궤도회로 측정 시스템의 적합화에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

전기철도설비의 증가와 고속화로 차량의 운행횟수는 증가되고, 운행시간 간격이 짧아졌다. 철도신호설비는 그 나라의 철도기술 수준을 가늠하는 대표적인 설비이다. 따라서 철도신호설비는 열차운행의 안전성과 효율성을 확보하기 위한 가장 중요한 요소가 되었다. 철도의 안전성을 확보하기 위하여, 열차의 위치를 확인하기 위한 방법은 대부분 궤도회로 장치를 사용한다. 최근에는 열차의 고속화 및 고밀도 운전으로 선로의 효율적 이용은 물론 운전정보제공 등 철도의 통합관리시스템과의 연계가 이루어지고 있다. 따라서 한국철도공사는 ATC(Automatic Train Cont-
rol), ATO (Automatic Train Operation), ATP(Automatic Train Prote-
ction)등의 적용을 위하여 전 구간이 AF(Audio Frequency) 궤도회로로 변경되고 있다. 현재 한국철도공사의 궤도회로는 간선철도, 전철화 구간 및 역 구내에는 유절연 방식의 HVI(High Voltage Impulse) 궤도회로로 약 57.2[%]를 차지하고 있다.
AF 및 HVI 궤도회로가 공존하고 있기 때문에, 철도엔지니어들은 두 가지 궤도회로를 함께 계측할 수 있는 장비가 필요한 상황이다. 또한 한국철도공사는 AF 궤도회로를 적용한지 10년이 지난 현시점에서 설치 및 운영 중 신호계측 및 진단에 따른 문제점이 발견되고 있다. 그리고 최근 AF 궤도 회로의 설치가 급속히 확대되면서 운영을 위한 계측 및 진단에 어려운점이 많이 발생되고 있다.
철도에서는 빠른 속도와 신뢰성이 매우 중요하다. 따라서 철도 신호시스템을 정확하게 설치하고 유지보수하기 위한 시험 및 계측기가 필요하다. 또한 사고 시에 원인을 신속하게 파악하고 진단을 할 수 있는 시험 및 계측기도 필요하다. 기존의 시험 및 계측기는 AF 궤도회로의 송신부 및 수신부의 이상 유무의 판별이 곤란한 경우가 있다.
한국철도공사의 TI21(Traction Immune 21) AF 궤도회로는 공칭주파수 +17[㎐]인 USB(Upper Signal Band)신호와 공칭주파수 -17[㎐]인 LSB(Lower Signal Band)신호에 이상이 발생하는 경우 송신부와 수신부 중 어느 쪽의 문제인지 판별이 어렵다. 또한 HVI 궤도회로의 임펄스 전압은 직접 측정할 수 있는 계측기가 없다. HVI 궤도회로 시험 시, 인터그레이터가 첨부된 멀티테스터를 사용하는데 정밀도와 편리성이 떨어진다. 기존의 시험 및 계측기는 수동 터미널식 범위를 갖고 있기 때문에 현장의 철도신호 엔지니어가 선택의 실수를 할 수 있다. AF 궤도회로와 HVI 궤도회로의 경계 구역이나 동일구역에서는 하나의 시험 및 계측기로 두가지 궤도회로에서 사용할 수 없어 불편함이 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안을 제시하였다.
제안한 AITM(Audio frequency track circuit-high voltage Impulse track circuit Test Meter)은 AF 궤도회로의 FSK 신호를 Zero-Crossing 기법으로 변조신호, USB 및 LSB 신호의 주파수를 검출한다. 그리고 외부 간섭신호가 유입된 FSK 신호에 대해 Blackman Window를 이용하여 외부 간섭신호의 주파수 크기 성분을 검출가능 하도록 했다.
제시된 방안에 대한 성능검증을 위해 AF 및 HVI 궤도회로의 테스트 메터를 설계하여 제작한 후 성능시험을 실시하여 그 특성을 검증하였다.
