일본 전기철도기술의 최근동향

서론 철도분야는 오래 전부터 선진기술을 개발해왔기 때문에 다른 산업계와의 기술교류가 많았다고 볼 수는 없으며, 전기철도 분야도 예외는 아니다. 그런 점에서 본다면 독자여러분들에게 낯설게 느껴질지 모른다. 철도 관련 기술이 독선적인 기술이 되어 버렸다는 의미가 아니라 외국을 포함해서 동업자간의 기술교류는 많아지고 있으므로 철도의 특수성 때문에 그런 것이라고 이해해주길 바란다. 이번호 특집 가운데 중요한 기술항목에 대해서는 각각의 전문가들에게 별도의 집필을 요구했기 때문에 필자는 전반적인 동향과 별도의 고속화, 차세대교통시스템, 궤전·축전·차량의 설계·제어, 정보기술, 운행에 있어서 안전의 예비지식과 함께 다뤄지지 않은 보조적인 내용을 싣고저 한다. 기술동향의 시점 기술은 그 자체가 영원한 주제인 것처럼 철도에서는 고속화라는 숙제가 있는 반면에 많은 부분이 사회의 동향에 좌우되면서 다양한 요구에 따라서 변한다. 이런 면에서 철도도 예외일 수 없다. 오히려 최근의 철도는 철도 이외의 교통기관과의 다양한 관계를 포함해서 다른 분야의 사회적인 영향을 강하게 받아 서비스와 기술이 변하고 있다. 우선 이 시점을 정리하는 것부터 시작한다. 1. 사회적인 요구

최근 들어 세계적으로 교통문제가 사회 문제에서 차지하는 비중이 커지고 있다. 예를 들어 에너지 문제 측면에서 살펴본다면 선진 각국은 자가용에서 기인하는 석유의 에너지 소비량 증대에 큰 고민을 갖고 있으며, 기후변동에 관련된 조약을 주도하고 있는 교토의정서에서의 국제공약을 지키는 일이 운송부문에서는 심각한 문제가 되고 있다*1. 지구 차원에서의 문제를 떠나서라도 지역의 환경과 교통안전에 대한 자동차의 악영향은 모두가 인식하면서도 효과적인 해결책을 찾아내기는 어렵다. 자가용 이용자들도 교통지체와 주차문제 때문에 큰 어려움을 겪고 있다. 에너지와 환경, 안전면에서 뛰어난 사회적 특성을 갖고 있는 철도는 일반적으로는 자가용에 대체할 수 있는 능력을 갖고 있다. 또한 한정적이긴 하지만 대체관계가 성립되는 도시권과 도시간에서는 적극적으로 철도로 유도하는 것이 선진 각국의 공통 정책이 되고 있다(<그림 1>, <표 1>). 일본에서는 공공교통의 많은 부분이 역사적으로 민영사업으로 독립채산 원칙 하에서 운용되고 있는 특수사정 때문에 정책면에서는 다소 느린 것처럼 보이지만 최근 들어 독립채산의 원칙을 유지하면서 각종 조성사업을 적극적으로 추진하고 있다. * 1 : 경제산업성의 자료에 따르면 1990년도부터 2001년도까지 12년간 국내 여객 운송인 km는 1.31×1012에서 1.42×1012로 8% 증가한 것에 비해, 에너지는 원유환산으로 4.5×107에서 6.5×107kl로 44%나 증가했다. 이것은 운송분담율에서 60%의 자가용 승용차가 에너지로는 80%를 차지하고 있기 때문에 운송분담율에서 27%를 분담하고 있는 철도가 에너지로는 1.9%에 그치지 않는다는 것과는 대조를 이룬다. 2. 서비스 동향 의식주와 같이 교통을 포함한 커뮤니케이션은 현대인의 생활에 있어서 불가결한 요소이기 때문에 강한 규제를 가할 수는 없다. 따라서 자유경쟁 속에서 선택되어지는 것이 발전하며, 선택되지 못한 것은 사라져간다. 많은 문제를 안고 있으면서도 가장 넓게 선택되어지는 것이 자가용이며, 물류분야에서도 도로운송이다. 교통기관을 선택할 때 가장 중요한 항목은 동서고금을 망론하고 이용자의 소요시간 단축이다. 이것은 통계적으로 확실하며 그 이유를 들자면 다음과 같다. 즉, 인생의 길이나 그 시간 가운데 교통에 할애하는 비율이 거의 일정하다면, 활동범위를 넓혀나가는 것이 필연적이며 이용자가 볼 때 속도를 높이는 일이 된다. 