KR102512650B1

KR102512650B1 - 에너지 효율적인 열차 자동운전방법

Info

Publication number: KR102512650B1
Application number: KR1020220050568A
Authority: KR
Inventors: 이재원
Original assignee: 현대로템 주식회사
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2023-03-21

Abstract

본 발명은 열차 자동운전방법에 관한 것으로서, 특히 운행 스케줄(schedule)과 선로조건, 차량정보 등 열차의 운행 중 변경되는 운행 조건을 실시간으로 반영하면서 에너지 효율적인 운행을 이루도록 하는 열차 자동운전방법에 관한 것이다. 구성은 (a) 열차의 자동운전 출발 전 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 입력받는 단계와, (b) 입력된 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 통해 에너지 효율적인 자동운전 프로파일을 생성하는 단계와, (c) 생성된 프로파일을 통해 목표지점통과 및 도착예상 시간을 예측하는 단계와, (d) 열차 운행 스케줄에 따라 프로파일 생성 및 운행 프로파일을 수정하는 단계와, (e) 연산된 프로파일에 따라 열차를 자동운전하는 단계를 포함하는 에너지 효율적인 열차 자동운전방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 자동운전 프로파일 생성은 (1) 열차의 출발 지점부터 정차 지점까지 계산된 최대 제한속도 프로파일인 MRSP를 선로정보에 따라 구간을 구분하고, (2) 정차 지점을 기준으로 제동곡선(Braking Curve) 작성과, 출발 지점을 기준으로 추진 곡선(Traction Curve)을 작성하며, 최대 제한속도 프로파일(MRSP)이 변하는 부분을 기준으로 추진 곡선과, 타행 곡선을 작성하며, (4) 출발 지점부터정차 지점까지 작성된 곡선을 따라 프로파일이 거리-속도 간 일대일 대응이 되도록 프로파일을 연결하는 순서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 효율적인 열차 자동운전방법{Energy-Efficient Automatic Train Operation Method}

본 발명은 열차 자동운전방법에 관한 것으로서, 특히 운행 스케줄(schedule)과 선로조건, 차량정보 등 열차의 운행 중 변경되는 운행 조건을 실시간으로 반영하면서 에너지 효율적인 운행을 이루도록 하는 열차 자동운전방법에 관한 것이다.

일반적으로 열차는 선로 위를 이동하며 대량으로 여객과 화물을 수송하는 교통수단으로, 운전 방법은 크게 수동운전과 자동운전으로 구분될 수 있다.

즉, 수동운전은 열차의 역 출발, 역간 주행, 역 정밀정지에 이르는 모든 과정에 사람의 개입에 의하여 이루어지는 운전방법이며, 자동운전은 이러한 과정 중에 일부 과정 또는 전 과정에 대하여 통신 및 컴퓨터 기술을 이용하여 사람의 개입 없이 자동으로 이루어지도록 하는 운전방법이다.

그리고, 현재 국내에 설치운영중인 열차는 수동운전 제어시스템 또는 자동운전 제어시스템을 사용하는 도시철도차량과, 수동운전 제어시스템을 사용하는 일반철도차량 및 고속철도차량 등이 있다.

즉, 최근 도시철도차량에는 자동운전 제어시스템을 이용하는 자동운전방법이 일반적으로 적용되고 있으며, 일반철도차량 및 고속철도차량에도 자동운전 제어시스템을 이용한 자동운전방법에 대한 수요가 발생하고 있다.

이러한, 초기의 열차 자동운전방법은 운전자의 역간 수동 운전을 자동화하여 운전자의 편의성 향상을 목적으로 시작되었으나, 현재 자동운전 제어시스템은 자동운전 기능에 더하여 열차의 정시 운행과 열차 운행 시 소비되는 에너지를 줄이는 방향으로 시스템과 방법이 발전되고 있다.

그러나, 종래의 열차 자동운전방법은 열차의 운행 중 변경되는 운행 조건을 반영하지 못해 운행 스케줄 준수가 어려운 문제점이 있었다.

즉, 종래 기술은 열차가 출발 지점에서 자동운전으로 출발하기 전 DB(Data Base)로부터 또는 계산된 운행 프로파일을 결정하여 목표 지점까지 결정된 운행 프로파일에 의해 열차을 운행하는 방식으로서, 열차의 운행 중 운행 스케줄이나 선로 조건, 차량 정보(열차 속도, 위치, 주행 저항, 응하중, 열차 속도 별 가/감속도) 등과 같은 운행 조건이 변경되면 사용 중인 운행 프로파일은 변경된 운행 조건에 맞지 않게 되므로 결과적으로 운행 스케줄을 준수할 수 없게 된다.

