| 연구개발개요 |
○ 열차는 선로에 설치된 레일 위에서 차륜을 구동하며 이동함에 따라, 차륜과 직접 접촉하는 레일의 결함은 열차의 운행 장애뿐만 아니라, 열차 탈선까지 유발할 수 있는 매우 심각한 결함이다.○ 레일결함 중 절손은 레일 이음매와 같은 이격구간, 용접부 및 텅레일, 크로싱부 등에서 열차 통과 시 불연속부에 가해지는 큰 충격이 하부로 전달되어 궤도재료를 손상시킴에 따라 주로 발생하며, 해당구간의 유지보수를 위한 용접 시 모체보다 취약하여 지속적인 결함현상이 발생한다.○ 「레일 표면결함 등급에 따른 궤도틀림 발생 추세분석(2012, 한국철도공사)」에서는 고속선에서 발생하는 레일 흠집과 궤도틀림과의 관계에 관한 분석을 진행한 바 있으며, 궤도틀림은 궤도 내외측의 손상을 발생시켜 레일의 건전성에도 상당한 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다.○ 특히,「레일 용접부 요철과 궤도틀림 상관관계 분석(2012, 우병구 외 4인)」에서는 현장측정을 통해 레일 용접부 요철에 따른 궤도틀림 진전의 상관관계를 분석하여, 레일용접부 요철 정도에 따라 궤도틀림 진전속도가 빨라지고, 이에 따른 궤도보수작업 빈도도 높은 것으로 결과가 나타나는 것으로 보고되고 있다. (요철의 상태평가 ESVELE의 직진도 검사기에서 제시하는 품질지수 활용)○ 자갈궤도는 열차의 주행에 의해 궤도틀림이 빈발하고, 보수주기가 상대적으로 짧으며, 특히 도상의 다짐이 불균일하거나, 교량 단부와 같이 하부구조의 단차 및 강성차이가 발생하는 구간, 접속부나 분기부와 같이 하부강성 천이구간에서는 궤도틀림이 더욱 가속화되는 특징을 가진다.○ 국외 통계 자료에 의하면 1975년-2006년 사이에 궤도의 제반 결함에 의해 발생한 열차탈선사고의 원인 중 레일 자체의 결함에 의한 사고는 27%를 차지한다. 발견된 결함의 55%는 횡방향 결함(transverse defect), 용접결함, 레일 두부(head) 수직 결함이며, 이 중 75%가 레일 파손으로 연관된다. 또한 ‘98-’08년 사이에 미국에서 두부 결함, 열개(fissure) 등의 레일 결함으로 인해 발생한 크고 작은 탈선사고는 1200 여건에 달하며 이로 인한 직접적인 누적 피해 금액은 297 백만 달러(한화 환산 시 3,600 백억원)에 이른다는 통계가 있다.(미국)○ 국내「일반선 주요선구별 레일훼손 현황분석(2012, 한국철도공사)」에서는 레일결함 현장조사 및 측정데이터 분석을 통해 경부선, 중앙선, 호남선, 장항선 순으로 레일결함의 발생빈도가 높은 것으로 분석되었고, 구간별로는 용접구간, 이음매 구간, 분기기기 구간 순으로 취약구간을 제시하고 있다.○ 이러한 레일상의 결함은 단순히 레일의 노후화 및 열차주행 중에 발생하는 문제점(차량의 동적하중 및 횡압 증가, 사행동 등)때문만이 아닌, 궤도하부(자갈/콘크리트궤도, 강화노반, 흙노반 등)에서 발생한 다양한 결함(하부강성변화, 침하, 배수불량, 분니 등)이 복합적으로 작용하여 궤도틀림 및 레일절손 등으로 귀속되는 것으로 판단된다. ○ 그러나, 이와 같이 레일결함 뿐만이 아닌 궤도의 안전성에 크게 영향을 미칠 수 있는 전반적인 궤도문제점의 발생조짐을 미연에 파악하고, 궤도 상태를 분석한 결과 기반으로 유지관리 및 보수·보강을 시행하는 개념은 현재까지 미적용 상태이다. 이를 위해서는 레일/궤도/하부노반 전반에 걸친 상호 거동분석 및 영향파라미터 추출과 레일을 포함한 실제궤도의 차륜하중에 의한 반응을 상시 모니터링하고 이를 체계적으로 분석할 기술이 꾸준히 요구되고 있다.○ 따라서, 1) 레일/침목/궤도등 결함이 발생한 위치를 차량 차단 없이 현 운행차량을 이용하여 정확히 파악할 수 있는 검측 및 결과분석 기술 개발과 2) 검측된 이상위치의 상태를 실시간으로 확인(레일상태/침목의 뜸여부, 하부노반 침하 및 틈새 발생 여부 등)하고, 결과를 해당개소의 유지관리 이력(유지관리비 포함)과 통합하여 DB(Database)화하는 기술의 현장 적용이 중요할 것으로 판단된다. ○ 여기에 철도 유지관리 운영기관(한국철도공사)이 보유하고 있는 데이터(검측데이터, 현장 모니터링 용역 보고서 등) 및 장비(KTX 36호 검측장비/궤도검측차/다수의 비파괴 검측장비 등)를 적극 활용하여 추가적인 개발장비 관리인력 투입 및 교육시간 소요를 최소화하고, 현 운영중인 궤도관리시스템(KTMSYS)에 연동되어 현행의 유지관리 의사결정 프로세스의 고도화 및 상시 모니터링 시스템이 적용 될 수 있는 플랫폼 제시가 주요할 것으로 보인다. ○ 이를 통해, 현재 철도 선로 유지관리 과정에서 적용하고 있는 사후 보수(Corrective Maintenance)의 개념에서 탈피하여 예방보수(Preventive Maintenance)의 개념에 입각하여 선로의 상태를 상시 모니터링하고 이렇게 누적된 자료(Database)를 바탕으로 유지관리 의사결정까지 가능할 수 있을 것으로 판단된다.
