| 연구개발개요 |
국내철도산업은 최근 고속철도 개통을 계기로 산업과 생활 전반에 새로운 변화를 일으키면서 중흥기를 맞이하고 있다. 철도운영주체는 이러한 시대적 흐름에 발맞춰 보다 높은 수준의 고객 서비스를 제공할 수 있는 경쟁력을 갖추어야 한다. 안전하고 신뢰성 있는 철도의 운영을 위해서는 철도시설의 유기적이고 체계적인 유지관리가 매우 중요하고, 비용 측면에서 가장 큰 비중을 가진 궤도 유지관리 부문의 합리성과 효율성을 제고해야 한다. 기존의 궤도 유지관리는 궤도 검측차와 같은 검측장비들을 이용해 취득된 궤도검측 데이터들이 관리기준을 초과하는 경우 해당 개소에 대해 보수를 실시하는 사후 보수(corrective maintenance)에 의존하고 있다. 궤도 유지관리의 특성상, 적정 보수시기를 놓치고 문제 개소가 발생한 이후에 보수를 시행하는 사후보수는 많은 추가 비용을 유발하게 된다. 또한, 사후보수는 보수가 필요한 다른 개소들의 보수 우선순위를 뒤로 밀리게 하면서 잠재적으로 보수비용을 크게 증가시키는 효과(snowball effect)를 유발할 수 있다. 이러한 궤도관리의 경제적, 기술적 특성을 고려할 때, 저비용 고효율의 궤도관리 방안 도출을 위해서는 보다 체계적이고 진보된 형태의 궤도관리 시스템의 개발이 절실하다. 이미 유럽과 일본과 같은 철도 선진국에서는 전체 궤도관리를 위해 사후 보수의 개념에서 탈피하여 예방보수(preventive maintenance)의 개념에 입각한 유지관리 시스템을 개발하였다. 예방보수는 상시 취득되는 궤도 검측 데이터들을 모니터링하고 향후 궤도 상태 변화를 신뢰성 있게 예측함으로써 궤도 상태가 관리기준치를 초과하지 않도록 사전에 최적의 보수 계획을 도출하여 이를 시행하는 것이다. 예방보수의 관점에서 다양한 검측데이터들을 이용하여 필요한 궤도보수 작업 종류와 일정을 주어진 물적？인적 자원의 범위 내에서 실행가능한(feasible) 최적의 대안으로 제시하는 솔루션이“궤도관리 의사결정지원 시스템”이다. 국내 고속선 운영 환경에 적합한 궤도관리 의사결정 시스템의 개발은 철도-토목 공학, 시스템 공학, 산업공학, 통계학, IT기술들이 유기적으로 공조되어야 하는 전형적인 학제간(interdisciplinary) 협동 연구 사업이다. 이 연구에서는 GPS를 활용한 궤도 검측 기술의 선진화, 방대한 양의 상시 검측 데이터들과 선로정보, 열차 운행정보, 관리기준들을 저장할 수 있는 데이터 베이스 개발, 궤도 열화 및 틀림 예측 기술 개발, 자원과 작업조건에 따른 작업계획의 최적화 기술 개발, 그리고 모든 작업계획 수립시 의사결정권자가 쉽고 편리하게 관여할 수 있는 쌍방향(interactive) 사용자 인터페이스의 개발이 필요하다. 신뢰성 있는 궤도의 상태 변화를 예측하기 위해서는 다양한 검측 장비들로부터 획득된 방대한 양의 검측데이터들을 열차 운행에 따른 궤도 열화와 주기적 보수에 따른 궤도 개선효과들을 결부시켜 각 요소간의 상관관계를 정량적으로 도출해야 한다. 이를 위해 검측데이터에 대한 대규모 통계분석, 궤도 재료의 상태평가를 수행한다. 예방 보수를 위한 최적의 작업계획 문제는 관리기준들과 작업조건에 대한 수많은 제한 조건식들을 만족시킬 수 적절한 대규모 최적화 기법을 이용하여 푼다. 철도 선진국에서 개발된 궤도관리 의사결정 시스템 타당성 연구(feasibility study)에서 입증된 바와 같이 개발된 시스템을 실제 다양한 여러 현장들에 적용하여 개발된 시스템을 검증하고 보완하는 과정이 성공적인 시스템 실용화의 열쇠이다. 이 과정에서 고속선 운영주체가 적극적으로 참여하여 이제까지 축척된 유지보수 이력과 검측데이터들을 분석하여 고속선의 궤도 특성들을 대표할 수 있는 구간들을 선정하고 이 구간들에 대해 개발된 시스템을 적용 검증하고 보완할 예정이다. 결론적으로, 연구 차원의 시스템 개발이라는 기술적 한계를 극복하고 국내 실정에 부합하는 고속선 궤도관리 의사결정지원 시스템을 개발하는 것이 이 연구 과제의 핵심 포인트이다. 개발품의 수요주체인 철도운영주체가 고속선 궤도유지관리 분야에서 많은 경험과 풍부한 연구개발 인프라를 바탕으로 세부 핵심연구개발을 수행할 수 있는 우수한 연구개발 수행 주체들과 연구개발 컨소시엄을 이루어 연구를 주도함으로서 궤도관리 의사결정 시스템의 완성도와 실용성을 극대화 시킬 것이다.
