[논문]LCC분석을 통한 도시철도 전동차의 경제적 사용내구년한 추정(서울메트로 사례를 중심으로)

정수영; 이원영

doi:10.7782/jksr.2012.15.5.508

LCC분석을 통한 도시철도 전동차의 경제적 사용내구년한 추정(서울메트로 사례를 중심으로)
Estimation of the Life-span for Urban Rolling Stock through LCC Analysis (Focused on Seoul Metro) 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.15 no.5 = no.72, 2012년, pp.508 - 516

정수영 (New business Division, Seoul Metro.) , 이원영 (Dept of Railway Management & Polish Korea, Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology)

초록
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전동차의 사용내구년한은 도시철도법에 의해 25년으로 되어있다. 그 사용제한에 의해 전동차 성능이 양호해도 사용연장을 위해서는 정밀안전진단을 받아야 한다. 사용내구연한의 연장은 내구년한 만료일의 다음 날부터 15년의 범위에서 정밀진단자가 인정하는 기간까지로 규정되어있다. 서울메트로 전동차의 일부가 25년간의 법정 사용내구년한을 채우고 1996년과 2008년에 신형전동차로 교체되었다. 교체된VVVF제어 신형전동차는 구형전동차에 비해서 안전성 유지보수성 내구성이 향상되어 그 성능에 알맞은 내구년한 설정이 필요하다. 본 논문에서는 LCC분석을 통하여 적정한 전동차의 경제적내구년한을 산출하였다. 25년부터 유지보수비용가중치 10%를 고려할 때에는 41년, 고려하지 않을 때에는 46년의 결과가 얻어졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

The lifespan of a rolling stock is limited to 25 years by the urban railway law. But it can be extended to 40 years by conducting the regular safety test. This gives additional 15 years of lifespan. In Seoul Metro, Many of the rolling stocks were already replaced with new types in 1996 and 2008. New type - VVVF rolling stocks have better safety, maintainability, durability than old types. For this reason, it is desirable to extend the lifespan of new type-rolling stocks. In this paper, we investigated the economical lifespan using LCC (Life Cycle Cost) analysis. This study shows that the economical lifespan comes out 41 years when extra 10% cost has been considered after 25 years of the train service and 46 years when extra 10% cost not considered.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 90년 중반에 도입되어 운행되고 있는 서울메트로의 VVVF제어 전동차에 대한 경제적사용내구연한에 대해서 비용측면에서 분석하였다. 분석결과 유지보수비용 가중치가 없는 경우에는 평균총비용(Average Total Cost)의 최저점인 46년이 경제적사용내구년한으로 나타났고, 유지보수비용 가중치가 10%인 경우에는 41년이 경제적사용내구년한으로 분석되었다.
따라서 자원 및 비용절약 차원에서 전동차의 사용내구년한의 연장이 필요하다. 본 논문은 VVVF 제어전동차의 도입부터 폐기까지 구입비용과 유지보수비용 등 전 생애주기 동안의 비용을 분석해서 경제적인 전동차 사용내구년한을 추정하는 데 목적이 있다.
02=980원이 되어 낮은 할인율 적용 시 예상비용의 현재가치는 상대적으로 크게 계산된다. 본 연구의 목적인 전동차는 사용기간이 장기인 고정자산이므로 할인율 적용에 따른 예상비용의 현재가치 변동성이 크다. 따라서 세 가지 할인율에 따른 LCC를 분석하여 할인율 변동으로 인한 LCC의 변화를 알 수 있도록 하였다.

가설 설정

첫 번째로 전동차의 최대 사용기간은 현재 규정상으로는 정밀안전진단을 거쳐 최장 40년으로 되어 있다[1]. 전동차의 교체는 기술진전과 신예차량의 탄생에 의해 진부적내구년한 기준으로 이루어지므로, 이 기간은 경제적내구년한 범주 내에서 최장사용 기간이 정해져야 하므로 연구대상 전동차사용 가능기간을 도입(1996년)부터 50년으로 가정했다.
전동차의 사용기간을 50년으로 가정했고, 사용개시 후 25년 차에는 사용수명연장을 위한 정밀안전진단(Safety Test) 비용 2억5천 만원과 5년 후 안전진단비용 1억 원을 예상했고 사용 25년차 부터는 매년 유지보수비용의 10%를 가산하여 추정하였다. 경제적사용내구년한은 Fig.

