산악철도시스템의 위험요인 식별에 관한 연구
Study on Hazard Identification for a Mountain Railway System
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Abstract
최근 국내에서는 산악지역에 거주하는 주민들의 겨울철 폭설과 결빙에 의한 통행 제한으로 겪는 생활의 어려움을 해결하기 위하여 산악철도시스템의 개발을 진행하고 있다. 본 논문에서는 개발 중인 산악철도시스템의 특성을 분석하고, 톱니바퀴형 산악철도와 트램의 과거 사고사례들, 그리고 일반적으로 철도에서 정의하고 있는 위험요인 등을 고려하여 산악철도시스템에 적합한 위험요인들을 식별하였다. 산악철도 운행 시 예상 가능한 사고를 충돌사고, 탈선사고, 화재사고, 사상사고, 건널목/경합구간 사고의 5가지 사고로 분류하였고 각 사고별로 위험사건과 위험요인을 식별하였다. 그리고 각 위험요인별로 세부위험요인을 식별하였다. 본 논문에서 식별된 산악철도시스템의 위험요인들은 향후 산악철도시스템의 예비위험도 분석과 안전관리대책 수립의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
Trans Abstract
In Korea, a mountain railway system is being developed to solve the difficulties of residents living in the mountain areas due to the restriction of traffic by heavy snow and ice in winter. In this study, the hazard identification which is customized to the developing mountain railway system was conducted by considering the characteristics of the developing system, past accident cases of the mountain trains of the rack&pinion type and trams in the world, and risk factors defined in the ordinary railway system. Predictable accidents during mountain railway operation were classified into five types of accidents: collision, derailment, fire, casualty, and crossing/competitive section accidents. Hazardous events and hazards were derived for each accident. Moreover, specific hazards were derived for each hazard. The hazards of the mountain railway system identified in this study can be used as basic data for preliminary hazard analysis and establishment of safety management measures for mountain railway systems in the future.
1. 서 론
산악철도는 산지가 많은 국내 지형에 유용하게 적용될 수 있는 운송시스템으로 폭설과 결빙시에도 급경사 지역을 운행하여 지역 주민과 관광객을 수송하기 위한 운송수단이다(Seo, 2020).
산악 벽지에 건설된 도로는 급경사와 급곡선이 많아 겨울철 폭설과 결빙 시 통행 제한으로 지역주민들이 생활하는 데에 어려움이 크므로 지역주민의 교통기본권 보장 측면에서도 사계절 운영 가능한 교통수단이 필요한 상황이다. 또한 자연경관이 뛰어난 산악 벽지에는 많은 관광객이 찾고, 이로 인해 차량의 배기가스와 소음, 쓰레기 투기 등 환경 오염이 발생되며, 차량의 안전운행에도 우려가 발생될 수 있으므로 이러한 문제점들을 해결하기 위해 친환경 산악철도시스템의 도입이 필요하다.
산악철도의 안전한 운행을 위해서는 운전에 필요한 세부적인 사항, 자연재해 대비 방안, 철도차량과 시설의 관리 방안 그리고 이를 전체적으로 총괄할 수 있는 안전관리시스템의 수립이 필요할 것이다.
산악철도의 주요 안전 위험요인으로는 단선운행에 의한 열차 간의 충돌 위험, 열차와 야생동물의 층돌, 병행 운행되는 도로 교통 수단과의 충돌 등 차량의 충돌, 급곡선⋅급경사지 운행에 따른 차량의 탈선, 차량의 화재 등 철도에서의 중대사고를 포함하여, 급경사 급곡선의 운행에 따른 승객의 부상, 폭설과 폭우 등에 의한 자연재해 등이 있을 수 있다.
산악철도시스템이 아닌 일반적인 철도시스템의 위험요인 도출에 관한 연구는 국내외 연구자들에 의해 많이 수행되어 왔는데, 국내에서는 참고문헌(KRRI, 2017)에서 영국과 호주 등 해외의 철도위험목록과 국내 철도의 특성을 고려하여 일반위험요인과 세부위험요인을 도출한 연구를 대표적인 사례로 들 수 있을 것이다. 해외의 경우에는 영국의 철도안전표준위원회(Rail Safety and Standards Board, RSSB)에서 가장 활발히 연구가 진행되고 있는데 정기적으로 철도에서의 위험요인들을 업데이트하여 홈페이지(RSSB, 2022)에 게시하고 있다. 그런데 이러한 일반적인 철도의 위험요인들은 산악철도시스템의 특성이 반영되어 있지 못하기 때문에 본 논문에서는 현재 국내에서 개발이 진행 중인 산악철도시스템의 특성과 과거의 유사시스템의 사고사례, 일반적인 철도시스템의 위험요인 등을 고려하여 산악철도시스템의 특성이 반영된 위험요인들을 식별하였다.
