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과제현황 목록

과제기본정보

기후변화를 대비한 IoT기반 레일 절손 및 좌굴 감지 시스템 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 20CTAP-C152115-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 철도교통기술 | 철도시스템 유지관리기술 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 정보 통신 | 재난정보관리 | 재난상황대응 의사결정시스템 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 기후변화를 대비한 IoT기반 레일 절손 및 좌굴 감지 시스템 개발
주관연구기관 한국철도공사
총괄연구 책임자 성명 박성백
소속 한국철도공사 직위 차장
전화번호 042-615-4656 FAX 02-361-8542
총 연구기간 2019-04-19 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2020-01-01 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 170,000,000 21,250,000 148,750,000 170,000,000 340,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ㅇ 급격한 기후변화에 대비하여 세계 교통정책 동향이 도로교통 중심에서 철도교통 중심으로 전환되고 있으며,
ㅇ 이러한 정책변화에 발맞추어 일본, 유럽 등의 철도 선진국에서는 기후변화에 대비한 다양한 기술개발이 이루어지고 있음
ㅇ 지구온난화에 따른 폭염 및 급작스런 기온강하 등 이상기후 발생으로 장대레일등 취약 구간에서 레일좌굴, 절손등에 따른 안전사고 발생우려등 열차운행선 위험요인 상존하고 있으며, 철도의 특성상 열차사고가 발생하면 대형 인명사상사고로 이어질수 있음. 현재 궤도회로에 의한 레일절손 검지가 일반 구간은 가능하나 역구내 병렬잠바선구간 등 일부개소는 레일절손 검지가 불가하고 4차산업혁명의 트랜드에 맞춰 과학적 유지보수를 통한 기술력 향상으로 안전하고 쾌적한 철도서비스 제공을 위해서 본기술이 적용될 예정임
최종목표 최종목표
ㅇ 이상기온(폭염, 혹한)으로 장대레일에서 발생할 수 있는 레일변형(절손, 좌굴) 감지 불가 영역의 레일상태를 실시간으로 감지 및 경보를 전송하여 선제적인 열차탈선 사고를 예방할 수 있는 IoT 기반 레일변형 모니터링 시스템 개발
단위별목표
ㅇ 레일변형 실내？현장 측정데이터 기반 모니터링 기준 정립
ㅇ 철도환경에 적합한 레일변형 감지 센서 개발 및 제작
ㅇ 레일변형 감지 센서 보호용 센서 Unit 설계 및 제작
ㅇ 레일변형 상태 무선 송출 통신통신 구현
ㅇ 측정데이터 실시간 분석 알고리즘 개발
ㅇ 측정데이터 실시간 모니터링 통합 관제플랫폼 개발
ㅇ 이상상태 경보전송 및 알람 표출 시스템 설계
연구내용 및 범위 1차년도
- 주관연구기관(한국철도공사):
ㅇ 레일변형 유형 정의 및 감지한계 분석
ㅇ 작업현장 요구사항 분석 및 탐지장비 적용 요구사항 도출
ㅇ 테스트 베드 구축에 필요한 요구조건 도출
