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최종편집2022-08-08 18:12 (월) 기사제보 구독신청
열차 자율운행 연구 선봉장 오세찬 철도연 책임연구원
열차 자율운행 연구 선봉장 오세찬 철도연 책임연구원
  • 노철중 기자
  • 승인 2022.07.01 10:55
  • 댓글 0
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열차 스스로 철로 운행, 출근길 ‘지옥철’ 없앤다
오세찬 한국철도기술연구원 선임연구원. KRRI
오세찬 한국철도기술연구원 책임연구원. <KRRI>

[인사이트코리아=노철중 기자] 바야흐로 4차산업 혁명 시대다. 자율주행 자동차가 지상을 누비고 도심 상공에는 무인 비행체들이 날아다닐 것이다. 여기에 추가될 또 하나의 풍경은 스스로 철로 위를 운행하는 무인열차다. 이미 신림경전철, 용인경전철, 우이신설 경전철 등 무인열차가 존재하지만, 아직 완전한 자율주행 수준은 아니다. 전 세계 연구자들이 열차의 완전 자율주행을 위해 무선통신 기반 열차제어시스템 고도화에 전력투구하고 있다.

자율주행 열차의 핵심은 열차 간 통신을 통해 선·후행 열차가 서로 운행 간격을 조절할 수 있도록 하는 것이다. 인공지능(AI)이 적용되면 열차 스스로 지연을 예방하고 주변 환경을 인지해 오류 발생 시 자가 복구도 가능하게 된다.

승객들은 보다 쾌적하게 철도를 이용할 수 있다. 더 이상 지옥철에서 고생하지 않아도 되고 출근길 지연 사태로 인해 발을 동동 구르는 일도 없을 것이기 때문이다. 또 환승을 위해 복잡한 경로를 이동하는 일도 줄어들게 된다. 이는 운행 간격 최소화를 통해 운행 열차 대수를 늘리고 두 개의 열차를 연결할 수도 있어서 가능한 일이다.

오세찬 한국철도기술연구원 선임연구원은 ‘무선통신 기반 자율주행 열차제어시스템 기술’ 연구로 한국공학한림원의 ‘2025년 대한민국을 이끌 미래 100대 기술과 그 주역’에 선정됐다. <인사이트코리아>는 지난 6월 24일 오세찬 선임연구원과 서면 인터뷰를 진행했다.

기존 지상-차상 간 통신에서 차상 간 통신으로 전환하면 기대되는 장점은 무엇인가.

“지금까지 열차제어시스템에서 제어의 주체는 지상이었다. 노선은 지상 제어시스템에 의해 하나 이상의 관할영역으로 나뉜다. 모든 열차는 관할영역을 담당하는 지상 제어시스템을 통해 주행에 필요한 정보를 공유한다. 선·후행 열차 간 공유정보는 복잡한 흐름을 거치기 때문에 열차 간 간격을 좁히는 데 구조적인 한계가 발생한다.

자율주행 열차제어시스템은 제어의 패러다임을 지상 중심에서 차상 중심으로 전환함으로써 시스템 설비를 단순화하면서도 열차제어 성능을 개선할 수 있다. 이를 도입하는 철도 운영기관 측면에서는 설비의 유지관리가 용이할 뿐만 아니라 노선의 연장 또는 변경 시 지상 제어시스템을 증설하거나 변경하지 않아도 된다는 장점이 있다. 아울러 노선에 더 많은 열차를 투입함으로써 차량 내 혼잡도 완화와 병목 현상을 줄일 수 있다.”

열차 시격이 중요한 이유는 무엇인가.

“노선의 혼잡 완화 또는 병목 현상을 해결하기 위한 가장 근본적인 해결책 중 하나는 노선을 추가로 증설하는 것이다. 그러나 노선을 증설하는 것은 막대한 비용과 시간이 소요돼 항상 최적의 대안이 될 수는 없다. 반면 자율주행 열차제어시스템은 노선의 증설 없이 수송력을 높일 수 있다.

