IoT 기술을 이용한
‘무인열차 운행위치 표출시스템’ 구축
기술 혁신 선도 및 미래 교통환경 변화 능동적 대비
인천교통공사(사장 김성완, 이하 공사)는 전국 최초의 종합교통공기업으로 도시철도 인천1·2호선, 서울7호선(인천·부천구간)을 비롯하여 준공영제 시내버스, 청라~가양 간선급행버스(BRT)와 청라신교통(GRT), 장애인 콜택시, 월미바다열차를 운영하고 있으며, ‘시민 안전’을 경영 최우선 과제로 삼아 신뢰받는 교통서비스 제공에 최선을 다하고 있다. 과거 의정부경전철, 영종 자기부상열차 운영을 포함해 도시철도 분야에 적용된 다양한 기술을 접하고 습득한 운영 경험과 기술 노하우를 토대로 신기술 접목, 자체 기술개발 및 기술 융합 등 시너지를 창출하고 있다.
글 이광식(인천교통공사 종합관제소 관제지원팀 부장)
시스템 구축 배경 및 필요성
도시철도 열차운행 시스템은 통신·제어기술의 비약적 발전과 더불어 자동화·무인화가 가속되고 있으며, 기술 집약 및 고도화 추세가 지속되어 왔다. 인천교통공사가 운영 중인 인천2호선은 캐나다 Thales사의 무선통신 기반 열차운행 제어체계(RF-CBTC)로, 열차-선로변-관제실 간 이루어지는 무선 데이터 통신을 통하여 열차의 자동운행과 감시가 가능한 신호체계를 갖추고 있다. 한편, 무인화에 따른 기술 집약적 시스템 구성으로 핵심 장비에 장애가 발생할 경우, 열차운행 중단 등으로 현장 상황 파악에 지장을 초래하는 구조적 약점을 내포하고 있다. 제어시스템과 열차 간 통신이 끊기면 노선을 운행하는 전체 열차의 운행이 중단되고, 충돌 예방, 과속 방지, 열차 방호 등 시스템 보호 기능이 작동한다. 또한, 열차 운행을 통제하는 관제실은 운행열차의 감시 및 제어가 불가능해진다. 이러한 방호와 감시기능 지장으로 장애 복구와 열차운행 정상화에 장시간이 소요되고 승객은 안전사고 위험에 노출된다.
이에 통신장애로 인한 기존시스템의 감시체계 문제점 및 한계를 극복해 추가적으로 열차 위치정보를 확인할 수 있도록 시스템을 개선할 필요성이 대두되었다. 또한, 외국 시스템 도입에 따른 기술적 의존성으로 소프트웨어 변경, 시스템 호환성 및 확장성 확보 등 운영상 요구되는 수정·변경사항 적용에 과다한 비용이 수반되고, 필수적인 기술력 보유와 기술정책 수립에 한계점이 드러나 기술 종속적 여건 극복의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.
사물인터넷 기술 접목, 시스템 자체 개발 구상
공사는 4차 산업기술 접목을 통한 기술혁신을 꾀하고자 2018년 12월 4차 산업기술 개발 TF를 구성하고, ▲인천2호선 열차위치 표출불능 개선, ▲빅데이터 프로그램 개발 및 구축, ▲모바일 APP 개발 보완이라는 3가지를 목표 달성 과제로 삼고 운영을 개시하였다. 그중 열차 위치 표출불능 개선을 위한 정보표출시스템 구현은 인천2호선의 실질적인 무인운전(UTO) 완성과 열차운행 안전성을 확보하기 위한 핵심 과제였다. 시스템 구현을 위한 4차 산업기술로 사물인터넷(IoT) 기술을 채용하였는데, IoT 작동방식을 4개 범주로 구분(데이터 수집, 공유, 처리, 조치 및 시행), 범주별로 세부 수행 항목을 결정하고, 단계적으로 수행과제를 처리하는 방식으로 목표 달성을 위한 개념을 구상·정립하였다.
이후 열차운행 데이터처리를 위한 소프트웨어 자체 개발로 RS232/이더넷 컨버팅 프로그래밍, 태그 데이터 수신 서버 프로그래밍, 위치정보 전송 시뮬레이션 소프트웨어 프로그래밍 등 관련 소프트웨어를 개발하고 열차의 차상신호장비 태그 데이터 코드 분석 후 컨버팅, 분석 데이터 보안 암호화 후 무선망(LTE) 전송, 수신데이터 복호화 후 열차의 위치를 표출하는 일련의 세부 과제를 차근차근 추진해 나갔다.