ㅇ 레일변형 유형별 테스트베드 구축을 위한 가이드라인 작성
- 공동연구기관(한국표준과학연구원):
ㅇ 레일 변형 검출에 적합한 센서 분석
ㅇ 레일 변형 검출 방법 도출 : 스트레이인게이지, 근접센서 사양 검토 ㅇ 온도환경조건(-20℃~80℃)을 고려하여 챔버에서 온도에 따른 변형 분석
ㅇ 인장/압축시험에 의한 레일 변형 검출 시험
ㅇ 레일 변형 센싱 모듈 설계
ㅇ 온도/변형 검출 센싱 범위 도출, 신호처리회로 설계, 마이크로프로세서, 통신모듈 검토
- 공동연구기관(네이블커뮤니케이션즈):
ㅇ 무선센싱 범위 도출, 배터리 용량 설계 등
ㅇ LPWA IoT 통신단말 설계
ㅇ LPWA IoT 통신단말 H/W 설계
ㅇ 주요부품 선정, 회로도 설계
ㅇ 실시간 감지 및 양방향 통신을 위한 최적의 LPWA 통신방식 결정
ㅇ 배터리를 이용하여 장시간 사용을 보장하는 저전력 기능 설계
ㅇ 레일 변형 감지 센서와 IoT 통신단말의 연동을 위한 통신 규격 설계
ㅇ 센서 ID 조회, 센싱 데이터 조회, 이상감지를 위한 Threshold 설정 및 Wakeup, Calibration
ㅇ IoT 관제 플랫폼 설계
ㅇ 통신단말 연동 인터페이스 설계
ㅇ 통신단말과 관제플랫폼의 데이터 전송 프로토콜 정의, 주기보고 / 이상감지 메시지 규격 정의, 단말 제어 메시지 규격 정의
ㅇ UI 기획/설계(레일상태 모니터링 및 데이터 분석을 위한 UI 기획/설계), Database 설계
ㅇ 수집데이터의 저장/조회를 위한 Database 설계, 외부 인터페이스 설계
ㅇ 이상 발생시 SMS를 통한 즉시 알림이 가능하도록 철도공사SMS 시스템과의 연동 인터페이스 설계
2차년도
- 주관연구기관(한국철도공사):
ㅇ 레일변형(좌굴) 운영 가이드 및 지침 마련
ㅇ 시험 조건별 테스트 베드 운영 가이드 및 관리시스템 구축
- 공동연구기관(한국표준과학연구원):
ㅇ 레일 변형 센싱모듈 시작품 제작 및 시험
ㅇ 센싱모듈 구성 : 스트레인게이지, 브릿지회로, 증폭회로, 근접센서, 온도센서, 신호처리회로, 마이크로프로세서, 통신모듈, 배터리, 안테나 등
ㅇ PCB 보드 설계/제작
ㅇ 센싱모듈 외함 : 마그네틱으로 레일 복부에 탈부착이 가능한 구조 설계/제작, 설치
ㅇ 온도센서 범위/출력 : -20℃~80℃, 아날로그 0~5V이내
ㅇ 변형센서 범위/출력 : ±2mm 이내, 아날로그 0~15V이내
ㅇ 센싱모듈 간 설치범위 : ~ 100m 이내
ㅇ 기타 주변 신호처리회로 개발
ㅇ 통신모듈 선정 및 탑재 (참여기업 협업)
ㅇ 레일 변형 센싱모듈 테스트베드 시험ㅇ 센싱 모듈의 테스트베드 적용 및 시험
- 공동연구기관(네이블커뮤니케이션즈):
ㅇ LPWA IoT 통신 단말 시작품 제작, 기능 구현 및 기능 검증
ㅇ LPWA IoT 시작품 HW 제작, LPWA 통신 기능 개발, 센서 연동 기능 개발, IoT 관제플랫폼 연동 IF 개발
ㅇ LPWA IoT 통신 단말 기능 검증
ㅇ 센서데이터 수집 기능 검증, Threshold 설정 기능 검증, LPWA 통신 기능 검증, IoT 관제 플랫폼 개발, IoT 관제플랫폼 SW 개발
ㅇ 사용자 모니터링을 위한 UI 개발, IoT 통신단말 연동 I/F 개발
ㅇ SMS 전송 I/F 개발, 외부 인터페이스 연동 시험, 이상상황 발생시 전송 기능 시험
ㅇ 좌굴 성능검증 방안
