차로별 교통류 상호영향에 따른 고속도로 합류부 교통와해 특성 분석에 관한 연구 Analysis of Breakdown Characteristics by Lane Interaction at Freeway Merging Area with a View of Time and Space원문보기
본 연구는 개별차량에 대한 미시적 분석이 가능한 고속도로의 실제 항공사진자료를 분석함으로써 고속도로-연결로 접속부를 포함한 합류구간의 교통류 특성을 차로별로 미시적으로 분석하여 기존 연구결과에서 찾아내지 못한 차로별 상호영향에 대한 기초연구를 수행함을 목적으로 한다. 본 연구에서는 고속도로-연결로 접속부에서 수집한 항공사진 원시 자료를 Matlab 프로그램을 사용하여 차로별 30초 단위의 교통량, 속도, 밀도자료를 생성하였고, 또한, 미시적 분석을 위하여 개별차량 차두시간(headway) 데이터를 차로별로 생성하였다. 연구수행 내용으로는 개별차로에 따른 속도, 점유율, 교통량, 차두시간 변화추이를 각각의 차로별로 비교하여 차로특성을 분석하였고 연결로 진입교통량으로 인한 본선 교통류의 정체과정을 분석하였고, 시간과 거리에 따른 시공간도를 작성하여 합류구간 교통류 특성에 대해 해석해보았다. 전체구간을 3개의 지점(합류전, 합류, 합류후)으로 구분하여 차로별 교통류 전이과정을 분석하였으며, 합류구간을 50ft지점으로 세분화하여 교통와해(breakdown)가 발생되는 정확한 위치를 찾아내어 교통류 전파과정을 면밀히 관찰하였다. 본 연구는 혼잡교통류 상태의 연결로 교통류와 본선 교통류간의 관계에 대한 미시적 분석을 수행하여 교통와해현상에 대한 정밀한 분석과 합류구간의 교통와해에 대한 다양한 분석방법을 제시하였으며, 이는 교통와해의 동적변화로 인한 고속도로 동적용량 결정을 할 수 있는 기초이론을 제공한다는 데에 의의가 있다.
본 연구는 개별차량에 대한 미시적 분석이 가능한 고속도로의 실제 항공사진자료를 분석함으로써 고속도로-연결로 접속부를 포함한 합류구간의 교통류 특성을 차로별로 미시적으로 분석하여 기존 연구결과에서 찾아내지 못한 차로별 상호영향에 대한 기초연구를 수행함을 목적으로 한다. 본 연구에서는 고속도로-연결로 접속부에서 수집한 항공사진 원시 자료를 Matlab 프로그램을 사용하여 차로별 30초 단위의 교통량, 속도, 밀도자료를 생성하였고, 또한, 미시적 분석을 위하여 개별차량 차두시간(headway) 데이터를 차로별로 생성하였다. 연구수행 내용으로는 개별차로에 따른 속도, 점유율, 교통량, 차두시간 변화추이를 각각의 차로별로 비교하여 차로특성을 분석하였고 연결로 진입교통량으로 인한 본선 교통류의 정체과정을 분석하였고, 시간과 거리에 따른 시공간도를 작성하여 합류구간 교통류 특성에 대해 해석해보았다. 전체구간을 3개의 지점(합류전, 합류, 합류후)으로 구분하여 차로별 교통류 전이과정을 분석하였으며, 합류구간을 50ft지점으로 세분화하여 교통와해(breakdown)가 발생되는 정확한 위치를 찾아내어 교통류 전파과정을 면밀히 관찰하였다. 본 연구는 혼잡교통류 상태의 연결로 교통류와 본선 교통류간의 관계에 대한 미시적 분석을 수행하여 교통와해현상에 대한 정밀한 분석과 합류구간의 교통와해에 대한 다양한 분석방법을 제시하였으며, 이는 교통와해의 동적변화로 인한 고속도로 동적용량 결정을 할 수 있는 기초이론을 제공한다는 데에 의의가 있다.
The purpose of this paper is to perform a basic study on the interaction between lanes, which can be achieved through analyzing traffic breakdown at the microscopic level. Using aerial photographic data for the microscopic analysis, this study analyzed the characteristics of traffic flow at a mergin...
