산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2020.5 특집 요약 (p31-50)

사회를 바꾸는 기술은 철도에서
첨단 기술의 응용과 사회의 니즈

시속 500km를 목표하는 리니어 모터카가 2027년에 개업한다. 고속성, 편리성을 추구하는 한편으로 사회가 철도에 요구하는 니즈도 변하기 시작했다. 착석을 보증하는 쾌적한 유료 열차, 관광성을 중시하는 열차가 요구되고, 고령화 사회를 맞이해 스크린도어 등 안전 설비의 강화가 필요해졌다. 철도발 기술이 사회에서 응용되고, 반대로 사회의 기술이 철도의 니즈를 새롭게 한다. ‘세계 제일’이라고 인정 받는 철도 기술의 현재를 살펴보자.

● 총론
사회로 침투하는 철도의 기술과 니즈

코로나19 감염이 확대되는 가운데 대부분의 철도는 평소와 다름없이 운행했다. 이처럼 철도의 첫 번째 임무는 안전하고 빠르게 지연이나 무운행이 적은 수송 서비스를 제공하는 것이다. 한편으로 오랫동안 두 번째로 밀려 있었던 것이 쾌적함이다. 그러나 고령화 사회의 진전 등 사회가 변하면서 쾌적한 철도에 대한 요구가 점점 높아지고 있다.

도시에서는 많은 철도 사업자가 착석을 유료로 보증하는 열차를 아침, 저녁의 러시아워 시간에 운행하게 되었다. 고이케(小池) 도쿄 도지사가 16년에 당선됐을 때의 공약 중 하나가 ‘만원 전차 제로’였다. 약 10년 전에 철도 전문가인 어느 대학 교수는 “자리를 노인에게 양보하는 것은 물론 중요하다. 그러나 아무리 젊어도 퇴근 후에 피곤한 몸으로 귀가하는 사람에게 서서 가라고 하는 것은 잔혹하다. 앉을 수 없는 것이 당연하다는 상식은 이제 고쳐야 한다”라고 말했다.

-- 사회로 진출하는 철도 기술 --
-- 다양한 기술이 철도로 파고들다 --

Part 1. 첨단기술의 응용
리니어 신칸센에서 경이로운 신발명 속속/ 마찰 제로 베어링과 무전력 브레이크

2027년의 개통을 위해 리니어중앙신칸센의 공사와 시험 차량 개발이 진행되고 있다. 리니어중앙신칸센의 베이스인 부상식 철도 기술은 철도총합기술연구소(철도총연)와 JR도카이가 공동으로 개발해 온 것이다. JR도카이가 개업을 위해 기술 마무리를 서두르는 한편, 철도총연은 리니어의 미래를 전망하는 연구 개발을 계속하면서 동시에 관련 기술을 재래방식(철륜) 철도 등 다른 분야로 폭넓게 전개하는 방향으로 중심축을 시프트하고 있다.

부상식 철도 기술을 위한 중요 기술로서 개발된 것은 초전도 자석, 리니어 모터, 비접촉 급전(유도집전) 등이다. 초전도 자석은 차체를 부상시켜 자중을 지탱하는 강력한 힘을 만들어내는 전자석이다. 이를 위해 전기 저항이 없는 초전도 재료를 이용했다. 부상한 상태의 차체를 구동하는 기술이 리니어 모터다.

또한 차내에서 사용하는 전력을 차 밖에서 공급하는 시스템이 비접촉 급전이다. 리니어중앙신칸센의 시험 차량은 지금까지 차내에서 사용하는 전력을 위해 가스터빈 발전기를 탑재했었다. 그러나 20년 3월에 JR도카이가 공개한 개량형 시험 차에서는 이를 전면적으로 폐지하고 신기술인 비접촉 급전으로 대체했다.

철도총연은 이들 중요 기술을 리니어신칸센 이외에 적용하는 것을 모색하고 있다. 부상식 철도의 건설이나 운용 비용을 낮춰 보급을 촉진한다는 의미에서는 오히려 적극적으로 다른 분야와 공용할 수 있는 편이 바람직하다.

