2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S300

철도차량 부품관리를 위한 듀얼밴드 RFID 태그 적용에 관한 연구

The Study on the dual-band RFID tags applied for management of railway vehicle

parts

윤형기*, 박찬영*, 서봉진*, 차정훈†, 김태도**, 김영배**, 박세영**, 장정진**

Hyong-Ki Yoon*, Chan-Young Park*, Bong-Jin Seo*, JungHoon Cha†, Tae-Do Kim**,

Young-Bae Kim**, Se-Young Park**, Jung-Jin Jang**

Abstract Recently, the interest for the safe driving and efficient maintenance of the vehicle for the rail industry has been amplified. Barcode system is generally used to manage the parts for the rugged railway environment but RFID Systems are also done for some. But, both are not capable to every part for that. In this study it is introduce that the dual-bands (900 MHz, 2.4 GHz) RFID system for parts management in rugged railway environment. Dual-band RFID tags are attached three kinds of repairable parts, traction motors, main air compressor and air dryer. Propose of study is this systems is more efficient for harsh railway circumstance. The studies are tested in railway test line and during real operations on vehicle. Keywords : Railway Parts, RFID, Dual-Band, Repairable Parts. 초 록 최근 사회적으로 안전에 관한 관심이 증폭되고 있는 가운데 철도산업에 있어서도 차량의 안전한 주행과 효율적인 유지보수를 위한 연구가 이루어지고 있다. 현재까지 철도차량 부품 관리를 위해 바코더 및 RFID기술을 일부 적용하여 관리를 하고 있으나 열악한 철도환경으로 인해 실제 부품관리 시스템 적용에는 한계점을 드러내고 있다. 따라서 본 연구에서는 열악한 철도 환경에서의 철도차량 부품관리를 위해 듀얼(900MHz, 2.4GHz)밴드 RFID 태그를 이력관리부품 3종(견인전동기, 주공기압축기, 공기건조기)에 부착하여 시험선 운영 및 차량기지에서의 현장시험을 통해 제품의 검증 및 요구사항을 도출하였다.

주요어 : 철도부품, 순환예비품, 듀얼밴드 태그, 알에프 아이디.

1. 서 론

RFID(전파식별:Radio Frequency Identification)기술은 무선 기술을 이용한 비 접촉식 인식 시

스템으로서 바코드 시스템에 비해 인식 부위의 오염 등에 강한 특성을 보이고 원거리에서

다량의 물체를 인식 할 수 있는 시스템이다. RFID중 900MHz 기반의 시스템은 물류 관리,

자산 관리, 제품 이력 관리 등의 용도로 사용되고 있다[1-4]. 대부분 수동형(자체 전원을 가

지고 있지 않는 태그) 태그가 사용이 되고 태그가 부착되는 대상의 재질이 금속의 경우 전 † 교신저자: 부산대학교 사물인터넷 연구센터 (huni.cha@gmail.com) * 케이아이씨시스템즈㈜ 기술연구소 ** 서울메트로 도시철도연구원

용 메탈 태그가 사용되고 있다. 부품 관리용으로도 이러한 RFID시스템이 많이 사용되고 있

는데, 특히 철도 환경의 부품 관리에 900MHz 기반 수동형 태그를 사용하는 시도가 있었으

나 현재의 수동형 메탈 태그로는 인식률과 인식거리가 부족하여 사용되지 못하고 있다[5-6].

철도 차량은 수천 가지의 부품으로 이루어져 있고 체계적인 관리가 필요하기 때문에 철도

운영 기관들은 이러한 부품들을 효율적으로 관리할 수 있는 시스템을 도입하려고 시도하고

이다. 그래서 체계적인 부품 관리와 이를 통한 운영 비용의 감소를 위해 RFID를 부품 이력

관리에 도입 하고자 하는 기존의 연구 사례들이 많이 있다[7-8]. 하지만, 금속이 대부분인 철

도 환경의 어려움과 열악한 운행 환경 및 유지 보수 상황에서 지속적으로 인식 성능을 확보

할 수 있는 RFID 시스템은 아직 부족한 상태이다[9].

본 연구에서는 철도 부품 관리를 위한 듀얼-밴드(900MHz/2.4GHz) 능동형 (태그가 자체 전

원을 보유) RFID 시스템을 제안[12] 하고 이 시스템의 인식 성능을 검증하기 위해 서울메트

로의 1호선 차량의 순환 예비품에 부착하여 실증 테스트를 진행하고자 한다.

