[논문]철도차량 경량화를 위한 효과도 평가 기법에 관한 연구

김희욱; 김종운; 정현승; 박광복

doi:10.7782/jksr.2011.14.6.489

문제 정의

본 논문에서는 철도차량 전문가 집단으로부터 주어진 다수의 철도차량 경량화 설계대안의 효과도를 평가하고, 그 중에서 최적의 대안을 제시하는 기법을 제시한다. 효과도 평가 지표인 다양한 요구사항의 가중치를 산정하기 위해 정량적 의사결정 방법인 AHP(Analytical Hierarchy Process), QFD(Quality Function Deployment)를 이용한다.
본 논문에서는 철도차량의 경량화에 대한 고객의 요구사항과 개발상의 기술적 특성을 제시하고, 전문가 집단으로부터 제시된 각 대안의 효과를 평가하고 최적의 대안을 결정 하였다. 먼저 경량화 철도차량 개발을 위해 승객, 제작사, 운영사로부터 다양한 요구사항과 개발과정에서 요구되는 기술적 특성을 전문가로부터 확인할 수 있었다.
그리고 철도차량 경량화 설계대안을 평가하기 위해 TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) 방법을 적용한다. 이러한 일련의 철도차량 경량화에 대한 효과도 평가 절차 및 기법을 사례연구를 통하여 구체적으로 제시한다.

제안 방법

우선 실용화 되었거나 연구 중인 기술을 모두 고려하여 장치별로 다수의 대안을 파악하고, 전문가의 협의를 통하여 철도차량의 대안을 구성하였다. 4가지 대안 이외 더 많은 조합으로 인한 대안 제시가 가능하지만 무작위의 조합이 아닌 현실성 있는 대안설정을 설정하고, 평가를 위한 복잡도를 낮추기 위해 현재 적용되고 있는 기술부터 연구개발 중인 신기술까지 고려하여 대안을 도출하였다.
그리고 제작사 입장에서는 환경성이나 안전성 등을 요구하였으며, 운영업체는 효율적인 운영비용, 쉽게 이용할 수 있는 접근성, 수송 능력 등을 강조하였다. Table 3에서는 철도차량 경량화에 대한 고객의 평가 지표로써 총 6가지의 주요 요구사항을 도출하고 AHP를 이용하여 가중치를 산정하였다. CR값은 0.
각 대안은 TOPSIS를 이용하여 효과도를 평가하고 최적의 대안을 결정하였다. 철도차량 장치별 전문가들을 통하여 Table 6과 같이 중요도를 결정하고 기술적 특성의 가중치를 이용하여 TOPSIS 과정을 수행하였다.
고객 요구사항을 고려한 기술적 특성의 가중치는 QFD를 이용하여 Fig. 1과 같이 도출하였다. 고객의 요구사항과 기술적 특성의 상호간의 관계 정도에 따라 1(약한관계), 3(보통관계), 9(강한관계)의 값을 가지도록 설정하였다.
고객은 승객, 차량제작사, 운영업체로 구분하고 UNIFE에서 정의된 철도서비스에 대한 요구조건[11]을 바탕으로 각 고객별 요구사항을 파악하였다. 승객의 입장에서는 탑승 시에 느낄 수 있는 안락함과 정시성 그리고 부담 없는 적정수준의 운임 등의 요구사항이 파악되었다.
고객의 요구사항과 기술적 특성의 연관관계를 파악하기 위해 이미 널리 알려진 QFD를 이용하고 각 기술적 특성에 대한 가중치를 산정한다. QFD의 기본개념은 고객의 요구사항을 제품의 설계 특성으로 변환하고 이를 다시 부품 특성, 공정 계획 및 생산 계획까지 전개해 나감으로써 고객의 요구가 최종 제품에 충실히 구현되도록 하는데 있다[9].
효과도 평가 절차의 이해를 돕기 위하여 전동차를 대상으로 장치별 경량화 대안을 제시하고 철도차량 경량화를 위한다수의 대안모델을 설정하였다. 그리고 제시된 기법을 이용 하여 효과도를 평가하고 최적의 대안을 결정해보았다.
이를 바탕으로 AHP를 활용하여 고객 요구사항의 가중치를 산정하였으며, QFD를 이용하여 경량화 철도차량의 설계사양을 결정하였다. 그리고 철도차량의 장치별로 제시된 경량화 대안은 TOPSIS 방법으로 평가하고 최적의 대안을 제시하였다. 본 연구를 통하여 정성적인 요구사항에 대한 의사결정을 검증된 방법론으로 이용함으로써 철도차량 경량화 설계를 위한 효과도를 정량적으로 평가할 수 있었다.
TOPSIS는 AHP를 통한 가중치 선정 후에 적용하는 것이 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 따라서 AHP와 QFD에 의해 얻어진 가중치를 TOPSIS에 적용하여 철도차량 경량화를 위한 최적의 대안모델을 도출한다. TOPSIS 절차는 신행재 등[6]의 연구에서 자세히 설명되어 있다.
본 논문에서는 철도차량의 경량화에 대한 고객의 요구사항과 개발상의 기술적 특성을 제시하고, 전문가 집단으로부터 제시된 각 대안의 효과를 평가하고 최적의 대안을 결정 하였다. 먼저 경량화 철도차량 개발을 위해 승객, 제작사, 운영사로부터 다양한 요구사항과 개발과정에서 요구되는 기술적 특성을 전문가로부터 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 AHP를 활용하여 고객 요구사항의 가중치를 산정하였으며, QFD를 이용하여 경량화 철도차량의 설계사양을 결정하였다.
철도차량 경량화를 위한 장치별 대안을 바탕으로 전문가로부터 주어진 대안모델을 Table 5에 제시하였다. 우선 실용화 되었거나 연구 중인 기술을 모두 고려하여 장치별로 다수의 대안을 파악하고, 전문가의 협의를 통하여 철도차량의 대안을 구성하였다. 4가지 대안 이외 더 많은 조합으로 인한 대안 제시가 가능하지만 무작위의 조합이 아닌 현실성 있는 대안설정을 설정하고, 평가를 위한 복잡도를 낮추기 위해 현재 적용되고 있는 기술부터 연구개발 중인 신기술까지 고려하여 대안을 도출하였다.
먼저 경량화 철도차량 개발을 위해 승객, 제작사, 운영사로부터 다양한 요구사항과 개발과정에서 요구되는 기술적 특성을 전문가로부터 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 AHP를 활용하여 고객 요구사항의 가중치를 산정하였으며, QFD를 이용하여 경량화 철도차량의 설계사양을 결정하였다. 그리고 철도차량의 장치별로 제시된 경량화 대안은 TOPSIS 방법으로 평가하고 최적의 대안을 제시하였다.
각 대안은 TOPSIS를 이용하여 효과도를 평가하고 최적의 대안을 결정하였다. 철도차량 장치별 전문가들을 통하여 Table 6과 같이 중요도를 결정하고 기술적 특성의 가중치를 이용하여 TOPSIS 과정을 수행하였다.
효과도 평가 절차의 이해를 돕기 위하여 전동차를 대상으로 장치별 경량화 대안을 제시하고 철도차량 경량화를 위한다수의 대안모델을 설정하였다. 그리고 제시된 기법을 이용 하여 효과도를 평가하고 최적의 대안을 결정해보았다.

