2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S051

자동폐색장치를 활용한 ETCS L1 이동권한 확장에 관한 연구

A Study on the ETCS L1 MA expansion using Automatic Block System

윤선호*†, 이종헌*, 정재옥*

Sun-ho Yoon *†, Jong-heon Lee*, Jae-ok Jung*

Abstract By replacing the Automatic Train Stop (ATS) of the existing line, ERTMS / ETCS is introduced for safety of high-speed train service. ERTMS/ETCS is operated by calculating the permissible speed drive on the device the distance to the point where movement is permitted in the group. G aspect in existing 5 aspect signal system have the movement authority for 4 block and is calculated the permitted speed by onboard. If movement authority increased, it can expect reduction of the journey time and improvement of the maximum speed. The ABS in block boundary is operated the calculated aspect information by prior block condition. In this paper, we present a study on the ETCS Level 1 MA expansion using automatic block system. Keywords : Automatic Block System, ETCS, Level 1, Movement Authority, Coupling 초 록 국내 기존선 열차제어시스템으로 사용되어온 ATS를 대체하고, 150[km/h] 이상의 속도로 운행되는 준·고속 열차에 대한 운행 안전성 확보를 위해 도입된 ERTMS/ETCS 시스템은 이동이 허용된 지점까지의 거리를 기초로 하여 차상장치에서 허용 속도를 계산하여 운행하게 된다. 기존 5현시 신호체계에서는 G현시 기준으로 4개 폐색에 대한 이동권한이 주어지며, 이를 통해 허용속도가 계산된다. 이동가능 폐색의 수가 늘어날 경우 운행 열차의 최고속도 향상과 역간 운행 시분의 단축을 기대할 수 있다. 폐색구간에 설치된 자동폐색장치는 전방 폐색의 조건에 따라 현 위치의 신호기에 계산된 현시 정보를 표출하게 된다. 본 논문에서는 자동폐색구간에 설치된 자동폐색장치에서 전방신호기의 현시 조건을 활용하여 ERTMS/ETCS Level 1 이동권한 확장에 관한 방안을 제시하고자 한다.

주요어 : 자동폐색장치, ETCS, Level 1, 이동권한, 커플링

1. 서 론

최근 국내의 철도는 호남고속철도의 개통으로 기존의 경부고속선과 함께 도시간 운행시간

이 크게 단축되고 있다. 300[km/h]로 운행되는 고속선의 경우 대도시를 빠르게 연결하고 있

지만, 그 외 중·소도시를 연결하고 있는 기존선의 경우에는 철도이용객의 만족도를 충족시

키기엔 부족한 낮은 속도로 운행되고 있다. 국내의 철도는 근래 들어 기존선의 고속화, 선

로용량 증대 및 운행 열차의 안전성 확보를 위한 신호시스템 개량화 사업이 많이 진행되고

있다. ETCS(European Train Control System) Level 1 시스템이 적용되는 기존선의 경우에 대부

분 5현시 신호체계의 지상신호방식으로 운영되고 있으며, 폐색구간의 길이가 짧은 구간에

† 교신저자: 대아티아이㈜ 사업개발팀(sunhoy@daeati.co.kr)

* 대아티아이㈜ 사업개발팀

서는 LEU(Line-side Electronic Unit) 간 커플링(Coupling)을 통해 가상 신호현시를 생성하고 열

차속도향상에 적용하고 있다. 기존의 커플링 구현방법은 LEU간 통신케이블을 매설하여 전

방의 현시정보를 후방의 LEU가 활용해 이동권한 확장을 위한 신호현시를 생성하게 된다.

본 논문에서는 자동폐색장치간 송수신되는 정보를 활용한 LEU 커플링 구현방안과 커플링

효과분석을 위한 시뮬레이션을 수행하고자 한다.

2. 본 론

2.1 커플링의 개념

커플링은 폐색구간에 설치된 설비간 통신을 통해 기존 현시에 가상 현시를 생성하는 방식

이며, 기존 신호현시체계의 최고 현시에서 열차의 제동거리 확보가 실패한 경우에 적용하게

된다. 이때 가상의 신호현시는 기존 최고 현시인 “G”현시의 제동거리 보다 더 긴 거리를 확

보할 수 있게 된다.

국내의 경우 지상신호방식의 일반철도 노선에서는 최고속도가 150[km/h]로 제한되는 5현시

자동폐색방식으로 운영되며 제동으로 사용되는 폐색구간은 “G”현시 기준으로 4개의 폐색구

간이 된다.

