철도 선로변 시설물의 유지·통합 관리를 위한 IoT 센서 데이터 수집 장치 개발에 관한 연구 = A Study on the Development of an IoT-Based Sensor Data Acquisition Device for the Maintenance and Integrated Management of Railway Trackside Facilities

국문 초록 (Abstract)

철도 선로변 환경은 다양한 위험 요소가 복합적으로 존재하는 영역으로, 안전 확보와 유지관리 효율 향상을 위해 실시간 상태 감시와 통합적인 데이터 관리 체계가 요구된다. 그러나 기존 시스템은 설비 및 제조사별로 분산 운영되어 데이터 통합과 확장성 측면에서 한계를 가진다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 All-IP 기반 IoT 센서 데이터 수집 장치를 설계·구현하고, 철도 선로변 환경에 적용 가능한 통합 데이터 수집 구조를 제안한다. 제안된 시스템은 TCP/IP 기반 표준 통신을 적용하여 이기종 센서 데이터를 통합적으로 수집·처리할 수 있도록 설계되었으며, 모듈형 구조를 통해 다양한 센서 인터페이스를 유연하게 수용할 수 있도록 하였다.
시스템 성능 검증을 위해 실험실 시험과 현장 적용을 수행하였으며, 데이터 전송 정확도, 통신 지연, 위치 정보 정확도 등 주요 성능 지표에서 목표 기준을 충족하거나 상회하는 결과를 확인하였다. 또한 충격·진동, 온도, 습도, 방수·방진 시험을 통해 철도 선로변 환경에서의 안정적인 동작 가능성을 입증하였다.
본 연구는 철도 선로변 안전 감시 및 유지관리 시스템의 통합화를 위한 실질적인 기술적 대안을 제시하며, 향후 예측 유지보수 및 지능형 철도 운영 체계로의 확장에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목 차 ⅰ
• 그림목차 ⅴ
• 표 목 차 ⅶ
• 약 어 ⅸ
• 요 약 xiv
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 연구의 목적 및 범위 3
• Ⅱ. 선행기술 및 적용 사례분석 5
• 1. 시설물 원격감시 적용 사례 5
• 2. 철도 안전 관제 기술 적용 사례 7
• 3. 통합 인터페이스 통신설비 적용 사례 8
• 4. 철도 선로변 안전설비 현황 10
• 5. 선로 작업자 안전과 유지관리 문제점 12
• 6. 연구의 차별성 13
• Ⅲ. 수집 장치의 이론적 배경 16
• 1. IoT 기술 16
• 가. IoT 기술의 정의 16
• 나. IoT 기술 동향 16
• 2. IoT 시스템 18
• 가. IoT 시스템의 정의 18
• 나. IoT 시스템의 기능 20
• 다. IoT 시스템의 기술 동향 22
• 3. IoT 센서 기술 25
• 가. 센서 기반 IoT 기술의 종류 25
• 나. 기술 동향 및 적용 분야 27
• 4. 통신 표준 프로토콜 28
• 가. 통신 표준 프로토콜의 정의 28
• 나. 통신 프로토콜 기술의 발전 방향 30
• 5. 철도 선로변 환경의 특수성 31
• 가. 물리적 환경 조건 31
• 나. 운영 제약 조건 32
• 다. 철도 환경 특수성이 시스템에 미치는 영향 33
• 6. IoT 수집 장치의 국내·외 개발 사례분석 33
• 가. 국내 사례 34
• 나. 해외 사례 35
• 다. 핵심 기술 비교 및 분석 36
• 7. IoT 센서 데이터 수집 장치의 적용 방안 38
• 가. 구성 개념 및 구조 38
• 나. 주요 기능 39
• 다. 선로변 환경 적용 40
• Ⅳ. IoT 센서 데이터 수집 장치의 설계 및 구현 42
• 1. 시스템의 구성 및 설계 개념 42
• 가. 시스템 아키텍처 정의 42
• 나. 데이터 흐름 및 통신 구조 43
• 다. 시스템 설계 방안 44
• 2. 하드웨어 설계 45
• 가. 제어부(MCU) 설계 45
• 나. 인터페이스부 설계 47
• 다. 전원부 설계 55
• 3. 소프트웨어 설계 56
• 가. 소프트웨어 및 통신 프로토콜 구조 56
• 나. TCP/IP 기반 표준화 데이터 처리 59
• 다. 오류 검출 및 데이터 무결성 관리 60
• 4. 검증을 위한 센서의 종류 및 정합(Mapping) 61
• 가. 센서 인터페이스 정합 61
• 나. 적용 센서의 분류 및 특징 62
• 다. 센서별 인터페이스 정합 리스트 65
• Ⅴ. 성능분석 및 결과 69
• 1. 시스템 구성 및 절차 69
• 가. 성능분석을 위한 구성 69
• 나. 성능분석을 위한 소프트웨어의 구성 70
• 2. 시스템의 성능 검증 기준 및 결과 71
• 가. 성능분석 검증 설정 근거 및 결과 요약 71
• 나. 성능분석 결과 세부 요약 73
• 3. 시스템의 내환경성 검증 기준 및 결과 78
• 가. 내환경성 검증 기준 및 결과 79
• 나. 내환경성 검증 결과 데이터 80
• 4. 인터페이스 성능 검증 기준 및 결과 86
• 가. IoT 센서 인터페이스의 구성 및 시험방법 86
• 나. 센서별 성능 기준 및 시험 결과 86
• 5. 성능 검증 결과 종합 분석 및 기술적 고찰 96
• 가. 성능 검증 결과 요약 96
• 나. 현장 적용 결과 및 개선점 98
• 다. 검증 결과에 대한 기술적 고찰 98
• Ⅵ. 결 론 101