KR20220044842A - 열차 제어 시스템 내에서 열차를 제어하는 방법, 및 열차 제어 시스템 - Google Patents

열차 제어 시스템 내에서 열차를 제어하는 방법, 및 열차 제어 시스템 Download PDF

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KR20220044842A
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KR1020227008740A
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게르하르트 빕플링거
라 시에라 아파리치오 마리아 데 로스 앤젤레스 데
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탈레스 매니지먼트 앤드 서비씨즈 도이칠란트 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 열차 제어 시스템 내에서 열차를 제어하는 방법으로서: - 사고 모델(AccM)을 생성하는 단계로서, 사고 부류들 및 사고 영향 인자들이 결정되는 것인, 사고 모델(AcM)을 생성하는 단계; - 선로 예약 영역 및 선로 프로파일을 포함하는, 열차에 대한 개별적 선로 예약(RES)을 확정하는 단계; - 위험 평가 장치(MAXd)로, 확정된 선로 예약(RES)을 승인하라는(release) 요청(A)을 보내는 단계; - 확정된 상이한 사고 부류들 중 적어도 일부에 대해 위험 평가 장치(MAXd)에 의해 선로 예약(RES)에 대한 실시간 위험 평가를 수행하는 단계로서, 선로 예약(RES)에 대한 위험 인자(RF)가 확정되며, 그리고 그 결과, 위험 인자(RF)가 허용 가능한지 여부가 확정되는 것인, 실시간 위험 평가를 수행하는 단계; 및 - 위험 평가의 결과에 의존하여 선로 예약(RES)을 승인하거나 또는 거부하는 단계를 포함하는 것인, 방법에 관한 것이다. 이러한 방식으로, 계획, 구성/프로젝트 계획 및 허가가 단순화될 수 있으며, 그리고 선로 활용이 높은 안전 수준(안전 무결성 수준 SIL4)을 동반하는 가운데 최적화될 수 있다.

Description

열차 제어 시스템 내에서 열차를 제어하는 방법, 및 열차 제어 시스템
본 발명은, 열차 제어 시스템 내에서 열차를 제어하기 위한 방법에 그리고 상기 방법을 수행하기 위한 열차 제어 시스템에 관한 것이다.
철도 운행 중 사고를 방지하기 위해, 자동 열차 제어 시스템들(선로 제어 및 열차 순서 제어)을 사용하는 것이 알려져 있다(문헌 [1], [7], [8]).
철도 시스템의 선로 제어 및 열차 순서 제어는, 현재, 기술적 시스템들에 의해, 특히 신호탑(signal boxes), 유럽 열차 제어 시스템(European Train Control System)(ETCS)과 같은 전자 열차 제어 시스템들, 및 작동 규칙에 의해, 수행된다([2]).
종래 기술에 따른 철도 시스템의 설계를 위해, 기반 시설 및 작동 운영의 계획을 위한 정적 위험 분석 및 위험 평가가, 사전에 1회 수행된다.
문헌 [2]는, 철도 라인들에 대한 확률론적 안전성 분석(probabilistic safety analysis)(PSA)을 위한 베이지안 네트워크(Bayesian network)의 사용을 개시한다.
베이지안 네트워크(결정 네트워크, 베이지(안) 모델(Bayes(ian) model) 또는 확률적으로 방향성 비순환 그래프 모델이라고도 함)는, 방향성 비순환 그래프(directed acyclic graph)(DAG)에 대한 한 세트의 변수들 및 그들의 조건적 종속성을 나타내는, 확률 그래프 모델(통계적 모델)이다.
그에 대한 위험 분석이 기반 시설을 계획하는 동안 수행되는, 철도 시스템이, 안전하게 작동될 수 있도록 하기 위해, 철도 시스템은, 심지어 가장 느린 그리고 가장 긴 열차도 안전하게 안내될 수 있는 방식으로, 설계된다. 그러나, 이것은, 시스템이 대부분의 열차에 대해 너무 방어적으로 설계된다는 것을 의미하므로(너무 긴 레일 구간, 너무 큰 제동 거리 등), 최적의 선로 활용이 일반적으로 달성되지 않는다. 또한, 정적 경로 및 정적 이동 권한이 생성된다. 상이한 열차 유형들 및 상이한 경로들로 인해, 이것은, 프로젝트 계획 및 검증의 측면에서, 높은 수준의 노력을 필요로 한다.
베이지안 네트워크는 또한, 보안 관리의 맥락에서 위험 평가를 수행하기 위해 IT 섹터에서도 사용된다(문헌 [3], [4], [5], [6]).
[3] 및 [4]는, 은닉 마르코프 모델(Hidden Markov Model)을 사용하여 건설 현장에 관한 안전 및 보건 상태에 대한 동적 평가를 수행하기 위한, 실시간 안전성 평가를 설명한다. 작업자들의 안전 위험은, 현장의 장소들과 연결된다.
