SITL 기반 열차자율주행제어 시뮬레이터를 위한 열차주행제어 모듈 설계

2.1 열차주행 모듈 구조 설계

SITL 기반 열차자율주행제어 시뮬레이터를 위한 열차주행 모듈은 기존의 가상운행선로 에디터를 통해 생성된 가상운행선로 위를 모의로 주행하는 모듈이다. 이 모듈은 ATCS와 CBTC같은 다양한 신호체계를 포함하고 있으며, 동시에 열차주행 특성이 반영된 열차 모델를 향후에 추가할 수 있는 다양한 노선환경 및 신호체계로의 확장성을 확보하기 위한 모듈이다[4][5].

이에 따라 다수의 철도차량과 모델과 신호체계가 시뮬레이터 내에 구현되어야 하며, 국내에서 연구개발 중인 ATCS 신호체계의 신호성능 비교분석을 위해서, ATCS뿐 아니라 CBTC 신호체계도 반영되어야 하며, 또한 기존의 가상운행선로 에디터와도 인터페이스가 가능한 구조로 설계되어야 한다. 즉, 다음과 같은 주요한 요구조건들을 충족되는 구조의 열차주행 모듈을 설계하였다.

- 열차 모델 : 차량이나 열차 운영 데이터가 입력하고, 단일열차 및 두 대 이상 복수 열차의 주행 성능을 출력하며 신호 제어 체계와의 연계를 통한 열차 주행 기능을 제공하는 열차 모델을 설계하며, 차량 모델에 대해서는 도시 철도차량과 고속철도차량의 두 가지로 하고, 향후 다른 차종도 추가될 수 있도록 확장성을 갖는 구조로 설계

- 열차제어 로직 : 자율주행제어와 CBTC 신호제어 로직을 구현하며, 열차 모델과의 연계를 통하여 열차가 모의 주행이 가능하도록 설계

- 가상운행선로 에디터와의 인터페이스 : 기존 가상운행선로 에디터와 인터페이스를 통해 생성된 가상운행선로 위를 열차가 주행할 수 있는 구조로 하고, 가상운행선로의 정보 외에 열차주행 모듈에 필요한 데이터에 대해서는 별도로 데이터 입력할 수 있는 구조로 설계

- 열차주행 모듈 : 가상운행선로를 열차 모델이 신호제어 로직을 통해 주행할 수 있도록 구현하며, 열차 주행에 대한 정보를 로그 파일로 저장 기능

- 열차주행 모듈 제어통제 기능 : 사용자가 열차주행 모듈을 이용해 시뮬레이션할 수 있도록 관련 기능 및 UI 설계

본 논문에서는 위의 조건들을 만족하는 열차주행 모듈을 위해 그림 2에서처럼 크게 열차 모델, 신호제어 로직, 선로선형 정보 관리 부분으로 구성하였다. 선로선형 정보 관리 부분은 가상운행선로 에디터로부터 생성된 파일을 입력하여 열차주행에 필요한 정보를 추출하는 기능을 수행하며, 열차주행 모델은 실제 고속철도 및 도시철도 차량의 주행모델링, 차량의 중량 등 정적 데이터, 열차주행 시뮬레이션을 위한 운영시나리오 관리 및 결과 저장 등의 기능을 수행한다. 신호제어 로직 부분은 ATCS와 CBTC 신호체계 모델 부분이 포함된다.

Fig. 2.

Structure of tTrain driving module for SITL simulator

열차주행 모듈 내부의 하부 구성들 사이의 인터페이스는 공유메모리(Shared memory)를 통하는 것으로 설계하였고(그림 1의 점선 부분), 가상운행선로 에디터와는 파일형태로 인터페이스 되도록(그림1의 실선 부분) 하였다. 그림 2의 열차 모델은 차량의 특성을 나타내는 부분과 열차주행 시뮬레이션을 위한 부분으로 구성되어 있는데, 이 중 열차주행 시뮬레이션 부분은 신호체계에 따른 이동권한 등의 정보를 바탕으로 기능이 수행되어야 한다.

이에 따라 그림 2의 구조를 바탕으로 데이터베이스와 로직의 기능설계에서는 신호제어 로직과 시뮬레이션 결과 부분을 하나의 구성으로 분류하였다. 열차 모델은 차량 자체의 모델링 부분과 시뮬레이션을 위한 운행시나리오 등의 기능을 수행하는 운행모델로 구분하여 설계하였다(그림 3). 또한 열차주행 모듈은 SQLite(v.4.0) 데이터베이스와 공유메모리를 통해 데이터를 공유하도록 설계하였다.

Fig. 3.

Classification of system configuration by data and logic for the designed train driving module

그림 3에 나타낸 열차주행 모듈을 위한 DB는 데이터의 종류별로 구분하여 표 1처럼 17개 종류로 세분하여 설계하였다. 그 중 차량 정보는 열차저항과 같은 정적정보를 저장하는 tb_train, 열차속도와 같은 동적 정보를 정장하는 tb_speed 테이블로 구분하여 설계하였다.

Table 1.

DB table list designed for train driving modules

Table 2.

Designed train information related data

그림 2와 3과 같은 열차주행 모듈의 구현은 본 논문에서는 WPF(C# + XAML) 언어로 구현하였으며, 이를 위해서 공유데이터 정의를 위한 Global 클래스, 차량 속도 프로파일 클래스(SPEED_PROFILE), 고속철도 차량 클래스(KTX_Dynamics), 신호체계 정보를 포함하는 신호제어 로직 클래스(ATP) 등 다수 개의 클래스로 설계하였다.

