[논문]전류 신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 노후화 탐지 시스템

최용주; 박대희; 정용화; 김희영; 임철후; 윤석한

전류 신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 노후화 탐지 시스템
Deterioration Detection System for Railway Point Machine Using Integral Value of Current Signal 원문보기

최용주 (고려대학교 컴퓨터정보학과) , 박대희 (고려대학교 컴퓨터정보학과) , 정용화 (고려대학교 컴퓨터정보학과) , 김희영 (고려대학교 응용통계학과) , 임철후 ((주)세화) , 윤석한 ((주)세화)

철로를 구성하는 요소 중 하나인 선로전환기는 열차의 궤도를 변경하는 부품 중 하나로써, 열차가 주행 중에 인접한 다른 선로로 주행방향을 전환할 때 사용된다. 철로운영 지침서에 따르면 내구수명 10년 혹은 전환횟수 20만회를 선로전환기의 교체시점으로 권고하고 있으나, 실제 현장에서는 예산문제 등으로 인하여 잘 지켜지지 않는 것이 현실이다. 또한, 선로전환기에 관한 연구 문헌들에서도 선로전환기의 교체시기에 관한 학술적 실용적 차원의 연구 결과를 찾아볼 수 없다. 본 논문에서는 선로전환기의 전류 적분 값을 이용하여 선로전환기의 교체 시점을 결정하는 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 실제 현장에서 선로전환기의 교체시기를 판별하는 유용한 지표로 사용될 것으로 기대된다.

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문제 정의

본 논문에서는 선로전환기 전류 신호의 적분 값을 이용하여 선로전환기의 노후화를 탐지하고, 교체시기를 자동으로 알려주는 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 선로전환기를 통해 실시간으로 들어오는 전류 신호에 대해서 적분 값을 구하고, threshold 기법[7]에 근거하여 기준치가 넘었을 때를 교체시기가 되었다고 판단하여 선로전환기 관리자에게 알람을 알린다.
본 논문에서는 선로전환기의 전류 신호를 이용하여 선로전환기의 노후화를 탐지하는 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 먼저, 선로전환기의 운행 시 발생하는 전류신호를 취득하였다.

제안 방법

제안된 시스템은 먼저, 선로전환기의 운행 시 발생하는 전류신호를 취득하였다. 둘째, 전류 신호를 이용하여 적분 값을 계산하고, 1.5 IQR 규칙을 적용하여 outlier를 제거하였다. 마지막으로, 계산된 적분 값을 threshold 기법을 이용하여 노후화 유무를 탐지하였다.
선로전환기의 교체 시점을 기준으로, 시간의 흐름 순서로 계산된 전류 신호의 적분 값들을 세분화하여 4개의 class로 나누어서 비교를 하였다(그림 3, 4 참고). 그림 3은outlier를 제거하기 전의 그림으로, 비정상적으로 큰 값들을 제외하면 선로전환기의 노후화가 진행됨에 따라 선로전환기 전류 신호의 적분 값들이 점점 감소하는 경향을 가지는 것을 확인할 수 있다.
전류 신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 노후화 탐지 실험은 교체 전의 데이터 528개와 교체 후의 데이터 533개의 전류 데이터로 threshold 기법을 이용하여 실시하였다. 실험 성능 측정을 위한 지표로는 DDR(Deterioration Detection Rate: 노후화 탐지율), FPR(False Positive Rate: 노후화가 아닌 데이터가 노후화 데이터로 오탐지된 비율), FNR(False Negative Rate: 노후화인 데이터가 노후화가 아닌 데이터로 오탐지된 비율)을 사용하였고, 각각의 수식은 다음과 같다.
본 논문에서는 선로전환기의 전류 신호를 이용하여 선로전환기의 노후화를 탐지하는 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 먼저, 선로전환기의 운행 시 발생하는 전류신호를 취득하였다. 둘째, 전류 신호를 이용하여 적분 값을 계산하고, 1.
본 논문에서는 선로전환기 전류 신호의 적분 값을 이용하여 선로전환기의 노후화를 탐지하고, 교체시기를 자동으로 알려주는 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 선로전환기를 통해 실시간으로 들어오는 전류 신호에 대해서 적분 값을 구하고, threshold 기법[7]에 근거하여 기준치가 넘었을 때를 교체시기가 되었다고 판단하여 선로전환기 관리자에게 알람을 알린다. 실제 운행 중인 국내 역에서 취득한 현장 데이터를 사용하여 본 논문에서 제안하는 전류신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 교체시점을 알려주는 시스템을 실험적으로 검증하였고, 적분 값이 노후화 탐지에 유용한 지표로 사용 될 수 있음을 확인하였다.

