통신기반 열차 제어장치(CBTC)

1. 용어의 정의

통신기반 열차제어장치(CBTC : Communication Based Train Control) : 통신을 이용 한 열차제어 장치로서 신뢰성 높은 차내 및 지상신호제어설비가 사용되고 지상의 중 앙제어센터에 설치된 컴퓨터가 각 열차의 위치와 속도를 연속적으로 확인하여 선행열 차 위치와 속도제한 지점까지의 거리를 열차로 전송하고, 차내의 컴퓨터가 열차성능에 맞는 최적의 속도제어를 하는 것으로 지상과 차내간의 데이터 전송에 무선을 사용하 는 것

 

 

2. 통신기반 열차제어장치

(1) 통신기반 열차제어장치는 이동폐색방식을 원칙으로 한다.

(2) 지상～차내 간 실시간 양방향 통신이 가능하여 열차제어, 열차감시, 차량고장 등 상황 발생 시 원격제어가 가능해야한다.

(3) 실시간 열차위치를 검지하여야 한다.

(4) 안전성과 신뢰성이 입증되어야 한다.

(5) Vital(주요)장치는 다중계로 구성하여야 한다.

(6) 관제실에서 통합감시 및 제어방식으로 하며, 차량기지의 감시기능을 포함한다.

(7) 스케줄에 의한 입출고, 유치, 주박 등 일련의 배차관리 업무를 자동화 하여야 한다.

(8) 구간 운행속도는 선행열차와의 안전한 여유거리에 의해 결정되는방식으로 하며, 구간 최고속도는 선로의 구배, 분기, 곡선, 정거장, 기타 선로상 제한속도 범위를 초과하지 않는 범위 내에서 결정하여야 한다.

 

2.1 통신기반 열차제어장치 전송 정보

2.1.1 지상→차내 전송 정보

(1) 선행열차 위치정보, 제한속도, 운전방향, 행선지, 목표거리

(2) 열차번호, 운전시간, 다음 역 정차시간, 출입문 정보

(3) 경계속도, 선로제한 정보

(4) 지정운전모드, 이동권한

(5) 모드전환

(6) setup

(7) 출입문 제어정보

(8) 임시속도제한 정보

(9) Key-up, Down 정보

(10) Reset 정보

(11) 분기기, 연동장치 정보

(12) 승객안내 정보

(13) 불연속 정보를 포함한 기타 정보 등

 

2.1.2 차내→지상 전송 정보

(1) 열차번호, 행선지

(2) 편성정보

(3) 운전모드, 운행모드

(4) 정위치 정차 정보

(5) 출입문 정보

(6) 속도“Zero” 정보

(7) 이동권한

(8) 차량고장 정보, 차량상태 정보

(9) 현재 운행상황 정보(운행방향, 속도, 시간, 현재위치)

(10) 지상제어의 응답

 

2.3 통신기반 열차제어장치 주파수 할당 열차제어장치에 사용하는 주파수는 계약자가 지정하며, 지정된 주파수는 VVVF 차량, 변전소, 전차선 귀환전류 등의 주변에서 발생하는 유도전압 또는 어떤 종류의 간섭파로 부터 보호되도록 하여야 한다.

 

 

3. CBTC 시스템의 장․단점 분석

3.1 개 요

CBTC 시스템은 그 기능 및 성능에 따라 여러 종류로 나누어 진다. 그리고 각 시스템 별로 사용되는 기술은 유사하거나, 각각의 성능에 따라 다소 차이점이 있으므로 다음과 같이 CBTC 시스템의 장․단점을 검토하였다.

 

3.2 CBTC 시스템의 장점

(1) 열차 위치에 대한 높은정확성과해상도는열차성능과궤도기하학의제약조건내에서 60초의 운행 간격(Headway)으로 운행할 수 있는 조건을 제공한다.

(2) 중요 데이터와 비-중요 데이터를 전달하는 중앙, 차내와 열차간 양방향(Duplex) 고속, 고성능 통신이 가능하다.

(3) 차내 신호를 위한 연속적인 ATP 기능성을 제공한다.

