자동차의 자율주행은 탑승자의 편의성을 대폭 향상시킬 것으로 전망되고 있다. 물류·배송 산업에 일대 혁신을 가져올 것이라는 기대 또한 받는다. 그런데 차량보다 더 많은 승객과 화물을 운송하는 열차가 자율주행 기술로 운행하게 된다면 어떨까. 운송·물류 비용의 절감 효과는 자동차보다 더욱 클 것이다.

현재 국내 철도 기술 연구기관이 5세대 이동통신기술인 '5G'를 이용하는 열차 자율주행 기술을 개발하고 있어 주목을 받고 있다. 초고속, 초저지연, 초연결을 특징으로 하는 5G는 열차 자율주행 구현에 있어 제격이라는 평가다.

■LTE-R보다 월등한 5G로 열차 자율주행

현재 4세대 이동통신 기술인 'LTE'를 기반으로 하는 철도무선통신망(LTE-R) 인프라 구축 사업이 전국적으로 추진되고 있다. LTE-R 인프라는 △관제센터 △코어망 △무선 접속망 △단말 등으로 구성돼 열차제어 및 철도 음성·영상 서비스를 제공할 수 있다.

LTE-R을 이용하면 재난안전통신망과의 상호연동 및 열차제어 정보 제공이 가능하다.

개발 중인 '한국형 열차제어시스템-3(KTCS-3)'의 경우 궤도회로 없이 LTE-R로 열차 간 통신이 이뤄진다. 이를 통해 선행열차의 위치와 선로정보(위치, 곡선, 구배 등)를 후행열차가 실시간으로 수신할 수 있게 된다.

후행열차는 수신된 정보를 바탕으로 속도프로파일을 자동으로 계산해 허용속도로 운행하게 된다. 이는 자동운전이 가능하게 된다는 뜻이기도 하다.

LTE-R을 이용한 신호시스템은 유선기반 궤도회로 설치가 필수적인 제약에서 자유로워지는 효과도 낳는다. 철도 인프라 운영면에서 유리한 점이다.

T2T(Train to Train) 기반 차세대 열차제어시스템으로 불리는 KTCS-4도 2032년 개발 완료 예정이다.

KTCS-4가 도입되면 전자연동장치, 신호기, 궤도회로 등 선로변에 산재한 현장 설비를 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.

그런데 최근 5G를 이용한 열차 자율주행 기술 개발이 이뤄지고 있어 주목을 받는다.

5G는 LTE와 비교했을 때 전송 데이터 양이 더욱 많고(초고속), 지연시간이 더욱 짧으며(초저지연), 더 많은 기기가 접속(초연결)할 수 있다.

5G 기술 특징 중 눈여겨 볼 부분은 지연시간이다. 현재 실질적인 지연시간을 보면 LTE는 200㎳ 정도인데 반해 5G는 이보다 훨씬 짧은 10㎳ 수준이다. 이 같은 차이는 신호 기반 열차 제동 시 제동 거리 등에서 큰 차이를 낳을 수밖에 없다.

수백명에 달하는 승객과 대규모의 화물을 실어 나르는 철도의 안전 확보를 고려하면, 5G의 초저지연 성능이 철도 제어에 적용될 경우 더욱 안전한 철도 인프라를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

현재 한국철도기술연구원(철도연)이 5G를 기반으로 하는 열차 자율주행 기술을 개발하고 있는 것으로 알려져 있다.

■열차끼리 직접 정보 교환해 안전 확보

철도연은 지난해 9월 세계 최초로 5G 이동통신기술 기반의 열차 자율주행시스템 핵심 제어기술을 개발했다고 발표한 바 있다. 발표에 따르면 철도연은 2020년 1월 SK텔레콤과 기술협력을 위한 협약을 맺고 세계 최초의 5G 통신기반 스마트 테스트베드를 함께 구축해 협력하고 있으며, 같은 해 4월부터는 오송 철도종합시험선로에 2대의 축소시험차량을 통해 시험을 진행했다.

열차 자율주행시스템 기술개발 사업은 열차운행의 효율성과 안전성을 획기적으로 개선하는 미래 원천기술 확보를 위해 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회의 BIG(Big Issue Group) 사업으로 진행 중이다.

