KR101256315B1

KR101256315B1 - 열차속도 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR101256315B1
Application number: KR1020110106333A
Authority: KR
Inventors: 정종철; 조용기
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-04-18
Also published as: US20130096741A1; CN103057553A; CN103057553B

Abstract

열차속도 제어장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 방법은, 운행 데이터를 수신하고, 운행 데이터와 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하고, 열차가 ATP 속도제한을 어느 시점에서 초과하는지(TTSLC) 계산하여, TTSLC가 소정의 역치보다 작으면 추가 제동력을 결정하여 감속명령을 출력한다.

Description

열차속도 제어장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING TRAIN SPEED}

본 발명은 열차속도 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열차의 무선통신 운행 시스템에서 사용하기 위한 열차속도 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 열차의 자동운행은, 각 운행 구간에서의 설정된 목표속도에 따라 열차가 운행되도록 하고, 역 구내에서 지정된 위치로 정확하고 안전하게 정차하도록 하고, 역과 역 사이에서의 효율적이고 안전한 운행이 되도록 하는 것이 그 목적이다.

이러한 열차의 자동운행은, 운전자 없이 수행될 수 있으며, 운전자가 있더라도 운전자는 열차의 운행에 주도적으로 간섭하지 않고, 비상상황 등의 경우에만 열차의 제동을 수행하는 최소한의 임무만이 부여된다.

무선통신으로 운행이 되는 통신기반 열차제어 시스템(Communication-Based Train Control; CBTC)의 경우, 열차의 방호는 자동열차방호장치(Automatic Train Protection; 'ATP'라 함)에서 수행되며, 열차의 속도제어 등 운행에 관한 부분은 자동열차운행장치(Automatic Train Operation; 'ATO'라 함)에서 수행된다.

ATP는 각 구간에서의 열차의 제한속도, 이동권한에 따른 정차지점, 안전제동 모델 등 여러 요소들을 고려하여 ATP 속도 프로파일 혹은 ATP 속도제한을 설정한다. 이 속도제한은 ATO로 전달되며, ATO는 열차운행시 이 제한을 넘지 않도록, 그리고 승차감이나 점착계수 등 여러 요소들을 고려하여 ATO 속도 프로파일을 생성한다.

그러면, 열차는 현재속도를 측정하여 열차가 생성된 ATO 속도 프로파일을 추종하도록 감가속 명령을 열차에 명령한다. 결과적으로, 열차는 생성된 ATO 속도 프로파일에 따라 운행하게 된다.

도 1은 종래기술에 의한 열차속도의 제어를 설명하기 위한 그래프이다.

도면에서, T1은 현재시간이고, Tw는 열차가 경고용 ATP 속도제한(ATP speed limit for warning)을 넘는 시간, T2는 열차가 비상제동용 ATP 속도제한(ATP speed limit for emergency braking)을 넘는 시간이다.

열차는 일반적으로 ATO 속도 프로파일(도시되지 않음)을 따라 운행하지만, ATP 속도 프로파일 혹은 ATP 속도제한을 넘는다면, ATP는 비상제동(emergency break)을 작동하여 결국 열차를 정지시킨다.

구체적으로는, 시스템에 따라 다르지만, 일반적으로 ATP 속도제한을 경고용 ATP 속도제한과 비상제동용 ATP 속도제한의 두가지를 제시하며, 열차가 경고용 ATP 속도제한을 초과하게 되면 ATP는 운전자(driver) 혹은 관리자(supervisor)에게 경고를 전달한다. 그러나, 전달된 경고에 따른 후속조치가 이루어지지 않아 열차의 속도가 비상제동용 ATP 속도제한을 초과한다면, ATP는 비상제동을 작동시켜 열차를 정지 시킨다.

즉, 열차가 도 1에 도시된 바와 같은 열차속도로 운행되면, Tw에 ATP가 운전자 혹은 관리자에게 경고신호를 전달하며, T2에 ATP는 비상제동명령을 열차에 전달한다. 그러면, 열차는 비상제동에 의해 멈추게 된다.

이와 같이, 종래의 열차의 자동운행 시스템에서는, ATP가 생성한 ATP 속도제한을 바탕으로 ATO가 ATO 속도 프로파일을 생성하고, 열차가 ATP 속도제한을 넘지 않으면서 ATO 속도 프로파일을 추종하도록 추진 또는 제동명령을 전달함으로써 열차의 안전성을 보장한다.

