KR102167258B1 - 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에 관한 것으로, 센서 데이터를 기초로 포인트 데이터를 생성하여 고장 유무를 감지하는 복수의 제1 제어 장치들과, 상기 포인트 데이터의 전송을 담당하는 제1 네트워크를 통해 연결되어 철도차량의 제어 및 관리를 지원하는 제1 제어관리부, 상기 제1 네트워크와 각각 연결되고 상기 포인트 데이터와 웨이브 데이터를 이용하여 고장 예지를 수행하는 복수의 제2 제어 장치들과, 상기 웨이브 데이터의 전송을 담당하는 제2 네트워크를 통해 연결되어 상기 철도차량의 제어 및 관리를 지원하는 제2 제어관리부 및 상기 철도차량의 상태에 따라 상기 제1 및 제2 네트워크들의 선택적 사용에 관한 운영 모드를 결정하여 상기 제1 및 제2 장치들 간의 데이터 교환을 통해 상기 철도차량의 제어 및 관리를 통합 지원하는 통합 운영부를 포함한다.
Description
본 발명은 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 시스템을 확장하여 철도차량의 주요 장치에 대한 고장 진단 및 예지를 수행할 수 있는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에 관한 것이다.
고속철도는 대량 수송 체계로서 사고 발생시 대형 사고로 이어질 확률이 높아 철도차량의 결함을 조기에 검출할 수 있는 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 전세계적으로 사고예방 및 유지보수에 소요되는 비용 절감을 위해 주기 정비에서 상태기반 유지보수(Condition Based Maintenance, CBM)으로 전환되고 있다. 기존의 유지보수 시스템은 다양한 제어 장치들이 내부 통신 네트워크를 통해 연결되어 철도차량을 안전하게 운영하기 위한 다양한 기능을 수행하고 있으나, 통신 네트워크의 밴드폭이 좁아 많은 센서 데이터를 통신하는 것이 불가능하다는 문제점을 가지고 있다.
한국등록특허 제10-0540162(2005.12.23)호는 철도차량의 유지보수를 위한 정보화 시스템에 관한 것으로, 정보화 인프라 구축을 통하여 철도차량의 운영기관에서 분산되어 진행되는 업무 프로세스 및 자료관리 등을 통합관리 운영이 가능하여 철도분야의 운영 효율성을 증대시키고, 철도차량분야의 운영 유지보수 체계의 표준화/정보화 구축을 통해 철도차량 분야의 생산성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
한국등록특허 제10-1231836(2013.02.04)호는 철도차량 출입문 유지보수를 위한 실시간 모니터링 시스템에 관한 것으로, 철도차량의 출입문이 고장 시 출입문을 제어하는 DCU의 상태정보를 직접 휴대가 가능한 노트북이나 산업용 컴퓨터 등의 이동식 컴퓨터를 케이블로 직접 연결하여 출입문의 제어 및 감시 이력 등의 상태 정보를 확인하고 그 고장 등이 발생시에 고장 원인의 분석이 용이하고 그로 인해 유지 보수 장비 및 유비보수 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 기존 시스템을 확장하여 철도차량의 주요 장치에 대한 고장 진단 및 예지를 수행할 수 있는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 데이터 용량이 큰 웨이브 데이터를 전송할 수 있는 독립된 통신 네트워크를 추가하여 주요 장치의 고장 예지 및 잔류수명 예측을 효과적으로 수행함으로써 철도차량에 대한 효과적인 예방정비가 가능한 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 철도차량의 상태에 따라 운영 모드를 동적으로 결정함으로써 하나의 통신 네트워크가 고장난 경우에도 별도의 통신 네트워크를 통해 철도차량의 상태에 관한 실시간 감시를 유지할 수 있는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치는 센서 데이터를 기초로 포인트 데이터를 생성하여 고장 유무를 감지하는 복수의 제1 제어 장치들과, 상기 포인트 데이터의 전송을 담당하는 제1 네트워크를 통해 연결되어 철도차량의 제어 및 관리를 지원하는 제1 제어관리부, 상기 제1 네트워크와 각각 연결되고 상기 포인트 데이터와 웨이브 데이터를 이용하여 고장 예지를 수행하는 복수의 제2 제어 장치들과, 상기 웨이브 데이터의 전송을 담당하는 제2 네트워크를 통해 연결되어 상기 철도차량의 제어 및 관리를 지원하는 제2 제어관리부 및 상기 철도차량의 상태에 따라 상기 제1 및 제2 네트워크들의 선택적 사용에 관한 운영 모드를 결정하여 상기 제1 및 제2 장치들 간의 데이터 교환을 통해 상기 철도차량의 제어 및 관리를 통합 지원하는 통합 운영부를 포함한다.
