철도는 전 세계적으로 매우 안전하고 중요한 운송 수단 중 하나이다. 그러나 철도시스템이 복잡도가 높아지고 주행거리 증가 등으로 인해 매년 사고가 지속적으로 발생하고 있다. 특히, 고속열차와 화물열차의 경우, 차축베어링 비정상 과열로 인하여 차축베어링의 기능이 소실되면 차축의 불균등한 하중을 초래한다. 따라서, 차축베어링의 비정상 과열은 심각한 사고 또는 차량 탈선의 원인이 될 수 있다. 이에 따라서 현재 고속열차 운행 중 차축의 비정상적인 발열을 검지하기 위하여 차축온도검지장치(Hot Box Detector, HBD)가 설치되어 운영되고 있다. 본 연구에서는 비정상 차축 과열 발생시, 이를 빠르고 효율적으로 검지하기 위하여 지수가중이동평균(EWMA) 기법을 적용한 차축온도 모니터링 방법을 제안하였다. 또한 제안한 방법에 대하여 통계적으로 설계하였다. 본 연구에서 제안하는 방법은 현재의 차축온도검지 모니터링 방법과 비교하여 비정상 과열의 발생에 대하여 더 좋은 성능으로 평가되었으며 그 수행도는 최대 170% 향상되었다.
철도는 전 세계적으로 매우 안전하고 중요한 운송 수단 중 하나이다. 그러나 철도시스템이 복잡도가 높아지고 주행거리 증가 등으로 인해 매년 사고가 지속적으로 발생하고 있다. 특히, 고속열차와 화물열차의 경우, 차축베어링 비정상 과열로 인하여 차축베어링의 기능이 소실되면 차축의 불균등한 하중을 초래한다. 따라서, 차축베어링의 비정상 과열은 심각한 사고 또는 차량 탈선의 원인이 될 수 있다. 이에 따라서 현재 고속열차 운행 중 차축의 비정상적인 발열을 검지하기 위하여 차축온도검지장치(Hot Box Detector, HBD)가 설치되어 운영되고 있다. 본 연구에서는 비정상 차축 과열 발생시, 이를 빠르고 효율적으로 검지하기 위하여 지수가중이동평균(EWMA) 기법을 적용한 차축온도 모니터링 방법을 제안하였다. 또한 제안한 방법에 대하여 통계적으로 설계하였다. 본 연구에서 제안하는 방법은 현재의 차축온도검지 모니터링 방법과 비교하여 비정상 과열의 발생에 대하여 더 좋은 성능으로 평가되었으며 그 수행도는 최대 170% 향상되었다.
Railways are one of the safest and most important transportation systems in the world. On the other hand, due to the increasing complexity of the railway system and the running distance of rail vehicles, railway accidents occur continuously every year. In particular, in the case of high-speed trains...
Railways are one of the safest and most important transportation systems in the world. On the other hand, due to the increasing complexity of the railway system and the running distance of rail vehicles, railway accidents occur continuously every year. In particular, in the case of high-speed trains and freight trains, if the function of the axle bearing is lost due to abnormal overheating of the axle box bearing, the load on the axle becomes uneven. Therefore, abnormal overheating in the train axle box bearings can cause serious accidents or derailments. For this purpose, a Hot Box Detector (HBD) was installed in the track side of a high speed line to detect abnormal overheating. This paper proposes an EWMA technique-based axle temperature monitoring method to detect abnormal overheating quickly and efficiently. A statistical design of the proposed method was also performed. The proposed method has better performance compared to the current method in the case of abnormal overheating and the performance is improved by approximately 170% at the maximum.
Railways are one of the safest and most important transportation systems in the world. On the other hand, due to the increasing complexity of the railway system and the running distance of rail vehicles, railway accidents occur continuously every year. In particular, in the case of high-speed trains and freight trains, if the function of the axle bearing is lost due to abnormal overheating of the axle box bearing, the load on the axle becomes uneven. Therefore, abnormal overheating in the train axle box bearings can cause serious accidents or derailments. For this purpose, a Hot Box Detector (HBD) was installed in the track side of a high speed line to detect abnormal overheating. This paper proposes an EWMA technique-based axle temperature monitoring method to detect abnormal overheating quickly and efficiently. A statistical design of the proposed method was also performed. The proposed method has better performance compared to the current method in the case of abnormal overheating and the performance is improved by approximately 170% at the maximum.
