1. 서 론
교통약자에 대한 배려 및 인구 고령화, 국민소득의 증가 등 국민의 생활의식이 다양화, 고급화됨에 따라 보다 빠르고 고급화된 교통수단에 대한 요구가 증대하고 있다. 또한 교통수요 변화에 대비하여 광역철도 여객수송에서는 환승문제의 불편해소 등 수송 분담률을 증가할 수 있는 기술개발 및 방안이 요구되고 있다[1].
국내 여객열차의 전용 승강장(Platform)은 레일 윗면을 기준으로 높이에 따라 간선 철도노선의 저상 승강장(500mm)과 광역 전철노선의 고상 승강장(1,135mm)으로 나눌 수 있다[1]. 최근 KTX 및 간선열차는 고객 환승에 대한 불편을 최소화하기 위해 본선 및 수도권 전철노선에서도 저상 및 고상 승강장 혼용 운영을 고려하고 있다.
현재 코레일에서 운영하는 철도역사 중에서 저상 및 고상 혼용 승강장을 갖춘 곳은 34개소이다. 따라서 향후 중·고속열차를 포함한 저상 승강장 전용인 일반 간선열차(KTX-series 등)가 수도권 전철 및 본선구간에서 모두 운영될 경우, 국내 저상 및 고상 승강장에 상관없이 승하차할 수 있는 해결방안의 제시가 중요하다. 또한 안전한 열차운행과 함께 승강문(Door)과 승강장사이 이격거리의 변동성으로 인한 교통약자 등 승객의 불편함이 존재하므로 이러한 이격거리가 최대한 짧은 간격을 유지하는 승강문 스텝이 요구된다.
한편, 최근 국내에 수도권 전철 경부선 및 장항선에서 운행 중인 누리로호(TEC)는 그림 1과 같이 저상·고상 승강장에 혼용할 수 있는 승강문(스텝)을 설치하여 운행 중이다.
그림 1누리로호 승강문 스텝(저상 승강장) Fig. 1 The door step of Nuriro Train (Low level platform)
그러나 누리로 열차는 고상 및 승강장 전용 차량이 저상 승강장에 도입하기 위하여 개발된 것으로[2], 구조적 안정성 측면에서 차체 개조가 불가능하고 기밀유지성능 저하 등 승강문 스텝에 관련 연구는 미비한 실정이다. 따라서 승강장 저상 및 고상 혼용운영에 맞는 일반 간선열차의 승강시스템을 개발하기 위해서는 국내 현실에 적합한 저상 및 고상 겸용 승강문 스텝의 개발이 중요하다[3] [4].
본 논문에서는 저상 및 고상 겸용 승강시스템(스텝)의 동작과 기능을 제어하는 유닛으로서 차량 제어유닛 (Train Management System, 이하 TMS), 승강문 제어유닛 (Door Control Unit, 이하 DCU)과 열차모니터링시스템의 인터페이스 설계에 대한 연구를 하였다.
2. 본 론
2.1 슬라이드 방식 저상 및 고상 승강장 겸용 승강시스템 개념
텔레스코픽(Telescopic) 슬라이드 방식의 저상 및 고상 승강장 겸용 승강시스템(스텝)의 개념 설계 모델에 대한 단계적 동작 메카니즘을 그림 2에서 보여준다[5] [6]. 동작 상태를 3단계로 나눌 수 있으며, 표 1은 각 단계별 승강문 스텝의 동작내용에 대해 기능 및 역할을 나타내었다.
그림 2슬라이딩 방식의 동작 메카니즘 Fig. 2 The operation mechanism of Telescopic sliding method
표 1단계별 승강문 스텝의 동작내용 Table 1 The operation contents of phased door step
표 1에서 슬라이딩 스텝 2단계 동작은 세부적으로 열차 승강문 개방 전과 후로 나눌 수 있으며, 승강문 개방 전에는 1, 2차 스텝 동작이 이루어지고 승강문 개방 후에는 1차 스텝 내부에 위치한 슬라이딩 스텝이 인출되어 고상 승강장과 철도차량과의 간격을 최소화시켜주는 동작이 구현된다. 따라서 철도차량의 승강문 제어방식은 차종에 따라 상이함으로 차종별로 승강문 제어유닛(Door control unit, DCU)과 차량 제어유닛 (TMS)에 대한 인터페이스 설계가 주요 인자로 고려된다.
2.1.1 저상 및 고상 승강장 겸용 철도차량 승강문과 스텝 제어
스텝에 대한 열림과 닫힘 동작을 세부적으로 살펴보면 그림 3과 그림 4와 같이 제어 흐름도를 나타낼 수 있으며 이에 대한 세부적인 동작은 다음과 같다.
