1. 서론

 

본 연구에서는 도시철도 노선을 대상으로 만성적인 혼잡의 완화와 속달성의 향상을 목적으로 한 신규성이 있는 운행방법을 제안한다. 기존의 복선노선에 단선노선을 병설한 3선에 의한 열차 운행방법으로, 기술적인 가능성과 수송서비스의 개선효과를 검증한다.

 

2. 도시철도의 운송서비스 수준 현황과 장래

 

(1) 수송서비스의 현황과 개선 요망

도시철도의 수송서비스 수준에 관해 철도사업자가 설문조사를 실시하였다. 그 결과 응답자의 68%(복수응답식)가 “출근시의 혼잡완화”, 33%가 “소요시간 단축”을 바라고 있는 것으로 판명되었다. 또한, 혼잡시의 구체적인 서비스 개선시책으로서 응답자의 50%가 “운전 열차수의 증가”, 46%가 “복복선화 및 바이패스 루트 정비”를 원하고 있었다. 이 조사결과는 혼잡이 심한 철도노선 수송서비스 수준에 대해 다수의 이용자가 불만을 느끼고 있는 것을 나타내고 있다.

 

(2) 장래에도 혼잡이 예상되는 도시철도

도쿄권 72개 노선의 가장 혼잡한 구간을 대상으로 2004년에 1시간당 통과 차량 수와 혼잡율의 관계를 조사하였다. 신호시스템 및 정차시간 등에 의해 각 철도노선의 수용량은 다르지만, 본 연구에서는 수용량이 포화상태에 가까운 상태를 기준으로 하여 1시간당 통과 차량 대수를 240량으로 가정하였다. 이것은 10량 편성열차가 2분 30초 간격으로 운행하는 것과 동일하다. 또한, 혼잡율에 관해서 운수정책심위회 답신 제18호에 혼잡시간대 평균 혼잡율의 완화목표인 150%를 기준으로 하였다. 이 때 통과차량 수가 240량/시 이상으로 혼잡율이 150% 이상인 노선은 18노선 존재하였다.

 

3. 운송력을 결정하는 요인

 

(1) 속달성과 쾌적성에 영향을 미치는 요인

철도수송 서비스 수준을 나타내는 지표에는 주로 속달성과 쾌적성이 이용되고 있다. 속달성은 목적지까지의 소요시간을 말하며, 역사이의 주행속도와 역의 정차시간으로 결정된다. 쾌적성은 차량 내의 혼잡상황을 나타내어 운전밀도와 열차의 정원에 영향을 미친다.

 

(2) 운행밀도와 역 사이 주행속도의 관계

일반적으로 운행밀도를 증가시키면 신호시스템 상의 한계에 도달하기 전에 소요시간이 증가하는 현상이 나타나고, 경험적으로는 24개/시를 초과하면 주행속도가 저하되는 경향이 있다. 운행밀도의 증가에 의해 열차의 간격이 좁아지는 반면에 필요한 운행간격을 유지하기 위해 신호시스템으로부터 속도제한을 받게 된다.

 

철도의 속달성을 나타내는 지표로서 역사이의 거리와 소요시간으로부터 단순하게 평균속도를 산출하는 표정(表定)속도가 널리 이용되고 있다. 그러나 열차시간표의 개정에 의한 급행 정차역의 변화 및 추월운전에 따른 보통열차의 대피시간과 관련된 영향이 있기 때문에 표정속도로 신호 및 차량 등의 설비성능에 의존하는 속달성을 나타내는 것은 어렵다. 따라서 본 연구에서는 새로운 지표로서 역사이의 주행속도에 의한 평가방법을 제안한다. 이것은 일반열차의 역 정차시간 및 급행열차를 기준으로 한 일반열차의 가감속에 따른 손실시간을 종래의 역사이 소요시간에서 제외하여 평균속도를 산출한 것이다.

 

(3) 종래 수송서비스 개선시책의 효과

수송력 증강시키는 데는 운행시간 간격 단축이 효과적이기 때문에 여객의 승하차에 장시간이 필요한 역에서는 구내의 다른 노선을 이용한 상호 발착 운전 및 출입문이 많은 많은 차량의 도입 등에 의해 정차시간의 단축을 도모하였다. 또한, 차량의 대형화 및 편성 차량수의 증가도 효과적인 시책이지만, 건축한계의 제약 및 플랫폼의 연장 등으로 실현하기에는 많은 과제가 존재한다.

