CBTC에 대한 개괄적 자료입니다. (주)포스콘

[내일의驛長]

대한민국의 자랑! 철도의 자랑! 포스콘의 자랑!

CBTC(Communication Based Train Control) System

(주) 포스콘 철도신호사업담당 상무 김영남

1. 무선식 CBTC개발배경

우리는 서울의 60-70년대의 노면전차를 기억하고 있을 것이다. 그 노면전차를 발전시켜 경량전철(LRT; Light Rail Transit)화 하여 대중교통수단으로 사용했더라면 적어도 지금처럼 자동차 포화로 매연과 교통지옥에 시달리지는 않았을 것이다. 그리고 현재 중량전철(치하철)이 여러 대도시에 설치 운영되고는 있으나 초기투자비와 유지비 부담으로 인한 적자의 누적으로 부채가 늘어가고 있는 실정이어서 좀더 안전하고 쾌적한 전철을 기대하기는 어려운게 현실이다.

포스콘은 철도역사 100년이 지난 지금까지도 외국기술에 의존하고 있는 철도신호 분야의 기술자립이 필요하고 영세성을 벗어나야 한다는 주변의 권유와 회사의 신사업분야 진출이 맞아 떨어져 철도신호사업에 뛰어 들어 기존기술과는 차원이 다른 최첨단 지능형 시스템인 "부선식 CBTC 신호제어시스템"을 개발하고 대구 근교의 경산에 있는 경량전철시험선에서 구현하여 안전인증을 획득하기에 이르렀다.

CBTC는 이동폐색시스템(MBS:Moving Block System) 또는 AATC(Advanced Automatic Train Control)라 표현하기도 하며 이는 ATC를 기초로 했기 때문이다.

포스콘은 우선 안전성과 신뢰성이 높은 시스템을 베이스로, 초기 투자비가 기존 투자비에 비해 70% 정도 그리고 유지비도 50% 이상 저렴한 심플한 기능의 신호제어시스템을 구축, 초기투자비와 유지비 절감을 통하여 시민들에게 안전하고 쾌적한 서비스를 제공한다는 차원에서 회사의 모든 역량을 집중, 무선식 CBTC신호제어시스템을 개발하는데 심혈을 기울여 왔다.

2. 기존고정폐색시스템의 문제점

기존 고정폐색시스템은 약 200m 전후마다 한 개의 폐색구간이 있다. 1구간마다 1T구간, 2T구간 등으로 표기를 하며, 1km을 5개 폐색구간으로 계산하였을 때 매 30km는 약 150개 폐색구간이 존재한다. 이 폐색구간 내에는 1대의 차량 외에는 진입할 수 없으며, 폐색구간 내에 차량이 있다는 것 외에, 폐색구간의 어느 지점에 있다는 것은 알 수 없었던 것이 지금까지 사용해 왔던 고정폐색시스템이다.

또한, 이 폐색구간 내에는 각각의 구간 안에 OSC(Oscillator)라고 하는 발신기 , 반송파기, 신호주파수기, 변조기, 변조회로기, 신호해독기, 송신기 등의 수많은 장비가 각각 수천개의 릴레이를 타고, 각자가 폐색구간으로 올려지고 이 150개의 폐색구간은 전부 각각의 복잡한 케이블로 기기실에 연결되어 있다.

1개의 폐색구간에 캐비닛이 보통 4개에서 6개 정도 필요하며 x150을 해보면, 어마어마한 하드웨어 장치와 그 복잡함이란 이루 말할 수도 없거니와 거미줄처럼 엉긴 회로는 고장진단을 하거나, 보수를 하는데 많은 노력과 인력을 필요로 하였다. 이것이 비용증가의 원인을 제공하는 부분이다.

3. 무선식 CBTC는 어떤 것인가

무선식 CBTC,는 앞에서 열거한 모든 결점을 보완하는데 주력하여 개발하였다.

무선식 CBTC시스템은 컴퓨터의 급속한 발전과 함께 최첨단을 걷고 있는 국방과학시스템, 우주항공시스템 분야에서 활약하고 있는 고성능 산업용 컴퓨터를 기반으로 개발한 경랑젼철의 위치추적기술과 이미 그 안전성이 검증되어 사용중인 ATC(Automatic Train Control)신호와 ATO(Automatic Train Opreation)무인운전 기능을 접목하여 차량제어와 정위치정차를 하면서 위치를 추적하는 기술을 포스콘에서 개발하였다.

포스콘은 열차의 이동위치를 정확하게 알면, 폐색구간을 없앨 수 있고, 폐색구간을 없애면 수많은 하드웨어장비가 소프트웨어로 대체되어 상당부분을 생략하고 있다는 것에 착안하여, 한국철도기술연구원과 협력하여 무선식CBTC를 경산에 있는 경량전철시험선, 왕복 4.6km 구간에 설치 실현하였다.

CBTC방식은 통상 무선전파에 의한 방식과 루프코일에 의한 방식의 2종류가 있다. 실시간 송신한 것을 동시에 수신해야 한다는 조건으로 이동폐색시스템의 구현이 가능하다. 기존 신호방식인 ATS(Automatic Train Stop)와 ATC(Automatic Train Control)방식 중  ATC방식에 추가하여 이통폐색으로 구현할 수 있다.

