KR102597812B1 - 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터 - Google Patents

소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 전동차의 운행조건을 가상으로 모사할 수 있는 소프트웨어 서버; 및 가상으로 나타나는 상기 전동차의 운행을 제어할 수 있는 역동 및 제동 제어대를 포함하고, 상기 역동 및 제동 제어대는, 사용자가 양 손으로 파지할 수 있는 2개의 조작부를 포함하는 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터가 제공될 수 있다.

Description

소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터 {Miniature Model of the Personal Type Simulator for the Electric Multiple Unit }
본 발명은 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터에 관한 것이다.
과거의 열차 운전 훈련은 실제의 노선에서 이론교육을 이수한 초급운전자가 승객을 태운 상태에서 지도기관사의동승을 통하여 수행되었다. 이러한 훈련방법은 기관사 양성시 많은 시간을 소요할 뿐만 아니라, 사고의 위험성과 숙련시간의 지연으로 인한 비용 상승 등의 문제점을 내포하고 있었다. 최근 과학기술의 발달로 다른 운송수단들과 마찬가지로 철도차량 운전면허 교육기관은 열차 주행에 대한 동역학 모델링(dynamics modeling)을 이용한 철도차량 모의훈련연습기(training simulator)를 도입하였다. 이 연습기는 신규와 재직자 철도기관사를 대상으로 모의 선로조건와 운전 다이아에 준하여 숙련도를 향상하기 위하여 도입된 장비이다. 그리고 국내 철도차량 모의훈련연습기는 총 6종으로 구분되며, 철도안전법 시행령에 따라 신규 면허취득에 필수적인 장비이다. 그러나 이 장비는 실질적인 차량 운전실 환경과 흡사한 하드웨어와 실사 배경화면의 소프트웨어로 인하여 매우 고가이다. 또한, 이 장비는 지정된 교육기관에서만 접근가능하므로 신규 교육생은 다양한 이례상황하에 대응조치에 대한 숙련도의 향상에 제한적일 수밖에 없다. 뿐만 아니라, 실용적/보급적인 측면에서 열차 운전을 경험하고 싶은 일반인에게도 다소 적합하지 않다.
따라서 기존 모의훈련연습기의 한계를 극복하기 위해서는 범용적인 철도차량 운전실에 대한 축소 모형의 개발이 중요하다.
철도차량 모의운전연습기의 각 장치들은 운전감각을 고려하여 외형, 각종 장치를 모두 실차와 동일한 제품으로 사용하지만, 일부는 컴퓨터 제어방식으로 개조하거나, 컴퓨터 그래픽에 의한 고해상도 동영상으로 대체한다. 훈련생의 조작 기기 취급정보는 제어컴퓨터 내에서 열차 운영알고리즘을 이용하여 모의 연산결과에 따라 선로 영상, 영상 효과, 음향 효과, 경고/표시등 및 경보기으로 표출한다. 그리고 열차 플랫폼 진입시 훈련생의 정위치 정차에 대한 훈련생의 숙련도를 향상하기 위해서는 운전감각에 직접적인 영향을 미치는 추진/제동 제어대를 활용한 오랜 운전 연습시간이 필요하다.
국내 철도차량 모의훈련연습기에 관한 연구는 기존에 제작된 철도차량 시뮬레이터를 활용한 소프웨어적 관점의 연구가 주로 진행되어 왔다. 일례로서, 최소의 에너지 소비를 위한 열차속도 프로파일 결정, 철도건널목에서 안전장치들의 안전 운전 효과분석, 무선통신 기반 열차제어시스템 ATP 열차간격 제어 시뮬레이터 개발 및 철도차량 유지보수 훈련용 추진제어 시뮬레이터에 대하여 연구를 수행하였다. 최근 서은영 등은 현재 운용 중인 철도차량 모의운전 훈련연습기 보완장치로서 철도 교육용 VR 시뮬레이터의 대체 교육 효과를 연구하였다. 그러나 이상의 연구는 소프트웨어 관점에서 유지보수와 교육훈련 기능 향상에 국한된 것으로서, 소프트웨어/하드웨어적으로 저렴하면서 소형화하려는 노력은 아직 미비한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 저렴하면서도 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터를 제공하고자 한다.
또한, 실제 전동차의 운전과 동일하거나 유사한 조건을 구현할 수 있는 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터를 제공하고자 한다.
또한, 1대의 컴퓨터(소프트웨어 서버(10))만으로 각종 제어기와 교육훈련용 소프트웨어를 구현하고자 한다.