본 발명의 목적은, 계획, 구성/프로젝트 계획 및 허가가 단순화될 수 있으며 그리고 선로 활용이 높은 안전 수준(안전 무결성 수준 SIL4)을 동반하는 가운데 최적화될 수 있도록 하는, 열차 제어 시스템 내에서 열차를 제어하는 방법, 및 열차 제어 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 본 발명에 따라, 청구항 1에 따른 방법 및 청구항 8에 따른 열차 제어 시스템에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 방법은, 뒤따르는 방법 단계들을 포함한다:
ㆍ 사고 모델을 생성하는 단계로서, 사고 부류들(accident class) 및 사고 영향 인자들이 결정되는 것인, 사고 모델을 생성하는 단계;
ㆍ 선로 예약 영역 및 선로 프로파일을 포함하는, 열차에 대한 개별적 선로 예약을 확정하는 단계;
ㆍ 위험 평가 장치로, 확정된 선로 예약을 승인하라는(release) 요청을 보내는 단계;
ㆍ 확정된 사고 부류들 중 적어도 일부에 대해 위험 평가 장치에 의해 선로 예약에 대한 실시간 위험 평가를 수행하는 단계로서, 선로 예약에 대한 위험 인자가 확정되며, 그리고 그 결과, 위험 인자가 허용 가능한지 여부가 확정되는 것인, 실시간 위험 평가를 수행하는 단계; 및
ㆍ 위험 평가의 결과에 의존하여 선로 예약을 승인하거나 또는 거부하는 단계.
측정 방법은, 철도 사고를 이해하고 설명하기 위해, 정적으로 생성된 사고 모델을 사용한다. 사고 모델링은 바람직하게, 열차 제어 시스템의 작동 밖에서 수행된다. 뒤따르는 것이, 예를 들어, 사고 부류들로서 정의될 수 있다: "탈선", "다른 열차와의 충돌", "사람/물체와의 충돌", 및 "건널목에서의 사고". 사고 영향 인자들은, 사고 부류들에 포함되는 이벤트에 기여할 수 있는, 즉, 사고 위험에 영향을 미칠 수 있는(예를 들어, 환경, 운전자, 운전자 결정, 열차, 기반 시설, 속도, 및 감독), 인자들(요소들)인 것으로 이해된다. 이를 위해, 특히, 기반 시설 및 열차에 대한 설명은, 안전하게 확정되어야 한다(SIL4).
본 발명에 따르면, 사전 규정된 경로가, 승인되지 않는 대신, 개별적 선로 예약이 생성되는데, 즉, 선로 예약은, 특정 시간에 특정 위치에서 선택된 열차에 대해 구체적으로 확정된다. 선로 예약은, 열차가 이동하게 될 선로의, 특정 열차에 대해 개별적으로 선택되는/확정되는, 선로 섹션을 포함하지만, 미리 계획되지는 않는데, 즉, 지정된 선로 섹션에 영향을 미치지 않는다.
선로 예약은, 열차에 의해, 조차원(dispatcher)에 의해, 또는 작동 장치에 의해, 직접 요청될 수 있다. 이를 위해, 조차원/작동 장치는, 먼저 선택된 열차의 선로 예약의 범위 및 선로 프로파일을 확정한다. 선로 프로파일은, 선로 예약의 범위에 대한 선로 설명, 특히 기울기 프로파일(거리에 따른 예약 영역의 고도 차이), 속도 프로파일(거리, 허용된 차축 하중, 곡선의 편경사 등에 따라 예약 영역 내에서 허용되는 최대 속도)을 포함한다. 예약 영역에서 허용되는 최대 속도는, 특히, 최대 선로 속도(최대 허용 속도), (예를 들어, 차축 하중, 화물 열차, 여객 열차, 제동력 등에 따라 의존하는) 최대 열차 속도, 곡선 반경 및 곡선의 편경사, 및 임시 속도 제한에 의존한다. 선로 예약의 범위는, 예를 들어 이동할 선로에 다른 열차들, 작업자들, 건설 현장들 등이 있는지 여부/있는 위치에 따라, 영향을 받는다.
요청은, 실시간으로 요청된 (개별적으로 확정된) 선로 예약에 대한 위험 평가를 수행하는, 위험 평가 장치로 전달된다. 위험 평가는 바람직하게, 본 방법의 체계 내에서 이전에 확정된 모든 사고 부류에 대해 수행된다. 실시간 위험 평가는, 선로 예약 내에서 선택된 열차의 이동에 대한 위험 인자를 결정하는 것을 포함된다. 따라서, 위험(위험 인자)은, 실시간으로 각 열차에 대해 개별적으로 확정되고 평가된다.
위험 평가 장치는, 선로 예약에 필요한 명령(포인트의 변경, 열차에 대한 이동 권한 등)이 허용 가능한지 여부를 평가하기 위해, 실시간 위험 평가를 사용한다. 이를 위해, 사고 확률(위험 인자)이, 사전 규정된 사고 부류들에 대해 확정된다. 위험 인자가 사전 규정된 한계값 미만으로 유지되면(위험 인자 = 허용 가능함), 선로 예약에 필요한 명령(예를 들어, 포인트의 설정, 신호 등)이 실행되며, 그리고 선로 예약이, 승인된다. 선로 예약은, 선로 예약을 위해 요구되는 필드 요소들이 설정될 때(예를 들어, 정확한 스위치 위치, 신호 위치, 건널목 개방 지시), 승인된다. 선로 예약의 승인은, 이동 권한이 열차에 발급되도록 야기한다.
본 발명에 따른 위험 평가에 의해, 위험 평가 장치는, 필드 요소들로부터의 오류 보고들 또는 열차로부터의 위치/속도 보고들이 있는 경우, 현재 상황이 위험으로 이어질지 여부를 평가할 수 있으며, 그리고 필요한 경우, 안전 조치를 취할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 교통 상황 및 운영자로부터의 명령에 동적으로 적응되고, 모든 개별적 위험들을 계산하며, 그리고, 필드 요소들에 대한 명령 및 열차에 대한 운전 권한을 발급하기 이전에, 감독 제어 영역 이내에서 가장 높은 처리량을 동반하는 가운데, 최대 안전 무결성(SIL4)을 보장한다.
