한국철도학회논문집제 19 권제 1 호 pp (2016 년 2 월 ) JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY FOR RAILWAY VOL.19, NO.1 pp (February 2016) ISSN (Print) IS

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1 한국철도학회논문집제 19 권제 1 호 pp (2016 년 2 월 ) JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY FOR RAILWAY VOL.19, NO.1 pp (February 2016) ISSN (Print) ISSN (Online) 신규차량도입시기의사결정을위한인버터제어전동차의잔여수명에따른비용분석 Cost Analysis of VVVF Inverter Train Based on Life-cycle to Determine the Introduction Timing of New Trains 이광섭 * 이찬우 양근율 민재홍 신종진 Kwang-Sub Lee Chan Woo Lee Keun-Yul Yang Jae Hong Min Jong Jin Shin Abstract Before urban railway vehicles reach their design life-span, operating agencies should determine when to buy new vehicles. Previous LCC (Life Cycle Cost) studies were limited because they independently focused on existing vehicles based on s that directly impacted only the operating agency without considering effects such as social s and the reduction of maintenance s. Thus, it is difficult to systematically determine when to buy new vehicles. This study investigated the operating and maintenance related s, especially from additional expenses and social s due to unexpected vehicle failures and safety accidents, and did an economic analysis of scenarios with different discount rates. Considering that the public is very concerned about safety after the Sewol ferry accident, additional s, which include social s, should be included in the analysis. This study shows that the economic priority of scenarios may change depending on whether those s are included and on the discount rate. The results of this study can help in the decision-making process for the planning and buying of new trains. Keywords : VVVF Inverter train, Life-cycle, Social s, Cost analysis 초록도시철도운영기관은전동차의설계수명이도래하기전에신규차량도입시기를결정해야한다. 최근널리활용되고있는생애주기비용 (LCC; Life Cycle Cost) 연구는현재운행중인분석대상전동차에직접적으로소요되는비용만을고려하며신규차량도입으로인한유지보수비용의절감효과, 사회적비용등을고려하지않아신규차량구매시기에따른비용을종합적으로판단하기어렵다. 본연구에서는 LCC 에서활용되는비용과노후화에따른고장및안전사고로인한운영기관의부대비용, 피해승객의사회적비용을포함하고, 신규차량의구매시기에따른대안별비용분석, 할인율변화에따른민감도를분석하였다. 세월호사고이후안전사고에대한국민적경각심이높은점을감안할때차량도입시기에대한의사결정과정에서부대비용과사회적비용을함께고려할필요가있으며, 본연구결과이러한비용의포함여부및할인율에따라대안의경제적우선순위가변동될수있음을보여주었다. 이는향후차량수급중장기경영계획수립을위한의사결정에큰시사점을줄것으로판단된다. 주요어 : 인버터제어전동차, 생애주기, 사회적비용, 비용분석 1. 서론 1.1 연구의배경 도시철도운영기관은차량의운영및유지보수계획뿐만아니라전동차의설계수명이도래하기전에기존전동차의수명을연장할것인지또는신규차량을언제구매할것인지여부를결정해야한다. 즉, 기존차량의잔여수명을합리적으로산정하고, 연장사용에따른기존차량의건전성과안전성을보장하기위해추가적으로투입해야할개조비용과신규차량도입시절감할수있는운영및유지보수비용등을포함한비용을분석하여중장기경영계획을수립할필요가있다. 그동안의철도차량수명연장에대한생애주기비용 (LCC; Life Cycle Cost) 분석연구는차량운영자또는제작자입장에서직접적으로소요되는비용만을고려하였거나, 분석대상차량을현재운행중인차량으로제한하여신규차량도입시기및이에따 *Corresponding author. Tel.: , The Korean Society for Railway. All rights reserved.

