KR20160031770A - 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치에 관한 것으로, 상기 자동 열차 운행장치는, 외부로부터 입력되는 제한 속도 프로파일을 바탕으로 속도 프로파일 정보를 생성하는 속도 프로파일 생성부; 선로 구간별 선로 구배 정보 및 선로 곡률 정보를 저장하고 있는 선로 데이터베이스; 외부로부터 입력되는 철도 차량의 현재 위치, 현재 속도, 상기 속도 프로파일 정보를 이용하여 철도 차량의 속도를 제어하는 철도 차량 속도 제어부; 및 상기 철도 차량의 현재 속도, 상기 선로 구배 정보, 상기 선로 곡률 정보 및 상기 철도 차량 속도 제어부로부터 출력되는 추진 노치 정보를 바탕으로 추진장치의 고장 상태를 진단하고, 고장 상태인 경우 성능 저하율을 계산하여 상기 철도 차량 속도 제어부로 제공하는 추진장치 고장 진단부로 구성될 수 있다.

Description

철도 차량에서의 자동 열차 운행장치 {Automatic Train Operation System in railway vehicles}
본 발명은 자동 또는 무인 운전에서 운행되는 철도 차량에서 견인력을 발생시키는 추진 장치의 고장을 진단하여, 추진 장치의 고장 진단에 따라 철도 차량 속도를 제어하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행(Automatic Train Operation, ATO) 장치에 관한 것이다.
철도 차량의 경우, 수동 운전에서는 기관사가 운전실의 주간 제어기를 조작하여 추진 노치를 투입하면 이 입력이 추진 장치로 전달되어 견인력이 발생되고, 이에 따라 열차가 이동되며, 자동 또는 무인 운전에서는 기관사를 대신하는 열차 자동 운행 시스템인 ATO(Automatic Train Operation) 장치가 설정된 속도 프로파일에 따라 열차의 추진 장치에 추진 출력을 전달하는 방법으로 열차가 이동된다.
만약, 열차의 추진 장치에 이상이 발생하여 성능 저하가 발생하는 경우, 기관사나 ATO 장치가 추진 출력을 하면서 기대되는 추진력이 발생되지 않아 열차의 속도가 느려지게 되는 문제점이 있다. 더욱이 열차의 추진 장치에 고장이 발생하게 되면, 열차가 출발하지 못하게 된다.
이러한 추진 장치는 기관사 또는 ATO 장치의 출력을 PWM 신호로 발생시켜주는 엔코더 및 전동기의 속도를 제어하는 견인 제어 유니트 및 각 구동차에 설치되어 있는 전동기 및 인터페이스를 포함한다.
기관사에 의한 수동 운전의 경우에는 기관사가 기대되는 추진력과 실체 열차의 이동을 파악하여 추진장치의 이상을 판단할 수 있으나, ATO 장치에 의한 자동 또는 무인 운전의 경우에는 차량에 탑승한 승무원 또는 관제에서 이를 판단하는 것이 쉽지 않다.
만약 추진 장치에서의 성능 저하가 발생된다면, 열차는 기대되는 속도보다 낮은 속도로 주행할 것이며, 설정된 운전 시격을 맞추지 못해 지연된 시간에 역에 도착할 것이고, 전반적인 운행 스케줄이 모두 틀어지게 되는 현상을 초래하게 될 것이다.
종래 기술인 대한민국 공개특허 제10-2009-0077587호에는 전기 철도 차량의 전동기 고장 진단 시스템이 제시되어 있으며, 이 기술에서는 각 차량에 설치되어 이는 전동기들의 내부 코일, 외함 및 공기 흡입구의 온도를 검출하여 급격한 온도 변화가 발생되는 경우 고장으로 판단하며, 이 시점의 해당 전동기의 온도 정보와 차량의 주행 속도 및 위치 정보, 마스콘 상태 등을 기록하여 이를 관제에 전송하는 방법이 제시되어 있다.
또한, 이 기술은 철도 운행 관리자 측에서 해당 철도 차량이 주행되고 있는 상태에서 어느 특정 전동기에서 고장이 발생하였는지를 원격으로 파악하고, 발생 시점, 발생 시점에서의 속도, 고장이 발생한 때의 추진 상태를 정확히 인지하여 빠른 유지 보수를 취할 수 있게 하는 방법을 제시하고 있다.
