KR101596030B1

KR101596030B1 - 철도 안전 운행을 위한 ｕｈｆ 대역 ｒｆｉｄ 시스템

Info

Publication number: KR101596030B1
Application number: KR1020140130799A
Authority: KR
Inventors: 이학용; 이상호; 한성용; 봉희택; 김기돈
Original assignee: (주)소노비젼
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-02-22

Abstract

본 발명은 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템에 관한 것으로, 철도 차량 내부에 통신 모뎀을 구비하며 RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 연결된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더; 철도 차량의 하부에 설치되고, 레일 바닥의 태그들을 인식하는 RFID 리더의 차량 하부 안테나; 원형 편파로 구현된 방사체와 마이크로 칩과 간접 급전 구조를 이루며, 태그 내부 중앙 부품 배치면에 4방향 측면부에 λ/4 높이의 캐비티 반사판을 구비하는 신호기와 연동된 태그; 상기 철도 차량의 차량 하부 안테나와 통신되며, 차량기지 정차지역, 예비위험지역, 위험지역에서 철도 레일 바닥면에 부착되는 적어도 하나 이상의 바닥 부착용 태그; 및 안전 운행 구역에서 상기 일체형 RFID 리더 및 안테나와 동일한 선상의 철도 차량의 터널 벽에 부착하는 적어도 하나 이상의 벽면 부착용 태그;를 포함하며,
상기 바닥 부착용 태그들 및 상기 벽면 부착용 태그들은 900MHz UHF 대역을 사용하여 수동형 태그들에 전원 공급없이 전 구간에 사용되며 상기 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 원형 편파를 통해 통신되어 상기 태그들을 감지하여 철도의 정위치 정차와 탈선 방지 및 안정운행이 되도록 한다.
UHF대역 RFID 시스템은 열차의 부정출발을 방지하며 시험 테스트 베드에서 리더는 송신출력 25dBm까지 안정적으로 동작하고 송수신 분리형 RFID 리더 보다 일체형 RFID 리더를 사용했을 때 안정적인 인식회수를 얻었고 리더 안테나와 태그는 원형편파를 사용 했을 때 안정적인 인식회수를 얻었다.

Description

철도 안전 운행을 위한 ＵＨＦ 대역 ＲＦＩＤ 시스템{UHF band RFID system for railroad safe operation}

본 발명은 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도 차량의 운전석의 차상에 설치된 UHF 대역 RFID 리더와 철도 레일의 바닥 또는 그 측면에 부착된 복수의 태그를 구비하고, 차상속도에 대한 안정적인 인식과 철도 차량 운전자에 정보전달을 위해 UHF 대역 일체형 RFID 리더와 신호기의 정보를 판단하여 태그를 동작할 수 있는 스위칭 기능을 가지는 태그로 구성되어 철도운행에 대한 정보를 운전자에게 전달하며, 철도 차량의 위치 확인과 정위치 정차 및 탈선을 방지하는, 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템에 관한 것이다.

RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템은 사물에 부착되는 RFID 태그(tag), 주로 13.56MHz 또는 900MHz RFID 주파수 대역의 무선 통신 기술을 사용하여 제품에 부착된 태그 정보를 읽어들이는 RFID리더, RFID 리더로 인식된 정보를 RFID 미들웨어를 통해 호스트 컴퓨터의 애플케이션으로 구성된다.

RFID 기술은 ISO/IEC JTC1 SC31에서 표준화를 하고 있으며, RFID 리더와 태그 사이의 각 주파수별로 에어 인터페이스 프로토콜을 ISO/IEC 18000 시리즈에서 정의하고 있으며, EPCGlobal은 900MHz 대역을 사용하는 유통 및 물류 분야에서 B2B2C 서비스를 제공하고 있다.

RFID 주파수는 135kHz, 13.56MHz, 433 MHz, 860~960MHz. 2.45 GHz 대역을 사용한다. 저주파 13.56MHz RFID 시스템은 제품에 부착된 태그 인식에 사용하는데 인식거리가 수 cm에 불과하며, 900MHz UHF RFID 시스템의 인식거리는 100m 원거리까지 인식이 가능하며 유통 및 물류, 철도 교통 등에 사용된다.

태그는 고유의 제품 정보를 포함하는 태그 칩과 안테나로 구성되고, 전원 공급 방식에 따라 능동형 태그(active tag)와 수동형 태그(passive tag)로 분류된다.

최근 철도 관련 산업은 CO₂ 에너지 저감에 대한 수단과 자원 외교의 연결고리 역할로 많은 선진국에서는 철도산업 및 철도 관련 기술을 육성하고 있다. 철도 산업은 크게 토목 기술 및 건설 기술, 전기 신호 체계 기술과 통신 기술 등으로 나뉜다.

철도 차량 또는 전동차는 대도시의 복잡한 교통 문제, 협소한 도로문제를 해결하고 철로가 구비된 지하, 또는 지상에 건설하여 각각의 역사에서 탑승한 도시의 많은 승객들을 목적지까지 안전하고 빠르게 이동하는 대중 교통 수단으로 사용된다.

철도 차량 또는 전동차는 종합관제소의 열차운행 제어시스템은 열차 운행정보를 수집하여 안내정보를 각 역사의 정보통신실 제어기로 전송하며, 전송된 정보는 승강장에 설치된 LCD 디스플레이나 안내방송을 통하여 운행정보를 출력하며, 승강장 내의 대기 승객에게 운행정보를 인지시켜 탑승을 안내한다.

이와같이 열차의 운행구간에 해당되는 운행정보를 승무원에게 알리도록 하는 기술은 특허공개 제2010-42739호에 철도 네비게이션의 기술이 개시되어 있으며 그 구성은 도1에서와 같이, 전동차(10)의 운행구간이 다수 구획되고, 각 운행구간에 운전정보가 입력되면서 무선주파수 인식기술(RFID)이 적용되는 태그(20)가 부착되며, 상기 전동차에는 태그의 운전정보를 확인할 수 있는 리더기(30)가 장착되어 전동차의 운전 중 각 통과지점에 대한 운전정보를 승무원에게 인지시키도록 하는 구성으로 이루어진다. 그리고, 각 태그(20)에는 고유식별번호가 부여되고 무선주파수 인식기술(RFID, Radio Frequency IDentification)이 적용되며, 상기 리더기(30)에 의해서 무선인식 태그(20)에 입력된 운전정보를 승무원이 스피커와 같은 음향발생장치(40)와 연계하여 청각적으로 인지하도록 한다.

철도 신호 시스템은 ATC(Automatic Train Communication)/ ATO(Automatic Train Operation)/ TWC(Train Wayside Communication Controller) 시스템을 사용하고 있다. 철도신호 시스템은 신호방식에 따라 지상신호방식과 차상신호방식(ATC/ATO SYSTEM)으로 분류되며 일부 노선을 제외하고 모두 기관사에 의해 열차가 운행된다. 지상신호방식은 선로 변에 설치된 신호기의 현시정보를 확인하여 열차 속도를 제어하며 차상신호방식은 열차의 목표속도가 차상 MMI(Man-Machine Interface)에 표시되며 이를 기관사가 확인하여 열차 속도를 제어한다. 상기 장치는 허용속도 초과 또는 정지신호 통과 시 자동으로 비상제동이 체결된다. 현재 대부분의 철도운영기관의 차량기지 또는 일부 회차 구간에서 열차 운전모드 중 기관사책임모드(Yard Mode)로 열차를 운행 시 진로가 설정되고 신호가 현시된 구간에서는 기관사의 책임 하에 열차 안전 운행을 하고 있으나 기관사의 실수 및 착오 등으로 신호를 어겨 운행할 경우 선로 전환기 파손 및 탈선 및 추돌 등 중대한 사고가 발생되고 있다. 이에 차량기지 또는 일부 회차 구간에서 기관사책임모드에서 열차 운행 중 신호 어김 상황이 발생할지라도 신호 어김 방지시스템에 의해 경고음 또는 비상제동이 체결되어 사고를 미연에 방지하고 열차 안전 운행을 보장할 수 있는 시스템이 요구된다. 이런 철도신호 시스템의 문제점을 보완하기 위해 기존 철도 시스템에 다른 인식 및 통신 시스템을 연동하여 해결해야 한다.

