1. 자동화된 열차 제어를 통한 무인운영
 
가. IEC 62290-1의 정의에 의해, 자동열차제어(이하 ‘ATC’, Automated Train Control)의 위계체계는 무인 열차 운영(이하 ‘UTO’, Unmanned Train Operation), 기관사 없는 열차 운영(이하 ‘DTO’, Driverless Train Operation), 세미-자동 열차 운영(이하 ‘STO’, Semi- automated Train Operation)으로 구분되며, 이 보고서에서는 UTO와 DTO를 무인운영으로 표현함
 
나. 통신에 기반을 둔 열차제어시스템(이하 ‘CBTC’, Communication-Based Train Control)의 정의는 다음과 같음
 
1) 열차의 위치 결정은 궤도회로와 무관하게 높은 정밀도로 연속적인 양방향 열차-지상 간 데이터 통신으로 이루어지고, 이것은 궤도회로에 기반을 둔 시스템보다 상당한 수준의 제어와 상태 정보를 제공하며, 열차 상태와 제어 데이터를 프로세싱하기 위해 지상 및 열차 탑재 바이털 프로세서가 사용됨
 
2) 또한, 연속적인 자동 열차 보호(이하 ‘ATP', Automatic Train Protection), 자동 열차 운행(이하 ’ATO', Automatic Train Operation) 그리고 자동 열차 감시(이하 ‘ATS, Automatic Train Supervision) 기능을 제공하며, 무인 시스템에는 많은 기능이 자동화되어 중앙제어센터에는 운영자가 많이 필요하지 않음
 
4) STO는 정거장에서 열차 출발을 책임지는 기관사가 운전실에 탑승하지만, 열차는 정거장 간을 자동으로 운행하며 종종 자동 회차 기능도 가짐
 
가) 기관사는 선로의 위험 상황을 모니터링하고, 위험 상황이 검지되면 열차를 정지시킴
 
나) 열차 가속과 제동은 자동화되고 속도는 시스템에 의해 연속 모니터링되며, 기관사는 승객과 통신하고 고장 회복이 필요할 때 개입함
 
5) DTO의 경우, 위험 상황을 모니터링하는 기관사도 불필요하지만, 운영 직원이 차량에 탑승하며, 열차 출입문 개방을 포함한 정거장에서의 안전한 출발은 운영 직원의 책임이거나 자동으로 수행될 수도 있음
 
6) UTO의 경우, 운영 직원은 열차에 탑승하지 않고 모든 것이 자동으로 이루어짐
 
가) 또한, 선로 침입 검지시스템과 플랫폼 그리고 온보드 CC-TV와 같은 추가 시스템이 위험 상황의 관리와 검지를 위해 일반적으로 설치됨
 
 

2. 열차 제어운영자의 요구를 최상으로 만족시키는 무인 CBTC
 
이상적인 상태에서, 열차제어시스템은 안전 운영, 각 서브시스템의 최상의 가치(품질과 가격)를 만족시키는 낮은 최초 투자비용, 시스템 가용도와 신뢰성의 향상 그리고 낮은 운영 및 유지보수(이하 ‘O&M’, Operation & Maintenance) 비용뿐 아니라 운영 탄력성 (현재와 미래의 확장)도 향상시킴
 
2.1 무인시스템이 서브시스템에 미치는 영향
 
가. 신호분야 : 높은 가용성과 신뢰성을 가진 시스템 안전을 제공하는 서브시스템임
 
1) 이 시스템은 O&M 비용 절감에 중요한 요소이며, 신호시스템은 탄력적 운영, 고장관리의 지원, 에너지 절감, 낮은 유지보수비용 그리고 직원 감소에 따른 운영비용 절감을 제공함
 
나. 차량분야 : 고장 표시 특히, 안전과 관련된 사항에 대한 표시가 기관사가 아닌 관제센터 운영자에게 실시간으로 통신됨
 
1) 관제센터에서 감시되는 전형적인 항목으로는, 차량의 제동 부족, 이동 방해, 화재/연기, 낮은 공기압, 주차제동, 슬립-슬라이드, 출입문 상태 그리고 열차의 통합임
 