이와 같이 종래 기술에서는 전기 철도 차량의 추진 장치에서 전동기 고장을 진단하는 방법을 제시하였으며, 각 전동기들의 내부 코일의 온도, 외함의 온도 및 공기 흡입구의 온도를 실시간으로 측정하여 온도가 급격하게 변환된 경우에 고장으로 판단하였다.
그러나, 추진 장치의 고장이나 성능 저하 관점에서 본다면, ATO 장치에서의 추진 노치 출력과 PWM 생성장치 사이의 단락 등이 원인이거나, PWM 생성장치의 이상이 원인일 수 있으며, PWM 생성장치와 추진 장치 사이의 인터페이스 이상 또는 전동기 이상 등의 다양한 원인이 존재할 수 있다.
따라서, 종래 기술에서 언급된 것처럼 전동기의 과열만을 검지하여 고장으로 판단한다면, 다른 원인에 의하여 발생되는 고장이나 성능 저하에 대해서는 진단이 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 자동 또는 무인 운전에서 운행되는 철도 차량에서 견인력을 발생시키는 추진 장치의 고장을 진단하여, 추진 장치의 고장 진단에 따라 철도 차량 속도를 제어하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치는, 외부로부터 입력되는 제한 속도 프로파일을 바탕으로 속도 프로파일 정보를 생성하는 속도 프로파일 생성부; 선로 구간별 선로 구배 정보 및 선로 곡률 정보를 저장하고 있는 선로 데이터베이스; 외부로부터 입력되는 철도 차량의 현재 위치, 현재 속도, 상기 속도 프로파일 정보를 이용하여 철도 차량의 속도를 제어하는 철도 차량 속도 제어부; 및 상기 철도 차량의 현재 속도, 상기 선로 구배 정보, 상기 선로 곡률 정보 및 상기 철도 차량 속도 제어부로부터 출력되는 추진 노치 정보를 바탕으로 추진장치의 고장 상태를 진단하고, 고장 상태인 경우 성능 저하율을 계산하여 상기 철도 차량 속도 제어부로 제공하는 추진장치 고장 진단부로 구성될 수 있다.
상기 선로 데이터베이스는 상기 철도 차량의 현재 위치를 수신하고, 상기 철도 차량의 현재 위치를 바탕으로 선로 구배 정보 및 선로 곡률 정보를 상기 추진장치 고장 진단부로 제공한다.
상기 철도 차량 속도 제어부는 철도 차량의 현재 위치에서의 프로파일 속도가 철도 차량의 현재 속도보다 크면 상기 추진 명령을 출력하고, 프로파일 속도가 철도 차량의 현재 속도보다 작으면 제동 명령을 출력한다.
상기 철도 차량 속도 제어부는 철도 차량의 현재 위치에서의 프로파일 속도와 철도 차량의 현재 속도 간의 오차의 크기에 비례하여 상기 추진 노치 정보를 출력한다.
상기 철도 차량 속도 제어부는 상기 추진장치 고장 진단부로부터 제공받은 성능 저하율의 정도에 따라 추진 노치를 더해 추진 노치 값을 증가시켜 성능 저하를 보상한다.
상기 추진장치 고장 진단부는, 상기 철도 차량의 현재 속도 및 상기 추진 노치 정보를 이용하여 소요 견인력을 계산하는 견인력 계산부; 상기 철도 차량의 현재 속도와 앞서 저장된 이전 속도를 이용하여 현재 가속도를 계산하는 가속도 계산부; 상기 철도 차량의 현재 속도, 상기 소요 견인력, 상기 선로 곡률 정보 및 상기 선로 구배 정보를 이용하여 소요 가속도를 계산하는 차량 모델부; 및 상기 현재 가속도와 상기 소요 가속도를 입력받아 상대 가속도 오차를 계산하여, 상기 상대 가속도 오차가 설정값 이상이면 추진장치의 이상으로 판단하여 오차의 정도에 따라 상기 성능 저하율을 계산하는 고장상태 진단부로 구성될 수 있다.
상기 견인력 계산부는 추진 노치 정보 및 열차 속도별 소요 견인력으로 구성되는 룩-업 테이블을 포함하며, 상기 룩-업 테이블을 이용하여 상기 소요 견인력을 계산한다.
