2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S059 철도선진국고속철도개발비교연구 Improvement derived through the high-speed train derailment case study. 한상욱 *, 서승택 *, 남정현 *, 박진호 *, 박효원 *, 안현근 *, 박정수 ** Han Sang-Wook *, Seo Seung-Teak *, Nam Jeong-Hyun *,Park Jin-Ho * Park Hyo-won *, An Hyun-Geun *, Park Jeong-Su * * Abstract The high-speed express railway has recently developed countries of the nex t-generation transportation in the limelight. Speed and accuracy of operation as well as delivery capability, accessibility, and a variety of reasons that he has no air p ollution. Be aware that this useful form that suits us a high-speed railway to need a lot of research and technology development. We are therefore in developed countries are of high speed railway, comparison, researching the technology development cases w here they would suggest to the direction of the bullet train conforming to our countr y. Keywords : High-speed express railway, Technology Development, Railroad developed countries, transportation 초록최근고속철도는선진국들의차세대교통수단으로각광받고있다. 속도와수송능력뿐만아니라운행의정확성, 접근성, 그리고대기오염이없다는다양한이유때문이다. 이렇게유용한고속철도를우리에게알맞은형태로이용하기위해서는많은연구와기술개발이필요하다. 따라서우리는철도선진국들의고속철도기술개발사례들을비교, 연구하여우리나라에적합한고속철도의방향을제시하고자한다. 주요어 : 고속철도, 기술개발, 철도선진국, 교통수단 1. 서론 일반적으로철도는기술적인분류, 경제적인분류, 경영상의분류에의하여여러유형으로나누어진다. 그중에서고속철도는시속 200km/h 이상의철도를말하는것으로위의유형들과는달리속도에따라분류가된다. 본논문에서는수많은철도중고속철도의개발과그동향에관하여서술하고자한다. 고속철도는분류기준이속도인만큼다른열차에비해사고의위험도많고그여파도거대하기때문에다양하고심도있는연구와개발이필요하다. 따라서다양한철도선진국들의고속철도개발사례를비교분석하여각국의고속철도가가진여러시스템과문제점, 그에대한대책등을알아볼뿐만아니라우리나라의고속철도발전을위해서는어떤시스템도입이필요한지에대해서살펴보고자한다. 교신저자 : 동양대학교철도학술동아리 T.R.M 한상욱 * 동양대학교철도학술동아리 T.R.M ** 동양대학교철도학술동아리 T.R.M 지도교수
