초고속 자기부상철도 기술개발을 위한 R&D 경영 전략

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the world’s attention to the prevention of global warming and low carbon green growth has been increasing. Research and development of transport means to connect not only between cities in one country but also between cities in difference countries have been actively conducted. Among those, representative transport system is superspeed magnetic levitation railway.
Currently, superspeed maglev railways are developed or under development in countries such as Germany, Japan, China, and South Korea. The vehicle developed by Germany is called Transrapid and all tests related to this vehicle such as operation, railway, propulsion, and electric power tests have been completed in Emsland test line in Germany. This technology was used to construct the commercial line that connects between Pudong International Airport in Shanghai and Longyang Road Station.
Japan has developed MLX(Maglev Experimental) system and this system is under running tests in Yamanashi. The test line was extended to 42.8km in 2013 and will be connected from Tokyo to Nagoya by 2027 for commercial operation. In South Korea, the development of core technologies of superspeed maglev railway has started as national research and development project and finished in March 2015.
For successful implementation of large system development projects such as superspeed maglev railway technology development, the development of technologies in diverse areas such as propulsion, electric power, vehicles, and operation should be implemented without any error. If an abnormality occurs in a sub system or part, the technology development will fail.
Since these countries are unwilling to disclose the technologies possessed by them to the outside, there are limitations in finding out detailed information on systems, sub systems, on parts and concrete information on cases of application of system engineering and instrumentation systems. In addition, in the case of vehicles for development that are not commercial vehicles, the size of vehicle should be reduced due to limitations in study periods and development costs. Furthermore, although the design, fabrication, and performance evaluation are conducted considering commercialized vehicles, there are difficulties in applying all details as they are to vehicles for development.
In South Korea, a study to develop an superspeed maglev railway system began in December 2011 as a national research and development project and terminated in March 2015. To develop the large system as such, patent analyses were conducted first. Through the patent analyses by country, by technology, etc., the following analysis results were obtained.
First, with regard to patent trends by applying countries, it is found that the USA posses the largest number of patents related to superspeed maglev railway systems(185 cases, 30%), followed by Japan(160 cases, 26%), and China (122 cases, 19%). South Korea was identified to have applied for the smallest number of patents with 48 cases (8%). Since the ratios of patent applications of the USA and Japan are the highest, it can be seen that preoccupying the market in these two countries is important. In general, it could be seen that the qualitative level of patents of the USA was the highest and that market competitiveness was led by Germany and Japan.
Second, with regard to patent trends by technology, the number of patents applied in 1980 was small with 2 cases and that in 2007 was the largest with 58 cases. Since the investigation indicates that patent applications increased drastically in the 1990s and from the middle of the 2000s, the importance of superspeed maglev railway systems seems to have been reflected on patent applications.
Third, the qualitative level and competitiveness of technologies were analyzed and it was identified that Germany had the most excellent superspeed maglev railway technologies.
Fourth, to analyze competitiveness levels of countries by technology, patents applied for in the USA were analyzed. The leading group with the highest technical competitiveness consisted of the USA and Germany and countries with higher than average market securing indexes were Germany and Japan. The USA, Japan, and Germany showed higher than average citation rates indicating that research and development markets in these countries had been matured.
Fifth, it could be seen that since linear synchronous motor design, levitation, and guiding technologies cannot be easily entered because the levels of difficulties of those technologies high, development should focus on enhancing price competitiveness through domestic independent technologies or cost reduction.
Sixth, the guide way technology used in superspeed maglev railways is changing into steel, hybrid, and concrete types. Therefore, referring to the newest technologies, design, fabrication, and test/evaluation technologies for guide way models unique to South Korea should be developed.
Meanwhile, in the process of development of core technologies for superspeed maglev railways, the application of system engineering techniques was very helpful in securing the reliability and stability of the entire system. The details are as follows.
First, the traceability of sub system requirements and component requirements for system requirements could be identified to find missing parts and improve the reliability of the system.
Second, since the entire system was addressed, data and diagrams that would enable the researchers to consistently understand even other areas not under their charge could be presented and wrong understandings of technical matters in other areas could be corrected to minimize technical risks.
Third, system verification should be performed based on system requirements in principle. The completeness of system verification could be enhanced by identifying test items and connecting traceability based on the data on system requirements, sub system requirements, and requirements constructed in the system engineering database.
In addition, to verify integrated performance, the total instrumentation system of superspeed maglev railways was composed of land power, track, vehicle, signal/communication/environment, and total instrumentation systems. Using the total instrumentation system composed as such as separate measuring devices, combined tests and general trial run tests were conducted to obtain the study results as follows.
First, to verify propulsion system combination tests, the inverter, converter, and energy storage device were combined and tested. It could be seen that the DC link voltage was DC 900V and the DC current was 100A. It was identified that the DC link voltage and current, torque current reference value, and feedback current were working normally.