2 이광섭 이찬우 양근율 민재홍 신종진 78 한국철도학회논문집제 19 권제 1 호 (2016 년 2 월 ) 른유지보수비용의변화 ( 절감효과 ) 등을고려하지못해신규차량구매시기에따른비용을종합적으로판단하기어려웠다. 특히, 2014년 4월세월호사고이후안전사고에대한국민적인식이상당히높아져있는반면, 기존연구에서는고장 ( 운행장애 ) 및안전사고등으로인해운영기관이추가적으로부담해야하는부대비용과피해승객에게미치는사회적비용을고려하지못한한계가있다. 1.2 연구의목적및방법론본연구에서는 LCC 기법에서활용되는유지보수관련비용을분석하고신규차량의구매시기에따른시나리오별비용분석, 경제적할인율의변화에따른민감도분석뿐만아니라고장및안전사고에따른운영기관의부대비용과사회적비용을포함하여비용을분석하고자한다. 분석을위해인버터제어전동차표본조사사례분석을통해수명주기비용을고려한예방및보수정비비용등을산정하고, 차량의안전성및건전성을유지하고노후화된주요장치를개선하기위한비용, 고장및사고로인한부대비용 ( 정기적으로소요되는예방정비비용을제외한고장으로인한정비비용, 고장수리로인한운행손실 ) 과사회적비용 ( 고장, 사고및지연으로인한승객의손실, 인적및물적피해비용 ) 등을포함하였다. 논문의구성은다음과같다. 2장에서도시철도차량수명주기분석관련기존연구와국내외철도차량의사용내구연한및운용현황을검토하고 3장에서인버터제어전동차의비용을분석한다. 오이도 ~ 당고개구간에서운행중인인버터제어전동차표본 5량을조사하여외관검사, 주행장치결함검사, 고장및유지보수현황을조사분석하였으며, 최근 3년간비용관련데이터를수집하여평균유지보수비용을분석하였다. 또한차량이노후화될수록고장 ( 장애 ) 및안전사고의발생가능성이커지므로이에대한정비비용, 운영기관의운행 ( 영업 ) 손실, 인적및물적피해비용, 사회적비용등을분석하였다. 이를바탕으로신규차량도입시기별비용분석을수행하고할인율변화에따른민감도분석결과를검토한다. 마지막장에서정책적시사점과연구의한계에대해논의한다. 2. 기존연구고찰및도시철도차량운용현황 2.1 기존연구고찰 LCC는도시철도차량의사용내구연한또는수명주기분석, 경제성분석을위해최근많이활용되고있는기법이다 [1-6]. LCC는전동차구매에서부터폐차까지이르는차량의총생애주기에서소요되는비용의총합을말하며, 초기투자비용 ( 전동차구입가격및감가상각비등 ), 유지보수비용 ( 예방및보수정비비용등 ) 및운영비용 ( 에너지소비, 선로사용비용등 ) 을포함한다. Chung과 Lee [1] 는서울메트로인버터제어전동차의 LCC를분석하여전동차의경제적내구연한을추정하였으며평균총비용측면에서경제적사용내구연한은 46년, 유지보수비용가중치 10% 를고려할경우에는 41년으로산출하였다. 하지만, 연구대상전동차의최대사용가능기간을도입부터 50년으로가정하여, 철도안전법에서규정하고있는최대 40년을초과하여분석하였다. Park과 Kim [2] 은 1993년에도입된인버터제어전동차를대상으로샘플링을통한표준화를통해 LCC 비용을산정하고경제적내구연한을도출하였다. 신규차량의교체시점은분석대상차량의비용만을고려하였으며주기적으로발생하는총비용의변곡점중비용이가장많이투입되는시점을교체시점으로판단하였다. Park [3] 은코레일인버터제어전동차의 LCC를분석하였으며, Kim 등 [4] 은 LCC 비용계산에필요한철도차량의규격과가이드등관련된자료를조사및분석하고유지보수정보 DB 템플릿을제안했으며철도차량부품에대한 LCC를산정하였다. Lee 등 [5] 은자기부상열차시스템의수명주기비용산정방법을제시하고미국의도시간자기부상열차데이터를기반으로수명주기비용을평가하였다. 앞에서검토한기존연구들은신규차량의도입및그로인한유지보수비용절감을고려하지않고현재운행중인차량의 LCC 만고려했다. 이에반해 Han 등 [6] 은도시철도차량시스템의 LCC분석을위해 RAM(Reliability, Availability and Maintainability; 신뢰성, 가용성, 유지보수 ) 을고려하고차량은일반차량 ( 표준전동차 ) 과신뢰성을향상시킨차량을함께고려하여분석하였다. 한편, 생애주기비용산정또는사용내구연한분석과는달리 LCC의적용절차에관한연구도수행되었다. Chung 등 [7] 은도시철도차량의조달과정에서내에서 LCC의분석절차를설명하고, LCC 사전분석단계부터검증및보증단계에이르는절차에대해연구하였다. Kim 등 [8] 은운영기관입장에서철도차량을획득하는과정에서 LCC를도입하기위한 LCC의적용절차및모형을제시하였다. 2.2 철도차량사용내구연한및운용현황 국내도시철도운영기관중차령이 20 년이상된도시철도차량을운영하고있는기관은한국철도공사, 서울메트로, 서울도

3 신규차량도입시기의사결정을위한인버터제어전동차의잔여수명에따른비용분석한국철도학회논문집제19권제1호 (2016년 2월 ) 79 Starting year Agencies Table 1. Number of cars over 20 years old operated by urban railway operating agencies. KORAIL Seoul metro SMRT Busan transportation corporation Age of cars as of 2014 Resistor Inverter Resistor Chopper Inverter Inverter Chopper years years years years years years years years years years years years Sum Design life-span 25 years 25 years 25 years 25 years 25 years 25 years 25 years - 시철도공사및부산교통공사등총 4개기관이다 (Table 1). 