신호체계

신호체계(信號體系)란 일정한 원리에 따라서 신호가 짜임새 있게 조직되어 통일된 전체를 말한다.

교통신호체계

교통신호체계란 독립 교차로나 인접 교차로의 교통 상황 따위를 고려하여 고정 시간식 또는 교통 대응 방식으로 교통신호를 제어함으로써 교통의 흐름을 안전하고 원활하게 운영하는 신호체계를 말한다.

국토교통부에 따르면 2021년 12월 기준 국내자동차 등록대수는 2491만대로, 매년 일정 수준 이상 증가하고 있지만 이를 수용할 도로 인프라에 대한 확장은 한계에 도달하고 있다. 자동차 등록대수의 증가로 인해 도심지의 교통혼잡은 더욱 심화되고 있으며, 2018년 기준 교통혼잡비용이 67조원에 달할 정도로 해마다 10%씩 증가하고 있는 추세다.

이에 따라 늘어나는 교통량에 대한 최적화된 신호운영을 제공할 수 있다는 측면에서 교통신호제어시스템에 대한 필요성이 강조되고 있다.

교통신호제어시스템은 교차로마다 설치・운영 중인 교통신호제어기에 대한 직접적인 제어와 운영·관리(모니터링)를 위한 신호운영 센터 시스템이다. 최근 개발되고 있는 신호제어시스템은 다양한 검지체계를 기반으로 교차로 별 실시간 교통정보를 수집, 분석하고 교통상황에 따른 최적의 신호운영계획을 수립해 현장 신호제어기에 제공함으로써, 보다 효율적인 교차로 신호운영을 제공할 수 있어 그 중요성이 부각되고 있다.

스마트 신호운영 시스템

좌회전 감응신호 개념도

긴급차량 우선신호 개념도

스마트 교차로 개념도

스마트 신호운영 시스템은 교통량에 따라 실시간으로 신호를 최적으로 제어해 정체를 최소화하여 차량흐름을 원활하게 하거나, 소방차 등 긴급차량에 우선신호를 부여하는 등 '교통체계에 디지털 기술을 접목한 똑똑한 신호운영체계'를 말한다.

국토교통부가 추진하고 있는 '스마트 신호운영 시스템'은 감응신호, 긴급차량 우선 신호, 스마트 교차로 등으로 구분된다.

감응신호 시스템은 평상시에 직진신호만 주다 좌회전 차량이 감지된 경우에만 좌회전 신호로 바뀐다. 교통량에 따라 실시간으로 신호를 최적으로 제어해 교통정체를 최소화하여 차량흐름을 원활하게 하게 하기 위함이다.

긴급차량 우선 신호 시스템은 소방차, 응급수송차량 등 긴급차량의 이동경로에 따라 교차로 신호를 제어해 일시적으로 통제하여 우선 통행할 수 있도록 맞춤형 신호를 부여하는 것이다.

스마트 교차로 시스템은 방향별, 차종별 정보를 바탕으로 생성된 빅데이터를 기반으로 최적신호를 산출해 실시간 교통흐름을 개선하고자 하는 교차로신호체계다.

국토부는 2020년까지 감응신호시스템 509곳, 긴급차 우선신호시스템 44곳, 스마트 교차로 746곳 설치해 시범운영했다. 운영 결과 평균 녹색 신호시간은 22% 늘었고 지체시간은 41%, 신호위반은 36% 줄어든 것으로 나타났다. 긴급차 통행시간은 20~60% 단축됐다.

이에 따라 국토부는 2021년에 국도 및 지자체 403곳에 감응신호, 19개 지자체 372곳에 긴급차 우선신호, 31개 지자체 1224곳에 스마트 교차로 시스템을 구축한다. 또 '국도 감응신호시스템 기본계획 수립연구'를 통해 중장기 사업계획을 수립하고, 신기술 도입, 국토부·지자체·경찰청 등 기관 간 협업체계 개선을 통한 향후 지속가능한 운영방안도 마련할 계획이다.

철도 신호체계

정동진역에 있는 색등식 신호기와 완목 신호기

철도의 신호체계는 열차가 처음 발명된 1825년부터 시작되었다. 인프라가 열악한 데다 모든 게 처음이었던 초기 열차는 여러 문제점을 지니고 있었는데, 일단 선로가 정교하지 않아 조금만 문제가 생겨도 사고가 날 가능성이 높았다. 당시 열차 속도는 시속 50km 미만이었기 때문에, 말을 탄 기수가 열차보다 앞서 달리며 선로의 문제점을 체크해 수신호나 깃발로 기관사에게 알렸다고 한다.

이후 열차의 속도가 빨라지면서 본격적인 신호 장치의 시작인 '완목식 신호기'가 등장하게 된다. 최초의 신호기는 역의 플랫폼에서 열차의 기관사에게 직접 수신호를 주던 신호원의 방식을 그대로 계승했다. '완목'이라는 직사각형의 빨간색 신호봉이 기둥과 수평이면 '정지', 아래쪽으로 45°를 향하면 '주의', 기둥과 수직으로 되어 있으면 '진행'을 뜻한다. 이 방식은 현재에도 그대로 이어지고 있는 곳도 있다.

하지만 완목 신호기는 어두운 밤에는 보기가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 착색된 색유리에 조명을 설치하여 열차의 운전조건을 지시하는 신호기 역할을 하기도 했었지만, 전기가 발명되면서부터는 도로 교통 체계와 비슷한 방식의 '색등식 신호기'가 도입됐다.

처음에는 내부에 고정된 하나의 전구에 적색, 황색, 녹색의 색유리가 움직여 신호를 보내는 단등형이 주를 이루었으나 현재는 모두 다등형 신호기를 사용한다. 또 완목형 신호기에 전구를 달아 주간엔 완목식 신호기, 밤에는 색등식 신호기로 활용하기도 한다.