상기 추진장치 고장 진단부는 상기 철도 차량의 현재 속도를 저장하고 있다가 다음 스텝에서 이전 속도로 상기 가속도 계산부로 제공하는 저장부를 포함한다.
상기 차량 모델부는 다음의 수학식에 따라 상기 소요 가속도를 계산하도록 구성될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, AD(k)는 현재의 속도 및 추진 노치로부터 예상되는 소요 가속도이며, FD(k)는 소요 견인력이며, c1, c2, c3는 주행 저항 관련 상수이며, V(k)는 현재 속도이며, m은 철도 차량의 등가 질량이며, g는 중력 가속도 상수이며, r(k)는 선로 곡률이며, c4는 곡률 저항과 관련된 상수이며, θ(k)는 선로 구배이다.
상기 고장상태 진단부는 하기의 수학식에 따라 상기 성능 저하율을 계산하도록 구성될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, DR은 성능 저하율이고, AD(k)는 소요 가속도이고, A(k)는 현재 가속도, α(0 < α < 1)는 설정값이고,
Figure pat00003
는 상대 가속도 오차이다.
상기 상대 가속도 오차값이 상기 설정값 이하인 경우에는 상기 성능 저하율은 0 %로 계산되고, 상기 상대 가속도 오차값이 1 이상인 경우에는 100 %로 계산되며, 상기 상대 가속도 오차값이 상기 설정값과 1 사이인 경우에는 {100/(1-설정값)} 값에 따라 비례적으로 계산된다.
한편, 본 발명에 따른 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치는, 상기 추진 장치 고장 진단부로부터 추장 장치에 대한 고장상태 정보 및 성능 저하율을 수신하여, 관제 시스템(ATS : Automatic Train Stop)으로 전송하는 데이터 송신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치에 따르면 자동 및 무인 모드로 운행되는 철도 차량에서 견인력을 발생시키는 추진 장치의 고장을 진단하여, 추진 장치의 고장 진단에 따라 철도 차량 속도를 제어할 수 있다.
또한, 추진 장치에 이상이 발생하는 경우 성능 저하 정도를 계산하여, 이에 따라 철도 차량 속도를 제어할 수 있다.
따라서, 추진 장치의 성능 저하 정도에 따라 철도 차량의 속도를 제어함으로써, 추진 장치의 성능 저하에 의해 철도 차량의 운전 시격이 맞지 않는 것을 방지할 수 있다.
또한, 추진 장치의 고장 정보를 관제 시스템에 전송함으로써 관제에서 추진장치의 고장을 인지하고 신속하게 대책을 수립할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치 고장 진단부의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 상대 가속도 오차에 따른 추진 장치의 성능 저하율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 추진 노치 및 철도 차량별 추진 장치에서 생성되는 견인력의 일례를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치 고장 진단부의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 또는 무인 모드에서의 철도 차량의 속도를 제어하기 위한 자동 열차 운행(ATO) 장치의 구성 및 기능에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명해 보기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치(100)는 속도 프로파일 생성부(110), 선로 데이터베이스(120), 추진장치 고장 진단부(130), 철도 차량 속도 제어부(140) 및 데이터 송신부(150)로 구성될 수 있다.
상기 속도 프로파일 생성부(110)는 입력되는 제한 속도 프로파일을 바탕으로 속도 프로파일 정보를 생성한다. 이때, 상기 속도 프로파일 생성부(110)는 ATP(Automatic Train Protection) 차상장치로부터 제한 속도 프로파일을 제공받을 수 있다.
상기 선로 데이터베이스(120)는 선로 구간별 선로 구배 정보와 선로 곡률 정보를 저장하고 있으며, 외부로부터 입력되는 차량의 현재 위치 정보를 수신하고, 차량의 현재 위치 정보를 바탕으로 선로 구배와 선로 곡류 정보를 출력한다.
이때, 상기 선로 데이터베이스(120)로 입력되는 차량의 현재 위치 정보는 ATP 차상장치로부터 제공되는 것일 수 있다.
