- 인천 1호선에 무선통신 기반 장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템 구축 -

겨울 한파 속, 안전한 열차 운행을 위해 레일은 어떤 대비를 하고 있을까?

한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 한석윤)은 인천교통공사와 공동으로 인천도시철도 1호선에 ‘무선통신 기반 장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템’을 구축했다.

장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템은 레일의 온도 및 대기의 온도와 습도, 레일에 가해지는 윤중과 가속도 등 궤도의 상태를 실시간으로 모니터링하는 시스템이다.

궤도의 오랜 거동 상태를 실시간 감시할 수 있도록 계측 데이터 자동 추출을 위한 실시간 모니터링 프로그램을 개발하여 해당 구간의 데이터 변화 추이를 일, 월, 년 단위로 확인 및 관리하고 있다.

열차가 다니는 길인 레일은 온도와 하중에 민감하다. 특히, 승객의 승차감 증대와 열차의 고속화를 위해 이음매가 없는 길이 200m 이상의 장대레일에서는 극심한 온도 차이로 인한 내부응력 변화로 문제가 발생될 수 있다.

영상 40도 이상의 폭염에서는 레일이 평소보다 늘어나면서 자칫 휘거나 솟아오르는 레일 장출이 발생할 수 있고, 추운 겨울에는 레일이 수축하면서 끊어지는 레일 절손 등이 일어날 수 있다.

레일의 변형이 생기면 열차 탈선사고가 발생할 수 있고, 열차 운행에 지장을 주기 때문에 레일 거동상태를 모니터링하여 선제적으로 대응하는 것이 매우 중요하다.

개발된 장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템은 현장에서 실시간 계측한 정보를 무선통신망으로 클라우드 웹서버에 데이터를 전달하면 컴퓨터나 휴대용 태블릿으로 손쉽게 모니터링할 수 있게 구축했다.

레일온도 및 대기의 온도와 습도를 측정하는 통신망은 측정 위치에 설치된 단말노드끼리 서로 연결하여 정보를 주고받는 메시(Mesh) 방식의 멀티홉(Multi-hop) 무선통신망을 활용한다.

이 방식은 측정범위가 넓고, 네트워크 연결지점인 일부 노드에 신호 단절이 발생하더라도 다른 노드에 연결할 수 있어 안정적인 데이터를 얻을 수 있다. 그리고, 열차 운행에 따른 간섭을 최소화할 수 있다.

기존 철도현장에서 사용 중인 레일온도 측정은 무선통신 방식이 아니기 때문에 전원공급 가능 장소 중심의 측정에 따른 케이블 설치의 번거로움과 작업시간 증가, 케이블 길이 증가에 따른 노이즈 발생 등 제기되었던 문제들을 해소했다.

또한, 측정 장비를 최소화해 레일의 상태를 간편하게 계측하고, 현장에 직접 방문하여 측정하지 않더라고 원격으로 데이터를 실시간 장기적으로 관리할 수 있다.

한편, 지하철도 구간은 레일의 온도변화가 작다고 예측하지만, 외기에 노출되기 쉬운 환기구는 부분적으로 온도변화가 크다. 모니터링 결과, 지하터널에서 환기구와 터널 중앙 부분의 레일온도 차이는 여름보다 겨울이 큰 것으로 나타나 겨울철 대비가 더 필요하다.

5월부터 11월까지 계측한 레일 온도 데이터에 따르면 인천지하철은 주기적인 환기설비 가동으로 9월 최고온도는 28.9℃로 터널 중앙부분과 0.73℃ 차이가 있었고, 최저온도는 3.25℃로 터널 중앙부분과 11.8℃ 이상 발생한 것을 확인했다.

※ 관련 연구과제

- 과제명 : 레일 상시 진단을 통한 수명 연장 기술 개발(PK2303B1)

- 연구기간 : 2021.01.01.~2023.12.31. (연구책임자 : 여인호 수석연구원)

연구책임자인 여인호 철도연 수석연구원은 “계속해서 장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템으로 레일 온도와 궤도 거동 간의 상관관계를 정립하여, 레일 절손을 사전에 대응하는 방법과 레일 유지보수 의사결정 기술도 확대 연구할 계획”이라고 전했다.

김성완 인천교통공사 사장은 “철도현장의 다양한 현안을 유관 기관과의 긴밀한 협업으로 해결하겠다”고 전했다.

한석윤 철도연 원장은 “레일 상태를 실시간 모니터링하는 데이터 기반의 즉각적인 현장 유지보수 대응 방안 시스템”이라며, “도시철도뿐만 아니라 고속철도 및 일반철도까지 연구를 확대하여 더욱 안전한 철도 구현을 위해 노력하겠다”고 전했다.

※참고 : 장대레일 실시간 모니터링 시스템 관련 구성도 및 현장 설치 모습

참고 1 장대레일 실시간 모니터링 시스템 관련 그림

<메시(Mesh) 방식의 레일 온도 무선측정 시스템 구성도>

<레일 온도 데이터 무선네트워크 연결방식>

<레일온도 및 대기온습도를 측정하기 위한 센서 노드의 구성 및 설치 모습>

<레일 및 궤도 거동 장기계측 시스템 구성도>

<레일 및 궤도 거동 장기계측 구성 및 설치모습>

<레일 및 궤도 거동 장기계측 구성 및 설치모습>