상기 제1 제어관리부는 차량 내 통신버스(Multifunction Vehicle Bus, MVB), 차량 간 통신버스(Wired Train Bus, WTB) 및 RS485 중 어느 하나를 상기 제1 네트워크로서 사용할 수 있다.
상기 제2 제어관리부는 상기 제1 네트워크와 독립적으로 동작하면서 상기 웨이브 데이터의 처리를 위해 상기 제1 네트워크보다 더 큰 전송량 및 더 짧은 전송 주기를 가진 통신 네트워크를 상기 제2 네트워크로서 사용할 수 있다.
상기 제2 제어관리부는 IoT 통신 모듈과 스위칭 허브를 포함하는 제어 장치 및 아날로그 센서와 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는 제어 장치 중 어느 하나를 제2 제어 장치로서 사용할 수 있다.
상기 통합 운영부는 상기 철도차량의 상태에 따라 상기 제1 네트워크만 동작하는 제1 운영 모드, 상기 제2 네트워크만 동작하는 제2 운영 모드, 상기 제1 및 제2 네트워크가 함께 동작하는 제3 운영 모드 중 어느 하나를 결정할 수 있다.
상기 통합 운영부는 상기 제3 운영 모드에 따라 상기 포인트 데이터에 상기 센서 데이터를 추가하여 상기 제1 또는 제2 네트워크를 통해 상기 제2 제어관리부에 전송할 수 있다.
상기 통합 운영부는 상기 운영 모드에 따라 상기 복수의 제1 제어 장치들이 생성하는 상기 포인트 데이터를 상기 제1 네트워크를 통해 상기 복수의 제2 제어 장치들에 전송하거나 또는 상기 복수의 제2 제어 장치들이 생성하는 웨이브 데이터에 관한 포인트 데이터를 상기 제1 네트워크를 통해 상기 복수의 제1 제어 장치들에 전송할 수 있다.
상기 통합 운영부는 상기 운영 모드에 따라 상기 복수의 제2 제어 장치들이 생성하는 제어 신호를 상기 제1 네트워크를 통해 상기 제1 제어관리부에 전송하거나 또는 상기 제2 제어관리부에서 생성하는 제어 신호를 상기 제2 네트워크를 통해 상기 제1 제어관리부에 전송할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치는 데이터 용량이 큰 웨이브 데이터를 전송할 수 있는 독립된 통신 네트워크를 추가하여 주요 장치의 고장 예지 및 잔류수명 예측을 효과적으로 수행함으로써 철도차량에 대한 효과적인 예방정비가 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치는 철도차량의 상태에 따라 운영 모드를 동적으로 결정함으로써 하나의 통신 네트워크가 고장난 경우에도 별도의 통신 네트워크를 통해 철도차량의 상태에 관한 실시간 감시를 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 기본 시스템 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 기능적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에서 수행되는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 과정을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 전체적인 개념을 설명하는 도면이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에서 사용되는 데이터 유형을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 기본 시스템 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 기능적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에서 수행되는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 과정을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 전체적인 개념을 설명하는 도면이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에서 사용되는 데이터 유형을 설명하는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 시스템(100)은 철도차량(110), 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130), 데이터베이스(150) 및 사용자 단말(170)을 포함할 수 있다.
철도차량(110)은 철도의 선로 위를 운행할 목적으로 제조된 동력차, 객차, 화차 및 특수차 등에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, 철도차량(110)은 운행 과정에서 다양한 기능을 수행하는 복수의 제어 장치들을 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 철도차량(110)은 BCU(Brake Control Unit), MTR(주변압기), HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning), DCU(Door Control Unit), VVVF(Propulsion Inverter), CMPR(Compressor), BTA(Battery), HSCB(High Speed Circuit Breaker), SIV(Static Inverter), BSM(Bogie Sensor Module), WSM(Wheel Sensor Module), SBM(Switch Board Module), MBM(Motor Block Module), ATS/ATC/ATP/ATO(차상신호장치), WLC(열차무선장치), TCMS&COM(CCTV), CPL(커플러) 및 PIS(승객 정보 시스템)을 포함하여 구현될 수 있다.
철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 운영 모드에 따라 수집된 다양한 정보들을 기초로 철도차량(110)의 고장 진단 및 예지를 수행함으로써 철도차량(110)의 제어 및 관리를 통합 지원할 수 있는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 철도차량(110)과 블루투스, WiFi 등 사물인터넷(Internet of Thing)을 통해 무선으로 연결될 수 있고, 네트워크를 통해 철도차량(110)과 데이터를 주고 받을 수 있다.
