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문제 정의
- 본 논문에서는 KTX 광명-부산구간 경부선 상하행 승차감을 계측하여 속도대역별 승차감 수준을 평가하고, 자갈궤도와 콘크리트 궤도에서의 승차감 분포특성을 조사하였다. 또한 유럽 고속철도의 승차감과 비교를 통하여 국내 KTX 차량의 승차감의 수준을 정량적으로 비교하고자 하였다. 차체의 3방향 진동가속도를 계측하여 승차감 평가를 수행하였으며, 궤도의 유지보수로 활용이 가능한 Continuous comfort 평가방법을 사용하였다[5].
- 따라서 KTX의 주행속도에 따른 승차감 분포특성 분석과 자갈 궤도 및 콘크리트 궤도에 따른 전반적인 승차감 수준을 파악하는 것에는 한계가 있다. 본 논문에서는 KTX 광명-부산구간 경부선 상하행 승차감을 계측하여 속도대역별 승차감 수준을 평가하고, 자갈궤도와 콘크리트 궤도에서의 승차감 분포특성을 조사하였다. 또한 유럽 고속철도의 승차감과 비교를 통하여 국내 KTX 차량의 승차감의 수준을 정량적으로 비교하고자 하였다.
- 본 연구에서는 유럽 고속철도의 약 1,500km의 구간에서 6개의 차량에 대한 승차감 평가를 수행하고, 각 노선 및 차량의 승차감 평가결과를 종합하여 유럽철도 전체의 승차감 측면에서 분석을 수행하였다. 본 연구는 유럽 고속철도와 국내 고속철도와의 승차감 비교 및 국내 고속철도의 궤도유지보수의 수준을 평가하기 위한 목적으로 수행되었기 때문에 각 국가별 또는 차량별로 구분하지 않고, 유럽 고속철도에서 측정된 승차감 평가를 모두 취합하여 국내 경부고속철도와의 비교하였다. 본 연구에서 승차감 평가를 수행한 유럽 고속철도 구간의 궤도는 대부분 자갈궤도이며, 콘크리트 궤도는 측정 구간의 약 3%로써 매우 작은 비중을 차지하고 있어 유럽 고속철도 승차감 분석에서는 자갈궤도와 콘크리트궤도를 구분하지 않고 분석을 수행하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 승차감 평가를 수행한 유럽 고속철도 구간의 궤도는 대부분 자갈궤도이며, 콘크리트 궤도는 측정 구간의 약 3%로써 매우 작은 비중을 차지하고 있어 유럽 고속철도 승차감 분석에서는 자갈궤도와 콘크리트궤도를 구분하지 않고 분석을 수행하였다. 국내의 고속철도 승차감 분석은 자갈궤도와 콘크리트궤도로 구분하여 승차감 분석을 수행하였으며, 국내 경부고속선 자갈궤도와 콘크리트궤도의 승차감 수준을 상호비교 하였다.
- 본 논문에서는 궤도선형 및 궤도틀림의 관리에 대한 간접적인 지표인 Continuous comfort 방법을 이용하여 국내 고속선과 유럽 고속선의 승차감 수준을 평가 및 비교하였다. Continuous comfort 방법은 5초 단위 짧은 구간의 승차감 평가에 적합하며, 평가방법은 다음과 같다.
- 본 연구는 유럽 고속철도와 국내 고속철도와의 승차감 비교 및 국내 고속철도의 궤도유지보수의 수준을 평가하기 위한 목적으로 수행되었기 때문에 각 국가별 또는 차량별로 구분하지 않고, 유럽 고속철도에서 측정된 승차감 평가를 모두 취합하여 국내 경부고속철도와의 비교하였다. 본 연구에서 승차감 평가를 수행한 유럽 고속철도 구간의 궤도는 대부분 자갈궤도이며, 콘크리트 궤도는 측정 구간의 약 3%로써 매우 작은 비중을 차지하고 있어 유럽 고속철도 승차감 분석에서는 자갈궤도와 콘크리트궤도를 구분하지 않고 분석을 수행하였다. 국내의 고속철도 승차감 분석은 자갈궤도와 콘크리트궤도로 구분하여 승차감 분석을 수행하였으며, 국내 경부고속선 자갈궤도와 콘크리트궤도의 승차감 수준을 상호비교 하였다.
