현대로템이 제시하는 철도산업의 미래 : 스마트 트레인

아시아를 넘어 전 세계의 철도 산업 트렌드를 점쳐볼 수 있었던 2019 부산국제철도기술산업전 (Korea RailLog Fair 2019)의 흐름은 크게 ‘스마트 트레인’과 ‘친환경 트레인’ 두 가지로 나눌 수 있습니다. 그 중에서도 오늘 현대로템 블로그에서 소개해 드릴 기술은 바로 스마트 트레인입니다. 2019 부산국제철도기술산업전 현대로템 부스에서 선보인 디지털과 5G 시대 현대로템의 스마트 트레인 관련 기술을 상세히 소개합니다.

LTE-R과 만나 2단계로 진화하는 한국의 열차 운전 시스템

부산국제철도기술산업전의 ‘Digital Railway’ 부스에서는 현대로템 열차 운전 시스템의 현재와 발전 진행 상황을 알아볼 수 있었습니다. CBTC는 ‘Communication-Based Train Control’의 약자로 중앙관제센터에서 통신을 기반으로 열차를 중앙집중식으로 원격 제어하는 철도 신호시스템을 이야기합니다. 한국에서는 RF-CBCT 타입인 KRTCS-1을 사용하고 있는데요. 현재 신분당선이나 우이신설선, 인천지하철 2호선 등 무인운전 차량들도 KRTCS-1을 탑재하고 있습니다. 

▲ 차량에 탑재된 KRTCS-1 시스템

KRTCS-1은 지상 신호 장치인 WATC, 차상 신호 장치, 관제실로 구분됩니다. 관제실에서 명령 신호가 오면 지상 신호 장치 WATC는 경로가 운행 가능한 상태인지를 빠르게 판단하고 차량에게 이동 권한을 부여합니다. 이를 받은 차량 신호 장치는 정해진 목적지까지 안전하고 빠르게 목적지까지 운행하며 지상 신호 장치와 관제실과 실시간으로 운행 데이터를 주고받습니다. 

▲ KRTCS-1 시스템을 탑재한 차량은 원격제어뿐만 아니라 ‘에코-드라이빙’ 모드 등 차량의 상태를 통제하고 바꿀 수도 있다

이는 운전자 개입 없이 관제실에서 원격제어만으로 기동과 출발 전 워밍업, 본선 운행과 스케줄링까지 모두 자동으로 이루어지는 무인 시스템이며 영국의 국제공인 인증기관 ‘리카르도’로부터 ATP(Automatic Train Protection, 열차자동방호) 부분에 대해서 안전등급 중 최고인 SIL Level 4 인증까지 취득했습니다. 이뿐만 아니라, 출퇴근 시간 등 배차 간격이 좁은 시간대가 아닐 때는 친환경 모드인 ‘에코-드라이빙’ 모드로 추진/제동제어, 출입문 자동 제어 등의 기능을 활용하여 최적의 운행패턴으로 운행 가능하도록 지원한다고 합니다.

추후 고속철도까지 무인 열차 운전 시스템 적용

현재 현대로템이 개발 중인 운전 시스템으로 KRTCS-2를 들 수 있습니다. KRTCS-1이 도시철도용 신호 시스템이었다면 KRTCS-2는 도시와 도시를 연결하는 간선형 철도나 고속철도용으로 개발되고 있는 것이 특징입니다. KRTCS-2는 유럽 철도 표준인 ETCS-2에 기반을 두고 있는데요. KTX나 SRT 등에 향후 ETCS-2 도입이 예정된 만큼, KRTCS-2 역시 적용 가능한 시스템으로 볼 수 있습니다.

▲ KRTCS-2 시스템은 차량과 지상, 관제실 통신에 초고속 무선 인터넷 LTE-R을 이용한다

KRTCS-1이 지상 센서만으로 차량의 이동을 감지하고 컨트롤했다면, KRTCS-2는 LTE-R 무선통신을 도입해 열차가 어느 구간(폐색)에 위치하는지를 실시간으로 감지하고 좀 더 효율적으로 스케줄링할 수 있다는 장점이 있습니다. KRTCS-2 역시 SIL Level 4등급을 독일의 시험인증 기관인 ‘TUV-SUD’로부터 인증받아 그 안전성과 정확성을 입증했습니다.

