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2015年 2月 博士學位論文

상하개폐식 철도 승강장 안전문의 제어 알고리즘 개발

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

土 木 工 學 科

崔 鉀 烈

상하개폐식 철도 승강장 안전문의 제어 알고리즘 개발

Development of the Operating Algorithm on the Platform Screen Door for Vertical Opening and

Closing

2015년 2월

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

土 木 工 學 科

崔 鉀 烈

상하개폐식 철도 승강장 안전문의 제어 알고리즘 개발

指導敎授 朴 吉 鉉

이 論文을 工學博士學位 論文으로 提出함 2014年 10月

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

土 木 工 學 科

崔 鉀 烈

목 차

ABSTRACT

제1장 서 론 ···1

1.1 연구의 배경 및 목적 ···1

1.2 연구의 범위 ···8

1.3 연구의 수행방법과 구성 ···9

1.2.1 연구수행방법 ···9

1.2.2 논문의 구성 ···10

제2장 이론적 고찰 ···12

2.1 승강장 안전문 시스템 ···12

2.1.1 승강장 안전문의 종류 및 특징 ···12

2.1.2 승강장 안전문의 시스템 구성 ···14

2.1.3 승강장 안전문의 운영 알고리즘 고찰 ···17

2.1.4 장애물 검지 알고리즘 ···31

2.2 상하개폐식 승강장 안전문의 고찰 ···33

2.2.1 상하개폐식 승강장 안전문의 연구개발 동향 ··· 33

2.2.2 상하개폐식 승강장 안전문의 시스템 구성 ···37

2.3 좌우개폐와 상하개폐 방식의 차이점 ···43

2.3.1 열차 차종에 제약이 없는 운영 ···44

2.3.2 열차 출입문 개소수의 제약 없는 운영 ···45

2.3.3 정위치 정차에 제약 없는 운영 ···46

제3장 상하개폐식 승강장 안전문의 제어 알고리 즘 개발 ···48

3.1 알고리즘 개발의 목표 ···48

3.2 상하개폐식 승강장 안전문의 열림 및 닫힘 알고리즘 개발 ···49

3.2.1 열차위치 검지방법의 고찰 ···49

3.2.2 열차위치 검지를 위한 센서 설치방법 ···51

3.2.3 열차정보와 연동한 승강장 안전문의 열림 및 닫힘 판 단 기준 ···54

3.3 시뮬레이션 기법을 이용한 알고리즘의 신뢰성 검증 ···63

3.3.1 시뮬레이션 조건 ···63

3.3.2 시뮬레이션 시나리오 구성 ···71

3.3.3 시뮬레이션 분석 ···73

3.3.4 시뮬레이션 분석에 대한 고찰 ···80

제4장 부정개폐 제어 알고리즘 개발 ···82

4.1 상하개폐식 승강장 안전문의 부정개폐 ···82

4.1.1 상하개폐식 승강장 안전문 운영 현황 ···82

4.1.2 상하개폐식 승강장 안전문의 부정개폐 제어의 문제점

···84

4.1.3 비상개폐와 부정개폐의 정의 ···88

4.2 알고리즘 개발의 기본 원칙 및 범위 ···88

4.2.1 알고리즘 개발 범위 ···88

4.2.2 장애물검지 센서 범위 ···90

4.3 부정개폐 제어 알고리즘의 검증 ···91

4.3.1 부정개폐제어 알고리즘 ···91

4.3.2 부정개폐제어 알고리즘의 검증시험 ···95

4.3.3 부정개폐제어 알고리즘 시험에 대한 고찰 ···100

제5장 상하개폐식 승강장 안전문 제어 알고리즘 의 사례분석 ···101

5.1 사례분석 대상 ···101

5.2 장애사건 내역 ···102

5.3 인시던트 분석 ···105

5.3.1 로그 파일의 자료구조 ···105

5.3.2 로그 파일에 근거한 인시던트 케이스 설정 ···108

5.4 사례분석 고찰 ···110

제6장 결 론 ···112

참고문헌 ···115

부록 문양역 RPSD 로그파일 분석 VBA 프로그램 ····123

표 목 차

표 1.1 서울도시철도 노선별 라돈관리 역사 현황 ···2

표 1.2 도시철도의 PSD 설치현황 ···4

표 2.1 승강장 안전문의 종류 및 특징 ···13

표 2.2 철도운영기관의 PSD 운영방식 현황 ···23

표 2.3 PSD 연동 장치별 성능 비교표 ···23

표 2.4 시스템 구성 및 기능 ···27

표 2.5 미국 메트로 노선의 철도차량 종류 ···33

표 2.6 DCU의 데이터 체계 ···39

표 3.1 검지센서 설치 대안 ···50

표 3.2 판단 조건 Ⅰ : 열차와 승강장 길이가 동일한 경우 57 표 3.3 판단 조건 Ⅱ : 열차가 승강장의 길이보다 짧은 경우 58 표 3.4 누리로 열차운영현황 ···64

표 3.5 누리로 기준열차제원 ···65

표 3.6 무궁화호 기준열차제원 ···65

표 3.7 새마을호 기준열차제원 ···67

표 3.8 KTX 기준열차 제원 ···68

표 3.9 최종 국내 기준열차 편성 및 제원 ···69

표 3.10 시뮬레이션 시나리오 ···72

표 4.1 센서 신호에 따른 시나리오 1 ···92

표 4.2 센서 신호에 따른 시나리오 2 ···92

표 4.3 부정개폐제어 알고리즘 시험 결과 ···99

표 5.1 문양역 RPSD 장애사건 내역 ···103

표 5.2 로그파일 구조 ···106

표 5.3 개별제어반(DCU) ···107

표 5.4 승무원 조작반 ···107

표 5.5 역무실 조작반 ···108

표 5.6 인시턴트 유형별 가용성 분석 ···111

그림 목차

그림 1.1 PSD 설치에 따른 라돈 중점관리역 증가 추이 ···2

그림 1.2 철도 승강장 사고 추이 및 사고원인 ···3

그림 1.3 서울 PSD 설치와 승강장 안전사고의 관계 ···4

그림 1.4 뉴욕메트로 승강장 안전사고 통계 현황 ···5

그림 1.5 본 논문의 구성 ···11

그림 2.1 영등포역 서비스 열차와 출입문 위치 현황 ···13

그림 2.2 PSD 종합 구성도 ···14

그림 2.3 TIP 장치 구성도 ···16

그림 2.4 서울 석계역 HMI 설치 사례 ···16

그림 2.5 정위치 정차 표출 예시 ···17

그림 2.6 ATO 신호체계 구성도 ···18

그림 2.7 ATO와 연동한 PSD 열림/닫힘 알고리즘 ···19

그림 2.8 RF연동 방식의 개념도 ···20

그림 2.9 출입문 검지센서 연동방식의 개념도 ···21

그림 2.10 ATO 기반의 신호, 통신, 자동제어설비 인터페이스 ···24

그림 2.11 PSD 열림 (ATO/자동) 알고리즘 ···25

그림 2.12 PSD 닫힘(ATO/자동) 알고리즘 ···26

그림 2.13 PSD - 신호, 통신, 자동제어설비간 인터페이스(대구 철도공사) ···28

그림 2.14 PSD 열림(RF/자동) 알고리즘 ···29

그림 2.15 PSD 닫힘(RF/자동) 알고리즘 ···30

그림 2.16 장애물 검지 센서 대응 전략 구상도 ···32

그림 2.17 장애물 검지를 갖는 RPSD 제어 알고리즘 ···32

그림 2.18 정위치 정차 범위 없는 유연한 운영 ···34

그림 2.19 연구개발 시스템의 기본 개념도 ···35

그림 2.20 문양역 설치 현황 ···36

그림 2.21 RPSD 기본사양 ···36

그림 2.22 상하개폐식 승강장 안전문의 시스템 구성도 ···37

그림 2.23 RPSD 개별제어반 외형도 및 인터페이스 구성도 · 38 그림 2.24 자동 모드 열림 동작 ···40

그림 2.25 수동 모드 열림 동작 ···40

그림 2.26 자동 모드 닫힘 동작 ···41

그림 2.27 수도 모드 닫힘 동작 ···41

그림 2.28 장애물 검지체계 ···42

그림 2.29 기존 PSD 개폐 방식(좌우 개폐) ···44

그림 2.30 RPSD 개폐 방식(상하 개폐) ···44

그림 2.31 열차의 차량길이와 출입문 수 차이에 따른 스크린 도어 설치 문제 예시도 ···45

그림 2.32 열차 출입문 개소수가 다른 사례 (KTXⅠ과 KTXⅡ) ···45

그림 2.33 KTX-Ⅰ과 KTX-Ⅱ가 정차하는 승강장의 RPSD 대응 가능 예시도 ···46

그림 2.34 RPSD의 정차 위치의 여유 거리 예시도 ···47

그림 3.1 상하개폐식 PSD설치 사례 (6량 편성 기준) ···52

그림 3.2 상하개폐식 PSD의 열차검지를 위한 센서 설치방안53

그림 3.3 승강장과 열차의 길이가 동일한 승강장의 열차 위치

정보 취득방안 ···59

그림 3.4 승강장 길이보다 짧은 열차편성 승강장의 열차 위치 정보 취득방안 ···60

그림 3.5 상하개폐식 승강장 안전문(RPSD)의 제어 알고리즘61 그림 3.6 속도를 고려한 승강장 안전문(RPSD)의 제어 알고리 즘 ···62

