스시 센서와 하중 변동 센서를 사용한 Easy IoT – 승객의 안전, 보안 및 편안함을 추구하는 Osaka Metro

요약

Osaka Metro 그룹의 핵심인 Osaka Metro는 Osaka 시내와 주변 지역에서 9개의 지하철 노선과 공공 버스를 운영하고 있으며 최신 기술을 사용하여 고객의 안전, 보안 및 편안함을 개선하고 환경 문제를 해결하고 있습니다. 또한 교통과 생활 서비스의 일체화로 지역 활성화에 기여하기 위해 [도시형 MaaS*(Mobility as a Service) 구상]을 추진하고, 신기술을 혁신적으로 활용하여 on-demand 버스 운영과 같은 새로운 서비스를 제공합니다.

Osaka Metro는 고객의 편의를 위하여, 지하철역과 터널 내부의 공기를 순환시키기 위한 거대한 공기 환기 장치(공기 흡입구 및 배출구)를 설치했습니다. Yokogawa의 무선 스시 센서가 콘크리트 구조물의 지하에서 사용될 수 있는지 여부를 테스트하기 위해, 중요한 장비의 작동에 영향을 미칠 수 있는 이상 징후의 초기 단계에서 감지를 돕는 데이터를 수집하도록, 지하철 역 여러 곳에서 센서의 현장 테스트를 실시했습니다. 이러한 테스트 결과를 바탕으로 모든 지하철 노선의 환풍기 및 공조 장비에 스시 센서를 설치할 계획입니다.

*고객의 요청에 따라 AI가 결정한 노선을 운행하는 공유 버스 MaaS는 사용자 편의성을 향상시킬 뿐만 아니라 교통 혼잡, 지구 온난화, 노인의 교통 접근성 개선 필요성과 같은 문제에 대한 솔루션을 제시할 것으로 기대됩니다. 2021년 3월 사회적 실험으로 on-demand 버스의 운영을 시작으로 지속적으로 영역을 확장하고 서비스를 개선하고 있습니다.

 

 

도전과제와 해결책

스시 센서에 대해서

Yokogawa의 스시 센서는 온도, 압력, 진동 및 기타 변수를 측정하고 LoRaWAN 광역 무선 네트워킹 프로토콜을 통해 데이터를 전송하는 소형 무선 장치입니다. 스시 센서 라인업에는 자석이나 나사를 사용하여 어디에나 쉽게 장착되고 스마트폰 앱을 사용하여 설정 및 모니터링할 수 있는 통합형 무선 진동 센서 XS770A가 포함됩니다. 사전 설정된 임계값을 사용하여 이상이 감지될 때마다 감독자에게 경고를 보낼 수 있습니다. 스시 센서의 데이터는 클라우드 또는 온프레미스(사내 서버)에 저장될 수 있으며 대시보드 화면을 사용하여 모니터링할 수 있습니다. 이 데이터를 분석하면 장비 이상을 조기에 감지하고 수리할 수 있습니다.

이러한 활동에 대해 자세히 알아보기 위해 우리는 Yokogawa의 스시 센서 도입을 지지해 온 Osaka Metro 교통 사업부 직원인 Shigeru Kai 씨를 인터뷰했습니다. 본 인터뷰는 2022년 4월에 진행되었습니다.

-- TV 프로그램에서 스시 센서에 대해 처음 들어 보셨나요?

예, 저는 석유 회사에 종사하는 아들과 함께 Yokogawa를 소개해주는 TV 프로그램을 보고 있었습니다. 저는 Yokogawa의 제품을 사용하는 산업 계측 회사에서 일했기 때문에 Yokogawa 제품에 대해 꽤 친숙했습니다. TV 에서는 스시 센서가 어떻게 비정상적 진동을 조기에 감지하여 유지 보수를 신속하게 할 수 있는지 간략하게 소개했습니다.

 

 

Yokogawa 일본 본사 쇼룸에 진열되어 있는 스시 센서

 

-- 스시 센서가 방송된 분량은 1분도 채 되지 않았습니다.