2. 본론 2.1 고속철도란? 2.1.1 고속철도란무엇인가? 고속철도의정의는그시대의기술발전정도에따라다르다. 1950 년대초반까지는기술적한계때문에열차최고속도가 100km/h 이상이면고속철도라하였다. 하지만 1960 년대이후기술이급격히발전하여오늘날에이르러서는바퀴식철도최고속도가 350km/h 이상까지가능한기술수준을가졌기때문에최고속도 200km.h 이상의열차를고속철도라정의한다. <Table 1> High-speed train by county comparison 일본 ( 신칸센 ) 프랑스 (TGV) 중국 (CRH) 구분 구간 영업거리영업최고속도개통시기 (km) (km/h) 도카이도 도쿄 ~ 신오사카 552.6 1964. 10 285 산요 신오사카 ~ 후쿠오카 644.0 1972.3 1975.3 300 독일 (ICE) 조에쯔오오미야 ~ 니아키타 303.6 1982.11 275 240 총연장 1,500.2 동남선 1981.9 270 파리 ~ 리옹 426 (TGV-SE) 1983.9 300 대서양선 1989.7 파리 ~ 로망 ~ 뚜루 280 (TGV-A) 1990.9 300 북부선 1999.5 파리 ~ 릴르 330 (TGV-N) 1994.11 300 순환선 동남선대서양선을북부선에연결 104 1995.5 총연장 1,140 베이징 - 톈진 136 2008.8 350 우한 - 광저우 1,068 2009.12 394 정저우 - 시안 505 2010.1 350 상하이 - 난징 2010.7 350 상하이 - 항저우 2010.10 350 베이징 - 상하이 1,318 2011.6 350 베이징 - 우한 1,180 2012.2 350 SMT 상하이자기부상열차 37 2004.1 430 총연장 4244 하노바 ~ 위르쯔부르그 327 1991.5 280 만하임 ~ 슈투트가르트 100 1991.5 280 총연장 427 2.2 철도선진국들의고속철도현황 2.2.1 세계의고속철도현황초창기철도는준수한속도와운송능력, 정시성등의이유로환영을받았지만높은건설및유지보수비와기술력부족으로건설이제한되어일부도시들을연결하는데그쳤었다. 하지만최근에는고속철도의기술개발로인해기존의장점들을극대화시키는한편, 건설기술향상과건설및유지보수비절감에도성공하여국토내의도시들을하나로묶어주면서차세대교통수단으로세계의주목을받고있다. 이미세계의철도선진국들은전국토를아우르는철도망을체계적으로갖추고있으며 2
최근에는고속철도를신설하는동시에기존의철도시스템과고속철도를연계하는등다양하고효율적인방식을채택하여철도의전체적인질을향상시키며철도의영역을전국토로확장시키는데집중하고있다. <fig1> Europe and the World s High-Speed Rail plan and status 2.2.2 일본의고속철도일본은 1964 년에국제철도연맹 (UIC) 이규정한고속철도의조건을최초로만족시키는신칸센을개통하면서 60 년대비행기에비교당해저평가되던철도계의새로운비전을선보인역사를가지고있는철도선진국이다. 일본의대표적인고속철도신칸센은일본국민에게대대적인관심과사랑을받고있으며그에걸맞게빠른속도와탁월한운송능력, 그리고세계최고수준의정시성과안전성을자랑한다. 특히비교적짧은역간거리나밀집된인구분포, 그리고주요구조물등에서상당수비슷한형태를보이고있는우리나라로서일본의신칸센은고속철도기술개발에관하여여러측면에서참고할사항이많은고속철도다. <fig2> Japan s high-speed rail plan and status 3
2.2.3 프랑스의고속철도프랑스는일본의신칸센이성공적으로투입이후고속철도개발에박차를가해우리나라 KTX 가탄생하는데발판이된 TGV 를개발해내었다. 동력집중식과연접대차라는특이한방식을채택한 TGV 계열의여러고속열차들은다양한노선조건하에서 6000km 이상상업운행함으로서시스템의안전성과신뢰성을선보였다. 그장점을토대로유로스타주역차량의자리를차지하였으며 2007 년에는시속 574.8km/h 라는고속철도세계최고기록까지달성하였다. 게다가최근에는기존의방식인동력집중식대신세계적추세인동력분산식을택한 AGV 의개발로운송능력과에너지효율도향상시키는데성공했다. 