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| 최종목표 |
이 연구에서는 예방보수 개념을 기반으로 국내 철도 운영환경에 적합한 '한국형 고속선 궤도관리 의사결정지원 시스템’(Korea high speed Track Maintenance decision making support SYStem; 이하 KTMSYS라고 칭함)을 개발한다. KTMSYS개발을 위하여 필요한 GPS기반 궤도 위치정보 인식 및 이상궤도 틀림 실시간 감시 기술, 다양하고 다양한 검측 데이터와 관리기준을 저장하고 처리할 수 있는 대규모 데이터 관리기술, 궤도 상태평가 및 틀림 예측 기술, 자원과 작업조건에 따른 궤도 유지보수 작업 최적화 기술, 그리고 모든 작업계획 과정에서 궤도관리 유관부서간에 상호협업이 편리하게 이루어질 수 있는 웹기반 협업지원기술을 개발한다. 최종적으로, 개발된 KTMSYS을 현재 운영중인 고속선에 일정기간 시험적용하여 검증하고 보완과정을 거쳐 실용화 단계까지 끌어올릴 계획이다.
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| 연구내용 및 범위 |
- 궤도틀림 실시간 감시 시스템 : 궤도틀림 감지장치와 궤도위치 자동인식 시스템에서 획득된 정보를 무선 송수신으로 KTMSYS에 전달하는 기능을 가진 시스템이다. RFP 공고 사항인 RFID는 위치인식에 있어서 정확도가 떨어지므로 그 대신 최신 기술인 위치정보인식기술(GPS)과 차량의 거리측정시스템(Distance Measuring System)을 연계하여 차량의 위치를 자동으로 인식하는 기술을 개발한다. 상기 궤도위치 자동인식기술을 이용하고, 차량의 진동과 충격을 감지하는 기술을 개발하여 궤도틀림 상태를 영업운행차량에서 감지한다. 이를 궤도관리 시스템으로 무선 송신하여 고장상태를 실시간으로 탐지하여 긴급대응 및 예방보수에 활용한다. - KTMSYS 검측데이터관리시스템 : 검측데이터를 중앙 데이터베이스화하여 활용하기 위해서는 표준화된 데이터에 대한 정의가 필요하다. 이를 위해 다양한 종류의 궤도검측데이터를 시스템으로 읽어 들일 수 있는 표준포맷을 정의하고 관련시스템을 개발한다. 이와 관련하여 상이한 종류의 검측데이터를 표준포맷으로 읽어들일 수 있는 변환모듈개발이 필요하다. 읽어 들인 여러 종류(궤도상태, profile, geometry 등)를 궤도검측데이터의 데이터베이스화를 포함한다.- KTMSYS 궤도틀림 진전예측시스템 : 본 과제의 핵심사항 중 하나로서 상기의 검측데이터관리시스템의 데이터를 활용하여 궤도의 틀림진전을 예측하기 위해 궤도 구성품에 대한 물리적 거동에 대한 모델링 및 대규모 궤도에 대한 틀림진전 통계적 모델의 개발과 이의 시스템화를 추진한다. 이를 위해 다변량기법 등 최신 통계기법과 대용량 데이터에 대한 컴퓨팅 기술을 접목한 연구를 수행하여 궤도틀림 진전을 예측한다.- KTMSYS 궤도 유지보수 작업일정 최적화시스템 : 궤도 유지보수 분야의 인력, 장비 등 각종 리소스와 정기 유지보수 계획 및 상기 궤도틀림진전예측에 의한 예방보수 계획을 감안하여 가장 효율적이고 효과적인 유지보수 계획을 수립하는 시스템이다. 예방보수 일정계획의 목표(비용최소화 또는 일정단축 또는 부하평준화 등)와 각종 제약조건(인력 및 장비의 유한성, 인력과 장비의 상관성 등)을 고려하여 가장 알맞은 최적화알고리듬(수리계획법, 전문가 시스템, 인공 지능, 객체지향 모형화 기법을 이용한 CST(Constraint Satisfaction Technology: 제약만족기법), FCS(Finite Capacity Scheduling) 등)을 활용하여 최적 작업일정을 산출한다.- KTMSYS 웹기반 협업지원시스템 : 유지보수 일정계획 및 각종 알람(alarm) 정보를 유관부서와 담당자에게 전파하고, 상호 협업(collaboration)을 도모하기 위해 웹기반으로 개발되는 시스템이다. 최신 IT 기술의 접목과 웹기반의 협업기술 적용이 핵심으로서, 기업이 활용중인 인프라시스템(ERP 등)과의 인터페이스도 고려되어야 한다.- KTMSYS 시스템 통합 및 패키징 : 본 과제의 핵심사항 중 하나로서 상기의 검측데이터관리시스템의 데이터를 활용하여 궤도틀림진전을 예측하기 위해 궤도 구성품에 대한 물리적 거동에 대한 모델링 및 대규모 궤도에 대한 틀림진전 통계적 모델의 개발과 이의 시스템화를 추진한다. 이를 위해 다변량기법 등 최신 통계기법과 대용량 데이터에 대한 컴퓨팅 기술의 접목이 필수적이며 이에 대한 본격적인 연구가 필요하다.
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