Study on the Design of Operation Scenario for Replacement of a Railway Signaling System

철도신호시스템 교체에 따른 운행 시나리오 도출에 관한 연구

Abstract

The railway signalling system plays an essential role in the headway and routing control for a safe and efficient train operation. The reliable and safe operation of the system is very important because the failure of the railway signalling system can lead to the collision, derailment, or unexpected stop of a train. So far, the conventional wayside signal mode (ATS: Automatic Train Stop) has been generally used as the railway signalling system. However, this system is highly linked to a risk of major accidents resulted from human mistakes such as missing a signal or careless control of train speed. Accordingly, the onboard signal mode (ATC: Automatic Train Control) as an alternative of ATS has been recently introduced and applied to transmit effectively the information on speed control of a train by using computers and communication equipment. In the process of replacing the obsolete signal system, it is necessary to switch over the system while providing passengers with normal services. Therefore, the integration of a railway signaling system compatible for both ATS and ATC and its interface is discussed in this study. In particular, the implementation scenario required for operation planning of the integrated system was designed, and the results as well as effects of its applicability test were also presented.

1. 서 론

철도 신호시스템의 기술발전은 현장을 중심으로 지속적으로 이루어져 왔다. 이는 새로운 철도시스템 개발과 더불어 전기·전자·컴퓨터의 기술적 발전과 연계되어 새로운 신호시스템의 개발 및 적용이 되고 있다. 국내 도시철도의 경우에도 1974년 서울지하철 1호선 도입이후 신호시스템은 비약적인 발전을 이루어 왔다. 현재 도시철도는 다른 도시교통 수단과의 경쟁 속에서 승객들을 유치하기 위해 이용 방법의 용이함은 물론, 짧은 열차 대기시간과 신속하고 편안한 여행을 제공해야 하며, 동시에 시스템적으로는 안전성과 신뢰성을 확보해야 한다. 이러한 목적들을 달성하기 위해 신호시스템은 고속주행뿐만 아니라 교통량 증가 시에도 안전한 열차 운행을 위한 자동운전 모드에서의 부드럽고 신속한 열차 운행을 지원해야 하고 안전하게 열차 출입문을 제어, 승강장 및 열차 내의 승객들을 위한 정보를 제공해야 한다. 또한, 신호시스템은 고도의 자동제어가 요구되는 본선과 차량기지에서 열차운행의 감시 및 통제를 위한 수단을 시스템 운영자에게 제공하여야 하며, 유지보수 활동을 지원함으로써 운행경비를 줄일 수 있어야 한다[1].

도시철도 운영 경험 30여년의 시점에서 볼 때, 시스템 개량 방법 및 절차 등에 대하여 준비하고 계획 되어야 한다. 도시철도 차량의 경우는 도시철도법 하에서 25년 운행 후 정밀진단을 통해 5년의 기간 동안 수명을 연장할 수 있도록 정의되어 있으나, 신호시스템의 경우는 체계적으로 정립되어 있지 않으므로 개량 방법 및 절차에 관한 계획 수립시 다양한 요소들을 충분히 검토하여야 한다[2]. 신호시스템을 교체하기 위하여 승객을 위한 운행서비스를 유지하면서 새로운 시스템으로 교체하는 것이 필요하다. 이에 서울메트로 2호선에서는 기존의 지상신호방식의 자동열차정지(ATS : Automatic Train Stop)방식을 차상 신호방식의 자동열차제어(ATC : Automatic Train Control)방식으로 교체하였다. 즉 자동열차보호/자동열차운전(ATP/ATO : Automatic Train Protection/Automatic Train Operation)시스템을 도입하여 운전자의 조작을 최소화하고 전동차를 자동운전 하도록 함으로써 열차운영 효율을 극대화 하고 있고 여러 가지 해결책이 제시되었다[3~6]. 본 논문에서는 ATS시스템을 ATC시스템으로 개량하는 과정에서 ATS시스템과 ATC시스템을 일정기간 중첩사용하다가 궁극적으로 ATC로 교체될 것이나 둘 중 한 시스템이 탑재한 차량이 존재하는 한 중첩 사용해야하기 때문에 효율적으로 운영하기 위해 운영계획 수립에 필요한 운영 시나리오를 시스템 적용환경을 고려하여 도출하고 도출한 운영시나리오를 적용하여 효과가 있음을 입증하였다.