또, 종래에는 DB화된 운행 프로파일 사용 방식은 DB 저장 공간의 한계와 발생할 수 있는 운행 조건에 대해서 모든 경우를 모두 고려하는 것은 불가하다는 한계로 인해 유한한 양의 운행 프로파일만 저장/사용될 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

그리고, 도시철도차량과 달리 일반철도차량 및 고속철도차량의 경우 기연산 된 운행 프로파일이 DB에 저장되어 있지 않는 노선에서는 열차를 자동운전할 수 없는 문제점이 있다.

그러므로, 열차의 운행 중 변경되는 운행 조건을 모두 반영하는 것과 모든 노선을 자동 운전하는 것은 불가능한 문제점이 있었다.

또한, 종래의 자동운전방식은 자동 운전 프로파일이 MRSP(Most Restrictive Speed Profile) 값을 추종하는 All-Out 운전 방식이었다. All-Out 방식을 사용하는 자동운전에서는 운전 중 추진/제동 제어 변환이 상대적으로 많고 타행 제어는 상대적으로 적을 수 밖에 없다.

따라서, 종래의 자동운전방법은 에너지 소비를 하지 않는 타행 제어는 적고, 에너지 소비를 하는 추진/제동 제어가 많기 때문에 에너지 소비도 상대적으로 많아 에너지 효율적인 운행이 어려운 문제점이 있었다.

이와 같이, 종래기술은 열차의 운행 중 변경되는 운행 조건과 실제 열차 운행을 통해 변경되는 차량 상태를 반영하지 못해 운행 스케줄과 실제 운행과의 시간차가 발생하게 된다.

뿐만 아니라, 자동 운전 프로파일이 MRSP 값을 추종하는 방식이기 때문에 추진/제동 제어 변환이 상대적으로 많아 에너지 소비도 상대적으로 많은 문제점이 있었다.

공개특허 10-2017-0102127 공개특허 10-2009-0091396 공개특허 10-2016-0000031

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 운행 프로파일 연산 시 운행 조건 실시간 반영과 열차의 운행 목표 지점의 도착과, 통과 시간 예측을 통해 열차 자동운전의 정시성을 확보하고, 에너지 효율적인 운행이 이루어지도록 하는 열차 자동운전방법을 제공하는 것이다.

또, 본 발명은 열차가 다음 목표 지점에 정시에 도달(도착/통과)할 수 있는지를 주기적으로 계산 및 예측하여 운행 스케줄에 적합한 에너지 효율적인 운행 프로파일을 생성하고 열차를 운행할 수 있도록 함으로써 운행 스케줄을 준수한 에너지 효율적인 열차 자동 운전이 가능하도록 하는 열차 자동운전방법을 제공하는 것이다.

삭제

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 (a) 열차의 자동운전 출발 전 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 입력받는 단계와, (b) 입력된 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 통해 에너지 효율적인 자동운전 프로파일을 생성하는 단계와, (c) 생성된 프로파일을 통해 목표지점통과 및 도착예상 시간을 예측하는 단계와, (d) 열차 운행 스케줄에 따라 프로파일 생성 및 운행 프로파일을 수정하는 단계와, (e) 연산된 프로파일에 따라 열차를 자동운전하는 단계를 포함하는 에너지 효율적인 열차 자동운전방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 자동운전 프로파일 생성은 (1) 열차의 출발 지점부터 정차 지점까지 계산된 최대 제한속도 프로파일인 MRSP를 선로정보에 따라 구간을 구분하고, (2) 정차 지점을 기준으로 제동곡선(Braking Curve) 작성과, 출발 지점을 기준으로 추진 곡선(Traction Curve)을 작성하며, 최대 제한속도 프로파일(MRSP)이 변하는 부분을 기준으로 추진 곡선과, 타행 곡선을 작성하며, (4) 출발 지점부터정차 지점까지 작성된 곡선을 따라 프로파일이 거리-속도 간 일대일 대응이 되도록 프로파일을 연결하는 순서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 에너지 효율적인 열차 자동운전방법에 있어서, 상기 추진, 제동, 타행 곡선을 작성하기 위해 사용되는 수식은

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 에너지 효율적인 열차 자동운전방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서 목표지점통과 및 도착예상 시간 예측에 사용되는 수식은

인 것을 특징으로 한다.

