2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A014 CBTC와 ETCS간의혼용운영사례연구 (1); 영국사례를중심으로 A Case Study of Mixed Operation Between CBTC and ETCS ; Focusing on A Case in The United Kingdom 강병욱 *, 박종문 *, 오세화 *, 이재호 *, 김진환 *, 이종승 * Byung Wook Kang *, Jong Moon Park *, Sea Hwa Oh *, Jae Ho Lee *, Jin Hwan Kim *, Jong Seung Lee * 초록본논문은 CBTC 와 ETCS 를혼용하여사용할때고려되어야할적용가능한기본적인개념과운영적인측면을다루고있다. 이개념들은열차제어시스템연결구간에서전환이이루어질때차상설비가원활하게동작하고지상설비를각각의열차제어시스템이공통으로사용하는것이라할수있다. 이러한개념들은운용노선의특성에따라결정하게되며, 인터페이스에서부터비롯된세부사항들은두열차제어시스템의유사점과차이점에서부터시작된다. 본논문에서는열차제어시스템을운영노선의특성에맞추어혼용운영하는방안을영국사례를중심으로소개하고자한다. 주요어 : CBTC, ETCS, 혼용운영, 상호운영 1. 서론유럽철도는현재까지열차제어시스템을 ETCS 레벨2로구축할경우기존설비와혼용하여운영해왔으며, 무선관련인프라가잘갖추어져있는유럽에서도보통은레벨0, STM에서 ETCS 레벨2로변경하였다 (1). 하지만이노선에운용되는차상장치가모두한번에개량되지못함에따라 ETCS 레벨2 차상장치가장착되지않은차량을위하여레벨0, STM 지상장치를철거하지않고혼용하여운영되고있다. 또한, 대도시등의도심구간을위한 CBTC 시스템과도시와도시간을운용하는 ETCS 시스템을혼용운영하기위한방안이주목받고있다. IRSE(Institution of Railway Signal Engineers) 기술회의에서발표된논문에서영국 Thameslink와 Crossrail 노선을위해계획된열차제어시스템이설명된적이있으며, 이두프로젝트모두열차가도심지에서도심인근의철도노선을통과하도록하고도심지핵심구간에서고밀도열차운행 ( 시간당열차 24대 ) 을제공하는것이목적이다. 하지만핵심구간의열차제어기술선택에관해근본적으로서로다른의사결정을내렸다.(2) 본논문에서는위에서설명된영국의두노선을소개하고핵심구간에서의열차제어시스템선택에있어고려되었던사항을확인함으로써운영노선의특성에맞추어혼용운영방안을마련한사례를소개하고자한다. 교신저자 : 네오트랜스주식회사기술연구팀 (byungwook2.kang@shinbundang.co.kr) * 네오트랜스주식회사
2. 본론 2.1 CBTC 와 ETCS 혼용운용을위한기본적개요열차제어시스템은역과본선에서운행되는열차의최적운행을돕기위한설비를말한다.(3) 유럽의 ETCS(European Train Control System) 시스템의기본적인목적은철도운영자에게방대한크기의철도망에서각기다른종류의차량이함께쓰일수있는상호운영성을제공하는것이라할수있다. 하지만 CBTC(Communication Based Train Control) 는무인운전기술과, 동일한노선내동일차량을기반으로최적의효율성을도출함으로써도심대중교통깊이자리잡고있다고할수있다. 물론각각의열차제어시스템은위에서언급된도심지또는도시와도시간연결노선적용에필요조건들은갖추고있다. 이러한주요필요조건들은 ETCS의상호운영성과도심내고밀도상태의노선에서기능을실현할수있는무인자동운전체계라할수이다. 2.1.1 CBTC 와 ETCS 의주요특징 Table 1은 CBTC와 ETCS의주요특징을비교한것이다. 차상장치에서의이동권한에대한속도감시는두시스템모두유사한기능이다. 하지만이동권한을생성하고제공하는방식이두시스템의주요차이점이라할수있다. CBTC는단 ( 짧은 ) 처리체계와통신주기에최적화되었으며, 그로인해선로정보 (Track Data) 가시스템을설정하는주요요소가된다. ETCS는상호호환성과국경을넘나드는교통수단에좀더초점을맞추고있으며, 그로인해차량과지상간의유동적이고포괄적인통신용어를사용하고있다. 결과적으로, 두방식의융합에대한수요가지속적으로증가하고있는도심을통과하는열차제어시스템으로써제안되고있다. 또한, PSD 조작을포함한 ATO의기능을통한 ETCS에보완하는방식의실현가능성은연구중에있으며다수의시뮬레이션을통하여검증되기도하였다 (2). 하지만 CBTC와 ETCS의혼용은예상하는것보다더나아간기능과성능적이점을가져올것으로여겨진다. Table 1 Characteristics of CBTC and ETCS(2) CBTC ETCS L1/L2 Position reference On-board localization Evaluation of movement authority Speed supervision Balise or Tag Position reference + odometry Provided by wayside By on-board control unit Train separation principle Moving block Fixed block Transmission of movement authority WLAN radio Balise / GSM-R Train speed Up to 160km/h >300 km/h Automatic train operation STO, DTO, UTO - Processing/communication cycle < 1 Sec > 1 Sec * STO: Semi-automated Train Operation, DTO: Driverless Train Operation, UTO: Unattended Train Operation