 

한편, 속달성의 향상에는 급행열차의 도입이 가장 효과적이며, 일반적인 도시철도의 역 사이 주행속도, 역 정차시간 및 차량의 가감속 성능으로부터 계산하면, 급행열차가 하나의 역을 통과하는 데 약 1분의 시간단축이 가능하다. 기타 시책에 의한 실적치로서 가감속 성능에 우수한 신형차량의 도입에 의해 평균 2~3초/km, 곡선 캔트(cant)의 수정 및 분기기의 대형화에 의한 속도제한의 완화로 평균 4~5초/km의 단축이 확인되었다.

 

4. 3차선 운행방법의 제안

 

(1) 도시철도의 수요와 공급 관계

도시철도에서 장기적인 수송수요와 공급의 관계를 보면, 개통된 직후에는 수송수요가 적어, 수송력에 여유가 있는 상태가 지속된다. 그 후, 노선 주변지역의 개발 등에 의해 증가하는 수송수요에 대응하기 위해 초기단계에서는 주로 시간표 개정에 의한 수송력이 증가된다. 그러나 어느 시점에서 수송력은 포화되어 심한 혼잡이 발생하기 시작한다.

 

일반적으로 수송수요가 연속적으로 변화되는 것에 비해 수송력(공급)은 설비용량에 의존하기 때문에 그 변화는 이산적, 단계적이다. 그 결과, 장기적으로는 필요한 설비투자일지라도 초기단계에서는 과잉으로 보이는 경우가 있으며, 장래에 충분한 수요가 없을 것으로 판단된 경우에는 신규 투자가 제어되기 때문에 현재의 수요를 채울 수 없는 우려가 있다.

 

(2) 효율적인 운행방법의 제안

본 연구에서는 복선구간에 단선로를 1개 추가한 3선에 의한 운행방법을 제안한다. 그 개요는 3개의 선로 중 외측 2개는 상하로 운행방향을 고정시키고, 중앙의 선로는 수요의 변화에 대응하여 유연하게 그 진행방향을 변화시킨 것이다. 도시철도의 특징으로서 종일 수송수요는 시간대에 의한 방향별로 큰 편차가 있기 때문에 선로 및 차량 등 철도시설의 사용은 비효율적이지만, 3선 운행방법은 수송량(수요)과 수송력(공급)을 보다 동등한 관계로 접근함으로써 효율적인 설비이용에도 기여할 것으로 생각된다. 또한, 부담이 큰 용지취득에 관해서는 기존의 복선선로에서 절토구간 및 성토구간의 비탈면 개량 및 선로 옆의 빈용지의 활용으로 복복선화보다 간단하게 선로 1개분의 용지확보가 가능할 것으로 생각된다.

 

5. 국내와 해외의 3차선 운행 사례

 

도쿄역을 중심으로 하는 반경 약 50km의 권내를 대상으로 JR선 이외의 24개 철도사업자 78개 노선의 선로부설 상황을 조사한 결과, 32개 역의 구내에 3개 선로의 존재가 확인되었다. 그 중 12개 역에서 우등열차의 추월운전이 실시되고 있지만, 아침 혼잡시간대만 운용 및 상하 한 방향으로 진행방향을 고정하고 있는 등 그 활용방법은 한정적이다.

 

한편, 해외에서의 3선 운행을 도입하여 효과적으로 활용하고 있는 노선은 여러 개 존재하고 있다. 한 예로서 도쿄권 도시철도와 동일하게 운행빈도가 높고, 시간대별 및 방향별로 수송수요에 편차가 있는 Metropolitan Transportation

Authority New York City Subway(MTA 지하철)의 사례를 소개한다. MTA 지하철은 일반적으로 뉴욕 지하철로서 널리 알려져 있다. 맨하튼 복복선 구간의 외측에는 많은 노선에 3선로가 부설되어 있다. 외측의 선로는 보통열차의 전용선으로서 진행방향을 고정시켜 놓고 있지만, 중앙의 선로는 급행 전용선으로서 상하 양방향으로 주행이 가능한 신호시스템을 도입하고 있다. 아침, 저녁 혼잡 시간대는 수송수요의 변화에 대응하여 혼잡방향으로 주행하는 열차의 일부를 급행열차로 변경하여 속달성을 향상시키고 있다.