그림 3.7 누리로 기준열차 구성안 ···64

그림 3.8 누리로 Door 위치 ···64

그림 3.9 무궁화호 기준열차 구성안 ···65

그림 3.10 무궁화호 Door 위치 ···65

그림 3.11 새마을호 기준열차 구성안 ···67

그림 3.12 새마을호 Door 위치 ···67

그림 3.13 KTX 기준열차 구성안 ···68

그림 3.14 KTX Door 위치 ···68

그림 3.15 기준열차 3D Model ···70

그림 3.16 검지기 (센서) 배치도 ···71

그림 3.17 알고리즘 검증 프로그램 ···72

그림 3.18 검지기별 열차검지 그래프(S1-1, KTX) ··· 73

그림 3.19 검지기별 열차검지 그래프(S1-2, 새마을호) ···74

그림 3.20 검지기별 열차검지 그래프(S1-3, 무궁화호) ···75

그림 3.21 검지기별 열차검지 그래프(S1-4, 누리로) ···75

그림 3.22 검지기별 열차검지 그래프(S2-1, KTX) ··· 77

그림 3.23 검지기별 열차검지 그래프(S2-2, 새마을호) ···78

그림 3.24 검지기별 열차검지 그래프(S2-3, 무궁화호) ···79

그림 3.25 검지기별 열차검지 그래프(S1-4, 누리로) ···80

그림 4.1 상하개폐식 승강장 안전문의 운영 현황 ···83

그림 4.2 무게보상 추를 갖는 상하개폐식 승강장 안전문 개념 도 ···85

그림 4.3 PSD의 운영제어 조작반과 통신 체계도 ···86

그림 4.4 스크린 도어의 비상개폐(수동개폐) 방법 ···87

그림 4.5 장애물검지 센서 배치도 ···89

그림 4.6 부정개폐 제어에 관한 알고리즘 ···95

그림 4.7 부정개폐 실험 지그 ···97

그림 4.8 RPSD 시작품(Prototype) ···98

그림 5.1 문양역 RPSD의 닫힘 및 열림 상태 ···102

그림 5.2 주제어기의 로그파일 다운로드 현황 ···105

그림 5.3 문양역 RPSD 로그파일 장애발생 사례 분석 ···109

Abstract

Development of the Operating Algorithm on the Platform Screen Door for Vertical Opening and Closing

Choi Gap Yeol

Advisor : Prof. Park Kil Hyun, Ph.D.

Department of Civil Engineering, Graduate School of Chosun University

PSD (Platform Screen Door) effectively prevented accident at railway station. No accident has been reported since PSDs were installed in all the Seoul metro stations. Nevertheless, PSD demonstrated an issue when trains are manually driven and where different types of trains operate. For existing types of PSD, trains must stop exactly at the designated position. In the manual driving mode, train operators often cause minor errors in the stopping position and the screen door is not opened for safety when the stopping position is beyond ±350mm from the designated position. The same problem occurs at the train stations where different types and sizes of trains are operated.

On the other hand, RPSD (Rope type Platform Safety Door) allows the stopping position error up to ±1,950mm. This allows more flexible operation of trains even in the manual driving mode and enables serving for various types of trains. This study presents an algorithm to control the vertical operation for RPSD. Literature review showed

that three methods have been widely used to control the PSD door including ATO (Automatic Train Operation), RF(Radio Frequency), and door detection types. The ATO method requires train signal system. For the RF type, it is essential to install vehicle and track infrastructures and also upgrade of the RF device in vehicle. Finally, the door detection type installs door detectors at fixed locations and thus has a limitation in applying to the stations where different types of trains with various sizes are operated and the stopping location of train doors vary.

In chapter three, an algorithm is presented to control the RPSD door to mitigate the above mentioned limitations of the existing methods.

The algorithm opens the screen doors before trains completely stop at the designated position and closes the doors after trains depart. The algorithm relies on a sensor to detect the exact location of trains. For evaluation of the algorithm we used VISSIM simulator and its add-on module including Com-interface and Visual Basic Application Programming Interface (API). The control algorithm demonstrated outstanding performances under four testing scenarios.

In chapter four, another control algorithm is proposed that allows passengers to manually open and close the RPSD screen doors. This algorithms utilize the obstacle sensors installed at the front and back of RPSD. This algorithm was evaluated in the simulation environments. The test results indicate that the manual control of the screen doors was only allowed when certain amount of external force is detected from the train side and it was not allowed when external force is detected from the terminal side.

The fifth chapter evaluates the screen door control algorithm after installing it in the Door Control Unit (DCU). The test was conducted at Moonyang station and the RPSD was operated total 127,680 times of screen door opening and closing. A control error occurred sixteen times and eighteen times for the downward direction and the upward direction, respectively. Therefore, the algorithm’s availability was found to be at the level of 99.99%. This test result represents that the control algorithm includes the robust reliability. The test also revealed that the control errors were caused by the sensor errors. Thus, it is expected that improving the sensing technology will enhance the algorithm’s availability.

제1장 서 론 1.1 연구의 배경 및 목적

가. 연구의 배경

승강장 안전문(PSD : Platform Screen Door)은 철도 승강장에서 발생할 수 있는 승객과 철도차량의 충돌 및 접촉 사고 또는 승객이 선로에 추락하는 안 전사고 예방을 위한 승강장 안전시설이다. PSD의 설치 효과는 승강장의 안 전도 향상에 관한 연구(배성준 등, 2009; 서석철, 2013) 뿐만 아니라 승강장 내부의 미세먼지, 일산화탄소, 이산화탄소 및 포름알데히드의 농도를 줄이는 공기질 개선 효과에 관한 연구(J.G. Lee et al., 2009; 김진규, 2008; 배성준 등, 2009; 김인원 등, 2010), 승강장 냉난방 냉온열손실 방지를 통한 에너지 절감 효과에 관한 연구(배성준 등, 2009; 서석철, 2013), 소음감소에 관한 연 구(김진규, 2008), 그리고 화재발생시 대피시간 연장에 관한 연구(J.S. Roh et al., 2010) 등이 있다.

PSD의 설치는 승강장 내부를 밀폐하는 형식의 경우 건축법과 소방법에 근 거하여 소방설비의 추가와 함께 본선 터널의 공기질 개선을 위한 공조설비가 요구된다(김인원 등, 2010). 승강장을 밀폐하는 형식의 PSD는 김인원 등 (2010)의 연구에서 지적한 바와 같이 승강장 내부의 공기 질이 개선되지만 터널의 공기 질이 악화되어 이를 개선하기 위한 방안이 요구되는 바, 환경측 면에 기여한다고 단정하는 데 한계가 있다고 판단된다.

PSD 설치 효과에 관한 연구들(J.G. Lee et al., 2009; 김진규, 2008; 배성준 등, 2009; 김인원 등)은 대부분 승강장 내부의 공기질 개선만을 논의하고 있 지만, 2013년 현재 서울도시철도 37개 역사가 라돈 중점 관리역으로 지정하 여 운영하고 있다(표 1.1 참조). PSD 설치 후 서울 지하철 2∼8호선의 전동 차 내부의 라돈 농도는 평균 53% 증가한 것으로 나타났다(전재식·서종원 등, 2012). 반면 PSD 설치 이후 라돈 농도는 대합실 55%, 승강장 54%가 각각

노선명 라돈 기준 초과 “중점관리 역사” 라돈 기준접근 “격년간리 역사”

2호선 동대문운동장, 을지로4가, 아현, 이화 여대, 잠실

시청, 영등포구청, 역삼

3호선 교대, 충무로, 종로3가, 안국, 경복궁

독립문, 홍제 4호선 남태령, 삼각지,

회현, 충무로

명동, 동대문운동장, 동대문, 미아삼거리

5호선 충정로, 서대문, 광화문, 종로3가, 을 지로4가, 동대문운동장, 청구, 군자

왕십리, 마장, 답십리, 장안평, 천호

6호선 역촌, 고려대, 월곡

응암, 불광, 독바위, 연신내, 구산, 광 흥창, 신당, 동묘, 안암

7호선 마들, 노원, 중계, 하계, 공릉 온수

저감된 것으로 나타났다(전재식·윤종철 등, 2012). 전재식·서종원 등(2012)은 PSD 설치가 터널을 더욱 밀폐시켜 승강장과 대합실로 통하는 라돈의 확산경 로 차단이 주요원인이라고 추정하고 있다.