그렇습니다. 하지만 나는 꽤 확신했습니다. Osaka Metro의 각 지하철역과 터널에는 수백 대의 공기순환 환기장치가 있습니다. 우리의 첫 지하철 노선인 미도스지 선(御堂筋 線)은 거의 90년이 되었기 때문에 이 장비 중 일부는 꽤 오래되어 고장이 나기 쉬웠습니다. 심각한 결함이 발생하면 가동 중단 시간이 상당히 길어지고 수리 비용이 매우 많이 듭니다. 임박한 장애 징후를 신속하게 발견할 수 있다면 장비가 고장 나기전에 문제를 해결하고 서비스 중단이 없도록 할 수 있다고 생각했습니다. 그래서 스시 센서를 보고 '바로 이거다!' 라고 생각했습니다.

배기 팬 모터(왼쪽)와 베어링 하우징(오른쪽)에 장착된 스시 센서

 

-- 얼마나 자주 장비를 검사합니까?

장비에 따라 다르지만, 장비 검사는 한 달에 한 번 정도 수행됩니다. 우리 직원들 중 숙련된 사람은 장비가 작동하는 동안 장비를 만지고 듣고 충분한 경험을 통해 문제를 인지할 수 있는 약간의 차이점을 찾아낼 수 있습니다. 하지만 모든 작업자가 능숙한 것은 아니며, 노동인구 감소의 문제도 있습니다. 오감에 의존하는 검사 기술에 계속 의존하는 것은 현실적으로 불가능하다는 것을 알 수 있었습니다. 각 장비의 개별 특성에 대한 개개인의 지식은 다른 사람에게 전달하기 어렵다 느꼈고, 스시 센서의 솔루션으로 눈을 돌렸습니다. 스시 센서를 설치하여 월별 점검을 점차 줄여 나가려고 합니다.

 

거대한 배기 팬에 자석으로 부착시킨 스시 센서

 

-- 스시 센서를 도입하기 전, 현장 테스트(Field Test) 결과는 어땠나요?

지하철 각 역에서 현장 테스트를 진행하여 게이트웨이 장치를 설치할 최적의 위치를 결정하고 환기 장치에 부착한 스시 센서에서 신호를 제대로 수신할 수 있는지 여부를 확인했습니다. 각 테스트에는 약 3일이 걸렸습니다. 지하철역 장비는 종종 두꺼운 벽과 철문이 있는 방에서, 그리고 벽은 무선 신호 수신을 방해하는 철근으로 구성되는 경향이 있습니다. Yokogawa의 엔지니어와 우리는 각 역에서 수신이 가장 강한 위치를 찾아야 했습니다. 결국 우리는 즉석 기술을 사용했습니다. 게이트웨이를 접이식 사다리 위에 올려놓고 역을 걸어다니며 찾아다녔죠(웃음). 이제 방법을 알았으니 역에서 게이트웨이 장치를 위한 최적의 위치를 찾는 데 보통 반나절도 걸리지 않습니다.

접이식 사다리 위의 게이트웨이

 

-- 스시 센서를 도입하기로 결정한 이유는 무엇입니까?

CBM(Condition Based Maintenance : 상태 기반 유지 보수)로 전환한 이유 중 하나는 비용 절감입니다. 비용 절감을 위해서는 새로운 배선 및 배관을 최소화하는 것이 중요했습니다. 많은 연구 및 타 메이커 제품과 스시 센서를 비교했습니다. Yokogawa 제품은 모든 요구 사항을 충족했습니다. 언급한 바와 같이, 저는 이미 Yokogawa의 제품에 대해 익숙했기 때문에 무엇보다 신뢰할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 정유 공장에서 일하는 제 아들도 Yokogawa의 제품에 대해 잘 알고 있습니다. 아들이 일하는 곳에서도 이미 스시 센서를 사용하고 있었기 때문에 아들에게 질 수 없다고 생각했습니다(웃음).

