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승객 유동을 고려한 DEVS 기반 자기부상열차 운행 시뮬레이션
An Operation Simulation of MAGLEV using DEVS Formalism Considering Traffic Wave 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.20 no.3, 2011년, pp.89 - 100  

차무현 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) ,  이재경 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) ,  백진기 (한국기계연구원 도시형자기부상열차 실용화 사업단)

초록
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새로운 교통수단으로서 실용화가 진행 중인 자기부상열차 시스템은 무인자동운전으로 운영되며, 사전에 면밀한 열차운행 계획의 수립과 검증이 요구된다. 일반적으로 열차운행 계획을 수립할 때는, 노선계획에 따른 통계화된 수송수요 예측자료를 활용하지만, 실제 열차 운행 시에는 수송 파동이 생길 수 있으며, 이를 고려하여 열차 운행 계획과 서비스 품질을 사전에 검토할 수 있는 수요기반 시뮬레이션 기술이 요구된다. 본 연구에서는 연속적인 수요파동을 반영할 수 있는 자기부상열차 운행 시뮬레이션 방법 및 모델을 제시하였다. 이를 위해, 열차 운행에 따른 승객 수송과정을 가장 효과적으로 모사할 수 있는 이산사건 모델을 적용하였으며, DEVS 형식론을 이용하여 시스템을 체계적으로 모델링 하였다. 또한, DEVSim++시뮬레이션 환경을 이용한 구현과 실험을 통해, 제안한 모델에 대한 구현 가능성을 검증하였고, 이러한 수요기반 시뮬레이션을 이용하면 운행계획과 전략에 대한 효과적인 사전 검토가 가능함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The MAGLEV (Magnetically Levitated Vehicle) system, which is under commercialization as a new transportation system in Korea, is operated by means of unmanned automatic control system. Therefore the plan of train operation should be carefully established and validated in advance. In general, when ma...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에 있어 가장 중요한 고려사항은, 수송파동에 의한 승객의 유동적인 변화를 시뮬레이션에 반영하는 것이다. 본 연구에서는 자기부상열차 실용화 노선의 교통영향평가에 수록된, 역사별 1일 평균 수요예측 데이터와, 가장 혼잡한 시간대(첨두시)의 시간당 승객 예측 데이터를 활용하였다.
  • 본 연구에서는 DEVS형식론을 이용하여 이산사건 시스템으로 표현되는 자기부상열차 운행 및 승하차 시스템을 모델링 하고자 한다. 이를 위해 먼저 시스템 DT (decomposition tree)를 그림 5와 같이 구성하였다.
  • 본 연구에서는 새로운 교통수단으로서 실용화가 진행 중인 자기부상열차 시스템에 대해, 승객의 유동적인 변화를 반영할 수 있는 열차 운행 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 미리 설계된 열차 운행 계획과 각 역사 별 수요 예측 데이터를 활용하고, 운행 전략에 관한 여러 가지 가정(이동폐색, 정차시간, 승객 승하차 시간 등)을 기반으로, 실제 열차가 운행되기 이전에 열차 운행 계획과 전략을 검토할 수 있는, 이산사건 기반의 모델링 및 시뮬레이션 방법을 제안하였다.
  • 본 연구에서는, 무인자동운전으로 운영될 예정인 자기 부상열차 시스템에 대해, 사전에 정밀한 운행계획의 수립과 검토를 위해서, 연속적인 수요파동을 고려한 열차운행시뮬레이션 방법 및 모델을 제시하였다. 시스템 모델의 경우, 열차 운행에 따른 승객 수송과정을 가장 효과적으로 모사할 수 있는 이산사건 모델을 사용하였으며, 모델링 방법은 복잡한 시스템 모델에 대해 체계적인 수학적 형식론을 제공하고 객체지향적 프로그래밍이 가능한 DEVS 형식론[7]을 적용하였다.

