2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A358 통근형 2층고속열차시스템기초연구 Preliminary Investigations of Intercity Double Deck High-speed Train System 이찬우 *, 김형진 *, 고태환 *, 권석진 * Chan-Woo Lee *, Hyeong-Jin Kim *, Tae-Hwan Ko *, Seok-Jin Kwon * Abstract This study increased up to 200% more than the KTX-Sancheon high-speed vehicles, transport capacity intercity double deck of high-speed train system developed basic research. Route characteristics, rather than the transport capacity augmented with an emphasis on the concept of awards for tourism in the country for a double deck ITX-Cheongchun vehicle. In this study of domestic high-speed rail service routes put the most from Seoul to Daejeon in the interval, the current passenger commuter-type vehicles that can reduce the burden of future high-speed rail passengers' fares on the development of intercity double deck high-speed trains basic research. Intercity double deck high-speed trains, the specification of the technical objectives presented in this study, KTX-Sancheon train passengers at more than 200% increase over the equivalent of 300km / h with the same service speed was defined. Therefore, in this study, according to the specifications of the technical objectives technically challenging problems centered double deck high-speed train system, basic research was conducted. Keywords : Double deck high-speed train, Transportation capacity, KTX-Sancheon, ITX-Cheongchun 초록본연구는 KTX-산천고속차량에비해수송능력이최대 200% 이상증대된통근형 2 층고속열차개발을위한시스템기초연구이다. 국내에서운행되고있는 2층열차인 ITX-청춘열차는수송력증강보다는운행노선특성상관광을위한개념이강조된차량이다. 본연구에서는국내고속철도운행노선중현재승객이많은서울 ~ 대전구간에투입하여, 향후고속철도이용승객들의운임부담을저감할수있는차량인통근형 2층고속열차개발에관한기초연구이다. 본연구에서는 2층고속열차의기술적목표사양을 KTX-산천대비 200% 이상이용승객이늘어나는것과운행속도는 300km/h로정하였다. 따라서본연구에서는기술적목표사양에따른기술적도전문제중심으로통근형 2층고속열차관련시스템기초연구를실시하였다. 주요어 : 2 층고속열차, 수송력, KTX- 산천, ITX- 청춘 1. 서론 국내고속철도 KTX 열차가처음운행한날은 2004 년 4 월 1 일이다. 고속철도개통초기인 교신저자 : 한국철도기술연구원첨단고속철도연구실 (cwlee@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원첨단고속철도연구실
2005년도 KTX 연간이용자는약 3,210만명정도에서 5년후에는 2010년에는 4,076만명으로증가하였다. 또한 2010년 12월경부고속철도 2단계구간인동대구 ~ 부산구간이완전개통된이후인 2011년에는고속철도이용자가약 5,042만명정도가증가하여, KTX 열차 1 일평균이용자가 14만명시대가될만큼폭발적으로증가하고있음을알수있다. KTX 열차운행노선도개통초기인 2005년에는경부선및호남선만운행되다가, 2012년현재에는경부선 ( 서울-광명-대전-동대구-부산, 서울-수원-대전-동대구-부산, 서울-광명-동대구-밀양- 구포-부산 3개노선 ), 호남선 ( 용산-서대전-광주 / 목포 ), 전라선 ( 용산-익산-여수엑스포 ), 경전선 ( 서울-대전-동대구-밀양-마산 ) 등 Fig. 1과같이 KTX 열차운행노선이다양하다. Fig. 1 KTX train route 국내의고속철도이용객들의증가세는고속철도먼저운용하고있는나라들인일본, 프랑스, 독일등에서경험하였던것처럼개통 6~7년차이후우리나라에서도유사한증가세를보여주고있다. 일본및프랑스에서는늘어나는고속철도이용승객들을수용하기위해프랑스 SNCF에서는 2층고속열차인 TGV-duplex 열차를개발하여 1995년부터운행하고있고, 일본동JR 에서는동경권의출퇴근이용승객들을감당하기위해 2층고속열차인 E1 및 E4(MAX) 을개발하여 1994년이후운행하고있다. 본논문에서는우리나라에서고속철도이용승객들의출퇴근거리로예상되는서울 ~ 대전구간및부산 ~ 동대구구간의잠재적인이용승객증가에대비한 2층고속열차에대한연구를한국철도기술연구원에서 2011년부터진행하고있는것을중심으로 2층고속열차운영국가들의 2층고속열차개발배경을먼저검토한후, 우리나라 2층고속열차도입필요성과운행노선에대한차량 / 시설인터페이스검토그리고국내실정에적정한 2층고속열차개발사양관련기초시스템연구결과를제시하였다.
