0. 요약

 

고속철도는 안전하고, 빠르고, 신뢰성이 있으며 환경 친화적인 교통수단에 대한 필요성이 낳은 결과이다. 타 교통수단과의 경쟁 및 고속철도의 높은 투자비용 증가로 보다 경쟁력이 있도록 하기 위하여 비용을 줄이는데 온갖 노력을 다해야 한다.

선로가 하나 추가되면 신호, 전력공급 등과 같은 추가적인 부속설비가 포함되어야 하므로 가격이 대략 60-70% 정도 추가비용이 든다. 마찬가지로 하나의 선로를 없애면 비용은 줄어드는데 이것이 왜 단선운행이 복선의 좋은 대안이 될 수 있는 이유이다. 그러나 저자가 아는 한 세상에 어느 곳에도 단선으로 운행되고 있는 고속철도는 없다. 단선 시스템에 대한 수요는 용량부족, 운행시격 및 운행의 유연성과 같은 운행의 제약사항 때문에 제한적일 수 있으나, 기반시설의 잠재적인 비용절감이 이러한 제약사항 들 보다 더 중요할 수 있다.

 

운행시간표, 철도차량 성능 및 시설용량이 단선의 계획 및 설계단계에 있어서 주요한 요소들이다. 그 요소들 사이의 관계에 대한 보다 나은 이해를 얻기 위하여 그들은 이 보고서에서 조심스럽게 분석되고 있다. 그러나 이 연구서에 수많은 계산식을 포함하고 있는 바와 같이 저자는 열차의 성능 산출식을 만드는데 많은 노력을 기울였다. 이와 같은 방법은 저자가 현장에서 아주 많이 사용했던 것이며, 새로운 방법들이 필요할 때 마다 추가되었다.

 

주요 결과들 중 하나는 아래와 표시된 바와 같이 복선궤도에 있어서 열차속도의 차이가 열차투입 수량에 미치는 영향은 거의 없다는 것이었다.

  

 

기타 주요 연구결과는 아래와 같이 요약될 수 있다.

 

단선고속철도운영은 만약 다음과 같은 여건과 맞아 떨어진다는 조건하에 실현가능하다.

규칙적인 시격유지가 가능하다는 전제하의 운행시간표

고도의 신뢰성과 정시성

완전히 별도체제의 운영

동일한 종류의 열차

한 방향으로 시간당 1~4대의 열차를 투입하는 정도의 제한된 시격

시간당 열차 투입수를 증가시키는 것은 필요한 복선궤도의 선로용량을 증가하게 한다.

복선의 시설용량은 단선궤도보다 상당히 크다. 최소 운행시격 3분의 경우 시설용량은 약 5배 더 크다.

대피선에서 분기기에 속도제한 때문에 운행시간 손실은 잠재적으로 속도차이에 따라 아주 클 수 있다.

만약 속도가 하나의 노선에서 크게 다른 경우에 보다 높은 성능의 열차가 운행시간을 단축할 수 있다.

역들은 만약 설계가 적절하지 않은 경우에 노선상에서 가장 큰 병목지점의 하나가 될 수 있다.

한 정거장씩 걸러서 정차하는 방식을 취하는 것은 운행시격을 단축할 수 있다.

 

저자는 열차의 성능 산정식은 비용관련 요인과 열차운행을 포함하여 좀 더 발전시켜야 한다고 권고한다.

 

열차성능산정식과 상세한 기능 설명은 온라인상 저자의 웹페이지에서 이용이 가능하다. http://www.sampawar.com/msc/

 

열차의 성능계산식은 이 보고서의 내용의 일부로 다루어진다.

 

 

1. 소개

 

1.1 개요

단선을 운행하는 고속철도는 현재는 세계 어느 곳에도 존재하지 않으며 그런 요구는 운행 및 시설용량의 제한으로 한계가 있다. 그에 가장 가까운 사례는 스웨덴의 보트니아바난에 있으나, 최고속도가 단지 200km/h로서 진정한 고속철도라고 보기 어렵다.

 

1.2 범위

이 보고서를 통해서 저자는 단선철도 상에서의 고속철도 개념을 파악하고, 이를 분석하기 위하여 시설용량과 그에 따른 기반시설에 필요한 철도차량성능, 시설용량 계산, 대피선의 설계 및 관계를 중요부분으로 다루고 있다. 또한 저자는 단선철도 상에서의 고속철도 계획, 설계 및 운영에 대한 일반적인 몇몇 원리들을 검토할 것이며, 고속철도의 정의, 역사 및 기술적인 측면들을 다룰 것이다.

