KR20240092485A - 무선통신기반 열차제어시스템에서 atp 핸드오버를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

무선통신기반 열차제어시스템에서 atp 핸드오버를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시는 무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 수행하기 위한 방법으로서, 차량이 현재 지상ATP인 제1 지상ATP 및 다음 지상ATP인 제2 지상ATP와 핸드오버를 수행하는 도중에 진행방향을 전환하는 제1 과정; 상기 차량이 상기 제1 지상ATP 및 상기 제2 지상ATP에 위치정보를 전송하는 제2 과정; 상기 제1 지상ATP가 상기 차량이 진행방향을 전환하였는지 여부를 확인하는 제3 과정; 상기 차량이 진행방향을 전환한 것으로 확인함에 대응하여, 상기 제1 지상ATP가 상기 차량 및 상기 제2 지상ATP에 핸드오버 취소메시지를 전송하는 제4 과정; 상기 제2 지상ATP가 상기 핸드오버 취소메시지를 수신함에 대응하여, 상기 제2 지상ATP가 현재 지상ATP로서 이동권한의 병합을 수행하고, 병합된 이동권한을 상기 차량에 전송하는 제5 과정; 및 상기 차량이 상기 핸드오버 취소메시지를 수신함에 대응하여, 상기 핸드오버의 종료 시점에 상기 제2 지상ATP와의 연결을 해제하는 제6 과정을 포함하는 방법을 제공한다.

Description

무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 위한 방법 및 장치{Method And Apparatus for ATP Handover in Communication Based Train Control System}
본 개시는 무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 개시의 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
무선통신기반 열차제어시스템(CBTC, Communication Based Train Control)은 실시간 열차의 위치를 토대로 열차의 주행 속도에 따른 안전제동거리를 확보하기 때문에 선로를 효율적으로 활용함으로써 높은 수송력을 가진다.
도 1은 일반적인 CBTC 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 무선통신기반 열차제어시스템에서 하나의 노선은 두 개 이상의 관할영역들로 나뉘며 각 관할영역(jurisdiction)마다 열차 제어를 담당하는 지상 ATP(Automatic Train Protection)가 존재한다. 지상 ATP(wayside ATP)는 연동장치(Interlocking)로부터 수신한 진로를 토대로 주행 가능한 거리의 한계인 이동권한(MA, Movement Authority)을 계산하여 관할영역 내의 열차에 제공한다. 열차는 자신의 위치를 포함한 상태정보를 주기적으로 관할영역의 지상 ATP에 전송한다. 열차는 지상 ATP로부터 수신한 이동권한의 한계를 넘지 않도록 차량의 동특성(dynamic characteristics)을 고려하여 열차의 속도를 감시하고 제어한다.
무선통신기반 열차제어시스템에서 열차가 두 개 이상의 관할영역들을 중단 없이 주행하기 위해서 지상 ATP들 간의 핸드오버(handover)가 필요하다. 이때, 열차와 해당 관할영역의 지상 ATP 간, 열차와 이웃한 지상 ATP 간, 그리고 해당 관할영역의 지상 ATP와 이웃한 지상 ATP 간의 제어 정보의 공유가 함께 이루어는 복잡한 제어 절차가 요구된다.
도 2는 종래 CBTC 시스템의 핸드오버 절차를 나타내는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 지상 ATP는 자신의 관할영역 내에서 주행 중인 열차의 새로운 MA가 관할영역의 경계를 초과하는 경우 핸드오버 절차를 수행한다. 구체적으로, 도 2의 (a)는 핸드오버 예고 절차를 도시하며, ① k번째 지상 ATP는 열차에 핸드오버 예고(handover preannouncement)를 전송한다. ② 열차는 핸드오버 예고에 포함된 정보를 이용하여 (k+1)번째 지상 ATP에 자신을 등록한다. ③ 열차는 (k+1)번째 지상 ATP로부터 ACK를 수신한다. ④ 열차는 k번째 지상 ATP와 (k+1)번째 지상 ATP에 주기적으로 자신의 위치를 보고한다. 도 2의 (b)는 핸드오버 중의 MA 스티칭(stitching) 절차를 도시하며, ⑤ k번째 지상 ATP는 인접한 (k+1)번째 지상 ATP에 MA를 요청한다. ⑥ (k+1)번째 지상 ATP는 열차 및 k번째 지상 ATP에 자신이 생성한 MA를 전송한다. 이때, k번째 지상 ATP는 자신이 생성한 MA와 (k+1)번째 지상 ATP로부터 수신한 MA를 결합하여 열차에 전송한다. 도 2의 (c)는 핸드오버 완료 절차를 도시하며, ⑦ 열차 후미부(rear end)가 핸드오버 경계를 완전히 통과하면 k번째 지상 ATP에 등록 해제를 요청 한다. ⑧ k번째 지상 ATP는 열차에 ACK를 전송하고 (k+1)번째 지상 ATP로의 MA 요청을 중단한다. ⑨ 열차는 (k+1)번째 지상 ATP에 주기적으로 자신의 위치를 보고한다. ⑩ (k+1)번째 지상 ATP는 열차가 자신의 관할영역에 존재하므로 열차에 자신이 생성한 MA를 전송한다.
