KR20130103935A - 열차시스템의 차량질량 추정장치 및 방법 - Google Patents

열차시스템의 차량질량 추정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

열차시스템의 차량질량 추정장치 및 방법이 개시된다. 본 발명은, 열차를 동역학적으로 모델링하고, 열차가 초기가속구간 및 직진구간에 진입하였는지 확인하고, 열차의 속도, 복수의 차량 각각의 가속도 및 복수의 차량 각각의 추진력을 수신하여, 외란을 추정하고 이를 보상하는 최소자승법을 이용하여 열차시스템에서의 복수의 차량의 각각의 질량 및 선로구배를 추정한다.

Description

열차시스템의 차량질량 추정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING RAILWAY VEHICLE MASSES}
본 발명은 차량질량 추정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열차시스템에서 적용되는 차량질량 추정장치 및 방법에 관한 것이다.
열차제어 시스템에서, 각 열차는 복수의 차량이 서로 연결되어 운행되는 것이 일반적이다.
예를 들어, 승객수송용 열차에서, 각 역에서 승객의 승차 및 하차에 의하여 승객의 무게를 포함하는 차량의 질량은 변동하며, 또한, 화물수송용 열차의 경우에는, 화물의 적재 정도에 따라 각 차량의 질량은 변동한다.
복수의 차량이 연결된 열차시스템의 경우, 각 차량은 커플러에 의하여 상호 연결되어 있으므로, 차량의 감속 또는 가속시 각 차량에 서로 다른 감가속도가 작용한다면 커플러에 스트레스가 가해져 커플러의 고장율을 높이는 문제점이 있다.
종래의 열차제어 시스템에서는, 전체적인 철도차량의 질량을 구하는 기술이 공개특허 제2011-0124054호에 개시되어 있다.
위 공개특허에서는, 현재 차량위치의 선로경사 정보와, 현재 차량위치의 선로커브 정보와, 날씨정보로부터 현 위치의 선로상태를 감지하여, 철도차량의 질량을 계산한다.
그러나, 위 공개특허는, 하나의 차량 혹은 열차 전체에 대한 질량측정만이 가능하다. 즉, 열차 전체를 하나의 점질량으로 보고 철도차량의 전체 질량을 측정하는 것이 가능하다.
일반적으로 열차는 복수의 차량이 서로 연결되어 있기 때문에 각각의 차량에 탑승하고 있는 승객수, 또는 각 차량에 적재한 화물에 따라 각 차량의 질량이 다르며, 열차의 제동 혹은 추진시 각각의 차량에 동일한 감가속도가 적용되도록 열차를 제어하는 경우 철도차량의 전체 질량에 대한 정보만으로는 효과적으로 제어하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 위 공개특허는 현재 차량위치에 따라 저장된 데이터베이스로부터 정보를 수신하여 전체 차량의 하중을 계산한다. 즉, 열차의 질량을 계산하기 위하여 현재 차량의 속도 및 가속도뿐만 아니라 차량위치 데이터도 요구되며, 해당 위치에서 선로의 경사각 및 곡률에 대한 정보도 요구되므로, 많은 데이터베이스를 요구하는 문제점이 있다.