2. 개발 중인 산악철도시스템의 특징
일반적으로 어떤 시스템의 위험요인 식별을 위해서는 우선적으로 예견 가능한 오류를 추정하여야 하는데, 이를 위해서는 해당 시스템에 대한 특성(Fig. 1) 분석이 선행되어야 할 필요가 있다. 따라서 국내에서 개발이 진행되고 있는 산악철도시스템의 운영 목적, 운행 조건 차량의 특징, 궤도와 신호시스템, 급전 방식 등 시설물의 특징, 지형적 특성 등을 우선적으로 분석하였으며 다음과 같다(Park et al., 2018; Seo, 2020; Seo and Eum, 2020; KRRI, 2021).
Characteristics of Mountain Railway System
⚬용도 : 여객 운송
⚬차량 : 3량 1편성, 저상 독립차륜대차, 배터리 구동 전기 차량, 배터리 지붕 탑재
⚬신호 : ATS, 발리스, 차축검지장치
⚬시설 : 협궤(1 m 궤간), 매립식 궤도, 톱니바퀴식, 대피선, 기존 도로 활용, 승강장
⚬운행 : 단선 운행, 도로 병행 독립 차선, 교차로, 도로 경합 구간
⚬지형 : 급경사, 급곡선, 비탈면
⚬환경 : 폭설, 강풍, 혹한
현재 계획되고 있는 산악형 운송시스템과 일반적인 철도시스템과의 가장 큰 차이는 차량의 형식과 운행조건, 지형 및 자연적 특성의 차이로 볼 수 있으며, 3량 1편성의 저상 독립차륜대차, 1 m 궤간의 협궤, 톱니바퀴식 구동 시스템, 배터리 구동 방식, 배터리의 차량 지붕 탑재, 단선 운행, 도로교통수단과의 병행 또는 경합 운전, 폭설과 낙석의 우려, 급경사⋅급구배의 지형적 특성 등을 들 수 있다.
3. 산악철도시스템의 위험요인 식별
3.1 산악철도시스템의 위험요인 식별 개요
본 논문에서는 산악철도시스템의 위험요인을 식별하기 위하여, 개발 중인 산악철도시스템의 특성을 분석하고, 과거 사고사례, 그리고 일반적으로 철도에서 정의하고 있는 위험요인 등을 고려하여 산악형 운송시스템에 적합한 위험요인들을 식별하였다.
한편 일반적인 철도시스템에서 위험요인을 식별하기 위해서는 다음과 같은 사항들을 고려하여 위험사건을 판별하고, 대상 시스템의 수명주기와 기술적 특성을 고려하여 위험사건을 초래할 수 있는 위험요인을 다음과 같이 확인하고 있는데(KRRI, 2017), 산악철도시스템의 위험요인 확인에도 마찬가지로 다음의 항목들을 고려하였다.