제안 방법

LCC분석은 전 생애기간 동안의 유지보수비용분석이 필요하여 비용분석을 3단계로 나누어서 분석했다. 1단계에서는 1~16년 동안의 유지보수비용실적을 분석하여 해당년도의 비용을 2011년 가치로 환산하였고, 2단계에서는 1단계에서 분석된 1~16년간의 유지보수 실적비용을 기초로 시계열분석(Time series analysis)[8] 방법인 Excel의 Forecast 함수식(기존값으로 미래의 값을 계산하거나, 예측할 수 있는 함수)을 사용하여 17년차부터 50년차까지 유지보수비용을 예측하였다. 이 계산 은 Table 6과 Table 8의 (B)열 1~16년차의 유지보수비용이 Forecast(x,known_y's,known_x's) 식에 의하여 Tables 6과 Table 8의 (B)열 17~50년의 예측비용으로 산출된다(x: 비용예측데이터, y's: 비용데이터의 종속배열, x's: 기간데이터의 독립배열).
LCC분석은 전 생애기간 동안의 모든 비용인 전동차구입비·감가상각비·유지보수비용분석에 의하여 수행되는데 유지보수비용은 데이터의 신뢰성을 높이기 위하여 도입부터 16년동안 시행된 16개 편성분에 대한 유지보수비용을 조사하여 1개 편성분의 평균유지 보수비용을 산정하였고, 이를 기준으로 50년 간의 유지보수비용을 예측하였다.
LCC분석은 전 생애기간 동안의 유지보수비용분석이 필요하여 비용분석을 3단계로 나누어서 분석했다. 1단계에서는 1~16년 동안의 유지보수비용실적을 분석하여 해당년도의 비용을 2011년 가치로 환산하였고, 2단계에서는 1단계에서 분석된 1~16년간의 유지보수 실적비용을 기초로 시계열분석(Time series analysis)[8] 방법인 Excel의 Forecast 함수식(기존값으로 미래의 값을 계산하거나, 예측할 수 있는 함수)을 사용하여 17년차부터 50년차까지 유지보수비용을 예측하였다.
5억원과[9] 운영사 자체에서 시행하는 30년차 안전진단비용 1억원을 합산하였다. 그리고 25년차부터 매년 유지보수비용 10%를 두 가지로 이유로 가중하여 계산하였다. 그 첫 번째 이유로 Table 5에서 보는 것처럼 1·2·3호선 전동차 중정비의 경우 유지보수비용(1개편성기준)이 20년차 이후 급격 하게 증가되는 것을 볼 수 있다.
이와같은 이유로 유지보수 비용의 변수를 고려하여 25년차부터 매년 유지보수비용 10% 가중하여 계산하였다. 동시에 유지보수비용 변동을 고려하여 10%가중치 이외에 0%가중치와 5%가중치에 대한 민감도분석도 수행하였다.
본 연구의 목적인 전동차는 사용기간이 장기인 고정자산이므로 할인율 적용에 따른 예상비용의 현재가치 변동성이 크다. 따라서 세 가지 할인율에 따른 LCC를 분석하여 할인율 변동으로 인한 LCC의 변화를 알 수 있도록 하였다.
두 번째로 유지보수인원은 기간에 따라 변동이 있었고, 향후에도 변동이 예상된다. 비교분석에는 동일조건이 기본전제이므로 2011년 현재인원 기준으로 하여 50년 동안 동일 인원수로 분석하였다.
전동차 LCC분석에 필요한 유지보수비용은 장기적인 유지보수비용예측이 필요하며 이 비용예측은 할인율과 유지보수 비용가중치 비율에 따라 민감하게 반응하므로 이에 따른 민감도분석을 각각 3가지 조건으로 구분하여 분석했다. 실질 할인율 2%, 4.1%, 5.5%(철도부문사업의 예비타당성조사 표준지침서)세 가지와 25년 차부터 유지보수비용 가중치 0%, 5%, 10%를 적용하여 민감도분석(sensivity analysis)을 하였다. 분석결과 내구년한은 Table 7처럼 장기간의 분석기간으로서 할인율에 의한 변동이 심하게 나타났다.
이에 따라서 전동차 성능유지를 위해서는 검사주기 및 유지보수 활동증가, 부품교환 수량증가로 비용의 추가적 비용 상승이 예상된다. 이와같은 이유로 유지보수 비용의 변수를 고려하여 25년차부터 매년 유지보수비용 10% 가중하여 계산하였다. 동시에 유지보수비용 변동을 고려하여 10%가중치 이외에 0%가중치와 5%가중치에 대한 민감도분석도 수행하였다.
전동차 LCC분석에 필요한 유지보수비용은 장기적인 유지보수비용예측이 필요하며 이 비용예측은 할인율과 유지보수 비용가중치 비율에 따라 민감하게 반응하므로 이에 따른 민감도분석을 각각 3가지 조건으로 구분하여 분석했다. 실질 할인율 2%, 4.