-- 고온 초전도 자석으로 차량을 심플하게 --
차량에 탑재하는 초전도 자석은 전자석의 코일에 대전류를 흘려 보낼 때의 손실을 없애기 위해 초전도 코일을 사용한다. 현재 시험 주행 중인 차량의 경우는 액체 헬륨(4.2K, 약 -269℃)으로 냉각할 필요가 있는, 이른바 저온 초전도 자석을 이용하고 있다. 이를 액체 질소로 냉각하면 되는 고온 초전도 자석으로 대체하는 기초 연구가 진행 중이다. 고온 초전도 자석에서는 구조가 심플해져 경량화나 장치류를 절감할 수 있다. 또한 내부의 초전도 코일을 가이드웨이(선로) 측의 부상용 코일∙추진용 코일(지상 코일)에 근접시켜 자속의 손실을 줄여 효율화를 실현한다.

JR 방식의 부상 시스템은 세계에서도 독특하다. 초전도 자석을 차체 바닥이 아니라 측면에 설치한다. 지상 코일도 ‘지상’에 설치하는 것이 아니라 가이드웨이의 측벽에 세운 형태로 설치한다. 초전도 자석의 이동에 의한 전자기 유도로 지상 코일에 유도 전류를 일으켜 차상에 설치한 초전도 코일과의 사이에 자력(부상력)을 발생시키는 것이다. 상하이에서 운행되고 있는 리니어 모터카는 차체의 하부, 궤도의 더 아래로 돌아 들어간 부위에 설치한 전자석의 흡인력에 의해 차체를 부상시키고 있으며, 전자기 유도 현상은 이용하지 않는다.

-- 정전에서도 전자기적으로 동작하는 브레이크 --
-- 비접촉 급전의 효율을 향상 --

Part 2. 안전성의 추구

● 스크린도어
새로운 구조와 새로운 재료로 경량화, 도입 추진

안전성 향상이라는 사회적 요구를 눈에 보이는 형태로 실현하고 있는 것이 스크린도어다. 진입∙출발하는 열차와 승객을 분리하는 스크린도어를 많은 역에서 볼 수 있게 되었다. 국토교통성에 따르면, 스크린도어를 도입한 역 수는 국토교통성이 20년 3월 말을 목표로 했던 800개를 초과했다고 한다. 예를 들면, 도쿄도 교통국은 4개의 구간 중, 마지막으로 남은 도영(都營) 아사쿠사선에 19년에 도입을 시작했다. “투신 사고를 방지하는 효과는 명확하다. 빨리 도입하고 싶었다”(도쿄도 교통국).

19년 3월 시점에서 176개 역(9,094개 개찰구)에 납품한 교산(京三)제작소는 “기존에 설치하지 못했던 역이나 장소에서도 설치할 수 있도록 개량했다”라고 말한다.

-- 설치 공사의 어려움이 장벽 --
-- 다양한 요구에 대응 --

● AR로 제조 관리
HMD 형태의 웨어러블 기기 장착, 시선 끝에 지시/ 실수 방지

철도 차량의 바닥 밑에는 다양한 기기가 있으며 주로 볼트로 고정되어 있다. 이 볼트의 조임 토크는 엄격한 관리 대상이다. 헐겁거나 풀어지게 되면 기기나 부품이 낙하하거나 차량 고장을 일으키고 인명에 영향을 미치는 큰 사고로 이어질 수 있다.

히타치제작소의 철도비즈니스유닛 가사도사업소는 바닥 밑 기기의 조임 볼트나 모터에 대한 각종 장치의 조임 볼트의 토크 관리에 AR(증강현실) 시스템을 도입했다. 작업자가 헤드마운트디스플레이 형태의 웨어러블 기기를 장착하고 볼트를 육안으로 보면서 그 볼트에 대한 지시를 받고, 작업 결과를 컴퓨터가 기록하는 구조다. 볼트와 기록 정보에 차이가 생기기 어려운 시스템이 되었다. 철도 이외에도 다양한 생산 현장에서 유효하게 활용될 것으로 기대한다.

-- 잘못 볼 가능성이 없어진다 --
-- 작업 실수를 검출해 시정 지시 --

● 3D 궤도 계측
달리면서 선로 주위를 빈틈없이 파악

선로 보수 작업에 3D 측정 기술을 응용하는 효율화 시도가 진행 중이다. 아시아코소쿠(アジア航測)는 19년 7월, 철도용 서비스 ‘RaiLis’를 시작했다. 3D 측정 장치를 대차 등에 실어 선로와 주변 설비의 3차원 점군 데이터를 취득. 그 데이터를 분석해 건축한계를 확인하는 등의 내용이다. 점군 데이터에서 레일 위치를 검출하는 기술을 베이스로, 장기적으로는 가상공간에서의 시설관리 업무에 활용할 생각이다.

