Accurate detection of train position is critical for successful operation of intelligent railroad transportation system. In order to get high precision position information of railroad vehicles, modules and subsystems such as GPS module, wheel sensors, and RFID tags are used for various detection methods. Among the detection methods, position detection based on RFID tags placed onto the sleepers of the track is examined and is analyzed using Eurobal-ise among the commercial systems. Position information stored in the tags is read by a reader placed at the bottom of running railroad vehicle. It is difficult to wire all of the tags to an elec-tric power source so as to supply power directly. Therefore, the readers supply electric power to tags through wireless power-transfer technology. The wireless power transfer mechanism between the reader coil and the tag coil is the magnetic resonance. Power transfer efficiency is significantly affected by the ferromagnetic material (steel) at the bottom of the railroad vehi-cle and the track and by misalignments between the reader coils and the tag coils. To reduce the impact of the installation environment of the readers and tags, this thesis proposed a wire-less power transfer structure that uses a ferrite material around the reader coil and the tag coil. Moreover, to reduce the impact of any misalignments caused by the movement of the reader, a new structure in which two tilting coils are added to the reader coil is proposed. Based on the experimental results and simulation results, performance of the proposed methods is verified. As a result, the proposed models allow substantially higher power transfer efficiency as well as successful high-precision position detection of railroad vehicles.
고속철도의 고정밀 위치검지 시스템은 철도 차량의 안전하고 효율적인 운영을 위해 매우 중요하다. 고속철도의 위치를 검지하기 위해, GPS, 차륜센서, RFID등 다양한 방법이 사용된다. 본 논문에서는 RFID 기반의 고속철도 위치검지 시스템의 무선전력전송 효율 향상을 연구 하였다. RFID 기반의 고속철도 위치검지 시스템은 리더와 태그로 구성되어 있고, 리더는 철도차량 하단부에, 태그는 궤도에 설치된다. 철도차량이 운행되면서 철도차량에 설치된 리더는 태그를 동작시키기 위해 무선전력전송을 한다. 리더로부터 전력을 공급받은 태그는 동작을 시작하고, 동작하는 순간 태그는 위치정보 신호를 리더에 송신함으로써 철도차량의 위치를 검지하는 시스템이다. 여기서 사용된 무선전력전송의 기본 원리는 자기 공진이다. 무선 전력전송의 경우 다양한 원인에 의해 효율이 저하되며, 이로 인해 전력전송이 제대로 이루어지지 않을 경우, 태그는 동작하지 않고 고속철도의 위치검지는 실패하게 된다. 이는 효율적인 철도차량의 운영을 방해할 뿐만 아니라 치명적인 철도 사고를 초래할 수 있다. 따라서 RFID 기반의 고속철도 위치검지 시스템에서 무선전력전송 효율을 저하시키는 원인을 분석하였고, 이를 극복하고자 새로운 코일 구조를 제안하였다.
먼저, 리더와 태그의 설치환경 주변 금속성분에 의해 전력전송 효율이 저하된다. 이를 극복하고자 코일 주변 ferrite sheets를 배치함으로써 효율 저하를 개선하였다. 특히, 태그 코일 0.05m뒤 steel material이 존재할 경우, ferrite sheets 에 의해 효율이 약 17% 개선 되었다. 또한, 철도차량의 이동에 따른 리더와 태그 간 상대적 위치 변화(lateral distance $\Delta$y)에 의한 효율 저하된다. 이를 개선하고자 리더에 tilting coil을 추가하여 무선전력전송 효율을 향상 시켰다. 특히, lateral distance $\Delta$y가 0.4m일 경우, tilting coil이 추가된 multi-coil 구조가 기존 구조에 비해 약 7%의 효율이 향상되었다.
결과적으로, ferrite sheet와 multi-coil 구조가 적용된 방법을 새롭게 제안하여, RFID 기반 고속철도 위치검지 시스템의 무선전력전송 효율을 향상시켰으며, 이는 안정적인 고속철도의 고정밀 위치검지를 가능하게 한다.
