KR20160032856A - 철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치 - Google Patents

철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도 차량의 제한 속도 초과를 경고하기 위한 장치에 관한 것으로서, 일정 시간 이후의 열차 속도를 추정하고, 추정된 속도를 기초로 열차가 제한 속도가 될 때까지 남은 시간을 계산한 후, 계산된 시간이 기 설정된 기준 값 이하이면 경고 신호를 발생시킨다. 열차가 얼마의 시간이 경과된 후 설정된 속도제한 값을 초과하여 비상 제동이 걸릴지를 알려주는 TTSLC 지표를 사용하기 때문에 열차 운행 상황에 맞춘 적절한 경고 처리가 가능해지고, 결과적으로 열차의 운행횟수를 증가시켜 가용성을 높일 수 있게 된다.

Description

철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치{ Apparatus for Warning of Exceeding Speed Limit in Railway Vehicles }
본 발명은 철도 차량의 제한 속도 초과를 경고하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 철도 차량의 자동 운행 시스템과 관련하여 철도 차량의 속도가 운행 제한 속도를 초과하지 않도록 운전자 또는 감시자에게 미리 경고할 수 있도록 한다.
열차로 대표되는 철도 차량의 자동 운행은 각 운행 구간에서 미리 설정된 목표 속도에 따라 열차가 운행되도록 하는 것이다.
일반적으로 무선통신을 이용하여 운행되는 무선통신 기반 열차 제어 시스템(Communication-Based Train Control, CBTC)의 경우, 열차의 방호는 자동열차방호장치(Automatic Train Protection, 이하 ATP라 함)에서 수행되고, 열차의 속도제어 등 운행에 관한 부분은 자동열차운행장치(Automatic Train Operation, 이하 ATO라 함)에서 수행된다.
ATP는 각 구간에서의 열차 제한속도, 이동권한에 따른 정차 지점, 안전 제동 모델 등 여러 요소들을 고려하여 ATP 속도 프로파일 또는 운행 제한 속도를 설정하고 ATO로 전달한다.
ATO는 열차 운행시 속도제한을 넘지 않도록, 그리고 승차감이나 점착계수 등 여러 요소들을 고려하여 ATO 속도 프로파일을 생성한다. 또한, ATO는 생성된 ATO 속도 프로파일을 추종하도록 열차의 가/감속을 제어하는 ATO 속도 추종 제어기를 포함하고 있으며, ATO 속도 프로파일과 현재 차량의 속도를 비교하면서 열차의 추진 장치와 제동 장치에 추진 및 제동명령을 입력하여 열차가 정해진 ATO 속도 프로파일을 추종하도록 운전한다.
즉, ATO는 열차가 제한 속도를 넘지 않는 범위 내에서 열차의 운전 전략에 따라 열차를 운행한다.
만일 열차가 어느 순간 제한 속도에 가까워지면 ATP는 운전자나 감시자에게 경고를 전달한다.
그리고 운전자나 감시자의 특별한 조치가 없는 상태에서 열차가 제한 속도를 넘으면 열차의 안전을 위하여 비상 제동 명령을 주어 열차가 안전하게 정차할 수 있도록 열차를 방호하는 기능을 수행한다.
또한, ATP는 경우에 따라 운전자나 감시자에게 전달하는 경고 신호에 직접 반응하기 위하여 경고 신호를 수신하는 경우 전상용 제동을 체결하여 열차의 속도를 감속하기도 한다.
이 경우 ATP에서 직접 경고를 위한 속도 제한 값을 설정한다. 즉, ATP는 비상 제동 체결을 위한 제한속도 곡선을 설정하는 것과 동시에 경고를 생성하고 전상용 제동 체결을 위한 제한속도 곡선을 설정한다.
한편, ATP는 열차를 안전하게 방호하기 위하여 열차의 경고용 제한속도를 설정함에 있어서 보수적으로 속도 안전 마진을 고려한다.
그러므로, 운행에 있어서 충분한 여유가 있는 경우에도 운전자나 감시자에게 속도 초과에 대한 경고를 주어 철도 차량의 운행 속도를 제한하는 결과를 초래한다. 예를 들어 ATP가 비상 제동용 ATP 속도제한 값을 90km/h로 설정한다고 가정할 때. 열차의 속도가 85km/h를 넘어가게 되면 운전자에게 경고하고, 90km/h를 넘게 되면 비상제동을 체결한다.
도 1은 종래의 열차속도 제어 방법을 설명하는 그래프로서, T1은 현재시간이고, Tw는 열차의 속도(1-1)가 경고용 ATP 속도제한(ATP speed limit for warning, 1-5)을 넘는 시간, Te는 열차의 속도(1-1)가 비상제동용 ATP 속도제한(ATP speed limit for emergency braking, 1-2)을 넘는 시간이다.
