KR101462625B1 - 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 및 그 방법 - Google Patents

전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴 등을 고려하여 최적의 운행 패턴(가속, 등속, 감속, 정차 시간 및/또는 공조기 제어)으로 전기 철도 차량을 제어함으로써, 운행 스케쥴에 지장이 없으면서도 전력 소비량을 최소화할 수 있는 에코 드라이빙 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴에 관한 정보를 입력하는 정보 입력부; 상기 정보 입력부로부터 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정하는 에코 드라이빙 연산부; 및 상기 에코 드라이빙 연산부로부터 출력된 에코 드라이빙 모드 제어 신호에 기초하여 상기 전기 철도 차량의 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및 공조기를 제어하는 제어부를 포함하는 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 및 그 방법을 개시한다.

Description

전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 및 그 방법{Eco-Driving Device and method for electric railway vehicles}
본 발명의 일 실시예는 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도 차량 분야에서 컴퓨터의 도입은 1980년대 초에 시작되었으나, 초기에는 단순히 차량에 설치된 주요 장치의 고장을 현시 및 기록하기 위해 속도 기록계 및 다수의 고장 표시등을 사용한 모니터 기능만을 수행하였다. 그 후, 컴퓨터와 통신 기술의 발전으로 차상정보장치(TIS : Train Information System)가 개발됨으로써 추진 제어 장치, 제동 장치, 보조 전원 장치의 고장 및 동작 상태 등 차량 상태 감시 기능과 중고장 시 상태 기록과 경보를 발생시키는 기능이 가능하게 되었다. 이 외에도 검수 지원과 사고 원인 분석을 위한 운행 상태, 고장 상태, 승무원 조치 내용의 기록과 IC 카드를 이용하여 지상 컴퓨터 장치에서 출력할 수 있는 기능을 갖게 되었다.
그런데 최근에는 차상 정보 장치(TIS)보다 더 많은 제어 기능을 포함한 종합 제어 장치(TCMS : Train Control & Monitoring System)가 한국내에 도입되어 감시 기능 이외에 차량의 주요 장치, 즉 추진 제어 장치, 제동 장치, 보조 전원 장치, 고전압 장치 및 승객 서비스 장치의 제어를 컴퓨터가 수행할 수 있게 되었다. 그에 더하여, 자동 열차 운전 장치(Automatic Train Operation : ATO) 및 자동 열차 제어 장치(Automatic Train Control : ATC)와의 인터페이스를 통해 승무원을 대신하여 역행 및 최대 제동력을 지시하여 역간의 정속 주행 및 역에서의 정밀 정지 제어 기능을 수행할 수 있게 됨으로써 열차의 자동 및 무인 운전이 가능하게 되었다. 그리고 상기와 같은 열차 종합 제어 장치는 기본적으로 차량과 주요 장치의 상태 감시 및 제어 기능의 범위에 따라 제어 기능이 없는 차상 정보 장치(TIS,TGIS)와 제어 기능이 있는 종합 제어 장치(TCMS)로 분류된다. 이때, 상기 종합 제어 장치(TCMS)는 일반적으로 편성 제어 컴퓨터, 차량 제어 컴퓨터, 모니터 장치로 구성되며 종합 제어 장치 컴퓨터 간에는 고속의 필드 버스(Field Bus), 기타 장치들과는 저속의 직렬 데이터 통신을 통해 각 차량 정보를 수신하며 제어 명령을 지령한다. 더 나아가, 상기와 같은 종합 제어 장치(TCMS)의 향후 기술 발전 방향은 차량 시스템의 최대 성능을 위해 차량의 주요 장치의 동작 상황과 고장 상태를 모니터에 현시 및 기록하며, 이들 장치간의 통신 및 최적 인터페이스를 통한 제어 기능 수행이 가능한 종합 제어 장치로 진행되어 가는 추세이다. 이를 위해서는 최신 컴퓨터 기술과 통신 기술의 적용을 위한 계속적인 연구 개발이 필요하며 승객과 운영자의 입장에서의 안전성(Safety)과 신뢰성(Reliability)을 고려한 포괄적인 기능을 포함하는 연구가 계속적으로 요구되고 있다.
