철도 고속화의 역사와 전망
전문연구위원 김 철
1. 철도 고속화의 역사
□ 초기에 철도는 시간적으로 신속하게 운송하지 않아도 되는 무거운 화 물을 운반하도록 제작되었으나, 점차적으로 우편물, 신문, 신선한 야채 나 해산물 등 시간에 민감한 화물을 신속하게 운반 하고 또 사람자신 도 좀 더 빠르게 여기저기를 여행할 수 있기를 바라는 욕구에 부응해 서 철도의 속력은 점차 증가하게 되었다.
□ 18∼19세기에 인간은 고속으로 달리는 철도에서는 호흡하기가 어렵다 든가, 인간을 수송하는 어떤 기구도 시간당 10마일을 넘기가 어렵다고 생각 했었다. 그러나 철도에 대한 고속화가 끊임없이 연구되고 실현되 면서 1931년에는 독일이 항공기엔진에 의해서 시속 230km를 달성하였 고 1955년에는 프랑스에서 디젤엔진을 장착하여 시속 331km를 실현한 바 있다. 여러 의미에서 철도 고속화의 새로운 시대를 열기 시작한 것 은 1964년 일본의 Tokaido Shinkansen 열차라고 분석되고 있다. 당시 Shinkansen은 시속 210km이었고 지금은 270km로 운행하고 있으며 Sanyo Kyushu간은 300km로 운행 중이다. 한편 프랑스가 1981년에는 TGV로 260km, 1988년에는 전기 동력으로 408km, 1990년에는 전기 동 력으로 515km를 달성한바 있으며 다시 일본은 2003년 자기부상열차로 581km를 달성하였다.
□ 이러한 과정에서 사람들은 철도는 고속도로상의 자동차나 바다위의 선 박과는 달리 하나의 거대한 기구로서 열차 자체의 속력만을 증가시키 는 것이 문제가 아니라 철도 시스템을 지원하는 모든 장치, 기계, 기구, 운영 시스템까지 동시에 발전되고 조화롭게 움직여야 어떠한 기후조건 에서도 빠르고, 안전하고, 신뢰성 있게 여행할 수 있다는 것에 주목하 게 되었다.
□ 본고의 원문에서는 철도의 속력을 증가시켜 나가는 과정에서 해결하여 야 할 요소로서 안전문제, 승객 편의성문제, 경제성문제, 환경문제 등을 검토하고, 장차 철도 고속화를 어떻게 전망 할 수 있는지를 논하고 있 다.
2. 철도 고속화의 장애요소
□ 안전문제
원문의 저자는 고속철도의 안전과 관련되는 장애요소로서 선로와 신호 방법 및 통제시스템을 들고 있다.
○ 철도의 속력을 증가시키기 위해서는 별도의 고속철도용 선로가 필요 하다. 그것은 기존 선로가 고속주행에 적합하지 않은 커브, 구배(勾配), 경사, 이음매 등으로 되어 있어 고속 주행 시에 급속한 속도 변 화가 일어난다면 충돌 또는 탈선을 야기함으로서 커다란 사고가 일 어날 수 있기 때문이다. 또한 하나의 선로를 고속열차와 보통열차가 같이 사용하면 그로 인해서 고속열차의 통과를 위해서 저속열차가 더 먼 간격을 띄고 대기해야 한다든가 고속열차와 저속열차의 간격 조정, 속도 조절 등이 복잡하여 철도안전에 위험이 될 수 있기 때문 이다.
○ 철도 안전에 또 하나의 중요한 요소로서 효율적인 신호방법과 통제 시스템을 들 수 있다. 초기에는 모든 신호는 철도 기관사가 관측할 수 있는 가시거리만큼 떨어져서 역무원들이 흔드는 수기신호에 의존 했었지만 이후 열차와 열차간의 적합한 안전거리를 유지하는데 전신 기술이 이용되었고 지금은 차량 속도계와 컴퓨터를 이용한 자동신호 체계에 의해서 앞 열차와의 안전거리를 확보하고 있다. 그러나 아무 리 신호체계와 통제시스템이 전산화 되고 자동화 된다 하더라도 기 관사를 비롯한 안전통제 요원들의 실수나 과오가 없도록 해야 한다 는 것은 안전수칙의 기본적 사항이다. 따라서 고속철도의 안전성을 높이기 위해서는 더 효율적인 신호방법과 통제시스템 개발이 끊임없 이 이루어져야 한다. 유럽연합은 열차가 대륙을 횡단 할 때에 여러 개의 서로 다른 네비게이션 시스템을 수행하여야 한다는 문제점을 해결하기 위해서 장차는 철도망사이를 공동으로 이용하는 단일 신호 시스템인 ETRMS(European Rail Traffic Management System : 유럽 철도교통 관리시스템)를 적용하게 될 것이다.
