2.1 AF 궤도회로장치 구성

도시철도 구간에 설치되어 있는 AF 궤도회로장치는 시스템 제작사별로 조금씩 상이하지만, 그림1과 같이 일반적으로 송신부, 수신부, mini-bond, 궤도계전기 등으로 구성하고 있다.⁽¹⁾

그림. 1. AF 궤도회로 구성도

Fig. 1. AF Track Circuit Diagram

송신부는 8가지의 열차 검지 주파수와 궤도회로가 점유로 인식될 때 차상으로 전송하는 반송주파수 (cab carrier) FL (Frequency Low) 및 FH (Frequency High)를 발생하는 송신 모듈 PCB와 2.0 ∼ 27.5Hz의 속도 명령 및 출입문 제어주파수를 발생하는 코더 모듈 PCB (Printed Circuit Board: 인쇄회로 배선 기판)가 있으며, 수신부는 mini-bond로 부터 궤도주파수를 필터링시키고, 궤도회로에서 전송된 궤도주파수 신호를 증폭 및 궤도계전기를 동작시키는 기능을 수행한다. 연속신호 정보전송 시 반송주파수는 상, 하행선의 인접 궤도회로에 각각 4종류의 주파수가 배열되어 진다. 따라서, 하나의 궤도회로 상에서 송신과 수신은 주파수 공진에 따라 이루어지므로 다른 주파수를 사용하는 인접 궤도회로 장치에는 영향을 미치지 않게 된다. 즉 전기적으로 분리되어 있다. ^(2-3)

열차 검지 주파수는 F1, F3, F5의 세종류로 3개의 궤도회로 구간을 분할 한다. 즉, F3 주파수를 이용하는 구간의 무절연 AF 궤도회로는 F1, F5의 궤도에서 유입되는 신호전류는 차단하고, 전차선 전류는 다음 궤도회로 전달하여 변전소로 귀선하는 기능을 한다. ^(4-5)

속도 코드 방식은 그림2와 같이 선행 열차의 궤도회로 점유 위치에 따라 속도 코드를 산출하여 AF 궤도회로를 통해 차상으로 전송한다. 전동차의 ATO (Automatic Train Operation) 장치는 ATC (Automatic Train Control) 속도 코드 이하로 속도 프로파일을 생성하여 자동운전을 시행한다. 또한, 열차 운행에 필요한 속도정보를 레일을 통해 연속적으로 차량의 컴퓨터에 전송하고, 전동차는 허용 속도를 표시하며, 운행속도가 허용 속도 초과 시 자동으로 감속하는 장치이다. ⁽⁶⁾

그림. 2. 속도 코드 방식의 궤도회로

Fig. 2. Track circuit of speed code method

2.2 열차제어 코드 주파수의 종류

열차로 전송되는 신호는 그림3에서처럼 cab carrier, train detection carrier, code rate가 포함된 조합된 반송파주파수로, 이 신호에서 열차의 ATO 운행과 관련된 주파수는 cab carrier, code rate 주파수이다.

그림. 3. 속도 코드 방식의 주파수 구조

Fig. 3. Frequency structure of rate code method

열차 검지 주파수는 표1처럼 8가지로 구성되어 있으며 해당 궤도회로에 배분하여 사용하고, 열차 위치를 검지하는 기본주파수이다.

전동차에서는 수신되어 진 조합 주파수를 아날로그 필터부를 통과하여 cab carrier, code rate 주파수를 분리한다. cab carrer의 주파수는 4,550 Hz와 5,225 Hz로 구성되어 있고, code rate 주파수는 2.0 Hz, 3.0 Hz, 4.5 Hz, 6.8 Hz, 10.1Hz, 15.3 Hz, 21.5 Hz, 27.5 Hz로 구성되어 있다. 표 2처럼 cab carrier, code rate 주파수의 조합에 의해 궤도회로 구간별 열차의 운행 속도제한 및 출입문 열림 제어한다.

2.3 지상-차상 간 정보전송 원리

레일에서 발생하는 자계의 세기에 의해 열차제어정보 신호가 차상 안테나로 전송된다. 레일을 무한한 직선으로 가정하고 전류에 의한 자계형성 방향과 세기를 보면 전류에 의한 자계방향은 암페어의 오른나사 법칙에 따라 나사 진행 방향이 전류 방향이라면 나사 회전 방향이 자기장의 방향이 된다. 또한, 전류에 의한 자계의 세기는 그림4암페어의 주회적분의 법칙(Ampere's Circuital Law)을 적용하여 자장(H) 크기의 미소 길이 구간 ΔL 에는 미소 전류 ΔI 가 흐르게 된다.

