[논문]아파트단지에서 도로교통소음 예측식 개발 및 검증

이내현; 선우영; 조일형

문제 정의

국립환경 과학원식(NIER)의 예측식은 대부분 최소자승법에 의한 통계적 분석을 토대로 개발된 경험식으로 우리나라와 같이 도로의 형태가 매우 복잡하고 다양한 조건에 적용하기란 매우 곤란하다. 따라서, 본 개발식은 소음발산레벨항은 점음원 이론식을 이격거리 감쇠항은 고층의 아파트에 적용하기 위하여 선음원 이론식을 토대로 개발된 이론식과 경험식을 혼합하여 개발된 식으로서 실측치에 대한 오차 보정계수 등 다양한 방법을 적용하여 도로별 특성에 맞는 예측식 수립을 하고자 식 (1)~(11)으로부터 본 개발식을 개발하여 제시하였다.
이에 본 연구에서는 택지개발사업지구에서 주로 사용된 국 립환경과학원식(NIER) 예측식을 실측치와 비교 및 평가하고, 본 연구 개발식을 바탕으로 층별 높이에 따른 소음도 평가 및 검증 등을 수행함으로써 향후 예측식 개발에 기초적인 자료를 제시하는데 본 연구의 목적을 두었다.

가설 설정

2. The concept of distance attenuation.
1. The concept of noise emission level.

제안 방법

Fig. 6(a)는 실측값(A), 87년 국립 환경과학원식(NIER)(B), 99년 국립 환경과학원식(NIER)(C), 그리고 본 개발식(D)에 대한 구간(interval) 그래프를 통해 각 식들의 평균, 신뢰 구간 및 데이터의 중심 위치와 변동성을 제시하였다. Fig.
또한 교통량 조사는 5층과 10층에서 계수기(Counter, 회사)를 사용하여 측정하고, 15층에서는 측정시간 동안 교통량을 비디오로 촬영한 후 연구실에서 재분석하였다. 그 외에 풍향, 풍속, 기온의 경우 현장에서 풍향.
또한, 기존의 도로교통소음 예측식의 수립과정에 대한 자세한 설명이나 관여인자에 대한 명확한 설명을 제시하고 있지 않은 점을 고려하여 예측식을 수립하였다. 다음 Table 3 에서 제시된 이론식을 바탕으로 예측식 수립을 위한 가정조건은 아래 Table 4와 같다.
첫 번째 아파트 층(1, 3, 5, 7, 10, 13, 15층)별 소음도 측정, 두 번째 이격거리(5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 m)별 소음도 측정, 세 번째 아파트 배치형태 직각배치와 평행배치에 따른 소음도 측정을 조사하였다. 또한, 현장 여건 중 도로교통소음에 영향을 미치는 요인으로 아파트 배치형태, 층수, 도로단으로부터 이격거리, 도로 폭, 차선수 등을 조사하였으며, 조사 내용을 제시하면 Table 2와 같다.
본 예측식을 수립하는 기본방향은 실험치를 기본으로 통계적 분석에 의한 예측식 수립보다는 소음 이론을 통하여 복잡 다양한 소음도에 가장 많은 영향을 미치는 인자를 선정하고 실험에 의한 일반적인 관계식을 통하여 도로교통소음에 적용 가능한 예측식을 수립하는데 초점을 맞추었다.
이때 공동주택 층별 높이에 따른 소음측정은 동시측정을 원칙으로 4회 반복하여 평균값을 이용하였다. 본 조사에 사용된 소음기(CR:812A, Cirrus co., LTD)는 8대를 이용하였고 차량속도 측정을 위하여 속도계 (Speed Gun)(Radar type, Decatur Electronics, Inc)를 이용하여 소형차, 중형차, 대형차, 오토바이로 선별한 후 소음계가 설치된 부근을 통과하는 순간의 차량속도를 측정하였다.
본 연구의 조사 내용은 크게 네 가지로 구분된다. 첫 번째 아파트 층(1, 3, 5, 7, 10, 13, 15층)별 소음도 측정, 두 번째 이격거리(5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 m)별 소음도 측정, 세 번째 아파트 배치형태 직각배치와 평행배치에 따른 소음도 측정을 조사하였다. 또한, 현장 여건 중 도로교통소음에 영향을 미치는 요인으로 아파트 배치형태, 층수, 도로단으로부터 이격거리, 도로 폭, 차선수 등을 조사하였으며, 조사 내용을 제시하면 Table 2와 같다.
(3) 조사 및 측정

측정일시는 날씨가 맑고 바람의 영향이 적다고 판단된 날짜를 선택하여 단지 내 도로교통소음에 대한 현황을 파악하기 위해 2002년 2월부터 2002년 3월까지 주간(06:00~22:00)과 야간(22:00~06:00)으로 나누어 단지 내 도로교통소음을 1시간 연속으로 측정하였다. 이때 공동주택 층별 높이에 따른 소음측정은 동시측정을 원칙으로 4회 반복하여 평균값을 이용하였다.