이용자의 속도에는 움직일 때의 속도 이외에 기다리는 시간(외출하기 전에 옷 갈아입는 시간과 기다리는 시간도 포함)도 관계가 있으며, 물리적인 속도는 낮더라도 마음대로 출발할 수 있으며, 직접목적지에 직행할 수 있는 자가용은 신속함이 있다. 이렇게 경쟁력이라는 관점에서 볼 때, 철도는 근거리에서는 자가용과 원거리에서는 항공기와의 경쟁 속에서 생존을 걸고 개발·운영되고 있다. 3. 운영상의 요구 원래 노동집약산업적인 색채가 강한 철도업도 신칸센(新幹線)이 등장한 후에는 장치산업과 시스템 산업적인 운영으로 변해왔다. 그런 요구는 젊은 노동력과 숙련된 노동력의 부족, 기술력·기능계승상의 문제가 되었으며, 다른 산업과 공통적인 요인이 추가되었고 공공운송의 특징인 긴 서비스 시간대, 스톡이 없는 운송업의 특성, 또 많은 부분에서 유지·보수를 해야 한다는 점 등이 어려움이다. 그렇기 때문에 보수방법에 관련된 기술개발과 조립 변경 등의 요구가 높으며, 다른 산업의 경우를 참고로 독자적인 방법이 필요하다. 특집에 관하여 상세한 것은 전문가가 써놓은 특집 기사를 보시기 바라며, 이 글에서는 일본에 있어서 각 항목의 특수성 등을 나열한다. 1. 고속화 원래 1960년경까지의 철도는 일찍이 선진국인 영국, 미국, 이탈리아를 시작으로 그 당시 선진국임을 자부하던 프랑스와 독일마저도 열차의 실용최고속도는 160km/h가 한계라고 여겼기 때문에, 철도는 자가용과 항공기에 자리를 빼앗겨버린 사양 산업이라고 생각했다. 영국과 미국에서는 실제로 사양화의 조짐이 현저하게 나타났다. 이런 시기에 패전국인 일본이 세계은행에서 돈을 빌려가면서까지 신칸센이라는 세계최고속의 철도를 건설한다는 것이 세계적으로 큰 관심을 끌었으며, 성공을 의문시하는 목소리가 높았었다. 그런데 당시 국철본사의 의향에 역행하는 형태로 철도기술연구소의 기술자들이 자신을 갖고 제안했던 시스템이 기술적으로나 영업적으로도 대성공을 거뒀으며, 세계의 철도가 고속화에 적극적으로 뛰어든 계기를 만들었다. 이를 모방하다가 실패한 미국과 소련과 독자적인 기술개발로 반은 성공(재래기술의 연장으로 비전화 구간에서 200km/h 운전을 실현), 반은 실패(재래의 선로에서 250km/h로 본격적인 고속운전을 꾀하다 실패)한 영국이 있는 가운데 일본의 신칸센을 연구하여 독자적인 고속철도로 만들어낸 프랑스의 TGV(Train a Grand Vitesse 고속철도라는 의미)가 1981년에 영업운전을 개시했는데, 최고속도(당시는 260km/h)에서도 표정속도(이용자가 본 도중의 정차시간도 포함한 평균속도)에서도 일본은 큰 차이를 보였다. 국철말기에는 프랑스를 따를만한 여력이 없었지만 1987년에 민영화되면서 혼슈의 JR 3사는 고속화에 박차를 가했다(<표 2>참조). 1997년에는 JR니시니혼(西日本)의 500계 노조미가 근소한 차이로 표정속도 세계 1위의 자리를 탈환했다. 그러나 2005년에는 또다시 근소한 차이로 프랑스가 세계 1위를 차지했다. JR히가시니혼(東日本)의 정상탈환은 세계 최고가 되는 것 자체가 주된 목적이 아니라 신칸센 시스템 전체의 진화 속에서 항공기에 대한 경쟁력을 강화하겠다는 실용성을 목적으로 종합적으로 이뤄진 것이다. 고속철도의 기술개발 속에서 흥미 깊은 항목 가운데 하나가 집전이다. 도카이도신칸센 개발 당시에도 최대 과제가 집진장치의 접판(전차선과 슬라이드되는 부분)이 실용적인가였다. 실용상의 문제는 해결되었지만 낮에도 눈에 띄는 불꽃을 튕겨가면서 주행했다. 당초의 0계 차량은 12량에 대해서 6개(1970년의 오사카 만국박람회 이후에는 16량에서 8개)의 팬터그래프가 50m간격으로 규칙적으로 배열되었지만, 집전역학에서 볼 때 실패였다고 판명되었다. 