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과제기본정보

도시철도 전력신호통신 설비 상태 센싱 및 융합데이터 모니터링 시스템 개발(SFM)1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 18TBIP-C144048-01
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 철도교통기술 | 철도신호통신기술 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 건설 교통 | 철도교통기술 | 철도시스템 유지관리기술 실용화대상여부 실용화
3순위 정보 통신 | 정보통신 모듈 부품 | 광통신모듈 부품 과제유형 개발
과제명 도시철도 전력신호통신 설비 상태 센싱 및 융합데이터 모니터링 시스템 개발(SFM)
주관연구기관 (주)금호전력
총괄연구 책임자 성명 최선한
소속 (주)금호전력 직위 연구소장
기관 대표번호 061-792-3788 FAX 061-791-6377
총 연구기간 2018-04-01 ~ 2020-12-31
당해연도 연구기간 2018-04-01 ~ 2018-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 463,000,000 40,656,000 278,344,000 319,000,000 782,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 1) 도시철도 열차 운행에 필요한 기능실별 장치는 각 역마다 분산되어 설치 운용중이며, 현장 설비 점검은 물리적 한계로 1~7일의 주기로 정상 여부를 현장 육안 순회·점검하는 체계이다.
2) 유지보수자에게 실시간 설비별 정보를 전송(스마트폰, 휴대단말기 등)할 수 있는 IOT 기반 사전 비상대응 및 유지관리 체계 정착이 필요하다.
3) 설비별 과부하, 저전압, 온도, 진동 상태, 연기감지 등 실시간 모니터링 및 조치를 통한 안전사고의 사전 예방이 필요한 시점이다.
4) 축적된 융합데이터를 활용한 노후화, 성능저하 요인, 미래예측 등 설비의 가용성/신뢰성/안전성 확보 마련이 필요하다.
5) 현 체계는 설비별 과부하, 온도 급상승 등의 사전 발견이 미흡하여 비상 상황 및 대형 안전 사고로 이어지고 있다.
6) 이에 서울교통공사는 각 현장 기능실에 있는 전력, 신호, 통신설비의 동작상태, 과부하, 저전압, 온도 등의 다양한 정보를 사고예방 및 비상대응을 위한 데이터로 활용하고 시설물의 안전성 확보, 노후관리, 수명관리에 필요한 시스템을 개발하자는 요구사항을 제안하였고,
7) 수요처의 요구사항에 부합하는 광무선모듈 기술을 기존의 철도신호 분야에만 국한되지 않고 비접촉 센싱 기술과 융합하여 전력설비, 통신설비 등 다양한 현장 설비의 상태정보를 전송, 모니터링할 수 있는 “SFM 시스템” 을 연구 개발하기로 하였다.
최종목표 ○ 도시철도 현장 기능실의 전력, 신호, 통신 설비의 상태 정보를 주관연구기관 특허기술인 광통신 모듈과 Sensing 기술을 이용, 융합데이터 수집 및 분석, 예측할 수 있는 데이터 마이닝 기법 모니터링 시스템을 개발하고 시험역을 구축하여 성능시험을 통한 신뢰성, 유지보수성 입증

○서울교통공사에서 주관연구기관으로 국가 R&D과제 수행 중인 “도시철도 RAMS 통합시스템 구축”과 연계, 현장 유지보수와 기능실 장치를 모니터링할 수 있는 현장 통합관리시스템 구축으로 중장기적인 안전경영 활동에 활용
연구내용 및 범위 1. 전력+신호+통신 설비의 상태 모니터링 센싱 개발
가. 무선 Sensing Module 개발
○ 특징
- 비접촉 센싱 개발 (2년간 무전원 센싱)
- 다수 노드의 무선 네트워크 구성(노드 제한 없음)
○ 개발목적
- 현 운행 중인 설비에 접촉 센서 설치 시 기존 설비 장애로 인한 안전사고 우려
- 케이블 설치 불필요에 의한 단순 시공
○ 비접촉 센싱 구성도
- 무선센싱 모듈의 크기 : 스마트폰 사이즈(소형 부착용 방식)

