KR102026264B1 - 제동거리 편차를 최소화하는 철도차량의 제동제어 방법 - Google Patents

제동거리 편차를 최소화하는 철도차량의 제동제어 방법 Download PDF

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KR102026264B1 KR1020180027959A KR20180027959A KR102026264B1 KR 102026264 B1 KR102026264 B1 KR 102026264B1 KR 1020180027959 A KR1020180027959 A KR 1020180027959A KR 20180027959 A KR20180027959 A KR 20180027959A KR 102026264 B1 KR102026264 B1 KR 102026264B1
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Abstract

제동거리 편차를 최소화하는 철도차량의 제동제어 방법에서, 철도차량에 대한 감속 명령인 감속지령을 수신한다. 상기 철도차량이 주행하는지의 여부를 판단한다. 상기 철도차량의 주행시, 상기 수신된 감속지령에 따라 상기 철도차량의 제동 프로파일(profile)을 생성한다. 상기 감속지령 및 상기 제동 프로파일을 바탕으로 피드백 제동제어를 수행하여, 상기 철도차량의 목표위치와 실제위치의 차이인 위치오차에 기반한 보정신호를 생성한다. 상기 보정신호를 바탕으로 생성된 상기 철도차량에 대한 제동지령을 제동장치로 전송하여 상기 철도차량의 제동을 수행한다.

Description

제동거리 편차를 최소화하는 철도차량의 제동제어 방법{BRAKING CONTROL METHOD FOR A RAILROAD VEHICLE}
본 발명은 철도차량의 제동제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철도차량의 제동시, 실제 위치와 제동프로파일 상의 프로파일 위치 사이의 차이에 기초한 보정신호를 생성함으로써 제동거리의 편차를 최소화하는 제동제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량에서는 제동지령에 따라 제동을 수행하지만, 실제 시간지연, 응답특성, 마찰재 특성 등에 의한 제동력 편차가 발생되어 제동거리의 오차가 발생하게 마련이다.
특히, 선행열차와 후행열차가 소정 간격을 유지하며 주행하는 철도 시스템에서는, 열차 간의 간격에 있어 선행열차가 최단 제동거리로 정지하고 후행열차가 최장 제동거리로 정지하는 경우, 선행열차와 후행열차 간의 제동거리의 차이보다 설정된 안전마진이 작을 경우 열차 간 추돌이 발생하게 되는 문제가 있다.
이에 따라, 이러한 열차 간의 추돌을 방지하기 위해서라도 제동거리의 오차를 최소화하기 위한 제동시스템이 필요한 상황이다.
이에, 기존 철도 제동 제어시스템에서는, 주행하는 선행열차가 정지한 것으로 간주하고 선행열차의 후두부 위치에 위치 불확실성을 고려한 안전마진을 추가한 지점에 후행 열차를 정지시킬 수 있도록 제동프로파일을 계산하고 역으로 계산된 지점부터 제동을 체결하여 선행열차와의 추돌을 피하는 방법을 적용하였다.
그러나, 철도 제어 시스템이 발전함에 따라, 차세대 철도 제어시스템이 개발되고 있으며, 선행열차가 정지한 것으로 가정하지 않고 선행열차의 제동거리를 반영하여 후행열차가 제동을 체결하여 정지하는 시간동안 선행열차도 제동을 체결하여 정지할 때까지 일정 거리를 주행할 것을 고려하여 제동을 체결하는 기술이 개발되고 있다.
이러한 선행열차의 제동거리를 반영하는 차세대 철도 제어시스템을 위해서는 일정한 제동성능을 발휘할 수 있도록 하는 기술이 필수적이다.
예를 들어, 미국 등록특허 US 7,533,943호에서는 철도차량의 제동장치의 제어에 있어서, 열차의 속도로부터 감속도를 추출하고, 추출된 감속도와 목표 감속도를 비교하여 열차의 속도를 제어하는 구성을 개시하고 있다.