삭제

이상에서와 같이 본 발명은 열차의 자동운전 중 운행 조건(선로 조건, 운행 스케줄, 차량 상태)이 변경되더라도 변경된 조건에 맞는 열차 운행 스케줄을 준수할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명은 운행 스케줄에 여유가 있을 경우 에너지 효율적인 자동 운전 프로파일에 따라 열차를 운행함으로써 열차의 운행 시 소비되는 전력 소비량을 현저하게 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 열차의 전체 운영 노선의 효율성(에너지 효율성, 정시성, 선로 용량)을 고려한 개별 열차의 운행 스케줄 제어가 가능한 효과를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법에 대한 순서도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전 제어시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법의 자동운전 프로파일을 생성하는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자동운전 프로파일 생성과정을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법의 자동운전 프로파일을 생성방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 열차 자동운전방법을 적용하여 운행 후 추진, 제동, 타행 결과를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법을 적용하여 운행 후 추진, 제동, 타행 결과를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법의 목표지점 통과 및 도착 예상 시간을 예측하는 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법의 목표지점 통과 및 도착 예상 시간을 예측하는 방법에 대한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법의 운행 스케줄을 준수하는 자동운전 프로파일을 생성하는 개략적인 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 운행 스케줄을 준수하는 자동운전 프로파일을 생성하는 방법에 대한 그래프로서 운행 스케줄 보다 시간이 여유로울 경우를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 운행 스케줄을 준수하는 자동운전 프로파일을 생성하는 방법에 대한 그래프로서 운행 스케줄 보다 시간이 부족할 경우를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 자동운전 프로파일을 재생성하는 개략적인 순서도이다.
도 14는 본 발명에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전 프로파일을 연산하는 방법에 대한 순서도를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 내지 도 14에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 효율적인 열차 자동운전방법은 (a) 열차의 자동운전 출발 전 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 입력받는 단계(S10)와; (b) 입력된 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 통해 에너지 효율적인 자동운전 프로파일을 생성하는 단계(S20)와; (c) 생성된 프로파일을 통해 목표지점통과 및 도착예상 시간을 예측하는 단계(S30)와; (d) 열차 운행 스케줄에 따라 프로파일 생성 및 운행 프로파일을 수정하는 단계(S40)와; (e) 연산된 프로파일에 따라 열차를 자동운전하는 단계(S50); 로 대별되어 이루어진다.

먼저, 본 발명은 에너지 효율적인 열차 자동운전을 위해 도 2에 도시된 바와 같이 열차(미도시)은 차상장치(110)와 지상장치(120)로 대별되어 이루어지는 자동운전 제어시스템(100)이 구비되는 것이 바람직하다.

상기 차상장치(110)는 열차의 운행에 필요한 제어정보 및 상태정보의 효율적인 송수신 기능을 담당하는 차상과 지상간 통신장치로서, 정보입력부(111), 연산부(112), 정보출력부(113), 열차제어부(114)로 구성된다.

상기 정보입력부(111)는 선로 정보, 차량 정보와 운행 정보를 수신받아 연산부(112)로 전달한다.

여기서, 상기 정보입력부(111)는 선로 제한 속도, 구배, 곡률, 절연 구간 정보를 포함하는 선로 정보를 무선통신으로 상기 지상장치(120)로부터 수신하여 연산부(112)로 전달한다.

또, 상기 정보입력부(111)는 열차 속도, 열차 위치, 열차 응하중, 열차 주행 저항, 열차 가/감속도 정보를 포함하는 차량 정보를 열차종합제어시스템(TCMS; Train Control Management System)(130)과의 통신 또는 차량과 직접 인터페이스하여 정보를 수신하여 연산부(112)로 전달한다.

또한, 상기 정보입력부(111)는 열차 출발 시간, 각 지점 통과 시간, 열차 도착 시간을 나타내는 운행 스케줄을 포함하는 운행 정보를 무선통신으로 상기 지상장치(120)로부터 수신하여 연산부(112)로 전달한다.

상기 연산부(112)는 열차의 자동 운전 출발 전 정보입력부(111)로부터 선로 정보와 차량 정보, 운행 정보를 입력 받아 운행 프로파일 계산식을 통해 운행 스케줄을 준수하면서 에너지 효율적인 자동 운전 프로파일(거리-속도)을 생성한다.

즉, 상기 연산부(112)는 열차의 열차 운행 중 상기 정보입력부(111)가 지상장치(120)로부터 수신한 선로 정보와 운행 정보가 변경되면 운행 프로파일 계산식을 통해 자동 운전 프로파일을 갱신한다.

그리고, 상기 연산부(112)는 지상장치(120)로부터 수신한 선로 정보와 운행 정보가 변경되지 않더라도 현재 운행 프로파일에 따라 열차을 제어할 때 차량 정보와 계산식을 통해 다음 목표 지점의 도착이나 통과 예상 시간을 주기적으로 계산한다.

상기 정보출력부(113)는 연산부(112)에서 계산된 열차의 목표 지점 도착, 통과 예측 시간을 무선통신으로 송신한다.

즉, 상기 정보출력부(113)는 연산부(112)에서 계산된 열차의 목표지점 도착, 통과 예측 시간을 지상장치(120)의 운행 스케줄 생성부(121)로 무선 통신으로 송신한다.