대상 데이터

공동주택내 도로교통소음 예측을 위한 기초자료 및 검증 자료 확보를 위하여 각 측정지구별 주. 야간 층별 소음도 측정이 용이한 지구를 Table 1과 같이 선정하였으며, 현지답사 와 도면검토를 수행하여 본 연구목적에 적합한 안양시 평촌 지구, 고양시 일산지구를 조사지점으로 선정하였다.

데이터처리

소음 이론식을 바탕으로 기존식에 대한 예측식 검토 및 검증과 도로교통소음 개발에 대한 기존 식과 비교, 검토 및 검증을 위해 SPSS 13 version for window와 Minitabe 14 version for window 등 프로그램을 이용하여 1) 기초통계(Basic statistics), 2) 회귀분석 (Regression analysis), 3) 잔차분석 (Residual analysis), 4) 상관분석 (Correlation analysis) 등을 수행하여 예측식을 검토하였다.
본 개발식을 평가하기 위해 1층부터 15층까지 측정된 값에 일반적인 통계치를 Table 6에 제시되었고 또한 공동주택 층 별(층고)에 따른 실측치와 개발식(식(11))에서 AD를 제외한 개발식의 예측치와의 적합성을 알아보기 위하여 직각 배치를 제외한 평면배치형태의 공동주택 층별높이에 따른 실 측치 및 개발식의 관계를 회귀분석 결과 회귀식 및 상관계수를 분석하였다(Table 7). Table 7의 결과로부터 7층에서 상관계수가 가장 높은 수치를 보여주었고 7층 주변으로 멀리 떨어질수록 상관도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
측정일시는 날씨가 맑고 바람의 영향이 적다고 판단된 날짜를 선택하여 단지 내 도로교통소음에 대한 현황을 파악하기 위해 2002년 2월부터 2002년 3월까지 주간(06:00~22:00)과 야간(22:00~06:00)으로 나누어 단지 내 도로교통소음을 1시간 연속으로 측정하였다. 이때 공동주택 층별 높이에 따른 소음측정은 동시측정을 원칙으로 4회 반복하여 평균값을 이용하였다. 본 조사에 사용된 소음기(CR:812A, Cirrus co.
예측변수와 반응 변수를 적합시킬 경우 회귀선의 점과 직선 사이의 거리를 최소화된 값들은 신뢰성이 매우 높다 할 수 있다. 일단 층별에 다른 적합 회귀선은 1차 선형관계를 나타났으며 1차 선형 관계의 신뢰성 분석은 95% 신뢰구간(CI: confidence interval)과 95% 예측 구간(PI: predict interval)에 따른 층별 소음도를 평가하였다. Fig.