데이터 분석, 소프트웨어 개발 등 성과
열차위치 표출시스템 개선을 위해 공사는 시스템 내 활용이 가능한 데이터의 수집 및 분석, 소프트웨어 개발, 사전시험(Pre-Fright) 및 실제 적용의 전체 과정이 포함된 로드맵을 수립하고, 2018년 12월 열차 태그 수신데이터 로깅, 열차 송수신 데이터 프로토콜 분석, 태그 원본 데이터 구조 분석을 시작으로 이듬해 2019년 1월 그래픽 객체 위치 조정 및 편집을 위한 그래픽 편집용 소프트웨어, 데이터 수신 및 해석으로 열차 위치를 표출하는 관제용 서버 프로그램을 개발하였다.
이어 2019년 2월에는 위치정보 전송 모듈 프로그램 및 가상 열차 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 열차위치 정보표출 시스템 구축을 위한 4개의 기본 소프트웨어를 완성하였다. 이후 개발 소프트웨어 간 연동시험을 비롯해 열차 실승시험(무선 데이터 현장 송·수신시험)까지 총 3차례의 현장 시험과 검사를 진행하였고, 2019년 3월~4월 열차 적용시험 결과에서 나타난 미비점을 프로그램 디버깅 및 열차 표시 정확도 향상과 태그 표시에 대한 그래픽 개선 작업으로 보완하는 등 시스템 사전시험을 차질 없이 완료하였다.
인천2호선 관제실 전경
시스템 자체 구축 및 공식 운영
사전시험 완료에 따라 공사는 2019년 5월 열차위치 표출시스템의 실제 설치계획을 수립하고, 2호선 전동차 37개 편성을 대상으로 케이블 및 데이터 전송설비(라우터, 위치전송 모듈)를 설치해 무선통신 환경을 구축하였다. 2호선 관제실에는 서버와 모니터링 시스템을 설치하였으며, 근간이 되는 기본 통신망은 국내 통신사 LTE 회선 사용계약으로 별도 통신망을 구성하였다. 현장 장비 설치에 투입된 기술진은 소프트웨어 개발 직원을 포함하여 자체 기술자로 선정, 설치작업 효율성을 기함은 물론 이상 현상 검토와 개선에 필요한 기간을 최소화하였다. 열차~관제실 간 통신 연계 종합시험, 차상신호장치 개조 승인 및 신고, 통신망 구성 및 유·무선 네트워크 보안성 확인 등 법적, 행정적 절차를 모두 끝냄으로써 2020년 1월 1일부터 실제 시스템 운영이 가능한 환경을 조성하였고, 사내 회의를 통해 시스템 운영, 자산관리 및 시스템 유지보수 등 관련성에 따라 분야별 소관업무를 지정하였다.
이로써 공사는 약 1년여의 노력 끝에 인천2호선 운행위치 표출시스템의 정식 운영을 개시하였고, 해당 장비에 대한 점검 절차와 기준을 마련하여 안정적으로 관리·운영하고 있다. 현재 위치표출 시스템 모니터링 장비는 인천2호선 관제실 내에 배치·운영 중으로, 열차위치 정보 소실 등 장애 발생 시 안전사고 최소화 및 최단 시간 조치를 위한 도구로 활용되고 있다.
한국철도학회 10대 기술상 수상
2021년 인천교통공사는 “사물인터넷(IoT) 기술을 이용한 무인열차 운행위치 표출시스템”으로 한국철도학회가 개최한 철도 10대 기술상 수상자로 선정되었다. 이는 2018년 RF-CBTC 무선장애인자(타임아웃) 사전 제거 소프트웨어와 2019년 빅데이터를 활용한 스마트 유지보수시스템 구축에 이은 성과로 자체 기술력 확보를 위한 경영진 및 직원들의 부단한 노력과 열정이 만들어 낸 결실이었다. 또한 외국기술 의존적 환경을 자구노력을 통해 극복한 기술혁신 사례로, 기존의 일반적 기술개발 형태, 즉 외부업체 합동 개발, 제작사를 통한 기술 의뢰 또는 외주용역 수행에 따른 업무추진 방식을 탈피, 시스템 구상, 기술분석 단계부터 시험, 설치 및 검증에 이르는 전 과정을 순수하게 공사 자체 기술력으로 실현한 것으로 독자성과 우수성을 인정받았다.
