신호시스템에 관한 글입니다.

[전준표]

철도기술연구소에서 발췌한 글입니다(이번달 웹진에서...). 전 아직도 몇가지 신호시스템에 대한 구체적이고 확고한 정의가 잡혀있지 않아 자주 혼동됩니다. 따라서 이런 글을 매우 좋아하죠. 개인적인 취향인만큼 나름대로 관심있으신 분께서는 참고하세요. 글이 길어서 짜증나실 겁니다. 유럽의 신호방식(ATC, ATP, ATO, ATS) 정의 및 기술동향 분석 김용규/기존선전철화자문팀 선임연구원 1. 서론 한국철도의 신호 방식은 ABS(자동폐색)/ATS(자동열차정지)에 의해 주어진다. 이는 열차가 신호 지시 속도를 초과 또는 신호체계를 무시하고 운행을 하는 경우 자동으로 열차 정지 또는 감속을 실행하는 장치로 정의된다. 그러나 고속철도의 경우, 기관사에 의한 선로변 신호 관측이 불가능함에 따라, 안전에 기본을 둔 ATC(자동열차제어), ATP(자동열차보호), ATO(자동열차운영), ATS(자동 열차 감시) 방식이 이용된다. 본 논고는 이들 방식에 대한 특징을 간단하게 소개한 후, 현재 많이 사용되는 유럽 신호 방식의 예 및 향후 추진되어야 할 신호시스템의 진행 방향에 대해 언급하려 한다. 일반적으로 신호 방식은 크게 ATC, ATP, ATO, ATS 등으로 분류된다. ATC 방식은 열차 이동 및 열차의 안전성과 열차 운영 명령을 자동으로 실행하는 장치로 ATP, ATO 및 ATC 등의 하부 시스템 기능을 갖는다[1]. ATP는 열차 검지, 선행 열차와 후행 열차 사이의 거리 유지, 진로 연동 및 속도 제한 등을 통해 안전한 열차 운행을 유지하는 ATC 하부 시스템으로 작용하며 이는 주로 고속선이 아닌 기존선의 가장 진보된 신호 시스템으로 논의된다. 반면 지하철에서 많이 사용하는 ATO는 미리 설정된 프로그램에 따라 역에서의 열차 제어 기능(열차 속도 감소 및 정지)을 실행하며, ATS는 열차 상태 감시 및 열차 운영 패턴을 유지하기 위해 열차 운영 명령에 대한 적절한 통제를 실행하는데, ATO, ATS 역시 크게는 ATC 하부 시스템으로 간주된다. <그림 1 참조>. 2. ATC(Automatic Train Control : 자동열차제어장치) 정의 ATC는 열차 이동의 제어 및 열차의 안전성과 열차 운영 명령을 자동으로 실행하는 장치로 ATP, ATO 및 ATS 등의 하부 시스템 기능을 갖는다. 이는 선행 열차의 위치, 운행 진로 등 선로의 제반 조건에 따른 정보 코드가 선로를 통해 차상으로 전송되고, 차상에서는 지상에서 전송된 정보를 display 장치를 통해 표시한다. ATC는 고속 철도를 안전하고 효율적으로 이동시키기 위해 주로 사용하며 이의 구조는 각각의 사용국가에 따라 약간의 차이가 있지만 대부분은 같은 형태의 구조 및 기능을 갖는다(<그림 1> 참조). 경부고속전철에서 사용하는 프랑스의 TVM, 독일의 LZB, 프랑스의 SASEM[2] 등이 ATC의 가장 대표적인 예로, 프랑스의 경우 저속의 자동열차제어장치는 ATC라 명명하는데 반해, 고속은 불어로 궤도에서 열차로의 정보 전송을 의미하는 TVM이라는 명칭을 이용하며 경부고속전철의 TVM 430([3],[4])은 TVM의 가장 진보된 형태로 프랑스 TGV 북대서양선에서 현재 사용되고 있다. CSEE의 TVM 430 TVM 430은 프랑스의 CSEE에 의해 개발된 가장 진보된 ATC 시스템으로, 1996년부터 북유럽선(LN 3)과 프랑스 론-알프스 선로의 일부(LN 4) 및 Channel 터널에서 사용중이며, 운전 시격에 따른 열차 운행 횟수를 증가하기 위해 TGV 동남선에도 설치할 예정이다. TVM 430은 약 1500m 가량의 고정 폐색 구간을 갖는다. 폐색 구간은 열차의 제동 거리보다 짧으며 제동 순차는 여러 개의 폐색 구간을 이용한다. 이는 운전 시격 감소뿐 아니라 열차의 제동 성능을 향상함 없이 고속선 용량을 증가할 수 있는 장점을 갖는다. <표 1> TVM 종류에 따른 비교 TVM 300 TVM 300 TVM 430 TVM 430 운행 노선 TGV 동남선 TGV 북대서양선 북 유럽선TGV 차세대 TGV 최대 속도 270 300 300 360 폐색 구간 길이 2100 2000 1500 1500 제동 profile 4 폐색 구간 5 폐색 구간 5 폐색 구간 6 폐색 구간 최소 운전 시격 5 4 3 3 TVM 430의 특징은 크게 차상 신호 표시(기관실에서의 다양한 속도 정보 표시), 지상/차상간의 연속 데이터 전송(안전 운행에 필요한 정보를 궤도를 따라 흐르는 궤도 회로 전류의 변조에 의해 연속적으로 지상에서 차상으로 전송), 속도제어(지상에서 전송된 정보에 따라 차상에서 속도 곡선 profile을 생성) 및 지상/차상간의 불연속 데이터 전송(시스템에서 필요한 부수적인 정보를 전송함으로서 연속 정보 전송을 보완) 등으로 구분되며 이와 