대상 데이터

선로전환기의 노후화를 탐지하는 실험을 위해 실제 국내 7개 역사의 선로전환기의 전류 신호를 이용하였다. 실험에 사용한 데이터는 총 1,061개의 데이터로, 선로전환기를 교체한 날짜를 기준으로 교체 1년 전, 교체 직전, 교체 직후, 교체 1년 후의 데이터를 이용하였다(표 1 참조).
본 논문에서 제안하는 전류 신호의 적분 값을 이용한 선로전환기 노후화 탐지 시스템은 그림 1과 같다. 시스템은 데이터 수집(Data Collector) 모듈, 적분 계산(Integral Value Calculator) 모듈, 노후화 탐지(Stress Detector) 모듈로 구성된다.
선로전환기의 노후화를 탐지하는 실험을 위해 실제 국내 7개 역사의 선로전환기의 전류 신호를 이용하였다. 실험에 사용한 데이터는 총 1,061개의 데이터로, 선로전환기를 교체한 날짜를 기준으로 교체 1년 전, 교체 직전, 교체 직후, 교체 1년 후의 데이터를 이용하였다(표 1 참조).

이론/모형

5 IQR 규칙을 적용하여 outlier를 제거하였다. 마지막으로, 계산된 적분 값을 threshold 기법을 이용하여 노후화 유무를 탐지하였다. 실제 운행 중인 국내 역사에서 취득한 데이터를 사용하여 본 논문에서 제안하는 전류 신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 노후화 탐지 시스템을 실험적으로 검증하였고, 적분 값이 노후화 탐지에 유용한 지표로 사용 될 수 있음을 확인하였다.
적분 계산 모듈은 선로전환기의 노후화 탐지를 위하여 데이터 수집 모듈로부터 받은 전류 신호에 대한 적분 값을 구한다. 수치적 적분 값은 Matlab 2014b 버전에서 제공하는 사다리꼴 적분방법으로 계산하였으며, 오류 제거를 위한 전처리 작업으로 1.5 IQR 규칙을 적용한다.
전류 신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 노후화 탐지 실험은 교체 전의 데이터 528개와 교체 후의 데이터 533개의 전류 데이터로 threshold 기법을 이용하여 실시하였다. 실험 성능 측정을 위한 지표로는 DDR(Deterioration Detection Rate: 노후화 탐지율), FPR(False Positive Rate: 노후화가 아닌 데이터가 노후화 데이터로 오탐지된 비율), FNR(False Negative Rate: 노후화인 데이터가 노후화가 아닌 데이터로 오탐지된 비율)을 사용하였고, 각각의 수식은 다음과 같다.

성능/효과

마지막으로, 계산된 적분 값을 threshold 기법을 이용하여 노후화 유무를 탐지하였다. 실제 운행 중인 국내 역사에서 취득한 데이터를 사용하여 본 논문에서 제안하는 전류 신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 노후화 탐지 시스템을 실험적으로 검증하였고, 적분 값이 노후화 탐지에 유용한 지표로 사용 될 수 있음을 확인하였다.
제안된 시스템은 선로전환기를 통해 실시간으로 들어오는 전류 신호에 대해서 적분 값을 구하고, threshold 기법[7]에 근거하여 기준치가 넘었을 때를 교체시기가 되었다고 판단하여 선로전환기 관리자에게 알람을 알린다. 실제 운행 중인 국내 역에서 취득한 현장 데이터를 사용하여 본 논문에서 제안하는 전류신호의 적분 값을 이용한 선로전환기의 교체시점을 알려주는 시스템을 실험적으로 검증하였고, 적분 값이 노후화 탐지에 유용한 지표로 사용 될 수 있음을 확인하였다.
실험 결과는 표 2와 같으며, 선로전환기의 DDR은 97.63%, FPR과 FNR은 각각 0.00%, 2.37%라는 안정적인 실험 결과를 확인하였다.

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