스시 센서는 자석으로 어디든 장착할 수 있고 바로 측정을 시작할 수 있어 좋습니다. 매우 편리합니다. 그러나 우리는 사람들이 때때로 장치를 다른 방향으로 움직이고 돌리는 바람에 측정에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 그래서 Yokogawa 엔지니어에게 Tepra 라벨 프린터로 스티커를 만들어 센서에 부착하여 올바른 장착 방향을 표시하도록 요청했습니다.

올바른 장착 방향을 나타내는 스시 센서의 Tepra 스티커

시스템 구성 개요

 

-- How do you set thresholds?임계값은 어떻게 설정합니까?

우리는 이미 각 장비에 대해 기록된 실제 진동 수준에 특정 비율을 더하여 계산된 설정을 사용하여 여러 센서에 대한 임계값을 설정했습니다. 현재 냉방이 필요한 계절이 아니라 사용하지 않는 공조기도 있으나, 날씨가 따뜻해지면 우리는 해당 장비에 대한 임계값을 설정하고 트렌드 데이터 모니터링을 시작할 것입니다. 우리 시설의 스시 센서 수가 크게 증가할 것으로 예상되므로 진동 판독값을 모니터링하는 AI 솔루션을 도입해야 한다고 생각합니다.

원격 모니터링의 경우 현재 두 개의 사무실에서 수행하고 있습니다. 금년부터 모든 주요 역의 중요 장비에 스시 센서를 설치하고 모니터링 PC의 대수를 늘리고 있습니다. 지하철 역마다 레이아웃이 다르기 때문에 게이트웨이 장치를 설치할 수 있는 각 역의 올바른 위치를 찾아야 합니다. 하지만 앞서 언급했듯이, 우리는 그것을 꽤 빨리 할 수 있습니다. 전파가 보인다고 동료들과 농담을 했어요!(웃음).

 

-- 스시 센서 도입을 통해 어떤 결과를 얻었습니까?

오랜 시간 동안 측정한 진동 판독값을 볼 수 있다는 점이 인상적이었습니다. 작동 조건과 진동 수준의 관계가 장비마다 명확하게 시각화되어 있습니다. 내가 모든 것을 알지 못한다는 것이 입증되었습니다. 이러한 발견은 향후 유지보수 및 검사 활동을 개선하는 데 유용할 것입니다. 스시 센서의 데이터를 사용하여 오작동할 가능성이 있는 장비를 식별하고 볼트 조임 및 부품 교체와 같은 유지보수 활동을 계획할 수 있습니다.

Mr. Kai (Osaka Metro)

 

힘과 촉각 감지 기술을 적용한 하중 변동 센서 활용

Yokogawa는 표면이 거칠거나 부드러운 등의 물체를 만지는 감각을 정량화할 수 있는 힘과 촉각 감지 기술을 오랫동안 연구해 왔습니다. 이 기술을 프로세스에 응용하면, 화학 공정 등에서 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 화학 생산 공정의 반응 탱크에서 교반*되는 화학 물질의 점도를 정량화하는 데 사용할 수 있습니다(*교반: 물리적 또는 화학적성질이 다른 2종 이상의 물질을 기계 에너지를 사용해 균일한 혼합상태로 만드는 일).
Yokogawa는 이 기술을 설비 진단에도 적용하고 있습니다. Osaka Metro에는 이 기술을 응용하여, 부하 변동 센서를 환풍기 모터에 부착하여 부하 변동을 측정 및 계산하여 팬 벨트가 미끄러지거나 팬의 불균형이 있는지 판단합니다. Yokogawa는 이 기술에 대한 특허를 받았습니다.

 

부하 변동 센서 시스템 구성 개요

 

-- 부하변동센서의 PoC(Proof of Concept)를 했을 때 성능은 어땠습니까? 

환풍기 샤프트를 구동하는 팬 벨트가 끊어지면 큰 문제가 됩니다. 부러진 팬 벨트는 최악의 경우 금속 하우징을 날려버릴 수 있습니다. 스시 센서는 팬과 모터 베어링의 이상을 감지할 수 있지만 진동 판독값 만으로는 벨트 미끄러짐과 같은 문제를 나타내지 못할 수 있습니다.

