열차제어기술은 지상·전기·하드웨어 중심에서 차상통신·소프트웨어 중심 시스템으로 발전하고 있다. 이러한 발전으로 열차의 제어 효율성 향상과 운전시격(headway) 단축 효과, 설비 투자비용·유지보수비용의 절감을 기대할 수 있게 됐다.

현재까지 개발된 최신의 열차제어시스템은 CBTC(Communication Based Train Control) 방식으로 차상 장치와 지상의 제어시스템 간 양방향 통신을 통해 운전시격을 단축하고 있다. 그러나 지상의 제어시스템 용량 한계와 차상-지상-차상으로 이루어진 제어메시지 흐름은 운전시격 단축 제한이라는 한계를 갖고 있다.

이 한계는 차세대무선통신기반 열차제어기술의 수송능력, 설비투자비용, 운영 편의성 측면에서 근본적인 제어패러다임 변화를 통해 해결할 수 있다.

차세대무선통신기반 열차제어기술의 핵심은 기존의 지상 인프라에 편중된 열차제어시스템을 차상 중심으로 변경한다는 것이다. 이를 위해서 빠르고 신뢰성이 보장된 차세대무선통신기술이 필수적이다.

또한, 향상된 열차 간 간격제어 기술, 상황인지 및 판단 기술, 가상열차연결‧분리 기술(Virtual Coupling /Decoupling control)을 통해 안전하고 효율적인 열차제어시스템을 개발할 수 있다.

설비투자비 측면에서 기존의 열차제어시스템은 지상 (wayside) ATP, EI 등의 지상설비가 필요하기 때문에 열차 편성이 증가함에 따라 지상설비 증설에 대한 비용이 추가되는 한계가 있었다.

하지만 차세대무선통신기반 열차제어기술에서는 차상중심 열차제어를 통해 지상설비를 최소화하기 위해 열차 간 제어정보 교환 프로토콜을 정의한다. 운영의 편의성·안전성 측면에서는 노선의 확장과 투입열차 증대·유동적인 열차편성을 위해 가상열차편성 기술을 개발할 수 있다.

가상열차편성 기술은 기존의 물리적 연결기간 접촉에 의한 열차 연결·분리의 한계인 운영자의 인적오류로 인한 사고발생위험성, 긴 연결·분리 시간소요, 장비 유지보수비용 발생 등의 문제를 극복할 수 있는 장점이 있다.

열차제어기술 핵심요소

차세대무선통신기반 열차제어기술은 기존 지상 중심의 열차제어시스템을 차상 중심으로 변환하기 위한 제어 패러다임에 대한 연구이다. 핵심기술요소는 T2T 통신방식을 포함한 LTE-R 무선통신기술을 기반으로 ACTS 플랫폼, 인지·판단 시스템, 사이버보안시스템, 트래픽관리시스템, ATO, 가상연결·분리기로 구성된다. 외부 인터페이스로 선로전환기, 네트워크관리시스템, 에너지관리시스템 등과 연결된다.

1. 열차주행제어시스템 플랫폼

열차제어시스템 플랫폼은 열차제어에 핵심이 되는 간격제어 알고리즘과 fail-safe 기능을 포함한다. 열차 간 제어정보 교환을 위한 공유자원 관리는 RM(Resource Manager)가 담당한다. 플랫폼 하드웨어 구조는 차상장치, 지상 통신설비 및 관제 ATS, RM으로 구성된다.

2. 간격제어 알고리즘

운전시격 단축을 위한 가장 핵심적인 기술은 열차 간 간격제어 알고리즘이다. 선행열차의 위치‧속도 정보를 이용한 간격제어를 수행하기 때문에 선행열차의 best/worst-case 제동모델을 적용한다.

기존의 간격제어 알고리즘이 선행열차의 위치를 기반으로 간격을 계산했다면, 향상된 간격제어 알고리즘은 선행열차의 위치/속도/가속도 기반 간격제어를 수행한다. 따라서 열차의 이동권한은 거리와 속도를 가지는 형태로 정의한다.

열차제어시스템의 성능은 최소운전시격으로 나타낼 수 있다. 최소운전시격은 후행열차가 감속 없이 최대한 선행열차와 근접한 시점에서 선행열차와 후행열차 사이의 거리를 현재 속도에 대한 시간으로 정의할 필요가 있다.

3. T2T 열차 간 직접통신 기술

T2T 열차 간 통신은 이동중이거나 정차중인 열차들 간의 신호 또는 데이터를 송수신하기 위한 무선통신으로 정의한다. 기존의 LTE-R 통신기술에 V2X 인터페이스를 적용하기 위해 3GPP의 V2X 표준에 근거해 T2T 시나리오와 요구사항을 정의하고, OAI(OpenAir Interface)[]를 이용한 SDR(Software Defined Radio) 구현‧테스트를 진행하고 있다.

선행‧후행열차의 운전시격을 단축하기 위해서는 열차 간 직접통신기술이 필수적이며, 이를 위해서 PC5 인터페이스 기반의 V2X 통신기법을 적용해 최소 90ms 이하의 지연시간을 목표로 지연시간 측정 환경을 구축했고, 이에 따른 기술개발을 진행 중이다.

이와 더불어, 최근 상용화가 진행되고 있는 5G 기술을 이용한 초저지연 통신 기술도 개발 진행 중에 있다. 특히, 철도 전용 주파수 할당 문제를 해결하기 위해 비면허대역에서 5G를 이용하는 기술 개발 및 5G 기반 측위 기술도 아울러 개발하고 있다.

4. 열차협업기반 상황인지‧판단 기술

기존의 지상중심 열차제어시스템은 열차의 운행 중 사고와 고장 등의 상황 발생 시 관제의 운영자가 수동으로 열차를 운행해야 하기 때문에, 신속한 대응이 불가능하고 인적 오류에 의한 2차사고 위험이 존재한다.

이에 열차협업기반 상황인지/판단 기술을 통해 열차 스스로 주행경로를 설정하고 변경하기 위한 제어 기능을 개발할 수 있다. 열차 내 사고와 선로 상의 상황정보를 인지하고, 이를 기반으로 열차 스케줄과 경로를 설정한다.

자율협업기반 동적경로설정은 실시간 경합해소를 위해 각 열차에서 경로 상의 다른 모든 열차와의 정보를 교환하면서 최적해를 찾는 과정이다.

5. 가상연결‧분리기

차세대무선통신기반 열차제어시스템의 가상열차 분리‧결합 기술은 신뢰할 수 있는 무선통신시스템이 필수적이며 가상연결이 실패했을 때를 대비해 안전거리를 보장해야 하므로 정확한 열차위치추정 능력이 요구된다.

후행열차의 경우 선행열차의 주행정보를 기반으로 선행열차와 추돌하지 않는 간격으로 추진‧감속을 제어하면서 선행열차를 추종한다. 선행열차의 경우 후행열차의 추종상태 여부를 판단하여 가상연결을 유지하거나 분리를 결정할 수 있다.

차세대무선통신기반 열차제어기술은 최신의 열차제어시스템을 설계하는 것으로 기존의 지상중심에서 차상중심으로 제어패러다임을 변환한다. 차세대무선통신을 통한 열차 간 직접통신기술과 향상된 간격제어, 열차협업기반 동적스케줄링, 가상열차편성 기술 등을 핵심기술요소로 개발한다. 이러한 열차제어기술의 발전으로 설비투자비용, 유지보수비용 절감은 물론 운전시격 단축, 수송력 향상을 기대할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

글_오세찬

現) 한국철도기술연구원 자율주행제어연구팀 연구원