속도 중심 제어방식, 거리 중심 제어방식

왜 배우는가: 속도 중심 제어방식과 거리 중심 제어방식은 열차자동제어장치(ATC)의 제어 기준을 정하는 기본 방식이므로 신호 설계와 운영 판단의 바탕이 된다. 두 방식을 구분하는 능력은 고정폐색 구조와 차상 연산의 차이를 설명하는 기초가 된다.

출제 이력: 제132회 1교시 8번, 제99회 4교시 4번, 제90회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

속도 중심 제어방식과 거리 중심 제어방식은 열차자동제어장치(ATC)에서 열차의 운전 한계를 정하는 두 가지 방법이다. 두 방식의 차이는 차상장치가 무엇을 기준으로 속도를 제한하느냐에 있다. 답안 첫 줄에는 다음 두 정의를 쓴다.

속도 중심 제어방식은 지상설비가 폐색구간별 허용속도를 전송하고 차상장치가 그 속도 이하로 열차를 제어하는 방식이다.

거리 중심 제어방식은 차상장치가 선행열차 위치를 받아 제동 소요거리를 연산하고 제동여유거리를 유지하며 운전하는 방식이다.

핵심 키워드는 다음 여섯 개이다.

• 고정폐색방식: 역과 역 사이를 운전시격에 맞춰 1개 또는 여러 개 구간으로 나누어 운영하는 방식이다.
• 폐색구간: 한 번에 한 열차만 점유할 수 있도록 구분한 선로 구간이다.
• 속도코드: 신호현시에 대응하는 허용속도 단계를 나타내는 정보이다.
• 허용속도: 차상장치가 열차에 허용하는 최고 운전속도이다.
• 제동여유거리: 후속열차가 선행열차 직전에서 안전하게 정지하기 위해 남겨 두는 거리이다.
• 차상제어거리 연산방식: 차상 컴퓨터가 목표속도와 제동 소요거리를 계산하는 거리 중심 제어의 정식 명칭이다.

폐색 방식(고정폐색·이동폐색)의 분류와 제어 기준(속도·거리)의 분류는 서로 다른 축이다. 차상제어거리 연산방식은 고정폐색구간과 이동폐색구간 모두에서 사용할 수 있으므로, 답안에서는 두 분류를 섞지 않고 구분해 쓰는 것이 정확하다.

2. 개념 풀이

속도 중심 제어방식은 열차의 운전속도를 폐색구간 단위의 속도코드로 제어하는 방식이다. 정식으로 정의하면, 고정폐색방식에서 신호현시별 속도 단계를 정해 두고 폐색구간의 점유 상태에 따라 지정된 신호현시 패턴으로 열차를 운전하게 하는 단계별 속도코드 전송방식이다. 이 방식에서 속도의 기준은 열차의 위치가 아니라 폐색구간의 신호 상태이다.

원리는 다음과 같이 진행된다. 선행열차가 폐색구간을 점유하면 그 구간의 궤도회로가 단락되고, 지상 신호기계실은 이 점유 상태를 검지하여 후속 구간에 맞는 신호를 보낸다. 신호는 궤도회로나 지상자를 거쳐 선두차의 차상수신기로 전달되며, 차상 자동제어 설비는 수신한 허용속도와 현재 운전속도를 비교한다. 운전속도가 허용속도를 넘으면 차상 장치가 브레이크에 제동을 지령하는 것이 이 방식의 핵심 원리이다.

차상장치는 수신한 속도코드를 해독하여 허용속도를 얻는 것이 기본 동작이므로 차상 연산 부담이 작다. 반면 허용속도가 지상 신호의 정확성에 의존하므로, 신호 전송이 끊기거나 잘못되면 제어 기준 자체가 흔들린다.

속도 중심 제어방식의 특징은 허용속도가 구간 경계에서 계단형으로 바뀐다는 점이다. 다음 구간의 허용속도가 낮으면 열차는 그 구간 진입 전에 감속을 마쳐야 하므로, 제동 시점이 구간 경계에 종속된다. 구간 안에서는 같은 허용속도가 유지되므로 차상 제어가 단순하다는 장점이 있다. 반면 구간 길이가 제동 여유를 결정하므로 운전시격을 세밀하게 조정하기 어렵다.

거리 중심 제어방식은 정식으로 차상제어거리 연산방식이라 부른다. 지상자 또는 궤도회로를 통해 선행열차의 운행 위치에 관한 신호정보를 차상신호기가 수신하고, 차상 컴퓨터가 목표속도와 제동 소요거리를 계산하여 선행열차와 안전한 제동여유거리를 유지하며 운전하는 방식이다. 이 방식은 고정폐색구간에서도, 이동폐색구간에서도 사용할 수 있다.

목표속도는 목표 지점에서 열차가 도달해야 하는 속도로, 차상 컴퓨터가 매 순간 다시 계산한다. 열차가 목표 지점에 가까워질수록 허용 가능한 속도가 낮아지므로, 거리 중심 제어방식의 속도 곡선은 목표 지점을 향해 점차 낮아지는 형태가 된다.

원리는 운동 역학으로 설명된다. 열차 속도를 v(m/s), 감속도를 a(m/s²)라 하면 제동 소요거리 s(m)는 다음과 같다.

$s = v^2 / (2a)$

차상 컴퓨터는 이 거리에 제동여유거리를 더한 값을 목표 지점까지 남은 거리와 비교한다. 남은 거리가 제동 곡선보다 짧아지면 제동을 건다. 따라서 속도는 거리에 따라 연속적으로 정해지고, 계단형 허용속도 대신 곡선형 제한속도가 만들어진다. 이때 제동여유거리 유지가 안전 조건이다.

두 방식의 핵심 차이는 속도를 정하는 기준의 단위에 있다. 속도 중심 제어방식은 폐색구간이라는 선로 단위로 속도를 정하고, 거리 중심 제어방식은 차상이 계산한 제동 거리라는 열차 단위로 속도를 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

철도는 운전시격을 줄여 선로 용량을 높이는 방향으로 발전해 왔다. 운전시격을 줄이려면 열차 간격을 안전하게 확보하는 자동 제어가 필요하며, 이 요구에 따라 ATC가 도입되었다. 고정폐색방식은 지상 설비 구성이 비교적 단순하고 기존 궤도회로를 활용할 수 있어 널리 쓰였다. 그러나 구간 단위로만 신호를 주면 열차 간격이 폐색구간 길이에 묶여 운전시격을 줄이는 데 한계가 생긴다.