본 발명에 따른 방법은, 임의의 특정 프로젝트 계획을 필요로 하지 않으며 그리고 허가 프로세스를 상당히 단순화하는, 일반적인 해법을 설명한다. 이것은, 임의의 작동 규칙을 요구하지 않으며, 그리고 경로의 계획 또는 이동 권한을 요구하지 않는다.
열차의 현재 위치가, 바람직하게, 선로 예약을 확정하기 위해 결정된다. 위치는 바람직하게, 위성들(GNSS)에 의해 결정된다.
열차의 일부가 선로 상에 남아 다른 열차들에 위험을 초래하는 것을 방지하기 위해, 열차의 무결성이 바람직하게, 선로 예약을 확정하기 위해 결정된다.
실시간 위험 평가가, 배타적으로 사고 영향 인자들의 물리적 및/또는 기하학적 파라미터들 및 사고 영향 인자들에 대한 오류 확률에 기초해서만 수행되는 경우, 특히 유리하다. 이것은, 물리적 및 기하학적 파라미터들이 쉽게 확정될 수 있거나 또는 어떤 경우에도 알려져 있기 때문에, 유리하다.
하나의 사고 영향 인자에 대한 오류 확률은, 다른 사고 영향 인자에 대한 오류 확률에 영향을 준다.
본 발명에 따른 방법의 특별한 변형예에서, 확률적 그래프 모델(그래픽 모델)이, 실시간 위험 평가를 위해 사용되며, 이 모델은, 이전에 생성된 사고 모델을 설명하고, 노드들 및 에지들을 갖는 그래프가 구축/예시되며(instantiated), 조건부 확률이 각 노드에 대해 저장된다. 확률적 그래픽 모델(PGM)은, 노드들 및 에지들을 갖는 그래프이고, 노드들은 확률 변수들을 나타낸다. 그래프의 노드들 사이에 에지들이 존재하지 않는 것은, 그들의 독립성을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 철도 시스템의 토폴로지를 나타내는 그래프가 예시/생성된다. 예시된 그래프는, 열차 및 철도 시스템의 기하학적 기반 시설을 설명한다.
그래프는 바람직하게, 방향성 및/또는 비순환 그래프, 예를 들어 베이지안 네트워크(방향 및 비순환)에 따른 그래프 또는 마르코프 모델에 따른 그래프이다.
본 발명에 따라 사용되는 그래프 모델은, 방향성, 특히 비순환형의, 그래프(DAG)를 통해, 변수들의 세트(사고 영향 인자들/노드들) 및 그들의 종속성을 나타내는, 통계적 모델이다. 노드들의 종속성은, 조건부 확률을 사용하여 모델링된다. 그래프는, 일반적으로, 이전에 생성된 사고 모델을 설명한다. 그래프는, 사고 확률 비율을 계산하기 위해 설정되는 동적 네트워크(확률 네트워크)로서 보일 수 있다. 일반적 그래프는, 동적으로, 즉, 현재 상황, 선로 예약 및 선로와 열차의 기하학적 설명에 의존하여, 생성된다. 이상적으로, 베이지안 네트워크가, 발생한 이벤트를 검출하고 알려진 몇 가지 가능한 원인들 중 하나가 결정적인 인자일 확률을 예측하는데 이상적이기 때문에, 베이지안 네트워크(BN)가, 그래프로서 사용된다. 관련된 모든 사고 영향 인자에 대한 확률 분포는, 알려진 조건부 확률을 사용하여 컴팩트한 형태로 표현된다. 각 노드에 대한 조건부 확률은, 확률표에 저장된다. 이러한 그래프의 구조 및 그의 확률표는, 사고 모델에 의해 결정된다. 확률표는, 관련 사고 영향 인자의 물리적 및/또는 기하학적 파라미터들 및 그에 대한 오류 확률을 포함한다. 열차의 물리적 및/또는 기하학적 파라미터들(차축 하중, 제동력 등)은, 예를 들어 열차 역학으로부터 확정될 수 있다.
시스템-이론적 프로세스 분석(Systems-Theoretic Process Analysis: STPA)을 사용하는, 시스템-이론적 접근 방식, STAMP(시스템-이론적 사고 모델 및 프로세스)가, 바람직하게, 사고 모델을 생성하기 위해 사용된다. 사고 모델은, 사고 영향 인자들과 사고 부류들 사이의 인과 관계를 나타내며, 그리고 그래프의 구조에 대한 기초로서 역할을 한다. 다른 방법들이 또한, STAMP/STPA 대신에, 사용될 수 있다.
노드들은 바람직하게, 사고 부류 노드들 및 요소 노드들이고, 요소 노드는 사고 영향 인자를 나타내며, 그리고 사고 부류 노드는 사고 부류들 중 하나를 나타낸다.
노드에 의해 나타나는 랜덤 변수들(사고 영향 인자)의 조건부 확률 분포(확률표)가, 각 노드에 대해 저장된다. 확률 분포는, 랜덤 변수들을 부모 노드들에 할당한다.
선로 예약은, 복수의 선로 예약 하위 영역을 포함할 수 있으며, (바람직하게는 방향성, 특히 비순환형의) 하위 그래프가, 각 선로 예약 하위 영역에 대해 구축/예시되고, 이 하위 그래프는, 하위 네트워크를 나타낸다.