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문제 정의
본 연구에서는 비정상 차축베어링 발열이 발생할 경우, 기존 방법에 비하여 빠르고 정확하게 검지할 수 있는 새로운 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 차축베어링 발열을 더 빠르고 민감하게 검지하여 차축 고장을 더 빨리 예측하기 위한 새로운 차축온도검지모니터링 방법을 제안하였다. 또한, 제안된 차축온도검지모니터링 방법의 성능을 비교·분석하기 위하여 과거 실제 사고 사례 데이터를 적용하여 각 방법들 간 수행도를 측정하여 분석 및 비교하였으며 그에 대한 연구 결과는 다음과 같다
본 연구에서는 차축온도검지장치를 통해 수신되는 비정상 차축 발열 온도에 대하여 빠르고 정확하게 검지하기 위한 지수가중이동평균(Exponentially Weighted Moving Average: EWMA) 기법을 적용한 새로운 차축 온도 모니터링 방법을 제시하고 통계적으로 이를 설계한다. 또한, 제안된 방법의 성능을 평가하기 위하여 실제 과거 사례 데이터를 기준으로 기존의 차축온도 모니터링 방법과의 수행도를 산출 및 분석하여 차축베어링 비정상 발열 발생시, 각 방법들 간 성능을 분석하여 수행도를 비교 평가한다.
본 절에서는 기존의 차축온도검지모니터링 방법보다 비정상 차축베어링 발열에 대하여 더 민감하고 효율적인 지수가중이동평균(exponentially weighted moving average) 기법을 적용한 새로운 차축온도검지모니터링 방법을 제안하기 위한 통계적 설계를 수행한다.
제안 방법
(1) 본 연구에서는 비정상 차축 발열이 발생할 경우, 현재의 차축온도검지모니터링 방법에 비하여 더 민감하게 반응하는 지수가중이동평균(EWMA) 기법이 적용된 새로운 차축온도검지모니터링 방법의 적용을 제안하였으며 이를 통계적으로 설계하였다.
두 번째 단계로 상온에 따라 생성되는 온도 기준값과 측정값을 비교하여 경보를 판정하며 통합관제실에 이상 경보를 전송함과 동시에 KTX 운전실로 해당 경보를 동시 전송한다. 아래의 Fig.
본 연구에서는 차축베어링 발열을 더 빠르고 민감하게 검지하여 차축 고장을 더 빨리 예측하기 위한 새로운 차축온도검지모니터링 방법을 제안하였다. 또한, 제안된 차축온도검지모니터링 방법의 성능을 비교·분석하기 위하여 과거 실제 사고 사례 데이터를 적용하여 각 방법들 간 수행도를 측정하여 분석 및 비교하였으며 그에 대한 연구 결과는 다음과 같다
= (공정 목표값)이다. 본 연구에서는 국내의 경부선과 호남선에 설치된 HBD를 대상으로 통계적 설계를 적용하며 각 구간별로 46개 차축 베어링 온도가 측정 및 수집되므로 N = 46을 적용하도록 한다.
2에서는 국내의 차축베어링 발열에 대한 실제 사고 사례와 데이터를 설명하였다. 본 절에서는 두 사고 사례 데이터를 기반으로 두 가지 방법의 성능을 측정하기 위한 일련의 산출 과정을 수행하였다.
)과 EWMA 관리 상·하한선을 통계적으로 설계하였다. 본 절에서는 새롭게 설계된 차축온도검지모니터링 방법과 기존의 방법에 대하여 각각 과거 사례 데이터를 적용한 후 성능을 측정하고 상호 비교·분석하여 그 수행도를 평가한다.
앞 절에서는 지수가중이동평균(EWMA) 기법이 적용된 새로운 차축온도감지모니터링 방법을 위한 EWMA통계량(zi)과 EWMA 관리 상·하한선을 통계적으로 설계하였다. 본 절에서는 새롭게 설계된 차축온도검지모니터링 방법과 기존의 방법에 대하여 각각 과거 사례 데이터를 적용한 후 성능을 측정하고 상호 비교·분석하여 그 수행도를 평가한다.
첫 단계로 차륜이 센서에 설치된 전자페달을 밟게 되고 이 때 각 축에서 발생되는 적외선을 수신하여 전자랙에 해당 정보를 전송하고 그 파장 분석을 통해 차축 온도를 측정한다.
대상 데이터
차축온도검지장치(HBD)에서 측정되어 수집되는 데이터 종류로는 차축베어링 온도 뿐만 아니라 대기온도, 통과열차 시각, 열차번호, 열차 속도, 센서 내부온도, 좌·우측 평균차축 온도 등을 동시에 수집한다. 경부선과 호남선에 설치된 HBD 시스템은 차축베어링 온도가 70∼90℃ 미만일 경우 단순경보를 전송하고 차축베어링 온도가 90℃이상일 경우에는 위험경고를 발생한다.
데이터처리
본 연구에서는 차축온도검지장치를 통해 수신되는 비정상 차축 발열 온도에 대하여 빠르고 정확하게 검지하기 위한 지수가중이동평균(Exponentially Weighted Moving Average: EWMA) 기법을 적용한 새로운 차축 온도 모니터링 방법을 제시하고 통계적으로 이를 설계한다. 또한, 제안된 방법의 성능을 평가하기 위하여 실제 과거 사례 데이터를 기준으로 기존의 차축온도 모니터링 방법과의 수행도를 산출 및 분석하여 차축베어링 비정상 발열 발생시, 각 방법들 간 성능을 분석하여 수행도를 비교 평가한다.