그러나, 상기와 같은 측정된 감속도로부터 제동력을 상시 보상하는 기술에서는 기준이 되는 감속도가 차륜 회전속도의 미분으로 도출되는데 이는 순간적인 변동이 발생되어 상당한 저크(jerk)를 발생시킬 수 있는 문제가 있다.
미국 등록특허 US 7,533,943호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 철도차량의 제동시 제동 편차를 최소화하여 제동 성능의 불확실성을 감소시켜 운행의 정확성 및 안전성을 향상시킬 수 있고, 보다 높은 정확도의 제동 시스템을 구축할 수 있으며, 간결한 제동장치의 구성이 가능하고, 승차감의 저하를 감소시킬 수 있는 철도차량의 제동제어 방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 철도차량의 제동제어 방법에서, 철도차량에 대한 감속 명령인 감속지령을 수신한다. 상기 철도차량이 주행하는지의 여부를 판단한다. 상기 철도차량의 주행시, 상기 수신된 감속지령에 따라 상기 철도차량의 제동 프로파일(profile)을 생성한다. 상기 감속지령 및 상기 제동 프로파일을 바탕으로 피드백 제동제어를 수행하여, 상기 철도차량의 목표위치와 실제위치의 차이인 위치오차에 기반한 보정신호를 생성한다. 상기 보정신호를 바탕으로 생성된 상기 철도차량에 대한 제동지령을 제동장치로 전송하여 상기 철도차량의 제동을 수행한다.
일 실시예에서, 상기 감속지령이 수신되지 않으면, 상기 철도차량의 제동장치의 제동력을 0(zero)으로 설정하고, 기 존재하는 제동 프로파일을 삭제할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 철도차량이 주행하지 않는 것으로 판단되면, 상기 감속지령에 매칭되는 제동력을 상기 제동장치로 그대로 전달하고, 기 존재하는 제동 프로파일을 삭제할 수 있다.
일 실시예에서, 기 존재하는 제동 프로파일이 있으면, 상기 제동 프로파일을 생성하는 단계는 생략될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동 프로파일을 생성하는 단계에서, 상기 제동 프로파일은 위치 프로파일 및 속도 프로파일을 포함하고, 상기 위치 프로파일은 상기 제동 프로파일 생성시의 위치를 초기값(0)으로 생성하고, 상기 속도 프로파일은 상기 제동 프로파일 생성시의 상기 철도차량의 실제 속도를 초기값으로 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 제동 제어는, 상기 수신된 감속지령을 정격 감속도로 변환하는 단계, 상기 정격 감속도를 지연시켜 위치 프로파일 및 속도 프로파일을 포함하는 제동 프로파일을 갱신하는 단계, 상기 제동 프로파일에 따른 목표 위치와 예측된 실제위치를 바탕으로 위치 오차를 계산하는 단계, 상기 위치 오차를 바탕으로 보정신호를 생성하는 단계, 및 상기 보정신호와 상기 정력 감속도를 바탕으로 상기 제동지령을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동 프로파일을 갱신하는 단계에서, 상기 정격 감속도를 상기 제동장치의 응답시간(△t) 만큼 지연시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동 프로파일을 갱신하는 단계에서,
상기 속도 프로파일은,
Figure 112018023960238-pat00001
식 (1)
{
Figure 112018023960238-pat00002
: 갱신된 프로파일 속도,
Figure 112018023960238-pat00003
: 갱신전 프로파일 속도,
Figure 112018023960238-pat00004
: △t 만큼 지연된 정격 감속도,
Figure 112018023960238-pat00005
: 현재의 구배,
Figure 112018023960238-pat00006
: 구배를 구배에 따른 가속도로 변환하기 위한 비례계수,
Figure 112018023960238-pat00007
: 피드백 제동 제어를 1회 시행하는 경과시간}
상기 식 (1)로 갱신할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동 프로파일을 갱신하는 단계에서,
상기 위치 프로파일은,
Figure 112018023960238-pat00008
식 (2)
{
Figure 112018023960238-pat00009
: 갱신된 프로파일 위치,
Figure 112018023960238-pat00010
: 갱신전 프로파일 위치}