선로 예약 하위 영역은, 바람직하게, 선로의 변경에 의해 한정(제한)된다. 이는, (예를 들어, 새로운 기울기 프로파일, 스위치를 통한 선로의 분기, 또는 선로의 기울기의 변경으로 인해) 선로 파라미터가 변경되는 경우, 이전 하위 영역이 종료되며 그리고 다음 선로 예약 하위 영역이 시작된다는 것을, 의미한다. 이는, 선로 파라미터들에 관한 변경이 사고 위험(위험 인자)에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 특히 유리하다. 따라서, 부분적 위험 인자가, 각 선로 예약 하위 영역에 대해 계산된다. 다양한 선로 예약 하위 영역의 사고 위험은, 상이한 사고 영향 인자들에 의존할 수 있다. 따라서, 상이한 선로 예약 하위 영역의 하위 네트워크들은, 상이한 유형 및 개수의 노드들을 포함할 수 있다. 선로 예약은 단지, 각 선로 예약 하위 영역의 사고 위험(부분적 위험 인자)이 허용 가능한 위험 인자보다 낮은 경우에만, 승인된다. 전체 선로 예약에 대한 위험 인자는, 부분적 위험 인자의 합계로서 계산된다.
열차의 위치 보고들이, 바람직하게, 결정되며 그리고 시간 간격을 두고 위험 평가 장치로 전송된다. 각 위치 보고 이후에, 선로 예약 하위 영역들에 대한 위치 보고들로부터 획득되는 데이터가, 그래프에 입력된다.
위치 보고는 바람직하게, 위치 데이터, 열차 정보(예를 들어, 열차 무결성, 열차 길이) 및 속도 정보를 포함한다. 열차(OBU)의 위치 보고가 업데이트 되자마자, 위치 보고의 현재 데이터가 그래프에 입력되며, 그리고 그래프는, (열차의 현재 위치에 기초하여) 적어도 앞에 놓이는 선로 예약 하위 영역에 대해 재계산된다.
하위 네트워크들은, 상호 연결되며, 그리고 그에 따라, 이들은, 하나의 하위 네트워크의 변경이 다른 하위 네트워크의 변경으로 이어질 수 있도록, 동적 네트워크를 형성한다.
본 발명은 또한, 위에서 설명한 방법을 수행하기 위한 열차 제어 시스템에 관련된다. 본 발명에 따른 열차 제어 시스템은, 뒤따르는 것을 포함한다:
ㆍ 사고 모델을 사용하여 열차에 대한 미리 결정된 선로 예약에 대한 실시간 위험 평가를 생성하기 위한 그리고 필드 요소들에 명령을 전송하기 위한, 위험 평가 장치; 및
ㆍ 열차와 관련된 열차 정보를 전송하기 위한 전송 장치로서, 위험 평가 장치에 대한 인터페이스를 구비하는 것인, 전송 장치.
본 발명에 따른 위험 평가 장치는, 그래프 모델의 도움으로, SIL4 레벨에서 특정 선로 예약에 대한 위험 인자를 계산하도록, 이러한 위험 인자를 사전 규정된 허용 가능한 위험 인자와 비교하도록, 그리고, 필요한 경우, 계산된 위험 인자가 허용 가능한 위험 인자보다 작은 경우 선로 예약을 승인하도록, 설정된다.
전송 장치는 바람직하게, 열차 내에 배열된다.
위험 평가 장치는 바람직하게, 열차 제어 시스템의 필드 요소들에 대한 인터페이스를 구비한다. 필드 요소들은, (예를 들어, 포인트를 변경하는 것, 신호를 전환하는 것, 등에 의해) 선로 예약을 승인하기 위한 조건을 생성하도록 하기 위해, 이러한 인터페이스들을 통해 작동되고 감독될 수 있다.
본 발명에 따른 열차 제어 시스템의 특정 실시예에서, 열차에 대한 개별적 선로 예약을 확정하기 위한 작동 장치(OB)가 존재하고, 선로 예약은, 선로 예약 영역 및 선로 프로파일을 포함하며, 작동 장치는, 위험 평가 장치에 대한 인터페이스를 구비한다.
작동 장치는 바람직하게, 열차 관리 시스템에 대한 인터페이스를 구비하는 장치이다. 열차 관리 시스템은, 시간표를 제공하도록, 시간표에 따라 열차 교통을 제어 및 감독하도록, 현재 시간표를 최적화하도록, 현재 열차 교통에 문제가 발생할 경우 충돌을 식별 및 해결하도록, 설정된다.
작동 장치는, SIL0 레벨에서, 현재 열차 및 선로 파라미터들(열차 길이, 제동력, 선로 특성, 철도 상태)과 더불어, 선로 예약을 생성한다.
위험 평가 장치는, 열차가 어디로 이동할지, 열차가 어떤 속도 프로파일로 이동하도록 허용되는지에 대한, 임의의 결정을 내리지 않으며, 따라서, 선로 예약의 구성에 영향을 미치지 않는다.
작동 장치는 바람직하게, 또한, 위험 평가 장치로부터 선로 예약에 대해 문의할 책임이 있다. 대안적으로, 선로 예약을 위한 요청이, 또한, 예를 들어, 이러한 목적으로 열차 자체에 의해 이루어질 수도 있다.
열차 정보를 전송하는 장치는, 예를 들어 열차의 탑재 유닛(OBU) 또는 선로-측 장치일 수 있다.
탑재 유닛(OBU)은 바람직하게, 위치 결정 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 열차 제어 시스템에 의해, 작동의 최적화(열차 여행의 최적화, 충돌 해결)는, 현재 파라미터들과 더불어 SIL0 레벨에서 수행될 수 있는 반면, 위험 분석은, SIL4 레벨에서 실시간으로 유연하게 수행된다.