열차의 운전 시격은 열차제어시스템의 중요한 성능지표 중 하나다. 만약 열차제어시스템 성능 개선 없이 더 많은 열차를 노선에 투입한다면 속도 저하를 가져오기 때문에 오히려 수송력이 떨어진다. 열차의 운전 시격은 열차의 속도 저하 없이 열차를 투입할 수 있는 시간 간격을 의미한다. 따라서 열차의 운전 시격이 짧을수록 노선에 더 많은 열차를 투입함으로써 수송력 향상이 가능하다.”

인공지능(AI)도 활용될 것 같은데, 기계학습이나 머신러닝과 같은 고도화 기술도 적용되나.

“자율주행 열차제어시스템은 관제실에 근무하는 운영자의 개입을 최소화하고자 한다. 열차는 일반적으로 정해진 스케줄에 따라 운행하지만 사고나 열차의 고장 등으로 지연이 발생하는 경우 다른 열차의 운행에 지장을 줄 수 있다. 지연이 전파·확산해 서비스 악화를 초래한다. AI를 적용하면 지연을 사전에 예측해 영향을 최소화할 수 있다. 열차 스스로 주변 상황을 인지함으로써 일시적 오류 상황 발생 시 운영자 개입 없이 스스로 복구가 가능하다.”

자율주행 열차제어기술의 핵심 요소로는 어떤 것들이 있나.

“가상연결기는 주행하고 있는 두 편성 열차를 무선연결기로 마치 하나의 열차처럼 결합하고 분리하는 기술이다. 자동차의 군집주행(platoon)과 비슷하다고 여겨질 수 있다. 가상연결 된 두 편성 열차는 제동거리 이하로 근접 주행이 가능하다는 측면에서 자동차의 군집주행과 유사하지만, 전방의 열차가 후미에 연결된 모든 열차의 상태정보는 물론 열차의 출입문, 조명, 공조기 등을 제어할 수 있다는 점에서 다르다.

가상연결기는 열차 간 무선연결을 위한 통신기술과 정밀제어기술이 요구된다. 열차는 수백톤에 달하는 중량에 300km/h 이상 고속주행을 해서 자동차와 달리 정밀하게 제어하기 어렵고 미끄러운 레일을 주행하기 때문에 수 킬로미터에 달하는 제동거리를 가지게 된다. 가상연결기는 이러한 한계를 극복하는 궁극적인 열차제어 기술이라고 할 수 있다.”

무인열차 운행에 따른 이용객의 불안감 해소, 사고 시 대응 등 안전·보안은 어떻게 확보할 수 있나.

“우리나라의 무인열차 기술은 신분당선을 비롯해 신림경전철, 용인경전철, 우이신설 경전철 등 일부 도시철도 노선에 보급돼 운영하고 있다. 따라서 철도 이용객은 무인열차에 대한 거부감이 많이 해소된 상태라고 생각한다. 자율주행 열차제어시스템은 제어의 주체를 지능화된 열차로 전환함으로써 무인 자동화 수준과 범위를 확대한다. 예를 들어 현재 무인열차 기술은 열차의 일시적인 오류가 발생하는 경우 반드시 운전자·운영자 개입이 필요하다. 이러한 이유로 노선의 길이가 비교적 짧은 도시철도에 제한적으로 적용될 수밖에 없다. 무인열차임에도 오류에 대한 회복을 위해 운영자가 반드시 차량에 탑승해 무인열차의 효율이 저하된다.

자율주행 열차제어시스템은 자기 회복 기술로 무인열차 수준을 한 단계 높일 수 있으며 일반 및 고속철도와 같이 장거리 자율주행이 가능하다. 그러나 열차의 무인운전은 소프트웨어 버그나 해킹 등으로 위험한 상황이 될 수 있다. 따라서 설계 단계부터 수명주기 동안 발생 가능한 사고 고장 등의 이례적인 상황을 예측해 안전측(fail-safe)으로 동작할 수 있도록 제 3자 검증을 비롯한 여러 단계의 검증 절차가 이뤄진다.”