상기 식 (2)로 갱신할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동 프로파일을 갱신하는 단계 이후, 현재(t초)로부터 (t-△t)초까지의 정격 감속도 데이터를 저장하는 단계, 상기 정격 감속도 데이터, 상기 제동 프로파일, 및 상기 철도차량의 구배(slope)를 바탕으로 (t+△t)초의 목표 위치를 추정하는 단계, 및 t초에서 (t-△t)초까지의 제동지령, 상기 철도차량의 현재 위치, 및 상기 구배를 바탕으로 (t+△t)초의 실제 위치를 예측하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 목표 위치를 추정하는 단계에서,
상기 목표 위치는,
Figure 112018023960238-pat00011
식 (3)
{K: 이전 △t동안 피드백 제동 제어를 수행한 횟수
Figure 112018023960238-pat00012
,
Figure 112018023960238-pat00013
: 저장된 j번째 피드백 제동 제어의 정격 감속도 값}
상기 식 (3)으로 추정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 실제 위치를 예측하는 단계에서,
상기 실제 위치는,
Figure 112018023960238-pat00014
식 (4)
{
Figure 112018023960238-pat00015
: 철도차량의 실제 속도,
Figure 112018023960238-pat00016
: 저장된 j번째 피드백 제동 제어의 제동지령}
상기 식 (4)로 예측될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 위치 오차를 계산하는 단계에서, 상기 위치 오차는 상기 목표위치에서 상기 실제위치를 차감하여 계산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 제동 제어는, 상기 생성된 제동지령을 메모리에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 철도차량의 제동 제어에서, 측정되는 감속도를 바탕으로 제동력을 보상하는 경우 보다 제동력의 변동이 적어 안정적이며, 시스템의 지연시간을 반영할 수 있어 보다 정확한 제동제어를 수행할 수 있다.
즉, 본 실시예에서의 피드백 제동제어를 통해, 철도차량의 제동성능의 불확실성을 감소하여 정확성 및 안전성을 향상시킬 수 있으며 이를 통해 열차간의 근접주행을 구현할 수 있다.
특히, 주행거리계의 주행거리를 피드백 받아 제동 프로파일과 비교하여 오차에 따라 제동력을 보상함으로써 제동력을 조절할 수 있으므로, 제동력의 무작위성을 보정하여 제동거리의 오차를 감소시킬 수 있고, 정확도가 높은 제동 시스템을 구현할 수 있다.
이 경우, 감속지령 신호가 입력되고, 속도가 정지로 인식되는 속도를 초과한 시점에서의 위치와 속도를 원점으로 간주하여 제동 프로파일을 계산함으로써, 제동력 보상의 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 별도의 차량 중량에 따라 제동력을 조절하는 응하중 장치 또는 일부 제동장치에 고장이 발생한 경우에도, 별도의 제동력 보상을 수행하지 않고도 일정한 제동거리를 유지할 수 있어 간결한 제동장치의 구성이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 철도차량의 제동제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 철도차량의 제동제어 방법을 보다 상세히 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 피드백 제동제어 단계를 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 피드백 제동제어 단계를 보다 상세히 도시한 흐름도이다.
도 5는 도 3 및 도 4에서 정격 감속도로 변환하는 단계의 예를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 3 및 도 4에서 시간 지연을 고려하여 저장되는 정격 감속도 및 예측되는 미래의 감속도를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 3 및 도 4의 피드백 제동제어를 적용한 경우의 위치와 속도의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 도 3 및 도 4의 피드백 제동제어를 적용한 경우의 제동거리 오차를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 철도차량의 제동제어 방법을 도시한 흐름도이다. 도 2는 도 1의 철도차량의 제동제어 방법을 보다 상세히 도시한 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 철도차량의 제동제어 방법에서는, 우선, 철도차량에 대한 감속 명령에 해당되는 감속지령을 수신한다(단계 S100). 상기 감속지령은, 도시하지는 않았으나, 열차제어장치 등으로부터 수신될 수 있다.
