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Summary

목차

Contents 28

제1장 서론 30

제1절 연구개발의 필요성 30

1. 기술적 측면 30

2. 경제·산업적 측면 30

3. 사회·문화적 측면 31

제2절 연구개발의 목적 및 범위 32

1. 연구개발 최종목표 및 주요 기술개발 내용 32

2. 연차별 연구개발 목표 및 범위 32

제3절 추진전략 및 방법 35

제2장 국내·외 기술개발 현황 37

제1절 세계 각국의 고속철도 37

1. 일본의 고속철도 37

2. 프랑스의 고속철도 47

3. 독일의 고속철도 55

4. 스페인의 고속철도 60

5. 이탈리아의 고속철도 62

6. 중국과 대만의 고속철도 65

제2절 국내외 주요 국가의 고속철도 개발현황 67

1. 프랑스 67

2. 독일 67

3. 일본 68

4. 대한민국 69

제3절 고속철도 차량시스템 기술 분야별 개발현황 70

1. 차량시스템 70

2. 신호 76

3. 기타 77

제3장 1단계 주요 연구개발 내용 및 결과 79

제1절 1단계 1차년도 79

1. 시제차량 성능시험(공장내시험, 본선시운전 시험) 결과 분석 79

2. 시제차량 설계 기술자료 정비 131

3. 시제차량 품질관리체계 개선을 위한 기술자료 조사 및 분석 200

제2절 1단계 2차년도 222

1. 시제차량의 상용화 설계 개선안 222

2. 시제차량 부품의 신뢰성 보완 지원 247

3. 차량시스템 설계요구조건 분석 및 기술자료 정비 291

제3절 1단계 3차년도 318

1. 고속철도 차량시스템 설계체계(안) 318

2. 시제차량 설계검증 및 보완 지원 341

3. 차량시스템 및 부품의 품질관리 기술자료 정비 352

제4장 차량시스템 및 부품분야 설계체계 구축 371

제1절 차량시스템 및 부품분야 설계체계 개요 371

1. 설계체계 구축 배경 및 기본구조 371

2. 설계체계의 기준 및 범위 374

3. 고속철도 차량시스템 개발 프로세스 개요 377

제2절 차량시스템 설계 요구조건 체계 구축 378

1. 차량시스템 설계 요구조건 세부항목 검토 380

2. 차량시스템 설계 요구조건 구조 체계화(요건 아키텍쳐 분석) 409

3. 차량시스템 설계 요구조건(최조 시스템 사양서) 412

제3절 차량시스템 및 부품의 설계절차 413

1. 시스템엔지니어링 국제 표준에 따른 일반적 시스템 개발과정 413

2. 고속철도 차량시스템 및 부품의 설계절차(요약/종합) 419

제4절 차량시스템의 구성 420

1. 국내 관련 규정상의 철도용품 구분 420

2. 한국형 고속철도 시제차량의 구성 및 주요 특징 421

3. 한국형 고속철도 차량시스템의 구성체계(PBS) 423

제5절 차량시스템 및 부품의 설계 기술 428

1. 차량시스템의 성능 관리 기술 428

2. 차량시스템 및 부품의 설계 기술 439

3. 인터페이스 기술 440

제6절 차량시스템 및 부품 설계를 위한 프로젝트 관리 441

1. 목적 및 수행요건 441

2. 구성체계 442

3. 관리계획 수립 절차 (시스템엔지니어링 관리 계획서 작성) 443

제5장 차량시스템 및 부품 품질관리체계 구축 445

제1절 차량시스템 및 부품의 품질관리체계 구축 필요성 445

1. 국내 철도차량 분야의 품질에 대한 개념 445

2. 국내 철도차량 및 부품 산업의 특징 및 기술적 현실 445

3. 한국형 고속철도 시제차량의 개발과 국내외 시장으로의 진출 446

제2절 차량시스템 품질관리 기술자료 및 사례 조사/분석 448

1. 신뢰성 보완을 위한 고장모드 분석 기법 448

2. 철도차량 및 부품의 품질관리 사례 452

3. 시제차량 및 부품의 품질관리 현황 분석 467

제3절 국내·외 품질인증 체계 조사 및 분석 471

1. 국내·외 품질인증제도 운영 현황 471

2. 해외 품질선진국의 품질인증 체계 분석 472

3. 국내 철도관련 법규상의 품질인증 체계 분석 477

제4절 국내 품질시스템 운영 및 품질인증제도 도입 현황 483

제5절 차량시스템 및 부품의 품질관리체계 구축 484

1. 국내 철도 차량 및 부품 품질관리분야의 전개 방향 484

2. 목표 및 추진전략 485

3. 기술체계 구축 방안 490

4. 관리체계 구축 방안 491

제6장 시제차량(HSR350x) 성능검증 및 설계보완 지원 503

제1절 시제차량 설계개선 사례 종합 503

1. 차량 504

2. 추진 505

3. 제동 505

4. 집전 506

5. 대차시스템(대차프레임, 현가장치, 주행장치 등) 507