상기 추진장치 고장 진단부(130)는 외부(ATP 차상장치 또는 타코미터)로부터 입력되는 차량의 현재 속도 정보, 선로 데이터베이스(120)로부터 입력되는 선로의 구배 정보 및 곡률 정보, 철도 차량 속도 제어부(140)로부터 입력되는 추진 명령 및 추진 노치 정보를 바탕으로 추진장치의 고장 상태를 진단하고, 고장 상태인 경우 성능 저하율을 계산하다.
이때, 상기 추진장치 고장 진단부(130)는 고장 상태를 진단한 결과인 고장 상태 정보와 성능 저하율을 철도 차량 속도 제어부(140) 및 데이터 송수신부(150)로 제공한다. 상기 추진장치 고장 진단부(130)의 상세한 구성 및 동작에 대해서는 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.
한편, 상기 데이터 송수신부(150)는 추진장치 고장 진단부(130)로부터 입력되는 고장 상태 정보와 성능 저하율을 관제 시스템으로 전송한다.
상기 철도 차량 속도 제어부(140)는 외부로부터 입력되는 차량의 현재 위치 정보 및 현재 속도 정보, 속도 프로파일 생성부(110)로부터 생성되는 속도 프로파일 정보를 이용하여 철도 차량의 속도를 제어한다.
이때, 상기 철도 차량 속도 제어부(140)는 철도 차량의 현재 위치에서의 프로파일 속도가 차량의 현재 속도보다 크면 추진 명령을 출력하고, 프로파일 속도가 차량의 현재 속도보다 작은 경우에는 제동 명령을 출력한다.
또한, 상기 철도 차량 속도 제어부(140)는 현재 위치에서의 프로파일 속도와 차량의 현재 속도 간의 오차의 크기에 비례하여 추진 노치 정보 또는 제동 노치 정보를 결정한다.
또한, 상기 철도 차량 속도 제어부(140)는 철도 차량의 속도를 제어하는데 추진장치 고장 진단부(130)로부터 제공되는 성능 저하율을 이용하며, 고장 상태 정보를 더 이용할 수도 있다.
즉, 상기 철도 차량 속도 제어부(140)는 추진장치 고장 진단부(130)로부터 고장 상태 정보와 성능 저하율을 제공받고, 추진장치가 고장으로 판정된 경우에는 함께 제공받은 성능 저하율의 정도에 따라 추가적으로 추진 노치를 더해 추진 노치를 증가시켜, 추진장치의 성능 저하를 보상해 준다. 즉, 성능 저하율에 비례하게 추진 노치를 추가시켜 추진장치의 성능 저하를 보상해 주는 것이다.
하기에서 [수학식 1]은 비례 제어기(Proportional controller)를 사용하는 경우에 있어서, 추진장치가 정상적인 경우의 추진을 위한 제어 입력(u)에 대한 수식이고, [수학식 2]는 추진장치에 성능저하가 발생한 경우의 추진을 위한 제어 입력(u´)에 대한 수식이다.
[수학식 1]
u = KP × e
[수학식 2]
u´ = KP × e + KDR ×DR
여기서, u, u´는 제어 입력(control effort)이며, KP는 비례 제어 게인, e는 속도 오차로 프로파일 속도에서 차량 현재의 현재 속도를 뺀 값으로 정의되며, KDR은 성능 저하와 연관된 상수(성능 저하 상수)이며, DR은 성능 저하율이다.
[수학식 1]에서 확인할 수 있는 바와 같이, 추진 장치가 정상적인 경우에는 추진 제어 입력(u)은 비례 제어 게인과 속도 오차의 곱으로 표시되며, [수학식 2]에서 확인할 수 있는 바와 같이, 추진 장치에 성능 저하가 발생한 경우에는 추진 제어 입력(u´)은 성능 저하율이 추가되는 형태로 나타난다.
따라서, 추진 장치에 고장이 발생하여 그 성능이 저하된 경우에는, 추가 견인력이 발생하여 열차의 속도를 증가시켜 운전 시격을 보충해 주는 기능을 수행하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치 고장 진단부의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치 고장 진단부(130)는 외부(ATP 차상장치 또는 타코미터)로부터 입력되는 차량의 현재 속도 정보, 선로 데이터베이스(120)로부터 입력되는 선로의 구배 정보 및 곡률 정보, 열차 속도 제어부(140)로부터 입력되는 추진 명령 및 추진 노치 정보를 바탕으로 추진장치의 고장 상태를 진단하고, 고장 상태인 경우 성능 저하율을 계산하다.
