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문제 정의
- 따라서 GUI(Graphical User Interface)환경에서 시뮬레이션 데이터 입력, 시뮬레이션, 리포팅, 애니메이션을 모두 실행할 수 있는 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터의 연구 개발은 중요한 의미를 갖고 있다고 할 수 있다. 우리나라 실정에 맞고 차량기지를 세밀하게 시뮬레이션 할 수 있는 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터를 자체 교통 시뮬레이션 엔진기술을 이용하여 개발 하였으며, 본 논문을 통해 시뮬레이터에 대한 주요 기능 및 시뮬레이션 툴 개발에 관한 전반적인 절차를 설명하고자 한다.
제안 방법
- 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터는 선로, 신호기, 분기기 등 다양한 선로 네트워크를 GUI환경에서 입력할 수 있으며, 자동화된 시뮬레이션 알고리즘에 의해 열차 주행, 차량기지 내 작업, 운전자 탑승, 역차 시운전, 분기기 변경, 신호기 변경 등 열차 및 각종 시설물을 동적으로 시뮬레이션 한다. 본 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터는 시뮬레이션 결과를 표, 그래프, 애니메이션을 통해 다차원 분석을 할 수 있는 종합 시뮬레이션 툴이다.
- 구축한 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터를 이용하여 현재 건설 중인 우이-신설 및 부산-김해 경량전철 시스템의 차량기지에 대한 시뮬레이션 분석을 수행 하였다. 차량기지에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 열차 유치공간에 대한 부족여부, 차량기지 작업공간 규모에 대한 적절성 여부, 차량기지 입출고에 대한 정시성을 확보할 수 있는 배선계획인지 등을 분석할 수 있다.
- 시뮬레이터는 시뮬레이션 진행상황을 화면에 로그로 출력하는데 열차의 상태에 따라 로그창에 출력되는 색상을 다르게 설정하여 사용자가 현재 열차별 시뮬레이션 진행 상태를 한눈에 파악할 수 있도록 하였다. 리포터는 사용자가 검색을 원하는 조건을 입력하면 검색 조건에 맞는 결과를 데이터베이스에서 검색하여 동적으로 표와 그래프를 생성하고 인쇄할 수 있는 보고서 기능을 구현하였다. 애니메이터는 재생속도조절, 배경이미지 추가, 화면확대, 축소, 이동등 재생에 관련된 편의기능을 구현하였으며, 애니메이션 객체들을 Layer로 관리하여 특정 Layer만 재생할 수 있도록 구현하였고, XNA Framework를 사용하고 있어 애니메이션 객체의 수량에 상관없이 빠른 재생속도를 보장한다.
- Railway Application Engine은 Application 수행에 필요한 기본 라이브러리를 제공한다. 맨 상단의 Application은 Presentation Layer와 Business Layer로 구분하여 UI와 비즈니스 관련 부분을 분리하여 구현 및 유지보수가 용이하도록 하였다.
- 본 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터는 그림 2와 같은 절차에 의해 15개월간 10여명의 연구원 및 개발자가 참여하여 개발하였다.
- 본 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터는 표 1과 같은 개발환경 및 개발 툴을 활용하여 구축하였으며, 시뮬레이션 툴의 완성도, 개발 생산성 및 형상관리를 위해 상용컴포넌트 및 코딩자동화 툴, 소스 형상관리 툴, 코드 프로파일링 툴등 성능향상 및 자동화 관련 툴을 활용하였다.
- 시뮬레이션 툴 개발은 요구사항 수집 및 분석단계, 시뮬레이션 툴 설계단계, 구축단계, 전개단계로 진행된다. 본 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터를 보다 현실을 반영하여 구현하기 위해서 그림 3과 같이 경량전철 구축 건설사의 현장 실무자의 요구사항을 상세하게 분석하였다. 이와 같은 요구사항분석을 통해 선로, 열차, 작업, 신호, 제어 등 다양한 객체에 대한 모델링 기초 데이터 수집과 시스템 분석, 요구기능을 정의하였다.