특허출원번호 10-2014-0019494

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 철도 차량의 운전석의 차상에 설치된 900 MHz UHF 대역 RFID 리더와 철도 레일의 바닥 또는 그 측면에 부착된 복수의 태그를 구비하고, 차상속도에 대한 안정적인 인식과 철도 차량 운전자에 정보전달을 위해 UHF 대역 일체형 리더와 신호기의 정보를 판단하여 태그를 동작할 수 있는 스위칭 기능을 가지는 태그로 구성되어 철도운행에 대한 정보를 운전자에게 전달하여 철도 차량의 위치 확인과 정위치 정차 및 탈선 방지하는, 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템은 RFID 미들웨어를 통해 철도 차량 내부에 구비된 컴퓨터와 모뎀과 연결되며, 관제센터로 2.4GHz 대역으로 일체형 안테나를 통해 감지 정보를 전달하거나 운전사에게 LED 및 알람을 포함하는 외부 인터페이스를 통해 태그 인식 정보 및 속도 정보를 전달하고, 철도 차량 내부에 통신 모뎀을 구비하며 상기 RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 연결된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더; 철도 차량의 하부에 설치되고, 레일 바닥의 태그들을 인식하는 RFID 리더의 차량 하부 안테나; DC-DC 컨버터와 RF 스위치부와 안테나부로 구성되며, 상기 안테나부는 고 지향성을 가지기 위해 캐비티 형태의 안테나로써 안테나부의 편파는 원형편파로 이루어지며, 스위칭기능과 낙뢰 방지 및 RF BLOCK 기능을 가지는 능동형 태그를 사용하며, 원형 편파로 구현된 방사체와 마이크로 칩과 간접 급전 구조를 이루며, 태그 내부 중앙 부품 배치면의 4방향 측면부에 λ/4 높이의 캐비티 반사판을 구비하는 신호기와 연동된 태그; 상기 철도 차량의 차량 하부 안테나와 통신되며, 차량기지 정차지역, 예비위험지역, 위험지역에서 철도 레일 바닥면에 부착되는 적어도 하나 이상의 바닥 부착용 태그; 및 안전 운행 구역에서 상기 일체형 RFID 리더 및 안테나와 동일한 선상의 철도 차량의 터널 벽에 부착하는 적어도 하나 이상의 벽면 부착용 태그;를 포함하며,

상기 바닥 부착용 태그들 및 상기 벽면 부착용 태그들은 900MHz UHF 대역을 사용하여 수동형 태그들에 전원 공급없이 전 구간에 사용되며 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 원형 편파를 통해 통신되어 상기 태그들을 감지하여 철도의 정위치 정차와 탈선 방지 및 안정운행이 되도록 하며,
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 및 안테나는 상기 RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 모뎀과 연결되며, 바닥 부착용 태그들과 벽면 부착용 태그들 인식시 철도차량 운전자에게 LED, 알람을 포함하는 외부 인터페이스를 통해 주정차 또는 탈선 또는 안전 운행 정보를 나타내는 태그 인식 정보를 알려주고, 관제실과는 2.4GHz 안테나로 통신되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템은 철도 차량의 운전석의 차상에 설치된 900 MHz UHF 대역 RFID 리더와 철도 레일의 바닥 또는 그 측면에 부착된 복수의 태그를 구비하고, 차상속도에 대한 안정적인 인식과 철도 차량을 운전하는 기관사에 정보전달을 위해 UHF 대역 일체형 리더와 신호기의 정보를 판단하여 태그를 동작할 수 있는 스위칭 기능을 가지는 태그로 구성되어 철도운행에 대한 정보를 운전자에게 전달하여 철도 차량의 위치 확인과 정위치 정차 및 탈선 방지하는 효과가 있다.

본 발명에서는 철도 차량의 신호에 대한 안정성을 확보할 수 있게 철도신호시스템에 UHF(Ultra High Frequency)대역 RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템을 연구하여 열차의 부정출발방지시스템을 연구하였다. 이런 시스템은 기관사의 신호 어김으로 인해 발생되는 사고를 방지하므로 기관사의 정신적인 피해를 줄이고 사고로 인한 물적 피해를 최소화하여 철도 및 도시철도 분야에 대한 대 국민 신뢰성을 향상과 철도 신호 시스템에 RFID를 접목하여 철도 산업의 선진화를 이룩하여 대량 수송에 대한 승객의 안전 및 열차 운행 시간 단축에 대한효과와 신뢰성, 가용성, 보완성 및 유지보수를 극대화하여 무결점의 철도 신호시스템을 확보하여 국가 경쟁력을 갖추고 미래 해외시장의 개척에 발판을 마련하게 될 것이다.

철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템은 차상속도에 대한 안정적인 인식과 운전자에 정보전달을 위한 UHF 대역 일체형 리더와 신호기의 정보를 판단하여 태그를 동작할 수 있는 스위칭 기능을 가지는 태그로 구성된다. 본 시스템은 철도운행에 대한 정보를 운전자에게 전달하여 철도의 정·위치 정차와 철도의 탈선방지 및 열차의 안전운행을 확보하여 물적 인적 피해를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 철도 차량의 운전석의 시스템의 사시도이다.
도 2는 철도를 주행하는 전동차의 제동시스템의 동작상태를 도시한 도면이다.
도 3은 철도 안전 운행을 위한 900MHz UHF 대역 RFID 리더와 태그를 구비하는 도면이다.
도 4A 및 4B는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 차량 하부 부착용 안테나(방사체)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 철도의 침목에 위치된 바닥 부착형 태그들을 4개 단위의 Tx/Rx 분리형 안테나 또는 Tx/Rx 일체형 안테나를 구비하는 철도 차량의 속도를 인식하는 방법을 RFID 리더의 차량 하부 안테나의 개념도이다.
도 6은 철도의 신호기와 연동되는 스위칭 기능을 가지는 특수 태그의 구성도이다.
도 7A 내지 도 7D는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 차량 하부 부착용 안테나와 통신되며 측면부에 λ/4 높이의 캐비티 반사판을 구비하고 RF 스위치 기능과 AC-DC와 DC-DC 컨버터 기능을 가진 간접 급전되는 원형편파 방사체(radiator)로 이루어진 신호기 연동 태그의 구성도이다.
도 8은 고압전차선 DC 1500V/AC25KV 전원을 공급받고 레일을 주행하는 철도 차량의 간섭 요인을 설명하며,고주파 장애, 난반사 장애, 정전유도 장애를 나타낸 도면이다.
도 9는 철도 환경에서 시험 테스트 장비를 나타낸 사진이다.
도 10은 RFID 리더의 출력 전력(Reader output power, dB) 대비 선형편파 안테나의 인식횟수(count)를 나타낸 도면이다.
도 11은 RFID 리더의 출력 전력(Reader output power, dB) 대비 원형편파 안테나의 인식횟수를 나타낸 도면이다.
도 12는 차량의 속도(km/h)에 대하여 UHF 대역 RFID 리더 안테나 종류(선형편파 안테나, 원형편파 안테나)에 따른 원형편파 태그의 인식횟수를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 철도를 주행하는 전동차의 제동시스템의 동작상태를 도시한 도면이다.

