열차운용이라 함은 열차의 출발과 도착 시간을 나타내는 열차번호들에 여러 객차들로 구성된 하나의 열차를 일컫는 열차 다이아(train DIAgram)들을 여러 제약조건을 고려하여 배정함으로서 열차 번호가 열차 다이아에 의해 운행될 수 있도록 열차운용 다이아를 작성하는 작업이다. 이러한 작업을 다수의 스케줄링 전문가들이 스케줄링 할 경우 많은 시간과 노력을 감수해야만 하며, 전문가의 실수로 인해 오류가 발생할 가능성이 있다. 뿐만 아니라, 복잡한 스케줄의 특성상 운용 비용이 적게 드는 스케줄 결과를 이끌어 내기가 어렵다. 본 연구에서는 열차운용 시스템을 구성하기 위해서 현재 철도청에서 사용하는 시스템을 분석하여, 열차운용 스케줄링 시스템을 모델링 하였고, 이에 모델링한 시스템을 바탕으로 CSP(Constraint Satisfaction Problems: 제약조건 만족 문제) 해결 기법을 적용하여 계산시간 및 계산 복잡성 면에서 효율적인 스케줄링을 행함과 동시에 비용 최적 함수를 적용함으로서 열차 운용 비용이 최소가 되는 열차운용 스케줄링 시스템을 구현하였다. 더불어, 시스템모델 검증과정의 하나로 과거 운용되었던 새마을호 열차시간표와 열차 데이터를 사용하여 열차 운용 및 운용 비용의 최적화를 실험하였다.
2004년 4월 우리나라에 고속열차를 운행한지 5년이 되었다. 프랑스 TGV 열차를 한국형 지행과 환경에 최적으로 개량한 열차가 KTX 열차이다. 고속열차에 대한 연구와 개발로 차량의 외형적 장치 설계는 독자적인 설계 능력을 갖추었으나, 고속열차 열차제어진단장치 설계는 모방의 수준에 머물려 있다. KTX의 열차의 진단제어데이터를 분석하기 위해 VME 분석장비를 사용하여 수집하는 방법과 제어데이터구조를 분석하여, 열차제어진단장치에 대한 운용능력과 설계능력을 갖추어야 한다. 다양한 고속열차가 선로에 운용됨에 따라 철도운용자에게 필요한 다양한 열차제어진단에 대한 사전 대비를 함으로서, 고속열차 안전운행과 운용정비 절감을 위해 필요하다. 단일화된 열차제어진단 설계로 한국형고속열차 제작 능력뿐만 아니라, 운용능력 향상으로 고속철도 운영국가로서 위상이 확립되어야 한다.
본 논문에서는 세계적인 열차제어시스템의 발전 추세에 따라, 향후 국내 열차제어시스템의 개량 및 상호운용성을 확보하기 위한 목적으로 열차제어용 차상장치의 상호운용성을 확인하기 위한 시험의 결과에 대해 제시하고 있다. 안전이 최우선되는 철도시스템의 특성상 열차제어용 차상장치를 실제 열차에 설치하고 지상장치가 설치된 구간에서 시험 운행하는 것은 열차운행의 안전이 보장되지 못하기 때문에 열차제어시스템의 모의시험환경을 구성하여 시험하였다. 이를 위해 상호운용을 위한 열차제어용 차상장치의 송수신 데이터 체계를 확인하고 열차제어용 차상장치에 적용하여 상호운영성을 시험하였다.
차량운용문제 혹은 열차반복문제는 수송계획, 열차운행계획에서 작성된 열차운행시각에 기초하여 편성유형 또는 차종에 따라 주어진 제약조건(선회조건, 검수조건, 기지복귀조건 등)을 반영하여 최적의 차량운용 다이아, 운용순서를 구성하는 문제이다. 일반적으로 이 문제는 집합분할(Set Partition)문제로 모델링하여 열생성(Column Generation) 기법을 사용하여 제약조건에 맞는 운용을 생성하였다. 하지만, 본 연구에서는 지하철과 같이 열차운행의 빈도는 높고 물리적 네트웍은 간단하며 시종착역의 수가 적을 경우 많은 대안 경로(Alternative Routing)들이 생성되는 특징 및 일반 철도와는 다른 역에서의 공간적 제약에 따른 차량 선회 제약을 고려하여 차량운용수를 최소화할 수 있는 지하철 차량운용 문제에 대한 수학적인 모델을 제시하고자 한다. 먼저, 차량선회제약만을 고려하여 최소비용 흐름 모형으로 네트워크 모형을 구성하였다. 최소비용 흐름 모형을 결과로 생성된 운용을 바탕으로 각 운용의 운행거리를 정규화(Normalize)하는 휴리스틱 기법을 제안하였다. 또한, 이 방법론을 실제와 유사한 지하철 열차 스케줄에 적용하였고 약 14%의 차량소요 감소 및 최대 영업거리 약 11%, 표준영업거리편차 약 5% 감소를 통하여 본 연구결과의 유용성을 확인하였다.
