[논문]최적화 기법을 적용한 효율적인 철도 연결선 구축 전략

김용석; 김시곤

doi:10.12652/ksce.2019.39.6.0853

최적화 기법을 적용한 효율적인 철도 연결선 구축 전략
The Strategy for Interconnection Branch Line Construction used Optimization Program 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.39 no.6, 2019년, pp.853 - 858

김용석 (서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도경영정책학과) , 김시곤 (서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도경영정책학과)

초록
AI-Helper

철도 네트워크를 효율적으로 사용하는 방법 중 하나는 연결선 건설을 통해 여러 노선이 하나의 선로를 공유하는 방법인데, 국내에서도 이미 사용하고 있거나 사업화 추진 중인 노선이 존재한다. 본 연구는 철도 연결선 건설시 사업화 단계가 아닌 계획 단계에서 연결선 건설의 위치 선정, 우선순위 산정 등에 필요한 연결선 설계 모형을 구축하고 이에 대한 해법을 제시하였다. 모형은 연결선건설비용, 노선운영비용, 이용자 총통행비용을 최소화하기 위한 비선형 최적화문제로 구축하였고, 결정변수로는 연결선 건설여부 및 방향, 노선의 열차 운행 빈도로 설정하였다. 본 연구에서는 문제 풀이 알고리즘과 경로선택 알고리즘을 각각 제시하였고, 예제네트워크에 적용을 통하여 모형의 실용성을 검증하였다. 향후 현실을 반영한 실제네트워크와 파라미터를 설정하여 연구의 결과를 발전시킬 여지가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

One of the methods which can enhance the efficiency of railroad network is construction of interconnection branch line for several route to share one railway. In Korea, this method already has been implemented or excuted as project level. This study suggests a network design model and a solution algorithm to choice most proper site to construction it and determine the priority of branch lines which can be considered in planning level, not project level. The model is a non-linear optimization program which minimize total cost-construction cost, operating cost and passengers' travel cost. The decision variables are a binary variable to explain whether construction or not and its direction and a integer variable of the frequencies of travel routes. The solution algorithm-problem solution and route choice and also the result of implementation for example network are suggested. This result can be more advanced after application in real network and calibration of parameters.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Example Network
그림 Fig. 2. Result of Example Network
표 Table 1. Numerical Value for Example Problem
표 Table 2. Solving Process and Result

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 기존 철도망에 연결선을 건설하여 한정된 철도 네트워크를 효율적으로 운영하기 위한 전략 모형을 수립하는 연구이다. 이를 위해 연결선 건설시 소요되는 건설비용, 운영비용, 그리고 이로 인해 절감되는 이용자의 통행비용 등 네트워크 전체에서 발생할 비용의 총합을 최소화하는 최적화 모형을 구축하였고 그에 대한 풀이 알고리즘을 제시하였다.
본 연구는 철도 연결선을 활용하여 철도 네트워크를 효율적으로 활용할 수 있는 전략 수립을 위한 모형을 개발하고 그 적용성을 평가하여 철도 네트워크를 최적화할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
이 연구에서는 철도건설로 인한 네트워크효과를 고려할 수 있는 최적화모형을 제시하였고 링크의 속도가 변함에 따라 이용자가 경로선택을 바꾸는 현상을 구현하였다. 이 연구는 고속철도 건설효과와 네트워크효과를 분석하기 위한 연구이며 모형화 예제풀이를 통해 적용성을 검증하였다.
(2009)의 연구결과에서는 상호직결운행을 고려한 철도망 확충과 철도노선 개편의 패러다임을 구상하였다. 이 연구는 기존 철도망 인프라의 효율적 운영, 환승 편리성 및 쾌적성 개선을 목표로 수도권 철도망을 대상으로 사업 가능구간과 실 사업비용 등을 도출하고 이에 대한 경제적 타당성을 분석하여 제시하였다. 이 연구는 철도 연결선 건설과 직결운행이 철도 네트워크의 효율성 증대에 효과가 있음을 입증하였으나, 개별 사업단위 단계에서 타당성을 검토한 결과라는 한계가 있다.
탄소배출량을 최소화하기 위해서는 기존 철도망을 효율적으로 운영하기 위한 노선 및 스케줄 설계와 더불어 철도 물류수송에서 화물차 운행을 철도로 전환시킬 수 있는 새로운 노선의 설계도 포함되는 것을 전제로 하여 모형과 풀이과정을 제시하였다. 이 연구는 기존 철도의 효율성 확보와 신선 건설을 복합적으로 고려하여 최적화 모형을 수립하였다는 데에 의의가 있다.