한편, 상기 감속지령이 수신되지 않은 경우라면, 상기 철도차량의 제동장치의 제동력을 0(zero)으로 설정한다(단계 S110). 또한, 상기 제동장치의 제동력을 0으로 설정함과 동시에, 제동 프로파일(profile)이 존재하는지의 여부를 판단하고(단계 S111), 상기 제동 프로파일이 존재한다면 기 존재하는 제동 프로파일을 삭제한다(단계 S112).
즉, 상기 철도차량은 별도의 제동을 수행하지 않고 별도의 제동 프로파일을 저장하지 않은 상태에서, 설정된 속도 또는 가속도로 운행하는 상태를 유지한다.
이와 달리, 상기 감속지령이 수신된다면(단계 S100), 상기 철도차량이 주행하는 가의 여부, 즉 상기 철도차량의 주행속도가 영(0)속도인가의 여부를 판단하고(단계 S120), 상기 철도차량이 주행하지 않는 것(영속도인 경우)으로 판단되면, 후술되는 피드백 제동제어를 수행하지 않으며 상기 감속지령에 매칭되는 제동력을 상기 제동장치로 그대로 전달한다. 이와 동시에, 기 존재하는 제동 프로파일에 대하여는 이를 삭제한다.
한편, 상기 철도차량이 주행하는 것(영속도가 아닌 경우)으로 판단되면(단계 S120), 제동 프로파일이 기 존재하는가의 여부를 확인한다(단계 S130).
이 경우, 제동 프로파일이 기 존재한다는 것은 현재 제동이 시작된 상태로서 본 실시예에서의 철도차량 제동제어 방법이 수행되는 상황이므로, 후술하겠으나, 피드백 제동제어를 통해 제동 프로파일이 갱신되어 저장된 것을 의미한다. 따라서, 추가로 제동 프로파일을 생성할 필요는 없으며 상기 기 존재하는 제동 프로파일을 바탕으로 후술되는 피드백 제동제어(단계 S300, S400)를 수행한다.
그러나, 제동 프로파일이 존재하지 않는다면, 상기 감속지령을 바탕으로 별도로 제동 프로파일을 생성하며(단계 S200), 이렇게 생성된 제동 프로파일을 이용하여 후술되는 피드백 제동제어(단계 S300, S400)를 수행한다.
한편, 상기 제동 프로파일은 위치 프로파일과 속도 프로파일을 포함하는 것으로, 상기 감속지령을 바탕으로 상기 철도차량에 대한 제동제어가 수행되는 경우 제동까지 상기 철도차량의 위치와 속도의 변화를 도식화한 것을 의미한다.
이 경우, 상기 제동 프로파일에서, 상기 위치 프로파일은 상기 제동 프로파일의 생성 시의 위치를 초기값(0)으로 설정하여 생성하며, 상기 속도 프로파일은 상기 제동 프로파일 생성 시의 상기 철도차량의 실제 속도(측정값)를 초기값으로 설정하여 생성할 수 있다.
상기 제동 프로파일은 후술되는 피드백 제동 제어(단계 S300, S400)를 통해 반복적으로 갱신되어 새로운 제동 프로파일로 저장되며, 구체적인 상기 제동 프로파일의 갱신 방법에 대하여는 후술한다.
이상과 같이, 제동 프로파일이 기 존재하거나, 상기 감속지령을 바탕으로 새롭게 제동 프로파일이 생성되었다면, 상기 감속지령과 상기 제동 프로파일을 바탕으로 피드백 제동제어를 수행한다(단계 S300). 이 경우, 상기 피드백 제동제어를 통해서는 상기 철도차량의 목표 위치와 실제 위치의 차이인 위치오차에 기반한 보정신호가 생성되며, 따라서, 이 후, 상기 보정신호를 바탕으로 생성되는 제동지령을 상기 철도차량의 제동장치로 전송하여 제동을 수행한다(단계 S400).