대상 데이터

일반적으로 LCC분석에서 초기투자비는 연구 개발비·설계비·제작비 등으로 나누어 지지만 본 논문에서는 전동차 구입가격(Aquisition Price)이 초기투자비에 해당된다. 분석 대상인 전동차의 구입가격((Aquisition Price)은 1996년 당시 편성당 약 69억5천만원으로 2011년까지의 실질할인율 4.1%로 기준해서 2011년 현재가치 125억원이다.
연구범위는 서울메트로에 1996년 이후 도입되어 운행되는 제3세대 VVVF제어 전동차를 분석대상으로 하였다. 서울메트로에서는 현재 1954량 200 편성 [일산선포함 2114량 216편성]의 전동차가 1~4호선에서 운행되고 있다.

이론/모형

공장이나 기계설비와 같은 고정자산은 일정기간이 경과하면 전 기간에 걸쳐서 평균적으로 감가되며 이를 감가상각이라고 한다. 감가상각비를 계산하는 정액법[6]과 정률법 중 정액법을 사용하여 계산했고, 감가상각비는 매년 247,000,000원이다. 매년 감가상각비와 평균자본비용은 Table 2과 같이 구해진다.

성능/효과

1996년 도입부터 2011년 현재까지 16년 동안 비용은 Table 4에 나타난 것처럼 년간 평균유지보수비용이 837,921천원으로 나타났고, 전동차 도입 초기년도 1996년과 1997년의 1,2년 차에는 하자보증기간으로 유지보수비용이 적게 투입되었고, 중수선 기간이 도래하지 않아서 각각 312,568천원과 510,235천원으로 정상적인 유지보수가 시행된 1998년 이후보다 적게 투입되었다.
교체된 신형전동차는 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)제어 전동차로서 연강골조 대신 스테인레스 차체로 부식량의 절대 감소, 차체 경량화 등의 장점으로 교체된 구형전동차에 비해서 안전성·유지보수성·내구성이 많이 향상되었다.
추정된 내구년한에 근거하여 전동차의 사용기간을 5년 내지 15년간 사용기간을 연장하면, 자본투자를 연기함으로써 그 기간만큼 투자가 이연되므로 비용절감의 효과가 있다. 동액을 투자한다고 가정했을 때 투자시점을 미래로 이연시킬수록 투자금액의 현재 가치가 작아져서 비용을 절감할 수 있다. 본 논문 가정(전동차편성당 가격 125억, 할인율 4.
두 번째로 유지보수인원은 기간에 따라 변동이 있었고, 향후에도 변동이 예상된다. 비교분석에는 동일조건이 기본전제이므로 2011년 현재인원 기준으로 하여 50년 동안 동일 인원수로 분석하였다.
동액을 투자한다고 가정했을 때 투자시점을 미래로 이연시킬수록 투자금액의 현재 가치가 작아져서 비용을 절감할 수 있다. 본 논문 가정(전동차편성당 가격 125억, 할인율 4.1%)을 적용했을 때 현재가치계산식 PV=C/(1+r)n에 의하여 현재가치를 계산하면 5년 후 투자금액의 현재 가치는 10,224,836,342원, 10년 후는 8,363,782,258원, 15년 후는 6,841,464,383원으로 계산된다. 해당금액을 현재투자 시의 금액 125억과 비교하여 투자비용효과를 계산해보면 5년 연장일 경우 전동차 편성당 2,275,163,658원, 10년 연장일 경우 4,136,217,742원, 15년 연장일 경우 5,658,535,617원의 절감 효과가 있다.
본 논문은 90년 중반에 도입되어 운행되고 있는 서울메트로의 VVVF제어 전동차에 대한 경제적사용내구연한에 대해서 비용측면에서 분석하였다. 분석결과 유지보수비용 가중치가 없는 경우에는 평균총비용(Average Total Cost)의 최저점인 46년이 경제적사용내구년한으로 나타났고, 유지보수비용 가중치가 10%인 경우에는 41년이 경제적사용내구년한으로 분석되었다. 노후화가 진행됨에 따라 부품교환비용과 검사주기가 점증적으로 증가할 것으로 예상되어 유지보수비용 10%가중치를 부여한 분석결과가 합리적인 경제적내구년한으로 판단되고, 향후 전동차의 내구년한연장의 기준점이 될 수 있다.
신형전동차는 부식없는 스테인리스(Stainless)차체, 고신뢰성의 SIV보조전원장치, 고성능의 교류모타(AC Motor), 전체중량의 경량화 등으로 구형전동차에 비해서 기술측면에서 안전성·유지보수성·내구성이 획기적으로 향상되어 연장사용이 가능하다고 판단된다.
3단계에서는 유지보수비용·안전진단비용·유지보수비용 가중치를 누적하였고 누적된 비용을 평균값으로 산출하였다. 예측결과 평균유지보수비용은 Table 6, 8과 같이 25년차는 925,666천원, 30년차는 978,079천원, 40년차에는 1,095,869천원으로 점진적인 증가세로 보이고 있다.
추정결과를 보면 유지보수비용가중비율이 높은 10%일 경우 할인율(5.5%)을 적용할 때 LCC는 51년으로 나타났고, 낮은 할인율(2%)을 적용할 경우는 27년으로 낮은 할인율을 적용 할수록 LCC는 짧은 것으로 나타났다. 이것은 동액의 현금흐름을 할인할 때 낮은 할인율을 사용하는 것이 높은 할인율을 사용하는 것보다 현재가치가 크게 계산되기 때문이다.