The purpose of this paper is to perform a basic study on the interaction between lanes, which can be achieved through analyzing traffic breakdown at the microscopic level. Using aerial photographic data for the microscopic analysis, this study analyzed the characteristics of traffic flow at a merging area. This research produced aggregated traffic data such as flows, speeds, and densities in 30 second intervals by lane for the macroscopic analysis and individual headway data by lane for the microscopic analysis. The paper contains an analysis of lane characteristics through flows, speeds, densities, and headway variations and also investigates the influence of ramp flows on mainline flows with space-time diagrams. Firstly, the merging area in this study is divided into three sections: before-merging, during-merging, and after-merging. The transition process was analyzed at each lane. Secondly, the breakdown was observed in detail with data divided in 50-foot units. The breakdown was checked through the relationships between ramp and freeway mainline flows, various techniques were proposed to analyze the breakdown, and the formation of breakdown was introduced as three stages in this study. In the near future, the findings of this study could contribute to determining the dynamic capacity on freeways by easily understanding changeable traffic breakdown patterns over time and space.
The purpose of this paper is to perform a basic study on the interaction between lanes, which can be achieved through analyzing traffic breakdown at the microscopic level. Using aerial photographic data for the microscopic analysis, this study analyzed the characteristics of traffic flow at a merging area. This research produced aggregated traffic data such as flows, speeds, and densities in 30 second intervals by lane for the macroscopic analysis and individual headway data by lane for the microscopic analysis. The paper contains an analysis of lane characteristics through flows, speeds, densities, and headway variations and also investigates the influence of ramp flows on mainline flows with space-time diagrams. Firstly, the merging area in this study is divided into three sections: before-merging, during-merging, and after-merging. The transition process was analyzed at each lane. Secondly, the breakdown was observed in detail with data divided in 50-foot units. The breakdown was checked through the relationships between ramp and freeway mainline flows, various techniques were proposed to analyze the breakdown, and the formation of breakdown was introduced as three stages in this study. In the near future, the findings of this study could contribute to determining the dynamic capacity on freeways by easily understanding changeable traffic breakdown patterns over time and space.
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문제 정의
본 연구는 개별차량에 대한 미시적 분석이 가능한 고속도로의 실제 항공사진자료를 분석함으로써 고속도로- 연결로 접속부를 포함한 합류구간의 교통류 특성을 차로별로 미시적으로 분석하여 기존 연구결과에서 찾아내지 못한 차로별 상호영향에 대한 기초연구 수행을 목적으로 한다.
본 연구는 개별차량에 대한 미시적 분석이 가능한 고속도로의 실제 항공사진자료를 분석함으로써 고속도로- 연결로 접속부를 포함한 합류구간의 교통류 특성을 차로별로 분석하여 차로별 상호영향에 대한 기초연구를 수행함을 목적으로 하였다.
본 연구는 본선으로 진입하는 연결로 교통류로 인해 발생하는 혼잡에 대한 영향을 각 지점별 본선 각 차로의 교통변수와 연결로 교통류의 교통변수를 이용하여 시공간적으로 분석하고자 한다.
전체구간중 3 개 지점(합류전, 합류, 합류후)의 차로별 교통류 전이 과정을 분석하며, 합류구간을 여러 지점으로 세분화하여 교통 와해(breakdown)가 발생되는 정확한 위치를 찾아내어 교통와해 발생 현상을 면밀히 관찰한다. 본 연구는 혼잡교통류 상태의 연결로 교통류와 본선 교통류간의 관계에 대한 미시적 분석을 수행하여 기존 교통류 이론을 실제 자료를 토대로 확인하고, 고속도로 합류구간 혼잡교통류의 교통와해에 대한 다양한 분석방법을 제시하며 . 혼잡교통류에 대한 기초이론을 제공한다는 데에 의의를 둔다.
