고속철도차량의 스마트 차량기지 구축을 위한 이행 방안에 관한 연구 : 고속철도차량의 스마트 차량기지 구축을 위한 이행 방안에 관한 연구

김진규 한국교통대학교 교통대학원 2023 국내석사

본 論文은 고속철도차량의 스마트 차량기지 구축을 위한 이행 방안에 관한 연구이다. 본 논문에서는 철도차량의 표준화 계획에 따라 동력분산식의 차량이 도입되고 있고, 최근 도입차량은 컴퓨터 제어에 의한 철도차량시스템 발전으로 차량정비진단설비의 고도화가 요구되고 있으며, 차량정비 생산성 향상을 위한 체계적인 공정관리가 필요하고, 철도차량의 예지정비를 위한 상태기반유지보수(CBM) 체계의 패러다임이 변화하고 있으며, 부품단위에 대한 정비 연속성의 효율을 높여야 하며, 정비인력의 고령화를 대비가 필요하였다. 따라서 안전하고 효율적인 Smart 차량기지의 구현 방향에 대하여 연구하게 되었다. 국내에서 고속철도가 개통되면서 도입된 차량은 동력집중식의 차량이었으나, 2014년도 고속차량 표준화의 정부정책(철도산업위원회)에 따라 동력분산식의 고속차량이 도입되고 있어 동력집중식 차량과 동력분산식의 차량을 함께 정비할 수 있는 복합정비시스템을 구축하여야 한다. 다만 차량정비 사업량과 재무적 여건을 고려하여 단계적으로 차량기지 설비를 구축하여야 한다. 다음은 최근 도입되는 철도차량의 경우 견인장치, 승강문 등 모든 차량부품에 컴퓨터 장치가 적용되어 제어됨에 따라 고장징후 및 잔존수명 예측할 수 있는 상태기반유지보수(CBM) 등 디지털 시스템 구축 등의 차량정비 진단설비의 고도화가 필요하다. 그리고 차량의 효율적인 운영을 위해서는 차량기지 생산성을 높이기 위해 생산관리시스템(MES) 도입이 필요하고, 부품관리 효율화를 위해서는 부품을 추적하는 보수품 통합관리 시스템을 구축하여야 한다. 또한 상태기반유지보수(CBM) 등 차량정비의 패러다임 환경변화에 따른 노동 집약적인 정비체계를 개선하여야 하며, 일괄적인 예방유지보수체계 보다는 예지정비체계를 구축해서 정비의 효율을 극대화 하여야 한다. 차량 부품의 정비연속성 확보를 위하여 택트시스템 구축이 필요하며, 우선 적용된 트리포드 등의 적용된 사례를 반영이 필요하다. 정비인력 고령화를 대비해서는 스마트 설비 등을 구축하여 Smart-Factory 건설하여야 한다. 이와 관련된 본 연구 결론에 따라 Smart 차량기지의 구현 방향에 활용하고자 한다.

휴먼팩터 관점의 철도시스템 기술기준 검증에 관한 연구

하태길 한국교통대학교 교통대학원 2023 국내박사

철도에 있어서 가장 중요한 요소 중의 하나는 이용하는 승객, 운영자 및 유지 보수자에게 안전하고 편리한 철도시설물을 제공하여 재해 없이 일반 국민이나 근로자가 철도를 이용하거나 일하는 것이라 할 수 있다. 본 연구는 그동안 자동차나 철도차량에 일부 적용되었던 휴먼팩터 관점의 연구를 철도 시스템 분야로 확대하기 위하여 휴먼팩터에 대한 검증기준과 검증방법에 대한 연구로 대부분 통신, 신호, 전력 시스템이 설치되는 관제센터, 선로 변 유지보수 설비, 역사 내 철도 시스템 시설물 등에 대한 유지보수와 철도 운영의 편리성의 관점에서 연구하였다. 다양한 철도 시스템이 설치되는 관제센터에는 도입되는 시스템을 우선 분석하고 적용할 수 있는 휴먼팩터의 기본원리를 제시하였으며, 이러한 각각의 기본원리에 따라 유사한 국제적 기준인 EEMU, ISO, EN 등을 기초로 하여 각각의 시스템에 맞는 기술기준을 제시하였다. 제시된 기술기준은 주어진 양식에 따라 시스템의 설계 도면과 보고서가 기술기준에 만족하는지를 평가하였다. 추가적으로, 설계 단계의 기술기준은 실제 설치단계 이전이므로 형상화한 검증을 위하여 연구 케이스를 선정하고 가상환경에서 검증을 위한 3D CAD를 활용하였다. 이러한 가상환경 3D CAD를 위하여 인체측정데이터를 조사하였으며 이를 바탕으로 가상 3D 더미(Dummy)를 구체화하였다. 가상 3D 더미를 위한 파라미터 입력값으로는 사용자 프로필(User Profile)의 가정, 남녀를 포함한 인체측정 데이터, 강도 데이터와 인위적 특징에 대하여 문헌 등을 통하여 조사하였다. 가상환경 분석을 위한 휴먼팩터 3D CAD는 관제센터와 역사, 역사 내 제어실 및 고객지원 설비를 위주로 통신설비, 신호설비 등에 대하여 운영 및 유지보수가 편리하고 안전한가에 대한 평가와 검증의 방법으로 활용하였다. 본 연구는 그동안 철도 시스템 분야에서 적용하지 못한 휴먼팩터를 처음 연구한 사례로, 국제적 기준을 바탕으로 한 기술기준과 검증 방법은 향후 철도 시스템 구축 시 휴먼팩터 차원의 검증기준 및 검증 방법으로 활용할 수 있는 기초를 마련하는데 계기가 되었다.

