신호시스템 발전현황

ㅇ 자동열차제어장치 : ATC(Automatic Train Control)

열차 이동의 제어기능과 안전한 열차 간 이격기능을 제공하며 열차운전 명령을 자동 으로 실행하는 장치로 ATP, ATO, ATS의 하부시스템 기능을 갖는다.

선행열차의 위치, 운행진로 등의 선로의 제반조건에 따른 정보코드가 선로 또는 무선 으로 차상으로 전송되고, 차상에서는 지상으로 운행정보를 전송된다.

ㅇ 열차자동방호장치 : ATP(Automatic Train Protection)

ATP는 ATC의 일부 개념으로 연속제어로 선로조건과 선행열차의 위치에 대응하는 지시 속도를 부여 하고 지시속도와 주행속도를 비교하여 열차속도를 자동으로 제어하는 장치

ATP Sub-System은 열차운전에 대한 안전성, 신뢰성 및 Fail-Safe 기능을 수행하는 장치로 열차위치검출, 열차속도 Command송신 및 차상에서 속도 Command 수신을 실행한다.

ㅇ 열차자동운전 장치 : ATO(Automatic Train Operation)

지상에서 열차운전조건을 차상으로 전송하여 열차의 출발, 가속, 정위치 정차,

출입문개폐 및 Dwell Time 등을 정확히 수행하며 승무원의 운전행위를 자동화 한 장치

 

※ ATO는 전동차내의 차상신호로 ATP를 추가한 장치로 승무원의 운전행위를 자동화하고 1인 승무 함

ㅇ ATC장치의 개요

ATC는 AUTOMATIC TRAIN CONTROL SYSTEM(자동열차제어장치)로 속도조사부 다변주식 ATS 의 동작원리와 같으나 ATS장치가 점 제어식인 반면, ATC장치는 연속제어방식으로 열차 운전의 주체가 되어 과거에 기관사가 지상의 신호기를 확인하면서 운전하는 방식에서 ATC장치가 직접 지상신호를 수신한다.

선행열차의 궤도점유상태, 진로상태, 선로상태에 상응하는 지시속도(운행정보)에 따라 허용된 운행속도로 운행하게 되는데 차상장치는 열차속도와 비교하여 제한속도를 할 경우 자동적으로 상용제동을 작용시켜 열차속도를 제한속도 이하로 하여 자동적으로 제동을 풀어준다

열차가 정지신호를 받을 경우에는 자동적으로 비상제동을 작용시켜 정지하게 되는데 비상제동에 의하여 정지할 열차를 확인 복귀하여 제한속도 이하의 속도로 운행할 수 있다.

 

ATC (Automatic Train Control) 열차자동제어장치

ㅇ 다변주식 ATS의 동작원리와 같음

ㅇ ATS가 점제어식, ATC는 연속제어

ㅇ 선로조건 및 선행열차의 위치에 대응하는 지시속도를 부여 하고

ㅇ 지시속도와 주행속도를 비교

ㅇ 주행속도가 지시속도를 초과할 경우 자동으로 제동

□ 신호시스템 검토

가. Speed Step Signalling System(안전운행)

ㅇ 열차 간 절대 안전거리를 확보하면서 운행되는 속도중심 제어방식

ㅇ 고정폐색

   - 전 노선을 여러개의 폐색구간으로 분할하고 각각의 폐색구간마다 궤도회로 등을 설치하여 이에 제한속도를 부여

   - 폐색구간의 길이에 의해 열차 간 간격이 제한됨

ㅇ 지상설비에서 속도패턴을 차상설비로 전송하여 열차를 운전

ㅇ 경부선 5현시 그 외 3현시, 다단제어(5Step～8Step)

 

나. Distance to Go Signalling System(고속도 안전운행)

ㅇ 선행열차와 안전거리를 확보하면서 열차를 제어하는 시스템

    선행열차의 위치, 속도 및 전방궤도의 지리적 특성 등 상태정보를 후속열차가 지상설비로부터 수신하여 열차스스로 실시간으로 일     정지점에서 열차자신의 속도를 설정할 수 하여 선행열차와 안전거리를 확보하면서 열차를 제어하는 시스템

ㅇ 열차 간 상호안전거리를 확보하면서 운행되는 거리연산 제어방식

ㅇ 차상 주체(Pattern)의 자동폐색장치(ATC)

   - 열차 스스로가 제동거리를 연산, 차상이 주체가 되는 폐색방식

ㅇ 일단제어

   - 다단제어(80→75→65→40→30→0)에서 일단제어(80→0)하는 방식

ㅇ 차상거리연산제어방식으로 차상신호방식의 ATO System

ㅇ 궤도회로 방식

   - 아날로그방식에서 디지털 방식

   - 열차검지 및 속도코드 송신 외 전방궤도의 많은 정보를 Telegram으로 전송

     (궤도회로종류, 궤도장 정차지점까지 거리)등 많은 량의 정보를 제공

ㅇ 전동차제어장치

   - 정보제어장치(TIS)→ 종합제어장치(TCMS)

