ATB (철도 신호)

1. 개요

ATB(Automatische Treinbeïnvloeding)는 네덜란드 철도에서 사용되는 자동 열차 제어 시스템으로, 열차의 안전 운행을 위해 개발되었다. ATB 시스템은 ATB-EG (초기 세대)와 ATB-NG (신세대)로 구분되며, 궤도 회로, 펄스 코드 신호, 비콘(발리스) 등의 기술을 활용하여 열차의 속도를 제어한다. ATB-EG는 1950년대에 개발되어 현재까지도 사용되고 있으며, 40km/h, 60km/h, 80km/h, 130km/h, 140km/h의 5가지 속도 제한을 설정할 수 있다. ATB-NG는 ATB-EG의 단점을 개선하기 위해 1990년대에 개발되었으며, 0km/h부터 200km/h까지 10km/h 간격으로 속도 제어가 가능하다. ATB 시스템은 ETCS와 같은 최신 시스템에 비해 여러 가지 단점을 가지고 있으며, 휠 슬립 발생 시 오작동할 수 있다는 문제점도 존재한다.

2. ATB 시스템의 종류와 작동 원리

ATB(Automatische treinbeïnvloeding^{네덜란드어}) 시스템은 크게 초기 세대인 ATB-EG와 신세대인 ATB-NG로 나눌 수 있다. 각 시스템은 서로 다른 기술적 배경과 작동 원리를 가지고 있다.

ATB-EG(ATB éérste generatie^{네덜란드어})는 1950년대에 개발이 시작되어 1962년 하르멀런(Harmelen) 열차 사고 이후 설치가 본격화되었으며, 현재까지도 네덜란드 철도의 주요 노선 대부분에서 사용되고 있다. 이 시스템은 미국의 펄스 코드 신호 시스템에 기반하며, 궤도 회로를 통해 특정 주파수의 펄스 신호를 전송하여 열차에 허용 최고 속도를 전달하는 방식으로 작동한다.

ATB-NG(ATB nieuwe generatie^{네덜란드어})는 1990년대 이후 ATB-EG의 여러 단점을 개선하기 위해 개발되었다. ATB-EG는 비상 제동 신호 부재, 제한적인 속도 제어 단계(특히 80km/h와 130km/h 사이 간격 부재), 140km/h 초과 속도 미지원 등의 한계가 있었다. ATB-NG는 이러한 문제들을 해결하여 0km/h부터 200km/h까지 10km/h 단위로 정밀한 속도 제어가 가능하며, 열차의 중량을 고려한 제동 곡선을 지원하는 등 ETCS 레벨 1과 유사한 방식으로 작동한다.

두 시스템은 기술적으로 호환되지 않지만, 서로 전파 간섭을 일으키지 않아 같은 선로에 함께 설치될 수 있다. 또한, ATB-NG 차상 장치는 ATB-EG 신호를 수신할 수 있어 하위 호환성을 갖추고 있다. 초기에는 주요 전철 노선에 ATB-EG가 우선 설치되었기 때문에, ATB-NG는 주로 디젤 노선에 먼저 도입되었다.

한편, ATB-EG 관련 특허를 ACEC-알스톰이 보유하고 있어 다른 제조사의 참여가 제한되었고, 이는 시스템 간 상호 운용성 문제를 야기하기도 했다. 이러한 이유로 네덜란드의 주요 화물 노선인 베튀베라우터에는 유럽 표준 철도 신호 시스템인 ERTMS 레벨 2가 설치되었다.

2.1. ATB-EG (Eerste Generatie)

ATB éérste generatie^{네덜란드어}, 즉 초기 세대 ATB는 1950년대에 개발이 시작되어 현재까지 네덜란드 철도의 주요 노선 대부분에서 사용되고 있는 시스템이다. 특히 1962년 1월 8일 하르멀런(Harmelen) 열차 사고 이후 설치가 가속화되었다. 이 시스템은 미국의 펄스 코드 신호 시스템을 기반으로 하며, 75Hz의 교류 궤도 회로를 따라 서로 다른 주파수(분당 펄스 수)로 펄스를 전송하여 열차에 허용 최고 속도를 전달한다. 열차 앞바퀴 차축 앞에 설치된 두 개의 코일이 이 펄스를 감지하여 차상 장치로 전달한다.

차상 장치는 수신된 분당 펄스 수를 계산하여 아래 표와 같이 5가지 속도 코드(40km/h, 60km/h, 80km/h, 130km/h, 140km/h) 또는 'BD'(Buiten Dienst^{네덜란드어}, 고장/수동 제어) 상태로 변환한다. 열차 자체의 최고 속도가 ATB 코드의 속도보다 낮으면, 해당 속도 코드는 생략된다. 예를 들어 NS SGMm과 같은 열차는 130km/h 이상의 코드를 사용하지 않는다.