성능/효과
(2) 새롭게 제안하는 차축온도검지모니터링 방법은 기존의 방법에 비하여 비정상 차축 발열이 발생할 경우, 매우 빠르고 민감하게 반응하였으며, 최대 170%의 좋은 수행도를 보였다.
(3) EWMA 기법은 모집단의 정규성을 가정하지 않는다는 특성이 있다. 이러한 특성으로 인하여 새롭게 제안하는 차축온도검지모니터링 방법은 모집단의 분포를 고려할 필요가 없이 모든 대상에 적용이 가능하여 그 범용성과 활용성이 매우 뛰어나다.
(4) 기존의 차축온도검지모니터링 방법이 이미 적용된 시스템에 쉽게 알고리즘 적용이 가능하므로 이식성과 호환성이 매우 우수하다는 장점이 있다.
7∼8은 Table 8의 값을 그래프로 도식화한 그림이다. Fig. 7∼8에서와 같이 새롭게 제안한 차축온도검지모니터링 방법이 비정상 차축베어링 발열이 발생하였을 경우, 기존의 방법에 비하여 약 170% 더 민감하게 반응하여 이상경보가 발생함을 확인할 수 있었다. 아래 Table 9는 사고 사례 Ⅰ의 HBD 각 구간별 축별 차축온도 실제 측정값에 대한 현재와 새롭게 제안한 차축온도검지모니터링 방법의 수행도 비교 결과이다.
아래 Table 9는 사고 사례 Ⅰ의 HBD 각 구간별 축별 차축온도 실제 측정값에 대한 현재와 새롭게 제안한 차축온도검지모니터링 방법의 수행도 비교 결과이다. 그 결과 새롭게 제안하는 차축온도검지모니터링 방법이 비정상 차축베어링 발열에 대하여 약 140% 빠르게 검지 후 경보를 발생하였다.
따라서, 본 연구에서 제안하는 EWMA 기법 기반의 차축온도검지모니터링 방법의 수행도가 기존의 방법에 비하여 최대 170% 향상된 수행도를 보였으며, 이를 통해 제안된 방법의 수행도가 기존의 방법에 비하여 매우 우수함을 확인하였다.
실제 설치된 HBD 설치 간격이 약 20∼40km임을 감안하면 사고 사례 1의 경우, 약 50km 전에 사전 검지가 가능하며 사고 사례 Ⅱ의 경우, 약 80km 전에 기존 차축 온도검지모니터링 방법에 비하여 더 빨리 검지할 수 있다. 다음의 Fig.
[5]은 최근 10년 간 조사를 통하여 탈선사고가 전 세계적으로 약 5만건 이상(Table 5 참조) 발생하였고 그 중 차축베어링과 휠의 고장에 의한 탈선이 전체의 약 11%(Table 6 참조)의 비중을 차지하고 있음을 연구하였다. 이와 같이 HBD 시스템을 통한 비정상 차축 온도검지모니터링은 철도차량의 탈선 사고를 예방하고 안전성을 확보하는데 매우 중요한 요소임을 확인하였다. 국내 K사의 경우, 차축베어링 발열에 의한 연도별 철도차량 사고 추이는 아래 Fig.
후속연구
추후 연구 방향으로는 본 연구에서 제안한 차축온도 검지모니터링 방법에 대한 다양한 비정상 발열 패턴들(recurring cycle, increasing & decreasing trend, upward& downward shift, stratification)에 대한 상세한 수행도를 연구하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도란 무엇인가?
철도는 전 세계적으로 매우 안전하고 중요한 운송 수단 중 하나이다. 그러나 철도시스템이 복잡도가 높아지고 주행거리 증가 등으로 인해 매년 사고가 지속적으로 발생하고 있다.
고속 및 화물열차에 차축베어링이 이상이 생김으로써 발생하는 문제는 무엇인가?
그럼에도 불구하고 철도에서는 매년 중대한 사고들이 간헐적으로 꾸준하게 발생하고 있다. 특히, 고속 및 화물열차의 경우 차축베어링의이상 발열로 윤활이 충분하지 않을 경우, 차축베어링은 그 기능을 소실하게 되고 이로 인해 차축의 불균등한 하중으로 인해 열차의 탈선까지 초래할 수 있다.
국내 차축온도검지장치 현황은 어떠한가?
국내의 경우, 경부선과 호남선에 총 38개소가 약 20∼40Km 간격으로 설치되어 운용 중에 있다. 이에 따라 비정상 차축 발열을 얼마나 빠르고 정확하게 검지하여 통보하느냐는 철도차량의 안전 확보 관점에서 매우 중요한 요소이다.
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