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열차제어시스템을 위한 전동차 제동특성 분석
Analysis of braking characteristics of electric multiple unit for train control system 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.887 - 895  

최돈범 (한국철도기술연구원) ,  오세찬 (한국철도기술연구원) ,  김민수 (한국철도기술연구원)

초록
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본 논문은 수송량 증대를 위한 열차제어시스템의 안전거리 설계와 전동차 제동설계에 활용할 수 있는 제동모델을 제시한다. 제동모델을 위해 6량 1편성으로 운행되는 전동차의 제동특성을 시험하였다. 제동특성에 영향을 줄 수 있는 인자로는 마찰계수, 제동압력의 변화, 회생제동 등이 있으며 시험을 통해 확인하였다. 제동압력은 상용제동과 비상제동으로 구분하고 차량의 특성을 반영하였다. 주행하는 철도차량에 작용하는 외력은 주행저항을 측정 시험과 후처리 방법을 제시하고 있는 KS R 9217에 따라 시험을 수행하고 2차 다항식 형태로 해당 열차의 주행저항을 제시하였다. 차량의 재원, 마찰계수, 제동압력, 주행저항을 바탕으로 직선 평탄 선로를 주행하는 전동차의 동적 거동은 다물체 동역학 해석 소프트웨어를 이용하여 해석하였다. 해석결과는 상용제동과 비상제동에 대하여 시험결과와 비교 검증하였으며 상당히 합리적인 결과를 도출하였다. 검증된 모델은 제동초기 속도에 따른 정지거리를 분석하고 감속도 중심의 제동모델과 비교하였다. 또한, 운영기관의 마찰계수 한계치에 따라 열차제어시스템을 위한 안전거리는 변화할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 철도차량들을 연결하여 운행하는 열차의 동적 거동해석에 활용할 수 있을 뿐 아니라 차량 설계에서 제동에 영향을 미치는 다양한 선로환경 분석과 제동 성능향상의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a braking model that can be used to design the safety distance of a train control system and a train braking system to increase the volume of traffic. For the braking model, a train set (electric multiple unit composed 6 cars) was tested. The factors that can affect the braking c...

주제어

#brake equipment   #dynamic behavior   #electric multiple unit   #railway vehicle   #running resistance  

표/그림 (15)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문은 열차제어시스템 설계의 기초가 되는 차량의 제동성능 영향인자를 실차 시험을 통하여 분석하고 이를 바탕으로 동역학 해석을 수행하엿다. 동역학 해석결과는 시험 결과와 비교 검증을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 제동 영향인자들을 반영할 수 있는 제동모델을 통하여 열차제어시스템 설계에서 수송량 향상에 기여하고자 한다. 제동 영향인자들은 운행중인 6량 1편성의 전동차를 대상으로 주행저항, 제동시험을 통해 확보하였다.

가설 설정

  • 9)에서 알 수 있듯이 상당히 신뢰할 수 있는 수준으로 정확하게 예측함을 알 수 있다. 다만, 중간 속도영역 (30~50 km/h)에서 해석결과는 실측결과보다 작게 예측되었는데 이는 적용된 마찰계수가 실제와는 일정하다고 가정하였고 제어차와 부수차의 제동력이 동일하다고 적용했기 때문인 것으로 추정된다.
  • 35, [15])을 각각 적용하였으며 제동하는 동안 일정하다고 가정하였다. 이때 부수차는 제어차와 동일한 제동특성을 갖고 모든 동력차는 같은 제동 특성을 갖는 것으로 가정하였다. 직선 평탄선로를 주행하는 차량의 비상제동과 사용제동시의 속도변화를 시험 결과와 비교 검증하였다.
  • 제동신호는 측정시작 1초 후 작동하도록 설정하였으며 모든 차량에서 제어차량 (Train control car)와 첫 번째 동력차 (Motor car 1)에서 제동압력을 측정하였다. 전동차의 제동지령이 공기압력으로 전달되는 화차와 달리 전기신호로 전달되기 때문에 차량간 제동 작동시간이 동일한 것으로 가정하였다.
  • 3의 열차모듈 (UM train module, [14])을 이용하였다. 제동마찰계수는 도시철도 운영기관에서 요구하는 평균 마찰계수(답면제동 0.25, 디스크 제동 0.35, [15])을 각각 적용하였으며 제동하는 동안 일정하다고 가정하였다. 이때 부수차는 제어차와 동일한 제동특성을 갖고 모든 동력차는 같은 제동 특성을 갖는 것으로 가정하였다.
  • 8에는 혼합제동시의 회생제동력을 측정한 결과를 나타내었다. 회생제동력은 저속 구간에서 제동력이 급격하게 감소되는 특성을 갖고 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열차 제어시스템의 중요한 목적 중 하나는? 열차 제어시스템의 중요한 목적 중 하나는 운행하는 열차들의 충돌 등 위험상황으로부터 열차를 보호하기 위한 것이다. 후행열차의 제어는 선행열차의 위치와 속도를 바탕으로 안전간격이 확보되도록 운행 허용 속도를 계산하고 관련 정보를 제공하는 방식으로 이루어진다.
도시철도 수송량의 증대를 위한 열차간 통신에 의한 열차제어시스템 개발에 대한 연구를 위해 선행되어야 할 개발은 무엇인가? 국내에서도 한계에 도달한 도시철도 수송량의 증대를 위해 열차간 통신에 의한 열차제어시스템 개발에 대한 연구가 활발히 진행중이다[5]. 이를 위해서는 통신기술, 신속한 열차 위치검지기술과 함께 정확한 안전거리를 확보할 수 있는 제동모델 개발이 필수적이다. 유럽에서는 제동장치의 고장, 선로조건의 변화 등을 고려한 다양한 운영 환경에서의 실험과 분석을 통해 확률적 안전거리에 대한 연구가 수행[6, 7]되었으나 제동성능 분석이나 제동모델의 개발에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다.
후행열차의 제어는 어떠한 방식으로 이루어 지는가? 열차 제어시스템의 중요한 목적 중 하나는 운행하는 열차들의 충돌 등 위험상황으로부터 열차를 보호하기 위한 것이다. 후행열차의 제어는 선행열차의 위치와 속도를 바탕으로 안전간격이 확보되도록 운행 허용 속도를 계산하고 관련 정보를 제공하는 방식으로 이루어진다. 기존의 열차 제어시스템은 차상과 지상 장치의 통신을 통해 선행열차(Train A)의 위치를 확인하고 후행열차(Train B)를 제어하는 방식이 적용되고 있다(Fig.
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참고문헌 (15)