2) 열차 관리시스템(이하 ‘TMS’, Train Management System)과 건강 모니터링 유닛 (이하 ‘HMU‘, Health Monitoring Unit) 정보는 반드시 실시간으로는 아니지만, 분리된 논바이털 통신 링크를 통해 관제센터나 유지보수 차량기지에 전송되며, 필요한 미계획 유지보수 활동에 적용되기 위해 적절한 방식으로 제공됨
 
가) 이 정보는 각 정거장에서 열차로부터 다운로드되는 것과 같은 불규칙한 통신을 통해 전송되어도 무관함
 
3) ‘무인(Driverless)’으로 운행된다고 함은, 열차의 추진에 대한 자동 열차 제어와 서비스 제어의 분리, 무효화 가능한 비상제동을 포함한 주차제동과 비상제동을 가짐을 의미하며, 제동률의 가변화는 ATC 리퀘스트에서 차량에 의해 적용됨
 
4) 자동 속도 제어(Automated Speed Control)는 더는 기관사의 책임이 아니며, 우수한 알고리즘이 점착(슬립-슬라이드) 모니터링 및 보상과 함께 저크율과 승차감을 보장함
 
5) 열차 운영자의 개입이 없는 출입문 제어와 출입문 리사이클링 및 출입문 상태 미검지에 대한 대응도 변화해야 함
 
가) 이것은 열차의 추진 불가 상황과 그 상태에서 출입문 개방을 가능케 하는 제동 상태를 바이털하게 감시하는 온보드 장치를 요구함
 
6) 리던던시 온보드 ATC 장치가 반드시 설치되어야 하며, 이 시스템에는 적절한 방식으로 리던던시를 보장하기 위해 사용되는 원격 리셋 기능을 포함해야 함
 
7) 무인 운영은 운전실의 제거로 차량 크기 축소가 가능하며, 이것은 최적의 승객 서비스 제공을 위한 짧은 열차를 가능케 함
 
다. 지상 및 궤도변 장치
 
1) 장치 구성 : CBTC 시스템에는 기존에 부가적으로 설치하던 장치가 불필요함
 
가) 이것은 투자비용, 신뢰성과 가용성 그리고 O&M 비용에 직접적인 영향을 미치며, 진실한 의미에서의 CBTC 시스템에서는 궤도회로나 액슬 카운터에 기반을 둔 대체 열차 검지 서브시스템은 운영자의 선택이지 필요조건은 아님
 
2) 고장 관리 : 결함 허용(Fault tolerant) 기술은 높은 가용성을 보장하며, 비용효과적인 솔루션으로는 3개 중의 2개를 선택하는 방식이 선호됨
 
가) 오늘날 기술에 의해 제공되는 여유율과 높은 부품 신뢰도 덕분에 ATS 고장은 거의 발생하지 않으며, ATS 없이 운영자가 완전 자동 무인 운영하는 것은 불가함
 
3) 지상장치의 자동-재시작(auto-restart) 기능은 장치 고장 이후에 자동으로 정상 복귀를 보장하여, 몇 분 이내에 완전한 자동 운행 복구를 제공함
 
가) JFK 국제공항의 AirTrain과 디트로이트의 DPM에 적용된 [SelTrac] CBTC 시스템의 신뢰성 있는 운영기간 동안 결과에 의하면, 만일의 경우를 대비하여 준비하는 시스템인 폴-백 신호방식(fall-back signaling)을 사용하는 수동 방식보다 더 효율적인 것으로 증명됨
 
라. 차량기지 : 차량기지에서의 자동 운영 문제는, 무인 운영을 완벽하게 잘 이용하려면 의무적인 것으로 고려되어야 함
 
1) 유치선 진출입의 자동 입환, 유치선에 정차하는 유치 모드(Storage Mode) 그리고 필요한 장치를 스위칭하는 자동 기동(wake-up) 서비스가 연속적인 차량 조성을 가능케 함
 
2) 무인 운영의 부산물은 어떠한 지선으로도 차량기지를 가상으로 확장하고 궤도 연장을 가능케 하여, 결과적으로 운영 수준의 신속한 변경을 가능케 함
 