상기 추진장치 고장 진단부(130)는 견인력 계산부(131), 가속도 계산부(133), 저장부(135), 차량 모델부(137) 및 고장상태 진단부(139)로 구성될 수 있다.
상기 견인력 계산부(131)는 추진 명령을 수신하면, 현재 속도 정보, 추진 노치 정보를 이용하여 소요 견인력을 계산한다. 이때 현재 속도는 철도 차량의 현재 속도를 의미하며, 타코미터 등의 센서 또는 ATP 차상장치에 의해 측정되어 제공된다.
한편, 추진 명령 및 추진 노치 정보는 철도 차량 속도 제어장치(100)의 철도 차량 속도 제어부(140)로부터 출력되어, 추진장치 고장 진단부(130)로 피드백된다.
이때, 철도 차량의 추진장치는 추진 노치 및 열차 속도에 따라 다른 견인력을 생성하는데, 견인력 계산부(131)는 실제 철도 차량에 탑재된 추진 장치를 모사하기 위하여 추진 노치 및 열차 속도별 소요 견인력을 추출하기 위한 룩-업 테이블(look-up table)을 포함하고 있다.
즉, 상기 견인력 계산부(131)는 현재의 추진 노치 정보와 속도 정보를 이용하여 현 상태에서 예상되는 견인력을 룩-업 테이블로부터 추출해낸다.
한편, 다른 실시 예로, 상기 견인력 계산부(131)는 룩-업 테이블 대신에 견인력 계산을 위한 수식을 포함하고 있을 수 있다.
상기 가속도 계산부(133)는 현재 속도와 이전 속도를 이용하여 현재 가속도를 계산한다. 이를 위하여, 현재 속도를 수신하여 저장하고 있다가 저장된 속도를 다음 스텝에서 이전 속도로 제공하는 저장부(135)를 포함한다.
즉, 상기 저장부(135)는 현재 속도를 저장하고, 다음 스텝에서 가속도 계산부(133)로 제공한다.
현재 가속도 A(k)는 하기의 [수학식 3]과 같이 정의된다.
[수학식 3]
Figure pat00004
여기서, A(k)는 현재 가속도, V(k)는 현재 속도, V(k-1)은 이전 속도, △는 샘플링 주기이다.
상기 차량 모델부(137)는 현재 속도, 소요 견인력, 선로 곡률 및 선로 구배 정보를 이용하여 소요 가속도를 계산한다. 본 실시 예에서 소요 가속도를 계산하기 위하여 사용된 차량 모델은 1 자유도(DOF : Degree of Freedom) 종방향 차량 모델로서, 다음의 [수학식 4]와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00005
여기서, AD(k)는 현재의 속도 및 추진 노치로부터 예상되는 소요 가속도이며, FD(k)는 견인력 계산부에서 계산되는 소요 견인력이며, c1, c2, c3는 주행 저항 관련 상수이며, V(k)는 현재 속도이며, m은 철도 차량의 등가 질량이며, g는 중력 가속도 상수이며, r(k)는 선로 곡률이며, c4는 곡률 저항과 관련된 상수이며, θ(k)는 선로 구배이다.
즉, 철도 차량에 작용하는 견인력에서 주행 저항, 곡률 저항 및 구배 저항을 뺀 값을 철도 차량의 질량으로 나누면 철도 차량의 가속도를 구할 수 있다. 철도 차량에 작용하는 주행저항은 마찰저항과 공기저항을 포함하고 있으며, 철도 차량의 속도의 함수이다. 선로의 구배에 의한 구배 저항은 질량 및 구배 정도에 비례한 값으로 계산되며, 선로의 곡선에 의한 곡선 저항은 곡률의 크기에 반비례한 값으로 계산된다. 정리하면, 철도 차량의 현재 속도, 추진 노치와 철도 차량의 현재 속도에 따라 예상되는 소요 견인력, 해당 위치에서의 선로의 구배 정보 및 선로의 곡률 정보를 이용하여 예상되는 소요 가속도를 계산할 수 있다.
상기 고장상태 진단부(139)는 추진 장치의 고장 여부를 진단하고, 고장으로 판정된 경우 추진 장치의 성능이 정상 대비 어느 정도 저하가 이루어졌는지를 판단할 수 있는 성능 저하율을 계산한다.