후속연구

분석결과 유지보수비용 가중치가 없는 경우에는 평균총비용(Average Total Cost)의 최저점인 46년이 경제적사용내구년한으로 나타났고, 유지보수비용 가중치가 10%인 경우에는 41년이 경제적사용내구년한으로 분석되었다. 노후화가 진행됨에 따라 부품교환비용과 검사주기가 점증적으로 증가할 것으로 예상되어 유지보수비용 10%가중치를 부여한 분석결과가 합리적인 경제적내구년한으로 판단되고, 향후 전동차의 내구년한연장의 기준점이 될 수 있다.
이 논문은 16년간의 유지보수비용을 근거로 50년간의 비용을 예측해야 하므로 정확성에 한계가 있음으로 25년 운용 후에 그 기간의 비용을 근거로 더 정확한 예측이 필요하고, 향후 연구과제로서 서울메트로를 비롯한 국내 모든 운영사의 전동차 관련비용을 분석하여 적정한 경제적내구년한을 추정하여 현재의 기술수준과 성능에 맞는 합리적인 전동차사용내구년한 설정이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동차의 사용내구년한은 무엇인가?	전동차의 사용내구년한은 신뢰성(reliaibility)·가용성(availability)·정비성(maintainability)의 목표값을 충족하고 안전성이 보장되는 사용한계를 말하는 것으로, 그 사용한계는 철도안전법에 근거한 「도시철도차량관리규칙」에 의거 ‘신규제작 철도차량은 제작사양서에 명시한 수명까지로 하되, 수명이 명시되지 아니 한 경우에는 25년으로 한다’라고 법정화 되어있다.
	전동차 LCC 분석에는 무엇이 필요한가?	전동차LCC분석은 전동차 전 생애기간 동안 투입된 모든 비용 즉 구입비용·감가상각비·유지보수비용의 분석이 필요하며, 특히 유지보수비용은 과거비용을 근거로 미래비용의 예측이 필요하다. 유지보수비용예측을 위해서는 세 가지의 가정 즉 전동차사용가능기간·유지보수인원·할인율에 대한 것이 선행되어야 한다.
	LCC 분석은 무엇인가?	일반적으로 시설물·장비의 생애주기비용(Life Cycle Cost)은 계획단계에서부터 폐기처분 시까지의 모든 비용 즉, 계획 및 설계비·건설비·운용관리비·폐기물처분비용 등을 합한 것으로 시설물·장비의 공용수명기간 전체에 필요한 모든 비용을 말하며, 같은 개념으로 전동차 LCC는 전동차구입에서부터 폐기까지 운용기간에 소요되는 경비의 총계이며 그 요소는 전동차 구입가격·감가상각비·유지보수비용(전력비포함)·잔존가격 등으로 구성된다. 이러한 개념에 따라 LCC 분석이란 총생애주기비용(LCC)을 최소화할 수 있는 최적대안을 산정하는 공학적 의사결정기법을 말한다.

참고문헌 (18)

Rules code 9 on management of urban railway vehicle.
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H.N. Jo, J.K. Lim, Y.M. Choe, K.H. Paek (2009) Life-Cycle Cost Analysis for Infrastructure Systems, Goomibook, pp. 59.
Y. Song (2007) Acounting Principles, Woongji, pp. 372.
Y.W. Lee (2009) Financial Management, WoonJjin PassOne, pp. 44-45.
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H.K. Choi, S.S. Hwang( 2004) A Case Study on the Economic Analysis for a New Technical- Based Ventilation System Using LCC Technique, Architecture & Urban Research Information Center, 4(4), pp. 143-150.
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H.H. Park (2004) The Analysis Using LCC Approach for the Recommendation an Appropriate Maintenance Level, MA Thesis, In-ha University.
B.J. Park (2007) Modern Statistics for Business and Economics Using Microsoft Excel, Sigmapress, pp. 417.
Seoul Metro Rolling stocks regulation code.
MicroSoft Excel.
Railroad Safety Act.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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