- 본 연구에서는 유럽 고속철도의 약 1,500km의 구간에서 6개의 차량에 대한 승차감 평가를 수행하고, 각 노선 및 차량의 승차감 평가결과를 종합하여 유럽철도 전체의 승차감 측면에서 분석을 수행하였다. 본 연구는 유럽 고속철도와 국내 고속철도와의 승차감 비교 및 국내 고속철도의 궤도유지보수의 수준을 평가하기 위한 목적으로 수행되었기 때문에 각 국가별 또는 차량별로 구분하지 않고, 유럽 고속철도에서 측정된 승차감 평가를 모두 취합하여 국내 경부고속철도와의 비교하였다.
- 빈도분포는 속도대역별로 구분하여 산출하였으며, 해당 속도대역의 전체 빈도를 기준으로 해당 승차감 값을 초과하는 비율을 구하여 정리하였다.
- Table 4에 나타낸 차량진동가속도 측정을 수행한 유럽 고속철도의 승차감 결과를 취합하여 승차감 빈도분포를 계산하였다. 승차감에 영향을 미치는 차량의 특성과 궤도상태 등과 승차감과의 상관성을 면밀하게 분석하기 위해서는 많은 횟수의 측정결과와 여러 차량에서는 측정결과가 요구되나, 본 연구에서는 6개 구간에서의 약 1,500km의 측정결과만을 대상으로 승차감분석을 수행하였기 때문에 유럽 고속철도에서의 승차감 평가결과를 모두 취합하여 유럽철도의 승차감 빈도분포를 산출하였다. 또한, 유럽 고속철도의 측정구간은 대부분 자갈궤도이며, 콘크리트궤도는 약 3%로써 작은 비중을 차지하고 있어서 자갈궤도와 콘크리트 궤도로 구분하지 않았다.
- 유럽 고속철도의 전체 측정대상 구간은 약 1,500km이며, 각 구간에서 다른 차량을 차량진동가속도를 측정하여 승차감 분석을 수행하였다. 유럽 고속철도 측정구간은 자갈궤도가 대부분이며, 콘크리트궤도 구간은 약 50km로써 전체의 약 3%로 아주 작은 부분을 차지하고 있어서 자갈궤도와 콘크리트궤도로 구분하지 않지 않고 전체 측정결과를 분석하였다.
- 국내 경부고속선의 KTX와 유럽 고속선의 고속차량의 차량진동가속도를 계측하였으며, 노선과 차량정보는 Table 4와 같다. 유럽 고속철도의 전체 측정대상 구간은 약 1,500km이며, 각 구간에서 다른 차량을 차량진동가속도를 측정하여 승차감 분석을 수행하였다. 유럽 고속철도 측정구간은 자갈궤도가 대부분이며, 콘크리트궤도 구간은 약 50km로써 전체의 약 3%로 아주 작은 부분을 차지하고 있어서 자갈궤도와 콘크리트궤도로 구분하지 않지 않고 전체 측정결과를 분석하였다.
- 차량 승차감 평가는 국내 경부고속선과 유럽 고속철도의 차량 진동가속도 데이터에 대한 승차감 평가(Continuous comfort)를 수행하여 Fig. 3과 같이 상하방향 및 좌우방향의 승차감을 계산하였다. Table 4에 나타낸 차량진동가속도 측정을 수행한 유럽 고속철도의 승차감 결과를 취합하여 승차감 빈도분포를 계산하였다.
- 차체의 바닥에서 계측한 가속도 데이터에 대하여 사람이 느끼는 주파수 대역별 승차감을 고려하여 주파수 보정곡선에 따라 보정을 수행한다. 주파수 보정결과에 대하여 5초 동안의 제곱평균(rms)을 구한 결과가 Continuous comfort이다.
대상 데이터
- 2와 같이 차체의 상하방향 및 좌우방향의 진동가속도를 계측하고, 앞서 언급한 Continuous comfort 방법에 따라 승차감 평가를 수행하였다. 국내 경부고속선의 KTX와 유럽 고속선의 고속차량의 차량진동가속도를 계측하였으며, 노선과 차량정보는 Table 4와 같다. 유럽 고속철도의 전체 측정대상 구간은 약 1,500km이며, 각 구간에서 다른 차량을 차량진동가속도를 측정하여 승차감 분석을 수행하였다.
