeling Language)을 활용하여 표현하였다. 열차제어시스템의 안전성 향상을 위하여 설계 모델을 활용할 수 있는 시험 시나리오를 생성하였다. 생성한 시험 시나리오에 모델기반 설계를 수행한 차상중심 열차제어시스템을 적용하여 사례 연구를 수행하였고 이에 대한 결과를 분석하여 본 연구의 활용 가능성을 입증하였다. 본 연구의 결과를 토대로 안전성 향상 접근에 대한 시험 활동 재정립을 통해 개선함으로써 향후 모델을 기반 설계로 수행된 열차제어시스템 개발시 개념설계에서 발생할 수 있는 비용 및 시간을 절감 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
최근 철도 열차제어시스템은 최첨단 기술로 인한 무선통신기반 개발의 수요와 이에 따른 환경의 다변화, 설계 정보의 복잡성, 시스템 설계에 대한 추적성 등 여러 요인으로 인해 모델기반 설계와 안전에 대한 쟁점도 증가하고 있다. 이에 따라 기존의 열차제어시스템에서 다루는 지상 설비 설계에 대한 모델기반 설계와 단계별 안전 활동 강화의 필요성 역시 강조되고 있다. 이를 해결하기 위해서 본 논문에서는 먼저 열차제어시스템에 대한 효과적인 개발을 위하여 모델기반 설계를 수행하였고 이는 SysML(System Modeling Language)을 활용하여 표현하였다. 열차제어시스템의 안전성 향상을 위하여 설계 모델을 활용할 수 있는 시험 시나리오를 생성하였다. 생성한 시험 시나리오에 모델기반 설계를 수행한 차상중심 열차제어시스템을 적용하여 사례 연구를 수행하였고 이에 대한 결과를 분석하여 본 연구의 활용 가능성을 입증하였다. 본 연구의 결과를 토대로 안전성 향상 접근에 대한 시험 활동 재정립을 통해 개선함으로써 향후 모델을 기반 설계로 수행된 열차제어시스템 개발시 개념설계에서 발생할 수 있는 비용 및 시간을 절감 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
The train control system is a facility to ensure model-based design and safe train operation, and its safety is the most important factor for system introduction, complexity of the design information and traceability etc. Therefore, the model-based design and safety activities regarding the way-side...
The train control system is a facility to ensure model-based design and safe train operation, and its safety is the most important factor for system introduction, complexity of the design information and traceability etc. Therefore, the model-based design and safety activities regarding the way-side equipment of a train control system is also highlighted. To solve this problem, In this paper, model-based design was carried out first to develop an effective train control system, which is represented by SysML(System Modeling Language). The test scenarios that can take advantage of the design model were created to improve the train safety control system. Case studies of a model-based design of a train-centric train control system were applied to the test scenarios; the results demonstrated its usability. The improved activity over the test highlighted the safety improvement approach, and it is expected to reduce the cost and time in the conceptual design of a future development model-based train control system.
The train control system is a facility to ensure model-based design and safe train operation, and its safety is the most important factor for system introduction, complexity of the design information and traceability etc. Therefore, the model-based design and safety activities regarding the way-side equipment of a train control system is also highlighted. To solve this problem, In this paper, model-based design was carried out first to develop an effective train control system, which is represented by SysML(System Modeling Language). The test scenarios that can take advantage of the design model were created to improve the train safety control system. Case studies of a model-based design of a train-centric train control system were applied to the test scenarios; the results demonstrated its usability. The improved activity over the test highlighted the safety improvement approach, and it is expected to reduce the cost and time in the conceptual design of a future development model-based train control system.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 MBSE를 활용한 체계적인 프로세스를 통해 안전성 향상을 고려한 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처를 제안한다. 이를 위해 MBSE를 바탕으로 시스템공학 전산지원 도구를 활용해 모델기반 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처를 설계 및 검증한다.
CBAM은 ATAM에서 부족한 경제성 평가를 보강한 것이 장점이다. 본 논문에서는 다양한 평가 방법 중 가장 많이 활용되고 있는 ATAM(Architecture Tradeoff Analysis Method)를 보완하여 적용하고 있다. ATAM은 시나리오를 중심으로 특정 설비 속성들을 만족하는지를 분석하는데, 다양한 이해관계자들과 함께 위험요소, 민감점, 상충점 등을 분석한다[11].