가설 설정

연결선 건설 후 노선이 다양해지면 기존에 없던 수요가 새로 발생(유발수요)할 수도 있고 역간 기종점통행량(Origin-Destination, OD), 경로 선택 등이 충분히 달라질 수 있다. 그러나 본 연구에서는 이를 예측하는 것은 또 다른 추가 연구 사항으로 전체 수요는 고정된 것으로 가정한다. 만약 수요의 변화가 예상된다면 변화할 것으로 예상되는 역간 OD를 적용하면 될 것이고, 모형에서 민감도 분석 등을 통하여 그 불확실성을 감안할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 위에서 언급한 연결선 건설에 따른 기술적 문제들은 충분히 해결 가능한 것으로 가정하였다. 실제로도 연결선 건설시 해결해야 할 제반 문제들은 비용의 크고 작음의 문제이지 가능·불가능의 문제는 아닐 것이라 예상할 수 있다.
현재 네트워크의 상태는 연결선이 건설되지 않은 상태이고 오직 직진방향(180°)로만 환승 없이 진행할 수 있다고 가정하였다.

제안 방법

본 연구 모형의 풀이는 최적화문제를 푸는 것보다 경로 생성을 어떻게 하는가에 따라 계산 성능이 좌우되고 결과 값의 정확성을 높일 수 있다. 경로생성은 이용자비용을 낮추기 위한 최단경로로 생성하는 것을 원칙으로 하고 운행빈도는 수요를 만족할 수 있도록 정하는 것으로 알고리즘을 수립하였다. 경로의 생성은 최대수요를 최단거리로 수송할 수 있는 경로 순서로 탐색하고, 용량제약을 반영하여 전체 OD가 노선을 이용할 수 있도록 반복하여 수행된다.
본 연구의 최적화문제를 해결하기 위해서는 먼저 경로, 회전제약, 운행빈도 초기치를 정의하고 해당 조건에서 통행배정을 통해 이용자 통행시간비용을 산출한다. 그 후 결과에 따른 목적함수 값을 산출하고 새로운 경로를 생성하여 이 과정을 반복하여 최적의 결과를 찾아 최종적으로 노드별 연결선 건설여부 및 회전 방향, 새로운 노선 경로생성 알고리즘을 정리하면 다음과 같다.
연결선 건설을 네트워크에서 표현하는 방식은 연결선을 그 형태에 따라 실제 노드-링크체계로 표현할 수도 있으나, 이 경우 네트워크의 복잡도가 증가하게 되어 계산이 어렵게 된다. 따라서 본 연구에서는 연결선 건설을 노드의 회전제약으로 표현하였다. 이 방법은 일반적인 도로네트워크에서 교차로의 회전제약을 표현하기 위해 사용하는 방식인데, 본 연구에서도 이와 유사하게 철도 연결선 건설시 회전제약이 제거되는 것으로 표현하여 연결선 건설에 따른 네트워크의 변화를 모형화하였다.
따라서 본 연구의 모형은 연결선 건설비용·운영자 운영비용·이용자 통행시간비용의 합을 최소화하는 것으로 구축하였다.
먼저 실제 철도망을 그래프로 표현하기 위해 일반적인 철도 네트워크에서 사용하는 표현들을 본 연구에서도 적용하였다. 노드는 역 또는 철도의 교차점을 나타내고 링크는 선로를 나타낸다.
본 모형에서 제약조건은 전체 수요의 합이 일정함을 반영하는 수요제약, 연결선 건설을 무제한으로 늘릴 수 없게 만들기 위한 예산제약, 하나의 선로에서 운영 가능한 노선의 개수와 운행횟수를 감안하기 위한 용량제약으로 각각 설정하여 모형 계산시 반영되도록 하였다.
본 연구의 최적화문제를 해결하기 위해서는 먼저 경로, 회전제약, 운행빈도 초기치를 정의하고 해당 조건에서 통행배정을 통해 이용자 통행시간비용을 산출한다. 그 후 결과에 따른 목적함수 값을 산출하고 새로운 경로를 생성하여 이 과정을 반복하여 최적의 결과를 찾아 최종적으로 노드별 연결선 건설여부 및 회전 방향, 새로운 노선 경로생성 알고리즘을 정리하면 다음과 같다.