즉, 상기 고장상태 진단부(139)는 가속도 계산부(133)에 의해 계산된 현재 가속도와 차량 모델부(137)에 의해 계산된 소요 가속도를 입력받아 이를 비교하여 상대 가속도 오차를 계산하고, 그 상대 가속도 오차가 설정값 이상이 되면, 추진 장치 이상으로 판단하며, 오차의 정도에 따라 성능 저하율을 계산한다.
상기 고장상태 진단부(139)는 하기 [수학식 5]를 바탕으로 추진 장치에 대한 고장 여부를 판단한다.
[수학식 5]
Figure pat00006
여기서, AD(k)는 소요 가속도이고, A(k)는 현재 가속도이며, α는 설정값(threshold)이며, 이때 설정값(α)은 0과 1 사이의 값으로 설정된다.
즉, 상기 고장상태 진단부(139)는 소요 가속도에서 현재 가속도를 뺀 가속도 오차값으 소요 가속도로 나눈 상태 가속도 오차 값이 설정값 이상인 경우에는 추진 장치가 고장인 것으로 판단하고, 그 이외에는 추진 장치 정상인 것으로 판단한다.
한편, 도 3은 상대 가속도 오차에 따른 추진 장치의 성능 저하율을 나타낸 그래프로서, X축은 상대 가속도 오차를 나타내고, Y축은 성능 저하율을 나타나며, k-스텝에서의 상대 가속도 오차(eA(k))는 다음과 같은 [수학식 6]으로 표현된다.
[수학식 6]
Figure pat00007
여기서, AD(k)는 소요 가속도이고, A(k)는 현재 가속도이며, 상기 [수학식 6]을 바탕으로, 성능 저하율(DR)은 다음의 [수학식 7]과 같이 계산된다.
[수학식 7]
Figure pat00008
여기서, DR은 성능 저하율을 의미하며, 0 %에서 100 % 사이의 값을 갖으며, α는 설정값(threshold)이며, 설정값(α)은 0과 1 사이의 값으로 설정된다. 이때, 상대 가속도 오차값이 설정값 이하인 경우에는 성능 저하율은 0 %로 결정되고, 상대 가속도 오차값이 1 이상인 경우에는 100 %로 결정되며, 상대 가속도 오차값이 설정값과 1 사이인 경우에는 100/(1-α) 값에 따라 비례적으로 결정된다.
한편, 도 4는 추진 노치 및 철도 차량별 추진 장치에서 생성되는 견인력의 일례를 도시한 그래프이다. 전동기에서의 출력은 정토크 영역, 정출력 영역 및 전도기 특성 영역의 세 부분으로 분류되며, 각 추진 노치 별 그리고 속도의 범위에 따라 다른 견인력을 생성한다.
도 4는 추진 노치가 1노치에서부터 1단계식 증가하여 최대 14노치까지 존재하는 것을 예로 든 것이나, 짝수 추진 노치에 대한 견인력 특성 곡선만이 도시되어 있다. 물론 추진 노치는 철도 차량에 따라서 달라질 수 있다.
도 4에 있어서 추진 14노치의 경우를 살펴보면, 철도 차량 속도가 35 km/h까지는 추진 장치의 전동기는 정토크 영역의 특성을 보이며, 대략 11000kgf의 일정 견인력을 출력한다. 한편, 철도 차량 속도가 35 ~ 55 km/h까지는 추진 장치의 전동기는 정출력 영역의 특성을 보이며, 견인력은 철도 차량의 속도에 반비례하여 감소한다. 그리고, 철도 차량 속도가 55 km/h 이상인 경우에는 전동기 특성 영역을 보이며 견인력은 철도 차량의 속도의 제곱에 반비례하여 감소한다.
도 4에 도시된 바와 같은 그래프 특성을 바탕으로 견인력에 대한 룩-업 테이블을 생성할 수 있으며, 또한, 도 4의 그래프 특성은 수식으로 표현될 수 있다.
따라서, 상기 견인력 계산부(131)가 현재의 추진 노치 정보와 속도 정보를 이용하여 현 상태에서 예상되는 견인력을 룩-업 테이블로부터 추출해 내거나, 견인력 계산을 위한 수식을 통해 견인력을 계산할 수 있는 것이다.
