KR102255989B1 - 열차 운행 안전성 모니터링 방법 - Google Patents

열차 운행 안전성 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열차의 운행 안전성을 모니터링함에 있어서 P파, 최대지진가속도(PGA) 및 누적절대속도(CAV)를 종합적으로 반영하여 열차 운행 관리 기준을 설정함으로써 정확성과 안전성을 모두 담보할 수 있도록 한 열차 운행 안전성 모니터링 방법에 관한 것이다.
본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법은 철도 시설의 주요 장소에 설치된 복수의 가속도 센서와 유/무선 통신망을 통해 연결된 모니터링 서버에 의해 수행되되, 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과하는 경우에는 열차의 운행을 정지시키는 (a) 단계; 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하지 않고 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과하지 않는 경우에는 열차를 정상 운행시키는 (b) 단계 및 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과하지 않거나 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하지 않고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과한 경우에는 열차를 감속 운행시키는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, (a) 단계 이전에 실시간으로 수집된 초당 최대지반가속도(PGA)가 제1 기준치(RP1, 단 RP1 < RP2)를 초과하는 경우에는 일시적으로 해당 구간의 열차를 감속 운행하는 (pa1) 단계를 더 구비한다.
상기 (pa1) 단계 이후 및 상기 (a) 단계 이전에 최대지반가속도(PGA)가 제1 기준치(RP1)를 초과한 시점을 기준으로 이전 및 이후의 정해진 시간 동안 가속도-시간 이력 곡선을 산출하는 (pa2) 단계를 더 구비한다.
상기 (pa2) 단계에서 상기 이후 시간이 상기 이전 시간보다 길게 정해진다.

Description

열차 운행 안전성 모니터링 방법{method for monitering operation safety of train}
본 발명은 열차 운행 안전성 모니터링 방법에 관한 것으로, 특히 열차 운행의 안전성을 모니터링함에 있어서 P파, 최대지진가속도(PGA) 및 누적절대속도(CAV)를 종합적으로 반영하여 열차 운행 관리 기준을 설정함으로써 정확성과 안전성을 모두 담보할 수 있도록 한 열차 운행 안전성 모니터링 방법에 관한 것이다.
전세계 여러 지역에서 크고 작은 지진이 심심치 않게 발생하는데, 이를 사람들에게 신속하게 알려주지 못하는 경우 지상이나 지하 시설물에 있는 사람들이 미처 대피하지 못하여 인명 피해를 입는 경우가 많다.
한편, 지진의 규모는 각 관측소의 지진계에 기록된 진폭을 진원의 깊이 및 진앙까지의 거리 등을 고려하여 지수로 나타낸 것으로서, 장소에 관계없는 절대적 수치를 말한다. 반면에, 지진의 진도는 어떤 장소에 나타난 진동의 세기를 사람의 느낌이나 주변의 물체 또는 구조물의 흔들림 정도를 수치로 표현한 것으로서, 상대적 수치이며 정수 단위로 나타낸다. 이러한 진도는 지진의 규모와 진앙거리 및 진원 깊이에 따라 크게 좌우되며, 그 지역의 지질 구조와 구조물의 형태 및 인구 현황에 따라 달리 나타날 수 있다. 따라서 규모와 진도는 반드시 1대1 대응 관계에 있지 않으며 하나의 지진에 대하여 여러 지역에서의 규모는 동일하나 진도 계급은 달라질 수 있다. 즉, 지진 규모는 동일하나 거리가 멀어짐에 따라 진도가 작아진다.
이러한 진도 계급은 세계적으로 통일되어 있지 않으며 나라마다 실정에 맞는 척도를 채택하고 있다. 우리나라는 최근부터 수정된 메르칼리 진도계급(Modified Mercalli Intensity scale)을 사용하고 있다.
한편, 우리나라는 아래의 표 1과 같이 내진등급을 그 중요도에 따라 내진 특등급, 내진 Ⅰ등급 및 내진 Ⅱ등급으로 분류하고 있는데, 철도 시설은 철도 내진설계 기준에 따라 내진 Ⅰ등급으로 분류된다.
Figure 112020114596541-pat00001
우리나라에서는 또한 그 중요도에 따라 설계 재현주기를 기준으로 내진성능목표를 설정하고 있는데, 철도 시설과 같이 내진 Ⅰ등급 시설인 경우에는 100년(10년내 초과확률 10%)의 설계 재현주기에서 '기능수행'이 가능한 성능 수준, 즉 "설계지진하중 적용시 시설에 발생한 손상이 경미하고, 구조물의 경우 설계 당시의 강도 및 강성을 유지하며, 비구조 요소의 경우 전원 및 기능이 유지"될 수 있는 성능 수준을 목표로 하고 있다.