⚬ 위험사건 판별
- 개인 위험도 측면에서 최고 (위험)노출 그룹 검토
⋅여객, 직원, 공중
- 대상 시스템 전체에 걸친 아래와 같은 전형적인 운영, 관리 특성 확인
⋅여객의 역사 도착, 역사를 통한 이동, 열차 탑승, 열차 여행, 열차 하차 및 역사 떠남
⋅기관사의 열차 탑승, 열차 운행, 열차 하차 및 기타 다른 직무
⋅열차승무원의 대표적 직무
⋅선로 작업자의 직무
⋅건널목을 이용하는 공중의 특성
⋅산악철도 인근에 사는 공중 특성
⋅야생동물의 서식⋅이동 특성
- 대상 철도시스템의 운영, 관리에서 노출 그룹의 사망/부상을 곧바로 초래할 수 있는 잠재성을 가진 위험사건 고려
⋅기존 위험사건 목록의 참조
⋅관련되는 추가적인 위험사건들의 판별
- 대상 철도시스템의 운영, 관리에서 아래의 결과로서 추가적인 위험사건들이 발생할 수 있는지 검토
⋅정상 운영
⋅혼란(perturbed) 운행(예 : 열차 고장)
⋅저하 혹은 비정상(abnormal) 운영
⋅주간 혹은 야간 운영
⋅악천후
⋅장애인 혹은 다른 취약 계층
⋅역사나 열차 내의 혼잡
⋅범죄 행위
⋅교통운영자 운영에 특유의 기타 조건들
- 대상 철도시스템이 운영되는 지형적 특성을 고려한 잠재적인 위험도가 높은 장소(터널, 장대교량, 지하역사, 비탈면, 급경사, 급구배 구간 등) 확인
⚬ 위험요인 확인
- 위험요인 확인은 사고이력 분석, 공학적 해석 또는 전문가 판단을 기초로 하여, 대상 철도시스템의 운영, 관리 과정에서 철도사고를 초래할 수 있는 위험사건과 위험요인을 확인
- 위험요인 확인은 대상 철도시스템의 설계, 운영, 유지관리 등 수명주기를 고려하여 정상운영에서 발생하는 위험 뿐 만 아니라 축소모드 운영 또는 긴급 상황에서 발생할 수 있는 모든 위험을 고려
- 위험요인 확인은 위험사건을 초래할 수 있는 기술적 결함, 인적 오류 또는 환경적 악화 등의 위험요인을 확인하고, 위험사건이 사고로 진전되는 과정에서 안전방벽이 실패하는 위험요인을 추론
- 위험요인 확인은 다음과 같은 불안전한 요소의 발생 가능성에 대한 고려 필요
⋅안전설비 실패 : 시스템 연동, 이중화, 하드웨어/소프트웨어 실패
⋅설비 기능장애 : 기능수행 실패, 부족함, 지연 또는 잘못된 기능
⋅위험물질 노출 : 연료, 발사 화약, 폭발물, 유독성 물질, 압력 시스템 등
⋅인터페이스 간섭 : 잘못된 입/출력, 호환성 결여, 전자기적 간섭 등
⋅환경적 제약 : 진동, 극한 기후, 외부작업/공사
⋅운영/보전 절차 : 인간의 오류, 규정/절차/지시/경고의 결함 등
3.2 시스템 특성에 따른 위험요인 분석
위험요인 분석은 3.1에서 언급한 사항들을 고려하여 예견 가능한 오류를 우선적으로 추정하여야 하는데, 이를 위해서는 우선적으로 해당 시스템에 대한 특성을 분석할 필요가 있으며, 그 특성은 2장에서 분석한 바와 같다. 현재 계획되고 있는 산악철도시스템과 일반적인 철도시스템과의 가장 큰 차이는 차량의 형식과 운행조건, 지형 및 자연적 특성의 차이로 볼 수 있으며, 3량 1편성의 저상 독립차륜대차, 1 m 궤간의 협궤, 톱니바퀴식 구동 시스템, 배터리 구동 방식, 단선 운행, 도로교통수단과의 병행 또는 경합 운전, 폭설과 낙석의 우려, 급경사⋅급구배의 지형적 특성 등을 들 수 있다. 산악철도시스템의 각 구성요소 별 특성에 따라 발생될 수 있는 사고의 유형과 사고유형별 위험요인들을 식별하였으며 Table 1과 같다.
Hazards From the Characteristics of Mountain Railway System
3.3 사고사례 조사를 통한 위험요인 분석
3.3.1 사고사례 조사 개요
국내에 도입 예정인 산악철도시스템과 동일한 형태의 철도시스템이 구축된 사례가 없기 때문에 국내 도입 예정 산악철도시스템과 유사한 철도시스템의 사고사례를 조사하여 예측될 수 있는 잠재적 사고와 위험요인을 분석하였다. 먼저 현재 국내에서 개발 중인 산악철도시스템과 유사한 형태의 톱니바퀴형 산악열차의 주요 사고사례를 조사하였다. 그런데 톱니바퀴형 산악열차의 사고는 그 사례가 많지 않고, 현재와 기술 격차가 있는 시대의 철도 운행 중에 발생한 사고가 대부분이기 때문에 톱니바퀴형 산악열차 사고사례만으로는 향후 국내에 도입될 산악철도시스템의 위험도를 분석하기에는 한계가 있어, 현재 운영 중인 운송시스템 중에서 국내 도입 예정인 산악철도시스템과 유사한 형태로 볼 수 있는 트램에 대해서 피해가 심각했던 주요 사고사례도 조사하였다. 그럼에도 불구하고 트램에 대한 주요 사고사례 역시 정량화되고 체계적인 사고자료가 제시되어 있지 않은 관계로, 특정 국가에 한정된 자료이기는 하지만 트램의 사고유형과 피해현황이 비교적 상세하게 정리되어있는 프랑스의 트램 사고 보고자료를 함께 분석하였다.
