† 교신저자, 서울도시철도공사, 단장, 공학박사 E-mail : [email protected] * 로윈, 부사장 ** 한국철도대학, 교수 *** 서울과학기술대학교 자동차공학과, 교수 **** 서울과학기술대학교 철도전문대학원, 한국도시철도연구소, 교수
전동차 중정비 시설을 활용한 완성차 조립에 관한 연구
A Study on the Rolling Stock Assembly using Heavy Maintenance Factory
이덕규† 박만수* 송문석** 손영진*** 이희성****
Duk-Gyu Lee Man-Su Park Moon-Shuk Song Young-Jin Son Hi Sung Lee
ABSTRACT
Subway operators in the country have their own heavy maintenance facilities for maintaining rolling stock(EMU). However, it is true that the heavy maintenance facilities are not utilized 100% with the recent trend of lengthening maintenance cycle(intervals).
With the fact, this enabled the existing maintenance facilities to be utilized for other purposes.
By taking advantage of spare facilities and the maintenance staff with rolling stock assembly abilities, subway operators can assemble rolling stock by procuring parts for the assembly instead of purchasing trains from other companies. It is estimated that this will enhance the operator's technology and have a great impact on the management skill as well.
This study attempts to find out how the heavy maintenance factory can be utilized for rolling stock assembly. 1. 연구배경 1.1. 지하철 운영실태 지하철 시스템은 전동차, 전기, 선로, 신호, 통신, 역사설비 등 기술의 종합체로써 안전성, 신속성, 쾌 적성을 중시하는 교통수단으로써 국내의 지하철 운영기관은 서울도시철도를 비롯하여 서울메트로, 부산 교동공사, 인천도시철도, 대구지하철, 광주지하철, 대전지하철과 코레일에서 수도권 전철을 운영하고 있 다. 모든 지하철 운영기관에서는 전동차를 완벽하게 정비하기 위하여 정비시설을 갖추고 있다. 경정비를 시행하는 검사고, 중정비를 시행할수 있는 중정비 공장을 보유하고 있으며 중정비 공장의 경우에는 각 운영기관별로 중정비주기에 따라 일정기간별로 사용하다보니 시설 활용도가 낮은 편이다. 최근에는 정비주기를 늘려서 시행하는 추세에 따라 중정비 공장 활용에 여유가 생기게 되었다. 따라 서 본 연구에서는 서울도시철도공사가 운영하는 전동차를 기준으로 중정비 공장의 시설장비를 활용하여 새로운 전동차를 조립․제작하는 방안에 대하여 연구하였다. 1.2. 전동차 운영 전동차 주요 구성품은 차체, 대차, 컴퓨터, 인버터, 제동, 서비스기기 등으로 구성되어 서울시 지하철 건설본부에서 조달청에 구매의뢰하여 1994.12월부터 2000.9월까지 납품된 것을 공사에서 인수하여 운 영하는 것으로 최초 도입시 자동운전과 무인운전 기능을 갖춘 시스템으로 국내 최초로 채택하다보니 컴 퓨터 장치를 비롯한 인버터 장치가 외국제품으로 구성되어 있다. 도표 1과 같이 5,6,7,8호선 전동차는 제작사가 각기 다른 4가지 종류의 전동차를 혼용하여 운영하다 보니 부품관리, 부품조달, 정비의 어려움과 정비에 따른 비용과 인원이 많이 소요되는 문제점이 발생하 고 있다.
