KR102138143B1 - 프로토콜 분석 방법 및 이를 적용한 열차자동방호장치 화면표시기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 열차자동방호장치(ATP, automatic train protection) 화면표시기는 다른 장치들과 통신하는 다기능차량버스를 포함한다.

Description

프로토콜 분석 방법 및 이를 적용한 열차자동방호장치 화면표시기{METHOD FOR ANALYZING PROTOCOL AND AUTOMATIC TRAIN PROTECTION DISPLAY USING THE SAME}

본 발명의 실시 예는 프로토콜 분석 방법 및 이를 적용한 열차자동방호장치(ATP: Automatic Train Protection) 화면표시기와 관련된다.

열차자동방호장치 (ATP: Automatic Train Protection)의 주요 기능은 열차의 속도를 감시하고 기관사에게 실제 허용속도와 다가오는 제한까지의 거리에 대한 정보를 제공함. ATP 화면표시기는 기관사에게 ATP 시스템 운영에 필요한 차량 데이터를 입력 할 수 있게 하고, 차상컴퓨터의 시스템 기능에 필요한 열차위치, 현재속도, 허용속도, 제동 등에 대한 감시, 운행 제어 및 안전운전에 필요한 신호정보를 제공해 주는 중요한 장치임.

전기기관차의 주요 전장품은 지멘스 제품이고, 8201호부터 8255호까지 55량 차량의 ATP 화면표시기는 DEUTA 제품이지만 MVB 통신으로 동작함. 화면표시기 장치를 국산화하기 위해서는 반드시 MVB를 통해서 송/수신되는 데이터를 분석해야 함.

ATP 화면표시기는 VCU(차량제어장치)의 MVB 통신명령에 대해 응답을 반드시 해야 하는 시스템으로 운용되며 VCU가 정해진 응답을 받지 못할 경우에는 해당 장치를 고장 또는 통신에러로 판단하고 그 장치의 기능을 정지시켜 운행을 할 수 없음. ATP 화면표시기의 고장으로 인하여 전기기관차 운행에 차질이 예상되어 국산화개발이 시급한 실정임.

전기기관차(8200호대)의 ATP 화면표시기의 국내 도입은 약 8~9년 전에 이루어 졌고, 화면표시기의 개발은 훨씬 이전에 수행되어 당시에 선택하여 개발한 부품들은 현재 단종이거나 요즘의 반도체 성능에 비해 그 기능과 성능이 많이 떨어짐. 따라서, 반도체 성능 및 부품 수급의 편리성을 고려해 부품을 선정하여 국산화 개발이 요구됨.

기차 통신 네트워크(Train Communication Network, 이하 TCN)는 차량 간 통신(Wire Train Bus, 이하 WTB)과 차량 내 통신(Multifunction Vehicle Bus, 이하 MVB)으로 세분화됨. TCN 통신은 철도선진국의 전유물로 여겨지고 있는 현실이고, 국내에서는 차량 간 통신 WTB의 분석 기술과 고속철도차량의 차량 내 통신 MVB 분석기술을 부분적으로 확보한 것으로 판단되나, 철도 통신 네트워크(TCN)의 전체에는 미치지 못한 것으로 판단됨. 특히, 디젤기관차, 전기기관차 의 봄바르디아 ATP 화면표시기 MVB 프로토콜 분석 기술은 전무한 상태임. 따라서, 본 발명를 통해 전기기관차 ATP 화면표시기 MVB 통신 및 제어신호에 대한 원천기술 확보를 통하여 철도선진국과의 기술격차를 줄여야 함.

· 통신 프로토콜은 각국 전기기관차의 제작과 운용 전장품의 국산화 개발에 매우 중요한 기능을 하고 있으나 대부분의 국산화 개발을 통해 개발된 전장품이 실제 차량에 실증이 어려운 원인은 통신 프로토콜을 맞추지 못하기 때문임. 따라서, 전기기관차 ATP 화면표시기 국산화 개발을 위해서 반드시 화면표시기 통신 프로토콜 분석기술을 확보해야 함.

