[표지] 1
제출문 3
보고서 요약서 5
요약문 7
SUMMARY 9
Contents 12
목차 13
제1장 연구개발과제의 개요 24
제1절 연구개발 배경 및 필요성 24
1. 연구개발 배경 24
2. 연구개발 필요성 26
3. 정부정책/연구원 미션과의 연계성 30
제2절 연구개발 목표 및 내용 33
1. 연구개발의 최종목표 33
2. 연차별 연구목표 및 내용 34
제2장 국내외 기술개발 현황 42
제1절 국외 기술개발 동향 42
1. 영국의 Closer Running 프로젝트 42
2. Alstom Urbalis Fluence 44
3. European Joint Project - Shift2Rail 44
4. DLR - Next Generation Train Project 45
5. IRSE - Command and Control 4.0 45
제2절 국내 기술개발 동향 47
1. 도시철도용 무선통신기반 열차제어시스템 표준체계 구축 및 성능평가(2011-2014) 47
2. 일반 및 고속철도용 무선통신 및 제어시스템 실용화(2014-2017) 48
3. 무궤도회로방식의 고속철도용 열차제어시스템 (2018-2021) 49
제3절 국내외 기술개발 현황 분석결과 50
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 54
제1절 열차자율주행제어시스템 플랫폼 기능구현 및 통합 시뮬레이션 54
1. 통합 시뮬레이터 개요 54
2. 통합 시뮬레이터 인터페이스 90
제2절 열차자율주행제어시스템 핵심 알고리즘 개발 및 검증 104
1. 열차 상태정보기반 열차간격제어 알고리즘 검증 및 기능설계 104
2. 차상 분산형 분기제어 알고리즘 검증 및 기능설계 176
3. 선로자원 분배/할당 알고리즘 검증 및 기능설계 202
제3절 열차자율주행을 위한 예측가능 제동 모델 개발 206
1. 서론 206
2. 비상제동에 대한 예측가능 제동 모델 보완 208
3. 상용제동 감속도 분포 예측을 통한 제동제어 모델 개발 231
제4절 가상연결제어 기술개발 240
1. 가상연결제어 알고리즘 보완 및 검증 240
2. 시나리오 기반의 가상연결제어 알고리즘 시뮬레이션 252
제5절 현장 기능검증을 위한 시험환경 구축 267
1. 축소열차 제작 및 기능시험 267
2. 시험선 확보 및 주행환경 구축 276
제6절 사이버 공격에 강인한 보안기술 개발 294
1. 열차자율주행제어 프로토콜 보안 장치 개발 294
2. 열차자율주행제어 키관리 서버 개발 331
3. 열차자율주행제어 사이버 공격 및 방어 시뮬레이터 보완 396
제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 401
제1절 목표 달성도 401
1. 성과목표 대비 추진실적 401
제2절 관련분야에의 기여도 465
1. 차세대 열차제어기술 확보 465
2. 차세대 보안기술 확보 465
제5장 연구개발 결과의 활용 계획 468
제1절 기대효과 468
1. 경제적 기대효과 : 약 1,883억원/年 절감가능 468
2. 사회·문화적 기대효과 472
제2절 활용계획 473
1. 대중교통 분야 자율주행의 원천기술로써 활용 473
2. 관련 연구개발에 활용 473
3. 성과확산 계획 473
참고문헌 474
판권기 476
[표 3.2.1] SCADE기반 주행안전기능 모델의 하부기능 설명 111
[표 3.2.2] 주행안전기능의 오퍼레이터들간의 계층구조 112
[표 3.2.4] EBEnableDistanceError 114
[표 3.2.5] CalculateMaximumSafeEnds 117
[표 3.2.6] CalculuateDeviationOfTachoInput 118
[표 3.2.7] CalculateMA 119
[표 3.2.8] CalculateMADistance 120
[표 3.2.9] CalculateMASpeed 121
[표 3.2.10] CalculateMRSP 122
[표 3.2.11] CalculateTP 123
[표 3.9.12] Min 124