연관된 TVM 430 시스템의 주요 기능은 다음과 같다 - 열차 운행 정보 표시 및 속도 제어 - 열차 검지 - 열차 상태 및 선로변 환경 감시 - 인접 ATC 센터와의 통신 - 유지보수시스템으로의 기술적 점검 데이터 전송 - 역 및 CTC로의 열차 운영 정보 전송 Siemens의 LZB 700M LZB 700M은 ATP와 ATO 기능에 중점을 둔 독일의 고속전철용 ATC로 역, 주선, 간선 및 차량 기지, 등의 철도망에서 전반적인 열차 운영에 관련된 제어를 실행한다. LZB 700M 신호 원리는 주어진 안전 규정에 따라 같은 방향으로 운행하는 2개의 열차 사이에 극단적으로 작은 열차간 거리를 허용한다(운전 시격 향상 가능). 제동곡선은 일반적인 ATC 특성과 동일한 방법으로 형성되며, 주로 열차에 주어진 열차 고유 변수와 궤도의 특성에 기본을 둔다. LZB 700M의 주요 기능은 ATP, ATO, ATS 특성에 의해 <표 2>처럼 분류되며, 이를 ATC 관점에서 종합할 경우 아래와 같이 주어진다. - 연동장치 RSTW(계전 연동 장치)/ESTW(전자 연동 장치)와의 인터페이스 - 주변기기(service PC, contacts, 비상 제동)와의 인터페이스 - 근접 궤도의 선로변 유니트와의 통신(vital bus 시스템) - 선로 구배, 구간 길이, 속도 제한, 일시적인 속도 제한 등의 궤도 변수 저장 - 주행 명령의 결정 - FTGS(궤도 비점유 검출 실행 장치)와의 인터페이스 - 체계적인 프로그램의 실행에 따른 고도의 가용성 - SIMIS vital 마이크로 컴퓨터 기술에 기본을 둔 차상 및 선로변 유니트 <표 2> ATP, ATO, ATS에 따른 LZB 700M 주요 기능 ATP 특성을 갖는 기능 ATO 특성을 갖는 기능 ATS 특성을 갖는 기능 ?충돌로부터의 열차 보호 ?속도의 결정, 제한, 감시 ?플랫홈에서의 수동 열차 정지 명령의 실행 ?열차 위치 제어 ?제한된 열차 거리를 초과하는 후속 열차의 접근 방지 ?역방향 운행에 따른 무인운전 감시 ?열차 가속 및 열차 속도 조절 ?제동 절차 및 제동 목표거리 조정 ?차상 문 개방 ?정확한 승객 서비스 ?포괄적인 승객 정보 제공 ?열차 스케줄 유지를 위한 보상 작용 ?운영데이터 평가 및 fault reporting logging Alsthom의 SASEM 불어로 운영, 유지보수, 운전 시스템을 의미하는 단어의 약자로 구성된 SACEM은 Alsthom의 가장 강력한 ATC 시스템으로 프랑스 파리 교외선 RER A 노선의 포화에 따른 대응 방안으로 RATP(파리교통공사)에 의해 개발 요청된 후 1988년부터 사용되고 있다( SASEM의 사용에 따른 프랑스 파리 동서 횡단 교외선 RER A의 운전 시격이 열차 길이 220m, 열차 최고 속도 100km/h인 경우, 2분 30초에서 2분으로 감소). 안전에 관련된 SASEM의 연구는 안전성이 보장되는 새로운 열차제어시스템용 H/W와 S/W를 개발함으로서 SNCF의 KVB(프랑스 기존선의 열차제어시스템)와 ASTREE(무선에 의한 열차제어시스템)에 이들 원리를 그대로 적용하였다. SASEM은 주로 차상설비에 기본을 둔다. 따라서 SASEM에 사용되는 궤도 회로 또는 차축 계수기의 길이는 열차의 제동 특성과 완전히 무관하게 작용함에 따라 실제적으로 동일 궤도상에서 다양한 종류의 열차 운용을 허용한다. 이는 선로 가용성을 최대화함은 물론 선로의 복합 운송을 허용하며 열차의 궤도 변환은 단지 차상 ATP의 PROM(Programmable Read Only Memory) 소자에 있는 S/W 파라메터의 변환으로 주어짐에 따라 철도 network에 대한 유연성의 증가를 제공한다. 차상 설비는 열차의 하단부에 위치한 검지 코일을 통해 선로 위치에 따라 주어진 선로변 신호 및 미리 설정된 제한 조건 정보를 수신한다. 최대속도, 제동율, 열차 하중, 열차 길이 등의 열차 고유 파라메터에 따라 프로그램 된 차상 컴퓨터는 차상 ATO 유니트 또는 기관사가 적절한 지점에서 열차를 정지하기 위해 필요한 안전 제동 곡선을 계산하며 차상에 설치된 ATO는 ATP에 의해 산출된 안전 거리를 유지하기 위해 속도/거리 profile을 조절하는 역할을 한다. 지상 설비는 역 신호 기계실에 위치한 ATP/ATO 유니트로 연동장치의 상태 및 궤도 점유 등에 연관된 정보를 수집한 후, vital 개념에 의해 차상으로 전송한다. 이러한 경우 궤도 회로는 데이터 또는 정보 code를 전송하는 것이 아니라 단지 열차 검지만을 위해 사용된다. 그 결과 지상설비는 가용 대역폭에 의해 제한되는 메시지에 원하는 정보의 양을 증가 또는 감소할 수 있는 고도의 유연성을 제공함으로서 SASEM 시스템은 안전성에 입각한 ATP의 기본적인 원리를 항상 유지할 수 있도록 기능상의 요구조건을 증가 또는 감소 할 수 있는 장점을 갖는다. 