선형유도전동기방식 경량전철차량의 성능 평가 및 운행 패턴 최적화

Abstract

경량전철의 운행패턴은 일반적으로 역사간 거리와 운행시격이 짧기 때문에 거의 모든 운행 구간을 추진시 최대 견인력을 사용하고, 제동시 최대 제동력을 사용하는 현상을 보인다. 이는 국내에서 앞으로 건설되어질 경량전철의 운행 선로조건 및 운행시격 조건상 공통적으로 지닐 문제라 생각된다. 이러한 운행패턴을 지속적으로 사용하여 영업운행을 실시한다면, 엄청난 전력 에너지 소비를 초래하게 되고, 이로 인해 막대한 운영비용을 지불해야 한다. 따라서 이를 해결하고자 운행패턴 최적화에 대한 연구를 시작하였다. 무인운전 경량전철시스템의 가장 중요한 문제인 승객의 안전성이 최우선시 되어야 하기 때문에, 이에 직결되는 차량의 안전을 보장할 수 있는 차량성능 평가가 아주 중요하게 대두되고 있다. 효과적인 차량성능 평가를 위해서 데이터 분석의 정확도와 시간의 절약을 위해 종합 계측시스템을 개발하였으며, 이를 이용하여 견인/제동/타행 성능해석 프로그램의 입력 값으로 사용되는 주행저항 평가, 견인력 및 제동력 평가, 또한 참고 값으로 사용되는 전력 소비 에너지량 평가 등에 관한 시험 평가 결과 및 방법론에 대해 설명하였다. 실제차량이 주행하는 선로의 다양한 구배, 곡선, 속도제한 등의 조건으로 인한 차량의 견인 및 제동 특성 등을 적용하여, 소비 에너지를 최소화하는 운행패턴을 찾기 위해 견인/제동/타행 성능해석 프로그램의 성능을 향상 시켰다. 성능 향상된 견인/제동/타행 성능해석 프로그램은 기존에 존재하는 프로그램에서의 문제점인 100%의 최대 추진력 및 제동력만을 이용하여 해석할 수 있는 것에 반하여, 다양한 추진력 및 제동력의 변화를 적용하였다. 성능 향상된 프로그램을 사용하면 주어진 선로조건 하에서 차량의 성능이 적합한지의 여부를 판단하거나, 선로형상을 설계함에 있어서 차량의 성능과 관련하여 선로설계의 적합성 검토 및 새로운 설계 목적으로 사용할 수 있다. 또한 1량 1편성으로 제한되어 있었던 기존 프로그램과 달리 한국형고속열차와 선형유도전동기방식 경량전철차량에 적용하여 입증한 것처럼 다양한 차량 편성으로의 확대 및 모든 종류의 차량에 적용 가능하게 하였다. 성능을 향상시킨 견인/제동/타행 성능해석 프로그램의 신뢰성을 확보하기 위해 한국형고속열차 및 선형유도전동기방식 경량전철차량의 해석 결과와 실제 본선 시운전 시험 결과를 비교 검증하였다. 성능 향상된 견인/제동/타행 성능해석 프로그램과 차량 무게, 최대 가․감속도, 속도별 추진력 및 제동력, 주행저항, 구간별 속도제한 등 다양한 차량 성능 사양 및 영업 선로에 관한 입력 정보를 이용하여, 구속조건인 구간별 주행시간 제한, 가속도, 저크 등을 동시에 만족하며, 설계변수인 PWM값과 PWM 적용 구간의 변경을 통해, 목적함수인 소비에너지와 주행시간을 정규화한 값을 최소화하는 경제 운전에 적합한 운행 패턴을 찾는 최적화 기법을 적용하여, 주어진 시간에서 전력 소비에너지 및 주행시간을 최소화하는 최적화된 영업 운행 패턴을 제안하였다. 전력 소비에너지를 최소화하는 최적의 운행 패턴을 찾고, 연구 결과가 경제적인 열차 운행에 도움이 됨을 입증하였으며, 향후 연구과제에 대한 설명을 하였다.