1. 서론

 

신칸선 및 통근선에 도입되어 있는 열차제어시스템에는 제어의 기본이 되는 열차의 위치검지와 열차에의 제어정보(다른 열차의 위치 및 진로구성)의 전달에 궤도회로가 널리 사용되고 있다. 이 방식은 신뢰성, 경제성의 관점에서 상당히 우수한 시스템 구성법이다. 그러나, 궤도회로에 의한 위치 검지에서는 그 길이가 수십 미터에서 수백 미터의 단위로 열차제어가 이루어지기 때문에 상세한 제어가 수행될 수 없어 차량의 구동시스템으로부터 발생하는 귀선전류의 고주파가 열차제어시스템에 대해 문제가 없다는 것을 확인해야 하는 등 궤도회로의 사용에 기인하는 과제도 있다.

 

최근, 이러한 과제를 해결하기 위해 무선을 이용한 다양한 열차제어시스템의 개발이 추진되고 있다. 무선식 열차제어를 채용하여 지상과 차량 사이에서 다양한 정보의 교신을 실시함으로써 이동폐쇄 및 건널목 경보의 정시간 경보제어 등의 고도 기능을 실현할 수 있고, 궤도회로 등의 지상설비를 대폭적으로 생략하여 유지관리의 저감에도 큰 역할을 할 것으로 기대할 수 있다.

 

2. 무선식 열차제어시스템의 개발 상황

 

2.1. 일본 국내의 무선식 열차제어시스템

1985년경 철도 종합연구소에서 열차제어시스템의 기구구성에 관하여 검토하여, 지상설비가 적은 무선을 이용한 열차제어시스템 CARAT(computer and radio aided train control system)를 제안하였다.  시스템의 기본구성, 열차의 위치검지, 열차추적, 브레이크제어, 무선 전송품질 등에 관한 검토를 실시하고, 이러한 정보가 일정 간격으로 배치된 무선기기국을 거쳐 차량에서 지상에 송신된다. 지상에서는 수신된 정보를 기초로 열차주행에 필요한 진로를 구성하고, 열차가 주행할 수 있는 정지한계를 열차에 반신한다. 정지한계를 수신한 차상장치는 현재 위치까지의 속도조사 팬턴을 작성하여 정지한계 및 속도조사 패턴을 넘지 않도록 열차속도를 제어한다. 그 결과, 궁극의 간격제어인 이동폐쇄를 실현할 수 있으며, 건널목의 경보시간을 일정하게 제어하는 건널목 정시간 경보제어를 실현할 수 있다.

 

한편, 역구내의 열차 검지에는 궤도회로를 사용하지만, 제어정보의 전송에는 무선을 사용하는 시스템이 실용화 되어 있다. 신간선에서 상용의 ATC가 고장났을 경우에 사용하는 대용보안용 자료의 교신이 수행된다.

 

한산선구(閑散線？)용 열차제어시스템에는 지상장치와 차상장치의 정보전송이 역구내 및 건널목 인접 등 한정된 장소만 구성되면 된다는 조건으로 비용을 억제한 열차제어의 검토가 이루어지고 있다. 국철 말기에 도입된 전자폐쇄장치의 교환요으로 개발되어 있는 것이 있지만, 곡선의 속도제한에 대한 방호기능 및 건널목이 제어불량 시는 건널목 바로 앞까지 정지하는 기능 등 안전성 향상이 실현 가능한 구성으로 되어 있다. 400MHz의 열차무선을 이용하는 것, 2.45GHz의 범용무선 주파수대를 이용하는 것이 개발되어 있다.

 

그 외에 미국이 개발한 AATC(advanced automatic train control)을 기초로 개발된 전파의 전반지연시간을 계측하여 2개의 무선기 사이의 거리를 계측함으로써 열차의 위치를 지상에서 파악하고 열차를 제어하는 시스템, 각 열차로부터 지상장치에 송신되는 열차 위치정보에 기초하여 가상적으로 설치된 폐쇄구간의 재선(在線)판정을 수행하여 궤도회로를 이용하지 않는 고정 폐쇄를 실현하는 시스템, 브로드밴드 무선시스템에 의한 고속대용량의 정보전달을 사용하여 열차를 제어하는 시스템 등의 연구개발이 보고되고 있다.

 

또한, 최근에는 일본의 무선식 열차제어시스템을 JIS화하고, 국제규격화하는 활동도 이루어지고 있다.

