UPDATED. 2021-12-02 19:02 (목)
열차 간 5G 통신 통해 자율주행…분리‧결합 운송도 ‘OK’
열차 간 5G 통신 통해 자율주행…분리‧결합 운송도 ‘OK’
  • 최아름 기자
  • 승인 2021.11.20 17:07
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

철도기술연구원
차세대 모빌리티 기술 성과 공개

5G 열차자율주행 기술 개발 성공
굴절버스 난제 자체 기술로 해결
‘하이퍼튜브’ 1019㎞/h 주행 ‘성공’
(오송 철도종합시험선로에서 열차 간 정밀 간격 제어 시험 중인 5G기반 자율주행열차. [사진=철도연]
오송 철도종합시험선로에서 열차 간 정밀 간격 제어 시험 중인 5G기반 자율주행열차. [사진=철도연]

[정보통신신문=최아름기자]

5G 기반 자율주행열차는 열차 간 직접 통신을 통해 지상 제어 설비가 불필요해질 전망이다. 대용량 굴절버스의 자율주행, 시속 1200㎞의 하이퍼튜브 등의 출시도 머지 않아 보인다. 한국철도기술연구원은 16일 이 같은 내용의 ‘4차 산업혁명 기술과 함께 하는 모빌리티’ 성과를 공개했다.

■5G 기반 열차자율주행 '세계 최초'

철도연은 5G 기반 열차 자율주행 시스템 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

5G 기반 열차 자율주행 시스템 기술은 기존의 중앙집중식 제어방식에서 벗어나 열차와 열차가 직접 통신하여 열차의 위치, 속도, 제동거리 등을 열차 스스로 인지·판단하고 제어하는 지능형 제어기술이다.

자동차의 자율주행은 주행을 위한 인지판단제어를 자동화하여 무인자율주행을 하지만, 열차의 자율주행은 지상제어 설비가 모든 열차를 통제하는 현재의 중앙집중식 제어방식에서 열차 스스로 제어하는 분산제어 방식으로 전환하는 것이 목표다.

철도연이 개발한 5G 기반 열차자율주행제어시스템(ATCS)은 지상 제어시스템의 제어명령에 의존하지 않고 열차 간 통신을 통한 상호 협업을 기반으로, 열차가 이동권한을 결정하고 안전하게 주행하는 시스템이다. 기존의 중앙집중식 제어방식에서 벗어나 열차와 열차가 직접 통신해 열차의 위치, 속도, 제동거리 등을 열차 스스로 인지·판단하고 제어하는 지능형 제어기술이다.

자동차의 자율주행은 주행을 위한 인지판단제어를 자동화해 무인자율주행을 하지만, 열차의 자율주행은 지상제어 설비가 모든 열차를 통제하는 현재의 중앙집중식 제어방식에서 열차 스스로 제어하는 분산제어 방식으로 전환하는 것이 목표다.

오송 철도종합시험선로에서 열차 간 정밀 간격 제어 시험 중인 5G기반 자율주행 열차. [사진=철도연]
오송 철도종합시험선로에서 열차 간 분기제어 시험 중인 5G기반 자율주행 열차. [사진=철도연]

주행 중 자유로운 열차 간 분리 및 결합을 통해 편성을 조절하고, 사고 및 고장 발생 시 열차 스스로 상황을 인지하고 판단해 대응할 수 있게 한다.

이를 위해 △열차 간 통신을 통한 상태정보 기반 열차 간격 제어 기술 △물리적연결기 없는 가상편성제어 기술 △차상 중심의 분기제어 기술 △열차 간 협업을 통한 이례 상황 인지 및 경로 설정 기술 등이 개발됐다.

상태정보 기반 열차 간격 제어 기술을 통해 선후행 열차 간 경로 직접 제어로 정밀한 위치추적과 선행열차와의 필연적 제동거리를 활용할 수 있게 되고, 이를 통해 수송력 30% 향상을 기대할 수 있다.

또한 이 기술을 통해 주행 중 자유로운 열차 간 분리 및 결합이 가능해지게 되면, 러시아워에는 복수의 열차를 마치 연결된 것처럼 결합해 수송하고, 비수기 시간에는 분리 수송할 수 있게 돼 보다 효율적이고 탄력적인 운송이 가능해진다. 결합 이동하던 열차를 분기노선에서 분리 운송할 수도 있을 것으로 보인다.

더불어 기존 열차제어시스템에서는 일정 거리마다 지상제어시스템(IXL, ZC) 설비가 있어 유지보수 비용이 많이 들었던 것이 사실이다. 하지만 자율주행시스템에서는 별도의 물리적인 지상제어 설비가 불필요하기 때문에 신뢰성 및 유지보수성이 20% 가량 향상될 것으로 보인다.