본 발명은 충전이나 쏠라셀, 팬등으로 이루어진 전원공급부(215)를 갖는 능동형 RFID태그(210)가 신호기(300)와 유무선으로 연결되어 신호기(300)의 조작신호와 연동하도록 설치된다.

상기 신호기(300)는 RFID태그(210)가 일체로 구비될 수 있다.

상기 RFID태그(210)의 신호에 반응되는 RFID리더기(250)가 전동차(100)의 브레이크(170)와 연동되도록 설치된다.

즉, 상기 전동차(100)의 구동휠(130) 일측에는 브레이크(170)에 제어신호를 전달하는 브레이크유니트(135)가 더 구비되고, 상기 브레이크유니트(135)의 일측에 엔코더(137)가 구비된다.

그리고, 상기 RFID리더기(250)는 RFID 태그에서 방출되는 신호세기를 감지하는 브레이크제어부(257)에 연결된다.

또한, 상기 RFID리더기(250)는 브레이크제어부(257)가 전동차의 비상브레이크와 연동되어 RFID의 반응거리(R)에 진입할 때 브레이크신호를 브레이크제어부(257)에 전달하도록 설치된다.

계속하여, 상기 RFID태그(210)는 고유번호가 저장되면서 외부에서 제어신호 및 운행정보의 입력이 가능토록 설치된다.

더욱이, 상기 RFID리더(250)는 스피커나 디스플레이로 이루어진 전동차(100) 조정실의 출력장치(190)와 연결되어 승무원에게 운행정보를 미리 출력되도록 설치된다. 그리고, 상기 브레이크제어부는, 타이머가 구비되어 일정시간동안 승무원의 제동 동작이 실행되지 않을 경우 브레이크를 자동 동작시키도록 설치된다.

도 3은 철도 안전 운행을 위한 900MHz UHF 대역 RFID 리더와 태그를 구비하는 도면이다. 고압전차선 DC 1500V/AC25KV 전원을 공급받고 레일을 주행하는 철도 차량에서, UHF대역 RFID 시스템을 이용하여 열차부정출발시스템(철도 차량 안정화 시스템)의 개념도를 도시하였다. RFID 리더는 차상(운전석)에 위치한다. 리더는 두 개의 안테나로 구성이 되고 하나의 안테나는 차량 하부에 위치하고, 다른 하나는 일체형으로 구성된다. 태그는 지상 레일 위에 바닥면에 부착되고 신호기의 정보에 따라 동작을 할 수 있게 스위칭 기능을 가진다. 신호기는 출발신호를 신호 기계실에서 정보를 전달받고, 동시에 태그는 동작을 한다. 철도차량운행구간은 차량속도에 따라 정차지역과 예비위험구역과 위험구역 그리고 안전운행구간으로 나눈다[서울 메트로 기술문서-기입]. 태그는 정차구역에서 출발하고 두 개의 열차 속도 감지용 태그(태그1과 태그1-1)에서 인식을 하여 1차적으로 운전자에게 정보를 전달하고 열차 진행시 열차위치 감지용 태그(태그2)에서 인식을 해서 운전자에게 정보를 전달한다.

차량기지 RFID 시스템은 철도 차량이 정차되어 있다가 차량 속도가 저속인 지역이다. 차량기지 지역은 정차지역, 예비위험지역, 위험지역, 그리고 안전운행지역으로 나눈다. 각 지역에서는 철도차량의 차량속도가 다르다.

철도 차량은 차량 내부에 통신 모뎀을 구비하는 RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 연결된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 및 안테나(일체형 안테나)가 설치되고, 차량 하부 안테나를 구비한다.

철도 레일의 바닥에는 정차지역, 예비위험지역, 위험지역, 그리고 안전운행지역에서 구역별로 철도 레일 바닥 또는 그 측면에 태그(태그 1, 태그1-1, 태그 2, 태그2-1)들이 설치된다.

차량기지는 열차 위치 감지용 태그(태그 1, 태그1-1)가 설치된 정차 구역, 태그 2가 설치된 예비 위험 구역, 신호기와 연동되어 동작되는 태그 2-1가 설치된 위험 구역, 본선 진입점의 태그3과 탈선 분기점에 태그3-1가 설치된 안전 운행 구역으로 구분된다.

철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템은 관제센터로 2.4GHz 대역으로 일체형 안테나를 통해 태그 인식 정보 및 철도 차량의 속도 정보를 전달하거나 운전사에게 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 연결된 LED 및 알람을 포함하는 외부 인터페이스를 통해 감지 정보를 전달하고, 차량 내부에 통신 모뎀을 구비하며, RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 연결된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 및 안테나(일체형 안테나); 철도 차량의 하부에 설치되고, 철도 레일 바닥의 태그들을 인식하는 차량 하부 안테나; 상기 철도 차량의 차량 하부 안테나와 통신되며, 차량기지 정차지역, 예비위험지역, 위험지역에서 철도 레일 바닥면 E는 그 측면에 부착되는 적어도 하나 이상의 바닥 부착용 태그; 및 안전 운행 구역에서 상기 일체형 RFID 리더 및 안테나와 동일한 선상의 철도 차량의 터널 벽에 부착하는 적어도 하나 이상의 벽면 부착용 태그;를 포함하고,

상기 차량 하부 안테나와 통신되며, 차량기지 정차지역, 예비위험지역, 위험지역, 및 안전운행지역에서 철도 레일의 바닥 부착용 태그(태그 1, 태그1-1, 태그 2, 태그2-1)들을 인식하는 채널1이 형성되며,

상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 일체형 안테나에 사용되며 전기 철도의 터널 벽에 부착되는 벽면 부착용 태그들(태그4-1, 태그 4-2,.. 태그4-N)을 인식하는 채널2가 형성되고,

모든 철도 운행 구간에 900MHz UHF 대역 RFID 리더 및 일체형 안테나와 차량 하부 안테나 및 태그 시스템을 구축하여 구역별로 철도 차량의 주정차 및 탈선의 안전 운행 관리를 위해 사용된다.

상기 바닥 부착용 태그들 및 상기 벽면 부착용 태그들은 900MHz 대역을 사용하여 상기 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 통신되는 것을 특징으로 한다.

차량운행구간은 저속으로 운행을 하기 때문에 운전자 모드로 동작을 한다. 그래서 차량기지에서는 신호기 시스템을 연동하는 RFID 시스템이 필요하고, 태그의 부착은 바닥에 한다. 열차가 전원이 들어왔을 때 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더1는 차량하부 안테나가 동작되면, 태그 1의 정보를 받아 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터 및 모뎀)를 통해 운전자에게 LED와 알람으로 알리고, 관제센터 시스템으로 정보를 전달한다.

태그1은 상기 바닥 부착용 태그(수동형 태그)이며, 정차 구역에서 열차 출발을 운전자에게 알려주는 태그이다.