따라서, 위와 같은 시스템에서는, ATO 속도 프로파일을 생성할 때, 안전마진(safety margin)을 크게 부여하여, 운행도중 비상제동을 발생하지 않도록 하는 것이 일반적이다. 따라서, 설정치와 허용한계치와의 간격이 커지는 보수적인 관점의 운행방식이 채택될 수밖에 없다. 즉, 열차가 더 빠른 속도로 운행될 수 있음에도, 비상제동이 걸릴 수 있는 가능성을 염려하여, 낮은 속도로 운행할 수밖에 없다.

이러한 종래 시스템에서의 운행방식은, 해당 라인에서의 열차의 운행횟수를 줄어들게 함으로써, 경제적인 측면에서의 운행효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 열차의 자동운행(ATO)에서 열차가 ATP 속도제한을 넘는 시간을 미리 예측하여 열차의 비상제동을 미연에 방지하고, ATO 속도 프로파일 생성시 안전마진을 최소화하여, 경제적이고 효율적인 열차운행을 가능하게 하는 열차속도 제어장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열차속도 제어장치는, 상기 열차의 운행 데이터와 상기 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 추정부; 상기 추정부가 추정한 미래속도를 이용하여, 상기 열차가 자동열차방호(ATP) 속도제한을 어느 시점에서 초과하는지(TTSLC)를 계산하는 계산부; 및 상기 TTSLC가 소정의 역치보다 작으면 추가 제동력을 결정하여 감속명령을 출력하는 제1제어부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에서, ATP 속도제한 및 정위치 정차마커(PSM) 센서 데이터를 이용하여, 자동열차운행(ATO) 속도 프로파일을 생성하는 생성부; 및 상기 열차로부터 제공되는 현재속도와 상기 ATO 속도 프로파일을 비교하여, 상기 열차의 감속 또는 가속의 정도를 결정하여 감/가속명령을 출력하는 제2제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 가속도를 포함하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 추정부는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 가속도를 이용하여 상기 열차의 현재속도를 추정하고, 상기 현재속도와 상기 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 현재속도를 포함하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 추정부는, 상기 현재속도와 상기 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제1제어부는, 상기 열차의 특성을 고려하여, TTSLC에 대한 상기 소정의 역치를 미리 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제1제어부의 감속명령과 상기 제2제어부의 감/가속명령을 가산하여 상기 열차로 출력하는 가산부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열차속도 제어방법은, 운행 데이터를 수신하는 단계; 상기 운행 데이터와 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 단계; 상기 열차가 ATP 속도제한을 어느 시점에서 초과하는지(TTSLC) 계산하는 단계; 및 상기 TTSLC가 소정의 역치보다 작으면 추가 제동력을 결정하여 감속명령을 출력하는 단계를 포함하며, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 현재속도인 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 운행 데이터를 이용하여 상기 열차의 현재속도를 추정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 가속도인 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, ATP 속도제한 및 PSM 센서 데이터를 이용하여 ATO 속도 프로파일을 생성하는 단계; 및 상기 열차의 현재속도와 비교하여 상기 열차의 감속 또는 가속의 정도를 결정하여 감/가속명령을 출력하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가속명령과 상기 감/가속명령을 가산하여 상기 열차에 전달하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 열차의 현재속도로부터 열차의 미래속도를 예측하고, 어느 시점에서 미리 설정된 ATP 속도제한을 초과할 것인지 예측하여, 열차의 속도가 ATP 속도제한에 이르기 전에 추가적인 상용 제동력을 제공함으로써, 열차를 안전하게 운행하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 열차의 미래속도를 예측하여, 이 예측된 미래속도를 이용하여 열차가 ATP 속도제한을 초과하여 비상제동이 발생하는 것을 미연에 방지하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 ATO 속도 프로파일 생성시 최소의 안전마진을 부여하여, 열차의 운행시 열차속도를 보다 증가시키고, 결과적으로 열차의 운행횟수를 증가시켜, 열차의 가용성을 제고하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 열차속도의 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 TTSLC의 정의를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열차속도 제어장치의 일실시예 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열차속도 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열차속도 제어장치의 다른 실시예의 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

무선통신 시스템에서 열차의 안전운행을 위하여, 자동열차방호장치(Automatic Train Protection; 'ATP'라 함)에서 안전상 허용할 수 있는 열차의 제한속도를 설정한다. 그러면, 자동열차운행장치(Automatic Train Operation; 'ATO'라 함)에서 열차가 제한속도를 넘지 않는 범위 내에서 열차의 운행전략에 따라 열차를 운행한다.

