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“하이퍼루프” 조기 개발을 위한 제언

하이퍼루프는 교통 재난을 대비해 차량 및 인프라 안전 및 재난 예측및 사전대응해야

국토매일 | 입력 : 2018/10/23 [09:32]

[김영일 박사-한국전자통신연구원] 2012년 미국 스페이스 X (SpaceX) 사의 CEO 엘런 머스크가 아진공 상태의 튜브에서 Pod(캡슐차량)를 비행기 속도보다 빠르게 이동시키는 하이퍼 루프 개념을 창안한 이래, 미국의 하이퍼 루프 원과 HTT, 중국 등에서 하이퍼 루프에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어, 조만간에 실용시스템이 등장 할 것으로 예측됨에 따라, 국내에서도 조속히 하이퍼루프 기술개발에 착수하여야만 핵심기술 선도 및 관련 산업 육성, 나아가 향후에 예측되는 남.북 철도연결사업에 있어서 미래형 대륙간 초고속열차모델로서 자리 잡을 수 있을 것이다.

 

특히 중국우주과학공업그룹(中國航天科工集團, CASIC)은  2017년 8월에 초음속 비행기술과 궤도 교통기술을 결합하고 초전도 자기부상기술과 진공터널을 응용한 최고속도 4000㎞의 차세대 교통수단 연구개발에 착수했다고 발표[출처 : 중앙일보] 중국, 진공터널 시속 4000㎞ 고속비행열차 연구개발 착수]한 바 있어 국내에서도 조속한 기술개발이 요구된다. 

 

이와 같은 하이퍼루프기술은 현존하지 않는 구조물과 캡슐형태의 차량을 개발하는 것으로서 기존의 철도와 달리 건설, 기계, 토목, 전기, 통신, 교통 분야에서의 최신기술을 융합시켜 개발을 해야 하는 것으로 많은 예산이 투입되어야 하지만, 개발 성공 시 그 경제, 산업, 문화 분야에 엄청난 파급효과를 발생시켜 경제, 산업, 정치면에서 새로운 국제질서까지 개편 확장시킬 수 있을 것으로 예측할 수 있다.

 

하이퍼튜브 기술을 개발하는데 있어서 튜브, 전력 등의 인프라 및 차량 개발과 병행하여, 초고속 무선데이터통신과 지능형 사물인터넷 (IoT)기술도 다음의 관점에서 볼 때 조기에 개발착수 되어야 한다.    

 

첫째,(전파환경의 특수성) 하이퍼루프는 대기 공기압으로부터 밀폐되어 아진공상태(약 1밀리바)를 유지하는 튜브 내에서 차량이 평균시속 1,000Km/h로 주행하는 관계로 튜브가 도파관(waveguide)역할을 하게 되어 전파손실이 자유공간보다 작게 되고 높은 도풀러 주파수 편이가 일어나는 등 특수한 환경에 놓이게 되어 현재 사용되고 있는 4G 이동통신과 500Km/h 이동속도에 최적화 되어 있는 5G 이동통신을 그대로 적용할 수 없으므로 1.6KHz 이상의 도플러주파수 천이 문제를 극복할 수 있는 새로운 무선전송기술이 조기에 개발되어야 한다. 또한 하이퍼루프 차량에 탑재되는 무선통신 안테나의 구조는 차량구조에 영향을 받게 되므로 차량 구조설계 단계에서부터 무선통신장치 기술은 병행 개발 추진되어야 한다. 

 

둘째,(초고속 이동성 확보) 하이퍼루프는 철도 및 도로교통 터널보다 훨씬 작은 직경 2~3m의 튜브 내에서 차량이 초고속으로 이동할 때 끊김이 없는 무선통신서비스를 제공할 수 있도록 통신의 이동성(핸드오버)을 보장 할 수 있는 선형 셀 구조 및 통신시스템 구조가 튜브 인프라에 최적인 형태로 개발되어야 한다.      

셋째, (승객 관점) 일반철도 및 항공과 달리 하이퍼루프는 밀폐된 공간에서 일정시간 이동을 하는 만큼 폐쇄공포증을 야기 시킬 수 있을 뿐 아니라, 차량 사고 시 탈출방법 또한 비행기의 경우보다 어려울 수 있으므로, 차량 내 30여명 정도의 승객이 외부세계와 HD급 이상의 데이터 전송속도로 통신을 할 수 있을 정도로 초고속 무선전송기술이 필요하게 된다.

