3.1.1 폐색의 개요

도시철도 폐색장치는 역과 역 사이에서 선행열차 및 후속열차가 서로 지장되지 않도록 일정한 시간 또는 공간의 간격을 두고 일정한 거리에 한 개의 열차만 운행하도록 하는 설비이다. 폐색방식에는 지상신호에 의한 자동폐색방식, 차상신호에 의한 고정폐색 및 이동폐색방식 등이 있다.

열차가 안전하면서도 신속하게 운행하기 위해서는 항상 선행열차와 후속열차가 일정한 간격을 유지하면서 운행하여야 한다. 이를 위해서는 역과 역 사이에 일정한 거리의 폐색구간을 설정하고 1개 폐색구간에는 1대의 열차만이 운행될 수 있도록 하여야 한다. 최근 국내 신설노선에는 열차 고밀도화와 유지보수 간소화 등 운영 효율화를 위해 이동폐색방식을 적용하고 있다^[9].

3.1.2 도시철도 열차운행방식

도시철도 연차운행방식들은 표 2과 같이 신호방식별로 폐색 분류하는 방식을 구분할 수 있다.

가. 자동폐색방식(Automatic block system)은 지상신호방식에서 폐색구간의 경계에 폐색신호기를 설치하고 궤도회로와 열차의 점유여부에 따라 자동으로 지상신호 현시를 제어하는 방식이다. 이때 폐색구간에 설치된 선로 지상자로부터 허용속도를 수신하여 차상 ATS(automatic train stop) 장치가 점제어 방식으로 열차제한속도 초과여부를 관리 제어한다. 열차는 폐색신호기 신호현시 상태에 맞춰 수동운전을 하여야 한다.

나. Speed code 방식은 선행열차에 대한 후속열차의 감속 및 제동은 지상 궤도회로로부터 수신된 고정속도코드에 따라 연속적으로 제동 곡선이 계단형태로 열차가 제어된다. 열차속도, 열차위치, 열차 종별에 관계없이 고정된 폐색구간 길이에 의하여 선행열차와 후속열차의 간격이 확보되고 운전시간은 폐색구간 장에 의하여 결정된다. 열차는 계단방식으로 표시되는 차상신호장치 ATC 속도코드에 따라 자동운전이 가능하다.

다. Distance to go 방식은 궤도회로 등을 통해 지상신호장치가 정지위치를 차상신호장치로 전송하면, 차상신호장치가 이를 수신하여 목표속도와 제동거리 등을 연산하여 선행열차와의 간격을 유지하며 운전하는 방식이다. 지상신호장치는 궤도회로를 이용하여 열차의 위치를 검지하고, 차상신호장치는 사전 입력된 노선 데이터를 이용하여 열차 위치를 파악한다는 점에서 이동폐색의 전 단계 개념이다. 열차는 선형으로 표시되는 차상신호장치 허용속도에 따라 자동운전이 가능하다.

라. 이동폐색방식(Moving block system)은 폐색구간이 고정되지 않고 열차의 위치, 속도에 따라 가변되는 방식으로 차상신호장치가 자신의 위치를 파악하고 지상신호장치로 전송하면, 지상신호장치는 선행열차의 위치를 근거로 후속열차에 목적지를 전송하여 열차간격을 제어하는 방법이다. 폐색방식 중 가장 이상적인 방식으로 차상과 지상장치 간 고도화된 양방향 무선통신 시스템과 정밀한 열차위치 검지 및 연산기술이 필요하다. 열차는 무인운행 및 자동운행이 가능하다^[10].

표 3은 위에서 설명한 CBTC 열차제어시스템의 방식들을 비교하여 보여준다.

3.2.1 시스템 개요

CBTC는 통신기반 열차제어시스템으로 이동폐색 시스템이다. 기존의 고정폐색방식이 폐색구간의 길이에 의해 운행간격이 제한받는 단점을 개선한 것으로 궤도회로에 의존하지 않는다. CBTC 시스템에서 지상제어장치는 선행열차의 정확한 위치와 속도를 실시간으로 파악하여 선행열차의 운행정보 및 지상정보에 따라 후속열차에게 안전운행 거리에 준하는 이동권한을 전송한다. 이동권한을 수신한 열차는 목표속도를 연산하고 이에 따른 속도 프로파일에 의하여 스스로 속도를 제어하고 간격을 유지하며 운행한다^[11].