ATB-EG가 지시하는 속도 제한은 운전실의 신호 표시 장치를 통해 운전자에게 전달된다. 이 표시는 속도계에 통합되어 있거나(ICM, NS SGMm), 별도의 표시등(Mat 64, SLT, PROTOS, 탈리스), 또는 속도계 바늘(VIRM, DDAR, Loc 1700)이나 LED(FLIRT, GTW) 형태로 나타난다. 속도 제한이 변경되면 짧은 "딩" 소리로 운전자에게 알린다. 만약 열차가 현재 ATB 제한 속도를 5km/h 초과하면 경고음이 계속 울리며, 운전자가 3초 이내에 제동하지 않으면 ATB 시스템이 자동으로 비상 제동을 체결한다.

선로의 속도 제한이 낮아지거나 분기기를 통과하는 등 다음 구간에서 더 낮은 속도 코드가 필요한 경우, 해당 구간 진입 전에 미리 낮은 속도 코드를 전송한다. 이때 운전자는 속도 감소 예고를 받고 해당 구간에 진입하면 ATB 제한 속도가 변경된다. 열차가 과속 상태이므로 경고음이 울리며 제동을 요구하고, 3초 내에 제동하지 않으면 비상 제동이 걸린다. 운전자가 충분히 제동하고 있음은 소위 '제동 기준'(remcriterium^{네덜란드어})을 통해 확인하며, 이는 제동관 압력, 제동 실린더 압력 또는 제동 핸들 위치를 기준으로 한다. 제동 기준이 충족되면 경고음이 멈춘다. 열차가 목표 속도의 5km/h 이내로 감속하면, 시스템은 짧은 벨 소리 3번으로 제동을 해제해도 좋다는 신호를 보낸다.

정지 신호를 무시하고 이미 다른 열차가 점유 중인 폐색 구간에 진입할 경우, 선행 열차가 궤도 회로를 단락시키므로 ATB 신호가 후행 열차에 도달하지 못한다. ATB-EG는 신호 없음 상태를 가장 제한적인 조건으로 해석하여 고장 시 안전(fail-safe)을 확보하도록 설계되었다. 이러한 신호 없음 상태는 40km/h의 속도 제한으로 해석된다. 이는 점유된 구간을 낮은 속도로 운행할 수 있도록 하기 위함이지만, 결과적으로 40km/h 미만에서는 정지 신호를 통과해도 ATB가 개입하지 않는 한계를 낳았다.

ATB-EG는 ETCS와 같은 최신 시스템에 비해 다음과 같은 여러 한계점을 가지고 있다.
* 40km/h 미만 속도 제어 불가: 저속 운행 중 정지 신호 위반 사고를 방지하지 못하는 경우가 있었다. 이 문제는 이후 ATB-Vv 시스템 개발로 이어졌다.
* 제한적인 속도 단계: 5가지 속도 설정만 있어 실제 선로 최고 속도와 ATB 제한 속도 간 차이가 클 수 있다. 예를 들어, 90km/h 구간에서도 ATB는 130km/h까지 허용할 수 있다.
* 최고 속도 제한: 140km/h까지만 지원하여 160km/h 설계 선로에서 제 속도를 내지 못한다. 이는 이후 ATBM+ 시스템 개발의 배경이 되었다.
* 불충분한 제동력: 경우에 따라 ATB 강제 제동력이 부족할 수 있다.
* 전기적 간섭 가능성: 궤도 회로와 전차선 귀선 전류 경로가 겹쳐 간섭이 발생할 수 있다.
* 접촉 의존성: 레일과 차륜 간의 양호한 전기적 접촉이 필수적이다.

일부 특정 열차 모델에서는 ATB-EG 시스템과의 문제점이 보고되었다. Vossloh G2000 기관차는 제동 기준(제동관 압력) 충족 시간이 ATB 개입 시간(3초)보다 길어(4~5초) 불필요한 비상 제동이 발생할 수 있다. FLIRT 열차 역시 제동 기준(제동 실린더 압력) 문제 및 제동 잠김 방지 장치 작동 시 제동 압력이 기준 이하로 떨어져 비상 제동이 걸리는 유사한 문제를 겪고 있다.