이에 따라서 유일한 일반해를 구하기는 어렵고, 최적의 유사해를 구할 수 있으므로 명확한 수렴조건을 제시하는데 한계가 있다. 비선형 문제를 풀기 휘한 해법은 branch and bound, column generation, 유전자 알고리즘, 인공신경망 알고리즘 등 이미 개발된 기법들이 다양하며 최근 계산 능력의 발전에 따라 네트워크가 크지 않은 이상 풀이가 어렵지 않으므로 본 연구에서는 이 부분(비선형문제의 해법 알고리즘)은 생략하기로 한다.
노드는 역 또는 철도의 교차점을 나타내고 링크는 선로를 나타낸다. 수요는 노드간 통행량으로 나타내고 링크의 속성으로 통행시간, 거리, 용량을 각각 부여하였다. 하나의 노선은 여러 노드와 그 노드 사이의 링크를 통과하는 노드의 집합으로 표현하고, 노선의 속성으로는 운행빈도를 포함하였다.
따라서 본 연구에서는 연결선 건설을 노드의 회전제약으로 표현하였다. 이 방법은 일반적인 도로네트워크에서 교차로의 회전제약을 표현하기 위해 사용하는 방식인데, 본 연구에서도 이와 유사하게 철도 연결선 건설시 회전제약이 제거되는 것으로 표현하여 연결선 건설에 따른 네트워크의 변화를 모형화하였다.
이 연구는 철도네트워크 설계 과정에서 발생하는 철도 경로 생성, 개별 열차의 시·종점 선정, 운행빈도 선정, 열차간 간격 조절 및 추월 등의 제약조건 극복 등을 최적화 문제로 모형화하였고, 이에 대한 풀이 알고리즘을 제시하였다.
(2008)은 철도승객의 노선선택을 고려한 철도망 설계 모형을 제시하였다. 이 연구에서는 철도건설로 인한 네트워크효과를 고려할 수 있는 최적화모형을 제시하였고 링크의 속도가 변함에 따라 이용자가 경로선택을 바꾸는 현상을 구현하였다. 이 연구는 고속철도 건설효과와 네트워크효과를 분석하기 위한 연구이며 모형화 예제풀이를 통해 적용성을 검증하였다.
본 연구는 기존 철도망에 연결선을 건설하여 한정된 철도 네트워크를 효율적으로 운영하기 위한 전략 모형을 수립하는 연구이다. 이를 위해 연결선 건설시 소요되는 건설비용, 운영비용, 그리고 이로 인해 절감되는 이용자의 통행비용 등 네트워크 전체에서 발생할 비용의 총합을 최소화하는 최적화 모형을 구축하였고 그에 대한 풀이 알고리즘을 제시하였다. 이를 예제 네트워크에 적용한 결과 현실 네트워크에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
전체적인 모형의 구조는 비용을 최소화하는 최적화모형으로 구축하였고, 비용항목으로는 연결선 건설비용과 철도 운영비용, 이용자의 통행시간비용을 각각 수식으로 반영하였다. 연결선 건설 시 비용은 증가하지만 이용자의 통행시간은 감소하는 트레이드오 프(trade-off)관계가 성립한다.
(2017)은 탄소배출량을 최소화하기 위한 철도 네트워크 설계 모형을 제시하였다. 탄소배출량을 최소화하기 위해서는 기존 철도망을 효율적으로 운영하기 위한 노선 및 스케줄 설계와 더불어 철도 물류수송에서 화물차 운행을 철도로 전환시킬 수 있는 새로운 노선의 설계도 포함되는 것을 전제로 하여 모형과 풀이과정을 제시하였다. 이 연구는 기존 철도의 효율성 확보와 신선 건설을 복합적으로 고려하여 최적화 모형을 수립하였다는 데에 의의가 있다.