3) 유치선 진출입의 자동 근접과 순서 정리 기능 그리고 자동적인 차량 간 연결 프로세스는 운영자의 강력한 툴이며, 이 기능은 운영 효율화에 중요한 요소로 에너지 절감과 갑작스러운 차량 유지보수에 직접적인 영향을 미침
 
4) 2km/h 정도의 낮은 속도에서 차량 세척 작업은, 무인 운영이 언제든지 그리고 정해진 시간 동안 진행될 수 있음
 
마. 가이드웨이
 
1) 인프라시설 : 무인 CBTC와 상호연관되면, 토목 가이드웨이 디자인이 투입 자본의 상당한 비용절감을 위해 최적화될 수 있음
 
가) 짧은 시격으로 길이가 짧은 열차를 주행하는 것이 플랫폼 길이 결정에 긍정적인 영향을 미치고, CBTC는 더 짧은 가이드웨이 안전 거리가 가능케 하여 투자비용을 낮춤
 
나) 새로운 가이드웨이 섹션이 상당한 비용절감을 위해 디자인될 수 있으며, 가이드웨이와 차량 안전거리와 결합한 후부 역 턴 백(turnback) 기능은 터널 길이를 줄일 수 있도록 함
 
2) 가이드웨이 침입 검지시스템 : 모든 종류의 열차 제어시스템에 설치된 이 시스템의 경우, CBTC나 플랫폼 스크린 도어 서브시스템과 인터페이스하는 가이드웨이 침입 검지장치의 설치를 의무화하는 것이 무인운영의 전제조건임
 
바. 통신 서브시스템(이하 ‘COMMS’, Communication Subsystems)
 
1) 기존의 열차제어시스템으로, 기관사는 서비스 지체, 열차 이동의 변경 그리고 비상 상황의 경우에 승객들에게 정보를 제공하고 통신함
 
가) 무인운영에서는, 통신시스템이 중요한 역할을 하고 모든 필요한 정보 특히, 비상상황 정보는 승객들에게 반드시 제공되어야 함
 
나) 기관사가 없기 때문에, 승객 안전을 위해 차상과 지상시스템은 매우 신뢰성 있는 통신시스템이 설치되어 차상과 플랫폼 음성정보 비상 인터콤을 제공하여, 승객들이 중앙제어센터와 통신하고 플랫폼 디스플레이에 출발 및 도착시각을 볼 수 있어야 함
 
2) CCTV 서브시스템은 플랫폼에는 의무 그리고 열차 내부에는 옵션으로 되어가고 있음
 
가) 오늘날의 음성통신(voice-over IP) 기술과 대역폭의 증가는 ATS 네트워크 내에 통신 서브시스템과 CCTV 기능이 완전히 통합되도록 함
 
2.2 무인운영이 O&M에 미치는 영향
 
가. 운영비용 : 새로운 일자리가 승객 서비스와 유지보수를 위해 창조되지만, 기관사와 차량의 관련 마모가 줄어들므로 CBTC는 운영비용을 낮추는 데 도움이 됨
 
1) 전체적인 최적의 시스템 운영 기반 위에, 더 짧은 열차를 운영하면서 기관사 고용비용 감소는 상당하여, [H.Strobel] 교수의 평가에 의하면 14% 정도의 운영비용 절감이 가능함
 
2) 전체 운영비용도 낮아지는데, 밴쿠버 SkyTrain은 산업계 내에서 가장 효율적 크기의 인력으로 수백만 달러를 절감하고 있음
 
가) 1989년 APTA에서 발표한 승객-km당 직접 운영비용은 다음과 같음
 

<승객-km당 직접 운영비용>
 

3) 16개 역에서 32개 역으로 확장을 하면서 발생한 추가 에너지 비용에도, SkyTrain의 2005년 승객-km당 운영비용은 10.15센트로 1986년 필라델피아의 것보다 낮음
 
나. 에너지 사용의 최적화
 
1) 무인운영을 통해, 회생제동의 최적화는 제동 도중에 열차의 기계적 에너지가 회복될 가능성을 제공하는데 즉, 정거장 정차시 발생하는 열차의 제동에너지가 다른 역까지의 가속시에 사용 가능하다는 의미임
 