2. 본 론 2.1 듀얼 밴드 능동형 RFID 시스템

본 연구에서 제안하여 검증하는 RFID 시스템은 기존의 대부분의 RFID 시스템이 한가지

주파수만을 사용하는데 비해, 철도 부품 관리를 위해 인식률 및 인식 거리 확보를 위해 동

시에 900MHz와 2.4GHz 를 사용하는 듀얼-밴드 시스템이다. 하나의 RFID 태그에 ISO/IEC

18000-6C[10] 기반의 900MHz 반수동형과 ISO/IEC 24730-5기반 CSS(Chirp Spread Spectrum)를

이용한 2.4GHz 능동형 기술[11]을 동시에 적용하여 인식이 가능한 시스템을 구성 하였다. 리

더도 듀얼-밴드를 동시에 인식 하도록 하였으며 단일 ID로 관리하도록 했다.

(a) Dual-Band Reader (b) Dual-Band Tag

Fig. 1 Dual-Band RFID System Blocks

Table 1. Dual-Band RFID systems specifications

Hardware Specification

Reader

- TCP/IP, ARP- LAN, RS-232 - 900MHz(2Port), 2.4GHz(1Port) - DC 12~24V Passive POE - Operating Temp. : -20℃ ~ 60℃ - 155mm(W)*133mm(D)*40mm(H) / IP67

Tag

- DC 2.5V~3.7V- Lithium- ion 3.7V/650mAh - Operating Temp. : -25℃ ~ 100℃ - 45mm(W)*45mm(D)*15mm(H), 85g

Dual Band RFID Reader / Tag Specification

900MHz - 860~960MHz, - EPC Gen2,ISO/IEC 18000-6C - Backscatter

2.4GHz

- 2.4GHz ISM Band- ISO/IEC 24730-5 - Chirp Spread Spectrum (CSS) - 250Kbps~2Mbps

Fig 1.과 Table 1.에 듀얼 밴드 RFID 시스템의 시스템 블록도와 사양을 나타내었다.

2.2 실증 테스트

듀얼 밴드 RFID시스템을 서울 메트로 군자 차량 기지의 검수고 실제 철도 환경에 설치하여

테스트 진행을 하였으며, 철도 차량 부품 관리를 위해 듀얼 밴드 RFID 태그를 이력관리 부품

3종(견인전동기, 주공기 압축기, 공기 건조기)에 부착하여 철도부품 인식율 시험, 인식 거리

시험, 리더 동작 시험 등의 RFID 인프라에 대한 성능 테스트 와 이력관리 3종 부품의 동작

온도 센싱 정보 수집, 부품 교체시험에 대한 시험선을 운영하여 검증테스트를 차량기지의

검수고 에서 진행 하였다. RFID 태그에서 전송된 데이터는 3D PLM 기반의 부품 관리 관제

시스템[12]과 연계를 하였으며 이를 통하여 데이터를 수집 하였다.

2.2.1 RFID 인프라 및 관제 시스템 설치

테스트용 듀얼 밴드 태그가 설치된 1호선 VVVF 현대 ADV 전동차는 서울 메트로의 내부

점검 절차 대로 도착점검, 일상검사, 월상검사가 남부 검수고에서 수행되며, 전동차 1편성을

2개월간 시험선 운영하는 점을 고려하여, 현장 운영 및 시험이 용이하도록 도착점검 및

일상검사가 수행되는 검수선 1개선(P4선)에 Fig. 2와 Fig. 4와 같이 RFID 인프라를 구축하였다.

1호선 VVVF 현대 ADV 전동차는 본선 운행 중 차륜의 플랜지 마모 발생으로 6개월 주기로

차량의 전/후부를 방향 전환하여 운용된다. 따라서RFID 인프라 설치비용의 최소화를 고려하여,

시험선 운영기간 동안 전동차 전/후부 방향전환이 없는 전동차(106편성) 1편성을 선별하여

RFID 태그를 설치하였다. 부품의 RFID 태그의 설치는 호스밴드를 이용하여 브라켓을 부품에

고정시킨 후, 태그를 브라켓에 볼팅하는 방식을 적용하였다.