 

2. 중첩 테스트

2.1 중첩사용 시스템

서울메트로 2호선은 현재 기존의 선로변 신호기와 ATS 안전장치에 의한 열차운전제어 방식을 ATC 장치에 의한 자동운전제어방식의 열차제어시스템으로 개량하였다. 그림 1은 기존 ATS 지상신호방식의 개념을 설명한 것으로 신호 현시와 제한 속도를 나타내었다. G(진행)은 선로의 허용최대속도이고, YG(감속)는 65km/h, Y(주의)는 45km/h, YY(경 계)는 25km/h, R1(정지), R0(절대정지)이다.

그림 1ATS 지상신호방식의 개념 Fig. 1 Concept diagram for ATS wayside signalling

ATP/ATO장치는 열차이동의 제어기능과 열차간 안전한 이격거리 유지 기능을 제공하며 열차운전 명령을 자동으로 실행하며 선행열차의 위치, 운행진로 등의 선로의 제반 조건에 따른 정보코드가 텔레그램으로 지상과 차상간 궤도회로, TWC(Train Wayside Communication) 루프 등의 전송매체를 통해 차상제어장치로 전송된다. 차상에서는 지상으로부터 전송된 운행정보를 바탕으로 차량의 제동특성을 고려하여 안전거리를 유지하면서 속도제어를 위한 제동곡선을 생성하고 이에 따라 자동 또는 수동으로 운전하는 시스템이다. 그림 2는 ATP/ATO에 의한 자동운전제어곡선을 나타낸 것이다. 이는 궤도회로를 통해 폐색구간별 차상으로 전송되는 텔레그램의 정보 내용들과 선행열차와의 안전거리를 위한 정지점 계산, 정지점에 열차가 정지하기 위한 차상 제어장치에서 생성하는 목표속도인 운전속도, 그리고 운전속도를 추종하면서 자동으로 운전하는 실제 운전속도인 지시속도 등을 나타낸다. 신호현시는 분기구간에서만 G(진행), R(정지)가 사용되어진다.

그림 2ATP/ATO에 의한 자동운전제어 곡선 Fig. 2 Vehicle control profile for ATP/ATO

그림3는 기존의 ATS 장치와 새로 도입한 ATP/ATO장치에 의한 운전개념을 나타낸 것으로 ATS 장치의 경우 선로변의 신호기 현시정보를 운전자가 육안으로 확인하여 운전하는 방식을 도식적으로 나타낸 것이며, 신규로 도입한 ATP/ATO 장치는 지상 AF(Audio Frequency) 궤도회로에 의한 차상으로의 통신을 통해 목표속도와 이동거리 정보를 제공해 주고, 이 수신정보를 바탕으로 차상제어장치가 자동으로 선행 열차와의 안전거리를 유지하면서 운전하는 방식을 나타낸 것이다.

그림 3ATS장치 및 ATP/ATO장치에 의한 운전 Fig. 3 Operation schemes of ATS and ATP/ATO

2.2 중첩사용 시스템 인터페이스

기존의 ATS 장치를 신규의 ATP/ATO 장치로 완전하게 교체하는 동안 승객 서비스의 중단이 없도록 일정기간 시스템을 중첩 사용하는 방안에 대하여 그림4에 나타내었다. ATS 장치에 의하여 운전할때의 신호현시와 속도관계에 따라 #203, #202, #201 열차간의 열차 정지점 및 안전거리 확보구간을 나타낸 것이며, ATO장치에 의하여 운전할때는 궤도회로를 통해 폐색구간별로 차상으로 전송되는 텔레그램의 정보 내용들과 선행열차와의 안전거리를 위한 정지점 계산과 정지점에 열차가 정지하기 위한 차상 제어장치에서 생성하는 목표속도인 운전속도, 그리고 운전속도를 추종하면서 자동으로 운전하여 #203, #202, #201 열차간의 열차 정지점 및 안전거리 확보구간을 나타낸 것이다.

그림 4ATS와 ATP/ATO장치의 중첩운전 Fig. 4 Concept diagram of ATS and ATP/ATO mixed operation

그림5에 기존의 ATS 시스템에 구축되었던 관제 및 계전 연동장치(그림 좌측)와 신규의 ATP/ATO 시스템 구축을 위해 필요한 관제설비 및 전자연동장치(그림 우측)간의 인터페이스 구성도이다. 관제설비간에는 상호병행(중첩운행)하기 위하여 인터페이스장치를 추가하였고 기존의 ATS용 계전연동장치와 ATP/ATO용 전자연동장치간의 인터페이스는 궤도반응계전기와 궤도회로간의 열차점유 및 비점유 정보를 인터페이스하고 선로전환기 제어는 표시, 쇄정정보를 콘넥터로 연계하고, 신호간에도 상태정보를 콘넥터로 인터페이싱하였다.

