열차자동정지장치

Automatic Train Stop(ATS)

열차가 운행조건을 위반하는 경우 자동으로 멈추게 하는 운전보안장치이다. 크게 GO-STOP으로 통제하는 점제어식(ATS-S1)과 신호 단계에 맞춰 최대 속도를 조절할 수 있는 속도조사식(ATS-S2)으로 나눌 수 있다.

열차의 운행 상태를 검지하여 현시하는 신호에 따라 선로에 설치된 지상자에서 각기 다르게 발진하는 공진 주파수를 열차에 설치된 차상자가 검지하여 지정된 제한 속도에 맞는 기준패턴 속도주파수로 변조한다. 이 주파수는 운전지령속도가 된다.

차축에 설치된 속도발전기에서는 실제 속도에 맞는 실제 속도주파수를 발생시킨다. 이 주파수는 운전실제속도가 된다. 속도비교기에서 1)과 2)를 비교하게 된다. 이 때, 운전지령속도 < 운전실제속도일 경우 속도비교기의 출력이 off되고 AESR이 무여자된다. 또한, 3TR이 작동되어 3초 동안 알람벨이 울리게 된다. 3초 이내에 기관사가 확인제동을 체결해야 하며, 확인제동을 취급하지 않을 경우 즉시 비상 제동을 체결한다.

현재 국내에서는 점제어식과 연속제어식의 두 가지로 분류한다. 해외의 ATS는 이러한 분류를 적용하기 적절하지 않을 수도 있다.

일본의 경우 지상자형 ATS를 단변주식(정보가 1개)과 다변주식(정보가 여러개)으로 분류하고 있으며, 이 기준에 따르면 한국철도공사의 ATS-S1은 단변주식에, ATS-S2는 다변주식에 각각 해당한다. 다만 단변주식과 다변주식의 분류 자체는 점제어식과 연속제어식의 분류와 대응이 되지 않는다.

점제어식 ATS는 역이나 신호장에만 설비를 설치하는 것으로 비교적 저렴한 비용으로 구축할 수 있고 자동폐색식이 아닌 구간에도 설치가 용이하여 주로 장거리 간선 노선에 설치되었다.

Train Stop으로 불리기도 한다. 최초의 ATS 장치이며 과거의 도쿄메트로 긴자선, 마루노우치선, 나고야 시영 지하철 히가시야마선, 오사카메트로 미도스지선, 요츠바시선에서 쓰였던 기계식 열차자동정지장치. 서양에서는 지금도 오래된 노선(뉴욕 지하철 등)을 중심으로 사용하고 있다.

정지 신호가 현시되어 진행 방향의 좌측 또는 우측에 위치한 트레인 스토퍼가 돌출된 상태에서 정지 신호를 무시한 경우, 돌출된 트레인 스토퍼가 열차에 부착되어 있는 트립 콕을 건드리게 되는데, 이로 인해 제동관 압력이 개방되어 비상제동이 체결되는 구조이다. ATS-S와 유사한 구조이다.

ATS-S는 일본국유철도의 점제어식 ATS로 정지 신호인 경우 열차가 지상자를 지날 때 전파를 발신시켜 이를 열차 측 장치가 수신하면 경보를 울리고 일정 시간 이내 확인 조작[1]을 하지 않으면 비상제동을 체결해야 열차를 정지시킨다. 이후 경보 지속 버튼을 누를 때[2]까지 지속 경보음이 발생한다.

속도 조사 기능은 없었으나 이후 지상자를 일정 간격에 따라 2개 설치하고 첫 번째 지상자를 통과할 때 타이머를 작동시켜 두 번째 지상자에 일정 시간동안 정지 전파를 발신시키는 것으로 제한적인 속도 조사를 할 수 있는 일종의 핵이 발명(?)되어 분기기 등에 활용되었다. 하지만 열차가 60km/h 이상인 경우 기술적인 문제로 속도 조사를 할 수 없었기 때문인지 일본국철 시기에는 곡선 구간에는 활용되지 않았다. 메이테츠와 난카이 등 일부 사철의 경우 이런 원리로 작동하는 속도조사식 ATS를 사용했다.

이 형식의 ATS는 즉시 정지 기능이 없으므로 확인 조작만 하면 속도를 전혀 감속하지 않은 채 최고 속도로 모든 신호를 모진할 수 있는 설계상 결함이 존재한다. 놀랍게도 JR 발족 이후 한참이 지난 JR 후쿠치야마선 탈선사고 시점까지도 이러한 문제는 해결되지 않은 채로 남아 있었으며 이후 여러 압력으로 인해 현재 JR에서는 모두 ATS-Sx로 개선된 것으로 알려져 있다.

