직류-통근근교 [일반형] E235계 - JR동일본

[787-ARIAKE]

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E235계 0번대 (11량 편성 x 50 총 550량 / JR동일본 도쿄차량센터 소속)

E235계 1000번대 F편성 (11량 본편성 / JR동일본 카마쿠라 차량센터 소속)

E235계 1000번대 J편성 (4량 부속편성 / JR동일본 카마쿠라 차량센터 소속)

도쿄를 대표하는 광역전철 야마노테선의 새 얼굴

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 도쿄의 주요 도심을 잇는 대표적인 노선인 야마노테선은 국철 시절부터 신기술이 투입된 주력 전동차가 운행되고 있는 "도쿄의 얼굴"이다. 일본 국철 이래 63계, 72계 등의 구형 조괘식 전동차에서 101계라는 신성능 전동차를 도입한 이래 103계, 205계에 이르기 까지 수많은 전동차들이 야마노테선을 거쳐갔고 2002년 E231계 500번대가 도입되어 2005년까지 기존에 운행되던 205계를 모두 대체하며 주력열차로 운행되고 있었다. 하지만 다른 노선에서 운용되는 차량의 노후화 교체등을 대비하고 2020년 도쿄 올림픽을 위한 이미지 상승을 도모하고자 10여년 만인 2014년 신형 차량 도입 계획을 발표했다. 그것은 E231계와 그 개량형인 E233계에서 더욱 진화된 기술을 투입한 E235계의 도입이었다.
 E235계는 209계, E231계, E233계에 이은 JR동일본의 제 4세대 일반형 전동차가 된다. 하지만 근간을 이루는 제어시스템의 경우 E231계와 E233계가 동일하기 때문에 사실상 3세대 정도의 포지션이라 할 수 있다. 전체적인 차량 설계 컨셉은 "사람과 대화하는 열차"로서 최신 제어시스템인 "INTEROS"의 도입이나 무선네트워크망을 통한 차량 및 시설관리 능력, 거주성의 확대 등 JR동일본이 자랑하는 여러가지 신기술이 선보였다. 

2010년도에 일본을 방문했던 사람은 2020년 코로나 이후 일본을 방문한다면 많은것이 변해있다는것에 놀랄것이다. 이 야마노테선의 신형 전동차로 말이다. 

머리부터 발끝까지 신기술

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 이전 209계부터 E233계에 이르기까지 수많은 기술의 발전을 이끌어온 JR동일본은 E235계를 통해 철도차량 기술의 선두주자로서 그 위치를 확고하게 다지고 있다. 2013년 도큐차량제조를 인수하여 종합차량제작소(J-TREC)을 설립하여 자체 차량 제작기술력을 한층 업그레이드 한 JR동일본은 차체부터 제어시스템까지 상당히 많은 부분에 신기술을 아낌없이 투자하였다. 차체는 그동안 스테인리스 차체를 제작하며 축적된 기술을 바탕으로 설계된 "SUSTINA"기술 차체를 본격적으로 적용한 첫 양산형 차체가 되었다. 이 "SUSTINA"기술은 히타치의 "A-TRAIN"과 마찬가지로 공통 모듈설계 기술을 적용하고 레이져 연속용접을 통해 차체의 기밀성과 내부식성을 크게 향상시켰다. 차체 외부에 드러나는 비드나 빗물받이, 용접면을 최소화 시켰으며 충돌흡수 능력 또한 강화되어 45도 옵셋충돌 대비, 운전실의 크러셔블존+세이프티존 설계는 물론이고 충돌사고시 객실내 설치된 손잡이 기둥(스텐션폴)이 충돌에너지를 흡수하고 차체 내부를 온전하게 유지하는 "롤케이지바" 역할을 하도록 하게 하는 등 충돌 내구성이 극대화 되었다. 
 기존 차량과 같은 MM' 유닛구조로 추진제어장치는 새롭게 SiC(탄화규소) 반도체를 사용한 추진제어장치가 채택되었다. 이 탄화규소 반도체는 고속에서는 1~3펄스 정도의 스위칭력을 가지는 기존 규소계 반도체보다도 더 높은 펄스치의 스위칭 능력을 보유해 전력손실을 최소화 하는 장점이 있다. 선행양산차에서는 동력차 유닛별로 SiC를 전면적으로 사용한 MOSFET 반도체를 적용한 미츠비시제 인버터와 기존 IGBT의 스위칭 소자와 SiC로 만든 쇼트키 다이오드 정류기(SBD)를 적용한 하이브리드 방식을 채용한 도시바제 인버터가 병용 사용되어 기술력을 평가한 후 양산형에서는 미츠비시쪽 추진제어장치를 채택하였다. 견인전동기는 기존 E233계와 동일한 견인전동기 MT75를 채용했으며 완전밀폐 자연냉각식으로 별도의 공기흡입구를 필요로 하지 않고있다. 대차 또한 E233계를 베이스로 하여 약간의 개량점을 갖는 링크암식 볼스터리스 대차가 채용되었다.
 또한 최근의 추세에 맞춰 간이 시설 검측장치도 설치되어 부수차인 사하 235형(4호차), 모하 235형(3호차)에 궤도 검측장치와 가선 검측장치를 설치할 수 있도록 했다. 궤도 검측장치는 궤도소재나 위치 변형등을 검측하고 가선 검측장치는 가선상태를 촬영해 지상설비에 실시간으로 전송하는 능력을 가지고 있으며 일부 지정된 편성에 탈착식으로 장치할 수 있도록 했다.
 일단 야마노테선 차량으로 데뷔했기 때문에 6M5T의 11량 편성으로서 10호차 부분은 2013년 E231계에서 6비차가 폐지될 때 제작된 사하E231형 4600번대를 약간의 개조만으로 사하E235형 4600번대로 편입시켜 조성했다. 따라서 신조된 0번대와는 차체 구조에 차이가 있다.

