고무타이어 지하철

1. 개요

고무타이어 지하철은 일반적인 강철 바퀴와 레일 대신 고무 타이어를 사용하는 지하철 시스템이다. 1846년 로버트 윌리엄 톰슨이 최초로 아이디어를 제시했으며, 1950년대 파리 메트로에 처음 적용되었다. 고무 타이어 지하철은 가파른 경사, 짧은 제동 거리, 소음 감소, 부드러운 승차감 등의 장점을 가지지만, 에너지 소비가 높고, 타이어 펑크의 위험이 있으며, 유지 보수 비용이 높다는 단점도 있다. 현재 전 세계 여러 도시에서 운영 중이며, 자동화된 무인 열차 시스템으로도 발전하고 있다.

2. 역사

(내용 없음)

2.1. 고무 타이어 철도 차량의 초기 아이디어

고무타이어 철도 차량에 대한 최초의 아이디어는 공압식 타이어의 원조 발명가인 스코틀랜드 출신 로버트 윌리엄 톰슨의 작품이었다. 1846년의 특허에서 그는 자신의 '에어리얼 휠'이 "그들이 달리는 땅 또는 레일 또는 트랙"에 똑같이 적합하다고 설명했다. 이 특허에는 평평한 판자 트랙 위를 달리는 공압식 메인 휠에 의해 무게가 지탱되고 중앙 수직 가이드 레일 측면을 달리는 작은 수평 강철 가이드 휠에 의해 안내되는 철도에 대한 그림도 포함되어 있었다. 탈고의 발명가인 알레한드로 고이코체아는 1936년 2월 특허 ES 141056으로 이와 유사한 구성을 특허 냈으며, 1973년에는 이 특허의 개발품인 'Tren Vertebrado', 특허 DE1755198을 라스팔마스데그란카나리아의 아베니다 마리티마에 건설했다.

2.2. 파리 메트로에서의 도입과 발전

제2차 세계 대전 중 나치 독일에 점령되었던 파리의 메트로 시스템은 제대로 된 유지보수 없이 과도하게 사용되어 전후 심각하게 노후화되었다. 이러한 상황에서 황폐해진 시스템을 개선하기 위한 방안이 모색되었고, 1929년부터 Pneurail 실험을 진행해 온 미쉐린이 개발한 공기 주입식 고무 타이어와 안내 궤도를 사용하는 고무 타이어 지하철 기술이 처음으로 파리 메트로에 적용되었다. 1951년에는 시제 차량인 :fr:MP 51이 영업 구간이 아닌 포르트 드 릴라(Porte des Lilas)와 프레 생 제르베(Pré Saint-Gervais) 사이의 시험선에서 시운전을 시작했다.

1956년에는 파리 메트로 11호선의 샤틀레(Châtelet) - 메리 드 릴라(Mairie des Lilas) 구간에 처음으로 고무 타이어 방식이 도입되었다. 이 노선은 급경사 구간이 많다는 이유로 선정되었다. 이후 운행 빈도가 높고 혼잡한 노선인 파리 메트로 1호선의 샤토 드 뱅센(Château de Vincennes) - 퐁 드 뇌이(Pont de Neuilly) 구간에 1964년, 파리 메트로 4호선의 포르트 도를레앙(Porte d'Orléans) - 포르트 드 클리냥쿠르(Porte de Clignancourt) 구간에 1967년에 각각 도입되었다. 1974년에는 파리 메트로 6호선의 샤를 드 골 에투알(Charles de Gaulle – Étoile) - 나시옹(Nation) 구간에 고가 구간에서의 소음 감소를 목적으로 도입되었다.

그러나 고무 타이어 방식으로 개조하는 데 드는 높은 비용 때문에, 이후 기존의 강철 바퀴 및 궤도 방식 노선을 고무 타이어 방식으로 추가 개조하는 작업은 이루어지지 않았다. 현재는 파리 메트로 14호선과 같은 신규 노선 건설 시에만 고무 타이어 방식이 적용되고 있다.

2.3. 세계 각국으로의 확산

파리 메트로에서 시작된 고무 타이어 방식은 다른 나라로 확산되었다.

최초로 완전한 형태의 파리 메트로 방식 고무 타이어식 지하철이 도입된 것은 캐나다 몬트리올의 몬트리올 지하철로 1966년 10월부터 운행을 시작했다.

일본에서는 삿포로 시영 지하철 난보쿠 선이 1971년 12월 16일에 기타24조역과 마코마나이역 사이 구간에서 개통되어 본격적으로 도입되었다. 이는 "삿포로 방식"이라고도 불리며, 파리 메트로 방식과는 달리 철륜과 철궤도를 함께 사용하지 않는 시스템이다.