횡 가속도 빅데이터를 활용한 선로 상태진단에 관한 연구

정승섭 한국교통대학교 교통대학원 2023 국내박사

철도 운영자는 철도 시스템의 정비 목적인 안전성과 가용도를 유지하기 위해 각종 정비체계를 연구하여 철도 시스템의 정비에 활용하고 있다. 과거 철도 운영자는 철도 시스템에 결함이 발생하면 시스템을 수리하는 사후정비를 시행하였다. 그러나 사후정비는 시스템에 큰 결함 발생 시 가동이 중단되어 운영에 큰 영향을 주는 단점이 있었다. 이에 따라 철도 운영자는 철도 시스템의 안전성, 가용도을 유지하기 위해 예방정비, 신뢰성 기반 정비를 도입하였고, 최근에는 상태기반 정비, 예지 정비로 정비 패러다임을 변경하고 있다. 그러나 철도 운영자가 정비 패러다임을 변경하면서 고도화된 정비 기술로 철도 시스템을 정비하고 있음에도 철도 사고는 꾸준히 발생하고 있다. 통계에 따르면 탈선사고는 최근 5년간 발생한 철도교통사고 중 비중이 가장 높다. 이러한 탈선사고의 주요 원인은 기술적 요인이 대부분을 차지한다. 즉, 탈선사고의 원인 중 가장 높은 비중을 차지하는 기술적 요인을 보완하면 탈선사고를 예방할 수 있고, 전체 철도교통사고를 줄일 수 있다. 따라서 본 논문은 탈선사고를 예방하기 위하여 대차 불안정 센서에서 측정되는 대차 횡 가속도를 활용하여 탈선사고의 주요 원인 중 하나인 기술적 요인을 보완하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 본 논문은 고속차량의 대차 횡 가속도, 운행기록 등 임의의 빅데이터를 수집하였다. 이 빅데이터는 선로 상태진단을 위한 분석에 사용되었다. 선로 상태진단을 위한 구체적인 방법은 고속차량의 대차 횡 가속도를 분석하여 횡 가속도가 위험 기준을 초과하는 거리를 판별하는 것이다. 횡 가속도의 위험 기준은 EN14363 규격을 적용하였고, EN 규격에서 제시하는 방법에 따라 대차 횡 가속도의 위험 기준은 0.6g로 결정하였다. 임의의 빅데이터는 통계학적인 기법으로 분석되었다. 빅데이터 분석에 사용한 도구는 매트랩이다. 빅데이터의 특징 추출 기법은 확률론적 파라미터가 사용되었다. 이를 통해 추출한 특징은 위험 기준을 초과하는 대차 횡 가속도의 누적점수로부터 지속·반복적으로 발생하는 거리 확인에 사용되었다. 임의의 빅데이터 분석 결과는 고속차량의 대차 횡 가속도를 활용하여 선로 상태를 진단할 수 있는 것으로 나타났다. 이를 토대로 구성한 상태진단 모델은 차량 및 선로 시스템을 관리하는 각각의 조직이 상태정보를 상호 공유하도록 하는 것이다. 다시 말해 대차 횡 가속도가 위험 기준을 초과한 거리는 차량을 정비하는 조직이 차량을 점검·정비함과 동시에 선로를 정비하는 조직이 선로를 점검·정비할 수 있도록 하는 것이다. 선로 상태진단 모델에 대한 평가는 기계학습을 이용하였다. 기계학습의 방법은 지도학습, 비지도학습, 강화학습 등이 있는데, 본 논문은 EN에 따라 정의한 대차 횡 가속도 위험 기준을 학습에 적용하였고, 빅데이터의 학습 시간을 단축하기 위해 지도학습 방법을 선택하였다. 기계학습을 통해 통계학적인 방법으로 구성한 상태진단 모델에 대한 정확도는 앙상블-배깅 알고리즘에서 89.9%, 인공신경망 알고리즘에서 89.3%로 확인되었다. 따라서 통계학적인 기법으로 분석한 결과는 정확도가 매우 높은 것으로 평가되었다. 그러므로 철도 운영자는 철도 시스템의 안정성과 가용도를 유지하기 위해 대차 횡 가속도가 높게 측정되는 거리에 대해 스코어링 레벨을 설정하여 조직적으로 관리할 필요가 있다.