ㅇ 온도 변화에 따른 센서에서 측정된 레일의 변형율과 실측값과 동일한지 확인
ㅇ 주기적인 무선 상태 보고 메시지의 전송 성공률 확인
ㅇ Threshold 설정 기능 확인
ㅇ Threshold 초과시 실시간 알람 발생 기능 확인
3차년도
- 주관연구기관(한국철도공사):
ㅇ 레일변형(절손) 운영 가이드 및 지침 마련 및
ㅇ 시험 조건별 테스트 베드 운영 가이드 및 관리시스템 구축
- 공동연구기관(한국표준과학연구원):
ㅇ 테스트베드 시험에 의한 문제점 도출 및 해결, 레일 변형 센싱모듈 현장적용 및 성능개선
ㅇ 분기기 현장설치 및 운용, 무선 데이터 송수신 시험, 센서 측도 설정식 (Calibration curve) 정확도 개선, 센싱 모듈 성능평가
ㅇ 온도/변형 측정값에 의한 레일 절손/좌굴 기준 도출
- 공동연구기관(네이블커뮤니케이션즈):
ㅇ LPWA IoT 통신 단말 시제품 제작(LPWA IoT 시제품 HW 제작)
ㅇ LPWA IoT 통신 단말 시험(KC 인증 시험, 고온/저온 환경의 동작 시험)
ㅇ IoT 관제 플랫폼 연동 시험
ㅇ 센서, 통신단말, 관제플랫폼 연동 시험, 이상상황 발생시 전송 기능 시험
ㅇ 현장적용 및 시범사업, IoT 통신 통신 단말 시범 설치,
ㅇ 시범 설치 및 통신 기능 검증, 현장 환경에서의 사용성 검증 , 관제플랫폼 시범 설치
ㅇ 데이터 수집 및 실시간 알람 기능 검증
ㅇ 주기적인 무선 상태 보고 메시지의 전송 성공률 확인
ㅇ 강제 파단 발생시 실시간 알람 발생 기능 확인
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 1차년도
최종목표
ㅇ 주관연구기관(한국철도공사): 레일변형 검출 사용자 요구사항 분석
ㅇ 공동연구기관(한국표준과학연구원): 레일변형 검출을 위한 센싱 방법 도출
ㅇ 공동연구기관(네이블커뮤니케이션즈): LPWA IoT 단말 및 관제플랫폼 설계
 내용및범위
- 주관연구기관(한국철도공사):
ㅇ 레일변형 유형 정의 및 감지한계 분석
ㅇ 작업현장 요구사항 분석 및 탐지장비 적용 요구사항 도출
ㅇ 테스트 베드 구축에 필요한 요구조건 도출
ㅇ 레일변형 유형별 테스트베드 구축을 위한 가이드라인 작성
- 공동연구기관(한국표준과학연구원):
ㅇ 레일 변형 검출에 적합한 센서 분석
ㅇ 레일 변형 검출 방법 도출 : 스트레이인게이지, 근접센서 사양 검토 ㅇ 온도환경조건(-20℃~80℃)을 고려하여 챔버에서 온도에 따른 변형 분석
ㅇ 인장/압축시험에 의한 레일 변형 검출 시험
ㅇ 레일 변형 센싱 모듈 설계
ㅇ 온도/변형 검출 센싱 범위 도출, 신호처리회로 설계, 마이크로프로세서, 통신모듈 검토
- 공동연구기관(네이블커뮤니케이션즈):
ㅇ 무선센싱 범위 도출, 배터리 용량 설계 등
ㅇ LPWA IoT 통신단말 설계
ㅇ LPWA IoT 통신단말 H/W 설계
ㅇ 주요부품 선정, 회로도 설계
ㅇ 실시간 감지 및 양방향 통신을 위한 최적의 LPWA 통신방식 결정
ㅇ 배터리를 이용하여 장시간 사용을 보장하는 저전력 기능 설계
ㅇ 레일 변형 감지 센서와 IoT 통신단말의 연동을 위한 통신 규격 설계
ㅇ 센서 ID 조회, 센싱 데이터 조회, 이상감지를 위한 Threshold 설정 및 Wakeup, Calibration
ㅇ IoT 관제 플랫폼 설계
ㅇ 통신단말 연동 인터페이스 설계