고무 타이어 방식 지하철을 도입한 도시 중에는 무인 자동 운전 시스템을 도입한 곳도 있다. 프랑스의 마트라가 개발한 VAL 시스템을 사용하여 1983년 릴에서 릴 메트로가 개통되었다. 이후 툴루즈 메트로와 렌 메트로 등에도 유사한 시스템을 사용한 메트로가 개통되었다.

3. 기술

고무타이어 지하철은 전동차 방식으로 구동되며, 전력 공급 방식은 노선에 따라 제3궤조 또는 가공 전차선을 사용한다. 주행로는 주로 콘크리트나 강철로 만들어지며, 차량 유도를 위한 안내 레일이 설치된다. 일부 시스템에서는 타이어 펑크 등 비상 상황에 대비하여 일반적인 철도 궤도와 철제 차륜을 함께 사용하기도 한다.

3.1. 개요

고무타이어 지하철의 열차는 일반적으로 전동차 형태를 갖춘다. 운행을 위해 타이어가 구르는 주행로와 차량을 유도하는 안내 레일이 설치된다. 대부분 시스템은 각 타이어 폭에 맞춰 두 개의 평행한 주행로를 사용하며, 주행로의 재질은 노선에 따라 다양하다. 몬트리올 지하철, 릴 메트로, 툴루즈 메트로, 그리고 산티아고 메트로의 대부분 구간은 콘크리트를 사용하며, 부산 도시철도 4호선은 콘크리트 슬래브를 사용한다. 파리 메트로, 멕시코 시티 메트로, 그리고 산티아고 메트로의 지상 구간은 열간 압연 강철을, 삿포로 시영 지하철은 평평한 강철을 주행로로 사용한다. 반면, 삿포로 시영 지하철과 릴 메트로는 중앙에 안내 레일 하나만 사용하는 독특한 방식을 채택하고 있다.

파리, 몬트리올, 멕시코 시티와 같은 일부 시스템에서는 주행로 사이에 일반적인 철도 선로가 설치되어 있다. 열차의 대차에는 일반적인 것보다 더 긴 플랜지가 있는 철제 바퀴가 포함되어 있는데, 평상시에는 레일 바로 위에 떠 있지만 타이어 펑크 시나 분기기 및 교차로 통과 시 안전 확보 및 안내 역할을 한다. 파리에서는 이 레일을 사용하여 고무 타이어 열차와 강철 바퀴 열차가 동일한 선로를 사용하는 혼합 교통 운행이 이루어지기도 했다. 릴과 툴루즈에서 사용되는 VAL 시스템은 다른 종류의 타이어 보상 및 전환 방식을 갖추고 있다.

대부분의 시스템에서 전력 공급은 가이드 바 중 하나를 세 번째 레일 방식으로 사용하여 이루어진다. 전류는 별도의 측면 집전 슈를 통해 공급받으며, 귀환 전류는 일반적인 철도 선로 중 하나 또는 둘 다, 혹은 다른 가이드 바에 있는 귀환 슈를 통해 흐른다. 하지만 삿포로 시영 지하철 도자이선과 도호선과 같이 가공 전차선에서 전력을 공급받고, 안내 레일을 통해 귀환 전류를 흘려보내는 방식을 사용하는 경우도 있다.

고무 타이어는 전통적인 강철 바퀴보다 높은 구름 저항을 갖지만, 접지력이 우수하여 몇 가지 장점을 가진다. 이 덕분에 더 빠른 가속도가 가능하고, 일반적인 철도 궤도로는 오르기 힘든 가파른 경사(약 13%까지)를 오르내릴 수 있다. 또한, 제동 거리가 짧아 열차 간 간격을 좁힐 수 있으며, 운행 소음이 적고 레일 마모가 적어 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 예를 들어, 로잔 지하철의 2호선은 최대 12%의 구배를 가지고 있다.

3.2. 장점

고무 타이어를 사용함으로써 일반적인 강철 차륜 철도 시스템에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.

* 가속도가 좋다.
* 제동 거리가 짧아 열차 운행 간격을 좁힐 수 있다.
* 경사 등판 능력이 뛰어나 최대 13%(130‰)의 가파른 경사도 오를 수 있다. 일반적인 강철 차륜 철도는 이 정도 경사를 오르기 위해 랙 철도와 같은 특수 설비가 필요할 수 있다.
* 소음이 적다.
* 승차감이 부드럽다.

3.3. 단점

고무타이어 지하철은 강철 차륜 시스템에 비해 다음과 같은 단점을 가진다.