2. 2 층고속열차개발배경 2.1 일본 2층고속열차를가장먼저운행하기시작한일본의경우에는일본의수도권과동북지역을기반으로영업을하고있는 JR-East이다. JR-East에서운행중인이층고속열차는 1994년에영업운행을시작한 E1열차와 1997년에영업운행을시작한 E4열차가있다. 일본의 2층고속열차가계획되어지고수립된배경에는크게네가지요소가있다. 첫번째는급증하는수요에대한대비책이다. 동경대도시권역중심으로부터 100km 거리정도에거주하고있는사람들이급증함으로인한고속철도이용수요발생이다. 두번째로는출퇴근시간급증하는학생들과직장인들의출퇴근수요에대한서비스제공문제이다. 세번째로는일부구간에대한고속신칸센운행선로용량한계에대한기술적인문제이다. 마지막으로급증하는고속철도수요와고밀도운행을합리적인선상에서해결할수있는기술적인대안이필요부문이다. 이에대한것이 Fig. 2 이다. Fig. 3은일본 JR-East에서운행하고있는 2층고속열차인 E1 및 E4 열차상업운행시점과 2층고속열차운행으로인한수송력증가를보여주고있다. Fig. 2 Double decker Shinkansen train developed background Fig. 3 Double decker Shinkansen train service routes and passengers by year 2.2 프랑스프랑스에서의 2층고속열차를개발하게된가장큰이유는파리 ~ 리옹구간이 1981년 TGV 개통이후 7년이후고속철도이용승객증가가수송용량을초과하게된것이다. 파리 ~ 리옹구간의수송용량포화상태를극복하기위한대안으로크게세가지가제안되었다. 첫번째가바로, 열차투입시간을단축하여열차투입시간인 Headway를약 3분까지짧게하는것이었다. 이는복잡하고정교한신호시스템및고성능제동장치가요구되어더많은열차를투입하여수송용량을증대시키는방법으로는기술적인문제와안전문제가결부되어더욱복잡한
문제가나오게되어이방법을적용하는데에도한계가있는것으로평가되었다. 두번째인 TGV 열차를고속화하는프로그램이다. 이프로그램은기존고속선로에서주행하는 TGV 차량주요구성품의신뢰성문제와궤도및전차선같은인프라유지보수비의증대등으로인하여 1987년당시 TGV가운행되고있는노선에서의속도향상은재정적인문제와기술적인문제가함께대두되어중장기적으로접근하여, TGV 신규노선건설시인프라와신규고속차량개발을함께진행하는것으로결정되었다. 세번째로남은프로그램이바로한번의운송으로수송용량을증대시키는 2층고속열차개발을검토하는것이다. 프랑스철도공사인 SNCF에서파리 ~ 리옹노선과같이여객수송이포화상태인노선에대한극복대안으로가장경제적인프로그램으로 2층고속열차인 TGV-duplex 개발관련타당성조사를 1987년파리 ~ 리옹구간승객이급증하는대안측면에서타당성조사를실시하였다. 1988년본격적인개발프로그램에따라 Mock-up을제작하여승객들의반응을검토하였다. 2층고속열차의기술적문제점등을극복하기위한열차의동적거동관련공기저항을최소화할수있는구조, 2층구조에따른경량화를위한알루미늄압출재적용, 열차충돌시승객안전을위한충격흡수장치설계, 팬터그래프의성능향상, 경량화를위한기존디스크제동장치를차륜-답면디스크제동을통한경량화를위한설계구조변경, 객실의이층구조에따른구조해석등을시뮬레이션을통해검증한후마지막으로승객서비스개선차원에서의객실구조결정등을통해승객을 45% 증가시킬수있는 2층열차인 TGV-duplex 열차제작을 1990년착수하여 1995년 6월 21일 1편성열차가나오게되었다. Fig. 4 프랑스 TGV-duplex 차량을보여주고있다. 특별히프랑스에서의 TGV 고속열차는 2007년이후발주되는모든차량은 TGV-duplex 또는 TGV-Euroduplex 열차와같은 2층고속열차로한정하여발주하는것으로정책이결정되었다. Fig. 4 TGV-duplex train 2.3 우리나라우리나라의 2층고속열차개발배경에는우선정책적으로 제 2차국가철도망구축계획 2011~2020년 (2011.4.4) 을통해프랑스 TGV-Duplex, 일본 E4-Max 등 2층고속열차운행중으로기존열차에비해좌석용량 30~40% 증대되어진예시를명시하여높은수송효율로가격인