그림 5중첩운영 인터페이스 구성도 Fig. 5 Interface diagram of mixed operation

 

3. 중첩 운영 방안 및 시나리오 분석

3.1 중첩 운영 방안

신호기에 의한 다단계 속도제어 지상신호방식은 모든 열차운전에 대한 판단을 기관사에 의존하며, 이러한 기관사의 판단을 지원하기 위해 ATS 장치가 부가 장착되어 안전한 열차운전을 지원한다. 또한 신규로 도입한 Distance to go방식(ATP/ATO)은 지상과 차상의 정보 송수신에 의해 차상 컴퓨터가 열차를 제어하며 기관사는 차상 컴퓨터가 지시하는 내용에 따라 운전을 수행하는 방식이다.

신호시스템 중첩설치에 따른 운영은 안전과 관련하여 열차의 추ㆍ충돌에 대한 의문이 제기되어 여러 요소와의 관계 성을 검토하였으나, 기존과 같이 열차의 안전간격을 보증하는 기본적인 궤도회로를 사용함으로써 정상적인 운전상황에서는 추ㆍ충돌과 관련된 우려의 상황은 배제될 것이다.

신호시스템은 운영에 직접 연관되어 있으므로 일관성 있도록 단일 신호방식을 적용하는 것이 가장 일반적이며 효율이 높다. 2가지 형태(ATS, ATP/ATO)의 신호방식을 적용하게 되면 단순히 2종류의 신호설비를 설치하는 정도의 문제가 아니라, 기관사를 포함하여 관제원, 역무원등 운영 관련자 모두가 ATS, ATP/ATO의 신호 원리를 숙지하여 각 신호방식에 숙달된 대응 행동이 이루어져야 하며, 설비의 유지보수, 교육, 의사소통 등에까지 영향을 미치게 될 것이다. 또한 운영 중 시스템 장애나 에러, 운영 관련자의 혼란이나 착각, 실수 등으로 인한 사고의 위험성을 더욱 높일 수 있는 요소가 될 수 있다. 따라서 원칙적으로는 가능한 한 중첩운행을 피하고 단일의 신호방식에 의한 시스템 운영이 바람직 하다.

그러나 중첩사용을 피하기 어려운 경우에는 보통 신호 설비들간의 엄격한 상호 연계를 통한 운영이 일반적이다. 이때 안전성이 높은 시스템을 중심으로 기능성이 낮은 설비를 수용할 수 있도록 운영 상황에 따른 적절한 기준을 설정할 필요가 있다. 서울메트로 2호선의 경우에는 운행될 열차 중 일부가 기존 설비로만 운행됨에 따라 인프라 개량시 기존 설비를 철거하지 않은 채 신형 설비로 개량이 완료되었다. 이는 기존 설비와 신규 설비가 독립적으로 적용된 것으로, 설비간 상호 간섭이 없고 운행되는 선행열차의 위치 등 관련 정보를 공유할 수 있다는 전제하에 기본적으로 별도 운영이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 ATP/ATO 장착 열차의 경우에는 선행열차의 위치, 선행열차의 종류 등에 대한 정보 공유가 필요하며, 기존 ATS 열차의 경우에는 선행열차의 위치에 대한 정보 공유가 필요하다. 이러한 기준에 따라 시스템 상호간 간섭을 완벽히 차단하고, 해당 설비에 대한 신호 원리를 준수하여 운행이 가능할 것으로 판단된다. 이때 승무원, 관제원, 유지보수 요원, 역무원 등 운영 관련자가 모두 기존 ATS 설비 및 신규 ATP/ATO 설비에 대한 이해 및 숙지, 숙달이 반드시 필요하다.