본 논문에서는 세계적인 열차제어시스템의 발전 추세에 따라, 향후 국내 열차제어시스템의 개량 및 상호운용성을 확보하기 위한 목적으로 수도권 광역전철 중 하나인 분당선에 시범 설치된 무선통신기반 열차제어용 지상장치와 국가연구개발사업을 통해 개발한 무선통신기반 열차제어용 차상장치의 상호운용성을 확인하기 위한 통신인터페이스 시험의 결과에 대해 제시하고 있다. 개발된 무선통신기반 열차제어용 차상장치는 분당선 차량기지에서 설치 및 설치시험을 완료하였으며, 상호운용성 시험을 위해서는 분당선에 시범 설치된 지상장치와 인터페이스 시험을 하여야 한다. 그러나 안전이 최우선되는 철도시스템의 특성상 무선통신기반 열차제어용 차상장치를 실제 열차에 설치하고 지상장치가 설치된 구간에서 시험 운행하는 것은 안전에 대한 위험이 뒤따르기 때문에, 무선통신기반 열차제어시스템 모의시험환경을 구성하여, 상호운용을 위한 장치의 송수신 데이터 체계를 확인하고, 이를 개발된 열차제어용 차상장치에 적용하여, 상호운영성을 시험하였다.
최근 한국이 OSJD(Organization for Cooperation of Railway) 정회원에 가입함에 따라 우리나라도 OSJD의 협약을 적용받을 수 있어 소프트웨어적으로는 대륙철도와 연결되었다고 볼 수 있다. 그러나 오랜 세월 각 주변국들의 철도시스템들이 개별적으로 개발되고 운용된 결과 하드웨어적으로는 제약이 있어 현 상태의 철도시스템의 기술적 상호운용성에 대한 진단이 필요하고 장기적으로 상호운용성을 향상시키기 위한 방안 또한 필요하다. 이에 본 연구에서는 현 상태의 대륙철도 국가들의 철도시스템의 기술적 상호운용성을 유럽에서 활용하였던 기술적 상호운용성 기준인 TSI(Technical Specifications for Interoperability)를 기준으로 각 국의 철도시스템을 분석하였다. 실제 특정구간의 열차운행을 가정한 열차의 운행모델을 바탕으로 필요한 인프라 벡터와 철도차량 벡터의 모델을 만들고 열차운행에 따른 인터페이스에 의해 발생하는 상호운용성 행렬을 바탕으로 상호운용성 지수인 IOP(Interoperability Of Percentage)를 계량화하였다. 부산에서 블라디보스톡까지 디젤기관차와 화차를 활용하여 운행할 경우 IOP값은 22.2%에 불과하여 상호운용성이 낮은 편이었다. 즉 77.8%의 상호운용성 제약요인이 존재하는 것이다. 이와 같은 제약요인들은 장기적으로 기술적 상호운용성을 높이는 방향으로 건설 및 제작되어야 대륙철도구간의 열차운행의 장애요인을 감축할 수 있으며 상호운용성이 100%인 대륙철도 노선을 만들어 운용효율성이 높은 철도가 될 것이다.
도시철도시스템은 각 역간, 또는 역과 관제실간 많은 양의 데이터 전송을 통해 운용 및 관리되어진다. 역간 또는 관제실과의 인터페이스 정보는 도시철도 시스템의 효율적인 운용을 위한 정보들 뿐만아니라 열차의 안전운행에 필수적인 열차제어 정보들도 포함되어진다. 이러한 도시철도시스템의 운용에 필수적인 디지털 전송시스템의 운용현황과 전송기술의 발전방향을 분석하고, 이를 통해 도시철도 전송시스템의 발전방향을 분석한다.
고속열차의 운행속도가 증가함에 따라 이전보다 공기역학적인 요소들의 중요성이 커지고 있다. 열차와 터널의 형상설계뿐만 아니라 주변 환경을 위해 고속 주행하는 열차 주변의 유동장을 이해할 필요성이 있다. 본 연구에서는 고속 주행으로 인해 열차 주변에 발생하는 열차풍을 분석하여 선로 주변에 작용하는 풍하중을 계산하였고, 터널 주행 시 발생하는 압력변동과 객차 연결부의 비정상 열린 공동 유동을 살펴보았다. 그 결과 2차원 해석의 정량적 한계점이 나타났지만, 정성적인 경향은 선행연구와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 따라서 고속열차 주변의 공기역학적 특성의 이해와 열차 및 터널의 형상 변화에 따른 상대적인 비교를 위해서는 EDISON_CFD를 이용한 2차원 해석이 유용함을 볼 수 있었다.
Smart열차진로제어시스템은 실시간 열차속도와 열차위치정보를 토대로 진로제어구간을 진입 또는 진출하는 해당 열차의 진로를 제어한다. 현재 운용중인 열차진로제어알고리즘은 궤도회로를 이용해서 검지한 열차점유정보를 사용하고 있으므로, 새로운 개념의 알고리즘개발이 필요하다. 이를 위해서 다양한 형식의 열차가 감속성능을 구현할 수 있는 전동기와 구동장치를 사용하는 모의장치의 개발을 완료하였다. 모의장치는 무선통신기반의 간선철도용 열차진로제어시스템개발을 목적으로 하고 있으나, 알고리즘개발의 효율성과 편리성을 갖추기 위해서 ATS(Automatic Train Supervision), ATC(Automatic Train Control) 및 ATO(Automatic Train Operation) 등의 기능을 구현할 수 있도록 모의장치를 개발하였다. 본 논문에서는 모의장치 구성, 모의장치의 하부장치별 기능 및 각 하부장치에 설치되어 있는 프로그램구성을 다루고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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