- (Static Inverter, 이하 SIV)의 MVB 통신 프로토콜을 분석한 결과 MVB 통신3가지 형태의 전송 노드 중 Electrical Middle Distance(이하, EMD)가 적용되어 있었음.

- 그러나, 전기기관차의 ATP 장치 내부에 MVB 통신은 MVB 통신표준을 따르지도 않았고, EMD 대신 Electrical Short Distance(이하, ESD) 전송 노드를 적용하여 통신이 차이가 있음.

- ESD 와 EMD의 차이점은 통신선로와 통신거리의 차이 및 Galvanic Barrier 또는 Transformer의 사용 여부임. EMD 전송노드방식은 2년 넘게 MVB 통신프로토콜을 채취 및 분석하였으나 ESM 전송노드방식의 MVB 통신 프로토콜 채취 경험은 없음. 단지 4번의 로그 채취 경험으로 ATP 화면표시기 통신 프로토콜을 채취할 수 있었음. 채취한 로그가 MVB 통신표준을 따르지 않아 올바른 로그를 채취했는지 확신할 수 없는 실정임. 이런 이유에서 이 기술은 다른 8200호대 하부 장치들의 통신기술과 확연히 차별화 되어 있어 연구해 볼 만한 기술임.

본 발명의 목적은 다기능차량버스를 통하여 다른 장치들과 통신하는 열차자동방호장치 화면표시기를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 열차자동방호장치 화면표시기는 다른 장치들과 통신하는 다기능차량버스를 포함한다.

본 발명에 따른 열차자동방호장치(ATP) 화면표시기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

개시되는 실시 예에 의하면, 열차자동방호장치(ATP) 화면표시기는 다기능차량버스를 통하여 다른 장치들과 통신할 수 있다.

도 1은 ATP(automatic train protection) 차상시스템의 ATP 장치 구성도
도 2는 전기기관차 ATP장치 설치 위치를 나타내는 도면
도 3은 전기기관차 봄바르디아 ATP 화면표시기 국산화 제품 개략도
도 4는 MVB 통신 물리적 매체에 따른 ESD 및 EMD 특성을 나타내는 도면
도 5는 종래기술의 화면표시기 장치 스펙과 본 발명의 열차자동방호장치(ATP) 화면표시기의 스펙 비교를 나타내는 도면
도 6은 열차자동방호장치(ATP) 화면표시기 기술 흐름도
도 7은 일반차량 ATP시스템 운용모드 및 운전모드 흐름도
도 8은 종래기술의 화면표시기 장치와 본 발명의 ATP 화면표시기의 컨트롤 보드의 사양 비교를 나타내는 도면
도 9는 Level 선택 전 기본 현시 정보를 나타내는 도면
도 10은 Level 0 및 Level 1 운행모드 흐름도
도 11은 Level STM 운행모드 흐름도
도 12는 일반차량 ATP 시스템 Mode별 정보을 나타내는 도면

이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 ATP(automatic train protection) 차상시스템의 ATP 장치 구성도이고, 도 2는 전기기관차 ATP장치 설치 위치를 나타내는 도면이다.

도 1은 ATP 차상시스템의 ATP 장치구성을 나타냄. 차량제어장치(Vehicle Control Unit, 이하 VCU)는 ATP의 기능이 구현되는 ATP Computer, 즉 ATP 메인프로세스 장치의 역할을 수행하며, 주 기능은 목표속도를 감시하고 필요시 열차에 제동을 체결함. VCU는 다기능차량버스(Multifunction Vehicle Bus, 이하 MVB)를 통하여 다른 장치들과 통신을 수행함. 만약 다른 장치들에 해당응답이 없으면 응답이 없는 장치는 고장으로 판단함.

화면표시기가 VCU로부터 받은 응답을 제대로 하지 못하면 VCU는 차량을 제동시킴. 따라서, 본 발명에서 화면표시기 장치는 100% 호환이 가능함.

도 1의 녹색 원형으로 표현된 화면표시기은 100% 호환 가능함. 화면표시기에 현시되는 정보는 하부장치들의 입력변화량에 의존하여 변경되므로 하부장치의 센서 값 변화량과 현시되는 값의 상관관계를 분석함.

