차세대 한국형 고속열차는 분산형 시스템으로 최고속도 400km/h, 운행속도 350km/h을 목표로 개발중에 있다. 차세대 고속열차의 신호시스템은 기존선의 자동열차정지(ATS, Automatic Train Stop) 및 자동열차방호(ATP, Automatic Train Protection)와 고속선의 자동열차제어(ATC, Automatic Train Control) 신호방식을 모두 사용하는 ATP+ATS+ATC 형태의 차상장치가 개발 설치될 예정이다. 따라서 이러한 장치의 개발과 연계하여 차세대 한국형 고속열차는 기존 경부고속선에서 시험주행을 할 예정이다. 따라서 기존 경부고속선에서 차세대 고속열차의 최고 속도시험를 위한 신호분야의 방안을 검토하고자 한다. 본 논문에서는 3가지의 방안을 제시하여 적합성과 운영효율성을 고려하여 최적의 방안을 도출하는 방식으로 전개할 예정이다.
본 논문은 최고속도 400km/h의 차세대고속열차 차상신호장치의 최고속도시험을 위한 방안을 연구한다. 차세대고속열차 차상신호장치는 열차가 고속선 자동열차제어(ATC)구간과 기존선 자동열차정지(ATS) 및 자동열차방호(ATP)구간을 운행하는 동안 기관사에게 운전정보를 제공하고 기관사실수, 신호장치고장, 천재지변 등으로부터의 열차 안전 확보를 목적으로 한다. 차세대고속열차 최고속도 400km/h 시험은 차상신호장치를 포함한 열차성능 검증을 위한 필수과정으로써, 본 논문에서는 차상신호장치의 기능 및 최고속도시험의 필요성을 분석하고, 고속선 ATC구간에서 최고속도시험을 실시하기 위한 인프라의 변경사항 및 구체적인 시험방안을 연구한다.
본 연구에서는 차세대 고속열차의 신뢰성 성장률 분석에 대한 연구를 수행하였다. 차세대 고속열차의 신뢰성 평가를 효과적으로 수행하기 위해서 6개의 서브시스템으로 분류를 하였으며, 이에 대한 기능블록선도와 신뢰성블록선도를 도출하였다. 또한 안정화 시험 중에 수행된 시험결과를 바탕으로 고장정보분석을 수행하였다. 그리고 Duane 모델에 기반한 신뢰성 성장률 분석을 차세대 고속열차의 실험 결과에 적용하였다. 본 연구를 통해서 지속적인 차량의 유지 보수 활동이 신뢰성 성장에 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
최근 차세대 고속열차에 대한 기술적 검토가 마무리됨에 따라, 실용화 방안에 대한 연구가 본격적으로 진행되고 있다. 차세대 고속열차를 도입하기 위해서는 수요예측을 통한 타당성 분석이 선행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 차세대 고속열차 운행특성을 고려한 적정 수단분담모형을 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 즉, 차세대 고속열차의 경우 기존 고속열차와의 관계에 따라 다항로짓모형과 네스티드로짓모형 중 적절한 모형을 선택하는 과정이 필요하다. 수단분담모형 구축을 위해 지역 간 통행자의 통행행태 조사를 통해 현재 및 장래 수단선호도 조사를 실시하였다. 통행시간과 통행비용으로 구성된 효용함수를 추정하기 위하여 Limdep 8.0 NLOGIT 3.0 package를 이용하여 다항로짓모형과 네스티드로짓모형을 개발하였다. 구축된 각 모형의 경우 통계적 유의성은 어느 정도 확보되는 것으로 나타났다. 다만, IIA TEST에서 IV Parameter가 약 0.521로 0과 1사이에 위치하여, 향후 모형적용 시 네스티드로짓모형이 적합한 것으로 분석되었다. 또한, 차세대 고속열차가 도입될 경우 모형의 적용과정에서 국가교통DB의 수정보완 필요성과 적용방안을 제시함으로써, 합리적인 수요분석을 위한 토대를 마련하는데 기여를 할 것으로 기대된다.