- 요구사항 분석을 통해 시뮬레이션 대상을 상세화 한 후 필요한 시뮬레이션 기능 및 알고리즘 목록을 도출하였다. 비즈니스 및 열차 동작에 대한 메커니즘을 분석하여 비즈니스 모델링 및 알고리즘을 설계를 수행하였다. 알고리즘은 수차례의 개발자 및 현업 실무자 검토를 통해 구체화 하였으며, 표 4와 같이 열차이동, 차량기지 작업, 시스템 운영과 관련된 알고리즘을 개발 하였다.
- 시뮬레이션 툴 구축을 위해 전문용어, 코딩규약 등을 정의하고 개발환경을 구축하였다. 개발환경은 시뮬레이션 툴 개발 PC, 시뮬레이션 알고리즘 개발 서버, 소스 형상 관리 서버, 산출물 관리 서버, 테스트 PC로 작업공간을 물리적으로 나누어 여러 개발자간 병렬작업 및 공동작업의 효율을 높였다.
- 특히, 알고리즘 프로그램 코드는 프로파일링 전문 분석 툴을 사용하여 함수별 수행시간 분석을 통해 알고리즘 수행속도를 개선하였다. 시뮬레이터 구축시 모듈별로 단위테스트를 실시한 후 타 모듈과 결합 및 통합테스트를 수행하였다.
- 세부 속성 정보는 별도의 속성입력창에서 편집할 수 있으며, 시설물은 이미지를 Overlay 시킬 수 있도록 구성하여 편의성 및 사실성을 높였다. 시뮬레이터는 시뮬레이션 진행상황을 화면에 로그로 출력하는데 열차의 상태에 따라 로그창에 출력되는 색상을 다르게 설정하여 사용자가 현재 열차별 시뮬레이션 진행 상태를 한눈에 파악할 수 있도록 하였다. 리포터는 사용자가 검색을 원하는 조건을 입력하면 검색 조건에 맞는 결과를 데이터베이스에서 검색하여 동적으로 표와 그래프를 생성하고 인쇄할 수 있는 보고서 기능을 구현하였다.
- 열차주행 및 운영관련 많은 비즈니스 로직에 대한 알고리즘을 구현하는 방법은 개별 알고리즘에 대한 정합성을 확인한 후, 시뮬레이터 알고리즘에 하나씩 추가하는 반복 점진적 방식을 사용하였으며, 코딩방식은 2명씩 짝을 이루어 코딩과 검증을 반복하는 Pair Programming 기법을 적용하였다. 알고리즘은 객체 지향기법으로 설계하여 향후 확장성을 도모하였으며, 알고리즘 클래스를 세분화하여 소스형상관리 서버를 이용하여 하나의 알고리즘을 여러 개발자가 병렬로 동시에 개발할 수 있도록 하여 개발일정을 단축하였다. 특히, 알고리즘 프로그램 코드는 프로파일링 전문 분석 툴을 사용하여 함수별 수행시간 분석을 통해 알고리즘 수행속도를 개선하였다.
- 비즈니스 및 열차 동작에 대한 메커니즘을 분석하여 비즈니스 모델링 및 알고리즘을 설계를 수행하였다. 알고리즘은 수차례의 개발자 및 현업 실무자 검토를 통해 구체화 하였으며, 표 4와 같이 열차이동, 차량기지 작업, 시스템 운영과 관련된 알고리즘을 개발 하였다.
- 요구사항 분석을 통해 시뮬레이션 대상을 상세화 한 후 필요한 시뮬레이션 기능 및 알고리즘 목록을 도출하였다.
- 입출고 지점으로부터 도착점검고를 거쳐 유치선으로 들어가도록 배선이 구성되어 있고, 하단에 세척고 및 검수고가 위치하고 있다. 유치선과 검수고에 차량이 많을 경우 열차간 간섭 없이 진출입이 가능한지 분석 하였다. 분석결과 출퇴근 혼잡 시간대 열차의 배차간격에 맞추어 열차가 정상적으로 차량기지에서 출고하였으며, 입고하는 열차도 차체세척 및 검수를 수행하여 유치선으로 간섭없이 유치하였다.