 

6. 3차선 운행의 기술적 가능성

 

(1) 수송수요에 대응한 운행방법

아침 혼잡시는 MTA 지하철을 참고로 하여 3개의 선로 중 외측의 상행선과 중앙의 선로를 도심방향으로 사용함으로써 완급별 운전을 실시하여 수송력의 보강과 속달성을 개선한다. 또한, 각 선로의 운전밀도가 상대적으로 감소하기 때문에 지연의 확대도 제어할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 한산할 경우, 상하방향의 수요에 큰 편차가 없기 때문에 중앙선로를 급행 전용선으로 하여 상하방향으로 균등하게 사용할 수 있는 기회를 부여함으로써 보통열차가 낭비하는 대기시간을 발생시키지 않는 운행방법을 제안한다. 그리고 야간에는 현재 수송력에도 여유가 있기 때문에 한산할 때의 운행방법에 준하여 실시한다.

 

(2) 병결운전에 의한 선로용량의 증가

본 연구에서는 아침 교외(한산) 방면으로의 운행은 일부 열차끼리 병결(최종 목적지가 다르거나 차종이 다른 차량을 한 열차에 연결함)함으로써 1선로당 차량 주행밀도를 증가시키는 것이 가능하다고 생각된다. 아침 교외방향의 수요를 고려하면, 길게 편성화 한 병결열차의 차량 반만 여객을 승차시키고, 남은 차량은 빈차로 운행해도 충분한 수송력을 얻을 수 있을 것이다. 즉, 통상적인 영업열차와 빈차의 회송열차를 병결하여 운행함으로써 현행 플랫폼을 연장시키지 않고 선로용량을 증가시키는 것이 가능하다. 이 선로용량은 신호설비, 주행속도, 차량성능 및 역 정차조건 및 열차편성 차량 수와 그 길이에 의해 결정된다.

 

(3) 검토대상이 되는 노선 형태

도쿄권에서 볼 수 있는 노선형태는 크게 4가지로 분류된다. 특히 혼잡한 구간에는 3선 운행의 도입이 효과적이라고 생각된다. 이러한 선로형태로부터 3선 구간의 끝부분에서는 복선 또는 복복선과 접속하는 구내 배선이 필요하며, 이러한 접속역에서 운전효율이 노선 전체의 운송력에 크게 영향을 미친다.

 

(4) 혼잡 시간대에 3선 운행의 운송력

현행 운행방법에 의한 경우 즉, 전체 열차를 통상 편성열차로 운전한 경우의 운송력을 100%라고 하면, 복선과 3선을 접속시킨 경우 병결열차의 비율이 50% 일때, 상행방향의 운송력이 127%로 최대화 되는 결과가 얻어졌다. 한편, 그 때 하행방향의 운송력은 83%로 저하된다.

 

(5) 한산할 때의 운행방법

한산할 때는 급행운전에 따른 보통열차의 대기손실시간을 저감시키는 방법을 제안한다. 이 운행방법의 특징은 상하 방향별로 중앙선의 주행구간이 항상 분리되어 있기 때문에 상하행선 사이에서 지연이 직접적으로 영향을 미치지 않고, 역사이를 주행 중에 추월함으로써 운전간격에 시간적 및 공간적인 폭이 발생하여 선행 및 후속열차에의 지연 영향을 제어할 수 있다. 또한, 부분적으로 3선 구간을 도입하더라도 상응하는 속달성의 향상효과를 기대할 수 있다. 효과적으로 운행 가능한 조건은 급행열차가 중앙선을 주행하고 있는 사이에 보통열차를 완전히 추월하는 것과 급행열차가 외측선을 주행하고 있는 사이에는 보통열차에 접근하지 않는 것이다.

 

7. 운송서비스의 변화와 비용 편익비

 

실제 존재하는 복선노선을 모델로 하여 3선 운행을 도입한 경우, 수송서비스의 변화를 계산하였다. 대상노선은 그 양끝이 복복선으로 이루어진 약 12km의 복선구간이다. 현행 아침 혼잡시간대의 수송력은 42,000인/시이지만, 3선 운행을 도입한 경우의 시뮬레이션 결과에서는 도심방향으로는 53,000인/시(+26%), 교외방향으로는 36,000인/시(△14%)로 변화된다. 또한, 도심방향으로의 전체 열차를 평균한 표정(表定)속도는 25km/h에서 40km/h로 증가하고, 해당구간의 평균 소요시간은 29분에서 18분으로 단축된다.

 

한쪽 방향이 한산할 경우의 시간대에서는 현행 수송력을 유지한 상태로 속달성을 향상시키는 것을 생각하였다. 시뮬레이션 결과에서는 표정(表定)속도는 평균 33km/h에서 37km/h로 증가하고, 해당구간의 평균 소요시간은 2분 단축되었다.