표 1.1 서울도시철도 노선별 라돈관리 역사 현황

자료 : 서울특별시 (2013)

2010년 54개역 중점관리 2007년 26개역 중점관리 자료 : http://www.seoul.go.kr/info/organ/center/healthenv/images/main/radon_2010.gif

그림 1.1 PSD 설치에 따른 라돈 중점관리역 증가 추이

PSD의 승강장 안전도 향상 효과는 배성준 등 (2009)과 서석철(2013)에서 강조하고 있다. 이는 PSD 설치가 환경적, 에너지 절감 효과에 관한 긍정적 또는 일부 부정적 효과가 있음에도 불구하고 철도 승강장의 안전사고 예방시 설임에는 부정할 여지가 없다. 이를 뒷받침하는 국토교통부(2014) 자료에 근 거하면 지난 2003년부터 2012년까지 최근 10년간 총 3,945건의 철도사고가 발생하여 연평균 13.8% 감소하는 경향에 있다. 반면 한국철도공사가 운영하 는 국철노선의 승강장 사상 사고는 그림 1.2에 제시하고 있는 바와 같이 한 국철도공사가 운영하는 국철노선에서는 증가하는 추세에 있고 서울도시철도 는 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 지하 승강장은 PSD 설치율이 95% 수 준으로 높지만 지상 승강장은 아직 설치가 낮아 안전성이 취약하기 때문이 다.

또한 승강장 사고의 원인은 승강장에서 열차와 접촉하는 사고와 불법행위 사고가 80% 수준에 있다는 점을 고려할 때 PSD 설치가 필요하다. 2009년 이 후 지하구간의 사고 대비 지상구간의 승강장 사고 발생원인은 표 1.2에서 알 수 있는 바와 같이 서울도시철도 역사가 대부분 지하에 위치하고 있다. PSD 설치가 100% 완료한 서울도시철도에서는 안전사고 'Zero' 달성하였다(표 1.3 참조).

승강장 사고 추이 승강장 사고원인

자료 : 국토교통부(2014)

그림 1.2 철도 승강장 사고 추이 및 사고원인

 도시철도 역수 PSD 설치 역수

지하 지상

밀폐형 반밀폐형 반밀폐형 난간형

총계 503 355 308 9 36 2

서울도시철도 268 268 245 21 2

부산도시철도 108 37 24 13

인천도시철도 29 12 11 1

대구도시철도 56 6 6

대전도시철도 22 22 13 9

광주도시철도 20 10 9 1

자료 : 한국교통연구원 (2013c)

그림 1.3 서울 PSD 설치와 승강장 안전사고의 관계

표 1.2 도시철도의 PSD 설치현황

자료 : 각 도시철도운연기관 통계, 2013

PSD의 승강장 안전도 제고 효과에도 불구하고 지방 도시철도 승강장의 PSD 보급이 답보 상태에 있다. 그 원인은 서울도시철도 승강장의 경우 승객 이 많아 지방자치단체의 예산이 아닌 광고사업과 연계한 민간자본이 투자된 결과이다. 반면 서울 이외 도시철도의 경우는 도시철도 이용 승객이 적어 PSD 설치와 광고수익 모델이 민간투자자에게 매력의 한계를 보이고 있다.

중앙정부 예산은 도시철도법 하위규정인 「도시철도 건설 및 운영지원기 준」에 근거하여 중앙정부가 건설사업에 제한적으로 60%를 지원하며, 40%는 지방정부가 부담해야 한다¹⁾. 즉 이 기준에 근거하면 도시철도 운영에 필요한

중앙정부 지원이 전무하기 때문에 도시철도운영의 적자를 부담하고 있는 지 방정부가 PSD 설치에 필요한 막대한 예산을 투자할 여력이 없다. 특히 PSD 시스템은 밀폐형의 경우 소방과 환기 설비가 승강장 당 약 30억원이 추가 발 생되기 때문에 실제 승강장 1개소당 PSD 설치에 약 50억원 정도 필요한 상 황에 있다.

승강장의 안전사고 문제는 일본의 경우 철도안전사고가 연평균 855건이 발 생하고, 이중 인명상해 사고가 약 50%이며, 승강장 안전사고 421건 중 약 200건은 승강장 추락 사고에 해당된다(國土交通省鐵道局, 2013). 미국 뉴욕메 트로의 승강장 안전사고는 2012년 기준 141건이 발생되었고, 원인별로는 열 차와 승객의 충돌(51), 선로추락(54), 그리고 자살추정(33) 등으로 보고되고 있다(New York City Transit, 2013).

자료 : New York City Transit (2013)

그림 1.4 뉴욕 메트로 승강장 안전사고 통계 현황

1) 도시철도법 제16조에서는 도시철도 사업에 관한 지원을 중앙정부가 할 수 있다는 선언적 규정이 있지만 현실적으로는 하위규정인 도시철도 건설 및 운영지원에 관한 규정에 따르면 도시철도사 업은 신규건설에만 제한적으로 시행하고 있다. 따라서 안전시설에 해당하는 PSD 설치는 광주도 시철도를 포함하여 지방 도시철도까지 설치의 확대를 위해 중앙정부지원이 필수적 사항에 해당 된다.

철도 승강장 안전사고는 국내뿐만 아니라 국외에서도 대규모의 인명피해가 발생하고 있다. 일본과 미국의 PSD 설치에 대한 한계는 다음과 같다.

첫째, 승강장에서는 PSD는 정차 오차범위가 ±350mm로 수동운전 조건과 같이 정차가 불확실한 노선의 경우, 이 범위를 벗어나 정차했을 때, 승객의 승하차가 불가능한 상황이 발생된다. 이 때문에 PSD가 설치된 수동운전 노 선의 기관사는 PSD운영에 따른 정차 위치 스트레스가 높아지고 있다.

둘째, 다양한 열차 규격과 열차 출입문 위치가 다른 열차가 운영되는 승강 장에서는 PSD 설치가 현실적으로 불가능하다. 예를 들며 뉴욕 메트로 사례 는 5종류의 열차가 운영되고 있으며, 일본 철도의 경우 광역철도와 메트로가 상호 노선을 공유하며 서비스하고 있기 때문에 대부분의 승강장에는 다른 회 사의 열차가 정차하고 있다. 따라서 열차의 출입문과 PSD의 가동문의 위치 는 서로 일치되지 못하는 경우가 발생되기 때문에 기존 PSD 설치가 어렵다.

셋째, 지상 승강장의 경우 기상조건(눈, 비, 햇빛 등)에 따라 바닥 결빙, 구 조체 빗물 침투, 장애물 센서의 오작동 등으로 PSD 설치가 불가능한 사례가 많다. 특히 승강장 바닥 결빙은 PSD가 바닥에 설치한 슬라딩 레일 때문에 결빙이 발생되면 PSD 가동문의 열림과 닫힘 동작이 불가능한 단점이 있다.

한편 오스트리아 인스부르크 Hafelekarspitze를 연결하는 퓨니큘라식 등반 철도(Nordpark Cable Railway)가 2007년에 재건되었던 모든 노선의 승강장에 상하개폐식 PSD가 운영되고 있다. 이러한 상하개폐식 개념의 PSD에 대한 원천기술은 1980년대부터 일본과 독일 등에서 주도하여 왔다(한국교통연구원, 2014a).

상하개폐식 PSD가 2006년 광주 녹동역에 로프를 이용한 안전문이 주식회 사 에스케이디 하이테크에 의해 설치되었다. 상하개폐식 로프형 승강장 안전 문(RPSD, Rope type Platform Safe Door)은 전술한 바와 같이 기존 PSD의 3가지 한계를 극복하여 열차 규모와 열차 출입문의 형식, 기후, 역사 환경 등 의 조건에 제약 없이 설치할 수 있다. 이 RPSD는 PSD의 새로운 형식으로 Wikipedia(2014)에 소개되어 있다. 하지만 기존 RPSD는 철도 승강장의 특성 과 철도운영조건 등 운영기관의 요구조건을 만족시키지 못해 실용화에 실패 하였다.

한국교통연구원은 이 사장된 기술을 재평가하여 철도운영기관의 요구사항 에 부합하도록 운영 및 제어, 승객안전도 향상, 유지보수, 안전성(SIL: Safety Integrity Level) 인증을 추진할 계획에 있다(한국교통연구원, 2013d).

