이미 2004년에 건교부에서 국내 2층 열차 운행을 위한 연구를 수행하였습니다.
요약문을 올리니 한번 읽어보시구요.
원문은 http://www.codil.or.kr 에서 보시면 됩니다.
그간의 철도관련 건교부 계획에 2층 열차 운행계획이 여러차례 언급된적도 있습니다.
당장 이루어지지는 않을것 같지만, 건교부가 염두에 두고 있는 것은 확실합니다.
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2층·급행열차 운행을 위한 기술개발 및 설계기준에 관한 연구
국내실정에 적합한 2층열차 모델 기초연구
2004. 08. 29
주관기관 건설교통부
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참여연구원 : |
선임연구원 백광선 차량전기시스템 |
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참여연구원 : |
선임연구원 정우진 시설물 자료분석 |
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참여연구원 : |
주임연구원 김재훈 차량도면 작성 |
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참여연구원 : |
선임연구원 오석문 열차 운영자료 분석 |
요 약 문
I. 제목
2층·급행열차 운행을 위한 기술개발 및 설계기준에 관한 연구
(국내실정에 적합한 2층열차 모델 기초연구)
II. 연구 개발의 목적 및 필요성
철도를 이용한 수송수단은 도로를 이용한 타 교통수단에 비하여 신속하게 수송할 수 있으며 대량의 화물과 여객을 정시에 수송할 수 있는 큰 장점을 가지고 있어 그동안 우리나라의 기간산업으로서 경제발전에도 크게 기여하여 왔으나 최근, 자동차, 해운, 항공산업 등에 대한 막대한 연구개발투자 등으로 인하여 이 분야에서 괄목할 만한 발전을 이룩한 반면 철도산업은 이러한 투자의 미흡으로 발전 속도도 크게 뒤떨어진 실정에 있었다.
그러나 수도권 지역을 중심으로 점차 심각해지고 있는 도로교통의 체증 현상 및 수도권 전철 구간의 이용객 증가에 따라 역내 및 차내 혼잡이 가중되고 있으며, 수도권 인구의분산책 및 무분별한 난개발 방지책의 일환으로 정부에서 수도권 외곽의 택지개발을 정책적으로 시행하게 되었으나 서울외곽의 신도시들은 자체적으로 자급자족의 기능을 갖추지 못하고 서울의 베드타운으로 전락해가고 있는 실정이다.
자체적 자급자족 기능을 갖추지 못한 이러한 주거환경의 변화는 수도권의 구간별 수요변화로 이어져 서울외곽지역에서 서울과 연결되는 도로는 출퇴근 시 극심한 정체구간으로 변하고 있으며 이로 인한 물류비용의 증가는 국가 경제에도 큰 손실로 이어지고 있다. 따라서 이의 근본적 해결책(자체 자급자족 기능을 갖춘 신도시 개발)을 모색하기 어렵다면 국가 경쟁력 향상 차원에서 원활한 수송수요 처리방안(열차 운영체계의 개선)을 모색하여야 하며 본 연구는 효과적 교통수단으로서 철도의 장점을 최대한 살리고 철도를 더욱 탄력적으로 운용하기 위한 대안의 하나로 2층열차의 기술적 타당성을 검토하게 되었다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
그간 국내에서는 2층열차 운용을 위한 검토가 간헐적으로 이루어져 왔으나 체계적인 연구를 수행한 바가 없어 2층열차 운행 검토에 대한 축적된 경험이 전무한 실정이다. 따라서 본 연구는 차량, 전기, 시설분야 등 철도전반에 대한 검토를 통해 2층열차의 운행에 대한 기초적인 경제성 및 기술적 분석을 수행하는 것으로 되어 있다. 그러나 본 과제는 2층열차의 도입 운영을 위해 사전에 한국의 실정에 적합한 2층열차 모델 검토를 위한 기초(기획)과제로서 정부 정책 수립을 위한 연구이며, 본 과제를 수행하여 차량을 개발하는 것은 아니다. 따라서 본 과제의 연구범위는 2층열차 모델 검토를 위한 기본적 사항만을 검토하는 것으로 제한하며 향후 2층열차의 도입이나 개발에 활용될 수 있는 기본적 기초자료를 제시하는 것을 주요 연구 내용으로 하고 있다. 수도권 광역철도망 2층열차 시스템 기초연구 및 운용 타당성을 분석하기 위해 수행하는 주요 연구내용은 다음과 같다.