통신 설비는 궤도, 전철기 상태, 신호 정보, 궤도 회로 정보 및 차축 계수기의 code화한 메시지를 vital 방식으로 차상에 제공하는 연속 정보 전송과 차상 문, 플랫홈 문을 동시에 순차적으로 개폐하는데 사용할 code화한 메시지를 vital 하게 전송하는 불연속 정보 전송으로 구성된다. 3. ATP(Automatic Train Protection : 자동열차보호장치) 정의 열차 검지, 선행 열차와 후행 열차 사이의 거리 유지, 진로 연동 및 속도 제한 등을 통해 안전한 열차 운영을 유지하는 ATC 하부 시스템으로 폐색 구간 경계 지점에 설치한 지상자(Balise, Beacon 등)를 통해 열차간 운행 정보의 상호 교환을 실행함으로서 최소 제동 거리 확보, 운전 시격의 단축, 선로 용량 증가 및 열차 추돌 방지를 수행한다. ATP의 대표적인 예로는 Siemens의 ZUB[5], Alsthom의 KVB[6], ADtranz의 EBICAB[6] 등이 있으며 이들의 공통된 기능은 다음과 같다 (<그림 1) 참조). < 그림 1> ATC, ATP, ATO, ATS 사이의 상관 관계 및 기능 - 과속도 방어 안전성의 개념에 따라 열차에 주어진 제한 속도를 초과하지 않도록 보장하는 기능으로 열차의 실제 속도와 제한된 최고 속도 사이의 비교에 의해 주어지며 제한 속도 코드와 최대 허용 속도 코드를 갖는다. 제한 속도는 선행 열차와 후행 열차 사이의 거리 유지, 진로 연동 및 열차 감시 절차로부터 제공되고, 최대 허용 속도는 궤도 관련 정보로부터 제공된다. - 선행/후행 열차 거리 유지 동일 선로 상에서 열차 추돌을 피하기 위해 선행 열차와 후행 열차 사이에 충분한 이격 거리를 유지하는 기능으로 실제적인 제동 기능과 과속도 방어에 사용되는 최대 허용 운행속도 사이의 관계에 의해 주어진다. - 열차 검지 열차 검지는 모든 열차의 궤도 위치를 결정한다. 대부분의 경우, 열차의 위치는 절대치로 주어지며 열차 속도는 열차가 최종적으로 검출된 위치에서 "0"으로 가정된다. 열차 위치의 예측 기법은 사용 기술에 의존하며, 정확성을 요구한다. - 궤도 및 열차 감시 궤도 및 열차 감시 기능은 비정상 상태 발생시의 경보 시스템으로 열차 감시는 열차 차량의 접촉, 화재, 제동 시스템의 결함 또는 제동 능력의 감쇠를, 궤도 감시는 궤도 절손 또는 건널목 통과 차량의 블로킹을 표시한다. - 진로 연동 진로 연동에서의 "진로"의 개념은 열차의 이동 시작점, 목적지 및 열차가 사용할 궤도를 의미한다. 진로 연동은 설정된 진로 내에서 다른 열차의 존재 유무를 확인한 후, 선행 점유 열차가 존재하지 않을 경우, 열차 진행을 허용하며, 요청된 진로가 점유되어 있거나 사용할 수 없는 경우, 열차는 선행 열차와 후행 열차 사이의 거리 유지 방식에 의해 열차 운행을 실행한다. Siemens의 ZUB ZUB는 Siemens에서 개발한 가장 대표적인 ATP 장치로 ZUB 100 series(110, 111, 121, 122, 123)와 ZUB 2x2 series(212, 222, 232, 242, 262)로 주어진다. ZUB 2x2 series의 경우, 첫번째 숫자 "2"는 ZUB 200 series를 의미하며, 두 번째 문자 "x"는 전송 매체에 따라 1, 2, 3, 4, 6으로 주어진다. 여기서 "1"은 가청 주파수, "2"는 850kHz 채널, "3"은 가청 주파수 및 850kHz 채널, "4"는 Eurobalise, "6"은 850kHz 채널 및 Eurobalise을 나타낸다. 세 번째 숫자 "2"는 Dual Channel 컴퓨터로 시스템이 구성되어 있음을 표시하며, 불연속 자동 열차제어 방식에 따른 이들의 특성은 다음과 같다. - 지상-차상 양방향 데이터 전송 - 궤도 결합 coil/loop용 추가 전원의 불필요성(차상장치가 지상장치를 통과할 때 차상자 에서 발진되는 100kHz 대의 주파수 유도에 의해 지상자에 필요한 에너지 공급). - 공극(air gap)을 통한 telegram의 전송 - 최대 열차운행속도의 증가 (balise 사용 시 500km/h, 결합 coil 사용 시 220km/h까지 가능) - 어떠한 기상조건(열, 강우, 서리, 눈 등)에 대해서도 원활한 동작 수행 - 큰 기계적 충격 및 진동 부하에 대한 견고한 내구성 구조. - 신호 시스템에 따른 운전 시격 단축 ZUB 200의 주요 구성 요소는 차상 유니트, 속도 검지기, 선로 결합 coil, 차상 결합 coil, 속도 검지기 전환 유니트, 표시기 및 기관사 제어 유니트, 데이터 유니트, 신호기 모듈 등으로 구성되며, 이에 따른 주요 기능은 신호 및 안전 기능, 데이터 전송 기능(지상과 차상의 양방향 전송)으로 구분된다. 