ATS-S1은 국내에서 사용되는 ATS-S의 파생형으로 지상자에서 130kHz 주파수를 송신하여 차상장치가 수신하면 경고음이 울리는데 이 때 기관사가 5초 이내에 확인 조작을 하지 않으면 비상제동이 작동한다. ATS-S와 기본적으로 동일하지만 지속 경보음은 없다. 국내에는 이 형태의 ATS로 속도 조사를 하는 방식은 없다.

전동열차(수도권 광역전철)에서는 보통 사용하지 않고 동두천~연천, 문산~임진강 등 일부 단선 구간에 한해 사용한다. 보통 3현시 구간의 간선 노선에서 사용하고 있다.

JR 발족 이후 개발된 ATS로 ATS-S에는 없었던 즉시 정지와 분기기 또는 곡선부 속도 조사 기능이 추가되었다.

ATS-S는 한 종류의 지상자만 존재하여 신호기로부터 일정 거리를 두고 설치되어 있는 지상자[3]를 지날 때 정지 신호라면 경고하고 반응이 없다면 정지하는 기능만 존재했으나 이로 인해 확인 취급에 익숙해진 운전사가 기계적으로 확인 취급을 하고 신호를 인식하지 못한 채로 넘어가는 사고가 다수 발생해 왔다. 이를 막기 위해 신호기 바로 앞에 새로운 종류의 지상자[4]를 설치하여 정지 신호를 넘어가는 경우 확인 취급 없이 열차를 즉시 정지시킨다.

또한 분기기나 곡선 구간에서 속도 조사의 기술적 한계를 극복하기 위해 차량 측에서 속도를 조사하여 제한 속도를 초과하면 확인 취급 없이 열차를 정지시킨다.

이 유형에서도 정지 신호 이외의 신호에 대해서는 방호되지 않고 속도 조사 기능도 없다.

ATS-B는 일본국유철도의 최초로 상용화된 ATS로 1954년 야마노테선과 케이힌토호쿠선에 도입되었다. 현재 주로 사용되는 지상자에 의한 ATS와는 달리 궤도회로의 통전 여부를 확인하는 간단한 구조로 되어 있다.

주의 신호일 때는 차량 측 장치에서 속도를 조사하여 제한 속도를 초과하면 브레이크가 작동하며, 정지 신호인 경우 특정 지점(B점)에 도달하면 경보를 울리고 15km/h 제한이 걸린다.

지상자가 없고 궤도회로에 의해 폐색구간 내 연속적으로 신호 상태가 수신되기 때문에 ATS-S와는 달리 확인 취급을 하면서 무한히 신호를 모진하는 것은 불가능하며, 차상장치가 속도를 조사한다는 점에 있어서 원시적인 궤도회로식 ATC에 가깝다고 볼 수 있다. 이를 개량한 것이 WS-ATC이다.

ATS-S1의 개량된 형태로 소개되고 있으나 차량 측 동작은 ATS-B에 가깝다.

이 형식부터는 전동차와 동력차의 동작이 다르고 지상자 위치를 달리하여 호환성도 없다. 전동차용 ATS-S2 지상자는 오른쪽에 설치하고 동력차용 ATS-S2 지상자는 ATS-S1과 같이 왼쪽에 설치한다. 단, ATS-S2 지상자의 정지 신호 주파수는 ATS-S1 지상자의 주파수 범위 내에 위치하므로 전동차가 전동차용 ATS-S2가 설치되지 않은 간선 노선에 진입하는 경우 ATS-S1로 작동한다.

이름은 동력차용이지만 간선 노선을 운행하는 일반열차용 전동차와 KTX에도 사용된다.

감속[5] 신호부터 속도 조사되며 각 신호별 제한속도를 초과한 경우 5초 이내에 제동 핸들을 작동하여 신호 제한속도 이하로 감속하지 않으면 비상 브레이크가 작동하여 열차가 정지한다.

정지 신호인 경우 즉시 비상제동이 체결돼 열차가 정지한다.

주의 신호(Y)부터 속도 제한되며(45km/s)각 신호별 제한속도를 초과한 경우 3초 이내에 제동 핸들을 4스텝 이상으로 체결하고 신호 제한 속도 이하로 감속하지 않으면 비상제동이 체결돼 열차가 정지한다.

