고속철도 안전, 자동화 진단 시스템이 책임진다
- 고속철도 차상 전기검측시스템 개발 -
“운행속도 350km/h급 전기시설물
검측 장치 국산화 개발”
[연구자 레터]
고속철도 속도 경쟁은 해외 철도시장에서 매우 중요한 의미가 있다. 고속철도의 속도가 증가함에 따라 시스템은 점차 고도화, 복잡화 되어가고 있으며 차상신호시스템 등에 의해 선로용량을 효율적으로 운용함에 따라 열차 운행시간이 크게 증가하고 있다. 이러한 고속철도의 운행시간 증가는 시설물 보수시간의 절대적인 부족을 초래하였으며, 이에 따라 고속화에 적합한 새로운 유지보수 방법이 필요하게 되었다. 이에 본 연구팀은 운행속도 350km/h급에서 전기시설물의 상태를 자동으로 검측· 분석할 수 있는 검측장치를 개발하고 있으며 시스템의 국산화에 성공했다. 현재 HEMU-430X를 이용한 현차시험(실제 차량을 이용하여 수행하는 시험)을 진행하여 개발품에 대한 성능 보완작업을 수행하고 있다.
01 개발배경 및 현황
차상 전기검측 시스템은 전기시설물의 상태와 특성을 실시간으로 측정하여 열차의 안전운행 및 장애사고를 사전에 방지하는 기술로서 고속철도 유지보수의 과학화와 첨단화를 위하여 필수적인 장치이다. 철도시설물 유지보수 효율화를 위한 검측장비의 수요가 증가하고 있으나 국내에서는 이에 대한 개발기술이 부족하여 고가의 수입제품으로 그 수요에 대응하고 있다. 최근 5년간 해외검측시스템 구매 현황은 약 250억원 규모로 추정된다. 이탈리아, 독일, 일본 등 해외 선진국들에서는 전체 시장의 85% 이상을 차지하고 있으며, 레이저와 카메라 등을 이용한 전기 검측장비를 개발하여 운용하고있다.
본 연구팀은 종합 검측차량을 보유하고 있는 프랑스, 일본 등의 선진국처럼 실시간 자동화 진단기능을 포함하여 검측데이터를 활용한 장애분석과 사전예방 시스템을 구축하고자 운행 속도 350km/h급 전차선로, 궤도회로, 무선설비의 차상 검측 시스템 기술을 우리 기술로 개발하고 있다.
02 기술의 특성
검측시스템의 핵심, 전차선 분야
전차에 전력을 공급하기 위해 궤도 위의 일정한 높이(4.8~5.8m)에는 전차선이 설치되어 있다. 전차선과 이를 지지하는 구조물은“철도전철 전력설비시설 지침(한국철도시설공단)”에 근거하여 설치하며 이러한 상태가 잘 유지되고 있는지에 대한 검측이 필수적이다. 본 연구팀은 전차선 검측 시스템의 핵심 요소기술인 레이저를 이용한 마킹 및 집광 조명, 렌즈 및 필터 광학계 최적화, 렌즈 왜곡 보정, 모폴로지(형태) 변환, 패턴 인식이 가능한 이미지 처리 기술 등을 개발하여 검측장치 국산화에 성공했다.
전차선 높이·편위 검측장치는 개발한 카메라에서 촬영된 영상에서 전차선 데이터를 추출·분석하여 350km/h 속도로 주행하면서도 전차가 움직이는 동안 정밀도 5mm, 전차가 멈춰있는 동안 정밀도 3mm 이내 범위로 검측이 가능한 장치이다. 해외 도입장비인 기존의 종합검측차는 지상부 구간 전차선로 측정만 가능하였으나 본 연구에서 개발된 검측장치는 지상부 구간뿐만 아니라 지하부 구간 전 차선의 측정이 가능해졌다.
전차선로 이미지 분석 장치는 주행속도 350km/h에서 2mm 단위의 선명한 시설물 이미지를 얻기 위한 장치이다. 본 연구에서는 집광조명 및 렌즈를 설계하고 제작하였으며 국내 최초로 전차선로 시설물 이미지를 이용하여 시설물 변형검사를 수행할 수 있는 영상처리기술을 확보했다. 이러한 전차선 검측 핵심기술 확보로 해당기술 선도국가인 독일과 이탈리아와 동등한 수준을 달성할 수 있었다.