태그1-1은 바닥 부착용 태그이며, 정차구역에서 예비위험구역의 임계 위치에 설치되고, RFID 리더1와 차량 하부 안테나에서 인식하며, 정차구역에서 예비위험구역으로 열차가 진입되면, 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터 및 모뎀)를 통해 운전자 또는 관제센터에 알려주는 바닥부착용 수동형 태그(passive tag)이다.

태그2는 바닥 부착용 태그이며, 예비위험구역에서 위험구역으로 진입했다고 알려주는 태그(passive tag)이다.

태그2-1은 상기 바닥 부착용 태그이고, 스위칭 기능을 갖는 능동형 태그(active tag)이며, 신호기에 따라 동작되며 위험구역에서 안전운행 구역으로 진입했다고 알려주는 스위칭을 가지는 능동형 태그이다.

태그3은 바닥부착용 태그이며, 초기 안전운행구간에 본선 방향으로 진입을 했음을 운전자에게 알려주는 수동형 태그이다.

탈선 분기점에 설치된 태그3-1은 철도 차향이 탈선했을 때 감지하는 바닥부착용 태그이고, 탈선 분기점의 철도 레일 바닥에 부착된 태그 3-1을 인식하면, 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 외부 인터페이스(LED, Alarm)를 통해 운전자에게 LED와 알람으로 알리고, 2.4GHz 안테나를 통해 관제센터 시스템으로 정보를 전달하여 탈선의 방지대책을 철도시스템에서 동작하도록 한다.

안전운행구역의 RFID 시스템은 철도차량이 일정한 속도로 운행되는 안전운행을 하는 구간이다. 이 지역에서는 안전운행구역이기 때문에 차량의 속도는 일정하게 운행한다. 이때의 RFID 시스템은 열차의 위치를 파악한다.

안전운행구역에서 RFID 시스템은 태그들은 일정 거리별로 위치를 하여 시간대별 감지지점으로 위치를 측정한다.

철도 차량이 본선의 안전 운행 구역에서 역사(플랫폼) 진입 지점의 태그는 플랫폼 지역에 철도 차량이 진입을 했다는 정보를 외부 인터페이스(LED, Alarm)를 통해 철도 차량의 운전자 및 관제센터에 정보를 전달한다.

철도 차량이 안전 운행 구역에서 역사(플랫폼) 진입 지점의 태그가 인식되면, 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 외부 인터페이스(LED, Alarm)를 통해 철도 차량의 운전사에게 알리고 차량의 브레이크가 작동되도록 하여 철도 차량의 속도를 감소시키게 된다.

철도차량이 플랫폼에 들어오는 지역에서는 플랫폼 진입을 인식하는 바닥부착용 태그를 인식하여 차량 하부 안테나를 통해 감지된 단위 시간 당 이동 거리로 철도 차량의 속도를 산출하여 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더에서 판단하여 일체형 RFID 리더의 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)를 통해 운전자에게 LED와 알람으로 알리고, 2.4GHz 안테나를 통해 관제센터 시스템으로 주정차 정보를 전달한다.

최종적으로 철도차량의 운전자는 외부 인터페이스(LED, Alarm)를 통해 프랫폼 진입을 인지하여 차량의 브레이크를 작동시켜 점차적으로 철도 차량의 속도를 줄인다. 플랫폼 진입 지역의 철도 차량의 정차지점을 인식하는 태그를 인식한 후, 바로 운전자는 철도차량을 정지시킨다. 정지 지점의 태그는 철도차량의 정지된 상태에서 인식하고 신호기에 동작에 따라 작동하는 능동형 태그(active tag)이다.

도 4A 및 4B는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 차량 하부 부착용 안테나(방사체)를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서는 UHF대역 RFID를 이용한 철도부정출발방지 시스템에 대하여 연구를 하였다. 이런 시스템의 주요 기술은 세 가지로 크게 나누어진다. 첫 번째로 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 기술이다. RFID 리더 기술은 900MHz BPF와 2.4GHz BPF를 사용하여 차량 속도에 대한 안정적인 인식과 운전자의 정보전달을 위해 RF 설계기술과 신호 처리 기술과 외부 인터페이스 기술(LED, alarm)이 요구된다. 둘째는 태그 기술이다. 주요 태그 기술은 신호기의 정보를 판단하여 리더에 전달을 위해 고 효율 성능과 신호기의 신호 변화에 안정적으로 동작하는 스위칭을 가지는 기술이 요구된다. 셋째는 무선 전송기술이다. 무선전송기술은 철도 차량의 속도에 대한 안정적인 인식을 위해 태그 안테나의 빔 폭과 리더 안테나의 빔 폭 구현 기술과 철도환경에서 간섭을 제거하는 기술이 요구된다. UHF 대역 RFID를 이용한 철도 부정출발방지시스템은 RFID 시스템을 이용하여 철도 운행에 대한 정보를 운전자에게 전달하여 철도의 정위치 정차와 철도의 탈선방지 및 열차의 안전운행을 확보하여 물적 인적 피해를 방지하게 된다.

도 4B를 참조하면, 능동형 듀얼밴드 RFID 리더는 2.4GHz/900MHz 듀얼 밴드 안테나와 900MHz 수동형 태그인식부와 2.4GHz 능동형 태그인식부 및 DSP 프로세서로 구성된다.

900MHz 수동형 태그 부는 듀얼밴드 안테나는 소형이면서 외부환경에 영향을 최소화하는 격자형 마이크로 스트립 안테나 구조와 간접급전 미앤더 타입 마이크로 스트립 안테나 구조를 사용한다. 2.4GHz/900MHz 듀얼밴드 일체형 안테나에 수신되는 신호를 임피던스 정합회로를 통해 900MHz 및 2.4GHz에서 공진되도록 임피던스 정합을 이루고 신호를 분리하여 사용한다.

멀티 안테나에서 입력된 신호는 900MHz 태그 칩으로 신호가 들어간다. 900MHz 태그 칩은 RFID 리더에서 송신된 신호의 정보를 사용한다. 900MHz 태그 칩은 수신감도를 최소 -14dBm 이상의 신호세기를 가져야 하고 최대 30dBm 이하의 신호의 세기가 입력이 되도록 임피던스 정합회로를 구현한다.

1. UHF 대역 RFID 리더 기술

RFID 리더는 리더기의 정보를 전달하고 태그(Transponder)트랜스폰더의 정보를 받아 처리하는 역할을 한다. UHF에 사용되는 RFID 리더는 리더 방식에 따라 분리형 리더(separate type)와 일체형 리더(common type)로 구분된다. 일체형 리더는 하나의 안테나 포트가 신호의 송수신에 사용되고, 분리형 리더는 신호의 송신을 위한 안테나 포트와 수신을 위한 안테나 포트가 분리되어 사용되는 형태이다. 철도에 사용되는 RFID 리더 기술은 표 1에서와 같이 기술적인 부분이 요구된다.

표 1은 기존 리더와 철도분야에 적용되는 RFID 리더 사양이다.

