현재 운영되고 있는 광역도시철도 시스템에서는 표정속도의 저하에 따라 평균 출퇴근 시간도 계속 증가하고 있으며 이는 도시철도 이용률의 저하와 타 교통수단 대비 졍쟁력 저하로 이어지게 된다. 따라서 열차의 표정속도를 대폭 향상시킬 수 있는 광역도시철도의 효율적인 급행화 방안이 요구되고 있다. 이번 연구에서는 가감속도와 최고속도 성능을 향상시킨 고성능 전동차 투입을 고려하여 급행과 완행으로 분리 투입시 획득 할 수 있는 시간 단축 효과와 경제성을 기준으로, 광역철도간 급행화 방안들을 제안 및 그 결과를 비교 분석하였다. 또한 대피선 설치를 최소화 할 수 있는 최적의 급행화 방안을 분석결과로 제안하였다.
현재 운영되고 있는 광역도시철도 시스템에서는 표정속도의 저하에 따라 평균 출퇴근 시간도 계속 증가하고 있으며 이는 도시철도 이용률의 저하와 타 교통수단 대비 졍쟁력 저하로 이어지게 된다. 따라서 열차의 표정속도를 대폭 향상시킬 수 있는 광역도시철도의 효율적인 급행화 방안이 요구되고 있다. 이번 연구에서는 가감속도와 최고속도 성능을 향상시킨 고성능 전동차 투입을 고려하여 급행과 완행으로 분리 투입시 획득 할 수 있는 시간 단축 효과와 경제성을 기준으로, 광역철도간 급행화 방안들을 제안 및 그 결과를 비교 분석하였다. 또한 대피선 설치를 최소화 할 수 있는 최적의 급행화 방안을 분석결과로 제안하였다.
In metropolitan railway systems, the average commuting time keeps increasing as the scheduled speed increases, and this leads to a decline of rail service usage and competitiveness. Therefore, effective express operation for urban trains is required to improve the scheduled speed. In this study, bas...
In metropolitan railway systems, the average commuting time keeps increasing as the scheduled speed increases, and this leads to a decline of rail service usage and competitiveness. Therefore, effective express operation for urban trains is required to improve the scheduled speed. In this study, based on the obtainable time shortening efficiency and economic viability, several express operations are suggested for urban railways and these suggestions are compared by considering high performance trains with acceleration/deceleration and maximum speed improvement. As a result, the optimum express system, which can minimize the cost for sidetrack construction, is suggested.
In metropolitan railway systems, the average commuting time keeps increasing as the scheduled speed increases, and this leads to a decline of rail service usage and competitiveness. Therefore, effective express operation for urban trains is required to improve the scheduled speed. In this study, based on the obtainable time shortening efficiency and economic viability, several express operations are suggested for urban railways and these suggestions are compared by considering high performance trains with acceleration/deceleration and maximum speed improvement. As a result, the optimum express system, which can minimize the cost for sidetrack construction, is suggested.
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문제 정의
이러한 급행화 방안 개발에는 열차 성능 향상 기술 개발,대피선로 개조와 분기기 개발 등 시설공사의 구체적 기술방안 등이 함께 고려되어야 하나, 이에 앞서 급행화를 구현하기 위한 운행 시스템의 정의와 효과 분석이 선행 연구되어야 한다. 따라서 이번 연구에서는 위에서 정의한 바와 같이 급행화 방안을 위한 열차성능 수준을 우선적으로 정의하고 이를 기반으로 급행화를 구현할 수 있는 네가지 운영 방안을 제시하며 각 방안에 대한 시간단축 효과 및 경제성을 분석하여 최적의 급행화 운영방안을 제시하고자 한다.
따라서, 저렴한 비용으로 기존 광역철도에 급행, 완행열차의 운행이 가능하도록 기존 시설의 개량 및 짧은 대피선만으로도 급행열차를 피할 수 있는 완행열차 기술을 개발할 필요가 있다. 즉 시설 공사만으로는 급행/완행 운행하는 것이 한계가 있으므로, 열차 개발과 시설 공사를 병행함으로써 보다 저렴한 방안을 찾고자 하는 것이다.
