도시철도에서 전동차는 고정된 편성으로 1편성에 4량부터 10량까지 다양하게 노선별로 승객 수요에 맞추어 운행되고 있다. 전동차는 크기별로 대형, 중형과 경전철로 나누어진다.
대형 전동차는 1량당 승객 정원이 150% 승차기준 212명으로 1편성 6량 기준으로 1,272명이 승차하게 된다. 전동차 운행 중 발생하는 고장의 12%는 출입문 시스템 고장으로 조치방법은 승객을 하차 후 차량기지로 전동차를 입고하여 사후검사 및 시험 후 운행을 재개하게 된다. 승객을 하차하고, 조치하는 과정에서 전동차가 지연 운행됨에 따라 다음역 부터 승차, 하차 대기 승객의 불편이 발생하게 되며, 특히 출퇴근 시간에는 승객 증가로 불편이 가중되며, 민원 발생이 증가한다.
출입문 시스템을 분류하면 구동장치는 공기식과 전기식으로 분류되고, 패널구조는 포켓 슬라이딩, 아웃 슬라이딩, 플러그인으로 분류된다.
플러그인 출입문을 장치별로 분류하면 제어장치, 설비장치, 패널과 회전부 장치, 비상핸들 장치, 안전장치로 분류되며, 고장 유형을 보면 단품 고장이 발생하는 장치는 제어 장치, 비상핸들 장치, 안전장치이며, 설비장치, 패널과 회전부 장치는 구동 모터의 회전력에 의해 다른 장치와 복잡하게 기계적으로 연결되어 동작하는 장치로 열림, 닫힘 시 각종 부품의 동작 과정에서 승객으로부터의 외부충격 및 차량의 진동 등에 따라 연결부가 조금씩 변형되면서 부품의 이상 마모 등에 의해 고장이 발생하게 되며, 조치방법 또한 다양하게 나타난다.
본 연구는 도시철도 전동차 출입문 시스템에서 구동 모터의 회전력에 의해 다른 장치와 복잡하게 기계적으로 연결되어 동작하는 장치의 고장을 예측하기 위해 전기식 출입문 중에서 가장 복잡한 구조를 가진 플러그인 출입문의 구동 모터 전류량 변화를 분석하여 기계적 고장을 예측하기 위한 연구이다.
고장예측을 위해 첫째, 플러그인 출입문 시스템의 안전성을 확보하기 위한 제어 데이터 및 감시데이터를 분석하였다. 또한, 년도 별로 필드 데이터를 수집하여 전동차 운행 중 발생한 출입문의 이상 동작에 의한 사후검사와 지연고장 건수를 분석하였다.
둘째, 2014년까지 수집한 출입문 관련 사후검사 및 지연고장 데이터를 기반으로 사후검사에서 발생한 불량 부품의 마모율, 손실률을 측정하여 부품의 마모로 인한 이상 동작 시점을 분석하였다.
분석자료를 기반으로 고장을 예측할 수 있도록 출입문 열림, 닫힘 동작 시 출입문 패널과 회전부 장치에서 외부충격 또는 기계적 마모에 따라 변화하는 구동모터 전류량을 검출하여 정상 동작 시 보다 일정 수준 높게 되면 이상 동작으로 확인할 수 있도록 고장예측 기준 파형을 설정하였다.
고장예측 기준 파형을 사후검사에 적용한 결과 출입문 이상 동작을 모두 검출하는 것은 아니지만 적용 후 신뢰성에 대해 와이블 분포 분석 결과 신뢰수준 90%에서 더 좋을 확률은 85.93%로 분석되어 신뢰성이 개선되었음을 알 수 있다. 또한, 출입문 설비장치, 패널과 회전부 장치 등 출입문 설비장치 불량에 의한 열차 지연고장은 적용 전보다 많이 감소하였으나, 일부 발생하고 있음을 확인하였다.
이에 따라, 기존의 정상 동작하는 출입문에서 수집한 데이터를 기반으로 새로운 고장예측 알고리즘을 제안하였으며, 고장예측 알고리즘의 높은 신뢰성을 얻기 위하여 이동평균 데이터 분석 방법을 통해 고장을 예측할 수 있는 고장예측 기준을 설정하였다. 새로운 알고리즘은 모터 전류 분석을 통한 고장예측 방법에서 부족하였던 모든 상황에서 이상 동작을 잘 검출하였다.
플러그인 타입 전동차 출입문은 구동 모터에 의해 기계적 인터페이스 과정을 거쳐 열림, 닫힘 과정을 반복하는 시스템으로 전체 동작 거리와 동작 시간 동안 모터 전류 변화량을 분석하면 열림과 닫힘 과정에서 승객과 부딪힌 충격 등으로 인해 롤러 및 벨트의 손상과 이상 마모 등의 문제로 발생하는 출입문 고장을 예측할 수 있다.