오송 철도종합시험선로에서 열차 간 정밀 간격 제어 시험을 진행하고 있다. KRRI
오송 철도종합시험선로에서 열차 간 정밀 간격 제어 시험을 진행하고 있다. <KRRI>

자율주행이라 하더라도 중앙관제시스템 같은 것이 필요할 것 같다.

“자율주행 열차제어기술이 적용되더라도 중앙관제시스템은 여전히 존재한다. 관제시스템은 열차운행에 필요한 스케줄을 관리하고 철도 역사, 차량, 기지(depot) 및 본선 등 전반적인 철도시설물과 운영을 감시하고 필요 시 개입하는 역할을 한다. 한국철도공사의 경우 구로통합관제실이 있고 도시철도의 경우 각 운영사마다 관제시스템이 존재한다.

열차의 안전한 주행과 관련된 부분은 자율주행 열차제어기술이 관제의 일부 기능을 대신할 수 있다. 그러나 열차의 영업 운행 스케줄 계획 수립과 조정, 고장열차 및 열차제어시스템 고장 대응, 철도 역사와 차량 내 테러나 화재 등 사고 대응 등과 같은 상위 단계의 감시와 개입은 여전히 필요하다.”

무선통신기술이 LTE에서 5G로 발전하고 이후에도 지속적인 발전이 예상되는데 이에 따른 문제점은 없나.

“일반적으로 무선통신기술의 수명주기는 열차제어시스템의 수명주기보다 짧다. 무선통신 기술은 LTE에서 5G, 현재는 6G 기술개발이 이뤄지고 있다. 자율주행 열차제어시스템은 제어에 필요한 통신 기능 및 성능, 신뢰성 요구사항을 충족한다면 여러 통신기술과 접목이 가능하도록 개발이 이뤄지고 있다.”

현재 운행하고 있는 무선통신 열차제어(CBTC) 무인열차와 자율주행 열차의 다른 점은 무엇인가.

“무인열차 기술은 운전석을 바라본다. 즉, 운전자의 업무를 열차제어시스템이 수행하도록 고안된 기술이다. CBTC 이전의 열차제어 기술에서도 실현이 가능하다(국내 우이신설선, 국외 코펜하겐 메트로 등). 무인열차 기술은 자율주행 자동차가 추구하는 무인자동운전 기술과 비교할 수 있다.

자율주행 기술은 열차를 바라본다. 즉, 지상제어시스템없이 열차가 스스로 주행하도록 고안된 기술이다. 물론 자율주행 기술에서도 무인자동화가 가능하다. 무인열차기술이 운전자 편의성과 인적 오류 감소 등이 목표라면, 자율주행 기술은 제어의 단순화와 성능향상을 목표로 한다.

신분당선은 대표적인 CBTC 무인열차 운영 노선 중 하나다. 신분당선은 3개의 관할영역으로 구성되고 각 영역마다 지상제어시스템(관제시스템이 아님)이 열차로부터 정보를 받아서 다시 열차로 제어정보를 제공한다. 후행열차와 선행열차 간 안전한 간격을 제어하는 중개(仲介) 역할을 수행하게 된다. 또 지상제어시스템은 열차가 가지는 진로 방향에 적합한 선로를 전환해 준다.

반면 자율주행 열차는 관할영역의 개념이 불필요하고 지상제어시스템이 존재하지 않는다. 자율주행 열차는 열차 간 통신을 통해 서로 간의 안전한 간격을 제어하고, 열차 스스로 자신의 진로에 맞는 선로전환을 수행한다. CBTC 기술은 이미 1980년대 개발이 진행됐다. 지금의 RF-CBTC는 2003년 샌프란시스코 공항철도에 첫 실용화 이후로 전 세계 도시철도로 빠르게 확산되고 있다.

