† 교신저자, 한국유지관리(주) 부설기업연구소 E-mail : [email protected] * 한국유지관리(주), U사업부 ** 한국유지관리(주), 대표이사 *** 한국유지관리(주), SOC사업부 **** 한국철도기술연구원
고속열차의 주행 동적성능 평가시스템 개발
Development of Performance Evaluation System for a High-speed train
박은천† 강형구* 최준성** 김은성*** 김만철****
Eunchurn Park Hyung-Goo Kang Jun-Sung Choi Eunsung Kim Man-Cheol Kim
ABSTRACT
In this paper, with the background features on which measuring the transverse left-right and up -down vibration of wheel, bogie and body by wireless measurement system, performance evaluation systems which can assess the running behavior of high speed trains based on UIC code 518-OR and evaluate the ride comfort of them based on ISO code 2631 and UIC code 513 were developed. The characteristics of dynamic vibration are generally analyzed by an acceleration of a car body of high speed train and the acceleration can be applied to evaluation of running safety. In this paper, also matching system of distance from tachometer and vibration from accelerometer was programmed in development software, and the SD card embedded system which prevent to loss of data in wireless measurement was mounted on this system. Finally the software perform to analysis with filtering and statistical post-process in the unit sections and zones and focus on developing the capability monitoring in the main control center. For the verification of this system, the running behavior and safety factor were analyzed based on field measured data of the Cheonjun-gunnum-sun turn out point in the new KTX railway.
1. 서 론
일반적으로 철도차량의 동적 성능은 안정성, 안전성, 승차감등이 있으며 이중 안정성은 본선 시운전 시험에 서는 수행하기 어려우며 한국형 고속전철의 경우 본선시운전 시험 이전에 Roller Rig Test로 400km/h의 속 도에서도 안정성이 확보되는 것을 확인한 바 있다[김진태 외, 2002]. 이에 대한 기준으로는 국제철도연맹에 서 제정한 UIC 518 OR[2] 기준을 적용할 수 있으며 여기에는 휠과 레일의 상호작용력 계측을 이용한 Normal Method와 가속도계를 이용한 Simplified Method에 대한 시험절차 및 분석방법론에 대하여 명시하고 있다. 궤도 이상개소 감시경보시스템의 경우 프랑스의 SNCF에서는 차량의 고속 주행 시 궤도이상개소에 대 한 대차 횡가속도와 탈선위험도의 상호관계를 규명하여 유지보수 기준 및 열차 운전규준으로 정립하고 있으 며, 미국 FRA에서는 고속으로 주행하는 차량의 탈선에 대한 안정성과 승차감 확보를 위하여 가속도 검측과 Neural Network를 이용하여 실시간으로 궤도이상개소와 차량의 상태를 검지할 수 있는 Onboard 시스템을 개발, 1998년 Portland-Vancouver 구간과 Amtrak 등에서 성공적으로 시험운행을 완료하였다. 본 논문에서는 고속열차 차량의 윤축, 대차 및 차체의 상하 및 좌우진동을 계측하는 무선계측시스템의 개 발을 바탕으로 UIC코드 518-OR에 기반한 열차의 주행동적성능 평가 시스템을 개발하였다. 일반적으로 고속 열차의 차체의 가속도를 분석함으로써 차량의 동적진동 특성을 분석할 수 있으며 그 가속도를 이용하여 주행 안전성 평가가 가능하다. 본 논문에서는 실시간으로 계측자료롤 모니터링을 하기위한 무선계측시스템을 개발 하였고 이를 이용하여 열차의 타코신호와 가속도신호와 자동으로 거리와 매칭하는 시스템을 개발하였다. 또
한 무선계측시 통신두절 및 송수신 손실 발생에 대비하여 데이터의 안정성을 위해 SD카드를 탑재하였다. 소 프트웨어는 최종적으로 각 코드에 기반한 필터설계와 통계처리등을 section 및 zone 단위로 후처리방식으로 분석하여 기관실에 모니터링이 가능하도록 개발하는데 초점을 맞추었다. 시스템 검증을 위해 새로 개통된 KTX 철도의 천전건넘선 분기기 구간을 중심으로 무선계측을 수행하고 동정주행성능(running behavior)과 안 전성을 분석하였다. 2. 무선계측시스템의 구성 본 논문에서 주행 안정성 평가 시스템의 개발을 위해 실제 KTX 열차에 적용될 모니터링의 시스템의 기본 개념은 그림 3.1과 같다.
