① AI와 미래철도
4차 산업혁명과 철도 기술의 새로운 가능성
디지털 혁신을 통한 철도 시스템의 고도화
AI와 IoT 기술 융합으로 미래철도 설계해야
인류가 탄생한 이후 산업이 발전하고 산업 발전과 더불어 선박, 철도, 자동차, 비행기 등 다양한 교통수단이 발전하였다. 철도는 증기기관차가 시속 8㎞로 달리던 것을 시작으로 이제는 시속 500㎞ 이상으로 운행이 가능한 수준으로 발전하였는데, 앞으로 어디까지 발전할 것일까?
4차 산업혁명 시대를 맞이하고 있는 현시점에서 우리나라 미래철도가 어떤 방향으로 나아가야 할지 고민해 보고, 기술적으로 그리고 경제적으로도 경쟁력이 있는 미래철도 산업 육성 전략을 수립할 필요가 있다. 본 칼럼은 이러한 필요성에 부응하여 국내 전문가들이 전문가 시각으로 보는 우리나라 철도의 미래발전 방향을 아래와 같은 내용으로 연속 게재하고자 한다. <편집자 주>
구정서 본지 편집위원장 / 서울과학기술대학교 교수.
흔히 지금은 4차산업혁명 시대라고 한다. 2016년 세계 경제 포럼(WEF)에서 클라우스 슈바프 박사에 의해 주창된 개념으로 디지털 혁명을 기반으로 물리적 기술(ICT, 빅데이터, AI, 자율로봇, IoT, AR/VR, 3D 프린팅, 나노기술, 양자 컴퓨팅 등)을 통합하여 경제 및 산업 등 모든 분야에 혁신적인 변화를 가져오는 기술 혁신을 의미한다.
인류문명은 과학적 발견과 이를 이용하는 기술혁신으로 발전해 왔다. 이를테면, 불이라는 과학적 발견은 제철기술과 금속도구의 사용을 가능하게 했고, 18세기 증기기관이라는 동력기관의 발명으로 이어져 1차 산업혁명을 가져오고, 공장 생산과 교통혁명(철도, 선박) 등 기계화 시대를 견인했다. 19세기 전자기현상이라는 과학적 발견은 2차 산업혁명(19세기 말 - 20세기 초)으로 이어졌다. 전기공학 기술은 내연기관 기술과 함께 대량 생산공장과 교통수단의 동력원이 되었고, 전화, 라디오, 전신 등 새로운 통신 수단도 발명되었다. 특히, 20세기 들어서 상대성이론, 초전도현상, 양자이론 등 현대물리학적 발견은 정보통신을 기반으로 한 첨단 ICT 기술(컴퓨터, 인터넷 등)인 3차 산업혁명으로 이어졌다.
여기서 흥미있는 점은 인류의 기술적 유산이 과거로 퇴행하지 않고 시대를 초월하여 계속 진보한다는 것이다. 1차 산업혁명의 핵심인 석탄 증기기관은 내연기관(가솔린, 디젤), 전기모터(전기, 2차전지, 연료전지) 등으로 진화하여 철도, 선박, 자동차 등에 사용되고 있고, 2차산업 혁명기술인 전기기술과 통신기술도 여전히 중요한 첨단기반기술이다. 한편 3,4차산업혁명기술은 구성에 별 차이가 없으나, 4차에서는 고도화된 컴퓨팅 및 통신 성능 향상을 바탕으로 사물, 기계, 사람 간의 지능화된 융합을 추구한다는 점이다. 그러나 4차산업혁명기술을 좀 더 넓게 보면, 통상적 4차 산업혁명 기술(ICT)로부터 기술발전 파급효과가 큰 친환경에너지, 초미세 및 첨단소재, 신약, 첨단우주항공 기술 등도 포함시킬 수 있다. 본격적인 4차산업혁명은 실시간 정보처리에 제한이 없어지는 양자컴퓨터의 실용화 이후가 될 것 같다.
그러면 4차산업혁명의 기술들은 철도교통에는 어떻게 활용될 수 있을까에 대하여 심도있게 분석 해보는 것(향후 연재될 칼럼 내용)도 매우 유익할 것이다.
고양차량기지 검수고에 있는 KTX / 사진=한국철도공사
우선 철도시스템을 크게 분류해 보면, 철도차량, 전기설비/신호통신/관제, 궤도/시설인프라, 철도운영/지원 등이다. 먼저 철도차량의 경우, 고속화, 친환경성, 고안전성, 스마트유지관리(CBM, PHM 등)가 가능한 제품설계/제조/검증/운용이 화두이고, 여기에는 공학해석과 AR/VR을 적용한 가상설계/검증(디지털 트윈기술), 3D 프린팅 시제와 자율로봇, IoT/ICT/AI/Big data를 이용한 자율주행과 안전성/스마트유지관리 체계구축, 친환경 2차전지와 수소연료 적용 등에 4차산업혁명 기술이 적용되어야 한다.