3.2.2 운영현황

CBTC에는 IL-CBTC와 RF-CBTC가 있으며, IL(inductive loop) 방식은 선로상에 25m 간격으로 교차 설치된 유도 루프를 통해 지상과 차상간 양방향 통신하는 방식이고. 궤도회로와 비슷한 구조로 연속적인 위치정보 파악할 수 있다. 이에 반해 RF(radio frequency) 방식은 차상 안테나와 지상 AP간 무선통신을 통해 열차위치를 파악하고 열차의 절대위치를 보정하기 위한 RFID방식의 태그가 선로바닥에 설치되어 있다. 최근 CBTC 시스템에서는 유지보수 편리성과 정보전송의 효율성 측면을 고려하여 IL방식 보다 RF 방식을 채택하고 있다.

3.2.3 인천2호선 CBTC 시스템 구성

인천2호선 CBTC 시스템 구성은 그림 1과 같이 주요하게 관제시스템, 현장시스템, 차상시스템으로 구분된다. 관제시스템은 중앙열차제어장치, 자동 열차감시 장치 등 열차제어관리 총괄기능을 수행하고 현장시스템은 관제시스템의 지령에 따라 선로전환기, 승강장 안전문 등 현장시설물을 제어하고 차상시스템과 무선송수신을 수행을 한다. 또한 차상시스템은 관제시스템 통신지령에 따라 현장시스템과 통신하면서 이동권한을 갖게 된다^[12].

그림 1. CBTC 시스템 구성도

Fig. 1. CBTC System Configuration

가. 관제시스템 구성

관제시스템은 관제 신호기계실 장치와 관제실 운영장치로 구분된다. 관제 신호기계실은 자동열차감시장치, 중앙열차제어장치, 시스템관리장치, 데이터전송장치 등 관제 원격집중화를 위한 신호장치로 구성되어 있다.

관제실 운영장치는 열차 운행상태 확인과 제어 그리고 시스템 상태를 모니터를 위한 것으로 운행제어 ATS(automatic train supervision)콘솔, 열차 기기상태 및 작동제어 TCMS(train control and management system)콘솔, 네트워크 상태관찰을 위한 NMS(network management system), 운행스케줄 작성을 위한 TTC(total traffic compiler), 열차운행상태 총괄표출을 위한 DLP(digital light processing) 등으로 구성되어 있다.

나. 현장시스템 구성

현장시스템은 일반역과 연동역으로 구분되고 일반역은 PSD제어장치의 연계동작을 관장하는 PDIU(platform door interface unit)장치와 인터페이스 장치가 있고 연동역에는 일반역 기능에 더하여 현장 제어콘솔과 선로전환기 제어를 위한 STC(station controller)장치가 있어 제한적으로 관할 연동역에 대한 현장제어가 가능한 장치가 설치되어 있다.

또한 선로변 현장시설물에는 선로방향을 변경해주는 선로전환기 장치, 차상신호장치와 무선송수신하는 AP(access point)장치, 열차의 물리적 절대위치를 보정해주는 트랜스폰더 태그, 열차의 승강장 정위치 정차를 판별을 위한 정위치 정차 근접판 등이 설치되어 있다.

다. 차상시스템 구성

차상시스템(VOBC, vehicle on-board controller) )은 차상 자동열차운행(ATO, automatic train operation)과 차상 자동열차보호(ATP, automatic train protection)기능을 제공한다. VOBC는 지상 ATP 기능을 책임지는 VCC(vehicle control center)와 지속적으로 통신하며 ATP 통제하에 추진, 제동 및 열차 출입문의 제어를 책임진다. VOBC는 최대 속도, 목표 지점, 출입문 제어, 그리고 제동 비율을 포함하는 VCC명령을 해석하고 지원한다.

또한 열차가 허용된 범위 내에서 운영중임을 보장하기 위하여 속도 초과, 목표 지점 이탈, 그리고 출입문 상태 감지를 포함하여 필수 관리기능을 수행한다. VOBC는 열차 운영을 검증하며 안전한 운영을 계속할 수 없는 경우 자동으로 비상제동(EB, emergency brake) 체결을 명령한다.