Second, through thrust tests of LSM single units, the progresses of theoretical values and measured values of LSM according to changes in the input current and the position of the levitation electromagnet were reviewed. The thrust was identified as 5.58kN, higher than the required thrust 5.13kN. An error of approximately 5.7% occurred and this is considered attributable to the friction loss between the levitation electromagnet and the LM guide and the applied current measurement error. Since the required thrust was within the maximum thrust based on the foregoing, the design feasibility was verified.
Third, maximum thrust tests were conducted and 24.88kN could be obtained as the maximum thrust that was higher than the design value 23.7kN. Since the obtained value is similar to the design value 23.7kN, it could be seen that the LSM was designed and fabricated close to the design. Fourth, maximum speed vehicle propulsion tests were conducted and a maximum vehicle speed of 8.45m/s could be obtained which was higher than the design value 8m/s.
Fifth, whereas the maximum targeted acceleration/deceleration speeds of super -speed maglev railway vehicles using LSM propulsion systems are 1.1m/s2 respectively, the acceleration and deceleration values were shown to be 1.16m/s2, higher than the reference value. Sixth, a vehicle magnetic flux position estimator was developed so that the LSM could be more precisely controlled.
As reviewed above, to successfully develop a large system, domestic/foreign patents and technologies should be analyzed first. In addition, during the study period, the design, fabrication, and tests of the system, sub system, and components should progress without any problem. To successfully complete the large scaled research and development within scheduled period and costs and more than 100 participants, clear strategies for technology development should have been prepared. Based on such necessity, the R&D management strategy for development of superspeed maglev railway technologies was actually applied to the project to successfully complete the project.
In future, measures to apply the system engineering computerization support environment and comprehensive instrumentation system construction cases currently developed to the development of technologies for low-medium speed magnetic levitation trains and other vehicles should be reviewed. Furthermore, when implementing large national research and development projects, the R&D management strategy studied here should be revised and supplemented to fit individual projects and actively utilized in the projects.

국문 초록 (Abstract)

최근 들어, 지구온난화 방지와 저탄소 녹색 성장에 대한 세계의 관심이 고조되고 있다. 자국뿐만 아니라 다른 나라의 도시와 도시를 연결하는 운송수단에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 운송수단 중에서 대표적인 것이 초고속 자기부상철도이다.
현재 세계적으로 초고속 자기부상철도를 개발하였거나 개발 중인 나라는 독일, 일본, 중국, 한국 등이다. 독일이 개발한 차량을 Transrapid라고 부르는데, 독일 Emsland 시험선에서 이 차량과 운영, 선로, 추진, 전력 등과 관련된 모든 시험을 완료하였다. 이 기술을 이용하여, 중국 상하이 푸동공항과 롱양역을 연결하는 실용화 노선을 구축하였다.
일본은 MLX(Maglev Expertimental) 시스템을 개발하여 야마나시에서 열차의 주행시험을 실시하고 있다. 2013년에 42.8km로 연장하였고, 2027년까지 동경에서 나고야까지 연결하여 영업노선에서 운행할 계획이다. 국내에서도 2011년 12월부터 초고속 자기부상철도 핵심기술개발을 국가연구개발사업으로 시작하여 2015년 3월에 종료하였다.
초고속 자기부상철도 기술개발과 같은 대형 시스템 개발사업을 성공적으로 이루어내기 위해서는 추진, 전력, 차량, 선로, 운영 등 다양한 분야에 대한 기술개발이 한 치의 오차도 없이 수행되어야 한다. 만일, 하나의 서브시스템 또는 부품에서 이상이 발생한다면, 그 기술개발은 실패로 끝나게 될 것이다.
이들 국가에서는 자신들이 보유하고 있는 기술들에 대한 외부유출을 꺼리고 있기 때문에, 시스템, 서브시스템, 부품 등에 대한 상세 정보와 시스템 엔지니어링 적용 사례, 계측시스템에 대한 정보를 구체적으로 알아내는데 한계가 있다. 더욱이 실용화 차량이 아닌 개발 차량인 경우에는 연구 기간과 개발 비용의 한계로 인해 규모를 축소해서 개발할 수밖에 없다. 또한, 실용화 차량을 고려해서 설계, 제작과 성능평가가 이루어지지만, 모든 사항들을 개발되는 시스템에 그대로 적용하기에는 어려움이 있다.
국내에서는 국가연구개발사업으로 초고속 자기부상철도를 개발하기 위한 연구가 2011년 12월에 시작되어 2015년 3월에 완료되었다. 이러한 대규모 시스템을 성공적으로 개발하기 위해 특허분석을 가장 먼저 수행하였다. 이를 통해 각 국가별, 기술별 등에 따른 특허분석을 통해, 다음과 같은 분석결과를 얻었다.
