선로용량은 수요에 부합되는 최대열차횟수를 결정하고 수송력 증대에 필요한 투자우선순위 판단을 위한 중요한 척도이다. 특히 2016년 중반부터 고속철도노선에 두 철도운영자가 운송사업을 개시함에 따라 선로용량과 실제배정 가능한 최대열차횟수 간에 상충이 발생하지 않고 유효운송경쟁이 보증될 수 있도록 선로용량을 산정 관리할 필요성이 있다. 열차종별 운행횟수, 도중정차패턴과 착발시각, 운행시간, 열차의 대피 또는 교행, 열차간의 안전시격 등에 따라 선로용량이 크게 달라지므로 현재까지도 실제 적용에 많은 논쟁이 있는 것도 사실이다. 이러한 문제점을 극복하고자 철도운영자의 운송정책을 고려한 열차운행 스케쥴을 반영할 수 있는 시뮬레이션 기법에 의한 선로용량 산정방법을 제시하고자 한다.
선로용량은 수요에 부합되는 최대열차횟수를 결정하고 수송력 증대에 필요한 투자우선순위 판단을 위한 중요한 척도이다. 특히 2016년 중반부터 고속철도노선에 두 철도운영자가 운송사업을 개시함에 따라 선로용량과 실제배정 가능한 최대열차횟수 간에 상충이 발생하지 않고 유효운송경쟁이 보증될 수 있도록 선로용량을 산정 관리할 필요성이 있다. 열차종별 운행횟수, 도중정차패턴과 착발시각, 운행시간, 열차의 대피 또는 교행, 열차간의 안전시격 등에 따라 선로용량이 크게 달라지므로 현재까지도 실제 적용에 많은 논쟁이 있는 것도 사실이다. 이러한 문제점을 극복하고자 철도운영자의 운송정책을 고려한 열차운행 스케쥴을 반영할 수 있는 시뮬레이션 기법에 의한 선로용량 산정방법을 제시하고자 한다.
Line capacity of railways is a core criterion to decide maximum trips in accordance with traffic demand and a priority in railway investment to improve transportation capability. Particularly, because two operators will start revenue services in the HSR from mid-2016, the line capacity should be car...
Line capacity of railways is a core criterion to decide maximum trips in accordance with traffic demand and a priority in railway investment to improve transportation capability. Particularly, because two operators will start revenue services in the HSR from mid-2016, the line capacity should be carefully calculated and controlled to avoid conflicts between the maximum number of KTXs, and the number needed to guarantee the effective competition of the operators. Meanwhile, there have been many arguments about calculating the line capacity, because this number is affected by the number of trips by train types, stopping pattern and dwell time in each station, journey time, crossing or passing, safety headway between trains, etc. To deal successfully with these kinds of problems, this study proposes a simulation method to calculate the line capacity that considers train operation according to the operator's service policies.
Line capacity of railways is a core criterion to decide maximum trips in accordance with traffic demand and a priority in railway investment to improve transportation capability. Particularly, because two operators will start revenue services in the HSR from mid-2016, the line capacity should be carefully calculated and controlled to avoid conflicts between the maximum number of KTXs, and the number needed to guarantee the effective competition of the operators. Meanwhile, there have been many arguments about calculating the line capacity, because this number is affected by the number of trips by train types, stopping pattern and dwell time in each station, journey time, crossing or passing, safety headway between trains, etc. To deal successfully with these kinds of problems, this study proposes a simulation method to calculate the line capacity that considers train operation according to the operator's service policies.
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가설 설정
선로배분의 기초가 되는 선로용량의 산정은 얼마나 실용용량과 합치되게 평가되느냐가 관건이다. 단일 종류의 열차가 동일 정차패턴으로 운행되는 전용노선을 제외하고 여러 종류의 열차가 혼용되는 일반노선이나 주요 노선축에서 분기·합류되는 간선, 지선의 영향, 저속열차와 고속열차 간의 경합이 다양하게 이루어지는 중장거리 철도망의 시종점 구간에 대한 선로용량의 정확한 계산은 어떤 방식도 완전하다고 주장하기 곤란하다. 따라서 수요가 증대하는 주요노선에 대한 열차운행의 안전을 보장하면서 보다 객관적이며 이해관계자들을 설득할 수 있는 쉽고 정확한 선로용량 산정방안을 도출하고 편리한 툴을 개발하는데 초점을 두었다.
제안 방법
Table 1에서 사례연구에 의한 선로용량이 종전의 선로용량 보다 적다는 것은 열차운행실태를 반영한 보다 현실적인 것으로 보인다. 다만, 경부선 서울~금천구청 간의 선로용량이 늘어난 것은 본 연구에서 ATP시스템을 기초로 열차다이어그램 시뮬레이션 기법에 의하여 적용 가능한 최소운전시격을 산정한 것으로 판단된다. 이는 자동폐색방식(ABS)은 후 속열차의 단계별 감속에 필요한 폐색구간(Block section) 수, 즉 물리적 공간이 운전시격을 좌우하나, ATP방식인 경우 폐색구간에 관계없이 차량에 표시되는 ATP 상용제동곡선(Service braking curve)에 따라 운행하게 되므로 전후열차 간의 거리(최소운전시격)이 단축되기 때문이다.