탁월한속도향상능력과기존노선과도연계가가능한 TGV 의넓은범용성은우리가해외고속철도시장을이끌어나가기위해서는반드시필요한사항이다. <fig3> France high-speed rail plan and status 2.2.4 독일의고속철도독일의 ICE 는고속철도의선발주자인일본과프랑스에비해상당히늦은 1991 년에첫선을보였다. 시작이느렸던독일이지만특유의우수한기술력을바탕으로프랑스와함께동력집중식을채택하거나틸팅기술을적극적으로도입하는등다양한노력을통해빠른성장을보여왔다. 하지만당시고속철도사상최대의사상자를낸에세데사고, 그리고틸팅기술로인한안전성문제로 4 년간운휴하는등의크고작은문제들을겪으며잠시난황을겪기도했었다. 그러나최근에는모든역경들을딛고전작들보다유체역학에충실한디자인과세계적추세인동력분산식을택한 ICE3 를선보이면서해외수출에성공하는동시에유로스타의차세대차량으로채택되는등다양한성과를보이고있다. 우리나라의경우곡선구간의개량으로인해국내틸팅열차의도입이무산되었지만노선의형태가다양한해외시장에진출하기위해서는필요한기술이다. <fig4> Germany high-speed rail plan and status 4
2.2.5 중국의고속철도중국은세계에서넓은국토와세계최고의인구수를가진만큼고속철도의도입이가장시급한나라이다. 그리하여중국은 1997 년자체개발을시도하였으나안전성의문제로인해해외기술도입으로발전방향을틀었다. 다양한종류의고속철도를받아들여초기에는많은문제들이발생하였지만현재중국은자체적으로 350km/h 의고속철도를제작, 운영할수있는능력을갖추었으며고속철도선진국들과비교해도거의차이가없는기술수준을갖추고있다. 최근에는 4 종 4 횡이라는철도계획을세웠으며기본노선은이미완공된상태이고모든노선이연결될시수도인베이징을중심으로중국전역이일일생활권으로묶이게될것이다. 시작은해외기술도입이었지만다양한선진국들의기술들을수렴하여독자적인기술로승화시킨중국은 2014 년에는시속 605km/h 주행실험에도성공하여그전의최고기록이었던프랑스의기록을새로갱신하는저력을보여주었다. 이러한철도대국인중국과인접한우리나라는단순한기술적교류뿐만아니라동시에서해를통과하는해저터널을개통하는등다양한사업적교류를통해보다발전해나갈수있을것이다. <fig5> China high-speed rail plan and status 2.3 세계의고속철도기술개발방향 2.3.1 고속철도의속도향상고속철도의기술개발이라하면그첫번째는고속철도의속도향상이다. 속도의증가는이동하는데필요한시간을줄이게되므로승객들이많이선택하게되어타교통수단에대한경쟁력향상을가져온다. 초창기고속철도의속도개발은일본이앞서나갔지만이후의속도개발을주도한것은프랑스로 2007년에 574.8km/h라는세계최고기록을수립하였다. 하지만이후중국이시속 605km/h의실험에성공하면서최속의자리는넘겨주게되었다. 고속철도의속도향상을위해서는매우다양한노력들이필요로하는데그예로는토공, 궤도, 구조물을비롯한인프라부터신호, 통신, 급전, 전차선등이있으며최근우리나라는대부분의분야에서세계적인수준을이룩하고있거나그에준하고있다. 5
<fig 6> High-speed train velocity change 2.3.2 고속철도의운송능력증가고속철도의기술개발을통해향상시키고자하는두번째사항은바로운송능력의증대다. 일반철도보다빠른속도로달린다하더라도운송능력에서뒤쳐질수없기에철도선진국들은고속철도수송력증가에도힘을기울이고있다. 단순히차량의크기와차량의조성을늘린다고해결될문제가아닌데다속도와의연계도생각해야하기에수준높은연구가필요로하는대목이다. 운송능력의증가를필요로하는경우는정차역의인구밀집도가높은경우가대다수인데우리나라와일본은비교적역간거리가짧지만정차역의인구밀집도는높은편이기에이에해당한다할수있다. 반대로프랑스는정차역의인구밀집도가우리나라나일본에비해낮은반면, 역간거리는국토가넓은만큼길기때문에운송능력보다는속도향상에치우쳐있다. 최근철도개발에열을올리고있는중국은인구가많은만큼인구밀집도도높을뿐만아니라역간거리도길기때문에속도향상과운송능력의증대, 둘다필요로한다. <fig7>a country s high-speed railway transport competency and station spacing, population density comparison 6