[표 3.2.13] FindZeroIndex 125
[표 3.2.14] CalculateBrakingDistance 126
[표 3.2.15] FindZeroIndexSub 127
[표 3.2.16] MinFourUntilMax 128
[표 3.9.17] GetSubArray 129
[표 3.9.18] GetMinArray 129
[표 3.2.19] GetInitArray 130
[표 3.2.20] GetSubArraySub 131
[표 3.2.21] MakeAndMonitorDSP 132
[표 3.2.22] CalculateDecelerationSafe 134
[표 3.2.23] CalculateGradientDeceleration 135
[표 3.2.24] CalculateDecelerationSafeSub1 136
[표 3.2.25] CalculateDecelerationSafeSub2 137
[표 3.2.26] CalculateGradientDecelerationSub 137
[표 3.2.27] CompensateGradientProfile 138
[표 3.2.28] CalculateDynamicSpeedProfile 139
[표 3.2.29] CalculateEBI 140
[표 3.2.30] CalculateEBISub1 141
[표 3.2.31] CalculateEBISub2 142
[표 3.2.32] CalculateEBISub3 143
[표 3.2.33] CalculateEBD 144
[표 3.3.34] CalculateEBDSub 145
[표 3.3.35] CalculateSBI 146
[표 3.2.36] CalculateSBISub 147
[표 3.2.37] CalcualteWarningCurve 148
[표 3.2.38] CalculateWarningCurveSub 148
[표 3.2.39] CalculatePermittedCurve 149
[표 3.2.40] CalcualtePermittedCurveSub1 150
[표 3.2.41] CalculatePermittedCurveSub2 151
[표 3.2.42] CalculateEBICeilingSupervisionLimit 152
[표 3.2.43] CalculateEBICeilingSupervisionLimitSub 153
[표 3.2.44] MonitorSpeed 154
[표 3.2.45] SuperviseEBI 156
[표 3.2.46] SuperviseSBI 157
[표 3.2.47] SuperviseWarningCurve 158
[표 3.2.48] 변수의 데이터타입 정의 159
[표 3.2.49] 공통으로 사용하는 상수 정의 161
[표 3.2.50] Convert2Float32 162
[표 3.2.51] Convert2Int 163
[표 3.2.52] Convert2PositionMeter 164
[표 3.2.53] Convert2PositionMeter_Sub 164
[표 3.2.54] Convert2TrainPosition 165
[표 3.2.55] Convert2TrainPosition 167
[표 3.2.56] ConvertF32toInt32 168
[표 3.2.57] ConvertF64toF32 168
[표 3.2.58] DisplayConnector 169
[표 3.2.59] SimulateATP 172
[표 3.2.60] TrainModel 174
[표 3.2.61] 차상중심 분기제어와 기존 연동로직 비교 193
[표 3.3.1] 제동방식 231
[표 3.5.1] 데이터 프레임 구성 268
[표 3.5.2] 데이터 프레임 종류 269
[표 3.5.3] NID_MESSAGE 270
[표 3.5.4] 제어기 정보 (Message ID No. 231) 271
[표 3.5.5] ATP 정보 (Message ID No. 232) 271
[표 3.5.6] NID_MESSAGE 271
[표 3.5.7] ATO 정보 (Message ID No. 241) 272