데이터처리
- 3과 같이 상하방향 및 좌우방향의 승차감을 계산하였다. Table 4에 나타낸 차량진동가속도 측정을 수행한 유럽 고속철도의 승차감 결과를 취합하여 승차감 빈도분포를 계산하였다. 승차감에 영향을 미치는 차량의 특성과 궤도상태 등과 승차감과의 상관성을 면밀하게 분석하기 위해서는 많은 횟수의 측정결과와 여러 차량에서는 측정결과가 요구되나, 본 연구에서는 6개 구간에서의 약 1,500km의 측정결과만을 대상으로 승차감분석을 수행하였기 때문에 유럽 고속철도에서의 승차감 평가결과를 모두 취합하여 유럽철도의 승차감 빈도분포를 산출하였다.
- 승차감 평가를 위하여 Continuous comfort 승차감 평가방법을 사용하였으며, 고속철도 차량의 주행속도대역으로 구분하여 비교 분석하였다. 본 연구를 통하여 수행한 Continuous comfort 승차감 평가에 대한 분석결과를 정리하면 다음과 같다.
이론/모형
- 차량의 승차감 평가는 Fig. 2와 같이 차체의 상하방향 및 좌우방향의 진동가속도를 계측하고, 앞서 언급한 Continuous comfort 방법에 따라 승차감 평가를 수행하였다. 국내 경부고속선의 KTX와 유럽 고속선의 고속차량의 차량진동가속도를 계측하였으며, 노선과 차량정보는 Table 4와 같다.
- 또한 유럽 고속철도의 승차감과 비교를 통하여 국내 KTX 차량의 승차감의 수준을 정량적으로 비교하고자 하였다. 차체의 3방향 진동가속도를 계측하여 승차감 평가를 수행하였으며, 궤도의 유지보수로 활용이 가능한 Continuous comfort 평가방법을 사용하였다[5].
성능/효과
- 76%가 매우 안락한 수준의 승차감을 갖는 것으로 나타났다. 230~270km/h 속도대역에서 좌우방향 승차감도 국내 고속선이 유럽 고속선에 비하여 다소 우수한 것으로 평가되었다.
- 03%로써 국내 고속선의 승차감이 상대적으로 우수한 것으로 평가되었다. 230~270km/h 속도대역에서의 좌우방향 승차감 역시, 국내 고속선 자갈궤도와 콘크리트궤도는 매우 안락한 수준을 초과하는 값이 0%로써 해당 속도대역의 전체 구간에서 매우 안락한 수준의 승차감을 갖는 것으로 평가되었다. 반면, 유럽 고속선 좌우방향 승차감 0.
- 넷째, 국내의 경부고속철도에서의 자갈궤도와 콘크리트궤도의 승차감분석결과에 따르면, 콘크리트궤도의 승차감이 우수한 것으로 확인되었으며 특히 좌우방향의 승차감이 콘크리트궤도가 자갈궤도에 비하여 상대적으로 우수한 결과를 보였다.
- 둘째, 좌우방향과 상하방향의 승차감 비교결과에 의하면, 국내 및 유럽 고속선 모두 좌우방향 승차감이 상하방향 보다 상대적으로 우수하였다.
- 이와 같이, 국내 고속선의 승차감이 유럽보다 다소 우수한 것으로 평가되었다. 또한 230~270km/h 속도대역에서도 국내의 자갈궤도, 콘크리트궤도 및 유럽 고속선 상하방향 승차감의 매우 안락한 수준을 초과하는 승차감을 갖는 비율은 각각 6.88%, 3.67% 및 36.61%로써, 유럽에 비하여 국내 고속선의 승차감이 매우 우수한 것으로 평가되었다.
- 또한 국내 고속선 및 유럽 고속선을 종합하여 평가한 결과, 좌우방향의 승차감이 상하방향 승차감보다 전반적으로 우수한 것으로 나타났다.
- 94%, 국내 고속선 콘크리트 궤도에서 0%로써 콘크리트궤도가 자갈궤도에 비해 우수한 승차감을 갖는 것으로 평가되었다. 또한 유럽 고속선에서는 270~320km/h 속도대역에서 매우 안락한 수준을 초과하는 비율이 4.03%로써 국내 고속선의 승차감이 상대적으로 우수한 것으로 평가되었다. 230~270km/h 속도대역에서의 좌우방향 승차감 역시, 국내 고속선 자갈궤도와 콘크리트궤도는 매우 안락한 수준을 초과하는 값이 0%로써 해당 속도대역의 전체 구간에서 매우 안락한 수준의 승차감을 갖는 것으로 평가되었다.
