2018 년도한국철도학회춘계계학술대회논문집 KSR2018S018 철도신호시스템의역사및동향분석 History of Railway Signal System and Trend Analysis 장승민 , 박준형 . 양진송 , 류경수 , 박정수 ** Seung Min J

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1 2018 년도한국철도학회춘계계학술대회논문집 KSR2018S018 철도신호시스템의역사및동향분석 History of Railway Signal System and Trend Analysis 장승민 *, 박준형 *. 양진송 *, 류경수 *, 박정수 ** Seung Min Jang *, Jun Hyoung Park *, Jin Song Yang *, Kyung Su Ryu *, Jung Soo Park * * 초록철도신호시스템은대규모인원수송, 고속운행등의특성을가진철도의안전운행과선로이용률을증대시키는핵심요소이다. 철도신호시스템은초기수신호방식에서통표및완목식신호방식을거쳐전기를이용한연동장치인 ATS, ATC, ATO 와무선통신기술을기반으로하는 CBTC 로발전되면서무인운전이가능하게되었다. 또한철도신호시스템은열차가위급한상황에직면하지않도록지속적인감시및제어를수행하고있으며, 높은신뢰도를가진 Fail-safe 원칙을기반으로하고있다. 본연구는국내철도신호의역사및동향, 철도선진국의신호시스템을분석하여신호시스템발전에따른운전방식의변화와철도신호의표준화및정책방향을제시하고자한다. 주요어 : 철도신호시스템, 무인운전, 폐색방식, 안전성, ETCS 1. 서론 철도운행에서근본적으로요구하는사항은 신속하고효율적인운행과안전성이다. 열차 가저속이고운행의빈도가낮을때에는사 고에관련된시스템이나규칙의필요성이적 었으나, 경제가발전함에따라교통수요가 증가하고노선당열차수가늘어나면서사 고를예방하기위한시스템의도입이필요하 게되었다. 철도신호시스템은철도운행의안 전확보와수송능률향상을위해시행되었고 발전해왔으며그결과안전성과효율성을 동시에충족시켰고열차사고발생을예방하 고, 많은열차를투입하여운행함으로신속 성과수송능력이증강하였다. 철도신호시스 템은고속화, 고밀도화에기술을집중하여 운용효율을높이고자여러형태로변형되고 발전하였다. 본연구는현재에오기까지변 화되고발전한철도신호시스템의역사및동 교신저자 : 동양대학교 J.S. 철도교통연구실 (kungsuu@hanmail.net) * 동양대학교 J.S. 철도교통연구실 ** 동양대학교 J.S. 철도교통연구실지도교수 향을분석하여운전방식의변화와철도선진 국의철도신호시스템을알아보고국내철도신호의표준화및정책방향을제시하고자한다. 2. 본론 2.1 철도신호시스템의역사철도신호시스템의최초의형태는말을타고열차에선행하여달리는기마수가신호깃발을들어이상유무를알려주는방식또는역과철도사이에서사람이직접수신호를하여신호를보내는방식이었다. 이후열차의속도가빨라지고운행횟수가증가함에따라생기는사고및불편에의해완목식신호기및통표폐색방식, 기계식연동장치등을사용하였다. 1872년윌리언로빈슨의궤도회로의개발은철도신호에큰영향을미쳤다. 궤도회로를이용해폐색구간에신호기를설치하여열차에자동적으로운전조건을지시하도록하는자동폐색신호기가등장하였고, 계전연동장치및지상신호기가개발되었다. 하지만날씨등의요인으로신호기를확인하지못하는경우가생김으로써 ATS나 ATC 등의자동으로열차의안전성을확보하는장치가

