철도 기술의 혁신! 급곡선 주행 열차시스템 개발자 인터뷰

이제는 우리 삶에서 떼려고 해도 뗄 수 없는 철도! 철도와 사람 사이의 거리는 날이 갈수록 가까워지고 있습니다. 하지만 철도와의 거리가 좁혀질수록 신경 써야 할 부분도 더 많아지는 것이 사실인데요. 삶 속으로 더 깊이 개입하면서도 일상의 편의를 높여야 하기 때문이죠.

이러한 노력의 일환으로 철도를 더욱더 안전하고, 똑똑하게 주행할 수 있도록 기술 개발에 힘쓰는 사람들이 있습니다. 바로 현대로템의 스마트시스템팀인데요. 스마트시스템팀 시스템개발파트에서는 급곡선 주행 열차시스템 기술을 중심으로 스마트한 열차시스템 개발에 앞장서고 있습니다. 오늘 현대로템 블로그에서는 급곡선 철도 주행성능 개선 시스템 개발자에게 곡선도 부드럽게 주행하는 현대로템 열차의 비법을 들어봅니다.

스마트 시대를 달리는 스마트 열차

급곡선 구간을 비롯해 운행 중 다양한 환경을 맞닥뜨리게 되는 열차는 정밀하고 복잡한 기술이 뒷받침되어야만 원활한 주행이 가능합니다. 오늘날과 같은 스마트한 기술력을 갖춘 열차는 현대로템 스마트시스템팀의 손에서 탄생하고 있답니다. 이제 열차도 똑똑해야 하는 시대라고 말하는 스마트시스템팀의 이야기를 들어보겠습니다.

▲현대로템 스마트시스템팀의 조연호 선임연구원(좌)과 강광호 수석연구원(우)

“스마트시스템팀은 팀 이름에서도 알 수 있듯이 스마트 열차를 개발하기 위한 목적으로 구성된 팀입니다. 스마트 열차란 무선통신과 IoT 기술 등을 이용한 ‘지능형 철도시스템’을 말하는 것인데요. 이와 같은 신 에너지 활용 기술과 상태기반 유지보수 기능을 수행하는 지능형 철도차량을 개발하는 업무를 주로 수행 중입니다.” (조연호 선임연구원)

스마트시스템팀의 업무를 이야기하는 조연호 선임연구원의 말에 힘이 실립니다. 최근 5G를 기반으로 한 스마트 시대의 도래로 스마트시스템팀의 업무에 더욱 귀추가 주목되고 있죠. 우리나라의 빠른 네트워크 통신망을 무기로 방대한 양의 철도 데이터를 신속하게 처리할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 이러한 기술을 접목한 ‘SMART TRAIN’은 지능형 철도차량의 미래로 대표됩니다.

“지능형 철도 시스템은 IoT, 빅데이터 등의 첨단 기술과 철도 시스템을 융합한 개념입니다. 차량 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있고, 현장에 있는 엔지니어에게 가이드를 제시하죠. 철도를 이용하는 이용자의 편의를 높이고 운영상의 효율도 동시에 향상한다는 것이 큰 특징입니다.” (강광호 수석연구원)

강광호 수석연구원은 현재 상용화 단계에 이르고 있는 현대로템의 지능형 철도차량이 지향하는 우리의 미래를 피력하였습니다. 보다 스마트한 철도를 통해 수송 경쟁력 확보에 앞장서게 될 스마트 열차의 두 어깨를 책임지는 연구원들의 모습에서 현대로템의 탄탄한 미래가 엿보입니다.

세계 최초 급곡선 주행 기술의 탄생

이렇듯 스마트한 기술력을 바탕에 두고 탄생한 급곡선 주행성능 개선 시스템은 과연 어떠한 모습일지 점점 더 궁금해집니다. 사실 급곡선 구간에서 철도의 주행성능을 개선하기 위한 노력은 그동안에도 계속 있어 왔습니다. 현대로템 스마트시스템팀 역시 처음부터 지금과 같은 방향으로 연구를 진행하지는 않았다고 하는데요. 스마트시스템팀 시스템개발파트 연구진의 이야기를 이어서 들어보겠습니다.