하가가능한 2층고속열차도입을추진하고자하는것과 국가기간교통망계획제 2차수정계획 2001~2020년 추진전략측면에서도고속철도를중심으로한주간선망과연계수송체제를구축하고, 철도수요증대및효율성강화에중점을두어정부정책을추진함을명시하고있다. 녹색교통수단으로서철도차량의활성화를위해고속철도망적기완공및전국고속화간선철도망을구축하고철도산업을고부가가치성장동력으로육성하여, 철도산업을시장지향적으로육성하고, 맞춤형열차운행 (2층열차및입 / 좌석병용열차개발등 ) 도입계획을가지고있었다. 저탄소녹색성장을위해교통 SOC 투자방향을전환하여철도투자확대, 대중교통활성화및녹색교통기술개발촉진하고, 도로 철도등국가교통체계의종합조정을통해고속철도의적기완공과간선철도의고속화 전철화를추진하여전국고속화철도망구축및속도경쟁력을확보하고자계획을가지고있다. 국토해양부 2012년업무보고 (2011.12.27) 를통해서세종시출범 (12.7) 과더불어 2014년까지 3단계로구분하여 36개중앙행정기관등이전완료예정이며, 녹색교통 / 도시의성공적안착을위하여철도중심교통기반구축, 철도관광활성활등의추진계획을가지고있음을표명하였다. 행정복합도시인세종시에 9부2처2청등 36개기관 10,452명의공무원 2012년부터 2014 년간이주계획으로인한민원인및공무원출퇴근자의폭발적증가가예상되고있으며, 오송생명과학단지는기업체, 대학, 연구소, 국책기관이집적된생명공학클러스터로조성되어 2010년말현재식약청, 질병관리본부, 식품의약품안전평가원, 국립보건연구원등 6개기관 2,400여명이서울 ~ 대전구간의출퇴근여객의폭발적증가로 2012년 3월현재 KTX 수송에한계가기도래되어있는실정이다. 우리나라에서 2층고속열차를개발하고자하는가장큰배경은고속철도서울 ~ 대전구간출퇴근시간수송력한계도달시점을 2014년으로예상하고있으며, 이에대한해결방안을도출하고자하는것이통근형 2층고속열차를개발하는배경이되고있다. 3. 통근형 2층고속열차설계사양 ( 안 ) 및기술적도전문제본연구에서제시하고자하는통근형 2층고속열차설계사양 ( 안 ) 은첫번째로철도안전법에서제시하고있는축중 17톤을만족해야하고, 현재운행되고있는 KTX-1 및 KTX-산천차량이운행되고있는운행선로에서문제가없어야하는것이기본적인출발점이다. 다시말해현재운행되고 KTX 운행선상의역사시설, 전차선, 터널, 교량및유지보수시설에대하여기본적으로추가시설이나변경이없도록설계사양 ( 안 ) 을사전할필요가있다. 두번째로수송력증대측면에서현재운행되고있는 KTX-산천 1편성수송능력인 363명이다. 본연구에서개발하고자하는통근형 2층고속열차는기존 KTX-산천 1편성수송능력대비 100% 증가되는편성 ( 안 ) 과 200% 증가되는설계사양 ( 안 ) 을 Table 1에제시하였다. 수송력증대에따른통근형 2층고속열차설계사양 ( 안 ) 은기술적으로도서로다른접근을해야하기때문에개발하고자하는 2가지사양 ( 안 ) 에대한주요기술개발내용이 Table 1에함께제시되어있다. Fig. 5는통근형 2층고속열차개발에따른핵심기술개발의상관관계를보여주고있다. Table 1에서보는바와같이 KTX-double deck type 1은현재의 KTX-산천차량에서차량당약 7톤에해당하는경량화기술이핵심기술이다. 이에비해 KTX-double deck type 2