한국특허공개공보 2010-0113718(공개일 2010.10.22) 일본특허공개공보 2009-055785(공개일 2009.03.12) 미국특허공개공보 2002-0174798(공개일 2002.11.28)
본 발명의 일 실시예는 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴(다이아) 등을 고려하여 최적의 운행 패턴(가속, 등속, 감속, 정차 시간 및 공조기 제어 등)으로 철도 차량을 제어함으로써, 운행 스케쥴에 지장이 없으면서도 최소의 전력 소비량을 갖는 에코 드라이빙 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치는 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴에 관한 정보를 입력하는 정보 입력부; 상기 정보 입력부로부터 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정하는 에코 드라이빙 연산부; 및 상기 에코 드라이빙 연산부로부터 출력된 에코 드라이빙 모드 제어 신호에 기초하여 상기 전기 철도 차량의 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및 공조기를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 에코 드라이빙 장치는 상기 정보 입력부에 의한 정보, 상기 에코 드라이빙 연산부에 의한 에코 드라이빙 모드를 기관사에게 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
상기 에코 드라이빙 장치는 상기 전기 철도 차량에 단독으로 설치되어 운영될 수 있다.
상기 에코 드라이빙 장치는 상기 에코 드라이빙 연산부가 중앙 관제부에 설치되고, 상기 중앙 관제부의 에코 드라이빙 연산부가 상기 정보 입력부로부터의 정보를 무선으로 수신받으며, 상기 중앙 관제부의 에코 드라이빙 연산부가 ABS(Automatic Block System) 및 ATO(Automatic Train Operation)를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 방법은 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴에 관한 정보를 입력받는 단계; 상기 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 에코 드라이빙 모드에 기초하여 상기 전기 철도 차량의 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및 공조기를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 에코 드라이빙 방법은 상기 정보 및 상기 에코 드라이빙 모드를 기관사에게 표시하는 표시 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 에코 드라이빙 방법은 중앙 관제부가 상기 정보를 무선으로 수신받고, 상기 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정하며, 상기 중앙 관제부가 상기 에코 드라이빙 모드에 기초하여 ABS(Automatic Block System) 및 ATO(Automatic Train Operation)를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴(다이아) 등을 고려하여 최적의 운행 패턴(가속, 등속, 감속, 정차 시간 및 공조기 제어)으로 철도 차량을 제어함으로써, 운행 스케쥴에 지장이 없으면서도 최소의 전력 소비량을 갖는 에코 드라이빙 장치 및 그 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 방법을 도시한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 중에서 표시부에 의해 표시되는 각종 상태를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치(100)는 정보 입력부(110), 에코 드라이빙 연산부(120), 메모리(130), 제어부(140) 및 표시부(150)를 포함한다.
먼저 정보 입력부(110)는 전력 센서(111), 응하중 센서(112), 위치 센서(113), 속도 센서(114) 및 운행 스케쥴 입력부(115)를 포함한다.
전력 센서(111)는 전기 철도 차량에 인가되는 전압 및 전류를 센싱하고, 이들로부터 전력을 계산하며, 계산된 전력을 디지털 데이터로 변환하여 에코 드라이빙 연산부(120)에 출력한다. 여기서, 전압은 일례로 ACPT(가선 전압 센서)로 얻을 수 있고, 전류는 일례로 ACCT(가선 전류 센서)로부터 얻을 수 있으나, 이러한 종류로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
응하중 센서(112)는 전기 철도 차량에 탑승하는 승객 수에 따라 변화되는 응하중을 센싱하고, 이를 디지털 데이터로 변환하여 에코 드라이빙 연산부(120)에 출력한다. 여기서, 응하중 센서(112)는 전기 철도 차량에 설치된 공기 스프링의 압력을 측정하는 압력 센서일 수 있으나, 이러한 종류로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 전기 철도 차량의 응하중이 센싱되는 이유는 정해진 운행 스케쥴대로 전기 철도 차량이 운행되기 위해 전기 철도 차량이 필요로 하는 힘(최대 역행력/최대 제동력)이 계산되어야 하기 때문이다. 통상적으로, 전기 철도 차량의 응하중이 큰 경우(승객 수가 많을 때)에는 상대적으로 큰 힘(최대 역행력/최대 제동력)이 필요하고, 응하중이 작은 경우(승객수가 작을 때)에는 상대적으로 작은 힘(최대 역행력/최대 제동력)이 필요하다.