신호 및 안전 기능은 지상신호 및 선로정보를 불연속 신호전송 방식에 의해 차상으로 전송하거나 열차 정지 명령, 허용 열차 운행 속도의 지속적인 감시, 허용 열차 속도 초과시 자동 제동 실행, 임시 속도 제한 구역 감시, 기관사에게 필요한 정보의 통보 및 경고 등을 수행한다. 지상에서 차상으로의 데이터 전송 기능은 출입문 개방, 차상문에 설치된 발판의 높이, 열차 위치 검지 및 측정거리 reset용 balise, 열차 무선을 통한 CTC(열차집중제어장치)로의 데이터 전송, 견인 전압 변환, 승객용 데이터에 주로 연관되며, 차상에서 지상으로의 데이터 전송 기능은 전철기 제어 명령, 차량 번호 메시지, 도로 교통(건널목) 신호 요청, 서비스 메시지 등으로 주어진다. Alsthom의 KVB KVB는 Alsthom에 의해 개발된 후 프랑스 철도망에서 사용하는 지상자(Balise)에 의한 속도 제어 시스템으로 폐색 구간의 경계 지점에 설치된 지상자를 통해 폐색 구간의 길이, 선로 구배, 분기기 위치 등의 지역 정보(불변 정보)와 지상 신호기가 현시하는 신호 정보(가변 정보)로 구성된 지상 정보를 차상으로 전송하면 차상 안테나(차상자)를 통해 수신되는 이들 정보와 각각의 열차에 대해 주어진 차상 정보가 결합하여 목표 속도, 제동 거리, 등을 계산한 후, 열차 운행 속도가 목표 속도를 초과할 경우 경보를 인가하고 제동 장치를 작동시키는 Distance to go 방식으로 지상자에서 사용되는 beacon은 electro-mechanical 형태로 주어진다. KVB의 구성은 크게 지상자, Encoder 등의 지상설비와 차상 컴퓨터, 차상 표시기, 데이터 처리 Panel, 안테나, 기록 장치 등의 차상설비로 분류된다. 지상자(Beacon)는 주로 지상 정보를 차상으로 공급하는 역할을 하며 데이터 전송에 필요한 전원은 차상자가 지상자 위를 통과할 때 공급된다. 지상자는 고정(F) 지상자(외부 조작에 의해 메시지를 변경할 수 없는 고정메시지용 지상자), 제어(S) 지상자(신호, 속도 표시 등 Encoder의 외부 조작에 의해 메시지를 변경할 수 있는 가변 메시지용 지상자), 표시(M) 지상자(일반적으로 정상적인 열차 운행 방향에 따라 A와 B의 지상자를 설치하는데, 표시(M) 지상자는 A 지상자에 의해 모든 정보가 전송될 때 B 지상자 대신 사용할 수 있는 간소화된 지상자를 의미)로 분류된다. Encoder는 신호기 또는 속도 제한 Panel과 지상자 사이의 인터페이스 역할을 수행하며 주로 폐색 신호 현시 및 속도 표시, 허용 신호 또는 비허용 신호(절대 신호)의 폐색 시스템 표시, 진행 신호를 지시하는 인접 신호기 자체의 신호 현시 display에 사용된다. 차상 컴퓨터는 이들 데이터에 관련된 processing 공정을 취급하며, 차상 표시기의 주 표시반에는 최고 속도를, 보조 표시반에는 목표 속도를 표시한다. 데이터 처리 Panel은 최대 허용속도, 열차 길이, 열차 감속력, 열차 종별, 등을 입력하는데 이는 지상자에 전원을 공급하거나 지상자에서 정보를 수신하는 역할을 실행하는 안테나로부터 제공된 정보에 기본을 둔다. 기록 장치는 열차 자체 정보 또는 지상에서 제공된 정보를 저장하는 역할을 한다. ADtranz의 EBICAB 900 EBICAB 900은 열차의 운행을 연속적으로 감시함으로서 열차가 정지 신호에 접근하거나 속도 제한이 필요한 경우 또는 과속으로 운행하는 경우 기관사에게 경보를 보내고 만약 기관사가 즉시 속도를 감속하지 않을 경우 제동 장치를 동작시키는 전형적인 ATP 시스템으로 프랑스 KVB와는 달리 고정 정보와 가변 정보를 모두 동일한 형태의 지상자를 이용하여 차상으로 전송한다. 각각의 지상자에는 하나의 Balise 정보가 저장되고, 가변 정보를 제공하는 지상자는 Encoder와 연결됨으로서 Balise 전송 정보는 Encoder 내부의 기억장치에서 차상 안테나로 전송된다. EBICAB 900의 지상장치는 Encoder(또는 BIS), 전송 케이블(Serial link), 지상자(Balise) 등으로 주어지는 반면, 차상장치는 기관사에게 정보 및 경고 통보, 제동 장치 제어 및 시스템 데이터를 지속적으로 수정하는 역할을 실행하는 차상 컴퓨터, 열차가 통과하는 지상자에 전류의 공급 및 Balise 정보의 수신을 위해 사용하는 안테나 및 전송 유니트 (전류공급신호는 전송 유니트에서 발진되는 27MHz 사용), 차상 표시 panel 속도계 및 기록 유니트, 속도 검지기, 주 공기 제동기 압력 및 제동 성능의 지속적 감시와 상용 제동과 비상 제동 제어를 실행하는 차량 제동장치 인터페이스 유니트로 구성된다. 4. ATO(Automatic Train Operation : 자동열차운영장치) ATO[7]는 미리 설정된 프로그램에 따라 역에서의 열차 속도 감소와 정지, 열차 제어 기능을 실행하는 ATC 하부 시스템(<그림 1> 참조)으로 이는 종래에 승무원이 수동으로 행하던 역간 운전, 열차 정지, 출입문 제어, 열차 출발, 안내 방송 등을 컴퓨터로 대치함에 따라 열차운행 상태가 TTC(열차운행제어컴퓨터)에서 감시되어 안전한 열차운행이 자동으로 실행된다. ATO의 일반적인 주요 기능은 속도 제한, 역에서의 속도 감소 및 정지, 열차 출발, 차상문 제어 등으로 "속도 제한"은 과속 방지를 위해 설정된 안전 속도 범위 내에서 열차의 가속, 정상 운행, 감속 및 제동을 허용하기 위해 필요로 하는 non-vital 명령을 제공한다. 