최고시험속도 400km/h 동력분산식 차세대
고속열차 개발(HEMU-400X)

이태형│철도연 차세대고속철도기술개발사업단TFT 선임연구원 (thlee@krri.re.kr)
박춘수│철도연 차세대고속철도기술개발사업단TFT 책임연구원 (cspark@krri.re.kr)
김기환│철도연 차세대고속철도기술개발사업단TFT 팀장/수석연구원 (khkim@krri.re.kr)

I. 서론

국가연구개발사업으로 1996년부터 2007년까지 2,569억 원을 투입하여 개발한 최고속도 350km/h의 동력집중식 한국형 고속열차는 한국철도공사와 구매계약 체결로 상용화를 성공적 으로 달성하였다. 하지만, 최근 고속철도 선진국들은 고속화, 수송용량 증대를 위하여 동력분산식 차세대 고속열차 개발을 마무리하고해외시장선점을위해총력을기울이고있다. 이러한 국제환경에 대처하여 해외 진출시 선진국과의 경쟁은 물론, 국내 철도차량 제작업체 및 부품업체의 경쟁력 강화를 통한 신성장 동력 육성 등을 위하여 국토해양부와 한 국철도기술연구원을 중심으로 2007년도부터 차세대고속 철도기술개발사업을 수행하고 있다. 본 기고에서는 차세대고속철도기술개발사업의 개요와 사업을 효율적으로 추진하기 위해 적용한 시스템 엔지니어링 기술에 대하여 소개한다.

Ⅱ. 사업개요

1. 개발 목표와 개발 내용

차세대 고속열차의 개발 목표는 최고시험속도 400km/h(영 업속도 350km/h) 동력분산식 고속열차(HEMU-400X, Highspeed Electric Multiple Unit-400km/h eXperiment) 개발에 있다. 특히, 최초 차량개발부터 최종 시운전평가(10만 km)를 One-Set 계획으로 추진하여 개발기간 단축 및 사업 비를 절감하는 한편 고속열차 선진국들의 개발 추세에 부응 하기 위함이다. 동력분산식은 에너지 효율성과 유지관리 편리성은 물론 수송수요에 따라 차량편성을 용이하게 변경할 수 있는 장점이 있다 하겠다. 또한 뛰어난 가감속 성능으로 여행시간을 단축할 수 있고 축중을 낮출 수 있어 선로의 부담 을작게하고유지보수비용을감소시킬수있다. 세부 개발 내용으로는 6량 편성의 시제열차를 개발하여 10만km 시운전을 통한 성능검증과 신뢰성 확인, 소형 경량 주변압기, 유도전동기와 영구자석 동기전동기를 병행하는 추진시스템을 독자적으로 개발하여 400km/h급 쾌속성을 보장하는 한편, IT 기반 승객 편의장치와 터널 통과시 실내 기압 조절, 자동회전식으로 안장 조절 기능이 있는 좌석, 인간공학적 공간 디자인과 실내공간 증대, 기존 고속열차와 동일한 수준의 객실 소음 차폐로 승객의 편의성을 향상 할 계획이다. 아울러 안전성 향상을 위해 국가가 철도안전 법에서 제시하는 성능항목을 모두 만족하는 동시에 지능형 안전모니터링 시스템과 GPS와 대차진동 감시장치를 이용  안전운행지원 시스템을 개발할 계획이다. 또한 유럽 시장 진출을 위해 유럽 규격에 적합하도록 차량을 설계·제작하고 국내의 다양한 철도신호방식인 ATS/ATC/ATP 통 합 신호시스템을 개발할 예정이다. 이외에도 공력 최소화를 위한 전두부를 순수 국내 기술로 개발하고 경량화를 위해 차체를 경량 복합재료 또는 알루미늄을 사용하여 설계하고, 고성능 제동시스템, 고속 능동형 현가 장치를 적용한 대 차, 저소음 판토그래프, 차세대 차상컴퓨터 제어장치, 최적 소형 보조전원장치, 고용량 소형 배터리장치를 개발할 예정이다. 차세대고속열차의모습을 <그림1>에정리하였다. 아울러, 차세대 고속열차 운영편성에 대한 개발사양을 일본에서 개발한 시험열차(FASTECH-360) 및 국내 고속열 차(KTX-II)와 비교하면 [표1]과 같다.

