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논문 기본 정보

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학위논문
저자정보

김현승 (서울시립대학교, 서울市立大學校)

지도교수
박동주
발행연도
2017
저작권
서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

초록· 키워드

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우리나라는 2016년 상반기까지는 단독 철도운영사인 Korail만이 철도서비스를 제공하여 왔기 때문에 사실상 선로배분권자의 선로배분업무는 단독 철도운영자와 선로작업시행자간의 상충 해소에 그쳤다. 이러한 이유로 선로배분업무의 복잡성이 비교적 낮았고, 선로배분과 관련한 연구나 합리적이고 공정한 선로배분을 위한 모형 개발 등이 미흡한 실정이었다. 최근 수서 고속철도라는 새로운 철도운영사가 고속철도 서비스를 제공하기 시작함에 따라 국내에도 복수 철도운영사 시대가 도래하였고, 이에 따라 이전에 비하여 공정하고 객관적인 철도 선로배분이 요구되기 시작하였다.
각 철도운영사는 자사의 수익 극대화를 위해 열차운행계획(열차시각표)을 수립한다. 따라서 복수의 철도운영사들이 수립한 열차운행계획에는 상충이 발생할 가능성이 매우 크다. 철도 선로배분자는 철도운영사들이 수립하여 제출한 열차운행계획에서 발생한 열차 간 상충을 해소하여 조정된 열차운행계획을 수립한다. 본 연구는 우리나라의 철도 선로배분절차에 적용할 수 있는 선로배분모형을 개발하는 것을 목적으로 한다.
선로배분절차는 규칙기반 선로배분, 비용기반 선로배분, 입찰에 의한 선로배분방식 3가지가 있다고 알려져있다. 우리나라는 규칙기반 선로배분방식을 사용하고 있는데, 선로배분지침에 의해서 철도운영사간 열차운행계획을 조정하고 있다. 본 연구에서는 선로배분지침에 따라 선로배분권자가 조정 가능한 범위, 철도운영사의 서비스 유지를 위한 요구조건, 안전을 위한 필수 요구조건을 검토하여 이를 모형에 반영하였다.
철도 선로배분을 모형화한 연구들은 크게 철도 네트워크를 표현하는 방식에 따라 Space-Time Network 모형, Space Network 모형, Location-Time Network 모형으로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 목적식과 제약식의 수용 가능성, 모델의 확장성 및 구현 용이성, 결과 해석 등의 의사소통 용이성 등의 측면에서 장점이 많은 Location-Time Network 모형을 사용하였다. 한편, 이들 철도 네트워크 모형은 의사결정변수의 개수가 많아 합리적인 시간 내에 해를 도출해내지 못하는 NP-Hard문제로 알려져있어 대부분의 철도 선로배분 모형 개발 연구들은 Heuristic방법론을 사용한다. 국내 선로배분절차와 철도운영사들의 요구조건과 안전을 위한 필수조건들을 제약식으로 표현한 뒤 최대한 이들 제약식을 많이 반영할 수 있는 방법을 검토한 결과 비선형, 조건부(if~then 형태) 제약식 등을 모두 반영하기에는 Heuristic 알고리즘이 적절하다고 판단하였다. 이에 여러 Heuristic 알고리즘들을 비교 검토하여, 모형의 확장성, 제약식의 추가 및 완화 용이성, 다양한 제약식 수용 가능성의 장점이 있는 유전자 알고리즘을 사용하였다.
Location-Time Network 모형과 유전자 알고리즘을 활용한 철도 선로배분 모형을 국내 고속철도(경부선, 호남선, 전라선)에 적용하여 본 결과 유전자 알고리즘 20번의 Iteration(Computing Running Time 기준 약 300분) 이내 해를 도출할 수 있는 것으로 나타났다. 해의 성능은 최초 388개의 열차 중 290개의 상충 열차가 존재하는 상태에서 최대 243개의 열차(약 83%)가 상충이 해소되었고, 상충이 해소되지 못해 제거된 열차들은 더 이상 제약식을 완화하지 않는 이상 스케줄링이 불가능한 상태로 분석되었다. 또한 현재 운행중인 KTX의 평균 운행시격 7.2분 대비 모형에 의한 열차시각표의 평균 운행시격은 5.8~6.2분으로 나타나 최소한 현재 운행시각표 보다 더 효율적인 해를 도출해내는 것으로 볼 수 있어 간접적으로 본 모형의 적정성을 확인할 수 있었다.