본 연구의 의의는 혼잡교통류 상태의 연결로 교통류와 본선 교통류간의 관계에 대한 미시적 분석을 수행하여 교통와해 현상에 대한 정밀한 분석과 합류구간의 교통 와해에 대한 다양한 분석방법을 제시하였으며, 이는 교통 와해의 동적변화로 인한 고속도로 동적용량을 결정할 수 있는 기초이론을 제공하는데 있다. 그러나, 고속도로 1개 지점의 데이터만을 분석하였으므로 분석 결과에 대하여 일반화하기 어려운 한계성을 내포하고 있다.
본 절에서는 Santa Monica, Backlick, Rescoe 등세 구간 중 교통량이 가장 많고 교통류 혼잡의 영향이 나타나는 Santa Monica 구간을 대상으로 미시적인 관점에서 교통와해 현상을 분석해보았다.
용량은 반드시 교통와해 이전에 발생되지 않는다는 것이다. 즉, 용량이 교통와해의 전제조건이 아니고 교통 와해 발생의 유일한 요인이 아니라는 것이 자료를 통하여 조사됐다.
가설 설정
. 용량은 반드시 교통와해 이전에 발생되지 않는다는 것이다. 즉, 용량이 교통와해의 전제조건이 아니고 교통 와해 발생의 유일한 요인이 아니라는 것이 자료를 통하여 조사됐다.
제안 방법
Santa Monica 구간의 합류 교통류에 따른 본선 차로의 교통특성을 알아보기 위해 각 차로별 시공간도를 비교분석해 보았다.<그림 11>은 교통류 특성 분석에서 1~3분사이에 교통와해가 발생한 것으로 분석되었기 때문에 이 시간대를 포함하는 60~300초간의 시공도를 작성하였다.
개별차량 데이터 분석을 통하여 차로별 교통 와해 현상의 발생시점 및 지점을 찾을 수 있는 방법론(시간, 거리에 따른 개별차량 속도변화추이 그래프 활용)을 제시하였으며 교통와해 발생 메카니즘을 3단계(시작, 진행, 완성)로 구분하여 설명하였다.
수 있었다. 교통와해 발생 지점을 보다 더 정확히 찾기 위해서 먼저, 지점별 시간에 따른 개별차량의 속도변화추이를 분석하고자 한다. 분석 대상구간으로는 앞에서 결정된 Santa Monica 1차로의 합류구간을 50ft 단위로 세분화하였고 각각의 지점을 비교분석하였다.
교통변수로 변환하는 작업이 필요하다. 따라서, 본연구에서는 해당 고속도로 구간을 세 구간(합류전, 합류, 합류후)으로 분할하여 원시자료를 일정 간격 (500ft)과 수집 간격(30초) 단위의 교통변수를 산출할 수 있는 프로그램을 작성하였으며 이를 이용하여 각 관측지점별 분석단위 동안 교통량, 속도, 밀도와 개별 차두시간을 생성하였다.
생성한다. 또한 합류구간의 교통와해 형성과정과 교통류 전이과정에 대한 세밀한 분석을 위하여 합류구간을 50ft 간격으로 교통량, 속도, 밀도, 차두시간 데이터를 생성한다. 연구수행 내용으로는 개별차로에 따른 속도, 점유율, 교통량, 차두시간 변화추이를 각각의 차로별로 비교하여 차로특성을 분석하고 연결로 진입교통량으로 인한 본선 교통류의 정체과정을 분석한다.
또한, 좀 더 미세한 분석을 수행하고자 연결로 가속차로 길이 구간 내에 해당되는 본선 및 연결로 합류구간을 50ft 간격으로 분할하여 50ft지점별 분석단위 동안 교통량, 속도, 밀도와 개별차두시간을 생성하였으며 시공간도를 분석하기 위하여 개별차량의 시간과 거리자료를 생성하였다.
또한, 합류부의 운영상태를 분석하기 위하여 본선 전체차로에 대한 차로 1, 2의 교통량 비율(Pfm)을 산출하여 영향권내 교통량을 구한 후 연결로교통량(Vr) 과 1, 2 차로 교통량(V12)을 가지고 영 향권의 밀도(Dmr) 를 추정한 후 서비스수준을 결정하게 된다.