철도사업자도 대처하고 있다. 도쿄급행전철(현, 도큐전철)과 이즈급행(시즈오카현), 수도고속도로(도쿄)가 18년에 실시한 실증 실험에서는, 도로 보수용으로 계측 장치를 갖춘 자동차를 보선 작업용 차량에 실어 견인. 레이저스캐너 2대로 초당 100만점의 3차원 좌표 데이터를 얻었고, 카메라로도 촬영했다. 실용 상의 문제는 거의 없다는 결과였다.

철도총연은 영업 열차의 운전대에 설치한 스테레오카메라로 동영상을 촬영하는 시스템을 연구하고 있다. 선로∙전기∙구조물 등의 담당자가 동승해 변화나 이상을 눈으로 확인하는 열차 순시 업무를 지원하는 것이 목적이다. 동영상에서 이미지 해석으로 3D데이터를 얻거나 이전 이미지와의 차이를 통해 변화를 파악할 수 있다. 보선용 특별 열차를 운행시킬 필요가 없다는 것이 장점이라고 한다.

Part 3. 서비스의 진화

● 운행 정보
정보서비스 일체의 운행 인프라

JR동일본의 수도권 24구간을 커버하는 도쿄권 수송관리시스템(ATOS)의 구축∙도입에 협력한 것이 히타치제작소의 오미카사업소다. 오미카사업소는 제철소의 조업관리나 전력의 발전∙송배전 관리와 같은 인프라 관리시스템의 하나로서 철도 분야에도 강하다.

ATOS는 “자율분산에 기초한 시스템으로 점(역), 선(구간), 면(에어리어)의 3계층으로 나뉘어 있다. 우선 역 단위에서 도입할 수 있다는 것이 특징이다”(오미카사업소). 역에서의 포인트(전철기) 관리 등을 자동화해 각 역에서 시스템 도입이 진행되면 구간 전체를 일괄 관리하는 ‘구간 중앙 장치’를 만든다. 이를 통해 열차의 운행관리를 실시간으로 가시화해, 지연이 발생한 경우에 운전계획을 변경해 승무원에게 지시하는 기능을 이용할 수 있게 된다. 승객에게도 열차의 지연 등을 안내할 수 있다. 또한 복수 구간에 걸친 ‘공통 중앙 장치’를 설치해 수도권, 도호쿠 본구간, 조반구간과 같은 에어리어 단위에서의 제어나 에어리어간 협조 제어도 가능하게 한다.

● 차창 디스플레이
풍경과 겹쳐서 창 유리에 정보를 표시

열차 창문으로 명소나 건축물이 보이면 그에 대한 정보를 창문에 표시한다. 다음 역의 이름이나 도착 시각도 함께 보여준다. AGC는 그와 같은 기능으로 승객 서비스를 향상시키는 장치 ‘infoverre’를 개발하고 있다. 유리와 플랫 패널 디스플레이를 직접 접착한 장치로, 통상의 디스플레이처럼 유리와의 사이의 공기 층이 없기 때문에 가시성이 향상된다. 이 장치의 최초 응용처로 선택한 것이 철도차량이다.

창문이 아니라 벽에 설치하는 슬림형 디스플레이 제품은 이미 발매했다. 창문 유리에 내장하는 버전 ‘infoverre Window 시리즈 Clear 타입’은 흑백 표시는 20년 가을 무렵, 컬러 표시는 23년 무렵에 발매할 계획이다.

-- 반사가 생기는 계면을 줄인다 --
-- 유리만으로 직립, 얇은 벽(Thin Wall)에도 설치하다 --

● 쾌적한 시트
자동차 계열 업체가 지식 제공

쾌적함을 높이도록 고안한 시트를 신형 철도차량에 채용하는 사례가 증가하기 시작했다. 2개의 경향이 있다. 하나는 최근 많은 대형 철도사업자가 운행을 시작한 유료 착석보증열차용이다. 다른 하나는 특급전차용이다. 모두 자동차부품업체 계열의 기업이 공급한 사례가 있다.