그 외 신호로 ATP(Automatic Train Protection)나 ATO가 사용되고 있으나 ATP는 기존 ATS나 ATC를 기반으로 한 안전 방호기능을 발전시킨 것이며 ATO는단순 운전기능으로 원맨운전 또는 무인운전 기능이다.

그 중 우리  포스콘이 개발한 것은 ATC신호제어방식에 위치추적기능의 송수신 방법을 CBTC무선으로 하면서 기존에 사용중인 ATO 무인운전기능을 추가하여 완전무인 자동화를 한 것이다.

실제 주행로 선상에는 하드웨어가 없으나 고성능 산업용 컴퓨터 안에는 프로그램 상, 가상 신호등도 있고 , 선로는 가상 세그먼트로 나뉘어 ID가 부여되고 있다. 즉 무선기위치, 신호기위치, 포인터위치, 커브위치, 구배위치, 등을 기준으로 세그먼트를 나누고 직선구간은 직선구간대로 길게 나누어서 데이터베이스를 구축하여 운영효율을 높였다.

무선전파방식을 사용하여 폐색구간에서 사용하였던 OSC발신기, 신호파, 반송파, 변조기MOD(Modulator)변조회로기 및 수천개의 릴레이는 전부 없애고 각 폐색구간 1T~150T 사이와 기기실로 연결되는 케이블도 전부 없앴으며, 위와 같은 기능을 실제 있는 것처럼 프로그램화 하여 고성능 산업용 컴퓨터 안에 내장하였다.

따라서 기능이 심플하여 50~60여개의 캐비닛으로 구성된 장치는 1~2개의 캐비닛으로 대체되었고, 20편성의 열차가 동시에 출발명령, 속도제어명령, 앞차와의 거리, 정지명령, 정지예고명령까지를 동시에 내리면서 실제 위치추적계산은 GPS(Global Positioning System)계산방식과 피타고라스 정리를 취합한 계산방식으로 지연시간을 연산하고, 지상국 고성능 산업용 컴퓨터에서 각 20편성의 열차상에 명령이 내려지며, 차량은 지금까지 검증된 수십년 사용되어온 Station ATC신호에 의하여 각 역에 정밀 정차되는 안전성과 신뢰성이 높은 시스템이다.

 수많은 장치와 기능을 심플하게 만든 본 시스템에서의 무선전파 네트워크는 TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access)의 3개 통신방법을 조합하여 동시에 사용하는 미국방성의 기술을 적용하였다.

기본 TDMA를 사용하여 각 무선기에 송신가능한 시각(Timing)이 정해지고 근접한 무선기와 동시 송신에 따른 상호 간섭을 방지하였으며, FDMA 로 2개의 주파수를 사용하여 동시 사용시의 잡음 등 방해전파를 방지하였고, CDMA를 사용하여 PN Code(암호코드)를 입력 데이터화하고 스펙트럼 확산 변조하여  S/N비(신호대 잡음비) 를 향상시켰다.

주파수는 ITU(국제전기통신연맹)에서 일반에게 공개한 2.45Ghz대를 사용하였으며, 출력은 1W로 제한되어 있으나 포스콘에서는 0.5W를 사용하였다.

4. 무선식 CBTC에 거는 기대

이미 전세계의 철도신호제어의 흐름은 이동폐색시스템 시대로 전입하고 있는 상황이다. 루프코일형이나 무선전파형이나 CBTC는 어떤 것이라도 이미 신뢰성이나 안전성이 검증된 상태이다.

이동폐색시스템의 실현을 위해서 루프코일을 전 선로에 깔아야만 되어 코스트가 높아지는 루프코일방식의 CBTC보다는 우리 한국 실정에 맞는 코스트가 낮은 무선전파방식의 CBTC를 우리 포스콘은 선택하였다. 신중한 검토 끝에 건설교통부가 지원하고 한국철도연구원이 주관하여 실행에 옮긴 포스콘의 무선식 CBTC 구현은 교통혼잡시대를 해결할 수 있는 유일한 시스템이다.

지능형 시스템으로 자체 컴퓨터가 모든 계산을 해서 각 담당 장치에 보내준다. 무선이기 때문에

특별하게 경량전철이나 중량전철에 국한하지 않으며, 기존신호방식으로 운영하면서 최첨단의 지능형 시스템으로 교체할 수 있는 유일한 장치가 무선식 CBTC 이다.

국내 차량이든, 일본제, 유럽제 어느 차량에도 호환이 가능한 것이 무선식 CBTC이다.

또한 프로그램을 자유자재로 변경할 수 있는 것도 큰 장점이다. 29km의 선로를 완성하여 사용하다가 선로를 연장한다 해도 대부분의 장치가 프로그램 변경으로 가능하기 때문에 신호제어시스템의 추가설치비는 원래의 50%도 투입되지 않는다.

선로를 새로 1개 더 놓는 것보다는 코스트가가 별로 들지 않는 무선식 CBTC를 사용하여 열차 배차시간간격을 줄임으로서, 시민에게 편리성을 제공해 주고 승차감도 높일 수 있는 것이 바로 무선식 CBTC이며, 세계시장에 나가 치열한 경쟁을 뚫고 한국의 자존심을 살릴 수 있는 유일한 시스템이라 하겠다.

철도 그리고 철도신호를 사랑하는 여러분들의 끊임없는 성원을 부탁드립니다..

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