그러나 앞서 언급한 대로 지상제어시스템을 거쳐 가는 제어구조상 시스템이 복잡하고 간격 제어에 한계가 발생한다. 이미 철도 선진국에서는 자율주행 열차 기술(열차 스스로 간격과 선로의 분기를 제어하는 기술)이 개발돼 빠르게 실용화가 진행되고 있기 때문에 CBTC 기술은 점차 감소 될 것으로 예상된다.”

실제 적용 가능한 시기는 언제로 예상하나.

“2016년부터 과학기술정보통신부 출연연 예산으로 BIG(Big Issue Group) 사업을 통해 자율주행 열차제어 핵심기술 개발(TRL5)을 수행하고 있다. 동시에 실용화연구개발(TRL8)을 위한 국가연구개발 사업을 도출하기 위해 정부부처와 협의를 진행하고 있다. 계획대로 연구개발이 진행된다면 2030년경에는 실제 영업선에 적용 가능한 수준의 기술개발이 이뤄질 것으로 판단하고 있다.”

관련 기술의 국내외 연구 동향은 어떤지 궁금하다.

“유럽 철도선진국의 경우 2013년부터 관련 기술을 개발 중에 있다. 대표적으로 프랑스 알스톰은 2021년 릴리 메트로 개량사업에 성공적인 적용과 함께 파리 18호선을 비롯한 6개 노선에 적용할 예정이라고 발표했다. 반면 우리나라는 열차제어시스템 후발주자다. 올해 개통한 신림경전철 KTCS-M(CBTC 국산화 기술)을 제외한 모든 열차제어시스템은 외국산에 의존하고 있다.

2010년부터 열차제어시스템 국산화를 위해 도시철도용 KTCS-M 기술개발을 시작으로 2018년 일반 및 고속철도용 KTCS-2(ETCS L2 국산화 기술) 개발을 완료했고, 현재 KTCS-3(ETCS L2 국산화 기술) 개발을 진행하고 있어 선진국과의 기술 격차를 좁혀가고 있다. 한편 자율주행 열차제어시스템은 제어 패러다임이 열차, 무선통신, S/W 중심으로 변화되고 있다. 특히 무선통신의 경우 5G/6G 기술 등 우리나라가 강점을 가지고 있는 분야이기 때문에 선진국과 동등한 수준으로 도약할 수 있는 적기라고 생각한다.”

자율주행 열차제어시스템으로 바뀌게 되면 이용객들은 이전에 없던 어떤 것들을 할 수 있나.

“자율주행 열차는 기존 CBTC에 비해 30% 운전 시격을 단축함으로써 승객의 대기 시간이 짧아진다. 노선이 분기하는 경우 대기 시간이 두 배로 늘어나게 되는데 주행 중 분리결합이 자유롭게 이뤄져 분기 노선의 대기 시간을 동일하게 유지할 수 있다. 마찬가지로 비(非) 러시아워 시간에 열차 투입을 감소함으로써 대기 시간이 늘어나게 되는데 자율주행 열차의 가상연결기를 이용한다면 열차의 길이를 조절함으로써 대기 시간을 단축할 수 있다.

노선 간 이동을 위해서는 환승이 필요하다. 지금은 환승역에서 승객이 이동함으로써 승객의 불편함과 역사 내복잡도를 증가시키고 있다. 그러나 향후 주행 중 분리결합 기술이 보편화된다면 목적지까지 노선 간 이동을 열차가 수행할 수 있어 승객의 이동 시간 단축은 물론 편의성을 크게 개선할 수 있다.”

향후 연구 계획은 무엇인가.

“자율주행 열차제어시스템이 실용화되는 그 날까지 단계별 기술개발을 지속할 계획이다. 아울러 기술을 도입하는 수요처의 입장에서 자율주행 열차제어시스템의 성능과 기능을 평가할 수 있도록 표준화된 평가체계를 구축함으로써 도입 확산이 가능하도록 지원하고 싶다.”

인사이트코리아, INSIGHTKOREA

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