차세대 고속철도 기술개발 사업을 통해 개발된 통합차상신호 시스템은 국내에서 운영중인 세가지 신호시스템인 ATP, ATC, ATS의 신호를 모두 처리하면서 열차 운행의 중단 없이 열차 운행구간을 이동하게 된다. 현재 통합차상신호시스템의 신뢰성과 안정성 확인을 위해 차세대 고속철도 시제차인 HEMU-430X에 탑재하여 시운전을 진행중에 있는데, 시운전이 여객열차의 영업운전 사이에 진행되기 때문에 다양한 실험과 검증에 많은 제약이 따른다. 이러한 제약 사항을 해결하고 다양한 실험과 개선 활동을 위해 통합차상신호시스템을 실험실내에서 테스트할 수 있는 통합차상신호시스템용 시뮬레이터의 개발이 필요하게 되었고, 본 논문에서는 통합차상신호시스템용 시뮬레이터 개발에 관한 내용을 다룬다.
새로 개발된 차세대고속열차(HEMU-430X)가 400km/h 이상의 고속운행을 앞두고 있으나, 우리나라 철도설계기준은 350km/h이하의 운행속도에 대한 지침을 제시하고 있으며, 호남고속선도 350km/h이하의 기준을 적용하여 설계되었다. 350km/h를 초과하는 고속운행에 대해 기존 인프라의 성능을 검토하고, 고속운행을 대비한 설계기준 마련이 시급한 바, 이 연구에서는 증속에 대한 경부선 가야고가에 대해 시뮬레이션하고, 차세대고속열차(HEMU-430X) 시험운행 중 측정된 가야고가의 가속도, 변위 데이터를 비교, 검토하여 350km/h이상의 열차운행에 대한 강합성 소수주형교의 동적거동을 분석하였다. 경부고속선 가야고가 분석결과를 토대로 내년도 완공을 앞두고 있는 호남고속선 연정교에 대해 수치해석을 통해 실제 HEMU 시범운행시 발생할 수 있는 동적 거동을 예측하였다.
본 연구는 고속열차 시운전 시험과 이에 따른 주행동특성 고찰 및 개선에 관한 것이다. 고속열차 시운전 시험을 통한 선행 연구에서 도출한 요댐퍼 설치 방법에 따른 후미 진동 개선 방안을 실제 고속철도 차량의 시운전시에 적용하여 후미 진동 저감 효과가 있음을 확인하였다. 또한 전체 차량에 대한 진동저감 방안을 동역학 해석 소프트웨어를 사용하여 수치 해석적 방법으로 도출하였으며, 그 효과를 시운전 시험을 통하여 확인하였다. 개선된 설계안은 실제 2층 고속열차 객차에 적용되어 주행동특성 문제없이 시운전을 진행하였다. 차세대 고속열차 임계속도에 영향을 미치는 현가장치 파라미터들에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 임계속도에 크게 영향을 미치는 4개의 설계변수를 도출하였는데, 이는 1차 탄성조인트 열차진행 방향 강성, 2차 요댐퍼 시리즈 강성, 2차 횡댐퍼 댐핑계수, 차간 댐퍼 댐핑계수 순이었다. 이 설계변수에 대한 최적화를 통하여 임계속도를 23.3% 향상시키는 현가장치 파라미터를 제시하였으며, 이는 차세대 고속열차 상용화 모델의 설계에 이용될 수 있다.
해외 철도 선진국들은 고속열차의 독자적인 설계능력, 시험평가체계와 평가기술을 보유하고 있다. 국내에서도 열차의 성능을 평가하기 위한 선진화된 계측기술 및 시스템 개발이 필요하다. 본 연구는 400km/h급 동력분산식 차세대고속열차 개발의 중요한 요소인 차량시스템 및 부품의 성능과 안전성 및 신뢰성 검증을 종합적이고 효율적으로 평가하기 위한 종합계측시스템 개발에 대한 연구이다. 종합계측시스템은 차량계측장치, 팬터계측장치 및 영상장치 등으로 구성되며, 계측시험에 대한 총괄 모니터링을 위해 종합계측실을 구성하였다. 본 연구는 향후 열차의 성능평가기술 향상에 이바지 할 것으로 판단된다.
시스템 엔지니어링을 수행하기 위해서는 전산지원도구의 사용이 필수적이다. 전산지원 도구를 이용하여 시스템 엔지니어링을 수행할 때 제일 먼저 수행해야 할 작업은 스키마를 구축하는 것이다. 스키마의 구축은 사용할 데이터의 종류, 각 데이터의 속성 그리고 각 데이터간의 연관관계를 정의하는 것으로 세분화 될 수 있다. 본 논문에서는 차세대 고속열차 기술개발 사업에서 사용하고 있는 시스템엔지니어링 전산지원도구인 Cradle(R)의 스키마를 구축한 사례에 대해서 소개하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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