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[안전특집-철도신호] ②한국형 고속열차제어시스템, 국산화 기술로 무장
KTCS-M, 올해부터 일산선에서 본격 시범사업 진행...도시철도신호시스템 순차 적용 기대
KTCS-2, 철도무선통신망 기반 제어정보 전송...2032년까지 모든 간선철도망 확대
KTCS-3, 지난해 국가 R&D 연구과제 첫 시작...이동폐색방식 '0.5초마다 정보 전송'
박재민 기자   |   2021-03-26

▲ 국가철도공단이 올해말까지 전라선 KTCS-2 시범사업을 완료하고, 2032년까지 전체 국가철도망에 확대적용하는 등 한국형 열차제어시스템 개발에 속도를 내고 있다.   © 국토매일

 

[국토매일=박재민 기자] 국내 철도신호기술을 한 단계 업그레이드 시킬 것으로 기대되는 한국형 열차제어시스템 개발이 속도를 내고 있다. 

 

국토부는 지난 2018년부터 철도신호통신시스템 국산화 계획 및 표준화 방안을 발표하고 국가철도공단(이하 철도공단)을 중심으로 준고속급 이상의 속도에 대응할 수 있는 KTCS-2 개발에 착수했다.

 

지난해 철도공단은 전라선에 시범 구축하게 되는 KTCS-2 사업자 선정을 마치고, 지-차상 장비를 현장에 설치해 올해 6월께부터실제 주행시험에 들어갈 예정이다.

 

이와 함께 지난 2018년 4월부터 철도공단이 주관하고, 한국철도기술연구원(이하 철도연)과 한국철도(코레일) 등이 참여하는 KTCS-3 국책연구(R&D)사업도 지난해 10월 연구성과 보고회를 개최하는 등 순조롭게 개발 중이다. 

 

철도연에서 최초 개발했던 KTCS-M도 지난해 시범사업자를 선정, 올해부터 일산선에서 상용화를 위한 운행선 테스트 작업에 들어가게 된다. 

 

도시철도부터 일반·고속철도에 이르기까지 국내 기술로 열차제어시스템을 구축하는 대규모 프로젝트들이 오랜 기다림 끝에 '상용화'라는 최종 목표를 향해 한발짝 다가서고 있는 것이다. 

 

▲ LTE-R 기반 KTCS-2 차상/지상장치간 정보전송 개념도(사진=국가철도공단/국토교통부)     ©국토매일

 

◆ KTCS-M, 국내 첫 단독 정보전송규칙 적용 "개발사 관계없이 상호호환" 

 

한국형 열차제어시스템 개발의 가장 큰 목적은 더 이상 외산 시스템에 의존하지 않고 국산 신호시스템을 도입하기 위한 기술력 확보에 있다. 

 

철도연이 주관하고 LS산전(現 LS일렉트릭), 삼성SDS(現 에스트래픽), 현대로템 등 민간에서 참여해 최초 한국형 무선통신기반 열차제어시스템(KRTCS, Korea Train Control System)이라는 명칭으로 개발을 시작, 총 사업비 450억 원을 투입해 지난 2014년 개발을 마쳤다. 도시철도용으로 개발된 이 시스템은 일반·고속철도용 열차제어시스템과 구분하고자 현재 KTCS-M(Metro)으로 불린다.

 

KTCS-M을 개발하는 과정에서 철도전용 무선통신주파수를 할당받은지 1년 만에 반납되기도 하고, R&D사업 완료 후에 국내 노선에 적용되지 못하면서 상용화 실적이 없어 국내·외 시장 진출에 어려움을 겪기도 했다. 

 

하지만 민간투자사업으로 추진, 오는 2022년 개통 예정인 신림선에 최초로 KTCS-M을 적용하기로 결정하고, 특히 지난해에는 코레일이 일산선 노후 신호시스템 개량사업을 착수하는 과정에서 일산선을 KTCS-M 시범사업 구간으로 확정해 대아티아이·에스트래픽(이하 지상), 현대로템(차상)을 사업자로 선정했다. 

 

6년 넘게 표류했던 상용화 문턱을 넘을 수 있는 길이 열리게 된 셈이다.

 

KTCS-M은 개발 당시 한국형 표준신호시스템을 개발, 제작사와 관계없이 상호호환성을 가질 수 있도록 하겠다는 취지를 달성하고자 KRS규격으로 표준화하는데 주력했다. 기존의 부산김해경전철 및 신분당선 등에 적용된 무선통신기반 열차제어시스템(CBTC)은 해외 제작사들이 각자 개별 기술로 구현해 서로 호환되지 않았기 때문이다.

 

KTCS-M은 도시철도에 한정되지만 정보전송규칙을 표준화해 제작사에 관계없이 설치·운행 가능하고, 유럽형 열차제어시스템(ETCS, European Train Control Sysem)과 달리 국내 단독 규칙을 적용한 순수 한국형 열차제어시스템이라는 것이 개발에 참여했던 연구진의 설명이다. 