본 연구는 시험 시나리오를 기반으로 안전성 향상에 관한 활동을 구성 및 수행함으로써 모델기반 접근을 통해 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처 개선을 반영하고 궁극적으로 철도의 안전을 도모하는 것이 본 연구의 목표이다.
서론에서는 본 연구의 사회, 기술 및 연구 동향과 차상중심 열차제어시스템의 체계적인 접근 및 안전성 향상에 대한 필요성을 제시하였다. 본론에서는 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처 설계를 위한 순차적 접근을 위한 활동들을 명시한다. 이를 기반으로 안전성 향상을 위한 시험 시나리오를 생성하여 차상중심 열차제어시스템 아키텍처에 반영하여 검증하는 내용을 기술하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 서론에서는 본 연구의 사회, 기술 및 연구 동향과 차상중심 열차제어시스템의 체계적인 접근 및 안전성 향상에 대한 필요성을 제시하였다. 본론에서는 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처 설계를 위한 순차적 접근을 위한 활동들을 명시한다.
본론에서는 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처 설계를 위한 순차적 접근을 위한 활동들을 명시한다. 이를 기반으로 안전성 향상을 위한 시험 시나리오를 생성하여 차상중심 열차제어시스템 아키텍처에 반영하여 검증하는 내용을 기술하였다. 마지막으로 본 논문의 결과를 정리 및 요약하였다.
검증된 시험 시나리오를 통해 현장적용 및 운용성 확인을 통해 수정 및 보완 후에 최종 실제 제품을 구현한다. 이후 전체안전 활동 검증 후 개발된 시험 시나리오의 현장 적용이 제대로 되었는지 확인한다. 이러한 결과를 Fig.
가설 설정
첫 번째로 기관사가 데스크를 열어 인터페이스 및 TIU 입력 정보에 대한 사항을 확인하지만 기록은 의무사항이 아니다. 두 번째로 실제 모드가 SB 모드임을 표시한다. 하지만 이미 모드 변경이 이미 데스크가 Closed되는 동안 이미 기록되었기 때문에 데스크가 열린 후에 SB모드 표시는 기록되지 않는다.
제안 방법
(4) 각 모듈별로 선택된 아키텍처 범위에 기능을 할당하여 실체화함으로써 아키텍처 설계를 확장하여 목표 시스템의 아키텍처를 설계한다.
모델을 기반으로 시험 시나리오 및 S/W를 구현하며, 시스템안전 활동 수명 주기 검증에 활용할 수 있다. 검증된 시험 시나리오를 통해 현장적용 및 운용성 확인을 통해 수정 및 보완 후에 최종 실제 제품을 구현한다. 이후 전체안전 활동 검증 후 개발된 시험 시나리오의 현장 적용이 제대로 되었는지 확인한다.
또한 시스템 수명주기 상에서 시스템 언어(SysML)을 활용한 설계 프로세스 구현 등이 활발히 진행되고 있는 것을 알 수 있다[7,8]. 그리고 위험관리, 안전 관점에서의 선행연구를 고찰하였다. Prabhu 외(2014), Keith 외(2014)는 시스템 설계 변경에 따른 다양한 구성요소들의 오류 및 정보를 확인하기 위한 절차를 개발하고 VV&T(Verification, Validation & Test) 수행 시 상호간의 인터페이스를 빠르게 식별할 수 있도록 모델 기반 접근을 활용하여 접근하였다[9,10].
기존의 열차제어시스템에서 차상중심 열차제어시스템에서 활용할 수 있는 정보를 도출, 시험 시나리오 관련 활동들을 추가하여 모델기반 접근을 통해 안전성 향상 활동의 체계적인 결과를 도출, 차상중심 열차제어시스템의 안전성 향상 결과를 반영에 대하여 시스템 모델링 언어의 상태 전이 다이어그램을 통해 검증하였다.
차상중심 열차제어시스템의 Use Case 분석을 통해 얻은 결과는 설비간의 데이터 연결 흐름 및 개발 범위 등에 대해서는 알 수 있지만, 설비간의 활동 흐름은 쉽게 파악할 수가 없다. 따라서 다양한 설비와 설비간의 인터페이스가 존재하는 차상중심 열차제어시스템을 Activity 다이어그램을 이용하여 모델링한다. 특히 본 논문에서는 열차의 출발 준비부터 시작하여 역에 도착하여 고객을 태우고 다음 역을 출발하기 전까지로 범위를 축소하여 적용한다.
