초판발행 2020.10.20

우리나라의 20세기를 자동차의 시대라 불렀다면, 21세기는 철도의 시대라고 할 수 있을 것이다. 우리의 삶은 철도와 같은 교통수단에 의해 이루어져 왔다. 특히 자본주의 등장 이후 급속히 진행된 산업화와 도시화 과정은 경제와 공간구조의 변화뿐 아니라 이에 상응하는 새로운 철도 노선과 철도시스템을 만들어 내었다. 오늘날 철도는 다양한 역할을 수행하면서, 국가경제 발전과정에 크게 기여를 했을 뿐 아니라, 이를 통해 철도 자체의 기술발전을 이끌어왔다.
2000년대 들어와 본격적으로 철도시대로 전환하고 있는 징후들이 여러 측면에서 나타나고 있다. 고속철도(KTX)의 개통으로 우리의 삶이 1일 생활권으로 바뀌고 있으며, 주요광역급행철도가 구축되면서 철도가 대중교통수단의 총아로서 자리매김하고 있다. 편리하고 안전한 철도에 대한 국민들의 욕구와 열망이 우리가 철도 시대에 깊숙이 들어와 살고 있음을 알려주고 있다.

이처럼 철도의 역할이 커짐에 따라 철도관련 이론, 기법, 방법 등이 보다 과학화, 실용화, 전문화되어가고 있는 추세이다. 기존의 방법론과 연구성과를 토대로 새로운 학문적 접근방법의 접목이 요구되는 시기이다. 이 같은 관점에서 운전이론 역시 새로운 관점에서 재조명 해 볼 시기가 온 것 같다.
우선 운전이론은 철도의 사명을 충족시키기 위한 이론적인 틀을 제공한다. 철도가 왜 탄생했는지 보자. 한꺼번에 수많은 승객과 대규모 화물을 사람들이 원하는 목적지로 실어 나르고자 하는 욕망이 철도라는 교통수단을 발명해 내는 동기가 된 것이다.
철도가 대중교통수단으로 자리를 잡게 되자 철도운영자나 이용객들은 철도가 승객과 화물을 안전하고 신속하게, 그리고 경제적으로 수송해야 한다는 일종의 사명감을 철도에게 부여하기 시작한다. 그래서 철도는 이러한 사명 속에서 운행되고 있다고 보아도 과언이 아닐 것이다. 안전하고 신속하게, 그리고 경제적으로 수송해야 한다는 철도의 사명(목적)을 충실히 수행하려면 이를 이론적으로 뒷받침할 수 있는 이론과 방법이 필요한 것이다. 이게 바로 운전이론이다.

기업은 소비자가 원하는 상품과 서비스를 제공하기 위해 생산계획을 세우고 이 계획에 따라 제품과 서비스를 만들어 낸다. 이 같은 맥락에서 철도운영자도 교통수요자가 원하는 교통서비스를 제공하기 위해 열차를 얼마만큼 빠른 속도로 몇 회 운행할 것인지에 대한 운전계획을 세워야 한다. 이 운전계획을 수립할 때에는 먼저 열차를 이용할 승객은 얼마나 있으며 이 승객들을 안전하고 신속하게 수송하기 위해서는 열차가 얼마나 필요한지를 구체적이고 과학적으로 분석하여 운전계획을 수립하지 않으면 안 된다.
이와 동시에 이같은 철도의 사명을 충족시키고 이용자들에게 효과적인 철도서비스를 제공하기 위해서는 철도운영자뿐만 아니라 기관사의 역할이 무엇보다도 중요하게 된다. 철도의 이처럼 중요한 역할을 수행하기 위해 기관사는 어떤 지식과 기술로 무장되어 있어야 할까? 이 점이 운전이론이 나온 또 하나의 배경이라고 할 수 있다.