ㅇ 주요간선의 고속화(160km/h～200km/h)

 

다. Moving Block Signalling System(고밀도 안전운행)

ㅇ 이동폐색

   - 궤도회로에 의존하지 않고 열차와 지상장치 간 정보에 의한 Data를 양방향 통신 으로 선행열차와 후속열차 간을 폐색구간의 길          이에 의해 제한되지 않고 열차속도에 따른 제동거리를 스스로 판단하고 정차거리가 감소되고 승객의 열차대기시간 및 열차 간          운전시격이 단축과 고밀도로 안전운행 하는 열차제어시스템이다

 

ㅇ 양방향 통신

   - 지상(궤도)과 차상 간 양방향 통신

   - 모든 열차는 전송제어기와 항상 통신이 유지

   - 전송 상 결함 시 열차는 즉시 정지, 후속열차 또한 정지

1세대 신호체계 : Speed step Signalling System → 안전운행

2세대 신호체계 : Distance to go Signalling System → 고속도 안전운행

3세대 신호체계 : Moving Block Signalling System → 고밀도 안전운행

□ 폐색방식

열차는 충돌이나 추돌사고가 없도록 항상 일정한 간격을 유지하면서 운행되어야 하며 이를 위하여 폐색구간을 두고 한 폐색구간에 한 개의 열차만을 운행할 수 있도록 하 며, 폐색장치는 운행하는 열차에 운전조건을 지시하여 안전운행 및 수송능률을 최대화 하는 장치로, 역간(정차장 간)을 1폐색구간으로 하여 1개의 열차만을 운행하던 것을 여러 대의 열차가 운행할 수 있도록 자동폐색장치가 있음

 

가. 폐색방식 개요

폐색방식에는 자동열차정지장치(ATS)를 사용하는 지상신호방식의 자동폐색신호방식(ABS:Automatic Block System)과 자동열차제어장치(ATC:Automatic Train Control)에서 사용되는 차상신호방식의 고정폐색방식은 단계별 속도코드(Speed Step Command)방식과 차상연산제어방식(Distance to GO), 이동폐색방식(Moving Block)이 있다

 

1) 단계별 속도코드(Speed Step Command) : 안전운행

고정폐색의 Speed Code방식은 선행열차가 점유한 폐색구간의 후미 경계와 후속열차 가 점유한 폐색구간의 선두경계간 거리에 대해 안전하게 운행 할 수 있는 제한속도(Speed Code)를 전송하여 열차가 제한속도 이내에서 운전토록 하는 방식으로 차상이 수동이며, 지상이 능동인 형태이다.

역간거리를 일정한 간격의 폐색구간으로 분할하고 구간내의 궤도호로를 설치하여 해당 Speed Code를 전송

ㅇ 열차 간 절대 안전거리를 확보하면서 운행되는 속도중심 제어방식

ㅇ 고정폐색

   - 전 노선을 여러 개의 폐색구간으로 분할하고 각각의 폐색구간마다 궤도회로 등 을 설치하여 이에 제한속도를 부여

   - 폐색구간의 길이에 의해 열차 간 간격이 제한됨

ㅇ 지상설비에서 속도패턴을 차상설비로 전송하여 열차를 운전

ㅇ 경부선 5현시 그 외 3현시, 다단제어(5Step~8Step)

 

2) 차상거리 연산제어방식(Distance to Go) : 고속도 안전운행

고정폐색의 선행열차가 점유한 폐색구간의 후미경계와 후속열차가 점유한 위치, 차량 선두간의 거리에 대해 안전하게 운행할 수 있는 제한속도를 생성하고, 열차가 제한속도 이내에서 운전토록 하는 방식으로 차상이 능동이며, 지상이 수동인 형태이다.

선행열차와 안전거리를 확보하면서 열차를 제어하는 시스템으로 선행열차의 위치, 속도 및 전방궤도의 지리적 특성 등 상태정보를 후속열차가 지상설비로부터 수신하여 열차스스로 실시간으로 일정지점에서 열차자신의 속도를 설정하여 선행열차와 안전거리를 확보하면서 열차를 제어하는 시스템

ㅇ Distance to Go : 현재의 위치에서 목표지점까지의 거리

ㅇ 열차간격 및 속도제어

    전방의 선로조건을 Computer에 의하여 운행속도를 자동계산하고 구배, 곡선 등 의 제한속도 Data는 기 수록된 Data base를 이용하여 1초에       수차례씩 해당열차의 최대운전가능속도를 계산하여 실제속도와 비교한다.