정지 신호인 경우 비상제동이 체결돼 열차가 정지한다. 하지만 전동차는 보통 4현시 구간만 운행하도록 되어 있으므로 R1 신호와 R0 신호의 동작이 다른데, R1 신호인 경우 단순 스위치 조작[6]을 통해 15km/h 이내로 운전 재개가 가능하지만 R0 신호인 경우 특수 스위치[7] 조작[8]을 통해 1회만 15km/h 이내로 운전 재개가 가능하다.

패턴조사식 ATS는 연속제어식 ATS의 일종으로 볼 수 있지만, 상기한 유형의 ATS와는 달리 열차가 신호를 넘기 전에 연속적으로 속도를 조사하며 운전자의 개입 없이도 제한 속도까지 자동으로 감속시켜서 빠르게 운행을 재개할 수 있도록 하는 것이 목표이기 때문에 이 수준의 신호 장치는 열차자동방호장치로 분류하는 것이 더 적절하다.

일본국유철도에서 ATS-S의 단점을 보완하기 위해 개발한 차상속도조사식 ATS의 일종이다. 통신 방식이 근본적으로 달라 ATS-S와 호환되지는 않는다.

신호나 분기기, 곡선 등의 제한 구간에 진입하기 전 먼 거리부터 지상자가 발신하는 제한속도, 제한 지점까지의 거리를 수신하여 차량 측 장치가 현재 속도, 목표 속도를 토대로 미리 입력된 열차의 상용 제동 감속도를 이용해 속도 패턴을 계산하여 감속하며 여러가지 이유로 패턴을 벗어나 감속하지 못하는 경우 상용 최대 브레이크가 작동하여 열차가 정지한다.

양방향 디지털 통신이 가능하기 때문에 열차 방호 기능 이외에도 종별에 따른 정차역 경고나 건널목 차단 시간 등을 계산하는데에 활용하기도 한다.

비슷한 신호장비로 오다큐 전철에서 도입한 D-ATS-P라는 신호체계가 있다. 원래 오다큐 전철에서는 다변주식신호 ATS라는 속도조사식 ATS를 사용하고 있었는데 디지털 ATC에서 사용하는 궤도회로 제어를 도입하면서 지상자는 고정정보만을 담당하고 궤도회로가 변동정보를 담당하는 방식으로 ATS-P를 구현하였다.

기관차 등 자동공기제동을 사용하는 열차는 상용제동이 따로 없기 때문에 패턴 속도에 닿으면 즉시 비상제동이 작동한다. 이 경우 선로 여건이 나쁘지 않다면 반드시 신호 이전에 정차하므로 정차 후 확인 취급으로 즉시 운전 재개가 가능하다. JR 도카이의 ATS-PT의 경우 전동차도 이렇게 동작한다.

ATS-P는 기본적으로 모든 신호기에 대해 작동하지만 구축 비용의 이유로 전 구간에 걸쳐 설치가 곤란한 경우 장내 신호기와 출발 신호기에 대해서만 ATS-P에 의해 방호하도록 한 것이다. 현재 JR서일본만 사용하고 있으며, 그 외 JR의 경우 ATS-Ps나 ATS-D 또는 ATS-P 무전원 지상자의 개발로 사용 구간이 확대될 가능성은 낮다.

노선 사정이나 구축 비용 등의 이유로 지상자에 전력을 공급하는 것이 곤란한 경우 차상자가 보내는 전력을 이용해 교통카드와 유사한 기술로 작동하는 지상자이다.

JR 도카이의 ATS-PT 지상자가 기본적으로 이 형태로 설치된다.

ATS-S의 보완을 위해 ATS-P와 같이 패턴을 생성하지만 지상자의 작동 방식은 ATS-S와 동일하여 비용을 절감할 수 있다.

데이터 전송이 불가능하기 때문에 신호기와 지상자의 설치 위치는 고정되어 있으며 이를 통해 거리 데이터 없이도 속도 패턴을 생성하여 상용제동으로 감속하므로 적은 비용으로 ATS-P의 기능을 얻을 수 있다. 하지만 설계상 한계로 패턴이 생성된 이후에 거리를 보정할 기회가 한 번뿐이기 때문에 ATS-P와는 달리 목표 거리가 신호기의 위치와 맞지 않을 가능성이 있어 패턴의 종속도는 0km/h가 아니라 15km/h이며 이로 인해 ATS-S를 완전히 대체할 수는 없어 롱 지상자와 즉시 정지 지상자를 지날 때에는 ATS-S가 작동한다.

니가타와 센다이 지구에 설치하고 있는 방식이다.

ATS-S 보완형으로 ATS-S 전파와 디지털 신호를 동시에 송신할 수 있는 지상자를 사용한다.