일 실시예에서, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 철도차량(110)에 포함된 복수의 센서들로부터 센싱 데이터를 주기적으로 또는 실시간으로 수신할 수 있고, 운영 모드에 따라 철도차량(110)의 제어 및 관리에 필요한 정보들을 철도차량(110)에 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 철도차량(110)에 포함되어 구현될 수 있고, 고장진단 및 예지를 위해 필요한 다양한 정보들을 사용자 단말(170)에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 데이터베이스(150)와 연동하여 철도차량(110)의 제어 및 관리를 통합 지원하기 위하여 필요한 정보를 저장할 수 있다. 한편, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 도 1과 달리, 데이터베이스(150)를 내부에 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 프로세서, 메모리, 사용자 입출력부 및 네트워크 입출력부를 포함하여 구현될 수 있고, 이에 대해서는 도 2에서 보다 자세히 설명한다.
데이터베이스(150)는 철도차량(110)의 제어 및 관리를 통합 지원하기 위해 필요한 다양한 정보들을 저장할 수 있는 저장장치이다. 데이터베이스(150)는 철도차량(110) 및 다양한 제어 장치들에 관한 정보를 저장할 수 있고, 철도차량(110)으로부터 수신한 복수의 센싱 데이터들을 저장할 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 복수의 센싱 데이터들을 기초로 운영 모드를 결정하여 철도차량(110)의 제어 및 관리를 통합 지원하는 과정에서 다양한 형태로 수집 또는 가공된 정보들을 저장할 수 있다.
사용자 단말(170)은 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)로부터 철도차량(110)의 제어 및 관리에 필요한 정보들을 수신하여 다양한 인터페이스를 통해 표시할 수 있는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있다. 사용자 단말(170)은 스마트폰, 노트북 또는 컴퓨터로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 태블릿 PC 등 다양한 디바이스로도 구현될 수 있다. 사용자 단말(170)은 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)와 네트워크를 통해 연결될 수 있고, 복수의 사용자 단말(170)들은 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)와 동시에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 사용자 단말(170)은 철도차량(110) 및/또는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)에 미리 등록되어 데이터들을 송수신하거나 확인할 수 있는 제한된 권한을 획득할 수 있다.
도 2는 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 기본 시스템 구성을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 프로세서(210), 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)를 포함할 수 있다.
프로세서(210)는 운영 모드에 따라 수집된 다양한 정보들을 기초로 철도차량(110)의 고장 진단 및 예지를 수행함으로써 철도차량(110)의 제어 및 관리를 통합 지원하기 위한 각 프로시저를 실행할 수 있고, 그 과정 전반에서 읽혀지거나 작성되는 메모리(230)를 관리할 수 있으며, 메모리(230)에 있는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리 간의 동기화 시간을 스케줄할 수 있다. 프로세서(210)는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)의 동작 전반을 제어할 수 있고, 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)와 전기적으로 연결되어 이들 간의 데이터 흐름을 제어할 수 있다. 프로세서(210)는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)의 CPU(Central Processing Unit)로 구현될 수 있다.
메모리(230)는 SSD(Solid State Disk) 또는 HDD(Hard Disk Drive)와 같은 비휘발성 메모리로 구현되어 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)에 필요한 데이터 전반을 저장하는데 사용되는 보조기억장치를 포함할 수 있고, RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리로 구현된 주기억장치를 포함할 수 있다.
사용자 입출력부(250)는 사용자 입력을 수신하기 위한 환경 및 사용자에게 특정 정보를 출력하기 위한 환경을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자 입출력부(250)는 터치 패드, 터치 스크린, 화상 키보드 또는 포인팅 장치와 같은 어댑터를 포함하는 입력장치 및 모니터 또는 터치스크린과 같은 어댑터를 포함하는 출력장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 사용자 입출력부(250)는 원격 접속을 통해 접속되는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있고, 그러한 경우, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 서버로서 수행될 수 있다.
네트워크 입출력부(270)은 네트워크를 통해 외부 장치 또는 시스템과 연결하기 위한 환경을 포함하고, 예를 들어, LAN(Local Area Network), MAN(Metropolitan Area Network), WAN(Wide Area Network) 및 VAN(Value Added Network) 등의 통신을 위한 어댑터를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 기능적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 제1 제어관리부(310), 제2 제어관리부(330), 통합 운영부(350) 및 제어부(370)를 포함할 수 있다.
제1 제어관리부(310)는 센서 데이터를 기초로 포인트 데이터를 생성하여 고장 유무를 감지하는 복수의 제1 제어 장치들과, 포인트 데이터의 전송을 담당하는 제1 네트워크를 통해 연결되어 철도차량(110)의 제어 및 관리를 지원할 수 있다. 제1 제어관리부(310)는 포인트 데이터를 처리하는 포워딩 서버(Forwarding Server, FWSV)로서의 역할을 수행할 수 있고, 예를 들어, 철도차량(110)의 내부에 기본적으로 설치되는 TCMS(Train Control and Management System)에 해당할 수 있다. 포인트 데이터는 압력, 온도 및 전력량 등을 포함할 수 있다.