위치 센서(113)는 전기 철도 차량의 현재 위치를 센싱하고, 이를 디지털 데이터로 변환하여 에코 드라이빙 연산부(120)에 출력한다. 여기서, 위치 센서(113)는 통상의 GPS 시스템, 지하철 위치 추적 시스템 또는/및 지하철 네비게이션 시스템일 수 있으나, 이러한 종류로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 일례로, GPS 신호가 수신되지 않는 GPS 음영 지역에서는 지하철 위치 추적 시스템 또는/및 지하철 네비게이션 시스템이 이용될 수 있는데, 이러한 시스템은 기본적으로 지하철 역마다 설치된 AP(Access Point)를 센싱하는 AP 센서와, 가속도 센서 및 지자기 센서 등을 포함한다. 또한, 이러한 시스템은 AP 센서로 얻은 현재의 지하철 역 정보를 현재 위치 정보로 정의하고, 두개의 AP 사이 영역(GPS 음영 지역)에서의 전기 철도 차량의 위치는 가속도 센서로부터 얻은 전기 철도 차량의 속도 및 지자기 센서로부터 얻은 전기 철도 차량의 이동 방위각을 이용하여, 상기 현재 위치 정보에 대하여 상대적인 현재의 위치 정보를 계산하여 획득할 수 있다. 물론, 이러한 위치 정보는 새로운 AP 정보를 감지할 때마다, 업데이트, 수정 또는 보정된다.
속도 센서(114)는 전기 철도 차량의 속도(현재의 속도, 가속도, 감속도 및 등속도)를 센싱하고, 이를 디지털 데이터로 변환하여 에코 드라이빙 연산부(120)에 출력한다. 여기서, 속도 센서(114)는 상술한 가속도 센서가 이용될 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
운행 스케쥴 입력부(115)는 전기 철도 차량의 역 도착 시간, 역 출발 시간, 역간 소요 시간, 역 정차 시간 등이 입력되도록 한다. 이러한 운행 스케쥴 입력부(115)는 통상의 컴퓨터 키보드, 마우스 및 그 등가물을 통해 구현될 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
한편, 이러한 응하중 센서(112), 위치 센서(113), 속도 센서(114) 및 운행 스케쥴 입력부(115)로부터 얻는 정보는 전기 철도 차량의 상태를 감시하여 이를 기관사(승무원)에게 전달하는 열차 정보 현시 장치인 TGIS((Train General Information System) 또는 TCMS(Train Control Monitoring System)로부터 얻을 수 있다.
에코 드라이빙 연산부(120)는 정보 입력부(110)(전력 센서(111), 응하중 센서(112), 위치 센서(113), 속도 센서(114) 및 운행 스케쥴 입력부(115))로부터 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정한다.
메모리(130)에는 운행 스케쥴에 관련된 정보(역 도착 시간, 역 출발 시간, 역간 소요 시간, 역 정차 시간), 실시간 수집 정보(소비 전력, 응하중, 위치, 속도) 및 이들에 최적화된 에코 드라이빙 정보(갱신된 역 도착 시간, 갱신된 역 출발 시간, 갱신된 역간 소요 시간, 갱신된 역 정차 시간, 갱신된 위치별 가속도, 등속도 및/또는 감속도, 그리고 갱신된 공조기의 제어 상태(에어콘, 송풍기, 히터 등))가 룩업 테이블 상태로 저장될 수 있다. 또한, 메모리(130)에는 운행 스케쥴에 관련된 정보, 실시간 수집 정보에 의해 새롭게 갱신된 에코 드라이빙 정보가 계산될 수 있도록 하는 수학식이 저장될 수도 있다. 물론, 이러한 룩업 테이블이나 수학식은 운행 스케줄에 크게 영향을 주지 않으면서도 소비 전력을 최소화할 수 있는 다수의 시뮬레이션 또는 실측에 의해 얻어진 것이다.