나. 광통신 모듈을 개량한 광무선 모듈 개발
○ 특허 광통신 모듈에 무선 기능을 추가하여 설비별 무선센싱 모듈로부터 수신하고 융합 데이터를 역 서버로 실시간 송신 및 정합, 보정 처리
- 광무선 모듈은 CPU, DSP, RTOS, LCD, R.F, Serial, Ethernet, Optical Transmission 으로 구성
- 광무선 모듈과 Sensing 모듈간은 무선 네트워크 방식으로 통신
- 광무선 모듈과 역 서버간은 무선 네트워크 또는 광케이블(장거리) 통신

2. 전력+신호+통신 설비의 상태 데이터 마이닝 기법 융합 모니터링 시스템 개발
○ 융합 데이터 전송 프로세스 개발
- 설비상태 및 기능실의 실시간 모니터링 데이터와 축적된 데이터를 여러 가지 기법으로 분석하여 설비의 상태, 결함, 수리시기, 교환시기 등을 예측하고 이상원인 분석 및 대책 방안 도출
○ 융합 데이터 알고리즘 개발
- 데이터 전처리(Data Preprocessing) : 무선센싱 모듈로부터 수집된 기능실별, 설비별 상태 정보를 마이닝 목적에 맞는 데이터(Target Data)를 선별(Selection) 선별된 데이터에서 부분적으로 빠져 있거나(Missing Value) 엉뚱한 값(Noisy Data)이 섞여 있는지를 정제(Cleaning) 정제된 데이터에서 통합(Integration)과 변환(Transformation)을 거쳐 데이터 마이닝을 위한 전처리 과정이 이루어짐
- 데이터 마이닝 분석 기법 : 분류 분석, 예측 분석, 연관성 분석을 활용한 규칙과 패턴 도출
- 데이터 시각화 기술 : 데이터 분석 결과를 쉽게 이해할 수 있도록 시각적인 수단으로 정보 전달(시간 시각화, 분포 시각화, 관계 시각화, 공간 시각화, 비교 시각화)
○ 역 서버 시스템 및 SFM 서버 시스템 설계/제작
- 각각의 역 서버에서 수집된 기능실 설비별 정보들을 SFM 서버로 전송하여 SFM 서버에서 데이터 마이닝 기반 모니터링 S/W를 활용, 데이터 융합 및 분석
- 관제 데이터 수집 : 관제 정보를 SFM 서버에서 수신받아 역 서버 데이터와 함께 데이터 융합 및 분석
- 관련 시스템, 사업소, 유지보수자에게 정보 전송: 빅데이터 융합 및 분석 결과를 실시간으로 해당 관리소로 전송하며, 설비별 허용 오차범위를 벗어난 이상 데이터(온도상승, 과부하, 연기 감지, 고장 사항 등) 발생시 추적, 관찰하여 유지보수자에게 SMS, Alarm으로 전달

3. SFM 시스템과 RAMS 통합시스템 연계
○본 연구개발과제인 “SFM 시스템” 구축을 통한 현장 기능실 설비별 융합 데이터를 수집, 분석, 예측하여 현재 서울교통공사에서 주관연구기관으로 국가 R&D과제 수행 중인 “도시철도 RAMS 통합시스템 구축”과 연계, 현장 유지보수와 기능실 장치를 모니터링할 수 있는 현장 통합관리시스템 구축으로 중장기적인 안전경영 활동에 활용

4. Test-Bed 구축 및 성능시험
- 서울교통공사 8호선 5개역 15개소
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 - 주관연구기관((주)금호전력):

○ 네트워크 설계
-.SFM 서버, 역 서버간 네트워크 설계
-.역 서버, 광무선모듈간 네트워크 설계
-.광무선모듈, 무선센싱 모듈간 네트워크 설계
-.네트워크 감시 프로그램 개발
○ 모니터링 포인트 상세 설계
-. 변전실, 전기실, 신호기계실, 통신기계실 각 장치별 모니터링 포인트 비접촉 센싱 상세설계

- 공동연구기관(서울교통공사):

○ 도시철도 현황분석 및 요구사항 정의
-. 운용 요구사항 조사 및 정의
-. 도시철도 기능실 현황 조사 및 분석
-.시스템 요구사항 정의서 작성
○ 해외 유사 기술 조사/분석