2 등장하게되었다. 다음 Table 1 은철도신호 시스템의변화과정을나타내고있다. Table 1 The variation of railway signal system 신호시스템 수신호 통표방식 완목신신호기 ATS ATC 2.2 철도신호시스템의발전과정 동작원리 사람이깃발을이용하여열차의진 / 출입가능여부를현시 수신호가불가능한거리에서통표를이용하여열차를제어 기계식신호기로완목의위치에의한운전조건지시 전자장치에의한열차자동정지 전자장치 ( 주파수 ) 열차자동제어 ATO 열차자동운전 ( 무인운전가능 ) CBTC 무선통신기반완전자동무인운전 신호시스템은신호인식에장애가발생하거 나확인이불가능한경우를차단하기위해 자동으로정지를하거나속도를조절하고보 호해주는등의형태로다양하게발전하였다 ATS (Automatic Train Stop) 먼저 ATS 는차상장치과지상장치로구성되 어있으며열차하부에설비되어있는차상 장치가지상에설치된장치를통과할때폐 색구간통과속도정보를감응하여작동한다. 지상장치가적신호임에도불구하고운전자가 확인할수없거나고장시 ATS 는벨과경보 등으로주의를주어정상적인운전취급을하 도록하고운전자가정지조작을취해야하지 만경보음과신호를줌에도불구하고일정 시간내운전자가조치를실행하지않는경 우열차를자동적으로제동한다. ATS 에의한 열차안전운행조건은정확한설비의작동과 정상적인기능유지가필수조건이다. 따라서 신호기앞에서정지할수있는정확한확인 제동을통해다른열차에지장을주지않도 록설비의점검과확인에주의를기울여야 한다. ATS 운전제어곡선은 Fig.1 과같다. Fig. 1 ATS-Operational controlling graph ATC (Automatic Train Control) 열차자동제어장치인 ATC는열차의운전석에설치되어지상레일에설치된궤도회로로부터송신된운전정보를수신해독하여열차운행에지장을주는궤도의지장물, 전방운행차량등으로부터열차를보호한다. 또한운전자의부주의나착오에도불구하고열차를안전하게감속, 정지하여사고를철저히방지할수있는장치이다. ATC는 ATS와다르게연속제어방식을이용해폐색구간을운전하는중어느지점에서든차상신호를수신함으로전방궤도변화에더욱민감하게반응하고, 레일로부터속도명령을수신받아과속으로운행시속도를자동으로감속하게한다. ATC의차상장치는궤도회로를통해끊임없이정보를전한다는우위성으로신뢰성을높일수있다. ATC 운전제어곡선은 Fig.2과같다. Fig. 2 ATC-Operational controlling graph ATP (Automatic Train Protection) 열차의제어기능이컴퓨터화되고소프트웨 어로구현되며제어위치가지상에서차상으

로옮겨지면서열차속도제어의효율성이높아졌는데이시스템이바로 ATP이다. ATP는지상신호기가차내로옮겨져신호기가표시하는속도대로열차가주행하며열차간간격조정, 열차의속도결정및관리등을차상내장치에의해열차가스스로판단하여자동으로폐색구간을계속해서확보하는장치이다. ATC가지상장치에서만송신이가능한단방향통신방식이라면 ATP는지상과차상이쌍방으로통신하는양방향통신방식이다.

