이동폐색 시스템에서 자동운전 속도 프로파일 산출 방법
The Generation Method of ATO Speed Profile
in the Moving Block System
최동혁† 조찬호
*
전종화*
최선아*
류명선*
Dong-Hyuk Choi
Chan-Ho Cho
Zhonghua Quan
Sun-Ah Choi
Myung-Seon Ryou
ABSTRACT
This paper is concerned with the ATO speed profile generation method in the moving block system. The
ATO speed profile is calculated using the acceleration limit and the jerk limit to improve ride comfort. In
addition, the speed limit and stop distance provided from ATP profile should be considered to ensure safety.
In the moving block system, the speed limit and the stop position are frequently changed in real-time.
Therefore, the ATO speed profile should be regenerated immediately according to change of the speed limit
and the stop position, within the acceleration limit and the jerk limit.
In this paper, the ATO speed profile generation method is proposed, which considers not only frequent
changes of the speed limit and the stop position but also acceleration limit and jerk limit. Futhermore the
simulation result is presented to verify usefulness of this method.
1. 서론
ATO(Automatic Train Operation) 기능은 ATP(Automatic Train Protection)기능이 수행되는 환경 아래에 서 열차의 속도조절, 출입문 제어, 운전대 변경 등 기관사가 해오던 역할의 전부 또는 일부를 차상신호장치가 대신하는 것을 말한다. ATO의 역사는 30년을 넘어서고 있으며, 철도 신호 및 제어 기술의 발달과 함께 현재 에는 철도신호 시스템의 기본 설비로 자리를 잡고 있다. 지금까지 대부분의 ATO 기능은 고정폐색 시스템에서 동작하여 왔다. 고정폐색 방식은 궤도회로 또는 유사 한 설비를 기반으로 하여 열차가 위치하고 있는 특정 길이의 구간 전체를 방호구간으로 설정하게 된다. 이러 한 고정폐색 시스템에서는 차량의 정지지점 위치가 폐색구간에 따라서 고정되어 있으므로 ATO 자동속도 조 절에 필요한 속도프로파일은 고정적이라 할 수 있다. 그러나 근래에 들어 철도신호 기술과 무선통신 기술이 발달함에 따라 철도 신호시스템 역시 고정폐색 시스 템을 벗어나 무선통신을 기반으로 하는 이동폐색 시스템이 요구되고 있다. 이동폐색 시스템은 고정폐색 방식 과 달리 선두차량의 후미가 정지지점으로 설정되며, 이는 정지지점이 실시간 연속적으로 변화함을 의미한다. 이에 따라 ATO 자동제어에 필요한 속도 프로파일 역시 정지지점까지 남은 거리의 변화에 맞추어 실시간 변 화하여야 할 필요가 있다. 본 논문은 정지지점이 실시간 변화하는 이동폐색 환경에서 저크와 가속도 한계 등을 고려한 동적 속도 프 로파일을 생성하는 알고리즘을 제시하고, 이를 시뮬레이션 하여 성능을 검증하고, 실제 차량에 적용하여 자동 운전제어를 실시하고 결과를 확인하는데 목적이 있다.
2. 본론 2.1. 속도 프로파일 산출 2.1.1. 기본 속도 프로파일 OperationTime A cc el er at io n ax t1 t2 t3 OperationTime t1 t2 t3 그림 1. 저크한계와 가속도한계가 적용된 가속도 패턴과 속도패턴 저크 한계와 가속도 한계를 적용할 수 있는 가장 단순한 형태의 가속도 패턴은 그림 1.과 같은 사 다리꼴 형태의 패턴이다. 본 논문에서는 사다리꼴 형태의 가속도 패턴을 이용하여 속도프로파일을 산 출한다. 프로파일 식을 도출하기 위하여 주요 파라미터를 아래와 같이 표현한다. 목표 속도 : 저크 한계 : 가속도 한계 : 그림 1. 에서와 같이 가속도 패턴을 세구간으로 구분할 수 있고, 0에서 까지의 구간에 대한 패턴 식은 아래와 같은 과정을 통하여 산출할 수 있다. 먼저 속도, 가속도, 저크를 각각 , , 로 나타내고, 각각의 경계 조건으로 , , 을 적용하면 아래와 같은 식으로 표현할 수 있다. 같은 방법으로 나머지 구간에 대하여 식을 산출하고 정리하여 나타내면, 다음과 같이 나타낼 수 있 다.