상하개폐식 승강장 안전문은 기존 PSD와 동일하게 열차의 출입문과 연동 하여 열림과 닫힘 동작이 신뢰성 있게 제공해야 한다. 이때 PSD 시스템은 열차 출입문과 연동하는 방식으로 열차정보를 취득하여 철도 PSD과 인터페 이스 방식이 있다. 첫째, 철도 신호시스템(Automatic Train Control과 Automatic Train Operation)²⁾과 PSD 종합제어반과 철도신호시스템이 열차의 출발과 도착, 출입문 열림과 닫힘 정보 등을 이용하여 인터페이스 하는 방식 이다. 둘째, Radio Frequency방식³⁾은 열차(지하철, 국철, 전철 등) 승차와 하 차하는 승객의 안전을 위해 PSD를 제어하기 위한 장치로 ATO 시스템이 없 는 승강장에 적용하여 방식이다. 마지막 방식은 열차 출입문을 마주 볼 수 있는 위치에 PSD 센서를 설치하여 이 센서가 승강장에 정차된 열차의 출입 문 개폐 상태를 검지하면 PSD의 가동문도 함께 개폐하는 방식이다.

상하개폐식 승강장 안전문은 열림과 닫힘이 PSD와 다르게 위로 열리고 아 래로 닫히는 메커니즘을 갖고 있다. 따라서 상하개폐식 승강장 안전문은 기 존 PSD 방식과 동일한 인터페이스 방식을 적용하기에는 다음과 같은 문제가 예상된다.

첫째, 안전문 닫힘 중에 승객과 접촉 포인트가 머리와 어깨로 제어 실패 또 는 장애물 검지 실패에 따른 심각도가 높다.

둘째, 열림 실패의 경우 열차 내부 하차 승객이 비상탈출하기 위한 방법에 차이가 있다. 즉 RPSD가 열리지 않은 비상 탈출 상황에 대응하는 출입문이 없다. 따라서 상하개폐식 승강장 안전문이 상하개폐라는 특성에 부합하는 제 2) ATC(Automatic Train Control,)는 기존에 ATS가 열차를 정지시키는 기능밖에 없었는데, 여기에다가 자동 으로 제어를 해주는 시스템을 추가한 것이며 여기에도 물론 운전자 경보장치가 설치되어 있다. 이 시스템은 사령실에서 열차를 직접 제어할 수 있는 시스템이다. 또한 ATO(Automatic Train Operation)는 열차가 자 동으로 운행하는 시스템으로 정해진 구간을 구간별 제한속도(지정속도)로 운행하게 되며 정차시 감속 및 정차선 정지 및 서행신호 및 출입문 취급 등의 정보를 통해 운행되는데 이 신호는 지상에 있는 지상자(지 상신호기)에 의해 전동차하부에 있는 차상자(차상신호기)로 운행정보를 송출하여 전동차내부에서 컴퓨터로 자동제어 하는 방식이다.

3) Radio Frequency(RF)는 하나의 통신방식으로 열차 내부에 탑재하는 RF-차상장치와, 승강장에 설치하는 RF-지상장치가 상호 통신하여 열차 출입문 상태를 반영하여 PSD의 열림과 닫힘을 제 어하는 방식에 해당된다(구체적 내용은 제2장에 기술하였음).

어 알고리즘이 필요하다.

나. 연구의 목적

본 연구는 상하개폐식 승강장 안전문과 열차 출입문의 열림과 닫힘 상태와 연동하는 인터페이스 제어 알고리즘의 개발과 이를 평가하는 것을 목적으로 하고 있다. 제어 알고리즘 개발 전제조건은 상하개폐식 승강장 안전문의 특 성인 열차의 정위치 초과 범위와 무관하게 제어 가능해야 하고, 닫힘과 열림 상태에서 비상상황의 수동개폐조건을 제외하고 무단 또는 부정으로 개폐하는 것을 예방하기 위한 알고리즘을 개발하고자 한다.

1.2 연구의 범위

본 논문의 상하개폐식 승강장 안전문에 대한 제어의 개념은 열차가 도착해 열차 출입문이 열리기 이전에 승강장 안전문 열림을 제어하고, 열차가 출발 하기 위해 열차 출입문이 닫힘 상태를 파악하여 승강장 안전문의 닫힘을 제 어하는 것으로 정의한다. 이때, 승강장 안전문의 열림과 닫힘은 승객이 무리 하게 승하차하는 행동과 승객의 짐과 가방 또는 다양한 돌발행동 등의 이벤 트 등 모니터링 정보가 승강장 출입문 제어 모드에 제공되면 이를 받아 승강 장 안전문의 열림과 닫힘 동작을 중지하거나 재개폐하도록 제어하는 일련의 승강장 안전문의 열림과 닫힘을 제어하는 것을 포함한다. 따라서 알고리즘 개발의 범위는 다음과 2가지를 주요 내용으로 포함한다.

첫째, 승강장내 열차의 진입과 진출 등 열차정보를 수집하는 알고리즘이 포 함된 상하개폐식 승강장 안전문의 닫힘과 열림 제어 알고리즘

둘째, 비상상황이 아닌 조건에서의 부정개폐 제어 알고리즘

1.3 연구의 수행방법과 구성 1.3.1 연구수행방법

가. 제어알고리즘 개발

본 연구는 승강장 안전문(PSD)을 새로운 관점에서 구현하기 위한 알고리 즘을 개발하고 평가하는 데 있다. 새로운 관점이란 승강장 안전문이 좌우로 열림과 닫힘 동작을 수행하는 메커니즘에서 위로 열리고 아래로 닫히는 메커 니즘으로 변경을 시도하는 것을 말한다. 따라서 먼저 기존 PSD의 제어 알고 리즘에 대해 고찰하고 상하개폐방식 승강장 안전문을 제어하기 위해 차별적 사항을 추출하고자 한다. 이는 기존 PSD 관련 문헌고찰을 통하여 정리한다.

철도 승강장 안전문은 좌우 개념에서 상하 개념으로 변경을 위해 철도 승 객이 느끼는 거부감 또는 고려사항의 니즈를 반영하기 위해 RPSD 시스템의 감성평가 연구(정병두 등, 2013; 정병두 등, 2014)를 고찰하고 승강장의 승객 행동을 반영하고자 한다.

상하개폐식 승강장 안전문의 제어는 열차의 출입문 상태와 연동하는 인터 페이스 하는 것으로 이를 구현하기 위해 일련의 정보들이 필요하다. 예를 들 면, 열차가 정차해야 하는 지정 위치에 정확하게 정차하고 있는지를 알 수 있는 열차의 정위치 정보, 열차의 출발과 도착, 열차문의 닫힘과 열림 등의 정보들을 들 수 있다. 이러한 일련의 승강장 안전문과 열차에 대해 인터페이 스가 필요하며 알고리즘 평가는 VISSIM 소프트웨어를 이용한다.

승강장 안전문은 출퇴근 시간대의 경우 밀려드는 승객으로 인해 열차출발 이 지연되는 사례가 있으며, 이 상황에서 열차출발 명령을 위해 열차의 출입 문을 닫히는 시간중 승객이 남아 있는 경우, 안전사고가 발생하기 때문에 승 강장 안전문은 승객이 남아 있는 대상을 장애물로 인식하여 승강장 안전문의 닫힘동작 명령을 수신하여도 닫힘 동작이 허용되지 않아야 한다. 이러한 일 련의 과정은 장애물 검지 알고리즘이 구현하는 것으로 상하개폐식 승강장 안 전문의 닫힘과 열림에 대한 제어 알고리즘에도 반영하고자 한다. 승강장 안

전문은 발생확률이 매우 낮은 화재, 열차의 고장 등의 비상상황에도 승객의 안전한 대피를 지원해야 한다. 이를 위해 상하개폐식 승강장 안전문은 자동 과 수동으로 대응할 수 있도록 알고리즘이 개발되어야 한다.

나. 신뢰성 평가

열차의 정차위치 초과범위의 기준은 상하개폐식 승강장 안전문의 장점 을 가장 잘 부각시킬 수 있도록 국내 간선철도 영등포역을 대상으로 평가 한다. 영등포역은 간선철도가 정차하는 승강장의 경우 수동운전으로 정위 치 정차가 불확실하며, 또한 KTX, 새마을과 무궁화, 누리로 등 4개 차종 이 정차하는 역이다. 신뢰성 평가는 2가지 방식으로 수행하였다. 첫 번째 방법은 영등포역 승강장 대상으로 시뮬레이션 기법을 이용하고, 두 번째 는 상업운영 승강장인 대구 문양역 대상으로 TIP(Train Information Panel)의 로그인 기록 값에 근거하여 수행한다. 상업운전 특성은 비상상 황 발생에 대한 수동제어 알고리즘의 검증이 불가능하기 때문에 이는 시 작품(Prototype)을 대상으로 실험에 따라 수행한다.

1.3.2 논문의 구성

본 논문의 구성은 전술한 연구목적, 연구범위, 연구수행방법 등을 만족하도 록 구성하였다. 제1장에서는 연구의 배경과 목적, 수행방법, 연구의 범위 등 에 대해 기술하고 있다.