도표 1. 전동차 주요장치 외국제품 현황 구분
장치 5호선 6호선 7,8호선 1차분 7,8호선 2차분
TCMS Adtrans(스웨덴) 미쓰비시(일본) GEC알스톰(영국) 도시바(일본) ATC/ATO US＆S(미국) &
Adtrans(스웨덴) GRS(미국) US＆S(미국) & Adtrans(스웨덴) US＆S(미국) 인버터 Adtrans(스웨덴) 미쓰비시(일본) GEC알스톰(영국) 도시바(일본) TM Adtrans(스웨덴) 미쓰비시(일본) GEC알스톰(영국) 도시바(일본) SIV Adtrans(스웨덴) 미쓰비시(일본) 대우중공업 도시바(일본) 1.3. 전동차 구입 가격 1999년 7월 1일 이전에는 전동차 제작 회사가 3개사(현대정공, 대우중공업, 한진중공업)에서 제작 납 품하여 운영하였으나 이후부터는 1개사로(현재 현대로템) 통합되면서 3개회사 당시 전동차 가격이 한칸 당 평균 약4.5억~5.5억원이던 것이 1개사로 합병이후에는 약 10억~12억 수준이고 비싼것은 16억원이 상 20억원선까지 다양한 형태를 형성하고 있다. 이에 따라 전동차의 수명이 도래한 전동차를 교체할 경 우 지방도시 지하철 운영기관에서는 신차 구입비용 확보가 매우 어려운 실정이다. 1.4. 외국제품에 대한 문제점 기존 인버터, 띠씨엠에스(TCMS)를 비롯한 안전 관련 장치의 약 80%가 외국제품으로써 전동차를 25 년이상 약 40년간 사용하기 위하여는 기존 외국부품의 수급시기, 구매량, 구매가격을 제작사에 의존해 야하는 상황이고, 제작사가 단종을 결정할 경우에는 시스템 전체 수명을 단축해야하는 심각한 문제로 확대될수 있으며, 고객의 욕구는 날로 발전하는데 소프트웨어를 수정하지 못하는 한계성으로 인하여 운 영기관에서는 고객의 욕구를 수용하지 못하는 문제점이 발생하고 있으며, 부품 제작사의 요구조건을 충 족하기 위해서는 비계획적인 구매로 인한 예산 낭비의 요인도 발생하게 된다. 1.5. 전동차 기술 자립 필요성 전동차의 수명을 40년이상 사용하는 것을 전제조건으로 외국산 제품의 국산화, 표준화가 필요한 실정 이다. 1561량의 전동차를 새로 구입하는 경우 량당 12억원으로 계산하면 약 1조 8800억원정도가 소요 된다. 따라서 향후 전동차의 리모델링을 감안한다면 국산화, 표준화를 바탕으로 중정비 공장을 활용할 경우 구입비용의 50%인 약 9000여억원의 예산절감 효과를 가져올수 있으며, 전동차를 자체 제작․조립 할 경우 직원들의 기술력향상으로 외국기술 의존에서 벗어나 기술자립의 기틀이 잡힐 것이다. 도표 2. 전동차 사용연한 산출 구 분 합 계 5호선 6호선 7호선 8호선 20년사용 시점 25년사용 시점 합 계 1,561량 (201편성) 608(76) 328(41) 499(63) 126(21) ‘95년 382(48) 368(46) - 8(1) 6(1) 2015년 2020년 ‘96년 452(60) 240(30) - 128(16) 84(14) 2016년 2021년 ‘99년 415(54) - 176(22) 203(26) 36(6) 2019년 2024년 2000년 312(39) - 152(19) 160(20) - 2020년 2025년