대상 데이터

본 연구의 모형을 적용하기 위해 다음과 같은 철도 네트워크를 가정하였다. 예제 네트워크는 노드 9개, 링크 12개로 구성되어 있고, 1-2 링크는 복복선, 1-4, 2-3, 2-5, 4-5, 5-8, 8-9 링크는 복선, 나머지 링크는 단선으로 설정하였으며 링크 위에 표시된 숫자는 링크의 통행비용을 의미한다. OD 통행량은 제시된 수치와 같고 링크의 용량, 예산제약, 환승시 패널티는 주어진 수치와 같다.

성능/효과

본 연구 모형의 풀이는 최적화문제를 푸는 것보다 경로 생성을 어떻게 하는가에 따라 계산 성능이 좌우되고 결과 값의 정확성을 높일 수 있다. 경로생성은 이용자비용을 낮추기 위한 최단경로로 생성하는 것을 원칙으로 하고 운행빈도는 수요를 만족할 수 있도록 정하는 것으로 알고리즘을 수립하였다.
(2018)은 철도 노선간 연계성 강화를 위한 상호직결운행 효과분석 연구를 통해 국내 원주-강릉선과 충북선 고속화 및 직결선 사업을 통해 동서 고속화 연결에 따른 운행시간 단축 효과를 분석하였다. 실제 네트워크에서 분석을 통하여 직결 운행을 통해 운행시간 단축효과가 약 30분~1시간 이상 될 것으로 분석하였고 중장기적 철도망의 연계성 및 효율성을 고려한 사업추진이 필요함을 제안하였다.

