김용규 | 연구기획본부 연구기획평가팀 선임연구원(ygkim1@krri.re.kr)
최강윤 | 고속전철개발사업단 시스템 개발팀 책임연구원(kchoe@krri.re.kr)

1. 서론

 열차제어시스템(TCS)은 크게 자동열차제어시스템(ATC), 연동장치(IXL), 열차집중제어장치(CTC) 등으로 구분된다. 이들 각각의 하부 시스템에 대한 상호 인터페이스는 기계적인 인터페이스와 전기적인 인터페이스로 구분된다. 기계적인 인터페이스는 주어진 시스템 구성 요소에 적절한 장비 배열 및 설치 등으로 주어지지만, 전기적인 인터페이스는 이보다 더욱 복잡한 형태로 크게 전기적 특성과 통신 특성으로 구분된다. 특히 과거에 지향되어온 저속 열차에 있어서의 선로변 신호체계가 고속 열차의 등장와 함께 이들 신호 시스템의 대부분이 통신에 의한 열차제어 명령으로 전환됨에 따라 통신 특성은 안전한 고밀도 정보전송을 위해 매우 중요한 요소로 주어진다 .
 현재에 있어서 열차제어 관련 통신 시스템은 지상에서 차상으로의 열차 제어 명령 전송 및 차상내부의 전반적인 차량제어에 있어서 필수불가결한 안전 요소로 미래의 기술혁신은 이들 통신 관련 프로토콜 또는 새로운 통신방식의 개발에 따라 신뢰도가 매우 큰 다량의 정보를 얼마만큼 정확하고 빠르게 전달하는가 하는점으로 논의된다. 본 논고에서는 이러한 기술혁신에 부합하여, 통신에 관련된 새로운 프로토콜의 개발을 위해 경부고속전철에 사용되는 SAAT 프로토콜을 중심으로 통신관련 기본 사항, 상태 그라프에 의한 송, 수신 원리를 언급한 후, 미래의 통신 protocole 개발을 위해 필요한 기존 프로토콜의 시험 평가 기술(현재 SNCF에서 사용)에 대해 논의하고자 한다.     

2. 일반 개론 

 철도기술정보지 제16호에 발표된 "SAAT에 있어서의 Point to point 직렬 양방향 비동기 전송방식[1]"에서는 Point to point 직렬 양방향 비동기 전송방식에 대한 특성과 이에 따른 시순서도 및 상태 그라프 해석에 대해 언급하였다. 여기서는 통신 프로토콜의 인증기법을 개발하기 위한 초기 단계로서 Grafcet에 의한 송/수신 원리의 분석에 대해 논의할 것이다[2].

2.1 송/수신 요구조건

 본 논고에 사용된 통신절차는 임의의 송/수신국에서 다른 송/수신국으로 정보교환을 오차없이 성취하도록 보장하며, 이는 정보의 구성, 제어, 정보교환 관리 등의 주요기능을 갖는다. 따라서 이를실현하기 위해 주어진 조건은 다음과 같다.

       비동기 전송
       point to point link
       양방향 동시전송방식의 이용
       문자열로 구성된 frame 전송
       DB 및 제어 block
       번호가 부여된 DB block
       기대치* = 1.
       대기 시간**.
       재전송제한회수 = 4

* 기대치가 "1"이라 함은 송신기가 DB frame 전송 후 전송된 frame이 수신기에서 정확하게 수신되었는지 여부를 다음의 DB frame 전송 이전에 확인하기 위한 인식신호의 대기상태를 의미.
** 대기 시간 : 인식 신호의 비수신이 비인식 신호를 수신한 것과 같게 작용하는 시간

2.2 frame 구조

 문자 Coding은 참고문헌[1]과 동일하게 주어지며, 전송속도는 비동기 link에 사용되는 호환속도 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 bauds 중에서 선택된다.
 frame은 크게 제어용 frame 과 DB frame으로 분류되며, 제어용 frame은 인식신호용 frame을 나타내는 ACK 문자와 비인식신호용 frame을 나타내는 NAK 문자로 분류한다. 만약 송신국의 연결기(coupler)가 이들 2개의 제어용 frame을 허용한다면, 상호정보교환을 더욱 빠르게 이행하기 위해 제어문자 ACK와 NAK은 DB frame 내부의 유효문자 영역에 추가될 수 있다. 일반적으로 DB frame은 <그림 1>과 같은 순서로 구성되며, frame의 최대길이는 258자로 주어진다.