0계를 타산지석으로 삼은 프랑스는 앞뒤의 동력차간을 객차의 지붕 위에 특별고압 케이블을 감아서 접속시켜, 고속운전 시에 팬터그래프는 1기만 사용하도록 했다. TGV의 성공에 자극받은 일본 국철은 집전의 개선에 들어가 도호쿠·조에쓰 신칸센의 200계에서는 케이블로 접속해서 사용하는 팬터그래프를 반으로 줄여서 고속화를 실현했다. JR로 전환되면서는 대규모 실험을 병용해서 고속집전의 최적해법을 찾아냈다. 2기의 팬터그래프를 전기적으로 접속해서 사용하며, 그 위치는 고속주행에 따른 소용돌이가 생기는 선두와 후미에서 분리시키고 2기 상호간에도 어느 정도 떨어지도록 했다. 너무 가까워지면 역학적 특성이 악화되며, 분리되면 인덕턴스 때문에 전기적인 특성이 악화되기 때문이다. 또 이렇게 얻어진 최적의 방법을 과감하게 무시하고, 주행저항과 집전에 따르는 소음의 문제점 때문에 1기에 의한 집전의 실용화에 도전했다. 2. 차세대교통시스템 도쿄에서 올림픽이 개최된 1964년에 신칸센과 함께 화려하게 등장한 도쿄모노레일은 도로상공을 활용해서 궤도를 도로의 일부로 건설하는 ‘도시모노레일’로 발전되어 각지에 도입되었다. 1981년에 고베에 등장한 무인운전 고무타이어식 전차 도시교통시스템 ‘포트라이너’는 이 종류의 도시교통으로는 세계 최초였다. 이것은 궤도에 구속된 1차원적 주행이라는 점에서는 철도적이며, 철도의 이점을 많이 갖고 있으면서도 철레일·철차륜에서 벗어나 신형식의 교통수단이 되었다. 다른 원고에서는 이미 보급·정착되고 있는 이들 차세대 수단 가운데 전기기술자가 특히 중요한 역할을 맞고 있는 자기부상식 도시교통, 자기유도식 연결운전을 대신하여 대열주행을 특징으로 하는 자동운전 고무타이어차량군, 무선과 위성통신을 활용한 운행시스템, 레일과 도로에 구애받지 않는 운행을 노리고 개발 중인 시스템 등을 소개한다. 거리와 도로의 오래된 교통수단으로 세계적으로는 철도마차에서 발전해온 노면전차가 있다. 일본에서는 시대에 뒤떨어진 수단으로 폐지된 도시가 많지만, 이것의 현대판(LRT : Light Rail Transit)은 지금 도시교통의 우등생으로 키워지고 있다. 도입 비용이 싸고 지하와 고가위의 큰 역이 필요 없으며, 걸어서 접근하기 쉬워서 이용하기 쉽기 때문에 통과교통(자동차)의 규제를 병용하면 조용한 도심부의 재활성화에도 효과적이다. 일본에서도 기존의 노면전차 차량을 개선해서 낮은 곳에서도 타고내리기*2 쉽게 보급되었지만, 노선 자체를 만들어 바꾼 최초의 예는 올해(2006년) 4월에 도야마라이트레일이 있다*3. 이것은 2월까지 JR의 도야마항선이었던 것을 바꿔 편리한 교통수단으로 만든 좋은 예이다. *2 : 1997년에 구마모토시 교통국이 독일 기술에 따라 초저상차를 도입한 이후 히로시마, 도야마, 마츠야마, 고치, 가고시마, 다카오카, 나가사키 등 많은 도시에서 초저상차의 도입이 추진되고 있다. *3 : 도야마라이트레일 주식회사(홈페이지 http://www.t-lr.co.jp/company/ 참조) 3. 궤전·축전·차량의 설계·제어 철도의 에너지 특성분야에서는 일본이 항상 세계를 리드해왔다. 2차 세계대전 후 민철에서 시작한 경량차량의 개발, 국철과 공영교통 등이 적극적으로 발전된 차량과 변전소로의 파워일렉트로닉스의 활용 등으로 기술적인 성과는 물론 아시아류의 밀집형 운송에도 실질적인 도움이 되고 있고, 운송량 당 소비에너지 또한 다른 나라에 비해 일본이 낮다 *4. 브레이크 시의 에너지를 다른 열차가 활용하는 전력회생 브레이크도 1970년경부터 민철에서 일반화되어 지금은 폭넓게 보급되어 최근에는 전지와 전기 이중층 캐퍼시터를 활용하는 연구도 진행되고 있다. *4 : 이것은 차량의 경량화와 전력회생 브레이크의 활용에 의한 기술면만이 아니라 밀집형 운송에도 공헌하고 있다. 