Use Case 및 Actors는 스윔레인(Swimlane)으로 표현하였으며, 확장된 표기법인 사전조건과 사후조건, 그리고 입력 데이터와 출력 데이터를 갖는 액션노드로 표현하였다. 또한 각각의 액션노드는 자동인 경우와 수동인 경우로 구별하여 표현하였다. 사전조건과 사후조건과의 관계를 갖는 액션은 점선의 화살표로 표시하였다.
이를 위해 MBSE를 바탕으로 시스템공학 전산지원 도구를 활용해 모델기반 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처를 설계 및 검증한다. 또한 안전성 분석 결과 및 시험 정보들로 구성된 시험 데이터를 통해 시험 시나리오 생성 및 검증에 관한 연구를 수행하였다.
각각의 목록을 기반으로 Test Case를 선별하여 시험 시나리오 작성 자료로 활용된다. 시험 시나리오는 Test Case를 바탕으로 작성하여 시험 기준을 제시한다. 이러한 Test Case는 시험 종류가 되는 시험 정보의 하위 항목이 되며, 단계별로 구분하여 시험을 수행하게 된다.
이러한 추가적인 시험에는 시스템적인 측면에서 시험 시나리오를 토대로 시험을 할 수도 있다. 시험 시나리오를 통해 각 단계별생성문서들과 최종적으로 생성될 차상중심 열차제어시스템의 안전성 입증 문서인 종합안전대책기술서의 문서 확인을 기본으로 하여 위험이 제거 또는 저감되었는지 확인하게 된다. 이러한 시험 시나리오를 통해 차상중심 열차제어시스템의 운영 시나리오에서 발생할 수 있는 위험 요소 들을 식별하여 비상 운영 시나리오를 생성하는데 도움을 줄 수 있다.
따라서 본 논문에서는 MBSE를 활용한 체계적인 프로세스를 통해 안전성 향상을 고려한 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처를 제안한다. 이를 위해 MBSE를 바탕으로 시스템공학 전산지원 도구를 활용해 모델기반 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처를 설계 및 검증한다. 또한 안전성 분석 결과 및 시험 정보들로 구성된 시험 데이터를 통해 시험 시나리오 생성 및 검증에 관한 연구를 수행하였다.
따라서 다양한 설비와 설비간의 인터페이스가 존재하는 차상중심 열차제어시스템을 Activity 다이어그램을 이용하여 모델링한다. 특히 본 논문에서는 열차의 출발 준비부터 시작하여 역에 도착하여 고객을 태우고 다음 역을 출발하기 전까지로 범위를 축소하여 적용한다.
성능/효과
(3) 아키텍처 설계관점은 기능관점, 동시성/병행처리 관점, 하드웨어상의 소프트웨어 설치 관점으로 구분된다. 설계관점에 따라 참조할 아키텍처 범위가 달라진다.
본 연구를 통해 복잡한 차상중심 열차제어시스템의 개념설계를 적용했을 때 발생할 수 있는 최적화 되지 않은 구조에서 발생할 수 있는 사항을 모델 기반 분석을 통해 비교적 쉽게 미리 파악하여 오류를 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다. 이러한 모델 기반 설계 활동이 반영된 차상중심 열차제어시스템은 재정립을 통해 효과적으로 활용할 수 있는 방법으로 기여를 하였다고 판단된다.
후속연구
차상중심 열차제어시스템에서는 앞서 ATO 인터페이스 분석을 통해 ATP 기능은 기관사, 선행열차, 스크린도어, ATS, ATO 등과 상호 데이터 교환이 존재하며, EI, Tag Reader로부터 데이터를 전달받는다. 따라서 차상중심 열차제어시스템의 대부분의 설비들이 공통적으로 ATP 기능들이 필요하며 이 기능이 체계적으로 개발되지 않는다면 추가적인 문제가 발생할 것을 알 수 있다. 이러한 차상중심 열차제어시스템의 Use Case 다이어그램 수행 결과를 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열차제어시스템은 어떤 기능을 하는가?