본 연구에서는 고속도로 차량들간 상호작용을 분석하기 위하여 미국 FHWA(1985)에서 수행하였던 항공 촬영 사진으로부터 차량의 위치를 계수화(digitizing)한 자료를 본 연구의 목적에 맞게 일부 가공하여 사용하였다. 고속도로 교통자료가 수집된 18개 지점 중에서 본 연구의 대상구간인 연결로 합류부의 3개 지점을 대상으로 자료수집 및 변환을 수행하였다.
본 연구에서는 고속도로-연결로 합류부에서 수집한 항공사진 원시 자료를 Matlab 프로그램을 사용하여 합류 전, 합류, 합류후 구간으로 구분하여 차로별 30초 단위의 교통량, 속도, 밀도자료를 생성하고, 미시적 분석을 위하여 개별차량 차두시간(headway) 데이터를 차로별로 생성한다. 또한 합류구간의 교통와해 형성과정과 교통류 전이과정에 대한 세밀한 분석을 위하여 합류구간을 50ft 간격으로 교통량, 속도, 밀도, 차두시간 데이터를 생성한다.
본 연구에서는 정체교통류에서 교통류 변수(교통량, 속도, 밀도) 특성을 파악할 수 있고, 연결로 합류부를 포함한 일정 구간길이 이상의 지점들을 선정하여 분석하였다. 자료 기준으로는 연결로와 본선 개별차로의 교통변수 값을 포함하고 있어야 하며, 미세한 분석을 위하여 매우 짧은 시간간격 동안의 교통 변수 값을 제공하여야 한다.
교통와해 발생 지점을 보다 더 정확히 찾기 위해서 먼저, 지점별 시간에 따른 개별차량의 속도변화추이를 분석하고자 한다. 분석 대상구간으로는 앞에서 결정된 Santa Monica 1차로의 합류구간을 50ft 단위로 세분화하였고 각각의 지점을 비교분석하였다.
시간에 따른 개별차량 속도변화추이의 분석을 통해서 1250ft 지점근처와 70초~10C초 사이에 교통와해가 발생했을 것으로 판단되어 시간별 거리에 따른 개별차량 속도변화추이의 시간 상 분석범위는 70초 ~ 100초 사이로 결정하였다.
또한 합류구간의 교통와해 형성과정과 교통류 전이과정에 대한 세밀한 분석을 위하여 합류구간을 50ft 간격으로 교통량, 속도, 밀도, 차두시간 데이터를 생성한다. 연구수행 내용으로는 개별차로에 따른 속도, 점유율, 교통량, 차두시간 변화추이를 각각의 차로별로 비교하여 차로특성을 분석하고 연결로 진입교통량으로 인한 본선 교통류의 정체과정을 분석한다. 전체구간중 3 개 지점(합류전, 합류, 합류후)의 차로별 교통류 전이 과정을 분석하며, 합류구간을 여러 지점으로 세분화하여 교통 와해(breakdown)가 발생되는 정확한 위치를 찾아내어 교통와해 발생 현상을 면밀히 관찰한다.
이를 위해 거시적 분석으로 교통량, 속도, 밀도 변화추이를 통해 교통류 특성을 분석하였고, 미시적 분석으로 시공간도를 이용하여 시간과 공간적인 관점에서 교통류 자료들을 분석하였고, 개별차량데이터를 이용하여 교통 와해 현상을 정밀하게 분석하였다.
연구수행 내용으로는 개별차로에 따른 속도, 점유율, 교통량, 차두시간 변화추이를 각각의 차로별로 비교하여 차로특성을 분석하고 연결로 진입교통량으로 인한 본선 교통류의 정체과정을 분석한다. 전체구간중 3 개 지점(합류전, 합류, 합류후)의 차로별 교통류 전이 과정을 분석하며, 합류구간을 여러 지점으로 세분화하여 교통 와해(breakdown)가 발생되는 정확한 위치를 찾아내어 교통와해 발생 현상을 면밀히 관찰한다. 본 연구는 혼잡교통류 상태의 연결로 교통류와 본선 교통류간의 관계에 대한 미시적 분석을 수행하여 기존 교통류 이론을 실제 자료를 토대로 확인하고, 고속도로 합류구간 혼잡교통류의 교통와해에 대한 다양한 분석방법을 제시하며 .
