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문제 정의
- 본 논문에서는 국내 열차제어시스템 표준화를 목표를 수행중인 KRTCS(Korean Radio based Train Control System)프로젝트[6]에서 안전기능을 담당하는 ATP를 대상으로 위험원 요인 분석, 위험원 요인이 열차제어시스템의 기능과 데이터에 미치는 영향, 브레인스토밍을 통한 기능배치를 기술할 것이며, 대불선에서 진행되고 있는 상호운영성 검증을 통해서 기능배치가 적절했음을 보여주고자 한다.
- 상호운영성을 지원하는 열차제어시스템의 기능배치는 시스템요구사항과 배치된 기능의 위험원 분석을 필요로 한다. 본 논문에서는 열차안전간격제어와 열차제한속도초과를 위험원으로 설정하고 위험원을 발생시키는 위험원 요인과 이러한 요인이 열차제어시스템에 주는 영향을 분석하였다.
- 본 논문에서는 위험원 분석을 토대로 열차제어시스템이 지원해야 할 기능요구사항을 기술하였다. 또한 열차제어시스템의 기능사항은 상호운영성을 보장하여야 하므로 열차제어시스템 지상장치가 수행하는 기능, 차상장치가 수행하는 기능 및 프로토콜을 정의하였다.
제안 방법
- ATP 기능배치는 KRTCS에 참여한 5개사의 엔지니어를 포함한 다수의 전문가가 참여하여 위험원이 열차제어시스템에미치는 영향을 분석하는 과정을 거쳤다. 이 결과 ATP 지상장치는 열차의 위치를 결정하는 기능, 열차이동권한을 결정하는 기능 및 열차의 정적속도프로파일을 결정하는 기능 등 열차제어시스템의 제어영역 내에 있는 모든 열차의 위치추적과 모든 열차의 이동권한 등으로 기능이 제한되었으며, 이외에 열차 1편성을 직간접적으로 제어하고 관리하는 기능은 ATP 차상장치로 배치하였다.
- 대불선에서 3종류의 모델 장비간 상호운영성 점검계획은 정확성과 효율성을 확보하기 위해서 A 모델의 ATP 지상장치를 기준장치를 선정한 후 시작하였다. A 모델의 ATP 지상장치를 기준으로 B 모델과 C 모델의 ATP 차상장치의 상호운영성을 점검하였다.
- 열차안전간격제어와 열차제한속도초과를 유발하는 위험원요인을 도출하기 위해서 FTA 분석을 사용했으며, 70여개가 넘는 위험원 요인을 확인하였다. 또한 열차의 안전한 이동을 최종적으로 방호하는 이동권한 장애와 관련된 위험원 요인도 확인하였다. 이러한 위험원 요인은 데이터처리과정, 외부장치와의 인터페이스, 운영요원의 취급, 속도센서, 열차제어시스템 내부 기능, 제동장치와의 인터페이스, 시설물과의 인터페이스, 지상자와의 인터페이스 및 무선통신망과의 인터페이스 등에 포함되는 것을 확인하였다.
- 열차제어시스템은 열차위치와 열차속도를 감시하고 방호하기 위해서 열차이동권한 MA(Movement Authority)를 설정하며, 열차는 유효한 이동권한을 수신했을 때만 이동이 가능하다. 본 논문에서 열차제어시스템은 지상에서 이동권한을 생성하고 이를 차상으로 전송한다. 무선으로 전송되는 열차이동권한이 갖는 정보는 열차번호(ID), 이동권한까지의 거리, 이동권한의 기준위치로 사용되는 지상자 ID 등을 포함한다.
- 또한 무선랜 또는 LTE(Long Term Evolution)와 같은 개방형 표준무선통신기술을 활용하고, 지상과 차상에서 수행되는 열차제어시스템의 기능배치를 표준화할 경우 상호운영성을 확보할 수 있으며, 이를 통하여 철도망의 통합운영체계를 구축할 수 있다. 상호운영성을 지원하는 열차제어시스템의 기능배치는 시스템요구사항과 배치된 기능의 위험원 분석을 필요로 한다. 본 논문에서는 열차안전간격제어와 열차제한속도초과를 위험원으로 설정하고 위험원을 발생시키는 위험원 요인과 이러한 요인이 열차제어시스템에 주는 영향을 분석하였다.