전동차는초기에저항제어차량이도입되었으나현재는폐차또는인버터제어차량으로교체되고있다. 국내도시철도차량의사용내구연한관련기준및법규는도시철도법과철도안전법에서규정하고있다. 철도안전법이처음으로시행된것은 2005년이었으며, 설계수명이도래된차량에대하여최대사용내구연한이 25년으로제한되었다. 다만, 25년이상연장사용을위해서는정밀안전진단 ( 상태평가, 안전성평가, 잔존수명평가 ) 를통해최대 40년까지사용할수있도록규정하였다. 2009년에개정된철도안전법에서는철도차량의사용내구연한을명시하여, 이연한을초과한철도차량을운행할수없도록규정하였다. 철도차량종류별사용내구연한을살펴보면 1991년이후에제작된전기기관차의경우내구연한이고속철도차량은 30년, 일반철도차량은 20~30년 ( 디젤기관차 25년, 전기기관차 30년, 디젤동차 20년, 전동차 25년, 객차 25년, 화차 30년 ) 으로규정하고있다. 다만, 차량사용연한에도달한차량에대해국토교통부장관이실시하는정밀진단을받아안전운행에적합하다고인정되는경우에한해그사용내구연한을연장할수있다. 예를들어전동차의경우내구연한이 25년으로제한되어있으나정밀진단을통해최대 40년까지사용할수있도록되었다. 2012년에개정된철도안전법에서는사용내구연한관련사항이삭제되고내구연한관리는국가기관에서운영기관으로자율적으로넘어가는형태가되었으나내용적으로는 2009년시행된철도안전법의법규를준수해야하는형태이다. 하지만, 세월호사고이후안전사고에대한관심이증가하면서 2014년 5월개정시에는차량내구연한관리를 2009년규정수준으로되돌리면서안전을다시강화하였다. 외국의도시철도차량사용내구연한을살펴보면, 국내철도차량과유사한일본의경우, 과거철도차량폐차기준을운영한사례가있지만현재는폐지되어법적인사용내구연한에대한제한이없다. 영국과미국에서도철도차량의사용내구연한 / 폐차기준및정밀진단에대해국가적으로법규를만들어규제하고있지않고각운영기관마다철도차량도입시정기검수및전반검수계획을수립하여차량을관리하고있다 [9]. 3. 인버터제어전동차비용분석 3.1 유지보수관련비용분석 전동차의유지및관리를위해소요되는비용에는정기적으로수행되는유지보수비 ( 기본검수 (ES), 경정비 (LI-3,4), 중정비 (GI- 3,4 및 GI-6,7)) 와비정기적으로수행되는유지보수비 ( 차륜교환 (NWC), 차륜삭정 (WC), 임시검수 (T1)), 수명연장시안전성확보를위하여실시하는정밀진단및대수선비용, 그리고기존차량폐차에따른폐차수익이있다.

4 이광섭 이찬우 양근율 민재홍 신종진 80 한국철도학회논문집제 19 권제 1 호 (2016 년 2 월 ) Table 2. Average maintenance s and inspection standards by operation distance and year of introduction of the cars. Types Average s per 1 train (Won) Inspection standards by operation distance Year of introduction 1,500km Cars introduced before 2009 ES 1,031,095 (1) 3,500km Cars introduced after ,000km Cars introduced before 2009 LI-3,4 7,713,160 (2) 60,000km Cars introduced after ,000km Cars introduced before 2009 GI-3,4 221,689,414 (3) 720,000km Cars introduced after ,080,000km Cars introduced before 2009 GI-6,7 272,308,145 (4) 1,440,000km Cars introduced after 2009 NWC 76,498,920 (5) - - WC 474,688 (6) - - T1 158,630 (7) - - (1) Based on night time labor s, 13 inspectors and 2.5 hours of inspection. (2) Based on labor s, 13 inspectors and 20 hours of inspection. (3) Based on the past data of GI-3,4, including service contract, labor and material. (4) Based on the past data of GI-6,7, including service contract, labor and material. (5) Based on the past data of NWC, including service contract and wheel. (6) Based on labor s, 2 inspectors and 8 hours of inspection. (7) Based on night time labor s, 2 inspectors and 2.5 hours of inspection. 본연구에서는 1993년, 1996년및 1999년에도입된인버터제어전동차중표본 5량에대해외관검사, 차체치수검사, 주행장치결함검사, 부식검사, 전선열화검사, 전동차노후에따른고장및유지보수현황등을조사분석하였다. 또한본연구대상표본조사와동일한인버터제어차량에대한최근 3년간 (2012년 ~2014년 ) 데이터를수집하여평균고장및유지보수관련비용을분석하였다. 