 

다음에 소요시간의 단축과 혼잡완화에 의해 이용자가 얻을 수 있는 편익을 추계하였다. 사업자의 운임수입에 관해서는 장래 선로 주변지역 인구의 변화에 의한 수요변동은 고려하였지만, 편리성의 향상에 의한 유발수요는 포함되지 않았다.

 

3선운행에 의해 이용자가 얻을 수 있는 편익은 우등열차의 추월에 따른 대피시간의 저감과 운행지연의 억제에 의한 연간 235억 엔, 차내 혼잡의 완화에 의해 연간 74억 엔으로 계산되었다. 한편, 설비가 증가함으로써 철도사업자에게 발생하는 추가적인 유지관리비용은 연간 6억 엔이 되면, 연간 303억 엔의 편익이 발생한다는 결과가 나타났다.

 

(표) 3선화에 의한 비용 추계(억 엔/년)

비용항목		복선식 (현행)	3선식 (제안)	증감
이용자	속달성	1,289	1,054	△ 235
	쾌적성	121	47	△ 74
사업자	영업비	19	25	6
합  계		1,429	1,126	△ 303

 

현행 지상복선구간의 3선화에 의해 지상에서 노선을 증가하는 경우, 기존의 복선로도 포함하여 고가화 또는 지하화하는 경우, 그리고 고가식에 의한 복복선화하는 경우에 관하여 각각의 개략적인 사업비와 비용편익비(B/C)의 시산결과를 보면, 다음표와 같다.

 

 

	3선식			복복선식
	지상식	고가식	지하식	고가식
사업비(억엔) (km단가)	1,316 (111)	3,144 (264)	4,672 (393)	4,327 (364)
순 현재가치 (억엔)	2,224	822	△ 430	520
B/C	3.27	1.35	0.88	1.16
EIRR(%)	14.7	6.2	3.2	5.1

 

8. 운행이상 시의 운송력 확보

 

사고 및 고장 등에 의해 운행이상이 발생하면, 복구까지 장시간을 필요로 하는 경우가 있으며, 그 영향은 사회적으로 큰 손실을 가져온다. 최근에는 안전성이 당연한 일로 여겨지며, 운행이 정시성 및 지속성도 강하게 요구되고 있다. 현재의 복선구간에서의 운용의 경우, 상하방향 중 한쪽 선로에서 사고가 발생하여 복구까지 장시간이 필요하다고 판단되면, 사고발생 장소를 포함하여 일정구간에서 상하 양방향의 운전을 조정하고 그 이외의 구간에서는 회귀함으로써 가능한 한 수송력을 확보하고 있다.

 

그러나, 사고가 3선 구간에서 발생하였다고 가정하면, 사고 내용에 의해서는 해당구간을 복선으로 취급하여 운행을 지속하는 것이 가능하여 노선 전체의 수송력을 확보할 수 있다. 본 연구에서는 철도사업자로부터 국토교통성에 제출한 철도운전 사고 등의 서류를 참조하여 이러한 운전지장 사고가 3선 구간에서 발생하였다고 가정했을 때, 복선 취급에 의한 상하방향의 수송력이 확보 가능하다는 것을 추출하였다. 3선화에 의해 수송력의 확보가 가능한 것은 분기기와 관련 없는 신호고장 및 차량고장 등이다. 한편, 3선 구간이라도 상하 양방향에서 운전을 영향을 미칠 수 있는 것은 인사사고, 건널목사고, 연동장치와 관련된 신호고장 및 자연재해 등이다.

 

9. 마무리

 

3선 운행방법을 도입함으로써 혼잡방향의 수송력 증강과 완급별 운전에 의한 속달성의 향상 및 지연억제를 기대할 수 있다. 다음에 도입이 효과적인 노선의 특징을 목적별로 나타내었다.

 

① 수송력 증강에 의한 혼잡완화

  - 혼잡 시간대의 수송수요에 큰 편차가 있어 병목현상이 나타나는 구간이 존재하는 노선

② 완급별 운전에 의한 속달성 향상

- 노선 용량에 여유가 없기 때문에 혼잡 시간대에 주행속도가 저하되는 노선

- 우등열차의 추월로 인해 보통열차의 대피시간이 긴 노선

③ 운행 지연에 따른 파급영향의 확대를 제어

- 운전시 간격의 여유가 없기 때문에 지연에 따른 파급영향이 확대되기 쉬운 노선