즉, 제1 제어관리부(310)는 복수의 제1 제어 장치들에 포함된 각종 제어기(ECU)들과 연결되어 제어 장치의 고장 여부와 제어 장치의 측정 데이터를 수신하여 기관사나 관제부서에 철도차량(110)의 상태를 제공하여 철도차량(110)을 안전하게 운영할 수 있게 지원할 수 있다. 제1 제어 장치는 내부에 제어기(ECU)를 포함할 수 있고, 제어기(ECU)는 장치 제어를 위해 내부적으로 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 제어기(ECU)는 장치 제어에 활용하는 것이 주 목적이기 때문에 센서의 정상 여부를 판단하여 제1 제어관리부(310)에 고장코드를 전송할 수 있다. 또한, 제어기(ECU)는 철도차량(110)의 운영에 참고할 수 있도록 센서 데이터의 극히 일부분이나 주요 값만을 선별하여 제1 제어관리부(310)에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 제어관리부(310)는 차량 내 통신버스(Multifunction Vehicle Bus, MVB), 차량 간 통신버스(Wired Train Bus, WTB) 및 RS485 중 어느 하나를 제1 네트워크로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 제어관리부(310)가 TCMS에 해당하는 경우 제1 네트워크는 TCMS 백본(Backbone)에 해당할 수 있고, 일반적으로 MVB, WTB 및 RS485 등의 통신 네트워크를 사용하여 구현될 수 있다.
제1 네트워크는 통신 네트워크의 밴드폭이 좁아서 대용량의 데이터를 전송하는데 제한이 있으며, 예를 들어, 1024 바이트 이하(Byte or less)의 데이터를 1000 ms 주기로 전송할 수 있다. 결과적으로, 제1 제어관리부(310)는 제1 네트워크를 통해 복수의 제1 제어 장치들로부터 제한된 용량의 포인트 데이터만을 수신하여 처리함으로써 철도차량(110)의 제어 및 관리에 관한 제한된 역할만을 수행할 수 있다.
제2 제어관리부(330)는 제1 네트워크와 각각 연결되고 포인트 데이터와 웨이브 데이터를 이용하여 고장 예지를 수행하는 복수의 제2 제어 장치들과, 웨이브 데이터의 전송을 담당하는 제2 네트워크를 통해 연결되어 철도차량(110)의 제어 및 관리를 지원할 수 있다. 제2 제어관리부(330)는 웨이브 데이터를 처리하는 로컬 프로세싱 서버(Local Processing Server, LPSV)로서의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 제2 제어관리부(330)는 기존의 TCMS의 역할보다 확장된 역할을 수행할 수 있으며, 포인트 데이터보다 용량은 크지만 더 많은 정보를 가진 웨이브 데이터를 수신하여 처리함으로써 제어 장치의 단순 고장 여부 뿐만 아니라 고장에 임박하는 징후나 향후 잔류한 수명 등을 예측하여 예방 정비를 효과적으로 지원할 수 있다. 웨이브 데이터는 진동 신호, 전류/전압 파형 신호 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 제어관리부(330)는 제1 네트워크와 독립적으로 동작하면서 웨이브 데이터의 처리를 위해 제1 네트워크보다 더 큰 전송량 및 더 짧은 전송 주기를 가진 통신 네트워크를 제2 네트워크로서 사용할 수 있다. 제2 네트워크는 제1 네트워크와 연결된 독립적인 통신 백본에 해당할 수 있고, 복수의 제2 제어 장치들과 연결되어 동작할 수 있다. 제2 네트워크는 웨이브 데이터의 전송을 위해 1 기가 바이트 이하(Giga Byte or Less)의 데이터를 100 ms 주기로 전송할 수 있는 성능을 제공할 수 있다. 또한, 제2 제어관리부(330)는 향상된 네트워크 성능에 대응하여 제1 제어관리부(310)와 비교하여 더 큰 데이터 저장 용량과 더 긴 데이터 저장 기간을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 제어관리부(330)는 IoT 통신 모듈과 스위칭 허브를 포함하는 제어 장치 및 아날로그 센서와 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는 제어 장치 중 어느 하나를 제2 제어 장치로서 사용할 수 있다. 제2 제어장치는 웨이브 데이터를 처리할 수 있는 연산 능력을 기본적으로 구비할 수 있으며, 주요 상황에 대한 로우(Raw) 데이터와 주요 인덱스(Index)를 저장할 수 있는 별도의 데이터베이스를 포함할 수 있다. 제2 제어 장치는 제1 제어 장치와 독립적으로 동작하는 별도의 장치에 해당할 수 있다.