또한, 위 공개특허는 위치정보 데이터와 연계하여 선로구배에 대한 정보를 데이터베이스화하고 있다. 차량이 통과하는 위치정보는 차량이 발리스를 통과하면서 수정되는데, 차량이 발리스를 통과하기 전에는 타코미터의 정보를 수신하여 위치를 계산하기 때문에 위치정보에 대한 오차가 발생할 수 있으므로, 위치정보와 연계된 선로구배 및 곡률정보에 오류가 발생하여, 차량질량측정의 오차를 유발할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 복수의 차량이 연결된 열차시스템에서 각 개별차량의 질량을 추정하는 차량질량 추정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 현재 차량에서 얻을 수 있는 차량 속도 및 가속도의 정보를 이용하여 선로의 구배(경사각)를 동시에 추정하여, 차량의 위치정보에 대한 데이터베이스를 요구하지 않는 차량질량 추정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 위치정보와 연계된 데이터베이스를 사용하지 않아, 차량질량추정의 오차를 줄이는, 차량질량 추정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 복수의 차량을 포함하는 열차시스템에서, 상기 복수의 차량 각각의 질량과 선로구배를 추정하는 본 발명의 장치는, 상기 열차를 동역학적으로 모델링하는 모델링부; 및 상기 열차의 속도, 상기 복수의 차량 각각의 가속도 및 상기 복수의 차량 각각의 추진력을 수신하여, 상기 모델링부가 모델링한 동역학적 모델링을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 추정하는 추정부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 추정한 상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 저장하는 저장부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 모델링부는, 상기 복수의 차량의 질량과 각 차량의 가속도의 곱의 합이, 각 차량의 추진력에서 각 차량의 구배저항, 각 차량의 주행저항 및 각 차량의 곡선저항을 감한 것이 되도록 모델링하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 모델링부는, 상기 열차가 직진구간을 주행하는 것으로 상기 열차를 모델링하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 모델링부는, 상기 주행저항의 마찰저항계수 및 공기저항계수를 상수로 하여 모델링하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 모델링부는, 각 차량이 동일한 선로구배를 가지는 것으로 모델링하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 모델링부는, 상기 동역학적 모델링을 회기형식으로 정리하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 추정부는, 상기 모델링부가 회기형식으로 정리한 모델로부터, 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 추정부는, 상기 모델링부가 회기형식으로 정리한 모델로부터, 외란을 추정하고 이를 보상하는 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 복수의 차량을 포함하는 열차시스템에서, 상기 복수의 차량 각각의 질량과 선로구배를 추정하는 본 발명의 방법은, 상기 열차가 초기가속구간 및 직진구간에 진입하였는지 확인하는 단계; 상기 열차의 속도, 상기 복수의 차량 각각의 가속도 및 상기 복수의 차량 각각의 추진력을 수신하는 단계; 상기 열차를 동역학적으로 모델링하는 단계; 및 상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 추정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 추정한 상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 저장하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 동역학적 모델링을 회귀형식으로 정리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 추정하는 단계는, 상기 회기형식으로부터, 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 추정하는 단계는, 상기 회기형식으로부터, 외란을 추정하고 이를 보상하는 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명은, 차량질량 측정을 위한 물리적인 센서를 부착하지 않고 각 개별 차량의 질량을 열차의 운행중에 추정하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 각 차량에 장착된 속도 및 가속도 센서 및 추진장치로부터 전달되는 정보를 이용하여 각 차량의 질량 및 선로구배를 추정하도록 하여, 데이터베이스를 요구하지 않도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 위치정보와 연계된 데이터베이스를 사용하지 않아, 차량질량 추정시 오차를 줄이도록 하는 효과가 있다.
나아가, 본 발명은 열차의 각 차량의 질량 혹은 승객의 질량(차량질량-공차질량)을 추정하여, 각 차량에 탑승하고 있는 승객의 인원수를 추정할 수 있으며, 이를 통해 역간 승객인원을 추정하고, 이를 고려하여 효율적인 열차운행 시스템을 구축하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 열차시스템의 일실시예 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량질량 추정장치의 일실시예 구성도이다.
도 3은 도 2의 모델링부가 모델링하는 다차량 열차의 일예시도이다.
도 4는 도 2의 추정부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 차량질량 추정방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
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, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 열차시스템의 일실시예 구성도이다.
본 발명의 차량질량 추정장치(10)는 이미 차량에 제공되는 속도계(20), 가속도계(30) 및 추진장치(40)로부터 각각 개별차량의 속도, 가속도 및 추진력을 수신하여, 차량질량 추정에 이용한다.
구체적으로, 속도계(20)는, 예를 들어 각 차량의 선두부에 장착되어 있는 속도센서이며, 각 차량의 현재 속도를 측정하여 본 발명의 차량질량 추정장치(10)에 전달한다.