 

2.2. 해외의 무선식 열차제어시스템

유럽에서는 철도용 열차무선 GSM-R(global system for mobile communications for railways)을 사용하는 신호시스템 ETCS(european train control system)을 기본으로 한 유럽 통일의 열차제어시스템 ERTMS(european railway traffic and management system)의 도입이 진행되고 있다. ETCS는 국경을 넘어 열차가 상호직통 운전하기 위해서는 유럽 공통의 열차제어시스템이 도입되어야 한다는 방침에 따라 1989년부터 검토되어 온 신호시스템이다.

 

레벨 1은 열차검지는 종래의 궤도회로 등에서 실시되고, 신호기 등의 설비도 그대로 남는다. 유로 발리스(EURO-Balis)라는 지상자에서 신호기의 현시(現示)에 대응한 속도조사를 실시한다. 레벨 2에서는 열차검지는 종래의 궤도회로 등에서 실시하지만, 신호현시에 관한 정보는 GSM-R을 사용한 지상에서 차량으로 전송된다. 레벨 3은 지상신호기, 궤도회로 등이 없고, 열차의 위치검지의 지상의 속도발전기에 의해 수행되어 GSM-R에서 지상에 그 정보가 전송되고, 이러한 정보에 기초하여 열차제어가 실시된다. 지상설비를 생략할 수 있고, 이동폐쇄가 실현될 수 있다.

 

1996년에 고속선, 2001년에 재래선에 대한 EU의 상호직통운전에 관한 지령이 제시되어, 파리-스트라스브루, 마드리드-바로셀로나, 로마-나폴리 등의 고속선 및 유럽 각국의 재래선에 ETCS가 도입되어 있다. 또한, 한산선구(閑散線？)를 위해 ERTMS의 비용을 억제한 무선식 열차제어시스템 ERTMS-Regional의 개발도 추진되고 있다. 지상신호기 및 궤도회로를 삭감하고, GSM-R을 이용한 포인트 및 건널목 등의 연선에 존재하는 현장기구를 센터로부터 집중제어하는 시스템이다. 2003년에는 공통사양이 책정되어 스웨덴에서 2010년 10월부터 도입될 예정이었다.

 

북미에서 무선식 열차제어의 본격적인 검토는 1984년 캐나다와 미국에서 항공기 및 우주개발에서 사용되고 있는 무선통신기술을 철도에도 응용하여 스마트한 열차제어시스템을 실현할 목적으로 조직된 ATCS(advanced train control system) 프로젝트가 시작되었다. 그 후, 뉴욕 지하철 및 샌프란시스코 연안 고속철도(BART) 등에 무선이용의 열차제어시스템이 도입되어, 이러한 시스템을 가리키는 용어로서 CBTC(communication based train control)이 사용되어 왔다.

 

AATC는 1998년에 도입되었지만, 지상 주체로 열차위치 검지 및 속도제어를 수행하는 점이 다른 시스템과는 크게 다르다. 위치감지에는 군사용의 위치 보조기술을 응용하고 있다. 차량과 지상 사이의 무선통신의 전반시간을 측정함으로써 열차 위치를 특정한다. 연선에 무선기를 일정 간격으로 설치하고, 지상의 제어장치와 차량 사이의 통신은 지상의 무선기를버킷릴레이식으로 경유하여 수행한다. 열차의 주행제어 판단은 지상측에서 실시하고, 그 제어정보를 무선에 의해 각 열차에 송신한다.

 

2008년 10월에 철도 안전 개선법 RSIA(rail safety improvement act)에 대통령이 서명한 후 열차끼리의 충돌방지, 속도초과에 의한 탈선방지, 선로연선 작업원의 장해방지를 목적으로 한 PTC(positive train control)을 2015년 12월까지 도입하는 것을 의무화하여 무선식 열차제어시스템의 개발 도입이 활발화하고 있다.

 

중국에서는 2008년에 개업한 티뱃철도 및 최근 건설이 추진되는 고속철도에서 무선식 열차제어가 도입되어 있다. 티뱃의 열차는 고도가 5,000m를 넘기 때문에 기후변화에 의한 궤도회로가 크게 변동되어 궤도회로의 구성이 곤란하며, 역 사이의 거리가 50km 이상 되는 장소가 있어 역구내 3km 이내는 무선식 열차제어방식, 역 사이는 차축검지기에 의한 체크인, 체크아웃으로 폐쇄 제어를 수행하며, GPS와 차량의 데이터베이스에 의한 속도제어를 실시하고 있다. 또한, 300km/h 이상의 고속철도는 CTCS 레벨3라는 유럽의 ERTMS/ETCS 레벨2에 상당하는 시스템이 도입되어 있다.