일례로, 수학식을 이용한 에코 드라이빙 모드의 결정 방법에 대해 설명한다. 역간 거리가 짧은 도시 전기 철도 차량의 경우 운행 모드는 대략 역행(powering), 타행(coasting) 및 제동(breaking)으로 이루어질 수 있으며, 이들을 어떻게 설정하느냐에 따라 소비 전력이 달라진다. 역간 거리는 역행 거리, 타행 거리 및 제동 거리의 합과 같고, 또한 역간 목표 주행 시간은 역행 시간, 타행 시간 및 제동 시간의 합과 같다. 여기서, 타행 및/또는 제동이 시작되는 지점을 조절하여 전체 운행 구간 동안 전기 철도 차량에서 소비되는 전력 소비량을 최소화시킬 수 있다.
물론, 이때 전기 철도 차량의 속도 프로파일이 정해진 역간 거리를 정해진 역간 목표 주행 시간 안에 운행되어야 함은 당연하다. 이를 위해, 정해진 역간 목표 주행 시간, 정해진 역간 거리 및 시간과 관련된 함수를 만들 수 있다. 또한, 이때 전기 철도 차량이 목표 역에 정확히 정지하기 위해 정확한 제동 개시 시점이 결정되어야 하는데, 이를 위해 역행과 타행에 대한 시뮬레이션을 통해 전동차의 전방향 속도 궤적을 계산한 다음, 제동에 대한 시뮬레이션을 통해 전동차의 후방향 속도 궤적을 계산하고, 두 궤적의 교차점을 제동 시작점으로 결정할 수 있다. 더불어, 전기 철도 차량이 정해진 시간 내에 목표 지점에 도착하기 위해서는 전기 철도 차량의 실제 주행 시간과 역간 목표 주행 시간과의 차이가 최소화되도록 하는 타행 개시 지점을 찾는다. 따라서, 타행 거리 또는 시간, 제동 거리 또는 시간을 적절히 조절함으로써, 전기 철도 차량의 소비 전력을 최소화할 수 있다.
이와 같이 하여, 에코 드라이빙 연산부(120)는 정보 입력부(110)로부터 입력된 다수의 정보에 기초하여 운행 스케쥴에 영향을 주지 않으면서도 소비 전력을 최소화할 수 있는 에코 드라이빙 정보를 연산해서 얻고, 이러한 에코 드라이빙 정보에 기초하여 전기 철도 차량이 제어 및 운행될 수 있도록 하는 에코 드라이빙 모드 제어 신호를 출력한다.
제어부(140)는 에코 드라이빙 연산부(120)로부터 입력받은 에코 드라이빙 모드 제어 신호에 기초하여 전기 철도 차량의 위치별 가속도(역행), 감속도(제동 또는 타행), 등속도, 정차 시간 및/또는 각종 공조기를 제어한다. 이를 위해 제어부(140)는 속도 제어부(141), 정차 시간 제어부(142) 및 공조 제어부(143)를 포함한다. 속도 제어부(141)는 전기 철도 차량의 위치별 가속도, 등속도 및 감속도를 제어한다. 정차 시간 제어부(142)는 각 역마다 최적화된 정차 시간 동안 전기 철도 차량이 정차하도록 제어한다. 공조 제어부(143)는 위치별로 에어콘, 히터 및 송풍기와 같은 공조기의 온,오프 상태 및 세기 등을 제어한다.
표시부(150)는 정보 입력부(110)에 의한 각종 정보, 에코 드라이빙 연산부(120)에 의한 에코 드라이빙 모드 등을 기관사에게 표시하는 역할을 한다.
여기서, 제어부(140)는 상술한 에코 드라이빙 연산부(120)로부터 입력받은 에코 드라이빙 모드 제어 신호에 따라서 전기 철도 차량의 위치별 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및 각종 공조기를 직접 제어할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 표시부(150)를 통해 표시되는 내용에 따라 운전 기기를 수동 제어하는 기관사에 의해 제어될 수도 있다. 이 경우, 지하철 노선별 표준 수동 운전 유형 및 소비 전력 절감 운전 기법이 자연스럽게 메뉴얼로 구축될 수 있을 뿐만 아니라, 기관사의 운전 습성 개선에도 도움이 된다.