제2장에서는 이론적 고찰로 기존 승강장 안전문의 제어 알고리즘과 이를 위한 제반 설비 등을 고찰하고, 상하개폐식 승강장 안전문의 특성을 고려하 여 제어시스템의 차별성에 대해 분석하였다. 이 결과에 근거하여 제3장과 제 4장에서 개발하고자 하는 제어알고리즘의 개발 방향에 대해 기술한다.

제3장에서는 상하개폐식 승강장 안전문의 열림과 닫힘의 제어에 관한 알고 리즘 개발과 이 기능구현을 평가하는 시뮬레이션 방법을 이용하여 알고리즘

효율성 등에 대해 기술하고 있다. 제4장에서는 부정개폐 제어 알고리즘은 상 하개폐식 승강장 안전문의 특성과 기계적 메커니즘에 근거하여 부정개폐 방 지 제어기술의 필요성과 함께 개발 범위, 실험적 평가 방법 등에 대해 기술 하고 있다. 제5장에서는 시범사업 대상으로 알고리즘에 대한 현장 적용사례 분석에 대해 논하고 있다.

그림 1.5 본 논문의 구성

제2장 이론적 고찰 2.1 승강장 안전문 시스템

2.1.1 승강장 안전문의 종류 및 특징

PSD는 철도 승강장 위에 선로와 분리할 수 있는 고정벽과 가동문을 설치 하여 차량의 출입문과 연동하여 열림과 닫힘이 이루어지는 시스템으로 이를

“승강장 안전장치” 또는 “스크린 도어(Screen door)”라고 말한다. 전동차가 승강장 홈에 완전히 멈추어 서면 전동차 문과 함께 열려 승객이 실수나 고의 적으로 선로에 추락하는 것을 막아주는 역할을 한다. 영국에서 처음으로 도 입한 이래 프랑스․일본․홍콩 등의 도시철도 역에서 적용하고 있으며, 한국 에서는 2004년 개통된 광주지하철 1호선에 최초로 설치되어 운영되었다 (Doosan Encyclopedia, 2013).

PSD의 종류는 선로부와 승강장을 고정벽으로 완전히 분리하는 완전히 밀 폐하는 형태와, 고정벽 및 가동문 위에 개구부 또는 갤러리를 배치하는 일부 만 밀폐하는 형태, 그리고 고정벽 높이가 1.5m 이내에서 차량의 문 위치에 맞추어 가동문을 설치하는 형태 등 3종류가 있다. 이상 설명한 PSD의 종류 는 표 2.1에 제시하였다. 국내 설치현황은 지하 승강장의 경우 완전밀폐형과 반밀폐형이 채용되어 있으며, 지상 승강장의 경우 반밀폐형과 난간형이 채용 되어 있다. 이중 난간형은 철도운영기관으로부터 지상 또는 지하 승강장에 채택하는 것을 기피하고 있다.

PSD 시스템은 열차출입문에 대응하여 가동문과 고정벽으로 구성되어 가동 문과 열차 출입문이 1대 1로 대응하고 있기 때문에 단일 차종에만 적용할 수 있는 한계가 있다. 예를 들면, 영등포역의 7번과 8번 승강장에서는 그림 2.1 에 제시하고 있는 바와 같이 KTX-1, KTX-2, 새마을호, 무궁화호, 누리로, 그리고 일반 전동차 등 5개의 열차가 정차하고 있다. 동일한 승강장에 다양 한 열차(Rolling stocks)가 운영되고 있는 사례들은 일본⁴⁾, 미국의 뉴욕 메트

로와 BART(Bay Area Rapid Transit), 그리고 프랑스 RER 승강장 등이 있 다.

표 2.1 승강장 안전문의 종류 및 특징

그림 2.1 영등포역 서비스 열차와 출입문 위치 현황

승강장 안전문(PSD)의 장점은 승객의 추락 및 전동차 접촉 방지, 역무원 4) 일본에서는 사철과 메트로 등의 열차가 다른 노선을 서로 운영하기 때문에 열차종류가 다양하다.

또한 샌프란시스코 BART와 뉴욕 메트로에서도 차량길이와 출입문 위치가 다른 3개 종류의 열 차가 운영하고 있다. 동일한 승강장에 서로 다른 열차가 운영하고 있는 이유는 철도이용 고객이 환승하지 안고 목적지까지 갈 수 있도록 환선정책을 실행하고 있기 때문이다.

인력의 절감, 열차의 무인 운전 가능, 승객 유동성 향상 및 고속통과 운전 가 능, 차량 강풍 방지와 방음․방진 효과를 통한 승강장의 쾌적성 유지, 열차 화재시 방연 효과, 역 환기탑 및 기계실의 축소 가능 등이다. 그러나 초기 설 치비가 많이 들고, 열차가 정위치를 초과해 정차하는 경우 승하차 속도가 지 연될 우려가 있으며, 다양한 차종의 열차가 동일한 승강장에 정차하는 경우 대응이 어렵다는 것이 단점으로 지적된다(Doosan Encyclopedia, 2013).

2.1.2 승강장 안전문의 시스템 구성

승강장 안전문의 시스템은 그림 2.2에 제시하고 있는 바와 같이 종합제어 반, 열차정보관리반(TIP; Train Information Pannel), 구조체, 구동부, 각종 조 작반(예 : 역무원 조작반, 승강장 조작반, 기관사 조작반 등), 열차정보와 열 차의 정위치 정보 등을 제공하는 설비(예: ATO 차상 및 지상설비, 정위치 정차 검지센서, RF(Radio Frequency) 차상 및 지상장치, 레이져 거리센서 등) 등으로 구성된다. 이는 사업에 따라 서로 다른 조합으로 시스템을 구성할 수 있다. 가장 기본적인 시스템 구성은 종합제어반, TIP, DCU(Door control unit), 구조체, 기관사 정보표지판, 각종 조작반 등이 있다.

그림 2.2 PSD 종합 구성도

가. 종합제어반

종합제어반은 승강장 안전문 운영을 위한 필수적인 설비는 아니다. 이 설비 는 승강장 안전문의 동작을 감시하는 컴퓨터와 상하선 제어장치, 알람표시 장치, 정원 공급장치로 구성되어 있다. 따라서 본 설비는 승강장 안전문의 운 영자료 축적과 고장 이력관리 등 시스템 모니터링 기능을 포함하고 있다. 이 설비는 역무실에 설치되어 역무원이 승강장 안전문의 상태 모니터링, 고장 및 유지보수 등을 편리하게 관리할 수 있는 기능이 포함되어 있다.

나. TIP

TIP는 승강장 안전문이 설치되는 선두부에 위치하여 열차정보, 정위치 정 차 정보, 전동차 출입문 등의 상태정보를 수집하고, 일정 조건이 만족되면 승 강장 안전문의 DCU에 열림과 닫힘 명령을 전송한다. 그러므로 이 설비는 그 림 2.3에서 보는 바와 같이 각종 설비 등이 연계되어 있다. 특히 종합제어반 과 정보 연계는 승강장 안전문의 모든 상태정보에 대해 저장과 모니터링하기 위해 필요하다.

본 논문의 목적은 열차와 승강장 안전문과의 인터페이스에 관한 알고리즘 을 개발하고 평가하는 데 있다. 이는 TIP가 알고리즘을 구현하고 실행하는 기능을 담당하게 된다. 따라서 TIP는 상기 알고리즘 구현에 필요한 정보수집 장치와 연동되어야 한다. 여기서 연동설비는 출입문 검지센서와 열차 검지센 서, 그리고 RF, ATO 지상설비가 해당된다. 따라서 상하개폐식 승강장 안전 문과 열차와의 연동하여 승강장 안전문의 열림과 닫힘에 관한 명령은 TIP에 서 수행한다.

다. HMI(Human Machine Interface)

HMI 설비는 철도 운전사(Driver)에게 열차가 정차해야 하는 지점에서 얼마 나 근접해 있는지를 표시하는 주는 정보표지판과 승강장 안전문의 상태 및

동작 정보를 제공한다. 이 설비는 철도운전사가 승강장 안전문 운영에 문제 가 없는 정위치 범위에 열차가 정차할 수 있도록 정보를 제공하고 있다. 이 는 현재 운영되고 있는 스크린 도어의 가동문과 열차 차량의 출입문이 1대 1 로 대응하고 있기 때문에 정차 위치의 여유범위가 ±350mm 정도로 매우 제 한적이다. 따라서 HMI는 기관사가 열차의 위치를 쉽게 알 수 있도록 그림 2.4와 같이 D패널이나 LCD패널을 통해 전동차의 위치 정보를 제공하는 장치 이다.

자료 : 현대엘리베이터(2006)

그림 2.3 TIP 장치 구성도

그림 2.4 서울 석계역 HMI 설치 사례

HMI의 표출정보 생성은 센서, ATO, RF 등의 설비 등에 의해 가능하다.