열차위치 표출시스템의 특징 및 시스템 구축 의의
추가로 구축한 열차위치 표출시스템은 기존시스템 제작사에서 공급한 모니터링과 별개로 동작한다. 사물인터넷 기술을 적용한 클라이언트(열차 37개 편성)를 대상으로 각각 무선 라우터를 설치하고, 각 열차의 위치식별 정보를 변환해 관제실 모니터링시스템에 전송 및 열차 위치의 실시간 표시가 가능하도록 무선 통신망을 구축하였으며, 무선망 시스템 데이터를 보안상 안전하게 사용할 수 있도록 국가정보원 CC인증을 받은 SSL VPN 통신 장비 및 채널을 구축하였다. 내부망 및 암호화 구성 등 보안 적합성이 인증된 시스템으로 정보가 암호화돼 내용 보호가 가능하다는 특징을 가지고 있다. 단방향(Simplex) 데이터 전송방식 채택으로 열차에서 관제로 일방 데이터 송신이 가능한 구조로 외부 신호 유입을 차단하였다.
이로써 기존 감시체계에 문제가 발생하더라도 보안성과 안전성을 갖추고 감시 연속성이 유지되는 형태로 열차위치 확인이 가능해진 것이다. 열차위치 표출시스템의 구축은 열차 위치정보 상실에 따른 사고에 적시 대비 및 조치가 가능하여 병발사고 방지효과를 확보하였다는 점, 4차 산업기술의 적용으로 다양한 분야로의 확장이 가능하다는 점, 자체 개발로 소프트웨어 비용 등 경영효율화에 기여하였다는 점, 소프트웨어의 자사 보유로 소프트웨어 업그레이드 및 타 분야와 연계 개발이 용이해졌다는 점에서 그 의미가 크다.
향후 계획
공사는 인천2호선 열차위치 표출시스템 외에도 기계관제 스마트제어시스템 구축, 영업 분야 태그리스 승차시스템 시범운영 등 다양한 기술혁신 성과를 내고 있으며, 관련 분야 기술 교류 및 공유를 통해 도시철도 기술혁신 및 발전에 기여할 것이다. 또한, 기술개발 과정에서 확보한 프로그램 제작, 하드웨어 설치, 시험 및 검증 노하우를 체계적으로 관리·발전시켜 미래 교통환경 변화에 적극적으로 대비해 나갈 것이다. 아울러 우수기술인 제도, 기술 분야 핵심과제 전담조직 구성·운영, 기술인재 인력 POOL 관리 등 역점 정책사업을 내실 있게 추진하고 사업 결과로 도출된 성과를 운영에 효과적으로 반영해 열차 운행 안전성과 신뢰성 확보를 통해 보다 안전하고 편리한 교통서비스 제공에 최선을 다할 것이다.
인천교통공사 김성완 사장
“인천교통공사는 2018년 ‘RF-CBTC 무선 장애인자(타임아웃) 사전 제거 S/W’와 2019년
‘실시간 열차정보 빅데이터 활용을 통한 스마트 유지보수 시스템 구축’에 이어 사물인터넷(IoT) 기술을 이용한 무인열차운행 위치표출 시스템 구축까지 초연결 사회 속 미래 교통 환경 변화에 대비한 철도기술 연구개발을 지속적으로 확대해 나가고 있습니다. 앞으로도 우수한 인력과 첨단 기술력을 활용해 시민들에게 보다 안전하고 편리한 교통서비스를 제공할 수 있도록 더욱 노력해 나가겠습니다. 우리 공사는 지난 성과에 만족하지 않고 새로운 관점과 시각에서 변화를 가로막던 장애물을 제거해 안전과 경영의 혁신을 추진해 나갈 것입니다. 고객과 직원의 안전을 최우선으로 하고 자립 경영을 위한 경영혁신으로 지속성장 사업 창출과 성과 중심의 책임경영을 이뤄내겠습니다.”