- 열차제어시스템의 상호운영성 점검계획에 맞추어 진행하였으며, ATP 기능배치에 위험사항이 없는 것으로 확인되었다. 상호운영성점검은 하루 평균 80km(정차역수 3개소,역간평균거리 1.2km)를 주행하면서 열차등록/열차삭제, 수동운전단계, 자동운전단계 및 무인운전단계로 진행되었다.
- 열차안전간격제어와 열차제한속도초과를 유발하는 위험원요인을 도출하기 위해서 FTA 분석을 사용했으며, 70여개가 넘는 위험원 요인을 확인하였다. 또한 열차의 안전한 이동을 최종적으로 방호하는 이동권한 장애와 관련된 위험원 요인도 확인하였다.
- 열차제어시스템은 열차의 안전한 주행을 보장하기 위해서 선행열차와 후속열차의 사이에 안전간격(safety distance)을 보장하고, 선로선형(곡선반경, 구배, 교량, 터널 등)과 열차성능(최고속도, 제동성능, 열차길이 등)에 맞추어 구간별 열차제한속도를 설정한다. 열차제어시스템은 열차의 안전한 이동을 보장하지만, 장치의 장애 또는 사람의 취급 등 여러 원인에 의해서 안전필수 기능에 장애가 발생할 수 있다.
- 1, ETCS의 SRS 등을 활용하였다. 위험원 분석결과와 직접적인 관련을 갖는 기능요구사항은 ATP와 EI(Electronic Interlocking)에서 처리하도록 하였고, 간접적인 관련을 갖는 기능요구사항은 ATS(Automatic Train Supervision)와 ATO (Automatic Train Operation)에서 처리하도록 하였다
- 이상 기술된 위험원의 요인(원인)외에 속도센서, 제동장치와의 인터페이스, 시설물과의 인터페이스, 지상자와의 인터페이스, 무선통신망과의 인터페이스 등이 열차제어시스템에주는 영향을 분석하였다.
- 지금까지 철도사고를 유발할 수 있는 열차제어시스템의 위험원을 정의하고, 위험원을 유발하는 원천적인 요인(원인)과 그것이 열차제어시스템에 미치는 영향을 확인하였으며, 다음 과정으로 위험원분석을 수행하여 시스템요구사양서에 포함될 시스템 요구기능을 작성한다. 시스템요구사양서 작성단계에서 일반적으로 수행해야 하는 내용[6]은 Table 7과 같다.
- 철도사고를 발생시키는 위험원 분석결과를 토대로 열차제어시스템이 반드시 수행하여야 할 기능요구사항중 ATP의 기능을 Table 8과 같이 정의하였으며, 이 과정에서 IEEE 1474.1, ETCS의 SRS 등을 활용하였다. 위험원 분석결과와 직접적인 관련을 갖는 기능요구사항은 ATP와 EI(Electronic Interlocking)에서 처리하도록 하였고, 간접적인 관련을 갖는 기능요구사항은 ATS(Automatic Train Supervision)와 ATO (Automatic Train Operation)에서 처리하도록 하였다
- 열차이동권한생성은 쇄정진로에 있는 열차 ID를 확인하고, 확인된 각 열차에 대한 이동권한을 설정하는 열차간격관리과정으로 이루어진다. 첫 번째 단계인 열차 ID 확인은 해당열차가 주행할 쇄정진로정보를 지상ATP가 사용할 수 있는 진로정보로 변환(좌표변환), 열차 ID의 확인, 쇄정진로를 주행하고 있는 열차편성수확인, 열차정보 확인, 쇄정진로 진입이 허가된 열차목록 작성, 쇄정진로와 열차 ID를 2단계로 전송하는 과정을 수행한다. 두 번째 단계인 열차간격관리는 열차이동권한을 갱신하는 경우와 열차이동권한을 지속하는 경우로 구분한다.