만약, 열차가 어느 순간 제한속도를 넘는다면 열차의 안전을 위하여 ATP가 비상제동명령을 출력하여 열차가 안전하게 정차할 수 있도록 열차를 방호한다. 즉, ATP로부터 수신한 ATP 속도제한을 바탕으로 ATO는 열차의 승차감, 운행전략, 제동성능 등을 고려하여 열차가 추종해야 할 ATO 속도 프로파일(ATO speed profile)을 생성한다.

ATO는 ATO 속도 프로파일과 현재 차량의 속도를 비교하면서 열차의 추진 및 제동장치에 추진 및 제동명령을 입력하여 열차가 정해진 ATO 속도 프로파일을 추종하여 운행하도록 한다. 그러나, 만약에 어느 한 순간이라도 열차의 속도가 ATP 속도제한을 넘게 되면 바로 비상제동에 들어가기 때문에, 차량이 ATP 속도제한을 넘지 않게 운행되도록 큰 안전마진을 두어 ATO 속도 프로파일을 생성하는 것이 일반적이다.

본 발명은 열차의 자동운행장치인 ATO에서의 열차의 속도제어에 관한 것으로서, 모델기반 관측기(model-based observer) 설계를 이용하여 열차의 미래속도를 예측하고, 몇 초 이후에 열차가 ATP 속도제한을 넘을 것이라는 것을 계산하여, 열차가 속도제한을 넘어가 비상제동되기 전에 미리 상용제동(service brake)을 수행하여 위험한 상황이 되는 것을 방지한다.

즉, 현시점에서 열차가 속도제한을 넘을 때까지 걸리는 시간(Time-To-Speed-Limit Crossing; 'TTSLC'이라 함)을 정의하고, 이 시간이 설정된 허용시간보다 작으면 열차의 속도를 줄여 비상제동을 방지하는 것이다.

본 발명은 열차가 운행되면서 현시점에서 열차가 속도제한을 벗어나 비상제동이 수행되는 시점을 예측할 수 있으므로 안전한 운행이 가능해지며, ATO 속도 프로파일을 설정할 때 안전마진을 최소화하여 보다 효율적인 열차운행을 가능하게 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에서 사용되는 TTSLC의 정의를 설명하기 위한 일예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 현재시간을 T1이라 하고, 열차가 ATP 속도제한을 넘는 시간을 T2라 하면, 본 발명에서 사용되는 TTSLC는, T2와 T1의 차(difference)이다.

도 3은 본 발명에 따른 열차속도 제어장치의 일실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열차속도 제어장치(1)는, 미래속도 추정부(10), TTSLC 계산부(20), 보조 속도제어부(30), ATO 속도 프로파일 생성부(40) 및 속도추종 제어부(50)를 포함하여, 열차(2)의 속도를 제어한다.

본 발명의 열차속도 제어장치(1)의 미래속도 추정부(10)는 현시점에서 열차(2)로부터 수신하는 운행 데이터(예를 들어, 추진력, 제동력, 가속도 등)와 열차(2)의 동역학 모델을 이용하여 열차(2)의 현재속도를 추정하고, n 스텝(step) 이후의 열차(2)의 속도를 예측한다.

따라서, 미래속도 추정부(10)의 n 스텝 이후의 열차(2) 속도의 추정을 위해서는, 열차(2)의 종방향 동역학 모델이 필요한데, 먼저 이를 설명하기로 하자.

먼저, 열차(2)의 종방향 동역학 모델은, 열차(2)의 횡방향 및 종방향의 이동이 무시할 정도로 작다고 한다면, 뉴튼의 제2법칙으로부터 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서, m은 열차(2)의 등가질량(train equivalent mass)이고, v는 열차(2)의 종방향 속도(train longitudinal speed)이고, T_e는 추진력(tractive force)이고, T_b는 제동력(braking force)이며, R_r은 주행저항(running resistance)으로 구름저항(rolling resistance)과 공기저항(aerodynamic drag)을 합한 값이다. 또한, R_g는 구배저항(grade resistance)이고, R_c는 커브저항(curving resistance)이다.