 

3. 무선식 열차제어로 실현되는 주요 기능의 실현방법

 

3.1. 기본기능

열차제어를 기능으로 분류하면 다음과 같다. 이러한 기능은 무선식 열차제어에서도 특히 변하지 않는 것이다.

- 열차의 위치를 검지한다.

- 역구내의 진로를 제어한다.

- 제어정보를 열차에 전달한다.

- 제어정보를 기본으로 열차를 제어한다.

- 얼차의 위치속도에 대응하여 건널목 경보를 제어한다.

 

3.2. 열차의 위치검지

열차의 위치를 열차자신이 검지하여 그 정보를 지상에 전달하는 차상위치검지와 지상에서 위치 검지하는 형태가 있다.

 

(1) 차상위치검지

거리적산과, 적당한 간격으로 배치된 지상마커 등에서의 절대위치 보정에 의해 연속적인 위치검지를 확보하는 방식이 개발되어 있다.  거리적산에는 차륜의 회전(속도발전기의 펄스) 및 도플러 레이더 등이 이용된다. 속도발전기를 이용하는 경우에는 차륜의 활주 및 공전에 대한 대책이 필요하다. 활주공전의 보전논리의 이용, 속도발전기를 유륜(遊輪)에 설치, 속도발전기를 배치한 차륜의 브레이크력 감소, 도플러 레이더 및 관성센서 등의 비접촉 센서와 병용하는 등의 대책이 제시되었다. 또한, 열차 뒷부분의 정확한 위치감지를 위한 활주공전대책 이외에, 열차 길이의 확실한 파악 및 열차분리의 검지 등도 필요하다.

 

절대위치 보정에는 ATS등으로 이용되는 지상자가 사용된다. 열차제어에서 필요한 위치검지 정도를 확보하기 위해 상정된 거리적산의 오차에 대응하여 절대위치 보정 간격을 설정할 필요가 있다. 또한, GPS 및 IC태그 등의 범용 무선기술의 이용도 검토되고 있다.

 

(2) 지상위치검지

AATC와 같이 지상장치와 차상장치 사이의 무선통신에 의한 거리 측정에 의해 지상장치가 차상 무선기까지의 거리를 연속적으로 파악하여 제어하는 시스템이 개발되어 있다.

 

3.3. 진로제어

역구내의 진로를 제어하는 연동기능 및 그 구성법은 무선식 열차제어에서도 종래의 열차제어와 기본적으로 종래와 같다. 단, 지상장치가 열차위치 및 속도에 관한 정보를 무선에 의해 연속적으로 파악할 수 있으면, 설정된 진로를 취소했을 때 열차의 정지를 검지함으로써 즉시 접근쇄정(鎖錠)을 풀 수 있어, 도로설정의 효율이 향상된다. 또한, 열차의 통과횟수가 적은 진로에 설치된 궤도회로의 단락불량을 위한 시간요소의 설정도 필요없게 된다. 그리고, 작업 및 보수용 차의 진로설정 요구에 대해서는 무선을 사용한 휴대단말기를 이용하고 있는 철도사업자도 있어 작업의 효율향상에 도움을 주고 있다.

 

3.4. 제어정보의 전달

종래는 진로조건 및 선행열차의 위치 등에서 결정되는 허용속도 등의 제어정보가 신호기 또는 ATC신호로서 궤도회로를 사용하여 운전사 및 차상 제어장치에 전달된다. 이 정보가 무선을 이용하여 전달된다.

 

일본에서는 전파는 철도사업자가 열차문선용으로서 면허를 취득하고 있는 400MHz대를 이용하지만, 면허가 필요없는 2.45GHz대의 범용 무선의 사용에 관해서도 검토하고 있다.

 

유럽에서는 열차무선 GSM-R이 폭넓게 사용되고 있다. GSM-R은 900MHz대의 철도 전용 이동체 통신시스템으로 신호제어를 위한 자료전송 및 오퍼레이션에 필요한 음성통신뿐만 아니라, 차량위치 및 설비의 진단정보의 전송, 여객에 관한 정보전송 등에도 사용된다. 유럽의 주파수를 분할하는 조직 CEPT(the European frequency allocation body)의 권고에 의해 이 주파수대를 사용하게 되었다.

 

실제 통신에 관한 다양한 요구는 1992년에 설립된 EIRENE(European integrated radio enhanced network) 프로젝트에서 검토되었다. 1995년에는 기능 요구사양 FRS와 FRS에 기초한 시스템 요구사양 SRS가 작성되고, 그 후 MORANE(mobile oriented radio network) 프로젝트로 개량이 검토되어, 2000년에 FRS와 SRS가 작성되었다. 본격적인 설비는 1999년 스웨덴에서 실시되어 그 후 유럽 전역, 그리고 중국, 호주 등에도 보급되어 있다.