- 본 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터를 보다 현실을 반영하여 구현하기 위해서 그림 3과 같이 경량전철 구축 건설사의 현장 실무자의 요구사항을 상세하게 분석하였다. 이와 같은 요구사항분석을 통해 선로, 열차, 작업, 신호, 제어 등 다양한 객체에 대한 모델링 기초 데이터 수집과 시스템 분석, 요구기능을 정의하였다. 요구사항 분석결과 시뮬레이션에 필요한 필수기능 102개, 부가기능 56개, 제약사항 62개 항목을 도출하여 설계, 구현, 테스트 단계까지 철저히 형상관리 하였다.
- 철도망 데이터의 구조는 크게 노드와 링크로 구분하였으며, 노드 유형을 연결노드, 종단노드, 분기노드, 역사노드, 출고노드, 입고노드, 회차노드, 비상노드로 구분하였으며, 링크 유형을 일반선, 입고선, 도착점검선, 차체세척선, 청소선, 기취선, 일상검사선, 월상검사선, 차륜전삭선, 3년검사선, 6년검사선, 시운전선, 유치선, 출고선, 인상선, 전이선, 모터카선으로 구분하였다.
- 특히, 검사고를 Loop형 순환선로 안에 배치하고 별도로 인상선을 두어 유치되는 차량과의 간섭을 최소화하였다. 첨두시간 차제세척이나 도착점검을 받고 있는 차량이 있어 작업이 불가능 할 경우 입고선 주변의 유치선으로 열차를 유치한 후 작업을 마친 열차가 출발한 후에 다시 세척고로 진입하여 혼잡을 해결하였으며, 검수를 마친 열차의 경우 시운전선으로 이동하여 왕복운행을 통해 시운전을 수행하였다. 특히 검사고로 진입하려는 열차와 검사고에서 유치선으로 진출하려는 열차사이의 간섭을 방지하기 위해 이동선로의 우선권을 확보하는 형태의 충돌회피알고리즘을 적용하였다.
- 부산-김해의 경우 우이-신설과 다르게 입출고 지점으로 부터 유치선까지 선로가 루프형으로 구성되어 있으며, 유치선을 상, 하 2그룹으로 나누어 유치하여 유치선의 운영에 효율성을 증가시켰다. 특히, 검사고를 Loop형 순환선로 안에 배치하고 별도로 인상선을 두어 유치되는 차량과의 간섭을 최소화하였다. 첨두시간 차제세척이나 도착점검을 받고 있는 차량이 있어 작업이 불가능 할 경우 입고선 주변의 유치선으로 열차를 유치한 후 작업을 마친 열차가 출발한 후에 다시 세척고로 진입하여 혼잡을 해결하였으며, 검수를 마친 열차의 경우 시운전선으로 이동하여 왕복운행을 통해 시운전을 수행하였다.
- 개발환경은 시뮬레이션 툴 개발 PC, 시뮬레이션 알고리즘 개발 서버, 소스 형상 관리 서버, 산출물 관리 서버, 테스트 PC로 작업공간을 물리적으로 나누어 여러 개발자간 병렬작업 및 공동작업의 효율을 높였다. 특히, 시뮬레이션 알고리즘은 각 개발자 개발 PC에서 프로토타입 검증을 실시한 후 고속 고용량 시뮬레이션 서버에 소스를 업로드하여 시나리오 시뮬레이션 테스트를 통해 알고리즘 검증시간을 단축하였다.