신호시스템의 중첩설치 및 중첩사용으로 인한 안전성을 고려하여 보면, 개량사업의 경우 안전성이 낮은 설비를 안전성이 높은 설비로 개량하는 것이 일반적이며, 이로써 서비스 향상 및 수익 확대 등을 기대할 수 있는 것이다. 서울메트로 2호선의 경우 신규 신호장치(ATP/ATO)의 안전성이 기존 설비의 주요 방호장치인 ATS 장치보다는 향상된 것이다. 따라서 기존 신호방식에서의 열차간 추돌은 신호기의 확인에 의한 기관사에 의존하고 부가적으로 ATS장치의 협조를 구하는 방법으로 기관사의 오류나 안전성이 낮은 ATS장치의 동시오류에 의한 발생가능성이 존재하였으나, 안전성이 증가된 ATP/ATO 신규 신호방식의 차상장치가 장착된 차량이 선행열차인 기존 신호방식차량을 뒤따르면서 추돌할 가정은 정상적인 신호장치의 동작에서는 발생될 수 없는 가정이다.

따라서 신호시스템 중첩 운영방안은 ATS, ATP/ATO의 방식을 2호선 구간에 접목하여 운행하는 방안에 대하여 기술하였다.

단, ATS, ATP/ATO 방식이 혼합되어 열차가 운행될 때는 안전성과 신뢰성이 뛰어난 Distance to go 방식의 장점을 십분 활용 못하고 기존 신호방식에 의한 다단계 제어방식의 안전성 수준으로 열차들이 운행될 것이다.

ATS, ATP/ATO 방식이 운영될 서울메트로 2호선의 운행선로는 그림6과 같다. 그림 6에서와 같이 선로의 구성형태는 양 지선 즉, 신정지선과 성수지선을 제외하면 순환선으로 내선과 외선이 항상 일정한 방향으로 열차가 운행된다.

그림 6운행 노선도 Fig. 6 Map of Seoul Metro line 2

2호선 신호시스템 개량사업에서는 기존의 ATS 신호방식이 완전히 개량되어 새로운 신호제어방식으로 운행될 수 있 는 조건이 완성되더라도 차량의 차상신호장치가 변경되는 과정에 있으므로 ATS, ATP/ATO 방식의 신호시스템이 중첩되어 일정기간 함께 운영되어야 한다. 이에 대한 열차운행 방안을 각 부문(신호, 차량, 운영, 관제 등)의 면밀한 검토를 통하여 제시하여야 하지만, 여기에서는 신호시스템을 기준으로 기본 방안을 제시하였다.

3.2 운영 시나리오

3.2.1 ATS, ATP/ATO의 신호방식을 혼합하여 운영하는 방안

기존 설비만을 보유한 열차와 신규 신호방식을 장착한 열차가 동일 운행선로에 동시에 투입되어 혼합하여 운행하는 것으로 장기간에 걸쳐 점진적으로 시스템 개량을 추진하는 방식으로 일반적이다. 제안된 방안은 선행열차와 후속열차가 상이한 열차제어방식을 사용하므로, 열차성능의 차이로 인해 열차운행수준 이상으로는 열차운행수준의 신뢰성과 안전성을 향상시킬 수 없다는 단점이 있다. 이 방안은 여러가지 형태로 운행이 가능할 것으로 보이나 서울메트로의 확보차량, 즉 기존열차와 신규열차의 비율에 따라 그 방안이 시점마다 재설정되어야 할 것이다. 그러나 이 방안에서는 특히 ATS, ATP/ATO방식의 열차가 동일한 선로를 운행하므로 기관사가 열차운행에 혼란을 겪을 수 있으므로 사전에 기관사 및 운영관련자 모두에게 관련 교육이 수행하여 숙달 되어야 한다.

3.2.2 지선만을 신규신호방식으로 운영하는 방안

우선 본선(순환선)은 기존신호방식으로 운행하고 지선을 신규신호방식으로 일정기간 운행 후, 신규신호방식에 대한 완전한 검증 이후 본선으로 확대 운행한다는 측면에서는 상당히 양호한 방안이나 기존 ATS 차량과 ATP/ATO차량 수량측면에서 불균형이 일어나는 문제점이 있다. 또한 지선 운행구간이 짧음으로 인하여 단기간의 운행으로 제한하여야 할 것이다. 따라서 이 방안은 기존 ATS차량과 ATP/ATP차량간의 운행 수량의 차이로 열차 운용의 효율성, 개량효과의 미비 등으로 인한 문제를 극복할 수 있는 방법의 제시가 필요하다.