2.1.1. ATB-E (Eenvoudig)

ATB-E(ATB Eenvoudig^nld, 간단한 ATB)는 ATB-EG의 간략화된 변종이다. 열차에는 신호 수신부만 장착하면 되고 중앙 제어 유닛은 탈부착이 가능하다. 과거에 운행되었던 증기 기관차 및 네덜란드 밖에서 생산된 기관차에 사용하는 시스템이다.

2.1.2. ATB+ (ATBM+)

ATB+(기술 이름: ATBM+)는 탈리스 고속열차의 운행을 위해 개발된 시스템으로, 최고 속도 160km/h를 지원한다. 기존 ATB-EG 시스템은 최고 속도를 140km/h까지만 지원하여 일부 설계 속도 160km/h인 선로에서 제 속도를 내지 못하는 문제가 있었다. ATB+는 ATB-NG 지상자에서 추가적인 ATBM+ 신호를 전송하여 열차가 최고 160km/h까지 속도를 낼 수 있도록 이 문제를 해결했다. 이 시스템은 덴하흐와 호프도르프 사이의 구간에 설치되어 운영되고 있다.

2.1.3. ATB++/ATB-Vv (Verbeterde Versie)

기존 ATB 시스템은 40km/h 이하의 저속을 제어할 수 없고, 때때로 정지 신호가 오동작하는 문제가 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위해 ATB++가 개발되었으며, 나중에 ATB-Vv(ATB Verbeterde Versie^{네덜란드어}, 개선된 ATB)로 이름이 바뀌었다. ATB++라는 이름은 NedTrain에서 처음 제안했고, 이후 네덜란드 철도가 알스톰을 통해 시스템을 구현하면서 ATB-Vv라는 명칭을 사용하게 되었다. 이 시스템은 추가적인 궤도상 장비를 통해 구현된다.

수년에 걸쳐 시스템의 결함을 개선하기 위한 여러 기술이 도입되었다.

* ATBM+: 최고 속도를 140km/h에서 160km/h로 높이기 위해 설계된 시스템이다. 호프도르프와 덴하흐 마리아호베 사이 노선에만 설치되어 있으며, 현재 탈리스 열차만 이 시스템을 사용한다.
* ATB-Plus-Plus: 위험 신호를 통과한 열차에 비상 제동을 걸어 '[[신호 위반|정지 신호 통과]]'(Stop Signal Passed, SSP)를 줄이도록 설계되었다. 이는 40km/h 미만의 속도에서 정지 신호를 통과해도 강제 제동이 불가능했던 기존 ATB 시스템의 약점을 보완한다.
* ATB-Vv (Verbeterde versie^{네덜란드어}, 개선된 버전): ATB-Plus-Plus를 더욱 발전시킨 최신 버전이다. 독일의 PZB와 유사한 기술을 사용하며, 신호기 앞 120m, 30m, 3m 지점에 세 개의 비콘을 설치하여 시스템을 강화했다. ATB-Vv가 활성화되면, 열차의 움직임은 미리 설정된 제동 곡선에 따라 자동으로 제어된다. 이를 통해 '[[신호 위반|정지 신호 통과]]' 가능성을 크게 줄였다. 다만, 이 시스템은 비콘이 고장 날 경우 열차가 자동으로 제동되지 않으므로 고장 시 안전을 보장하지 못한다는 문제가 있다.

2.2. ATB-NG (Nieuwe Generatie)

ATB-NG(ATB nieuwe generatie^{네덜란드어}, 신세대 ATB)는 1990년대 이후 기존 ATB-EG 시스템의 여러 결함을 개선하기 위해 개발된 2세대 철도 신호 시스템이다. ATB-EG는 다음과 같은 문제점을 가지고 있었다.

* 비상 제동 신호 부재
* 제어 가능한 속도 간격의 부족 (특히 80km/h와 130km/h 사이)
* 140km/h 이상의 고속 운행 미지원
* 선로 상태가 좋지 않을 경우 신호 수신 불안정

ATB-NG는 이러한 문제들을 해결하기 위해 설계되었으며, ETCS 레벨 1과 거의 동일한 방식으로 작동한다. 주요 특징은 다음과 같다.