Rail monitoring using Wireless DAQ system
Accelerometer
Comparison of Time history
Mapping between two data
Tachometer
Acceleration Velocity Pulse counting
Time history of frequency response Time history of frequency response Velocity reference curve Extraction of Mode shifting points
on time history
Extraction of Distance data on time history
Damage identification of rail road Wireless DAQ system
Rail monitoring using Wireless DAQ system
Accelerometer
Comparison of Time history
Mapping between two data
Tachometer
Acceleration Velocity Pulse counting
Time history of frequency response Time history of frequency response Velocity reference curve Extraction of Mode shifting points
on time history
Extraction of Distance data on time history
Damage identification of rail road Wireless DAQ system
그림1. 모니터링 시스템 기본 개념
기본 개념을 바탕으로 실제 주행 중 KTX 차량 진동 가속도와 타코신호의 계측 실험을 수행하였다. 계측 적용 구간은 KTX 경부선의 서울～동대구 구간 이며, 고속 주행 중에도 안정적인 데이터 수집을 위해 센서 부착용 스틸 판넬을 제작하여 KTX 차량 대차, 차체, 차축에 각각 설치하였고 해당 지점에 가속도 센서를 부 착하였다. 추가로 제작된 센서 보호 커버를 설치하여 외부 충격에 의한 센서 손상을 방지하였다.
그림2. 센서 보호커버 설치 실제 주행중 KTX의 신호를 계측하기 위해서 구성된 계측 시스템은 열차의 진동을 계측하기위한 가속도계 와 열차의 속도를 산정하기 위한 타코미터, 가속도계와 타코미터의 신호를 획득 저장하기 위한 무선계측기로 구성되었으며 각각의 구성 센서 및 계측기기의 대한 적용 및 제원 등은 다음 표1과 같다. 센서 부착 위치 가속도 센서 비 고
대차 Kistler K-beam type 50g
Kistler K-beam type 10g
차체 Kistler K-beam type 2g
Kistler K-beam type 2g
차축 Kistler K-beam type 50g
Kistler K-beam type 50g 표1. 적용 가속도 측정범위 (a) 대차 (b) 차체 (c) 차축 그림3. KTX 차량에 부착된 가속도 센서 KTX 차량의 속도를 검출하기 위해 기존에 KTX 차량의 내부 타코신호를 유선데이터 로거를 이용하여 계 측하였으나 노이즈 및 기타 전기적 영향으로 인해 그 신호의 품질의 신회성이 매우 낮았다. 이에 본 연구에 서는 차량 외부에 타코센서를 설치하여 바퀴에 부착된 타켓의 회전수를 측정할 수 있도록 하였으며 타코센서 의 신호 또한 무선 데이터로거를 활용하여 측정하였다. 적용된 타코센서는 MONARCH INSTRUMENT 社의 Optical LED 센서를 사용하였다. KTX 차량은 전기를 주 동력원으로 사용한다. 따라서 열차의 궤도 및 차량 상부에는 항상 고압의 전류가 흐르고 있어 유선계측을 수행할 경우 센서와 로거간의 연결 케이블에 전기적 노이즈가 불가피 하게 발생한 다. 이는 계측 신호의 품질을 악영향을 미쳐 그 신뢰도를 확보할 수 없게 된다. 이에 따라 기존에 수행되었던 연구에서는 케이블의 길이를 최소화 하여 노이즈의 영향을 극복하고자 무선 계측 시스템을 도입하여 차량 진동가속도를 계측하고자 하였으며, 적용된 무선계측 시스템의 일반적인 특징
