KR101635345B1 - 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템에 관한 것으로, 특히 보다 상세하게는 차상무선전송시스템(WTE)이 구비된 철도 차량에서 철도 레일의 지상 선로에 부착된 바닥 부착용 태그와 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 차상 하부의 안테나를 통해 인식하여 철도 차량의 고속 이동체의 속도를 정확하게 측정하고 이동체의 위치를 파악하는 차상무선전송 시스템을 통해 관제 센터로 전송하는, 고속 이동체 인식을 위한 RFID 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템에 관한 것으로, 특히 차상무선전송시스템(WTE)이 구비된 철도 차량에서 철도 레일의 지상 선로에 부착된 바닥 부착형 태그와 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나를 통해 상기 태그들을 인식하여 철도 차량 등의 고속 이동체의 속도를 정확하게 측정하고 이동체의 위치를 파악하는, 고속철도 및 일반 철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템에 관한 것이다.
철도 당국은 국내 각 지역의 균형발전을 도모하고 철도 수송 분담율을 향상시키고, 핵심교통수단인 철도의 위상을 강화하기 위해 국가 철도망구축계획을 수립하는 등의 속도경쟁력 향상을 꾀하여 왔다.
최근 유럽 및 북미 지역에서는 무선통신기술이 접목된 열차제어시스템 개발 및 적용되고 있으며, 대표적인 시스템으로 CBTC(Communication Based Train Control)시스템과 ETCS(European Train Control System) 시스템을 들 수 있다. 상기 열차제어시스템에서는 무선통신을 통해 차량과 지상설비간의 열차제어정보를 교류하며, 차륜센서와 RFID 기술을 접목한 열차위치검지기술이 적용되고 있다. 여기서 RFID는 무선정보인식기술로서 고유정보를 탑재한 RFID 트랜스폰더와 RFID 트랜스폰더내 고유정보를 판독하는 RFID 리더로 구성되며, RFID 트랜스폰더는 일정간격으로 선로 중심에 설치되어, RFID 리더가 탑재된 열차가 RFID를 통과할 때 RFID 탑재정보를 판독하여 선로 상 기준위치정보를 파악한다. ERTMS/ETCS에서는 궤도회로, 차륜센서, 도플러 레이더센서, 발리스를 이용하여 열차의 위치와 속도를 검지하고 있다. 상기 발리스는 RFID기술을 이용한 위치보정 및 열차제어정보를 제공하는 장치로서 위치보정용 기준위치와 터널, 교량, 절연구간, 선로구배 등 고정정보를 열차로 송신하는 고정 발리스와 열차제어정보(이동권한)를 열차로 송신하는 가변발리스로 구분된다. 또한 ETCS에는 여분의 속도센서인 도플러 레이더센서를 적용하여 열차 주행 시 발생되는 차륜의 slip 및 slide 오차를 보정하고 있다. 발리스는 비고조파 피드백 주파수(inharmonic feedback frequency)기반의 유도성 결합 RFID 시스템이 기반 기술로서 적용되어 수분, 금속 등 선로변 내환경성이 우수한 장점이 있다. 발리스의 전원공급은 27.095MHz에서 유도성 결합으로 차량에 설치된 CAU(Compact Antenna Unit)와 BTM(Balise Transmission Module)으로부터 무선으로 공급되며, 발리스에 탑재된 데이터는4.234MHz의 주파수를 통해 차량 안테나 모듈(CAU)를 통해 BTM으로 전송된다.
이중 열차 운행속도 향상의 일환으로 자동열차방호시스템(Automatic Train Protection : 이하 ATP라고 한다)사업을 추진하여 2013년 까지 경부선, 호남선, 전라선, 경춘선 등이 완료 되었으며, 앞으로 장항선, 경전선, 중앙선, 동해선등 계속적으로 사업을 추진하는 것으로 계획되어 있다.
우리나라의 철도 시스템도 철도의 고속화에 따라 열차속도 향상 및 안전운행을 위하여 유럽표준방식의 ERTMS/ETCS Level 1, Level 2가 적용되는 ATP의 차상/지상설비를 구축하고 있으며, 열차운행에 필요한 지상의 운행 조건 정보를 열차가 이용하고 활용할 수 있게 지상장치와 인터페이스 할 수 있는 장치가 필요한데 이것이 차상무선전송장치(Wire-less Transmission Equipment: 이하 WTE라고 한다)이다.
지상에 설치된 발리스의 정상 동작 여부에 따라 열차의 안전 운행 및 정시 운행에 영향을 미치게 되므로 WTE는 운행 중인 열차가 실시간으로 발리스의 동작상태를 확인하는 데 매우 중요한 요소이다. WTE 장치는 열차에 설치되어 선로중앙에 설치된 발리스와 인터페이스 된다.
2004년 이후로 해외에서 도입되어 국내에 설치된 ATP 시스템은 그동안 열차의 고속화와 그에 따른 각종 열차 신호 설비구축 등으로 안전운행과 효율적인 운영관리를 위한 지속적인 연구개발 및 기술발전에도 불구하고 ATP 시스템의 주요장비 및 핵심기술은 여전히 각 해외에서 도입당시의 제품 및 장비를 십여년간 그대로 사용하고 있을 뿐만 아니라, 이의 유지 보수라든지 시스템 확장에 필요한 기본 기술을 해외에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 시스템 유지보수나 시스템 확장/변경시 필요한 각종부품 확보에 어려움을 겪고 있으며, 사고발생시 원인분석 및 대처능력 부족, 기존 장치의 기능개선은 물론이고 국내 실정에 맞는 한국형 ATP 신호시스템의 신규개발에도 어려움을 겪고 있다. 이러한 점을 고려하여 앞으로 본격적으로 대두 될 철도의 고속화 및 개량사업에 대비하여 차상신호시스템의 발전적인 표준화체계를 구축하는데 일조할 수 있도록 국산화된 장치의 개발 및 확보가 시급하다.
ATP 차상 장치는 내구연한이 도래하면 시스템의 안정을 위해 새로운 장치로 교체해야하기 때문에 발주처는 동일한 성능을 가진 장치를 추가 구매를 해야 하는데 시스템 도입 초기에 설치된 외국 제품은 고가이거나 또는 제작사가 생산중단으로 구매가 되지 않는 경우가 있으므로 이러한 장치를 국산으로 개발하면 가격하락과 동시에 국내 산업이 육성되고 사용기관의 자재수급이 원활하게 된다. 또한 유지보수 기간이 단축되어 안전 운행 및 열차 정상 운행 등 서비스의 질이 향상된다.
WTE는 장치 본체 및 멀티밴드 RFID 장치로 구성되며, 이는 발리스로부터 업-링크 텔레그램을 수신하여 후단 장비인 차상 Computer로 송신하기 위해 사용된다. WTE는 차상신호시스템의 핵심 부분이다.
도 1은 ATP 시스템의 신호 운영에 대한 개요를 나타낸다.
