PRT 시스템의역수용용량결정에관한연구 논문 59-6-10 A Study on the Capacity of the Off- line Station for PRT System 이준호 정락교 * (Lee Jun-Ho Jeong Rac-Gyo) Abstract - In this study we deal with a simple computer simulation algorithm to decide the PRT station capacity. PRT system is different from the conventional rail traffic system in such point that the station is off-line so as to guarantee a very short headway. This characteristic has correlation with the accurate prediction of the line capacity and with the scale of the off-line station. In this paper physical factors and vehicles per hour that are necessary to decide the off-line station scale and the off-line station capacity, respectively, are shown through a simple compter simulations. Key Words : PRT, Off-line station, Line capacity, Vehicle operational control 1. 서론 PRT 시스템의기본개념은매우짧은운전시격을유지하면서출발지에서목적지까지무정차로운전자없이자동운행하는것이며이러한요구조건을만족하기위해서선행되어야하는것은적절한운행제어알고리즘의개발과함께설계된노선에서감당할수있는수용용량을적절히산출하는것이다 [1][2]. 수용용량의산출을위해서는여러가지조건이종합적으로고려되어야하며특히 off-line 형태로역이설계되는 PRT 시스템에서는시간당수용할수있는역의규모산출이 PRT 시스템의효용성을결정하는중요한인자라고말할수있다 [3][4]. PRT 시스템은현재많은나라에서개발을추진중이거나상용화사업을추진하고있다 [5][6][7]. West Virginia 대학은미연방정부의자금지원으로 1970년대중반이후세계에서처음으로 PRT와같은개념의 GRT(Group Rapid Transit) 를대학구내에서운영이기능하도록실용화했으며이시스템은특별한안전사고기록없이지금도운영되고있다. 1980년대에는유럽여러나라와미국등지에서시스템개발및실용화사업을추진해왔으며독일의 Cabintaxi, 영국의 Ultra, 미국의 Skyweb express 등이대표적인시스템개발업체이며, 최근에는핀란드의 Techvilla Ltd., 미국의 MicroRail PRT, 싱가폴의 MonicPRT, 스웨덴의 Skycab, 한국의 Vectus 등이활발한실용화사업을추진하고있다. 특히영국의 Ultra 시스템은영국히드로공항 5터미널과주차장의연계교통수단으로선정된이후 2010년상업운전을눈앞에두고있으며, 미국의산호세시또한공항연계수단 교신저자, 정회원 : 한국철도기술연구원선임연구원 E-mail : jhlee77@krri.re.kr * 정회원 : 한국철도기술연구원책임연구원접수일자 : 2010년 5월 6일최종완료 : 2010년 5월 18일 으로 PRT 시스템을선정한이후 RFP 작성을완료하였다. 이와같이 PRT 시스템은연계교통수단으로서점차세계적인관심의대상이되고있으며우리나라의경우도각지자체를중심으로도입여부를면밀히검토하고있다. 본논문에서는 off-line 형태로구축되는 PRT 시스템역사의규모를산정하기위한간단한시뮬레이션모델을제시한다. Off-line 역사의규모산정은 transition-in, platform, transition-out 의길이에의해서결정되어지며그중에서도 platform의길이가가장중요한결정인자가된다. 시뮬레이션모델을구축하기위해서차량의길이, 정차대의길이, 정차대의수, 플랫폼에서최대차량속도, 문개폐에걸리는시간, 승객의승하차에걸리는시간, 불확실한임의의인자등을고려하였으며간단한시뮬레이션을통해서 PRT 시스템 off-line 역사규모산정에대한예를보인다. 2. Off- line 역구조미국토목공학회산하 APM(Automated People Mover) 표준사양에서 2010년 4월승인한 PRT 시스템의 off-line 구역 (section) 에대한정의가발표되었다. Off-line 구역은제한된속도로자동운전하는가이드웨이구역으로정의하며, off-line 역이나차량보관지역등이이에해당한다. 그림 1 은 PRT 시스템의 off-line 역의개념적구조를보여준다. PRT 시스템의역은주가이드웨이에서분기한 off-line 형태로구성되어지며이는 PRT 시스템의고유기능인짧은운전시격확보와주가이드웨이상에서차량의운행효율성의극대화를달성하기위함이다. Off-line 역은 transition-in 구간, platform, transition-out 구간으로이루어지며각각의구간에는차량의성능을고려한규정속도가정해진다. 구간별규정속도는역사의규모를정하는데주요인자로서작용하며특히 transition-in 구간에서의규정속도가높을경우는 platform에서차량이정차하는데긴제동거리를필요 1070