가속도계(30)는, 예를 들어, 각 차량에 장착되는 가속도센서이며, 각 차량의 현재 가속도를 측정하여 본 발명의 차량질량 추정장치(10)에 전달한다.
또한, 추진장치(40)는 각 차량에 인가되는 추진력을 측정하여 본 발명의 차량질량 추정장치(10)에 전달한다.
본 발명의 차량질량 추정장치(10)는 입력되는 각 차량의 속도, 가속도 및 추진력을 이용하여, 각 차량의 질량 및 선로구배를, 열차가 역을 출발하여 가속하는 동안 추정할 수 있다.
본 발명은, 복수의 차량이 서로 연결되는 다차량 열차시스템에서의 각 차량의 질량 및 선로구배를 추정한다. 열차가 역에 도착하여 승객이 탑승하고 하차하면서 각 차량의 무게는 변하게 된다. 즉, 열차가 역에 진입할 때의 질량과 열차가 역을 출발한 후의 각 차량에서의 질량의 변화가 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 열차가 역을 출발하면서 초기가속하는 동안 각 차량의 질량 및 선로구배를 추정하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량질량 추정장치(10)의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 차량질량 추정장치(10)는 모델링부(11), 추정부(12) 및 저장부(13)를 포함한다.
모델링부(11)는 다차량 열차를 모델링한다. 도 3은 도 2의 모델링부가 모델링하는 다차량 열차의 일예시도이다. 도면에서, mn은 n번째 차량(50-n)의 질량, an은 n번째 차량(50-n)의 가속도, vn은 n번째 차량(50-n)의 속도, Ft (n)은 n번째 차량(50-n)의 추진력(traction or braking force), Fr (n)은 n번째 차량(50-n)의 주행저항(running resistance), Fg(n)은 n번째 차량(50-n)의 구배저항(gradient resistance) 및 Fc (n)은 n번째 차량(50-n)의 곡선저항(curving resistance)이다. 또한, kn -1은 n번째 차량(50-n)과 n-1번째 차량(50-(n-1)) 사이의 커플러(51-(n-1))의 스프링계수이고, cn -1은 n번째 차량(50-n)과 n-1번째 차량(50-(n-1)) 사이의 커플러(51-(n-1)의 댐핑계수이다.
다차량 열차의 동역학적 모델식은 처음 차량(50-1)에 대하여 수학식1과 같이, i번째 차량(50-i)에 대하여 수학식2와 같이, 마지막 차량(n번째 차량(50-n))에 대하여 수학식3과 같이 모델링할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
도 3에 도시된 바와 같이, 각 차량(50)은 커플러(51)로 연결되며, 각 커플러(51-1~51-(n-1))는 질량이 없는 스프링 댐퍼 시스템으로 모델링할 수 있다.
모델링부(11)는 주행저항 및 구배저항을 다음과 같이 모델링할 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
이때,
Figure pat00006
및
Figure pat00007
는 i번째 차량에서 마찰에 의한 저항과 관계되는 상수이고,
Figure pat00008
는 i번째 차량에서 공기저항과 관계되는 상수로서, 실험에 의해 구할 수 있다.
Figure pat00009
는 i번째 차량에서 각 차량이 위치하는 선로구배(경사각)이다.
수학식1 내지 수학식3을 더하면, 스프링계수(ki) 및 댐핑계수(ci)와 관련된 항이 모두 제거되면서 다음 식이 유도된다.
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
각 차량의 질량 및 선로구배를 추정하기 위하여, 본 발명의 추정장치(10)는 다음의 몇가지 조건을 가정한다.
첫째, 추정부(12)의 추정은 차량이 역에서 출발한 후 초기가속구간에서 실행한다. 일반적으로 열차의 질량은 역에 도착하기 전과 역을 출발한 후에만 질량변화가 발생하므로, 역을 출발하고 나서 초기가속구간에서 차량의 질량을 추정하는 것이 합리적이다.
