| 연구개발개요 |
1) 연구개발의 필요성 □ 추진배경 ○ 레일은 차량과 궤도를 연결하는 가장 중요한 인터페이스로써 레일품질관리는 열차안전운행에 중요한 사안이다. 차량의 반복운행과 통과톤수 증가로 레일에 변형이 발생하는데 사전점검과 예방보수를 통해 안전사고에 대비하고 있으나, 최근 철도 운송 수요 증대로 인한 철도 총연장 길이의 증가와 철도의 고속화로 궤도 (레일, 침목, 도상, 체결구 등) 성능평가 기법 및 궤도강성 검측장비 개발 필요성이 증가하고 있다. ○ 따라서 국내 철도운영기관에서도 레일절손에 따른 중대사고에 대한 선제적 선로장애 예방을 위하여 레일 결함탐상 검측 기술에 대한 요구가 매년 증가하고 있으며, 각 철도운영기관의 요구에 탄력적으로 대응할 수 있는 맞춤형 레일탐상 검측시스템 제공이 가능하도록 검측시스템 개발에 관한 독자적 기술 확보를 필요로 하고 있다. 또한 탐상장비 노후(초음파 탐상 한계, 수입의존 등)에 따른 레일결함 관리 문제(예방보수 지연, 결함진전 예측 불가 등) 해소를 통한 예방보수시스템 구축을 위하여 레일탐상 핵심기술 국산화 기술 확보가 절실히 요구되고 있다. □ 현황 및 문제점 ○ 최근 철도 운송 수용 증대로 인한 활발한 건설사업 추진 등 전 세계적인 철도 총연장 길이의 증가와 철도의 고속화로 인한 열차 운행횟수 및 통과톤수 증가는 철도 레일의 결함 발생 및 진전을 가속시키는 요인으로 작용하게 된다. 이에 선진 철도 운영국에서도 레일의 안전을 확보하기 위해 많은 비용을 지불하여 보다 신뢰성 있고 개선된 레일 결함 검출 시스템을 구축하기 위한 노력을 기울이고 있다. 또한, 국제 철도 연맹(UIC)에서는 레일 결함 분류 코드 UIC 712R을 제정하여 레일 결함에 대한 국제 공통의 체계적인 관리를 시도하고 있다. ○ 국내에서도 국가 철도망 확충 계획 등을 통한 철도 총연장의 증가, 경부고속철도 2단계 개통, 호남고속철도 개통 및 KTX-II의 도입으로 대표되는 철도차량 운행의 고속화, 고유가 등으로 인한 철도 운송 수요 증대 등으로 인해 레일 결함 발생 요인이 증가하고 있는 실정이다. 그러나 국내에서는 레일 결함 탐상 고속화의 어려움과 국내 철도시장수요 한계로 레일탐상 시스템에 대한 별도의 연구개발 움직임이 아직 미흡하여 해외의 탐상기술 및 장비에 전량 의존하고 있는 실정이다. ○ 초음파 레일탐상 검측시스템 특성상 레일과의 마찰 및 궤도틀림으로 인한 초음파 소재의 파손 또는 시스템 고장이 빈번하게 발생되고 있으나, 전량 수입품으로 고장시 제작사의 과다한 유지보수 비용 청구 및 부품조달 등에 따른 장기간 고장수리로 인한 검측공백이 발생하여 레일유지관리에 어려움이 발생되고 있다. ○ 국외 레일결함 검출 비율을 보면, 비파괴검사(NDT, Hand Held) 및 순회점검(Visual Inspection)을 통해 95.29%의 레일결함 검출이 가능하며, 신호(Signalling)에 의한 결함검출까지 포함하게 되면 약 99%이상의 레일결함 검출이 가능하고, 0.38%의 레일결함이 열차탈선에 의해 검출되는 것으로 나타나고 있으며, 이와 같이 열차탈선에 의한 레일결함 검출이 전체 레일결함에서 차지하는 비율이 매우 낮을 지라도 열차탈선으로 인한 철도사고 시에는 막대한 인명 및 재산피해를 가져오기 때문에 이를 줄이기 위한 비파괴검사의 신뢰도를 높일 필요가 있다. ○ 최근 코레일에서 발생한 레일절손 장애에 대한 통계분석 자료를 보면 ‘11~’15년 시설분야 선로장애 총 23건으로 이중 레일절손에 의한 장애가 16건(70%)이며, 레일절손 장애로 인해 77개 열차 평균 5~20분 지연운행(최대지연 : KTX 23분, 일반열차 107분)된 사례가 있다. 이처럼 레일절손에 의한 열차운행 장애가 지속으로 증가하고 있으며, 향후에도 중대사고 발생 가능성 및 위험성이 상존하나 점검 장비 사용 한계 및 문제점이 지속적으로 발생될 수 있으므로 레일결함에 대한 집중관리가 요구된다. ○ UIC 712R Rail Defects, UIC 725 Treatment of Rail Defects, ARTC-Engineering(Track) Rail Defect Standards TES 02에서는 레일 손상유형을 표준화(CODE)하여 제시하고 있으며, 손상유형별 유지보수방법을 제시하여 선제적 레일관리를 시행하고 있으나, 국내 선로유지관리지침 제21조 및 별표 8에서는 국외 지침을 바탕으로 고속철도 레일결함에 대한 관리 기준만을 제시하고 있고, 일반철도에 대한 기준은 없는 실정이다. 따라서 국내 고속철도에서 적용하고 있는 레일결함 관리 기준에 대한 국내 적용의 적합성을 판단하고, 일반철도에서도 적용 가능한 레일결함 관리 기준을 과학적으로 산정할 필요성이 요구된다.