□ 승객의 편의성
○ 철도는 강철로 된 바퀴가 차량의 막대한 하중을 지탱하면서 접촉면 이 매우 좁은 강철로 된 선로 위를 굴러가면서 차량을 견인, 제동, 조향을 하기 때문에 속도가 증가하면 차체의 바퀴와 선로 간에 동적 부하(dynamic loads)가 증가하게 된다.
○ 철도의 고속화를 이루기 위해서는 이러한 동적부하를 감소시키기 위 해서 차체, 차량을 구성하는 모든 하부구조물, 차내 모든 시설물의 중량을 감소시켜야 한다. 따라서 승객용 의자, 객실내의 온.냉방시 설, 화장실, 식당, TV수신, 통신, 인터넷 등의 시설도 편의성을 높이 면서 무게를 감소시키는 것이 큰 문제가 된다. 고속철도는 차량의 무 게와 공기저항을 줄이기 위해서 2층 객차 적용이 불가능한 것도 그 한 예이다.
○ 따라서 고속열차 내부의 편의시설에 대한 중량을 감소시킴으로 인 해서 승객들은 좌석이 협소하다든가, 더 큰 진동을 느끼게 된다든가, 소음이 증가한다든가 하는 문제 등으로 불편함을 느낄 수 있으며 주 행 중 차량의 가속도 변화와 차체의 급격한 움직임 등으로 독서를 한다든가, 음료수를 마신다든가, 컴퓨터를 한다고 할 때에 불편함이 증가될 수도 있다.
□ 경제성
○ 새로운 고속철도용 선로 건설에는 막대한 예산이 필요하다. 원문의 저자가 조사하여 제시한 자료에 의하면 1962년부터 2002년 까지 일 본, 프랑스, 스페인, 독일 등에서 지불한 km당 선로 건설비용은 적게 는 1992년 스페인이 430만 Euro(2004.10.19.현재 1 Euro≒1.25 $ ), 많 게는 1978년에 일본이 6700만 Euro를 지불한바 있는데 이는 선로 건 설지역의 지형조건, 지진에 대한 대비, 터널 공사의 수와 공사방법 등에 크게 좌우되는 것으로 분석된다.
○ 기존 선로를 개선하여 고속열차용 선로로 개선한다 하더라도 많은 비용이 소요되는데 영국이 런던 - Glasgow간 주행시간을 40분 단축 시키기 위하여 시속 170km를 주행할 수 있는 기존 선로를 시속 200km로 주행할 수 있도록 개선하는데 km당 2200만 Euro의 비용이 지불되었다.
○ 2003년 12월 최초로 중국에서 Pudong과 상하이 공항 간에 자기부상 열차가 운용되기 시작하였는데 시속 430km로서 31km를 불과 7.5분 만에 주파하였다. 그럼에도 불구하고 베이징과 상하이 간에는 자기부 상열차 대신 강철바퀴를 사용하는 새로운 선로를 건설하기로 하였는 데 이는 자기부상열차와 하부구조물의 제작비용, 현재 있는 Network 와의 조화, 여러 가지 제한사항 등 경제성을 분석해서 결정한 결과라 고 본다.
□ 환경문제
○ 원문의 저자는 환경적 측면에서 고속철도의 장점을 다음과 같이 분 석하고 있다. 철도는 다른 교통수단에 비해서 시간당 수송인원이 대 단히 많다. 자동차는 도로 폭 1m당 시간당 200명이고 버스는 1,500 명 인대 비해서 철도는 9,000명이다. 그리고 International Union of Railways의 보고서에 의하면 유럽연합에서 자동차의 외적비용은 1000명당 km당 50 Euro, 철도는 10 Euro로 보고되고 있으며 가장 중요한 외적 비용은 사고에 의한 비용이다. 사망자, 부상자 등을 비 교해 볼 때 자동차 보다는 철도가 안전하고 고속철도는 더욱 안전한 것으로 분석하고 있다. 한편 여러 가지 운송에너지 소모량 중에서 철 도가 소모하는 비율이 가장 낮다. 예를 들면 스웨덴에서는 철도가 교 통인원의 7%와 운송화물의 38%를 운송하는데 전체 수송 에너지의 1.8%를 사용하고 있으며 일본에서는 30% 이상 인원을 수송하는데 전체 수송 에너지의 7%만을 소모하는 것으로 분석하고 있다. 따라서 도로 교통인원을 철도 교통인원으로 유인할 수 있다면 교통사고로 인한 많은 사망자와 부상자를 감소시킴으로서 국민 건강관리 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 교통에너지 소모량도 적어서 경제적이 다. 그리고 철도의 주 장점이 전기를 사용하는 것이므로 대기 오염측 면에서 가장 친 환경적이라고 할 수 있다.