6. 열차진단 및 제어 507

7. 전원공급 508

제2절 신규 차량시스템 개발을 위한 설계 개선안 509

1. 시제차량 주요 시스템 분야별 설계 개선안 509

2. 사용자 요구에 따른 운전실 및 객실 개선안 521

제3절 시운전 시험평가관리 대책 성과 분석 535

1. 시제차량 본선 시운전 시험 관리체계 분석 535

2. 시운전 시험평가 관리 대책 성과분석 및 상용화 시운전 시험체계 보완 사항 542

제7장 연구개발 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 544

제1절 연구목표의 달성도 544

제2절 관련분야에 대한 기여도 546

제8장 연구개발결과의 활용계획 547

제9장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 550

제10장 참고문헌 553

부록 1. 한국형 고속전철(HSR 350x)의 기술개발과정 및 주요 성과 종합 556

목차 556

[제1부] 한국형 고속전철 기술개발 개요 560

제1장 기술개발의 필요성과 국내·외 여건 560

제1절 기술개발의 필요성 560

1. 국내 환경에 적합한 교통수단으로 인식 560

2. 물류비용 경감 561

3. 고속전철 시장 발전 가능성과 장기적인 경제성 확보 561

4. 도시간 중장거리 대량 교통수단 필요성 증대 562

5. 한반도 국토의 균형 발전 및 환경문제 해결 562

6. 경부고속전철 이전기술의 조기 정착 및 독자기술 확보 562

제2절 사업추진 당시 기술개발 실적 및 국내·외 여건 564

제2장 한국형 고속전철 기술개발 목표 및 내용 567

제1절 기술개발 목표 567

1. 최종목표 567

2. 차량시스템 설계를 위한 세부 설계목표 567

제2절 주요 기술개발 추진내용 568

1. 기술 분야별 주요 추진내용 568

2. 단계별 목표 및 주요 기술개발 내용 568

제3절 고속전철기술개발사업 연차별 과제 현황 570

제3장 추진체계 및 일정 571

제4장 시제차량(HSR 350x)의 편성 및 차량 개요 573

제1절 시제차량의 편성 573

제2절 동력차(Power Car) 575

제3절 동력객차(Power Car) 577

제4절 객차(Power Car) 580

제5장 한국형 고속전철의 주요 제원 및 성능 582

제1절 한국형 고속전철의 주요 제원 582

제2절 KTX와 주요 성능 비교 586

1. 추진시스템 586

2. 제동시스템 590

3. 전원공급시스템 592

4. 열차제어 및 진단시스템 597

제6장 HSR 350x의 주요 개발시스템 및 부품 602

[제2부] 한국형 고속전철 차량시스템 개발과정 607

제1장 한국형 고속전철의 개념설계 607

제1절 고속전철 시스템 요구조건 검토 607

제2절 차량시스템의 기술검토 및 기본모델 비교/분석 613

제3절 기본모델의 평가 및 최종 차량시스템 편성안 결정 616

제2장 주요 부품의 개발과정 및 기술 특성 619

제1절 디자인 619

1. 차량 외형 디자인 619

2. 차량 실내 디자인 623

3. 정보표시(정보현시) 629

4. 서비스 설비 631

제2절 차체분야 634

1. 차체 634

2. 전두부 형상 636

3. 전두부 연결장치 및 충격흡수장치 638

4. 출입문 642

제3절 추진시스템 643

1. 주전력 변환장치 645

2. 견인전동기 648

제4절 제동시스템 650

1. HSR 350X 제동시스템의 구성 650

2. 제동시스템의 인터페이스 653

3. 제동블렌딩제어장치(BBCU) 655

4. HSR 350X의 기초 공기제동장치 657

5. 와전류 제동장치 659

6. 속도연산장치(SPMD)와 속도센서 662

제5절 주전원시스템 664

1. 판토그라프 665

2. 주변압기 670

3. 보조전원장치 673

제6절 주행시스템 680

1. 대차시스템 680

2. 감속구동장치 688

제7절 열차제어시스템 692

1. 자동열차제어시스템 692

2. 차량진단처리 및 열차제어시스템 696

제3장 시제차량 제작(부품 통합 과정) 703

제1절 구체제작 703

제2절 구체조립 706

제3절 구체 도장 708

제4절 내장/의장 710

제5절 기장 713

제6절 운전실 내장/기장 717

제7절 대차차입 718

첨부. 1 고속철도 시스템 요구조건(1안 : 1997.1.20) 721

첨부. 2 고속철도 시스템 요구조건(2안 : 1997.5.27) 736

첨부. 3 고속전철기술개발사업 연차별 과제현황 749

부록. 2. 한국형 고속전철 시제차량 부품구성체계(PBS) 770