열차제어시스템은 선로의 신호, 운전, 역(Station) 등의 정보를 기관사에게 제공하고, 선행열차와의 간격 제어와 더불어 제한속도 초과 시 열차의 안전을 확보하는 기능을 담당한다[1]. 열차제어를 위한 신호방식으로 기존의 자동열차정지(ATS: Automatic Train Stop) 방식으로부터 고속, 고밀도 운행에 대비한 자동열차방호(ATP: Automatic Train Protection) 방식으로 개량해 나가고 있다[2].
ATP 방식이 일정 수준 이상의 유지 보수 인력과 비용이 지속적으로 필요한 이유는?
ATP를 통해 운전시격의 단축, 선로용량 증가 등의 효과를 얻을 수 있으나 이의 운용을 위해서는 발리스(Balise) 및 선로변제어기(LEU: Lineside Electronics Unit) 등의 지상설비가 신규 설치되어야 한다. 또한 기존 궤도회로 기반의 자동폐색장치(ABS: Automatic Block System), 전자연동장치, 건널목 제어 장치 등과 연계 운용해야 하므로 일정 수준 이상의 유지 보수 인력과 비용이 지속적으로 필요하다[3].
모델기반 설계는 어떤 기법인가?
따라서 모델기반 설계를 통해 지상 설비 최소화에 따른 차상중심 열차제어시스템의 효율적인 설계안을 모색하고 이와 더불어 발생할 수 있는 안전 문제들을 사전에 식별하는 것이 중요하다. 모델기반 설계는 개발 전체 수명주기에 걸쳐 개념설계부터 시스템 요구사항, 설계, 분석, 검증 및 확인 단계까지 모델링할 수 있는 방안을 제공함으로써 기존의 문서 관리의 어려움, 설계 정보의 대량화, 잘못된 의사소통, 추적성 관리의 어려움을 보완할 수 있도록 고안된 기법이다(INCOSE, 2006). 모델 기반 설계관련 연구를살펴보면 Ward(2011), Grello(2011)은 운영 시나리오를 생성함에 있어서 모델기반 시스템공학 (Model-based Systems Engineering : MBSE)을 활용하여 프레임워크 및 데이터 흐름 등에 대한 체계적 접근을 하는 것을 알 수 있다[5,6].
참고문헌 (11)
D.H. Shin, J.H. Baek, K.M. Lee, Y.K. Kim, "A study on the reliability management of onboard signaling equipment for the korean tilting train", Journal of the korea society for railway, Vol.12, No.6, pp. 825-838, December, 2009.
J.H. Baek, H.J. Jo, K.M. Lee, K.Y. Kim, D.H. Shin, J.H. Lee, "The study of wayside signal equipment control by ICT-based onboard", 2012th summer conference & annual meeting of the korean institute of electrical engineers, pp. 1544-1545, July, 2012.
Y.K. Yoon, S.C. Oh, M.S. Kim, Y.K. Kim, J.Y. Choi, J.Y. Park, "A study of system functions allocation of wireless communications based train control system", 2011th autumn conference & annual meeting of the korea society for railway, pp. 2300-2305. October, 2011.
J.H. Baek, H.J. Jo, E.K. Chae, H.Y. Choi, Y.G. Kim, "Feasibility study of improved train control system using on-board controller for intelligent control of trackside facilities", Journal of the korean society for railway, Vol.16, No.6, pp. 528-533, December, 2013
B. Ward, "Modeling and simulation for mission-based test and evaluation (MBT&E)", in Proc. 27th Annual National Test & Evaluation Conference, March. 17, 2011.
L. Grello, "Model based systems engineering (mbse) and modeling and simulation (m&s) adding value to test and evaluation (t&e)," in Test and Evaluation Conference, March, 2011.
Test and Evaluation in Support of Systems Acquisition, Department of the Army Pamphlet 73-1, 2003.
F. Fratrik, "Challenges in Software Sa fety for Army Test and Evaluation," ITEA Journal, vol. 30, pp. 409-416, 2009.
K. Phelan, J. Summers, P. Guarneri, "Engineering change management - Verification, validation, and testing planning tool development," in Proc. Proceedings of TMCE 2014, pp. 587-598, May 19-23, 2014.
P. Shankar, J. Summers, k. Phelan, "A verification and validation planning method to address change propagation effects in engineering design," in Proc. Proceedings of TMCE 2014, Budapest, Hungary, pp. 635-648, May 19-23, 2014.
P. Clements, R. Kazman, M. Klein, "Evaluating Software Architectures : Methods and Case Studies," Addison Wesley, pp.44-68, 2002.
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