첫째, 출원국별 특허동향은 미국 185건(30%), 일본 160건(26%), 중국 122건(19%)의 순으로 높게 나타났다. 한국의 경우, 48건(8%)으로 가장 낮게 조사되었다. 미국과 일본 특허청 비중이 높아, 두 나라에서 시장을 선점하는 것이 중요함을 볼 수 있었다. 전반적으로 특허의 질적 수준은 미국이 가장 높고, 시장경쟁력은 독일과 일본이 선도하고 있음을 알 수 있었다.
둘째, 기술별 특허동향은 1980년에는 2건으로 작았으나, 2007년 58건으로 가장 많이 특허 출원이 이루어진 것으로 나타났다. 1990년대와 2000년대 중반부터 크게 증가한 것으로 조사되어 초고속열차에 대한 중요성이 반영된 결과로 보여진다.
셋째, 기술의 질적 수준, 경쟁력을 분석하여 독일이 초고속 자기부상철도 기술이 가장 뛰어남을 확인하였다.
넷째, 기술별 국가간 경쟁력 분석을 위해 미국에서 출원된 특허를 분석하였다. 기술경쟁력이 강한 리딩그룹은 미국과 독일이며, 시장확보지수가 평균 이상인 국가는 독일과 일본임을 알 수 있었다. 미국, 독일, 일본은 인용비가 평균 이상으로 나타나 연구개발시장이 성숙된 것으로 조사되었다.
다섯째, 선형동기전동기 설계, 부상 및 안내 기술은 기술의 난이도가 높아 기술진입이 쉽지 않기 때문에, 국내 독자 기술 또는 비용절감을 통한 가격 경쟁력을 높이는 것에 중점을 둔 개발이 필요함을 알 수 있었다.
여섯째, 초고속 자기부상철도에 이용되는 가이드웨이 기술은 철제, 하이브리드, 콘크리트 형식으로 변천하고 있다. 따라서 최신 기술을 참조하여 국내 고유한 가이드웨이 모델에 대한 설계, 제작, 시험평가 기술을 개발할 필요가 있다.
한편, 초고속 자기부상철도 핵심기술개발을 진행하면서, 시스템 엔지니어링 기법을 적용하여 전체 시스템 신뢰성과 안정성 확보에 큰 도움을 받을 수 있었는데, 자세한 사항은 다음과 같다.
첫째, 시스템 요구사항에 대한 서브시스템 요구사항 및 구성품 요구사항의 추적성을 확인하여 상호 누락된 부분을 식별하고 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있었다.
둘째, 시스템 전반을 모두 다루고 있기 때문에, 연구원들이 자신이 담당하지 않는 다른 영역에 대해서도 일관된 이해를 할 수 있는 데이터와 다이어그램을 제시하고, 타 분야 기술사항에 대한 잘못된 이해를 바로 잡아 기술적 리스크를 최소화할 수 있었다.
셋째, 시스템의 검증은 시스템의 요구사항을 기반으로 수행되는 것이 원칙이다. 시스템 엔지니어링 데이터베이스에 구축된 시스템 요구사항과 서브시스템 요구사항, 구성품 요구사항에 기반하여 시험항목을 식별하고, 추적성을 연결함으로써 시스템 검증의 완전성을 높일 수 있었다.
또한, 통합성능 검증을 위해 초고속 자기부상철도의 종합계측시스템을 지상전력, 궤도, 차량, 신호/통신/환경 및 종합계측시스템으로 구성하였다. 이와 같이 구성된 종합계측시스템과 별도의 계측장치들을 이용하여 조합시험 및 종합시운전 시험을 수행하여 다음과 같은 연구결과를 얻었다.
첫째, 추진시스템 조합시험 검증을 위해 인버터와 컨버터, 에너지저장장치를 조합하여 시험하였다. DC 링크 전압 DC 900V와 DC 링크 전류가 100A임을 알 수 있었다. DC 링크 전압과 전류, 토크전류 지령치와 피드백 전류가 정상적으로 작동함을 확인하였다.
둘째, LSM 단품에 대한 추력시험을 통해, 입력전류 및 부상전자석 위치가 변함에 따라 LSM 이론값과 측정값을 살펴보았다. 추력이 5.58kN으로 요구추력 5.13kN 이상임을 확인하였다. 약 5.7% 오차가 발생하였는데 부상전자석과 LM가이드 마찰 손실, 인가된 전류의 측정 오차 등으로 생각된다. 이를 통해 요구 추력이 최대 추력을 만족하므로 설계 타당성이 검증되었다.
셋째, 최대 추력시험을 수행하여 설계값인 23.7kN 이상인 24.88kN을 얻을 수 있었다. 이 값은 설계값인 23.7kN과 유사한 값으로 LSM이 설계값과 가깝게 설계 및 제작되었음을 알 수 있었다. 넷째, 차량 최고속도 추진시험을 실시하여 설계값인 8m/s 이상인 차량 최대 속도가 8.45m/s를 얻을 수 있었다.