Trans. KIEE. Vol. 59, No. 6, JUN, 2010 (2) 식 (2) 에서차량진행시간을나타낸는 는 의함수로서 berth의수가많으며 는길어지고 berth 의수가적으면 는짧아진다. 따라서 은다음의식 (3) 과같이표현될수있다. 그림 1 Off-line 역의개념적구조 Fig. 1 Conceptual configuration of the off-line station 로하기때문에역사의규모는커질수있다. 따라서역사의규모산출과차량의성능사이에는매우밀접한관계가있으며, 역사의규모산출시에는다양한시뮬레이션과차량의설계에따른정확한차량의성능파악후구간별규정속도의설정이요구된다. 3. 수학적모델역사의규모를산정하고시간당역에서수용할수있는 PRT 차량의대수를파악하기위해서는수학적모델을활용한시뮬레이션결과에근거해서판단할필요가있다. 역사의규모를산정하는인자들중에서가장중요한부분은역에서수용할수있는 PRT 차량의대수이며이는 platform 의길이또는 platform내의 berth 수및 platform 내에서차량운행관련시간에의해서결정되어진다. 식 (1) 은역의시간당처리용량을나타낸다. 식 (1) 에서 vehicle operation time은초당차량운행간격, 는 platform에서 berth의수를나타낸다. 따라서 는 가 의함수로서 가많으면초당차량운행간격은길어지고, 가적으면초당차량운행간격은짧아지는것을의미한다. 따라서식에서보이는것과같이 platform에서시간당차량처리용량을크게하기위해서는 platform의 berth 수를많게하거나, vehicle operation time을짧게하는것이필요하다. 하지만위두가지조건은서로상반된의미를내포하고있기때문에여러가지상황및조건을조사해서최적화된역사규모산정조건을도출하는것이필요하다. (3) 여기서 uncertain time factor는예측하지못한차량의지연 시간을나타낸다. 4. 모의시험을 위한 영향인자의결정 이상에서살펴본식을통해서역에서소화할수있는시 간당차량의수를결정하기위한모의시험을수행하기위해 서는모의시험에영향을미치는영향인자들을고려할필요 가있다. 표 1 모의시험영향인자 Table 1 Variables for the simulations Factors Values Vehicle length Variable Berth length Variable Number of berth Variable Max. vehicle speed on 2.5 m/s = 9km/h platform Door open/close time 6 sec Deboarding/boarding time 9.5 sec or 10 sec Uncertain time factor 2 sec 식 (1) 에서 은위에서언급한것과같이 의함수로서초당차량운행간격을나타내며 platform 내에서차량의진행시간, 차량의문의열람과닫힘에걸리는시간, 승객이차량에서내리고타는데걸리는시간의합으로 결정되어진다. 식 (2) 는 를나타낸다. (1) 표 2에서알수있는것처럼역의차량수용용량을결정하기위해서는차량의길이, berth 길이, berth 수, platform 에서의최대차량속도, 차량문의열리고닫히는데걸리는시간, 차량에서내리고타는데걸리는시간, 예측하지못한시간인자등이기본적으로고려되어야하며특히 berth 길이의결정은차량의길이와차량사이의간격에의해서결정되고차량의길이는차량의제동특성과연관되어있기때문에 berth의길이를결정하기위해서는매우다양한시뮬레이션을통해서최적의조건을구하는것이올바른접근방법이다. 또한 berth의수는역의차량수용용량을결정하 PRT 시스템의역수용용량결정에관한연구 1071
전기학회논문지 59 권 6 호 2010 년 6 월 는데있어서매우중용한인자로서 berth 수의많고적음은 off-line 역의규모를정하데있어서직접적인인자가될뿐만이아니고전체 PRT 노선의경제성및효용성에도영향을미치는중요한영향인자이다. 본논문에서는임의의다양한 berth 길이및임의의 berth 수에대해서시뮬레이션을수행하고이들결과를통해서위에서언급한영향인자들이역의수송용량결정에미치는영향에대해서살펴본다. 표 2 berth 수, berth 길이, platform 의길이에대한관계 Table 2 Ralations betw een number of berth, berth length, platform length 영향인자 Berth 수 1 5 10 15 20 [VHP] Platform 길이 [m] 184 703 1084 1323 1487 3.8 19 38 57 76 그림 2 Berth 길이, berth 수및역의차량수용용량 Fig. 2 Berth length, number of berth, station capacity 5. 