열차(2)의 등가질량 m은, 열차(2)가 실질적으로는 여러 차량이 연결되어 있지만, 이를 하나의 일괄 질량(lumped mass)로 가정하여 차량의 총 질량을 등가질량으로 정의한 것이다. 추진력 T_e와 제동력 T_b는 열차(2)의 추진장치(도시되지 않음)와 제동장치(도시되지 않음)으로부터 수신한다.

열차(2)의 주행저항 R_r은 구름저항과 공기저항의 합으로 표현되며, 다음 [수학식2]와 같이 속도에 대한 2차식으로 모델링할 수 있다.

여기서, c₁, c₂, c₃는 상수이고, 속도에 대한 2차항은 공기저항에 관한 식이고, 속도에 대한 일차항과 상수항은 구름저항에 관한 식을 나타내는 것이다.

구배저항 R_g는 다음의 [수학식3]과 같이 열차(2)의 등가질량 m 및 구배 정도에 대한 관계식으로 표현된다.

여기서, g는 중력가속도, θ는 경사각(구배각)을 나타낸다. 즉, 경사가 거의 없다면 구배저항 R_g는 무시할 수 있다.

또한, 커브저항 R_c는 곡선의 반경에 대한 함수이며, 다음 [수학식4]와 같이 표현된다.

여기서, c₄는 상수이며, r은 곡률반경(curvature radius)이다.

미래속도 추정부(10)는 현재의 열차(2)의 운행 데이터를 이용하여 미래의 열차(2)의 속도를 예측한다. 이를 위해, 미래속도 추정부(10)는 열차(2)의 동역학 모델을 사용한다.

[수학식1]의 열차(2)의 종방향 동역학 모델을 이산화하면, 다음과 같이 표현된다.

여기서,

으로, 곡선저항 및 커브저항 등, 상수로 표현될 수 있는 항목의 합으로 정의한 것이고, ΔT는 샘플링 주기이다.

위의 [수학식5]를 이용하여 열차(2)의 현재속도를 추정할 수 있는 관측기(observer)를 설계할 수 있다. 비선형 시스템에서의 상태변수를 추정하는 관측기는 여러 종류가 있으며, 본 발명에서는 간단하게 설계가능한 확장된 칼만필터(extended Kalman filter)를 이용하여 속도추정을 수행한다. 다만, 이는 예시이며, 열차(2)의 속도를 추정하기 위한 관측기 설계로써, 확장된 칼만 필터 이외의 다른 관측기의 이용을 배제하는 것이 아님은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.

확장된 칼만필터를 이용한 열차(2)의 현재속도 추정을 다음의 수학식으로 표현된다.

여기서, L(k)은 칼만필터의 게인(gain)이고, y(k)는 열차(2)에 부착된 가속도 센서(도시되지 않음)로부터 얻어지는 열차(2)의 가속도이다. Q(k-1)과 R(k)는 프로세스 노이즈와 센서 노이즈의 에러 공분산(covariance)이다. 또한, F(k-1)은 상태변수에 대한 [수학식5]로 표현되는 프로세스 모델의 자코비안(Jacobian) 행렬이며, H(k)는 측정 모델의 상태변수에 대한 자코비안(Jacobian) 행렬이다.

[수학식10]을 확인하면, 측정된 가속도와 [수학식8]에 의해 추정된 가속도의 차이에 게인 L(k)을 곱하여 이를 속도를 추정하는데 있어서의 보정값으로 사용하는 것을 알 수 있다.

칼만필터 게인 L(k)은 관측기 안정성(stability)과 수렴속도(convergence rate) 등을 고려하여 적절하게 결정된다. 칼만필터 게인에 의하여 추정된 열차(2)의 현재속도는, 일정 스텝(step) 이후에는 열차(2)의 실제 속도로 수렴하게 된다. 즉, 시간이 지날수록

는

에 근접한다. 확장된 칼만필터를 이용한 현재속도 추정은, 열차의 동역학적 모델을 기반으로 하기 때문에 센서잡음 등 불확실 요소에 강인하게 속도를 추정하는 것이 가능하다.