3 로옮겨지면서열차속도제어의효율성이높아졌는데이시스템이바로 ATP이다. ATP는지상신호기가차내로옮겨져신호기가표시하는속도대로열차가주행하며열차간간격조정, 열차의속도결정및관리등을차상내장치에의해열차가스스로판단하여자동으로폐색구간을계속해서확보하는장치이다. ATC가지상장치에서만송신이가능한단방향통신방식이라면 ATP는지상과차상이쌍방으로통신하는양방향통신방식이다. 즉열차에서지상으로확인번호, 주행방향, 속도등의정보를송신하면, 지상장치에서이동권한및열차제한속도등을전송하는것이다. 이를통해열차간운행속도를상호교환하여후속열차는선행열차의위치를송신받아자동으로감속및제동하여최소제동거리를확보하고열차보호를실행한다 ATO (Automatic Train Operation) ATO는열차자동운전장치로지상장치와신호제어장치간에상호작용을통해, 열차가정거장에서출발하여다음정거장에도착할때까지가속및감속, 출입문제어, 정위치정차등의열차운행중수동으로해왔던기능들을자동으로수행할수있는장치이다. 자동운행중 ATC에의해속도제한명령을받을경우감속하게되지만제한이해제되면다시가속하게되는등열차의운전을기관사가아닌기계가대신한다. ATO 시스템으로안전하고정확한운행을통한여객서비스가향상되며무인운전이가능해짐으로인해기관사의임무가줄어들고인력이절감되고있다 CBTC(Communication Based Train Control) 기존의 ATS, ATC는방식을기반으로구성된시스템이라면 CBTC는폐색구간이열차의이동에따라함께움직이는이동폐색방식으로구성된시스템이다. 또한지상과차상간의인터페이스를무선으로사용하여정보를송신하며궤도회로를사용하지않아지상에설치하는신호설비를줄일수있다. CBTC 는기존의신호시스템보다더욱정밀하 게열차위치를파악하며 ATP, ATO, ATS 의 기능을모두구현한시스템으로무인운전이 가능하다. 다음 Fig.3 은 CBTC 시스템의구성 형태이다. Fig. 3 CBTC System 2.3 이동폐색방식과방식 CBTC 에서사용되는이동폐색방식 (Moving Block System) 은모든열차의전파를이용하 여자신의주행위치를신호기계실을통해후 속열차에게전달하고후속열차는전방의궤 도회로낙하조건과관계없이선행열차에근 접하여주행한다. 이로인해최소운전시격이 기존의방식에비해더욱줄어들어선로이용 률이증가하게된다. ATS, ATC 등에서사용 하는기존의운전방식, 즉방식은 속도코드식 (Fixed Signaling) 과차상제어연 산방식 (Distance-To-Go) 으로나뉘게된다. 속도코드식이란감속및제동을지상에서 수신된고정속도코드에의해열차를제어하 는방식으로열차속도, 위치, 종별에관계없 이수신된속도코드와실제열차속도를비교 하여필요시비상제동을하는방식이다. 차 상제어연산방식은선행열차에대한정보를 지상장치를통해후속열차의차상장치에송 신하여제동곡선이생성되고이를통해후속 열차를제어하는방식이다. 열차는속도거리 계와레이더속도계를이용하여측정된자료 와열차내의자료를비교하며보다정확한 위치를검지하여열차가정지한다. 다음 Table 2 와 Fig.4, Fig.5 는이동폐색방식과 방식의비교를한눈에보여주고있 다. Table 2 Comparison of moving-block system and fixed-block system