과속 발생의 경우 미리 지정된 속도 제한 절차는 과속 보호 절차로 대치되며 효율적인 열차 운행을 실행하기 위해 열차 감시 기능이 제공하는 최대 안정 속도 또는 저 가속비 이하의 조정 속도로 운행하도록 하는 특수한 속도 정보가 인가된다. "역에서의 속도 감소 및 정지"는 출입문 제어의 정확성이 요구되는 플랫홈에서의 열차 속도 감소 및 정지를 취급한다. 이는 열차에 장착된 장비 또는 역 주변의 열차 위치에 따라 정확하게 조정되는 궤환 신호를 공급하는 선로변 설비에 의존한다. "열차 출발"은 차상문의 차폐 확인, ATS의 "열차 dispatching"으로부터 수신되는 출발 준비 메시지, "과속도 방지" 기능으로부터 수신된 안전 출발 메시지를 확인해야만 한다. 열차가 출발을 시작하면 "열차 출발" 기능은 열차 운행을 진행하기 위해 "속도 제한" 기능에 관련된 메시지를 전송한다. "차상문 제어"는 일반적으로 출입문이 개방되기 이전에 반드시 열차가 정지 상태이고, 출입문이 안전하게 개방될 수 있는 정확한 위치에 열차가 존재하는지를 확인해야 함은 물론 열차의 양쪽 출입문중 어느 쪽을 선택할 것인지를 사전에 결정해야 한다. 출입문 폐쇄의 경우, "출입문 닫힘" 메시지 종료 이전에 출입문이 닫히고 잠겨있는지 반드시 확인해야 한다. 따라서 차상문 제어 시스템은 이러한 동작을 열차제어 시스템의 안전 기능으로 분리하여 자동으로 ATO에 의해 실행한다. 5. ATS(Automatic Train Supervision : 자동열차감시장치) 열차 상태 감시 및 열차 운영 패턴을 유지하기 위해 열차 운영 명령에 대한 적절한 통제를 실행하는 ATC 하부 시스템으로 열차의 도착과 출발은 ATS[1]에 의해 각각의 역에서 통제되는데 이는 현장의 자동장치에 의한 통제와 TTC(열차운행제어컴퓨터) 프로그램에 의한 자동 통제의 두 가지 경우가 있으며, 이의 기능은 주로 실시간 열차 성능 감시, 경보 및 오동작 기록, 진로 설정, 스케줄 Design, 열차 Dispatching 등으로 분류된다 <그림 1 참조>. "실시간 열차 성능 감시"는 선로 또는 폐색 구간에서 각 열차에 대한 실제 위치 및 속도에 관련된 실시간(real-time) 정보를 수집하여 스냅 사진 형식으로 전송된다. 이러한 정보는 선로의 예측 상태와 현재의 스케줄에 기본을 두고 수정, 분석된다. 만약 선로의 예측 상태가 실제 선로 상태와 다를 경우, 예정된 정지점에서의 열차 대기 시간의 증가 또는 감소, 노선에 따른 중간 속도 코드의 도입, 수정된 가속/감속 profile의 도입 등을 실행함으로서 최적의 조정을 선택하며 이에 따른 정보는 "열차 dispatching"과 "속도 제한" 절차로 전송된다. "경보 및 오동작 기록"은 선로 장비의 조작 특성을 감시하는 역할을 실행한다. 이는 "실시간 열차 성능 감시" 및 "궤도 및 열차 감시" 기능으로부터 화재, 비작동 스위치, 과다한 이중계(redundant) 구성요소 적용, 주 전력 상실 등의 특별한 사고에 대한 정보를 수집한다. 이들 정보는 사고 발생 장소의 실제적인 문제점, 사고의 심각성, 궤도 위치, 사고 시간 및 열차 확인 또는 사고 발생에 연관된 장비 등을 내포한다. "진로 설정"은 각 열차의 상세 진로를 설정하기 위해 "스케줄 Design" 기능으로부터 입력을 제공받는다. 진로 설정 기능은 모든 열차의 효과적인 운행을 위하여 모든 이용 가능한 궤도의 진로에 대한 장, 단점을 제공할 수 있는 최적화된 알고리즘을 사용한다. 만약 추가로 주어진 기동 불가능한 열차에 따른 진로 상실과 같은 실시간 정보가 수동으로 인가될 경우, "진로 설정" 기능은 모든 trip의 보장 방안 및 우선 순위에 의해 설정된 전반적인 진로 설정도를 재편성한다. "스케줄 Design"은 어떤 열차가 어떤 장소에서 몇 시에 이동할 것인가를 결정한다. 따라서 스케줄 실행 이전에 반드시 시뮬레이션, 시험 및 수정이 실행되어야 하며 "스케줄 design" 기능은 "진로 설정" 및 "진로 제어" 기능의 입력으로 주어지는 관련된 열차의 종별, 시발역, 도착역, 및 출발 시간 등을 제공한다. "열차 Dispatching"은 노선에 의한 출발과 시간에 의한 출발의 두 종류로 분류한다. 