예를 들어 S3(얇고 연약한 지반)의 지반 종류를 대상으로 내진 Ⅰ등급의 기능 수행 수준, 즉 설계 재현주기 100년의 최대지반가속도를 운행 안전 모니터링 기준치로 하면 0.0652g(=65.2 gal)가 될 수 있고, 내진 Ⅱ등급의 기능 수준, 즉 설계 재현주기 50년의 최대지반가속도를 기준치로 하면 0.0458g(=45.8 gal)이 될 수 있다.
여기에서 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration; PGA)는 지진 발생시 진동에 의해 지반이 움직인 최대 가속도를 의미하는데, 지진의 진도와 관련이 있으며 단위는 보통 g(중력 가속도 단위) 또는 gal(cm/s²)를 이용한다.
그런데, 지진파 중에서 가장 속도가 빠른 P파의 발생 여부와 PGA 만에 의해 열차 운행 안전성을 모니터링하는 경우에는 비록 진동의 지속 시간이 짧더라도 발파 작업 등의 산업 활동이나 열차 진동 등과 같은 노이즈에 의해 PGA가 기준치를 초과하여 가짜 경보(false alarm)가 발생됨으로써 수시로 열차가 감속 운행되는 등의 불편함을 초래하거나 잦은 오경보로 인해 사람들의 경각심 해이를 유발하는 문제점이 있었다.
선행기술 1 : 등록특허공보 제10-1333002호(발명의 명칭 : 철도용 지진 조기경보 시스템 및 그 방법)
선행기술 2 : 등록특허공보 제 10-0803097호(발명의 명칭 : 지진 재난 방지용 제어 시스템)
선행기술 3 : 공개특허공보 제10-2011-0092107호(발명의 명칭 : 지하철 화재 감시 시스템 및 그의 제어방법)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열차의 운행 안전성을 모니터링함에 있어서 P파, 최대지진가속도(PGA) 및 누적절대속도(CAV)를 종합적으로 반영하여 열차 운행 관리 기준을 설정함으로써 정확성과 안전성을 모두 담보할 수 있도록 한 열차 운행 안전성 모니터링 방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법은 철도 시설의 주요 장소에 설치된 복수의 가속도 센서와 유/무선 통신망을 통해 연결된 모니터링 서버에 의해 수행되되, 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과하는 경우에는 열차의 운행을 정지시키는 (a) 단계; 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하지 않고 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과하지 않는 경우에는 열차를 정상 운행시키는 (b) 단계 및 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과하지 않거나 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하지 않고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과한 경우에는 열차를 감속 운행시키는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, (a) 단계 이전에 실시간으로 수집된 초당 최대지반가속도(PGA)가 제1 기준치(RP1, 단 RP1 < RP2)를 초과하는 경우에는 일시적으로 해당 구간의 열차를 감속 운행하는 (pa1) 단계를 더 구비한다.
상기 (pa1) 단계 이후 및 상기 (a) 단계 이전에 최대지반가속도(PGA)가 제1 기준치(RP1)를 초과한 시점을 기준으로 이전 및 이후의 정해진 시간 동안 가속도-시간 이력 곡선을 산출하는 (pa2) 단계를 더 구비한다.
상기 (pa2) 단계에서 상기 이후 시간이 상기 이전 시간보다 길게 정해진다.
본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법에 따르면, P파, 최대지진가속도(PGA) 및 누적절대속도(CAV)를 종합적으로 반영하여 열차 운행 관리 기준을 설정함으로써 정확성과 안전성을 모두 담보할 수 있고, 이에 따라 오경보로 인한 열차의 잦은 감속 운행에 따른 불편함 및 오경보로 인한 경각심 해이를 방지할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 시스템의 네트워크 구성도.