표 2.1.1. 일본의 주요 고속전철차량 개요 38

표 2.1.2. 프랑스의 주요 고속전철차량 개요 49

표 2.1.3. 독일의 주요 고속전철차량 현황 56

표 3.1.1. 공장내시험 항목의 구분 79

표 3.1.2. 본선시운전 시험 수행업무 및 조직 81

표 3.1.3. 동력차 단차시험 주요 항목에 대한 시험수행결과 81

표 3.1.4. 동력객차/객차 단차시험 주요 항목에 대한 시험수행결과 85

표 3.1.5. Power Unit 시험 주요 항목에 대한 시험수행결과 86

표 3.1.6. 열차 편성시험 주요 항목에 대한 시험수행결과 88

표 3.1.7. 1차년도 주요 시운전 시험 수행 현황 91

표 3.1.8. 성능시험결과 및 성능해석결과 비교/검토 대상 105

표 3.1.9. 차체 하중시험 항목 106

표 3.1.10. 각 하중조건별 최대응력 107

표 3.1.11. 동력차 중량 계산값 108

표 3.1.12. 동력차 구조해석 하중조건 109

표 3.1.13. 동력차에 사용된 재질특성 109

표 3.1.14. 동력차 구조해석 결과 110

표 3.1.15. 각 하중조건 별 최대응력 비교 111

표 3.1.16. 차체 하중시험 항목 112

표 3.1.17. 각 하중조건 별 최대응력 113

표 3.1.18. 객차 구조해석 하중조건 115

표 3.1.19. 객차에 사용된 재질특성 115

표 3.1.20. 객차 구조해석 결과 115

표 3.1.21. 각 하중조건 별 최대응력 비교 116

표 3.1.22. 동력차 중량시험 평가기준 118

표 3.1.23. 동력차 중량시험 118

표 3.1.24. W2 상태에서 분석 결과 119

표 3.1.25. W0 상태에서 분석 결과 120

표 3.1.26. 차량 중량 120

표 3.1.27. 측정 실내소음도의 최대값과 평균값(Leq(A)) 123

표 3.1.28. 해석 실내소음도의 평균값(Leq(A)) 124

표 3.1.29. 실내소음도의 시험 및 해석 결과 비교자료(Leq(A)) 125

표 3.1.30. HVAC 및 여압장치 개선을 통한 차량 실내소음 저감 방안 126

표 3.1.31. 제동시스템 성능 시험결과 127

표 3.1.32. 제동시스템 성능 해석결과 129

표 3.1.33. 제동시스템 성능 시험결과 및 해석결과 비교표 130

표 3.1.34. RDD-100의 대표적인 기능 141

표 3.1.35. 해외 주요 고속전철 차량시스템 148

표 3.1.36. 사용된 좌표계 171

표 3.1.37. 탑재될 단위부품의 예 (동력차) 173

표 3.1.38. 기본차량 정의 173

표 3.1.39. 차량간 연결관계 정의 174

표 3.1.40. 배선/배관의 방향정의 175

표 3.1.41. 기본차량의 연결상태 정의 175

표 3.1.42. 연결기 및 방향성 조건에 의한 G7 고속전철의 전체차종의 예 176

표 3.1.43. MEA와 FTA의 비교 204

표 3.1.44. 고속용 판토그라프의 개발 체계 216

표 3.1.45. 판토그라프 품질확인 항목 217

표 3.2.1. 고속철도의 핵심기술 비교 224

표 3.2.2. 차량별 실내 주요 치수 226

표 3.2.3. 상용차량 설계 개선 주요내용 247

표 3.2.4. 본선시운전 주요 항목 249

표 3.2.5. 주요 시험 주행 안전성 분석 결과 (대차 횡 가속도) 250

표 3.2.6. 동적 주행안전성 적용기준(UIC 518 참고) 252

표 3.2.7. 동적 주행 안전성 분석 결과(UIC 518 적용) 254

표 3.2.8. 주행성능 시험 결과 258

표 3.2.9. 승차감 지수 259

표 3.2.10. 판토그라프 평균 접촉력 261

표 3.2.11. 실내소음 해석결과 263

표 3.2.12. LCC분석의 이해당사자와 활용 이익 267

표 3.2.13. 고장 가능성 곡선의 구분 282

표 3.2.14. 고속전철 시스템 주요 용어 정의내용 294

표 3.2.15. 요구조건 분류 내용 298

표 3.2.16. 고속전철 차량시스템 주요 분류 내용 298

표 3.2.17. EIA-632 요구조건 논증기준 300

표 3.2.18. 고속전철 차량시스템 요구조건 분석결과 301

표 3.2.19. 전주기 단계별 이해당사자 정의 307

표 3.2.20. 시제차량 설계요구조건 중 승객 요구조건 308

표 3.2.21. 시제차량 설계요구조건 중 정비사 요구조건 309

표 3.2.22. 시제차량 설계요구조건 중 기관사 요구조건 309

표 3.3.1. 설계체계 주요 목차(안) 319

표 3.3.2. 한국형 고속전철 차량편성안에 대한 LCC 분석 결과 322