일반적으로 ATP는 속도제한 곡선의 설정에 있어서 경고용 ATP 속도제한(1-5)과 비상제동용 ATP 속도제한(1-2)의 두 가지를 제시하며, 열차가 경고용 ATP 속도제한을 초과하면 ATP는 운전자(driver) 또는 관리자(supervisor)에게 경고를 전달한다(1-3). 그러나, 전달된 경고에 따른 후속조치가 이루어지지 않아 열차의 속도가 비상제동용 ATP 속도제한을 초과하면, ATP는 비상제동을 작동시켜 열차를 정지시킨다. 즉, 열차가 도 1에 도시된 속도(1-1)로 운행되면, Tw 시점에 운전자 또는 관리자에게 경고신호가 전달되고, Te 시점에 비상제동명령이 제동장치에 전달되어 열차가 멈추게 된다.
이와 같이 종래에는 비상제동용 속도제한에 일정한 값의 마진을 두어 경고용 속도제한을 설정하며, 보통 비상제동용 속도제한 값보다 일정 치만큼 낮게 경고용 속도제한 값을 설정한다.
또한, 보수적인 관점의 운행 방식 채택과 함께 마진을 크게 부여하여 운행 도중 비상 제동이 발생하지 않도록 하기 때문에 열차가 더 빠른 속도로 그리고 충분한 시간 동안 비상용 속도 제한을 초과하지 않으면서 운행될 수 있는데도 불구하고 보수적 관점의 운행 방식에 따라 운전자나 감시자에게 경고를 주어 열차의 속도를 감속하게 한다. 마진의 크기, 및 얼마나 보수적으로 열차를 운행하는지에 따라 열차 운행에 있어서의 역간 이동 시간인 표정 속도가 결정되기 때문에 결국 해당 라인에서의 열차 운행 횟수가 줄어들게 되며, 경제적인 측면에서 운행의 효율성이 떨어지는 문제점이 나타난다.
그러므로, 열차의 안전 운행을 담보하면서도 더욱 효율적으로 경고 속도 제한을 처리할 수 있는 방법이 필요하다.
이에 본 발명은 상기와 같은 필요성에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, 현재 운행 조건에서 열차의 속도가 비상 제동용 제한속도를 넘을 때까지 걸리는 시간을 산출하고 이를 기초로 운전자나 감시자에게 경고하도록 하여, 더욱 경제적이고 효율적으로 열차를 운행할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치는, 철도 차량의 일정 시간 이후의 속도를 추정하는 미래 속도 추정부; 상기 미래 속도 추정부에서 추정된 속도를 기초로 철도 차량의 속도가 기 설정된 제한 속도가 될 때까지의 시간을 계산하는 TTSLC 계산부; 및 상기 TTSLC 계산부에서 계산된 시간이 기 설정된 기준 값 이하이면 경고 신호를 발생시키는 경고 발생부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 미래 속도 추정부는,
수학식
Figure pat00001
Figure pat00002
에 따라, 현재인 k번째 스텝 이후 n번째 스텝에서의 미래 속도를 추정할 수 있다.
여기서 c2, c3, c4는 상수, m은 철도 차량의 등가 질량, g는 중력 가속도, θ는 경사각(구배각), r은 곡률반경, k와 n은 스텝, v는 속도, Te는 추진력, Tb는 제동력, ΔT는 샘플링 주기이다.
상기 TTSLC 계산부는 상기 미래 속도 추정부에서 추정된 n번째 스텝 이후의 속도가 제한 속도를 초과하는 경우, 철도 차량의 속도가 제한 속도에 도달할 때까지 걸리는 시간인 TTSLC(Time-To-Speed-Limit-Crossing)를 'n×ΔT'(ΔT는 샘플링 주기)로 계산할 수 있다.
본 발명은 열차의 속도가 ATP 속도제한을 초과하는 것을 경고하기 위하여 TTSLC(Time-To-Speed-Limit-Crossing)라는 지표를 이용한다.
TTSLC는 열차가 얼마의 시간이 경과된 후 설정된 속도제한 값을 초과하여 비상 제동이 걸릴지를 알려주는 지표로서, 열차 운행 상황에 맞추어 운전자와 감시자에게 경고할 수 있기 때문에, 열차 속도를 증가시킬 수 있고, 결과적으로 열차의 운행횟수를 증가시켜, 열차의 가용성을 높일 수 있게 된다.
실제 열차가 비상 제동용 속도제한 값을 초과하는데 걸리는 시간을 기반으로 운전자와 감시자에게 전달하는 경고 속도를 설정하여 운전자와 감시자가 열차를 감속시킬 수 있는 충분한 시간을 줄 수 있으므로, 열차가 ATP 속도제한을 초과하여 비상제동이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
열차가 운행되면서 속도 허용 한계치를 벗어나 비상 제동이 걸리는 시점을 예측할 수 있기 때문에 더욱 안전한 운전이 가능해지며, 필요에 따라서는 비상 제동용 제한 속도에 근접하게 열차를 운행할 수도 있기 때문에 더욱 효율적인 운전이 가능해진다.
도 1은 종래 열차의 경고 속도를 설정하는 방법을 보인 예,
도 2는 본 발명에 따른 제한속도 초과 경고 장치에 관한 일 실시예,
도 3은 TTSLC의 개념을 설명하는 예,
도 4는 본 발명에 따라 제한속도 초과를 경고하는 과정의 예,