 

또한 아진공의 밀페된 공간에서 승객이 생존해야하는 만큼, 차량 내 산소 및 이산화탄소 농도, 무구속/무자각 방식으로 획득한 승객의 생체신호 등을 실시간으로 분석하여 차량 환경의 안전여부 및 승객의 건강상태를 실시간으로 판단하고 외부세계로 전달해야 하는 만큼 무선통신기술을 튜브 인프라와 차량개발 동시에 개발 추진해야 한다.   

 

넷째, (화물 관점) 하이퍼루프의 도입가능성을 분석해 보면, 승객 보다 화물 수송에 우선 적용될 것으로 보인다.  화물의 경우 운송 중에 겪게 되는 온도, 진동 등 외부 환경변화에 의해 품질이 영향을 받을 수 있으며, 운송과정의 정시성을 위해 항상 운송경로와 환경을 모니터링 하여야 하므로, IoT 센싱기술과 획득한 데이터를 무선방식으로 외부로 전송하는 기술이 초고속 무선통신기술과 연계되어 개발 되어야 한다. 

 

특히 4차 산업혁명시대에서는 스마트 팩토리 및 스마트 물류기술의 고도화를 위해서 물리인터넷기술(Physical Internet)이 하이퍼루프에 도입될 것으로 예측되며, 이를 위한 무선통신기술이 도입되어야 할 것이다.   

 

다섯째, (차량 안전 관점) 하이퍼루프 운행시 차량 또는 인프라의 고장이 발생하는 경우 원격지 제어센터에서 원격으로 유지보수를 하거나, 차량과의 협력에 의한 온라인 점검 및 자율적 유지보수를 수행하여야 한다.  차량 및 인프라의 안전을 위해서 CPS(Cyber Physical System)기술이 적용되어야 할 것이며, 이를 위해서는 무선종단 간 전달지연이 거의 없는(1ms 이하) 실시간 고속무선전송기술이 확보되어야 한다.       

여섯째, (자율운행 관점) 하이퍼루프는 높은 주행 속도로 인해 사람의 오감에 의한 제어가 불가함으로 기장 없이 무인으로 운행되는 시스템기술을 적용하여야 함으로 차량의 주행위치 정보와 주행상황을 인식하여 자율적으로 주행하는 지능형 IoT기술이 필수적이며, 이를 위한 제어데이터를 전달지연 없이 차량과 외부의 제어센터 간에 실시간으로 교환되어야 한다.

 

이상과 같은 초고속 무선데이터통신기술을 한국에서 개발하는 것보다, 외국의 이동통신기술 전문회사의 기존제품 또는 향후 개발될 제품을 사용하는 것이 원가절감 측면에서 유리하다는 일부의 의견이 있을 수 있으나, 이는 다음과 같은 측면에서 타당하지 않다고 판단된다.

 

첫째, (전파환경 특징의 상이성) 하이퍼루프의 튜브인프라는 콘크리트 또는 금속과 같이 다양한 재질로 구축될 수 있을 뿐 아니라, 튜브 외형도 하중분산방식의 다양화에 따라 구형 외에 다른 형태도 출현하는 것을 배재할 수 없을 것이다.  또한 장대 튜브의 구축을 위한 공법의 차이에 따라 튜브인프라의 연결이음 점 공법도 나라마다 상이하게 될 것이다. 

 

이와 같이 튜브 인프라의 구조적 특징과 사용하는 주파수의 대역에 따라 전파전파 모델이 결정될 것이므로, 한국형 하이퍼루프 인프라에 적합한 무선통신기술을 독자 개발하는 것이 타당하다고 판단된다.

 

둘째, (하이퍼루프 개발기간 단축) 하이퍼루프의 실용화를 위해서는 시제품 구축 및 지속적인 시험을 통해 시스템의 최적화를 이루어야 할 것이다. 이와 같은 과정에서는 사람이 접근하기 어려운 아진공 상태의 튜브인프라와 차량에 대한 실시간 운행정보와 안전관련 파라미터를 지속적으로 외부의 관제센터로 전송하여 데이터베이스를 구축하여 활용하여야만 시스템 최적화 기간단축, 원가절감이 가능할 것이므로 무선통신 기술은 하이퍼루프 개발과 동시에 독자적으로 개발 진행되어야 한다.

