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문제 정의
- 호남고속철도의 선형 및 운행하게 될 차량인 HEM U-430x의 차량성능 등을 고려한 최적의 400km/h 운행구간 선정 및 각종 연구 성과물의 현장설치를 위한 계획 수립하였다. 이 수립에는 국토해양부, 철도시설공단, 철도공사, 건설기관 등이 참여하였다.
제안 방법
- 궤도 모니터링 시스템은 선형별로 대표성을 갖는 원곡선부, 완화곡선부, 직선부에 대해 구축하며, 노반 모니터링 시스템은 노반특성별로 4개 단면으로 구분하여 토압계, 진동가속도계, 침하계, 온도계, 함수량계, 변형률계, 변위계, 강우량계, 등을 센서를 이용하여 모니터링 하였다. 교량 모니터링 시스템은 대표성을 갖는 PSC Box 교량 및 동적인 거동이 영향을 많이 미치는 Extradosed교와 소수주형교에 대해 링게이지, 변위계, 가속도계 등의 센서를 이용하여 모니터링 하였다.
- 궤도 모니터링 시스템은 선형별로 대표성을 갖는 원곡선부, 완화곡선부, 직선부에 대해 구축하며, 노반 모니터링 시스템은 노반특성별로 4개 단면으로 구분하여 토압계, 진동가속도계, 침하계, 온도계, 함수량계, 변형률계, 변위계, 강우량계, 등을 센서를 이용하여 모니터링 하였다. 교량 모니터링 시스템은 대표성을 갖는 PSC Box 교량 및 동적인 거동이 영향을 많이 미치는 Extradosed교와 소수주형교에 대해 링게이지, 변위계, 가속도계 등의 센서를 이용하여 모니터링 하였다.
- 궤도부의 측정은 테스트베드 직선구간 및 원곡선구간(R=7,000m)에 대한 궤도거동특성 데이터를 수집하기 위한 센서를 부착하였으며(그림 3), 노반부는 성토부, 연약지반, 접속부 노반에서 실시되는데 증속을 위한 하중평가에 토압계가 매립되고 침하평가를 위해서는 지하수위계, 함수량계, 크로스홀 시험(crosshole test), 침하계를 센서로 선정하였다. 또한, 교량부는 처짐, 면틀림 등의 센서가 적합하지 않아 간접적인 변위 추정을 이용하였다.
- 따라서 호남고속철도 건설구간에 약 28km(편도 28km, 상·하행선 왕복기준 56km)을 대상으로 기술적인 검토와 첨단 센싱기술과 모니터링기술을 통해 선로구축물, 전차선로시스템, 환경시스템, 전기신호시스템과 향후 열차(시험 및 운영차량) 운행 시 적합성 및 성능평가를 수행하여 인프라 및 인터페이스 시연을 구축하였다.
- 궤도부의 측정은 테스트베드 직선구간 및 원곡선구간(R=7,000m)에 대한 궤도거동특성 데이터를 수집하기 위한 센서를 부착하였으며(그림 3), 노반부는 성토부, 연약지반, 접속부 노반에서 실시되는데 증속을 위한 하중평가에 토압계가 매립되고 침하평가를 위해서는 지하수위계, 함수량계, 크로스홀 시험(crosshole test), 침하계를 센서로 선정하였다. 또한, 교량부는 처짐, 면틀림 등의 센서가 적합하지 않아 간접적인 변위 추정을 이용하였다.
- 분야별 현장 측정과 동시에 통합 모니터링 DB에 시험운행 계획에 따른 기본 데이터 입력과 등록을 연구원에 수행하고, 분야별 현장 계측 데이터 및 분석 데이터를 추후에 통합 모니터링 DB에 입력하도록 계획하였다. (그림 7)은 통합 모니터링의 계측 관리 계획에 대한 시나리오를 도식화 하였다.
- 여기서 TPS(Train Performance Simulation) 분석은 한 편성의 열차가 일정한 선로구간을 주행하는데 따른 시각별 위치, 속도, 전력소비 등의 제반 성능을 분석하는 과정으로 400km/h 운행이 가능한 구간을 판별하기 위하여 차세대 고속철도 기술개발사업으로 개발되는 HEMU-430x와 호남고속철도 노선조건을 바탕으로 TPS분석이 이루어졌다.
- 400km/h급 고속철도의 경우 증속에 따른 소음특성(소음레벨, 주파수 특성 등) 및 설치조건(증속에 따른 부착성, 내구성 등)의 변화로 인해 새로 개발될 방음시설에 대한 현장 성능평가가 이루어져야 한다. 이를 위해 개발하는 핵심방음시설을 400km/h 운행구간에 시험 설치하여 현장 성능평가 및 적용성 평가를 수행하기 위한 테스트베드의 구축하였다. 환경소음 제거를 위한 설치물로는 터널 및 방음벽을 설치하였으며 설치에 필요한 근거는 아래 <표 2>와 같다.