도 5는 종래 방법과 본 발명에 따라 제한속도 초과에 대한 경고가 이루어지는 상황을 비교하여 설명하는 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하자면, 본 발명에 따른 철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치(20)는 미래 속도 추정부(21), TTSLC 계산부(22), 및 경고 발생부(23)를 포함하여 이루어지며, 열차가 비상제동용 ATP 속도 한계를 넘을 때까지 남은 시간(Time To Speed Limit Crossing, TTSLC)을 실시간으로 계산하여, TTSLC 값이 기 설정된 기준 값 이하인 경우 운전자나 감시자에게 경고신호를 전달하여 열차를 감속시키도록 한다.
도 3을 참조하여 TTSLC 지표에 대해 자세히 살펴보자면, TTSLC 지표는 현재 시간과, 열차의 속도가 비상제동 체결을 위해 설정된 속도 제한 값에 도달하는 시간의 차이로 정의된다.
즉, TTSLC 값만큼의 시간이 경과하면 열차의 속도가 비상제동용 ATP 속도 제한 값에 도달한다는 것을 의미한다.
도 3에는 비상제동용 ATP 속도제한 곡선(3-2)과 추정된 열차 속도 곡선(3-1)이 나타나 있는데, 현재 시점이 T1이고, 열차의 속도가 제한 속도를 넘는 시점이 Te일 때 TTSLC 값은 'Te-T1'이 된다.
미래 속도 추정부(21)는 열차의 추진장치나 제동장치 등으로부터 열차의 추진력, 제동력, 현재 속도, 선로의 구배(경사), 선로의 곡률 등 속도 추정에 필요한 정보를 입력받고, 열차의 종 방향 모델을 기반으로 동역학 모델을 생성하며, 열차의 동역학 모델과 센서로부터 측정되는 데이터를 기반으로 열차의 미래 속도를 추정한다.
열차의 종 방향 동역학 모델은 뉴턴의 제2법칙을 이용하여 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서, m은 열차의 등가 질량(train equivalent mass), v는 열차의 종 방향 주행 속도(train longitudinal speed), Te는 추진력(Traction force), Tb는 제동력(braking force), Rr은 주행저항(running resistance)으로서 구름저항(rolling resistance)과 공기저항(aerodynamic drag)을 합한 값, Rg는 구배저항(grade resistance), Rc는 커브저항(curving resistance)이다.
열차는 실질적으로 여러 차량이 연결되어 있지만, 열차의 등가 질량 m은 이를 하나의 일괄 질량(lumped mass)으로 가정하여 열차의 총 질량을 등가 질량으로 정의할 수 있으며, 추진력 Te와 제동력 Tb는 각각 추진 장치와 제동 장치(도시되지 않음)로부터 수신할 수 있다.
열차의 주행저항 Rr은 구름저항과 공기저항의 합으로 표현되며, 다음의 수학식 2와 같이 속도에 대한 2차식으로 모델링할 수 있다.
Figure pat00004
여기서 c1, c2, c3은 상수이고, 속도에 대한 2차항은 공기저항을 나타내며, 속도에 대한 일차항과 상수항은 구름저항을 나타낸다.
구배저항은 다음의 수학식 3과 같이 열차의 등가 질량 및 구배 정도에 대한 관계식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00005
여기서 m 은 열차의 등가 질량, g는 중력 가속도, θ는 경사각(구배각)을 나타낸다. 경사가 거의 없다면 구배저항은 무시할 수 있다.
커브저항은 곡선의 반경에 대한 함수로서 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
여기서 c4는 상수이며, r은 곡률 반경(curvature radius)이다.
상기 수학식 2 내지 수학식 4를 수학식 1에 대입하면 다음의 수학식 5와 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00007
그리고, 상기 열차의 종 방향 동역학 모델을 이산화하면, 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서 ΔT는 샘플링 주기이다.
미래 속도 추정부(21)는 상기 수학식 6을 이용하여 N-step 이후의 열차의 미래 속도를 예측하는 'N-step ahead' 타입으로 설계할 수 있다. 이때 현재 열차에 가해지고 있는 추진력 및 제동력은 일정하다고 가정할 수 있다.
열차의 미래 속도를 추정하기 위하여 위에서 제시한 동역학 모델을 사용하면, '1-step ahead', '2-step ahead', '3-step ahead' 열차 속도 추정은 각각 다음의 수학식 7 내지 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00013

