전기동차 에너지 저감을 위한 운전자보조시스템의 적용성에 관한 실증 연구 = An Empirical Study on the Applicability of a Driver Advisory System for Reducing Energy Consumption in Electric Multiple Units

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to empirically verify the applicability of a Driver Advisory System （DAS） for reducing energy consumption in electric multiple units under actual revenue-service operating conditions. Previous studies on railway energy saving have mainly focused on vehicle performance improvement, infrastructure enhancement, regenerative braking utilization, and Automatic Train Operation （ATO）. However, relatively limited empirical research has been conducted on energy consumption variation associated with driver operation behavior under actual railway operating conditions. Therefore, this study analyzed the operating characteristics of electric multiple units on the Gyeongchun Line and examined the relationship between energy consumption variation driver-operation-related factors based on actual operation data. and The target section of this study was defined as the Sinnae-Namchuncheon section of the Gyeongchun Line. The Sangbong-Sinnae and Namchuncheon–Chuncheon sections were excluded because frequent signal-related waiting and variations in operating conditions made quantitative energy comparison unsuitable. First, long-term operational data from electric multiple units operated without DAS were used as baseline data to analyze actual speed distance profiles, power running, coasting, braking patterns, and section-specific operating characteristics. These non-DAS operational data were not used as direct validation data for the S-DAS application effect, but as fundamental data for generating economic driving profiles and identifying baseline operating patterns under actual revenue-service conditions. Separate S-DAS trial operation data and revenue-service monitoring data for non-S-DAS and S-DAS operations were then used to verify the tracking performance of the economic driving profile and the observed energy-saving effect of S-DAS. Based on the analysis of baseline operating patterns, track conditions, vehicle performance, driving constraints, and actual operation data, this study designed a Standalone Driver Advisory System （S-DAS） with a non-interfering, on-board independent structure. The proposed S-DAS does not directly intervene in the existing traction, braking, or signalling control systems of the vehicle. Instead, it uses position, speed, energy consumption, traction notch, and braking information collected from the Train General Information System （TGIS）. The system compares the current operating state with the economic driving profile and provides advisory information to the driver through a Human–Machine Interface （HMI）. In addition, an Ethernet-based data interface structure was applied to improve real-time performance, scalability, and