정락교 철도연 스마트전기신호본부장은 “차상기반 간격 및 분기제어와 관련해 시험을 통해 보완 및 고도화를 추진하고 있으며, 5G 기반 통신에서 초저지연 및 유선 수준의 고신뢰 확보를 위해 연구개발을 추진하고 있다”고 밝혔다.

철도연은 추후 차상 기반 간격 및 분기제어 토대하에 주행 중 가상 편성을 통한 분리결합 구현 평가도 추진할 계획에 있으며, 국제철도연맹과 공동 협력을 통한 3GPP 철도 국제 표준화 추진으로 주도권을 확보할 계획이다.

대용량 굴절버스 BRT 자율주행 시뮬레이터 시스템. [사진=철도연]
대용량 굴절버스 BRT 자율주행 시뮬레이터 시스템. [사진=철도연]

■대용량 굴절버스 BRT 자율주행 개발 '박차'

철도기술연구원은 대용량 굴절버스(BRT)의 자율주행 기술도 연구 중이다.

현재 버스 2량이 결합돼 움직이는 대용량 BRT는 인천 청라국제도시역~가정역 13.3㎞ 구간에서 4대가 운영 중이고, 세종시 내부순환 46㎞ 구간에서 12대가 운영 중이다. 현재는 수동 운전 수행 중이지만, 향후 자율주행 변경이 예정돼 있다.

BRT 자율주행 기술은 대용량 굴절버스의 자율주행을 위한 인지 및 판단, 제어시스템을 개발하는 것으로, 자율주행 BRT의 승객 안전 확보를 위한 교차로 및 정류장 지원기술, 성능평가를 위한 자율주행 시뮬레이터 등이 철도연에 의해 개발 중이다.

먼저 BRT 자율주행 제어시스템을 위해 조향 및 가감속 엑추에이터, 통합제어기 및 인지센서 모듈, 운행제어 알고리즘 등이 개발됐다.

이를 통해 기존 운전자 조작장치를 유지하고 자율주행을 구현하도록 했으며, 전차륜의 조향 및 실자의 움직임의 특성을 고려한 점이 특징이다.

성능평가를 위한 자율주행 시뮬레이터의 경우 운영관제시스템 및 인지센서모듈과 통합제어기, 정류장 시스템이 탑재됐다. BRT 운용 노선을 대상으로 가상의 주행환경을 구축했으며, 누적 8만㎞ 주행을 통해 성능을 검증했다.

교차로 및 정류장 지원 시스템의 경우 교차로 및 횡단보도 주행 알고리즘, 정류장 지원 시스템, 운행관리 관제시스템이 개발됐다.

또한 BRT 자율주행만이 가지는 문제 해결을 위한 기술도 개발이 추진되고 있다. 굴절이 없는 승용차와 달리 BRT는 최대 33도까지 굴절이 이뤄지며, 운행 중 중량도 굴절로 인해 33%까지 증가 및 감소가 일어난다. 입석 승객이 없는 승용차와 달리, BRT에서는 53% 승객이 선 상태로 승차해 있고, 운전자의 인공지능 역시 승용차와 같은 1종 보통이 아닌 1종 대형 운전자격에 상응하는 역량이 필요하다.

이러한 문제들을 해결하기 위한 철도연의 핵심기술에는 △위치 트래킹 기반 퓨전인지 기술 △인공지능 기반 BRT 자율주행 제어 기술 △BRT 관제 기술 성능 시험을 위한 자율주행 HILS 시뮬레이터 등이 있다.

위치 트래킹 기반 퓨전인지 기술은 BRT상에서 전량과 후량에 부착된 인지센서가 굴절되며 상대거리 및 각도가 시시각각 달라짐에 따라 장애물의 위치 감지가 불가능한 문제를 해결하기 위해 전량과 후량의 굴적각을 실시간으로 추정하는 굴절각 추정기를 개발하고, 센서 위치 트래킹 기반 카메라와 라이다를 동시에 이용하는 퓨전 인지 알고리즘을 적용한 기술이다. 영상과 라이다 모두 딥러닝 학습을 통해 주변 장애물을 인지할 수 있도록 했다.

BRT 인공지능 기반 자율주행 제어 기술에서는 정거장에서 승객의 승‧하차에 따를 중량 변화 및 조향 및 감가속 시 불안한 승차감 문제를 해결하기 위해 전량과 후량의 중량을 실시간으로 추정하는 중량 추정기를 개발했다. 또한 충돌 회피 및 긴급 제동, 전복 방지 등 시나리오를 포함한 경로 생성 알고리즘을 개발했다.