실질적으로, 전기 철도 차량의 전기 사용료는 운송 수입의 대략 8%를 차지하고 있고, 이중 전기 철도 차량의 소비 전력이 대략 60% 정도를 차지하고 있다. 여기서, 시뮬레이션에 따르면 상술한 에코 드라이빙 모드로 전기 철도 차량을 운행할 경우 대략 5~15% 정도의 전력 소비량을 절약할 수 있는 것으로 나타난다. 따라서, 본 발명은 전기 에너지 절감뿐만 아니라 전기 철도 차량의 운용 비용을 상당히 절감하도록 한다.
한편, 이러한 에코 드라이빙 장치(100)는 전기 철도 차량마다 단독으로 설치되어 운영될 수 있다. 물론, 동일한 노선에 있는 앞,뒤의 전기 철도 차량과 상호 충돌하지 않도록 기존의 신호 체계 즉, ABS(Automatic Block System) 및 ATO(Automatic Train Operation)가 허용하는 범위 내에서 전기 철도 차량마다 단독으로 에코 드라이빙 장치(100)가 구동될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치(200)의 구성을 도시한 블럭도이다.
본 발명에 따른 에코 드라이빙 장치(200)는 상술한 에코 드라이빙 연산부 및 메모리가 각각의 전기 철도 차량(1,2)이 아닌 중앙 관제부(210)에 통합적으로 설치될 수 있다. 이에 따라, 중앙 관제부(210)가 각 전기 철도 차량(1,2)의 에코 드라이빙 상태를 종합적 및 통합적으로 관리할 수 있다.
물론, 정보 입력부(110)로부터의 각종 정보는 무선으로 중앙 관제부(210)에 전송된다. 즉, 전기 철도 차량(1,2)에 관련된 실시간 수집 정보(소비 전력, 응하중, 위치, 속도)가 예를 들면 각 지하철 역마다 설치된 AP(221,222)를 통하여 중앙 관제부(210)에 전송된다.
그러면, 중앙 관제부(210)는 메모리에 미리 저장된 전기 철도 차량별 운행 스케쥴에 관련된 정보(역 도착 시간, 역 출발 시간, 역간 소요 시간, 역 정차 시간) 및 상술한 실시간 수집 정보를 이용하여 이들에 최적화된 에코 드라이빙 정보(갱신된 역 도착 시간, 갱신된 역 출발 시간, 갱신된 역간 소요 시간, 갱신된 역 정차 시간, 위치별 갱신된 가속도, 등속도 및/또는 감속도, 그리고 갱신된 공조기의 제어 상태(에어콘, 송풍기, 히터 등))를 AP(221,222)를 통하여 전기 철도 차량(1,2)에 전송한다. 이에 따라, 전기 철도 차량(1,2)은 도 1을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 자동으로 또는 기관사에 의해 수동으로 제어되며, 더욱이 중앙 관제부(210)가 신호 제어부(230)를 이용하여 노선에 설치된 ABS(Automatic Block System)(231) 및 ATO(Automatic Train Operation)(232)를 함께 제어하되, 상술한 에코 드라이빙 모드에 의해 소비 전력이 최소화되도록 제어함으로써, 전기 철도 차량(1,2)의 에코 드라이빙 상태를 더욱 최적화시킨다.
즉, 본 실시예에서는 중앙 관제부(210)가 다수의 전기 철도 차량(1,2)을 직접 에코 드라이빙 모드로 제어하되, ABS(231) 및 ATO(232)를 함께 제어함으로써, 전체 시스템의 소비 전력이 최소화되도록 한다.