[표 3.5.8] Q_FNR 273
[표 3.5.9] Q_MASCON 273
[표 3.5.10] Q_EB 273
[표 3.5.11] Q_FSB 274
[표 3.5.12] Q_HCRTCR 274
[표 3.5.13] N_POWERATO 274
[표 3.5.14] N_BRAKEATO 275
[표 3.5.15] Q_PWREN 276
[표 3.5.16] M_DRIVEMODE 276
[표 3.5.17] 관련 사양 및 규격 277
[표 3.5.18] 관련 절차서 277
[표 3.5.19] 관련 시스템사양서 항목번호 및 제목 277
[표 3.5.20] 측정 장비 279
[표 3.5.21] 전원 마스터키 281
[표 3.5.22] 비상정지 버튼 001/0092 282
[표 3.5.23] 전/후진 레버 282
[표 3.5.24] 주차제동 282
[표 3.5.25] 전조등/후미등/실내등 282
[표 3.5.26] 최고속도 검사 283
[표 3.5.27] 가속도 검사 283
[표 3.5.28] 감속도 검사 284
[표 3.5.29] 비상 감속도 검사 285
[표 3.6.1] 보안시스템 구성 요소 목록 296
[표 5.1.1] 일반 및 고속철도 영업거리현황(2016.01.01 기준) 469
[표 5.1.2] 국내도시철도 영업거리 470
[표 5.1.3] 연도별 KTX 여객 수송동향 471
[그림 1.1.1] 열차제어시스템 기술개발 동향 24
[그림 1.1.2] 2030년 도시인구 증가에 대한 기사 25
[그림 1.1.3] 기존 지상중심 열차제어시스템 열차간격제어경로(Triangular-path) 27
[그림 1.1.4] 신규 열차자율주행시스템에서의 열차간격제어경로(Direct-path) 27
[그림 1.1.5] 열차자율주행기반 열차편성간 가상연결 제어 28
[그림 1.1.6] 열차자율주행기반 상황인지/판단 29
[그림 1.1.7] 열차간 협업기반 이례상황 대응예시 30
[그림 2.1.1] Closer Running 프로젝트의 컨셉 43
[그림 2.1.2] Closer Running 프로젝트 주요연구내용 43
[그림 2.1.3] Alstom Urbalis Fluence 44
[그림 2.1.4] Shft2Rail 가상연결기 45
[그림 2.1.5] 가상연결을 이용한 분리결합 시나리오 45
[그림 2.1.6] 지능형 지상 설비 및 차상 장치 인터페이스 구조 46
[그림 2.2.1] 대불시험선 구성도 47
[그림 2.2.2] 무선통신기반 열차제어시스템 지상시스템 구성도 47
[그림 2.2.3] 무선통신기반 열차제어시스템 차상시스템 구성도 48
[그림 2.2.4] 한국형 KRTCS L2 시스템 구성도 48
[그림 2.2.5] 무궤도회로방식의 고속철도용 열차제어시스템 49
[그림 3.1.1] 통합 시뮬레이터 시스템 구성 54
[그림 3.1.2] 시뮬레이터 인터페이스 55
[그림 3.1.3] 소프트웨어 인터페이스 57
[그림 3.1.4] ATS-RM 메시지 시퀀스 다이어그램 61
[그림 3.1.5] ATS-ATP 메시지 시퀀스 다이어그램 64
[그림 3.1.6] ATS-ATO 메시지 시퀀스 다이어그램 68
[그림 3.1.7] ATS-OC 메시지 시퀀스 다이어그램 72
[그림 3.1.8] ATP-RM 메시지 시퀀스 다이어그램 73
[그림 3.1.9] ATP-RM 메시지 시퀀스 다이어그램 79
[그림 3.1.10] ATP-ATP 메시지 시퀀스 다이어그램 80
[그림 3.1.11] ATP-ATP 메시지 시퀀스 다이어그램 83
[그림 3.1.12] ATP-제어장치 메시지 시퀀스 다이어그램 85
[그림 3.1.13] ATP-제어장치 메시지 시퀀스 다이어그램 87
[그림 3.1.14] 통합 시뮬레이터 외부 인터페이스 91
[그림 3.1.15] 시스템 랙 외부 설계 92
[그림 3.1.16] Tacho 수신장치 외형 93
[그림 3.1.17] Pulse input 포트 핀 맵 93
[그림 3.1.18] data output 시리얼포트 핀 맵 94
[그림 3.1.19] IP 설정 프로그램 94