열차의 핸드오버 영역은 핸드오버 예고 시점부터 핸드오버 종료 시점까지의 구간을 의미하며 핸드오버 시점과 종점에서의 열차의 위치는 각각 수학식 1과 수학식 2와 같이 정의할 수 있다. 열차의 핸드오버 시점은 핸드오버 종점과 달리 선행 열차의 유무에 따라 열차의 MA 거리가 달라지므로 구간 값을 가진다.
여기서, 여기서 PTT는 열차의 후미부(rear end)의 위치이고, Qdir은 열차의 유효한 방향이고, Pborder는 존(zone)의 경계 위치이고, DMA는 이동권한의 거리를 의미한다.
여기서, 여기서 PTH는 열차의 전두부(front end)의 위치이고, Qdir은 열차의 유효한 방향이고, Pborder는 존의 경계 위치이고, Dtrain는 열차의 길이를 의미한다.
종래의 핸드오버 알고리즘은 열차가 핸드오버 영역 내에서 방향 전환하는 경우 k번째 지상 ATP와 (k+1)번째 지상 ATP의 역할이 바뀌어야 하므로 예기치 않은 결과를 야기한다.
만약, 수학식 3의 SA 구간에서 방향 전환하는 경우, 핸드오버 종료 이후에도 열차는 두 개의 지상 ATP들과 연결이 유지되는 문제점이 있다. 또한, 수학식 4의 SB 구간에서 방향 전환하는 경우, 이동권한(MA)을 병합하는 지상 ATP가 바뀌게 되므로, 열차는 주행에 필요한 MA를 얻지 못하여 비상제동을 체결하게 되는 문제점이 있다.
여기서, Pborder는 핸드오버 경계 위치이고, PHS는 핸드오버 시점을 의미한다.
여기서, Pborder는 핸드오버 경계 위치이고, PHE는 핸드오버 종점을 의미한다.
종래의 무선통신기반 열차제어시스템은 정상적인 운행상황에서의 핸드오버 기능을 지원하지만, 퇴행운전, 셔틀운행 등의 운행 중 발생하는 다양한 이례적인 상황에서는 상술한 문제점을 가진다.
따라서, 퇴행운전, 셔틀운행 등의 상황헤서도 안정적인 핸드오버를 수행하기 위한 방안이 요구된다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 열차의 주행 방향과 위치에 따라 핸드오버 취소 또는 핸드오버 권한 이전을 수행할 수 있는 ATP 핸드오버 방법 및 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 수행하기 위한 방법으로서, 차량이 현재 지상ATP인 제1 지상ATP 및 다음 지상ATP인 제2 지상ATP와 핸드오버를 수행하는 도중에 진행방향을 전환하는 제1 과정; 상기 차량이 상기 제1 지상ATP 및 상기 제2 지상ATP에 위치정보를 전송하는 제2 과정; 상기 제1 지상ATP가 상기 차량이 진행방향을 전환하였는지 여부를 확인하는 제3 과정; 상기 차량이 진행방향을 전환한 것으로 확인함에 대응하여, 상기 제1 지상ATP가 상기 차량 및 상기 제2 지상ATP에 핸드오버 취소메시지를 전송하는 제4 과정; 상기 제2 지상ATP가 상기 핸드오버 취소메시지를 수신함에 대응하여, 상기 제2 지상ATP가 현재 지상ATP로서 이동권한의 병합을 수행하고, 병합된 이동권한을 상기 차량에 전송하는 제5 과정; 및 상기 차량이 상기 핸드오버 취소메시지를 수신함에 대응하여, 상기 핸드오버의 종료 시점에 상기 제2 지상ATP와의 연결을 해제하는 제6 과정을 포함하는 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 수행하기 위한 차량에 구비된 차상장치로서, 적어도 하나의 지상ATP와 통신을 수행하는 통신부; 차량이 지나가는 선로에 설치된 태그 또는 발리스에 관한 정보를 획득하는 태그 리더기; 상기 차량의 속도를 감지하는 타코미터; 및 상기 차량의 위치정보를 상기 지상ATP에 보고하고, 상기 지상ATP와의 핸드오버를 수행하는 차상ATP를 포함하는 장치를 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 무선통신기반 열차제어시스템 환경에서 ATP 핸드오버에 대한 기능을 개선함으로써, 다양한 방향 전환 상황에서도 안정적인 핸드오버를 가능하게 하는 효과가 있다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 셔틀운행, 퇴행운전 등의 이례적인 운영상황을 지원함으로써, 무선통신기반 열차제어시스템의 적용성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 CBTC 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래 CBTC 시스템의 핸드오버 절차를 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버를 위한 열차의 차상장치의 예시적인 구성도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 방법의 순서도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 취소 절차의 순서도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 