대상 데이터
- 4와 같이 지상장치(wayside)와 차상장치(onboard)로 구성되며, 양방향 연속통신을 지원하는 무선통신장치(DNS)를 사용한다. 본 논문의 열차제어시스템은 KRTCS을 대상으로 하고 있으며[8], 상호운영성을 확보하기 위해서 3개 컨소시엄이 ATP 지상장치와 차상장치를 각각 1[set]씩을 제작하여 대불선(선로길이 12km)과 시험열차(1편성)에 설치하였다.
성능/효과
- 대불선에서 3종류의 모델 장비간 상호운영성 점검계획은 정확성과 효율성을 확보하기 위해서 A 모델의 ATP 지상장치를 기준장치를 선정한 후 시작하였다. A 모델의 ATP 지상장치를 기준으로 B 모델과 C 모델의 ATP 차상장치의 상호운영성을 점검하였다. 다시 B 모델과 C 모델의 ATP 차상장치는 C 모델과 B 모델의 ATP 지상장치와의 상호운영성을 점검하였다.
- 다시 B 모델과 C 모델의 ATP 차상장치는 C 모델과 B 모델의 ATP 지상장치와의 상호운영성을 점검하였다. 마지막으로 B 모델과 C 모델의 ATP 지상장치는 A 모델의 ATP 차상장치와의 상호운영성을 점검하였다. 열차제어시스템의 상호운영성 점검계획에 맞추어 진행하였으며, ATP 기능배치에 위험사항이 없는 것으로 확인되었다.
- 상호운영성을 단계별로 점검한 결과 열차제어시스템 기능요구사항에 대한 모호성이 일부 확인되었고, 특히 프로토콜에 포함되는 변수값 정의에 대한 이해가 상이한 부분이 있는 것을 확인하였다. 이에 열차제어시스템의 기능요구사항을 구체화하고, 프로토콜 작성지침을 명확히 하여 단계별로 재 점검을 시행한 결과 Table 8의 ATP 기능요구사항을 모두 만족하는 것으로 확인되었다.
- 수동운전단계에서는 이동권한생성, 정적속도프로파일생성, 동적속도프로파일생성, 출입문제어, 방호구간설정, 비상제동명령 등이 동작하는 것을 확인하였다. 자동운전단계에서는 열차출발명령, 열차방향전환, 방호구간설정, 비상제동명령, 역통과, 자동주행 등이 동작하는 것을 확인하였다.
- 열차사고를 발생시키는 열차제어시스템의 위험원 “안전간격초과/제한속도초과”의 요인(원인)인 “취급오류”, “현시정보오류”, “열차속도/위치 감시 및 방호 장애” 및 “제동제어장애”를 대상으로 FTA(Fault Tree Analysis)방법을 적용하여 분석한 결과 독립적인 요인(원인)을 갖는 것이 아니고 공통의 요인(원인)을 갖는다는 것과 요인이 주는 영향도 확인하였다.
- 이러한 위험원 요인은 데이터처리과정, 외부장치와의 인터페이스, 운영요원의 취급, 속도센서, 열차제어시스템 내부 기능, 제동장치와의 인터페이스, 시설물과의 인터페이스, 지상자와의 인터페이스 및 무선통신망과의 인터페이스 등에 포함되는 것을 확인하였다. 열차제어시스템에 영향을 주는 위험원 요인이 열차제어시스템의 기능에 미치는 영향을 분석하여 열차제어시스템의 하부장치인 ATS, ATP 및 ATO에서 수행해야 할 요구사항을 정의하였으며, 특히 ATP의 경우, 지상장치와 차상장치에서 수행할 기능을 정의하여 상호운영성을 지원할 수 있도록 하였다.