  1. Sehchan Oh, Kyunghee Kim, Hyeonyeong Choi, Minsoo Kim, "Train-centric distributed interlocking system for autonomous train control", Proc. of fall conference on the Korean Society for Railway, 2016. 

  2. J.Y Kim, S.W. Choi, Y.S. Song, Y.K. Yoon, Y.K. Kim, "Automatic Train control over LTE: Design and performance evaluation", IEEE communications magazine, october pp. 102-109, 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/MCOM.2015.7295470 

  3. Y.K. kim, Y.S. Song S. C. Oh, "Study on the Plan of the KRTCS technology development unrelated to speed and operational environment", 2012 IASME-WSEAS, Athens, pp. 215-219, 2012. 

  4. B. Ning, T. Tang, K. Qiu, C.Gau & Q. Wang, "Advanced Train Control System: CTCS-Chinese Train Control System", WIT press, Southampton, pp. 1-8, 2010. 

  5. Sehchan Oh, Kyunghee Kim, Hyeonyeong Choi, "Train interval control and train-centric distributed interlocking algorithm for autonomous train driving control system", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 17, No. 11, pp. 1-9, 2016. DOI : https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.11.1 

  6. International union of railways, UIC B 126/DT 421 "Comparison between brobabilisteic mathematical safety margins calculations and operation data", 2008. 

  7. M. Malvezzi, P. Presciani, B. Allotta, P. Toni, "Probabilistic Analysis of Braking Performance in Railways", Proceedings of the Institution of Mecahnical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, Vol. 217, Issue 3, 2003. DOI : https://doi.org/10.1243/0954409037690 

  8. Seung Kon Min, Jeong Seo Koo, "A study on Acceleration Performance of EMUs Accordign to Wheel Diameter Changes", Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 30, No. 5, pp. 92-99, 2015. DOI : http://dx.doi.org/10.14346/JKOSOS.2015.30.5.92 

  9. EN 14531-1 Railway applications, "Methods for calculation of stopping and slowing distances and immobilization braking. General algorithms utilizing mean value calculation for train sets or single vehicles", 2015 

  10. Hyunjik Cho, Wonsang Lee, "A Study on Prediction of Running Resistance and Train Performance", Proc. of spring conference on the Korean Soceity for Railway, 2018. 

  11. Piotr Lukaszewicz, "Energy Consumption and running time for trains (Modelling of running resistance and driver behiviour based on full scale testing)", Doctoral thesis, 2001. 

  12. KS R 9217 "Railway rolling stock - test methods for running resistance", 2000. 

  13. Korail Engineering Center, "A Study on Design Criteria of Railway Vehicle", 2013. 

  14. UM user manual 8.2, "Chapter 15. Longitudinal train dynamics", 2016. 

  15. Seoul Metro, "Stadard Specification: Brake lining, brake shoes", 2016. 

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