그림 3스텝(Step) 열림 동작 흐름도 Fig. 3 Step open operation flow diagram
스텝의 닫힘 완료 대기 상태에서 스텝 열림 동작을 수행하는 신호는 아래와 같은 조건일 때 동작 가능하다.
Isolation 신호 확인 : 스텝 동작 정지 명령 비활성화Manual 상태 확인 : 수동 조작 모드 비활성화ZSS 신호 확인 : ZSS신호 활성화 및 열차 정지
1차 스텝(Step1)은 ZSS(Zero speed signal)가 비활성 상태에서도 동작 여부 판단이 필요하며, 스텝 동작 조건이 문제가 없을 때 아래 순서에 따라 스텝 열림 동작하게 된다.
- F_CMD 신호 입력 : 고상 홈 신호 입력- 1차 스텝의 스위치 상태 확인: Step1 위치 확인- 1차 스텝 열림 동작 : Step1이 닫힘 상태이면 열림 동작 시작- 1차 스텝 열림 동작 완료 또는 장애물에 따른 열림 동작 정지 후 에러 메시지 출력- ST2_CMD 입력신호- 2차 스텝 스위치 상태 확인- 2차 스텝 열림 동작- 2차 스텝 열림 동작 완료 또는 에러 메시지 출력
1차 스텝의 열림 도중 장애물이 감지되면 장애 감지 루틴을 수행하여 열림 중이라도 열림 정지 후 대기 상태에서 장애 감지 처리 프로세스를 실행한다. 장애물이나 고장으로 인하여 스텝1의 열림을 완료할 수 없을 때 해당되는 고장 코드를 세븐 세그먼트에 현시하고 도어를 닫힘으로 유지한 후 다음 명령을 대기한다.
1차 스텝 열림을 완료 후 2차 스텝 열림 작동 시 장애감지가 발생한 경우 1차 스텝과 동일한 장애감지 루틴을 수행한다. 2차 스텝의 열림 작동 중이거나 작동완료 상태에서 ZSS신호가 비활성화 되는 경우 2차 스텝은 즉시 닫힘 루틴을 수행하게 된다.
그림 4스텝(Step) 닫힘 동작 흐름도 Fig. 4 Step closed operation flow diagram
스텝의 열림 완료 대기 상태에서 스텝 닫힘 동작을 수행하는 신호는 아래와 같은 조건일 때 동작 가능하다.
ST2_CMD 신호 입력 : DCU 닫힘 신호Isolation 신호 확인 : 스텝 동작 정지 명령 비활성화Manual 상태 확인 : 수동 조작 모드 비활성화ZSS 신호 확인 : ZSS신호 활성화 및 열차 정지
스텝 동작 조건이 이상이 없을 때 아래 순서에 따라 스텝 닫힘 동작 완료하게 된다.
- 2차 스텝의 스위치 상태 확인- 2차 스텝 닫힘 동작- 2차 스텝 닫힘 동작 완료 또는 에러 메시지 출력- F_CMD 입력신호 확인- 1차 스텝 스위치 상태 확인- 1차 스텝 sd닫힘 동작- 2차 스텝 닫힘 동작 완료 또는 에러 메시지 출력
2차 스텝의 닫힘 도중 장애물이 감지되면 장애 감지 루틴을 수행하여 닫힘 중이라도 닫힘을 중지하고 장애가 제거되었을 때 닫힘을 수행한다. 장애물이나 고장으로 인하여 2차 스텝의 닫힘 동작을 완료할 수 없을 때 해당되는 고장 코드를 세븐 세그먼트에 현시하고 스텝을 열림으로 유지한 후 다음 명령을 대기한다.
2차 스텝 닫힘을 완료 후 1차 스텝 닫힘 작동 시 장애감지가 발생한 경우 2차 스텝과 동일한 장애감지 루틴을 수행한다. 2차 스텝의 닫힘 작동 중이나 열림 상태에서 ZSS신호가 비활성화 되는 경우 2차 스텝은 즉시 닫힘 루틴을 수행하게 된다.
2.1.2 승강문 제어 유닛(Door Control Unit)
승강문 제어 유닛은 CPU를 비롯하여 리셋(Reset) 회로, 통신회로, 승강문 개폐 시험회로로 구성되어 있다. CPU부는 32비트 마이콤(Micom)으로 I/O 포트의 신호를 분석, 연산하며 승강문의 개폐 동작 제어 및 에러 등을 TMS에 전송한다. 리셋 회로는 승강문 동작과정 중에 발생하는 DCU 장애 및 에러를 초기화시켜 재가동이 가능하도록 하는 기능을 한다. 통신회로에는 RS-485와 RS-232가 있으며 RS-485통신은 TMS으로부터 승강문의 열림, 닫힘 등의 명령을 수행하고 수행한 명령에 대해 응답을 이행한다. 특히 장애발생, 스위치조작 등에 대해 DCU가 TMS과 통신을 연결하여 승강문의 상태를 전송한다. 승강문 개폐 시험회로는 Local/Train 전환 스위치 및 승강문 개폐 시험 스위치로 구성되어 DCU 단독으로 개폐 기능을 시험하는 역할을 한다.