수집된자료와한국철도공사전동차유지보수비단가 ( 인건비등 ) 를기준으로평균유지보수비용을 Table 2와같이산정하였다. 기본검수 (ES) 는편성당약 1백만원 / 회소요되는반면, 중정비 (GI-6,7) 의경우편성당약 2.7억원 / 회소요되는것으로조사되었다. 차륜교환 (NWC) 은편성당약 76.5백만원 / 회소요되며차륜삭정 (WC) 약 47만원 / 회, 임시검수 (T1) 는편성당약 16만원 / 회소요되는것으로조사되었다. 이중기본검수, 경정비및중정비검수는전동차도입연도 (Year of introduction) 및운행주행거리 (Inspection standards by operation distance) 에따라검수주기가다르며검수시행기준은 Table 2와같다. 인버터제어전동차의정밀진단수수료는잔존수명평가를포함하여 1편성당약 2억원 / 회 1) 소요되는것으로조사되었다. 단, 수명연장시기에는잔존수명평가를포함하여모든평가비용이포함되나, 그이후 5년주기수행시에는잔존수명평가는신청자의선택에의해실시한다. 인버터제어전동차에대한대수선은국내에서수행된바가없다. 다만, 최근쵸파제어차량인부산교통공사 1호선차량에대한수명연장시안전성확보를위하여정밀진단실시차량에대한대수선비용을참고한다면 1편성당약 10억원으로추정된다. 인버터제어전동차의편성당폐차수익은약 1.3억원으로조사되었으며신규차량구매비용은최근전동차구매계획단가를기준으로 1편성당약 141억원 (10량 1편성기준 ) 으로조사되었다. 한편인버터제어전동차의성능및안전성향상을위해지속적인구조변경및개조 ( 예, ATC 장치및전선등 ) 가필요하며, 인버터제어전동차표본 5량사례분석과비용데이터분석결과인버터제어전동차의수명연장을위해서는 1편성당약 38억원의추가비용이발생할것으로분석되었다. 3.2 고장및안전사고로인한부대비용및기타비용전동차는주기적인예방정비와철저한준비에도불구하고차량의노후화로인해고장 ( 운행장애 ) 또는안전사고가언제든지일어날수있다. 예를들어, 2012년부산도시철도 1호선에서고압케이블노후로인해열차화재사고가발생하여 61명의인적피해 ( 입원환자 4명, 경상자 57명 ) 와팬터그래프등물적피해가발생하였다 [10]. 일반적으로전동차는안정화단계 ( 예, 차령 15년까지 ) 를거쳐노화단계 ( 차령 16년이후 ) 부터고장수가증가한다고알려져있으며 [6], 고장또는안전사고로인한정비비용 ( 예방 1) 상태검사 ( 외관, 치수검사 ), 안전성검사, 잔존수명평가 ( 차체및대차 ), 서류및보고서등의비용포함 ( 서울도시철도공사내부자료기준 )

5 신규차량도입시기의사결정을위한인버터제어전동차의잔여수명에따른비용분석한국철도학회논문집제19권제1호 (2016년 2월 ) 81 정비비제외 ) 와수리기간동안차량운행이정지됨으로인해발생하는운영기관의영업손실 ( 기회비용 ), 그리고운행중장애또는사고가발생하면운행지연은불가피하며이로인한열차승객의시간가치기회비용이발생한다. 본연구에서는최근 3년간 (2012년 ~2014년 ) 인버터제어전동차데이터와인버터제어전동차표본 5량이운행중인오이도 ~ 당고개구간을대상으로비용 을분석하였다 고장및안전사고로인한정비비용 ( 예방정비비제외 ) 예방정비외고장또는안전사고로인한정비비용산정을위해서는연간고장횟수와고장 1건당단위정비비용이필요하며본연구에서는식 (1) 과같이산정하였다. 연간고장횟수는평균고장간거리 (MKBF; Mean Kilometers Between Failure) 데이터를활용하였다. 인버터제어전동차데이터를분석한결과 MKBF가 19,000km로나타났으며, 이는누적거리 19,000km 마다고장 1건이발생할수있다는의미로써누적운행거리에따른연간고장횟수를산정할수있다. 차량시스템의고장은차령에따라초기단계 ( 최초 4~5년까지 ), 안정화단계 (15년까지), 노화단계 (16년이후 ) 를거치며, 일반적으로노화단계부터는연식, 마모 / 부식, 피로등으로인해고장의횟수가지수형태로증가한다고알려져있다 [6]. 수집된인버터제어전동차의운행장애데이터를차령별로분석한결과, 차령 16년이후부터운행장애발생건수가증가했으며증가율이연간최소 5% 이상으로나타났다. 따라서본연구에서는차령 16년이후부터고장발생이연간 5% 증가하는것으로가정하여고장횟수를산정하였다. 고장정비비용은일반적으로예방정비비용보다큰것으로알려져있으며 [6], 본연구에서는인버터제어전동차표본 5량을운행하고있는운영기관의기본검수비용의월평균비용 ( 약 722만원 ) 을참조하여 800만원으로가정하였다. 고장으로인한정비비용 = 연간고장횟수 고장정비비용 (1) 고장및안전사고로인한운영기관의운행 ( 영업 ) 손실고장이발생하면수리기간동안차량운행이정지되므로이로인해운영기관으로써는영업손실 ( 운행일정취소로인한손해등 ), 즉운행에대한기회비용이발생한다. 차량 1량이고장나더라도 1편성전체가운행되지못하므로편성단위로비용을산정할필요가있으며식 (2)~ 식 (4) 와같이운행손실을산정하였다. 연간가동률은연간평균고장간거리 (MKBF) 와연관되어있다. 목표 가동률 (99%) 을기준으로가동률 1% 감소에따른운영기관의평균운행손실은객관적통계자료의부족으로인해산정하기어려우며 Han 등 [6] 을참고하여 1,000만원으로가정하였다. MKBF는 19,000km이며, 고장횟수가증가함에따라 MKBF 및가동률은감소하게된다 [6]. 연간누적주행거리는약 130,000km, 표정속도는 37.57km/h, MTTR(Meantime to Repair, 평균수리시간 ) 은 4시간으로가정하였다. 