▲급곡선 주행 열차시스템을 설명하는 조연호 선임연구원

“국책과제 형태로 5년간에 걸쳐 개발된 과제이지만, 처음부터 현재의 결과물을 구성한 것은 아닙니다. 초기 개발 컨셉은 자기부상열차에 설치된 것과 같은 유압식 수동 조향 시스템을 적용한 조향대차였죠. 하지만 개발 과정에서 구동대차에 조향 시스템 적용이 어렵게 되었습니다. 그래서 생각해낸 방안이 제가 박사 논문으로 연구한 ‘개별모터토크제어’ 방식을 적용하는 것이었습니다.” (조연호 선임연구원)

5년에 걸친 연구∙개발의 결과로 지금과 같은 형태의 급곡선 주행 열차시스템을 완성한 현대로템. 그들의 핵심 기술은 크게 3가지로 압축할 수 있는데요. 유압식능동조향(HSC: Hydraulic Steering Control), 개별모터토크제어 (ITC: Individual Torque Control), 개별제동제어 (IBC: Individual Brake Control)가 그 주인공입니다.

▲유압을 이용해 방향을 제어하는 HSC 기술

처음에 급곡선 주행 열차시스템을 개발할 당시에는 조향 시스템 적용을 염두에 두었다고 합니다. 철도 차량의 경우 바퀴가 마치 아령처럼 하나로 연결되어 있기 때문에 핸들 없이 레일을 따라가며 방향을 전환하는데요. 따라서 곡선 구간에서는 하나로 연결된 바퀴가 틀어지면서 어긋난 채로 굴러가게 됩니다. 이때, 조향 실린더 등을 이용해 동시 또는 개별로 조향하도록 설계된 시스템이 ‘유압식능동조향(HSC: Hydraulic Steering Control)’의 개념입니다. 레일과 바퀴가 계속해서 평행을 유지할 수 있도록 해주는 것이죠.

▲현대로템 스마트시스템팀에서 철도 시스템 개발을 담당하는 (왼쪽부터)강광호 수석연구원, 이원상 수석연구원, 조연호 선임연구원

열차는 모터의 유무에 따라 크게 두 부분으로 나뉘는데요. 모터가 장착되어 움직일 수 있는 ‘구동대차’와 별도의 모터 없이 구동대차에 연결된 ‘견인대차’가 있습니다. 그런데 구동대차의 경우에는 모터가 바퀴를 고정하고 있기 때문에 앞서 설명한 조향 시스템 적용이 불가능합니다. 즉, 모터가 없는 견인대차만 유압식능동조향시스템 적용이 가능한 것이죠.

▲저심도 급곡선 트램의 구동대차에 적용된 ITC 기술

그렇다면 구동대차는 어떻게 급곡선을 주행할 수 있을까요? 이러한 고민 끝에 찾아낸 방안이 ‘개별모터토크제어 (ITC: Individual Torque Control)’기술입니다. 저심도 급곡선 트램의 경우 아령처럼 두 바퀴가 이어져 있지 않고 자동차처럼 차체에 바퀴만 달린 형태인데요. 따라서 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴가 따로 회전할 수 있습니다. 각각의 바퀴에 모터도 별도로 장착되어 있죠. 왼쪽 모터와 오른쪽 모터를 각각 제어하여, 곡선을 돌 때 바깥쪽에 있는 바퀴를 더 빨리 돌려줌으로써 속도 차를 발생시킵니다. 속도의 차이를 두어서 레일과 바퀴가 평행이 되도록 유지하는 것이죠. 반듯한 직선 레일에서는 두 바퀴의 속도를 같게 하고, 곡선에서는 각 바퀴의 회전을 빠르게 혹은 느리게 조절하여 레일을 따라 부드럽게 돌 수 있는 것입니다.

마지막 핵심 기술인 ‘개별제동제어 (IBC: Individual Brake Control)’는 구동대차와 견인대차에 함께 적용할 수 있는 기술인데요. 바퀴마다 제동장치를 장착하여 동작을 제어해주는 방식입니다. 원래 브레이크는 속도를 줄여 멈출 때 사용하는 것이지만, IBC 시스템은 굴러가는 바퀴의 속도를 줄이는 용도로 사용합니다. ITC 시스템이 모터를 이용해 속도를 더 빠르거나 느리게 조절할 수 있었다면, IBC 시스템은 속도를 더 빠르게 할 수는 없지만, 제동장치를 통한 감속으로 바퀴와 레일 사이의 균형을 맞추어 주는 원리입니다.

▲15mR의 급곡선 환경에서 원격운전대를 이용해 주행성능 개선효과를 검증하였다

이렇듯 3가지의 기술이 한데 집약되면 비로소 급곡선에서도 부드러운 주행이 가능한 열차가 탄생하는데요. 현대로템 스마트시스템팀 연구진은 급곡선 주행성능을 개선을 통해 바퀴와 철도 사이의 횡압 30% 이상 줄이고, 소음은 3dB 이상 감소시켰습니다. 이와 같은 수치는 철도차량이 급곡선을 주행하면서 발생하는 마모와 소음을 줄이는 것은 물론이고, 탑승한 이용객들이 실제로 체감할 수 있는 정도의 수준이라고 합니다.