ATS-D가 작동하고 있더라도 ATS-S 또한 항상 작동하며 이에 따라 ATS-D가 여러가지 이유로 작동하지 않는다면 자연스럽게 ATS-S가 개입하게 된다.

ATS-Ps와는 달리 운행 선구의 모든 정보를 메모리 카드에 저장하고 운행 개시 시 메모리 카드를 투입하여 사용한다. 차량 측 장치는 운행 개시부터 거리 정보를 계속적으로 감시하며 메모리 카드에 저장된 DB를 읽어 주행 중인 위치의 곡선이나 분기기 등의 제한 정보를 적용한다.

이때 지상자는 기본적으로 차량 측 장치의 누적된 거리 정보의 보정만을 하며, 다만 신호에 의한 제한이 발생하는 경우 신호의 현재 상태와 신호기까지의 거리를 발신하며 이 경우 ATS-P와 같이 속도 패턴이 만들어지며 감속을 유도한다. 이러한 지상자의 기능 차이로 인해 ATS-Ps와는 달리 거리 정보를 보정할 수 있는 기회에 제한이 없으므로 더 정확한 제어가 가능하다. JR 큐슈에서 이 기술을 활용한 ATO를 시험하고 있다.

대표적으로 JR 홋카이도(ATS-DN), JR 큐슈(ATS-DK), JR 서일본(ATS-DW)의 노선들이 이 신호 방식을 사용 중이다.

ATS는 2현시, 3현시, 4현시, 5현시 등으로 구별한다. 6현시 등도 있다.[9] ATS에서 신호의 현시는 철도신호기를 이용하는데 주로 색등식 신호기를 사용한다.

한국의 5현시 ATS 신호체계는 독자적으로 개발한 것으로, 80년대 경부선의 선로 용량 증대를 위해 샬롬엔지니어링 등 국내의 신호 업체와 구 철도청이 협력하여 만든 것이다.

  자세한 내용은 철도신호기 문서 참고하십시오.

간단하게 신호기에 진행(녹색)과 정지(적색)만이 있는 것으로, 가장 원시적이면서도 기초적인 방법이다.

사고 위험이 매우 높다. 중·고속으로 달리던 열차가 적신호를 보고 신호기 이전에 정차하는 것은 거의 불가능하기 때문이다. 그래서 현재에는 지방에 존재하는 몇몇 시골철도를 제외하면 거의 쓰이지 않는다.

전차로 고 시리즈에서는 여정편에서 이 신호가 자주 쓰이기도 한다. 대표적으로 에노시마 전철과 케이후쿠 전기철도.

철도신호기에 진행(녹색), 주의(황색), 정지(적색)이 있는 것으로, 철도회사별로 다르나, 진행신호의 경우엔 열차의 제한없는 진행을, 주의신호의 경우엔 45km/h의 제한[A]을, 정지신호의 경우엔 열차의 정지를 의미한다.

보통은 위로부터 녹-황-적색 순서대로 신호기가 구성된다.

철도신호기에 진행(녹색, 최고속도), 주의(황색 1개[A]), 경계(황색 2개, 25km/h), 정지(적색, 0km/h)의 방식과 진행(녹색, 최고속도), 감속(녹색 1개와 황색 1개[A]), 주의(황색 1개, 45km/h), 정지(적색, 0km/h)의 두가지 방식으로 나뉜다.

보통은 위로부터 황-적-녹 순서대로 등이 배치된다. 다만, 드문 케이스로 신정지선 신도림역 승강장 맨 앞에 있는 출발신호기가 위로부터 황-적-황-녹색 순으로 구성돼 있다.

철도신호기에 진행(녹색, 최고속도), 감속(녹색 1개와 황색 1개[A]), 주의(황색 1개[A]), 경계(황색 2개, 25km/h), 정지(적색, 0km/h)을 모두 현시하는 방식이다.

일본의 5현시 B형의 경우 호쿠호쿠선의 특급 하쿠타카 전용으로써 사용된 게 최초였는데, 당시에는 녹색신호 2개가 고속진행으로 1067mm 협궤에서 160km/h라는 엄청난 속도를 선보였다고 한다.[15] 현재는 츄오쾌속선 일부에만 사용되며, 역 간 거리가 긴 편인 도카이도 본선에서도 일부 사용된다.

구성 방식은 한국에서는 대체로 황1-적-녹-황2이거나 일본의 경우 드물게 황1-황2-적-황3-녹 이런 형식으로 구성되는 경우도 있다.