 

한 업계 관계자는 "국내 도시철도 신호시스템의 노후화로 인한 개량시기가 도래하면 순차적으로 KTCS-M을 적용할 수 있다"며 "유렵형·중국형 열차제어시스템 등이 경쟁하고 있는 세계 도시철도 신호시스템 시장에 KTCS-M이 진출한다면 한국만의 독자적인 시장을 만들 수 있을 것"이라고 밝혔다.

 

▲ 대아티아이 연구소 모습. KTCS-2 지상장치를 전라선 현장에 설치하기 전, RBC(무석폐색센터) 테스트 작업이 한창이다. 실제 전라선 선로, 관제 등 환경과 동일한 시뮬리에션을 구동해 안전성 및 연동성 등을 사전 검증한다. © 국토매일

 

◆ KTCS-2, 유선에서 무선으로 열차제어정보 전송 "RBC, 핵심기능 담당할 것"

 

현재 국가 일반철도망 주요 노선에서는 ETCS-1 기술을 적용, ATP와 병행해 사용 중이다. ATP장치 및 관련 기술이 국산화됨에 따라 철도공단에서는 개발 진행 중인 레벨2, 3와 구분하고자 KTCS-1으로 명칭을 정했다.

 

ETCS는 유럽의 EU 국가 간 상호 운행을 위해 차량-지상 장치 간 열차제어정보를 표준화해 동일시스템을 구축한 것으로 국제선에서 주로 사용되고 있다.

 

철도공단이 주도해 개발 중인 ETCS 기반의 KTCS도 정보전송을 표준화해 제작사에 관계없이 운행할 수 있다. 또한 KTCS-M과 달리 국내 단독규칙이 아닌 유럽에서 사용하는 규칙과 동일한 방식을 국내에 적용해 '공동'으로 사용할 수 있다.

 

철도공단 관계자는 "국내에서도 ETCS 기반의 한국형 열차제어시스템(KTCS-1·2·3)을 개발·운용하면 해외시장 진출 및 추후 대륙 간 철도연결에도 선제적으로 대비할 수 있다"고 설명했다.

 

KTCS의 주요 특징과 차이를 레벨별로 살펴보면 먼저 KTCS-1(ATP)는 열차가 가변 발리스를 통과할 때만 제어정보를 '유선'으로 전송하며 전기 궤도회로를 사용하는 고정폐색방식을 사용한다. 철도공단은 ATP의 노후화정도를 고려해 호남선을 시작으로 올해 경부선에 ATP개량 사업을 추진하고 있다. (관련기사 '[안전특집-철도신호] ①노후화된 외산 ATP 개량, 국내기술로 포문연다' 3월 26일자 참조)

 

전라선 익산-여수엑스포(180km) 구간에서 시범사업을 진행 중인 KTCS-2는 '무선폐색센터'에서 철도전용무선망(LTE-R)을 활용해 열차에 새로운 제어정보(이동권한 및 위치정보) 생성 시마다 이를 전송하는 것이 특징으로 200km/h 이상의 고속선에 대응할 수있다.

 

한마디로 제어정보가 '변경'될 때마다 '무선'으로 열차에 전송할 수 있게 되는 것이다. 철도공단은 신호기 등 각종 설비의 설치가 줄어들어 건설비 및 유지·보수 비용을 절감하고, 실시간으로 열차에 제어정보를 전송해 차량 운행의 안전성과 효율성을 높일 것으로 기대하고 있다.

 

다만, KTCS-1과 마찬가지로 레벨2도 ▲800m 단위의 열차위치 검지 ▲열차분리 검지 ▲레일절손 금지 등의 기능을 수행하는 고정폐색형 궤도회로를 사용한다.

 

철도공단은 지난해 3월 전라선 KTCS-2시범사업을 추진하고자 익산-오수, 오수-개운, 개운-여수EXPO 등 3개 공구로 나누어 지상장치부문을 발주했으며 대아티아이가 수주했다. 코레일이 발주한 차상장치 부문은 현대로템·테크빌이 맡았다.

 

철도공단은 KTCS-2가 ETCS의 요구사항 충족 및 적합성 여부 등을 검증하고자 벨기에 멀티텔(Multitel)社에 시험설비인 '성능검증설비' 제작을 의뢰해 현지에서 인수시험을 진행한 후 지난해 12월 8일께 한국으로 들여왔다.

 

KTCS-2에서 핵심 장치는 레벨1에서 선로변제어유니트(LEU)와 신호기 등을 대체하는 무선폐색센터(RBC, Radio Blok Center)이다. 

 

지상장치 시범사업자인 대아티아이는 자체 연구소에 전라선 익산-여수EXPO 구간의 관제·선로·주행정보 등과 동일한 환경을 소프트웨어로 구현해 각 사업공구별로 설치할 예정인 무선폐색센터(RBC) 3세트 등을 테스트 중이다.

