열차가 탈선하면 대형사고로 이어진다. 국내 연구진이 열차의 하부(대차)에 전원 없이 진동과 열을 감지할 수 있는 센서를 붙여 향후, 열차 탈선으로 인한 사고를 미연에 방지는 물론 고속열차의 안전운행 확보와 유지보수 비용의 획기적인 절감이 이루어질 전망이다.
ETRI는 한국철도기술연구원과 공동으로 국가과학기술연구회 융합연구사업을 통해 고속열차의 주행시 안전성 확보를 위해 차량 주행부의 상태를 실시간으로 감시, 측정된 데이터를 무선방식으로 열차 관리센터로 전송하는 사물인터넷(IoT) 융합기술 개발에 성공했다고 밝혔다.
연구진은 열차의 주요 탈선 원인이 바퀴의 베어링 부분이 축에 달라붙어 열이 발생하거나 심한 진동 때문이라고 설명했다. 현재는 선로주변 40km마다 베어링의 온도측정을 통해 유선으로 위험을 알려주는데 지속적으로 모니터링을 하기 어려운 문제가 있어 왔다.
하지만 이 기술은 별도의 전원공급 없이도 열차가 움직이면 발생하는 진동에너지원을 이용해 전력을 생성해 무선통신에 이용했다. 일명 ‘자가발전형 일체형 통신센싱 모듈’을 만든 것이다.
또한 철도시스템 고속화에 따른 신뢰성 및 안전성 확보, 유지보수 비용 절감을 위해 외부서 전원공급이 어려운 차량의 대차에 사물인터넷(IoT)기술을 적용, 무선센서를 이용하는 방식이다.
한국철도기술연구원은 버려지는 에너지를 수확한다는 개념의 에너지 하베스터(Energy harvester) 기술을 개발했고 ETRI는 고속철도 환경과 같이 열악한 무선통신 환경에서도 강인한 저전력 무선센싱 기술을 개발해 융합된 첨단 기술이다.
특히 연구진은 열차처럼 금속으로 차폐되어 있고 고속 주행하는 환경에서 통신품질을 확보하기 위해 기존 저전력 무선통신기술인 국제전기전자학회(IEEE) 규격을 개선하고 철도환경 맞춤형 고주파회로 집적칩(RFIC)을 제작, 탑재해 기술개발에 성공했다.
연구진은 각 열차의 차량마다 센서를 달아 무선 센서노드 및 중계노드를 통해 측정데이터를 통합, 센싱한 데이터를 전송하기 위해 패킷형태로 만들어 통신케 했다. 또 무선통신 방식의 IP패킷 중계기를 이용, 기관사가 있는 기관차까지 중계해 상용 LTE 이동통신망으로 열차통합센터까지 전송하는데 성공한 것이다.
연구진은 원활한 열차의 감시를 위해 자가 발전한 70mW(밀리와트)의 저전력으로 구동되는 통신모듈을 만들고 RF장치를 칩화 시켰다. 이를 통해 8cm x 10cm 크기의 사물인터넷(IoT) 기반 일체형 센서를 만들어 차세대 고속열차인 해무열차에 적용, 성공적으로 시연에 성공했다고 밝혔다. 향후 센서 크기는 30% 이상 줄일 계획이다.
또 연구진은 열차이상 감지의 데이터를 중계하기 위해 게이트웨이를 개발, 무선 센싱망과 외부 망을 연동시켰다. 실제 문제가 발생하면 스마트폰이나 모니터링 PC에 경고음을 통해 알려준다.
따라서 이 기술을 적용하면 현재는 열차의 바퀴에 열이 발생한다 정도만 알게 되는데 비해 3번객차 6번 장치에 온도가 비정상적으로 상승하거나 진동에 문제가 있는지를 바로 알게 된다는 것이 연구진의 설명이다.
연구진은 이 기술을 열차에 적용하면 현재 연간 약 6000억원의 열차유지보수비가 약 10%정도 줄일 수 있다고 보고 6000억원 이상의 비용절감이 예상된다고 강조했다.
이 기술은 IoT 기반이라서 언제 어디서든 열차 이상유무의 모니터링이 가능하다. 열차마다 붙어 있는 센서들이 각각 인터넷 통신을 통해 특정부분의 이상을 바로 알려주기 때문이다.
따라서 기관사는 향후 열차 운전시 온도가 상승하거나 진동이 감지되면 바로 속도를 줄이고 세워 이상 유무를 확인이 가능케 된다. 이를 통해 열차의 유지보수 기간을 미리 예측도 가능할 전망이다.
연구책임자인 ETRI 모바일미디어융합연구실의 김영일 박사는 “현재 관련기술은 몽골과기대 등과 함께 몽골 철도에 기술이전 할 계획으로 향후 이 기술 상용화를 위해선 많은 연구가 추가적으로 필요하며 안전하고 편리한 열차이용에 큰 도움이 예상된다”고 말했다.
연구진은 국내·외 특허출원 34건을 비롯해 국제표준 기고서 채택, SCI저널 논문기고, 무선통신분야 업체에 기술이전도 시행했다.
이번 연구 결과는 우선적으로 철도차량 주행상태를 실시간으로 감시, 측정데이터를 철도차량 유지센터로 전송해 신속한 유지보수를 수행하는 시스템에 활용될 예정이다. 또한 조선 및 플랜트 분야의 유지보수 분야에도 적용이 가능해 다양한 IoT 사업 모델을 창출할 것으로 예측된다.