고속철도차량 주전력변환장치 전원고조파 저감 연구 : 고속철도차량 주전력변환장치 전원고조파 저감 연구

장용오 한국교통대학교 교통대학원 2023 국내석사

본 硏究는 고속철도차량의 주전력변환장치에 대한 전원 고조파 영향분석 및 저감을 위한 제어필터 설계 방안에 관한 硏究이다. SRT는 수서~평택 간(61.1km)을 연결하는 수서고속철도 건설사업(2008 ~ 2017년)에 따라 서울특별시 강남구 수서역을 기점으로 하여 경부고속선과 호남고속선을 운행하는 고속철도차량이다. 최근 고속철도차량은 저탄소, 친환경 이동수단으로 전 세계적으로 온난화 문제, 환경문제 등을 해소하고 교통체증으로 인한 낭비하는 시간 감소 등 경제적 효과를 제고 할 수 있는 교통수단으로 점점 확대되어 가고 있다. 또한, 전기철도는 자동차에 비해 속도 및 수송력이 수배에서 수십 배가 크고 유리하며, 적은 오염물질(이산화탄소 등 배기가스)을 배출하고 안전하게 운행할 수 있으므로 현재 에너지 효율성과, 친환경적이며, 안전한 최적의 대중교통수단으로 세계적으로 고속철도차량이 그 역할과 비중이 늘어나고 있다. 따라서 전기철도에 대한 보다 안정적인 운용과 고품질 고속서비스 확보를 위해 고속철도차량시스템의 전력품질, 고조파 영향, 전자파장해 등 전기적 특성으로 인한 영향 및 문제를 해소하고자 꾸준한 연구와 대책 방안이 검토되고 있다. 본 논문에서도 산업현장과 같이 입력전력이 비교적 안정적인 시스템에서의 고조파 발생원인과 그 대책에 대해서 고찰하였고, 고속철도차량시스템과 같이 전차선 전압의 변동과 접촉에 의한 집전방식으로 인한 불안정한 입력전력을 통해 운행되는 전기철도차량만의 특수성을 설명하고, 시시각각 변동하는 입력전력으로부터 각 기기장치들에 의해 발생되는 고조파 영향에 대해서 분석하고 그 대책에 대해서 기술하였다. 특히, SRT 주전력변환장치 입력 단에 흐르는 고조파를 측정하고 분석하였으며, 사용 중인 주제어기의 제어이득을 통한 제어 필터의 설계 적정성을 시뮬레이션 및 주전력변환장치 수동필터의 재설정을 통해 검증하였다. 그 결과 주전력변환장치의 고조파 발생 및 영향으로는 전력변환을 위한 스위칭 시의 고조파와 주전력변환장치 수동필터와의 공진 증폭현상, 컨버터/인버터 수동필터의 설정오차에 의한 고조파 무효전력 상승 등 있었으며, 이에 대한 대책으로 주전력변환장치 컨버터/인버터 제어필터 재설정 및 컨버터 필터 캐패시터 재설계를 통해 고조파가 현저히 줄어들었음을 확인하였다.

전기철도차량 부하특성을 고려한 리튬배터리 SoH 추정 연구

김재영 한국교통대학교 교통대학원 2023 국내박사

전기철도차량용 배터리는 시스템을 유지하는 기초 동력원으로서 시스템 기동이나 제어전원 및 비상전원으로 사용되고 있다. 전기철도차량의 배터리는 배터리 기술이 발달됨에 따라 납산배터리, 니켈-카드뮴배터리, 리튬배터리를 사용하였다. 최근에는 고효율성과 안전성을 고려하여 리튬폴리머 배터리를 많이 사용하고 있다. 전기철도차량에서는 주전원이 없는 상황에서만 배터리 전원이 사용되며 주전원차단 장애가 아니면 방전심도가 낮은 범위에서 사용량이 많지 않은 부하특성을 가진다. 리튬배터리를 전기철도차량에 사용한 이력은 평균 5년 정도이며, 철도차량의 부하특성을 고려한 리튬배터리의 노화나 수명 예측연구가 아직은 미진한 편이다. 따라서 전기철도차량의 리튬배터리에 대한 유지보수 또는 관리 측면에서 배터리의 노화 상태와 잔존수명 예측이 필요한 실정이다. 본 연구를 통해 배터리의 노화 상태를 사전에 예지함으로써 계획적인 유지보수를 수행할 수 있으며 효율적인 열차 운영조건을 제공할 수 있다. 전기철도차량용 배터리는 급격한 외기온도의 변화와 충, 방전 조건 등 다양한 요인으로 배터리가 노화될 수 있다. 그리고 배터리 노화에 따른 열차 운행 장애와 우발적 고장 등이 발생할 수도 있고 무엇보다 노화 상태 예측이 없으면 효율적인 유지보수에 어려움이 따른다. 전기철도차량의 안정적 운행을 위하여 배터리의 사용 환경과 열화 상태 등에 따라 충전용량의 변화와 배터리 성능 저하 등 노화 상태의 예측이 필요하다. 본 연구에서 과천‧안산선 전동차를 대상으로 배터리 부하의 종류를 조사하고 각 부하의 정격용량을 확인하여 배터리의 부하특성을 분석하였다. 10량 1편성으로 구성된 전동차는 정상 운행 시에 약 13[kW] 부하 용량을 3개의 배터리 팩이 분담하고 있다. 배터리 부하는 직류 75~100[V]의 기동용과 제어전원용 직류부하이다. 그리고 배터리는 초기 기동과 절연구간 통과 시에 전원 공급용으로 사용되며 1일 평균 12분 정도 사용하는 것으로 분석되었다. 그리고 과천‧안산선 전동차에 사용되는 리튬배터리 팩을 대상으로 BMS(Battery management system)과 양방향 전원공급장치(Power supply)를 사용하여 충, 방전 실험을 구현하였고 동시에 전용 소프트웨어를 이용하여 실험 데이터를 수집하였다. 표준용량 실험을 통한 리튬배터리 팩의 초기 충전용량을 확인하고 전기철도차량의 배터리 부하특성을 고려한 충, 방전 실험에서 배터리의 전압, 전류 및 온도 데이터를 수집하였다. 100 사이클 충, 방전 실험 후 다시 표준용량 실험을 실행하여 배터리 충전용량의 변화를 확인하였다. 실험데이터를 기반으로 SoH 예측을 위하여 배터리의 방전율과 충전율에 대하여 특징 추출 데이터 계산을 적용하였다. 100 사이클 시험 후 SoH가 99.38[%]로 확인되고 초기 대비 100 사이클 기준으로 0.62[%] 감소되었다. 본 논문에서는 전동차의 부하특성에서 적용하여 리튬배터리의 충방전 실험을 구현하였으며, 리튬배터리 사용 제한이 SoC 80[%]라 가정하면 20[%] 감소 때까지 3,200 사이클을 예측할 수 있다. 이 결과를 토대로 전동차 리튬배터리의 유지보수에 대한 새로운 수명관리 기준이 필요하다고 판단된다.