≤ ≤ ≤ ≤
≤ ≤ ≤ ≤ 는 시간동안 증가되어야 할 속도를 나타내고, 는 까지 속도를 증가시키기 위한 구동시간 이다. 위의 식에 가속도 한계와 저크한계를 적용하면, 아래와 같이 나타낼 수 있다. m ax m ax 두 식을 이용하여 , m ax, 를 구하면 아래와 같다. m ax , ,
같은 방법으로 에서 까지의 , m ax를 살펴보아도 위와 같은 결과를 얻게 된다. 이를 이 용하여 각각 구간별 구동시간인 , , 와 를 산출할 수 있다. 을 판별식으로 사용하면, 1) ≤ 일 경우,
, , 2) 일 경우, m ax m ax, , m ax 와 같이 산출할 수 있다. 다음 항에서는 본항에서 산출한 식을 이용하여 목표속도의 실시간 변화하 는 프로파일 산출식을 도출하도록 한다. 2.1.2. 목표 속도의 변화에 따른 프로파일의 변경 이동폐색 시스템에서 열차가 주행할 경우 목표속도의 변화는 수시로 발생할 수 있다. 본 항에서는 목표속도의 변화에 실시간으로 프로파일을 변경하는 방법에 대하여 살펴본다. 먼저 아래와 같이 주요 파라미터를 표현한다. 새로운 목표속도 : 현재 프로파일 속도 : 새로운 목표속도를 수신한 시점에 따라 아래 그림2. 와 같은 두가지 경우를 고려할 수 있다. new t1_ t2_new new t3_ new t0_ Accelation time cur A current t new t1_ t2_new current t new t0_ Accelation time cur A new t3_ 그림 2. 목표속도 수신 시점에 따른 가속도의 변화(가속의 예) 목표 속도가 변경되었을 경우 현재 가속도 에서 패턴은 새롭게 작성되어야 한다. 즉, 새로운 목표속도 에 도달하기 위한 새로운 _ , _ , _ 가 산출되어야 하며, 이를 산출하기 위 한 새로운 _ 가 정해져야 한다. 위의 그림에서 _ 에서 _ 까지 사다리꼴의 넓이가 _ 라 할 수 있다. _ 와 _ 는 아래와 같이 산출할 수 있다. _ _ × _ ×
Jerk
A
t
t
cur current new=
−
_ 0 새롭게 산출된 _ 와 앞에서 산출한 기본 프로파일 식을 이용하면, _ , _ , _ 를 산 출할 수 있다. 즉, 목표속도의 변화에 실시간으로 프로파일을 변화시키기 위하여 새롭게 채용한 목표 속도를 기준으로 새로운 _ 를 결정하고, 이를 이용하여 , _ , _ , _ 를 산출하여 적 용함으로써 프로파일에 변화를 줄 수 있다. 목표속도의 변화에 따른 프로파일 식을 정리하면 아래와 같다.
≤ _ _ _ _ ≤ ≤ _ _ _ _ ≤ _ _ _ _ ≤ _
≤ _ _ _ ≤ ≤ _ _ ≤ _ _ _ ≤ _ 2.1.3. 제동 거리를 이용한 속도 프로파일 일반적인 주행에서 감속은 전방에 낮은 제한속도 구간이 존재하거나, ATP 정지점에 접근할 경우, 또는 ATO 정지점에 접근할 경우 발생한다. 대부분의 시스템에서 감속 동작을 위하여 입력되는 정보 는 해당 지점의 속도와 남은 거리등을 입력받는다. 위에서 살펴본 속도 프로파일은 시간을 입력으로 받는 프로파일 식이므로, 거리를 입력 받을 경우 적용하기 힘든 단점이 있다. 따라서 본 항에서는 앞 항에서 산출한 식을 거리에 관한 식으로 변경하여 정지점 까지 남은 거리를 입력으로 하여 프로파일 을 산출하는 방법을 살펴본다. 앞 항에서 산출한 속도 프로파일 식 를 적분하여 거리에 관한 식 을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
≤ _ _ _ _ _ ≤ ≤ _ _ _ _ _ ≤ _ _ _ _ _ ≤ _ 를 이용하면, 현재 상태에서 속도까지 도달하는데 필요한 거리를 계산할 수 있으며, 감속 의 경우 이것이 제동거리라고 할 수 있을 것이다. 따라서 입력받은 감속지점까지 남은 거리와 를 비교하여 감속을 시작하는 시점을 선택할 수 있으며, 감속지점 까지 남은 거리를 대신 입력 하고, 이를 만족하는 를 찾아 가속도를 산출할 수 있다. 3차식의 해법은 카르다노의 방법 등이 있다.2.2. 시뮬레이션 본 논문에서 제안하는 프로파일 산출 방법의 성능을 확인하고자, SCADE를 이용하여 모델링을 한 후, 시뮬레이터를 이용하여 자동운전을 시뮬레이션 하였다. SCADE(Safety-Critical Application Development Environment)는 고 신뢰성을 요구하는 시스템 구현을 위한 개발 도구로 시스템 개발 후 실용화 전 안전성 판단을 위해 거쳐야 할 인증절차에 최적화 되어 있는 도구이다. SCADE는 텍스트 기반이 아닌 그래픽을 기반으로 한 정형기법을 통해 시스템 개발 과정에서 높은 가 독성(Readability)을 제공해 주고, 개발된 그래픽 기반의 코드를 철도 시스템 분야의 국제 안전인증 가이 드라인인 EN 50128의 SIL(Safety Integrity Levels) 3/4 조건을 만족하는 입증된 C 코드를 생성하여 준 다. 그림 4.는 SCADE를 이용하여 본 논문의 프로파일 산출 방법을 모델링한 모습이다.