철도전기설비/신호통신/관제의 경우, IoT/ICT/AI/Big data 기반의 신철도관제시스템 개발하고, 철도 전력계통 각 설비에 지능형 전자장치(IED)를 적용한 스마트 전력 시스템 구축하며, 신철도관제시스템, 무인운전 철도차량시스템, 철도신호통신시스템을 유기적으로 연결하여, 통합 운영 시스템을 구축하는 등에 4차산업혁명 기술이 적용될 수 있다. 무선통신기반 열차제어시스템(RF-CBTC)이 적용된 신철도관제시스템은 더 안전하고 지능화된 무인운전과 이동폐색 시스템을 구현할 것이다.
한편 철도 궤도/인프라 분야에서 4차 산업혁명 기술의 도입은 다음과 같이 이루어지고 있다. 먼저 AI와 IoT 기술 적용하여 철도 인프라의 실시간 데이터를 수집하고 분석하여 철도시설관제시스템을 개발하고 있고, IoT 센서의 빅데이터를 활용하여 설계/시공/시설관리 등 철도건설 단계별로 적기공정, 품질관리, 안전관리에 효율적으로 적용하려고 하고 있다. 또한 철도 인프라의 BIM (Building Information Modeling)과 시뮬레이션 기술을 활용하여 디지털 트윈을 구축하여 실시간 모니터링과 예측 유지보수를 가능하게 할 것이다. 이러한 4차 산업혁명 기술의 도입을 통해 계획 및 설계에서 건설 및 운영에 이르기까지 프로젝트 수명 주기 전반에 걸쳐 더 나은 협업을 가능하게 하고, 철도 궤도/인프라의 안전성, 효율성, 그리고 유지보수 체계를 크게 개선하고 있으며, 철도 인프라 산업의 지속 가능한 성장을 견인하고 있다.
철도운영/지원 분야에서는 IoT/ICT/AI/Big data을 기반으로 지능화된 통합 운영시스템을 구축하여 더욱 안전하고 효율적인 철도 운영을 목표로 하고 있다. 구체적으로는 AI와 빅데이터 기반의 신철도관제시스템을 도입하여 최적화된 열차 스케줄을 자동으로 생성하고, 실시간 지연 검지 및 해소 방안을 제시할 것이다. 또 IoT와 빅데이터화 된 철도차량 및 철도시설 이력관리 시스템을 바탕으로 철도사고와 운행장애의 근본 원인을 사전에 관리하고, 사고 발생 시 빠른 원인 파악과 대응이 가능해진다.
앞으로의 칼럼에서는 분야별 기술전문가들이 4차산업혁명 기술을 신교통철도에 접목하는 방안을 집중 분석하고 제시하고자 한다.
/ 구정서 서울과학기술대학교 철도전문대학원 교수
① AI와 미래철도
4차 산업혁명과 철도 기술의 새로운 가능성
디지털 혁신을 통한 철도 시스템의 고도화
AI와 IoT 기술 융합으로 미래철도 설계해야
인류가 탄생한 이후 산업이 발전하고 산업 발전과 더불어 선박, 철도, 자동차, 비행기 등 다양한 교통수단이 발전하였다. 철도는 증기기관차가 시속 8㎞로 달리던 것을 시작으로 이제는 시속 500㎞ 이상으로 운행이 가능한 수준으로 발전하였는데, 앞으로 어디까지 발전할 것일까?
4차 산업혁명 시대를 맞이하고 있는 현시점에서 우리나라 미래철도가 어떤 방향으로 나아가야 할지 고민해 보고, 기술적으로 그리고 경제적으로도 경쟁력이 있는 미래철도 산업 육성 전략을 수립할 필요가 있다. 본 칼럼은 이러한 필요성에 부응하여 국내 전문가들이 전문가 시각으로 보는 우리나라 철도의 미래발전 방향을 아래와 같은 내용으로 연속 게재하고자 한다. <편집자 주>
흔히 지금은 4차산업혁명 시대라고 한다. 2016년 세계 경제 포럼(WEF)에서 클라우스 슈바프 박사에 의해 주창된 개념으로 디지털 혁명을 기반으로 물리적 기술(ICT, 빅데이터, AI, 자율로봇, IoT, AR/VR, 3D 프린팅, 나노기술, 양자 컴퓨팅 등)을 통합하여 경제 및 산업 등 모든 분야에 혁신적인 변화를 가져오는 기술 혁신을 의미한다.
인류문명은 과학적 발견과 이를 이용하는 기술혁신으로 발전해 왔다. 이를테면, 불이라는 과학적 발견은 제철기술과 금속도구의 사용을 가능하게 했고, 18세기 증기기관이라는 동력기관의 발명으로 이어져 1차 산업혁명을 가져오고, 공장 생산과 교통혁명(철도, 선박) 등 기계화 시대를 견인했다. 19세기 전자기현상이라는 과학적 발견은 2차 산업혁명(19세기 말 - 20세기 초)으로 이어졌다. 전기공학 기술은 내연기관 기술과 함께 대량 생산공장과 교통수단의 동력원이 되었고, 전화, 라디오, 전신 등 새로운 통신 수단도 발명되었다. 특히, 20세기 들어서 상대성이론, 초전도현상, 양자이론 등 현대물리학적 발견은 정보통신을 기반으로 한 첨단 ICT 기술(컴퓨터, 인터넷 등)인 3차 산업혁명으로 이어졌다.