(1차년도)
(가) 2층열차 개념모델 설정
① 외국 2층열차 모델 분석 및 벤치마킹하여 개념차량 구조 설정(1, 2층 구조)
② 차체경량화 방안 검토
③ 차량/터널 인터페이스 검토를 위한 자료 분석
(나) 2층열차 운행시 기술적 문제점(차량기술) 검토
① 차량 기본성능(최고속도, 가속도, 감속도 등) 및 개념형상 설정
② 수송용량 검토를 위한 2층열차 내부 좌석배치
③ 개념 차량모델 구조강도 평가
④ 개념 차량모델 주행동특성 모델링 및 기초 해석
⑤ 차량단면 및 차량한계 간섭 검토 :
⑥ 2층열차의 개략적 차량주행 성능 분석
(다) 이층열차 운행에 따론 용량증대, 편의성 증진, 차량운영비 등의 경제적 타당성 분석
(2차년도)
(가) 1차년도 연구결과 설정된 2층열차 개념모델 수정 및 검토
① 차량편성 방안
② 전두부, 실내, 차외, 차량설비 중량 검토
③ 차종(동력차량, 부수차량) 특성을 고려한 차량 내부구조 설정
④ 여객서비스 개선을 위한 차종별 좌석배치안 검토
⑤ 인버터, 컨버터 등 기기배치 및 용량 검토
⑥ 터널, 승강장(고상홈) 관련 설치기준 검토
⑦ 축중 제한 고려, 차종별 중량 및 승차인원 산정
⑧ 다량 편성 차량모델링 및 주행동특성 해석
(나) 수도권 광역철도망 네트워크 검토
(다) 2층열차 차량 형상 설정 및 차체강도 평가를 위한 구조해석
(3차년도)
(가) 이층열차 운행시 차량 관련 안전 및 시험기준 규정 검토 및 분석
① 국내외 철도차량 관련 주요 시험 및 안전기준 및 규정조사
② 국내외 시험 및 안전기준 규정류 분석 및 차이점조사
③ 국내 이층열차 운영시 안전기준 및 규정에 대한 기초자료제시
(나) 2층열차 주행성능 분석 및 차량/시설물 인터페이스 검토
① 차량기본성능을 이용한 주행성능 분석
② 차량모델 보완 및 다량편성모델 수립
③ 다량편성 2층열차 주행 안전성 해석
④ 차량/시설물 인터페이스를 고려한 차량모델 형상 수립
(구체, 전장품 및 외부기기 승객하중 고려)
(다) 차량 구조안전
① 승객편이를 위한 2층차량 구조 및 형상 수립
② 구체 취약부위 개선
③ 차량동특성, 터널과의 인터페이스를 고려한 최종 모델 수립
(라) 2층열차 차량 편성 및 기기배치
① 2층열차 차량 편성 구성
② 추진 시스템 검토 및 구성
③ 제동 시스템 검토 및 구성
④ 차종별 기기배치 검토
(마) 국내실정에 적합한 2층열차 모델의 기술 검토
① 2층열차 형상 및 구조
② 차량편성 및 기기배치
③ 추진장치
④ 주행동특성 및 차체 구조강도
IV. 연구개발 결과
본 연구는 수도권 광역철도(또는 중거리 inter-city)에 운용되는 급행 2층열차 차량을 도입하기 위한 전 단계로 수행하고 있는 과제이며 우리나라에서 2층열차를 운행하게 될 경우 2층열차의 운용 타당성을 분석하고 문제점 해결을 위해 선행적으로 시도하는 과제이다. 따라서 본 연구는 차량의 단위부품에 대한 개별적 설계기준은 포함되지 않으며 차량시스템 측면에서 검토가 이루어지고 기존 시설물을 최대한 활용하기 위해 차량 최고속도는 현행전동차와 유사한 수준으로 검토를 하였다.