[그림 3.1.20] IP 설정 프로그램 설정 결과 95
[그림 3.1.21] IP 설정 프로그램 설정 결과 확인 96
[그림 3.1.22] 선로전환기 제어 명령 실행과정 96
[그림 3.1.23] 경로 설정 제어 명령 실행과정 97
[그림 3.1.24] 선로 점유 설정 명령 실행과정 97
[그림 3.1.25] 로그 데이터 표시 98
[그림 3.1.26] DMI 시스템 구성 99
[그림 3.1.27] 소프트웨어 구조 99
[그림 3.1.28] DMI 화면 구성 102
[그림 3.2.1] 열차 주행안전기능의 구성 및 입출력 인터페이스 104
[그림 3.2.2] 주행안전기능 세부 기능모듈 105
[그림 3.2.3] 위치결정기능 동작과정 106
[그림 3.2.4] 자원 요청/점유 과정 106
[그림 3.2.5] 열차의 점유 자원 및 이동권한 계산 과정 107
[그림 3.2.6] 속도에 따른 감속도 모델 (왼쪽) 과 거리에 따른 구배정보 (오른쪽) 예시 108
[그림 3.2.7] 거리에 따른 구배프로파일(위)과 열차길이 L를 반영한 수정된 구배프로파일(아래) 109
[그림 3.2.8] EBD와 제동곡선들 간의 상관성 109
[그림 3.2.9] 주행안전기능을 구현한 SCADE기반 모델 111
[그림 3.2.10] 선로전환기 취급 177
[그림 3.2.11] 철사쇄정1 177
[그림 3.2.12] 철사쇄정2 177
[그림 3.2.13] 선로전환기의 불일치 표시 178
[그림 3.2.14] 연동취급시 순차전환 178
[그림 3.2.15] 신호취급 179
[그림 3.2.16] 신호취소 취급 180
[그림 3.2.17] 신호취소 취급2 180
[그림 3.2.18] 신호취소 취급3 181
[그림 3.2.19] 궤도회로가 단락된 경우 181
[그림 3.2.20] 신호취급시 다른 방향으로 쇄정된 선로전환기가 있는 경우 182
[그림 3.2.21] 신호취급시 선로전환기가 불일치하는 경우 182
[그림 3.2.22] 신호현시후 궤도회로가 단락될 경우 183
[그림 3.2.23] 신호현시후 선로전환기가 불일치할 경우 183
[그림 3.2.24] 열차진행에 의한 구분진로 해정 184
[그림 3.2.25] 구분진로 비상해정 취급 184
[그림 3.2.26] 신호기의 소등검지1 185
[그림 3.2.27] 신호기의 소등검지2 185
[그림 3.2.28] TTB의 설정 187
[그림 3.2.29] 출발취급 190
[그림 3.2.30] 철사 쇄정 195
[그림 3.2.31] 정상 상황에서의 진로 쇄정 195
[그림 3.2.32] 전방 열차점유 장애 상황에서의 진로 쇄정 196
[그림 3.2.33] 전방 선로전환기 장애 상황에서의 진로 쇄정 197
[그림 3.2.34] 구분진로 해정 197
[그림 3.2.35] 접근쇄정 198
[그림 3.2.36] 선행열차와 후행열차 운행 간 선로자원 할당 202
[그림 3.2.37] 본선-지선 합류 구간에서의 선로자원 할당 203
[그림 3.2.38] 본선-지선 분리 구간에서의 선로자원 할당 204
[그림 3.2.39] 회자 구간에서의 선로자원 할당1 204
[그림 3.2.40] 회자 구간에서의 선로자원 할당2 205
[그림 3.3.1] 비상제동 감속도를 바탕으로 한 제동곡선 206
[그림 3.3.2] 제동거리에 안전거리를 포함한 열차간 거리 207
[그림 3.3.3] 다양한 변동원인에 의한 열차간 거리 207
[그림 3.3.4] 답면 제동(왼쪽)과 디스크 제동(오른쪽) 209
[그림 3.3.5] 답면 제동(왼쪽)과 디스크 제동(오른쪽) 212
[그림 3.3.6] 디지털화를 거친 T-car와 M-car의 BC 압력 데이터 212
[그림 3.3.7] 디지털화를 거친 속도 데이터 213
[그림 3.3.8] 제동 마찰 계수 분포 213
[그림 3.3.9] 평균 제동 마찰 계수 분포 214
[그림 3.3.10] 평균 제동 마찰 계수 분포 214
[그림 3.3.11] 전동차 바퀴 지름 분포 215
[그림 3.3.12] 전동차 질량 분포 215
[그림 3.3.13] T-car, M-car 공기압 데이터 히스토그램 216