- 공동연구기관( (주)카이엠 ):

○ SFM~RAMS 표준 프로토콜 설계
○ RAMS 시스템 인터페이스 모듈 설계
○ RAMS 분석을 위한 SFM 데이터 처리 프로세스 사전 조사 		- 주관연구기관((주)금호전력):

○ 신호/전력/통신 설비의 상태를 실시간 감시하는 무선센싱 네트워크망을 구축하여 저전력 환경에서도 손실 없이 광무선모듈로 수집된 정보 데이터를 전송하고, 유,무선 네트워크를 통해 역 서버 및 SFM 서버에 상호 연결되도록 구성
○ 네트워크 인프라를 무단 액세스, 기능 장애, 오용, 수정, 파괴 등으로부터 보호하기 위한 보안 시스템 구축
○ SFM 서버, 역 서버간, 광무선모듈간 네트워크 설계
-. 접근 보안 구조 설계
-. 통신 프로토콜 설계
○ 광무선모듈 ~ 무선센싱모듈 네트워크 설계
-. 접근 보안 구조 설계
-. 메쉬형 토폴로지(Mesh Topology) 네트워크 설계
○ 무선센싱 네트워크 설계
-. 접근 보안 구조 설계
-. 자동 망 생성 기능 설계
-. Frequency Agility 기능 설계
○ 모니터링 포인트 상세 설계
<변전실>
· AC, DC 차단기반: 전압, 전류, 전력량 측정 센서 부착 위치 설계
· 변압기: 상별(RST, 철심) 온도 및 부분방전 측정 센서 부착 위치 설계
· 정류기 온도 측정 센서 부착 위치 설계
. 케이블 온도 측정 센서 부착 위치 설계
· 충전기반 밧데리 전압, 입력 전압 측정 센서 부착 위치 설계
· 피뢰기 누설전류 측정 센서 부착 위치 설계
<전기실>
· 각종 차단기 투입, 개발여부, 트립 신호, 전압, 전류, 전력량 측정 센서 부착 위치 설계
· 변압기 상(RST)별 온도 측정 센서 부착 위치 설계
· ATS 가압여부 측정 센서 부착 위치 설계
· 충전기반 입/출력 전압 측정 센서 부착 위치 설계
<신호기계실>
· 기능실 온도 측정 센서 부착 위치 설계
· UPS 입/출력 전원 상태 감시 센서 부착 위치 설계
· 축전지 전압, 온도 측정 센서 부착 위치 설계
· 정류기 전압, 전류, 온도 측정 센서 부착 위치 설계
. 신호기 전류 측정 센서 부착 위치 설계
. 궤도회로 전압 측정 센서 부착 위치 설계
<통신기계실>
· 기계실 출입문 열림/닫힘 감시 센서 부착 위치 설계
· 온습도계 온도, 습도 측정 센서 부착 위치 설계
· 복합통신설비 전원 검지 센서 부착 위치 설계
· 자동방송장치 전원, 엠프 상태 감시 센서 부착 위치 설계
· 에어컨 누수상태 감시 센서 부착 위치 설계

- 공동연구기관(서울교통공사):

○ 도시철도 현황분석 및 요구사항 정의
-. 도시철도(서울/부산/대구/대전/인천/광주 교통공사 등) 기능실별 요구사항 조사
-. 해외 유사사례 조사/분석 반영
-. “SFM 시스템” 요구사항 정의서 작성
○ 해외 유사 기술 조사/분석
-. 도시철도 전력신호통신설비 상태기반 데이터 전송 및 모니터링 시스템 실용화 사례 조사
-. 대상: 유럽, 일본 등

- 공동연구기관( (주)카이엠 ):