- 호남고속철도 구간에 대하여 350km/h 이상으로의 속도향상에 따른 인프라에 대한 영향검토와 보강이 필요한 주요 요구사항에 대하여 일부 선행 연구과제를 통해 일부 이론적 검토, 해외 기준준용, 사례분석 및 시험자료를 통해 검토되었다. 이에 대한 규명을 위해 현재 열차속도 350km/h에 최적 설계되어 있는 호남고속철도에서 400km/h 최고속도시험이 이루어짐에 따라 이 구간에 최적의 테스트베드를 선정하여 선로구축물(궤도, 노반, 교량)의 성능을 첨단 센서 모니터링 기법을 이용 하여 검증하였다. 선로구축물에 대한 모니터링 센서 설치 항목은 <표 3>과 같다.
- 일반응용시스템은 클라이언트/서버 구조로 구성하고, 계측데이터 확인은 C/S로 구성하여 관제사가 신속하게 계측 데이터베이스에 접근하도록 하였다(그림 6).
- 테스트베드 구간에 분야별로 구축 예정인 현장모니터링 시스템의 관리 용이성을 위하여 통합 모니터링 시스템 계획을 수립하였다. 통합 모니터링에 대한 계측관리는 한국철도기술연구원을 중심으로 이루어지며, HEMU-430x 차량의 시험 운행 계획은 철도기술연구원에 우선 통보 후 전파되도록 계획하였다.
- 테스트베드 구간에 분야별로 구축 예정인 현장모니터링 시스템의 관리 용이성을 위하여 통합 모니터링 시스템 계획을 수립하였다. 통합 모니터링에 대한 계측관리는 한국철도기술연구원을 중심으로 이루어지며, HEMU-430x 차량의 시험 운행 계획은 철도기술연구원에 우선 통보 후 전파되도록 계획하였다. 통보된 시험운행 계획은 분야별 계측 주체 및 유관기관 (철도공사, 철도시설공단 등)에 전파되며, 알려진 운행 계획을 기반으로 수립된 계측계획은 연구원으로 보고되어 승인 후 현장모니터링에 적용하도록 하였다.
- 호남고속철도 건설공정에서 HEMU-430x 차량의 시험 운행 계획 맞춰 분야별(환경소음, 선로구축물, 전차선) 성과물의 검증을 위하여 테스트베드 구간을 선정하였다, 테스트베드 구간은 TPS분석 결과 400km /h 운행이 가능하며, 모니터링이 필요한 구조물의 포함여부를 검토하여 선정하였다. 선정된 구간은 상행선 (100∼128km), 하행선(56∼84km)을 선정하였으며, 모니터링 위치는 환경소음 분야 4개 지점, 선로구축물 (궤도, 노반, 교량) 분야 9개 지점, 전차선 분야 등으로 설계하였다.
- 호남고속철도 선로구축물(궤도, 노반, 교량)은 최고 속도 350km/h로 설계, 시공된 노선이다. 호남고속철도 구간에 대하여 350km/h 이상으로의 속도향상에 따른 인프라에 대한 영향검토와 보강이 필요한 주요 요구사항에 대하여 일부 선행 연구과제를 통해 일부 이론적 검토, 해외 기준준용, 사례분석 및 시험자료를 통해 검토되었다. 이에 대한 규명을 위해 현재 열차속도 350km/h에 최적 설계되어 있는 호남고속철도에서 400km/h 최고속도시험이 이루어짐에 따라 이 구간에 최적의 테스트베드를 선정하여 선로구축물(궤도, 노반, 교량)의 성능을 첨단 센서 모니터링 기법을 이용 하여 검증하였다.
- 환경소음 분야는 400km/h 운행을 위한 소음 저감장치(방음벽 상단장치, 흡음블록), 소음 예측모델, 기여도 분석 시스템의 성능검증 및 평가를 위하여 4개 지점, 6개소에 대하여 구축하였으며, 통합테스트베드 모니터링 시스템을 구성하였다.
- 환경소음 저감을 위한 개발성과물의 성능평가를 위해서는 설치 전·후 소음측정 및 분석을 수행할 수 있는 주파수분석기와 측정센서류, 그리고 주변 환경 여건을 조사할 수 있는 거리측정기 및 온습도계가 필요하며, 계측센서의 요구사항이 과 같이 설치하여 모니터링 하였다.
대상 데이터
- 선정된 구간은 상행선 (100∼128km), 하행선(56∼84km)을 선정하였으며, 모니터링 위치는 환경소음 분야 4개 지점, 선로구축물 (궤도, 노반, 교량) 분야 9개 지점, 전차선 분야 등으로 설계하였다.
- 이러한 테스트베드를 통해 호남고속철도에 처음 적용된 Extradosed교에 대한 정밀 계측이 요구됨에 따라 정지고가교(56k933~66k248)에 별도의 계측장치 설치하고, 전차선의 경우 상행과 하행을 분리하여 400km/h 운행이 가능한 상행선 100~128km (28km)와 하행선 54~82km(28km)로 선정하였다.
성능/효과
- 또한, 교량의 연직변위 제한은 열차가 교량 위를 주행할 때 주행안전성 및 승차감을 확보하기 위해 제한된 400km/h급 연직변위 제한은 기존의 350km/h급 연직변위 제한에 비하여 최소 10% 이상 보수적으로 접근할 필요가 있는 것을 알 수 있으며, 교량 모니터링 구간에서의 실측 및 이론적 분석을 통해 400km/h 급 주행에서도 주행안전성과 승차감을 확보할 수 있는 변위기준 도출하였다<;표 6>.
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