R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C129797-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 철도 조명설비 에너지절감을 위한 지하터널 구간용 철도신호시스템과 연동한 폐회로 전력선 통신방식(CPLC)의 조명제어 기초 원천기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 장우진 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 74,000,000 원 계 : 294,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 124,000,000 원 계 : 494,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B552989-000076-01 | |||||
| ISBN | 979-11-954623-9-1 | |||||
| 주요 내용 |
1) 철도시스템을 통한 차량위치 정보파악 및 LED 조명과의 통신 기법 - 차량 위치 파악을 위한 철도 기계 및 신호실의 폐색 신호 정보 수집 전략 - 각 조명기구별 어드레스 할당 및 통신기법 - 접점 신호 수집 및 제어 신호 전달 로직 설계 ○ 폐색 신호 정보 수집 전략 폐색 장치를 통해 폐색 구간을 정하고, 열차가 진입할 시 그 구간에 다른 열차가 들어오지 못하게 하는 장치를 폐색장치라 함. <그림 1>은 고정 폐색방식의 개념도를 나타냄. 폐색 구간을 분할하여 궤도를 설치하고, 열차가 어떤 궤도 회로를 점유하였느냐에 따라 이를 검지하여 뒤에서 따라오는 열차에게 자동으로 신호 현시 또는 차상 신호를 전송토록 하는 방식으로, 이 방식이 ATS(Automatic Train Stop) 시스템과 연결되어 쓰일 때에는 자동 폐색장치라고 함. ○ CPLC 통신 기법을 이용한 조명기구 제어 기존의 PLC 통신의 경우, 고전력이 흐르는 전력선에 정보를 담은 변조 신호를 가해 통신을 하는 방식이며 이 신호를 수신하기 위해서는 변조된 신호를 복조해야 하며, PLC 전용 수신기가 필요하게 됨. 그러나 PLC 통신 방식에서 매우 큰 60 [Hz] 교류가 변조 신호의 강력한 잡음으로 작용하기 때문에 통신 환경이 나쁨. 또한 전력선은 여러 개의 선을 전선관에 넣는 경우가 많기 때문에 주파수가 높을수록 혼선이 생겨 잡음이 더 많아짐. 또한, 접지나 정전 용량, 그리고 배선 방법에 따라 감쇄가 급속도로 일어날 수 있음. 다른 관점에서는 부하 특성에 따라 전송선의 입력 임피던스나 출력 임피던스가 바뀌는 문제로 반사파 특성이 쉽게 바뀐다는 문제점이 있음. - PLC의 주요한 문제점은 잡음(noise), 감쇄(attenuation), 부하 특성(load)가 된다. 그러나 CPLC(Closed Circuit PLC 폐회로 전력선 통신방식)을 이용하면 PLC의 문제점을 보완할 수 있음. <그림 3>은 CPLC 통신 방식을 나타내고 있는 그림이며, 각각 연결된 램프에 수신부에 어드레스를 부여해 송신부에서 전력선을 통해 통신이 가능함. 폐회로 전력선 통신방식은 송신부(스위치)를 통한 폐회로에서만 동작함. 조명에만 적용이 가능하며 다른 기기에 영향을 주지 않고 받지도 않음. 따라서 노이즈에 매우 강한 모습을 보이고 수신부의 회로가 매우 간단함. 등기구와는 전원선 이외의 어떤 배선도 필요 없이 등기구를 개별로 제어가 가능함. 또한, 수신부의 회로가 매우 간단하고, 가격이 저렴하며 실장 면적이 작은 것이 장점. 2) 차량의 이동 위치와 조명기구 거리 간에 따른 조도제어 연구 - 터널 내의 조도 기준에 맞춘 LED On/Off 제어 기법 - 차량의 이동에 따른 On/Off 제어 구간 및 수준 설정 - 차량의 속도에 따른 On/Off 제어 시간 설정 도시철도터널의 조명설비 기본부 조명 : 터널 입구 및 출구부는 터널 내부 또는 외부로 이어지는 부분으로 조도의 변화가 극심하여 이로 인한 차량요원의 시각장애를 유발할 수 있음. 따라서 조도의 변화를 완화시킬 수 있도록 조명계획을 하여야 함. - 정거장 전방 및 후방 100 m 구간은 바닥 기준 10 lx를 유지해야 함. - 터널의 지상 입출구부는 100 lx, 전철기 설치부분은 50 lx가 되도록 함. 열차의 정위치 접점에 의하여 승강장에 도착하면, 폐색구간 A의 LED 조광 레벨이 올라가고, 진행에 따라 폐색 B 구간도 점등이 됨. 폐색 C부터 이후의 구간은 접점 신호에 따른 제어신호가 수신될 때 까지 낮은 레벨로 조광되어짐. 