4 구분이동폐색 운전시격조정여부 속도명령전송방식 선행열차의위치를후행열차가항상검지하여차상에서제동거리및가감속여부를자동계산하므로수요급증에따른운전사격대응이용이함 폐색분할방식에의하여최소운전시격을최초설계시결정하므로최소운전시격이하로의운전이불가능하고수송수요의급증에도대응하기어려움 열차에설치된차상지상의폐색분할과컴퓨터를통해선행선행열차의점유구열차와의안전거리간을기준으로후속를계산하고선로열차에속도패턴에제한속도에근거해따른제한속도명령최적의운행속도를을전송하는방식계한하게됨 앞서말한바와같이철도신호시스템이발전함에따라열차운전방식도함께변화되었다. ATS, ATC는지상신호와무전신호에따라차량의운전및관련된동작을수동으로제어하고, ATO 장치가개발되면서자동으로속도를제어하며자동운전이가능해졌다. 이에승무원은출입문을조작하고출발조작등간단한취급만하면열차를운전할수있게되었다. 자동운전이가능해지면서 CBTC는차량의운전및운행에필요한모든제어를종합관제실에서관리하며차상장치및열차제어장치를유기적으로결합하며무인운전을가능하게만들었다. 최소운전시격약 60~90 초 약 2~3 분 2.4 국내외철도신호시스템 열차간간격조정 시스템시공 실용화단계 안전제동거리계산에폐색구간의한열차운행으로간격최소화가능 선로변운전설비의단순화로현장설비축소및인터페이스단순 경전철에적용하면서운영중에있음 이상으로제한하므로 2 폐색구간의거리손실발생 선로변운전설비시설과다로현장, 실내설비간인터페이스복잡 국내외다양한시스템에널리사용되는방식으로안전입증 유럽열차제어시스템 (ETCS : European Train Control System) 유럽은 1990년부터각국의다른열차제어시스템을통합하여국가간상호운영하기위하여상호호환성을높이며 ETCS를개발및설치운용중이다. ETCS는유럽각국가를통과하는고속철도및간선철도에적용하고있으며, 크게 3단계 ( 1, 2, 3) 의적용기술로구분할수있다. 다음 Table 3은 ETCS 의특성이다. Fig. 4 Moving-block system Fig. 5 Fixed-block system 2.3 신호시스템발전에따른운전방식의변화 Table 3 The characteristic of the ETCS 특징 열차정보전송과위치검지를위한 Balice 사용 1 기존의궤도회로를이용하여선로점유및열차의검지확인 폐색방식을활용한열차간안전거리확보 을이용하여지상제어설비와차상제어설비의양방향통신 열차위치확인목적으로 Balise 사용 2 연속적으로열차의안전속도 ( 제한속도 ) 를감시 열차의검지를확인하기위한설비사용 폐색방식을활용한열차간안전거리확보 3 은 2 와비교하여다음과같은차이점이있음 3 차상신호장치의열차위치정보및열차의검지를토대로선로점유상태파악

지상제어설비에서열차간안전거리 제어 ( 가상블록, 이동폐색 ) 실행할수있다. 아래 Fig.8 는 ETCS 3 의동작원리이다. 1은아래 Fig.6와같이선로변에열차정보전송과위치검지를위해와신호기를설치한다. 이장치들은 ATP시스템과같은불연속정보를주어열차의속도제어를위해궤도에서차량으로일정한시간에따라계속이동권한과정보를전송한다. 동작원리이다. Fig. 8 Operating principle of ETCS 3 Fig.

3의가장큰특징은 1과 2는방식을사용하지만 3은이동폐색방식은사용한다. 따라서신호시스템이모두무선방식에의해구현되면서기존선및고속선에운행에있어가장최적의안전성을제공해주며최소비용으로운영및유지보수를 2.4.

5 지상제어설비에서열차간안전거리 제어 ( 가상블록, 이동폐색 ) 실행할수있다. 아래 Fig.8 는 ETCS 3 의동작원리이다. 1은아래 Fig.6와같이선로변에열차정보전송과위치검지를위해와신호기를설치한다. 이장치들은 ATP시스템과같은불연속정보를주어열차의속도제어를위해궤도에서차량으로일정한시간에따라계속이동권한과정보를전송한다. 동작원리이다. Fig. 8 Operating principle of ETCS 3 Fig. 6 Operating principle of ETCS 1 2는아래 Fig.7와같이지상장치와차상장치의연속적인양방향무선통신과열차의유무를알려주는불연속적인정보전송을통해열차의속도를제어할수있다. 이것은 1과달리와신호기가아닌 ( 국내 LTE-R) 무선전송방식으로열차의속도를제어하는것이다. Fig. 7 Operating principle of ETCS 2 3은완전한 ATC 기능을갖추면서, 연속적인속도제어를실행한다. 3의가장큰특징은 1과 2는방식을사용하지만 3은이동폐색방식은사용한다. 따라서신호시스템이모두무선방식에의해구현되면서기존선및고속선에운행에있어가장최적의안전성을제공해주며최소비용으로운영및유지보수를 중국고속철열차제어시스템 (CTCS : Chinese Train Control System) 중국의고속철도열차제어시스템은초기에는중국고유의열차제어시스템이아닌국외열차제어시스템을도입하여운행하였다. 그러나최근에 CTCS라는중국고유의열차제어시스템을개발하고마련하였으며순차적으로 CTCS의적용을확대해나아가고있다. 중국의열차제어시스템인 CTCS는유럽의 ETCS를체계적으로분석하고검토하며현재적용하고있는열차제어시스템, 향후적용예정인열차제어시스템및중국철도망에적용하기위한 시스템을고려하여적용레벨을 ETCS와유사하게 0에서 4로분류하였다. CTCS와 ETCS의차이점은 ETCS에서는 0을 ETCS가설비가설치되지않은것으로보지만 CTCS는 0과 1로분류하였다. 이는유럽은대부분여러가지의차상신호체계로열차를운행하지만중국은현재신호등에의한지상신호체계와차상신호체계를함께적용하여운행하기에이를분리하기위해지상신호체계를 0으로, 차상신호체계를 1로분류하였다. 또한 ETCS 1은열차를검지하는궤도회로와열차운행에관한사항은주로를이용하나중국의 CTCS 2는열차검지와정보전송은궤도회로에서하고, 는단지선로변환경정보만을전송한다. 그리고 CTCS 3와 4는각각 ETCS 2와 3와동일한개념이다. 아래의 Table 4은 CTCS와 ETCS 을비교해보았다.