maintainability. The applicability verification of S-DAS was conducted using operation data obtained from the same vehicle system and interpreted under the same TGIS-based data processing criteria. The validation results using S-DAS trial operation and revenue-service monitoring data showed that the calculated reference energy consumption based on the economic driving profile for a round trip between Sinnae and Namchuncheon was 692.74 kWh, while the actual S-DAS trial operation energy consumption was 687.55 kWh. The deviation from the reference profile was −0.75%, indicating that the economic driving profile generated in this study can function as a reference profile that can be practically followed in actual electric multiple unit operation. In the revenue-service monitoring results, the average energy consumption decreased from 781.07 kWh in non-S-DAS operation to 725.75 kWh in S-DAS operation. This corresponds to an average reduction of 55.32 kWh. Based on the non-S-DAS average energy consumption, the average energy consumption reduction rate was approximately 7.08%. In addition, when the same energy difference is interpreted relative to the economic-driving reference energy consumption of 692.74 kWh, it corresponds to an observed excess-energy reduction effect of approximately 7.98% relative to the reference profile. Therefore, the 7.98% value in this study should be interpreted separately from the average energy consumption reduction rate. The excess-over-reference rate decreased from 12.75% in non-S-DAS operation to 4.77% in S-DAS operation, corresponding to an improvement of 7.98 percentage points. The similarity rate between the actual operation results and the economic driving profile increased from 87.25% to 95.23%, also corresponding to an improvement of 7.98 percentage points. These results indicate that, after S-DAS application, the actual operation results moved closer to the economic driving profile. In this study, the 7.98 percentage-point value represents the improvement in the excess-over-reference rate and the similarity rate, rather than the average energy consumption reduction rate. However, the comparison between non-S-DAS and S-DAS operations was conducted under actual revenue-service conditions. External factors such as operating date, signal conditions, passenger load, train spacing, dwell time variation, and driver operation differences could not be fully controlled. Therefore, the results of this study should not be interpreted as an absolute or universally generalizable reduction rate obtained from a fully controlled experimental test. Instead, they should be interpreted as observed changes in average energy consumption, excess-over-reference rate, and economic-driving-profile similarity under the same route, section, and TGIS-based data processing criteria. In addition, the interpretation of driver operation