<그림 1> DB frame의 구성

 SOH : 표제(title) 시작 명령 문자  
 DMES : 메시지 정의 문자. DMES가 문자 "C"인 경우 유효메시지(CU)는 직접 해석 가능한 문자로 구성됨을 의미하며, 문자 "H"의 경우 메시지(CU)는 16진법으로 구성됨을 의미한다. 이 경우 16진수 coding 방법은 하나의 byte를 2개의 문자로 변환하며, 첫 번째 문자는 상위 4bit (MSB)에 의해 구성된 16진수를, 2번째 문자는 하위 4bit (LSB)에 의해 구성된 16진수를 나타낸다( <표 1> 참조).    
 STX : 본문(text) 시작 문자
 NMES : 메시지 번호 부여 문자(1∼9의 숫자로 구성되며, 전원 인가 또는 초기화의 경우 "0"에 의해 시작 가능).
 NREP : 메시지 반복횟수 표시 문자
 CU : 유효 메시지(frame에서 최대 사용 가능한 유효문자수는 248개).
 NHCU 및 NLCU : 전송된 문자 수 표시. NHCU는 상위 4bit에 대해 16진수로 구성된 첫 번째 문자를, NLCU는 하위 4bit에 대해 16진수로 구성된 두 번째 문자를 나타낸다. 문자수는 16진수로 coding되며, 전송된 문자수는 STX와 ETX가 포함된 STX와 ETX 사이의 모든 문자를 의미한다. 단 유효문자 내부의 ACK와 NAK은 제외된다.
 ETX : 본문(text) 종결 문자
 BCC : SOH를 제외한 전송된 메시지 전체에 대해 계산된 세로 패리티 비트를 "byte"에 따라 16진수로 coding한 값. HBCC는 상위 4bit에 대해 16진수로 구성된 첫번째 문자를, LBCC는 하위 4bit에 대해 16진수로 구성된 두 번째 문자를 나타낸다.  

2.3 전송 예

 <표 1>의 3개 "byte"를 전송할 경우, 이는 <표 2>와 같은 전송 frame의 구조를 갖는다.

<표 1> 전송할 3개의 "byte"

<표 2> 참고문헌[1]의 Code 표로 구성된 16진수값
a) 16진수값이 "9" 인 경우            b) 16진수값이 "C" 인 경우

  사용된 Code는 "참고문헌[1]의 Code 표"을 이용한다. 즉 16진수값이 "9"인 경우 관련된 참고문헌[1]의 Code 표 값은 <표 2>와 같이 상위 3bit(b7 b6 b5)와 하위 4bit(b4 b3 b2 b1)에 대한 16진수값 "39"로 주어진다. 같은 방법으로 나머지 byte에 대한 code 값을 구한 결과 전송할 3개의 "byte"에 대한 frame은 <표 3>으로 주어진다.

<표 3> 전송해야할 3개의 "byte"에 대한 frame 구성도

 <표 3>에서, 패리티 bit 계산은 다음과 같다 : SOH를 제외한 DMES와 ETX 사이의 "1"의 수를 각각의 bit 열에 따라 계산한후 "1"의 수가 홀수인 경우는 "1"을, 짝수인 경우는 "0"을 부여함으로서 <표 4>와 같은 BCC 값을 구한다. 그 결과 HBCC는 "4", LBCC는 "5"로 주어지며, 이를 참고문헌[1]의 Code표에 따라 16진법의 수로 변환시, "34", "35"가 된다.

3. 주요 상태 표시 및 정보전송 순서

 본장에서는 송/수신 관련 알고리즘을 소개하기보다는 기능에 관련된 사건(event)과 작용(action)에 의해 주어지는 상태 그라프 및 인식 신호 수신을 위한 대기시간의 계산예를 논의한다.

3.1 상태 그라프

 <그림 2>과 <그림 3>는 프로토콜 송/수신을 나타내는 상태 그라프로 이들 상태는 사건(event)의 발생에 따라 순차적으로 주어지게 된다. 아래의 상태그라프에는 0∼12로 번호가 부여된 13개의 상태가 존재하며, 이는 대기상태(상태 0, 1, 6, 7), 수신상태(상태 2, 3, 4, 5), 송신상태(상태 8, 9, 10, 11, 12)로 분류된다. 이에 따른 관련 상태 변화는 <그림 2>와 <그림 3>의 영문자 A∼R로 표시된 18개의 사건(event)으로 구성된다.