제안 방법
급행화 구현을 위한 방안으로 4가지 방안을 검토하였다. 각각의 방안에 대하여 대피선 건설 및 완행,급행 열차의 성능개선, 그리고 다관절열차 투입과 같은 구체적 방안을 기준으로 분류하였으며 각 경우에 대하여, 운행시간 검토 및 시간단축 효과 등을 비교, 분석하였다.
급행화 구현을 위한 방안으로 4가지 방안을 검토하였다. 각각의 방안에 대하여 대피선 건설 및 완행,급행 열차의 성능개선, 그리고 다관절열차 투입과 같은 구체적 방안을 기준으로 분류하였으며 각 경우에 대하여, 운행시간 검토 및 시간단축 효과 등을 비교, 분석하였다.
두 번째 급행화 방안은 성능을 개선한 고성능 전동차를 완행으로 그리고 기존 전동차를 급행열차로 투입하는 방안이다.
앞서 고성능 전동차의 급완행 투입여부에 따른 급행화 방안 4가지에 대한 급행화 효과 및 소요비용(필요 대피선 개수)을 비교 정리하였다.
Table 4에서 알 수 있는 바와 같이 방안 1 적용시 서울 도시철도 노선은 평균 26%의 단축시간 효과를 얻을 수 있으며 이 중에서 8호선의 경우 기존 시간 대비 최대 34%의 시간 단축 효과를 보인다. 이 때 단축효과 평균값 산출은 해당지역의 전노선 현 운행시간 총합과 급행운행시간 총합을 기준으로 하였다(이하 동일). 수도권의 경우에는 평균 28%,지방 광역도시는 평균 29%의 단축효과를 얻을 수 있다.
이 방안은 분당선과 같이 승강장 여유가 충분한 곳에만 적용가능하므로 분당선만 급행화 검토를 진행하였다. 방안 4를 분당선에 적용할 경우 대피선 및 급행정차역은 각각 2개소 및 12개역이 지정된다.
하지만 운행 열차 성능에 대한 새로운정의 및 운행방식의 다양성을 도입하게 되면 대피선 건설을 최소화 하면서 더불어 시간단축효과도 증대시킬 수 있는 방안 수립이 가능해진다. 이번 연구에서는 광역도시철도 급행화 방안을 4가지로 분류하여 시간단축 효과와 대피선 건설과 같은 소요비용을 중심으로 비교 분석하였다. 분석결과에서 알 수 있는 바와 같이 대피선 건설을 최소화하면서 시간단축효과를 늘릴 수 있는 방안의 수립이 가능하였다.
지금까지 살펴본 급행화 방안은 고성능 열차의 성능 정의와 운영시스템의 대표적인 케이스로 구분하여 제한된 경우에 관한 효과를 비교분석하였다. 이를 바탕으로 운영시스템의 다양성을 확대하여 시간 단축효과와 소요비용을 분석함으로써 이를 통해 향후 급행화 방안의 최적화를 진행할 예정이다.
대상 데이터
효과 분석은 광역도시 철도망이 있는 전 도시(서울, 인천, 부산, 대구, 광주, 대전)를 대상으로 하였으며 출퇴근 시간 운영 조건으로 진행하였다. 급행화 방안별 검토시 급행열차가 정차하는 정차역은 환승역, 수요가 많은 역을 우선적으로 정하였고, 시간단축효과를 감안하여 일부 변경을 하였다.
데이터처리
급행화 방안별 검토시 급행열차가 정차하는 정차역은 환승역, 수요가 많은 역을 우선적으로 정하였고, 시간단축효과를 감안하여 일부 변경을 하였다. 각 방안에 대한 시간 단축효과는 열차주행시뮬레이션(TPS)프로그램을 활용하여 검증하였다. 분석에 쓰인 TPS는 Matlab을 활용한 자체개발 프로그램이며, 각 노선의 실제 역간거리, 운행구간별 거리와 구간별 속도, 운행시격등을 고려할 수 있고 대피선에 대한 대피소요시간을 고려할 수 있도록 프로그래밍하였다.