Ⅲ. 시스템 엔지니어링 기술

1. 시스템 엔지니어링 프로세스
차세대고속철도기술개발사업의 목표를 정해진 연구기간과 연구비내에서 달성하기 위해 사업초기에 시스템엔지니어링 프로세스를 수립하여 기술개발시 활용하도록 하였다. 시스템 엔지니어링 프로세스는 <그림 3>의 기술개발 프로세스로부터 시작한다. 기술개발 프로세스는 최상위 프로세스로서 시스템 정의부터 설계, 시험평가까지의 전과정에 대한 활동내용과 산출물, 인터페이스에 대해 정의한 것이다. 기술개발 프로세스 하부에는 기술개발 계획 및 조직, 기술관리, 시스템 엔지니어링 설계, 시스템구현, 시스템 시험, 기술평가의 6개 하부 프로세스를 갖는다. 기술개발 계획 및 조직 프로세스는 <그림 4>와 같이 사업과 개발할시스템의범위, 각대안에대한효과성분석, 각종계획 및 조직에 대한 정의와 역할에 대해 기술한 것이다. Top Down 방식의 시스템/하위시스템/부품 개발 수행, Bottom Up 방식의 부품/하위시스템/시스템 시험평가 수행, 기술검 토(요구사항 확인 및 검증)를 위한 자료 작성, 설계대안 생성 및 효과 분석, 개발 시스템에 대한 기술평가 등을 효율적으로 수행하기 위하여 <그림 5>와 같이 HEMU-400X 시스템 개발에 참여하는 각 기관 각 분야 실무담당 엔지니어로 구 성한통합제품개발팀을구성하여운영하고 있다.

<그림 3> 기술개발 프로세스

<그림 4> 기술개발 계획 및 조직 프로세스

<그림 5> 통합제품개발팀

기술관리 프로세스는 사업의 산출물을 DB화하고 이에 대한 검토, 정보공유, 재원지원, 성능정보 등의 정의와 역할에 대해 기술한 것이다. 기술관리 프로세스에서는 기술개발 산출물을 관리하고 기술적 검토(Technical Reviews), 정보 배포, 관련 교육, 사업비 관리, 사업 평가(Project Assessment)의 업무를 수행한다. 기술관리 프로세스에서 중요한 점은 중요 항목 관리(Critical Item Monitoring)와 기술적 성능 측정(Technical Performance Measurements) 이다. 중요 항목 관리는 위험완화의 한 가지 기법으로서 요구사항, 하드웨어, 소프트웨어에 존재하는 기술의 복잡도 정도, 최신 기술의 적용 여부, 기능 요구사항에 잠재하는 고장에 의한 영향 정도에 따라 선정하고 관리할 계획이다. 기술적 성능 측정은 개발단계와 검증단계로 구분 하여 개발단계에서는 시스템 요구사항 항목수 대비 하위시스템 요구사항 및 사양서의 개발 완료 항목수, 하위시스템 요구사항 및 사양서 항목수 대비 부품요구사항 및 사양서의 개발 완료 항목수를 기술적 성능측정의 지표로 사용하고 검증단계에서는 부품 시험, 통합시험, 공장시험, 시운전시험의 항목 수 대비 완료 항목수를 기술적 성능 측정의 지표로 사용한다. 시스템 엔지니어링 설계 프로세스는 요구사항 분석, 기능 분석, 아키텍처 분석에 대한 정의와 역할에 대해 기술한 것이며 <그림 6>과 같다. 요구사항 분석 프로세스와 기능 거동 분석 프로세스, 물리적 아키텍처 분석 프로세스를 수행 하여 설계 대안을 탐색하고 기술 평가 프로세스를 통해 최적의 설계 대안을 선정한다. 설계 프로세스는 시스템, 하위 시스템, 부품 수준까지 반복을 수행하고 그 결과로 개발품의 사양과 모델을 산출한다. 시스템 구현 프로세스는 SE 설계 프로세스의 결과를 토대 로 설계 구현, 시스템 통합, 시험에 대한 정의와 역할에 대해 기술한 것이다. 시스템 설계 프로세스를 통해 산출한 개 발품 사양과 모델을 기초로 통합 계획에 따라 개발품과 외부 획득품을 통합하여 시스템을 구현하고 시험을 통해 평가를 수행하고 인도 위치에 배치하는 프로세스이다. 시스템 시험 프로세스는 HEMU-400X에 대한 시험평가 프로세스로서 SE기반의 시험·검증 절차를 준수하여 기능 및 성능시험을 실시한다. 시험단계는 부품시험, 통합시험, 공장시험을 포함하는 개발기관 자체 시험과 본선 시운전시 험으로 구분하여 진행한다.