0 [km/h]25 [km/h]

65 [km/h]

105 [km/h]

135 [km/h]

G Y RYY

YG

제동거리

Etcs

Fig. 1 Breaking distance for G aspect (Ground signal type)

“G”현시의 4개 폐색구간 길이가 열차의 제동거리보다 짧은 경우에 열차의 속도를 낮추어

운행하거나 커플링을 통하여 제동거리를 확보하게 된다.

2.2 기존 커플링 현황 및 구현방법

경춘선 광역철도 구간의 평균 폐색거리는 약 400~500[m]이며, 경춘선을 달리는 열차(EMU-

180)의 최대속도(180[km/h])를 감안한 안전제동거리(약 1,925[m])를 만족하려면 4개 폐색구간(약

1,600[m])으로는 충분한 안전제동거리가 확보되지 않는다.

현재 경춘선의 광역철도구간은 폐색구간의 거리가 짧아 광역철도구간 대부분이 커플링으로

연결되어 운영되고 있으며, 전라선 일부 구간에서도 향상된 속도(230[km/h])에 따른 제동거리

확보를 위해 커플링 기법을 적용하여 운영되고 있다.

400[m] 400[m] 400[m] 400[m]

400[m] 400[m] 400[m] 400[m]

EMU-180의 안전제동거리(180[km/h] 운전조건) : 1,925[m]

이동권한의 길이 (400[m] * 4[폐색구간] = 1,600[m])

EMU-180의 안전제동거리(180[km/h] 운전조건) : 1,925[m]

이동권한의 길이 (400[m] * 5[폐색구간] = 2,000[m])

400[m]

Over-run (325[m])

(a) 기존 5현시체계 운영

(b) 커플링 구현시 운영

ETCS ETCS

ETCSETCS

Fig. 2 Effect of Coupling in ERTMS/ETCS Level 1

폐색구간의 길이가 짧은 구간에서는 ‘Fig. 2 (a)’에서 보이는 것처럼 “G”현시에 의한 열차 운

행시 정지신호기를 넘게 되는 오버런이 발생되어 선행열차와의 추돌 가능성이 있기 때문에 최

대 운행속도(180[km/h])를 낮추어 운행해야 한다. 하지만 커플링 적용 시에는 ‘Fig. 2 (b)’와 같은

운행을 하게 되며, 가상신호현시 “G+1”현시에 의해 추가적으로 1개 폐색구간이 제동거리로 더

확보된다. 이처럼 커플링을 통한 충분한 제동거리 확보로 인해 운행속도의 감소 없이 최대운행

속도로 운영이 가능하게 된다.

LEU LEU LEULEU

Fig. 3 Configurations for conventional coupling in ERTMS/ETCS Level 1 [1]

기존의 커플링 방법은 LEU간 통신케이블을 매설하게 되며, 매설된 케이블에 의해 전방

LEU의 현시정보를 후방 LEU에 전달한다. 후방 LEU는 해당 신호에 위치한 ABS에서 전달받은

현시정보와 전방 LEU에서 전달된 현시정보를 조합하여 가상의 현시정보를 생성하게 된다. 현

재 경춘선의 경우 기존 5현시(R, YY, Y, YG, G)에 추가 현시(G+1, G+2)까지 구현되어 운영하고

있다[2].

3. 자동폐색장치를 활용한 ETCS L1 이동권한의 확장

3.1 자동폐색장치 동작 및 커플링 구현개념

자동폐색장치(ABS)는 열차의 점유상태와 전방 자동폐색장치에서 수신된 전방폐색의 상태정

보를 근거로 현 위치의 신호현시정보를 생성하고, 전방 자동폐색장치는 항시 후방의 자동폐색

장치로 폐색구간의 상태정보를 송수신한다.

자동폐색장치 사이에 송수신되는 데이터는 각각 3비트로 구성되며 그 정보의 형태는 ‘Table

1’과 같다.

Table 1 State of relays in Received and Transmission module [3]

AspectRelay name R YY Y YG G

→

G G+1

Received module

EH1(f1) Off Off Off Off On On On

EH2(f3) Off Off Off On Off Off On

EH3(f5) Off Off On On On On On

Transmission module

Se3(f5) Off On On On On On On

Se2(f3) Off Off On Off Off On On

Se1(f1) Off Off Off On On On On

“G”현시일 경우 수신모듈의 EH1(f1)과 EH3(f5) 계전기가 여자되어 On상태가 되어 전방의 신

호현시 상태가 “YG”현시임을 구분할 수 있다. 하지만 “YG”현시와 “G”현시의 송신정보가 동

일하기 때문에 “G”현시 후방의 신호기에서는 전방의 폐색이 “YG”현시인지 “G”현시 인지 알

수 없다. 따라서 “G”현시 후방의 “G+1”현시를 사용하게 될 폐색에서는 ‘Table 1’의 우측에 음

영 처리된 부분과 같이 송수신 정보의 수정으로 구분이 가능하다[3].