또, 상기 정보출력부(113)는 연산부(112)에서 생성된 정보(운행 스케줄, 목표 지점 도착, 통과 예측 시간)를 정보현시장치(115)로 출력하여 운전자 및 운영자에게 현시한다.

상기 열차제어부(114)는 추진 장치(116), 제동 장치(117)와 인터페이스하여 연산부(112)에서 계산된 자동 운전 프로파일에 따라 열차의 위치에 해당하는 추진 제어, 타행 제어, 제동 제어를 수행한다.

상기 지상장치(120)는 운행스케줄 생성부(121)와 선로 정보 송신부(122)로 구성된다.

상기 운행스케줄 생성부(121)는 마스터 운행스케줄 컴퓨터(Master Schedule Computer)(123)로부터 통신으로 계획된 열차 운행스케줄을 수신하여 차상장치(120)로 송신하고, 중앙교통관제(CTC; Centralized Traffic Control)(124)로부터 개별 열차 운행 스케줄 제어 명령을 수신할 수 있으며 제어 명령 수신 시 갱신된 운행 스케줄을 생성하여 차상장치(120)로 송신한다.

또, 상기 운행스케줄 생성부(121)는 스마트 전력시스템(Smart Grid System)(125)과 인터페이스하여 운영선로의 전력소비량, 선로의 소비전력 제한정보를 수신할 수 있다.

이러한 구성의 상기 운행스케줄 생성부(121)는 계획된 열차의 운행 스케줄, 열차의 목표 지점 도착, 통과 예측 시간, 운영 선로의 전력 소비량, 선로의 소비 전력 제한 정보를 수신하고 선로 용량, 열차의 운행 정시성, 에너지 효율성을 고려하여 운행 스케줄을 갱신할 수 있으며 차상장치(120)로 송신할 수 있다.

상기 선로 정보 송신부(122)는 중앙교통관제(Centralized Traffic Control)(124)와 인터페이스하며 선로제한속도, 선로구배, 절연구간 정보를 차상장치(120)로 송신한다.

이러한 구성의 지상장치(120)는 지상 신호기의 신호 현시에 따라 지상정보를 차상으로 전송하는 역할을 한다.

상기 (a) 단계는, 열차의 자동운전 출발 전, 선로정보와 차량정보 및 운행정보를 입력받는다.(S10)

즉, 열차 차상장치(110)의 정보입력부(111)는 지상장치(120)의 운행스케줄 생성부(121)로부터 열차 출발 시간, 각 지점 통과 시간, 열차 도착 시간을 나타내는 운행 스케줄을 포함하는 운행정보를 무선통신을 통해 수신하고, 지상장치(120)의 선로정보 송신부(122)로부터는 선로 제한 속도, 경사(구배), 곡률, 절연 구간 정보를 포함하는 선로정보를 무선통신을 통해 수신한다.

그리고, 상기 차상장치(110)의 정보입력부(111)는 열차종합제어시스템(TCMS; Train Control Management System)(130)과의 통신 또는 차량과 직접 인터페이스하여 열차 속도, 열차 위치, 열차 응하중, 열차 주행 저항, 열차 가/감속도 정보를 포함하는 차량정보를 무선통신을 통해 수신한다.

상기 (b) 단계는, 입력된 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 통해 에너지 효율적인 자동운전 프로파일을 생성한다.(S20)

즉, 열차의 자동운전 출발 전 상기 차상장치(110)의 정보입력부(111)로 입력된 선로정보와 차량정보, 운행정보가 상기 연산부(112)로 전송되면, 상기 연산부(112)는 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 운행 프로파일 계산식을 통해 거리와 속도 등에서 에너지 효율적인 자동운전 프로파일을 생성한다.

여기서, 상기 자동운전 프로파일의 생성은 미리 프로그램(program) 처리된 상기 연산부(112)에 의해 생성되며, 상기 프로그램은 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있는 것이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 에너지 효율적인 자동운전 프로파일은 열차의 추진과 제동 사용은 최소화하고 타행 운전 구간을 최대화할 수 있도록 하는 것이다.

이와 같이 자동운전 프로파일을 생성하기 위한 순서로는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 먼저, (1) 열차의 출발 지점부터 정차 지점까지 계산된 최대 제한속도 프로파일인 MRSP(Most Restrictive Speed Profile)를 상기 지상장치(120)로부터 수신한 선로정보(제한 속도, 경사(구배), 곡률, 절연 구간)에 따라 구간을 구분한다.

여기서, 상기 선로정보 중 1가지라도 변경되는 지점이면 구간을 구분하는 것이 바람직하다.

다음, (2) 상기 차량정보와 선로정보를 이용해 정차 지점을 기준으로 제동 곡선(Braking Curve)을 최대 제한속도 프로파일(MRSP)과 닿는 지점까지 작성한다. 같은 정보를 이용해 출발 지점을 기준으로 추진 곡선(Traction Curve)을 최대 제한속도 프로파일(MRSP)과 닿는 지점까지 작성한다.