표 3.3.3. 일반적 차량시스템 설계과정 324

표 3.3.4. 기획단계 주요 수행업무 구분 325

표 3.3.5. 본선 시운전 시험에 대한 각 기관의 역할 330

표 3.3.6. 시운전 시험평가에 대한 각 조직원의 역할 331

표 3.3.7. 사양서 종류 및 내용 339

표 3.3.8. 판토그라프 주요 사양 및 기준 344

표 3.3.9. 판토그라프 구조의 성능 및 검사 항목 347

표 3.3.10. 최고속도 부근에서의 집전특성 측정 및 분석결과 351

표 3.3.11. 한국형 고속철도 주요 참여업체 품질인증 획득현황 366

표 4.2.1. 고속전철 시스템 주요 용어 정의내용 383

표 4.2.2. 해외 주요 고속전철 차량시스템 385

표 4.2.3. Summary Characteristics Of Recent Shinkansen Production Trainsets 388

표 4.2.4. TGV Rolling Stock Characteristics 393

표 4.2.5. Key Characteristics Of Ice Rolling Stock 399

표 4.2.6. 한국형 고속전철 시스템 요구조건의 항목 및 구조 410

표 4.2.7. 차량시스템 사양서 목차 412

표 4.3.1. 고속철도 차량시스템 및 부품의 설계단계별 주요 활동 및 결과 419

표 4.4.1. 철도표준규격의 철도용품별 분류기호 421

표 4.5.1. 원점에 대한 데이터 offset 429

표 4.5.2. 시제차량 개발 과제별 개발품 중량데이터 관리 사례 430

표 4.5.3. 시제차량 차량정보 관리 사례 432

표 4.5.4. 부품정보의 예 432

표 4.5.5. 고속전철의 소음원 구분( 실내소음과제 제공) 434

표 4.5.6. 시제차량의 소음도 해석 조건 및 대상 선정(사례) 435

표 4.6.1. 차량시스템 엔지니어링 관리 구성 442

표 5.2.1. MEA와 FTA의 비교 452

표 5.2.2. 고속용 판토그라프의 개발 체계 465

표 5.2.3. 판토그라프 품질확인 항목 466

표 5.3.1. TUV의 시험, 검사 및 인증분야 475

표 5.4.1. 한국형 고속철도 주요 참여업체 품질인증 획득현황 483

표 5.5.1. 중간검사 실시내용 497

표 5.5.2. 최종검사 실시내용 498

표 6.1.1. 시제차량 차량분야 주요 설계개선 사례 504

표 6.1.2. 시제차량 추진장치분야 주요 설계개선 사례 505

표 6.1.3. 시제차량 제동장치분야 주요 설계개선 사례 505

표 6.1.4. 시제차량 집전장치분야 주요 설계개선 사례 506

표 6.1.5. 시제차량 대차시스템분야 주요 설계개선 사례 507

표 6.1.6. 시제차량 열차진단 및 제어장치분야 주요 설계개선 사례 507

표 6.1.7. 시제차량 전원공급장치분야 주요 설계개선 사례 508

표 6.2.1. 차량별 실내 주요 치수 511

표 6.2.2. 상용차량 설계 개선 주요내용 534

표 6.3.1. 본선 시운전 시험에 대한 각 기관의 역할 536

표 6.3.2. 시운전 시험평가에 대한 각 조직원의 역할 538

표 7.1.1. 연구평가의 착안점 및 척도에 따른 달성도 545

표 8.1.1. 차세대 고속철도기술개발 사업 참여를 통해 예상되는 설계체계의 보완 548

표 3. 고속전철기술개발사업 주요 추진내용 568

표 4. 고속전철기술개발사업 단계별 목표 569

표 5. 고속전철기술개발사업 1단계 과제 현황 [세부현황 #첨부. 3 참고] 570

표 6. HSR 350x의 주요 제원 583

표 7. HSR 350x와 KTX의 차량 주요 치수 비교 583

표 8. HSR 350X와 KTX의 차량 비교 584

표 9. HSR 350x와 KTX의 객실 제원 비교 585

표 10. 견인전동시 주요 제원 587

표 11. 주변압기 주요 제원 587

표 12. 주전력 변환장치 주요 제원 588

표 13. HSR 350X와 KTX의 추진성능 비교 589

표 14. 제동시스템 요구사항 및 설계사양 592

표 15. 보조컨버터의 주요 특성 비교 595

표 16. VVVF 인버터의 주요 특성 비교 595

표 17. CVCF 인버터의 주요 특성 비교 596

표 18. 배터리 충전기의 주요 특성 비교 596

표 19. Active Filter의 주요 특성 비교 597

표 20. HSR 350x와 KTX의 제어사양 비교(1) 600

표 21. HSR 350x와 KTX의 제어사양 비교(2) 601

표 22. 고속전철 차량시스템 개념설계 단계별 주요 고려사항 608

표 23. 한국형 고속전철 시스템 요구조건의 항목 및 구조 609