[그림 3.3.14] 제동거리 데이터 히스토그램 216
[그림 3.3.15] T-car, M-car BC압력 데이터 확률밀도함수 217
[그림 3.3.16] 제동거리 데이터 확률밀도함수 217
[그림 3.3.17] T-car, M-car의 CDF, PDF, 샘플링 데이터 히스토그램 218
[그림 3.3.18] 실제 감속도와 예측 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 219
[그림 3.3.19] 실제 제동거리와 예측 제동거리 분포 비교 (위 : PDF, 아래 : CDF) 220
[그림 3.3.20] A 노선 T-car BC 압력 데이터 221
[그림 3.3.21] A 노선 M-car BC 압력 데이터 221
[그림 3.3.22] A노선 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 222
[그림 3.3.23] A노선제동거리 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 222
[그림 3.3.24] B 노선 T-car BC 압력 데이터 223
[그림 3.3.25] B 노선 M-car BC 압력 데이터 223
[그림 3.3.26] B 노선 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 224
[그림 3.3.27] B 노선 제동거리 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 224
[그림 3.3.28] B 노선 T-car BC 압력 데이터 225
[그림 3.3.29] B 노선 M-car BC 압력 데이터 225
[그림 3.3.30] B 노선 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 226
[그림 3.3.31] B 노선 제동거리 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 226
[그림 3.3.32] C 노선 T-car BC 압력 데이터 227
[그림 3.3.33] C 노선 M-car BC 압력 데이터 227
[그림 3.3.34] C 노선 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 228
[그림 3.3.35] C 노선 제동거리 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 228
[그림 3.3.36] D 노선 T-car BC 압력 데이터 229
[그림 3.3.37] D 노선 M-car BC 압력 데이터 229
[그림 3.3.38] D 노선 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 230
[그림 3.3.39] D 노선 제동거리 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 230
[그림 3.3.40] 발전제동(왼쪽)과 회생제동(오른쪽) 232
[그림 3.3.41] Inverse transform sampling을 이용한 신분당선 공기압 데이터 생성 236
[그림 3.3.42] 공기제동 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 237
[그림 3.3.43] 신분당선 회생제동 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 237
[그림 3.3.44] 공기제동 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 238
[그림 3.3.45] 회생제동 감속도 분포 (위 : PDF, 아래 : CDF) 238
[그림 3.4.1] 역행/제동력의 포화 그래프 241
[그림 3.4.2] α와 e과의 관계[이미지참조] 246
[그림 3.4.3] m과 e과의 관계[이미지참조] 246
[그림 3.4.4] fr과 e과의 관계[이미지참조] 246
