[논문]AHP를 이용한 블록체인 철도분야 적용 우선도에 대한 연구

한수민; 원종운; 장태우; 이석

doi:10.7838/jsebs.2020.25.4.111

[국내논문] AHP를 이용한 블록체인 철도분야 적용 우선도에 대한 연구
Study on the Priority of Blockchain Adoption to Railway System through AHP Method 원문보기

한국전자거래학회지 = The Journal of Society for e-Business Studies, v.25 no.4, 2020년, pp.111 - 124

한수민 (Department of Industrial Engineering, Seoul National University) , 원종운 (Korean Railroad Research Institute) , 장태우 (Department of Industrial & Management Engineering, Kyonggi University) , 이석 (Korean Railroad Research Institute)

초록
AI-Helper

2007년에 제안된 블록체인은 곧이어 실제 서비스에 적용되기 시작하였다. 철도 시스템은 철도 건설 및 철도 서비스로 대표되는 분야에 관련된 다양한 분야를 포괄하고 있는데, 분야의 특성상 공공성이 강한 철도 시스템의 경우, 블록체인을 적용하여 많은 이점을 얻을 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 시간과 자원의 제약이 있어 이들 모두에 블록체인을 바로 적용하는 것은 불가능하다. 따라서 이들 중에서 블록체인을 적용할 서비스나 기능을 도출하고, 우선 적용할 대상을 선정하기 위한 연구가 필요하다. 블록체인 우선 적용 대상 선정에는 다양한 평가 기준이 존재하므로, 체계적인 고려가 필요하다. 본 연구에서는 AHP를 적용하여 평가기준에 대한 가중치 산출 및 적용 대상에 대한 체계적인 평가를 시도하였다. 본 연구의 결과를 통하여 차세대 철도 시스템 로드맵 작성에 도움이 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Blockchain was proposed in 2007 and began to be applied to actual services soon afterward. The railway system covers railroad construction and railway services. Because of the public characteristics of the railway system, it is expected that significant advantages can be obtained through the introduction of blockchain. Many benefits can be gained by applying the blockchain to them, but it is impossible to apply the blockchain to every part immediately due to the limitations of time and resources. Therefore, it is necessary to derive services or functions to which the blockchain will be applied and to select the part of them first. Since there are various evaluation criteria to derive the priority of blockchain adoption, systematic consideration is required. In this study, AHP was applied to calculate weights for evaluation criteria and systematical evaluation. Through the results of this study, it is expected that it is possible to build a roadmap for a next-generation railway system.

주제어

표/그림 (8)

그림 Blockchain Adoption in the Railway Service
그림 Blockchain Adoption in Railroad Construction and Infrastructure
그림 Hierarchy of Decision Criteria
그림 Hierarchy of Sub-Systems in Railway System
그림 Survey for AHP
표 List of Subsystems for Priority Evaluation
표 Result of AHP
표 Priority of Decision Criteria

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구는 AHP 분석방법론으로 철도 시스템에서 블록체인을 우선 적용할 대상을 선정하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 철도 시스템의 다양한 세부 시스템에 대해서 정리하고, 상세한 시스템 중에서 우선 도입이 요구되는 4개 시스템을 골라 AHP를 적용하였다.
본 연구는 철도 분야에서 블록체인의 효율적인 적용을 위해 철도 시스템을 구성하는 상세 시스템 중 어느 부분에 블록체인을 적용하는 것이 나은지에 대한 연구를 수행하여, 기존의 물류 및 철도 시스템에 블록체인을 적용하기 위한 연구의 미비한 점을 보완하였다. 이 과정에서 기존의 철도 분야 블록체인 적용 사례를 참고하였으며, 이를 철도의 블록체인 적용 가능 분야를 도출하는 데에 참고하였다.
본 연구는 철도 분야에서 블록체인의 효율적인 적용을 위해 철도 시스템을 구성하는 상세 시스템 중 어느 부분에 블록체인을 적용하는 것이 나은지에 대한 연구를 수행하여, 기존의 물류 및 철도 시스템에 블록체인을 적용하기 위한 연구의 미비한 점을 보완하였다. 이 과정에서 기존의 철도 분야 블록체인 적용 사례를 참고하였으며, 이를 철도의 블록체인 적용 가능 분야를 도출하는 데에 참고하였다.
Belu[2]는 국제무역 분야에서 블록체인 기술을 활용할 수 있는 잠재적 장점에 대해 연구했는데, 물류관리 부분의 투명성 증대와 이로 인한 다양한 이점에 대해서 논하였다. 전체 무역 과정 중 수출입 계약의 블록체인 적용에 대해 집중 분석하여, 금융문서의 실시간 검증과 중계를 위해 불필요한 과정의 제거 가능성 및 거래 위험성과 비용의 감소에 대해서 논하였다.