제안한 AITM은 기존의 시험 및 계측기인 TTM (TI21 Test Meter)과 인터그레이터가 첨부된 멀티테스터등과 비교할 때 다음과 같은 새로운 특성이 있다. 첫째, TI21 AF 궤도회로에서 공칭주파수 +17[㎐]인 USB 신호와 공칭주파수 -17[㎐]인 LSB 신호를 각각 분리하여 계측할 수 있으며, 변조신호의 주파수 4.8[㎐]를 계측할 수 있는 기능을 갖는다. 둘째, AF 궤도회로에서 FSK 신호에 큰 영향을 미칠 수 있는 주변에서 유입되는 간섭신호를 계측할 수 있는 기능을 갖는다. 셋째, HVI 궤도회로의 임펄스전압을 직접 계측할 수 있는 기능을 갖는다. 넷째, 철도신호 엔지니어의 편리성을 위하여 수동 터미널식 범위를 자동 범위로 하였다. 다섯째, AF 궤도회로와 HVI 궤도회로의 계측에 대한 복합기능을 가진 장치로 휴대가 간편하도록 연구하였다.
본 논문을 통하여 연구된 AITM의 활용은 우리나라 철도신호의 안전성, 신뢰성, 신속성에 이바지할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서 제안된 AITM은 한국철도공사의 일반철도에 적용되도록 개발되었다. 향후 연구로는 고속철도 및 도시철도에도 적용할 수 있도록 지속적인 연구와 개발이 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Because of the increase of electric railway equipment and speed-up, the number of running train is increased and time interval was short. An equipment of signals at railway is representative equipment that judge level of railway technology of the country. Therefore, it became the most important factor in other to secure safety and efficiency of train service. To procure the safety of railway, the way to check the position of railway usually uses the track circuit equipment. Recently, it is connected a proffer of information for driving and the integrated management system of railway as well as an effective use of the track for high speed of train and a high density driving. Therefore, Korean Railway are changed the entire section an AF(Audio Frequency) track circuit to apply ATC(Automatic Train Control), ATO(Automatic Train Operation), ATP(Automatic Train Protection). Now, HVI(High-Voltage Impulse) track circuit ratio is about 57.2% among track circuit method using in the arterial railway, electrified section and stations of Korean Railway.
As AF and HVI track circuit coexist, railway engineers need measuring instruments in both sides. Also, the problem with facilities, measure, and diagnosis are being found at the moment that AF track circuit is applied over ten years. Lately, installation of AF track circuit is expanding rapidly. Therefore, the problem that embarrassing to predict is being found.
High speed and reliability is very important at the railway. So, we need measuring and test instruments for installing signal systems of railway exactly and keeping repair. Also, we need test and diagnosis devices for understanding the cause of the accident promptly and diagnosing. An existing instrument is difficult to distinct for defects at AF track circuit transmitter and receiver.
AF track circuit of TI21(TI21:Traction Immune 21) Standard of Korean Railway have USB(Upper Signal Band) signal, +17[㎐], of nominal frequency and LSB(Lower signal band) signal, -17[㎐], of nominal frequency. As it is wrong, it is difficult to distinguish whether it is wrong a problem from transmission or reception. In addition, measuring instrument for an impulse voltage of HVI track circuit doesn't exist. When we test HVI track circuit, we use multi-tester with an integrator. But, they drop off degree of precision and convenience. Because an existing test and measuring instrument is a manual terminal range type, the railway signal engineer can mistake. At border or same area of AF track circuit and HVI track circuit, it is inconvenience that it can’t diagnose in both sides use exist a test and diagnosis device. To solve these problem, this paper suggest following methods.
Proposed AITM(Audio frequency track circuit-high voltage Impulse track circuit Test Meter) detects modulation signal, USB signal and LSB signal in the FSK signal of AF track circuit using Zero-crossing method, and magnitude of frequency in the FSK signal including external interference signal using Blackman Window method.
To verify the performance about proposed methods, we demonstrate the characteristics designing and making test meter for AF and HVI track circuit and implying performance test.
Proposed AITM has many new characteristics compared with TTM(TI21 Test Meter), an existing test and measuring instrumnent, and multi-tester attached intergrator. First, it has the function to measure USB(+17[Hz]), LSB(-17[㎐]) and modulation frequency (4.8[Hz]) of AF track circuit nominal frequency. Second, there is function to scan the biggest interfering signal that impacts to FSK signal in AF track circuit. Third, it has the function to measure impulse voltage of HVI track circuit directly. Fourth, we change manual terminal range into auto range for convenience of the railway signal engineer. Fifth, we focus on easy portability multi-functional measurement for measuring HVI and AF track circuit.