또한, 제2 제어 장치는 운영 모드에 따라서 제1 네트워크 또는 제2 네트워크를 통해 데이터 통신을 수행할 수 있고, 이를 위하여 IoT 통신 모듈과 스위칭 허브를 포함하여 구현될 수 있다. 제2 제어 장치는 추가적인 웨이브 데이터의 측정 또는 수집을 위하여 새로운 아날로그 센서와 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하여 구현될 수 있다.
통합 운영부(350)는 철도차량(110)의 상태에 따라 제1 및 제2 네트워크들의 선택적 사용에 관한 운영 모드를 결정하여 제1 및 제2 장치들 간의 데이터 교환을 통해 철도차량(110)의 제어 및 관리를 통합 지원할 수 있다. 철도차량(110)의 상태는 철도차량(110)의 운행 기간, 운행 구간, 운행 조건 등을 기초로 사전에 정의될 수 있고, 통합 운영부(350)는 다양한 조건을 기초로 분류된 철도차량(110)의 상태에 따라 운영 모드를 동적으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 철도차량(110)이 운행을 개시한 상태이거나 일정 기간 이상 운행되어 노후화된 상태인 경우 철도차량(110)의 주요 제어 장치들에 대한 고장을 사전에 진단하여 사고를 예방할 필요가 있기 때문에 통합 운영부(350)는 보다 정밀한 진단이 가능한 운영 모드를 결정할 수 있다. 즉, 통합 운영부(350)는 단순한 정보만을 측정하거나 진단할 경우 제1 네트워크를 사용할 수 있고, 보다 정밀한 분석이 필요한 경우 제2 네트워크를 사용할 수 있다. 또한, 통합 운영부(350)는 철도차량(110)의 상태별 운영 모드에 관한 테이블을 구축하여 운영 모드 결정에 활용할 수 있다.
또한, 통합 운영부(350)는 운영 모드에 따라 제1 제어 장치들 및 제2 제어 장치들 간의 데이터 교환을 수행할 수 있고, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 상호 보완적으로 통합된 상태 데이터를 이용하여 철도차량(110)의 상태에 관한 모니터링을 수행할 수 있다. 제1 제어 장치들 및 제2 제어 장치들 간의 데이터 교환은 통합 운영부(350)에 의해 결정되는 운영 모드에 따라 제1 네트워크를 통한 간접적인 통신에 의해 수행되거나 또는 제1 및 제2 제어 장치들 간의 직접적인 통신에 의해 수행될 수 있다. 이 경우 제1 및 제2 제어 장치들 간의 직접적인 통신은 사물인터넷 통신에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 통합 운영부(350)는 철도차량(110)의 상태에 따라 제1 네트워크만 동작하는 제1 운영 모드, 제2 네트워크만 동작하는 제2 운영 모드, 제1 및 제2 네트워크가 함께 동작하는 제3 운영 모드 중 어느 하나를 결정할 수 있다. 제1 운영 모드는 철도차량(110)에 설치된 기존의 TCMS를 그대로 이용하여 동작하는 운영 모드에 해당할 수 있고, 제2 운영 모드는 더 큰 대역폭을 가진 통신 네트워크를 통해 보다 정밀한 분석이 가능한 운영 모드에 해당할 수 있으며, 제3 운영모드는 제1 및 제2 네트워크가 함께 동작하여 고장 진단 및 예지를 위한 분석을 분담하는 운영 모드에 해당할 수 있다.
통합 운영부(350)는 제1 제어관리부(310) 또는 제2 제어관리부(330)의 동작에 이상이 감지된 경우 운영 모드의 변경을 통해 철도차량(110)의 상태에 관한 실시간 감시 기능이 원활하게 수행되도록 제어할 수 있다. 다른 실시예에서, 통합 운영부(350)는 사용자 단말(170)로부터 수신된 제어 명령에 따라 운영 모드를 수동으로 변경할 수 있다. 또한, 통합 운영부(350)는 반드시 이에 한정되지 않고 철도차량(110)의 상태 모니터링을 위하여 다양한 운영 모드를 정의하여 활용할 수 있다.