behavior in this study is based on outcome indicators such as energy consumption, excess-over-reference rate, similarity rate, and economic driving profile tracking performance, rather than on a direct and separate evaluation of individual driver control actions. Accordingly, this study does not claim direct causal identification of individual driver behavior. Rather, it presents an empirical interpretation of the relationship between energy consumption variation and driver-operation-related factors under actual revenue-service conditions. This study is significant in that it interprets railway energy consumption not only from the viewpoint of vehicle and track conditions, but also from the perspective of a human–machine integrated system involving driver operation behavior and driver advisory functions. It also empirically demonstrates the applicability and observed energy-saving effect of DAS through actual on-board application, trial operation, and revenue-service monitoring data. The findings of this study are expected to serve as basic data for expanding DAS application to general electric multiple units, improving driver advisory systems, and establishing railway energy-efficiency policies. Keywords: Driver Advisory System, S-DAS, Electric Multiple Unit, Economic Driving Profile, Energy Saving, Driver Operation Behavior, Applicability, Empirical Study

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 전기동차 운행 환경에서 에너지 저감을 목적으로 하는 운 전자보조시스템（Driver Advisory System, DAS）의 적용성을 실제 영업운전 자료를 기반으로 실증적으로 검증하는 것을 목적으로 한다. 기존 철도 에너지 저감 연구는 차량 성능 향상, 인프라 개선, 회생제동 활용 및 자동열차운전（Automatic Train Operation, ATO） 최적화 등을 중심으로 진행되어 왔다. 그러나 이미 운용 중인 일반형 전기동차에 이 러한 기술을 적용하기 위해서는 차량 개조, 제어계통 변경, 신호시스템 연계 및 운용 절차 변경이 요구될 수 있다. 이에 본 연구에서는 기존 차 량 제어계통과 신호시스템을 직접 변경하지 않고, 실제 영업운전 조건에 서 적용 가능한 비간섭형 차상 독립 구조의 독립형 운전자보조시스템 （Standalone Driver Advisory System, S-DAS）을 대상으로 적용성과 에너지 저감 가능성을 검토하였다. 연구 대상은 경춘선 일반형 전기동차이며, 분석 구간은 신호장치에 의 한 대기와 운행조건 변동이 빈번한 상봉~신내 및 남춘천~춘천 구간을 제외한 신내~남춘천 구간으로 설정하였다. 해당 구간은 단거리 역간, 장 거리 역간, 장대구배·터널 구간 및 절연구간이 포함되어 있어 운전행태 와 소비전력 변동 특성을 분석하기에 적합하다. 본 연구에서는 먼저 DAS가 적용되지 않은 장기 실제 영업운전 자료를 활용하여 시간대별 소비전력 분포, 동일 열번별 소비전력 편차, 구간별 속도프로파일 및 운 전패턴 특성을 분석하였다. 이를 통해 동일 노선과 유사한 운행조건에서 도 역행 지속시간, 타행 전환 시점, 제동 개시점 및 재역행 여부에 따라 소비전력량이 달라질 수 있음을 확인하였다. 이후 운전취급법에 따른 표준운전선도, 실제 영업운전 속도프로파일, 선로조건, 차량 성능 및 운행시간 제약을 반영하여 경제운전선도 생성 알고리즘을 구성하였다. 본 연구에서 경제운전선도는 표준운전선도를 대 체하는 선도가 아니라, 운전취급법과 표준운전선도의 제약조건을 준수하 는 범위에서 불필요한 역행과 재역행을 줄이고, 타행 및 적정 제동을 유 도하기 위한 에너지 저감형 권장 운전패턴으로 정의하였다. 경제운전선 도 생성 과정에서는 역간거리, 구배, 상대고도, 제한속도, 절연구간, 장내 진입 전 제동조건, 차량 성능곡선 및 실제 운행자료를 함께 반영하였다. 최종 경제운전선도는 단순히 계산전력량이 가장 낮은 선도를 선택하는 방식이 아니라, 운행시간 만족 여부, 제한속도 준수 여부, 절연구간 Power Off 타행 조건, 장내 제동조건, 차량 성능 한계, 운전자 추종 가 능성 및 S-DAS HMI 표시 가능성을 종합적으로 고려하여 선정하였다. 본 연구에서 설계한 S-DAS는 기존 차량 제어계통과 신호시스템에 직 접 개입하지 않는 비간섭형 차상 독립 구조로 구성하였다. S-DAS는 열 차종합정보장치（Train General Information System, TGIS）로부터 위 치, 속도, 운행시간, 노치, 제동상태 및 전력 관련 정보를 수신하고, 이를 경제운전선도와 비교하여 운전자 인터페이스（Human-Machine Interface, HMI）를 통해 권장 속도, 타행 시점, 제동 시점 및 운전지원 정보를 제공 하도록 설계하였다. 