한편, 도시 전기 철도 차량의 운전 특성은 차량의 역간 주행 시 동력 운전 구간(역행)이 무동력 운전 구간(타행, 제동)에 비해 짧고 에너지 소모가 큰 운전 특성이 있다. 따라서, 동일 전력 공급 계통 내에서 개별 차량들이 각 역에서 출발 및 정차를 반복할 때, 여러대의 차량이 동시에 출발할 경우 상당히 큰 입력 전류가 발생할 수 있고, 이러한 과도한 대규모 입력 전류는 전기 에너지의 열 손실로 이어져 에너지 효율성이 저하될 수 있다. 또한, 전기 철도 차량은 대부분 회생 제동을 사용하고 있는데, 이로 인한 회생 전력이 인근 견인 전기 차량에서 소모하지 못을 경우 전기 철도 차량의 내부 저항으로 전력을 소모하여 전력 에너지 소비 효율이 나빠질 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 중앙 관제부(210)가 전력 공급 계통 단위로 다수의 차량(1,2)을 그룹화하고, 그룹화된 차량(1,2)들을 중심으로, 출발, 도착 시간 및/또는 동력 운전 구간 등을 분산 관리하도록 함으로써, 과도한 입력 전류를 제한할 수 있고, 또한 회생 전력을 견인 전력으로 최대한 활용할 수 있어 차량 운영 체계의 효율성을 극대화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 방법을 도시한 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 방법은 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴에 관한 정보를 입력받는 단계(S1)와, 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정하는 단계(S2)와, 결정된 에코 드라이빙 모드에 기초하여 전기 철도 차량의 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및/또는 공조기를 제어하는 단계(S3)와, 상술한 에코 드라이빙 모드를 표시하는 단계(S4)를 포함한다. 여기서, 이러한 제어의 주체는 에코 드라이빙 연산부(120)이다.
단계 S1에서는 정보 입력부(110) 즉, 전력 센서(111), 응하중 센서(112), 위치 센서(113), 속도 센서(114) 및 운행 스케쥴 입력부(115)를 통하여, 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및/또는 운행 스케쥴에 관한 정보를 입력받는다.
단계 S2에서는 정보 입력부(110)로부터 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는/및 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정한다. 즉, 메모리(130)에 운행 스케쥴에 관련된 정보(역 도착 시간, 역 출발 시간, 역간 소요 시간, 역 정차 시간), 실시간 수집 정보(소비 전력, 응하중, 위치, 속도) 및 이들에 최적화된 에코 드라이빙 정보(갱신된 역 도착 시간, 갱신된 역 출발 시간, 갱신된 역간 소요 시간, 갱신된 역 정차 시간, 갱신된 위치별 가속도, 등속도 및 감속도, 및/또는 갱신된 공조 제어 상태(에어콘, 송풍기, 히터 등))가 룩업 테이블 또는/및 수학식으로 저장되어 있으므로, 이를 이용하여 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정한다. 더불어, 단계 S2에서는 에코 드라이빙 연산부(120)가 이와 같이 결정된 에코 드라이빙 모드에 관련된 제어 신호를 제어부(140)에 출력한다.
이와 같이 하여, 본 발명은 에코 드라이빙 연산부(120)가 정보 입력부(110)로부터 입력된 정보에 기초하여 운행 스케쥴에 크게 영향을 주지 않으면서도 소비 전력을 최소화할 수 있는 에코 드라이빙 정보를 연산해서 얻고, 이러한 에코 드라이빙 정보에 기초하여 전기 철도 차량이 운행될 수 있도록 하는 에코 드라이빙 모드 제어 신호를 출력한다.
단계 S3에서는 입력되는 에코 드라이빙 모드 제어 신호에 기초하여 전기 철도 차량의 위치별 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및/또는 공조기를 제어한다. 실질적으로, 이는 두가지 방식 중 어느 하나로 수행될 수 있다. 첫번째 방식은 완전 자동 방식으로 제어부(140)를 구성하는 속도 제어부(141), 정차 시간 제어부(142) 및 공조 제어부(143)가 기관사의 통제를 받지 않고, 상술한 에코 드라이빙 모드 제어 신호에 따라 자동적으로 동작하는 것이다. 두번째 방식은 수동 방식으로 제어부(140)를 구성하는 속도 제어부(141), 정차 시간 제어부(142) 및 공조 제어부(143)가 기관사의 통제에 따라 수동으로 동작하는 것이다. 물론, 이러한 수동 방식은 기관사가 표시부(150)를 통해 표시되는 내용을 보고 상술한 속도 제어부(141), 정차 시간 제어부(142) 및 공조 제어부(143)를 직접 적절히 조작하여 이루어진다.