이력관리부품 3종의 부품별RFID 태그는 Fig. 3에서 볼 수 있는 것처럼 견인전동기의 TM좌,

주공기압축기의 유지보수용 받침대, 공기건조기의 절환변에 설치하였으며, 전동차 편성번호 대

표 RFID 태그는 Tc 1,2 car의 스커트 후면 구조물에 설치하였다.

Fig. 2 RFID 인프라 및 관제시스템 구성도

(a) 견인전동기 (b) 주공기 압축기 (c) 공기건조기 (d) 편성 대표태그

Fig. 3 이력관리 3종 부품에 장착된 듀얼밴드 능동형 태그

(a) 듀얼밴드 RFID리더 (b) RFID 안테나 (c) 전원 박스 (d) P4 검수선

Fig. 4 남부검수고 P4선에 설치된 RFID 인프라(리더 / 전원 / 안테나)

Table 2 에서 전체 설치 목록을 볼 수 있다. 순환예비품 창고에 구축된 관제시스템은 전동차/

부품의 RFID 태그 센싱정보 수집 및 RFID 인프라의 모니터링 및 제어를 위한 시스템으로 서

버와 미들웨어 PC, 모니터등 이 설치 되어 있다. 이러한 듀얼밴드 RFID 시스템을 기반으로 관

제시스템에서는 Fig. 5와 같이 3D PLM 데이터를 통한 철도 부품을 관리하고 해당 부품에 부착

된 태그의 인식 성능이 쉽게 확인 가능하도록 시스템을 구축하였다.

Fig. 5 관제 시스템에서 확인 가능한 철도부품 정보 및 RFID 정보

Table 2 남부검수고 P4선 주요 인프라 장비 품목/수량 및 기능

장치명 기능 수량

듀얼밴드 RFID 리더 - 2.4GHz/900MHz 리더

- 2.4GHz 인식용 안테나 13개

RFID 안테나 - 900MHz 인식용 안테나

- 차량/부품 RFID 태그 900MHz 무선 충전용 25개

파워박스 - RFID 리더, 안테나 전원 공급

- RFID 리더/안테나/관제시스템 데이터 통신 5개

통신선 - RFID 안테나, RFID 리더, 관제시스템 간 통신

송수신 배선 검수선 1선

전원선 - 파워박스로부터 RFID 안테나, RFID 리더로의

전원 공급용 배선 검수선 1선

2.2.2 현장 테스트 항목

본 연구에서는 군자차량기지의 남부검수고에 설치된 듀얼밴드 RFID 시스템을 기반으로

2 개월간 현장 테스트를 진행 하였다. 현장테스트는 태그의 인식거리 테스트를 비롯하여

철도부품의 고온 동작 테스트, 리더제어등 현장에서 꼭 필요로 하는 테스트 13 종을

실시하였으며, 관제시스템을 통하여 편성에 따른 검사이력조회 등 3D PLM 을 이용하여 쉽게

철도부품의 정보등 이력조회를 할 수 있었다. 전체 테스트 항목은 Table 3 과 같다.

Table 3 Recognition ratio of each Frequency

번호 시험 항목 시험 내용

1 듀얼밴드 리더의 오버섹터 인식시험 인접 검수선 태그 정보유입 유무

2 듀얼밴드 태그의 900MHz 인식거리 시험 LOS 환경의 900MHz Tag 인식 거리

3 듀얼밴드 태그의 2.4GHz 통신거리 시험 LOS 환경의 2.4GHz 통신 인식거리

4 듀얼밴드 태그의 고온동작 시험 견인전동기 건조 로 통과 시험

5 듀얼밴드 태그의 철도부품 인식 시험 메탈환경의 통신 시험

6 듀얼밴드 태그의 인식률 시험 편성 진입, 정차시 통신성공률 시험

7 듀얼밴드 900MHz 태그의 단일 인식 시험 선택된 단일 태그 인식 시험

8 듀얼밴드 2.4GHz 태그의 단일 인식 시험 선택된 단일 태그 인식 시험

9 태그의 센싱정보 수집시험 태그에 저장된 센싱정보 전송 시험

10 관제 시스템에 의한 듀얼밴드 리더 제어 시험 Reset,Stop 등 리더 제어 시험

11 철도부품 교환 처리 시험 교환된 부품정보와 편성정보 매칭

12 관제시스템을 통한 편성별 검사이력 조회 시험 누적된 편성별 데이터 이력 조회

13 관제시스템을 통한 센싱 이력 조회 시험 누적된 센싱데이터 이력 조회

하지만 전체 시험 항목 중 듀얼 밴드 태그의 인식률과 인식 거리 시험을 통하여 본 RFID

시스템이 기존의 시스템에 비해 인식 성능에 있어서 철도차량 부품 관리에 사용이 적합한지에

대한 여부를 정량적으로 평가하였다.