현재 KRTCS-2에서 열차를 안전하게 보호하는 ATP 시스템이 개발을 마쳤고, 자동운전 기능을 추가하기 위한 작업에 박차를 가하고 있습니다. 가까운 시일 내에 한국의 고속철도에 KRTCS-2 시스템이 적용되어 도시철도뿐만 아니라 일반/고속철도에서도 무인운전이 현실화될 것으로 기대됩니다.

부품 효율과 유지보수에 최적화된 CBM 기술

열차에 탑재되는 LTE-R 기술이 열차 운전 시스템만 발전시킨 것은 아닙니다. 2019 부산국제철도산업기술전 현대로템 부스에 전시된 CBM(Condition Based Maintenance)도 LTE-R와 어깨를 나란히 하며 개발 중인 기술입니다. CBM은 4차산업혁명의 핵심인 ABC 산업으로 불리는 AI, Big Data, Cloud 이 세 가지가 모두 집약되어 최적의 차량 유지보수를 가능하게 합니다.

▲ 고속철도 차량 EMU-250에 탑재되는 고속철도용 동력 분산식 대차의 차축베어링 박스에 전시용으로 설치되어 있는 현대로템의 차축베어링 모니터링 센서

이것은 EMU-250 고속철도용 동력 분산식 대차입니다. 네 개의 차륜에는 각각 파란색 장치가 붙어 있는데요. 이것이 ‘휠-베어링 모니터링’ 센서입니다. 열차가 주행할 때 이 센서들은 차륜에서 느껴지는 진동과 온도를 실시간으로 측정해 차축 베어링의 손상 시 발생하는 특정 주파수와 이상 온도 정보를 이더넷 케이블을 통해 데이터 수집 장비로 전송합니다. 이 데이터에는 가공되지 않은 ‘RAW Data’가 워낙 많아 전송 속도 및 비용이 많이 들기 때문에 수집 장비에서 미리 전처리를 통해 데이터를 최적화하고 열차의 무선통신장치를 통해 중앙서버(지상 또는 클라우드)로 옮겨줍니다. 

▲ 대차에서 차량 정보를 얻어내 빅데이터 분석처리 후 무선네트워크(LTE-R)를 통해 클라우드로 전송하면 중앙 관제실에서도 실시간으로 데이터를 읽을 수 있다

지상 관제소에서는 클라우드 서비스에 모인 데이터를 통해 차량의 안전상태를 실시간으로 확인할 수 있게 됩니다. 기관사 등 열차 운행 전문 요원 역시 운행 중에도 추진, 제동, 가선 전압 등 차량 운행 전반에 관한 정보들을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 운행 중 실제로 고장이 발생하면 이 상황 역시 실시간으로 지상 관제소와 차량에 알려지며, LTE-R로 CBM 시스템과 연결된 운전실 디스플레이나 운영자 및 정비자에게 태블릿 PC로 열차상태를 실시간으로 확인할 수 있습니다. 이런 경우, 정해진 방법에 따라 운전자는 조속한 고장 조치를 취할 수 있으며, 이러한 정보는 서버를 통해 자동으로 운영자 및 유지보수자에게 전달하여 열차의 운행일정과 유지보수 일정의 효율적인 계획을 수립할 수 있습니다. 이렇듯 차량과 지상 양쪽에서 모두 열차 상태에 대해 실시간 모니터링이 가능합니다. 

CBM 시스템을 통한 유지보수 인력의 효율 강화

정상적으로 운행을 끝내고 차량이 기지에 들어왔을 때도 유지보수가 필요한 법입니다. 이때 유지보수 인력은 CBM 시스템과 연결된 태블릿이나 노트북에서 고장 이력을 체크하고 문제가 있었을 때 상태를 분석하고 조치해 사고를 미연에 방지할 수 있을 것입니다.