ㅇ 통신단말과 관제플랫폼의 데이터 전송 프로토콜 정의, 주기보고 / 이상감지 메시지 규격 정의, 단말 제어 메시지 규격 정의
ㅇ UI 기획/설계(레일상태 모니터링 및 데이터 분석을 위한 UI 기획/설계), Database 설계
ㅇ 수집데이터의 저장/조회를 위한 Database 설계, 외부 인터페이스 설계
ㅇ 이상 발생시 SMS를 통한 즉시 알림이 가능하도록 철도공사SMS 시스템과의 연동 인터페이스 설계
연구성과 기술적 기대성과 ㅇ 4차 산업혁명과 관련된 IoT 기반 철도시설물 유지보수 모니터링 기술 개발을 통한 철도시설물 유지보수 기술을 확보하고, 외산장비를 대체하고 외화절감 및 해외의존도 감소
ㅇ 레일 유지보수 최적화 및 열차운행 안전성 향상에 기여
ㅇ 레일 절손 및 좌굴 관련 객관적이고 지속적인 모니터링 결과 Big-Data 분석으로 철도 이상개소의 조기 탐지로 선제적 장애 예방 및 열차안전운행 확보 가능
ㅇ 철도운영기관의 이상기후 대비 선로안전관리는 하절기 장대레일 장비작업 제한(폭염특보기간 다짐작업 금지), 레일온도 검지장치 설치(각 지점의 레일온도를 측정하여 정보 제공), 차열성 페인트 도포(도포 초기 약 4~5℃의 온도저감 효과), 안전점검 및 감시원 배치(혹서기 선형취약선구에 인력 배치), 레일결함 탐상 등이 있으나, 선제적 사고예방은 불가능함
ㅇ 사전 감지 불가(사구간) 개소에서 레일변형 발생 시 탈선사고 등 대형사고가 발생할 수 밖에 없는 실정으로 개발 성공 시 즉시 적용이 가능하다. 따라서, 2차년도부터 본 기술의 성과물(IoT 기반 레일변형 모니터링 시스템)의 성능검증을 시행하고 과제가 종료되는 3차년도 하반기부터 일반철도 및 고속철도에 실용화 추진 예정임
ㅇ 국내에서 효과가 입증되면 국내시장 뿐 아니라 해외시장의 판매 추진
사회 경제적 파급효과 사회/경제적 파급효과
ㅇ 철도시설물의 유지보수 효율화를 위한 검측장비의 수요가 기하급수적으로 증가함에 따라 레일 모니터링 기술 개발을 통한 국내외 시장 진출 기대
ㅇ 레일 절손 및 좌굴 검지시스템 활용을 통한 열차 탈선 및 불안감 감소로 철도이용 고객 증대와 경영개선 기여
ㅇ 레일변형 모니터링 기술 확보를 통한 국내 타산업 분야로 확대 적용 가능
ㅇ 기술개발을 통한 기술자립과 국부유출을 막고 해외시장 진입 가능성 제고
ㅇ 선로유지보수 및 예방보수를 통한 철도차량의 주행안전성 및 승차감 향상 가능
ㅇ 최적의 유지관리 기술을 도입하여 시설물 사용주기의 증대 및 안전사고를 미연에 방지함으로써 시설물의 안정성 향상 및 대국민 신뢰도 제고
ㅇ 레일변형 검측 자동화로 기존 검측 인력을 효율성 제고와 철도 운행 안전에 기여
활용방안 o 레일좌굴감지 시스템 우선적용 대상지 : 총 47개소 / 51.2km
o 역구내 병렬잠바선 구간 2차피해 발생 우려 개소 : 총 2,590개소 연장 약113km
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 레일 절손 레일 좌굴 IoT 모니터링 시스템 센서
영문 Rail break Rail buckling Internet of things Monitoring system Sensor
최종보고서
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