무효전력 보상 및 고조파 저감에 의한 철도역사 전력품질 개선 연구

구욱현 한국교통대학교 교통대학원 2023 국내석사

본 硏究는 철도역사 부하의 비선형성 및 변동 특성에 대해 고조 파 보상 및 무효전력 보상을 통해 철도역사 전력품질을 改善하기 爲한 硏究이다. 철도역사 및 차량기지 등은 다양한 부하가 사용되고 있고, 많은 비선형 부하 장치들이 도입되어 배전계통에 유입되기 때문에 전력품질에 좋지 않은 영향이 발생하고 있다. 철도역사에서 실제 측정한 데이터를 분석해 보면, 많은 역사에서 고조파가 기준치를 초과하고 있으며 순시 역률이 저하되어 있다. 또한 심야에는 진상 무효전력이 발생하여 진상역률 벌 과금이 우려되는 상황이다. 본 논문에서는 이를 개선할 수 있는 철도역사 및 차량기지에 적용 가능한 전력품질 개선 장치에 대한 연구를 수행하였다. 철도역사 및 차량 기지는 동력 뱅크와 조명 뱅크의 부하특성이 다르므로 전력품질 개선장 치를 연구하여 전력품질을 최적으로 보상할 수 있도록 하였다. 동력 뱅크의 경우 기존 커패시터 뱅크를 투입하여 역률을 개선하는 것 이 아닌, IGBT 스위칭 소자를 활용하여 무효전력과 고조파를 필요한 만 큼 생성하는 방안을 연구하였다. 계통에서 지상 무효전력 발생시 장비에 서 진상 무효전력을 발생, 상쇄시켜서 보상하며 고조파의 경우 역고조파 로 상쇄를 시킴으로써 보상하도록 하였다. 이를 통해 초고속으로 무효전 력을 보상하여 순시역률 저하 및 전압강하를 보상할 수 있도록 하며, 또 한 고조파를 제거하도록 하였다. 조명 뱅크의 경우 부하 특성상 진상 무효전력이 발생하며 3차수 고조 파가 많아 중성선에서 중첩되어 N상에 과다한 고조파 전류가 흐르며 과열 되는 문제점이 있었다. 이를 개선하고자 중성선에 직렬로 3차 임피던스 를 높이는 N상 필터를 연구하였고, 전 계통에 걸쳐 3차 고조파를 감소 시켜서 고조파로 인한 피해를 제거함은 물론 전력 절감이 이루어질 수 있도록 하였다.