성능/효과

Fig. 5(a)는 NIER, 87년식으로 95% 신뢰구간(CI: confidence interval)과 예측구간(PI: predict interval) 에 따른 회귀식 Y = 23.61+0.717X, 기여율1) = 25%를 갖는 적합회귀선을 얻었다. Fig.
Fig. 5(a)~(b)로 부터 '88년 및 '99년식에 대한 잔차들이 0주 위에 랜덤하게 흩어져 있지만 에서 멀리 떨어져 있는 점(특이치) 및 적합지에 따라 증가하거나 감소하는 현상 등이 상당히 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 오차항의 분산이 일정하지 않아 특이치에 대한 민감도가 상당히 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 5(a) 및 (b)의 결과로부터 NIER 88년식이 99년식보다 약 4배 가까이 신뢰성이 떨어지는 결과를 얻을 수 있었고 Fig. 3의 본 개발식 7층에 동일한 조건으로 적용한 결과 개발식이 국립환경과학원식(NIER) 의 기여율과 상관계수값 보다 상당히 높은 신뢰성을 보였다. Fig.
1) 본 개발식에 의한 아파트 층별 소음도에 대한 예측값의 기여율(R2)과 상관계수(r)를 이용하여 분석한 경우 1층부터 15층까지 1층(r = 0.7), 3층(r = 0.8), 5층(r = 0.82), 7층(r = 0.97), 10층(r = 0.86), 13층(r = 0.86), 15층(r = 0.80) 등 매우 높은 신뢰성분포로 나타났다.
2) 또한 중간 층 7층에서 적합 회귀분석 결과 95% 신뢰 구간 및 95% 예측 구간에서 가장 높은 신뢰성 및 정확성을 나타났다.
3) 본 개발식 공동주택 7층을 대상으로 국립환경과학원(NIER) '87년, '99년식을 적용하여 예측식을 평가한 결과 국립환경과학원식(NTER), 87년 및 '99년에서 기여율(R?)과 상관계수 가, 87년식에서 25%(0.5), , 99년식에서 7.5%(0.27)로서 매우 낮은 신뢰성을 나타났다.
Fig. 6의 결과로부터 기존의 환경영향평가시 공동주택 예측소음도를 산정하기 위해 대부분 사용되었던 국립환경과학원식(NIER)은 회귀분석, 잔차분석 및 보정계수를 바탕으로 한 신뢰성 분석 결과 상당한 예측 오류를 범하고 있음이 확인되었다. 따라서 본 개발식의 경우 상당한 신뢰성을 보여 차후 좀 더 정확한 예측식 수립을 위한 연구가 더 진행될 필요가 있다.
이는 Table 6에서 제시된 기초 통계량(평균, 표준편차, 최대 및 최소값 제시)에서 중간층(7층)에서의 측정된 평균소음도가 최고로 높게 발생되었다. 따라서 본 개발식은 7층에서 회귀분석결과 기여율(R2 = 89%), 상관계수(r = 0.97)와 ±3dB(A)의 오차범위를 고려할 경우 가장 적합성이 양호한 것으로 나타났다.
6(b)는 실측값에 대한 각 예측식의 보정계수를 이용하고 이를 통해 특이치의 구별과 분포형태를 확인하기 위해 수행하였다. 본 개발식은 보정계수 0을 중심으로 -2에서 +2로 분포되는 동시에 실제 측정값과 값이 정확하게 일치하는 3개의 값이 존재함을 확인할 수 있었다. 그러나 국립 환경과학원식(NIER)의 경우 '87년 식은 보정계수가 0을 중심으로 +2에서 +11까지 오른쪽으로 넓게 분포되었으며, 99년도 식은 0을 중심으로 좌 .
즉 정확성 측면에서 상대적으로 본 개발식에 비해 상당히 떨어지고 있음을 확인할 수 있었다. 상기 결과로부터 국내 소음예측식 증 공동주택(APT)에 적용할 경우 국립 환경과학원식 (NIER)은 도로단에서 10 m 이상 이격된 지역에 적용할 경우 신뢰성이 매우 떨어지고, 특히 교통량과 차속 등을 이용하여 예측할 때 또한 실측치와 많은 차이를 나타내는 등의 문제점이 발생하였다.
6(b)과 같이 유사한 결과를 나타났다. 즉 개발식은 데이터의 중앙값을 중심으로 한 box 형태가 보정계수 0에 가장 근접함을 확인되었다.
이는 오차항의 분산이 일정하지 않아 특이치에 대한 민감도가 상당히 존재하고 있음을 확인할 수 있다. 즉 정확성 측면에서 상대적으로 본 개발식에 비해 상당히 떨어지고 있음을 확인할 수 있었다. 상기 결과로부터 국내 소음예측식 증 공동주택(APT)에 적용할 경우 국립 환경과학원식 (NIER)은 도로단에서 10 m 이상 이격된 지역에 적용할 경우 신뢰성이 매우 떨어지고, 특히 교통량과 차속 등을 이용하여 예측할 때 또한 실측치와 많은 차이를 나타내는 등의 문제점이 발생하였다.

후속연구

한편, 는 공동주택 층별 보정계수, &D는 공동주택 배치형태에 따른 보정계수를 나타낸다. 따라서 개발식(식 (11))은 도로교통소음을 실험적으로 분석한 소음도와 교통량, 차속, 이격거리와의 일반적인 관계식을 음압레벨식과 무한길이의 선음원 거리감 쇠식에 적용하여 제시한 예측식으로서 공동주택 도로교통소 음 뿐만 아니라 광범위하게 도로교통소음을 예측하는데 적용이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 실험적으로 현장여건이 나, 도로특성, 지역특성을 고려하여 예측식의 변형을 통한 여러 가지 도로유형의 예측식 수립이 가능할 것으로 판단된다.
6의 결과로부터 기존의 환경영향평가시 공동주택 예측소음도를 산정하기 위해 대부분 사용되었던 국립환경과학원식(NIER)은 회귀분석, 잔차분석 및 보정계수를 바탕으로 한 신뢰성 분석 결과 상당한 예측 오류를 범하고 있음이 확인되었다. 따라서 본 개발식의 경우 상당한 신뢰성을 보여 차후 좀 더 정확한 예측식 수립을 위한 연구가 더 진행될 필요가 있다.
따라서 개발식(식 (11))은 도로교통소음을 실험적으로 분석한 소음도와 교통량, 차속, 이격거리와의 일반적인 관계식을 음압레벨식과 무한길이의 선음원 거리감 쇠식에 적용하여 제시한 예측식으로서 공동주택 도로교통소 음 뿐만 아니라 광범위하게 도로교통소음을 예측하는데 적용이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 실험적으로 현장여건이 나, 도로특성, 지역특성을 고려하여 예측식의 변형을 통한 여러 가지 도로유형의 예측식 수립이 가능할 것으로 판단된다.

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