항목	규 격			비고
모델	ALR9780	MKUR-300	본 개발
동작주파수	902.6~927.4[MHz]	902.6~927.4[MHz]	910.4~920.3 [MHz]
프로토콜	ISO18000-6B, EPC Class1 Gen 2
채널 수	63	18	23
채널 간격	400KHz
채널 시간	<0.4 Seconds	<0.4 Seconds
송신 출력	30 dBm 이하	30 dBm 이하	30 dBm 이하
변조 방식	On Off Keying(OOK)	ASK	PR-ASK
채널 대역폭	200KHz 이하	200KHz 이하	600KHz 이하
수신 감도	-60dBm	-80dBm	-80dBm
소비 전력	24V(1.2A)	3.7V(1.5A)	12V(3A)
인터 페이스	RS-232, LAN TCP/IP	RS-232, LAN TCP/IP	RS-232, LAN TCP/IP
무게	1.8kg	1.5kg	600g

2. UHF 대역 RFID 리더 안테나 기술

RFID 리더 안테나는 원형 편파(circular polarization) 안테나와 선형 편파(linear polarization) 안테나로 나누어진다. RFID 리더 안테나로 사용되는 원형편파 안테나와 선형편파 안테나는 표 2에서와 같이 기술적인 부분이 요구된다. 본 발명에서는 원형 편파 안테나를 사용하였다. 표 2는 기존 태그와 철도분야에 적용되는 RFID 태그사양이다.

Items/Series	specification			Remarks
Items/Series	Linear	Circular	Separate	Remarks
Frequency Range	900~928 MHz	900~928 MHz	908~914 MHz
Polarization	Linear	Circular	Linear/Circular
V.S.W.R	1.25:1 Typical	1.25:1 Typical	1.5:1 Typical
Gain	7.5 dBi Typical	7.5 dBi Typical	9.0 dBi Typical
Isolation	Min 30 dB Typical
3dB Beamwidth	Min 60°	Min 65°	Min 65°
Material (Radome)	Aluminum/ PC	PC/ABS	PC/ABS
Connector	SMA-Female	SMA-Female	SMA-Female
Reading Range	6m 이상	6m 이상	6m 이상
Size	250 x 250 x 40 mm	250 x 250 x 40 mm	500 x 300 x 40 mm
Purpose	Gate Type (Logistics)	Gate Type (Logistics)	Gate Type (Logistics)

3. UHF 대역 RFID 태그 기술

본 발명에서 적용되는 특수태그는 고 지향성과 스위칭 기능을 가져야 한다. 도 6은 본 발명에서 연구한 태그의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 신호기의 정보를 받는 태그는 AC220V를 DC12V로 전환하는 전원회로부와 스위칭기능을 가지는 RF 스위치 부와 마이크로 칩과 간접구조로 구성이 된 안테나부로 구성이 된다. 안테나 부는 고 지향성을 가지기 위해 좌우측면에 반사판을 구비하고 캐비티 형태의 안테나로 구성된다.RFID 리더의 차량의 하부 안테나의 편파는 원형편파로 이루어져야 한다.

표 3은 기존 태그와 철도분야에 적용되는 RFID 태그사양이다

항 목	규 격		비고
항 목	선형태그	원형태그	비고
전송 주파수	902~928 MHz	900~930 MHz
데이터 전송률	512kbit/s	512kbit/s
사용 데이터길이	96bit	96bit	최소
변조방식	OOK/PR-ASK	OOK/PR-ASK
동작거리	1.5m	2.5m
크기	108x108x8mm	95x25x3.2mm
무게	125g	16g
온도	-80~+120℃	-80~+120℃
IP 등급	IP67	IP67	방수

4. 무선 인터페이스 기술

철도 환경은 다른 무선 환경보다 매우 열악한 환경적인 요소를 가지고 있다. 그렇기 때문에 철도환경에서 RFID 기술을 접목시키는 부분이 매우 어렵다. 이유는 철도 차량은 속도를 가지는 이동체이고 속도가 가변을 한다는 것이다. 또한 철도 차량 환경은 고주파 장애 및 유도 장애등과 같은 EMI 간섭과 철도 차량 하부의 금속면으로 인한 난 반사 간섭과 다양한 무선 시스템으로 인한 주파수 간섭 등 전기적인 요인과 철도 환경의 온도 와 습도 등의 기후 변화요인과 물과 기름 등의 산업현장 요인 등이 RFID 시스템의 성능을 저하시킨다.

도 5에 철도의 침목에 위치된 바닥 부착형 태그들을 4개 단위의 Tx/Rx 분리형 안테나 또는 Tx/Rx 일체형 안테나를 구비하는 철도 차량의 속도를 인식하는 방법을 RFID 리더의 차량 하부 안테나의 개념도이다.

RFID 리더의 차량 하부 안테나는 차량 전두전부에 위치와 모든 차량의 하부, 차량 차량 전두 후미에 위치될 수 있다.

차량 하부 안테나는 바닥면에 지향성을 가지면서 방사를 하고, Tx/Rx 분리형 안테나는 방사체 1(ANT1), 방사체 2(ANT2), 방사체 3(ANT3), 방사체 4(ANT4)가 독립적으로 방사를 한다. 방사체1은 송·수신(Tx/Rx1) 겸용 또는 수신전용 방사체로 사용하고 방사체 2,3,4는 수신전용(Rx2, Rx3, Rx4)으로 사용한다.

900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 차량 하부 부착용 안테나(방사체)의 방사체간의 간격(D)은 독립적으로 방사를 해야 하기 때문에 1λ 이상을 둔다. 방사체들(ANT1,ANT2, ANT3, ANT4) 사이에 격리도 확보를 위해 금속 벽(metal wall)을 둔다.

철도 차량은 속도를 지닌 고속 이동체이기 때문에 RFID 리더의 차량 하부의 안테나에서 송신된 신호가 태그(tag)에 전달하여 태그 신호를 수신받는다. 그러나, 철도 차량이 고속으로 이동하기 때문에 태그의 신호가 RFID 리더 안테나(차량 하부 안테나)에 도착하기 전에 이동하게 되면 태그의 신호를 인식하지 못한다. 이런 환경에서 900MHz UHF 대역 RFID 시스템이 동작하기 위해 차량속도와 태그와 리더 안테나 사이의 거리를 확인해야 한다. 일반적인 RFID 시스템에서 이동체에 대한 인식속도는 다음 수학식1을 사용하여 계산할 수 있다. (75kbps의데이터 전송속도 기준)

철도차량 환경에서 인식할 수 있는 속도는 140km/h(75kbps기준)이다. 예를들면, 140km/h일 때는 Tx/Rx 일체형 RFID 리더 시스템을 사용하고, 140km/h 이상의 고속일 때는 Tx/Rx 분리형 송·수신 분리 RFID 리더 시스템을 사용해야 한다.

예를 들면, 방사체의 개수가 4개 일 경우, 140km/h로 주행하는 철도 차량의 속도에 있어서, 560km/h 속도 측정이 가능하다.

도 6은 철도의 신호기와 연동되는 스위칭 기능을 가지는 특수 태그의 구성도이다. 철도의 신호기의 정보를 받아 동작하는 능동형 태그는 AC220V를 DC12V로 전환하는 전원회로부, AC-DC 컨버터 및 DC-DC 컨버터와, 2.4GHz와 900MHz의 RF 스위칭기능을 가지는 하부 접지면과 연결된 RF 스위치부와, 상부 방사체(Radiator)와 연결돤 마이크로 칩과 간접 급전 구조로 구성된 안테나부로 구성된다. 안테나부는 고 지향성을 가지기 위해 캐비티 형태의 안테나로 구성된다. 안테나부의 편파는 원형편파로 이루어져야 한다. 스위칭기능과 낙뢰 방지 및 RF BLOCK 기능을 가지는 능동형 태그를 사용한다.