(4) 자동과 수동 작동 모드의 광범위한 선택을 허용한다.

(5) 운전 프로파일과 역 정차를 포함한, 지상으로부터 열차 제어 성능을 통제한다.

(6) 전철에 적용 시 입증된 기술 개념이다.

(7) 예로는 약 1500 km의 통신-기반 신호처리를 구비하고 20년 이상 수익 서비스를 운영 해온 독일 국영철도가 있다. 8년 동안 서비스를 제공해온 Vancouver Sky Train은 일반적으로 어느 정도 성공을 거둔것으로 간주된다. 이회사의 승차율은 원래 계획보다 4년을 앞서 달성했으며, 실제 운행간격은적게는40초이며, 평균시스템은 북미특급 전철 평균보다45% 이상이다. 마일당 0.11 (1609.3M당 132원) 달러는 북미에서 모든 철도나 버스 시스템 중 최저의 운영비라 할 수 있다.

(8) 타워, 차내와 차내에서의 마이크로프로세서 설비 설정은 높은 시스템 가용성(적절한 상태감시, 진단과 고장난 부분에 대한 즉각적유지보수)접근성과 화합성을 제공할 수있다.

(9) 차내 시스템이나 상태는 실시간으로 원격 감시할 수 있다.

(10) 역 에서의 정확한정위치정차(Vancouver 시스템은 2.0 인치 정차 정확성)를 가능하게한다.

(11) 열차는 제어장소에서 연속적으로 확인 가능하며, 자동으로 진로가 설정될 수도 있다 (더 정확한 열차궤도추적은열차위치결정의정확성과보고기능에의해가능하다).

(12) 궤도배선에 의해 제약을 받는 양방향운전, 짧은 거리에서의 회차, 무정차역을 포함해 서 다양한 운영 환경을 제공한다.

(13) 특별한 소프트웨어를 위해 적은 추가 비용의 사용으로 양방향 모두에서 최소의 운영 거리 성능을 가지고 완전한 양방향 운전을 가능하게 한다.

(14) 서비스 규정을 최적화 할뿐만아니라 전력소비를 최소화하고, 재생브레이크 시스템을 완전히 활용할수 있게 해주는 융통성 있는열차의 통제수준을 제공한다.

(15) 수동 작동 하에 최적의 운전기법을 가능하게 하는 향상된 디스플레이를 제공한다.

(16) 최신의 컴퓨터와 통신 하드웨어를 사용한다. 

(17) 향후 하드웨어  업그레이드로 옮길 수 있는 높은 수준의 언어소프트웨어를 채택할수 있다.

(18) 완전히 운영되면 어떤 지상 신호나 정지(Tripstops)를 필요로 하지 않는다.

(19) 수익 운영에 영향을 미치지 않고, 통신 연결을 광범위하게 시험할 수 있다.

(20) 완전한 이중 모드 설정에서 운영되며, CBTC가 적용되지 않은 열차는 고장시 대체시 스템궤도회로의 상태를 감시해서 추적할수있으며, CBTC가 적용된 열차는 그에 따라 제어될 수 있다.

(21) 고장 시 대체 시스템은 주요 프로세서와는 별개로 작동할 수 있다.

(22) 전원 소비는 다른 유형의 열차 통제 기술의 경우보다 낮다.

(23) 레일로부터 차내～지상 링크의 고립에 의한 전도성 전자기 간섭으로부터 개선된다.

(24) 조작자는 많은 궤도 없이 CBTC로 선로용량을 높인다.

(25) CBTC는 안전을 증가시키도록 설계된다.

(26) CBTC는 지상의 현장설비를 제거한다.

(27) 기존 시스템을 병합하기 쉽다.

(28) CBTC 설치 후 새로운 응용설비를 추가할 수 있다.