승강장 모니터링을 위한 Wi-Fi기반 도시철도 영상전송시스템 구현

안현조 국립한국교통대학교 교통대학원 2025 국내석사

제 목 : 승강장 모니터링을 위한 Wi-Fi기반 도시철도 영상전송시스템 구현 본 硏究는 도시철도에서 Wi-Fi기반 무선영상전송 시스템에 관한 硏究이다. 승강장안전문(PSD) 설치는 승강장에서의 추락 및 자살등 사고를 미연에 방지하는 데 큰 기여를 하였으나, PSD 구조로 인해 발생하는 사각지대발생, 끼임사고 등이 새로운 문제로 부각되었다. 이를 해결하기 위해, 본 연구는 PSD 설치 이후 변화한 승강장 구조을 분석하고, 모니터링 효율성 확보 방안을 제시하였다. 본 논문에서는 Wi-Fi 기반 5GHz 대역을 활용한 시스템 설계를 통해 무선 영상 전송 시스템 구성에 범용성 확보 가능성을 확인하였으며, 승강장 진입 및 열차 출발 후 일정 거리까지 승강장 상황을 안정적으로 모니터링 할 수 있도록 하여, 승무원이 실시간으로 승강장 상태를 감시하고 출발 직후 이례 상황에 대응할 수 있는 신뢰성 높은 환경을 제공함으로써 PSD 설치로 인한 불안요소를 보완하고자 하였다. 연구 결과, 5GHz대역 Wi-Fi주파수를 활용하여 열차가 승강장 정차전부터 열차가 출발하여 움식이기 시작한 시점까지 모니터링이 가능하였고, 운전실 모니터와 승강장모니터간 현시시간 차이가 0.07~0.12초로 과거 공간화상 설비보다 크게 개선되었음을 확인하였다. 결론적으로, Wi-Fi 기반 영상 전송 시스템은 PSD 설치 이후 발생한 불안 요소를 효과적으로 보완하며, 기술적 실현 가능성과 경제적 타당성을 입증 하였다. 본 연구는 도시철도 운영의 안전성과 효율성을 강화하는 데 기여할 수 있는 실질적인 대안을 제시하였다.