일 실시예에서, 통합 운영부(350)는 제3 운영 모드에 따라 포인트 데이터에 센서 데이터를 추가하여 제1 또는 제2 네트워크를 통해 제2 제어관리부(330)에 전송할 수 있다. 제1 네트워크와 제2 네트워크가 함께 동작하는 제3 운영 모드에 의해 동작하는 경우 통합 운영부(350)는 제1 네트워크를 통해 전송되는 포인트 데이터에 활용 가능한 센서 데이터를 추가할 수 있다. 이를 위하여 통합 운영부(350)는 제1 네트워크의 밴드 폭을 증가시킬 수 있다. 제1 및 제2 네트워크를 통해 전송되는 센서 데이터 및 관련 정보에 대해서는 도 6 내지 8에서 보다 자세히 설명한다.
일 실시예에서, 통합 운영부(350)는 운영 모드에 따라 복수의 제1 제어 장치들이 생성하는 포인트 데이터를 제1 네트워크를 통해 복수의 제2 제어 장치들에 전송하거나 또는 복수의 제2 제어 장치들이 생성하는 웨이브 데이터에 관한 포인트 데이터를 제1 네트워크를 통해 복수의 제1 제어 장치들에 전송할 수 있다. 제1 제어 장치들과 제2 제어 장치들은 제1 네트워크를 통해 상호 보완적으로 데이터를 교환할 수 있고, 제1 네트워크를 이용하기 때문에 제2 제어 장치들에서 제1 제어 장치들로 전송되는 데이터는 포인트 데이터로서 웨이브 데이터에 대한 요약 데이터 또는 대표값에 해당할 수 있다. 기본적으로 제1 제어 장치와 제1 제어관리부(310) 간의 통신은 제1 네트워크를 통해 수행되고, 제2 제어 장치와 제2 제어관리부(330) 간의 통신은 제2 네트워크를 통해 수행될 수 있으나, 운영 모드에 따라 전송되는 데이터와 네트워크가 변경될 수 있다.
제2 제어 장치들은 제1 네트워크와 연결되어 있고, 제1 제어 장치들이 생성한 포인트 데이터는 제1 네트워크를 통해 전송되기 때문에 제2 제어 장치는 제1 네트워크를 통해 전송되는 포인트 데이터를 통합 운영부(350)의 제어에 따라 선택적으로 수신할 수 있다. 이를 통해 기존 TCMS를 구성하는 제1 제어 장치의 ECU 데이터들이 제2 제어 장치로 제공될 수 있고, 예를 들어, 속도 데이터 등은 제2 제어 장치에서도 분석을 위해 필요한 데이터 중 하나인데 기존 제1 제어 장치에서 보내주는 데이터를 제2 제어 장치가 그대로 확보할 수 있어 추가 센서의 설치를 생략할 수 있다.
일 실시예에서, 통합 운영부(350)는 운영 모드에 따라 복수의 제2 제어 장치들이 생성하는 제어 신호를 제1 네트워크를 통해 제1 제어관리부(310)에 전송하거나 또는 제2 제어관리부(330)에서 생성하는 제어 신호를 제2 네트워크를 통해 제1 제어관리부(310)에 전송할 수 있다. 제2 제어 장치는 통합 운영부(350)의 제어에 따라 실시간 감시 결과로서 최종 연산의 결과만을 기존의 제1 네트워크를 통해 제1 제어관리부(310)에 전송할 수 있고, 제1 제어관리부(310)는 그에 따른 동작을 수행할 수 있다. 또한, 제2 제어관리부(330)는 제2 네트워크를 통해 제1 제어관리부(310)와 직접 연결될 수 있고, 통합 운영부(350)의 제어에 따라 제어 신호를 제1 제어 관리부(310)에 직접 전송할 수 있다.
제어부(370)는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)의 전체적인 동작을 제어하고, 제1 제어관리부(310), 제2 제어관리부(330) 및 통합 운영부(350) 간의 제어 흐름 또는 데이터 흐름을 관리할 수 있다.
