몇 년 전만 하더라도 철도차량의 유지보수는 전통적인 방식으로 이뤄졌다. 고장 예방을 위해 유지보수 작업을 정기∙주기적으로 실시하는 예방적 유지보수(Preventive Maintenance)와 고장이 발생한 이후에 수리하는 고장 후 유지보수(Corrective Maintenance)가 대표적이다. 그러나 이 두 방식은 상당한 시간과 경비, 그리고 운휴가 수반되기 때문에 철도차량 운영 및 유지보수 비용의 증가가 불가피하다. 이는 운영 및 유지보수 방식의 효율화가 대두되고, 철도차량의 가용성 과 유지보수성 향상을 위한 철도차량 정보의 디지털 트랜스포메이션(Digital Transformation)이 빠르게 진행되고 있는 배경이기도 하다.
유럽에서는 2018년부터 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 정보통신기술(Information and Communication Technologies, ICT) 등 4차 산업혁명 관련 기술을 철도차량의 운영뿐만 아니라 유지보수에도 적용하고 있다. 현대로템 역시 상태기반 유지보수(Condition Based Maintenance, CBM) 시스템에 IoT와 ICT를 접목해 스마트 유지보수 체계를 구축하고 있다. 이를 통해 열차와 주요 장치의 상태 정보를 체계적으로 수집하고 분석해 활용하겠다는 계획이며, 이것이 현대로템이 추진 중인 디지털 전환의 일환이다.
디지털 트랜스포메이션 개요
철도차량 유지보수의 디지털 트랜스포메이션 단계는 다음과 같다.
• 디지타이제이션(Digitization): 열차 상태에 관한 모든 아날로그 신호를 디지털 정보로 바꾸고, 철도차량 내 전용 네트워크망을 통해 수집
• 디지털라이제이션(Digitalization): 디지타이제이션으로 모은 정보를 클라우드 또는 사용자 친화적인 정보 수집 서버를 통해 데이터 최적화
• 디지털 트랜스포메이션(Digital Transformation): 수집된 정보를 바탕으로 철도차량에 대한 실시간 진단 모니터링 및 분석을 실시해 철도차량의 스마트 유지보수 체계 도모
• 철도차량의 디지타이제이션(Digitization)을 통한 빅데이터 수집
디지털 전환의 핵심은 유의미한 데이터, 즉 정보를 가능한 한 많이 모아야 한다. 그 다음으로 정보 선별과 분석 및 결과 도출이 필요하다. 이를 위해 철도차량의 정보를 모으는 시스템과 부품도 달라지고 있다. 과거에는 무선 인식(Radio Frequency Identification Device, RFID) 태그를 이용해 철도차량과 주요 장치의 정보를 수집하고, 그 정보는 선로 주변에 설치한 RFID 수신 장치의 TCP/IP 네트워크를 통해 정보 수집 서버로 전송됐다. 그러나 수집해야 하는 정보의 종류와 양이 많아지면서(빅데이터를 다루는 데 있어서) 기존의 기술은 한계에 부딪혔다.
최근에는 이를 보완하기 위해 특정 위치에서 실시간으로 정보를 수집하는 열차무선장치(Radio Transmission Device, RTD) 시스템을 이용한다. RTD 시스템을 통해 수집된 정보는 사용자 관점의 고장 모니터링 및 빅데이터 분석 플랫폼에 활용된다. 가령 고장 발생 전에 이를 미리 알려줘 사전 조치를 취하도록 돕는다. 따라서 철도차량과 장치의 안전 및 서비스 성능에 영향을 미치는 고장을 줄일 수 있다. 이처럼 철도차량의 효율적인 유지보수를 위한 CBM 기술은 철도차량 및 주요 장치의 신뢰성, 가용성, 유지보수성, 안전성(Reliability, Availability, Maintainability and Safety, RAMS)을 효과적으로 향상시킨다. 또한 유지보수 자원을 최적화해 해당 장치의 생애 주기 비용(Life Cycle Cost, LCC)도 줄여준다.
철도차량의 디지털라이제이션(Digitalization)과 빅데이터 전처리 및 분석
철도차량 데이터 수집 유형
이전까지 철도 운영의 목적은 대규모 인원 및 화물 수송이었기에 철도차량의 제어와 감시를 위한 정보 수집이 먼저였다. 하지만 최근 IoT 및 ICT 기술이 발전하면서 제어 및 감시와 더불어 열차의 운영 및 유지보수에 활용하기 위한 상태 정보 수집에 많은 노력을 기울이고 있다. 이를 위한 철도차량의 정보 수집 방법은 크게 2가지가 있다. 철도차량 자체에 모니터링 시스템을 구축하는 차상(On-board) 모니터링 시스템 방식과 철도차량이 운행되는 선로 변에 모니터링 시스템을 구축하는 지상(Wayside) 모니터링 시스템 방식이다.
