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영문 목차

목차

제1장 연구개발과제의 개요 25

1. 연구개발 목적 25

가. 국도상 TSC의 내구연한 향상 25

나. 국도상 TSC의 유지관리체계 개선 25

다. 국내 국도상 TSC 표준규격 개선 25

2. 연구개발의 필요성 26

가. 지방부 도로의 교통혼잡 해결 26

나. 교차로 교통안전문제 해결 26

다. 국도상 TSC의 안정적인 시스템 요구 26

라. 국도상 TSC의 안정적인 시스템 요구 26

마. 해외규격에 비하여 60% 수준의 규격 27

3. 연구범위 27

제2장 국내·외 기술 개발 현황 28

1. 국내 현황 28

가. 안전·신뢰성 관련 연구 동향 28

나. 유지기술 향상을 위한 유지관리보수체계 관련 연구 동향 29

다. RAMS 관련 연구동향 30

2. 국외 현황 30

가. 신뢰성 관련 국외 연구 동향 30

나. 유지보수체계 관련 연구동향 31

다. 지방부 도로의 교통혼잡 해결 32

라. 교차로 교통안전문제 해결 33

마. 국도상 TSC의 안정적인 시스템 요구 33

바. 국도상 TSC의 안정적인 시스템 요구 33

사. 해외규격에 비하여 60% 수준의 규격 33

아. 차세대 무선통신 신호제어시스템 개발 34

자. 단거리 전용 무선 통신 기반의 WISDOM 동적 딜레마 경고 시스템 35

차. 통합제어기 35

파. 디지털제어기 36

제3장 연구 수행 내용 및 성과 42

1. 안전성·신뢰성 선행연구 및 사례조사 42

가. TCS 안전성·신뢰성 기존 연구 조사(2차년도 주요 연구 실적) 42

나. PHM 기존 연구 조사 62

2. 신뢰성 평가의 예측 범위 설정 82

가. 실제 사용 환경조건 예측 범위 설정 82

나. EMC평가 관련 예측 범위(전압 전위, 전류 등) 설정 83

다. 모순 검지 평가 범위 설정 87

3. 데이터 조사 및 분석 90

가. TCS 교통신호제어기의 구성고찰설계도 및 BOM 수집 및 분석 90

나. EMC 관련 부품(낙뢰피해보호기, 서지보호기) 설계도 분석 103

다. 관리주체 및 업체의 장비/장치 별 유지보수 처리 데이터 조사 107

라. TSC 모순검지방식 분석 107

마. 해외 TCS 교통신호제어기 표준규격 조사 111

4. 분석/평가 예측 방법 125

가. FMEA/FMECA 125

나. 교통신호제어기 전기전자 부품 FMEA, FMECA 분석 절차 128

다. EMC 공인시험기관 평가방법 조사 157

라. 안전기반 신뢰성 유지기술 사례조사(2차년도 주요 연구 실적) 169

5. 경찰청의 교통신호제어기 유지보수관리 174

6. TCS 신뢰성 평가 179

가. TCS의 신뢰도 예측 방법(2차년도 주요 연구 실적) 179

나. TCS의 구조분석 183

다. TCS의 신뢰성 평가(2차년도 주요 연구 실적) 183

라. 타 TCS MCU 보드의 신뢰성 평가(2차년도 주요 연구 실적) 188

마. TCS의 필드고장률 191

7. PHM 기반의 TCS 관리 192

가. PHM 접근방법(2차년도 주요 연구 실적) 192

나. TCS의 PHM 193

다. TCS 전해캐패시터의 PHM(2차년도 주요 연구 실적) 195

라. Arrestor의 PHM(2차년도 주요 연구 실적) 213

마. Thyristors-Triacs(LSU) PHM(2차년도 주요 연구 실적) 251

바. TCS PHM의 통합방안 259

사. 기존 기술과의 차별성 및 개발 시스템의 정량적인 경제성 분석 260

8. TSC의 FRACAS(2차년도 주요 연구 실적) 262

가. 현황 262

나. TSC FRACAS 보완방향 266

다. Knowledge Matrix 기반 TSC 관리 273

9. 포터블 TCS 현장 신뢰성 평가 장치(H/W 및 S/W) 기능 요구사항 275

가. 포터블 TCS 현장 신뢰성 평가 장치의 기능 및 요구사항 275

나. IoT기반의 TCS 포터블 신뢰성 평가장치(2차년도 주요 연구 실적) 282

다. 실시간 감시를 통한 교통신호제어기의 열화 감지 프로그램(2차년도 주요 연구 실적) 291

라. TCS Monitor 293

마. 교통신호제어기 고장 이력 관리 프로그램(2차년도 주요 연구 실적) 294

10. 1차년도 연구 실적 296

가. 논문 실적 296

나. 특허 실적 297

11. 2차년도 연구 실적 298

가. 신뢰성예측표준 규격 기반 교통신호제어기 신뢰성예측 298

나. System trajectory 기반 교통신호제어기 유지보수 방법 300

