새로운 종류의 인간-기계 통신시스템이 너무 늦기 전에 철도차량의 훼손을 검지하고 필요할 때에만 정비를 시행하는 것이 가능하도록 할 것이다. 이 모든 것은 클라우드에 지원을 받는 무선센서 네트워크 때문이다. 

손상된 차륜으로 주행하는 차량은 심각한 문제에 쉽게 직면하게 된다. 이것이 독일 국영철도 회사인 도이치 반(Deutsche Bahn)이 도시간 급행철도의 윤축을 계속 모니터링하는 이유이다. 이 프로세스는 상당한 시간과 비용이 드는 프로세스이다. 이것이 베를린에 기반을 둔 프라운호퍼 연구소 신뢰성 및 마이크로통합 IZM(Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM) 연구진들이 노력과 비용을 감소시키면서도 큰 안전성을 확보하기 위한 솔루션 개발을 위해 산업계 파트너와 협력하는 이유이다. “우리는 어떠한 손상도 조기에 근원을 찾고 상태에 기반을 둔 유지보수(condition-based maintenance)를 위하여 세팅된 주기 내에서 유지보수를 통해 이것을 제거하기를 원한다”고 마이크로시스템 엔지니어이자 이 연구소 기술-중심의 디자인 방식 워킹 그룹 책임자인 마이클 니더마이어(Michael Niedermayer) 박사는 설명했다. 또한, 그는 상태 기반의 유지보수를 위한 모바일 센서시스템(Mobile Sensor Systems for Condition-Based Maintenance), 줄여서 모세(MoSe)라고 하는 프로젝트의 프로젝트 코디네이터이다. 

끊임없는 모니터링 
이 시스템은 완벽하게 클라우드에 의해 지원을 받는 무선 센서 네트워크이다. 차량의 모든 축과 차체 하부에는 작은 무선센서가 장착되어 있으며, 이것은 마모되는 부품에 관한 데이터를 수집한다. 그다음, 이 데이터들은 온라인 유지보수 클라우드에 전송되어, 이곳에서 측정값과 분석 데이터가 암호화되고 사용을 위해 저장된다. 센서들은 볼 베어링의 미소한 스크래치도 검지할 수 있다. 니더마이어(Niedermayer) 박사는 “우리는 진동 상의 아주 박은 변화도 캡처할 수 있는 센서 노드를 가지고 있다. 우리는 이것을 정밀 분석(in-depth diagnosis)이라고 부른다”고 말했다. 결과적으로, 느슨해지고 손상을 야기할 어떤 일이 발생하기 전에 수리를 할 수 있다. 

“이 접근법의 우수한 점은 차량기지에서 검사해야 하는 것이 아니라 영업운행 중인 차량에서 모든 것이 모니터링이 된다는 것이다. 그리고 어떤 경우이든지, 육안검사가 100% 신뢰성은 없다”고 프로젝트 파트너인 [Deutzer Technische Kohle]사의 맨프레드 도이처(Manfred Deutzer)씨는 말했다. 철도차량 차대의 마모와 훼손을 검사하는데 사용될 수 있는 센서들이 와이어링되어 있음에도, 모세(MoSe) 개발자들이 추진 중인 것은 이러한 고장들이 높은 진단 품질 표준을 맞추는 것이다. 

새로운 방식을 사용하여, 정밀한 데이터 즉, 축 베어링이 3개월 내에 교체되어야 하는지 아니면 사전에 교체할 필요가 없는지 등에 대한 데이터를 확보하는 것이 가능하다. 차륜 찰상이 레일의 손상을 가져올 수 있는지에 대한 측면에서, 후자는 정해진 주기로 차륜을 오버홀하는 관례적인 방식으로서 비경제적이다. “차륜은 폐기되기 이전에 3회 정도의 수선에는 견딜 수 있다. 그러므로 우리가 실제로 정상 회전이 되지 않고 있다는 것을 알게 된 차륜만 그라인딩하는 것이 훨씬 효율적이고 비용이 적게 들 것이다. 문제는 차륜 찰상을 검사하기에 적절한 방법이 없었다는 것”이라고 도이처(Deutzer)씨는 말했다. 모세(MoSe) 프로젝트는 모든 것을 변화시키고 그 이상의 것을 제공할 것이다. 

“우리가 의도하는 것은 진단을 개선하는 것만이 아니라, 최우선의 것은 가능한 상세하고 맞춤형으로 수집된 데이터를 프로세싱하는 것”이라고 니더마이어(Niedermayer) 박사는 말했다. 아이디어는 열차 기관사에게 위험스러운 차륜 손상과 같은 모든 관련 정보를 그리고 진단 전문가들에게는 상세한 측정 데이터를 제공하여 기어 손상이 얼마나 빨리 진행되고 있는지를 평가하도록 하고, 설계자들에게는 모든 부품의 마모에 관한 측정 통계를 제공하여 다름에 차량을 생산할 때 기술적 디자인을 개선하도록 하는 것이다. 관련된 누구나가 올바른 방식으로 작업이 가능한 형태로 그들이 필요한 데이터를 받는다는 것을 보장하기 위해서는 명확한 진단 알고리즘 개발을 요구한다. “다른 장점으로는 무선센서가 쉽게 설치가 가능하다는 사실”이라고 니더마이어(Niedermayer) 박사는 덧붙였다. 

또한, 새로운 것은 이 시스템이 열차의 차륜과 같이 조사 대상 구성품의 다른 회전속도에 맞게 적응이 가능하여, 열차가 주행하는 속도와 무관하게 믿을 수 없는 정밀 데이터를 제공해 준다는 사실이다. 센서가 일정 회전속도에서 동작하도록 디자인되어 온 것이 지금까지의 방식이다. 이러한 세트업은 관리는 쉬울지라도, 진단 품질로 고생함을 의미하는 것이다. 분석 알고리즘 덕분에, 이것이 변하게 될 것이다. 그렇지만 이러한 알고리즘의 개발은 균형을 필요로 하는 것이다. “이 시스템은 축전지가 없이 작동되도록 의도되었기 때문에, 알고리즘은 과도한 컴퓨팅 전력을 사용하여 불필요한 에너지를 사용하면 절대 안된다”고 니더마이어(Niedermayer) 박사는 말했다. 모세(MoSe) 프로젝트는 에너지 하베스팅 기술을 사용하므로, 구성품이 회전할 때 발생하는 진동과 열로부터 에너지를 태핑할 수 있다. 

향후 2년간에 걸쳐, 프로토타입 장치가 개발되어 독일 브란덴부르크 안데어하펠 시가 운영 중인 트램에서 시험될 예정이다. 그다음, 이 시스템은 통근열차나 장거리 열차에서 모니터링 목적을 위해 사용될 예정이다. 

* 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』