각 방안에 대한 시간 단축효과는 열차주행시뮬레이션(TPS)프로그램을 활용하여 검증하였다. 분석에 쓰인 TPS는 Matlab을 활용한 자체개발 프로그램이며, 각 노선의 실제 역간거리, 운행구간별 거리와 구간별 속도, 운행시격등을 고려할 수 있고 대피선에 대한 대피소요시간을 고려할 수 있도록 프로그래밍하였다. 대피선 선정은 TPS 프로그램를 진행한 후, 그로부터 완행과 급행이 만나게 되는 첫번째 역을 대피역으로 선정, 대피시간을 고려하게 되며 이를 반영한 TPS 프로그램을 재수행하는 방식으로 대피역을 순차적으로 선정하였다.
성능/효과
기존 열차를 급행과 완행에 모두 투입하는 방안1의 경우 대피선의 개수는 42개소가 필요하며 이때 서울노선의 경우 평균 26%의 단축효과를 거둘 수 있었다. 방안 2의 경우 고성능 전동차를 완행으로 투입하여 대피선의 설치는 20개소로 최소화 하고 서울노선의 경우에 평균 27%의 시간단축효과를 거둘 수 있다.
방안별로 시간단축율과 대피역 개수에 대한 구분을 그룹핑한 결과 방안 1의 경우는 시간단축율과 소요비용 모두에서 다른 방안에 비해 불리함을 알 수 있다. 방안 2와 3은 고성능 전동차 개발이라는 조건이 필수적이지만, 투입시에는 소요비용측면에서는 방안 1의 경우보다 모두 유리한 결과를 보여주며 시간 단축효과도 동등수준 또는 그 이상의 결과를 보여준다. 소요비용을 정의하는 데 있어 고성능 전동차 개발 비용을 제외한 대피역 건설개수에 중점을 둔 이유는, 대피역 건설 비용이 열차 개발비용보다 월등히 높을 뿐만 아니라, 차량의 교체는 열차 내구연한에 따른 기준에 의하여 의무적으로 진행하여야 하는 사항이므로 차량에 대한개발을 필수 사항으로 고려하였기 때문이다.
방안 2의 경우 결과적으로 적용효과는 완행열차와 급행열차의 간격을 유지하면서 대피선 설치를 최소화 할 수 있는 효과를 거둘 수 있다. 이 때 대피선 및 급행정차역의 노선별 구성은 Table 5와 같다.
기존 열차를 급행과 완행에 모두 투입하는 방안1의 경우 대피선의 개수는 42개소가 필요하며 이때 서울노선의 경우 평균 26%의 단축효과를 거둘 수 있었다. 방안 2의 경우 고성능 전동차를 완행으로 투입하여 대피선의 설치는 20개소로 최소화 하고 서울노선의 경우에 평균 27%의 시간단축효과를 거둘 수 있다. 방안 3의 경우와 같이 고성능전동차를 급행과 완행에 모두 투입할 때는 서울노선의 경우 평균 33%의 시간 단축효과를 얻을 수 있어 급행화 효과를 극대화 할 수 있는 반면 대피소는 37개소 증설이 필요하였다.
방안 2의 경우 고성능 전동차를 완행으로 투입하여 대피선의 설치는 20개소로 최소화 하고 서울노선의 경우에 평균 27%의 시간단축효과를 거둘 수 있다. 방안 3의 경우와 같이 고성능전동차를 급행과 완행에 모두 투입할 때는 서울노선의 경우 평균 33%의 시간 단축효과를 얻을 수 있어 급행화 효과를 극대화 할 수 있는 반면 대피소는 37개소 증설이 필요하였다. 방안 4와 같이 여유승강장을 활용한 급행화의 경우에는 대피선 추가비용이 현저히 줄어드는 반면에 적용할 수 있는 노선에 제한이 있어 전국 광역도시로의 확대는 다른 방안에 비해 어려움이 있다.