2.1.2 CBTC 와 ETCS 간의전환 CBTC와 ETCS 모두기능적인측면에서열차기능 (Dual-fitting) 은특정편성에대한도시철도로서의성능을극대화시켜야할경우에적용이가능할것으로판단된다. 이러한사례는도심외곽에위치한통근열차노선의역과도시철도노선에추가적인역을통하여연결할때적용된다. 역과열차간의간격이짧은노선의중심부는 CBTC가적합한반면, 일반 / 고속열차가운행하는역간의거리가긴경우에는 ETCS와국가고유열차제어시스템이적합할것이다. 그렇기때문에원활한열차운행을위해서는시스템간연결구간에서의전환절차가필요하다. 대체적으로하나의열차제어시스템으로부터다른열차제어시스템으로원활한전환절차를위해서는전환절차이전에비활성화되어있는열차제어시스템의특정한준비단계가필요하다. 해당단계동안, 차상장치는지상열차제어정보를수신하여열차제어권한을필요할때넘길수있도록준비해야한다. 실제적용시전환절차는운행중혹은열차가정차해있을경우에전환이될것이다. 이는 ETCS가이미규정되어있는전환절차를가지고있기때문에 ETCS에서 CBTC로의전환과 CBTC에서 ETCS로의전환절차모두에적용이가능할것이라판단된다. EVC는 STM의기준인터페이스를통하여전환절차를수행하며각각의레벨전환발리스를통하여절차를개시하게될것이다. 하지만특수한시나리오또한고려해야한다, 예를들어, CBTC체계가아닌열차의기능구현, 자동전환절차장애, EVC 장애, CBTC 및 ETCS 구간내혹은두시스템체계가적용되지않는구간에서의전환절차시행등이있을것이다. 2.2 혼용운영사례분석 2.2.1 영국 Thameslink 와 Crossrail 영국의두노선에서열차제어시스템을도입한사례를보면 St.Pancras와 Blackfriars간기존남-북노선개량프로젝트인 Thameslink는상호운용가능한 ETCS 레벨2 신호로정하였고, Paddington과 Liverpool간터널의신규동-서노선인 Crossrail은도시철도적용에서입증된 CBTC로정하였다. 물론, ETCS와 CBTC의시스템범위가동일하지않기때문에이두시스템을비교하는것이간단한것은아니다. CBTC가 ATO( 열차자동운전 ), 연동장치, 관제실기능을포함하는통합형신호시스템을설명하기위해사용되는용어인반면, ETCS는 ATP( 열차자동방호 ) 및차상신호기능및인터페이스에관한표준이라할수있다. Thameslink의경우, ETCS 구성은연동장치등기존신호설비에통합될뿐아니라수동운전으로인한선로용량및에너지손실을방지하기위해 ATO 시스템도통합하고자연구가진행중이다. Crossrail의경우공급사가기존의고정폐색인선로변신호와호환성또는기타공급사장치와의상호운용성에대한필요성으로인해, 통합형 ATO를이용하고이동폐색원리로설계된 CBTC 솔루션을선택함으로써이종 ( 異種 ) 시스템에대한통합문제들을해결하기위해
노력을하고있다. 이런선택을이끌어낸운영및상업적결정을두논문 (1),(2) 에설명하였다. 그러나이런유형의도시간교외철도의운영은다른유럽도시에존재하거나예정되어있는것이기때문에, 신호기술관련의사결정의필요성은런던만의고유한문제는아니다. IRSE 국제기술위원회는런던의사례와비교해볼만한현재진행중인다른프로젝트에관한자료를수집하여, 공통주제를분석한적이있다. 2.2.2 프로젝트비교 기존시스템을철거하기이전에사용중인시스템이기여하는바를평가해야하며 ETCS 시스템이나 CBTC 시스템을적용하기이전에요구사항이충분히검토되어야한다. Table 2에서볼때여러가지요구사항에대한솔루션을설명하고있는데결국 ETCS시스템이레벨 2이상이되면 CBTC시스템과물리적기능적으로유사한것으로판단된다. Thameslink 는 ETCS/ETCS를선택하였고, Crossrail은 CBTC를선택하였다. Table 2는두프로젝트를비교하여설명하고있다. Table 2 Characteristics of CBTC and ETCS(2) 구 분 Thameslink Crossrail 인프라관리자 국철 (Network Rail) 도시철도 (TFL) 개통시기 2018년, 4개역사 2018년, 6개역사 선로용량 24 tains/h ( 신규열차 ) 24 tains/h ( 신규열차 ) 자동화레벨 ATO ATO+PSD 도심지주시스템 ETCS Level 2 CBTC 도심지부시스템 선로변신호기및 TPWS/AWS - 전용시스템 ETCS 및 AWS/ TPWS CBTC * AWS /TPWS : Automatic Warning System /Train Protection & Warning System 2.2.3 고찰 서로다른프로젝트의특성을비교해볼때, 가장주요하게드러나는내용은바로도시중심부와외곽지역중에서어디를더중시하는가에관한문제이다. 주요한점들로서 ETCS 를선택한프로젝트들은기존의광역철도망간의연결로서고려하고있고, CBTC를선택한프로젝트들은광역철도망에서운행되는도시철도로서고려하고있다는점은명백하다. Crossrail은스크린도어 (PSD) 를설치할예정이지만, Thameslink는그렇지않다. Crossrail에는전용관제실이설치될예정이지만, Thameslink는그렇지않다. Crossrail은지역인프라관리자가별도로있지만, Thameslink는영국의국가시설관리자 (Network Rail) 산하에소속된다.