 

1.3 방법론

이 보고서는 연구논문상의 정보 및 문헌검토, 학술지, 일반서적 및 인터넷을 통한 정보들을 기초로 작성되었다. 저자는 아주 많은 분석연구와 계산식을 다루었으며, 특히 모든 계산은 이 보고서 및 보고서의 부록에 포함된 공식들이 제시되고 있다.

 

 

2. 배경

 

2.1 고속철도의 정의

“고속철도”란 용어의 정의는 장소에 따라 다양한 뜻을 가질 수 있는 모호한 용어이며, 철도기술의 발전에 따라 시간이 가면서 변화할 수도 있으나, 세계철도연맹(UIC)과 유럽연합통일지침(EU Directive)에 따르면 250km/h 이상의 운행이 가능한 철도차량 및 시설로 규정되고 있다. 반면에 미국 교통부 철도국의 자료에 따르면 고속철도를 다음과 같이 규정하고 있다.

 

 특급 고속철도 : 최고속도 240km/h 이상 (거리 320-970km)

 지역 고속철도 : 180-240km/h (거리 100-800km)

 준 고속철도 : 150-180km/h (거리 100-800km, 주로 기존선 개량 등)

 

2.2 고속철도 설비의 운영

고속철도 설비의 운영은 기반시설, 차량 및 운영의 방법에 따라 아주 다양할 수가 있는데 저자는 아래 그림과 같이 표현하고 있다.

 

 

그림 3 - 고속철도 운영의 형태

 

2.2.1 완전독립형(Completely segregated)

완전히 독립적인 고속철도 설비는 시설용량 측면에서 가장 바람직한 것이며 교통수요가 많은 여러 곳에서 사용되고 있는 형태이다. 거의 50년간 운행되고 있는 일본의 신칸센 고속철도가 대표적인 사례이며, 아직까지 중대한 사고도 없었다. 추진동력과 궤도구조가 비록 다른 형태이지만 마그레브와 같은 자기부상철도도 이와 같은 형태의 고속철도로 볼수 있다.

 

2.2.2 혼합고속형(Mixed High Speed System)

기반시설을 가장 효율적으로 이용할 수 있는 방법 중의 하나이다. 시설용량이 허락한다면 고속열차 이외에 다른 열차의 운행도 포함할 수 있는 방안이나 그럴 경우 노선의 전체적인 운행횟수 등이 심각하게 감소될 수 있으며, 반면에 지역 및 광역철도 운행을 개선시킬 수 있는 장점도 있다. 더욱이 건설비도 감소시킬 수 있으며, 이런 형태의 고속철도는 기존노선을 전력화하여 운행하는 프랑스의 TGV의 사례에서 찾아 볼 수 있다.

 

2.2.3 혼합기존설비형(Mixed Conventional System)

기존의 노반시설을 이용하여 기존 열차운행과 고속철도 운행 모두 가능하게 하는 것으로 최대의 유연성을 발휘 할 수 있는 형태이다. 이런 형태의 고속철도는 독일의 이체(ICE)와 이태리의 로마-플로렌스간 노선 등에서 찾아 볼 수 있으나 노반시설의 광범위한 사용으로 유지관리비용은 아주 커질 수가 있다.

 

2.2.4 완전혼합형(Fully Mixed System)

기존 노반시설에 고속열차를 운행하는 것으로 도심지와 같은 곳에서 신규로 노반시설 구축이 어려운 곳에서 적용될 수 있는 형태이다. 이와 같은 형태는 소규모 구간에서만 가능할 수 있다.

 

 

3. 철도차량성능(RSP - Rolling Stock Performance)

 

3.1 RSP(철도차량성능)의 중요성

RSP는 열차운행시간을 계획하는 사람들에게 열차의 가감속성능 및 최대속도와 같은 필요한 정보를 제공한다. 수요 및 기반시설 세부사항과 같은 기타 중요한 요인들 사이에서 이러한 정보들은 운행계획인 들에게 운행시간을 산정하고 운행시간표를 만드는데 도움을 줄 수 있다. 그러나 단선철도에 대한 설계의 경우는 약간 다르다. 주요 차이점은 차량성능이 이 보고서의 제5장에 언급된 대피선 설치의 중요한 정보와 함께 기반시설 설계자들에게 필요한 정보를 제공한다는 사실에 있다.