2.3 실험 결과

2.3.1 900MHz 및 2.4GHz 태그의 주파수별 거리 테스트

차량기지의 특성상 인접 선로와의 거리가 가깝지만, 인접 선로의 태그는 인식되지 않았으

며, LOS 환경에서의 통신거리테스트는 900MHz 대역은 약25m, 2.4GHz 대역은 200m까지 통

신됨을 확인하였다. 테스트는 차량에 설치된 상태에서 검수고에 차량은 천천히 5Km/h로 진

입하면서 최종 단에 연결된 리더기에 차량의 최선두의 태그가 주파수 별로 인식 되는 거리

를 확인 하였으며, Table 4는 1일 10회 각 5일간 실시하여 평균을 낸 결과이다.

Table 4 Communications distance of each Frequency

Day

Freq.

First day

average

Second day

average

Third day

average

Fourth day

average

Fifth day

average

Total

average

900MHz 25m 26m 25m 24m 24m 25m

2.4GHz 198m 210m 202m 200m 200m 200m

2.3.2 900MHz 및 2.4GHz 부품 설치 후 인식률 테스트 결과

약2개월간 현장테스트를 진행하면서 매일 1차례씩 차량이 검수고에 진입하였으며, 차량에

장착된 태그 28개가 1회씩 인식되어 총 1680회 통신을 하였다. Table 5에서 볼 수 있듯이 수

집된 데이터를 확인하였을 때 주파수 별 인식률은 2.4GHz 대역에서는 100%의 통신 성공율

을 보였으며, 900MHz 대역에서 평균 85%를 인식 성공율을 보였다. 검수고에 차량이 진입할

때 속도는 안전규정상 최대 25Km/h 이하로 진입을 하여 이동간에 각 태그들이 인식을 하게

되어 있는데 각 주파수별 인식 거리의 한계에 의하여 위와 같이 인식률의 차이가 생긴 것으

로 판단된다.

Table 5 Recognition ratio of each Frequency

Status Frequency Nos. of Passed Tag

Nos. of recognized tag

Recognition ratio

Approach 900MHz 1680 1462 87% 2.4GHz 1680 1680 100%

Stop 900MHz 1680 1395 83% 2.4GHz 1680 1680 100%

3. 결 론

본 연구에서 제안한 능동형 듀얼-밴드 RFID 시스템의 성능은 철도 차량에 설치된 상태에

서 인식율은 100% 로 나타났고 인식 거리는 최소 23m 의 성능을 보여주어 철도 부품의 관

리를 위한 필요 사항은 충분히 검증 되었다고 볼 수 있다. 기존의 수동형 900MHz RFID 시

스템과 비교했을 때, 900MHz 부분의 성능 향상의 이유는 배터리를 포함하여 태그 통신에

필요한 전원 확보에 의한 것으로 확인 된다. 다만 듀얼-태그 내의 900MHz와 2.4GHz의 인식

성능 차이는 소형의 태그 크기, 45mm(W)*45mm(D)*15mm(H), 내에 각 주파수별 안테나의 이

득을 2.4GHz 경우 충분히 확보가 되나, 900MHz 경우 그렇지 못한 데에 원인을 찾을 수 있

다. 이에 대한 원인은 전파의 파장에 특성에 기인한다.

본 논문에서는 순환 예비품에만 부착하여 테스트를 진행 했으나, 모든 철도 부품에 적용

할 경우, 태그 크기의 소형화가 절대적으로 필요하다. 태그가 소형화가 될 경우 많은 추가적

인 연구가 필요한데, 배터리 용량 감소에 따른 저전력 설계가 필요하고 인식 성능이 저하되

지 않도록 안테나 설계 기술도 또한 필요로 할 것이다.

후기

본 논문은 미래창조과학부 산업융합원천기술개발사업 철도차량 스마트 운영 관리를 위한

듀얼밴드의 능도형 맞춤형 태그 및 응용 SW 개발 과제의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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