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| 연구내용 및 범위 |
- 주관연구기관(㈜GSG)○ 현장계측자료 수집을 통한 철도 궤도결함 발생 현황조사○ 국내 선로검측자료/KTX-36호 궤도점검자료 수집○ 현장유지보수 담당자 및 운영자 대상 선로결함 유지관리 현황(레일/침목/궤도 등 이상 구간 제시) 도출(1차 요구사항 검토회의 추진, 설문조사 방식 채택)○ 사용자 요구사항 및 설문조사를 통한 주요 궤도결함 도출 (수집자료 공동연구기관과 공유)○ 시범구간(Testbed) 선정을 위한 업무절차 수행(정읍~익산, 대전~대구 협의 예정) ☞ 현재 콘크리트궤도 구간의 경우, 궤도보수 미시행 상태, 다수결함이 발생하고 있는 자갈궤도 구간 중심(경부1단계, 일반선)으로 선정작업 진행(전문가 자문단으로 한국철도공사 연구원 소속 전문가 위촉 예정, 필요소요 비용 연구활동비 계상)○ 공간주파수/Wavelet 기법 활용 궤도결함 분석로직 개발 ☞ 차상진동가속도 데이터 추출 및 분류, 지상부 위치별 결과분석 ☞ 차량의 속도별 주파수 특성 분석은 일반차량(200km/h 이하)와 고속차량(350km/h)으로 분류하여 분석로직을 개발할 예정 ○ NI Labview기반 ABA-analysis 분석프로그램 초기모형 설계(안) 도출○ 대상구간 차상진동가속도 데이터 세부분석을 통한 주파수 대역별 궤도결함 유형분석 및 분석로직 개발(비파괴 현장조사/진단 보고서 방법 활용) ☞ 궤도결함 발생 주기 및 유지관리 현황 고려 → 일반선 중심으로 진행(레일찍힘, 물결모양 단/장파장 마모, 신축이음매 볼트 열화) ☞ 레일 균열, 분기기 체결구 및 크로싱 건전성, 궤도 강성 및 건전성 확인 가능성 검토 ○ ABA-analysis 분석 프로그램 연동로직 개발 및 이력관리를 위한 ABA-analysis 클라우드 구축방안 수립○ 고속선 내 출입을 위한 업무협조 및 측정자료(KTX-36 자료) 수집, 대상구간(Testbed) 운영○ 2차 사용자 요구사항 조사 및 DB 구축 방향 적절성 자체 간담회 개최○ ABA-analysis 이력관리용 클라우드-DB 플랫폼 제작 ☞ 철도 시설 이력 Register 및 메타데이터 입력 ☞ 현장유지관리 인력의 편의성, 실시간 이력정보 열람 가능○ 궤도결함 유형분석결과를 반영한 NI Labview기반 ABA-analysis 분석프로그램 파일럿 모형 제작 ☞ 시작품 수준의 파일럿 모형 제작(실시간 전송 데이터 활용, 모니터링 UI 포함)○ 1/2차 사용자 요구사항 및 소요조사를 통한 궤도결함 위험도 평가로직 개발 ○ ABA-analysis 이력관리용 클라우드-DB 구축(GSG 본사 내 설치)○ 클라우드-DB기반 ABA-analysis 분석프로그램 최종 완성○ Testbed 운영 및 최종 테스트(Calibration))○ 클라우드-DB기반 ABA-analysis 분석프로그램 운영매뉴얼 작성- 공동연구기관 1(모루기술㈜)○ 철도 궤도결함(레일탐상/궤도검측차 등) 측정차량 운영현황 조사○ KTX-36호 차상가속도계 취득 장비 운영현황 파악 및 기술조사○ 차축/대차 무선진동가속도 포터블 측정장비 초기모형 설계(WA-PMS)○ 무선 차상진동가속도 측정 및 통합 전송모듈 초기모형 설계(WA-TMS)○ 철도 차량 내 설치 위치 및 간섭 확인(차량내 출입)○ WA-PMS용 무선가속도계 파일럿모형 제작○ LTE(무선통신 중계기(Egg) 활용)기반 실시간 전송모듈 제작○ 차축/대차 무선진동가속도 포터블 측정장비 파일럿 모형 제작(WA-PMS)○ 무선 차상진동차도 측정 및 통합 전송모듈 파일럿 모형(GPS 기반) 제작(WA-TMS)○ WA-PMS용 무선가속도계 최종 완성 및 차량 내 부착모듈 제작○ 차축/대차 무선진동가속도 포터블 측정장비 최종 완성(WA-PMS)○ 무선 차상진동가속도 측정 및 통합 전송시스템 최종 완성(WA-TMS)○ 무선 차상진동가속도 통합 측정 및 전송시스템 운영 매뉴얼 작성
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