기관사가 운전에 관련된 제반 이론을 모르면 안전, 신속, 경제적인 철도운전이 가능하지 못할 것이다. 예컨대 열차의 견인력, 저항, 제동 등이 어떤 이론적 배경 속에서 작동이 되는지 모른다면 기관사가 열차를 안전, 신속, 경제적으로 운전할 수 있을까?
이러한 관점에서 운전이론이 어떻게 활용되는지를 살펴보자.
① 열차를 합리적이고 경제적으로 운행하기 위한 운전기술에 관한 기초이론이다.
② 열차를 합리적 · 경제적으로 운행하기 위한 운전기술에 관한 기초이론이다.
③ 동력차를 운전하는 기관사가 어떻게 기기 조작을 해야 가 · 감속 및 제동을 하는 데 합리적이고 경제적인가에 대한 이론적 배경을 제공한다.
④ 열차 다이아 작성 등 어떻게 운전계획을 수립하여야 합리적 · 효율적인가에 대한 이론이다.
⑤ 운전분야에만 적용되는 것이 아니라 차량의 설계 · 제작, 선로 · 신호 · 통신 · 전기시설물의 부설 등 철도의 타 분야에도 이론을 제공한다.
이 책의 서두에서는 의의와 범위를 살펴본다. 그리고 운전계획과정을 조망하면서 운전계획의 필요성과 운전계획의 종류를 논한다. 한국철도공사(KORAIL)의 열차계획 사례를 통해 운전계획의 실천적 사례을 보다 심도 있게 들여다보면서 운전계획의 이해도를 넓힌다.

운전역학에서는 속도일반과 가속도, 운동의 법칙, 원심력 등을 이론과 예제를 동시에 살펴가면서 습득하게 된다. 동력차의 특성과 견인력에서는 직류직구전동기와 유도전동기의 원리, 동력차 성능, 견인력에 대해 고찰한다. 유도전동기에서는 동력운전 시 토크제어방식을 그림을 통해 이해한다.
열차저항에서는 출발저항, 주행저항, 구배저항, 곡선저항, 터널저항, 가속도저항에 대한 안목을 키우면서 각 저항의 고유한 특징을 논한다. 제동이론에서는 제동원력, 제륜자압력, 제동배율이 무엇인지 알아보고, 제동이론에서는 감압량에 따른 제동통압력, 최대 유효 갑압량, 제동력, 제동거리 등을 구체적으로 살펴본다.

운전계획에서는 수강생들이 수송수요와 수송력에 대해 시야를 넓히게 된다. 열차를 이용할 승객은 얼마나 있으며 이 승객들을 안전하고 신속하게 수송하기 위해서는 열차가 얼마나 필요한지를 구체적이고 과학적인 운전계획과정을 접하게 된다.
운전이론을 강의하다 보면 많은 학생들이 어려움을 호소한다. 어떻게 해야 어려운 과목을 쉽게 풀어서 학생들에게 전달할 수 있을까? 저자들이 이 운전이론 책을 쓰기로 마음먹은 이유이다. 첫째, 저자들은 이해하기 어려운 이론, 공식, 방법 등을 그림을 동원하여 하나하나 풀어가면서 운전이론에 대한 두려움을 없애 주려고 시도했다. 둘째, 저자들은 기존 교제(서울교통공사 발간)의 내용을 단락별로 축약시켜 요점 위주로 책을 구성하였다. 셋째, 저자들은 운전이론 관련 용어의 개념과 방법론을 이해하려면 실천적인 예제가 필요함을 느끼고 책 전체에 걸쳐 해당 주제에 대한 예제를 풍부하게 배치하여 수강생들이 보다 알기 쉽게 이해하도록 배려하였다.

국가고시인 철도운전면허 시험을 준비하는 순수하고 지적 호기심에 불타는 수많은 학생들과 수강생을 외면하면 안 된다는 한 가닥 소명을 갖고 그동안 강의해 왔던 운전이론 강의록을 세상에 내놓는다. 이 책이 나오기까지 그동안 저자들과 끊임없이 교감하면서 열정을 다해 편집 일에 몰두해 주신 전채린 과장님에게 진심으로 고마움을 전하고 싶다.

저자 원제무 · 서은영

원제무
원제무 교수는 한양공대와 서울대 환경대학원을 거쳐 미국 MIT에서 도시공학 박사학위를 받고 KAIST 도시교통연구본부장, 서울시립대 교수와 한양대 도시대학원장을 역임한 바 있다. 그동안 대중교통론, 철도계획, 철도정책 등에 관한 연구와 강의를 해오고 있다. 요즘에는 김포대학교 석좌교수로서 도시철도시스템, 전동차구조 및 기능, 운전이론 강의도 진행 중에 있다.