○ 철도의 속도가 증가함에 따라서 소음과 진동의 수준이 높아지므로 이를 감소하기 위한 노력이 여러 방면으로 필요하다. 차체를 유선형 으로 만든다든가 기어(gear) 등 작동부품을 외부적으로 감싼다든가 객차와 객차의 연결부위에서의 소음을 감소시킨다든가 터널에는 음 속 충격파를 감소시키기 위해서 공기가 빠져나갈 수 있도록 터널 천 장 위쪽에 후드를 만든다든가 하여 소음과 진동을 줄이기 위한 조치 가 필요하다. 또한 고속열차가 도회지 주변을 통과할 때는 주민들의 소음피해를 줄이기 위해서 방음벽 설치를 비롯한 소음방지 대책이 고려되어야 한다. 고속철도에 대한 소음과 진동방지 대책이 여러모로 시도 되었지만 성공적이지 못한 예도 있다. 1998년 최악의 고속철도 사고가 독일에서 발생하였는데 이는 방진바퀴(防振, resilient wheels) 를 사용함으로서 소음이 객실 내부로 전파되는 것을 방지하려고 한 것이 원인이 된 것이다.
3. 추후 전망
□ 효율적인 교통시스템은 국가 경제에 필수적이다. 영국에서 교통 혼잡으 로 인한 경제손실이 매년 140억 Euro나 되는 것으로 분석되고 있다. 원문 저자는 경제 규모가 커지면 그에 따라서 교통수단에 대한 요구도 커지는데 이 요구에 보조를 맞추어서 새로운 도로를 건설하는 것은 어 려우므로 추후 50년간 도시간의 교통증대 요구를 해결할 수 있는 것은 육상 교통수단으로서 단지 고속 철도 뿐이라고 주장하고 있다.
□ 철도의 속력을 증가시키는데 있어서 많은 제한 요소 중의 하나가 열차 바퀴의 회전 스트레스에 의해서 속력이 제한을 받는 것이다. 현제는 철(鐵)로 제작된 바퀴를 사용하였을 때 재질의 고유 강도로 인하여 궁 극적으로 최대 시속 400km를 얻을 수 있는 것으로 분석되고 있다. 그 리나 원문 저자는 특수한 선로를 사용함으로서 속도를 더 높일 수 있 다 하더라도 경제적인 측면을 고려하면 고속철도는 시속 350km가 가 장 적당할 것이라고 말하고 있다.
◁전문가 제언▷
□ 우리나라도 2004년 4월 1일 KTX 운행을 시작함으로서 프랑스, 일본, 독일, 스페인 등과 함께 고속철도 국가가 되었다. KTX는 1992년부터 2010년까지 총 18조 4,358억 원이 투입되는 건국 이래 최대의 국책사업 이다. KTX는 시속 300km로 서울 부산을 2시간 40분, 서울 광주 간을 2시간 58분 만에 주파함으로서 전국을 반나절 생활권으로 바꾸어 놓았 다. 금년 추석 연휴 때만 하더라도 하루에 11만 명을 수송함으로서 전 체 교통인구의 22%를 KTX가 분담하는 등 교통난 해소에 큰 몫을 담당 한 것으로 보도되고 있다. 앞으로 KTX는 지역경제 활성화, 핵심기술 파급, 외국 관광객 유치 등 경제적 효과, 산업적 효과, 사회문화적 효과 에도 크게 기여할 것으로 생각된다.
□ 한편 보도에 의하면 그동안 평균적으로 하루걸러 1건씩 크고 작은 사 고가 있는 것으로 나타나 있다. 사고의 내용은 차바퀴 마모를 비롯해서 차축 교체, 선로 고장, 보안장치 고장, 송전 고장 등 차량과 지원 장비 의 결함에 기인하는 것으로 생각되며 객실 내 외부의 소음크기도 기준 치를 넘는 것으로 나타나는 등 고속철도의 품질과 지원 시스템이 안정 화 되지 않은 것으로 보인다.
□ 앞으로 한국은 남북한 철도 연결을 통해서 언젠가는 중국과 러시아를 거처 유럽까지 연결되는 철도를 운영하게 되리라고 본다. KTX는 한번 에 수백 명의 인원을 태우고 시속 300km의 무서운 속력으로 주행하는 만큼 고속철도의 가장 기본적 요건인 안전대책 즉 제동, 화재, 통신, 신 호체계 등 각종 통제시스템의 비상대책이 확실하게 수립되어야 하며, 철도차량의 각종 구성 품과 지원 장비, 시스템에 대하여 보다 높은 품 질과 신뢰성을 유지할 수 있도록 해야 할 것이다. 그리고 KTX를 이용 하는 우리 승객들은 승객용 의자를 비롯한 객실 내 외의 크고 작은 여 러 편의시설물을 아끼고 소중히 다루어서 KTX의 수명이 오래도록 운 행될 수 있도록 협조하여야 할 것으로 생각한다.