이 경우, 상기 피드백 제동제어는 상기 철도차량에 대한 제동이 종료될 때(단계 S500)까지 반복적으로 수행된다.
이하에서는, 상기 피드백 제동제어(단계 S300)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 도 1 및 도 2의 피드백 제동제어 단계를 도시한 흐름도이다. 도 4는 도 3의 피드백 제동제어 단계를 보다 상세히 도시한 흐름도이다. 도 5는 도 3 및 도 4에서 정격 감속도로 변환하는 단계의 예를 도시한 그래프이다. 도 6은 도 3 및 도 4에서 시간 지연을 고려하여 저장되는 정격 감속도 및 예측되는 미래의 감속도를 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 피드백 제동제어(단계 S300)에서는, 우선, 상기 열차제어장치 등으로부터 수신된 감속지령을 정격 감속도로 변환한다(단계 S310).
이와 같이, 수신된 감속지령을 정격 감속도로 변환하는 경우, 속도에 따라 서로 다른 감속도를 적용할 수 있는데, 이는 동일한 단계에서의 감속지령에서도 감속도가 속도에 따라 변화하도록 설계된 철도차량이 있기 때문이다.
도 5에서는 속도에 따라 차등 적용된 정격 감속도 변환의 예를 도시한 것으로, 정격 감속도는 철도차량의 속도에 따라 서로 다른 값으로 변환됨을 확인할 수 있다.
이 후, 상기 변환된 정격 감속도를 상기 철도차량의 제동장치의 응답시간(△t) 만큼 지연시켜 상기 제동 프로파일의 속도 및 위치를 갱신한다(단계 S320).
이는, 실제 철도차량의 제동장치가 실제 응답까지 지연시간이 있음을 고려하여, 보다 정확하게 제동 프로파일을 생성하기 위함이며, 상기 응답시간(△t)은 철도차량의 종류 등에 따라 다양하게 변화되어 사용자에 의해 설정될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제동 프로파일의 속도 및 위치를 갱신하는 경우, 상기 제동 프로파일의 속도 프로파일은, 하기 식 (1)로 갱신된다.
Figure 112018023960238-pat00017
식 (1)
이 경우,
Figure 112018023960238-pat00018
: 갱신된 프로파일 속도[km/h],
Figure 112018023960238-pat00019
: 갱신전 프로파일 속도[km/h],
Figure 112018023960238-pat00020
: △t 만큼 지연된 정격 감속도[km/h/s],
Figure 112018023960238-pat00021
: 현재의 구배[‰],
Figure 112018023960238-pat00022
: 구배를 구배에 따른 가속도로 변환하기 위한 비례계수로서 열차의 회전관성계수에 따라 변화하며 일반적으로는 30 내외임,
Figure 112018023960238-pat00023
: 피드백 제동 제어를 1회 시행하는 경과시간[s(sec)]이다.
또한, 상기 제동 프로파일의 위치 프로파일은 하기 식 (2)로 갱신된다.
Figure 112018023960238-pat00024
식 (2)
이 경우,
Figure 112018023960238-pat00025
: 갱신된 프로파일 위치[m(meter)],
Figure 112018023960238-pat00026
: 갱신전 프로파일 위치[m]이다.
이 후, 상기 피드백 제동제어에서는, 현재 시간(t초)으로부터 이전 △t초까지의 상기 정격 감속도 데이터를 저장한다(단계 S330). 즉, t초에서부터 역으로 (t-△t)초까지의 정격 감속도 데이터를 저장한다.
이 경우, 상기 철도차량의 제동장치의 응답시간(△t)은 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제동장치에 따라 사용자에 의해 설정되는 값이며, 현재 시간(t초)에서 하달되는 제동지령은 상기 제동장치의 응답속도에 의해 (t+△t)초에 적용되기 마련이다.