그림. 4. 주회적분법칙을 이용한 전류흐름 원리적용

Fig. 4. Applying the principle of current flow using the law of Ampere's Circuital

따라서, 미소 전류 ΔI 와 전체전류 I의 관계는 식 (1) 과 같다.

결국, 레일을 중심으로 동심원상에 균일한 자장이 흐르므로 레일에 흐르는 전류의 세기가 적정값 이하일 경우 자계의 세기가 감소하여 차상 안테나와 자기결합이 발생하지 않는다. 따라서, 차상 안테나와 자기결합이 발생 되고 원활한 속도 신호 해석을 하기 위해서는 일정 크기 이상의 전류 레벨 값과 차상신호장치에서 주파수 처리 수신 시간 및 처리시간이 필요하다.

2.4 차상신호장치의 ATC 안테나 동작분석

차상 ATC 안테나는 차축 전방에 위치하며 차상 ATC 장치에서 ATC 연속정보를 처리하기 위한 구조로 되어 있다. 차상 ATC 안테나는 좌·우측 안테나로 구성되어 있으며, 신호전류에 의한 자기력은 가극성으로 작용하며 전차선 부급전류에 의해 발생 되는 자계는 감극성으로 작용하여 상호 상쇄되어 신호전류에 의한 자기력만 차상 ATC 장치에 전달된다.

그림. 5. 차상 ATC 안테나 동작 방식

Fig. 5. On-board ATC antenna operation method

ATC 차상 장치는 그림 5와 같이 차상 ATC 안테나를 통해 궤도회로로부터 수신된 두 개의 cab carrier 신호 주파수는 이중(dual) filter PCB를 통해 복조하고 이 신호는 코드 비율을 결정하기 위해 decoder PCB로 전달된다. FL/FH cab carrier의 입력된 신호를 1m/s 마다 샘플링 하여 유효코드 주기를 검사하고, 최종 해독된 데이터는 속도제어, 출입문 제어를 위해 중앙처리장치에 전송된다. ⁽⁷⁾

2.5 속도 코드 제어에서 출입문 제어 코드 주파수로 전환과정

열차가 궤도회로의 mini-bond로부터 속도 코드를 수신받고 있다가 (속도 코드 80km → 속도 코드 70km) 정거장에 도착 후 정차 로직 과정이 진행되면 승객승하차를 위한 다음 단계로 train berth (열차 정차) 정보를 TWC (Train to Wayside Communication)

그림. 6. 출입문 제어 코드 주파수 전환과정

Fig. 6. Access control code frequency conversion process

loop를 통해 수신하고, 이 정보를 수신받은 ATO 장치는 ODR (Open Door Relay)를 제어하여 ODL로 출입문 제어 코드를 송출하는 방식으로 해당 방향의 출입문 열림 제어 과정이 시행되었다.

2.7 주파수 오류 발생 가능성 원인분석

속도제어 코드에서 출입문 제어 코드 주파수로 변경되는 과정에서 반송주파수와 코드 주파수가 ODR 제어로 동시에 절체가 이루어진다. 하지만, 표 3과 그림 7에서처럼 반송주파수가 여러 가지 사유로 일정 시간 지연이 되어 변경되는 과정에서 좌측 출입문 제어 코드가 전송되는 과정에서 일시적으로 우측 출입문 제 어코드 주파수가 일시적으로 합성되어 정상적 제어신호로 인식되는 문제점이 발생 되는 문제점을 확인했다. 즉, 좌측 출입문을 개방해야 하는 정류장에서 우측 출입문이 열리는 비정상적인 경우가 있을 수 있다.

표 3. 주파수 오류 가능성 분석

Table 3. Frequency Error Probability Analysis

그림. 7. 출입문 제어 코드 주파수 전환 시 주파수 파형

Fig. 7. Access Control Code Frequency Waveform When Switching Frequency

도시철도 구간에서 두 가지 승강장 방식이 설치되어 있으며, 오동작이 가능한 예시는 그림 8및 그림 9와 같다. 출입문 열림 제어가 이루어지나 주파수 오동작의 이유로 우측 출입문 열림 제어 코드가 생성될 가능성이 있다.