2.4 고속철도기술개발현황 2.4.1 고속철도차량개발고속철도의기술개발에서중요한것중하나가바로철도차량으로철도선진국들은속도의향상과운송능력의증대를위해차량개발에많은투자를하고있다. 직접선로를달리고여객과화물을나르는주체가바로철도차량이다보니속도와운송능력을향상시키는동시에안전까지보장되어야하기때문에각국들은다양한시도들을통해더발전된철도차량을제작하려고노력하고있다. 그예로는좀더가벼운소재를개발하여차량의하중을경량화시킴으로써속도를향상시키거나보다작은부품을개발하여같은규격의차량이라하더라도더넓은실내를확보하여운송능력을증가시키려는것들이있다. 그밖에도동력의배치방식을동력분산식배치로바꿔서축중하중을줄이고가속과감속을원활하게하거나, 차량의모듈화를통해기존차량과의연계성을높이는등철도차량의개발에다양한노력을기울이고있다. <Table 2> Performance comparison of the high-speed railway HEMU- CRH2- 형식 CRH3 E5 N7000 TGV 430X 300 국가대한민국중국일본프랑스영업년도 2008 2008 2010 2007 2011 현대로템 JE Central 제작사사방당산 JR East 알스톰 KR JR West 운영최고속도 400 350 350 320 300 300+ (km/h) 최고속도 (km/h) 430 185 194.3 360 Tokaido 270 Sanyo 300 360+ 독력배치 분산식 분산식 분산식 분산식 분산식 분산식 ( 관절식 ) 편성길이 (m) 192 201.4 200 253 405 190 차체폭 (mm) 3100 3380 3265 3350 3360 차체경사 2980 차체재료 알루미늄 알루미늄 알루미늄 알루미늄 알루미늄 알루미늄복합제 정원 ( 명 ) 456 610 557 731 1323 446 축중 (t) 13 14 17 11.75 10.94 17 견인출력 (kw) 9,840 8,200 8,800 9,960 17,080 8,640 견인출력 / 차량 중량비 23.65 19.8 20.3 21.96 19.28 21.18 MT비 6M2T 6M2T 4M4T 8M2T 12M2T 6M6T 2.4.2 고속철도구조물건설및유지비용절감고속철도구조물의건설및유지비용은예산에서많은부분을차지하는데다가한번건설하면다시수정하기가어렵기때문에철도선진국들은기술개발의방향을정해야하는데구조물인만큼국토의성질에따라그방향이정해진다. 구조물의비율을보면국토가넓고평탄한프랑스는토공의비율이압도적으로높고일본은다양한지형조건때문에구조물의비율이천차만별이다. 국토의대부분인산악지형이라산을관통해야하는경우가많은우리나라의경우터널이차지하는비율이높으므로터널건설비및유지비용절감을목표로해야할것이다. 그러기위해서는터널내공단면적절감과관련있는전차선형식, 배수구조, 미기압파관련연구를필요로할텐데우리나라나프랑스보다터널내공단면적이적은일본과의기술교류를한다면좋을것이다. 7