ATP 시스템 운용에 있어서 열차를 자동적으로 제어하고 운행하는 장치는 크게 지상 장치(Wayside System)와 차상장치(On-Board System)로 구분되며, 지상장치는 각 선로변 및 선로 중앙, 신호 기계실(Signal Room)에 설치되고 차상장치는 차량에 탑재되며, 지상장치와 차상장치 간은 텔레그램 전송방식(spot 전송)으로 연속적 혹은 불연속적인 정보교환을 통해 열차 운행의 안전성보장, 고속/고밀도 운행, 정시성 보장을 위한 자동제어가 가능하도록 동작된다. ATP 시스템의 지상장치에는 선로변 또는 신호기계실에 설치되어 신호현시 및 연동장치의 정보를 발리스를 통해 열차로 송신하는 선로변전자장치(LEU, Line-side Electronic Unit), 선로 중앙에 설치하여 LEU로부터 전송받은 각종 신호현시에 따라 변화하는 정보의 텔레그램이나 지리적정보등 고정된 정보 내용의 텔레그램을 가지고 있다가 열차로 전송을 담당하는 발리스 등으로 구분된다.
ATP 시스템 차상장치에는 전동차내의 모든 ATP 시스템을 일괄적으로 감시, 제어하는 기능의 차상 신호 컴퓨터와 승무원이 열차 운행 상황을 감시할 수 있는 MMI (Man-Machine Interface)장치, 지상 발리스 및 지상 전송장치와 인터페이스를 담당하는 WTE(멀티밴드 RFID 장치 포함) 등이 있다.
도 2는 통합형 ERTMS/ETCS 차상신호 시스템 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통합형 ERTMS/ETCS 차상신호 시스템은 지상에 설치된 LEU를 통해서 신호현시 등을 처리하여 차상으로 보내질 텔레그램을 발리스로 인터페이스 C를 통해 전송하고, 이 텔레그램을 운행 중인 차량에 장착되어 있는 멀티밴드 RFID 장치가 선로 중앙에 설치되어 있는 발리스와 인터페이스 A를 통해 연결되며 발리스로 부터 지상 상황에 대한 정보를 수신 받아 데이터 검증 후 차상 신호 컴퓨터로 전송하며, 이에 차상 컴퓨터 및 MMI로 각종 데이터들을 전송하여 열차운행에 필요한 동작(가속, 감속, 제동, 운행모드 변경 등)을 취하게 된다. 또한 운행에 필요한 정보 뿐 만 아니라 발리스를 통해 선로의 구배, 거리, 장애물, 교량, 역사 거리 위치 등의 정보 또한 수신하게 된다.
이와 같이 차상의 WTE는 차상 컴퓨터와 연결되어 있으며, 지상 발리스로부터 운행 동작에 필요한 신호 현시 및 지상의 지리적 상태 등 각종정보를 전송받는다.
최근, 철도 차량은 RFID 무선 인식 시스템이 사용되고 있다.
첫째. EN50126 및 EN50128의 수명주기 V모델에 따라 개발, 생산, 설치, 인수 시스템의 운영 등을 수행하며, 하드웨어/소프트웨어 개발 전주기에 걸쳐 EN50129의 Safety Life Cycle V 모델을 적용하여 안전성 활동을 한다.
둘째. 독립 기관으로부터의 RAMS 관련 ISA 평가를 위해 시스템의 안전성 및 신뢰성 확보 방법 요구, 소프트웨어 검증 및 활동 요구, 적용 노선별 시스템의 인터페이스 요구사항 등과 같은 다양한 요구사항에 대응하기 위해 소프트웨어의 기능별 모듈화를 구현한다. 코드 드리븐(Code Driven) 방식을 지양하고, SCADE를 이용하여 모델 드리븐(Model Driven) 방식으로 소프트웨어를 개발하며, Case Tool(SCADE)을 이용한 소프트웨어 확인 및 검증(Validation & Verification)을 수행한다. 아래 그림은 코드 드리븐 방식과 모델 드리븐 방식을 비교하여 보인 것이다.
Eurobalise Transmission System은 차상에서는 단순히 텔레파워링 신호만을 지상 장치로 전송하는 단방향 데이터 통신을 하도록 구성하였고, ETCS 차상신호시스템이 적용된 철도에서만 적용되며, 과제관리 측면에서도 RAMS활동과 같은 안전성 관리가 전혀 반영되지 않았다.
또한, 철도 차량은 주행 속도가 다양하게 변하면서 주행되며, 현재 레일을 주행하는 철도 차량의 위치 파악 및 속도를 감지 기술은 궤도회로 기술과 도플러 레이더 기술과 GPS 기술을 사용한다.
최근 기존 궤도회로 및 도플러 기술과 GPS기술이 이동통신기술을 접목된 형태의 기술을 많이 사용하고 있다. 일부 고 정밀 위치 검지 기술로 RFID 기술과 철도차량의 ATS/ATC(Auto Train Stop/Auto Train Controller, 열차자동정지장치, 중앙집중제어장치) 등 기존열차제어기술과 접목된 형태로 기술개발이 이루어지고 있다. 그러나 기존 궤도회로 및 도플러 기술 및 GPS 기술은 위치에 대한 정확도와 철도 선로상 설치에 대한 비용과 전원공급에 대한 설치 제약성에 대한 제한적인 요소를 가지고 있다.
이런 기술은 철도 궤도 회로에 이용되고 열차의 추돌방지하기 위해 열차 방호의 목적으로 사용된다. 뿐만 아니라 향후 무인철도 보급의 확대 시 열차의 위치 및 철도 시설물 정보의 제공이 필요하고 관제센터에서 운행 중 열차의 상세 위치정보의 확인을 함으로써 철도의 사고 예방하며 철도 운행에 대한 시간을 단축함으로써 철도의 효율적인 운행에 사용되고, 철도 운행시간 이외의 철도 시설물관리에 사용되는 철도차량에 정확한 위치를 감지함으로써 철도 시설물의 유지보수시간 단축을 하는데 사용된다. 뿐만 아니라 향후 무인자동차 및 무인 크레인 등 무인으로 이동하는 수단에 사용이 가능할 것이다.