상대식 승강장 (side platform)의 경우 정상적일 때 우측 출입문 열림 제어가 진행되나 주파수 오동작의 이유로 좌측 출입문 열림 제어 코드가 생성될 가능성이 있다.

그림. 8. 섬식 승강장에서 주파수 오류 가능성 분석

Fig. 8. Analysis of frequency error probability in island platforms

그림. 9. 상대식 승강장에서 주파수 오류 가능성 분석

Fig. 9. Analysis of frequency error probability in side platform

2.8 지상 및 차상신호시스템 제어주파수 제어 개선방안

2.8.1 궤도회로장치 송신보드 CPU 처리속도 개선

궤도회로장치가 전자연동장치로부터 제어코드 변경정보를 수신할 때 AF궤도 회로장치 중 주파수 송신기능을 담당하는 송신보드 내부 데이터 처리시간이 단축되도록 펌웨어를 수정하였다. 즉, 속도제어에서 출입문 제어로 변경되는 시점의 정보처리 시간을 그림 10에서 2m/s(최대 30 m/s) 이내로 단축하였다. 궤도회로장치가 속도제어 주파수에서 출입문 열림 제어주파수 변경 시 데이터처리 로직 시간을 최대한 단축을 하더라도 반송주파수와 코드 주파수를 절체타이밍 시 완전한 동기화 처리는 불가능한 구조이다.

그림. 10. 반송주파수 처리시간 단축 후 파형

Fig. 10. Shortened carrier frequency processing time waveform

2.8.2 송신주파수 출력 세기 변경

섬식 승강장 (island platform)에서 좌측 출입문 개방이 필요하며, 상대식 승강장에서는 우측 출입문 개방이 필요하다. 즉 섬식 승강장의 우측과 상대식 승강장의 좌측 개방에 필요성이 없으므로 해당 방향의 출력주파수 증폭도를 최저값으로 낮추어 동기화 불일치 구간에서 발생 될 수 있는 오동작주파수 생성의 근원을 차단할 목적으로 ODL 증폭도 값을 변경하여 반송주파수 출력 증폭도를 최저로 변경하여 송신 출력이 되지 않도록 변경하였다.

그림. 11. 반송주파수 증폭도 변경 후 파형

Fig. 11. Waveform after changing carrier frequency amplification

즉, 위의 상황에 대해 ODL 출력 증폭도를 최소화하여 주파수 처리 지연이 발생하더라도 출력 증폭도가 낮아 차상신호장치에서 인식할 수 없도록 변경하였다.

2.8.3 전동차 차상신호장치 출입문 제어 유효시간 변경

지상신호장치는 속도제어 코드 주파수 전송은 궤도회로 장치의 mini-bond를 통해 전달되고, 출입문 제어 코드 주파수 전송은 ODL을 통해 각각 전송한다. 전동차는 해당 주파수를 인식하여 단계별 속도제어 및 출입문 좌측, 우측 여부를 샘플링하여 처리한다. 주파수는 ASK (Amplitude Shift Keying) 변조 형태로 구성되어 지상에서 차상으로 변조 및 복조를 통해 유효시간 이상의 신호를 정상적인 제어로 판단하여 처리하게 된다. 전동차의 차상신호 장치는 대차 하부에 설치되어 있는 ATC 안테나를 통해서만 모두 처리하는 방식이다.

그림. 12. 전동차의 주파수 수신파형

Fig. 12. Frequency reception waveform of train

외부 환경에 설치되어 있는 궤도회로 장치에서 주파수 지연 또는 외부 노이즈 유입 그리고, 전동차 차상신호 장치의 주파수 필터링 처리 지연 등의 여러 복합적인 이유로 그림12에서처럼 차상신호 장치에서는 cab carrier 주파수 4,550 Hz와 5,525 Hz가 일시적으로 공존하는 상황이 극히 드물게 발생하는 것을 확인하였다. 이 부분을 해소하기 위해 차상신호 장치에서 출입문 열림 주파수를 유효정보로 인식하는 시간조정을 하였다. 차상신호 장치에서 유효시간 인식기준을 0.5초에서 0.7초 이상 수신되는 경우 데이터처리를 하도록 차상신호장치 처리로직을 변경하여 오류 동작의 가능성을 최소화하였다.