철도는 각 노선의 인프라, 운송전략과 이용수요에 따라 열차종별 운행횟수와 운행비율, 도중정차패턴이 달라지므로 선로용량을 계산식에 의하여 산정할 수 없을 뿐만 아니라 충분한 설명을 제공할 수 없어 신뢰성을 얻기 곤란한 한계점이 있는 것이 현실이다. 본 연구가 진행한 방식은, 열차운행계획을 기초로 실제 열차운행이 가능한 최소시격까지 열차 운행순서와 도중역 정차형태 등을 조합하여 최적화하는 열차다이어그램 시뮬레이션 기법에 의하여 선로용량을 산정하고 입증함으로써 현재의 한계점을 보완하였다. 본 연구의 시사점 및 기존 산정방식과 차별화된 내용을 정리하면 다음과 같다.
본 연구는 선로용량에 관한 기존연구와 현재의 산정실태를 검토하여, 열차운행형태를 실제적으로 반영할 수 있시뮬레이션 기법을 통해 평균시격을 구하고, 이를 영업시간으로부터 나누기를 하는 새로운 방안을 제시하였다. 시뮬레이션 기법의 기초자료는 열차시각표의 노선별(line) 운영환경을 고려한 구간(link)으로 세분하여 시각표 업로드 주기를 지정한 뒤 열차를 생성한다.
본 연구는 위의 해결방안 중 선로배분과 철도운영에 실제적 접목이 가능하면서도 열차운행 동적 요소들에 따른 선로 용량의 변화를 정확하고 간편하게 그래프로 보여주는 방법으로서‘표본Diagram 시뮬레이션’기법을 활용한 평균 운행시격 결정방법에 해당된다.
분계점의 최소운전시격은 열차주행성능시뮬레이션(TPS) 결과를 응용하여 전후 열차의 운행패턴에 따라 분석하여 적용한다. 또한, Raildelft(2005)의 선로점유시간(Tocc)은 열차 간의 경합시간을 추가하는데 활용하고 계획자의 열차배열을 변화시키는데 참고하였다.
시뮬레이션 기법의 기초자료는 열차시각표의 노선별(line) 운영환경을 고려한 구간(link)으로 세분하여 시각표 업로드 주기를 지정한 뒤 열차를 생성한다. 이후 열차운행이 가능한 최소시격까지 열차배열이 이루어지는 시뮬레이션을 대안별로 실행시켜 각 결과를 비교하여 최소시격 대안을 찾아 이를 해당구간의 선로용량을 결정하는 프로세스로 툴(Tool)을 개발하였다. 따라 서 새로운 기법의 기존방식과의 차별성과 영향인자의 검토, 구체적 방법론을 설명하고, 그 실행결과를 운영실태와 비교하고 도출된 평균시격을 검증하고자 한다.
데이터처리
이상에 제시한 제약과 인자들 그리고 열차종별 정거장 간 표준운전시분 등을 활용하여 Diagram을 작성하고 첫 열차 시각부터 최종열차 시각까지 주기시간 동안 배열된 열차배열 구간 수(열차 수-1)로 나누어 평균시격을 계산한다. 사례 연구의 표본 Diagram의 결과 비교표는 Table 1과 같고, 그 Diagram을 제시하면 Fig 4, 5, 6, 7, 8, 9와 같다.
이론/모형
본 연구는 열차시각표(역간 표준운전시분)를 활용하여 Fig. 3의 알고리즘 순서도와 같은 프로세스를 거쳐 해당 구간별로 각 대안의 열차운행순서(열차배열)조합을 통한 최소시격을 구하는 시뮬레이션을 실행한다.
성능/효과
둘째, 선로용량 산정인자와 그 결정방법이 복잡하며 철도운영자 등의 개연성에 따라 차이가 발생하는 등 기존 계산방식의 한계와 부정확성을 극복하기 위한 대안으로 최근 적용되고 있는 물리적 용량 또한 실제 철도운영에 사용할 수 없는 이론상의 개념에 그치는 등 이해와 설득력을 충분히 갖추지 못한 기존방식의 한계점을 극복할 수 있다.
셋째, 운전시격을 최적화하여 선로용량을 산정함으로써 수요 집중시간대의 가용용량을 명확하게 판단할 수 있고, 일간용량과 단위시간당용량으로도 구분하여 선로용량을 관리할 수 있다. 이러한 시사점은 장차 선로사용의 효율성과 안전성 확보, 이용수요에 대응한 철도교통서비스 제공, 철도 인프라와 운영자원의 효율적 사용, 그리고 이에 관련된 각종 정책수립 등에 전략적으로 대응하고 그 근거를 제공할 수 있는 중요한 의미를 갖는다고 판단된다.