[수학식6] 내지 [수학식10]을 이용하여 설계된 열차(2)의 현재속도를 이용하여, 미래속도 추정부(10)는 n 스텝 이후의 열차(2)의 미래속도를 추정한다. 이를 위하여, 현재 차량에 가해지는 추진력 및 제동력에는 변화가 없으며 일정하다고 가정한다. 열차(2)의 미래속도를 추정하기 위하여 위에서 제시한 동역학 모델을 사용하는 것은, 이미 위에서 설명한 바와 같다.

위의 [수학식11] 내지 [수학식15]를 순차적으로 이용하여, k 스텝의 차량 데이터를 이용하여 k+n 스텝에서의 열차(2)의 속도를 예측할 수 있다.

정리하면, 미래속도 추정부(10)는 k번째 스텝의 열차(2)의 가속도, 추진력, 제동력 등 운행 데이터를 이용하여 열차(2)의 현재속도를 추정하고, 이 추정된 열차(2)의 현재속도와 동역학 모델을 이용하여 (k+n)번째 스텝에서의 열차(2)의 미래속도를 예측할 수 있다.

도 3에서 TTSLC 계산부(20)는 미래속도 추정부(10)에서 추정한 열차(2)의 미래속도를 이용하여 열차(2)가 ATP 속도제한을 어느 시점에서 초과하는지를 계산한다. 즉, 열차(2)가 현재의 감/가속 상태를 유지한다면, 몇초 후에 설정된 ATP 속도제한을 초과하는지를 계산한다.

열차(2)의 속도가 n번째 스텝에서 ATP 속도제한을 초과한다고 가정하자. 즉, 다음식의 경우를 가정하자.

여기서, k는 현재의 시점이라 하면, n 스텝 이후의 열차의 속도는 ATP 속도제한을 초과한다는 의미이다. 이때, TTSLC는 다음의 식으로 계산될 수 있다.

이때, TTSLC의 단위는 초(sec)이고, ΔT는 샘플링 주기이다.

보조 속도제어부(30)는, 열차(2)의 특성 및 제동장치(도시되지 않음)의 동특성을 고려하여 역치(threshold)를 기설정해두고, TTSLC 생성부(20)로부터 입력되는 TTSLC와 역치를 비교하여, TTSLC가 역치보다 작으면 추가 제동력을 생성하여, 감속명령을 출력한다.

예를 들면, 보조 속도제어부(30)가 역치를 3초로 설정한 경우를 가정하자. TTSLC 계산부(20)가 계산한 TTSLC가 3초보다 작으면, 3초 이내에 열차(2)의 속도가 ATP 속도제한을 초과할 것이라는 의미이며, 이를 넘지 않기 위해서 추가 상용제동이 이루어져야 한다는 것을 의미하는 것이다. 따라서, 보조 속도제어부(30)는 제동장치(도시되지 않음)의 동특성 등을 고려하여 TTSLC의 값에 따라 적절하게 추가 제동력을 생성하여, 열차(2)로 감속명령을 출력한다.

ATO 속도 프로파일 생성부(40)는 ATP 속도제한 및 정위치 정차를 위한 정위치 정차 마커(Precision Stopping Marker; 'PSM'이라 함)(도시되지 않음)로부터 수신되는 데이터를 이용하여, 열차의 자동운행을 위한 기준(reference)속도인 ATO 속도 프로파일을 생성한다.

PSM은 역 진입로에 설치되는 것으로서, 열차(2)가 진행하다가 역근방의 지상에 설치된 PSM을 인식하는 순간 속도를 줄여 역의 정차하려는 위치에 정차하게 되는 것이다.

ATO 속도 프로파일의 생성에 대해서는, 이미 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 바와 같다 할 것이므로, 그 상세한 설명에 대해서는 생략하기로 한다.

이 ATO 속도 프로파일은 목표값이 되며, 열차(2)에 제공되는 속도센서(도시되지 않음)로부터 출력되는 현재속도와 비교부(45)를 통해 비교하여, 비교한 값을 바탕으로 속도추종 제어부(50)가 열차의 가속 또는 감속의 정도를 결정하여 감/가속명령을 출력한다.