○ 주관연구기관에서 수행하는 각종 센서에 대한 물리량 데이터 및 센서 데이터 분석 방법에 대한 검토를 통해 SFM 시스템에서 RAMS 시스템으로 연동해야 할 데이터 식별
-. 전압, 전류, 온도, 진동, 습도 등 센서 데이터 검토
-. 센서 데이터 분석 방법 (데이터 마이닝 기법) 검토
-. SFM~RAMS 시스템간 센서 데이터 분석 방법 (데이터 마이닝 기법) 검토
○ SFM~RAMS 표준 프로토콜 설계
-. 전압, 전류, 온도, 진동, 습도 등 센서 데이터 및 마이닝 결과에 대한 프로토콜 설계
○ 센서 물리량 데이터 및 데이터 마이닝 결과에 대해 RAMS 시스템 분류 및 LBS 기준 데이터 표출 방안 연구를 통해 사용자 인터페이스 설계
○ RAMS 시스템 인터페이스 모듈 설계
-. 전압, 전류, 온도, 진동, 습도 등 센서 데이터 표출 방안 설계
-. 데이터 마이닝 결과 표출 방안 설계
○ SFM 데이터 처리 프로세스 조사
-. SFM 센서 및 데이터 마이닝 결과와 RAMS 데이터를 이용한 추가 분석 기법 조사
-. SFM 데이터 처리 프로세스 요구 정의
연구성과 기술적 기대성과 ○ 수요처의 요구사항을 반영하여,

○ 비접촉 Sensing 기술을 활용, 현장 기능실 장치별 센싱 데이터에 의한 상태를 실시간 모니터링

○ 설비, 장치별 상태 변화에 대한 실시간 기록 유지, 모니터링에 의한 이상 변화 상태를 연계 시스템과 유지보수자에 통보하여 사전 조치 체계 확립

○ 지속적 실시간 설비상태 센싱 및 기록유지, 조치로 월·주 단위 인위적 설비점검의 오류를 방지

○ 축적된 융합데이터 분석에 의한 설비 노후화, 성능저하 요인을 사전에 판단하여 조치함으로써, 미래예측 등 설비의 가용성/신뢰성 향상 및 열차운행의 안전성 확보 등 새로운 도시철도 유지보수 문화 창출

○ 운영 중인 8호선 중 5개 역에 시스템을 시범 구축하여 효율성을 분석, 전 호선(00노선) 확대 검토하고, 도시철도 설비 유지관리 체계를 센싱 융합데이터에 의한 스마트 유지관리 시스템으로 구축
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
본 과제 종료 후 성과물(SFM 시스템)에 의한 국내 시장 목표점유율 변화에 따른 경제적 파급효과의 규모를 파악하는 것은 거시적 경제 메커니즘 차원에서 국가의 각종 산업에 미치는 영향과 해외 수출에 따른 부가가치 창출이란 차원에서 국부와 관계되는 중요한 요소로 꼽을 수 있다.

○ 사회적 측면
국내 철도운영기관은 전력/신호/통신관제시스템을 운영하고 있지만, 여러 가지 운영 및 유지보수상의 기술적인 문제점으로 인하여 기존 관제시스템에서 감시 및 제어할 수 없는 기능실 각종 설비의 유지보수 효율성과 안전성 향상을 위한 “SFM 시스템”을 요구하고 있다.
활용방안 ○ 테스트 베드로 적합한 서울교통공사의 8호선 1개 Zone(5개역)을 선정하여 Zone내 변전실(2개소), 전기실(5개소), 신호기계실(3개소), 통신기계실(5개소)을 포함한 15개소를 대상으로 R&D 과제 사업 추진 예정

○ 본 과제가 성공할 경우, 시스템을 구축할 수요 규모는 상기 도표와 같이 시장성 및 경제성은 충분하다고 예측(서울교통공사가 제출한 구매의향서 참조)

○ 또한 수도권 도시철도 및 전국 광역 도시철도, 한국철도공사에서 운영하는 국철까지 시장규모를 확대할 경우 수요처 발굴 및 경제적 파급효과는 우수하다고 판단
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 설비상태기반 융합데이터 광무선센싱모듈 비접촉센싱모듈 융합 모니터링
영문 Facility Condition-based Fusion Data Optical Wireless communication module Non-contact Sensing Module Fusion Monitoring
최종보고서
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최종보고서 2. [붙임2 별지1] 최종보고서(혁신법 이전)_SFM_Ver5.0 (1).pdf   다운로드

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