후속연구

서론에서 언급하였다시피 실제 현실에서 철도 연결선을 건설하기 위해서는 본 논문에서 고려하지 못한 여러 가지 문제들을 수반함은 당연하며 실제 소요되는 비용을 일괄적으로 적용할 수 없을 뿐 더러 물리적으로 불가능할 수도 있다. 그러나 본 논문의 모형은 학술적 연구를 목적으로 이를 최대한 단순화하여 모형화하였다는 데에 의의가 있고, 본 연구의 결과는 지역간 철도 뿐만 아니라 광역철도나 도시철도에서도 적용할 수 있을 것이다. 특히, 전체 네트워크 레벨에서 사업 대상지를 선정하거나 사업 대상지가 어느 정도 선별된 단계에서 우선순위를 결정할 때 활용이 가능할 것으로 판단된다.
그래서 실제로 연결선 건설사업을 시행하기 위해서는 타당성 조사, 기본·실시 설계 등의 과정을 거쳐야 한다. 그러나 본 연구는 전체적인 네트워크 차원에서 연결선 건설의 전략을 수립하기 위한 이론적인 모형을 구축하는 것이므로 문제를 최대한 단순화하여 가장 일반적인 내용을 다루기로 한다.
그러나 본 연구에서는 이를 예측하는 것은 또 다른 추가 연구 사항으로 전체 수요는 고정된 것으로 가정한다. 만약 수요의 변화가 예상된다면 변화할 것으로 예상되는 역간 OD를 적용하면 될 것이고, 모형에서 민감도 분석 등을 통하여 그 불확실성을 감안할 수 있을 것이다.
본 연구의 결과는 철도망 구축의 전략수립 단계에서 사용할 수 있는 수준으로 진행되었지만, 향후 실제 네트워크에 적용하여 정책적 판단의 기초 자료로 활용할 수 있도록 세밀한 부분의 보완(철도 용량 고려, 실제 건설비+운영비 고려, 교통수요 반영 등)이 필요하며 각종 비용 파라미터들을 현실성 있도록 구축하는 것이 필요할 것이다.
서론에서 언급하였다시피 실제 현실에서 철도 연결선을 건설하기 위해서는 본 논문에서 고려하지 못한 여러 가지 문제들을 수반함은 당연하며 실제 소요되는 비용을 일괄적으로 적용할 수 없을 뿐 더러 물리적으로 불가능할 수도 있다. 그러나 본 논문의 모형은 학술적 연구를 목적으로 이를 최대한 단순화하여 모형화하였다는 데에 의의가 있고, 본 연구의 결과는 지역간 철도 뿐만 아니라 광역철도나 도시철도에서도 적용할 수 있을 것이다.
이 연구는 기존 철도망 인프라의 효율적 운영, 환승 편리성 및 쾌적성 개선을 목표로 수도권 철도망을 대상으로 사업 가능구간과 실 사업비용 등을 도출하고 이에 대한 경제적 타당성을 분석하여 제시하였다. 이 연구는 철도 연결선 건설과 직결운행이 철도 네트워크의 효율성 증대에 효과가 있음을 입증하였으나, 개별 사업단위 단계에서 타당성을 검토한 결과라는 한계가 있다.
이를 위해 연결선 건설시 소요되는 건설비용, 운영비용, 그리고 이로 인해 절감되는 이용자의 통행비용 등 네트워크 전체에서 발생할 비용의 총합을 최소화하는 최적화 모형을 구축하였고 그에 대한 풀이 알고리즘을 제시하였다. 이를 예제 네트워크에 적용한 결과 현실 네트워크에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
그러나 본 논문의 모형은 학술적 연구를 목적으로 이를 최대한 단순화하여 모형화하였다는 데에 의의가 있고, 본 연구의 결과는 지역간 철도 뿐만 아니라 광역철도나 도시철도에서도 적용할 수 있을 것이다. 특히, 전체 네트워크 레벨에서 사업 대상지를 선정하거나 사업 대상지가 어느 정도 선별된 단계에서 우선순위를 결정할 때 활용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연결선 건설이란?	이러한 한계를 극복하기 위해 여러 가지 대안이 제시되고 있는데, 그 중 하나는 연결선 건설을 통해 여러 노선이 하나의 선로를 공유하도록 하는 방법이다. 최근 국내에서도 고속철도 연결선(수원, 인천) 건설사업 등이 사업 타당성을 확보하고 건설 추진 중에 있다.
	연결선을 건설하여 한정된 철도 네트워크를 효율적으로 운영하기 위한 전략을 실제 현실에서 적용가능한가?	본 연구의 결과는 철도망 구축의 전략수립 단계에서 사용할 수 있는 수준으로 진행되었지만, 향후 실제 네트워크에 적용하여 정책적 판단의 기초 자료로 활용할 수 있도록 세밀한 부분의 보완(철도 용량 고려, 실제 건설비+운영비 고려, 교통수요 반영 등)이 필요하며 각종 비용 파라미터들을 현실성 있도록 구축하는 것이 필요할 것이다.
	철도교통의 단점	물론 하나의 노선에 운행계통이 다른(같은 노선 내에서 정차패턴, 시·종착역 등을 달리하는) 여러 형태의 운행 조합을 운영 중이지만 서로 다른 방향으로 운행하는 열차 노선이 하나의 선로를 공유하는 일은 드물다. 이에 따라 철도교통은 환승을 통해서 다른 노선으로 열차를 갈아타야하는 불편이 생길 수밖에 없어 여객 이용자의 불편 및 철도 물류 경쟁력 약화를 초래하고 있다.

참고문헌 (6)

Bae, C. B., Kim, H. and Wang, H. J. (2009). A new paradigm on the rechuffling of railway network for direct operation, The Korea Transport Intitute, ISBN 978-89-8803-337-3 (in Korean).
Gonzalez, A. D., Duenas-Osorio, L., Sanchez-Silva, M. and Medagliam A. L.(2016) "The interdependent network design problem for optimal infrastructure system restoration." Computer- Aided Civil and Infrastructure Engineering, Vol. 31, No. 5, pp. 334-350.

상세보기
Jin, J. G., Zhao, J. and Lee D. H. (2013). "A column generation based approach for the train network design optimization problem." Transportation Research Part E, Vol. 50, pp. 1-17.
Lim, Y. T., Jang, J. S., Park, J. K. and Lee, J. (2008). "A railway network design problem considering passengers' route choice." J. KOREAN SOC RAILW, KSR, Vol. 11, No. 6, pp. 581-587 (in Korean).
Lin, B., Liu, C., Wang, H. and Lin R. (2017). "Modeling the railway network design problem: A novel approach to considering carbon emissions reduction." Transportation Research Part D, Vol. 56, pp. 95-109

상세보기
Park, S. B., Chung, S. B. and Jeong, E. H. (2018) "Analysis of effect on direct connection between railway lines to enhance inter-connectivity." Proc. of Confference in May, 2018 - the KSR, pp. 336-337 (in Korean).

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증