도 3은 전기기관차 봄바르디아 ATP 화면표시기 국산화 제품 개략도이다.

본 발명의 ““전기기관차 봄바르디아 ATP 화면표시기””의 개략도를 도 3에 간략하게 표현함.

구성하고 있는 항목은 크게 100% 호환이 가능하고 내구성이 강한 기구부, 철도산업에서 제시하는 환경시험조건을 만족하는 Control Board 및 봄바르디아 ATP 화면표시기의 모든 현시 및 제어 기능을 포함하고 사용자 요구조건을 만족하는 소프트웨어로 구성됨.

기구부는 기존 제품의 외형 크기와 가로 및 세로 크기는 동일하게 구성되고, 깊이는 약 3배 크게 제작되어 밀접한 내부 보드 및 부품들 간의 간섭이 최소화되고, 방열효과가 극대화 됨.

또한, ATP 화면표시기는 화면표시기 Controller 와 화면표시기 스피커를 통해서 기관사가 시각 및 청각으로 쉽게 확인할 수 있도록 신호 현시 및 가청신호를 전송할 수 있음.

본 발명의 가장 높은 비중을 차지하는 STM Firmware, FPGA Program 및 화면표시기 전용 Software은 모든 MVB 프로토콜을 정적 및 동적 현차 시험을 통해서 채취 및 분석하여 100% 호환성을 포함함.

발명의 특장점

열차자동방호장치(Automatic Train Protection)의 약자인 차상신호(ATP) 장치는 열차 운전방식, 운행속도 및 전방상태를 감시하는 장치임. 지상 발리스는 열차운행에 필요한 선로제원등과 같은 정보를 차량으로 전송하고, 차량은 수신된 정보와 열차제원(열차장, 감속도등 각종 열차데이터)으로 운행 허용속도를 계산 후 화면표시기에 운전정보를 제공하여 속도 초과 시 자동으로 제동 또는 감속하는 기능을 수행함.

ATP 화면표시기는 차량에 필요한 차량 데이터를 입력하는 기능과 속도(허용, 최고, 목표), 거리, 제동 등에 대한 감시 및 운행 제어를 표시하는 기능을 담당하는 장치임. ATP 장치들 간 인터페이스는 MVB 통신 규정을 따르므로 화면표시기 또한 MVB 통신을 통해서 입력된 데이터 및 표시될 데이터를 송신 및 수신함.

MVB는 지멘스와 봄바르디아사가 철도 TCN용으로 개발하여 표준으로 채택된 통신방식이고, 전기기관차(8200호대) 거의 모든 장치들은 MVB 통신으로 연결되어 서로 데이터를 주고받아 차량 모니터링 및 제어를 수행함.

도 4는 MVB 통신 물리적 매체에 따른 ESD 및 EMD 특성을 나타내는 도면이고, 도 5는 종래기술의 화면표시기 장치 스펙과 본 발명의 ATP 화면표시기의 스펙 비교를 나타내는 도면이다.

- VCU와 ATP 화면장치 장치간의 통신 프로토콜을 분석하여 DEUTA 화면표시장치의 기능을 100% 호환가능하게 하고 사용자 요구조건에 따른 성능 추가 및 국내 사용자 환경에 맞춘 기술로서 차별화된 기술임.

DEUTA의 기존제품과 본 발명의 비교

- 전기기관차(8200호대) ATP 화면표시기는 도 5와 같은 기능 및 하드웨어 사양으로 개발되었음. 본 발명의 ATP 화면표시기는 도 5와 같이 기존제품의 성능 이상의 사양을 갖춤.

기술적 파급효과

- ATP 화면표시기의 MVB 통신 프로토콜을 분석한다는 것은 전기기관차의 ATP 차상장치 전체의 기능 및 성능을 파악한다는 것임. 차상장치는 철도 차량 운행에 매우 중요한 핵심 장치이고, 이러한 ATP 화면표시기를 통신 프로토콜 분석을 통해서 100% 호환가능한 장치라는 것은 차상시스템 전체를 이해하는 것과 동일한 기술력을 의미함.

