RFID를 이용한 고속열차의 위치검지에 관한 연구 :A study on the position detection of high-speed train using RFID

이창룡

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이창룡 (광운대학교, 광운대학교 대학원)

지도교수: 이기서

발행연도: 2015

저작권: 광운대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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철도신호시스템에서 ETCS L3, CBTC 등 표준화 작업이 진행 되면서 무선 통신 방식이 연구·개발 되고 있다. 따라서 기존의 열차위치검지기능을 수행하는 궤도회로, 엑셀카운터와 같은 전통적인 방식으로부터 RFID, GPS, WIFI 등 다양한 무선통신방식으로 발전하고 있다. 국내 고속철도분야에서는 열차위치를 검지하기 위하여 발리스, 궤도회로와 같은 방식을 사용하고 있지만 위치검지방식과 건설, 운영, 경제적 등 여러가지 요인으로 정밀한 위치검지가 어려운 실정이다. RFID는 대량생산이 가능하고 저렴한 가격으로 정확한 인식이 가능한 장점이 있다.
RFID를 이용한 고속열차 위치검지에서 리더는 차량에 고정하고, 수동형태그를 지상에 설치한다. 지상의 태그정보는 차상 리더안테나에 전달되고 리더는 제어장치를 통하여 차상의 시스템에 지상정보를 전달한다.
RFID를 이용한 고속열차 위치검지를 위하여 태그가100% 인식되어야한다. RFID에서 태그를 인식하려면 리더는 리더인식영역에 있는 태그에 최소동작전력 Prt를 전달해야 하고, 반대로 태그는 리더의 인식영역에서 리더 최소동작전력 Prc를 반사해야한다.
본 논문에서는 리더가 태그의 정보를 읽어오고 처리하는 시간과 동일한 시간에 열차의 이동거리를 계산하여 리더안테나 방사패턴의 바닥면에서의 수평거리가 이동거리보다 같거나 크게 설계하기 위하여 1x4 리더안테나를 하나의 리더기에 연결하여 일체형 리더를 제작하였다. 태그는 레이더 단면적에 수신되는 전력과 반사되어 리더안테나에 송신되는 전력을 계산 하여 최소 동작전력을 만족하는 캐비티 타입 태그와 고 지향성 양방향 수직태그를 설계하였다. 실험실 성능실험에서는 리더안테나의 방사체1, 2, 3을 수신안테나로, 안테나4를 송, 수신 안테나로 설정하여 실험을 진행하였으며, 350km/h 고속에서 열차의 위치검지가 가능하다는 것을 보여주었다.
현장시험에서는 제작된 1x2리더와 1x4리더, 캐비티 타입 태그와 고 지향성 양방향 태그를 사용하였다. 첫 번째 시험에서는 1x2리더를 이용하여 캐비티 타입 태그를 60개 설치하여 시험을 진행하였다. 시험결과 리더에 전송하는 전력이 24dBm, 27dBm, 30dBm일 때 태그 인식률은 99.02%, 99.44%, 99.58%로 나타났다. 두 번째 시험에서는 1x4 리더를 이용하여 캐비티 타입 태그를 30개 설치하여 시험을 진행하였다. 시험결과 리더에 전송하는 전력이 21dBm, 24dBm, 27dBm, 30dBm일 때 태그인식률은 98.44%, 99.29%, 99.55%, 98.47%로 나타났다. 세 번째 시험에서는 1x4 리더를 이용하여 양방향 태그를 30개 설치하여 시험을 진행하였다. 시험결과 리더에 전송하는 전력이 21dBm, 24dBm, 27dBm, 30dBm일 때 태그 인식률은 100%, 99.79%, 97.53%, 87.50%로 나타났다. 따라서 1x4 리더와 양방향 태그를 이용할 경우에 리더의 송신 전력에 대한 최적값은 21dBm이 적정함을 확인 하였다.
하지만 고속철도에서 활용하기 위해서는 시속300 ㎞이상의 속도에서 시험 등을 통한 검증이 필요할 것이며, 태그나 안테나 리더기 등의 성능 향상을 위한 노력은 물론 무선통신의 안전성, 시스템의 신뢰성, 안전성 등에 대하여 추가적인 검토와 연구가 지속되어야 할 것이다.