4현시 구간 정지(R1)는 독단적으로 15KS를 취급하고 15km/h 이하로 통과할 수 있으며, 절대정지(R0)는 관제실의 승인부터 받고 ASOS를 취급한 다음 통과할 수 있다.[사유] 절대정지 폐색신호기는 1회에 한정해서 통과하되 최초 열차는 25km/h 이하로, 그 외의 열차는 45km/h 이하로 운행해야 한다. 단, 통신 불량 같은 이유로 승인을 받을 수 없는 경우에는 일단 ASOS를 취급하고 기적을 수시로 울리면서 일어서서 10km/h 이하[17]로 주의운전할 수 있다. 만약 절대정지 구간에 들어가야 할 사유가 반복적으로 발생할 경우에는 구간별로 별도의 승인을 거쳐 ASOS를 취급해야 한다.

장내신호기는 25km/h 이하로 승강장 정위치까지, 출발신호기는 열차의 맨 뒷부분이 출발역 소속 제일 끝 선로전환기를 지날 때까지 25km/h 이하로 진행한 후 다음 폐색신호기까지 열차가 있으면 계속 25km/h 이하를 유지하고 없으면 45km/h까지 가속할 수 있다.

KTX는 신호에 대한 정보를 반드시 수신해야 하기 때문에 3현시 구간에서도 정지 신호 이외의 신호도 주파수를 현시하도록 설치되었다.

한국에 ATS가 처음 도입되던 1980년대에는 일부 로컬선의 경우 역 구내 진입에는 분명 ATS의 지상자가 있는데 신호기는 색등식 신호기가 아니라 구형 완목신호기(...)로 조합되어 있는 경우도 있었다.[18]

90년대에는 3현시로 진행신호를 구분했는데 신호등의 녹색과 붉은색의 위치가 정반대다.

전동차가 4현시 구간의 본선에서 진행 신호에 의해 운행 중 주의(경계)신호가 현시될 경우 45(25)km/h 이하로 속도를 줄여야 한다. 그러나, 신호의 지령속도를 초과하여 신호기의 방호구역 내로 진입할 경우, 3초간 알람벨을 울려 경보하고[19] ATS 속도계에 45(25) 표시등이 점등되며, 3초 이내에 확인제동을 하지 않을 때[20] 즉시 비상제동을 체결하여 열차가 멈추게 한다.[21] 당연한 얘기지만, 만약 열차가 멈춘다면 도착 시간이 상당히 지연되므로 반드시 신호를 지켜야 한다.

ATS와 비슷한 LZB[22]라는 신호시스템이 있는데, 독일 지멘스에서 개발한 방식으로, 선로 두 가닥 사이 정중앙에 특유의 선처럼 생긴 리니어식 지상자가 설치된 것이 특징이다. 이 지상자가 교차유도선 역할을 하며, 12km마다 블록(block)으로 나누어진 제어소와 열차 사이에 정보전송을 수행하는 방식으로, ATS-P와 유사한 기능을 제공한다고 한다. ICE 노선이 이 신호체계를 사용한다. ATP 방식으로 업그레이드된 버전인 LZB700M도 있는데, 서울 지하철 2호선과 인천 도시철도 1호선, 대전 도시철도 1호선에서 사용 중이다. LZB와는 달리 지상자가 없는 궤도회로를 사용한다. LZB700M의 경우 권고속도 및 속도곡선을 초과할 경우 가차없이 비상제동이 체결되며 완전정차 후 YARD 취급하여 속도코드가 수신되는 지점까지 25km/h 이하로 운전하여야 한다. 제동력이 부족한 차량을 수동으로 운행하는 경우 정차를 위한 제동 중 승무원에게 빅엿을 선사하곤 한다. 빡빡한 시간표 덕에 계속 경보음을 들으며 권고속도에 바짝 붙여 운전해야 하는 인천 1호선에서 간혹 경험할 수 있다.

ATS-S형의 경우 한국에선 S1인 점제어식과 S2인 속도조사식으로 구성되어 있다. 반면, 일본에선 같은 S형이라도 각 회사별로 신호종류의 차이가 약간 있는데, 대표적으로 "ATS-S"뒤에 각 JR 회사가 담당하는 지역의 알파벳이 붙게된다. 이는 해당 노선이나 운영회사에 맞게 개량된 버전으로 이해하면 되며, S의 개량형인 D형에도 똑같은 네이밍으로 붙게된다.. N은 홋카이도와 히가시니혼[23], W는 니시니혼, K는 큐슈, S는 시코쿠, T는 도카이, F는 화물이다. 참고로, JR 화물에서 사용중인 ATS-SF는 위에 서술되어 있는 모든 회사와 호환이 가능하게 되어있다. 이는 D형인 ATS-DF도 해당.