 

3.3 CBTC 시스템의 단점

(1) 열중요한 차내 프로세서의 고장은 철도의 넓은 지역에대한주요한통제를못하게하는 결과를 초래한다. 중복되는시스템의 경우, 중요한차내프로세서의고장은두부분모 두에서 고장의 특성이 될 수 있다. 일반적으로, 양쪽의 시스템에 모두 공통인 유일한 품목은 소프트웨어이다. 소프트웨어 오류가 교정되면 재 발생하지는 않는다. 벤쿠버 (Vancouver)에서 최근의 경험에 따르면 이는 현재 극히 드문 문제이다.

(2) 센터의 건물에 수용되는 논 바이탈프로세서(Non-Vital Processor)와 바이탈 프로세서 (Vital Processor) 장치들의 집중화는 어떠한 사고에 의한 전체시스템에 영향을 미치는 취약점이 드러나는 공통점이 있다.

(3) 현재 이용 가능한 시스템은 상대적으로낮은대역폭을보이며마모, 분열과파손행위에 피해를 보기 쉬운 자기유도 통신을 그 특징으로 한다. 자기유도 루프(LOOP) 시스템을 이용한 운영 시스템은 초당 1200 비트의 열차로 전송되는 데이터 전송률을 허용한다. LA Green Line과 RATP는 사용되는 레일의 높은 유도계수가 초당 200 비트 정도의 통신을 제한한다. 벤쿠버(Vancouver)는 초당1200 비트의 업링크와 자기유도 통신을 이용한 40초의 운행간격으로 운행한다.

(4) 자기유도 루프는파손등의 가능성이 있다. 벤쿠버(Vancouver)에서는 이러한 문제를 해결하지 못한반면에, German Federal Railway는 자기유도 루프로 20년 이상 성공적으 로 운영해왔다. 무선-기반 시스템은 이러한 단점을 완화시킬 것이다.

(5) 시스템 고장시, 모든 열차는 완전 운영이 다시 시작되기 전에 긍정적으로 구축되어야 한다. 이는 무인운전 시스템에서 가장 중요할수 있다.대부분의 시스템에서,열차 운 전사는다음역으로수동으로운전할수있다.이로써시스템을재구동할필요없이지 연을 크게 완화할 수 있다.

(6) 개발과 디버그 시기 동안 많은 기능성이 도입되므로써 응용설비는 대개 소프트웨어 위주이며, 수익 운영에 적용한 후에 미세한 조정이 예상된다.

(7) 기존의 시스템은 하나의 제조업체가 공급한 완전한 통합 패키지이다. 현재까지, 이러한 공급업체들은 하드웨어와 소프트웨어의 세부사항을 공개하기를 꺼려했는데, 세부사항은 하나의 시스템으로 완전히 인터페이스 되는 설비를 경쟁업체도 공급할 수 있게 해준다. 통신주파수, 주기, 데이터전송율, 비트패턴 등의 정의는 각부분이 수행하는 기능을 완전히 정의하기에는 충분치 않으며,각시스템에 대한 상당한 설계세부사항이 필요하다.이기술을 NYCT에 적용하려면 비 독점적인 인터페이스 시리즈나 수용가능한 라이센스프 로그램도 필요하다.

 

3.4CBTC장․단점 분석

(1)장․단점요약

CBTC의장/단점

장점

단점

￭90초의 운행간격 ￭양방향고속,고성능 통신링크 ￭연속적인 ATP 기능성 제공 ￭작동모드의 광범위한 선택 ￭열차제어 성능통제 ￭높은시스템 가용성,접근성․화합성 제공 ￭실시간 원격감시 ￭정확한 역정차 기능 ￭열차의 연속적인 위치 확인과 자동진로 설정 ￭다양한 운영 설정 ￭완전한 양방향 운전 ￭융통성있는 열차의 통제수준 제공 ￭향상된 디스플레이 제공 ￭최신의 컴퓨터와 통신하드웨어 사용 ￭높은 수준의 언어 소프트웨어 채택 ￭광범위한 통신 연결시험 ￭대체시스템 궤도회로의 상태를 감시 추적 ￭고장시 대체 시스템은 주요프로세서와 별개로 작동 ￭전원소비가 낮다 ￭전도성 전자기 간섭으로부터 개선 ￭적은 궤도로 선로용량 증대 ￭안전이 증가된 설계 ￭지상의 현장설비 제거 ￭기존 시스템과 병합 용이 ￭새로운 응용 설비추가 가능