그러나, 철도 차량에 RFID 리더와 안테나를 구비하고 철도에 RFID 태그를 사용하는 경우, 기존에 철도에 사용되는 선로형 태그는 도 2-1과 같이 평면상에서 구현이 되어 고속 이동시 태그의 미인식과 안테나 편파와 눈과 비와 이 물질(먼지 및 기름 때)이 많은 철도 선로상에서 오인식과 미인식이 발생을 하게 되는 문제점이 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 차상무선전송시스템(WTE)이 구비된 철도 차량에서 철도 레일의 지상 선로에 부착된 바닥 부착형 태그와 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나를 통해 상기 태그들을 인식하여 철도 차량 등의 고속 이동체의 속도를 정확하게 측정하고 이동체의 위치를 파악하는, 고속 이동체 인식을 위한 RFID 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템은 차상무선전송시스템(WTE)이 구비된 철도 차량에서, 철도 차량의 고속 이동체에 구비되는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더; 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 연결되며, 태그와 빔이 동일선상에서 좁은 빔폭을 가지는 측면 인식용 리더 안테나와, 방사체들을 분리하여 배치하고 지상 선로형 태그들의 저속 인식 및 고속 인식을 하는 차량 하부 인식용 리더 안테나; 철도 레일의 지상 선로에 부착되는 복수의 바닥 부착형 태그; 철도 레일 구간의 좌우 측벽에 설치된 복수의 벽면 부착형 태그; 및 철도 차량에 구비된 차상무선전송시스템(WTE, Wireless Transmission Equipment)을 포함하고,
상기 차상무선전송시스템은 RFID 리더, BALISE 전송 모듈, ATP 전송 모듈, WTE/RFID 차상 통합형 안테나를 구비하며, 인터페이스 어댑터를 통해 ERTMS/ETCS 차상 신호시스템의 ATP 컴퓨터에 연동되며,
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더는 데이터 케이블을 통해 응용프로그램 외부 인터페이스를 통해 컴퓨터와 모뎀에 연결되며, 상기 차량 하부 인식용 리더 안테나로 감지되는 지상 선로의 상기 바닥 부착형 태그 인식을 위한 속도에 따른 채널 방사체 선택회로와, 상기 측면 인식용 리더 안테나로 감지되는 벽면 부착용 태그 인식을 위한 속도에 따른 채널 선택회로와 연결되며 2개의 데이터 처리 알고리즘을 사용하고, 상기 바닥 부착형 태그와 상기 벽면 부착형 태그는 수동형 태그를 사용하며,
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철도 레일의 지상 선로에 부착된 상기 바닥 부착형 태그와 상기 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나와 측면 인식용 리더 안테나를 사용하여 시각별 철도 차량 및 자동차의 고속 이동체의 속도를 측정하고 이동체의 위치를 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더에 연결된 컴퓨터에 표시하고, 상기 컴퓨터와 모뎀을 통해 관제센터의 컴퓨터로 전송하여 표시되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 하부 인식용 리더 안테나는 바닥면에 지향성을 가지면서 방사를 하고 각각의 방사체 1, 방사체 2, 방사체 3, 방사체 4가 독립적으로 방사를 하며, 방사체 1은 송·수신(Tx/Rx) 겸용으로 사용하고, 방사체 2,3,4는 수신(Rx)전용으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 하부 인식용 리더 안테나는 차량 하부의 전장하부의 노이즈 제거를 위한 발륜(Balun)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더는 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더가 데이터 케이블을 통해 응용프로그램 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)로 연결되며, 상기 차량 하부 인식용 리더 안테나로 감지되는 상기 지상 선로의 바닥 부착용 태그 인식을 위한 속도에 따른 채널 방사체 선택회로와, 상기 측면 인식용 리더 안테나로 감지되는 벽면 부착용 태그 인식을 위한 속도에 따른 채널 선택회로와 연결되며 2개의 데이터 처리 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 한다.
철도 차량의 고 정밀 위치인식을 위해 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더는 수신감도에 대한 처리 알고리즘을 사용하며, 고속 이동체일 경우, 시간에 따라 수신감도에 따라 인식회수는 포물선그래프가 형성되고, 이때 인식되는 초기 값에서 일정한 인식회수가 되는 지점(N)까지와 인식회수 N지점에서 마지막 인식되는 지점까지의 인식 영역(0)을 필터링하여 사용하며 속도는 거리/시간의 함수에 따라 측정 시각별 고속 이동체(철도차량, 자동차)의 속도에 대한 정확한 위치를 감지하며, 상기 RFID 리더에 연결된 컴퓨터에 표시하며, 고 정밀 위치인식을 위해 벽면 부착용 태그의 인식회수의 최고 값과, 지상 선로용 태그의 인식회수의 최고 값을 인식하여 이동체의 고 정밀 위치를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 차상 무선 전송시스템(WTE, Wireless Transmission Equipment)은 지상에 설치된 발리스 위를 통과하는 시간동안 텔레파워링 신호 생성 모듈에서 생성된 텔레파워링 신호를 WTE 전송 안테나(멀티밴드 RFID 장치)를 통해 발리스 수신안테나로 전송하면, 발리스(Balise)는 이 텔레파워링 신호에 의해 전력을 생성해 동작을 개시하게 되고 텔레그램 신호 생성 모듈에서 생성한 텔레그램을 발리스 전송안테나(900MHz/2.4GHz 멀티밴드 RFID 장치)를 통해 업링크 신호로 철도 차량으로 전송하며 또한 다운 링크 신호를 LEU 또는 지상신호 설비로 전송하게 되며, 이에 상기 WTE는 WTE 수신 안테나(900MHz/2.4GHz 멀티밴드 RFID 장치)를 거쳐 텔레그램 신호 처리 모듈에서 데이터 검사를 하고 이상이 없는 경우 이를 차상 컴퓨터로 전송하게 되고, 차상의 WTE는 열차가 고속으로 운행하면서 열차가 발리스를 통과하는 데 걸리는 시간동안 송수신하는 것을 특징으로 한다.
상기 차상 통합형 안테나는 900MHz RFID 안테나 및 2.4GHz 안테나와 CAU(Compact Antenna Unit)로 구성되며, 상기 900MHz RFID 안테나는 차상하부의 무선으로 바닥 부착용 인식 태그를 인식하는데 사용되고 안테나 사이의 거리는 철도차량의 속도와 관계를 가지며, 안테나에 대한 편파는 철도차량 하부에 난반사에 대한 부분을 해결하기 위해 원형편파를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 차상 통합형 안테나에서 27.095MHz LOOP ANTENNA를 사용하는 경우 TRANSFORMER와 전류센서 변환기와 발륜으로 구성되며, 전류 외부 자계 세기에 따라 LOOP의 크기와 코일의 감긴 수와 전류세기를 정하며, 4.23MHz LOOP ANTENNA를 사용하는 경우 TRANSFORMER와 전류센서 변환기와 발륜으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템은 차상무선전송시스템(WTE)이 구비된 철도 차량에서 철도 레일의 지상 선로에 부착된 바닥 부착형 태그와 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나를 통해 인식하여 철도 차량 및 자동차의 고속 이동체의 속도를 정확하게 측정하고 이동체의 위치를 파악하는데 철도 차량의 운행 정보로 사용되는 효과가 있다.
본 연구과제에서 개발하고자하는 차상무선전송시스템(WTE)은 열차운행 중에는 지상 발리스와 인터페이스하고 실시간으로 열차의 운행 상태 등의 정보를 텔레파워링과 함께 다운링크 데이터를 지상 신호설비로 전송이 가능한 차상/지상 양방향 데이터 통신 장치로 개발하고, RAMS활동을 통한 안전성 관리로 국제 기준에 부합하는 장치로 개발하여 자동열차방호시스템(ATP)이 적용된 철도에서 뿐만 아니라 도시철도에서도 사용이 가능한 장치로 개발됨을 의미한다.