가장 일반적인 방법은 수동운전구간에 적용하고 있는 센서를 사용하는 것이 다. 열차의 속도 검출하는 센서는 그림 2.5에 제시하고 있는 바와 같이

±400mm 이내에서는 양호 구간이며, 이를 넘어서는 범위가 초과 또는 미달로 표시하고 있다. 승강장 안전문은 열차가 양호구간에 존재할 때 열림동작을 수행할 수 있다. 이는 기존 좌우개폐식 스크린 도어의 가동문이 열차 출입문 과 1대 1로 대응하고 있기 때문이다. 반면 상하개폐식 승강장 안전문은 정위 치 정차와 무관하게 운영할 수 있는 장점이 있다. 따라서 전동차와 상하개폐 식 승강장 안전문의 연동은 이러한 장점을 고려하여 이를 연동하기 위한 합 리적 알고리즘 개발이 요구된다.

그림 2.5 정위치 정차 표출 예시

2.1.3 승강장 안전문의 운영 알고리즘 고찰 가. 열차와 승강장 안전문의 연동방식 고찰 1) ATO 신호 시스템과 연동방식

ATO 신호시스템은 열차가 자동으로 운행하는 구간을 사전에 설정한 속도

(지정속도)로 운행하게 되며, 정차시 감속, 정차선 정지, 서행신호, 출입문 취 급 등의 정보를 통해 운행이 된다. 이 신호는 지상에 있는 지상자에 의해 전 동차 하부에 있는 차상자로 운행정보를 송출하여 전동차내부에서 컴퓨터로 자동제어 하는 방식이다. ATO는 무인운전이 가능하며 자동으로 열차의 모든 것을 종합사령실, 혹은 지상 신호기에서 보내는 신호로 조절하는 것이다. 일 정간격으로 늘어선 지상 신호기에서 정지, 감속, 운행 등의 신호를 보내고, 이를 열차가 받아 자동으로 시간에 맞춰 운행하게 되는 것이다. 그리고 역내 에서 정지하면 지상자 신호를 받아 문을 열고 닫는 동작을 한다.

ATO는 ATC 제어범위를 확장해서 종합사령실에서 운행중인 열차의 운행 상태와 운행속도 등을 모니터에 표시되며 이것을 바탕으로 열차에 대한 전반 적인 상황의 체크가 가능하며 가속, 감속 등의 대부분의 운행을 컴퓨터가 담 당한다. 이 방식은 완전 자동이지만, 안전상 기관사가 탑승하여 출입문을 닫 고, 비상상황에 대비하고 있으며, 종합사령실에서 비상상황의 경우 강제로 열 차를 세울 수도 있고, 속도조절, 신호기 조작까지 담당한다(그림 2.6 참조).

자료 : 현대엘리베이터(2006)

그림 2.6 ATO 신호체계 구성도

PSD는 ATO 신호시스템과 연동으로 동작하는 방식을 채택하는 경우는 자 동으로 열림과 닫힘이 이루어져 신뢰성이 높다고 평가되고 있다(현대엘리베 이터, 2006).

이 방식은 그림 2.7을 보면 ATO 시스템의 열차 출입문 열림/닫힘 명령이 TIP로 전송되고, 이 정보는 개별제어반(DCU)로 전달되어 PSD의 각 도어가 열림과 닫힘 동작을 수행하게 된다. ATO 연동방식의 원리는 열차출입문 제 어명령이 TIP로 전달되어 열차출입문 닫힘과 열림 동작과 연동되어 운영된 다. 이 방식은 신호시스템에 기반한 제어방식이므로 신뢰성은 높지만 통신의 지연 때문에 열차문의 열림과 PSD 열림에 약간의 시간차이가 발생되고 있 다.

그림 2.7 ATO와 연동한 PSD 열림 닫힘 알고리즘

2) RF(Radio frequency) 제어방식

RF 제어방식은 ATO 시스템이 없는 노선에 적용하여 시스템의 편의성, 안 전성 등을 제고하고 있다. 통신 운영방식은 승강장 채널고정 방식으로 운영 되며, 승무원이 열차의 상태와 연동되는 PSD의 상태와 제어를 무선으로 할 수 있는 RF-차상장치와 이 RF-차상장치와 무선통신을 할 수 있도록 하는 무선중계장치인 RF-지상장치로 구성되어 있다. 차상장치는 열차에 설치되며 지상 장치는 PSD가 있는 역사에 설치한다(그림 2.8 참조).

차상 장치는 차량에 설치되어 있는 지상 장치와 무선통신을 하고 승무원에 게 PSD 제어상태 및 무선통신 상태에 대한 정보를 제공한다. 지상 장치는 차상 장치와 무선통신을 하고 차상 장치로부터 수신한 열차도어 상태 및 제 어 신호를 PSD로 전달하고 또한 PSD의 상태 정보를 차상 장치로 전달한다.

이 방식은 ATO 연동방식의 단점인 열차출입문과 PSD의 시간차이 문제를 극복할 수 있다. 통신방식이 열차내의 차상장치와 역사에 설치한 지상설치간 의 통신방식을 통하여 열차 출입문 정보를 제공하여 TIP에 정보를 제공하여 통신지연 없이 승강장 안전문의 열림과 닫힘을 제어하고 있다. 이 방식의 단 점은 통신장애 발생과 함께 차상설비 설치를 위한 전동차 개조가 필요하다.

그림 2.8 RF연동 방식의 개념도

3) 출입문검지센서 연동방식

출입문 검지센서 방식은 그림 2.9에 제시하고 있는 바와 같이 RF 연동방식 과 동일한 개념으로 PSD의 열림과 닫힘을 제어하기 위한 장치로 ATO 시스 템이 없는 노선에 적용하여 전동차 출입문을 마주 볼 수 있는 위치에 PSD 센서를 설치하여 이 센서가 승강장에 정차된 전동차의 전동차문 개폐상태를 검지하면 PSD 도어도 함께 개폐하도록 하는 방식이다.

그림 2.9 출입문 검지센서 연동방식의 개념도

4) RF과 출입문검지의 혼용 연동방식

RF 통신방식과 도어검출 센서방식을 같이 사용하는 경우로서 RF장치가 있 을 경우 Back-Up 개념으로 승강장 PSD를 출입문검지센서 장치에 의해 개폐 하도록 하는 PSD 제어방식이다. RF 차상장치와 RF 지상장치 간의 통신에 장애가 생기면 RF 통신장애로 구분되며 출입문검지센서를 이용한 PSD 개폐 가 자동으로 이루어진다.

이 방식은 PSD의 가용성 제고를 위해 2가지 방식을 복합적으로 사용하는 것으로 신뢰도까지 증대시킬 수 있지만 설치 및 유지보수 비용은 증가된다.

5) 운영기관별 운영방식 현황

철도운영기관에 따라 PSD와 차량과의 인터페이스 현황은 표 2.2에 제시하 고 있다. 그 결과는 철도운영기관별 특성에 부합하게 각각 다른 방법을 채택 하여 운영하고 있다. 신설 노선에 적용되는 ATO 방식은 종합사령실에서 전 체차량의 운행을 컴퓨터로 제어하며 안전하고 효율적인 무인운전을 추구하는 시스템이고, 신설노선에 설치된 PSD 또한 ATO 장치와 신호 교환을 통해 제 어된다. ATS 또는 ATC 운전 제어 시스템으로 운용되는 구노선에는 전동차 가 역사에 진입하였을 때 차상에 장착한 RF 차상장치와 지상장치 간의 무선 통신이 접속되어 쌍방의 RF 통신 신호 교환으로 PSD를 제어하며 도어 검출 센서 방식의 스크린 도어 제어 방식은 PSD의 헤더박스에 부착된 센서가 전 동차 출입문의 움직임을 인지하여 PSD가 제어되는 것이다.

향후 과제로는 지하철 신호 체계가 궁극적으로는 ATO 시스템으로 갈 것 이기 때문에 이러한 ATO로의 교체 과정에서 신형 차량과 구형 차량이 혼합 운행되는 기간이 생기게 되어 ATO로 작동되는 차량과 RF 장치, 도어 검출 센서 장치로 연동 되는 차량이 한 노선에 서게 된다. 때문에 이에 대한 대비 책으로 현재 PSD가 설치된 역사의 지상장치와 종합제어반의 기능을 업그레 이드 하여 향후 오버랩 운용 기간 하에서도 안전한 제어에 문제가 없도록 하 는 것이다.