3) 지능형 에너지 세이빙 조명제어 시스템 구축과 절감효과의 시뮬레이션 - 1, 2, 3번의 연구가 수행되었을 때를 기점으로 조도계산 시뮬레이션 실시 - 실제 터널구간의 구조와 설계도를 기반으로 시뮬레이션 환경 구축 - 조도 및 에너지 사용량, 조광 시뮬레이션 실시 - 기존의 조명 환경과 새로 구축된 시스템의 조명환경을 다각도에서 비교 - DIALux evo 6.2 로 시뮬레이션 실시 - 터널 설계도 확보 - LENI 등 에너지 사용량 확인 - 실제 터널의 반사도 측정 (기지의 시료 사용법) - 조명기구 제원 확인 [최종목표] 본 연구개발의 최종 목표는 철도 에너지 효율 극대화 및 운영비 절감을 위해 철도 지하의 지능형 LED 조명제어 시스템을 내상으로 하여 i) 철도시스템을 통한 차량위치 정보 파악 및 LED 조명과의 통신 기법 ii) 차량의 이동위치와 조명기구 거리 간에 따른 조도제어 연구 iii) 전류 계측을 통한 조명의 고장 보호 iv) 지능형 에너지 세이빙 조명제어 시스템 구축에 따른 에너지 절감 효과의 시뮬레이션 연구를 수행하고자 함. [연구내용 및 범위] ① 개발 목표 - 주관연구기관(서울과학기술대학교): - 지능형 에너지 세이빙 조명제어 시스템을 구축하기 위한 각 분야 간 협의 및 회의 진행 - 터널 내부 조명 기준과 설치 근거 조사 - 시스템 시뮬레이션을 위한 3D 조명설계 시뮬레이션 환경 구축 - MCU 와 LCU의 통합 소프트웨어 코드 작성 ？ 비상시 터널 내 승객 탈출(유도) 방안에 대한 검토 ？ 사고발생은 신호분야의 폐색 신호방식을 이용한 열차제어시스템으로 모든 위치가 가능하며 종합관제소와 기관사의 직접통신으로 열차 내 상황파악도 충분히 가능 ？ 상시 점등용 조명만 제어하기 때문에, 사고 상황 발생 시 승객의 대피를 위한 비상등, 혹은 유도등은 원래의 목적에 맞게 사용됨. ？ 오히려, 사고상황이 발생 한 지점을 열체 제어시스템 상황실에서 파악할 수 있다면, 해당 터널 구간 조명기구를 100% 수준으로 운전해 시인성 확보가 용이할 수 있음 - 협동연구기관(한국조명연구원): - 기존 형광등기구와 LED 조명의 등기구 특성 비교 및 분석 - 시뮬레이션을 위한 터널 내부 반사율 및 기타 조명환경 측정 - 참여기관 1(서울메트로): - 도시철도 터널 내 열차의 위치정보 전송 방법론 제시 - 참여기관 2(비츠로시스): - 폐색구간에 설치된 자동폐색장치의 궤도 회로를 통한 릴레이 접점 Data이용 - 취득 Data PLC통신과의 연계 - 페색 데이터 취득 및 데이터 전송을 위한 보드 개발 - 보안 알고리즘 탑재(Aria 또는 Seed) - 참여기관 3(유니룩스): - 개별 조명 통신을 위한 CPLC 기법 연구 - MCU와 LCU를 이용한 조명 제어 전략 수립 ② 개발 내용 및 범위(그림을 이용하여 시스템 구성도, 구조 등을 구체적으로 표현) - 주관연구기관(서울과학기술대학교): 터널 조도 시뮬레이션 구축을 위한 터널 실제 반사율 실측 및 터널제원 파악. 터널 내부 조명의 설정을 위한 규정 및 근거 확보. - 협동연구기관(한국조명연구원): 고니오미터를 이용해 LED 조명기구의 배광 분포 및 제원을 측정하여 시스템에 적용할 수 있는 적합한 조명 색출. 조명 시뮬레이션을 위한 ies 파일 생성. 조명기구의 품질 보증을 위한 시험 진행. - 위탁기관 1(서울메트로): - 역사 신호기계실에서 전기실로 해당 터널의 열차 위치정보를 전송하는 방법을 제시하고 개념을 설정 - 열차 위치정보 전송 기법 구현의 요구사항 도출 - 열차 위치정보 전송 기법의 상세 설계 및 검증 - 참여기관 2(비츠로시스): 기존 상시 점등되어 있는 형광등을 LED 교체 후 On/Off 제어를 활용하기 위해선 열차의 위치정보가 반드시 필요함. 열차 정보 수집하기 위해 폐색구간에 설치된 자동폐색장치의 궤도회로를 이용해 Data를 수집. Data는 열차가 궤도회로가 있는 곳을 지나가게 되면 궤도회로의 릴레이를 동작시키게 되며 이 Data는 각 역사의 신호실로 전송. 신호실로 전송되는 Data를 개발보드에 LAN통신을 이용해 전송 및 수집. 수집된 Data는 실시간 CPLC통신과의 연계. 지하철 터널 구간의 전등의 조명 제어는 열차의 진행 속도 및 폐색 신호를 활용하여 열차의 진행 전에 점등 후 열차가 지나간 후에 소등 - 참여기관 3(유니룩스): 폐회로 전력선 통신 기능을 이요하여 4계통 (각 계통은 15A 이내에서 최대 64개 램프를 개별로 제어)에 접속된 램프를 개별로 제어함. 열차 위치 판단 장치, 관제 시스템의 신호에 따라 램프를 제어한다. |
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| 색인어 | 한글 | 고효율 LED | 스마트 조명 | 에너지 절감 | 조명 제어 | 철도 신호 |
| 영문 | high efficient LED | Smart lighting | Energy saving | Lighting control | Railway signalling | |
| 최종보고서 | 최종보고서_배포판.pdf | |||||