도 4는 도 1에 있는 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에서 수행되는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 과정을 설명하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 제1 제어관리부(310)를 통해 센서 데이터를 이용하여 포인트 데이터를 생성하는 복수의 제1 제어 장치들과 포인트 데이터의 전송을 담당하는 제1 네트워크를 통해 연결되어 철도차량(110)의 제어 및 관리를 지원할 수 있다(단계 S410). 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 제2 제어관리부(330)를 통해 제1 네트워크와 각각 연결되고 센서 데이터 및 포인트 데이터를 이용하여 웨이브 데이터를 생성하는 복수의 제2 제어 장치들과 웨이브 데이터의 전송을 담당하는 제2 네트워크를 통해 연결되어 철도차량(110)의 제어 및 관리를 지원할 수 있다(단계 S430). 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 통합 운영부(350)를 통해 철도차량(110)의 상태에 따라 제1 및 제2 네트워크들의 선택적 사용에 관한 운영 모드를 결정하여 제1 및 제2 장치들 간의 데이터 교환을 통해 철도차량(110)의 제어 및 관리를 통합 지원할 수 있다(단계 S450).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치의 전체적인 개념을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 기존의 TCMS 백본(Backbone)을 제1 네트워크(513)로 사용하는 제1 제어관리부(510)와 향상된 통신 환경을 제공하는 새로운 CMB 백본을 제2 네트워크(533)로 사용하는 제2 제어관리부(530)를 포함할 수 있다. 제1 네트워크(513)는 복수의 제1 제어 장치(511)들과 연결되어 제1 제어관리부(510)에게 포인트 데이터를 전송할 수 있고, 제2 네트워크(533)는 복수의 제2 제어 장치(531)들과 연결되어 제2 제어관리부(530)에게 웨이브 데이터를 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 제어 장치(531)는 IoT 통신 모듈과 스위칭 허브를 포함하는 제어 장치(531b) 및 아날로그 센서와 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는 제어 장치(531a)로 구성될 수 있다. 아날로그 센서를 포함하는 제어 장치(531a)는 기존의 TCMS에서 활용하기 어려웠던 파형 데이터를 측정하거나 수집할 수 있고, 철도차량(110)의 예방정비를 위하여 정밀분석이 필요한 위치에 선택적으로 설치될 수 있다. 또한, IoT 통신 모듈과 스위칭 허브를 포함하는 제어 장치(531b)는 기존의 TCMS를 구성하는 제1 제어 장치(511)에 각각 대응하면서 웨이브 데이터의 수집과 분석이 자체적으로 가능하도록 향상된 성능을 갖춘 IoT 기반의 상태 모니터링 시스템에 해당할 수 있다.
즉, 제2 제어 장치(531)는 로우(raw) 데이터 수집과 데이터베이스 구축이 가능하고, 특징 추출과 참조 특징(reference feature)을 분류할 수 있으며, 분류된 특징 분포에 의한 진단과 빅데이터 처리에 의한 예지를 수행할 수 있다. 또한, 제2 제어 장치(531)는 제1 제어관리부(510)로 핵심 데이터를 전송하는 역할을 수행할 수 있다.
도 6 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치에서 사용되는 데이터 유형을 설명하는 도면이다.
도 6 내지 8을 참조하면, 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)는 제1 및 제2 네트워크들을 통해 다양한 정보들을 수집 및 분석하여 철도차량(110)의 제어 및 관리를 지원할 수 있다. 복수의 센서를 포함하여 센싱 데이터를 수집하는 제어 장치는 운영 모드에 따라 제1 및 제2 네트워크를 통해 선별적으로 데이터를 전송할 수 있다.
도 6 내지 8에서, 철도차량(110)에 설치되는 주요 제어 장치별 명칭, 고장/기본정보, 자체 센서 정보 중 기본 TCMS 센서 데이터, 자체 센서 정보 중 추가/전송 가능 데이터, IoT 정밀 진단 및 예지 정보, 참조 데이터(Reference Data)를 확인할 수 있다. 각 장치에 대응되는 제1 및 제2 제어 장치들은 운영 모드에 따라 제1 및 제2 네트워크를 통해 각각의 정보를 제1 제어관리부(310), 제2 제어관리부(330) 및 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치(130)에 전송할 수 있다.
예를 들어, BCU(브레이크 제어 유닛)는 제1 네트워크를 통해 고장 코드(failure code) 및 기본 TCMS 센서 데이터를 전송할 수 있다. 이 때, 기본 TCMS 센서 데이터는 실린더 압력, 적재하중, 회생재동력요구, 회생제동달성, 공기제동감쇄, 지령, BCP 범위 고장, BCP 일관성 고장, 부품고장, WSP 신호, MR 압력 고장 등을 포함할 수 있다. BCU는 운영 모드에 따라 실린더 압력, 적재하중, AC압력, BC압력, Anti skid valve, MR 압력, AS 압력, BC 압력적용, 작동 횟수 등을 추가적으로 전송할 수 있으며, 이 경우 제1 제어관리부(310) 또는 제2 제어관리부(330)가 해당 데이터들을 수신할 수 있다.