제안 방법

[20]은 철도 세관 절차에서의 블록체인 적용에 대한 연구를 수행하였으며, 경제적인 효과 및 실무자들의 반응에 대해 연구하여 현실적인 적용 가능성에 대한 분석을 제시하였다. 4가지 방법의 블록체인 적용 방법을 대상으로 하여, 이들의 도입을 위한 전환비용 및 실제 거래 시에 필요한 거래비용의 측면에서 분석을 수행하였다. 그리고 실무자의 반응을 분석하고, 변화에 대한 이들의 저항 및 신기술에 대한 선호도에 대해서 분석하였다.
이를 적용하여 [Figure 5]와 같은 설문지를 작성하였다. 9단계 리커트 척도를 통하여 설문하였으며, 철도 시스템 운영 및 구축 분야에서 다년간의 경험을 가진 전문가 및 현업 종사자들을 대상으로 하여 설문을 진행하였다. 설문에 응한 전문가의 수는 총 20명이었다.
4가지 방법의 블록체인 적용 방법을 대상으로 하여, 이들의 도입을 위한 전환비용 및 실제 거래 시에 필요한 거래비용의 측면에서 분석을 수행하였다. 그리고 실무자의 반응을 분석하고, 변화에 대한 이들의 저항 및 신기술에 대한 선호도에 대해서 분석하였다.
본 연구에서는 [Figure 3]과 같은 형태로 평가 기준의 계층구조를 작성하였다. 도입 우선도를 결정하는 평가 기준으로 크게 대상 세부 시스템의 전체 철도 시스템에서 얼마나 중요한 위치를 차지하고 있는지를 평가하는 시스템의 중요성, 해당 시스템에 블록체인을 도입하는 것이 얼마나 어려운지를 평가하는 도입 난이도, 블록체인 도입 시의 대상 시스템이 얻을 수 있는 다양한 효과에 대해서 평가하는 예상 효용 및 기타 부가 효과로 나누어 구성하였다. 그리고 각 세부 분야의 하위 평가 기준을 추가하여 구성하였다.
[7]은 고중량 화물을 나르는 철도(heavy haul rail) 시스템의 인공지능 제어 도입 시 데이터 부족의 난점을 해결하기 위하여 분산 머신러닝인 연방학습(Federal Learning) 프레임워크를 제시하였고, 스마트 계약을 사용하여 분산 머신러닝 간의 협력을 구현하였다. 또한 사용자의 개인정보 보호를 위해 블록체인 기반 연방학습 프레임워크를 제시하였다.
본 연구는 철도 시스템의 블록체인 적용 우선도를 정성적 평가를 통해 결정하였다. 정성적 평가에 집중한 이유는 세부 평가 기준의 정량화에 난점이 있었기 때문이다.
본 연구에서는 세부 시스템 중 어떤 부분에 블록체인을 우선 적용할지에 대한 의사결정을 위해, AHP(Analytic hierarchy process)를 적용하여 의사결정 과정의 다양한 요소를 고려하고, 이를 통하여 블록체인을 우선 적용해야 할 세부 시스템을 선정하였다. AHP는 다양한 평가 기준이 존재하며 평가 기준의 정량화가 힘든 의사결정 상황에 주로 적용되는 평가 기법으로서, 본 연구의 주제와 같이 정성적인 평가가 주로 이루어지는 상황에서 적합하다는 장점을 가지고 있는 점을 고려하여 본 논문에서 적용되었다.
Muniandi[14]는 블록체인에 기반을 둔 철도 경합 관리 시스템에 대해 연구하였다. 이들은 기존 철도 시스템 관리에서 존재하는 철도 시스템 할당 문제를 블록체인, 가상연결(Virtual Coupling), 무선폐색센터(Radio Block Center), 열차가 보내오는 상태 신호, 열차자동운전장치 제어 알고리즘, 5G를 사용한 train to track, track to track 방법의 조합으로 풀이하는 시스템을 제시하였으며, 이들의 효용을 시뮬레이션 실험을 통하여 검증하였다.
정확한 비교를 위해서는 [Figure 4]의 모든 하위 시스템에 대한 쌍대비교를 수행해야 하지만, 쌍대 비교의 특성상 대안의 숫자가 늘어날수록 비교 경우의 수도 기하급수적으로 늘어나, 일관적인 비교를 수행하기 힘든 상황이 발생하기 쉽다. 이러한 문제점을 피하기 위해 본 연구는 최하위의 다양한 세부 시스템 중에서 중복되는 부분이 많은 시스템을 통합하고, 우선도가 낮은 시스템은 제외하는 과정을 통해 [Table 1]의 4가지 대안을 선정하여 쌍대비교하였다.
본 연구는 AHP 분석방법론으로 철도 시스템에서 블록체인을 우선 적용할 대상을 선정하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 철도 시스템의 다양한 세부 시스템에 대해서 정리하고, 상세한 시스템 중에서 우선 도입이 요구되는 4개 시스템을 골라 AHP를 적용하였다.
항구에서 컨테이너를 내려 철도로 옮기는 과정에서의 스마트 계약 시스템과 물류 행정 문서의 관리 및 공유를 위한 블록체인을 제시하였으며, 이러한 시스템을 적용할 때 발생할 수 있는 이점을 유럽의 물류 시스템을 배경으로 하여 분석하였다.