- 알고리즘은 객체 지향기법으로 설계하여 향후 확장성을 도모하였으며, 알고리즘 클래스를 세분화하여 소스형상관리 서버를 이용하여 하나의 알고리즘을 여러 개발자가 병렬로 동시에 개발할 수 있도록 하여 개발일정을 단축하였다. 특히, 알고리즘 프로그램 코드는 프로파일링 전문 분석 툴을 사용하여 함수별 수행시간 분석을 통해 알고리즘 수행속도를 개선하였다. 시뮬레이터 구축시 모듈별로 단위테스트를 실시한 후 타 모듈과 결합 및 통합테스트를 수행하였다.
대상 데이터
- 데이터베이스는 ORACLE, DB2, MySQL, MS SQL 등 많은 관계형 데이터베이스를 비교 검토한 결과 파일기반 데이터베이스 이면서 대용량 데이터 저장이 가능하고 입출력 속도가 빠르며 Mac OS, FireFox등 다양한 상업용 S/W에서 안정성 및 신뢰성이 검증된 SQLite를 사용하였다.
이론/모형
- 0c 이후 Microsoft에서 발표한 2D, 3D 개발 표준으로 XBOX에서도 사용되는 게임전용 애니메이션 개발 Framework이다. 애니메이터를 구현시 자체 개발한 SimCube XNA Engine를 사용하였다.
- 열차주행 및 운영관련 많은 비즈니스 로직에 대한 알고리즘을 구현하는 방법은 개별 알고리즘에 대한 정합성을 확인한 후, 시뮬레이터 알고리즘에 하나씩 추가하는 반복 점진적 방식을 사용하였으며, 코딩방식은 2명씩 짝을 이루어 코딩과 검증을 반복하는 Pair Programming 기법을 적용하였다. 알고리즘은 객체 지향기법으로 설계하여 향후 확장성을 도모하였으며, 알고리즘 클래스를 세분화하여 소스형상관리 서버를 이용하여 하나의 알고리즘을 여러 개발자가 병렬로 동시에 개발할 수 있도록 하여 개발일정을 단축하였다.
- 첨두시간 차제세척이나 도착점검을 받고 있는 차량이 있어 작업이 불가능 할 경우 입고선 주변의 유치선으로 열차를 유치한 후 작업을 마친 열차가 출발한 후에 다시 세척고로 진입하여 혼잡을 해결하였으며, 검수를 마친 열차의 경우 시운전선으로 이동하여 왕복운행을 통해 시운전을 수행하였다. 특히 검사고로 진입하려는 열차와 검사고에서 유치선으로 진출하려는 열차사이의 간섭을 방지하기 위해 이동선로의 우선권을 확보하는 형태의 충돌회피알고리즘을 적용하였다. 차량기지 운영시나리오를 시뮬레이션 한 결과 첨두시간 열차의 출고에 지연이 발생하지 않았으며, 검수가 필요한 열차도 검수고에 간섭없이 진입하여 검수를 받을 수 있었으며 유치선의 용량도 충분한 것으로 나타났다.
성능/효과
- 시뮬레이션 툴 구축을 위해 전문용어, 코딩규약 등을 정의하고 개발환경을 구축하였다. 개발환경은 시뮬레이션 툴 개발 PC, 시뮬레이션 알고리즘 개발 서버, 소스 형상 관리 서버, 산출물 관리 서버, 테스트 PC로 작업공간을 물리적으로 나누어 여러 개발자간 병렬작업 및 공동작업의 효율을 높였다. 특히, 시뮬레이션 알고리즘은 각 개발자 개발 PC에서 프로토타입 검증을 실시한 후 고속 고용량 시뮬레이션 서버에 소스를 업로드하여 시나리오 시뮬레이션 테스트를 통해 알고리즘 검증시간을 단축하였다.
- 리포터는 사용자가 검색을 원하는 조건을 입력하면 검색 조건에 맞는 결과를 데이터베이스에서 검색하여 동적으로 표와 그래프를 생성하고 인쇄할 수 있는 보고서 기능을 구현하였다. 애니메이터는 재생속도조절, 배경이미지 추가, 화면확대, 축소, 이동등 재생에 관련된 편의기능을 구현하였으며, 애니메이션 객체들을 Layer로 관리하여 특정 Layer만 재생할 수 있도록 구현하였고, XNA Framework를 사용하고 있어 애니메이션 객체의 수량에 상관없이 빠른 재생속도를 보장한다.
