제동신뢰도기반 열차간격제어 설계에 따른 운영효율 분석

Abstract

철도는 안전하고 효율적인 대규모 승객과 화물 수송을 목적으로 궤도, 차량, 전기, 제어, 통신기술이 유기적 연결된 교통시스템이다. 특히, 철도차량의 주행진로와 주행속도를 결정하는 열차제어기술은 지상에 일정간격으로 설치된 신호기 색을 기반으로 열차 이동을 제한하는 지상중심신호기술에서, 지상열차제어장치가 주행 중인 열차의 상태정보와 선로 제한속도를 기반으로 이동권한을 결정하고 이를 실시간 유무선 통신기술로 차상열차제어장치에 전송하고 차상열차제어장치는 이동권한까지 주행속도를 결정하여 열차 이동을 제한하는 차상중심제어기술로 괄목상대한 발전을 이루었다. 열차제어기술은 운행진로를 결정하는 진로제어와 이동권한과 주행속도를 결정하는 간격제어기술로 구분된다. 특히, 열차 간격제어기술은 철도교통의 서비스 지표인 운전시격을 결정한다. 즉, 열차간격제어기술로 결정된 연속된 두 열차의 간격거리는 단위시간당 동일선로에 투입이 가능한 열차편성의 수인 수송용량을 결정한다. 따라서 철도 운영효율에 직접적인 영향을 주는 안전이 확보된 합리적인 간격거리 설계는 철도교통시스템에서 매우 중요하다. 본 논문에서는 연속된 두 열차의 간격거리를 합리적으로 결정하기 위한 두 가지 방법을 제시한다. 첫째, 비상제동성능 신뢰도 기반 열차간격거리 설계 차량의 제동성능은 운영환경에 따라 불규칙적인 편차가 필연적으로 발생한다. 유럽의 경우 UIC를 중심으로 국가 간 상호운영을 위하여 제동성능 편차를 발생시킬 수 있는 선로, 차량특성 그리고 제동장치의 고장률을 포함한 제동성능인자의 신뢰도를 매개변수로 갖는 표준화된 제동모델을 적용하고 있다. 이에 반해 국내의 경우 열차간격거리 설계 시 제동성능 편차는 철도 운영경험이나 도입된 해외 열차제어장치 설계사양을 근거로 안전마진으로 보완하고 있어 적용되는 안전마진의 적절성을 판단하기 어렵다. 본 논문에서는 필연적으로 발생하는 제동성능의 편차를 제동성능인자의 신뢰로 함수로 모델링하여 시스템이 요구하는 제동장치 성능신뢰도 수준에 따라 제동 감속도를 결정하는 합리적인 간격거리 결정방법을 제시하였다. 둘째 근접주행을 위한 상대거리기반 동적 제동거리 설계 국내외 무선기반 열차제어시스템은 지상열차제어시스템에서 결정한 이동권한의 끝에서 열차가 정지하는 것을 전제로 간격제어를 수행한다. 이는 차상열차제어장치가 지상열차제어장치로 열차의 주행정보를 전송하면, 지상열차제어장치에서는 이를 기반으로 선행열차의 후미부를 고정된 목표점으로 설정하고 주행경로 및 이동권한을 설정하여 지상열차제어장치를 통하여 후행열차의 차상열차제어장치로 전송하는 절대거리기반 제어방식이다. 그러나 주행에 필요한 정보가 실시간으로 송수신되는 현재의 운영 환경에서 열차는 보다 많은 정보를 수신할 수 있으며, 이를 안전하고 효율적인 주행에 활용할 수 있다. 즉, 기존에 차상열차제어장치로 제공된 이동권한에 선행열차 위치와 주행속도 정보를 추가하여 선행열차의 제동거리를 예측하고 이를 간격거리에 적용하면 보다 근접주행이 가능하다. 본 논문에서는 이와 같은 방법을 상대거리기반 동적 간격제어라 정의하고 연속된 두 열차의 제동신뢰도에 따른 운영시나리오 별 시격거리 및 수송용량 산출식을 제시하고 기존 절대거리기반 간격제어방식과 운영효율을 비교 분석하였다. 본 논문은 열차의 고밀도 운영을 위하여 운영경험에 의존했던 안전마진을 제동성능 신뢰도를 기반으로 하는 정량화하는 설계 방법과 상대거리기반 동적 간격제어방법을 제시함으로써 다음과 같은 의의를 갖는다. (1) 열차제어방법에 따른 운영효율을 분석하고, 차량특성(운행속도, 열차길이, 제동성능)이 운전시격과 선로용량에 미치는 영향을 확인하였다. 운영효율 측면에서 열차속도는 최적속도를 갖고, 이후의 증속과 열차 길이의 증가는 운영효율을 감소시킨다. 물리적 측면에서 차량의 속도와 감속성능은 한계를 갖는다. 철도시스템 구축 시 운영효율 영향인자에 대한 분석을 통하여 시스템 목표를 만족하기 위한 운영요소 선정이 가능하다. (2) 운영환경 및 차량특성으로 발생하는 제동성능의 편차를 확률분포로 정의하고 시스템이 요구하는 신뢰도 수준에 따라 제동감속도를 결정하는 안전마진 설계방법을 제시하였다. 안전마진은 열차간 추돌을 방지하기 위한 안전대책이지만, 과도하게 적용 시 운영효율을 저감시키는 요인이다. 지금까지는 운영경험과 근거가 명확하기 않은 해외 도입된 수치를 적용하므로 설계변경 등이 자유롭지 않았다. 국내 열차제어기술 적용을 목전에 두고있는 시점에 이와 같은 연구를 통하여 국내 열차제어기술에 대한 신뢰도를 높일 수 있다. (3) 선행열차를 고정체()로 정의하고 간격거리 산정한 절대거리방식에서 선행열차를 이동체()로 정의하고 제동예측거리를 후행열차의 제동거리 결정에 적용하여 보다 근접하게 주행할 수 있는 상대거리기반 간격제어방법을 제시하였다. 연속된 열차의 비상제동신뢰도에 따른 운영시나리오를 설정하고 기존의 절대거리기반 간격제어방법과 비교하여 선로용량이 향상됨을 확인하였다. 이와 같은 방법은 기존 열차제어장치의 하드웨어 변경 없이 소프트웨어 보완으로 시스템 운영효율을 향상시킬 수 있는 새로운 제어방법이다. 본 논문에서 제시한 방법들은 향후 제동성능이 상이한 이종차량의 혼합 운영을 가능하게 하고 차량 간 직접통신에 의한 차상중심열차제어시스템과 같은 새로운 철도시스템에 적용을 통하여 열차의 안전을 확보하면서 고밀도 운영이 가능하게 한다. 열차제어시스템의 목표는 안전을 확보하면서 열차를 효율적으로 운영하는데 있다. 본 논문을 통하여 보다 안전하고 합리적인 열차제어시스템이 운영될 수 있기를 기대해 본다.