철도 차량 운전석에 설치되는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 및 일체형 안테나가 설치되고, 낙뢰 방지기를 구비하며, 철도 차량 주행시 900MHz beam 모양이 철도 레일의 벽면 부착용 태그들을 인식한다.

900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 및 안테나는 RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 모뎀과 연결되며, 바닥 부착용 태그들과 벽면 부착용 태그들 인식시 철도차량 운전자에게 LED, 알람을 포함하는 외부 인터페이스를 통해 주정차 또는 탈선 또는 안전 운행 정보를 나타내는 태그 인식 정보를 알려주고, 관제실과는 2.4GHz 안테나로 통신한다.

도 7A 내지 도 7D는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 차량 하부 부착용 안테나와 통신되며 측면부에 λ/4 높이의 캐비티 반사판을 구비하고 RF 스위치 기능과 AC-DC와 DC-DC 컨버터 기능을 가진 간접 급전되는 원형편파로 구현된 방사체(radiator)로 이루어진 신호기 연동 태그의 구성도이다.

신호기와 연동된 태그는 AC220V를 DC12V로 전환하는 전원회로부와, AC-DC 컨버터 및 DC-DC 컨버터와, 2.4GHz와 900MHz의 RG 스위칭 기능을 가지는 RF 스위치부와, 마이크로 칩과 간접 급전 구조로 된 안테나부로 구성된다. 안테나부는 원형 편파로 구현된 방사체와, 고 지향성을 가지기 위해 4방향 측면에 캐비티 반사판을 구비하고 캐비티 형태의 안테나로 구성된다. RFID 리더의 차량의 하부 안테나의 편파는 원형편파로 이루어져야 한다.

평상시 신호기는 이상 유무를 판단하기 위해 항상 ON되어 있고, 궤도 신호기의 동작과 동시에 신호기의 신호가 바뀐다.

평상시 신호기 연동 태그가 동작되지 않고, 신호기 전원이 들어올 때 지향성과 RF 스위치 기능을 제공하는 신호기 연동 태그가 동작한다.

신호기 연동 태그는 철도 진동에 견딜 수 있는 간접 급전 구조와 태그 안테나 및 급전 핀을 개발하였다.

신호기 연동 태그는 부품 배치면 상부에 방사체(radiator)를 구비하고, 방사체와 마이크로 칩과 간접 급전 구조를 이루며, 태그 내부 중앙의 부품 배치면의 상하좌우 측면부에 λ/4 높이의 캐비티 반사판을 구비하여 고 지향성을 확보한다.

신호기 연동 태그는 지상 센싱 태그로써 캐비티 반사판을 사용하고 간접 급전 구조로 고지향성을 확보하고, 원형 편파로 구현된 방사체를 구비한다.

도 8은 고압전차선 DC 1500V/AC25KV 전원을 공급받고 레일을 주행하는 철도 차량의 간섭 요인을 설명하며, 고주파 장애, 난반사 장애, 정전유도 장애를 나타낸 도면이다.

철도 차량 환경에서의 간섭요인은 고주파 장애와 정전유도장애로 인한 EMI 간섭과 금속면에 따른 난반사간섭이 있다. 고주파 장애는 차량하부에 여러 가지 전자제품으로 인해 발생하는 장애를 말한다. 정전유도장애는 고압전선과 지면에 발생하는 장애를 말한다. 난 반사 간섭은 차량하부의 금속성분으로 인해 발생하는 간섭을 말한다. 이런 간섭을 제거하는 방법은 태그 안테나 구조적인 부분과 안테나의 편파 기술을 통해 해결할 수 있는 방법을 연구해야 한다. 철도 환경에서 사용 가능한 태그 안테나 구조는 간접구조형태의 안테나를 사용해야 한다. 안테나의 구조는 급전방법에 따라 분류된다. 안테나 급전방법은 직접급전 방법과 간접급전방법을 사용한다. 직접급전방법은 방사체에 바로 연결하여 신호를 인가하는 방법이고, 간접급전방법은 전자계 커플링(coupling)으로 방사체에 신호를 전달한다. 간접급전방식의 안테나 구조는 직접급전방법에 비해 안테나 대역폭을 확장 시킬 수 있고 외부 온도나 이물질에 안테나의 성능변화가 없다는 장점을 가지고 있다. 안테나의 편파는 원형편파와 선형편파가 있고 원형편파는 다양한 환경에서 인식률이 높다는 장점을 가지고 있다. 안테나 편파에 대한 수식은 다음과 같다. 안테나 편파에 대한 수학식2는 다음과 같다.

여기서, PLF는 편파 손실 계수(Polarization Loss Factor),

는 입사파 편파 단위 벡터,

는 안테나 편파단위벡터,

는 두 단위벡터 사이의 각도, cos(

)는 입사파 편파와 안테나 편파 사이의 각.

수학식2에서와 같이, 안테나의 편파에 대한 편파손실은 원형편파일 경우 편파손실이 적음을 알 수 있다.

본 발명의 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더의 일체형 안테나는 철도 환경에서 원형 편파를 사용하였다.

원형 편파를 사용하는 이유는 철도환경에서는 금속 재질로 되어 있기 때문에 난반사가 많이 발생한다. 그러므로 선형편파 안테나를 사용할 경우, 난반사로 인해 편파가 바뀌게 된다. 그러면 수직에서 수평으로 바꿔지기 때문에 편파간 손실이 이론적으로 무한대의 값이 된다.

이에 따라, 원형 편파를 사용하게 되면 편파간 손실을 최소화할 수 있다.

만약 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더의 일체형 안테나로 선형편파 안테나를 사용한 경우, 선형편파 태그와 원형편파 태그의 속도 및 리더 송신출력에 따라 철도 차량의 모든 회전 속도에서 원형편파 태그의 인식횟수가 높게 나타났다. 이것은 원형편파 태그가 태그를 회전시키는 테스트 환경에서 선형편파를 가지는 리더 안테나와의 편파 불일치에 따른 편파손실이 적기 때문이다. 모든 회전 속도에서 리더 송신출력이 증가함에 따라 인식횟수가 증가하였고 25 dBm에서 최대값을 나타내었다. 또한 테스트 진행 시, 25 dBm 이상의 리더 송신출력에서는 리더안테나에서 발생된 신호가 태그에 직접 인가되지 않고 벽이나 구조체 등의 테스트 환경부분에 반사되어 신호가 감지되는 난반사 현상이 발생하였다. 회전속도에 따라 태그는 45회(5 km/h) ~ 1350회(150 km/h)의 회전수를 가지며 테스트 결과 회전수 이상의 태그인식 횟수를 나타내었다. 이상의 결과로 25 dBm 이하의 리더 송신출력에서 철도 차량이 150 km/h 이하의 속도로 이동하는 태그 인식이 가능한 것으로 생각된다.

도 9는 철도 환경에서 시험 테스트 장비를 나타낸 사진이다.

시험 테스트 장비의 날개는 1.8 m이다. 날개의 길이는 모터의 rpm과 관련하여 다음과 같은 식으로 태그의 회전속도를 결정짓는다.