또한, 빠른 데이터 처리능력을 갖는 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 전동차의 운행조건을 가상으로 모사할 수 있는 소프트웨어 서버(10); 및 가상으로 나타나는 상기 전동차의 운행을 제어할 수 있는 역동 및 제동 제어대(20)를 포함하고, 상기 역동 및 제동 제어대(20)는, 사용자가 양 손으로 파지할 수 있는 2개의 조작부(210)를 포함하는 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 소프트웨어 서버(10)는, 전동차의 선로 영상 및 플랫폼 영상을 구현할 수 있는 3D모델링모듈(110); 상기 선로를 주행하는 전동차의 주행 경로를 설정할 수 있는 주행경로 설정모듈(120); 상기 전동차의 주행에 따른 전동차 운전석의 주행상태를 나타낼 수 있는 계기 구현 모듈(130); 및 상기 역동 및 제동 제어대(20)의 조작부(210)의 조작상태에 따라 상기 영상으로 나타나는 전동차의 주행을 제어할 수 있는 제어 모듈(140)을 포함하는 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 조작부(210)는, 사용자가 한손으로 파지하여 전동차를 조작할 수 있는 제1 조작부(212); 및 사용자가 다른 한손으로 파지하여 전동차를 조작할 수 있는 제2 조작부(214)를 포함하는 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터가 제공될 수 있다.
또한, 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터가 제공될 수 있다.
또한, 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터가 제공될 수 있다.
본 발명의 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터는 저렴하고 소형화로 제공될 수 있다.
또한, 실제 전동차의 운전과 동일하거나 유사한 조건을 구현할 수 있다.
또한, 1대의 컴퓨터(소프트웨어 서버(10))만으로 각종 제어기와 교육훈련용 소프트웨어를 구현할 수 있다.
또한, 빠른 데이터 처리능력을 갖는 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 역동 및 제동 제어대(20) 및 출력장치(30)를 나타내는 도면이다.
도 3의 본 실시예의 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)를 이용해 사용자가 전동차 운행 훈련을 하는 사진이다.
도 4는 도 1의 소프트웨어 서버(10)의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 소프트웨어 서버(10)와 역동 및 제동 제어대(20)와 출력장치(30)가 서로 연동되어 작동하는 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 출력장치(30)에서 작동상태화면간의 입출력 데이터 및 이미지가 동작하는 흐름도를 나타낸다.
도 7은 제어 모듈(140)에 의해 제작된 선로, ATC신호, 현위치정보와 주변환경을 나타내는 도면이다.
도 8의 (a) 내지 (d)는 3D모델링모듈(110)에 의해 구현된 각각 교육시작 화면, 준비 점검/ 운전기동 화면, ATS/ATC 신호 조치화면 및 운전실 후면 배전판 화면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)는, 전동차의 운행조건을 가상으로 모사할 수 있는 소프트웨어 서버(10); 및 가상으로 나타나는 상기 전동차의 운행을 제어할 수 있는 역동 및 제동 제어대(20)를 포함할 수 있다.
여기서, 역동 및 제동 제어대(20)는, 사용자가 양 손으로 파지할 수 있는 2개의 조작부(210)를 포함할 수 있다.
소프트웨어 서버(10)는 전동차의 운행조건을 가상으로 모사할 수 있는 알고리즘을 실행할 수 있다.
소프트웨어 서버(10)는 전동차의 운행조건을 가상으로 모사할 수 있는 알고리즘을 실행할 수 있는 프로세서를 포함할 수 있다.
소프트웨어 서버(10)의 프로세서는 기본적인 산술, 로직 및 입출력 연산을 수행함으로써, 컴퓨터 프로그램의 명령을 처리하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리 또는 통신 모듈로부터 프로세서로 제공될 수 있다. 그 외에 명령은 소프트웨어 서버(10)를 구성하는 각각의 구성요소들 간의 통신 채널을 통해 프로세서로 제공될 수 있다.
예를 들어, 소프트웨어 서버(10)의 프로세서는 3D모델링모듈(110), 주행경로 설정모듈(120), 계기 구현 모듈(130) 및 제어 모듈(140)을 포함할 수 있다.
3D모델링모듈(110)은 전동차의 선로 영상 및 플랫폼 영상을 구현할 수 있다.
주행경로 설정모듈(120)은 선로를 주행하는 전동차의 주행 경로를 설정할 수 있다.
계기 구현 모듈(130)은 전동차의 주행에 따른 전동차 운전석의 주행상태를 나타낼 수 있다.
제어 모듈(140)은 역동 및 제동 제어대(20)의 조작부(210)의 조작상태에 따라 영상으로 나타나는 전동차의 주행을 제어할 수 있다.
제어 모듈(140)은 각각의 모듈( 예를 들어, 3D모델링모듈(110), 주행경로 설정모듈(120), 계기 구현 모듈(130))을 단일 컴퓨팅하면서 메모리 점유 분삭 방식으로 통합할 수 있다.
출력장치(30)에서 작동상태화면간의 입출력 데이터 및 이미지는 도 6의 흐름도에 따라 동작할 수 있다.