3.3.2 톱니바퀴형 산악열차의 사고사례 분석
1900년대 이후 현재까지 전 세계적으로 발생한 톱니바퀴형 산악열차의 주요사고 현황은 Table 2와 같다(Wikipedia, 2020). Table 2에서 알 수 있는 바와 같이 사고의 대부분이 탈선으로 나타났으며, 탈선의 원인은 차량의 결함, 과속, 자연재해, 궤도 상태 불량 등인 것으로 나타났다. 특이한 점은 급구배 급곡선의 산악지형을 운행하는 산악열차의 특성상, 탈선 후 전복 또는 추락이 발생하여 피해를 가중시키는 현상이 나타남을 알 수 있다.
Accidents of Mountain Railway System with Rack & Pinion in the World
3.3.3 트램의 주요 사고사례 분석
2000년 이후에 전 세계적으로 발생한 트램의 주요 사고사례는 Table 3과 같다(Wikipedia, 2022). Table 3에서 알 수 있는 바와 같이 트램 사고의 대부분은 충돌로 나타났다. 도로와 병행 또는 혼용 운행하는 특성상 대부분의 사고가 트램과 트램의 충돌 또는 트램과 도로 교통수단과의 충돌로 나타났다. 또한 탈선사고도 다수 발생하였는데, 주로 과속에 의한 탈선이 많았으며, 선로 결함에 의한 탈선도 일부 발생하였다.
Major Accidents of Tramway in the World
3.3.4 프랑스의 트램 사고사례 분석
최근 10년간(2011년~2020년) 프랑스의 트램 사고 연례 보고서(STRMTG, 2012~2021)를 분석한 결과는 Tables 4, 5와 같다. Table 4에서 알 수 있듯이 사고발생 건수는 승객사고(약 38%)와 제3자 충돌(약 58%)이 가장 많이 발생하고 있다. 승객사고는 트램 내에서 넘어지는 사고(급정거에 의한 넘어짐 포함), 트램 하차 시 추락, 승강장에서의 추락, 트램 내에서 의자 등에 부딪힘, 트램 출입구 끼임 사고 등이며, 제3자 충돌은 오토바이, 자전거, 대중교통, 승용차, 화물 차량, 보행자와 충돌 등을 의미한다.
Accidents of Tramway in France (2011~2020)
Victims by Accidents of Tramway in France (2011~2020)
Table 5에서 알 수 있는 바와 같이 인명피해 역시 승객사고(30.7%)와 제3자 충돌(67.6%)에서 가장 많이 발생되고 대부분의 인명피해가 발생되고 있다. 승객사고의 경우, 사고 건수나 인명피해의 경우 모두, 트램 내에서 넘어져서 다치는 경우가 가장 많으며, 제3자 충돌의 경우, 보행자와의 충돌이 보행자와 충돌과 승용차와 충돌이 가장 많이 나타나고 있는 것으로 분석되어 있다.
3.4 산악철도시스템의 위험요인 식별
산악철도시스템의 위험요인을 체계적 식별하기위하여 우선 국내에서 개발된 일반적인 철도시스템의 위험요인 식별 목록을 기본으로 하여 산악철도시스템의 특성이 고려된 위험요인을 식별하였다.
국내에서 개발된 일반적인 철도시스템에서의 위험요인목록은 참고문헌(Wang et al., 2005; KRRI, 2017)에 제시되어 있으며, 본 연구에서는 참고문헌(Wang et al., 2005; KRRI, 2017)에 제시된 위험요인들 중에서 3.1에 제시된 항목들에 대한 고려를 통하여 산악철도시스템에 적용될 수 있는 항목만을 추출하였고, 이에 더하여 3.2와 3.3절의 산악철도시스템의 특성과 과거 사고사례를 통한 위험요인 분석의 결과를 반영하여 산악철도시스템의 특성에 반영된 위험요인을 식별하였다.