무거운 차량으로 소수의 승객을 나르고 있는 미국의 장거리 열차는 자가용보다도 에너지소비원단위가 크다고들 한다. <그림 1>에서 철도의 원단위에 개선점이 보이지 않는 것은 기술의 진보보다도 혼잡완화의 방향이 크기 때문이다. 4. 정보기술 철도와 정보기술과의 관계는 일반적으로 보여지는 것보다도 훨씬 더 밀접하다. 일본에 전기신호가 들어오고 바로 철도는 활용되었으며 팩스라는 용어가 일반인들에게 완전히 알려지기 전부터 운전지령 등에서 ‘모사전신’이라는 말이 사용되어졌다. 철도전화의 전국자동화는 본업의 전전공사보다도 빨리 실현되었으며, 계산기를 사용한 전국네트워크의 최초는 국철의 좌석예약시스템이었다. 한편, 타이어가 고장나게 될 경우 차장과 운전사에게는 그 원인과 복구방법이 파악되지 않은 상태에서 TV에서의 정보를 휴대전화를 통해 승객이 먼저 파악하는 경우도 생길 수 있다. 최근에는 정보화도 여러 분야에서 아주 다양하게 진행되고 있다. 예를 들어 철도 업무자체의 정보화에 따른 인적 실수를 줄여나가는 것과 신속화, 생력화, 이용자의 부담을 줄여 철도로 대표되는 공공교통의 매력을 증가시키기 위한 정보화, 다양한 이상시 문제를 잘 해결하기 위한 정보화, 승객 등의 이용자들이 정보로부터 단절되지 않기 위한 차내와 지하철의 인프라 정비 등이 그 예이다. 5. 운행에 있어서의 안전 동양 최초 지하철이 도쿄에서 개업한 것은 1927년이었는데, 그 당시에는 지하를 달리는 철도라는 것이 익숙하지 않은 탓도 있어서 안전에는 그다지 배려가 없었다. 일반 철도에서는 목조차가 보통이었으며, 새로운 차량도 나무와 동으로 만들어진 반동제였던 시대에 구조재료를 전부 강으로 만들어진 차를 도입하기도 했으며 일본에서 처음으로 자동열차정지장치(ATS)를 전면적으로 사용했다. 전자회로가 없던 시대에 ATS*5라고 한다면 지금으로서는 이해가 되지 않는 분들이 많겠지만, 신호의 장소마다 타자라고 불리는 가동 암이 있어서 정지신호 때에는 이 암이 올라가서 앞으로 나가게 되면 차위의 비상브레이크를 여는 순기계식 장치였다. 철도의 원리를 아시는 분이라면, 최소한 두가지 의문이 생길 것이다. 하나는 앞으로 나가서 브레이크를 걸게 된다면 타이밍이 맞지 않을 것이라는 점이다. 그런데 이것은 정지신호가 이중으로 되어 있어서, 첫 번째 정지신호에서 비상브레이크를 걸어두면 넘어가지 않는 두 번째보다 먼저 정지하게 되는 것이다. 또 다른 한가지 의문점은 선두의 차량(대차)은 그렇다치더라도 열차가 신호를 넘으면 저절로 신호를 빨강(정지)으로 하기 때문에 2량째의 차량에 브레이크가 걸리게 되지는 않을까하는 점이다. 이는 최근에도 사용되고 있는 방법인데 타이머를 사용해서 불필요한 동작을 막는 기술을 도입해서 해결했다. 철도차량은 무슨 일이 발생할 때(예를 들어 연결하는 경우 등)는 적신호를 넘어서 주행할 수 없다는 어려운 점이 있다. 그렇기 때문에 신속하게 적신호를 통과할 수 있는 장치가 뒤의 대차에 브레이크를 걸지 않도록 하는 것이다. *5 : ATS(Automatic Train Stop)은 일본식 용어로 영어의 ATS는 Automatic Train Supervision, 일본어의 ATS에 해당하는 것은 Automatic Train Protection(ATP)이다. 근대적인 보안장치는 신칸센이 개업한 이래 사용하고 있는 자동열차제어장치(ATC)인데 이 원조도 사실은 지하철이다. 지금에서야 ATC는 차내 신호와 조합해서 사용되는 것이 되었지만, 당시의 영단지하철이 도자이선과 히비야선에 도입된 것은 지상신호가 있는 ATC였다. 