둘째, 차량이 직진구간을 주행하는 동안에 질량 및 선로구배를 추정한다. 즉, 차량의 횡가속도가 아주 작은 구간에서만 추정을 수행한다. 이러한 직진구간에서는 차량의 커브저항을 무시할 수 있어서 차량의 동역학 모델이 더 간단해 질 수 있으며, 선로의 곡률에 관한 데이터베이스를 저장하지 않아도 되는 장점이 있다.
셋째, 차량의 주행저항과 관련된 마찰저항계수(
Figure pat00014
및
Figure pat00015
) 및 공기저항계수(
Figure pat00016
)는 실험에 의해 결정되는 것으로서, 크게 변하지 않으므로, 상수로 가정한다.
넷째, 각 차량은 동일한 선로구배를 가지는 선로 위를 주행한다고 가정한다. 즉, 각각의 차량은 동일한 구배를 가지는 선로 위를 달리는 것으로 가정한다. 선로의 구배는 일정 구간에서는 크게 변하는 것이 아니기 때문에 이러한 가정을 세우는 것이 합리적이다.
다섯째, 각 차량의 속도는 실질적으로 동일하다고 가정한다. 즉, 열차의 선두부에 장착되는 속도계(20)에 의해 측정되는 값을 각 차량의 속도로 한다. 각 차량(50)이 커플러(51)로 연결되어 있어서, 각 차량의 속도는 거의 같기 때문이다.
위와 같은 가정을 바탕으로, 수학식6을 단순화하고, 또한 수학식4 및 수학식5를 결합하면 다음의 수학식7과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020

또한, 위의 모델링부(11)의 가정 중, 다섯번째 가정을 고려하면, 각 차량에서의 차량의 속도는 거의 동일하므로, 수학식7을 수학식8과 같이 간략화할 수 있다.
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
위 수학식8에서, v는 열차의 선두부에 장착되는 속도계(20)로부터 수신하는 전체 열차의 속도이고, θ는 열차가 위치하는 선로구배(경사각)이다.
모델링부(11)는, 각 차량의 질량 및 선로구배를 추정하기 위하여, 수학식8을 수학식9와 같이 회기형식(regression form)으로 정리한다.
Figure pat00025
여기서, Y, Φ 및 Θ는 다음 수학식10 내지 수학식12와 같이 정의된다.
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
추진력은 추진장치(40)로부터, 각 차량의 가속도는 각 차량에 제공되는 가속도계(30)로부터, 차량의 속도는 열차의 선두부에 제공되는 속도계(20)로부터 수신하며, 따라서, 이를 이용하면, 수학식9에서는 각 차량의 질량과 선로구배만이 미지의 정보가 된다.
본 발명의 차량질량 추정장치(10)의 추정부(12)는, 모델링부(11)가 모델링한 모델을 이용하여 각 차량의 질량 및 선로구배를 추정한다. 이를 도면을 참조로 설명한다.
도 4는 도 2의 추정부의 일실시예 상세 구성도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 추정부(12)는, 파라미터 추정부(61) 및 외란 추정부(62)를 포함한다.
본 발명의 추정부(12)는 수학식9의 차량모델에 외란을 추가하여, 다음과 같이 표현한다. 이는 추정의 강인성을 향상하기 위함이다.
Figure pat00030
수학식13의 외란항(η)은 시스템에 존재하는 외란으로 정의할 수 있으며, 모델링 오차 또는 센서잡음을 포함한다. 본 발명에서는, 외란으로 인한 추정성능의 저하를 막기 위해 외란을 추정한 후 이를 보상하는 외란추정부(62)를 도입한다. 또한, 파라미터 추정부(61)는 예를 들어 최소자승법(Recursive Least Square)을 이용하여 파라미터를 추정한다.
외란추정부(62)는 시스템에 존재하는 외란이 존재하는 경우 시스템의 동역학적 모델과 시스템의 측정값이 기반하여 외란을 추정하고, 그 추정치를 이용하여 이를 보상하는 외란관측기(disturbance observer)를 포함하며, 시스템에 모델링 오차 혹은 외란이 존재하는 경우, 파라미터 추정부(61)가 수행하는 최소자승법에 의한 파라미터 추정시 외란의 영향을 최소화하여 파라미터 추정에 있어서의 강인성을 향상시켜주는 역할을 한다.