2. 관련법 해석 2.1. 도시철도법[1] 도시철도법 제3조(정의)에 의하면 "도시철도사업"에 대하여 도표 3과 같이 정의하고 있다. 도표 3. 도시철도법 관련조항 제3조 (정의) 4. "도시철도사업"이란 도시철도와 관련된 다음 각 목의 어느 하나에 해당하는 활동을 말한다. 가. 도시철도시설의 건설 나. 도시철도시설을 이용한 여객 및 화물 운송 다. 도시철도차량의 정비 및 열차의 운행 관리 라. 도시철도시설·도시철도차량·도시철도부지 등을 활용한 부대사업 개발 및 서비스 7. "도시철도운영자"란 제4호나목부터 라목까지의 활동 중 어느 하나에 해당하는 도시철도사업을 하 는 자로서 도시철도공사 및 제4조에 따라 도시철도사업 면허를 받은 자(「사회기반시설에 대한 민간 투자법」에 따른 사업시행자로서 도시철도에 관한 민간투자사업을 하는 자를 포함한다)를 말한다. 도표 3의 도시철도법 제3조 4호, 7호는 도시철도운영자의 사업범위를 한정하는 규정이라기보다는 도 시철도사업의 종류를 열거하는 취지이며, 구체적인 사업범위는 지방공기업법, 서울도시철도공사설치 및 운영에관한 조례 및 서울도시철도공사의 정관에 규정되어 있는 사업범위의 해석을 통해 제작 사업을 할 수 있다는 것이며, ‘도시철도사업’을 정의하면서 ‘도시철도차량의 조립․제작’을 명시적으로 규정하고 있지 는 아니하나 여기서 도시철도사업의 내용은 도시철도사업에 포함될 수 있는 사업의 내용을 열거한 것이 므로 도시철도사업의 전제가 되는 필수적인 장비인 도시철도차량의 조립․제작 사업이 도시철도사업의 범위 내에 포함되지 아니한다고 볼 수는 없다는 것이다, 또한 도시철도사업자가 도시철도차량을 조립․제 작하는 것을 금지하는 규정도 없으므로 ｢도시철도법｣의 규정을 근거로 도시철도사업을 영위하는 지방공 사가 도시철도차량의 조립․제작을 할 수 없다고 볼 수는 없다는 것이다. 2,2. 지방공기업법[2] 제2조(적용 범위)에서 지하철분야는 “궤도사업(도시철도사업을 포함한다)”에 포함되어 있으며 제3조 (경영의 기본원칙)에서 “지방직영기업, 지방공사 및 지방공단(이하 "지방공기업"이라 한다)은 항상 기업 의 경제성과 공공복리를 증대하도록 운영하여야 한다. 지방자치단체는 지방공기업을 설치·설립 또는 경영할 때에 민간경제를 위축시키거나, 공정하고 자유로 운 경제질서를 해치거나, 환경을 훼손시키지 아니하도록 노력하여야 한다.”로 되어 있다 이는 ｢지방공 기업법｣ 제2조 제1항 제3호에 따른 도시철도사업을 수행하기 위하여 설립된 지방공사가 민간기업으로 부터 구입해 오던 도시철도차량을 직접 조립․제작하여 자신의 사업에 사용하는 것은 가능하다는 것이며, 같은 법 제3조 제2항과 관련하여서도 도시철도운영기관이 조립․제작된 도시철도차량을 타인에게 판매하 여 이윤을 창출하려는 것은 아니므로 지방공사가 도시철도차량을 직접 조립․제작하여 자신의 사업에 사 용하는 것이 민간기업의 판매시장을 침해하여 민간경제를 위축하는 결과를 초래한다고 보기도 어렵다는 것이다. 2.3. 서울도시철도공사 설립 및 운영에 관한 조례[3] 관련 조례 제17조(사업의 범위) 및 정관 제6조(사업의 범위)의 제1항 6호의 적합여부를 검토한 결과 당해 기관에서 판매를 목적으로 하는 것이 아닌 자체적으로 사용할 전동차를 자체 조립 제작하여 사용 하는 것은 동 조례 정관의 제6조 1항의 “시스템구축”으로 가능하다는 것이 법률 전문가의 의견이다. 이