본 발명의 추가적 이점들이, 상세한 설명 및 도면에서 확인될 수 있다. 마찬가지로, 본 발명에 따르면, 위에서 설명된 특징 및 이하에서 설명되는 특징은 각각, 그들에 대해 개별적으로 또는 임의의 종류의 복수의 조합에 대해 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예들은, 총망라한 열거로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 제어 시스템의 바람직한 실시예의 SIL4 영역의 개략도이다.
도 2는 SIL0 영역을 갖는 본 발명에 따른 제어 시스템의 바람직한 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 다양한 방법 단계들의 순서를 도시한다.
도 4는 사고 부류 노드 및 복수의 요소 노드를 갖는 사고 모델에 기초한 확률적 그래프 모델의 그래프를 도시한다.
도 5는 선로 예약의 속도 프로파일 뿐만 아니라 선로 예약에 대한 위험 평가를 위해 생성된 그래프의 하위 네트워크들을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 열차 제어 시스템의 필수 구성 요소들을 도시한다. 본 발명에 따른 제어 시스템의 핵심은, 위험 평가 장치(MAXd)이다.
위험 평가 장치(MAXd)는, 선로 제어 및 열차 순서 제어를 위한 요소들을 포함한다. 또한, 위험 평가 장치는, 철도 선로 작업자 보호 및 철도 건널목 제어를 위한 요소들을 포함할 수 있다.
위험 평가 장치(MAXd)는, 인터페이스를 통해 전송 장치(OBS)로부터, 그에 대한 선로 예약(RES)이 승인되어야 할 열차(선택된 열차)에 관한 열차 정보(IZ)를 수신한다. 열차 정보(IZ)는, 예를 들어, 열차 위치, 속도, 열차 길이, 및 질량을 포함할 수 있다. 열차 위치는, 열차 검출 장치(VD)에 의해 확정된다. 열차 검출 장치(VD) 및 전송 장치(OBS)는, (반드시 그래야 하는 것은 아니지만) 열차 내에 배열될 수 있다. 전송 장치(OBS)는, 예를 들어, 차량 장착 제어 장치일 수 있다. 그러나, 열차 정보(IZ)가 (열차) 외부 전송 장치로부터 위험 평가 장치(MAXd)로 전송되는 것 및/또는 열차 검출 장치(VD)가 선로 측에 배열되는 것, 또한 가능하다.
위험 평가 장치(MAXd)는, 추가의 인터페이스를 통해, 필드 요소들(FE)의 현재 상태에 관한 정보(IFE)를 필드 요소들(FE)로부터 수신한다.
위험 평가 장치(MAXd)는, 선로 예약(RES)의 승인을 위한 전제 조건을 생성하기 위해, 필드 요소들에 명령(K)을 전달하도록 설정된다. 또한, 위험 평가 장치(MAXd)는, 이동 권한(MA)을 열차로 전송하도록 설정될 수 있다. 대안적으로, 이동 권한(MA)은 또한, 선로-측 신호(도시되지 않음)를 통해 열차에 전달될 수도 있다. 도 1에서는, 전송 장치(OBS)가 열차 내부에 배열되며, 따라서 전송 장치(OBS)가 또한 이동 권한(MA)을 수신할 수 있다는 것이, 가정된다.
본 발명에 따르면, 선로 예약(RES)은, 본 발명에 따른 열차 제어 시스템의 SIL4 영역 외부에서 생성된다. 이것은, 도 2에 도시된 바와 같이, 작동 장치(OP)에 의해 실행될 수 있다. 모션 제어를 위한 비즈니스 로직을 갖는, 특히 의사 결정 지원 소프트웨어(의사 결정 지원 시스템)를 갖는, 컴퓨터가, "작동 장치"로서 사용될 수 있다. 그러나, 그 대신에, 조차원이, 또한, 작동 유닛의 작업들 중 일부를 인수할 수도 있다. 작동 장치(OP)는, 작동의 최적화(열차 여행의 최적화)를 담당한다. 이러한 작동의 최적화는, 현재 파라미터들(열차 길이, 제동력, 선로 특성, 철도 상태)과 더불어, SIL0 레벨에서 일어난다.
작동 장치(OP)는, 국가적 요구 사항 및 작동 규칙을 알고 있다. 시스템 상태(SYS)(즉, 필드 요소 상태, 위치, 열차들의 속도, 등)는, 위험 평가 장치(MAXd)로부터 작동 장치(OP)로 전송된다. 이를 기초로, 작동 장치(OP)는, 특정 열차에 대해 개별적으로 선로 예약(RES)을 생성할 수 있고, 즉, 선로 예약(RES)의 범위를 개별적으로 한정하고, 속도 프로파일(MP)을 포함하는 선로 프로파일을 확정하며, 그리고 선로 예약(RES)을 위한 정확한 위치에 포인트를 둔다.
따라서, 작동 장치(OP)는, 선택된 열차에 대해 개별적으로 선로 예약(RES)을 생성한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 위험 평가 장치(MAXd)에 대한 선로 예약을 위한 요청(이전에 생성된 선로 예약(RES)을 승인하라는 요청)이, 또한, 작동 장치(OP)를 통해 보내진다.
작동 장치는, 열차 여행 계획을 담당하는, 열차 관리 유닛(TMS)과 통신한다. 특히, 시스템 상태(SYS)는, 열차 관리 유닛(TMS)으로 전송되는데, 왜냐하면 상기 상태가, 열차 관리 유닛(TMS)이, 필요한 경우; 예를 들어, 선로 상의 열차에 장애가 발생한 경우 후속 열차를 경로 재설정하기 위해, 스케줄링 측면에서 개입할 수 있도록, 요구되기 때문이다.