대상 데이터

9단계 리커트 척도를 통하여 설문하였으며, 철도 시스템 운영 및 구축 분야에서 다년간의 경험을 가진 전문가 및 현업 종사자들을 대상으로 하여 설문을 진행하였다. 설문에 응한 전문가의 수는 총 20명이었다.

성능/효과

2, 3위로 선택된 항목의 경우는 블록체인의 적용 난이도에서는 좋은 점수를 얻었으나, 시스템의 중요성이나 예상 효용에 대해서는 조금 낮은 결과를 얻은 결과, S2에 비해서 낮은 우선도 결과를 얻은 것으로 보인다.
철도 차량 및 부대시설의 품질 검증 및 부품 유통이력 관리 시스템(S2)의 평균 순위가 가장 높았으며, 1위로 선정된 비율도 가장 높았다. 답변의 일관성 비교를 위하여 사용되는 일관성 비율(Consistency Ratio, CR)은 비교 결과 행렬의 최대고유값을 사용하여 계산되는데, 1위로 선정한 사람들의 평균 CR값도 가장 작아 선택한 사람들이 가장 일관적으로 선택했다는 결과를 얻었다. 그 외에는 계약관리시스템(S1) 및 화물 유통경로 추적(S3)이 그 뒤를 이었으며, 이들의 CR값 역시 0.
시스템의 중요성과 도입 난이도의 경우, 가중치의 표준 편차가 상대적으로 낮은 편으로서, 답변자의 의견이 도입 시의 예상 효용에 비해서 낮은 모습을 보였다. 도입 시 예상 효용의 경우, 안정성과 투명성이 높은 평가를 받았으나, 표준편차가 높은 것으로 보아 답변자 간의 의견이 갈리는 모습을 보였다.
이들은 기술적 분권화를 바탕으로 다중 노드에 기반을 둔 전체 시스템 아키텍처를 제시하였고, 실제 훈련 시설에서 프로토타입을 구현하여 제시한 개념이 실제로 구현 가능함을 보였다. 또한 제시한 프로토타입을 통해 특정 경로의 티켓 예약 등과 같은 분야에서 스마트 계약을 수행할 수 있음을 보였다.
본 AHP의 분석 결과를 통하여 평가한 결과, 철도 시스템의 기반이 되는 철도 차량 및 부대시설의 품질 검증 및 부품 검증 이력 부분에 적용이 가장 우선된다는 결과를 얻었으며, 주로 예상 효용과 시스템의 중요성 면에서 높은 평가를 받았다. 이어서 스마트 계약관리시스템 및 화물 유통경로 추적이 상대적으로 높은 평가를 받았다.
이는 평가자의 직업이나 조직에서의 위치, 맡은 업무 등에 영향을 받은 것으로 보인다. 시스템의 중요성 및 도입 난이도와 예상 효용이 모두 비슷한 평균치를 얻었으나, 결론은 모두 다양했다. 도입 난이도를 중요하게 여기는 경우, 성공적인 사례를 만드는 것의 중요성을 논하는 경우가 많았으며, 시스템의 중요성이나 예상 효용을 중요하게 여기는 경우, 도입 자체의 경제성이나 도입을 통한 파급 효과에 중점을 두고 해석한 것으로 생각할 수 있다.
시스템의 중요성 항목의 경우, 시스템의 사용 빈도와 연관 시스템에의 영향도가 각각 1순위와 2순위로 높은 가중치를 받았으며, 반면 시스템의 규모와 같은 경우는 상대적으로 낮은 평가를 받았다. 도입 난이도의 경우, 시스템의 내부 복잡도와 운영 환경의 복잡도가 차례대로 높은 가중치를 받았으며, 시스템의 목표 성능은 상대적으로 낮은 가중치를 받았다.
AHP 설문 결과, [Table 2]의 결과를 얻었다. 철도 차량 및 부대시설의 품질 검증 및 부품 유통이력 관리 시스템(S2)의 평균 순위가 가장 높았으며, 1위로 선정된 비율도 가장 높았다. 답변의 일관성 비교를 위하여 사용되는 일관성 비율(Consistency Ratio, CR)은 비교 결과 행렬의 최대고유값을 사용하여 계산되는데, 1위로 선정한 사람들의 평균 CR값도 가장 작아 선택한 사람들이 가장 일관적으로 선택했다는 결과를 얻었다.