 

▲ 대아티아이 연구소 관계자가 RBC(무선폐색센터) 검증과정 및 방법 등을 설명하고 있다.    © 국토매일

 

대아티아이 관계자는 "(실제 전라선에 설치하기 전에) RBC 등 지상장치 테스트를 2단계로 나눠 실시하고 있다"며 "1단계로 가상의 선로를 시뮬레이션화해 기능시험을 진행하고, 2단계로 실제 전라선과 동일한 조건을 시뮬레이션으로 구동시켜 RBC 작동 이상유무 및 차상장치 간 상호연동성을 종합검증한다"고 설명했다.

 

그는 "모든 테스트는 기록(로그, log)으로 남긴다"며 "RBC가 발리스로부터 정상적으로 정보를 받는지 여부, 그리고 RBC가 차상장치에 제어정보를 제대로 보내는지 등 인터페이스 시험과정 전체를 데이터로 저장해 오류 발생 시 바로 확인할 수 있고, 차후에 추가 검증도 용이하다"고 덧붙였다.     

 

철도공단은 올해말까지 시범사업 종료 후 오는 2032년까지 전체 국가철도망으로 KTCS-2를 확대·적용할 계획이다.

 

윤학선 철도공단 신호처장은 "현재 (코레일에서도) KTX 2편성을 개조하는 작업을 진행 중이며, 5월까지 현장에 KTCS-2 지상장치 설치를 마무리한 후 6월부터 전라선에서 실차시험에 들어갈 수 있도록 시범사업을 추진하고 있다"고 말했다.

 

윤 처장은 "KTCS 연구개발 사업은 신호기술의 국산화와 시스템 고도화를 통한 사고·장애율을 감소시키는 것이 핵심"이라며 "이번 전라선 시범사업을 통해 상호 연동 및 호환성 시험을 거쳐 준고속급 이상에도 적용하게 되는 KTCS-2의 안전성을 충분히 입증하는데 주력할 것"이라고 말했다.  

 

▲ KTCS-2의 핵심장치 중 하나인 RBC(무선폐색센터) 기존 KTCS-1의 제어유니트(LEU) 및 신호기 등의 기능을 대체한다. LTE-R망을 활용, 새로운 제어정보(이동권한 및 위치정보)가 생성될 때마다 이를 열차에 전송한다.   © 국토매일

 

◆ KTCS-3, 고속선서 이동폐색 적용 "자동운전 실현, 열차간격 줄여 운영 효율성 높일 수 있을 것"

 

차세대 한국형열차제어시스템(KTCS-3) 연구·개발사업도 순조롭게 진행 중이다. 국가 선도연구과제(First Mover)로 지정된 KTCS-3 개발은 154억 원을 투입, 지난 2018년 4월부터 시작됐다.

 

이 사업은 철도공단이 주관하고 한국철도기술연구원 및 코레일이 공동 참여하며, 현대로템(차상장치)·대아티아이(지상장치, 무선제어센터)·유경제어(통합시험) 등 민간사와 협업한다. 

 

철도공단은 지난해 10월에는 '자동운전을 지원하는 ETCS(European Train Control System) L3급 고속철도용 열차제어시스템 핵심기술 및 궤도회로 기능 대체기술 개발' 연구성과 보고회를 개최하며 마스터플랜 수립 및 실용화 방안을 논의하기도 했다.

 

KTCS-3가 이전 레벨과 가장 크게 다른 점은 ETCS 기반의 이동폐색(Moving Block Section) 열차제어 기술을 도입하는 것이다.

 

현재 국내 고속선에 적용된 고정폐색의 경우 1개 폐색 당 1500m를 점유하며, 열차 제동거리와 안전거리 등을 감안해 7개 폐색(약 10.5km)의 간격을 유지한다. 

 

하지만 궤도회로를 사용하지 않고 차상장치 중심의 이동폐색 열차제어 기술을 적용하게 되면 0.5초마다 실시간으로 열차 위치 정보를 전송하고, 열차 위치를 80m 내외로 정밀하게 검지하기 때문에 열차간격을 줄이고, 건설·유지비용도 절감시킬 수 있다. 

 

성동일 철도공단 기술연구처 차장은 “이동 폐색을 적용하게 되면 궤도회로 등 지상설비를 최소화해 건설비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 고속열차의 제동거리와 안전거리를 고려하더라도 7.8km 거리를 유지할 수 있어 기본보다 2.9km 운전 시격을 단축하게 된다”고 설명했다.

 

특히 KTCS-3를 도입하면 선행열차는 궤도회로를 사용하지 않고 차상장치를 통해 LTE-R 통신망을 이용, RBC에 열차제어정보(이동권한)을 보내면 후행열차는 이 정보를 수신받아 자동으로 열차간격·속도를 제어할 수 있게 돼 고속선에서도 '열차자동운전'을 실현할 수 있다.

 

KTCS-3는 상호운영성도 충분히 확보할 수 있을 것으로 기대된다. KTCS-2 등 하위 레벨의 지상 구간에서도 KTCS-3 차상장치를 탑재한 차량은 별도의 호환장치 없이 운행이 가능하다.

 

오우식 철도공단 기술연구처 부장은 “ETCS-3급은 해외에서도 이제 기술 개발 초기 단계이기 때문에 우리나라가 선도적으로 기술을 개발한다면 해외 시장에서도 우위를 점할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

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