3.2.3 기존 및 신규신호방식을 독립적으로 운영하는 방안

순환선로 내 외선을 구분하여 각각 신규방식과 기존방식을 독립 운영하는 방안으로써 내선은 기존방식으로 운영하고 외선을 신규방식으로 운영하는 형태로 현 시점에서 가장 효율적이다. 시스템 운영측면에서 시스템을 개량하고도 절반 밖에 사용하지 못하므로 시스템 효율성이 낮아지며, 인력 운영측면에서 기관사의 구분이 필요하므로 운영효율성이 다소 낮아질 것이나 열차운용측면에서는 운영․유지보수 등에서 효율이 높아질 것이고 신뢰성 및 안전성에서 또한 높아질 것이다. 한쪽선로는 기존방식을 그대로 사용하므로 기존 ATS방식으로 운행하며, 다른 쪽 선로에서는 차상신호방식을 사용하므로 열차운행 효율성과 기관사 의존으로부터 열차운행 및 방호에 컴퓨터 등을 활용한 안전성 및 신뢰성에 대한 확보할 수 있다.

3.3 운영 시나리오(안)에 따른 시험 운영사례 분석

순환선로 내 외선을 구분하여 외선 구간(사당→방배방면)에서 아침 7∼9시 러시아워(Rush Hour)에 승객의 승하차 조건 등을 세밀하게 분석하여야 하지만, 여기서는 극히 일반적인 운행조건으로 러시아워에 ATO 열차를 집중 투입하여 운행 시험을 실시하였다. 기존 및 신규신호방식을 독립적으로 운영하는 방안이다.

표 1ATO 독립 운영 시험 결과 Table 1 Test result of ATO exclusive operation

간격 조정 등을 위해 관제의 운전통제는 지양하고 이례상황이 발생한 경우에만 신속하게 대처하도록 하고 시험을 수행하였다. 30분간(08:10∼08:40)의 운행시험에서는 1개 편성증가(기존 11편성에서 12편성)로 8.3%의 효율향상을 얻었으며, 60분간(07:50∼08:50) 운행시험에서는 1∼2편성증차 투입이 가능한 결과가 도출되었다. 시험시 상황을 동일한 조건으로 볼 때 구간지연은 기존 보다 최대 1분 30초 앞당겨지고 열차 지연은 다소 회복 되었으며 전체적으로 열차흐름은 매우 양호한 것으로 나타났다.

표 2에서 역 평시 운행실적(ATO 열차 집중 배치 전)대비 집중 배치 시 역 운행실적의 외선 정차시간이 현저히 줄어들어 있음을 확인 할 수 있다. 여기서 역 평시 운행실적이라 함은 ATS, ATO 열차를 혼용 운전하는 것을 말하며, 집중 배차 시 역 운행 실적은 ATO 열차를 러시아워 시간에 집중 배차하여 운행함을 말한다. 따라서 그림1에서와 같이 ATO열차를 집중 배치 후 강남역 기준으로 정차 시간이 열차당 평균 4초 단축 되었으며, 그 결과 평일 외선 열차가 총 276회 운행됨으로 전면 ATO열차로 운영하면 약 18.4분 정도 단축 할 수 있는 효과가 있는 것으로 나타났다.

표 2ATO 배치에 따른 평균정차시간 Table 2 Average platform stop time with respect to the ATO

 

4. 결 론

신호방식의 노후화에 따른 개량시의 시스템 중첩운전 방법으로 ATC와 기존 ATS 혼합운행에 대한 운영 시나리오 를 도출을 도출하였다. 이는 운영기관의 특성을 고려하고 그 동안의 설비 운영 패턴 등을 반영하여야 하므로 운영기관에서 심도 있는 검토를 수행하는 것이 절대적이다. 혼합 운행으로 인한 초기 위험요소인 기관사의 조작실수로 인한 혼란과 시스템의 초기결함, 운행조건의 미세조정 등을 포함한 방안이 검토된 것이다. 일반적인 사항만을 검토하여 실제 운영에 반영하기에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서 는 시나리오 중에서 기존 ATS 및 ATC시스템을 독립적으로 운영하는 방안에 대하여 시험 분석하였다. 그 결과 열차당 정차시간이 평균 4초 단축 효과를 보았다. 이를 토대로 하여 궁극적으로 시스템 개량의 효과를 최대로 얻기 위해서는 전체 운영열차의 차상장치 개량이 전제되어야 할 것이다. 아울러 이는 경영개선 및 운영효율화를 위해 기존 ATS신호방식 운영에서 신규 신호방식으로 개량하기 위한 최종 운영시나리오는 운영환경 및 환경조건 등을 고려하여 SOP(Standard Operating Procedures) 작성 등을 포함하여 추가로 정립되어야 한다.