예를 들어, 열차(2)가 역과 역 사이를 주행하는 동안의 제한속도가 100km/h라고 하면, 이 제한속도에 맞춰 ATO 속도 프로파일 생성부(40)가 ATO 속도 프로파일을 생성하고, 현재의 열차(2)의 속도와 비교하면서 속도추종 제어부(50)가 속도추종 제어를 수행한다.

이후, 열차(2)가 PSM을 감지(열차(2)의 바닥에 마커감지용 센서가 부착되는 것이 바람직함)하는 순간, 정차를 위한 ATO 속도 프로파일이 생성되고, 속도추종 제어부(50)는 이 ATO 속도 프로파일을 추종하는 제어를 수행(감속명령 출력)하여 최종적으로 열차(2)가 역 구내에서 정위치에 정차할 수 있다.

이와 같이, 속도추종 제어부(50)에서 생성한 감/가속명령과, 보조 속도제어부(30)에서 생성된 감속명령을 가산부(55)가 더하여, 이를 열차(2)의 추진장치(도시되지 않음) 및 제동장치(도시되지 않음)에 전달하여, 열차(2)의 속도를 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 열차속도 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어방법은, 열차(2)의 추진장치로부터 수신하는 추진력, 제동장치로부터 수신하는 제동력, 및 가속도 센서로터 수신하는 가속도 등 열차(2)의 운행 데이터를 수신하고(S41), 이를 이용하여 미래속도 추정부(10)가 열차(2)의 현재속도를 추정하고, 이를 이용하여 n 스텝 이후의 미래속도를 추정한다(S42).

이후, TTSLC 계산부(20)는 열차(2)가 현재의 감/가속상태를 유지한다면 몇 초 이후에 ATP 속도제한을 초과할 것인지를 계산하고(S43), TTSLC가 역치보다 작은 경우에는(S44), 보조 속도제어부(30)가 열차(2)의 속도를 감속하기 위한 추가적인 상용 제동력을 계산하여, 이를 토대로 감속명령을 출력한다(S45).

한편, S41 내지 S45와 별도로, ATO 속도 프로파일 생성부(40)는 ATP 속도제한 및 PSM 센서 데이터를 이용하여 열차(2)의 자동운행을 위한 기준속도인 ATO 속도 프로파일을 생성한다(S46). 이 기준속도는 목표값이 되며, 속도추종 제어부(50)가 열차(2)에 제공되는 센서로부터 수신하는 열차(2)의 현재속도와 비교하여 감/가속정도를 결정하고 이를 바탕으로 감/가속명령을 출력한다(S47).

S46 및 S47은 S41 내지 S45의 이후에 수행되는 것으로 도시되고, 설명되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 양자 동일하게 수행될 수도 있고, S46 및 S47이 먼저 수행될 수도 있는 것으로서, 양자 개별적인 수행이 보장된다.

이와 같이, 보조 속도제어부(30)가 출력한 감속명령과, 속도추종 제어부(50)가 출력한 감/가속명령을 가산하여, 열차(2)의 추진장치 및 제동장치로 전달하여(S48), 열차(2)의 속도를 제어할 수 있다.

한편, 열차(2)의 속도를 열차(2)에 제공되는 센서를 통해 정확하게 얻을 수 있다면, 도 3의 제어장치는 단순화할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 열차속도 제어장치의 다른 실시예의 구성도로서, 열차(2)에 제공되는 센서(도시되지 않음)로부터 미래속도 제어부(10)가 열차(2)의 속도를 수신하는 경우를 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 미래속도 추정부(10)는 가속도 센서(도시되지 않음)로부터 가속도를 수신하여, 제동장치의 제동력과 추진장치의 추진력 및 가속도(운행 데이터)를 이용하여 현재의 속도를 예측하는 일 없이, 바로 열차(2)의 현재속도를 이용하여, n 스텝 이후의 미래속도를 추정한다.

즉, 위의 도 3의 설명에서, [수학식6] 내지 [수학식10]의 연산 없이, 바로 미래속도의 추정을 수행하므로, 시스템의 단순화가 가능하다.

도 5에서, 미래속도 추정부는, 열차(2)의 추진장치로부터 추진력, 제동장치로부터 제동력, 및 속도센서로부터 열차(2)의 현재속도를 수신하고, 열차(2)의 동역학 모델을 이용하여, n 스텝 이후의 열차의 미래속도를 추정한다.