ㅇ 차상 주체(Pattern)의 자동폐색장치(ATC)

   - 열차 간 상호안전거리를 확보하면서 운행되는 거리연산 제어방식

   - 열차 스스로가 제동거리를 연산, 차상이 주체가 되는 폐색방식으로

ㅇ 일단제어

   - 다단제어(80→75→65→40→30→0)에서 일단제어(80→0)하는 방식

ㅇ 차상거리연산제어방식으로 차상신호방식의 ATO System

ㅇ 궤도회로 방식

   - 아날로그방식에서 디지털 방식

   - 열차검지 및 속도코드 송신 외 전방궤도의 많은 정보를 Telegram으로 전송

     (궤도회로종류, 궤도 장 정차지점까지 거리)등 많은 량의 정보를 제공

 

3) 이동폐색(Moving Block Signalling System) : 고밀도 안전운행

선행열차가 점유한 차량 후미와 후속열차가 점유한 위치 차량선두간의 거리에 대해 안전하게 운행 할 수 있는 제한속도를 연산하여 제한속도를 생성하고, 열차가 제한 속도 이내에서 운전토록 방식으로 시스템 구축형태에 따라 차상이 능동이 될 수 도 있고 지상이 능동이 될 수도 있다.

MBS를 물이 흐르듯 끊김 없는 폐색(이동폐색)을 연상할 수 있으나 그렇지는 않다

통상적인 개념에서 폐색구간의 거리가 2분 30초 운행구간에는 250m, 2분 운전구간 에는 150~200m임을 감안할 때에 이동폐색은 물리적인 폐색경계는 없으나, 가상 폐색형 태로 이보다 아주 짧은 수십m 또는 수m의 폐색구간을 가지고 있다는 것으로 해석 하는 것이 이해를 돕는데 유리하다.

궤도회로에 의존하지 않고 열차와 지상 장치 간 정보에 의한 Data를 양방향 통신으 로 선행열차와 후속열차 간을 폐색구간의 길이에 의해 제한되지 않고 열차속도에 따른 제동거리를 스스로 판단하고 정차거리가 감소되고 승객의 열차 대기시간 및 열차 간 운전시격이 단축과 고밀도로 안전운행 하는 열차제어시스템이다

이동폐색방식은 열차의 운전시격을 단축시켜 선로의 이용률을 증가시키는 데는 가장 적합한 시스템이지만 안전성 및 신뢰성을 검증에 어려움이 있음

 

ㅇ 설비의 구성

지상에 선로변에 설치된 Loop와 차상장치와 지상↔차상간의 상호Data통신을 위 한 Data 송ㆍ수신 장치와 양방향 통신으로 차상의 Failsafe Program 처리 방식을 사용한 Micro-Processor로 구성 

 

ㅇ 선행열차의 위치감지

신호기계실의 ATP의 Micro-Processor와 선로변의 Loop로 차상장치의 송수신센서를 통하여 차상의 전방조건, 선행열차의 위치정보를 차상에 송신

ㅇ 선로제한속도

신호기계실에서는 선로의 구배, 곡선 등의 제한속도에 따른 선로의 고정된 제한 속도 Data를 송신하고 차상에서는 전방 제한속도 Data를 수신한다.

ㅇ 제한속도와 운행열차의 계산

해당열차의 차상에서는 열차의 운행위치와 운행속도를 결정하고 이들의 Data를 Inductive Loop로부터 수신된 Data와 비교하고 열차의 가ㆍ감속 실행을 계산하여 최대운행속도를 지시하며, 이 속도는 전방의 각종 조건에 따른 제한속도와 관련 하여 안전제동거리를 확보 한다

 

4) 가상폐색(VBS)

이동폐색에서와 같이 지상에 열차검지를 위한 시설을 갖지 않으나, 시스템 프로그램 상에 가상의 폐색을 형성하여 열차 움직임에 따라 폐색정보가 자동 로딩 되어 운 행하는 방식으로 CBTC 방식에서 주로 검토되고 있다.

5) CBTC와의 관계

시스템 구축자가 CBTC 환경 속에서 위에 열거한 모든 폐색방식을 구축 할 수 있다. 가장 고전적인 방식에서 첨단 방식인 MBS와 

가상환경(VBS)도 구축이 가능하 다. 그러나 입증된 안전기술과 보증, 장치의 고장 시 Fail Soft에 관한 기술등으로 적용 및 개

발에 많은 제약을 받는다.

6) 이동폐색에서의 열차위치검지

시스템은 스스로 열차위치를 알지 못한다.

선행열차와 후속열차의 열차위치 검지가 열차제어시스템의 시작이자 안전 확보 의 기본 수단이다.

이동폐색은 지상과 차상장치 사이에 양방향 통신수단이 있음(CBTC)을 전제로 한다. CBTC-MBS를 장착한 열차가 CBTC구간 내부에

서 일단 기동을 하면 새로운열차가 넓은 해당구간(Zone)에 열차가 있음을 제어센터 장비가 인식하기 시작 한다.

열차는 스스로 위치를 인식 할 수 없으므로 약간의 수동 이동을 통하여 지상에 위치인식이 가능한 발리스 등을 통과 하면서 차량 스

스로가 현재위치를 정확하게 인식하고, 센터로 전송한다. 이로서 새로운 열차의 CBTC구간 투입은 완료된다.

CBTC 열차가 CBTC 구간 내에서 정상적으로 Key-Down 하여 주박모드로 들어 가는 경우에는 새로운 Key-Up시 이미 스스로 자신의 

위치를 알고 있는 상태가 된다.