후 개정된 조례내용에 “전동차의 조립·제작, 전동차·신호설비·전기설비·궤도토목 및 철도장비용품의 부품 제작·조립, 철도차량의 성능시험·제작검사(‘10.4.22 신설), 전동차 ․ 신호설비 ․ 전기설비 ․ 궤도토목 및 철도장비용품의 부품제작 ․ 조립(개정 ‘11.1.13)” 개정되었으나 상위법에 의하면 조례개정이 되지 않아 도 전동차 조립 제작이 가능하다고 해석된다. 2.4. 구매 계약제도 기존계약 방식은 “사업결정-예산확보-구매 계약의뢰(건설 또는 운영기관)-전동차 제작 (제작사)-완성차 제작 감리(전문 감리기관)-(제작사)-완성차 납품(제작사)-인수(운영기관)-운행구간 시험(제작사/운영기 관 입회)-하자조치(제작사)” 순으로 이루어진다. 이방법은 전동차를 완성차 상태로 구매하여 사용하는 것이나. 새로운 방식으로 추진한 것은 전동차는 크게 5개 장치(차체, 대차, 인버터, 컴퓨터, 제동)로 구 분하여 구매한 다음 기지 중정비 공장에서 완성차로 조립하는 개념의 전동차 제작 방법이다. 그림 1. 5개장치 분리 발주 5개장치 단품별 생산업체는 국내에서 이미 많은 경험과 노하우를 가지고 있는 중소업체로써 품질면에 서는 문제가 없으며 이러한 부품업체의 제작경험과 노하우를 운영기관의 운영기술과 접목하여 제작할 경우 더 좋은 전동차로 제작할수 있는 잇점이 있다. 3. 인프라 확보 3.1. 조직구성 서울도시철도공사는 국내에서 자동운전시스템을 최초로 도입하여 1인승무제도를 정착한 유일한 기관 이다. 1995년부터 5호선 개통을 시작으로 4개 노선을 148개역 152km, 전동차는 1561량이다. 개통 초 기에 건설하여 운영하던 종이승차권 관련 업무가 카드승차권으로 바뀌면서 종이 승차권 시설을 다루던 인력이 여유가 발생하였다. 이렇게 여유가 있는 인력을 전동차 조립.제작 인력으로 선발하여 구성할 경 우 충분한 인력 확보가 기능하였다. 전동차를 처음 접하는 문제점을 해소하기 위하여 15년동안 전동차 정비를 전담하던 직원들과 같이 차량, 기술, 시설, 승무, 사무직군으로 혼합하여 80여명으로 공정관리, 시스템, 차체, 대차, 제동, 인버터, 컴퓨터, IT장치, CS장치를 담당하는 전문조직으로 개편하였다. 3.2. 시설장비 확보 완성차 제작․조립에 필요한 시설 및 장비는 차량기지 중정비에서 사용하는 시설․장비를 그대로 활용하 고 1회 최대 24량을 동시에 중정비할수 있는 중정비공장 정비 공간을 1편성 8량 조립 공간으로 활용이 가능하다. 현재 정비 주기 조정 및 업무개선을 통하여 1회 1개 편성 8량 정비로 인하여 중정비 여유공
간 확보가 가능한 실정이다. 차체를 이동시킬 수 있는 50톤크레인, 대차 탐상, 윤축 조립, 탐상기 등 기계장비를 다수 확보 하고 있으며 인버터, 컴퓨터, 제동장치, 방송표시기 등 장치별 시험기를 다수 확보하여 제작품의 시험이 가능 하며, 완성차의 기능을 확인할수 있는 기지내 시운전선을 확보하고 있어 수시로 활용할 수 있기 때문에 기존의 전동차 제작업체 시운전선과 비교할 때 손색이 없는 수준의 시설 장비를 갖추고 있다. 또한 실 제 전동차 성능을 지상설비와 직접 인터페이스 시험이 가능한 본선 운행구간을 확보하므로써 언제든지 할용가능한 잇점이 있다. 차체 대차 분리 윤축 분리 윤축 초음파 탐상 자체조립 공간 제동단품시험기 기지내 시운전선 그림 2. 시설장비 현황 3.3. 제작․조립 기술 3.3.1. 설계능력 전동차의 설계는 처음부터 다시 시작해야하는 문제가 아니기 때문에 충분한 가능성을 내포하고 있다. 지하철 운영기관은 어디든지 기존에 운영하는 전동차 납품시 제공받은 준공도면과 설계검토서, 시험절 차서 및 시험성적서를 확보하고 있다 이를 바탕으로 각 운영기관에서 목표로하는 전동차를 재설계가 가 능하다고 판단된다. 