Crossrail의시운전전략에따르면, 초기에는핵심구간내에서열차운행을시작하며 (1), Thameslink는기존의도시간운행노선으로서, 신호개량등추가열차운행서비스가계속도입될예정이다. 이런철도운영기관들의생각을알게되면, 신호시스템을선택하는이유가보다분명해질수있을것이다. 다시말해, 도시철도프로젝트는선로용량이높은도시철도에서적용성이입증된 CBTC 시스템을선택할것이고, 광역철도관련사업의경우, 광역철도에서사용된 ETCS 기술을선택할것이다. 이로써요구되는선로용량을제공하기위해도심지에서그적용성을최적화시키는방법을모색해나갈것이다. 그러면어디에서위험을감수해야하는지선택의문제가발생하게된다. Thameslink의경우 ETCS가높은선로용량을제공하면서 ATO와통합을할필요가있는지아직검증되지않았다는점에서취약하다. 최악의경우, 시간당최대 24대의열차운행을신뢰성있게수행하지못할수있다. Crossrail은다양한신호시스템간에, 다시말해, 도심지의 CBTC와기존교외구간의 ETCS 및기존영국신호시스템인 AWS/TPWS 간의변환이검증되지않았다는위험이있다. 다음그림은 Crossrail의노선현황을보여준다. 선의굵기가굵을수록시간당운행하는열차수가많은것으로런던중심부인 Paddington과 Stratford 구간에서열차운행이가장많음을알수있다. Fig 1 Enhancement of Inner-city Transportation and Connection of Main Lines(4) Fig 2 Optimal Utilization of Infrastructure and Rolling stock(4) 물론, 이상적인해결방안은기존 CBTC 시스템이달성한검증된선로용량을제공하면서, ETCS 규격을준수하는시스템일것이다. 유럽의경우이에문제되는핵심요소는 ETCS 차상
과지상간의통신에서사용되는 GSM-R 회선교환데이터링크의속도및선로용량제한일것이다. 유럽에서는이부분이수년간 ETCS 개념의약점으로인식되어왔으며, 이제는현대식인터넷프로토콜데이터통신에기반하여규정에대한개정을추진하고자검토중인것으로확인하였다 (2). 이런문제들이해결된다면, ETCS/ETCS와 CBTC 기술의융합이가능하게될것이다. 유럽의열차제어시스템공급사들은이미이러한기술융합을계획하고있었으며, 몇가지사례에서이두시스템에대해동일한하드웨어플랫폼을사용하고있다. 3. 결론앞서본문에서유럽이경험하고있는열차제어시스템의향후방향에대해거론하였다. 이는먼미래가아닌현재에앞선미래에서다가올우리나라의고민과도비슷할것이다. 우리나라에서경험하고있는고민과시행착오를조금더빨리경험하고있는유럽의사례를토대로조금더앞서향후방향을고민함으로써더나은결정을내릴수있는방안을마련할필요가있을것이다. 세계적으로앞서고있는우리나라의 IT기술과목표한바를기한내이루는신속성을가지고있는우리나라의저력을감안한다면현재는차이나고있는현대철도의기술을그들과경쟁할수있는수준까지빠른시일내에이룰수있을것이라저자는판단한다. 또한철도라는복합산업분야에정량적인목표를세운다는것은어려울것이며, 조금더앞선기술을개발할수있다는도전적인목표를가지고이행하는것이우선이라생각된다. 후기 This research is supported by a grant from Railway Technical Research Project (15RTRP-B089551-02) funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport of the Korean government. 참고문헌 [1] Andreas Steingrover(2013), CBTC or ETCS for Cross City Suburban Rail, SIGNAL+DRAHT 1+2, pp. 29-33. [2] Ian Mitchell(2013), CBTC or ERTMS for Cross City Suburban Rail?, IRIS NEWS ISSUE 188, pp. 8-10. [3] 한국철도시설공단철도용어집, www.kr.or.kr, 2015.09.16 [4] Siemens, A Solution for a High-speed Cross-urban Application, ERTMS Conference 2014 [5] Byung Wook Kang, A Study of Interoperability for Mixed Operation of Train Control System, 2015 Spring conference of the Korean Society for Railway (2015)