중 열차가 핸드오버 경계를 통과하기 전에 방향 전환을 하는 상황의 핸드오버 취소 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 중 열차가 핸드오버 경계를 통과하고 핸드오버 종료 전에 방향 전환을 하는 상황의 핸드오버 취소 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 방법을 평가하기 위한 시뮬레이션 노선의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 9는 핸드오버 영역에서 열차의 방향전환이 없는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 10은 핸드오버 영역에서 경계 통과 전에 열차가 퇴행 운행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 11은 핸드오버 영역에서 경계 통과 후에 열차가 퇴행 운행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 12는 핸드오버 영역에서 열차가 셔틀 운행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 개시의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 개시가 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
본 개시는 열차의 주행 방향과 위치에 따라 핸드오버 취소 또는 핸드오버 권한 이전을 수행할 수 있는 개선된 ATP 핸드오버 방법 및 장치를 개시한다. 개선된 ATP 핸드오버 방법 및 장치를 위해서 열차의 위치 및 핸드오버 경계의 위치를 지속적으로 계산/보정하여 지상 ATP에 알리는 열차의 차상장치가 필요하다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버를 위한 열차의 차상장치의 예시적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 열차의 차상장치(onboard equipment, 100)는 통신부(communication unit, 110), 차상ATP(onboard ATP, 120), 태그 리더기(TAG reader, 130), 타코미터(tachometer, 140) 및 안테나(antenna, 150)의 전부 또는 일부를 포함한다. 차상장치(100)는 타코미터(140)를 이용하여 차륜의 회전수를 측정함으로써 열차가 얼마나 이동했는지 계산할 수 있다. 차상장치(100)는 태그 리더기(130) 및 안테나(150)를 이용하여 획득한 태그(TAG) 또는 발리스(Balise)의 위치 등의 정보에 기초하여 열차의 위치를 보정할 수 있다.
통신부(110)는 차상ATP(120)와 연결되어, 외부 네트워크에 대한 액세스를 제공한다. 차상장치(100)는 통신부(110)를 통해 지상 ATP로부터 이동권한, 핸드오버 예고 등을 수신하거나, 지상 ATP로 열차의 위치, 방향 등을 포함하는 상태 정보와 핸드오버 경계의 위치 정보를 송신할 수 있다. 이외에도 차상장치(100)는 통신부(110)를 통해 ATS(Automatic Train Supervision) 등의 다른 장치들과 제어신호, 데이터 등을 송수신할 수 있다.
차상ATP(120)는 열차의 위치 및/또는 핸드오버 경계의 위치를 지속적으로 계산/보정하여 지상 ATP에 보고한다. 차상ATP(120)는 필요시 ATP 핸드오버를 수행한다. 이외에 간격 제어 등을 포함하는 ATP의 일반적인 기능을 수행한다.
차상ATP(120)는 열차의 전두부가 위치하는 범위 PTH를 수학식 5와 같이 계산할 수 있다. 열차의 전두부가 위치하는 범위 PTH는 측정오차와 설치오차를 고려하여 도 3과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 여기서 PTAG는 태그 또는 발리스가 가지는 절대 위치이고, DRA는 안테나의 방사각(radiation angle)으로 인한 측정오차이고, DIE는 태그 또는 발리스의 설치오차이고, DWR은 차륜의 반지름이고, PCNT는 타코미터(140)를 이용하여 얻어진 펄스의 개수이고, PMAX는 타코미터를 이용하여 1 회전 당 얻을 수 있는 펄스의 최대 개수이고, DEA는 안테나(150) 중심으로부터 실제 열차의 전두부까지의 거리를 의미한다.
열차의 전두부가 위치하는 범위는 측정오차와 설치오차를 고려하여 도 3의 PTH과 같은 범위를 가질 수 있다.
차상ATP(120)는 핸드오버 경계의 범위 PB를 계산할 수 있다. 핸드오버 경계는 두 개 이상의 태그 또는 발리스로 구성된 핸드오버 경계 태그/발리스 그룹으로 정의된다. 이때 핸드오버 경계 태그/발리스 그룹은 기준(reference) 태그 또는 발리스와 보조(auxiliary) 태그 또는 발리스로 구성된다.