3.3.1 추적개요

열차 추적은 ATC시스템의 지속적인 열차 위치 보고 기능에 의해 가능하다. 명령 텔레그램 수신후 개별적으로 폴링 받은 VOBC는 VCC에 응답 텔레그램을 제공함으로써 열차의 위치와 상태 정보를 제공한다. 일반적으로 VCC는 최소 700ms 단위로 한번씩 열차로부터 갱신된 위치정보를 수신한다.

위치 결정 정보는 타코미터 신호(속도, 방향), 가속계, 그리고 트랜스폰더 태그에 의한 인식 값들을 종합하여 도출한다. 열차 위치는 개략적인 위치 단위로 VCC에서 다루어진다^[13].

3.3.2 가이드웨이 요소

VCC내에 위치검지는 Coarse position 단위로 다뤄지며, Coarse position 1개 길이는 6.25m 이다. Coarse position은 Virtual loop 내에서 최대 수가 511로 구성된다. Track은 최소 하나의 Track section을 포함한다. Track section은 3, 5 또는 7 Coarse position(각 18.76m, 31.25m 또는 43.75m)으로 구성할 수 있다.

그림 2. 열차위치 요소

Fig. 2. Train position elements

3.3.3 열차위치 요소

VOBC는 그림 2와 같이 레일 사이에 장착된 트랜스폰더를 검지함으로써 가상 루프 내에 있다는 것을 판단한다. 트랜스폰더 사이에서 열차 위치는 타코미터 신호로부터 결정되고 이때 위치 정보는 VCC로 전송된다. 타코미터는 110 hole의 원판에 광센서 방식으로 인식되며 이동거리 적산 최소단위는 1.88cm(차륜직경 660mm × π ÷ 110 hole =18.85mm) 이다. VCC는 선로위치 및 운행구간과 관련된 열차의 위치를 산출하기 위해 이 정보를 사용한다.

그림 3. 열차 통신두절 복구 과정

Fig. 3. Recovering Process of Communication-failure Train

3.4.1 열차 통신두절 의미

인천2호선에서 열차 통신두절은 VCC와 열차 간 통신이 끊기는 것을 의미한다. 통신두절은 VCC가 active VOBC에게 데이터를 보내면 열차로부터의 응답이 무응답이나 700ms 이상의 늦은 응답이 6초 이상 지속되는 것을 말한다.

3.4.2 열차 통신두절 원인

CBTC 시스템에서 지상과 차상 간의 일정시간 통신이 두절하게 되면 열차는 안전장치 동작으로 비상제동이 체결되고 더 이상 이동권한이 주어지지 않는다. 통신두절의 주요 원인은 지상신호장치의 이상, 차상신호장치의 이상 그리고 지상·차상신호장치간 데이터 송수신 연속적인 응답지연 등이 있다.

3.4.3 열차 통신두절 복구 과정

열차 통신두절 복구유형은 그림 3과 같이 자동절체 복구, 관제사 제어명령 복구, 안전요원 수동운전 복구 등 3가지로 구분된다.

첫째, 자동절체 복구는 active VOBC가 통신두절이 발생되고 6초 이내에 passive VOBC로 자동절체되어 passive VOBC가 active VOBC 기능을 정상적으로 수행하는 것을 말하며, 이때 열차는 비상제동이 체결되었다가 자동절체 후 자동으로 풀리면서 정상운행이 재개된다.

둘째, 관제사 제어명령 복구는 자동절체가 실패되어 VOBC 2개 모두 통신두절이 된 상태에서 일정시간 경과(약 1분 내외) 후 VOBC 2개 중 1개가 통신이 자동복구된 것을 말하며, 이때 관제실에서 원격으로 무인모드 제어명령을 주면 복구되고 정상운행이 재개된다.