* 기대성과 및 파급효과
1) 과학기술적 측면
철도의 자동열차방호장치(ATP)를 구성하는 WTE는 운행 중인 열차와 지상신호설비 간에 정보를 교환하는 필수 불가결한 장치로서 고가의 외국제품을 국산으로 개발하면 국내에서 기술을 보유하게 되고, 또 제품가격을 낮출 수 있음으로써 차상신호설치 철도를 건설 또는 운영하는 기관은 그 가격의 차이만큼 구매에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 외국제품으로 운영하게 되면 필요한 수요시기에 맞추어 제품을 바로 구매하는데 행정소요기간이 상당 시일 걸릴 뿐 만 아니라 장치의 가격을 조정하기 위해서 외국제작사와 접촉할 때는 지역적으로 원거리이고 의사소통이 바로 이루어지지 않는 등 여러 가지 문제점과 애로사항이 많다. 따라서 장치의 고장을 대비하여 운영시에 사용할 충분한 예비품을 확보할 수밖에 없고 어쩔 수 없이 구매 초기에 예비품을 위한 비용이 과다 소요되기 때문에 발주처에 어려움이 있게 마련이고, 또 초기에 예비품이 확보되지 않거나 모자라는 경우는 운영 시 고장에 대처하지 못하여 철도운영에 매우 어려운 처지에 놓이는 경우가 종종 있다. 운영 도중에 예비품을 도입할 때는 외국 공급사에서 매우 높은 가격을 요구하는 등의 횡포로 예산의 증액 등 외화가 낭비되는 사례가 있기도 하다. 이렇게 외국 제품을 사용할 때의 불리한 점을 국산화로 해결하고자 한다.
또한, 멀티밴드 RFID 장치 개발을 통하여 안테나 소형화 기술 확보 및 통합형 안테나 설계 기술을 확보하고 안테나 사이의 격리 확보 기술도 보유하여 시스템 안정화에 기여하고자 한다.
2) 사회경제적 측면
외국제품의 구매가격은 세트당 약 3 ~ 4천만원으로 국산화시에는 약 70% 정도에 가격을 맞출 수 있기 때문에 소요예산의 절감을 가져올 수 있다. 예를 들어 외자재 100(50편성 규모)세트 구매시에 구매비용은 35억원(3천5백만원으로 계산)이 소요되고 예비품을 포함하면 20세트를 추가확보할 때 약 7억원이 초과 소요된다(총 약 43억원). 그러나 국산화시에는 유지보수가 원활하게 되어 예비품의 수량을 적게 해도 되므로 구매비용 24억원 내외에 예비품 10세트로 하면 총 약26.4억원 으로 외국제품 구매 시에 비하여 약61 ~ 62% 정도의 저렴한 비용으로 구매가 가능하다.
차상 BTM을 국산 WTE로 설치하면 장애 시 국내 제조사가 짧은 시간 내에 대응할 수 있음은 물론 외제 사용 시 부득이한 예비품의 추가 확보 문제를 해소하게 된다.
또한 ERTMS/ETCS Level 2, 3 기술력을 확보함으로서 해외시장에 진출할 수 있는 길이 열리며, 최근 동남아, 중동, 및 중남미등 유사한 시스템을 사용하는 철도노선에 수출할 수 있을 것이다.
본 연구에서 개발하는 차상 WTE는 최신의 부품과 기술로서 이루어지는 성과물로 RAMS 활동에 의한 신뢰성 및 안전성을 검증하여 제작되는 것이기 때문에 철도차량의 신호설비로써 외국제품과 비교하여 품질이 우수하고 유지보수가 편리하다.
도 1은 ATP(Automatic Train Protection) 시스템의 신호 운영에 대한 개요를 나타낸다.
도 2는 통합형 ERTMS/ETCS 차상신호 시스템 구성도이다.
도 3은 철도 차량의 RFID 무선 인식 시스템의 개념도이다.
도 4는 텔레그램 전송의 기본 구성과 원리를 나타낸 구성도이다.
도 5는 차상 통합형 안테나 유닛 구성도이다.
도 6은 ERTMS/ETCS Level 2에서 WTE와 차상 ATP 시스템 구성도이다.
도 7은 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템의 전체 블럭도이다.
도 8은 본 발명에 따른 철도차량에 탑재된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더와 연결된 속도에 따른 채널 선택 스위칭 회로 및 Tx/Rx 일체형 방사체와 Rx 방사체들(Rx1, Rx2, Rx3)로 구성된 차량 하부 안테나가 지상 선로용 태그들을 인식하는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 차량 속도에 대한 시간 값에 대하여 고정체 인식회수, 이동체 벽면 부착용 태그 인식회수, 이동체 지상 선로용 태그 인식회수를 나타낸 그래프이다.
도 2는 통합형 ERTMS/ETCS 차상신호 시스템 구성도이다.
도 3은 철도 차량의 RFID 무선 인식 시스템의 개념도이다.
도 4는 텔레그램 전송의 기본 구성과 원리를 나타낸 구성도이다.
도 5는 차상 통합형 안테나 유닛 구성도이다.
도 6은 ERTMS/ETCS Level 2에서 WTE와 차상 ATP 시스템 구성도이다.
도 7은 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템의 전체 블럭도이다.
도 8은 본 발명에 따른 철도차량에 탑재된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더와 연결된 속도에 따른 채널 선택 스위칭 회로 및 Tx/Rx 일체형 방사체와 Rx 방사체들(Rx1, Rx2, Rx3)로 구성된 차량 하부 안테나가 지상 선로용 태그들을 인식하는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 차량 속도에 대한 시간 값에 대하여 고정체 인식회수, 이동체 벽면 부착용 태그 인식회수, 이동체 지상 선로용 태그 인식회수를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 3은 철도 차량의 RFID 무선 인식 시스템의 개념도이다.
철도 차량의 RFID 무선 인식 시스템(RFID SYSTEM)은 철도차량의 안전운행과 선로 변 신호 장치에 대한 오 인식 및 철도차량의 정위치 정차에 사용이 되는 시스템이다. RFID 시스템은 선로 변 신호장치와 연동이 되는 능동형 무선인식태그와 위치감지에 사용되는 수동형 무선인식태그와 멀티밴드 RFID 장치에 포함된 리더 안테나와 리더로 구성되고 상위단과 연동된다. 멀티밴드 RFID 장치에서 방사되는 전자파는 태그와 양방향 통신을 하며 무선인터페이스 'B' 를 통해 태그의 정보를 리더로 전송되고 인터페이스 어댑터를 통해 차상컴퓨터와 연동된다.