서은영
서은영 교수는 한양대 경영학과, 한양대 공학대학원 도시 · SOC계획 석사학위를 받은 후 한양대 도시대학원에서 ‘고속철도 개통 전후의 역세권 주변 용도별 지가 변화 특성에 미치는 영향 요인 분석’으로 도시공
학박사를 취득하였다. 그동안 철도정책, 철도경영, 철도마케팅 강의와 연구논문을 발표해 오고 있다. 현재는 김포대학교 철도경영학과 학과장으로서 철도경영, 철도 서비스마케팅, 도시철도시스템, 운전이론 등의 과목을 강의하고 있다.

제1장 열차저항

제1절 열차저항의 종류 ·····················································································3
1. 저항의 종류_ 3
2. 출발저항_ 5
3. 주행저항(Running Resistance)_ 6
4. 구배저항_ 31
5. 곡선저항_ 37
6. 터널 저항_ 41
7. 가속도 저항_ 46

제2장 제동이론

제1절 제동장치 일반 ······················································································55
1. 철도제동의 종류_ 57

제2절 제동 일반이론 ······················································································63
1. 제동원력_ 63
2. 제륜자 압력_ 65
3. 제동배율_ 66
4. 제동사용률_ 67
5. 제동률_ 67
제3절 제동이론 ·······························································································75
1. 감압량에 따른 제동통압력의 형성_ 75
2. 최소 유효제동통압력_ 78
3. 최소유효감압량_ 79
4. 최대유효감압량_ 80
5. 피스톤행정 변화 및 감압량의 한계_ 82
제4절 제동력 ···································································································83
1. 제륜자압력_ 83
2. 제동력과 점착력_ 84
제5절 제동거리의 산출 ···················································································86
1. 공주거리_ 87
2. 실제동거리_ 89
3. 전제동거리의 산출_ 91
4. 제동거리 약산식_ 93
제6절 전기제동 ·······························································································96
1. 발전제동_ 96

제3장 운전계획

제1절 운전계획 ·····························································································103
1. 왜 운전계획을 수립하는가?_ 103
2. 운전계획 내의 주요 계획_ 105
제2절 열차계획 ·····························································································106
1. 수송 수요_ 106
2. 수송량과 열차횟수_ 106
제3절 운전 선도 ···························································································112
1. 운전선도 개요_ 112
2. 운전선도 분류_ 113
제4절 표준 운전시분 ····················································································114
1. 표준운전시분 개요_ 114
2. 표준운전시분의 산정_ 115
3. 정차시분의 산정_ 115
제5절 열차 DIA(Diagram for Train Scheduling) ···································116
1. 열차 DIA 개요_ 116
2. 운행소요시분_ 119
3. 열차 DIA의 종류_ 119
4. 열차 DIA의 작성_ 121
5. 열차 번호_ 124
제6절 선로 용량 ···························································································124
1. 선로용량의 의의_ 124
2. 선로용량의 한계계산을 위한 중요 영향 인자_ 125
3. 현실적 선로용량 한계계산을 위한 인자_ 125
4. 선로의 용량_ 125
5. 선로이용률_ 128
6. 선로용량의 부족_ 130

제4장 경제운전

제1절 차량성능상 경제운전 ··········································································135
1. 직접적인 요소_ 135
2. 간접적인 요소_ 136
제2절 운전기술상 경제운전 ··········································································137
제3절 공전운전방지 운전취급 ······································································138
1. 공전발생의 역학적 원인_ 138
2. 공전방지 운전취급 방법_ 139
제4절 특수운전취급 ······················································································140
1. 횡단로 통과 시 운전취급_ 140
2. 선로 침수 시 운전취급_ 140
3. 상구배 선로에서 정차시 인출취급_ 140

제5장 철도차량의 진동

제1절 철도차량의 진동종류 ··········································································145
1. 개요_ 145
2. 사행동(Snake Motion)_ 149