이론/모형

효과도 평가 지표인 다양한 요구사항의 가중치를 산정하기 위해 정량적 의사결정 방법인 AHP(Analytical Hierarchy Process), QFD(Quality Function Deployment)를 이용한다. 그리고 철도차량 경량화 설계대안을 평가하기 위해 TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) 방법을 적용한다. 이러한 일련의 철도차량 경량화에 대한 효과도 평가 절차 및 기법을 사례연구를 통하여 구체적으로 제시한다.
다수의 대안을 평가하고 최적의 대안을 결정하기 위해 TOPSIS를 이용한다. 이때 최종 대안은 고객 요구사항과 기술적 특성을 잘 반영되었다고 판단할 수 있다.
이때 가중치는 각 요구사항들 간의 쌍대 비교를 통해 주어진 범위 내의 값으로 정량화한다. 이러한 가중치 산정의 방법으로 AHP를 활용하였다. AHP 절차는 오 상영과 하대용[3]의 연구에서 자세히 제시되어 있다.
본 논문에서는 철도차량 전문가 집단으로부터 주어진 다수의 철도차량 경량화 설계대안의 효과도를 평가하고, 그 중에서 최적의 대안을 제시하는 기법을 제시한다. 효과도 평가 지표인 다양한 요구사항의 가중치를 산정하기 위해 정량적 의사결정 방법인 AHP(Analytical Hierarchy Process), QFD(Quality Function Deployment)를 이용한다. 그리고 철도차량 경량화 설계대안을 평가하기 위해 TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) 방법을 적용한다.

성능/효과

승객의 입장에서는 탑승 시에 느낄 수 있는 안락함과 정시성 그리고 부담 없는 적정수준의 운임 등의 요구사항이 파악되었다. 그리고 제작사 입장에서는 환경성이나 안전성 등을 요구하였으며, 운영업체는 효율적인 운영비용, 쉽게 이용할 수 있는 접근성, 수송 능력 등을 강조하였다. Table 3에서는 철도차량 경량화에 대한 고객의 평가 지표로써 총 6가지의 주요 요구사항을 도출하고 AHP를 이용하여 가중치를 산정하였다.
TOPSIS 수행결과 Table 7과 같이 각 대안의 상대적 근접도를 얻을 수 있었으며, 대안모델 3이 가장 큰 근접도를 가졌다. 따라서 제시된 경량화 철도차량의 4가지 대안 중 고객의 요구사항과 개발상의 기술적 특성이 잘 반영된 가장 이상적인 대안으로 모델 3을 제시할 수 있었다.
그리고 철도차량의 장치별로 제시된 경량화 대안은 TOPSIS 방법으로 평가하고 최적의 대안을 제시하였다. 본 연구를 통하여 정성적인 요구사항에 대한 의사결정을 검증된 방법론으로 이용함으로써 철도차량 경량화 설계를 위한 효과도를 정량적으로 평가할 수 있었다.
하지만 관계 정도는 실질적인 중요성을 가지기 보다는 기술적 특성의 우선순위를 판단하기 위한 역할을 하기 때문에 QFD를 수행하는 팀이나 담당자에 의해 보다 세분화할 수 있다. 최종적으로 각 기술적 특성의 가중치는 0.46(위험도), 0.16(제 동거리), 0.01(가속도), 0.10(신뢰도), 0.01(정비비용), 0.01(생산비용), 0.14(소음), 0.09(소비전력), 0.02(진동)로 산출되었다. 정비비용과 진동, 생산비용을 제외한 나머지 기술적 특성은 다수의 고객 요구사항과 관련되어 철도차량을 제작하고 개발되어야 함을 알 수 있었다.

후속연구

향후 철도차량을 개발할 때 제시된 방법을 활용한다면 사전에 대안 평가가 이루어질 수 있기 때문에 설계 단계에서 부터 생산, 출하에 이르기까지 발생하는 이해관계에 관한 문제를 줄일 수 있고, 생산시간을 단축시켜 비용절감의 효과를 기대할 수 있다.

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