 
<그림 2> 수신에 대한 상태 그라프

<그림 3> 송신에 대한 상태 그라프

3.2 사건(event)

 사건은 문자에 의해 표시되며, 이는 송/수신기에 따라 다음과 같이 주어진다.
   수신기 사건(<그림 2 > 참조)

  송신기 사건(<그림 3> )

3.3 송/수신 상태 그라프 해석

 상태는 작용(action)뒤에서 순차적으로 구성되며, 상태와 작용은 다음과 같이 표현된다.
상태 0 : 수신시의 변수 초기화.
상태 1 : frame의 수신 대기. DB frame 수신 실행을 위한 패리티 error없는 문자 SOH의 수신 대기(상태 2)의 경우, 문자 ACK의 수신 또는 NAK의 수신이 패리티 error없이 수행된다면, "상태 5"로 진행, 반대로 패리티 error가 검출되면, 패리티 error 계수기의 계수 증가.
상태 2 : DB frame 수신 및 확인. DB frame 수신시, error가 검출될 경우(사건 E), 패리티 error 계수기의 계수 증가후 "상태 4"로 진행. frame 초기화 이후 수신된 문자가 대기 문자가 아닌경우(사건 E), 초기화 error 계수기의 계수 증가후 "상태 4"로 진행. 그러나 수신 문자가 정확한 경우에는 수신문자를 실행.
상태 3 : positive 인식신호 전송 요청과 문자 ACK 전송요청 flag 설정.
상태 4 : negative 인식신호의 전송 요청과 문자 NAK 전송요청 flag 설정.
상태 5 : 인식신호 수신 flag 설정. 문자 ACK의 수신이 패리티 error 없이 수행될경우, 문자  ACK 수신 flag 설정, 문자 NAK의 수신이 패리티 error없이 수행될 경우, 문자 NAK 수신 flag 설정.
상태 6 : 전송 변수 초기화.
상태 7 : DB frame의 전송 대기.
상태 8 : positive 또는 negative 인식신호 전송. 이는 문자 ACK 또는 NAK 전송 요청 flag을 초기화하며, 전송 차단시 "상태 12"로 진행.
상태 9 : DB frame 전송.
상태 10 : DB에 인식신호 삽입. 문자 ACK 또는 NAK의 전송 및 연관 flag의 초기화 실행후 "상태 11"로 진행. 전송 차단이 발생할 경우에는 "상태 12"로 진행.
상태 11 : 인식신호 대기. positive 인식신호 수신 flag가 "1"일 경우(사건 N), 메시지 번호 계수기의 계수를 "1"증가하고 메시지 전송 메모리 plug의 길이를 "0"로 설정한 후, "상태 7"로 진행. negative 인식신호 수신 flag가 "1"일 경우, 반복 횟수 계수기의 계수를 "1" 증가. 반복 횟수가 최대 반복횟수보다 작을 경우에는(사건 O) "상태 9"로, 반대의 경우에는(사건 R) "상태 12"로 진행.
 상태 12 : 전송시의 불가불 error.

3.4 인식신호의 temporization

 인식신호의 temporization은 인식신호의 비수신이 negative 인식신호로 작용되는 시간으로 정의된다. 이러한 시간은 처리공정을 위해 최소한 1초 이상의 시간을 요구하는 DB frame과 인식신호의 전송에 의해 계산되며, 전송량에 따른 이들 값은 <그림 4>로 주어진다.