여기서 흥미있는 점은 인류의 기술적 유산이 과거로 퇴행하지 않고 시대를 초월하여 계속 진보한다는 것이다. 1차 산업혁명의 핵심인 석탄 증기기관은 내연기관(가솔린, 디젤), 전기모터(전기, 2차전지, 연료전지) 등으로 진화하여 철도, 선박, 자동차 등에 사용되고 있고, 2차산업 혁명기술인 전기기술과 통신기술도 여전히 중요한 첨단기반기술이다. 한편 3,4차산업혁명기술은 구성에 별 차이가 없으나, 4차에서는 고도화된 컴퓨팅 및 통신 성능 향상을 바탕으로 사물, 기계, 사람 간의 지능화된 융합을 추구한다는 점이다. 그러나 4차산업혁명기술을 좀 더 넓게 보면, 통상적 4차 산업혁명 기술(ICT)로부터 기술발전 파급효과가 큰 친환경에너지, 초미세 및 첨단소재, 신약, 첨단우주항공 기술 등도 포함시킬 수 있다. 본격적인 4차산업혁명은 실시간 정보처리에 제한이 없어지는 양자컴퓨터의 실용화 이후가 될 것 같다.
그러면 4차산업혁명의 기술들은 철도교통에는 어떻게 활용될 수 있을까에 대하여 심도있게 분석 해보는 것(향후 연재될 칼럼 내용)도 매우 유익할 것이다.
고양차량기지 검수고에 있는 KTX / 사진=한국철도공사우선 철도시스템을 크게 분류해 보면, 철도차량, 전기설비/신호통신/관제, 궤도/시설인프라, 철도운영/지원 등이다. 먼저 철도차량의 경우, 고속화, 친환경성, 고안전성, 스마트유지관리(CBM, PHM 등)가 가능한 제품설계/제조/검증/운용이 화두이고, 여기에는 공학해석과 AR/VR을 적용한 가상설계/검증(디지털 트윈기술), 3D 프린팅 시제와 자율로봇, IoT/ICT/AI/Big data를 이용한 자율주행과 안전성/스마트유지관리 체계구축, 친환경 2차전지와 수소연료 적용 등에 4차산업혁명 기술이 적용되어야 한다.
철도전기설비/신호통신/관제의 경우, IoT/ICT/AI/Big data 기반의 신철도관제시스템 개발하고, 철도 전력계통 각 설비에 지능형 전자장치(IED)를 적용한 스마트 전력 시스템 구축하며, 신철도관제시스템, 무인운전 철도차량시스템, 철도신호통신시스템을 유기적으로 연결하여, 통합 운영 시스템을 구축하는 등에 4차산업혁명 기술이 적용될 수 있다. 무선통신기반 열차제어시스템(RF-CBTC)이 적용된 신철도관제시스템은 더 안전하고 지능화된 무인운전과 이동폐색 시스템을 구현할 것이다.
한편 철도 궤도/인프라 분야에서 4차 산업혁명 기술의 도입은 다음과 같이 이루어지고 있다. 먼저 AI와 IoT 기술 적용하여 철도 인프라의 실시간 데이터를 수집하고 분석하여 철도시설관제시스템을 개발하고 있고, IoT 센서의 빅데이터를 활용하여 설계/시공/시설관리 등 철도건설 단계별로 적기공정, 품질관리, 안전관리에 효율적으로 적용하려고 하고 있다. 또한 철도 인프라의 BIM (Building Information Modeling)과 시뮬레이션 기술을 활용하여 디지털 트윈을 구축하여 실시간 모니터링과 예측 유지보수를 가능하게 할 것이다. 이러한 4차 산업혁명 기술의 도입을 통해 계획 및 설계에서 건설 및 운영에 이르기까지 프로젝트 수명 주기 전반에 걸쳐 더 나은 협업을 가능하게 하고, 철도 궤도/인프라의 안전성, 효율성, 그리고 유지보수 체계를 크게 개선하고 있으며, 철도 인프라 산업의 지속 가능한 성장을 견인하고 있다.
철도운영/지원 분야에서는 IoT/ICT/AI/Big data을 기반으로 지능화된 통합 운영시스템을 구축하여 더욱 안전하고 효율적인 철도 운영을 목표로 하고 있다. 구체적으로는 AI와 빅데이터 기반의 신철도관제시스템을 도입하여 최적화된 열차 스케줄을 자동으로 생성하고, 실시간 지연 검지 및 해소 방안을 제시할 것이다. 또 IoT와 빅데이터화 된 철도차량 및 철도시설 이력관리 시스템을 바탕으로 철도사고와 운행장애의 근본 원인을 사전에 관리하고, 사고 발생 시 빠른 원인 파악과 대응이 가능해진다.
앞으로의 칼럼에서는 분야별 기술전문가들이 4차산업혁명 기술을 신교통철도에 접목하는 방안을 집중 분석하고 제시하고자 한다.
/ 구정서 서울과학기술대학교 철도전문대학원 교수