* 에너지 효율: 고무 타이어는 구름 저항이 커서 철제 바퀴보다 에너지 소비량이 많고 효율이 낮다.
* 승차감: 유지보수가 잘 된 강철 차륜 시스템에 비해 승차감이 떨어질 수 있다.
* 안전성: 타이어 펑크의 위험이 존재한다. 이는 강철 바퀴에서는 발생하지 않는 문제이다.
* 비용: 초기 제조 비용뿐 아니라 유지보수 비용이 더 많이 든다. 특히 타이어는 마모율이 높아 강철 바퀴보다 자주 교체해야 하므로 장기적인 비용 부담이 크다. (안내용 고무 타이어도 필요하다.) 타이어 교체 및 점검 등 시스템 유지 관리 비용이 전반적으로 높다.
* 발열: 운행 중 마찰로 인해 강철 차륜보다 더 많은 열이 발생한다. 열차에서 소비되는 에너지는 회생 제동으로 회수되는 일부를 제외하면 대부분 열로 손실되는데, 특히 터널 구간에서는 열 발산 문제가 심각해질 수 있다. 이 때문에 추가적인 환기 시설이 필요하며, 일부 시스템에서는 열 문제로 에어컨 설치가 어렵기도 하다.
* 환경 문제: 타이어가 마모되면서 미세한 고무 입자(먼지)가 발생하여 대기 오염을 유발하고 주변을 더럽힐 수 있다.
* 날씨 영향: 지상 구간은 날씨 변화, 특히 눈이나 얼음과 같은 악천후 시 견인력(traction)을 잃기 쉽다. (이 문제를 줄이기 위해 몬트리올 지하철은 전 구간 지하로 건설되었고, 파리 메트로 6호선은 타이어 개선과 특수 트랙을 시도했으며, 삿포로 시영 지하철 난보쿠선의 지상 구간은 알루미늄 덮개로 보호된다.) 다만, 삿포로 시영 지하철의 경우 지상 구간 전체를 쉘터로 덮어 날씨 영향을 거의 받지 않는다.
* 구조적 복잡성: 전력 공급, 접지, 안전 시스템 및 분기기 작동을 위해 여전히 강철 레일이 필요하다. (결과적으로 고무 타이어 주행로와 강철 레일 두 시스템이 병렬로 존재하게 되어 건설, 설치, 유지보수 비용이 더 증가한다.)
* 기술적 한계: 바퀴 하나당 견딜 수 있는 무게(축중) 제한이 강철 바퀴보다 작다.
* 표준 부재 및 호환성: 표준궤와 같은 세계적인 표준 규격이 없어 중고 차량 도입이나 다른 노선과의 직결 운행이 어렵다. 일반 철도 노선(교외 철도나 다른 방식의 지하철 등)과의 상호 운행도 불가능하고 도로 주행도 할 수 없어 도시 교통 계획에서 고립될 수 있다.

4. 유사 기술

자동 안내 수송 시스템은 고무 타이어를 사용하는 데 국한되지 않는다. 런던의 도클랜즈 경전철, 코펜하겐 지하철, 밴쿠버의 스카이트레인, 홍콩 디즈니랜드 리조트 라인과 같이 기존 철도 기술을 사용하여 건설된 시스템이 많이 있으며, 무인 운전이 아닌 열차를 개조한 차량을 사용하기도 한다. 뉴욕의 JFK 공항과 지역 지하철 및 통근 열차를 연결하는 에어트레인 JFK도 이러한 시스템의 예이다. 대부분의 모노레일 제조업체는 고무 타이어를 선호한다.

5. 시스템 목록

고무 타이어 방식은 전 세계 다양한 도시철도 시스템과 공항 내부 이동 수단으로 활용된다. 캐나다의 몬트리올 지하철, 칠레의 산티아고 지하철, 프랑스 파리 메트로 일부 노선, 일본의 삿포로 시영 지하철, 멕시코 멕시코 시티 지하철 등이 대표적인 도시철도 적용 사례이다.

또한, 프랑크푸르트 공항, 홍콩 국제공항, 수카르노 하타 국제공항, 싱가포르 창이 공항, 두바이 국제공항, 런던 히드로 공항, 파리 샤를 드 골 공항, 댈러스-포트워스 국제공항 등 여러 공항에서는 터미널 간 이동 편의를 위해 고무 타이어 방식의 자동 여객 수송 시스템(APM)을 운영하고 있다.

대한민국에서는 부산 도시철도 4호선, 의정부 경전철, 신림선이 고무 타이어 경전철 시스템으로 운행 중이며, 이 노선들에는 우진이 개발한 K-AGT 시스템 등이 적용되었다.

주요 고무 타이어 시스템 기술로는 프랑스의 VAL, 봄바디어 (현 알스톰)의 이노비아 APM, 미쓰비시 중공업의 크리스탈 무버 등이 있다.

2023년 기준으로 운영 중이거나 건설 중, 또는 과거에 운영되었던 고무 타이어 시스템의 상세 목록은 아래 하위 섹션에서 확인할 수 있다.

5.1. 운영 중

5.2. 건설 중

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5.3. 폐지

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