기준 태그 또는 발리스는 핸드오버 경계의 정확한 위치를 가지며, 설치오차와 안테나 방사각을 고려하여 도 3의 PB와 같은 범위를 가질 수 있다. 차상ATP(120)는 기준 태그 또는 발리스의 정보를 이용하여 핸드오버 경계의 범위 PB를 수학식 6과 같이 계산할 수 있다.
여기서, 여기서 PR-TAG는 기준 태그 또는 발리스의 위치이고, DRA는 안테나의 방사각으로 인한 측정오차이고, DIE는 태그 또는 발리스의 설치오차를 의미한다.
또한, 차상ATP(120)가 기준 태그 또는 발리스를 인식하지 못하고 보조 태그 또는 발리스만 인식하더라도, 핸드오버 경계의 범위 PB를 수학식 7과 같이 계산할 수 있다.
여기서, Q-DIR은 보조 태그 또는 발리스에서 바라본 기준 태그 또는 발리스가 위치하는 방향을 의미하며, 킬로정이 증가하는 방향의 경우 '+1', 반대로 감소하는 방향인 경우 ‘-1’의 값을 가진다. DSD는 보조 태그 또는 발리스와 기준 태그 또는 발리스 간의 이격 거리(separation distance)를 의미한다. PR-TAG는 기준 태그 또는 발리스의 위치이고, DRA는 안테나의 방사각으로 인한 측정오차이고, DIE는 태그 또는 발리스의 설치오차를 의미한다.
이격 거리 DSD는 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.
차상ATP(120)는 열차의 전두부가 위치하는 범위 PTH와 핸드오버 경계의 범위 PB를 고려하여 핸드오버 시점 및 종점을 계산한다.
태그 리더기(130)는 열차의 위치를 보정하기 위해 열차가 지나가는 선로에 설치된 태그 또는 발리스를 인식한다.
타코미터(140)는 열차의 속도, 가속도 등을 감지한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 열차, 현재 지상ATP 및 다음 지상ATP 간의 핸드오버 방법의 예시적인 순서를 나타낸다. 여기서, 현재 지상ATP는 열차가 현재 주행 중인 구역을 관할하는 지상ATP를 의미한다. 다음 지상ATP는 열차의 새로운 이동권한(MA)이 현재 지상ATP의 관할영역의 경계를 초과하는 경우 핸드오버가 이루어져야 하는 지상ATP를 의미한다.
현재 지상ATP는 열차로부터 주기적인 위치 보고를 수신하여(S400), 열차의 새로운 MA를 계산한다(S402). 열차의 새로운 MA가 핸드오버 경계를 침범하는지 판단하여(S404) 새로운 MA가 현재 지상ATP의 관할영역의 경계를 초과하는 경우 핸드오버 절차에 진입하게 된다. 새로운 MA가 현재 지상ATP의 관할영역의 경계를 초과하지 않는 경우 열차에 새로운 MA를 전송한다(S424).
핸드오버 절차에 진입한 경우, 현재 지상ATP가 다음 지상ATP로부터 핸드오버 MA를 수신하였는지 판단하여(S406), 수신하지 못한 경우 아직 열차는 다음 지상ATP와 연결되지 않은 상황이므로 열차에 핸드오버 예고를 전송한다(S408). 핸드오버 예고를 통해 열차는 다음 지상 ATP로 연결 및 등록을 수행한다(S410).
열차가 다음 지상ATP에 연결 및 등록된 이후, 현재 지상ATP는 다음 지상ATP로부터 열차의 핸드오버에 필요한 MA를 수신하게 된다. 이는 현재 지상ATP의 MA 및 다음 지상ATP의 MA를 병합하는 주체는 현재 지상ATP이기 때문이다.
현재 지상ATP는 열차로부터 주기적인 위치 보고를 수신하므로, 열차의 진행 방향이 변경되었는지를 확인한다(S412). 열차의 진행 방향이 변경된 경우, 핸드오버 취소 절차를 통해 현재의 핸드오버 방향을 바꾼다(S414). 구체적으로, 핸드오버 방향이 바뀌면 MA들을 병합하는 주체 즉, 현재 지상ATP가 다음 지상ATP로 변경된다. 핸드오버 취소 절차는 도 5에서 상세히 후술한다.
현재 지상ATP가 다음 지상ATP로부터 핸드오버 MA를 수신하여(S416), 수신한 핸드오버 MA에 기초하여 새로운 MA를 다시 계산한다(S418). 예를 들어, 새로운 MA는 현재 지상ATP가 계산한 MA 및 다음 지상ATP로부터 수신한 핸드오버 MA를 합한 것일 수 있다.