Figure pat00014
Figure pat00015

유사한 방법으로, '(n-1)-step ahead' 열차 속도 추정은 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
그리고, 'n-step ahead' 열차 속도 추정은 다음의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
Figure pat00019

수학식 7로부터 수학식 11까지의 식을 순차적으로 이용하면 k 스텝의 열차 데이터를 이용하여 'k+n' 스텝에서의 열차 속도를 추정할 수 있다.
즉, k번째 스텝에서 수신한 곡률 및 구배 정보를 포함한 선로 데이터, 열차의 추진력 및 제동력 정보, 열차 속도와 열차 동역학 모델을 이용하여 'k+n'번째 스텝에서의 열차 미래 속도를 추정할 수 있다.
TTSLC 계산부(22)는 미래 속도 추정부(21)에서 추정된 열차의 미래 속도와 비상제동용 ATP 속도제한 정보를 바탕으로 하여, 열차가 ATP 속도제한을 어느 시점에서 넘어갈 수 있는지를 나타내는 TTSLC 값을 계산한다.
즉, 열차가 현재의 가속/감속 상태를 유지한다면, 몇 초 후에 기 설정된 비상제동용 ATP 속도 제한을 초과하는지를 계산한다.
열차의 속도가 n번째 단계에서 ATP 속도 제한을 초과한다고 가정하면, 이를 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00020
여기서, vlim은 비상 제동을 위한 ATP 속도 제한 값이다.
이것은 k가 현재의 시점일 때 n 스텝 이후에 열차의 속도가 ATP 속도 한계를 초과한다는 의미이며, TTSLC 값은 다음의 수학식 13으로 계산될 수 있다.
Figure pat00021
여기서 TTSLC 값의 단위는 초(second)이고, ΔT는 샘플링 주기이다.
즉, 현재 시점에서 TTSLC 값만큼의 시간이 지나면 열차가 비상제동용 ATP 속도제한을 초과하게 된다는 것을 말한다. 예를 들자면, TTSLC 값이 3초로 계산되었을 경우, 현재의 열차 운행 조건에서 열차는 3초 후 비상제동용 ATP 속도제한 값에 다다르게 된다.
경고 발생부(23)는 TTSLC 계산부(22)에서 계산된 시간(TTSLC 값)이 기 설정된 기준 값 이하이면 경고 신호를 발생시킨다.
즉, 설정된 기준 값을 Tthreshold 라고 할 때, 'TTSLC ≤ Tthreshold' 이면 경고신호를 발생시키고, 'TTSLC > Tthreshold' 이면 경고를 발생시키지 않는다.
TTSLC 값이 아주 큰 경우에는 비상제동용 ATP 속도 제한을 초과할 때까지 시간이 아주 많이 남은 경우로 판단할 수 있고, TTSLC 값이 아주 작은 경우에는 비상제동용 ATP 속도 제한을 초과할 때까지 시간이 아주 조금밖에 남아있지 않은 것으로 판단할 수 있다.
Tthreshold 는 운전자, 감시자 또는 ATP의 반응 시간, 제동 장치의 반응 시간, 충분한 제동력이 발생할 때까지 걸리는 시간, 통신 지연 시간 등을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 제한속도 초과를 경고하는 과정의 예를 보인 것으로서, 곡률과 구배 정보 등의 선로 데이터, 추진력과 제동력 등의 열차 데이터, 현재 열차 속도 정보를 수신한다(S41, S42, S43).
단계 S41 내지 S43에서 수신된 각종 정보를 기초로 N 스텝 미래(N-Step ahead)의 속도를 추정한다(S44).
비상제동용 ATP 속도 제한 정보를 수신하여(S45), TTSLC 값을 계산하고(S46), 계산된 TTSLC 값을 기 설정된 기준 값과 비교한다(S47).