다. 시뮬레이션 기반 교차로 감응 신호 시스템 실시간 감시 방법 301

라. 딥러닝(Deep Learning) 기반 교통신호제어기 수명예측방안 솔루션 302

마. Knowledge Matrix 기반 교통신호제어기 기술 DB 연구 307

제4장 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 315

1. 목표 달성도 315

2. 관련 분야 기여도 316

제5장 연구개발성과의 활용 계획 319

제6장 연구 과정에서 수집한 해외 과학기술 정보 327

제7장 연구개발성과의 보안등급 330

제8장 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구 시설·장비 현황 331

제9장 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 332

제10장 연구개발과제의 대표적 연구 실적 336

제11장 기타 사항 338

제12장 참고 문헌 339

표 1. 공공인프라 시설물 등 전기·전자장치 안전·신뢰성 국내 동향 29

표 2. 신뢰성 향상 기술 관련 국외 기술 동향 31

표 3. AMS 관련 연구 동향 32

표 4. TSC교통신호제어기의 초기고장 발생 데이터 분석 내용 42

표 5. 교통신호등과 교통신호제어기 내구연한 43

표 6. 교통신호제어기의 고장정보 데이터 45

표 7. 국가별 교통신호제어기 모순검지 특성 분석 49

표 8. 국가별 TCS 표준규격 51

표 9. 교통신호제어기의 국가별 환경시험 규격 비교 51

표 10. TSC 함체 평가 53

표 11. 개발단계별 신뢰도 분석 범위 55

표 12. 정비업무 용어 구분 55

표 13. CBM 설비 진단 기술 64

표 14. 전자부품의 고장전조증상 69

표 15. 고장전조증상의 모니터링 69

표 16. 사용환경 부하 모니터링 70

표 17. FRACAS 고장보고 양식 사례 77

표 18. 고장보고서 양식 사례 77

표 19. 교통신호제어기의 환경시험 국가별 표준 규격 비교 82

표 20. MIL 표준규격 온습도 범위 83

표 21. IEC 61000-4의 세부 항목 84

표 22. 시험 레벨 85

표 23. 정전기방전 시험 발생기의 특성과 성능 86

표 24. 정전기 방전 시험을 위한 시험기기 87

표 25. 교통신호제어기의 제어방식별 규격 적용 범위 92

표 26. 교통신호제어기 MCU1 내 CPU 보드 93

표 27. 교통신호제어기 MCU2 내 CPU 보드 97

표 28. 교통신호제어기 MCU 내 모뎀 보드 98

표 29. 교통신호제어기 MCU 내 운영자입력장치(MMI) 보드 99

표 30. 교통신호제어기 MCU 내 VME 백플랜 보드 100

표 31. 교통신호제어기 MCU 내 직류전원공급장치 101

표 32. 국내 공급 기업별 주제어부 구성품에 설계 개발에 적용한 구성품 비교 요약 102

표 33. 교통신호제어기용 전원단자에 낙뢰보호기(Arrestor) 연결 사용 규격(04Ver./ 10Ver. 동일함) 103

표 34. TCS 교통신호제어기 구성기능 별 낙뢰 보호 장치의 규격 내용 요약(Ver. 04 기준) 105

표 35. 교통신호제어기용 전원단자에 낙뢰보호기(Arrestor) 부품 규격(04Ver./ 10Ver. 동일함) 106

표 36. 국가별 교통신호제어기 고장상황 클래스별 교통신호 운영 분석 평가 108

표 37. 국내 교통신호제어기의 제품규결 별 형식의 변경 히스토리 112

표 38. 교통신호제어기의 환경시험 국가별 표준 규격 비교 116

표 39. 교통신호제어기의 국가 별 환경시험 규격 비교 117

표 40. 교통신호제어기 MCU 환경시험 스트레스 세부 조건 120

표 41. 교통신호제어기(TCS) MCU 환경시험 스트레스 조건 122

표 42. 기존의 FMEA, FMECA 관련 규격 126

표 43. P-302-720 규격에 의한 치명도 평가방법, NASA, 미국 138

표 44. 치명도 평가 기준 139

표 45. ECSS-Q-ST-30-20C 규격에서 치명도 점수 140

표 46. 고장평점법(CS)의 평가 인자(이미지참조) 140

표 47. 고장평점법(CS) 산출방법 및 고장등급(이미지참조) 141

표 48. 치명도평점법(CE) 산출방법 및 고장등급(이미지참조) 141

표 49. 고장평점법(CS)과 치명도평점법(CE)에 의한 고장 등급과 대책 141

표 50. 고장영향의 중요도(S)와 고장의 발생도(O) 그리고 고장의 검출도(D) 143

표 51. 기존 규격에서 제안한 치명도 평가인자 145

표 52. 고장영향의 중요도에 대한 평가 기준 146