노선에 의한 출발의 경우, 열차의 이동은 ATO 또는 ATP의 진행 절차에 의해 초기화되며, "진로 요청" 메시지는 "진로 연동" 기능으로, "출발 준비" 메시지는 "열차 출발" 기능으로 전송된다. 반면 시간에 의한 출발의 경우, 진로는 사전에 확보되고 열차는 역 또는 진로의 대피점에 정지하게 된다. 6. 미래의 신호 방식 지금까지 열차제어시스템에 관련된 현재의 신호 방식에 대해 언급하였다. 본 단원에서는 미래에 주어질 열차 제어시스템에 대한 기본 방향 또는 진행 예정 프로젝트를 논의함으로서 새로운 개념의 열차제어시스템은 어떤 형식으로 주어질 것인가 하는 것을 간접적으로 조명한다. 궤도회로를 사용한 미래의 열차제어시스템(RTRI, 수송 시스템 개발부)[8] 이 글은 상세한 승객 정보 및 효율적인 열차 운행을 성취하기 위해 승객 정보의 고밀도 운영에 기본을 두고 열차제어시스템의 하부 시스템 기능을 통합하는 새로운 장치의 개발 필요성에 따라 궤도 회로를 사용하여 열차 검지 및 Digital code 전송을 실행하는 Digital ATP에 대한 내용을 소개하였다. 그 결과 선로변에서 차상으로의 정보 전송 및 차상 컴퓨터의 장점을 응용한 Digital ATP에 기본을 둔 통합열차제어시스템은 열차 다이어 및 전력 절감에 대해 효율적인 제어의 실행 및 상세한 승객 정보의 제공 가능성을 증명하였다. 따라서 열차제어시스템의 전반적인 품질 개량, 특히 고밀도 운영을 실행하는 통근 선로의 개량을 위해서는 운송 용량의 증가, 전력 절감, 복잡한 열차 다이어 개량 및 승객 정보 개량 등이 필수적으로 주어져야함을 고려할 경우, 이러한 요구 조건을 가장 잘 만족할 수 있는 열차제어시스템은 Digital ATP에 기본을 둔 통합열차제어시스템으로 전망하였다. 미래의 Digital ATP 시스템은 차상 설비, 선로변 설비, 신호 box, 역 및 제어센터로 구분하였다. 신호 box는 열차 위치 및 열차의 ATO profile에 따라 열차를 제어하고, 열차의 ATO profile을 역에 전송하면, 역은 수송 상황을 승객에게 통보한다. 제어센터는 열차 다이어를 개선하기 위해 열차 다이어의 수정을 실행한다. 차상장비는 다양한 정보에 따라 능동적으로 ATO profile을 생성한다. 이러한 기능은 Digital ATP에 기본을 두고 시스템의 구성 요소 사이의 정보 교환을 통해 실행한다. 역에서의 가장 적절한 열차 접근 profile과 에너지 절약을 목적으로 하는 열차 운행 profile은 통합 열차제어시스템의 ATO 기능에 의해 능동적으로 생성된다. 정확하고 일관된 열차 운영은 ATO을 사용하여 실현되며 Digital ATP 차상 설비는 열차 자신의 위치 검출 및 제동을 실행한다. 그 결과 ATO 기능은 열차 주행 profile과 근접 역에 대한 즉각적인 제동 제어 기능을 첨가함으로서 쉽게 실현되지만 추가적인 표시기(beacon 또는 transponder)가 열차 위치를 수정할 목적으로 반드시 설치되어야 한다. 이 글은 미래의 열차제어시스템은 ATP, ATO 기능에 대한 통합 시스템으로 주어진다는 가정 하에 Digital 방식이 ATP, ATO 기능을 모두 통합할 수 있는 정보 처리 장치 및 제어 장치를 제공할 것으로 추정하였다. 실제로 이들 제안된 사항은 Digital 기술의 개발과 함께 현재 많은 부분이 유럽 철도 선진국에서도 실행중이다. 따라서 유럽에서 언급하는 미래형 열차제어시스템은 현재의 Digital 기술을 기반으로 지상 설비의 간소화를 실행함으로서 유지 보수 및 안전성을 향상시킨 무선에 의한 통합 열차 제어 시스템을 중점적으로 연구하고 있다. 진보된 지능형 열차제어시스템[1] ATC 시스템에 있어서 최근의 가장 진보된 사항중의 하나는 무선에 기본을 둔 ATC 시스템으로, 이는 움직이는 열차와 선로변 기기 사이의 Full-duplex 데이터 통신에 의한 열차 제어 장비를 의미한다. <그림 2> 무선에 기본을 둔 열차제어시스템 지상의 경우 각각의 열차는 자신의 위치를 결정한 후 이들 정보를 선로변 열차제어설비로 전송한다. 열차 위치에 관련된 하드웨어는 지상의 위치관련 transponder와 차상의 타코미터로 구성된다. 열차 축에 위치한 타코미터는 바퀴의 회전에 따라 이동 거리를 결정한다. 지상에 있어서 사용 방식에 따라 능동 또는 수동 요소로 작용하는 트랜스폰더는 열차에 의해 결정된 선로변을 따라 특별한 간격과 위치로 설치된다. 이러한 트랜스폰더는 열차 위치 관련 기준점을 설정하기 위해 사용되며 최근의 위치 검지 시스템은 GPS(Global Positioning Satellite), 관성 항법, Beacon 등이 무선 영역 내에서 급속도로 개발되고 있다. 과속도 보호 설비는 열차의 안전 운행 profle을 개발하기 위해 최대 허용 속도, 다음 폐색 구간 속도 코드, 다음 폐색 속도 코드까지의 거리 정보를 이용한다. 