▲알아두면 쓸데있는 열차 곡선주행 상식(바로가기)

변화와 혁신으로 증명한 현대로템

현대자동차그룹에서는 2007년부터 매년 계열사를 대상으로 변화와 혁신 과제를 성공적으로 수행한 개인과 조직에 ‘변화와 혁신 대상’을 수여하고 있습니다. 올해로 벌써 11회째를 맞이했을 정도로 성황리에 운영 중인데요. 이번에 현대로템에서 최우수상을 차지한 부문은 2013년 신설된 조직부문입니다. 이번 공모에는 조직부문 91건, 개인부문 95건으로 총 200건에 달하는 과제들이 치열한 경쟁을 펼쳤습니다. 급곡선 주행성능 개선 시스템을 필두로 참가한 현대로템은 1, 2차에 걸친 심사 끝에 공모과제에 대한 혁신성과 창의성을 인정받아 최우수상 수상의 영광을 거머쥐었죠.

▲현대로템 스마트시스템팀 연구진이 상장과 상패를 들고 수상의 기쁨을 나누고 있다

현대로템의 기술은 2016년 2017년에 각각 한국 철도학회가 선정한 ‘대한민국을 대표하는 철도 10대 기술’에 선정되기도 했는데요. 이번 수상이 더해지며, 단순히 상을 받는 것을 넘어 개인의 삶에서 철도가 선사하는 의미를 되새겨 보았다고 합니다.

“조직부문 수상이지만 개인 수상 이상으로 제가 5년간 열정을 쏟아부었던 과제라서 감회가 남다릅니다. 특히 박사과정에서 연구하였던 연구주제를 입사 후 실제 프로젝트로 구현하여 제품화할 기회를 갖게 되어 더욱 고무되었던 것 같습니다. 이번 개발계획에서와 같은 열정으로 현재 진행하고 있는 프로젝트뿐 아니라 앞으로의 업무에서도 최선을 다한다면 ‘변화와 혁신 대상’ 그 이상으로 인정받을 수 있는 엔지니어가 될 수 있을 것 같습니다.” (조연호 선임연구원)

▲운전기사 없이 다양한 환경에서 주행이 가능한 무선 원격운전대 적용 시험차량

이번 프로젝트를 진행하면서 가장 큰 ‘변화와 혁신’이 무엇이었는지를 묻는 말에 연구진은 입을 모아 ‘HILS’ 기술을 꼽았습니다. 급곡선 주행성능 개선을 위한 3가지의 핵심 기술이 실현되기까지 HILS의 활약이 컸다고 하는데요. HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기술을 적용하여 시험실에서 가상 철도차량으로 다양한 모의 주행을 실시할 수 있었고, 무선 원격운전대 적용 시험차량으로 운전기사 없이도 다양한 환경에서 원격 조정이 가능했기 때문입니다.

“개발된 3가지 시스템도 변화와 혁신을 이끄는 신기술이지만 무엇보다도 이러한 3가지 시스템의 성능시험을 가능하게 했던 시험 장치들이 가장 큰 혁신이라고 생각합니다. 신기술이 적용된 철도차량은 여러 이유로 인해 영업노선에서 시험차량 운행이 제한되기 마련입니다. 일정한 자격을 갖춘 운전기사가 차량을 운행해야 하므로 개발기술 시험과 검증에 제약이 따르는 것이죠. 이러한 의미에서 무선통신 기반 원격 운전대를 장착한 시험차량과 HILS를 이용한 시험이 철도 시스템을 완성하기 위한 초석이 되었는데요. 시간과 공간의 제약을 받지 않고도 시험이 가능해졌기 때문입니다. 덕분에 밤샘 시험하는 날은 많아졌지만 이러한 기술 덕에 기간 내에 개발을 완료하고 원하는 성과를 달성할 수 있었습니다.”

현대로템이 이번 수상과 같이 우수한 결과를 얻어낼 수 있었던 것은 연구개발을 위해 양산 프로젝트를 수행하고 있는 설계자들과 연구원들의 든든한 지원이 있었기 때문이라고 하는데요. 사실 양산 프로젝트와 연구 프로젝트를 병행하여 수행하기에는 많은 어려움이 따르는 것이 현실입니다. 이번 프로젝트에 참여한 연구진 일동은 연구개발에 매진할 수 있도록 배려해준 동료들과 수상의 영광을 함께하고 싶다는 말을 전했습니다.