표 24. 운행요구조건 주요 검토내용 610

표 25. 설계요구조건 주요 검토내용 610

표 26. 검토 대상 한국형 고속전철 차량시스템 편성안의 데이터 614

표 27. 차량 편성안에 대한 기술적·경제적 평가항목 616

표 28. HSR 350x의 좌석 사양 626

표 29. HSR 350x의 기밀대책 635

표 30. HSR 350X와KTX의 공력저항 비교표 638

표 31. HSR 350X의 전두부 충격흡수장치 제원 641

표 32. 각국의 견인전동기 사양 비교 644

표 33. 주전력 변환장치의 주요 사양 646

표 34. HSR 350X 견인전동기의 주요 사양 649

표 35. HSR 350X 시제열차의 대차별 제동방식 651

표 36. 제동블렌딩제어시스템(BBCU)의 사양 656

표 37. 휠디스크와 축디스크 제동장치의 비상/긴습제동시 속도별 제동력 659

표 38. HSR 350X의 와전류제동장치 사양 661

표 39. HSR 350X 판토그라프의 저소음 고속풍동시험 및 결과 666

표 40. HSR 350X 한국형 고속용 판토그라프의 제원 669

표 41. HSR 350X와 KTX의 변압기 주요 제원 비교 670

표 42. HSR 350X 주변압기의 주요 사양 671

표 43. HSR 350X 보조 컨버터 기본사양 677

표 44. HSR 350X의 대차구성 681

표 45. HSR 350X 동력차 대차의 주요 특징 682

표 46. HSR 350X 동력객차 대차의 주요 특징 683

표 47. HSR 350X 부수대차의 주요 특징 684

표 48. HSR 350X의 현가장치 구성 687

표 49. HSR 350X 감속구동장치의 주요 제원 691

표 50. HSR 350X의 SCU와 KTX의 OBCS의 비교 702

I. 제목

고속철도 차량시스템 설계체계 기술개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

□ 연구개발의 목적

향후 국내외 수요에 대응할 수 있는 차량시스템 설계체계 정비를 위하여 시제차량의 성능시험 평가결과 분석과 문제점 분석, 차량 실용화개발을 위한 전주기 프로그램 정비, 차량 및 부품 품질관리 체계 구축

□ 필요성

- 기술적 측면

차량시스템 엔지니어링기술은 G7 고속전철기술개발사업을 통하여 고속전철의 개념설계 및 분석, 통합 및 인터페이스 등의 분야에 대해서는 관련기술을 확보하였다. 그러나 차량시스템 엔지니어링기술이 경험적인 요소가 강한 점을 고려할 때 차량시스템의 실용화를 위한 설계기술과 차량시스템 및 부품의 신뢰성 확보를 위한 기술 미흡한 실정이다. 따라서 G7 고속전철기술개발사업을 통하여 축적된 차량시스템 및 부품분야의 시스템 엔지니어링기술을 체계화하고 품질관리 체계를 구축하여 국내 철도차량 및 부품산업분야에 시스템 엔지니어링기술을 경험적 수준으로 정착시키고 고속철도 차량시스템의 해외시장 진출 등 보다 폭넓은 상황에 대비하는 노력이 필요한 상황이다.

- 경제·산업적 측면

독자적인 차량설계 기술의 확보는 차량 및 부품의 국산화에 따른 수입대체와 수출증대 뿐만 아니라 차량의 운행에 따른 유지보수 비용 등과 직결되어 있으므로 차량시스템 및 차량부품의 성능향상을 위한 기술개발이 절실히 요구된다. 고속전철의 경우, 호남/전라 고속철도 차량으로 결정됨에 따라 이에 따른 차량 및 유지보수품의 납품과 현재 운행 중인 경부고속철도 차량 및 유지보수 부품에 대한 후속 물량이 꾸준히 예상되고 있어 차량시스템 및 부품에 대한 기술개발이 보다 절실히 요구되는 상황이다. 한국형 고속철도 개발을 계기로 고속철도 분야가 국내 철도산업 전반에 주도적인 역할을 자리매김 한 만큼 고속철도 차량시스템 및 부품에 대한 지속적인 기술개발 결과는 기타 철도차량분야로 그 효과가 확대되어 낙후되어 있던 국내 철도산업의 기술적, 관리적, 제도적 측면에서의 성장에 기여할 것으로 기대된다.

- 사회·문화적 측면

국민소득의 향상에 따라 교통에 소비되는 시간가치가 급격히 증가하면서 국민생활과 경제활동의 기반인 교통수단, 그 중에서도 중·장거리 도시간 철도교통의 고속화가 절실하게 요구된다. 또한 현재 건설 중에 있는 경부고속전철은 물론 앞으로 호남지역의 호남선 고속전철의 건설로 국토의 동서간의 균형적인 발전을 기대할 수 있으며, 또한 남북통일을 고려한다면 서울과 신의주, 서울과 원산, 함흥을 잇는 고속전철의 건설은 남북 물자교류 뿐만 아니라 한반도의 사회·문화교류에도 큰 몫을 할 것이다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

연차별 연구개발 내용 및 범위는 아래와 같다.