자율주행 BRT 관제기술의 경우 정류장 승하차, 차량 배차, 자율주행 중 안전사고 관리 등 인프라 지원시스템이 필요하다. 차량과 통신으로 연결돼 노선 운행 상황 및 차량 상태정보, 신호 정보, 고장정보 등을 실시간으로 통제한다. 신호등, 정류장 상황 등 정보는 관제시스템에 실시간 통보되며, 자율주행 차량 제어에 활용된다. 정류장 지원시스템을 이용해 정류장 내 승객 승하차 감시 및 돌발상황, 정밀정차 검지를 수행한다.

자율주행 HILS 시뮬레이터는 차량 길이, 회전반경으로 인해 자율주행 시험을 수행할 수 있는 테스트베드가 부재한 점을 감안, 시뮬레이터를 실제 차량의 운전석과 동일하게 만들고 조향 및 감가속 엑츄에이터를 설치했다.

주행환경은 실제 운영노선인 인천 청라와 동일하게 구축했으며, 다양한 시나리오에서 시험평가가 가능하다.

철도연 충북 오송분원 하이퍼튜브 실험실 전경. [사진=철도연]
철도연 충북 오송분원 하이퍼튜브 실험실 전경. [사진=철도연]

■시속 1200㎞ 하이퍼튜브서울-부산 20분 주파

철도연에서는 세계적으로 화두가 되고 있는 1200㎞ 아진공 튜브 내 초고속 주행 열차 시스템인 하이퍼튜브의 개발도 한창이다.

하이퍼튜브(HTX, Hyper Tube eXpress)는 진공 상태에 가까운 아진공 튜브 안을 최고 시속 1200㎞의 속도로 주행하는 초고속 육상교통 시스템을 의미한다.

공기에 의한 주행저항을 근본적으로 해결하기 때문에 최고 속도 주행 시 서울-부산을 20분대에 주파할 수 있다.

또한 20~40인승 경량 캡슐형 차량을 운영하기 때문에 주행 에너지가 적게 들고, 거점역과 다수의 지역역으로 초고속 네트워크를 구성하기 때문에 접근성이 우수하다.

하이퍼튜브를 가능케 하는 주요 핵심 기술에는 △튜브가 0.001기압의 아진공 상태를 유지할 수 있는 경량 고강도 기밀 소재 △승객 승하차 시 안전을 위한 기압 제어 장치, 캡△슐 차량의 초전도 선형 추진 장치△마찰 없이 차량 자세를 유지하기 위한 자기부상 및 주행 안정화 장치 △승객 안전과 주행 에너지 효율을 높일 경량 고강도 차체 소재 등이 있다.

철도연의 관련 연구 성과를 살펴보면, 먼저 2018년 직경 2.6m, 길이 10m, 진공도 0.0001기압 이하의 하이퍼튜브용 실대형 아진공 기밀튜브 시작품 개발에 성공했다.

지난해 11월에는 17분의 1 축소 모델 아진공튜브에서 1019㎞/h 주행 실험에 세계 최초로 성공했다.

2019년에는 세계 최초로 냉동기 없이 4시간 이상 초전도 상태를 유지하며 운전이 가능한 고온 초전도 전자석 시작품을 개발했으며, 지난해 12월 이를 이용한 선형 추진 시험에 성공했다.

또한 철도연은 1000㎞/h 이상에서 승차감 확보가 가능한 축소형 주행안정화장치를 개발하고 있다.

이창영 철도연 하이퍼튜브연구실장은 “향후 핵심기술을 적용한 실모델 차량 및 인프라 시작품 및 실모델 선형 추진 부상 시스템 구축을 남겨두고 있으며, 정부지원을 통해 하이퍼튜브의 실용화를 검증할 수 있는 장거리 테스트 베드 구축이 필요할 것으로 보인다”고 전했다.


관련기사

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • [인터넷 신문 등록 사항] 명칭 : ㈜한국정보통신신문사
  • 등록번호 : 서울 아04447
  • 등록일자 : 2017-04-06
  • 제호 : 정보통신신문
  • 대표이사·발행·편집인 : 문창수
  • 서울특별시 용산구 한강대로 308 (한국정보통신공사협회) 정보통신신문사
  • 발행일자 : 2021-12-02
  • 대표전화 : 02-597-8140
  • 팩스 : 02-597-8223
  • 청소년보호책임자 : 이민규
  • 사업자등록번호 : 214-86-71864
  • 통신판매업등록번호 : 제 2019-서울용산-0472호
  • 정보통신신문의 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재·복사·배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2011-2021 정보통신신문. All rights reserved. mail to webmaster@koit.co.kr
인터넷신문위원회 abc협회 인증 ND소프트