은 다음과 같다. (1) 무선 데이터 계측 시스템은 대상물(토목/건축구조물, 생산설비 및 장비, 기타)의 물리적 변화량을 측정 할 수 있는 장비로 센서와 무선 데이터로거, 무선데이터 수신부, 모니터링 PC, 시스템의 운영 프로그램으로 구분되어 진다. (2) 또한 센서 입력단이 데이터 로거와 별도의 함체로 구성되어 사용하고자 하는 센서의 변경에 따라 입력 단의 가변이 가능하며 다양한 센서와의 연결을 가능하게 한다. (3) 전원공급 및 제품 사용에 있어서 내/외장 배터리를 보유하여 이동 및 휴대가 간편하고 자유로우며 제 품 사용중 충전이 가능하고 일반 전원만을 연결하여도 제품 동작이 가능하다. (4) 시스템을 구성함에 있어 무선 방식(디지털 신호 송수신 방식)을 사용하여 기존 케이블(유선) 설치의 경우보다 전자기파의 영향을 최소화하여 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있으며 케이블 설치에 따른 비용 절감 및 작업 시간의 단축, 간편한 시스템 구축, 계측 데이터의 효율적 관리가 가능하다. (5) 본 시스템은 무선 수신부에 무선 데이터로거를 연결하는 방식으로 계측 채널의 추가 구성이 가능하며 최대 50 대의 통신 채널 확장이 가능하다. (6) 시스템 운영 프로그램은 계측된 데이터의 실시간 모니터링 및 저장, Real Time FFT 기능을 보유하고 있으며 계측자가 필요로 하는 다양한 부가기능을 보유하고 있다. (7) 차량 진동으로부터 계측기를 보호하고 진동으로 인한 계측 데이터의 손실을 막기 위하여 계측기 및 밧 데리에 진동 흡수를 하기 위해 계측기 보호 케이스 신규 설치함. tacho 센서도 진동 및 충격 보호를 위하여 설치 위치와 보호 케이스 변경함. (8) 계측 관리자가 탑승하는 시스템을 자동 계측하는 시스템으로 변경하였으나 battery 용량이 부족하여 18시간 동작할 수 있도록 battery를 증설하였고 여러개의 battery를 연결하기 위한 interface board를 추가 제작하여 설치하였다. 열차 주행중 진동가속도 및 타코 신호를 계측하기 위한 기존에 개발된 무선 계측시스템은 계측 관리자의 차량 탑승이 필수적으로 요구되어 불필요한 인적/시간적 자원이 소모된다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서 는 계측시스템 운용 기반은 무선 시스템을 적용하되, 계측 관리자의 차량 탑승이 불필요한 자동계측 시스템 을 도입하고자 하였다. 자동 계측시스템의 데이터 저장부에는 SD카드를 도입하여 데이터를 자동 저장하도록 하였으며, 데이터로거 제어부 프로그램을 통해 시각 및 열차 구간 별로 데이터를 자동 저장되도록 하였다. (a) 차체 가속도 수집 모듈 (b) 대차/차축 가속도 수집 모듈 그림4. SD카드를 활용한 자동 계측시스템
3. 열차 주행거동 평가 알고리즘 개발 3.1 일반사항
시험절차에는 모든 주행조건과 모든 차량조건에 대해 시험하는 Full절차와 일부조건에 대해서만 시험하는 Partial절차가 있으며, 시험방법에는 휠/레일 작용력의 직접측정을 요구하는 normal방법과 H-force 와 혹은 차체 및 대차에서의 진동가속도를 측정하는 Simplified방법이 있으며 이러한 시험절차 및 방법의 결정은 UIC 518의 Appendix A에 명시된 절차를 따른다. 각 시험방법에 따른 시험항목을 표.2에 정리하였다.
구분 Normal method Simplified method
Safety
a) Sum of guiding force
lim a) Lateral forces a) Lateral acc. on bogie-under-frame ″ lim
b) ratio per wheel
b) Vertical acceleration in body b) Lateral acc. in vehicle body c) Instability c) Instability c) Vertical acc. in vehicle body d) Instability Running behavior ( q u a l i t y of ride) a) Max. acceleration lim and lim
b) RMS values for the acceleration lim and lim c) Quasi-static lateral acceleration lim
T r a c k fatigue
a) Vertical force lim -
-b) Quasi-static lateral force in curves lim
-
-c) Quasi-static vertical force in curves lim
-
-표2. UIC 518에 따른 시험방법별 시험항목
3.2 UIC 518 OR Simplified method F3 분석 알고리즘 개발
대차진동가속도 분석을 이용한 주행안정성 평가의 경우 F3의 신호처리방법을 사용하였다. simlified method에는 가속도 센싱위치별 신호처리방법이 주어져 있으며 filtering process와 statistical process로 분류 된다. UIC 518 OR에 명시된 가속도 필터 설계 방법 및 순서는 다음과 같다.