열차의 후미부가 완전히 핸드오버 경계를 빠져나왔는지 확인하여(S420), 아직 핸드오버 경계를 빠져나오지 못한 경우 즉, 핸드오버 중인 경우 새로운 MA를 열차에 전송한다(S424).
열차의 후미부가 완전히 핸드오버 경계를 빠져나온 경우 즉, 핸드오버 종료 시점에 해당하는 경우 열차는 현재 지상ATP와의 연결을 해제한다(S424). 열차는 다음 지상ATP로부터 수신하는 MA에 기초하여 차량을 제어하여 주행한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 취소 절차의 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 열차, 현재 지상ATP 및 다음 지상ATP 간의 핸드오버 취소 절차의 예시적인 순서를 나타낸다.
현재 지상ATP가 MA 병합의 주체로서 역할을 수행하면서, 열차, 현재 지상ATP 및 다음 지상ATP 간의 핸드오버 수행 중 열차가 방향을 전환하였다(S510). 핸드오버 수행 중이므로 열차는 현재 지상ATP 및 다음 지상ATP에 주기적으로 위치 보고를 전송한다(S520). 현재 지상ATP는 수신한 열차의 위치 보고에 기초하여 열차의 방향 전환을 확인한다(S530). 열차의 방향 전환이 발생된 경우, 현재 지상ATP는 열차 및 다음 지상ATP에 핸드오버 취소(handover revocation)를 전송한다(S540). 다음 지상ATP는 핸드오버 취소에 대응하여 MA 병합의 주체로 역할이 변경된다(S550). 즉, 다음 지상ATP가 현재 지상ATP에 핸드오버 MA를 요청하고(S560), 수신한 핸드오버 MA를 병합하여 열차에 전송하는 등 이후의 절차들이 진행된다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 중 열차가 핸드오버 경계를 통과하기 전에 방향 전환을 하는 상황의 핸드오버 취소 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 열차가 Zone A에서 Zone B로의 핸드오버 진행 중이고 핸드오버 경계를 통과하기 전의 구간에서 즉, 수학식 3의 SA 구간에서 열차가 방향 전환하는 상황을 나타낸다. 도 6의 (b)와 같이 지상ATP A와 지상ATP B는 열차의 위치 보고 메시지(④)를 통해 열차의 진행 방향이 변경되었음을 인지할 수 있다. 도 6의 (a)와 같이 지상ATP A는 열차의 진행 방향이 변경된 것을 인지한 경우 열차 및 지상ATP B에 핸드오버 취소를 요청한다. 도 6의 (b)와 같이 지상ATP B는 핸드오버 취소 요청에 대응하여 핸드오버 MA를 요청한다(⑤). 열차는 지상ATP A와 지상ATP B로부터 각각 MA를 수신한다(⑥). 이후, 열차의 후미부가 핸드오버 경계(border)를 지나 Zone A에 완전히 속하게 되면, 열차는 핸드오버 취소 요청에 대응하여 지상ATP B와의 연결을 해제(⑦,⑧)한다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 중 열차가 핸드오버 경계를 통과하고 핸드오버 종료 전에 방향 전환을 하는 상황의 핸드오버 취소 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 열차가 Zone A에서 Zone B로의 핸드오버 진행 중이고 핸드오버 경계를 통과하고 핸드오버 종료 전의 구간에서 즉, 수학식 4의 SB 구간에서 열차가 방향 전환하는 상황을 나타낸다. 도 6의 (b)와 같이 지상ATP A와 지상ATP B는 열차의 위치 보고 메시지(④)를 통해 열차의 진행 방향이 변경되었음을 인지할 수 있다. 도 6의 (a)와 같이 지상ATP A는 열차의 진행 방향이 변경된 것을 인지한 경우 열차 및 지상ATP B에 핸드오버 취소를 요청한다. 도 6의 (b)와 같이 지상ATP B는 핸드오버 취소 요청에 대응하여 핸드오버 MA를 요청한다(⑤). 열차는 지상ATP A와 지상ATP B로부터 각각 MA를 수신한다(⑥). 이후, 열차의 후미부가 핸드오버 경계(border)를 지나 Zone A에 완전히 속하게 되면, 열차는 핸드오버 취소 요청에 대응하여 지상ATP B와의 연결을 해제(⑦,⑧)한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 ATP 핸드오버 방법을 평가하기 위한 시뮬레이션 노선의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 8을 참조하면, 시뮬레이션 노선의 길이는 총 15 km이며, 노선은 동일한 구간 길이를 갖는 세 개의 Zone으로 구성하였다. 각 Zone은 5 km 구간의 관할영역을 가진다. 열차는 스케줄에 따라 정위(Nominal) 방향과 반위(Reverse) 방향 모두 주행이 가능하며, 이동권한(MA)의 길이는 최대 1.5 km이다.