표 53. 고장영향의 중요도에 대한 평가 기준 146

표 54. 치명도 등급 147

표 55. 치명도 등급 결정 기준 148

표 56. 치명도 등급에 따른 설계 개선 방향 149

표 57. 신뢰성 예측 절차 150

표 58. 전자기 장해 전달 경로 158

표 59. 일반적인 시험레벨 159

표 60. 디지털 무선 전화의 RF 방출 시험 레벨 범위 160

표 61. 등기구동장치 전면판 표시등 기능 178

표 62. CPU의 Failure rate와 MTBF 184

표 63. MCU MB1의 Failure rate와 MTBF 184

표 64. MCU MB2의 Failure rate와 MTBF 185

표 65. SCU MB V1의 Failure rate와 MTBF 185

표 66. MMI의 Failure rate와 MTBF 186

표 67. FLASH_V1의 Failure rate와 MTBF 186

표 68. SCU의 Failure rate와 MTBF 187

표 69. GLSU 4C의 Failure rate와 MTBF 187

표 70. 고장률 종합 표 187

표 71. TSC 고장률 188

표 72. TSC1 고장률 예측 189

표 73. TSC2 고장률 예측 190

표 74. TCS내 고장 발생부분과 특성분석 194

표 75. TSC용 직류전원공급장치 내 대용량 전해캐패시터(04Ver./ 10Ver. 동일함) 196

표 76. 열화된 커패시터의 용량과 Swelling된 높이 206

표 77. TCS 교통신호제어기 구성기능 별 낙뢰 보호 장치의 규격 내용 요약 213

표 78. TSC 전원단자에 낙뢰보호기(Arrestor) 부품 규격(04Ver./ 10Ver. 동일함) 215

표 79. TSC 전원단자에 낙뢰보호기(Arrestor) 연결 사용 규격 216

표 80. 실험결과 227

표 81. 피뢰기 SPD 관련 규격 내용 및 동향 234

표 82. 서지 크기별 서지투여인가 횟수 245

표 83. 점멸 고장 발생 263

표 84. 전원이상 발생 263

표 85. 교통신호제어기 고장 발생 264

표 86. 개발 고장보고서와 DB 269

표 87. 개발 고장분석 보고서와 DB 270

표 88. 개발 시정조치 보고서 DB 항목 271

표 89. 개발 FRB 보고서 DB 271

표 90. 운용 FRACAS 고장 보고서 양식 272

표 91. 운용 FRACAS 고장분석 보고서 양식 273

표 92. Knowledge Matrix 274

표 93. TR2500A내 Fault code - BS EN 12675 277

표 94. 국가별 안전 기반 규격 Error Code 비교 281

표 95. IoT 기반 TCS 포터블 신뢰성 평가장치 프로토콜 목록 285

표 96. IoT Device CPU 및 모뎀 사양 288

표 97. 교통신호제어기의 기술 분류 항목 표 307

표 98. 유효데이터 요약 308

표 99. 본 연구개발성과의 활용계획 내용 요약 〈표〉 320

그림 1. 현 교통신호제어기와의 디지털제어기 비교 38

그림 2. 교통신호제어기 사용수명 – 서울... 44

그림 3. 교통신호제어기 사용 수명 분석 44

그림 4. 교통신호제어기의 고장정보 데이터 45

그림 5. 교통신호제어기 내구연한 이전 녹 발생 상태 46

그림 6. 교통신호제어기의 국가별 환경시험 규격 도표 52

그림 7. 신뢰도 할당 절차 54

그림 8. 정비도 분석 절차 56

그림 9. 신뢰성 예측 관련 DoD 표준 규격 및 방법 툴 변천 History SUMMARY 59

그림 10. 설계 및 정비기술의 발전 65

그림 11. CALCE의 PHM 프레임웍 66

그림 12. Sandia 연구소의 PHM 프레임 아키텍처 67

그림 13. CALCE의 PHM 구조 68

그림 14. 건전성 평가 71

그림 15. SEMATECH FARACAS 절차 73

그림 16. RIAC의 FRACAS 절차 74

그림 17. FRACAS 시스템과 FRB 79

그림 18. 정전기 방전 발생기의 간단한 회로도 86

그림 19. TSC 교통신호제어기 시스템 기능 구성도 91

그림 20. 교통신호제어기(TCS)의 변경 히스토리 특성 분석 94

그림 21. 해외 TSC 제품 구성 내용 95

그림 22. 표준교통신호제어기 시스템 구성 및 기능 개요 96

그림 23. 국도상 교통신호제어기와 해안지역 교통신호제어기의 부식 119

그림 24. 환경 온·습도반복시험 구성도 120

그림 25. 교통신호제어기TSC 환경시험 진행순서 Profile 122