위험 평가 장치(MAXd)의 주요 직무는, 사전 설정된 사고 모델(AccM)에 기초하여 그리고 열차 정보(IZ) 및 필드 요소 정보(IFE)에 기초하여, 요청된 선로 예약(RES)에 대한 위험 평가를 계산하는 것이다. 위험 평가를 이용하여, 위험 평가 장치(MAXd)는, 요청된 선로 예약(RES)이 승인될지 그리고 해당 열차가 상응하는 이동 권한(MA)을 수신하는지 여부를, 결정한다. 실시간 위험 평가는, SIL4 레벨에서 일어난다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 순서를 도시한다: 위험 평가 장치(MAXd)가 특정 열차에 대한 선로 예약(RES)을 위한 요청(A)을 수신하는 경우, 위험 평가 장치(MAXd)는, 사고 모델(AccM) 뿐만 아니라 상기 장치에 이용 가능한 열차 정보(IZ) 및 필드 요소 정보(IFE)를 사용하여, 요청된 선로 예약(RES)에 대한 위험 인자(RF), 또는 선로 예약(RES)의 선로 예약 하위 영역들에 대한 복수의 부분적 위험 인자를, 실시간으로 계산한다. 위험 인자(RF)가 사전 규정된 허용 가능한 한계값(Lim) 미만이면, 위험 평가 장치(MAXd)는, 선로 예약(RES)에 필요한 필드 요소 설정을 설정하기 위해, 명령(K)을 필드 요소들(FE)로 전송한다. 필요한 필드 요소 설정이 이루어지자마자(따라서 선로 예약(RES)은 "통과 가능함"), 위험 평가 장치는, 이동 권한(MA)을 발급한다. 확정된 위험 인자(RF)가 허용 가능한 한계값(Lim)을 초과하는 경우, 명령(K) 및 이동 권한(MA)은 발급되지 않는다. 그 대신에, 요청(A)의 거부에 관한 정보가, 작동 유닛(OP)으로 전송될 수 있고, 따라서 상기 유닛은, 대안적인 선로 예약을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 실시간 위험 평가에 사용되는 사고 모델(AccM)을 생성하기 위해, 사고 부류들(예를 들어, 탈선, 다른 열차와의 충돌, 사람/물체와의 충돌, 건널목 사고)이, 열차 및 선로 특성에 기초하여 정의된다.
사고 모델은, 예를 들어 베이지안 네트워크에 의해, 그래프 모델의 방향성 그래프(G)로 표현된다. 도 4는 사고 부류 "탈선"(D)에 대한 상응하는 그래프를 보여준다. 사고 부류(D)는, 그래프(G)의 노드(사고 부류 노드 - 타원으로 표시됨)를 나타낸다. 그래프(G)는 또한, 요소 노드들(원형으로 표시됨)을 포함하며, 각 요소 노드는, 사고 영향 인자(여기서: 운전자(VD), 운전자 결정(VDDE), 차량 장착 시스템(감독)(S), 속도(V), 기반 시설(INF), 열차(RS), 환경 영향(E))를 나타낸다.
본 경우에서 고려되는 사고 영향 인자들은, 확률표를 생성할 때 고려되는, 다음과 같은 연관된 기하학적/물리적 파라미터/오류율을 포함한다:
Figure pct00001
(화살표들로 표시되는) 그래프(G)의 에지들은, 어떤 사고 영향 인자들이 다른 사고 영향 인자들에 영향을 미치는지를 나타낸다. 확률표는, 각 노드에 대해 저장되며, 확률표는, 임의의 "훈련된 데이터"를 포함하지 않는 대신, 오히려 선로 데이터, 열차 데이터 뿐만 아니라, 요소들의 오류율 및 (다른 사고 부류 노드들에 의존하는) 그들의 조건부 확률을 포함한다.
그래프는, 철도 시스템의 토폴로지(즉, 기반 시설 및 열차의 기하학적 설명)에 의존하는, "확률 네트워크"를 형성한다. 열차 또는 선로 특성(예를 들어, 최대 허용 속도)에 관한 변경이, 확률표를 또한 변경시킨다. 확률표에 저장된 확률들의 계산은, 결정적이다.
도 5는 260 m 길이의 선로 예약(RES) 내에서의 열차 길이(LT)의 열차의 속도 프로파일(MP)을 도시한다. 선로 예약(RES)은, 선로 예약 하위 영역들로 분할되며, 도 4와 유사한 하위 그래프 형태의 하위 네트워크가, 각 선로 예약 하위 영역에 대해 생성된다. 선로 예약(RES)에 대해, 평가될 선로 예약(RES)에 대한 그래프를 함께 형성하는, 다수의 하위 그래프/하위 네트워크가, 생성된다. 하위 네트워크가, 도 5에 예로서 표시되는 가운데, 노드들은, 검은색으로 채워져 있다. 개별 하위 네트워크들은, 도 5에서 선로 예약(RES) 내의 개별적인 선로 섹션(거리(d))에서 도시된다. 따라서, 예약 영역의 경로를 따르는 복수의 선로 예약 하위 영역에 대해, 하위 네트워크들이, 생성되고 예시된다(예시 = 개별 노드에 대한 특정 확률표의 계산). 선로 예약 하위 영역들은, 선로에 관한 변경에 의해 한정된다(예를 들어, 포인트 위치의 변경, 최대 허용 속도의 변경). 선로 상의 이러한 변화들의 결과로서, 사고 영향 인자들의 확률들이 변경되며, 그리고 이에 따라, 사고 영향 인자들이 그에 연결되는 사고 부류의 사고 확률에 관한 개별적 사고 영향 인자들의 영향이, 변경된다. 열차가 제동되어야 하는 영역들에서, 하위 네트워크들은, 그에 따라, 서로 더 가깝게 정렬된다. 부가적으로, 하위 네트워크들은 상호 연결되며(동적 베이지안 네트워크), 따라서 하나의 하위 네트워크에 관한 변경이 또한, 다른 하위 네트워크들에 관한 변경으로 이어질 수도 있다. 따라서, 예약 하위 영역의 사고 영향 인자는, 후속 예약 하위 영역의 상응하는 사고 영향 인자에 영향을 준다.