연간누적주행거리 MKBF = (2) 연간고장횟수 MKBF/ 표정속도가동률 = (3) (MKBF/ 표정속도 )+MTTR 고장으로인한운행손실기회비용 =(0.99 가동률 ) 평균운행손실 (4) 인적, 물적피해비용안전사고는예기치못하게발생할수있으며차량이노후화될수록안전사고의발생가능성이높게마련이다. 도로 철도사업의예비타당성조사표준지침 [11] 에서는철도부문의교통사고비용을사망, 중상, 경상등의인적피해와대물피해를기준으로산정하고있으며, 도시철도의교통사고발생비율 ( 건 / 억인-km) 자료를이용하여도시철도교통사고발생건수 ( 사망피해건수는 0.01건 / 억인-km, 중상피해건수는 0.05건 / 억인-km, 경상피해건수는 0.13건 / 억인-km, 물적피해건수는 0.01건 / 억인-km) 와함께사고비용원단위를제시하고있다 (Table 3). 하지만, 차량노후화로인한인적, 물적피해를일으키는도시철도교통사고에대한객관적인통계자료가부족하다. 다만인적, 물적피해는식 (1) 에서설명한연간고장횟수 ( 차령 16년이후부터연간 5% 고장발생증가 ) 보다작게설정할필요가있으므로, 본연구에서는인적, 물적피해발생을일으키는도시철도교통사고건수가차령 25년이후부터연간 3% 증가한다고가정하였다 승객의시간가치기회비용운행중고장또는안전사고로인해운행이지연되면운영기관에직접적으로발생하는비용외에운행열차에탑승한승객들도지연으로인해피해 ( 시간손실 ) 을입게된다. 또한지연은고장또는사고가발생된해당열차뿐만아니라후속열차에도영

6 이광섭 이찬우 양근율 민재홍 신종진 82 한국철도학회논문집제 19 권제 1 호 (2016 년 2 월 ) Personal damage Types of s Death Serious injury Table 3. Personal and property damage s (10,000 won/case)[11]. Production loss Medical treatment Property damage Administration Excludes PGS 30, ,935 Includes PGS 42, ,071 Excludes PGS ,293 3,017 Includes PGS 1, ,585 6,035 Minor Excludes PGS injury Includes PGS Property damage ,129 Sum 향을미쳐운행지연이발생한다. 본연구에서는식 (5) 와같이사회적비용을산정했으며, 연간고장횟수는 MKBF(19,000km) 를바탕으로누적운행거리에따른연간고장횟수를활용하였다. 피해편성수는지연이운행노선의어느지점에서발생하느냐에따라크게차이가있을수있는바, 본연구에서는편도방향중간지점에서지연이발생한다고가정하였다. 분석대상구간에서는편도방향기준으로첨두시에는약 24~26편성, 비첨두시에는약 14편성이동시에운행하고있으므로, 노선의중간지점에서지연이발생한다는가정하에평균약 10편성의열차가피해를입는것으로가정하였다. 1회지연운행당소요시간은지연의원인에따라큰편차 ( 몇분에서몇시간까지 ) 가있을수있으나현재객관적인통계자료가없으므로, 철도사고등의보고에관한지침 [12] 의전동열차지연운행정의 (10분이상지연운행 ) 과여러지연사례를참조하여 1회운행지연당평균 20분이소요되는것으로가정하였다. 편성당평균승객수는분석대상구간각역별통과인원 ( 철도통계연보 [13]) 과역별운행횟수를활용하였다. 분석대상구간의평균 1회운행당역별통과인원은약 560명으로나타나본연구에서는편성당평균승객수를 550명으로가정하였다. 승객 1인당시간가치는예비타당성조사표준지침 [11] 의수도권철도평균시간가치를참조하여 4,867원 / 인 시간 (2014년기준 ) 으로설정하였다. 고장지연손실비용 = 연간고장횟수 지연시간 피해편성수 편선당승객수 시간가치 (5) 3.3 비용분석 비용분석개요앞절에서분석한인버터제어전동차유지보수비용및기타비용을기준으로, 1993년 ~1999년사이에도입된인버터제어전동차 30편성 (1993년 22편성, 1996년 3편성, 1999년 5편성 ) 을가정하여, 신규차량구입시기에따라서로다른대안을설정하고수명주기비용을고려한비용분석을통해인버터제어전동차노후화에따른적정신규차량투입방안을비교평가하였다. 분석및비용의기준년도는 2014년이며분석의최종년도는 2039년이다. 분석대상차량의도입시기가서로상이하므로차령을구분하고정기검수에필요한주행거리를바탕으로유지보수비용을산정하였다. 정밀안전진단은차령이 23년이되는해에실시하고대수선은정밀진단직후에수행하는것으로가정하였다. 신규차량구매비용은신규차량투입해당년도에일시불로지불한다고가정하였다. 사용연한 25년을초과한구차량의잔존가치는폐차에따른수익과동일하며, 신규차량의잔존가치는식 (6) 과같이정액법에의한감가상각비를산정하여잔존가치를산정하였다. ( 차량구매비 잔존가치 ) 감가상각비 = (6) 내용연수 분석에포함된비용항목은신규차량구매비및잔존가치, 차량유지보수비용 ( 기본검수, 경정비, 중정비, 차륜교환등 ), 기타비용 ( 정밀진단비, 대수선비, 개조비용등 ), 지연또는안전사고에따른부대비용및승객의시간가치기회비용이며, 구차량의구입비용 ( 매몰비용 ) 과모든대안에서공통으로발생하는비용 ( 예, 선로사용료, 동력비등의운영비용 ) 은분석에서제외하였다. 할인율은현실적인경제상황을반영할수있는할인율 3%(1995년 ~2014년통계청 3년만기국고채금리의평균 (6.3%) 과동기간소비자물가상승률의평균 (3.3%) 차이반영 ) 를기본으로, 도로 철도사업의예비타당성조사표준지침에서활용되는사회적할인율 5.5% 와현재와같은저성장, 저금리경제상황을반영한할인율 1%( 최근 5년간 3년만기국고채금리와동기간소비자물가상승률의평균차이가약 0.9% 임 ) 을반영하여할인율변동에따른민감도를분석하였다.