외란추정부(62)에 의해 외란이 추정되는 경우, 파라미터 추정부(61)의 최소자승법에 의한 파라미터의 추정은 Q-필터를 포함하며, 다음과 같이 정리된다.
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
여기서,
Figure pat00034
및
Figure pat00035
는 파라미터 추정부(61)에 의해 추정된 벡터형식의 파라미터 및 외란 추정부(62)에 의해 추정된 외란이다. 또한,
Figure pat00036
로 정의된다. 그리고,
Figure pat00037
는 저주파대역 통과필터(Low Pass Filter)의 특성을 가지는 Q-필터이며, 외란의 특성, 샘플링 시간 등 특성을 고려하여 설계할 수 있다.
즉, 파라미터 추정부(61)에 의해 추정된 벡터형식의 파라미터는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00038
여기서,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
, …,
Figure pat00041
,
Figure pat00042
은 각 차량의 추정질량이고,
Figure pat00043
는 추정된 선로구배이다. 따라서, 각 차량의 추정질량과 추정된 선로구배는 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00044
Figure pat00045
도 2에서, 저장부(13)는 추정부(12)가 추정한 각 차량의 질량과 선로구배를 저장한다. 저장부(13)는 각 역을 출발하면서 추정한 각 차량의 질량과 선로구배를 데이터베이스화하여 저장할 수 있는데, 예를 들어, 각 역에서의 질량과 선로구배를 구분하여 저장할 수 있다.
본 발명은, 열차의 선두부에 장착되어 있는 속도계(20)를 통하여 측정되는 열차의 종방향 속도, 각 차량에 장착되어 있는 가속도계(30)로부터 측정되는 각 차량의 가속도 및 각 추진장치(40)로부터 측정되는 추진력 등, 차량의 측정치를 이용하여, 차량의 종방향 동역학 모델과 외란추정부가 포함된 최소자승법을 이용하여 각 개별 차량의 질량 및 선로구배를 추정하였다.
본 발명에서는, 파라미터의 추정기법으로써, 외란을 추정하고 이를 보상하는 최소자승법을 이용하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 외란의 추정없이, 최소자승법을 이용하여 파라미터를 추정하는 것도 가능하다. 또한, 최소자승법에 한정되지 않고, 다른 파라미터 추정기법을 사용할 수도 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 차량질량 추정방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은, 먼저 열차가 역을 출발하면(S41), 차량이 추진되면서 직진방향의 종가속도가 양의 값이 된다. 그리고 차량이 직진구간을 달리는 경우에 있어서 차량의 횡가속도는 거의 제로가 되는데, 차량이 이러한 조건에서 주행하고 있을 때 본 발명의 차량질량 추정이 수행된다.
즉, 열차가 초기가속구간 및 직진구간에 있는 경우에는(S42), 열차의 속도, 각 차량의 가속도 및 각 차량의 추진력을 속도계(20), 가속도계(30) 및 추진장치(40)로부터 수신한다(S43, S44, S45). S43 내지 S45의 시간의 선후는 이에 한정되는 것이 아니며, 동시에 수신하는 것도 가능하다.
이후, 모델링부(11)는 위 수학식8과 같이 열차를 동역학적으로 모델링하고, 수학식9와 같이 회귀형식으로 정리한다(S46). 파라미터 추정부(61) 및 외란추정부(62)에 의해 파라미터 및 외란을 추정하여(S47), 각 개별 차량의 질량 및 선로구배를 추정한다(S48).
저장부(13)는 추정부(12)가 추정한 차량질량 및 선로구배를 저장하여 데이터베이스화한다(S49).
본 발명에서는 복수의 차량이 연결되어 있는 열차시스템에서, 각 차량의 질량과 선로구배를 열차의 동역학적 모델과 추정기법을 사용하여 추정하는 방법을 제시하였다. 본 발명에 의한 효과는 다음과 같다.