야마노테선 E235계 0번대의 주행음. 시종일관 높은 소리가 가늘게 이어지는게 요즘 전동차의 트렌드다.

E235계의 객실 승강문 구동 장면. 전기식 도어의 정숙성에 완전히 닫힌 후 "탁"하는 소리가 특징으로 구동이 끝나면 록킹장치가 핀처럼 탁 하고 내려오면서 출입문 움직임을 봉한다. 다만 약간의 공간이 있기 때문에 열차가 움직일 때 까지는 사이에 낀 장애물을 뺄 수 있으며 열차가 움직이면 구동모터가 움직여 기어를 계속 붙잡아 승강문을 완전히 쇄정시킨다.

무동력차 일부에는 지상 레일의 상태나 진동 데이터를 측정하는 간이 검측장치가. 

상부에는 카메라 등이 설치된 전차선 간이 검측장치가 설치되어 있다. 

E231계 4600번대 출신의 차는 차체 모양이 조금 다르다는것을 알 수 있다. 

이제까지의 열차제어 시스템을 뒤엎는 IP기반 열차제어시스템 INTEROS란?

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 기존 E233계까지의 제어시스템인 TIMS는 열차의 편성을 기준으로 양측 제어차에 중앙 컴퓨터(Train Computer)와 각 차량별로 단차 컴퓨터(Car Computer)를 구성하고 각 컴퓨터에 기기를 연결한 다음 각 컴퓨터간의 통신으로 제어와 모니터링 활동을 하는 구조로 되어있었다. TIMS는 각 차량에 설치된 장치들의 모니터링과 제어 역할 뿐만 아니라 마스콘의 역행/제동 신호에 따라 연제동장치나 인버터에 역행/제동 명령을행하는 연산장치 역할, 객실 안내장치에 영상이나 정보를 수신받아 송출하는 VIS(Visual Information System)역할 등 다양한 역할을 수행하는 뛰어난 열차제어시스템이다. 하지만 여기에 그치지 않고 JR동일본과 철도종합연구소는 퇴역하는 209계 전동차를 개조한 Mue-Train이라는 종합기술시험차량을 통해 새로운 열차제어시스템을 연구 개발하고 이에 따른 새로운 시스템인 "INTEROS"를 이 E235계에 처음으로 적용하게 되었다. INTEROS는 기존 중앙 컴퓨터와 단차 컴퓨터로 나뉜 제어계통을 양쪽 제어차에 달린 중앙장치에만 집약시키고 초고속 통신망을 통해 각 차량의 기기들과 직접적으로 통신하는 방식을 채택했다. 따라서 각 단차에는 데이터 통신을 위한 네트워크 허브만 장착되어 모든 기기는 네트워크망을 통해 INTEROS에 연결되어 있다. 이른바 IP기반의 열차제어 시스템을 구축하였으며 이를 위해 열차내의 데이터통신을 기존 10MBps급에서 10배 빠른 100Mbps급으로 늘렸으며 이더넷과 같은 국제규격 방식으로 바꾸어 고속화, 범용화를 꾀했다. 
 INTEROS는 크게 3개의 네트워크로 구성되어 있다. 전동차의 제어명령을 내리는 제어계, 각 기기의 상태를 감시하는 감시계, 그리고 차내 안내방송이나 VIS에 정보를 주입하는 정보계 3개의 계통으로 나뉘어 있다. 제어계는 각종 기기에 제어 명령을 내리는 역할을 담당하며 각 동력차가 받은 지령에 맞춰 동일한 출력/제동력을 내는것이 아니라 운행 상황에 맞춰 중앙장치가 각 동력차에 적절하게 분배하고 있으며 운행 구간에 따른 속도 패턴을 학습해 운전곡선을 만들고 이를 운전사에게 제공하는 경제운전 지원시스템을 갖추고 있다. 감시계는 차내의 모든 기기는 물론 간이 검측장비의 검측값을 감시하고 저장하며 이를 WIMAX망을 통해 실시간으로 지상에 있는 메인터넌스 센터와, 차량기지, 사령실에 전달하는 역할을 가지고 있다. 정보계는 WIMAX망을 통해 받은 광고 등 영상 컨텐츠를 VIS를 통해 객실 모니터에 송출하거나 CCTV영상을 저장하는 역할을 가지고 있다.