시뮬레이션은 파이썬(python) 환경에서 수행하였다. 열차 모델은 표 1 같이 구조화하였다. 열차의 속성들로 열차의 가속(Accel) 및 감속(Decel), 비상 제동률(EB), 전상용 제동률(FSB), 열차의 ID(NID_TRAIN), 길이(D_Length), 열차의 위치(Position), 속도(Speed), 열차가 등록한 지상 ATP ID(WATP_ID), 그리고 종점에 도착 여부를 알려주는 Boolean 값(isArrived) 등을 가진다. 열차의 메소드들로 현재속도(V_C)와 목표속도(V_N)를 토대로 제동거리를 연산하는 BD(), 열차의 MA(D_MA)까지 주어진 방향(Q_DIR)으로 일정시간(T_TD)만큼 이동한 거리를 연산하는 Drive(), 핸드오버 예고와 종료에 따라 지상ATP에 열차를 등록하고 삭제하는 SOM(), EOM()을 정의하였다.
도 9는 핸드오버 영역에서 열차의 방향전환이 없는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 9를 참조하면, 열차가 Zone A부터 Zone C까지 정위(nominal) 방향으로 방향 전환 없이 주행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 9의 (a)는 열차의 주행 시간에 따른 속도 변화를 나타낸다. 열차는 80 km/h에 도달할 때까지 최대 가속하며 이후 등속 주행한다. 남은 거리와 제동거리를 비교하여 목표지점에 도착하기 위한 감속 주행한다. 도 9의 (b)는 주행 시간에 따른 열차 전두부의 위치를 나타낸다. 도 9의 (c), 도 9의 (d) 및 도 9의 (e)는 열차가 지상ATP와의 핸드오버 결과에 따른 등록 및 해제 여부를 나타낸다. 지상ATP에 등록되는 경우 1의 값을 가지며 반대로 해제되는 경우 0의 값을 가진다. 열차는 Zone A에서 시작하므로 지상ATP A에 등록된 상태로 출발한다. 이후 Zone A와 Zone B의 경계 지점인 5 km에서 최대 MA 거리 전방 즉, 3.5 km 지점에서 핸드오버 예고에 따라 지상ATP B에 등록한다. 열차의 후미부가 Zone A와 Zone B의 경계 지점을 완전히 통과하면 지상ATP A와의 연결을 해제한다. 마찬가지로 Zone B와 Zone C의 경계 지점인 10 km에서 최대 MA 거리 전방 즉, 8.5 km 지점에서 핸드오버 예고에 따라 지상ATP C에 등록한다. 열차의 후미부가 Zone C의 진입 경계를 완전히 통과하면 지상ATP B와의 연결을 해제한다.
도 10은 핸드오버 영역에서 경계 통과 전에 열차가 퇴행 운행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 10을 참조하면, 열차가 수학식 3의 SA 구간에서 방향 전환하는 경우의 예로서, 열차가 Zone A부터 주행을 시작하여 4.9 km까지 정위(nominal) 방향으로 진행한 후 다시 2 km까지 반위(reverse) 방향으로 주행하는 경우를 가정한다.
종래의 핸드오버 알고리즘은 열차가 핸드오버 진행과정에서 지상ATP B와의 연결 이후 SA구간에 정차 후 방향 전환하는 경우 지상ATP B와의 연결이 유지되는 오류가 발생한다.
반면, 본 개시의 실시예에 따른 핸드오버 알고리즘은 도 10의 (d)와 같이 열차가 방향 전환하여 Zone B와의 핸드오버 영역을 벗어나게 되면 지상ATP B와의 연결을 정상적으로 해제하는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 핸드오버 영역에서 경계 통과 후에 열차가 퇴행 운행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 11을 참조하면, 열차가 수학식 4의 SB 구간에서 방향 전환하는 경우의 예로서, 열차가 Zone A부터 주행을 시작하여 5.1 km까지 정위(nominal) 방향으로 진행한 후 다시 2 km까지 반위(reverse) 방향으로 주행하는 경우를 가정한다. 즉, 열차 길이(200 m)를 감안하여 열차의 전두부가 Zone A와 Zone B의 경계 구간을 통과하되, 열차의 후미부는 아직 Zone A와 Zone B의 경계 구간을 통과하지 못한 경우를 가정한다.
종래의 핸드오버 알고리즘은 열차가 핸드오버 이후 정상적인 MA를 현재의 지상ATP A로부터 수신하지 못하여 비상 정지하게 된다. 이때 열차는 지상ATP A와 지상ATP B에 등록된 상태를 유지하게 된다.