이하에서는 상기한 본 발명에 따른 추진장치 고장 진단부의 동작과 상응하는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치 고장 진단방법에 대하여 도 5를 참조하여 단계적으로 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치 고장 진단부의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 추진장치 고장 진단부는 추진 명령이 수신되는지를 판단하여(S500), 추진 상태인지를 확인한다.
이때, 단계 S500에 따라 추진 명령이 수신되는지를 판단한 결과, 추진 명령이 수신되지 않은 것으로 판단하면(S500-No), 추진장치 고장 진단부는 지속적으로 추진 명령이 수신되는지를 확인하다. 선택적으로, 추진 명령이 수신되지 않은 것으로 판단된 경우 추진장치 고장 진단을 종료하도록 할 수도 있다.
반면, 단계 S500에 따라 추진 명령이 수신되는지를 판단한 결과, 추진 명령이 수신되는 것으로 판단하면(S500-Yes), 견인력 계산부(131)는 입력되는 현재 속도 및 추진 노치 정보를 바탕으로 소요 견인력을 계산하고(S510), 가속도 계산부(133)는 입력되는 현재 속도 및 기 저장된 이전 속도를 이용하여 현재 가속도를 계산한다(S520).
다음으로, 단계 S510에 따라 소요 견인력이 계산되면, 차량 모델부(137)는 계산된 소요 견인력, 현재 속도, 선로 곡률 및 구배 정보를 이용하여 소요 가속도를 계산한다(S530).
다음으로, 고장상태 진단부(139)가 단계 S520에 따라 계산된 현재 가속도와 단계 S530에 따라 계산된 소요 가속도를 이용하여 상대 가속도 오차를 계산하고(S540), 상대 가속도 오차가 설정값 이상인지를 판단한다(S550).
이때, 단계 S550에 따라 상대 가속도 오차가 설정값 이상인지를 판단한 결과, 상대 가속도 오차가 설정값 이상인 것으로 판단한 경우(S550-Yes), 추진장치가 고장인 것으로 판단하고, 성능 저하율을 계산한다(S560).
반면, 단계 S550에 따라 상대 가속도 오차가 설정값 이상인지를 판단한 결과, 상대 가속도 오차가 설정값 미만인 것으로 판단한 경우에는(S550-No), 추진장치가 정상이라는 판단하고(S570), 추진장치 고장 진단을 종료한다.
이상과 같은 철도 차량의 추진 장치 고장 진단부를 포함하는 자동 열차 운행장치에 따르면 철도 차량에서 견인력을 발생시키는 추진 장치의 고장을 진단하여, 추진 장치의 고장 진단에 따라 철도 차량 속도를 제어할 수 있다. 또한, 추진 장치에 이상이 발생하는 경우 성능 저하 정도를 계산하여, 이에 따라 철도 차량 속도를 제어할 수 있다.
따라서, 추진 장치의 성능 저하 정도에 따라 철도 차량의 속도를 제어함으로써, 추진 장치의 성능 저하에 의해 철도 차량의 운전 시격이 맞지 않는 것을 방지할 수 있다.