단계 S4에서는 표시부(150)를 통하여 상술한 에코 드라이빙 모드를 표시한다. 즉, 정보 입력부(110) 및 에코 드라이빙 연산부(120)로부터 얻은 각종 상황을 표시부(150)를 통해 기관사에게 표시한다. 실질적으로, 이러한 단계 S3 및 S4는 동시에 수행되거나, 또는 S4가 수행된 이후 S3가 수행될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 중에서 표시부에 의해 표시되는 각종 상태를 도시한 것이다. 여기서, 이러한 표시부의 표시 상태는 본 발명의 이해를 위한 일례일 뿐이며, 이러한 표시 방법으로 본 발명이 한정되지 않는다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 표시부(150)를 통해서는 전기 철도 차량의 소비 전력(순시소비전력 및/또는 누적소비전력)이 표시될 수 있다. 일례로, 전기 철도 차량에 설치된 팬터그래프(pantograph)와 대응되는 개소에서의 순시소비전력 및/또는 누적소비전력이 바 그래프 형태로 표시될 수 있다. 이와 같이 하여, 기관사는 표시부(150)를 통해 현재 전기 철도 차량의 소비 전력을 실시간으로 파악할 수 있다. 물론, 이러한 전기 철도 차량의 소비 전력은 메모리(130)에 저장된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 표시부(150)를 통해서는 전기 철도 차량의 응하중이 표시될 수 있다. 일례로, 전기 철도 차량의 각 량별 응하중(BC압) 또는 특정 개소의 응하중(AS압)이 표시될 수 있다.
이러한 응하중 데이터는 상술한 바와 같이 전기 철도 차량의 최대 역행력/최대 제동력을 계산하는데 기초 자료로 이용될 수 있다. 또한, 응하중 데이터는 전기 철도 차량의 날짜별, 시간별, 구간별 승차율을 파악하는데 이용될 수도 있다. 즉, 역의 승하차 인원(게이트 통과 수)만 계산하면 환승객의 수를 파악할 수 없지만, 응하중 데이터를 함께 이용한다면 정확한 이용객 수를 집계할 수 있다. 더불어, 이러한 응하중 데이터는 전기 철도 차량이 역을 출발할 때 조사한 각 량별 승차율 데이터를 앞 역의 전광판에 표시해 줌으로써, 승객 수를 고르게 분산시켜 승하차 승객의 혼잡도를 낮추도록 유도할 수도 있다.
즉, 현재 지하철에서는 환승 통로나 출구가 가까운 일부 칸에 승객이 몰리는 경우가 많은데, 상술한 바와 같이 열차의 승차율 정보를 역에 미리 알려준다면 좌석을 원하거나 혼잡을 피하고 싶은 승객은 승차율이 낮은 칸으로 이동하여, 저절로 고르게 분산되는 효과를 얻을 수 있다. 그렇게 되면 더욱 안전한 운행이 가능하고, 혼잡도가 낮아져서 승객 편의성도 향상되며, 승하차 시간을 단축하는 효과를 얻을 수 있다.