 <그림 4> 전송속도에 따른 temporization 시간

4. 송/수신 원리에 대한 Grafcet 실현

 여기에 소개하는 Grafcet는 프로토콜 logic의 reference로 고려되며 이는 "오토메이션 정보교환" 실현에 대한 직접적인 방향을 유도하도록 제공된다. 따라서 새로운 방식의 "오토메이션 정보교환" 기능은 reference에서 주어진 "오토메이션 정보교환" 기능과 일치할 경우 주어진 송/수신 규정에 부합하는 것으로 간주한다.
 Grafcet의 표현(<그림 5> 또는 <그림 6> 참조)은 action에 관련된 스텝("사각형"으로 표시)과 천이조건에 연관된 transition("―"로 표시)으로 주어지며, 이의 연결은 방향성 link에 의해 표현된다. 스텝의 기본 역할은 시스템의 일부 또는 전체 특성이 불변인 상태를 의미하며, 활성 상태, 비활성 상태, 재활성 상태 등으로 구분된다. Transition은 스텝 사이의 진행 가능성을 표현하며, transition이 유효하다는 것은 관련된 다음 스텝으로 진행할 수 있음을, 비유효는 다음 스텝으로 진행할 수 없음을 의미한다[3].
 참고로 본 논고에서 언급하는 Grafcet는 통신 뿐 아니라 TGV대서양선 열차의 차상문 제어, 진단 및 제어 시스템의 검수 프로그램, 차상 제어시 필요로 하는 순차제어에 이용되며, 이는 경부고속전철에서도 그대로 적용되고 있다. 참고로 Grafcet를 시뮬레이션할수 있는 Software중 하나는 "ISAGRAF(France CJ international)[4]로 현재 한국철도기술연구원에서 신호시스템 시뮬레이터 구성을 위해 사용중에 있다.

4.1 수신 정보흐름 (<그림 5>참조)

스텝 0 : 모든 파라메터 초기화 후 제어문자 ACK, NAK, 또는 SOH의 수신 대기 상태. SOH의 수신은 "스텝 1"로의 진행을 실행하는 "transition 1"을 유효화함. ACK 또는 NAK의 수신은 "스텝 12"로의 진행을 실행하는 "transition 20"을 유효화함.
스텝 1 : 수신 문자의 형태를 확인. "transition 11"은 수신된 문자에서 패리티 error가 검출되거나 수신된 문자가 원하는 문자가 아닌 경우, 결함 기록 실행 스텝(스텝 10)을 경유하여 초기 스텝으로 귀환.
스텝 2 : 정상 동작의 경우, "transition 2" 이후 활성화하며, STX 문자의 도착은 "transition 3"을 유효화함. "transition 12"는 수신 문자에서 패리티 error가 검출되거나 수신 문자가 원하는 문자가 아닌 경우 결함 기록 실행 스텝(스텝 10)을 경유하여 초기 스텝으로 귀환.
 스텝 3 : 메시지 번호와 메시지 반복 번호 수신. "transition 13"은 수신 문자의 패리티 error 확인 또는 수신 문자가 원하는 문자가 아닌 경우 및 "0"에 의해 특성화된 송신기 초기화 명령과 일치하지 않는 불연속성이 검출될 경우, 결함 기록 실행 스텝(스텝 10)을 경유하여 초기 스텝으로 귀환. 결함이 없는 경우, "transition 4"가 유효화됨.
스텝 4 : 패리티 확인 및 문자 유효화 확인문자의 수신. error가 검출될 경우, "transition 16"이 유효화되며, ACK 또는 NAK가 유효문자의 수신영역에서 수신될 경우, "transition 10"은 "스텝 9"로 진행. 정상동작의 경우 "transition 5"가 유효화됨.
스텝 5 : 수신 문자 저장. 가장 최근에 수신된 문자가 ETX가 아닐 경우, "transition 15"는 "스텝 4"로 귀환. 반대로 가장 최근에 수신된 문자가 ETX일 경우에는 "transition 6"이 유효화됨.
스텝 6 : 수신 문자수 검사. 수신 문자수가 frame의 마지막에 주어진 전송문자수와 일치하지 않을 경우, "transition 17"은 유효함. 수신 문자수가 정확할 경우에는 "transirion 7"이 유효함.
 스텝 7 : BCC로 표현되는 2개의 패리티 검사 문자를 수신. 패리티 error 검출시 또는 계산된 BCC와 수신된 BCC사이에 차이점 검출시, "transition 18"은 유효화됨. frame 정보가 정확할 경우에는 "transition 8"이 유효화됨.
스텝 8 : ACK 전송. 8

<그림 5> 수신 원리에 대한 Grafcet(크게보기)

4.2 송신 정보흐름(<그림 6> 참조)