예를 들어, 3D모델링모듈(110)에 의해 기본 리소스(예를 들어, 전동차, 선로 영상 및 선로 및 플랫폼 영상) 및 화면 GUI를 초기화 한다.
전동차의 모의 주행훈련은 사용자의 요청과 함께 연결을 시도하고 평가 시작 요청을 받는다.
이후 동작은 전동차의 주행 경로와 주변 환경의 영상을 받아 배치하고, 전동차의 주행 경로를 설정한후에 열차를 배치한다. 여기서, 선로 영상은 실제 촬영한 선로영상과 배치정보 데이이터베이스로부터 각각의 단위선로에 고유 아이디를 부여하고, 이전/이후 선로의 관계를 지정한 후에 3ds-Max script로부터 연속적인 선로를 배치함으로써 생성될 수 있다.
그리고 제어 모듈(140)은 선로 주변 인프라를 그래픽이미지(3D CGI)로 동영상으로 구현하고 전동차의 주행동안 날씨와 신호제어와 같은 각종 이벤트를 구현할 수 있다.
도 7은 제어 모듈(140)에 의해 제작된 선로, ATC신호, 현위치정보와 주변환경을 나타내는 도면이다.
도 8의 (a) 내지 (d)는 3D모델링모듈(110)에 의해 구현된 각각 교육시작 화면, 준비 점검/ 운전기동 화면, ATS/ATC 신호 조치화면 및 운전실 후면 배전판 화면이다.
종래의 개인용 시뮬레이터(personal type simulator, PTS)는 응용프그램 크기는 4대 이상의 제어컴퓨터 구동으로 총 407MB이지만, 본 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)의 경우에는 소프트웨어 서버(10)를 통해 중복되는 영상을 소거하고 단일컴퓨팅함으로서 22MB까지 줄일 수 있다.
역동 및 제동 제어대(20)는 출력장치(30)에 나타나는 가상의 전동차를 제어할 수 있는 2개의 조작부(210)를 포함할 수 있다.
역동 및 제동 제어대(20)에 의해 소프트웨어 서버(10)와 출력장치(30)가 연결될 수 있다. 이 때, 역동 및 제동 제어대(20)와 소프트웨어 서버(10) 및 역동 및 제동 제어대(20)와 출력장치(30) 사이는 유선 또는 무선 통신으로 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 역동 및 제동 제어대(20)와 소프트웨어 서버(10) 및 역동 및 제동 제어대(20)와 출력장치(30)가 USB를 통해 연결되는 것을 예로 들어 설명한다.
도 5는 소프트웨어 서버(10)와 역동 및 제동 제어대(20)와 출력장치(30)가 서로 연동되어 작동하는 것을 개념적으로 나타낸다.
역동 및 제동 제어대(20)의 조작부(210)는 사용자가 한손으로 파지하여 전동차를 조작할 수 있는 제1 조작부(212); 및 사용자가 다른 한손으로 파지하여 전동차를 조작할 수 있는 제2 조작부(214)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)는 종래의 시뮬레이터보다 기기를 소형화 시켰으나 실제 전동차의 운전실의 제어대와 동일한 외형으로 구현시켰다.
본 실시예의 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)는 종래의 4대 이상의 제어컴퓨터로 작동하는 시뮬레이터에 비해 1대의 컴퓨터(소프트웨어 서버(10))만으로 각종 제어기와 소프트웨어 서버(10)의 세부 구성을 실행할 수 있다.
한편, 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)에 나타나는 전동차는 전동차의 출발, 주행 및 제동성능을 현장감 있게 모델링 되어야 하며, 선로 영상의 시각과 모의음향청각효과를 정확하게 동기시킬 수 있다.
소프트웨어 서버(10)에 의해 사용자(훈련생)의 조작부(210)에서 입력되는 명령으로부터 전동차의 추진력을 산출하여 동적거동을 시뮬레이션할 수 있다.
소프트웨어 서버(10)의 제어 모듈(140)은 하기와 같은 전동차의 추진력을 연산할 수 있다.
식(1)
여기서 는 추진력(N), 는 추진장치에 의한 견인력, 은 제동장치에 의한 제동력이며, 는 열차 저항이다. 차량 견인을 담당하는 견인력은 주간제어기의 명령신호로부터 식(2)에 의하여 구동한다.
식(2)
여기서, N은 주전동기 수량, T는 주전동기 토크, r은 기어비 및 D는 차륜 지름이다. 식(3.1)의 제동력()은 제동핸들의 명령신호에 따라 식(3.2)의 회생제동력(regenerative braking force, )과 식(3.3)의 공기제동력(air braking force, )으로부터 차량을 감속/정지한다.