차상 모니터링 시스템은 각 장치의 센서를 통해 정보를 수집하고, 그 정보를 전처리해서 철도차량의 메인 서버로 전송한다. 이후 열차의 무선통신을 통해 클라우드 또는 지상의 빅데이터 분석 서버로 보낸다. 그리고 데이터를 관리 및 분석해 운영자와 유지보수자에게 유용한 정보를 제공한다. 반면 지상 모니터링 시스템은 선로 주변에 적외선 카메라 등을 설치하거나, 철도차량의 구동부에서 발생하는 소음 또는 진동을 측정해 정보를 얻는다.
차상 모니터링 시스템의 정보 수집 방식은 2가지 유형으로 나눌 수 있다. 첫째는 철도차량을 제어하고 관리하는 종합 제어 장치(Train Control Management System, TCMS)를 통해 정보를 수집하는 방식이다. 이는 철도차량의 주 네트워크에 연결돼 있는 장치로 국한되지만, 철도차량 제어를 위한 정보이므로 정합성과 안정성이 매우 높다. 두 번째는 차상 모니터링 시스템을 통한 방법으로 열차의 주 네트워크와 별도의 네트워크를 구성해 열차 운행을 위한 제어에 관여하지 않는다. 따라서 시스템이 고장 나도 열차 서비스 운행에 영향을 주지 않는다.
차상 모니터링 시스템은 주요 장치의 상태 정보를 수집하기 위한 센서, 여러 센서와 연결돼 다수의 아날로그 정보를 디지털로 변환 후 전송하는 데이터 전송 장치(Analogue Digital Converter, ADC), 다수의 열차 정보를 한 곳에서 수집해 전달하는 이더넷 스위치(Ethernet Switch)와 게이트웨이(Gateway), 그리고 철도차량의 모든 정보를 수집하고 관리하는 엣지 서버(Edge Server) 등으로 구성된다.
철도차량 차상 네트워크 구성도 (예시 : KORAIL 전동차)
각 센서에서 수집한 데이터는 센서의 종류와 수량에 따라 전처리가 필요하다. 전처리는 상태 지표를 추출할 수 있는 형태로 데이터를 정리하고, 변환하기 위한 단계로 아래 작업들을 수행한다.
• 이상값 및 누락값∙오프셋∙추세 제거
• 필터링, 평활화 등 잡음 감소
• 시간 영역과 주파수 영역 간의 변환
• 단시간 푸리에 변환, 차수 영역으로의 변환 등과 같은 고급 신호 처리
특히, 철도차량과 같이 운행 및 작동 시간에 영향을 많이 받는 시계열 데이터를 효율적으로 분석하기 위해서는 데이터의 전처리를 수행해야 한다. 또한 클라우드 및 지상 서버 내 빅데이터 분석 시스템을 통해 실시간 진단 모니터링과 고장 분석 및 예측까지 수행할 수 있는 스마트 유지보수 체계 구축을 위해서는 지상 CBM 플랫폼도 반드시 도입돼야 한다.
철도차량의 디지털 트랜스포메이션(Digital Transformation), 스마트 유지보수 프로세스
스마트 유지보수 프로세스
스마트 유지보수 체계 구축을 위해서는 철도차량과 관련된 많은 정보를 다양한 방법으로 수집하고 이를 체계적으로 관리해야 한다. 철도차량은 다른 모빌리티 산업에 비해 정보 수집 및 관리가 용이하고, 체계적으로 DB(Data Base)화된 정보를 분석하면 예상치 못한 고장이 발생하는 경우를 최소화할 수 있다. 이는 곧 열차 운영 가용성 향상을 뜻하며 정보 운용 주체와 방식에도 변화를 줄 수 있다. 기존에는 철도차량 정보의 수집∙관리가 철도차량의 검수 및 정비가 이뤄지는 정비 기지에서 수동적으로 이뤄졌지만, 차상∙지상 CBM 플랫폼을 이용한 스마트 유지보수 체계를 도입하면 열차의 상태 정보를 언제든지 확인할 수 있는 클라우드 기반의 실시간 정보 수집 및 관리를 통해 운영자, 유지보수자, 관리자 등 다양한 사용자가 예상하지 못하는 상황에 더 능동적이고 적극적으로 대응할 수 있다.
현대로템은 운영사의 요구사항에 부합하는 철도차량을 제작하고, 더 스마트한 운영 및 관리를 위해 4차 산업혁명 기술을 단계적으로 적용하고 있다. 철도차량의 정보들을 디지털화해 사용자 중심의 유용한 정보로 변환하는 프로세스를 구축하는 중이며, 디지털 트랜스포메이션이 이러한 변화의 시작이다. 앞으로 철도차량의 정보 수집 및 분석을 통한 실시간 진단 모니터링 솔루션 개발 단계를 넘어, 철도차량과 관련된 모든 정보를 자산으로 관리하는 자산 관리 솔루션을 개발해 현대로템 디지털 서비스의 포트폴리오를 완성할 예정이다.