첫째, 차량 질량 측정을 위한 물리적인 센서를 부착하지 않고 각 개별 차량의 질량을 열차의 운행중에 추정할 수 있다.
둘째, 각 차량에 장착된 속도 및 가속도 센서 및 추진장치로부터 전달되는 정보를 이용하여 각 차량의 질량 및 선로구배를 추정할 수 있다.
셋째, 열차의 각 차량의 질량 혹은 승객의 질량(차량질량-공차질량)을 추정하여, 각 차량에 탑승하고 있는 승객의 인원수를 추정할 수 있다.
넷째, 추정된 각 차량의 질량을 추진력 및 제동력 분배를 위한 열차제어 시스템에 활용할 수 있다.
다섯째, 승객수를 포함하는 각 차량의 질량을 추정하는 데 있어, 차량의 위치 정보나 선로정보를 요구하지 않으므로, 데이터베이스를 과도하게 요구하지 않는다.
여섯째, 각 차량의 질량추정을 통하여 역간 승객인원을 추정하고, 이를 고려하여 효율적인 열차운행 시스템을 구축할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 차량질량 추정장치 11: 모델링부
12: 추정부 13: 저장부
20: 속도계 30: 가속도계
40: 추진장치 50: 차량
51: 커플러 61: 파라미터 추정부
62: 외란 추정부

Claims (14)

  1. 복수의 차량을 포함하는 열차시스템에서, 상기 복수의 차량 각각의 질량과 선로구배를 추정하는 장치에 있어서,
    상기 열차를 동역학적으로 모델링하는 모델링부; 및
    상기 열차의 속도, 상기 복수의 차량 각각의 가속도 및 상기 복수의 차량 각각의 추진력을 수신하여, 상기 모델링부가 모델링한 동역학적 모델링을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 추정하는 추정부를 포함하는 추정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    추정한 상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 저장하는 저장부를 더 포함하는 추정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모델링부는,
    상기 복수의 차량의 질량과 각 차량의 가속도의 곱의 합이, 각 차량의 추진력에서 각 차량의 구배저항, 각 차량의 주행저항 및 각 차량의 곡선저항을 감한 것이 되도록 모델링하는 추정장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 모델링부는,
    상기 열차가 직진구간을 주행하는 것으로 상기 열차를 모델링하는 추정장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 모델링부는,
    상기 주행저항의 마찰저항계수 및 공기저항계수를 상수로 하여 모델링하는 추정장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 모델링부는,
    각 차량이 동일한 선로구배를 가지는 것으로 모델링하는 추정장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 모델링부는,
    상기 동역학적 모델링을 회기형식으로 정리하는 추정장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 추정부는,
    상기 모델링부가 회기형식으로 정리한 모델로부터, 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 추정장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 추정부는,
    상기 모델링부가 회기형식으로 정리한 모델로부터, 외란을 추정하고 이를 보상하는 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 추정장치.
  10. 복수의 차량을 포함하는 열차시스템에서, 상기 복수의 차량 각각의 질량과 선로구배를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 열차가 초기가속구간 및 직진구간에 진입하였는지 확인하는 단계;
    상기 열차의 속도, 상기 복수의 차량 각각의 가속도 및 상기 복수의 차량 각각의 추진력을 수신하는 단계;
    상기 열차를 동역학적으로 모델링하는 단계; 및
    상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 추정하는 단계를 포함하는 추정방법.
  11. 제10항에 있어서,
    추정한 상기 복수의 차량의 질량 및 선로구배를 저장하는 단계를 더 포함하는 추정방법.
  12. 제10항에 있어서,
    동역학적 모델링을 회귀형식으로 정리하는 단계를 더 포함하는 추정방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 추정하는 단계는,
    상기 회기형식으로부터, 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 추정방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 추정하는 단계는,
    상기 회기형식으로부터, 외란을 추정하고 이를 보상하는 최소자승법을 이용하여 상기 복수의 차량의 질량과 선로구배를 추정하는 추정방법.


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