온실가스배출량을 고려한 컨테이너 화물 복합교통망 설계

Abstract

본 논문에서는 온실가스 감축 필요성에 대한 인식의 고조와 화물수송 구조의 비효율성 문제에서 출발하여 온실가스 저감형 화물교통망 구축을 목표로 하는 교통망 설계문제를 구축하였다. 광범위한 교통망 설계문제 중 전략적 차원의 시설용량 설계문제를 다루며, 상위수준에서는 교통망 계획가의 선택을, 하위수준에서는 사용자의 반응을 표현하는 bi-level 구조의 이산형 설계모형을 수립하였다. 온실가스 배출량 감축을 위해 상위수준의 목적함수에 화물교통망 설계에서 일반적으로 사용되는 통행시간 및 운송비용과 함께 운송과정에서 배출되는 온실가스로 인한 사회적 비용을 포함하였다. 이와 함께 온실가스 감축목표 달성을 위한 시설계획 수립을 유도하기 위해 배출량에 대한 제약을 포함하였다. 즉, 주어진 예산 하에서 배출량 제약을 만족시키면서 교통망의 총비용을 최소화하는 시설투자 대안을 도출하는 교통망 설계모형을 수립하였다. 온실가스 비용 최소화 및 총배출량 제약의 포함 외에 본 연구에서 수립한 화물교통망 설계모형은 다음과 같은 특징을 가진다. 첫째로, 복합수송을 모형화하기 위해 도로, 철도와 함께 환적시설을 링크로 표현하는 교통망 표현방식을 채택하였으며, 이를 통해 기존의 노드표지 기반 최단경로 알고리즘을 이용하여 복합수단 경로의 탐색도 가능하도록 하였다. 둘째로, 각 수단의 특성을 고려하여 수단별 링크통행시간 함수를 설정하여 수단별 혼잡특성의 차이를 반영하였으며 터미널에 대해서도 시설용량과 통행시간의 관계를 명시적으로 고려해 주었다. 셋째로, 함수 형태의 온실가스 배출계수를 적용하여 수단 및 시설수준별 온실가스 배출특성의 차이를 반영해 줌으로써 도로 혼잡 및 전기기관차 도입에 따른 배출량 변화가 고려할 수 있도록 하였다. 소규모 예제교통망을 대상으로 목적함수 및 제약식이 변화함에 따라 열거법을 이용한 최적설계해의 차이를 비교분석함으로써 온실가스 비용의 고려 및 온실가스 배출량 제약의 의의를 파악하였다. 온실가스 배출량 제약은 정책적으로 설정된 온실가스 감축목표를 달성할 수 있는 시설투자대안을 제시해 주며, 단위 수송량 당 배출계수가 낮은 수단 및 시설에의 투자를 유도하였다. 또한 목적함수에 포함된 온실가스 비용항은 통행시간비용을 크게 가중시키지 않으면서 배출량을 줄일 수 있는 시설투자대안의 선택을 유도하였다. 수립된 모형의 적용성을 확인하기 위해 영남권 컨테이너 수송망을 대상으로 사례분석을 수행하였으며, 유전자 알고리즘을 이용하여 설계해를 도출하고 다양한 정책적 시사점을 도출하였다. 분석 결과 온실가스 감축목표를 달성하고 온실가스 비용을 포함한 시스템 총비용을 낮추기 위해서는 터미널 용량 확장, 전기기관차 도입, 철도시설 용량 확장을 통한 철도분담률 제고가 필요함이 확인되었다. 온실가스 감축목표가 달성되면 혼잡도로 개선을 통한 통행시간 절감이 필요하나, 배출량 제약의 강도나 온실가스의 가치가 높아질 경우 통행시간 증가를 감수하면서 온실가스를 크게 저감할 수 있는 대안이 선택되어 여건 변화에 따라 투자방향도 달라져야 함을 보여주었다. 또한 가용예산의 규모에 따른 설계해 변화로부터 목표달성을 위한 투자 우선순위도 파악 가능하였다. 본 연구에서 수립한 화물교통망 설계모형은 장기적 시설계획의 초기 단계에서 대안들 간의 상호작용을 고려한 투자계획 수립에 활용 가능하며, 정책적인 온실가스 감축목표를 뒷받침할 수 있는 의사결정모형을 제공한다. 기존 교통망 설계모형에서 간과되어 온 온실가스 배출량에 의한 사회적 비용을 포함한 총비용을 최소화하는 투자계획을 도출함과 동시에 수단분담에 대한 목표값도 제공할 수 있다. 또한 통행비용함수의 간단한 조정을 통해 탄소세 부과, 철도 보조금 수준 결정 등 다양한 정책적 분석에 활용될 수 있을 것이라 판단된다.

Though the Green House Gas (GHG) reduction has become a main issue in transportation policy, the freight transportation in Korea still mainly depends on highway-based high emission modes such as truck and trailer. This study aims to proposes a discrete freight network design problem with GHG emission constraint for container transportation. The solution provides investment decisions on network capacity expansions of road, rail, and terminal facilities within the budget based on given network conditions. To meet the emission quota, this problem can also be used to evaluate the governmental policy on GHG mitigation in freight transportation networks. The network design problem is formulated as a bi-level mathematical program. The upper-level problem minimizes the objective function consisting of the generalized transportation cost and GHG cost with the maximum emission constraint. The lower-level decides the equilibrium flow pattern induced by the investment actions. Since the model deals with multiple transportation modes including road-rail intermodal transportation, it can reflect the difference in GHG emission level between road and rail, the highway congestion effects, and the impact of introducing electric locomotives in the railroad operation. The role of GHG emission cost and constraint has been identified by analyzing the enumeration-based optimal solution on a small hypothetical network. In addition, Genetic Algorithm technique has been applied to a case study on the South-east region of Korea. The results showed that the solution leads a network planning strategy to reduce the total system cost including GHG cost while achieving the emission mitigation target by investing in the railroad and intermodal freight terminal facilities. In addition, the case study presented how the investment strategy should be changed in response to changes in various conditions, such as the budget, emission quota, and the social cost of GHG emission.