Researches and developments have been fueled about wireless communications in the railway signaling system with the advance of the standardization process such as ETCS Level 3, CBTC, and so on. As result, a variety of wireless communication methods including RFID, GPS, and WIFI have been presented as new methods to replace the conventional methods like Track Circuit, Axle Counter performing the existing train position detection function. Currently balise, track-circuit, etc. have been used for detecting the train propositions in domestic high-speed rail sextors, but precise position-detection is difficult in reality due to various problems involved in the detection methods, construction, operation, economic issues and so on. RFID has advantages that it can realize mass production and precise recognition at lower cost.
In the high-speed train position detection using RFID, the readers are fixed to the vehicle and the passive tags are installed on the ground. Tag information on the ground is transmitted to the reader antenna on the vehicle and then the reader transport the ground information to the system on the vehicle via control device.
The tag should ve sensed and recognized 100% for the high-speed train position detection to be successfully performed through RFID technology.
In order to recognize tags properly, readers must pass the minimum operation power operation power of Prt to the tag positioned within the areas to be perceivable by the reader and, conversely, tag should reflect the minimum operation power of Prc to the sensible areas of the readers.
In this paper, I measured the distance that train travels during the same time period while reader retrieve information from tag and complete the processing, and then fabricated an one-piece reader by connecting a 1x4 reader antenna to a reader in order to realize the design that make the horizontal distance of the reader-antenna radiation pattern on the bottom surface to be equal to or larger than the travelling distance.
As for tags, the cavity type tag and high directive bidirectional vertical tags has been designed by computing the power delivering to the radar cross section of the tag and the power transmitting to the antenna of the reader after being reflected from the radar cross section of tag.
In the laboratory performance test, the experiment was conducted setting the reader antenna radiating elements 1, 2, 3 as receiving antenna and antenna 4 as transmitting-and-receiving antenna, the result of which showed that it is possible to detect the position of train traveling at the high speed of 350km/h. In field tests, I used cavity type tags and high directivity bidirectional tags while using 1x2 and 1X4 reader which had been fabricated for the purposed of these test.
In the first test, the test was performed installing 60 pieces of cavity type tags with 1X2 readers. From the results of the test, tag recognition rates were measured as 99.02%, 99.44%, and 99.58% respectively when 24dBm, 27dBm and 30dBm of the power were transmitted to the reader. In the second test, the test was performed installing 30 pieces of cavity type tags with 1x4 readers.
From the results of the test, tag recognition rates were measured as 98.44%, 99.29%, 99.55%, and 98.47% respectively when 21dBm, 24dBm, 27dBm, and 30dBm of the power were transmitted to the reader. In the third test, the test was performed 30 pieces of high directive bidirectional tags with 1x4 readers.
From the results of the test, tag recognition rates were measured as 100%, 99.79%, 97.53%, and 87.50% respectively when 21dBm, 24dBm, 27dBm, and 30dBm of the power were transmitted to the reader.
Therefore, I identified that the optimum value of the power to be transmitted to the reader can be determined as 21dBm with the test condition of using 1x4 reader and high directive bidirectional tag.
However, In order to apply the results of the study actually to the high-speed rail industry, the further verification works need to be performed through the additional tests in the higher speed environment of more than 300km/h while more reviews and researches should be continue to be conducted with regard to security of wireless communication, system reliability, other safety issues, etc. as well as efforts of improving the capabilities of tags and antenna readers.

제 1장 서론 1
제 1절 연구범위 및 방법 3
1.1. 논문의 구성 3
1.2. 연구범위 및 방법 4
제 2장 RFID 6
제 1절RFID주파수대역 8
1.1. 주파수파라미터 10
1.2. 송신파라미터 11
1.3. 수신파라미터 12
1.4. 철도분야주파수사용현황 13
제 2절 RFID시스템구성 18
2.1. 리더 19
2.2. 태그 20
2.3. 안테나 21
2.4. RFID 시스템무선통신방식 22
제 3절 RFID를 이용한 열차위치검지 25
3.1. 발리스 26
3.2. 900MHz RFID 열차위치검지 27
제 3장 RFID를 이용한 고속열차 위치검지 29
제 1절 RFID를 이용한 열차위치검지 방식 29
제 2절 RFID시스템 고속인식 방법 36
2.1. 고속열차 위치검지를 위한 이론적 배경 36
2.2. 고속열차 위치검지를 위한 차량인식방법 차량인식방법 43
제 3절 고속열차 위치검지 RFID 시스템 구현 48
3.1. 리더 48
3.2. 태그 66
제 4장 실험 및 결과고찰 73 장
제 1절 RFID를 이용한 고속열차 위치검지 실험 75
1.1. 1x2 리더기와 캐비티 태그를 이용한 시험 81
1.2. 1x4 리더기와 캐비티 태그를 이용한 시험 83
1.3. 1x4 리더기와 양방향 태그를 이용한 시험 86
제 2절 결과고찰 90
제 5장 결론 91
참고문헌 93

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