 기본적인 JR동일본의 "INTEROS"시스템은 미츠비시전기가 제작에 참여하였으며 경쟁사인 히타치는 "Synaptra"를, 도시바도 차세대 IP기반 열차제어시스템을 개발해 경쟁이 이어지고 있다. 

E235계 0번대의 제어대. 높이를 낮추고 각도도 낮춰 기관사의 시야도 넓게 확보했고 뒤에서 보는 승객도 개방감이 넓어졌다. 

INTEROS 열차제어시스템의 모니터장치(DU) 얼핏 보면 TIMS와 큰 차이는 없어보인다. 국내에선 5G무선을 사용한 IP기반 열차제어시스템이 현재 연구단계라고 한다. 

"승객, 그리고 사회와 소통하는 전자렌지"

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 차량의 전체적인 디자인은 JR동일본에서 E6, E7계 등의 디자인을 담당한 오쿠야마 키요유키씨가 담당하였다. 차량의 컨셉인 "사람과 대화하는 차량"을 바탕으로 디자인의 키워드는 "승객, 그리고 사회와 커뮤니케이션 하는 열차"를 주제로 했다. 특히 선두부 디자인은 수직으로 자른것 같은 직각형 선두부에 넓은 운전실 창문을 갖추고 테두리와 전면 하단을 노선색인 연두색 그라디에이션으로 칠해 마치 스마트폰을 보는듯한 디자인으로 만들어졌다. 측면은 스크린도어가 설치되어있다는 점을 들어 띠 도색 대신 출입문에 연두색 그라디에이션으로 칠해 시인성을 높혔다. 또한 행선표시기는 다양한 애니메이션 효과를 낼 수 있는 풀컬러LED를 사용했다. 
 객실도 전반적으로 그라디에이션을 많이 사용하였으며 기본적으로 E233계의 실내와 동일하나 출입문 옆 좌석 파티션이 반투명으로 처리해 공간이 넓게 보이도록 했다. 출입문은 전기구동방식을 사용하며 출입문이 닫혔을 때에 락킹장치로 고정하는 방식이 아니라 구동장치에 약간의 전류를 흘려 양쪽 출입문이 서로 밀어붙이는 락엔피니언 방식을 채택해 장애물이 걸려도 쉽게 빼낼 수 있는 방식을 택했다. 또한 기존 E231계 500번대에서 첫 선을 보였던 VIS는 그 능력을 크게 강화했다. 모니터 크기는 21.5인치로 늘리고 기존 종이광고판을 대체하고자 좌석 상단부에 각 3개, 연결부에 1개씩 총 36개의 LCD모니터를 배치해 기본적인 승객안내 기능 뿐만 아니라 영상광고 효과를 극대화 시켰다. 이에따라 객실 측면 상단에 배치되는 종이광고판은 폐지되며 중앙부에 설치되는 달대형 광고물은 광고주와 승객들의 요청에 따라 당분간 더 존치할 예정이다. WIMAX(와이브로) 인터넷망을 사용한 무선인터넷과 열차 운행정보 및 혼잡도 정보를 제공하는 "야마노테 트레인넷" 서비스 또한 제공된다. 휠체어 스페이스를 량당 1개소씩 확보하고 우선석 표시물을 확대하는 등 배리어프리 대응도 강화되었다. 운전실의 제어대는 모니터를 사용하여 글래스콕핏화 되어있으며 높이를 낮추고 제어대 옆의 운전조수석 부분의 높이를 낮춰 객실의 어린이들이 전면조망을 쉽게 볼 수 있도록 배려한점도 눈에 띄는 부분이다. 선두부 디자인에 대해서는 철도팬들의 호불호가 다소 나뉘는 편이라 "아이폰 충전기", "전자렌지" 등 여러가지 평을 듣기도 하였다. 

뜬금없이 라인이 일직선으로 쑥 짤린듯한 E235계의 선두부는 아무리 봐도 위화감이 있다. 

전조등은 역시 LED를 채용했다. 