이처럼 백그라운드에서 근년의 동향을, 전기기술에 국한되지 않고 광범위하게 기술하고 있다. 운행에는 직접적인 관계가 없지만 역의 화염에도 신경써야하는 지하철에서는 일절 도시가스를 사용하지 않는다든가, 정전대책면에서 지상의 철도 이상으로 무정전전원과 자가발전설비 등이 설치되어 있다. 세계규모의 정보교류를 통한 철도전기기술 1. 라이트레일(LRT)의 진전 유럽에 비해서 늦은 편인 라이트레일의 도입 기운이 최근 들어 급속히 달아오르고 있다. 본격적인 것은 먼저 말한 후지산라이트레일이 최초이지만, 건설을 위한 움직임도 각지에서 시작되고 있으며, 머지 않아 운임수수방법과 길거리에 있어서 공공교통선신호 등의 넓은 의미의 전기기술을 응용하는 등 본격적인 발전이 기대된다. 2. 이용자로부터의 매력 향상 철도는 대량 운송기관이기 때문에 획일적인 서비스밖에 할 수 없다는 잘못된 의식이 오랜 기간 사업자들 사이에 팽배했지만, 최근에는 전기계의 기술자 등으로부터 정보기술과 제어기술의 성과를 받아들여 개별적으로 양질의 서비스를 대량운송과 양립시키자는 생각이 싹트고 있다. 정보기술 원고에서 말하는 사이버레일과 IPASS *6 가 바로 그 예이다. *6 : IPASS란 Intelligent Passenger ASsistance System 혹은 Intelligent PASS를 줄인 말이다. 3. 나라마다 돋보이는 기술 차량의 경량화와 전력회생 브레이크 등 일본의 수준이 최고인 것이 있기도 하고 급구배의 운송에 관한 스위스의 다양한 기술 등은 다른 나라에서 따라 잡을 수 없을 정도다. 이번 특집에서는 철도화물운송은 거의 다루지 않지만 이 분야에서는 미국의 철도가 많은 노하우를 갖고 있다. 4. 전기기술의 비전기분야로의 침투 철도로의 전기기술의 도입은 신호와 통신, 전기구동에서 시작되었다. 그 후 생력화 등을 목적으로 각종 자동화가 주가 되어 전기계의 기술자에 의해 광범위하게 도입되었으며, 그 연장선상에서 정보화와 지능화가 원래는 전기계와 관계가 희박하다고 생각해온 분야로도 넓혀지게 되었다. 좌석예약, 차량과 선로 보수, 열차의 타이어 점검 등이 그 예이다. 다른 분야 이상으로 전기계기술자의 활약이 필요한 것은 철도가 자기완전형 대규모 시스템이며, 시스템공학의 소양이 필요한 분야이기 때문이다. 5. 전기기술의 우위성 재인식 시계가 정밀기계공학으로부터 전자기술에 완전히 자리를 내어준 것 같은 변화가 많은 곳에서 일어나고 있다. 마찰브레이크의 액츄레이터, 경적과 문의 개폐 동작원 등으로 널리 사용되어 온 압축공기가 지금은 일부에서는 사용되지 않고 있다. 브레이크는 기본적으로 회생모드의 순전기 브레이크가 되었으며, 경적과 문의 개폐도 전기식이 일반적이다. 비상브레이크로서의 마찰브레이크는 압축공기가 아니라 용수철을 (보통은 전자력으로 완화시킴) 이용하는 것도 점차 늘어나고 있다. 도시교통으로의 라이트레일의 진출은 이미 버스의 전기동력화(트로리버스와 부분적으로 전지를 이용한 가선이 없는 부분의 주행도 포함)를 보급시킬 가능성이 높다. 결론 세계적으로 보면 선진국 가운데 일본은 평지당 인구밀도가 높으며 국토의 모양도 철도에 유리한 조건을 갖추고 있다. 일본만이 공공교통에도 독립채산원칙이 적용되고 있지만 상대적으로 이 원칙 때문에 일본 철도를 시작으로 공공교통사업은 고전을 면치 못하고 있다. 그렇기 때문에 불리한 조건임에도 불구하고 유럽이 철도에 투자를 활발히 진행하고 있다. 일본도 이미 환경문제 개선(예를 들어 기후변화협약 교토의정서에서의 국제공약을 지키는 등)을 위해 철도에 투자하는 정책으로 전환하는 중이므로 지금까지 힘든 시기를 겪어온 철도기술자들은 미래를 위해 준비하는 자세를 갖춰야 할 것이다.