반면, 본 개시의 실시예에 따른 핸드오버 알고리즘은 도 11의 (d)와 같이 정상적으로 방향 전환이 이루어짐을 확인할 수 있다. 열차의 전두부는 Zone B의 경계지점을 통과하여 100 m를 지난 후 정차하게 되므로 열차의 중간지점에 Zone B의 경계가 존재하게 된다. 즉, 열차의 후미부 100 m 구간은 Zone A에 존재하고, 열차의 전두부 100 m 구간은 Zone B에 존재한다. 도 4의 ATP 핸드오버 방법에 따라 현재의 지상ATP는 ATP A에서 ATP B로 전환되고 다음ATP는 ATP B에서 ATP A로 전환되어 열차는 주행에 필요한 MA를 정상적으로 생성할 수 있게 된다. 열차는 수신한 스케줄을 모두 소화하여 노선의 2 km 지점에 정차하게 된다. 이때 도 11의 (c)와 같이 열차는 지상ATP A와는 연결을 지속적으로 유지하게 되며, 도 11의 (d)와 같이 열차가 방향 전환하여 열차의 후미부가 완전히 Zone A와 Zone B의 경계지점(5 km)을 빠져나오게 되면 지상ATP B와의 연결 및 등록을 해제한다.
도 12는 핸드오버 영역에서 열차가 셔틀 운행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 12를 참조하면, 열차가 셔틀 운행하는 경우의 예로서, 열차가 Zone A부터 주행을 시작하여 7 km까지 정위(nominal) 방향으로 진행한 후 다시 반위(reverse) 방향으로 전환하여 2 km 지점까지 주행한 후 다시 방향 전환하여 13 km 지점까지 주행하는 경우를 가정한다.
도 12의 (b)와 같이 열차의 전두부 위치는 7 km 지점까지 증가하다가 방향 전환 이후 2 km 지점까지 감소하며 다시 방향 전환 이후 13 km까지 증가하게 됨을 확인할 수 있다. 도 12의 (c), 도 12의 (d) 및 도 12의 (e)와 같이 열차는 지상ATP A에 등록된 상태에서 3.5 km 지점을 통과하는 순간 지상ATP B와 핸드오버를 위한 등록을 수행한다. 이후 열차의 후미부가 Zone A와 Zone B의 경계를 통과하면 지상ATP A와의 연결을 해제한다. 7 km 지점은 Zone C와의 핸드오버 예고 지점(8.5 km) 전이므로 핸드오버 없이 방향 전환 후 열차는 Zone B에서 Zone A로의 진입을 위해 6.5 km 지점에서 지상ATP A와 핸드오버를 위한 등록을 수행한다. 열차의 후미부가 완전히 Zone B와 Zone A의 경계(5 km 지점)를 통과하게 되면 열차는 지상ATP B와의 연결을 해제한다. 열차는 2 km 지점까지 이동 후 마지막 정위(nominal) 방향으로 13 km 지점까지의 운행스케줄에 의해 방향 전환하여 다시 Zone B와의 핸드오버 지점(3.5 km), Zone A와의 핸드오버 종료 지점(5.2 km), Zone C와의 핸드오버 시점(8.5 km) 및 Zone B와의 핸드오버 종료 지점(10.2 km)을 통과하게 된다.
상술한 시뮬레이션 결과로부터 본 개시에서 제안된 핸드오버 알고리즘은 핸드오버 구간을 포함하여 다양한 방향 전환을 지원함을 확인할 수 있다.
본 명세서에 설명되는 장치 및 방법의 다양한 구현예들은, 디지털 전자 회로, 집적 회로, FPGA(Field Programmable Gate Array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 및/또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다. 이러한 다양한 구현예들은 프로그래밍가능 시스템상에서 실행 가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로 구현되는 것을 포함할 수 있다. 프로그래밍가능 시스템은, 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 디바이스, 그리고 적어도 하나의 출력 디바이스로부터 데이터 및 명령들을 수신하고 이들에게 데이터 및 명령들을 전송하도록 결합되는 적어도 하나의 프로그래밍가능 프로세서(이것은 특수 목적 프로세서일 수 있거나 혹은 범용 프로세서일 수 있음)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램들(이것은 또한 프로그램들, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션들 혹은 코드로서 알려져 있음)은 프로그래밍가능 프로세서에 대한 명령어들을 포함하며 "컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체"에 저장된다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체는 ROM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등의 비휘발성(non-volatile) 또는 비 일시적인(non-transitory) 매체 또는 데이터 전송 매체(data transmission medium)와 같은 일시적인(transitory) 매체를 더 포함할 수도 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 열차의 차상장치
110: 통신부
120: 차상ATP
130: 태그 리더기
140: 타코미터
150: 안테나

Claims (14)

  1. 무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 수행하기 위한 방법으로서,