그림 5승강문 제어 장치 Fig. 5 Door Control Unit
한편 DCU 구현을 위한 소프트웨어 설계를 위해 전동기의 엔코더를 입력으로 받아들여 제어하게 된다. 기존 철도 차량 승강문 엔진에 장착된 승강문 제어장치(DCU)는 서보모터를 가동시켜 승강문의 원점을 설정하고 승강문 시스템의 상태를 진단하는 기능을 수행하며, 각 승강문의 스위치나 승강문의 위치에 따라 조정상태 기준점을 정하도록 조건을 부여하고 있다. 이러한 기준을 엔코더 출력(서보모터의 펄 스)이라 정하고 측정된 엔코더 출력을 기준으로 승강문 열림, 닫힘 그리고 장애감지를 정의하여 승강문 조정을 정확하고 유연하게 하기위한 PID 기준변수를 정확하게 설정한다.
그림 6PID 조정 기술 Fig. 6 Proportional Integral Derivative Calibration technique
그림 6은 DCU 소프트웨어 구현을 위한 PID 조정 기술로 (a)는 엔코더 출력펄스이고 (b)는 로터리 인코더 입력값으로 (c)의 펄스 시간을 계측하여 승강문 개폐 및 장애감지를 수행하게 된다.
2.2 TMS-DCU간 인터페이스 구성
TMS-DCU간 인터페이스 구성을 위해 우선적으로 통신사양을 결정해야 한다. 이를 위해 TMS와 DCU는 지령과 상태정보를 전송하는 전송로로서 산업용 제어에 가장 널리 사용되고 안정성이 입증된 RS-485방식을 사용하였다.
그림 7표시장치 인터페이스 설계 Fig. 7 The Display Interface design
그림 7은 표 2의 DCU-TMS간 전송되는 데이터 포맷에 대한 표시장치 설계화면으로 승강문 상태에 따라 장애감지, 고장, 개폐 등을 나타낸다.
표 2DCU-TMS 전송 데이터 포맷 Table 2 DCU-TMS transfer data format
2.2.1 TMS-DCU-SCU 인터페이스
그림 8은 차량제어유닛(TMS)과 승강문 제어유닛(DCU) 그리고 스텝 제어유닛(SCU)간 제어에 대한 신호체계를 보여준다. 차량명령 신호로 운전실 선택, 승강문 개폐신호, CCDU(Conductor Control & Display Unit)에서 승강문 신호로서 인통선 및 TMS을 통해 DCU로 전달되면 DCU는 상태정보 및 장애물 검지상태, 5km/h 이하 등에 대한 정보를 차량 제어유닛(TMS)으로 관련 데이터를 전송한다.
한편 승강문 제어유닛(DCU)는 스텝 제어유닛(SCU)으로 열림, 닫힘 명령신호를 보내면 장애물/고장 신호에 따라 경보음 동작을 하게 되면 앞서 기술한 제어 알고리즘에 따라 1차, 2차 스텝 동작을 수행하게 된다. (a)는 승강문 열림 제어에 따른 각 제어유닛사이의 인터페이스 신호를 보여주고 있으며, (b)는 운전실 선택, 승강문 닫힘 제어에 따른 인터페이스 신호체계를 나타낸다.
그림 8승강문 개폐에 따른 신호체계 Fig. 8 Signal diagram in case of door open or closed
3. 실 험
제안된 시스템에 대한 타당성을 확인하기 위해 철도차량에 시작품을 제작하여 서브시스템사이의 인터페이스 시험을 수행하였다. TMS와 DCU간 통신 인터페이스 시험에 대해 시험한 결과를 그림 9에서 보여준다. TMS와 DCU간 전송방식은 RS-485 통신을 적용하고 있으며, Multi-drop 2선식 전송모드 방식이다.
그림 9TMS-DCU 통신 전송주기 Fig. 9 TMS-DCU communication transfer period
TMS와 DCU간 전송속도는 38400[bps]이며, 200[ms] 전송주기를 갖고 있음을 보여준다.
그림 10TMS SDR에 대한 DCU SD응답시간 Fig. 10 DCU SD response time on TMS-SDR
그림 10은 TMS 상태 요청 데이터(SDR)에 대한 DCU 데이터 상태(Status Data, SD) 응답시간을 보여주는 것으로 약 7.5ms 이내의 응답으로 양호한 응답특성을 갖고 있음을 보여준다.