- 따라서, ATP 시스템의 각 장치들의 이해관계 및 기술적 특징을 파악할 수 있어 원 제작사의 기술적 종속으로부터 벗어나 현재의 유지보수 체계를 합리적으로 개선할 수 있음.

- ATP 화면표시기의 경우, 열차방호장치에 대한 전기, 전자 및 기계적 기능에 대한 이해도가 높아져 철도 선진 기업과의 기술적 격차를 줄일 수 있으며 전기기관차 ATP 시스템의 기술향상 및 성능개선이 있음.

- 국내의 철도관련 기술은 고속철도차량 및 도시형전동차 위주로 발전되어 왔으며 기술적으로 많은 부분 성능향상을 이루었음. 반면, 전기기관차(8200호대) 관련된 기술은 상대적으로 미흡한 단계이었음. 그러나, 본 발명의 전기기관차 ATP 화면표시기를 통하여, 전기기관차 ATP 시스템의 제어분야 핵심기술을 확보함.

도 6은 ATP 화면표시기 기술 흐름도이고, 도 7은 일반차량 ATP시스템 운용모드 및 운전모드 흐름도이다.

< 기술 내용 >

주관기관에서 기 보유하고 있는 전기기관차(8200호대) MVB 통신 분석 기술을 바탕으로 MVB 통신 프로토콜 분석장치가 개발됨. 분석장치를 이용하여 관련문서 분석 및 검토된 사항을 토대로 ATP 화면표시기 MVB 통신프로토콜을 분석해야 함. MVB 통신 프로토콜 분석 절차를 요약하면 다음과 같음.

1). 화면표시기 Controller 변화와 RS-422 통신 프로토콜 변화의 상관관계 파악

- 운전대 G, YG, Y, YY, G 등의 신호변화를 시각적 확인 또는 오실로스코프로 확인하여 RS-422 통신 프로토콜 변화의 상관관계를 파악

2). 필수 디지털 입출력장치인 VDX 및 DX 신호 변화에 따른 프로토콜 변화의 상관관계 파악

- 연결된 모든 입출력의 신호 변화를 Logic Analyzer 및 오실로스코프로 확인하여 프로토콜 변화와 상관관계를 파악

- Logic Analyzer 및 오실로스코프를 이용하여 확인

3). ATP 화면표시기 화면의 운용 Level 선택 전 기본현시 정보에 따른 프로토콜 상관관계 파악

- 역전기 변화에 따른 프로토콜, 정보입력 후 프로토콜, 제동시험 수행 화면 YES, NO 클릭 시 등에 대한 프로토콜 변화를 분석

4). 운용 Level 0, 1, STM 별 프로토콜 변화의 상관관계 파악

- 각 화면에 표시된 각 항목과 프로토콜 변화량의 상관관계를 파악

5). 운용 Mode 별 프로토콜 변화의 상관관계를 파악

- 대기모드, 책임모드, 완전모드 및 트립/트립 후 모드의 화면에 표시된 각 항목과 프로토콜 변화량의 상관관계를 파악

상기 절차에 따라 프로토콜을 분석한 후 ATP 화면표시기의 Control Board, 기구부 및 Software를 개발하여 시제품을 제작. 제작된 시제품을 동적/정적 현차시험을 수행하여 수정 사항을 파악하고, 파악된 내용을 수정 보완하여 완제품을 설계 제작. 제작된 완제품을 공인인증기관을 통하여 신뢰성 검증 및 본차시운전을 통해서 호환성을 실제로 테스트 함.

- 각각의 모드 및 운용레벨에 따른 화면에 현시되는 항목을 정리하면 다음과 같음.

Level 선택 전 기본 현시 정보(기관사 데이터입력, 선택적 제동시험, 운용 레벨확인)

운용레벨선택에 따른 현시 정보(Level STM, Level 1, Level 0)

모드별 현시 정보(운전모드, 입환모드, 책임모드, 완전모드, 시스템 장애모드, 트립/트립 후 모드, 비 장착 모드)

도 8은 종래기술의 화면표시기 장치와 본 발명의 ATP 화면표시기의 컨트롤 보드의 사양 비교를 나타내는 도면이다.