목차

제1장 서론 1
제1절 연구의 배경 및 목적 1
1. 연구의 배경 1
2. 연구의 목적 3
제2절 연구의 내용 및 범위 4
1. 시·공간적 범위 4
2. 내용적 범위 4
제2장 철도 업무 절차 고찰 6
제1절 철도계획 수립과정 6
1. 개요 6
2. 장기전략적단계(Strategic Level)의 철도계획 7
3. 중기전술적단계(Tactical Level)의 철도계획 7
4. 단기운영적단계(Operational Level)의 철도계획 9
5. 시사점 도출 9
제2절 철도 선로배분 방식 11
1. 철도 선로배분 방식 고찰 11
2. 국내 철도 선로배분 방식 12
가. 개요 12
나. 선로배분절차 13
다. 선로배분 주기 및 적용기간 17
3. 시사점 도출 17
제3절 문제제기 및 접근방법 18
제3장 기존 연구 및 사례 고찰 19
제1절 개요 19
제2절 철도 네트워크 모형 20
1. Space-Time Network 모형 20
가. Space-Time Network 모형 개요 20
나. Space-Time Network 모형 적용 사례 21
2. Space Network 모형 29
가. Space Network 모형 개요 29
나. Space Network 모형 적용 사례 30
3. Location-Time Network 모형 37
가. Location-Time Network 모형 개요 37
나. Location-Time Network 모형 적용 사례 38
4. 시사점 도출 45
제3절 최적화 방법론 46
1. Heuristic Algorithm 46
2. 시사점 도출 49
제4절 본 연구의 차별성 50
1. Meta Heuristic Algorithm의 적합성 50
2. Genetic Algorithm의 가능성 50
제4장 선로배분모형의 개발 52
제1절 모형의 요구조건 52
1. 국내 선로배분절차 52
2. 철도 안전을 위한 요구조건 53
3. 모형의 요구조건 53
제2절 모형의 구조 54
1. 철도 네트워크의 표현 및 문제의 정의 54
2. 목적함수의 구성 57
3. 제약조건의 설정 57
4. 모형의 구조 61
제5장 선로배분모형의 최적해 알고리즘 63
제1절 알고리즘의 구성 63
1. 유전자알고리즘 63
2. 철도 선로배분 모형을 위한 유전자알고리즘 적용 방안 63
3. 알고리즘 구성 69
제2절 알고리즘의 구현 71
1. 알고리즘 세부 모듈 및 Pseudo Code 71
가. Genetic_Algorithm함수 72
나. Generate_Initial_Population함수 72
다. Select_Train함수 75
라. Feasibility_Check함수 76
마. Set_Timetable함수 77
바. Selection 함수 77
아. Mutation 함수 79
2. 알고리즘 파라미터 설정 84
제6장 선로배분모형의 적용 및 평가 86
제1절 개요 86
제2절 철도 선로배분모형 적용 87
1. 기초자료 구축 87
2. 모형 적용 방안 90
3. 모형 적용 결과 92
제3절 모형 적용 결과 평가 98
1. 평가 방안 98
2. 모형 결과 평가 98
가. 조정된 열차의 시발역 조정내역 분석결과 98
나. 제거된 열차의 제거 원인 분석 결과 101
다. 평균 운행시격 분석 결과 120
3. 알고리즘 성능 평가 121
제4절 소결 124
제7장 결론 125
제1절 종합결론 125
1. 연구결과 종합 125
2. 제안 모형 활용 방안 126
제2절 향후 연구과제 127
參考文獻 128
國內文獻 128
國外文獻 129
부록 133
ABSTRACT 268
감사의 글 273

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