* 속도 제어: 0km/h부터 200km/h까지 10km/h 간격으로 정밀한 속도 제어가 가능하며, 속도계의 최대 속도 옆에 노란색 LED로 현재 제한 속도가 표시된다.
* 제동 시스템: 열차의 중량을 고려한 제동 곡선에 따라 제동이 관리된다. 목표 속도에 접근해야 할 경우, 노란색 LED가 목표 속도로 이동하고 기존 속도 위치에는 빨간색 LED가 켜진다. 이 빨간색 LED는 점차 목표 속도를 향해 줄어들며 운전자의 제동을 유도한다. 목표 속도 도달 시 짧은 벨이 세 번 울려 제동 종료를 알린다.
* 속도 초과 감시: 제한 속도를 2.5km/h 이상 초과하면 노란색 LED가 깜빡이고, 5km/h 이상 초과하면 경고음(벨)이 울린다. 7.5km/h 이상 초과하면 자동으로 비상 제동이 체결된다. 열차 속도가 제동 곡선(빨간색 LED)보다 7.5km/h 이상 빠를 경우에도 제동이 작동한다.
* 이동 승인 전달:

신호기 옆이나 특정 지점의 선로 사이에 설치된 발리스(비콘)를 통해 이동 승인 정보를 전달받는다. 이 비콘은 운전자 시점에서 약간 왼쪽에 설치되어 방향성을 가진다. 시스템은 최대 속도, 최대 이동 가능 거리, 특정 지점 통과 시 요구되는 출구 속도, 그리고 다음 신호 수신 전까지 유지해야 하는 해제 속도 등을 관리한다. 출구 속도는 속도계 아래의 도트 매트릭스 화면에 표시되며, 해당 속도까지 남은 거리는 속도계 옆의 조명 바로 표시된다. 다음 비콘 도달 전에 이동 승인이 종료되면, 열차는 보통 30km/h의 지정된 해제 속도로 다음 비콘까지 운행할 수 있다.

ATB-NG는 ATB-EG와 기술적으로 호환되지 않지만, 서로 간섭을 일으키지 않아 같은 선로에 함께 설치될 수 있다. 실제로 ATB-NG 차상 장치는 ATB-EG 신호를 수신할 수 있어 하위 호환성을 갖추고 있다. ATB-EG가 주요 전철화 노선에 우선적으로 설치되었기 때문에, ATB-NG는 초기에 주로 디젤 노선에 설치되었다. 즈볼레–알멜로 철도 구간처럼 디젤 노선이었다가 전철화된 후에도 ATB-NG가 계속 사용되는 예외적인 경우도 있다.

하지만 ATB-NG에도 몇 가지 한계점이 존재한다.

* [[휠 슬립]] 문제: 미끄러운 레일 위에서 바퀴가 헛돌 경우(휠 슬립), 바퀴 회전수로 거리를 측정하는 ATB-NG 시스템은 실제보다 열차가 더 많이 이동했다고 오인할 수 있다. 이로 인해 정지 신호에 접근할 때 실제 위치보다 앞에서 제동이 걸릴 수 있다.
* 신호 변경 대응 지연: 일단 비콘을 통해 이동 승인 정보를 받으면, 이후 신호 상태가 변경되어도 (예: 정지 신호가 진행 신호로 바뀌어도) 다음 비콘에 도달하기 전까지는 업데이트된 정보를 반영하지 못한다. 이 때문에 불필요하게 열차가 정지하거나 서행해야 하는 경우가 발생할 수 있다. 이 문제는 신호기 앞 선로에 ATB 루프를 설치하여 실시간으로 신호 정보를 업데이트받도록 개선할 수 있다.
* 특허 및 [[상호 운용성]] 문제: ATB-NG 시스템 관련 특허를 ACEC-알스톰이 보유하고 있어 다른 제조사의 참여가 제한적이며, 이는 다른 신호 시스템과의 상호 운용성을 낮추는 요인이 된다. 이 때문에 네덜란드의 주요 화물 노선인 베튀베라우터(Betuweroute)에는 유럽 표준인 ERTMS 레벨 2가 설치되었다.

3. ATB 시스템의 기술적 특징

ATB 시스템은 크게 초기 세대인 ATB-EG와 신세대인 ATB-NG로 나뉜다.

ATB-EG (ATB Eerste Generatie^{네덜란드어})는 미국의 펄스 코드 신호 시스템을 기반으로 개발되었다. 이 시스템은 AC 궤도 회로를 따라 특정 주파수(75Hz)의 펄스를 전송하는 방식으로 작동한다. 열차의 앞바퀴가 궤도 회로를 닫으면 펄스마다 전자기장이 생성되고, 이 자기장이 선두 차축 앞의 코일에 감지되어 ATB 시스템에 펄스 정보를 전달한다. 차상 장치는 분당 수신된 펄스 수를 계산하여 해당 선로 구간의 제한 속도를 판단하고, 이를 운전실에 표시한다.

ATB-EG는 5가지 속도(40km/h, 60km/h, 80km/h, 130km/h, 140km/h)를 제어하며, 각 속도는 분당 펄스 수로 구분된다.

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