- 요구사항 분석결과 시뮬레이션에 필요한 필수기능 102개, 부가기능 56개, 제약사항 62개 항목을 도출하여 설계, 구현, 테스트 단계까지 철저히 형상관리 하였다.
- 특히 검사고로 진입하려는 열차와 검사고에서 유치선으로 진출하려는 열차사이의 간섭을 방지하기 위해 이동선로의 우선권을 확보하는 형태의 충돌회피알고리즘을 적용하였다. 차량기지 운영시나리오를 시뮬레이션 한 결과 첨두시간 열차의 출고에 지연이 발생하지 않았으며, 검수가 필요한 열차도 검수고에 간섭없이 진입하여 검수를 받을 수 있었으며 유치선의 용량도 충분한 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 논문에서 살펴 본 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터는 경량전철 차량기지의 열차이동, 유치선운영전략, 작업선 용량, 입출고 정시성 확보등 차량기지 운영을 종합적으로 분석할 수 있는 GUI 환경으로 구현된 완성도 높은 경전철 차량기지 종합 분석 동적 시뮬레이션 툴로 앞으로 경전철 사업의 여러 분야에서 대안 분석과 비용절감을 위한 시뮬레이션 툴로 활용될 것으로 기대된다. 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터를 활용한 구체적 사례를 살펴보면 정확한 사업물량 예측, 설계에 대한 사전검증, 차량기지 유치용량 검증, 운행다이아 검증, 차량기지 규모산정, 배선 신뢰성 검증 등 설계 및 운영에 활용할 수 있다. 운영방안 개선을 통한 비용절감, 열차 주행동선 최소화를 통한 비용절감, 검사인력 적정 배치에 따른 운영비용 절감, 년도별 열차수요 분석을 통한 열차구입비용 절감 등 다양한 경제적 효과를 얻을 수 있을 것으로 보인다.
- 본 논문에서 살펴 본 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터는 경량전철 차량기지의 열차이동, 유치선운영전략, 작업선 용량, 입출고 정시성 확보등 차량기지 운영을 종합적으로 분석할 수 있는 GUI 환경으로 구현된 완성도 높은 경전철 차량기지 종합 분석 동적 시뮬레이션 툴로 앞으로 경전철 사업의 여러 분야에서 대안 분석과 비용절감을 위한 시뮬레이션 툴로 활용될 것으로 기대된다. 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터를 활용한 구체적 사례를 살펴보면 정확한 사업물량 예측, 설계에 대한 사전검증, 차량기지 유치용량 검증, 운행다이아 검증, 차량기지 규모산정, 배선 신뢰성 검증 등 설계 및 운영에 활용할 수 있다.
- 경량전철 차량기지 동적 시뮬레이터를 활용한 구체적 사례를 살펴보면 정확한 사업물량 예측, 설계에 대한 사전검증, 차량기지 유치용량 검증, 운행다이아 검증, 차량기지 규모산정, 배선 신뢰성 검증 등 설계 및 운영에 활용할 수 있다. 운영방안 개선을 통한 비용절감, 열차 주행동선 최소화를 통한 비용절감, 검사인력 적정 배치에 따른 운영비용 절감, 년도별 열차수요 분석을 통한 열차구입비용 절감 등 다양한 경제적 효과를 얻을 수 있을 것으로 보인다.
- 이는 차량기지의 입출고 시각을 보다 정확히 시뮬레이션 하기 위해서는 본선부의 차량주행까지 시뮬레이션 범위에 추가해야 하기 때문이다. 향후 연구에서 본선에 대한 세밀한 시뮬레이션 및 운영전략, 비상상황에 대한 대응 시나리오 시뮬레이션 모듈을 추가할 예정이다.
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