현재는 색등식 신호기가 주류를 이루고 있으며, 3개의 컬러(적색/황색/녹색)를 사용하는 3현시 부터 3개의 컬러(적색/황색/청색)를 사용하지만 4가지 조합을 만들어 사용하는 4현시, 그리고 3가지 컬러(적색/황색/녹색)를 사용하여 5가지 조합을 만들어 사용하는 5현시로 구분하여 사용한다.

또한, 두 개 이상의 백색등을 사용하여 가로, 경사, 세로로 점등하여 신호를 주는 '등열식 신호기'도 있다. 광원으로는 주로 전구를 사용했지만, 최근에는 LED를 사용해 무게도 많이 가벼워졌다.

초기에 이러한 신호는 모두 사람이 직접 조정해야 했다. 하지만 점점 열차 운행 편성이 늘어나면서 신호 체계도 정교해져 이제는 자동으로 신호를 통제하는 것은 물론, 열차의 운전도 자동화되고 있다. 열차 자동 제어 시스템은 방식에 따라 ATS/ATC/ATO 등과 CBTC시스템으로 나뉜다.

세계 철도신호시스템 시장은 2023년 27조6000억원으로 증가할 것으로 전망되지만 중국철로통신신호(CRSC), 지멘스(Siemens), 알스톰(Alstom) 등 철도신호시스템 분야의 최신 기술을 확보한 소수 기업이 시장을 지배하고 있다.

상위 5개사의 글로벌 시장(신규 및 업그레이드) 점유율은 72%에 달하며, 2018년 기준 전체 통신기반 열차제어시스템(CBTC) 프로젝트 시장의 95%를 점유 중이다.

여기에 더해 철도 선진국들은 철도신호 제어 패러다임의 변화에 맞춰 T2T(Train to Train) 기반의 차세대 자율주행 철도신호기술을 활발히 연구 중에 있다.

유럽연합은 철도산업 혁신프로젝트(Shift2Rail)를 통해 LoA 3 수준을 목표로 열차 간 직접적인 통신기반의 가상연결기에 대한 연구를 2018년부터 수행하고 있다. 가상연결기술은 두 개 이상의 열차가 초근접거리 내에서 물리적 결합없이 가상의 결합을 통해 동시에 이동하게 하는 것을 목표로 삼고 있다.

영국의 경우 철도안전표준위원회가 2017년부터 열차의 수송량 증대를 위해 LoA 2/3 수준의 Closer Running 프로젝트를 진행하고 있다. 특히 지상설비 제로화, 차량간 통신 제어기술, 지능형 자율주행기술, 주행 중 열차의 분리결합 기술, 예측 가능한 열차 제동기술 및 빠르고 신뢰성 있는 선로 전환기술 등을 연구하고 있다.

중국은 국립자연과학재단과 베이징교통대학 등에서 선·후행 열차 간 통신을 기반으로 주행 간격 및 선로분기 제어를 수행하는 LoA 2 수준의 열차중심 열차제어시스템에 대한 연구개발을 추진 중이고, 일본은 열차 스스로 열차 지연 예측에 따른 운영 스케줄의 동적 변경 및 전방 열차와의 간격 제어가 가능한 자율주행 열차를 개발하고 있다.

국내에서도 철도신호시스템 기술 개발이 한창이다. 특히 국가연구개발 사업을 통한 시스템 국산화에 초점을 맞춰 추진해 왔다.

도시철도는 2010년부터 CBTC의 국산화를 위해 정부 주도 연구개발사업을 진행해 한국형 도시철도신호시스템(KTCS-M)을 개발한 후 2020년 시범사업을 추진했다. 현대로템, 대아티아이 등 기업들이 시범사업에 참여하기도 했다.

일반철도와 고속철도의 경우 유럽표준형 열차제어시스템(ETCS) Level 2 수준의 KTCS-2를 국가연구개발 사업으로 개발해 시범사업을 추진해 왔다.

특히 철도 통신망(LTE-R)을 활용한 '한국형 철도신호시스템(KTCS-2)'를 한국철도시설공단이 2018년 개발 완료했고, KTCS-2 시범사업을 2022년에 완료하는 것을 목표로 전라선 180㎞ 구간에 시범적으로 적용하고 있다.

또한 출연연구소를 중심으로 차세대 자율주행 철도신호시스템 기술에 대한 원천기술 연구를 추진 중이다. 한국철도기술연구원은 2018~2020년 열차가상편성에 대한 기초연구를 수행한 바 있으며, 신호 패러다임의 근본적인 변화(지상중심→열차중심)를 통한 제어성능 한계극복이 가능한 열차 자율주행제어 핵심기술개발을 2024년까지 수행한다.

참고자료

• 〈교통신호체계〉, 《네이버국어사전》
• 전찬민 기자, 〈능동적인 신호운영시스템, 안전한 자율주행에 한걸음 더 가까이〉, 《공학저널》, 2022-04-04
• 국토교통부, 〈교통량 실시간 분석하고 긴급차에 우선신호 보내는 ‘스마트 신호운영 시스템’ 전국으로 확대 구축합니다〉, 《대한민국정책브리핑》, 2021-05-02
• 〈알아두면 쓸데있는 열차 신호체계 상식〉, 《현대로템》, 2020-07-15
• 김연균 기자, 〈철도망 운영주권 확보…자율주행 철도신호시스템 주목〉, 《정보통신신문》, 2021-12-18

같이 보기

• 신호
• 교차로
• 교통량
• 교통혼잡
• 교통신호

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