가. 1차년도

□ 시제차량 성능시험 결과 분석

- 차량 공장내시험 및 본선 시운전 시험 결과 분석

- 시제차량 성능시험 결과 및 성능해석 결과의 비교 분석

- 시제차량 품질관리 문제점 분석

□ 차량시스템 설계 요구조건 항목 조사/분석

- 차량시스템 설계체계 정비를 위한 차량시스템 설계요구조건 및 항목 조사/분석

- 차량시스템 실용화를 위한 설계 전주기 프로그램 구축 방안 수립

나. 2차년도

□ 시제차량 설계보완 지원

- 성능시험 결과에 따른 보완설계

- 경제성, 비용, 유지보수 개념을 도입한 설계

□ 시제차량 부품 신뢰성 지원

- 시운전 시험과정에서의 문제점 보완 대책 제시

- 전주기 수명을 고려한 차량 및 부품의 성능과 신뢰성 확보를 위한 제안

□ 차량시스템 설계 요구조건 등 기술자료 정비

- 전주기 등 상용화 설계를 위한 시스템엔지니어링 기술 적용

- 응용부품 사양 결정 및 성능검증 대책 제시

□ 차량시스템 실용화를 위한 시스템엔지니어링 전주기 프로그램 구축

- 전주기 프로그램 구축

- 모듈개발 사례 착수

다. 3차년도

□ 시제차량 설계 검증 및 보완 지원

- 설계검증을 위한 시제차량 성능 확인

- 성능 검증 및 차량시스템과 주요 서브시스템 설계개선 지원 및 문제점 분석

- 시제차량 시스템 설계체계 검토 및 대책 제시

□ 차량시스템 및 부품분야 시스템엔지니어링기술 기술자료 정비

- 시스템엔지니어링 체계와 연계된 차량시스템 및 기술자료 정비

- 운영 및 유지보수 체계 점검

- 신규 차량개발 관리체계 제시

- 관련 자료의 전산화 및 DB화를 통한 설계 체계화 기반 조성

□ 차량시스템 및 부품 품질관리 기술자료 정비

- 시험평가 과정에서의 관리체계 검토 및 대책 제시

- 차량시스템 서브시스템 및 부품별 품질관리 현황 분석

- 국내외 인증 체계와의 연계현황 검토

라. 4차년도

□ 시제차량 설계 보완 및 성능 검증 지원

- 주요 서브시스템 성능확인 및 설계개선 성과 종합

□ 차량시스템 및 부품분야 시스템엔지니어링 기술 체계구축

- 설계프로세스, 자료구조, 관리체계 확립

- 시스템 활용방안 및 개선방안 제시

□ 차량시스템 및 부품 품질관리 체계 구축

- 차량시스템 및 부품 품질관리 현황분석 종합 및 모델 구축

IV. 연구개발결과

가. 1차년도

□ 시제차량 성능시험 결과 분석

- 차량 공장내시험 및 본선 시운전 시험 결과 분석

시제차량에 대한 공장내시험 및 본선 시운전시험의 주요 시험결과에 대한 분석과 더불어 시험 시 및 시운전 중에 발생한 문제점에 대하여 원인의 분석과 주요 사안별 또는 기기별 문제점의 발생내역 등을 정리하였다. 또한 시험결과에 따른 설계변경 또는 보완이 필요한 기기에 대하여 정리하였다.

- 시제차량 성능시험 결과 및 성능해석 결과의 비교 분석

현재 주행시험 중인 시제차량의 성능을 비교분석하기 위하여 기 수행된 성능시험과 성능해석 수행현황을 점검하고 시험 및 해석결과 비교검토를 통하여 완성차량의 성능검증, 차량의 성능 보완을 위한 방향제시 및 시험평가체계의 개선점을 제시하였다.

- 시제차량 품질관리 문제점 분석

차량시스템 및 부품의 개발 측면에서의 품질관리에 대하여 해외의 사례를 조사하하여 차량시스템에 대해서는 소음관리 측면에서의 절차를 부품측면에서는 일본의 판토그라프 개발체계를 기초로 하여 G7 기술개발사업 추진체계에 있어서 품질관리 측면의 문제점을 분석하고 공장내시험 및 시운전 시험 등을 결과를 품질관리측면에서 분석하였다.

□ 차량시스템 설계 요구조건 항목 조사/분석

- 차량시스템 설계 요구조건 및 항목 조사/분석

설계요구조건 및 항목의 조사와 분석은 차량시스템에 대한 기술검토의 필요성, 요구조건에 대한 검토 및 시스템 구성요소별 설계요구조건에 대한 검토 등을 통하여 차량시스템의 설계요구조건에 대한 핵심을 파악하고 실용화 차량을 중심으로 확인 및 보완하였다.

- 설계 전주기 프로그램 구축

차량시스템 설계 체계 개발을 위하여 차량의 개념설계 단계부터 운영단계까지를 고려한 차량시스템의 설계전주기 프로그램의 필요성 및 기능적 요구조건에 대한 검토와 차량제작 단계별로 프로그램의 적용을 위한 차량제작과정의 분석과 더불어 유사 프로그램의 분석을 통한 차량제작단계별 필수 데이터 및 기술자료 항목을 분석하였으며, 그 결과로 설계전주기 프로그램에 대한 체계 구성안의 제시와 상세 구축사양을 제시하였다.

나. 2차년도

□ 시제차량 설계보완 지원

- 성능시험 결과에 따른 보완설계

현재 주행시험 중인 시제차량의 성능을 비교분석하기 위하여 기 수행된 성능시험과 성능해석 수행현황을 점검하고 시험 및 해석결과 비교검토를 통하여 완성차량의 성능검증, 차량의 성능 보완을 위한 방향제시 및 시험평가체계의 개선점을 제시하였다.

- 경제성, 비용, 유지보수 개념을 도입한 설계

차량의 성능향상뿐 아니라 유지보수 개념을 도입한 상용차량 설계 개선안을 제안하였다. 또한 설계, 제작, 시험평가 과정을 통해 문제점으로 지적되었던 부분들을 보완하고 개선하며 사용자 입장에서의 요구사항을 반영할 수 있는 상용차량 설계안을 제안한다.