도 2는 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 3은 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법의 개념을 설명하기 위한 그래프.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 시스템의 네트워크 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 시스템은 철도의 적소, 예를 들어 복수의 역사에 각각 설치된 가속도 센서(100), 각 가속도 센서(100)로부터 실시간으로 가속도 데이터를 수집하여 열차 운행 안전성을 모니터링하는 모니터링 서버(200) 및 모니터링 서버(200)의 모니터링 결과에 기초하여 열차의 정상 운행, 감속 운행 또는 운행 정지 여부 등을 관리하는 열차 운행 관리 서버(300)가 유/무선 통신망을 통해 연결되어 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 가속도 센서(100)는 열차의 진동 등에 의한 영향을 받지 않는 장소, 예를 들어 각 역사에 설치될 수 있는바, 바람직하게는 X, Y 및 Z축의 3축 가속도 센서로 구현될 수 있다. 모니터링 서버(200)는 각 가속도 센서(100)로부터 실시간으로 현장의 가속도 데이터를 수집한 후에 이를 바탕으로 P파의 관측 여부, 최대지반가속도(PGA) 및 누적절대속도(CAV)를 종합적으로 판단하여 열차 운행의 안전성 여부를 모니터링하고, 그 결과를 열차 운행 관리 서버(300)에 전달한다.
마지막으로, 열차 운행 관리 서버(300)는 모니터링 서버(200)로부터 전달받은 모니터링 결과에 의거하여 정해진 구간 별로 열차의 정상 운행, 감속 운행 또는 운행 정지 여부를 관리하는바, 실제로는 훨씬 복잡한 구성으로 이루어질 수 있지만 설명의 편의상 간단하게 표현하고 있다.
한편, 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법에서는 P파의 관측 여부나 최대지반가속도 이외에 누적절대속도까지 반영하여 열차 운행의 안전성을 모니터링하는데, '누적절대속도'(Cumulative Absolute Velocity, CAV)라 함은 아래의 수학식 1과 같이 가속도 절대값의 초당 최대값이 특정값, 예를 들어 0.025g(=25 gal)를 초과시 가속도 절대값을 적분하여 누적한 값으로 정의된다. 여기서, H는 헤비사이드 계단 함수(Heaviside step function)로서, H 함수 값이 0보다 작거나 같으면 0을, 그렇지 않으면 그 값을 출력한다. 이러한 누적절대속도(CAV)는 원래 미 중동부 지역에 위치한 원자력 발전소에서 발생하는 중소규모의 지진들에 대해서 발전소 운전 정지 결정에 대한 합리적인 판단 근거를 제공하기 위해 개발된 지표인바, 본 발명에서는 이를 열차 운행의 안전성을 모니터링하기 위해 차용하고 있다.
Figure 112020114596541-pat00002
도 2는 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법을 설명하기 위한 흐름도인바, 모니터링 서버(200)에 의해 수행될 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 단계 S100에서 모니터링 서버(200)는 철도 시설의 주요 장소, 예를 들어 열차의 진동 등에 의한 영향을 덜 받은 역사 등에 설치된 복수의 가속도 센서(100), 예를 들어 X, Y 및 Z축의 3축 가속도 센서(100)로부터 해당 지점에서의 가속도 데이터, 예를 들어 초당 PGA를 실시간으로 수집한다.
다음으로, 단계 S110에서는 수집된 가속도 데이터, 즉 초당 PGA가 P파의 조기 경보 기준인 제1 기준치(RP1), 예를 들어 16gal를 초과하는지를 판단하는데, 이 단계 S110는 지진 발생 가능성을 염두에 둔 사전 대비를 위해 주어질 수 있다.
단계 S110에서 초당 PGA가 제1 기준치(RP1)를 초과하지 않은 경우에는 열차 운행 관리 서버(300)에 지시하여 열차를 정상 운행(단계 S170)시킨다.
반면에 단계 S110에서 초당 PGA가 제1 기준치(RP1)를 초과한 경우에는 일단 해당 구간의 열차를 정해진 기준에 따라 감속 운행하도록 열차 운행 관리 서버(300)에 통보(단계 S120), 예를 들어 일시 정차 후 90㎞/h 이하로 운전하도록 통보함과 함께 단계 S130을 수행하여 지진 구간 자료, 예를 들어 초당 PGA가 제1 기준치(RP1)를 초과한 시점을 기준으로 이전 30초 및 이후 180초 동안의 가속도-시간 이력 곡선을 추출(산출)한다. 물론, 이러한 지진 구간은 초당 PGA가 제1 기준치(RP1)를 초과한 시점을 기준으로 10초~1분 이전 및 1분~5분 이후의 시간 구간에서 적절하게 정해질 수 있다.
다음으로 단계 S140에서는 지진동, 즉 P파가 실제로 관측되는지를 판단하는데, 관측되지 않은 경우에는 일시적인 노이즈, 예를 들어 발파 작업 등의 산업 활동이나 열차 진동에 의해 초당 PGA가 제1 기준치(RP1)를 초과한 것으로 판단하고 열차 운행 관리 서버(300)에 지시하여 열차를 정상 운행(단계 S170)시킨다.