도 4는 텔레그램 전송의 기본 구성과 원리에서 텔레그램이 전송되는 경로를 나타냈다. 열차운행에 따라 WTE(Wireless Transmission Equipment, 차상 무선 전송시스템)은 지상에 설치된 발리스 위를 통과하는 시간동안 텔레파워링 신호 생성 모듈에서 생성된 텔레파워링 신호를 WTE 전송 안테나(멀티밴드 RFID 장치)를 통해 발리스 수신안테나로 전송하면 발리스는 이 텔레파워링 신호에 의해 전력을 생성해 동작을 개시하게 되고 텔레그램 신호 생성 모듈에서 생성한 텔레그램을 발리스 전송안테나(멀티밴드 RFID 장치)를 통해 업링크 신호로 열차(철도 차량)로 전송하며 또한 다운 링크 신호를 LEU 또는 지상신호 설비로 전송하게 된다. 이에 WTE는 WTE 수신 안테나(멀티밴드 RFID 장치)를 거쳐 텔레그램 신호 처리 모듈에서 데이터 검사를 하고 이상이 없는 경우 이를 차상 컴퓨터로 전송하게 된다. 차상의 WTE는 열차가 고속으로 운행하면서 매우 짧은 시간동안(열차속도가 250km/h인 경우 발리스를 통과하는 데 걸리는 시간 약6.6msec) 송수신을 해야 한다. 차상신호 시스템은 고속으로 운행하는 열차의 안전 운행 및 정시 운행에 영향을 미치게 되므로 WTE의 모든 모듈들은 정보 전송 및 처리에 높은 신뢰도가 요구된다.
차상 통합형 안테나는 900MHz RFID 안테나와 CAU(Compact Antenna Unit)로 구성된다. 900MHz RFID 안테나는 차상하부의 무선 인식 태그를 인식하는데 사용이 되고 안테나 사이의 거리는 철도차량의 속도와 관계를 가진다. 안테나에 대한 편파는 철도차량 하부에 난반사에 대한 부분을 해결하기 위해 원형편파를 사용한다. 27.095MHz LOOP ANTENNA는 TRANSFORMER와 전류센서 변환기와 발륜으로 구성이 된다. 전류 외부 자계세기에 따라 LOOP의 크기와 코일의 감긴 수와 전류세기를 정한다. 4.23MHz LOOP ANTENNA는 TRANSFORMER와 전류센서 변환기와 발륜으로 구성된다. 두 개의 멀티밴드 RFID 장치는 자계의 세기에 따라 LOOP 간 간격을 조절한다.
본 연구에서 국산화 개발된 차상무선전송시스템(WTE)은 자동열차방호장치(ATP, ERTMS/ETCS Level 1, 2, 3) 시스템으로 설계된 신규 ATP 설치 철도에서 사용될 열차와 지하철 차량의 교체 시 공급하고자 한다. 현재 기존 BTM은 외국 수입품이 대부분이며 장기간 사용으로 고장이 빈번하여 지상정보에 대한 오류가 발생하는 등의 주요 기능이 원활하게 이행되지 않아 ATP 시스템 설치 철도(KTX 포함)의 안전운행 및 정시운행에 지장을 초래할 뿐만 아니라 서비스 품질을 떨어뜨리고 승객에 대한 신뢰성을 저하시킬 우려가 있다. BTM을 국산 WTE로 대체하면 고장시 신속한 보수와 대처로 유지관리를 향상시키고 안전운행 및 열차 정시 운행이 이루어져 승객에 대한 서비스 품질을 높임으로써 철도 운행시에 높은 안전성과 신뢰성을 보장한다.
본 연구에서 국산화 개발된 WTE은 ATP 시스템을 향후에는 ERTMS/ETCS Level 2로 업그레이드하여 운용함에도 본 WTE가 유용하게 사용될 것이다.
도 5는 ERTMS/ETCS Level 2에서 WTE가 차상 ATP 시스템과 연계하여 동작하는 과정을 보여주고 있다.
도 5는 차상 통합형 안테나 유닛 구성도이다.
| 항목 | 구성요소 | 고려사항 |
| 무선인식 안테나 | 원형편파 PATCH 안테나 급전선 및 스위치 회로 컨넥터 및 케이블 및 발륜 |
편파에 대한 태그인식정도 난반사에 대한 영향분석 멀티밴드 RFID 장치간 격리도 연구 PCB 및 전송라인 손실 계수 임피던스정합연구 |
| WTE ANTENNA | 4.23MHz/27.095MHz LOOP ANTENNA FREQUENCY/CURRENT TRANSFORMER 컨넥터 및 케이블 및 발륜 FERRITE SHEET |
LOOP 소형화 방안 전류에 따른 자계 세기 자화율 및 손실계수 임피던스 정합연구 |
| REFLECTOR | 접지면 및 반사판 및 레이돔 | 멀티밴드 RFID 장치 거리에 대한 필드분석 지지 방법 및 체결방법연구 신뢰성 요구 사항 연구 |
전량 외국산 제품인 철도의 자동열차방호시스템(ATP)은 장치를 유지보수 할 때나, 기존 선구와 연결되어 확장되거나 신규 라인에 투입할 열차를 운용하고자 할 때 현재 운용중인 차상장치와 인터페이스를 위해 동일한 제품을 구매함으로써 외국의 시스템 공급사에 주문을 하게 되면 가격을 매우 높게 요구하는 사례가 종종 있다. 따라서 현재 국내기술로서 충분히 개발 가능하고 또 가격을 낮추어 공급할 수 있는 차상 WTE를 개발하도록 하며, 그 장치 기능의 안전성을 보장하기 전문기관에 의뢰하여 안전성 평가를(RAMS)를 수행하고 관련된 인증서를 획득하면 비용 및 유지보수 측면에서도 효율적이다.
또한, 멀티밴드 RFID 장치 설계 기술은 안테나의 루프 구조에서 접지면 루프구조를 사용하여 안테나의 크기를 최소화하고 외부 환경에 영향을 최소화 하였다. 그리고 자계필드를 극대화할 수 있게 페라이트 시트를 사용하여 시스템 전체 크기를 20% 최소화 하였으며 멀티밴드 RFID 장치와 동일상에 안테나를 배치하여 안테나간의 간섭을 제거할 수 있는 기술로 WTE에 사용되는 기존루프구조를 사용하여 개발이 되었다.
차상에서 단순히 텔레파워링 신호만 지상으로 전송하는 기존의 단방향 데이터 통신인 BTM(Balise Tranismission Module)는 다르게 WTE(차상무선전송장치)는 차상지상, 지상차상 간의 양방향 데이터 통신 기능을 가진 차상 무선장치이다. 이는 실시간으로 양방향 데이터 통신이 가능하도록 함으로써, 향후 ERTMS/ETCS Level 2, 3에 적용되는 기술을 개발하고 도시철도 열차에서도 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한 WTE와 인터페이스되는 자동열차방호시스템(ATP)의 지상설비인 발리스와 LEU를 자체 개발하였다.
특히 멀티밴드 RFID 장치는 하나의 보드에 유도성결합방식 및 역 산란 방식의 시스템이 사용 가능하고 일반 및 고속철도 및 도시철도에 사용이 가능하다.