2층열차의 운용검토의 경우, 2층열차는 차량내부에 계단이 설치되는 등, 차량구조의 특성상, 출입문 수가 기존 전동차보다 적어 승하차 시간이 다소 긴 단점이 있으므로 급행의 개념으로 투입하기에 적절하며 대피선이 설치되지 않았을 뿐만 아니라 시설물과의 접촉이 우려 될 수도 있는 도심내부(지하철)에서 운행되기보다는 수도권 외곽지역에서 도심으로 연계하는 근거리 inter-city용으로 투입되는 것이 바람직할 것으로 보인다. 이미 2층열차를 적절히 활용하여 운용하고 있는 프랑스 파리의 사례를 참고로 하면 2층열차는 PER 노선에서만 차별적으로 운행을 하며 지하철인 METRO와 잘 연계되도록 하여 운용하고 있었다.
차량 구조 및 편성측면에서 볼 때, 축중의 한계를 16톤으로 제한할 경우, 2층열차 차량편성 중 중량이 가장 무거운 동력차(부수차량보다 약 10톤정도 무거움)가 문제가 될 수 있다. 해외의 사례를 보면 축중 제한이 심각하지 않은 프랑스 MI2N 등의 차량은 차량이 우리나라의 차량(전동차) 보다 상대적으로 길어서 동력차의 경우 1, 2층 모두 객실로 활용하면서 차량 양쪽 끝단을 기계실로 활용하고 있었으나 차량이 작은 일본의 215계 2층열차 동력차는 1층부분을 기계실로 활용하고 있었다. 따라서 차량의 길이가 대체로 우리와 유사한 일본의 경우를 참조로 한다면 우리도 일본의 2층열차와 비슷한 크기의 차량이 운용되어 질 것이라고 판단되며 동력차의 1층부분 및 언더프레임 하부 구조에 전장품을 집중적으로 취부하는 구조가 검토되고 있다. 이러한 전장품 배치는 첫째, 2층 열차라는 특수한 구조를 지니는 차량에서 전장품을 취부할 수 있는 공간이 지극히 제한되어 있고 둘째, 2층 열차의 구조상 동력차 차량의 중량이 커지게 되기 때문에 탑승 승객수를 제한 할 필요가 있게 되기 때문이다.
차량 형상부분과 관련된 연구는 국내에서는 현재 운행되거나 설계된 2층열차가 없기 때문에 해외의 2층열차 사례 및 자료를 수집 및 분석하였으며 우리실정에 적합하다고 판단되는 차량을 벤치마킹하여 차량형상을 개념 설계하였다. 구상된 모델 및 알루미늄 압출재를 사용한 표준전동차 모델을 바탕으로 기초적인 차량 모델링 작업을 하여 차량의 각 부재에 작용하는 응력수준을 파악하기 위해 응력해석을 수행하였으며 구조적인 취약부위를 보완하는 작업을 수행하였다. 또한 기존 철도망 시설에 대한 큰 변경 없이 2층열차의 투입 가능성을 검토하기 위하여 과천선의 일부 구간을 대상으로 해당구간에 대한 궤도 검측 데이터를 활용, 해당 노선에 2층열차 운행시 차량의 주행안전성을 예측하고 시설물과의 인터페이스 부분을 검토하였으며 현재까지 모델링화 한 차량에 대해 해당구간에 대해서는 차량의 동적 거동측면에서는 큰 문제가 없는 것으로 나타났으나 차량 동특성 문제는 차량을 구성하는 요소 즉, 차량의 크기, 중량, 무게중심, 현가장치 특성 및 궤도 특성 등에 좌우되므로 추후 차량 모델의 구체화(변경) 및 차량/시설물 인터페이스 부분에 대한 집중적 연구를 통하여 최적안을 도출하는 작업을 계속 진행할 것이다. 다음은 1차년도, 2차년도 및 3차년도 연구결과를 정리한 것이다.