또한, BCU는 제2 네트워크를 통해 IoT 정밀 진단 및 예지 정보를 전송할 수 있으며, 예를 들어, 실린더 작동 압력, 파형, 적재하중, Valve 작동 전류 파형, 실린더 압력, 적재하중, AC압력, BC압력, Anti skid valve, MR 압력, AS 압력, BC 압력적용, 작동 횟수, 외기온도, 속도, 감속도, 운행거리, 운행시간, 운행구간 등을 전송할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 시스템
110: 철도차량
130: 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치
150: 데이터베이스 170: 사용자 단말
210: 프로세서 230: 메모리
250: 사용자 입출력부 270: 네트워크 입출력부
310: 제1 제어관리부 330: 제2 제어관리부
350: 통합 운영부 370: 제어부
510: 제1 제어관리부 511: 제1 제어장치
513: 제1 네트워크 530: 제2 제어관리부
531: 제2 제어장치 533: 제2 네트워크
110: 철도차량
130: 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치
150: 데이터베이스 170: 사용자 단말
210: 프로세서 230: 메모리
250: 사용자 입출력부 270: 네트워크 입출력부
310: 제1 제어관리부 330: 제2 제어관리부
350: 통합 운영부 370: 제어부
510: 제1 제어관리부 511: 제1 제어장치
513: 제1 네트워크 530: 제2 제어관리부
531: 제2 제어장치 533: 제2 네트워크
Claims (8)
- 센서 데이터를 기초로 포인트 데이터를 생성하여 고장 유무를 감지하는 복수의 제1 제어 장치들과, 상기 포인트 데이터의 전송을 담당하는 제1 네트워크를 통해 연결되어 철도차량의 제어 및 관리를 지원하는 제1 제어관리부;
상기 제1 네트워크와 각각 연결되고 상기 포인트 데이터와 웨이브 데이터를 이용하여 고장 예지를 수행하는 복수의 제2 제어 장치들과, 상기 웨이브 데이터의 전송을 담당하는 제2 네트워크를 통해 연결되어 상기 철도차량의 제어 및 관리를 지원하는 제2 제어관리부; 및
상기 철도차량의 상태에 따라 상기 제1 및 제2 네트워크들의 선택적 사용에 관한 운영 모드를 결정하여 상기 제1 및 제2 장치들 간의 데이터 교환을 통해 상기 철도차량의 제어 및 관리를 통합 지원하는 통합 운영부를 포함하되,
상기 포인트 데이터는 압력, 온도 및 전력량을 포함하고 상기 웨이브 데이터는 진동 신호 및 전류/전압 파형 신호를 포함하며,
상기 제2 제어관리부는 상기 제1 네트워크와 독립적으로 동작하면서 상기 웨이브 데이터의 처리를 위해 상기 제1 네트워크보다 더 큰 전송량 및 더 짧은 전송 주기를 가진 통신 네트워크를 상기 제2 네트워크로서 사용하고,
상기 제1 제어관리부 및 상기 제2 제어관리부는 하드와이어링을 통해 직접 연결되어 상기 통합 운영부에 의해 결정된 운영 모드에 따라 상기 제1 및 제2 네트워크의 경유없이도 상기 제1 제어관리부로부터 상기 제2 제어관리부로의 상기 웨이브 데이터의 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 제어관리부는
차량 내 통신버스(Multifunction Vehicle Bus, MVB), 차량 간 통신버스(Wired Train Bus, WTB) 및 RS485 중 어느 하나를 상기 제1 네트워크로서 사용하는 것을 특징으로 하는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 제2 제어관리부는
IoT 통신 모듈과 스위칭 허브를 포함하는 제어 장치 및 아날로그 센서와 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는 제어 장치 중 어느 하나를 제2 제어 장치로서 사용하는 것을 특징으로 하는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 통합 운영부는
상기 철도차량의 상태에 따라 상기 제1 네트워크만 동작하는 제1 운영 모드, 상기 제2 네트워크만 동작하는 제2 운영 모드, 상기 제1 및 제2 네트워크가 함께 동작하는 제3 운영 모드 중 어느 하나를 결정하는 것을 특징으로 하는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 통합 운영부는
상기 제3 운영 모드에 따라 상기 포인트 데이터에 상기 센서 데이터를 추가하여 상기 제1 또는 제2 네트워크를 통해 상기 제2 제어관리부에 전송하는 것을 특징으로 하는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 통합 운영부는
상기 운영 모드에 따라 상기 복수의 제1 제어 장치들이 생성하는 상기 포인트 데이터를 상기 제1 네트워크를 통해 상기 복수의 제2 제어 장치들에 전송하거나 또는 상기 복수의 제2 제어 장치들이 생성하는 웨이브 데이터에 관한 포인트 데이터를 상기 제1 네트워크를 통해 상기 복수의 제1 제어 장치들에 전송하는 것을 특징으로 하는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 통합 운영부는
상기 운영 모드에 따라 상기 복수의 제2 제어 장치들이 생성하는 제어 신호를 상기 제1 네트워크를 통해 상기 제1 제어관리부에 전송하거나 또는 상기 제2 제어관리부에서 생성하는 제어 신호를 상기 제2 네트워크를 통해 상기 제1 제어관리부에 전송하는 것을 특징으로 하는 상태 모니터링 기반의 철도차량 유지보수 플랫폼용 장치.
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