한편 TMS-DCU(SCU) 통신제어 시퀀스 개발을 위해 승강문 및 스텝 동작 시퀀스를 확인하였다. 이를 위해 승강문과 스텝은 저상 및 고상 겸용 승강장치를 구성하고 있기 때문에 두 장치가 조화되는 시퀀스를 구성하였다. 승강문의 열림 닫힘 로직은 기존과 같고, 스텝의 동작조건이 승강문 열림 조건과 닫힘 조건이 되도록 구성하였다.
그림 11승강문 및 스텝의 열림 닫힘 시퀀스 Fig. 11 Open and closed sequence on a door and a Step
그림 11은 스위치 신호 및 리미트 접점 등의 동작을 통해 승강문 및 스텝의 열림, 닫힘에 대한 조건에 따른 시퀀스 동작을 보여준다. 채널1은 저상 및 고상 모드 스위치, 채널2는 승강문 닫힘 완료 신호, 채널3은 1차 스텝 동작신호, 채널4는 2차 스텝 동작신호를 의미한다. 시퀀스는 10단계로 나눌 수 있는데, ①은 저상 및 고상 모드 변경⇒1차 스텝 동작 시작 ②는 1차 스텝 동작 시작 ⇒1차 스텝 동작 완료 ③는 1차 스텝 동작 완료⇒출입문 열림 시작 ④는 출입문 열림 시작⇒2차 스텝 동작시작 ⑤와 ⑥은 2차 스텝 동작 시작⇒2차 동작 완료 ⑦은 2차 스텝 동작 완료⇒출입문 닫힘 완료 ⑧은 출입문 닫힘 완료⇒저상 및 고상 모드 변경 ⑨는 저상 및 고상 모드 변경⇒1차 스텝 동작 시작 ⑩는 1차 스텝 동작 시작⇒1차 스텝 동작 완료를 의미한다.
고상 승강장 모드시 승강문 열림 조건인 경우 스텝이 고상모드로 전환되면, 1차 스텝이 진출 완료되어야 출입문의 개방동작이 가능하다. 반면 승강문 닫힘 조건은 고상모드에서 2차 스텝이 복귀되어야 출입문 닫힘 동작이 가능하다. 그림 12는 스텝 고장처리 인터페이스 화면의 일례로 승강문 및 스텝의 고장상태를 TMS DU(Display Unit)에서 확인 가능하도록 인터페이스 로직을 설계되었다. 고장화면은 DU에 적용된 화면으로 기존의 고장로직과 동일한 로직으로 설계하였다. 고장발생시 등급에 따라 화면전환여부가 결정되며, 중고장시에는 고장화면으로 자동 전환되어 고장 등급, 고장 항목, 고장 차호, 고장 시각 등이 현시된다.
그림 12스텝 고장현시기능이 적용된 TMS 고장화면 Fig. 12 TMS failure display using a step failure display function
4. 결 론
본 논문에서는 고상 및 저상 승강장(Platforms) 겸용 철도차량의 승강문과 스텝 제어에 따른 인터페이스 연구를 하였다. 최근 교통수요 변화에 대비하여 광역철도 여객 수송에 따른 환승문제의 불편해소 등 수송 분담률을 증가할 수 있는 기술개발이 이루어지고 있다. 저상승강장 전용인 일반 간선열차(KTX-series 등)가 수도권 전철 및 본선구간에서 운영될 경우, 저상 및 고상 승강장에 상관없이 승하차할 수 있는 해결방안의 하나로 승강문(Door)스텝과 차량제어 유닛(TMS) 인터페이스가 무엇보다 중요하다.
실험을 통해 시스템 사이에 인터페이스 설계의 타당성을 확인한 결과, 저상 및 고상 승강장 겸용 DCU와 TMS 사이의 인터페이스가 잘 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다.
References
- Ministry of Government Legislation, "Regulation of Railway Construction Criteria", Article 28 and 29, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2009.
- Korea Institute of Construction & Transportation Technology Evaluation and Planning, "The Planning Report on the Development Plan of Door System of Low and High Level Platforms, pp. 13-179, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2010.
- C. H. An, D. S. Lee, Y. J. Son and H. S. Lee, "A Study for Reliability Improvement of Belt Type Door System using FMECA" Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 13, No. 1, pp. 58-64, 2010.
- C.S. kim, J.M. Kim et al "A Study on Performance Requirements of Doorstep Equipments for Both the Low and the High Level Platforms", KSR Autumn Conference&Annual Meeting of the KSR, pp.484-489, 2011.10
- Korea Standard Association, "KS R 9246; Pneumatic Door System Used on Railway Rolling Stock," Korean Agency for Technology and Standards, pp.1-14, 2007.
- Korean Railway Standards, "KRS CB 0001-07(R) Entrance Door for Electric Car," Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, pp. 1-5, 2007.