2.2 열차주행 모듈의 UI 설계

SITL 기반 시뮬레이터는 ATCS와 같은 국내에서 개발 중인 새로운 신호체계의 신호성능 분석 및 검증 등을 효과적으로 수행하기 위해서는 사용자의 UI가 매우 중요하다.

이에 따라 앞 절에서 제시한 열차주행 모듈의 설계를 바탕으로 본 논문에서는 효과적인 성능분석을 위해 GUI로 구현할 내용과 항목들을 그림 4와 같이 설계하였다. 그림처럼 시뮬레이션할 열차의 속성 정보들을 수정할 수 있는 열차 관리 부분, 가상운행선로 에디터의 출력 파일의 로딩 및 수정을 위한 선로부터 입력받은 인트라 정보를 수정할 수 있는 선형 관리 부분, 시뮬레이션할 열차의 선택 및 운행시나리오 설정을 위한 시나리오 관리 부분, 그리고 시뮬레이션을 위한 열차주행 부분과 시뮬레이션 결과를 저장 및 출력하는 주행 이력 관리 부분으로 구성하였다.

Fig. 4.

GUI configuration of train driving module

시뮬레이터는 이미 국내에서 적용 중인 CBTC뿐 아니라 개발 중인 ATCS 신호체계의 신호성능 분석 등에 효과적으로 사용될 수 있도록 신호체계 알고리즘 분석에 필요한 데이터를 입력 및 수정을 할 수 있도록 UI를 설계하였다. 데이터는 앞 절에서 제시한 데이터베이스를 활용하는 것으로 하였다. 즉, 효과적인 신호성능 분석을 위해 열차의 정보, 신호제어 로직, 운행시나리오 등 기본값들을 데이터베이스에 저장하고 이들 중 신호성능에 영향을 미치는 항목들을 변수로 설정하여 UI를 통해 수정할 수 있다.

이중 그림 2 중 ‘시나리오 관리’ 부분은 시뮬레이터 데이터베이스에서 로드된 데이터를 시나리오 관리 화면에 표시하고 사용자는 UI를 통해 수정하여 다시 시뮬레이터 내의 데이터베이스나 공유메모리로 저장한다. 이 저장된 데이터를 열차주행 UI를 통해 시뮬레이션을 수행하게 되는 방식이다.

특히, 주행할 열차정보, 적용할 신호체계, 출발역, 정차역 및 정차 시간, 진로 등으로 구성되는 운행시나리오는 초기에 생성하여 시뮬레이션 수행 후 이 운행시나리오를 저장하도록 하였다. 다음에 이 저장된 시나리오를 불러서 열차 차종, 정차역 등의 정보를 변경하여 사용할 수 있도록 다시 새로운 운행시나리오를 생성할 필요가 없도록 개발하였다.

그림 5는 시뮬레이션에 적용될 열차의 출발시각, 정차역 및 운행 진로를 설정하기 위한 UI로서 역별 선로선형을 같이 표시하여 진로설정을 쉽게 할 수 있도록 개발하였다.

Fig. 5.

Implemented scenario management windows

SITL 기반 열차자율주행제어 시뮬레이터는 이미 개발한 가상운행선로 에디터와 본 논문에서 제시한 다중 신호체계를 갖는 열차주행 모듈로 구성된다. 이 열차주행 모듈은 국내에서 연구개발 중인 새로운 신호체계인 ATCS뿐 아니라 경전철 등에 적용 중인 CBTC 신호체계도 적용하여 신호성능의 비교분석이 가능하다. 본 논문에서 개발한 열차주행 모듈은 현재 국내에서 운행 중인 도시철도 차량과 KTX 차량의 주행 특성이 반영된 모델을 기반으로 하여 구현하였으며, 향후 다른 차종으로의 확대 등 확장성을 고려하여 설계 및 구현하였다.

현재 국내에서 자율주행제어 시스템의 온보드 제어기가 탑재된 축소 차량에 탑재되어 시험선에서 시험 중에 있다. 또한, 지속적인 알고리즘 개발을 위해 실험실에 실제 선로에서 시험차량에 탑재하여 시험 중인 ATCS 온보드 제어장치와 같은 제어장치를 [5]의 가상운행선로 에디터로부터 생성된 운행선로를 모의 주행하며 신호성능을 분석하는 시험설비가 구축되어 있다. 그림 6에서의 윗부분이 현재 오송 철도시험선에서 ATCS온보드 시스템을 탑재하여 시험중인 사진이고, 아래부분이 여기에 적용한 것과 동일한 온보드 시스템을 적용한 실험실 시험 현황이다. 실험실에서 알고리즘을 검증하여 선로현장에서 업데이트 하여 개발 알고리즘을 검증하고 있다.

Fig. 6.

On-site and laboratory testing status of the ATCS algorithm

본 논문을 통해 개발한 열차주행 모듈은 이미 개발한 가상운행선로 에디터의 검증 관련 선행연구논문 [5]와 동일한 방법으로 본 논문에서 제안 및 개발한 열차주행 모듈을 검증하였다.

여기에서 ATCS 온보드 제어장치를 본 논문에서 개발한 열차주행모듈로 대체한 연동시험을 통해 실험실 및 현장에서 운행 중인 온보드 시스템을 적용했을 경우와 동일하게 모의 열차가 주행하고 그 주행경과가 정상적으로 저장되고 있음을 확인하였다. 그림 7은 실험실에서 연동테스트 결과 정상적으로 ATCS 신호체계에 따란 열차가 정상적으로 주행하고 그 결과가 표시되고 있는 화면을 나타낸 것이다.

Fig. 7.

Train driving results windows by developed simulator