속도 (km/h) = rpm 60 3.14 날개 길이(m)

날개와 지면과의 높이는 50 cm 정도 이격을 시켰다. 이 높이는 실제 차상과 지상과의 높이를 나타낸다. 모터는 최대속도 5,000 rpm을 가지는 CSDP Plus (Rockwell Co., Ltd.) 장비를 사용하였다. 리더는 송수신 분리와 송수신 일체형을 동시에 구현 가능한 U9-2000(kic systems사)을 사용하였다. 리더의 최대 송신출력은 30 dBm이다. 리더 안테나는 선형편파 안테나와 원형편파 안테나를 사용하였고 안테나의 이득은 6 dBi이다. 특수태그는 선형태그와 원형태그 2종을 사용하여 테스트를 진행하였다. 이상의 장비를 사용하여 설계한 시험 테스트 장비 구축도를 도 8에 나타냈다.

시험 테스트 장비를 사용하여 태그 및 리더 안테나의 편파(polarization)별 성능을 시험하고 리더의 송신출력(reader output power)별 측정을 진행하여 종합적으로 태그 회전 속도(velocity)에 따른 편파별 리더 출력별 인식성능 테스트를 진행하였다. 태그는 회전판에 고정을 하고 서로 다른 두 개의 특수태그(선형편파 태그, 원형편파 태그)를 사용하였다. 안테나는 원형편파 안테나와 선형편파 안테나를 사용하였고 바닥에 부착을 하였다. 시험 방법은 모터를 회전시키고 30초간 안정적으로 동작을 시킨 다음 3분 동안 인식회수를 측정하였다.

도 10은 RFID 리더의 출력 전력(Reader output power, dB) 대비 선형편파 안테나의 인식횟수(count)를 나타낸 도면이다.

도 11은 RFID 리더의 출력 전력(Reader output power, dB) 대비 원형편파 안테나의 인식횟수를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 리더 안테나로 선형편파 안테나를 사용한 경우, 선형편파 태그와 원형편파 태그의 속도 및 리더 송신출력에 따른 인식횟수 결과이다. 모든 회전 속도에서 원형편파 태그의 인식횟수가 높게 나타났다. 이것은 원형편파 태그가 태그를 회전시키는 테스트 환경에서 선형편파를 가지는 리더 안테나와의 편파 불일치에 따른 편파손실이 적기 때문으로 생각된다. 모든 회전 속도에서 리더 송신출력이 증가함에 따라 인식횟수가 증가하였고 25 dBm에서 최대값을 나타내었다. 또한 테스트 진행 시, 25 dBm 이상의 리더 송신출력에서는 리더안테나에서 발생된 신호가 태그에 직접 인가되지 않고 벽이나 구조체 등의 테스트 환경부분에 반사되어 신호가 감지되는 난반사 현상이 발생하였다. 회전속도에 따라 태그는 45회(5km/h) ~ 1350회(150 km/h)의 회전수를 가지며 테스트 결과 회전수 이상의 태그인식 횟수를 나타냈다. 이상의 결과로 25 dBm 이하의 리더 송신출력에서 150 km/h 이하의 속도로 이동하는 태그 인식이 가능한 것으로 생각된다.

RFID 리더 안테나로 원형편파 안테나를 사용한 경우, 선형편파 태그와 원형편파 태그의 속도 및 리더 송신출력에 따른 인식속도 결과를 도 11에 나타냈다. 선형편파 안테나를 사용한 경우와 같이, 모든 회전 속도에서 원형편파 태그의 인식횟수가 선형편파 태그의 인식횟수보다 높게 나타났다. 또한, 선형편파 태그의 경우 리더 안테나로 원형편파 안테나를 사용한 경우가 선형편파 리더 안테나를 사용한 경우보다 인식횟수가 높게 나타났다. 이것은 도 10의 경우에서처럼, 회전하는 태그와 리더 안테나 사이의 편파 불일치에 따른 편파손실이 감소하기 때문으로 생각된다. 원형편파 태그의 경우 리더 안테나의 종류에 상관없이 비슷한 인식횟수를 가짐을 확인하였다. 리더 송신출력이 증가하면서 선형편파 태그와 원형편파 태그의 인식회수가 증가하고 송신출력 25 dBm에서 최대 인식회수를 가짐을 확인하였다. 모든 회전 속도에서 태그의 회전수 (45회(5 km/h) ~ 1350회(150 km/h))의 이상의 태그인식 횟수를 나타냈다.

도 12는 차량의 속도(km/h)에 대하여 UHF 대역 RFID 리더 안테나 종류(선형편파 안테나, 원형편파 안테나)에 따른 원형편파 태그의 인식횟수를 나타낸 그래프이다.

도 12에 RFID 리더 안테나 종류에 따른 원형편파 태그의 인식횟수를 나타냈다. 원형편파 태그의 경우 리더 안테나의 종류에 상관없이 150 km/h 이하의 태그 회전 속도에서 충분한 태그 인식성능을 가짐을 확인하였다. 연구실 환경에서의 시험 테스트 결과, 원형편파 태그의 회전 속도가 증가함에 따라 선형편파 리더안테나를 사용한 경우에서 인식횟수가 높게 나타났다. 그러나 실제 철도환경에서는 복잡한 차량 환경에 의한 난반사 간섭이 예상되기 때문에 선형편파 리더안테나 보다는 난반사 간섭에 강한 원형편파 리더안테나의 적용이 우수한 시스템을 구축하는데 유리할 것으로 생각된다.

본 발명은 UHF대역 RFID 시스템을 이용하여 열차부정출발시스템에 대하여 연구를 하였다. 시험 테스트 베드에서 리더는 송신출력 25dBm까지 안정적으로 동작을 하고 송수신 분리형 RFID 리더 보다 일체형 RFID 리더를 사용했을 때 안정적인 인식회수를 얻었고 리더 안테나와 태그는 원형편파를 사용 했을 때 안정적인 인식회수를 얻었다. 향후 실제 환경에서 차상 속도에 대한 안정적인 인식과 운전자의 정보전달을 위해 RF 설계기술과 신호 처리 기술과 차량 신호 시스템과의 인터페이스가 가능한 리더기술개발과 신호기의 정보를 판단하여 리더에 전달을 위해 고 효율 성능과 신호기의 신호 변화에 안정적으로 동작하는 스위칭을 가지는 태그기술개발과 철도 차량의 속도에 대한 안정적인 인식을 위해 태그 안테나의 빔 폭과 리더 안테나의 빔 폭 구현 무선전송기술개발을 통해 철도환경에서 간섭을 제거기술과 정위치 인식에 대한 기술을 향상시킬 것이다. 이런 UHF 대역 RFID를 이용한 철도 부정출발방지시스템은 RFID 시스템을 이용하여 철도 운행에 대한 정보를 운전자에게 전달하여 철도의 정위치 정차와 철도의 탈선방지 및 열차의 안전운행을 확보하여 물적 인적 피해를 방지할 것이다. 또한 향후 철도 선진화 기술 확보 및 철도 IT 융합의 새로운 계기를 마련할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

100: 전동차
130: 전동차의 구동 휠
135: 브레이크 유니트
137: 엔코더
170: 브레이크
210: RFID 태그
215: 전원 공급부
219: 태그 제어부
300: 신호기