앞서 서술한 바와 같이 ABS간 송수신 정보를 수정하여 ABS 수신모듈의 정보를 이용할 경

우 LEU간 정보의 송수신 없이 커플링 구현에 필요한 정보 이용이 가능하다.

LEU LEU LEULEU

Fig. 4 MA expansion using ABS(ABS Coupling)

‘Fig. 4’에서 보는 것과 같이 동일한 ABS에서 신호현시 정보와 이전 신호기에서 수신된 현시

정보를 조합하여 가상 현시 생성이 가능하고, LEU에서 이동권한 및 제동거리 확장에 가상의

“G+1”현시를 활용 할 수 있다.

3.2 ETCS L1 이동권한 과장에 따른 속도향상 검토(커플링에 따른 효과)

본 연구에서는 경춘선 광역철도구간(망우~금곡역)의 폐색거리를 기초 데이터로 활용하여 커

플링 적용에 따른 효과를 검증하기 위하여 Distance-to-go방식의 최대허용속도 분석과 커플링

적용 전·후의 속도 향상율에 대한 분석을 수행하였다. 시뮬레이션은 기존 5현시 기준으로 최

대 현시인 “G”현시일 경우의 4개 폐색거리와 커플링 시 해당되는 “G+1”현시일 경우의 5개 폐

색거리를 각각 허용속도 시뮬레이션을 수행하여 커플링 적용 전·후의 속도 향상율(%)을 산출

하였다. 시뮬레이션 모델은 일반적으로 열차성능해석 프로그램에 적용되는 “Methods of forward

and backward calculation” 기법을 채택하였다[4].

Fig. 5 Speed improvement ratio, permitted speed for coupling block sections (GCL Down-direction)

경춘선 광역철도구간의 상·하선의 시뮬레이션 결과는 ‘Fig. 5~6’에서 확인할 수 있다. 선로

의 제한속도를 준수하여 최대허용속도가 시뮬레이션 되었으며, 커플링 전(4개 폐색의 이동권

한) / 커플링 후(5개 폐색의 이동권한)의 속도 향상율을 볼 수 있다.

Fig. 6 Speed improvement ratio, permitted speed for coupling block sections (GCL Up-direction)

4. 결 론

본 논문에서는 국내 ERTMS/ETCS Level 1에서 이동권한 확장에 사용되어온 LEU간 커플링 구

현 방법의 개선방안으로 자동폐색장치간의 송·수신 정보를 이동권한 확장에 활용하는 방법을

제시하였다. 또한 커플링 적용 효과를 제시하기 위해 경춘선 광역철도구간의 폐색길이 데이터

를 활용하여 커플링 적용 전/후에 대한 시뮬레이션 분석을 수행한 운행 허용속도향상 자료를

제시하였다.

제시된 자동폐색장치를 활용한 커플링 시공방법은 자동폐색장치와 선로변 제어유니트 양측

에서 구현에 필요한 추가적인 설계가 뒷받침되어야 하고, LEU간 추가적인 케이블 매설을 배제

함으로 인해 생긴 시스템 원가절감 분석은 추후 현장에서 검토되어야 하겠다.

향후 연계 연구를 통하여 커플링 적용 전·후에 대한 운전시분 분석이 진행될 수 있으며 이

를 통하여 커플링에 대한 효과가 정량적으로 분석될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

[1] R.K. Jeong, Y.K. Yoon, B.H. Kim (2011), A Study on Establishment of Signaling Systems to Speed up

Conventional Railway, The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. Vol. 60, pp

1715-1720.

[2] C. Vinazzer (2011) Data Preparation Rules, AlTrac 6413 ETCS Level 1 Project for Gyeong-chun line,

Subsection Mang-woo to Chun-cheon, THALES Austria

[3] Double Track Automatic Block Control Device (2006), KRS SG 0055-14R, Korean Railway Standards.

[4] J. Jong, S. Chang (2005) Algorithms for generating train speed profiles, Journal of the Eastern Asia

Society for Transportation Studies, Vol. 6, pp. 356-371.