따라서, 특정 사고 영향 인자에 대한 확률표는, 상이한 예약 하위 영역들에 대해 상이하며, 따라서 상이한 예약 하위 영역들 및 그에 따라 위험 인자들에 대한 확률표들 또한, 별도로 계산되어야만 한다. 하위 네트워크들은, 노드들의 개수 및 유형에 관해 및/또는 노드들에 대해 저장되는 확률표들에 관해, 상이할 수 있다. 예약 하위 영역들로의 세분화는 바람직하게, 예약 하위 영역의 길이가 많아도 선로 예약(RES)이 적용되는 열차의 길이(LT)만큼 긴 방식으로, 수행된다.
노드들에 대한 확률은, 예를 들어 열차의 현재 위치 보고가 이용 가능하자 마자, 업데이트/재계산될 수 있다. 위치 보고는, 예를 들어 위치 데이터, 열차 데이터, 속도 정보, 및 열차 무결성에 관한 정보를 포함한다. 이를 위해, 새로운 위치 보고의 데이터가, 그래프에 입력되며, 그리고 데이터는, (현재 열차 위치에 대해 앞에 놓이는) 모든 예약 하위 영역에 대해 재입력된다. 이는, 특정 보고된 속도가 예를 들어 이전에 단지 특정 속도의 확률만을 가졌던 속도 노드에 입력된다는 것을, 의미한다. 물론, 이는, 후속 노드들에 대한 확률들에 영향을 준다. 이러한 확률들은, 확률표들을 사용하여 계산된다. 노드는, (예를 들어, 특정 속도에 대한) 확률을 나타내거나, 또는 입력되는 특정 값(예를 들어, 특정 속도)을 가질 수 있다.
선로 예약(RES)의 종료가 가까워짐에 의해, 열차가 제동을 시작하기 이전에, 새로운/연장된 선로 예약이, 열차를 제동시키는 것을 회피하기 위해, 요청될 가능성이 존재한다. 그러한 요청은, 예를 들어, 열차 장착 장치(탑재 유닛)에 의해, 이루어질 수 있다.
선로 예약을 개별적으로 생성함으로써 그리고 실시간 위험 분석을 수행함으로써, 선로의 처리량을 상당히 증가시키는 것이 가능하다: 예를 들어, 열차(A)가 이동될 선로 상에, 종래 기술에 따른 특정 경로에 속하는 영역 내부의 다른 열차(B)가 존재하는 경우, 열차(A)는, 열차(B)가 경로 내에 존재하는 한, 이러한 영역에 진입해서는 안 된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 개별적 선로 예약이 여전히 열차(A)에 대해 한정될 수 있다. 선로 예약의 길이는, 이때, 열차(B)가 도달되기 이전에, 종료되도록 한정된다. 열차(A)에 대한 선로 예약의 속도 프로파일에서, 열차(A)는, 이에 따라 제동되어야만 한다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 예약 영역은, 이때, 종래 기술에 따른 경로만큼 연장되지 않는다. 그러나, 열차(A)는, 적어도 선로 예약 내에서 천천히 이동할 수 있다. 늦어도 선로 예약에 저장된 제동 곡선에 도달하기 이전에, (계획된 제동을 위한 이유가 아마도 더 이상 존재하지 않기 때문에, 예를 들어 열차(B)가 계속 운행되기 때문에) 새로운 선로 예약이, 작동 유닛에 의해 요청된다.
본 발명은, SIL4 안전 로직의 모든 관련 요소들의 전체적인 관점을 허용하여, 특히 현재 상황이 위험으로 이어지지 않을지 여부 및 안전 조치가 취해질 필요가 있는지 여부와 관련하여, 각 열차에 대한 위험이 개별적으로 그리고 실시간으로 평가되는 것을 허용하도록 한다. 수학적 접근으로서, 현재 상황에 의존하여 동적으로 생성되는, 베이지안 네트워크가, 사용된다. 기반 시설 및 열차에 대한 기하학적 설명은, 이러한 네트워크의 구조 및 그들의 확률표들을 위해 사용된다. 열차 동역학은, 알려진 물리 법칙의 도움으로 계산된다. 본 발명에 따른 안전 개념은, 교통 상황 및 운영자들로부터의 명령에 동적으로 적응되고, 모든 개별 위험을 계산하며, 그리고, 필드 요소들에 대한 명령 및 열차에 대한 이동 권한을 발급하기 이전에, 동시에, 제어 영역 내의 모든 관련 요소들에 대한 최고 처리량을 동반하는 가운데, 최대 안전 무결성(SIL4)을 보장한다. 본 발명에 따른 접근 방식은, 임의의 특정 프로젝트 계획을 요구하지 않으며 그리고 허가 프로세스를 상당히 단순화시키는, 일반적인 해법이다.
