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2016 9월 22, 13:00 CEST

혁신적인 네트워크 및 안테나 디자인은 철도 차량을 위한 새로운 세대의 견고한 무선 상황 모니터링 시스템 솔루션이 될 수 있다고 SKF의 철도 엔지니어링 매니저 Mario Rossi는 말합니다.

여러 운송 분야에서와 마찬가지로 철도 부문의 안전과 신뢰성을 향상시키고 유지관리를 감소시키고자 하는 동기는 상황 기반 유지관리 접근방식에 대한 높아진 관심을 초래하고 있습니다. 이는 모니터링 기술을 필요로 합니다. 정상 운행 중 온도, 진동 및 기타 변수의 변화는 기계적 문제에 대한 조기 경보를 제공할 수 있으며, 이를 통해 운영사는 고장이 발생하기 전에 조치를 취할 수 있습니다. 현재까지 문제가 되는 것은 핵심 구성품들로부터 이러한 데이터를 수집하는 데 필요한 센서들을 설치하는 데 추가 배선의 복잡한 네트워크가 필요하다는 점이었습니다. 이들 케이블은 설치하는 데 비용이 많이 들고, 일상적인 유지관리에 시간이 많이 걸리며 어렵습니다.

현재 두 곳의 선도적인 이탈리아 교육 기관과1 협력 중인 SKF의 엔지니어 팀은 저전력 무선 통신을 사용하는 센서의 네트워크가 어떻게 디자인, 설치 및 유지관리를 대폭 단순화할 수 있는지를 보여주었습니다.

열차 상태 모니터링용으로 적합한 무선 네트워크를 만드는 일은 여러 이유로 어렵습니다. 우선 센서가 재충전이나 교체 없이 오랜 시간 작동할 수 있어야 합니다. 예를 들어 일부 현대적인 여객 열차의 축함은 오버홀 간격이 100만 킬로미터가 넘을 것으로 기대되고 있으며, 운영사들은 이러한 수치를 배가시키고자 하는 생각을 가지고 있습니다. 자체 전력을 생산하고 저장해야 한다는 것은 센서가 극단적으로 에너지 효율적이어야 하고, 무선 신호의 전송을 위해 제공되는 전력이 크게 제한된다는 것을 의미합니다.

철도 차량의 큰 사이즈는 이러한 저전력 필요에 단점으로 작용합니다. 예를 들어 축함에 장착된 센서는 차량의 중앙에 있는 약 20m 떨어진 수신기로 송신을 해야 할 수 있습니다. 또한 열차는 무선 전송이 어려운 환경입니다. 차량의 보기(bogie), 섀시 및 바디에 있는 대량의 전도성 물질은 모두 신호를 차단하거나 간섭할 수 있습니다.

이러한 요건을 충족시킬 수 있는 무선 네트워크를 구축하기 위해 SKF 팀은 먼저 제안된 시스템에 적합하게 작동하는 주파수를 선택해야 했습니다. 이러한 선택에 영향을 미치는 요소는 전자기 스펙트럼의 사용에 적용되는 지역 규정, 열차 자체 또는 주변의 기타 장비에서 발생하는 간섭의 가능성, 각 주파수를 통해 전송할 수 있는 데이터의 양과 필요한 하드웨어 크기 간의 균형 등 여러 가지가 있습니다.

팀은 처음에 세 가지 주파수를 검토했습니다. 이들 주파수는 434MHz, 868MHz 및 2.4GHz입니다. 그런 다음 팀은 철도 차량 구조의 주변과 이를 관통하는 전파의 복사와 회절을 모델링하는 첨단 시뮬레이션 툴을 사용하여 철도 시스템의 특성을 검토하기 시작했습니다.

이러한 시뮬레이션은 여러 가능한 네트워크 구성을 검토했습니다. 여기에는 각 보기의 센서들이 열차의 천장 아래에 장착된 수신기로 전송하는 시스템, 그리고 대안적인 접근방식으로 송신기(Tx)와 수신기(Rx) 안테나가 장착된 센서들이 있어서 각 센서가 근처의 센서와 통신하고, 그런 다음 데이터를 열차를 따라 운전실의 최종 수신기로 전송하는 시스템이 있습니다. 2.4GHz 주파수는 전파(propagation) 문제와 온보드 Wi-Fi 신호 간섭 가능성을 보였지만 434MHz와 868MHz는 양호한 전파 값을 나타냈습니다. 434MHz는 크고 복잡한 안테나가 필요했기 때문에 제외한 후 팀은 최상의 차선책으로 868MHz를 선택했습니다. 실제 열차에 장착된 프로토타입 장비를 사용한 물리적 테스트를 통해 시뮬레이션 결과를 확인했습니다.

새로운 접근방식의 또 다른 중요한 요소는 철도 환경 고유의 어려움에 최적화된 새로운 안테나 디자인이었습니다. 센서를 보기의 축함 등 필요한 곳에 설치할 수 있으려면 센서, 컨트롤 전자 장치, 안테나의 전반적인 크기가 매우 작아야 합니다. 또한 열차 밑에서 오랜 기간 동안 문제가 없으려면 안테나 디자인이 먼지와 습기의 침투로부터 보호되어야 하며, 큰 온도 변화와 높은 수준의 진동을 견딜 수 있어야 합니다.

이러한 필요를 충족시키는 안테나를 제작하기 위해 팀은 평면형 역 F 안테나(Planar Inverted-F Antenna: PIFA)로 불리는 구성을 선택했습니다. 이 디자인에서 안테나 요소는 접지판 역할을 하기 위한 도체 물질로 덮인 인쇄 회로 기판(PCB) 위에 "제작"됩니다. 금속층이 있는 유전체 기판이 PCB의 다른 면에 추가됩니다. 이 구성은 물리적으로 견고하고 어느 방향으로든 전송을 실시할 수 있습니다. 이는 좁은 공간에 설치해야 하는 구성품의 또 다른 중요한 특성입니다.

상대 유전율이 매우 높은(εr=10.9) 유전체 물질을 사용하여 팀은 안테나의 크기를 표준 철도 축함에 적합한 정도로 작게 만들 수 있었습니다. 축함 내부에 장착된 새로운 안테나의 테스트를 통해 뛰어난 성능이 입증되었으며, 근처에 있는 큰 금속 물체에 의한 영향을 현재 시중에 나와 있는 디자인보다 적게 받는 것으로 나타났습니다. 이러한 조사 결과는 SKF가 다음 세대의 사물 인터넷 기능이 적용된 철도 시장 제품을 개발하는 데 활용할 수 있는 소중한 자원인 것으로 입증되었습니다.
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1 팀에 참여한 인원은 SKF 철도 부문의 Franco Lambertino와 Mario Rossi,  Politecnico di Torino 전자 및 통신 학부 LACE(Antenna and EMC Lab)의 Gianluca Dassano와 Francesca Vipiana와 Mario Orefice, 그리고 Istituto Superiore Mario Boella (ISMB), Torino LACE(Antenna and EMC Lab)의 Sergio Arianos입니다. 이 그룹은 올해 초 밀라노에서 개최된 제11회 세계철도학술대회(World Congress on Railway Research)에서 연구 자료를 발표했습니다.

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보도 자료: Nia Kihlström, +46 31-337 2897, +46 706 67 28 97, nia.kihlstrom@skf.com

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