식(3.1)
식(3.2)
식(3.3)
여기서 W(M)은 차량 관성 중량이고, 은 점착계수, 는 마찰계수이며, 는 제륜자 압력이다.
또한 열차저항(train resistance, )은 식(4)와 같이 주행저항, 터널저항, 구배저항 및 터널저항의 합으로써, 속도와 주행 조건에 따라 차량 진행방향에 반대방향으로 작용한다.
식(4)
여기서 는 주행저항, 는 터널저항, 는 곡선 저항 및 는 구배 저항 이다.
이하에서는 상술한 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)의 효과에 대해 설명한다.
종래의 시뮬레이터의 소프트웨어는 총 4종 모듈로 구성되었으며, 각 모듈에 개별적으로 컴퓨팅하면서 구현한다. 이에 반하여 본 실시예의 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)는 메모리 점유 분산 방식의 프로그래밍을 통하여 단일 모듈로 통합할 수 있다.
또한, 종래의 시뮬레이터는 총 4대이상의 제어 컴퓨터를 사용하지만, 본 실시예의 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)는 1대의 컴퓨터(소프트웨어 서버(10))만으로 각종 제어기와 교육훈련용 소프트웨어를 탑재하고, 별도의 역동 및 제동 제어대(20)를 구현할 수 있다.
또한 기존 시뮬레이터의 응용프로그램과 RAM메모리는 총 4종의 컴퓨터를 사용하여 각각 총 407MB와 11.8/55GB이지만, 본 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)은 1대의 컴퓨터에 각각 22MB와 3.9/7.9GB로 줄일 수 있다.
또한, 기존 시뮬레이터의 통신/제어방식은 UDP 와 PLC방식에 의한 모듈별 독립 연산방식이지만, 본 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)은 소형화와 함께 빠른 데이터 처리능력을 갖춘 DDE 와 UART방식을 구현할 수 있다.
사용자(훈련생)는 본 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)로부터 기존 시뮬레이터와 유사 성능을 체험하면서 컴팩트한 하드웨어/화면을 제공받을 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터(1)을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1 : 소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터
10 : 소프트웨어 서버
110 : 3D모델링모듈
120 : 주행경로 설정모듈
130 : 계기 구현 모듈
140 : 제어 모듈
20 : 역동 및 제동 제어대
210 : 조작부
212 : 제1 조작부
214 : 제2 조작부
30 : 출력장치

Claims (3)

  1. 전동차의 운행조건을 가상으로 모사할 수 있는 소프트웨어 서버; 및
    가상으로 나타나는 상기 전동차의 운행을 제어할 수 있는 역동 및 제동 제어대를 포함하고,
    상기 역동 및 제동 제어대는,
    사용자가 양 손으로 파지할 수 있는 2개의 조작부를 포함하고,
    상기 소프트웨어 서버는,
    전동차의 선로 영상 및 플랫폼 영상을 구현할 수 있는 3D모델링모듈;
    상기 선로를 주행하는 전동차의 주행 경로를 설정할 수 있는 주행경로 설정모듈;
    상기 전동차의 주행에 따른 전동차 운전석의 주행상태를 나타낼 수 있는 계기 구현 모듈; 및
    상기 역동 및 제동 제어대의 조작부의 조작상태에 따라 상기 영상으로 나타나는 전동차의 주행을 제어할 수 있는 제어 모듈을 포함하며,
    상기 제어 모듈은 하기 식(1)에 의해 상기 전동차의 추진력을 연산하되,
    식(1)
    (여기서 는 추진력(N), 는 추진장치에 의한 견인력, 은 제동장치에 의한 제동력이며, 는 열차 저항)
    상기 견인력()은 하기 식(2)에 의해 산출되며,
    식(2)
    (여기서, N은 주전동기 수량, T는 주전동기 토크, r은 기어비 및 D는 차륜 지름)
    상기 제동력()은 하기 식(3.1)에 의해 산출되는 것으로, 제동핸들의 명령신호에 따라 하기 식(3.2)의 회생제동력(regenerative braking force, )과 하기 식(3.3)의 공기제동력(air braking force, )으로부터 차량을 감속 또는 정지하고,
    식(3.1)
    식(3.2)
    식(3.3)
    (여기서 W(M)은 차량 관성 중량이고, 은 점착계수, 는 마찰계수이며, 는 제륜자 압력)
    상기 열차저항(train resistance, )은 하기 식(4)에 의해 산출되는,
    식(4)
    (여기서 는 주행저항, 는 터널저항, 는 곡선 저항 및 는 구배 저항)
    소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 조작부는,
    사용자가 한손으로 파지하여 전동차를 조작할 수 있는 제1 조작부; 및
    사용자가 다른 한손으로 파지하여 전동차를 조작할 수 있는 제2 조작부를 포함하는
    소형화된 전동차 개인용 시뮬레이터.

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