본 논문에서는 고속철도 차량의 소음원을 측정 및 분석하는데 활용하기 위한 마이크로폰 어레이를 설계 및 제작하여 그 활용성을 검증하는 연구를 수행하였다. 우선 다수의 마이크로폰에서 측정된 신호를 바탕으로 음원의 위치 및 방사 형태를 구현하는데 널리 사용되고 있는 지연-합 빔형성 방법이 고려되었으며, 빔 패턴에 대한 이론과 가상 음원에 대한 이론이 소개되었다. 또한 고속철도 음원을 도출하기 위한 요구사항에 만족하는 마이크로폰 어레이의 형상을 설계하기 위한 분석을 수행하여 96채널 마이크로폰 어레이 형상을 설계하였다. 설계된 마이크로폰 어레이의 실제 시험을 통해서 성능을 분석하였으며, 300km/h대로 주행하는 고속열차 차량에 적용하여 본 논문에서 구현한 마이크로폰 어레이의 활용가능성을 확인하였다.
분할 계층적 클러스터링(Divisive Hierarchical Clustering)은 하나의 클러스터에서 시작하여 각각의 데이터가 독립된 클러스터에 속할 때까지 각 클러스터를 분할하고 분할된 클러스터 간에 데이터를 이동하는 과정을 반복 수행한다. 하지만, 이러한 일련의 재귀적 호출 과정에서 입력 데이터가 임의적으로 선택되는 경우, 클러스터 내 데이터의 많은 이동을 야기할 수 있다. 이로 인해 주변 차량의 위치를 추정하여 수집된 위치 좌표 정보를 고속으로 클러스터링 할 필요가 있는 로컬 맵 생성 과정에서 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 본 논문에서는 주변 차량 위치 추정 과정에서 차량의 주행 방향 정보를 활용하여 분할된 클러스터를 구성하는 데이터의 임의성을 제거함으로써, 클러스터링 연산 속도를 평균 40% 가량 향상시킬 수 있는 새로운 고속의 분할 계층적 클러스터링 방법을 제안한다.
경부고속철 PSC 박스 교량의 주행안정성 평가방법을 개발하기 위하여 동적 수치해석을 수행하였다. 교량과 차량의 상호작용력을 고려한 수치 모형을 적용하였다. 3차원 유한요소 뼈대요소를 적용한 교량과 38자유도로 상세하게 모형화된 차량은 공용 중인 KTX의 물성 사양을 적용하였다. 주행속도 500 km/h까지 10 km/h 일정 증가분으로 수치해석하여 차량의 각 방향의 회전각을 교량/일반 도상에서 해석하고 비교하였다. 비교된 회전각비는 기존의 주행안정성 설계기준에 보완될 수 있는 평가방법으로 판단된다.
한국의 고속전철을 위하여 불란서, 독일, 일본 등 각국이 제안한 구동 시스템의 전력 변환 장치를 개괄적으로 살펴보았다. 고속전철 부분의 선발 주자인 불란서는 오래전에 동기 전동기 구동 시스템을 채택하였으나, 그 후 전력 변환 기술 및 전력용 변환소자의 발달로 인하여 후발 주자인 독일과 일본은 유도 전동기 시스템을 채택하였다. 이는 앞으로 고속전철 기술을 흡수하고 국산화함에 있어 구동 시스템 이외에 차량, 통신 분야 등 불란서 고속전철이 갖는 장점과 독일, 일본의 고속전철에서 채택하고 있는 유도 전동기 시스템과의 같이 전력전자의 발전에 따르는 전력 변환 장치를 포함한 새로운 구동 기술을 결합하도록 해야 함을 보여주고 있다.
본 논문에서는 GaN-FET을 적용한 12V-48V 컨버터를 제안하고 차량용 컨버터로서의 장점을 확인한다. GaN-FET의 주요 특징은 고속 스위칭이 가능하다는 것이고 이를 차량용 컨버터에 적용 시 다음의 장점을 지닌다. 첫째, 컨버터의 소형화 및 경량화이다. 고속 스위칭에 의한 리플전류 감소로 인덕터의 크기를 감소시킨다. 둘째, 출력 커패시터 선택의 폭이 넓어진다. 리플전류의 감소로 인해 비교적 작은 용량의 출력 커패시터와 큰 ESR의 선정이 가능하다. 마지막으로, 소형, 경량화된 전력소자에 의해 진동 내구성 관련 기구설계의 단가를 줄일 수 있다. 위의 내용은 고속 스위칭에 따른 이점으로 축약 설명할 수 있고 이에 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 통해 고속 스위칭의 가능성을 증명한다.