<그림 6> 시스템엔지니어링 설계 프로세스

<그림 7> 시스템요구사항 구조

기술평가 프로세스는 설계 프로세스와 시스템 구현 프로세스의 결과물을 평가하는 것으로 요구사항 확인과 설계대안 검증을 수행하는 프로세스이다.

2. 시스템 요구사항
사업의 성공을 위해서는 사업에 참여하는 연구진이 통일되고 일관된 개발의 기준이 되는 시스템 요구사항이 필요하다. 특히 고속철도 시스템은 차량, 기계부품, 전기, 전자, 제어, 정보 통신, 토목기술등이종합적으로적용되는대형복합시스템의 하나로서 시스템 요구사항이 체계적으로 개발되어야 하는 전형적인 예이다. 또한, 시스템 요구사항은 하위 계약자와 계약 조건에 반영될 뿐만 아니라 과제 수행 근거가 되고 시스템 통합 검증의 근거로서 모든 개발단계의 기본사양이 된다. 차세대 고속열차의 시스템 요구사항을 개발하기 위해 선행연구를 통해 도출한 기획보고서와 RFP, 운영 요구사항의 분석을 수행하였으며, 철도안전법에서규정하고있는관련사항을검토하여 시스템요구사항에 반드시 반영해야하는 사항을 추출하는 작업을 수행하였다. 아울러 사업에 참여하는 기관, 운영처 인철도공사, 철도시설물의 건설과 유지보수를 담당하는 시설 공단의검토를 통해 모호한 표현이나 중복된 요구사항이존재하지 않도록 하였다. 이를 통해 개발한 시스템 요구사항의 구조는 <그림 7>과 같이 다섯 부분으로 구성하였으며 시스템 요구사항의 전체수는 200개이다.

Ⅳ. 맺음말
국외 철도선진국의 기술개발 환경변화에 민첩하게 대응하고 국내 미래성장 동력 산업으로 육성하는 한편 국내외 시장환경에 대응하기 위하여 정부 주 도로 2007년부터 연구개발을 시작한 차세대 고속철도기술 개발사업에 대한 목표와 주요 개발내용에 대하여 간략하게 소개하였다. 아울러 사업목표를 정해진 기관과 비용 내에서 효율적으 로 추진하기 위해 적용한 시스템 엔지니어링 기술에 대해 요약하였다. 최종성과로 확보할 400km/h급 동력분산식 고속열차 SE, 설계·제작, 시험기술은 2015년 이후 약 1,640량(6조 5,600억원 규모)의 국내 고속열차 공급수요를 차세대 고속 열차로 활용할 때 그 진가를 발휘할 것이다. 아울러, 고속 철도 선발 국가(프랑스, 독일, 일본)와 대등한 세계 4위권 수준까지 기술력이 향상될 것이고, 국내기업은 기술경쟁력 확보를 통해 세계 철도차량 수요의 50%를 차지하는 유럽 외 아시아-태평양(30%), 북미(13%), 중남미(4%)지역 시장에 진출할 기술적 기반이 구축될 것이다.

참 고 문 헌
1) 한국철도기술연구원(2006)“, 차세대 고속철도 기술개발사업 기획보고서”
2) 건설교통부·한국건설교통기술평가원(2007), “2007년 건설교통기술연구 개발사업 5차 시행 공고 안내서”
3) 이태형(2006),“ 차세대 고속열차 개발을 위한 시스템엔지니어링 관리계 획 연구”, 시스템엔지니어링 학술지 제1권 3호
4) J.N.Martin(1997)“, Systems Engineering Guidebook”, CRC Press
5) Systems Management College(2000), “Systems Engineering Fundamentals”, Defense Acquisition University Press
6) Y.H.LEE(2007),“ A study on the systems engineering management plan for the korean maglev commercialization project”, 2nd international conference on experience / process / systems modelling / simulation & optimization