(1) : cutoff frequency 10Hz (Low-pass filter at -3dB, gradient ≧ 24dB/octave, tolerance of
±0.5dB up to the cut_off frequency, ±1dB beyond that value
(2) : cutoff frequency 6Hz (Low-pass filter at -3dB, gradient ≧ 24dB/octave, tolerance of
±0.5dB up to the cut_off frequency, ±1dB beyond that value
(3) : 0.4-4Hz (Band-pass filter at -3dB, gradient ≧ 24dB/octave, tolerance of ±0.5dB within the band, ±1dB outside the band)
(4)
: ±2Hz ( is the instability frequency, Band-pass filter at -3dB, gradient ≧ 24dB/octave, tolerance of ±0.5dB within the band, ±1dB outside the band)
필터설계(4)을 적용하기 위한 본 KTX차량의 계측결과에 의한 밴드패스필터의 주파수 특성은 다음과 같다.
, , , (1)
각각 설계된 필터는 그림7과 같다. 그림7(a)~(c)는 FIR필터로 설계되었으며, (d)는 차수의 안정을 위해 IIR(butterworth)로 설계하였다.
(a) 수평진동 LPF Specification (1) (b) 수평진동 LPF Specification (2)
(c) 수직진동 BPF Specification (d) 수평진동 BPF Specification
그림5. Filter design (UIC Code 518 OR simplified method)
통계처리는 각 정해진 구간에 대해 실시한다. 각 구간, 항목 및 측정 점에 대해 다음과 같이 계산되어야 한 다. (1) 항목 , , , acceleration에 대한 분포함수의 와 는 통계함수에 일치 하는 백분율이다. (2) 곡선 추종시 계싼항목 와 의 준정적 성분 평가에서 중간 값을 결정하기 위한 분포함수는 에 일치하는 백분율이다.
차량의 승인을 위하여, 일차원적 통계방법이 각 시험 구간에 대해 적용된다. 시험구역별 통계처리의 경우,
통계적인 값은 식2의 관계식에 기초하여 추정최대값(m ax, estimated maximum value)을 결정할 수 있게
한다. m ax × (2) 여기서 는 산술평균값이고, 는 표준편차이며, 는 가정된 신뢰도에 따라 달라지는 계수이다. 안전의 관 점에서 중요한 , 에 대하여 , 그 밖의 계산항목에 대해서는 , 그리고 준평형 상태의 항 목에 대해서는 을 적용한다. 여기서는 경험치에 의한 누적분포를 구하는 Kaplan-Meier 누적분포함수를 예측하여 사용하여 0.15%와 99.85%의 통계치를 구하였다. 일반적인 K-M estimator는 개의 데이터개수와 계측된 시간 에서 이 주어지면 식3과 같은 K-M estimator가 형성된다.
∈ ≤ (3) 여기서, 은 의 예측을 의미하여 는 범위 내에서 벗어난 경우의 시간이다. ∈와 는 보다 작거나 같다. 즉, 이것은 는 에 포함되면서 동시에 와 같거나 작은 범위 내에서 벗어난 시간이란 의미이다.가 계산되면 누적분포함수(cumulative distribution function, CDF) 는 다음 식으로 예측할 수 있
다. (4) Kaplan-Meier estimator를 이용한 경험적 누적분포함수 예측 알고리즘 내부의 계산과정은 다음과 같다. (1) 번의 범위를 벗어난 결과가 있는 경우 실제시간 에서 사이를 정렬한다. (2) 각 에 따라 숫자를 부여한다. 여기서 는 시간 에서 번째 예외가 발생한 시각 이전의 값이다. (3) 을 통해 를 예측한다. (4) × 를 통해 을 예측한다. (5) 를 통해 누적분포함수(CDF) 를 예측한다. 각 구간(section)별 데이터를 누적분포함수를 구하여 의 0.15%값과 의 99.85%값을 예측한 결과는 다음 그림과 같다.