표 2는 기존 장비와 멀티밴드 RFID 장치를 비교한 테이블이다.
| 항목 | CAU | RFID ANTENNA | 멀티밴드 RFID 장치 |
| 방식 | 유도결합 | 역산란 방식 | 유도 및 역산란 방식 |
| 안테나구조 | LOOP | PATCH | LOOP+PATCH |
| 주파수 | 4.23MHz/27.095MHz | 902~928MHz | 4.23MHz/27.095MHz 902~928MHz |
| 적용 | 일반 및 고속철도용 | 도시철도용 | 일반 및 고속철도 및 도시철도용 |
| 제약성 | 차상하부 | 차상하부 | 차상하부 |
철도 차량의 ATP 차상 장치에서 차상무선전송장치(WTE)의 개발은 동시에 차상 멀티밴드 RFID 장치를 개발하는 효과 뿐만 아니라 TWC 장치로도 활용가능하게 차상/지상 양방향 통신이 가능하도록 구현된다.
무선인식방식은 철도의 안전운행을 위해 철도 신호기와 연동하는 시스템과 철도신호에서 사용하는 궤도회로의 새로운 방식인 무선통신기반열차제어 방식 등에 적용함으로써 열차의 위치검지와 고속인식에 사용이 가능한 철도 시스템으로 신호기술의 해외 의존도를 탈피하고 국내기술에 의한 신호기술의 국제화를 이루기 위한 ATO/ATP/ATC용 통합궤도회로시스템에 적용이 가능하다.
도 7은 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템의 전체 블럭도이다.
고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템은 차상무선전송시스템(WTE)를 구비하는 철도차량에서, 지상 선로의 바닥 부착형 태그와 벽면 부착형 태그와 900MHz RFID 기술을 이용하여 철도 차량 등의 고속 이동체의 속도를 정확하게 판단하고 고속 이동체의 위치를 파악하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 고속 이동체를 인식하는 RFID 시스템은 외부 인터페이스와 응용 프로그램, 데이터 케이블과 리더와 태그로 구성된다.
고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템은 철도 차량에 있어서, 철도 차량의 고속 이동체에 구비되는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더; 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 연결되며, 태그와 빔이 동일선상에서 좁은 빔폭을 가지는 측면 인식용 리더 안테나와, 방사체들을 분리하여 배치하고 지상 선로형 태그들의 저속 인식 및 고속 인식을 하는 차량 하부 인식용 리더 안테나; 철도 레일의 지상 선로에 부착되는 복수의 바닥 부착형 태그; 철도 레일 구간의 좌우 측벽에 설치된 복수의 벽면 부착형 태그; 및 철도 차량에 구비된 차상무선전송시스템(WTE, Wireless Transmission Equipment)을 포함하고,
상기 차상무선전송시스템(WTE)은 RFID 리더, BALISE 전송 모듈, ATP 전송 모듈, WTE/RFID 차상 통합형 안테나를 구비하며, 인터페이스 어댑터를 통해 ERTMS/ETCS 차상 신호시스템의 ATP 컴퓨터에 연동되며,
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더는 외부 인터페이스를 통해 컴퓨터와 모뎀에 연결되며,
상기 바닥 부착형 태그와 상기 벽면 부착형 태그는 수동형 태그를 사용하며,
철도 레일의 지상 선로에 부착된 상기 바닥 부착형 태그와 상기 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나와 측면 인식용 리더 안테나를 사용하여 시각별 철도 차량 및 자동차의 고속 이동체의 속도를 측정하고 이동체의 위치를 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더에 연결된 컴퓨터에 표시하고, 상기 컴퓨터와 모뎀을 통해 관제센터의 컴퓨터로 전송하여 표시되도록 하는 것을 특징으로 한다.
고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템은 철도 차량, 자동차의 고속 이동체에 사용되는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더(18); 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더(18)와 연결되며, 태그와 빔이 동일선상에서 좁은 빔폭을 가지는 측면 인식용 리더 안테나(16)와, 방사체들을 분리하여 배치하고 지상 선로형 태그들의 저속 인식 및 고속 인식이 가능하게 하는 차량 하부 인식용 리더 안테나(12); 및 복수의 지상 선로형 태그(11)와, 기둥 및 철골 구조물, 철도신호기, 철도 터널 내부시설물의 철도 시설물이나 교통 시설물에 부착되는 복수의 벽면 부착형 태그(15);를 포함하며,
철도 레일의 지상 선로에 부착된 상기 바닥 부착용 태그와 상기 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나와 측면 인식용 리더 안테나를 사용하여 시각별 철도 차량 및 자동차의 고속 이동체의 속도를 측정하고 이동체의 위치를 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더에 연결된 컴퓨터에 표시하고, 상기 컴퓨터와 모뎀을 통해 관제센터의 컴퓨터로 전송하여 표시되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더(18)는 응용프로그램과 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)로 연결되며, 고속 이동체의 인식을 위한 리더 안테나는 900MHz UHF 대역의 주파수를 사용하는 상기 차량 하부 인식용 리더 안테나(12)와 상기 측면 인식용 리더 안테나(16)를 사용하며 관제센타의 시스템으로 2.4GHz 주파수를 사용한다.
철도 차량, 자동차 등의 고속 이동체에 사용되는 RFID 리더(18)는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더를 사용하며, 상기 일체형 RFID 리더(18)는 데이터 케이블(19)을 통해 응용프로그램(20)과 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)(21)로 연결되며, 차량 하부 인식용 리더 안테나(12)로 감지되는 지상 선로의 바닥 부착형 태그(11) 인식을 위한 속도에 따른 채널 방사체 선택회로(14)와 측면 인식용 리더 안테나(16)로 감지되는 벽면 부착용 태그(15) 인식을 위한 속도에 따른 채널 선택회로(17)와 연결되며 2개의 데이터 처리 알고리즘을 사용한다.
철도 차량에 사용되는 태그는 지상 선로의 바닥 부착형 태그(11)와 벽면 부착형 태그(15)로 두 가지 타입을 사용한다. 지상 선로의 바닥 부착형 태그와 벽면 부착형 태그는 ID가 할당된다. 철도 차량과 자동차 등의 고속 이동체에 설치된 RFID 리더와 차량 하부 리더 안테나와 측면 인식용 안테나를 통해 고속 이동체의 이동 속도와 위치를 감지한다.
지상 선로의 바닥 부착형 태그(11) 또는 벽면 부착형 태그(15)는 고속 이동체에 설치된 RFID 리더와 차량 하부 리더 안테나와 측면 인식용 안테나를 사용하여 고속 이동체의 속도와 위치를 감지한다.
지상 선로의 바닥 부착형 태그의 일련번호(ID Number)는 철도의 침목의 관리번호와 연계해서 정보를 입력한다. 벽면부착형 태그는 철도 시설물(기둥 및 철골 구조물, 철도신호기, 철도 터널 내부시설물)에 일련번호와 연계하여 관리된다.
상기 태그들은 수동형 RFID 태그 또는 능동형 RFID 태그를 사용할 수 있으며, 선로변 신호기 플랫폼 예비구간영역에서는 능동형 RFID 태그를 사용한다.