A: 선로 예약의 승인을 위한 요청
AccM: 사고 모델
D: 사고 부류 "탈선"
FE: 필드 요소들
G: 방향성 그래프
IFE: 정보
IZ: 열차 정보
K: 필드 요소들에 대한 명령
Lim: 위험 평가에 대한 한계값
LT: 열차 길이
MA: 이동 권한
MP: 속도 프로파일
MAXd: 위험 평가 장치
OBS: 전송 장치
OP: 작동 장치
RES: 선로 예약
RF: 위험 인자
SYS: 시스템 상태
TMS: 열차 관리 유닛
VD: 열차 검출 장치
D: 사고 영향 인자: 운전자의 신뢰도
VDDE: 사고 영향 인자: 운전자 결정
E: 사고 영향 인자: 주변의 위험(예를 들어, 산사태, 눈사태, 홍수)
INF: 사고 영향 인자: 기반 시설에 대한 손상(예를 들어, 파손된 철도)
RS: 사고 영향 인자: 열차에 대한 손상
S: 사고 영향 인자: 차량 장착 시스템의 모드
V: 사고 영향 인자: 열차의 예상 속도 또는 현재 속도
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"엔지니어를 위한 ETCS"
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Claims (15)

  1. 열차 제어 시스템 내에서 열차를 제어하는 방법으로서:
    ㆍ 사고 모델(AccM)을 생성하는 단계로서, 사고 부류들(accident classes) 및 사고 영향 인자들이 결정되는 것인, 사고 모델(AccM)을 생성하는 단계;
    ㆍ 선로 예약 영역 및 선로 프로파일을 포함하는, 상기 열차에 대한 개별적 선로 예약(RES)을 확정하는 단계;
    ㆍ 위험 평가 장치(MAXd)로, 확정된 선로 예약(RES)을 승인하라는(release) 요청(A)을 보내는 단계;
    ㆍ 확정된 상이한 사고 부류들 중 적어도 일부에 대해 상기 위험 평가 장치(MAXd)에 의해 상기 선로 예약(RES)에 대한 실시간 위험 평가를 수행하는 단계로서, 상기 선로 예약(RES)에 대한 위험 인자(RF)가 확정되며, 그리고 그 결과, 상기 위험 인자(RF)가 허용 가능한지 여부가 확정되는 것인, 실시간 위험 평가를 수행하는 단계; 및
    ㆍ 상기 위험 평가의 결과에 의존하여 상기 선로 예약(RES)을 승인하거나 또는 거부하는 단계
    를 포함하는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열차의 현재 위치가, 상기 선로 예약(RES)을 확정하기 위해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열차의 무결성이, 상기 선로 예약(RES)을 확정하기 위해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실시간 위험 평가는, 배타적으로 상기 사고 영향 인자의 물리적 및/또는 기하학적 파라미터들 그리고 오류 확률에 기초해서만 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    확률적 그래프 모델이, 상기 실시간 위험 평가를 위해 사용되며, 상기 모델은, 이전에 생성된 사고 모델(AccM)을 설명하고, 노드들 및 에지들을 갖는 그래프(G)가 구축/예시되고(instantiated), 조건부 확률이 각 노드에 대해 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 노드들은, 사고 부류 노드들 및 요소 노드들을 포함하고, 요소 노드는, 상기 사고 영향 인자들 중 하나의 물리적 및/또는 기하학적 파라미터들 중 하나를 나타내며, 그리고 사고 부류 노드는, 상기 사고 부류들 중 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 그래프(G)는, 방향성 및/또는 비순환 그래프(directed and/or acyclic graph)(G)인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노드들은, 사고 부류 노드들 및 요소 노드들을 포함하고, 요소 노드는, 상기 사고 영향 인자들 중 하나를 나타내며, 그리고 사고 부류 노드는, 상기 사고 부류들 중 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선로 예약(RES)은, 복수의 선로 예약 하위 영역을 포함하고, 하위 그래프가, 각 선로 예약 하위 영역에 대해 구축/예시되며, 상기 하위 그래프는, 하위 네트워크를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열차의 위치 보고들이, 결정되며 그리고 시간 간격을 두고 상기 위험 평가 장치(MAXd)로 전송되고, 그리고 선로 예약 하위 영역들에 대한 각각의 위치 보고 이후에, 상기 위치 보고들로부터 획득되는 데이터가, 상기 그래프(G)에 입력되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 열차 제어 시스템으로서:
    ㆍ 사고 모델(AccM)을 사용하여 열차에 대한 미리 결정된 선로 예약(RES)에 대한 실시간 위험 평가를 생성하기 위한 그리고 필드 요소들(FE)에 명령(K)을 전송하기 위한, 위험 평가 장치(MAXd); 및
    ㆍ 상기 열차와 관련된 열차 정보(IZ)를 전송하기 위한 전송 장치(OBS)로서, 상기 위험 평가 장치(MAXd)에 대한 인터페이스를 구비하는 것인, 전송 장치(OBS)
    를 포함하는 것인, 열차 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 위험 평가 장치(MAXd)는, 필드 요소들(FE)에 대한 인터페이스들을 구비하는 것을 특징으로 하는 열차 제어 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    작동 장치(OP)가, 상기 열차에 대한 개별적 선로 예약(RES)을 확정하기 위해 제공되고, 상기 선로 예약(RES)은, 선로 예약 영역 및 선로 프로파일을 포함하며, 상기 작동 장치(OP)는, 상기 위험 평가 장치(MAXd)에 대한 인터페이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 열차 제어 시스템.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송 장치는, 상기 열차의 탑재 유닛(on-board unit) 또는 선로-측 장치인 것을 특징으로 하는 열차 제어 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탑재 유닛은, 위치 결정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 제어 시스템.
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