다음, (3) 출발 지점부터 정차 지점까지 계산된 최대 제한속도 프로파일(MRSP) 상에서 프로파일이 올라가는 point를 기준으로 삼아 기준 point를 지나는 추진 곡선을 작성하고, 프로파일이 떨어지는 point를 기준으로 삼아 기준 point를 지나는 타행 곡선을 작성한다.

여기서, 상기 타행(Coasting)은 열차 또는 차량이 동력에 의존하지 않고 스스로 가지고 있는 운동에너지로 주행 하는 것이다.

상기 각 곡선들을 작성할 때 선로정보에 의해 구분된 구간에 해당하는 선로정보가 반영된 곡선을 작성한다. (특정 point를 지나면서 선로 정보와 차량 정보에 맞는 추진(타행) 곡선은 유일하기 때문에 곡선을 작성할 수 있다.) 이 단계에서 output은 각 최대 제한속도 프로파일(MRSP) 변화 지점을 기준으로 한 곡선들의 정보(거리, 속도, 제어)이다.

다음, (4) 출발 지점부터 정차 지점까지 프로파일이 거리-속도 간 일대일 대응이 되도록 곡선을 연결하여 프로파일을 결정한다.

출발 지점에서 작성된 추진 곡선을 시작한다. 도착 지점에서 작성된 제동 곡선으로 끝낸다.

추진 곡선과 타행 곡선의 교차점에서는 추진→타행 곡선으로, 타행→추진 곡선으로 곡선을 변경한다.

그리고, 추진/제동/타행 곡선을 작성하는 방법은 다음과 같다.

즉, 가속도의 법칙:

힘인 F값과 질량인 m값을 이용해 가속도인 a값을 계산 → 향후 프로파일 작성 및 시간 계산 시 가속도 a값을 활용한다.

여기서, 힘인 F 값에 포함될 항목은, 열차 자체의 힘(추진력 등), 주행(출발)저항에 의한 저항력, 구배저항에 의한 저항력이다.

그리고, 질량인 m 값은 열차 회전 질량(관성에 의한 영향을 포함)이다.

주행저항력은

계산식을 통하여 구할 수 있다.

여기서, 상기 계산식에서 a, b, c 값은 차량 특성 값으로서 차량 종류에 따라 다른 값을 적용한다. 예를 들어 a=18.3078, b=0.35204, c=0.0073055 의 값을 사용할 수 있다.

구배저항력은 (상구배)가속도: 9.81×구배값/1150, (하구배)가속도: 9.81×구배값/1020을 통하여 구할 수 있다.

F와 m을 통해 열차의 (단위 연산 거리에 대한) 가속도 a값 계산이 가능하다.

그리고,

수식에

계산한 가속도 a값, 열차의 이전 속도 값

, 단위 연산 거리

(본 예시에서는 계산의 편의를 위해 1m로 정의)를 대입하면 열차의 다음 속도 값

를 구할 수 있다.

(위 수식은

계산식을 이용하여 유도 가능)

F와 m을 통해 열차의 (단위 연산 거리에 대한) a값 계산이 가능하다.

수식에

계산한 a값, 열차의 이전 속도 값

, 단위 연산 거리

(본 예시에서는 계산의 편의를 위해 1m로 정의)을 대입하면 열차의 다음 속도 값

를 구할 수 있다.

여기서, 상기 수식은

계산식을 이용하여 유도 가능하다.

다음, 출발 지점(0m)에서 추진 곡선을 작성하는 것에 대해 도 5의 ① 지점을 예를들어 설명하면 다음과 같다.

예컨대, 열차의 추진력 30000N, 출발저항 200N, 구배저항 100N, 열차 회전 질량 100000kg ⇒ 알짜 힘(F) 29700N, 열차 가속도(a) 0.297 ㎨

수식에

대입하면

즉, 열차가 1m 지점에서 0.54㎧일 것으로 예상 가능하다.

그리고, 상기 1m 지점에서 구한 열차 속도 값을 이용하여 2m 지점에서 열차 속도 값도 구할 수 있다.

2m 지점에서 열차 속도

그리고, 3m 이후 지점에 대해서도 0m, 1m, 2m 지점에서 속도 값을 구한 것과 같은 방식으로 열차 속도 값을 구할 수 있다.

이로써 도 5의 ① 구간(지점)에 대한 곡선의 정보를 구할 수 있다.

(0m, 0m/s, 추진), (1m, 0.54m/s, 추진), (2m, 0.94m/s, 추진), (3m, ~ ... m/s, 추진), …

같은 방식으로 최대 제한속도 프로파일인 MRSP값이 변경되는 지점에서 추진/타행 곡선이나 열차 정차 목표 지점에 대한 제동 곡선도 구할 수 있다.