￭차내프로세서의 고장으로 철도의  넓은지역에 대한 주요한 통제 불가 ￭높은정도의 프로세서의 중심화는 수용되는 건물의 사고에시스템취약화  ￭상대적으로 낮은 대역폭을 보이며 마모, 분열, 파손행위에 피해 보기 쉬운 자기 유도 통신사용 ￭시스템 고장 시 시간 소비 ￭응용설비는 대개 소프트웨어 위주 ￭인터페이스 시 리즈나 수용가능한 라이센스 프로그램 필요

 

 

 CBTC 문제점 대처방안

항 목	구축시 고려사항
중앙시스템의 고장	일부 통제시스템 추가를 통한 복구시간단축, 전체 복구를 위한 제어범위 불필요
대역확산(Spread Spectrum) 통신 기술방식의 불신임	NYCT에서 타당성 및 적용가능을 입증. BART에서 대 역확산 무선통신 기술에 대해 광범위한 시험을 수행. London Underground의 지하철 내부구조에서 시험을 수행. 피츠버그 시험궤도에서 Lossy 라인을 이용해서 대역확산  통신방식의 가능성 입증.
기존 신호 시스템 설비의 노화 상태로 인한 시험중의 지연	시스템 마이그레이션(Migration) : 이 개념은 기존 신호 시스템 회로에 대한 변경을 최소화하면서도 연속적인 과속보호를 구현할 수 있게 한다.
기존 시스템 교체에 따른 열차 안전을 위한 대체 시스템 필요	CBTC 시스템 적용으로 신뢰성이 확보되면 대체시스템 의 사용을 중단할 수도 있다.

 

현재 CBTC가 가지고 있는 문제점에 대하여 많은 제작업체 또는 연구기관에서 보다 효율적인 대처방안을 연구하고 있으며 보완해 나가고 있다. 또한 현재 세계적 추세 및 시스템 구축방향이 CBTC 시스템으로 진행되고 있으므로 현재에도 인증 받은 시스템이나 점차적으로 더욱 안정적인 기반으로 구성될 것으로 사료된다.

 

3.5 기존 도시철도와의 비교 국

내의 기존 도시철도는 두 가지로 구분할 수 있다. 그것은 ATO 기능이 없는 시스 템(서울지하철3, 4호선)과 ATO 기능이 있는 시스템(서울 2기 지하철)으로 구분된다. 이들 시스템과 CBTC 시스템과의 가장 큰 차이점은 열차운전 시격 조정 및 안정성 확보를 예로 들수 있으며, 보수유지비 부분에서도 CBTC 시스템이 유리하다. 또한 기존노선 및 설비에 추가적으로 부설이 가능하여 그에 따른 기존 시스템 운영에 문제가 발생하지 않도록 시공 가능한 시스템이라 할 수 있다. 그리고 이미 세계적으로도 NYCT, BART 등에서 그 기술이 시험을 통하여 입증된 상태이므로, 현재의 시스템보다 그 성능과 기능이 우수하며, 기존 도시철도 운영에 지장을 초래하지 않는다는 것만 으로도 이미 신기술 도입에 큰 장점을 가지고 있다고 할 수가 있다.

 

 

기존시스템과CBTC시스템의비교

구분		기존열차신호시스템	CBTC시스템
구성	열차위치 검지	궤도회로	Radio ranging, Balise, Inductive loop, GPS
	신호전송	궤도회로	무선통신
	폐색방식	고정폐색	이동폐색
특징		궤도회로기초	궤도회로필요없음
		안전성이증명된기술	안전성증명,신뢰성향상
		소량의정보전송	다량의정보전송
		날씨등외부조건에취약	radio ranging의경우외부조건의영향이 적음
		설치및유지보수에 어려움	설치및유지보수용이
			다른시스템과혼용으로사용가능
			무선통신의질이보장되어야

 

 

 

4. CBTC구축에따른고려사항

검토의견 CBTC구축에 따른 시스템별 고려사항은 크게 두가지로 구분되며 첫번째는 인터페이스 고려사항으로 장치간 인터페이스,데이터 통신인터페이스 기존장비와의 인터페이스 사항이고 두번째는 장비별 고려사항으로 사령설비,통신망,신호기계실,현장설비,차내설비로 구성된다.