비교 결과, TTSLC 값이 기준 값보다 크면 경고신호를 발생시키지 않지만(S48). TTSLC 값이 기준 값 이하이면 경고신호를 발생시킨다(S49).
도 5는 종래의 기술처럼 비상제동용 ATP 속도제한 곡선(5-2)에서 일정 마진을 두고 경고용 ATP 제한속도 곡선(5-5)을 설정하는 방법과, 본 발명에 따른 TTSLC 기반의 방법을 비교한 것이다.
종래의 경우 열차의 속도(5-1)가 비상제동용 ATP 제한속도 곡선(5-2) 이하로 계속 유지되더라도 Tw 시점에 경고용 ATP 속도제한 곡선(5-5)에 도달하게 되므로. 운전자나 감시자에게 속도 초과에 대한 경고신호를 전송하여 열차 운행에 개입하도록 한다(5-3).
그러나, 본 발명에서는 열차의 속도(5-1)가 비상제동용 ATP 제한 곡선(5-2) 이하로 계속 유지된다면 비상제동용 ATP 제한속도 곡선에 다다르지 않기 때문에 TTSLC 값은 무한대가 되어 운전자나 감사자에게 경고를 전송하지 않는다.
이와 같이, 열차가 운행되면서 열차가 속도 허용 한계치를 벗어나 비상 제동이 걸리는 시점을 예측할 수 있기 때문에 보다 안전한 운전이 가능해지며, 필요에 따라서는 비상제동용 제한 속도에 근접하게 운행할 수도 있기 때문에 열차를 더욱 효율적으로 운전할 수 있게 해준다.
상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.
20: 제한속도 초과 경고 장치
21: 미래 속도 추정부 22: TTSLC 계산부
23: 경고 발생부

Claims (3)

  1. 철도 차량의 제한속도 초과를 경고하는 장치에 있어서,
    철도 차량의 일정 시간 이후의 속도를 추정하는 미래 속도 추정부;
    상기 미래 속도 추정부에서 추정된 속도를 기초로 철도 차량의 속도가 기 설정된 제한 속도가 될 때까지의 시간을 계산하는 TTSLC 계산부; 및
    상기 TTSLC 계산부에서 계산된 시간이 기 설정된 기준 값 이하이면 경고 신호를 발생시키는 경고 발생부를 포함하는 철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미래 속도 추정부는 아래 수학식에 따라, 현재인 k번째 스텝 이후 n번째 스텝에서의 미래 속도를 추정하는 철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치.
    Figure pat00022

    Figure pat00023

    (여기서 c2, c3, c4는 상수, m은 철도 차량의 등가 질량, g는 중력 가속도, θ는 구배각, r은 곡률반경, k와 n은 스텝, v는 속도, Te는 추진력, Tb는 제동력, ΔT는 샘플링 주기임)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 TTSLC 계산부는 상기 미래 속도 추정부에서 추정된 n번째 스텝 이후의 속도가 제한 속도를 초과하는 경우, 철도 차량의 속도가 제한 속도에 도달할 때까지 걸리는 시간인 TTSLC(Time-To-Speed-Limit-Crossing)를 'n×ΔT'(ΔT는 샘플링 주기)로 계산하는 것을 특징으로 하는 철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치.
KR1020140123483A 2014-09-17 2014-09-17 철도 차량에서의 제한속도 초과 경고 장치 KR101866610B1 (ko)

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