그림 26. 환경사이클 결합형방법의 환경신뢰성시험 프로파일 124

그림 27. 규격에 의한 FMEA 전개방법 128

그림 28. ECA 실시절차 129

그림 29. 부품 또는 원자재 수준에서의 고장모드와 고장메커니즘 예측 절차 130

그림 30. 부품 또는 원자재 수준에서의 FMECA 실시절차 131

그림 31. 아이템 분석 단계 실시 절차 132

그림 32. FMEA 작성 양식, MIL-STD-1629A, DOD, 미국. 135

그림 33. 치명도 평가 작성 양식, MIL-STD-1629A, DOD, 미국. 136

그림 34. DMEA 작성 양식, MIL-STD-1629A, DOD, 미국. 137

그림 35. FMEA 작성 양식, P-302-720, NASA, 미국. 137

그림 36. P-302-720 규격에 의한 치명도 평가에 의한 FMEA 실시사례, NASA미국 139

그림 37. 제안된 치명도 ... 144

그림 38. 부품 수준에서의 고장률 데이터 혼합 절차 151

그림 39. 00궤도장비에 탑재된 동체조립체의 신뢰성 모델링 일부 152

그림 40. MIL-HDBK-217F 적용시의 산출 신뢰도 값과 필드 데이터 비교 152

그림 41. 00궤도장비의 스위치 설계정보 156

그림 42. 전자기 장해의 전달 경로 157

그림 43. 신호발생기의 출력에서 발생하는 시험... 159

그림 44. 적절한 시험 설비의 예 162

그림 45. 필드의 눈금조정 163

그림 46. 필드의 눈금조정, 균일 영역의 치수 164

그림 47. 탁상용 장비의 시험장치 예 166

그림 48. 바닥 설치용 장비에 대한 시험장치 예 167

그림 49. Components of RCM 171

그림 50. Main Process of RCM 172

그림 51. RCM step 6. Logic Tree 173

그림 52. 등기구동장치 기판 및 전면판 규격 177

그림 53. 교통신호제어기(TCS) 시스템 구성도 183

그림 54. TCS의 필드고장 분포 191

그림 55. 온·습도 환경시험 PROFILE - 국내규격, NEMA TS-1 규격 동일함 197

그림 56. 전해 커패시터의 구조 198

그림 57. ESR의 변화와 커패시터의 수명과의 관계 곡선 200

그림 58. 시간에 따른 ESR값의 변화와 전해 캐패시터의 용량 변화. 200

그림 59. 온도 변화에 따른 전해 캐패시터의 ESR과 용량 변화 201

그림 60. 전해캐패시터 경년변화별 누설전류 202

그림 61. 이진화 작업 전후의 캐패시터... 203

그림 62. 카메라 각도 계산 204

그림 63. Swelling 정도 계산 204

그림 64. 6단계로 열화 시킨 커패시터 205

그림 65. Swelling된 커패시터 206

그림 66. 커패시터의 용량과 높이 그래프 207

그림 67. 커패시턴스-높이 회귀 208

그림 68. ExpDec1 모델의 상수에 대한 설명 208

그림 69. 커패시턴스-높이 관계 그래프 209

그림 70. 시료(커패시터) 210

그림 71. 커패시터에 인가한 Ripple Current 211

그림 72. 열화 중인 커패시터 211

그림 73. 동작전압을 인가한 커패시터의 온도(열화상... 212

그림 74. 고성능 열화카메라로 관찰한 열화 시킨 커패시터 212

그림 75. 교통신호제어기의 뢰임펄스시뮬레이션 시험기로 임펄스 1.2×50μSec, ... 217

그림 76. 뢰임펄스서지뮬레이션 전압 서지 1.2×50μSec, 5000V 테스트... 218

그림 77. 뢰임펄스서지 시뮬레이션 전류 서지 시험조건... 219

그림 78. 교통안전공사 규정 223

그림 79. SURGE 연결 224

그림 80. 시험 전체 환경 224

그림 81. 낙뢰 제어기 225

그림 82. 스코프 225

그림 83. 스코프 그래프 설명(한 칸 당 200V) 226

그림 84. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트 229

그림 85. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트 및 모니터링 230

그림 86. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트-SPD로거기능 231

그림 87. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트-전용장치 232

그림 88. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트-정/부 극성별 서지인가 테스트 233