셋째, 안전요원 수동운전 복구는 VOBC 2개 모두 통신두절이 지속된 상태를 말한다. 이때 안전요원을 현장에 출동시켜 통신두절 열차를 수동운전으로 최소 2개 태그(50m) 이상을 지나가면서 통신재개가 시도된다. 수동운전으로 통신이 재개되면 안전요원의 무인모드 요청버튼 조작과 관제실의 원격 무인모드 전환절차를 거쳐 열차는 정상운행이 재개된다.

3.4.4 열차 통신두절 영향

CBTC 시스템에서 통신두절이 발생하게 되면 장애열차의 지속적인 추적이 불가능하고 마지막으로 위치가 소실된 곳에는 정상열차가 진입하지 못하여 해당구간 운행이 일시적으로 중지될 수 있다. 또한 안전요원이 현장에 출동하여 수동운전으로 통신두절 열차의 무인운전을 재등록하는 절차를 거쳐야 한다. 따라서 무인운전 재등록 조치 간 엄격한 열차안전관리가 요구되며 이러한 과정에 불가피한 열차지연과 승객불편이 초래된다.

4.2.1 기본원리

열차에 장착된 TIU(transponder interrogator unit)의 TAG 수신정보를 활용하여 열차의 물리적 위치를 산출하는 방식이다. 각 TAG의 고유 데이터를 차량에 별도로 장착한 이동통신사 상용망 무선통신장치를 통해 별도 설치된 관제실 서버에 전송하고 전송된 데이터를 서버 맵에 표출하여 열차위치를 표출한다. 열차위치의 최소 표출거리는 선로에 설치된 TAG 이격거리인 25m가 된다.

그림 4. 열차위치표시 시스템 구성도

Fig. 4. Configuration diagram of the train position display system

4.2.2 시스템 구성

그림 4는 열차위치표시 시스템 장치들을 정리하여 보여주고 있다. 위치전송모듈(RS232/Ethernet 컨버터)은 VOBC2의 TIU(transponder interrogator unit)로부터 25m 간격으로 선로바닥에 설치된 태그 데이터를 수신하여 UDP(user datagram protocol) 패킷으로 변환하고 열차라우터로 전송한다. 보안서버는 관제라우터로부터 데이터를 받아 서버컴퓨터에 전송한다. 열차라우터와 보안서버는 Site-to-Site VPN(virtual private network)으로 연결되며 위치전송모듈과 서버컴퓨터의 송수신 데이터를 보호한다.

관제라우터는 고정 IP(internet protocol)를 사용하며 수신된 데이터를 포트포워딩 방식으로 보안서버에 데이터를 전달한다. 보안서버는 패킷을 복호화하여 내부 서버 주소를 확인한 후 서버컴퓨터에 데이터를 전달한다. 서버컴퓨터는 수신된 태그 데이터의 유효성을 검사하고 데이터를 해석하여 열차 위치를 표시한다. 그림 5는 시스템의 하드웨어 블록도를 보여준다.

그림 5. 하드웨어 블록도

Fig. 5. Hardware Block Diagram

그림 6. 열차 설치 구성도

Fig. 6. Train installation configuration diagram

4.2.3 열차 내 설치구성

열차위치표시 시스템의 열차에 설치된 구성도는 그림 6과 같다. VOBC TIU 출력포트에서 RS232 케이블로 단방향 통신으로 RS232 입력포트를 거쳐서 컨버팅되고, 이어서 이더넷 출력을 통하여 랜 케이블을 통하여 상용 무선망으로 전송된다.

그림 7. 전구간 열차 운행상태 현시

Fig. 7. Current state display of train operation for all sections

4.2.4 열차위치표시 프로그램

열차운행 위치표시 시스템의 프로그램은 Microsoft Visual C++로 작성한 것으로 열차운행 상태를 그림 7와 같이 현시한다. 맵에서는 본선과 기지구내 선형, 역명, 역간 중심선, 유치선 및 검사고 명칭이 표시되고 상단 매뉴창 기능에는 선로태그위치 표시, 터널표시, 열차제한속도표시, 구배표시, 비상대피로 표시 등을 선택적 표출할 수 있다. 그림 8은 소프트웨어 블록도를 보여준다. 또한 열차 표출기능으로는 현재속도와 태그수신상태, 이전역과 다음역까지의 열차 이동거리를 실시간으로 표시하며 열차위치가 정상적으로 표출되는 열차는 청색, 15초 이상 TIU telegram을 받지 못하는 예를 들어 TIU전원이나 열차 라우터가 동작 못할 경우 열차는 분홍색으로 표시된다. 아울러 맵에 표출된 시설물 현황은 CBTC 시스템 관제실 운영자가 통신두절 열차의 이동과 운행 모니터링, 승객대피 등에 활용이 가능하다.