- 소프트웨어 : ATP 화면표시기는 운용 레벨과 모드의 조합으로 이루어져있음. 각 운용 레벨마다 적용되는 모드가 나눠져 있기 때문에 프로그램 개발 시 유의하였음.

- 도 9는 레벨 선택 전 기본 현시 정보에 대한 내용으로 역전기 스위치 조작 후 기관사 ID, 열차 번호, 제동 시험, 운용레벨선택 및 열차 DB번호를 입력하는 화면표시기 화면임.

도 9는 Level 선택 전 기본 현시 정보를 나타내는 도면이고, 도 10은 Level 0 및 Level 1 운행모드 흐름도이며, 도 11은 Level STM 운행모드 흐름도이고, 도 12는 일반차량 ATP 시스템 Mode별 정보을 나타내는 도면이다.

- 국내에 적용된 차상 ATP시스템은 3개의 운용 레벨을 갖고 있음. Level 1은 지상 ATP 시스템 설치구간 운행에 사용되고, Level 0는 지상 ATP 시스템 미설치구간과 ATS 지상자도 없는 구간운행에 사용됨. 그리고, Level STM은 지상 ATP 시스템이 설치되지 않았고, ATS 지상자만 설치된 구간 운행에 사용됨. 따라서, 상기 도 9, 도 10 및 도 11과 같은 대기 모드 와 모든 Level에 대한 UI 구성 및 프로토콜 변화에 대한 현시를 소프트웨어로 구성해야 됨.

- 도 9 내지 도 11은 모드별 현시화면 및 정보를 나타냄. 대기모드는 3개의 운용 레벨에 모두 적용되고, 책임모드 및 완전모드는 레벨 1에 적용됨. 대기모드에서는 기본 정보를 입력하고, 책임모드는 Level 1 운행에서 첫 번째 운행모드임. 완전 모드는 열차 감시에 필요한 데이터를 발리스로부터 차상 ATP 시스템이 제공받았을 때 현시되는 모드임. 상기 각 모드별 레벨별 프로토콜 변화를 분석하여 현시화면의 변화를 표시해야 됨. 이러한 작업을 통하여, 본 발명의 ATP화면표시기는 트립/트립 후 모드, 입환모드, 시스템장애 모드, 비 장착 모드 및 정지고장모드에 모두 적용됨.

이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

1. 화면표시기 컨트롤러(controller)의 변화와 통신 프로토콜의 변화 사이의 상관관계를 파악하는 단계;
   디지털 입출력장치의 신호 변화와 상기 통신 프로토콜의 변화 사이의 상관관계를 파악하는 단계;
   열차자동방호장치(ATP, Automatic Train Protection) 화면표시기의 열차 운용 레벨 선택 전 기본 현시 정보와 상기 통신 프로토콜의 변화 사이의 상관관계를 파악하는 단계; 및
   상기 열차 운용 레벨과 상기 통신 프로토콜의 변화의 상관관계를 파악하는 단계를 포함하되,
   상기 열차 운용 레벨과 상기 통신 프로토콜의 변화의 상관관계를 파악하는 단계는, 상기 열차 운용 레벨에 기초하여 하나 이상의 열차 운용 모드와 상기 통신 프로토콜의 변화 사이의 상관관계를 파악하고,
   상기 기본 현시 정보는, 기관사 데이터 입력을 위한 정보 및 열차 제동 시험을 위한 정보를 포함하고,
   상기 열차 운용 레벨은, 레벨 0, 레벨 1 및 레벨 STM 중 하나이고,
   상기 열차 운용 모드는, 운전 모드, 특수 운전 모드, 대기 모드, 책임 모드, 완전 모드, 입환 모드, 시스템 장애 모드, 트립 후 모드 및 비 장착 모드를 포함하는, 열차자동방호장치 화면표시기 프로토콜 분석 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 통신 프로토콜은, RS-422 및 MVB 중 어느 하나인, 열차자동방호장치 화면표시기 프로토콜 분석 방법.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1 또는 청구항 2의 프로토콜 분석 방법을 적용한, 열차자동방호장치 화면표시기.
   
   

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