후속연구

이 분야에서는 탑승권 판매, 화물운송 관리 및 시설·차량 유지보수 부문에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
해당 시스템에 블록체인을 적용하여 스마트 계약 기술을 적용한다면, 이전에 비해 효율적이고 안전하게 계약을 자동화할 수 있을 것으로 예상된다. 이를 통하여 차량 주요 장치의 상태정보를 실시간으로 제공하여 고장/사고 이력을 추적 관리하는 것도 가능할 것이다. 이와 같이 복잡한 철도 건설 및 차량 제작 분야에서의 블록체인 적용 가능 분야를 정리하면 [Figure 2]와 같은 형태로 정리할 수 있다.
영국에서는 여행 데이터의 수집을 통한 심층적 분석을 시도하기 위하여, 철도 여행 데이터의 공유 및 행동의 변화에 따른 블록체인 기반 보상 시스템을 도입하였다. 이를 통해 추후 블록체인 기반 솔루션을 이용하여 철도 시스템을 전면 교체하기 위한 사전 연구를 수행 중이다. 미국에서도 철도 화주와 철도사 간의 계약을 위한 블록체인 플랫폼을 도입하였으며, 선하증권의 정보 교환, 스마트 계약을 통한 화물 운송비용 및 수리비용의 처리 등의 업무를 블록체인을 통해 처리하는 것을 시도하고 있다[13].
이 분야에서는 탑승권 판매, 화물운송 관리 및 시설·차량 유지보수 부문에 적용이 가능할 것으로 기대된다. 이를 통해 혼란한 철도 시스템의 운용 과정에서 발생하는 다양한 정보를 신뢰성 있게 관리할 수 있고, 철도시스템의 투명성 확보 및 확보된 정보를 통한 새로운 서비스 및 관리 기법의 창출 등이 가능해질 것으로 기대된다.
이후 연구에서는 이러한 한계점을 보완하기 위하여 정성적 평가에 정량적 평가를 추가하여 더욱 현실적인 평가를 수행하며, 평가 기준을 더욱 세부적으로 구성하여 정확한 평가를 수행할 예정이다.
예를 들면 국가철도공단의 경우 협력사 사업관리시스템으로 약 1,600개 철도건설 현장의 품질관리, 안전관리, 공정관리, 계약관리 등의 업무를 지원하는 시스템을 운영하고 있다. 해당 시스템에 블록체인을 적용하여 스마트 계약 기술을 적용한다면, 이전에 비해 효율적이고 안전하게 계약을 자동화할 수 있을 것으로 예상된다. 이를 통하여 차량 주요 장치의 상태정보를 실시간으로 제공하여 고장/사고 이력을 추적 관리하는 것도 가능할 것이다.

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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].

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