전차선로 이미지 분석 장치는 주행속도 350km/h에서 2mm 단위의 선명한 시설물 이미지를 얻기 위한 장치이다. 본 연구에서는 집광조명 및 렌즈를 설계하고 제작하였으며 국내 최초로 전차선로 시설물 이미지를 이용하여 시설물 변형검사를 수행할 수 있는 영상처리기술을 확보했다. 이러한 전차선 검측 핵심기술 확보로 해당기술 선도국가인 독일과 이탈리아와 동등한 수준을 달성할 수 있었다.
검측데이터의 자동 진단 기반 신호분야 기술
궤도는 전기회로로 사용되어 열차를 검지하고 지상에서 열차 위로 정보를 전달하는 역할을 한다. 본 연구를 통해 궤도에서의 검측 측정 원리, 신호처리 및 제어기술을 독자적으로 개발하여 원천 기술을 확보했으며 각종 아날로그 신호검측을 위한 회로의 설계 및 개발에 성공하여 검측 데이터 변환 및 디코딩 기법을 개발했다. 또한 검측 데이터의 자동화 진단 기법을 통한 새로운 유지보수 체계를 구현하였고 예측 진단 및 자동제어 모니터링 기술을 확보했다.
Data 신뢰성 확보를 위한 무선환경 검측기술 개발
검측 장치에서 가장 중요한 것은 검측 결과의 정확성이다. 따라서 본 연구에서는 검측 측정원리 및 방법에 대한 독자적인 Data 분석기술로 APCO-25 및 TETRA 분석 표준모델을 개발하여 원천기술을 확보하였다. 이로써 혼합된 망(Korail 열차무선의 ASTRO 및 TETRA망)에 대한 철도의 고속 이동 중 실시간 검측 기술을 확보하였으며 실시간 전파환경 핸드오버(이동 단말기 이용자의 통화가 끊어지지 않고 무선 기지국으로부터 전파가 미치는 범위를 넘어서 이동할 수 있는 기능)를 본 무선환경 검측기술에 적용하여 검측 결과 Data의 신뢰성을 확보하였다.
03 기술개발 효과
철도시설물 진단기술 확보를 통해 철도시설물 검측산업에 새로운 길을 제시하다
철도사고 예방을 위한 철도시설물 진단기술 확보로 고속철도 검측장치의 완전 국산화를 달성하였다.
또한 자동화 및 실시간 검측데이터를 활용한 시스템을 구현하여 새로운 유지보수 체계의 기틀을 마련하였다. 이러한 연구 결과는 철도시설물 검측산업에 과학적 유지보수 기법을 적용함으로써 철도시설물의 유지보수 체계를 인력 중심에서 자동화 시스템 중심으로 전환시킬 것이다.
이를 통해 자동제어 시스템 업계 전반의 기술향상이 예상되며 각종 진단 장치와 관련된 산업용 시스템의 설계 및 제작에 대한 전자, 소프트웨어, 자동제어 모니터링 설비 업계의 기술수준이 향상될 것으로 기대된다.
유지보수 체계의 자동화는 업무 효율의 향상에 따른 업무량의 감소(-28%)와 유지보수 비용 및 기간의 감소 효과가 있어 철도운영 기관의 경영 향상에 기여할 것으로 보인다. 또한 고속철도 검측장치의 국산화는 수입대체 효과 및 해외시장 진출을 통해 경제적 가치를 창출할 것으로 기대되며, 고장진단 장치에 의한 사전예방 기술 습득은 타 정비 분야의 기술 수준 향상에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 그 결과 본 기술을 통한 최적의 유지관리 기술의 도입으로 전기시설물의 사용주기가 증가되고 안전사고를 미연에 방지할 수 있도록 하여 전기 시설물의 안전성을 향상시킴과 동시에 철도를 비롯한 국가 시설에 대한 대국민 신뢰도 제고에 기여할 것이다.
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