Claims

RFID 미들웨어를 통해 철도 차량 내부에 구비된 컴퓨터와 모뎀과 연결되며, 관제센터로 2.4GHz 대역으로 일체형 안테나를 통해 감지 정보를 전달하거나 운전사에게 LED 및 알람을 포함하는 외부 인터페이스를 통해 태그 인식 정보 및 속도 정보를 전달하고, 철도 차량 내부에 통신 모뎀을 구비하며 상기 RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 연결된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더;
철도 차량의 하부에 설치되고, 레일 바닥의 태그들을 인식하는 상기 RFID 리더의 차량 하부 안테나;
DC-DC 컨버터와 RF 스위치부와 안테나부로 구성되며, 상기 안테나부는 고 지향성을 가지기 위해 캐비티 형태의 안테나로써 안테나부의 편파는 원형편파로 이루어지며, 스위칭기능과 낙뢰 방지 및 RF BLOCK 기능을 가지는 능동형 태그를 사용하며, 원형 편파로 구현된 방사체와 마이크로 칩과 간접 급전 구조를 이루며, 태그 내부 중앙 부품 배치면의 4방향 측면부에 λ/4 높이의 캐비티 반사판을 구비하는 신호기와 연동된 태그;
상기 철도 차량의 차량 하부 안테나와 통신되며, 차량기지 정차지역, 예비위험지역, 위험지역에서 철도 레일 바닥면에 부착되는 적어도 하나 이상의 바닥 부착용 태그; 및
안전 운행 구역에서 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 및 안테나와 동일한 선상의 철도 차량의 터널 벽에 부착하는 적어도 하나 이상의 벽면 부착용 태그;를 포함하며,
상기 바닥 부착용 태그들 및 상기 벽면 부착용 태그들은 900MHz UHF 대역을 사용하여 수동형 태그들에 전원 공급없이 전 구간에 사용되며 상기 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 원형 편파를 통해 통신되어 상기 태그들을 감지하여 철도의 정위치 정차와 탈선 방지 및 안정운행이 되도록 하며,
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더 및 안테나는 상기 RFID 미들웨어를 통해 컴퓨터와 모뎀과 연결되며, 바닥 부착용 태그들과 벽면 부착용 태그들 인식시 철도차량 운전자에게 LED, 알람을 포함하는 외부 인터페이스를 통해 주정차 또는 탈선 또는 안전 운행 정보를 나타내는 태그 인식 정보를 알려주고, 관제실과는 2.4GHz 안테나로 통신되는 것을 특징으로 하는 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템.
제1항에 있어서,
상기 RFID 리더의 차량 하부 안테나와 상기 적어도 하나 이상의 바닥 부착용 태그 및 상기 적어도 하나 이상의 벽면 부착용 태그는 철도 환경에서 원형 편파를 사용하는 것을 특징으로 하는 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템.
제1항에 있어서,
상기 태그들은
상기 바닥 부착용 수동형 태그이며, 정차 구역에서 열차 출발을 운전자에게 알려주는 태그1;
상기 바닥 부착용 수동형 태그이며, 정차구역에서 예비위험구역으로 열차가 진입되었다고 상기 외부 인터페이스를 통해 운전자 또는 관제센터에 알려주는 태그1-1;
상기 바닥 부착용 수동형 태그이며, 예비위험구역에서 위험구역으로 진입했다고 알려주는 태그2;
상기 바닥 부착용 스위칭 기능을 갖는 능동형 태그이며, 신호기와 연동되어 동작되며 위험구역에서 안전운행 구역으로 진입했다고 알려주는 스위칭을 가지는 능동형 태그2-1;
상기 바닥부착용 수동형 태그이며, 초기 안전운행구간에서 본선 방향으로 진입을 했음을 운전자에게 알려주는 태그3;
탈선 분기점의 철도 레일 바닥에 부착된 바닥 부착용 수동형 태그이며, 차량 하부 안테나와 RFID리더에 의해 인식과 동시에 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)를 통해 운전자와 관제센터에 정보를 전달되도록 하는 태그3-1;
상기 벽면 부착용 수동형 태그이며, 철도의 벽에 설치되는 태그들을 채널2로 인식하는 일체형 리더기(900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더)와 동일한 선상에서 위치하고, 안전운행구간에서 철도차량의 위치를 검지하는 태그들;
상기 벽면 부착용 수동형 태그이며, 안전운행구간에서 철도 차량이 역사(플랫폼)으로 진입시 철도차량의 위치를 감지하는 태그들;
상기 바닥 부착용 수동형 태그이며, 운전자가 철도 차량의 속도를 감속시키도록 알리기 위한 플랫폼 진입인식용 수동형 태그;
플랫폼 진입점 이후의 역사에 설치된 바닥 부착용 수동형 태그;
플랫폼 진입 지역의 철도 차량의 정차지점의 태그; 및
철도차량이 정지된 상태에서 인식하고, 철도의 신호기에 동작에 따라 작동하는 능동형 태그를 사용하는 신호기와 연동된 태그;
를 포함하는 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템.
제3항에 있어서,
상기 신호기와 연동된 태그는
AC220V를 DC12V로 전환하는 전원회로부와 AC-DC 컨버터 및 DC-DC 컨버터와,
2.4GHz와 900MHz의 RG 스위칭 기능을 가지는 RF 스위치부와,
마이크로 칩과, 간접 급전 구조로 된 안테나부로 구성되고,
상기 신호기 연동 태그는 부품 배치면 상부에 원형 편파로 구현된 방사체(radiator)를 구비하고, 상기 방사체와 마이크로 칩과 간접 급전 구조를 이루며,
상기 안테나부는 원형 편파로 구현된 방사체와, 고 지향성을 확보하기 위해 태그 내부 중앙의 부품 배치면의 상하좌우 4방향 측면부에 λ/4 높이의 캐비티 반사판을 구비하며, RFID 리더의 차량의 하부 안테나의 편파는 원형편파로 이루어지며, 평상시 신호기 연동 태그가 동작되지 않고, 신호기 전원이 들어올 때 지향성과 RF 스위치 기능을 제공하는 신호기 연동 태그가 동작하며,
상기 안테나부는 고 지향성을 가지기 위해 캐비티 형태의 안테나로 구성되고, 상기 안테나부의 편파는 원형편파로 이루어지며, 스위칭기능과 낙뢰 방지 및 RF BLOCK 기능을 가지는 능동형 태그를 사용하는 것을 특징으로 하는 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템.
삭제
제3항에 있어서,
상기 철도 차량이 플랫폼에 들어오는 지역에서, 일정하게 거리를 두고 설치된 플랫폼 진입을 인식하는 바닥부착용 태그가 인식되면, 철도 차량의 속도를 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더가 감지하여 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더의 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)를 통해 운전자와 관제센터 시스템으로 정보를 전달하고, 차량의 브레이크를 작동시켜 점차적으로 철도 차량의 속도를 줄이게 되면, 플랫폼 진입 지역의 정차지점의 태그를 인식한 후 바로 정위치에 철도차량을 정지시키며, 플랫폼 진입 지역 내의 철도차량의 정지된 상태에서 인식하고 신호기에 동작에 따라 작동하는 능동형 태그(active tag)를 사용하는 것을 특징으로 하는 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템.
제1항에 있어서,
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더의 차량 하부 안테나는 바닥면에 지향성을 가지면서 방사를 하고, Tx/Rx 분리형 안테나는 방사체 1(ANT1), 방사체 2(ANT2), 방사체 3(ANT3), 방사체 4(ANT4)가 독립적으로 방사를 하며, 방사체1은 송·수신(Tx/Rx1) 겸용 또는 수신전용 방사체로 사용하고 방사체 2,3,4는 수신전용(Rx2, Rx3, Rx4)으로 사용하는 것을 특징으로 하는 철도 안전 운행을 위한 UHF 대역 RFID 시스템.