(a) section 1 0m-100m (b) section 2 100m-200m
(c) section 3 200m-300m (d) section 4 300m-400m
(e) section 5 400m-500m (f) section 6 500m-600m
3.2 F18.5 분기기 주행안정성 평가 콘크리트궤도용 고속분기기 국산화를 위해 현장 부설된 F18.5 분기기에 대하여 현차주행 시험을 통해 주행 안전성 확인하기 위해 알고리즘을 개발하였다. F18.5분기기의 위치는 울산정거장 북쪽 천전건넘선 상선(T2) 360km490부근으로 그림7과 같다. 그림7. 천전건넘선 위치도 F18.5 분기기 위치 목표 zone의 데이터 추출 방법은 그림8과 같이 계측된 Tachometer를 거리변환하여 F18.5분기기의 위치를 확인하고 UIC 518 OR의 simplified method에 명시되어 있는 600m zone의 데이터를 추출한다. 이때 타코미 터와 가속도간의 거리매칭이 되어있어야 한다. 그림8. 타코데이터 거리매칭 zone 구간 설정 계측된 원시데이터와 Tachometer를 이용한 거리를 사용하여 거리매칭한 가속도데이터는 다음 그림9와 같 다. 분기기위치는 시험테스트를 위해 매뉴얼 계측을 수행하였으므로 수작업으로 다음과 같은 데이터 분리과 정이 필요하다. (1) 약 13:46:26에 위의 그림의 0m지점통과 (그림의 시작지점)
(2) 약 1685m이후 지점 FAKOP(BWG분기기) 통과추정 : 약 (28722samples/Fs = 22.44second) 즉, BWG분기기 통과시각은 13:46:48.44
그림9. measured raw data 따라서 원시데이터는 다음 그림10과 같이 zone과 section으로 분리된다.
그림10. Tacho matched acceleration data of the target zone
분리된 zone 및 section데이터로부터 filter처리 및 statistical process를 거친 최종 결과는 다음 그림11과 같다.
그림11. Result of simplified method 4. 결 론 본 논문에서는 고속열차 차량의 윤축, 대차 및 차체의 상하 및 좌우진동 가속도를 무선계측하는 시스템의 개발을 바탕으로 UIC코드 518-OR에 기반한 열차의 주행동적성능 평가 시스템을 개발하였다. 고속 주행 중 에도 안정적인 데이터 수집을 위해 센서 부착용 스틸 판넬을 제작하였고 차량 외부에 타코센서를 설치하여 바퀴에 부착된 타켓의 회전수를 측정할 수 있도록 하였으며 타코센서의 신호 또한 무선 데이터로거를 활용하 여 측정하였다. 또한 무선계측시 통신두절 및 송수신 손실 발생에 대비하여 데이터의 안정성을 위해 SD카드 를 탑재하였다. 소프트웨어는 최종적으로 각 코드에 기반한 필터설계와 통계처리등을 section 및 zone 단위로 후처리방식으로 분석하도록 개발하였으며 시스템 검증을 위해 새로 개통된 KTX 철도의 천전건넘선 분기기 구간을 중심으로 무선계측을 수행하고 동정주행성능(running behavior)과 안전성을 분석하였다. 감사의 글 이 논문은 국토해양부에서 지원한 철도종합안전기술개발사업 7차년도 위탁과제 “실시간 궤도이상개소 평가 시스템의 시작품 개발”과 미래철도기술개발사업 "400km/h급 고속철도 인프라 시범적용 기술개발" 과제에 의 해 수행되었습니다. 참고문헌 1. 김진태, 오형식, 정훈 (2002), "주행 시험대에서의 고속전철 개발대차의 주행안정성 평가", 한국철도학 회 2002년도 추계학술대회 논문집(II), 2002년, pp.839-844
2. UIC Code 518 OR (2003), "Testing and approval of railway vehivles from the point of view of their dynamic behaviour-Safety-Track fatigue-Ride quality".
3. 김성용, 박은천 (2010), “차량의 동적 특성 분석을 통한 궤도틀림 식별”, 한국철도학회 춘계학술대회 논문집