- 마지막으로 B 모델과 C 모델의 ATP 지상장치는 A 모델의 ATP 차상장치와의 상호운영성을 점검하였다. 열차제어시스템의 상호운영성 점검계획에 맞추어 진행하였으며, ATP 기능배치에 위험사항이 없는 것으로 확인되었다. 상호운영성점검은 하루 평균 80km(정차역수 3개소,역간평균거리 1.
- ATP 기능배치는 KRTCS에 참여한 5개사의 엔지니어를 포함한 다수의 전문가가 참여하여 위험원이 열차제어시스템에미치는 영향을 분석하는 과정을 거쳤다. 이 결과 ATP 지상장치는 열차의 위치를 결정하는 기능, 열차이동권한을 결정하는 기능 및 열차의 정적속도프로파일을 결정하는 기능 등 열차제어시스템의 제어영역 내에 있는 모든 열차의 위치추적과 모든 열차의 이동권한 등으로 기능이 제한되었으며, 이외에 열차 1편성을 직간접적으로 제어하고 관리하는 기능은 ATP 차상장치로 배치하였다. 각 기능에 대한 위험원 분석과 조치방안에 대한 안전성평가를 진행하고 있다.
- 또한 열차의 안전한 이동을 최종적으로 방호하는 이동권한 장애와 관련된 위험원 요인도 확인하였다. 이러한 위험원 요인은 데이터처리과정, 외부장치와의 인터페이스, 운영요원의 취급, 속도센서, 열차제어시스템 내부 기능, 제동장치와의 인터페이스, 시설물과의 인터페이스, 지상자와의 인터페이스 및 무선통신망과의 인터페이스 등에 포함되는 것을 확인하였다. 열차제어시스템에 영향을 주는 위험원 요인이 열차제어시스템의 기능에 미치는 영향을 분석하여 열차제어시스템의 하부장치인 ATS, ATP 및 ATO에서 수행해야 할 요구사항을 정의하였으며, 특히 ATP의 경우, 지상장치와 차상장치에서 수행할 기능을 정의하여 상호운영성을 지원할 수 있도록 하였다.
- 상호운영성을 단계별로 점검한 결과 열차제어시스템 기능요구사항에 대한 모호성이 일부 확인되었고, 특히 프로토콜에 포함되는 변수값 정의에 대한 이해가 상이한 부분이 있는 것을 확인하였다. 이에 열차제어시스템의 기능요구사항을 구체화하고, 프로토콜 작성지침을 명확히 하여 단계별로 재 점검을 시행한 결과 Table 8의 ATP 기능요구사항을 모두 만족하는 것으로 확인되었다.
- 수동운전단계에서는 이동권한생성, 정적속도프로파일생성, 동적속도프로파일생성, 출입문제어, 방호구간설정, 비상제동명령 등이 동작하는 것을 확인하였다. 자동운전단계에서는 열차출발명령, 열차방향전환, 방호구간설정, 비상제동명령, 역통과, 자동주행 등이 동작하는 것을 확인하였다. 무인운전단계에서는 방호구간설정, 비상제동명령, 스케쥴운전 등이 동작하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 3종류의 모델을 이용한 ATP 지상장치와 ATP 차상장치간 상호운영성 점검에서 기능배치에 문제가 없는 것을 확인하고 있으며, 차상과 지상에 배치된 ATP 기능별 위험분석에대한 평가도 완료될 예정이다. 이를 통하여 위험원이 허용수준으로 제어되는 것을 확인할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 일반철도 및 고속철도의 열차운행안전성 향상 연구에도 확장되어 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
- 3종류의 모델을 이용한 ATP 지상장치와 ATP 차상장치간 상호운영성 점검에서 기능배치에 문제가 없는 것을 확인하고 있으며, 차상과 지상에 배치된 ATP 기능별 위험분석에대한 평가도 완료될 예정이다. 이를 통하여 위험원이 허용수준으로 제어되는 것을 확인할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 일반철도 및 고속철도의 열차운행안전성 향상 연구에도 확장되어 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
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