고속 이동체의 인식을 위한 리더 안테나는 차량 하부 인식용 리더 안테나(12)와 측면 인식용 리더 안테나(16) 2 개를 사용한다. 측면 인식용 리더 안테나(16)는 태그와 빔이 동일선상에서 좁은 빔폭을 가진다. 차량 하부 인식용 리더 안테나(12)는 방사체들을 분리하여 배치하고 지상 선로의 바닥 부착용 태그들(11)의 저속 인식 및 고속 인식이 가능하게 하며, 뿐만아니라 하부의 전장하부의 노이즈 제거를 위한 발륜(Balun)을 사용한다. 뿐만 아니라 고속 이동체의 운전석에 구비되는 RFID 리더(18)에서 데이터 케이블(19)을 통해 응용프로그램(20)과 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)(21)로 연결되는 데이터통신 및 전원에 사용 케이블은 전장노이즈와 철도차량의 자계(magnetic field)에 대한 신뢰성을 극복할 수 있게 EMI/ESD기능을 가진다.
고속 이동체의 속도는 철도 및 차량 속도계(10)에 의해 측정되며, 철도 및 차량 속도계(10)가 속도에 따른 채널 방사체 선택 회로(14)에 연결되어 이동체의 속도가 50km/h 미만의 저속일 때, RFID리더의 측면 안테나가 동작되고, 차량 하부 인식용 리더 안테나에서는 Tx/Rx일체형 방사체가 동작할 수 있게 한다. 이동체의 속도가 150km/h 이상 고속 일 때는 Tx/Rx 일체형 방사체 및 Rx 방사체들(Rx1,Rx2,Rx3)이 모두 동작하여 고속 이동체를 인식한다. Rx 방사체는 배열간격(d)에 따라 케이블 길이에 따른 보상회로를 구현한다.
도 8은 본 발명에 따른 철도차량에 탑재된 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더와 연결된 속도에 따른 채널 선택 스위칭 회로 및 Tx/Rx 일체형 방사체와 Rx 방사체들(Rx1, Rx2, Rx3)로 구성된 차량 하부 안테나가 지상 선로용 태그들을 인식하는 것을 나타내는 도면이다.
철도 차량의 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더는 지상 선로용 바닥 부착형 태그를 인식하는 차량 하부 인식용 리더 안테나와 벽면 부착형 태그를 인식하는 측면 인식용 리더 안테나와 연결되며, 상기 차량 하부 인식용 리더 안테나는 철도 레일 바닥면에 지향성을 가지면서 각각의 방사체[방사체 1(Tx/Rx), 방사체 2(Rx1), 방사체 3(Rx2), 방사체 4(Rx3)]가 독립적으로 방사를 하며, 방사체 1은 송·수신(Tx/Rx1) 겸용으로 사용하고 방사체2,3,4는 수신전용(Rx1, Rx2, Rx3)으로 사용하며, 상기 방사체간의 간격(D)은 독립적으로 방사를 해야 하기 때문에 1λ 이상을 두고, 방사체들 사이에 격리도 확보를 위해 금속 벽(metal wall)을 둔다.
도 9는 차량 속도에 대한 시간 값에 대하여 고정체 인식회수, 이동체 벽면 부착용 태그 인식회수, 이동체 지상 선로용 태그 인식회수를 나타낸 그래프이다.
시각별 철도 차량의 속도와 위치인식을 위해 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 RFID 리더에서는 수신감도에 대한 알고리즘을 사용한다. 본 발명에서의 알고리즘은 RFID 리더에서 송출된 신호는 태그에 전달되고, 태그의 정보를 다시 RFID 리더로 전달된다. 고정체일 경우, 시간에 따라 동일한 수신감도가 되어 태그의 인식 회수가 동일하게 증가한다. 그러나, 고속 이동체일 경우, 시간에 따라 수신감도에 따라 인식회수는 포물선그래프가 형성된다. 이때 인식되는 초기 값에서 일정한 인식회수가 되는 지점(N)까지와 인식회수 N지점에서 마지막 인식되는 지점까지의 영역(0)을 필터링하여 사용한다. 그때의 영역을 정밀 인식영역으로 받아들여 이동체(철도차량, 자동차)의 속도에 대한 정확한 위치를 판단한다. 속도는 거리/시간의 함수이므로, 고속 이동체의 위치인식을 위해 벽면 부착용 태그의 인식회수의 최고 값과, 지상 선로의 바닥 부착용 태그의 인식회수의 최고 값을 인식하여 고속 이동체의 위치를 감지한다.
고속 이동체 인식을 위해 RFID 리더에서는 [통신속도에 대한 알고리즘 2]으로 처리를 한다. 통신 속도에 대한 알고리즘은 리더에서 송출된 신호는 태그에 전달되고 태그의 정보를 다시 RFID 리더로 전달된다. 이때 일반적으로 통신속도는 75kbps로 RFID 리더와 태그가 통신한다.
그러나 본 발명에서는 철도 차량과 자동차 등의 고속 이동체의 운전석 내부에 구비된 컴퓨터와 연결된 900MHz RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나는 바닥면에 지향성을 가지면서 방사를 하고 각각의 방사체(방사체 1, 방사체 2, 방사체 3, 방사체 4)가 독립적으로 방사를 한다. 안테나의 방사체는 2개 이상의 방사체를 가진다. 방사체 1은 송·수신(Tx/Rx) 겸용으로 사용하고 방사체 2,3,4는 수신(Rx)전용으로 사용한다. 수신전용 방사체(Rx1,Rx2,Rx3)는 차량 속도에 따라 방사체 개수는 증가를 한다. 예를들면, 방사체의 개수가 4개 일 경우, 차량의 속도는 최대 587km/h 속도를 가진다.
예를들면, 차량 하부 인식용 리더 안테나 및 측면 인식용 리더 안테나와 이동체 속도에 따른 채널 선택 스위칭 회로는 바닥 부착형 태그/벽면 부착형 태그와 RFID 리더의 통신속도를 변환하는 알고리즘으로 처리한다. 일 예로 바닥 부착형 태그와 벽면 부착형 태그와 RFID 리더의 통신속도는 75bps를 사용한다.
철도 차량과 자동차 등의 고속 이동체 인식을 위한 RFID 인식 방법은 지상 선로형 바닥 부착형 태그와 벽면 부착형 태그와 900MHz RFID 리더와 차량 하부 인식용 안테나 기술을 사용하여 철도 차량 및 자동차 등의 고속 이동체의 속도를 정확하게 측정하고 고속 이동체의 위치를 파악한다.
예를들면, 철도 차량 및 자동차 등의 고속 이동체가 출발하면, 차량 내부의 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더가 동작되고 응용 프로그램 및 외부 인터페이스(LED, Alarm, 컴퓨터와 모뎀)와 연동되며, 이동체의 속도를 검출하여 이동체의 속도가 150km/h 이상의 고속일 경우 차량 하부 인식용 리더 안테나의 하부의 지상 선로형 바닥 부착형 태그를 인식하고,
이동체의 속도가 50km/h 이상 ~ 150km/h 미만 일 경우, 일체형 RFID 리더 안테나를 동작하여 벽면 부착형 태그와 지상 선로의 바닥 부착형 태그를 인식하며,
이동체의 속도가 50km/h 미만 일 경우 측면 인식용 안테나 및 차량 하부용 안테나를 동시에 동작하여 벽면 부착형 태그와 지상 선로의 바닥 부착형 태그를 인식한다.