후속연구
그 동안 고속선 구간에 대한 정밀한 선로용량 산정사례가 없었고, 과거 야마기시 변형식(코레일)에 의하여 산정된 선로용량을 보면 서울~금천구청 171회, 청량리~망우 140회, 망우~용문 183회이나 일간 영업시간, 열차횟수비, 역간 운전시분 등 그 적용인자가 분명하지 않으므로, 열차다이어그램 시뮬레이션 기법에 의하여 열차운행순서를 조합한 후 최소시격을 산출하여 선로용량을 산정하는 방식이 아닌 다른 방식으로 산정한 값과 비교·분석하기 곤란한 점이 있다. 그러나 사례연구를 통하여 선로용량은 열차종별 운행횟수와 운행순서 등 열차조합 방식에 따라 언제든지 변화된다는 것을 실증적으로 보여줄 수 있었으며, 기술적으로 열차운행실태에 가장 근접한 선로 용량을 추정하기 위하여 본 연구결과를 활용할 수 있다고 사료된다.
기본적으로 철도는 도로교통과 달리 철도차량운전자가 임의로 추월과 정차를 선택할 수 없고 정해진 운행순서와 착 발시각에 따라 열차운행이 이루어지는 것이므로 열차종별 운행시간과 운행순서, 도중역 정차패턴, 착발선 규모 등 철도 운영상의 제약사항을 고려하여 선로용량이 산정되어야 선로배분과 철도운영에 실제적으로 적용할 수 있고 인프라 신설과 개량을 위한 기초자료로 활용될 수 있다고 주장한다. 이를 종합하여 현재의 쟁점과 해결방안을 요약하면 아래와 같다.
앞으로, 본 연구결과를 활용하여 공인된 선로용량 산정기준을 마련하고, 노선별·구간별 선로용량과 열차조합방식 등 그 기준이 정의된 선로용량기술서(Line capacity statement)를 정기적으로 발간하여 선로배분 및 철도운영에 적용하고 인프라 구축을 위한 기초자료로 활용할 필요가 있다고 본다.
첫째, 선로용량은 불변의 값이 아니라 동일 인프라 조건에서도 열차종별 운행순서와 착발시각, 도중역 정차형태 등의 열차조합방식과 일간 영업운행시간에 따라 달라지므로 시종점 구간에 대한 실용 열차다이어그램 예시를 통하여 이러한 각종 인자에 따른 선로용량의 변화를 쉽고 명확하게 판단(예를 들면, UIC406 산정방식은 복잡하고 다루기 곤란하나 본연구는 간편한 시스템)할 수 있어, 공급가능 용량과 실제 사용가능 용량간의 괴리를 해소할 수 있으며 선로배분과 철도 운영, 인프라 확충 필요성 판단 등에도 유용하게 활용할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선로용량은 어떠한 의미를 가지는 척도인가?
선로용량은 수요에 부합되는 최대열차횟수를 결정하고 수송력 증대에 필요한 투자우선순위 판단을 위한 중요한 척도이다. 특히 2016년 중반부터 고속철도노선에 두 철도운영자가 운송사업을 개시함에 따라 선로용량과 실제배정 가능한 최대열차횟수 간에 상충이 발생하지 않고 유효운송경쟁이 보증될 수 있도록 선로용량을 산정 관리할 필요성이 있다.
선로용량에 영향을 주는 요소는 무엇인가?
특히 2016년 중반부터 고속철도노선에 두 철도운영자가 운송사업을 개시함에 따라 선로용량과 실제배정 가능한 최대열차횟수 간에 상충이 발생하지 않고 유효운송경쟁이 보증될 수 있도록 선로용량을 산정 관리할 필요성이 있다. 열차종별 운행횟수, 도중정차패턴과 착발시각, 운행시간, 열차의 대피 또는 교행, 열차간의 안전시격 등에 따라 선로용량이 크게 달라지므로 현재까지도 실제 적용에 많은 논쟁이 있는 것도 사실이다. 이러한 문제점을 극복하고자 철도운영자의 운송정책을 고려한 열차운행 스케쥴을 반영할 수 있는 시뮬레이션 기법에 의한 선로용량 산정방법을 제시하고자 한다.
사용가능용량은 새로운 열차가 추가되지 않을 경우 어떻게 처리되는가?
사용가능용량(available capacity)은 영업용량과 실용용량과의 차이로서 행로에서 처리 될 수 있 는 추가 교통량으로 정의한다. 만약 새로운 열차가 추가되면 유용한 용량이 되지만 그렇지 않을 경우 손실용량(loss capacity)으로 처리된다[2]. 운행 취소된 용량(uncovered capacity)은 선로배분이 확정된 후 운행을 취소하여 열차운행다 이어그램(거리-시각그래프)상 열차운행슬롯(time slot)이 비워진 용량으로 정의하며 임시열차 설정 및 추가 선로배분이 가능하도록 합리적인 관리가 요구된다.
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