또한, 추진 장치의 고장 정보를 관제 시스템에 전송함으로써 관제에서 추진장치의 고장을 인지하고 신속하게 대책을 수립할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치를 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 자동 열차 운행장치 110 : 속도 프로파일 생성부
120 : 선로 데이터베이스 130 : 추진장치 고장 진단부
131 : 견인력 계산부 133 : 가속도 계산부
135 : 저장부 137 : 차량 모델부
139 : 고장상태 진단부 140 : 철도 차량 속도 제어부
150 : 데이터 송신부

Claims (12)

  1. 외부로부터 입력되는 제한 속도 프로파일을 바탕으로 속도 프로파일 정보를 생성하는 속도 프로파일 생성부;
    선로 구간별 선로 구배 정보 및 선로 곡률 정보를 저장하고 있는 선로 데이터베이스;
    외부로부터 입력되는 철도 차량의 현재 위치, 현재 속도, 상기 속도 프로파일 정보를 이용하여 철도 차량의 속도를 제어하는 철도 차량 속도 제어부; 및
    상기 철도 차량의 현재 속도, 상기 선로 구배 정보, 상기 선로 곡률 정보 및 상기 철도 차량 속도 제어부로부터 출력되는 추진 노치 정보를 바탕으로 추진장치의 고장 상태를 진단하고, 고장 상태인 경우 성능 저하율을 계산하여 상기 철도 차량 속도 제어부로 제공하는 추진장치 고장 진단부로 구성되는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선로 데이터베이스는 상기 철도 차량의 현재 위치를 수신하고, 상기 철도 차량의 현재 위치를 바탕으로 선로 구배 정보 및 선로 곡률 정보를 상기 추진장치 고장 진단부로 제공하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 철도 차량 속도 제어부는 철도 차량의 현재 위치에서의 프로파일 속도가 철도 차량의 현재 속도보다 크면 상기 추진 명령을 출력하고, 프로파일 속도가 철도 차량의 현재 속도보다 작으면 제동 명령을 출력하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 철도 차량 속도 제어부는 철도 차량의 현재 위치에서의 프로파일 속도와 철도 차량의 현재 속도 간의 오차의 크기에 비례하여 상기 추진 노치 정보를 출력하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 철도 차량 속도 제어부는 상기 추진장치 고장 진단부로부터 제공받은 성능 저하율의 정도에 따라 추진 노치를 더해 추진 노치 값을 증가시켜 성능 저하를 보상하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 추진장치 고장 진단부는,
    상기 철도 차량의 현재 속도 및 상기 추진 노치 정보를 이용하여 소요 견인력을 계산하는 견인력 계산부;
    상기 철도 차량의 현재 속도와 앞서 저장된 이전 속도를 이용하여 현재 가속도를 계산하는 가속도 계산부;
    상기 철도 차량의 현재 속도, 상기 소요 견인력, 상기 선로 곡률 정보 및 상기 선로 구배 정보를 이용하여 소요 가속도를 계산하는 차량 모델부; 및
    상기 현재 가속도와 상기 소요 가속도를 입력받아 상대 가속도 오차를 계산하여, 상기 상대 가속도 오차가 설정값 이상이면 추진장치의 이상으로 판단하여 오차의 정도에 따라 상기 성능 저하율을 계산하는 고장상태 진단부로 구성되는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 견인력 계산부는 추진 노치 정보 및 열차 속도별 소요 견인력으로 구성되는 룩-업 테이블을 포함하며, 상기 룩-업 테이블을 이용하여 상기 소요 견인력을 계산하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 추진장치 고장 진단부는 상기 철도 차량의 현재 속도를 저장하고 있다가 다음 스텝에서 이전 속도로 상기 가속도 계산부로 제공하는 저장부를 포함하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 차량 모델부는 다음의 수학식에 따라 상기 소요 가속도를 계산하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
    [수학식]
    Figure pat00009

    여기서, AD(k)는 현재의 속도 및 추진 노치로부터 예상되는 소요 가속도이며, FD(k)는 소요 견인력이며, c1, c2, c3는 주행 저항 관련 상수이며, V(k)는 현재 속도이며, m은 철도 차량의 등가 질량이며, g는 중력 가속도 상수이며, r(k)는 선로 곡률이며, c4는 곡률 저항과 관련된 상수이며, θ(k)는 선로 구배이다.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 고장상태 진단부는 하기의 수학식에 따라 상기 성능 저하율을 계산하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
    [수학식]
    Figure pat00010

    여기서, DR은 성능 저하율이고, AD(k)는 소요 가속도이고, A(k)는 현재 가속도, α(0 < α < 1)는 설정값이고,
    Figure pat00011
    는 상대 가속도 오차이다.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 상대 가속도 오차값이 상기 설정값 이하인 경우에는 상기 성능 저하율은 0 %로 계산되고, 상기 상대 가속도 오차값이 1 이상인 경우에는 100 %로 계산되며, 상기 상대 가속도 오차값이 상기 설정값과 1 사이인 경우에는 {100/(1-설정값)} 값에 따라 비례적으로 계산되는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 추진 장치 고장 진단부로부터 추장 장치에 대한 고장상태 정보 및 성능 저하율을 수신하여, 관제 시스템(ATS : Automatic Train Stop)으로 전송하는 데이터 송신부를 더 포함하는 철도 차량에서의 자동 열차 운행장치.
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