6 Table 4 Comparison of CTCS and ETCS CTCS 궤도회로 지상신호 기존궤도회로 차상신호 궤도회로 ( 열차운행정보 ) 궤도회로 ( 열차이동권한 ) 이동폐색 ETCS 궤도회로또는차축계수기 차상신호 (or 지상신호 ) 궤도회로또는차축계수기 ( 열차운행정보및선로변정보 ) 궤도회로또는차축계수기 ( 열차운행정보및선로변정보 ) ( 열차이동권한 ) 이동폐색 단품개념의기술개발은선진국에근접한기술을확보하였지만, 이는단지운영, 유지보수에필요한단편적이고소모적인부품개념의기술이대부분이었다. 즉아직까지도우리나라철도신호는운행의핵심인간격제어및속도제어에대한신뢰성의문제를지니고있으며안전성, 운영효율성의문제로인해해외기술을도입하는추세다. 해외기술의유입은국내시장의축소로이어지고, 이는개발투자자들의국내기술에대한투자가감퇴되며, 투자의감소가국내기술력의성장을저지하고다시선진국의기술을도입하는문제가문제를불러오는상황에놓여있다. 이런것들을해결하기위해서먼저개발투자자들의적극적인지지로국내철도신호산업의경쟁력을키워나가야한다. 이후국내철도산업이발전하면서시장의규모가늘어나게되면국내철도시장에서는안전성및효율성을강화할수있는기술을연구하고개발하며해외기술과맞설수있는, 더나아가서앞서는기술을가져야한다. 따라서향후연구과제는일반및고속선그리고지하철에서상호운영할수있는시스템에대한해결책을모색해야하며, 일반및고속선에서무인자동운전 ATO의개발과모든역사에서복잡하게얽혀있는각종철도신호시스템에대한표준화가필요하다. 2.5 철도신호의정책방향일반및고속선에서는미국을제외한거의모든나라가 ETCS의표준사양을채택하여하나가되어가고있다. 국내에서는 2004년이후프랑스로부터의기술이전을통해가장진보된자동열차제어시스템의기술을습득하였다. 또한지하철에는한국형무선통신기반열차제어시스템인 KRTCS1(KRTCS : Korean Radio Based Train Control System) 을개발하여상용화되었으며한국철도표준규격으로제정되었다. 일반선및고속선에는 KRTCS2가국제표준방식인 ETCS 레벨2를기준으로연구중으로호남고속선에서시험중에있다. 국내의발달된 IT 및통신기술은열차운행관제설비와같은부분에서선진국과동등한기술을축적하였으며, 선로변에설치되는많은 3. 결론 3.1 새로운기술을접목시킨철도신호시스템의개발 21 세기의철도는빠른속도, 안전성, 대량 수송성, 친환경성을바탕으로일상생활속에 없어서는안될교통수단으로발전해왔으며. 앞서언급한바와같이철도신호시스템은열 차운행에있어필수적인요소이다. 국내의 철도신호시스템은수신호에서부터이동폐색 방식까지발전했으나주로해외의철도신호 시스템을들여와사용했다. 때문에우리나라 도철도신호시스템을독자적으로연구및개 발하여사용할필요가있다. 우리는현재 4 차산업혁명이라는새로운시대에직면하고 있으며, 4 차산업혁명에철도신호시스템에