한편, 수상의 기쁨과 함께 연구개발 분야에서 연구자의 자율성과 든든한 지원이 보장되었으면 하는 바람을 전하는 것도 잊지 않았는데요. 실패를 독려하는 연구문화가 정착된다면 앞으로 더 많은 변화와 혁신이 탄생할 것이라는 기대감을 나타냈습니다.

“이번에 변화와 혁신 대상을 받을 수 있었던 것은 ‘세계 최초 기술’이라는 것이 한몫 했습니다. 매출액 부분에서도 놀라운 성과를 보이며, 철도 관련 신기술 개발의 선구자로 도약했기 때문인데요. 이번 수상이 현대로템 내에서 또 다른 변화와 혁신을 불러왔으면 합니다. 실무자 입장에서 R&D에 보람을 느낄 수 있도록 성공에 대한 격려뿐만 아니라 충분한 실패를 통해 연구에 집중할 수 있는 환경이 조성되었으면 좋겠습니다.” (강광호 수석연구원)

“연구소 임직원분들께 드리고 싶은 말씀은 실패를 독려하는 연구문화 정착이 필요하다는 것입니다. 반드시 연구가 성공해야만 하는 분위기에서는 혁신적인 아이디어가 나올 수 없고, 설령 혁신적인 아이디어가 있다 해도 실행에 옮길 엄두가 나지 않는 것이 현실입니다. 꼭 개발에 성공해야만 한다는 압박은 연구원들로 하여금 성공하기 쉬운 과제와 아이디어만 쫓게 하는 결과를 낳습니다. 실패를 통해 발전하고 혁신할 수 있도록 실패를 독려해 주시길 바랍니다.” (조연호 선임연구원)

철도는 우리의 미래다

현재 현대로템 스마트시스템팀에서 개발하고 있는 수소연료전지 적용 철도차량 기술은 그룹 차원에서도 미래성장동력으로 꼽을 만큼 기대가 큰 기술입니다. 해외 경쟁사에 비해 늦게 수소연료전지 철도차량 개발을 시작하였음에도 불구하고, 현대자동차를 통해 성능이 입증된 우수한 연료전지를 적용할 수 있다는 큰 이점을 가지고 있기 때문인데요. 세계 최고 수준의 연료전지 철도차량으로 인정받는 것을 목표로 삼고 있는 현대로템의 내일이 더욱더 기대되는 이유입니다. 이 덕분인지 현대로템 스마트시스템팀은 철도 업계를 꿈꾸는 젊은이들을 위해 밝은 미래를 전망했습니다.

“철도는 종합엔지니어링의 산물입니다. 철도차량은 전기, 기계, 열, 유체를 망라한 종합 엔지니어링의 집합체이므로 본인의 전공에 국한된 좁은 시야와 경험 외에 다양한 전공지식과 인문학 소양을 쌓는 것이 중요합니다. 철도 업계로의 취업을 꿈꾸고 계신다면, 여행도 많이 다니시고 책도 많이 읽으면서 직∙간접 경험을 많이 해 보시길 바랍니다.” (조연호 선임연구원)

올해로 현대로템에 입사한 지 25년 차를 맞이한 강광호 수석연구원도 우리나라 철도의 미래를 이끌어갈 주역들에게 건네는 조언을 아끼지 않았습니다.

“최근의 흐름을 보면 철도차량에 관심 있는 젊은이들도 많고, 실제로 철도 업계에 지원하는 분들도 늘고 있습니다. 철도차량의 기술이 일반인에게는 생소할 수 있지만 크게 보면 자동차의 기술과 부합하는 부분도 많습니다. 신기술을 개발하고 자기계발의 역량을 키우기 위해서 철도 분야는 큰 꿈의 무대가 되어줄 것입니다.” (강광호 수석연구원)

세계 최초의 급곡선 주행성능 개선 시스템 개발로 국내 유수의 철도 업체로 입지를 확고히 다진 현대로템인 만큼 철도의 미래에 대한 책임의식이 느껴지는데요. 앞으로 시대의 변화에 발맞추어, 우리나라뿐만 아니라 전 세계를 누비는 스마트 열차를 제작할 현대로템의 활약을 기대해 봅니다. 2019년에는 또 어떠한 선진 기술로 우리를 놀라게 할지 현대로템 철도기술연구소에 많은 관심과 응원 부탁드립니다.