1. 서론

장래 철도를 둘러싼 사회의 동향은 사회환경 및 기술면에서 변화하고 있다. 앞으로 철도의 지속적인 발전을 위해서는 저출산, 고령화, 노동인구의 감소, 지구환경보전, 에너지절약, IT활용, 안전한 사회실현, 개인화, 배리어 프리(barrier free), 편리성 향상 등 다양한 키워드를 고려하면서 장기적인 전망의 철도 연구개발 추진을 도모해야 한다.  

 

본 자료에서는 철도종합연구소의 기본계획으로 추진해 온 “철도의 장래를 향한 연구개발”의 성과 개요와 신 기본계획에서 “철도의 장래를 향한 연구개발”의 계획 개요 및 장래 전망을 시뮬레이션과 인티그레이션(integration)에 초점을 맞췄다.

 

2. 철도종합연구소의 연구개발과 기본 계획

철도종합연구소에서는 5년 간격으로 활동 기본계획을 세워 중장기적인 시야를 고려한 프로젝트적인 연구개발을 추진해 왔다. 2000년도부터 기본계획에서는 3기에 걸쳐 미니 프로젝트적으로 추진하는 “철도의 장래를 향한 연구개발”을 중심으로 “실용적인 기술개발”, “철도의 기초연구”를 결합시킨 연구개발과 안전성 향상, 편리성 향상, 저비용화, 환경과의 조화 등 네 가지 목표를 세워 추진하고 있다.

(그림) 철도종합연구소의 기본계획의 추이

 

3. RESEAR2005의 연구개발의 주요 성과

“철도의 장래를 향한 기술개발”은 이미 5년에서 수십 년 앞의 실용화를 염두에 둔 철도의 장래를 향한 시스템 변환 및 기술적인 극복을 목적으로 한 과제로 이 기간 동안 13개의 과제를 실시하였다. 이러한 기술분야의 범위를 넘어 횡단적으로 실시한 테마가 많고, 연구기간도 일반적인 테마와 비교하여 비교적 길게 설정된 것이 특징이다. 이 중 시뮬레이션과 인티그레이션의 요소가 강한 과제는 다음과 같다.

 

- 하이브리드 시뮬레이터에 의한 차량 운동특성 평가법의 개발

- 이미 설치된 철도시설의 내진성 평가와 대책

- 설비관리업무의 센싱기술, IT의 적용

- 안전성, 쾌적성을 향상시키는 휴먼 시뮬레이션 기술

- 레일 손상, 밸러스트(ballast) 궤도 노화 모델과 보수 저감기술 평가

- 전동음, 구조물음의 예측, 평가수법에 관한 연구

(그림) RESEAR2005의 연구개발의 주요 성과: 철도의 장래를 향한 기술개발

 

4. RESEAR2010의 연구개발계획 개요

4-1. 철도의 장래를 위한 연구개발

“철도의 장래를 향한 연구개발”은 실용화 될 경우 파급효과가 큰 기술개발형 과제 이외에 연구개발의 획기적인 극복을 기대할 수 있는 현상의 해명 및 도구 구축과 같은 기초연구형 과제도 추진한다.

 

(그림) RESEAR2010의 연구개발계획 개요: 철도의 장래를 위한 연구개발

 

(1) 대과제: 철도시스템의 안전성, 신뢰성 향상

① 개별과제: 지능형 열차에 의한 안전성, 신뢰성 향상

차 운행의 보안 수준을 보다 한층 향상시키기 위해 열차 스스로 안전에 관한 정보를 취득하여 이상상태를 검지하고 안전하게 주행할 수 있는 조건을 판단, 결정하는 지능형 열차의 실현을 목표로 한다.

 

② 개별과제: 탈선, 충돌에 대한 안전성 향상

탈선에 관해서는 현재보다 탈선의 가능성을 저감시킨 차량의 개발을 목표로 하여 황압 저감을 위한 조타기구, 바퀴무게 감소를 저감하는 대차구조 등을 개발과 최신 기술을 고려한 주행 안전성 평가수법을 제안한다. 충돌에 관해서는 한 차량의 거동 평가를 실시하여 충돌 시의 차체 변형 시뮬레이션 및 인체 거동 시뮬레이션을 개발하여 차량의 충돌에 대한 안전성 평가법을 제안함으로써 피해 경감대책의 검토를 실시한다.

 

③ 개별과제: 기상재해에 대한 안전성 향상

지점별로 관측결과 및 주변 지역의 기상정보에 기초한 철도에 적합한 국지 기상 시뮬레이션 모델을 개발한다. 주요 기상재해의 위험도 평가법을 개발한다. 그리고 재해의 발생원 및 영향범위를 실시간으로 표시하는 재해위험 맵핑기술을 개발한다.

 

④ 개별과제: 지진에 대한 안전성 향상

본 지진에서 여진이 시계열적인 대규모 지진동의 예측시스템, 지진 후의 잔여내력의 평가법을 개발한다. 제진 디바이스를 이용한 응답 저감형 대책 등 복구성이 뛰어난 내진대책기술을 제안한다.

 

(2) 대과제: 에너지 고효율 이용

① 개별과제: 차량에너지 소비 저감

나노기술을 적용시킨 금속재료의 차체 및 부품에 적용과 고분자 재료의 창문 적용 등 신소재의 적용에 의한 차량의 경량화, 고효율 유도전동기 및 자기 냉동에 의한 공조장치 등의 효율화, 차량의 구동시스템 등을 상세하게 모델화 한 소비 에너지 상세 시뮬레이션 의 개발을 목표로 한다.

 

② 개별과제: 전력의 신 공급시스템

열손실이 적은 고속 스위칭이 가능한 저손실 반도체 소자를 적용한 직류 전기철도용 정류기 및 차단기 등 개발에 의한 전력손실 및 전압강하 제어를 도모한다.