7 직접적으로접목시킬수있는주요기술은 IoT( 사물인터넷 ), 5G(5 세대이동통신 ), AI ( 인공지능 ) 으로추릴수있다. 일반및고속 선그리고지하철에서상호운영할수있는 시스템을 IoT 를기반으로새로운철도신호를 만들고 5G 기술로빠른속도로신호를처리하 고 AI 로과거의신호자료와여러가지경우 의수를딥러닝하여정확하고안전한철도 시스템을만드는연구가필요하다. 이러한 철도신호시스템을만들어국내를넘어 IT 강 국으로서해외철도시장신호분야의최고가 될수있을것이다. 3.2 남북의철도신호시스템통일화와유라시아철도대비 최근남북의문화교류성사, 남북정상회담 개최가확정되면서통일의시대를맞아 새로운도약의기회를맞이하고있다. 앞으로통일이될한반도를위해서현재 낙후되어있는북한철도시설을전반적으로 재정비하고우리나라의최신식철도시스템 적용이필요하다. 또한남북한과유라시아 대륙에속해있는나라들의철도신호 시스템의표준화도필요하다. 이러한 전반적인철도인프라가구축되어향후대한 민국은유라시아철도의시발점또는종착 점이되어활발한국제교류와국가경제에 큰도움이될것이다. 참고문헌 [1] Y. S. PARK (2018), The political directions of Korean Railway Signal, Ministry of Land, Infrastructure, and Transport [2] J. S. Park, S. O. Lee (2012), Comparative study of regulation block system among operating companies according to signaling railway system, Railway Journal of the Korean Society for Railway, 16(2), pp [3] G. H. Hwang, G. Y. Lee, Y. H. Kim, G. S. Lee (2017), Standardization Study of Conventional and High speed railway Signaling System, Spring Conference Journal of the Korean Society for Railway, pp [4] G. S. Lee (2017), The development and standardization of Railway Signal, Railway Journal of the Korean Society for Railway, 20(4), pp [5] Y. H. Kho (2015), Development and understanding of the train controlling system, Railway Journal of the Korean Society for Railway, 18(3), pp39-41 [6] S. G. Kim, J. W. Cho (2013), Introduction of Unmanned Operation and Improvement Direction According to the change of the Urban Railway signal system, Spring Conference Journal of the Korean Society for Railway, pp [7] B. S. Han, J. Y. Pakr, J. H. Choi (2017), Railway Signal, Dongil, Seoul, pp [8] D. S. Kim (2010), A Study on the technical trend of overseas High Speed Railway and the developmental direction of Korean High-speed Railway, Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, pp [9] J. S. Lee, H. S. Jo (2011), A Study on The improvement of urban railway signal system and operational efficiency, Korean Society of Transportation, pp. 19 [10] H. S. Yun, G. J. Jeon, D. I. Sung, K. S. Lee, et al. (2017), Train Control System International Standardization Trends & Globalization of KRTCS for Conventional/High speed railway, Spring Conference Journal of the Korean Society for Railway, pp [11] G. Y. Song, J. S. Choi, S. Y. Heo (2012), Types and functions of block-system, Korea Rail Network Authority, pp.8

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Microsoft Word - KSR2016A108 2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A108 한국형무선통신기반열차제어시스템인터페이스구성연구 A Study on the interface for Korean Radio-based Train Control System 박주훈 *, 홍상아 *, 장선영 *, 김희식 ** Ju Hun Park *, Sang-A Hong *, Sun Young Jang