다섯째, LSM 추진시스템에 의한 초고속 자기부상철도 차량의 최대 가감속 목표속도는 각각 1.1m/s2인데, 가속도와 감속도 값이 기준값 이상인 1.16m/s2로 나타났다. 여섯째, 차량자속위치 위치 추정기를 개발하여 LSM을 보다 정밀하게 제어할 수 있었다.
이상에서 살펴본 것처럼, 대형 시스템을 성공적으로 개발하기 위해서는 국내외 특허 및 기술분석이 선행하여 이루어져야 한다. 또한, 연구 기간 중에는 시스템, 서브시스템, 구성품 등의 설계, 제작, 시험이 착오 없이 진행되어야 한다. 정해진 기간과 비용, 백 명 이상이 참여하는 대규모 연구개발을 성공적으로 끝내기 위해서는 기술개발을 위한 분명한 전략이 마련되어 있어야 한다. 이와 같은 필요성에 의해, 초고속 자기부상철도 기술개발을 위한 R&D 경영전략을 프로젝트에 실제로 적용하여 사업을 성공적으로 완료하였다.
향후에는 현재 개발되어있는 시스템 엔지니어링 전산지원환경, 종합계측시스템 구축 사례를 중저속 자기부상열차, 다른 차량 기술개발 등에 확장하여 적용하는 방안에 대한 검토가 필요하다. 더 나아가 대형 국가연구개발 진행시, 여기서 연구된 R&D 경영전략을 각 사업에 맞도록 수정하고 보완된 후에 그 사업에 적극 활용될 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구배경 1
• 제2절 국내외 초고속 자기부상철도 3
• 1. 독일 초고속 자기부상철도 연구개발 3
• 2. 일본 초고속 자기부상철도 연구개발 5
• 3. 중국 초고속 자기부상철도 연구개발 7
• 4. 기타 국가 초고속 자기부상철도 연구개발 7
• 5. 국내 초고속 자기부상철도 연구개발 8
• 제3절 초고속 자기부상철도 기술 9
• 1. 추진 및 전력시스템 9
• 2. 선로시스템 15
• 3. 차량시스템 17
• 제4절 초고속 자기부상철도 R&D 경영전략 21
• 제2장 연구동향 24
• 제1절 특허분석 연구동향 24
• 제2절 시스템 엔지니어링 연구동향 26
• 1. 시스템 엔지니어링 기반의 연구사례 26
• 2. 시스템 엔지니어링 프로세스 28
• 3. 기능분석 30
• 제3절 통합 검증 사례 연구동향 33
• 제3장 초고속 자기부상철도 특허 분석 36
• 제1절 개요 36
• 제2절 국가별 및 기술별 특허동향 38
• 1. 출원국별 특허동향 38
• 2. 기술별 특허동향 41
• 제3절 출원인별 특허동향 47
• 제4절 기술별 국가간 경쟁력 분석 50
• 1. 피인용도-시장확보지수를 통한 분석 50
• 2. 피인용도-인용비를 통한 분석 51
• 제5절 특허 키워드맵 분석 53
• 제6절 종합검토내용 55
• 제4장 시스템 엔지니어링을 위한 전산환경 구축 56
• 제1절 스키마 정의 및 사용자 인터페이스 구현 56
• 1. 시스템 엔지니어링 프로세스 및 스키마 정의 56
• 2. 사용자 인터페이스 구현 57
• 제2절 개발 프로세스별 수행 내용 59
• 1. 프로세스 및 업무 구성 59
• 2. 정의 프로세스 59
• 3. 설계 및 구현 프로세스 63
• 4. 검증 프로세스 67
• 5. 기술관리 프로세스 70
• 제3절 종합검토내용 72
• 제5장 종합계측시스템 개발 및 통합 검증 사례 73
• 제1절 종합계측시스템 하드웨어 개발 73
• 1. 종합계측시스템 개요 73
• 2. 전력 및 궤도 계측시스템 75
• 3. 차량 및 신호/통신/환경 계측시스템 78
• 제2절 종합계측시스템 소프트웨어 개발 79
• 제3절 관제시스템 82
• 1. 시스템 구성 82
• 2. 관제 프로그램 85
• 제4절 Lab 시험 및 조합시험 검증 사례 87
• 1. Lab 시험 사례 87
• 2. 조합시험 검증 사례 89
• 제5절 종합시운전 검증 사례 94
• 1. LSM 추진시스템 94
• 2. LSM 추력시험 95
• 3. 최고속도 시험 97
• 4. 최고 가(감)속도 시험 98
• 5. 차량의 추진제어 측정 99
• 제6절 종합검토내용 101
• 제6장 결 론 103
• 참고문헌 107

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