이는 최악의 경우시의 열차 성능(시스템 반응 시간 및 보장된 제동 능력 등)에 연관된 정보는 물론 차상 데이터베이스의 저장 정보 또는 선로변에서 열차로 전송되는 궤도 기하학 관련 추가 정보를 이용한다. 열차 감시 혹은 열차 상태 감시 도구는 추진력, 제동력, 연결기를 포함한 안전과 관련된 열차의 구성 요소에 대한 지속적인 감시를 유지하며, 여분(Redundant) 설비는 비정상 동작을 실행하는 설비의 기능을 자동으로 대치한다. 차상의 경우 ATO 설비는 ATP 설비와 같은 속도, 거리 정보를 수신하며 ATP 시스템이 사용한 안전 관련 profile을 그대로 적용하기보다는 ATO 시스템의 추가 정보를 처리하기 위해 사용된다. ATS 데이터는 중앙 설비에 의해 제공되며, 저 속도, 중 속도 및 감소된 가속도 profile의 경우 폭넓은 운영 정보를 요청한다. 이러한 모든 정보는 승객 및 화물의 승차감 및 스케줄을 유지하면서 열차 보호 거리 내에서 ATO 설비에 열차 제어를 허용하기 위해 수집된다. 차상의 기관실 설비는 열차 운행을 위해 필요로 하는 인간과 기계의 인터페이스(MMI)를 제공한다. 데이터 입력 장치는 열차 운영자에게 열차 길이 및 차상 승무원 등과 같은 열차에 관련된 초기 데이터를 입력하도록 허용한다. 기관실 신호 표시장치는 실제 열차 속도, 최대 허용 열차 속도, 다음 구역의 속도 제한, 다음 속도 제한까지의 거리, 최종 정보 이후 이동할 거리 및 역에서 출발점까지의 시간 등을 표시한다. 선로변 제어 유니트의 데이터 무선은 각각의 열차에 예정된 데이터 메시지를 규칙적으로 수신한다. 이러한 메시지는 열차보호에 사용되는 상세한 열차 위치, 열차 방향 및 열차 속도 등의 안전 관련 정보는 물론, 열차 진행 감시와 수정을 위해 중앙 설비로 전송되는 비안전 관련 정보도 포함된다. 따라서 제어 유니트는 주어진 선로 상태에 따라 선행열차와 후행 열차의 거리 유지 기능을 실행하며 각각의 열차가 어떠한 변화를 요구하는지를 결정한다. 중앙 제어 유니트는 선로변 제어 유니트에서 열차와 선로변 성능 측정값을 수신하며, 실제적인 스케줄에 근거한 성능 및 back routing 메시지를 전송한다. 중앙 유니트는 대형 화면으로 구성된 network 표시 장비와 특별한 구역에 대해 상세한 표현이 가능한 zoom 기능을 갖는 컴퓨터 모니터의 조합에 따라 제어 관련 요원에게 도식적으로 관련 데이터를 제공한다. 열차가 계획대로 운행되는 동안 제어 관련 요원은 열차 제어 시스템을 간섭하지 않지만 운행 환경과 장비의 결함에 의한 비정상적인 동작의 경우에는 주어진 상황에 대한 대응책을 결정한 후 선로변 제어 유니트에 진로 변경 및 성능 수정 명령을 전송한다. 진보된 열차제어시스템의 경우, 미래의 열차제어시스템의 방향은 무선에 의한 데이터 통신 및 현재 타 분야에서 급속도로 개발, 사용하는 첨단 기술의 접목을 목표로 하고 있다. 따라서 자동열차제어시스템에 관련된 미래의 연구 방향은 열차에서 요구하는 안전성과 신뢰성을 어떻게 이들 첨단 기술에 접목할 것인가 하는 점으로 특히 미래의 무선 열차제어시스템에 의한 vital 데이터의 처리, fail-safe 개념, fault-tolerant 개념, redundancy에 의한 안전 요소 접목, 상호호환성(interoperability) 개념에 의한 열차의 안전 운행 실현, 승객에 대한 보다 많은 정보 제공 등이 주요 논제로 작용할 것이다. 실제로 이와 관련된 많은 프로젝트가 독일, 프랑스에서 현재 실행되고 있다. ERTMS/ETCS([9],[10]) 유럽의 진보된 지능형 열차제어시스템으로 명명되는 ERTMS/ETCS(European Rail Traffic Management System/European Train Control System)는 유럽의 다양한 신호 시스템에 대한 상호호환성을 실행하기 위해 UIC(국제철도연맹) 주관 하에 실행된 유럽열차제어시스템으로 이의 배경은 다음과 같다. 초기에 프랑스는 열차제어시스템과 관련하여 ASTREE (실시간 열차 추적 자동화) 라는 연구 프로젝트를 개발하였다. ASTREE는 모든 선로에 동일한 안전성 부여라는 목적하에 초기 연구가 시작된 후 무선 통신, 정보처리, 인공지능형 센서 등의 최첨단 기술 도입 및 이동 폐색, 유지보수의 경제적, 가용적 설비요소를 열차제어시스템에 도입하는 것으로 변환되었다[11]. 시스템 설계는 실시간 데이터에 기본을 둔 CTC에서 모든 열차의 자동위치추적 및 무선통신에 의해 안전한 열차의 운행을 성취하는 것으로 연구의 첫 번째 단계는 시스템 설계 개념의 시뮬레이션에 의한 혁신적인 시스템 제어용 모듈 실현을 위한 시제품 실현으로, 두 번째 단계는 이의 적응성 및 차상 장치의 완전한 안전성을 보장하는 모듈의 기술적인 실현으로 구분되어 실행되었다. 