시뮬레이션은 포스코ICT에서 개발한 CBTC 차상장치와 차상장치 시뮬레이터를 이용하였다. 그림 5.에 서 CBTC 차상장치와 차상장치 시뮬레이터를 확인할 수 있다. 시뮬레이션에 사용한 CBTC 차상장치는 경산시험선의 무인 경전철에 사용되고 있는 모델과 동일한 모델이며, Hot & Standby 의 이중화 설계로 구현되어 있다. 시뮬레이터는 차상장치와 연결되는 모든 설비의 정보를 모의 생성하여 차상장치에 입력하 여 주고, 차상장치의 출력 결과를 화면에 현시함으로써, 차상장치의 동작 상태를 확인할 수 있는 장치이 다. CBTC 차상장치 시뮬레이터 CBTC 차상장치 그림 5. CBTC 차상장치와 CBTC 차상장치 시뮬레이터 시뮬레이션의 결과는 그림 6. 7. 8. 을 통해 확인할 수 있다. 각 그림의 상단 그래프는 CBTC 차상장치 의 로그를 채취하여 작성한 그래프이며, 하단 그래프는 차상장치 시뮬레이터 화면에 나타난 그래프 이다. 모든 시뮬레이션은 동일한 구간을 주행하도록 설정하였다. 그림 6.에 나타난 그래프는 일반적인 상황에 작성되는 주행그래프이다. 역사내를 제외한 나머지 구간은 60Km/h 의 제한속도가 설정되어 있다. 그림 7.의 그래프는 몇몇 구간의 제한속도에 변화를 주면서 주행 한 그래프이다. 제한속도의 변화에 프로파일 역시 변경되어 적용되고 있는 것을 확인할 수 있다. 그림 8. 의 그래프는 이동폐색 환경에서 선행차량의 위치가 변화하는 경우 프로파일의 변화를 확인할 수 있는 그 래프이다. 주행 구간의 제한속도는 60Km/h 이나, 선행열차와의 간격과 제동거리를 비교하여 주행속도를 실시간 변경하는 것을 확인할 수 있다.
그림 6. 일반적인 주행 그래프
3. 결론 본 논문에서는 이동폐색 시스템에서 저크한계와 가속도 한계내에서 자동운전을 수행하기 위한 속도 프로파 일을 산출하는 방법에 대하여 알아보았다. 본 논문에서 제안한 프로파일 산출 방법은 프로파일 생성 중 제한 속도가 변경되었을 경우 저크 한계 및 가속도 한계를 고려하여 새로운 속도 프로파일을 실시간으로 제공하여 준다. 그리고, 감속을 수행하여야 할 경우 정지 지점 또는 제한 속도 지점 까지 남은 거리를 기준으로 프로파 일을 제공하여 준다. 본 논문에서 제안한 프로파일 산출 방법의 특징은 이동폐색 시스템에서 발생될 수 있는 목표속도의 빈번한 변화와 정지점 거리의 변화에 실시간으로 유연하게 대처할 수 있다는 점이다. 그리고, 저 크한계와 가속도 한계가 적용되어 있어 승차감 향상에 효과를 줄 수 있고, 정지점까지 남은 거리에 대하여 직접적인 프로파일을 산출함으로써 정위치 정차율의 향상에도 효과를 줄 수 있다. 본 논문에서는 제안된 프로파일 산출방법을 SCADE를 이용하여 구현하였으며, 실제 시험선에 적용된 CBTC 차상장치와 차상장치용 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션을 통하여 제안한 방법에 대한 성능을 검증하 고자 하였다. 시뮬레이션을 수행하면서 제한 속도 및 정지점 거리의 변화에 따라 프로파일이 실시간 변화됨 을 확인할 수 있었다. 향후 시험선의 실제 차량에 작용하여 시험주행을 수행하면서, 승차감과 정위치 정차율 의 향상을 위하여 보완하여 나갈 계획이다. 참고문헌 1. 조찬호, 최동혁, 전종화, 최선아, 박기수, 류명선, “SCADE를 이용한 CBTC 차상 ATO 기능 설계 및 구현”, 2010 한국철도학회 추계학술대회, pp.1601-1608, 2010.
2. Chan-Ho Cho, Dong-Hyuk Choi, Zhong-Hua Quan, Sun-Ah Choi, Gie-Soo Park, Myung-Seon Ryou,
"Modeling of CBTC Carborne ATO functions using SCADE", 11th International conference on control,
Automation and Systems, 2011.
3. "IEEE Standard for Communications-Based Train Control(CBTC) Performance and Functional Requirements", IEEE Std. 1474.1, pp-1-45, 2004