 

3.5. 제어정보에 기초한 열차의 제어

수신된 제어정보와 열차의 위치정보로부터 브레이크 패턴을 발생시키고, 속도조사를 실시하여 필요에 의한 브레이크를 동작시키는 구성은 차상제어 주체의 ATC와 기본적으로 유사하다.

 

3.6. 건널목 제어

지상과 차상의 무선에 의한 통신기능을 이용하면, 열차의 위치와 속도가 연속적으로 파악될 수 있기 때문에 다양한 열차 주행에 대한 건널목의 경보시간을 가능한 한 일정하게 제어하는 건널목 정시간 경보제어가 가능하게 된다. 또한, 건널목 설비에 오작동이 발생하여 열차가 건널목에 근접하고 있어도 경보 및 건널목의 차단이 불완전하게 될 경우에는 열차에 그 상황을 무선으로 전달하여 열차를 건널목 전에 정지시키는 등 안전성 향상 대책이 가능하게 된다.

 

3.7. 기타

궤도회로를 사용함으로써 기본적으로 레일의 파단을 검지할 수 있다. 레일 판단검지의 필요성에 관해서는 여러 가지 의견이 있지만, 무선식 열차제어에서도 레일 파단 검지능이 필요하면 별도 대책을 강구할 필요가 있다.

 

4. 무선식 열차제어의 과제

 

4.1. 무선이용 시의 신뢰성 확보

무선을 열차제어에 이용하여 안전성 및 신뢰성이 저하되는 것을 피해야 한다. 안전성 확보에 관해서는 세큐리트 확보를 위한 암호화 및 자료의 건전성 확인을 위한 기술을 조합시킨다. 철도에서 안전과 관련된 전송은 IEC국제규격(IEC62280)에는 무선과 같은 오픈 전송에서는 “반복”, “소거”,  “투입”,  “재순서”,  “정정”,  “지연”,  “위장” 등에의 대응이 필요로 한다.

 

신뢰성 확보에 관해서는 필요로 하는 채널 수 및 전송용량, 허용된 전송오류 및 지연, 이동국이 되는 열차속도 등을 고려하여 사용 주파수의 선정, 기지국 배치 및 존 변환 등의 검토를 수행할 필요가 있다. 또한, 열차제어 전용의 전파 확보도 열차제어의 신뢰성 확보을 위해 상당히 중요하다.

 

4.2. 주파수의 확보

일본에서는 철도 전용의 무선주파수가 확보되어 있지 않으며, 열차무선, 작업연락용 무선 등 철도사업자가 이용 목적에 의해 필요로 하는 주파수대역의 사용을 신청하고, 철도사업에서 사용가능한 150MHz대 및 400MHz대의 무선 면허를 받아 이용하고 있다. 열차제어에 사용하는 무선에 관해서도 철도가 사용할 수 있는 이러한 주파수를 이용하게 된다. 열차제어에 사용함으로써 필요한 장소에서 필요한 때에 확실하게 지상장치와 차상장치 사이에서 교신이 이루어진다는 것이 중요하다. 그것을 위해서는 다른 목적으로 사용되는 전파와의 간섭을 억제하고 일정 이상의 전송품질의 확보가 가능한 철도전용의 전파 확보가 중요하다고 생각된다.

 

4.3. 열차 길이의 관리

궤도회로를 사용하지 않고 열차의 위치검지를 수행하는 열차의 간격을 안전하게 제어하기 위해서는 열차 길이의 파악 및 차량분리의 검지 등 열차의 최후부 위치의 파악도 중요하다. 열차편성수가 고정되지 않는 경우와 화물열차와 같이 편성수가 다양하게 변하는 차량은 특히 주의가 필요하다.

 

5. 마무리

무선식 열차제어시스템의 국외내 개발상황과 그것을 도입할 경우, 열차제어에서 기능향상 및 도입 시 과제에 관하여 설명하였다. 무선통신기술, 정보처리기술의 진보는 빠르며, 그것을 효과적으로 이용함으로써 더욱 안전, 편리, 저비용이며, 보전성이 뛰어난 열차제어시스템의 실현을 위해 관계자가 힘을 합쳐 제반 과제의 해결을 위해 대응해 나갈 필요가 있다.

 

▣ 원문제목 : 無線式列車制御の動向