전력 관련 정보는 TGIS에 기록된 가선전압, 견인전 동기 전류, 추진전력량, 회생전력량 및 구간소모전력량 등을 기반으로 활용하였다. S-DAS는 별도의 전력 계측장치로 전력량을 새로 산정하는 구조가 아니며, TGIS 및 S-DAS 운행 로그에 저장된 자료를 경제운전 선도 계산전력량과 비교하는 구조로 구성하였다. S-DAS 적용성 검증은 시범운행 자료와 S-DAS 실행 및 미실행 영업 운전 모니터링 자료를 이용하여 수행하였다. 신내~남춘천 왕복 기준 경 제운전선도 계산전력량은 692.74 kWh, S-DAS 시범운행 소비전력량은 687.55 kWh로 나타났으며, 기준선도 대비 편차는 -0.75%로 산정되었 다. 이는 본 연구에서 생성한 경제운전선도가 실제 전동차 운행에서도 추종 가능한 기준선으로 기능할 수 있음을 보여준다. 또한 영업운전 모 니터링 결과, S-DAS 미실행 평균 소비전력량은 781.07 kWh, S-DAS 실행 평균 소비전력량은 725.75 kWh로 나타났으며, 두 조건의 평균 소 비전력량 차이는 55.32 kWh였다. 미실행 평균 소비전력량을 기준으로 한 평균 소비전력량 감소율은 약 7.08%로 산정되었다. 경제운전선도 기준 추종성 측면에서도 S-DAS 실행 운행은 미실행 운 행보다 개선된 결과를 보였다. 경제운전선도 계산전력량 692.74 kWh를 기준으로 할 때, S-DAS 미실행 운행의 초과전력률은 12.75%였으며, S-DAS 실행 운행의 초과전력률은 4.77%로 감소하였다. 이에 따른 초 과전력률 개선폭은 7.98%p로 나타났다. 또한 경제운전선도 유사율은 S-DAS 미실행 시 87.25%에서 S-DAS 실행 시 95.23%로 향상되었으 며, 유사율 향상폭 역시 7.98%p로 산정되었다. 따라서 본 연구에서 제 시하는 7.98%p는 평균 소비전력량 감소율이 아니라, 경제운전선도 기준 초과전력률 감소폭 및 유사율 향상폭의 의미로 해석하였다. 본 연구의 검증 결과는 시범사업 단계에서 설정된 특정 목표율의 단순 달성 여부를 판정하기 위한 것이 아니라, 실제 영업운전 조건에서 S-DAS 적용에 따른 소비전력량 변화와 경제운전선도 추종성 개선 여부 를 종합적으로 해석하기 위한 것이다. 실제 영업운전 자료는 신호조건, 선행열차 영향, 정차시간 변동, 승객혼잡도, 운전자별 조작 차이 및 차량 상태를 완전히 동일하게 통제한 반복시험 자료가 아니므로, 본 연구의 결과는 절대적·일반화된 절감률이라기보다 동일 TGIS 기반 자료에서 관 찰된 현차 적용성 검증 결과로 해석하는 것이 타당하다. 그럼에도 불구 하고 S-DAS 실행 운행에서 평균 소비전력량 감소, 초과전력률 개선 및 경제운전선도 유사율 향상이 함께 확인되었다는 점은 S-DAS가 일반형 전기동차의 실제 운행환경에서 경제운전 유도 수단으로 적용 가능함을 보여준다. 본 연구는 실제 전동차에 S-DAS를 현차 적용하고, 실제 영업운전 자 료를 기반으로 S-DAS 실행 및 미실행 운행 결과를 비교하였다는 점에 서 의의를 가진다. 또한 기존 차량 제어계통과 신호시스템을 변경하지 않는 차상 독립형 운전자보조시스템 구조를 통해, 일반형 전기동차 운행 환경에서도 운전자보조시스템의 단계적 적용 가능성을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 일반 전동차 DAS 확대 적용, 경제운전선도 고도화, 운전자 지원 시스템 개선 및 철도 에너지 효율 향상 정책 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구의 필요성 4
• 1.3 연구 목적 6
• 1.4 연구 범위 및 방법 8
• 1.5 논문의 구성 11
• II. DAS 이론 및 기술동향 13
• 2.1 철도에너지 소비와 절감 기술 14
• 2.2 운전자보조시스템(DAS)의 개념 및 구조 16
• 2.3 표준운전선도와 경제운전선도 이론 20
• 2.4 운전자 운전행태와 에너지 소비 24
• 2.5 국내외 적용 사례 및 선행연구 25
• 2.6 소결 29
• III. 운전행태와 소비전력 변동 특성 30
• 3.1 분석자료 및 선로ㆍ운전취급 조건 31
• 3.2 실제 운행 속도프로파일 및 운전행태 특성 40
• 3.3 소비전력 변동 특성 분석 47
• 3.4 주요 분석결과의 기술통계적 검토 59
• 3.5 종합 해석 및 DAS 도입 필요성 61
• IV. 경제운전선도 생성 알고리즘 64
• 4.1 경제운전선도의 정의와 후보선도 평가 문제 65
• 4.2 알고리즘의 입력 변수 및 동역학 모델 70
• 4.3 운전모드별 속도프로파일 산정 77
• 4.4 경제운전선도 생성 절차 80
• 4.5 알고리즘 적용 및 구간별 생성 방향 86
• 4.6 소결 87
• V. S-DAS 시스템 구성 및 설계 89
• 5.1 시스템 설계 개념 및 요구사항 90
• 5.2 시스템 전체 구조 93
• 5.3 데이터 수집ㆍ처리 및 통신 구조 96
• 5.4 운전자 인터페이스(HMI) 설계 100
• 5.5 시스템의 특징 및 차별성 103
• VI. S-DAS 현차 적용 및 성능 검증 105
• 6.1 현차 적용 및 시스템 연계 105
• 6.2 S-DAS 적용 절차 및 시험방법 113
• 6.3 데이터 수집 및 판정 기준 120
• 6.4 안전성 및 운행 영향 검토 127
• 6.5 시범운행 및 영업운전 결과 분석 129
• 6.6 에너지 저감 효과 및 현차 적용성 평가 138
• VII. 결론 148
• 7.1 연구 결과의 종합 148
• 7.2 연구의 공학적 의의 및 기대효과 150
• 7.3 연구의 한계 및 향후 연구 152
• 참고문헌 155
• Abstract 160