그림 8. 소프트웨어 블록도

Fig. 8. Software Block Diagram

메뉴창에서 Tag 탭을 선택하면 태그위치 현시되고 각 열차를 선택하면 태그수신 상태와 현재 속도, 그리고 이전역에서 출발한 거리와 다음역까지 잔여 역간 거리가 그림 9(a)와 같이 표시된다. 메뉴창에서 Tunnel 탭을 선택하면 지하구간 터널이 맵에 그림 9(b)과 같이 현시된다. 메뉴창에서 Limit 탭을 선택하면 구간별 열차 제한속도가 그림 9(c)와 같이 맵에 표시된다. 메뉴창에서 Grade 탭을 선택하면 구간별 선로구배(기울기)가 그림 9(d)와 같이 표시된다. 메뉴창에서 ExitRoute 탭을 선택하면 선로의 비상대피로와 승강장 및 선로 비상출구가 그림 9(e)와 같이 표시된다.

그림 9. 메뉴창 현시. (a) 열차편성 및 태그위치 (b) 터널 (c) 구간별 열차 제한속도 (d) 선로구배 (e) 비상대피로 및 비상출구

Fig. 9. Menu display. (a) Train configuration and tag location (b) Tunnel presentation (c) Train speed limit display by section (d) Line gradient (e) Emergency evacuation routes and emergency exits

4.3.1 TAG 수신 연속성 분석

240편성 열차가 운연역(227)에서 출발하여 다음역인 인천대공원역(226)에 도착할 때까지 열차위치표시 프로그램에 시간대별 TAG수신 여부를 그림 10과 같이 확인하였다. 주행 중에 TAG가 선로변 도면에서 배열된 순서에 따라 21647부터 21598까지 순차적으로 수신됨을 볼 수 있었다. 또한 이 과정에 에러나 다른 TAG를 인식하는 경우는 없었다. 이를 통해 열차위치표시 프로그램은 연속적(t1~t2)으로 선로변 TAG 데이터를 수집하고 정상적으로 표출되었음을 확인할 수 있다.(태그 번호창의 life 표시는 열차 승강장 정차 등과 같이 이전 TAG 수신 이후 10초 동안 TAG 수신이 없다는 의미이다)

그림 10. 운연역~인천대공원역 열차위치표시 TAG 로그

Fig. 10. TAG log indicating the location of trains from Unyeon to Incheon Grand Park Stations

그림 11. 열차위치표시 프로그램과 지상신호시스템 TAG 수신상태 비교

Fig. 11. TAG comparison between train position indication program and ground signal system

4.3.2 열차제어콘솔 TAG와 수신상태 비교

그림 11은 열차위치표시 프로그램과 지상신호시스템 시간대별 TAG 수신비교결과를 보여주고 있다. 열차위치표시 프로그램에서 수신된 240편성의 시간대별 TAG번호는 지상신호시스템에서 열차제어콘솔에 표출하는 TAG번호와 비교한 결과 일치함을 볼 수 있다. 열차위치표시 프로그램의 시간은 25m 간격으로 된 TAG를 수신한 시점이고, 열차제어콘솔의 시간은 6.25m 간격으로 된 논리적 궤도회로 position을 수신한 시점이다. 또한 열차제어콘솔의 TAG는 position에서 가장 가까운 곳의 TAG를 표시한다. 따라서 최대 18.75m거리에 해당하는 시간표출 차이가 발생할 수 있음을 볼 수 있다.