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.
10: 철도 및 차량속도계 11: 지상 선로의 바닥 부착형 태그
12: 하부 인식용 리더 안테나 13: Delay 보상 회로
14: 속도에 따른 채널 방사체 선택 회로
15: 벽면 부착형 태그 16: 측면 인식용 리더 안테나
17: 속도에 따른 채널 선택 회로
18: 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더
19: 데이터 케이블 20: 응용 프로그램
21: 외부 인터페이스
12: 하부 인식용 리더 안테나 13: Delay 보상 회로
14: 속도에 따른 채널 방사체 선택 회로
15: 벽면 부착형 태그 16: 측면 인식용 리더 안테나
17: 속도에 따른 채널 선택 회로
18: 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더
19: 데이터 케이블 20: 응용 프로그램
21: 외부 인터페이스
Claims (8)
- 차상무선전송시스템(WTE)이 구비된 철도 차량에서,
철도 차량의 고속 이동체에 구비되는 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더;
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더와 연결되며, 태그와 빔이 동일선상에서 좁은 빔폭을 가지는 측면 인식용 리더 안테나와, 방사체들을 분리하여 배치하고 지상 선로형 태그들의 저속 인식 및 고속 인식을 하는 차량 하부 인식용 리더 안테나;
철도 레일의 지상 선로에 부착되는 복수의 바닥 부착형 태그;
철도 레일 구간의 좌우 측벽에 설치된 복수의 벽면 부착형 태그; 및
철도 차량에 구비된 차상무선전송시스템(WTE, Wireless Transmission Equipment)을 포함하고,
상기 차상무선전송시스템(WTE)은 RFID 리더, BALISE 전송 모듈, ATP 전송 모듈, WTE/RFID 차상 통합형 안테나를 구비하며, 인터페이스 어댑터를 통해 ERTMS/ETCS 차상 신호시스템의 ATP 컴퓨터에 연동되며,
상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더는 데이터 케이블을 통해 응용프로그램 외부 인터페이스를 통해 컴퓨터와 모뎀에 연결되며, 상기 차량 하부 인식용 리더 안테나로 감지되는 지상 선로의 상기 바닥 부착형 태그 인식을 위한 속도에 따른 채널 방사체 선택회로와, 상기 측면 인식용 리더 안테나로 감지되는 벽면 부착용 태그 인식을 위한 속도에 따른 채널 선택회로와 연결되며 2개의 데이터 처리 알고리즘을 사용하고, 상기 바닥 부착형 태그와 상기 벽면 부착형 태그는 수동형 태그를 사용하며,
철도 레일의 지상 선로에 부착된 상기 바닥 부착형 태그와 상기 벽면 부착형 태그를 철도 차량에 구비된 900MHz RFID 리더와 차량 하부 인식용 리더 안테나와 측면 인식용 리더 안테나를 사용하여 시각별 철도 차량 및 자동차의 고속 이동체의 속도를 측정하고 이동체의 위치를 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더에 연결된 컴퓨터에 표시하고, 상기 컴퓨터와 모뎀을 통해 관제센터의 컴퓨터로 전송하여 표시되도록 하는 것을 특징으로 하는 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 차량 하부 인식용 리더 안테나는
바닥면에 지향성을 가지면서 방사를 하고 각각의 방사체 1, 방사체 2, 방사체 3, 방사체 4가 독립적으로 방사하며, 상기 방사체 1은 송·수신(Tx/Rx) 겸용으로 사용하고, 상기 방사체 2,3,4는 수신(Rx)전용으로 사용하는 것을 특징으로 하는 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 차량 하부 인식용 리더 안테나는
차량 하부의 전장하부의 노이즈 제거를 위한 발륜(Balun)을 사용하는 것을 특징으로 하는 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
철도 차량의 고 정밀 위치인식을 위해 상기 900MHz/2.4GHz 듀얼 밴드 일체형 RFID 리더는 수신감도에 대한 처리 알고리즘을 사용하며 고속 이동체일 경우, 시간에 따라 수신감도에 따라 인식회수는 포물선그래프가 형성되고, 이때 인식되는 초기 값에서 일정한 인식회수가 되는 지점(N)까지와 인식회수 N지점에서 마지막 인식되는 지점까지의 인식 영역(0)을 필터링하여 사용하며 속도는 거리/시간의 함수에 따라 측정 시각별 고속 이동체(철도차량, 자동차)의 속도에 대한 정확한 위치를 감지하며, 상기 RFID 리더에 연결된 컴퓨터에 표시하며, 고 정밀 위치인식을 위해 상기 벽면 부착형 태그의 인식회수의 최고 값과, 지상 선로용 상기 바닥 부착형 태그의 인식회수의 최고 값을 인식하여 이동체의 고 정밀 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 차상 무선 전송시스템(WTE, Wireless Transmission Equipment)은 지상에 설치된 발리스 위를 통과하는 시간동안 텔레파워링 신호 생성 모듈에서 생성된 텔레파워링 신호를 WTE 전송 안테나(멀티밴드 RFID 장치)를 통해 발리스 수신안테나로 전송하면, 발리스(Balise)는 이 텔레파워링 신호에 의해 전력을 생성해 동작을 개시하게 되고 텔레그램 신호 생성 모듈에서 생성한 텔레그램을 발리스 전송안테나(멀티밴드 RFID 장치)를 통해 업링크 신호로 철도 차량으로 전송하며 또한 다운 링크 신호를 LEU 또는 지상신호 설비로 전송하게 되며, 이에 상기 WTE는 WTE 수신 안테나(멀티밴드 RFID 장치)를 거쳐 텔레그램 신호 처리 모듈에서 데이터 검사를 하고 이상이 없는 경우 이를 차상 컴퓨터로 전송하게 되고, 차상의 WTE는 열차가 고속으로 운행하면서 열차가 발리스를 통과하는 데 걸리는 시간동안 송수신하는 것을 특징으로 하는 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 차상 통합형 안테나는 900MHz RFID 안테나 및 2.4GHz 안테나와 CAU(Compact Antenna Unit)로 구성되며, 상기 900MHz RFID 안테나는 차상하부의 무선으로 바닥 부착용 인식 태그를 인식하는데 사용되고 안테나 사이의 거리는 철도차량의 속도와 관계를 가지며, 안테나에 대한 편파는 철도차량 하부에 난반사에 대한 부분을 해결하기 위해 원형편파를 사용하는 것을 특징으로 하는 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 차상 통합형 안테나에서 27.095MHz LOOP ANTENNA를 사용하는 경우 TRANSFORMER와 전류센서 변환기와 발륜으로 구성되며, 전류 외부 자계 세기에 따라 LOOP의 크기와 코일의 감긴 수와 전류세기를 정하며, 4.23MHz LOOP ANTENNA를 사용하는 경우 TRANSFORMER와 전류센서 변환기와 발륜으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속철도 및 일반철도 인식을 위한 통합형 인식 시스템.
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