 

(3) 대과제: 유지관리의 혁신

① 개별과제: 새로운 상태 감시 보전 기술

지상설비 및 차량의 보다 합리적이고 효율적인 상태 감시수법 및 이상감지, 진단기술의 확립을 목표로 한다.

 

② 개별과제: 구조물의 리뉴얼 기술 혁신

교량, 고가교 등의 리뉴얼 기술로서 노후화된 철교 등의 구조변경에 의한 재생화를 영업노선에서 실시하는 기술 및 고가교의 기둥 및 지중교 등의 부분 교체를 위한 서로 다른 종류의 부자재 접합기술 등 요소기술을 개발한다.

 

(4) 대과제: 철도 네트워크의 유지 발전

① 개별과제: 차내 쾌적성의 평가, 대책

차내 쾌적성을 보다 한층 향상시켜 철도의 매력을 높이기 위한 방책으로서 각종 시뮬레이션 실험에 의해 차내 진동에 대한 승객의 감각특성, 멀미의 요인, 차내 소음에 대한 승객의 감각특성을 파악하여 승객의 감각특성에 기초한 차내 쾌적성 평가수법을 제안하고 차내 진동, 소음의 저감대책 수법을 제안한다.

 

② 개별과제: 고속화를 위한 연선(沿線) 환경 평가 및 대책

저소음의 난류 생성장치 등을 이용하여 보다 실제 상황에 가까운 풍동시험 환경을 구축하는 기술, 공기력 소음예측 및 평가수법의 고정밀도화를 목표로 한다.

 

③ 개별과제: 교통 결절점에서 이동 원활화

여객의 분포 및 흐름을 철저히 파악하는 수법 및 개찰구에서의 유동을 보다 원활하게 하는 기술 등 역 및 주변의 이용 원활화 기술을 개발한다. 물류운송의 경우, 운송효율 및 지구환경 보전 등의 지표로부터 철도에 의한 화물교통이 사회의 지속적 발전에 미치는 영향을 객관적으로 평가하는 수법을 개발한다.

 

(5) 대과제: 철도 시뮬레이터 구축

① 개별과제: 철도 시뮬레이터의 핵심 시스템의 설계 및 개발

차량, 궤도 및 편성 열차의 모델 및 구조물~차륜간 대규모 병렬계산 모델을 개발한다. 최종적으로 상시 주행을 모의할 수 있는 가상 철도시험선의 실현을 목표로 한다.

 

② 개별과제: 철도 시뮬레이터의 핵심 시스템의 설계 및 개발(화재 시뮬레이터)

화재 시뮬레이터 구축에 필요한 지반, 구조물군의 데이터베이스 및 모델을 개발하여 광역 철도노선의 모델화를 가능케 하고 기상자료도 활용한 지진, 강우 등에 의한 피해예측을 수행하는 재해 시뮬레이터의 실현을 목표로 한다.

 

4.2 철도의 기초연구와 시뮬레이션의 고도화

철도의 기초연구는 실용기술의 기발이 되는 연구 및 철도와 관련된 문제의 해결을 위해 필요한 연구로서 중요하며, 철도 고유의 현상 해명, 사상의 모델화 평가법의 확립 등을 수행하는 “해석연구”와 새로운 기술, 재료, 연구수법 등의 철도에 적용을 도모하는 “탐색, 도입연구”로 나누어진다. 신 기본설계 “철도의 기초연구”의 실시에서는 “시뮬레이션 기술의 고도화”, “노화, 손상원인의 해명”, “영향평가 등의 각종 평가기술의 심화”, “인적요인”을 중점적으로 실시한다. 또한, 부상식 철도의 연구개발도 기초연구의 일환으로 차량운동 시뮬레이션 및 고온초전도재료 지상코일의 보수방법 등을 지속적으로 실시한다.

 

4.3 철도 시뮬에이터, 버츄얼 시험선

철도종합연구소에서는 지금까지 차량에서 지상설비까지 각 기술분야 및 경계영역 문제에 대응하여 발생하는 현상을 높은 정밀도로 재현하여 성능을 평가하기 위한 모델화 및 시뮬레이션 해석기술을 심화시켜 왔다. 컴퓨터의 계산능력 및 대규모 유한요소 모델과 유체역학 모델 등을 활용한 해석기술의 발전에 기여하였으며, 개별 해석기술을 조합시켜 통합화함으로써 고성능의 철도 시뮬레이터를 구축할 수 있는 가능성이 높아졌다.

 

5. 장래 철도기술의 전망과 철도종합연구소의 역할

철도종합연구소의 연구개발 영역은 철도 고유기술, 종합력의 발휘, 철도사업자의 공통과제, 특징적인 시험설비의 활용, 해석능력 및 지식활용 등이 핵심이 되는 영역으로 집중해야 할 연구개발 항목의 추진에는 지진 및 강풍대책, 연선(沿線) 환경문제, 인적요인, 시뮬레이션 기술의 활용 등이 제시되었다. 또한, 이러한 연구개발 항목의 추진에는 시뮬레이션 기술의 활용에 의한 연구개발의 효율화가 효과적이며, 기술영역의 경계를 넘은 종합화가 최종적인 도달점이 된다. 이러한 과정을 통해 얻어진 노하우는 철도시스템으로서의 LCC, LCA 및 종합적인 리스크 평가의 전개에 효과적으로 도움이 될 것이다.

 

▣ 원문제목 : ？道の？？に向けた？究開？

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 서론

2. 철도종합연구소의 연구개발과 기본 계획

3. RESEAR2005의 연구개발의 주요 성과

4. RESEAR2010의 연구개발계획 개요

5. 장래 철도기술의 전망과 철도종합연구소의 역할

6. 마무리