(1차년도)
(가) 2층열차 개념모델 설정
① 외국 2층열차 모델 분석 및 벤치마킹하여 개념차량 구조 설정(1, 2층 구조)
- 차량 단면(차고 고려) : 일본 동경 교외선 2층열차
- 차량 측면구조(승하차 고려) : 프랑스 RATP 2층열차
- 1층구조(수송량 고려) : 독일 2층열차
- 주요장치 사양검토(차량성능 고려)
② 차체경량화 : 기존 차량에 사용된 Mild Steel/SUS를 대체, Al 압출재 사용
③ 차량/터널 인터페이스 검토를 위한 자료 분석
- 기존 전동차 및 표준전동차 차량 도면 분석
- 터널 관련자료 분석(국철, 지하철 )
(나) 2층열차 운행시 기술적 문제점(차량기술) 검토
① 차량 기본성능(최고속도, 가속도, 감속도 등) 및 개념형상 설정
- 2층열차 운행 : 대피선이 설치된 구간
- 차량구조 특성상 출입문 수에 제한이 있음
② 수송용량 검토를 위한 2층열차 내부 좌석배치
- 1, 2층 모두 좌석 위주 : 해외 2층열차 채택 형식이나 수송량 불리
- 1층 입석, 2층 좌석 위주 : 기존 차량에 비해 좌석이 많으면서 수송량 불리 하지 않음. 본 과제에서 채택한 좌석배치안
- 1. 2층 모두 입석 위주 : 수송량은 많으나 승객 쾌적성이 떨어지고 승하차 시간 상당히 지연, 승객하중 증가로 축중이 문제가 됨
③ 개념 차량모델 구조강도 평가
- 수직/압축하중, 비틀림 하중시 강도판정 기준 검토(알미늄 압출재)
- 차량모델링 및 구조강도 평가 :
강도 상으로는 문제가 없음. 차량형상 변경에 따른 보완이 필요
④ 개념 차량모델 주행동특성 모델링 및 기초 해석
- 곡선통과시 터널과의 간섭해석 : 과천선 R300구간을 샘플링(sampling)하여 선로 모델
- 승차감 해석 : 경부선 서울-수원 일부구간 샘플링 선로 모델 사용
- 2층열차(1량) 주행동특성 해석기법 정립
⑤ 차량단면 및 차량한계 간섭 검토 :
- 차량의 정지상태(정적상태) 에서 차량/건축한계 간섭 검토
- 2기 지하철은 협소하여 2층열차 운행이 블가능
⑥ 2층열차의 개략적 차량주행 성능 분석
(다) 이층열차 운행에 따른 용량증대, 편의성 증진, 차량운영비 등의 경제적 타당성 분석
① 해외 2층열차/국내운행차량의 수송용량조사
② 이층열차의 해외운영 현황조사
③ 승객 좌석 편의성 증진을 위한 방안
④ 기존차량의 운영비현황조사
⑤ 차량구입, 유지, 수선비용 산출분석을 통한 경제적 타당성 분석
(2차년도)
(가) 1차년도 연구결과 설정된 2층열차 개념모델 수정
① 차량편성 방안 수정(5M5T)
- 견인전동기 용량 고려, 견인력 확보를 위해 차량 편성 중간에 모터카 1량 추가/검토
② 전두부, 실내, 차외, 차량설비 중량 검토
③ 차종(동력차량, 부수차량) 특성을 고려한 차량 내부구조 설정
④ 여객서비스 개선을 위한 차종별 좌석배치안 마련
⑤ 공기조화장치 배치위치 및 용량 검토
⑥ 인버터, 컨버터 등 기기배치 검토
⑦ 축중 제한 고려, 차종별 중량 및 승차인원 산정
⑧ 1차년도 차량모델 수정 및 다량편성모델 확장
⑨ 10량 편성 차량모델링(대차 현가계 주요물성치는 국내 전동차 물성치 참조)
- 해석 S/W : 영국 AEA사의 VAMPIRE
- 모델 구성요소 : 460 DOF(차체, 대차프레임 등)
- 차체 무게중심 산정(구체, 전장품 및 외부기기 승객하중 고려)
⑩ 2층열차(다량편성) 주행 동특성 해석
- 10량편성 차량모델에 대한 주행 적합성 분석
- 임계속도 해석
- 주행안전성 및 승차감 해석
- 차량/시설물 인터페이스 검토
⑪ 터널, 승강장(고상홈) 관련 설치기준 검토
(나) 수도권 광역 철도망 네트워크 검토
- 경의선(가좌~문산), 용산선(용산~가좌), 중앙선(청량리~덕소)구간 선형 입수
- 신분당선(계획선), 용산선~경의선(노선연장 73.4 km)에 대한 각역정차, 2역정차, 3역정차 등 정차패턴별 운행소요시간 분석