- 4로 부터 차량의 속도가 증가함에 따라 승차감(Continuous comfort) 지수가 증가, 즉 승차감이 저하되는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 또한, 상하방향의 Continuous comfort 값이 좌우방향에 비하여 큰 값을 보이고 있으며, 자갈궤도의 값이 콘크리트궤도 보다 큰 값을 갖는 것으로 평가되었다.
- 마지막으로, 본 논문에서 수행한 Continuous comfort 평가결과에 의하면, 국내 고속선의 승차감이 유럽 고속선 보다 전반적으로 우수한 것으로 확인되었다. 앞서 언급한 바와 같이 차량의 승차감은 차량 성능과 궤도 상태의 영향을 종합적으로 받게 되므로 승차감 결과만으로 차량의 성능 또는 궤도의 상태가 우수하다고 단정적으로 결론을 도출하기는 곤란하나, 유럽 고속철도 보다 우수한 승차감을 확보할 수 있는 수준으로 국내 고속선의 궤도틀림의 관리가 적정하게 수행되고 있음을 유추할 수 있다.
- 230~270km/h 속도대역에서의 좌우방향 승차감 역시, 국내 고속선 자갈궤도와 콘크리트궤도는 매우 안락한 수준을 초과하는 값이 0%로써 해당 속도대역의 전체 구간에서 매우 안락한 수준의 승차감을 갖는 것으로 평가되었다. 반면, 유럽 고속선 좌우방향 승차감 0.2m/s2 이상의 비율은 4.24%로써 전체의 95.76%가 매우 안락한 수준의 승차감을 갖는 것으로 나타났다. 230~270km/h 속도대역에서 좌우방향 승차감도 국내 고속선이 유럽 고속선에 비하여 다소 우수한 것으로 평가되었다.
- 셋째, 속도대역별 승차감 빈도분석결과로부터 국내 및 유럽철도의 승차감 분포특성을 정량적으로 도출하였으며, 속도증가에 따라 전반적으로 승차감이 저하되는 경향을 확인할 수 있었다.
- 좌우방향 승차감 평가결과인 Table 5로부터 고속으로 주행하는 270~320km/h 속도대역에서 매우 안락한 수준(very comfortable, 0.2 m/s2)의 승차감을 초과하는 비율은 국내 고속선 자갈궤도에서는 0.94%, 국내 고속선 콘크리트 궤도에서 0%로써 콘크리트궤도가 자갈궤도에 비해 우수한 승차감을 갖는 것으로 평가되었다. 또한 유럽 고속선에서는 270~320km/h 속도대역에서 매우 안락한 수준을 초과하는 비율이 4.
- 5%에 해당하였다. 즉, 자갈궤도 구간에서 65.73%, 콘트리트 궤도 구간에서 85.5%가 매우 안락한 수준의 승차감 수준을 갖고 있는 것으로 평가되었다. 유럽 고속선 구간에서는 270~320km/h 속도대역에서 매우 안락한 수준을 초과하는 비율이 약 39.
- 첫째, 상하방향 승차감은 국내 경부 고속선의 승차감이 유럽 고속선에 비하여 상대적으로 다소 우수한 승차감을 갖는 것으로 평가되었다. 또한, 좌우방향 승차감 역시 국내 경부 고속선이 유럽 고속선 보다 상대적으로 우수하였다.
후속연구
- 마지막으로, 본 논문에서 수행한 Continuous comfort 평가결과에 의하면, 국내 고속선의 승차감이 유럽 고속선 보다 전반적으로 우수한 것으로 확인되었다. 앞서 언급한 바와 같이 차량의 승차감은 차량 성능과 궤도 상태의 영향을 종합적으로 받게 되므로 승차감 결과만으로 차량의 성능 또는 궤도의 상태가 우수하다고 단정적으로 결론을 도출하기는 곤란하나, 유럽 고속철도 보다 우수한 승차감을 확보할 수 있는 수준으로 국내 고속선의 궤도틀림의 관리가 적정하게 수행되고 있음을 유추할 수 있다.
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