단계 S140에서 지진동, 즉 P파가 관측된 경우에는 다시 단계 S150으로 진행하여 초당 PGA가 제2 기준치(RP2), 예를 들어 46gal을 초과하는지를 판단 판단한다. 단계 S150에서 초당 PGA가 제2 기준치(RP2)를 초과한 경우에는 다시 단계 S190으로 진행하여 누적절대속도(CAV)를 계산하여 그 임계치(RC), 예를 들어 50gal*sec를 초과하는지를 판단한다.
단계 S190에서 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과한 경우에는 근거리에서 발생한 대규모 지진으로 인해 열차에 큰 피해가 발생할 수 있다고 판단하고 열차 운행 관리 서버(300)에 지시하여 해당 구간의 열차 운행을 즉시 정지(단계 S200)시킨다.
반면에 단계 S190에서 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과하지 않은 경우에는 근거리에서 발생한 소규모 지진으로 인해 열차 운행의 안전에 일부 영향이 있다고 판단하고 열차 운행 관리 서버(300)에 지시하여 해당 구간의 열차를 감속 운행(단계 S180)시킨다.
단계 S150에서 초당 PGA가 제2 기준치(RP2)를 초과하지 않은 경우에는 다시 단계 S160으로 진행하여 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과하는지를 판단한다. 단계 S160에서 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과하지 않은 경우에는 발생된 지진이 열차 운행의 안전에 별다른 영향을 미치지 않는다고 판단하고 열차 운행 관리 서버(300)에 지시하여 열차를 정상 운행(단계 S170)시킨다.
반면에 단계 S160에서 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과한 경우에는 원거리에서 발생된 대규모 지진에 의해 열차 운행의 안전에 일부 영향이 있다고 판단하고 열차 운행 관리 서버(300)에 지시하여 해당 구간의 열차를 감속 운행(단계 S190)시킨다.
도 3은 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법을 개념적으로 설명하기 위한 그래프인바, 이를 정리하면 아래의 표 2와 같다.
구역 조치 내용
0
(PGA ≤ 46gal & CAV ≤ 50gal-sec)		 발생된 지진이 열차 운행의 안전에 영향을 미치지 않으므로 감속 없이 열차 정상 운행
1
(PGA ≤ 46gal & CAV > 50gal-sec)		 원거리에서 발생된 대규모 지진으로 인해 열차 운행의 안전에 일부 영향이 있으므로 열차 감속 운행
2
(PGA > 46gal & CAV ≤ 50gal-sec)		 근거리에서 발생된 소규모 지진으로 인해 열차 운행의 안전에 일부 영향이 있으므로 열차 감속 운행
3
(PGA > 46gal & CAV > 50gal-sec)		 근거리에서 발생된 대규모 지진으로 인해 열차의 피해가 발생할 수 있으므로 열차 운행 정지
이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 열차 운행 안전성 모니터링 방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다. 예를 들어, 전술한 각종 기준치 등은 상황에 따라 달라질 수 있을 것이다.
100: 가속도 센서, 200: 모니터링 서버,
300: 열차 운행 관리 서버

Claims (4)

  1. 철도 시설의 주요 장소에 설치된 복수의 가속도 센서와 유/무선 통신망을 통해 연결된 모니터링 서버에 의해 수행되되,
    실시간으로 수집된 초당 최대지반가속도(PGA)가 제1 기준치(RP1)를 초과하는 경우에 일시적으로 해당 구간의 열차를 감속 운행하는 (pa1) 단계;
    최대지반가속도(PGA)가 제1 기준치(RP1)를 초과한 시점을 기준으로 이전 및 이후의 정해진 시간(단, 상기 이후 시간이 상기 이전 시간보다 길게 정해짐) 동안 가속도-시간 이력 곡선을 산출하는 (pa) 단계;
    최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2, , 단 RP1 < RP2)를 초과하고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과하는 경우에는 열차의 운행을 정지시키는 (a) 단계;
    최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하지 않고 누적절대속도(CAV)가 그 임계치(RC)를 초과하지 않는 경우에는 열차를 정상 운행시키는 (b) 단계 및
    최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과하지 않거나 최대지반가속도(PGA)가 제2 기준치(RP2)를 초과하지 않고 누적절대속도(CAV)가 임계치(RC)를 초과한 경우에는 열차를 감속 운행시키는 (c) 단계를 포함하여 이루어진 열차 운행 안전성 모니터링 방법.
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