- 정차시간은 기존 전동차보다 긴 50초 (출입문 수 제한으로 승하차 시간 다소 불리)
(다) 2층열차 구조해석 모델 수정 및 해석
- 1차년도 모델은 알루미늄 압출재의 두께 때문에 층고가 낮아 승객 불편이 예상
- 차폭의 경우는 승강장 설치기준 및 기존 전동차의 차폭을 고려해야 하므로 차량과의 건축물과의 간섭를 피하기 위해 하부구조 형상 개선이 요구 됨
- 수직하중시 출입문 부위(솔바의 모재부)가 가장 취약한 것으로 평가(허용기준 이내임)
(3차년도)
(가) 2층열차 개념모델 수립 및 기술검토
① 차량편성 방안(10량 1편성, 5M5T) 설정
② 차종별 특성을 고려한 차량 내부구조 설정
③ 편성 중 차종별 차량중량 및 좌석배치(안) 설정, 승차인원 산정
④ 공기조화장치 배치위치 및 용량 검토
- 객실 내 쾌적성 분석을 위한 유동해석(온도 및 유속분포 예측)
⑤ 인버터, 컨버터 등 주요 기기의 배치(안) 설정
⑥ 차량동력학 해석 기법 및 다량편성 모델 수립
- 해석 S/W : 영국 AEA사의 VAMPIRE
- 모델 구성요소 : 460 DOF(10량 편성, 차체, 대차프레임 등)
- 차체 무게중심 산정(구체, 전장품 및 외부기기 승객하중 고려)
- 대차 현가계 주요물성치는 국내 전동차 물성치 참조
⑦ 2층열차(다량편성) 주행 동특성 해석
- 10량편성 차량모델에 대한 주행 적합성 분석
- 임계속도 110 km/h 이상으로 최고속도(110 km/h)조건 충족
- 주행안정성 및 승차감 해석
⑧ 차량/시설물 인터페이스 분석 및 곡선통과 시 차량 횡변위 저감방안 도출
⑨ 차량경량화를 위한 알루미늄 압출재 적용방안 검토
⑩ 차체 각 부위별 압출재 단면 형상 설정 및 도면화
⑪ 2층열차 각 차종별(Mc, M', M, T카) 구조강도 해석
- 취약부 보완 및 차량동특성, 터널과의 인터페이스를 고려한 최종 모델 설정
(나) 2층열차 안전 및 시험관련 기준 및 규정류 조사분석
- 운영환경과 관련한 안전기준 규정검토 및 분석
- 각종 시험기준 및 규정검토/분석
(다) 2층열차 운행에 따른 경제적 타당성 분석 보완
- 차량 유지보수비, 구입비, 좌석편의성 및 급행운행에 따른 시간단축 등을 고려하여 수도권 광역철도망 각 노선별 경제적 타당성 기초 검토
- 상기 언급되지 않은 내용은 KOTI 등에서 수행된 기존자료 참조
- 정차시간은 기존 전동차보다 긴 50초 (출입문 수 제한으로 승하차 시간 다소 불리)적용을 기본으로 함
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구는 2층열차 차량의 안전 및 성능, 동적거동 등에 영향을 미치는 물성치(차량자중 및 주요 골조부 응력수준, 형상 등)를 검토하여 국내실정에 적합하도록 하는 방안을 모색하고 2층열차 운용시 경제적 타당성을 분석하는 것을 주요 연구내용으로 하고 있다. 본 과제는 직접적으로 2층열차 차량을 개발하기 위한 과제는 아니므로 특정기술이나 부품개발에 대한 심도 있는 연구를 하는 것은 아니지만 시스템 엔지니어링 차원에서 2층열차 운행을 위한 가장 기본적 검토 조건이라고 할 수 있는 차량의 기본 형상과 안전과 관련 된 기술검토(차량 구조강도 및 주행안전성) 및 차량운영, 경제성 부분을 분석하여 향후 2층열차 도입 및 광역철도 관련 정책 수립에 참고자료로 활용한다. 본 연구에서 검토된 차량의 형상 및 차량내부 구조는 2층열차의 치수(dimension)를 규격화하기 위한 것이 아니라 우리나라에서의 2층열차 운영 타당성을 검토하기 위해 개념적으로 검토한 사항으로 향후 2층열차 도입에 기본적 가이드 라인을 제시하는 것이기 때문에 실제 운행될 차량은 차량운영처의 요구 조건 및 운행구간, 운행목적 등에 따라 다소 차이가 있을 수 있다. 실제로 프랑스등 2층열차를 운행하고 있는 나라에서는 열차편성, 차량성능, 차량형상 등이 차량 운영처의 요추조건이나 운영구간, 목적 등에 따라 다양하게 개발되어 운용되고 있었다.