합류, 합류후 구간으로 구분하여 각 구간을 대표하는 지점을 선정하여 각 지점의 차로별 속도, 밀도, 교통량 변화추이를 분석하며 차로별 개별차량 차두시간의 변화추이를 분석한다. 합류 구간의 미시적인 분석을 위하여 50ft간격의 속도, 밀도, 교통량의 시간에 따른 변화추이와 개별차량 차두시간을 분석하며 시간에 따른 개별차량 속도변화추이와 거리에 따른 개별차량 속도변화추이를 분석하여 교통와해 현상을 해석하고자 한다.
합류구간을 세 구간 즉 합류전. 합류, 합류후 구간으로 구분하여 각 구간을 대표하는 지점을 선정하여 각 지점의 차로별 속도, 밀도, 교통량 변화추이를 분석하며 차로별 개별차량 차두시간의 변화추이를 분석한다. 합류 구간의 미시적인 분석을 위하여 50ft간격의 속도, 밀도, 교통량의 시간에 따른 변화추이와 개별차량 차두시간을 분석하며 시간에 따른 개별차량 속도변화추이와 거리에 따른 개별차량 속도변화추이를 분석하여 교통와해 현상을 해석하고자 한다.
대상 데이터
사용하였다. 고속도로 교통자료가 수집된 18개 지점 중에서 본 연구의 대상구간인 연결로 합류부의 3개 지점을 대상으로 자료수집 및 변환을 수행하였다. 본 연구에서는 3개 지점 중 Santa Monica 구간의 자료만이 정체류 발생으로 분석대상 지점으로 선정하여 분석하였다.
고속도로 교통자료가 수집된 18개 지점 중에서 본 연구의 대상구간인 연결로 합류부의 3개 지점을 대상으로 자료수집 및 변환을 수행하였다. 본 연구에서는 3개 지점 중 Santa Monica 구간의 자료만이 정체류 발생으로 분석대상 지점으로 선정하여 분석하였다.
성능/효과
Santa Monica 1차로의 합류후 구간(1500ft) 의 교통류 특성을 살펴보면, 합류후 구간에 속한 1500ft 지점의 교통량변화추이에서는 특별한 변화 없이 평균 2200대/h를 유지하였고, 속도변화추이에서는 1분~3분 사이에 속도가 급격히 떨어지고(79km/h—40km/h) 떨어진 후에는 속도가 회복되지 않았고, 밀도변화추이에서는 뚜렷한 변화 없이 평균 50 대/km대의 일정 수준의 밀도를 유지하는 것을 알 수 있다.
그 후 89초에 1210ft 지점에서 최저 속도를 보였고 이후 시간에는 1210ft 지점 근처에서 지속적으로 머물러 있는 것으로 분석되었다.<그림 13>a, b, c에서 시작부분 데이터들의 동일지점(타원형 구간)에서의 속도 편차를 비교하면 a와 b에 비해 c의 편차가 적은 것으로 보아 79초~88초 동안에 교통와해가 진행하는 단계인 것으로 판단되며 88초 이후 1210ft지점에서 교통 와해가 완성되어 정체교통류로 전이되는 것으로 판단된다.
<그림 13>b, c를 보면, 78초에 교통와해가 발생한 후 88초까지 최저속도 지점이 980ft 지점에서 1180ft 지점까지 약 200ft 간격으로 변화하면서 이동하는 패턴을 보였다. 그 후 89초에 1210ft 지점에서 최저 속도를 보였고 이후 시간에는 1210ft 지점 근처에서 지속적으로 머물러 있는 것으로 분석되었다.
보여 진다. 각 차로 시공도의 개별차량 데이터를 보면 연결이 끊어진 데이터는 차로를 변경한 차량들인데, 이러한 차로변경 차량들을 보면 1차로에서 가장 많이 나타났으며 특히 , 합류전, 합류, 합류후 구간 중 합류 구간에서 가장 많은 차로 변경이 발생한 것으로 보인다. 이 러한 이유는 합류구간이 연결로 가속차로구간에 해당되므로 본선 1차로에 진입하기 위하여 연결로 차량들이 차로변경을 실시한 결과라고 해석된다.