모의시험 본절에서는앞절에서살펴본내용들을기반으로모의시험한결과에대해서다룬다. 그림 2는 platform의 berth 의길이에대한시간당역의차량수용용량에대한것으로서 berth의길이는 1[m] 에서 5]m] 까지임의로변화시켰다. 또한이러한 berth의길이의변화에대해서 berth의수를 1에서 20까지변화시켰다. 그림에서알수있듯이이것은 berth의길이를일정한값으로고정할경우시간당역의차량수용용량은 berth 의수에의해서결정이되고, berth 의수를일정한값으로고정할경우시간당역의차량수용용량은 berth의길이에의해서결정되는것을의미한다. 일반적으로 PRT 차량의길이는 3.6[m] 정도이며차량간의간격을 0.2[m] 라고하면 berth의길이는 3.8[m] 이므로, 이때시간당역의차량수용용량은 berth의수가각각 1, 5, 10, 15, 20일때 는 184[VPH], 703[VPH], 1084[VPH], 1332[VPH], 1487[VPH] 의값을갖는다. 표 2는이들의관계를보여준다. Berth의길이, berth의수, 역의차량수용용량사이에는그림에서보듯이비례함수적인관계가성립하지않으며 berth의수가많아지고 berth의길이가짧아질수록역의차량수용용량은지수함수적으로증가하는것을알수있다. 그림 3은 berth 길이와 berth 수및 platform의길이에대한모의시험결과를나타낸다. 그림에서알수있듯이 platform 의길이는 berth 의길이및 berth의수에비례해서증가하는것을알수있다. Off-line 역의길이를산정할경우에는 berth의길이와 berth의수에의해서만결정되어지는것이아니고그림 1에서보는것과같이 transition-in 구간과 transition-out 구간도함께고려해야한다. transition in/out 구간의길이산정 그림 3 Berth 길이, berth 수및 platform 의길이 Fig. 3 Berth length, number of berth, platform length 은 PRT 차량의성능과밀접한관계가있다. 다시말해서 PRT 차량의제동성능이매우우수하다면 transition-in 구간의길이는어느정도짧게하는것이가능하지만그렇지않을경우에는 PRT 차량의제동특성에맞는 transition-in 구간의길이를확보해야한다. 이와같이 transition-in 구간과 transition-out 구간에대한설계규모는차량의역진입및진출속도와 platform에서의차량의최대허용속도에따라서변화하는가변성이큰인자이므로전체노선의구간별속도와연계해서매우신중하게설계할필요가있다. 표 3 은 berth 수, berth 길이, platform의길이에대한관계를보여주고있으며 off-line 역의길이를정하기위해서필요한 transition-in/out 구간의속도는 16[km/h] 및 23[km/h] 로설정했다. transition-in/out 구간의속도를 16[km/h] 및 23[km/h] 로할경우 34[m](17*2) 와 42[m](21*2) 의거리를 1072
Trans. KIEE. Vol. 59, No. 6, JUN, 2010 필요로한다 ([8] Skyweb express 연산 data 참조 ). 또한차량의탑승인원을차량당 2명및 3명으로설정했을경우 berth 수에따라서 26명, 1604명, 2168명, 2646명, 2974명및 552명, 2109명, 3252명, 3969명, 4461명의수송이가능하다. 표 3의영향인자별소요수치를고려하면 PRT 시스템의 off-line 역의규모를정량적으로결정하는것이가능하다. 신교통시스템으로서 PRT 시스템이환승연계수단으로서적용될수가능성이가장높다고하면 PRT 시스템이수용해야하는수요산정이정량적으로결정되어질수있으며이들수요요구에따라서표 3과같은분석이가능하다. 예를들면표 3에서보듯이 PRT 시스템의운영제어알고리즘및구현가능성등을고려하면역에서시간당처리용량은 1000[SVH] ~ 1300[SVH] 가적당하다고판단된다. 하지만 PRT 시스템에요구되는수요와 PRT 시스템의운행제어알고리즘의구현가능성은 PRT시스템의성공적인운영을위해서매우중요한상관관계를갖고있기때문에본논문에서고려한역의규모산정시나리오뿐만이아니고주 guideway 상에서 PRT 차량의적절한운행을위한영향인자별소요수치에대한시나리오개발및모의시험이병행되어야한다고판단된다. 표 3 영향인자별소요수치 Table 3 Values for the v ariables 영향인자시간당차량처리용량 ( ) 시간당수용인원 (2명/ 차량 ) 시간당수용인원 (3명/ 차량 ) 플랫폼길이 Transition 구간 (34m) 포함전체역길이 (17m 2=34m) Transition 구간 (42m) 포함전체역길이 (21m 2=42m) Berth 수 1개 5개 10개 15개 20개 184 703 1084 1323 1487 VPH VPH VPH VPH VPH 368 1,406 2,168 2,646 2,974 명 명 명 명 명 552 2,109 3,252 3,969 4,461 명 명 명 명 명 3.8 19 38 57 76 37.8 53 72 91 110 45.8 61 80 99 118 6. 