따라서, 상기 피드백 제동제어에서는, 현재 시간(t초)을 기준으로 (t+△t)초의 상태, 즉 제동 프로파일 및 실제 위치를 예측하여야 하며, 상기 예측된 상태를 기준으로 제동력을 계산하는 것이 필요하다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, (t+△t)초에서의 예측되는 열차의 위치값은 (t-△t)초로부터 현재 시간(t초)까지의 제동 명령이 현재 시간(t초)으로부터 (t+△t)초 동안 반영되었기 때문에 이를 고려하여 열차의 위치를 추정하는 것이 필요하다.
이상과 같이, t초에서부터 역으로 (t-△t)초까지의 정격 감속도 데이터를 저장한 상태에서, 상기 저장된 t초부터 (t-△t)초 사이의 정격 감속도, 상기 갱신된 제동 프로파일(위치 프로파일 및 속도 프로파일 포함), 상기 철도차량의 구배(slope)(S301)를 바탕으로 상기 제동 프로파일에 따른 (t+△t)초에서의 상기 철도차량의 목표 위치를 추정한다(단계 S340).
보다 구체적으로, 상기 목표 위치는 하기 식 (3)을 통해 추정될 수 있다.
Figure 112018023960238-pat00027
식 (3)
이 경우, K: 이전 △t동안 피드백 제동 제어를 수행한 횟수
Figure 112018023960238-pat00028
,
Figure 112018023960238-pat00029
: 저장된 j번째 피드백 제동 제어의 정격 감속도 값[km/h/s]이다.
또한, t초부터 (t-△t)초 사이의 제동지령(값), 상기 철도차량의 현재 위치(실제 위치)(S302), 및 상기 구배(S301)를 바탕으로 (t+△t)초에서 상기 철도차량이 실제 위치할 것으로 추정되는 실제 위치를 예측한다(단계 S350).
보다 구체적으로, 상기 실제 위치는 하기 식 (4)를 통해 예측될 수 있다.
Figure 112018023960238-pat00030
식 (4)
이 경우,
Figure 112018023960238-pat00031
: 철도차량의 실제 속도[km/h],
Figure 112018023960238-pat00032
: 저장된 j번째 피드백 제동 제어의 제동지령[km/h/s]이다.
이상과 같이, (t+△t)초에서 상기 철도차량의 목표 위치가 추정되고(단계 S340), 상기 철도차량의 실제 위치가 예측되면(단계 S350), 상기 목표 위치에서 상기 실제 위치를 차감하여 (t+△t)초에서의 상기 철도차량의 위치오차를 계산한다(단계 S370).
즉, 상기 계산되는 위치오차는 상기 철도차량이 감속지령에 의해 감속을 수행하는 경우, 상기 철도차량의 제동장치의 응답시간(△t)을 고려하여, 감속되어야 하는 목표 위치와 실제 위치와의 차이에 해당된다.
따라서, 상기 위치오차가 계산되면, 상기 위치오차를 바탕으로 현재에서의 상기 철도차량에 대한 정격 감속도에 대한 보정신호를 생성한다(단계 S370). 즉, 상기 보정신호는, 실제 철도차량이 (t+△t)초에서 위치하는 위치를 고려하여 상기 입력된 감속지령을 바탕으로 변환된 정격 감속도에 대한 보정을 수행하는 신호라고 할 수 있다.
한편, 상기 보정신호의 생성을 위해서는 튜닝된 PID 제어기나 퍼지 제어기 등을 사용하여 보다 정확한 보정신호의 생성을 구현할 수 있다.
이 후, 상기 보정신호를 상기 변환된 정격 감속도에 합산하여 제동지령을 생성하고(단계 S380), 이렇게 생성된 제동지령은 제동 ECU 등과 같은 철도차량의 제동장치로 전송되고, 이를 바탕으로 상기 철도차량에 대한 제동이 수행하게 된다(단계 S400).
이 경우, 상기 생성된 제동지령이 실제 철도차량의 제동성능의 한계를 벗어나지 않는지의 여부를 검사하여, 상기 제동성능의 범위 내에 있도록 제한할 수 있다.