그 외의 구성요소의 설명에 대해서는, 도 3을 참조로 설명한 바와 다를 바 없으므로, 그에 대한 설명을 생략하기로 하겠다.

위와 같은 본 발명은, 열차의 자동운행에서, 현재의 열차의 상태로부터 미래속도를 예측하고, 어느 시점에서 예측된 열차의 속도가 미리 설정된 ATP 속도제한을 초과할 것인지를 예측하여 열차의 속도가 ATP 속도제한에 이르기 전에 이를 예측하여 추가적인 상용 제동력을 인가함으로써, 열차를 안전하게 운행할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 ATO 속도 프로파일 생성시 최소의 안전마진을 두어 열차운행시 열차속도를 증대할 수 있으며, 결과적으로 열차의 운행횟수를 증가시켜 열차를 효율적으로 운행할 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 열차의 안전성과 가용성을 높일 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.

컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

1: 열차속도 제어장치 2: 열차
10: 미래속도 추정부 20: TTSLC 계산부
30: 보조 속도제어부 40: ATO 속도 프로파일 생성부
50: 속도추종 제어부

Claims

열차의 운행 데이터와 상기 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 추정부;
상기 추정부가 추정한 미래속도를 이용하여, 상기 열차가 자동열차방호(ATP) 속도제한을 어느 시점에서 초과하는지(TTSLC)를 계산하는 계산부; 및
상기 TTSLC가 소정의 역치보다 작으면 추가 제동력을 결정하여 감속명령을 출력하는 제1제어부를 포함하는 열차속도 제어장치.
제1항에 있어서,
ATP 속도제한 및 정위치 정차마커(PSM) 센서 데이터를 이용하여, 자동열차운행(ATO) 속도 프로파일을 생성하는 생성부; 및
상기 열차로부터 제공되는 현재속도와 상기 ATO 속도 프로파일을 비교하여, 상기 열차의 감속 또는 가속의 정도를 결정하여 감/가속명령을 출력하는 제2제어부를 더 포함하는 열차속도 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 가속도를 포함하는 열차속도 제어장치.
제3항에 있어서, 상기 추정부는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 가속도를 이용하여 상기 열차의 현재속도를 추정하고, 상기 현재속도와 상기 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 열차속도 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 현재속도를 포함하는 열차속도 제어장치.
제5항에 있어서, 상기 추정부는, 상기 현재속도와 상기 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 열차속도 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 제1제어부는, 상기 열차의 특성을 고려하여, TTSLC에 대한 상기 소정의 역치를 미리 설정하는 열차속도 제어장치.
제2항에 있어서,
상기 제1제어부의 감속명령과 상기 제2제어부의 감/가속명령을 가산하여 상기 열차로 출력하는 가산부를 더 포함하는 열차속도 제어장치.
운행 데이터를 수신하는 단계;
상기 운행 데이터와 열차의 동역학 모델을 이용하여 상기 열차의 소정 시간 이후의 미래속도를 추정하는 단계;
상기 열차가 ATP 속도제한을 어느 시점에서 초과하는지(TTSLC) 계산하는 단계; 및
상기 TTSLC가 소정의 역치보다 작으면 추가 제동력을 결정하여 감속명령을 출력하는 단계를 포함하는 열차속도 제어방법.
제9항에 있어서, 상기 운행 데이터를 이용하여 상기 열차의 현재속도를 추정하는 단계를 더 포함하는 열차속도 제어방법.
제10항에 있어서, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 가속도인 열차속도 제어방법.
제9항에 있어서, 상기 운행 데이터는, 상기 열차의 추진력, 제동력 및 현재속도인 열차속도 제어방법.
제9항에 있어서,
ATP 속도제한 및 PSM 센서 데이터를 이용하여 ATO 속도 프로파일을 생성하는 단계; 및
상기 ATO 속도 프로파일과 상기 열차의 현재속도와 비교하여 상기 열차의 감속 또는 가속의 정도를 결정하여 감/가속명령을 출력하는 단계를 더 포함하는 열차속도 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 가속명령과 상기 감/가속명령을 가산하여 상기 열차에 전달하는 단계를 더 포함하는 열차속도 제어방법.