[그림 3.4.5] W와 e과의 관계[이미지참조] 246
[그림 3.4.6] 시뮬레이션에서 적용된 열차의 불확실성 요소 값 248
[그림 3.4.7] SMC기반 간격 제어기 시뮬레이션 결과 248
[그림 3.4.8] LQR 기반 간격 제어기 시뮬레이션 결과 248
[그림 3.4.9] 속도 측정 오차 예시 250
[그림 3.4.10] 위치 측정 오차 예시 250
[그림 3.4.11] 기존 위치 보정 방법을 이용했을 때 위치 측정 오차 251
[그림 3.4.12] 새로운 위치 보정 방법을 이용했을 때 위치 측정 오차 251
[그림 3.4.13] 기존 위치 보정 방법을 이용한 가상열차편성 시뮬레이션 결과 252
[그림 3.4.14] 새로운 위치 보정 방법을 이용한 가상열차편성 시뮬레이션 결과 252
[그림 3.4.15] 가상열차편성 운영 절차 253
[그림 3.4.16] 접근 구간에서의 선로 제한 속도와 두 열차의 접근 시작과 완료 시 위치와 속도... 255
[그림 3.4.17] 두 열차가 선로 제한 속도를 준수하며 최대로 움직였을 때의 속도 예시(v₁: 선행... 255
[그림 3.4.18] 구간 별 속도 레퍼런스의 9가지 유형 257
[그림 3.4.19] 접근을 위한 두 열차의 속도 레퍼런스 예시 263
[그림 3.4.20] 접근을 위한 두 열차의 간격 레퍼런스 예시 263
[그림 3.4.21] 분리를 위한 속도 레퍼런스 예시 263
[그림 3.4.22] 분리를 위한 간격 레퍼런스 예시 263
[그림 3.4.23] 시뮬레이션에 적용된 두 열차의 속도 레퍼런스 264
[그림 3.4.24] 시뮬레이션에 적용된 두 열차의 간격 레퍼런스 265
[그림 3.4.25] 두 열차 간 간격 레퍼런스와 실제 간격 265
[그림 3.4.26] 두 열차 간 간격 추종 오차 265
[그림 3.4.27] 두 열차의 속도 266
[그림 3.5.1] 특동 내 구동 테스트 모습 267
[그림 3.5.2] 가속도 테스트 결과 268
[그림 3.5.3] 차상장치 ATP – 제어장치 269
[그림 3.5.4] 차상장치 ATO – 제어장치 270
[그림 3.5.5] 측정 블록도 278
[그림 3.5.6] 축소열차 반입 위치 287
[그림 3.5.7] 시험구간 및 유치선 설비현황 288
[그림 3.5.8] 선로전환기 제어모듈 설치 방안 289
[그림 3.5.9] 선로전환기 설치 위치 289
[그림 3.5.10] 오송 종합시험선 태그 설치 위치 290
[그림 3.5.11] 의왕 특동선 태그 설치 위치 290
[그림 3.5.11] 테스트 분전반(좌), 분전반 내부(중), 충전기(우) 291
[그림 3.5.12] 관제모듈 설치 계획 292
[그림 3.5.13] 오송 종합시험선로 업무 절차 293
[그림 3.5.14] 단위시험 사용계획서 293
[그림 3.6.1] 보안 시스템 구성도 295
[그림 3.6.2] 보안 단말기 구성도 296
[그림 3.6.3] 보안 장치 개요 309
[그림 3.6.4] 인증 및 전자서명 절차 310
[그림 3.6.5] GEK기반 암복호화 절차 311
[그림 3.6.6] 장치 정보 화면 315
[그림 3.6.7] 모니터링 화면 315
[그림 3.6.8] 성능 모니터링 화면 316
[그림 3.6.9] 방화벽 관리 화면 316
[그림 3.6.10] IDS 관리 화면 317
[그림 3.6.11] 감사로그 화면 317
[그림 3.6.12] 보안단말기 구성도 319
[그림 3.6.13] 등록인증서 발급 절차 332
[그림 3.6.14] 등록인증서 발급 절차 333
[그림 3.6.15] 인증서 관리 체계 333
[그림 3.6.16] KMS 서버 키생성 및 발급 절차 335
[그림 3.6.17] KMS 서버 구성도 336
[그림 3.6.18] KMS 서버 기능 구성도 336
[그림 3.6.19] 보안시스템 시뮬레이션 구조 396
[그림 3.6.20] 열차자율주행제어 패킷 생성 397
[그림 3.6.21] 열차자율주행제어 패킷 생성 397
[그림 3.6.22] 열차제어 메시지 및 공격 발생기 398