▲ CBM 시스템이 탑재됐을 때 차량과 지상 관제실, 유지보수 부품의 상태를 보여주는 화면

현재 운행되는 열차는 유지보수 매뉴얼 등 별도의 문서 없이는 정비 인력이 설계도나 유지보수 방법을 모두 파악하기 어렵습니다. 여기서 CBM 시스템을 이용하면 이러한 문제도 쉽게 해결할 수 있는 것이죠. CBM 시스템에 연결된 모바일 장비 또는 사무실의 PC에서 웹 기반의 빅데이터 분석 플랫폼에 접속하여 각 고장에 대한 유지보수 메뉴를 클릭하면 고장과 관련된 데이터와 작업 지시서를 확인할 수 있습니다. 작업지시서에는 작업 매뉴얼과 관련 부품 재고, 위치 등 유지보수 작업에 필요한 모든 정보가 표시되어 엔지니어가 차량의 고장에 효율적으로 대처할 수 있습니다. 차량의 부품에도 각각 센서를 부착해 마모 상태 등을 측정한 후 정말 문제가 있을 때에 한해서 교체하게 되면 불필요한 비용을 절감할 수 있게 됩니다.

초고속 네트워크로 제공하는 개인 맞춤형 서비스

▲ 열차 내 이더넷(Ethernet) 통신이 도입된 고속열차는 고객에게 맞춤형으로 다양한 서비스를 LTE-R를 통해 정시에 제공할 수 있다

오늘 소개한 기술은 열차와 승무원, 지상 관제실 요원 등에 맞춰져 있었습니다. 하지만 지금부터 소개할 기술은 열차를 이용하는 고객을 향하고 있습니다. 그 동안 고속철도 등에 제공되는 승객 서비스는 팔걸이에 이어폰을 꽂아 들을 수 있는 라디오 정도였습니다. 하지만 고속철도 차량이 LTE-R을 지원하게 되면 서비스의 양상이 현저히 달라질 것입니다.

▲ 서울-대전 고속철도 이용 승객에게 개인 맞춤 정보를 제공하는 상상도

우선 LTE-R이 연결되면 승객의 행선지에 따라 맞춤형으로 다양한 정보를 제공할 수 있게 됩니다. LTE-R을 통해 차량과 지상을 연결해 승객의 정보를 파악하고 개인화된 정보를 전달하는 것이죠. 예를 들어 어떤 자리에 서울-대전 승객이 탑승한다면 좌석 앞에 설치된 디스플레이를 통해 대전의 날씨와 관광지, 렌터카 연결 등 개인화된 정보를 전달할 수 있게 됩니다. 

▲ 차량 내에서 문제가 발생한 경우 차량 내부뿐만 아니라 중앙 관제실에서도 해당 상황을 모니터하고 이에 알맞은 조치를 취할 수 있다

만약 차량 내에서 문제가 생길 경우, 굳이 내부 인력이 상황을 확인하지 않더라도 중앙 관제실에서 사태를 파악해 가까운 역에 경찰이나 비상 의료 인력을 대기시키는 등의 조치를 취할 수도 있습니다. 이 밖에도 LTE-R을 통해 대용량 데이터를 주고받게 되면서 고객을 위한 다양한 서비스의 종류와 대상은 점점 더 늘어날 전망입니다.

초고속 데이터 통신과 AI, 빅데이터와 클라우드 등 4차 산업혁명은 우리 생활 전반은 물론 철도 등 기반 산업에까지 변화의 물결을 불러일으키고 있습니다. 2019 부산국제철도기술산업전에서도 다양한 첨단기술과 함께 변화하는 철도 산업의 모습을 만날 수 있었는데요. 현대로템은 언제나 그랬듯 선두에서 방향을 제시하며 모든 사람을 위한 철도 기술과 차량을 선보이고 있습니다.

다음 포스팅에서는 현대로템이 2019 부산국제철도기술산업전에서 소개한 친환경을 추구하는 미래 철도의 모습을 보여드리도록 하겠습니다. 철도 산업의 전망에 관심이 있다면 놓치지 말고 구독하세요!