7 신규차량도입시기의사결정을위한인버터제어전동차의잔여수명에따른비용분석한국철도학회논문집제19권제1호 (2016년 2월 ) 83 Table 4. Number and year of new trains to buy. Year to buy Number of train Scenario-1 Scenario-2 Scenario-3 Scenario-4 Scenario-5 Precision diagnosis and large repair X O O O O 분석대안은정밀진단및대수선, 사용내구연한, 유지보수검수주기에따른연도별비용변화, 인버터제어표본조사건전성평가결과, 구매비용일괄부담경감을위한순차적도입시기등을고려하여신규차량도입시기에따라총 5개로설정하였다 (Table 4). 대안 1은수명연장없이신차구매, 대안 2는정밀진단및대수선후 2023년부터순차적신차구매, 대안 3은정밀진단및대수선후 2026년부터순차적신차구매, 대안 4는정밀진단및대수선후 2031년부터순차적신차구매, 대안 5는정밀진단실시후잔존수명이 15년연장된다고설정하였다. 따라서신규차량구매비용, 검수주기에따른유지보수비용 ( 기본검수, 경정비, 중정비등 ) 과노후화에따른부대비용및사회적비용항목은모든대안에공통적으로고려되었으며, 차량의수명연장을위해서반드시필요한정밀진단및대수선비용은대안 1( 수명연장없음 ) 을제외한대안 2~ 대안 5에만적용되었다. 각대안에대한자세한설명은다음과같다. 기본적으로수명연장없이신차를구매하는경우 ( 대안 1) 과정밀진단및대수선을거쳐잔존수명이 15년연장되는경우 ( 대안 5) 를설정하였다. 다만, 두대안모두운영기관입장에서는대량의신규차량을일괄적으로구매해야하는재정적부담이있다. 따라서두시기사이에순차적으로신규차량을구매하여일괄부담을경감할수있는대안을추가적으로분석할필요가있다. 우선, 전동차 1차축상스프링, 2차고무스프링, 차륜등많은핵심장치들은약 15 년주기로교환해야하므로 1993년도입된인버터제어전동차 22편성의경우 30년이되는 2023년이교환주기가된다. 따라서 2023년부터신규차량을구매하되, 일괄구매부담을경감하기위해 2023년부터 10편성씩 5년단위로순차적으로신규차량을구매하는경우를대안 2로설정하였다. 둘째, 유지보수를위한정기검수는검수주기가서로상이하여연도별로유지보수비용이상이하며특정연도에비용이피크치가발생하게된다. 앞장에서조사된유지보수비용의 LCC를분석한결과 2026년에유지보수비용이피크치가도달할것으로나다났다. 따라서 2026년부터신규차량을구매하되일괄구매의부담을덜기위해 5년단위로순차적으로차량을대체하는경우를대안 3으로설정했다. 다만인버터제어전동차의수명이 40년을넘지않도록, 1993년도입분 22편성중 10편성에대한신규차량은 2026년에 1차적으로도입하고, 1993년도입분 12편성에대한신규차량은 2031년에, 그리고나머지 8편성을 2036년에구매하는것으로설정했다. 셋째, 인버터제어차량 5량표본조사결과, 대차프레임의잔존수명이 13년정도예측되므로, 대안 4에서는 1993년도입차량중정밀진단결과에서건전성이낮은차량은차량사용연한을 38년을기준하여 2031년에 11편성을 1차적으로교체하고, 정밀진단결과에서건전성이좋은 11편성은사용연한 40년기준으로하여 2033년에 11편성을 2차교체하는대안이다. 그리고 1996년및 1999년에도입한차량은각각 2036년및 2039년에신규차량으로교체하는방안이다 비용분석결과할인율 3% 를기준으로 5개대안에대한 NPV( 순현재가치 ) 분석결과를 Table 5에정리하였다. 만약고장및사고로인한부대비용과사회적비용을고려하지않는다면순현재가치를기준으로대안 5, 대안 4, 대안 3, 대안 1, 대안 2의순으로유리한것으로분석되었다. 하지만, 부대비용과사회적비용을함께고려한다면, 대안 5, 대안 4, 대안 1, 대안 3, 대안 2의순으로나

8 이광섭 이찬우 양근율 민재홍 신종진 84 한국철도학회논문집제 19 권제 1 호 (2016 년 2 월 ) Scenarios Costs of new trains Purchase Residual value Table 5. Results of the economic analysis. Maintenance Other s (1) NPV(Net present value) Sub-total Additional and social (2) Accident (3) Scenario-1 362,461-36,333 61,679-3, ,373 82,123 2, ,444 Scenario-2 281, ,973 77, , , ,870 3, ,377 Scenario-3 260, ,318 78, , , ,315 3, ,453 Scenario-4 241, ,262 83, , , ,975 3, ,884 Scenario-5 232, ,401 84, , , ,553 3, ,517 (1) Includes precision diagnosis, large repair, remodeling, car scraping s. (2) Includes additional and social as a result of vehicle failure and assumes that it is increased by 5% annually after 16 years of vehicle. (3) Based on data from KDI [11] and assumes that it is increased by 3% annually after 25 years of vehicle. Total Fig. 1. Comparison of NPV by different discount rates. 타났다. 수명연장을하지않는대안 1의경우, 신규차량을일괄구매해야하는부담이있으나, 차량안전성및성능향상을위한차량개조비용을절감할수있고빠른시기에신규차량을도입함으로써유지보수및인력비용감소효과 ( 대안 5 대비 224억원절감 ) 가있으며, 정밀진단비및대수선비가필요없는장점이있다. 