다음, 최대 제한속도 프로파일인 MRSP가 변경(속도 감소)되는 타행 곡선을 작성하는 것에 대해 도 5의 ② 지점을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

예컨대, 200m 지점에서 MRSP값 80km/h → 60km/h, 추진력 0N, 주행저항 400N, 구배저항 100N, 열차 회전 질량 50000kg 일 경우,

⇒ 알짜 힘(F) -500N, 열차 가속도(a) -0.01 ㎨ 기준 지점(200m, 60km/h)을 지나는 타행 곡선을 작성하면 60km/h=16.6m/s 이다.

(1) 기준 지점보다 거리가 큰 부분의 곡선 작성은,

201m 지점에서 열차 속도

202m 지점에서 열차 속도

이와 같은 방식의 연산을 통해 203m, 204m, ....이후 계속되는 지점의 열차속도 v를 구할 수 있고, 열차 속도 v가 0이 되는 지점까지 연산하여 곡선 정보를 저장한다.

(2) 기준 지점보다 거리가 적은 부분의 곡선 작성은,

199m지점에서 열차속도

198m지점에서 열차속도

이와 같은 방식의 연산을 통해 197m, 196m, ...... 이후 계속되는 지점의 열차속도 v를 구할 수 있고, 열차 속도v가 MRSP에 닿는 지점(열차 속도 v가 22.2m/s(80km/h)가 되는 지점)까지 연산하여 곡선 정보를 저장한다.

이로써 도 5의 ② 지점에 대한 곡선의 정보를 구할 수 있다.

(?m, 22.22m/s(MRSP값), 타행), …, (198m, 16.602m/s, 타행), (199m, 16.601m/s, 타행), (200m, 16.6m/s, 타행), (201m, 16.59m/s, 타행), (202m, 16.58m/s, 타행), …, (?m, 0m/s, 타행)

도 5의 ①, ②, ③, ④, … 지점들에 대한 곡선의 정보를 모두 구하게 되면 각 인접한 순서의 곡선들(ex. 1&2, 2&3, 3&4)끼리 교차점을 찾고 프로파일 결정 시 교차점을 지나면 다음 곡선의 정보를 사용한다.

①, ②곡선의 교차점을 (100m, 20m/s)라고 가정한다면 결정되는 프로파일은 (0m, 0m/s, 추진), … , (98m, ~ m/s, 추진), (99m, ~ m/s, 추진), (100m, 20m/s, 타행), (101m, ~ m/s, 타행), (102m, ~ m/s, 타행), … 의 형태가 될 것이다.

결정되는 프로파일의 경향을 보면 0m 지점에서 추진으로 시작하여 99m 지점까지 계속 추진을 하다가 100m 지점에서부터 타행으로 변경되는 것을 알 수 있다. 추진/타행 제어가 변화하는 경향을 설명하고자 했기 때문에 본 예시에서는 정확한 속도 값의 계산은 생략한다.

이와 같이 본 발명에 의해 생성된 자동운전 프로파일에 의한 열차의 자동운전방법으로 운행한 결과와 종래 자동운전 프로파일에 의한 열차의 자동운전방법으로 운행한 결과를 한예로써 비교해보면 다음과 같다.

도 6은 종래 자동운전방법을 실제 노선에 적용하여 운행한 결과이다.

서울 5호선 광나루에서 아차산 구간 1490m를 종래의 자동운전 프로파일에 의한 열차의 자동운전방법으로 운행한 결과로서, 추진 구간 거리는 570.42m이고, 제동 구간 거리는 152.59m 이며, 타행 구간 거리는 766.99m 이다.

그리고, 도 7은 본 발명에 따른 자동운전 프로파일에 의한 열차의 자동운전방법을 적용하여 운행한 결과이다.

서울 5호선 광나루에서 아차산 구간 1490m를 본 발명에 따른 자동운전방법으로 운행한 결과, 추진 구간 거리는 355m이고, 제동 구간 거리는 65m 이며, 타행 구간 거리는 1070m 이다.

상기와 같이 종래 자동운전방법과 본 발명에 따른 자동운전방법을 실제 노선에 적용하여 전체 운행 구간(1490m) 중 추진/제동/타행을 적용한 구간을 계산하여 비교한 결과 아래의 표 1과 같다.

	추진	제동	타행
종래 자동운전	570.42m	152.59m	766.99m
본 발명 자동운전	355m	65m	1070m

이와 같이, 본 발명에 따르면 실제 운행 시 보다 추진/제동 구간은 적고, 타행 구간은 많도록 프로파일이 연산되었음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 에너지 효율적으로 운행이 가능할 수 있음을 알 수 있다.

