무선 MESH를 이용한 열차제어 데이터 전송 기술의 적합성 검증에 관한 연구 = A Study on the Conformity Assessment of Train Control Data Transmission Technology Using a Wireless MESH

국문 초록 (Abstract)

비 접촉식으로 운행하는 철도시스템인 자기부상열차, 모노레일, 고무차륜AGT 등은 궤도회로를 이용하여 열차의 위치와 속도를 검지하고 제어 정보를 전송하는 것이 불가능하여 이러한 철도시스템은 열차의 위치 및 속도검지와 제어 정보를 전달하는 새로운 기술의 개발과 적용이 필요하다.
본 논문에서는 부상하여 추진하는 자기부상열차를 대상으로 차량의 위치 및 속도를 검지하는 기본 원리를 설명하고 신뢰성 및 안전성을 확보하기 위한 방법을 RAMS 모델링기법으로 분석하여 제시하고, 무선기반 열차제어시스템의 핵심기술인 무선데이터 전송기술로 이동통신에서 일반적으로 사용하고 있는 기술인 무선 Mesh방식을 이용하여 열차제어시스템 데이터를 전송하는 기술을 적용하고 이에 대한 적합성을 검증하고 가능성을 제시하였다.
기관사가 출발, 가•감속 및 정차의 운행 조건을 수행하는 열차와 다르게 무인으로 운행하는 열차는 운행 조건을 열차제어시스템에서 스스로 수행해야 하는 관계로 시스템의 신뢰도와 안전도는 이제까지의 시스템과 다르게 고도의 신뢰도와 안전도를 가져야 한다. 특히, 열차의 위치 및 속도검지와 더불어 열차제어 정보를 전송하는 무선통신장치는 열차제어시스템에 있어서 신뢰성과 안전성 확보에 매우 중요한 역할을 하며, 무선통신의 신뢰성과 안정성은 열차제어시스템의 신뢰성, 가용성과 유지보수성 뿐만 아니라 안전성에 영향을 미쳐 무인 운전하는 열차의 고장, 장애, 사고 등에 연관되어 철도시스템 전체 성능에 지대한 영향을 끼치므로 어떠한 경우에도 Fail-Safe의 사명을 완수토록 구성하여야 한다.
이러한 관점에서 국내외에서 차세대 열차제어 기술로 개발되어 적용하고있는 무선기반 열차제어시스템의 핵심 요소인 무선주파수에 대하여 이론적 특성을 제시하고 국내외 적용 현황에 대하여 논하였고, 전용 주파수의 필요성, 실현 가능한 무선 주파수에 대한 조사 분석을 통하여 주파수 할당에 대하여 국내외 사례를 중심으로 논하고, 국내 철도신호시스템의 발전 추세에 대하여 제시하고, 국가 R&D사업으로 추진하고 있는 도시형 자기부상열차에 적용된 열차제어시스템을 모델로 하여 전체 시스템(지상•차상•관제설비) 레벨에서 신뢰성, 가용성, 유지보수성 및 안전성을 분석하고 그 결과를 제시하였다.
이와 같은 RAMS 분석 결과를 토대로 하여 이동통신 기술인 무선 Mesh방식에 대한 기술적인 분석과 실제 노선 현장에서의 실험을 통하여 데이터 전송 기술에 대한 적합성을 검증하였다. 실내실험 및 현장실험을 통하여 무선 Mesh 방식을 적용한 5.7GHz대역 무선주파수의 열차제어시스템에 적용 가능성과 신뢰성, 가용성, 안전성에 대하여 입증함으로써, 철도전용 주파수 확보의 당위성과 비 허가 대역 주파수의 경제적이고 효율적인 주파수 이용과 함께 향후 무선기반 열차제어시스템 개발에 적용할 수 있는 이론적인 토대를 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is not allowed to detect trains and transmit control information by making use of the conventional track circuits in case of railway systems of non-contact operation such as the Magnetic Levitation Vehicle, the Monorail, and the rubber tired AGT. Therefore, the development of new technology is a must for the detection of the location and speed of trains and the transmission of control information.