<fig8>regional structure ratio 2.5 고속철도개발의영향 2.5.1 인식변화및국가성장의기반마련고속철도를효율적으로운용하기위해서는수많은기술과연구개발이필요하지만그만큼고속철도가사회에끼치는영향도방대하고깊다. 고속철도는기술개발을통해열차의속도를끌어올려서눈에보이지않았던거리장벽을허물어과거보다더넓은지역을하루생활권으로만들어내고있다. 게다가단순히이동시간을줄이는데만족하지않고다양한서비스를통해교통수단을이용할때소요되는시간은소비라는사람들의인식을바꾸면서철도에대한사람들의인식향상에도크게기여하였다. 또한수많은여객과화물을나를수있는운송능력을바탕으로전체적인물류의활성화를통해중간중간정차하는역주변의지역개발을주도하는주체로성장하면서고속철도는더이상단순한교통수단에국한되지않고국토발전의주요요건으로자리잡았다. <fig9> South Korea s high-speed railway to speed up and high-speed trains impact indicators. 8
2.5.2 거리장벽타파우리나라의경우 2004 년에 KTX 가개통되면서서울 - 부산간이동시간을큰폭으로줄여내는데성공하여고속철도가항공기와함께전국토하루생활권을이뤄냈다. 고속철도는대표적인육상교통수단중에서압도적인능력을가지고있을뿐만아니라 500km 이내에서는항공기와경쟁하여도이동시간, 운송능력, 운임등모든측면에서부족한것이없을정도로우수하다. 그렇기때문에우리나라처럼국토가비교적좁은국가들에게는항공기보다는고속철도가더우수한교통수단으로대두되고있다. 또한앞으로도기술의발전은멈추지않고계속될것이기때문에고속철도는곧더높은거리장벽을뛰어넘을수있을것이다. <fig10> Comparison of high-speed rail and aircraft 2.5.3 지역개발공헌고속철도는항공기에비견되는속도와운송능력을가지고서도시설건설에많은제한이있는데다가기상의영향을많이받는항공기보다접근성과정시성이뛰어나다는장점이있다. 그장점을발판으로고속철도는이미개발과건설이많이진행되어항공기로서는조건이부적합하여접근하기힘든도시들의사이사이를이어주는다리역할을하고있다. 또한선로를따라위치한정차역들은고속철도대량수송능력을이용하여수많은여객과화물들을운송함으로써새로운물류의흐름을창출해내고또다른생활권을만들어내어고속철도가위치한지역의사회, 경제여건에크게이바지함으로써지역개발에공헌하고있다. 빠른속도를기반으로전국을하나의거대도시권으로묶어성장, 발전시킴으로써전체적인지역개발을가져온다는고속철도네트워크기반지역발전은 TOD 와도유사한형태를이루고있다. 승용차대신대중교통의이용에중점을둔도시개발방식인 TOD 와고속철도네트워크를완전히융합시키는데성공한다면더넓은지역의개발은물론승용차와대등한수준의정밀성도갖추게될것이다. <fig11> High-speed train route incurs a development regional development 9
2.5.4 관련산업의동반성장철도는고도의기술과시스템을필요로하는최첨단의인프라다. 열차를움직이는동력, 선로와정거장등의철도시설, 정밀성을요구하는신호계통등철도의기반을이루는기술들은모두전기, 에너지산업이나건설산업, 통신산업등의관련산업에그뿌리가있으며관련산업들과한몸이라고할수있다. 따라서관련산업들과밀접한관계를가지고있는고속철도의발전은단순히철도의발전하나에만국한되지않고전체산업의전반적인성장을이루어낼수있는비전을가지고있는종합발전산업이다. <fig12> Fast rail industry 3. 결론이처럼많은연구와기술개발이필요하지만그부가가치가높고환경친화적인고속철도는철도선진국뿐만아니라전세계에분포하고있는수많은국가들의주목을받고있다. 이러한세계적인추세속에서우리나라는해외에서도인정할만큼높은고속철도기술수준을가지고있지만다른철도선진국들도지금의상황에만족하지않고더욱더기술개발에박차를가하고있다. 따라서우리가앞으로그들과경쟁해나가기위해서많은부분들을개선해나가며발전해야할것이다. 그러기위해서는첫번째로고속철도원천기술의완전한확보가시급하다. 우리나라는 KT X 와 KTX- 산천을통해얻은경험을바탕으로제작한 HEMU-430X 가그해 9 월에종전의국내철도최고속도주행기록을갱신하고그에이어 2013 년에는시속 421.4km/h 를기록하며기존 10