그 후 89초에 1210ft 지점에서 최저 속도를 보였고 이후 시간에는 1210ft 지점 근처에서 지속적으로 머물러 있는 것으로 분석되었다.<그림 13>a, b, c에서 시작부분 데이터들의 동일지점(타원형 구간)에서의 속도 편차를 비교하면 a와 b에 비해 c의 편차가 적은 것으로 보아 79초~88초 동안에 교통와해가 진행하는 단계인 것으로 판단되며 88초 이후 1210ft지점에서 교통 와해가 완성되어 정체교통류로 전이되는 것으로 판단된다.
기존 HCM 방법론에서 설명하고 있는 연결로 접속 부의 영향권인 본선 바깥차로 L 2차로가 본 연구의 차로별 영향권 분석결과와 동일함을 확인하였고, 연결로 합류 구간에서 연결로 차량의 진입에 따른 본선 차량 들의 차로변경과 가감속 행태들이 시공간도를 통하여 관측되었다. 개별차량 데이터 분석을 통하여 차로별 교통 와해 현상의 발생시점 및 지점을 찾을 수 있는 방법론(시간, 거리에 따른 개별차량 속도변화추이 그래프 활용)을 제시하였으며 교통와해 발생 메카니즘을 3단계(시작, 진행, 완성)로 구분하여 설명하였다.
본 연구에서 분석한 Santa Monica 지점의 1차로 교통 와해는 78초에 1, 080ft지점에서 처음 발생하였으며 (시작단계) 이후 10초간 980ft 지점에서 1, 180ft 지점까지 약 200ft 구간에서 변화하다가(진행단계) 88초 이후 1, 210ft 지점에 머물러있는(완성단계) 현상을 보였다.
본 연구에서는 교통류 특성분석에서 교통와해가 발생한 구간과 시간이 합류구간과 1분~3분 사이에 발생했음을 거시적으로 확인하였고, 시공간도 분석을 통하여 교통 와해가 발생한 차로가 1차로에서 발생했음을 확인할 수 있었다. 교통와해 발생 지점을 보다 더 정확히 찾기 위해서 먼저, 지점별 시간에 따른 개별차량의 속도변화추이를 분석하고자 한다.
후속연구
혼잡교통류에서 연결로를 통해 진입하는 차량이 본선교통류의 차량들과 갖는 상호작용은 자유교통류 상태에서 발생하는 상호작용보다 훨씬 크게 나타난다. 따라서 혼잡교통류에서 연결로 교통량이 본선교통류에 미치는 영향은 자유교통류 상태에서 관측되는 것과 다르게 분석되어야 할 것이다.
향후에는 본 연구에서 사용한 분석방법론을 이용하여 고속도로 합류부, 분류부, 병목구간 등 교통와해가 발생되는 다양한 도로 및 교통조건에서의 분석이 추가로 필요하고, 한 개 차로에서의 교통와해로 인한 본선 차로간 상호영향에 대한 정밀분석과 이로 인한 고속도로 전체의 동적 용량을 결정할 수 방법론 개발이 가능할 것으로 예상된다.
참고문헌 (8)
대한교통학회(2004) '도로용랑편람', p75
김상구, 박창호(1998), '고속도로 합류부의 교통 와해 원인 분석', 대한교통학지, 제16권 제2호, 대한교통학회, pp 54-55
Drew, D. R.(1968), 'Traffic Flow Theory and Control', McGRAW-HILL, pp 217-218
Elefteriadou, L. Roess, R.P., and McShane, W.R.(1995), 'Probabilistic Nature of Breakdown at Freeway Merge Junctions', Transportation Research Record 1484, TRB, pp 80-89
FHWA(1985), 'Freeway Data Collection for Studying Vehicle Interactions (Technical Report)' FHWA/RD-85/108
Hall, F.L. and Agyemand-Duah, K.(1991), 'Freeway Capacity Drop and the Definition of Capacity', Transportation Research Record 1320, TRB, pp 91-98
Ringert, J. and Urbanik, T.(1993), Study of Freeway Bottlenecks in Texas, Transportation Research Record 1398, TRB, pp 31-41
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