결 론 본논문에서는 PRT 시스템의 off-line 역의규모를산정하기위한수학적모델과이를기반으로하는간단한모의시험을다루었다. Off-line 역은 transition-in/out, platform 구간으로나누어지며 off-line 역에서가장중요하게정량적 으로분석되어야하는부분은 platform의길이산정이며본논문의수학적모델은 platform의길이산정에초점을맞추고있다. transition-in/out 구간의길이는 PRT 차량의성능과매우밀접한관계가있기때문에 Skyweb express의연산 data를참조하였다. 모의시험을통하여 berth의길이, berth의수, 역의차량수용용량사이에는비례함수적인관계가성립하지않으며 berth 의수가많아지고 berth 의길이가짧아질수록역의차량수용용량은지수함수적으로증가하는것을알수있었으며, platform의길이는 berth의길이및 berth의수에비례해서증가하는것을알수있었다. 앞에서언급했듯이 PRT 시스템의성공적인운영을위해서는역의규모산정시나리오뿐만이아니고주 guideway 상에서 PRT 차량의적잘한운영을위한운영시나리오의구현가능성에대해서도매우신중한검토가이루어져야하며이러한검토들을종합한후에 PRT 시스템의수용가능용량을결정해야한다. 감사의글본연구는 2010년도국토해양부의승객여정선택형대중교통 (PRT) 운영기술사업에의하여이루어진연구로서국토해양부의지원에감사드립니다. Reference [1] Advanced Transit Association, "Persoanl Rapid Transit (PRT): Another Option for Urban Transit", Journal of Advance Transportation, Vol. 22, pp. 192-314, 1988 [2] J. E. Anderson, Transit System Theory, Lexington Books: 1978 [3] Jack, H. Irving, Fundamentals of Personal Rapid Transit, Lexington Books: 1987 [4] J.E. Anderson, "Control of Personal Rapid Transit", Telektronikk 1, 2003 [5] Jun-Ho Lee, "A Design of a Simulation Apparatus for the Control of the Personal Rapid Transit (PRT) Vehicles", The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 57, No. 11, pp. 2001-2005, 2008. [6] Jun-Ho Lee, "An Experimental Evaluation of the Vehicle Control Algorithm in Personal Rapid Transit System", The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 56, No. 10, pp. 1770-1774, 2007. [7] Ollie Mikosza, Wayne D. Cottrell, "MISTER and other New-Generation Personal Rapid Transit Technology", Transportation Research Board, 2007 [8] http://www.taxi2000.com/ "Basic Specifications", September, 2004 PRT 시스템의역수용용량결정에관한연구 1073
전기학회논문지 59 권 6 호 2010 년 6 월 저자소개 이준호 ( 李浚豪 ) 1964년 7월 3일생. 1987년광운대학교공대전기공학과종업. 1989년광운대학교전기공학과대학원종업 ( 석사 ). 광운대학교전기공학과대학원박사수료. 1998년일본가나자와국립대학교전기컴퓨터공학과졸업 ( 공학박사 ). 1998년 5월 - 2005년 1월 Univ. of Virginia 주립대기계항공공학과연구원. 2005년 2월 - 현재한국철도기술연구원전기신호연구본부선임연구원. 정락교 ( 鄭樂敎 ) 1964년 1월 25일생. 1991년인하대전기공학과졸업. 1999년동대학원졸업 ( 석사 ). 1990~1994년 ( 주 ) 한진중공업철차사업부. 2003년현재한국철도기술연구원도시철도기술개발사업단책임연구원 Tel : 031-460-5725 Fax : 031-460-5749 E-mail : rgjeong@krri.re.kr 1074