전기동차 에너지 저감을 위한 운전자보조시스템의 적용성에 관한 실증 연구

김보성 국립한국교통대학교 교통대학원 2026 국내박사

This study aims to empirically verify the applicability of a Driver Advisory System (DAS) for reducing energy consumption in electric multiple units under actual revenue-service operating conditions. Previous studies on railway energy saving have mainly focused on vehicle performance improvement, infrastructure enhancement, regenerative braking utilization, and Automatic Train Operation (ATO). However, relatively limited empirical research has been conducted on energy consumption variation associated with driver operation behavior under actual railway operating conditions. Therefore, this study analyzed the operating characteristics of electric multiple units on the Gyeongchun Line and examined the relationship between energy consumption variation driver-operation-related factors based on actual operation data. and The target section of this study was defined as the Sinnae-Namchuncheon section of the Gyeongchun Line. The Sangbong-Sinnae and Namchuncheon–Chuncheon sections were excluded because frequent signal-related waiting and variations in operating conditions made quantitative energy comparison unsuitable. First, long-term operational data from electric multiple units operated without DAS were used as baseline data to analyze actual speed distance profiles, power running, coasting, braking patterns, and section-specific operating characteristics. These non-DAS operational data were not used as direct validation data for the S-DAS application effect, but as fundamental data for generating economic driving profiles and identifying baseline operating patterns under actual revenue-service conditions. Separate S-DAS trial operation data and revenue-service monitoring data for non-S-DAS and S-DAS operations were then used to verify the tracking performance of the economic driving profile and the observed energy-saving effect of S-DAS. Based on the analysis of baseline operating patterns, track conditions, vehicle performance, driving constraints, and actual operation data, this study designed a Standalone Driver Advisory System (S-DAS) with a non-interfering, on-board independent structure. The proposed S-DAS does not directly intervene in the existing traction, braking, or signalling control systems of the vehicle. Instead, it uses position, speed, energy consumption, traction notch, and braking information collected from the Train General Information System (TGIS). The system compares the current operating state with the economic driving profile and provides advisory information to the driver through a Human–Machine Interface (HMI). In addition, an Ethernet-based data interface structure was applied to improve real-time performance, scalability, and maintainability. The applicability verification of S-DAS was conducted using operation data obtained from the same vehicle system and interpreted under the same TGIS-based data processing criteria. The validation results using S-DAS trial operation and revenue-service monitoring data showed that the calculated reference energy consumption based on the economic driving profile for a round trip between Sinnae and Namchuncheon was 692.74 kWh, while the actual S-DAS trial operation energy consumption was 687.55 kWh. The deviation from the reference profile was −0.75%, indicating that the economic driving profile generated in this study can function as a reference profile that can be practically followed in actual electric multiple unit operation. In the revenue-service monitoring results, the average energy consumption decreased from 781.07 kWh in non-S-DAS operation to 725.75 kWh in S-DAS operation. This corresponds to an average reduction of 55.32 kWh. Based on the non-S-DAS average energy consumption, the average energy consumption reduction rate was approximately 7.08%. In addition, when the same energy difference is interpreted relative to the economic-driving reference energy consumption of 692.74 kWh, it corresponds to an observed excess-energy reduction effect of approximately 7.98% relative to the reference profile. Therefore, the 7.98% value in this study should be interpreted separately from the average energy consumption reduction rate. The excess-over-reference rate decreased from 12.75% in non-S-DAS operation to 4.77% in S-DAS operation, corresponding to an improvement of 7.98 percentage points. The similarity rate between the actual operation results and the economic driving profile increased from 87.25% to 95.23%, also corresponding to an improvement of 7.98 percentage points. These results indicate that, after S-DAS application, the actual operation results moved closer to the economic driving profile. In this study, the 7.98 percentage-point value represents the improvement in the excess-over-reference rate and the similarity rate, rather than the average energy consumption reduction rate. However, the comparison between non-S-DAS and S-DAS operations was conducted under actual revenue-service conditions. External factors such as operating date, signal conditions, passenger load, train spacing, dwell time variation, and driver operation differences could not be