이번 연구에서는 광역도시철도 급행화 방안을 4가지로 분류하여 시간단축 효과와 대피선 건설과 같은 소요비용을 중심으로 비교 분석하였다. 분석결과에서 알 수 있는 바와 같이 대피선 건설을 최소화하면서 시간단축효과를 늘릴 수 있는 방안의 수립이 가능하였다. 이 경우 열차의 성능 개선과 같은 필수적 조건이 전제가 되지만 성능개선 부분은 현재까지 개발된 열차핵심기술을 적용하여 충분히 달성 가능한 부분이다.
즉, 수도권 및 대도시권의 광역화로 인해 출퇴근 시간이 증가하게 되었으며, Table 2에서 보는 바와 같이 출퇴근 시간이 60분 이상 소요되는 인구가 1995년 134만명에서 2010년 236만명으로 그 비율이 95년 대비 약 76% 증가된 것으로 나타났다.
후속연구
86km/h/s로 향상하고, 운행최고속도도 기존 80km/h에서 90km/h로 향상된 성능을 가지는 전동차를 의미한다. 또한 승객의 승하차시간을 단축하기 위해 출입문 폭도 기존 1.3m에서 1.8m로 확장하여 개발될 예정이다.
방안 2와 3의 결과에서 알 수 있듯이, 시간단축율과 대피역 건설을 위한 소요비용을 기준으로, 두 기준간의 타협점을 찾기 위해서는 경제성 분석을 통한 B/C 결과에 따라 최종적인 방안을 선정해야 할 것이다.
이 방안에서는 짧은 거리 안에 대피선을 설치하게 되므로 대피선은 급곡선 특성을 가지게 되며, 따라서 대피선을 이용할 수 있도록 급곡선 주행용 다관절열차를 개발하여 완행으로 활용하게 된다. 주행용 다관절열차는 일반적인 대피선 길이인 565m에서 65m로 단축가능한 반경 20m의 초급곡선 운행특성을 지녀야 한다.
지금까지 살펴본 급행화 방안은 고성능 열차의 성능 정의와 운영시스템의 대표적인 케이스로 구분하여 제한된 경우에 관한 효과를 비교분석하였다. 이를 바탕으로 운영시스템의 다양성을 확대하여 시간 단축효과와 소요비용을 분석함으로써 이를 통해 향후 급행화 방안의 최적화를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리 나라 수도권의 광역화는 무엇에 의해 진행되고 있는가?
우리 나라 수도권의 광역화는 급격한 산업발전과 더불어 인구 증가 등에 의해 급속히 진행되고 있는 실정이다. 이로 인하여 수도권 산업인구의 출퇴근 시간이 증가하게 되었다.
2010년 기준으로 서울로 출퇴근하는데 1시간 이상 소요되는 인구의 수 현황은?
따라서 정시성을 특징으로 하는 도시 철도의 역할이 중요하게 되었으나 실제로는 여러 가지 이유로 인하여 도시 철도의 수송분담률이 높지 않은 상태이며 아울러 평균 출퇴근 시간도 계속 증가하는 추세이다. 특히, 서울로 출퇴근하는데 1시간 이상 소요되는 인구의 수가 약 143만 명(2010년기준)으로 15년 전에 비해 63만명, 즉 80%나 늘어났다. 전국적으로도 출퇴근 소요시간 평균이 55분으로 OECD 23개국 중2위이며 평균 38분보다 45% 많은 수치이다.
급행광역열차 시스템을 도입해야 하는 이유는?
현재 건설되어 운영되는 광역도시철도의 경우 대부분 정거장에 정차하며(서울 9호선 및 국철 일부 구간 제외) 운영됨에 따라서 총 여행시간이 과다 소요되어, 광역 도로교통에 비하여 경쟁력 상실 및 승객유도 효과가 크지 않다. 또한, 역간 거리가 짧고 한 노선이 여러 지역을 담당하기 위해 우회하는 경우가 많게 되어 전반적인 통행시간이 더욱 증가되고 있다. 이를 해결하기 위해서는, 열차의 표정속도를 대폭 향상시킨 급행광역열차 시스템을 도입하는 것이 필요하며, 이에 따라 급행/완행의 새로운 개념 도입에 대한 연구가 필요하다.
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