그 이유는 복선철도 운영과는 달리 단선철도 운영은 기반시설비용과 운행소요시간을 단축하는 최적의 대피선 위치에 크게 의존한다는 것이다.

 

복선철도 운행은 열차가 언제 어디서든 상호 교차운행 할 수 있는 것처럼 마주 칠수 있는 지점이 무한한 설비로서 표현될 수 있다. 반면에 단선철도 운행은 대피선으로 알려진 바와 같이 만나는 지점에 제한되어 있다.

 

수요에서부터 고속철도의 상품화에 이르기까지 전반적인 절차를 단순화하여 표현하면 아래와 같이 나타낼 수 있다.

 

그림 4 - 수요에서부터 운영까지의 절차 개관도

 

A와 B 두 개의 역 사이에 장애물이 없는 평탄한 터널에서 양 방향으로 최대 속도로 열차가 진행한다고 고려해 보자. 이 경우 양쪽 끝에서 같은 시간에 출발하는 구간의 중간지점에서 만나게 될 것이다. 이러한 가설은 만약 동일한 RSP를 갖는 경우 여러 종류의 열차에 따라 유효하다.

 

 

그림 5 - 양쪽 방향으로 동일한 속도증가면 똑 같이 중간지점에서 마주친다.

 

위 그림은 빠른 것과 느린 것 두 개의 서로 다른 종류의 철도차량을 나타내고 있다. 이 그림은 속도와 무관하게 마주치는 지점은 동일하다 라는 것을 입증한다.

그러나 실제 상황에서는 그러한 완벽한 조건을 가질 가능성은 기반시설이 노선을 통해 일정하지 못하기 때문에 당연히 아주 낮다.

 

3.2 견인력

견인력(TE)은 열차를 가속화시키는데 사용되는 열차동력 모터의 휨모멘트에 의해서 나오는 힘이다. 바퀴에서 레일로 전달될 수 있는 힘의 총량은 작은 접착면을 통해서 전달될 수 있다. 궤도에 수직으로 접착력의 전달은 접착면에서 레일로 전달되는 힘과 접착력에 의해 제한이 있다.

 

3.3 고속철도 차량

이 보고서의 나머지 부분에서 계산 기준을 형성하게 되는 고속철도의 몇가지 중요한 성능 특성을 규정할 필요성이 있다. 현대의 고속철도 열차는 보통 열차에 견인모터가 분산되도록 되어 있다. 이들은 EMU로 알려져 있으며 기존의 기관차가 끄는 열차와 비교하여 많은 장점들을 가지고 있다. 주요 장점은 견인력이 분산되어 더 많은 차축이 있으므로 달성될 수 있는 부착력이 있다. 또한 EMU 열차는 동력장치가 좌석하부에 설치되므로 기관차가 끄는 열차에 비해 더 많은 좌석을 설치할 수도 있다.

 

 

그림 10 - 기관차 견인열차와 EMU 열차 사이의 원리 차이

 

4. 선로용량

 

4.1 선로용량의 개념

선로용량은 적용되는 내용에 관하여 규정된 용어이다. 그것은 흔히 쓰이는 용어이며 능력을 측정하거나, 잠재적으로 받아들이고, 포함하고, 수행하며, 기능을 하며 결과를 내거나 또는 주어진 기간에 견딜 수 있는 것으로 일반대중들에게 폭 넓게 이해되고 있는 말이다.

 

4.2 제동

상대적으로 정차거리에 제약을 받지 않고 운전자에 의해 장애물을 신속하게 대피할 수 있는 도로교통과는 달리 열차는 그 운행노선이 고정되어 있으며 치명적인 결과로 이어질 수 있는 철도노선상의 장애물을 피할 수가 없다. 철도운행은 위험 신호 앞에서 어떤 열차를 정지할 수 있게 하는 안전한 열차 거리의 원리에 의존해야만 한다. 한쪽 방향으로 열차간 거리는 두 개의 달리는 열차사이에 운행시격 거리에 기준으로 한다. 최소 운행시격거리에 영향을 주는 주요 요소는 전속력 상태에서의 제동거리와 신호시스템의 형태이다.

 

4.3 열차간격

철도 신호시스템은 보통 일정한 구간을 기반으로 하고 있다. 신호구간의 원리는 궤도를 따라 몇 개의 고정된 구간을 기준으로 하고 있다. 저자는 UIC 리크렛 406에서 제시된 점유시간 개념을 기준으로 했다.