2) 회생에너지는 가속하는 열차의 에너지원으로 이용될 수 있는데, [BC Transit] 백서인 ‘밴쿠버 SkyTrain의 성능’에 의하면, 승객-km당 에너지 소비량은 다른 시스템 평균의 절반에 불과하며, 아래 자료는 1989년 APTA에서 발표한 북미지역 운영기관의 에너지 소비량 데이터임
 

<전력량 1kWh당 승객-km>

 
3) 2005년 밴쿠버 SkyTrain의 전력량 1kWh당 승객-km 지표는 6.8로, 이것은 차량의 구동전력 비용을 마련하는 데 사용되며, 차량기지와 유지보수 시설 그리고 정거장에서 사용한 에너지는 포함되지 않음
 
다. 운영 탄력성의 증가
 
1) 자동화된 운영은 중앙제어센터 직원이 비상상황에 집중할 수 있도록 하며, 설계상으로 열차의 성능은 연속적으로 제어되고 모니터링되며 무인 CBTC 시스템은 자동으로 모든 스케쥴을 유지함
 
2) 이러한 업무에서 해방되어, 중앙제어센터 운영자는 시스템에 의해 자동으로 커버되지 않는 비정상적인 상황에 집중할 수 있게 되며, 장애가 발생하기 이전에 미래의 장애 상황을 예측하는 지능형 CBTC 시스템에 의해 운영자 의사결정 지원이 이루어짐
 
3) 그러므로 이러한 제공된 툴을 통해 장애를 피할 수 있으며, 중요한 장애로부터 최적의 상황 회복이 신속하게 가능해짐
 
가) 좋은 본보기가 서비스 시간 차이를 극복하는 것으로, 예를 들어 이 경우에는 계획된 열차와 함께 계획되지 않은 보조 열차를 운영하거나 서비스 중에 고장이 난 차량을 교체하는 것임
 
라. 용량
 
1) 긴 열차로 긴 시격의 서비스를 하는 것이 아닌 짧은 열차로 짧은 시격의 서비스를 제공함으로써, 용량은 증가하는 것임
 
2) 또한, 비피크시간 대에 적절한 수준의 서비스를 유지하면서 열차 길이를 다양하게 조정하는 것이 좋은 옵션이 될 수 있음
 
 

3. 무인운영의 과거, 현재 그리고 미래
 
가. 1981년 이후로 무인 CBTC 시스템 도입이 시작되어, 2001년과 2006년 사이에 CBTC 도입 수는 기하급수적으로 증가하고 여전히 상승 중임
 

<영업운행 중인 CBTC 노선>
 
1) 아래 그림의 신호시스템 개량과 신설과의 분포는 21세기 초기에 제어시스템에 대한 열차 운영자의 선호도를 나타냄
 
 

<운영 중인 CBTC 노선>

 
2) 기본적으로, 대부분 운영자가 CBTC 시스템을 가진 시스템으로의 개량을 추진 중인 것은, 적어도 개량시스템 초기에는 기존 열차 운전실에 기관사를 유지하는 것을 선호함을 의미함

3) UTO 완전자동 운영은 각종 무인운영의 장점을 최대한도로 이용하며, 1981년~2006년 기간의 CBTC 프로젝트는 46개로 총 940km에 달함
 
가) 58.69%가 무인운영을 하고 있으며, 신호시스템 개량 프로젝트의 33.33%가 DTO나 UTO를 선택했지만, 신설 프로젝트의 29%는 STO를 설치함
 
 

4. 결론
 
가. 세계적으로 영업 운영 중인 도시철도 무인시스템은 20개 이상이며 신호시스템 개량이나 신설 프로젝트를 통해 무인운영에 대한 요구는 높아지고 있지만, STO, DTO, UTO 기술은 기술적 한계가 아닌 운영자의 선택사항임
 
1) 선택된 솔루션과는 무관하게, 소비자 요구를 평가하는 시스템적인 접근법이 필요함
 
2) 특히, 무인 운영은 신뢰성 있고 효율적인 운영을 보장하기 위해 반드시 반영되어야 하는 특수한 성능기준이 존재함
 
3) 무인 CBTC 시스템은 성능과 승객 서비스 향상이라는 운영자의 요구를 만족시키는 시스템임