JR동일본은 경영 비전 '변혁 2027'을 통해 무인자동운전 실현을 위한 '자동열차운전장치(ATO)'를 연구개발 중이다. 지난해 11월 17일 신칸센 자동운전 모습을 처음 언론에 공개하기도 했다. 시험주행을 통해 신칸센은 니가타역과 차량기지 사이 약 5km의 길을 3번 왕복했다. 

자세한 내용은 공개되지 않았지만, 이 시험연구로 JR동일본은 로컬 5G를 이용해 고정밀 영상을 실시간으로 전송하는 등 철도에서의 5G 활용 가능성을 검증한 것으로 알려진다. 당시 신칸센 운전실에는 기관사가 앉아있었지만 특별한 조작은 하지 않았다. 시속 약 100km로 정해진 속도까지 가속하고 정지하는 동작이 모두 자동으로 행해졌다. 

일본경제신문 보도에 따르면 무인시스템은 승차구간에 정확하게 맞추진 못한 것으로 알려진다. (승차위치와 8cm 어긋남) 하지만 승객 탑승한 구간이 아닌, 아무도 타지 않는 차량기지구간만이라도 무인으로 한다면 빠른 시일내 실현 가능할 것으로 보인다.

◆  이미 많이 진행된 열차의 무인자동화

여기서 의문이 생긴다. 일본이 철도무인운전에 앞서있느냐다. 사실 철도의 무인운전은 오랫동안 연구된 분야다. 열차가 역을 출발하는 데 필요한 신호 감지, 전방주시, 여객의 승하차 종료에 따른 문 개폐 여부 확인 등은 기관사가 따로 확인하지 않아도 자동으로 가능하다. 자동열차제어장치(ATC) 탑재, 자동열차운전장치(ATO) 등으로 이미 상당 부분 자동화되어있다.

우리나라도 신분당선 지하철, 우이신설 경전철, 인천도시철도 2호선 등 다수 노선을 운전사 없이 운영 중이다. 세계대중교통협회가 정한 철도 운행 자동화 등급은 총 1~4단계로 나뉜다. 최고등급인 GOA 4는 열차의 출발과 도착, 출입문의 개폐, 비상상황에 대한 방호 등이 모두 자동으로 이루어지며, 운전사와 승무원이 탑승하지 않는데, 국내외 많은 철도가 GOA 4로 운영 중이다.

그렇다면 일본이 말하는 신칸센 무인운전은 특별한 기술이 필요없는 것일까. GOA 4단계인 철도와 달리 고속열차는 역과 역 사이 거리가 30km 전후로 길고 그만큼 선로조건이 복잡하다. 속도도 빠르고 타고 내리는 손님의 숫자도 많다. 노선 사정에 따라 열차를 분리·결합도 필요하고, 다음 역에 정차할지 통과할지 열차마다 조건도 다 달라 고속열차를 완전 무인으로 하기 위해서는 추가적인 연구개발이 필요할 것으로 보인다.

◆ 철도자율주행과 무인운전, 전혀 다르다?

열차의 무인운전은 운전사는 없지만, 관제실에서 열차의 위치, 상태를 모니터링 하며 '지상 중심'으로 원격제어하는 것이다. 일반인 눈에 띄진 않지만 역사마다 기계실이 설치돼있는데 이곳에 있는 많은 하드웨어 기기들로 열차를 움직이고 멈추는 등 제어한다.

반면, 철도 자율주행은 관제실 제어 없이 이 모든 작업을 '열차 중심'으로 하는 것을 말한다. 열차끼리 서로 정보를 주고받으며 협업을 통해 열차 간격을 조절하는 등 간격 제어와 분기 제어를 수행할 수 있다.  문제가 발생했을 때 스스로 경로를 재설정하는 등 열차가 스스로 생각하며, 주행 중 열차 간 분리결합을 할 수 있어야 한다. 지상의 하드웨어 장비를 걷어내고 차량에서 모든 것을 하자는 것이 핵심인 셈이다. 

철도연은 LOA 기준과 함께 열차자율주행시스템에 필요한 연구를 수행 중이다. 지난해에는 세계최초로 5G 통신기반 열차자율주행시스템 핵심 제어기술을 개발했다. 관련 기술은 유럽 철도 언론사에 관련 기술이 심층 보도되면서 국내보다 국외에서 더 많은 관심을 받았다.

이 기술은 열차끼리 직접 통신해 자신의 위치와 방향을 열차 스스로 결정하고 제어하는 핵심 기술이다. 지상 신호설비를 최소화할 수 있으며, 5G기반으로 통신 지연을 단축해 열차운행 간격을 30%, 수송력도 최대 30% 이상 증대할 수 있다. 

프로젝트를 총괄하는 정락교 본부장은 서울지하철 2호선을 예로 들어 설명했다. 그에 따르면 2호선 운전시격(선행 열차와 후속 열차 간의 운전을 위한 배차시간 간격)은 약 150초지만 이 시스템을 적용하면 90초까지 당길 수 있다. 

그는 "열차는 앞차와의 간격을 두고 운영을 하는데, 현재는 지상에 설치된 컴퓨터로 정보를 주고받고 그곳에서 모든 것을 결정하려니 시간이 늦어진다. 반면 열차끼리 소통한다면 앞차와의 거리 속도 등을 계산해 시간을 단축하고 그만큼 많은 사람을 태울 수 있게 된다"고 설명했다. 

철도연은 오송 철도종합시험선로에서 지속 테스트하며 안정성을 높이는 중이다. 그는 "휴대전화통신은 끊기면 다시 연결해도 되지만 열차는 다르다. 무선이지만 유선처럼 정확하고 끊어짐이 없어야 하며 속도도 빨라야 한다. 해킹 등으로부터 보안도 중요하기 때문에 기술적으로 안정성 있는 컴퓨팅을 구현하기 위한 최적화를 진행 중"이라고 설명했다. 

정 본부장은 연구개발한 5G 기술 실증 및 민간 운영체와의 협력 등을 거쳐 2035년 우리나라에서 자율주행열차를 선보일 수 있을 것으로 봤다. 특히 고속철도 대비 속도나 규모 등이 작아 제어가 비교적 쉬운 경전철 등 도시철도에 선 적용을 기대했다.

◆ "우리나라가 철도운영주권 갖는 날, 곧 올 것"

우리나라가 말과 가마를 타고 다녔던 1800년대, 유럽은 철도를 개통하며 사람들의 발과 다리가 되어주었다. 오랜 역사를 가진 유럽은 여전히 철도 강국으로 꼽힌다. 철도는 사람 이동을 위해 안전하고, 검증된 기술이 중요한 기술이다. 그러다 보니 선진국에 종속된 기술 중 하나였고 후발주자인 우리는 선진국 기술을 쫓을 수밖에 없었다. 

현 상황에 반전의 열쇠를 쥐고 있는 것이 열차자율주행기술이다. 그는 "선진국을 쫓았던 우리에게 새로운 기회가 될 것"이라면서 "연구개발뿐 아니라 자율주행이 현실이 되면 어떤 효과가 있을지, 혼잡배차에서 어떤 식으로 기술을 활용해야 시너지가 날지 등 활용 측면도 함께 연구할 것"이라고 덧붙였다. 

철도연은 5G기반 열차자율주행을 연구개발 중이다. 관련영상을 통해 열차자율주행에 대해 쉽게 이해할 수 있다. [영상=철도연 유튜브]