한편, 상기 생성된 제동지령은 메모리에 저장되며(단계 S390), 이렇게 저장된 제동지령은 앞서 설명한 바와 같이, 상기 (t+△t)초에서의 철도차량의 실제위치를 예측하는 단계에서 사용된다.
이상에서 설명한 상기 피드백 제동제어 방법은 제동거리를 일정하게 하기 위한 거리오차 기반의 철도차량의 제동제어를 실현하기 위한 것으로, 앞서 설명한 기본적인 방법상의 특징을 유지하는 범위 내에서 다양한 방식으로 변화될 수 있음은 자명하다.
도 7은 도 3 및 도 4의 피드백 제동제어를 적용한 경우의 위치와 속도의 관계를 도시한 그래프이다. 도 8은 도 3 및 도 4의 피드백 제동제어를 적용한 경우의 제동거리 오차를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에서 상기 설명한 피드백 제동제어를 적용하지 않은 경우, 실제 철도차량에 대한 제동력 부족으로 상기 제동 프로파일 상의 목표된 정지 위치와 상대적으로 큰 오차(약 55m)를 가지는 것을 확인할 수 있으나, 본 실시예에서의 상기 피드백 제동제어를 적용하는 경우 상기 오차를 회복하여 상대적으로 적은 오차(1.7m)를 가지면서 제동 프로파일 상의 목표된 정지 위치에 제동되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 상기 철도차량의 제동장치의 제동력 편차를 ­30% 내지 30%의 범위에서 다양하게 실험한 결과, 본 실시예에 의한 피드백 제동제어를 적용하지 않는 경우 상기 제동장치의 제동력 편차는 제동거리의 오차로 직접 도출되는 것을 확인할 수 있었다.
그러나, 본 실시예에 의한 피드백 제동제어를 적용하는 경우, 상기 제동력 편차가 발생하더라도 실제 철도차량의 제동거리에 미치는 영향은 크게 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이, 철도차량의 제동제어에 있어서, 본 실시예에서의 피드백 제동제어를 적용하는 경우, 제동 프로파일 상의 목표 위치에 비교적 정확하게 제동되는 것을 확인할 수 있으며, 제동력 편차가 실제 철도차량의 제동거리에 미치는 영향이 감소되어 보다 정확한 제동 제어를 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 철도차량의 제동 제어에서, 측정되는 감속도를 바탕으로 제동력을 보상하는 경우 보다 제동력의 변동이 적어 안정적이며, 시스템의 지연시간을 반영할 수 있어 보다 정확한 제동제어를 수행할 수 있다.
즉, 본 실시예에서의 피드백 제동제어를 통해, 철도차량의 제동성능의 불확실성을 감소하여 정확성 및 안전성을 향상시킬 수 있으며 이를 통해 열차간의 근접주행을 구현할 수 있다.
특히, 주행거리계의 주행거리를 피드백 받아 제동 프로파일과 비교하여 오차에 따라 제동력을 보상함으로써 제동력을 조절할 수 있으므로, 제동력의 무작위성을 보정하여 제동거리의 오차를 감소시킬 수 있고, 정확도가 높은 제동 시스템을 구현할 수 있다.
이 경우, 감속지령 신호가 입력되고, 속도가 정지로 인식되는 속도를 초과한 시점에서의 위치와 속도를 원점으로 간주하여 제동 프로파일을 계산함으로써, 제동력 보상의 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 별도의 차량 중량에 따라 제동력을 조절하는 응하중 장치 또는 일부 제동장치에 고장이 발생한 경우에도, 별도의 제동력 보상을 수행하지 않고도 일정한 제동거리를 유지할 수 있어 간결한 제동장치의 구성이 가능하다.
본 발명에 따른 철도차량의 제동제어 방법은 철도차량의 제동 제어시스템에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.