fully controlled. Therefore, the results of this study should not be interpreted as an absolute or universally generalizable reduction rate obtained from a fully controlled experimental test. Instead, they should be interpreted as observed changes in average energy consumption, excess-over-reference rate, and economic-driving-profile similarity under the same route, section, and TGIS-based data processing criteria. In addition, the interpretation of driver operation behavior in this study is based on outcome indicators such as energy consumption, excess-over-reference rate, similarity rate, and economic driving profile tracking performance, rather than on a direct and separate evaluation of individual driver control actions. Accordingly, this study does not claim direct causal identification of individual driver behavior. Rather, it presents an empirical interpretation of the relationship between energy consumption variation and driver-operation-related factors under actual revenue-service conditions. This study is significant in that it interprets railway energy consumption not only from the viewpoint of vehicle and track conditions, but also from the perspective of a human–machine integrated system involving driver operation behavior and driver advisory functions. It also empirically demonstrates the applicability and observed energy-saving effect of DAS through actual on-board application, trial operation, and revenue-service monitoring data. The findings of this study are expected to serve as basic data for expanding DAS application to general electric multiple units, improving driver advisory systems, and establishing railway energy-efficiency policies. Keywords: Driver Advisory System, S-DAS, Electric Multiple Unit, Economic Driving Profile, Energy Saving, Driver Operation Behavior, Applicability, Empirical Study 본 연구는 전기동차 운행 환경에서 에너지 저감을 목적으로 하는 운 전자보조시스템(Driver Advisory System, DAS)의 적용성을 실제 영업운전 자료를 기반으로 실증적으로 검증하는 것을 목적으로 한다. 기존 철도 에너지 저감 연구는 차량 성능 향상, 인프라 개선, 회생제동 활용 및 자동열차운전(Automatic Train Operation, ATO) 최적화 등을 중심으로 진행되어 왔다. 그러나 이미 운용 중인 일반형 전기동차에 이 러한 기술을 적용하기 위해서는 차량 개조, 제어계통 변경, 신호시스템 연계 및 운용 절차 변경이 요구될 수 있다. 이에 본 연구에서는 기존 차 량 제어계통과 신호시스템을 직접 변경하지 않고, 실제 영업운전 조건에 서 적용 가능한 비간섭형 차상 독립 구조의 독립형 운전자보조시스템 (Standalone Driver Advisory System, S-DAS)을 대상으로 적용성과 에너지 저감 가능성을 검토하였다. 연구 대상은 경춘선 일반형 전기동차이며, 분석 구간은 신호장치에 의 한 대기와 운행조건 변동이 빈번한 상봉~신내 및 남춘천~춘천 구간을 제외한 신내~남춘천 구간으로 설정하였다. 해당 구간은 단거리 역간, 장 거리 역간, 장대구배·터널 구간 및 절연구간이 포함되어 있어 운전행태 와 소비전력 변동 특성을 분석하기에 적합하다. 본 연구에서는 먼저 DAS가 적용되지 않은 장기 실제 영업운전 자료를 활용하여 시간대별 소비전력 분포, 동일 열번별 소비전력 편차, 구간별 속도프로파일 및 운 전패턴 특성을 분석하였다. 이를 통해 동일 노선과 유사한 운행조건에서 도 역행 지속시간, 타행 전환 시점, 제동 개시점 및 재역행 여부에 따라 소비전력량이 달라질 수 있음을 확인하였다. 이후 운전취급법에 따른 표준운전선도, 실제 영업운전 속도프로파일, 선로조건, 차량 성능 및 운행시간 제약을 반영하여 경제운전선도 생성 알고리즘을 구성하였다. 본 연구에서 경제운전선도는 표준운전선도를 대 체하는 선도가 아니라, 운전취급법과 표준운전선도의 제약조건을 준수하 는 범위에서 불필요한 역행과 재역행을 줄이고, 타행 및 적정 제동을 유 도하기 위한 에너지 저감형 권장 운전패턴으로 정의하였다. 경제운전선 도 생성 과정에서는 역간거리, 구배, 상대고도, 제한속도, 절연구간, 장내 진입 전 제동조건, 차량 성능곡선 및 실제 운행자료를 함께 반영하였다. 최종 경제운전선도는 단순히 계산전력량이 가장 낮은 선도를 선택하는 방식이 아니라, 운행시간 만족 여부, 제한속도 준수 여부, 절연구간 Power Off 타행 조건, 장내 제동조건, 차량 성능 한계, 운전자 추종 가 능성 및 S-DAS HMI 표시 가능성을 종합적으로 고려하여 선정하였다. 본 연구에서 설계한 S-DAS는 기존 차량 제어계통과 신호시스템에 직 접 개입하지 않는 비간섭형 차상 독립 구조로 구성하였다. S-DAS는 열 차종합정보장치(Train General Information System, TGIS)로부터 위 치, 속도, 운행시간, 노치, 제동상태 및 전력 관련 정보를 수신하고, 이를 경제운전선도와 비교하여 운전자 인터페이스(Human-Machine Interface, HMI)를 통해 권장 속도, 타행 시점, 제동 시점 및 운전지원 정보를 제공 하도록 설계하였다. 전력 관련 정보는 TGIS에 기록된 가선전압, 견인전 동기 전류, 추진전력량, 회생전력량 및 구간소모전력량 등을 기반으로 활용하였다. S-DAS는 별도의 전력 계측장치로 전력량을 새로 산정하는 구조가 아니며, TGIS 및 S-DAS 운행 로그에 저장된 자료를 경제운전 선도 계산전력량과 비교하는 구조로 구성하였다. S-DAS 적용성 검증은 시범운행 자료와 S-DAS 실행 및 미실행 영업 운전 모니터링 자료를 이용하여 수행하였다. 신내~남춘천 왕복 기준 경 제운전선도 계산전력량은 692.74 kWh, S-DAS 시범운행 소비전력량은 687.55 kWh로 나타났으며, 기준선도 대비 편차는 -0.75%로 산정되었 다. 이는 본 연구에서 생성한 경제운전선도가 실제 전동차 운행에서도 추종 가능한 기준선으로 기능할 수 있음을 보여준다. 또한 영업운전 모 니터링 결과, S-DAS 미실행 평균 소비전력량은 781.07 kWh, S-DAS 실행 평균 소비전력량은 725.75 kWh로 나타났으며, 두 조건의 평균 소 비전력량 차이는 55.32 kWh였다. 미실행 평균 소비전력량을 기준으로 한 평균 소비전력량 감소율은 약 7.08%로 산정되었다. 경제운전선도 기준 추종성 측면에서도 S-DAS 실행 운행은 미실행 운 행보다 개선된 결과를 보였다. 경제운전선도 계산전력량 692.74 kWh를 기준으로 할 때, S-DAS 미실행 운행의 초과전력률은 12.75%였으며, S-DAS 실행 운행의 초과전력률은 4.77%로 감소하였다. 이에 따른 초 과전력률 개선폭은 7.98%p로 나타났다. 또한 경제운전선도 유사율은 S-DAS 미실행 시 87.25%에서 S-DAS 실행 시 95.23%로 향상되었으 며, 유사율 향상폭 역시 7.98%p로 산정되었다. 따라서 본 연구에서 제 시하는 7.98%p는 평균 소비전력량 감소율이 아니라, 경제운전선도 기준 초과전력률 감소폭 및 유사율 향상폭의 의미로 해석하였다. 본 연구의 검증 결과는 시범사업 단계에서 설정된 특정 목표율의 단순 달성 여부를 판정하기 위한 것이 아니라, 실제 영업운전 조건에서 S-DAS 적용에 따른 소비전력량 변화와 경제운전선도 추종성 개선 여부 를 종합적으로 해석하기 위한 것이다. 실제 영업운전 자료는 신호조건, 선행열차 영향, 정차시간 변동, 승객혼잡도, 운전자별 조작 차이 및 차량 상태를 완전히 동일하게 통제한 반복시험 자료가 아니므로, 본 연구의 결과는 절대적·일반화된 절감률이라기보다 동일 TGIS 기반 자료에서 관 찰된 현차 적용성 검증 결과로 해석하는 것이 타당하다. 그럼에도 불구 하고 S-DAS 실행 운행에서 평균 소비전력량 감소, 초과전력률 개선 및 경제운전선도 유사율 향상이 함께 확인되었다는 점은 S-DAS가 일반형 전기동차의 실제 운행환경에서 경제운전 유도 수단으로 적용 가능함을 보여준다. 본 연구는 실제 전동차에 S-DAS를 현차 적용하고, 실제 영업운전 자 료를 기반으로 S-DAS 실행 및 미실행 운행 결과를 비교하였다는 점에 서 의의를 가진다. 또한 기존 차량 제어계통과 신호시스템을 변경하지 않는 차상 독립형 운전자보조시스템 구조를 통해, 일반형 전기동차 운행 환경에서도 운전자보조시스템의 단계적 적용 가능성을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 일반 전동차 DAS 확대 적용, 경제운전선도 고도화, 운전자 지원 시스템 개선 및 철도 에너지 효율 향상 정책 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