상기 (c) 단계는, 생성된 프로파일을 통해 목표지점통과 및 도착예상 시간을 예측한다.(S30)

즉, 생성된 프로파일을 통해 목표 지점 통과 및 도착 예상 시간 예측은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, (1) 생성된 운행 프로파일은 매 단위 연산 거리의 지점에 대해서만 거리, 속도, 제어 정보가 저장되어 있다.

출발 지점부터 정차 지점까지 매 단위 연산 거리의 지점(프로파일을 구성하는 point 정보가 저장되어 있는 지점)을 기준으로 각 구간을 구분한다.

다음, (2) 상기 (1)에서 구분한 각 구간 별로 각 거리를 이동하는데 소요될 것으로 예상되는 시간을

수식에 의해 계산한다.

속도 값은 프로파일 생성 시 각 지점 별로 저장되어 있는 값이며, 가속도 값은 추진 또는 타행 시 사용되는 알짜 힘과 열차 중량을 이용하여 구할 수 있다.

다음, (3) 출발 지점부터 도착 지점까지에 대해 상기 (1)과 (2)에서 계산된 각 단위 거리 별 소요 예상 시간들을 모두 합산하여 소요 예상 시간을 계산한다.

그리고, 작성된 프로파일에서 목표 지점 통과/도착 예상 시간을 계산하는 방법은 다음과 같다.

도 9에 도시된 바와 같이 단위 연산 거리마다 구간을 구분한다.

도 9의 첫번째 구간(0m ~ 1m)과 두번째 구간(1m ~ 2m)의 예상 소요 시간 계산

상기 '추진/제동/타행 곡선을 작성하는 방법'설명 시 사용했던 변수 중 열차 속도 값 v(0m, 1m, 2m 지점)와 열차 가속도 값 a를 사용하여

식에 대입해 소요 시간 t를 계산한다.

0m에서 소요 시간: 0s

0m ~ 1m에서 소요 시간: 1.81s (

)

1m ~ 2m에서 소요 시간: 1.35s (

)

같은 방식을 이용해 2m ~ 3m, 3m ~ 4m, … 에서 소요 시간을 각각 구할 수 있다.

목표 지점까지 단위 연산 구간들의 소요 시간을 모두 계산하여 이 결과 값들을 모두 합산하면 목표 지점의 예상 시간을 구할 수 있다.

상기 (d) 단계는, 열차 운행 스케줄에 따라 프로파일 생성 및 운행 프로파일을 수정한다.(S40)

즉, 열차 운행 시 운행 스케줄 준수가 에너지 효율보다 우선적으로 고려되어야 할 조건이기 때문에 자동운전 프로파일을 생성할 때 먼저 에너지 효율적인 운행 프로파일을 작성한 뒤에 운행 스케줄이 예상 시간과 맞지 않는다면 운행 스케줄을 준수하도록 자동 운전 프로파일을 수정한다.

여기서, 운행 프로파일 수정은 열차 운행 중 지상장치로부터 수신한 선로정보와 운행정보가 변경되면 운행 프로파일 계산식을 통해 자동운전 프로파일을 갱신한다.

열차의 운행 스케줄을 준수하는 자동운전 프로파일을 생성하기 위한 순서는 도 10과 같다.

그리고, 열차의 운행 스케줄 보다 시간이 여유로울 때 프로파일을 수정하는 방법은 도 11의 그래프와 같으며, 열차의 운행 스케줄보다 시간이 부족할 때 프로파일을 수정하는 방법은 도 12의 그래프와 같다.

즉, 도 10에 도시된 바와 같이 (1) 생성된 에너지 효율적인 운행 프로파일 상에서 목표 지점의 통과 및 도착 예상 시간이 운행 스케줄보다 여유로운지 판단한다.

그리고, (2) 예상 시간이 운행 스케줄보다 여유롭다면 도 11에 도시된 바와 같이 운행 프로파일 중에서 추진 구간을 축소하고 타행 구간을 확대하며 추진은 고속보다 저속에서 하도록 운행 프로파일을 수정하고 예상 시간과 운행 스케줄을 비교한다.

그럼에도 불구하고 예상 시간이 운행 스케줄보다 여유로우면 같은 절차를 반복한다.

그러나, (3) 예상 시간이 운행 스케줄보다 바쁘다면 도 12에 도시된 바와 같이 운행 프로파일 중에서 타행-추진 구간(역삼각형 모양)에 대해 MRSP를 추종하도록 운행 프로파일을 수정하고 예상 시간과 운행 스케줄을 비교한다.

그리고, (4) 상기 (3)의 기재사항과 더불어 도 12에 도시된 바와 같이 운행 프로파일 중에서 추진-타행 구간에 대해 추진을 더 사용하고 타행 대신 제동을 사용하도록 운행 프로파일을 수정하고 예상 시간과 운행 스케줄을 비교한다.