착석보증열차는 조석의 러시아워 시간에 수백 엔의 추가 요금을 지불하면 착석 지정을 받을 수 있는 열차다. 예를 들면 게이오전철이 18년 2월부터 운전을 시작한 ‘KEIO LINER’용 전차 시트를 납품한 곳은 고이토전공(시즈오카현)이다. 차량 중간부의 좌석은 방향을 90도 바꿀 수 있어, 좌석이 열차 진행 방향을 향하는 크로스 시트 상태와, 차량 측벽을 따라 옆을 향하는 롱 시트 상태(지하철의 시트 형태)로 할 수 있다. 유료 열차의 경우는 크로스 시트 상태로, 낮에 통상 열차로 운전할 때는 롱 시트 상태로 한다. 좌석은 1인용 좌석으로 구별되어 있어, 롱 시트 상태에서도 지금 이상으로 고급스러움이 있다.

Part 4. 더해지는 기술
철도를 리뉴얼하는 다양한 어프로치

철도 분야의 외부에서 들어온 다양한 기술이 철도를 쇄신한다. IoT, VR(가상현실), AI(인공지능), QR코드와 같은 IT를 중심으로 한 기술을 철도에서 활용하는 아이디어가 속속 생겨나면서, 기존 철도기술과의 융합을 통해 고신뢰성∙안전성과 같은 요구를 충족하려 하고 있다. ‘철도기술전’이나 ‘철도총연기술포럼’에서의 전시 외에 철도관련 기술을 개발하는 기업의 대처를 통해 최근의 동향을 살펴본다.

● 코드 결제
터치하기 쉽고 QR코드도 사용할 수 있는 자동개찰기

JR동일본은 20년 2월부터 ‘터치하기 쉬운 자동개찰기’ 실증실험을 추진하고 있다. 신주쿠역과 다카나와게이트웨이역에 실기를 설치. 교통 IC카드를 판독하는 위치를 ‘터치하기 쉽게’ 했으며, QR코드의 판독 기능을 추가해 스마트폰 등을 사용한 코드 결제가 가능하다. 일반적인 자동개찰기에서는 개찰 입구 측에서 봤을 때, 바로 앞 경사 면에 IC카드의 판독 부분을 장착했다. 그러나 이번 실험기에서는 이 판독 부분을 개찰 통로 내측 면에 설치했다. JR동일본은 “휠체어를 이용하는 승객도 터치하기 쉬운 디자인으로 만들었다”라고 설명한다. 한편, QR코드의 판독기는 개찰 입구 측에서 봤을 때 IC카드 판독기보다 앞에 설치했다. 양자를 분리해 설치함으로써 승객이 각각을 쉽게 구별할 수 있어 원활하게 개찰기를 통과할 수 있다고 한다. QR코드를 이용한 자동개찰기에 대해서는 한신전기철도(오사카시)나 오사카시고속전기궤도(오사카시)도 실증실험을 추진하고 있다.

● 3D 계측
건널목 전체를 스캔해 사고를 방지한다

(전차) 건널목 사고는 철도 사고의 약 30%를 차지한다. 사고가 발생할 때마다 그 안전성에 대해 문제가 제기됐었다. 한편 많은 건널목에는 선로를 차단하는 장해물을 자동으로 감지하는 장치가 설치돼 있다. 광원에서 나오는 빛을 항상 광전센서에 조사하고 있으면서 차단을 당하면 장해물이 있다고 감지하는 것이다. 그러나 이 방법에는 장해물이 빛을 차단하지 않으면 감지하지 못한다는 약점이 있었다. 그래서 철도총연은 원적외선 카메라와 무선통신을 이용한 시스템을 개발하고 있다. 구체적으로는 이 카메라를 건널목에 설치해 건널목 전체를 공간적으로 감시한다. 장해물의 진입이나 차단기의 작동 불량 등을 감지하면 무선통신으로 주행 중인 차량에 알려 비상 브레이크를 작동시키는 구조다. 건설목과 차량의 쌍방에 무선 안테나를 설치할 필요가 있으며, 면허가 필요 없는 2.45GHz의 범용 무선을 사용한다.

● 리모트 감시
차량의 정보를 지상에서도 상시 감시∙분석

● 전력선 통신
홈 조명의 조광∙조색을 전력선만으로 제어

● MaaS
이즈반도에서 실증실험, 버스나 자동차로 원활하게 환승

● 섬유 보강 콘크리트 재료
신형 콘크리트로 길이 2배의 모노레일 궤도

● MPLS-TP
철도용 통신기기, 인터넷 기술로 편리성 향상

● 경자동차
선로를 주행할 수 있는 경트럭, 점검 등에 이용

● 연료전지
기기의 소형∙고출력화로 객실 공간 확보

● VR
360도 영상으로 차장의 업무를 모의 체험

● 드론
교량 밑을 비행하거나 밀착해서 점검 업무를 지원

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