대안 2~ 대안 4의경우, 신규차량구매비용의일괄부담을경감할수있는장점이있다. 15년수명을연장하는대안 5의경우순현재가치비용이 4,365억원으로써모든대안가운데 NPV 가최소로나타나경제적으로가장유리한대안으로분석되었다. 하지만, 인버터제어전동차정밀진단표본조사결과, 대차프레임의수명이 38년 ( 설계수명 25년이후잔여수명 13년가능 ) 으로평가되어, 15년을연장하여사용하기위해서는대차프레임을 10년연장사용후안전성및건전성을철저히평가할필요가있다. 또한대안 5는신규차량일괄대량구매로인한예산확보가쉽지않은단점이있다. 어느대안이든차량구매시기가늦춰질수록노후차량핵심부품조달이어렵거나, 원인불명사고발생가능성이높고그로인해부대비용및사회적비용이증가할것으로예상된다. 따라서할인율 3% 기준으로대차프레임 38년잔존수명을감안한다면, 대안 4가 NPV면에서가장유리한것으로분석되었다. 한편, 미래사회에대한불확실성은언제나존재하며할인율변동에따른비용의민감도를분석할필요가있다. 할인율변화에따른 NPV의민감도결과를살펴보면, 동일대안을비교할경우할인율이높을수록현재가치는저하되어총순현재가치비용이작아지는것을볼수있다 (Fig. 1). 할인율이 1% 일때, 대안 1과비교하여대안 2는약 515억원증가, 대안 3은약 260억원증가, 대안 4는약 59억원증가인반면, 대안 5는약 19억원감소하는것으로나타났다. 신규차량구매시기의극단적인시나리오인대안 1( 수명연장안함 ) 과대안 5(15년수명연장 ) 을할인율 3% 일때와할인율 1% 일때를서로비교해보면, 할인율 3% 시대안 1과대안 5의 NPV 차이가약 329억원인반면, 할인율 1% 시대안 1과대안 5의 NPV 차이가 18억원에불과하다. 따라서, 할인율이낮을수록차량구매시기에대한비용민감도가작게나타나며, 특히현재와같은저성장, 저금리경제상황이지속되고차량노후화에따른원인불명안전사고를미연에방지하기위해선신규차량구매시기를앞당기는것이유리할수있다.

9 신규차량도입시기의사결정을위한인버터제어전동차의잔여수명에따른비용분석한국철도학회논문집제19권제1호 (2016년 2월 ) 85 특히, 할인율 1% 가정시, 대안별경제적우선순위는대안 5, 대안 1, 대안 4, 대안 3, 대안 2의순으로나타났다. 따라서, 대차프레임잔여수명 ( 최대 13년연장 ) 을감안하여대안 5를제외한다면, 수명연장이없는대안 1이가장유리한것으로분석되었다. 4. 결론 도시철도운영기관은전동차의설계수명이도래하기전에잔여수명을합리적으로산정하여신규차량의구매시기를결정해야한다. 본연구에서는기존의전동차수명주기분석기법인 LCC분석의한계를극복하고자고장및안전사고로인해운영기관이추가적으로부담해야하는부대비용과승객의시간가치기회비용등을함께고려하여전동차의효율적활용을위한방안을도출하였다. 비용분석을위해인버터제어전동차표본 5량을조사분석하고최근 3년간비용관련데이터를수집및분석하였다. 도입시기가서로다른인버터제어전동차 30편성을기준으로신규차량구매시기에따라분석대안을 5개로설정하고각대안에대한비용을비교분석하였다. 비용분석에는차량구매비용및잔존가치, 유지보수비용, 기타비용 ( 정밀진단, 대수선, 개조비용 ) 과함께차량노후화에따른고장및안전사고발생으로인한부대비용및사회적비용을포함하여분석하였다. 본연구에서는할인율 1%, 3%, 5.5% 에대한대안별순현재가치를비교분석했으며, 할인율에따라대안의우선순위가바뀔수있는것으로나타났다. 현실적인경제상황을반영할수있는할인율 3% 를기준으로순현재가치를대안별로비교하면, 대안 5(15년수명연장 ) 가비용면에서가장유리한것으로나타났으나, 인버터제어전동차정밀진단표본조사에서대차프레임의잔존수명이 38년 ( 설계수명 25년이후잔여수명 13년 ) 으로평가되었으므로대안 5를제외할필요가있으며, 따라서대안 4( 정밀진단및대수선후 2031년부터순차적신차구매 ) 가경제적으로가장유리한것으로나타났다. 그다음으로대안 3( 정밀진단및대수선후 2026년부터순차적신차구매 ), 대안 1( 수명연장없이신차구매 ), 대안 2( 정밀진단및대수선후 2023년부터순차적신차구매 ) 의순으로분석되었다. 세월호사고이후전국민적으로안전사고에대한관심이고조되고있으므로운영기관에서는노후차량으로인해발생할수있는운행장애 ( 고장 ) 및안전사고로인한부대비용및운행지연으로인해승객에게불편을주는사회적비용발생가능성을면밀히분석할필요가있다. 신규차량도입이지연될수록안전성확보를위한핵심장치교환비용이증가할가능성이높으며대량의차량을일괄구매하기에는발주시기에맞춰예산의확보어려움도예상된다. 본연구에서는기존 LCC 연구에서고려하지못했던신규차량구매비용의일괄부담의문제, 노후차량개선을위한구조변경및개조비용, 노후화에따른원인불명안전사고발생가능성및이로인한부대비용과사회적비용을고려하여대안을검토및분석하였다. 본연구를통해부대비용과사회적비용의포함여부및할인율에따라대안의경제적우선순위가변동될수있는결과를보여주었다. 이는향후철도차량잔여수명분석방법론과차량수급중장기경영계획수립을위한의사결정에큰시사점을줄것으로판단된다. 한편, 안전사고에대한관심이고조되고있는사회적분위기와는달리, 신규차량도입시기의사결정분석과정에서안전사고를어떻게고려해야하는지에대한명확한지침이없는게현실이다. 따라서노후화에따른안전사고등에의한부대비용등을반영할수있는객관적통계자료를축적하고비용을추정할수있도록추가적인연구도필요하며, 정책적및경제적판단기준을마련하여가이드라인을제시할필요가있다. 본연구에서는통계자료, 최근 3년간인버터제어차량데이터, 표본 5량에대한사례분석을바탕으로비용을분석했으나, 부대비용및기타비용산정에있어객관적통계자료및근거데이터의부족으로인해몇가지가정에의존한한계가있다. 향후충분한데이터가확보된다면추가적인분석도필요할것으로보인다. 