위험사건의 분류는 일반적인 철도시스템의 위험사건분류(MOLIT, 2021)를 참고하여 Table 6과 같이 충돌사고, 탈선사고, 화재사고, 사상사고, 건널목/경합구간 사고의 5가지 사고로 분류하였고 각 사고별로 위험사건과 위험요인을 식별하였다. 그리고 Tables 7~11과 같이 각 사고별 위험요인별로 세부위험요인을 식별하였으며 일반적인 철도의 위험요인과 구분되는 현재 개발 중인 산악철도시스템의 특별한 위험요인은 Tables 7~11에서 굵은 글씨로 구분하였다.
Hazardous Event and Hazards by Accident Types of the Mountain Railway System
Specific Hazards by Collision Accident of the Mountain Railway System
Specific Hazards by Level Crossing/Competitive Section Accident of the Mountain Railway System
Specific Hazards by Derailment Accident of the Mountain Railway System
Specific Hazards by Fire Accident of the Mountain Railway System
Specific Hazards by Casualty Accident of the Mountain Railway System
5. 결 론
개발 중인 산악철도시스템의 특성을 분석하고 과거 사고사례, 일반적으로 철도에서 정의하고 있는 위험요인 등을 고려하여 산악형 운송시스템에 적합한 위험요인들을 식별하였다.
현재 계획되고 있는 산악철도시스템의 특성을 분석한 결과, 배터리의 화재, 협궤에 의한 차량의 주행안정성, 톱니바퀴의 손상에 의한 접촉 불량, 급곡선⋅급구배에서의 갑작스러운 차량의 움직임에 의한 차내 승객의 부상, 폭설과 산사태, 강풍, 혹한 등에 의한 차량의 손상과 승객의 부상 등이 위험요인으로 식별되었다. 또한 과거 사고사례 분석을 통하여 급구배⋅급곡선의 산악지형을 운행에 의한 탈선 후 전복 또는 추락이 주로 발생한 사례를 알 수 있었으며, 트램의 사고 분석을 통하여 도로교통수단 또는 보행자와의 충돌, 과속에 의한 탈선 등이 주요한 위험요인이 되는 것을 알 수 있었다. 그리고 최종적으로 이러한 요소들을 종합적으로 고려하여 예상 가능한 사고를 충돌사고, 탈선사고, 화재사고, 사상사고, 건널목/경합구간 사고의 5가지 사고로 분류하였고 각 사고별로 위험사건과 위험요인을 식별하였다. 그리고 각 위험요인별로 세부위험요인을 식별하였다. 지형적인 특성과 기후적인 특성, 협궤와 배터리 장착 차량 등에서 일반적인 철도의 위험요인과 구별되는 위험요인들이 주로 식별되었는데, 대부분의 위험요인들은 차량과 시설물의 설계단계에서 해결될 수 있을 것으로 보이며, 일부 기후적인 특성에서 유발되는 위험요인은 운영단계에서 위험관리계획에 반영함으로서 해결될 수 있을 것으로 보인다. 예를 들어 지붕에 탑재된 배터리의 낙하물에 의한 충격을 방지하기 위하여 차량 상부에 덮개를 설치하거나, 폭설이나 혹한 시 승강장에서 승객의 미끄럼짐 사고를 방지하기 위하여 설계 시에 승강장 표면 거칠기를 증가시키거나 열선 설치를 고려할 수 있고 위험관리 계획서에 승강장 승객의 미끄러짐을 방지하기 위한 조항을 추가하여 관리하는 방법 등을 들 수 있다. 본 논문에서 식별된 산악열차의 위험요인들은 향후 수행될 산악철도 시스템에 대한 예비 위험도 분석과 운영 중의 안전 확보를 목표로 하는 안전관리시스템 수립의 기초 자료로 활용될 수 있을 것이며, 현재 개발 중인 산악철도시스템이 아니더라도 새로운 형태의 철도시스템 도입 시, 위험요인의 식별 사례로서 참고될 수 있을 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 산악벽지용 친환경 전기열차 기술개발사업의 연구비지원(22SGRP-C159273-03)에 의해 수행되었습니다.