저는 Yokogawa에 팬 벨트 고장을 감지할 수 있는 솔루션이 있는지 물었고 결국 부하 변동 센서를 사용하자는 제안으로 돌아왔습니다. 2년 동안 PoC를 진행하면서 우리는, 벨트의 장력이 약하거나 미끄러지는 벨트, 팬의 불균형, 베어링 그리스의 과다 주입, 변동하는 공기 흐름과 같은 조건 사이의 관계를 확인할 수 있었습니다. 부하 변동 센서를 사용하여 벨트 장력을 포함한 적절한 작동 조건이 무엇인지 결정할 수 있다면 사용되는 팬 벨트의 수를 줄일 수 있을 것입니다. 많은 경우, 유지 보수 담당자는 확신이 서지 않기 때문에 필요한 것보다 더 많은 팬 벨트를 사용합니다. 팬 벨트의 수를 줄이면 에너지를 절약할 수 있습니다. 풀리(기어의 부속품)가 어긋나면 팬 벨트가 쉽게 부러질 수 있습니다. 부하 변동 센서로 장비 상태를 정량화 할 수 있다면 다양한 개선으로 이어질 수 있을 것으로 보입니다.

 

 

고객의 목소리

-- 앞으로의 계획은 무엇입니까?

현재 지하철역 4곳의 환풍기에 스시 센서를 설치하고 있으며, 지하철 전체의 환풍기와 공조 장치에 모두 설치할 예정입니다. 환풍기는 만일의 사태에 연기를 배출하는 등 필수적인 기능을 수행합니다. 에어컨은 한때 필수가 아닌 사치품으로 여겨졌지만 지금은 모두가 그 수준의 편안함을 기대합니다. 스시 센서와 부하 변동 센서의 도입으로 이제 우리는 이 중요한 장비의 모든 문제에 신속하게 대응할 수 있다고 생각합니다. 

일본에서 인프라를 운영하는 다른 많은 회사들도 비슷한 상황에 처해 있다고 생각합니다. 우리 지하철 노선과 마찬가지로 다른 시설도 오래 전에 지어졌습니다. Yokogawa와 당사가 협력해서 이뤄낸 성과가 업계를 선도하는 최첨단 솔루션의 개발로 이어졌다고 생각합니다. 

2025년에 개최되는 오사카 엑스포를 위해 정부 뿐만 아니라 많은 기업들이 전 세계에서 방문객을 맞이할 준비를 하고 있습니다. 우리는 최첨단 기술을 도입하여 서비스를 빠르게 개선하기 위해 노력하고 있습니다. Osaka Metro는 창립 이래 최고의 기술 회사이자 운송 분야의 리더를 목표로 하고 있습니다.

 

-- Yokogawa에 대해 기대하는 바를 알려주세요.

Yokogawa의 사람들은 친절하고 그들의 일을 즐긴다고 생각합니다. 저는 항상 그들과 아주 잘 지냈습니다. 앞으로도 우리와 계속 협력하여 우리가 직면한 많은 어려운 도전에 대한 해결책을 제안해 주셨으면 좋겠습니다. 인적 자원 개발 분야에서 Yokogawa가 우리를 도울 수 있다면 감사할 것 같습니다. 앞으로는 도구 사용, 오감 사용, 데이터 및 IT 작업에 능숙한 직원을 식별해 내는 것이 중요할 것입니다. 제 생각에는 외부 파트너와의 협업도 Yokogawa가 이를 달성하는 한 가지 방법이라 생각합니다.

제 개인적으로는 휴대폰 기기변경을 할 때마다 바로 스시 센서 앱을 설치할 정도로 제가 스시 센서를 얼마나 좋아하는지 알 수 있습니다.

(왼쪽부터)
Mr. Miyagawa (Yokogawa), Mr. Kai (Osaka Metro), Mr. Nishida (Yokogawa)