고정된 망을 가지지 않고, 이동 호스트로만 이루어져 통신되는 망인 Ad-hoc 네트워크에서 고속으로 이동 중인 차량들 간의 긴급한 정보를 주고받아 고속도로에서의 다중 충돌사고를 미연에 방지할 수 있는 차량 통신 프로토콜을 제안한다. 본 논문에서는 도로위의 차량들은 서로 연계성이 없기 때문에 위치추적시스템인 GPS에서 수신한 거리 값을 연계하여 클러스터를 구성한다. 클러스터를 IEEE 802.11 MAC 계층에서 구성하기 때문에 경로 설정으로 인한 과부하문제를 해소 하였다. 논문에서 제안한 액티브 네트워크 기반의 멀티 홉 라우팅 프로토콜은, Active 네트워크를 이용하여 안정된 통신이 이루어 질수 있도록 한다.
본 연구에서는 경부고속철도의 주요 교량형식인 PSC 박스교량을 3차원 뼈대요소를 사용하여 모형화하였으며, 궤도불규칙성의 형상은 지수 스펙트럴 밀도함수를 사용하여 생성시켰다. 경부고속철도차량(K-TGV)중 동력차는 17자유도의 3차원 주행열차로 모형화하였고, 이러한 교량, 궤도불규칙성 및 차량 모형을 이용하여 교량과 차량의 상호작용을 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 동적해석을 위한 교량과 차량의 운동방정식은 Lagrange 방정식을 사용하여 유도하였으며, 운동방정식의 수치해석에는 Newmark-β법을 사용하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 동력차의 주행에 의한 교량의 시간이력곡선을 구하였으며, 궤도불규칙성의 영향을 분석하였다. 또한 도상의 유무에 따른 교량동적거동의 특성과 함께 열하중의 편심의 영향도 분석하였다.
본 논문에서는 개인고속이동(PRT: Personal Rapid Transit)시스템에서 차량의 속도를 제어하기 위해서 필요한 속도 프로파일의 생성과, 생성된 속도 프로파일의 추종 특성을 관찰하기 위한 제어 시스템의 구축에 관해서 다룬다. 제어 시스템을 구축하기 위해서 Labview Real Time Module과 Matlab/Simulink 를 채용한다. 제어기준신호인 속도 프로파일은 간단한 선형방정식을 이용해서 생성할 수 있으며 방정식에 포함되어 있는 변수들에 대한 정보를 얻기 위해서 가상의 선행차량으로부터 feedback되는 차량의 상태정보를 이용한다. 간단한 모의시험을 통해서 속도 프로파일 추종특성의 평가를 위한 제안된 제어시스템의 효용성을 보인다.
본고에서는 최근 논의되고 있는 ATP 도입의 필요성 및 시스템 선정의 적절성을 검토하는데 있어서 철도신호 분야 뿐만이 아닌 우리의 환경변화 여건 등을 종합적으로 고려하여 철도의 장기 발전전략에 부합하는 APT 도입 방안을 제시하였다. ATP 도입시 고려해야 할 주요 환경변화로는 고속철도개통, 기존철도시스템과의 조화와 관련한 기술발전 측면, 틸팅차량 등 기존선 속도향상, 전철화, 복선화 등 철도영업거리 확장 및 남북철도연결 등을 고려해야 할 것이다. 즉, 바람직한 차상신호장치 도입을 위해서는 차량과의 적합성에 있어서는 기존차량, 특히 속도계장치와의 호환성, 시설분야에 있어서는 설치작업 및 향후 유지보수의 용이성과 국산화 가능성, 향후 남북철도 연결과 고속 철도의 기존선 연계운행 등을 종합적으로 고려하고 장기적인 철도발전에 도움이 되는 방향으로 추진되어야 할 것이다. 결론적으로, 우리철도의 기반시설과 차량 등의 현황과 향후 변동요인을 반영하여 가장 바람직한 ATP 표준기준을 용역 등을 통해 설정하고, 업체선정, 적어도 1년 정도의 시험기간을 거쳐 실용화 단계로 접근해야 할 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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