설계장비는 특별히 필요한 것이 CAD프로그램 그리고 필요 인력들이며 직원들중에 서 대학에서 관련분야 전공자를 중심으로 선발하고 각 부품별 제작사인 중소기업과 교류를 통하여 협력 하면 3~4개월정도면 유능한 기술자가 될 것으로 확신한다. 설계시에 고려할 사항은 운영자 입장에서 승객을 최우선으로하고 유지보수를 두 번째로 염두에 두었다. 추가로 승객편의성 고려, 성능향상, 시스 템 적합성 및 호환성, 신뢰성 및 안전성, 운영비 절감, 친환경을 고려하면 될 것이다. 설계시 고려해야할 사항으로는 ‘확장성’은 AC/ATO/TWC, TCMS, CC, CS, 인버터, 제동 등 주요 연 계시스템을 고려한 표준화 및 호환성, 향후 확장을 고려한 시스템 구성, 다양한 수요규모에 대응할수 있 는 편성구조로 운영되도록 설계가 필요하다. ‘경제성’은 운영하는데 필요한 비용 즉 전기료, 유지보수관리비용, 부품비등을 고려한 설계가 이루어져 야 하고, 내구성이 우수한 자재사용을 필요로 한다. ‘편리성’은 승객의 입장에서 편리하게 이용할수 있으며, 유지보수 측면에서도 편리한 유지보수가 이루 어져야 한다. 또한 기술을 전수할수 있는 여건으로 누구나 편리하게 기술접근이 이루어져야 한다.
3.3.2. 종합 인터페이스 능력 보유 완성차는 공장검사를 거친 후 영업구간에서 전동차, 신호, 전기, 통신, 선로, 스크린도어, 역사설비 등 과 시스템 튜닝을 실시한다. 완성차 튜닝작업은 “운영회사 + 전동차 제작사 + 지상시스템 공급자”가 합동으로 실시하게 되며 전동차 위주로 이루어진다. 이중에서도 가장 중요한 시스템간 튜닝은 “차상신호 장치 + 지상신호장치”로써 이것은 운영기관에서 가장 잘 아는 내용중의 하나이기 때문에 제작과 병행 할수 있는 기술력이다. 이러한 기술력은 운영기관이라면 개통전 시운전 튜닝 경험을 갖고 있기 때문에 가능하리라 판단하는 것이며, 실제로 도시철도공사를 기준으로 보면 5호선 전동차의 열차제어감시컴퓨 도표 4. 전동차 제작 조립 과정 계획수립 → 제작 모델 선정 - 기본 방향 : 완성 전동차 자체 조립 - 기본사양 정립 : 제작모델 + 운영상 개선 사항 - 설계회의 : 운영기관 + 부품공급업체 설계회의 → 제작모델 + 개선사항 → 운영기관 → 부품공급업체 - 상세설계 : 기본설계 + 부품제작도면 (외관, 내장, 전장품, 서비스기기 등) - 부품 설계도 작성 : CAD 도면지원, 제조공장용 도면 작성 (필요시 도면 전문 제작 업체 협조) 부품제작 → 부품설계도에 의한 제작 - 구체 : 언더프레임, 사이드판, 앤드판, 지붕 - 육면체 조립 : 부품공급업체 - 구체 + 의장설비(내장,외장,배선,배관 등) ※ 주공장에서 구체 대조립은 여건상 어려움 : 전문 인력, 공간 지그, 장비 등 필요) - 대차 : 대차틀 + 윤축 + 기어박스 + 기초제동장치+ TM - 기타 : 인버터, 컴퓨터, 방송표시기, 냉난방설비 등 검사/시험 → 각 장치별 기능검사, 단품시험, 성능시험 등 : 자체 또는 전문 시험 기관 수 송 → 수송 루트 개발 - 부피가 큰 “차체”만 해당- 철도 이용 : 화물이용 - 육로 이동 : 전용 트레일러 필요(필요시 제작) 조 립 → 운영기관 주공장 공간 및 시설 활용 -․ 50톤 크레인, 초음파 탐상기, 윤축조립기, 각종시험기 