강체전차선로 곡선구간 브래킷 성능 향상 및 평가에 관한 연구

조호령 국립한국교통대학교 교통대학원 2025 국내박사

강체전차선로 곡선구간 브래킷 성능 향상 및 평가에 관한 연구 강체전차선로 시스템은 가공 커티너리 시스템에 비하여 터널 공사비를 약 15% 정도 절감할 수 있고, 유지보수에 장점이 있어 도시철도 등 터널 구간에 주로 사용하고 있는 가공전차선로 시스템이다. 따라서, 국내에서 도 수도권과 주요 대도시에서 T-Bar 시스템과 R-Bar 시스템을 도입하 여 운영 중이다. 특히 강체전차선로 R-Bar 시스템은 T-Bar 시스템에 비하여 가선 특 성과 속도 특성이 우수할 뿐만 아니라, 건설비 및 유지보수비용 측면에서 매우 경제적이다. 또한, R-Bar 시스템은 전차선이 강체에 삽입되는 구조 로 전차선의 장력 조절을 위해 별도의 장치가 필요하지 않고 전차선의 절 단 위험이 없다. 하지만 R-Bar 시스템을 운영하는 일부 곡선구간에서는 전차선이 편마 모가 되어 직선구간에 대비하여 조기 교체하는 사례가 발생하고 있어 이 를 해결할 수 있는 방안을 제시할 필요가 있다. 본 논문에서는 도심의 대중교통수단인 지하철의 대표적인 가선방식인 강체전차선로 R-Bar 시스템 곡선구간에서의 전차선 편마모를 최소화할 수 있는 방향을 제시하였다. 실제 운영선로 곡선구간에 대한 현장조사를 통하여 전차선 편마모의 원 인이 레일 캔트의 영향으로 전기철도차량의 팬터그래프가 전차선과 경사 지게 접촉하는 것이 원인임을 확인하였다. 이에 따라, 전차선의 편마모를 방지하기 위해서는 팬터그래프와 전차선이 직각으로 접촉하게 할 수 있는 방안으로 전차선의 경사를 조정할 수 있는 브래킷을 제안하였다. 제안된 시제품을 제작하여 형식시험과 인터페이스 시험을 마치고, 운영 선로 곡선구간에 경사조정 브래킷을 설치하고, 현장설치 시험을 통하여 전기철도차량의 팬터그래프와 전차선이 직각으로 접촉하게 함으로써 기존 대비 전차선 교체비용을 약 17.1% 이상 절감할 수 있을 것으로 판단된 다. 이와 같이 제안된 경사조정 브래킷은 R-Bar 시스템과 T-Bar 시스템 의 신설 강체전차선로를 포함한 기존 강체전차선로 곡선구간에 적용하여 전차선 편마모를 최소화할 수 있어 유지보수의 효율성과 더불어 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대한다. 주요어 : 강체전차선로, R-Bar 시스템, 전차선, 편마모, 경사조정 브래킷

고속철도 400km/h급 전차선로 금구류에 대한 실험적 고찰

이민규 국립한국교통대학교 교통대학원 2026 국내석사

본 연구는 호남고속철도 오송–광주송정 구간 전차선로에 적용된 가동브래 킷 조정금구를 중심으로, 고속 운행 최대 400[km/h] 조건에서 장기간 사 용된 전차선로 금구류의 균열, 변형, 체결 안정성 저하 및 전기적 성능 이 상 현상을 분석하고, 그 원인을 규명하기 위한 정밀안전점검 및 시험 결과 를 체계적으로 정리한 것이다. 호남고속선 개통 이후 가동브래킷 조정금구, 특히 수평 파이프 조정봉을 고정하는 클램프 슬리브 및 체결부에서 외형 변형, 치수 기준 미달, 내부 결함 가능성 등의 이상 사례가 지속적으로 확 인되었다. 또한 드로퍼 클램프에서는 장악력 저하와 미끌림 현상이, 곡선당 김금구에서는 치수 편차 및 일부 재질에서의 백화·용융 현상이 확인되었으 며, 풀림방지 너트에서는 니켈 함량이 기준 하한에 근접한 사례가 관찰되었 다. 이러한 이상 현상은 고속 운행 조건에서 전차선로의 기계적·전기적 안 정성에 영향을 미칠 수 있는 잠재적 위험 요인으로 판단된다. 본 연구에서는 호남고속철도 전차선로 현장에서 사용 중이거나 철거된 금 구류를 시료로 채취하여, 외형 및 치수 검사, 재질 분석, 방사선 투과 시험, 침투탐상 시험, 파괴하중 시험, 이탈하중 시험, 전기전도도 및 접촉저항 시 험, 내전압 시험 등 다양한 정밀 시험을 수행하였다. 시험은 한국화학융합 시험연구원(KTR), 한국전기연구원(KERI), 한국전기철도기술협회(KRETA) 등 공인 시험기관을 통해 진행되었다. 시험 결과, 대부분의 금구류는 규격에서 요구하는 기계적 강도와 전기적 성능을 만족하였으나, 일부 시료에서는 재질 편차, 체결력 저하, 내부 결함 가능성, 속도 조건 증가에 따른 성능 저하 가능성이 확인되었다. 특히 400 km/h 구간에 적용된 일부 곡선당김금구 재질은 열적 안정성 측면에서 재 검토가 필요한 것으로 판단되었으며, 드로퍼 클램프의 경우 미끌림 시험 기 준의 명확한 정립 필요성이 도출되었다. 본 연구는 고속철도 전차선로 금구류의 실제 운용 상태를 기반으로 한 정 밀 점검 및 시험 데이터를 제시함으로써, 향후 고속 운행 구간에서의 전차 선로 안전성 확보와 품질 관리 기준 개선, 정기 점검 체계 고도화를 위한 기초 자료를 제공하는 데 그 의의가 있다.