그럼에도 불구하고 예상 시간이 운행 스케줄보다 바쁘면 같은 절차를 반복한다.

상기 (e) 단계는, 연산된 프로파일에 따라 열차를 자동운전한다.(S50)

즉, 도 14에 도시된 바와 같이 상기 연산된 프로파일에 따라 열차제어부(114)는 열차의 추진장치(116), 제동장치(117)와 인터페이스하여 연산부(112)에서 계산된 자동운전 프로파일에 따라 열차의 위치에 해당하는 추진제어, 타행제어, 제동제어를 수행토록 열차를 자동운전하게 한다.

한편, 본 발명은 열차 운행 중 선로조건이나 차량정보가 변경되었거나 목표 지점 통과, 도착 예상 시간이 운행 스케줄과 다를 경우에 자동운전 프로파일을 재생성하는 것이 바람직하다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 연산부(112)는 (1) 프로파일 상에서 현재 위치-속도의 지점부터 정차 지점까지 운행 프로파일을 확인한다.

다음, (2) 정차 지점의 도착 예상 시간을 계산하여 운행 스케줄과 비교한다.

다음, (3) (2)의 예상 시간과 스케줄 시간 사이에 허용 범위 이상의 시간 차이가 발생하는지 여부를 확인한다.

다음, (4) 운행 프로파일을 운행 스케줄을 준수하도록 재생성한다.

그리고, (5) 기존 적용 중인 운행 프로파일대로 열차를 운행한다.

여기서, 프로파일을 재생성하는 방법에서 사용되는 시간 예측 방법이나 운행 프로파일 재생성은 상기에서 설명한 방법과 동일하기 때문에 추가적으로 실시예를 이용한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명은 상기 열차 자동운전방법으로 운행되는 철도차량을 더 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 열차의 운행 스케줄과 선로조건, 차량정보 등 열차 운행 중 변경되는 운행조건을 실시간으로 반영하면서 에너지 효율적인 운행 프로파일을 생성하여 열차를 제어함과 동시에 열차가 다음 목표 지점에 정시에 도달(도착/통과)할 수 있는지를 주기적으로 계산 및 예측하여 운행 스케줄에 적합한 새로운 에너지 효율적인 운행 프로파일을 생성하고 열차를 운행하도록 함으로써, 운행 스케줄을 준수한 에너지 효율적인 열차 자동운전이 가능할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 자동운전 제어시스템 110 : 차상장치
111 : 정보입력부 112 : 연산부
113 : 정보출력부 114 : 열차제어부
115 : 정보현시장치 116 : 추진장치
117 : 제동장치 120 : 지상장치
121 : 운행스케줄 생성부 122 : 선로 정보 송신부
123 : 마스터 운행스케줄 컴퓨터 124 : 중앙교통관제
125 : 스마트 전력시스템(Smart Grid System)
130 : 열차종합제어시스템(TCMS; Train Control Management System)

Claims

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(a) 열차의 자동운전 출발 전 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 입력받는 단계와, (b) 입력된 선로정보와, 차량정보 및 운행정보를 통해 에너지 효율적인 자동운전 프로파일을 생성하는 단계와, (c) 생성된 프로파일을 통해 목표지점통과 및 도착예상 시간을 예측하는 단계와, (d) 열차 운행 스케줄에 따라 프로파일 생성 및 운행 프로파일을 수정하는 단계와, (e) 연산된 프로파일에 따라 열차를 자동운전하는 단계를 포함하는 에너지 효율적인 열차 자동운전방법에 있어서,
상기 (b) 단계에서 자동운전 프로파일 생성은 (1) 열차의 출발 지점부터 정차 지점까지 계산된 최대 제한속도 프로파일인 MRSP를 선로정보에 따라 구간을 구분하고, (2) 정차 지점을 기준으로 제동곡선(Braking Curve) 작성과, 출발 지점을 기준으로 추진 곡선(Traction Curve)을 작성하며, 최대 제한속도 프로파일(MRSP)이 변하는 부분을 기준으로 추진 곡선과, 타행 곡선을 작성하며, (4) 출발 지점부터정차 지점까지 작성된 곡선을 따라 프로파일이 거리-속도 간 일대일 대응이 되도록 프로파일을 연결하는 순서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 효율적인 열차 자동운전방법.
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제2항에 있어서,
상기 추진, 제동, 타행 곡선을 작성하기 위해 사용되는 수식은

를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율적인 열차 자동운전방법.
제2항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 목표 지점 통과 및 도착 예상 시간 예측에 사용되는 수식은

인 것을 특징으로 하는 에너지 효율적인 열차 자동운전방법.
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