물론, 이러한 응하중 데이터 및 승차율 정보는 전기 철도 차량으로부터 AP를 통하여 중앙 관제부에 전송되고, 각 역에 설치된 전광판이 이를 다시 수신하여, 각 량별 승차율 데이터를 표시하게 된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 표시부(150)를 통해서는 전기 철도 차량의 운행 스케쥴(다이아) 정보가 표시될 수 있다. 이러한 운행 스케쥴 정보에는 역 정보와 소비 전력량이 통합되어 표시될 수 있다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 표시부(150)를 통해서는 전기 철도 차량이 에코 드라이빙 모드인지 아닌지가 표시될 수 있다. 일례로, 표시부(150)에 녹색 바탕의 ECO가 표시될 경우에는 에코 드라이빙 모드임을 의미하는 것이고, 적색 바탕의 ECO가 표시될 경우에는 비 에코 드라이빙 모드임을 의미할 수 있다. 그러나 이로서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 표시부(150)를 통해서는 전기 철도 차량의 운행 기록 분석을 위해 속도, 거리 및/또는 파워 등이 표시될 수도 있다. 물론, 이러한 데이터는 중앙 관제부로 보내져 중앙 관제부에 설치된 지상분석프로그램(GDMS : Ground Data Monitoring System)에 의해 표시될 수도 있다. 이러한 전기 철도 차량의 운행 시 기록된 운행 기록을 지상분석프로그램으로 분석하면, 차량의 주행 속도, 노치, 응하중 및 소비전력량 등을 분석할 수 있고, 이에 따라 지상분석프로그램은 차량 기지에 배속된 차량을 통합 관리하므로 차량별 순시소비전력 및 누적소비전력량 그래프를 통합하여 관리할 수 있으며, 차량별, 운행시간별, 기관사별 운행 특성 파악이 가능하고 이를 에코드라이빙 자료로 사용 가능하게 된다.
도 4f는 지상분석프로그램에 의해 분석된 결과를 도시한 것이다. 여기서, X축은 시간별 역 정보를 도시한 것이고, Y축은 누적소비전력량을 도시한 것이다. 도 4f에 도시된 바와 같이, 차량 번호별(또는 기관사별로)로 누적소비전력량이 분석되며, 이러한 데이터를 이용하여 최적화된 에코 드라이빙 모드 정보를 얻을 수 있다. 즉, 기관사별 운전 패턴에 따라 누적 소비 전력량이 달라질 수 있는데, 이러한 다양한 정보를 이용하여 메모리(130)에 저장되는 최적화된 에코 드라이빙 모드 정보(룩업 테이블 또는/및 수학식)를 획득할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치
110; 정보 입력부 111; 전력 센서
112; 응하중 센서 113; 위치 센서
114; 속도 센서 115; 운행 스케쥴 입력부
120; 에코 드라이빙 연산부 130; 메모리부
140; 제어부 141; 속도 제어부
142; 정차 시간 제어부 143; 공조 제어부
150; 표시부

Claims (7)

  1. 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴에 관한 정보를 입력하는 정보 입력부;
    상기 정보 입력부로부터 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정하는 에코 드라이빙 연산부; 및
    상기 에코 드라이빙 연산부로부터 출력된 에코 드라이빙 모드 제어 신호에 기초하여 상기 전기 철도 차량의 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및 공조기를 제어하는 제어부로 이루어진 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치에 있어서,
    상기 에코 드라이빙 장치는 상기 에코 드라이빙 연산부가 중앙 관제부에 설치되고,
    상기 중앙 관제부의 에코 드라이빙 연산부가 상기 정보 입력부로부터의 정보를 무선으로 수신받으며,
    상기 중앙 관제부의 에코 드라이빙 연산부가 ABS(Automatic Block System) 및 ATO(Automatic Train Operation)를 제어함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에코 드라이빙 장치는 상기 정보 입력부에 의한 정보, 상기 에코 드라이빙 연산부에 의한 에코 드라이빙 모드를 기관사에게 표시하는 표시부를 더 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 전기 철도 차량의 소비 전력, 응하중, 위치, 속도 및 운행 스케쥴에 관한 정보를 입력받는 단계;
    상기 입력된 정보에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블 또는 미리 결정된 수학식에 의해 전력 소비량이 최소화되는 에코 드라이빙 모드를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 에코 드라이빙 모드에 기초하여 상기 전기 철도 차량의 가속도, 감속도, 등속도, 정차 시간 및 공조기를 제어하는 단계로 이루어진 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 방법에 있어서,
    상기 에코 드라이빙 방법은 중앙 관제부의 에코 드라이빙 연산부가 상기 정보를 무선으로 수신받고,
    상기 중앙 관제부의 에코 드라이빙 연산부가 ABS(Automatic Block System) 및 ATO(Automatic Train Operation)를 제어함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에코 드라이빙 방법은 상기 정보 및 상기 에코 드라이빙 모드를 기관사에게 표시하는 표시 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전기 철도 차량의 에코 드라이빙 방법.
  7. 삭제
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