그림 12. 통신두절 열차 표출 비교

Fig. 12. Comparison of communication failure trains

4.3.3 통신두절열차 표출 및 TAG 수신 분석

217편성 열차를 기지구내 시험선에서 통신두절되었을 때 열차제어콘솔과 열차위치표시 프로그램의 현시상태를 비교해 보았다. 그림 12에서 보는 것처럼 통신두절이 지속되면 열차제어콘솔은 열차색상이 청색에서 분홍색으로 바뀌고 마지막 열차위치만을 표출하고 더 이상 추척 표출이 되지 않음을 볼수 있다. 열차제어콘솔 로그는 마지막 수신한 TAG 30618 이후 더 이상 TAG수신이 이뤄지지 않았다.

그림 13. 통신두절 열차 TAG 로그

Fig. 13. TAG log for a communication failure train

그러나 열차위치표시 프로그램은 통신두절 이후에도 지속적으로(t1~t2) 열차위치를 표출하고, 통신두절 열차의 이동을 연속적인 화면으로 보여주고 있다. 통신두절 열차에서 전송하는 열차위치 표출을 위한 TAG 또한 수신하여 그림 13과 같이 통신두절 열차의 위치를 끊어짐 없이 연속적으로 표출하는 결과를 로그 데이터에서도 확인할 수 있었다.

4.3.4 선형에 따른 TAG 수신 분석

240편성을 본선구간에서 선형에 따른 데이터 연속성 여부를 점검하였다. 지상에서 터널진입 급구배 구간(52‰)인 인천대공원역에서 출발하여 남동구청역에 도착하는 동안 TAG는 연속적으로(t1~t2) 그림 14(a)과 같이 수신하였다. 지하 급곡선구간(96R)인 가재울역에서 출발하여 인천가좌역에 도착하는 동안 TAG를 연속적으로(t1~t2) 그림 14(b)와 같이 수신하였다. 또한 지상 교량구간인 검바위역에서 검암역으로 운행하는 동안 TAG를 연속적으로(t1~t2) 그림 14(c)와 같이 수신하였다. 따라서 급구배, 곡선, 교량 등 외부환경에 의한 선형변화는 TAG수신에 영향이 없음을 확인하였다.

그림 14. 열차위치표시 TAG 로그 (a) 인천대공원역~남동구청역 급구배구간 (b) 가재울역~인천가좌역 급구배구간 (c) 검바위역~검암역 교량구간

Fig. 14. TAG log showing the train location (a) From Incheon Grand Park toNamdong-gu Office Stations (b) From Gajaeul Station to Incheon Gajwa Stations (c) Bridge section between Geombawi and Geomam Stations

4.3.5 열차위치표시 전원계통 이상 표출분석

전차선 단전상태에서 열차제어콘솔 화면은 그림 15(a)와 같이 열차를 정상적으로 표출하였으나 열차위치표시 프로그램은 통신 두절되어 열차를 멈춤 상태로 분홍색 고정 표출됨을 확인하였다. 이는 열차위치표시 시스템의 전동차용 상용 무선망 라우터 작동전원이 전동차 주전원을 사용하기 때문이다. 따라서 열차위치표시 시스템은 전차선 단전 또는 열차 고압수전계통에 이상이 발생할 때에도 그림 15(b)와 같이 정상적으로 작동되지 않음을 볼 수 있다.

그림 16(a)는 열차 비상모드 열차제어콘솔 화면을 보여주고 있고, 그림 16(b)는 열차 비상모드 열차위치표시 프로그램 화면을 보여주고 있다. 237편성 열차의 운전모드를 비상모드로 전환하면 VOBC 전원이 차단되고 이와 함께 TIU 전원도 차단되어 통신두절상태가 된다. 이때 열차제어콘솔 화면과 열차위치표시 화면에서 열차는 청색에서 분홍색으로 바뀌고 멈춤 상태로 고정 표출되며, 이후 연속적인 추적 및 제어가 되지 않고 있음을 확인해 볼 수 있었다.

그림 15. (a) 전차선 단전상태 열차제어콘솔 화면 (b) 전차선 단전상태 열차위치표시 프로그램 화면

Fig. 15. (a) The train control console screen of the tram line disconnected state (b) The screen of the train position display program of the disconnected state of the train line

그림 16. (a) 열차 비상모드 열차제어콘솔 화면 (b) 열차 비상모드 열차위치표시 프로그램 화면

Fig. 16. (a) Train control console screen of train emergency mode (b) Train location display program screen of train emergency mode