    차량이 현재 지상ATP인 제1 지상ATP 및 다음 지상ATP인 제2 지상ATP와 핸드오버를 수행하는 도중에 진행방향을 전환하는 제1 과정;
    상기 차량이 상기 제1 지상ATP 및 상기 제2 지상ATP에 위치정보를 전송하는 제2 과정;
    상기 제1 지상ATP가 상기 차량이 진행방향을 전환하였는지 여부를 확인하는 제3 과정;
    상기 차량이 진행방향을 전환한 것으로 확인함에 대응하여, 상기 제1 지상ATP가 상기 차량 및 상기 제2 지상ATP에 핸드오버 취소메시지를 전송하는 제4 과정;
    상기 제2 지상ATP가 상기 핸드오버 취소메시지를 수신함에 대응하여, 상기 제2 지상ATP가 현재 지상ATP로서 이동권한의 병합을 수행하고, 병합된 이동권한을 상기 차량에 전송하는 제5 과정; 및
    상기 차량이 상기 핸드오버 취소메시지를 수신함에 대응하여, 상기 핸드오버의 종료 시점에 상기 제2 지상ATP와의 연결을 해제하는 제6 과정
    을 포함하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 과정은,
    상기 차량이 운행스케줄에 포함된 퇴행운행스케줄 또는 셔틀운행스케줄에 기초하여 진행방향을 전환하는, 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 과정은,
    상기 차량에 탑재된 타코미터를 이용하여 상기 차량의 차륜의 회전수를 감지하는 과정;
    상기 차량에 탑재된 태그 리더기를 이용하여 상기 차량이 지나가는 선로에 설치된 태그 또는 발리스에 관한 정보를 획득하는 과정;
    상기 감지된 회전수 및 상기 획득된 태그 또는 발리스에 관한 정보에 기초하여, 상기 차량의 위치정보를 계산하는 과정; 및
    상기 계산된 위치정보를 상기 제1 지상ATP 및 상기 제2 지상ATP에 전송하는 과정을 포함하는, 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 위치정보는,
    상기 차량의 전두부의 위치의 범위를 포함하는, 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 위치정보는,
    핸드오버 경계의 범위를 포함하는, 방법.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 위치정보는,
    상기 차량의 진행방향정보를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 과정은,
    상기 제1 지상ATP가 수신한 위치정보에 기초하여, 상기 차량이 진행방향을 전환하였는지 여부를 확인하는, 방법
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제5 과정은,
    상기 제2 지상ATP가 현재 지상ATP로서 상기 제1 지상ATP에 이동권한 요청메시지를 전송하는 과정;
    상기 제1 지상ATP가 생성한 제1 이동권한을 포함하는 이동권한 응답메시지를 상기 제2 지상ATP에 전송하는 과정;
    상기 제1 이동권한 및 상기 제2 지상ATP가 생성한 제2 이동권한의 병합을 수행하는 과정; 및
    상기 병합된 이동권한을 상기 차량에 전송하는 과정을 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제6 과정은,
    상기 차량이 상기 차량의 후미부가 상기 제2 지상ATP의 관할영역을 벗어났는지에 기초하여, 상기 핸드오버의 종료 시점을 판단하는 과정; 및
    상기 핸드오버의 종료 시점에, 상기 차량이 상기 제2 지상ATP와의 연결을 해제하는 과정을 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제6 과정은,
    상기 차량이 상기 차량의 전두부가 위치하는 범위 및 상기 제1 지상ATP의 관할영역과 상기 제2 지상ATP의 관할영역 간의 경계의 범위에 기초하여, 상기 핸드오버의 종료 시점을 판단하는 과정; 및
    상기 핸드오버의 종료 시점에, 상기 차량이 상기 제2 지상ATP와의 연결을 해제하는 과정을 포함하는, 방법.
  11. 무선통신기반 열차제어시스템에서 ATP 핸드오버를 수행하기 위한 차량에 구비된 차상장치로서,
    적어도 하나의 지상ATP와 통신을 수행하는 통신부;
    차량이 지나가는 선로에 설치된 태그 또는 발리스에 관한 정보를 획득하는 태그 리더기;
    상기 차량의 차륜의 회전수를 감지하는 타코미터; 및
    상기 차량의 위치정보를 상기 지상ATP에 보고하고, 상기 지상ATP와의 핸드오버를 수행하는 차상ATP
    를 포함하는 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 차상ATP는,
    상기 타코미터를 이용하여 감지된 회전수 및 상기 태그 리더기를 이용하여 획득된 태그 또는 발리스에 관한 정보에 기초하여, 상기 차량의 위치정보를 계산하는, 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 위치정보는,
    상기 차량의 전두부의 위치의 범위를 포함하는, 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 위치정보는,
    핸드오버 경계의 범위를 포함하는, 장치.
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