시험은 열차의 위치만 고려하던 기존의 제어방식에서 벗어나 위치 및 속도, 제동거리 등 선행열차의 주행 정보를 실시간으로 반영해 열차 간 안전간격을 단축하는 '간격 제어기술'과 열차와 열차가 지상의 관제센터를 거치지 않고 직접 통신하며 분기기를 제어하는 '분기 제어기술' 등으로 이뤄졌다.

열차자율주행시스템은 열차 간의 통신을 통해 열차의 경로, 정차역, 주행속도 등의 정보를 공유하고, 이를 통해 열차 스스로 주행 안전 확보, 주행 중 자유로운 편성 조성, 이례 상황을 실시간 인지·판단하고 제어하는 지능형 열차제어기술이다.

자동차의 자율주행은 주행을 위한 인지·판단·제어를 자동화해 무인자율주행을 하는 것이 목표다. 열차의 자율주행 기술 개발 목표 또한 열차 스스로가 주행을 제어하는 방식으로 변화하는 것이다. 현재는 지상 제어설비가 모든 열차를 통제하는 중앙집중형 제어 방식이다. 열차 자율주행 기술이 개발 완료 후 적용되면 그 때부터는 열차가 스스로 제어하는 분산형 제어 방식으로 운행 가능해진다.

중앙집중형의 경우 관제·운영 센터 장애 발생 시 센터로부터 신호를 받아 운행하는 모든 열차가 영향을 받는다. 최악의 경우 전국의 철도망이 모두 멈출 가능성도 있는 것이다.

반면 분산형 제어 방식을 적용하게 되면 이 같은 일을 예방할 수 있다. 또한 열차끼리 직접 통신해 자신의 위치와 방향을 열차 스스로 결정하고 제어하기 때문에 지상신호설비를 최소화할 수 있다.

철도연은 현재 수송력을 최대 30% 이상 증대하는 원천핵심기술을 확보한 상태다. 정밀 간격 제어기술로 열차의 운행 간격을 지금보다 30% 이상 단축할 수 있어 출·퇴근 시간 등 열차운행이 집중되는 시간에 더 많은 열차를 투입해 효율적으로 운영할 수 있는 것이다.

5G 기반의 열차제어는 실시간 주행 데이터 전송이 가능해 통신 지연이 단축되고 전송 신뢰도 및 데이터 전송용량이 최대 20배 향상됐다.

선로 및 분기기 등을 열차 스스로 최적 상태로 제어하고, 설비 투자 비용 절감, 인적 오류 감소, 유지보수 효율화 등이 가능하다.

철도연은 축소시험차량 시험 성공에 대해 민·관·연 협력을 통해 세계 최초의 5G 통신기반 열차자율주행 연구성과를 도출했다는 점에서 의미가 있다고 설명했다.

그런데 지진, 테러, 전쟁 등으로 5G 통신 인프라가 두절될 경우에는 5G 자율주행 열차의 주행 안전이 위협 받지는 않을까.

정락교 철도연 열차자율주행연구팀장은 철로 주변에 설치되는 5G 인프라 기반의 철도 자율주행 기술뿐만 아니라 각 열차가 하나의 5G 기지국으로 작동하면서 열차 간 직접 통신을 하는 방식도 연구하고 있다고 설명했다. 열차가 기지국 기능을 수행할 경우 열차 간 직접 통신이 가능하므로, 자율주행 시 통신 두절과 같은 최악의 상황이 발생하는 것을 방지할 수 있다는 것이다.

만약 선행 열차에서 치명적인 장애가 발생해 열차 간 통신이 일정 시간 이상 이뤄지지 못할 경우, 연결 유지 신호(Keep Alive)의 이상 상황을 감지한 후행 열차가 자동으로 감속·정지하는 기능도 마련할 수 있을 것이라고 정 팀장은 덧붙여 말했다.

정 팀장은 "열차의 주행 경로 재설정 기술 등 추가시험을 진행하고, 차상 중심의 간격 및 분기제어 고도화를 통해 주행 중 열차 분리·결합기술을 구현해 열차자율주행 기술을 완성할 계획"이라고 전했다.

한편 철도연은 올해 △데이터 기반 이동통신 네트워크 QoS 모델링 기술 연구 △혼잡정보 기반 실시간 정차시간 예측 알고리즘 개발 △열차제어용 응용계층 오류 정정부호 기술 개발 △최적 선로자원 점유 협업범위 산정 방법 연구 등의 위탁과제 사업을 통해 더욱 안전하고 신속한 열차 운행 구현을 꾀하고 있다.

박광하 기자 다른기사 보기