지역간 복수차종 철도의 최적 노선계획

Abstract

대중교통 시스템의 중요성이 점차 강조되는 가운데 대중교통 운영의 효율성을 제고하고자 하는 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 특히 철도서비스는 시설투자비가 상대적으로 많이 소요되고 열차 구입 및 운영비가 상대적으로 커 노선설계부터 운영계획까지 신중한 접근이 필요하다. 본 연구는 지역간 여객철도의 운영 효율성을 제고하기 위해 노선계획을 최적화시키는데 목적이 있다. 노선계획은 철도 운영계획의 일부로써 노선의 시·종점, 정차패턴, 노선 운행빈도 등 열차 운영의 핵심적인 사항을 결정하는 계획이며 본 연구에서 제시한 노선계획 모형은 이용자비용과 운영자비용의 합을 최소화할 수 있는 시·종점 결정, 차종별 정차패턴 결정, 차종별 정차패턴별 운행빈도를 결정하는 혼합정수계획 수리모형이다. 모형의 해법으로는 선형완화기법을 적용한 후 선형문제를 풀기 위한 심플렉스법과 정수 조건의 최적해를 탐색하기 위한 분기한정법을 적용하였고, 이를 통해 일반적인 최적해를 도출하였다. 본 연구에서 제시한 모형은 기존 연구에서 다루지 못했던 차종별 수요 분할(시스템분할)을 모형 내에서 반영할 수 있으며, 동일 선로를 운행하는 서로 다른 각 차종의 정차패턴과 운행빈도를 모형에서 동시에 산출할 수 있어 현실 상황에 직접 적용할 수 있다. 민감도분석을 통해 수요·열차 속도·스케줄수의 변화에 대한 최적 정차스케줄의 변화를 분석하였고, 경부선 사례분석에서 정차역·차종·수송실적 등 다양한 제약을 반영한 시나리오를 설정하여 이에 대한 분석결과를 각각 제시하였으며, 철도 운영계획에 필요한 정책적 전략 수립 방향을 제시하였다.

Increasing importance of railway public transport, the research for enhancing efficiency of railway operation has been implemented persistently. The purpose of this research is to optimize the line planning of the intercity passenger railway. Line planning is a important part of railway operation plan, in which it determines the start and end station, halts patterns and frequency of the line. In this study, the line planning problem has been formulated into a mixed integer programming by minimizing both user costs (passengers total travel time) and operator costs (operation, maintenance and vehicle costs) with multiple train types. The branch-and-bound method is used to solve this problem. The optimal halting patterns and frequency as well as system split with respect to each train type have been found in the case study of Kyoung-bu railway line in Korea. The change of travel demand, train speed and the number of schedules have been tested through sensitivity analysis. Also, optimal railway operation planning strategies are suggested for various scenarios with different vehicle type compositions and traffic constraint conditions including a number of stopping stations.