객실도 그라디언트 배경을 많이 채용해 개방감이 높아졌다. 객실 기둥을 잘 보면 차체 상부 벽까지 이어지는 스텐션폴이 바로 "롤케이지바" 역할을 한다.

기존 E231계 500번대의 모니터로 광고수입을 벌어들인 시대가 있었지만 이젠 스마트폰으로 인해 열차 광고 수익도 점점 줄고 있기 때문에 이런 모니터 광고를 통해 광고 수입 효과를 좀 더 늘려보고자 고민하고 있다. 

야마노테선 굴욕의 데뷔식. 

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 이렇게 최신 기술을 부어 만든 E235계는 2015년 6월 선행양산편성 1편성이 도입되어 도쿄 근교에서 시운전을 거친 후 5개월만인 11월 30일부터 영업운행을 시작하며 철도팬들 뿐만 아니라 도쿄 시민들의 이목을 집중받았다. 하지만 첫 운행 당일부터 제동장치, 자동정차장치(TASC), 출입문-스크린도어 연동등 운행장애가 발생하며 운행이 중단되었다. 이는 INTEROS에 의해 제어되는 제동장치의 승차율에 따라 제동력을 분배하는 응하중제어 부분의 문제였다. 원래는 최대 승차율인 200%를 감안하여 실제 차내 무게를 설정(물탱크 등)하고 시운전을 해야 하지만 70%까지 시운전을 한 후 나머지는 시뮬레이션에 의존했기 때문이다. 결국 자신들의 기술력을 너무 과신한 문제였다. 그렇게 굴욕적인 데뷔식을 치룬 후 약 4개월간 점검과 시운전을 반복하며 문제를 해결한 다음 2016년 3월에서야 운행을 재개했다. 그래서 1년 늦은 2017년에 로렐상을 수상했다. 이후 50개 편성 550량이 2019년까지 제작되어 E231계 500번대를 점진적으로 교체하며 E231계 500번대는 츄오소부완행선으로 이적시키고 그 쪽에서 남은 E231계 0번대 등을 무사시노선 등에 남은 205계와 교체, 205계는 인도네시아로 수출하거나 단편성화 혹은 퇴역 폐차하는 식으로 교체를 진행하였다. 
 한편 인구 감소로 인해 운전사 등 인력 부족에 시달리는 JR동일본에서는 야마노테선에 자동운전(ATO)을 도입하기로 하고 2019년 일부 편성에 대해 ATO대응 개조를 한 후 시험운행을 거쳐 2022년부터 순차적으로 자동운전 운용을 개시하고 있다.

야마노테선 ATO 시험 도입시의 뉴스. 무슨 "새로운 시대" 가 열리는것마냥 말하고 있지만 사실 철도 자동운전의 역사는 꽤 깊다. 여태까지 왜 이런 노선에 자동운전을 도입 안했는가가 이상할 정도로.. 

ATO 대응 차량에는 앞유리창에 별도의 마크를 붙여놓았다. 

근교형 타입도 등장 - 스카색 전자렌지 1000번대 -  

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 그렇게 E235계의 생산이 순조롭게 진행되는 동안 2018년 JR동일본에서는 그간 E217계로 운용되었던 소부선 쾌속열차의 노후화를 대비해 E235계의 근교형화 버전을 투입하기로 결정하여 "스카색 전자렌지" 1000번대가 2020년부터 도입되어 2020년 12월부터 운용을 시작했다. 
 기존의 E217계와 사양을 맞추되 MT비를 늘린 11(6M5T)+4(2M2T)량으로 하였으며 단전 등 비상시 인접역까지 이동이 가능한 주회로 비상용 축전지가 채용되었으며 객실의 승객안내용 모니터도 기존 17인치에서 광고용 모니터와 동일한 21인치로 크게 늘렸다. 그린샤, 화장실 같은 편의설비는 E217계와 동일한 위치에 갖춰졌으며 특히 좌석과 내장이 고급화 되고 각 좌석마다 콘센트도 설치되어 있는 등 착석 통근의 편의성이 더욱 증대되었다. 

이젠 긴시초의 유치선에서도 E235계의 모습을 쉽게 찾아볼 수 있다. 

E235계 1000번대 그린샤의 2층 객실부. 그린샤라고 객실 통로에 카펫도 깔려있으며 시트도 좀 더 고급화 되었다. 

그린샤 안내모니터 크기도 엄청 커져서 정차역 글씨만 해도 LED 전광판 시절보다 쉽게 알아볼 수 있다. 

E235계 1000번대의 보통차 객실. 0번대의 유리벽 파티션은 폐지된 차이가 있다. 

역시 보통차 객실 모니터도 커져서 시인성이 좋아졌다.