운영기관 노선 제어장치

서울메트로 1호선(동묘앞) 출입문검지센서

서울메트로 2호선(지선) RF장치

서울메트로 2호선(본선) RF장치 + 출입문검지센서 서울메트로 3호선(을지로3가) 출입문검지센서

서울메트로 4호선(동대문) 출입문검지센서

대전지하철 ATO

대구지하철 1호선 RF장치 + 출입문검지센서

대구지하철 2호선 ATO

광주지하철 ATO

부산지하철 전체 ATO

인천공항철도 ATO

표 2.2 철도운영기관의 PSD 운영방식 현황

구 분 ATO RF 출입문검지 RF+

출입문검지 전차운영시스템 ATO ATO/ATS/ATC ATO/ATS/ATC ATO/ATS/ATC

안정성 상 중 하 중

개폐시간 하 상 중 상

설치비용

(기존시스템개조) 낮음 높음 중간 높음

유지비용 낮음 낮음 높음 높음

표 2.3 PSD 연동 장치별 성능 비교표

PSD와 차량과의 연동방식의 선택은 우선적으로 ATO 운행노선인지 비 ATO 운행노선인지에 따라 달라진다. ATO 운행노선의 경우 기존에 설치되 어 있는 ATO 지상 장치에서 정보를 받아 자동으로 PSD를 운영 할 수 있으 며 PSD 설치비용 외의 비용은 거의 필요하지 않는다. 하지만 개폐신호가 ATO 장치를 거치면서 개폐명령의 전달시간이 지연되어 전동차 출입문과 PSD 출입문과의 개폐시간이 달라져 안정상의 문제가 발생하는 사례도 있다.

이를 보완하기 위해 ATO 운행노선임에도 불구하고 RF장치를 설치하여 명령

지연시간을 해소하는 사례가 있다. 이때는 설치비용이 증가된다. 비 ATO 운 행노선의 경우 주로 RF 통신을 이용한 방법과 출입문검지센서를 이용해 PSD를 운영 할 수 있으며, 이 두 방법을 각각 사용하게 되면 안정성이 떨어 짐으로 설치비용이 증가되지만 두 방법을 동시에 사용해 안정성을 높이는 경 우도 있다. PSD 설치 시 설치 대상역의 ATO 운행노선인지 아닌지를 파악해 야 하며 이 모든 방식을 대응할 수 있는 각각의 인터페이스 구성 및 시나리 오 작성이 필요하다.

나. 열차정보와 PSD 열림과 닫힘의 알고리즘 1) ATO 연동 알고리즘

ATO 연동방식은 차량정보와 열차 출입문 열림과 닫힘 명령의 신호가 종 합제어반 또는 TIP로 전송되어 열차 출입문의 열림과 닫힘 신호와 연동하여 승강장 안전문을 제어하는 방식으로 일련의 과정은 그림 2.10과 같다. 그림 2.11과 그림 2.12는 ATO 연동방식에서 승강장 안전문과의 일련의 과정을 도 식화 한 것이다.

그림 2.10 ATO 기반의 신호, 통신, 자동제어설비 인터페이스

자료 : 부산교통공사, 2012

그림 2.11 PSD 열림 (ATO/자동) 알고리즘

자료 : 부산교통공사, 2012

그림 2.12 PSD 닫힘(ATO/자동) 알고리즘

2) ATO, RF와 출입문검지센서의 혼합방식

대구지하철의 신호시스템은 1,2호선 모두 ATC/ATO 시스템을 이용하며 대 부분의 역사가 PSD를 운영하고 있다. PSD는 1호선의 경우 RF장치+출입문 검지센서와 2호선의 경우 ATO 장치가 연결이 되어 PSD를 운영한다. PSD 시스템 구성으로는 PSD 종합제어반, 기관사 조작반, 승강장 조작반, 역무실 조작반, 출입문검지장치, RF모뎀장치(1호선), RF차상장치(1호선), HMI, PSD 로 구성된다. 각 시스템구성 및 기능은 표 2.4 및 그림 2.13과 같다. 그림 2.14와 그림 2.15는 ATO, RF과 출입문검지센서 등을 혼합하여 사용하는 알 고리즘을 도식화 한 것이다.

시스템 기능

PSD 종합제어반

종합제어반은 PSD의 동작감시를 하는 컴퓨터와 상선/하선제어장 치, 알람표시장치, 전원공급장치로 구성되어 있다.

승강장 조작반 승강장 측에 설치되며, 역무원이 수동으로 PSD를 조작할 수 있 도록 한다.

역무실 조작반 역무실에 설치되어 PSD를 수동으로 조작할 수 있도록 한다.

RF 차상장치 전동차의 출입문정보를 RF 지상장치와 정보교환을 하는 장치이 다.

RF 지상장치 RF차상장치와 통신을 위한 장치이다.

출입문검지장

치 전동차 출입문 개폐 확인을 위한 장치이다.

HMI 전동차 정위치 상태와 PSD 상태를 기관사에게 제공해주는 장치 이다.

PSD

승강장과 선로부를 차단하고 있는 자동문으로서, 전동차가 승강 장의 정해진 위치에 정확하게 정차하여, 승무원이 전동차 출입문 을 조작하면 전동차출입문과 PSD가 연동하여 개폐하도록 되어 있다.

표 2.4 시스템 구성 및 기능

그림 2.13 신호, 통신, 자동제어설비간 인터페이스에 대한 대구철도공사 사례

자료 : 대구도시철도공사, 2012

그림 2.14 PSD 열림(RF/자동) 알고리즘

자료 : 대구도시철도공사, 2012

그림 2.15 PSD 닫힘(RF/자동) 알고리즘

2.1.4 장애물 검지 알고리즘 가. 승강장 안전문 끼임 사고

승강장 안전문 끼임사고는 열차와 승강장 안전문 사의 공간에 승객이 남아 있는 상태에서 열차 출발 또는 승강장 안전문의 닫힘 동작이 시행되어 발생 되는 안전사고에 해당된다. 이러한 안전사고는 안전시설물에 따른 원인으로 빈도수는 낮지만 철도운영기관 입장에서는 매우 난처한 상황에 직면해 오고 있다.

2012년 12월 28일 오전 8시 20분쯤 6급 장애인이 전동휠체어를 타고 서울 지하철 2호선 용두역에서 성수 방향으로 가는 전동차에 올라타려다 전동차와 PSD 사이에 끼인 후 열 차가 출발해 선로에 추락해 중상을 입었다(경향신문, 2012). 또한 2009년 11월 3일 00시경 서울 중구 신당동 지하철 3 호선 약수역 에서 27살 김 모씨가 스크린 도어와 전동차 사이에 끼어 다리와 가슴 등을 다쳐 병원으로 옮겨져 치료를 받았으며 대화행 지하철 운행이 30분가량 중단 되었다(연합뉴스, 2009).

나. 장애물 검지 알고리즘

장애물검지와 그 제어방법은 상기와 같은 안전사고 예방을 위해 필요하다.

PSD는 그림 2.16과 같이 열차와 PSD 상의 공간에 승객이 남아 있거나 가방 등의 장애물이 존재할 수 있다. 따라서 PSD의 도어가 닫히는 도중에 승객이 나 물체가 존재하는 경우에는 동작을 중지하고 다시 열리고 닫히는 동작을 시행하도록 하고 있다. 이와 같은 동작은 장애물 검지가 해소될 때까지 무한 반복한다. 이때, 이상 신호를 수신한 주제어장치는 기관사조작반에 이상신호 를 송신하고 각 조작반의 표시등을 점등시킨다. TIP 주제어반 및 각 조작반 에서는 PSD 도어의 재개폐동작이 가능하다. 이러한 일련의 동작은 일정한 조건에 따라 수행하도록 하고 있는 것을 장애물 검지알고리즘이라고 한다.

장애물 검지 알고리즘은 그림 2.17에 제시하고 있는 바와 같이 PSD 출입

문에 센서를 설치하여 PSD 닫힘 동작을 시행하기 이전에 PSD와 열차 사이 의 공간에 승객 또는 그 이외의 물체가 있는지를 검지하는 센서를 설치하여 운영하고 있다(이영규, 2012; 전인성, 2011; 박종선, 2004; 이명관, 2008; 김동 섭, 2007). 따라서 기존 장애물 검지 알고리즘은 승강장 안전문 닫힘 동작 이 전에 장애물 존재 여부를 센서 자료에 의존하여 판단하고, 이 센서 값에 따 라 장애물이 제거되기 전까지 재개폐를 반복하도록 설계되어 있다. 단, 일정 시간 또는 설정된 횟수 이상이 되면 관리자에게 통보하는 조건이 설정되어 있는 경우도 있다.

그림 2.16 장애물 검지 센서 대응 전략 구상도

자료 : 한국교통연구원 (2013a)

그림 2.17 장애물 검지를 갖는 RPSD 제어 알고리즘

2.2 상하개폐식 승강장 안전문의 고찰

2.2.1 상하개폐식 승강장 안전문의 연구개발 동향

가. 연구개발의 필요성

국내 국철구간은 그림 2.1에 제시하고 있는 바와 같이 누리로, 무궁화, 새마 을, 그리고 KTX가 공히 정차하는 역(사례 : 영등포역)이 있다. 이 경우 열차 차종별 정위치 정차할 경우 열차 출입문 위치가 서로 다르게 배열된다. 이러 한 현상은 표 2.5에 제시하고 있는 바와 같이 미국 뉴욕 메트로에서도 열차 3종류(15.5m, 18.4m, 23m 등의 차량길이)가 운행되고 있다. 또한 일본의 경우 는 열차의 환선 정책에 따라 다양한 열차가 동일 승강장을 이용하고 있다.