의목표인시속 430km/h 에근접하는쾌거를이루고 2014 년에는무선충전고속열차시스템테스트에성공하는등우리가고속철도분야에서많은기술발전을보였다는것을증명해냈다. 하지만상용화를위해서는철도차량과한몸이라할수있는신호시스템과선로등의기반시설을개량하는데많은예산이필요하기때문에아직완벽하다고볼수없는만큼철도의근간이되는원천기술확보에지속적으로힘써야할것이다. 두번째로는점점성장해나가는해외의고속철도와경쟁할수있는능력을가져야한다. 현재세계의고속철도업계는공기저항을비롯한열차저항을최소한으로줄이기위해지금까지쌓아온경험과연구를바탕으로가장적합한철도차량과구조물의디자인을연구하고적용하는등실험에열을올리고있다. 또한같은규격이라하더라도수송수요를더확보하기위해다양한신소재개발을통해차체의경량화뿐만아니라그내부부품의경량화및소형화하고있다. 따라서우리도철도의세계적인변화에발맞추기위해서는새로운소재개발과최적의디자인연구및향상에노력해야한다. 세번째는구조물의건설및유지보수분야에대한발전이다. 이제고속철도를운영한지 10 년이조금넘는우리앞에는점점빨라지는고속철도의속도로인해마모된이전시설들의내구성문제, 그리고발전된고속철도를받쳐줄새로운구조물건설등이기다리고있다. 구조물을한번건설하면다시수정하기가힘든철도가이런난관을극복하기위해서는기존의시스템과병행이가능토록하거나비용을절감하는등운영유지및보수기술의체계화가필요하다. 그러기위해서는전문화된기술적접근이필요하기때문에전문인력양성과확보를병행할수있는전용교육기관부터운용해나가야할것이다. 네번째는고속철도의접근성향상이다. 비행기나선박과비교했을때철도의접근성은매우높은수준이다. 하지만선로위만달릴수있는철도의특성상선제조건으로선로와정거장등다양한시설의건설이먼저되어야하기때문에현재기술로는철도를도로만큼세세하게배치하기는힘들다. 그에대한대책방안으로제시하고자하는것이타교통수단과의연계를통한접근성향상이다. 공항철도를개통하거나항구에화물운반용선로를설치하는등서로의협력을통해보다편하고유용한통합인프라를구축한다면간접적인측면에서의접근성이증대되어전체적인운송능력의향상을가져올것이다. 마지막으로다섯번째는고속철도안전성의확보다. 보다빠르게보다많이운송하는것도중요하지만무엇보다승객과화물의안전이가장중요하다. 고속철도에비해저속으로운행하는도시철도만해도한번사고가나면수많은인명사고로이어진다. 하물며시속 30 0km/h 를넘는속도로움직이는고속철도의경우에는그피해가기하급수적으로늘어날것이다. 앞으로는고속철도가예전보다더우리들의삶깊숙한곳에위치하게될테니신뢰성있는탈선방지대책, 정밀한위치감지시스템등고속철도의안전을확보하기위한노력들이필요하다. 현재세계는바퀴식고속철도에만족하지않고저항을최소한으로하는자기부상을통항속도의향상에도관심을기울이고있다. 우리나라가미래의고속철도시장을선점하기위해서는현재고속철도의개발및유지보수뿐만아니라자기부상열차나무가선급전등의미래기술에도많은관심을기울여야한다. 자체적으로고속철도를제작하고상용화하는데이어 HEMU-430X 를통해무선충전고속열차시스템테스트에성공한우리의기술력이라면충분히미래의세계고속철도시장에서도최선두를달릴수있을것이다. 참고문헌 [1] 최진석 (2014) 우리나라고속철도건설및운영현황, 대한지방행정공제회 49 권 552 호 [2] 김기환 (2011) 고속철도기술개발의세계동향과향후우리나라의기술개발방향, 철도저널, P. 13-19 [3] 이용상, 문대섭 (2007) 고속철도의발전과영향력, 철도저널 10 권 1 호, P. 23~37 [4] 강동훈, 오지택, 장승호 (2006) 고속철도시스템의해외진출전략분석, 한국철도학회춘계학술대회논문집 2006 권 0 호, p. 1-6 [5] 조남권 (2006) 고속철도의사회경제적효과, 철도저널 9 권 2 호, p. 10-14 [6] 이진선, 김경태 (2005) 고속철도개통후지역간교통체계의변화, 대한교통학회 23 권 2 호 P. 75-82 [7] 김대상,(2010) 해외고속철도기술발전동향및우리나라발전방향연구 11