We studied the device to be simple as portable of measurement Multi-Function of HVI and AF track circuit. Application of AITM studied through this dissertation is judged to contribute to safety, reliability and rapidity.
AITM, proposed in this paper, developed to be applied to common line of Korean Railway. In the future, we need continued researches in order to apply for high-speed railway and subway.

목차 (Table of Contents)

• 國文抄錄 viii
• 英文抄錄 xi
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구동향 4
• 1.3 연구내용 7
• 제 2 장 궤도회로의 이론 및 기존 계측장비의 문제점 9
• 2.1 궤도회로 9
• 2.1.1 궤도회로의 분류 11
• 2.1.2 AF 궤도회로 11
• 2.1.3 HVI 궤도회로 15
• 2.2 AF 궤도회로의 주파수 배분 및 블록선도 23
• 2.2.1 TI21 AF 궤도회로 주파수 배분 23
• 2.2.2 TI21 AF 궤도회로 송신기 및 수신기 블록선도 24
• 2.3 AF 및 HVI 궤도회로의 기존 계측장비의 문제점 33
• 2.3.1 AF 궤도회로에서 기존 계측장비의 문제점 33
• 2.3.2 HVI 궤도회로 기존 계측장비의 문제점 35
• 제 3 장 제안한 AITM 설계 및 적용 알고리즘 37
• 3.1 제안한 AITM(Audio frequency track circuit-high voltage
• Impulse track circuit Test Meter) 설계방안 37
• 3.2 제안한 AITM 적용 알고리즘 50
• 3.2.1 변조신호, USB 및 LSB 신호의 주파수 검출 알고리즘 51
• 3.2.2 IIR(Infinite Impulse Response)필터의 개념 및 적용된
• 대역 필터 전달함수 52
• 3.2.3 주파수 검출을 위한 파형계측 방법 54
• 3.2.4 변조신호의 주파수 검출을 위한 알고리즘 56
• 3.2.5 검출된 변조신호, USB 및 LSB 신호의 주파수
• 성분에 대한 전압 계측 58
• 3.2.6 TI21 AF 궤도회로의 주변에서 유입되는 간섭신호 60
• 3.2.7 FIR필터의 일반적인 개념 62
• 3.2.8 창 함수에 대한 적용 및 Blackman 윈도우의 적용 64
• 3.2.9 Blackman 윈도우 성능평가 시뮬레이션 66
• 3.2.10 인접 궤도회로의 간섭신호 검출 방안 68
• 3.3 HVI 궤도회로 임펄스전압 계측 69
• 제 4 장 제안한 AITM을 AF 궤도회로와
• HVI 궤도회로에 적용시험 및 분석 70
• 4.1 제안한 AITM의 시험실 계측시험 및 분석 70
• 4.1.1 AITM의 개요 70
• 4.1.2 제안한 AITM의 시험실 계측시험 71
• 4.1.3 제안한 AITM 계측시험 항목 74
• 4.1.4 변조신호의 주파수 계측시험 75
• 4.1.5 송신기모듈 단자에서 USB와 LSB 계측시험 76
• 4.1.6 AF 궤도회로의 수신기모듈 수신입력전류 계측시험 78
• 4.1.7 AF 궤도회로에 유입되는 간섭신호 검출 계측시험 80
• 4.1.8 TI21 Receiver Test Rig에서 수신기 수신입력전류
• 계측시험 85
• 4.2 제안한 AITM의 실외 시험장 및 철도현장 계측시험 87
• 4.2.1 제안한 AITM의 실외 시험장 계측 87
• 4.2.2 제안한 AITM의 실외 시험장 AF 궤도랙 계측시험 87
• 4.2.3 제안한 AITM의 실외 시험장 레일에서 계측시험 89
• 4.2.4 제안한 AITM의 철도현장 계측시험 91
• 4.2.5 제안한 AITM의 철도현장 TI21 AF 궤도랙과 레일
• 계측시험 92
• 4.2.6 HVI 궤도회로의 AITM의 계측시험 97
• 제 5 장 결론 102
• 참고문헌 105