□ 시제차량 부품 신뢰성 지원

- 시운전 시험과정에서의 문제점 보완 대책 제시

시제차량에 대한 공장내 시험 및 본선 시운전시험의 주요 시험결과에 대한 분석과 더불어 시험 시 및 시운전 중에 발생한 문제점에 대하여 원인의 분석과 주요 사안별 또는 기기별 문제점의 발생내역 등을 정리하였다. 또한 시험결과에 따른 설계변경 또는 보완이 수행된 항목을 분야별로 정리하였으며 부품별 유지/보수 현황 분석을 통하여 부품별 신뢰도 경향을 파악하였다.

- 전주기 수명을 고려한 차량 및 부품의 성능과 신뢰성 확보를 위한 제안

LCC(Life Cycle Cost) 분석은 여러 종류의 분석을 포함하는 종합적인 방법으로 예를 들어 신뢰성, 가용성, 유지보수성(RAM) 분석과 경제 분석, 위험성 해석 등을 포함한다. LCC의 주요 목표는 전주기에 걸친 제품의 모든 비용을 정량화하는 것으로써 이미 알려진 바와 같이 LCC는 제품의 구입, 설계의 최적화 또는 유지보수계획을 하는 데 있어서 올바른 판단을 하기위한 유용한 정보가 된다. 이러한 LCC를 철도차량에 적용하기위한 방안에 대하여 검토하였다.

□ 차량시스템 설계 요구조건 등 기술자료 정비

- 전주기 등 상용화 설계를 위한 시스템엔지니어링 기술 적용

전주기를 고려한 시스템엔지니어링기술의 적용에 있어서 가장 기초가 되는 분야로써 기술개발 및 상용화의 최종 목표라고 할 수 있는 항목들을 도출하여 이를 기술적으로 분석하는 일은 매우 중요하다고 하겠다. 따라서 지금까지의 기술개발체계를 점검함과 동시에 경쟁력 있는 상용화 차량시스템 설계를 위한 요구조건 항목의 조사와 이에 대한 분석을 수행하였다.

- 응용부품 사양 결정 및 성능검증 대책 제시

고속전철 시스템 사양서에 포함되어 있는 요구조건 항목과 구조에 대한 전반적인 내용을 정리하였고 시제차량 시스템 설계요구조건의 각 항목에 대하여 그 만족 여부를 점검하였다. 또한 전주기 단계에 걸친 이해당사자 식별과 고속전철 개발과 관련된 사례분석을 통하여 상용화 차량시스템 설계를 위한 요구조건 및 사양의 항목을 보완하였다.

□ 차량시스템 실용화를 위한 시스템엔지니어링 전주기 프로그램 구축

- 전주기 프로그램 구축

고속전철 차량시스템과 같은 대형 시스템의 경우 체계적인 개발이 필요함에도 불구하고 그동안의 고속전철개발사업은 임시방편적인 접근방법을 통해서 그 개발이 이루어졌다. 따라서 전주기를 고려한 상용화 차량시스템의 설계는 물론이고 더 나아가 국제 시장에 능동적으로 대처하기 위한 고속전철개발 절차서라고 할 수 있는 표준화된 자료가 요구된다고 하겠다. 이를 위하여 요구조건 분석에서 폐기에 이르는 전주기 동안의 기술 활동 절차 및 내용 그리고 수행주체 등을 정리하고 이를 또한 시스템 설계와 관리적 측면으로 나누어 효율적인 고속전철 개발을 위한 표준을 제시하고자 하였다.

- 모듈개발 사례 착수

G7고속전철개발 및 시험/평가 과정을 통하여 생성된 기술자료의 확보와 분류 및 체계화를 통해 향후 상용화 고속전철 차량시스템 개발시 유용한 설계 참고자료로서의 활용을 지원하기 위하여 체계적이고 효율적인 설계체계화 데이터베이스 시스템을 개발을 위한 기초자료 수집과 이러한 자료의 체계적인 관리를 위한 데이터베이스 구축 방안에 대한 연구를 수행하였다.

다. 3차년도

□ 시제차량 설계 검증 및 보완 지원

- 설계검증을 위한 시제차량 성능 확인

본선시운전 시험을 통해서 성능이 확인된 분야를 대상으로 사양에서부터 최종 시험결과 내용까지 요약하여 기술개발성과로서 정리하고 전체 개발과정에서 개선이 필요한 부분을 지적하였다.

- 성능 검증 및 차량시스템과 주요 서브시스템 설계개선 지원 및 문제점 분석

차량시스템의 성능 검증과 더불어 유지보수성을 검토하여 설계개선이 요구되는 부분을 지적하고 개선유무 확인 및 설계개선 방향을 제시하고자 하였다.

- 시제차량 차량시스템 설계체계 검토 및 대책 제시

시제차량 차량시스템 설계에 있어서 간과되었딘 승객서비스, 유지보수, LCC에 대한 분석과 이를 상용화 차량시스템 설계체계와 연계하여 그 대책을 제시하였다. 또한 설계단계 및 시험평가 과정에서 수행되어야 할 내용을 정리하였다.

□ 차량시스템 및 부품분야 시스템엔지니어링기술 기술자료 정비

- 시스템엔지니어링 체계와 연계된 차량시스템 및 부품분야 기술자료 정비

시제차량의 기술개발 단계별로 차량시스템 및 부품분야의 기술자료를 검토하고 이를 체계적으로 관리하기 위한 방안과 기술자료 공유를 통해 관련 산업의 발전을 꾀하고 활용성을 높이기 위한 방안을 제시하였다.