이러한 원인는 PSD가 열차차량문과 1대 1 대응방식이기 때문에 적용에 한계 가 있다. 또한 정차지점에 정위치 정차에도 시스템적 한계가 존재한다. 즉 수 동운전인 경우 정위치 정차에 한계가 있기 때문에 350mm 초과하는 경우에 도 PSD 운영에 한계가 있다(그림 2.18 참조).

표 2.5 미국 메트로 노선의 철도차량 종류

시행처 노선 역사수 차량 종류 차량 수 비고

BART(S.F.) 4 노선 44 역사 4개의 다른 차종 669 량

WMATA 5 노선 86 역사 5개종이 같은 길이 28m 850 량 2016년에 11개역사 증가

NY 24 노선 468 역사 3개 차종(길이) 15.5m/18.4m/23m

LA Metro 6 노선 92 역사 2개 연장 라인 건설 중

Chicago 8 노선 145 역사 5개 다른 차종 1,190 량 자료 : 한국교통연구원 (2013a)

5) 상하개폐식 승강장 안전문의 연구개발 동향은 한국교통연구원에서 수행한 지상역 승강장의 지능 형 승객안전사고방재시스템 개발(한국교통연구원, 2013a)에 근거하여 요약 정리하였다.

그림 2.18 정위치 정차 범위 없는 유연한 운영

상하개폐식 승강장 안전문은 국내 영등포역이나, 미국과 일본과 같이 다양 한 차종이 운행하는 승강장에 적합한 시스템이라 평가되고 있다. 지상 승강 장의 경우 PSD 설치가 현재까지 매우 초보적 단계에 있다. 그 이유는 현행 PSD의 설치비용이 20억 이상(10량 1편성 기준)으로 매우 높고, 지하역사와 같은 환경개선과 에너지 절감 효과가 발현되기 어렵고, 열차풍과 우천, 기온 변화에 따른 추가적 비용이 발생되기 때문이다.

나. 기술의 정의

상하 개폐식 로프타입 승강장 안전문(RPSD : Rope type Platform Safety Door)은 그림 2.19와 같이 열차길이(18∼20)단위로 대응하는 로프 안전장치가 승강장의 승객과 열차에서 발생할 수 있는 안전사고를 예방하는 시스템이다.

따라서 RPSD의 장점은 열차길이 단위로 RPSD를 제어하기 때문에 다양한 열차의 차종과 출입문 위치가 다른 열차의 운행에 대응이 가능하다. 또한 기 존 PSD 시스템과 비교해서 제어에 관한 장비가 4개에서 1개로 줄어들기 때 문에 설치, 유지보수 비용의 절감이 예상된다. 특히 제어 관련 전자장비의 절 감은 비용뿐만이 아니라 고장 확률이 감소되기 때문에 시스템 가용성 향상에 도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

자료 : 한국교통연구원 (2013a)

그림 2.19 연구개발 시스템의 기본 개념도

RSPD는 승객이 전동차 및 여객열차의 승차를 위하여 대기하는 철도 승강 장에 설치되어 전동차가 승차위치에 정차하면 안전문을 상부로 승강시켜 승 객이 승차할 수 있도록 하고, 승객의 승차가 완료되어 전동차가 출발 할 때 에는 승강된 안전문을 하강시켜 승강장 측과 전동차 측을 분리하여, 승객의 선로 추락이나 열차와의 충돌 등의 상해로부터 승객 안전을 확보할 수 있도 록 한 승강장의 안전장치이다. RPSD는 열차 출입문과 함께 자동으로 개폐된 다. 따라서 RPSD는 승강장 특성과 정차 열차의 특성에 따라 20m, 40m 등 다양한 단위로 구성할 수 있다. 이는 구조적, 운영적 여건에 의해 승강장 안 전문을 설치하기 어려운 승강장에 설치가 가능하다.

현재 다양한 열차(차량)에 대응할 수 있는 유일한 시스템으로 정위치 정차 에 대한 부담도 적고, 설치기간도 짧으며, 비용도 저렴하고, 유지보수 비용도 낮아 국내 뿐 아니라 해외에서도 경쟁력이 있는 기술로 평가받고 있다. 현재 RPSD는 실용화 사업 일환으로 대구 도시철도 2호선 문양역(그림 2.20 참조) 과 일본 동경 전원도시선 츠키미노역 승강장에 각각 설치 운영되고 있다. 본 시스템 기술수준은 실용화 단계에 있지만 시범운영 사업을 통하여 영업 실적 을 축적하는 것이 필요하다. RPSD는 2013년 12월부터는 상용화 기술개발과 함께 RPSD의 국제표준기반 안전성 인증이 진행되고 있으며, 향후 2017년까 지 상용화 기술기반의 시범사업을 포함하고 있다.

그림 2.20 문양역 설치 현황

RPSD의 기본 원리는 그림 2.21에서 제시하고 있는 것을 보면 좌우 수직 포스트에 구동부가 설치되어 있어 좌우측 모터가 상호 위치정보를 공유하면 서 상하개념으로 열리고 닫히는 동작을 수행하고 있다. 이는 좌우 모터가 동 기화하면서 열림과 닫힘이 이루어지는 것이다. 따라서 본 시스템은 좌우모터 의 동기제어가 가장 중요한 역할을 하고 있다.

그림 2.21 RPSD 기본사양

2.2.2 상하개폐식 승강장 안전문의 시스템 구성

상하개폐식 승강장 안전문의 시스템은 그림 2.22에 제시하고 있는 바와 같 이 종합제어반, TIP, 구조체, 구동부, 각종 조작반(예 : 역무원 조작반, 승강장 조작반, 기관사 조작반 등), 열차정보와 열차의 정위치 정보 등을 제공하는 설비(예: ATO 차상 및 지상설비, 정위치 정차 검지센서, RF 차상 및 지상장 치, 레이져 거리센서 등), 개별제어반(Door Control Unit)⁶⁾로 구성된다. 이는 사업에 따라 서로 다른 조합으로 시스템을 구성할 수 있다.

시스템 구성은 종합제어반, TIP, DCU, 구조체, 기관사 정보표지판, 각종 조 작반 등은 유선과 무선 통신으로 연결되어 있으며, 주제어장치의 기능은 일 반 PSD에서 수행하는 역할과 큰 차별성은 없다. 시스템 구성은 PSD와 동일 하지만 큰 차이점은 스크린 도어 즉 안전문의 개소수가 40개에서 10개로 축 소되었고, 이로 인한 통신과 제어 인프라가 크게 절감되었다.

자료 : 한국교통연구원 (2013b)

그림 2.22 상하개폐식 승강장 안전문의 시스템 구성도

6) 개별제어반(Door Control Unit)은 RPSD의 열림과 닫힘을 제어하기 위한 명령을 받아 모터에 명 령을 내리는 장비이며, 닫힘의 경우는 닫힘을 수행하기 이전 또는 수행 중에 주변에 승객이 있 는지를 모니터링하는 장애물 검지 장비의 정보와 연동하여 최종적으로 닫힘 명령을 관장하는 장 비에 해당된다. 본 연구에서 개발하는 제어 알고리즘은 이 DCU에 탑재하는 소프트웨어에 해당 된다.

가. 주제어장치(TIP)

주제어장치는 상선과 하선에 각각 설치되어 운영되며, 주요 기능은 RPSD 도어의 제어(닫힘과 열림), 개별제어반 설정과 상태 모니터링 등을 수행하며, 주요 입력정보 RPSD 도어, 모터, 센서, 조작반 등의 상태를 모니터링 하고 있다. 이는 기존 PSD와 동일한 기능을 수행한다.

나. 개별제어반(DCU)

개별제어반은 주제어장치에서 내리는 명령에 대해 수행하는 설비로 개별제 어반 내부에 MDU, DCU, I/O보드 등이 있는데 TIP와 DCU간의 통신, DCU 와 MDU간의 통신, MDU와 MDU간 통신 등이 이루어져 RPSD 상태정보에 대하여 인터페이스하며, 고장 및 점검시에도 RPSD를 자동 또는 수동으로 개 폐한다. 이처럼 RPSD 개폐 동작을 모두 관장하여 상태 정보를 DCU에 전송 해주는 설비에 해당된다(그림 2.23 참조).

자료 : 한국교통연구원 (2013b)

그림 2.23 RPSD 개별제어반 외형도 및 인터페이스 구성도