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| 연구내용 및 범위 |
[1세부과제] 레일결함 탐상 검측시스템 개발○ 레일결함 탐상용 종파 및 사각 초음파 센서 개발○ 레일결함 탐상용 다채널 와전류 센서 개발○ 레일결함 탐상용 초음파 및 와전류 검사 시스템 개발○ 초음파 및 와전류 레일결함 평가 알고리즘 개발○ 레일결함 검측시스템 개발 - 검사속도 : 독립측정형 2 km/h 이상, 차량탑재형 60 km/h - 초음파 모듈 : 표면하부 결함 크기 2 mm 이상 검출 - 와전류 모듈 : 표면결함 크기 3 mm 이상 검출○ 레일결함 검측용 테스트 베드 구축 - 독립 측정용 및 차량 탑재형○ 레일결함 검측시스템 성능평가 기준 및 절차개발○ 레일결함 상태평가 통합관리운영시스템 개발[2세부과제] 레일결함 진전 예측 모델 및 유지관리기준 개발○ 국외 레일결함 관리기준 및 수립 배경 조사○ 레일결함 모사 실내피로시험 및 수치해석○ 레일결함 유형별 장기 모니터링 및 평가 - 레일결함 유형별 현장조사 및 계측개소 선정 - 레일결함 유형별 장기 모니터링을 통한 레일결함 진전 특성 평가○ 레일탐상 검측모듈 기반 레일결함 유형별 현장계측 및 성능평가 - 하이브리드 레일탐상 검측모듈 기반 레일결함 현장계측 및 성능평가○ 레일결함 진전 예측모델 개발 및 검증 - 실내피로시험, 수치해석, 현장계측 결과를 바탕으로 한 레일결함 진전 예측모델 개발 및 검증○ 표준화(CODE)기반 레일결함 유지관리기준(안) 개발 - 선로유지관리지침 레일검사기준 제21조 별표 8 개정(안) 제시[3세부과제] 장대레일 종방향 레일축력 측정장치 개발○ 비파괴 방식의 장대레일 축력/온도 측정 장비의 목표성능 및 사양 선정○ 레일 축력 및 온도 측정/평가 알고리즘 개발○ 레일축력 및 레일온도 측정 모듈 개발○ 레일축력 및 온도 하이브리드 측정 시스템 개발○ 축력측정 장치 성능평가 및 기술설명서 개발[기술개발 방향]○ 철도레일 결함탐상 관련 최신 기술 조사 및 기술정보 수집 : 국내의 경우 초음파 및 와전류를 이용한 철도레일 결함탐상 기법개발은 거의 미흡한 실정임. 따라서 철도레일/시설 관련 연구 전문기관인 코레일, 초음파/와전류 측정/시험연구 주요기관인 한국표준과학연구원, 다양한 비파괴평가 기법에 대한 연구경험이 축적된 성균관대학교 비파괴평가 연구팀, 국내외 전문기관 등과의 기술교류 등을 철도레일 결함탐상 기술관련 정보를 효율적으로 활용함. 또한 초음파/와전류를 이용한 철도레일 결함탐상 및 상태평가 기술을 아래와 같이 단계별로 적용하여 기술수준을 향상시키도록 함○ 레일결함 검출을 위한 독립형검측 및 차량탑재형 검측장비를 개발에 필요한 검사기술은 초음파와 와전류 기술을 조합하여 와전류 기술은 표면결함을 검출하고 초음파 기술은 표면 하부의 결함을 검출할 수 있도록 함. 이를 위하여 1차년도에는 책정된 연구비를 고려하여 레일결함 검출에 필요한 센서 및 시스템의 설계인자들을 도출하고 실험실 수준에서 초음파와 와전류 시험 시스템을 구축하여 결함검출 방법을 도출함. 2차년도에는 독립형 검측장치를 개발하기 위하여 초음파 및 와전류 센서를 개발함과 동시에 전용 구동보도 및 신호처리 보드를 개발한 후 독립형 검측장치의 시제품을 개발하고 평가함. 3차년도에는 시제품 형태로 개발된 독립형 검측장치의 완성도를 향상시켜 레일검사 현장에 곧바로 투입할 수 있는 완성품을 개발함. 동시에 차량탑재형 검측장비 개발에 필요한 연구를 수행하여 고속 환경에 적합한 센서 구동 보드 및 신호처리 회로를 개발함. 4차년도에는 개별적으로 개발된 고속 검사용 부품들을 조합하여 최종 시스템을 완성하여 현장시험을 수행함과 동시에 실용화 연구를 수행함○ 표준화(CODE)기반 레일결함 관리기준은 유럽, 일본, 미국을 중심으로 연구가 진행되어 수립되었으며, 국내의 경우에는 국외 기준을 그대로 준용하여 사용하고 있는 실정임. 이에 따라 국내에서 적용하고 있는 선로유지관리지침 제21조 별표 8에 대한 수립배경 조사 및 국내 철도환경을 고려한 기준 수립 추진○ 국제 표준규격(UIC 721, UIC 725)과 연계될 수 있도록 표준화(CODE)기반 레일결함 유지관리기준 개발 추진○ 철도 관련 영역의 학계 전문가 중 레일 축력 및 온도 측정/평가 알고리즘 개발, 레일 축력/온도 모듈 장비 개발 시의 지원 연구 등을 수행
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