- 신규 차량개발 관리체계 제시

시제차량의 상용화를 대비하여 수요자를 포함한 관련 기관의 역할 분담 방안을 제시하고 보다 구체적으로는 시험평가 과정에서의 객관성 확보를 위한 시험차량과 상용차량의 시험평가 방법에 있어서의 차이점을 분석하고 그 효과를 예측하였다.

□ 차량시스템 및 부품 품질관리 기술자료 정비

- 시험평가 과정에서의 관리체계 검토 및 대책 제시

한국형 고속전철 시운전단의 발족을 전/후로 하여 본선시운전 시험의 관리체계 변화를 비교/분석하였다. 그리고 시운전 시험결과 분석 현황 및 기술자료의 관리현황을 조사하였다.

- 국내외 인증 체계와의 연계현황 검토

차량시스템 서브시스템 및 부품의 품질관리 체계 구축을 위한 기초 기술자료를 조사하고 수집하였으며 철도분야에 적용이 예상되는 국내외 품질인증체계현황을 조사하였다. 또한 수집된 기술자료를 토대로 향후 수행할 품질관리 체계 구축을 위한 연계방안을 모색하였다.

라. 4차년도

□ 시제차량 설계 보완 및 성능 검증 지원

- 주요 서브시스템 성능확인 및 설계개선 성과 종합

한국형 고속전철 시제차량의 공장내 시험, 본선시운전 시험결과 분석, 성능시험결과의 설계기준, 해석결과와의 비교/분석 그리고 차량시스템 분야별 설계개선 사례를 종합하여 시제차량의 최종 상태와 개발수준을 가늠할 수 있도록 하였다.

□ 차량시스템 및 부품분야 시스템엔지니어링 기술 체계구축

- 설계프로세스, 자료구조, 관리체계 확립

고속철도 차량시스템의 설계를 위한 설계프로세스 모델을 구축하기 위하여 한국형 고속전철 시제차량의 개발 프로세스와 기술 자료를 토대로 시스템엔지니어링 기술과 해외 선진 고속철도 기술동향을 접목시켰다. 이에 따라 고속철도 차량시스템의 설계분야를 기술적/관리적, 시간적/공간적(시스템 구성 및 기술분야별) 시각으로 조망하여 개별적인 설계내용과 전체적인 관점에서의 통합 과정을 균형 있게 제시하였다.

- 시스템 활용 및 개선방안 제시

□ 차량시스템 및 부품 품질관리 체계 구축

- 차량시스템 및 부품 품질관리 현황분석 종합 및 모델 구축

상용화를 대비한 차량시스템 및 부품의 품질관리체계를 구축하기 위하여 그동안 조사/분석된 연구결과를 종합하였다. 품질개선을 위한 공정상의 품질관리 부분과 품질인증을 위한 국내외 법적/제도적 장치의 현황을 조사/분석하여 품질관리체계 모델구축을 위한 목표와 세부 추진계획을 수립하였다.

V. 연구개발결과의 활용계획

□ 연구사업내 기여도

- 시제차량 공장내시험, 본선 시운전의 결과분석과 관련 문제점 확인, KTX 차량의 문제점 검토를 통한 시제차량의 상용화 설계 개선안 제안

- 시제차량의 설계요구조건 항목 조사/분석을 통한 상용화 차량시스템에 대한 보다 명확한 설계요구조건 항목 제시

- 고속전철 차량설계 체계화 DB 모듈 작성, 차량설계 매뉴얼 작성을 위한 자료수집 및 분류를 통한 기술 자료의 체계적인 관리 및 활용기반 구축

- 자료체계 구축을 위한 방안 및 기술자료 공유의 필요성을 제시함으로써 보다 효율적인 업무추진 기대

- 성능 확인 및 설계개선을 위해 필요한 기술문서의 통합 관리 및 제공

- 과제간 업무 효율화와 시제차량의 상용화에 필요한 개발자의 역할을 인식시킴

- 차량 공장내시험 및 본선 시운전의 결과분석을 통한 차량시스템 및 부품별 문제점 분석 및 보완방안 도출

- 차량시스템 설계요구조건의 항목 조사/분석을 통한 실용화 차량시스템에 대한 보다 명확한 설계요구조건 항목 제시

□ 철도사업분야 기여도

- 공장내시험 및 본선 시운전 과정에서 발생한 문제점을 분석 및 보완방안을 기초로 향후 실용화 차량에 대한 안정화 기대

- 차량시스템의 요구조건 등 시스템 엔지니어링기술의 체계화를 통한 차량시스템을 포함한 철도 산업 전반에 걸쳐 체계적인 기술개발 기반 구축

- 차량시스템 및 부품의 품질관리 체계 구축을 통한 철도차량의 신뢰성 및 안정성 향상 기여

- 실용화로 이어질 수 있는 철도분야 기술개발사업의 장기적인 추진 방향을 제시

- 요구조건 분석, 사양결정 그리고 개념설계로 이어지는 시스템 개발과정에 대한 고속철전 기술개발자료의 정비를 통해서 정형화된 기술개발 사례로 활용

- 차량시스템 및 부품의 품질관리 체계 구축을 통한 시장 경쟁력 강화의 토대를 마련