그림 89. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트-서지내력 확인 테스트 235

그림 90. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트- 대체안 제품 검토 236

그림 91. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트- 서지내력 보완설계 적용후,... 238

그림 92. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트-뢰임펄스서지 시뮬레이션... 239

그림 93. 피뢰기(Arrestors & Varistors) 뢰임펄스서지 열화 특성 테스트-분리기 연결설치를 통한 전기... 240

그림 94. SPD 로거기능, EPCOS 특성 그래프 특성 분석 데이터 열화특성-SPD Varistors의... 241

그림 95. 서지크기와 서지투여인가 횟수 245

그림 96. 포아송과정과 지수분포의 관계 248

그림 97. SPD와 PC 연결 249

그림 98. SPD 연결시 데이터 전송 프로그램 249

그림 99. SDP 데이터 전송 프로그램(데이터 전송 예시) 250

그림 100. SDP 데이터 전송 프로그램(데이터 그래프) 250

그림 101. 점멸기(FLASHERS) 기판 및 전면판 규격 251

그림 102. Voltage Current Characteristic of Triacs (Bidirectional Device) 252

그림 103. 등기구동장치(LSU by TRIACs) 기판 및 전면판 규격 253

그림 104. Normalied Rth(j-c) evolution during power cycling tests(TRIANGLETj＝155℃)-TRIACs of...(이미지참조) 254

그림 105. 공인시험성적서―LSU(SSR) TRIACs 서지전류 전기안전성 특성 시험결과 258

그림 106. PHM 통합 구축 방향 260

그림 107. 유지보수 관리데이터 정보공개 레터 – 아주대학교 총장 명의 발송 262

그림 108. 6단계의 시험평가 프로세스 267

그림 109. 고장보고(FR) 단계로써의 시험평가 제3단계(시험 단계) 268

그림 110. 포터블 TSC 현장테스터장치 NEMA TS-2 Tester for TS-2 controllers 275

그림 111. HW(하드웨어) 모순검지 처리 절차 278

그림 112. SW(소프트웨어) 모순검지 처리 절차 279

그림 113. 모순검지 시 해제 처리 절차 280

그림 114. 모순검지(Conflict Monitoring) 초기화 절차 280

그림 115. 교통신호제어기 282

그림 116. IoT TCS 시스템 구성도 283

그림 117. IoT통신장치 인터페이스 구성 284

그림 118. IoT 통신모듈 인터페이스 상세 289

그림 119. IoT 기능보드 회로도 290

그림 120. 포터블 통신모듈 구성도 291

그림 121. PC와 IoT 통신 단말기 291

그림 122. 교통신호제어기와 IoT 통신 중인 PC 292

그림 123. 교통신호제어기 열화 감지 프로그램 구성도 292

그림 124. TCS Connecter 293

그림 125. TCS Monitor 293

그림 126. 교차로 운영 시그널 맵 294

그림 127. 교차로 운영 현시일일자료 294

그림 128. 고장이력관리 프로그램 - 조회 295

그림 129. 고장이력관리 프로그램 - 입력 295

그림 130. 복합구성품의 신뢰성 모델링 방법 296

그림 131. RAMS TOOLs 296

그림 132. 복합 구성품에 대하여 NHPP 모델을 이용한 신뢰성 성장관리 297

그림 133. 복합구성품 모델링과 생산 시스템 스케쥴링의 컨셉 297

그림 134. 신뢰성 예측을 통한 TSC 기능 PCB Board... 298

그림 135. Life consumption 기반 잔여수명 예측기법 299

그림 136. 교통신호제어기의 통신주기 비교 300

그림 137. Monitoring system architecture of a traffic... 301

그림 138. DEVS atomic model – State diagram 302

그림 139. DEVS atomic model – Formal... 302

그림 140. 머신러닝의 구성 분야 303

그림 141. 교통신호제어기 운용 환경별 수명예측을 위한 딥러닝 모델... 303

그림 142. TSC 수명예측을 위한... 304

그림 143. 정기보수 기간 그래프 306

그림 144. 딥러닝 프로그램 306

그림 145. 전체 특허 동향 그래프 309

그림 146. 논문 연구 동향 311

그림 147. 해결과제에 대한 해결수단 312

그림 148. 교통신호제어기의 특허 매트릭스 313