또한본연구에서계량화하지못했던추가적인편익 ( 신규차량조기도입에따른마케팅효과및이미지향상, 쾌적성향상으로인한수요증대효과, 폐차대상차량을다양한방법을통해새로운가치창출 ) 이있으며이에대한계량화연구도수행되기를기대한다. References [1] S.Y. Chung, W.Y. Lee (2012) Estimation of the life-span for urban rolling stock through LCC analysis (focused on Seoul Metro), Journal of the Korean Society for Railway, 15(5), pp [2] S.M. Park, S.T. Kim (2009) A research on the economical life-span setting of rolling stock based on the LCC(Life Cycle Cost) analysis, Conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp [3] S.M. Park (2009) Analysis to be used for the life cycle s calculation of rolling stocks for EMU, Conference of the Korean Society for Railway, GyeongJu, pp. 1-7.

10 이광섭 이찬우 양근율 민재홍 신종진 86 한국철도학회논문집제 19 권제 1 호 (2016 년 2 월 ) [4] J.H. Kim, H.K. Jun, J.S. Park, H.Y. Jeong (2009) A study on the life cycle calculation of the railroad vehicle based on the maintenance information, Journal of the Korean Society for Railway, 12(1), pp [5] Y.S. Lee, J.O. Kim, H.C. Kim, D.U. Jang (2009) A study on modeling of life cycle for magnetic levitation train, Journal of the Korean Society for Railway, 12(6), pp [6] S.Y. Han, S.K. Hong, C.S. Ha (2005) Analysis of life-cycle for urban transit system using RAM, IE Interfaces, 18(4), pp [7] K.W. Chung, Y.S. Jeon, J.Y. An, C.S. Kim, J.D. Chung (2009) Verification of life-cycle for the urban railway vehicle, Conference of the Korean Society for Railway, GyeongJu, pp [8] J.W. Kim, K.W. Chung, J.S. Park, J.D. Chung (2010) A life cycle model and procedure for the acquisition of rolling stocks, Journal of the Korean Society for Railway, 13(3), pp [9] MOLIT (2010) A study of service life and precise diagnosis of railway vehicles, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, pp [10] ARAIB (2013) Railroad accident investigation report: Busan Transportation Corporation Subway Line 1, Aviation and Railway Accident Investigation Board, ARAIB R [11] KDI (2008) General guidelines for preliminary feasibility studies(road and Railroad), Public & Private Infrastructure Investment Center, Korea Development Institute. [12] MOLIT (2010) A guideline for the report on railway accidents, Ministry of Land, Infrastructure and Transport. [13] Achieved at (Accessed 14 November, 2014). (Received 19 May 2015; Revised 1 July 2015; Accepted 15 September 2015) Kwang-Sub Lee : krri.re.kr Korea Railroad Research Institute, 176, Railroad Museum Road, Uiwang-si, Gyeonggi-do, , Korea Chan Woo Lee : Korea Railroad Research Institute, 176, Railroad Museum Road, Uiwang-si, Gyeonggi-do, , Korea Keun-Yul Yang : Korea Railroad Research Institute, 176, Railroad Museum Road, Uiwang-si, Gyeonggi-do, , Korea Jae Hong Min : Korea Railroad Research Institute, 176, Railroad Museum Road, Uiwang-si, Gyeonggi-do, , Korea Jong Jin Shin : Korea Railroad Research Institute, 176, Railroad Museum Road, Uiwang-si, Gyeonggi-do, , Korea

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