 전송은 2개의 transition과 함께 시작된다. ACK 또는 NAK 전송요청이 메시지의 정확성에 관계없이 메시지 수신이후 발생할 경우 "transition 1"이 유효화된후 "스텝 12"로 진행 된다. 전송요청 발생에 따라 이전 메시지의 전송이 대기시간이 종료후 ACK에 의해 비유효화 된 경우 또는  negative 인식신호가 수신될 경우에는 "transition 2"가 유효화된후 메시지는 반복되고 "transition 2"가 "스텝 1"로 진행한다.
스텝 12 : 대응 flag의 재초기화와 함께 ACK 또는 NAK의 전송을 실행.
스텝 1 : frame 제목(title) 전송. 전송이 비유효화한 경우, 부여된 "스텝 13"의 종단부는 이미 시작된 대기시간 "t1"을 전송한다. 만약 어떠한 error도 검출되지 않을경우 "스텝 2"가 실행되며, ENAK와 EACK  flag은 "0"로 설정된다. "transition 6"은 실행 메시지 문자를 전송하기위해 "스텝 3"을 활성화하고 "transition 7"은 메시지가 16진수로 전송될 경우, 실행 메시지 byte의 encoding에 대응하는 2개의 문자를 전송하기위해 "스텝 4"를 활성화 한다. 각각의 문자 또는 "byte"의 전송후, ACK 또는 NAK의 전송 요청여부를 검사하기 위한 시험이 "transition 11"에 의해 실행된다. 이 경우 "스텝 6"이 활성화되며, 반대로 전송할 메시지에 문자가 남아있는 경우 "스텝 2"로 귀환하기 위해 "transition 12"가 유효화된다. 전체적인 메시지 전송이 이루어질 경우, "transition 5"은 전송 루프로부터 이탈한후, "스텝 7"이 활성화된다.
스텝 7 : 전송된 frame의 문자수 및 STX 전송 실행.
스텝 8 : 2개의 16진수 문자 형태로 BCC 전송.
스텝 9 : 대기시간 "t2" 설정. 인식신호 수신시, LGPE와 DEPRE을 초기화하는 "스텝 11"을 실행하기위해 "transition 16"이 유효화된다. negative 인식신호 수신의 경우, 정보교환 순서를 초기상태로 귀환하기위해 "transition 17"이 유효화된다. 어떠한 인식신호도 수신되지 않는 경우, REP을 "1"로 초기화하는 역할을 실행하는 "스텝 10"을 위해 "transition 15"가 유효화된다.

<그림 6> 송신 원리에 대한 Grafcet(크게보기)

5. 결론

 철도기술정보지 제16호에 발표된 "SAAT에 있어서의 point to point 직렬 양방향 비동기 전송방식[1]"과 지금까지 살펴본 상태 그라프 및 Grafcet을 이용한 SAAT point to point 직렬 양방향 비동기 전송방식 송/수신 원리 해석은 상호 보완관계를 가지며, 이에 따른 point to point 직렬 양방향 비동기 전송방식에 대한 특성 및 동작 해석이 이들 두 논고에 의해 언급되었다. 여기에서 취급된 사항은 실제로 통신 프로토콜의 인증기법 및 미래의 열차제어시스템에서 사용될 신뢰성있는 안전한 고속 고밀도 통신 프로토콜의 개발을 위해 계속적으로 연구되어야 할 Grafcet 순차제어 기법에 대한 간략한 예를 제시하였다. 또한 급변하는 통신 기술의 발전에 따른 새로운 프로토콜의 접목에 있어서의 성능 및 안정도 시험을 위한 시발 단계로서 Grafcet 순차제어 기법이 논의되었다. 따라서 이를 기초로 상호정보교환에 대한 통합 열차 통신망 구축 및 인증시험등에 연관된 분석 및 개발 기술이 한국형 고속전철에 있어서의 안전한 열차운영정보 전송이라는 관점하에 추진되어야 함은 물론 나아가 무선에 의한 열차제어장치의 개발까지 지속적으로 연계되어야 할 것이다.

< 참고문헌 >

[1] NF F69-010 Mat riel roulant ferroviaires Informatique - Proc dure de transmission  bidirectionnelle s rie asynchrone point   point, 1991, SNCF, France
[2] 김용규, "SAAT에 있어서의 Point to point 직렬 양방향 비동기 전송방식", 한국철도기술연구원 철도기술정보, 제16호, 1998, pp. 11∼17
[3] Comprendre, maitriser et appliquer LE GRAFCET, M.BLANCHARD, cepadues-editions, 111 rue Nicolas-Vanquelin, 31100 Toulouse, France, 1979.
[4] "ISaGRAF", 에이스트로닉스(주). Grafcet 시뮬레이션용 Software