등 ※ 자체개발품 시험 공간 확보 : 운영기관 시 운 전 - 기기조정작업 (Tunning) : 본선 시험을 하기 위한 사전 준비작업으로 각종 기기를 운행하면서 최적의 상태로 조정 - 형식시험 (Type test) : 설계대로 성능이 발휘되는지 확인 (역행, 가속도, 제동, 감속도 측정, 최고속도 등 검사 대상 항목 시행) - 전수시험 (Routine Test) : 완성차량에 대하여 차량의 성능 및 기능확인(역행, 가속도 검사 대상 항목 시행) - 종합시운전 : ATC/ATO 주행시험 및 차상, 지상설비연계 시험 - 영업시운전 : 영업운행과 동일 조건으로 운행 영업투입 → 영업운행구간에서 열차운행계획에 의거 운행
터의 소프트웨어를 분석하여 정비업무에 활용하고 있고 실제로 인버터, 차상장치, 방송표시기 등의 소프 트웨어 분석도 가능하다는 결론을 얻었기 때문이다. 3.3.3. 제작․조립 과정 전동차 제작 조립과정은 도표 4와 같다. 3.3.4. 완성차 공정별 작업장소 구분 각 부품별 제작과 완성차 조립 공정별 작업장소 구분은 도표 5와 같다. 도표 5. 완성차 공정별 작업장소 각 장치별 제작업체 공장 운영기관 중정비 공장 ① 소재 절단 ② 가공 ③ 용접 ④ 소조립 ⑤ Assembly 제품 완성 ⑥ 장치별 모듈 제작 완성(차체는 내장판, 바닥, 객실설비, 배선, 배관 모두 부착된 상태) ⑦ 도장 및 포장 ○ 운영기관 중정비 공장으로 이송 → ○ 제작 공장으로부터 이송된 각 장치별 완성 모듈품 ↓ ⑧ 장치별 모듈 차체에 조립 ⑨ 완성차 탄생 ⑩ 각 장치별 인터페이스 튜닝 작업 ⑪ 기능시험 ⑫ 기지내 시운전 및 운행구간 시운전 ⑬ 영업구간 투입 3.3.5. 제작, 조립결과 5개 장치별 제작은 구체 등 285여종의 1차 구성품으로 이루어졌으며, 109개 업체 1230여명이 6개월 동안에 제작에 참여하였고 상세 결과는 도표 6에 나타내었다. 도표 6. 제작, 조립결과 구분 장치별 제작기간 구성품수량 참여업체 및 인원 차체 2010.6.11~12.24 구체등 163여종 33개업체 450여명 대차 2010.6.11~12.22 사이드프레임등 61여종 26개업체 250여명 인버터 2010.6.22~12.22 VVVF인버터등 15여종 8개업체 80여명 제동 2010.6.22~12.22 주공기압축기등 38여종 38개업체 410여명 컴퓨터 2010.6.22~12.24 TC컴퓨터등 8종 4개업체 40여명 계 285여종 109개업체 1230여명 4. 결론 전국의 지하철 운영기관이 확보하고 있는 전동차의 핵심 부품 대부분은 외국제품으로 구성되어 있다. 이러한 외국제품을 국산화하고 표준화하여 향후 전동차를 40년 이상 장기적으로 안전하게 사용하기 위 하여는 안정적인 부품 수급과 적기에 리모델링을 시행해야만 한다.
이러한 리모델링과 신규 전동차 제작은 국산화품으로 현재 운영하고 있는 중정비 시설과 장비를 활용 하면 가능하다는 것을 서울도시철도공사에서 제작․조립한 SR001을 통하여 확인하였다. 따라서 각 운영기관에서는 자체적인 기술자립과 경영효율성을 극대화하는 차원에서 전동차 리모델링, 신차 제작은 기술력이 뒷받침되는 중소기업과 힘을 합치면 가능하다는 것을 확인하였으므로 향후 전동 차 제작 및 리모델링 정책 방향 결정에 기여할 것으로 기대한다. 참고문헌 1. 도시철도법 2. 지방공기업법 3. 서울도시철도공사 설립 및 운영에 관한 조례