 

  

그림 19 - 기본 점유시간(2004년 세계철도연맹)

 

5. 대피선

 

대피선은 본선에 인접하여 있는 짧은 추가 선로구간이다. 대피선은 양쪽 끝이 본선과 연결되어 있는 것으로 서로 반대방향으로 교행이 가능하기도 하며, 같은 방향에서 추월도 가능하게 하는 시설이다. 후자의 경우는 예를 들어 고속열차가 화물열차를 추월하는 경우와 같이 다른 정차패턴을 갖는 혼합운행이 일어나는 곳에서 더 일반적으로 사용된다.

 

 

그림 30 - 단선철도 노선에 대한 일반적인 운행시간 패턴

 

단선철도 운영은 동시에 양방향으로 열차 운행을 가능하게 하는 대피선의 이용에 의존하고 있다. 대피선은 보통 그림 30에 나타난 바와 같이 운행시간표에서 두 개의 노선이 상충되는 곳에 설치된다.

 

 

6. 사회기반시설 규모의 영향

 

6.1 비율의 원리

대피선없이 단선철도를 운영하는 것은 어렵다. 대피선의 필요성은 반론의 여지가 없으며 성공적인 운영을 보장하는데 필요하다. 그러나 대피선은 필수적으로 복선구조이며 시간당 투입열차의 수가 증가하면 대피선의 수도 증가한다.

복선철도와 단선철도사이의 관계는 대피선의 길이와 운행시격 길이를 조사함으로서 얻어질 수 있다. 운행간격은 만약 열차가 규칙적인 간격으로 변함없는 속도로 운행한다면 만나는 지점은 효과적으로 존재한다. 만나는 지점은 대피선의 중간지점이 될 것이다.

 

6.2 복선철도의 용량계산

앞서 그림 1에서 용량 곡선은 3분 운행시격의 경우 160km/h와 350km/h에 대해 각각 표시하고 있다. 시간당 열차투입수와 용량 사이의 관계는 거의 선형증가에 가까웁다. 그 비율은 규정된 거리에 설치된 분기기의 숫자에 영향을 받는다. 그러므로, 시간당 열차투입수의 증가는 전체 길이를 나누어 계산한 대피선의 숫자를 곱한 것과 같다. 그러나 주목할 만한 것은 속도에 따른 차이는 무시해도 좋다는 것이다.

 

 

7. 기타 주요 현안

 

7.1 정시성

정시성은 이용객에 대한 성능, 경쟁력 및 서비스의 품질 등에 대한 중요한 측정결과치 이다. 철도는 그 하위시스템과 크게 상호의존적이며 기능이 연계되어 있는 복잡합 시스템이다. 하나의 예로 시스템의 특성상 철도는 한 노선 상에서 뒤에서 열차가 추월하지 못한다는 것이다.

철도시스템의 이상이 발생할 수 있는 리스크는 아주 높으며, 철도의 성공적인 운영은 신뢰성, 유용성, 유지관리성 및 안전(RAMS)에 아주 높게 의존하고 있다.

 

7.2 역 설계

역 들은 만약 교통수요를 부적절하게 다루도록 설계되고 특히 미래에 일어날 교통수요에 대해 부적절하게 다루도록 설계되는 경우에 노선상의 가장 큰 병목현상이 발생할 수 있는 요인가운데 하나이다. 정차역, 통과역 및 정차시간 등은 기능적인 역설계를 결정하는데 필수적인 것들이다. 열차의 가감속 및 정차에 대한 필요는 운행시격을 계산하는데 추가되는 것이며 노선의 시설용량의 상당한 부분을 차지하는 것들이다.

 

7.3 정차패턴

역설계에서 고려되어야 할 많은 요소들이 있다. 첫째 정차패턴이 해결되어야 한다. 향후 운행시간의 변경과 흐름이 전략적으로 고려되어야 한다. 고속운행에 대한 정차패턴은 교통흐름이 적은 중간역의 경우에는 좀 더 낮은 정차간격이 필요할 수 있다.

 

 

8. 결론

 

8.1 연구결과

단선철도는 대피선의 설치에 근원적으로 의지함으로 차량성능이 크게 영향을 미치며 노반상의 열차의 위치정보를 제공함으로서 계획절차가 중요한 영향을 미치고 있다. 열차성능은 열차의 질량, 부착도, 열차동력 및 저항력 등에 의해 영향을 받는다.