Claims (14)

  1. 철도차량에 대한 감속 명령인 감속지령을 수신하는 단계;
    상기 철도차량이 주행하는지의 여부를 판단하는 단계;
    상기 철도차량의 주행시, 상기 수신된 감속지령에 따라 상기 철도차량의 제동 프로파일(profile)을 생성하는 단계;
    상기 감속지령 및 상기 제동 프로파일을 바탕으로 피드백 제동제어를 수행하여, 상기 철도차량의 목표위치와 실제위치의 차이인 위치오차에 기반한 보정신호를 생성하는 단계; 및
    상기 보정신호를 바탕으로 생성된 상기 철도차량에 대한 제동지령을 제동장치로 전송하여 상기 철도차량의 제동을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 피드백 제동 제어는,
    상기 수신된 감속지령을 정격 감속도로 변환하는 단계;
    상기 정격 감속도를 상기 제동장치의 응답시간(△t) 만큼 지연시켜 위치 프로파일 및 속도 프로파일을 포함하는 제동 프로파일을 갱신하는 단계;
    현재(t초)로부터 (t-△t)초까지의 정격 감속도 데이터를 저장하는 단계;
    상기 정격 감속도 데이터, 상기 제동 프로파일, 및 상기 철도차량의 구배(slope)를 바탕으로 (t+△t)초의 목표 위치를 추정하는 단계; 및
    t초에서 (t-△t)초까지의 제동지령, 상기 철도차량의 현재 위치, 및 상기 구배를 바탕으로 (t+△t)초의 실제 위치를 예측하는 단계를 포함하는 철도차량의 제동제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감속지령이 수신되지 않으면,
    상기 철도차량의 제동장치의 제동력을 0(zero)으로 설정하고, 기 존재하는 제동 프로파일을 삭제하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 철도차량이 주행하지 않는 것으로 판단되면,
    상기 감속지령에 매칭되는 제동력을 상기 제동장치로 그대로 전달하고, 기 존재하는 제동 프로파일을 삭제하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    기 존재하는 제동 프로파일이 있으면, 상기 제동 프로파일을 생성하는 단계는 생략되는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제동 프로파일을 생성하는 단계에서,
    상기 제동 프로파일은 위치 프로파일 및 속도 프로파일을 포함하고,
    상기 위치 프로파일은 상기 제동 프로파일 생성시의 위치를 초기값(0)으로 생성하고,
    상기 속도 프로파일은 상기 제동 프로파일 생성시의 상기 철도차량의 실제 속도를 초기값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 피드백 제동 제어는,
    상기 제동 프로파일에 따른 목표 위치와 예측된 실제위치를 바탕으로 위치 오차를 계산하는 단계;
    상기 위치 오차를 바탕으로 보정신호를 생성하는 단계; 및
    상기 보정신호와 상기 정격 감속도를 바탕으로 상기 제동지령을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 제동 프로파일을 갱신하는 단계에서,
    상기 속도 프로파일은,

    Figure 112019054026618-pat00033
    식 (1)

    {
    Figure 112019054026618-pat00034
    : 갱신된 프로파일 속도,
    Figure 112019054026618-pat00035
    : 갱신전 프로파일 속도,
    Figure 112019054026618-pat00036
    : △t 만큼 지연된 정격 감속도,
    Figure 112019054026618-pat00037
    : 현재의 구배,
    Figure 112019054026618-pat00038
    : 구배를 구배에 따른 가속도로 변환하기 위한 비례계수,
    Figure 112019054026618-pat00039
    : 피드백 제동 제어를 1회 시행하는 경과시간}
    상기 식 (1)로 갱신하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제동 프로파일을 갱신하는 단계에서,
    상기 위치 프로파일은,

    Figure 112018023960238-pat00040
    식 (2)

    {
    Figure 112018023960238-pat00041
    : 갱신된 프로파일 위치,
    Figure 112018023960238-pat00042
    : 갱신전 프로파일 위치}
    상기 식 (2)로 갱신하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제6항에 있어서, 상기 위치 오차를 계산하는 단계에서,
    상기 위치 오차는 상기 목표위치에서 상기 실제위치를 차감하여 계산하는 것을 특징으로 철도차량의 제동제어 방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 피드백 제동 제어는,
    상기 생성된 제동지령을 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 제동제어 방법.



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