는객차의평균차축이 3개이므로경량화문제보다는차량기기배치및좌석배치가문제가된다. KTX-double deck type 2 의경우 1층좌석은관절대차부위에는 2x1 좌석설계를하고기존대차부위에는차량기기및차내설비등기본적으로무게가나가는장치들을고정형으로배치함으로축중불균형문제를기본적으로해소한후, 변동하중에해당하는승객을입석위주로해줌으로단위면적당승객밀도를높여주는형태로설계 ( 안 ) 를제시해줌으로출퇴근시보다많은사람이승차할수있도록제시되고있다. KTX-double deck type 1의경우에는경량화문제를해결하기위해차체골조두께를최대한얇게하고, 이음매형상설계를최적화함으로경량화를해주어야한다. 또한 2층바닥재부분에있어서는항공기에서사용하고있는고강도알루미늄 + 마그네슘합금재료를사용하고실내설비및의자의경우항공기와같이가벼운소재로바꾸어야기본적인축중한계설계를달성할수있다. 또한 KTX-double deck type 2의경우에는대차형식이기존대차 + 기존대차 + 관절대차 + 기존대차 + 기존대차 + 관전대차형식으로연결되므로이에대한차량정적 / 동적거동특성관련주행안정성, 임계속도, 윤중변화율및공력특성등을검증해야하는기술적도전문제가남아있다. 본논문에서는수송량증대측면에서의통근형 2층고속열차에대한기본적인사양 ( 안 ) 과기본적인기초시스템을제안한상태로추후상세한연구를통해가장수송력이큰통근형 2층고속열차개발을위한기초연구를제시하였다. Table 1 Specification of double-deck high-speed train Car types KTX-Sancheon KTX-Double deck KTX-Double deck Item Type 1 Type 2 Power Power centralized Power centralized Power centralized Bogie number Articulated : 7ea Conventional : 6ea Articulated : 7ea Conventional : 6ea Articulated : 4ea Conventional : 12ea Operating Speed 30km/h 300km/h 300km/h Height 4,300mm 4,500mm 4,500mm Total passengers 363 726~780 1,089~1,100 Formation 2 Power cars + 8 Passenger cars 2 Power cars + 8 Passenger cars 2 Power cars + 2Motorrized cars + 6 Passenger cars Axle number 26ea 26ea 32ea Door number 1ea/car 2ea/car 2ea/car 참고문헌 [1] C.W. Lee, H. J. Kim(2012) Preliminary investigations of a double deck high-speed train system for the Korean railroad network, 2012 Spring conference KSME MF, pp. 327-328. [2] H.J. Kim, C.W. Lee(2012) Investigation of overseas high speed and intercity double deck train system, 2012 Spring conference of the KSR, pp. 175.