가설 설정

  • 또한, 열차에 탑승한 승객의 하차 위치 결정도 필요하다. 본 연구에서는 표 1에서 예측된 승객 생성 비율을 역사 이용률로 가정하고, 현재 탑승객의 하차율은 각 역사의 이용률을 따르도록 설계하였다.
  • 76초로 설정하였다. 이 논문에서는 승하차 승객의 수가 많을수록 승하차 시간도 길어지며, 다양한 조건을 고려한 시간 예측 모형도 제시되었지만, 본 연구에서는 입력 데이터의 간략화를 위해 이를 고려하지는 않았다. 또한, 현재의 시범 노선 운행 전략은 표준 정차시간(20초)을 준수하는 것이므로, 승객이 적을 경우에도 그 시간 동안 대기하도록 하였다.
  • 표 1에서는 이를 이용하여 생성된 각 시간대별 승객 생성 속도를 나타내고 있다. 첨두와 비첨두 시간대는 각각 첨두시 예측데이터와 1일 예측 데이터를 그대로 활용하였으며, 준첨두의 경우 이들의 평균으로 가정하여 계산하였다. 승객 생성 속도는 일반적으로 포아송 분포를 따르며, 승객당 생성 시간은 Exponential 분포를 따르므로, 이에 따라 랜덤 프로세스를 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
DIA 설계시 필요한 자료는? 일반적으로 열차운행 계획을 수립할 때는, 열차 운행 스케쥴을 시간에 따른 열차 이동거리로 도표화한 DIA(Train Diagram의 약칭)가 주로 사용된다. DIA 설계 시에는, 노선계획에 따른 수송수요 예측자료와, 선로와 차량 제원을 기반으로 동적 성능을 분석하는 열차 성능시뮬레이션(TPS, Train Performance Simulation) 자료를 바탕으로 상세한 열차 운행 스케쥴을 수립하게 된다. 이때, 수송수요는 1일 또는 혼잡 시간대의 평균 등에 의해 통계화된 추정치를 이용하게 된다.
일반적으로 열차운행 계획 수립할 때 사용되는 도표화된 모델은? 자기부상열차는 기본적으로 무인 자동운전 방식으로 운영되기 때문에, 사전에 면밀한 열차운행 계획의 수립과 검증이 요구된다. 일반적으로 열차운행 계획을 수립할 때는, 열차 운행 스케쥴을 시간에 따른 열차 이동거리로 도표화한 DIA(Train Diagram의 약칭)가 주로 사용된다. DIA 설계 시에는, 노선계획에 따른 수송수요 예측자료와, 선로와 차량 제원을 기반으로 동적 성능을 분석하는 열차 성능시뮬레이션(TPS, Train Performance Simulation) 자료를 바탕으로 상세한 열차 운행 스케쥴을 수립하게 된다.
수송수요에 대한 수송 파동을 반영하기 위한 기술은? 한편, 실제 열차 운행 시에는 수송수요에 대한 시간적, 시기적 파동이 있을 수 있으며, 이러한 수송 파동(Traffic Wave)은 계절, 요일, 주변 행사 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있다. 따라서, 통계화된 수요를 바탕으로 개발된 열차운행 계획에 대해, 실세계와 흡사한 연속적인 수송 파동을 반영하여, DIA 설계의 타당성을 검토하고, 열차지연 또는 승객 대기시간 등의 수송 서비스에 대한 품질을 예측하는 수요기반 시뮬레이션 기술이 요구된다. 관련 연구를 살펴보면, 해외의 경우 OpenTrack[10], Bahn[11], RailSys[12] 등과 같이, 철도 시스템을 구성하고 운행 스케쥴 및 운영전략을 시뮬레이션 할 수 있는 다양한 툴들이 소개 되었다.
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참고문헌 (17)

  1. 박도영, 신병천, 유문환, 김동성, "도시형 자기부상열차 실용화 현황," 대한전기학회 전기의세계, 56(5), pp. 14-22, 2007년 5월. 

  2. 신병천, 김달식, 박도영, 백수현, 강흥식, "도시형자기부상열차 실용화 사업현황 및 시범노선 계획 소개," 대한기계학회 추계학술대회발표집, Industrial Session-1, 2007년 10월. 

  3. 김동희, 김영훈, "고속선을 고려한 다중열차주행 시뮬레이터 개발," 한국철도학회 춘계학술대회발표집, pp. 58-65, 2001년 5월. 

  4. 김동희, 김성호, 오석문, "다중열차 시뮬레이션을 위한 철도시스템 모델," 한국철도학회 논문집, 4(2), pp. 58-65, 2001년 6월. 

  5. 오세찬, 김길동, 박성혁, 이장무, 이한민, "차세대도시철도시스템 무인운영시뮬레이터 기본설계방안 연구," 한국철도학회 추계학술대회발표집, pp. 33-38, 2006년 11월. 

  6. 이창형, 이종우, "ATO 자동운전 기반의 무인운전 경전철 TPS에 관한 연구," 한국철도학회 추계학술대회발표집, pp. 1132-1137, 2008년 11월. 

  7. 김탁곤, "모델링 시뮬레이션 공학," 한국정보과학회지, 25(11), pp. 5-15, 2007년 11월. 

  8. 안명수, 박성봉, 김탁곤, "DEVSim++: 의미론에 기반한 이산사건 시스템의 객체지향 모델링 및 시뮬레이션 환경," 한국정보과학회논문지, 21(9), pp. 1652-1664, 1994년 9월. 

  9. 오석문, "서울시 혼잡 지하철역의 승하차 시간 분석," 한국철도학회 춘계학술대회발표집, pp. 42-49, 2005년 5월. 

  10. A. Nash and D. Hurlimann, "Railroad simulation using OpenTrack," Computers in Railways IX, pp. 45-54, May 2004. 

  11. JB BAHN : Simulation of railway and streetcar networks, URL: http://www.jbss.de/hpg_eng.htm 

  12. A. Radtke and D. Hauptmann, "Automated planning of timetables in large railway networks using a microscopic data basis and railway simulation technique," Computers in Railways IX, pp. 615-625, May 2004. 

  13. Pablo Grube, et al., "An event-driven simulator for multiline metro systems and its application to Santiago de Chile metropolitan rail network," Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 19, no. 1, pp. 393-405, Jan. 2011. 

  14. CS Chang, et al., "Development of train movement simulator for analysis and optimisation of railway signalling systems," International Conference on Developments in Mass Transit Systems, pp. 243-248, April 1998. 

  15. Massimo Paolucci and Raffaele Pesenti, "An object- oriented approach to discrete-event simulation applied to underground railway systems," Transactions of the Society for Modeling and Simulation International, vol. 72, no. 6, pp. 372-383, June 1999. 

  16. R.John Hill and Theresa K. Yates, "Modelling railway block signalling systems using discrete-event simulation," ASME/IEEE Joint Railroad Conference, pp. 1-9, April 1992. 

  17. B.P. Zeigler, H. Praehofer and T.G. Kim, Theory of modeling and simulation, 2nd Ed, Academic Press, Jan. 2000. 

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