 

4.1인터페이스고려사항

CBTC 구축에 따른 인터페이스의 범위는 크게 장치간 인터 페이스, 데이터통신 인터페이스, 기존장비와의 인터페이스로 구분되며이들 항목의 상세 검토항목은 다음과같다.

4.1.1장치간 인터페이스구성

(1)현장 CBTC 시스템 장치사이의 정보교환구성

(2)차내와 차내간의 정보교환구성

(3)차내 CBTC 시스템 장치사이의 정보교환 구성

(4)차내 CBTC 시스템장치와 트랜스폰더 사이의 정보교환 구성

4.1.2데이터통신 인터페이스

(1)RF 데이터 인터페이스 기능

(2)RF인터페이스 요건

4.1.3기존장비와의 인터페이스

(1)차내 직렬 링크

(2)선두～후미차량간 링크

(3)ATP인터페이스

(4)열차출발(Dispatch)

(5)SORS에대한ATC모델

(6)프로그램정지 무효화(Override)

(7)인터락킹(Interlocking)명령 및 표시

(8)사령실 CBTC설비에 따라 다를수 있으나,위에서 언급한 내용의 인터페이스 관련사항은 검토하여야한다.

 

4.2장비별고려사항

 

CBTC 적용에 따른 장비별 고려사항

구분	장비명	CBTC적용에따른고려사항
사령 설비	LDP	기존장비유지
	TrainControl Computer	CBTC적용에따른S/W개수필요
	CDTS	기존장비유지
	TCC	CBTC적용에따른S/W개수필요
	MSC	CBTC적용에따른운행관리S/W개수필요, Central RadioDispatch와인터페이스
	Central RadioDispatch	CBTC적용에따른신설장비,기존MSC와 인터페이스
	RBSRack(RadioBlock Center)	CBTC적용에따른신설장비와인터페이스
통신망	광케이블	기존전송로사용, CBTC용장비들과연결
	Router	기존장비유지및CBTC적용에따른추가장비설비
	LDTS	기존장비유지
	연동장치	기존장치일부변경,통신장비와연동장치의 연계장치추가
신호 기계실	ATC장치	기존장비유지
	ATO/TWC장치	기존장치철거, CBTC장비가기능대체
	Local Control Computer	기존장비유지, S/W개수필요
	전원장치	기존장비유지,용량에따른추가전원장비 설치가능
	통신장치와연동장치의 연계장치	기존데이터를변환하여CBTC장비로 전송
	지역제어기	CBTC적용에따른신설장비,현장RadioBox및 광통신망과인터페이스
현장 설비	신호기	기존장비유지,일부설비철거
	선로전환기	기존장비유지
	궤도회로	기존장비유지,일부설비철거
	OpenDoorLoop	철거, CBTC장비가기능대
	TWC	철거, CBTC장비가기능대체
	PSMMarkerCoil	철거, CBTC장비가기능대체
	Transponder	CBTC적용에따른신설장비,차내TI와 인터페이스
	RadioBox+안테나	CBTC적용에따른신설장비,지역제어기와연결, 차내안테나통신
차내 설비	ATC장치	철거, CBTC장비가기능대체
	ATO/TWC장치	철거, CBTC장비가기능대체
	ATC안테나	철거, CBTC장비가기능대체
	TWC안테나	철거, CBTC장비가기능대체
	Radio	CBTC적용에따른신설장비
	CabSignal Computer	CBTC적용에따른신설장비
	버튼(절체스위치)	CBTC 적용에따른신설장비
	CBTC 장치	CBTC 적용에 따른 신설장비
	Transponder 안테나	CBTC 적용에 따른 신설장비
	Tachometers	CBTC 적용에 따른 신설장비

 

출처-국가철도공단 KR S-07050