This thesis describes the principle for detecting the location and the speed of vehicle of the Maglev. It demonstrates the methods for guaranteeing reliability and safety in the modeling techniques, and suggests the technologies for transmitting data from the train control system via the wireless mesh network, which is the most advanced wireless communication technology for stable wireless data transmission.
Unlike the conventional trains where the operation conditions of starting, acceleration, deceleration, and stopping is performed by drivers; the trains that are automatically operated without a driver performs these operating conditions via the train control system, and the demand for reliability and safety of these kinds of systems is higher than those of the conventional systems. In particular, the wireless communication equipment used for detecting the locations and the speeds of the trains as well as transmitting various train control information is critical for the reliability and safety of the train control system. The reliability and stability of wireless communication result in reliability and safety of the train control system as well as in the availability and ease in the maintenance of the train control system. This means that the reliability and stability of the wireless communication equipment provide vast effects to all of the capabilities of the railway systems in regards to failure, faults, and accidents for trains that don't have drivers, and that they shall operate Fail-Safe in any circumstances.
From this standpoint, this thesis suggests the theoretical characteristics of radio frequency, which is the core element of the Communication Based Train Control System, which is attracting keen interests as the next-generation train control technology.
The thesis also discusses the situations of applications of this technology both nationally and abroad and it describes the necessity for a dedicated frequency, an assignment method of practical radio frequency, and future-oriented trends by suggesting cases from both nationally and abroad.
This thesis execute PHA, RBD, HAZOP at the level of the whole system (Wayside and On-board systems) analyzes RAM and Safety, and suggests the results based on the model of the train control system applied to the Urban Maglev Program, which is currently under research and development in Korea.
Finally, this thesis suggests the data transmission technology for applying to the actual railway line based on the technological trends and theories for the wireless Mesh techniques. This thesis suggests a technical basis that is applicable to the economic and efficient use of frequency and to the development of a Communication Based Train Control System by demonstrating its Applicability, Availability, Reliability and Safety for the train control system of the radio frequency of the bandwidth of 5.7 GHz at the experiments.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 1.1 철도신호 통신기술 세대분류
• 제 2 장 열차제어용 무선통신 요구사항 분석
• 2.1 열차제어 무선통신 현황 및 전용주파수의 필요성
• 2.1.1 무선기반 열차제어시스템의 적용 확대
• 2.1.2 열차제어용으로 사용중인 주파수 대역
• 2.2 열차제어 소요주파수 대역 및 용량 분석
• 2.2.1 소요 주파수대역 산출 전제조건
• 2.2.2 전송용량 산출
• 2.2.3 소요주파수 용량산출
• 2.2.4 주파수 대역의 분석
• 제 3 장 RAM분석 및 안전 무결성 등급(SIL) 할당
• 3.1 RAM 및 Safety 분석 기법
• 3.2 RAM 분석
• 3.3 안전 무결성 등급(SIL) 할당
• 제 4 장 무선 Mesh 기술 및 데이터 전송장치 설계
• 4.1 열차제어에 사용할 수 있는 주파수
• 4.2 무선 Mesh 기술의 특징
• 4.3 무선 LAN 수신율 분석
• 4.4 무선 Mesh 네트워크 장치 설계 및 기능 구현
• 4.5 무선 Mesh 네트워크 구성 설계
• 4.6 무선 데이터 전송장치의 데이터 구조
• 제 5 장 실험 및 결과 고찰
• 5.1 실내 모의실험
• 5.1.1 지상무선장치 주파수 설정기능
• 5.1.2 Fail-Over 시험
• 5.1.3 열차제어정보 전송시험(지상→차상)
• 5.1.4 열차제어정보 전송시험(차상→지상)
• 5.2 현장 모의실험
• 5.2.1 실험장소의 여건
• 5.2.2 테스트 환경
• 5.2.3 Cell planning(AP 배치 설계) 및 실험
• 5.3 무선 Mesh 성능 Test 및 분석
• 5.3.1 무선 랜 Test 결과
• 5.3.2 핸드오버 및 어플리케이션 Test 결과
• 5.3.3 전파 측정 실험 결과
• 5.4 결과 고찰
• 제 6 장 결 론
• 참고 문헌