그 결과 현재의 첨단 기술은 열차 운행시 필요한 모든 요구 사양에 부합하여 사용할 수 있다는 것을 증명하였다 프랑스가 ASTREE라는 연구 프로그램을 개발하는 동안, 독일에서는 이와 유사한 특성을 가지며, 정확하고 지속적인 지상-차상간의 상호 인터페이스에 대한 독특한 방향을 제시하는 DIBMOF라는 프로그램을 수행하였다. 따라서 프랑스와 독일의 연구 목표가 상호일치 함에 따라 이들 두 나라는 DEUFRAKO(고속열차에 대한 프랑스-독일 공동연구 일반 프로토콜)라는 연구 프로그램을 공동 개발하기로 동의하고 UIC(국제철도연합)의 지지 하에 유럽 전반에 걸친 열차시스템을 위해 DEUFRAKO라는 이름으로 상호협력을 시작하였다. 그 결과 DEUFRAKO 프로젝트는 유럽철도망 통합이라는 명제 하에 급속도로 전개됨에 따라 DEUFRAKO-M이라는 이름으로 Eurobalise, Eurocab, 및 Euroradio 프로젝트에 참가함으로서 DEUFRAKO-M은 ETCS/ERTMS를 수행하는데 빠른 진전을 가져왔다. 결과적으로 ASTREE 프로젝트 범주 내에서 수행되었던 연구에 병행하여, 유럽전반에 대해 이와 유사한 연구의 필요성이 대두됨으로서 ASTREE에 대응된 유럽의 프로젝트는 ETCS로 주어지며, 이는 특히 고속철도망에 있어서의 상호호환성을 허용하는 보편화된 ERTMS로 언급된다[12]. ERTMS/ETCS의 ATP 차상설비인 EuroATC는 현재 개발중에 있으며, ATP의 지상설비는 Eurobalise로 통일되어 사용될 예정으로 ERTMS/ETCS는 프랑스가 기존선에서 현재 개발한 방식 (Balise 또는 KVB에 의한 속도제어)과 유사한 1단계(선로변 신호에 의한 속도제어), TVM 또는 독일의 LZB와 비슷하게 작용하는 2단계(Eurobalise 와 Euroradio(GSM)의 혼합형태로 기관사의 권한과 궤도상태가 완전하게 무선으로 전달됨으로서 기관사는 선로변 신호를 필요로 하지 않음)와 ASTREE에서 도용된 형태의 3단계(Eurobalise와 Euroloop를 통해 열차 운행이 열차자체에 부여됨으로 궤도회로를 필요로 하지 않으며 기관사는 열차를 이동 폐색으로 운행)로 분류된다[13]. 7. 결론 본 논고는 주로 유럽의 신호 방식 및 기술 동향에 대해 논의하였다. 특히 경부고속전철의 도입을 통해 유럽의 새로운 신호 방식을 인식함으로서 신호 시스템의 전반적인 이해 및 신호방식 정의의 불명확함을 조금이나마 해소한다는 의미에서 본 논고가 도움이 되었으면 한다. 참고로 본 논고는 기존선 전철화 과제 수행에 따른 결과물의 일부임을 일러둔다. [참 고 문 헌] [1] "Train Control : Automating the World's Railways" [2] SASEM Automatic Train Control, Gec Alsthom, 1996 [3] "TVM. CL system", CSEE transport, 1998,06 [4] "The TGV signalling System", [5] "ZUB 2000", Siemens transport, 1999,11 [6] "ATP 시스템 도입을 위한 기술조사", 한국철도기술연구원, 1998, 12 [7] "서울도시철도공사의 열차 운행 제어시스템". 한국 철도기술정보지 제19호, 1999, [8] "An integrated Train Control system based on digital ATP", RTRI, WCRR97, 1997 [9] Achieving greater European interoperability under the European Rail Traffic Manage - ment System", J. Tamarit, Centro de Estidios y Experimentation de Obras Publicas, Spain [10] "유럽에 있어서의 열차제어시스템 개발 동향", 한국 철도기술정보지 제17호, 1998, [11] D'ASTREE a ETCS ou dix ans de recherche sur la future signalization ferroviaire europeenne, J.PELLEGRIN, P.BERNARD, D.LANCIEN, Revue generale des chemins de fer No 11, Novembre, 1995, DUNOD [12] Transport ferroviaire : ASTREE ou revolution dans la gestion du traffic ferroviaire, Technologie France, No 8, 1997, ADIT , France [13] EUROATC for classic lines, Gec Alsthom signalling Group.