 

향후에 열차의 성능이 개선될 수도 있으나 가감속, 경사지 및 터널 내 운행에 한계가 있다. 운행서비스가 열차의 속도만 높이는 쪽으로 개선이 되는 것은 운행시간 단축에 크게 기여하지는 못할 것이다. 그러나 대피선과 같은 속도제한이 많은 곳, 경사지 및 터널이 많은 곳의 경우에 있어서는 미래의 열차로 인해 운행소요시간이 크게 개선될 수도 있다.

 

운행시간표, 기반시설 및 철도차량성능간의 관계는 단선철도의 운행과 설계에 매우 중요하다. 운행시간표와 기반시설이 일단 정해지면 계획을 조정할 여지는 거의 없다. 만약 노선의 한쪽 끝에서 출발시간을 변경할 필요가 생긴다면 같은 변경이 다른쪽 끝에서도 필요하다. 만약 이것으로 열차가 계획된 위치에서 마주치지 못할 경우에는 새로 대피선이 건설되어야만 한다.

 

복선철도는 저자가 조사한 지역의 경우 단선철도에 의해 제공되는 시설용량의 두배 이상을 제공한다. 최소운행시격 3분 시격의 경우 복선철도의 시설용량은 단선철도의 5배 이상일수 있다. 복선철도운행의 시설용량은 속도가 증가할 때 감소하는 반면에 단선철도운행에서는 반대의 현상이 일어나는데 속도가 증가하면 시설용량도 증가한다.

 

 

그림 59 - 단선 및 복선의 이론적 시설용량 (3분 운행시격)

 

단선철도 운영에 대해 3가지 형태의 대피선이 식별되었다 : 이용객이 승하차하는 대피선, 이용객 승하차 없는 대피선 및 보조대피선. 후자의 두 개 대피선은 이보고서에서 다루어졌다. 속도가 증가하면 상호교차운행을 위한 대피선의 길이는 길어져야 한다. 300km/h 속도로 운행시격 3분의 경우 상호교차운행을 위한 대피선의 길이는 22.5km이다.

 

동질의 철도차량에 의한 단순한 운행시간표와 규칙적인 운행시격이 단선철도 운행에 가장 쉽고 가장 좋은 방안이다.

 

8.2 권고사항

단선철도에서의 고속열차 운행은 만약 복선비율이 수용기준 이하이며 동시에 주어진 신뢰성 수준으로 시설용량, 운행시격 및 운행소요시간 측면에서 운행서비스를 만족시킬 수 있다면 좋은 해결책일 수 있다. 토지수용비가 높거나 큰 토지가 필요한 터널, 교량 등이 있는 지역에서는 단선철도 운영의 혜택을 누릴 수 있다.

 

단선철도 운영은 추가적인 대피선에 상당한 기반시설 투자가 필요하지 않으며, 여러 가지 다른 종류의 열차를 취급하는 곳에서는 적절하지 않다. 그러므로 저자는 단선철도에 동종의 열차가 운행하는 경우에만 추천한다.

 

이 보고서는 아주 이론적인 것이기 때문에 시뮬레이션 도구가 전체적인 규모의 시나리오에 대해 사용되어야 함을 권장한다. 이렇게 하면 이 보고서에서 정확히 파악하지 못한 정보들을 얻을 수 있다. 열차성능계산도구인 TPC(Train Performance Calculator)의 개념은 단선철도 운영에 대한 성능영향을 계산하는 시뮬레이터를 개발하는데 사용될 수도 있다.

 

필수적으로 추가 조사가 이루어져야 할 분야는 사업비 분야이며, 구체적으로는 추가 궤도와 관련된 사업비, 지연에 따른 사업비 등이다. 사업비는 사업의 주요 추진요인이며 또한 왜 단선철도가 관심의 초점이 되어야 하는지에 대한 주요한 이유이기도 하다.

 

끝으로, 저자가 연구기간 중에 이해한 것으로 사업비 투자와 직접 관련성이 있는 운행시격을 줄이는 신뢰성 증진을 위해 문화적인 변화에 대한 필요성이 있을 가능성도 있다. 낮은 지연가능성과 높은 신뢰성, 이 두 가지가 성공적인 단선철도 운영에 있어서 핵심요소 들이다. 그러나 유럽에서는 일본만큼 이것을 다룰 수 있는 문화 및 (학문)분야가 충분히 존재하고 있지 않은 실정이다.

 

▣ 원문제목 : An Analysis of Single Track High Speed Rail Operation

   

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

0. 요약

1. 소개

2. 배경

3. 차량성능

4. 선로용량

5. 대피선

6. 사회기반시설 규모의 영향

7. 기타 주요 현안

8. 결론