 

셋째, (타 산업으로의 파급 효과) 하이퍼루프에 적용될 초고속무선데이터 통신은 도플러주파수 천이문제를 해결해야 하는 6G 외에 전투기, 미사일 등과 같이 극초음속으로 비행하는 물체에 적용 가능한 기술로 하이퍼튜브 외에도 다양한 산업문야에 적용될 수 있어 독자적으로 개발 추진하여야 한다. 

 

예를 들어 달 탐사를 위한 누리호 발사 시험과정에 하이퍼루프 무선통신기술을 개량한 극초고속 무선통신기술을 적용하는 경우 발사과정에서 획득하는 각종 센싱정보를 실시간으로 획득 분석할 수 있어 개발비용과 기간을 획기적으로 절감 및 단축할 수 있을 것이다.   

 

다음으로 하이퍼루프의 안전에 관해서 살펴보고자 한다.

하이퍼루프는 교통 재난 시 막대한 재해가 발생할 수 있으므로 차량의 운행 중에 실시간으로 차량 및 인프라의 안전상태 모니터링과 재난예측 및 사전대응이 가능한 지능형 IoT 플랫폼 기술이 개발되어야 하며 아래와 같은 이유로 하이퍼루프의 개발 초기부터 개발되어야 한다.     

 

첫째, (자율분산 지능 기술측면) 기장 없이 고속으로 이동하는 하이퍼루프 차량의 안전을 위해서는 주행중에 차량의 장치 및 부품의 안전상태 뿐 아니라 하이퍼루프 인프라의 안전 상태를 실시간으로 모니터링하고 이상 징후 예측 시 외부에 보고하기 전에 선 조치를 수행하는 메커니즘을 적용해야 한다.

 

이를 위해서는 하이퍼루프 차량 개발초기단계에서부터 지능형 IoT디바이스를 장착하여 실시간으로 다양한 부품 및 장치에 대한 동작 상태를 모니터링하고 실시간으로 안전상태(안전지수)를 분석하여 재난을 예방해야 한다.

 

둘째, (안전지식의 축적 및 성장) 하이퍼루프는 새로운 교통수단으로 기존에 이와 유사한 안전관련 데이터가 없으므로, 하이퍼루프 시스템 개발 및 시험운행 과정 등에 걸쳐서 지속적으로 안전관련 데이터를 확보하여 안전표준을 마련해야 한다.  이를 위해서 딥러닝을 통한 안전데이터의 분류, 각 부품 및 장치가 안전에 미치는 영향 등을 분석하여 지식으로 축적하고, 지속적인 운행과정을 거치면서 안전지식을 성정시킬 수 있는 개방형 안전플랫폼을 개발하여야 한다.

 

셋째, (안전지식의 이전을 통한 세계시장 확보) 국내에서 조기에 하이퍼루프를 개발하는 경우, 지능형 IoT기반 안전지식은 다른 나라의 하이퍼루프에 적용될 수 있을 것이므로, 국제 공동연구 또는 컨소시엄을 구성을 통해 안전관련 국제표준을 개발하고, 국내의 안전지식 및 기술의 이전과정을 거쳐 궁극적으로 관련장비의 수출을 통해 세계시장을 확보할 수 있을 것이다. 

 

이상으로 살펴본 바와 같이 경제, 산업분야에 새로운 혁명적 동인이 되는 하이퍼루프는 조기에 개발 착수하여야 국제 경쟁력을 확보 할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 철도개념과 다른 새로운 개념의 하이퍼루프 차량 및 인프라의 개발단계부터 하이퍼루프에 특화된 초고속 무선통신기술을 개발하여 시스템 구축 및 실험운행 과정에 적용하여야 개발비 절감 및 개발기간을 단축할 수 있을 것이다. 

 

또한 하이퍼루프의 속도와 튜브내의 진공상태 고려 시 지능형 IoT기반의 CPS기술을 적용하고 안전지식의 축적 및 성장기술을 개발하여야 대형 사고를 예방하여 안전하고 빠른 새로운 교통시스템으로 전 세계인의 교통서비스를 제공할 수 있게 될 것이다.  

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